선택적 비촉매환원법에 의한 연소가스 탈질기술 개발

김성수, 김동찬, 이영윤*, 박현규*, 조정국*, 최덕호**

한국에너지기술연구소 에너지환경 연구부, LG건설*, 충남대학교 환경공학과**

Development of a Selective Noncatalytic NOx Reduction Process

Seong-Soo Kim, Dong-Chan Kim, Young-Yoon Lee*, Hyun-Kyu Park*, Jeong-Kook Cho*, Deok-Ho Choi**

Korea Institute of Energy Research,

LG E&C*, Chungnam National University**

서론

선택적 비촉매환원법(Selective Noncatalytic NOx Reduction ; SNCR)은 환원제를 노내의 연소가스의 온도가 900∼1000oC인 지점으로 주입하여 연소공정에서 발생된 NO를 질소와 수증기로 환원시키는 연소가스 탈질기술이다. SNCR공정은 촉매를 사용하는 연소가스 탈질기술인 선택적 촉매환원법(Selective Catalytic NOx Reduction ; SCR)에 비하여 탈질효율이 비교적 낮으며 탈질반응이 환원제의 주입온도에 매우 민감한 단점이 있으나, 장치가 간단하여 초기설치비가 다른 NOx저감기술에 비하여 저렴하고 설치공간을 적게 필요로 하며,  특히 연소로의 운전 중에도 장치를 설치할 수 있는 큰 장점이 있다. 따라서, 이 공정은 전세계적으로 발전용 보일러와 산업용 보일러에서 발생되는 연소가스의 탈질 뿐만 아니라 소각가스의 탈질에도 많이 사용되고 있다. 우리나라의 경우도 이미 안양시 평촌 소각장에 설치되어 운전되고 있고, 여수시 한전 호남발전소 보일러에 설치되어 현재 시운전중에 있다.

SNCR 공정에서 사용되는 환원제로는 Ammonia와 Urea가 대표적이며 본 연구에서는 Urea를 환원제로 사용하였다. SNCR공정에서 연소가스로 Urea를 환원제로 주입하면, 주입된 Urea는 Fig. 1에서와 같이 Ammonia와 HNCO(Isocyanic Acid)로 분해되며, Ammonia와 HNCO는 각각 별개의 반응경로를 따라 탈질반응을 하게된다[1]. Urea와 NO 사이의 환원반응은 200∼300여개의 기본 라디칼반응으로 구성되어 있으며 다음과 같은 단일 총괄반응식으로 표현될 수 있다[2,3].

[eqn: (NH_2 )_2 CO {} + {} 2 {} NO {} + {} 1over2 {} O_2 {} -> {} 2 N_2 {}+{}CO_2 {} + {} 2H_2 O {}]	(1)

본 연구의 목적은 Bench 규모 실험장치에서 Urea를 환원제로 사용하여 Pilot 규모 또는 실규모 장치의 설계 및 운전자료를 확보하는 것이었으며, 환원제 주입온도, 환원제의 화학적 표준양론비(Normalized Stoichiometric Ratio ; NSR), 연소가스 체류시간과 같은 주요 공정변수가 NO저감효율에 미치는 영향이 조사되었다.

실험장치 및 방법

Fig. 2는 본 연구에서 사용된 Bench 규모 SNCR 실험장치의 구성도를 보여준다. 이 장치에서 연소가스는 LPG를 연소시켜 발생시켰으며, 연소가스는 장치의 후단에 설치된 터보 송풍기를 사용하여 이송되었다. 연소가스의 유량은 2.1 Nm3/min에서 일정하게 유지되었고, 발생된 연소가스로 99.9% NO 가스를 주입하여, 연소가스의 NO농도를 350 ppm으로 일정하게 유지하였다. 환원제인 Urea는 수용액 형태로 삼중관식 이유체노즐을 사용하여 연소가스가 흐르는 내경 18 cm의 덕트로 직접 분무하였다. Urea 용액을 주입시, 용액의 분무량은 일정하게 유지하고, 용액의 Urea 농도를 변화시킴으로써 Urea의 화학적 표준양론비를 1.0부터 2.0 사이에서 변화시켰다. 용액의 분무량을 일정하게 유지한 이유는 분무되는 Urea 용액의 액적 크기,  분무거리, 분무각도 등을 일정하게 유지하여 탈질반응에 미치는 유체역학적 영향을 일정하게 유지하기 위함이었다. 이 덕트의 내경은 18cm였으며 외부에 내열 및 단열 Castable을 설치하였다. 덕트의 길이 방향으로 연소가스의 온도측정을 위한 K-Type 열전대와 연소가스의 NO, CO, O2, NH3 농도를 측정하기 위한 Sampling Port가 50∼100 cm 마다 설치되었다. NO, CO, O2의 농도는 NDIR방식, NH3농도는 H3BO3를 흡수액으로 사용하는 중화적정법에 의해서 측정하였다.

