영흥 화력발전소 1호기 보일러에서 발생된 미연분은 석탄 회의 재활용 및 보일러 효율 측면에서 문제를 일으키고 있었다. 본 연구에서는 미연분 및 사용 석탄의 특성과 현장의 연소조건 분석을 수행하고 보일러 운전조건을 변경하므로서 보일러에서 발생되는 미연분을 저감하고자 하였다. 미연분의 물리, 화학적 분석 결과 대부분 중공(中空)형태의 Cenosphere와 뭉쳐진(Agglomerated) 형태의 Soot로 이루어져 있었다. 영흥 화력발전소에서 사용중인 6개 탄종에 대하여 Tar 및 Soot의 발생 가능량을 CPD(Chemical Percolation Devolatilization) 모델을 이용하여 조사한 결과, Sanseo, Ensham, Elk Valley 탄의 경우 그 발생 가능량이 비교적 적었으며 Peabody, Arthur, Shenhua 탄은 높았다. 영흥 화력발전소 1호기 보일러의 각 미분탄 공급관에서의 미분탄 공급량을 측정하였는데 코너 별로 공급되는 몇몇 버너에서 미분탄이 편중되어 공급되고 있음을 알 수 있었다. 이에 따라 soot가 주성분인 미연분의 산화율을 증가시키기 위하여 과잉공기량을 증가시키고 산화제와의 혼합정도를 높이기 위하여 SOFA(Separated Over Fire Air)의 yaw 각도를 적절히 조절함으로서 미연분의 발생량을 현저히 감소시킬 수 있었다.
영흥 화력발전소 1호기 보일러에서 발생된 미연분은 석탄 회의 재활용 및 보일러 효율 측면에서 문제를 일으키고 있었다. 본 연구에서는 미연분 및 사용 석탄의 특성과 현장의 연소조건 분석을 수행하고 보일러 운전조건을 변경하므로서 보일러에서 발생되는 미연분을 저감하고자 하였다. 미연분의 물리, 화학적 분석 결과 대부분 중공(中空)형태의 Cenosphere와 뭉쳐진(Agglomerated) 형태의 Soot로 이루어져 있었다. 영흥 화력발전소에서 사용중인 6개 탄종에 대하여 Tar 및 Soot의 발생 가능량을 CPD(Chemical Percolation Devolatilization) 모델을 이용하여 조사한 결과, Sanseo, Ensham, Elk Valley 탄의 경우 그 발생 가능량이 비교적 적었으며 Peabody, Arthur, Shenhua 탄은 높았다. 영흥 화력발전소 1호기 보일러의 각 미분탄 공급관에서의 미분탄 공급량을 측정하였는데 코너 별로 공급되는 몇몇 버너에서 미분탄이 편중되어 공급되고 있음을 알 수 있었다. 이에 따라 soot가 주성분인 미연분의 산화율을 증가시키기 위하여 과잉공기량을 증가시키고 산화제와의 혼합정도를 높이기 위하여 SOFA(Separated Over Fire Air)의 yaw 각도를 적절히 조절함으로서 미연분의 발생량을 현저히 감소시킬 수 있었다.
The unturned carbon in fly ash, recently occurred in the coal-fired Yong Hung power station, caused some problems in ash utilization and boiler efficiency. This paper describes the analysis of unburned carbon and six coals, some tests performed at Yong Hung Boiler, and the results of combustion modi...
The unturned carbon in fly ash, recently occurred in the coal-fired Yong Hung power station, caused some problems in ash utilization and boiler efficiency. This paper describes the analysis of unburned carbon and six coals, some tests performed at Yong Hung Boiler, and the results of combustion modification for the reduction of unburned carbon in fly ash. From the physical and chemical analysis of unburned carbon in fly ash, most particles were turned out to be hollow cenosphere and agglomerated soot particles. The sooting potential from six coals used in the plant were investigated with CPD(Chemical Percolation Devolatilization) model. The results showed that the higher potential was presented to Peabody, Arthur, Shenhua coals rather than other coals. It was necessary to measure the coal flow rates at each coal feeding pipe for four burner levels since they affect the extent of mixing of soot with oxidant, in turn, the oxidation rate of soot particles. The unbalance in coal flow rate was found in several coal pipes. We successfully reduced unturned carbon in ash by increasing the excess air and changing the SOFA's yaw angle.
