DTF를 이용한 무회분 석탄과 잔탄의 연소 및 회 점착 특성에 관한 연구 The Study on the Combustion and Ash Deposition Characteristics of Ash Free Coal and Residue Coal in a Drop Tube Furnace원문보기
최근 화력발전 보일러의 운전에 있어서 저등급 석탄의 성분 중 ash의 영향으로 보일러 후단부에서 생성되는 slagging/fouling 문제가 많이 보고 되고 원인 규명 및 해결책을 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 환경적 측면에서도 NOx등 환경적인 문제를 발생시키는 부분에 대해 규제를 가하고 있는 상황이다. 이런 문제점을 해결하기 위한 방법 중 하나인 석탄의 ash를 제거한 AFC(Ash Free Coal)을 활용한 연구가 진행되고 있다. AFC는 저등급탄의 발열량을 높여 기존의 고등급탄을 보완하고 slagging/fouling 문제 및 배출가스의 오염성분을 줄일 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는, DTF를 이용하여 KCH 원탄과 원탄에서 추출된 무회분탄1, 무회분탄2, 잔탄, Glencore, Glencore과 잔탄을 85:15 비율로 한 혼탄을 이용하여 미연분, NOx 배출특성의 변화와 회 점착 특성을 확인하였다. 그 결과 무회분탄은 원탄과 잔탄에 비해 NOx 배출량이 현저히 낮고, 잔탄은 원탄에 비해 고등급화 되면서 반응성이 훨씬 좋아짐을 확인 하였다. 잔탄과 혼탄의 경우 일반적인 저열량탄 수준보다 낮은 점착성을 나타내는 것을 확인 하였다.
최근 화력발전 보일러의 운전에 있어서 저등급 석탄의 성분 중 ash의 영향으로 보일러 후단부에서 생성되는 slagging/fouling 문제가 많이 보고 되고 원인 규명 및 해결책을 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 환경적 측면에서도 NOx등 환경적인 문제를 발생시키는 부분에 대해 규제를 가하고 있는 상황이다. 이런 문제점을 해결하기 위한 방법 중 하나인 석탄의 ash를 제거한 AFC(Ash Free Coal)을 활용한 연구가 진행되고 있다. AFC는 저등급탄의 발열량을 높여 기존의 고등급탄을 보완하고 slagging/fouling 문제 및 배출가스의 오염성분을 줄일 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는, DTF를 이용하여 KCH 원탄과 원탄에서 추출된 무회분탄1, 무회분탄2, 잔탄, Glencore, Glencore과 잔탄을 85:15 비율로 한 혼탄을 이용하여 미연분, NOx 배출특성의 변화와 회 점착 특성을 확인하였다. 그 결과 무회분탄은 원탄과 잔탄에 비해 NOx 배출량이 현저히 낮고, 잔탄은 원탄에 비해 고등급화 되면서 반응성이 훨씬 좋아짐을 확인 하였다. 잔탄과 혼탄의 경우 일반적인 저열량탄 수준보다 낮은 점착성을 나타내는 것을 확인 하였다.
Recently, much research has been put into finding the causes and solutions of slagging/fouling problems that occur at the end of the boiler. This slagging/fouling, caused by low-rank coal's ash, disturbs the thermal power and greatly reduces efficiency. In environmental aspects, such as NOx pollutio...
Recently, much research has been put into finding the causes and solutions of slagging/fouling problems that occur at the end of the boiler. This slagging/fouling, caused by low-rank coal's ash, disturbs the thermal power and greatly reduces efficiency. In environmental aspects, such as NOx pollution, governments have been implementing restrictions on the quantity of emission gases that can be released into the atmosphere. To solve these problems, research on Ash Free Coal (AFC), which eliminates ash from low-rank coal, is in progress. AFC has advantages over similar high-rank coals because it increases the heating value of the low grade coal, reduces the contaminants that are emitted, and decreases slagging/fouling problems. In this study, using a DTF, the changes of NOx emissions, unburned carbon, and the characteristics of ash deposition were identified. KCH raw coal, AFC extracted from KCH, residue coal, Glencore, and Mixed Coal (Glencore 85wt% and residue coal 15wt%) were studied. Results showed that AFC had a significantly lower emission of NOx compared to that of the raw coal and residue coal. Also, the residue coal showed a higher reactivity compared to raw coal. And finally, In the case of the residue coal and mixed coal, they showed a lower ash deposition than that of low-rank coal.
