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문제 정의
- 본 연구는 pilot scale의 멀티 버너 연소로에서 저열량 합성 가스 혼소를 수행할 때 연소 특성을 파악하기 위한 연구이다. Pilot 규모의 연소로에서 200,000 kcal/hr 급 버너 4기를 이용하여 실험하였으며 혼소를 위하여 합성가스 모사를 위해 제조된 가스를 가스 봄베를 사용하여 투입하였다.
- 1에는 이러한 개념을 보일러에 적용하는 방법을 설명하는 개념도를 나타내었다. 본 연구에서 대상으로 하는 연구는 합성가스를 기존의 연소 설비에 혼소 또는 재연소하는 기술로서, 연소 설비의 적절한 위치에 합성 가스와 OFA(Over Fire Air)를 투입하여 연소 설비 내부를 주연소 영역, 재연소 영역 그리고 완전 연소 영역으로 나누어 재연소 영역에서는 환원 분위기를 조성하여 NOx의 발생량을 최소화 하고 완전 연소 영역에서 완전 연소를 통하여 NOx를 저감하는 기술이다. 그리고 혼소는 재연소와 마찬가지로 기존의 운영되고 있는 연소 설비에 투입되는 연료의 일부를 다른 연료로 대체하는 기술로 대체 연료로 화석 연료의 일부를 대체할 수 있기 때문에 연료비 절감 및 연소 효율 향상을 도모할 수 있다.
- 그러나, 위와 같은 예들은 모두 직접 혼소에 대한 연구 결과들이며, 합성 가스를 기존 보일러에 혼합 연소할 때의 연소 특성 및 보일러 효율 변화 등에 대해서는 발표된 연구 결과가 거의 없다. 이에 따라, 본 연구에서는 실제 대용량 산업 보일러로 많이 사용되는 멀티 버너 보일러를 축소한 화로에서 1 MW의 화로 기준 입열량에 대해 공기 가스화(Air-blown gasification)를 통해 나온 저열량 합성가스를 혼합 연소시킬 때의 연소 특성과 열전달 효율 변화를 확인하였다.
제안 방법
- 3) 연소 설비의 열손실을 알아보기 위하여 열정산을 실시하였다. 벽면으로 전달되는 열량 비율은 합성 가스의 투입율이 높아질수록 감소하는 경향을 보였다.
- 본 연구는 pilot scale의 멀티 버너 연소로에서 저열량 합성 가스 혼소를 수행할 때 연소 특성을 파악하기 위한 연구이다. Pilot 규모의 연소로에서 200,000 kcal/hr 급 버너 4기를 이용하여 실험하였으며 혼소를 위하여 합성가스 모사를 위해 제조된 가스를 가스 봄베를 사용하여 투입하였다. 합성 가스 투입량은 전체 발열량의 10%와 20%를 투입하였으며 합성 가스가 투입됨에 따라 주 연료인 중유의 양은 줄여서 실험을 진행하였다.
- Su[1] 등은 36 kWth급 연소로에서 실험을 진행하였으며 주연료로는 4종류의 중국산 석탄을 사용하고 메탄을 보조 연료로 사용하여 재연소 실험을 진행하였다. 그 후 실험 결과를 이용하여 350 MW급 연소로에 적용하여 연구를 진행하였다. 그리고 Sen Li[2] 등은 1 MW급 연소로에서 실험을 진행하였으며 주연료와 보조연료로는 입자크기가 다른 중국산 역청탄을 사용하여 재연소 실험을 진행하였다.
- 먼저 원활한 점화를 위하여 연료를 등유를 이용하여 점화한다. 그리고 안정적인 승온을 위하여 1번 열전대의 온도가 650℃에 도달할 때까지 등유를 이용하여 승온을 하였고 그 후 연료를 등유에서 중유로 교체하여 승온을 계속 진행하였으며 실제 실험은 연료가 중유로 완전하게 바뀐 후 진행하였다.
