석탄화력발전소에서의 질소산화물 배출특성 연구

백점인, 천성남, 이태일, 박민석, 이태원, 김우영

한국전력공사 전력연구원 발전연구실

The Study on the Characteristics of the NOx Emission

in Coal-Fired Power Plant

Jeom-In Baek, Sung-Nam Chun, Tae-Il Lee, Min-Seok Park,

Tae-Won Lee, Woo-Young Kim

Korea Electric Power Research Institute, Korea Electric Power Corporation

서론

대기 중의 오염물질 증가에 따른 인간의 생활환경 악화가 날로 심각해짐에 따라 대기중 오염물질에 대한 관심이 증가하고 있다. 대기 중의 대표적인 오염물질 중의 하나인 질소산화물(NOx)의 증가는 불면증, 기침, 호흡촉진을 유발하고 산성비의 원인이 되기도 한다. 따라서 법적 규제를 통하여 질소산화물의 배출을 규제하고 있으며 법적 규제치 또한 점점 엄격해지고 있다. 이러한 규제에 따라 오염물질의 발생을 발생초기단계부터 제거하는 기술이 개발되고 있으며 질소산화물 또한 발생초기에 억제하는 방법이 모색되고 있다. 대형석탄화력발전소는 질소산화물의 주요 배출원으로서 배출량을 줄이기 위하여 연소방법의 개선, 질소산화물 저감설비 도입 등 여러 가지 방법이 강구되고 있다. 보일러내의 연소환경 개선은 NOx 발생량 저감방법 중 주요한 기술로 인정되고 있으며 많은 기술적 진보가 이루어졌다.

본 연구에서는 500 MW급 대형석탄화력발전소에 대해 추가적인 저감설비의 증설없이 NOx 발생량을 저감하기 위한 방법을 찾기 위하여 보일러내 연소조건 변화에 따른 NOx 배출특성을 조사하고 분석하였다.

실험

대형석탄화력발전소에서의 보일러내 연소조건을 결정하는 변수는 여러 가지가 있으나 본 실험에서는 크게 세 가지 경우로 나누어 NOx 배출량 변화에 대한 실험을 실시하였다.

첫째는 보일러내로 공급되는 연소탄의 혼소비율을 변경하였다. Bayswater탄을 기준탄으로 하여 MIM 및 대동탄을 Bayswater탄과 5:5 및 7:3으로 혼소하여 공급하였을 때 나타나는 NOx 발생량을 측정하였다. 각 탄의 특성 및 혼소탄의 특성을 표 1에 나타내었다.

둘째는 석탄의 연소에 필요한 공기 외에 과잉으로 공급되는 공기량을 변화시키면서 실험하였다. 연소용 과잉 공기량을 배출가스중의 산소농도를 기준으로 3.2 %와 3.5 %로 조절하면서 과잉산소량에 따른 질소산화물 생성량 변화를 조사하였다.

셋째는 보일러내로 석탄을 공급하는 통로인 A∼F의 6개의 미분기 중 5개 미분기를 ABCDE, ABCDF, ACDEF의 세 가지 경우로 조합하여 운전함으로써 석탄의 공급위치변경에 따른 질소산화물 배출농도변화를 측정하였다. A미분기는 보일러 하단에 위치하여 있으며 F미분기로 올라갈수록 상단에 위치해 있다. 따라서 ABCDE, ABCDF, ACDEF 운전방식순으로 석탄의 공급위치는 보일러 상단에 위치하게 된다.

위와 같은 세 가지 변수로 보일러 운전조건을 변경하면서 A, B duct로 나누어져 배출되는 보일러 배기가스의 질소산화물 농도를 공기예열기 전단에서 Testo350 (제작사 : Testo Gmbh & Co.) 배출가스 농도측정기를 사용하여 연속측정하고 두 duct에서 측정된 농도의 평균값을 분석자료로 사용하였다.  Overfire Air (OFA) damper bias는 일정하게 유지하였으며 Coal feeder bias도 고정시켜 운전하였다.

결과 및 토론

표 2에 과잉산소농도 기준값에 따라 보정된 질소산화물 배출농도값을 나타내었다. MIM탄을 혼소했을 경우가 대동탄을 혼소한 경우보다 NOx 배출농도가 높게 나타났다. 석탄 연료를 사용하는 보일러에서 질소산화물의 배출에 크게 영향을 주는 인자는 탄에 함유된 질소량과 고정탄소 및 휘발분의 함량이다. 일반적으로 질소함량이 높거나 휘발분에 대한 고정탄소의 비율인 연료비값이 높으면 질소산화물 배출이 높은 것으로 알려져 있다. 표 1에 나타내었듯이, MIM탄은 본 실험에 사용된 세 가지 석탄 중 상대적으로 중간 정도의 질소함량을 가지고 있지만, 연료비가 높은 편에 속하여 질소산화물 배출량이 높게 나타난 것으로 보여진다. 대동탄의 경우, 질소함량이 낮아 상대적으로 낮은 질소산화물 배출농도를 나타내는 것으로 보여진다. Bayswater 100% 탄과 Bayswater+대동탄 (5:5)의 경우 질소산화물 배출 농도가 비슷하게 나타났는데,  이는 전자가 질소함량은 높은

