전세계의 인구 증가와 경제 발전은 지속적인 에너지 수요의 증가를 가져오고 있다. 특히, 전력부분에서는 아시아 및 아프리카, 그리고 중남미 등의 개발도상국을 중심으로 그 수요가 지속적으로 증가하고 있어 주요 에너지원인 석탄의 이용도 지속적으로 증가할 것으로 예측되고 있다. 그러나, 이산화탄소 및 대기오염원, 그리고 미세먼지 등의 배출 등은 석탄을 이용한 전력생산에 있어 환경친화적인 기술로의 대응방안 마련과 더불어, 고효율의 다양한 저급연료를 활용할 수 있는 발전 기술의 개발이 요구되고 있다. 이에, 기술개발 및 그 상용화 시장이 점차 증대되고 있는 초초임계 순환유동층 보일러에 대한 관심이 증대하고 있다. 초초임계 순환 유동층 보일러는 중소형의 아임계의 드럼형 구조에서 벗어나 대용량화의 기본 구조인 Once Through 형태의 증기 순환 구조를 지니고 100-300 MWe의 상업용 모듈의 복제를 통해 600 MW급이 상용화 운전 중에 있으며, 향후 설계가 완성된 800 MWe의 상업화 진행이 기대되고 있다. 초초임계 순환유동층 보일러는 2017년 이후 아임계 순환유동층 보일러 설치 용량을 추월하여 표준형 모델이 될 것으로 전망되고 있어, 본 논문에서의 이의 기술적 배경과 개발 현황 그리고 시장전망 등을 통해 기술적 이해를 도모하고자 한다.
전세계의 인구 증가와 경제 발전은 지속적인 에너지 수요의 증가를 가져오고 있다. 특히, 전력부분에서는 아시아 및 아프리카, 그리고 중남미 등의 개발도상국을 중심으로 그 수요가 지속적으로 증가하고 있어 주요 에너지원인 석탄의 이용도 지속적으로 증가할 것으로 예측되고 있다. 그러나, 이산화탄소 및 대기오염원, 그리고 미세먼지 등의 배출 등은 석탄을 이용한 전력생산에 있어 환경친화적인 기술로의 대응방안 마련과 더불어, 고효율의 다양한 저급연료를 활용할 수 있는 발전 기술의 개발이 요구되고 있다. 이에, 기술개발 및 그 상용화 시장이 점차 증대되고 있는 초초임계 순환유동층 보일러에 대한 관심이 증대하고 있다. 초초임계 순환 유동층 보일러는 중소형의 아임계의 드럼형 구조에서 벗어나 대용량화의 기본 구조인 Once Through 형태의 증기 순환 구조를 지니고 100-300 MWe의 상업용 모듈의 복제를 통해 600 MW급이 상용화 운전 중에 있으며, 향후 설계가 완성된 800 MWe의 상업화 진행이 기대되고 있다. 초초임계 순환유동층 보일러는 2017년 이후 아임계 순환유동층 보일러 설치 용량을 추월하여 표준형 모델이 될 것으로 전망되고 있어, 본 논문에서의 이의 기술적 배경과 개발 현황 그리고 시장전망 등을 통해 기술적 이해를 도모하고자 한다.
The increase of world's population and economic development are the keys drivers behind growing demand for energy. Especially the demand for electricity would eventually result in an increase of coal usage. Therefore ultra supercritical circulating fluidized bed boiler has been developed as solution...
The increase of world's population and economic development are the keys drivers behind growing demand for energy. Especially the demand for electricity would eventually result in an increase of coal usage. Therefore ultra supercritical circulating fluidized bed boiler has been developed as solutions of economic eco-friendly technologies for coal and of increasing supplies of low grade fuels. Ultra supercritical circulating fluidized bed boiler has an once through type of steam cycle different from drum type in subcritical circulating fluidized bed boiler. Also, the duplication of a proven commercial module with 100-300 MWe subcritical circulating fluidized bed might be the key for design of 500~800 MWe ultra supercritical circulating fluidized bed boiler. After 2017, ultra supercritical circulating fluidized bed boiler might become standard model over subcritical circulating fluidized bed boiler. Therefore, this paper will help you to understand ultra super critical circulating fluidized bed (USC-CFB) through describing the background, status and prospect of the CFB technology.