Recently, much research has been put into finding the causes and solutions of slagging/fouling problems that occur at the end of the boiler. This slagging/fouling, caused by low-rank coal's ash, disturbs the thermal power and greatly reduces efficiency. In environmental aspects, such as NOx pollution, governments have been implementing restrictions on the quantity of emission gases that can be released into the atmosphere. To solve these problems, research on Ash Free Coal (AFC), which eliminates ash from low-rank coal, is in progress. AFC has advantages over similar high-rank coals because it increases the heating value of the low grade coal, reduces the contaminants that are emitted, and decreases slagging/fouling problems. In this study, using a DTF, the changes of NOx emissions, unburned carbon, and the characteristics of ash deposition were identified. KCH raw coal, AFC extracted from KCH, residue coal, Glencore, and Mixed Coal (Glencore 85wt% and residue coal 15wt%) were studied. Results showed that AFC had a significantly lower emission of NOx compared to that of the raw coal and residue coal. Also, the residue coal showed a higher reactivity compared to raw coal. And finally, In the case of the residue coal and mixed coal, they showed a lower ash deposition than that of low-rank coal.
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문제 정의
본 연구는 Lab-scale DTF 실험을 통하여 여러 탄종의 연소 시 미연분 및 배출가스, 회 점착 특성에 대해 분석 하였다.
본 연구에서는 KCH 원탄, 무회분탄1, 무회분탄2, 잔탄, Glencore 및 Glencore와 잔탄의 혼소탄의 미연분, 배출가스 및 회 점착 특성을 알아보기 위하여 DTF (Drop Tube Furnace)를 사용하였으며 Fig 1에 실험 장치에 관한 개략도를 나타내었다. DTF는 실험 간에 온도를 균일하게 유지 할 수 있고, 다양한 온도에서 실험이 가능하다는 장점을 갖고 있다.
16 조건에서 DTF 실험을 진행하였다. 저등급 석탄을 개선한 무회분탄과 잔탄의 고등급 석탄 보완/대체성, 배출가스 특성을 파악하고 보일러 후단부에서 문제가 되고 있는 slagging/fouling 문제의 해결 가능성을 확인하였다.
제안 방법
따라서, 본 연구에서는 AFC의 연소특성을 확인하기 위하여 아역청탄인 KCH 를 이용하여 각각 다른 방법으로 제조된 무회분탄1, 무회분탄2와 잔탄, 보일러 설계기준탄과 비슷한 Glencore, Glencore와 잔탄의 혼소 등 총 6종의 석탄을 1,300℃, 과잉공기량 1.16 조건에서 DTF 실험을 진행하였다. 저등급 석탄을 개선한 무회분탄과 잔탄의 고등급 석탄 보완/대체성, 배출가스 특성을 파악하고 보일러 후단부에서 문제가 되고 있는 slagging/fouling 문제의 해결 가능성을 확인하였다.
Fig 5, Fig 6에는 프로브 쿠폰에 부착된 석탄 회의 중량을 분석하여 부착 빈도인 CE와 공급 열량에 대한 부착성인 GRE로 구분하여 나타내었다. 무회분 석탄의 경우 부착성을 분석 할 수 없어 표기하지 않았으며, 잔탄 및 잔탄 15wt% 혼탄의 경우는 부착성을 분석하여 나타내었다. 잔탄과 혼탄의 경우 일반적인 저열량탄 수준보다 다소 낮은 부착성을 나타내고 있으며, 혼소 하였을 경우에는 혼탄의 영향으로 그 부착성이 다소 저감 된 것을 확인 할 수 있었다.
회 점착 실험은 보일러 후단의 슬래깅/ 파울링성 (Slagging/ Fouling)을 예측 할 수 있다. 반응부 내부에 설치된 Deposit Probe에 점착 되어진 석탄 회의 중량을 분석하여, 앞서 언급했던 CE(Capture Efficience)와 열량당 부착성인 GRE(Energy based Growth Rate)로 나타내었다.
6667C + 56H + 16N + 7(S―O)로 정의되고, 각 원소에 석탄 내의 연소성 성분 분율을 대입한다. 실험에서는 O2 농도를 6%로 설정하여 각 시료 별로 Excess O2량을 달리 하였고 실제 발전소의 공기과잉률 1.16을 적용하여 연소조건을 동일하게 하였다.(10)
최 점착 특성을 분석하기 위해 무회분 탄과 잔탄을 전소 시키고, Glencore 85wt% + 잔탄 15wt% 혼소시켰다. Fig 4는 실험을 통해 Deposit probe에 부착된 각 샘플의 석탄 회 이미지를 나타낸 것으로 윗부분부터 무회분 석탄, 잔탄, Glencore 85wt% + 잔탄 15wt% 혼탄, Glencore의 회 이미지이다.
