KR20240039358A - 바이패스 경로를 구비한 보일러 배기가스 처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이패스 경로를 구비한 보일러 배기가스 처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보일러(20), 상기 보일러(20)로부터 나온 배기가스와 열 교환하여 보일러 급수를 가열하는 절탄기(30), 상기 절탄기(30)를 거쳐 배출되는 배기가스에서 질소산화물을 제거하는 탈질장치(40), 상기 절탄기(30)에서 나온 배기가스를 상기 탈질장치(40)에 공급하는 제2 덕트(52), 상기 절탄기(30)의 전단부에서 상기 보일러(20)로부터 나온 배기가스가 직접 상기 제2 덕트(52)에 우회하여 공급하도록 연통된 제1 바이패스 덕트(31) 및 상기 제1 바이패스 덕트(31)의 일측에 일단이 연결되고 상기 제2 덕트(52)에서 상기 제1 바이패스 덕트(31)와 연결된 부분의 반대측면에 타단이 연결되는 제2 바이패스 덕트(32)를 포함하여 보일러 배기가스 처리 시스템을 구성함으로써 바이패스 덕트를 통해 탈질설비 입구 온도를 균일하도록 하여 저부하 운전 시 탈질장치의 탈질 효율을 유지할 수 있는 보일러 배기가스 처리 시스템에 관한 것이다.

Description

바이패스 경로를 구비한 보일러 배기가스 처리 시스템{THE BOILER EMISSION GAS SYSTEM WITH BYPASS LINE}

본 발명은 석탄화력발전소에서 저부하 운전 시 탈질 효율을 위해 절탄기에 바이패스 경로를 구비한 보일러 배기가스 처리 시스템에 관한 것이다.

석탄화력발전소에서는 석탄연소과정 중 높은 연소온도로 인해 많은 양의 질소산화물이 생성된다. 질소산화물은 대표적인 대기오염 물질이기 때문에 대기오염물질 배출허용기준에 따라 국내 대부분 석탄화력발전소에는 질소산화물이 대기 중으로 배출되기 전에 질소와 산소 등 유해하지 않은 물질로 전환시키는 탈질장치를 설치하여 운영하고 있다. 최근에는 배출허용기준이 더욱더 엄격해짐에 따라 발전소에서는 탈질효율을 높이기 위해 촉매층을 추가하는 등 질소산화물 배출 허용치 달성을 위해 다양한 노력을 하고 있다.

탈질장치는 촉매의 종류에 따라 적정효율을 나타내는 촉매활성온도가 다르다. 석탄화력발전소의 경우 석탄연료에 다량의 황성분이 포함되어 있으므로 황산화물에 저항력이 강한 촉매를 사용하며, 이러한 촉매의 활성온도는 일반적으로 300℃ 내지 400℃ 정도이다. 부하가 낮아질수록 탈질장치의 입구 온도가 낮아지며, 정격출력(Maximum Guaranted Rating, MGR)의 50% 이하일 때 촉매활성온도인 300℃보다도 낮아지게 되며, 낮은 온도에서는 촉매의 활성도가 저하되어 탈질효율이 감소할 뿐만 아니라 암모니아 슬립(NH₃-slip)이 증가하여 황산암모늄이 생성되는 원인이 된다. 기존의 석탄화력발전소는 기저부하를 담당하였으므로 주로 정격출력으로만 운전해왔기 때문에 배기가스 온도가 촉매활성온도 범위 안에 있으므로 안정적으로 운영되어 왔다.

최근 재생에너지 발전량이 크게 증가함에 따라 기존의 석탄화력발전소는 더이상 기저부하를 담당하기 어려우며, 수요에 맞게 발전량을 변동시키는 부하추종운전을 해야 한다. 따라서 정격출력(MGR)의 50% 이하의 저부하에서의 운전빈도가 잦아지게 되고, 이러한 저부하 운전시에는 배기가스 온도가 저감되어 탈질장치로 유입되는 배기가스의 온도가 촉매활성온도보다 낮아짐에 따라 탈질효율이 감소하는 것을 방지할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

