[논문]바이오매스(호두껍질) 혼소에 대한 연소 특성에 관한 연구

김진호; 이병화; 락와더러지; 김상인; 전충환

doi:10.3795/ksme-b.2015.39.1.053

바이오매스(호두껍질) 혼소에 대한 연소 특성에 관한 연구
Combustion Characteristics for Co-firing of Biomass (Walnut Shell) 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.1 = no.352, 2015년, pp.53 - 59

김진호 (부산대학교 기계공학부) , 이병화 (두산중공업 보일러 R&D센터 PLM팀) , 락와더러지 (부산대학교 기계공학부) , 김상인 (부산대학교 기계공학부) , 전충환 (부산대학교 기계공학부)

초록
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본 연구에서는 발전소의 혼합연료로서 바이오매스인 호두껍질(Walnut Shell)에 대한 연소특성을 조사하기 위하여 열중량 분석기(TGA)와 분류층 반응기(DTR)를 이용하여 실험을 수행하였다. 바이오매스 WS는 기존 석탄과 비교하여 낮은 온도 영역에서 활발한 연소반응을 보였고, 활성화 에너지 또한 낮은 값을 가짐으로써 연소반응속도가 더욱 증가함을 확인할 수 있었다. 바이오매스 WS와 역청탄의 혼소에 있어서 고정층 분석에서는 혼소 영향이 선형적으로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 그렇지만 분류층 반응기에서는 바이오매스 혼소율을 5%증가 시에는 UBC가 감소하다가 이후에 다시 UBC가 증가하는 Non-additive 현상을 확인할 수 있었다. 이는 바이오매스의 급격한 연소로 주위에 산소 부족현상이 생겨 석탄의 연소가 지연되는 것을 보여준다. 이 현상을 해결하기 위하여 산소를 증가시켜주었을 때 더 높은 혼소율을 성취할 수 있음을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Combustion characteristics for co-firing of biomass (Walnut Shell) as blending fuel in coal fired boiler have investigated using thermogravimetric analyser (TGA) and drop tube reactor (DTR). The results show that devolatilization and char combustion for WS occurs at lower temperature than those of existing coals and has lower activation energy value, which is resulting in higher reactivity. When the WS is blended with coal, TGA results show linear profiles depending on blending ratio for each fuel. However, DTR results exist the non-additive phenomena for blending of WS. As blending ratio of WS increase, the UBC decrease at BBR 5%, but the UBC rather increase from BBR 10% due to oxygen deficiency formed from rapid combustion of WS. This paper propose that fuel lean condition by oxygen rich lead to higher blending ratio of biomass by solving the oxygen deficiency condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 현재 석탄 화력 발전플랜트에 혼소될 바이오매스연료 중의 하나인 Walnut Shell(WS)의 혼소시에 따른 연소특성을 TGA와 DTR을 이용하여 분석을 수행하였다. WS는 현재 미국에서 수입되고 있으며 선행연구의 공정해석에서 Net plant efficiency가 다른 바이오매스들(wood pellet, palm kernel shell, empty fruit bunch)에 비하여 높은 것으로 알려졌다.
본 연구에서는 바이오매스 WS의 연료 특성과 혼소되었을 때의 연소 특성에 관한 연구를 수행하였고 이에 관한 결론은 다음과 같다.

제안 방법

바이오매스는 기존 석탄 보다 입자크기가 크기 때문에 스크류를 이용한 미세정량 공급 장치가 필요하다. 본 장치는 기존의 석탄/바이오매스 공급 장치인 스크류 형태 공급기를 보다 간소하게 제작하여 미분탄을 미세정량 단위로 조절하기 위해 상단부에 질소 운송가스를 주입하였다. 기존의 진동 시스템이 없기 때문에 장비의 유지/보수가 보다 우수하며, 스크류 회전수와 수송가스량을 조절하여 미세정량 단위로 연속적인 주입할 수 있게 하였다.
하단부 싸이클론을 이용하여 가스와 입자를 분리할 수 있게 하였다. 싸이클론에서 포집된 회분은 Box furnace를 통하여서 UBC를 측정하였다. 본 연구의 열중량 분석은 TGA(모델명: TA Q600 SDT)를 사용하였다.

