KR102146814B1 - 석탄과 바이오매스 혼합연료의 미분도 측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 석탄과 바이오매스 혼합연료의 미분도 측정방법에 관한 것으로, 본 발명은, (a) 측정대상인 혼합연료에 포함된 각각의 석탄의 HGI값과 바이오매스의 TTBGI값으로부터 상관관계식을 도출하는 단계; (b) 상기 측정대상인 혼합연료에서 체적 기준으로 석탄과 바이오매스의 샘플을 준비하고, 각각의 질량을 측정하는 단계; (c) 측정된 상기 각 질량을 체적으로 환산하고, 환산된 체적을 이용하여, 상기 석탄과 바이오매스를 미리 결정된 소정의 체적 비율로 혼합하고 분쇄하는 단계; (d) 분쇄된 상기 혼합연료를 소정 직경으로 체거름하고, 상기 소정 직경 이하의 입자 질량을 측정하는 단계; 및 (e) 측정된 상기 질량을 상기 상관관계식에 대입하여 측정대상인 혼합연료의 미분도를 산출하는 단계;를 포함하는 석탄과 바이오매스 혼합연료의 미분도 측정방법을 제공한다.
Description
본 발명은 미분도 측정방법으로서, 석탄과 바이오매스의 혼합연료에 대한 미분도를 정확하게 측정할 수 있는 측정방법에 관한 것이다.
석탄화력은 최근 기준 국내 전력 생산의 40%를 차지하고 있는 가장 중요한 전력생산 수단이다.
신재생에너지에 대한 관심이 높아지고, 특히 국내에서는 재생에너지 사용의무할당제(Renewable Energy Portfolio Standard, RPS)가 시행됨에 따라, 많은 석탄화력발전소에서 재생에너지 공급 인증(renewable energy certificate, REC) 획득을 위해 바이오매스를 석탄과 일부 혼합하여 사용하게 되었고, 또한, 이산화탄소 감축 목표 달성을 위해 석탄화력발전에서의 바이오매스 사용량은 더욱 증가할 것으로 예상된다.
바이오매스는 탄소중립성(carbon neutral) 에너지원으로서 1차 에너지원으로의 활용이 가능하기 때문에 온실가스 감축에 핵심적으로 기여할 수 있으며, 바이오매스 혼소는 적용을 위한 경제적, 기술적 위험성이 비교적 낮아 단중기적으로 이산화탄소, 황산화물, 질소산화물의 저감 효과가 나타날 수 있는 가장 효율적인 방법이다.
그러나 기존 석탄 미분기에 바이오매스를 함께 사용하는 경우 바이오매스의 낮은 분쇄성으로 인하여 다양한 문제가 발생할 수 있다. 일반적으로 25~50mm 사이의 입자 크기에서 미분기 내에서 막힘 현상을 유발하고 차압을 높여 미분기의 원활한 운영을 방해하거나, 바이오매스의 높은 휘발분으로 인하여 화재 위험성이 높아지게 된다.
그리고, 미분도 문제는 바이오매스 혼소율 증가에 큰 제약을 가져온다. RPS 대응과 이산화탄소 감축을 위해서는 바이오매스 혼소율 증가가 꼭 필요하며, 분쇄도에 관한 문제 예방을 위해 미분기 성능에 적합한 연료의 사용과 연료 분쇄도에 대한 정확한 분석이 필요하다.
석탄의 경우, 알려진 HGI(Hardgrove Grindability Index) 법을 사용하여 미분도를 측정한다. 그러나 이를 바이오매스에 적용하면, 바이오매스의 섬유질 구조로 인하여 미분도를 정확히 측정할 수가 없다.
또한, 본 발명자는 비특허문헌 1과 같은 선행연구를 통하여 바이오매스의 미분도를 기존의 HGI법을 사용하여 측정하는 경우, 정확한 미분도의 측정이 매우 어려움을 확인한 바 있다.
