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KR20070112967A - 발전소 보일러 회부착 방지를 위한 석탄회 특성평가방법 - Google Patents

발전소 보일러 회부착 방지를 위한 석탄회 특성평가방법 Download PDF

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KR20070112967A KR1020060046573A KR20060046573A KR20070112967A KR 20070112967 A KR20070112967 A KR 20070112967A KR 1020060046573 A KR1020060046573 A KR 1020060046573A KR 20060046573 A KR20060046573 A KR 20060046573A KR 20070112967 A KR20070112967 A KR 20070112967A
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Abstract

본 발명은 석탄회의 성분의 용해도 차이를 이용하여 특성을 분석하고 분석으로부터 얻어진 전기 전도도 값을 이용하여 회부착성 지표(Slagging Index : SI)를 유추하며, 이것을 이용하여 배기가스온도를 예측하여 혼탄에 반영하고, 필요한 경우 이 결과에 의해 문제점 발생시 분석 및 추후에 혼탄에 반영하는 과정으로 이루어지는 발전소 보일러 회부착 방지를 위한 석탄회 특성평가방법인 것이다.
본 발명의 방법에 의하면, 500MW급 비표준석탄화력발전소 보일러의 연소장애를 해소할 수 있고, 보일러 연소상태 판정 및 이종 석탄 혼합비율 결정의 정확성, 신뢰성 확보로 안정적인 발전설비를 운영할 수 있으며, 하역 후 24시간 이내에 정확한 회부착성 판정이 가능하기 때문에 탄질에 관한 정보가 없는 경우에도 손쉽게 회부착성을 판정할 수 있는 효과가 있다.

Description

발전소 보일러 회부착 방지를 위한 석탄회 특성평가방법{Method for evaluating coal ash characteristics for boiler slagging prevention}
도 1 내지 3는 본 발명에 따른 석탄회 성상과 전기전도도와의 연관성을 확인하기 위한 회귀분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 4와 5은 석탄회 전기전도도와 회부착성 지수(SI), 배기가스 온도와의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 발전소 보일러 회부착 방지를 위한 석탄회 특성평가방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 석탄회의 특성을 분석하고, 상기 특성 분석으로부터 얻어진 전기 전도도값을 이용하여 회부착성 지표(Slagging Index : SI)를 유추하고 회귀 분석을 통하여 배기가스와 온도와의 관계식을 도출하며, 이것을 이용하여 배기가스온도를 예측하여 혼탄에 반영하고, 최종적으로 이 결과에 의해 문제점 발생시 분석 및 추후에 혼탄에 반영하는 과정으로 이루어지는 발전소 보일러 회부착 방지를 위한 석탄회 특성평가방법에 관한 것이다.
일반적으로 500MW급 비표준석탄화력발전소(이하, 비표준발전소라 칭함)는 기 존의 표준화력과는 달리 보일러 총체적 및 전열면적이 작게 설계되어 있고 전열면적당 열부하가 높아 저 회융점탄 연소시 회부착이 용이한 구조로 되어 있다.
이로 인해 전열면 열흡수 방해로 배기가스가 높게 유지되어 효율저하 및 GAH(Gas Air Heater) 설비가 손상되는 문제점이 발생되어 이를 방지하기 위해 다음 표 1과 같은 회부착성 판정지표를 개발한 바 있다.
[표 1]
항목 단위 보일러연소상태판정기준
양호 보통 불량
융점 실리칼 비 - 90이상 90~75 75이하
산화철×염기성/산성 % 0.6이하 0.6~2.0 20.이상
산화철+칼슘 % 7.0이하 7.0~12.0 12.0이상
염기성/산성 - 0.09이하 0.09~0.3 0.3이상
점도 다중점도 지수 - 0.6이하 0.6~1.0 1.0이상
임계온도 점도 Poise 2,000이상 2,000~350 3.50이하
평균(환산값) - 5이하 5~10 10이상
회부착성(Slagging) 판정 방법은 석탄회의 성분중 산성성분과 염기성 성분으로 구별되며, 이들 성분을 이용하여 회부착성 지표(Slagging Index)를 적용하며, 회부착성 판정을 쉽게 하기 위하여 6개 항목의 판정 기준을 환산식에 의해 5(양회 기준), 10(불량 기준)으로 단일화하게 되며, 6개 항목의 평균이 5 이하인 경우 양호, 5 ~ 10이면 보통, 10 이상이면 불량으로 판정한다.
