Research Article

Journal of The Korean Society Combustion. December 2020. 26-36
https://doi.org/10.15231/jksc.2020.25.4.026

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 실험장치 및 방법

  •   2.1 미분탄 이중스월 버너 및 시료 특성

  •   2.2 광학계측 장비

  • 3. 결과 및 고찰

  •   3.1 바이오매스 입자 크기에 따른 연료특성

  •   3.2 바이오매스 입자 크기에 따른 유동특성

  •   3.3 바이오매스 입자 크기에 따른 연소 특성

  • 4. 결 론

1. 서 론

현재 대한민국은 정부의 탈원전/탈석탄 정책으로 화력발전의 비율을 줄이고 신재생에너지 비중을 증가하고 있다[1]. 대기오염에 대한 규제가 강화되면서 국내의 발전소들은 규제를 만족하기 위해서 에너지신사업을 통해 이를 대응하고 있다[2]. 하지만 아직까지 대한민국뿐만 아니라 전 세계적으로 발전 비중의 40% 이상을 담당하고 있는 석탄 화력발전을 단기적으로 폐기하거나 어려운 실정이다[3]. 따라서 대한민국 정부는 석탄 화력발전에서 배출되는 대기 환경오염 물질을 저감하기 위해 국내 발전사들과 함께 에너지신사업을 수립 및 추진하였으며, 최근에는 더욱 강화된 규제치를 만족하기 위해 상대적으로 청정연료인 천연가스와 바이오매스의 혼합 연소(혼소) 방식을 채택하고 있다. 현재 대부분의 석탄 화력발전소들은 에너지신사업을 이행하기 위해서 바이오매스 5%내외의 혼소를 진행하고 있다.

바이오매스의 탄소중립성으로 인해 바이오매스 혼소는 기존의 발전설비를 사용하면서 이산화탄소를 줄일 수 있는 방법으로 발전소 입장에서는 경제적인 방법이라고 할 수 있다[4,5,6,7]. 이에 따라 친환경 발전의 일환으로 석탄 화력발전소에서 미분탄과 함께 바이오매스가 함께 사용되고 있다. 반면에 바이오매스는 주로 세 가지 주요 성분인 헤미셀룰로오스(20-40 wt%), 셀룰로오스(40-60 wt%), 리그닌(10-25 wt%)으로 구성되어 있다. 특히, 바이오매스는 복잡한 그물 형태의 표면을 가지고 있기 때문에 바이오매스 전소나 석탄/바이오매스 혼소시 버너 출구에서의 막힘(clogging)에 의해 연료 공급의 불안정성을 야기할 수 있다. 또한, 회분에는 다량의 알칼리성 물질을 포함하고 있기 때문에 보일러 내부의 벽면 및 과열기 부분에 쉽게 흡착되어 안정적인 열전달을 방해하는 슬래깅(slagging) 현상을 야기하는 단점을 가지고 있다[5,[10]. 따라서, 바이오매스를 사용한 혼소시 화염 구조와 연소 특성을 자세히 관찰하여 기존의 버너 시스템에서의 연소 방식 변경과 버너 재설계에 대한 연구가 필요하다[5,12,13,14].

특히, 수백 MW급 이상의 대향류 석탄화력발전 보일러에서는 스월러가 이중으로 구비된 형식의 Low-NOX 스월 버너 시스템을 적용하고 있으며, 각각의 버너를 통해 화염을 독립적으로 제어함으로써 NOx 저감과 동시에 연소 안정성 및 연소효율을 향상시킬 수 있다[15,16,17]. 이러한 Low-NOX 스월 버너에서는 선회하는 유동의 화염 전단면을 기준으로 속도 및 압력 구배가 나타나며, 그로 인해 재순환영역이 발생되게 된다[16,17,18,19,20]. 특히, 화염 내부에서 발생되는 내부재순환영역(IRZ, Inner Recirculation Zone)에서는 버너 출구로부터 공급되는 미연소 가스와 주위 선회 유동에 의해 재순환되는 연소 가스가 혼합되어 상대적으로 낮은 온도를 갖는 미연소 가스의 예열 효과와 함께 열전달을 촉진하게 된다[17,18,19,20]. 그뿐만 아니라 연료와 산화제의 체류시간을 증가시켜 연소 효율을 향상시키며, 상대적으로 연료가 농후한 영역을 형성함으로써 당량비를 국부적으로 증가시키게 되며, 단열화염온도를 높여 연소과정에서 발생되는 Thermal NOX를 줄일 수 있는 효과를 가지고 있다[15,16,17,18,19,20].

