가스발전소에서 Diesel Oil을 이용한 선택적촉매환원법에

의한 NOx 제거

이인영, 김기영, 이정빈, 최병선

한국전력공사 전력연구원 수화력발전연구실

Selective Catalytic Reduction of Nitrogen Oxides

by Diesel Oil in Gas Turbine Cycle

I. Y. Lee, K. H. Kim, J. B. Lee, B. S. Choi

Power Generation Research Laboratory,

Korea Electric Power Research Institute, Taejon, Korea

서론

화석 연료를 사용하는 발전소에서 필연적으로 발생하는 질소산화물이 광합성 스모그와 산성비의 원인이 되는 환경물질임은 이미 잘 알려진 사실이다. 한편 청정연료를  사용하므로 해서 clean 발전소로 알려진 가스발전소도 연료 자체에는 질소 성분이 없으므로 fuel NO는 발생시키지 않지만 연소 공기중에 포함된 질소가 고온에서 산소와 반응하여 생성된 thermal NO는 발생시킨다. 특히 가스발전소 기동시 나타나기도 하는 시각적 공해인 노란색 배가스(yellow plume)는 점차 강화되는 환경 규제에 능동적으로 대처하기 위해 반드시 해결하여야 할 문제 중 하나이다.

본 연구에서는 이런 문제를 실질적으로 해결하고자 가스발전소에 pilot-scale 촉매반응기를 설치하여 배가스 중의 NO 그리고 yellow plume의 원인으로 추정되는 NO2의 제거 실험을 수행하였다.

실험

1. 촉매

본 실험에서 사용한 촉매는 honeycomb형태의 substrate에 활성표면적을 넓히기 위해 특별히 제작된 wash coating material을 이용하여 nobel metal 계통을 impregnation한 상업용으로 단위 촉매의 크기는 142x135x100mm 이며  cell size는 1.3mm이다. 16 개의 단위촉매는 8 개씩 2 조로 하나의 module를 이루며 다시 2 개의 단위 module은 하나의 촉매 층을 이루며 촉매반응기 후단부에 설치되어있다. (Fig. 1)

2. 실험장치

가스발전소에 설치된 장치의 공정흐름은 Fig. 2와 같이 촉매 반응기, 배가스의 유량과 온도조절부, 환원제인 Diesel oil의 주입부, 그리고 계측부로 크게 나눌 수 있다. 촉매반응기는 직경 0.89m, 길이 1.23m, 그리고 두께 1cm 인 carbon steel로 되어 있고, 배가스 처리 유량은 860Nm3/hr이다. 반응기에 주입되는 배가스의 유량 및 온도는 열회수장치 (HRSG)의 전·후단 가스의 혼합비 (밸브 FCV-1과 FCV-3)에 의해 조절된다. Diesel oil 주입부는 용량 0.15m3 의 탱크와 주입유량 조절이 가능한  metering pump 그리고 air atomizing 형식을 이용한 nozzle (0.4mm -ID)로 구성되어 있다. 반응기에 주입되는 배가스의 온도, 유량, diesel oil 증발온도 그리고 NO 및 NO2 농도는 digital 신호로 변환되어 PC를 통해 항시 monitoring 가능하다. 그리고 base NO 농도의 조절을 위해서 atomizing air를 이용하여 순수한 NO 가스를 주입하는 장치가 추가 설치되어있다.

3. 실험방법

Diesel oil을 이용한 선택적촉매 반응실험을 통하여 NO 및 NO2 제거실험이 이루어졌다. 본 가스발전소의 경우는 정상운전시 NO 농도가 50 ppm 이하이므로 정확한 촉매의 활성실험이 어려워 추가로 NO 가스를 주입하여 base NO 농도를 200∼250ppm으로 하여 NO 및 NO2 제거실험을 행하였다. 배가스의 유량은 850Nm3/hr로 조정하였고 이때 산소 농도는 16% 였다. Diesel oil은 metering pump에 의해 base NO 기준으로 1∼8w/w ratio로 injection nozzle로 보내지고 반응기 전단 mixing tank에 분사되게 하였다.

결과 및 토론

Diesel oil에 의한 NO 제거반응은 다음 mechanism에 의해 이루어진다.

Diesel Oil + O2 → Oxygenated HC intermediates                      (1)

Oxygenated HC + 2NO→ N2 + HC + O2                              (2)

HC+ 3/2O2 → CO2 + H2O                                        (3)

반응 (1)에서 Diesel oil은 산소와 반응하여 산화 hydrocarbon 중간체를 형성하고 반응 (2)에서 NO는 이 중간체와 반응하여 N2로 환원된다. 그리고 반응 (3)에 의해 미반응한 hydrocarbon은 다시 산소와 반응하여 CO2와 H2O로 산화된다.

Fig. 3 Variation of NO and NO2 vs. initial weight ratio of NO to Diesel oil (유량 : 850Nm3/hr, 반응온도 : 250oC)

Fig. 3은 배가스 유량이 850Nm3/hr, 최적반응온도 250℃에서 Diesel oil /NO(w/w) ratio에 따른 NO 및 NO2 의 제거율을 보여주고 있다.

Diesel oil의 주입량이 증가함에 따라 NO의 제거율이 40% 까지 증가하나 주입비 6 이상에서는 거의 일정한 값을 보이므로 Diesel oil /NO(w/w) ratio=6이 최적치임을 알 수 있다.

NO2 제거율에 있어서 Diesel oil을 주입하지 않거나 미량이 주입된 경우 제거율이 음의 값을 보이는 것은 NO가 촉매반응에 의해서 일부 NO2로 산화되었기 때문이며, 점차 환원제 주입량이 증가함에 따라 제거율이 증가함을 보이는 것은 NO2가 증가된 oxygenated intermediates와 반응하여 NO 또는 N2로 환원되기 때문이다.

본 연구에서 NO 제거율은 약 40% 그리고 NO2 제거율은 약 10%의 만족스럽지 못한 결과를 얻었지만 향후 공간속도, 배가스의 온도, 대체 환원제 주입등과 같은 반응조건의 변화에 따른 촉매의 활성 실험 및 촉매의 물성변화를 조사하여 최적의 공정변수를 찾아냄과 동시에 신 촉매의 개발를 통하여 가스발전소의 NO 및 NO2 제거효율을 개선하고자 한다.

참고문헌

1. Armor, J. N.: Applied Catalysis, 1, 221(1992).

2. Iwamoto, M and Yahiro, M.: Catalysis Today, 22, 5(1994).

3. Bosch, H. and Janssen, F.: Catalysis Today, 2, 369(1988).

4. Hamada, M.: Catalysis Today, 22, 21(1994).