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문제 정의
- 본 연구에서는 그 대안으로써 HRSG 내부에 암모니아 분사장치와 촉매가 기 설치된 인천복합발전소 2호기를 모델로 하여 HRSG 내부에는 310 mm의 폭을 차지하는 촉매만 설치하고, 환원반응시간을 확보하기 위해 큰 폭을 차지하는 암모니아 분사장치는 가스터빈의 배기덕트로 위치를 변동하여 설치하는 방안을 검토하였다.
- 본 연구에서는 그 대안으로써 HRSG 내부에는 촉매만 설치하고 암모니아 분사장치는 가스터빈 출구 배기덕트 위치로 변동하여 설치하는 것을 검토하였다. HRSG 내부로 10∼30 ppm으로 변화하며 유입되는 질소산화물의 농도를 8.
제안 방법
- HRSG 중압 과열기 후단에서의 암모니아 분사실험은 Fig. 1 인천복합발전소 2호기 탈질설비의 구성을 나타낸 그림에서 HRSG 내부로 암모니아를 공급하는 밸브와 가스터빈 배기덕트 측으로 암모니아를 공급하는 두 개의 밸브 중 가스터빈 배기덕트 측 공급밸브를 차단한 상태에서 실시하였다. 가스터빈은 지멘스사의 164 MW V84.
- HRSG로 유입되는 질소산화물의 농도, Cin [ppm]이 10∼30 ppm으로 변할 때 대기로 배출되는 질소산화물의 농도, Cout [ppm]을 8.5 ppm으로 유지하였고 암모니아 분사위치에 따라 사용된 암모니아 질량유량, [kg/h]을 비교하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 가스터빈 배기덕트에서의 암모니아 분사실험은 Fig. 1 인천복합발전소 2호기 탈질설비의 구성을 나타낸 그림에서 HRSG 내부로 암모니아를 공급하는 밸브와 가스터빈 배기덕트 측으로 암모니아를 공급하는 두 개의 밸브 중 HRSG 내부위치로 암모니아를 공급하는 밸브를 차단한 상태에서 실시하였다. 실험방법은 HRSG 내부위치에서 암모니아를 분사하는 실험과 동일하게 진행하였다.
- 따라서 본 연구는 HRSG 내부에 탈질설비가 기 설치된 인천복합발전소 수평형 HRSG를 대상으로 하여 가스터빈 출구 배기덕트에 4개소의 암모니아 분사노즐을 설치하여 HRSG 내부위치 뿐만 아니라 가스터빈 출구위치에서 암모니아를 각각 분사할 수 있는 시스템을 구성하였다. 그리하여 두 가지 위치에서의 암모니아를 각각 분사하여 질소산화물 저감을 위해 사용된 암모니아의 유량을 측정하고 비교하였다.
- 두 번째는 가스터빈 출구측 배기덕트 내에 4개의 이류체 노즐을 90°간격으로 설치하였다.
- 따라서 두 가지 암모니아 분사위치에 10∼30 ppm으로 HRSG의 내부로 유입되는 질소산화물의 농도를 대기 배출기준 8.5 ppm으로 저감하였을 때 사용된 암모니아의 유량을 측정하여 성능을 비교하였다.
- 따라서 본 연구는 HRSG 내부에 탈질설비가 기 설치된 인천복합발전소 수평형 HRSG를 대상으로 하여 가스터빈 출구 배기덕트에 4개소의 암모니아 분사노즐을 설치하여 HRSG 내부위치 뿐만 아니라 가스터빈 출구위치에서 암모니아를 각각 분사할 수 있는 시스템을 구성하였다. 그리하여 두 가지 위치에서의 암모니아를 각각 분사하여 질소산화물 저감을 위해 사용된 암모니아의 유량을 측정하고 비교하였다.
- 본 연구에서는 인천복합발전소 2호기 수평형 HRSG의 탈질설비에서 촉매의 위치를 고정하고 암모니아 분사장치를 HRSG 중압 과열기 후단에서 가스터빈 배기덕트로 변동하여 암모니아 유량의 변화를 실험하였다. HRSG로 유입되는 질소산화물의 농도, Cin [ppm]이 10∼30 ppm으로 변할 때 대기로 배출되는 질소산화물의 농도, Cout [ppm]을 8.