그러나, 기존의 회부착성 판정지표는 석탄회(Ash) 성상 자료를 바탕으로 회부착성 장애를 비교적 정확하게 판정할 수 있지만, 석탄회의 성상을 정밀하게 분석을 해야 하기 때문에 석탄회 성상자료를 얻는데 까지 최소한 2 ~ 3개월이 소요되고, 실제 적용시 과거의 자료로 판단해야 하는 단점이 있다.
따라서, 입하 후 즉시 소비되는 신규탄 또는 성상이 불균일한 석탄의 회부착 성을 판단하는데 매우 어려움이 있으며, 또한 회성상을 파악하기 위해 사용되어지는 ICP 또는 AA 등의 장비가 고가이고, 전문분석가, 분석기술도 필요하게 되는 등 분석에 소요되는 비용이 과다하다는 문제점이 있다.
또한, 동일 산지의 석탄이라 할지라도 항차별 성상차이가 큰 경우가 많으며, 신규 도입탄은 석탄회 성상 분석자료가 없어 정확한 연소특성 예측 평가가 어려운 실정에 있었다.
이에 본 발명은 보일러의 연소장애를 방지하기 위하여 종래 보다 간편하고, 신속하게, 예를 들면 24시간 이내에 석탄회의 용해도의 차이를 이용하여 특성을 평가할 수 있는 새로운 발전소 보일러 회부착 방지를 위한 석탄회 특성평가방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발전소 보일러 회부착 방지를 위한 석탄회 특성평가방법은
석탄을 700 ~ 900℃에서 약 3~5시간 동안 태워서 석탄회를 제조하고, 석탄회 2mg을 순수 200㎖에 용해시킨 후 전기전도도가 완만해지는 약 4 ~ 5시간 사이에 탄종별 전기전도도 값을 도출하는 단계;
도출된 전기전도도값을 이용하여 다음식 (1)과 (2)를 이용하여 회부착석 지표(Slagging Index: SI)와 배기가스 온도를 예상하는 단계:
전기전도도 = ― 689.7 + 240.3SI ― 7.996SI2 (1)
배기가스온도 = 367.8 + 0.5590SI + 0.1078SI2 (2)
마지막으로 상기 관계식으로부터 배기가스 예상치의 값을 혼탄에 적용하여 석탄 혼합비율을 판정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
보통 석탄회 성분은 크게 구분하여 SiO2, Al2O3, TiO2와 같은 산성 성분과 Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O와 같은 염기성 성분으로 나눌 수 있으며, 회부착 장애를 일으키는 물질은 대부분 염기성 성분이다.
전체 염기성 성분 중에서 세 성분, 예를 들면 Fe2O3, CaO, MgO 가 약85%를 차지하며, 이 중 Fe2O3, CaO 두 성분이 가장 많은 장애를 일으키는 물질로 알려져 있다.
본 발명에 의하면, 석탄회의 용해도는 산성분이 매우 낮은 반면 염기성 성분은 높아 용해도 차이에 의해 염기성 성분의 상대적인 양을 측정할 수 있어 전기전도도로 회부착을 간접적으로 평가할 수 있다. 즉, 전기전도도와 회부착성 판정지표 또는 배기가스 온도 사이의 연관성을 도출하고 기준값을 설정하여 유용한 지표로 활용할 수 있다. 이에 따라 석탄회 수용액의 전기전도도로 석탄회 성상을 간접적으로 예측하여 석탄특성을 신속하게 파악, 혼탄에 적용할 수 있다.
본 발명의 500 MW급 비표준석탄 화력발전소 보일러 회부착 장애를 최소화하기 위한 석탄회 특성평가방법은 먼저 석탄회의 용해도의 차이를 이용하여 특성을 분석하여 전기전도도의 변화가 완만해 지는 4~5시간에 전기전도도를 측정하는 것이다.
