기포 유동층 반응기를 이용한 하수슬러지 및 우드펠렛 혼소에 관한 연소 특성 분석 및 비교 Experimental Study of Co-firing and Emission Characteristics Fueled by Sewage Sludge and Wood Pellet in Bubbling Fluidized Bed원문보기
하수슬러지 고형연료 및 우드펠렛의 전소 및 혼소 실험을 위해 내경 0.1 m, 높이가 1.2 m인 기포 유동층 반응기를 적용하였으며, 장치는 유동층 반응기, 연료 공급장치, 사이클론, 냉각기, 그리고 가스분석기로 구성되었다. 층 물질의 평균입자크기는 $460{\mu}m$이며, 최소 유동화 속도는 $0.21ms^{-1}$이다. 실험에 사용된 연료는 국내산 하수슬러지 고형연료 및 캐나다산 우드펠렛을 적용하였으며, 우드펠렛 기준 혼합율 20, 50, 80%로 고위발열량을 기준으로 산정하였다. 실험 고정변수는 당량비 1.65, 산화제 $100Lmin^{-1}$, 반응기 온도 $800^{\circ}C$, 유동화수 4로 설정하였다. TGA 분석 결과, 하수슬러지의 고형 연료의 연소성이 우드펠렛이 비해 상대적으로 좋지 않았다. 연소시 반응기 온도는 $800{\sim}900^{\circ}C$ 사이로 유지되었으며, 유동층 반응기에서 하수 슬러지 고형연료의 낮은 연소성으로 인해 CO가 상대적으로 높게 측정되었다. 뿐만 아니라 $NO_X$와 $SO_X$는 하수슬러지 고형연료 내의 질소함량으로 인해 우드펠렛에 비해 높게 측정되었으며, 혼소율이 증가될수록 CO, $NO_X$, 그리고 $SO_X$의 배출이 감소하였다. 혼소에 따른 회분의 거동 및 퇴적 경향에서 모든 조건에 대해 슬래깅/파일링의 가능성이 높은 것으로 분석되었다.
하수슬러지 고형연료 및 우드펠렛의 전소 및 혼소 실험을 위해 내경 0.1 m, 높이가 1.2 m인 기포 유동층 반응기를 적용하였으며, 장치는 유동층 반응기, 연료 공급장치, 사이클론, 냉각기, 그리고 가스분석기로 구성되었다. 층 물질의 평균입자크기는 $460{\mu}m$이며, 최소 유동화 속도는 $0.21ms^{-1}$이다. 실험에 사용된 연료는 국내산 하수슬러지 고형연료 및 캐나다산 우드펠렛을 적용하였으며, 우드펠렛 기준 혼합율 20, 50, 80%로 고위발열량을 기준으로 산정하였다. 실험 고정변수는 당량비 1.65, 산화제 $100Lmin^{-1}$, 반응기 온도 $800^{\circ}C$, 유동화수 4로 설정하였다. TGA 분석 결과, 하수슬러지의 고형 연료의 연소성이 우드펠렛이 비해 상대적으로 좋지 않았다. 연소시 반응기 온도는 $800{\sim}900^{\circ}C$ 사이로 유지되었으며, 유동층 반응기에서 하수 슬러지 고형연료의 낮은 연소성으로 인해 CO가 상대적으로 높게 측정되었다. 뿐만 아니라 $NO_X$와 $SO_X$는 하수슬러지 고형연료 내의 질소함량으로 인해 우드펠렛에 비해 높게 측정되었으며, 혼소율이 증가될수록 CO, $NO_X$, 그리고 $SO_X$의 배출이 감소하였다. 혼소에 따른 회분의 거동 및 퇴적 경향에서 모든 조건에 대해 슬래깅/파일링의 가능성이 높은 것으로 분석되었다.
The bubbling fluidized bed (BFB) reactor with a diameter of 0.1 m and a height of 1.2 m was used for experimental study of co-firing and emission characteristics fueled by sewage sludge (SS) and wood pellet (WP). The facility consists of a fluidized bed reactor, feeding system, cyclone, condenser an...
The bubbling fluidized bed (BFB) reactor with a diameter of 0.1 m and a height of 1.2 m was used for experimental study of co-firing and emission characteristics fueled by sewage sludge (SS) and wood pellet (WP). The facility consists of a fluidized bed reactor, feeding system, cyclone, condenser and gas analyzer, The mean particle diameter and minimum fluidization velocity are $460{\mu}m$ and $0.21ms^{-1}$ respectively. SS produced from Korea and WP from Canada were examined. The various mixing ratios of WP were 20, 50, and 80% based on HHV. The equivalence ratio of 1.65, reactor temperature of $800^{\circ}C$, air flow rate of $100Lmin^{-1}$, and fluidization number of 4 were fixed in the BFB experiment. In TGA, the range of combustion temperature of SS was wider than that of WP. It represents that the combustibility of WP is higher than that of SS. The BFB reactor temperature was maintained between 800 and $900^{\circ}C$. CO emission of SS was high because of lower combustibility. $NO_X$ and $SO_X$ formation of SS were higher than that of WP since high nitrogen and sulfur contents of SS. CO, $NO_X$, and $SO_X$ formation were suppressed as the mixing ratio of WP was increased. The slagging and fouling tendencies show high in all test conditions.
