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MHPS 그룹의 바이오 매스 연소 보일러 기술 소개기술논문 - 미츠비시중공기보(Vol. 54 No.3 - 2017) 미츠비시히타치 파워시스템 특집
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2018.11.04 16:30
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요코시키 타츠오, 에모리 다이스케, 이와모토 히데키
다카하시 츠츠바, 오치 켄이치, 마츠모토 신지

최근 화력 발전소에서 쓰이는 연료로 바이오 매스 에너지의 이용이 확대되고 있다. 2012년 7월부터 재생 가능 에너지에 대한 고정가격매입제(FIT: Feed-in Tariffs)가 적용되면서 바이오 매스 발전 설비 도입이나 화력 발전에서 목질의 바이오 매스 혼합 연소 적용이 촉진되기 시작한 것이다. 이에 화력 발전 분야에서 바이오 매스 연료의 수요에 대응하는 MHPS그룹(미츠비시히타치파워시스템즈㈜, 미츠비시히타치파워시스템즈인더스트리㈜)의 바이오 매스 연소 보일러 기술을 통해 최근 바이오 매스 연소 보일러 기술의 원리를 소개하고자 한다.

 

1. 서론

앞서 언급했듯 화력 발전에서 바이오 매스 연료를 투입 에너지로 이용하는 경우가 증가하고 있다. 이 방법의 가장 큰 효과는 바로 발전 효율이 높다는 것이다. 게다가 석탄을 이용한 발전이 지구온난화를 악화시킨다는 측면에서 보면 바이오 매스 에너지의 이용은 지구온난화 해결을 위한 대안으로 보아도 유효하다.

이에 일본에서는 바이오 매스 전용 발전 설비 도입이나 화석 연료와 바이오 매스 연료를 혼합 연소할 수 있는 보일러 사용이 촉진되고 있다. 그렇다면 여러 가지 발전 용량이나 바이오 매스 연료 종류(목질 칩, 펠렛 등)에 대응 가능한 MHPS그룹의 바이오 매스 연소 보일러를 통해 최신 바이오 매스 혼합 연소 기술은 어떻게 개발되고 있는지 알아보자.

2. 바이오 매스 연소 보일러.
2. 1 바이오 매스 연료의 특징

바이오 매스 연료는 석탄 등 기존의 연료에 비해 일반적으로 발열량이 낮다는 특징이 있다. 게다가 성질이나 형태의 변동폭도 크다. 또한 펠렛 연료 이외의 바이오 매스 연료는 많은 수분을 함유하고 있다. 그 중에서도 취급이용이한 것은 바이오 매스 펠렛으로, 이는 기존의 석탄 연소 보일러처럼 분쇄 장치로 분쇄하여 사용할 수 있다. 이에 버너로 연쇄하는 컨벤셔널 보일러의 연료로 쓸 경우 장치를 일부만 조정하여 대응할 수도 있다. [표1]은 바이오매스 펠렛 연료 성상의 예와 그 특징을 나타낸다.

2. 2 유동상 보일러에서의 바이오 매스 연소

연료를 직접 화로에 투입하여 화로 내 유동상으로 연소시키는 유동상 보일러는 큰 열 용량을 가진 유동재(연료,모래)로 고 수분 함유 연료나 난연성의 연료를 안정적으로 연소시킬 수 있다. 이에 건축물 폐자재나 목재 등 바이오 매스는 물론 폐 타이어 등 산업용 폐기물까지 폭넓고 다양한 재료를 연료로 쓸 수 있다. 또한 1,000도 이하의 낮은 온도에서 연소시킬 수 있기 때문에 환경 부하가 낮다는 특징이 있다. 유동상 보일러의 형식은 [그림 3]에 나타낸 것처럼 기포형 유동상 보일러, 순환 유동층 보일러로 나눌 수 있는데, 각 방식의 주요 특징은 다음과 같다 .

• 기포형 유동상 보일러(BFB 보일러)
BFB보일러는 고온에서 유동하는 유동재에 연료를 투입함으로써 분쇄가 어려운 연료나 난연성의 연료를 효율적으로 연소시킬 수 있다. 연료에 이물질이 섞여 있으면 화로 밑에서 유동재를 골라내는 장치도 있다. 이에 연료와 함께 들어간 이물질을 안정적으로 기계 밖으로 배출하여 유동상 내부에서 이물질이 퇴적되어 발생하는 유동불량을 방지한다.

