[논문]경량골재 로타리킬른의 운전최적화를 위한 석탄연소 및 원료입자 승온특성 해석

박종근; 류창국; 김영주

doi:10.15231/jksc.2014.19.3.018

문제 정의

본 연구는 2013년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제입니다(과제번호: 20133030100860). 이 논문은 2014년 한국연소학회 춘계학술대회에서 발표한 내용을 보완하여 작성하였습니다.
이 연구는 국내 화력발전소에서 시운전중인 경량 골재 생산용 로타리 킬른에 대해 연소 조건 변화에 따른 경량골재 입자들의 온도 이력을 분석함으로써 적정 운전조건을 도출하기 위한 연구이다. 이를 위해 상용 코드 기반의 전산유동해석을 통해 킬른 내 석탄 연소 및 온도 분포를 예측하고, 경량골재 입자층의 온도이력을 Excel VBA를 이용한 별도의 1차원 열전달 모델을 수립하여 전산유동해석의 경계조건으로서 연계 해석하였다.
9는 연소공기의 온도를 200℃로 고정하고 과잉공기비를 30-100% 범위에서 바꿔가며 해석한 결과이다. 이는 전술한 바와 같이 공정의 단순화와 운전제어의 안정성 향상을 위해 킬른에서 배출된 고온 골재입자의 냉각과정을 거친 공기를 사용하지 않고 별도로 온도가 제어되는 예열공기를 사용하는 조건을 분석하기 위한 것이다. 이 때 과잉공기비 50%인 경우 입자의 최고온도가 1,191℃로 나타났다.
두 번째로, 과잉공기비에 의한 영향을 파악하기 위해서 연소공기의 온도를 200℃로 고정하였고 과잉공기비를 30%-100%로 변화시켜 가며 해석하였다. 이는 킬른 내 연소조건의 안정적인 제어를 위해 골재입자 냉각기에서의 공기예열을 줄이고 일정한 온도를 유지하는 경우의 운전 범위를 파악하기 위한 것이다.

가설 설정

4는 골재입자의 온도이력이 CFD와의 반복계산 과정에서 변화한 결과의 예를 공기온도 700℃ 및 과잉공기비 150% 조건에 대해 나타낸 것이다. 가스 유동장 계산 시 입자층의 초기 온도는 입구 30℃에서 출구 1,200℃까지 선형적으로 증가한다고 가정하였다. CFD 결과가 안정화되면 Q_rad, Q_conv, Q_wall-bed 계산에 필요한 복사온도, 가스 온도 및 벽면온도를 출력하여 입자층 온도 이력을 계산하였다.
2는 입자층의 1차원 모델 개념도이다. 킬른의 회전에 의한 입자의 혼합이 효율적으로 진행되므로 반경 및 원주방향의 입자 온도 차이는 무시하고 축 방향으로의 온도구배만 존재한다고 가정하여 1차원 모델로 구성하였다. 또한 입자 내부의 온도 구배와 고온에서의 표면 소결 및 상변이(phase transformation), 발포 반응에 따른 입자 내 기공 형성 및 크기 변화를 무시하였다.

