KR102334460B1 - 연소 배기 가스 정화 시스템의 운용 방법 - Google Patents

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Abstract

오일 연료 및 석탄 연료를 동시에 또는 전환하여 연소시킬 수 있는 보일러, 환원제 주입기와 촉매 반응기를 갖는 탈질 장치, 보일러로부터 배출되는 연소 배기 가스를 탈질 장치로 유도하는 입구 연도, 탈질 장치로부터 연소 배기 가스를 유도하는 출구 연도, 입구 연도로부터 출구 연도로 탈질 장치를 우회하여 연소 배기 가스를 유도할 수 있는 바이패스, 및 바이패스 댐퍼를 구비하는 연소 배기 가스 정화 시스템에 있어서, 바이패스 댐퍼를 열어, 석탄 연소에 아직 적합하지 않은 상태의 보일러에서 오일 연료를 연소시키고, 보일러로부터 배출되는 연소 배기 가스가 탈질 장치와 바이패스로 나뉘어 흐르도록 하고, 보일러가 석탄 연소에 적합한 상태가 되었을 때에, 오일 연료로부터 석탄 연료로 전환하여, 보일러에서 석탄 연료를 연소시키고, 오일 연료로부터 석탄 연료로 전환한 후에 바이패스 댐퍼를 닫고, 그리고, 촉매 반응기가 탈질 반응에 적합한 상태가 되었을 때에, 환원제를 주입하는 것을 포함하는, 연소 배기 가스 정화 시스템의 운용 방법.

Description

연소 배기 가스 정화 시스템의 운용 방법
본 발명은 연소 배기 가스 정화 시스템의 운용 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은, 오일 연소에 의한 보일러 기동시에 있어서의 탈질 촉매로의 오일 연료의 미연분의 부착을 억제하면서, 탈질 장치의 온도를 보다 균일하게 또한 보다 짧은 시간에 상승시킬 수 있는 연소 배기 가스 정화 시스템의 운용 방법에 관한 것이다.
화력 발전소에서는 전력 수요에 따라, 매일 기동 정지 (DDS) 운전, 주말 기동 정지 (WSS) 운전 등을 실시하고 있다. 석탄은 연소성이 낮기 때문에, 보일러 화로의 내부의 온도 등의 조건이 갖추어지지 않으면, 석탄을 충분히 연소시킬 수 없다. 그래서, 석탄 연소 보일러에 있어서는, 경유, 중유 등의 연소성이 높은 오일 연료를 보일러 화로에 공급하여 연소를 개시시켜, 석탄 연소 가능한 보일러 화로의 내부의 온도 등의 조건이 확립되었을 때, 오일 연료로부터 석탄 연료로의 전환을 실시하는 경우가 있다 (특허문헌 1 이나 2 등).
암모니아 접촉 환원법 (SCR) 탈질 장치에서는, 배기 가스 중에 암모니아 (NH3) 를 주입하고, 250 ℃ ∼ 450 ℃ 의 온도에서 촉매를 통과시키면, NOx 와 NH3 이 반응하여, 무해한 질소와 수증기로 분해된다. 그러나, 기동 직후의 탈질 장치는, 촉매층의 온도가 낮기 때문에, NOx 의 환원 반응이 충분히 실시되지 않는 경우가 있다. 또, 습기를 포함한 배기 가스가 촉매층에서 결로되어 촉매 성능의 저하를 일으키는 경우가 있다.
그래서, 특허문헌 3 은, 연소 장치로부터 나오는 연소 배기 가스를 암모니아 환원 탈질 장치에 통과시켜 질소 산화물을 제거하는 방법에 있어서, 암모니아 환원탈질 장치로부터 나오는 처리 가스의 유로에 오존 산화 장치 및 질소 산화물의 흡착 처리 장치가 설치된 바이패스를 형성하고, 연소 장치의 기동 직후 등의 암모니아 환원 탈질 장치가 충분히 기능하지 않는 시기에는, 그 탈질 장치로부터 나오는 미반응의 질소 산화물을 함유하는 처리 가스를 상기 바이패스에 통과시키고, 그 처리 가스 중의 NO 를 NO2 및/또는 N2O5 로 산화시킨 후 흡착 처리함으로써 미반응의 질소 산화물을 제거하고, 암모니아 환원 탈질 장치가 충분히 기능하게 된 시점에서 바이패스를 닫도록 하는 것을 특징으로 하는 연소 배기 가스 중의 질소 산화물의 저감 방법을 개시하고 있다.