대한민국 등록특허 제10-0570890호

상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 석탄화력발전소에서 저부하 운전 시에도 적절한 탈질 효율을 유지하도록 일정한 촉매 반응 온도를 유지시키기 위해 절탄기에 바이패스 덕트가 설치되어 일부 연소 가스가 절탄기를 거치지 않고 절탄기 후단으로 우회시켜 탈질장치 입구 온도를 최저 촉매활성온도인 300℃ 이상으로 상승되도록 바이패스 경로를 구비한 보일러 배기가스 처리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 보일러 배기가스 처리 시스템은 보일러, 상기 보일러로부터 나온 배기가스와 열 교환하여 보일러 급수를 가열하는 절탄기, 상기 절탄기를 거쳐 배출되는 배기가스에서 질소산화물을 제거하는 탈질장치, 상기 절탄기에서 나온 배기가스를 상기 탈질장치에 공급하는 제2 덕트, 상기 절탄기의 전단부에서 상기 보일러로부터 나온 배기가스가 직접 상기 제2 덕트에 우회하여 공급하도록 연통된 제1 바이패스 덕트 및 상기 제1 바이패스 덕트의 일측에 일단이 연결되고 상기 제2 덕트에서 상기 제1 바이패스 덕트와 연결된 부분의 반대측면에 타단이 연결되는 제2 바이패스 덕트를 포함한다.

상기 제2 덕트에서 상기 제1 바이패스 덕트가 연결된 부위와 제2 바이패스 덕트가 연결된 부위는 서로 반대의 대각선 방향으로 위치할 수 있다.

본 발명의 보일러 배기가스 처리 시스템에서 상기 제2 바이패스 덕트는 상기 제1 바이패스 덕트로 이송되는 배기가스 일부를 상기 제2 덕트에 공급한다. 여기서 상기 제2 바이패스 덕트는 상기 제1 바이패스 덕트를 통한 배기가스 공급 방향과 반대방향으로 상기 제2 덕트에 배기가스를 공급할 수 있다.

상기 제2 덕트에서 상기 제1 바이패스 덕트와 상기 제2 바이패스 덕트는 상호 대각선 마주하며 반대방향으로 상기 제2 덕트 내부에 배기가스를 공급할 수 있다.

본 발명의 보일러 배기가스 처리 시스템에서 상기 탈질장치는 선택적 촉매환원 장치(Selective Catalytic Reduction, SCR)인 것이 바람직하다.

본 발명의 보일러 배기가스 처리 시스템에서 상기 제1 바이패스 덕트에는 상기 보일러로부터 나온 배기가스의 바이패스 량을 조절하는 바이패스 댐퍼가 설치되어 있다.

본 발명의 바이패스 경로를 구비한 보일러 배기가스 처리 시스템에 따르면 후술하는 효과를 얻을 수 있지만, 본 발명에 따른 효과는 이에 제한되지 않는다.

본 발명은 바이패스 덕트를 이용하여 탈질장치에 공급되는 배기가스의 온도는 질소산화물 제거 촉매의 활성온도 이상으로 유지하여 발전소에서 정격출력(Maximum Guaranted Rating, MGR)보다 50% 정도 이하의 저부하 운전 시에도 탈질장치의 촉매 활성도를 유지시켜 탈질 효율을 탈질효율이 감소하는 것을 방지한다.

또한, 저부하 운전 시 정격출력과 동일한 출력을 내기 위해 더 많은 양의 연료가 소모되는 것을 방지하여 발전소의 운영을 효율적으로 할 수 있다.

또한, 탈질장치 입구온도가 비교적 균일하므로 절탄기 바이패스 댐퍼 제어를 위해 필요한 계측설비의 개수가 줄어들게 되어 설치비용 및 유지보수 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예 따른 보일러 배기가스 처리 시스템을 나타낸 것이다.
도 2는 상기 도 1의 보일러 배기가스 처리 시스템에서 바이패스 덕트를 나타낸 것이다.
도 3은 종래 보일러 배기가스 처리 시스템에서 탈질설비 입구 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 보일러 배기가스 처리 시스템에서 탈질설비 입구 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 5는 제2 바이패스 덕트 유무에 따른 부하별 열소비율을 나타낸 그래프이다.

이하 본 발명의 보일러 배기가스 처리 시스템에 대해 도면을 참조로 상세히 설명하며, 이는 일예로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 것이 반드시 한정되지 않는다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보일러 배기가스 처리 시스템을 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 보일러 배기가스 처리 시스템은 소정의 온도로 공기를 가열하는 공기 히터(10), 상기 공기 히터(10)로부터 가열된 공기를 제1 덕트(51)를 통해 공급받아 석탄 등의 연료를 연소하는 보일러(20), 상기 보일러(20)로부터 나온 배기가스가 가진 열로 보일러 수냉벽에 공급되는 물인 보일러 급수를 가열하는 절탄기(30), 및 상기 절탄기(30)를 거쳐 배출되는 배기가스에서 오염 물질인 질소산화물을 제거하는 선택적 촉매환원 장치(Selective Catalytic Reduction, SCR)인 탈질장치(40)를 포함하여 구성된다.

