[논문]고전압 나노 펄스시스템을 이용한 소각로배가스 탈황-탈질 동시처리 시스템 실용화 연구

조무현; 이용환; 오종석; 최창호; 김민호

문제 정의

계속 추진되고 있는 본 연구의 목표는 구축된 파일롯 플랜트 의 지속적인 운전으로 개발된 MPC 나노펄스 시스템과 플라 즈마 반응기가 산업현장에서 장기간 안정적으로 구동될 수 있고 경제적으로 건설 가능하도록 최적화 하는 것이며, 이 자료 로부터 대형플랜트 설계를 위한 자료를 확보하는 것이다.
본 논문은 K-제철소에 위치한 산업용소각로에 설치된 플라 즈마 탈황·탈질 동시처리 시스템과 핵심 설비인 평균출력 120 kW급 나노펄스 발생기를 소개하고 초기 현장적용 결과를 보이고자한다.
본 연구에서 나노 펄스형 플라즈마 반응기를 이용한 배연가 스의 탈황·탈질 동시제거를 위한 산업용 소각로에서의 실증 플랜트 연구에 대해 기술하였다. 특히 설비의 핵심인 120 kW급 2단-자기압축형 (MPC 모듈레이터) 나노 펄스시스템의 설겨〕, 제작 및 운전 특성에 대해 자세히 기술하였다.
본 연구에서 나노 펄스형 플라즈마 반응기를 이용한 배연가 스의 탈황·탈질 동시제거를 위한 산업용 소각로에서의 실증 플랜트 연구에 대해 기술하였다. 특히 설비의 핵심인 120 kW급 2단-자기압축형 (MPC 모듈레이터) 나노 펄스시스템의 설겨〕, 제작 및 운전 특성에 대해 자세히 기술하였다. 시험 된 최대 전압과 전류는 약 130 kV와 5.

제안 방법

3% 였다. 개발된 시스템은 대용량 펄스전력의 생성 및 전달을 위해 반도 체 스윗 치 와 자기 압축스윗 치 를 사용하여 시스템을 구성 하여 시스템의 내구성 및 신뢰성이 대폭 향상되도록 하였다.
Cj 에 저장된 에너지는 반도체 스위치 (T1과 D1)에 의해서 1:8 승압용 펄스트랜스포머를 거쳐 C₂로 전달되며 MSI과 MS2 자기 스위치에 의해서 연속적으로 압축되어진다. 반도체 스위치 (ABB;5SPR-26L4508-8-WC)는 20kV에서 12.6 kA 의 최대 전류와 7 心의 폭을 가진 펄스, 그리고 300 pps의 펄 스 반복율을 만들 수 있도록 설계되었다. 본 연구에서 gi-ain- oriented silicon steel 코어를 사용하여 권수비가 1:8인 펄스 트랜스포머도 자체 설계하여 국내에서 제작하였다.
반응기는 두 부분으로 구성되어 있다. 반응기의 전단 은 질소산화물과 황산화물을 제거하기 위한 플라즈마 반응기(Plasma Reactor 혹은 Pulse Corona Reactor: PCR)이고, 후단은 황산암모늄이나 질산암모늄과 같은 백색 분말 상의 염 생성물을 제거하기 위한 전기 집진기 (Electrostatic precipitator: ESP) 부분으로 고집진효율 특성을 가진 마이 크로펄스 하전식:1, 으로 설계 제작되었다. PCR과 ESP에는 각각 양성 ( + ) 펄스전압과 음성 (-) 펄스전압이 인가된다.
6 kA 의 최대 전류와 7 心의 폭을 가진 펄스, 그리고 300 pps의 펄 스 반복율을 만들 수 있도록 설계되었다. 본 연구에서 gi-ain- oriented silicon steel 코어를 사용하여 권수비가 1:8인 펄스 트랜스포머도 자체 설계하여 국내에서 제작하였다.
본 연구에서는 K-제철소에 위치한 산업용 소각로에 플라즈 마 반응기와 MPC 모듈레이터를 제작, 설치하여 성능 시험을 하였다(그림 2참고). 그림 3은 그림 1에 표시된 CVDL CVD2, CVD3 위치에서 측정된 전압 파형을 보여주고 있으며 그림 4는 그에 상응하는 CT2, CT3, CT4, CT5에서 측정된 전류 파형과 반응기 전류 파형을 나타낸다.
베가스 동시처리 연구를 위해 개발된 나노 펄스시스템은 50, 000 NE/hr의 배기가스 처리가 가능한 반응기에 평균출 력 120 kW를 공급한다. 이 시스템은 2단 자기 펄스 압축장 치를 이용하여, 펄스 폭 (FW旧M)이 500 ns이고, 펄스 최고 전압이 150 kV, 펄스 반복율이 300 Hz인 대출력 펄스를 발생시킬 수 있도록 하였다. 초기 시운전 단계에서 643%의 에너지 전달 효율을 얻었다.
소각로에서 배출되어 반응기내로 흐르는 실제유량은 42,000 m7h였고, 배가스 평 균온도는 170℃였다. 황산화물과 질소산화물의 제거 효율을 증가시키기 위해 암모니아와 프로필렌을 첨가제로 사용하였다. 프로필렌이 NOx 제거에 미치는 영향과 제거 기작은 이미 발표된 논문에 잘 서술되어있다5:.