결과 및 토론

Fig. 3은 반응기 입구에서의 연소가스 온도가 900∼1200℃일 때, 환원제 주입위치로부터의 연소가스의 체류시간 변화에 따른 온도변화를 보여준다. 반응기 입구에서의 연소가스 온도에 따라 다소의 차이는 있으나, Fig. 2의 장치에서 연소가스의 온도는 약 150∼170℃/sec의 비율로 감소하였다. 일반적으로 화력발전소의 노내에서의 연소가스 체류시간에 따른 온도감소율은 200℃/sec 정도로 알려져 있다.

Fig. 4는 환원제의 주입온도가 960℃일때 환원제 주입위치로부터의 체류시간 변화에 따른 NO저감효율을 보여준다. 이 그림에서 볼 수 있듯이, NSR에 따라 다소간의 차이는 있으나 NO제거반응은 체류시간이 0.5초에 도달하기 이전에 거의 완결되며 체류시간이 0.5초 이상으로 증가하여도 NO저감효율은 거의 일정하게 유지되었다.

Fig. 5는 환원제 주입온도가 NO저감효율에 미치는 영향을 보여준다. 환원제 주입온도는 840∼1050℃범위에서 약 50℃간격으로 변화시켰으며, 이 그림에서의 NO저감효율은 연소가스 체류시간이 약 0.8∼1.0초인 지점에서 측정된 값이다. 이 그림에서 볼 수 있듯이, NO저감효율은 환원제 주입온도가 840oC로부터 증가함에 따라 증가하여 960∼980℃부근에서 최대값에 도달하고 환원제 주입온도가 더이상 증가하면 오히려 감소하였으며, SNCR 반응의 이러한 온도 의존성은 NSR이 작을때보다 클때에 더 큼을 알 수 있다. SNCR 반응의 이러한 온도의존성은 환원제 주입온도가 낮을 때는 환원제의 NO제거 반응속도가 느려서 환원제가 미반응상태로 배출되나, 최적 환원제 주입온도에서는 환원제와 NO의 환원반응이 빠른 속도로 일어나서 NO가 N2로 환원되어 최대 NO저감효율에 도달하며, 그 이상의 고온에서는 환원제가 O2와 산화반응하여 환원제가 NO로 산화되어 NO저감효율이 낮기 때문으로 보인다[4]. Fig. 5의 결과는 Urea가 환원제로 사용될 때 최적 환원제 주입온도는 대략 960∼980℃이어야 함을 알 수 있다.

Fig. 6은 환원제 주입위치 후 연소가스 체류시간이 약 0.8∼1.0초인 지점에서  측정된 NSR의 변화에 따른 NO저감효율을 나타낸다. 이 그림으로부터 모든 환원제 주입온도에서 NSR이 증가함에 따라 NO저감효율은 증가하며, 이 증가분은 환원제 온도가 최적 값에 가까울수록 더 큰 것을 알 수 있다.

참고문헌

1.	Nalco Fuel Tech, NOXOUT Process Presentation to KEPCO, KHIC,	KIER (August 1997).

2.	Chen, W. and Phyfe, N., "Derivation and Application of a Global	SNCR Model in Maximizing NOX Reduction", Proceedings of DOE,	EPRI, EPA  Maga  Symposium (August 1997).

3.	Milller J. A., Bowman C. T., "Mechanism and Modeling of Nitrogen	Chemistry in Combustion", Prog. Energy Combust. Sci. Vol. 15, pp.	287-338 (1989).

4.	White, D. M., Nebel, K. L., Gundappa, M., Ferry, K. R., "NOx Control	Technologies Applicable to Municipal Waste Combustion",	EPA-600/R-94-208  (December 1994).

Fig. 1. NOx reduction with urea[1].

Fig. 2. Schematic of a bench scale SNCR process test unit.

Fig. 3. The variation of combustion gas temperature with residence time.		Fig. 4. The effect of combustion gas residence time on the NO removal efficiency.
Fig. 5. The effect of urea injection temperature on the NO removal efficiency.		Fig. 6. The effect of NSR on the NO removal efficiency.