• 순환 유동층 보일러(CFB 보일러)
CFB 보일러는 BFB 보일러보다 화로 내의 공탑속도*가 높다. 이에 입자와 가스의 혼합을 활발하게 하여 연소반응을 향상시킨다. 또한 화로 출구에 사이클론을 설치하여 화로에서 튀어나오는 유동재를 포집하여 다시 화로로 순환시켜 연소 효율을 향상시킨다. CFB보일러는 BFB 보일러와 같이 다양한 연료에 대응할 수 있으며 연소 효율이 높다.

*공탑속도: 장치 내부의 가스가 유동할 때 충진물이 들어가지 않은 ‘공탑’ 상태에서 계산한 속도

2. 3 컨벤셔널 보일러에서의 바이오 매스 펠렛 이용
컨벤셔널 보일러는 버너를 이용한 연소 방식이며, 다양한 바이오 매스 연료에 대한 적합성을 따지자면 유동상 연소 방식에 비해 다소 떨어지는 부분이 있다. 그러나 증기 사이클 효율 향상에 필요한 고온∙고압 증기 조건에 대응한 고효율 석탄 연소 플랜트에서 바이오 매스 펠렛을 이용한 고효율 발전이 가능하다.

석탄 연소 보일러에서 바이오 매스 펠렛을 이용하는 기술은 펠렛을 석탄과 함께 투입하여 연소시키는 원리다. 이는 미분탄과 분쇄된 바이오 매스가 혼합된 상태에서 화로 내에 투입하는 방식(혼합 분쇄 방식)과, 바이오 매스 펠렛 전용의 버너를 사용하여 화로 속으로 투입시키는 방식(전용 분쇄 방식)으로 나뉜다.

혼합 분쇄 방식에서는 기존 미분탄기를 사용할 수 있기 때문에 개조할 필요가 없다는 장점이 있다. 그러나 바이오 매스 펠렛 투입으로 인한 분쇄 능력의 저하 때문에 일반적으로 혼합 연소율은 입열비 3~5% 정도다. 이에 전용분쇄 방식에서는 바이오 매스 펠렛의 혼합 연소 비율을 높이는 것이 가능하다.

(1) 전용 분쇄 방식
전용 분쇄 방식에서는 바이오 매스 펠렛용 연소 설비를 최적화함으로써 기존 석탄 연소 보일러 설비를 변경하지 않고 바이오 매스 펠렛의 혼합 연소비를 높일 수 있다. 이 바이오 매스 펠렛용 연소 설비는 탄소 연소에서 착화 안정성이 우수한 저 NOx 버너를 사용함으로써 높은 신뢰성을 얻을 수 있다. 다만 바이오 매스 펠렛은 석탄에 비해 연료 중 수분이 적기 때문에 자연 착화 에너지는 석탄에 비해 매우 작다. 따라서 전용 분쇄 방식에서는 자연 발화에 대한 충분한 고려가 필요하다.

(2) 컨벤셔널 보일러에서의 바이오 매스 펠렛 혼합 연소 적용의 예
[그림 4]는 전용 분쇄 방식을 적용한 바이오 매스 혼합 연소 보일러의 개요를 나타낸다. 앞서 언급한 석탄 연소보일러에서 바이오 매스 펠렛 혼합 연소로의 개조를 진행하는 경우에는 기존에 설치한 일차 통풍 계통의 설비 용량을 확인한 상태에서 혼합 연소 비율의 수요에 맞춰 개조하고, 필요한 연소 설비 대수를 선정해야 한다.

 

결론

지금까지 MHPS 그룹의 바이오 매스 연소 보일러 기술을 통해 최근 바이오 매스 연소 보일러 기술의 원리와 분류에 대해 살펴봤다. 지구온난화 대책과 발전 효율 향상의 관점에서 바이오 매스 연료의 이용은 유효한 수단 중 하나다. 특히 화력 발전에 사용되는 바이오 매스 연료의 종류는 다양하며, 안정적인 전력 공급과 높은 효율을 달성하기 위해서는 연료에 최적화된 보일러 설비 구축이 중요하다. 이에 다양한 바이오 매스 연료를 수용하면서도효율을 향상시킬 수 있는 보일러 기술이 더욱 각광 받게 될 전망이다.

 

 

한국에너지정보센터  kecenter@hanmail.net

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