대상 데이터

TGA 실험에서 Heating rate은 20 ℃/min 이고, 주위 분위기는 공기를 주입하여 실험을 수행하였다. DTR의 실험에서 석탄은 바이오매스의 혼소할 때 주로 사용되는 역청탄인 Trafigura를 사용하였고, 공급량은 0.3g/min이고, 석탄 크기는 75~90㎛이고, 입자 체류시간은 1.5초이다. 모든 실험에서 DTR의 반응로 온도는 1300℃를 유지하였다.
1은 본 실험에서 사용된 실험 장치의 개략도를 보여준다. 본 실험에서 사용된 DTR은 Pusan Clean Coal Center에서 설계되었다. 전체 장치는 Fig.
Table 1은 실험에서 사용된 석탄들과 바이오매스의 특성들을 보여준다. 본 실험에서 사용된 석탄들은 역청탄인 Trafigura와 아역청탄인 Adaro를 사용하였으며, 바이오매스는 호두껍질 (Walnut shell, WS)을 사용하였다.
본 연구에서 사용된 실험장치는 열중량 분석기(Thermogravimetric Analyzer)와 분류층 반응기(Drop tube reactor)에 의하여 이루어졌다. DTR은 균일한 높은 온도, 압력, 다양한 온도영역에서 실험을 할 수 있다는 장점을 가지고 있기 때문에 이 장치를 통한 많은 석탄 연구들이 이루어져 왔다.
싸이클론에서 포집된 회분은 Box furnace를 통하여서 UBC를 측정하였다. 본 연구의 열중량 분석은 TGA(모델명: TA Q600 SDT)를 사용하였다.

성능/효과

(1) 연소 프로파일에서 바이오매스 WS는 기존 석탄과 달리 두 개의 Peak가 나타났고 이는 바이오매스 안에 있는 다양한 휘발분 성분들이 존재한다는 것을 보여준다. 그리고 석탄들과 비교하여 낮은 온도에서 탈휘발 및 촤 연소가 일어났고, 활성화 에너지는 더 낮은 값을 가졌다.
(2) 바이오매스 WS의 혼소시에 TGA 결과에서는 각 연료들의 혼소량에 따른 선형적인 결과들이 확인되었고, BBR 30% 이상에서는 석탄의 질량감소로 인한 급격한 연소 특성을 보였다.
(3) 바이오매스 WS의 혼소시에 DTR 결과에서는 BBR 5%에서 바이오매스의 Reactive한 영향으로 UBC가 감소하고 그 이후에는 산소부족현상이 발생하여 오히려 UBC는 증가하였다. 주위에 Fuel lean 조건을 만들어 줌으로써 산소부족현상을 해결하고 바이오매스 혼소율을 안정적으로 더 증가 시킬 수 있다는 것을 보여주었다.
DTR을 통한 질량 분석 시에는 5번 이상 측정값의 대표 평균치를 사용하였으며, 오차분석을 통해 얻어진 측정 편차는 평균값의 5% 미만으로 관찰되었다.
이러한 바이오매스의 급격한 연소로 말미암은 산소 부족 현상을 해소하기 위한 방법은 산소를 더 주입함으로써 Fuel lean 조건을 만들어 주는 것이다. Fig. 7에서와 같이 SR=1.2로 주위 조건을 만들어주었을 때에 BBR 10%에서 증가하던 UBC는 다시 감소하는 것을 볼 수 있었고, BBR 15%에서 UBC가 증가하였다. 이것은 바이오매스로 말미암은 Reactive 부분과 Non-reactive 부분의 전환점(Transition point)이 뒤로 옮겨졌음을 보여주고 있고, Fuel lean 조건으로 말미암아 더 높은 혼소량이 성취될 수 있음을 보여준다.
9 kJ/mol 값을 보이고 있다. 문헌상의 값들과 비교할 때, 본 실험에서 사용한 각 연료의 활성화 에너지는 받아들일만한 범위에 있으며, 활성화 에너지의 비교를 통하여서 WS의 연소 반응속도가 석탄들에 비하여 매우 빨라질 거라는 것을 판단할 수 있다.^(15,16) 따라서 WS의 경우 기존 석탄에 비하여 연소가 급속하게 일어나고 낮은 온도에서 연소 반응이 시작되는 것을 확인하였다.
DTR은 균일한 높은 온도, 압력, 다양한 온도영역에서 실험을 할 수 있다는 장점을 가지고 있기 때문에 이 장치를 통한 많은 석탄 연구들이 이루어져 왔다. 본 실험의 DTR은 실제 연소로에서 생성되는 조건을 잘 만들어주며, 연소가 진행됨에 따라 입자 온도를 상대적으로 일정하게 유지시킬 수 있고, 비교적 안정된 조건에서 연료의 특성을 잘 나타낼 수가 있다. Fig.
SR=1 조건에서 바이오매스 WS을 5% 혼소하였을때, UBC는 감소하는 것을 볼 수 있다. 이것은 TGA의 연소 프로파일 결과에서도 볼 수 있듯이 바이오매스의 급속한 연소로 말미암아 주위 온도를 높여 주고 이에 따라 석탄에 Reactive한 영향을 줌으로써 UBC는 감소하였다. 그렇지만 BBR 10% 이후에서는 UBC가 다시 증가하는 것을 보게 된다.
혼소시 공급량은 열량 기준으로 주입이 되었으며 바이오매스의 혼소량이 증가함에 따라 점차적으로 석탄의 공급량은 감소하였다. 전체적인 공급량을 보았을 때에는 바이오매스의 열량이 상대적으로 석탄보다 낮기 때문에 혼소량이 증가할수록 더 많은 공급량이 주입되었다. 석탄과 바이오매스의 공급량에 따른 산화제의 량은 다음 식에 의하여 계산이 되었다.
석탄의 연소를 위하여 주입되는 주가스(Main gas)인 공기는 5 lpm 으로 주입되었고, 주입 펌프에서 석탄을 수송하는 질소 가스는1 lpm 으로 사용되었다. 전체적인 반응부의 SR(Stoichiometric ratio)은 공기유량은 고정하고 석탄과 혼소되는 바이오매스와 공급량과 혼합가스의 산소농도를 바꿔감으로 해서 일정하게 유지하였다. Fig.
(3) 바이오매스 WS의 혼소시에 DTR 결과에서는 BBR 5%에서 바이오매스의 Reactive한 영향으로 UBC가 감소하고 그 이후에는 산소부족현상이 발생하여 오히려 UBC는 증가하였다. 주위에 Fuel lean 조건을 만들어 줌으로써 산소부족현상을 해결하고 바이오매스 혼소율을 안정적으로 더 증가 시킬 수 있다는 것을 보여주었다.

