중유버너 노즐 교체를 통한 NOx 저감 타당성 연구

김성철, 김태형, 문성홍*

한전 전력연구원 발전연구실 연소신발전그룹, 한전 제주지사 환경관리부*

A Study on the NOx Reduction through Change of the Oil Burner Nozzle

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

Advanced Power Generation & Combustion Group, KEPRI, KEPCO

서론

화석연료 연소시 보일러 내에서 발생하는 질소산화물(NOx)의 대부분은 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)로 존재하며, 일반적으로 NOx의 95% 이상은 NO 형태로 존재한다. NO는 무색, 무취의 유독성 가스이고, NO2는 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 연소전에 행하는 연료탈질 또는 연료교체 방법, 연소중에 행하는 연소개선1) 방법, 연소 후에 행하는 배연탈질 방법 등이 있으며, 본 연구에서는 연소개선에 의한 질소산화물을 저감하고자 중유버너노즐 교체방법을 적용하였다. 중유버너노즐은 형상2,3,4)에 따라 연료유의 분무상태(분산도, 분사각, 분무입경, 연료분무량, 분사매체량 등)와 연소상태가 달라지게 되여  연소조건이 변화하게 된다. 본 연구에서는 질소산화물 발생을 억제할 수 있는연소 조건이 되도록 중유버너노즐 형태 및 운전조건을 변경하여 10MW급 남제주화력 기력2호기에 적용 가능성 실험을 실시하였다.

노즐비교

남제주화력 보일러는 950kg/h 연소용량의 중유버너 4대가 설치되어 있고 노즐공 1개의 지름은 3.9mm, 노즐공의 개수는 8개이며, 분사각은 70°로 되어 있다(노즐 A). 본 연구에서 새로 설계된 버너노즐은 두가지 타입으로 한 타입은 분사각 70°인 기존 노즐과 같은 크기의 노즐공 7개와 노즐 중심에 지름 3.5mm 크기의 노즐공 1개를 뚫었다(노즐 B). 이 방법은 다단연소시 초기 연소영역을 연료과잉 상태로 하여 NOx를 저감하는 개념과 유사하다. 그러나, 이 경우 중심부에서 분출된 연료가 연료과잉 상태를 유지하기 때문에 화염이 길어진다. 특히, 연소용 공기 속도가 늦은 저부하 연소에서는 중앙부의 화염이 매우 길어지게 되므로 중앙부의 노즐공 지름을 다른 노즐공에 비해 작게 설계하였다. 또 다른 한 종류의 신규 노즐은 기존노즐보다 노즐공의 개수를 1개 줄인 대신 노즐공 지름을 4.2mm로 증대시켰다(노즐 C). 노즐공의 전체 단면적은 일정하게 유지하면서 노즐공 개수를 줄이는 이와 같은 방법은 화염길이 증가에 따른 질소산화물 저감효과외에 연료와 공기의 혼합특성 변화에 따른 영향 및 화염의 단면적 증가에 의한 화염강도 저하에 기인한 질소산화물 저감 효과를 기대 할 수 있다. 화염길이 증가에 따른 NOx 저감효과는 잘 알려진 방법으로 보일러의 벽면에 직접 화염이 닿는지 여부 등으로 평가할 수 있다.

실험

남제주 기력 보일러 2호기에서 현장시험을 실시했으며, 시험조건별 각 버너에 장착한 노즐배열은 Table 1과 같고, 시험조건별 버너 Gun 위치와 1차, 2차 공기댐퍼 위치는 Table 2와 같다.

Table 1. 실험조건별 노즐배열  Table  2.  실험조건별 공기댐퍼 및 Gun위치

실험조건	실험변수				비고
	1단		2단
	버너1	버너2	버너3	버너4
Ⅰ	A	A	A	-	버너 3대 운전
Ⅱ	A	B	B	-
Ⅲ	B	B	B	-
Ⅳ	C	C	C	-
Ⅴ	A	A	A	A	버너 4대 운전
Ⅵ	A	A	A	A
Ⅶ	A	A	B	A
Ⅷ	A	B	B	A
Ⅸ	C	C	C	C
Ⅹ	C	C	C	C

실험조건	실 험 변 수
	1차 공기 댐퍼위치				2차공기 댐퍼위치				건 위치
	버너1	버너2	버너3	버너4	버너1	버너2	버너3	버너4
Ⅰ	9	8	7	-	1	3	3	-	12
Ⅱ	9	8	7	-	1	2	1	-	11
Ⅲ	8	9	7	-	2	2	1	-	11
Ⅳ	10	10	10	-	2	2	2	-	10
Ⅴ	9	8	7	9	1	3	3	2	12
Ⅵ	10	10	10	10	2	2	2	2	10
Ⅶ	9	8	7	9	1	3	3	2	12
Ⅷ	9	8	7	7	1	2	1	2	11
Ⅸ	8	8	7	8	2	2	3	2	13
Ⅹ	10	10	10	10	2	2	2	2	10

결과 및 고찰

보일러 1단과 2단에 위치한 관찰창을 통해 광고온계를 사용하여 노내 화염온도를 측정하였다. 각 단별 측정위치는 좌측 앞쪽(1-L, 2-L), 버너 정면(1-1, 1-2, 2-3, 2-4), 우측 앞쪽(1-R1, 2-R1)과 뒤쪽(1-R2, 2-R2)이다.

