1. 서 론
2. 실험장치 및 실험방법
2.1 실험장치
2.2 실험탄 및 암모니아
3. 결과 및 고찰
3.1 농도분포 기본특성
3.2 암모니아 농도분포
3.3 NO 농도분포
4. 결 론
기 호 설 명
ENH3 : Ammonia co-firing ratio
Pi : Ammonia injection point
Gi: Gas sampling point
Si : Oxidizer supply method
Ra : Air ratio
1. 서 론
석탄-암모니아 혼소는 이산화탄소 배출을 저감을 통한 기후변화 대응에 가장 직접적이고 경제적인 방법이다. 암모니아의 공급과 저장, 에너지전환, 열에너지 이용 그리고 질소산화물이나 암모니아 관련 환경 안전성 등 암모니아 혼소와 관련된 많은 검토가 이루어졌으며 많은 설비의 교체 없이도 기존의 설비에 적용이 가능하다는 결론이 도출되어 현재는 각국의 여러 상용화 설비에서 실증이 진행되고 있다.
암모니아는 기체연료의 특성상 석탄과 다른 반응구조를 가지게 되며 혼소율 증가시 기존의 석탄연소장과 다른 반응영역과 온도장의 변화가 만들어질 수 있다. 무탄소연료로서 암모니아의 공급이 확대되고 이용이 원활해지게 되면 이와 같은 변화는 화력발전에서 뿐만 아니라 암모니아가 연료로 사용되는 모든 에너지설비에서 나타날 수 있으며 석탄-암모니아 혼소 구조에 대한 해석과 이해는 암모니아를 대체열원으로 이용하는 에너지시스템의 최적화에 많은 도움이 될 것이다.
석탄-암모니아 혼소 기술에 대한 경제적, 기술적 검토는 해당기술의 실용화에 관심을 갖는 기관 등에서 활발하게 이루어지고 있으며 특히 상용화설비를 이용한 검증이 진행되고 있는 국가들에서 많이 관찰된다[1].
Yamashita 등[2]은 석탄-암모니아 혼소기술 보고서에서 수소와 암모니아를 연료로 사용하는 화력발전은 2050년까지 탄소 중립을 달성하기 위한 탈탄소화의 선도적 옵션 중 하나로 간주하였으며 암모니아 혼소를 위한 공급망 구축에 대한 국가적 로드맵을 제시하였다. 또한 더 높은 혼소율의 암모니아 이용을 가능하게 하는 기술의 개발과 실용화를 실현하기 위한 미래 개발 일정을 제시하였다. BloombergNEF[3]는 기존 석탄발전소를 개조하여 석탄과 암모니아를 혼소시킴으로써 이산화탄소의 배출을 줄이려는 전략의 잠재적인 배출 감소 효과, 안전성, 에너지 보안 문제 그리고, 경제성 둥에 대하여 분석하였다. 또한 전력부문에 대한 감축 목표를 설정하여 여러 국가에서 동시에 암모니아 혼소 프로젝트를 진행하고 이들 국가에 관련 기술을 수출 및 보급하려 계획하였으며 한국의 암모니아 혼소 추진에 대해서도 소개하고 있다. 이외에도 Iijima 등[4]은 파리협정을 준수하기 위해서는 CO2 배출량을 Net zero로 줄이는 것이 필요하며 결국 CO2 배출이 없는 연료(CO2-free fuel)의 이용이 필요함을 강조하였으며 해당 자료에서는 암모니아의 휴대와 생산성 그리고 암모니아 생산 시 배출되는 CO2의 포집에 대해서도 설명하고 있다. 오랜 역사를 가진 암모니아 생산기술과 경제성의 기반 위에서 혼소를 통한 암모니아 에너지 사용의 확대는 자국의 전략적 혁신 촉진 프로그램(SIP)을 통해 가능해질 것으로 분석하였다.
Ito 등[5]과 Genichiro 등[6]은 국제학회 및 기술보고 자료를 통하여 지구온난화가스 감축과 질소산화물 배출 저감을 위한 암모니아 혼소 기술의 추진상황 그리고 석탄 전소와의 특성 비교분석 결과를 소개하였으며 향후 극복해야할 과제로서 fuel NOx 억제, 발전효율 향상, 안전성 개선 등을 제시하기도 하였다. 연관된 연구를 진행한 Ishihara 등[7]과 Tamura 등[8]은 석탄-암모니아 보일러에서 혼소율을 이용한 변동성 관련 연구와 1.2 MW 석탄 연소로를 이용한 암모니아 연소를 수행한 결과, 암모니아를 이용한 CO2 배출 감소를 확인하였으며 매우 낮은 NOx 배출이 가능한 암모니아 전소 기능도 검증하였다. 더불어 공기 다단연소에 의해 암모니아 혼소 및 전소에서 안정적으로 NOx를 제어하였다. Valera-Medina 등[9]은 잠재적인 연료로서 암모니아에 대해 리뷰에서 에너지원으로서의 암모니아의 중요성, 생산, 유통, 활용, 안전, 법적 고려 사항, 그리고 미래 에너지 믹스를 지원하기 위한 경제적 측면을 다루었다. 암모니아가 탄소 배출 완화에 매우 중요한 방안으로서 미래에너지의 원칙, 연구 그리고, 실용성 등에 대해 정리하였다.
