[플랜트] 연소공학 #2 연료 특성

공부하는 이유

화력발전소의 연소모델을 이해하는 데 있어서 연료의 특성은 상당히 중요하다.

석탄의 특성을 알아야 트립이 나지 않으면서도 효율을 높여서 운전을 할 수 있기 때문이다. (사실상 효율을 높이는 것 자체가 리스크가 크기 때문에 일반적으로는 보수적으로 운전을 한다고 한다.)

🪨물리적 성질

경도, 분쇄도

• 경도와 탄화도의 관계 : 탄화도 70~80%에서 비례 관계가 가장 큼
• 석탄의 분쇄성 : 석탄의 탄화정도, 구성물질, 불순물 함유정도 등에 의하여 좌우되나 일반적으로 탄화도가 클수록 쉽게 분쇄되며 탄화도가 낮은 탄일수록 분쇄하기 어려움
  • 실제에 있어서 탄화도 85~90% 부근의 강점결성탄이 가장 분쇄성지수(HGI)가 큰 것으로 보고됨 → 경도가 낮은 구간

• 분쇄성 지수는 분쇄기 용량결정에 중요한 척도가 됨.
  • 분쇄기 출력은 분쇄성 지수가 높거나 목표입도가 클수록, 또 원탄의 습분이 작을수록 증가
  • 즉 탄질이 좋을수록 분쇄기 용량은 작아짐
  • HGI가 작을수록 동일한 분쇄용량을 얻기 위해서는 소요동력을 증가시켜야 함

열연화성, 점결성, 코우크스화성

• 석탄을 가열하면 석탄의 종류에 따라 다음과 같은 2가지의 서로 다른 변화를 보임
  1. 석탄을 가열하면 가스와 타르증기가 생기고 탄소가 주성분인 고체잔사가 남음. 이 경우 석탄입자는 연화 용융되지 않고 그 상태로 있게 되는데 이런 변화를 보이는 석탄을 비점결성탄이라 함
  2. 석탄을 가열하면 350℃ 부근에서 연화 용융되어 약간의 가소성을 띄게 되는데 이때 용융되지 않는 성분과 결합이 되고, 고온이 되면 용융되지 않는 부분은 팽창하면서 굳어져, 탄력이 있고 다공성인 물질이 생기게 됨. 이런 성질을 점결성(Coking Property) 라고 함→ 점결성탄
     이러한 성질은 일반적으로 석탄화도 C 80~91%의 역청탄에만 있음.

• 보일러 연소용 역청탄을 Steaming Coal이라고도 하며, 보일러 연소용탄의 점결성이 너무 크면 석탄이 용융하여 여러 가지 장해를 일으키기 쉬우므로 발전용탄을 약점결성이나 비점결성일 것이 요구됨
• 코우스크화성 (Coking Property)이란 생성된 코우크스의 강도를 나타내는 호칭이며 점결성에 포괄되는 한 특성

 

🪨화확적 성질

공업분석

1. 수분 (Moisture)

• 석탄의 습분과 수분(고유수분)의 경계는 주위의 상대습도에 의해 지배되고 온도에 따라서도 근소하게 변함
• 수분은 석탄류의 탄화도를 파악하는 한 특성
  • 석탄화도에 따라 수분이 감소하여 석탄화도 90% 최소
• 가열시의 점결성도를 아는 데에도 수분이 한 척도가 됨

2. 회분 (Ash)

• 항습시료 1g을 실온으로부터 500℃까지 60분, 500~815℃에서는 30~60분, 815±10℃에서 항량이 될 때 까지 가열, 연소한 후의 잔류분
• 그러나 이것은 고체연료 속에 함유 돼 있는 무기물의 소선잔사로서 무기광물을 자체를 나타내는 것은 아님.
• 대개의 경우 탄산염은 분해되고 황화물은 황산화물로서 되어 남음
• 보통 회분함량이 70% 이상이 되면 연소용탄으로서의 가치를 잃음.
• 회분 함량은 석탄화도와는 무관하며 통상 사용되는 석탄에는 5~30% 정도.
• 코크스 제도에는 10% 이하, 화력발전용으로는 15~40% 의 석탄이 사용되나, KEDECO, ADARO와 같은 아역청탄의 경우 회함량이 2~3% 정도로 매우 낮은 것도 있음.
• 원료용탄의 회분 1% 저하에 따른 가치상승율은 3~5%이나 석탄중의 무기광물중에는 석탄의 근원이 된 식물자체가 가져온 것이 함유되어 있어 회분이 3~4% 이하의 석탄을 얻기란 극히 어려움
• 연소실내에서의 회분은 분석실의 회분과는 달리 미연소탄이 함유되므로 그 량이 일반적으로 증가.
  • 미연소탄분은 강점결성탄에서 2~3%, 보통 점결성탄에서 1~2%인 경우가 많으며 무연탄에서는 더욱 늘어나고 갈탄계에서는 줄어드는 경향이 있음
• 회의 융점은 회의 조성, 연소실내 분위기에 따라 다르나 일반적으로 1000~1500℃ 범위
  • 미연소탄분은 대체로 회분함량에 비례하고 고회분탄은 회분에 의한 현열실과 아울러 효율저하를 초래함.
  • 산성성분이 많으면 융점이 높고, 염기성성분이 많으면 융점이 낮음.

3. 고정탄소 및 휘발분

• 공업분석에서 수분과 회분은 열에너지가 없는 불순물이며 100에서 이상불순물을 뺀 나머지 즉, 휘발분과 고정탄소가 고체연료의 에너지로서의 유효성분임
• 휘발분(Volatile Matter) : 항습시료를 925℃ 에서 7분간 가열에 의한 감량(%)에서 수분을 뺀 값
• 고정탄소(Fixed Carbon) : 위의 가열에서 수분,휘발분을 방출한 잔량에서 회분을 뺀 값. 거의 탄소단체라고 보아도 무방
• 휘발분과 고정탄소는 상대적으로 어느 한편이 늘면 다른 편의 함량이 저하함
  ⇒ 연료비 = 고정탄소(%)/ 휘발분(%)
• 연소용 탄은 휘발분이 다소 낮을 것이 요구됨

원소분석 항목의 성질

고체연료 = 탄소 + 수소  + 산소 + 질소 + 연소성 황 및 회분

• 탄소 및 수소는 석탄화도를 나타내는 중요한 지표
• 석탄 중 산소는 연소시 전량이 수소와 결합하는 것으로 간주하고 그 후 남은 수소, 즉 석탄의 수소 중 연소시 공기(산소)를 필요로 하는 수소를 유효소수라고 함

발열량

• 단위량의 물질이 완전히 연소했을 때 발생하는 열량
  • 석탄의 발열량 = 총발열량 
• 그러나 실제 보일러의 연소에는 이 수증기가 응축되지 않고 배출되므로 노내에서 작용할 수 있는 열량은 측정 열량보다 낮음
  • 저발열량 = 진발열량 (Net)
  • 저발열량은 실측에 의해 구하지 않고 고발열량과 수분 및 수소분 함량에 따라 계산에 의해 구함