1. 서 론
현재 발전 및 산업용 화석 연료의 대량 소비로 전례없는 대기 오염이 발생하여 지구 온난화가 가속되고 있다. 일반적인 화석 연료 오염 물질로는 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 이산화황(SO2) 및 화력 발전소에서 생산 된 질소 산화물(NO)이 있다[1], [2], [3], [4]. 또한 스모그와 광화학 오존은 질소 산화물과 탄화수소가 햇빛에 반응함에 따라 생성된다. 산화질소는 대기에 해로운 영향을 미치는 주요 환경오염 물질 중 하나이다[5], [6]. NOx는 2차미세먼지 생성을 유발하는 전구체이므로 따라서 석탄 연소에 대한 NOx 배출을 줄이는 것이 매우 중요하다[7], [8], [9]. 그러나 연소 중 NOx 생성을 억제 시키는 것은 매우 중요한 과제이다. 세계적으로 화석 연료 연소는 NOx 생성의 가장 큰 원인이며 생성량의 절반 이상을 차지한다[10], [11], [12], [13]. 현재 화력발전소에서는 NOx 배출량을 감소시키기 위하여 선택적 촉매 환원 장치(Selective catalytic reactors, SCR)를 사용하고 있다. 선택적 촉매 환원 장치는 최대 80 % 까지 NOx 감소시킬 수 있다. 그러나 설치, 운영 및 유지 보수비용이 많이 드는 단점이 있다[14], [15]. 이 장비는 암모니아 투입으로 인한 비용 및 촉매를 유지하기 위한 비용이 추기로 발생하여 운영비용을 증가시킨다. 따라서, 연소 시스템의 최적화로 NOx의 형성을 억제하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 1MWth 연소 시스템에서 혼소 및 재연소 기술을 적용하여 NOx 생성 경향을 연구함으로써 NOx 저감 방안을 도출 하였다.
2. 실 험
2.1. 연료
Table 1은 연료의 조성을 나타낸다. 표에 도시 된 바와 같이, 하나의 역청탄(Adaro)이 사용되었고 총 3 개의 바이오매스(Wood pellet(WP), Empty fruit bunch(EFB), Torrefied biomass(TB))가 보조 연료로 사용 되었다. 바이오매스는 일반적으로 석탄에 비해 O 함량이 상대적으로 높고 휘발분이 높기 때문에 석탄/바이오매스의 혼소에는 석탄에 비해 상대적으로 적은 산화제가 공급 된다. 그러나 본 연구에서는 바이오매스의 혼소율이 최대 20%이기 때문에 산화제의 투입량 변화는 크지 않다. 바이오매스 혼소 시 석탄과 동일한 열량을 투입하는 실험이므로 열량이 상대적으로 낮은 바이오매스를 투입 할 때 석탄보다는 많은 질량의 바이오매스가 공급된다. 바이오매스는 석탄에 비해 N의 함량이 적기 때문에 혼소 시 fuel NOx 배출 감소가 예상된다. 본 연구에 사용된 반탄화 바이오매스(Torrefied biomass, TB)는 wood chip을 반탄화 한 것으로 경동에너지(주)에서 공급받아 사용 하였다. 반탄화 바이오매스는 일반 바이오매스에 비해 수분 및 휘발성 물질이 적고 고정 탄소가 더 많기 때문에 석탄 연소와 유사한 형태를 보일 것으로 예상 된다.
Table 1.
Composition of the fuels
반탄화는 커피 로스팅과 유사한 공정으로 불완전 열분해라고도 불리우지만, 바이오매스의 열량을 높이고 석탄과 유사한 성질을 나타내기 위해 사용되는 기술이다[16], [17], [18].
