무연탄 혼소 500 MW 석탄화력발전소에서 보일러 운전조건이 미연탄소 발생에 미치는 영향 Effect of Boiler Operating Conditions on the Generation of Unburned Carbon in Anthracite Co-fired 500 MW Thermal Power Plant원문보기
최근 북한에 대한 정부정책 기조와 북한의 전력설비 상황을 고려할 때 북한 무연탄을 우리나라 석탄화력발전소에서 소비할 수 있도록 그에 대한 대비가 필요할 것이다. 본 연구에서는 500 MW 석탄화력발전소에서 보일러 내 무연탄 주입위치, 미분도 및 연소용 공기유량 등 주요 운전조건을 변화시키면서 미연탄소 발생에 미치는 영향을 파악하기 위한 무연탄 혼소시험을 실시하였다. 주연소영역 체류시간이 상대적으로 긴 보일러 하부로 무연탄을 주입할 때 미연탄소 발생이 현저히 감소하고, 연소반응 표면적과 비례하는 미분도를 증가시켜도 미연탄소 발생이 감소하는 것을 확인하였다. 연소반응성을 증가시키는 공기유량의 증가도 미연탄소 저감에 기여한다. 주어진 혼소율에 대하여 상기의 운전조건 조절을 통하여 미연탄소 발생을 석탄회 재활용 품질기준인 5 % 이하로 유지하는 것이 가능하며, 시험범위 내에서 운전조건 변경의 우선 순위는 무연탄 주입위치가 가장 높다.
최근 북한에 대한 정부정책 기조와 북한의 전력설비 상황을 고려할 때 북한 무연탄을 우리나라 석탄화력발전소에서 소비할 수 있도록 그에 대한 대비가 필요할 것이다. 본 연구에서는 500 MW 석탄화력발전소에서 보일러 내 무연탄 주입위치, 미분도 및 연소용 공기유량 등 주요 운전조건을 변화시키면서 미연탄소 발생에 미치는 영향을 파악하기 위한 무연탄 혼소시험을 실시하였다. 주연소영역 체류시간이 상대적으로 긴 보일러 하부로 무연탄을 주입할 때 미연탄소 발생이 현저히 감소하고, 연소반응 표면적과 비례하는 미분도를 증가시켜도 미연탄소 발생이 감소하는 것을 확인하였다. 연소반응성을 증가시키는 공기유량의 증가도 미연탄소 저감에 기여한다. 주어진 혼소율에 대하여 상기의 운전조건 조절을 통하여 미연탄소 발생을 석탄회 재활용 품질기준인 5 % 이하로 유지하는 것이 가능하며, 시험범위 내에서 운전조건 변경의 우선 순위는 무연탄 주입위치가 가장 높다.
Considering the recent government policy toward North Korea and situation of power facilities in North Korea, it will be necessary to prepare for the consumption of the anthracite coal from Korea in coal-fired power plants. In this study, the anthracite co-fired tests in 500 MW thermal power plants ...
Considering the recent government policy toward North Korea and situation of power facilities in North Korea, it will be necessary to prepare for the consumption of the anthracite coal from Korea in coal-fired power plants. In this study, the anthracite co-fired tests in 500 MW thermal power plants were conducted with varying the main operation conditions, such as anthracite injection position in the boiler, coal fineness and combustion air flow, to investigate the effects on the generation of unburned carbon. It was confirmed that the generation of unburned carbon was remarkably reduced when the anthracite coal was injected into the boiler low burner with a relatively long residence time in the main combustion region, and that the increase of the coal fineness proportional to the combustion reaction surface area also reduces the generation of unburned carbon. An increase in the combustion air flow, which increase the combustion reactivity, also contributes to the reduction of unburned carbon. It is possible to maintain the unburned carbon generation below 5 % of the ash recycling quality by controlling the above operating conditions for the given mixing rate of anthracite, and the priority of changing the operating conditions within the test range is the highest for anthracite coal injection position.
