Lab-scale 유동층 반응기에서 NOx 발생과 석탄 및 공기 공급과의 상관 관계에 대한 실험적 연구

전민규 ( Min-kyu Jeon ),최영곤 ( Young-kon Choi ),이정규 ( Chung-kyu Lee ),길상인 ( Sang-in Keel ),윤진한 ( Jin-han Yun ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2020 No.-

화력 발전소에서 NO 및 NO₂ 배출은 의한 산성비 및 초미세먼지와 같은 광범위한 분야에 걸쳐 지구 환경에 부정적인 영향을 미치고 있다. 대기로의 NOx 배출을 줄이기 위해 저NOx 연소, 순산소 연소, 초임계 CO₂ 발전사이클, 저온 SCR 등 혁신적인 친환경 연소 기술들이 개발되고 있다. 연소장 내 연료와 공기 공급, 공기/연료 비율에 의해 결정되는 연소 조건은 반응장 내 NOx 발생을 결정한다. 본 연구은 NOx 발생에 미치는 산소 및 연료 공급의 효과를 명확하게 밝히는 것이다. 첫째, 연소로 내 각 요소기술을 구분하여 NOx 발생에 미치는 기여도를 평가하였다. 정상상태 연소모드 중 석탄 공급, 1차 및 2차 공기, 공기/연료 비율 측면에서 비교하였다. NOx 발생을 최소화하는 최적 연소 운전조건을 도출하였다. 둘째, 실제 연소로에서 주기적인 연소 부하 변동조건에서 NOx 발생에 미치는 영향을 비교하였다. 실험 조건은 석탄 공급 속도 ±20% 및 ±40% 주기적 분사변동, 공기 공급 속도 ±20% 및 ±40% 주기적 공급 변동, 석탄 및 공기 공급 속도 ±20% 및 ±40% 동시 변동실험을 진행하였다. 결론적으로, 주기적인 석탄및 공기 공급 변동에 의해 연소 배가스 조성의 주기적인 변화가 관찰되었다. 마지막으로, 주기적인 변동에 대한 NOx 발생 민감도 분석을 통해 각 운전모드들을 비교 및 평가하였다. 본 연구는 랩스케일 규모의 FBC에서 연소 부하 변동에 따른 NOx 배출 변화와 반복적인 연료투입 주기성을 갖는 실스케일 연소로 운전에 따른 NO 배출을 결정하기 위한 중요한 기초연구가 될 것이다. 석탄 화력발전소의 유연한 운전(flexible operation)을 위한 동적 운영에 대한 이해에 기여할 것으로 예상된다.

Lab-scale 순산소 순환유동층 연소로 조건에 따른 N₂O 발생 특성 및 제거 기술

전민규(Min-Kyu Jeon),최영곤(Young-Kon Choi),이정규(Chung-Kyu Lee),길상인(Sang-In Keel),윤진한(Jin-Han Yun) 한국에너지기후변화학회 2019 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2019 No.05

순산소 순환유동층 연소 조건에 따른 N₂O 발생 및 제어 기술

전민규 ( Min-kyu Jeon ),최영곤 ( Young-kon Choi ),이정규 ( Chung-kyu Lee ),길상인 ( Sang-in Keel ),윤진한 ( Jin-han Yun ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

