사이클론 성능변화에 따른 동해화력 순환유동층 연소로의 성능모사

이종민, 김재성, 김종진

한전 전력연구원 발전연구실 연소신발전그룹

Simulation of the Tonghae CFB combustor with cyclone modification

Jong-Min Lee↕, Jae-Sung Kim and Jong-Jin Kim

Advanced Power Generation & Combustion Group, PGL, KEPRI, KEPCO

서  론

한국전력에서는 국내 무연탄을 이용한 전력생산을 위해 1993년 초에 순환 유동층 연소로의 설계 및 건설 프로젝트를 시작하였다. 국내 무연탄을 대상으로 한 순환 유동층은 200MWe 2기로써 동해시에 설치되며, 설계는 ABB-CE에서, 그리고 주계약 및 공급은 한국중공업에서 담당하여 이루어지고 있다. 순환유동층 연소로 1기는 1995년말에 스팀 generator의 건설이, 그리고 초기 점화 및 스팀 발생은 1997년 말에 이루어졌으며, 1998년 3월부터 기동 운전을 통해 1998년 10월에는 상업운전이 이루어 졌다. 2기 또한 현재 건설중에 있으며, 1999년 10월초에 준공이 이루어질 예정이다.

동해화력 순환유동층 연소로는 무연탄종을 대상으로 한 규모면에서 국내외적으로 가장 크고 처음 시도되는 것으로 그 관심도는 매우 크다 하겠다. 이러한 순환 유동층 연소로의 성능 및 연소 특성, 배가스 특성 등은 현재 기동운전 data 이외에는 크게 알려진 것이 없으며 또한 앞으로의 정상운전 중에도 여러 운전 조건 변화에 따른 상기 특성들의 알려진 바가 거의 없기 때문에 이에 대한 예측 및 평가가 필요하다 하겠다.

순환유동층 연소로에 대한 모델링은 기존에 널리 알려진 기포 유동층 모델을 근간으로 1990년 초부터 활발히 진행되어 왔으며, 특히 IEA (International Energy Agency) 산하 유동층 부문위원회의 모델링 그룹에서 1990년대 초부터 국제간 프로젝트로 기존의 기포 유동층 모델의 개선을 통해 순환유동층 모델 코드를 개발하였으며 이의 실제 산업용 순환 유동층 연소로의 적용을 통해 그 이용 가능성을 확인하였다[1].

이에 본 연구에서는 IEA-CFBC 모델을 이용해 동해화력 순환유동층 연소로의 운전 조건을 모사할 수 있는 시뮬레이션 틀을 개발하고 이의 적용을 통한 운전 성능 예측을 수행하고자 한다. 이러한 운전 성능 예측의 한 예로 사이클론 개조를 통한 순환량의 증대 및 로내의 온도 안정성 그리고 탈황 효율 증대를 도모하고자 하는 동해화력 순환유동층의 경우에 대한 성능 예측 해석을 수행하여 그 영향을 고찰하고자 한다.

IEA-CFBC 모델 구성

IEA-CFBC 모델은 크게 다음의 주요 구성요소로 이루어져 있다.

1) Fluidization pattern of solid Flow: 크게 riser 하단부에서는 dense 영역을, 그리고 상단 freeboard 구역에서는 transport 영역을, 그리고 상하단부 경계영역에서는 전이영역을 고려하였다. Dense 영역에서는 emulsion과 bubble 영역을, 그리고 lean상에서는 core와 annulus 구역으로 나누어 본 모델에 적용하였다.

2) Development of particle size distribution: 순환유동층내로 주입되는 입자군은 크게 석탄, 석회석 및 층물질(모래)로 구분질 수 있으며, 본 모델링에서는 이 입자들의 주입시 열충격에 의해 깨지는 fragmentation 및 기계적 마모, 화학반응에 의한 입자 축소 등을 고려하였다.

3) Gas flow: 분산판을 통해 주입된 공기는 core, annulus 및 bubble 그리고 emulsion 상으로 나뉘어 흐름을 구성하며 각 흐름은 각 상에서의 기체 교환 속도에 의해 결정된다.

4) Coal conversion: 석탄 입자의 연소로내의 투입이 이루어지면, 입자의 가열 및 건조, 그리고 탈휘발 및 촤의 생성 그리고 생성촤의 연소 반응으로 이루어진다. 이러한 일련의 반응에서 기체 확산 및 반응 평형 그리고 반응열 생성 등은 촤의 연소속도 및 입자 온도를 결정한다.

5) Homogeneous and heterogeneous gas reactions: 기상반응은 CO, CO2, H2O, NO, N2O, SO2, O2 등에 대해 그 반응 영향을 고려하였으며, 횡방향 기상혼합이 각 상에서 완전하다고 가정하여 계산하였다.

6) Heat transfer: 순환유동층에서의 열전달 특성은 입자의 convection 및 radiation에 의해 wall membrane으로 전달되는 열이 주 열교환이 되며, 이 밖에도 외부 열교환기 및 ash cooler 등에서 전달되는 열이 존재할 수 있다.