또, 결로 등의 대책으로서, 특허문헌 4 는, 미처리 가스를 탈질 장치로 유도하는 입구 연도 (煙道) 와, 처리 가스를 유도하는 출구 연도를 접속하여, 암모니아 주입관으로부터의 암모니아에 의해 질소 산화물을 탈질하는 것에 있어서, 상기 입구 연도와 출구 연도의 적어도 일방에 순환 덕트를 형성하고, 이 순환 덕트의 도중에 연도의 습분을 제거하는 제습 수단을 배치한 것을 특징으로 하는 탈질 장치를 개시하고 있다.
일본 공개특허공보 2006-125808호 일본 공개특허공보 2006-162208호 일본 공개특허공보 평7-75717호 일본 공개특허공보 소62-106825호
오일 연료로부터 석탄 연료로의 전환 운용에 있어서는, 오일 연소시에 미연분이 연소 배기 가스에 함유되어 있는 경우가 있다. 미연분이 촉매 표면에 부착된 경우에 적절한 대응이 실시되지 않으면 촉매에 악영향을 미치는 경우가 있다. 그래서, 오일 연소시에는 촉매층에 연소 배기 가스가 통과하지 않게 하고, 오일 연소로부터 석탄 연소로 전환한 후에 촉매층에 연소 배기 가스가 통과하도록 하는 운용 방법을 실시하는 경우도 있다. 이 운용 방법에 있어서는, 오일 연소로부터 석탄 연소로 전환했을 때의 연소 배기 가스의 온도가 비교적 고온이므로, 연소 배기 가스가 탈질 장치에 흐르기 시작했을 때에 탈질 장치가 급격하게 가열되어, 촉매나 덕트 등에 큰 온도차가 발생하여, 그것들에 손상을 주는 경우가 있다. 급격한 온도 상승을 발생시키지 않도록 촉매층에 흐르게 하는 연소 배기 가스의 양을 서서히 늘려 가는 것도 생각할 수 있지만, 유량 조정을 위한 특별한 기구가 필요하게 되고, 또 SCR 의 기동이 늦어지는 경우가 있다.
본 발명의 과제는, 오일 연소에 의한 보일러 기동시에 있어서의 탈질 촉매로의 오일 연료의 미연분의 부착을 억제하면서, 탈질 장치의 온도를 보다 균일하게 또한 보다 짧은 시간에 상승시킬 수 있는 연소 배기 가스 정화 시스템의 운용 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해 검토한 결과, 이하와 같은 양태를 포함하는 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
[1] 오일 연료 및 석탄 연료를 동시에 또는 전환하여 연소시킬 수 있는 보일러, 환원제 주입기와 촉매 반응기를 갖는 탈질 장치, 보일러로부터 배출되는 연소 배기 가스를 탈질 장치로 유도하는 입구 연도, 탈질 장치로부터 연소 배기 가스를 유도하는 출구 연도, 입구 연도로부터 출구 연도로 탈질 장치를 우회하여 연소 배기 가스를 유도할 수 있는 바이패스, 및 바이패스 댐퍼를 구비하는 연소 배기 가스 정화 시스템에 있어서,
바이패스 댐퍼를 열어, 석탄 연소에 아직 적합하지 않은 상태의 보일러에서 오일 연료를 연소시키고, 보일러로부터 배출되는 연소 배기 가스가 탈질 장치와 바이패스로 나뉘어 흐르도록 하고,
보일러가 석탄 연소에 적합한 상태가 되었을 때에, 오일 연료로부터 석탄 연료로 전환하여, 보일러에서 석탄 연료를 연소시키고,
오일 연료로부터 석탄 연료로 전환한 후에 바이패스 댐퍼를 닫고,
그리고, 촉매 반응기가 탈질 반응에 적합한 상태가 되었을 때에, 환원제를 주입하는 것을 포함하는, 연소 배기 가스 정화 시스템의 운용 방법.
