KR20150038779A - 공기예열기 세정설비의 분사 방법 - Google Patents

Abstract

보일러 등의 연소시 발생하는 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거하기 위하여 선택적촉매환원법(SCR : Selective Catalytic Reduction)을 운전할 때 미반응 암모니아(NH₃ Slip)와 배기가스중의 삼산화황(SO₃)과 결합하여 황산암모늄염이 발생하여 SCR 후단에 설치된 공기예열기(APH : Air Preheater)등과 같은 열교환기에 부착되어 배가스 통로를 막아 보일러 내부 압력을 증가시켜 운전을 어렵게 하고 있다.
이들 공기예열기 막힘 현상을 제거하기 위해 현재 고압수 세정이나 드라이아이스 세정을 실시하여 황산암모늄염 등과 같은 오염물질을 제거하였다.
그런데 공기예열기의 회전 속도가 빠른 편이어서 고압수나 드라이아이스 펠렛 분사 방법에 따라 세정 효과에 많은 차이가 발생하고 있다.
따라서 본 발명에서는 공기예열기의 회전 방향을 고려하여 분사 노즐을 상하좌우 방향으로 이동할 수 있게 설치하여 세정물질이 공기예열기 열소자 사이로 충분히 퉁과하게 하여 공기예열기의 오염물질에 대한 세정 효과를 극대화하였다.

Description

공기예열기 세정설비의 분사 방법{Injection method of cleaning system of air preheater}

본 발명은 보일러 등의 배가스가 SCR 을 통과하면서 황산암모늄염이 발생하여 이들 설비 후단에 설치된 공기예열기등에 오염을 일으켜 배가스 통로를 막는 현상을 제거하기 위한 고압수 세정이나 드라이아이스 세정시, 세정물질의 분사 방법을 개선하여 세정효과를 증대하기 위한 것이다.

보일러 등에서 석탄이나 오일, 가스 또는 가연성 물질등이 연소될 때 나오는 배가스에는 질소산화물이 포함되어 있는데, 이런 질소산화물은 환경에 해가 되는 공해요소로서 대기 중으로 배출하기 이전에 제거하여야 한다.

배가스에 포함된 질소산화물을 제거하기 위해서, 보일러 노내에 암모니아와 같은 환원제를 직접 분사하는 비선택적촉매환원법(SNCR : Selective Non-Catalytic Reduction) 법을 이용하든지 보일러 후단에서 선택적촉매환원법(SCR : Selective Catalytic Reduction)을 사용하는데, SNCR 법이 탈질 효율이 높지 않아 주로 SCR 법을 사용하고 있다.

선택적촉매환원법은 배가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 암모니아와 같은 환원제와 혼합한 후 촉매를 통과시켜 질소와 물로 전환하는 방법이다.

발전설비나 산업용 보일러에서 일반적인 공해방지 설비 배치는 도 1 과 같이 보일러에서 배출되는 배가스가 절탄기를 거쳐 SCR의 촉매층을 통과한 후 공기예열기와 집진기, 탈황설비 등을 통과하여 굴뚝으로 배출된다.

일반적으로 보일러에서 석탄이나 중유 연소시 배가스에 이산화황(SO₂)과 삼산화황(SO₃)이 포함되는데, 이들 중 이산화황은 다음과 같이 탈질촉매 통과시, 일부가 삼산화황으로 산화되므로 SCR 이 설치된 경우, 배가스 중의 삼산화황 농도는 증가한다.

2SO₂ + O₂ → 2SO₃ (1)

한편 배가스에는 수분이 존재하는데, 질소산화물 저감장치에 투입되는 암모니아 일부는 다음과 같이 삼산화황 및 수분과 반응하여 황산암모늄염을 형성한다.

NH₃ + SO₃ + H₂O → NH₄HSO₄, (NH₄)₂SO₄ (2)

황산암모늄염은 촉매의 활성을 저하시키고, SCR 후단 설비를 부식시키며, 촉매의 구멍과 열교환기 배가스 통로를 막아 보일러의 압력 손실을 증대한다. 이러한 이유로 SCR 운전시 미반응 암모니아의 배출 농도를 2~3ppm 이하로 제한하고 있다. 그러나 많은 설비에서 SCR 운전중에 공기예열기 등이 막히는 경우가 자주 발생하고 있다.

따라서 일부 발전소에는 공기예열기에 설치되어 있는 기존 제매기에 도 2 와 같이 실시간 고압수 세정설비를 추가로 설치하여 150~200Kg/cm²G 압력으로 물을 분사하여 운전중에 주기적으로 공기예열기 막힘 현상을 제거하고 있으나, 고압의 물분사로 열소자 코팅층등이 손상되는 경우, 공기예열기 막힘 현상이 가속화되는 현상이 발생하고 있다.

이들 문제점을 해결하기 위해 본 발명인은 공기예열기의 배가스 입구 전단에 드라이아이스 세정장치를 설치하여 황산암모늄염 등으로 열교환기에 막힘 현상이 발생하면 드라이아이스 펠렛을 분사하여 오염물질을 제거하는 설비를 개발하여 한국특허 10-2010-0014527을 출원한 상태이다.

