KR20220086288A - 대기오염물질을 저감하는 복합화력발전소 및 복합화력발전소에서 대기오염물질을 저감하는 방법 - Google Patents

대기오염물질을 저감하는 복합화력발전소 및 복합화력발전소에서 대기오염물질을 저감하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 배기가스 산화설비를 구비한 복합화력발전소는, 가스상 연료와 공기가 유입 및 연소되어 가스터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 가스터빈부; 상기 가스터빈부를 통과한 배기가스로부터 열을 회수하여 증기를 가열하고, 생산된 증기를 이용하여 증기터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 증기터빈부; 상기 가스터빈부와 상기 증기터빈부 사이에 설치되어 상기 가스터빈부로부터 발생된 배기가스를 배출하는 바이패스 스택; 상기 증기터빈부의 후단에 배치되어 상기 증기터빈부를 통과한 배기가스를 배출시키는 주연돌; 상기 바이패스 스택에 마련되는 제1 댐퍼; 상기 가스터빈부로부터의 배기가스를 상기 증기터빈부로 선택적으로 유입시키도록, 상기 증기터빈부의 전단에 설치되는 제2 댐퍼; 및 상기 바이패스 스택에 마련되며, 상기 배기가스를 산화시키도록 산화촉매를 구비하는 산화촉매반응기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

대기오염물질을 저감하는 복합화력발전소 및 복합화력발전소에서 대기오염물질을 저감하는 방법{Combined cycle power plant for reducing air pollutants and Method of reducing air pollutants in combined cycle power plant}
본 발명은 대기오염물질을 저감하는 복합화력발전소 및 복합화력발전소에서 대기오염물질을 저감하는 방법에 관한 것으로, 특히 복합화력발전소의 운전 초기 및 정지 시에 다량 발생하는 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 산화시켜서 대기오염물질을 저감할 수 있도록 한 대기오염물질을 저감하는 복합화력발전소 및 복합화력발전소에서 대기오염물질을 저감하는 방법에 관한 것이다.
최근 석탄화력발전소가 미세먼지의 주요 발생원이 됨에 따라 천연가스를 원료로 하는 복합화력발전소의 전력 생산 비중이 중가하고 있다. 복합화력발전소가 석탄화력발전소에 비해 대기오염물질 발생이 적지만, 이 역시 천연가스를 연소시켜야 하기 때문에 대기오염물질의 발생은 불가피하다. 천연가스는 연소시 불완전 연소로 인해 일산화탄소(CO)와 미연소 탄화수소(UHC, Unburned Hydro Carbon)가 배기가스에 포함되어 대기로 방출된다.
복합화력발전소의 정상 운전시, 연소 조건을 조절하여 일산화탄소와 미연소 탄화수소의 농도를 낮출 수 있으나, 초기 기동 시와 정지 기동(정지로 이행하는 과정) 시에는 천연가스의 연소 조건이 더욱 불안정하여 일산화탄소와 미연소 탄화수소의 농도가 수천 ppm까지 상승하여 오염물질이 다량 배출되는 문제가 있다.