후속연구

WS는 현재 미국에서 수입되고 있으며 선행연구의 공정해석에서 Net plant efficiency가 다른 바이오매스들(wood pellet, palm kernel shell, empty fruit bunch)에 비하여 높은 것으로 알려졌다.⁽⁹⁾ 이를 통해 얻은 결과들은 표준화력 발전플랜트에 혼소연료로써 사용될 때에 기초 자료로써 사용하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오매스 혼소의 장점은?	세계적으로 바이오매스 연료는 전체 에너지 요구의 약 14%를 제공하고 있다고 보고되고 있으며, 화력발전플랜트에서 바이오매스 혼소(Co-firing)는 CO2 온실가스를 줄일 수 있는 가장 중요한 기술 중의 하나라고 여겨지고 있다.(1)
	호두껍질은 석탄과 비교하여 어떠한 연소반응을 보이는가?	본 연구에서는 발전소의 혼합연료로서 바이오매스인 호두껍질(Walnut Shell)에 대한 연소특성을 조사하기 위하여 열중량 분석기(TGA)와 분류층 반응기(DTR)를 이용하여 실험을 수행하였다. 바이오매스 WS는 기존 석탄과 비교하여 낮은 온도 영역에서 활발한 연소반응을 보였고, 활성화 에너지 또한 낮은 값을 가짐으로써 연소반응속도가 더욱 증가함을 확인할 수 있었다. 바이오매스 WS와 역청탄의 혼소에 있어서 고정층 분석에서는 혼소 영향이 선형적으로 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
	계적으로 바이오매스 연료는 전체 에너지 요구의 약 몇 %를 제공하고 있는가?	세계적으로 바이오매스 연료는 전체 에너지 요구의 약 14%를 제공하고 있다고 보고되고 있으며, 화력발전플랜트에서 바이오매스 혼소(Co-firing)는 CO2 온실가스를 줄일 수 있는 가장 중요한 기술 중의 하나라고 여겨지고 있다.(1)

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표제어: PCR

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