초록 ▼

핵심기술
SNCR 기술과 SCR 기술의 각각의 단점을 최소화하고 장점을 최대화하여 두 기술을 결합시킨 복합 탈질 기술
최종목표
발전 시설 및 산업용 보일러의 부하가 낮을 때 SCR 반응기 입구의 가스 온도가 반응 온도 이하로 떨어지는 관계로 승온 설비인 덕트 버너를 가동하여 SCR 반응기를 운영하고 있으나 승온이 용이하지 않고 연료비가 많이 드는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 SNCR 시스템을 새로 설치하여, 보일러의 운전 부하가 낮을 때에는 SNCR 시스템만의 가동으로 탈질 효율 60%이상을 달성

핵심기술
SNCR 기술과 SCR 기술의 각각의 단점을 최소화하고 장점을 최대화하여 두 기술을 결합시킨 복합 탈질 기술
최종목표
발전 시설 및 산업용 보일러의 부하가 낮을 때 SCR 반응기 입구의 가스 온도가 반응 온도 이하로 떨어지는 관계로 승온 설비인 덕트 버너를 가동하여 SCR 반응기를 운영하고 있으나 승온이 용이하지 않고 연료비가 많이 드는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 SNCR 시스템을 새로 설치하여, 보일러의 운전 부하가 낮을 때에는 SNCR 시스템만의 가동으로 탈질 효율 60%이상을 달성할 수 있는 하이브리드 SCR 탈질 시스템 기술을 개발한다. 본 과제의 주요 기술 개발 내용을 다음과 같이 요약할 수 있다.
1. 발전 시설 및 산업용 보일러 부하가 50% 이하로 떨어져 SCR 시스템을 가동하지 못하는 경우 질소산화물을 제거할 수 있는 SNCR 시스템을 추가로 설치하여 이 시스템으로 질소산화물을 제거할 수 있도록 SNCR 시스템의 환원제 순환 장치, 주입 장치, 분배 장치, 분무 노즐, 제어 시스템을 개발한다.
2. 발전 시설 및 산업용 보일러의 부하가 변동할 때 촉매층 전단의 온도 저하로 인한 촉매 막힘 현상이 발생하지 않도록 SNCR 시스템과 SCR 시스템의 유동적인 연계 운전 제어 시스템을 개발한다.
3. 발전 시설 및 산업용 보일러 부하가 50% 이하로 낮을 때 촉매층 전단 온도가 250oC 이하로 떨어져도 암모니아 슬립에 의한 촉매 피독 현상이 발생하지 않도록 SNCR 시스템에서 발생되는 암모니아 슬립을 최소로 제어하는 운전 시스템을 개발한다.
4. 발전 시설 및 산업용 보일러 부하가 50% 이하로 낮을 때 SCR 시스템에 환원제를 주입하지 않은 상태에서 SNCR 시스템만을 가동하여 탈질 효율 60%를 달성할 수 있는 시스템을 개발한다.
5. 발전 시설 및 산업용 보일러 부하가 50% 이하로 낮을 때 하이브리드 SCR 시스템을 가동하여 탈질 효율 90%를 달성할 수 있는 시스템을 개발한다.
개발내용 및 결과
본 연구 과제를 통해 1,000℃ 정도의 고온 영역에 설치되는 SNCR 특성과 320℃ 정도의 온도 영역에 설치되는 SCR 특성을 융합하여 가장 경제적이면서 최고의 처리 효율을 얻을 수 있는 하이브리드 탈질 시스템을 성공적으로 개발하였다. 1차 년도에는 주요 장치의 설계, 2차 년도에는 장치의 제작 및 설치, 3차 년도에는 시스템의 성능 시험을 수행하였다. 년차별 주요 연구 내용을 다음에 요약한다.