이를, 해결하기 위하여, 바이오매스를 체적기준으로 하여 분쇄하는 TTBGI법이 있으나, 이를 석탄과 바이오맥스의 혼합연료에까지 적용할 수는 없다.
강별 외 3., "Applicability of Various Biomasses to Pulverized Coal Power Plants in Terms of their Grindability," Clean Technology., Vol.23, No.1, pp.73-79(2017. 3)
이에, 본 발명은 상기한 문제점에 착안하여 이를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 석탄과 바이오매스 혼합연료의 미분도를 정확하게 측정할 수 있는 측정방법을 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, (a) 측정대상인 혼합연료에 포함된 각각의 석탄의 HGI값과 바이오매스의 TTBGI값으로부터 상관관계식을 도출하는 단계; (b) 상기 측정대상인 혼합연료에서 체적 기준으로 석탄과 바이오매스의 샘플을 준비하고, 각각의 질량을 측정하는 단계; (c) 측정된 상기 각 질량을 체적으로 환산하고, 환산된 체적을 이용하여, 상기 석탄과 바이오매스를 미리 결정된 소정의 체적 비율로 혼합하고 분쇄하는 단계; (d) 분쇄된 상기 혼합연료를 소정 직경으로 체거름하고, 상기 소정 직경 이하의 입자 질량을 측정하는 단계; 및 (e) 측정된 상기 질량을 상기 상관관계식에 대입하여 측정대상인 혼합연료의 미분도를 산출하는 단계;를 포함하는 석탄과 바이오매스 혼합연료의 미분도 측정방법을 제공한다.
상기 (a)단계는, (a1) 대상 석탄의 HGI값을 측정하는 단계; (a2) 대상 바이오매스의 TTBGI값을 측정하는 단계; (a3) 상기 (a1) 단계 및 (a2) 단계를 n회 반복하는 단계; 및 (a4) 상기 (a1) 내지 (a3) 단계의 결과를 이용하여 상기 상관관계식을 도출하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 소정 직경은 300㎛ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명은 바이오매스와 석탄이 혼합된 연료의 미분도를 측정하는 새로운 방법으로서, 이는, 점점 늘어나고 있는 혼합연료 사용 화력 발전소에 있어서 연료의 미분도를 측정하는 새로운 지표로 제공될 수 있다.
석탄과 바이오매스의 혼합연료 사용시에 최적의 혼합비율과 분쇄기의 성능을 결정할 수 있는 중요한 지표로 사용될 수 있어, 이에 따른 발전 효율 및 경제성 향상을 도모할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석탄과 바이오매스 혼합연료의 미분도 측정방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 2는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석탄과 바이오매스 혼합연료의 미분도 측정방법을 개략적으로 나타낸다.
도 3은, 표준석탄과 바이오매스를 분쇄하고 분쇄된 입자의 크기별 분포를 나타낸 그래프이다.
도 4는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석탄과 바이오매스 혼합연료의 미분도 측정방법을 통하여 실제로 진행한 혼합연료의 미분도 측정실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석탄과 바이오매스 혼합연료의 미분도 측정방법을 개략적으로 나타낸다.
도 3은, 표준석탄과 바이오매스를 분쇄하고 분쇄된 입자의 크기별 분포를 나타낸 그래프이다.
도 4는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석탄과 바이오매스 혼합연료의 미분도 측정방법을 통하여 실제로 진행한 혼합연료의 미분도 측정실험결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
또한, 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석탄과 바이오매스 혼합연료의 미분도 측정방법을 상세히 설명한다.
도 1은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석탄과 바이오매스 혼합연료의 미분도 측정방법의 과정을 나타내는 플로우 차트이다.
먼저, 측정대상인 혼합연료의 상관관계식을 도출한다(S10).
