[논문]석탄화력보일러에서 고수분탄 및 건조석탄 사용에 따른 연소 및 배기배출 특성에 대한 전산해석 연구

안석기; 김강민; 김규보; 이시훈; 전충환

doi:10.5855/energy.2017.26.4.118

문제 정의

0% 향상시키는 결과를 얻었으며,[7] 한국에너지기술연구원(KIER)에서는 석탄화력발전소의 미활용 에너지(Steam 또는 Hot flue gas)를 이용하여 고수분 석탄을 발전소 현장에서 건조하고 보일러에 직접 활용할 수 있는 COMBDry(Counter flOw MultiBaffle Dryer) 석탄건조기술을 개발하였다. 1 ton/day 규모의 COMBDry 건조기를 중국 하얼빈 공대에 설치하여 다양한 중국 고수분 석탄을 대상으로 시운전 및 상용화 규모 Process Design Package 개발에 필요한 실험 및 운전 자료를 확보하기 위해 연구를 진행 중에 있다.
본 연구에서는 향후 COMBDry 석탄건조기술이 상용화 단계에 들어섰을 때, 소비탄의 수분함량 변화가 미분탄 화력보일러에서 연소 및 배기배출 특성에 어떤 영향을 미치는지 전산해석 기법을 통해 미리 예측해보고 그 결과를 분석하였다.
석탄 연소 시 발생하는 NOx는 주로 Fuel NOx와 Thermal NOx이며 석탄내 수분함량 차이는 연소시 주위 온도에 영향을 미칠 수 있고 이는 Thermal NOx 생성과도 연관이 있다. 따라서 본 연구에서는 NOx 예측을 위해 Fuel NOx와 Thermal NOx 모델을 고려하여 해석을 수행하였다. Fuel NOx에서 Volatile N이 HCN과 NH3로 나뉘는 비율은 9:1 조건으로 설정하였으며[10], Thermal NOx는 O, OH radical에 대해 Partial equilibrium으로 설정하였다.
Case 1에서 사용된 Coal D는 본 연구의 대상 보일러인 표준화력 미분탄 보일러의 설계탄으로써, 해당 보일러의 설계조건의 성능 데이터는 설계탄 소비를 기준으로 정의된다. 본 연구에서는 보일러 모델의 검증을 위해 해석결과와 보일러 설계조건의 성능 데이터를 비교하였다. Table 3은 가스온도, 산소분율, NOx 배출 결과를 보일러 성능 데이터와 해석결과를 비교해서 나타내고 있다.
본 연구에서는 미분탄 화력보일러에서 건조석탄과 고수분탄 사용시 연소 및 배기배출 특성에 미치는 영향을 전산해석 기법을 통해 분석하였다. 표준화력보일러 설계 조건의 성능데이터를 기준으로 보일러 해석 모델 결과를 비교․검증하였다.