한편 석탄과 같은 고체 입자를 이용한 연소 환경에서는 연료 자체의 N성분에 의해 생성되는 Fuel NOX를 고려할 필요성이 있는데, 상대적으로 적은 양의 N성분을 갖는 바이오매스를 석탄과 함께 혼소시 혼소 비율에 따라 발생되는 NOX가 선형적으로 감소하는 효과를 가지고 있다[15,16,17,18,19,20]. 스월버너의 유동 및 연소특성을 이해하기 위해 PIV(Particle Image Velocimetry), LDV(Laser Doppler Velocimetry), Mie/OH/CH PLIF(Planar Laser Induced Fluorescence) 등의 광학 장비들을 활용한 연구들이 수행되었다. 스월화염 내부의 IRZ, ORZ(Outer Recirculation Zone), ETV(Exhaust Tube Vortex), PVC(precessing Vortex Core)[11,16,18] 등을 관측하는 연구가 진행되고 있으며, Sung 등[19,20]에 의해 이중스월 버너에서 스월모드와 스월강도에 따른 IRZ의 변화와 스월 버너의 중심부에서 강한 난류 유동인 ETV를 관찰하였다.

또한, Shin [7]등과 Sung [21] 등은 바이오매스 혼소 비율에 따라 스월 유동 및 화염 구조 변화에 대해 상세히 논의하였으며, 실제 석탄화력발전 보일러 시스템과 유사하게 구축한 연소로를 활용하여 NOX 저감과 연소 효율에 대한 연구를 진행하였다. 최근에는 후속 연구로 Choi [22]등은 이중 스월이 장착된 버너 시스템에서 ETV의 변화와 바이오매스 혼소 비율에 따른 연소 안정성 평가와 슬래깅 현상에 대해 연구를 수행하였으며, 배출물과 미연소 탄소 성분 측면에서 볼 때 혼소 비율이 20%에서 가장 높은 연소 안정성과 연소 효율을 보이는 것을 확인하였다. 30% 이상의 혼소 비율에서는 버너 출구 근처에서 바이오매스의 과도한 휘발분 방출에 의해 연소 안정성이 감소하였으며, 슬래깅 현상을 야기할 수 있는 알칼리 성분이 증가하여 전반적으로 연소 시스템에 부정적인 영향을 미치는 현상을 보였다. Li 등[23]은 스월버너에서 석탄의 입자 크기에 따른 유동특성의 변화에 대해서 연구를 진행하였다. 이를 통해서 석탄의 입자 크기의 감소는 더욱 큰 IRZ와 강한 ETV를 생성한다는 것을 확인하였다. Sh 등[24]은 우드펠릿 바이오매스에 대한 입자크기 특성과 혼소에 대한 실험을 진행하여 입자크기가 작아짐에 따라 반응율에 증가 및 고정탄소의 연소 구간이 앞당겨지는 것을 확인했다. 또한 석탄의 등급과 석탄의 입자 크기는 석탄의 연소속도, 착화온도, 화염온도 및 화염길이에 영향을 미친다는 연구 역시 진행되었다[25,26,27,28,29,30].

하지만 혼소시 바이오매스 크기 변화와 석탄 입자 크기간의 상호작용에 의한 시너지효과 같은 연구는 전무하며, 따라서 본 연구는 미분탄/바이오매스 혼소시 바이오매스 입자 크기에 따른 화염 구보 및 유동, 연소특성을 PIV 계측과 밴드패스 필터를 이용한 초고속 카메라를 통하여 수행하였다.

