이 시리즈는 두 편입니다. 이번 편은 연소원리 → 설계변수 → 열전달 → 비교표 순서이고, 다음 편은 환경오염 물질 배출 성능 → 트러블슈팅 → 보일러 선정 순서입니다. 목적에 따라 골라 읽으셔도 됩니다.
1. 먼저 한 문장으로 이해하기
PC 보일러는 석탄을 74 μm(200 mesh) 통과율 약 70% 수준으로 곱게 분쇄해, 연소용 공기와 함께 버너에서 화염 형태로 태웁니다. 연료가 노 안을 지나가는 수 초 안에 연소가 끝나야 하므로, 성능은 Mill(분쇄)과 Burner(화염)의 품질이 좌우합니다.
CFBC 보일러는 연료를 수 mm급으로 파쇄해, 연소용 공기로 유동화된 모래·연료회분·석회석 입자층(Bed) 하부에 투입하고 약 800~900°C의 낮은 온도에서 태웁니다. 정상 운전 중에는 화염 버너가 필요 없고(버너는 기동 시에만 사용), 노 상부로 날아간 입자는 입자분리기(Cyclone)에서 포집해 다시 노로 순환시킵니다. 연료가 순환하는 고체 속에서 오래 머물며 타므로, 성능은 유동화와 고체순환이 안정적으로 유지되는지에 달려 있습니다.
핵심 인과관계: 연료의 입도·반응성 → 연소 및 체류 방식 → 온도와 고체분포 → 열전달·회 거동 → 환경설비·운전관리. 다만 연료 입도만으로 모든 설계가 결정되는 것은 아닙니다. PC는 미분탄의 건조·분쇄와 화염 안정성이, CFBC는 유동화·고체순환·층온도 관리가 핵심입니다.
2. 연소원리와 설비 흐름
2.1 PC(Pulverized Coal) 보일러
• 연료 전처리: Mill에서 석탄을 미분쇄하고, 1차 공기(PA)로 건조·운반하여 버너로 보냅니다. 미분도(fineness)는 200 mesh(약 74 μm) 체 통과율로 관리하며, 탄종별 대표값은 3.4절에서 정리했습니다.
• 연소: 버너에서 2차 공기와 혼합되어 고온 화염(대략 1,300~1,600°C)을 형성합니다. 입자가 작아 비표면적이 크기 때문에 수 초 안에 빠르게 연소합니다.
• 핵심 운전지표: 화염 안정성, 공기 배분, 미연탄소(LOI), NOx.
• 연료 변동의 영향: 수분·휘발분·회 특성·분쇄성이 Mill, 화염, 전열면 오염에 미치는 영향은 3.3절 표에서 CFBC와 함께 비교합니다.
설비 흐름: Coal → Pulverizer(Mill) → Primary Air와 함께 Burner → Furnace → SH/RH → Economizer → Air Preheater → 집진·탈황·탈질설비 → Stack
기억할 점: PC의 연소 성능은 ‘Mill에서 얼마나 적절히 분쇄·건조했는가’에서 시작하여 ‘Burner에서 연료와 공기를 얼마나 안정적으로 혼합했는가’로 완성됩니다.
2.2 CFBC(Circulating Fluidized Bed Combustion) 보일러
• 연료 준비: 연료를 수 mm급의 넓은 입도분포로 파쇄하여 투입하고, 탈황용 석회석을 별도로 공급합니다. 노 내 Bed Material은 대부분 회분·모래·석회석 같은 불연성 입자이고 가연분은 대략 1~2%에 불과합니다. 이 많은 불연성 입자가 열을 머금어 연료 변동에도 온도가 쉽게 변하지 않는 열적 완충 역할을 합니다.
• 연소: 유동화된 고체입자와 연료가 혼합되며 통상 약 800~900°C에서 연소합니다. 이 온도에서는 고온 화염에서 두드러지는 Thermal NOx 생성이 상대적으로 억제됩니다. 다만 실제 NOx는 연료질소, 공기분배, 산소농도, 연소로 온도 등 운전조건에 좌우됩니다.
• 노내 탈황: 석회석(CaCO₃)이 노 안에서 소성되어 CaO가 되고, 이것이 SO₂와 반응해 CaSO₄로 고정됩니다. 이 반응은 850°C 전후에서 효율이 좋아 CFBC 운전온도와 잘 맞습니다. Ca/S 몰비와 탈황효율의 정량 관계는 간략하게 다음편에서 다룰 예정이고 상세한 내용은 블로그 내 글 ‘CFBC 보일러 NOx·SOx 생성 및 저감 – 운전변수를 중심으로’ 참고하기 바랍니다.