Zhang 등[10]은 swirl 버너가 장착된 석탄-암모니아 혼소시스템에서 혼소율이 NO의 배출 및 로내분포에 미치는 영향에 대한 수치적 연구 결과를 소개하였다. 혼소율에 따른 NH3 제트의 운동량 변화로 인하여 화염의 형상은 상당한 영향을 받게 되며 혼소율이 40%를 초과하면 내부에 재순환 영역이 형성되어 하류에서 많은 미반응 NH3가 발생하는 것으로 해석하였다. 또한 혼소율 증가시 화염 온도가 감소하고 fly ash에서의 미연탄소가 증가하는 것으로 예측되므로 버너와 연소로의 신중한 설계가 필요하다는 결과를 소개하였다.
Liu 등[11]은 화력발전에 사용되는 저NOx swirl버너를 대상으로 암모니아/석탄 혼소에 대한 수치적 분석 실시하여 혼소율에 따른 NO 발생량 및 분포 등의 결과를 소개하였으며 swirl 버너에서 NH3/석탄 혼소를 위한 기술적 전략을 제안하였다. 또한 Zhang 등[12]은 40 MWth급 산업용 석탄 연소 보일러를 활용하여 암모니아 혼소 및 NOx 배출 특성에 대한 실험적 연구를 진행하였으며 대형 보일러에서의 NH3 혼소기술 안전성과 타당성을 입증하였다. 실험을 통하여 최적의 혼소율을 찾고 NOx 및 NH3 슬립 제어를 위해 적정 O2 범위 및 최적의 보일러 운전조건을 결정하였다.
Zhu 등[13]은 석탄연소설비에서 암모니아 혼소를 위한 공기 분배 모드와 분사기 구성에 대한 개조 최적화를 시도하였으며 NO 산성가스 제어를 위한 암모니아 주입위치의 중요성을 확인하고자 75 t/h 석탄화력 산업용 보일러 내의 연료과잉구역에 암모니아 용액 주입하여 NOx 발생을 저감시키는 실험을 수행하는 등 상용화 기반기술 도출을 위한 연구가 진행되었다. 개조의 핵심은 국소 산소 수준을 줄이고 혼합 효과를 향상시키는 것이었으며 보일러 열효율이 약간 감소한 상태에서 초저 NOx 배출이 가능함을 확인하였다. 이외에도 Yuan 등[14]은 암모니아의 반응 구조 해석을 위하여 석탄 다단연소의 주연소부에서의 진행되는 암모니아와 석탄의 혼소 특성 해석에 관한 연구를 진행되었으며 Hong 등[15]은 NH3-O2 반응과 char-O2 반응 사이의 선택적 반응성과 이것이 char/NH3 혼소에서 NO 생성 및 환원에 미치는 영향을 검토함으로써 암모니아의 산화촉진 그리고 석탄의 연소지연적 특성에 대해 소개하였다.
본 연구에서는 석탄-암모니아 혼소과정에서 연료 및 산화제의 거동을 이해하고자 반응장 내의 NO 및 NH3의 농도분포를 조사하고 이를 통하여 효과적인 NO 발생 제어 및 NH3 slip 최소화를 구현하고자 하였다. 이러한 연구를 수행함에 있어서 암모니아의 주입위치, 산화제의 공급 방법 등설비의 구조와 관련된 설계인자가 NOx의 발생과 분포에 미치는 영향을 분석하였으며 암모니아의 로내 거동을 이용하여 암모니아 혼소반응 정보를 도출하고자 하였다. 석탄-암모니아 혼소 특성 및 공간분해 정보는 상용화시스템에서 혼소장 해석을 위한 기초 data가 될 수 있을 것으로 사료된다.
2. 실험장치 및 실험방법
석탄-암모니아의 혼소에서 나타나는 NO 발생이나 slip 암모니아의 특성 분석은 통상적으로 장치로부터 배출되는 농도 변화를 통하여 다루어진다. 그러나 이러한 성분의 배출농도를 제어 또는 최적화하기 위해서는 혼소장 내에서의 반응 구조를 해석하고 발생원에서부터 배출까지 이동경로에 따른 변화추이에 대한 이해가 필요하다. 이를 위해 혼소장치 내에서의 NO와 NH3 거동을 측정하였으며 본 연구와는 별도로 혼소율을 포함한 각종 실험인자가 NO의 발생과 암모니아 slip에 미치는 영향에 대해서는 별도의 지면을 사용하여 소개하기로 한다.