- 또한 연소 설비의 효율을 알아보기 위하여 투입되는 연료 등의 발열량과 측정된 온도 등을 이용하여 합성 가스의 투입에 따른 연소 설비의 효율 변화 등을 이론적으로 계산하였다.
- 배가스 측정 장치는 Testo 350XL로 모델로 O2, CO2, CO 그리고 NOx 등의 연소가스가 측정된다. 배가스의 측정을 위해서 후단 stack에 port를 설치하고 배가스 측정 장치의 probe를 연결하여 각 구간의 연료 변화 및 연소 조건의 변화에 따른 배가스 특성을 파악하였다.
- 또한 버너는 230kW(200,000 kcal/hr)급 용량의 버너를 사용하였으며 총 4기를 이용하여 실험하였다. 실험에 사용된 버너는 기존에 사용되고 있는 상용 버너를 개조한 버너로 공기량 조절이 가능하도록 송풍기와 댐퍼를 제거하고 공급되는 공기 조절을 위한 인버터와 송풍기를 연결하였다. 버너에 공급되는 연료는 처음 점화를 위하여 등유를 공급하였으며 연소로 내부가 충분히 승온된 다음 연료를 중유로 교체하여 공급하였다.
- 실험은 Table 1에서와 같이 버너의 최대 성능인 80 L/hr의 중유를 공급하는 구간(Case 1)에서 실험을 진행하며 순차적으로 72 L/hr의 중유만을 투입하는 구간(Case 2) 그리고 72 L/hr의 중유와 8 L/hr의중유의 열량에 해당하는 합성가스 90,000 L/hr을 투입하는 구간(Case 3), 64 L/hr의 중유만을 투입하는 구간(Case 4)과 64 L/hr의 중유와 16 L/hr에 해당하는 합성가스 180,000 L/hr을 투입하는 구간(Case 5)으로 나누어진 총 5개의 구간에서 진행하였다. 이중에서 Case 1은 실험을 진행하는데 있어서 기준이 되는 Case로 볼 수 있으며 실험에서 투입된 합성 가스의 양은 첫 번째 구간의 중유 발열량 기준 10%와 20%로 주 연료인 중유가 10%와 20% 줄어든 만큼 대체하여 투입하였다.
- 실험 조건에서 보이는 Stoichiometric ratio와 Flow rate of the input Air는 배가스에서 실측한 산소 농도를 기준으로 역산하여 표기하였다. 실험은 주 연료인 중유의 양을 줄이고 그 대신 합성 가스를 대체하여 합성 가스의 투입율을 높이며 실험을 진행하였다. 연소로 후단에서 측정한 배가스와 연소로 내부의 온도를 측정하여 합성 가스의 투입율에 따른 배가스 특성과 온도 특성의 변화를 살펴보았다.
- 실험을 진행하면서 연소로 내부의 연소 특성을 파악하기 위하여 계측 장치를 이용하여 연소로 내부를 계측하였다. 먼저 연소로 각단의 온도를 측정하기 위하여 열전대(Thermocouple)를 사용하였으며 Fig.
- 또한 연소 설비의 효율을 알아보기 위하여 투입되는 연료 등의 발열량과 측정된 온도 등을 이용하여 합성 가스의 투입에 따른 연소 설비의 효율 변화 등을 이론적으로 계산하였다. 실험을 진행함에 있어서 각 구간의 실험 데이터들은 최소 측정 시간을 10분(600 s)로 하여 수집하였으며 측정된 데이터를 시간별과 각 구간별로 비교하여 각 case에서의 연소특성을 파악하도록 하였다[8].
- 실험은 주 연료인 중유의 양을 줄이고 그 대신 합성 가스를 대체하여 합성 가스의 투입율을 높이며 실험을 진행하였다. 연소로 후단에서 측정한 배가스와 연소로 내부의 온도를 측정하여 합성 가스의 투입율에 따른 배가스 특성과 온도 특성의 변화를 살펴보았다. 또한 연소 설비의 효율을 알아보기 위하여 투입되는 연료 등의 발열량과 측정된 온도 등을 이용하여 합성 가스의 투입에 따른 연소 설비의 효율 변화 등을 이론적으로 계산하였다.