The bubbling fluidized bed (BFB) reactor with a diameter of 0.1 m and a height of 1.2 m was used for experimental study of co-firing and emission characteristics fueled by sewage sludge (SS) and wood pellet (WP). The facility consists of a fluidized bed reactor, feeding system, cyclone, condenser and gas analyzer, The mean particle diameter and minimum fluidization velocity are $460{\mu}m$ and $0.21ms^{-1}$ respectively. SS produced from Korea and WP from Canada were examined. The various mixing ratios of WP were 20, 50, and 80% based on HHV. The equivalence ratio of 1.65, reactor temperature of $800^{\circ}C$, air flow rate of $100Lmin^{-1}$, and fluidization number of 4 were fixed in the BFB experiment. In TGA, the range of combustion temperature of SS was wider than that of WP. It represents that the combustibility of WP is higher than that of SS. The BFB reactor temperature was maintained between 800 and $900^{\circ}C$. CO emission of SS was high because of lower combustibility. $NO_X$ and $SO_X$ formation of SS were higher than that of WP since high nitrogen and sulfur contents of SS. CO, $NO_X$, and $SO_X$ formation were suppressed as the mixing ratio of WP was increased. The slagging and fouling tendencies show high in all test conditions.
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문제 정의
연료의 성상에 크게 영향을 받지 않는 유동층 반응기를 이용하여 두 연료의 전소 및 혼소에 대한 연소 실험을 수행하였으며, 온도와 압력, 그리고 O2, CO2, CO, NOX, SOX의 배가스 측정 결과를 통해 연소 특성을 분석하였다. 또한 연소 과정에서 발생한 회분의 포집 및XRF 분석을 통해서 두 연료의 전소 및 혼소에 대한 회분의 거동 및 퇴적에 대한 연구를 함께 수행하였다. TGA 분석에서 연소 영역은 주변 온도가 증가함에 따라서 SS는 두 단계 걸쳐서 특징적으로 나타났다.
본 실험에서 압력은 연소실 내의 압력과 cyclone의 압력 차이를 유지시켜 연소를 안정적으로 유지시키는 것에 목적이 있다. Table 6과 같이 연소실 내의 압력(P0)과 cyclone에서의 압력(P1)의 차압은 약 15 mmH2O를 유지하기 위해서 ID-Fan의 회전 속도를 조절하였다.
본 연구는 하수슬러지 고형연료(SS)와 우드펠렛(WP)과의 전소 및 혼소를 통한 연소 특성 분석 및 회분의 거동 및 퇴적 특성을 분석하는 것에 의의가 있다. 연료의 성상에 크게 영향을 받지 않는 유동층 반응기를 이용하여 두 연료의 전소 및 혼소에 대한 연소 실험을 수행하였으며, 온도와 압력, 그리고 O2, CO2, CO, NOX, SOX의 배가스 측정 결과를 통해 연소 특성을 분석하였다.
본 연구는 하수슬러지를 건조, 고형연료화한 후 발전 에너지원으로서 활용 가능성을 확인하는 것에 목적이 있으며, 이를 위해 우선적으로 실험실 규모 기포 유동층 반응기를 이용하여 하수슬러지 고형연료와 대표적인 바이오매스인 우드펠렛의 전소 및 혼소 실험을 통해서 각 연료에 대한 연소 특성을 파악하고 이에 대한 회분 포집 및 분석을 통해서 슬래깅/파울링 가능성을 판단하고자 한다.
본 연구에서는 실험실 규모 기포 유동층 반응기를 통해 SS와 WP의 연소 특성을 분석하였다. 종합적으로 SS을 전소하는 것에 비해 WP와의 혼소를 통해 배가스 내의 CO, NOX, 그리고 SOX의 생성을 저감할 수 있으며, 더불어 연소효율을 소폭 증가시킬 수 있음을 본 연구를 통해 확인하였다.
본 연구의 핵심은 하수슬러지 고형연료와 우드펠렛과의 혼소시 연소 특성을 분석하는 것에 목적을 두고 있다. 본 연구에 사용된 연료인 SS와 WP에 대해 발열량 기준으로 WP 기준 혼합율 20, 50, 80%의 혼소 실험과 SS와 WP 각 연료에 대한 전소 실험으로 구성되어 있다.
