KR19990026528A - 화석연료 화력발전시 질소 산화물의 발생량절감 또는 제거 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기 대신 산소를 산화제로 이용하여 화석 연료 화력 발전시 발생하는 NO_X의 양을 절감시키거나 또는 완전히 제거하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 중유, LNG, 석탄 등 화석 연료의 연소를 기본 에너지원으로 하는 화력발전 방식에 있어서, 산화제로서 통상 사용하는 공기 대신에 산소(O₂)를 사용함으로써 연소시 질소를 배제하여 NOx 가스 배출을 원천적으로 제거하는 것으로 이루어진다. 또한, 석탄 화력발전시에는 산소 분위기에서 연료를 고온 완전 연소시켜 미연탄소 문제가 심각한 분말 플라이 애쉬 대신 용융 플라이 애쉬(Fly Ash)를 부산물로 생산하면 이를 이용하여 여러 가지의 유용한 토목 건축 자재를 생산할 수 있다. 본 발명의 방법에 의하면, 특별한 기술이나 장비의 오랜기간 개발을 거치지 않고도 배연 가스의 원천 탈질이 가능하며, 연료 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 수트 제거 및 집진 비용 또한 절감된다.

Description

화석연료 화력발전시 질소 산화물의 발생량 절감 또는 제거 방법

본 발명은 농축 산소 공기 또는 고순도의 산소를 이용하여 화력 발전시 발생하는 NO_X의 양을 절감시키거나 또는 완전히 제거하는 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 본 발명은 중유 등 연료유, LNG 등 연료 가스, 석탄 등 화석 연료의 연소를 기본 에너지원으로 하는 화력발전 방식에 있어서, 산화제로서 통상 사용하는 공기 대신에 산소(O₂)를 사용하여 연소시 질소를 배제하여 NOx 가스 배출을 원천적으로 제거함과 동시에, 산소 분위기에서 연료를 고온 완전 연소시켜 미연탄소 문제가 심각한 플라이 애쉬 대신 용융 플라이 애쉬(Fly Ash)를 생산하여, 이를 이용하여 여러 가지의 유용한 토목건축 자재를 생산이 가능하게 하는 방법에 관한 것이다.

1. 화석연료 화력발전시 에너지 효율 증가의 필요성

현재 세계 인구증가와 아울러 생활 수준의 향상으로 인하여 막대한 양의 에너지가 소모되고 있는데, 그 중에서도 화력 발전 에너지가 차지하는 비율은 매우 크다. 우리나라에서도 1996년 말 현재 한전 및 민자 화력발전시설은 중유, LNG, 석탄, 내연력, 복합 화력발전기 등 총 183대로서 그 시설 용량은 23,000 MW에 이르고 그 발전량만도 121 GWh에 이르렀다. 이에 더하여 앞으로 10년 이내에 발전량이 약 두 배 정도 증가될 것으로 추산되고 있는 바, 이 모든 에너지 자원의 거의 전량을 수입해야 하는 우리로서는 이들 연료의 연소 효율의 증가를 통한 발전효율 증가는 매우 중요한 국가적 과제의 하나이다.

2. 배연 탈질(Flue Gas De-NOx)의 필요성

한편, 이와 같은 화력발전에 수반되어 발생하는 유해물로서는 SOx, NOx 및 CO₂가 있으며, 그 중 SOx와 NOx는 산성비의 원인이 되고 있고, CO₂는 온실 가스 문제 유발원중의 하나이다. 그 동안 우리나라를 비롯한 선진 세계 여러나라들에서는 강력한 대기 환경보존법의 실시로 여러 가지 SOx 절감 기술이 개발되어 적용되고 있다. 한국전력 공사에서는 과거 몇 년간 네 곳의 석탄화력발전소에 약 10 억불에 해당하는 배연탈황 시설들을 신규로 설치하고 있는 실정이다.

배연가스 중 NOx의 제거는 촉매 탈질법, 비촉매 탈질법 등을 포함하여 여러 가지 방법들을 이용하여 아직도 시험 개발 중에 있으며, 최근에 이르러서야 미국, 일본을 비롯한 구미 제국에서부터 시험적으로 실시되고 있다. 그러나, 이들 배연탈질 방법들의 완전한 상업적 개발에는 아직도 많은 시간이 필요할 것으로 보이고, 앞으로 더 많은 투자와 운전비용이 소요된다는 점에 문제의 심각성이 있다. 세계적 추세에 맞추어 우리나라도 모든 화력발전소에서 NOx 배출을 일정량 이하로 감소시켜야 하므로 그러한 방법은 시급히 시행되어야 한다.