2.2. 실험 조건
실험에 사용된 연소로는 1MWth 용량의 파일럿 연소로로서 고체 연료 공급 시스템, 멀티 버너 연소로, 배기가스 집진장비를 포함하고 있다. Fig. 1에 도시 된 바와 같이, 다중 버너 연소로는 연소로 벽면 버너가 장착되는 형태이고 연소로 1단에 양쪽으로 2 개의 석탄 버너를 설치할 수 있도록 설계되었으며, 실험 준비단계에서 연소로 예열을 위하여 4기의 LNG 버너가 설치되었다. 3 단에는 별도의 바이오매스 공급 포트 2 기 설치되어 재연소 실험 시 바이오매스를 공급 할 수 있도록 하였다. 4단에는 연소 완료를 위해 3 기의 OFA 포트가 전면에 설치되어 있다. 연소로 각 단마다 9기의 thermocouple (TC)을 설치하여 전체 온도 분포를 측정할 수 있도록 설계되었다(총 54 TC를 설치 가능). 6 단 연소로 상부에는 화염 모양과 안정성을 모니터링하기 위해 카메라가 설치되어있다. 연소로 하부에는 ash 박스가 설치되어 바닥재를 배출 가능하도록 하였다. 연소 가스의 ash를 포집하기 위해 집진기와 연소로 사이에 사이클론을 설치하였다. Fig. 2는 300 kW 석탄/바이오매스 혼소 버너의 개략도이다. 도시 된 바와 같이, 접선 방향 vane swirl 버너이고, 2기의 버너가 연소로 양쪽 벽면에 설치된다. 버너간 간섭을 고려하여 일반적인 단일 버너보다 강한 나선형 흐름을 생성하기 위해 swirl number를 1.2로 설정하였다. 버너의 swirl number은 Fig. 3, 식 (1)[21] 과 같은 방법으로 계산 되었다. 석탄/바이오매스 혼소 버너이므로, 석탄 공급 배관 안쪽에 바이오매스 공급 배관을 설치하였다.
석탄 배관 외부에는 2 차 산화제 공급을 위한 배관이 나선형 흐름을 형성하기 위해 설치되었으며 버너 출구 quirl은 30°로 설정되어 나선형 흐름이 원활하게 이루어지도록 하였다. 버너에는 총 8 개의 베인이 45° 각도로 설치되었고 다공판을 설치하여 2 차 산화제가 균일하게 혼합어 버너 배출구로 배출될 수 있도록 하였다.
| $$S'=\frac1{1-\frac{zs}{2\pi R_1\cos\alpha}}\frac{\tan\alpha^\circ}{1+\tan\alpha^\circ\tan\left(\frac\pi z\right)}\frac{R_4}{2B}\left[1-\left(\frac{R_3}{R_4}\right)^2\right]$$ | (1) |
본 연구는 아역청탄 실험 결과를 나타낸 것이다. 총 투입 열량은 1MWth로 설정되었고 과잉공기비(Excess air ratio; EAR)는 1.2로 설정되었습니다. Table 2는 실험 조건을 타나낸 것이다. 실험조건은 석탄 100% 연소부터 바이오매스 혼소(3, 5, 10, 15, 20% 열량 비율) 재연소(5, 10, 15, 20% 열량 비율) 조건을 포함 하였다. 또한, 버너 영역의 EAR을 변경하여 air staging 실험도 같이 진행 하였다. 버너 영역의 EAR은 0.9~0.98까지로 설정 하였다. 혼소 3%를 포함한 이유는 현재 발전소에서 바이오매스 혼소 무게비 5%를 가정하여 결정한 것이다.
Table 2.
Experimental conditions for co-firing with different fuels and co-firing ratios
3. 실험 결과
Fig. 4는 연소로 벽면 온도를 측정한 결과이다. 4 기의 석탄 버너 모두가 점화되었고, 100 % 석탄이 3 시간 30 분 동안 연소시켜 연소로의 온도 안정화를 진행 하였다. 안정화 후에도 시간이 지남에 따라 내부 온도의 변화는 연료 투입의 미세한 변화로 인해 발생할 수 있다. 석탄과 바이오매스의 양은 발열량 기준으로 공급되었기 때문에 각 조건에 따라 투입량이 다르다. 연소로 온도는 주요 연소 영역인 버너 영역에서 가장 높았으며, 상부로 갈수록 낮아지는 경향을 나타내었다.