Considering the recent government policy toward North Korea and situation of power facilities in North Korea, it will be necessary to prepare for the consumption of the anthracite coal from Korea in coal-fired power plants. In this study, the anthracite co-fired tests in 500 MW thermal power plants were conducted with varying the main operation conditions, such as anthracite injection position in the boiler, coal fineness and combustion air flow, to investigate the effects on the generation of unburned carbon. It was confirmed that the generation of unburned carbon was remarkably reduced when the anthracite coal was injected into the boiler low burner with a relatively long residence time in the main combustion region, and that the increase of the coal fineness proportional to the combustion reaction surface area also reduces the generation of unburned carbon. An increase in the combustion air flow, which increase the combustion reactivity, also contributes to the reduction of unburned carbon. It is possible to maintain the unburned carbon generation below 5 % of the ash recycling quality by controlling the above operating conditions for the given mixing rate of anthracite, and the priority of changing the operating conditions within the test range is the highest for anthracite coal injection position.
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문제 정의
본 연구는 500 MW 석탄화력발전소에서 무연탄 혼소 시보일러 운전조건이 미연탄소 발생에 미치는 영향을 파악하기 위하여 수행되었다. 주연료인 유연탄 대비 휘발분이 적고 분쇄가 용이하며 연소성 지수가 낮은 무연탄의 특성을 고려하여, 혼소율 변동을 최소화하는 조건에서 보일러 내 무연탄 주입위치, 미분도 및 연소용 공기유량 등 3개의 주요 운전조건을 변화시키면서 무연탄의 혼소시험을 실시하였다.
본 연구는 석탄화력발전소 중 구성비율이 가장 큰 500MW 표준석탄화력발전소에서 무연탄 혼소 시 미연탄소 저감의 관점에서 보일러 운전조건의 변경을 통해 최적의 설비운전조건을 마련하는데 목적이 있다.
본 연구에서의 시험대상 설비는 표준석탄화력발전소인 보령화력 3~6호기이며, 정상출력운전 중인 유연탄발전소에서 무연탄 혼소 시 보일러 운전조건이 미연탄소 발생에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 무연탄의 연료 특성을고려하여 3가지의 보일러 운전조건에 대해 시험하였는데, 첫 번째 경우는 무연탄 주입버너 위치를 변경하여 노내 체류시간 증가에 따른 연소가능시간 증가가 미연탄소 발생에 미치는 효과를 시험하였고, 두 번째 경우는 미분도 조정장치를 조정하여 미분도를 증가시켜 미분탄 연소반응 표면적 증가효과를 시험하였다.
3-3은 회재활용 기준인 미연탄소 5 % 대비 산소 (O2) 농도 증가 시 미연탄소 발생량을 도식화하였다. 이번 시험은 미분기의 Classifier vane 위치 50 %에서, 연소용 공기유량을 증가시킴으로써 산소농도를 증가시킬 때 연소 반응성 증가가 미연탄소 발생에 미치는 영향에 대해 실시하였다.
제안 방법
첫 번째 시험은 무연탄 주입버너 위치변경을 통한 노내 체류시간 증가의 영향을 시험하였다. Fig. 2-2에서 보는 바와 같이 6개의 버너 중 최하부층 버너인 버너 A에서 무연탄을 연소하였을 경우와 중간층 버너인 버너 C에서 연소하였을 경우의 미연탄소 발생량을 비교하였다. 이때의 노내 연소체류시간은 약 0.
두 번째 시험은 하부 미분기의 미분도 조정을 통한 연소반응 표면적 증가에 대한 영향을 시험하였다. 미분기의 미분도 조정장치인 분류기 베인(이하 Classifier vane)의 위치를 각각 25 %와 50 %로 조정하여 미분도(200 mesh 체를 통과한 비율) 각각 약 61 %와 약 71 %에서 미연탄소의 발생량을 비교하였다.
본 연구의 시험대상인 보령화력 3~6호기 발전소는 국내 최초의 중간부하운전용 유연탄화력발전소로서 빈번하고 신속한 기동정지 및 높은 부하변동률, 안정된 저부하운전 및 기동손실의 최소화, 높은 열효율, 수명유지를 위한 열응력 감소 및 고도의 제어기술 적용 등의 보일러 특성이 요구된다. 또한 평형통풍, 변압운전, 미분탄 및 중유의 혼소 또는 전소가 가능하도록 설계되었다.(4)
무연탄의 연료 특성을고려하여 3가지의 보일러 운전조건에 대해 시험하였는데, 첫 번째 경우는 무연탄 주입버너 위치를 변경하여 노내 체류시간 증가에 따른 연소가능시간 증가가 미연탄소 발생에 미치는 효과를 시험하였고, 두 번째 경우는 미분도 조정장치를 조정하여 미분도를 증가시켜 미분탄 연소반응 표면적 증가효과를 시험하였다. 마지막으로 세 번째 경우는 연소용 총 공기량을 증가시켜 연소반응성 증가에 따른 미연탄소 영향에 대해 시험하였다.
