철 에너지환경분야 순환유동층연소보일러의설계및운전의중요요소 (Important Factors for Design and Operation of CFBC Boiler) 안관등 * An, Gwan Deung 요 지 순환유동층연소보일러는 1980년초상용화이후설비의신뢰성확보및용량의대형화등으로날로보급이확대되고있다. 이는순환유동층연소보일러의특 장점인저가의다양한연료사용및환경측면에서의우수한열병합발전과중소규모의발전부문에서경제성을확보할수있기때문이다. 이와같은순환유동층연소보일러를적용한발전소건설을위한체계적인기술축적이필요할것으로사료되어설계및운전에고려하여야할중요사항을검토소개하고자한다. Abstract The CFBC (Circuiting Fluidized Bed Combustion) boilers have been expanded after commercialization in the early 1980s because of the improvement of reliability and the scale-up of the unit size. It can keep competitiveness of CFBC boilers which can use cheap and various kinds of fuel. In addition, they can be applied to the environment-friendly cogeneration plant and have economical efficiency in a middle scale power plant market. As a result, it is necessary to accumulate the systematic technology for CFBC boilers applied on power plants. Therefore, this study introduces important factors in terms of design and operation of the CFBC boilers. * 대우엔지니어링화공에너지사업본부에너지사업그룹차장 순환유동층연소보일러의설계및운전의중요요소 59
1. 서론에너지자원은점차적으로고갈되어가고있는반면에온실가스배출등으로지구온난화등이심각한환경문제가대두되고있는현실을감안할경우, 저렴하고다양한연료의사용이가능하고환경측면에서우수한순환유동층연소보일러를적용한발전설비는고체연료를사용하는발전분야에서점차경쟁력우위를확보하고있으며, 특히유가상승과더불어설비의신뢰도향상및규모의대형화등으로 1980년대이후급속하게보급되고있다. 따라서순환유동층연소보일러의설계및운전에고려되어야할주요인자를순환유동층연소이론및세계유수 Maker의기술개발사례로검토소개하고자한다. 이와같이순환유동층연소보일러는유동매체를사용하고자하는고체연료의착화온도이상으로보조연료를이용하여기동시가열한후유동화가가능한적정크기의고체연료를주입하여유동매체와함께유동화, 재순환연소방식을채택한기술이다. 2. 본론 2.1 순환유동층연소보일러의원리기체를고르게분사하는분산관으로구성된연소실바닥위에적정규격의 Bed material 을채워공기의유속을점차적으로증가시켜일정유속에도달하게되면입자의유동특성이기포층 (Bubbling bed) 난류층 (Turbulent bed) 고속유동층 (Fast bed) 으로전환하게되며고속유동층하에서는연소실내에서질량입경분포에따라연소실높이영역안에서상하유동화운동을하고연소실밖으로유출된입자중일부는 Cyclone에서포집되어하부 Loop seal에의해연소실로재순환된다. Cyclone에서포집되지않는미세입자는 Second pass (Super Heater, Economizer, GAH) 를거치면서연소, 전열후전기집진기에서 Fly Ash로포집된다. [ 그림 1] 유동화특성변화 2.2 장점 (1) 연소실내를유동하는유동매체에의해전열면에서의열전달율이높다. (2) Cyclone에서미연분을포함한유동매체를포집하여재순환을시킴으로서충분한연소시간을확보할수있기때문에완전연소를기할수있다. (3) 연소실온도를 900 이하로유지할수있어 Thermal NOx 발생량을감소시켜별도의방지시설없이유연탄연소의경우약 50% 저감 (200ppm 이하로유지가능 ) 60
