870MW급 석탄화력 보일러 계통 질소산화물(NOx) 저감을 위해 석택적 촉매 환원장치(SCR, Selective Catalytic Reduction)를 사용 중에 있다. 가스 유동을 개선하기 위해 가스 유입 곡관부와 촉매 반응기로의 유입부에 Guide Vane설치되어 있고, 이 가스 유동는 ...
870MW급 석탄화력 보일러 계통 질소산화물(NOx) 저감을 위해 석택적 촉매 환원장치(SCR, Selective Catalytic Reduction)를 사용 중에 있다. 가스 유동을 개선하기 위해 가스 유입 곡관부와 촉매 반응기로의 유입부에 Guide Vane설치되어 있고, 이 가스 유동는 정류기(Rectifier)를 통해 흐름이 개선된 후 유입부에서 함께 분사된 암모니아가 이 가스가 3개의 촉매 층에서 반응 후 질소산화물을 환원시켜 농도를 배출 기준치로 제어하는 장치이다. 현재 국내 보일러 계통과 SCR은 비용절감을 위해 870MW급은 분리발주를 하고 있으며, 기존 석탄화력의 경우 환경 규제치 강화에 따라 SCR을 추가로 설치 운영하기 때문에 분리발주와 같은 상황이다. 그러나, 환경설비를 일괄계약을 통해 설치 할 경우 실전 운영 정보를 활용한 유동해석을 통해 안정적 운영을 위한 조치를 취할 수 있으나, 분리발주의 영향으로 협업여건에 따라 Duct 및 촉매층의 마모로 인해 NOx 제거 효율 저하로 환경 배출 기준 준수를 위해 과도한 암모니아 사용량 증대로 보일러 통풍계통 운영 신뢰성을 떨어뜨리고 있다. 따라서, 본 연구에서는 SCR계통의 설계 데이터를 활용하여 모델링을 한 후 실제 운전 데이터를 활용해 입자 유동의 특성을 연구를 통해 현장 문제점을 분석하였다. 추가적으로 마모의 경우 입자의 강도, 입자 량, 충돌 각도 및 속도가 영향을 미치게 되는데, 이를 위해 입자 0.1, 1, 50, 100, 200, 500 ㎛를 유동 평가를 통해 퇴적 원인과 이에 따른 마모를 평가하였고, 개선을 위해 촉매 반응기 상부에 Guide를 추가 설치하여 입자 유동이 균일하게 분포하는지를 평가하였다. 연구결과는 다음과 같다. 첫째, 설계조건의 경우에 정류기 바로 아래 영역에서는 안쪽 및 바깥쪽 가장자리 영역에서 가스 유량 및 유속에서 증가함을 보이고 있으나, 촉매 층 가까이에 이르러서는 그 차이가 거의 없어지기 때문에 초기 입자 분포에 의해 안쪽 및 바깥쪽 가장자리에 퇴적속도가 증가함을 확인하였다. 둘째, 실제 조건에서 평가한 결과 정류기 바로 아래 영역의 유속 및 유량 분포, 촉매 층 상부의 입자분포가 설계조건보다 더욱 경향성이 짙어짐을 확인하였다. 셋째, 입자의 퇴적은 입자크기가 1 micron보다 작을 경우 경향성이 나타나지 않으나, 입자가 50 micron 이상일 경우 편류가 나타나 퇴적에 영향을 미침을 알 수 있었다. 넷째, 그러나, 안쪽 가장자리의 경우 Sonic horn이라는 Soot Blowing 설비가 운영 중에 있어, 바깥쪽 가장자리 퇴적 현상만이 현장 점검을 통해 확인 할 수 있었고, 이를 가정하여 바깥쪽 가장자리 촉매 층의 퇴적과 막힘을 가정하여 해석하였다. 다섯째, 그 결과 유동이 막힌 부분이 아닌 안쪽으로 쏠려 유속 및 유량이 설계 및 실제 조건에 비해 증가하였고, 입자의 충돌각도도 58° 정도로 설계 및 실제조건의 에서의 입자충돌 각도인 85°에 비해 마모속도가 증가함을 판단할 수 있었다. 여섯째, 이러한 입자 유동의 편류를 개선하기 위해 촉매 층 상부에 1,500 mm, 90°, 80°, 70°Guide를 설치하여 해석한 결과 70°와 같이 수직보다는 약간은 경사가 있는 Guide가 입자분포를 균일하게 할 수 있어서 퇴적 및 마모 개선에 유효할 것으로 판단하였다. 본 연구에서는 석탄 분석에 따른 입자 성분 분석 등을 제외한, 몇 가지 상황에 제한적으로 모델링한 결과로 전체 입자 유동의 개선을 위해서는 좀 더 면밀한 연구가 필요할 것이다.