무연탄의 낮은 연소성지수로 미연탄소가 증가할 것을 고려하여 전반적으로 무연탄 혼소율 4~5 % 정도에서 시험하였으며, 무연탄인 GLENCORE-AN과 아역청탄인 TRAFIGURA-Indonesia을 제외하면 모든 혼소 탄종이 주연료인 역청탄의 성상을 가지고 있다.
본 연구에서의 시험대상 설비는 표준석탄화력발전소인 보령화력 3~6호기이며, 정상출력운전 중인 유연탄발전소에서 무연탄 혼소 시 보일러 운전조건이 미연탄소 발생에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 무연탄의 연료 특성을고려하여 3가지의 보일러 운전조건에 대해 시험하였는데, 첫 번째 경우는 무연탄 주입버너 위치를 변경하여 노내 체류시간 증가에 따른 연소가능시간 증가가 미연탄소 발생에 미치는 효과를 시험하였고, 두 번째 경우는 미분도 조정장치를 조정하여 미분도를 증가시켜 미분탄 연소반응 표면적 증가효과를 시험하였다. 마지막으로 세 번째 경우는 연소용 총 공기량을 증가시켜 연소반응성 증가에 따른 미연탄소 영향에 대해 시험하였다.
두 번째 시험은 하부 미분기의 미분도 조정을 통한 연소반응 표면적 증가에 대한 영향을 시험하였다. 미분기의 미분도 조정장치인 분류기 베인(이하 Classifier vane)의 위치를 각각 25 %와 50 %로 조정하여 미분도(200 mesh 체를 통과한 비율) 각각 약 61 %와 약 71 %에서 미연탄소의 발생량을 비교하였다. 이때 Classifier vane의 위치가 클수록 많이 닫히므로 미분도는 상승한다.
세 번째 시험은 연소용 공기량 증가에 따른 연소반응성 증가의 영향을 시험하였다. 연소용 공기를 공급하는 압입 통풍기를 이용하여 연소용 공기량을 증가시켜 공기예열기 전단 산소농도의 변화와 미연탄소 발생량을 비교하였다.
시험은 보일러 운전조건이 미연탄소 발생에 미치는 영향을 파악하기 위해 3가지의 보일러 운전조건에서 실시하였다. Fig.
이번 시험은 무연탄의 특성인 휘발분 함량이 적고 연소성지수가 낮은 것을 고려하여 보일러 내 무연탄 주입 위치 조정에 따른 주연소영역의 체류시간 영향을 확인하였다. 시험은 중간층 버너 및 하부층 버너에서 무연탄을 각각 연소하여 미연탄소 발생량을 측정하였고 시험 중 미분기 Classifier vane 위치 및 산소농도의 응동폭을 최소화하였다.
세 번째 시험은 연소용 공기량 증가에 따른 연소반응성 증가의 영향을 시험하였다. 연소용 공기를 공급하는 압입 통풍기를 이용하여 연소용 공기량을 증가시켜 공기예열기 전단 산소농도의 변화와 미연탄소 발생량을 비교하였다. 이때 압입통풍기의 풍량조절은 유압식으로 작동하는 동익의 각도를 제어하여 이루어진다.
2-2에서 보는 바와 같이 6개의 버너 중 최하부층 버너인 버너 A에서 무연탄을 연소하였을 경우와 중간층 버너인 버너 C에서 연소하였을 경우의 미연탄소 발생량을 비교하였다. 이때의 노내 연소체류시간은 약 0.7초로 확인되는데, 전체 버너높이 14 m, 보일러 수냉벽 지역 유속 8 m/초를 산술 계산하였다.
3-1은 회재활용 기준인 미연탄소 5 % 기준, 보일러 내 무연탄 주입위치에 따른 미연탄소 발생량을 도식화하였다. 이번 시험은 무연탄의 특성인 휘발분 함량이 적고 연소성지수가 낮은 것을 고려하여 보일러 내 무연탄 주입 위치 조정에 따른 주연소영역의 체류시간 영향을 확인하였다. 시험은 중간층 버너 및 하부층 버너에서 무연탄을 각각 연소하여 미연탄소 발생량을 측정하였고 시험 중 미분기 Classifier vane 위치 및 산소농도의 응동폭을 최소화하였다.
