중유보일러의 질소산화물 저감에 관한 연구

김태형, 김성철, 홍성선*

한전 전력연구원 발전연구실 연소신발전그룹, 충북대학교 화학공학과*

A Study on the NOx Reduction of the Heavy-Oil Boiler

Tai-Hyeung Kim, Sung-Chul Kim and Sung-Sun Hong*

Advanced Power Generation & Combustion Group, KEPRI, KEPCO

School of Chemical Engineering, Chungbuk National University*

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 연소 전에 행하는 연료탈질 또는 연료교체 방법, 연소 중에 행하는 연소개선 방법, 연소 후에 행하는 배연탈질 방법 등이 있으며, 본 연구에서는 연소개선에 의한 질소산화물을 저감하기 위하여 중유버너노즐 교체 및 최적 운전조건 도출 방법을 병행하였다. 이와 같은 방법은 운영중인 기존 보일러에 쉽게 적용할 수 있음은 물론 경제적으로 매우 유리한 질소산화물 저감 방법이다.

이론

연소 중에 발생되는 NOx는 반응된 질소의 종류와 질소를 산화시키는 화학반응에 의해 공기중의 질소분자가 고온상태에서 산화되어 발생하는 Thermal NOx, 연소시 연료에서 발생되는 탄화수소 기가 연소용 공기중의 질소분자와 반응하여 생성되는 Prompt NOx 및 연료 중에 포함된 질소 성분이 연소 과정에서 산화되어 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 화염 후류 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.

실험

본 실험에 사용된 보일러는 발전용이며 중유전소 옥내 자연 순환형으로 버너가 2단 2열로 총 4개인 전면연소 방식으로서, 버너 한 개당 용량은 시간당 920kg이고, 최대 중유압력은 8□/□ (운전상한치 6□/□), 최대 증기분무압력은 9.5□/□ (운전상한치 7.5□/□)이다. 기존의 버너노즐은 혼합판(Mixing Plate)과 분사판(Spray Plate)이 한 조로 구성되며, 분사판에는 지름 3.5mm 크기의 노즐공이 8개 뚫어져 있고 분사각은 70°로 설계되어 있다. 본 실험에서는 기존노즐 대신 공기의 혼합특성을 조절하여 연소강도를 낮추고, 연소 초기영역의 산소농도와 화염온도를 낮추어 Thermal NOx의 생성이 억제되도록 하고자 함은 물론 분할 화염이 만들어지도록 하기 위하여 기존노즐과 노즐공 개수와 크기는 같으나, 분사각을 70°와 60°를 이루도록 개선하였다. 운전조건 변경은 각각의 버너에 부착된 1차공기와 2차공기 댐퍼 위치 및 버너 건 위치를 변경하면서 실험을 실시하였고, 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 실시하였고, 이를 근거로 하여 다음 실험조건을 진행하였다.

Table 1. 실험조건별 공기댐퍼 및 버너건 위치

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

결과 및 고찰

1) 질소산화물(NOx)과 일산화탄소(CO)

연돌에 설치된 배기가스 측정기로부터 NOx와 CO 배출농도 및 산소농도를 동시에 측정하였으며, 산소농도 4.0%를 기준으로 하여 질소산화물과 일산화탄소 배출농도를 계산하였다. Fig. 1에 나타낸 NOx 저감율은 실험전 배출농도와 각각의 실험조건에서 배출된 농도를 비교하여 표현한 것이며, CO는 실험조건별 배기가스 중의 농도이다. 그림과 같이 실험조건7 이후의 NOx 저감율은 모두 10%이하로 나타났으며, 실험조건10은 18.2%의 NOx 저감율을 나타냈다. CO 배출농도는 모든 조건에서 20ppm 이하로 나타나 연소상태가 양호한 것으로 나타났다. 운전조건 변화에 대한 NOx와 CO 발생 변화를 비교하면 고찰하고자 한다. 1번버너 1차댐퍼 위치만 서로 다르고 나머지 운전조건은 동일한 경우는 실험조건1과 5, 실험조건2와 4, 실험조건8과 9이다. 실험조건5는 실험조건1에 비해 NOx 발생이 3.2% 감소하였고, CO 배출농도 변화는 아주 미미하였다. 실험조건6은 실험조건2 보다 NOx 발생이 2.1% 저감되고 CO 배출농도는 거의 변화가 없었다. 실험조건8을 기준으로 실험조건9는 2.4%의 NOx 저감과 더불어 9ppm의 CO 발생이 증가하였다. 2번버너의 1차공기 댐퍼 위치만 각각 다른 운전조건을 실험조건1과 2, 실험조건3, 4 및 5, 실험조건9와 10이다. 실험조건2는 실험조건1에 비해 CO 발생 변화가 거의 없이 NOx가 2.9% 저감되었고, 실험조건3, 4 및 5는 CO 발생 변화는 차이는 거의 없고, NOx 발생 차이는 0.6-2.1% 이었다. 실험조건9와 10의 NOx 발생량 차이는 미미했으며, CO 발생 차이는 9ppm이었다. 실험조건2와 6, 실험조건7과 8은 3번버너 1차공기 댐퍼 위치만 서로 다른 운전조건이다. 실험조건2와 6을 비교하면 2%의 NOx 저감율 변화가 있고, CO 발생 변화는 무시할 수 있을 정도이었다. 실험조건7과 8의 CO 발생량 차이는 매우 적었으나, NOx 발생 저감율은 4.2%의 차이가 있었다. 실험조건6과 7은 4번버너 1차공기 댐퍼 위치만 서로 다른 운전조건이다. 실험조건7은 실험조건6에 비해 NOx 발생이 6.6% 저감되었으나, CO 발생 증가는 미미하였다. 1번버너 2차공기 댐퍼 위치만 서로 다른 경우는 실험조건9와 11이며, NOx 저감율 및 CO 발생 차이가 적었다. 실험조건9와 14는 2번버너 2차공기 댐퍼 위치만 서로 다르게 운전된 조건으로 NOx 저감율은 2.9%, CO 발생은 8ppm의 변화가 있었다. 실험조건10, 12 및 13은 모든 버너의 1차공기 및 2차 공기 댐퍼 위치는 동일하고 건 위치만을 변화시켜 운전한 것이다. 버너 건 위치가 9인 실험조건10을 기준으로 비교하면, 버너 건 위치가 8인 실험조건12는 NOx 저감율의 3% 감소와 3ppm의 CO 발생량이 증가했으며, 버너 건 위치가 10인 실험조건13은 3.5%의 NOx 발생량이 증가하고 CO 변화는 거의 없었다.