2.1 실험장치
2.1.1 석탄-암모니아 혼소장치
석탄-암모니아 혼소조건에서 로내의 NO 및 암모니아 분포를 조사하기 위하여 Fig. 1과 같은 상향 원통형 반응로를 구성하였다. 일정한 크기로 미분된 석탄은 P1에서 유입되고 하부로부터 상향으로 고속 분사되는 공기에 의해 연소가 진행된다. 또한 암모니아는 정해진 위치(P1 또는 P3)에서 주입되며 로내 분위기는 전기히터를 사용하여 정해진 온도가 유지되도록 하였다.
연료인 석탄과 암모니아에 의해 공급되는 열용량은 저위발열량 기준으로 5 kW이며 연소가스의 로내체류시간은 약 4.5초이다. 반응로의 내부 온도는 안전을 고려하여 1000℃까지 승온할 수 있으며 최대 암모니아 전소(혼소율 100%)가 가능하다. 반응로 직경은 80~125 mm로써 벽면의 가열부와 중심부의 온도차이가 크지 않으며 석탄주입 단면의 하부에서 공기를 공급하여 연소가스의 주된 유동이 축방향이 되도록 함으로써 형성되는 유사 1차원적 농도분포를 이용하여 반응대를 해석하고자 하였다.
2.1.2 실험방법
핵심 실험인자로 혼소율과 암모니아 공급 위치 그리고 산화제 공급방법을 사용하였으며 암모니아의 공급위치로 P1, P2 그리고 P3를 사용할 수 있도록 하였으며 각 위치간 거리는 P1-P2가 250 mm, P2-P3가 500 mm이다. 산화제 공급방법에 대해서는 석탄 주입위치(P1)의 하부에서 전량을 공급하는 집중방식(S1 : single stage)과 석탄 하부(P1)와 연소실 하류(P4)에서 유량을 57%:43%으로 나누어 공급하는 다단방식(S2 : dual stage)의 조건에 대해 비교 실험을 진행하였다.
측정은 석탄 주입위치의 600 mm 상부에 위치한 G1(P3 지점보다 100 mm 하부), 2차 공기가 유입되는 2개의 유입관(P4) 중간의 G2(G1과 800 mm 거리), 1차 상향 반응로 최상부에 설치된 G3(G2의 1200 mm 상부)그리고 하향으로 설치된 2차 반응로 상부의 G4와 연소가스 출구의 G5 등 총 5곳에서 실시하였다. 가스의 측정에는 정전위전해법을 사용한 전기화학식 및 IR세서식 장비들이 사용되었으며 암모니아 분석에는 습식흡수법을 사용하였다.
[측정 개요]
· 측정성분 : O2, CO, CO2, NO, NO2, N2O, NH3
· 측정probe : 고온(150~200℃) 흡입관 (급격한 온도 저하에 의한 응축 및 농도 변화 방지)
2.2 실험탄 및 암모니아
실험에는 발전사에서 공급받은 탄을 사용하였으며 안정된 연속공급을 위해 일정 크기로 분쇄하여 건조후 투입하였다. Table 1은 실험탄에 대한 분석 결과이며 암모니아의 기본적 물성은 다음과 같다.
· 저위발열량 : 18.8 MJ/mol
· 연소속도(층류) : about 7cm/sec
· 질소 함유율 : 82.3% (질량분율)
3. 결과 및 고찰
3.1 농도분포 기본특성
석탄-암모니아 혼소조건에서의 NO 발생 변화나 암모니아의 거동에 대한 이해를 돕고자 Table 2에서와 같이 암모니아 20% 혼소 그리고 암모니아 전소에서의 반응장내 농도분포를 도시하였으며 혼소전 기준농도로서 석탄전소의 결과도 함께 제시하였다.
Table 2.
Spatial distribution of chemical species concentration
| Single Stage | Dual Stage | NH3 | |
|
Coal comb |  |  |  |
| NH3 20% |  |  |  |
| NH3 100% |  |  |  |
석탄전소 운전에서 연소종료를 의미한 CO농도 안정화 위치는 집중연소(single stage)의 경우 G4였으나 산화제를 2단으로 분리하여 공급하는 다단연소(dual stage)에서는 G3로 빨라졌다. 산화제를 반응초기에 전부 공급하기 보다는 2단으로 나누어 공급하는 것이 반응촉진에 도움이 되는 것을 의미한다. 집중연소에서는 G1에서부터 G3까지 지속적으로 반응이 진행되며 O2가 7.8%에서 6.1%까지 서서히 감소하였으며 다단연소에서는 초기 2%까지 낮아진 O2 농도가 2차 공기가 유입된 이후 G3에서 6.2%로 증가하였다. 또한 NO의 경우 전영역 비교적 변화가 크지 않은 농도를 유지하였는데 집중연소에서는 258~332 ppm의 농도를 그리고 다단연소에서는 76~106 ppm의 농도가 측정되었다.