2. 실험장치 및 방법

2.1 미분탄 이중스월 버너 및 시료 특성

Fig. 1은 이중스월 버너의 개략도와 스월러이다. 이중스월 버너는 삼중 중공축 형상으로 이루어져 있으며, 내측 관(Annulus 1)과 외측 관(Annulus 2)에는 스월러가 장착된다. 스월러는 2 mm의 날 6개로 제작되었으며, 날의 각도는 60°이다. 실제 석탄화력 보일러에서는 버너가 수평 방향으로 설치되어 운영되며, 보일러 후단부에 음압이 걸려 위쪽으로 형성되는 화염 특성을 가진다. 하지만, 실험실 수준의 실험에서 이와 같은 음압을 모사하기 힘들기 때문에 본 연구에서는 수직 방향으로 버너를 설치하여 화염 구조 및 연소특성에 대한 기초연구를 수행하였다.

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Fig. 1

Geometries of environmental burner (EV burner) with a model combustor.

본 실험에서 가스와 공기를 공급하기 위해서 유량제어장치(KOFLOC-3665/3660,kojima instruments)를 사용하였다. 내측 관으로 LPG 5 LPM과 공기 40 LPM이 공급이 되었으며, 외측 관으로 공기 40 LPM이 공급되었다. 가스 공급 조건은 고체 연료 크기의 영향을 분석하기 위해 석탄/바이오매스 혼소 고체연료가 화염의 구조에 영향을 주지 않는 조건으로 선행 실험을 통해 결정되었다. 고체연료는 스크류공급기(FEEDCON,nisshin engineering)을 이용하여 공급하였다. 본 연구에서는 선행연구의 후속편으로 바이오매스 20% 혼소시 바이오매스 입자 크기에 따른 유동 및 연소특성을 연구하였으며, 고체연료의 역할을 최대화하기 위해 선행연구들에 비해 비교적 적은 유량의 가스연료를 보조연료로 공급하였다. 또한 이후 연소로 내에서의 결과와 비교하기 위해 보조연료를 LPG를 사용하였다.

본 실험에서 사용된 시료는 석탄의 경우 45-90 µm의 Glencore가 사용되었으며, 바이오매스는 버섯배지가 사용되었다. 바이오매스 입자 크기의 영향을 관찰하기 위해 석탄과 같은 크기인 45-90 µm, 석탄보다 작은 크기인 45 µm이하, 석탄보다 큰 크기인 90-150 µm의 크기로 구분하여 실험을 진행하였다. 석탄/바이오매스 혼소 고체연료는 총 3.1 kW가 공급되었으며, 이 중 2.48 kW는 석탄, 0.62 kW는 바이오매스로 20% 혼소율을 사용하였다. 이를 위해 석탄 5.48 g/min, 45 µm 이하 바이오매스 2.34 g/min, 45-90 µm 바이오매스 2.29 g/min, 90-150 µm 바이오매스 2.30 g/min이 공급되었다.

Table 1에는 실험조건을 정리하였으며, Table 2에는 실험에 사용된 석탄과 바이오매스의 공업분석, 원소분석, 입도분석 결과이다. 본 연구에서 사용된 바이오매스는 버섯배지로 ‘한국동서발전’에서 제공받아 실제 석탄화력발전소에서 사용되고 있는 시료를 사용하였다. 선행연구에 사용된 오일팜[7]이나 목질계[22] 바이오매스와는 다르게 버섯 배지는 N과 O 성분이 석탄보다 많이 함유되어 있음을 알 수 있다. 이는 버섯의 경우, 유기물적인 특성을 가지고 있기 때문이다. 반면에 높은 휘발분과 고정탄소 함유량을 가지며, C와 H 성분을 다량 함유하고 있음으로써 연소성에 유리한 장점을 가진다. 실제 발전소에서 사용되고 있는 바이오매스 입자 크기는 100-300 µm로 다양하며, 본 실험에서 사용된 90-150 µm가 이 범위에 해당한다[31]. 또한 본 연구에서는 실제 발전소에서 사용되고 있는 버섯배지의 크기에 따른 화염 구조 및 연소특성에 대한 연구를 진행하였다. 또한 본 연구에서는 실제 발전소에서 사용되고 있는 버섯배지의 크기에 따른 화염 구조 및 연소특성에 대한 연구를 진행하였다.