이상과 같이 IEA-CFBC 모델은 순환유동층에서 고려되어야 할 부분을 거의 대부분 갖추어 놓은 모델 코드로써 그 유용함이 매우 크다 하겠다[1-3].

동해화력 순환유동층 연소로의 설계 및 운전자료

본 연구에서는 상기 IEA-CFBC 모델코드를 사용하여 동해화력 순환 유동층 연소로의 성능 및 연소 특성을 고찰하고자 한다. 동해화력 순환 유동층 연소로는 크게 석탄 및 석회석 투입장치 및 Silo, 공기주입부, 주연소로부(연소로, 사이클론, Loopseal, FBHE 및 FBAC) 그리고 Backpass로 구성되어 있다. 연소로는 rectangular (32×19×7m) 구조로 분산판위로부터 7m 지점에서 하단부로 15o의 tapered 된 형태를 취한다. 분산판은 각 열당 62개의 T-type four jet 노즐이 12열에 각각 교차되어 있는 형태를 이룬다. 순환 입자를 포집하여 재순환 시키는 사이클론(7.6m I.D. ×15.7m Height)은 3개가 설치되어 있으며, 각 사이클론당  각각의 loopseal과  FBHE를 구성하게 된다. Loopseal에는 ash control valve가 설치되어 있어 FBHE로 split 되는 양을 조절하게 된다. 연소로 하단부에는 층물질을 FBAC로 배출시키는 밸브가 설치되어 그 양을 조절하게 되어 있으며, 이를 이용해 전체 로내의 압력을 조절하게 된다.

동해화력 순환유동층 보일러에 사용되는 석탄은 국내 무연탄으로 ash가 39%,

Table 1. Operation data for the Tonghae CFBC

#	높이 [m]	너비 [m]	길이 [m]	Addition Air [m3/s]						Tap. 1=y,0=n	Wall ratio
				BMCR	MGR	100%NR	75%NR	50%NR	30%NR
1	0.0	19.05	3.35	87.22	87.22	87.22	76.3	65.58	68.34	1	1
2	0.43	19.05	3.58	14.60	14.01	10.26	4.4	4.4	4.4	1	1
3	1.37	19.05	4.09	0.93	0.93	0.93	0.93	0.93	0.93	1	1
4	1.70	19.05	4.26	9.14	9.14	9.14	9.14	9.14	7.34	1	1
5	2.44	19.05	4.66	22.19	21.75	18.94	14.54	14.54	14.54	1	1
6	4.48	19.05	5.75	32.86	31.52	23.09	9.9	9.9	9.9	1	1
7	31.90	19.05	7.09	0	0	0	0	0	0	0	1
8	Coal [kg/s]			30.1	29.7	27.3	20.7	14.5	7.9
9	Lime [kg/s]			0.92	0.91	0.83	0.63	0.44	0.38

#1: Primary Air,  #2: Secondary Air(4개),  #3: Feeder(Coal and Lime) Transport Air,  #4: Loopseal+FBHE Returned Air,  #5: Secondary Air(3개), #6: Secondary Air(9개),  #7 Top of Combustor, #8, #9, Coal, Lime Feed Rate, # Wall Ratio: [Membrane wall area]/[wall area], # Tap.: Tapered 형태, yes=1, no=0

고정탄소가 53.7%, 수분이 3.3% 그리고 휘발분이 4% 함유되어 있으며, 건조탄 기준으로 S 및 N의 함유량이 각각 0.6 및 0.2 % 함유되어 있는 비교적 연소 반응성이 나쁜 석탄이라 할 수 있다. 연소로내의 탈황반응을 위해 주입되는 석회석은 국내 제조된 것으로 CaCO3 함유량이 90%, 그리고 MgCO3 가 4.2% 정도 함유되어 있으며, 1mm 이하 입도가 100%, 0.7mm 이하가 95%, 그리고 0.5mm 이하가 90% 되는 비교적 작은 입도 분포를 갖는 석회석이 사용된다. 본 시뮬레이션에서 100%NR 기준으로 사이클론의 성능변화에 따른 순환유동층 성능모사를 하였으며, 각 부하별 운전조건을 Table 1에 나타내었다.

결과 및 고찰

Fig. 1 a)와 b)는 사이클론의 성능변화에 따른 동해화력 순환유동층내의 축방향 solid hold-up 및 압력분포를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 사이클론 효율의 증가(99.99∼98.67)에 따라 dense 층의 solid hold up이 점차 감소(0.187∼0.059)하며 반면에 freeboard(lean phase)에서는 점차 증가(0.005∼0.014)하는 경향을 보이고 있다. 또한 dense 층의 층높이가 사이클론 효율이 증가함에 따라 점차 높아지고 있음을 알 수 있다. 이를 통해 사이클론 효율이 증가함에 따라 순환 유동층 연소로내의 고체농도 분포 및 순환양이 큰 영향을 받음을 알 수 있다.또한 사이클론 효율상승시 dense층에서의 압력차는 점차 감소하며 반면에 lean phase에서의 압력차는 점차 증가하는 경향을 나타내고 있어 순환양의 증대를 예상할 수 있으며, 사이클론 효율에 따른 각 압력측정치에서의 압력차를 예상할 수 있다.

