[논문]80 kWth급 미분탄 연소 시스템에서 하수슬러지 혼소시 연소 특성 연구

채태영; 이재욱; 이영재; 양원

doi:10.7464/ksct.2019.25.1.074

80 kWth급 미분탄 연소 시스템에서 하수슬러지 혼소시 연소 특성 연구
Study on the Co-firing of Sewage Sludge to a 80 kWth-scale Pulverized Coal Combustion System 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.25 no.1, 2019년, pp.74 - 80

채태영 (한국생산기술연구원 고온에너지시스템그룹) , 이재욱 (한국생산기술연구원 고온에너지시스템그룹) , 이영재 (한국생산기술연구원 고온에너지시스템그룹) , 양원 (한국생산기술연구원 고온에너지시스템그룹)

초록
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하수슬러지의 열화학적 처리는 수분을 제거하여 연료로 사용되는 하수슬러지의 수분 함량을 낮추어 주는 기술이다. 열화학적 처리된 하수슬러지는 열량이 높아지기 때문에 에너지 집약적 과정이라고 할 수 있다. 이러한 공정 중에 소비되는 에너지를 절약하기 위해 하수슬러지의 수열 탄화 공정을 사용하였다. 수열탄화 공정은 하수슬러지를 사전 건조 없이 깨끗한 고체연료로 전환할 수 있다. 본 연구는 수열탄화 하수슬러지와 미분탄 연소 시스템의 혼소 특성을 조사하는 것을 목적으로 한다. 혼소 시 생성되는 유해물질 및 연소 효율의 변화를 측정하는 것을 목적으로 한다. 본 연구에 사용 된 연소 시스템은 $80kW_{th}$급 연소로로서 1기의 선회류 버너가 장착되어 있다. 두 가지의 석탄을 주 연료로 사용하였고, 하수슬러지의 혼소율은 열량 기준 0% ~ 10%까지 진행하였다. 실험 결과 $NO_x$는 400 ~ 600 ppm, $SO_x$는 600 ~ 700 ppm 사이를 유지하였고, CO는 100 ppm 전후로 일정하게 유지되어 안정적인 연소를 확인할 수 있었다. 하수슬러지를 혼소할 경우, 혼소율이 증가할수록 $NO_x$와 $SO_x$의 배출량도 증가하였으나 그 편차가 크지 않았다. 연소 배가스에 포함된 오염 물질 배출은 혼소 비율 보다 주 연료인 석탄의 조성에 의해 크게 영향을 받는 것으로 밝혀졌다.

Abstract ▼ AI-Helper

Thermochemical treatment of sewage sludge is an energy-intensive process due to its high moisture content. To save the energy consumed during the process, the hydrothermal carbonization process for sewage sludge can be used to convert sewage sludge into clean solid fuel without pre-drying. This study is aimed to investigate co-firing characteristics of the hydrothermally carbonated sewage sludge (HCS) to a pulverized coal combustion system. The purpose of the measurement is to measure the pollutants produced during co-firing and combustion efficiency. The combustion system used in this study is a furnace with a down-firing swirl burner of a $80kW_{th}$ thermal input. Two sub-bituminous coals were used as a main fuel, and co-firing ratio of the sewage sludge was varied from 0% to 10% in a thermal basis. Experimental results show that $NO_x$ is 400 ~ 600 ppm, $SO_x$ is 600 ~ 700 ppm, and CO is less than 100 ppm. Experimental results show that stable combustion was achieved for high co-firing ratio of the HCS. Emission of $NO_x$ and $SO_x$ was decreased for higher co-firing ratio in spite of the higher nitrogen contents in the HCS. In addition, it was found that the pollutant emission is affected significantly by composition of the main fuel, regardless of the co-firing ratios.

주제어

표/그림 (11)

그림 Figure 1. Schematic diagram of the 80 kWth down firing furnace system set-up.
표 Table 3. Experimental conditions for co-firing
표 Table 1. Composition of fuels
표 Table 2. Experimental condition for hydrothermal carbonization sewage sludge
그림 Figure 2. Thermogravimetric analysis (TGA) and derivative thermo-gravimetric (DTG) of coals and sewage sludges.
그림 Figure 3. Temperature of IN/HCS co-firing case.
표 Table 4. Combustion efficiency by co-firing rate
그림 Figure 4. CO concentration (ppm).
그림 Figure 5. NO_x concentration at O₂ 6%.
그림 Figure 6. SO_x concentration at O₂ 6%.
표 Table 5. Concentration of O₂ and CO

