[논문]미분탄 연소로에서 연소특성에 미치는 석탄특성에 관한 연구

이병화; 송주헌; 이천성; 장영준; 전충환

doi:10.3795/ksme-b.2009.33.10.737

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This study is to investigate the effect of the moisture, volatile matter and particle size in the coal on the pulverized coal combustion characteristics using CFD. The results show that as the moisture content in coal increases, flame temperature decreases because of heat loss driven from latent hea...

This study is to investigate the effect of the moisture, volatile matter and particle size in the coal on the pulverized coal combustion characteristics using CFD. The results show that as the moisture content in coal increases, flame temperature decreases because of heat loss driven from latent heat of vaporization and reduction of heating value. As the volatile matter content in the coal increases, the temperature in the region near the burner increases, while the temperature in rear region of boiler decreases. The solution to keep the temperature in the rear region of boiler is suggested that particle size is needed to be larger. As the particle size increases, the temperature in the rear region of boiler show tendency to increase, for combustion burning time of coal could be extended.

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문제 정의

선행연구의 결과, 수분 및 휘발 물질 그리고 입자 크기의 영향은 보일러 연소 특성에 매우 중요하다는 것을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 이러한 석탄 특성의 변화가 실제 보일러에 미치는 영향을 예측하고자 상용 CFD 코드인 Star-CD를 사용하여 보일러 내부 연소 특성 및 열 분포 특성, 배기특성을 알아보았으며, 석탄 특성이 변함에 따라 보일러 내부 온도를 유지하기 위한 방안을 제안하였다.
본 연구에서는 전산 시뮬레이션을 이용하여 미분탄 보일러에 공급되는 석탄 특성에 따른 화로 내부 연소 및 온도 분포 특성을 연구하였다.
본 연구에서는 접선분사형 보일러에서 다른 변수는 고정하고, 석탄의 수분의 영향, 휘발물질의 영향, 입자 크기 각각의 영향을 보기 위하여 다음과 같은 해석 조건을 설정하였다. 회색으로 강조된 부분은 변화된 부분을 나타내었다.

가설 설정

본 연구에서 사용된 모델은 Extended eddy break-up (EBU)이다.⁽¹²⁾ 본 모델은 연소 반응이 대부분 난류 혼합에 의해 영향을 받는다고 가정을 하고, 화학 반응에 따른 영향은 고려를 하지 않았다.

제안 방법

⁽²⁾은 실험적인 방법으로 다단연소버너에서 뉴질랜드 역청탄을 가지고 미분탄 연소특성에 관한 수분의 영향에 대한 연구를 수행하였고, Kurose et al.⁽³⁾은 Kimoto의 실험 장치를 시뮬레이션 방법을 통하여서 미분탄의 수분을 고려하여 버너 내에 수분에 따른 연소특성을 연구하였다. 수분의 증발 잠열로 인하여 버너 내에 온도가 낮아지는 것을 확인하였다.
Bosoaga et al.⁽⁶⁾은 전산 시뮬레이션을 통하여 미분탄의 연소 특성 및 배기배출물에 관한 연구를 수행하였으며, 입자크기와 수분의 영향을 살펴보았다.
이것으로 인하여 수분이 많은 석탄을 사용할 시, SH부분의 온도를 보정해주기 위하여 더 많은 연료와 이에 따라 공기를 더 넣어 주어야 한다는 것을 예측할 수 있다. 따라서 SH부분의 온도를 보정해주기 위하여 기준이 되는 수분량 14.66의 조건에서 수분량의 증감에 비례하여 공기와 연료의 비를 일정하게 유지하면서 공기와 연료의 양을 증감시켜 주었다. Table 6은 각 조건에 따른 칼럼당 연료와 공기의 공급량 변화를 보여준다.
석탄의 입자크기에 대한 영향을 보기 위하여 45, 70, 150 ㎛의 입자크기의 석탄을 가지고 계산을 수행하였다.
Table 2는 각 칼럼에 주입되는 연료와 공기의 양을 나타내고 있다. 실제 발전 보일러에서 사용 되는 조건을 적용하였으며, 주어진 조건은 칼럼당 연료와 공기의 양이므로 총량은 4배를 해주어야 한다. 입구(inlet)조건에는 각 유량을 속도와 밀도, 그리고 면적을 고려하여 1차 공기, 2차 공기를 넣어주었으며, 출구(exit)조건은 대기압 조건으로 유량이 배출되도록 하였다.
Table 5에서 보듯이 입자크기의 영향을 보기 위하여 연료질량은 고정을 하고 입자 크기만을 45, 70, 150 ㎛으로 변화 시켰다. 휘발분의 변화에 따른 입자크기의 영향을 알아보기 위하여 Case 1과 Case 2조건으로 계산을 수행하였다.
휘발분의 연소반응은 다음과 같이 일반화된 연료의 2단 연소반응으로 모델링하였다.

