신재생 에너지 설치 비율의 지속적인 증가는 초임계 순환 유동층(circulating fluidized bed, CFB) 보일러를 포함한 석탄 화력 발전소의 유연성에 대한 더 높은 요구를 제기하고 있다. 350 MW CFB 보일러를 대상으로 계산 입자 유체 역학(computational particle fluid dynamics, CPFD) 방법을 적용하여 변부하 조건에서의 보일러 내 과정 반응 특성에 대해 모의 연구를 수행하였으며, 연소 및 순환 개입 조치가 부하 변화 속도에 미치는 영향을 탐구하였다. 결과는 부하 상승 조건에서 저부하 구간(설비 정격 부하의 30%~50%)의 평균 열유속 밀도 반응 속도가 고부하 구간(설비 정격 부하의 50% 이상)보다 약 38% 낮음을 보여주었다. 고부하 구간만 보면, 설비 부하가 감소할 때 열유속 밀도 반응이 더 빠르고, 변화율이 부하 상승 시보다 약 31% 높았다. 부하 변화 폭에 따라 보일러 내부 입자 부유 농도와 대류 열전달 강도는 모두 빠르게 반응할 수 있으나, 내부 온도 변화는 약간 지연되어 CFB 보일러가 빠른 열 전달 조절을 위해 열전달 계수 변화에 더 의존함을 나타냈다. 연소 개입을 통해 원래 석탄의 40%를 약 100 마이크로미터 크기의 미세 석탄 입자로 대체하면 보일러 온도 변화가 효과적으로 가속화되고, 부하 상승 시 고부하 구간 평균 열유속 밀도 반응 속도가 약 43% 향상되며 저부하 구간도 약 16% 증가하였다. 또한 순환 개입을 사용하면 부하 상승 시 추가로 일정량의 미세 침대 물질을 투입하여 입자 부유 농도를 단기간에 빠르게 증가시켜 가열 표면의 열전달률 반응 속도를 향상시킬 수 있으며, 열 미세 침대 물질(예: 순환재 열 저장-재순환 방식)을 추가 투입하면 부하 상승 시 고부하 구간 내부 평균 열유속 밀도 반응 속도가 약 31% 감소할 수 있고 저부하 구간도 약 13% 증가할 수 있다. 연구 결과는 CFB 보일러 변부하 시 내부 반응 메커니즘을 규명하였으며, 순환-연소 개입으로 발전소 부하 변화 속도 향상 가능성을 검증하여 초임계 CFB 보일러 유연성 잠재력 심화 개발 및 부하 변동 능력 개선에 참고가 되었다.

순환 유동층 보일러; 보일러 내부 과정; 반응 특성; 연소 개입; 순환 개입; 수치 시뮬레이션