125MWe 대향류식 우드펠릿 보일러의 미연탄소 저감을 위한 CFD 해석 연구

CFD study for reduction of unburned carbon in 125MWe opposed-wall wood pellet-fired boiler

이 연구는 무연탄에서 우드펠릿 전용 보일러로 개조된 125MW 규모 대향류 보일러에서의 운전 개선을 위해 수행한 연구이다. 우드펠릿은 목분을 압축 성형한 연료로서, 미분을 통해 연소 시 분쇄성이 낮아 큰 입경의 입자들이 높은 미연탄소 함량을 가지고 바닥재로 배출되어 보일러 효율을 감소시키는 등의 운전상의 문제를 유발한다. 따라서 이를 개선하기 위해 CFD를 이용하여 연료입경별 거동과 연소공기 배분 등에 따른 미연탄소 발생 및 NOx, 보일러 효율 영향을 상세 분석하였다. 대상보일러는 downshot 방식의 형태를 유지하며 대향류 방식으로 개조되었기 때문에 버너영역의 폭이 넓어 유속저하로 바닥재 배출이 증가하는 경향을 보인다. 특히 1 mm 이상의 입자에서 높은 미연탄소 함량을 가지고 바닥재로 배출되는 비율이 크게 늘어나는 것으로 나타났다. 따라서, 1 mm 이하로 미분도 개선 시 NOx 영향 없이 연소 효율 향상이 가능하였으나, 이는 미분기 교체가 필요하여 현실적으로 쉽지 않은 방안이다. 그 대안으로서 연소공기 배분을 다양하게 변경하는 방식을 분석한 결과, 하단 버너로의 공기 공급을 증가시키는 경우 소폭의 개선이 가능함을 확인하였다. 보다 근본적인 개선방안은 추가적인 보일러 개조를 통해 underfire air를 설치하고 overfire air의 포트 위치를 수정하는 것이다. 이 경우 air staging을 확실하게 적용할 수 있어 미연탄소 배출과 NOx 배출을 획기적으로 저감하는 것이 가능한 것으로 나타나 적용방안의 검토가 필요하다.