초록 ▼

1. 단계최종목표(1단계)
- 100 MWe 급 실증 Oxy-PC 보일러 화로 유동/연소 인자 개념설계안 도출
: 버너의 형태, 용량, 위치, 개수, firing 방식/가스 property
: NOx 저감 방법 결정(저 NOx 버너 or OFO)
: 연소 시스템 운전 조건 - 과잉산소량, 1차, 2차 or OFO 분배량 결정
: 실규모 PC보일러 scale-down 연소시스템(수직형 연소로) 이용 개념설계안 검증 기반 구축
: 개념설계안 도출 및 탄종별 화로 유동/연소 설계/운전 개념 제시
2.

1. 단계최종목표(1단계)
- 100 MWe 급 실증 Oxy-PC 보일러 화로 유동/연소 인자 개념설계안 도출
: 버너의 형태, 용량, 위치, 개수, firing 방식/가스 property
: NOx 저감 방법 결정(저 NOx 버너 or OFO)
: 연소 시스템 운전 조건 - 과잉산소량, 1차, 2차 or OFO 분배량 결정
: 실규모 PC보일러 scale-down 연소시스템(수직형 연소로) 이용 개념설계안 검증 기반 구축
: 개념설계안 도출 및 탄종별 화로 유동/연소 설계/운전 개념 제시
2. 개발내용 및 결과
- 100 MWe 급 실증 Oxy-PC 보일러 화로 유동/연소 인자 개념설계안 도출
: 실증 보일러용 Unit burner 및 전체 boiler 수치해석을 통해 설계안 도출
: 버너 형태/용량/위치/개수/firing 방식: 2-1 세부과제와 연계하여 도출
: Unit burner 설계안 도출 - 실험 및 수치해석
: Heat and mass balance 수행 - ASU 배출 산소 순도 및 Air infiltration 고려
: NOx 저감 방안 및 spec. 도출 - Low NOx burner and staging
: 연소 시스템 운전 조건 - 과잉산소량, OFO 분배량 결정
- CFD 해석 검증을 위한 실험 수행 (0.4 MW 싱글버너 및 1.5 MW 멀티버너 시스템)
- 순산소 연소 조건에서의 NOx 생성 pathway 도출
3. 기대효과(기술적 및 경제적 효과)
- CO₂ 배출저감의 최우선인 전력산업분야에서 CO₂ Capture Readiness를 확보
- 연소 안정성 증대: 저가의 아역청탄 활용 가능
- 현재 국내 발전 보일러 설비 기술이 나아가야 할 가장 중요한 방향인 이산화탄소 회수 기술 확보, 실증규모 보일러 연소실 설계를 위한 기초자료 확립
- 국가적으로 Oxy-PC 기술 설비 기술을 확보: 보일러 설비의 연간 수출 약 2.4조원 (4GWe/년 수출로 가정), 연간수입대체는 약 1.2조원 (2GWe/년 국내 설비 수입대체) 발생
4. 적용분야
- 화력발전소에서의 CCS (CO2 capture and storage) 적용을 통한 이산화탄소 무배출
- 대용량 산업용 보일러 등에 확대 적용 가능

