[논문]순환유동층 보일러 로내 탈황을 위한 석회석 평가

이시훈; 김동원; 이종민; 배용채

doi:10.9713/kcer.2019.57.6.853

순환유동층 보일러 로내 탈황을 위한 석회석 평가
Evaluation of Limestone for In-Situ Desulfurization in CFB Boilers 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.57 no.6, 2019년, pp.853 - 860

이시훈 (전북대학교 자원에너지공학과) , 김동원 (한국전력연구원 발전기술연구원) , 이종민 (한국전력연구원 발전기술연구원) , 배용채 (한국전력연구원 발전기술연구원)

초록
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나날이 엄격해지는 환경 규제를 만족시키기 위하여, 고체 입자를 유체처럼 이용하는 순산소 순환유동층 및 초초임계 순환유동층 발전 기술이 전세계에서 개발되고 있다. 순환유동층 발전 공정들에서 미세먼지, 산성비의 주범으로 알려진 황산화물을 저감하는 전통적인 방법은 황산화물과 반응하는 석회석을 보일러 내에 직접 주입하는 것이다. 그러나 보일러 내에 주입된 석회석은 다양한 조업 변수들(온도, 압력, 고체 순환속도, 층밀도, 체류시간 등)의 영향을 받아 탈황 성능이 지속적으로 변화하게 된다. 이에 본 연구에서는 기존에 발표된 탈황 반응 속도식과 순환유동층의 수력학적 특성식들을 결합하여 순환유동층 보일러에서 석회석과 순환유동층 운전 특성들만으로 탈황 효율을 예측하는 식을 개발하였다. 특히 다양한 국내 석회석들의 탈황 반응들로부터 얻어진 실험 결과들을 이용하여 탈황 효율 예측식을 개선하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to meet more severe environmental regulations, oxy-fuel circulating fluidized bed(CFB) boilers or ultra supercritical CFB boilers, which are a kind of process in that solid particles moves similar to fluid, have been developed in the world. In CFB power generation processes, the method to reduce or remove sulfur dioxide is in-situ desulfurization reaction via limestone directly injected into CFB boilers. However, the desulfurization efficiencies have continuously changed because limestones injected into CFB boilers are affected by various operation conditions (Bed temperature, pressure, solid circulating rate, solid holdup, residence time, and so on). In this study, a prediction method with physical and chemical properties of limestone and operation conditions of CFB boiler for in-situ desulfurization reaction in CFB boilers has developed by integrating desulfurization kinetic equations and hydrodynamics equations for CFB previously published. In particular, the prediction equation for in-situ desulfurization was modified by using experimental results from desulfurization reactions of various domestic limestones.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. The behaviors of limestone during in-direct desulfurization reaction.
$Fig. 2. The weight fraction of CaCO<sub>3</sub> and MgCO<sub>3</sub> in limestone samples.$ 그림 Fig. 2. The weight fraction of CaCO₃ and MgCO₃ in limestone samples.
그림 Fig. 3. Self-desulfurization reaction of various coals.
그림 Fig. 4. Sensitivity analysis of simple desulfurization model.
표 Table 1. Design criteria for simple indirect desulfurization model
그림 Fig. 5. Effect of particle size of limeston on reactivity, cost and residence time.
그림 Fig. 6. Desulfurization conversions of various domestic limestone samples.
표 Table 2. Average desulfurization conversions with different particle size
그림 Fig. 7. The calculation of limestone required for in-situ desulfurization.

AI 본문요약
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문제 정의

국내 상용 순환유동층 보일러에서의 탈황 반응을 위한 석회석 사용량 예측 기법을 개발하기 위하여 본 연구에서는 국내 상용 순환 유동층 연소로에서 이용 또는 검토되고 있는 석회석 시료들을 대상 물질로서 선정하였다. 특히 국내에 보급된 300 MWe급의 순환유동층 보일러와 1000 MWe급의 순환유동층 보일러 발전 플랜트 설계 및제작에 사용된 석회석 설계값들을 Fig.
이는 석회석의 물리, 화학적 특성과 순환유 동층의 운전 특성이 탈황 효율을 변화시키기 때문이다. 상용 순환유 동층 보일러 설계 및 운전에 기여할 수 있도록, 본 연구에서는 연료 성상, 연소로 내 온도, 탈황제 조성, 연소로 내 고체 분율 등의 다양한 인자들이 모두 이용되는 석회석의 탈황 성능 예측식을 개발하였다. 더불어 석탄 내의 Ca 성분들의 자가 황화 반응(Self-desulfurization) 의 연구 및 이를 이용하여 석회석 예측식을 개선하였다.

가설 설정

2차 공기 주입 위치 이하의 영역에서 SO 2 가 생성되는 것으로 가정하였기에 x=0인 높이에서의 SO 2 의 농도는 C S0 이며 SO 2 의 생성속도(molar rate of formation of SO 2 )인 m은 0<x<H 영역에서는 항상 m=0이다.
0007 등이다. 탈황 반응에 참여하는 석회석과 관련된 인자인 탈황 포집 효율은 0.45로가정하였으며 석회석 내의 CaCO ₃ 의 분율은 상용 순환유동층 제작을 위해 이용되는 설계값인 0.9로 가정하였다.