Fig 1 오른쪽 부분을 보면 회 점착 포집부의 계략도를 나타냈다. 회 점착 특성을 알아보기 위해서 DTF 하단의 쿠폰이 장착된 프로브(probe)를 이용하여 프로브 윗부분에 포집이 가능하게 하였다.
대상 데이터
반응부에서 시료가 연소 되면 미연분이 발생하게 되는데 이것을 분석하는 장비로 TGA(Q600-SDT)를 사용하였다. 온도를 107℃까지 승온시켜 질소 분위기에서 수분을 제거하고 950℃까지 승온하여 질소 분위기에서 휘발분을 제거한다.
2g/min으로 1시간 가량 공급하게 된다. 본 실험에서 사용한 시료는 KCH, AFC1,2, Residue Coal, Glencore 이고, Residue Coal과 Glencore의 혼탄을 추가적으로 실험하였다. 시료의 투입은 0.
실험 시 원탄, 잔탄, 무회분 석탄의 전소 특성실험과 표준탄(85%)+잔탄(15%) 혼소 특성실험을 수행하여 아래 Fig 2, Fig 3과 같이 배기배출물 중 질소산화물(NOx)과 미연탄소분(UBC ; Unburned Carbon) 결과를 획득하여 각각 나타내었다. 질소산화물(NOx)은 O2 15%로 맞춰 측정하였다.
이론/모형
측정한 데이터를 반응 전후의 ash의 함량은 동일하다는 원리를 바탕으로 한 Ash trace method를 사용하였다. 배출가스는 Eurotron Gas Analyzer를 사용하여 측정하였다.
본 연구에서는 시료의 공업분석을 수행하기 위해 Leco, TGA-701을 사용하였다. Table 1에 각 시료의 공업분석(수분, 휘발분, 회분, 고정탄소) 및 원소분석 (C, H, O, N, S)값을 나타내었다.
그리고 750℃로 온도를 유지시키면서 공기 분위기로 전환하여 질량 감소를 측정한다. 측정한 데이터를 반응 전후의 ash의 함량은 동일하다는 원리를 바탕으로 한 Ash trace method를 사용하였다. 배출가스는 Eurotron Gas Analyzer를 사용하여 측정하였다.
성능/효과
(1) 무회분탄1,2는 원탄과 잔탄에 비해 현저히 낮은 양의 질소산화물이 배출 되고 혼탄의 경우 잔탄에 비해 현저히 낮은 배출량을 확인 할 수 있다.
(2) 잔탄은 원탄에 비해 고등급화 되면서 반응성이 훨씬 좋아지는 것을 확인 할 수 있다. 혼탄의 경우, 미연분이 Glencore보다는 낮게, 잔탄 보다 높게 나타나는 것으로 보아 화력발전에서 우수한 적용성을 가짐을 확인 하였다.
(3) 무회분탄은 노 내에서의 열원에 의해 가열된 후 액화되면서 급속히 낙하하기 때문에 프로브 쿠폰에 회점착이 일어나지 않고 반응하지 못한 부분이 부착되는 것을 확인하였다.
(4) 잔탄과 혼탄의 경우 일반적인 저 열량탄 수준보다 다소 낮은 부착성을 나타내고 있으며, 혼소 하였을 경우에는 혼탄의 영향으로 그 부착성이 다소 저감 된 것을 확인 할 수 있었다.
결과를 살펴보면 잔탄의 경우 원소분석에서 N 함유량을 보면 알 수 있듯이 가장 높은 배출특성을 나타내고 있으며, 무회분탄1,2는 원탄과 잔탄에 비해 현저히 낮은 양의 질소산화물이 배출됨을 알 수 있다. Glencore 85 wt%와 잔탄의 15 wt% 혼소 조건에서는 잔탄에 비해 현저히 낮은 배출량을 확인 할 수 있으며 Glencore 100wt%와 비교해서도 유사한 수치의 배출량이 나타남을 확인 할 수 있다. 미연분(UBC)의 경우 원탄에 비해 무회분탄 (AFC) 및 잔탄이 더 낮은 값을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다.
결과를 살펴보면 잔탄의 경우 원소분석에서 N 함유량을 보면 알 수 있듯이 가장 높은 배출특성을 나타내고 있으며, 무회분탄1,2는 원탄과 잔탄에 비해 현저히 낮은 양의 질소산화물이 배출됨을 알 수 있다. Glencore 85 wt%와 잔탄의 15 wt% 혼소 조건에서는 잔탄에 비해 현저히 낮은 배출량을 확인 할 수 있으며 Glencore 100wt%와 비교해서도 유사한 수치의 배출량이 나타남을 확인 할 수 있다.
