New & Renewable Energy 2016. 2 Vol. 12, No. S1 ISSN 1738-3935 http://dx.doi.org/10.7849/ksnre.2016.02.12.s1.28 [2016-2-BM-004] 체인스토커방식 2 ton/h-class 목재펠릿증기보일러의부하별연소특성 장준환 1)* ㆍ김종진 1) ㆍ최규성 1) ㆍ강새별 1) The Load-Specific Combustion Characteristics of the Chain Stoker Type 2 ton/h-class Wood Pellet Steam Boiler Junhwan Jang 1)* ㆍ Jongjin Kim 1) ㆍ Kyusung Choi 1) ㆍ Saebyul Kang 1) Received 30 October 2015 Revised 4 February 2016 Accepted 13 February 2016 ABSTRACT The aim of this study was to develop a 2 ton/h-class chain stoker type wood pellet steam boiler. A series of investigations examining the combustion load characteristics of a chain stoker type wood pellet steam boiler were conducted. A load from 60% to 100% and a chain speed from 5.00 cm/min to 5.95 cm/min were considered. The maximum efficiency was 90.7% at a 100% load; the CO concentration in this case was 156 ppm. The exhaust gas temperature increased with increasing exhaust gas oxygen concentration. The performance of the boiler was most remarkable at a chain speed of 5.81 cm/min. Key words Wood Pellet Steam Boiler( 목재펠릿증기보일러 ), Chain Stoker( 체인스토커 ), Combustion Characteristics( 연소특성 ), Chain Speed( 체인속도 ) Nomenclature : steam quality, % : steam temperature, : enthalpy of steam, kcal/kg : saturated enthalpy, kcal/kg : saturated steam enthalpy, kcal/kg : feed water enthalpy, kcal/kg : latent heat of vaporization at measurement pressure, kcal/kg : pellet feed rate, kg/h 1) Korea Institute of Energy Research E-mail: jhjang@kier.re.kr Tel: +82-42-860-3348 : water flow rate or steam production rate, kg/h : thermal efficiency of boiler, % subscript LHV : lower heating value 1. 서론현재세계적으로화석연료의사용량이증가하는추세이다. 이에따라화석연료가고갈되면서신재생연료가많은주목을받고있으며신재생연료를활용하기위한연소기술이활발하게개발되고있다. 국내에서는신재생에너지 Copyright c2016 by the New & Renewable Energy This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
