[논문]국내 4개 중유발전소 실증실험을 통한 발전연료 대체용 바이오중유의 연소특성 연구

백세현; 김현희; 박호영; 김영주; 김태형; 고성호

doi:10.15231/jksc.2015.20.1.015

국내 4개 중유발전소 실증실험을 통한 발전연료 대체용 바이오중유의 연소특성 연구
The Four Power Plants Field Demonstration Research on Combustion Characteristic of the Bio Oil for Fuel Switching 원문보기

한국연소학회지 = Journal of the Korean Society of Combustion, v.20 no.1, 2015년, pp.15 - 23

백세현 (한전전력연구원) , 김현희 (한전전력연구원) , 박호영 (한전전력연구원) , 김영주 (한전전력연구원) , 김태형 (한전전력연구원) , 고성호 (충남대학교 기계설계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the results of field demonstration for fuel switching to bio-fuel oil in 4 commercial heavy oil fired power plants. The 100% fuel switching field demonstration was successfully carried out in two tangential-firing boilers at a capacity of 75 and 100 MWe respectively without major equipment retrofit, and also 25% bio-fuel oil blending for two opposite firing boilers at a capacity of 350 and 400 MWe respectively. Despite the low density and heating value, the bio fuel was successfully replaced heavy fuel oil at the full load by only adjusting operational parameters. Incase of bio fuel oil combustion, heat absorption of radiative heat transfer section was reduced while convection section has opposite trend. In pollutants emission, a major reductionin SOx as well as 10-20% reduction in NOx were achieved by the fuels witching. On the other hand, boiler efficiency was slightly underestimated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 상기 바이오중유에 대한 연료특성 분석, 시험연소로 실험 및 4개 중유발전소 실증실험을 시행한 결과를 요약한 내용이며, 연소 및 열성능 특성분석을 통해 바이오중유의 발전연료 상용화를 위한 기술기반을 마련하고, 향후 발전소의 운전최적화에 활용하기위한 목적을 가지고 있다.

제안 방법

따라서 전력연구원의 발전용 보일러 연소열성능 해석코드인 SteamGen V2.1을 활용하여 4개 발전소 각각에 대한 모델링 및 해석을 통해 운전부하별 연료 공급량, 급수량, 연소용 공기량, 과잉공기기준치 및 재순환 가스량 운전 기준을 도출하였고, 이를 발전소 보일러 운전제어 계통에 반영하였다.
또한 바이오중유는 발열량이 낮고, 점도차이에 따라 분무특성이 다르기 때문에, 버너 분무노즐의 직경, 각도 및 형상을 새로 설계하였고 그 외 연료공급설비 및 화염 감지기 등 보조기기에 대한 보완을 시행하였다.

대상 데이터

실증실험 대상 발전소는 Table 4와 같이 총 4개발전소이고 75 및 100 MWe 발전소는 100%전소, 350 MWe 및 400 MWe 발전소는 25%혼소 조건을 적용 하였다.

데이터처리

실증 실험 중 취득된 데이터는 블확실성에 대한 조율을 거쳐 SteamGen V2.1의 열 물질정산 기능을 활용하여 분석을 시행하였다.

이론/모형

중유 1종 및 바이오중유 3종에 대해 10, 20, 30, 40℃/min 4단계의 승온율로 thermo gravimetric analysis 실험을 Fig. 5와 같이 시행하였고, 반응지수는 Kissinger method[7]를 적용하여 Table 3과 같이 도출 하였다.

성능/효과

1) 기존 발전설비에서 버너팁 및 연료공급 장치등 일부 설비만 개조하고, 대신 부하별 운전변수를 재조정하는 방법만으로도 바이오중유 100% 전소가 가능하였다.
2) 점화특성 및 화염안정성은 양호하였다.
3) 보일러의 복사열전달 구역에서는 열 흡수량이 감소되는 반면, 대류 전열면에서는 반대의 경향이 나타난다.
4) 보일러의 설계형식에 따른 버너틸트, 재순환가 스계통 및 과열저감기 설비의 구비 여부에 따라 연료변경에 따른 민감도가 다르게 나타난다.
5) 배기가스중 NOx는 일부 저감되며, SOx는 대폭 저감이 가능하다.
6) 보일러 효율은 경미하게 낮게 평가되었다.
시험연소로 실험에서 나타난 바이오중유의 특성을 요약하면 착화특성 및 화염 안정성은 양호하게 평가되었으며, soot 발생이 적고 화염의 복사강도가 약한 특성이 관찰되었고 복사구역의 Heat flux 및 가스온도가 낮게 나타났다.
총 4개 발전소에서 바이오중유 연소 실증실험을 시행하였으며 세계 2번째(14년 3월 75 MWe), 세계 최대용량(100 MWe)으로 바이오중유 100% 전소 실증연소를 성공하였다.

