화력 발전소의 보일러 - 연료에 따른 분류

화력 발전소의 보일러는 화석 연료(석탄, 석유, 천연가스 등)를 연소 시켜 고온, 고압의 수증기를 생성하는 핵심 설비입니다. 보일러에서 생성된 수증기는 스팀터빈을 구동시키고 화력 발전소의 최종 목적인 전기를 생산합니다.

 

보일러의 종류는 연료에 따라, 순환방법에 따라, 연소방식에 따라, 증기압에 따라 분류할 수 있다. 이 글에서는 사용 연료에 따른 보일러의 종류와 구성 시스템, 장단점 등에 대해서 기술하고자 한다.

1. 분말 석탄 연소 보일러 (Pulverized Coal-fired Boiler)

분말 석탄 연소 보일러(보통 PC Boiler라고 칭함)는 석탄을 미세한 분말로 분쇄한 후, 이를 연소실에 분사하여 연소시키는 방식의 보일러입니다. 이 방식은 대부분의 석탄화력발전소에 채택을 하고 있습니다.

작동 원리

• Pulverizer : 석탄을 미세한 분말로 분쇄합니다. (Pulverizer 이전 글 참조 : https://2ndround1977.tistory.com/entry/%EC%84%9D%ED%83%84%EB%B6%84%EC%87%84%EA%B8%B0-Coal-Pulverizer)
• Burner : 분쇄된 석탄 분말을 공기와 혼합하여 연소실로 분사합니다.
• Combustion Chamber  : 석탄 분말이 고온에서 연소되어 열을 발생시킵니다.
• Boiler Tubes  : 연소된 가스가 보일러 튜브를 가열하여 수증기를 생성합니다.

장점

• 대규모 발전: 대형 발전소에 적합하며, 대량의 전기를 생산할 수 있습니다.

단점

• 대기 오염: 연소 과정에서 NOx, SOx 및 미세먼지 등의 오염 물질이 발생합니다.
• 유지보수: 석탄 분쇄기와 연소 시스템의 유지보수가 필요합니다.

2. 유동층 연소 보일러 (Fluidized Bed Combustion Boiler)

유동층 연소 보일러는 고체 입자(예: 모래 또는 석회석)를 이용해 연료 입자를 부유시켜 연소시키는 방식입니다. 이 기술은 연소 효율이 높고 배출가스가 적습니다.

작동 원리

• 유동층 (Fluidized Bed): 고체 입자가 공기 흐름에 의해 부유 상태를 유지합니다.
• 연료 공급 (Fuel Supply): 연료가 유동층에 공급되어 연소됩니다.
• 연소실 (Combustion Chamber): 연료가 고온에서 연소되어 열을 발생시킵니다.
• 보일러 튜브 (Boiler Tubes): 연소된 가스가 보일러 튜브를 가열하여 수증기를 생성합니다.

장점

• 환경오염 배출가스 저감 : NOx와 SOx 배출이 감소합니다.

단점

• 복잡한 설계: 시스템이 복잡하여 초기 설치 비용이 높습니다.
• 연료의 제한: 특정 연료에 적합한 기술입니다.

3. 순환 유동층 보일러 (Circulating Fluidized Bed Boiler)

순환 유동층 보일러는 유동층 연소 보일러와 유사하지만, 연소 효율을 높이기 위해 순환 루프를 추가로 사용합니다. 이 방식은 다양한 연료를 사용할 수 있는 유연성을 제공합니다.

작동 원리

• 순환 시스템 (Circulating System) : 연소된 입자와 연료가 순환하여 연소 효율을 높입니다.
• 유동층 (Fluidized Bed): 고체 입자가 공기 흐름에 의해 부유 상태를 유지합니다.
• 연료 공급 (Fuel Supply): 연료가 유동층에 공급되어 연소됩니다.
• 연소실 (Combustion Chamber): 연료가 고온에서 연소되어 열을 발생시킵니다.
• 보일러 튜브 (Boiler Tubes): 연소된 가스가 보일러 튜브를 가열하여 수증기를 생성합니다.

장점

• 높은 연료 유연성: 저급탄이나 바이오매스를 사용할 수 있어서 경제성이 높습니다.
• 대기 오염 물질(질소산화물, 황산화물 등)의 배출을 저감할 수 있습니다.

단점

• 복잡한 설계: 시스템이 복잡하여 초기 설치 비용이 높습니다.
• 보일러의 마모 문제 포함 유지보수에 더 많은 주의가 필요합니다.
• 연소로에 Clinker 발생 가능성이 높아서 더 많은 주의가 필요합니다.

4. 석유 및 가스 연소 보일러 (Oil and Gas-fired Boiler)

석유 및 가스 연소 보일러는 경유, 중유 또는 천연가스를 연료로 사용하여 수증기를 생성하는 보일러입니다. 주로 오일을 연료로 하는 보일러가 많이 적용되면 천연가스는 Gas Turbine이 설치되는 Simple Cycle 또는 Combined Cycle에 많이 사용됩니다.

작동 원리

기본적으로 Pulverized Coal Fired Boiler에서의 작동원리와 동일합니다. 다만 석탄 저장, 이송 및 분쇄설비 대신에 오일 및 천연가스를 저장, 공급해주는 설비가 설치됩니다.

• 버너 (Burner): 연료를 공기와 혼합하여 연소실로 분사합니다.
• 연소실 (Combustion Chamber): 연료가 고온에서 연소되어 열을 발생시킵니다.
• 보일러 튜브 (Boiler Tubes): 연소된 가스가 보일러 튜브를 가열하여 수증기를 생성합니다.

장점

• 석탄 보일러에 비해 대기 오염 물질 배출이 적습니다.

단점

• 연료 비용: 석유 및 가스의 비용이 상대적으로 높습니다. 

[출처 : https://thermodyneboilersblog.wordpress.com/]