순환유동층 연소로에서의 회재의 마모 특성

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

이 시훈, 이 동현, 김 상돈, 이 종민*, 김 재성*

한국과학기술원 생명 화학공학과 및 에너지□환경연구센터

*한전 전력연구원 발전연구실 연소신발전그룹

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

The Attrition Characteristics of Ash in CFBC

S. H. Lee, D. H. Lee, S. D. Kim, J. M. Lee*, J. S. Kim*,

Dept. of Chem. and Bio. Eng. and Energy & Environment Research Center

KAIST, TaeJon, Korea

*Power Generation Lab. Advanced Power Generation & Combustion Group KEPRI, Taejon 305-380, Korea

서론

석유 및 가스 자원의 지역적 편재성과 매장량의 한계에 대한 대책으로 매장량이 풍부한 석탄 활용 기술 개발에 대한 연구가 진행 중에 있으며 특히 최근에는 환경오염을 저감하는 청정 석탄 기술의 연구가 이루어지고 있다. 이에 로내 탈황, 뛰어난 열전달 효과, 높은 연소효율 등의 장점을 지닌 순환유동층이 점차 널리 연구, 이용되고 있다. 국내에서는 10여기의 순환유동층 연소로가 건설, 운전되고 있으며, 최근에는 국내 무연탄을 사용하는 순환유동층 연소로도 건설, 운전되고 있다. 국내 무연탄은 유연탄에 비해 열량이 낮고 회재의 함량이 높으나 높은 회재 함량으로 인하여 회재가 순환유동층 층물질로 이용되어 다른 층물질 (모래 등) 을 필요로 하지 않는 장점을 지니고 있다 (Lee et al., 2001). 무연탄이 연소로에 주입되면 건조, 탈휘발, 연소 등의 과정을 거쳐 회재로 존재하게 되며 이 회재는 층물질로 존재하여 열전달 매체로서 이용되게 된다.

연소로 내에서 존재하는 회재는 입자와 입자간의 마찰, 입자와 벽간의 마찰 등에 의하여 마모 현상을 겪게 된다. 층물질로 존재하는 회재는 유동층 연소로 내에 존재하여야 하나 마모 및 elutriation 현상에 의해 fine 입자들이 층 밖으로 유출되게 된다. 유동층에서의 마모 현상은 Merrick and Highley (1974) 에 의해서 연구되었으며 국내 무연탄에 대한 연구는 Park and Son (1989) 등의 연구가 있다. 그러나 대부분의 연구가 유동층 연소로에서 이루어졌으며 순환유동층 연소로에서의 연구가 거의 이루어지지 않았다. 이에 본 연구에서는 국내 무연탄 순환유동층 연소로에서 층물질로 사용되는 회재를 이용하여 순환유동층 연소로에서의 입자 마모 특성을 고찰하였다.

실험

본 실험에 사용된 Lab-scale 순환유동층 연소장치는 Fig. 1 에 나타낸 바와 같이, 높이 2m, 직경 35mm 의 연소로(riser)를 갖는 장치로써 회재 및 석탄 입자는 연소로에서 비산되어 1차 사이클론을 지나 downcomer(직경-25mm)로 유입되며, 유입된 고체는 비기계적 밸브인 L-valve를 거쳐 다시 연소로로 재순환하게 된다. 1차 사이클론에서 포집되지 않은 고체 입자(마모에 의해 생성된 fine 입자)는 2차 사이클론에서 포집되며, 이후의 비산입자는 bagfilter에서 포집된다. 석탄입자의 주입은 크게 batch 형태와 continuous 형태를 모두 취할 수 있도록 구성하였으며, variable motor 및 screw feeder를 통행 정량 조절되어 주입하도록 하였다. 기체 공급은 N2와 공기를 각각 mass flow controller(MFC)로 정량 주입할 수 있도록 하였으며, 각각에서 정량 조절된 기체는 preheater를 지나 연소로로 주입되도록 구성되어 있다. 순환유동층 연소로에서 배출된 배가스 혹은 열분해 가스는 condenser를 지나 미세입자 포집 후, gas analyzer로 보내져 분석되도록 구성되어 있으며, 배가스량 또한 mass flow meter로 측정 할 수 있도록 되어있다. 순환유동층 연소로는 크게 공기상자 및 분산판, 상승관(riser), 사이클론 및 하강관(downcomer) 그리고 L-valve로 구성되어 있으며, 각 section 별로 높이에 따라 thermocouple 및 pressure transmitter가 설치되어 있다. Thermocouple은 연소로(riser)에 분산판 기준으로 -4(windbox), 1.5, 25, 65, 105, 165, 195cm 및 2차 사이클론 outlet line에 설치되어 있으며, 하강관 (downcomer) 에는 L-valve 중심선을 기준으로 4, 26, 60, 80, 100cm의 위치에 설치되어 있다. 또한, 연소로에서의 pressure transmitter는 □4 (windbox), 1.5, 10, 15, 45, 85, 140, 165cm에, 그리고 하강관에서의 pressure transmitter는 4, 80cm에 각각 설치되어 있다. 연소로(riser) 및 하강관 (downcomer) 는 각각 3단 및 2단의 외부 가열기가 부착되어 있으며, 적정 연소로 온도를 조절할 수 있도록 구성되어 있다.

