바이오매스(우드펠릿) 혼소율 및 입자크기에 따른 연소 특성에 관한 연구 Experimental Investigation into the Combustion Characteristics on the Co-firing of Biomass with Coal as a Function of Particle Size and Blending Ratio원문보기
최근 바이오매스와 석탄의 혼소 기술이 화력 발전의 주요한 연소 기술 중 하나로 떠오르고 있다. 그러나 혼소는 실제 발전용 보일러 적용시 많은 검증들을 필요로 한다. 본 연구에서는 바이오매스 혼소시 연소 특성을 알아보기 위해 열중량 분석기(Thermogravimetric analyzer, TGA)와 하향분류층 반응기(Drop tube furnace, DTF)를 사용하였으며, TGA의 TG/DTG 분석을 통한 반응성과 DTF를 이용한 UBC를 측정하여 연소 특성을 분석하였다. 특히 석탄과 바이오매스 혼소율(Biomass blending ratio) 및 바이오매스 입자 크기 변화에 따른 특성을 분석하였다. 그 결과, 바이오매스의 혼소율이 증가함에 따라 산소 부족으로 인한 반응 특성이 나타났으며, 이는 바이오매스가 가진 초기의 빠른 연소 특성 때문이다. 또한, 본 연구 결과를 통해 바이오매스의 최적 혼소 조건(UBC 발생량 기준)은 5%로 나타났으며, 산소 부화 조건은 바이오매스 혼소시 발생하는 산소 부족 현상을 저감시켜 미연분 상승을 완화시켜줄 수 있다.
최근 바이오매스와 석탄의 혼소 기술이 화력 발전의 주요한 연소 기술 중 하나로 떠오르고 있다. 그러나 혼소는 실제 발전용 보일러 적용시 많은 검증들을 필요로 한다. 본 연구에서는 바이오매스 혼소시 연소 특성을 알아보기 위해 열중량 분석기(Thermogravimetric analyzer, TGA)와 하향분류층 반응기(Drop tube furnace, DTF)를 사용하였으며, TGA의 TG/DTG 분석을 통한 반응성과 DTF를 이용한 UBC를 측정하여 연소 특성을 분석하였다. 특히 석탄과 바이오매스 혼소율(Biomass blending ratio) 및 바이오매스 입자 크기 변화에 따른 특성을 분석하였다. 그 결과, 바이오매스의 혼소율이 증가함에 따라 산소 부족으로 인한 반응 특성이 나타났으며, 이는 바이오매스가 가진 초기의 빠른 연소 특성 때문이다. 또한, 본 연구 결과를 통해 바이오매스의 최적 혼소 조건(UBC 발생량 기준)은 5%로 나타났으며, 산소 부화 조건은 바이오매스 혼소시 발생하는 산소 부족 현상을 저감시켜 미연분 상승을 완화시켜줄 수 있다.
Co-firing of biomass with coal is a promising combustion technology in a coal-fired power plant. However, it still requires verifications to apply co-firing in an actual boiler. In this study, data from the Thermogravimetric analyzer(TGA) and Drop tube furnace(DTF) were used to obtain the combustion...
Co-firing of biomass with coal is a promising combustion technology in a coal-fired power plant. However, it still requires verifications to apply co-firing in an actual boiler. In this study, data from the Thermogravimetric analyzer(TGA) and Drop tube furnace(DTF) were used to obtain the combustion characteristics of biomass when co-firing with coal. The combustion characteristics were verified using experimental results including reactivity from the TGA and Unburned carbon(UBC) data from the DTF. The experiment also analyzed with the variation of the biomass blending ratio and biomass particle size. It was determined that increasing the biomass blending ratio resulted in incomplete chemical reactions due to insufficient oxygen levels because of the rapid initial combustion characteristics of the biomass. Thus, the optimum blending condition of the biomass based on the results of this study was found to be 5 while oxygen enrichment reduced the increase of UBC that occurred during combustion of blended biomass and coal.
Co-firing of biomass with coal is a promising combustion technology in a coal-fired power plant. However, it still requires verifications to apply co-firing in an actual boiler. In this study, data from the Thermogravimetric analyzer(TGA) and Drop tube furnace(DTF) were used to obtain the combustion characteristics of biomass when co-firing with coal. The combustion characteristics were verified using experimental results including reactivity from the TGA and Unburned carbon(UBC) data from the DTF. The experiment also analyzed with the variation of the biomass blending ratio and biomass particle size. It was determined that increasing the biomass blending ratio resulted in incomplete chemical reactions due to insufficient oxygen levels because of the rapid initial combustion characteristics of the biomass. Thus, the optimum blending condition of the biomass based on the results of this study was found to be 5 while oxygen enrichment reduced the increase of UBC that occurred during combustion of blended biomass and coal.