1) 노내 화염온도

4번 버너를 제외한 버너 3대 운전시의 노내 화염온도 분포는 Fig. 1과 같다. 시험조건Ⅰ의 노내 화염온도는 1단에서 1,080∼1,480℃이고, 2단에서는 1,060∼1,420℃ 범위이며, 1-L에서 1,480℃로 최고 화염온도를 나타냈다. 시험조건Ⅱ의 노내 화염온도는 1단에서 1,180∼1,460℃, 2단에서 1,000∼1,390℃ 였다. 시험조건Ⅰ과 비교하여 1-1과 1-R2의 온도가 100∼110℃높고, 1-L, 2-3 및 2-4는 10∼20℃ 차이가 났으며, 그 외에서는 30∼70℃ 낮게 나타났다. 시험조건 Ⅲ에서의 노내 화염온도는 1단에서 1,180∼1,480℃, 2단에서 970∼1,390℃이었다. 시험조건Ⅰ과 비교하면 1단에서 1-L은 변화가 없고 1-R1에서 80℃ 낮았으며, 그 외에서는 100∼170℃ 상승했다. 2단에서는 2-R1의 차이는 없었으며, 그 외에는 40∼90℃ 낮았다. 시험조건Ⅳ의 노내 화염온도는 1단에서 1,060∼1,510℃, 2단에서 1,060∼1,370℃이었다. 시험조건Ⅰ과 비교하여 1단에서는 1-2의 온도변화는 없었으나, 1-L과 1-1은 30℃ 높고, 1-R1과 1-R2는 20℃ 낮았다. 2단에서는 2-3에서 140℃ 상승한 반면 다른 부위에서는 20∼90℃ 감소했다.

Fig.1 버너3대 운전시 로내 온도분포

버너 4대 모두 운전시의 노내 화염온도는 Fig. 2와 같으며, 시험조건Ⅴ의 노내 화염온도는 1단에서 1,100∼1,530℃이고, 2단에서 1,060∼1,440℃이었다. 1-L에서 최고 화염온도를 나타냈으며, 기존노즐 3대 운전과 비교하여 최고 화염온도가 50℃ 증가하였다. 시험조건Ⅵ는 시험조건Ⅴ와 노즐은 동일하나 Gun 및 공기 Damper 위치가 다른 조건이며, 노내 화염온도는 1단에서 960∼1,520℃, 2단에서 1,050∼1,450℃이었다. 시험조건Ⅴ와 비교하여 1단에서는 1-1 온도가 40℃ 높고, 1-L과 1-R1은 10∼20℃ 낮게 나타나 온도차이가 비교적 적었으나, 1-2와 1-R2는 120∼140℃ 낮아 온도차이가 컸다. 2단의 2-3에서 50℃ 낮아졌고, 다른 부위에서 온도차이는 10∼20℃로 비교적 미미하였다. 그러므로 Gun과 공기 Damper 위치가 변경된 경우 1-2와 1-R2의 온도변화가 심했다. 시험조건Ⅶ의 노내 화염온도는 1단에서 1,080∼1,510℃이고, 2단에서 1,040∼1,460℃이었다. 시험조건Ⅴ와 비교하여 1-1과 1-2 및 2-R1에서 20∼30℃ 높고, 그 외에서는 10∼40℃ 낮아졌다. 시험조건Ⅷ의 노내 화염온도는 1단에서 900∼1,480℃이고, 2단에서 960∼1,460℃이었다. 시험조건Ⅴ와 비교하여 1-R1과 1-R2 및 2-R2는 100∼200℃의 온도가 감소했으며, 그 외에는 50℃ 이내의 온도가 감소했다. 시험조건Ⅸ의 노내 화염온도는 1단에서 940∼1,530℃이고, 2단에서 990∼1,460℃이었다. 시험조건Ⅴ와 비교하여 1단에서는 1-L의 변화가 없었고, 1-1은 10℃ 상승했으며, 그 외에는 50∼70℃ 감소했다. 2단에서는 2-R2 온도가 70℃ 낮아졌고, 그 외에서 50℃ 이내의 상승이 있었다. 시험조건Ⅹ은 시험조건Ⅸ와 노즐은 같고, Gun 및 공기 Damper 위치가 시험조건Ⅵ과 같은 운전조건이다. 노내 화염온도는 1단에서 880∼1,520℃, 2단에서 1,000∼1,460℃이었다. 시험조건Ⅸ와 비교하여 1-1과 2-R2에서  10∼20℃ 온도가 높게 나타난 반면, 2-3에서 온도가 120℃ 낮고 그 외에는 60℃ 이내의 온도감소가 있었다. 시험조건Ⅵ과 비교하면, 1단의 경우 1-L은 변화가 없었고 1-2는 50℃ 상승했으며, 그 외는 10∼80℃ 낮았다. 2단의 경우 2-L 및 2-4는 20∼40℃ 높고 그 외는 10∼60℃ 낮았다.