The unturned carbon in fly ash, recently occurred in the coal-fired Yong Hung power station, caused some problems in ash utilization and boiler efficiency. This paper describes the analysis of unburned carbon and six coals, some tests performed at Yong Hung Boiler, and the results of combustion modification for the reduction of unburned carbon in fly ash. From the physical and chemical analysis of unburned carbon in fly ash, most particles were turned out to be hollow cenosphere and agglomerated soot particles. The sooting potential from six coals used in the plant were investigated with CPD(Chemical Percolation Devolatilization) model. The results showed that the higher potential was presented to Peabody, Arthur, Shenhua coals rather than other coals. It was necessary to measure the coal flow rates at each coal feeding pipe for four burner levels since they affect the extent of mixing of soot with oxidant, in turn, the oxidation rate of soot particles. The unbalance in coal flow rate was found in several coal pipes. We successfully reduced unturned carbon in ash by increasing the excess air and changing the SOFA's yaw angle.
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문제 정의
대한 분석을 수행하였다. 또한 미연분 발생이 보고된 3개의 탄종에 대하여 과이공기량, SOFA(Separated Over Fire Air) 의 yaw 각도 조정 등 현장 연소시험을 통하여 미연분 발생을 최소화할 수 있는 운전조건을 얻고자 하였다.
본 연구에서는 영흥 화력발전소에서 발생된 미연분의 물리, 화학적 특성을 분석하고 사용된 석탄에 대한 soot 발생 가능량 분석, 그리고 현장에서의 운전조건, 미분탄 공급 분포 등에 대한 분석을 수행하였다. 또한 미연분 발생이 보고된 3개의 탄종에 대하여 과이공기량, SOFA(Separated Over Fire Air) 의 yaw 각도 조정 등 현장 연소시험을 통하여 미연분 발생을 최소화할 수 있는 운전조건을 얻고자 하였다.
본 연구에서는 통상의 운전 조건은 그대로 유지하면서 산화제와 미연분의 혼합을 증대시키키 위하여 SOFA의 yaw 각도를 변경하고 보일러로 공급되는 과잉공기량을 증가 시켜 미연분 발생을 저감하고자 하였다. 이는 보일러의 운전상태, 플랜트 출력 등을 고려하여 기존의 운전조건을 가능한 한 변경시키지 않고 최소의 운전조건을 변경하여 문제를 해결하고자 한 것이다.
본 연구에서는 통상의 운전 조건은 그대로 유지하면서 산화제와 미연분의 혼합을 증대시키키 위하여 SOFA의 yaw 각도를 변경하고 보일러로 공급되는 과잉공기량을 증가 시켜 미연분 발생을 저감하고자 하였다. 이는 보일러의 운전상태, 플랜트 출력 등을 고려하여 기존의 운전조건을 가능한 한 변경시키지 않고 최소의 운전조건을 변경하여 문제를 해결하고자 한 것이다. 연소 조정 전, 후에 석탄 회(ash)를 각각 채집, 분석하여 미연분의 저감 여부를 확인하였다.
가설 설정
Tar의 원소분석치가 원탄과 매우 유사하며 2차 열분해 가스를 CO, H2, H2S, HCN으로 가정하고 soot의 조성을 Lau and Niksa가 사용하였던 C27H3로 가정하면 Merrick이 사용한바 있는 atomic balance로부터 soot의 발생 가능량을 구할 수 있으며 이를 Table 4에 나타내었다. 이 값들은 가스상(C2H2 등)으로부터의 soot 발생은 고려하지 않고 순수히 tar로부터 생성되는 것으로 가정하고 구한 것이다.