암모니아를 20% 혼소하고 산화제를 집중연소 형태로 공급하면 NO 농도가 석탄 전소에 비해 약 300 ppm 정도 높은 550~630 ppm의 수준까지 상승하였다. 석탄-암모니아 혼소조건에서 암모니아가 석탄에 선행하여 반응이 진행되는 것으로 보고된 연구 사례가 있으며 혼소에서 발생한 NO농도 증가는 암모니아의 반응에 기인된 결과로 해석할 수 있다[15]. 같은 이유로서 산화제의 극단적인 부족이 아니라면 석탄-암모니아의 혼소장에서 하류에 많은 양의 암모니아가 미연상태로 존재하거나 고농도의 암모니아 slip이 발생하기 어려울 것으로 사료된다. 또한 CO 농도 안정, 즉, 반응종료도 석탄전소에 비해 20% 혼소조건이 빠르게 이루어짐으로써 암모니아 혼소가 석탄에 비하여 연소가 지연되지 않는다는 것으로 보여주고 있다.
Fig. 2는 석탄과 암모니아가 동일 위치에서 공급되는 혼소조건에서 산소농도만을 도시한 것으로 집중과 다단을 분리하여 도시하였다.
집중연소에서 20% 혼소 또는 암모니아 전소의 경우 G1에서의 산소농도가 석탄전소에 비해 낮게 나타나고 있다. 이는 암모니아의 연소가 석탄에 비해 지연되지 않으며 오히려 반응초기, 즉, 연소장 상류에서 암모니아가 빠르게 소모됨을 보여주며 해당영역에서 고온 발열부가 형성될 수 있음을 의미한다. 또한 다단연소의 결과에서 G1에서의 암모니아 전소의 산소농도가 0.2% 이하로 석탄전소 또는 20% 혼소에 비해 낮게 측정되었으며 반응초기 암모니아의 반응이 석탄에 비해 빠르게 진행됨을 알 수 있다.
20% 혼소조건에서 다단연소 반응 초기에 NO가 567 ppm까지 발생하였으며. 2단으로 나뉘어 산화제를 공급함으로써 반응초기 산소 부족조건이 형성됨에도 높은 NO 농도가 발생한 것은 앞서 설명한 바와 같이 암모니아가 산화제와 우선적으로 반응하였기 때문이다. 이후 1차 공급된 O2는 거의 소모되어 2% 미만의 저산소 영역이 형성되고 NO의 농도는 120 ppm 부근까지 빠르게 감소하였다.
암모니아 전소 집중연소에서는 반응 초기(G1)부터 NO의 농도는 2000 ppm을 상회하였으며 최종적으로도 1000 ppm 이상의 초고농도 NO 가스가 배출된다. 그러나 산화제를 2단으로 분할 공급하는 경우 산화제 절대 부족 영역인 G1에서 15 ppm의 매우 낮은 NO 농도가 검출되었으며 오히려 2차공기가 유입되는 G2에서 225 ppm으로 상승한다. 2차공기에 의해 공기비 4를 상회하는 반응장이 만들어지지만 희박연소 형태의 반응에 의해 2차 반응후 NO의 농도는 감소하여 35 ppm의 낮은 농도로 배출된다. 이와 같이 다단연소를 활용하면 암모니아 전소의 경우에도 일반적인 석탄-암모니아 혼소 수준인 100 ppm 이하로 안정된 NO 제어가 가능하다는 것을 실험적으로 확인할 수 있다.
3.2 암모니아 농도분포
앞서의 결과에서 확인된 바와 같이 암모니아는 석탄과 물성 및 연소적 측면에서 차이가 있으며 암모니아 기인 NO의 제어 및 slip 억제를 위해서는 암모니아의 로내 거동과 분포에 대한 이해가 필요하다. 이를 위해 반응장 내에서 암모니아 농도를 측정하였으며 로벽에서 20 mm 지점에 흡입관을 삽입하여 샘플가스를 채취, 분석하였다.