즉, 상기 전기전도도의 측정은 석탄을 700~900℃에서 약 3 ~ 5시간 동안 태워서 석탄회를 제조하고, 단시간에 모든 성분이 용해되지 않으므로 석탄회 조제시료 2mg을 순수 200㎖에 용해시킨 후에 1~24시간 동안 1시간 간격으로 석탄회의 전기전도도를 측정하였으며, 최종적으로 전기전도도의 변화가 완만해 지는 4 ~ 5시간 후에 전기전도도 값을 기준으로 측정한다. 기존에 입하된 석탄의 석탄회의 전기전도도의 측정 결과는 다음 표 2와 같다.
[표 2]
Figure 112006036380460-PAT00001
상기 표 2에 의하면, 비표준화력에서 연소장애를 일으키는 신화, Rotosouth는 전기전도도가 매우 높음을 알 수 있고, 안정연소되는 Centennial, BA, Basewater는 전기전도도가 매우 낮다는 것을 알 수 있다.
상기 본 발명에 따라 측정된 석탄회의 전기전도도와 석탄회의 성상인 염기성 성분의 합과의 실제 상관관계를 확인하기 위하여 다음과 같이 피어슨(Pearson) 상관계수를 이용하여 분석을 실시한다.
[표 3]
구분 Fe2O3 CaO MgO Na2O 염기성합 회융점 SI Fe2O3+CaO
상관계수 0.609 0.895 0.744 0.534 0.803 -0.705 0.790 0.820
P-값 0.000 0.000 0.000 0.002 0.000 0.000 0.000 0.000
상관성 평가 상관성 있음 상관성 있음 상관성 있음 상관성 없음 상관성 있음 상관성 없음 상관성 있음 상관성 있음
상기 표 3에 나타낸 바와 같이 피어슨 상관계수가 0.4(절대값) 이상일 경우 통계적으로 연관성이 있으며, 그 값이 클수록 상관성이 크다고 할 수 있다. 피어슨 상관계수가 0.4 이상일 경우라도 P-값이 0.05 보다 작을 경우에만 의미가 있다고 할 수 있다. 이러한 기준에 의하면, 본 발명의 석탄회 특성 평가 방법에서 적용할 수 있는 석탄회 성상에 대한 회귀분석을 실시한다. 이들 회귀분석결과는 각각 도 1 내지 3에 나타내었으며, 이들 전체 성상에 대한 회귀분석결과를 표로 정리하면 다음 표 4과 같다.
[표 4]
Figure 112006036380460-PAT00002
보통 회귀분석 결과 R2(결정계수) 값이 65% 이상일 경우에만 통계적으로 신뢰할 수 있다.
상기 표 4에 의하면, 전기전도도와 석탄의 성상 중에서 Fe2O3, CaO, MgO는 상호 연관성이 있다는 점을 알 수 있으며, 여러 X 인자간 교호작용을 통해 전기전도도에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 이에 따라 전기전도도에 영향을 미치는 여 러 X인자의 조합을 통해 회귀식을 도출하는 것이 바람직하다.
다음에 본 발명은, 상기 탄종별 석탄회의 전기전도도값을 이용하여 회부착성 지표(Slagging Index: SI)와 배기가스 온도와의 관계식을 상기한 바와 같이 회귀 분석을 통해서 도출하고, 입하탄별 석탄회 특성 평가를 통하여 구해진 전기전도도를 혼탄 비율 만큼 가중평균한 값과 SI 지수와의 회귀 분석결과를 통하여 두 개의 경험식을 구하여 전기 전도도를 통하여 배기가스 온도를 예측하는 단계이다.
본 발명에서 전기전도도 측정값을 이용하여 SI 지수를 예측하기 위한 관계식은 다음 식(1)과 같으며, 전기 전도도 측정값을 다음 관계식(2)와 같이 배기가스 온도를 산출할 수 있다.
전기전도도 = ― 689.7 + 240.3SI ― 7.996SI2 (1)
배기가스 온도 = 357.8 + 0.5590SI + 0.1078SI2 (2)
이들 석탄회 전기전도도와 회부착성 지수(SI), 배기가스 온도와의 상관관계를 도 4와 도 5에 각각 그래프로 나타내었다.