제안 방법

보일러 내 가스 유동 모사를 위해 난류모델은 Realizable k-ε 모델을 사용하였고, 복사 모델은 구분종좌법(Discrete ordinate method)을 통해 복사 열전달 계산을 고려하였다. 입자의 복사 열전달은 석탄 입자의 방사율(Emissivity)과 산란(Scattering)을 고려하여 복사 열전달 계산에 반영하였으며, 각 수치는 0.9로 설정하였다. 또한 흡수계수(Absorption coefficient)는 가스 중 CO₂와 H₂O를 고려하여 계산하는 회색기체가 중합법(Weighted sum of gray gases model)을 사용하였다.
따라서 본 연구에서는 NOx 예측을 위해 Fuel NOx와 Thermal NOx 모델을 고려하여 해석을 수행하였다. Fuel NOx에서 Volatile N이 HCN과 NH3로 나뉘는 비율은 9:1 조건으로 설정하였으며[10], Thermal NOx는 O, OH radical에 대해 Partial equilibrium으로 설정하였다. 연소해석 결과를 바탕으로 Post-processing 과정을 통해 NOx 수치를 예측하고 결과 값은 O₂ 6% 조건으로 나타내었다.
위 4가지 계산 조건은 550MW 출력(BMCR기준)을 낼 수 있는 동일한 입열량(1365MW)을 기준으로 각 조건별 연료 공급량과 혼소비율을 결정하였다. 미분기 1대가 처리할 수 있는 최대 석탄 공급량(43.
위 4가지 계산 조건은 550MW 출력(BMCR기준)을 낼 수 있는 동일한 입열량(1365MW)을 기준으로 각 조건별 연료 공급량과 혼소비율을 결정하였다. 미분기 1대가 처리할 수 있는 최대 석탄 공급량(43.37 ton/h, BMCR 기준)을 기준으로 계산할 경우 가장 많은 석탄을 사용하는 Case 2)는 Coal D와 Coal P_Raw의 혼소비가 각각 70%와 30%이며, 나머지 Case 3)과 Case 4)는 Coal D의 공급량은 Case 2)와 동일하게 유지하면서, 고수분탄인 Coal P_Raw를 건조석탄인 Coal P_Dry로 변화시켜 고수분탄 연료를 건조석탄으로 대체하여 혼소할 때 실제 보일러에서 어떠한 연소특성 변화가 나타나는지 분석하고자 하였다. 운전 및 해석 조건에 대한 주요 내용은 Table 2에 정리하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 As received basis에서 수분 함량이 38%인 고수분의 Coal P와 역청탄인 Coal D를 사용하였다. COMBDry 석탄건조기에서 일반적으로 30%의 수분함량을 갖는 석탄이 건조과정을 거칠 경우 수분은 10% 수준으로 감소된다.
COMBDry 석탄건조기에서 일반적으로 30%의 수분함량을 갖는 석탄이 건조과정을 거칠 경우 수분은 10% 수준으로 감소된다. 따라서 본 연구에서는 고수분탄의 건조석탄을 Laboratory 환경에서 만들기 위해 Coal P 원탄(Raw coal)을 45℃ 건조기에서 10시간 가량 건조하여 11%의 수분함량을 갖는 건조석탄(Dry coal)을 준비하였다. 본 연구에서 사용된 Coal P의 원탄과 건조석탄, 역청탄인 Coal D의 공업분석, 원소분석 및 발열량은 Table 1과 같다.
따라서 본 연구에서는 고수분탄의 건조석탄을 Laboratory 환경에서 만들기 위해 Coal P 원탄(Raw coal)을 45℃ 건조기에서 10시간 가량 건조하여 11%의 수분함량을 갖는 건조석탄(Dry coal)을 준비하였다. 본 연구에서 사용된 Coal P의 원탄과 건조석탄, 역청탄인 Coal D의 공업분석, 원소분석 및 발열량은 Table 1과 같다. Coal P는 갈탄(lignite) 등급의 연료 조성 및 발열량 특성을 보이고 있으며, 건조석탄의 경우 고수분 원탄에 비해 수분함량은 낮고, 고정탄소와 휘발분의 비율이 높아진 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 국내 석탄화력 발전 가운데 가장 많은 발전용량을 갖는 500MW급 표준 화력보일러를 대상으로 전산해석을 수행하였다. Fig.
버너부에는 연료 및 1차공기와 2차공기가 함께 분사되며, 버너 영역 상부에는 Over-fire air(OFA)를 통해 나머지 연소공기가 공급된다. 보일러 상부에는 과열기, 재열기 및 절탄기가 위치해 있으며 이를 고려하여 3차원 보일러 형상을 구성하였고, 약 450만개의 육면체 계산 격자를 사용하였다.
보일러 연소시 석탄 내 수분의 영향을 확인하기 위해 다음과 같이 사용되는 석탄 종류에 따라 해석조건을 선정 하였다. Case 1) Coal D 전소, Case 2) Coal D, Coal P_{_Raw} 혼소, Case 3) Coal D, Coal P_{_Raw}, Coal P_{_Dry} 혼소, Case 4) Coal D, Coal P_{_Dry} 혼소
Case 1에서 사용된 Coal D는 본 연구의 대상 보일러인 표준화력 미분탄 보일러의 설계탄으로써, 해당 보일러의 설계조건의 성능 데이터는 설계탄 소비를 기준으로 정의된다. 본 연구에서는 보일러 모델의 검증을 위해 해석결과와 보일러 설계조건의 성능 데이터를 비교하였다.

