무연탄 순환유동층 연소로 공정변수가 초미세먼지 생성에 미치는 영향 Effect of Process Parameters on the Generation of Ultrafine Dust by Combustion of Anthracite Circulating Fluidized Bed원문보기
화력발전에서 발생하는 대표적인 미세먼지 발생 인자는 전기집진기를 거쳐 굴뚝으로 배출되는 먼지(TSP)와 탈황설비와 탈질설비를 거쳐 배출되는 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)을 들 수가 있다. 미세먼지는 발생원에서부터 나오는 1차 생성과 공기 중의 다른 물질과 화학반응을 일으켜 미세먼지가 되는 2차 생성으로 나누어 질 수 있으며 특히 ...
화력발전에서 발생하는 대표적인 미세먼지 발생 인자는 전기집진기를 거쳐 굴뚝으로 배출되는 먼지(TSP)와 탈황설비와 탈질설비를 거쳐 배출되는 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)을 들 수가 있다. 미세먼지는 발생원에서부터 나오는 1차 생성과 공기 중의 다른 물질과 화학반응을 일으켜 미세먼지가 되는 2차 생성으로 나누어 질 수 있으며 특히 SOx와 NOx는 2차 생성의 전구체로 초미세먼지(PM2.5) 발생량의 약 2/3를 차지할 만큼 기여율이 매우 높다. 화력발전 미분탄 연소로에서는 상용 설비를 활용하여 미세먼지 관련 인자에 대한 발생 특성 연구는 진행되고 있으나 순환유동층 연소로에서는 대부분 소규모 Pilot 프로젝트로만 진행되고 있다. 따라서 본 연구는 무연탄을 주 연료로 사용하는 순환유동층 연소로 상용 설비에서 SOx, NOx, 그리고 TSP에 대한 공정변수들을 개선하여 초미세먼지 발생을 감소하고자 하였다. 공정 개선 중 대기오염물질 허용 배출농도 초과를 대비하여 환경관리공단에 개선계획서를 제출 후 시행하였다. 첫 번째 연구에서는 각 공정별 필요한 분석 항목을 선정하였다. 탈황 공정 개선에 사용된 혼합 무연탄의 유황분 농도는 0.47 %로 나타났다. 탈황용 석회석 입도는 0.1 mm 이하 크기가 45%였으며 고분말 석회석의 경우는 96.1 %를 차지하였다. 석회석 비표면적은 고분말 석회석이 기존 석회석 보다 소성 전에는 6.6배, 소성 후에는 6.3배로 커진 것으로 나타났으며 기공 크기는 소폭 작거나 유사한 것으로 나타났다. SOx 발생 공정 개선에서 연소로 내로 유입된 황산화물은 평균 323 ppm이었으며 무연탄 유황분 0.1 % 당 생성되는 SOx 농도는 79 ppm으로 나타났다. SO2 1몰을 제거하기 위해 사용된 CaCO3 량은 Ca/S 몰 비로 4.93, 연소로 온도는 860℃ 에서 SOx 제거효율이 87 %인 최적 조건을 확인하였으며 이때 배출되는 SOx 농도는 42 ppm이었다. 최적 Ca/S 몰 비 및 연소로 온도 개선 결과, 탈황 효율은 당초 83 %에서 87 %로 약 4%로 증가한 것으로 나타났다. 고분말 석회석 사용 실험에서는 탈황 효율이 1차 공정 개선 후 87 %에서 약 8.5 %가 증가된 95.5 %로 나타났다. 개선 효과는 년간 SOx 배출량 기준(2개 호기)으로 개선 전 1,568 톤/년에서 개선 후 428 톤/년으로 1,140 톤/년이 감소된 72.7 %로 나타났다. NOx 발생 공정 개선에서는 먼저 전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics) Program을 활용하여 SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction) 노즐을 설치하였으나 탈질 효율은 29 %로 예상보다 낮게 나타났다. 효율 저하 원인분석 결과 휘발분이 적은 무연탄 사용 시 불완전 연소에 의해 발생되는 미연탄소의 가림 효과로 NOx와 urea가 최적 반응 온도 구역에서 벗어나는 것으로 판단하였다. 