제안 방법

가스 유동장 계산 시 입자층의 초기 온도는 입구 30℃에서 출구 1,200℃까지 선형적으로 증가한다고 가정하였다. CFD 결과가 안정화되면 Q_rad, Q_conv, Q_wall-bed 계산에 필요한 복사온도, 가스 온도 및 벽면온도를 출력하여 입자층 온도 이력을 계산하였다. 이를 이용하여 다시 가스 유동장에 대해 재계산을 수행하는 과정을 반복하였다.
Table 1은 이 연구에서 고려한 킬른의 운전조건 범위를 나타낸 것으로서 석탄 및 LPG의 공급량을 고정한 상태에서 연소공기의 온도와 과잉공기비의 두 조건을 변화시켜 해석하였다. 첫 번째로, 연소공기의 온도는 냉각기 출구 온도의 영향과 적정 제어 범위를 파악하기 위한 것으로서 과잉공기비를 150%로 고정한 상태에서 150-900℃의 범위에서 분석하였다.
경량골재 킬른에 대한 수치해석은 가스 유동장에 대한 CFD와 입자층에 대한 별도의 1차원 모델을 연계하여 진행하였다. 석탄 연소 및 입자층과의 열전달을 포함한 킬른 내 가스 유동장은 상용 CFD 코드인 FLUENT ver 6.
3절 참조)을 구성하여 Excel VBA 프로그램으로 구현하였다. 그리고 열전달을 통한 두 모델의 상호작용이 안정화될 때까지 반복 해석하였다. 이와 같은 연계해 석기법은 화격자식 소각로의 연료층 및 가스유동장에 대해 개발된 바 있다[5].
이와 같이 넓은 온도 범위를 설정한 이유는 연소공기가 킬른 후단의 골재입자 냉각기를 거쳐 공급되므로 냉각기의 운전방식에 따라 온도의 가변 범위가 크기 때문이다. 두 번째로, 과잉공기비에 의한 영향을 파악하기 위해서 연소공기의 온도를 200℃로 고정하였고 과잉공기비를 30%-100%로 변화시켜 가며 해석하였다. 이는 킬른 내 연소조건의 안정적인 제어를 위해 골재입자 냉각기에서의 공기예열을 줄이고 일정한 온도를 유지하는 경우의 운전 범위를 파악하기 위한 것이다.
이는 기존 문헌에서 화학적인 메커니즘에 대한 연구 사례들을 찾을 수 있으나 이를 수식화하여 입자 모델링하는데 참고할 수 있는 정량적인 연구들이 보고되지 않았기 때문이다. 따라서, 주요 열전달 및 수분 증발, 잔류 탄소의 연소만을 고려하여 각 검사체적에서 입자의 출구온도를 결정하는 에너지보존식을 아래와 같이 구성하였다.
킬른의 회전에 의한 입자의 혼합이 효율적으로 진행되므로 반경 및 원주방향의 입자 온도 차이는 무시하고 축 방향으로의 온도구배만 존재한다고 가정하여 1차원 모델로 구성하였다. 또한 입자 내부의 온도 구배와 고온에서의 표면 소결 및 상변이(phase transformation), 발포 반응에 따른 입자 내 기공 형성 및 크기 변화를 무시하였다. 이는 기존 문헌에서 화학적인 메커니즘에 대한 연구 사례들을 찾을 수 있으나 이를 수식화하여 입자 모델링하는데 참고할 수 있는 정량적인 연구들이 보고되지 않았기 때문이다.
석탄 화력의 바닥재로부터 경량골재를 생산하기 위해 이용되는 로타리 킬른의 적정운전조건을 파악하기 위하여 연료의 연소를 포함한 가스 유동장의 해석과 함께 골재 입자의 온도 이력을 예측하는 1차원 모델을 연계 해석하였다. 그 결과 골재 투입량 및 조성에 대한 기준 운전조건에서 과잉공기비를 150%로 고정할 경우 연소공기의 온도를 600-700℃ 범위 내에 있어야 하며, 연소공기의 온도를 200℃로 할 경우 과잉공기비의 범위가 50-60%의 범위 내에서 사용하는 것이 적절한 것으로 나타났다.
원료 입자 내 잔류탄소는 반응온도가 높지 않고 산소가 충분하므로 탄소의 산화반응(C+O2→CO2)만을 대상으로 UCSM을 적용하여 계산하였다.
이 연구에서 골재입자 온도의 계산을 위해 수립한 1차원 모델은 주요 열전달과 미연탄소의 연소만을 고려한 단순한 모델이다. 향후 골재입자의 특성에 간여하는 주요 기작인 입자 내부의 온도 분포나 표면의 소결, 입자 내부에서 일어나는 다양한 반응과 발포 현상을 고려하여 보다 세밀한 모델을 개발 하는 것이 필요하다.
이 연구는 국내 화력발전소에서 시운전중인 경량 골재 생산용 로타리 킬른에 대해 연소 조건 변화에 따른 경량골재 입자들의 온도 이력을 분석함으로써 적정 운전조건을 도출하기 위한 연구이다. 이를 위해 상용 코드 기반의 전산유동해석을 통해 킬른 내 석탄 연소 및 온도 분포를 예측하고, 경량골재 입자층의 온도이력을 Excel VBA를 이용한 별도의 1차원 열전달 모델을 수립하여 전산유동해석의 경계조건으로서 연계 해석하였다.
CFD 결과가 안정화되면 Q_rad, Q_conv, Q_wall-bed 계산에 필요한 복사온도, 가스 온도 및 벽면온도를 출력하여 입자층 온도 이력을 계산하였다. 이를 이용하여 다시 가스 유동장에 대해 재계산을 수행하는 과정을 반복하였다. 화염 온도가 충분한 경우 두 모델의 상호작용은 1, 2회 내에 안정화되며 5-8차례의 반복계산 이후에는 1%의 오차 이내로 수렴하였다.
입자층 내에서 수분의 증발은 수분 증발에 필요한 잠열과 열전달량을 이용하여 계산하였다. 원료 입자 내 잔류탄소는 반응온도가 높지 않고 산소가 충분하므로 탄소의 산화반응(C+O₂→CO₂)만을 대상으로 UCSM을 적용하여 계산하였다.
Table 1은 이 연구에서 고려한 킬른의 운전조건 범위를 나타낸 것으로서 석탄 및 LPG의 공급량을 고정한 상태에서 연소공기의 온도와 과잉공기비의 두 조건을 변화시켜 해석하였다. 첫 번째로, 연소공기의 온도는 냉각기 출구 온도의 영향과 적정 제어 범위를 파악하기 위한 것으로서 과잉공기비를 150%로 고정한 상태에서 150-900℃의 범위에서 분석하였다. 이와 같이 넓은 온도 범위를 설정한 이유는 연소공기가 킬른 후단의 골재입자 냉각기를 거쳐 공급되므로 냉각기의 운전방식에 따라 온도의 가변 범위가 크기 때문이다.
킬른 내 입자체류시간은 약 50분이며, 킬른 단면에서 입자가 차지하는 면적 및 각도는 출구 관측장에서 확인된 약 0.36 m2, 70º로 설정하였다.