데이터처리

본 연구에서는 미분탄 화력보일러에서 건조석탄과 고수분탄 사용시 연소 및 배기배출 특성에 미치는 영향을 전산해석 기법을 통해 분석하였다. 표준화력보일러 설계 조건의 성능데이터를 기준으로 보일러 해석 모델 결과를 비교․검증하였다. 보일러 내 유동특성을 고려했을 때, 고수분탄 사용이 증가할수록 증발된 수분의 영향으로 상승하는 가스 속도는 빨라지고 이는 미분탄의 노 내 체류시간을 감소시켜 연소성에 영향을 미칠 것으로 판단된다.

이론/모형

보일러 내 가스 유동 모사를 위해 난류모델은 Realizable k-ε 모델을 사용하였고, 복사 모델은 구분종좌법(Discrete ordinate method)을 통해 복사 열전달 계산을 고려하였다.
본 연구에서 사용되는 모델들은 Navier-Stokes 방정식을 기초로 한 식(1)-식(4)와 같은 질량, 모멘텀, 에너지 그리고 화학종 보존 방정식이 적용되었다. 또한 노내에서 기체상의 유동을 따라 거동하는 석탄 입자를 고려하기 위해 DPM(Discrete Phase Method) 모델을 적용하였으며, 입자가 운동하는데 평균 속도 뿐만 아니라 순간적인 난류속도의 변동을 고려한 입자궤적 해석을 위해 Discrete Random Walk Model을 함께 사용하였다.
본 연구에서 사용되는 모델들은 Navier-Stokes 방정식을 기초로 한 식(1)-식(4)와 같은 질량, 모멘텀, 에너지 그리고 화학종 보존 방정식이 적용되었다. 또한 노내에서 기체상의 유동을 따라 거동하는 석탄 입자를 고려하기 위해 DPM(Discrete Phase Method) 모델을 적용하였으며, 입자가 운동하는데 평균 속도 뿐만 아니라 순간적인 난류속도의 변동을 고려한 입자궤적 해석을 위해 Discrete Random Walk Model을 함께 사용하였다. 보일러 내 가스 유동 모사를 위해 난류모델은 Realizable k-ε 모델을 사용하였고, 복사 모델은 구분종좌법(Discrete ordinate method)을 통해 복사 열전달 계산을 고려하였다.
9로 설정하였다. 또한 흡수계수(Absorption coefficient)는 가스 중 CO₂와 H₂O를 고려하여 계산하는 회색기체가 중합법(Weighted sum of gray gases model)을 사용하였다.
석탄연소 과정은 크게 수분 증발, 탈휘발 그리고 촤연소로 세 단계로 구분된다. 본 연구에서는 석탄 내 수분함량 차이에 따른 연료 영향을 고려하기 위해 Wet combustion 모델을 사용하였으며, 탈휘발 현상은 S. Badzioch 등[8]이 제안한 Single Kinetic Rate Model[8]을 사용하여 계산하였다. 탈휘발 과정에서 빠져나온 휘발분의 연소반응은 Volumetric Reactions으로 고려하여 Finite-Rate/Eddy-Dissipation 모델을 사용하였으며, 식(5), (6)과 같은 Two-step Reaction을 통해 계산된다.
Badzioch 등[8]이 제안한 Single Kinetic Rate Model[8]을 사용하여 계산하였다. 탈휘발 과정에서 빠져나온 휘발분의 연소반응은 Volumetric Reactions으로 고려하여 Finite-Rate/Eddy-Dissipation 모델을 사용하였으며, 식(5), (6)과 같은 Two-step Reaction을 통해 계산된다. 석탄의 탈휘발이 종료되면, 촤 연소 반응이 시작되며 촤 산화속도는 촤 표면에서 탄소-산소의 화학반응속도와 경계층과 내부에서의 산소 확산속도에 의해 결정된다.
석탄의 탈휘발이 종료되면, 촤 연소 반응이 시작되며 촤 산화속도는 촤 표면에서 탄소-산소의 화학반응속도와 경계층과 내부에서의 산소 확산속도에 의해 결정된다. 본 연구에서는 촤 연소 모델로 Kinetic/Diffusion limited 모델[9]을 통해 촤 연소현상을 계산하였다.
연소해석 결과를 바탕으로 Post-processing 과정을 통해 NOx 수치를 예측하고 결과 값은 O₂ 6% 조건으로 나타내었다. 본 연구는 상용코드인 ANSYS Fluent v17.1[11]을 이용하여 수행하였다.

