석탄은 고정탄소분, 휘발분, 수분, 회로 구성되며, 연소시 회성분과 소량의 고정탄소분이 남게 된다. 석탄 화력 발전소에서는 석탄연소 후 나오는 잔여물(고정탄소분, 회)를 통칭하여 석탄회 라고 부르고 있다. 현재 발전소에서는 정제회(LOI함량 6%미만)는 경량골재의 원료로 재활용해 수익을 창출하고 있으나, LOI함량이 높은 회는 재활용이 불가능해 땅에 매립하고 있다. 이에 따라 환경적인 부담금을 줄이고 정제회 판매의 수익을 올리기 위해 회성분의 LIO감량은 필수적이다. 본 연구에서는TGA(Thermo-gravime- tric analysis)와 DTF(Drop tube furnce) 실험을 통해 석탄과 석탄회 연소를 위한 실험적인 상수 값을 결정하였다. 500MW급 표준화력발전 보일러를 모델링하고, 전산해석을 위해 격자를 형성시키고 적절한 해석 모델을 선정하였으며, 석탄회 재연소 시뮬레이션을 수행하여 석탄회 투입시 보일러 내부의 온도 및 유동을 모사하였다. 보일러 내부 석탄 입자와 회입자의 이동 궤적을 통해 가능한 높은 버너 위치에서 석탄회를 투입하는 것이 적절함을 나타내었다. 또한 실제 설치 가능한 D버너에서 6ton/h로 공급시에 기존의 보일러에 큰 영향을 주지 않으며 재연소 가능함을 알 수 있다.
석탄은 고정탄소분, 휘발분, 수분, 회로 구성되며, 연소시 회성분과 소량의 고정탄소분이 남게 된다. 석탄 화력 발전소에서는 석탄연소 후 나오는 잔여물(고정탄소분, 회)를 통칭하여 석탄회 라고 부르고 있다. 현재 발전소에서는 정제회(LOI함량 6%미만)는 경량골재의 원료로 재활용해 수익을 창출하고 있으나, LOI함량이 높은 회는 재활용이 불가능해 땅에 매립하고 있다. 이에 따라 환경적인 부담금을 줄이고 정제회 판매의 수익을 올리기 위해 회성분의 LIO감량은 필수적이다. 본 연구에서는TGA(Thermo-gravime- tric analysis)와 DTF(Drop tube furnce) 실험을 통해 석탄과 석탄회 연소를 위한 실험적인 상수 값을 결정하였다. 500MW급 표준화력발전 보일러를 모델링하고, 전산해석을 위해 격자를 형성시키고 적절한 해석 모델을 선정하였으며, 석탄회 재연소 시뮬레이션을 수행하여 석탄회 투입시 보일러 내부의 온도 및 유동을 모사하였다. 보일러 내부 석탄 입자와 회입자의 이동 궤적을 통해 가능한 높은 버너 위치에서 석탄회를 투입하는 것이 적절함을 나타내었다. 또한 실제 설치 가능한 D버너에서 6ton/h로 공급시에 기존의 보일러에 큰 영향을 주지 않으며 재연소 가능함을 알 수 있다.
In thermal power generation companies, the recycling of refined ash (LOI 6%) in a PC-firing furnace can be an alternative. In this study, a numerical analysis was performed to demonstrate the effects of ash re-burning. An experimental constant value was decided by TGA (thermo-gravimetric analysis),...
In thermal power generation companies, the recycling of refined ash (LOI 6%) in a PC-firing furnace can be an alternative. In this study, a numerical analysis was performed to demonstrate the effects of ash re-burning. An experimental constant value was decided by TGA (thermo-gravimetric analysis), and a DTF (drop-tube furnace) was used in the experiment for calculating the combustion of ash. On the basis of the trajectory of the moving particles of coal and ash, it was concluded that supplying ash near the burner, which is located high above the ground, is appropriate. On the basis of numerical results, it was concluded that an ash supply rate of 6 ton/h is suitable for combustion, without affecting the PC-firing boiler.