이를 Table 4에 나타내었다. 이 값들은 가스상(C2H2 등)으로부터의 soot 발생은 고려하지 않고 순수히 tar로부터 생성되는 것으로 가정하고 구한 것이다.
제안 방법
시험탄종은 그간 미연분 발생량이 많았던 Shenhua, Peabody, Arthur 탄을 적용하였다. Shenhua 탄과 Peabody 탄을 50% 비율로 섞은 혼합탄과 Arthur 탄을 100% 사용한 두 경우에 대하여 미연분을 측정하였다. 통상의 운전조건에서 혼합탄의 미연분을 측정한 후, SOFA(Separated Over Fire Air)의 yaw 각도(좌우 각도)를 변경하고 과잉공기량을 증가시킨 후의 미연분을 측정하여 이를 연소조정전의 값과 비교하였다.
、영흥 화력발전소 1호기 보일러의 운전조건을 변화시켜 미연분 발생량을 줄이기 위한 시험을 약 18일간에 걸쳐 수행하였다. 시험탄종은 그간 미연분 발생량이 많았던 Shenhua, Peabody, Arthur 탄을 적용하였다.
있다. 따라서 본 연구에서는 보일러 4개 층(A, B, C, D) 의각 버너별 연소공기량/미분탄의 양을 독일 Scallert 사의 SMG 10을 사용하여 측정하였다. 측정 원리는 pitot tube 형태의 유동 프로브를 미분탄 이송관에 삽입하고 유동단면을 대칭적으로 48개 분할면으로 나누고 각 분할면마다 순차적으로기-고 혼합물을 샘플링한 후 각 단면에서의 측정값을 가중평균하여 전체의 미분탄량, 공기량, 유속 등을 측정하는 방법이다.
6% 이었다. 또한, 연소시험중에 채집한 시료를 물에 부유시켜 미연 분의 양을 서로 비교하여 보았다. Fig.
먼저 석탄화염 내 soot의 발생과정, 산화 과정에 대하여 간략히 살펴보고 6개 탄종에 대한 soot 발생가능량을 분석하였다.
보일러의 코너별로 공급되는 몇몇 버너에서 미분탄이 편중되어 공급되고 있었으며 이로 인한 연료와 산화제의 혼합이 상대적으로 불균일하리라 예측되어 졌다. 미연분의 저감을 위하여 과잉 공기율을 증가시키고 보일러 화로 상부에서의 공기와 미연분의 혼합을 증가시키기 위한 SOFA(Separated Over Fire Air)의yaw 각도를 조정하는 등 운전적 측면에서의 연소조정을 수행하였다. 그 결과 미연분의 발생량이 현저히 저감되는 것을 확인하였다.
이는 보일러의 운전상태, 플랜트 출력 등을 고려하여 기존의 운전조건을 가능한 한 변경시키지 않고 최소의 운전조건을 변경하여 문제를 해결하고자 한 것이다. 연소 조정 전, 후에 석탄 회(ash)를 각각 채집, 분석하여 미연분의 저감 여부를 확인하였다. 본 연구에서 수행한 분석 및 실험내용을 정리하면 다음과 같다; 1) 석탄의 원소공업분석 및 석탄 회 성분분석, 2) 시료의 ICP 분석, 3) 시료의 SEM 및 EDS 분석, 4) CPD 모델을 이용한 tar/ soot 발생 가능량 조사, 5) 보일러 버너별 미분탄 공급유량 측정, 6) 현장 연소시험.
영흥 화력발전소 1호기의 각 층별 연소상태가 균일한지를 파악하기 위하여 보일러 각 층별, 버너별로 미분탄/공기량을 측정하였다. 영흥 화력발전소 보일러의 A, B, C, D 층의 각 버너별로 미분탄/공기 공급량을 SMG 10을 사용하여 측정한 결과를 Table 5에 나타내었다.