제안 방법

상용 순환유 동층 보일러 설계 및 운전에 기여할 수 있도록, 본 연구에서는 연료 성상, 연소로 내 온도, 탈황제 조성, 연소로 내 고체 분율 등의 다양한 인자들이 모두 이용되는 석회석의 탈황 성능 예측식을 개발하였다. 더불어 석탄 내의 Ca 성분들의 자가 황화 반응(Self-desulfurization) 의 연구 및 이를 이용하여 석회석 예측식을 개선하였다.
순환유동층 연소로에서 로내 탈황을 위해 사용되는 석회석의 투입량을 계산하기 위하여, 석탄의 자가 탈황 반응, 입도별 석회석의 탈황 전환율 등의 실험 결과와 석회석 탈황 반응식을 이용하여 석회석 사용량 예측식을 개발하였다. 또한 석탄 내에 포함된 CaO 성분도 탈황 반응에 참여하는 자가 탈황 반응이 진행됨을 확인하였다.
따라서 로내 탈황을 위한 석회석 예측량을 명확하게 하기 위해서는 석탄의 자가 탈황 반응에 따른 전환율도 검토할 필요가 있다. 이에 본 연구 에서는 국내에 도입되는 유연탄, 아역청탄, 갈탄 등의 석탄 회재를 이용하여 자가 탈황 반응 실험을 수행하여 Fig. 4에 나타내었다. 그림에서 보면, 회재 내의 CaO 성분에 따라서 다르게 나타나나 1-3 wt%의무게가 증가하고 있음을 확인할 수 있으며 이는 석탄의 자가 탈황 반응이 일어나고 있음을 증명해 준다.

성능/효과

±25%의 변경에 따른 민감도이나 최대 ±40% 이상의 탈황제 주입량 변화를 야기시키는 인자는 탈황제의 최대 전환율과 석회석 내의 CaCO 3 함유량이며 순환유동층의 운전 인자인 기체 유속, 평균 층밀도는 상대적으로 낮은 영향을 끼치는 것으로 계산되었다.
또한 석탄 내에 포함된 CaO 성분도 탈황 반응에 참여하는 자가 탈황 반응이 진행됨을 확인하였다. 개발된 석회석 투입량 예측식은 상용급 순환유동층 보일러에 이용함으로써 필요한 석회석 양을 쉽게 예측할 수 있도록 해준다. 또한 석회석의 최종 전환율, CaCO₃ 분율이 석회석 사용량에 큰 영향을끼침을 확인하였다.
석회석 사용량 예측식 (25)은 석회석의 입도에 대한 영향은 고려 되어 있지 않다. 그러나 WR 석회석을 입도별로 나누어 수행한 간접 탈황 실험을 통해 얻은 최종 전환율 값을 보면 입자 크기가 커질 수록 작아짐을 확인할 수 있다(Table 2 참조). 이는 기존에 발표된 연구 결과와 동일하다.
이는 기존에 발표된 연구 결과와 동일하다. 따라서 석회석 시료들의 최종 전환율값을 석회석의 입도를 고려한 최종 전환율로 변경함으로써 석회석 사용 량을 보다 정밀하게 예측할 수 있다.
순환유동층 연소로에서 로내 탈황을 위해 사용되는 석회석의 투입량을 계산하기 위하여, 석탄의 자가 탈황 반응, 입도별 석회석의 탈황 전환율 등의 실험 결과와 석회석 탈황 반응식을 이용하여 석회석 사용량 예측식을 개발하였다. 또한 석탄 내에 포함된 CaO 성분도 탈황 반응에 참여하는 자가 탈황 반응이 진행됨을 확인하였다. 개발된 석회석 투입량 예측식은 상용급 순환유동층 보일러에 이용함으로써 필요한 석회석 양을 쉽게 예측할 수 있도록 해준다.
개발된 석회석 투입량 예측식은 상용급 순환유동층 보일러에 이용함으로써 필요한 석회석 양을 쉽게 예측할 수 있도록 해준다. 또한 석회석의 최종 전환율, CaCO₃ 분율이 석회석 사용량에 큰 영향을끼침을 확인하였다. 입도별 순환유동층 전환율이 다르나 입도가 보정된 석회석의 전환율을 이용함으로써 석회석 사용량을 보다 정밀 하게 예측할 수 있었다.
또한 석회석의 최종 전환율, CaCO₃ 분율이 석회석 사용량에 큰 영향을끼침을 확인하였다. 입도별 순환유동층 전환율이 다르나 입도가 보정된 석회석의 전환율을 이용함으로써 석회석 사용량을 보다 정밀 하게 예측할 수 있었다. 따라서 새롭게 개선된 석회석 사용량 예측 식은 상용급 순환유동층 보일러의 탈황 효율 향상을 위한 설계 및운전에 기여할 것이다.
표에서 보듯이 연소로의 높이는 52 m, 연소로 내의 가스 유속 4.7 m/s, 싸이클론 효율 0.998, 평균 층밀도 (ρ bav ) 15.7, 석탄 주입량 270 ton/h, 석탄 내의 회재 함량 0.03, 석탄의 열량 17,794 kJ/kg, 석탄 내의 황의 무게 분율 0.0007 등이다.