[5]은 다양한 종류의 펠릿화된 바이오매스와 무독성 폐기물을 이용하여 유동층 연소와 관련된 연료 특성 인자를 도출하였다. 뿐만 아니라 연료 전환율과 촤연소에 대해 규명하고, 층 물질의 응집 현상에 대해 조명하기 위해 회분 입자의 크기 및 거동에 대한 연구도 수행하였다. Khan [6]은 기포 유동층 보일러에서 하수슬러지를 포함한 다양한 바이오매스를 적용하여, 유동층 보일러에서의 운전인자의 영향력 분석, 혼소에 따른 연소성 분석, 그리고 회분의 거동 및 층 물질의 응집에 관한 연구를 실험적, 수치적으로 접근하였다.
가설 설정
측정된 particle density는 2,800 kg m-3이며, bulk density는 1,400kg m-3이다. 본 연구에 적용된 층 물질의 구형도는 층 물질의 particle density와 평균 입도를 기반으로 0.62인 land sand를가정하였다. 또한 층 물질의 범위는 Geldart B [8]에 해당한다.
제안 방법
Figure 2는 SS와 WP 연료에 대한 TGA 분석 결과를 나타낸 것이다. TGA 분석 결과에서 휘발분 및 촤의 연소 시점의 온도를 도출하기 위해서 각 그래프의 접선의 교차 지점을 연소 시점으로 규정하였다.
본 실험에서 압력은 연소실 내의 압력과 cyclone의 압력 차이를 유지시켜 연소를 안정적으로 유지시키는 것에 목적이 있다. Table 6과 같이 연소실 내의 압력(P0)과 cyclone에서의 압력(P1)의 차압은 약 15 mmH2O를 유지하기 위해서 ID-Fan의 회전 속도를 조절하였다. 결과적으로 차압은 측정시간 동안 전반적으로 균일하게 유지되었다.
Table 8의 분석 결과를 바탕으로 앞서 언급된 회분의 거동 및 퇴적 경향 분석을 위해서 B/A, S/A, I/C, TA, 그리고 BAI를 각 실험조건 별로 산출하였다. Table 9의 결과에서 각 실험조건 별로 미미한 차이는 있으나 정량적으로 큰 차이를 보이지 않았다.
Figure 1에 나타나 있듯이 screw feeder에서 반응기 측면으로 연결된 연료 투입구(T0), 기포 유동층 반응기의 위치별로 분산판으로부터 10 (T1), 20 (T2), 30 (T3), 60 (T4), 80 (T5) cm, cyclone의 inlet (T6)과 outlet (T7) 그리고 전체 반응기 출구(T8)에 각각 K-type의 열전대가 위치하고 있다. cyclone으로 유입되는 층 물질 및 회분에 의한 차압을 확인하고 free board의 압력을 일정하게 유지하기 위해서 반응기 상단(P0)과 cyclone inlet (P1)에서 압력을 측정하였으며, 이 때 후단의 DC 인버터 모터를 사용하여 free board의 압력을 0 ~ 30 mmH2O로 조절하였다. condenser는 상온의 fresh water를 사용하여 냉각하였다.
연소 후 생성된 입자(회분 및 비산된 모래) 포집 및 냉각을 위해 cyclone 그리고 condenser를 적용하였다. 그리고 free board의 압력을 조절하기 위해서 후단에 ID-Fan을 구성하여 일정한 압력을 유지하였다. 생성된 배기가스 분석을 위해서 TESTO 350 K [11]를 사용하였으며, 각 설비의 구성 및 위치에 대한 개략도는 Figure 1과 같다.
2 m의 기포 유동층 반응기의 형태로 구성되어 있으며, 구체적인 반응기 사양은 Table 3과 같다. 기포 유동층 반응기 하부에 층 물질의 유동을 위한 분산판이 설치되어 있으며, 산화제 및 역류 방치 매체의 원활한 공급을 위해 MFC(mass flow control)를 매체별로 각각 N2 (5850E brooks), air(5853s brooks)를 적용하였다. 연료 공급을 위해 single type의 screw feeder를 설치하고, 연료 이송부에 고온의 연소가스가 역류되는 것을 방지하기 위해서 N2 공급부를 추가적으로 설치하였다.
본 연구는 실험실 규모 기포 유동층 반응기 연소 후 포집된 회분을 기반으로 실험조건 별로 회분의 X-ray Fluorescence (XRF) 분석 연구를 수행하였으며, 대표적인 성분들에 대한 결과는 Table 8에 나타내었다. 또한 XRF 결과를 바탕으로 회분의 거동 및 퇴적 경향과 관련된 인자를 Equation (3) ~ (7)을 통해 도출하였다.
회분은 보일러 내에서 슬래깅과 파울링을 유발하여 연소기의 수명 및 발전효율에 큰 영향을 미친다. 본 연구는 실험실 규모 기포 유동층 반응기 연소 후 포집된 회분을 기반으로 실험조건 별로 회분의 X-ray Fluorescence (XRF) 분석 연구를 수행하였으며, 대표적인 성분들에 대한 결과는 Table 8에 나타내었다. 또한 XRF 결과를 바탕으로 회분의 거동 및 퇴적 경향과 관련된 인자를 Equation (3) ~ (7)을 통해 도출하였다.