체인스토커방식 2 ton/h-class 목재펠릿증기보일러의부하별연소특성 공급의무제 (RPS) 를시행하였으나, 신재생에너지자원의부족, 관련기술수준의한계등으로국내발전부문에서의공급의무율이행에는어려움이예상되며저탄소순환에너지인목질계바이오매스가대안중에하나이다. 이에지역난방공사에서우드칩을이용한열병합발전소를운영하는등많은사업장에서목질계바이오매스를소비하고있으며, 성능향상에대한연구가진행중이다. [1-3] 목재펠릿은목재톱밥이나숲가꾸기산물을톱밥으로제조한후압축하여만든연료로서, 운반및저장등취급의용이성에서다른목질계바이오매스에비하여유리하다. 현재국내에서는목재펠릿의수요량증가와함께수입량도급속히증가하는추세에있어, 국내생산단가를낮추는방안을마련하기위한다양한연구가진행되고있다. 이러한시도는국내중소형산업체에게생산비용절감은물론저탄소경제체제로의급격한변화를요구하는시대흐름에도가장현실적인대안을제시할수있을것이다. [4] 목재펠릿의수요처개발을위하여 2009년부터산림청에서는목재펠릿보일러의적극적인보급을촉진하고있으며, 각계에서성능향상을위한다양한연구가활발히진행중이다. 우리나라에서산업용보일러는국내산업용연료소비량의 50% 가량을열로변환하는기기로, 산업설비중에서가장많은연료를소모하고있는에너지다소비기기이다. 산업용보일러는연간 300일이상가동되는보일러도많이있기때문에산업용보일러로서펠릿보일러가보급될수있다면온실가스감축효과가매우클것으로판단된다. [5-10] 우리나라의펠릿보일러는화격자청소장치가장착되어있거나화격자가이동하는형태로되어있어야만한다. 이를만족하기위하여왕복운동을하는 Moving grate 방식의연소장치가연구되어일부펠릿보일러에적용되고있다. 우수한목재펠릿보일러개발을위해서는무엇보다도클링커및슬래그가발생하지않아야하고장기적인운전에도이상이발생하지않아야한다. 이런면에서 Chain stoker 방식의화격자는 Chain stoker 를회전시키며탱크의바퀴처럼구동하는화격자위에연료를골고루펼쳐져서투입되는과정으로진행되어클링커발생이적고화격자가계속해서열을받는것이아니기때문에제품의안정성에도탁월하다. 또한연료의성질및등급에따라자유롭게환경에맞는연소가가능한특징을가지고있다. 이러한장점에도불구하고현재국내에서는 Chain stoker 방식목재펠릿보일러의연구가미흡한실정이다. 또한본연구이전의 1ton/h 급보일러의연소실험결과 CO가다량으로배출되는등적절한연소조건을찾는것에어려움을겪었다. 이에본연구에서는 2ton/h 급 Chain stoker 방식의목재펠릿증기보일러를개발하여연소가잘이루어질수있는조건을찾기위한보일러의연소특성에대한실험을수행하였다. [11,12] 2. 실험장치및방법 2.1 실험장치보일러는 Fig. 1과같이수관과연관으로구성되는수연관식이며연소실의표면에서외부로방출되는방열손실을줄이기위하여연소실외벽에수관부를설치하였다. 연소실내부는화염이부력에의하여상부에뜨는상황이예측되기때문에연소실상면을내화물로시공하였다. 또한시작품보일러의 CO 발생을줄이기위하여연소실체적을비교적크게설계 (61m 3 ) 하였다. 보일러의기본구조는 3-pass 구조로하여연소실 (1-pass) 에서연소된연소가스가연소실후단에서연소실앞부분으로이동 (2-pass) 하여보일러동체내에설치한연관군 (3-pass) 을거쳐서절탄기로유입하게하였다. 2번째 pass 는보일러동체의외벽과수관으로구성되는공간이다 (Fig. 1). 연소용공기는체인스토커하부에서부터공급되어체인스토커를통과하여화층으로공급되는구조이며, 체인스토커하부는 3구간으로나누어서공기량을조절할수있는댐퍼를 3개설치하였다. 체인스토커의하부에는연소후발생하는 ash를처리할수있게재받이를설치하였고, 실험후 ash Fig. 1. Schematic diagram of boiler 2016. 2 Vol.12, No.S1 29
장준환ㆍ김종진ㆍ최규성ㆍ강새별 Fig. 2. Temperature sensor and observation location; (a) side view; (b) front view 고체, 액체및기체연료를사용하는육용보일러의실용적시험에서열정산의일반적방식에대하여규정하고있다. 다음의결과를얻기위하여펠릿공급량, 급수량, 급수온도, 각부의연소가스온도, 증기온도등을측정하였으며, 배기가스성분을분석하고, 연소후의남은재 (ash) 를채집하여분석하였다. 펠릿투입량은 load cell FS-2191c 모델을이용하여측정하였고, 급수유량은 Kometer 사의 KTM-800 전자유량계로측정하였으며, 급수온도는 RTD, 연소가스와건도계의온도는열전대로측정하였다. 배기가스분석은 Testo-350 가스분석계를표준가스로검증한후사용하였다. 실험시사용한펠릿의발열량은발열량계를이용하여측정하였고, 효율계산시에는저위발열량을사용하였다. 를채집, 분석하여연소효율을도출할수있도록하였다. 보일러의연소실과연소실의온도측정위치를 Fig. 2에나타내었다. 측정점에는 k-type 열전대 probe를설치하였으며, 각각의 probe는 3개의측정점이설치되어있어, 총 24개의열전대측정점이설치되었다. 