[논문]1MWe급 순환유동층 열병합 보일러 운전연구

선도원; 배달희; 조성호; 이승용

doi:10.9713/kcer.2012.50.5.837

1MWe급 순환유동층 열병합 보일러 운전연구
Combustion Study of 1MWe Circulating Fluidized Boiler for RDF 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.50 no.5, 2012년, pp.837 - 842

선도원 (한국에너지기술연구원 온실가스센터) , 배달희 (한국에너지기술연구원 온실가스센터) , 조성호 (한국에너지기술연구원 온실가스센터) , 이승용 (한국에너지기술연구원 온실가스센터)

초록
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폐기물 고형연료의 순환유동층 연소기술의 시범을 위하여 파일롯트 규모 순환유동층 연소보일러를 설계하고 건설하였다. 보일러의 규모는 출력기준 약 6 MWth에 해당하며 증기질은 $400^{\circ}C$, 38 ata로 설계하였다. 최대 증기출력은 약 8 ton/h에 해당한다. 연료는 RDF로 휘발분을 주성분으로 하며 점화가 빠르고 연소성이 매우 뛰어났으며 보일러의 연소효율은 99.5%를 능가하였다. 순환유동층 RDF 연소의 안정성은 연료중 회분 이외의 이물질의 존재 여부와 신속한 배출 가능성에 크게 의존하였다. 오염물질의 배출농도는 염소를 제외하고는 법적 기준치 이내에 들었다. 또한 60% 정도의 연료중 염소는 비산재에 흡수되는 것으로 나타났다. HCl을 국내 법 규제에 맞추어 제어하기 위해서는 건식 또는 습식 흡수 장치와 같은 별도의 환경설비가 필요하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A pilot scale circulating fluidized boiler (CFB) for refuse derived fuel (RDF) is designed and constructed to demonstrate a performance of CFB technology for waste fuel utilization. The boiler has a design capacity of 6 MWth with $400^{\circ}C$ 38 ata steam generation performance. The maximum steam rate of the boiler was about 8 ton/h. The main component of the fuel was RDF (Refuse Derived Fuel) with high volatile contents and showed fast ignition and easy combustion. The pilot plant showed over 99.5% of combustion efficiency. Stable operation of RDF CFBC depended on the content of non combustion materials other than ash and fast removal of them. Emission level was under legal limit except that of HCl without external flue gas treatment facilities. Also about 60% of fuel chlorine was absorbed to fly ash particles. For HCl emission control flue gas treatment technology is required such as wet and dry scrubber in order to comply with Korean regulation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이를 위하여 1 MWe급 순환유동층 보일러를 자력으로 설계하고 국내 기술로 제작 건설하였다. 또한 순환유동층 보일러를 이용하는 산업체에 운전 및 관리기술을 전수하고자 시운전을 통하여 운전기술을 축적하였다.
본 고는 RDF 연소 순환유동층 열병합 발전시스템 개발을 위하여 설계하고 제작한 순환유동층 보일러의 기술사항과 운전특성을 요약한 것이다. 보일러의 용량은 출력기준 6 MWth 이며 발전용량으로1 MWe에 상응하는 규모이다.
본 연구의 목적은 RDF를 연료로 사용하여 증기와 전기를 생산할 수 있는 순환유동층 보일러를 국산화 개발하여 상용화 보급하는데 있다. 이를 위하여 1 MWe급 순환유동층 보일러를 자력으로 설계하고 국내 기술로 제작 건설하였다.

