중유보일러 운전조건 변경에 의한 질소산화물 저감

김태형, 김성철, 한상조*

한전 전력연구원 발전연구실 연소신발전그룹, 한전 북제주화력 발전부*

NOx Rduction Using Operating Condition Change of the Heavy-Oil Boiler

Tai-Hyeung Kim, Sung-Chul Kim and Sang-Joe Han*

Advanced Power Generation & Combustion Group, KEPRI, KEPCO

서론

화석연료 연소시 보일러 내에서 발생하는 질소산화물(NOx)의 대부분은 일산화질화질소(NO)와 이산화질소(NO2)로 존재하며, 일반적으로 NOx의 95% 이상은 일산화질소 형태로 존재한다1,2). 일산화질소는 무색, 무취의 유독성 가스이고, 이산화질소는 부식성과 강한 악취를 가지며 광화학 반응을 일으키는 환경오염물질로서 황산화물(SOx)과 함께 산성비와 스모그의 주원인 물질로서 이를 저감하기 위한 많은 연구가 시도되었다. 질소산화물을 저감하기 위한 기술로는 연소전에 행하는 연료탈질 또는 연료교체 방법, 연소중에 행하는 연소개선 방법, 연소 후에 행하는 배연탈질 방법 등이 있으며, 본 연구에서는 연소개선에 의한 질소산화물 저감기술중 연소조건 변경방법을 적용하였다. 질소산화물 저감을 목적으로하는 연소조건은 연소온도와 연소영역에서의 체류시간 및 산소농도를 줄임으로써 Thermal NOx 발생이 저감되도록 함에 의의가 있으며, 이 방법은 경제적으로 매우 유리한 방법이나 저감효율이 크지 않다는 단점을 가지고 있다. 실험을 수행한 목적은 액체연료를 사용하는 국내의 발전용 내연기관을 제외한 기타 발전설비에 적용되는 질소산화물 배출허용기준 250ppm 이하의 적용을 받는 북제주화력 1호기가 안정적으로 운영되도록 질소산화물을 저감하고자 함이다.

이론

연소 중에 발생되는 NOx는 반응된 질소의 종류와 질소를 산화시키는 화학반응에 의해 공기중의 질소분자가 고온상태에서 산화되에 발생하는 Thermal NOx, 연소시 연료에서 발생되는 탄화수소 기가 연소용 공기중의 질소분자와 반응하여 생성되는 Prompt NOx 및 연료중에 포함된 질소 성분이 연소 과정에서 산화되에 발생하는 Fuel NOx로 나눌 수 있다.

일반적으로 Thermal NOx의 발생기구는 Zeldovich에 의해 제시된 반응식(O+N2↔NO+N, N+O2↔NO+O, N+OH↔NO+H)으로 설명될 수 있다. 고온에서 O2가 2O로 분리되어, 이 산소원자가 공기중의 질소분자와 반응하여 NO를 생성하고 동시에 질소원자를 생성하며 이것이 다시 공기중의 산소와 반응하여 NO를 생성한다. Thermal NOx의 생성은 주로 (ⅰ) 연소온도가 높을 때, (ⅱ) 연소영역에서 산소의 농도가 높을 때, (ⅲ) 고온영역에서 연소가스의 체류시간이 길 때 많이 발생한다고 알려져 있으며, 특히 온도의존성이 매우 크다.

고온의 화염후류 영역에서는 NOx의 생성에 대하여 Zeldovich 기구에 따른 이론과 실험결과가 비교적 잘 일치하고 있지만, 화염면 및 그 근방에서는 Zeldovich 기구 이외의 경로에 의하여 많은 양의 NO가 급격히 생성되는 것이 발견되었다. Fenimore3)는 메탄-공기, 에틸렌-공기의 예혼합 평판화염에 대하여 실험한 결과 화염대 근처에서 급속한 NO의 생성을 발견하고 이 NO를 "Prompt NO"라고 하였다. 현재까지의 많은 연구결과 Prompt NOx는 탄화수소계 연료에서만 생성되고 온도, 연료의 종류, 당량비 등에 대한 의존성이 비교적 낮고 연소가스의 체류시간에는 무관한 것으로 판명되었다. 그러나 Prompt NOx의 생성과 소멸과정은 아직까지 정확히 알려지지 않고 있다.