In thermal power generation companies, the recycling of refined ash (LOI 6%) in a PC-firing furnace can be an alternative. In this study, a numerical analysis was performed to demonstrate the effects of ash re-burning. An experimental constant value was decided by TGA (thermo-gravimetric analysis), and a DTF (drop-tube furnace) was used in the experiment for calculating the combustion of ash. On the basis of the trajectory of the moving particles of coal and ash, it was concluded that supplying ash near the burner, which is located high above the ground, is appropriate. On the basis of numerical results, it was concluded that an ash supply rate of 6 ton/h is suitable for combustion, without affecting the PC-firing boiler.
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문제 정의
그러나 LOI함량이 높은 석탄회의 경우는 재활용이 불가능하여 회사장에 매립되고 있고 그에 따라 환경부담금이 경제적 손실을 가져오고 있다. 따라서 화력발전소에서는 고미연탄소분을 포함하고 있는 석탄회의 정제기술을 통해 발생되는 석탄회의 전량을 재활용하는 것을 목표로 하고 있으며, 이러한 목표에 적합한 석탄회 정제기술이 필요한 실정이다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 한가지 방안으로 화력발전 보일러에 석탄과 함께 고미연분의 석탄회를 투입하여 연소시킴으로써, 미연분 탄소의 이용을 최대화 하고, 정제회를 얻는 방법을 생각해 볼 수 있다.
이에 따라 보일러 내의 온도와 유동 현상을 파악하는데 있어 경제적, 실험적인 이유로 Pilot scale 문제에 제시되는 방법은 CFD를 통한 수치적 접근방법이다. 본 연구에서는 전산수치해석을 통해 석탄회 재연소시 석탄회 공급량에 따른 보일러 내에서 일어나는 여러 현상에 대한 모사와 분석을 통해, 석탄회 재연소의 가능성을 평가하고자 한다.
가설 설정
석탄회는 공업분석 결과 6~9%의 높은 LOI를 함량한 샘플중 8% 함량 시료를 선택하여 실험을 수행하였다. 실험결과값 도출에 있어서 회를 고정탄소분을 8% 함량하고 수분 및 휘발분이 없는 석탄으로 가정하고 촤-산화로 가정하여 결과를 도출 하였다. Fig.
제안 방법
Full scale 의 화력발전 보일러를 모델링 하였으며, 연소현상이 일어나는 내부 체적을 선정하고, Fig. 1과 같이 수치해석을 위한 mesh 작업을 수행하였다. Mesh 개수는 100만개로 구성하였으며, 연소현상을 모사할 수 있도록 Hexa 격자로 생성하였다.
Table 3에는 시뮬레이션을 위해 사용된 경계조건값과 기존의 선행연구자들이 실험을 통해 구한 석탄의 탈휘발 및 촤산화 반응속도 상수값 그리고 회 연소를 위해 DTF 실험에서 도출된 회 산화반응 속도 상수값을 정리하였다.
공급위치 시뮬레이션 결과 가능한 높은 위치에서 회를 공급하는 것이 효과적일 것으로 나타났으므로, 실제 보일러에서 가장 높이 설치 가능한 D 버너 측면 위치에서 석탄회를 공급하였다. 시뮬레이션 결과가 보여주듯 석탄회 공급량을 3%까지 상승하여도 보일러 내부의 화염구 형성에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
4에는 DTF 실험으로 얻은 석탄회의 산화 반응률에 대한 그래프를 나타내었다. 그래프를 선형화 하고 기울기 값을 통해 석탄회에 대한 활성화 에너지 Ea와 Pre-exponential A 값을 도출하였으며, 이 값을 공급되는 회의 산화반응 속도 상수값으로 시뮬레이션에 사용하였다.
안정화된 보일러 내부의 온도는 1400K 이상의 고온이므로 기체상인 휘발분의 연소 반응은 아주 빠르게 일어난다. 기체상의 빠른 연소에선 반응속도가 확산에 의한 영향이 더 크므로 Eddy dissipation 연소모델을 선정하여 2단계 총괄반응식을 통한 기상연소 반응식을 풀게 된다. 탈휘발 속도상수는 Two-competing rate model을 사용하여 입자가 겪게 되는 온도영역에 따라 보정된 탈휘발율을 고려하였다.
보일러에 영향을 미치지 않으며 석탄회의 미연 탄소분을 효과적으로 연소하기 위한 회 공급 위치를 찾기 위해 각 노즐에서 분사된 미분탄과 석탄회의 거동의 입자궤적을 분석하였다. Fig.