대상 데이터

1은 전산 해석을 위하여 보일러의 외형 형상을 모델링한 그림이다. 모델링에 사용된 격자는 980,000개이며, 메쉬(mesh)는 모두 정육면체(Hexahedral)로 구성을 하였다.
본 연구에 적용한 발전용 보일러는 높이 86,910㎜, 가로 16,500㎜, 세로 16,500㎜ 이다. 보일러 4개 코너에는 접선형(tangential) 버너들이 6층에 걸쳐 24개가 설치되어 있다.

이론/모형

석탄 연소를 시뮬레이션 하는 것은 고체 석탄 탈휘발화(devolatilization), 가스화된 휘발성 물질의 균질연소(homogeneous turbulent combustion), 고체 촤(char) 입자의 비균질 연소 (heterogeneous combustion)의 모델들을 고려하여야 한다. 미분탄 연소시스템에서 입자분산은 다상 라그랑 지안(Multi-phase Lagrangian treatment) 처리 방법을 사용한다.
휘발물질과 고정탄소의 비를 나타내는 연료비(Fuel ratio) ⁽¹⁵⁾와 회 성분은 같게 하였고, 수분의 양의 변화에 따라 발열량이 달라지는 것을 고려해 주었다. 발열량은 Du-long 추정 계산식을 사용하여 나타내었으며 원소 분석에서 사용된 성분들을 고려해 주었다.
이는 반응성 유체 흐름의 평균 속도 영역을 모델링하는데 비교적 다른 모델에 비해 안정적으로 적용될 수 있기 때문이다. 복사에 의한 열전달은 DOM (Discrete Ordinate Method) 방법⁽⁹⁾을 사용하여 계산을 수행하였다. 사용한 입자 반응과 가스 반응 모델들은 다음과 같다.
N, S, Cl)으로 구성되어 있다. 본 연구에서 사용된 모델은 Extended eddy break-up (EBU)이다.⁽¹²⁾ 본 모델은 연소 반응이 대부분 난류 혼합에 의해 영향을 받는다고 가정을 하고, 화학 반응에 따른 영향은 고려를 하지 않았다.
본 연구에서 사용된 촤 연소 과정은 First-order combined rate 모델이다. 촤 연소는 촤와 산소사이의 표면 반응률(surface reaction rate)이 매우 높은 경우, 촤 소비율 (char consumption rate)은 경계조건 (boundary layer)으로부터의 O₂ 확산율에 의해 지배를 받는다.
본 연구에서는 Navier-stokes 방정식을 통해 질량, 운동량, 화학종 그리고 에너지 보전 법칙이 적용이 되었으며,(7) 난류모델은 표준 k-ε모델(8)을 사용하였다.
이다. 이 모델은 Kobayasi에 의해 제안된 모델로서 저온과 고온에 대한 휘발량을 모두 고려하여 예측하였다.
탈휘발에 사용된 모델은 Two-competing-steps 모델⁽¹⁰⁾이다. 이 모델은 Kobayasi에 의해 제안된 모델로서 저온과 고온에 대한 휘발량을 모두 고려하여 예측하였다.

