Applied Chemistry,

Vo1. 13, No. 1, Ap디12뼈， 165-168

표준화력 석탄연소 보일러 화로 내 복사열전달 해석기법 개발

와휠좋·김재관·장석 원

한국전력공사 전력연구원 수화력발천연구소

Develpoment of Radiation Analysis on the Pulverized Coal-Fired Boiler

Hyun-Dong Le~.Jae -Kwan Kim.Seok-Won Jang

Power Generation Lab. KEPRI. KEPCO

요 약

현재 국내의 5개 발전회사는 연간 50여종 이상의 다양한 성상올 가진 역청탄 및 아역청탄올

약 5.000만 톤 이상 대량으로 수입하여 발전용 연료로 사용하고 있는 상황으로 다양한 성상의

연료 사용은 보일러 설계조건을 벗어나는 경우가 많아 연소 및 설비 안정성 측면에 문제플 유

발할 수 있다. 따라서 보일러 섣계 탄과 다른 성상의 석탄 연소 시 연소특성올 예측하여 적절

한 혼탄 및 연소조정올 수뺑하는 것이 필요하며 이를 위해서는 상세한 화로 내 전열특성해석

을 위한 정교한 복사해석 기법 개발이 필요하다. 본 논문에서는 국내의 대표적인 표풋서탄화력

보일러를 대상으로. 경량화 되어있지만 경제적이고 실용성이 높은 7. on:.I1 1llt'1 hod륜 이용한 화

로 내 복사천열 해석기법을 개발 사례를 소개하였다.

1. 서론

표준석탄화력 보일러의 화로형상의 주요 특정으로는 Tangen tiall y r- ired Furnace 구조로 연

료와 연소용 공기가 임의의 버너부착 화로단연의 코너부에서 적절한 각도로 투입되어 화염이 타

원체형으로 형성되며， 이렇게 형성된 Fireball로 인해 화로의 높이 방향으로의 임의 수평단변에서

화로벽 위치에 상관없이 등방성의 일정한 옹도 및 열유속 분포를 갖는 것이 이 보일러의 특정이

라고 할 수 있다. 이러한 보일러 옹도 및 열유속 분포 특정을 이용하여 화로를 높이 방향으로 2 0-30개 정도의 수평층 (Horizon l al S li ces) 으로 나누어서 열역학적 특성을 해석한다.

2. 본론

2- 1. 모웰의 기본가정

화로 내 유동은 Steady Plug- Flow 형상이다. 화로의 형상 및 연소시스템의 종류와 무관하다.

또한 Hottel's Zoning Method 적용가능하며 ， 화로는 동일한 체적과 전열연을 갖는 여러 개의 해

석충 (Slice s) 로 구성되며 각 층에서의 옹도와 물성치는 동일하다. 화로를 둘러싸고 있는 벽면은

회색체로 간주하고， 가스상의 복사열 홉수는 Beer의 Gas-To-Gas Absorption 모텔을 적용한

다. 총괄적인 복사전열 지배방정식은 Stefan - Boltzmann 복사전열 방정식을 적용한다.

2-2. 유동혜석 모댈

본 해석에 응용에 이용된 유동형상은 Fig. 1 과 같이 보일러 아래 Hopper부를 중심으로 한 유

동재순환영역， 열발생부 (Heat Release Zone, HRZ) 를 포함한 연소부 ( Fi rin g Zon e) 와 재순환된

유동이 합쳐 상부로 나가는 균일 유동부 (P lug Flow Zone) 로 나눈다.

165

이현동 · 김재관 · 장석원 166

‘ 」

2-2, Energy Balance

각 해석 요소충 (Slice) 으로 들어가는 에너지와 나가는 에너지를 분석해

오면 급게 4가지로 분류될 수 있다. 이틀은 충의 상하부에서 연소가스의 유

동으로 발생되는 대류전열성 에너지 (Convec- tive Energy) 와 층내 고온의 연소가스에 의해 화

로 수냉벽 (Fu rnace Waterwall) 으로 전달되는 수냉벽-가스 복사전열 에너지 ， 고온의 가스층과

가스층 사이에서 일어나는 복사전열 에너지 그리고 해석대상 층이 연소부인 ri ring Zo n e에 위 치

해 있는 경우 연소로 인해 생성된 투입연료 및 연소공기보유 에너지로 대별될 수 있다. 이들을 항

목별로 세부척으로 나타내어 보면 아래와 같다.

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(2) l Tli + l •i 윌 q짚’n/mc m·-l. = Eq十 (1- εq/mc) Emc，

유량 위식에서 mi.i+1 은 Slice 에서 Slice i+ 1 층으로 유입되는 연소기체

올 의미하며， GJ는 부위로 유업되는 연료와 공기의 유량을 나타낸다.

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때

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o Heat Produced By Combustion At Slice

Firing Zone에 위치해 있는 해석층의 경우 연소로 인해 생성되는 에너지는 식 3과 같이 나타

낼 수 있다.

QF,. = 단 [HHV+ (1 - "f L)(닫L"AO- (단)써

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해석

o Sensible Heat Entering & Leaving Slice

여기서 J는 Summation lndex이 며 G는 Firing Zone 이외의

충에서는 0이 다.

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l ‘ lι 2. 1 kal & rnass balance in ‘urnace

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o Wall-To -Wall Gas I~ad iation \1 odel

대상 단위 해석층에서 수냉병과 수냉벽 사이에서 일어나는 복사전

열 지배방정식올 Stefan- Bo ltzmann 식과 앞에서 언급한 Gas

Blackness Factor (F1J 를 도입하여 표현하면 다음과 같다.