Fig. . NOx 및 CO 변화

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. 실험전 과열저감용 물 분사량은 시간당 2톤 이었고, 실험조건별 과열저감용 물 분사량은 Fig. 2와 같다. 실험조건1이 가장 많이 소비되었고, 실험조건11에서 가장 적게 소비되었다. 1번버너 1차공기 댐퍼 위치만 서로 다른 운전조건인 실험조건1과 5, 실험조건2와 4, 실험조건8과 9의 과열저감용 물 소비량을 차이를 비교해 보면 실험조건1과 5는 시간당 0.2톤, 실험조건2와 4는 변화가 없고, 실험조건8과 9는 시간당 0.2톤 이었다. 2번버너의 1차공기 댐퍼 위치만 서로 다르게 변화를 준 운전조건은 실험조건1과 2, 실험조건3, 4 및 5, 실험조건9와 10이다. 실험조건1의 과열저감용 물 소비량은 시간당 1.5톤이고, 실험조건2는 시간당 1.3톤으로 실험조건1보다 시간당 0.2톤 감소하였다. 실험조건3은 과열저감용으로 시간당 1.2톤의 물이 소비되었으나, 실험조건4와 5는 시간당 1.3톤 소비됨으로서 실험조건3에 비해 시간당 0.1톤 증가하였다. 3번버너 1차공기 댐퍼 위치만 서로 다른 경우는 실험조건2와 6, 실험조건7과 8이다. 실험조건2와 6의 과열저감용 물 소비량은 시간당 1.3톤으로 동일 하였고, 실험조건7과 8 사이에는 시간당 0.1톤의 차이가 나타났다. 실험조건6과 7은 4번버너 1차공기 대퍼 위치만 서로 다른 운전조건으로 실험조건6은 시간당 1.3톤, 실험조건7은 시간당 1.1톤 소비되어 시간당 0.2톤의 변화가 있었다. 1번버너 2차공기 댐퍼의 위치만 서로 다르게 운전된 경우는 실험조건9와 10이며, 실험조건9는 시간당 1톤, 실험조건10은 시간당 1.1톤으로 시간당 0.1톤의 차이가 있었다. 2번버너 2차공기 댐퍼 위치만이 서로 다른 운전조건인 실험조건9와 14의 시간당 과열저감용 물 소비량은 1톤으로 동일하였다. 버너 건 위치만 변화시킨 실험조건10, 12 및 13에서는 실험조건10과 13에서 시간당 1.1톤으로 동일하였고, 실험조건12에서는 시간당 0.1톤 감소하였다.

Fig. . Spray Water량 변화

결론

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

2) 중유버너노즐 교체와 운전조건 변경에 의한 방법으로 CO 발생량에 큰 증가 없이 NOx 발생을 18.2% 저감할 수 있었고, Spray Water 소비량 측면에서도 양호한 결과를 보였다.

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

4) 1차 공기댐퍼 위치를 1단보다 2단을 많이 개방하고 2차 공기댐퍼는 모두 동일하게 유지하는 조건에서 질소산화물 저감효과가 양호하였고, 1단 버너의 1차 공기댐퍼보다는 2단 버너의 1차 공기댐퍼 위치 조작시 질소산화물 발생에 큰 영향을 주었다.

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).