가압유동층연소로에서 석탄의 배가스특성

한근희, 양승목, 조성호, 선도원, 류정인*, 진경태

한국에너지기술연구소, 충남대학교*

Flue Gas Characteristics of Coal at PFBC

K. H. Han, S. M. Yang, S. H. Jho, D. W. Shun, J. I. Ryu*, and G. T. Jin

Energy & Environment Research Depart. Korea Institute of Energy Research

71-2, Jang-Dong, Yusung-Ku, Taejon, 305-343, Korea

Department of Machanical Engineering, Chungnam National University*

서 론

에너지 소비의 증가는 경제성장과 밀접한 관계가 있다. 소득이 증대됨에 따라 편리한 에너지 자원으로의 전환과 생활방식의 전환이 이루어져 에너지의 사용량은 증대할 수밖에 없으며, 우리 나라도 에너지의 사용량이 2006년도에 가서는 현재의 두배로 증가될 전망이다. 경제적이고 안정적으로 에너지를 공급하기 위하여는 세계적으로 널리 분포된 석탄의 사용비중을 높여야 한다. 그러나 석탄을 사용할 때 발생되는 공해물질의 배출량이 타 연료에 비하여 높기 때문에 세계적으로 강화되는 환경 규제치를 만족하기 위하여는 현재 개발 보급되고 있는 청정석탄기술을 사용하여 해결하여야 한다.

기존의 미분탄 보일러에 적용하는 설비를 개선하거나, 조업조건이나 연소방법을 변형하는 방법이나 배가스를 처리하는 방법은 같은 공해물질양을 배출할 경우에 효율면에서 석탄 신발전방식인 석탄가스화복합발전과 가압유동층 석탄연소 복합발전방식에 비하여 낮으며, 경제성 부문에도 장점이 적어 기술이 정립되면 점차적으로 시장이 석탄신발전방식으로 변화할 전망이다.

가압유동층복합발전(Pressurized Fluidized Bed Combustion Combined Cycle 또는 PFBC-CC)은 고효율 및 공해물질 배출이 적은 석탄이용 차세대 발전기술이다. 석탄을 연소하면서 연소열에 의해 생성된 증기로 증기터빈을 구동하고, 고온 고압의 연소가스로 가스터빈을 구동하여 복합 발전함으로서 효율을 42-45%까지 얻을 수 있다. 연소기내의 압력을 높여 연소함으로 반응속도가 증가하고, 가압된 만큼 압력용기내의 산소분율이 높기 때문에 적은 용적내에서 많은 양의 연료를 연소할 수 있고, 유동층연소중 탈황과 낮은 질소 산화물 배출특성으로 환경친화적이며, 경제적으로 우수한 청정석탄이용기술이다.  현재 가압기포유동층, 가압순환유동층, 제2세대 가압유동층으로 실증단계로 개발되고 있다[1,2].

