[논문]산업용 보일러에 적용된 저 NOx 미분탄버너의 연소성능 평가

김상현; 김혁제; 김혁필; 송시홍; 이익형

산업용 보일러에 적용된 저 NOx 미분탄버너의 연소성능 평가
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김상현 (두산중공업(주) 기술연구원) , 김혁제 (두산중공업(주) 기술연구원) , 김혁필 (두산중공업(주) 기술연구원) , 송시홍 (두산중공업(주) 기술연구원) , 이익형 (두산중공업(주) 기술연구원)

Increasing environmental pressures to reduce NOx emission are being placed on coal-fired boilers. To meet the environmental requirements, Doosan Heavy Industries & Construction Co., Ltd.(Doosan) has developed low NOx pulverized coal burner. Low NOx pulverized coal burner has already delivered, and it's combustion performance was evaluated to the NOx and Unburned Carbon(UBC) during the commissioning tests. The test results are shown that the strong relationship is existed between NOx and OFA flow rate, and also fuel-N fraction of coal has effected on NOx emission.

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문제 정의

본 연구의 목적은 개발 버너의 실기 적용 연소조정단계에서 운전조건에 따른 오염물질의 배출 특성을 파악하고, 장기간에 걸친 다양한 종류의 석탄에 대한 연소성을 평가하여 석탄연소에서의 NOx 배출 및 저감과 관련된 인자들을 찾는 것이다. 이목 적을 달성하기 위하여 산업용 보일러에 적용된 저 NOx 미분탄 버너에서 배출되는 NOx 및 UBC 함량을 측정하였다.
저 NOx 미분탄의 버너의 성능이라고 하면 여러 측면에서 평가가 가능하지만, 본 연구에서는 NOx 배출량 및 UBC 배출량 등에 관련된 연소 성능에 관해서 평가하였다. 성능평가를 위해 사용된 석탄은 분류상으로는 역청탄에 속하며, 성상은 아래의 tablel 과 같다.

가설 설정

공기비를 일정하게 유지한 상태에서 보일러의 부하가 상승하면 연소가스 온도의 상승으로 인해 NOx의 배출량은 증가하고 UBC 의 양은 감소한다.

제안 방법

Pilot 급 연소시험 설비 를 이용하여 개발한 저 NOx 미분탄 버너를 증기용량 130ton/hr급의 열병합 보일러에 장착하고 성능평가를 수행하여 실기적용 목표인 석탄 연소시 NOx 배출량 250ppm(@6% O₂)이하의 성능을 만족함을 확인할 수 있었고, 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이목 적을 달성하기 위하여 산업용 보일러에 적용된 저 NOx 미분탄 버너에서 배출되는 NOx 및 UBC 함량을 측정하였다. 그리고 보일러에 설치되어 있는 OFA(Over Fire Air)로 연소용 공기를 공급하여 버너 단의 당량비를 낮추었을 때 NOx와 UBC 의 배출량 변화를 살펴 보았고, 장기 운전을 통해 다양한 석 탄의 성 상에 대한 NOx 배출량의 특성 도 아울러 조사하였다.
비산회에 포함된 UBC 는 포집된 회를 분석하였다. 그리고 화염형 상을 endoscope 를 이용하여 촬영 하였다.
버너의 NOx 및 UBC 배출 성능을 평가하기 위하여 보일러의 절탄기 출구에 연소가스와 회입자 sampling probe 를 설치하여 연소가스 성 상과 UBC 를 측정하였다. 연소가스 성분 분석에 사용된 장비는 TESTO 350 XL로 연소가스의 O₂, CO, CO₂ 및 NOx 를 실시간으로 분석할 수 있다.
부하 및 OFA 의 양에 따른 화염 의 형상을 조사하였다. 부하의 변화나 OFA 의 투입 량에 따른 급격한 화염 외형의 변화는 나타나지 않는다.
연소가스 성분 분석에 사용된 장비는 TESTO 350 XL로 연소가스의 O₂, CO, CO₂ 및 NOx 를 실시간으로 분석할 수 있다. 비산회에 포함된 UBC 는 포집된 회를 분석하였다. 그리고 화염형 상을 endoscope 를 이용하여 촬영 하였다.
이 성능 보증조건을 기본적으로 만족하고 다양한 탄종에 대한 대응력을 갖추기 위하여 OFA port 2 개를 기존 OFA port 의 상단에 추가로 설치하였다. 일련의 설치 과정을 거친 후 현장에 설치 완료된 버너의 모습은 Picture 1에 나타낸 것과 같다.
이러한 통합된 연소기술이 적용된 저 NOx 미분탄 버너를 개발하기 위하여 pilot 연소시험 설비를 이용한 연소실험과 CFD 를 활용하였다.
이목 적을 달성하기 위하여 산업용 보일러에 적용된 저 NOx 미분탄 버너에서 배출되는 NOx 및 UBC 함량을 측정하였다. 그리고 보일러에 설치되어 있는 OFA(Over Fire Air)로 연소용 공기를 공급하여 버너 단의 당량비를 낮추었을 때 NOx와 UBC 의 배출량 변화를 살펴 보았고, 장기 운전을 통해 다양한 석 탄의 성 상에 대한 NOx 배출량의 특성 도 아울러 조사하였다.
중유사용에 따른 공정용 증기 생산 원가가 상승하게 되자 보다 저렴한 연료인 석탄을 사용하기 위해 석탄취급 설비 및 후처리 설비를 개보수하게 되었다. 이에 두산중공업 이 2003년도에 저 NOx 미 분탄 버너 , 회 전형 미분기 , 석 탄 취 급설비 및 전후처리 설비를 공급 설치하게 되었다.

대상 데이터

본 연구의 대상인 대형 버너는 HUVIS(주) 전주공장에 공급된 4000kg/hr급 미분탄 버너로 위에 언급된 저 NOx 연소기술 개념이 적용된 것이다.

성능/효과

3에 나타내었다. 그 결과 과잉공기량이 거의 일정한 경우 보일러 부하를 증가시키면 NOx는 급격히 증가하고 UBC 는 감소하는 경향을 보여준다. 일 반적 으로석탄 보일러의 정상 운전 상황에서는 부하가 증가하면 NOx는 감소하다가 다시 증가하는 경향을 갖는다고 알려져 있으며, 이는 부하가 증가할수록 과잉공기비를 줄여 운전하게 되어 결과적으로 연소과정에 개입하는 산소량을 줄이는 효과를 가져오기 때문이다.

후속연구

그러나 석탄은 연소과정에서 다량의 공해 물질을 방출해 사용상의 많은 제약이 따르는 연료이다. 따라서 석탄연소과정에서 발생하는 공해물질을 효과적으로 제거할 수 있다면 석탄은 안정적인 에너지원으로서 유력한 위치를 유지할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 안정적이며 경제적인 에너지원인 석탄의 이용을 위해 저 NOx 미분탄 연소버 너 를 개 발하게 되었다.

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