본 연구는 500 MW 석탄화력발전소에서 무연탄 혼소 시보일러 운전조건이 미연탄소 발생에 미치는 영향을 파악하기 위하여 수행되었다. 주연료인 유연탄 대비 휘발분이 적고 분쇄가 용이하며 연소성 지수가 낮은 무연탄의 특성을 고려하여, 혼소율 변동을 최소화하는 조건에서 보일러 내 무연탄 주입위치, 미분도 및 연소용 공기유량 등 3개의 주요 운전조건을 변화시키면서 무연탄의 혼소시험을 실시하였다. 동급 발전소 4기를 대상으로 총 19회의 시험을 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
첫 번째 시험은 무연탄 주입버너 위치변경을 통한 노내 체류시간 증가의 영향을 시험하였다. Fig.
대상 데이터
미연탄소는 절탄기, 공기예열기 및 전기집진기에서 포집된 비회(Fly ash)에서 채집 분석되었다. 시험에 필요한 기타조건은 ASME 보일러 성능시험 Code를 준용하였다.
시험은 동급 발전소 4기를 대상으로 총 19회를 실시하였다. 시험 시 운전조건은 출력 505 MW 주파수추종운전모드이며 시험개시 최소 3시간 전에 출력 및 혼소율을 시험치로 조정하고 부하안정시간을 유지하였다.
시험탄은 호주산 수입 무연탄인 GLENCORE-AN이며, 국내 무연탄과 비교 시 발열량이 다소 높은 5,286kcal/kg 이다. 석탄분쇄지수는 72로 역청탄 대비 높아 분쇄가 용이하다.
이론/모형
미연탄소는 절탄기, 공기예열기 및 전기집진기에서 포집된 비회(Fly ash)에서 채집 분석되었다. 시험에 필요한 기타조건은 ASME 보일러 성능시험 Code를 준용하였다.
성능/효과
1. 혼소율이 일정한 조건에서 무연탄은 주연소영역 체류시간이 상대적으로 긴 보일러 하부 버너로 주입할 때 미연 탄소 발생이 현저히 감소하였다.
3. 주어진 혼소율에 대하여 무연탄 주입위치, 미분도, 연소용 공기유량 등 운전조건의 조절을 통하여 미연탄소 발생을 석탄회 재활용 품질기준인 5% 이하로 유지하는 것이 가능함을 확인하였다. 시험범위 내에서 운전조건 변경의 우선순위는 무연탄 주입위치가 가장 높다.
66 %p 감소하여, 미분도 증가에 따른 연소반응 표면적 증가가 미연탄소 발생을 감소시키는 것을 확인하였다. 또한, 미분도 약 71 % 일 때는 모든 발전소에서 미연탄소가 5 % 이하로 석탄회 재활용 기준을 충족하였지 만, 미분도 약 61 % 일 때는 석탄회 재활용 기준을 초과하였다.
무연탄 혼소율 약 4.3 % 일 때, 하부버너[버너 A]에서 무연탄 혼소 시 중간버너[버너 C] 대비 미연탄소 발생은 2.36 %p 감소하여 버너 A에서 버너 C까지의 노내 연소체류시간인 0.7초 동안 충분한 연소반응이 일어났음을 확인하였다. 또한, 하부버너 연소 시는 모든 발전소에서 미연탄소가 5 % 이하로 석탄회 재활용 기준을 충족하였지만, 중간버너 연소 시는 미연탄소가 석탄회 재활용 기준을 초과하였다.
무연탄 혼소율 약 4.9 % 일 때, 연소용 공기량 증가에 따라 산소농도는 0.47 %p 증가하였고 미연탄소 발생량은 약 0.98 %p 감소하여, 공기량 증가에 따른 연소반응성 증가가 미연탄소 발생을 감소시키는 것을 확인하였다.
무연탄 혼소율은 약 4.5 % 유지하였으며, 무연탄을 혼소한 하부미분기의 미분도가 61 %[CV position 25 %]와 71%[CV position 50 %] 일 때 미연탄소 발생량의 평균은 각각 6.13 %, 4.47 %로 미분도 10 %p 증가 시 미연탄소 발생량은 약 1.66 %p 감소하여, 미분도 증가에 따른 연소반응 표면적 증가가 미연탄소 발생을 감소시키는 것을 확인하였다. 또한, 미분도 약 71 % 일 때는 모든 발전소에서 미연탄소가 5 % 이하로 석탄회 재활용 기준을 충족하였지 만, 미분도 약 61 % 일 때는 석탄회 재활용 기준을 초과하였다.