또한 층 물질의 범위는 Geldart B [8]에 해당한다. 본 연구에서는 Equation (1), (2)을 바탕으로 최소 유동화 속도[9]를 규정하였다.
실험실 규모 유동층 반응기 실험에 앞서 본 실험에 적용된 연료에 대한 연소 특성 분석을 위한 기초 연구로 각 연료에 대해 산화조건에서의 thermogravimetric analysis (TGA) 연구를 수행하였다. 참고로 TGA 분석에 사용된 분석기는 Shinco, TGA N-100이며, 승온율 20 ℃ min-1, 최고온도 800 ℃이며, 산화제는 50 mL min-1, 연료는 약 10 mg을 사용하였다.
기포 유동층 반응기 하부에 층 물질의 유동을 위한 분산판이 설치되어 있으며, 산화제 및 역류 방치 매체의 원활한 공급을 위해 MFC(mass flow control)를 매체별로 각각 N2 (5850E brooks), air(5853s brooks)를 적용하였다. 연료 공급을 위해 single type의 screw feeder를 설치하고, 연료 이송부에 고온의 연소가스가 역류되는 것을 방지하기 위해서 N2 공급부를 추가적으로 설치하였다. 연소 후 생성된 입자(회분 및 비산된 모래) 포집 및 냉각을 위해 cyclone 그리고 condenser를 적용하였다.
본 연구는 하수슬러지 고형연료(SS)와 우드펠렛(WP)과의 전소 및 혼소를 통한 연소 특성 분석 및 회분의 거동 및 퇴적 특성을 분석하는 것에 의의가 있다. 연료의 성상에 크게 영향을 받지 않는 유동층 반응기를 이용하여 두 연료의 전소 및 혼소에 대한 연소 실험을 수행하였으며, 온도와 압력, 그리고 O2, CO2, CO, NOX, SOX의 배가스 측정 결과를 통해 연소 특성을 분석하였다. 또한 연소 과정에서 발생한 회분의 포집 및XRF 분석을 통해서 두 연료의 전소 및 혼소에 대한 회분의 거동 및 퇴적에 대한 연구를 함께 수행하였다.
연료 공급을 위해 single type의 screw feeder를 설치하고, 연료 이송부에 고온의 연소가스가 역류되는 것을 방지하기 위해서 N2 공급부를 추가적으로 설치하였다. 연소 후 생성된 입자(회분 및 비산된 모래) 포집 및 냉각을 위해 cyclone 그리고 condenser를 적용하였다. 그리고 free board의 압력을 조절하기 위해서 후단에 ID-Fan을 구성하여 일정한 압력을 유지하였다.
Table 6은 실험 조건 별로 반응기 각 측정 위치에 대한 온도/압력 측정 결과에 대한 평균값을 나타낸 것이다. 전체 측정 시간은 연료 투입 후 유동층 반응기가 안정화된 후 약 30분 가량 실시간으로 측정하였으며, 이를 바탕으로 시간에 대한 평균값을 도출하였다.
층 물질의 입도 분포를 기반으로 평균 입도를 도출하였으며, 실험에 사용된 층 물질의 평균입도는 460 µm이다. 층 물질의 particle density를 구하기 위해 bulk density를 측정하고 공극값을 측정하여 particle density를 구하였다. 측정된 particle density는 2,800 kg m-3이며, bulk density는 1,400kg m-3이다.
대상 데이터
Figure 3은 Figure 1에서 도시한 샘플링 위치에서 실시간 배기가스의 조성을 측정한 결과이다. 배기가스 측정은 O2, CO2, CO, NOX, NO, NO2, 그리고 SOX를 모두 측정하였다. 그리고 배기가스 성분에 따라서 O2, CO2는 vol%, CO, NOX, NO, NO2는 ppm 단위로 나타내었다.
본 실험에 적용된 고체 연료는 국내산 하수슬러지 고형연료(sewage sludge, SS)와 캐나다산 우드펠렛(wood pellet, WP)을 사용하였다. 또한 연료 투입 장치를 고려하여 두 연료를 파쇄 후 채를 이용하여 직경 4 ~ 5 mm의 크기만을 추출하여 사용하였다.
본 실험에 적용된 실험실 규모의 기포 유동층 반응기 장치는 실제 공급 공기 및 최소 유동화 속도를 고려하여 직경 0.1m, 높이 1.2 m의 기포 유동층 반응기의 형태로 구성되어 있으며, 구체적인 반응기 사양은 Table 3과 같다. 기포 유동층 반응기 하부에 층 물질의 유동을 위한 분산판이 설치되어 있으며, 산화제 및 역류 방치 매체의 원활한 공급을 위해 MFC(mass flow control)를 매체별로 각각 N2 (5850E brooks), air(5853s brooks)를 적용하였다.