대상 데이터

MPC 회로는 Druckmann의 원리 ' 에 따라서 설계되었으며 이에 대한 상세한 절차는 이전 논문 에 설명되어있다"·평균 120 kW 나노 펄스시스템은 약 10 nF의 정전용량 부하에 운용시 최대 2 GW의 첨두전력과 약 500 nsec (FWHM)의 펄스폭을 만들 수 있다. 두 개의 자기 스위치는 각형비가 우수하고 포화 자속밀도가 높은 비철 계 열의 비정질 자기 코어(Allied Signal, 2605CO)를 사용하여 제작하였다.

성능/효과

암모니아 첨가시 황산화물의 제거율은 99%까지 얻을 수 있었고, 프로필렌을 첨가제로 사용할 경우에는 약 70%의 질소산화물 저감율을 얻을 수 있었다. NO의 저감율은 프로 필렌 첨가에 민감하게 반응한다는 것이 확인되었다. 최적 상태에서 계산된 배가스 유량에 대한 비에너지밀도는 약 1.
플라즈마 반응기내에서 SO?와 NOx의 제거 경향도 분석되었다. 암모니아 첨가시 황산화물의 제거율은 99%까지 얻을 수 있었고, 프로필렌을 첨가제로 사용할 경우에는 약 70%의 질소산화물 저감율을 얻을 수 있었다. NO의 저감율은 프로 필렌 첨가에 민감하게 반응한다는 것이 확인되었다.
실제, 고전압 인버터 전원 장치 또한 전력 전환 시에 약간의 손실을 나타낸다. 이러한 손실을 고려할 때, 벽면의 콘센트에서 반응기 부하로 전달되는 전체적인 에너지 전환율은 약 64%로 평가되었다.
첨가제로 사용된 암모니 아와 프로필렌의 농도는 각각 370 ppm과 55 ppm이었다. 이러한 실험 조건에서 100~120 ppm이었던 초기 SO₂ 농도 는 거의 영 ppm까지 감소하였고, 70—75 ppm이었던 초기 NOx 농도는 약 20 ppm으로 감소하여 각각 99%와 70%의 제거율을 보였다. 프로필렌을 첨가하면 질소산화물의 농도는 감소하지만, 1 Wh/Nm'당 28 ppm 이상을 주입할 경우, 프 로필렌이 질소 산화물과 반응하지 않고 그냥 흘러나가는 슬 립 현상이 발생하였다.
이러한 소각로의 운전 상태는 플라즈마 반응기의 스파 크 발생전압의 변동으로 나타남이 관찰 되었다. 즉, 수분 분 사시 혹은 소각물의 주입시에 스파크 전이 전압이 첨두치 대 비 15%~20% 가량 낮아지는 것으로 관측되었으며, 이러한 운전 경험 데이터는 자동제어 시스템에 반영되어 평균적인 고전압 인가치가 스파크 발생빈도와 연동되어 최적 운전 상 태가 유지되도록 하였다.
2 kA 이었으며 이 값은 순간 최대 전력 676 MW에 상응한다. 펄스 코로나 반응기 부하에 적용시 얻을 수 있는 펼스 효율은 약 64.3% 였다. 개발된 시스템은 대용량 펄스전력의 생성 및 전달을 위해 반도 체 스윗 치 와 자기 압축스윗 치 를 사용하여 시스템을 구성 하여 시스템의 내구성 및 신뢰성이 대폭 향상되도록 하였다.

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