표제지

국문요약

목차

Nomenclature 15

Ⅰ. 서론 18

1. 연구의 배경 18

2. 연구의 목적 및 방법 20

가. 연구목적 20

나. 연구방법 21

Ⅱ. 이론적 배경 및 문헌조사 23

1. 발전용 바이오매스 23

가. 발전용 바이오매스 개요 23

나. 발전용 바이오매스 현황 30

다. 산림바이오매스 에너지 이용현황 32

라. 바이오매스 신재생에너지 RPS 제도 38

마. 산림바이오매스 연료 및 연소 기술동향 39

2. 분사펌프(Ejector) 42

가. Ejector 이론적 배경 42

나. Ejector 작동원리 및 이론 43

다. Ejector 응용분야 47

라. Ejector 선행연구 및 기술동향 49

3. 유동층보일러 50

가. 유동층 보일러의 원리 50

나. 유동층 보일러의 종류별 특징 55

다. 상압 순환 유동층보일러(CFBC) 60

라. 200 MW급 국내순환유동층 보일러 구성 62

마. 순환유동층 보일러의 선행연구 및 기술동향 78

Ⅲ. 실험대상 설비 및 측정방법 80

1. 바이오매스 혼소설비 구조와 특징 80

가. 바이오매스 혼소설비 구조 80

나. 바이오매스 투입구(Ejector) 전산해석 개요 83

다. 바이오매스 투입구(Ejector) 전산해석 방법 87

2. 유동층보일러 대상설비 및 실험방법 90

가. 유동층보일러 대상설비 90

나. 실험 방법 및 조건 92

Ⅳ. 실험결과 및 고찰 96

1. Ejector 전산 해석 결과 96

가. 노즐 지름(Dnoz)에 따른 Ejector 성능결과[이미지참조] 100

나. 노즐 위치(Lnoz)에 따른 Ejector 성능 결과[이미지참조] 102

다. Throat(Venturi) 지름(Dth)에 따른 Ejector 성능결과[이미지참조] 104

라. Air flow 유량에 따른 Ejector 성능결과 105

마. 소결 113

2. 보일러 유동특성 결과 114

가. 보일러 연소로 온도 분포 변화 결과 114

나. Cyclone 입·출구 온도 변화 결과 115

다. 보일러 연소로 압력변화 결과 116

라. 운전 열교환기 열흡수량 변화 결과 119

마. 소결 122

Ⅴ. 결론 123

참고문헌 126

ABSTRACT 138

Table 2-1. Legal bioenergy standards and scope 25

Table 2-2. Classification the energy source according to the definition of renewable energy 26

Table 2-3. Amount of air pollutant generated in discharge facilities 29

Table 2-4. Annual wood pellet production 30

Table 2-5. Unused forest biomass supply 31

Table 2-6. Biomass Capacity of Coal-fired power generating company 36

Table 2-7. Status of biomass power plant construction 37

Table 2-8. List of renewable energy certificate 38

Table 2-9. Jet pump classification 44

Table 2-10. Ejector application area 48

Table 2-11. Characteristics of recycled fluidized bed boiler 61

Table 3-1. A 12% test plan for the mixing ratio of 200 ㎿ of power generation capacity 93

Table 3-2. 200 MW CFBC Specification 93

Table 3-3. Boiler operation limit value 94

Table 3-4. Results of biomass fuel analysis 95

Table 4-1. Results of computerized analysis of biomass input facility ejector using Fluent 96

Fig. 2-1. Classification of biomass 24

Fig. 2-2. Comparison of greenhouse gas emissions from forest biomass and fossil fuel 28

Fig. 2-3. Carbon circulation (Neutral) of biomass 29

Fig. 2-4. Estimated shares of bioenergy in total final energy consumption, overall and by end-use sector, 2020 32

Fig. 2-5. Global bioelectricity generation by region, 2011-2021 34

Fig. 2-6. Bioenergy use for heating in the EU, 2015-2020 35

Fig. 2-7. Ejector general drawing 43

Fig. 2-8. Principle of circulation of bed media 51

Fig. 2-9. A typical circulating fluidized bed boiler combustion system 53

Fig. 2-10. Heat absorption layout by boiler type 55

Fig. 2-11. Bubble fluidized bed boiler 57

Fig. 2-12. Schematic diagram of circulating fluidized bed boiler 58

Fig. 2-13. Pressurized fluidized bed boiler over view 59

Fig. 2-14. Sectional view of 200 ㎿ domestic circulating fluidized bed boiler 62

Fig. 2-15. Primary air nozzle (floating furnace lower fluidized air supply nozzle) 64

