유동층 연소 (Fluidized Bed Combustor)

 

유동층 연소기술은 현재까지 개발된 연소기술중에서 가장 바람직한 새로운 석탄 연소이용 방식으로서 석탄을 적당하게 분쇄하여 만든 석탄 입자들과 석회석과 같은 유동 매체의 혼합가루층에 적정속도의 공기를 불어 넣어 부유유동층(Suspended Fluidzed Bed)상태로 만들어 연소시키는 방법이다.

이 기술은 그 독특한 연소 원리때문에 재래식 석탄연소 기술에 비하여 여러 가지 석탄이 가지는 문제점들을 극복할 수 있는데, 예를 들면 연소시 비교적 안정성을 잘 유지시킬 수 있고 낮은 온도에서도 연소시킬 수 있기 때문에 저질 연탄이나 원탄 폐석까지도 연소를 가능하게 하고 석회석의 엉겨붙음을 막으며 그 때문에 일어나는 여러 가지 부작용을 동시에 제거할 수 있는 이점이 있다.

또한 NOx라는 공해성 기체(과열때문에 공기중 질소가 산화되어 발생하는 경우가 많음) 를 적게 배출하고 보일러의 제작시 특수재료를 많이 사용치 않아도 되기 때문에 비교적 저렴한 가격으로 제작할 수 있다.

유동층연소는 열전달효율이 매우 높고 그 열전달 면적이 재래식 미분탄 연소기의 1/3 ∼1/4이면 충분해서 보일러의 제작면에서 훨씬 간편하고 경제적 이익을 가져오게 한다. 석회석과 같은 유동매체의 황화반응 때문에 보일러내 탈황효과가 있는 것도 특징중의 하나이다.

로(爐)내 고체의 구성성분은 주로 비활성 매체로 모래, 회분 혹은 석회석과 같은 탈황제이며, 연료인 석탄의 양은 전체 체적의 1∼4% 정도에 지나지 않는다. 이와같은 특성으로 인하여 기술적으로 연료의 수용폭이 넓어질 수 있고 다양한 성질의 (저열량, 고유황함유, 점착성, 고수분함유) 연료 등에 적용이 가능하다. 또 탈황제의 노 내 주입에 의한 직접탈황으로 별도의 배연탈황설비가 불필요하다.

유동층의 연소온도는 비활성 층물질의 용응온도보다 낮아야 한다. 따라서 조업온도는 750∼900℃ 범위이다. 이는 비교적 낮은 온도이므로 NOx 생성의 억제에도 유리하다. 석탄의 연소열은 비활성 층물질에 전달되며, 이어서 연소로 내 전열면에 전달된다. 격렬한 고체혼합현상으로 인하여 전열면에서 열전달계수는 250∼500%/m2K 정도로 매우 크다. 보통 고온의 기체가 지나는 보일러의 열전달관에서 열전달계수는 2 ∼25W/m2K 범위이다.

바닥의 기체분산판으로 공기가 주입되는 통 속에, 초기에 고체를 장입한 후 유속을 증가시킬 때, 입자들이 유동을 시작하는 유속을 최소 유동화속도라고 한다. 유속을 보다 증가시키면 고체층 내에 기포가 생성되며, 이 기포는 분산판에서 생성되어 상승하면서 기포간의 합체에 의하여 그 크기가 성장한다. 기포가 상승할 때 기포 밑에는 후류(wale)가 형성되어 기포와 같이 상승하면서 입자들을 위로 분산시키며, 이에 대한 반작용으로 입자들은 하부로 역혼합을 일으키게 된다.

이 거동은 유속이 증가할수록 더욱 활발해지며, 이를 기포유동층이라고 한다. 층 표면에서 기포가 깨어지면서 프리보드(freeboard)에 분산시킨 입자들은 TDH(transport disengaging height) 내에서 고체의 종말속도에 따라 종말속도가 유속보다 크면 다시 떨어져서 층으로 되돌아오곤 유속이 종말속도보다 크면 이 입자들은 유동층 밖으로 비말동반(entrainment)되어 나가게 된다. 비말동반되어 나가는 입자는 보통사이클론에서 포집되어 다시 유동층으로 주입된다.