순산소 연소 기술(Oxy-combustion technology)은 이산화탄소 포집 및 활용, 저장하는 기술 중 하나로써 공기분리장치(Air separation unit)에 의해 분리된 O₂와 연소배가스의 이산화탄소를 이용하는 기술이며, 이를 응용한 초임계 발전과 NOx 발생 저감 등의 청정 화력발전 기술이다. 이를 석탄화력발전에 적용한 기술로써 순산소 순환유동층 연소(Oxy-fuel Circulating Fluidized Bed Combustion, Oxy-CFBC) 과정에서, 로내 조건에 따라 아산화질소(N₂O)가 발생될 수 있으며, 초미세먼지와 같은 가시적인 대기오염 문제를 일으키지 않아 N₂O가스의 심각성에 대해 잘 알려지지 않고 있다. 그러나 N₂O 가스의 지구온난화 기여 효과는 CO₂ 대비 약 310배에 해당하며, NO와 오존O₃간 산소원자 치환반응으로 오존층 파괴를 촉진하고 있다. 이러한 심각성을 지닌 온실가스 N₂O에 대한 주 배출원은 석탄화력발전에서 석탄표면 연소반응 및 NOx의 SCR 환원공정의 부반응에 의해 발생될 수 있으며, N₂O의 생성과 분해 과정에 대한 뚜렷한 매커니즘이 밝혀지지 않고 있다. 본 연구에서는 순산소 순환유동층 연소(Oxy-CFBC)보일러에서 로내 실험 조건에 따른 N₂O 발생 원인에 대해 다루고 있다. NOx의 환원을 위해 첨가한 요소수(urea, NH2CONH2) 및 암모니아(NH₃) 투입량과 로내 연소온도를 변수로 하였으며, 이에 따른 N₂O 농도 변화를 비교하였다. 환원제 비교실험에서, NOx 제거효과는 요소수가 암모니아에 비해 제거 우수성이 좋았으나, 요소수에 의한 NOx의 감소량 만큼 N₂O가 발생하는 경향을 보였다. 한편, 암모니아(NH₃)를 환원제로 공급할 경우 N₂O의 증가경향이 명확하게 나타나지 않았다. 요소수 사용에 따른 N₂O 발생원인은, 요소수의 로내 고온열분해로 생성된 이소시안산(iso-cyanic acid, HNCO)이 NOx를 환원시키는 과정에서 N₂O가 발생된 것으로 판단되었다. 또한 연소로 온도증가에 따라 N₂O 발생량은 감소하는 것으로 나타났다. Oxy-CFBC에서 발생되는 대용량 배가스 내 N₂O 처리를 위해, 현재 개발중인 N₂O 제어 기술에 대해 간략히 소개한다. 후연소 기술(afterburning technology)이 적용된 N₂O 분해 기술은 탄화수소 환원제를 이용하여 비촉매 환원특성이 반영되었다. 본 연구 발표를 통해, Oxy-CFBC에서 온실가스 N₂O 발생특성을 이해하고 후연소 기술이 적용된 N₂O 분해 장치 개발에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

밀도 효과가 고려된 부상화염의 화염전파속도 추정

전민규(Min-kyu Jeon),김남일(Nam Il Kim) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.12

극한조건에서의 NOx 저감특성에 대한 실험적 연구

김민수 ( Min-su Kim ),전민규 ( Min-kyu Jeon ),이정규 ( Young-kon Choi ),길상인 ( Chung-kyu Lee ),윤진한 ( Sang-in Keel ),( Jin-han Yun ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2020 No.-

