석탄-물 혼합연료(CWM)의 분무 특성 (Ⅰ)

노 남 선, 김 광 호, 김 동 찬

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부

Atomization Characteristics of Coal-Water Mixture Fuel (Ⅰ)

Nam-Sun Roh, Kwang-Ho Kim and Dong-Chan Kim

Energy and Environment Research Department, Korea Institute of Energy Research, Taejon, 305-343, Korea

서론

수분을 최소한 30 wt.% 이상 함유하고 있는 고점도 유체인 CWM의 연소효율, 즉 탄소전환율(carbon conversion efficiency)은 연료의 성상, 분무기(atomizer) 및 버너의 성능, 운전 조건, 보일러의 용량 및 구조 등에 따라 많은 차이가 발생하나 보통 92 - 98 %이다. 또한 보일러의 열효율은 연료 중의 수분에 의한 손실열과 미연탄소분(unburned carbon) 때문에 중유에 비해 약 10 % 감소하며, 부하 조절비(turndown ratio)도 최대 4 : 1 정도로 중유에 비해 상당히 낮다.

그러므로 화염의 안정성과 부하 조절비를 높이고 미연탄소분의 발생을 감소시켜서 석유연료와의 성능 차이를 줄이는 것이 CWM연료의 상용화를 위하여 매우 중요한 사항이다. 특히 CWM의 경우는 여러 개의 석탄 입자들과 물이 합체되어 단일 석탄 입자보다 직경이 훨씬 큰 액적(droplet)들이 연소과정을 거치게 되므로 액적의 크기와 직접 관련된 분무기의 무화성능(atomization quality)은 CWM연료의 연소효율을 높이고 안정된 화염을 유지하는 데 결정적인 역할을 하는 것으로 확인되었다[1,2].

따라서 본 연구에서는 CWM연료의 연소에 가장 핵심적인 요소이면서도 상대적으로 연구가 미진한 분무관계 분야에 대하여 분무특성을 이해하고 무화성능을 높일 수 있는 연료의 성상, 분무기의 구조 및 운전조건 등을 제시할 목적으로 최대 분무유량이 150 l/hr인 내부혼합식 분무기(internal-mixing type atomizer)를 이용하여 CWM연료의 분무실험을 수행하였다.

실험

CWM 제조   CWM연료는 최대 제조용량이 50 kg/hr인 ball mill에서 습식방법으로 제조되며, 유동화제(fluidizing agent)로서 Sodium Naphthalene Sulfonate의 일종인 CWM1002와 전해질로서 NaOH를 각각 0.4 wt.%, 0.1 wt.%의 비율로 첨가하였다.

분무실험 장치    분무 액적의 입도분포는 Fraunhofer diffraction 원리를 응용한 Malvern Co.의 액적크기 분석기를 이용하여 측정했다. transform lens로는 cut-off distance가 780 mm이고 레이저빔의 직경이 18 mm인 600mm 렌즈(액적크기의 측정가능 범위 : 11.6 □m - 1128 □m)를 채택하여 측정에 사용하였다.

분무실(spray chamber)은 최대 0.5 m3/hr의 분무량을 처리할 수 있는 2 × 2 × 4.2 m 규모이며 강판으로 제작되었다. 분무실 좌우로는 송신기와 수신기를 설치하고 분무기를 3차원적으로 이동시킬 수 있는 이송장치를 제작하여 분무되는 임의의 위치에서 입도분포 측정이 가능하도록 구성하였다.

분무 액적의 측정위치는 분무기 끝에서부터 guide tube를 통과하는 레이저 빔의 중심까지의 축거리를 Z 방향으로 가정하였다. 또한 분무기 중심이 guide tube 사이의 측정간격의 중앙에 위치하고 분무기와 레이저 빔이 동일한 수평선상에 있을 때에 원추형의 액적군을 축방향(Z 방향)과 직각으로 절단하여 생기는 원을 중심으로 X 방향과 Y 방향을 정하였다.

결과 및 토론

분무기에서의 흐름 특성   직경이 3.60 mm인 노즐에서 석탄 농도가 60.0 wt.%인 CWM연료를 분사시켰을 경우에 대하여 공기의 질량속도를 분사압력에 따라 표시해보면 공기-물을 분사시킨 경우와 마찬가지로 모든 유량 범위에서 약 2.0 kgf/cm2 이상의 압력을 유지하면 PM과 GA 사이에는 직선적인 비례관게가 성립하고 있다. 이러한 결과를 물을 분사시킨 경우와 비교해 보면 액체의 공급량이 같은 조건에서 CWM을 분사시킬 때가 압력손실, P'의 값이 물에 비해 훨씬 적을 뿐만 아니라 CWM연료의 경우는 혼합실에서의 분사 압력이 1.0 kgf/cm2에 접근할수록 공기의 질량속도가 분사압력과의 직선적 관계를 벗어나 임계흐름 조건 이하에서 공기만을 분사시킬 때와 유사한 관계를 나타내고 있음을 살펴볼 수 있다.