성능/효과

(1) 석탄 내에 수분의 양이 증가함에 따라 발열량 및 증발잠열로 인하여 화로 내 온도는 낮아지게 된다. 저급탄으로 갈수록 수분이 많아지는 특성이 있는데 보일러 내에 수분이 많은 석탄을 연료로 사용할 경우 설계탄보다 많은 양의 석탄과 공기를 공급해주게 되는데, 이때 발열량뿐 아니라 공기로 인한 냉각효과도 고려해주어야 한다.
(1)은 석탄 특성(휘발분의 양, 촤의 양)은 연소 특성 및 배기 배출물에 중요한 영향을 미친다는 것을 나타내었다. Kimoto et al.
(3) 석탄의 입자크기가 작아짐에 따라 표면적의 증가로 인한 연소율 향상으로 버너부분의 온도는 증가하게 되고, 보일러 후단으로 갈수록 석탄의 연소시간 때문에 온도는 더 낮아지게 된다. 반면, 석탄 입자의 크기를 크게 함으로 해서 버너 부분의 급격한 온도상승을 억제하고 보일러 후단의 온도를 높이는 데에 기여할 수 있다고 판단이 된다.
⁽⁴⁾은 석탄에 수분의 영향에 대하여 보고하였다. 25%의 고유수분을 가진 석탄을 가지고 실험을 수행하였으며, 점화점과 배기배출물에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. Lee et al.
입자 크기는 부분적으로 입자 예열과 최고온도를 결정하게 되며, 이것들은 탈휘발과 점화지점에 영향을 미치게 된다. 더 작은 입자들은 더 빠른 예열과 더 높은 온도와 더 큰 탈휘발량을 가지게 된다는 것을 보여주었다. Bosoaga et al.
⁽³⁾은 Kimoto의 실험 장치를 시뮬레이션 방법을 통하여서 미분탄의 수분을 고려하여 버너 내에 수분에 따른 연소특성을 연구하였다. 수분의 증발 잠열로 인하여 버너 내에 온도가 낮아지는 것을 확인하였다. Asay et al.
그래프에서 보는바와 같이 Case 1인 경우에는 보일러 후단 SH부분에서 입자크기에 따른 온도 차는 작지만, Case 2인 경우에는 입자 크기의 영향으로 말미암은 온도차가 Case 1에 비하여 매우 크다는 것을 볼 수 있다. 이는 휘발분이 많은 석탄으로 갈수록 입자 크기의 영향이 매우 중요하다는 것을 보여주며, 휘발분이 많은 석탄을 사용할 때 보일러 후단의 SH부분의 온도를 설계 탄의 경우와 같이 유지하기 위하여 입자크기를 크게 하는 것이 좋다는 것을 증명하여 준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석탄이란?	석탄은 유기물(organic)과 무기물(inorganic)로 이루어진 혼합물이다. 석탄 연소를 시뮬레이션 하는 것은 고체 석탄 탈휘발화(devolatilization), 가스화된 휘발성 물질의 균질연소(homogeneous turbulent combustion), 고체 촤(char) 입자의 비균질 연소 (heterogeneous combustion)의 모델들을 고려하여야 한다.
	석탄 연료란?	석탄 연료는 지구상에서 존재하는 최대 매장량을 가진 자원으로서 화력발전 시 높은 효율을 얻을 수 있는 에너지원이다. 우리나라에서는 지금까지 수분이 적고, 발열량이 큰 석탄을 사용하여왔고, 발전소에서는 대부분 이런 석탄을 사용하도록 설계되어 있다.
	수분이 많아짐에 따라 SH부분의 온도는 낮아지는 것을 볼 수 있는데 이것으로 무엇을 예측할 수 있는가?	5을 볼 때, 수분이 많아짐에 따라 SH부분의 온도는 낮아지는 것을 볼 수 있다. 이것으로 인하여 수분이 많은 석탄을 사용할 시, SH부분의 온도를 보정해주기 위하여 더 많은 연료와 이에 따라 공기를 더 넣어 주어야 한다는 것을 예측할 수 있다. 따라서 SH부분의 온도를 보정해주기 위하여 기준이 되는 수분량 14.

참고문헌 (17)

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Kimoto M., Ikeda M., Miyazaki T., Makino H., 1998, CRIEPI W98002 report,
Kurose R., Tsuji H., Makin H. 2001, 'Effects of Moisture in Coal on Pulverized Coal Combustion Characteristics,' Fuel, Vol. 80, pp. 1457-1465

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Asay B.W., Smoot LD, Hedman PO. 1983 Combustion Science and Technology, pp. 15-35

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Lee J.W., Chen S.L., Pershing D.W., Heap M.P., 1979, Western States Section/Combustion Institute, Brigham Young University, Provo, UT
Bosoaga A., Panoiu N., Mihaescu L., Backreedy R.I., Ma L., Pourkashanian M., Williams A., 2006, 'The Combustion of Pulverized Low Grade Lignite,' Fuel, Vol. 85, pp. 1591-1598

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