만일 고체충의 높이가 높고 유속이 계속 증가하면 기포는 계속 성장하여 크기가 층의 직경과 거의 같게 되며, 이때를 슬러깅(slugging) 상태라고 한다. 유속이 계속 증가하면 기포가 분쇄되어 기체와 고체가 훨씬 원활하게 접촉하는 난류층(tlgbulent bed)상태에 이르게 된다. 유속을 더욱 증가시키면 모든 입자가 기체에 의해서 수송되어밖으로 유출되는 공기수송영역에 도달된다. 이때 사이클론으로 유출입자를 포집하여반웅기 내로 재순환시킴으로써 고체층을 유지시키는데 이를 고속유동층(fast bed)이라고 한다. 한편 이러한 구조를 총칭하여 순환유동층이라고 하는데, 유속이 입자의 종말속도보다 크면 모든 입자는 유동층을 떠나게 되므로 유동충의 최대속도는 보통 주어진 입자의 종말속도가 된다.

유동층 연소로는 조업압력에 따라 상압인 상압유동층과 약 10기압인 가압유동층으로 분류되고, 유동특성에 따라 기포유동층과 순환유동층으로 분류된다.

가압 유동층은 현재 상용화 개발단계에 있으며, 가압의 연소기체를 가스터빈에 사용하여 증기터빈과 함께 복합발전을 이루어 발전효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

상압의 기포유동층은 약 1.8m/s의 유동화속도(공탑기체속도)에서 조업되며, 약 40MWt이하의 중소형 산업용 보일러에 사용된다. 상압의 순환유동 층은 약 5m/s의 유동화속도에서 조업되며, 약 40MWt이상의 산업용 및 발전용 보일러로 사용된다.

유동층 연소로 공정의 주요설비로는 석탄 및 탈황제 고체주입 설비, 공기분산판,연소설비, 전열면 등으로 요약될 수 있다. 석탄 및 탈황제는 중력에 의한 슈트(chute), 기계식 공급기(strew conveyor, spreader rotor),혹은 공기수송에 의해서 연소로 내로 주입된다. 연소로 내 주입위치는 공기분 산판 위나 고체층 위이며, 중력에 의한 슈트나 기계식 공급기를 사용할 경우에는 주로 후자이다. 고체의 주입시에는 층의 단면적에 고른 분산이 가장 중요하며, 이를 위해서 여러 개의 공급점을 두기도 한다. 결과적으로 단위 공급기가 담당할 수 있는 단 면적과 층 내 고체혼합도가 중요한 설계변수이다.

분산판에 의한 유동화 공기의 분배는 층 내 고체혼합 형태와 직결된다. 고르지 못한 공기분배는 층 내에 정체영역을 만들며, 더 악화되면 연소로의 기능을 마비시킨다. 또 분산판은 고체의 역 흐름도 방지할 수 있어야 하며, 송풍기의 동력과 관련된 압력강하도 가능한 작아야 한다. 상용 보일러의 분산판으로는 다중투예어(multi-tuyere)가 주로 사용되며, 소형장치에서는 다공판이 사용된다.

유동층에 투입된 석탄은 비활성 층물질과 혼합되어 연소된다. 연소 후 굵은 회분은 층하부 혹은 분산판에 설치된 하부 회 배출구로 유출된다. 유동층 내 비활성 고체량은 주입된 석탄의 노 내 체류시간, 층 내 전열면적의 배치 등과 관련되어 결정되며, 상압유동층에서 고정층 높이는 보통 1m이하이다. 입도가 작은 석탄 혹은 미연탄소가 포함된 작은 입도의 층 내 고체는 유동화 기체에 의해서 비말동반되어 유출된다.

유출되는 고체 중에는 미연탄소가 다량 포함되어 있기 때문에 이를 재연소하지 않으면 연소효율이 크게 저하된다. 그러므로 사이클론에서 포집된 입자는 연소로내로 재순환되거나 별도의 연소실인 CBC(carbon burnup cell)에서 재연소된다. 상용보일러에서는 전자를 주로 사용한다. 열추출을 위해서 연소로 내에 설치된 전열면은,고체층 혹은 프리보드에 삽입된, 다발로 이루어진 수평 혹은 수직 전열관들과 수직전열관으로 만들어진 연소로벽으로 구성된다. 전열관 내에는 물-증기 혼합물이 증기드럼과 연소로 사이를 순환한다.