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 80 kW_th급 미분탄 연소시스템을 사용하여 HCS와 일반 건조 하수슬러지를 석탄과 혼소하였을 경우 연소 특성을 분석하고 연소 후 배출되는 가스를 분석한 결과이다. 실험 결과 석탄 전소와 하수슬러지 혼소의 경우 벽면 온도는 유사한 것을 확인하였다.
그러나 대부분의 연구는 하수슬러지 기반 연료를 유동층 연소 시스템에서 혼소한 연구에 집중되어 있는 반면, 국내의 경우 대부분의 석탄화력발전은 미분탄 연소 방식을 사용하고 있기 때문에 미분탄 연소 시스템에서의 혼소가 어느 정도까지 가능한지에 대한 연구가 수행되어야 한다. 본 연구는 하수슬러지를 건조, 고형연료화한 후 미분탄 화력 발전 혼소 연료로서 활용 가능성을 확인하는 것에 목적이 있으며, 이를 위해 우선적으로 80 kW_th급 미분탄 연소 시스템을 이용하여 수열탄화된 하수슬러지와 일반 건조 하수슬러지를 석탄과 혼합하여 연소하였을 경우 생성되는 연소가스 조성 변화를 분석하고 연소 효율을 측정하여 일반 건조 하수슬러지와 수열탄화 하수슬러지의 연소 특성을 비교 분석하였다.
[6] 역시 유동층 반응기를 이용해 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. Wang et al.

제안 방법

Table 3에는 실험 조건을 나타내었다. DSS의 경우 석탄 2종에 혼소하여 실험을 진행하였고 HCS의 경우 Indominco 석탄과 혼소 실험을 진행하였다. 혼소율은 하수슬러지의 혼소율을 0 ~ 10%까지 변경하여 실험을 수행하였다.
기본적으로 연소 온도는 열량, 산화제의 양, 운전 방법 등 여러 요인에 의해 다양한 형태를 보인다. 그러나 본 실험은 조건 별 열량을 동일하게 투입하였고 이에 따른 산화제의 양 또한 1차, 2차 동일한 비율로 투입하였다. 이에 따라 연료 투입량과 산화제의 투입량이 변하였으나 연소로 벽면은 유사한 온도 경향으로 나타났다.
본 연구를 위해서 하수슬러지를 미분탄 버너에 투입하기 위해 분쇄 과정을 거쳐 300 µm 이하의 입도로 미분하여 사용하였다.
본 연구에는 총 3종류의 혼소 연료를 각각 4가지 혼소율로 분류하여 실험을 진행하였다. 연소로 별 실험 데이터는 Figure 3에 나타난 바와 같이 연료가 변경되어도 연소로 벽면 온도는 큰 차이를 나타내지 않고 있다.
설명에 앞서 앞으로 수열탄화 하수슬러지는 HCS (Hydrothermal carbonization sewage sludge), 일반건조 하수슬러지는 DSS (Dried sewage sludge)로 명명하도록 하겠다. Table 1은 연료의 성분을 분석한 결과를 나타내었다.
순서에 따라 2^ndtop은 666 mm, 2^nddown은 833 mm, 3^rdtop은 1166 mm, 3^rddown은 1333 mm에 장착 되었다. 실험 시간이 지남에 따라 약간의 온도 증가 경향이 나타나는데, 이것은 연소로 축열에 의한 것으로 실험에 큰 영향을 미치지 않아 무시하고 실험을 진행하였다. 연소는 연소로 상부에서 대부분 진행되기 때문에 연소로 1단의 온도가 가장 높은 것을 볼 수 있다.
Table 4는 연소 효율을 나타낸 표이다. 표에 나타난바와 같이 혼소율 별로 연소 효율을 측정하였고 회분은 연소로 후단 사이클론에서 채집하였다. 모든 조건에서 연소효율은 99% 이상으로 안정적인 연소가 이루어진 것을 알 수 있었다.
DSS의 경우 석탄 2종에 혼소하여 실험을 진행하였고 HCS의 경우 Indominco 석탄과 혼소 실험을 진행하였다. 혼소율은 하수슬러지의 혼소율을 0 ~ 10%까지 변경하여 실험을 수행하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용된 장치는 80 kW_th 미분탄 보일러 연소시스템으로 Figure 1에 개략도를 나타내었다. 지름 600 mm, 높이 500 mm인 원통 형태의 연소로가 5단으로 이루어져 총 2500 mm의 연소로가 있으며, 연소로 벽면에는 프로브와 열전대 삽입을 위한 포트가 위치하고 있다.
Table 1은 연료의 성분을 분석한 결과를 나타내었다. 연료 분석 결과는 Table에 나타내었으며, 실험에 사용된 HCS와 DSS는 본 연구의 공동수행기관인 고등기술연구원에서 제조한 것을 제공받았다. 분석 결과를 살펴보면 일반적으로 석탄과 달리 하수슬러지는 휘발분이 많고 고정탄소가 적게 포함된 것을 볼 수 있다.
미분탄 보일러 연소시스템으로 Figure 1에 개략도를 나타내었다. 지름 600 mm, 높이 500 mm인 원통 형태의 연소로가 5단으로 이루어져 총 2500 mm의 연소로가 있으며, 연소로 벽면에는 프로브와 열전대 삽입을 위한 포트가 위치하고 있다. 각 단 연소로에는 열유속 프로브 삽입을 위한 포트가 5개씩 설치되어있으며, 연소로 벽면 온도 측정을 위한 R타입의 열전대가 2개씩 설치되어 있다.