Table 1의 탈휘발율과 촤 연소에 대한 방정식에서 반응속도 상수값은 탄종/성분/구조에 따라 다르게 나타나므로 이는 실험적인 방법으로 구해야 한다. 본 연구에서는 보일러 내에서 석탄회를 재연소 할 때 공급된 회의 영향을 정성적으로 파악하는데 목적이 있으므로, 석탄의 반응속도 상수는 기존 연구자들이 실험적으로 구한 값을 이용하였으며, 석탄회의 경우 이에 대한 정보가 없으므로 DTF를 통해서 석탄회의 반응속도 상수를 도출하였다.
Mesh 개수는 100만개로 구성하였으며, 연소현상을 모사할 수 있도록 Hexa 격자로 생성하였다. 석탄 연소용 500MW급 보일러는 석탄이 공급되는 A~F 버너와 OFA로 구성되어 있으며, 석탄회 공급을 위해 각 버너의 관측창 높이 위치에 석탄회 공급 포트를 구성하여, 공급위치에 따른 연소효과 볼 수 있도록 하였다. 포트는 실제 보일러에 구성되어 있는 관측창의 크기와 동일하게 구성하였고 격자형성을 위해 동일한 넓이의 사각단면으로 대체하였다.
석탄 연소용 500MW급 보일러는 석탄이 공급되는 A~F 버너와 OFA로 구성되어 있으며, 석탄회 공급을 위해 각 버너의 관측창 높이 위치에 석탄회 공급 포트를 구성하여, 공급위치에 따른 연소효과 볼 수 있도록 하였다. 포트는 실제 보일러에 구성되어 있는 관측창의 크기와 동일하게 구성하였고 격자형성을 위해 동일한 넓이의 사각단면으로 대체하였다. 전산수치해석 프로그램은 Fluent v12를 이용하였으며, 각 버너의 석탄 및 공기 공급량과 시뮬레이션 조건은 실제 화력발전소에서 500MW 출력을 유지하는 운전하는 조건을 사용하였다.
대상 데이터
1과 같이 수치해석을 위한 mesh 작업을 수행하였다. Mesh 개수는 100만개로 구성하였으며, 연소현상을 모사할 수 있도록 Hexa 격자로 생성하였다. 석탄 연소용 500MW급 보일러는 석탄이 공급되는 A~F 버너와 OFA로 구성되어 있으며, 석탄회 공급을 위해 각 버너의 관측창 높이 위치에 석탄회 공급 포트를 구성하여, 공급위치에 따른 연소효과 볼 수 있도록 하였다.
TGA실험은 SINCO사의 SDT Q600모델을 사용하여 ASTM D3172기준으로 도출하였으며, 원소분석은 LECO 사의Tru-Spec모델을 사용하여 ASTM D3176 기준으로 구하였다. 발전소의 회 저장소에서 나온 수많은 샘플의 공업분석 결과를 토대로 정제회로 사용할 수 없는 LOI 8%의 샘플을 확보하여 DTF를 이용한 연소특성 분석을 위한 시료로 사용하였다.
실험의 자세한 진행방법 및 조건과 계측법 그리고 수식을 통한 결과값 유도방법은 참고문헌(4)에 자세히 나타나 있다. 석탄회는 공업분석 결과 6~9%의 높은 LOI를 함량한 샘플중 8% 함량 시료를 선택하여 실험을 수행하였다. 실험결과값 도출에 있어서 회를 고정탄소분을 8% 함량하고 수분 및 휘발분이 없는 석탄으로 가정하고 촤-산화로 가정하여 결과를 도출 하였다.
이론/모형
Table 2에는 시뮬레이션을 위한 연료의 공업분석, 원소분석, 발열량 값을 나타내었다. TGA실험은 SINCO사의 SDT Q600모델을 사용하여 ASTM D3172기준으로 도출하였으며, 원소분석은 LECO 사의Tru-Spec모델을 사용하여 ASTM D3176 기준으로 구하였다. 발전소의 회 저장소에서 나온 수많은 샘플의 공업분석 결과를 토대로 정제회로 사용할 수 없는 LOI 8%의 샘플을 확보하여 DTF를 이용한 연소특성 분석을 위한 시료로 사용하였다.