Table 1.

Experimental conditions

Parameter Ann. 1 Ann. 2
Thermal input of Sample [kW] 3.1 -
Thermal input of LPG [kW] 7.1 -
Air flow rate [lpm] 40 40
LPG flow rate [lpm] 5 -
Swirl vane angle 60 60
Swirl number 1.30 1.46
Table 2.

Properties of coal and Biomass

Fuel Glencore bio < 45 45-90 90-150
Proximate analysis[wt. %, air-dry]
Moisture 3.14 9.5 9.44 9.15
Volatile matter 25.94 66.21 66.49 66.73
Fixed carbon 54.5 13.73 14.97 15.06
Ash 16.41 10.73 9.1 9.05
Ultimate analysis [wt%, dry]
C 84.52 49.58 50.99 51.61
H 5.119 7.21 7.284 7.31
N 3.12 3.7 3.48 3.55
S 0.357 0.344 0.151 0.135
O 3.181 43.619 43.6 44.119
Particle size distribution [µm]
d10 < 10% 4.613 5.222 7.654 14.531
d25 < 25% 10.854 12.64 21.659 61.37
d50 < 50% 25.894 23.96 47.746 122.557
d75 < 75% 53.695 37.458 79.575 166.07
d90 < 90% 82.086 52.102 113.665 209.498
dmean, mean particle size 35.402 27.341 55.198 121.289
Net calorific value [MJ/kg] 27.148 15.906 16.271 16.188

2.2 광학계측 장비

Fig. 2는 실험에 사용된 광학계측장비와 장비들의 시스템 구성도를 나타낸다. 본 실험에서는 스월화염의 유동장과 화학자발광을 측정하였다. 유동장을 측정하기 위해서 PIV(Particle Image Velocimeter)시스템을 사용하였고, PIV 시스템은 Nd: YAG Laser(evergreen 200, quantel), 4MP CCD 카메라, 동기화장치(TSI Model 610036)과 컴퓨터로 구성이 되어있다. 레이저는 최대 200 mJ/pulse의 출력으로 15 Hz의 펄스 반복율, 532 nm의 파장으로 작동한다. 레이져에서 발생하는 빔의 시간 간격(∆t)은 12 µs이다. 이미지를 촬영하기 위하여 사용된 CCD 카메라는 POWERVIEW 4MP-180(2032*2048 pixel)이며, 카메라 렌즈에는 532 nm필터를 사용하였다. 400쌍의 이미지를 촬영하여 insight 4G TSI를 사용하여 데이터를 처리하였다. 본 실험에서는 화학적 자발광을 촬영하기 위하여 영상증폭기(intensifier)와 초고속카메라, 320 nm, 430 nm의 필터를 사용하였다. 영상증폭기(Lambert NL/18G)는 초고속카메라의 신호를 트리거로 사용하였으며 GAIN값은 650을 사용하였다. 영상증폭기의 증폭된 신호를 촬영하는 초고속카메라는 Photron FASTCAM mini UX 100를 사용하였고, 초고속카메라는 CCD 카메라의 신호를 트리거로 사용하여, 1000 frame으로 OH* 및 CH* 자발광에 대한 데이터를 〫〫〫〫〫〫획득하였다.

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Fig. 2

Schematic diagram of optical measurement system.

