[논문]구조적 제약조건을 갖는 500 MW 석탄화력발전소 탈황설비의 성능개선

김종성; 유호선

문제 정의

이하가 적용된다.(3) 이러한 설비 운영환경 변화에 대응하고자 탈황 설비를 개선하여 황산화물 저감과 먼지 제거효율을 개선하고자 한다.
본 연구는 허용범위 이내의 승압통풍팬 압력 강하, 일정한흡수탑공간, 제한된 공사기간 등 구조적인 제약조건을 갖는 500 MW급 석탄화력발전소 탈황설비의 성능을 향후 강화될 배출허용기준을 충족하도록 개선하였다. 흡수탑 증축의 제한으로 내부설비만을 개조하는 것으로 추진하였고 기존에 계획된 정비공사기간 60일 이내에 개조공사와 시운전을 완료하고 성능시험을 통하여 추가적인 제약조건을 검증하였다.
본 연구에는 허용범위 이내의 승압통풍팬 압력강하, 일정한흡수탑공간, 제한된공사기간등구조적인제약조건을 갖는 500 MW급 석탄화력발전소 탈황설비의 성능을 향후 강화될 배출허용기준에충족하도록 개선하는 방안을 제시하였다. 탈황설비 흡수탑을 통과하는 배기가스가 선회하도록 내부 설비를 개조하여 석회석슬러리와의 반응 면적및 시간을 증가시킴으로써 황산화물 저감 및 먼지 포집능력을 향상시킬 수 있었다.
흡수탑의 폭과 높이 개조에 제약이 있어 본 연구에서는 흡수탑의 내부 설비만을 개조하는 성능향상 방안을 제시하였다. 흡수탑 개조의 핵심적인 회전 난류발생기(Revolving Turbulator)를 흡수탑 하부에 설치하여 유입되는 배기 가스를 회전시켜 난류를 발생시키며 상부측으로 통과하게 하였다.

제안 방법

개선효과를 측정하기 위해 개선 전·후에 각각 2일 동안 Table 1과 같은 성능시험 조건에서 흡수탑 입구와 출구의 황산화물농도와 먼지농도를 측정하여 다음 식을 사용하여 각각의 제거효율을 산정하였다.
따라서 회전 난류발생기의 베인수량은 압력강하 400 ㎜Aq가 발생되고 황산화물 제거효율은 98%로 예측되는 18개로 결정하여 설치하였다.
황산화물 제거효율을 높이기 위해 배기가스와 황산화물 흡수제인 석회석슬러리의 반응 면적과 시간을 늘리고자 배기가스의 흐름을 회전 난류방식이 되도록 흡수탑 하부에 회전 난류발생기를 설치하였다. 또한 먼지 제거효율을 높이기 위해 관성력 방식의 기존 Chevron Type ME를 원심력 방식의 Centrifugal Type ME로 개조 하였다.
7 ㎜Aq의 압력 여유가있는것으로나타났다. 이를 바탕으로 18개의 베인을 갖는 회전 난류발생기를 선정하여 추가 압력강하량이 125㎜Aq, 전압력400 ㎜Aq으로 운전되도록설비개조를 추진하였다. 설비 개조 후 승압통풍팬 후단에서부터 흡수탑 출구에 이르는 배기가스 경로의 개선 전·후의 압력분포를 측정한 결과 Fig.
이러한 방법은 본 설비 성능 개선과 병행하여 적용되는 방법이다. 이처럼 발전설비의 운영환경의 변화정도와 설비가 갖는 제약특성 등의 제약조건을 고려하여 적정한 방법을 선택하여 성능 개선을 시행한다.
탈황설비의 핵심성능인 황산화물과 먼지 제거효율을 향상시키기 위해 흡수탑의 내부 장치를 개조하였다. 황산화물 제거효율을 높이기 위해 배기가스와 황산화물 흡수제인 석회석슬러리의 반응 면적과 시간을 늘리고자 배기가스의 흐름을 회전 난류방식이 되도록 흡수탑 하부에 회전 난류발생기를 설치하였다.
탈황설비의 핵심성능인 황산화물과 먼지 제거효율을 향상시키기 위해 흡수탑의 내부 장치를 개조하였다. 황산화물 제거효율을 높이기 위해 배기가스와 황산화물 흡수제인 석회석슬러리의 반응 면적과 시간을 늘리고자 배기가스의 흐름을 회전 난류방식이 되도록 흡수탑 하부에 회전 난류발생기를 설치하였다. 또한 먼지 제거효율을 높이기 위해 관성력 방식의 기존 Chevron Type ME를 원심력 방식의 Centrifugal Type ME로 개조 하였다.
흡수탑의 폭과 높이 개조에 제약이 있어 본 연구에서는 흡수탑의 내부 설비만을 개조하는 성능향상 방안을 제시하였다. 흡수탑 개조의 핵심적인 회전 난류발생기(Revolving Turbulator)를 흡수탑 하부에 설치하여 유입되는 배기 가스를 회전시켜 난류를 발생시키며 상부측으로 통과하게 하였다. 난류발생에 따른 물질전달 촉진, 반응시간과 접촉면적의 증가는 배기가스 중의 황산화물 흡수량을 증가시켜 탈황효율을 향상시킨다.
본 연구는 허용범위 이내의 승압통풍팬 압력 강하, 일정한흡수탑공간, 제한된 공사기간 등 구조적인 제약조건을 갖는 500 MW급 석탄화력발전소 탈황설비의 성능을 향후 강화될 배출허용기준을 충족하도록 개선하였다. 흡수탑 증축의 제한으로 내부설비만을 개조하는 것으로 추진하였고 기존에 계획된 정비공사기간 60일 이내에 개조공사와 시운전을 완료하고 성능시험을 통하여 추가적인 제약조건을 검증하였다.