본 실험에 사용된 내부혼합식 분무기의 노즐을 통한 공기-물의 흐름 형태를 환상-분산류 라고 가정한 것에 대한 타당성을 살펴보기 위하여 수평관에서의 흐름형태에 대해 제안된 여러가지 flow map 중에서 대표적으로 Bell 등[3]이 제안한 modified Baker's diagram을 적용하여 흐름형태를 검토해 보았다. Bell 등이 제시한 flow map에 사용되는 무차원 계수는 다음과 같다.

[eqn: rm lambda```=```left[left(rho_G over rho_A right)`` left(rho_L over rho_W right)`````` right]^{1/2}]                      ( 1 )

[eqn: rm psi```=```left(sigma_W over sigma_L right)~~ left[left(mu_L over mu_W right)`` {left(rho_W over rho_L right)}^2`````` right]^{1/3}]             ( 2 )

Fig. 1은 CWM연료에 대한 분무측정 자료를 modified Baker's diagram에 나타낸 것으로서 내부혼합식 분무기의 노즐을 통한 공기와 물의 2상류에 대한 흐름 형태가 분산류(dispersed flow) 또는 분산-환상류(annular-dispersed flow)의 영역에 포함됨을 보여주고 있다.

분무액적의 입도분포   Fig. 2는 첨가제와 NaOH를 각각 0.4, 0.1 wt.%의 비율로 혼합하여 제조된 석탄 농도 60.0 wt.%의 CWM연료를 직경이 3.60 mm인 노즐을 통해 분사시켰을 때 액체의 공급량을 매개변수로 하여 공기/연료비에 따른 액적의 SMD를 표시한 것이다.

SMD는 40 - 140 □m 정도로 물 액적의 크기와 비슷하게 측정되었고, 물을 분사시킨 경우와는 달리 CWM의 유량변화에 관계없이 공기/연료비에 대한 액적 크기의 변화값이 모두 동일한 곡선 상에 놓여 있음을 그림에서 볼 수 있다. 또한 공기/연료의 무게비가 커짐에따라 액적의 평균직경은 급격히 감소하다가 0.3 이상의 공기/연료비에서는 CWM의 공급유량에 관계없이 40 □m 정도의 SMD를 유지하였다.

또한 aperture의 직경이 100 □m이고 측정범위가 1.3 - 50.8 □m인 Coulter Counter와 wet sieving 방법을 이용하여 측정된 CWM 중에 포함된 석탄 입자의 입도분포와  CWM 액적의 입도분포를 같은 그래프에 나타낸 결과 공기/연료비가 서로 다른 모든 분무 조건에서 CWM연료의 액적 직경이 슬러리 중에 포함된 석탄 입자들의 직경보다 20 □m 이상 큰 것을 알 수 있었다. 이는 곧 CWM 액적들이 모두 한 개의 석탄 입자나 순수한 물 입자로만 구성된 것이 아니라 여러 개의 석탄 입자들과 물 또는 한개의 입자와 물이 합체하여 형성되었다는 사실을 의미하는 것으로 해석될 수 있다[4,5].

Fig. 3은 CWM을 분무시킬 때 SMD와 1 + (ML/MA)의 관계를 대수그래프에 나타낸 것으로 물을 분사시킨 경우와는 상이하게 CWM의 유량에 관계없이 모든 측정값을 기울기가 0.48인 직선으로 표시할 수 있음을 나타낸다. 이와 같이 CWM연료가 내부혼합식 분무기에서 분사될 때 1 + (ML/MA) 항이 액적의 평균크기를 결정하는데 중요한 인자라는 사실은 몇몇 연구자들[6,7]에 의해서 제시된 바 있으며, 본 실험에서 계산된 기울기는 Pohl 등[8]이 제시한 0.50에 근접한 수치임이 확인되었다.

Fig. 1.  Modified Baker's diagram for the air-water flow in nozzle.

Fig. . SMD of CWM droplet with the    A/F ratio at various liquid flow    rates.

Fig. 3.  SMD of CWM droplet versus 1 + (ML/MA)

참고 문헌

김동찬 외: □CWM의 연소효율 증대를 위한 버너 및 분무기술 개발 연구 (IV)", 한국에너지기술연구소 연구보고서, KRC-90G-T20(1991).

노남선 외: 한국에너지공학회지, 3(2), 130(1994).

Bell, K. J., Taborek, J. and Fenoglio, F.: Chem. Engng. Symposium Series, 66(102), 150(1970).

Yu, T. U. and Beer, J. M.: Proc. of the 14th Int. Conf. on Coal & Slurry Technology, Clearwater, Fla., April, 191(1989).

Sato, K., Shoji, K., Okiura, K., Akiyama, I. and Baba, A.: Powder Technology, 54, 127(1988).

Cronin, L., Sojka, P. E. and Lefebvre, A. H.: Proc. of the Int. Fuels and Lubricants Meeting and Exposition, Tulsa, Okla., October(1985).

Thambimuthu, K. V., Whaley, H. and Lee, G. K.: Proc. of the Int. Symp. on Multi-phase Flows, Hangzhou, China, August(1987).

Pohl, J. H., Sepulveda, J. and Rothfeld, L. B.: Proc. of the 7th Int. Symp. on Coal Slurry Fuels Preparation and Utilization, New Orleans, La., May, 357(1885).