[석탄-암모니아 동시공급]
Fig. 3은 암모니아를 P1에서 공급하는 경우에 측정된 암모니아의 농도분포이다. 집중연소(single stage)에서는 암모니아 전소의 경우에만 G1에서 5 ppm 그리고 G2에서 2.5 ppm의 매우 낮은 수준의 농도가 나타날 뿐 기타 혼소율 및 전체영역에서 암모니아가 1 ppm 이하 또는 불검출로 나타났다. 암모니아 유입지점(P1)과 G1 간의 거리는 600 mm이며 1차원적 유동을 고려할 때의 체류시간은 약 0.5초이므로 암모니아의 반응이 느리지 않는다는 것을 알 수 있다. 또한 산화제를 2단으로 공급한 다단연소의 경우 암모니아 전소조건일 때 7250 ppm 그리고 50% 혼소에서는 380 ppm의 암모니아 농도가 G1에서 측정되었으며 2차 공기가 공급되는 G2에서는 P1 전소의 경우 185 ppm을 보이지만 이후 농도가 급격히 감소하여 G3에서는 3 ppm을 넘지 않는다. 공기비 1.5 조건의 다단연소에서 1차공기로 공급되는 공기비는 0.85로서 G1에서 잔류한 미연암모니아는 G2에서 산화되기에 앞서 고온의 분위기에 의해 분해반응이 선행되어 NO의 증가를 크게 유발하지 않는다.
[암모니아 분리공급]
암모니아를 석탄과 분리하여 P3에서 공급할 때의 암모니아 농도 분포를 Fig. 4에 도시하였다. 암모니아가 공급되기 전인 G1에서는 암모니아가 검출되지 않았으며 50% 혼소 집중연소시 G2(암모니아 공급 후 700 mm 하류)에서 12 ppm이 감지되며 암모니아 전소에서는 1 ppm 수준의 낮은 농도가 하류(G3, G4)에서 측정되었다. 또한 다단연소에서도 산화제의 부족으로 인하여 50%의 혼소율과 암모니아 전소조건에서 2차공기가 공급되는 G2 위치에서 450 ppm과 350 ppm의 peak값이 나타났으며 G3이후에는 암모니아가 검출되지 않았다.
암모니아는 고온에서 빠르게 반응하였으며 배출 가스에서 의미 있는 농도의 암모니아 slip은 발생하지 않았다. 상용 화력발전시스템 석탄버너는 연료와 산화제의 혼합특성이 우수하며 높은 연소효율을 갖는다. 또한 로내 분위기의 온도가 본 실험에 적용된 950~1000℃ 보다 훨씬 높기 때문에 정상운전시 혼소연료인 암모니아의 slip 가능성은 없을 것으로 사료된다. 다만, 운전 불안정으로 인한 암모니아의 과다 유입이나 산화제의 공급 불안정 등의 이상조건에서 암모니아 slip이 발생할 가능성은 있으며 연소실 후단에 설치되어 있는 SCR에서의 소량의 미반응 환원제 배출로 인한 누출 가능성은 남아 있다. 그러나 화력발전설비의 후단에는 습식탈황설비(FGD)가 있어서 정상운전시 저농도의 slip 암모니아는 안전하게 처리될 것으로 사료된다.
3.3 NO 농도분포
농도분포 기본특성에서 언급한 바와 같이 암모니아는 고농도의 NO 발생원이 될 수 있기에 이에 대한 적절한 검토는 필요하며 혼소장 공간분포는 암모니아와 산화제를 포함한 NO 생성 관련 물질에 대한 통합적 분석의 핵심요소로서 NO의 생성 및 제어 해석을 가능하게 한다.
3.3.1 암모니아 주입위치와 산화제 공급방식의 영향
암모니아를 석탄과 같이 P1에서 공급하는 경우와 하류의 P3에서 공급하는 경우에 대해 NO 농도분포를 조사하였다. 혼소율은 20%와 50% 그리고 전소(혼소율 100%)에 대해 실험을 수행하였으며 산화제 공급방식으로 집중연소와 다단연소를 비교, 검토하였다.
[암모니아 20% 혼소]
Fig. 5(a)는 암모니아 20% 혼소조건에서의 NO 분포를 보여주고 있다. 암모니아를 P1에서 분무하고 집중연소 운전시 반응기내 전영역에서 550~630 ppm의 비교적 일정한 NO 농도가 형성되고 있다. 석탄전소에서 NO의 농도가 약 300 ppm이었음을 고려하면 20%의 암모니아 혼소로 인하여 약 300 ppm의 NO 증가가 발생하였음을 알 수 있다. 또한 암모니아 P3 공급 집중연소에서는 석탄전소 농도와 유사한 300~350 ppm의 NO 농도가 전영역에서 유지되었다. 이러한 농도분포는 P3 공급 암모니아가 고온공기연소로 인하여 분해반응이 선행됨으로써 NO 농도 증가를 야기하지 않고 석탄연소시 보다 다소 낮거나 유사한 수준의 NO가 발생되는 것으로 해석된다.
· 분해반응 : 2NH3 → N2 + 3H2
암모니아를 석탄과 같이 P1에서 공급하는 다단연소의 경우 반응장 초기 G1에서 NO의 농도가 집중연소와 유사한 567 ppm이었으나 2차공기가 유입되는 G2 부근에서는 132 ppm까지 감소하며 배출까지 이러한 수준의 농도를 유지된다.