도 4와 도 5에 의하면, 예를 들어 전기전도도를 약 1,000 uS/cm 이하로 운전하면 기존의 SI 혼탄 판정인 10 정도에 근접하며, 그때의 배기가스 온도가 약 375℃ 정도로 나온다는 것을 알 수 있습니다.
상기 식(1)에서 SI를 계산하기 위한 식으로 변환하면 다음과 같은 관계식(3)이 된다.
Figure 112006036380460-PAT00003
다음에, 본 발명의 방법에 의하면, 상기 전기전도도와 SI 지표와의 연관성을 도출하고, 이 관계를 이용하여 배기가스의 온도를 예측한 후, 이를 혼탄에 적용하여 석탄 혼합비율을 판정하게 된다. 앞에서 설명한 전기전도도의 측정결과와 배기가스 온도와의 관계를 평가한 결과는 다음 표 5와 같다.
[표 5]
Figure 112006036380460-PAT00004
상기 표 5에 의하면 실측의 배기가스온도의 평균값은 약 366.5℃, 표준편차는 4.497, SE 평균은 1.122이고, 본 발명에 의하여 예측한 온도의 평균값은 약 365.875℃, 표준편차는 3.649, SE 평균은 0.912임을 알 수 있다. 이들 간의 배기가 스 평균온도의 차이는 0.625℃, 표준 편차의 차이는 1.927866, SE 평균의 차이는 0.481966이므로 이들로부터 얻어진 쌍체 T검증 결과에 의하면 P-값이 0.214로 얻어졌으며, P-값이 0.05 이상일 경우에는 두 데이터 간의 차이는 없는 것이며, 결국 실측치와 본 발명의 방법에 따른 예측치는 평균의 차이가 없어 매우 양호한 값임을 알 수 있다.
본 발명에 의하면, 필요한 경우, 상기와 같은 판정결과에 의해 연소 결과와 문제점을 분석하게 되는데, 즉, 석탄회 성상분석을 한 후, 혼탄 프로그램에 입력하고 혼탄 여부를 판정하여 연소를 한 후, 연소 상태를 파악하고 추후 연소 결과에 문제가 잇을 경우 원인을 파악하고 분석하여 추후 혼탄에 반영하는 과정을 거쳐서 혼탄관리를 할 수 있다.
본 발명의 발전소 보일러 회부착 방지를 위한 석탄회 특성평가방법은 정확한 회부착성 판정 지표를 적용할 수 있고, 설비에 부합된 연소상태 판정으로 500MW급 비표준석탄화력발전소 보일러의 연소장애를 해소할 수 있고, 보일러 연소상태 판정 및 이종 석탄 혼합비율 결정의 정확성, 신뢰성 확보로 안정적인 발전설비를 운영할 수 있으며, 하역 후 24시간 이내에 정확한 회부착성 판정이 가능하기 때문에 탄질에 관한 정보가 없는 경우에도 손쉽게 회부착성을 판정할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 석탄을 700 ~ 900℃에서 약 3~5시간 동안 태워서 석탄회를 제조하고, 석탄회 2mg을 순수 200㎖에 용해시킨 후 전기전도도가 완만해지는 4 ~ 5시간 사이에 탄종별 전기전도도 값을 도출하는 단계;
    상기 탄종별 석탄회의 전기전도도값과 석탄회의 성상인 염기성 성분의 합과의 상관관계를 확인하기 위하여 피어슨 상관계수를 이용하여 분석하고, 상기 전기전도도와의 연관성에 대한 회귀분석의 결과로부터 다음 식(1)과 (2)로 표시되는 회부착성 지표(Slagging Index: SI)와 배기가스 온도와의 관계식을 도출하는 단계; 및
    상기 관계식으로부터 배기가스 예상치의 값을 혼탄에 적용하여 석탄 혼합비율을 판정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발전소 보일러 회부착 방지를 위한 석탄회 특성평가방법.
    전기전도도 = ― 689.7 + 240.3SI ― 7.996SI2 (1)
    배기가스온도 = 367.8 + 0.5590SI + 0.1078SI2 (2)
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