[논문]석탄 보일러에서 회분 부착성향 예측 접근 방법에 대한 고찰

김대희; 최상민; 김정래

doi:10.15231/jksc.2017.22.4.027

[국내논문] 석탄 보일러에서 회분 부착성향 예측 접근 방법에 대한 고찰
Consideration on the Prediction Approach of Ash Deposition Propensity in Coal-fired Boilers 원문보기

한국연소학회지 = Journal of the Korean Society of Combustion, v.22 no.4, 2017년, pp.27 - 34

김대희 (현대중공업 에너지기술연구소) , 최상민 (한국과학기술원 기계공학과) , 김정래 (현대중공업 에너지기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Various approaches have been proposed to predict the ash deposition (slagging and fouling) propensity of coal, which is essential in maintaining high efficiency and preventing corrosion/damage of a coal-fired boiler. The common method is to establish an index of the ash deposition propensity based on elementary coal composition and advanced characterization of ash properties, which is readily applicable to design, operation and maintenance of coal-fired boilers. Although many indexes have been developed for this purpose, their validity is still not satisfactory in actual applications to particular coal types or operating conditions. This paper reviews the status of predictive approaches for the ash deposition propensity, and assesses the performance of existing indexes by comparing the results for selected coals. This work will contribute to the development of a comprehensive and practical method for prediction of the ash deposition propensity.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

하지만 이를 가능하게 하기 위해서는 기존에 제시된 예측 기법 및 방안에 대한 올바른 이해와 평가가 우선적으로 필요하다. 본 논문은 회분 부착 성향 예측을 위해 제시된 다양한 접근 방법에 대한 고찰과 함께 다양한 실험 인덱스를 통한 회분 부착 성향 예측 결과 간의 비교에 초점을 맞추고 있다.
본 연구에서 다양한 인덱스에 대한 평가를 진행함에 있어서 각 인덱스의 입력 사항에 대한 이해와 주의가 필요함을 확인할 수 있었다. Fig.
본 논문을 통해 회분 부착 성향 예측을 위해 제시된 다양한 접근 방법에 대하여 고찰해 보았다. 또한 제시된 다양한 실험 인덱스들에 대해 살펴보고 이를 통한 회분 부착성향 예측 결과들을 비교 평가해보았다.

제안 방법

Table 2는 기존의 인덱스를 보완하기 위해 제시되어진 인덱스를 본 저자의 기준으로 구분하여 정리한 것이다. 염기성 산화물에 대한 산성 산화물의 비, 즉 B/A가 용융 작용에 둔감한 것을 보완하기 위해 용융온도의 함수로 정의된 Rfs가 슬래그 인덱스로 제안되었다. 또한 Watt와 Fereday의 점도예측 방법[27]으로부터 제안된 슬래그 인덱스 Rts[28]는 슬래그 제거 온도로 알려져있는 점도 25 kg/m·s의 온도 T₂₅과 점도 1000 kg/m·s 일때의 온도 T₁₀₀₀으로부터 계산된다.
5에 에서도 동일하게 나타나고 있다. 파울링 인덱스 중에서 염기성 산화물에 대한 산성 산화물의 비에 Na₂O의 함유량을 고려한 Rf, 회분 조성중의 주 휘발성분인 Na₂O와 K₂O의 비를 나타내는 Total Alkali 그리고 입열량 당 회분 조성 중 알칼리 성분의 비를 정의한 Total Alkali Fired 인덱스를 통해 파울링 정도를 예측해 보았다. Total Alkali와 Total Alkali Fired를 통해 예측한 파울링 정도는 탄종에 따라 거의 동일하게 나왔으나, Rf를 통한 예측값과는 탄종에 따라 다르게 나타남을 확인할 수 있다.
다양한 회분 부착 인덱스에 따른 예측값을 비교평가해 보기 위해 문헌 중 실험을 통해 회분 부착 정도에 대해 제시된 2가지 탄종에 대하여 앞서 설명한 다양한 인덱스를 통해 예측해 보고 그 결과를 실험값과 비교 평가해 보았다[5]. Table 3과 Table 4는 각각 슬래깅과 파울링의 비교 결과를 나타낸 것이다.
본 논문을 통해 회분 부착 성향 예측을 위해 제시된 다양한 접근 방법에 대하여 고찰해 보았다. 또한 제시된 다양한 실험 인덱스들에 대해 살펴보고 이를 통한 회분 부착성향 예측 결과들을 비교 평가해보았다. 실험을 통한 특정 탄종의 회분 부착성향에 대한 정보가 많지 않아 다양한 탄종에 대하여 인덱스를 평가해 보지는 못하였지만, 본 논문에서의 계산을 통해 가늠해 볼 때 제안된 인덱스마다 서로 상이한 회분 부착성향을 보였다.