3. 석탄 화력발전시 플라이 애쉬(Fly Ash) 중 미연탄소 문제의 심각성

현재 우리나라에서 석탄화력 발전시 사용되는 수입 유연탄에는 약 5-15 %, 국내 생산 무연탄에는 약 40-50 %의 회성분(Ash)이 있어, 석탄 화력 발전으로 인하여 연간 약 300 만톤의 석탄회가 발생되고 있다. 이들 석탄회의 발생은 발전시설 증가에 따라 앞으로 10년 이내에 2 배로 늘어나 연간 약 600 만톤에 이를 것으로 추정된다. 현재 이들 석탄회의 대부분은 발전소 근처에 댐을 만들어 놓고 여기에 슬러리 (Slurry) 펌프로 운송 저장하여 매립하고 있고, 그중 일부만을 정제한 후 시멘트와 혼용하여 사용하고 있는 실정이다. 한편, 날로 심각해져 가는 환경 문제는 이제 더 이상 이들 석탄회를 폐기만 할 수도 없는 실정에 이르렀다. 석탄회 매립지를 최소한으로 하여 발전소 건설부지 비용을 절감하는 것은 물론, 오늘날 같이 새로운 발전소 건설 입지 선정에 어려움이 많을 때 석탄회를 전량 재활용하여 넓은 매립지의 필요성을 원천적으로 제거하여 신규 발전소 건설에 도움이 되도록 함이 시급하다.

이들 석탄회의 70 - 80 %에 해당하는 플라이 애쉬는 포졸란 (Pozzolan) 특성이 있어 기존의 시멘트와 함께 고성능 콘크리트 제조에 활용하는 방안에 대한 연구 개발이 본격적으로 이루어지고 있다. 약 2000여년이 넘은 로마 시대의 콘크리트 건축물들이 보여 주듯이 오늘날 콘크리트의 시작은 플라이 애쉬 같이 포졸란 특성이 있는 화산재를 사용함에서 비롯되었다. 따라서, 인공 화산재의 특성을 갖는 플라이 애쉬의 고성능 콘크리트에의 활용은 매우 적합하고도 필요하다.

또 다른 한편, 우리나라는 시멘트의 생산 및 소비가 많은 국가 중 하나이다. 그런데, 이 시멘트 산업은 알루미늄 생산업 다음으로 에너지가 많이 들어가는 산업이다. 또한 시멘트 생산에는 석회석을 소성하는 공정의 특성상 온실 가스로 전 세계적 규제 움직임이 있는 CO₂가 대량 배출된다. 따라서 고에너지성 시멘트를 가능한한 플라이 애쉬로 대체하여 고성능 콘크리트에 활용함은 국가적 에너지 절감뿐만 아니라 다가오는 세계적 CO₂규제에도 부응하는 일석이조의 효과가 있다.

그러나, 플라이 애쉬의 고성능 콘크리트로의 활용에는 여러 가지의 특성상 이들 플라이 애쉬 중 미연탄소 성분 (LOI)이 3 % 이내이어야 한다는 현실적 문제점이 있다. 현재 석탄 화력 발전소에서 생산되는 플라이 애쉬들은 4 - 6 %의 LOI를 포함하고 있다. 더욱이, 현재 개발되고 있는 대부분의 질소 산화물 저감 시스템(Low-NOx system)은 연소 NOx를 줄이기 위하여 연소 온도를 낮추는 방법을 사용하므로, 연소 효율이 더욱 낮아져서 일부 선진 국가에서의 예를 보면 플라이 애쉬의 미연탄소 함량은 10 -12 %까지 올라가는 것을 볼 수 있다. 따라서, 이들 플라이 애쉬는 정제한 후에만 활용될 수 있기 때문에 이것의 효과적고 경제적인 정제 기술의 개발이 절대적으로 요망되고 있다. 우리나라에서도 삼천포 화력발전소를 비롯 여러곳에 이와 같은 플라이 애쉬 정제 공장이 설립, 운영되고 있다. 그러나, 이와 같은 정제 기술의 개발은 아직 초보 단계에 있어 그 상업화에는 많은 시일이 필요할 것으로 보인다.