보일러 배기가스 처리 시스템은 상기 공기 히터(10)에서 소정의 온도로 가열된 공기는 제1 덕트(51)를 통해 보일러(20)로 이송되고, 상기 절탄기(30)에서 나온 배기가스는 제2 덕트(52)를 통해 상기 탈질장치(40)로 공급하며, 상기 탈질장치(40)를 거쳐 질소산화물이 제거된 배기가스는 제3 덕트(53)을 통해 다시 공기 히터(10)를 거쳐 배출한다.

상기 절탄기(30) 전단에는 상기 보일러(20)로부터 나온 배기가스가 직접 상기 제2 덕트(52)에 우회하여 공급하도록 연통된 바이패스 덕트로 제1 바이패스 덕트(31)와 제2 바이패스 덕트(32)가 구비된다.

상기 제1 바이패스 덕트(31)에는 제1 바이패스 덕트를 지나는 상기 보일러(20)로부터 나온 배기가스 량을 제어하는 바이패스 댐퍼(미도시)가 적어도 하나가 설치되어 제1 바이패스 덕트로 우회하는 바이패스 유량이 과도하지 않게 최적화 할 수 있다.

절탄기 전단에서 배기가스를 바이패스의 경우 탈질장치의 탈질효율을 높게 유지시키기 위해 절탄기와 열교환해야 하는 배기가스 중 일부를 우회하는 기술이기 때문에 바이패스 유량이 많아질수록 절탄기에서 보일러 급수로의 열전달량이 감소하게 된다. 즉, 절탄기에서 보일러 급수가 충분히 가열되지 않아 연료 투입량이 증가시키게 되고, 이는 곧 발전효율의 감소로 이어져 발전 운영비용이 증가하게 된다. 따라서 탈질기 바이패스 유량을 과도하지 않게 바이패스 댐퍼를 통해 바이패스 유량을 최적화하는 것이 중요하다.

도 2는 상기 도 1의 보일러 배기가스 처리 시스템에서 A-A선에 따른 단면을 보여주는 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 보일러 배기가스 처리 시스템에서 바이패스 덕트는 2개로 제1 바이패스 덕트(31)와 제2 바이패스 덕트(32)로 구성된다.

상기 제1 바이패스 덕트(31)는 일단이 절단기(30)의 전단 부위의 보일러(20)의 일측이 연결되고, 타단이 제2 덕트(52)의 일단에 연결된다.

상기 제2 바이패스 덕트(32)는 일단이 제1 바이패스 덕트(31)의 일측에 일단이 연결되고, 상기 제2 덕트(52)에서 상기 제1 바이패스 덕트(31)와 연결된 부분의 반대측면에 타단이 연결된다.

도 2에 나타낸 바와 같이 제2 덕트(52)의 횡단면이 사각형일 경우에는 상기 제2 덕츠(52)에서 마주보는 면에서 각각 제1 바이패스 덕트(31)와 제2 바이패스 덕트(32)가 서로 상호 대각선 방향으로 위치한다.

한편, 상기 도 2에서는 사각형인 덕트를 제시하였으나, 본 발명에서 제1 덕트(51), 제2 덕트(52), 제3 덕트(53), 제1 바이패스 덕트(31), 및 제2 바이패스 덕트(32)의 횡단면은 사각형, 원형, 타원형 등일 수 있다.

상기 제2 바이패스 덕트(32)는 상기 제1 바이패스 덕트(31)로 이송되는 배기가스 일부를 상기 제2 덕트(52)에 공급한다. 여기서 상기 제2 바이패스 덕트(32)는 상기 제1 바이패스 덕트(31)를 통한 배기가스 공급 방향과 반대방향으로 상기 제2 덕트(52)에 배기가스를 공급한다.

상기 제2 덕트(52)에서 상기 제1 바이패스 덕트(31)와 상기 제2 바이패스 덕트(32)는 상호 대각선 마주하며 반대방향으로 상기 제2 덕트(52) 내부에 배기가스를 공급하며, 이렇게 서로 반대 방향에서 배기가스를 공급해줌으로써, 제2 덕트(52)에서 배기가스의 바이패스 유동이 좀 더 균일하게 섞인다.