- 0%로 구성되었다[7]. 연소로에는 합성 가스 투입을 위한 port가 총 8개있으며 봄베 하나당 공급되는 공급량에 한계가 있기 때문에 8개의 port에 각각 하나씩의 봄베를 연결하여 합성 가스의 총 공급량을 결정하였다. 또한 공급되는 합성가스의 발열량은 890 kcal/Nm3로, 이는 각 기체의 발열량을 참고한 계산을 통하여 구한 값이다.
- 3은 열전대의 설치 위치를 나타낸 그림이다. 열전대는 연소로 내부의 온도를 고려하여 R-Type을 사용하였으며 설치는 연소로 내부의 온도 파악을 위하여 연소로 측면에 3기를 설치하였고 연소로 후단의 배가스 온도 측정을 위해 연소로 꼭대기에 1기를 설치하여 온도 특성을 파악하였다. 또한 배가스 측정을 위하여 배가스 측정 장치를 이용하였다.
- 실험은 Table 1에서와 같이 버너의 최대 성능인 80 L/hr의 중유를 공급하는 구간(Case 1)에서 실험을 진행하며 순차적으로 72 L/hr의 중유만을 투입하는 구간(Case 2) 그리고 72 L/hr의 중유와 8 L/hr의중유의 열량에 해당하는 합성가스 90,000 L/hr을 투입하는 구간(Case 3), 64 L/hr의 중유만을 투입하는 구간(Case 4)과 64 L/hr의 중유와 16 L/hr에 해당하는 합성가스 180,000 L/hr을 투입하는 구간(Case 5)으로 나누어진 총 5개의 구간에서 진행하였다. 이중에서 Case 1은 실험을 진행하는데 있어서 기준이 되는 Case로 볼 수 있으며 실험에서 투입된 합성 가스의 양은 첫 번째 구간의 중유 발열량 기준 10%와 20%로 주 연료인 중유가 10%와 20% 줄어든 만큼 대체하여 투입하였다.
- Pilot 규모의 연소로에서 200,000 kcal/hr 급 버너 4기를 이용하여 실험하였으며 혼소를 위하여 합성가스 모사를 위해 제조된 가스를 가스 봄베를 사용하여 투입하였다. 합성 가스 투입량은 전체 발열량의 10%와 20%를 투입하였으며 합성 가스가 투입됨에 따라 주 연료인 중유의 양은 줄여서 실험을 진행하였다.
- 합성 가스는 특정 조성으로 제조되었고 제조된 합성 가스는 봄베를 통하여 연소로 안으로 공급되었으며 봄베와 투입 port 사이의 레귤레이터와 유량계를 이용하여 합성 가스의 투입량을 결정하였다. 투입되는 합성 가스의 조성은 CO 15.
- 7에는 합성가스 투입 비율을 바꾸어가면서 실험했을 때 나타난 가스 조성을 시간 평균하여 나타내었다. 합성가스 비율은 들어간 열량 기준으로 0%, 10%, 20%에 대해 실험이 진행되었으며, NOx 농도를 배가스 산소 농도 4%로 환산하여 나타낸 것이다. 이를 보면, 모든 경우에 CO 농도는 20 ppm 이하로 나타났으며, 이는 버너 바로 위쪽에서 투입된 합성가스가 노내에서 충분히 다 연소되고 있음을 보여준다.
- 모든 경우에 대하여 안정적인 운전 조건이 나타나는 것을 확인할 수 있었고, 특히 CO의 농도는 매우 낮게 나타나고 있어 보일러 내에서 거의 완전연소가 일어나고 있음을 확인할 수 있었다. 합성가스의 혼소가 수행되었던 Case 3과 Case 5에 대해서는 NOx 농도의 변화가 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 이에 대한 효과는 다음 단락에서 평가하도록 한다. 산소 농도 역시 Case 1, 3, 5에 대하여 비슷하게 나타나고 있어서 과잉공기가 적절하게 들어가고 있음을 확인할 수 있다.