대상 데이터

이 연구에서 수립한 해석모델은 입자의 표면 소결이나 내부 발포 등 일부 현상을 무시한 것이다. 소결과 발포 과정의 반응열은 가스와의 열전달에 비해 미미하지만 입자의 크기와 표면적 변화에 따라 킬른 후단에서의 열전달 조건이 크게 영향을 받을수 있으므로 향후 이를 반영한 입자모델의 개선이 필요하다.

데이터처리

이 때 킬른 하부에 형성되는 입자층은 가스 유동장에 대한 경계조건으로 단순화하였다. 입자층의 온도를 결정하기 위해 필요한 해석은 간단한 1차원 수치모델(2.3절 참조)을 구성하여 Excel VBA 프로그램으로 구현하였다. 그리고 열전달을 통한 두 모델의 상호작용이 안정화될 때까지 반복 해석하였다.

이론/모형

가스 유동장 해석에서 석탄의 휘발분 조성과 속도상수는 석탄 네트워크 모델에 기반한 예측프로그램인 Flashchain을 이용하여 결정하였다[6]. 석탄 촤의 연소 및 가스화 반응은 unreacted core shrinking model(UCSM)[7]을 적용하였다.
이 때 난류 유동의 해석은 제트 및 선회 유동에 적합한 realizable k-ε model을 이용하였다. 벽면, 가스 및 입자의 복사열전달은 구분종좌법(discrete ordinate method)을 적용하였다. 이때 CO₂와 H₂O를 포함한 가스의 흡수계수는 회색기체가중합법(weighted sum of the gray gases model, WSGGM)[8,9]을 이용하여 계산하였다.
경량골재 킬른에 대한 수치해석은 가스 유동장에 대한 CFD와 입자층에 대한 별도의 1차원 모델을 연계하여 진행하였다. 석탄 연소 및 입자층과의 열전달을 포함한 킬른 내 가스 유동장은 상용 CFD 코드인 FLUENT ver 6.3[4]를 이용하였다. 이 때 킬른 하부에 형성되는 입자층은 가스 유동장에 대한 경계조건으로 단순화하였다.
가스 유동장 해석에서 석탄의 휘발분 조성과 속도상수는 석탄 네트워크 모델에 기반한 예측프로그램인 Flashchain을 이용하여 결정하였다[6]. 석탄 촤의 연소 및 가스화 반응은 unreacted core shrinking model(UCSM)[7]을 적용하였다. 휘발분과 촤 연소생성물의 가스반응은 난류 유동장 내 화학종의 혼합 속도를 고려하기 위하여 kinetic rate/eddy-dissipation rate model을 적용하였다.
이 때 난류 유동의 해석은 제트 및 선회 유동에 적합한 realizable k-ε model을 이용하였다.
벽면, 가스 및 입자의 복사열전달은 구분종좌법(discrete ordinate method)을 적용하였다. 이때 CO₂와 H₂O를 포함한 가스의 흡수계수는 회색기체가중합법(weighted sum of the gray gases model, WSGGM)[8,9]을 이용하여 계산하였다.
입자와 벽면사이의 열전달계수(h_ws,total)를 구하기 위하여 Fig. 3과 같이 입자층을 세 부분(Gas layer, penetration layer, Core area)으로 가정한 후 각각의 열 저항을 구하여 계산하는 Heat penetration model[12,13]을 사용하였다.
석탄 촤의 연소 및 가스화 반응은 unreacted core shrinking model(UCSM)[7]을 적용하였다. 휘발분과 촤 연소생성물의 가스반응은 난류 유동장 내 화학종의 혼합 속도를 고려하기 위하여 kinetic rate/eddy-dissipation rate model을 적용하였다. 이 때 난류 유동의 해석은 제트 및 선회 유동에 적합한 realizable k-ε model을 이용하였다.