Fig.  Lab-scale CFBC

순환유동층에서는 riser에 연결된 1차 싸이클론에서 포집되어 순환하지 않고 비산되는 회재를 2차 싸이클론에서 포집하여 마모 및 비산을 측정하였다. 각각의 실험에서 초기 회재 주입량을 250g, 300g 으로 고정하여 batch 조업을 하였으며 운전 시간에 따른 비산 회재의 발생량을 측정하여 마모 및 비산회재의 량을 계산하였다. 기체 유속은 1.6-2.4m/s 로 하였으며 이는 동해화력 순환유동층 연소로의 조업 조건과 동일한 hydrodynamic 조건을 맞추었기 때문이다. 입자의 영향을 고찰하기위해서 회재는 300-425, 425-600, 600-710□m 로 나누어 실험하였다.

결과 및 고찰

Fig. 2 에는 기체유속을 2.1m/s 로 유지시키며 30분간 조업한 결과를 나타내었다. 사용한 입자는 300-425□m, 425-600□m, 600-710□m 이며 각각 250g 을 주입하였다. 그림에서의 입도는 순환유동층 연소로 내에 존재하는 층물질과 비산된 층물질을 더하여 전체 입도를 다시 구한 것이다. 주입된 입자는 단일 입자를 주입하였으나 그림에서 보면 각각의 주입 크기 이하의 입도를 가지는 입자가 생성됨을 알 수 있다. 운전 후의 각각의 주입 입도를 살펴보면 가장 작은 입자인 300-425□m 의 경우, 300-425□m 가 0.95 이상 존재하였으나, 주입 입자 크기가 증가할수록 0.9 까지 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 입자가 큰 경우, 순환유동층 연소로에서 입자의 마모가 더 활발히 진행된다는 것을 나타낸다.

Fig. 2 에서 보듯이 주입된 입자의 입도가 순환유동층 연소로 안에서 마모에 의해 변화가 된다. 따라서 각각 입도의 평균 크기를 구하고 이를 각각의 입도로 나누어 Fig. 3 에 나타내었다. 그림에서 보면 입자 크기가 증가할수록 d/do가 0.99에서 0.975까지 작아짐을 볼 수 있다. 이는 결국 입자의 크기가 증가할수록 마모에 의한 입자 크기의 감소가 증가함을 의미한다. CFB에서 실험한 Paulo et al.(2001)의 경우, 초기 입자의 크기가 증가할수록 입자 크기 감소가 증가한다고 하였으며 입자의 감소율은 입자 총량과 비례한다고 하였다.