이에, 본 발명은 복합화력발전소의 초기 기동 시나 정지 시에 발생하는 고농도의 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 저감할 수 있는 장치 및 방법을 제안하고자 한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 요구를 해결하기 위해 안출된 것으로, 복합화력발전소의 운전 초기 및 정지 시에 다량 발생하는 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 산화시켜서 대기오염물질을 저감할 수 있도록 한 대기오염물질을 저감하는 복합화력발전소 및 복합화력발전소에서 대기오염물질을 저감하는 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 대기오염물질을 저감하는 복합화력발전소는, 가스상 연료와 공기가 유입 및 연소되어 가스터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 가스터빈부; 상기 가스터빈부를 통과한 배기가스로부터 열을 회수하여 증기를 가열하고, 생산된 증기를 이용하여 증기터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 증기터빈부; 상기 가스터빈부와 상기 증기터빈부 사이에 설치되어 상기 가스터빈부로부터 발생된 배기가스를 배출하는 바이패스 스택; 상기 증기터빈부의 후단에 배치되어 상기 증기터빈부를 통과한 배기가스를 배출시키는 주연돌; 상기 바이패스 스택에 마련되는 제1 댐퍼; 상기 가스터빈부로부터의 배기가스를 상기 증기터빈부로 선택적으로 유입시키도록, 상기 증기터빈부의 전단에 설치되는 제2 댐퍼; 및 상기 바이패스 스택에 마련되며, 상기 배기가스에 포함된 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 산화시키도록 산화촉매를 구비하는 산화촉매반응기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 바이패스 스택은 제1 직경을 갖는 소경부와, 상기 제1 직경보다 큰 직경을 갖는 대경부를 포함하며, 상기 산화촉매반응기는 상기 대경부에 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 바이패스 스택으로 유입되어 상기 산화촉매반응기를 거친 상기 배기가스 중 이산화질소를 일산화질소로 환원하도록, 상기 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제분사부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 증기터빈부로 유입된 상기 배기가스에 포함된 질소산화물을 질소와 수증기로 전환하기 위해서, 탈질촉매가 포함된 반응부와, 상기 반응부에 암모니아를 분사하는 암모니아분사부를 갖는 질소산화물저감부를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 복합화력발전소에서 대기오염물질을 저감하는 방법은, 가스상의 연료 및 공기가 유입 및 연소되어 가스터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 가스터빈부와, 상기 가스터빈부를 통과한 배기가스로부터 열을 회수하여 증기를 가열하고 생성된 증기를 이용하여 증기터빈을 구동시켜서 전력을 생산하는 증기터빈부을 포함하는 복합화력발전소에 있어서, 운전 초기 또는 운전 정지 시 상기 가스터빈부로부터 발생한 배기가스를, 상기 가스터빈부의 전단에 마련된 바이패스 스택으로 유도하고, 상기 바이패스 스택에는 산화촉매를 구비하는 산화촉매반응기를 구비하여 상기 배기가스에 포함된 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 상기 산화촉매와 반응시켜 산화시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 바이패스 스택은 제1 직경을 갖는 소경부와, 상기 제1 직경보다 큰 직경을 갖는 대경부를 포함하며, 상기 산화촉매반응기는 상기 대경부에 설치되어서, 상기 바이패스 스택을 통과하는 상기 배기가스의 흐름속도가 소정의 범위 내에서 유지되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 산화촉매반응기를 거친 상기 배기가스에 환원제를 분사하여 이산화질소를 일산화질소로 환원하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 증기터빈부로 유입된 상기 배기가스가 탈질촉매가 포함된 반응부를 통과하도록 하고, 상기 반응부에 암모니아를 분사하여, 상기 배기가스에 포함된 질소산화물을 질소와 수증기로 전환하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 운전 초기 시는 점화부터 발전소의 부하율 50%에 이르는 구간으로 설정되고, 상기 운전 정지 시는 발전소의 부하율이 저감하여 발전소의 부하율이 50% 이하부터 소화까지의 구간으로 설정되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 대기오염물질을 저감하는 복합화력발전소 및 복합화력발전소에서 대기오염물질을 저감하는 방법은, 복합화력발전소의 운전 초기 및 정지시에 다량 발생하는 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 산화시켜서 대기오염물질을 저감하는 효과를 제공한다.
도1은 본 발명 일 실시예에 따른 복합화력발전소의 개념도,
도2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합화력발련소의 개념도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기오염저감 방법에 대한 흐름도,
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대기오염저감 방법에 대한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면과 연관되어 기재된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나 이는 본 발명의 다양한 실시 예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 다양한 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.
본 발명의 다양한 실시 예에서 사용될 수 있는 "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 발명(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
본 발명의 다양한 실시 예에서 사용한 용어는 단지 특정일 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 다양한 실시 예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 다양한 실시 예에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도1은 본 발명 일 실시예에 따른 복합화력발전소의 개념도이고, 도2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합화력발련소의 개념도이다. 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기오염저감 방법에 대한 흐름도이고, 도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대기오염저감 방법에 대한 흐름도이다.
도1을 참조하면, 본 실시예의 일 측면에 따른 대기오염물질을 저감하는 복합화력발전소는, 가스터빈부(10), 증기터빈부(20), 바이패스 스택(30), 주연돌(40), 제1 댐퍼(50), 제2 댐퍼(60), 및 산화촉매반응기(70)를 포함한다.