따라서, 본 연구에서는 총 공급열량기준(석탄 100%투입시)에 대한 바이오매스가 차지하는 열량비율(예시, WP 5%)로 나타내었다. 이를 통해 얻은 결과들은 미연탄 화력 발전소의 최적 혼소 조건을 도출하기 위한 기초 자료로써 사용하고자 한다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 우드펠릿과 기존 석탄의 혼소시, 혼소 비율에 따른 연소 특성 변화를 Thermogravimetric analyzer(TGA)와 Drop tube furnace(DTF) 장치를 이용하여 분석하였다. 석탄과 바이오매스 혼소시 중요한 인자의 혼소율은 2종 이상의 연료를 혼합하여 연소(Co-firing)하는 보일러에서 각 연료가 차지하는 혼합비율(Blending ratio)을 말한다.
석탄과 바이오매스 혼소시 중요한 인자의 혼소율은 2종 이상의 연료를 혼합하여 연소(Co-firing)하는 보일러에서 각 연료가 차지하는 혼합비율(Blending ratio)을 말한다. 따라서, 본 연구에서는 총 공급열량기준(석탄 100%투입시)에 대한 바이오매스가 차지하는 열량비율(예시, WP 5%)로 나타내었다. 이를 통해 얻은 결과들은 미연탄 화력 발전소의 최적 혼소 조건을 도출하기 위한 기초 자료로써 사용하고자 한다.
대상 데이터
본 실험에서 사용된 바이오매스는 우드펠릿이며, 석탄은 역청탄인 Trafigura를 사용하였다. Table 1은 실험에 사용된 우드펠릿 및 Trafigura의 공업 분석과 원소 분석 그리고 발열량 결과를 보여준다.
본 연구에서 진행된 실험은 TGA(모델명: TA, Q600 SDT)와 DTF에 의하여 이루어졌다. TGA는 낮은 승온율을 가지고 있기 때문에 연료 자체의 반응 특성에 대한 관찰이 가능하므로 연료특성 및 열중량 분석 실험에 TGA를 사용하였다.
데이터처리
Table 1은 실험에 사용된 우드펠릿 및 Trafigura의 공업 분석과 원소 분석 그리고 발열량 결과를 보여준다. 석탄에 우드펠릿을 열량 기준 5, 10, 15 그리고 20% 혼소하여 바이오매스 혼소율(Biomass blending ratio, BBR)의 변화에 따른 TGA를 통한 연소속도 및 미연분 배출특성을 비교하였다.
이론/모형
하단부 싸이클론을 이용하여 가스와 입자를 분리할 수 있게 하였다. 싸이클론에서 포집된 회분은 회추적법(Ash tracer method)을 이용하여 UBC를 측정하였다.
성능/효과
(1) TGA에서 우드펠릿은 석탄과 차별화된 2개의 연소 반응 피크를 보였다. 우드펠릿의 입자 크기가 작아짐에 따라 휘발분이 연소하는 구간에서 급격한 열분해가 일어났고, 반응율도 높아졌다.
(2) TGA에서 석탄과 우드펠릿을 혼소율을 점차 늘려감에 따라서 좌산화 반응의 주요 피크온도는 증가하고 탈휘발 반응의 주요 피크온도가 감소함을 확인하였다.
(3) DTF 에서는 TGA와 달리 SR=1.0 조건에서 석탄과 우드펠렛의 혼소시에 반응성의 향상과 산소부족현상이 동시에 발생하였다. 우드펠릿의 입자크기가 커짐에 따라 산소 부족 현상으로 인한 미연분의 증가는 더 큰 혼소율에서 일어났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
세계적으로 화석연료를 이용한 발전은 전체 에너지 생산에서 어느 정도를 차지하고 있는가?