[2] 바이패스 댐퍼를 공기식 액추에이터로 구동시키는, [1] 에 기재된 방법.
[3] 바이패스 댐퍼가 온·오프 제어식 댐퍼인, [1] 에 기재된 방법.
[4] 탈질 장치와 바이패스에 5 : 95 ∼ 40 : 60 의 비율로 연소 배기 가스가 나뉘어 흐르는, [1] 에 기재된 방법.
본 발명의 방법에 의하면, 오일 연소에 의한 보일러 기동시에 있어서의 탈질 촉매로의 오일 연료의 미연분의 부착을 억제하면서, 탈질 장치의 온도를, 종래의 운용법에 비해, 보다 균일하게 또한 보다 단시간에 상승시킬 수 있다. 탈질 장치의 온도를 균일하게 상승시킬 수 있으므로, 온도차에 의해 발생하는 경우가 있는 탈질 장치 각 부의 변형, 탈질 반응의 불균일, 그 밖의 지장을 작게 할 수 있다. 탈질 장치의 온도를 단시간에 상승시킬 수 있으므로, 보일러 기동으로부터 차만큼 늦어지지 않고 연소 배기 가스의 탈질 처리를 개시할 수 있다.
도 1 은, 연소 배기 가스 정화 시스템의 일례를 나타내는 개념도이다.
도 2 는, 보일러 기동 후의 촉매층의 온도 변화의 일례를 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 구체적으로 설명한다. 또한, 이하의 실시형태에 의해 본 발명의 범위는 제한되지 않는다.
도 1 에 나타내는 연소 배기 가스 정화 시스템은, 오일 연료 및 석탄 연료를 동시에 또는 전환하여 연소시킬 수 있는 보일러 (1), 환원제 주입기 (3) 와 촉매 반응기 (5) 를 갖는 탈질 장치, 보일러 (1) 로부터 배출되는 연소 배기 가스를 탈질 장치로 유도하는 입구 연도 (12), 탈질 장치로부터 연소 배기 가스를 유도하는 출구 연도 (13), 입구 연도로부터 출구 연도로 탈질 장치를 우회하여 연소 배기 가스를 유도할 수 있는 바이패스 (11), 및 바이패스 댐퍼 (4) 를 구비한다.
도 1 에 나타내는 연소 배기 가스 정화 시스템에 있어서는, 유인 팬 (9) 및 예열기 (8) 를 거쳐 공기를 보일러의 화로 (14) 에 공급한다. 버너에 오일 연료 또는 석탄 연료가 공급되고 그것들이 화로 (14) 내에서 연소된다. 화로에서 얻어진 고온의 연소 가스는, 대류 전열부를 거쳐, 과열기, 재열기, 절탄기 등을 통과한다. 보일러에서 사용된 연소 가스는, 연소 배기 가스로서 보일러로부터 배출되어, 입구 연도 (12) 로 유도된다. 또한, 보일러 (1) 로부터 배출된 후, 입구 연도 (12) 로 유도되기 전에, 연소 배기 가스가, 냉각탑, 알칼리 분무탑, 백 필터 (집진 장치) 또는/및 그 밖의 장치를 통과하도록 해도 된다.