본 연구의 핵심은 하수슬러지 고형연료와 우드펠렛과의 혼소시 연소 특성을 분석하는 것에 목적을 두고 있다. 본 연구에 사용된 연료인 SS와 WP에 대해 발열량 기준으로 WP 기준 혼합율 20, 50, 80%의 혼소 실험과 SS와 WP 각 연료에 대한 전소 실험으로 구성되어 있다. Table 4에 나타나 있듯이 당량비는 1.
하지만 C5에서는 SiO2와 Fe2O3가 C1에 비해 상대적으로 높게 측정되었으며, Na2O와 MgO가 낮게 측정되었다. 본 연구에 사용된 층 물질은 SiO2가 90.2%, Al2O3가 4.16%, 그리고 Fe2O3가 2.52%로 구성되어 있다. 이로 인해서 회분 내의 SiO2 성분과 Fe2O3에 영향을 미친 것으로 사료되며, 이는 실험에 사용된 연료의 종류에 따라 층 물질간의 상관관계에서 차이가 있는 것으로 판단된다.
실험실 규모 유동층 반응기 실험에 앞서 본 실험에 적용된 연료에 대한 연소 특성 분석을 위한 기초 연구로 각 연료에 대해 산화조건에서의 thermogravimetric analysis (TGA) 연구를 수행하였다. 참고로 TGA 분석에 사용된 분석기는 Shinco, TGA N-100이며, 승온율 20 ℃ min-1, 최고온도 800 ℃이며, 산화제는 50 mL min-1, 연료는 약 10 mg을 사용하였다.
그리고 배기가스 성분에 따라서 O2, CO2는 vol%, CO, NOX, NO, NO2는 ppm 단위로 나타내었다. 참고로 본 측정 데이터는 TESTO 350 K를 이용하여 측정하였다.
이론/모형
그리고 free board의 압력을 조절하기 위해서 후단에 ID-Fan을 구성하여 일정한 압력을 유지하였다. 생성된 배기가스 분석을 위해서 TESTO 350 K [11]를 사용하였으며, 각 설비의 구성 및 위치에 대한 개략도는 Figure 1과 같다.
또한 연료 투입 장치를 고려하여 두 연료를 파쇄 후 채를 이용하여 직경 4 ~ 5 mm의 크기만을 추출하여 사용하였다. 실험에 적용된 SS와 WP에 대한 원소분석(ultimate analysis) 및 공업분석(proximate analysis)은 각각 ASTM E1915-97와 ASTM D7582-15를 이용하였고, 고위/저위 발열량 분석은 KS E3707의 기준을 적용하였다. 이에 대한 분석 결과는 Table 2와 같다.
성능/효과
참고로 아래 첨자 p는 층 물질, g는 유동화 매체(산화제)를 의미한다. Grace [10]에 의해 제안된 Ar, C1 그리고 C2를 바탕으로 본 실험에 적용된 층 물질의 최소 유동화 속도 0.21 m s-1를 도출하였다.
C1 ~ C5의 모든 조건에서 NO의 생성이 지배적이며, NO2의 생성은 대부분의 조건에서 10 ppm 이하로 측정되었으므로 NOX 생성 특성은 NO의 생성 특성과 동일하다고 보아도 무관할 것으로 판단된다. SS 전소인 C1 조건에서 NOX는 800~1,000 ppm 정도의 결과를 보이는 반면에 WP 전소인 C5 조건에서는 NOX가 100 ppm 미만으로 대략적인 정량적 비율로 보았을 때 C1 조건이 C5 조건에 비해 NOX 생성량이 8 ~ 10배 정도 높은 것으로 나타났다. 본 연구에서 기포 유동층 반응기의 온도는 앞서 언급된 Table 6의 실험 결과와 같이 반응기 위치에 상관없이 900 ℃를 넘지 않는 조건에서 연소 실험이 수행되었음으로 thermal NOX의 생성은 그리 높지 않다고 판단이 된다.
TGA 분석에서 연소 영역은 주변 온도가 증가함에 따라서 SS는 두 단계 걸쳐서 특징적으로 나타났다. SS의 연소 영역은 285 ~ 446 ℃, WP의 연소 영역은 325 ~ 463 ℃로 WP가 상대적으로 좁은 온도 영역에서 연소가 급격하게 진행되면서 휘발분에 의해 대부분 연소가 완료되는 것을 확인하였다. 이를 통해 WP의 연소성이 SS에 비해 상대적으로 좋다고 판단할 수 있다.
이와 같은 연소 환경에서 NOX의 생성에 영향을 미치는 것은 연료 자체의 fuel NOX라고 생각할 수 있다. Table 2의 SS와 WP의 원소 분석 결과를 보면SS을 구성하는 질소의 함량은 8.85%, WP을 구성하는 질소의 함량은 0.95%로 SS가 WP과 비교하여 질소가 약 9 ~ 10배 정도 높은 함량을 보이고 있다. 이 같은 결과는 Figure 3의 C1과 C5의 배기가스 내 NOX 생성과 연관성이 매우 높다고 할 수 있다.