화합물의 형태로 연료에 함유되어 있는 질소성분이 산소와 반응하여 생성되는 NOx를 Fuel NOx라고 하며, 연료중 질소의 결합형태는 각각의 질소가 탄소나 다른 원소와 유기적으로 결합된 형태로 되어 있어, 이중구조의 형태보다 쉽게 끊어져 Fuel NOx의 생성속도는 Thermal NOx 보다 빠르게 일어난다. 일반적으로 연료중의 N 성분은 모두 중간생성물 HCN으로 변환하고 이것이 다시 변환되어 화염의 당량비에 따라 NO나 N2로 발생되게 된다. 따라서 초기에 공기를 적게 유지하는 것이 N2로 변환될 확률이 높기 때문에 Fuel NOx의 저감에는 좋은 효과를 가진다. Fuel NOx의 생성은 온도 조건보다는 당량비적인 측면에 더욱 민감하므로 배기가스 순환방식이나 물을 주입하는 방식 등의 방법만으로는 Fuel NOx 저감이 어렵기 때문에 대부분의 산업용 버너에서는 연료 및 공기를 단계적으로 연소하는 다단연소 방법과 병행하여 실행되고 있다.

실험

각각의 버너에 부착된 1차공기와 2차공기 댐퍼 위치 및 버너 건 위치를 변경하면서 실험을 실시하였으며, 실험조건은 Table 1과 같다. 실험조건으로 운전조건을 변경한 후 Smoke Density와 CO농도 변화 및 관찰창을 통한 노내화염 상태 확인 등의 방법으로 연소상태를 종합적으로 관찰하여 양호한 조건일 경우 실험조건으로 채택하여 측정을 실시 하였고, 이를 근거로하여 다음 실험조건을 진행하였다.

Table 1. 실험조건별 공기댐퍼 및 버너건 위치

실험조건	실 험 변 수
	1차 공기 댐퍼위치				2차공기 댐퍼위치				건 위치	비고
	버너1	버너2	버너3	버너4	버너1	버너2	버너3	버너4
1	8	8	6	4	4	3	4	4	9
2	8	9	6	4	4	3	4	4	9
3	8	8	6	5	4	3	4	4	10
4	8	8	5	6	4	3	4	5	8
5	8	7	6	6	4	3	4	5	9
6	8	8	6	6	4	3	5	5	7
7	8	8	5	6	4	2	5	5	8
8	8	8	5	6	3	2	5	5	8
9	8	8	5	7	3	3	5	6	8
10	8	9	5	7	2	2	6	5	6
11	7	9	5	7	3	3	6	6	7
12	8	7	6	6	4	2	5	5	8
13	8	7	6	6	3	2	5	4	9
14	8	7	6	6	4	2	5	5	8
15	7	8	6	5	4	2	5	5	7
16	7	8	5	5	4	2	5	5	6

결과 및 고찰

1) 질소산화물(NOx)과 일산화탄소(CO)

연돌에 설치된 배기가스 측정기로부터 NOx와 CO 배출농도 및 산소농도를 동시에 측정하였으며, 산소농도 4.0%를 기준으로하여 질소산화물과 일산화탄소 배출농도를 계산하였다. Fig. 1에 나타낸 NOx 저감율은 실험전 배출농도와 각각의 실험조건에서 배출된 농도를 비교하여 표현한 것이며, CO는 실험조건별 배기가스 중의 농도이다.

일반적으로 운전조건을 변경하여 NOx를 저감하고자 하는 방법은 궁극적으로 Thermal NOx 발생을 억제하고자 하는데 초점이 맞추어져 있다. Thermal NOx 발생은 노내온도와 연소영역에서의 체류시간 등에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있기 때문이다. Fig. 1에서 보여주는 바와 같이 10% 이상의 NOx 저감율을 나타낸 실험조건은 4, 11, 12, 14, 및 15 이었다. 특히 실험조건 12는 NOx 저감율이 11.5%로 배기가스 중으로 배출되는 NOx가 가장 적었다.

Fig. . 시험조건별 NOx 및 CO 변화

CO는 화염 또는 미연 성분을 포함하는 연소가스가 저온에 의해 냉각되거나, 연소에 필요한 산소농도 부족 및 반응에 필요한 충분한 체류시간이 확보되지 못한 경우 등의 원인으로 배기가스 중에 남게 되는 것으로 알려져 있다. 그러므로 CO의 배출농도는 불완전연소에 의한 손실열 산출과 연소상태의 양부를 판단하는 기준으로 사용하는 보편적 요소중의 하나이다. 실험된 모든 조건에서 CO 배출농도는 실험전의 CO 배출농도 12.4ppm을 초과하는 것으로 나타났으나, 연소상태가 불량해지는 급격한 CO 증가 조건은 아니었다. 실험조건 3에서 12.6ppm으로 가장 낮게 나타났고, 실험조건 1, 12 및 14도 다른 조건에 비해 낮은 농도의 CO가 배출을 보였다. 실험조건 6, 9 및 11에서 25ppm 이상의 CO가 검출되었으나 노내에서는 모두 양호한 연소상태를 유지하였다.