미분기 교체운전을 통한 무연탄 주입버너 위치 변경은 보일러 운전 중에도 용이하고, 본 연구내용의 다른 보일러 운전조건 변경에 따른 미연탄소 감소량과 비교하면 상대적으로 미연탄소 저감에 큰 영향을 미치므로 미연탄소 저감을 위한 보일러 운전조건 변경의 우선순위가 가장 높은 것으로 볼 수 있다.
3-2는 회재활용 기준인 미연탄소 5 % 대비 무연탄 미분도 변화에 따른 미연탄소 발생량을 도식화하였다. 이번 시험은 무연탄의 분쇄가 용이한 것을 고려하여 미분기의 미분도 조정장치인 Classifier vane 위치를 조정하고 200 mesh 통과기준 미분도가 약 61 %와 약 71 % 일 때 미연탄소 발생에 미치는 영향을 확인하였다.
후속연구
따라서 북한에 대한 정부정책 기조와 북한의 전력설비상황을 고려할 때 상기의 북한 무연탄을 우리나라 석탄화력발전소에서 소비할 수 있도록 그에 대한 대비가 필요하며, 최근 이슈인 미세먼지에 대한 국민적 요구를 고려할때 배출물에 대한 환경적인 문제에 그 초점을 맞춰야 할 것이다.
36 %p 증가하였으며, 무연탄 주입버너 위치인 하부버너 또는 중간버너 사용에 따라 미연탄소는 3~6 % 범위를 유지하였다. 무연탄 혼소시험 중 미연탄소 발생에 영향을 줄 수 있는 운전요인을 최소화하여 시험을 실시하였으나 각 발전소별 제어특성과 다양한 설비운전상황은 미연탄소 발생 결과에 대한 오차로 고려되어져야 할 것이다.
본 연구의 시험대상인 보령화력 3~6호기 발전소는 국내 최초의 중간부하운전용 유연탄화력발전소로서 빈번하고 신속한 기동정지 및 높은 부하변동률, 안정된 저부하운전 및 기동손실의 최소화, 높은 열효율, 수명유지를 위한 열응력 감소 및 고도의 제어기술 적용 등의 보일러 특성이 요구된다. 또한 평형통풍, 변압운전, 미분탄 및 중유의 혼소 또는 전소가 가능하도록 설계되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
석탄회의 재활용에 대한 품질기준 특징은 무엇인가?
석탄화력발전소의 배출물 중 석탄회는 석탄을 연소 후 부산물로 발생되는 회로서 시멘트 및 농업용 비료 원료 등으로 재활용되고 있다. 다만 석탄회의 재활용 품질기준은KS규격(KS L 54055405:2018 플라이애시 2종 가열 감량)에 따라 정해지며, 발전소의 석탄회는 대체로 미연탄소 5 % 이하의 기준을 충족해야 한다. 특히 무연탄 소비 시는 연료특성상 회발생량의 증가에 따라 미연탄소의 총량도 증가할 것으로 예상된다.
무연탄의 특징은 무엇인가?
무연탄은 석탄 중 탄화가 가장 많이 진행된 것으로 역청탄보다 훨씬 오래전에 형성되었으며 보통 고정탄소 86 % 이상, 휘발분 14 % 이하이며 점결성은 없다. 통상적인 무연탄은 회분이 적고 고정탄소분이 많으며 발열량이 4,000~7,000 kcal/kg 정도로써 이용가치가 높지만, 국내 무연탄의 경우 발열량은 4,731~5,373 kcal/kg 정도로 낮으며 회분 함량이 높다.
국내탄발전의 설비노후화 및 폐지예정에 대비하기 위해 필요한 것은 무엇인가?
따라서 북한에 대한 정부정책 기조와 북한의 전력설비상황을 고려할 때 상기의 북한 무연탄을 우리나라 석탄화력발전소에서 소비할 수 있도록 그에 대한 대비가 필요하며, 최근 이슈인 미세먼지에 대한 국민적 요구를 고려할때 배출물에 대한 환경적인 문제에 그 초점을 맞춰야 할 것이다.
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