복합화력발전소는 가스터빈부(10)와 증기터빈부(20)를 구비하며, 상기 가스터빈부(10)는 가스상의 연료와 공기가 유입 및 연소되면서 가스터빈을 구동시켜서 전력을 생산하는 부분이고, 상기 증기터빈부(20)는 상기 가스터빈부(10)를 통과한 배기가스로부터 열을 회수하고 증기를 가열하여 생산된 증기를 이용하여 증기터빈을 구동시켜서 전력을 생산하는 부분이다.
구체적으로, 상기 연료는 천연가스 또는 액화석유가스 등이 될 수 있다. 천연가스가 사용되는 경우, 천연가스는 공기와 함께 가스터빈부(10)로 유입되고 연소되어, 고온 고압의 배기가스가 생산되고, 상기 배기가스는 상기 가스터빈을 회전시켜서 전력을 생산한다. 상기 가스터빈부(10)를 통과한 배기가스는 상기 증기터빈부(20)로 이동한다. 상기 증기터빈부(20)에는 상기 배기가스로부터 열을 회수하는 배열회수보일러(HRSG: Heat Recovery steam Generator)가 설치된다. 상기 배열회수보일러에는 복수의 수관(pipe)이 마련되며, 상기 수관을 따라 흐르는 물은 상기 배기가스로부터 열을 흡수하여 승온되어 수증기로 상변화한다. 상기 수증기는 상기 증기터빈부(20)에 마련된 증기터빈을 회전시켜서 전력을 생산한다. 상기 배기가스는 상기 배열회수보일러를 통과하면서 온도 및 입력이 낮아지고, 상기 주연돌(40)을 통해 대기로 배출된다.
상기 바이패스 스택(30)은, 상기 가스터빈부(10)와 상기 증기터빈부(20) 사이에 설치되어 상기 가스터빈부(10)로부터 발생된 배기가스를 배출하기 위해서 마련된다. 좀 더 구체적으로, 상기 바이패스 스택(30)은 상기 가스터빈부(10)와 상기 배열회수보일러 사이에 설치된다. 복합화력발전소는 상기 가스터빈부(10) 또는 상기 증기터빈부(20)를 이용하여 전력을 생산할 수 있는데, 상기 증기터빈부(20)를 이용하지 않고 상기 가스터빈부(10)만으로 전력을 생산하는 경우에 상기 배열회수보일러 측으로 배기가스를 통과하시키지 않고 상기 바이패스 스택(30)으로 배기가스를 배출시킬 수 있다. 이러한 경우, 상기 배기가스가 상기 배열회수보일러를 통과하지 않으므로 압력 손실이 발생하지 않으므로, 상기 가스터빈부(10)의 전력생산효율이 증가하게 된다. 상기 배기가스가 상기 바이패스 스택(30) 또는 주연돌(40)로 배출될 수 있도록 하기 위해서 제1 댐퍼(50) 및 제2 댐퍼(60)가 마련된다.
상기 주연돌(40)은, 상기 증기터빈부(20)의 후단에 배치되어 상기 증기터빈부(20)를 통과한 배기가스를 배출시키기 위해 마련된다. 그리고, 상기 제1 댐퍼(50)는 상기 바이패스 스택(30)에 마련되어 상기 배기가스가 상기 바이패스 스택(30)으로 선택적으로 유입되도록 한다. 상기 제2 댐퍼(60)는 상기 가스터빈부(10)로부터 상기 배기가스를 상기 증기터빈부(20)로 선택적으로 유입시키기 위해서 상기 증기터빈부(20)의 전단에 설치된다. 구체적으로, 상기 제2 댐퍼(60)는 배열회수보일러의 전단에 설치된다. 상기 제1 댐퍼(50) 및 상기 제2 댐퍼(60)의 개폐 상태에 따라서, 상기 배기가스는 상기 바이패스 스택(30) 또는 상기 주연돌(40)로 유입된다. 상기 제1 댐퍼(50)가 개방되고, 상기 제2 댐퍼(60)가 폐쇄되면 상기 배기가스는 상기 바이스패스 스택으로 유입되고, 상기 제1 댐퍼(50)가 폐쇄되고, 상기 제2 댐퍼(60)가 개방되면 상기 배기가스는 상기 증기터빈부(20)의 배열회수보일러로 유입되어 상기 주연돌(40)을 통해 빠져 나갈 수 있다.
