[논문]석탄화력 발전설비의 출력에 따른 탈황 흡수탑 액기비와 황산화물 배출농도 변화에 대한 연구

김기영; 문승재

석탄화력 발전설비의 출력에 따른 탈황 흡수탑 액기비와 황산화물 배출농도 변화에 대한 연구
Variation of Liquid to Gas Ratio and Sulfur Oxide Emission Concentrations in Desulfurization Absorber with Coal-fired Thermal Power Plant Outputs 원문보기

플랜트 저널 = Plant journal, v.14 no.4, 2018년, pp.39 - 47

초록
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본 연구에서는 정격출력 500 MW로 연속운전 하는 표준석탄화력 발전설비의 출력을 300 ~ 500 MW로 변동운전하게 될 때 황산화물의 생성량과 탈황설비 흡수탑에서의 황산화물 배출농도 변화를 비교하고, 출력에 반비례하는 과다한 액기비 개선을 제안하였다. 저출력에서 연소효율 보정을 위해 과잉공기비를 높임에 따라 발생하는 연소가스량에 비해 상대적으로 황산화물의 비율이 낮아지기 때문에 고유황 연료일수록 고출력에서 유황성분의 생성농도가 상승하였다. 출력변동과 함께 탈황흡수탑 입구 황산화물 생성농도를 300 ~ 500 ppm으로 변화시켰을 때, 석회석 슬러리와 연소가스의 액기비는 10.99 ~ 16.27로 변화되었다. 따라서 저부하시 액기비 상승에 따른 잉여에너지저감을 위한 슬러리의 필요최소 유량은 300 MW 출력에서 황산화물 배출농도를 x라고 했을 때 다음 상관관계식을 추천한다. $y1[m^3/sec]=0.11x+3.74$

Abstract ▼ AI-Helper

In this research, when the output of the standard coal-fired thermal power plant operating continuously at the rated output of 500 MW is changed to operate at 300 to 500 MW, the amount of sulfur oxide produced and the amount of sulfur oxide in the absorption tower of desulfurization equipment and proposed an extra liquid to gas ratio improvement inversely proportional to the output. In order to calibrate the combustion efficiency at low power, the ratio of sulfur oxides relative to the amount of combustion gas is increased as the excess air ratio is increased. When the concentration of sulfur oxide at the inlet of the desulfurization absorber was changed from 300 to 500 ppm along with the output fluctuation. The liquid to gas ratio of limestone slurry and combustion gas was changed from 10.99 to 16.27. Therefore, if the concentration of sulfur oxides with output of 300 MW is x, The following correlation equation is recommended for the minimum required flow rate of slurry for the reduction of surplus energy due to the increase of the liquid weight at low load. $y1[m^3/sec]=0.11x+3.74$

주제어

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문제 정의

그에 따라 기존의 탈황공정에 관한 연구에서는, 탈황공정의 효율에 직접적인 영향을 가져오는 인자들에 대한 주제들이 주로 다루어졌다. 따라서 본 논문은 기존에 연구되었던 탈황성능을 좌우하는 인자들을 배제하고 즉, 슬러리의 적정 pH와 농도, 산화 공기량 등은 일정하게 고정시킨 상황에서, 연료의 유황성분 함유량에 따른 황산화물 생성 및 배출농도 변화 경향을 분석하여, 탈황설비가 저출력 또는 부분부하가 되었을 때, 탈황설비 재순환 펌프의 잉여 에너지 절감 가능성 예측을 목적으로 한다.
본 연구에서는 500 MW급 표준석탄화력설비인 한국동서발전(주) 당진화력본부의 7호기의 정상운전 시 데이터를 이용하여, 출력변화와 연료탄의 유황성분 함유량에 따른 연소가스의 황산화물 생성농도와 탈황공정 이후의 황산화물 배출농도의 차이를 관측하였다. 그리고 발전출력의 변화와 관계없이 500 MW 정격출력을 기반으로 운전하고 있는 탈황설비 측면에서, 연료탄의 유황성분과 발전출력의 변화에 따른 황산화물 생성농도의 변화에 대해 분석하였고, 동일 시간에 측정된 석회석 슬러리와 연소가스 유량의 비율인 액기비 (L/G)변화를 살펴보았다.
본 연구에서는 500 MW급 표준석탄화력의 정격출력운전에서 벗어나 유례없는 부분부하 운전 상황에 대응하기 위해 출력변화에 따른 황산화물 배출농도의 변화를 비교하고 고정 출력 시와 차별화 된 탈황 흡수탑 액기비 개선을 통한 슬러리 재순환 펌프의 필요최소 유량을 제안하였다.

