발전연소관리 개요 (2)

5. 석탄 연소장해 및 대책

 

가. 석탄의 연소성

: 석탄의 연소성은 연소장치의 어떤 조건 하에서 석탄이 연소되는 속도의 정도를 나타내는 것으로서 보일러 설계나 연소방식 선정에 큰 영향을 미친다. 주로 발열량, 연료비 및 전수분 등에 따라 변화된다. 또한 연소성은 착화성 및 반응성과 상관관계를 가지고 있으며 일반적으로 연료의 착화성이 양호한 것은 반응성이 크고 연소성도 양호해진다.

착화성이란 연료를 공기 또는 산소 중에서 가열할 경우, 착화의 난이를 나타내는 것으로서 통상 착화되는 최저온도가 낮을수록 착화성이 양호한 것이며, 반응성이란 산화성 분위기에서 연료의 화학적 성징레 지배되는 화학반응 속도를 나타낸다.

고체연료의 연소과정은 연료가 가열되면 내재된 고형의 휘발분이 열분해 과정을 통해 탄화수소 등의 가연성 열분해 가스로 분해된 후 다공성 고체연료 밖으로 유출되어 주위의 공기와 접촉, 반응하여 휘발분의 연소가 일어나고, 동시에 외부로부터 고체연료의 기공을 통하여 공기가 유입되어 고체연료 내부의 고온의 촤(char)와 반응하여 연소반응이 일어난다.

일반적으로 다음의 4단계로 진행된다.

1) 휘발분의 분해 및 착화온도까지 가열

2) 휘발분의 연소

3) 휘발분의 연소열에 의한 고정탄소의 착화온도까지 가열

4) 고정탄소의 연소

이중 연소과정이 가장 긴 것은 고정탄소의 연소이며 완전연소에 요하는 시간은 반응성에 좌우된다. 석탄의 반응성은 휘발분과 관계가 있는데 휘발분 함량이 많으면 가연성 가스가 많아 착화가 용이해져 반응성이 커지므로 연소시간이 짧아진다.

연소시간은 탄종과 열부하에 따라 달라지며, 미분탄의 경우 입경 반지름의 1.8승에 비례하므로, 연소성을 향상시키기 위하여 석탄의 미분도를 높이고 더 많은 연소용 공기를 공급하며 때로는 보조연료를 사용한다.

 

 

나. 석탄회의 장해

: 석탄이 보일러에서 연소하는 동안 석탄 속에 있는 광물질이 연소되지 않고 석탄회로 되어 일부 또는 전부가 회융점보다 높은 영역에서 용융된 상태로 가스흐름을 따라 배출되다가 보일러 튜브의 복사 전열면에 응고, 부착되어 슬래깅을 형성한다. 그리고 회성분 중 알칼리 및 휘발성 성분이 휘발하여 연소가스 중의 비회(fly ash)와 함께 과열기, 재열기 등의 대류 전열면에 응축, 부착되어 파울링(fouling)을 형성함으로써 전열면을 부식시키고 연소가스의 흐름과 열전달을 나쁘게 하여 열효율 저하는 물론 보일러 튜브 과열로 인한 과열사고를 일으킨다.

또한 전열면에 부착되지 않은 비회는 연소가스와 함께 날아가면서 전열면의 마모 및 전기집진기의 성능저하를 일으키는 등 많은 장해를 일으킨다.

 

1) 융착현상(sloaggin)

: 석탄의 연소과정에서 연소실의 온도가 회의 융점보다 높은 여역에서는 석탄회의 입자가 용융된 상태로 가스흐름을 따라 배출되다가 보일러의 수관벽 표면에 부딪칠 때 급랭하면서 응고되어 수관벽에 부착 및 퇴적하는 현상을 융착현상(slagging)이라고 한다. 이러한 현상은 복사전열면(수관벽)의 열전달을 방해하므로 성능저하는 물론 심하면 운전제한 또는 정지에 까지 이른다. 융착현상은 노내 온도, 부착면의 성징, 회의 융점 및 융착 특성 등에 영향을 받는다.