The increase of world's population and economic development are the keys drivers behind growing demand for energy. Especially the demand for electricity would eventually result in an increase of coal usage. Therefore ultra supercritical circulating fluidized bed boiler has been developed as solutions of economic eco-friendly technologies for coal and of increasing supplies of low grade fuels. Ultra supercritical circulating fluidized bed boiler has an once through type of steam cycle different from drum type in subcritical circulating fluidized bed boiler. Also, the duplication of a proven commercial module with 100-300 MWe subcritical circulating fluidized bed might be the key for design of 500~800 MWe ultra supercritical circulating fluidized bed boiler. After 2017, ultra supercritical circulating fluidized bed boiler might become standard model over subcritical circulating fluidized bed boiler. Therefore, this paper will help you to understand ultra super critical circulating fluidized bed (USC-CFB) through describing the background, status and prospect of the CFB technology.
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문제 정의
상압에서 운전되는 유동층, 순환유동층 방식은 연소 효율이 미분탄 발전 방식보다 높고 로내 탈황 등을 통해서 환경오염물질의 배출이 적어 최근 빠르게 개발 및 보급이 이루어지고 있다. 그러나 아직까지 보일러 시장의 주력으로 자리잡고 있는 미분탄 발전 방식에 비해 순환유동층 발전에 대한 이해도가 낮아 본 고에서는 새로운 발전 설비로서 순환유동층 발전 설비에 대해 설명하고자 한다. 특히 최근에 높은 발전 효율로 큰 관심을 받는 초초임계 순환유동층 보일러 기술에 대한 소개와 기술 개발 동향, 시장성을 분석하였다.
제안 방법
순환유동층 보일러와 일반적으로 널리 이용되고 있는 다른 형태의 보일러들(스토커, 기포 유동층, 미분탄 등)의 특성을 비교하여 표 1과 표 2에 나타내었다. 순환유동층 보일러는 높은 기체 유속, 넓은 연소 영역 등을 제외하면 기포 유동층과 유사한 특징을 가지고 있음을 확인할 수 있다.
그러나 아직까지 보일러 시장의 주력으로 자리잡고 있는 미분탄 발전 방식에 비해 순환유동층 발전에 대한 이해도가 낮아 본 고에서는 새로운 발전 설비로서 순환유동층 발전 설비에 대해 설명하고자 한다. 특히 최근에 높은 발전 효율로 큰 관심을 받는 초초임계 순환유동층 보일러 기술에 대한 소개와 기술 개발 동향, 시장성을 분석하였다.
성능/효과
그림 1은 BP사가 석유, 석탄, 천연가스, 재생에너지 자원과 같은 주요 에너지원의 점유율을 2035년까지 예측한 자료이다[1]. 그림을 보면 지난 10년 동안 석유가격의 급변동으로 인해서 석유의 사용량이 감소하고 석탄의 사용량이 증가하나, 최근 개발이 확대되는 쉐일가스와 같은 가스자원의 지속적인 성장과 재생에너지 자원들에 대한 이용이 증가하면서 석탄과 석유의 사용량은 2035년까지 감소하는 것을 확인할 수 있다.
증가하는 환경 규제를 만족시키고 효율 및 경제성을 향상시키면서 다양한 저등급 연료들을 이용하는 초초임계 순환 유동층 보일러의 개발이 활발히 진행되고 있다. 드럼형의 증기 사이클을 이용하는 아임계 순환유동층 보일러에서 벗어나 once through 형태의 증기 사이클의 이용과 성능이 입증된 100~300 MWe의 순환유동층 보일러의 복제를 통해 현재 800 MWe의 초초임계 순환유동층 보일러 설계가 완료되었다. 선진 개발사인 Alstom사와 Foster Wheeler사가 기술 개발을 주도하고 있으나 중국 및 한전을 비롯한 국내 기업들도 기술 개발을 진행하고 있다.