실험장치 및 방법

[그림 1]은 가압유동층 연소실험장치의 공정개략도를 나타낸다. 실험장치는 연료 및 공기의 공급부문과 연소로부문 그리고 배가스처리부문으로 나뉜다. 연료인 석탄과 석회석의 공급은 screw feeder에 의하여 정량화 되어 연소로의 하부(공기분배기로부터 높이 0.15m)에 공급된다. 공기는 공기압축기에서 생성된 압축공기를 연소로에 공급한다. 연소로는 층(bed)과 freeboard로 나뉜다. 층(bed)은 tapered bed로 2m이고, freeboard는 3m로 되어 총 연소로 높이는 5m이다. 연소로에는 압력과 온도를 측정하는 여러개의 압력측정구와 온도측정구 그리고 연소온도를 제어하기 위하여 수평이중전열관이 층(bed)부분과  freeboard 부분에 설치되어 있다. 배가스처리부문은 비산입자를 포집하기 위한 2개의 사이클론이 하나의 압력용기내에 들어 있고,  전체적인 연소시스템의 압력을 조절하기 위한 압력조절밸브, 가스터빈을 대신하여 배가스의 압력을 강하하기 위한 소음기(silencer)와 배가스중의 분진을 제거하기 위한 bag filter로 구성되어 있다. 연소중 공해물질의 배출특성을 측정하기 위한 연소가스채취구는 연소로의 압력이 대기압으로 강하된 소음기의 후단에서 채취한다.  연소로의 공기상자 전단에 설치된 예열버너에 LPG를 공급하고 LPG를 연소할 수 있는 적당량의 공기를 함께 주 입하여 점화하게 되면 연소로의 예열은 시작된다. 연소로 층(bed)의 온도가 유연탄을 연소할 수 있는 온도에 이르면 석탄을 주입한다. 주입된 석탄의 연소열로 인하여 연소로내 층온도를 유지할 수 있으면 LPG의 공급을 중단하고 예열버너쪽으로 공급된 공기를 차단하고 유동화 공기만을 주입한다. 연소로의 온도가 안정되면 정해진 공기량과 석탄을 공급하고 연소로에 가압을 시작하고 층물질의 공급을 계속하여 정해진 실험조건의 층높이 까지 층물질을 충전한다. 정해진 압력과 층높이를 상승시킨 후 정상실험조건에 모든 조건을 접근하여 실험을 수행한다. 본 실험에 사용된 석탄은 중국의 선화탄(유연탄)으로 <표 1>은 석탄의 물성특성을, <표 2>는 실험조건을 나타낸다.

[그림 1] 가압유동층 연소장치의 공정도

<표  > Properties of coal

Proximate Analysis(%)	Moisture	4.84
	Volatile Meter	32.63
	Ash	5.46
	Fixed Carbon	57.07
Elemental Analysis(%)	Carbon	73.16
	Hydrogen	4.55
	Nitrogen	1.60
	Sulfur	0.29
	Oxygen	10.1
Mean Particle Diameter(mm)		0.35
Calorific Heating Value(kcal/kg)		7015

<표 > Experimental Conditions

Experimental Item	Conditions
Superficial Velocity(m/s)	0.9, 1.1, 1.3
Bed Temperature(℃)	850, 900, 950
Excess Ratio(%)	5 - 35
<표1>의 분석기 명 *MAC-400 Proximate Analyzer(LECO) *CHN-1000 Elemental Analyzer *SC-432DR Sulfur Analyzer *AC-300 Calorific Analyzer(LECO) ** Dry bassis

결과 및 고찰

[그림 2]는 과잉공기율을 5%에서 35%까지 변화하면서 CO의 배출농도를 고찰한 것이다. CO의 농도는 과잉공기율 12%이하와 연소온도 900℃이하에서는 규제치 이상으로 배출됨을 보이고 있다. 그러나 과잉공기율 12%에서 100ppm정도로 배출되고, 과잉공기율이 증가함에 따라 점차적으로 10ppm까지 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 과잉공기가 증가함에 따라 불완전 연소되는 탄소분의 양이 감소할 뿐 아니라 일산화탄소도 완전연소되기 때문이다. 실제 상용으로 사용되는 연소로에서는 과잉공기율 35%부근에서 연소하게 된다.

[그림 3]은 연소로 층온도 850-960℃의 변화에 따른 CO 배출농도를 나타냈다. 과잉공기율 15%이상의 연소조건에서는 층온도의 변화에 관계없이 100ppm이하로 유지되고 있음을 볼 수 있다. 그러나 과잉공기율 10%미만의 연소조건에서는 온도가 증가함에 따라 점차적으로 감소하여 층온도의 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내지만 실제 그 값은 규제치보다 높게 나타나, 연소온도에 관계없이 과잉공기율 10%이하에서의 연소는 불완전 연소가 발생하므로 연소조건으로 불안정함을 보이고 있다.

[그림 3]  층온도변화에 따른 CO배출

[그림 2] 과잉공기 변화와 CO의 배출

[그림 4]는 과잉공기율이 5%에서 35%까지 변화할 때 SO2의 배출농도를 나타낸다. 연소온도가 950℃일 경우 SO2의 농도가 과잉공기 10%부근에서 250-500 ppm까지 분포하고 있으나 과잉공기 35%부근에서는 160ppm까지 감소하고 있다. 또 850℃경우 과잉공기 8%부근에서 300ppm으로 나타나고 20%에서는 100ppm이하로 감소함을 보여준다. 한편 900℃의 경우 과잉공기가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보이고 있지만 그 분포가 넓게 분포하고 있다. 실제 국내에서의 규제치가 250ppm이므로 과잉공기 20%이하에서 조업할 경우 흡착제를 사용하여 탈황을 하여야만 한다는 것을 알 수 있다.

