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문제 정의
- 본 연구에서는 공기 다단 연소를 적용할 수 있는 2단 하향 분류층 반응기(Two Staged Drop Tube Furnace, Two Staged DTF)를 제작하였고 석탄 화력 발전소에서 사용되는 아역청탄인 Tanito를 연료로 하여 연소 온도와 공기비에 따른 UBC 및 NOx의 배출 특성을 알아보았다. 또한 공기 다단 연소 기법을 적용하였을 때 UBC 및 NOx생성량을 측정하여 과농 연료와 희박 연료 분위기가 NOx 배출에 미치는 영향을 분석하였다.
제안 방법
- 통상적으로 발전소에서는 약 70 μm 크기로 미분화시켜 연료로 사용하기 때문에 본 실험에서도 75~90 μm 체(Sieve)를 통과시켜 미분화된 시료를 사용하였다. 공기 다단 연소에 따른 UBC 및 NOX 배출 특성을 연구하기 위하여 단일 연소실험결과와 다단 연소 실험 결과를 비교하였다. 단일 연소 실험은 2단 하향 분류층 반응기의 상부 반응로만을 이용하였고, 다단 연소 실험은 상부 및 하부를 연결하여 진행되었다.
- (15) 상향류의 석탄 화력 보일러를 하향 류의 실험적으로 때문에 2단 하향 분류층 반응기의 상부를 1,500 ℃, 하부를 1,300 ℃로 설정하였다. 공기비는 단일 연소에서 0.8, 1.0 및 1.2, 다단연소에서 상부 반응로의 공기비를 0.8, 하부 반응로의 공기비를 1.2로 하여 연소 실험을 진행하였다. 실험조건을 Table 2에 정리하여 나타내었다.
- 본 연구에서는 공기 다단 연소를 적용할 수 있는 2단 하향 분류층 반응기(Two Staged Drop Tube Furnace, Two Staged DTF)를 제작하였고 석탄 화력 발전소에서 사용되는 아역청탄인 Tanito를 연료로 하여 연소 온도와 공기비에 따른 UBC 및 NOx의 배출 특성을 알아보았다. 또한 공기 다단 연소 기법을 적용하였을 때 UBC 및 NOx생성량을 측정하여 과농 연료와 희박 연료 분위기가 NOx 배출에 미치는 영향을 분석하였다.
대상 데이터
- 반응부는 주입된 연료와 산소가 고온에서 산화 반응을 일으키는 부분이다. 다단 연소가 가능하도록 독립된 두 개의 영역으로 나누어져 있으며, 반응부를 구성하기 위하여 내경 50 mm, 길이 1,200 mm인 내열성이 높은 알루미나 튜브를 선정 하였다. 다양한 조건에서 실험을 진행하기 위하여 최대 1,850 ℃까지 발열 가능한 Super kanthal 을 사용하였다.
- 본 연구에서는 국내 화력 발전소에서 사용되고 있는 아역청탄인 Tanito를 시료로 선정하였다. 공업분석 및 원소분석 결과는 Table 1에 나타내었다.
데이터처리
- 분리된 가스는 필터에 연결된 펌프를 통하여 배출된다. MK 9000(Ecom-rbr) 가스 분석기를 사용하여 배출된 가스의 구성 성분을 분석하였다. 2단 하향 분류층 반응기 내부의 모든 연결부위는 고무링 및 가스켓으로 패킹을 하여 외부에서 유입되는 공기를 차단하였다.
이론/모형
- 연료 투입 전 혼합 가스를 주입하여 고온에서의 Thermal NOx 발생량을 측정하였으며, 실험 조건에서 Thermal NOx는 발생되지 않는 것을 확인하였다. UBC는 포집할 수 있는 촤의 양이 매우 적고, 연소 생성물의 전량을 포집하여 공급량과 비교하기는 불가능하기 때문에 회분 추적법(Ash tracer method)를 사용하였다.(15)
- 본 연구는 공기 다단 연소 기법 적용을 위하여 제작한 Two staged DTF를 이용한 실험으로 아역 청탄 연소실험을 진행하였다. 공기 다단 연소방식이 UBC 및 NOx 배출에 주는 영향을 단일 연소 실험과 비교 분석하여 아래와 같은 결론을 얻었다.