• 연료 유연성: 저품위탄, 석유코크스, 바이오매스 등 다양한 고체연료를 단독 또는 혼소할 수 있다는 점이 PC와 대별되는 대표적인 장점입니다. 이는 위의 열적 완충과 긴 체류시간 덕분입니다. 다만 연료별 수분, 회분, 알칼리, 염소 성분은 별도 검토가 필요합니다.
고체순환 흐름: Fuel + Bed Material → Furnace에서 유동화·연소 → 고체입자가 배가스와 함께 상승 → Cyclone에서 고체/가스 분리 → Loop Seal → 고체가 다시 Furnace로 순환
기억할 점: CFBC의 성능은 ‘연료가 잘 타는가’만으로 결정되지 않습니다. Bed 압력, 유동화 공기량, Cyclone 포집성능, Loop Seal 안정성, 고체순환량이 하나의 시스템으로 함께 움직여야 합니다.
3. 설계의 핵심 변수
설계변수는 ‘무엇을 지키기 위해 정하는가’로 보면 쉽게 정리됩니다. PC의 설계변수는 화염과 전열면 오염(Slagging)을 지키는 방향으로, CFBC의 설계변수는 유동화와 고체순환을 지키는 방향으로 정해집니다.
3.1 PC 보일러
• Furnace 체적과 열부하: 국부 과열, Slagging, 수관벽 열부하를 고려해 노 크기와 버너 배치를 정합니다.
• FEGT(Furnace Exit Gas Temperature): 노 출구 가스온도가 너무 높으면 후단 전열면의 Slagging/Fouling 위험이 커지므로, 연료 회융점과 전열면 설계를 함께 검토합니다(탄종별 대표범위는 3.4절).
• SH/RH 증기온도: 부하와 연료가 변해도 목표 온도를 유지하도록 전열면 배치, Spray Attemperator, Gas-side 조절 등을 검토합니다.
• Mill·Burner 선정: 연료의 분쇄성(HGI), 수분, 마모성으로 Mill 형식과 용량(예비 Mill 대수 포함)을 정하고, 휘발분과 NOx 목표에 맞는 버너를 선정합니다.
3.2 CFBC 보일러
• Bed Temperature: 너무 낮으면 연소와 탈황 반응이 불리해지고, 너무 높으면 회의 연화, 응집(Agglomeration) 위험과 NOx 증가 가능성이 커집니다.
• Fluidization Velocity와 압력분포: 안정적인 유동화와 고체순환을 위해 노 높이 방향의 차압을 지속적으로 감시합니다.
• Cyclone과 Loop Seal: 고체 포집과 재순환을 담당하는 핵심 설비입니다. 이 부분의 이상은 Bed inventory, 연소효율, 열흡수(곧 층온도)에 직접 영향을 줍니다.
• 열흡수 배분과 증기온도 제어: 노벽과 대류부 외에 설계에 따라 외부 유동층 열교환기(FBHE)를 두기도 합니다. PC와 달리 고체순환량과 열흡수 배분이 증기온도 제어와 연결됩니다.
• SH/RH 증기온도: 부하와 연료가 변해도 목표 온도를 유지하도록 전열면 배치, Spray Attemperator등을 검토합니다.
• 대형화(PC와 비교): PC는 대용량 SC·USC 발전에서 폭넓은 실적을 보유합니다. CFBC도 수백 MW급 초임계·초초임계 설비가 상용화되었으며, 예로 폴란드 Łagisza와 국내 삼척 발전소가 있습니다. 다만 대형화에서는 노 단면, Cyclone 수·배치, 고체분포 및 증기온도 제어를 종합 검토해야 합니다(블로그 내 글 ‘CFBC란 무엇인가? 순환유동층 보일러의 원리부터 핵심 설계기술과 대형화까지’ 참조). 단순히 용량만으로 어느 방식이 우월하다고 판단해서는 안 됩니다.
3.3 설계 입력자료: 같은 연료 데이터도 보는 이유가 다르다
연료분석 자료는 두 보일러 모두 필요하지만, 같은 항목이라도 중요한 이유가 다릅니다. PC는 ‘Mill와 화염, 전열면 오염’, CFBC는 ‘유동화와 Bed 관리’의 관점에서 읽으면 됩니다.
3.4 대표 수치로 보는 설계 출발점: 입도와 FEGT
수치 해석 주의: 아래 미분도·FEGT는 탄종별 표준값이나 B&W의 일률적인 권장치가 아닙니다. FEGT는 연료의 회융특성뿐 아니라 노 열흡수, 버너/OFA 배치, 부하, 과잉공기 및 오염상태에 따라 달라집니다. 기본설계나 보증 검토에서는 반드시 해당 연료의 회융점 시험조건과 제작사별 열설계 기준에 따라 달라집니다.
PC: 미분도와 FEGT. PC의 fineness는 200 mesh 통과율(%)로 관리하며, 반응성이 낮은 석탄일수록 일반적으로 더 높은 fineness가 필요합니다.