질소산화물의 발생은 매우 복잡하고 다양한 반응기구를 갖으며, 유동층 연소에서는 반응온도가 낮기 때문에 thermal NOx의 발생은 없으며, 연료중의 질소성분이 휘발하면서 복잡한 경로를 통하여 배출하는 것으로 알려 지고 있다[3,4].

[그림 5] 과잉공기 변화와 NOx 배출

[그림 4] 과잉공기 변화와 SO2 배출

[그림 5]은 과잉공기율을 5%에서 35%까지 변화하면서 NOx의 배출농도를 고찰한 것이다. 본 실험결과 NOx의 발생은 과잉공기가 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 과잉공기율 5%부근에서 NOx의 농도가 10-30ppm에 분포하였으나 과잉공기율이 증가하면서 계속적으로 증가하여 35%부근에서는 80ppm에 이르고 있음을 보여주고 있다. 이 결과는 과잉공기가 증가함에 따라 NO 및 N2O의 농도가 증가한다고 알려져 있고, 산소농도에 비례하여 NOx가 발생하기 때문이다[3]. 그 뿐아니라 환원제로 작용하여 질소산화물의 농도를 저감시키는 CO 및 휘발분에서 생성되는 암모니아의 산화에 의하여 환원제의 감소 뿐만 아니라 암모니아의 산화에 의해 질소산화물이 증가된다. 그런데 이 농도는 상압 기포유동층에서 200ppm정도의 배출농도보다 훨씬 낮은 값이다. 유동층의 높이를 증가시킬 경우 질소산화물이 유동층에 존재하는 Char 및 회분의 촉매역할에 의하여 NOx의 농도는 감소한다[5].

아산화질소의 배출에 대하여는 중요하게 고려하지 않았던 배출가스중의 하나였으나 최근에 지구온난화를 초래하는 온실가스의 하나로 부각되면서, 이에 대한 연구보고가 많이 발표되고 있다.

[그림 6]에 과잉공기율의 변화에 따른 아산화질소의 배출특성을 나타냈다. 아산화질소의 배출은 10ppm이하로 그 농도가 매우 적지만 과잉공기 5%부근에서 2ppm정도 였으나 35%부근에서는 10ppm이상을 나타내 아산화질소의 농도는 NOx의 농도와 마찬가지로 과잉공기율이 증가하면 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 N2O의 배출농도는 NOx 배출농도의 10%정도를 차지하고 있는 것으로 나타났다. 실험온도는 850-950℃ 범위에서 수행하였으며 유동층온도 변화에 대한 N2O의 변화는 어떤 경향이 없는 것으로 나타났다.

[그림 6] 과잉공기와 N2O의 배출

감사의 글

본 연구는 통상산업부가 지원하는 청정에너지기술개발사업의 일환으로 수행되었습니다. 연구비의 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. 진경태, 한근희, 선도원, 이창근, 배달희, 조성호, 박재현, □Bench Scale 가압유동층 석탄연소기술 개발□ 연구보고서, 28-41, 통상산업부,1998.

2. 이영우, 손재익, □복합발전용 가압유동층 연소기술□, 화학공업과 기술, 13(1), 53, 1995.

3. Leckner, B., "Fluidized Bed Combustion: Mixing and Pollutant Limitation", Prog. Energy Comb. Sci., 24. 31-61, 1998.

4. Johnsson, J. E., Formation and Reduction of Nitrogen Oxides in Fluidized Bed Combustion, Fuel, 73(9), 1398, 1994.

5. Verloop, C., Andries, J., and Hein, K., "Experimental Study of the Effect of Ammonia Injection and Staged Combustion on the Emission of a PFBC", Proc. of 13th Int. Conf. on PFBC, 149-159, 1995.