탈질 장치는, 환원제 주입기 (3) 와 촉매 반응기 (5) 를 갖는다. 환원제 주입기 (3) 에 있어서 암모니아 등의 환원제가 입구 연도 (12) 에 주입된다. 연소 배기 가스와 환원제의 혼합 가스는 촉매층 (6) 이 설치된 촉매 반응기 (5) 로 유도된다. 소정 온도 (예를 들어 250 ∼ 450 ℃) 에서 촉매층 (6) 에 혼합 가스가 접촉하면, NOx 의 환원 반응이 진행된다. 단, 보일러 기동 직후에는, 촉매층의 온도가 아직 낮아, 환원제를 주입해도 NOx 의 환원 반응이 그다지 진행되지 않는다. 또, 저온 상태에서 암모니아를 주입하면 NOx 의 환원 반응보다 황산암모늄의 생성 반응 등이 우세해지는 경우도 있다. 연소 배기 가스가 갖는 열에너지에 의해 탈질 장치가 가열되어 촉매층의 온도가 상승하는데, 급격한 가열은, 온도의 불균일을 발생시켜, 탈질 장치의 각 부에 변형 등의 지장을 일으키는 경우가 있다. 본 발명에 있어서는 후술하는 방법에 의해, 탈질 장치의 온도를 균일하게 또한 단시간에 상승시킬 수 있다.
촉매 반응기를 통과한 연소 배기 가스를 출구 연도 (13) 로 유도한다. 연소 배기 가스가 갖는 열에너지는 공기 예열기 (8) 에서 공기를 따뜻하게 하기 위해서도 사용할 수 있다. 그리고, 연소 배기 가스를 연돌 (10) 에 의해 대기에 방출시킬 수 있다. 또한, 출구 연도 (13) 로부터 연돌 (10) 에 이르는 동안에는, 전기 집진 장치, 탈황 장치, 탈 CO2 장치 또는/및 그 밖의 장치가 추가로 설치되어 있어도 된다. 도 1 에 나타내는 시스템에서는, 댐퍼 (2, 7) 가 탈질 장치의 입구 및 출구에 각각 설치되어 있지만, 바이패스 댐퍼 (4) 에 의해 탈질 장치를 통과하는 연소 배기 가스의 양을 조절할 수 있는 경우에는 댐퍼 (2, 7) 를 설치하지 않아도 된다. 탈질 장치 입구 댐퍼 (2) 및 탈질 장치 출구 댐퍼 (7) 는, 전동식 액추에이터로 구동시키는 것이 바람직하다. 또, 탈질 장치 입구 댐퍼 (2) 및 탈질 장치 출구 댐퍼 (7) 는 비례 제어식 댐퍼인 것이 바람직하다. 탈질 장치 입구 댐퍼 (2) 또는 탈질 장치 출구 댐퍼 (7) 의 개도를 변경함으로써, 탈질 장치를 통과하는 연소 배기 가스의 양을 조절할 수 있다.
바이패스 (11) 는, 입구 연도 (12) 로부터 출구 연도 (13) 로, 탈질 장치를 우회하여, 연소 배기 가스를 유도할 수 있는 유로이다. 바이패스 (11) 에는 바이패스 댐퍼 (4) 가 설치되어 있다. 바이패스 댐퍼 (4) 는 공기식 액추에이터로 구동시키는 것이 바람직하다. 또, 바이패스 댐퍼 (4) 는 온·오프 제어식 댐퍼인 것이 바람직하다.
본 발명의 방법은, 연소 배기 가스 정화 시스템에 있어서, 먼저, 바이패스 댐퍼 (4), 탈질 장치 입구 댐퍼 (2) 및 탈질 장치 출구 댐퍼 (7) 를 연다. 그리고, 보일러 화로 (14) 에서 오일 연료를 연소시킨다. 기동시의 보일러는, 화로 (14) 의 온도가 낮아, 석탄 연소에 아직 적합하지 않은 상태에 있지만, 오일 연료는 연소성이 높아 저온 하에 있어서도 연소시킬 수 있다. 단, 저온 하에서의 오일 연소에 의해 발생하는 연소 배기 가스에는 탈질 촉매를 열화시킬 우려가 있는 미연분 (오일 미스트 등) 이 함유되어 있는 경우가 있다. 본 발명의 방법은, 오일 연소를 실시하고 있는 동안, 보일러로부터 배출되는 연소 배기 가스를, 탈질 장치와 바이패스로 나누어 흐르게 한다. 이와 같이 함으로써, 연소 배기 가스 중의 미연분에 의한 탈질 촉매의 열화의 억제와, 연소 배기 가스가 갖는 열에너지에 의한 탈질 장치의 온도 상승의 촉진을 양립시킬 수 있다. 탈질 장치를 흐르는 연소 배기 가스의 양에 대한 바이패스를 흐르는 연소 배기 가스의 양의 비는, 바람직하게는 60/40 ∼ 95/5, 보다 바람직하게는 70/30 ∼ 90/10 이다.