- 3A 기종으로 파이로트 버너와 프리믹스 버너의 2단 버너를 가지고 있다. 실험방법은 2단 버너가 모두 점화되어 있는 상태 에서 가스터빈의 출력을 올려 배기가스 유량을 점차 증가시켰을 때 HRSG로 유입되는 질소산화물의 농도, [ppm]이 각각 10 ppm, 15 ppm, 20 ppm, 25 ppm, 30 ppm으로 유입되는 시점에 가스터빈의 출력을 고정하고, 배출되는 질소산화물의 농도, [ppm]이 8.5 ppm이 되도록 암모니아의 분사되는 질량유량, m [kg/h]을 증가시켜가며 측정하였다. 기화기의 출구측 온도는 340 ℃로 제어시스템에 의해 자동으로 유지되도록 하였다.
- 1 인천복합발전소 2호기 탈질설비의 구성을 나타낸 그림에서 HRSG 내부로 암모니아를 공급하는 밸브와 가스터빈 배기덕트 측으로 암모니아를 공급하는 두 개의 밸브 중 HRSG 내부위치로 암모니아를 공급하는 밸브를 차단한 상태에서 실시하였다. 실험방법은 HRSG 내부위치에서 암모니아를 분사하는 실험과 동일하게 진행하였다.
- 7 m 지점에 질소산화물 농도 계측기를 설치하였다. 암모니아 저장탱크로부터 암모니아 분사장치로 암모니아를 이송하는 펌프의 유량을 측정하기 위해 암모니아 펌프의 후단에 질량유량 측정기를 설치하였다. 질소산화물의 농도와 암모니아의 유량은 분산제어시스템을 통해 기록이 되고, Human Man Interface 화면을 통해 실시간으로 수치를 확인할 수 있다.
- 유입가스의 질소산화물 농도를 측정하기 위해 촉매 전단에 질소산화물 농도계측기를 사용하였고, 배출되는 질소산화물의 농도를 측정하기 위해 배기 연돌 상부 53.7 m 지점에 질소산화물 농도 계측기를 설치하였다. 암모니아 저장탱크로부터 암모니아 분사장치로 암모니아를 이송하는 펌프의 유량을 측정하기 위해 암모니아 펌프의 후단에 질량유량 측정기를 설치하였다.
- 실험에 사용한 표준 촉매의 단면은 150 × 150 mm은 이며 길이는 310mm를 갖는다. 이러한 촉매를 가로로 12개, 세로로 6개로 구성하여 모듈화 하였고 가로 12개, 세로 12 개의 모듈을 HRSG 단면 가로 8,576 mm, 세로 21,175 mm에 배치하였다.
- 기화기의 출구측 온도는 340 ℃로 제어시스템에 의해 자동으로 유지되도록 하였다. 질소산화물 농도와 암모니아 질량유량의 측정은 순시값 사용에 따른 오차가 발생할 수 있기 때문에 10분 평균데이터를 취득하였다.
대상 데이터
- HRSG 중압 과열기 후단에서 사용된 암모니아는 HRSG 로 유입되는 질소산화물 최대 농도 30 ppm에서 8.5 ppm으로 저감 시 302 kg/hr, 가스터빈 배기덕트에서 사용된 암모니아는 370 kg/hr의 질량유량이 사용 되었다. 질소산화물 농도분포가 10 ~ 30 ppm일 때 암모니아의 유량은 가스터빈 배기덕트 암모니아 분사 방식이 HRSG 중압 과열기 후단 암모니아 분사 방식보다 평균 1.
- 실험에 사용한 표준 촉매의 단면은 150 × 150 mm은 이며 길이는 310mm를 갖는다.