제안 방법

또한 발전출력을 300 MW, 400 MW, 500 MW로 각각 분류하여 황산화물 생성농도를 측정하였다. 같은 방법으로 황산화물 유입시점에서의 탈황 공정 후 배출농도를 측정하여 두 측정값을 사용하여 순시 탈황효율을 계산하였다.
본 연구에서는 500 MW급 표준석탄화력설비인 한국동서발전(주) 당진화력본부의 7호기의 정상운전 시 데이터를 이용하여, 출력변화와 연료탄의 유황성분 함유량에 따른 연소가스의 황산화물 생성농도와 탈황공정 이후의 황산화물 배출농도의 차이를 관측하였다. 그리고 발전출력의 변화와 관계없이 500 MW 정격출력을 기반으로 운전하고 있는 탈황설비 측면에서, 연료탄의 유황성분과 발전출력의 변화에 따른 황산화물 생성농도의 변화에 대해 분석하였고, 동일 시간에 측정된 석회석 슬러리와 연소가스 유량의 비율인 액기비 (L/G)변화를 살펴보았다. 또한, 그러한 액기비 변화에 대한 황산화물 제거량을 계산하여 발전출력 단계별 석회석 슬러리의 필요최소 유량을 도출하였다.
또 출력변화에 따른 연소가스 유량변화에 따른 석회석 슬러리 유량과의 액기비 등의 운전데이터 변화를 관찰하였다. 일정한 연소조건을 위하여 연료탄의 선정에 있어, 발열량은 5,500 ~ 5,600 ㎉/㎏ 일 경우에만 데이터를 취득했으며, 연료혼탄계획에 따라 적용된 값과 발전설비 현장의 표본 샘플링 값을 인용하였다.
8 %까지 단계적으로 분류 및 선정하였다. 또한 발전출력을 300 MW, 400 MW, 500 MW로 각각 분류하여 황산화물 생성농도를 측정하였다. 같은 방법으로 황산화물 유입시점에서의 탈황 공정 후 배출농도를 측정하여 두 측정값을 사용하여 순시 탈황효율을 계산하였다.
발전설비의 출력을 300 MW, 400 MW, 500 MW로 변동운전 하였을 때 각 출력별 황산화물 생성농도에 따른 액기비 변화를 살펴보았다. 액기비는 연소가스 유량 (1 ㎥)에 대한 석회석 슬러리 유량 (1,000 리터)의 비를 말한다.
본 연구에서는 기존 연구와는 달리 상업운전을 하고 있는 실제 탈황설비의 석회석 슬러리의 pH와 밀도 (g/㎖) 및 유량 (ℓ/sec)을 고정하여, 발전출력 (MW)과 연료탄의 유황성분의 변화에 따른 탈황 흡수탑 입·출구의 황산화물의 농도변화 특성을 분석하였다.
액기비는 연소가스 유량 (1 ㎥)에 대한 석회석 슬러리 유량 (1,000 리터)의 비를 말한다. 앞서 언급했듯이 탈황설비는 발전출력 500 MW를 기준으로 운전하기 때문에 출력별 연소가스 유량의 변화와 더불어 액기비 변화의 추세를 계산하였다. 또한 연소가스 유량과 황산화물 농도를 이용하여 황산화물의 양을 계산하고, 그것을 다시 석회석 슬러리 유량으로 나누어서 단위부피(1,000 리터)의 석회석 슬러리로 흡수할 수 있는 황산화물의 양을 출력별로 비교하였다.

대상 데이터

데이터는 2017년 1월 1일부터 동년 12월 31일 까지 당진 화력 7호기 탈황설비 운전데이터에서 추출하여 분석에 이용하였다. 이와 같은 설비운전데이터는 해당 발전설비의 제어시스템 제작사인 Siemens 사의 운전정보시스템 (PI, Plant Information)의 실시간 데이터를 추출하였다.
혼탄연료가 보일러 버너에 공급되어 안정된 연소환경을 확보할 때 까지, 탄종변경 이후 4시간 이상 경과한 12:00시부터 당일 18:00시의 운전데이터를 추출하였으며, 액기비(L/G)는 동시간에 측정된 석회석 슬러리와 연소가스 유량의 비로 계산하였고, 탈황 흡수탑에 유입되는 황산화물 생성농도 및 탈황공정 후 배출농도는 환경부 원격감시시스템 (TMS, Tele Monitoring System)에 의한 데이터(ppm, dry, 6% O2)를 사용하였다.