철(4) 연소실내에석회석을유동매체및탈황제특성에맞는규격으로주입할경우연소실온도가최적탈황반응온도 (850~880 ) 로유지운전시낮은 Molar ratio (Ca/S=1.2~1.5) 에서 90% 이상의우수한연소탈황효과를거둘수있다. (5) 순환유동매체의보유열원이연료고체기체와더불어균일한혼합연소과정을이루고있어저급의 Peat, Lignite, Petroleum coke, Bio-mass, Sludge, RDF, 도시쓰레기등다양한연료의완전한연소가가능하다. (2) 유동화 Bed층이균일하게이루어지지않을경우 Bed층의국부적인온도상승으로인한운전장애가발생될수있다. (3) Cold start-up 시간이 8~10시간으로길다. ( 노내내화물보호및 Bed Material 승온필요시간 ) (4) Bed press 유지및 Air flow 조정 (Primary air, Secondary air등 ) 등운전원의숙달된기능이요구된다. (6) 연료입자를유동화가능규격 (5~20mm) 으로파쇄하여사용하므로미분탄보일러에서같은연료의미분쇄가필요하지않다. (7) 내부연소탈황으로배가스중 SOx농도가낮기때문에배가스온도를약 120 정도까지낮출수있어보일러효율을 2-3% 높일수있다. (8) Ash의용융점이하연소로 Slag가생성되지않는다. (9) Turn down ratio를 4:1까지가능하여부하추종운전에유연성을확보할수있다. (10) 환경방지시설투자비최소화및운영비가저렴하다. 2.3 단점 (1) 연소실에서유동매체의유동화에의한튜브전열면의마모가심하다. 2.4 설계및운전고려사항 (1) 순환유동층연소보일러의최대장점은다양한종류의연료를저온연소 (900 이하 ) 시킴으로서 Thermal NOx 발생저감및연소과정중에 SOx 제거기술적용, 연소실에서배출된유동매체를포집재순환연소시킴으로서연소효율을증대시키는것이다. 따라서연소실은유동매체의적정한유동화및순환을위한이론및실증경험을통한최적화설계가요구된다. 주요설계인자로는유동매체 Bed 온도, 유동매체분포도, 연소실에주입되는 Lime Stone 및연료의 Size와 Density, Gas 의체류시간, 연소실높이, 연소실전열면적, 연소실하부공급분배 Nozzle에서분출되는공기유속등다양한요소가있다. (2) 유동매체의유동화, 재순환과정에서발생하는마모에대응한설계또한중요한요소이다.( 적정높이까지내화물시공등 ) (3) Second pass ( 과열기, Economizer, Air 순환유동층연소보일러의설계및운전의중요요소 61
Heater 등 ) 의 Ash, CaSO₄에의한 Erosion 및 Fouling에대응한설계 (In-Line Arrange -ment 등 ) (4) 연소탈황으로 Flue Gas의 Sulfuric Acid dew point가낮아지므로 ( 약 120 ) ECO와 Air Heater 열전달계수를고려한적정배가스온도유지를위한전열면적배치 (5) Air Heater 하부 Hopper 및 ESP 1단 Hopper의 Fly ASH 성분분석, 미연분포함시 Furnace로재순환연소 (6) 유동매체 ( 가 ) 입자특성분석및변화고려 점착성이크거나매우가는입자는입자간상호인력이크기때문에정상적인유동화가일어나지않는다. 석탄재및모래와같은적정한 Size와 Density를갖는입자군이비교적원활한유동화가일어난다. 건조, 연소, 유동화, 재순환과정을거치면서입도변화가크게일어난다. -고온영역에서분열, 분해, 축소 -유동화과정에서마모, 파쇄등 ( 나 ) 유동매체구성 (Bed Material) 및분포 반응한 Lime Stone : 약 90%(CaSO₄) 미반응 Lime Stone : 약 2~3% 연료 : 약 2~3% ASH : 약 3~4% ( 다 ) 유동매체의규격화및재순환과정 CFBC 보일러의운전 Parameter는 Bed Quality이다. Bed Material은 Cyclone을통한재순환및 Furnace에서 Clarification 과정을거치면서규격화된다.(100~500μm) Loop Seal의 Bottom Material은순환매체의대표시료가된다. 순환되는유동매체 Size는연소실유동화속도와 Cyclone 효율에의존하며이는유동층보일러특성에따라유동매체가규격화되어야하는중요한이유이다. 순환하는유동매체의양은연소실열전달에영향을준다. 