본 발명자는 화석 연료 발전시 발생하는 NOx를 원천적으로 제거하고, 석탄 화력 발전시에는 연소 효율을 높여 연료를 절감하고 미연탄소분로 인한 플라이 애쉬 활용 문제를 원천적으로 제거하여 고온 용융 플라이 애쉬를 이용한 여러 가지의 토목 건축 자재를 생산할 수 있도록 하는 방안을 개발하고자 예의 연구한 결과 화석 연료 화력 발전 방식에 있어서 질소를 포함한 공기 대신 산소(O₂) 산화제를 사용하여, 석탄을 포함한 화석 연료를 고온 완전 연소시킴으로써 이와 같은 문제점들이 해소될 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명의 목적은 화석 연료 화력 발전시 필연적으로 수반되는 환경 문제의 하나인 NOx 가스의 양을 절감하기 위하여 산화제로 통상 사용하는 공기 대신에 산소를 사용하여 연소시 질소를 배제하여 NOx 가스 배출을 원천적으로 제거하는 방법을 제공하는 것이다. 석탄 화력발전시 산소 분위기에서 연료를 고온 완전 연소시켜 용융 플라이 애쉬(Fly Ash)를 생산하게 되면, 이를 이용하여 여러 가지의 토목 건축 자재를 생산하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 미연탄소로 인한 석탄회 활용상의 심각한 문제도 완전히 해결할 수 있다.

중유 등 연료유, LNG 등 연료 가스, 그리고 석탄과 같은 화석 연료의 연소를 기본 에너지원으로 하는 화력발전에 있어서 NOx 가스 배출의 원인으로서는 유기질소(Organic Nitrogen)의 산화로 인한 유기 질소 산화물(Organic NOx)와 산화제로 사용하는 공기(질소: 3/4, 산소: 1/4) 중의 산소와 질소가 연료의 연소중 결합하여 이루는 연소 NOx (Thermal NOx) 등이 있다. 석탄을 제외한 연료유나 연료가스 화력발전시에는 이들중 대부분이 연소 NOx로서 이 유기 NOx의 양은 거의 무시할 수 있어 지금까지 세계의 모든 연구 개발이 이 연소 NOx의 발생량 감소 또는 발생후의 제거에 집중되고 있다. 따라서, 현재 거의 상용화 단계에 이르고 있는 방법들로는, 첫째 연소 NOx를 줄이기 위하여 여러 가지 방안으로 연소 온도를 낮추어 공기 중의 질소 (N₂)와 산소 (O₂)의 결합을 적게하는 방법이 시도되고 있으나 이에는 물론 그 한계가 있다. 둘째로 이렇게 하여 연소시 불가피하게 생성된 NOx를 제거하기 위한 배연탈질 (Flue Gas De-NOx) 방법으로 여러 가지의 촉매 탈질법(Catalytic De-NOx)과 비촉매 탈질법(Non-Catalytic De-NOx)이 개발되고 있으나 그 중에서 촉매 탈질법(Catalytic De-NOx)은 상용화가 시도되고 있다.

그러나, 이들 모두의 완전 상용화에는 아직도 많은 시간이 필요함은 물론, 현재 상용화가 시도되고 있는 촉매 배연 탈질법(Catalytic De-NOx)을 보더라도 상당한 비용이 필요할 것으로 예상되고 있다.

한편, 환경관련 청정기술(Clean Technology)에서 잘 알려진 사실의 하나는 가능하면 환경오염 인자의 근원을 없애는 처방법이 가장 효율적이고 경제적이라는 점이다.

그러나, 종래에는 화력 발전에서 환경 오염 인자가 되는 질소 산화물 등을 제거함에 있어서 고순도의 산소를 사용하는 것은 생각조차 할 수 없었다. 이는 무제한의 공기가 산화제로서의 용도로서 오랜 동안 사용되어 왔고, 이를 대체하는 순수 산소의 생산에는 추가 비용이 필요하기 때문이었다. 따라서 화석 연료 화력 발전시 NOx 제거의 목적으로 산소를 사용하는 것은 본 발명에 의해서만이 비로서 가능하게 되었다. 다시 말하자면, 이제까지는 화력 발전시 공기 중의 산소 용도가 단순한 산화제 역할에 그쳤으나, 본 발명에 의하여 고순도 산소를 사용하는 원천 탈질이라는 새로운 탈질 용도가 개발되게 된 것이다. 따라서, 본 발명에서는 화력 발전시 NOx 배출의 근본 원인이 되는 질소를 포함한 공기 대신 산소 (O₂)를 산화제로 사용하고 있다.

