CFD를 이용한 350MW 화력발전소 탈질설비 효율 개선에 대한 연구

Abstract

발전용 배연탈질설비 탈질 방법으로는 선택적 촉매 환원법(SCR)과 선택적 비촉매 환원법(SNCR)이 있으며, 선택적 비촉매 환원법의 경우 설비비는 적게 소요되나 반응이 안정적이지 못하며 환원 능력이 떨어져 대부분의 발전소에서 NOx 제거 효율이 높은 SCR 설비를 사용하여 배기가스온도 350°C 전후에 설치된 촉매층에 암모니아를 주입해 질소산화물을 질소와 물로 환원, 제거하고 있다. 본 논문은 수도권 대기환경 개선을 위한 특별법 제정 및 질소산화물 배출 허용기준이 강화되어 2007년 350MW 평택화력발전소에 설치하여 운전중인 SCR 탈질설비의 촉매부위의 온도분포가 290～350°C로 편차가 크고 특히 저부하 운전에서 암모니아가 반응하지 않는 구간이 존재하여 촉매를 막는 Plugging 현상이 발생하고 있다. 원인으로서 탈질설비 덕트구조의 급격한 형상 변화로 Gas의 유동이 편류되어 부분적으로 탈질설비 고유기능을 상실하고 있는 것으로 판단되었다. CFD를 이용하여 시뮬레이션을 통해 배기가스 덕트 상부 Slope 및 90도로 방향이 바뀌어 내려가는 부분에서 유동이 원활하지 않은 것으로 나타났으며, 1단 촉매층 전단에 낮은 온도분포 및 2단 촉매층과 Air Preheater까지 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 3차원 유동해석을 통해 근본적인 원인을 밝히고 개선된 설계 변경에 대한 유동해석의 재 수행 및 최적화된 Guide Vane 및 부속설비 구조물을 설계, 제작하여 현장 적용한 결과 유동이 원활하지 않은 부분에서 속도분포가 월등히 좋아지며, 온도분포 역시 고른 결과를 보여 주었다. 결국 탈질설비가 재 기능을 완벽하게 수행하게 되었고, 속도분포 및 온도분포가 고른 결과로 인하여 암모니아 주입온도 설정값인 298°C에 도달하지 못할 경우 촉매 반응기 입구 배기가스를 재열하여 암모니아 주입이 가능하도록 설치하였던 Duct Burner 설비 운전이 불필요하게 되어 Duct Burner 설비 운전에 따른 비용도 절감하게 되었다.