본 연구에서는 이 두가지 반응률을 모두 고려하는 Kinetic /diffusion limit model을 선정하였다. 기체상과 고체상 간의 질량 및 에너지 전달을 위해서 기체상의 부피에 비해 고체연료의 비율이 작을 때 적절한 Euler-Lagrangean 방법의 DPM(discrete phase model)을 선정하였으며 이에 따른 질량보존, 모멘텀 보존, 에너지보존, 화학종 보존에 관한 방정식을 고려하였다. 보일러 해석에서 가장 중요한 열전달 모드인 복사모델은 계산시간의 소모를 최소화 하면서 가장 대략적인 결과를 얻을 수 있는 P-1 모델을 이용하였다.
기체상과 고체상 간의 질량 및 에너지 전달을 위해서 기체상의 부피에 비해 고체연료의 비율이 작을 때 적절한 Euler-Lagrangean 방법의 DPM(discrete phase model)을 선정하였으며 이에 따른 질량보존, 모멘텀 보존, 에너지보존, 화학종 보존에 관한 방정식을 고려하였다. 보일러 해석에서 가장 중요한 열전달 모드인 복사모델은 계산시간의 소모를 최소화 하면서 가장 대략적인 결과를 얻을 수 있는 P-1 모델을 이용하였다. 본 연구에 사용된 수치해석 지배방정식을 Table 1에 정리하였다.
촤 는 저온영역에서는 확산의 영향이 지배적인 반응률을, 고온영역에서는 고체입자 표면에서의 반응이 지배적인 반응률을 보인다. 본 연구에서는 이 두가지 반응률을 모두 고려하는 Kinetic /diffusion limit model을 선정하였다. 기체상과 고체상 간의 질량 및 에너지 전달을 위해서 기체상의 부피에 비해 고체연료의 비율이 작을 때 적절한 Euler-Lagrangean 방법의 DPM(discrete phase model)을 선정하였으며 이에 따른 질량보존, 모멘텀 보존, 에너지보존, 화학종 보존에 관한 방정식을 고려하였다.
포트는 실제 보일러에 구성되어 있는 관측창의 크기와 동일하게 구성하였고 격자형성을 위해 동일한 넓이의 사각단면으로 대체하였다. 전산수치해석 프로그램은 Fluent v12를 이용하였으며, 각 버너의 석탄 및 공기 공급량과 시뮬레이션 조건은 실제 화력발전소에서 500MW 출력을 유지하는 운전하는 조건을 사용하였다.
기체상의 빠른 연소에선 반응속도가 확산에 의한 영향이 더 크므로 Eddy dissipation 연소모델을 선정하여 2단계 총괄반응식을 통한 기상연소 반응식을 풀게 된다. 탈휘발 속도상수는 Two-competing rate model을 사용하여 입자가 겪게 되는 온도영역에 따라 보정된 탈휘발율을 고려하였다. 다른 한편으로 석탄이 고온상태에서 산화제와 만나면 고정 탄소분의 연소가 일어나며 CO2를 발생하는 촤 연소를 하게 된다.
성능/효과
(1) DTF 실험결과 고미연분 석탄회는 석탄에 비해 활성화 에너지가 작게 나타났으며 이는 석탄에 비해 단위시간당 질량변화율이 크다.
(3) 시뮬레이션 결과 석탄회의 원활한 재연소를 위해 입자 궤적의 산소분압이 높은 가능한 높은 위치에서 공급하는 것이 좋다.
(4) 실제로 설치 테스트 가능한 D버너 관측창에서 전체 공기공급량의 0.1%와 함께 석탄회를 3%까지 공급하는 것은 보일러 내 화염구에 크게 영향을 주지 않는다.
F 버너에서 분사된 회의 경우 국부적인 산화제 영향으로 인해 더 빠른 시간안에 미연분의 연소가 이루어지며 발열범위도 넓은 것을 알 수 있다. 석탄에 비해 석탄회의 경우 TGA 실험 결과 고정탄소분의 함량이 적으며, DTF 실험을 통한 산화 반응률 측정결과 석탄에 비해 활성화 에너지가 작아므로 연소시간이 짧으며, 반응속도가 빠를 것으로 사료되며 입자 궤적을 통한 수치 해석 결과로 미루어 볼 때 가능한 높은 위치에서 연소시키는 것이 더 효과적일 것으로 판단된다.