성능/효과

Figure 2는 하수슬러지 고형연료 및 석탄의 TGA (thermogravimetric analysis)와 DTG (derivative thermo-gravimetric) 결과를 나타낸 것이다. TGA 분석은 N₂ 조건에서 수행되었으며, TGA 결과에서 시료의 무게 변화 속도를 통해 건조와 탈휘발시점을 알 수 있다. A49, IN의 경우 두 단계의 경사가 형성되었으며, 건조와 탈휘발의 반응으로 판단된다.
실험 결과 석탄 전소와 하수슬러지 혼소의 경우 벽면 온도는 유사한 것을 확인하였다. 또한, 연소 후 배가스 분석 결과 중 CO농도가 100 ppm 전 후로 일정하게 유지되어 안정적인 연소를 확인할 수 있었다. 이는 실제 발전 연소로에 하수슬러지를 혼소할 경우, 연소 측면에서는 문제가 없음을 확인한 결과라고 할 수 있다.
표에 나타난바와 같이 혼소율 별로 연소 효율을 측정하였고 회분은 연소로 후단 사이클론에서 채집하였다. 모든 조건에서 연소효율은 99% 이상으로 안정적인 연소가 이루어진 것을 알 수 있었다. DSS/A49 5, 10% 혼소 조건 연소의 경우, 미세하게 연소 효율이 낮은 것을 볼 수 있는데, 연소에 영향을 줄 수 있는 수치는 아니기 때문에 큰 의미가 있는 결과는 아니라고 할 수 있다.
이는 DTG 결과를 보면 더욱 정확하게 알 수 있다. 발열량이 상대적으로 낮고 수분과 휘발분이 많은 A49석탄의 건조와 탈휘발이 먼저 진행되었고 IN석탄의 건조와 탈휘발이 약간 늦게 진행되는 것을 확인할 수 있다. 약간의 차이가 있지만 두 석탄의 탈휘발은 비슷한 시점에서 시작되는 것을 확인하였다.
급 미분탄 연소시스템을 사용하여 HCS와 일반 건조 하수슬러지를 석탄과 혼소하였을 경우 연소 특성을 분석하고 연소 후 배출되는 가스를 분석한 결과이다. 실험 결과 석탄 전소와 하수슬러지 혼소의 경우 벽면 온도는 유사한 것을 확인하였다. 또한, 연소 후 배가스 분석 결과 중 CO농도가 100 ppm 전 후로 일정하게 유지되어 안정적인 연소를 확인할 수 있었다.
혼소율이 증가함에 따라 SO_x의 생성량도 증가하지만 기본적으로 석탄에 포함된 양이 적기 때문에 다른 실험 조건에 비해 적게 생성되는 것이다. 연소가스에서 생성되는 유해물질은 연료에 포함된 기본 조성에 민감하다는 것을 확인하였다. 그러므로 SO_x 및 NO_x 생성은 연료의 대부분을 차지하고 있는 주연료인 석탄의 성분에 의해 결정된다.
HCS의 경우 약 253 ℃에서 탈휘발이 시작되고, DSS의 경우 약 255 ℃에서 시작되는 것을 확인하였다. 전반적으로 HCS와 DSS의 탈휘발 시점이 A49, IN의 탈휘발 시점보다 약 100 ℃정도 빨리 급격하게 진행되었으며 휘발분의 함량이 전체 비율에서 60% 이상을 차지하여 탈휘발 구간이 긴 것을 알 수 있었다. 그러나 HCS의 경우, DSS에 비하여 탈휘발 진행속도나 느린 것을 볼 수 있었다.
IN의 경우, A49에 비하여 발열량이 높고 연료 내 C의 함량이 많기 때문에 상대적으로 안정적인 연소 분위기를 쉽게 조성할 수 있다. 하수슬러지를 비교해도 발열량이 높은 HCS를 혼소 연료로 사용하였을 때 CO농도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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