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Kafe 바로가기주관연구기관 | 한국에너지기술연구원 Korea Institute of Energy Research |
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연구책임자 | 이재구 |
보고서유형 | 1단계보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2018-11 |
과제시작연도 | 2018 |
주관부처 | 과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
등록번호 | TRKO201900002026 |
과제고유번호 | 1711079077 |
사업명 | 국가과학기술연구회연구운영비지원(주요사업비) |
DB 구축일자 | 2019-06-08 |
본 연구단에서는 연료다변화 대응 CO2 원천분리 순산소 순환유동층 보일러 기술 및 고효율 발전을 위한 초임계 유체 회로 기술 개발이 최종 목표이며, 연구 개발의 세부 목표는 첫 번째는 평균 발열량 5,000 kcal/kg 이하 연료 다변화 대응 순환 유동층 연소기술 개발, 두 번째는 CO2 원천분리가 가능한 실증규모 초임계 순산소 순환유동층 보일러를 구현, 세 번째는 발전효율 45% 가능 초초임계(USC) 유체 회로 기술 개발에 있다.
- 연료 다변화(평균 발열량 5,00 kcal
본 연구단에서는 연료다변화 대응 CO2 원천분리 순산소 순환유동층 보일러 기술 및 고효율 발전을 위한 초임계 유체 회로 기술 개발이 최종 목표이며, 연구 개발의 세부 목표는 첫 번째는 평균 발열량 5,000 kcal/kg 이하 연료 다변화 대응 순환 유동층 연소기술 개발, 두 번째는 CO2 원천분리가 가능한 실증규모 초임계 순산소 순환유동층 보일러를 구현, 세 번째는 발전효율 45% 가능 초초임계(USC) 유체 회로 기술 개발에 있다.
- 연료 다변화(평균 발열량 5,00 kcal/kg) 대응 보일러 요소 기술 -
일반적으로 비중이 낮고 형상이 불규칙한 연료를 이송시에 발생하는 문제는 크게 silo 하부 bridge 현상, 비중이 낮은 연료의 정체현상, 마찰열에 인한 휘발성분이 높은 연료의 발화 현상이다. 본 과제에서는 평균발열량 5,000 kcal/kg이하의 연료를 사용하기 때문에 이러한 문제점을 해소하고 저등급 연료를 연소하는 system 구축을 위하여 한국에너지기술연구원에서 보유 중인 2 MWe 순환유동층 보일러를 기초로 하여 설비를 개선하였다. 개선된 폐기물 고형 연료 투입을 위한 연료 이송 설비의 도면은 다음과 같다.
다양한 연료군 중에 폐기물의 경우, 불 연소 물질이 다량 함유되어 있다. 이런 불 연
소 물질(자갈, 알루미늄, 기타 비철금속)은 연료와 함께 유동층 보일러로 유입되며,
연소로 하부에서 nozzle 및 nozzle cap등의 장애물 역할을 하고 연소로 하부에 고착
되는 현상이 나타난다. 따라서 안정적인 연속운전을 위해서는 연속적으로 불연소 물
질이 포함된 하부회를 배출해야 한다. 따라서 본 연구에서는 아래 그림과 같이 경사
형 공기분산판을 2MWe CFBC에 설치하였다. 또한, Nozzle이 없는 구조는 불연성 물
질이 주입된 공기에 의하여 bottom ash drain부로 이동하는데 mushroom nozzle,
nozzle cap에 의한 간섭을 사전에 방지하고 불연성 물질이 원활하게 이송되게 하였다.
- 다양한 연료(평균 발열량 5,00 kcal/kg)의 연소 특성 -
저등급 복합 연료의 연소 특성을 확인하기 위하여 유연탄, 우드팰렛, Bio-SRF, 순천 SRF, 수도권 SRF를 전소 및 혼소하였다. 먼저 연료의 물리적 특성 분석 결과를 보면,저등급 복합연료인 Bio-SRF와 SRF(RDF) 연료는 석탄 연료에 비하여 고정탄소의 양은 적고 휘발분이 많은 연료 특성이 있다. 또한 SRF 연료는 휘발분의 주 성분인 hydrocarbon의 함량이 높아 타 연료에 비하여 높은 H함량을 보인다. 하지만 고정탄소의 함량이 낮아 C의 함량이 낮음을 확인 하였다. 연료의 혼소 시 S의 증가는 크지 않았으나 HCl의 함량 증가는 석탄연료에 비하여 크게 증가함을 보였다.
저등급 복합 연료의 혼소 및 전소에 따른 배연 특성을 확인한 결과를 요약하면, 굴뚝에서 배출되는 배기가스를 가스분석한 결과, 이산화탄소는 11.4 ~ 12.65 Vol.%로 산소농도 6.23 ~ 7.66 Vol.% 사이에서 연료에 따른 발생량의 큰 차이를 보이지 않았다.
