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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 batch type lab-scale의 순환유동층반응기를 사용하여 초기점화 및 정상상태에 도달과정에서 저열량탄과 우드펠릿의 혼소율에 따른 연소성 및 환경성을 실험적으로 연구하였다. 연소 시 발생되는 반응기 내부의 가스온도 및 배출가스특성을 분석하여 재생에너지원 중의 하나인 우드펠릿의 혼소율에 따른 순환유동층 보일러 연소특성을 정리하여 나타내었다.
- 바이오매스 혼소에 따른 순환유동층 반응기에서의 혼소특성을 살펴보기 위해 혼소 시 반응기 내의 특정지점에서 고온가스의 특성을 조사하여 나타내었고, 후단부에서의 배출가스특성을 혼소율에 따라 조사함에 따라 순환유동층보일러에서의 연소현상에 대한 기초자료를 제공하고자 한다. Fig.
- 본 연구에서는 순환유동층보일러에 신재생에너지 의무화(RPS) 및 연료비용의 저감을 목적으로 석탄과 바이오매스의 혼소특성을 연소성과 환경성 측면에서 고려하여, 혼소를 위한 기초자료를 제공하고자 석탄(Kedap)과 바이오매스(우드펠릿)를 이용하여 TGA-DSC를 통해 연소 정특성을 연구하였고, 실제 순환유동층보일러를 모사한 순환 유동층 반응기에서 순환유동층 연소특성 연구를 수행함에 따라 다음과 같은 몇 가지의 결론을 획득하였다.
- 우선 각 연료의 고정층 상태에서 열 중량 분석법으로 각각의 연소정특성을 살펴보았으며, 순환 유동층 연소특성을 살펴보기 위해 순환유동층 반응기에서 두 연료의 혼소에 따른 연소특성 및 후단부 영향에 관한 연구를 수행함으로써 본 연구의 목적인 바이오매스 혼소에 따른 특성변화에 대한 기초자료를 제공하고자 하였다.
제안 방법
- 안정적인 순환유동층 연소가 가능할 수 있는 조건으로 유동매체를 약 400g 공급하였다. Riser 및 downer에 주위온도를 조절하기 위해 설치된 히터를 통해 약 1073K로 설정하였다. 혼소특성을 실험하기 위한 조건으로 총발 열량을 기준으로 혼소율에 따라 바이오매스의 공급중량을 결정하였으며, 0, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 70, 100%로 혼소율을 결정하였다.
- 베드 반응부는 가시화창을 설치하여 내부의 유동상태 및 연소상태를 확인할 수 있도록 구성하였으며, 베드는 와이어 메시(구멍직경= 100㎛)를 구성하여 베드 층을 형성할 수 있도록 구성하였다. Riser부와 downer부에서는 실제 보일러와 같이 열량이 많지 않기 때문에 가스 및 유동매체의 온도를 유지하기 위해 최대 1200K까지 가열이 가능한 히터를 각각 설치하였다. Bed cyclone의 경우는 200㎛ 이상의 크기를 갖는 유동매체는 순환시키고 회분이나 고온가스만 후단부로 분리될 수 있도록 90㎛ 이하 입자만 통과할 수 있도록 설계, 구성하였다.
- 3에 나타내었다. 공기조건에서 1,000℃까지 가열하면서 연소되는 특성을 살펴보았다. 우선 반응온도를 살펴보면 우드펠릿의 초기반응온도가 더 높으며 빠르며, 최대 반응율을 나타 낼 때의 온도는 낮지만 반응이 완료되는 burnout 온도는 높게 나타남을 확인할 수 있다.
- 또한 온도 상승에 따른 중량 감소를 표시한 TG(Thermo Gravimetric) 결과 및 온도 상승에 따른 중량 감소율을 표시한 DTG(Differential Thermo Gravimetric) 결과를 분석하여 각 연료에 대한 연소 정특성을 비교하였다. DTG 그래프에서 수분 증발 후 중량 감소율이 0.
- 혼소 시 연소특성을 분석하기 위해 반응부에서의 연료가 연소될 때 발생되는 고온가스(hot gas)의 온도를 반응기의 특정위치별 가스온도를 취득하여 연소성을 평가하였다. 또한 환경성을 확인하기 위한 방법으로 ID fan 후단부에서 배출되는 배기가스(NOx, SOx, HC, CO 등) 특성을 분석하였다.