따라서 2단 분사노즐 위치를 미연탄소 가림 효과가 적은 사이클론 후단으로 변경 설치한 결과 탈질 효율은 평균 56%로 증가되었다. 건식 탈황제인 석회석에 존재하는 CaO 성분이 높을수록 NOx 농도가 15∼18 ppm 이상 높게 배출되는 것으로 나타나 Ca/S 몰 비 운전이 NOx 발생에도 영향을 미치는 것을 할 수 있었다. 정부와의 협약을 준수하면서 운영 비용을 절감할 수 있는 경제성 분석 결과 NOx 적정 배출농도는 23 ppm으로 나타났다. 개선 효과는 년 간 NOx 배출량 기준(2개 호기)으로 개선 전 861 톤/년에서 개선 후 471 톤/년으로 45.3%가 감소된 390 톤/년으로 나타났다. TSP 발생 공정 개선에서는 국내 연구기관에서 측정이 어려운 석탄 fly ash의 비저항 값과 집진성 관계를 대신할 수 있는 석탄 성상에 따른 집진성에 대한 상관 관계를 도출하였다. fly Ash 입도에 따른 전기집진기 부착 특성 시험에서는 고정 전극식 집진기 호퍼에서는 97.8 %가 전기력에 의해 부착이 되었고 2.2 %는 중력에 의해 침강되는 것으로 나타났다. 이동 전극식 전기집진기 호퍼에서는 87.5 %가 전기력에 의해 부착이 되었고 12.5 %는 중력에 의해 침강되는 것으로 나타났다. 국내 무연탄 fly ash의 비저항 값은 1.0˟1011 Ω-cm, 수입 무연탄 fly ash의 비저항 값은 1.0˟1012 Ω-cm였으며 전기집진기 효율은 99.97% ~ 99.98%로 나타났다. 전기집진기 효율이 높은 이유는 고정 전극식 집진기에서 완벽하게 제거되지 못한 fly ash를 이동 전극식 집진기에서 추가로 제거하였기 때문이다. 각 공정별 개선 효과를 초미세먼지 값으로 산출한 결과(2개 호기) 개선 전 610 톤/년에서 개선 후 185 톤/년으로 69.7%가 감소된 425 톤/년으로 나타났다. 배출원단위(1개 호기)로는 개선 전 0.220 kg/MWh에서 개선 후 0.067 kg/MWh로써 석탄화력 55개 중 상위 3위에서 26위로 낮아지는 것으로 나타났다. 이러한 연구 결과로 강화된 정부 협약수준에 자체 대응은 물론 초미세먼지 저감에도 기여할 것으로 나타났다. 특히 고분말 석회석 및 신규 이론 등을 적용 할 경우, 환경설비 투자비 절감뿐만 아니라 고유황분 저품위탄 무연탄 사용 확대에도 크게 기여할 것으로 판단된다.
화력발전에서 발생하는 대표적인 미세먼지 발생 인자는 전기집진기를 거쳐 굴뚝으로 배출되는 먼지(TSP)와 탈황설비와 탈질설비를 거쳐 배출되는 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)을 들 수가 있다. 미세먼지는 발생원에서부터 나오는 1차 생성과 공기 중의 다른 물질과 화학반응을 일으켜 미세먼지가 되는 2차 생성으로 나누어 질 수 있으며 특히 SOx와 NOx는 2차 생성의 전구체로 초미세먼지(PM2.5) 발생량의 약 2/3를 차지할 만큼 기여율이 매우 높다. 화력발전 미분탄 연소로에서는 상용 설비를 활용하여 미세먼지 관련 인자에 대한 발생 특성 연구는 진행되고 있으나 순환유동층 연소로에서는 대부분 소규모 Pilot 프로젝트로만 진행되고 있다. 따라서 본 연구는 무연탄을 주 연료로 사용하는 순환유동층 연소로 상용 설비에서 SOx, NOx, 그리고 TSP에 대한 공정변수들을 개선하여 초미세먼지 발생을 감소하고자 하였다. 공정 개선 중 대기오염물질 허용 배출농도 초과를 대비하여 환경관리공단에 개선계획서를 제출 후 시행하였다. 첫 번째 연구에서는 각 공정별 필요한 분석 항목을 선정하였다. 탈황 공정 개선에 사용된 혼합 무연탄의 유황분 농도는 0.47 %로 나타났다. 탈황용 석회석 입도는 0.1 mm 이하 크기가 45%였으며 고분말 석회석의 경우는 96.1 %를 차지하였다. 