1차 년도에는 발전 시설 중 부하가 낮은 상태로 운전할 때 운영비가 많이 발생되는 발전 용량 350 MW 이상의 중유 화력 발전소를 선정하여 본 과제 설비를 설치할 수 있도록 협약서를 체결하였다. 시스템의 중요한 장치인 환원제 분무 노즐에 관련하여서는 전산프로그램을 이용한 분무 노즐 파일럿(pilot) 설계와 시제품을 제작하고 분무 테스트를 수행하여 최적의 환원제 분무 노즐을 설계하였다.
2차 년도에는 최적의 환원제 분무 노즐을 제작하고, 전산프로그램을 이용해 열유동장 분석을 수행한 후 그 결과를 해석하여 분무 노즐 위치를 선정하였다. 노즐 위치가 선정된 다음 노즐 분사 시험을 수행한 결과를 이용하여 환원제 분무 노즐을 설치하고 환원제 공급 시스템도 설치하였다.
3차 년도에는 울산화력 6호기에 설치한 하이브리드 SCR 탈질 시스템에 대한 성능 시험을 수행하였다. 그 결과 보일러의 운전 부하가 낮을 때 SCR 시스템에 환원제를 주입하지 않고 SNCR 시스템만을 가동하여 SCR 반응기 촉매의 막힘 현상을 방지하면서 탈질 효율을 60% 이상 달성하고 복합 탈질 시스템으로 탈질 효율을 90% 이상 달성하는 만족할 만한 성능을 확인하였다.
연구과제 목표인 암모니아 슬립을 최소로 배출하도록 하는 운전시스템을 개발 완료하여 최소의 암모니아 슬립을 발생하면서 부하 50% 이하에서 SNCR 시스템만으로 질소산화물 처리 효율 60%이상 그리고 하이브리드 SCR 시스템으로 질소산화물 처리 효율 90%이상 달성하는 하이브리드 SCR 탈질 시스템을 현재 울산화력발전소에서 상시 운전하고 있다.
기술개발배경
최근 환경 규제가 강화되면서 질소산화물 처리율을 특별히 달성하기 위해 투자비와 운전비의 수지를 맞추어 주는 복합 탈질 시스템을 적용하려는 시도가 나타나고 있다. 복합 탈질 시스템이란 SNCR과 SCR을 결합시킨 탈질 시스템으로 하이브리드 탈질 시스템이라고도 부르며 적용 초기에는 단순히 질소산화물 처리율을 충족시키려는 목적으로 시도되었지만 SNCR과 SCR의 특성을 최대한 이용하여 융합 기술을 개발하려는 쪽으로 연구 개발이 시작되는 단계이다.
질소산화물을 처리하기 위해 SCR 시스템이 운영되는 경우 연소로의 운전 부하가 50%이하로 떨어지면 SCR 반응기의 입구 온도가 적정 온도 이하로 떨어지기 때문에 이 온도를 올려 적정 온도로 유지하기 위해 별도의 덕트 버너 시설을 가동하여야 하는 문제점이 있다.
SCR 시스템의 덕트 버너 문제를 해결하기 위해 SNCR 시스템의 특성과 SCR 시스템의 특성을 융합하는 융합 기술에 기초한 질소산화물 처리 시스템을 연구 개발하고자 하였다.
국내의 많은 발전 시설에 SCR 시스템이 설치되어 있고 설치 중에 있다. 그러나 국내 발전 시설 특성상 원자력이 기저 부하를 담당하고 있고 화력발전소를 부하 변동에 따라 부분 부하로 운전하는 관계로 중유나 LNG를 연료로 사용하는 경우 운전 부하가 낮을 때 SCR 촉매 전단 온도가 많이 내려간다. 이에 대비하여 덕트 버너 등을 설치하여 가스 온도를 승온시켜 SCR 시스템을 운전하고 있으나 운전이 용이하지 않고 막대한 추가 연료비가 소요되고 있다.
해외의 경우 SNCR 시스템과 SCR 시스템이 결합된 하이브리드가 많이 적용되고 있으며, 경제성 및 기술성이 단독 SCR 시스템보다 우수한 장점이 있다. 따라서 두가지 설비에 대한 단점을 보완할 수 있도록 SNCR과 SCR을 결합시킨 하이브리드 탈질 기술을 개발하고자 하였다.