- junction leg 끝단에는 가열된 2차 공기(최대 500K)가 공급될 수 있도록 2차 공기 예열기를 설치하였다. 반응기 내부의 유동매체와 가연분에 의한 가스온도를 검출하기 위해 베드반응부 상, 하부, riser의 중간지점과 상부, brige와 bed cyclone 결합부, downer 하부, 2차 공 기 공급부, flue gas cooler 전단부에 K-type의 열 전대를 각각 설치하여 반응부 전체의 가스온도를 검출할 수 있도록 구성하였다.
- 7mm, 높이 220mm), riser(높이 1926mm), bridge(길이 524mm), bed cyclone, downer(높이 1304mm), junction leg(길이 720mm), ash cyclone, flue gas cooler, bag filter로 구성되어 있다. 반응기 내에서 순환유동 층의 순환된 가스온도를 형성시키기 위한 공기예 열기를 설치하였으며, 베드에서 최대 800K 까지 가열된 공기를 공급할 수 있도록 구성되었다. 베드 반응부는 가시화창을 설치하여 내부의 유동상태 및 연소상태를 확인할 수 있도록 구성하였으며, 베드는 와이어 메시(구멍직경= 100㎛)를 구성하여 베드 층을 형성할 수 있도록 구성하였다.
- 반응기 내에서 순환유동 층의 순환된 가스온도를 형성시키기 위한 공기예 열기를 설치하였으며, 베드에서 최대 800K 까지 가열된 공기를 공급할 수 있도록 구성되었다. 베드 반응부는 가시화창을 설치하여 내부의 유동상태 및 연소상태를 확인할 수 있도록 구성하였으며, 베드는 와이어 메시(구멍직경= 100㎛)를 구성하여 베드 층을 형성할 수 있도록 구성하였다. Riser부와 downer부에서는 실제 보일러와 같이 열량이 많지 않기 때문에 가스 및 유동매체의 온도를 유지하기 위해 최대 1200K까지 가열이 가능한 히터를 각각 설치하였다.
- 순환유동층 반응기에서 혼소특성을 살펴보기 위해 석탄과 우드펠릿을 적용하였으며, batch type으로 공급 열량 기준(10kcal/batch)으로 혼소율에 따라 1.89~2.22g씩 공급될 수 있도록 구성하였다. 공급석탄입자의 크기분포는 3~5mm로 분류하여 공급하였으며, 우드펠릿은 직경 6mm, 길이 5~25mm의 크기로 공급하였다.
- 순환유동층 보일러에서의 석탄 및 바이오매스를 이용한 혼소특성을 살펴보기 전에 각 연료에 대한 연소 정특성을 분석하여 각 연료들이 갖는 고정층 상태에서의 연소특성을 분석하였다.
- 순환유동층 연소 시 연소성 및 환경성을 분석하기 위해 ID fan 후단부에 덕트를 설치하였고, 덕트 내로 배기가스분석기의 프로브를 삽입하여 설치하였다. 배기가스를 분석하기 위해 Eurotron사의 greenline MK2를 사용하였고, CO, NOx, SOx 및 HC를 측정하였다.
- 순환유동층반응기는 반응기 내부의 유동화 공기공급 및 압력을 조절할 수 있는 압입송풍기(FD fan)과 흡입송풍기(ID fan)을 설치하였으며, 각각의 송풍량을 조절하여 내부압력과 유량을 결정할 수 있도록 구성하였다. 유량은 압입송풍기 전단에 유속계를 설치하여 반응기 내부로 흡입되는 유량을 결정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 batch type lab-scale의 순환유동층반응기를 사용하여 초기점화 및 정상상태에 도달과정에서 저열량탄과 우드펠릿의 혼소율에 따른 연소성 및 환경성을 실험적으로 연구하였다. 연소 시 발생되는 반응기 내부의 가스온도 및 배출가스특성을 분석하여 재생에너지원 중의 하나인 우드펠릿의 혼소율에 따른 순환유동층 보일러 연소특성을 정리하여 나타내었다.