- 연소 실험 후 포집한 반응물을 회 추적 분석법을 이용해 UBC를 측정하였으며, Fig. 5에 반응 온도와 공기비에 따른 UBC를 나타내었다.
성능/효과
- (1) 단일 연소 실험에서 연소온도 및 공기비가 증가할수록 UBC 함량은 감소하였으며, NOx 생성량은 증가하였다.
- (2) 공기비가 0.8인 과농 연료 연소 영역에서 반응 온도가 증가할수록 열분해 및 가스화 반응이 촉진되어 UBC가 감소했으며, 배출된 질소의 환원 반응이 촉진되어 NOx의 생성량이 감소하였다.
- (3) 공기 다단 연소 기법을 적용하였을 때 과농 연료 연소 영역인 상부 반응로의 NOx 저감 반응이 전체 NOx 생성량을 지배하였으며, UBC 증가량에 비하여 높은 NOx 저감 효율을 확보할 수있었다.
- 과농 연료 연소 영역에서의 NOx 저감 반응이 전체 NOx 저감 반응을 지배하며, 희박 연료 연소 영역은 UBC을 감소시키는 역할을 하는 것을 알 수 있다. 공기 다단 연소 기법을 적용하였을 때 석탄 입자의 UBC 증가량에 비해 높은 NOx 저감 효과를 얻을 수 있었다.
- 8에 나타내었다. 다단 연소 기법 적용 시 과농 연료 연소영역 및 2단 하향 분류층 반응기 최후단에서 측정한 UBC 함량은 각각 1.5 % 및 0.5 %로 희박 연료 연소 영역에서 약 1 %의 UBC 함량 차이가 나는 것으로 측정되었다. 추가 공기가 주입되는 희박 연료 연소 영역인 하부반응로에서 상부 반응로에서 유입된 석탄입자의 2차 연소가 일어났기 때문에 UBC 함량이 줄어들었다.
- 단일 및 다단 연소 실험을 통하여 과농 연료 연소 영역의 온도를 높인다면 NOx 저감 반응을 활성화 시켜 Fuel NOx 생성 농도를 줄일 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 고온의 연소 온도는 Thermal NOx의 생성을 촉진시키기 때문에, 전체 발생되는 NOx의 95 % 이상을 차지하는 Fuel NOx 및 Thermal NOx의 생성량이 최소가 되는 조건을 찾는 연구가 추후 수행될 예정이다.
- 단일 연소실험의 반응로의 길이가 공기 다단 연소 실험의 반응로의 길이보다 짧음에도 불구하고 UBC가 낮게 측정되는 것은, 공기 다단연소 기법은 석탄입자의 연소 반응을 저하시킨다는 것을 의미한다. 단일 연소 실험에서의 온도에 따른 UBC 배출 경향에서 확인할 수 있는바와 같이, 공기 다단 연소 기법을 적용할 때 보일러의 버너부분, 즉 과농 연료 연소 영역의 온도를 증가시킴으로써 연소반응을 촉진 시킬 수 있음을 알 수 있다.
- 온도와 공기비를 조절한 연소실험을 수행하여 관측되는 UBC를 측정한 결과, 석탄 연소 후 배출되는 생성물의 UBC 함량은 공기비와 온도의 영향을 모두 받으며, 특히 과농 연료 영역에서는 반응할 수 있는 산소가 부족함에도 불구하고 고온의 반응 환경을 조성하여 열분해 및 가스화 반응을 유도하여 UBC를 줄일 수 있었다.
- 8일 때 반응부 내에 존재하는 산소가 소비되어 환원분위기의 연소 영역이 조성된 이후부터 NOx 저감 반응이 활성화 되어 약 60 ppm까지 감소하였다. 환원분위기의 연소 환경을 조성하여 NOx 저감반응을 활성화시킬 수 있다는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다.
후속연구
- 단일 및 다단 연소 실험을 통하여 과농 연료 연소 영역의 온도를 높인다면 NOx 저감 반응을 활성화 시켜 Fuel NOx 생성 농도를 줄일 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 고온의 연소 온도는 Thermal NOx의 생성을 촉진시키기 때문에, 전체 발생되는 NOx의 95 % 이상을 차지하는 Fuel NOx 및 Thermal NOx의 생성량이 최소가 되는 조건을 찾는 연구가 추후 수행될 예정이다.
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