대상 데이터
- 혼소 및 재연소는 투입되는 보조 연료와 주연료의 종류에 따라 여러 가지 방법들로 연구되어지고 있다[1-3]. Su[1] 등은 36 kWth급 연소로에서 실험을 진행하였으며 주연료로는 4종류의 중국산 석탄을 사용하고 메탄을 보조 연료로 사용하여 재연소 실험을 진행하였다. 그 후 실험 결과를 이용하여 350 MW급 연소로에 적용하여 연구를 진행하였다.
- 그 후 실험 결과를 이용하여 350 MW급 연소로에 적용하여 연구를 진행하였다. 그리고 Sen Li[2] 등은 1 MW급 연소로에서 실험을 진행하였으며 주연료와 보조연료로는 입자크기가 다른 중국산 역청탄을 사용하여 재연소 실험을 진행하였다. 또한 Wu[3] 등은 70 ton/hr steam coal boiler를 모델링하여 재연소를 수치해석적인 방법으로 연구하였다.
- 실험에 사용된 연소로는 5개의 단과 1개의 Ash hole로 이루어져 있으며 각단은 합성 가스의 투입이나 온도 측정을 위하여 여러개의 port가 설치되어있는 최대 2 MW급 연소로이다. 또한 버너는 230kW(200,000 kcal/hr)급 용량의 버너를 사용하였으며 총 4기를 이용하여 실험하였다. 실험에 사용된 버너는 기존에 사용되고 있는 상용 버너를 개조한 버너로 공기량 조절이 가능하도록 송풍기와 댐퍼를 제거하고 공급되는 공기 조절을 위한 인버터와 송풍기를 연결하였다.
- 배가스 측정 장치는 Testo 350XL로 모델로 O2, CO2, CO 그리고 NOx 등의 연소가스가 측정된다.
- 2는 본 연구에 사용된 연소 설비의 개략도이다. 실험에 사용된 연소로는 5개의 단과 1개의 Ash hole로 이루어져 있으며 각단은 합성 가스의 투입이나 온도 측정을 위하여 여러개의 port가 설치되어있는 최대 2 MW급 연소로이다. 또한 버너는 230kW(200,000 kcal/hr)급 용량의 버너를 사용하였으며 총 4기를 이용하여 실험하였다.
성능/효과
- 1) 배가스 측정 결과 합성 가스의 투입량이 늘어남에 따라 NOx의 농도가 줄어들었지만 전체적인 연소 특성은 합성 가스 투입율을 20%까지 늘려서 실험을 수행하여도 별다른 차이가 없었다.
- 2) 전체적인 온도의 경우에도 커다란 차이가 없었지만 후단쪽의 온도는 합성 가스를 투입하였을 경우가 10℃ 가량 높게 나온 것을 알 수 있었으며, 이를 통해 로내 열부하가 다소 다른 형태로 분포할 것임을 유추할 수 있다. 그러나 그 효과는 20% 혼소 내에서는 그다지 크지 않을 것으로 생각된다.
- CO와 NOx의 경우에는 공기의 희석에 의한 효과를 배제하기 위하여 산소 농도 4% 기준으로 환산한 농도값을 같이 나타내었다. 모든 경우에 대하여 안정적인 운전 조건이 나타나는 것을 확인할 수 있었고, 특히 CO의 농도는 매우 낮게 나타나고 있어 보일러 내에서 거의 완전연소가 일어나고 있음을 확인할 수 있었다. 합성가스의 혼소가 수행되었던 Case 3과 Case 5에 대해서는 NOx 농도의 변화가 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 이에 대한 효과는 다음 단락에서 평가하도록 한다.