미분탄 연소와 비교하면 보다 큰 크기의 석탄, 낮은 질소산화물 배출, 로내 탈황의 특징을 지니고 있다. 표 2의 기고 연소 공정 비교를 보면 순환유동층 연소로의 유동층 입자는 0.05~0.5 mm가 주로 이용되고 고체 혼합이 매우 우수하고 0.85~0.99의 공극률을 지니며 온도차가 상대적으로 적으나 마모로 인한 고체 손실이 발생하고 있음을 확인할 수 있다 [8][11].
후속연구
그러므로, 초초임계 순환유동층 기술개발은 석탄화력 발전 시장의 고효율화 및 청정화 그리고 저급탄 시장의 지속적 증대 및 활용 필요성에 의해 필수 불가결하게 이루어져야 할 것으로 판단되며, 더불어 초초임계 순환유동층 발전 시장의 급격한 증가에 대해 국내 기술의 시장 진출을 위해서는 선제적 기술개발 및 실증을 통한 국산화 개발이 시급이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
중, 소용량(150 MW급 이하)의 순환유동층 보일러에 있어서는 현대중공업이 주요 요소기술의 국내 기술 자립 이룬 것으로 평가되고 있으며, 2012년에 두산중공업이 Lurgi(Lentjes)를 인수함에 따라 300 MWe 이하의 설계 능력을 보유한 것으로 판단된다. 더불어, 최대 운영사인 한전(전력연구원)의 경우, 최적 운영을 위한 기술개발 및 그 실용화가 상당부분 진척되어 있으며 그림 12에 나타낸 바와 같이 2013년에 600 MW급 USC-CFB 의 개념설계를 도출한 바가 있어 각 기술의 흡수 및 통합을 통해 고효율의 초임계급 순환유동층 기술개발이 가능할 것으로 기대된다 [8][9].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유동층이란?
유동층이란 고체 입자가 상승하는 기체 또는 액체와의 접촉으로 고체층이 액체와 같은 상태로 전이되는 현상이며 기체 유속에 따라 기포 유동층, 순환 유동층 등의 다양한 영역이 존재한다. 이들 유동층 영역들 사이의 전이는 고체와 유체의 물성뿐만 아니라 유체 유속에 의존하며, 층 직경과 같은 다른 요인들도 유동화 영역의 전이에 중요한 역할을 한다.
기포유동층에서 일어나는 현상은?
이 기포의 거동은 층을 매우 격렬하게 끓는 액체와 같은 형상으로 만든다. 기체의 흐름은 고체입자의 마모 및 비산유출을 발생시키며, 유속이 증가함에 따라 급격히 증가한다. 이러한 현상이 나타나는 유동층을 기포유동층 (bubbling fluidized bed) 이라고 한다.
에너지 수요를 증가 시키는 주요 원인은?
전세계의 인구 증가와 경제의 발전은 에너지 수요를 증가 시키는 주요 원인이다. 최근 발표된 BP사의 자료 [1]를 보면, 2035년까지 세계 인구는 15억명이 증가하여 거의 88억명의 인구에 도달하고 동시에 국내총생산(Gross domestic product, GDP)도 2배 이상 증가한다.
참고문헌 (21)
BP, "BP energy outlook 2016 edition", www.bp.com (2016).
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McCoy Report Data (2015) and IEA-FBC IA Country Report (2011-2015), Draft Version (2016).
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Artur Blaszczuk, Wojciech Nowak, and Szymon Jagodzik, "Effects of operating conditions on deNOx system efficiency in supercritical circulating fluidized bed boiler", J. Power Technol., 93, 1-8 (2013).
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