영흥 화력발전소서 발생된 석탄 회(ash)를 채취하여 미연분의 함량을 구하였으며 석탄재를 물에 침강시켰을때 부유 된 물질을 따로 채취하여 ICP(Inductively Coupled Plazma Mass Spectrometer) 분석, SEM(Scanning Electron Microscope) 및 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석을 수행하였다. icp 분석은 부유된 시료를 litre에서 건조하여 일정량을 취한 다음 왕수(염산과 질산의 혼산)로 용해하여 시료로 만들고, 시료 중 화학성분은 검정 곡선법에 의하여 각 성분 원소를 정량화하였다.
이들 6개 탄종의 공업분석, 원소분석 및 회재분석 등을 수행한 결과를 Table 1에 나타내었다. 이들 분석결과로부터 CPD(Chemical Percolation Devolatilization) mode?을 이용하여 탄종별 tar와 soot 발생 가능량을 분석하였다. CPD 모델*은 석탄의 열분해 시 휘발분의 양을 석탄의 화학적 구조 즉 NMR data를 이용하여 고속가열율 하에서 열분해 가스의 조성을 구할 수 있는 범용 모델이 다.
Shenhua 탄과 Peabody 탄을 50% 비율로 섞은 혼합탄과 Arthur 탄을 100% 사용한 두 경우에 대하여 미연분을 측정하였다. 통상의 운전조건에서 혼합탄의 미연분을 측정한 후, SOFA(Separated Over Fire Air)의 yaw 각도(좌우 각도)를 변경하고 과잉공기량을 증가시킨 후의 미연분을 측정하여 이를 연소조정전의 값과 비교하였다. SOFA의 yaw 각도 변화는 미연분과 산화제의 혼합을 증가시키기 위한 것이며 과잉 공기량의 증가는 식 (2) 에서 보는 바와 같이 산소의 분압을 높이는 효과를 나타낸다.
대상 데이터
Arthur, Peabody, Shenhua 탄은 휘발분이 비교적 많으나, Sanseo, Ensham, Elk Valley 탄은 휘발분 함량이 비교적 적은 것을 알 수 있다. 본 분석 결과는 Tar & Soot 발생가능량 분석시 입력 데이터로 사용되어졌다.
본 시료는 호주 Arthur 탄 연소시 발생된 회(fly ash)를채집한 것으로 알루미노실리케이트(Alumino-silicate)의 량이 81.84% 검출 되었다. 이는 통상적인 구형회재 또는 일반 석탄재의 양보다 많은 양이지만 전형적인 Cenosphere의 양과 유사한 수치이다.
분석에 사용된 시료는 호주의 Athur 탄종을 사용한 경우에 채집된 부유물이다. 또한 Shenhua 탄과 Peabody 탄의 혼소 중에도 미연분이 발생하고 있음을 알 수 있으며 Esham, Sanseo, Elk Valley 탄을 사용한 경우 미연분이 통상의 범위를 벗어나지 않는 적은 양이었다.
시험탄종은 그간 미연분 발생량이 많았던 Shenhua, Peabody, Arthur 탄을 적용하였다. Shenhua 탄과 Peabody 탄을 50% 비율로 섞은 혼합탄과 Arthur 탄을 100% 사용한 두 경우에 대하여 미연분을 측정하였다.
영흥 화력발전소 보일러의 A, B, C, D 층의 각 버너별로 미분탄/공기 공급량을 SMG 10을 사용하여 측정한 결과를 Table 5에 나타내었다. 측정시 발전소 출력은 760 MW 이었으며 사용한 탄종은 Arthur탄이었다. 일반적으로 각 버너별 유량은 발전소 건설 시 동일량의 미분탄이 공급되도록 설계되어 있으나 미분기(Mill) 출구의 오리피스의 마모등 여러 조건 변화에 따라 버너별 유량 편차가 발생할 수 있다.
