[논문]중유화력발전소에서 NOx 저감 연소기술의 적용 사례 연구

허철구; 이기호; 문성홍

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허철구 (제주대학교 토목환경공학전공) , 이기호 (제주대학교 토목환경공학전공) , 문성홍 (제주화력발전소 환경화학팀)

본 연구에서 적용한 저 NOx 연소법의 NOx 저감 효과를 비교해 보면 다단 연소법이 지연연소 효과와 국부적인 최고 화염온도 감소, 고온부에서의 산소농도 감소효과 등이 동시에 나타나 저 과잉공기 연소법, 배기가스 재순환법, 이단 연소법 보다 더 큰 NOx 저감효과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 다만, 총 공급공기 량에 대한 분할 공급공기량의 비가 일정수준 이상으로 커지면 CO 발생량 증가로 효율저하 등의 문제점이 우려되므로 연소상태를 저하시키지 않는 공급비를 산정하는 것이 중요할 것으로 생각된다.

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문제 정의

본 연구는 저 NOx 연소기술을 실제 연소설비에 적용하였을 때 얻을 수 있는 실용적 저감효율을 비교 평가하고 NOx 저감을 위한 최적의 연소조건을 설정하는데 활용될 수 있는 자료를 얻기 위하여 제주화력발전소의 보일러 설비에 NOx 저감 연소기술을 적용하여 질소산화물 발생에 영향을 주는 여러 가지 연소조건 등을 변경하면서 각 조건에서 질소산화물의 발생량과 저감효율을 비교 분석하였다.

제안 방법

넷째, 이단 연소에 의한 보조공 기와 COFA 및 SOFA의 독립운전 시 NOx 농도변화, COFA와 SOFA 동시 운전 시 NOx 발생량을 병행 조사하였다. 또한 COFA 및 SOFA를 동시 운전 하면서 부하변동에 따른 NOx 농도변화를 측정하였다.
둘째, 일정한 부하에서 공기량의 변화에 따른 NOx 배출 특성을 파악하였으며 셋째, 배기가스 재순환에 의한 NOx 저감효과를 측정하였다.
넷째, 이단 연소에 의한 보조공 기와 COFA 및 SOFA의 독립운전 시 NOx 농도변화, COFA와 SOFA 동시 운전 시 NOx 발생량을 병행 조사하였다. 또한 COFA 및 SOFA를 동시 운전 하면서 부하변동에 따른 NOx 농도변화를 측정하였다.
배출가스 중의 NOx, 02, CO는 Testo-350 (Testo Gmbh & Co, 독일)와 연돌에 설치된 연속 자동측정기를 사용하여 보일러 출구와 연돌에서 각각 측정하였다. 그리고 노내 온도는 노 상부에 설치된 Flue Gas Temp.

성능/효과

12인 조건에서 NOx 저감효과는 약 7% 정도 되었다. 그리고 연소용 공기를 주 연소 공기와 보조 공기 공급 외에 COFA 또는 SOFA, COFA와 SOFA를 통해 연소용 공기를 분할 공급하는 다단 연소법에서는 COFA를 적용한 경우 총공기량에 대한 COFA 공기량의 비가 0.12일 때 약 27%의 NOx 저감효과를 보였으며, SOFA를 적용한 경우에는 최대 35%, COFA와 SOFA를 동시에 적용했을 경우에는 최대 34% 정도의 NOx 저감효과를 얻을 수 있었다.
발전 부하가 증가하면 연소 실내 열부하가 증가하고 이에 따라 노내온도가 상승하여질 소산화물의 배출농도는 증가하는 경향을 보였으며, 동일 부하에서 는 공기 비 가 작을수록 NOx 배출농도가 다소 감소하는 경향을 나타냈으나 NOx 저감효과가 크지 않을 뿐 아니라 특히, 실제 운전 공기비인 1.047 이하 에서는 CO 배출농도가 크게 증가하므로 저 과잉 공기 연소법의 적용은 제한적인 것으로 판단된다.
배기가스 재순환법을 실제 적용한 결과 재순환율이 증가함에 따라 NOx 배출농도는 감소하는 경향을 보였으며 재순환율이 33%일 때 NOx 배출농도는 125ppm으로 재순환율이 없는 경우에 비하여 약 14% 정도의 NOx 저감효과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서 적용한 저 NOx 연소법의 NOx 저감 효과를 비교해보면 다단 연소법이 지연 연소 효과와 국부적인 최고 화염 온도 감소, 고온 부에서의 산소농도 감소 효과 등이 동시에 나타나 저 과잉공기 연소법, 배기가스 재순환법, 이단 연소법보다 더 큰 NOx 저감효과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 다만, 총공급공기 량에 대한 분할 공급공기량의 비가 일정 수준 이상으로 커지면 CO 발생량 증가로 효율 저하 등의 문제점이 우려되므로 연소상태를 저하시키지 않는 공급비를 산정하는 것이 중요할 것으로 생각된다.
연소용 공기를 주 연소 공기와 보조공 기로 나누어 주입하는 이단 연소법에서는 총 공 급공기 량에 대한 보조공기량의 비가 클수록 NOx 배출농도는 감소하였으나 저감효과가 크지 않아 보조공기량의 비가 0.12인 조건에서 NOx 저감효과는 약 7% 정도 되었다. 그리고 연소용 공기를 주 연소 공기와 보조 공기 공급 외에 COFA 또는 SOFA, COFA와 SOFA를 통해 연소용 공기를 분할 공급하는 다단 연소법에서는 COFA를 적용한 경우 총공기량에 대한 COFA 공기량의 비가 0.

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