혼합연료는 석탄연료와 바이오매스 연료가 혼합된 연료로서, 예를 들면, 석탄으로는 화력발전에서 흔히 사용되는 아역청탄, 바이오매스 연료로는 wood pellet (WP), empty bunch fruit (EFB), palm kernel shell (PKS), walnut shell (WS), torrefied biomass chip (TBC), torrefied wood pellet (TWP)등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
WP는 나무톱밥을 압축 가공하여 만든 펠렛 연료이다. EFB와 PKS는 팜 오일을 추출하고 남은 열매의 빈 껍질과 씨앗 껍질을 재활용하여 만든 연료로 EFB는 펠렛 형태로 가공되고 PKS는 껍질 형태로 공급된다. 원형 상태 그대로 공급되는 PKS의 경우 불순물(돌, 흙)이 섞여 있다, WS는 호두껍질로 작게 분쇄되어 사용된다. TBC는 wood chip을 무산소 분위기의 200~300℃ 온도에서 생성한 반탄화 연료이다. TWP는 일반 wood pellet을 265℃ 조건에서 생성한 반탄화 연료이다.
미분도 측정대상인 혼합연료에 포함된 각각의 석탄의 HGI(Hardgrove Grindability Index)값과 바이오매스 연료의 TTBGI값으로부터 혼합연료에 대한 상관관계식을 도출한다.
구체적으로, 석탄의 HGI값은 석탄을 공지된 HGI측정장치에 투입하여 구하거나, 또는 일정 질량의 석탄을 분쇄하고, 분쇄된 석탄 중 75㎛ 이하의 입자 질량을 측정하고 이를 알려진 HGI 상관관계식에 대입하여 구한다.
바이오매스의 TTBGI값은 일정 체적의 석탄을 분쇄하고, 분쇄된 바이오매스 중 500㎛ 이하의 입자 질량을 측정하고 이를 알려진 HGI 상관관계식에 대입하여 구한다.
상기 석탄의 HGI값과 바이오매스의 TTBGI값을 측정하는 과정을 소정횟수 반복한다.
그리고, 도출된 석탄의 HGI값과 바이오매스의 TTBGI 값을 하기 식 1 내지 3에 대입하여, 혼합연료의 미분도를 산출하기 위한 상관관계식을 도출한다.
하기 식에서 X는 석탄의 HGI값이고, Y는 바이오매스의 TTBGI값이며, x는 분쇄된 측정대상 혼합연료 중 소정 직경 이하의 입자의 질량분율(mass fraction)이고, y는 측정대상 혼합연료의 미분도이며, n은 반복횟수이다.
(식 1)
(식 2)
(식 3)
다음, 측정대상인 혼합연료에서 체적 기준으로 석탄과 바이오매스의 샘플을 준비하고, 각각의 질량을 측정한다(S20).
측정대상인 혼합연료의 질량을 측정하되, 소정 체적을 기준으로 석탄과 바이오매스의 샘플을 각각 준비한다.
기존의 HGI법의 경우, 석탄을 바로 소정 질량으로 샘플링하여 이를 분쇄하여 미분도를 계산하나, 바이오매스와 석탄의 밀도 차이로 인하여 질량 기준으로는 정확한 미분도를 계산하기 어렵다. 따라서, 소정 체적을 기준으로 하고 그 체적의 질량을 측정한다.
도 2(a)에 나타낸 바와 같이 소정의 입자크기(예를 들면, 0.6~1.18mm)의 혼합연료를 실린더에 투입하여 소정 체적(예를 들면 75cm3)이 되는 혼합연료의 질량을 측정한다.
다음, 측정된 상기 각 질량을 체적으로 환산하고, 환산된 체적을 이용하여, 상기 석탄과 바이오매스를 미리 결정된 소정의 체적 비율로 혼합하고 분쇄한다(S30).
S20 단계에서 측정된 석탄과 바이오매스의 각 질량을 체적으로 환산하고, 도 2(a)에 나타낸 바와 같이 석탄과 바이오매를 소정의 입자크기(예를 들면, 0.6~1.18mm)로 하고 소정 체적 비율로 실린더에 투입하여 일정한 체적(예를 들면 75cm3)이 되도록 혼합한다.