상기 산화촉매반응기(70)는, 상기 바이패스 스택(30)에 마련되며, 상기 배기가스에 포함된 일산화탄소(CO) 및 미연소 탄화수소(UHC: Uburned Hydro Carbon)를 산화시키기 위해서 마련된다. 상기 산화촉매반응기(70)에는 상기 일산화탄소 및 미연소 탄화수소와 반응하는 산화촉매를 구비한다. 본 실시예에 따르면, 상기 산화촉매는 복합화력발전소의 초기 기동 시 또는 정지 시에 발생하는 상기 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 충분히 산화시킬 수 있을 정도의 용량을 구비한다. 상기 산화촉매는 상기 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 산화시키는 촉매로서, 그 형태와 종류는 특정한 것으로 한정되지 않는다.
본 실시예에 따르면, 상기 바이패스 스택(30)은 제1 직경을 갖는 소경부(31)와, 상기 제1 직경보다 큰 직경을 갖는 대경부(32)를 포함하는데, 상기 산화촉매반응기(70)는 상기 대경부(32)에 설치된다. 상기 대경부(32)는 상기 소경부(31)와 비교하여 그 단면적이 크게 형성되는데, 상기 대경부(32)의 단면적은 상기 산화촉매의 사양과 상기 배기가스의 산화율에 따라서 적절하게 선택될 수 있다. 상기 산화촉매반응기(70)가 대경부(32)에 설치됨으로써, 상기 배기가스는 적정한 선속도를 유지할 수 있게 되어, 상기 배기가스가 상기 산화촉매와 반응하는 산화효율 및 전력생산효율을 양호하게 유지할 수 있다.
본 발명 실시예에 따르면, 환원제분사부(80) 및 질소산화물저감부(90)를 포함한다.
상기 환원제분사부(80)는, 상기 바이패스 스택(30)으로 유입되어 상기 산화촉매반응기(70)를 거친 상기 배기가스 중 이산화질소를 일산화질소로 환원하기 위해서 마련된다. 이산화질소를 일산화질소로 환원하기 위한 환원제 및 이의 주입 방법은 기존의 공개된 기술을 적용할 수 있으며, 본 발명은 이 방법을 제한하지 않는다. 상기 환원제분사부(80)는 상기 배기가스와 반응하는 환원제를 포함하며, 상기 환원제는 노즐 또는 그리드(grid)를 통해 분사될 수 있다. 상기 환원제분사부(80)는 상기 산화촉매반응기(70)의 후단에 설치되고, 상기 복합화력발전소의 기동 시 및 정지 시에 증가하는 이산화질소(NO2)를 일산화질소(NO)로 환원시키기 위해서 마련된다. 좀 더 구체적으로, 복합화력발전소의 정상 운전시, 배기가스에 포함된 질소화합물 중 일산화질소와 이산화질소의 비율은 95 : 5 정도이다. 그러나, 복합화력발전소의 초기 기동 시에는 불완전연소로 인하여 이산화질소의 비율이 크게 증가하고, 이산화질소가 11ppm 이상이 되어 황연(Yellow Plume)으로 보일 정도로 이산화질소의 배출량이 증가하는데 이는 배출 전 처리될 필요가 있다. 상기 산화촉매반응기(70)를 거치면서, 상기 일산화질소가 이산화질소로 산화하고, 상기 이산화질소는 상기 환원제분사부(80)를 지나면서 일산화질소로 환원된다.