혼소 및 재연소 조건에서 전체 연소로 온도는 기준 연소 조건 온도와 유사 하였다. 본 연구에 사용된 연소로에서 혼소 및 재연소를 진행 할 경우 CO 배출량이 10 ppm 이하로 측정되기 때문에 투입 연료가 대부분 연소되어 나타나는 현상이다. 그림에 나타난 2,670, 3,370, 4,870, 5,970 mm의 경우, 연소로 수직 높이에 해당하며 벽면에서 100 mm 안쪽으로 TC를 삽입하여 측정한 결과이다. Fig. 1에 설치한 위치를 표시 하였다.
Fig. 5, 6, 7은 각각 wood pellet, empty fruit bunch, Torrefied biomass를 혼소 및 재연소 했을 때 NOx 생성량을 O2 6%로 환산하여 나타낸 것이다. 모든 실험 결과에서 CO는 0~10 ppm을 나타내었기 때문에 그림에 나타내지 않았다. 그림에 나타난 bar 형태는 NOx의 생성량을 표시한 것이고 line으로 나타낸 것은 기준 조건(석탄 100% 연소)에 비하여 NOx가 감소된 비율을 나타낸 것이다. 그림에 나타난 조건에서 ( ) 안에 표시된 것은 버너 영역의 EAR비로 0.90~0.98까지 범위를 설정하여 실험을 진행 하였다. 총 EAR비는 1.2로 동일하게 투입되었기 때문에 나머지 산화제는 OFA(Over fire air)로 투입 되었다. Air staging 조건 외에는 버너 영역의 EAR비를 0.98로 고정하여 실험을 진행 하였다. 여기서 Co는 혼소를 나타낸 것이고 Re는 재연소를 나타낸 것이다. 그러므로 Co-5는 혼소 조건 5%를 나타낸 것이고 Re-15는 재연소 조건 15%를 나타낸 것으로 확인 할 수 있다. 그림에 나타난 바와 같이 버너 영역의 EAR이 0.9일 때 NOx 배출량이 낮아지고 0.98일 때 증가하는 경향을 나타내었다. 이것은 버너 영역에 충분한 fuel rich존을 형성 시킬 때 NOx의 생성을 억제한다는 것을 보여주는 결과이다. 혼소 실험의 경우 버너 영역의 산화제양이 감소하면 연료 과잉 영역(fuel rich)의 연료비가 높아지게 되어 NOx의 생성량이 감소하게 되고 이 후 OFA의 양이 증가하더라도 초기 연소 후 NOx로 산화 되는 양이 감소하기 때문이다. 재연소의 경우 위와 같은 연료 과잉 구간이 재연소 구간에서 다시 발생하고 연소 초기 생성된 NOx가 재연소 구간에서 환원되는 효과가 추가 되어 NOx 생성량이 혼소에 비해 더 낮게 나타나는 것이다. EFB 혼소 및 재연소 실험 결과 NOx 생성량이 가장 낮게 나타났다. 이것은 EFB에 포함된 N의 함량이 가장 낮기 때문에 나타나는 결과이다. WP의 경우, EFB 보다 N의 함량이 0.2 높기 때문에 실험 결과에서도 약간 더 높은 NOx분포를 보이는 것을 알 수 있다. 반면 반탄화 바이오매스의 경우, WP 실험 결과 보다 NOx 생성량이 높은 것을 볼 수 있었다. 반탄화 바이오매스의 경우, 반탄화 공정으로 휘발분과 수분이 감소하기 때문에 열량은 높아지지만 연료에 포함된 N의 비율도 함께 증가하기 때문에 나타나는 결과이다. 반탄화 바이오매스는 석탄과 동일한 N을 포함하고 있지만, 전소에 비하여 NOx 생성량은 감소한 것을 볼 수 있었다. 즉, 반탄화 바이오매스는 석탄과 바이오매스의 중간 형태의 연료라고 볼 수 있다. 혼소 실험 결과에서도 NOx의 생성이 억제되는 결과를 나타내었고 재연소를 진행 하였을 경우, 석탄 전소 대비 최대 46%의 NOx 생성 억제 효과를 나타내었다. 혼소율이 증가할수록 NOx 생성량은 선형비율로 감소하는 것을 볼 수 있다. 반탄화 바이오매스의 단순 혼소시 NOx 감소율이 상대적으로 적지만 재연소를 진행 했을 때는 유사한 결과를 나타내었다. 즉, 재연소 방법은 연료에 구애 받지 않고 NOx 생성을 억제 시킬 수 있는 효율적인 기술이다.