성능/효과

Fuel NOx에서 Volatile N이 HCN과 NH3로 나뉘는 비율은 9:1 조건으로 설정하였으며[10], Thermal NOx는 O, OH radical에 대해 Partial equilibrium으로 설정하였다. 연소해석 결과를 바탕으로 Post-processing 과정을 통해 NOx 수치를 예측하고 결과 값은 O₂ 6% 조건으로 나타내었다. 본 연구는 상용코드인 ANSYS Fluent v17.
운전 및 해석 조건에 대한 주요 내용은 Table 2에 정리하였다. 고수분탄 비율이 높아질수록 공급 연료의 평균 발열량이 낮기 때문에 석탄 공급량은 많고, 연료 내 산소함량은 높아 필요로 하는 연소공기량은 감소하는 것을 확인할 수 있다.
Table 3은 가스온도, 산소분율, NOx 배출 결과를 보일러 성능 데이터와 해석결과를 비교해서 나타내고 있다. Economizer(ECO) 후단, Primary superheater(SH) 입구, Platen superheater(SH) 입구에서 평균 가스온도 결과를 비교하였으며, 노 내 온도분포를 잘 모사하고 있음을 확인할 수 있다. 또한 ECO 후단에서 O₂, CO₂, NOx 분율 역시 보일러 성능 데이터와 비슷한 수치를 보이고 있다.
3은 보일러 높이에 따라 Z축(보일러 높이)방향의 가스 유동 평균 속도를 나타내고 있다. 모든 조건의 경우, OFA영역 이전까지는 비슷한 속도를 갖지만, OFA 이후부터는 Coal P 원탄 비율이 높아질수록 상승 속도는 더 빠른 것을 확인할 수 있다. 버너부에서 연소공기 공급량이 가장 많은 Case1의 속도가 가장 빠를 것으로 생각되지만, 고수분탄이 혼소되는 조건에서는 버너부에서 석탄의 수분이 급격히 증발됨에 따라 주위 가스 부피를 증가시켜 Case 1의 상승속도와 큰 차이를 보이지 않게 된다.
4 에는 연료가 소모되는 정도를 보일러 높이방향에 따라 비교하여 나타내었다. 그림에서 확인할 수 있듯이 Coal D 전소조건(Case1)과 건조석탄만 혼소한 조건(Case4)의 경우 Burnout 특성이 비슷하게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 반대로 고수분탄이 혼소된 Case2와 Case3의 경우 이 두 조건이 서로 유사한 연소특성을 보이며 연소하는 것을 확인할 수 있다. 버너부에서는 18m, 24m 부근의 두 곳에서 Burnout이 활발한 특징을 보이는데, 18m 부근에서 고수분탄이 혼소된 Case2, Case3은 연료소모가 낮으며 버너부 전체적으로는 고수분탄만 혼소한 Case2의 연료 소모가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다.
하지만 OFA 영역 이후부터는 고수분탄이 혼소되는 Case2와 Case3의 Burnout 정도가 Case1과 Case4에 비해 높은 특징을 보인다. 이를 통해 OFA 영역이후로 버너부에서 반응하지 못한 연료들이 반응하며 후부연소가 발생함을 확인할 수 있고, 고수분탄 혼소비가 높은 조건에서 더 높은 Burnout 정도를 보이므로 연소되는 석탄의 수분함량 정도가 비례적으로 연소 불안정에 영향을 미치고, 비회(Fly ash)에 포함된 LOI(Loss of Ignition)을 높일 수 있을 것으로 유추할 수 있다.