Fig. 2 버너4대 운전시 로내 온도분포

Fig. 3  NOx 저감율 및 CO 저감농도

2) 배기가스 중의 NOx 및 CO 생성

Fig. 3의 실험조건별 NOx 배출농도는 실험조건Ⅴ의 NOx 배출농도를 기준으로 한 저감율과 실험조건별 CO 배출농도이다.

실험조건Ⅴ를 기준으로 시험조건Ⅰ을 비교하면 배기가스중 NOx 저감율은 12.9%이고, CO발생농도는 0ppm이였다. 시험조건Ⅱ에서는 시험조건Ⅴ에 비해 21.0%의 NOx 저감효과가 있었으나, 주증기 온도가 7℃정도 저하되는 현상이 나타났다. 시험조건Ⅲ에서는 질소산화물이 19.7% 저감되었으나, CO가 35ppm 검출되고 연소상태가 불량하여 연속운전이 불가능한 것으로 판단되었다. 시험조건Ⅳ에서는 기준 시험조건 Ⅴ보다 질소산화물 발생이 9.2% 증가하고, 16ppm의 CO가 발생했다.

시험조건Ⅵ은 시험조건Ⅴ와 동일한 노즐이나 버너 Gun 위치 및 공기 Damper 위치가 다른 조건으로 NOx 및  CO농도는 시험조건Ⅴ와 비교해 거의 변화가 없었다.  시험조건Ⅶ은 기준조건 Ⅴ에 비해 5.1% NOx 저감효과가 있었으나 CO가 38ppm 발생했다. 시험조건Ⅷ에서는 NOx 발생이 기준조건과 비교하여 8.8% 저감되었다. 시험조건Ⅸ에서는 기준조건 보다 NOx가 9.8% 증가 하였고, 동일한 노즐 장착조건에서 Gun과 공기Damper 위치를 시험조건Ⅵ과 동일하게 유지시킨 시험조건 Ⅹ에서는 시험조건Ⅴ 보다 NOx가14.9 % 증가하여 7 노즐공 노즐(노즐C)은 사용 곤란하였다.

결론

1. 남제주화력 기력 보일러에서 기존노즐을 사용하여  버너 4대 운전시 (조건Ⅴ)를 기준으로 할때 버너 3대 운전시 NOx 발생은 12.9% 증가하여 버너 3대 운전 방법이 유리함.

2. 버너 3대 운전시 2, 3번 버너에 중앙 노즐공 노즐(노즐 B)로 교체하면 기존노즐(조건Ⅰ)에 비해 질소산화물이 9.3% 저감되는 효과는 있으나, 주증기 온도가 저하하여 적용 곤란한 것으로 사료되며, 7 노즐공 노즐은(노즐 C) 기존노즐(조건Ⅰ)보다 NO가 약 3.9% 증가함.

3. 버너 4대 운전시 2, 3번 버너에 중앙 노즐공 노즐(노즐B)을 사용한 연소조건에서는 기존노즐(조건Ⅴ)에 비해 NOx가 8.8% 저감되었고, 7 노즐공 노즐은(노즐C) 기존노즐(조건Ⅴ)에 비해 NOx 발생이 최대 14.9% 증가하여 남제주화력 기력 보일러에는 7 노즐공 노즐(노즐 C)를 적용하는 것은 바람직하지 않았음.

참고문헌

1. W. J Phelan and S. Bortz: Studies on the infulence of burner design          parameters on NOx reduction when staging the combustion air for four       diverse coal, IFRF(1984)

2. Heap, M.P., et al.,: The optimization of burner design parameters to reduce    NOx formation in pulverized coal and heavy oil flames, NTIS PB-256         321(1976)

3. 實用 重油 燃燒  日本 中央熱管理協議會(1971)

4. 燃燒機器工學 日本 日刊工業新聞社(1971)