질소산화물은 2차 미세먼지를 발생시키는 유발물질로 폐기물 소각장, 화력발전 등의 분야에서 질소산화물 저감을 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 질소산화물을 저감시키는 탈질기술은 연료 다단법(fuel-staging), 공기다단법(air-staging), 저 NOx 버너(low-NOx burner) 등과 같이 연소로의 운전 변수를 조작하여 NOx 생성을 억제하는 1차 저감법과 선택적 비촉매 환원법(SNCR; selective non-catalytic reduction)과 선택적 촉매 환원법(SCR; selective catalytic reduction)과 같이 공정 내 연소가스의 흐름에 특정 기술을 적용하여 NOx를 전환하거나 포집하는 2차 저감법이 있다. 2차 저감법은 별도의 장치나 첨가제를 필요로 하여 1차 저감법에 비해 비용적 측면에서 불리하지만, NOx 저감 성능은 우수하기 때문에 NOx 저감을 최대화하고 비용적 측면을 최소화하기 위해 1차 저감법과 2차 저감법을 함께 사용하는 것이 유리하다. 그로 인해, 1차 저감을 통해 생성이 억제된 낮은 농도의 질소산화물 조건에서 SNCR 및 SCR을 사용할 시, 저감 효율 및 특성을 분석하는 것이 필요하다. 이에 본 연구에서는 다양한 농도의 질소산화물을 대상으로 SCR 및 SNCR의 특성에 대해 파악하였다. 첨가제는 1요소수를 사용하였고, 질소산화물은 10, 25, 50, 100, 200 ppm의 조건으로 반응기 온도 및 첨가제 양에 따른 질소산화물 저감특성을 비교 분석하였다. SNCR NOx 저감 실험은 반응기 온도 800-950℃의 조건으로 진행되었고, 요소수는 10 wt.%, 40 wt. %를 사용하였다. 요소수의 NSR은 3.0으로 고정하였고, 프리히터를 통해 예열된 CO₂ 가스를 통해 요소수를 가스 상태로 투입하였다. SCR NOx 저감 실험은 반응기 온도 200-300℃의 조건으로 진행하였고, 첨가제 및 실험조건은 SNCR 실험과 동일하게 진행하였다. 실험결과 SNCR의 경우 800℃의 온도조건에서는 NOx 저감 효율이 약 65 %로 NOx 농도에 큰 영향을 받지 않았다. 하지만, 900℃의 조건에서는 NOx 농도가 낮아질수록 저감효율이 약간 감소하는 경향을 보였다. SCR 실험은 200℃와 300℃의 반응기 조건에서 모두 NOx 농도가 낮아질수록 저감 효율이 감소했지만, 출구에서의 NOx 농도는 1-5 ppm 으로 거의 모든 NOx가 제거되는 결과를 보였다.

로 내 탈황, 탈질법 동시 적용에 따른 Lab-scale 순산소 순환유동층에서의 오염물질 발생특성

최영곤 ( Young-kon Choi ),전민규 ( Min-kyu Jeon ),이정규 ( Chung-kyu Lee ),길상인 ( Sang-in Keel ),윤진한 ( Jin-han Yun ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

고도화된 산업화로 인해 매년 에너지의 소모량이 급증하고 있으며, 이 과정에서 온실가스 배출량도 함께 증가하였다. 특히, 온실가스 전체 배출량의 약 40%를 차지하고 있는 발전과정에서 발생하는 CO₂는 지구온난화의 치명적인 원인이 되고 있다. CSS 기술은 이산화탄소를 분리, 압축 및 저장하는 기술을 총칭하는 말로써, 지구온난화 문제에 적절하게 대응할 수 있는 방안으로 각광받고 있다. 특히, 순산소 연소 기술은 이산화탄소의 분리와 포집 과정이 용이하고, 기존 석탄화력 발전소에 적용할 수 있는 유망한 기술로 평가되고 있다. 하지만 순산소 연소는 연소가스의 일부를 재순환하여 재이용하기 때문에 충분히 오염물질을 제거하지 않는다면 재순환 과정에서 공정 내 오염물질의 농축현상이 발생할 수 있다. 농축된 오염물질은 공정 내 설비의 부식 및 효율을 저하시키고, CO₂ 포집 과정에서 별도의 정제설비가 필요하기 때문에 포집 효율을 떨어뜨린다. 따라서 순산소연소 분야에서 연소가스 내 오염물질제어기술은 매우 중요한 역할을 하고 있다. 본 연구는 oxy-CFBC 조건에서 로내 세정법의 적용에 따른 NO_x 및 SO_x의 거동을 살펴보고자 진행되었다. 각각의 오염물질 제거를 위해 요소수를 활용한 SNCR법과 석회석을 활용한 로내 탈황법을 적용하였으며, 각각의 저감기술을 동시에 적용함에 따른 NO_x, SO_x의 상호 영향도 함께 조사하였다. Oxy-CFBC 공정은 연료 투입 및 첨가제 투입장치, 순환유동층 연소로, 사이클론, 열교환기, 백 필터로 이루어져 있으며, 석회석은 석탄 투입구 상단에서 투입하였다. NO_x 제어를 위한 요소수(40% in H₂O)는 반응기 상부에서 하부 방향으로 주입하였다. 그 결과, 순산소연소 조건에서의 석회석 활용한 로 내 탈황은 직접 황산화 과정을 거치기 때문에 반응속도가 상당히 느릴 것으로 예측했으나, 석회석의 투입량이 Ca/S 비 ~2.9의 조건으로 투입된 실험에서의 탈황 효율은 ~90%로 계산됨에 따라 로 내 탈황법을 활용해서 충분히 SO₂를 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한 석회석 투입량의 증가에 따라 연소가스 내 NO 농도 역시 함께 증가하는 것으로 나타났다. 이는 CaCO₃가 Fuel-N의 산화를 촉진시키기 때문이다. 따라서 SO₂ 제어를 위해 석회석을 활용할 경우, NO의 추가 생성에 대한 고려가 반드시 필요할 것으로 판단된다.