핵심개발기술의 의의
순수한 국내 기술로 SCR 공정과 SNCR 공정을 결합시킨 복합 탈질시스템을 400MW급 발전소에 성공적으로 적용한 것은 처음이며, 이 결과로써 년간 호기당 대략 10억원 정도의 덕트 버너 연료비를 절감할 수 있게 되었다. SCR 시스템의 덕트 버너는 사용하지 않고 저 부하 시 하이브리드 SCR 탈질 시스템을 가동하고 있으며, 현재 성공적으로 상업 운전 중에 있다.
국내에서 최초로 대형 보일러인 400MW급 발전소에 하이브리드 탈질 시스템을 적용하다 보니 여러 가지 어려움이 있었으나 주관기관의 축적된 SNCR 시스템 기술력과 한국동서발전(주) 울산화력 발전소의 도움으로 본 과제의 기술 개발을 성공적으로 완료하였다.
동 기술을 SK 에너지 울산 공장에 성공적으로 적용하여 수입 대체 효과를 얻었으며 이런 기술력을 바탕으로 점점 커지고 있는 중국의 탈질 설비 시장 진출의 가능성이 증대되었다.
적용분야
1. 기존 SCR 시스템의 덕트 버너 문제를 해결하고자 하는 사업장
2. 기존 SCR 시스템의 NOx 처리 효율을 개선하고자 하는 사업장
3. 기존 SNCR 시스템의 NOx 처리 효율을 개선하고자 하는 사업장
4. 기존 SNCR 시스템의 암모니아 슬립 문제를 해결하고자 하는 사업장
5. 연소로의 탈질 시스템을 처음 설치하고자 하는 사업장

목차 Contents

• 제 출 문 ... 1
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 2
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 11
• 목 차 ... 14
• 그 림 목 차 ... 18
• 표 목 차 ... 22
• 제 1 장 서론 ... 24
• 제 1 절 기술 개발의 중요성 및 필요성 ... 24
• 1. 기술적 측면 ... 24
• 2. 산업·경제적 측면 ... 27
• 3. 정책적 측면 ... 27
• 제 2 절 국내·외 관련 기술의 현황 ... 31
• 1. 국외 기술 현황 ... 31
• 2. 국내 기술 현황 ... 32
• 3. 특허 동향 분석 ... 35
• 4. 현 기술 상태의 취약성 ... 40
• 제 3 절 기술 개발 시 예상되는 기술적·경제적 파급 효과 ... 41
• 1. 기술적 파급 효과 ... 41
• 2. 경제적 파급 효과 ... 42
• 제 2 장 기술 개발 내용 및 방법 ... 44
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 44
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 44
• 1. 단계 목표 ... 44
• 2. 평가 방법 ... 45
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 48
• 1. 1차 년도 (2007.08.01 ~ 2008.07.31) ... 48
• 가. 1차 년도 개발 내용 ... 48
• 나. 1차 년도 개발 범위 ... 48
• 2. 2차 년도 (2008.08.01 ~ 2009.07.31) ... 48
• 가. 2차 년도 개발 내용 ... 48
• 나. 2차 년도 개발 범위 ... 48
• 1) 하이브리드 SCR 탈질 시스템 구성품 제작 ... 49
• 2) 열유동장 해석과 환원제 분무 노즐 제작 ... 49
• 3) 실험 장치를 통한 가스 온도 및 속도의 영향 분석 ... 49
• 4) 하이브리드 SCR 탈질 시스템 설치 ... 50
• 3. 3차 년도 (2009.08.01 ~ 2010.07.31) ... 52
• 가. 3차 년도 개발 내용 ... 52
• 나. 3차년도 개발 범위 ... 52
• 1) 하이브리드 SCR 탈질 시스템 시운전 ... 53
• 2) 시운전 결과 보고서 작성 ... 53