3. 결과 및 고찰

3.1 바이오매스 입자 크기에 따른 연료특성

Fig. 3은 본 연구에서 사용된 버섯배지 바이오매스의 입도분석 결과이다. 바이오매스는 석탄과 같은 크기인 45-90 µm와 석탄보다 작은 크기인 45 µm 이하, 석탄보다 큰 크기로 구성되어 있는 90-150 µm의 시료를 사용하였다. 45 µm 이하, 45-90 µm, 90-150 µm 바이오매스의 평균 입경은 각각 27.34 µm, 55.20 µm, 121.29 µm이며, 최대 분포를 가지는 입경은 각각 33.01 µm, 69.62 µm, 146.82 µm이다. 각 입경 분포의 표준편차는 20.27 µm, 41,64 µm, 79.99 µm로 입자 크기의 분포는 45 µm 이하, 45-90 µm, 90-150 µm 순서로 좁은 범위에 입자가 분포한다. 또한 본 실험에 사용된 석탄 45-90 µm는 바이오매스 45-90 µm과 거의 유사한 분포를 가졌다. Fig. 4는 TGA분석을 통한 TG/DTG 결과이다. TGA 분석은 30°C까지 온도를 상승시킨 후 10°C/min으로 900°C까지 상승시켰으며, 이 때 공기는 100 mL/min으로 공급된다. 탈휘발분 개시온도 (Tvol), 연소 종료온도(Tburn)은 선행연구의 방법을 참고하였다[32,33,34,35,36]. Tvol는 수분 증발이 끝난 뒤 DTG그래프에서 0.1 %/min이 되는 온도로 정의되었다[33, 34]. Tign은 DTG 최고 피크점에서의 수직선과 TG그래프와의 접점 위치에서의 접선을 그린 후, TG그래프에서 수분이 증발된 후 질량 손실율이 거의 없는 온도구간에서 수평선과 교차되는 지점으로 정의하였다[35, 36]. 또한 Tburn는 0.1 %/min에서의 수평선과 DTG그래프가 만나는 지점으로 정의하였다[33].

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Fig. 3

Particle size distribution.

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Fig. 4

TG and DTG curve with different particle size.

초기 100°C까지의 질량 감소는 수분 증발에 의한 것이며, Tvol-100°C에서는 연료가 열을 흡수하는 과정이다. 이후, Tvol°C이상의 온도에서 휘발분 반응이 일어나 질량이 감소하게 되고, Tign°C에 도달하면 연료의 점화로 인해 촤연소가 발생하여 질량이 감소하게 되며, Tburn°C까지 반응을 진행하다 연소가 종료된다. 휘발분 연소는 45 µm이하 바이오매스가 가장 먼저 일어나며, 45-90 µm의 바이오매스가 가장 느리게 일어난다. 점화온도는 바이오매스의 입경이 클수록 빠르게 발생하였으며, 연소 종료는 입경이 작을수록 빨리 일어났다. 휘발분 연소 발생 후부터 점화 전 (Tign - Tvol) 까지 온도차는 45 µm 이하, 45-90 µm, 90-150 µm 순으로 크며, 이로 인해 시료가 점화전 많은 에너지를 흡수하여 촤연소시 45 µm 이하, 45-90 µm, 90-150 µm 순으로 DTG 그래프에서 높은 피크점을 가지게 된다. 피크점은 45 µm 이하, 45-90 µm, 90-150 µm의 바이오매스에 대하여 각각 1.2879 mg/min, 0.9303 mg/min, 0.7035 mg/min이며, 피크점 발생 온도는 306.03°C, 302.60°C, 301.37°C로 입자크기가 클수록 피크점이 빠르게 발생하였다. 촤연소는 바이오매스의 입자크기가 클수록 오래 지속되었다. 또한 Tvol에서 탈휘발이 시작되어 Tign에 도달했을 때 질량 감소는 약 35% 정도 진행이 되었다. Table 2의 분석 결과 휘발분이 약 66%이므로, Tign 이후, 휘발분과 촤연소가 동시에 일어남을 알 수 있다. 연소 종료 후 질량변화가 없는 부분은 남은 회분의 양을 나타내며 바이오매스 입자 크기가 작을수록 회분의 양이 증가한다. 이는 미네랄 성분의 증가로 인해 발생하는 현상이다[21].