 

 

2) 파울링(fouling)

: 석탄회 중에 함유되어 있는 휘발성 성분 즉, 황산나트륨(NaSO4), 산화나트륨(Na2O), 황산칼슘(CaSO4) 등 이 연소 중에 휘발하여 연소가스 중의 비회와 함께 대류 전열면에 응축, 부착하여 굳어지는 현상을 파울링이라고 하며 이 현상이 일어나면 대류 전열면의 열전달을 저하시키고 연소가스의 흐름을 방해하게 된다.

 

3) 집진성

: 전기집진기의 효율에 영향을 미치는 안자로는 가스온도, 회분의 전기저항, 회의 입도, 회분 함량, 수분 및 미연탄소 등 여러 요인이 있으나 회분의 전기저항이 집진효율에 크게 영향을 미치므로 석탄 연소 보일러의 전기집진기의 설계에 가장 중요하다.

일반적으로 비회의 전기저항과 집진율의 관계는 아래 그림과 같다.

 

 

전기저항이 10^4 ~ 5x10^10 Ω-㎝(옴 센티미터) 범위에서는 Corona 방전이 안정되어 집진효율이 좋으나 이 범위를 벗어나면 집진효율은 매우 낮아진다. 회분의 전기저항치가 10^4 Ω-㎝ 이하에서는 집진효율이 저하된다. 또한 회분의 전기저항치가 10^11 Ω-㎝ 이상으로 높아지면 집진율이 저하된다.

그리고 회분의 전기저항치가 10^12 Ω-㎝ 이상으로 매우 높아지면 코로나 전류(corona current)는 급격히 증가하지만 공간전하가 감소되어 집진율이 저하된다.

 

4) 부식성

: 석탄이나 중유연소 보일러에서의 부식현상은 유황분과 알칼리 성분을 많이 함유한 연료를 연소할 경우 발생하기 쉬우며 고온부인 과열기, 재열기의 가스 측에 고온부식이, 저온부인 절탄기, 공기예열기에는 저온부식이 발생한다.

유황산화물이 각종 금속에 부착될 경우, 각종 튜브의 금속온도가 550℃ 이하에서는 노 내 유동가스의 온도와 관계없이 부식 발생이 억제될 수 있으나, 금속온도가 높아질수록 부식영역(Corrosion Zone)이 넓어지므로, 낮은 가스온도에서도 부식이 발생하게 된다.

예를 들어 보일러 튜브의 온도가 550℃ 일 경우에는 가스온도가 약 1,400℃ 정도에서 부식이 발생하지만, 금속온도가 600℃ 로 상승하면 가스온도가 1,100℃ 이상이 되면 부식이 발생하게 된다.

또한 회분 퇴적물이 알칼리, 산화철, 황산알루미늄 성분도 화학적으로 반응하여 복합 황산염을 만든다.

황산나트륨도 같은 반응이 일어나며 이들 복합 황산염이 노내에서 용융상태가 되면, 수관벽, 과열기, 재열기 및 공기예열기 등의 튜브금속과 반응하여 부식을 발생하게 된다.

 

 

 

 

5) 마모성

: 석탄회의 마모성은 주로 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화철(Fe2O3) 등 경도가 큰 성분의 함량에 따라 좌우되고 또한 연소가스 중에 함유된 총 회분함량과 연소가스의 유속에 따라 크게 좌우된다.

 

연소가스의 유속이 낮고 회분함량이 적을지라도 대류 전열면에서 가스유속의 부분적인 가속이나 회분의 부분적인 편류현상에 의해 마모가 일어나기도 한다.

그러므로 석탄회에 의한 마모를 방지하기 위해서는 가스유속의ㅣ 적절한 선정과 편류현상 방지 및 적절한 마모 방지판을 설치함이 바람직하다.

 

6) 열전달 저하

: 보일러의 튜브에 석탄회가 부착되면 튜브로의 열전달이 저하된다. 특히 <슬래그 부착에 따른 열전달 변화>에서와 같이 전열면과 부착회와의 사이에 경계면이 형성되면 전열면으로의 열전달은 현저하게 저하된다.

열의 전달이 저하됨에 따라 보일러의 열효율 저하는 물론 심할 경우보일러 튜브의 과열로 인한 과열사고를 일으킨다.