탄종별 반응성이 낮아질수록 충분한 연소를 위해 미분도를 높이는 경향이 있지만, 이를 FEGT가 반드시 높아져야 한다는 의미로 해석해서는 안 됩니다. 특히 IDT는 산화·환원 분위기에 따라 달라지므로 시험조건을 구분해야 합니다. FEGT와 IDT 사이의 단일 온도차를 모든 탄종에 공통 설계기준으로 적용할 수 없습니다.
CFBC: 연료 투입입도. PC와 달리 CFBC 연료는 수 mm급의 넓은 입도분포로 투입됩니다. 대표 비교값으로 10 mm 이하가 자주 쓰이지만, 대형 CFBC의 허용입도는 연료 반응성, 회분량, Crusher 설계, Cyclone/고체순환, Bottom ash 배출조건에 따라 더 넓어질 수 있습니다.
특히 고회분 연료는 ‘회가 많으니 굵게 넣어도 된다’고 생각하기 쉽지만, 큰 회입자가 Bed에 축적되면 유동화와 배출에 불리하므로 오히려 더 세밀한 파쇄가 요구될 수 있습니다. 반대로 저회분 연료는 연소 후 남는 고체가 적어 Bed inventory와 순환고체 확보가 중요한 설계 이슈가 됩니다.
3.5 열전달과 증기온도 제어: PC와 CFBC의 정량 감각
PC에서는 고온 화염 및 가스복사가 노벽 열전달에 큰 역할을 하며 화염 분포와 Slagging의 영향을 받습니다. CFBC에서는 복사에 더해 입자-벽 접촉과 대류가 중요하고, 높이별 부유고체농도에 따라 열전달이 달라집니다. 따라서 CFBC의 온도분포가 상대적으로 균일하더라도 모든 높이에서 동일한 열전달계수를 적용해서는 않됩니다.
실무 팁: Bed 차압은 측정구간의 고체 체류량을 추정하는 지표입니다. 그러나 전체 고체순환량이나 노벽 열흡수량과 일대일로 대응하지는 않습니다. 증기온도 또는 Cyclone 출구온도가 변할 때에는 노 높이별 차압·온도, 1·2차 공기량, 연료입도, Loop Seal 상태 및 FBHE 운전조건을 함께 비교해야 원인을 좁힐 수 있습니다.
4. 실무적용: 기술영업 및 개념설계 검토시 확인할 사항
지금까지 PC 보일러와 CFBC 보일러의 연소원리와 설계특성을 비교했습니다. 그렇다면 실제로 고객이 새로운 보일러를 도입하거나 기존 보일러의 연료를 변경하려 할 때는 무엇부터 확인해야 할까요? 중요한 것은 어느 보일러가 일반적으로 더 우수한지를 판단하는 것이 아니라, 주어진 연료와 운전조건에서 어느 방식이 기술적·경제적으로 적합한지를 검토하는 것입니다. 이를 위해 기술영업 및 초기설계 단계에서 확인해야 할 사항을 다섯 가지로 정리했습니다.
① 연료: 설계탄과 대체탄의 공업·원소분석, HHV/LHV, 수분, 회분조성, 회융점(시험분위기 포함), HGI, 입도분포, 황·염소·알칼리, 공급 변동폭을 확보합니다.
② PC 제안: Mill 건조·분쇄 여유, 최소 운전 Mill 수, 버너 화염 안정성, LOI, FEGT 및 Slagging 여유를 확인합니다.
③ CFBC 제안: Crusher 출구 입도분포, Bed inventory 및 층온도 유지, Loop Seal·FBHE 구성, Bottom ash 배출 및 응집 위험을 확인합니다.
④ 공통 비교: 동일 연료와 증기조건, 동일 환경규제·배출기준, 동일 보조동력 포함 범위로 열효율·가동률·유지보수·CAPEX/OPEX를 비교합니다.
⑤ 보증·계약: 연료 허용범위, 최소부하, 부하변화율, 증기온도, 미연탄소, 배출농도 보정기준, 시험조건과 성능 미달 시 책임범위를 명시합니다.
참고문헌 및 수치 사용 시 주의
• Babcock & Wilcox, Steam: Its Generation and Use, 41st/42nd ed.
• Prabir Basu, Circulating Fluidized Bed Boilers
※탄종별 fineness·FEGT, 열전달계수, 고체농도 등 표의 수치는 위 문헌의 설계원리와 공개 운전자료를 바탕으로 한 ‘실무 대표범위’입니다. 특정 제작사의 보증값이나 모든 설비에 공통 적용되는 고정값으로 해석해서는 않됩니다.
원고: https://blog.naver.com/jrkimh/224448470099