3.2 바이오매스 입자 크기에 따른 유동특성

Fig. 5는 버섯 배지 바이오매스 크기에 따른 축방향 난류강도를 나타낸다. 45 µm 이하와 90-150 µm의 바이오매스를 혼소한 경우, 평균 난류강도 임에도 불구하고 국부적으로 강한 난류가 발생한다. 반면에 45-90 µm의 바이오매스를 사용하였을 경우, 전체적으로 균일한 난류강도를 보였다. 이는 석탄의 크기가 45-90 µm이고 입자의 분포가 비슷하기 때문에 균일한 난류강도를 나타내는 것으로 판단된다. 또한 바이오매스 입자크기가 45 µm 이하일 때 강한 난류 발생 위치가 반응장 상류에서 발생하였다. 이는 Fig. 4의 TG/DTG 그래프에서 알 수 있듯이 초기 휘발분 연소가 45 µm 이하에서 가장 빠르게 발생하며, 촤연소시 최대 반응 속도가 가장 크기 때문이다. Fig. 6는 화염의 각 위치 y= 20, 30, 50, 100 mm 영역에서의 축 방향 속도를 나타낸다. 모든 바이오매스크기와 모든 높이에서 음의 축방향 속도는 확인이 되지 않았으며, 이는 모든 실험 조건에서 IRZ와 ORZ가 생성이 되지 않은 것을 의미한다. 이는 서론에서 언급한 것처럼 가스연소의 영향을 최소하고, 석탄-바이오매스 혼소화염에서 바이오매스의 크기를 영향을 최대화하여 화염구조를 확인하기 위해 최소한의 가스 연료를 보조연료로 공급하여 약한 난류화염을 형성하였기 때문이다. 축속도는 y=20 mm에서 45 µm 이하와 45-90 µm의 바이오매스 혼소에 비해 90-150 µm 크기의 입자를 혼소하였을 때 속도가 비교적 낮은 것을 알 수 있다. 이는 Fig. 4의 DTG 그래프에서 90-150 µm입자의 경우, 촤연소시 최대 반응 속도가 가장 작기 때문이다. 하지만, 하류로 갈수록 높은 속도분포를 유지하는데 이는 90-150 µm 크기의 바이오매스가 가장 오랫동안 연소를 하기 때문이다. 화염의 상류부근에서 높은 속도를 유지하던 바이오매스 45 µm 이하 혼소조건은 y=100 mm 의 하류부분에서 다른 조건들에 비해 속도가 크게 줄어든 것을 확인할 수 있는데 이는 45 µm 이하의 바이오매스가 가장 빨리 연소가 끝나기 때문이다. 반면 바이오매스 45-90 µm 혼소조건은 전 영역에 걸쳐 높은 수준의 속도를 유지함을 알 수 있다. 이는 45 µm 이하 바이오매스처럼 강한 촤연소가 발생하지 않고, 90-150 µm 바이오매스처럼 오랫동안 연소하지 않아도 전 영역에서 고르게 연소함을 알 수 있다. 이는 석탄 의 입자 크기가 45-90 µm이며, 입자 분포가 석탄과 바이오매스가 비슷하여, 시너지 효과가 일어난 것으로 보인다. 이러한 시너지 효과가 Fig. 5의 난류특성에서도 균일한 난류 특성에 기여한 것으로 보인다.

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Fig. 5

Axial turbulent intensity field for different biomass size. (a) under 45 µm, (b) 45-90 µm, (c) 90-150 µm.

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Fig. 6

Radial profiles of axial velocity for different particle size at various position (y= 20, 30, 50, 100 mm).