대상 데이터

이렇게 하여 분사노즐 1단을 추가하여 전체 3단으로 설치하였다. 분사노즐 수량은 402개에서 512개로 110개를 증가시켰고 노즐 구경을 61.1 mm에서59 mm로 축소하여 분사압력을 조절하였다.
재질은 기존 타입과 동일하며 φ 450 mm×h 2,640 mm의 튜브가 719개로 설치되었다.

성능/효과

개선된 탈황설비의 성능을 정격운전 상태에서 시험하여 얻은 핵심결과 및 결론은 다음과같다. 1. 입구농도500 ppm인황산화물은기존41.95 ppm에서 개선후7.85 ppm으로배출농도가 감소하였으며, 이에 따라 제거효율은 91.61%에서 98.43%로 상승하였다. 개선된 탈황설비의 황산화물 저감성능은 현재 배출기준 100 ppm은 물론 2023년부터 강화될 배출허용기준 25 ppm을충분히만족시키는수준이다.
개선된 탈황설비의 황산화물 저감성능은 현재 배출기준 100 ppm은 물론 2023년부터 강화될 배출허용기준 25 ppm을충분히만족시키는수준이다. 2. 입구농도45 mg/m3인먼지는기존9.6 mg/m3에서개선 후 4.86 mg/m3로 배출농도가 감소하였다. 당초 목
표대로 황산화물 저감성능 뿐만 아니라 먼지 포집성능도향상됐으며, 현재배출기준25 mg/m3을넘어2023년배출기준5 mg/m3까지도만족시키는수준이다. 3. 탈황설비개조에따라흡수탑을통과하는배기가스의압력강하는 기존 285.8 ㎜Aq에서 393.6 ㎜Aq로 다소 증가하였으나, 승압통풍팬의 허용범위인 437.5 ㎜Aq 이내로서 정격운전상태에서 안정적인 운영이 가능하였다. 흡수탑의 공간을 기존대로 유지하면서 내부설비만을개조하여 탈황설비의 황산화물 저감 및 먼지 포집능력을 향상시킨 본 연구의 성능개선 방식은 유사한 제약조건을 갖는 다른 석탄화력발전소의 배출허용기준 충족에도 효과적으로 적용될 수 있으리라 기대된다.
3-3과 같이 나타났다. 500 MW 부하에서성능을측정한결과흡수탑입구의황산화물농도가설계운영범위인500 ppm으로유입될 때 황산화물 제거 효율은 91.61%에서 98.43%로 개선후 대폭으로 향상되어 배기가스의 회전 난류흐름은 황산화물 제거성능을 크게 향상 시켰다. 이때 흡수탑 출구 황산화물 배출농도는 41.
4%로나타났다. 개선된 방식에서는 흡수탑 입구 먼지농도가 21 mg/m3에서 45.75 mg/m3로 변화될 때 흡수탑 출구로 배출되는 먼지 농도는 1.1 mg/m3에서 4.67 mg/m3로 배출되었고 먼지 제거효율은94.76% 에서87.08%로나타났다. 설비개조로 먼지 제거효율이 향상된 폭은 약 10% 정도이며 정상운전 범위의1.
개선된 탈황설비에서는 석회석슬러리의 하강시간을 증가시켜 먼지 포집양이 증가되었고, Centrifugal ME 또한 기존의 관성력 방식보다 먼지 포집효과가 뛰어남을 보여
주었다. 흡수탑의 입구 먼지농도 변화에 따른 출구 먼지 배출농도는Fig.
86 mg/m3로 배출농도가 감소하였다. 당초 목
표대로 황산화물 저감성능 뿐만 아니라 먼지 포집성능도향상됐으며, 현재배출기준25 mg/m3을넘어2023년배출기준5 mg/m3까지도만족시키는수준이다. 3.
또한 기존 탈황설비의 경우 흡수탑 입구 황산화물 농도가 300 ppm에서 600 ppm으로 변화될 때 황산화물 제거효율은92.73%에서90.12%로2.61% 감소하였다. 반면 회전난류발생기를적용한 개선후의 방식에서는 황산화물 제거효율이 98.
61% 감소하였다. 반면 회전난류발생기를적용한 개선후의 방식에서는 황산화물 제거효율이 98.86% 에서 98.05%로 0.81% 감소하여 흡수탑 입구 황산화물농도가 증가할 때 발생하는 효율저하 또한 기존 방식보다 적음을 알 수 있다. 배기가스를 선회시켜 물질전달을 촉진시켜 탈황효율을 개선시킬 수 있다는 것은Caiting Li, Hongliang Gao et al.
대기환경보전법에 따른 대기오염물질 배출허용 기준은 2023년부터황산화물은25 ppm, 먼지는5 mg/m3이하로 강화된다. 배기가스를 선회시키는 방식으로 개선하여 석
회석슬러리와의 반응접촉 면적과 시간을 증가시켜 황산화물과 먼지 제거효율을 향상시킨 결과 정상운전범위인 황산화물500 ppm 유입시7.85 ppm이배출되었고, 먼지는
30 mg/m3 유입시 3.6 mg/m3으로 배출되어 강화되는 배출허용 기준을 충분하게 만족하였다.
08%로나타났다. 설비개조로 먼지 제거효율이 향상된 폭은 약 10% 정도이며 정상운전 범위의1.5배의이상조건인먼지농도45 mg/m3으로흡수 탑에 유입될 때 출구 배출농도는 9.6 mg/m3에서 4.86mg/m3으로 배출되어 4.74 mg/m3의 배출저감 효과를 보여주었다. 이는 배기가스의 회전난류에따른 석회석슬러리와의 접촉면적과 시간의 증대와 Centrifugal ME가 먼지 포집성능을 크게 향상시킨 것으로 보인다.
이 증가량이 승압통풍팬의최대부하와 덕트의 설계내압 보다 낮아야 기존 승압통풍팬과 덕트를 개조하지 않고사용할수있다. 승압통풍팬 성능곡선과 정격출력의 운전데이터를 검토한 결과 운전가능한 최대 전압력은437.5 ㎜Aq이며 정격 출력 운전압력은 285.8 ㎜Aq로 약 151.7 ㎜Aq의 압력 여유가있는것으로나타났다. 이를 바탕으로 18개의 베인을 갖는 회전 난류발생기를 선정하여 추가 압력강하량이 125㎜Aq, 전압력400 ㎜Aq으로 운전되도록설비개조를 추진하였다.
본 연구에는 허용범위 이내의 승압통풍팬 압력강하, 일정한흡수탑공간, 제한된공사기간등구조적인제약조건을 갖는 500 MW급 석탄화력발전소 탈황설비의 성능을 향후 강화될 배출허용기준에충족하도록 개선하는 방안을 제시하였다. 탈황설비 흡수탑을 통과하는 배기가스가 선회하도록 내부 설비를 개조하여 석회석슬러리와의 반응 면적및 시간을 증가시킴으로써 황산화물 저감 및 먼지 포집능력을 향상시킬 수 있었다. 개선된 탈황설비의 성능을 정격운전 상태에서 시험하여 얻은 핵심결과 및 결론은 다음과같다.
탈황설비의 성능개선을 위한 개조에 따라 추가적인 압력 강하가 동반되어 기존 승압통풍팬의 출구압력과 배기가스 덕트에 응력이 증가되었다. 이 증가량이 승압통풍팬의최대부하와 덕트의 설계내압 보다 낮아야 기존 승압통풍팬과 덕트를 개조하지 않고사용할수있다.