상기 질소산화물저감부(90)는, 상기 증기터빈부(20)로 유입된 상기 배기가스에 포함된 질소산화물을 질소(N2)와 수증기(H2O)로 전환하기 위해서 마련된다. 상기 배기가스에 포함된 질소화합물은 상기 배열회수보일러로 유입되어 질소와 수증기로 전환된다. 상기 질소산화물저감부(90)는 탈질촉매가 포함된 반응부(91)와, 상기 반응부(91)에 암모니아(NH3)를 분사하는 암모니아분사부(92)를 포함한다. 배기가스에 포함된 질소산화물은 대기오염물질이므로, 선택적촉매산화법(SCR, Selective Catalytic Reduction)에 의해 무해한 질소와 수증기로 전환되는데, 상기 배기가스가 탈질촉매가 포함된 반응부(91)를 통과하도록 하고, 상기 암모니아분사부(92)가 암모니아를 상기 반응부(91)에 분사하여, 상기 질소산화물과 암모니아가 서로 반응하도록 한다. 상기 암모니아분사부(92)는 그리드(Grid) 형태로 이루어져 상기 반응부(91)에 암모니아를 분사할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 상기 암모니아분사부(92)는 상기 반응부(91)의 앞쪽에 위치한다.
한편, 본 발명 실시예에 따르면, 상기 가스터빈부(10)를 거쳐 상기 증기터빈부(20)로 유입되는 배기가스에 포함된 일산화탄소와 미연소 탄화수소의 산화를 위해서 산화촉매부(100)를 포함할 수 있다. 상기 산화촉매부(100)는, 상기 배기가스가 상기 증기터빈부(20)로 유입되는 정상 운전 중에 발생하는 일산화탄소와 미연소 탄화수소를 산화시키기 위해서 마련된다. 도2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 상기 산화촉매부(100)는 상기 암모니아분사부(92)의 앞쪽에 위치한다. 물론, 상기 산화촉매부(100)는 상기 반응부(91)의 뒤쪽에 위치할 수 있다. 상기 산화촉매부(100)에 의해 복합화력발전소의 정상 운전 중에 상기 배열회수보일러로 유입되는 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 산화시킬 수 있다.
이하, 상기 구성에 의한 대기오염물질을 저감하는 복합화력발전소의 작용 내지 효과에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 실시예에 따른 대기오염물을 저감하는 복합화력발전소는, 복합화력발전소의 초기 기동 시 또는 정지 시에 발생하는 다량의 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 산화시키도록 동작한다. 본 실시예에 따르면, 발전소의 초기 기동 시 또는 정지 시에 배기가스를 바이패스 스택(30)으로 우회시켜서 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 산화시킨다. 먼저, 발전소의 출력이 정상 운전 수준에 도달한 상황에서, 배기가스는 상기 증기터빈부(20)로 유입되어 전력을 생산하며, 이러한 정상 운전 중에 발생하는 일산화탄소 및 미연소 탄화수소는 상기 증기터빈부(20)의 배열회수보일러에 마련되는 산화촉매부(100)에 의해 산화되어 제거된다.
발전소의 초기 기동 시 또는 정지 시에는 일산화탄소 및 미연소 탄화수소가 다량 발생한다. 이러한 초기 기동 시 또는 정지 시에, 제1 댐퍼(50)는 개방되고, 제2 댐퍼(60)는 폐쇄되어 상기 가스터빈부(10)에서 발생하는 배기가스는 상기 바이패스 스택(30)으로 흐른다. 상기 바이스패스 스택에 마련된 산화촉매반응부(70)에 의해 일산화탄소 및 미연소 탄화수소가 산화되고, 추가적으로 상기 산화촉매반응부(70)의 후단에 설치된 환원제분사부(80)에 의해 이산화질소가 일산화질소로 환원된다. 본 실시예에 따르면, 상기 초기 기동 시는 발전소의 점화부터 발전소의 부하율이 50%에 이르는 구간으로 설정되고, 상기 운전 정지 시는 발전소의 부하율이 저감되어 부하율이 50% 이하부터 소화까지의 구간으로 설정된다. 상기 부하율 50%는 발전소의 운전 상황에 따라 달리 설정될 수 있다. 예컨대, 초기 기동 시는 발전소의 점화부터 부하율이 40% 내지 50% 범위 내에서 조절될 수 있다. 또한, 정지 시 역시 부하율이 40% 내지 50% 범위에서 소화까지 구간으로 조절될 수 있다. 즉, 상기 초기 기동 시의 상한값은 부하율이 40% 내지 50% 범위 내에서 조절될 수 있으며, 정지 기동 시의 상한값 역시 부하율이 40% 내지 50% 범위 내에서 조절될 수 있다. 이러한 작용에 의해, 복합화력발전소의 초기 기동 시 또는 정지 시에 발생하는 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 효과적으로 산화시킬 수 있다.