Table 10은 실험조건 별로 포집된 회분 내의 미연분과 이를 기반으로 연소효율을 나타낸 것이다. 각 실험조건 별로 회분 내의 미연분을 통해 연소효율을 도출한 결과 모든 운전조건에 대해서 99% 이상의 연소효율을 보였다. Table 10에서 WP의 혼소율을 증가시킴에 따라서 연소효율이 소폭 증가하는 것으로 나타났다.
Table 6과 같이 연소실 내의 압력(P0)과 cyclone에서의 압력(P1)의 차압은 약 15 mmH2O를 유지하기 위해서 ID-Fan의 회전 속도를 조절하였다. 결과적으로 차압은 측정시간 동안 전반적으로 균일하게 유지되었다.
Table 10에서 WP의 혼소율을 증가시킴에 따라서 연소효율이 소폭 증가하는 것으로 나타났다. 기본적으로 99% 이상의 연소효율을 보이기 때문에 대부분의 탄소는 산화되었다고 볼 수 있으나, 정량적으로 C5의 경우 C1에 비해 약 0.24% 가량 연소효율이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
따라서 SS의 전소 시 NOX 처리를 위한 후단 설비의 설치가 필수적이라고 할 수 있을 것이다. 또한 C2 ~ C4의 운전조건에서 NOX의 생성은 점차적으로 감소하게 되는데 이는 WP의 혼소율을 증가시킴에 따라 반응기 내에 투입되는 연료 전체의 질소 함량이 감소하여, 결과적으로 fuel NOX의 생성이 감소하였다고 판단된다.
7%이며, 이는 Figure 3(a) 결과에서 SOX 의 형성이 약 300 ~ 400 ppm 정도 생성되는 결과를 도출하게 된다. 또한 NOX와 마찬가지로 WP의 혼소율을 증가시킴에 따라서 반응기에 투입되는 연료 전체의 황 함량이 감소하여, 결과적으로 전체적인 SOX의 생성이 감소하였다고 판단된다. NOX와 SOX의 운전조건 별 생성 경향을 종합적으로 분석해보면, 연소에 의한 생성물이 아닌 연료 자체에 포함되어 있는 성분에 의해 생성된 배출물이다.
이는 연료 내에 포함되어 있는 질소 함량의 차이에 의한 결과로 판단되며, SOX 역시 동일한 원인으로 인해 생성된 것으로 보인다. 또한 SS 연소시 WP의 혼소율증가에 따라 CO, NOX, 그리고 SOX의 생성을 억제하는 효과가 있는 것으로 분석되었다. 유동층 반응기 연소 후 포집된 회분 분석을 통해서 SS과 WP의 혼소에 따른 연소성 및 배가스 조성에서는 차이가 있었으나 회분 내의 성분에서는 큰 차이는 발견할 수 없었다.
이와 같은 결과는 두 연료의 회분 함량의 차이에 의한 결과로 SS의 회분 함량이 약 24%이므로 C1 ~ C4 조건에서 SS의 회분이 지배적인 것으로 판단된다. 또한 회분의 거동 및 퇴적 경향 인자 분석을 통해서 모든 조건에 대해서 슬래깅/파울링 가능성이 높은 것으로 분석되었다. 회분 내의 미연분 분석을 통해 연소효율이 모든 조건에서 99% 이상으로 나타났으며, WP의 혼소율 증가를 통해 연소효율을 0.
Table 9의 결과에서 각 실험조건 별로 미미한 차이는 있으나 정량적으로 큰 차이를 보이지 않았다. 모든 조건에 대해서 B/A, S/A, 그리고 I/C를 통해 회분의 슬래깅/파울링에 대해 높은 가능성을 보이고 있으며,TA 역시 평가 기준 값에 비해 높아 파울링의 가능성이 높은 것으로 사료된다. 뿐만 아니라 BAI가 10보다 작아 층 물질의 응집이 발생할 가능성이 높을 것으로 판단된다.
또한 회분의 함량이 SS에 비해 상대적으로 매우 작기 때문에 연소가 완료된 후 질량이 0~1% 정도만 남은 것을 분석을 통해 확인할 수 있다. 본 TGA 분석을 통해서 SS의 연소 영역은 대략적으로 285 ~ 446 ℃로 160 ℃ 정도의 구간을 보이는 것에 비해 WP의 연소 영역은 325 ~ 463 ℃로 140 ℃ 정도의 구간을 형성하는 것으로 분석되었다. 이를 통해 WP가 상대적으로 좁은 온도 영역에서 연소가 급격하게 진행되면서 휘발분에 의해 대부분 연소가 완료되므로 WP의 연소성이 SS에 비해 상대적으로 좋다고 판단할 수 있다.