- 연소 정특성 분석을 위해 TGA-DSC(SDT Q600, TA instruments)를 이용하여 온도변화에 따른 중량 감량을 통해 반응특성 온도 및 반응율에 대한 특성을 분석하였다. 연소 정특성 실험을 수행하기 위한 조건으로 대기압하의 공기조건에서 온도 증가율을 20 K/min으로 고정하고 시료샘플을 20±0.
- 연소 정특성 실험을 수행하기 위한 조건으로 대기압하의 공기조건에서 온도 증가율을 20 K/min으로 고정하고 시료샘플을 20±0.5mg으로 공급하였다.
- 순환유동층반응기는 반응기 내부의 유동화 공기공급 및 압력을 조절할 수 있는 압입송풍기(FD fan)과 흡입송풍기(ID fan)을 설치하였으며, 각각의 송풍량을 조절하여 내부압력과 유량을 결정할 수 있도록 구성하였다. 유량은 압입송풍기 전단에 유속계를 설치하여 반응기 내부로 흡입되는 유량을 결정하였다. 반응기는 계략도에 나타낸 것과 같이 베드 반응부(내경 42.
- 혼소 시 연소특성을 분석하기 위해 반응부에서의 연료가 연소될 때 발생되는 고온가스(hot gas)의 온도를 반응기의 특정위치별 가스온도를 취득하여 연소성을 평가하였다. 또한 환경성을 확인하기 위한 방법으로 ID fan 후단부에서 배출되는 배기가스(NOx, SOx, HC, CO 등) 특성을 분석하였다.
- Riser 및 downer에 주위온도를 조절하기 위해 설치된 히터를 통해 약 1073K로 설정하였다. 혼소특성을 실험하기 위한 조건으로 총발 열량을 기준으로 혼소율에 따라 바이오매스의 공급중량을 결정하였으며, 0, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 70, 100%로 혼소율을 결정하였다. 5% 혼합비의 경우 대부분의 석탄화력 보일러 내에서 안정된 운전이 가능한 조건으로 잘 알려져 있어 선택하였으며, 50% 이상의 조건은 실제 시스템적용에 가능성이 적어 혼소에 따른 특성을 분석하기 위한 혼소범위를 위와 같이 결정하였다.
- Bed cyclone의 경우는 200㎛ 이상의 크기를 갖는 유동매체는 순환시키고 회분이나 고온가스만 후단부로 분리될 수 있도록 90㎛ 이하 입자만 통과할 수 있도록 설계, 구성하였다. 후단부에 회분을 포집하기 위해 ash cyclone을 설치하였으며, 설계는 후단부에서의 막힘 현상을 방지하기 위해 75㎛ 이하만 통과되도록 설계하였다. junction leg 끝단에는 가열된 2차 공기(최대 500K)가 공급될 수 있도록 2차 공기 예열기를 설치하였다.
대상 데이터
- 순환유동층 연소 시 연소성 및 환경성을 분석하기 위해 ID fan 후단부에 덕트를 설치하였고, 덕트 내로 배기가스분석기의 프로브를 삽입하여 설치하였다. 배기가스를 분석하기 위해 Eurotron사의 greenline MK2를 사용하였고, CO, NOx, SOx 및 HC를 측정하였다.
- 순환유동층 반응기에서 석탄과 우드펠릿의 혼소 특성을 연구하기 위해 우선 연료를 선정하였 으며, Table 2에 각 연료별 공업분석, 원소분석 결과를 나타내었다. 석탄은 국내 화력발전소에서 사용 중인 연료로 인도네시아산 아역청탄인 Kedap(5,278kcal/kg)를 적용하였으며, 바이오매스로는 우드펠릿(4,500kcal/kg이상)을 선정하였고 표에 나타낸 것과 같이 분석한 결과를 얻었다. 연소성을 간접적으로 나타낼 수 있는 연료비(FC/VM)의 경우 우드펠릿이 매우 작은 값을 가짐에 따라 착화 및 반응시간이 석탄에 비해 짧을 것을 예측할 수 있다.