Lab-scale 유동층 연소반응기에서의 질소저감기술 적용에 따른 질소산화물 및 미연탄소 배출특성

최영곤 ( Young-kon Choi ),전민규 ( Min-kyu Jeon ),양승재 ( Seung-jae Yang ),이정규 ( Chung-kyu Lee ),길상인 ( Sang-in Keel ),윤진한 ( Jin-han Yun ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2020 No.-

최근 고도화된 산업화로 인해 온실가스 배출량이 증가함에 따라 질소산화물 관리에 대한 관심이 집중되고 있다. 따라서 발전소 및 폐기물 소각시설의 배출허용기준 강화, 대기관리권역법 및 대기오염물질 배출총량제 시행 등 질소산화물 저감을 위한 많은 정책이 추진되고 있다. 하지만 질소산화물은 고온의 연소 과정에서 불가피하게 발생되고 매우 안정한 화학물질이기 때문에 배출 억제가 용이하지 않다. 대기환경연보에 따르면 제조업연소 또는 비산업연소와 같은 연소공정에서 배출되는 질소산화물 비율이 전체발생량의 약 32% 정도로 나타나 있다. 이 연소공정 중에는 대규모 NOx 발생 시설인 에너지산업 연소시설이 41%를 차지하고 있으며 중·소형 보일러가 많이 포함되어 있는 제조업 및 비산업 연소시설이 약 53%이고, 폐기물처리시설이 6%의 비율을 차지하는 것으로 보고되고 있다. 저감기술은 질소산화물의 발생 메커니즘에 따라 선택적으로 적용할 수 있다. 먼저 Fuel NOx의 경우에는 연료에 포함된 질소성분이 원인이므로 질소함유량이 낮은 연료를 채택하거나 전처리를 통해 연료 중의 질소성분을 제거하는 방법이 있다. 다음으로는 연소 과정의 온도 및 산소농도를 제어함으로써 발생량을 억제하는 방법이 있는데, 연소조건과 방법(재연소, 다단연소)의 최적화가 대표인 방법이다. 마지막으로, 발생된 질소산화물을 최종 처리하는 후처리 기술로써 (비)촉매 기술이 있으며, 가장 제거효율이 높고 널리 적용되고 있다. 본 연구는 Air-FBC 조건에서 Over Fire Air(OFA) 연소기술과 배가스 재순환(Flue Gas Recirculation : FGR) 기술을 혼합 적용하여 질소산화물을 저감하고자 수행되었다. OFA(Over Fire Air) 기술은 주로 보일러에 적용하는 단계적 공기주입 연소기술로서 연소영역에 공급되는 공기량을 줄여 고온의 화염 영역에 환원성 분위기를 만들어 NOx 발생을 억제한 후, 연소로 상부에서 필요한 공기를 충분히 공급하여 완전 연소가 이루어지도록 하는 방법이며, FGR은 배가스의 일부를 연소영역으로 재순환시켜 NOx 발생을 저감하는 기술이다. 하지만 이러한 기술은 연소장의 불안정성을 극대화시켜 소각시설에 직접 적용하는데 있어서 「폐기물관리법 시행규칙」의 세부검사항목에 해당하는 강열감량 항목에 부적합할 수 있는 위험성을 가지고 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결함과 동시에 질소산화물 저감을 극대화하고자 하였다.