성능/효과

Fig. 5(c)의 유속 분포에서 강한 선회류로 인해 축 방향의 중심부 유속은 낮고 벽면에서의 속도가 높은 경향을 보였다. 특히, 버너 근처에서의 선회류가 가장 강하게 나타났다.
석탄 화력의 바닥재로부터 경량골재를 생산하기 위해 이용되는 로타리 킬른의 적정운전조건을 파악하기 위하여 연료의 연소를 포함한 가스 유동장의 해석과 함께 골재 입자의 온도 이력을 예측하는 1차원 모델을 연계 해석하였다. 그 결과 골재 투입량 및 조성에 대한 기준 운전조건에서 과잉공기비를 150%로 고정할 경우 연소공기의 온도를 600-700℃ 범위 내에 있어야 하며, 연소공기의 온도를 200℃로 할 경우 과잉공기비의 범위가 50-60%의 범위 내에서 사용하는 것이 적절한 것으로 나타났다. 따라서, 적절한 수준의 발포가 이루어지고 지나친 소결을 방지하기 위한 운전조건의 제어는 연소공기의 온도 100℃, 과잉공기비 10%의 매우 좁은 가변 범위에서 이루어져야 할 것으로 분석되었다.
반면, 과잉공기비 30% 조건에서는 1,300℃ 이상으로 최고온도가 상승하고, 100% 조건에서는 안정적인 온도유지가 어려울 것으로 분석되었다. 따라서 결과의 경향으로부터 과잉공기비 50-60% 범위가 적정 운전 영역인 것으로 판단된다.
그 결과 골재 투입량 및 조성에 대한 기준 운전조건에서 과잉공기비를 150%로 고정할 경우 연소공기의 온도를 600-700℃ 범위 내에 있어야 하며, 연소공기의 온도를 200℃로 할 경우 과잉공기비의 범위가 50-60%의 범위 내에서 사용하는 것이 적절한 것으로 나타났다. 따라서, 적절한 수준의 발포가 이루어지고 지나친 소결을 방지하기 위한 운전조건의 제어는 연소공기의 온도 100℃, 과잉공기비 10%의 매우 좁은 가변 범위에서 이루어져야 할 것으로 분석되었다.
이 때 과잉공기비 50%인 경우 입자의 최고온도가 1,191℃로 나타났다. 반면, 과잉공기비 30% 조건에서는 1,300℃ 이상으로 최고온도가 상승하고, 100% 조건에서는 안정적인 온도유지가 어려울 것으로 분석되었다. 따라서 결과의 경향으로부터 과잉공기비 50-60% 범위가 적정 운전 영역인 것으로 판단된다.
위 두 결과를 종합하였을 때, 적절한 수준의 입자 내 발포 및 과도한 소결의 방지를 위한 골재입자의 적정온도 달성을 위해 킬른의 연소조건이 공기 예열 온도 100℃ 이내, 공기유량은 과잉공기비 기준으로 10% 이내의 범위에서 제어되어야 함을 확인할 수 있다. 이와 같이 입자 온도가 연소 조건에 따라 민감 하게 변하므로, 공기 예열온도 및 킬른 출구 산소 농도 등의 연속적인 계측이 필수적이다.
수분은 입자 투입 후 5미터 이내에서 증발이 종료된다. 잔류 탄소는 투입 후 약 20 m 정도부터 산화반응이 시작되는데 입자 표면에서 내부로 반응면(unreacted core)이 이동하면서 산소의 입자내 확산 속도가 저하되므로 반응 속도가 점점 감소하는 경향을 나타냈다.
이 때 고온 영역은 킬른 단면 중앙부에 형성되지 않고 선회 유동과 함께 회전하였다. 특히, 버너에서 5-10 m 정도 진입한 시점에서 고온 영역이 입자층에 직접 영향을 주는 것을 확인하였다. 이후 가스 출구로 진행하면서 입자층으로의 열전달 및 벽면 열손실로 인해 점진적으로 온도가 하락하였다.