2) 과열저감용 물 분사량

발전용 보일러에서 터빈에 공급되는 증기의 온도를 넓은 부하범위에서 설계치와 동일하게 유지하는 것은 매우 중요한 요소이다. 그러므로 통상 보일러 과열기에서 소요 과열 온도 이상으로 증기의 온도를 높게 유지한 후 과열저감기에서 물을 분사하여 증기의 온도를 소요 온도로 일정하게 유지시키는 방법을 보편적으로 사용하고 있다. 과열저감용 물 분사량이 증가할수록 효율 측면에서 불리하게 되므로 과열증기 온도를 낮게 유지하는 것이 좋으나 소요 증기온도 조절은 어려워지는 상반된 관계를 가진다. 시험전 과열저감용 물 분사량은 시간당 2톤 이었고, 실험조건별 분사량은 Fig. 2와 같다. 실험조건 2의 과열저감용 물 분사량은 실험전과 동일하였고, 그 외 조건에서는 시간당 0.2∼1.2톤 감소함을 보여 과열저감용 물 분사량에 의한 손실이 줄어들게 됨으로 그에 따른 효율은 상승하는 결과를 보였다.

Fig. . 실험조건별 과열저감용 물 분사량

3) 노내 화염온도

실험전과 실험조건 8, 12 및 13에서 1단과 2단에 위치한 관찰창을 통해 광고온계를 사용하여 노내 화염온도를 측정하였다. 단 단별 측정위치는 좌측 앞쪽(1-L, 2-L), 버너 정면(1-1, 1-2, 2-3, 2-4), 우측 앞쪽(1-R1, 2-R1)과 뒤쪽(1-R2, 2-R2)이며, 측정된 결과는 Fig. 3과 같다. 1단은 1-L과 1-R1, 2단은 2-R1에서 1,390℃∼1,440℃ 정도의 온도가 측정되었다. 실험조건에 따라 1-R2와 2-4에서 최고 10℃의 온도차이가 나타남으로써 다른 부위에 비해 온도변화가 매우 적었다. 질소산화물 저감율이 가장 높았던 실험조건 12의 온도를 실험전 온도와 비교하면 1-2에서 110℃, 1-R1에서 40℃, 2-R2에서 100℃ 상승하였고, 1-L에서 30℃, 1-R2에서 10℃, 2-L에서 70℃, 2-3에서 120℃, 2-R1에서 10℃ 하강하였으며, 1-1과 2-4에서는 변화가 없었다.

Fig. . 측정부위별 노내 화염온도

결론

1) 일반적으로 NOx를 저감하는 운전조건일 경우 CO 증가 현상이 나타나기 쉬우나 NOx도 저감되면서 CO 발생도 줄이는 운전조건을 찾을 수 있었다.

2) 운전조건 변경으로 CO 발생에 큰 증가 없이 NOx 발생을 11.5% 저감할 수 있었다.

3) 북제주화력 보일러 각 버너에 설치된 공기 댐퍼 위치에 따른 연소조건 변화는 동일하지 않은 것을 알 수 있었으며, 이는 기계적인 특성이 조금씩 다르기 때문으로 사료된다.

4) 버너의 공기 댐퍼 조작량과 NOx 발생은 2차 공기 댐퍼 조작시에 비해 1차 공기 댐퍼 조작시에 더 많은 영향이 있으며, 2번 버너의 1차 공기 댐퍼와 1번 버너의 2차 공기 댐퍼 조작시 다른 댐퍼들 조작시에 비해 민감한 영향을 나타냈다.

5) CO 발생에 가장 민감한 댐퍼는 2번 버너의 1차 공기 댐퍼 였으며, 과열저감용 물 분사량에 가장 민감한 댐퍼는 3번 버너의 1차 댐퍼였다.

6) 노내 화염온도는 버너 정면보다는 보일러 앞쪽 양 측면에서 높게 나타났다.

참고문헌

1. Cernansky, N. P. and Sawyer, R. F., 15th Symp. (Int.) on Combustion, The     Combustion Institute, (1974).

2. Hayhurst, A. N. and Vince, I. M., Progress in Energy and Combustion        Science, 6.(1980).

3. Fenimore, D. C., 13th Symp. (Int.) on Combustion, The Combustion           Institute, (1971).