7은 보일러 높이 방향을 따라 평균 NOx 수치를 나타내고 있다. 그림에서 확인할 수 있듯이 Coal D 전소조건(Case1)과 건조석탄을 혼소하는 경우(Case4) 초기 버너영역에서부터 높은 NOx 수치를 보이고 있으며, 버너영역 상부의 OFA에 의한 다단연소에 의해 더이상 NOx 수치는 증가하지 않고 일정한 값으로 후단까지 유지되는 것을 확인할 수 있다. 반대로 고수분탄이 혼소되는 계산조건들(Case2, Case3)에서는 초기 버너 영역에서 NOx 수치가 100ppm 이하의 값을 갖지만 OFA 영역 이후로 급격하게 NOx 수치가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이러한 이유는 연소 반응시 주위 O₂ 분율에 대한 영향으로 설명할 수 있다. 본 연구에서 모든 조건의 전체 당량비는 같지만 고수분탄을 연소하는 경우 초기 연소영역에서 석탄 내 수분의 증발로 인해 수분이 차지하는 분율이 높아져 상대적으로 O₂ 분율은 감소하게 되고 이로 인해 NOx 생성은 낮고 NOx 분해율은 높은 특징을 보이게 된다. 따라서 Fig.
하지만 OFA 영역 이후에서는 높은 NOx 생성율을 보이는데, 이는 석탄 입자의 후부연소에 기인한 Fuel NOx와 Thermal NOx 생성 영향으로 판단된다. 또한 이렇게 OFA 이후에서 NOx 수치가 높아지는 현상은 다단연소를 통해 버너부에서 생성된 NOx를 OFA 영역 이전까지의 Reduction 구간동안 NOx를 분해하는 기존 Air staging 효과를 줄일 것으로 판단된다.
보일러 내 유동특성을 고려했을 때, 고수분탄 사용이 증가할수록 증발된 수분의 영향으로 상승하는 가스 속도는 빨라지고 이는 미분탄의 노 내 체류시간을 감소시켜 연소성에 영향을 미칠 것으로 판단된다. 연료의 연소성 측면에서 고수분탄을 사용하는 경우 버너부에서 연료의 Burnout은 감소하고, OFA 이후부터 급격한 연소반응에 의해 열교환기로 진입하는 가스 온도는 증가하는 결과를 확인하였다. 반대로 건조석탄을 사용하는 경우 역청탄인 Coal D를 연소하는 조건과 비슷한 연소특성을 보여 연소측면에서 연료의 안정성을 확인할 수 있었다.
반대로 건조석탄을 사용하는 경우 역청탄인 Coal D를 연소하는 조건과 비슷한 연소특성을 보여 연소측면에서 연료의 안정성을 확인할 수 있었다. 노내 NOx 수치 측면에서 고수분탄이 혼소되는 경우 버너부에서 NOx 생성은 낮지만, OFA 이후에서는 급격히 NOx 생성이 높아지는 결과를 보였으며, 수분 영향에 의해 전체 NOx 배출량은 감소하지만 표준화력 보일러의 NOx 저감을 위한 Air staging 효과는 줄일 것으로 판단된다. 본 연구를 통해 고수분탄 및 건조석탄 혼소에 따른 연소 및 배기배출 특성을 확인하였으며, 고수분탄을 건조하여 화력보일러에 적용하면 보일러 설계에 가까운 연소특성을 가지며, 고수분탄 사용 시 발생할 수 있는 연소 지연에 의한 보일러 튜브 손상과 연료 공급량 감소로 미분기 과부하를 줄일 수 있을 것으로 사료된다.