제안 방법

NOx, SO₂ 가스분석은 ABB 사 on-line 가스분석기 URAS 14-1, 14-2를 사용하여 실시간 분석하였으며, HCl은 TOA 사의 염소가스분석기를 사용하였다. Fig.
RDF 연소를 위한 순환유동층 실증 규모 보일러의 설계, 제작 및 건설을 수행하였다. 설비는 연료의 저장 및 공급장치, 순환유동층 연소로 및 대류전열부, 반건식 반응기, 백필터 및 세정장치와 연돌로 구성하였다.
과열기의 보호를 위하여 모든 과열기는 사이클론 후단부인 대류전열부에 설치 하였다. 배열 조절장치는 반건식 흡수탑, 백필터, 세정탑과 연돌 순으로 구성하였다. 증발기는 연소로 내부 벽면에 설치하였다.
나머지는 연료 중 고체성분에 흡수되는 것으로 나타났으며 비 산재에 높은 농도로 검출되었다. 배출 허용기준을 맞추기 위해 습식 scrubber를 배가스 출구단에 장착하여 수 ppm 수준으로 제어하였다[7,8].
7은 K-RDF를 연료로 사용하여 운전한 온도 그래프이다. 버너 초기 가동 시 점화 이상이 발생하였으나 버너를 재 점검한 후 실시하여 정상적으로 점화를 하고 bed 온도 500^oC 이상까지 버너로 승온한 후 연료를 투입하였다. 승온 후의 연소로 온도는 Fig.
상용 순환유동층 보일러 설계인자인 각 전열관의 열전달 계수를연소운전 자료를 분석하여 도출하였다. Fig.
순환유동층 RDF 연소 발전 기술을 개발하기 위하여 1 MWe급에 해당하는 증기량 8 ton/h급 순환유동층 보일러를 개발하고 시운전을 하였다. 시운전을 통해 얻어진 결과는 다음과 같다.
연소 후에는 연소재의 공업 분석을 수행하였고 이를 토대로 연소 효율을 다시 계산하였다.
본 연구의 목적은 RDF를 연료로 사용하여 증기와 전기를 생산할 수 있는 순환유동층 보일러를 국산화 개발하여 상용화 보급하는데 있다. 이를 위하여 1 MWe급 순환유동층 보일러를 자력으로 설계하고 국내 기술로 제작 건설하였다. 또한 순환유동층 보일러를 이용하는 산업체에 운전 및 관리기술을 전수하고자 시운전을 통하여 운전기술을 축적하였다.
설비는 연료의 저장 및 공급장치, 순환유동층 연소로 및 대류전열부, 반건식 반응기, 백필터 및 세정장치와 연돌로 구성하였다. 증기량 8 ton/h 규모로 발전을 위하여 450 ^oC, 38 ata의 증기를 생산할 수 있게 제작 하였다. Table 1에는 설비의 규격을 나타내었다[4,5].

대상 데이터

사용된 연료[5]는 D사의 D-RPF와 K사의 K-RDF이다. RDF는 원주시 생활계 폐기물을 원주시 생활폐기물 연료화시설에서 성형한 것이다.
RDF 연소를 위한 순환유동층 실증 규모 보일러의 설계, 제작 및 건설을 수행하였다. 설비는 연료의 저장 및 공급장치, 순환유동층 연소로 및 대류전열부, 반건식 반응기, 백필터 및 세정장치와 연돌로 구성하였다. 증기량 8 ton/h 규모로 발전을 위하여 450 ^oC, 38 ata의 증기를 생산할 수 있게 제작 하였다.

이론/모형

Table 2에는 시험에 사용한 RDF와 RPF의 성분분석을 건조 슬러지와 수집한 농촌 폐비닐과 비교하여 나타내었다. 각 시료에 대해 공업분석과 원소분석을 하였으며, 염소농도를 Eschka 시약에 의한 전위차 적정법으로 분석하였다.