한편, 이에 필요한 산소 (O₂)는 이미 개발되어 상용화된 공기의 초냉각 액화분리법 (Cryogenic Liquefaction), 가압 진동 흡착법 (Pressure Swing Adsorption 법, 이하, PSA라함), 막분리법 (Membrane Separation 법), 그리고 물의 전기분해법 (Electrolysis of Water) 등 여러 가지의 경제적이고 효율적인 방법으로 공급할 수 있다. 우선 공기의 초냉각 액화분리법 (Cryogenic Liquefaction)은 공기를 초냉각 압축하여 액화되는 순서에 따라 먼저 액화 되는 질소(N₂)와 나중 액화하는 산소(O₂)를 분리 회수하여 특수 초냉각 저장조 (Cryogenic Storage)에 저장, 이송하고 사용시 다시 기화시켜 O₂나 N₂가스를 만들어 사용한다. 다음, PSA 법은 압축 공기를 활성탄층을 통하여 보낼 때 산소만 선택적으로 흡착되고 질소는 그대로 통과하는 특성을 이용하여 이들을 분리시킨후 흡착된 산소는 압력을 낮추어 상압에서 회수하여 활성탄을 재생하는 방법으로서, 이렇게 생산된 산소는 초저온 액체 산소가 아니므로 특수 저장 시설이나 기화 시설이 필요없이 생산 상태에서 상온 상압으로 사용할 수 있다. 또 다른 방법으로는 특수 삼투막으로된 멤브레인 크로스 필터를 사용하여 비교적 크기가 작은 산소 분자(O₂)만을 통과시켜서 큰 질소 분자(N₂)에서 분리하는 방법으로 상온상압하의 고순도 산소를 계속적으로 생산할 수 있다. 특히 이들 방법들은 주 소요 에너지가 전기 에너지이므로 심야와 같은 전기 사용률이 낮은 시간의 여유 전력을 사용하여 산소 (O₂)를 현지 생산하고, 이와 동시에 생산된 질소 (N₂)나 수소 (H₂)를 활용할 수 있다면 더욱 경제적일 수 있다.

이와 같이 연소에는 아무런 도움도 주지 못하면서 공기의 약 3/4이나 차지하고 연소 산화질소 (Thermal NOx)의 주요 원인이 되는 질소(N₂)를 제거하고 산소 (O₂)만을 산화제로 사용하면 본 발명의 효과란에서 기술한 바의 여러 가지의 장점이 있다.

하기 설명은 청구된 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 청구된 본 발명의 범주 및 정신 내에서 다수의 추가 실시태양이 당업자에게 명백해질 것이다.

일반적으로 화석 연료 화력발전에서는 먼저 화석 연료를 보일러 내에서 연소시키고, 그 얻어진 열로 보일러관 내의 물을 끓여 고온 고압의 수증기를 만들고, 이 수증기 힘에 의해 터빈을 가동하여, 이에 부착된 발전기를 회전시켜 전기를 생산한다. 이 때 보일러내에서 연료를 연소시키는데 필요한 산화제로서 지금까지 사용되어온 공기 대신에 공기중에서 질소가 제거된 산소만을 산화제로 사용하면 연소중 질소로 인한 연소산화질소 (Thermal NOx)의 발생을 원천적으로 방지할 수 있다. 또한, 연료를 고온에서 완전 연소시킴으로, 연소 효율 증가를 통해 연료가 절감된다. 아울러 이와 같이 산화제를 공기 대신 산소로 대체하면 송풍량도 상당량 절감할 수 있게 된다. 한 예로 연소시 산화 질소가 생성되지 않는다고 가정하면, 메탄 (CH₄) 1 리터와 공기 8리터 (산소 2 리터 + 질소 6 리터)가 합하여 총 9 리터 가스가 완전 연소후에는 이산화탄소 (CO₂) 1 리터, 수증기 (H₂O) 2 리터, 그리고 질소 6 리터 등 총합 9 리터의 가스가 배출된다. 그러나, 같은 메탄 (CH₄) 1 리터와 산소 2 리터를 합하여 3 리터를 완전 연소시켰을 때는, 이산화탄소 (CO₂) 1 리터와 수증기 (H₂O) 2 리터 등 3 리터의 배출가스만 생성된다. 이와 같이 메탄 가스 1 리터를 완전연소할 때, 공기를 사용하면 연소 공기 8 리터, 배출 가스 9 리터 총 17 리터의 가스를 송풍해야 하나, 공기에서 질소를 제거하고 산소만을 산화제로 사용하면 연소용 산소 2 리터, 배출 가스 3 리터 총 5 리터의 가스를 송풍시키면 된다. 따라서 송풍량은 17 리터에서 5 리터로 약 70%를 절감할 수 있다. 이에 연소 산화질소 (Thermal NO_X) 생성에 소요되는 공기량까지 고려한다면, 종래의 공기를 사용하는 방법에서 실제 송풍량은 17 리터 보다 크게 되므로, 본 발명에 따른 산소 연소시 실제 송풍 절감량은 70% 이상이 될 것이다. 이와 같이 산화제를 공기 대신 산소로 대체하면 송풍량도 상당량 절감시키는 것이 가능하다.