상기 제1 바이패스 덕트(31)와 상기 제2 바이패스 덕트(32)의 출구 면적은 서로 동일할 수 있다.

보일러 배기가스 처리 시스템에서 제1 바이패스 덕트(31)만 설치되어 있을 경우보다 제2 바이패스 덕트(32)가 추가로 바이패스 덕트가 2개가 설치되면, 총 출구의 단면적은 증가하여 보일러(20)로부터 나온 배기가스가 제2 덕트(52)로 우회하는 바이패스 유동의 속도가 감소함으로써, 이로 인해 바이패스 유동이 절탄기(30)를 거쳐나온 배기가스와 충분히 혼합될 수 있도록 한다. 바이패스 유동의 속도가 감소되면 제2 덕트(52)에 체류시간이 증가하여 배기가스가 충분히 혼합됨에 따라 탈질장치의 입구 온도를 더욱 균일하게 할 수 있다.

상기 제1 바이패스 덕트(31)와 제2 바이패스 덕트(32)를 통해 제2 덕트(52)에서 균일하게 혼합되어 탈질장치(40)에 공급되는 배기가스의 온도는 질소산화물 제거 촉매의 활성온도 이상인 것이 바람직하다.

일반적으로 촉매의 활성온도는 300℃ 내지 400℃ 정도이므로 본 발명의 보일러 배기가스 처리 시스템에서 탈질장치(40)에 공급되는 배기가스의 온도는 300℃ 이상일 수 있다.

도 3은 종래의 보일러 배기가스 처리 시스템을 적용했을 때에 정격출력(MGR)의 30%의 저부하 운전 시 탈질장치 입구로 들어가는 연소가스의 온도분포이다.

도 3에서 나타내는 종래 보일러 배기가스 처리 시스템은 보일러(20)로부터 나온 배기가스가 직접 절탄기(30) 전단에서 제2 덕트(52)로 우회하여 공급하도록 연통된 바이패스 덕트로 제1 바이패스 덕트(31)만 구비된 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이 종래 보일러 배기가스 처리 시스템에서는 탈질장치 입구로 들어가는 배기가스가 충분히 혼합되지 않는 것을 확인할 수 있다. 이로인해 탈질장치 입구 온도가 탈질 촉매활성 온도인 평균 300℃일지라도 온도분포가 고르지 않기 때문에 실질적인 탈질효율은 기대에 비해 낮게 되어 질소산화물이 충분히 제거되지 않고 대기로 방출되게 된다. 따라서 탈질효율을 유지하기 위해서는 필요이상으로 바이패스 유량을 더욱 증가시켜야 함에 따라 발전효율이 더욱더 감소하게 된다.

절탄기 전단에서 제2 덕트로 공급되는 배기가스의 바이패스 유량은 탈질장치 입구 온도 신호를 통해 일정 온도 이상을 유지하도록 바이패스 댐퍼 개도를 제어함으로써 결정된다.

하지만 종래의 보일러 배기가스 처리 시스템의 경우에는 도 3에 나타낸 바와 같이 탈질장치 입구 온도의 편차가 최대 100℃ 이상으로 매우 크기 때문에 탈질장치 입구 부위의 어디에서 온도를 계측하는지에 따라 바이패스 유량의 변화가 크게 된다.

만약 탈질장치 입구 온도가 높은 쪽에서 계측하면 바이패스 유량이 많다고 판단되어 절탄기 전단에서 제2 덕트로 공급되는 배기가스의 바이패스 유량을 감소시키게 되고, 이로 인해 탈질효율은 더욱더 감소할 것이다. 반대로 탈질장치 입구 온도가 낮은 쪽에서 계측할 경우 절탄기 전단에서 제2 덕트로 공급되는 배기가스의 바이패스 유량을 더욱 증가시킴으로써 연료투입량이 증가하게 된다. 따라서 정확한 제어를 위해서는 탈질장치 입구 온도 계측지점을 늘려야 하므로 계측장치 비용이 증가하게 될 뿐만 아니라 제어로직도 복잡해지게 된다.

도 4는 본 발명의 보일러 배기가스 처리 시스템을 적용했을 때에 정격출력(MGR)의 30%의 저부하 운전 시 탈질장치 입구로 들어가는 연소가스의 온도분포이다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 보일러 배기가스 처리 시스템의 경우, 상기 도 3의 종래의 보일러 배기가스 처리 시스템과 비교하였을 때, 동일한 양의 바이패스 유량임에도 불구하고 탈질장치의 입구 온도 분포가 더욱 균일한 것을 확인할 수 있다.