G1에서는 암모니아의 반응에 의해 고농도의 NO가 발생하며 O2 농도는 1.5%까지 저하되고(Fig. 2) G2에서는 NO가 100 ppm을 조금 넘는 정도까지 떨어졌다.
공기비가 1.5인 경우 1차공기에 의한 공기비는 0.85(당량비 1.176)이며 미연분과 2차공기량으로 계산된 공기비는 비교적 높은 4.33(당량비 0.23)이 된다. 혼소율 20%의 다단연소시 G1에서 확인된 고농도의 NO 성분은 G2에 도달되기까지 낮은 O2농도와 석탄연소분위기에서 잔류암모니아에 의해 환원이 일어나며 이로 인하여 NO 농도가 크게 낮아지는 것으로 분석된다.
P3에서 혼소율 20%의 암모니아가 유입되고 공기를 다단으로 공급하는 경우 G1에서는 석탄 중심의 반응장이 형성되어 NO농도는 250 ppm을 나타내지만 암모니아의 유입과 불완전연소 분위기에 의해 G2에서 NO 농도가 135~160 ppm으로 감소하며 2차 연소공기 공급 후까지 유지하였다. P3에서 유입된 암모니아는 고온의 분위기에 의해 분해반응이 선행될 수 있으나 암모니아의 산화에 사용된는 공기는 2차공기가 되므로 앞에서 언급한 고온공기연소는 아닌 것으로 사료된다.
[암모니아 50% 혼소]
암모니아 혼소율 50%에 대해서도 동일하게 진행하였으며 결과를 Fig. 5(b)에 도시하였다. 암모니아 P1공급 집중연소시 20% 혼소와 유사한 655 ppm의 NO가 측정되었으나 G3에서 농도가 저하하여 석탄전소와 유사한 330~ 380 ppm의 농도 분포가 형성되었다. 암모니아 P1공급 다단연소에서는 G1에서 산화제의 부족에도 암모니아의 반응에 의해 260 ppm의 NO가 만들어지고 2차공기가 유입으로 과잉공기 연소에 의해 137 ppm으로 그리고 하류에서는 102~120 ppm까지 농도가 낮아졌다. 혼소율 50%시 G2에서 확인된 암모니아 농도는 1 ppm수준으로 환원에 의한 NO 농도 저하는 발생하지 않은 것으로 생각된다.
암모니아 P3공급 집중연소에서는 석탄연소에 의해 초기 200 ppm의 NO가 형성되지만 P3에서 암모니아가 유입되며 고온공기연소가 진행되며해 G2에서 335 ppm으로 소폭 상승하고 최종적으로 310 ppm의 NO 혼합가스가 배출되었다. 다단연소에서도 집중연소와 유사한 초기 228 ppm의 NO가 석탄연소에 의해 발생하고 P3에서 유입된 암모니아와 2차공기에 의해 G2에서 280 ppm까지 상승하였다가 147~174 ppm으로 농도가 감소한다. 이러한 감소는 Fig. 4에서 제시된 잔류암모니아에 의한 환원이 역할을 한 것으로 보여진다.
이상에서와 같이 50%의 혼소에서도 암모니아의 분리 분사 또는 산화제의 다단 공급에 의해 NO 농도의 제어가 가능함을 알 수 있다.
[암모니아 전소]
암모니아 전소는 무탄소연소 구현을 위한 방법 중의 하나이기에 본 연구에서도 암모니아 전소에 대한 검토를 진행하였다.
혼소율 100%에 해당하는 암모니아를 P1에서 공급하고 산화제는 집중연소 조건으로 공급할 때 2100 ppm을 상회하는 NO 농도가 발생하였으며 배출지점(G5, 1245 ppm)을 제외한 전체영역에 걸쳐서 2000 ppm 전후의 고농도가 관측되었다. 적정 공기비 상태에서의 암모니아-산화제 반응 구조는 대체연료로서 암모니아의 이용을 검토하는 경우 우려되는 초고농도의 NO 생성이 야기될 수 있으므로 연소기 설계시에 유의해야 할 필요가 있다. 그러나 같은 집중연소라 하여도 암모니아 공급을 하류에 위치한 P3로 변경하여도 고온공기연소의 구현으로 2000 ppm 상회하던 농도가 석탄전소와 유사한 380 ppm 전후의 농도로 낮아지게 되었다. 이와 같이 적절한 암모니아 공급위치 선정만으로도 NO의 생성과 배출이 크게 억제됨을 확인할 수 있다.
