순환유동층 석탄 연소에 따른 SO2 발생특성

선도원* , 배달희*, 손재익*, 이동규**

한국에너지기술연구소*,충북대학교 공업화학과**

SO2 Emission from Circulating Fluidized Bed Coal Combustion

Dowon Shun*, Dal-Hee Bae*, Jae-Ek Son*, Dong-Kyu Lee**

Korea Institute of Energy Research*, Chung-buk University**

서론

순환유동층 보일러는 산업용 utility 석탄 보일러로서 연료의 청정 연소, 저렴한 에너지 비로 뛰어난 성능을 나타내고 있다.  그러나 석탄연료에 대한 규제, 특히 강화된 SO2 배출기준으로 보급확대에 장애가 되고 있어 이에 대한 연구가 절실하다.  장차 석탄 수입원의 다변화와 경제성 유지를 위해 다소 고유황탄을 도입할 필요가 있다.  본 연구는 순환유동층 보일러의 연소에 따른 SO2 발생 특성을 해석하기 위하여 소형 순환유동층 보일러에서 석탄 연소시험을 수행하고 배연 특성을 모니터 하였다.

실험장치

연소로의 재질은 quarts를 사용하여 일체의 금속에 의한 부가 반응 요인을 배제하였다.  연소로의 내경은 2.5cm 높이는 2m 이며 사이클론 하부의 return leg는 내경 2cm로 하였다[그림 1]. 연소로로 재주입되는 수평관은 내경 1cm이다.  석탄은 연소공기와 함께 연소로 하부로부터 entrainment 방식에 의해 주입한다.  석탄의 연소열이 미미하여 연소를 위한 온도는 전열기로 제어하였다.  연료는 입경범위 0.3-0.7mm 사이의 석탄을 사용하였다.  연소시험에서는 장치를 설정된 온도까지 전열기로 예열한후 유동화 공기 주입구를 통해 석탄을 일정유량으로 유입하면서 운전변수에 따른 특성을 관찰하였다.  일정량의 층높이를 유지하기 위하여 연소로내 층압이 일정 수준에 미달할 때에는 재순환부 down comer를 통하여 모래를 첨가하였다. 사이클론과 L-valve는 노출되어있어 육안으로 입자의 유동과 연소상태가 관찰이 가능하며 회재의 흐름특성도 관찰할 수 있다.

결과 및 고찰

<표 1>에는 연소시험에 사용된 석탄의 성분분석을 나타내었다.  Blair Athol은 호주산 유연탄이며, Shenhwa는 중국산 유연탄으로 산업용 보일러 연료로 널리 쓰이는 탄종이다.  Herbei는 중국산 고유황 유연탄으로 국내에서 실제 사용된 바 없으나 고유황 석탄연구를 위해 특별히 입수한 연료이다.  Pet. coke는 국내 1개 정유회사에서 생산되는 petroleum coke를 나타내며 현재 보일러 연료로 사용되고 있다.

<표  > 시료의 성분분석

Coal type	Blair Athol	Herbei	Shenhwa	Pet. coke
Proximate analysis [%]
Moisture	9.98	0.87	4.84	0.69
Volatiles	25.88	20.7	22.63	9.73
Ash	8.89	33.29	5.46	0.79
Fixed Carbon	55.25	45.13	57.07	88.79
Ash analysis [%]
CaO	2.82	4.95	25.45	53.14
MgO	1.07	0.38	1.35	0.94
Ultimate analysis [%]
C	67.46	57.19	73.16	89.38
H	5.03	3.48	4.11	3.65
N	1.66	0.98	0.73	1.21
Total S	0.17	3.91	0.49	6.09

[그림 1] 순환유동층 연소시험장치의 구조도

(1, 연료 및 공기, 2 온도, 압력 sensors, 3 연소로, 4 사이클론,

5 Sand feeder, 6 Dowon comer, 7 Aeration air, 8 L-valve)

[그림 2]에 Blair Athol 석탄의 연소에 따른 SO2 발생특성을 나타내었다.  SO2 농도는 과잉공기의 증가에 따라 감소하는 경향을 나타낸다.

[그림 2] Blair Athol 석탄연소와 SO2 발생

[그림 3]에 비슷한 발열량을 나타내는 중국산 Shenhwa탄의 연소에 따른 SO2 발생특성을 나타내었다. 산소량의 증가에 따라 SO2 발생은 감소하였다.  온도의 증가에 따라 석탄중 황성분의 SO2로의  전환반응의 증가로 발생량이 느는 것을 나타내고 있다.

[그림 3] Shenhwa탄 연소와 SO2 발생

[그림 4]에는 고유황 유연탄인 Herbei탄의 연소에 따른 SO2 발생을 나타낸다.  813℃에서는 산소농도 변화에 따른 경향이 거의 나타나지 않았으나 835, 877℃ 연소에서는 과잉공기 증가에 따라 SO2가 감소하는 경향을 나타낸다.  과잉공기가 10% 이상으로 증가할 때에는 다시 SO2의 농도가 증가하고 있다.

[그림 4] Herbei탄 연소와 SO2 발생

[그림 5]은 petroleum coke의 연소에 따른 SO2 발생을 나타내고 있다.  실험 구간에서 온도의 변화에 따른 SO2 농도 변화는 나타나지 않으나 산소 농도가 증가한 경우 SO2 발생이 줄어든 현상이 나타난다.

[그림 5] Petroleum coke 연소에 따른 SO2 발생

참고문헌

1. 선도원 등: □열병합 발전을 위한 순환유동층 석탄연소기술개발,□ 한국에너지기술연구소 보고서, 통상산업부 (1998).

2. Hannes, J.P., "Mathematical Modeling of Circulating Fluidized Bed Combustion," Ph. D dissertations, RWTH Aachen, Deutschland (1996).