석탄돠 바이오매스 혼합시에는 공극이 발생하지 않도록 일정 체적의 실린더 등에 자유낙하에 의해 혼합되면서 투입한다.
그리고, 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 혼합된 혼합연료를 분쇄기에 투입하여 분쇄한다.
다음, 분쇄된 상기 혼합연료를 소정 직경으로 체거름하고, 상기 소정직경 이하의 입자 질량을 측정하는 단계; 및
분쇄된 혼합연료 중에서 소정 직경 이하의 입자 질량을 측정한다(S40).
분쇄된 혼합연료 중 소정 직경 이하의 크기를 갖는 입자를 분류하고 질량을 측정한다.
도 3에 나타낸 바와 같이 분쇄된 혼합연료를 소정직경 이하의 눈을 갖는(sieve)를 통하여 걸러서 소정 직경 이하의 크기를 갖는 입자들을 분류한다.
상기 소정 직경은 혼합된 바이오매스의 종류에 따른 미분도에 따라 변경할 수 있으나 300㎛ 이하로 할 수 있다.
이는 본 발명을 도출하기 위한 연구에서, 석탄 표준물질(HGI 41, HGI 61, HGI 80, HGI 98)과 wood pellet의 입자 크기 분석 결과에 의해 파악된 것으로서, 석탄과 바이오매스 혼합연료를 분쇄하여 500, 300, 100, 75㎛ 이하의 입자 분포(질량)를 각각 측정하였다. 그 결과는 도 3에 나타내었다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 바이오매스 기준인 500㎛미만 에서는 석탄의 분쇄된 입자 분포가 높다.
따라서, 높은 HGI값의 석탄이 혼합된 경우 측정이 불가능할 수 있음을 확인하였다.
그리고, 석탄 기준인 75㎛미만과 100㎛미만에서는 wood pellet의 분쇄된 입자 분포가 낮기 때문에 측정이 불가능할 수 있음을 확인하였다.
다음, 측정된 입자 질량(분율)을 상관관계식에 대입하여 미분도를 산출한다(s50).
측정된 입자 질량을 상기한 식 3에 대입하여 측정대상 혼합연료의 미분도를 산출할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 석탄과 바이오매스 혼합연료의 미분도 측정방법을 통하여 실제로 진행한 혼합연료의 미분도 측정실험을 설명한다.
측정대상 혼합연료는 석탄과 wood pellet이 혼합된 혼합연료로서 진행하였다.
상기 측정대상 혼합연료의 연료 특성은 하기 표 1과 같다.
| 샘플 | 성분 분석(wt%) | 원소 분석(wt%) | 발열량 (MJ/Kg) | |||||||
| 수분 | 휘발성분 | 고정탄소 | 회분 | C | H | O | N | S | ||
| 석탄 | 9.1 | 43.1 | 42.7 | 5.1 | 65.5 | 4.3 | 13.3 | 1.4 | 1.3 | 28.3 |
| wood pellet | 8.9 | 73.8 | 14.8 | 2.5 | 49.6 | 5.6 | 44.3 | 0.4 | 0.0 | 19.3 |
측정대상 혼합연료를 상기 S10단계에 따라, 혼합연료에 포함된 석탄의 HGI값과 wood pellet의 TTBGI값으로부터 혼합연료에 대한 상관관계식을 도출하였다.측정한 결과, 혼합연료에 포함된 석탄의 HGI값은 37이었고, wood pellet의 TTBGI값은 19로 측정되었다.
이를 상기 식 1 및 식 2에 대입하여 하기와 같은 상관관계식을 도출하여, 이를 미분도를 나타내는 그래프로 작성하였다.
(상관관계식) y = 1.2372x - 16.047
그리고, 측정대상 혼합연료의 석탄과 wood pellet의 혼합비율을 하기와 같이 달리한 5개의 측정대상 혼합연료를 준비하였다.