도 3은 한국특허출원 10-2010-0014527에서 개발한 드라이아이스 세정장치를 이용하여 공기예열기의 황산암모늄염 제거하는 시스템에 대한 개략도이다.

그런데 500MW급 화력발전소에서 도 4 와 같은 열소자로 구성된 회전형 공기예열기의 지름은 약 12~14m 이고, 회전속도는 1 rpm 정도이다.

따라서 공기예열기 바깥쪽 열소자의 이동 선속도를 계산하면 약 65cm/sec 정도로 매우 빠르게 이동하고 있어, 고압수나 드라이아이스 펠렛을 분사하더라도 단위 열소자 면적당 세정물질의 통과량이 정지시 세정할 때보다 매우 적은 편이다. 따라서 공기예열기의 운전중에 실시간으로 세정하면 세정효과가 매우 저하하고 있다.

이런 현상은 공기예열기의 지름이 크고, 회전속도가 빠를수록, 열소자 선속도가 커져 열소자 단위 면적당 세정물질 통과량이 작아지게 되어 세정효과가 저하하고 있다.

종래기술의 문헌정보

[문헌1] 한국특허출원 10-2010-0014527, 드라이아이스를 이용한 열교환기의 건식 세정 방법,2010.02.18

본 발명은 현재 사용하는 세정 기술의 문제점을 분석한 결과 공기예열기가 운전시 열소자의 선속도가 큰 경우, 단위 면적당 세정물질 통과량이 적어 세정효과가 저하하는 현상을 해결하고자 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 고압수 세정이나 드라이아이스 펠렛으로 공기예열기 세정시 세정 효과를 높이기 위해, 열소자 단위 면적당 세정물질이 최대한 많이 통과하도록 다음과 같은 2 가지 방법을 사용하고자 한다.

먼저 공기예열기 세정시 회전속도를 최대한 낮춰 운전하도록 한다. 현재 공기예열기 대부분이 1 rpm 으로 운전하고 있는데, 열소자 세정시 이들의 속도를 현재의 제어장치를 이용하거나 감속기 등을 설치하여 회전속도를 ¼ rpm 이하로 감소시킬 수 있다.

그런데 이 속도보다도 저하는 배가스가 통과하는 가열 부분과 보일러 공급 공기가 통과하는 냉각 부분의 열팽창 차이로 공기예열기가 손상될 수 있으므로, 공기예열기가 손상이 되지 않은 범위까지만 회전속도를 낮추어야 한다.

공기예열기 회전속도를 ¼ rpm 정도로 낮추면 공기예열기 바깥쪽 열소자의 선속도가 16cm/sec 까지 저하시킬 수 있다. 이 속도도 세정을 위해서는 높은 편이나 열팽창 차이로 인한 공기예열기 손상 가능성이 있어 회전속도를 더욱 낮추는 것은 위험성이 있다.

이에 열소자 단위 면적당 통과되는 세정물질을 증가하는 방법은 다음과 같다.

현재 고압수 분사시에 노즐은 도 2 와 같이 왕복운동하도록 설치되어 있고, 드라이아이스 세정시에도 도 3 과 같이 분사노즐이 왕복운동하도록 설치되어 있다.

이에 분사 노즐 이동 방법을 도 5 와 같이 공기예열기 상부 케이싱에 구멍을 뚫고 분사 노즐을 상하좌우로 이동할 수 있도록 설치하고, 공기예열기의 열소자 이동 방향과 같은 속도로 이동하면서 분사하도록 하면 세정물질 통과량을 극대화 할 수 있다. 이 방법을 공기예열기 회전속도 감소와 병행하여 사용하면 공기예열기가 정지된 상태와 유사하게 세정할 수 있다.

본 발명은 현재 개발되어 사용중인 공기예열기 세정설비를 적은 비용으로 개량하여 세정효과를 극대화할 수 있다.

도 1은 공해 방지설비가 설치된 일반적인 발전설비나 보일러 배치도로 보일러 후단의 절탄기가 있고 이 후단에 SCR 이 있으며, 질소산화물 저감장치 후단에 공기예열기가 있는 구조이며
도 2는 공기예열기에서 제매기(Soot Blower)와 수세(Water washing)시스템을 이용한 황산암모늄염 제거시스템 모양이고
도 3은 도 2 의 수세장치 대신에 드라이아이스 세정장치가 설치된 공기예열기의 황산암모늄염 제거시스템 모양이고
도 4는 공기예열기를 구성하고 있는 열소자의 모습이고,
도 5는 공기예열기 세정을 위해 고압수나 드라이아이스 펠렛 분사시 분사 노즐을 공기예열기 열소자 이동 방향 및 속도와 일치시켜 세정효과를 극대화한 공기예열기 세정 시스템 모양이고
도 6은 도 5의 시스템에서 열소자 위에서 분사 노즐이 이동하는 경로를 보여주는 단면도이다. 실선은 노즐이 세정물질을 분사하면서 이동할 때의 경로이고 점선은 노즐이 다음 분사 위치로 이동할 때의 경로로, 이때는 세정물질을 분사하지 않는 상태이다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

아래에서, 본 발명에 따른 황산암모늄염의 제거에 대한 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도면에서, 도 1은 발전설비나 산업용 보일러에서 일반적인 설비 배치도로 보일러 후단에 절탄기, SCR, 공기예열기, 전기집진기, 탈황설비 및 굴뚝 등이 순차적으로 배치되어 있다.