후속연구

한편 본 연구와 유종은 다르지만 디젤과 바이오 디젤의 soot 특성연구에서 디젤의 soot가 바이오디젤보다 graphitic 한 구조를 더 지니고 있으며 입사광으로부터 더 많은 에너지를 흡수한다고 제시된 선행 연구결과[8]를 참조하면, 향후 중유와 바이오중 유의 soot 복사특성 비교 분석도 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그동안 도입한 신재생 발전설비의 문제점은?	2012년부터 시행된 신․재생에너지 공급의무화제도(RPS) 시행에 따라, 국내 화력발전회사들은 2014년에는 발전용량의 3%를 신재생에너지로 공급해야 하며 2022년에는 10%까지 점유율을 증가해야 한다 [1]. 따라서 그 동안 발전회사들은 태양광, 풍력, 소수력 및 연료 전지 등 신재생 발전설비 도입을 지속적으로 증가시키고는 있었으나 이들 설비는 발전원가가 높고 단위 발전용량이 적어 한계점이 있었다. 실제로 2012년의 경우 법적으로 연기 가능한 30%의 할당분을 차년도로 연기하고도 RPS 미 이행분에 대하여 약 254억 원의 과징금을 부과받는 등 한계가 나타났다[2].
	연소 실증실험을 통해 밝혀낸 바이오중유의 연소특성은 어떠한가?	1) 기존 발전설비에서 버너팁 및 연료공급 장치등 일부 설비만 개조하고, 대신 부하별 운전변수를 재조정하는 방법만으로도 바이오중유 100% 전소가 가능하였다. 2) 점화특성 및 화염안정성은 양호하였다. 3) 보일러의 복사열전달 구역에서는 열 흡수량이 감소되는 반면, 대류 전열면에서는 반대의 경향이 나타난다. 4) 보일러의 설계형식에 따른 버너틸트, 재순환가 스계통 및 과열저감기 설비의 구비 여부에 따라 연료변경에 따른 민감도가 다르게 나타난다. 5) 배기가스중 NOx는 일부 저감되며, SOx는 대폭 저감이 가능하다. 6) 보일러 효율은 경미하게 낮게 평가되었다.
	신․재생에너지 공급의무화제도는 발전회사들에게 무엇을 요구하는가?	2012년부터 시행된 신․재생에너지 공급의무화제도(RPS) 시행에 따라, 국내 화력발전회사들은 2014년에는 발전용량의 3%를 신재생에너지로 공급해야 하며 2022년에는 10%까지 점유율을 증가해야 한다 [1]. 따라서 그 동안 발전회사들은 태양광, 풍력, 소수력 및 연료 전지 등 신재생 발전설비 도입을 지속적으로 증가시키고는 있었으나 이들 설비는 발전원가가 높고 단위 발전용량이 적어 한계점이 있었다.

참고문헌 (9)

산업통상자원부,신에너지 및 재생에너지 개발？이용？보급 촉진법 시행령.
Kim Jun-Hui, LeeEung-Jik, Study on the Present State of Duty Performance According to the RPS System and Improvement Plan, Journal of the Korean Solar Energy Society, 33(6) (2013) 100-101.
Biofuel Co-Firing TR1024583, EPRI, 2011, pp. 22-23.
Sehyun Baek, Hoyoung Park, YoungJoo Kim, Tae-Hyung Kim, Hyunhee Kim, SungHo Ko, The demonstration test result of 100% bio heavy oil combustion at the 75 MWe oil fired power plant, J. Korean Soc. Combust. 19(2) (2014) 28-36.
석유관리원, 바이오중유 워킹그룹 세미나, 2014
산업통상자원부정책고시, http://www.motie.go.kr
H. E. Kissinger. Journal: Analytical Chemistry- ANAL CHEM, 29(11) (1957) 1702-1706

상세보기
Seuk Cheun Choi, Mun Young Choi, Seul-Hyun Park, Measurements of Dimensionless Light Extinction Constant for Diesel and Biodiesel Soot, The 41st KOSCO Symposium, 2010, 161-162
Je Bok Yang, InGu Lee, KyungRan Hwang, Experimental Study on Combustion of Boiler Fuel Made of Light-Oil and Bio-Oil, The 45th KOSCO Symposium, 2012, 203-204.

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