- 순환 된 유동매체(bed material)을 반응부로 원활하게 공급하기 위해서는 이차공기의 역할이 가장 중요한 변수라고 할 수 있으며, 이러한 이차공기는 약 1 Nm3/h로 공급하면서 공기히터를 통해 약 673K 조건으로 가열, 공급하였다. 순환유동층 연소조건에서의 유동매체는 7호의 강모래(sand)를 적용하였으며, 입자의 크기로 200~400㎛로 분류하여 공급하였다. 안정적인 순환유동층 연소가 가능할 수 있는 조건으로 유동매체를 약 400g 공급하였다.
이론/모형
- 5mg으로 공급하였다. 공기의 공급량은 100 ml/min이며 노내 온도를 최대 1173K까지 상승시키면서 중량 변화가 온도의 함수로서 연속적으로 기록되어지는 비등온열중량 분석법을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 연소 정특성에서 우드펠릿의 경우 휘발분을 많이 포함하고 있어 반응율이 높고, 초기 반응시작 온도는 높고 최대 반응율 온도는 석탄에 비해 낮았지만 완전연소온도는 높았다. 또한 휘발분의 최대 반응율 및 촤의 반응율은 석탄과 비교해 2배 이상 빨랐다.
- (2) 순환유동층 결과에서 석탄의 경우 착화시간이 11s, 연소종료까지 42s 소요되었으며 바이오매스의 경우 착화시간 8s, 최종 연소종료까지 62s가 소요되는 것을 확인하였으며 정특성 분석의 결과와 유사한 결과를 보였다.
- (3) 순환유동층 연소특성에서 우드펠릿 혼소 시 반응기 내부의 고온가스온도가 일부 조건을 제외하고는 대체로 감소하였다. 배기가스는 10~15 혼소율 및 우드펠릿만 연소시켰을 경우 CO, HC, SOx 배출농도가 증가하였으며, 기타의 조건에서는 CO, NOx, HC 및 SOx 모두 오드펠릿 혼소율이 증가함에 따라 감소하였다.
- (4) 순환유동층 연소에 따른 후단설비 영향에서 바이오매스 혼소에 따른 bed cyclone 이후 설비 내부에 fouling이 발생하였으며 우드펠릿 혼소율이 증가할수록 Ash deposit 발생량이 증가하였다.
- NO의 경우 우드 칩에 포함된 N 성분에 의해 NO 배출이 지배됨을 확인하였고, 우드칩을 적용할 경우 NO 배출이 증가함을 확인하였고 석탄에 비해 베드온도나 공기공급량이 연소에 큰 영향을 주지 않음을 확인 하였다. CO의 경우는 우드 칩을 사용했을 경우 저감되는 것을 확인하였고, 미세한 우드칩의 경우는 연소실과 사이클론에 퇴적물을 형성시키는 현상을 확인하였다.
- 석탄의 경우는 오랜 시간 휘발분과 촤 성분이 함께 존재하던 연료라면, 우드펠릿은 목재부산물을 톱밥으로 만든 뒤 건조과정을 거쳐 고온, 고압으로 성형을 수행한 연료로 휘발분 연소구간과 촤 연소구간이 명확하게 구분되고 있는 것을 확인할 수 있다. DTG를 통한 촤 반응 구간의 반응율을 살펴보면 석탄의 경우 0.8mg/s정도이며, 우드펠릿의 경우 2mg/s로 촤에 대한 산화 반응율은 우드펠릿이 석탄의 경우보다 높은 것을 확인 할 수 있었다.
- 의 배출특성연구를 수행하였으며, 베드온도와 공기공급량, 부하를 실험변수로 하였다. NO의 경우 우드 칩에 포함된 N 성분에 의해 NO 배출이 지배됨을 확인하였고, 우드칩을 적용할 경우 NO 배출이 증가함을 확인하였고 석탄에 비해 베드온도나 공기공급량이 연소에 큰 영향을 주지 않음을 확인 하였다. CO의 경우는 우드 칩을 사용했을 경우 저감되는 것을 확인하였고, 미세한 우드칩의 경우는 연소실과 사이클론에 퇴적물을 형성시키는 현상을 확인하였다.
- NO의 경우 우드펠릿과 슬러지가 배출이 적었으며, CO는 우드펠릿이 높고 슬러지와 석탄은 유사한 경향을 나타내었다. NO의 경우는 혼소 시 건조시킨 슬러리의 함량이 증가하면 우드펠릿과 석탄 모두에서 NO가 증가하는 특성을 나타내었다. 유해배출물인 HCl에 대한 연구에서도 슬러리의 함량이 증가하면 다소 기준치를 초과하는 것을 보고하였다.