즉연소실온도에영향을주며, 부적절한규격은연소실온도를상승시키고탈황에영향을준다. (7) 탈황제인 Lime Stone 규격의중요성 ( 가 ) 순환유동매체의약 90% 를유지하고있는석회석화합물은순환유동층보일러의가장중요한설계운전요소이다. ( 나 ) Lime Stone은결정형과무정형으로구분되며무정형이부서지기쉬우나반응성이우수하다. ( 다 ) Lime Stone의체류시간은 Lime Stone 사용에영향을주고고체상의 CaO와기체상의 SO₂가이종 (Heterogeneous) 반응으로충분한체류반응시간이필요하다. ( 라 ) Lime Stone은순환과정에서분쇄, 마모, 분해과정을거치면서유동매체및탈황제로서역할을하므로물리적특성은매우중요하다. ( 마 ) 주입하는최적의 Lime Stone Size는순환유동매체와같다. 이는순환유동매체 62
철량및체류시간을최대화한다. ( 바 ) 따라서규격외 Lime Stone 사용시 석회석사용량증가 Bed Temp. 증가 노내전열량감소로과열기 Spray Water 사용량증가초래 배가스온도상승 NOx 및 SOx 배출량증가 Bottom ASH 배출량증가 Furnace 마모증가 불균일한유동화등상기사항이운전의중요장애요인이된다. ( 사 ) Lime Stone Size Distribution Curve (Pyropower 자료 ) Calcination CaCO₃ CaO +CO₂-776Btu/lb of CaCO₃ SO₂Reaction CaO + SO₂+½O₂ CaSO₄(S) + 6733Btu/lb of S 제거효율 : 약 90% (Molar Ratio, Ca/S : 1.2~2.0) Calcium/Sulfur Ratio 영향인자 - Lime Stone Reactivity - Fuel Sulfur Contents - Lime Stone Size Distribution - Mixing of Fuel and Lime Stone In Furnace - Air Splits(Grid 와낮은 Nozzle Air 증 가운전시 Ca/S 감소, 이경우 NOx 생 성을미세하게증가 ) - Excess Oxygen(1 차공기유량증가, Total 공기량일정유지 ) - Percent Removal of SO₂Contents - Bed Temp.( 최적 860~893 ) [ 그림 2] Lime Stone Size Distribution Curve (8) Emission Control ( 가 ) SOx Ideal Reaction Temp. Range : 843~900 (954 이상에서는반응이없다.) [ 그림 3] Bed temperature VS. Sulfur capture 순환유동층연소보일러의설계및운전의중요요소 63
( 나 ) NOx NOx는 Fuel NOx와 Thermal NOx로구분 저온순환유동층연소로 Fuel NOx 및 Thermal NOx의생성을감소시키고특히이론적연소공기량보다적은 Primary Air 공급으로 Nitrogen Compound가 Fuel NOx로생성되기보다는일정부분 로환원된다. 따라서 Primary, Secondary Air Ratio 조정에의해연소효율및 NOx 저감을동시에얻을수있다. 념의완성으로용량의대형화실현 (1) 1세대 Solid Separator; CBFC의최대장점인유동매체의순환과정에서 Furnace 출구로배출된 Unburned Fuel을포함하는유동매체를포집하여 Furnace로재순환시키는장치로일반산업용 Cyclone 적용으로 300mm 정도의두꺼운 Refractory( 벽체내에열전달 Tube가없음 ) 로 Lining되어있어초기투자비는적으나 Heat Loss 및보수유지비가크고, 기동시간이긴단점이있음. ( 다 ) Particulate 탈황제로사용되는 CaCO₃의분해및탈황반응으로생성된 CaO, CaSO₄의고유저항에따른영향으로 ESP 집진면적의다소증가필요 2.5 Scale up large Compact CFBC Boiler (300~800MWe) (2) 개선기술 (Foster wheeler Energy Corporation) Cyclone 벽체내에 Steam Cooled Tube를설치하고 Metal Studs로지지하는 25mm 두께의 Refractory로 Lining 함으로서 Refractory 보수비용저감, Cooled Refractory 얇은층은낮은온도에서운전이가능하며, 이러한온도조건은 Cyclone과 