보일러 화로의 온도가 상승하여, 석탄 연소에 적합한 상태가 되었을 때에, 오일 연료로부터 석탄 연료로 전환하여, 보일러 화로에서 석탄 연료를 연소시킨다. 오일 연료로부터 석탄 연료로 전환한 후에, 바이패스 댐퍼 (4) 를 닫는다. 이로써 연소 배기 가스의 거의 전부가 탈질 장치에 흐르게 되어, 탈질 장치의 온도 상승이 더욱 촉진된다. 또한, 촉매층의 온도가 소정치 (예를 들어, 250 ℃ 등) 보다 낮은 동안에는, 암모니아를 주입해도, NOx 의 환원 반응이 충분히 진행되지 않고, 황산암모늄 생성 반응 등의 부반응이 진행되기 쉽다.
이어서, 촉매 반응기가 탈질 반응에 적합한 상태가 되었을 때에, 환원제의 주입을 시작한다. 본 발명의 방법에 의하면, 보일러 기동으로부터 환원제의 주입의 개시, 즉 보일러 기동으로부터 NOx 의 환원 반응의 개시까지의 시간을, 종래의 방법에 비해 대폭 단축시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 운용 방법에 의한 효과를 실시예와 비교예를 나타내는 것에 의해 보다 상세하게 설명한다.
실시예 1
도 2 중의 실선은, 도 1 에 나타내는 연소 배기 가스 정화 시스템에 있어서, 본 발명의 운용 방법을 실시했을 때의 촉매층의 온도 변화의 일례를 나타낸다. 보일러 기동시 온도로부터 환원제 주입 가능 온도까지 거의 일정한 속도로 촉매층의 온도가 상승하였다. 연료 전환 후 (보일러 기동으로부터 약 200 분간 경과시) 에 바이패스 댐퍼를 닫아도, 촉매층의 온도 상승의 속도에 급격한 변화가 없었다. 보일러 기동으로부터 약 800 분간 경과했을 때 (A) 에 촉매층은 암모니아 주입이 가능한 온도가 되었다.
비교예 1
도 2 중의 파선은, 도 1 에 나타내는 연소 배기 가스 정화 시스템에 있어서, 먼저, 바이패스 댐퍼 (4) 를 열고 또한 탈질 장치 입구 댐퍼 (2) 및 탈질 장치 출구 댐퍼 (7) 를 닫은 상태에서, 보일러를 오일 연소로 기동시켜, 연료 전환 후 (보일러 기동으로부터 약 200 분간 경과시) 에 바이패스 댐퍼를 닫고, 동시에 탈질 장치 입구 댐퍼 (2) 및 탈질 장치 출구 댐퍼 (7) 를 연다는 운용을 실시했을 때의 촉매층의 온도 변화를 나타낸다. 기동 직후, 덕트 등을 열전도하여 촉매층의 온도가 약간 상승하였다. 연료 전환 후 (보일러 기동으로부터 약 200 분간 경과시) 에 바이패스 댐퍼 (4) 를 닫고, 동시에 탈질 장치 입구 댐퍼 (2) 및 탈질 장치 출구 댐퍼 (7) 를 열면, 연소 배기 가스로부터의 열 전달 (대류 전열) 에 의해 촉매층의 온도가 급격하게 상승하였다. 이 때, 탈질 장치 각 부에 큰 온도차 (히트 쇼크) 가 발생하였다. 보일러 기동으로부터 약 900 분간 경과했을 때 (B) 에 촉매층은 암모니아 주입이 가능한 온도가 되었다.