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 단계보고서 초록 ... 3
• 요약문 ... 4
• CONTENTS ... 23
• 목차 ... 28
• 제 1 장 서 론 ... 33
• 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 33
• 1. 기술적 측면 ... 33
• 2. 산업ㆍ경제적 측면 ... 34
• 3. 정책적 측면 ... 34
• 제 2 절 국내 • 외 관련 기술의 현황 ... 36
• 1. 국외기술현황 ... 36
• 2. 국내기술현황 ... 38
• 3. 특허현황 ... 39
• 제 3 절 기술개발시 예상되는 기술적 • 경제적 파급 효과 ... 43
• 1. 기술적 측면 ... 43
• 2. 산업ㆍ경제적 측면 ... 43
• 3. 정책적 측면 ... 43
• 4. 활용방안 ... 44
• 제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ... 45
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 45
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 45
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 47
• 제 3 장 결과 및 향후 계획 ... 57
• 제 1 절 단계 연구개발 결과 ... 57
• 1. 단계 연구개발 추진 일정 ... 57
• 가. 1차년도 ... 57
• 나. 2차년도 ... 58
• 다. 3차년도 ... 61
• 2. 단계 연구개발 추진 실적 ... 64
• 가. 순산소 연소 시스템 설계시 고려사항 ... 65
• 1) 기존 PC 화력 발전 보일러 연소 시스템 설계 개념 ... 65
• 2) 개념 설계 인자 도출 및 화로/연소 설계 절차 확립 ... 70
• 3) Air-PC 연소 조건과 Oxy-PC 연소 조건의 차이점 ... 75
• 가) 열전달 ... 76
• 나) 가스 배출물 ... 77
• 다) 회분 ... 77
• 라) 점화 및 화염안정성 ... 77
• 마) 챠(Char) 연소율 ... 77
• 4) Oxy-PC 연소 시스템 설계시의 고려 사항 ... 78
• 가) 설계 방향의 결정 ... 78
• 나) 산화제 내 산소 농도의 결정 ... 78
• 다) 재순환된 배가스의 제습량 결정 ... 79
• 라) 운전 온도의 결정 ... 79
• 마) 버너 ... 79
• 5) 순산소 연소시스템의 설계 인자 도출을 위한 열-물질 정산 ... 81
• 가) 전체 산화제중 산소 농도 변화 ... 82
• 나) 1차 가스의 제습량 변화 ... 83
• 다) 로의 열 흡수율에 따른 변화 ... 85
• 라) 공기 누설률 등을 고려한 열-물질 정산 ... 85
• 나. 미분탄 순산소 연소 시스템 구축 및 실험 ... 91
• 1) 저 NOx single burner 개념 및 시스템 구축 ... 91
• 가) O2/CO2 - 미분탄 연소 저 NOx 버너 설계를 위한 개념적 고찰 ... 91
• 나) 저 NOx Single burner test system 설계 및 제작 ... 94
• 2) Multi-burner 시험 연소로 설계 ... 101
• 가) 설계탄 ... 101
• 나) 연소계산 ... 102
• 다) 열물질 정산 ... 104
• 3) Multi-burner 시험 연소로 구축 ... 104
• 가) 석탄공급설비 ... 105
• 나) 화로부 ... 108
• 다) 열교환부 ... 110
• 라) 후처리부 ... 111
• 마) 산소공급설비 ... 114
• 바) 배가스 재순환 설비 ... 114
• 4) 싱글 버너 실험 결과 ... 116
• 가) 기초 실험 결과 ... 116
• 나) 전력연구원 장치를 통한 실험 결과 ... 119
• 다) 버너 형상에 따른 화염 특성 비교 ... 126
• 마) 생산기술연구원 실험 장치에서의 실험 결과 ... 127
• 5) 멀티 버너 실험 결과 ... 137
• 다. 최종설계안 도출을 위한 CFD 해석 ... 141
• 1) Star-CD 를 이용한 순산소 연소 해석 결과 검증 및 Parametric study ... 141
• 가) 서론 ... 141
• 나) 물리적 모델 ... 142
• 다) RWTH Aachen university 0.1 MWth 연소로에 대한 해석 결과 검증 ... 149
• 라) KITECH 0.4MWth 연소로에 대한 Parametric study ... 154
• 마) 결론 ... 166
• 2) CMC와 SLFM을 이용한 순산소 연소 해석 ... 168
• 가) 물리적 모델 ... 168
• 나) SLFM을 이용한 순산소 연소 난류 화염 구조 분석 ... 171
• 다) CMC를 이용한 순산소 연소 난류 제트 화염 모사 ... 184
• 라) 결론 ... 189
• 3) OpenFOAM 을 이용한 순산소 - 미분탄 연소 해석 ... 191
• 가) 서론 ... 191
• 나) 물리적 모델 ... 192
• 다) 해석 방법 및 결과 ... 192
• 라) 결론 ... 197
• 4) FLUENT를 사용한 수치해석 logic 사전 연구 ... 198
• 가) 40 MW 단위 버너 해석 ... 198
• 나) 125 MWth Tangential firing boiler 해석 ... 211
• 5) FLUENT: Coal Reaction Model description ... 224
• 가) 미분탄 연소를 위한 해석모델의 구성 ... 224
• 나) 연소/반응 해석 모델 ... 224
• 다) 기타 해석 모델 ... 232
• 6) FLUENT를 사용한 순산소 연소 해석 결과의 검증 ... 235
• 가) RWTH Aachen 대학의 100KWth pilot furnace 해석 ... 235
• 나) 한국전력연구원 1MWth 버너 해석 ... 244
• 7) 30 MW 단위 버너 해석 ... 257
• 가) 버너의 형상 결정을 위한 해석 ... 257
• 나) 해석 모델 ... 272
• 다) 결과 및 토의 ... 273
• 8) 100 MW 보일러 해석 ... 286
• 가) 선행 연구 ... 286
• 나) 최종 보일러의 형태 ... 289
• 다) 계산 조건 ... 291
• 라) 해석 모델 ... 292
• 마) 결과 및 토의 ... 293
• 9) 결론 ... 299
• 라. 최종 설계안 도출 ... 300
• 1) 개 요 ... 300
• 2) 전체 연소 시스템 및 열 및 물질 정산 ... 300
• 3) 단위 버너 설계안 ... 307
• 가) 설계 기본 개념 ... 307
• 나) 중요 고려 사항 ... 307
• 다) Burner Geometry 결정 ... 309
• 4) In-furnace NOx 제어 방안 ... 314
• 마. 순산소 조건에서의 NOx 생성 연구 ... 319
• 1) 실험적 연구 ... 319
• 가) 실험장치 및 조건 ... 319
• 나) 산화제 내의 N2와 CO2 영향 ... 322
• 다) 연료의 영향 ... 323
• 라) 연료 내의 NH3 영향 ... 324
• 마) O2 + N2 산화제와 암모니아가 첨가된 다양한 연료 ... 325
• 바) O2 + CO2 산화제와 암모니아가 첨가된 다양한 연료 ... 327
• 사) Fuel NOx ... 328
• 2) 수치적 연구 ... 329
• 가) 수치 해석 방법 ... 329
• 나) 결과 및 고찰 ... 330
• 바. 결 론 ... 342
• 3. 각 기관/기업별 추진 내역 ... 345
• 4. 기술 개발의 성과 ... 347
• 제 2 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 349
• 가. 해외 시장현황 및 전망 ... 349
• 나. 국내 시장현황 및 전망 ... 350
• 제 3 절 차기 단계 계획 ... 353
• 제 4 절 기업 재무건전성 현황 ... 355
• 참고문헌 ... 356
• 부 록 ... 361
• 부록 1. Clearwater Coal Conference 발표 논문 2건 ... 362
• 부록 2. Openfoam 으로 작성한 미분탄 순산소 해석 code ... 363