3.3 바이오매스 입자 크기에 따른 연소 특성

Fig. 7은 버섯 배지 바이오매스 입자크기에 따른 OH* 라디칼 분포 이미지와 OH* 라디칼의 축방향 최대값(a)과 반경방향으로의 반응강도합(b)을 나타냈다. 축방향 최대값은 OH* 라디칼의 축방향 최대강도를 의미하여 반응 강도의 합은 최대 반응 영역을 나타낸다. 석탄 화염에서 OH* 라디칼은 휘발분 연소를 나타내는 지표로 사용된다. 미세한 차이지만 45 µm 이하, 45-90 µm, 90-150 µm순으로 OH*강도의 최대값이 상류에서 발생했다. 하지만 단순 최대 OH*발광강도가 아닌 최대 반응 영역은 45 µm 이하, 45-90 µm, 90-150 µm 순으로 상류에서 발생하였으며, 45 µm 이하의 바이오매스 혼소시 연소가 가장 빠르게 종료되었다. Fig. 8은 버섯 배지 바이오매스 입자 크기에 따른 CH* 라디칼 분포 이미지와 CH* 라디칼의 축방향 최대값(a)과 반경방향으로의 반응강도합(b) 을 나타냈다. CH* 라디칼은 석탄 화염에서 고정탄소의 연소영역을 의미한다. 각 조건에서 화염의 주 연소영역은 45 µm 이하, 90-150 µm, 45-90 µm 순으로 상류에 위치하는 것을 이미지를 통해 알 수 있다. 이는 Fig. 4의 TG/DTG 그래프의 결과와 볼 수 있듯이 휘발분 연소 개시 온도(Tvol)가 45 µm 이하 (199.86°C), 90-150 µm (200.83°C), 45-90 µm (205.75°C) 순으로 바이오매스가 빨리 연소하기 때문이다. 정량적분석을 위해 CH* 라디칼의 최대값과 반경방향의 합을 비교해보면, CH* 라디칼의 최대값은 45 µm 이하, 90-150 µm, 45-90 µm 바이오매스를 사용하였을 때 각각 20.16 mm, 30.56 mm, 27.52 mm에서 발생하였다. 또한 단순 최대값이 아닌 가장 반응이 활발한 영역을 보기 위해 축방향 위치에서의 반경방향 신호강도의 합은 45 µm 이하, 90-150 µm, 45-90 µm 바이오매스를 사용하였을 때 각각 21.92 mm, 31.04 mm, 29.6 mm가 가장 반응이 활발한 영역이었다. 세 가지 조건 모두 최대 강도가 나타난 후, 최대 반응 영역이 나타났으며. 최대강도가 발생하는 위치보다 45-90 µm는 0.48 mm, 45 µm 이하는 1.76 mm, 90-150 µm는 2.08 mm 하류에서 최대 반응영역이 발생하였다. 또한 Fig. 4에서 90-150 µm의 바이오매스가 가장 오랫동안 연소하였는데 실제 석탄과 혼소하여 연소시킨 결과 45-90 µm가 가장 넓은 영역에서 연소가 지속됨을 알 수 있다. 연소 강도 또한 바이오매스 단일 분석에서는 45 µm의 연소 강도가 가장 강했지만, 실제 석탄과의 혼소에서는 45-90 µm 크기를 사용하였을 때 강도가 가장 크게 나타났다. 이는 석탄과 바이오매스의 크기 및 분포가 일치하기 때문에 시너지 효과가 발생하여 강도가 강해지고 연소 영역 및 시간도 증가한 것으로 생각된다. Fig. 9는 y=20, 20, 50, 100 mm에서 반경방향 CH* 라디칼 강도를 나타낸다. y=20 mm 근처 모든 시료가 높은 강도의 반응을 한다. y=30 mm 근처에서 45-90 µm 크기의 바이오매스를 혼소하였을 경우, 여전히 높은 강도의 반응을 하지만, 45 µm 이하, 90-150 µm의 입자를 혼소한 경우, 강도가 감소하였다. 약 y=50 mm에서도 y=30 mm에서와 마찬가지로 45-90 µm 바이오매스를 사용한 경우 높은 강도의 연소가 유지되고 있었다. 는 앞선 유동장과 반응장 분석에서 석탄 크기와 바이오매스 크기의 분포가 비슷하여 시너지 효과가 발생하여 넓은 영역에서 주 연소영역이 발생한 것과 일맥상통하다. 따라서 바이오매스입자가 지나치게 작거나 큰 것은 단일 바이오매스의 연소 특성이 반응강도가 강하고, 오래 반응한다 하더라도 혼소시 석탄과의 크기 및 분포와 차이가 나게 되면 오히려 반응 강도가 감소하거나, 연소 시간이 오래 지속되지 못하였다.