870MW급 석탄화력 보일러 계통 질소산화물(NOx) 저감을 위해 석택적 촉매 환원장치(SCR, Selective Catalytic Reduction)를 사용 중에 있다. 가스 유동을 개선하기 위해 가스 유입 곡관부와 촉매 반응기로의 유입부에 Guide Vane설치되어 있고, 이 가스 유동는 정류기(Rectifier)를 통해 흐름이 개선된 후 유입부에서 함께 분사된 암모니아가 이 가스가 3개의 촉매 층에서 반응 후 질소산화물을 환원시켜 농도를 배출 기준치로 제어하는 장치이다. 현재 국내 보일러 계통과 SCR은 비용절감을 위해 870MW급은 분리발주를 하고 있으며, 기존 석탄화력의 경우 환경 규제치 강화에 따라 SCR을 추가로 설치 운영하기 때문에 분리발주와 같은 상황이다. 그러나, 환경설비를 일괄계약을 통해 설치 할 경우 실전 운영 정보를 활용한 유동해석을 통해 안정적 운영을 위한 조치를 취할 수 있으나, 분리발주의 영향으로 협업여건에 따라 Duct 및 촉매층의 마모로 인해 NOx 제거 효율 저하로 환경 배출 기준 준수를 위해 과도한 암모니아 사용량 증대로 보일러 통풍계통 운영 신뢰성을 떨어뜨리고 있다. 따라서, 본 연구에서는 SCR계통의 설계 데이터를 활용하여 모델링을 한 후 실제 운전 데이터를 활용해 입자 유동의 특성을 연구를 통해 현장 문제점을 분석하였다. 추가적으로 마모의 경우 입자의 강도, 입자 량, 충돌 각도 및 속도가 영향을 미치게 되는데, 이를 위해 입자 0.1, 1, 50, 100, 200, 500 ㎛를 유동 평가를 통해 퇴적 원인과 이에 따른 마모를 평가하였고, 개선을 위해 촉매 반응기 상부에 Guide를 추가 설치하여 입자 유동이 균일하게 분포하는지를 평가하였다. 연구결과는 다음과 같다. 첫째, 설계조건의 경우에 정류기 바로 아래 영역에서는 안쪽 및 바깥쪽 가장자리 영역에서 가스 유량 및 유속에서 증가함을 보이고 있으나, 촉매 층 가까이에 이르러서는 그 차이가 거의 없어지기 때문에 초기 입자 분포에 의해 안쪽 및 바깥쪽 가장자리에 퇴적속도가 증가함을 확인하였다. 둘째, 실제 조건에서 평가한 결과 정류기 바로 아래 영역의 유속 및 유량 분포, 촉매 층 상부의 입자분포가 설계조건보다 더욱 경향성이 짙어짐을 확인하였다. 셋째, 입자의 퇴적은 입자크기가 1 micron보다 작을 경우 경향성이 나타나지 않으나, 입자가 50 micron 이상일 경우 편류가 나타나 퇴적에 영향을 미침을 알 수 있었다. 넷째, 그러나, 안쪽 가장자리의 경우 Sonic horn이라는 Soot Blowing 설비가 운영 중에 있어, 바깥쪽 가장자리 퇴적 현상만이 현장 점검을 통해 확인 할 수 있었고, 이를 가정하여 바깥쪽 가장자리 촉매 층의 퇴적과 막힘을 가정하여 해석하였다. 다섯째, 그 결과 유동이 막힌 부분이 아닌 안쪽으로 쏠려 유속 및 유량이 설계 및 실제 조건에 비해 증가하였고, 입자의 충돌각도도 58° 정도로 설계 및 실제조건의 에서의 입자충돌 각도인 85°에 비해 마모속도가 증가함을 판단할 수 있었다. 여섯째, 이러한 입자 유동의 편류를 개선하기 위해 촉매 층 상부에 1,500 mm, 90°, 80°, 70°Guide를 설치하여 해석한 결과 70°와 같이 수직보다는 약간은 경사가 있는 Guide가 입자분포를 균일하게 할 수 있어서 퇴적 및 마모 개선에 유효할 것으로 판단하였다. 본 연구에서는 석탄 분석에 따른 입자 성분 분석 등을 제외한, 몇 가지 상황에 제한적으로 모델링한 결과로 전체 입자 유동의 개선을 위해서는 좀 더 면밀한 연구가 필요할 것이다.
주제어
#석탄화력 마모 입자 충돌 각도 속도 유동 조정 SCR Coal Fired Power Plant Erosion Particle Impact Angle Particle Velocity flow control
학위논문 정보
저자
김태형
학위수여기관
연세대학교 공학대학원
학위구분
국내석사
학과
신발전공학과
지도교수
조형희
발행연도
2019
총페이지
xi, 60장
키워드
석탄화력 마모 입자 충돌 각도 속도 유동 조정 SCR Coal Fired Power Plant Erosion Particle Impact Angle Particle Velocity flow control
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