Fig. . Effect of cyclone efficiency on          solid fraction and pressure.

Fig. 2는 로의 높이에 따른 annulus 및 core에서의 온도분포를 나타내고 있다. Dense층에서의 온도분포는 annulus 및 core의 온도분포가 약 900℃에서 비교적 균일함을 볼 수 있으며 실제 온도 측정치(symbol)와도 비교적 잘 맞음을 볼 수 있다. 그러나 lean phase에서의 annulus 및 core의 온도분포는 사이클론 효율에 따라 크게 다름을 볼 수 있으며, 사이클론 효율이 증가함에 따라 점차 온도가 낮아짐을 볼 수 있다. 이는 재순환되는 고체량이 증가하면서 로내의 온도를 낮추는 역할을 하기 때문에 사이클론 개조를 통해 포집 효율을 높일 경우, 비교적 높은 온도의 운전조건을 안정하게 낮추는 효과를 기대할 수 있다.

사이클론 효율에 따른 순환 유동층 각 부위에서의 입도분포는 사이클론 효율이 증가함에 따라 포집, 재순환되는 입도가 전반적으로 작아져 모든 부분에서 입도분포가 점차 작아짐을 알 수 있었으며, 배출되는 ash의 형태는 bottom ash가 약 410∼420ton/day, 그리고 fly ash가 약 560∼590 ton/day로 예상되어 fly ash의 배출량이 조금 더 높은 것으로 예측되었다. 사이클론 효율이 증가함에 따라 재순환량은 점차 증가하는 것을 볼 수 있으며, 또한 bottom ash의 양과 fly ash의 배출량 형태가 서로 뒤바뀌는 것을 고찰할 수 있다. 이는 전체 연소로의 운전을 일정한 전체 압력차로 운전하기 때문에 순환량이 증가할수록 bottom ash형태로 배출되는 ash량이 증가하기 때문이다. 현 동해화력의 ash 배출량은 fly ash와 bottom ash의 비가 약 6∼5 : 4∼5로 고찰되고 있으며, 그 양도 fly ash가 약 550-600ton/day로 측정되고 있어 시뮬레이션 예측치가 비교적 잘 맞음을 알 수 있다. 사이클론 효율변화에 따른 연소로 출구에서의 배가스 특성 및 연소 효율은 효율이 증가함에 따라 CO 및 O2 그리고 NOx가 증가하는 경향을, 그리고 CO2 및 SO2 그리고 연소 효율이 감소하는 것으로 나타났다. CO의 증가는 사이클론 포집효율의 증가로 미분탄의 재순환양의 증가가 그 요인이며, 이는 Ahlstorm사의 미국 Pensyvania에 있는 순환유동층 보일러의 미분탄 영향 실험에 있어서도 그 결과가 보고되고 있다[4].  SO2의 감소는 비교적 입도가 작은 미반응 석회석이 사이클론 포집 효율의 증가로 재순환되는 양이 증가하면서 탈황효율이 증가하는 것으로 이해될 수 있으며, 반면에 NOx의 배출량이 미세하나마 증가하는 경향을 보여주고 있다. 이는 연소로 안의 석회석의 증가가 일정양의 NOx의 증가를 가져오는 결과로 이해될 수 있다.

Fig. . Effect of cyclone efficiency on               temperature profile in combustor.

결론

IEA-CFBC 모델을 이용하여 동해화력 순환유동층의 사이클론 성능 변화에 따른 영향을 고찰하였다. 사이클론 효율이 증가함에 따라 solid hold-up 및 로내 압력차가 dense층의 경우 점차 감소하며 반면에 freeboard의 solid hold-up 및 로내 압력차가 증가하는 것으로 나타났다. 또한 로내 온도분포는 사이클론 효율의 증가에 따라 재순환량의 증가로 상부 freeboard의 온도가 점차 낮아져 안정화되는 것으로 나타났으며 입도분포 또한 점차 작은 입도분포로 변이되는 것으로 예측되었다. 온도 안정화 및 고체 재순환의 증가로 탈황 효율도 증가하나, 반면에 사이클론 효율이 매우 높을 경우에는 CO 배출량이 늘고, 연소 효율이 낮아지는 현상이 예측되었다.

참고문헌

1. Hannes, J. P.: Ph. D. thesis, Delft University, The Netherlands(1996)

2. Wen, C. Y. and Chen, L. H.: AIChE Journal, 28, 117(1982)

3. Wirth, K. E.: Chemical Engineering Science, 50, 2137(1995)

4. Cheliand, P. K. and Gamble, R.: Fluidized Bed Combustion, 1, 535(1995)