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Fig. 7

OH* images for different biomass particle size and (a) Axial profiles of maximum OH* intensity and (b) Axial profiles of sum of OH* intensity.

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Fig. 8

CH* images for different biomass particle size and (a) Axial profiles of maximum CH* intensity and (b) Axial profiles of sum of CH* intensity.

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Fig. 9

CH* intensity for different particle size at various position (y= 20, 30, 50, 100 mm).

4. 결 론

본 연구는 서로 다른 입경 조건을 가진 버섯배지 바이오매스를 Glencore와 20%로 블렌딩하여 미분탄 이중스월 화염에서 유동 및 연소특성을 관찰하였다. 석탄의 입자는 45-90 µm 사이의 분포를 가지며, 바이오매스는 석탄 입자와 같은 45-90 µm, 석탄보다 작은 입자를 가지는 45 µm 이하, 석탄보다 큰 입자를 가지는 90-150 µm의 크기로 연구를 진행하였고, 그 결과는 다음과 같다.

1) TG분석결과 바이오매스 입경에 따른 결과는 석탄 입경에 따른 TG분석결과와 비슷하게 작은 입경에서 더욱 많은 회분의 양이 검출되었으며, DTG 분석결과 Tvol은 45 µm이하, 90-150 µm, 45-90 µm 순으로 작았으며, Tign 은 90-150 µm, 45-90 µm, 45 µm이하 순으로 낮은 온도값을 가졌다. 또한 바이오매스 크기가 작을수록 연소가 빨리 종료되었다.

2) 혼소된 바이오매스의 입경이 작아짐에 따라 축방향 난류강도가 강해지는 지점이 버너의 상류부근으로 이동하는 것을 확인하였고, 석탄과 같은 크기의 입경을 사용한 경우, 국소부위 강한 난류가 발생하지 않고 연소장 내 균일한 난류강도 분포를 보였다.

3) 45 µm 이하의 바이오매스 혼소시 연소가 빠르게 끝나 하류부에서 속도가 크게 감소하였다. 단일 바이오매스 연소에서는 90-150 µm의 경우 연소가 더 오래 지속되었음에도 불구하고, 90-150 µm을 사용한 경우보다 석탄과 같은 크기인 45-90 µm을 혼소한 경우 지속적으로 높은 속도장을 유지하였다.

4) OH*, CH*라디칼 계측결과 바이오매스 입경 크기 45-90 µm 혼소 시 넓은 범위에서 연소가 일어나며, 최대 반응 강도를 보였다. 또한 45 µm이하의 바이오매스 혼소 시 화염 자체가 상류로 크게 이동하였다.

5) 원소분석 결과, 버섯배지의 경우 석탄보다 N 함유량이 많아 NOX 배출이 더 많을 것으로 예상되므로, In-furnace에서의 추가 연구가 필요하며, 배기가스, 표면분석, Carbon burnout 등의 추가 분석도 진행할 필요가 있다.

기호설명

Nomenclature

DTG : Derivative thermogravimetry

ETV : Exhaust tube vortex

IRZ : Inner recirculation zone

LDV : Laser doppler velocimetry

ORZ : Outer recirculation zone

PIV : Particle image velocimetry

PLIF : Planar laser induced fluorescence

PVC : Precessing vortex core

T : Temperature

TG : Thermogravimetry

TGA : Thermogravimetric analysis

Subscription

burn : burnout

ign : ignition

vol : volatile

Acknowledgements

이 과제는 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었음.

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