후속연구

5 ㎜Aq 이내로서 정격운전상태에서 안정적인 운영이 가능하였다. 흡수탑의 공간을 기존대로 유지하면서 내부설비만을개조하여 탈황설비의 황산화물 저감 및 먼지 포집능력을 향상시킨 본 연구의 성능개선 방식은 유사한 제약조건을 갖는 다른 석탄화력발전소의 배출허용기준 충족에도 효과적으로 적용될 수 있으리라 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지사용량 증가의 특징은 무엇인가?	산업발전과 더불어 에너지사용량이 지속적으로 증가하고 있다.(1) 에너지사용량 증가는 온실가스와 각종 대기오염물질 배출량 증가로 이어져 세계적인 사회문제로 대두 되고있다. 국내에서도 이러한 기후변화 문제와 더불어 국민의 건강과 안전문제가2016년의 핵심 이슈로 부각되면서 미세먼지 문제가 심각한 환경문제로 제기되고 있다.
	개선된 탈황설비로 향상된 먼지 제거율은 어떻게 되는가?	08%로나타났다. 설비개조로 먼지 제거효율이 향상된 폭은 약 10% 정도이며 정상운전 범위의1.5배의이상조건인먼지농도45 mg/m3으로흡수 탑에 유입될 때 출구 배출농도는 9.
	먼지 포집 능력을 향상한 방법은 무엇인가?	미세먼지 감축에 대한 사회적 요구 증가와 강화되는 대기오염물질 배출허용기준을 충족시키기 위해 구조적 제약조건을 갖는 500 MW급 석탄화력발전소 탈황설비의 성능개선 방안을 제시하였다. 탈황설비 흡수탑을 통과하는 배기가스가 선회하도록 내부 설비를 개조하여 난류를 형성시켜 물질전달효율을 증가시키고 반응 면적 및 시간을 증가시킴으로써 황산화물 저감 및 먼지 포집 능력을 향상시킬 수 있었다. 개선결과 황산화물 제거효율은 91.

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