표 1. 탄종에 따른 성상

구분	Bayswater	MIM	대동	Bayswater + MIM		Bayswater + 대동
				5:5	7:3	5:5	7:3
질소함량(%)	2.00	1.59	1.02	1.80	1.88	1.52	1.71
고정탄소(%)	51.07	56.94	59.35	-	-	-	-
휘발분(%)	34.05	25.21	28.67	-	-	-	-
연료비 (고정탄소/휘발분)	1.5	2.3	2.1	1.9	1.74	1.8	1.68
발열량 (건식, Kcal/Kg)	7,073	6,945	7,279	7,009	7,035	7,176	7,135

표 2. 질소산화물 배출농도 측정값 (단위 : ppm)

과잉 산소농도	미분기 운전방식	탄종 및 혼탄율
		Bayswater+MIM (5:5)	Bayswater+대동 (5:5)	Bayswater+MIM (7:3)	Bayswater+대동 (7:3)	Bayswater 100%
3.2%	ABCDE	142	132	139	131	135
	ABCDF	172	162	164	153	162
	ACDEF	225	212	223	201	212
3.5%	ABCDE	147	144	148	138	144
	ABCDF	184	174	176	170	172
	ACDEF	237	222	238	212	223

반면 연료비가 낮고, 후자는 그 반대의 경우로 이들의 요인이 상호 작용하여 서로 비슷한 수준의 질소산화물 생성이 이루어진 것으로 보여진다. 따라서 석탄의 성상이 NOx 발생량에 영향을 미치는 주요한 인자임을 확인할 수 있었다.

그림 1에 이번 실험에서 측정된 질소산화물 배출농도값을 미분기운전방식, 탄종 및 과잉산소농도에 따라 종합적으로 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 미분기 운전방식에 따라 질소산화물 농도 값은 뚜렷한 차이를 나타내었는데 ABCDE, ABCDF, ACDEF 순으로 질소산화물 배출농도가 증가하였다. 이는 연료 공급 버너의 위치가 높아지면서 보일러 상부의 고온 영역에 추가적으로 국부적 열부하 집중이 일어나 고온에 의한 thermal NOx 생성량 증가에 의한 것으로 보여지며 또한 상부로 공급되는 연료에 의한 연소영역 확대로 OFA를 통한 2단 연소효과가 부분적으로 감쇄되었기 때문으로 보여진다. F skip운전에 비해 B skip 운전은 50∼60%의 NOx 배출량 증가가 있었다.

탄종별 산소농도를 3.2 %에서 3.5 %로 변경한 경우의 질소산화물 농도 변화를  표 3에 정리하였다. 당초 실험계획은 각 실험 조건별로 산소 농도를 3.2 %와 3.5 %로 조정할 계획이었지만 일상적인 발전운전상태에서는 과잉산소량을 일정하게 고정하기가 불가능하였다. 그 결과 실험결과에서는 보다 넓은 범위의 산소농도변화가 나타나 그림 1에 나타낸 바와 같이 각각의 혼탄율에서 2.9 % ~ 3.7 %로 넓게 조정되었다. 그림 1에 나타난 바와 같이 배출가스 중 산소농도변화에 따른 질소산화물의 농도는 탄종에 따라 달라지기는 하지만 대체로 산소농도가 증가하면 증가하는 것으로 나타났다. 배출가스 중 과잉산소 농도를 0.3 % (약 3.2 % → 3.5 %) 증가시켰을 때, B 미분기를 정지한 경우는 10~15 ppm, E 미분기를 정지한 경우는 10~13 ppm, F 미분기를 정지한 경우는 5~12 ppm의 NOx 농도 증가를 나타내어 연소탄의 공급이 상부에서 이루어질수록 NOx 생성량이 높은 것으로 나타났다. 이는 연료 공급이 고온의 상부영역에서 이루어지면서 NOx 생성에 유리한 환경이 형성되고, 여기에 NOx 생성에 필수적인 산소공급이 과잉으로 이루어져 보다 쉽게 질소산화물 생성이 이루어지는 상승작용효과가 나타났기 때문으로 보여진다.

이상의 실험결과를 종합분석한 결과 탄종변경, 과잉산소량변경, 미분기운전방식변경의 순으로 NOx배출량 조절효과가 큰 것으로 나타났다.

표 3. 과잉산소농도변화(3.2%→3.5%)에 따른 질소산화물 배출농도 변화량

(단위 : ppm)

미분기 운전방식	탄종 및 혼탄율
	Bayswater+MIM (5:5)	Bayswater+대동 (5:5)	Bayswater+MIM (7:3)	Bayswater+대동 (7:3)	Bayswater 100%
ABCDE	4.8(3.3%)	11.9(9.1%)	8.3(6.0%)	6.8(5.3%)	8.6(6.5%)
ABCDF	11.8(6.9%)	12.5(7.8%)	12.6(8.0%)	16.6(10.8%)	9.5(6.1%)
ACDEF	12.5(5.6%)	10.2(4.8%)	15.2(7.3%)	11.1(5.5%)	10.6(5.2%)

그림 1. 탄종별, 과잉산소농도별 질소산화물 배출농도 변화