Furnace의온도차가감소하여열팽창이최소화한다. ( 가 ) Steam-Cooled Cyclone은초기투자비가다소크나, 이러한투자비증가의주요요인인 Curved Tubing Panel을 Flat Tubing Panel을적용함으로써 Furnace에근접시킬수있으므로 Compact화가능 ( 나 ) Integrated Recycle Heat Exchanger (INTREX) 적용 : 대형보일러에서 Furnace Wall [ 그림 4] Pyropower C.F.B.C Boiler - CFBC 보일러의신뢰성및운전의유연성을 확보할수있는기술축적과다양한신설계개 은유동매체의열전달에의한 Cooling을위하여 ( 적정온도유지 ) 충분한면적이확보되어야하나 INTREX(Bubbling Bed Type) 를 Loop Seal에설치하여 Cyclone에서포집된 Solid의 Temp. 를조절하여재순환시킴으로써연소실 64
축소철및운전유연성의확보가가능하다. ( 마 ) 배출 Bed Material Heat Recovery ( 다 ) Cross Over Duct : Cyclone 출구인 Flue Gas Duct에도 Steam-Cooled Tubing 적용으로 Heat Recovery 할수있도록구성되어얇은내화물시공가능 ( 내화물두께 20~ 50mm) ( 바 ) Reheat Steam Bypass System: Reheat Steam Temp. Control 신뢰성및 Cost 효용성확보 ( 라 ) Induct Start up Burner 적용 ; 짧은 Start up 시간으로연료비절감 [ 그림 5] The increase of the size of CFB Boilers [ 그림 8] Foster Wheeler Advanced Compact C.F.B.C Boiler 순환유동층연소보일러의설계및운전의중요요소 65
[ 그림 6] Overall development of boiler availability in CFB units [ 그림 7] 800MWe OUT Steam/Water Circuitry [ 그림 9] 800MWe OTU * CFB Design Basis and Performance Parameters * OTU : Once Through Utility 66
철2.6 CFBC 보일러 Type별비교 (Power-Gen Asia 2000 September) * * B&W IR : Babcock & Wilcox with Internal recirculation(ir) and impact U-beam Separator 3. 결론에너지자원이점차적으로감소되어가고있는제여건을감안할경우저렴하고다양한에너지원의사용이가능한 CFBC를적용한발전사업전망은밝을것으로판단된다. 따라서순환유동층연소보일러의원리및운 전기법의이해와더불어신개념의 Compact 화 한대형화 C.F.B.C Boiler 적용기술을습득하 여경쟁력을갖추어야할것이다 순환유동층연소보일러의설계및운전의중요요소 67
참고문헌 Energy Poland) [1] Power Gen Europe June 2007; Reliability and Maintenance Improvements in Latest Generation in CFBC Boiler [2] Power Gen International Orlando, Florida December2-4208 [3] Power Gen Asia 2000, September 20-22 [4] Power Gen Americas 95 December 5-7 1995 [5] AHLSTROM pyropwer CFBC operation manual [6] 유동층연소기술현황 2-97, 김재성 [7] 유동층연소기술현황 1-97, 선도원 [8] ASME international Joint power Generation Conference, November 3-5 1997 [9] Power Gen international 99, November 30-December 2. 1999 [10] 20th international Conference on Fluidized Bed Combustion, May 18-20 2009 [11] Technical paper(foster Wheeler 68