데이터처리

유황성분 함유량은 각 단계별 ±0.01 % 범위내에 있는 날짜에 대한 운전 데이터를 선택했으며, 출력은 해당 단계별 ±5 MW 범위의 데이터를 측정하여 평균값을 이용하여 분석하였다. 예를 들면 300 MW 운전 데이터는 295 ~ 305 MW 출력 시의 데이터를, 500 MW 운전 데이터는 495 ~ 505 MW의 운전데이터의 평균값을 나타낸다.

성능/효과

따라서, 정격출력시의 운전데이터를 기준으로 운영되었던 탈황설비는 최고부하 운전시점에 비해 최저부하에서는 황산화물 생성량이 41 % 밖에 되지 않아 공정에 쓰여지지 않는 슬러리 유량은 펌프의 잉여 에너지로 버려지게 됨을 알 수 있었다. 탈황 흡수탑 입구에서의 황산화물 농도 x[ppm]에서, 출력 300 MW, 400 MW, 500 MW 일 때 아래와 같은 상관관계식을 이용하여 석회석 슬러리의 필요 최소 유량을 산출할 수 있다.
또한 탈황공정후의 최종 황산화물 배출 농도는 고출력일수록, 유황성분이 많은 탄종 일수록 비교적 줄어드는데, 이것은 흡수탑 내 산화, 중화과정 등 화학반응의 속도가 영향을 미치게 되어 결국 탈황공정에서도 고출력일 때 탈황효율이 상승하는 것을 알 수 있었다.
연료의 황함유량, 발전출력에 따른 황산화물 생성량은 고출력일 때 보다 높은 경향을 띠는데, 이는 효율보완을 위해 저출력시의 연소공기 비율이 고출력시 보다 높기 때문에 상대적으로 연소가스 중 황산화물의 농도가 소폭 낮아지는 것을 확인 할 수 있었다.
석회석 슬러리와 연소가스의 체적비인 액기비는 출력과 직접적인 연관이 있다. 즉 표준석탄화력의 보일러에서 연소가스 유량은 출력에 따라 비례하지만 탈황공정의 슬러리 유량은 정격운전 시와 동일하게 유지됨에 따라 액기비는 출력과 반비례함을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연소가스 중 황산화물의 농도가 고출력시 보다 저출력시에 높은 이유는?	연료의 황함유량, 발전출력에 따른 황산화물 생성량은 고출력일 때 보다 높은 경향을 띠는데, 이는 효율보완을 위해 저출력시의 연소공기 비율이 고출력시 보다 높기 때문에 상대적으로 연소가스 중 황산화물의 농도가 소폭 낮아지는 것을 확인 할 수 있었다.
	고유황 연료일수록 고출력에서 유황성분의 생성농도가 상승하는 이유는?	본 연구에서는 정격출력 500 MW로 연속운전 하는 표준석탄화력 발전설비의 출력을 300 ~ 500 MW로 변동운전하게 될 때 황산화물의 생성량과 탈황설비 흡수탑에서의 황산화물 배출농도 변화를 비교하고, 출력에 반비례하는 과다한 액기비 개선을 제안하였다. 저출력에서 연소효율 보정을 위해 과잉공기비를 높임에 따라 발생하는 연소가스량에 비해 상대적으로 황산화물의 비율이 낮아지기 때문에 고유황 연료일수록 고출력에서 유황성분의 생성농도가 상승하였다. 출력변동과 함께 탈황흡수탑 입구 황산화물 생성농도를 300 ~ 500 ppm으로 변화시켰을 때, 석회석 슬러리와 연소가스의 액기비는 10.
	석회석 슬러리와 연소가스의 체적비인 액기비는 출력과 어떤 연관이 있는가?	석회석 슬러리와 연소가스의 체적비인 액기비는 출력과 직접적인 연관이 있다. 즉 표준석탄화력의 보일러에서 연소가스 유량은 출력에 따라 비례하지만 탈황공정의 슬러리 유량은 정격운전 시와 동일하게 유지됨에 따라 액기비는 출력과 반비례함을 확인할 수 있었다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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