성능/효과

- 성형 K-RDF나 비 성형 D-RPF 의 연소특성은 매우 좋은 편으로 99% 이상의 연소율을 나타내었다.
- 연소로의 온도 변화에 비해 증기 온도 변화는 매우 작았고 온도가 거의 일정함을 나타내었다. 발전용 증기로 사용할 수 있는 가능성을 보여주었다.
Table 3에 RPF 및 RDF 시료의 겉보기 비중을 나타내었다. 공극이 크고 과립형태의 RPF의 겉보기 비중은 시료채취 상태에 따라 편차가 있었으나 평균 0.4로 측정되었다.
5와 같이 연료량에 따라 온도변화를 나타내었으며, 450^oC 전후의 일정한 온도의 steam을 생산할 수 있었다. 성형된 RDF는 연료의 공급이 매우 원활하여 연료 공급 장애 요인이 전혀 없었으며 이물질이 없어 유동화 상태도 일정하게 유지되었고 따라서 연소상태도 매우 안정적이었다. Fig.
염소는 원료보다 비산재에서 더 농축되어 나타났으며 연소재보다 연소로 내 침전물이나 연돌에 남아있는 미세분진에 더 많이 농축되어 나타났다. 따라서 장기간 운전을 할 경우 백필터 이후 연돌까지 저온부식이 우려되었다.
5% 이상으로 RDF와 RPF 간의 연소효율의 차이는 없이 모두 높게 나타났다. 이는 RDF와 RPF의 주성분이 연소성이 뛰어난 가연분이며 고정탄소 역시 석탄이나 석유 코크스와 같은 난연성이 아닌 쉽게 연소되는 성분이며 이로 인해 연소시간 및 연소온도가 낮게 나타나 결과적으로 연소효율이 높게 나타나는 것으로 이해되었다.
따라서 장기간 운전을 할 경우 백필터 이후 연돌까지 저온부식이 우려되었다. 특히 염소성분이 비산재로 흡수되는 비율은 약 60% 정도로 나타났으며 RDF를 성형할 때 사용하는 소석회 등이 염소성분을 흡수하는 기능을 하고 이들이 쉽게 비산하여 백필터재나 또는 백필터를 통과하는 미세 먼지로 연돌에 퇴적되는 것으로 판단하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폐기물 고형연료에 관한 제반 규정은 언제 어떻게 정비되었는가?	폐기물 고형연료에 관한 제반 규정이 2006년 자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률에 폐기물 고형연료에 관한 조항을 도입하고[1], 2007년 대기환경 보전법 시행규칙 개정에 폐기물 고형연료 연소에 따른 배출허용 기준을 추가함으로서[2] 정비되었다.
	순환유동층 연소기술은 어디에 적합한 기술인가?	순환유동층 연소기술[3]은 고형폐기물 연료의 연소에 적합한 기술로 여러 나라에서 이미 상용화되었다. 국내에서는 폐기물 연료 시장이 늦게 열림에 따라 그동안 보일러 수요가 없어 개발이 늦 었으나 최근의 석탄 가격 앙등 이후 폐기물 연료 시장이 점차 관심을 갖게 되면서 순환유동층 보일러 역시 주목을 받게되었다.
	순환유동층 보일러를 국산화 개발하여 사용화시키기 위해 제작 건설한 것은?	본 연구의 목적은 RDF를 연료로 사용하여 증기와 전기를 생산할수 있는 순환유동층 보일러를 국산화 개발하여 상용화 보급하는데 있다. 이를 위하여 1 MWe급 순환유동층 보일러를 자력으로 설계하고 국내 기술로 제작 건설하였다. 또한 순환유동층 보일러를 이용하는 산업체에 운전 및 관리기술을 전수하고자 시운전을 통하여 운전기술을 축적하였다.

참고문헌 (9)

Ministry of Environment, "Amendment of the Enforcement Decree of the Waste Control Act," ME Decree 220(2006).
Ministry of Environment, "Amendment of the Enforcement Decree of the Clean Air Conservation Act," ME Act 8207(2007).
Basu, P., "Combustion and Gasification in Fluidized Beds," CRC Press(2006).
Shun, D., Bae, D. H., Lee, S. Y. and Kim, M. S., "Development of CFB RDF Combustion and Co-generation Demonstration Plants," The ninth Asian Conference on Fluidized-Bed and Three-Phase Reactors., 79-84(2004).
Shun, D., Bae, D. H., Lee, S. Y. and Jo, S. H., "Circulating Fluidized Bed Combustion of Refuse Derived Fuel," J. Korean Inst. of Resources Recycling, 15(1), 58-65(2006).
Shun, D., Bae, D. H., Jo, S. H. and Lee, S. Y., "Combustion of Coal in a Bench Scale circulating Fluidized Bed Unit," Korean Chem. Eng. Res. (HWAHAK KONGHAK), 40(3), 345-350(2002).
Shun, D., Bae, D. H., Jin, K. T., Lee, C. K., Park, J. H., Han, K. H., Jo, S. H., Ryu, H. J. and Lee, S. Y., "Development of Circulating Fluidized Bed Cogeneration System for RDF," Research paper of Korea Institute of Energy Research., KIER-A66705 (2007).
Lee, H. S., Yun, J, K., Bae, D. H. and Shun, D., "Pollutants Emitted from Municipal Solid Waste Incineration," J. Korean Society of Waste Management., 21(4), 369-377(2004).
Shun, D., Bae, D. H., Kim, D. C. and Park, H. C., "Feasibility Assessment to Construct a Circulating Fluidized Bed Combined Heat and Power Supply Boiler System," J. Korean Society of Waste Management., 23(1), 81-90(2006).

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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