또한, 초기 기동 시 및 정지 시에 배기가스를 바이패스 스택(30)으로 우회하여 흐르도록 하여 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 산화시킴으로써, 가스터빈부(10)의 출력을 감소시키지 않으면서, 전력생산효율을 향상시킨다. 구체적으로, 증기터빈부(20)에는 정상 운전 중에 일산화탄소와 미연소 탄화수소를 산화시키기 위한 산화촉매부(100)가 마련되어, 상기 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 이산화탄소와 수증기로 전환시킬 수 있다. 그러나, 복합화력발전소의 기동 초기 및 정지 시에는 연소 조건이 불안정하여 일산화탄소와 미연소 탄화수소의 농도가 수천 ppm까지 상승하여 상기 증기터빈부(20)의 배열회수보일러의 산화촉매부(100)로는 감당하기 어렵다. 상기 산화촉매부(100)가 수천 ppm까지 상승하는 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 처리하기 위해서는 상당한 부피의 산화촉매가 요구된다. 상기 산화촉매의 부피를 증기시키면 산화율이 증가하지만, 증가된 산화촉매의 부피로 인하여 상기 배기가스가 배열회수보일러를 통과할 때의 압력 손실이 증가하여 가스터빈부(10)의 전력 생산량이 저하된다. 또한, 상기 산화촉매의 부피를 증가시키기 위해서 상기 배열회수보일러의 부피를 증가시켜야 하는 문제가 추가적으로 발생한다.
따라서, 증기터빈부(20)의 배열회수보일러에 설치되는 산화촉매부(100)에서 일산화탄소 및 미연소 탄소수소를 산화시키기 위한 산화촉매의 부피는 제한될 수 밖에 없다. 이는 복합화력발전소의 초기 기동 시 및 정시 시에 발생하는 일산화탄소 및 미연소 탄소수소를 상기 증기터빈부(20)로 유입시키는 경우 효과적인 산화가 어려우며 오염물질이 더 많이 대기로 배출될 수 밖에 없음을 의미한다. 뿐만 아니라, 산화촉매부(100)가 가스터빈부(10)의 배열회수보일러에 설치되는 경우, 배기가스의 열이 상기 배열회수보일러로 회수되어 열에너지를 잃게 되고, 상기 배열회수보일러에 설치된 수관이 승온되는데는 소정의 시간이 소요되므로, 산화촉매부(100)가 최적의 성능을 발휘하기 위해서 필요한 적정 온도에 도달하는 시간이 요구된다. 그 시간 동안 일산화탄소와 미연소 탄화수소는 제대로 산화되지 못하고 대기 중으로 배출될 수 밖에 없다.
따라서, 본 발명은 복합화력발전소의 초기 기동 시 및 정지 시에 배기가스를 바이패스 스택(30)으로 우회시킨다. 상기 바이패스 스택(30)을 통과하는 배기가스의 온도는 수분 내에 수백℃까지 상승하므로, 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 효과적으로 산화시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 복합화력발전소에서 대기오염물질을 저감하는 방법이 제공된다. 본 실시예에 있어서, 도1 및 도2의 실시예와 실질적으로 동일한 작용 내지 기능을 제공하는 구성에 대하여는 동일한 참조번호를 부여한다.
도3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 복합화력발전소에서 대기오염물질을 저감하는 방법은, 가스상의 연료 및 공기가 유입 및 연소되어 가스터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 가스터빈부(10)와, 상기 가스터빈부(10)를 통과한 배기가스로부터 열을 회수하고 증기를 가열하며 생산된 증기를 이용하여 증기터빈을 구동시켜서 전력을 생산하는 증기터빈부(20)를 포함하는 복합화력발전소에 적용된다. 상기 증기터빈부(20)에는 배열회수보일러가 마련되어 열을 회수하여 증기를 생산한다. 또한, 상기 연료는 천연가스 또는 액화석유가스 등이 될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 복합화력발전소의 운전 초기 및 운전 정지 시, 상기 가스터빈부(10)로부터 발생한 배기가스를 상기 가스터빈부(10)의 후단에 마련되 바이패스 스택(30)으로 유도하고, 상기 바이패스 스택(30)에는 산화촉매반응기(70)를 설치하여 상기 배기가스에 포함된 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 산화시킨다. 상기 산화촉매반응기(70)에는 상기 일산화탄소 및 미연소 탄화수소와 산화반응하는 산화촉매가 마련된다.