연소실내부의화염관측을위하여측면에 3개의관측구를설치하였고, 연소실후단에는상하로각각 1개의관측구를설치하여총 5 개의위치에서연소상태를관찰할수있도록하였다. 보일러연소실내부에는 3개의격벽이설치되었다. 1차제작에서는 Fig. 2(a) 의격벽 I과격벽 II를설치하여실험을수행하였으나, CO 배출량이많아연소실내부의수정이불가피하였다. 이에따라연소실앞쪽에화염이떠오르는것을방지하여화염의길이를증가시키기위한추가격벽을설치하여연소실내부를효과적으로사용하도록하였다. 격벽은장시간의고온과에붕괴되지않도록아치형으로설치하여안정성을확보하도록하였다. 2.2 실험방법시작품보일러의성능을분석하기위해서는보일러열효율, 연소효율, 배기가스성분그리고증기건도등을측정해야한다. 다음의식 (1) 은발생증기의건도, 식 (2) 는발생포화증기의엔탈피, 그리고식 (3) 은보일러열효율을도출할때사용하는식이다. 각각의식은 KS B 6205 의육상용보일러의열정산방식을적용하였으며, 이규격은 [%] (1) [kcal/kg] (2) [%] (3) [13] 급수제어는간헐급수방식을사용하여, 수위가일정하게유지되도록하였고, 펠릿공급부에는자체개발한펠릿분배기를설치하여펠릿이고르게분배되도록하였다. 급수량, 펠릿투입량, 각부의온도, 배기가스성분측정값은실시간으로실험용 PC에전달되어저장할수있는 data logging system을구축하였다. 체인스토커의회전속도변화와, 60~100% 범위에서 20% 간격으로부하변동에따른성능시험을수행하였고, 부하별성능시험의경우산소농도를 5~11% 까지 2% 간격으로변경하여실험을수행하였다. 실험시증기압력은 5kg/cm 2 으로일정하게유지하였다. 3. 실험결과 3.1 체인속도변화에따른실험결과 체인스토커의이동속도는회전모터의주파수제어에의 30 신재생에너지
체인스토커방식 2 ton/h-class 목재펠릿증기보일러의부하별연소특성 Table 1. Chain speed with respect to frequency 주파수 (Hz) 체인이동속도 (cm/min) 주파수 (Hz) 체인이동속도 (cm/min) 19 5.00 23 6.24 20 5.44 24 6.90 21 5.81 25 7.59 22 5.95 26 8.29 Fig. 4. Thermal & Combustion efficiency of boiler Fig. 3. CO / O 2 Concentration with respect to chain speed 해조절되기때문에모터의주파수에따른체인스토커불판속도를예비실험에서측정하였다. 주파수 (Hz) 에따른체인의이동속도를 Table 1에나타내었다. 예비실험시에 23Hz 이상으로불판속도가빨라지면효율이감소하는경향을보였기때문에불판속도에따른배기가스특성을분석실험시에는속도제어인버터의출력을 22Hz 이하로하여실험을수행하였다. [14] 부하율을 100% 로하고, 체인속도는 22Hz, 배기가스중산소농도를 9% 로하여실험을진행한후이후체인속도를 1Hz씩감소시켜 19Hz까지낮추어실험을진행하였다. Fig. 3에서볼수있듯이체인속도가감소함에따라서산소농도는증가하고이에따라 CO 배출량은감소하는경향을보이고있다. 이는체인속도가증가하면화층이연소실후부까지길게형성됨으로써연소공기량이감소하는것으로판단된다. 3.2 부하별실험결과시작품보일러에대하여부하별실험을수행한결과부하가클수록공기비가작을수록효율이증가하는경향을보이고있다. 효율은 100% 부하에서 89.1~90.7%, 80% 부하에서 88~89.1%, 60% 부하에서 86.0~88.8% 의범위 Fig. 5. CO concentration of flue gas and steam quality of boiler 를보이고있다 (Fig. 4). 보일러의연소효율은모든부하와모든산소농도조건에서 99.6% 이상으로연소상태가매우좋은것으로판단된다 (Fig. 4). CO 배출량은공기비가클수록적게배출되는경향을보이고있으며, 산소농도 7% 이상구간에서는모든부하에서 200ppm 미만으로측정되었으나, 산소농도가 7% 미만이되면 CO 배출량이급격히늘어나는경향을보이고있다. 부하 80% 와 100% 에서는 CO 배출량이 2000ppm 이상으로치솟는등더이상측정이불가능하였다 (Fig. 5). 증기의건도는증기압력과건도계의 2차측온도의함수로측정된다. 산림청의 산업용목재펠릿보일러준공검사를위한시험기준 에따르면증기의건도가 98% 이상이면양질의증기로판단한다. 건도는본실험에서증기의건도는모든부하에서 98.7% 이상으로측정되었으며, 이를 Fig. 5에나타내었다. [15] 연소가시작될때부터보일러의모든 pass를거쳐배기가스로대기에방출될때까지의일련의온도변화를 Fig. 6 2016. 2 Vol.12, No.S1 31