- 이는 불완전연소의 영향으로 사료된다. SOx의 배출특성 경우, 원소분석결과 S 분율이 석탄보다 우드펠렛의 경우 2.6배 높았기 때문에 혼 소율이 증가할수록 SOx의 배출이 높은 특성을 보일 것으로 예상되었지만 우드펠릿을 혼소함에 따라 10%에서 최대배출특성을 보이며 혼소율이 40%까지는 계속해서 감소하다가 그 이후에는 약간 상승하는 것을 확인할 수 있다.
- 6~7에는 CO, NOx, HC와 SOx의 혼소율에 따른 배출특성을 나타낸 것이다. 공통적으로 15%~20% 구간에서 일시적으로 배기가스 발생 농도가 증가하는 경향을 보이며 그 이후 구간에서는 NOx를 제외한 CO, HC, SOx의 배출특성은 유사한 경향을 보였다.
- 이는 TGA결과에서도 알 수 있듯이 우드펠렛 촤의 반응속도가 느리기 때문에 온도가 감소하는 것으로 사료된다. 그리고 과열기와 재열기 등 열 교환부로 고온가스를 공급하고 유동매체를 분리 재순환시키게 될 bridge와 bed cyclone 입구온도인 T4의 온도특성을 살펴보면 석탄만 연소시킨 경우와 우드펠릿을 혼소시킨 경우 큰 차이가 없지만 70%, 100%의 경우 더 낮은 가스온도분포를 나타내고 있으며 이는 석탄과 우드펠릿의 혼소시에는 석탄 촤의 반응으로 온도가 유지되지만 바이오매스의 혼소비가 70%, 100%의 경우 우드펠렛 촤의 느린 연소속도의 영향으로 후단부에서의 온도를 감소시키는 결과가 나타난 것으로 사료된다. 만약 이러한 현상이 발생한다면 회분의 IDT가 석탄의 회분에서 보다 비교적 낮은 온도특성을 가지는 것으로 알려진 바이오매스의 경우 후단부 에서 응축에 의한 fouling 현상을 초래할 것으로 사료된다.
- 이는 증가된 휘발분의 함량과 산소량이 서로 경쟁하는 임계점으로 사료된다. 바이오매스의 함량 증가시 10~15%의 혼소율을 제외한 적절한 혼소율은 배출가스 저감의 효과를 가짐을 확인하였으며, 발 열량이 낮음에 따라 동일출력을 유지하기 위해서는 더 많은 우드펠릿을 공급해야 하겠지만 설비의 운전한계에 영향을 주지 않는다면 우드펠릿의 혼소는 연소성 및 환경성에 좋은 결과를 가져올 것으로 판단된다.
- 3MW급 실험용 순환유동 층보일러에서 석탄과 바이오매스 중의 하나인 숲에서 획득한 소나무 껍질을 혼소하여 연소성을 평가, 분석하였다. 바이오매스의 혼합비, 공급공기온도가 증가할수록 연소성이 향상되고, 유속을 증가시킬 경우 연소성이 감소함을 확인하였다.
- (3) 순환유동층 연소특성에서 우드펠릿 혼소 시 반응기 내부의 고온가스온도가 일부 조건을 제외하고는 대체로 감소하였다. 배기가스는 10~15 혼소율 및 우드펠릿만 연소시켰을 경우 CO, HC, SOx 배출농도가 증가하였으며, 기타의 조건에서는 CO, NOx, HC 및 SOx 모두 오드펠릿 혼소율이 증가함에 따라 감소하였다.
- 공기조건에서 1,000℃까지 가열하면서 연소되는 특성을 살펴보았다. 우선 반응온도를 살펴보면 우드펠릿의 초기반응온도가 더 높으며 빠르며, 최대 반응율을 나타 낼 때의 온도는 낮지만 반응이 완료되는 burnout 온도는 높게 나타남을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 바이오매스인 우드펠릿의 반응시간이 석탄보다 오래 걸리지만 낮은 온도에서도 반응이 가능하다는 것을 의미하며 촤의 연소에는 더 높은 온도가 필요하다는 것을 의미한다.