이를 수치적으로 확인해보면 종래 보일러 배기가스 처리 시스템에서 탈질장치 입구 온도의 표준편차는 32.1℃이지만, 본 발명에 따른 보일러 배기가스 처리 시스템의 탈질장치 입구 온도의 표준편차는 15.8℃로 50% 이상 낮아졌다. 이와 같은 결과는 탈질장치 입구의 배기가스가 탈질 촉매활성 온도인 평균 300℃ 이상에 충분히 도달하므로 탈질장치의 탈질효율 유지를 위해 추가적인 바이패스 유량을 필요로 하지 않음을 확인하였다.

도 5는 제2 바이패스 덕트 유무에 따른 부하별 열소비율을 나타낸 그래프로, 도 5에서 열소비율이 높을수록 동일한 출력에서 연료를 더 많이 소비한다는 것을 의미한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 바이패스 덕트를 적용하면 정격출력(MGR)의 30%의 저부하 운전시에 열소비율이 2.5% 증가한다. 제2 바이패스 덕트가 설치되지 않은 종래 보일러 배기가스 처리 시스템에서는 탈질장치 입구 온도 분포가 균일하지 않으므로, 탈질장치의 탈질효율을 유지하기 위해 바이패스 유량을 약 20%정도 증가시켜야 한다. 이로 인해 제2 바이패스 덕트가 없는 종래 보일러 배기가스 처리 시스템에서는 본 발명의 보일러 배기가스 처리 시스템 보다 연료소비율이 약 0.5%p 추가로 증가하게 된다.

앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 보일러 배기가스 처리 시스템은 바이패스 덕트를 이용하여 양쪽 방향에서 배기가스를 공급하여 균일하게 혼합함으로써, 탈질장치 입구 온도 분포를 균일하게 하고, 질소산화물 제거 촉매의 활성온도 이상으로 유지하여 정격출력(Maximum Guaranted Rating, MGR)보다 50% 정도 이하의 저부하 운전 시에도 추가적인 연료 공급 없이도 탈질장치의 촉매 활성도를 유지시켜 탈질 효율을 탈질효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

10 : 공기 히터
20 : 보일러
30 : 절탄기
31 : 제1 바이패스 덕트
32 : 제2 바이패스 덕트
40 : 탈질장치
51 : 제1 덕트
52 : 제2 덕트
53 : 제3 덕트

Claims (6)

1. 보일러;
   상기 보일러로부터 나온 배기가스와 열 교환하여 보일러 급수를 가열하는 절탄기;
   상기 절탄기를 거쳐 배출되는 배기가스에서 질소산화물을 제거하는 탈질장치;
   상기 절탄기에서 나온 배기가스를 상기 탈질장치에 공급하는 제2 덕트;
   상기 절탄기의 전단부에서 상기 보일러로부터 나온 배기가스가 직접 상기 제2 덕트에 우회하여 공급하도록 연통된 제1 바이패스 덕트; 및
   상기 제1 바이패스 덕트의 일측에 일단이 연결되고 상기 제2 덕트에서 상기 제1 바이패스 덕트와 연결된 부분의 반대측면에 타단이 연결되는 제2 바이패스 덕트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 배기가스 처리 시스템.
2. 제1항에 있어서
   상기 제2 덕트에서 상기 제1 바이패스 덕트가 연결된 부위와 제2 바이패스 덕트가 연결된 부위는 서로 반대의 대각선 방향으로 위치하는 것을 특징으로 하는 보일러 배기가스 처리 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제2 바이패스 덕트는 상기 제1 바이패스 덕트로 이송되는 배기가스 일부를 상기 제2 덕트에 공급하되, 상기 제2 바이패스 덕트는 상기 제1 바이패스 덕트를 통한 배기가스 공급 방향과 반대방향으로 상기 제2 덕트에 배기가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 보일러 배기가스 처리 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2 덕트에서 상기 제1 바이패스 덕트와 상기 제2 바이패스 덕트는 상호 대각선 마주하며 반대방향으로 상기 제2 덕트 내부에 배기가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 보일러 배기가스 처리 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 탈질장치는 선택적 촉매환원 장치(Selective Catalytic Reduction)인 것을 특징으로 하는 보일러 배기가스 처리 시스템
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 바이패스 덕트에는 상기 보일러로부터 나온 배기가스의 바이패스 량을 조절하는 바이패스 댐퍼가 설치된 것을 특징으로 하는 보일러 배기가스 처리 시스템.