각 case의 측정대상 혼합연료를 상기 S20 부터 S50에 따라, 측정대상인 혼합연료의 소정 체적의 질량을 측정하고 분쇄하여, 분쇄된 혼합연료 중에서 소정 직경 이하의 입자 질량을 측정하고, 측정된 입자 질량을 상관관계식에 대입하여 미분도를 산출하고, 이를 도 4에 나타내었다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 각 case의 미분도를 산출한 결과, 미분도 값이 상관관계식에 의한 미분도를 나타내는 그래프 선과 99.9% 이상 일치함을 확인하였다.
상기와 같이, 본 발명은 바이오매스와 석탄이 혼합된 연료의 미분도를 측정하는 새로운 방법으로서, 이는, 점점 늘어나고 있는 혼합연료 사용 화력 발전소에 있어서 연료의 미분도를 측정하는 새로운 지표로 제공될 수 있다.
석탄과 바이오매스의 혼합연료 사용시에 최적의 혼합비율과 분쇄기의 성능을 결정할 수 있는 중요한 지표로 사용될 수 있어, 이에 따른 발전 효율 및 경제성 향상을 도모할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
Claims (3)
- (a) 측정대상인 혼합연료에 포함된 각각의 석탄의 HGI값과 바이오매스의 TTBGI값을 하기 식 1 및 식 2에 대입하여, 하기 식 3과 같은 상관관계식을 도출하는 단계;
(b) 상기 측정대상인 혼합연료에서 체적 기준으로 석탄과 바이오매스의 샘플을 준비하고, 각각의 질량을 측정하는 단계;
(c) 측정된 상기 각 질량을 체적으로 환산하고, 환산된 체적을 이용하여, 상기 석탄과 바이오매스를 미리 결정된 소정의 체적 비율로 혼합하고 분쇄하는 단계;
(d) 분쇄된 상기 혼합연료를 소정 직경으로 체거름하고, 상기 소정직경 이하의 입자 질량을 측정하는 단계; 및
(e) 측정된 상기 질량을 상기 상관관계식에 대입하여 측정대상인 혼합연료의 미분도를 산출하는 단계;를 포함하는,
석탄과 바이오매스 혼합연료의 미분도 측정방법.
(식 1)
(식 2)
(식 3)
상기 각 식에서 X는 석탄의 HGI값이고, Y는 바이오매스의 TTBGI값이며, x는 분쇄된 측정대상 혼합연료 중 소정 직경 이하의 입자의 질량분율(mass fraction)이고, y는 측정대상 혼합연료의 미분도이며, n은 상기 석탄의 HGI값과 상기 바이오매스의 TTBGI값의 측정 반복횟수이다.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (a)단계는,
(a1) 대상 석탄의 HGI값을 측정하는 단계;
(a2) 대상 바이오매스의 TTBGI값을 측정하는 단계;
(a3) 상기 (a1) 단계 및 (a2) 단계를 n회 반복하는 단계; 및
(a4) 상기 (a1) 내지 (a3) 단계의 결과를 상기 식 1 및 식 2에 대입하여, 상기 식 3과 같은 상관관계식을 도출하는 단계;를 포함하는,
석탄과 바이오매스 혼합연료의 미분도 측정방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 소정 직경은 300㎛ 이하인,
석탄과 바이오매스 혼합연료의 미분도 측정방법.
Priority Applications (1)
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11333319A (ja) * | 1998-03-24 | 1999-12-07 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 石炭粉砕性自動推定装置 |
| JP2001157851A (ja) * | 1999-12-02 | 2001-06-12 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 石炭粉砕性自動推定方法とその装置 |
| CN106840933A (zh) * | 2017-01-19 | 2017-06-13 | 北京科技大学 | 一种煤的热态哈氏可磨性指数测定仪 |
-
2019
- 2019-05-28 KR KR1020190062714A patent/KR102146814B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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| 강별 외 3., "Applicability of Various Biomasses to Pulverized Coal Power Plants in Terms of their Grindability," Clean Technology., Vol.23, No.1, pp.73-79(2017. 3) |
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