- 6 m의 폭을 가진 공간이 마련되어 있고 이 공간에 암모니아 분사장치와 촉매가 기 설치되어 있다. 실험을 위해 암모니아 분사위치는 2곳으로 구성하였다. 첫 번째는 HRSG 중압 과열기 후단에서의 암모니아 분사로써 암모니아가 촉매에 균일하게 분사될 수 있도록 촉매 3 m 전단에 암모니아 주입 그리드가 설치 되어있다.
- 더불어 가스터빈의 배기덕트에 암모니아 분사장치 가 추가 설치되었다. 인천복합발전소 2호기의 가스터빈은 Siemens 사에서 제작한 F Class SGT6-4000F(V84.3A) 기종으로 164 MW의 용량을 갖고 있으며 가스터빈의 배열을 회수하는 수평형 HRSG는 주증기 유량 181 ton/h, 재열증기 유량 216 ton/h의 용량을 갖고 있다. HRSG의 형식은 배기가스의 이용방식, 증기압력 수준, 보일러수의 순환방식, 배기가스의 유동방향에 따라 구분이 된다.
- 인천복합발전소 2호기의 수평형 HRSG에 암모니아 분사 위치 변동에 따른 암모니아 유량을 측정하기 위해 실험 장치를 설치하였다. 인천복합발전소 2호기 HRSG는 2009년에 준공되어 운전되고 있는데 고압 증발기와 중압 과열기로 이루어진 열교환기 뱅크와 고압 절탄기 2번, 중압 과열기 1번, 중압 절탄기로 이루어진 열교환기 뱅크 사이에 3.
- 인천복합발전소 2호기에 사용된 촉매는 원료만을 이용해 압출성형을 하여 벌집모양(Honeycomb) 형상을 하고 있으며 한 개의 층으로 구성되어 있다. 화학 조성은 TiO2 (타이타니아) - V2O5 (바나듐) - WO3 (텅스텐)으로 TiO2 (타이타니아)를 지지체로 하고 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴 등이 첨가되었다.
성능/효과
- 일반적으로 수평형 HRSG는 자연순환식 HRSG에 채용이 되며 탈질설비를 추가로 설치하는 경우에는 HRSG의 길이가 증가되는 특징이 있다.(2) 탈질설비는 암모니아 하역 및 저장계통, 암모니아 주입계통, 촉매 반응단 및 보조계통으로 구분된다.
- 1. 가스터빈 배기덕트에서의 암모니아 분사방식은 HRSG 중압 과열기 후단분사 방식에 비해 암모니아 유량이 평균 1.2배 증가하였다. 사용기간 1년, 최대용량 사용, 이용률 60 % 가정 시에 암모니아 유량은 가스터빈 배기덕트 위치가 1,997 ton, HRSG 중압 과열기 위치가 1,629 ton이 소요되어 HRSG 수명인 30년 운영을 고려한다면 가스터빈 배기덕트 위치가 HRSG 중압 과열기 후단 위치에 비해 추가적으로 11,037 ton이 소요되는 것으로 나타났다.
- 2. HRSG 내부에 탈질설비 모두를 설치할 수 없는 경우 HRSG 내부에는 촉매만 설치하고 설치공간이 많이 필요한 암모니아 분사장치는 가스터빈 배기덕트에 설치한다면 30년간 최대 26억원의 암모니아 비용이 추가적으로 소요될 수 있으나 HRSG를 새로 짓는 비용보다 훨씬 경제적이기 때문에 가스터빈 배기덕트에 암모니아 분사장치를 설치하는 것이 추천된다.
- 질소산화물의 농도가 10 ppm으로 HRSG로 유입되었을 때 시간당 95 kg, 15 ppm으로 유입되었을 때 시간당 180 kg, 20 ppm으로 유입되었을 때 시간당 280 kg, 25ppm으로 유입되었을 때 시간당 320 kg, 30 ppm으로 유입 되었을 때 시간당 370 kg이 소비되었다. HRSG 중압 과열기 후단위치에서 암모니아를 분사하였을 때와 마찬가지로 질소산화물의 농도 증가에 따라 비교적 완만하게 비례하여 암모니아의 소비량이 증가하였다.