후속연구

이 연구에서 수립한 해석모델은 입자의 표면 소결이나 내부 발포 등 일부 현상을 무시한 것이다. 소결과 발포 과정의 반응열은 가스와의 열전달에 비해 미미하지만 입자의 크기와 표면적 변화에 따라 킬른 후단에서의 열전달 조건이 크게 영향을 받을수 있으므로 향후 이를 반영한 입자모델의 개선이 필요하다. 또한, 전산유동해석 기술의 발전에 따라 입자들의 거동 및 반응, 열전달 모델을 포함한 로타리킬른의 해석 기술 개발이 이루어질 경우 골재입자뿐 아니라 다양한 킬른 이용 분야에서 매우 유용할 것으로 판단된다[14].
이 연구에서 골재입자 온도의 계산을 위해 수립한 1차원 모델은 주요 열전달과 미연탄소의 연소만을 고려한 단순한 모델이다. 향후 골재입자의 특성에 간여하는 주요 기작인 입자 내부의 온도 분포나 표면의 소결, 입자 내부에서 일어나는 다양한 반응과 발포 현상을 고려하여 보다 세밀한 모델을 개발 하는 것이 필요하다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	경량골재의 생산의 핵심적인 공정은 무엇인가?	경량골재의 생산은 원료를 배합한 성형입자들의 소성과 발포가 핵심적인 공정으로서, 긴 체류시간 동안 원료입자가 균일하게 혼합되면서 열전달에 의한 승온이 일어날 수 있도록 로타리 킬른(rotary kiln)이 사용된다. 킬른 내 연료 연소에 의한 고온 분위기(1,100-1,200℃)와 원료 입자의 표면이 소결되어 가스의 이동이 제한된 상태에서 원료에 포함된 Fe2O3의 환원과 미연탄소의 산화에 의한 CO 및 CO2 생성, CaCO3의 하소(calcination)에 의한 CO2 생성과 같은 발포로 인해 팽창하면서 밀도가 감소하게 된다[2,3].
	경량 골재는 어떠한 용도로 사용되는가?	그 중 하나로서 바닥재와 준설공사에서 발생하는 준설토를 혼합하여 고온에서 발포시켜 밀도를 낮춘 경량골재(light-weight aggregate, LWA)를 생산하는 방안이 연구되고 있다. 경량 골재는 입자 내부가 다공질로 구성되어 밀도가 1,500 kg/m3 이하로 낮으며 단열재나 바닥재, 흡음 및 흡습제로 사용된다[1].
	석탁 화력발전에서 배출된 바닥재(bottom ash)와 비산재는 어떻게 처리되는가?	석탄 화력발전 시 석탄에 포함된 회분은 연소과정에서 바닥재(bottom ash)와 비산재(fly ash)로 나뉘어 배출된다. 회분의 80% 내외를 차지하는 비산재의 경우 시멘트 생산 등에 재활용되나, 바닥재의 경우 대부분 회처리장에 매립되고 있다. 석탄 사용량의 꾸준한 증가로 인해 회처리장의 건설과 관리가 점점 어려워짐에 따라 바닥재를 재활용하기 위한 여러 방안이 연구되고 있다.

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