계장기술(PROCON)

기획특집 미분탄 연료의 저부하 운전에 따른 슬래그 부착량 계측 시험

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 769회 작성일 22-10-12 15:38

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서 론

최근 추진되고 있는 재생에너지 보급 확대 정책에 따라 태양광 및 풍력 등의 재생에너지 발전원이 급격하게 증가할 전망이다. 하지만 이러한 재생에너지 발전원은 지역적/계절적 요인에 따라 발전 출력의 순간적인 변동이 심하고, 불확실성이 높은 자원으로 출력 제한을 제외하고, 전력계통의 안정적인 운영을 위한 별도의 조치에 한계가 있어 계통 운영자 측면에서 다양한 문제점을 야기할 것으로 판단된다. 최근 미국, 독일 등 재생에너지 도입 선진 국가에서는 기존 화력발전소의 부하추종 성능을 개선하여 전력계통에 유연성을 공급함으로써, 유휴 발전 설비의 인적·물적 자원 활용도를 제고함과 동시에 재생에너지의 수용성 확대에 기여하는 정책을 시행하고 있으며, 이를 위해 개발되어야 하는 기술을 통칭하여 유연운전(Flexible Operation) 기술이라고 한다. 한편, 화력발전 보일러의 대표적인 운전 장애 요인으로 미분탄 연료의 연소 후 회분(Ash)이 보일러의 벽면 또는 과열기/재열기 튜브에 부착되는 슬래깅(Slagging) 현상이 있으며, 슬래깅 현상이 과도하게 발생하는 경우 보일러의 효율 저하, 막힘으로 인한 통풍 불량, 과열로 인한 튜브 파열 등의 문제를 일으키고 심각한 경우 보일러의 불시 정지가 발생할 위험이 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 화력발전 보일러의 유연 운전 기술 개발을 위해서는 장기간의 저부하 운전 또는 지속적인 부하추종 운전 시 발생하는 슬래깅 현상의 특성에 대한 평가가 필요하며, 본고에서는 국내 발전소에서 활용 중인 미분탄 연료의 조성에 따른 슬래깅 지수 분석 결과와 100kW급 시험 연소로를 대상으로 수행한 부하 변동에 따른 슬래그 부착량 계측 시험 사례에 대해 소개하고자 한다.


본 론

(1) 연료 기초 특성 분석
미분탄 연료의 슬래깅 생성 및 점착 특성에 대한 검토를 위해서는 연료의 기초 특성 분석이 필요하다. 이를 위해 국내 A발전소에서 취득한 미분탄 연료 6종에 대한 원소, 공업, 회분 분석을 수행하였으며, 분석 대상 시험탄은 GLENCORE-A, BAYAN-L, TRAFIGURA, GEN CORE-AM, SAMSUNG-CNT, AVRA-AL로 발전소 현장 저탄 상황을 종합적으로 고려해 선정하였다. 6종의 석탄 분석 결과 Air-dried basis 기준으로 수분은 약 1.71∼11.05 wt.%, 휘발분은 약 25.72∼45.05 wt.%, 고정탄소는 약 41.19∼49.90 wt.%, 회분은 약 4.55∼ 16.42 wt.%로 나타났다. Air-dried basis 기준 원소 분석 결과 탄소 함량은 약 56.23∼68.63 wt.%로 분석되었으며, 발열량은 Dry basis 기준 약 5730∼6860 kcal/kg으로 분석되었다.
탄종 등급별로 TRAFIGURA는 High-volatile C bituminous에 해당하며, SAMSUNG-CNT, GLEN CORE-A, GLENCORE-AM은 Sub-bituminous A, AVRA-AL, BAYAN-L은 Sub-bituminous B Rank에 해당하는 것으로 분석되었다. 또한, 회분의 조성을 바탕으로 따라 슬래깅 지수(Slagging Index)를 분석한 결과 정량적인 비교는 어려우나 AVRA-AL, TRAFIGURA, GLENCORE-A 탄종은 다소 낮은 운전 장애(클링커) 생성이 예측되었고, 반대로 BAYAN-L, SAMSUNG-CNT, GLENCORE-AM은 다소 높은 클링커 생성이 예상되었다. 다만 AVRA-AL, TRAFIGURA, GLEN CORE-A는 상대적으로 낮은 슬래깅 지수를 가지지만 높은 회분함량을 나타내고 있으며, 그 외 3종의 석탄은 정반대의 경향을 나타내는 것을 확인하였다.

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(2) 시험 설비 구성 및 시험 조건
앞서 분석한 시험탄을 대상으로 저부하 및 부하추종 운전 시 슬래깅 부착 특성을 살펴보기 위하여 화력발전 보일러 내부에서 일어나는 연소 현상을 모사할 수 있는 시험 연소로를 활용해 운전 조건 변화에 따른 슬래깅 부착량 계측 시험을 수행하였다. 시험 설비의 주요 구성과 시험 조건은 아래와 같다. 