석회석 비표면적은 고분말 석회석이 기존 석회석 보다 소성 전에는 6.6배, 소성 후에는 6.3배로 커진 것으로 나타났으며 기공 크기는 소폭 작거나 유사한 것으로 나타났다. SOx 발생 공정 개선에서 연소로 내로 유입된 황산화물은 평균 323 ppm이었으며 무연탄 유황분 0.1 % 당 생성되는 SOx 농도는 79 ppm으로 나타났다. SO2 1몰을 제거하기 위해 사용된 CaCO3 량은 Ca/S 몰 비로 4.93, 연소로 온도는 860℃ 에서 SOx 제거효율이 87 %인 최적 조건을 확인하였으며 이때 배출되는 SOx 농도는 42 ppm이었다. 최적 Ca/S 몰 비 및 연소로 온도 개선 결과, 탈황 효율은 당초 83 %에서 87 %로 약 4%로 증가한 것으로 나타났다. 고분말 석회석 사용 실험에서는 탈황 효율이 1차 공정 개선 후 87 %에서 약 8.5 %가 증가된 95.5 %로 나타났다. 개선 효과는 년간 SOx 배출량 기준(2개 호기)으로 개선 전 1,568 톤/년에서 개선 후 428 톤/년으로 1,140 톤/년이 감소된 72.7 %로 나타났다. NOx 발생 공정 개선에서는 먼저 전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics) Program을 활용하여 SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction) 노즐을 설치하였으나 탈질 효율은 29 %로 예상보다 낮게 나타났다. 효율 저하 원인분석 결과 휘발분이 적은 무연탄 사용 시 불완전 연소에 의해 발생되는 미연탄소의 가림 효과로 NOx와 urea가 최적 반응 온도 구역에서 벗어나는 것으로 판단하였다. 따라서 2단 분사노즐 위치를 미연탄소 가림 효과가 적은 사이클론 후단으로 변경 설치한 결과 탈질 효율은 평균 56%로 증가되었다. 건식 탈황제인 석회석에 존재하는 CaO 성분이 높을수록 NOx 농도가 15∼18 ppm 이상 높게 배출되는 것으로 나타나 Ca/S 몰 비 운전이 NOx 발생에도 영향을 미치는 것을 할 수 있었다. 정부와의 협약을 준수하면서 운영 비용을 절감할 수 있는 경제성 분석 결과 NOx 적정 배출농도는 23 ppm으로 나타났다. 개선 효과는 년 간 NOx 배출량 기준(2개 호기)으로 개선 전 861 톤/년에서 개선 후 471 톤/년으로 45.3%가 감소된 390 톤/년으로 나타났다. TSP 발생 공정 개선에서는 국내 연구기관에서 측정이 어려운 석탄 fly ash의 비저항 값과 집진성 관계를 대신할 수 있는 석탄 성상에 따른 집진성에 대한 상관 관계를 도출하였다. fly Ash 입도에 따른 전기집진기 부착 특성 시험에서는 고정 전극식 집진기 호퍼에서는 97.8 %가 전기력에 의해 부착이 되었고 2.2 %는 중력에 의해 침강되는 것으로 나타났다. 이동 전극식 전기집진기 호퍼에서는 87.5 %가 전기력에 의해 부착이 되었고 12.5 %는 중력에 의해 침강되는 것으로 나타났다. 국내 무연탄 fly ash의 비저항 값은 1.0˟1011 Ω-cm, 수입 무연탄 fly ash의 비저항 값은 1.0˟1012 Ω-cm였으며 전기집진기 효율은 99.97% ~ 99.98%로 나타났다. 전기집진기 효율이 높은 이유는 고정 전극식 집진기에서 완벽하게 제거되지 못한 fly ash를 이동 전극식 집진기에서 추가로 제거하였기 때문이다. 각 공정별 개선 효과를 초미세먼지 값으로 산출한 결과(2개 호기) 개선 전 610 톤/년에서 개선 후 185 톤/년으로 69.7%가 감소된 425 톤/년으로 나타났다. 배출원단위(1개 호기)로는 개선 전 0.220 kg/MWh에서 개선 후 0.067 kg/MWh로써 석탄화력 55개 중 상위 3위에서 26위로 낮아지는 것으로 나타났다. 이러한 연구 결과로 강화된 정부 협약수준에 자체 대응은 물론 초미세먼지 저감에도 기여할 것으로 나타났다. 특히 고분말 석회석 및 신규 이론 등을 적용 할 경우, 환경설비 투자비 절감뿐만 아니라 고유황분 저품위탄 무연탄 사용 확대에도 크게 기여할 것으로 판단된다.