이론/모형
발생된다. Lau and Niksa는 다음과 같은 soot 발생 반응식을 사용하였다.
icp 분석은 부유된 시료를 litre에서 건조하여 일정량을 취한 다음 왕수(염산과 질산의 혼산)로 용해하여 시료로 만들고, 시료 중 화학성분은 검정 곡선법에 의하여 각 성분 원소를 정량화하였다. 시료의 SEM 분석을 위하여 JEOL JSM 6360을 사용하였으며 EDS 분석은 Oxford Instrument 사의 INCA S-sight를 이용하였다.
icp 분석은 부유된 시료를 litre에서 건조하여 일정량을 취한 다음 왕수(염산과 질산의 혼산)로 용해하여 시료로 만들고, 시료 중 화학성분은 검정 곡선법에 의하여 각 성분 원소를 정량화하였다. 시료의 SEM 분석을 위하여 JEOL JSM 6360을 사용하였으며 EDS 분석은 Oxford Instrument 사의 INCA S-sight를 이용하였다.
성능/효과
4개 층별/4개 코너별로 총 16개 Coal Pipe의 측정자료 검토 결과 코너별 Coal Flow가 ±5%내 범위인 Coal Pipe는 4개에 지나지 않았으며, 3개 Coal Pipe는 허용범위에 근접하고 나머지 Coal Pipe는 7.8~38.6%까지 벗어나고 있었다. Comer 별 Coal Flow를 측정한 결과 각 Pipe마다 차이가 심하며 버너 레벨 #A의 편차는 -5.
Cenosphere 는 석탄 보일러에서 발생되는 전형적인 형태를 보여 주었으며 미연분은 주로 soot인 것으로 판단되어 졌다. 6개 탄종에대한 Tar 및 Soot의 발생 가능량(Tar & Sooting Potential) 을 조사한 결과 Shenhua, Peabody 그리고 Arthur 탄의 경우 Tar 및 Soot 발생 가능량이 저 휘발분 탄에 비해 높게 나타났다. 보일러의 코너별로 공급되는 몇몇 버너에서 미분탄이 편중되어 공급되고 있었으며 이로 인한 연료와 산화제의 혼합이 상대적으로 불균일하리라 예측되어 졌다.
8%인 것으로 나타났다. 결과에서 알 수 있듯이 이러한 상태가 지속될 시 보일러 내 Fire Ball의 형성이 불안정하여 않아 연소 상태 불안정, 불완전 연소 유발 등 연소 관리상에 문제가 발생될 수 있음을 알 수 있었다.
미연분의 저감을 위하여 과잉 공기율을 증가시키고 보일러 화로 상부에서의 공기와 미연분의 혼합을 증가시키기 위한 SOFA(Separated Over Fire Air)의yaw 각도를 조정하는 등 운전적 측면에서의 연소조정을 수행하였다. 그 결과 미연분의 발생량이 현저히 저감되는 것을 확인하였다. 따라서 영흥 화력발전소에서발생된 미연분은 연소환경을 조정함으로서 해결될 수 있음을 보여주었다.
10은 Shenhua 탄과 Peabody 탄의 혼합탄 연소시 연소 조정 전, 후에 채취한 시료(석탄 회)의 사진을 보여준다. 연소조정 전의 시료는 미연분이 포함되어 있는 검은색이며 연소 조정후 시료의 검은 색이 현저히 줄어든 것을 볼 수 있었다. 연소 조정 전후의 미연분은 각각 1.
후속연구
이상에서 살펴 본 바와 같이 영흥 화력발전소에서 발생된미연분은 carbon char라기 보다는 soot인 것으로 판단되어지며 사용된 탄종에 대하여 soot 발생가능성을 살펴보는 것이 필요하였다. 먼저 석탄화염 내 soot의 발생과정, 산화 과정에 대하여 간략히 살펴보고 6개 탄종에 대한 soot 발생가능량을 분석하였다.
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