비교예 2
도 2 중의 일점쇄선은, 도 1 에 나타내는 연소 배기 가스 정화 시스템에 있어서, 먼저, 바이패스 댐퍼 (4) 를 열고 또한 탈질 장치 입구 댐퍼 (2) 및 탈질 장치 출구 댐퍼 (7) 를 닫은 상태에서, 보일러를 오일 연소로 기동시켜, 연료 전환 후 (보일러 기동으로부터 약 200 분간 경과시) 에 바이패스 댐퍼를 서서히 닫으면서, 동시에 탈질 장치 입구 댐퍼 (2) 및 탈질 장치 출구 댐퍼 (7) 를 서서히 연다는 운용을 실시했을 때의 촉매층의 온도 변화를 나타낸다. 기동 직후, 덕트 등을 열전도하여 촉매층의 온도가 약간 상승하였다. 연료 전환 후 (보일러 기동으로부터 약 200 분간 경과시) 에 바이패스 댐퍼 (4) 를 200 분간에 걸쳐 서서히 닫고, 동시에 탈질 장치 입구 댐퍼 (2) 및 탈질 장치 출구 댐퍼 (7) 를 200 분간에 걸쳐 서서히 열자, 촉매층의 온도가 일정 속도로 상승하였다. 보일러 기동으로부터 약 1200 분간 경과했을 때 (C) 에 촉매층은 암모니아 주입이 가능한 온도가 되었다.
1 : 보일러
2 : 탈질 장치 입구 댐퍼
3 : 환원제 주입기
4 : 바이패스 댐퍼
5 : 촉매 반응기
6 : 촉매층
7 : 탈질 장치 출구 댐퍼
8 : 공기 예열기
9 : 유인 팬
10 : 연돌
11 : 바이패스
12 : 입구 연도
13 : 출구 연도
14 : 화로

Claims (4)

  1. 오일 연료 및 석탄 연료를 동시에 또는 전환하여 연소시킬 수 있는 보일러, 환원제 주입기와 촉매 반응기를 갖는 탈질 장치, 보일러로부터 배출되는 연소 배기 가스를 탈질 장치로 유도하는 입구 연도, 탈질 장치로부터 연소 배기 가스를 유도하는 출구 연도, 입구 연도로부터 출구 연도로 탈질 장치를 우회하여 연소 배기 가스를 유도할 수 있는 바이패스, 및 바이패스 댐퍼를 구비하는 연소 배기 가스 정화 시스템에 있어서,
    바이패스 댐퍼를 열어, 석탄 연소에 아직 적합하지 않은 상태의 보일러에서 오일 연료를 연소시키고, 연소 배기 가스 중의 미연분에 의한 탈질 장치 내에 있는 탈질 촉매의 열화를 억제하면서 또한 탈질 장치의 온도를 상승시키도록, 보일러로부터 배출되는 연소 배기 가스가 탈질 장치와 바이패스로 나뉘어 흐르도록 하고,
    보일러가 석탄 연소에 적합한 상태가 되었을 때에, 오일 연료로부터 석탄 연료로 전환하여, 보일러에서 석탄 연료를 연소시키고,
    오일 연료로부터 석탄 연료로 전환한 후에 바이패스 댐퍼를 닫고,
    그리고, 촉매 반응기가 탈질 반응에 적합한 상태가 되었을 때에, 환원제를 주입하는 것을 포함하는, 연소 배기 가스 정화 시스템을 기동할 때의 운용 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    바이패스 댐퍼를 공기식 액추에이터로 구동시키는, 연소 배기 가스 정화 시스템을 기동할 때의 운용 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    바이패스 댐퍼가 온·오프 제어식 댐퍼인, 연소 배기 가스 정화 시스템을 기동할 때의 운용 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    탈질 장치와 바이패스에 5 : 95 ∼ 40 : 60 의 비율로 연소 배기 가스가 나뉘어 흐르는, 연소 배기 가스 정화 시스템을 기동할 때의 운용 방법.
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