기-액 복합 광반응기에서의 악취성 암모니아 제거를 위한 촉매개발과 반응시스템의 최적조건 색출 연구

김해리(Hae-Ri Kim),전민규(Min-Kyu Jeon),김준우(Joon-Woo Kim),주광태(Gwang Tae Joo),정석진(Suk-Jin Choung) 한국대기환경학회 2008 한국대기환경학회지 Vol.24 No.5

순환유동층 연소에서 다단연소 및 연소가스재순환이 NOx 생성에 미치는 영향

윤진한 ( Jin-han Yun ),전민규 ( Min-kyu Jeon ),이정규 ( Chung-kyu Lee ),김민수 ( Min-su Kim ),길상인 ( Sang-in Keel ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-

연소 반응장에서 질소산화물의 생성은 주로 분자 또는 원자 상태의 질소가 산소에 의해 산화되어 생성되는 Thermal NOx와 연료 중에 탄화수소 화합물로 결합되어 있는 질소가 고온 분위기에서 산화되어 생성되는 Fuel NOx에 기인된다. 연소 반응장에서 사용될 수 있는 질소산화물 제어기술은 최적연소기법, 화염온도를 낮추고 높은 온도에서의 체류시간을 줄이는 방법, 저 과잉 공기 연소방법, 약품을 사용하는 방법 등이 있다. 연소장에서 질소산화물 생 성을 최소로 발생시킬 수 있는 조건을 만드는 것이 중요하며, 이러한 조건을 만들기 위해 최적연소기법(combustion optimization), 저과잉공기(less excess air), 다단연소(Air Staging), 연소가스재순환(FGR) 방법을 동시에 적용하여 최소발생을 유도하도록 하며, 발생된 질소산화물의 제거는 선택적비촉매환원(SNCR) 기술과 선택적촉매환원(SCR) 기술 등을 활용한다. 본 연구에서는 순환유동층 반응로에서 저과잉공기연소(LEA), 다단연소(Air Staging), 연소가스재순환(FGR) 방법을 통해 질소산화물 발생을 제어하고 선택적비촉매환원(SNCR) 기술과 선택적촉매환원(SCR) 기술 적용으로 질소산화물 배출 최적제어 연구를 수행하였다. 또한, 신재생에너지 상용화플랜트에 질소산화물 최적 제어방안에 대하여 제시하도록 한다. 순환유동층 반응기에서 질소산화물 제어특성에 대한 연구결과, 저과잉공기연소 및 다단연소를 통해 약 83% 정도 질소산화물 생성을 억제시켰으며, FGR 기술 적용을 통하여 53% 저감 효과가 나타났으며, 다단연소와 FGR 기술을 동시 적용했을 경우는 약 92%의 질소산화물 발생 저감 효과가 나타나는 것을 알 수 있었다. 이는 발생된 질소산화물을 잘 제거하는 것도 중요하지만, 발생 자체를 줄이는 것이 중요하다는 의미이다. 적게 발생되면 적은 약품량으로 제거가 가능하기 때문에 경제성과 암모니아 슬립 등 대기오염물질을 크게 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

디젤 엔진 발전기의 실외 소음원규명 및 대책수립 사례

김원진(Won Jin Kim),전민규(Min Kyu Jeon),김중기(Jung Gee Kim) 한국소음진동공학회 1996 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.1996 No.11