하지만 SRF 전소시 연소가스 내 CO의 농도가 약 290ppm으로 타연료 조건인 약 70ppm에 비하여 높은 특성을 보였다. 일러 연소효율을 계산한 결과 아래 표와 같이, 98.83 ~ 99.11 %(1단계 목표 달성)의 높은 결과를 보여 보일러 내에서 연료는 높은 효율로 연소 시킬 수 있음을 확인하였다.
또한 모든 case에서 열전달계수를 계산하였다. 일반적으로 화로열전달계수는 Water wall을 의미하며, 열전달 방법은 대류와 복사열로 대부분이 복사열이다. 우드펠렛을 석탄과 혼소하였을 때 열전달계수가 약 105 W/m2K으로 본 연구의 1단계 목표 (110W/m2K)를 달성할 수 있었다.
- CO2 원천분리가 가능한 실증 규모 초임계 순산소 순환유동층 보일러 구현 -
1세부 과제와 협업(0.1MWth Oxy-CFBC)을 통하여 이산화탄소가 원천분리가 가능한 실증 규모 순산소 순환유동층 보일러를 구현하였다. 배가스 재순환 설비와 산소 공급 및 재순환 배가스를 혼합하는 mixing tank 등을 추가하여 2MWe CFBC 설비를 순산소 연소를 위한 공정으로 개조하였다. 순산소 연소 운전을 통하여 배가스 내 이산화탄소 농도를 80.9%(1단계 연구 목표 달성)를 달성할 수 있었다. 2MWe Oxy-CFBC Plant 공기 유입(Air ingress)을 진단하기 위하여 물질 수지와 열 수지를 검토하였다.
그 결과, 보일러와 stack 사이에서 약 370 Nm3/h의 외부 공기가 유입되고 있었으며,가스 주입 부분에서 약 865 Nm3/hr의 외부 공기가 유입되고 있음을 확인하였다. 본 연구의 2단계에서는 air ingress가 확인된 지점에서 leak를 확인할 예정이며, 이를 통하여 본 연구의 최종 목표인 이산화탄소 분리 90%가 가능할 것으로 사료 된다.
- 발전효율 45% 가능 초초임계 유체 회로 기술 개발 -
발전효율 45% 이상을 구현하고자 초임계 발전 기술이 개발되고 있다. 현재 국내 기술 개발이 전무한 상태이기 때문에 원천기술 확보를 위하여 초초임계 발전 기술을 본 연구를 통하여 개발 중에 있다. 초초임계 발전의 설계 데이터로 활용하기 위하여 초초임계 유체 회로를 설계하여 구축하였다. 설계된 유체회로의 구성은 순수를 보관하는 water tank, 순수를 회로에 주입하고 내부 압력을 증가시키고 유지하기 위하여 설치된 고압 펌프, 주입되는 유체의 유량을 확인하는 오리피스 유량계, 생산되는 초초임계 유체의 열을 주입되는 유체에 전달하기 위한 열교환기, 주입되는 유체에 열을 공급하는 test section, 열 교환 후 다시 feed water tank로 주입하기 위하여 온도를 낮추는 cooler로 구성된다. 본 공정의 P&ID는 아래 그림과 같다.
본 설비의 특징은 유체가 아임계에서 초임계, 초임계에서 초초임계로 다시 초초임계에서 아임계로 순환하기 때문에 공정의 압력 관리가 중요하다. 특히 초초임계에서 아임계로 변환하기 위하여 orifice와 C/V로 2차의 감압이 이루어진다.
수차례의 trouble-shooting과 장치 개선을 통하여 아래 그림과 같이 580℃, 305barg(1단계 목표 달성)의 초초임계 상태의 유체를 생산하였다. 또한 초초임계 상태까지의 start-up procedure와 초초임계 유체의 열전달계수를 도출하였다. 본 실험을 통하여 얻은 데이터는 2MWe CFBC의 초임계 발전을 위한 설계 변경 자료로 활용되었다. 본 연구의 2단계에는 실증 규모인 2MWe CFBC 순산소 순환유동층 보일러에 순산소 연소와 초임계발전이 모두 적용된 SC-Oxy-CFBC 기술이 적용될 예정에 있다. 특히, 초임계 발전과 순산소 연소 기술이 결합된 SC-Oxy-CFBC 발전 기술은 선진국에서도 개발되지 않은 기술 기존 기술과 차별화가 되고, 국내 자체 기술을 확보하게 되면 세계적인 기술 경쟁력을 확보 가능할 것으로 판단된다.
(출처 : 요약서 3p)
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