Fig. 2-16. BM trajectory within Cyclone 66

Fig. 2-17. Cyclone top view 66

Fig. 2-18. Seal Pot and FBHE 67

Fig. 2-19. Seal pot lower nozzle 68

Fig. 2-20. FBHE Internal of lower bed media empty status 69

Fig. 2-21. FBHE Internal for side and upper bed media empty status 69

Fig. 2-22. Back Pass and air preheater 70

Fig. 2-23. Geldart's particle classification diagram 72

Fig. 2-24. Typical pressure distribution in a circulating fluidized bed boiler 74

Fig. 2-25. Locations of pressure tap of a boiler 77

Fig. 3-1. Biomass mixing ratio equipment general drawing 82

Fig. 3-2. Biomass input facility ejector detail drawing 83

Fig. 3-3. Ejector geometry for computerized analysis 84

Fig. 3-4. Ejector design key variables schematic 86

Fig. 3-5. Ejector mesh for computerized analysis 87

Fig. 3-6. Configuration of CFBC boiler 91

Fig. 3-7. Picture of biomass fuel 94

Fig. 4-1. Case ① : Convergence result 98

Fig. 4-2. Case ① : Ejector internal pressure analysis result 99

Fig. 4-3. Case ① : Ejector internal velocity analysis result 99

Fig. 4-4. Case ② : Ejector internal pressure analysis result 101

Fig. 4-5. Case ② : Ejector internal velocity analysis result 101

Fig. 4-6. Case ③ : Ejector internal pressure analysis result 106

Fig. 4-7. Case ③ : Ejector internal velocity analysis result 106

Fig. 4-8. Case ④ : Ejector internal pressure analysis result 107

Fig. 4-9. Case ④ : Ejector internal velocity analysis result 107

Fig. 4-10. Case ⑤ : Ejector internal pressure analysis result 108

Fig. 4-11. Case ⑤ : Ejector internal velocity analysis result 108

Fig. 4-12. Case ⑥ : Ejector internal pressure analysis result 109

Fig. 4-13. Case ⑥ : Ejector internal velocity analysis result 109

Fig. 4-14. Case ⑦ : Ejector internal pressure analysis result 110

Fig. 4-15. Case ⑦ : Ejector internal velocity analysis result 110

Fig. 4-16. Case ⑧ : Ejector internal pressure analysis result 111

Fig. 4-17. Case ⑧ : Ejector internal velocity analysis result 111

Fig. 4-18. Case ⑨ : Ejector internal pressure analysis result 112

Fig. 4-19. Case ⑨ : Ejector internal velocity analysis result 112

Fig. 4-20. Temperature change by height of boiler 114

Fig. 4-21. Temperature change of cyclone inlet and outlet 115

Fig. 4-22. Pressure variation of boiler 118

Fig. 4-23. Heat duty of boiler heat exchanger 121

 본 연구에서는 국내 200 MW 유동층보일러에 바이오매스 연료 투입을 위해 Ejector의 전산해석을 통한 최적의 설비개선안을 분석하였으며, 또한 이 설비를 통해 미이용 산림바이오매스 연료를 안정적으로 투입하여 보일러에서 가장 중요한 노내 온도변화, 압력변화, Cyclone 입·출구 온도변화 및 열교환기의 열흡수량 변화에 대한 보일러 유동 특성을 연구하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다.

전산해석에서의 노즐지름에 따른 Ejector 성능결과는 Ejector 노즐 지름이 180mm에서 100mm로 작아지면 Biomass inlet측으로 역류하는 공기의 유량이 -10.2 kg/s에서 -1.7 kg/s로 감소되는 것으로 분석되어 Ejector의 성능이 개선되었다.

노즐위치에 따른 Ejector 성능결과는 Ejector의 노즐 위치가 Mixing chamber 출구면에서 적정한 중간거리 약 150~300 mm에 있으면 Mixing chamber 내의 압력이 부압으로 형성되어 바이오매스 연료를 송출함으로 Ejector의 성능이 개선되었다.