Representative factors for generating fine dust in thermal power generation include dust (TSP) discharged to the chimney through an electric precipitator, sulfur oxide (SOx) and nitrogen oxide (NOx) discharged through desulfurization and denitrification facilities. Fine dust can be divided into prim...
Representative factors for generating fine dust in thermal power generation include dust (TSP) discharged to the chimney through an electric precipitator, sulfur oxide (SOx) and nitrogen oxide (NOx) discharged through desulfurization and denitrification facilities. Fine dust can be divided into primary generation from the source and secondary generation to become fine dust by causing a chemical reaction with other substances in the air. In particular, SOx and NOx are precursors of secondary generation and are ultrafine dust (PM2.5). The contribution rate is very high enough to account for about 2/3 of the amount generated. Most of them are conducted only as small pilot projects in circulating fluidized bed combustion furnaces, but this study aimed to reduce the generation of ultrafine dust by improving process parameters for SOx, NOx and dust in commercial facilities of a circulating fluidized bed combustion furnace that uses anthracite as the main fuel. In preparation for exceeding the allowable emission concentration of air pollutants during process improvement, an improvement plan was submitted to the Environmental Management Corporation. In the first study, necessary analysis items for each process were selected and analyzed. The concentration of sulfur content of mixed anthracite was 0.47 %. The size of limestone for desulfurization was less than 0.1 mm in 45 % and high powder limestone accounted for 96.1 %. Limestone specific surface area was 6.6 times bigger before calcination and 6.3 times after calcination of high powder limestone than conventional limestone, and the pore size was slightly smaller or similar. In the improvement of the SOx generation process, the average amount of sulfur oxides introduced into the furnace was 323 ppm, and the SOx concentration per 0.1 % of anthracite sulfur content was 79 ppm. The Ca/S molar ratio, which is the amount of CaCO3 used to remove 1 mol of SO2, was 4.93 and the SOx removal efficiency was at a maximum of 87 % at 860 °C and the exhausted SOx concentration was 42 ppm. As a result of improving the optimum Ca/S molar ratio and the furnace temperature, the desulfurization efficiency increased from 83 % to 87 %. In the experiment using high powder limestone, the desulfurization efficiency increased from 87 % to 95.5%. The improvement was found to be 72.7%, a decrease of 1,140 tons/year from 1,568 tons/year before improvement to 428 tons/year after improvement based on annual SOx emissions (2 units). In the improvement of the NOx generation process, the SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction) nozzle was installed using the computational fluid dynamics (CFD, Computational Fluid Dynamic) program, but the denitrification efficiency was 29 %, which was lower than expected. As a result of the analysis of the cause of the decrease in efficiency, It was determined that NOx and urea deviated from the optimum reaction temperature range due to the masking effect by unburnt carbon generated by incomplete combustion when using anthracite with less volatile matter. As a result of changing the location of the 2nd spray nozzle to the rear end of the cyclone, which has less effect of blocking unburned carbon, the denitration efficiency increased to an average of 56 %. The improvement effect was 390 tons/year, a decrease of 45.3% from 861 tons/year before improvement to 471 tons/year after improvement based on annual NOx emission standards (2 units). In the improvement of TSP generation process, In place of the relationship between the specific resistance and dust collection properties of coal fly ash, which is difficult to measure in domestic research institutes, the relationship between coal properties and dust collection properties was derived. In the electric dust collector adhesion test according to the fly ash particle size, it was found that 97.8 % of the fixed electrode type dust collector hopper was attached by electric force and 2.2 % was settled by gravity. In the hopper of the mobile electrode type electrostatic precipitator, 87.5 % was attached by electric force and 12.5 % was settled by gravity. The specific resistance value of domestic anthracite ash was 1.0×1011 Ω-cm, and the specific resistance value of imported anthracite coal was 1.0×1012 Ω-cm, and the efficiency of electric dust collector was 99.97 % ~ 99.98 %. As a result of calculating the improvement effect for each process using the ultrafine dust value (2 units), it was found to be 425 tons/year, a 69.7% decrease from 610 tons/year before improvement to 185 tons/year after improvement. The emission unit (one unit) was found to be from 0.220 kg/MWh before improvement to 0.067 kg/MWh after improvement, falling from the top 3 to 26 out of 55 coal-fired power plants. As a result of this study, it was found that it will contribute to the reduction of ultrafine dust as well as self-response to the strengthened government agreement level. In particular, the application of high-powder limestone and new theories is expected to greatly contribute to the expansion of the use of high-sulfur, low-grade coal anthracite as well as the reduction of investment in environmental facilities.