① 시험 설비 구성
본 실험에서 사용된 시험 설비는 100kW 싱글 버너 연소 시스템으로 지름 600mm, 높이 500mm인 원통 형태의 연소로가 5단으로 이루어져 총 2,500mm의 연소로가 있으며, 연소로 벽면에는 프로브와 열전대 삽입을 위한 포트가 위치하고 있다. 각 단 연소로에는 열유속 프로브 삽입을 위한 포트가 5개씩 설치되어 있으며, 연소로 벽면 온도 측정을 위한 R타입의 열전대가 2개씩 설치되어 있다. 연소로를 지나면 사이클론과 회분 집진기가 설치되어 연소 후 생성되는 회분을 포집할 수 있다. 사이클론의 경우, 실시간으로 회분을 포집할 수 있도록 설계되어 있다. 연소로 상단에는 혼소를 위해 로드셀(Road cell)이 장착된 피더(Feeder)가 2대 설치되어 있으며, 피더에서 발열량 기준으로 각 연료의 투입량을 설정한다. 투입량이 설정된 각 연료는 혼소용 버너를 통해 공기와 함께 투입된다. 버너의 중앙부에서 연료와 함께 1차 공기가 투입되고, 옆면에서 2차 공기가 투입되어 연소에 필요한 산화제를 공급하여 선회류(Swirl)를 생성한다. 그림 2에 시험 설비의 개략도를 나타내었다.

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슬래깅/파울링의 부착 특성을 파악하기 위하여 슬래그 부착량 계측 프로브를 제작하였다. 연소 과정에서 발생되는 회분에 의한 슬래깅/파울링의 정량적인 분석을 위한 실시간/비실시간 측정 프로브로써 실시간 측정 프로브는 Load cell이 포함되어 있으며, 실시간 무게 변화를 PC를 통해 모니터링할 수 있게 제작되었다. 비실시간 측정 프로브는 물 또는 공기로 프로브를 냉각할 수 있도록 제작하였으며, 프로브 온도를 모니터링할 수 있도록 제작하였으며, 비실시간 측정 프로브에 의한 회분 점착량은 실험 전후 무게 측정을 통해 분석된다. 제작된 측정 프로브는 시운전을 완료하였으며, 실험 조건에 따라 설치하여 분석하였다.

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② 시험 조건
저부하 조건에서 연소 안정성 테스트를 위한 실험을 먼저 실시하였다. 100kW(100% 부하) 연소로에서 최저 연소 조건을 확인하기 위한 저부하 운전을 수행하였으며, 100kW∼40kW(40% 부하)까지 부하 변동에 따른 실험을 진행하였고, 운전 가능한 조건을 결정하였다. 실험에서는 고정탄소 비율이 약 40.9%, 회분이 1.8% 수준인 Aadro 탄을 사용하였으며, 100kWth(100% 부하)를 기준으로 석탄 투입량을 산정하였으며, 40kWth(40% 부하)까지 석탄 투입량을 낮추며 실험하였다. 1/2차 산화제 투입량은 기존 실험 DB 및 운영 노하우에 따라 투입량을 산정하였으며, 저부하 운전에 따른 석탄 투입량 감소 비율에 맞게 조절하였다. 전체 연소용 공기의 10%는 1차 산화제로 투입되며, 65%는 2차 산화제로 버너 영역에서 투입된다. 전체 연소용 공기 투입 당량비는 1.2 수준으로 설정하였으며, 버너를 통해 0.9(75%), OFA를 통해 0.3 (25%)를 투입하였다. 안정적인 완전 연소 달성을 위해 OFA(Overfire Air)를 고려하였으며, 전체 연소용 공기 투입량의 25%를 OFA로 투입하였다. 추후 다양한 탄종에 대한 실험 시 각 탄종의 발열량에 따른 석탄 투입량 및 산화제 투입량은 각 실험 조건에 맞게 수행할 예정이며, 실험에 사용된 연료 조성과 실험 조건을 아래의 표 1에 나타내었다.

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③ 부하 변동에 슬래그 부착량 계측 시험
그림 4와 5는 실시간 슬래그 부착량 계측 장치를 이용한 시험 결과 중 한 예이다. 그림 4에 나타난 바와 같이 100kW와 80kW에서 회분 생성량을 육안으로 확인할 정도로 큰 변화량은 없었다. 이는 Adaro 탄의 낮은 회분 함량(약 1.8%)과 슬래그를 증가시키는 Si, Ca, P 성분이 다른 석탄에 비해 소량 포함되어 있기 때문으로 판단된다. 또한 그림 5에서 입열량이 감소하면 슬래그 생성량이 감소하는 것을 확인하였으며, 측정 구간마다 계단식으로 증가하는 것을 볼 수 있는데, 이는 생성량이 적어 측정 장치 최소 측정값 범위 때문에 나타나는 증상이다. 실험 조건별로 선형적으로 슬래깅이 증가하는 것을 볼 수 있었다. 실험을 3시간 가량 진행하였을 경우, 최대 약 5g 슬래그가 생성되는 것을 확인할 수 있었다.

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결 론

재생에너지 발전원의 확대 보급에 따라 화력발전 보일러의 장기간 저부하 운전 및 부하추종 운전 빈도가 증가할 것으로 보이며, 안정적인 운영을 위해서는 화로 내부에서의 회분 부착 특성에 대한 이해가 중요하다. 이를 위해 국내 발전소에서 실 사용 중인 미분탄 연료 6종에 대한 슬래깅 지수 분석 및 슬래그 부착량 계측 시험을 수행하였다.
향후 부하 변동을 고려한 연속 운전 조건 및 다양한 탄종의 시험 연소로 실험 결과를 바탕으로 연소 장애성 예측 DB를 구축할 예정이며, 이를 토대로 상용 S/W를 활용한 슬래깅/파울링 예측 DB를 개발하고, 고도화된 연소 장애성 예측 시스템을 개발할 예정이다.


karamhan@kepco.co.kr 

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