후속연구

노내 NOx 수치 측면에서 고수분탄이 혼소되는 경우 버너부에서 NOx 생성은 낮지만, OFA 이후에서는 급격히 NOx 생성이 높아지는 결과를 보였으며, 수분 영향에 의해 전체 NOx 배출량은 감소하지만 표준화력 보일러의 NOx 저감을 위한 Air staging 효과는 줄일 것으로 판단된다. 본 연구를 통해 고수분탄 및 건조석탄 혼소에 따른 연소 및 배기배출 특성을 확인하였으며, 고수분탄을 건조하여 화력보일러에 적용하면 보일러 설계에 가까운 연소특성을 가지며, 고수분탄 사용 시 발생할 수 있는 연소 지연에 의한 보일러 튜브 손상과 연료 공급량 감소로 미분기 과부하를 줄일 수 있을 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아시아태평양지역의 경우 1차 에너지 중 석탄의 비율은 몇 %를 차지하고 있는가?	세계 1차 에너지소비 통계에 따르면, 석탄 및 천연가스의 소비량이 지속적으로 증가하고 있으며 특히 아시아태평양지역의 경우 1차 에너지 중 석탄의 비율은 50%를 차지하고 있다.[1] 이러한 배경에는 중국과 인도 경제의 고도성장에 따른 에너지 수요의 급격한 증가가 있으며, 특히 중국은 세계 최대 Steam coal 생산국인 동시에 수입국으로써 2013년도 Steam coal 소비량이 약 33억 톤 으로 세계 석탄소비량인 60억 톤의 절반 이상을 차지하고 있다.
	현장에서 석탄 내 수분 건조 기술이 적용되는 이유는?	선행연구를 통해 알 수 있듯이 고수분탄의 수분이 건조되면 갈탄 등급의 저급 석탄이 아역청탄 및 역청탄 등급의 석탄으로 연료의 질이 향상될 수 있으며, 이로 인해 석탄 내 수분 건조 기술은 발전 현장에서 많이 적용되고 있다. 미국의 GRE(Great River Energy)에서는 발전소에서 사용하는 갈탄을 건조하기 위해 발전소 폐열을 이용하여 약 25%의 수분함량을 낮추어 Plant performance를 2.
	아시아태평양지역에서 1차 에너지 중 석탄의 비율이 50%를 차지하는 이유는?	세계 1차 에너지소비 통계에 따르면, 석탄 및 천연가스의 소비량이 지속적으로 증가하고 있으며 특히 아시아태평양지역의 경우 1차 에너지 중 석탄의 비율은 50%를 차지하고 있다.[1] 이러한 배경에는 중국과 인도 경제의 고도성장에 따른 에너지 수요의 급격한 증가가 있으며, 특히 중국은 세계 최대 Steam coal 생산국인 동시에 수입국으로써 2013년도 Steam coal 소비량이 약 33억 톤 으로 세계 석탄소비량인 60억 톤의 절반 이상을 차지하고 있다.[2] 이로 인해 중국에서는 그동안 사용이 제한되었던 고수분 저급석탄에 대한 수요 역시 증가하고 있으며, 기존 보일러에 안정적인 연료공급 및 연소 안정성을 위해 고수분탄에 대한 효율적인 석탄건조기술을 필요로 하고 있다.

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