Representative factors for generating fine dust in thermal power generation include dust (TSP) discharged to the chimney through an electric precipitator, sulfur oxide (SOx) and nitrogen oxide (NOx) discharged through desulfurization and denitrification facilities. Fine dust can be divided into primary generation from the source and secondary generation to become fine dust by causing a chemical reaction with other substances in the air. In particular, SOx and NOx are precursors of secondary generation and are ultrafine dust (PM2.5). The contribution rate is very high enough to account for about 2/3 of the amount generated. Most of them are conducted only as small pilot projects in circulating fluidized bed combustion furnaces, but this study aimed to reduce the generation of ultrafine dust by improving process parameters for SOx, NOx and dust in commercial facilities of a circulating fluidized bed combustion furnace that uses anthracite as the main fuel. In preparation for exceeding the allowable emission concentration of air pollutants during process improvement, an improvement plan was submitted to the Environmental Management Corporation. In the first study, necessary analysis items for each process were selected and analyzed. The concentration of sulfur content of mixed anthracite was 0.47 %. The size of limestone for desulfurization was less than 0.1 mm in 45 % and high powder limestone accounted for 96.1 %. Limestone specific surface area was 6.6 times bigger before calcination and 6.3 times after calcination of high powder limestone than conventional limestone, and the pore size was slightly smaller or similar. In the improvement of the SOx generation process, the average amount of sulfur oxides introduced into the furnace was 323 ppm, and the SOx concentration per 0.1 % of anthracite sulfur content was 79 ppm. The Ca/S molar ratio, which is the amount of CaCO3 used to remove 1 mol of SO2, was 4.93 and the SOx removal efficiency was at a maximum of 87 % at 860 °C and the exhausted SOx concentration was 42 ppm. As a result of improving the optimum Ca/S molar ratio and the furnace temperature, the desulfurization efficiency increased from 83 % to 87 %. In the experiment using high powder limestone, the desulfurization efficiency increased from 87 % to 95.5%. The improvement was found to be 72.7%, a decrease of 1,140 tons/year from 1,568 tons/year before improvement to 428 tons/year after improvement based on annual SOx emissions (2 units). In the improvement of the NOx generation process, the SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction) nozzle was installed using the computational fluid dynamics (CFD, Computational Fluid Dynamic) program, but the denitrification efficiency was 29 %, which was lower than expected. As a result of the analysis of the cause of the decrease in efficiency, It was determined that NOx and urea deviated from the optimum reaction temperature range due to the masking effect by unburnt carbon generated by incomplete combustion when using anthracite with less volatile matter. As a result of changing the location of the 2nd spray nozzle to the rear end of the cyclone, which has less effect of blocking unburned carbon, the denitration efficiency increased to an average of 56 %. The improvement effect was 390 tons/year, a decrease of 45.3% from 861 tons/year before improvement to 471 tons/year after improvement based on annual NOx emission standards (2 units). In the improvement of TSP generation process, In place of the relationship between the specific resistance and dust collection properties of coal fly ash, which is difficult to measure in domestic research institutes, the relationship between coal properties and dust collection properties was derived. In the electric dust collector adhesion test according to the fly ash particle size, it was found that 97.8 % of the fixed electrode type dust collector hopper was attached by electric force and 2.2 % was settled by gravity. In the hopper of the mobile electrode type electrostatic precipitator, 87.5 % was attached by electric force and 12.5 % was settled by gravity. The specific resistance value of domestic anthracite ash was 1.0×1011 Ω-cm, and the specific resistance value of imported anthracite coal was 1.0×1012 Ω-cm, and the efficiency of electric dust collector was 99.97 % ~ 99.98 %. As a result of calculating the improvement effect for each process using the ultrafine dust value (2 units), it was found to be 425 tons/year, a 69.7% decrease from 610 tons/year before improvement to 185 tons/year after improvement. The emission unit (one unit) was found to be from 0.220 kg/MWh before improvement to 0.067 kg/MWh after improvement, falling from the top 3 to 26 out of 55 coal-fired power plants. As a result of this study, it was found that it will contribute to the reduction of ultrafine dust as well as self-response to the strengthened government agreement level. In particular, the application of high-powder limestone and new theories is expected to greatly contribute to the expansion of the use of high-sulfur, low-grade coal anthracite as well as the reduction of investment in environmental facilities.
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