 

 

6. 석탄의 혼합사용

 

가. 혼합 필요성

: 석탄 산지를 중심으로 화력발전소가 건설되거나 단일 탄종을 연소하였을 때는 탄진의 변화폭이 크지 않아 비교적 큰 문제점이 없었으나, 안정적인 연료 수급 및 연료비용 절감을 위한 석탄연료 공급원의 다변화, 이에 따른 다양한 탄종의 선택으로 각종 문제점이 발생하게 되었다.

석탄은 산지 별로 성질이 다르고 심지어 동일 탄광 내의 지층 사이에서도 성상이 다르므로 연소 시 발생되는 제반 문제점도 다르게 나타나기 때문에 이러한 문제점들을 개선하기 위하여 단일탄 연소 시의 좋은 특성만을 이용하는 방법으로서 특성이 다른 석탄을 두 종류 이상 적절히 혼합 연소하는 혼탄(coal blending) 방법이 개발되었다.

 

나. 혼탄 효과

: 혼탄 연소는 다음과 같은 효과가 있다.

 

1) 석탄의 특성 향상

가) 연소성 개선

나) 환경성 개선

다) 회부착성 저하

: 특히 기후변화협약 체결과 대기 배출허용기준의 강화에 따라 요즘에는 혼탄 판정 시 환경성을 우선적으로 고려하고 있다.

 

2) 경제성 제고

가) 연료비 절감

나) 안정적인 연료수급 및 저질탄 사용 가능

 

다. 혼탄 고려사항

: 석탄을 혼합 사용하기 위해서는 석탄의 특성에 따라 분석한 혼탄 판정표와 혼탄 기준을 비교하여 혼탄을 하게 되는데, 혼탄 고려사항으로는 연소성, 환경성, 회부착성, 미분성, 마모성 등이 있다.

 

1) 연소성

 

가) 연소성지수(combustibility index, CI)

: 석탄의 연소성은 발열량, 연료비 및 회분함량에 따라 결정되는데 연소성을 판단하는 기준으로서 연소성지수를 사용한다.

여기서 연료비는 휘발분에 대한 고정탄소의 비율을 나타내며, 회분함량과 연료비가 감소하면 연소성지수가 증가한다. 일반적으로 고체연료에 비하여 연료비가 작고 회분함량이 적은 액체연료의 연소성이 양호한 것처럼 연소성지수가 저킬수록 연소성은 양호해진다.

석탄의 연소성은 연소성지수가 3,000kcalkg 이상이어야 보조연료 없이 연소가 가능하며 탄종별 연소성지수는 대략 2,000 ~ 5,000 kcal/kg 이다.

 

나) 미연분(unburned carbon, UC)

미연탄소 손실은 공기량에 반비례하여, 과잉공기비가 낮아지면 미연탄소 손실이 증가하고, 과잉공기비가 높아지면 배기가스 손실이 증가한다. 양 손실을 더한 총 열손실은 최적과잉공기비일 때 최소로 되며 이 때 보일러 효율은 최대가 된다.

 

2) 환경성

 

가) 황산화물(SOx)

: 황산화물은 석탄 중의 황 함유량에 따라 결정된다. 보통탄의 경우 0.1% 황성분당 70ppm, 중유의 경우 55ppm 의 황산화물을 발생한다. 이에 따라 탈황설비가 설치되지 않은 발전소에선 발생하는 황산화물에 따라 사용 탄종을 결정하게 된다.

 

나) 질소산화물(NOx)

: 연소가스 중의 질소산화물은 석탄 연료 중의 질소함량과 노내 온도에 따라 생성량이 달라진다.

 

다) 집진성

 

3) 회부착성 : 슬래깅성(Rss), 파울링성(fouling index, Rf)

 

4) 분쇄성 : HGI

 

5) 마모성

 

라. 적정 혼탄비율 결정방법

 

1) 고려요소별 설계치

① 공업분석치, 원소분석치 : 연소성, SOx, NOx

② 회의 조성과 특성 : 회부착성, 집진성

 

2) 혼탄 기준

: 혼탄 계산식의 입력성상은 각 탄종의 혼소비율을 이용한 평균값을 사용한다.

계산된 결과는 정의된 판정기준에 의하여 양호, 보통, 불량으로 판정하며, 설계기준에 따라 판정기준은 발전소별로 다르나 대표적인 것은 아래의 표와 같다.

 

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