• 3) 최적의 운전 데이터 제시 ... 53
• 4) 최적의 운전 데이터 적용 ... 53
• 제 3 장 결과 및 향후 계획 ... 54
• 제 1 절 단계 연구 개발 결과 ... 54
• 1. 단계 연구 개발 추진 일정 ... 54
• 가. 1차 년도 연구 개발 추진 일정 ... 54
• 나. 2차 년도 연구 개발 추진 일정 ... 55
• 다. 3차 년도 연구 개발 추진 일정 ... 56
• 2. 단계 연구 개발 추진 실적 ... 57
• 3. 단계 연구 개발 추진 내역 ... 58
• 가. 1차 년도 연구 개발 추진 내역 ... 58
• 1) 발전소 선정 및 자료 수집 ... 59
• 2) SNCR 시스템 설계 및 자재 발주 ... 68
• 3) SNCR 설비 설치 방법 확정 ... 72
• 4) 환원제 분무 장치 설계 및 분무 테스트 실시 ... 73
• 5) 열유동장 해석 및 환원제 분무 노즐 해석 ... 85
• 나. 2차 년도 연구 개발 추진 내역 ... 86
• 1) 하이브리드 SCR 시스템 장치 제작 ... 86
• 가) 환원제 저장, 공급, 순환 설비 제작 ... 90
• 나) 환원제 유량 조절 설비 제작 ... 93
• 다) 환원제 분배 장치 제작 ... 95
• 라) 제어 시스템 설계 및 제작 ... 96
• 2) 환원제 분사 위치 및 분사 노즐 개수 확정 ... 97
• 가) 설계 조건 ... 98
• 나) 열유동장 해석 모델링(CFD modeling) 결과 ... 99
• 다) 화학 반응 결과 ... 107
• 라) 환원제 분무 노즐 모델 결과 ... 109
• 3) 분무 노즐 위치 선정 정확도 규명 ... 111
• 4) 환원제 분사 각도 검토 및 분무 노즐 제작 ... 113
• 5) 배기가스 온도 및 유동 속도의 영향 분석을 위한 실험 ... 115
• 6) 기계 장치 설치 및 분무 노즐 물 분사 시험 ... 116
• 다. 3차 년도 기술 개발 추진 내역 ... 120
• 1) 분무 노즐 설계 기술 개발 ... 125
• 2) 하이브리드 SCR 탈질 시스템 성능 시험 ... 125
• 3) 암모니아 슬립을 최소화하기 위한 운전 시스템 확립 ... 126
• 4) 요소수 유량 제어 방법 확립 ... 127
• 5) SNCR 시스템의 환원제 액적 크기 임의 조절 기술 확립 ... 127
• 6) 울산화력 6호기 실증 설비 운전을 위한 연구 실험 ... 128
• 7) 연구 과제 목표 달성 결과 효과 분석 ... 129
• 가) 경제적 효과 ... 129
• 나) 기술적 효과 ... 130
• 8) 기술 개발 실적 ... 131
• 가) 특허 출원 ... 131
• 나) 사업화 실적 ... 131
• 4. 기술 개발 결과 ... 132
• 가. 연구 개발 성과물 ... 132
• 나. 기대 효과 ... 134
• 다. 연구 수행에 따른 문제점 및 개선 방향 ... 134
• 라. 결론 ... 135
• 제 2 절 연구 개발 추진 체계 ... 137
• 1. 연구 개발 추진 전략 ... 137
• 2. 연구 개발 추진 체계 (주관기관 : 신명조, 참여기업 : 굴림체, 공통 : 궁서체) ... 137
• 3. 연구 개발팀 편성도 ... 138
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 139
• 1. 시장 현황 ... 139
• 가. 주시장(국가 또는 지역)： 미국 / 중국 / 대한민국 ... 139
• 나. 시장규모 ... 139
• 다. 무역수지 효과 ... 139
• 2. 사업화 전망 ... 140
• 가. 사업화 추진 계획 ... 141
• 나. 판매 계획 ... 141
• 제 3 절 차기 단계 계획 ... 141
• 제 4 절 기업 재무 건전성 현황 ... 142
• 최종보고서 요약서 ... 144