국내에서는 신재생에너지 의무할당제(Renewable Portfolio Standard, RPS)가 시작되어 발전사업자를 중심으로 에너지 생산을 위한 바이오매스의 사용이 지속적으로 증가하고 있다. 또한 세계적으로 화석연료를 이용한 발전은 전체 에너지 생산의 80%를 차지하고 있으며, 바이오매스 연료는 그 중 15% 이상의 높은 비율로 사용되고 있다.(1) 바이오매스 에너지 생산은 주로 연소를 통해 이루어지며, 특히 강조되고 있는 것은 바이오매스 잔류물 또는 에너지 작물로부터 유래된 바이오매스 연료를 재래식 석탄 연소 설비에 혼합하여 연소하는 것이다.
우드펠릿이 혼소연료로 각광 받고 있는 이유는?
특히 바이오매스 연료 중 목질계의 우드펠릿(Wood pellet)은 대량생산이 가능하고 운반의 용이함으로 인해 혼소 연료로 각광 받고 있다.(4) 최근 국내 발전소에서도 RPS를 만족시키기 위해 바이오매스 사용이 점차 증가하고 있으며, 현재 5% 내외의 혼소 발전을 시행하고 있다.
바이오매스 혼소를 통해 어떻게 황산화물(SOx)와 질소산화물(NOx)을 저감시킬 수 있다는 연구 결과는 무엇인가?
Obernberger(3)는 바이오매스 혼소를 통해 황산화물(SOx)와 질소산화물(NOx)를 저감시킬수 있다는 연구결과를 발표하였다. 바이오매스 내부의 알칼리성 회분은 연소 시 배출되는 황산화물을 저감시키며, 바이오매스에 포함된 낮은 함량의 질소성분과 열분해 과정 중 이러한 질소 성분의 대부분이 암모니아로 전환되는 특성을 통해 배출되는 질소산화물 또한 저감될 수 있다는 결과를 보였다.
참고문헌 (13)
Khan, A. A., Jong, W. D., Jansens, P. J. and Spliethoff, H., 2008, "Biomass Combustion in Fluidized Bed Boilers: Potential problems and remedies," Fuel Processing Technology, Vol. 90, No. 1, pp. 21-50.
Narayanan, K. V. and Natarajan, E., 2007, "Experimental Studies on Co-firing of coal and Biomass Blends in India," Renewable Energy, Vol. 32, No. 15, pp. 2548-2558.
Andrea, S., Corrado, C., Paolo, M., Francesca, A., Federico, P., Michela, Z., Stefano, G. and Raffaele, C., 2015, "A Multivariate SIMCA Index as Discriminant in Wood Pellet Quality Assessment," Renewable Energy, Vol. 76, pp. 258-263.
Munir, S., 2010, "A Review on Biomass Coal Co-Combustion: Current State of Knowledge," Proc. Pakistan Acad. Sci, Vol. 47, No. 4, pp. 265-287.
Gani, A., Morishita, K., Nishikawa, K. and Naruse, I., 2005, "Characteristics of Co-combustion of Low-rank Coal with Biomass," Energy and Fuels, Vol. 19, No. 4, pp. 1652-1659.
Lu, G., Yan, Y., Cornwell, S., Whitehouse, M. and Riley, G., 2008, "Impact of Co-firing Coal and Biomass on Flame Characteristics and Stability," Fuel, Vol. 87, pp. 1133-1140.
Molcan, P., Lu, G., Birs, L. T., Yan, Y., Taupin, B. and Caillat, S., 2009, "Characterization of Biomass and Coal Co-firing on a 3MWth Combustion Test Facility using Flame Imaging and Gas/ash Sampling Techniques," Fuel, Vol. 88, No. 12, pp. 2328-2334.
Sami, M., Annamalai, K. and Wooldridge, M., 2001, "Co-firing of Coal and Biomass Fuel Blends," Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 27, No. 2, pp. 171-214.
Seo, D.-K., Park, S.-S., kim, Y.-T., Hwang, J.-H. and Yu, T.-U., 2009, "Study on Co-pyrolysis of Biomass/Coal using Thermo-gravimetric Analysis (TGA)," KOSCO Symposium, Vol. 39, pp. 209-214.
Vamvuka, D., Kastanaki, E. and Lasithiotakis, M., 2003, "Devolatilization and Combustion Kinetics of Low-rank Coal Blends from Dynamic Measurements," Ind. Eng. Chem. Vol. 42, No. 20, pp. 4732-4740.
Sahu, S. G., Sarkar, P., Chakraborty, N. and Adak, A. K., 2010, "Thermogravimetric Assessment of Combustion Characteristics of Blends of a Coal with Different Biomass Chars," Fuel Processing Technology, Vol. 91, No. 3, pp. 369-378.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.