잔탄의 경우, 저 열량 석탄으로부터 생성되었다. 그 과정에서 회 함량이 5.72%에서 8.30%로 증가함으로서 부착성이 매우 곱고 많이 부착되는 것을 확인 할 수 있고, 혼탄의 연소 시엔 Glencore와의 상호작용에 의해 점착성이 다소 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 무회분 석탄의 경우는 연소가 되지 못하고 노 내에서의 열원에 의해 가열 후 액화되면서 급속히 낙하되는 것으로 판단된다.
무회분 석탄의 경우 부착성을 분석 할 수 없어 표기하지 않았으며, 잔탄 및 잔탄 15wt% 혼탄의 경우는 부착성을 분석하여 나타내었다. 잔탄과 혼탄의 경우 일반적인 저열량탄 수준보다 다소 낮은 부착성을 나타내고 있으며, 혼소 하였을 경우에는 혼탄의 영향으로 그 부착성이 다소 저감 된 것을 확인 할 수 있었다.
(2) 잔탄은 원탄에 비해 고등급화 되면서 반응성이 훨씬 좋아지는 것을 확인 할 수 있다. 혼탄의 경우, 미연분이 Glencore보다는 낮게, 잔탄 보다 높게 나타나는 것으로 보아 화력발전에서 우수한 적용성을 가짐을 확인 하였다.
후속연구
최근 석탄 가격이 낮아지면서 저등급석탄의 사용량이 감소하고 있지만 석탄가격은 변동이 심하여 가격적 측면에서 안정성을 확보해야만 한다. 따라서 고등급 석탄의 가격 변동에 의한 영향을 최소화 하기 위해서는 기존의 고등급 석탄보다 가격이 낮으며 일정한 저등급 석탄으로의 보완/대체 하려는 연구가 계속 진행되어야한다. 저등급석탄들은 일반적으로 높은 회분 함량을 가지고 있으며 이로 인해 연소 효율의 저하 및 회분으로 인한 보일러 후단부에서 생성되는 slagging/fouling(1,2) 문제가 많이 보고되고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Thermal, Fuel NOx 각각의 특징은?
이중에서 Prompt NOx는 다른 두 가지와 비교하면 상대적으로 영향이 매우 미미하여 본 연구에서는 고려하지 않았다. Thermal NOx는 연소되는 공기 중에 함유된 질소가 고온에서 산화되어 발생되는 질소산화물이고, Fuel NOx는 석탄에 함유되어 있는 유기적으로 결합된 질소를 함유하고 있을 때 이 질소 성분이 연소과정에서 산화되어 발생하는 NOx이다. 대부분의 연소과정에서는 Thermal NOx가 발생되는 NOx의 가장 큰 부분을 차지하지만 석탄 연소의 경우에는 Fuel NOx 의 영향이 Thermal NOx 보다 크다.
보일러 내의 slagging/fouling가 문제인 이유는?
저등급석탄들은 일반적으로 높은 회분 함량을 가지고 있으며 이로 인해 연소 효율의 저하 및 회분으로 인한 보일러 후단부에서 생성되는 slagging/ fouling(1,2) 문제가 많이 보고되고 있다. 보일러 내의 slagging/fouling은 열효율을 떨어뜨리고 석탄 화력 보일러의 유지비용을 증가시키기 때문에 slagging/fouling의 원인 규명 및 해결책을 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 선행 연구에 따르면 석탄의 회분함량이 높을수록 점화 온도가 높아져 점화시점이 지연되고(3), 연소 효율의 감소(4,5)로 인해 미연분 분율이 증가(6)하는 경향을 나타낸다는 연구 결과가 있다.
저등급석탄의 특징은?
따라서 고등급 석탄의 가격 변동에 의한 영향을 최소화 하기 위해서는 기존의 고등급 석탄보다 가격이 낮으며 일정한 저등급 석탄으로의 보완/대체 하려는 연구가 계속 진행되어야한다. 저등급석탄들은 일반적으로 높은 회분 함량을 가지고 있으며 이로 인해 연소 효율의 저하 및 회분으로 인한 보일러 후단부에서 생성되는 slagging/ fouling(1,2) 문제가 많이 보고되고 있다. 보일러 내의 slagging/fouling은 열효율을 떨어뜨리고 석탄 화력 보일러의 유지비용을 증가시키기 때문에 slagging/fouling의 원인 규명 및 해결책을 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
참고문헌 (10)
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