후속연구

또한 석회석 시료들의 HGI (Hardgrove index)도 상용 순환유동층 보일러에서 이용되는 석회석의 HGI 범위인 80-100와 유사한 89-106 사이를 지니는 것으로 나타나 국내 에서 생산 및 공급되는 석회석들은 상용 보일러에서 이용가능할 것으로 예측된다[17]. 그러나 석회석 내에 탈황 반응을 직접 참여하는 CaCO₃ 함량이 다르기 때문에 기존의 상용 보일러에서 사용되는 석회석을 다른 성분을 지닌 석회석으로 대체하기 위해서는 주입량에 대한 세밀한 검토가 필요할 것으로 예상된다.
입도별 순환유동층 전환율이 다르나 입도가 보정된 석회석의 전환율을 이용함으로써 석회석 사용량을 보다 정밀 하게 예측할 수 있었다. 따라서 새롭게 개선된 석회석 사용량 예측 식은 상용급 순환유동층 보일러의 탈황 효율 향상을 위한 설계 및운전에 기여할 것이다.
3에서 보듯이 석탄 내에 포함되어 있는 CaO 에 따른 자가 탈황 반응이 일어나 전체적인 탈황 전환율에 기여하게 됨을 알 수 있다. 따라서 석회석 투입량 예측식 (25)를 통해 얻은 결과값에 석탄 내의 CaO 함유량을 대입하여 최적의 석회석 투입량을 결정해야 할 것이다.
본 연구에서 이용한 석회석 사용량 예측식의 정밀도를 향상시키기 위하여 사용되는 인자들에 대한 민감도 분석이 필요하다. 민감도 분석은 석회석 사용량 예측식에 주입되는 인자들의 기준값을 기준으로 ±25% 변화시켜서 얻어지는 석회석 요구량을 계산하여 비교하는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	순환유동층 보일 러가 석탄 화력 청정화 분야에서 가지는 장점은 무엇인가?	순환유동층 보일 러는 고체 입자가 보일러 내를 유체처럼 순환하는 순환유동층 반응기에서 고체 탄화수소 물질들을 연소하여 순환하는 유동층 물질을 가열하고 이를 보일러 내외에 설치된 전열관을 통해 증기 터빈이 요구하는 고온, 고압의 증기를 생산한다. 더불어 석탄 연소를 통해서 배출되는 황산화물의 제거를 위해 주입되는 탈황 흡수제도 유동층 매체처럼 순환하면서 탈황 반응을 향상시켜 황산화물의 배출을 저감시켜 석탄 화력의 청정화에 기여할 수 있는 것으로 기대를 받고 있다[6-14].
	순환유동층 보일 러는 무엇인가?	이에 갈탄, 무연탄을 비롯하여 신재생에너지 자원으로 취급받는 바이오매스, 폐기물 등을 단독 또는 혼합하여 이용할 수 있는 순환유동층 화력 발전 공정이 확산되고 있다. 순환유동층 보일 러는 고체 입자가 보일러 내를 유체처럼 순환하는 순환유동층 반응기에서 고체 탄화수소 물질들을 연소하여 순환하는 유동층 물질을 가열하고 이를 보일러 내외에 설치된 전열관을 통해 증기 터빈이 요구하는 고온, 고압의 증기를 생산한다. 더불어 석탄 연소를 통해서 배출되는 황산화물의 제거를 위해 주입되는 탈황 흡수제도 유동층 매체처럼 순환하면서 탈황 반응을 향상시켜 황산화물의 배출을 저감시켜 석탄 화력의 청정화에 기여할 수 있는 것으로 기대를 받고 있다[6-14].
	순환유동층 보일러의 조업 온도보다 낮은 온도에서 탈황 반응이 진행되는 이유는 무엇인가?	소성반응을 통해 생석회(CaO)로 전환된 석회석 입자가 연소가스 중의 SO 2 가 반응하여 CaSO 4 로 전환되는 탈황 반응을 통해서 순환유동층 연소로 내의 로내 탈황이 이루어지고 있어 일반적인 순환유동층에서 탈황제로 석회석을 이용할 경우 소성반응이 선행되어야 한다. 소성반응은 순환유동층 보일러의 조업 온도보다 낮은 700 o C 부근의 온도에서 진행되며 최적의 탈황 반응은 순환유동층 보일러 조업 온도 범위와 유사한 800~870 o C이나 이 이상의 고온에서는 탈황제 표면에서 소결(Sintering) 현상이 발생하여 SO 2 제거효율이 저하 되고, 800 o C 이하에서의 낮은 온도에서는 탈황반응속도가 저하되는 것으로 보고되어 있다[6,10,14-17].

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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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