- 우선 포집된 회분의 특성을 살펴 보면 혼소 시 상당히 많은 양의 회분이 발생된 것을 확인할 수 있으며, ash cyclone(<75㎛)에서 입자크기가 분류되었음에도 불구하고 ash cyclone을 지난 배가스 냉각기 입구의 회분 직경이 훨씬 큰 것을 확인할 수 있다.
- 위의 Fig. 6~7의 결과를 종합적으로 고찰해 볼 때 혼소비가 10~15%의 영역은 CO, NOx, HC, SOx 배기가스가 모두 증가하는 구간이다. 이는 증가된 휘발분의 함량과 산소량이 서로 경쟁하는 임계점으로 사료된다.
- 우선 반응온도를 살펴보면 우드펠릿의 초기반응온도가 더 높으며 빠르며, 최대 반응율을 나타 낼 때의 온도는 낮지만 반응이 완료되는 burnout 온도는 높게 나타남을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 바이오매스인 우드펠릿의 반응시간이 석탄보다 오래 걸리지만 낮은 온도에서도 반응이 가능하다는 것을 의미하며 촤의 연소에는 더 높은 온도가 필요하다는 것을 의미한다. 우드 펠릿의 경우 최대 반응율 온도가 336℃로 석탄의 378℃보다 낮은 것으로 보이지만 휘발분을 상대적으로 많이 포함하고 있어 나타나는 결과로, 촤 성분의 최대 반응율 온도는 413℃와 378℃로 온도가 역전됨을 알 수 있어 초기 착화 조건은 우드펠릿이 우수하지만 결과적으로 촤 성분을 연소 시키기 위해서는 더 높은 온도의 조건이 요구된다고 할 수 있다.
- 5에는 우드펠릿과 석탄의 혼소율에 따른 특정지점에서의 온도를 나타낸 것으로 Tc는 bed 바로 아래에 설치하여 1차 공기(주 연소용 예열 공기)와 2차 공기(2차 순환용 예열공기)에 의한 bed 로 공급되는 공기의 온도를 측정한 것이며 T1은 베드 바로 위에 형성되는 반응부 에서의 석탄입자 또는 바이오매스의 연소로 인해 발생되는 고온가스온도를 측정한 것이고, T2와 T3는 riser의 상부 높이별 온도, 그리고 T4는 riser와 bed cyclone이 결합되는 지점인 bridge 지점에서의 온도특성을 각각 나타낸 것이다. 전체적으로 연소 전의 기준온도보다 연소에 의해 가스온도가 증가된 것을 확인할 수 있으며, 이것은 정상적인 연소상태를 확인할 수 있을 뿐만 아니라 혼소율에 따른 열전달 특성을 살펴 볼 수 있는 효율과 연관된 결과라 할 수 있다. 연소가 이루어지고 있 는 베드반응부에서 가장 가까운 온도를 나타내는 T1의 경우 우드펠릿의 혼소율이 증가함에 따라 가스의 온도는 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 그리고 시스템에서 가장 후단부에 위치한 배가스 냉각기 출구부분 이후에서는 이런 회분이 거의 포집되지 않았다. 즉 우측의 이미지처럼 bed cyclone 후단부부터 배가스 냉각부 입구까지는 배관벽면에도 상당량의 회분이 부착되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 bed cyclone 후단부에서는 가스의 온도가 150-170℃ 정도로 급격히 감소되는데, 이것은 우드펠릿을 혼소할 경우 후단부에서 응축되는 fouling 현상으로 유동통로를 막음으로써 순환이 되지 않은 것을 통해 확인할 수 있었다.
후속연구
- 위와 같은 결론을 바탕으로 순환유동층 보일러에 바이오매스인 우드펠릿을 적용하여 혼소할 경우 연소성과 환경성을 확보할 수 있으나 우드펠릿 혼소에 따른 후단설비 fouling 현상을 효과적으로 제거할 수 있는 방안(예, sootblower)을 구축하여 설비의 안정성을 확보하거나 후단부 온도를 우드펠릿의 휘발분 연소 온도 이상으로 유지해야 할 필요가 있다.
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