T1 ~ T3는 반응기 하단으로 층 물질의 유동화가 활발한 위치이며 연료에 의한 연소 및 층 물질에 의한 열 전달이 동시에 이루어지는 위치로 전체적으로 약 800 ℃를 유지하고 있다. 본 연구에 적용된 운전 조건 별 연료량은 8 ~ 13 g min-1으로 고위발열량 기준으로 3 ~ 4 kW 수준이기 때문에 연료에 의한 발열보다도 전기로에 의한 가열 열량이 지배적이라 할 수 있다. 이와 같은 이유로 반응기 전체의 온도 분포가 전기로에 의해서 유지되고 있는 800 ℃ 전후로 온도 분포가 형성되고 있음을 확인할 수 있다.
또한 SS 연소시 WP의 혼소율증가에 따라 CO, NOX, 그리고 SOX의 생성을 억제하는 효과가 있는 것으로 분석되었다. 유동층 반응기 연소 후 포집된 회분 분석을 통해서 SS과 WP의 혼소에 따른 연소성 및 배가스 조성에서는 차이가 있었으나 회분 내의 성분에서는 큰 차이는 발견할 수 없었다. 이와 같은 결과는 두 연료의 회분 함량의 차이에 의한 결과로 SS의 회분 함량이 약 24%이므로 C1 ~ C4 조건에서 SS의 회분이 지배적인 것으로 판단된다.
Figure 3(a)에서는 시간에 따른 CO의 생성이 다소 불안정한 반면 Figure 3(e)에서는 CO의 생성이 상대적으로 안정적이다. 이 같은 결과를 통해서 WP의 연소성이 SS에 비해 좋으며,이로 인해 CO의 배출량 역시 SS에서 WP에 비해 높게 나온 것으로 판단된다. 뿐만 아니라 Table 2에서 SS 내에 탄소 성분의 함량이 약 20% 가량 높기 때문에 상대적으로 CO의 생성이 WP에 비해 높게 나타나는 것으로 판단된다.
유동층 반응기 연소 후 포집된 회분 분석을 통해서 SS과 WP의 혼소에 따른 연소성 및 배가스 조성에서는 차이가 있었으나 회분 내의 성분에서는 큰 차이는 발견할 수 없었다. 이와 같은 결과는 두 연료의 회분 함량의 차이에 의한 결과로 SS의 회분 함량이 약 24%이므로 C1 ~ C4 조건에서 SS의 회분이 지배적인 것으로 판단된다. 또한 회분의 거동 및 퇴적 경향 인자 분석을 통해서 모든 조건에 대해서 슬래깅/파울링 가능성이 높은 것으로 분석되었다.
본 연구에서는 실험실 규모 기포 유동층 반응기를 통해 SS와 WP의 연소 특성을 분석하였다. 종합적으로 SS을 전소하는 것에 비해 WP와의 혼소를 통해 배가스 내의 CO, NOX, 그리고 SOX의 생성을 저감할 수 있으며, 더불어 연소효율을 소폭 증가시킬 수 있음을 본 연구를 통해 확인하였다. 이같은 결과를 토대로 적절한 SS와 WP의 혼소가 SS의 전소에 비해 연소 및 배기 특성 측면에서 유리할 것으로 사료된다.
Table 8의 XRF 분석 결과에서 실험조건 별로 회분 내 성분의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 즉, SS과 WP의 혼소를 통해서 연소성 및 배기가스 조성에서는 차이가 있었으나회분 내의 성분에서는 큰 차이를 보이지 않는다는 것을 의미한다. 이와 같은 결과는 두 연료의 회분 함량의 차이에 의한 결과로 판단된다.
뿐만 아니라 BAI가 10보다 작아 층 물질의 응집이 발생할 가능성이 높을 것으로 판단된다. 하지만 본 연구에서 실험 후 층 물질을 분석해본 결과 소량의 층 물질의 응집이 발견되었으나 크기가 작았으며, 전체적으로 층 물질의 응집은 쉽게 발생하지 않았다. 이는 실험실 규모 기포 유동층 반응기 실험의 특성상 전기로를 통해서 반응기 전체의 온도를 800 ℃로 조절하였기 때문에 타르를 포함하여 층 물질의 응집을 유발할 수 있는 성분들 역시 연소 과정에서 산화되었기 때문으로 판단된다.
또한 회분의 거동 및 퇴적 경향 인자 분석을 통해서 모든 조건에 대해서 슬래깅/파울링 가능성이 높은 것으로 분석되었다. 회분 내의 미연분 분석을 통해 연소효율이 모든 조건에서 99% 이상으로 나타났으며, WP의 혼소율 증가를 통해 연소효율을 0.24% 가량 증가시킬 수 있었다.
후속연구
이로 인해서 회분 내의 SiO2 성분과 Fe2O3에 영향을 미친 것으로 사료되며, 이는 실험에 사용된 연료의 종류에 따라 층 물질간의 상관관계에서 차이가 있는 것으로 판단된다. 본 연구의 결과만으로는 층 물질과 연료간의 상관관계를 명확히 규명하기에는 어려움이 있으며 추가적인 분석기법의 도입이 필요할 것으로 보인다. 향후 하수슬러지 고형연료 및 우드펠렛의 회분과 층 물질 간의 상관관계 특성에 대한 정확한 연구가 진행되어야 할 것으로 보인다.