이들 중 SCR 후단에 위치한 공기예열기가 황산암모늄염에 의해 막힘이 발생할 때 제매기(Soot Blower)와 수세(Water washing)시스템을 이용하여 이들 오염물을 제거하는 고압수 세정설비는 도 2 와 같다.

고압수 세정설비는 150~200Kg/cm²G 압력으로 물을 분사하여 운전중에 주기적으로 공기예열기 막힘 현상을 제거하는 설비로, 고압의 물분사로 열소자 코팅층등이 손상되는 경우가 자주 발생하고 있다.

도 3은 도 2 의 고압수 세정설비 대신에 본 발명에서 개발한 드라이아이스 세정장치를 설치하여 공기예열기의 황산암모늄염 제거하는 시스템에 대한 개략도로 드라이아이스 펠렛이 공기예열기 열소자에 부착된 황산암모늄염을 제거하는 원리는 다음과 같다.

드라이아이스 펠렛이 세척기에서 고압(저압)공기에 의하여 고속으로 분사되어 공기예열기 열소자 표면에 충돌하면 드라이아이스 펠릿은 열소자에 부착된 황산암모늄염을 초저온 (-78℃)으로 급속 동결시키게 되고 이들은 주변온도 차이에 의해 수축되면서 수많은 균열을 일으킨다. 드라이아이스 펠릿은 이들 균열들을 통하여 황산암모늄염들 사이로 침투됨과 동시에 승화하면서 부피가 800배 이상 팽창하여 황산암모늄염만을 위로 들어 올리게 된다. 초저온으로 동결된 이물질들은 세척기의 풍압에 의해 표면에서 쉽게 분리되어 공기예열기 후단으로 배출된다.

이들 공기예열기를 구성하고 있는 열소자의 모습은 도 4와 같은데 열전달 표면적을 최대화하기 위해 금속판을 파형으로 제작하여 단위 부피당 금속 표면적을 최대화하였다. 이런 복잡한 구조로 이물질이 쌓일 경우 제거가 어렵다. 또한 냉단부에는 부식을 방지하기 위해 에나멜 코팅등이 되어 있어 고압의 세정물질을 분사하면 손상될 가능성이 있다.

도 5는 본 발명에서 개발한 것으로 도 2나 도3 의 시스템에서 분사노즐의 이동방법을 개선하여 세정효과를 증가시키는 것을 도식화한 것으로 분사노즐은 상하좌우로 이동이 가능하여 공기예열기의 회전속도에 맞게 이동하면 공기예열기가 정지된 상태와 유사한 상태에서 세정이 가능하다.

분사 노즐이 열소자 위에서 이동한 경로는 도 6과 같다. 실선은 노즐이 세정물질을 분사하면서 이동할 때의 경로이고 점선은 노즐이 다음 분사 위치로 이동할 때의 경로로, 이때 세정물질을 분사하지 않으며 이동한다. 이런 작업을 반복하면 열소자의 오염물질을 용이하게 제거할 수 있다.

이상에서 본 발명의 드라이아이스를 이용한 공기예열기 세정방법에 대한 기술사양을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

1: 공기예열기 회전, 2: 공기예열기, 3: 드라이아이스 펠렛 분사 노즐, 4: 드라이아이스 펠렛 분사장치, 5: 드라이아이스 제조기, 6: 노즐이 세정물질을 분사하면서 이동한 경로, 7: 노즐이 세정물질을 분사하지 않으며, 다음 분사 위치로 이동하기 위한 경로

Claims (2)

1. 운전중인 공기예열기에서 열소자 막힘에 대한 세정 효과를 높이기 위해, 공기예열기 세정시 공기예열기 회전속도를 기존의 제어장치를 개조하거나 또는 감속기를 추가 설치하거나, 또는 이들을 결합하여 공기예열기 회전속도를 최대한 낮춘 후, 고압수 세정 또는 드라이아이스 세정을 실시한다.
   
2. 운전중인 공기예열기의 열소자 막힘에 대한 세정 효과를 높이기 위해 고압수나 드라이아이스 펠렛을 분사할 때 분사 노즐을 상하좌우로 이동할 수 있도록 설치한 후, 공기예열기 열소자 이동 방향과 같은 속도로 이동하면서 분사하도록 한다. 이들 방법은 단독으로 실시하거나 또는 청구항 1 과 병행하여 실시할 수 있다.

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