P1분무의 암모니아 전소 다단연소조건에서는 G1의 NO농도가 16 ppm, 2차공기가 유입되는 G2에서는 228 ppm 그리고 G3에서 G5의 구간에서는 21~54 ppm로 매우 낮은 NO 농도가 측정되었다. 초기(G1)에 절대적인 산화제 부족상태에서 반응이 시작되며 2차공기가 유입되는 G2에서 NO의 발생이 일시적으로 증가하지만 50% 혼소 측정결과에서와 마찬가지로 G2 지점 이후 잔류암모니아(측정치 185 ppm)에 의한 환원반응으로 NO가 감소된다. 그러나 P3가 주입되면 G2에 많은 양의 암모니아 존재하며 2차공기에 의한 산화로 인하여 NO 농도의 저하가 크지 않는 것으로 사료된다. 이상에서와 같이 실험을 통하여 암모니아 전소에서도
· 암모니아에 의한 환원분위기 형성
· 고온공기연소 구현
· 산화제 다단연소 채택
등의 방법에 의해 안정적인 NO 제어가 가능함을 실험적으로 확인할 수 있었다.
3.3.2 혼소율의 영향
석탄-암모니아 혼소시스템의 기본인자인 혼소율의 변화 효과를 이해하기 위하여 암모니아의 주입위치 및 연소방식과 같은 연소기의 형상조건을 고정하고 혼소율과 NO 농도 분포와의 관계를 정리하였다. Fig. 6의 (a)와 (b)는 암모니아를 P1과 P3에서 각각 공급하고 산화제 집중연소 조건에서 혼소율과 NO와의 관계를 도시한 결과이다.
[산화제 집중연소]
P1 집중연소의 경우 석탄전소는 300 ppm 전후의 NO 분포를 보였으나, 20% 혼소에서는 550~630 ppm, 50%에서는 330~655 ppm 그리고 암모니아 전소는 2000 ppm을 상회하는 NO 분포를 보여 석탄전소에 비해 작게는 수십ppm에서 많게는 1000 ppm을 넘는 NO 증가가 발생하였다. 집중연소시 반응초기(G1)에 공급된 산화제가 암모니아와 우선하여 반응함에 따라서 고농도의 NO가 생성되는 특성을 보이게 된다.
P3(G1 보다 100 mm 하류)에서 암모니아를 분사하고 산화제는 집중방식으로 공급하면 혼소율에 의한 변동이 P1의 경우에 비해 크지 않았다. 석탄전소에서의 배출농도는 306 ppm이었으나 20% 혼소에서의 NO 농도는 석탄전소 보다 20 ppm정도 그리고 50%에서는 석탄전소와 유사한 310 ppm을 나타냈다. 이와 같이 P3에서 암모니아를 공급하는 경우 고온공기연소에 의해 석탄전소에 비해 NO값이 크게 증가하지 않았으며 P1 공급 암모니아 전소에서 확인된 NO농도 2100 ppm과 P3 전소 380 ppm은 각각 일반공기연소와 고온공기연소에서의 암모니아 전소 NO 발생 기준치가 된다.
[산화제 다단연소]
Fig. 7는 산화제를 석탄의 하부에서 57% 그리고 P4 (G2±200 mm의 2곳)에서 43%로 분할하여 공급할 때, 혼소율에 따른 NO의 분포를 도시하고 있다. 비교를 위해 제시된 석탄전소 다단연소에서는 반응초기 150 ppm의 NO가 형성되지만 2차연소장을 거치면서 76~87 ppm으로 농도가 감소하였으며 이러한 수치는 상용화 설비의 NO와 배출농도와 유사한 수준이다.
암모니아를 P1에서 공급하고 혼소율이 20%인 다단연소에서는 반응초기(G1) 560 ppm을 상회하는 비교적 높은 농도의 NO가 형성되지만 2차공기 공급위치(G2) 이후에는 석탄전소 농도를 조금 상회하는 117~132 ppm의 농도를 유지하였다. 또한 혼소율을 50%로 올리면 초기 NO 농도가 260 ppm까지 올라갔다가 20% 혼소와 유사한 수준인 102~130 ppm으로 낮아진다. 이와 같이 혼소율 20% 또는 50%에서의 다단연소시 반응초기 암모니아의 연소에 의해 다소 높은 NO 농도가 나타나지만 2차연소 후 분포 또는 배출농도는 석탄전소에 비해 조금 높은 수준을 보였으며 그 차이는 크지 않았다.
그러나 Fig. 5의 결과에서 설명한 바와 같이 암모니아 전소에서는 1차 및 2차 공기가 모두 공급된 G2에서 228 ppm의 NO peak 농도가 형성되고 이후 환원반응에 의해 90%(228 ppm → 21 ppm) 이상의 NO 농도가 감소하였다. 이와 같이 산화와 환원 그리고 분해의 특성을 동시에 갖고 있는 암모니아의 반응 특성으로 인하여 동일 연소시스템에서 극단적으로 차이나는 NO 배출 농도 그리고 크게 변동하는 농도분포의 특성이 나타낸다.