종합적으로 SS을 전소하는 것에 비해 WP와의 혼소를 통해 배가스 내의 CO, NOX, 그리고 SOX의 생성을 저감할 수 있으며, 더불어 연소효율을 소폭 증가시킬 수 있음을 본 연구를 통해 확인하였다. 이같은 결과를 토대로 적절한 SS와 WP의 혼소가 SS의 전소에 비해 연소 및 배기 특성 측면에서 유리할 것으로 사료된다.
뿐만 아니라 소량의 연료를 투입하여 연소 실험을 수행하였기 때문으로 사료되며, 층 물질의 응집이 발생할 만큼 충분한 연료가 투입되지 못하였기 때문으로 판단된다. 층 물질의 응집 발생을 관찰하기 위해서는 파일럿 규모 이상의 기포 유동층 반응기에서 대량의 연료 투입 및 연소를 통해 회분에 의한 층 물질 응집 현상을 규명할 필요가 있을 것으로 사료된다.
본 연구의 결과만으로는 층 물질과 연료간의 상관관계를 명확히 규명하기에는 어려움이 있으며 추가적인 분석기법의 도입이 필요할 것으로 보인다. 향후 하수슬러지 고형연료 및 우드펠렛의 회분과 층 물질 간의 상관관계 특성에 대한 정확한 연구가 진행되어야 할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유동층 연소의 특징은?
유동층 연소로는 연소기의 특성상 미분탄 연소기에 비해 상대적으로 연료의 크기나 구성 성분에 크게 영향을 받지 않으며, 바이오매스, 폐자원 그리고 하수슬러지와 같은 에너지원을 별도의 공정을 거치지 않고도 연료를 직접 보일러 내에서 직접 연소하여 에너지로 활용할 수 있어 많은 연구가 진행되었다[1-3]. 특히 하수슬러지 에너지화 연구와 관련하여 Amand and Leckner [4]는 하수슬러지와 석탄 및 목질계 바이오매스와의 혼소를 통해 NO와 N2O의 저감에 대한 연구를 수행하였다.
하수슬러지의 에너지화 기술에서 해결해야 할 부분은?
하지만 기존의 미분탄 화력발전소에서의 바이오매스, 반탄화 연료, 그리고 기타 폐자원을 이용한 발전은 그 한계를 보이고 있으며,기술 개발을 통해서 에너지 안보 문제를 해결할 필요성이 야기되고 있다. 최근 우리나라에서 발생되는 하수슬러지의 에너지화 기술이 주목을 받고 있으나, 하수슬러지 내에 함유된 이물질로 인한 발전 설비의 악영향 및 배출 가스의 문제 등을 해결하기 위한 연구가 아직 미흡한 실정이다.
하수슬러지의 에너지화 기술이 주목받게된 배경은?
화력 발전 시장에서 고품위탄 사용 증가 및 화석연료 사용으로 인한 환경 문제로 인해 저품위탄 사용에 대한 요구가 증대되고 있는 현실에서 바이오매스 및 폐자원의 에너지화 기술 역시 함께 전세계적으로 주목을 받고 있다. 하지만 기존의 미분탄 화력발전소에서의 바이오매스, 반탄화 연료, 그리고 기타 폐자원을 이용한 발전은 그 한계를 보이고 있으며,기술 개발을 통해서 에너지 안보 문제를 해결할 필요성이 야기되고 있다. 최근 우리나라에서 발생되는 하수슬러지의 에너지화 기술이 주목을 받고 있으나, 하수슬러지 내에 함유된 이물질로 인한 발전 설비의 악영향 및 배출 가스의 문제 등을 해결하기 위한 연구가 아직 미흡한 실정이다.
참고문헌 (13)
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Anthony, E. J., "Fluidized Bed Combustion of Alternative Solid Fuels: Status, Successes and Problem of the Technology," Prog. Energy. Combust. Sci., 21, 239-268 (1995).
Amand, L. E., and Leckner, B., "Co-Combustion of Sewage Sludge with Wood/Coal in a Circulating Fluidized Bed Boiler-A Study of Gaseous Emissions," Chalmers University of Technology, Sweden (2001).
Salatino, P., "Fluidized Bed Combustion of Pelletized Biomass and Waste-Derived Fuels," Combustion and Flame, 155, 21-36 (2008).
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Liang, W., Terese, L., and Ehsan, H., "Effect of Sewage Sludge Addition on Potassium Release and Ash Transformation during Wheat Straw Combustion," Chem. Eng. Trans., 2283-9216 (2014).
Geldart, D., "Types of Gas Fluidization," Powder Technol., 7, 285-292 (1973).
Vamvuka, D., Zografos, D., and Alevizos, G., "Control Methods for Mitigating Biomass Ash-Related Problems in Fluidized Beds," Bioresour. Technol., 99, 3534-3544 (2008).
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