공급위치 시뮬레이션 결과 가능한 높은 위치에서 회를 공급하는 것이 효과적일 것으로 나타났으므로, 실제 보일러에서 가장 높이 설치 가능한 D 버너 측면 위치에서 석탄회를 공급하였다. 시뮬레이션 결과가 보여주듯 석탄회 공급량을 3%까지 상승하여도 보일러 내부의 화염구 형성에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. Fig.
각 버너에서 일차공기와 함께 큰 모멘텀을 가지고 분사된 미분탄은 보일러 내의 복사열전달 효과로 인해 급속하게 탈휘발 과정을 거치게 되고 휘발분의 연소와 함께 촤 연소가 일어나 온도가 상승하며 보일러 중앙에 화염구를 형성하게 된다. 해석 결과를 보면 보일러 가장 가운데의 화염구 보다 그 주위가 더 온도가 높은 것을 볼 수 있다. 그 이유는 석탄이 급속히 탈휘발 되며 휘발분의 가스연소와 소량이기는 하나 촤의 연소가 동시에 일어나기 때문이고, 또 한가지는 공급되는 공기가 보일러 가운데로 갈수록 희박하기 때문에, 촤연소 반응이 서서히 일어나기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
점화감소량이란?
석탄은 고정탄소분 휘발분 수분 그리고 회 성분으로 이루어져 있으며, 연소후 소량의 고정탄소분과 함께 회성분이 남는다. 발전소에서는 연소후 남은 이 두가지 성분을 석탄회 라는 용어로 통칭하여 부르고 있으며, 석탄회 성분중 미연탄소분의 함량을 점화감소량(Loss of Ignition) 즉 LOI라고 축약하여 부르고 있다. 화력발전소에서 배출되는 석탄회 중 정제회(LOI<6%)는 발전소에서 반출되어 경량골재의 원료로 재활용되어 발전소 수익창출에 기여를 하고 있다.
발전소에서 석탄을 연소한 후 남은 석탄회는 어떤 성분으로 이루어져있는가?
석탄은 고정탄소분 휘발분 수분 그리고 회 성분으로 이루어져 있으며, 연소후 소량의 고정탄소분과 함께 회성분이 남는다. 발전소에서는 연소후 남은 이 두가지 성분을 석탄회 라는 용어로 통칭하여 부르고 있으며, 석탄회 성분중 미연탄소분의 함량을 점화감소량(Loss of Ignition) 즉 LOI라고 축약하여 부르고 있다.
환경부담금을 줄이기 위한 화력발전소의 목표는 무엇인가?
그러나 LOI함량이 높은 석탄회의 경우는 재활용이 불가능하여 회사장에 매립되고 있고 그에 따라 환경부담금이 경제적 손실을 가져오고 있다. 따라서 화력발전소에서는 고미연탄소분을 포함하고 있는 석탄회의 정제기술을 통해 발생되는 석탄회의 전량을 재활용하는 것을 목표로 하고 있으며, 이러한 목표에 적합한 석탄회 정제기술이 필요한 실정이다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 한가지 방안으로 화력발전 보일러에 석탄과 함께 고미연분의 석탄회를 투입하여 연소시킴으로써, 미연분 탄소의 이용을 최대화 하고, 정제회를 얻는 방법을 생각해 볼 수 있다.
참고문헌 (4)
Li, S., et. al., 2007, "Optimization of Coal Reburning in a 1MW Tangentially Fired Furnace," Fuel, No. 86, pp. 1169-1175
Wan, H. P., et al., 2008, "Controlled LOI from Coal Reburning in a Coal-Fired Boiler," Fuel, No. 87, pp. 290-296.
Park, H. Y., et al., 2007, "Reburning of Bottom Ash in a Coal-Fired Power Plant and Its Effect on the Plant Management," Korea Society of Waste Management, 24, Vol 5, pp. 472-481
Kim, S. G., et al., 2010, "Experimental Study Characteristic of Char Oxidation and Kinetic Rate in O2/CO and O2/N2 Environment," Trans. of the KSME(B), Vol. 34, No. 12, pp. 1101-1109.
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