석탄 화력발전시 또다른 공기의 용도로는 미분기(Mill)에서 석탄을 분쇄한 후 일정한 입도 이하의 미분탄만을 공기 분급하여 미분탄 저장조를 거쳐 보일러 내부의 미분탄 버너로 이송(간접 연소식)하거나 또는 미분기에서 버너로 직접 이송(직접 연소식)하는 일체 작업에서도 필요한데, 이는 이송 매체로서의 1차 공기 (Primary Air)라고 한다. 이때는 미분탄의 조립도와 기체 이송에 필요한 최소한의 1차산소량이 고려되어야 한다. 물론 이들 1차 공기도 보일러 내에서는 주연소의 2차공기 (Secondary Air)나 연소보조용의 3차 공기 (Tertiary Air) 등과 마찬가지로 산화제로 사용되고 있다. 이와 같은 1차 공기를 산소로 대체시에는 자연 발화 및 방폭 장치 등에 특별한 주의가 요구된다.

본 발명의 첫 번째 특징은 산소 (공기의 약 1/4) 외에도 질소 (공기의 약 3/4)를 포함한 공기 대신에 산소 (O₂)를 화석 연료 화력 발전시 산화제로 이용함으로써 배출 가스중 NOx를 원천적으로 제거할 수 있다는데 있다. 이들 배연가스 탈질기술의 수요는 가히 전 세계적이다.

둘째, 석탄 화력발전시 연료의 완전 고온연소로 인하여 미연탄소분 문제가 심각한 플라이 애쉬 대신 용융 플라이 애쉬를 생산하게 되어 이를 이용하면 각종 유용한 토목 건축 자재의 생산이 용이해진다. 이렇게 되면 현재 우리나라는 물론 전 세계적으로 크게 문제가 되고 있는 플라이 애쉬 정제 기술개발이 원천적으로 해결될 수 있다. 따라서 이 기술의 세계적 수요는 액수로 헤아리기 힘들 정도로 막대하다.

세째, 송풍량이 기존 공기의 약 1/4로 감소되어 이에 따른 송풍 시설 및 송풍에너지 비용의 절감은 물론 배출 가스를 통한 에너지 손실을 절감하여 발전 효율을 증가시키는 것이 가능하다.

넷째, 공기 대신 산소를 산화제로 충분히 사용하면 연소 온도가 상승하여 연료의 완전 연소가 가능하다. 이에 따라 지금까지 수트나 미연탄소(CO) 등으로 배출되던 연료의 절감이 약 0.5-1 %에 이를 것으로 예측된다. 또한, 연소 온도 상승으로 인한 보일러 (Boiler) 효율의 상승이 기대된다. 아울러 수트량의 감소로 집진 시설 비용이 절감되고, 중유발전시에는 보일러관 외부 수트 결집이 없어 이들 보일러의 열 교환 효율이 증가하고 수트 제거 비용 또한 절감된다.

이상과 같이 특별한 기술 개발없이도 즉시 실시할 수 있는 본 발명은 경제적 해결책이 개발되려면 아직도 시간을 요하는 배연 가스 중의 NOx 문제와 플라이 애쉬 중의 미연탄소 정제 문제 등의 두가지 시급하고도 커다란 세계적 과제를 동시에 해결할 수 있다. 아울러 연료비의 절감, 보일러 열교환 효율증가, 송품 및 집진 비용절감 등을 통하여 화력발전 비용 절감 효과를 가져올 수 있다. 또한, 플라이 애쉬 문제를 해결하면 석탄회 폐기로 인한 환경 문제의 해결은 물론, 발전소 건설 부지 비용의 절감 효과도 아울러 가져올 수 있다.

Claims (1)

1. 중유를 비롯한 각종 유류, LNG를 비롯한 각종 가스, 그리고 석탄 등 화석 연료의 연소를 기본 에너지원으로 하는 화력발전 방식에 있어서, 산화제로서 통상 사용하는 공기 대신에 산소를 사용하여 환경 문제를 일으키는 NOx 가스 배출을 원천적으로 제거함과 동시에 발전 효율을 높이고, 석탄 화력 발전시에는 미연 탄소로 인한 플라이 애쉬 활용상의 심각한 문제를 원천적으로 해결하고 용융 플라이 애쉬를 부산물로 생산하는 방법.