- 2배 정도 증가하였다. 비용으로 환산 시 사용기간 1년, 최대용량 사용, 이용률 60% 로 가정하였을 때 가스터빈 배기덕트 암모니아 분사방식이 1,997 ton을 사용하여 4억 7천만원, HRSG 중압 과열기 후단 암모니아 분사방식이 1,629 ton을 사용하여 3억 8천만원의 암모니아 구입비가 필요한 것으로 나타났다. 이는 가스터빈 배기덕트 암모니아 분사방식이 1년 동안 8천 6백만원의 암모니아 구입비가 추가적으로 소요되며 HRSG의 통상적인 수명 30년 운영을 고려했을 때 26억원의 암모니아 비용이 추가적으로 필요하다는 것을 나타낸다.
- 2배 증가하였다. 사용기간 1년, 최대용량 사용, 이용률 60 % 가정 시에 암모니아 유량은 가스터빈 배기덕트 위치가 1,997 ton, HRSG 중압 과열기 위치가 1,629 ton이 소요되어 HRSG 수명인 30년 운영을 고려한다면 가스터빈 배기덕트 위치가 HRSG 중압 과열기 후단 위치에 비해 추가적으로 11,037 ton이 소요되는 것으로 나타났다.
- 5 ppm으로 저감 시 302 kg/hr, 가스터빈 배기덕트에서 사용된 암모니아는 370 kg/hr의 질량유량이 사용 되었다. 질소산화물 농도분포가 10 ~ 30 ppm일 때 암모니아의 유량은 가스터빈 배기덕트 암모니아 분사 방식이 HRSG 중압 과열기 후단 암모니아 분사 방식보다 평균 1.2배 정도 증가하였다. 비용으로 환산 시 사용기간 1년, 최대용량 사용, 이용률 60% 로 가정하였을 때 가스터빈 배기덕트 암모니아 분사방식이 1,997 ton을 사용하여 4억 7천만원, HRSG 중압 과열기 후단 암모니아 분사방식이 1,629 ton을 사용하여 3억 8천만원의 암모니아 구입비가 필요한 것으로 나타났다.
- 질소산화물의 농도가 10 ppm으로 HRSG로 유입되었을 때 소비된 암모니아는 시간당 65 kg, 15 ppm으로 유입 되었을 때 시간당 147kg, 20 ppm으로 유입되었을 때 시간당 195kg, 25 ppm으로 유입되었을 때 시간당 256 kg, 30 ppm으로 유입되었을 때 시간당 302kg으로 측정되었다. 질소산화물의 농도 증가에 따라 비교적 완만하게 비례하여 암모니아의 소비량이 증가하였다.
- 2개의 유량 그래프 중 하부는 HRSG 중압 과열기 후단에서 암모니아를 분사하였을 때 사용된 암모니아 유량을 나타낸다. 질소산화물의 농도가 10 ppm으로 HRSG로 유입되었을 때 소비된 암모니아는 시간당 65 kg, 15 ppm으로 유입 되었을 때 시간당 147kg, 20 ppm으로 유입되었을 때 시간당 195kg, 25 ppm으로 유입되었을 때 시간당 256 kg, 30 ppm으로 유입되었을 때 시간당 302kg으로 측정되었다. 질소산화물의 농도 증가에 따라 비교적 완만하게 비례하여 암모니아의 소비량이 증가하였다.
후속연구
- 이 경우 HRSG 중압 과열기 후단에서의 암모니아 분사와 비교했을 때 암모니아 분사위치와 분사면적이 달라지기 때문에 사용된 암모니아의 질량유량에도 차이가 있을 수 있다. 또한 기존의 HRSG 내부에서 암모니아를 분사하는 방식과 비교하여 암모니아 사용량의 현저한 증가가 있을 경우에는 사용에 어려움이 있어 기존의 HRSG 대신 새로운 HRSG를 건설해야 할 것이다. 따라서 두 가지 암모니아 분사위치에 10∼30 ppm으로 HRSG의 내부로 유입되는 질소산화물의 농도를 대기 배출기준 8.
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