Throat 지름에 따른 Ejector 성능결과는 Throat 지름(Dth)이 각각 300 mm와 200 mm로 설정할 경우 Biomass inlet(연료 투입구)에서 공기의 유량은 -1.7 kg/s에서 0.14 kg/s로 역류에서 투입으로 분석되었고, Throat 지름이 각각 200 mm와 300 mm로 설정할 경우 200 mm일 경우 1.14 kg/s에서 300mm일 경우 -1.9 kg/s로 분석되어 Throat 지름이 작아질수록 성능이 개선되었다.

Air flow 유량에 따른 Ejector 성능결과는 Air flow 유량만 2.4 kg/s에서 8.0 kg/s로 증가할 경우 Biomass inlet에서 공기 유량이 -10.2 kg/s에서 3.9 kg/s로 분석되어 바이오매스 연료가 투입으로 분석되어 Ejector 성능은 개선되었다.

Ejector 전산해석을 종합 분석한 결과 공기송풍기 유량 2.4 kg/s로 가정하고 연료투입량이 시간당 8.3 ~ 10 ton과 연료크기 약 100 mm 이상 크기도 안정하게 투입되는 조건은 Ejector의 노즐지름(Dnoz) 180mm, Throat지름(Dth) 300 mm에서 노즐위치(Lnoz)는 약 150 ~ 300 mm 위치에 놓을 경우 바이오매스 연료가 안정하게 투입되는 최적의 조건이라 분석되었다.

또한 바이오매스 연료가 혼소설비 Ejector를 통과하면서 보일러의 유동상태를 분석하였다. 보일러 유동해석에서 노내 연소로 온도 분포 결과는 하부 온도 855.7℃에서 855.6℃로 거의 일정한 반면 상부 온도는 840.1℃에서 842.7℃로 증가하였다. 혼소율이 증가함에 따라 바이오매스 미연분에 의한 유동물질 증가로 후연소 반응하여 상부측 온도가 증가한 것으로 분석되었다.

사이클론 입·출구 온도변화 결과는 입구측 914.1℃에서 909.3℃의 온도강하보다 909.8℃에서 907.7℃의 출구측 온도강하가 작아진 것을 확인할 수 있었다. 이는 사이클론에서의 미분의 무연탄에 의한 후연소가 상대적으로 감소한 것을 의미하며, 바이오매스 연료가 무연탄의 연소성을 개선한 것으로 분석되었다.

보일러 연소로 압력변화 결과는 보일러 연소로 Lower 차압은 1023.9 mmH₂O에서 1014.8 mmH₂O로 다소 감소하였으며, Middle 차압은 520.7 mmH₂O에서 533.1 mmH₂O, Upper 차압은 148.9 mmH₂O에서 158.1 mmH₂O로 상승하였다. 이는 혼소율 증가할수록 연소로 내에서 미연소분량이 증가하여 후연소로 Upper 차압 상승과 함께 연소성이 증가한 것으로 분석되었다.

운전 열교환기 열흡수량 변화결과는 1차 과열기 열흡수량은 1.07 MWth 상승, 2차 과열기는 1.32 MWth 상승하였다. 1차 재열기는 0.69 MWth 상승하였고, 절탄기는 1.57 MWth 상승하였다. 후부 전열부는 바이오매스 수분증가에 따른 배기가스량이 증가하여 열배분이 증가한 것으로 분석되었다. FBHE의 최종과열기의 열흡수량은 1.98 MWth로 감소, 최종재열기에서는 0.23MWth로 감소하였다. 바이오매스 혼소율 증가에 따른 배기 가스량이 증가하여 연소로내의 열배분이 감소한 것으로 분석되었다.

따라서 탄소중립 에너지인 국내산 미이용 산림바이오매스 연료를 활용하여 호기당 혼소율 약10% 연소 시 수입산 우드펠릿에 의존하지 않으며 국부유출을 방지하고, 수집, 운반, 연료화 등으로 고용창출 효과(189 명/10만 톤/년)가 기대된다. 또한 RPS 의무공급사로서 REC 확보(약 11.2만 톤/년)가 가능하며, 온실가스 CO₂ 감축효과(12만 톤/년)가 있을 것으로 분석되었다.