성능/효과

파울링 인덱스 중에서 염기성 산화물에 대한 산성 산화물의 비에 Na₂O의 함유량을 고려한 Rf, 회분 조성중의 주 휘발성분인 Na₂O와 K₂O의 비를 나타내는 Total Alkali 그리고 입열량 당 회분 조성 중 알칼리 성분의 비를 정의한 Total Alkali Fired 인덱스를 통해 파울링 정도를 예측해 보았다. Total Alkali와 Total Alkali Fired를 통해 예측한 파울링 정도는 탄종에 따라 거의 동일하게 나왔으나, Rf를 통한 예측값과는 탄종에 따라 다르게 나타남을 확인할 수 있다.
6은 DTF, 실제 연소기 그리고 원탄에서의 회분 조성값을 각각 입력값으로 하여 인덱스 Rf를 통해 파울링 정도를 예측한 결과이다. 그래프에서 확인할 수 있듯이, DTF와 실제 연소기에서 생성된 회분의 데이터를 적용하면 부착 성향이 중간 정도인 것으로 판명되었으나, 원탄에서의 회분 정보를 통해 계산하면 부착 성향이 낮게 예측되었다. 그러므로 각 인덱스를 통해 부착성향을 평가할 때 그 인덱스 관련 입력값에 대한 이해와 주의가 반드시 필요할 것으로 생각된다.
또한 제시된 다양한 실험 인덱스들에 대해 살펴보고 이를 통한 회분 부착성향 예측 결과들을 비교 평가해보았다. 실험을 통한 특정 탄종의 회분 부착성향에 대한 정보가 많지 않아 다양한 탄종에 대하여 인덱스를 평가해 보지는 못하였지만, 본 논문에서의 계산을 통해 가늠해 볼 때 제안된 인덱스마다 서로 상이한 회분 부착성향을 보였다. 회분의 조성과 용융점에 기반한 기존 인덱스를 보완하고자 복합적인 영향을 고려하여 제안된 인덱스 중 일부는 계산을 위해 필요한 값이 탄종 별로 제시되지 않아 평가하지 못하였다.

후속연구

그러므로 각 인덱스를 통해 부착성향을 평가할 때 그 인덱스 관련 입력값에 대한 이해와 주의가 반드시 필요할 것으로 생각된다. 특히, 부착성향을 좀 더 명확하고 정확하게 판별하기 위해 제시되고 있는 보완된 인덱스의 적용 시 더욱 이러한 주의가 필요할 것이다. 보완되어 제시되는 인덱스의 경우 일반적으로 다양한 인자들, 특히 용융성에 밀접한 관련이 있는 용융온도나 다양한 회분 조성의 조합으로 이루어지기 때문에 관련 인덱스 활용 시 인자 개별에 대한 명확한 이해가 우선 시 되어야지만 실제 현상에 좀 더 가깝게 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
회분의 조성과 용융점에 기반한 기존 인덱스를 보완하고자 복합적인 영향을 고려하여 제안된 인덱스 중 일부는 계산을 위해 필요한 값이 탄종 별로 제시되지 않아 평가하지 못하였다. 비록 본 논문이 새로운 예측 방안이나 인덱스를 제시하지는 않지만, 다양한 회분부착 성향예측 인덱스에 대한 이해에 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 다양한 인덱스의 탄종별 적용 및 상대적인 평가를 통해 실용적이고 통합적인 회분 부착성향 예측 방안의 틀을 마련하는데 도움이 될 수 있을 것으로 생각된다.
비록 본 논문이 새로운 예측 방안이나 인덱스를 제시하지는 않지만, 다양한 회분부착 성향예측 인덱스에 대한 이해에 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 다양한 인덱스의 탄종별 적용 및 상대적인 평가를 통해 실용적이고 통합적인 회분 부착성향 예측 방안의 틀을 마련하는데 도움이 될 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파울리 현상은 어떤 현상인가?	이 때, 높은 연소가스 온도로 인해 연소실의 온도가 회분의 용융점보다 높게 되면 회분 입자가 용융된 상태로 수관벽에 부딪쳐 급랭, 응집되어 수관벽에 부착 및 퇴적하게 된다. 이러한 현상을 슬래깅(slagging)이라 하며, 회분이 연소 가스와 함께 상대적으로 온도가 낮은 대류 전열면을 지나가다 과열기, 재열기 등에 응축, 부착하여 굳어지는 현상을 파울리(fouling)이라 한다. Fig.
	슬래깅 현상은 무엇인가?	이런 석탄을 사용하는 화력 발전소에서 가지고 있는 문제점 중에 하나는 석탄 속에 포함되어 있는 불연성물질인 회분(ash)에 의해서 발생되는 문제이다. 미분탄이 보일러 내로 장입되어 연소가 일어나게 되면 회분은 연소되지 않고 연소 가스의 흐름과 함께 움직이게 된다. 이 때, 높은 연소가스 온도로 인해 연소실의 온도가 회분의 용융점보다 높게 되면 회분 입자가 용융된 상태로 수관벽에 부딪쳐 급랭, 응집되어 수관벽에 부착 및 퇴적하게 된다. 이러한 현상을 슬래깅(slagging)이라 하며, 회분이 연소 가스와 함께 상대적으로 온도가 낮은 대류 전열면을 지나가다 과열기, 재열기 등에 응축, 부착하여 굳어지는 현상을 파울리(fouling)이라 한다.
	석탄을 이용할 때 문제점은?	전력 생산에 중요한 역할을 담당하고 있는 석탄은 전 세계적으로 매장량이 풍부하고 지역적으로 편재되어 있지 않아 수급 안정적인 에너지원이다. 이런 석탄을 사용하는 화력 발전소에서 가지고 있는 문제점 중에 하나는 석탄 속에 포함되어 있는 불연성물질인 회분(ash)에 의해서 발생되는 문제이다. 미분탄이 보일러 내로 장입되어 연소가 일어나게 되면 회분은 연소되지 않고 연소 가스의 흐름과 함께 움직이게 된다.

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