운영중인 무연탄 순환유동층 보일러에서 SNCR 환원제 최적 주입 위치 선정에 관한 연구

A Study on the Selection of Optimum injection position of SNCR Reductant in Operating anthracite Circulating Fluidized Bed Boiler

최근 정부는 미세먼지 문제의 해결을 위한 범국가적 대책과 주변 국가와의 협력 증진 방안을 마련하기 위해 대통령 소속으로 국가기후환경회의를 설치하고, 구성 및 운영에 필요한 사항을 규정하는 내용의 안건을 지난 4월 24일 국무회의에서 의결하였다. 일반적으로 미세먼지(Particulate Matter)는 입경 10㎛ 이하인 PM10과 , 입경 2.5㎛ 이하인 PM2.5로 분류한다. 특히 2013년 세계보건기구(WHO)에서 1급 발암물질로 알려지면서 국내에서 큰 파장을 불러왔다. 국내에서 미세먼지 문제는 이제 어떤 환경이슈보다 중요한 관심사가 되었고 특히, 화석연료를 많이 사용하고 있는 발전산업 부분에서 미세먼지 전구물질로 알려진 질소산화물의 저감 필요성에 따라 각 발전사에서는 기존 석탄화력 발전소의 질소산화물 저감방안을 수립하여 시행하고 있다. 이에 본 연구에서는 국내 유일의 무연탄을 사용하는 순환유동층 보일러인 동해화력발전소에서 질소산화물 저감을 위해 설치한 선택적비촉매환원법(SNCR: Selective NonCatalytic Reduction)을 적용하면서 환원제로 사용한 요소수의 주입 위치에 따른 탈질효율을 비교 시험하였다. 일반적으로 SNCR에서 탈질성능에 영향을 미치는 중요한 인자는 환원제로 주입된 암모니아가 질소산화물과 반응하는 적정 온도, 반응 영역에서 충분한 체류시간, 환원제와 배기가스의 충분한 혼합 여부 등이다. 미분탄 보일러의 경우 보일러에서 연소된 후 back pass의 열교환기를 통과하여 굴뚝으로 배출되지만 순환유동층 보일러에서는 보일러 출구에 사이클론이 설치되어 있어 연소중인 연료와 배가스, 유동매체를 순환시키며, 보일러 하부에서 공급되는 유동공기에 의해 연소와 동시에 사이클론으로 유입되며, 사이클론 설계치 보다 가벼운 입자는 사이클론 중심부를 통해 상승하여 back pass로 빠져나가지만 연소중인 연료와 유동매체(Bed Material)는 보일러로 순환되면서 연소 및 열전달 과정을 거친다. 보일러 배가스에서 질소산화물 저감을 위해 SNCR을 채택하는 경우 사이클론 입구에 요소수를 주입하는 것이 반응에 필요한 충분한 체류시간과 혼합에 용이하다. 그러나 무연탄은 휘발분이 낮고 고정탄소가 높아 연소속도가 상대적으로 느리기 때문에 순환유동층의 경우 사이클론내에서도 연소가 지속됨에 따라 사이클론 출구 온도가 입구 온도보다 높게 유지되는 현상이 발생했다. 무연탄 사용에 따라 지연연소가 발생하는 순환유동층 보일러에서 사이클론 입구에 환원제를 주입할 경우 초기에는 환원제 사용량 증가에 따라 질소산화물 배출농도가 감소하지만 일정 수준 이상에서는 주입량을 증가하여도 질소산화물 배출농도가 감소하지 않지만, 사이클론 출구에서 환원제 주입시에는 고온에 의한 암모니아 산화가 발생하지 않아 환원제 주입량이 증가함에 따라 탈질효율도 증가하는 것으로 나타났다.