4. 결 론
본 연구는 멀티 버너 연소로에서 다양한 바이오매스를 사용하여 연소 할 때 효과적인 NOx 감소를 위한 방법에 대한 것이다. 바이오매스 혼소 방법에는 직접 혼소 및 재연소가 포함되었으며, 이는 약간의 수정만으로 기존 연소 시설에 적용 할 수 있는 장점이 있다. 특히, 재연소는 주연소 직후에 재연소 연료를 공급함으로써 NOx를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 재연소 방법과 air staging 방법이 동시 적용 될 때 NOx 감소 효율이 증가되는 것을 확인 하였다. 출구에서 NOx 배출량은 입자 크기보다 바이오매스의 연료내 N 함량에 더 민감하게 반응 하였다. 현재 발전소에 사용되는 wood pellet의 경우 분쇄성 문제로 혼소율에 제약을 받고 있다. 열량기준 5% 이상이 되면 바이오매스에 포함된 섬유질 때문에 석탄과 바이오매스 동시에 분쇄성이 낮아져 미분기 출구 막힘 문제가 발생하고 있어 연속 운전이 어려운 실정이다. 그러나 반탄화 바이오매스의 경우 분쇄성이 석탄고 유사하고 수분이 적으며 열량이 높은 장점이 있다. 또한, 신재생에너지 공급의무제도(RPS)에 적합한 연료이기 때문에 가격 문제만 해결 된다면 혼소 및 재연소에 가장 적합한 연료일 것으로 사료된다. 석탄 연소의 경우 혼소 및 재연소 비율이 증가함에 따라 NOx 배출이 감소하였다. 일반적인 이유는 바이오매스에 포함 된 상대적으로 적은양의 N 때문이다. 또한, 혼소에 비해 재연소에서 NOx 생성량이 보다 효과적으로 감소되었다. 재연소는 주연료는 fuel rich 영역에서 연소되기 때문에 NOx의 생성이 원활하지 않게되고, 재연소 영역에서 추가로 NOx 감소를 위해 재연소 연료가 투입되어 NOx 생성을 억제시키기 때문이다. 바이오매스 혼소 및 재연소는 연소로 내부 NOx 생성 억제에 매우 효과적인 방법이다. CH 라디칼은 바이오매스로부터 휘발성 물질에 의해 공급되어 NOx에서 HCN으로의 전환을 촉진시키고, NH3 및 HCN은 NO 또는 N2 환원 반응을 위해 바이오매스의 휘발성 -N으로부터 공급 된다. 또한, char는 활성 탄소 C에 의해 NO를 CO로 변환시킨다. 그러므로 전체적으로 NOx 생성량이 감소하게 되는 것이다. 버너 영역의 EAR이 0.9로 낮아지더라도 연소 안정성에 변화는 없었으나 NOx 배출량은 감소하였다. 본 연구는 효과적인 NOx 감소를 위한 바이오매스 혼소 실험 방법에 초점을 맞추었다. 발전소와 같은 상용 보일러에 적용하기 위한 전산 유체 역학(CFD)과 같은 수치 모델을 개발하기 위해서는 추가 연구가 필요하다. 본 연구에서 축적 된 실험 데이터는 CFD 모델링의 검증에 사용 가능 할 것으로 사료된다.