본 실시예에 있어서, 상기 운전 초기 시는 점화부터 발전소의 부하율 50%에 이르는 구간으로 설정되고, 상기 운전 정지 시는 발전소의 부하율이 저감하여 발전소의 부하율이 50% 이하부터 소화까지의 구간으로 설정될 수 있다. 물론, 상기 운전 초기 시 및 운전 정지 시의 상한값은, 상술한 바와 같이, 발전소의 상황에 따라서 부하율 40% 내지 50% 범위에서 조절될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상기 배기가스가 상기 바이패스 스택(30)으로 선택적으로 흐르도록 하는 제1 댐퍼(50)가 마련되고, 상기 가스터빈부(10)로부터 상기 증기터빈부(20)로 배기가스를 선택적으로 유입시키는 제2 댐퍼(60)가 마련된다. 상기 복합화력발전소의 운전 초기 및 운전 정지 시에는 상기 제1 댐퍼(50)가 개방되고, 상기 제2 댐퍼(60)가 폐쇄되어 상기 배기가스가 상기 바이패스 스택(30)으로 흐르도록 한다.
또한, 본 실시예에 따르면, 상기 바이패스 스택(30)은 제1 직경을 갖는 소경부(31)와, 상기 제1 직경보다 큰 직경을 갖는 대경부(32)를 포함한다. 상기 산화촉매반응기(70)는 상기 대경부(32)에 설치된다. 상기 산화촉매반응기(70)가 상기 대경부(32)에 설치되어 상기 바이패스 스택(30)을 통과하는 상기 배기가스의 흐름속도가 소정의 범위 내에서 유지되도록 한다. 상기 배기가스의 선속도를 소정의 범위 내에서 유지함으로써, 상기 배기가스의 압력 강하를 최소화하여 상기 가스터빈부(10)에서 전력생산효율이 저감되는 것을 방지한다.
또한, 도4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 상기 산화촉매반응기(70)를 거친 상기 배기가스에 환원제를 분사하여 이산화질소를 일산화질소로 환원한다. 본 발명은 실질적으로, 도2의 실시예에 따른 환원제분사부(80)에 의해 수행될 수 있다. 상기 환원제분사부(80)에 대하여는 상술한 바 반복적인 설명은 생략한다.
그리고, 본 실시예에 따르면, 상기 증기터빈부(20)에서 질소산화물을 질소와 수증기로 저감하는 조치가 수행된다. 상기 증기터빈부(20)의 배열회수보일러로 유입된 상기 배기가스는 탈질촉매가 포함된 반응부(91)를 통과한다. 상기 반응부(91)에는 암모니아를 분사하여, 상기 배기가스에 포함된 질소산화물을 질소와 수증기로 전환한다. 상기 암모니아의 분사는 도1 또는 도2의 실시예와 같이 암모니아분사부(92)에 의해 수행될 수 있다. 상기 질소산화물의 저감조치는 실질적으로, 도2의 질소산화물저감부(90)에 의해 수행된다.
상기와 같은 복합화력발전소에서 대기오염물질을 저감하는 방법은, 실질적으로 도2의 실시예에 따른 대기오염물질을 저감하는 복합화력발전소가 그 운전 초기 및 정지 시에 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 저감하는 것과 유사한 효과를 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 바이패스 스택(30)에 설치된 산화촉매반응기(70)를 통과한 배기가스에 대하여 환원제를 분사하여 이산화질소를 일산화질소로 환원하고, 증기터빈부(20)에서 질소산화물을 저감하는 조치를 아울러 수행하여, 대기 중으로 방출되는 오염물질을 저감하는 효과를 제공한다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다.