석탄 공급위치보다 하류에 있는 P3에서 석탄을 대체하여 20%의 암모니아를 혼소한 실험에서는 암모니아가 분사되기 전인 G1에서 NO 250 ppm가 발생하였으며 이 값은 석탄전소 150 ppm에 비해 높은 수치로서 다단연소로 인해 암모니아를 하류(P3)에서 분사함에 따라서 G1에서의 공기비는 이론 공기비를 상회하여 NO의 농도가 상승하였다. 2차공기 유입으로 높은 공기비 조건의 반응장 형성으로 NO 농도는 135~160 ppm으로 조금 낮아졌지만 초기의 고농도로 인하여 석탄전소보다 60~100 ppm 높은 분포를 형성하였다. 50% 혼소의 경우도 G1에서 20% 혼소와 유사한 228 ppm의 NO가 측정되었으며 2차공기 공급부(G2)에서 280 ppm의 최고값을 보인 후 140~170 ppm으로 농도가 낮아진다. 이러한 최종농도 수치는 20% 혼소조건 보다도 10~30 ppm 높은 값이다.
또한 암모니아 전소에서는 2차공기가 유입되는 G2에서 266 ppm의 비교적 높은 농도의 NO가 발생하였으며 P1분무에서 최종농도가 36 ppm으로 크게 감소한 것과는 다르게 최종 배출농도가 252 ppm로 비교적 높게 유지되었다. 이러한 배출농도 또는 농도분포의 차이는 P1과 P3에서 분사되는 암모니아 전소에 의한 반응구조에 차이가 있기 때문으로 사료된다. P1에서 분무되는 암모니아를 다단연소로 전소하는 경우는 G1에서 1차공기 그리고 G2에서 2차공기에 의해 산화되고 미반응암모니아에 의한 환원반응으로 저농도의 NO 발생한다. P3주입의 경우는 P3-G2 구간에서 암모니아 산화영역이 형성되어 NO농도가 배출시까지 유지되는 것으로 사료된다.
앞서 설명한 집중연소와 마찬가지로 P3 암모니아 다단 전소에서도 석탄-암모니아 혼소방식에서 혼소율의 증가는 NO 발생 농도의 증가로 이어지는 경향이 확인되었다. 그러나 국부적인 환원반응이 수반되는 암모니아 고혼소율이나 전소조건에서는 NO의 극적인 저농도 발생도 실험적으로 확인할 수 있었다.
4. 결 론
우리나라를 포함한 많은 나라에서 화력발전 상용화설비에 대한 석탄-암모니아 혼소 기술 검증이 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 작업에 있어서 암모니아를 이용한 에너지 전환 공정에서 발생되는 질소산화물이나 암모니아 slip에 대한 안정성 확보는 암모니아 혼소기술의 성공적인 정착을 위해 매우 중요하다. 본 연구에서는 암모니아 전소를 포함한 석탄-암모니아 혼소장 내에서의 반응가스의 농도분포를 측정을 통하여 암모니아의 주입위치, 산화제의 공급 방법 등 반응기 설계인자가 반응구조에 미치는 영향을 조사하고 효과적인 NO 발생 제어 및 NH3 slip 최소화를 구현하고자 하였다. 실험을 통하여 확인된 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) NO 분포
· 암모니아 전소조건에서 산화제를 반응초기에 집중으로 공급하면 전체의 반응영역에서 2000 ppm을 상회하는 높은 NO농도 분포가 형성되었다. 그러나 산화제 다단공급, 암모니아 분리공급, 반응장의 열부하 축소, 고온공기연소, 환원반응 등에 의해 암모니아 고혼소율 조건에서도 효과적인 NO 제어가 가능하였다.
· 석탄-암모니아 혼합분무 연소시 석탄에 앞선 암모니아의 선반응으로 인하여 NO 발생농도가 국부적으로 증가하는 현상이 나타날 수 있다. 이렇게 생성된 NO는 2차 공기에 의해 형성된 반응장에서 농도 제어가 가능하다.
· NO농도를 제어하는 반응구조가 고려되지 않는다면 혼소율 증가는 전체 반응영역에서 NO 농도의 증가로 이어질 수 있다.
2) 암모니아 분포
· 암모니아는 분무 가까운 위치 또는 산화제가 크게 부족한 조건과 위치에서만 검출되었으며 빠른 산화로 인하여 혼소에 따른 연소지연은 확인되지 않았다.
· 정상운전시 혼소설비의 배출구 가까운 하류에서는 암모니아가 불검출되거나 농도가 매우 낮았으며 상용설비에서의 암모니아 slip 가능성은 없을 것으로 사료된다.