장준환ㆍ김종진ㆍ최규성ㆍ강새별 Fig. 6. Temperature inside the boiler 에나타내었다. 고부하일수록높은온도분포를보이고있으며, 그차이는보일러본체출구를지나면서부터급격히줄어드는것으로파악된다. 또한공기비가클수록 (O 2 9%) 연소실내부에서의온도는높게형성되었지만연소실후단인수관입구에서는작은공기비 (O 2 7%) 와비교하여급격히낮아져더낮은온도를형성하는경향을보인다. 이는공기비가클경우에는화염의길이가짧아져연소실후단까지고온의화염이미치지않아그런것으로판단된다. 4. 결론본연구에서는 2ton/h 급체인스토커방식목재펠릿증기보일러의연소특성에대한실험을수행하였고, 체인스토커의체인회전속도변화와부하변동에따른연소특성변화를비교하였으며, 주요결과는다음과같다. 1) 보일러의효율은모든부하에서 86~90.7% 의분포를보이며, 산업용목재펠릿보일러준공검사를위한시험기준 (85%) 과비교할경우기준이상의성능을보여주고있다. 다만보일러연소실내부에다량의내화물이설치되어있어서축열되는시간이상당히길기때문에정상상태에도달하는데많은시간이소모된다. 따라서현재연구중인보일러를산업현장에적용하기위해서는정상상태도달시간을줄일수있는방안을마련할필요가있다고판단된다. [15] 2) 체인을제어하는인버터의주파수변화에따른실제체인의이동속도를측정하였으며, 체인속도가감소함에따라서배기가스중의산소농도는증가하고이에따라 CO 배출량은감소함을확인하였다. 이처럼 CO 발생량은공기비가작을수록증가하는경향을보이며, 일정공기비이하로떨어질경우급격히증가하였다. 이에따라향후이어질연구에는낮은공기비에서도원활한연소가이루어질수있도록연소실내부구조개선, 2차공기의투입등과같은방안을마련하는것이필요하다고판단된다. 3) 보일러의각부분에서의온도측정을통해서연소실내부에서부터대기로방출될때까지의온도변화를비교분석하였다. 공기비에따라서화염의길이가변하였고, 이는공기비가높을수록화염길이가짧아져낮은공기비에비하여효율이감소하는결과로이어짐을확인하였다. 향후효율향상을위해서절탄기의용량에대한검토가필요하다고판단되며, 최적의연소를위한연소실내부 ( 연소실 ~ 수관입구 ) 의구조에대한검토또한필요하다고판단된다. References [1] Jeong, N. Y., Kim, L. H., 2010, The Study of Economic Feasibility of Wood Pellet in Domestic Power Plant Sector, Journal of Energy Engineering, 19(4), 251-257. [2] Suh, G. Y., Kim, S. H., 2012, Case Study and Evaluation of Economic Feasibility of Combined Heat and Power System using Woodchip Biomass, Journal of New & Renewable Energy, 8(4), 21-29. [3] Kim, T. K., Youn, H. K., Seung, S. S., Park, S. W., 2002, Development of a Simulation Software for the Fluidized Bed Sludge Incinerator, KSME Spring Annual Meeting, pp. 2179-2184. [4] Yang, I., Kim, S. H., Han, K. S., 2015, Effects of Moisture Content and Particle Size of Sawdust and Operating Time of Flat-die Pelletizer on the Fuel Characteristics of Wood Pellets Fabricated with Mongolian Oak and Rigida Pine Sawdust, Journal of New & Renewable Energy, 11(3), 11-20. [5] Chungen Yin, Lasse A. Rosendahl, Soren K. Kaer, 2008, Grate-Firing of Biomass for Heat and Power Production, Progress in Energy and Combustion Science, 34, 725-754. 32 신재생에너지
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