Q쁜= [2( W+D) L::. 짜. [(갚휠댄)π _ ( FE-원서π.] … … o Gas-To -Gas Radiation \1 odel

충두꺼1 L1 z 와 홉수계수 K 를 갖는 등방성 매질을 통과하는 복사에너지 전달율 E는 통과시 에

응용화학， 재 13 권 제 l 호， 2009

표준화력 석탄연소 보일러 화로 내 복사열전달 해석기법 개발 167

너지홉수율 E [l -exp( - K .d z)]/E로 가스층 매질을 통해 전달된다.

Q았T=(W. D샤+설(윤) [ 1 -0써Ll.Z) j r l되 .. , ,) (7)

o Total Governing Energy Balance Equations

화로내 연소가스 옹도분포를 구하기 위해 Slice 에 대해 각

각 다옴과 같은 Energy Inventory를 도식적으로 나타내어 보

연 그림 3과 같다.

그림 3올 토대로 Slice 의 경계연올 통한 총에너지 유입량

(Qin.i) 과 총에너지 유출량 (QuUI. i ) 올 종합적으로 정리해 보연 아

래와 같이 표현할 수 있다.

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Total Heat Entering Slice i, Q Ir\. 1

Fig. 3. Energy inventory

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Total Heat Leaving Slice i, Q ()LT .•

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Ir ε c; Ì， 찬‘" I +(W 이(감 +ζ(순) l l-oH( L>2) l r ，작 .. 페ll -꺼;쉰짚'，+짚c，+득;frF|+%(π ‘-쟁 I~) (9)

상기 두식을 하나의 식으로 만들고 가스온도 TKi에 대한

지배식으로 표현 한 후 모든 Slices n개에 비선형연립방정식

올 세우고 수치해석척 기법을 적용하여 풀변 Fig . 4 와 같이

화로내의 모든 충에서 가스온도와 수냉벽에 천달되는 천열량

을 구할 수 있다.

3. 결 론

최근 다양한 연료변경 및 운전조건 변경에 따른 대용량 발전용 보일러 연소 및 전열특성 해석

Fig 4. 보일러 화로 해석결과

은 일반적으로 알려져 있는 상용 CFO 프로그램을 가지고 많이 수행되고 있다. 이러한 CFO 해석

의 결과는 국부적인 보일러 내부의 각종 반웅해석과 전열해석 및 물리적인 유체의 유통해석에 이

르기까지 광범위한 정보를 우리에게 제공하고 있다. 이러한 해석의 결과는 현재에도 보일러 설계

나 각종 보일러 내부의 물리화학척 현상을 해석하고 이해하는데 많은 유용한 정보를 제공하고 있

으며 ， 향후 지속적인 모텔 개선과 전산시스템의 획기적인 성능발전에 힘입어 더욱 유용하고 정교

한 정보를 제공할 수 있게 될 것으로 예상된다. 그러나 현재 많이 사용되고 있는 이러한 C f7 0 해

석 기법은 해석영역을 세분화함에 따라 계산 결과의 수렴에 많은 시간이 소요되고 이렇게 계산된

결과와 Long Furnace Zone 'V1 odel 과 같은 간단한 해석기법을 가지고 해석한 총괄 복사전열량

계산 동과 같은 일부분에서는 그리 경제적으로 보이진 않는 점도 있다 따라서 Slagging 모델이

나 Emissivity 보정 둥 부분적인 주요 인자에 대한 보완 및 모댈 개선을 병행한 7. on l:' 'V1 odel을

이용하여 화로내 복사전열 등을 해석할 경우 때에 따라서는 보다 경제적으로 유용한 정보를 얻게

되어 발전용 보일러 운용에 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

Ap미ied Chemistry, Vo1. 13, No.1, 2009

168 이현동·김재관·장석원

기호설명 1. HHV: 석 탄연료의 고위발열량 (Kcal/kg) 7. mμ : 송풍기출구의 연소용 공기량 (kg/h) 2. t1' g. A: 파장 A 에서의 가스 흡수도 8. m ll 연료중의 수분량 (kg/h)

3. ég. A 파장 A 에서의 가스 방사도 9. h .lo 연소용 공기 Enthalpy (kcal/kg) 4. nμ Mass Of Solid Particles 10. h(;: 물의 잠열 (kcal/ kg ) 5. Cr Specific Heat Of Solid Particles 11. À 1. Gas Air Heater Leakage Ratio 6. mF 화로에 투입되는 석탄연료량 (kg/h)

참고문헌

(1) K. A Bue ters , J. G. Cogoli , and W. W. Habelt . 1974 , ‘ Performance prediction of

tangential ly fired utility furnace by computer model: Fifteenrh Symposium

JnternationaJ on Combustion, Vol. 1974 , pp 1245-1260.

(2) Babcock & Wilcox Publication , 39th edition , 1978, "STEA \t1 /its generation and use,"

pp 4-5-4-18 ,

(3) Combu stion Engineering Publication, 1991 , “Combustion Fossil Power," 4th edition

(4) British Gas , 1991 , ‘ Mode Jling of gas - fired furnaces and boiler,"

(5) K. A. Bueter , Combustion Engineering, Inc. March 1974 , “ Combustion Products

Emissivi ty by FE Operator:

응용화학， 제 13 권 제 l 호， 2αB