10... 가스터빈부 20... 증기터빈부
30... 바이패스 스택 31... 소경부
32... 대경부 40... 주연돌
50... 제1 댐퍼 60... 제2 댐퍼
70... 산화촉매반응기 80... 환원제분사부
90... 질소산화물저감부 91... 반응부
92... 암모니아분사부 100... 산화촉매부

Claims (9)

  1. 가스상 연료와 공기가 유입 및 연소되어 가스터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 가스터빈부;
    상기 가스터빈부를 통과한 배기가스로부터 열을 회수하여 증기를 가열하고, 생산된 증기를 이용하여 증기터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 증기터빈부;
    상기 가스터빈부와 상기 증기터빈부 사이에 설치되어 상기 가스터빈부로부터 발생된 배기가스를 배출하는 바이패스 스택;
    상기 증기터빈부의 후단에 배치되어 상기 증기터빈부를 통과한 배기가스를 배출시키는 주연돌;
    상기 바이패스 스택에 마련되는 제1 댐퍼;
    상기 가스터빈부로부터의 배기가스를 상기 증기터빈부로 선택적으로 유입시키도록, 상기 증기터빈부의 전단에 설치되는 제2 댐퍼; 및
    상기 바이패스 스택에 마련되며, 상기 배기가스에 포함된 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 산화시키도록 산화촉매를 구비하는 산화촉매반응기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기오염물질을 저감하는 복합화력발전소.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스 스택은 제1 직경을 갖는 소경부와, 상기 제1 직경보다 큰 직경을 갖는 대경부를 포함하며,
    상기 산화촉매반응기는 상기 대경부에 설치되는 것을 특징으로 하는 대기오염물질을 저감하는 복합화력발전소.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 바이패스 스택으로 유입되어 상기 산화촉매반응기를 거친 상기 배기가스 중 이산화질소를 일산화질소로 환원하도록, 상기 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제분사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기오염물질을 저감하는 복합화력발전소.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 증기터빈부로 유입된 상기 배기가스에 포함된 질소산화물을 질소와 수증기로 전환하기 위해서, 탈질촉매가 포함된 반응부와, 상기 반응부에 암모니아를 분사하는 암모니아분사부를 갖는 질소산화물저감부를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기오염물질을 저감하는 복합화력발전소.
  5. 가스상의 연료 및 공기가 유입 및 연소되어 가스터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 가스터빈부와, 상기 가스터빈부를 통과한 배기가스로부터 열을 회수하여 증기를 가열하고 생성된 증기를 이용하여 증기터빈을 구동시켜서 전력을 생산하는 증기터빈부을 포함하는 복합화력발전소에 있어서,
    운전 초기 또는 운전 정지 시 상기 가스터빈부로부터 발생한 배기가스를, 상기 가스터빈부의 전단에 마련된 바이패스 스택으로 유도하고, 상기 바이패스 스택에는 산화촉매를 구비하는 산화촉매반응기를 구비하여 상기 배기가스에 포함된 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 상기 산화촉매와 반응시켜 산화시키는 것을 특징으로 하는 복합화력발전소에서 대기오염물질을 저감하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 바이패스 스택은 제1 직경을 갖는 소경부와, 상기 제1 직경보다 큰 직경을 갖는 대경부를 포함하며, 상기 산화촉매반응기는 상기 대경부에 설치되어서, 상기 바이패스 스택을 통과하는 상기 배기가스의 흐름속도가 소정의 범위 내에서 유지되는 것을 특징으로 하는 복합화력발전소에서 대기오염물질을 저감하는 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 산화촉매반응기를 거친 상기 배기가스에 환원제를 분사하여 이산화질소를 일산화질소로 환원하는 것을 특징으로 하는 복합화력발전소에서 대기오염물질을 저감하는 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 증기터빈부로 유입된 상기 배기가스가 탈질촉매가 포함된 반응부를 통과하도록 하고, 상기 반응부에 암모니아를 분사하여, 상기 배기가스에 포함된 질소산화물을 질소와 수증기로 전환하는 것을 특징으로 하는 복합화력발전소에서 대기오염물질을 저감하는 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 운전 초기 시는 점화부터 발전소의 부하율 50%에 이르는 구간으로 설정되고, 상기 운전 정지 시는 발전소의 부하율이 저감하여 발전소의 부하율이 50% 이하부터 소화까지의 구간으로 설정되는 것을 특징으로 하는 복합화력발전소에서 대기오염물질을 저감하는 방법.
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