Fig. 2 Weight fraction change in operation time (30min)

Fig.3 Size reduction of particles

Fig. 4 Weight fraction of ash at different operation time

입자의 마모는 운전 시간이 지남에 따라 fine 입자의 발생에 영향을 받는다.  따라서 순환유동층에서의 운전 시간에 따른 영향을 고찰하기위하여 300-425□m 의 입자를 30분과 5시간 30분 조업하여 그 입도 분포를 비교하였다. 조업유속은 2.1m/s 로 하였으며 싸이클론에서 포집되는 입자를 포함하여 전체 입도 분포를 구하여 Fig. 4 에 나타내었다. 그림에서 보면 300-425□m 가 1 에서 0.9, 0.8 로 큰 차이를 나타내었으며 이에 따라 250-300□m 는 0.07 과 0.12 정도로 다르게 나타났다. 이는 시간에 따라 마모가 더 많이 진행되어 입도 분포가 변한 것이다. 결국 입자의 마모에 의한 주입 층물질의 감소와 입도의 변화는 운전 시간의 영향을 받으며 이는 Paulo et al.(2001)의 결과와 일치한다.

Fig. 5 에는 동일한 입도를 가지는 석탄과 회재의 순환유동층 조업에 따른 층물질의 감소에 대해서 나타내었다. 조업 유속은 2.1m/s 로 하였으며 입자는 300-425□m 로 하였고 층물질의 양은 300g 으로 하였다. 그림을 보면 석탄과 회재 모두에서 시간이 지남에 따라 층물질이 감소하였다. 그러나 석탄의 경우, 회재보다 4배 정도 더 많은 층물질의 유출이 발생하였다. 또한 초기의 발생량이 매우 높으며 마모에 의한 층물질의 유출이 평형에 이루는 시간도 회재보다 늦게 됨을 알 수 있다. 이는 석탄이 회재, 카본, 물, 휘발분 등으로 이루어졌기 때문에 입자와 입자, 입자와 벽 등의 충돌에 약하기 때문에 마모 및 비산이 회재보다 활발히 발생했기 때문이다. Park and Son(1989)는 층물질이 모래인 유동층 연소로에 국내 저열량 무연탄을 주입하여 석탄의 마모를 측정하였다. Park and Son(1989)는 마모에 의해 비산 유출된 입자는 대부분 0.25mm 이하하로 하였으며 수분 및 휘발분의 잔류율이 비교적 높다고 하였다. 이는 Arena et al.(1986)에서도 같은 경향이 나타났다. 또한 Arena et al.(1986)은 탄소 공급량이 일정한 경우, 유동층 온도가 증가할수록 탄소의 연소속도가 증가하고 따라서 bed 내의 탄소량이 줄어들게 되어 마모에 의한 탄소의 유출이 감소한다고 하였다. Lin et al.(1980)의 char/sand 혼합물의 연구 결과, char 입자는 매우 깨지기 쉽기 때문에 유동층에서 fine 입자를 생성하는 주요한 원인이 된다고 하였다.

Fig. 5 Weight reduction of coal with time

결론

순환유동층 연소로에서 국내 무연탄 회재의 마모 특성을 고찰하였다. 회재의 크기가 증가할수록 입자의 마모가 활발히 발생하였고 이에 따라 평균 크기의 감소가 증가하였다. 또한 운전 시간이 증가할수록 마모의 영향이 증가하여 평균 크기의 감소가 증가하였다. 국내 무연탄의 경우, 회재보다 4배 이상의 fine 입자를 발생시켰으며 따라서 석탄 주입 초기에 발생되는 비산회재에는 미연분이 많이 함유될 것으로 예상된다.

참고문헌

1. S. H. Lee, J. M. Lee, J. S. Kim, J. H. Choi and S. D. Kim, HwaHak Konhak, 38, 516, 2000.

2. D. Merrick and J. Highley, AIChE sysmposium series, 70(137), 366, 1974.

3. Y. S. Park and J. E. Son, HwaHak Konghak, 28, 320, 1990.

4. L. Lin and C. Y. Wen, Powder Technol., 27, 105, 1980.

5. U. Arena, M. Damore and L. Massimilla, AIChE J., 32, 869, 1986.

6. R. T. Paulo, G. Leonardo, L. Geraldo and D. P. Josmar, Ind. Eng. Chem. Res., 40, 4141, 2001