- 3) 연소 설비의 열손실을 알아보기 위하여 열정산을 실시하였다. 벽면으로 전달되는 열량 비율은 합성 가스의 투입율이 높아질수록 감소하는 경향을 보였다. 이는 연소 가스에서의 #이 증가하는 것과 이로 인해 가스의 노내 체류시간이 줄어들어 로 출구에서의 연소 가스 온도가 높아진 것이 가장 큰 이유로, #의 증가는 모사 합성가스 내의 N2의 증가 때문인 것으로 판단된다.
- 다만 합성 가스를 투입하였을 때 후단에서의 온도가 올라가는 경향이 있는데 이는 합성가스 투입에 따른 질량 유량(#)에 의해 연소 영역이 후단쪽으로 이동하였기 때문에 생긴 현상으로 생각되지만 좀더 자세한 분석이 필요하다. 온도는 화염에 가까울수록 높게 나타나고, 수직 방향으로 올라가면서 화염과 멀어질수록 벽면으로의 열손실에 의해 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- 또한 엄태인[6] 등은 직경 150 mm pyrex tube로 제작된 실험용 연소기에서 개질 가스 연료와 LPG와의 혼합 연소 특성 파악을 위한 연구를 진행하였다. 혼합 연소 결과 일반적으로 바이오매스가 직접 투입되었을 때 혼소율이 높을수록 배가스 중 오염 물질의 배출량 감소 효과가 우수하나 바이오매스의 높은 수분 함량과 낮은 휘발성 때문에 노내 온도가 감소하는 경향을 보였다. 그러나, 위와 같은 예들은 모두 직접 혼소에 대한 연구 결과들이며, 합성 가스를 기존 보일러에 혼합 연소할 때의 연소 특성 및 보일러 효율 변화 등에 대해서는 발표된 연구 결과가 거의 없다.
후속연구
- 전체적인 온도 분포는 배가스 분포와 마찬가지로 주 연료의 감소만큼 합성가스를 투입하였기 때문에 전체적인 공급 열량에는 변화가 없었고, 그 결과 연소로 내부의 온도에서도 큰 변화를 관찰할 수 없었다. 다만 합성 가스를 투입하였을 때 후단에서의 온도가 올라가는 경향이 있는데 이는 합성가스 투입에 따른 질량 유량(#)에 의해 연소 영역이 후단쪽으로 이동하였기 때문에 생긴 현상으로 생각되지만 좀더 자세한 분석이 필요하다. 온도는 화염에 가까울수록 높게 나타나고, 수직 방향으로 올라가면서 화염과 멀어질수록 벽면으로의 열손실에 의해 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- 이는 합성가스가 공기 가스화(air-blown gasification)를 통해 나온 저발열량 가스이므로, 합성 가스 내에 질소와 같이 대부분 산화반응하지 않는 물질들이 있기 때문이다. 실제 공기 가스화를 통해 나온 가스는 이산화탄소를 일부 포함하고 있으므로, 추후에는 이의 영향이 함께 고려되어야 할 것으로 보인다. 어쨌든, 이 결과 Table 3에서는 Cp값은 줄어들고 연소로 후단의 온도는 늘어나는 것을 알 수 있었다.
- Houtput의 값이 늘어나는 가장 큰 요인은 질량유량(#)으로 Balance gas인 N2의 투입량이 늘어 결국 반응하지 않은 N2가 늘어나게 되어 결국 벽면으로의 열전달률이 감소했거나 연소 영역이 후단쪽으로 이동하였기 때문으로 판단된다. 이는 나중에 합성가스 혼소를 기존의 보일러에 적용할 때 보일러 효율이 다소 감소하는 결과로 나타날 수 있으며, 위와 같은 현상이 발생한 정확한 이유를 규명하고 보일러 효율 감소를 최소하기 위해서는 추가적인 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.
- 전체적으로, 합성가스의 혼소를 기존 보일러에 적용하기 위해서는 합성가스 혼소시 발생하는 연료비의 절감과 함께 효율 감소분에 의한 경제적 손실 등을 적절하게 감안해야 하며, 본 실험의 결과는 이러한 결정에 있어 중요한 기초 자료로서 활용이 가능할 것으로 보여진다.
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