183 MW 산업용 가스터빈에서 운전조건 조정을 통한 질소산화물 저감

이종길 한양대학교 2015 국내석사

질소산화물 저감설비를 추가로 설치한 183 MW 산업용 가스터빈의 암모니아 소모량과 탈질촉매 부하를 낮추기 위하여 정격출력, 압축기 입구 안내 베인 개도 100%, 암모니아 조절밸브 개도 95% 상태의 기준 운전조건에서 파일럿 가스량과 가스터빈 출구 온도 운전조건을 조정하면서 질소산화물 농도와 가스터빈 출력을 측정하여 분석하였다. 대기온도 6℃ ~ 9℃구간에서 압축기 입구 안내 베인 개도 100%의 파일럿 가스량 설정치를 0.47 kg/s에서 0.45 kg/s로 감소시키는 것은 가스터빈 출력의 감소 없이 질소산화물 농도를 목표치 13 ppm 이내로 낮출 수 있어 정격 출력에서 질소산화물 농도를 낮추기 위한 운전조건 조정 대상에 포함시키는 것이 바람직하나 대기온도와 가스터빈 출구 온도 영향을 고려할 필요가 있으며, 대기온도 0℃의 가스터빈 출구 온도 544℃를 541℃로, 5℃의 가스터빈 출구 온도 548℃를 545℃로, 10℃의 가스터빈 출구 온도 555℃를 552℃로 가스터빈 출구 온도를 낮게 조정하는 것은 질소산화물 발생을 저감할 수 있으나 가스터빈 출력이 정격 출력보다 감소하여 질소산화물 농도가 기준을 초과하는 불가피한 경우에 한하여 고려하여야 한다.

이상기후 대비 및 질소산화물 저감을 위한 TiO2 활용 다공성 콘크리트 개발에 관한 기초연구

김기현 강원대학교 대학원 2023 국내석사

국내 도로 포장의 대부분은 불투수성 포장으로 최근 기후 변화로 인한 집중호우와 같은 현상이 다수 발생하고 있으며, 국내 집중호우는 과거에 비해 약 1.5배 증가한 실정이다. 특히 도심지의 경우 우수시스템의 배수량이 강수량에 비해 부족하여 범람이 자주 발생하고 있다. 또한 수막현상으로 인한 미끄럼 사고 등과 같은 2차적인 물적·인적 피해를 발생시키고 있다. 이러한 현상은 기후 변화와 관련이 있으며, 기후 변화의 주된 원인 중 대표적인 이유가 질소산화물의 배출로 알려져 있다. 도로이동오염원인 자동차 배기가스의 비중이 매우 큰 것을 확인할 수 있었다. 자동차에서 발생하는 배기가스를 저감하기 위해서는 자동차 이용의 감소와 같은 방법이 있으나 현실적으로 불가능하며, 발생한 질소산화물의 제거 또는 저감하는 기술의 발전이 훨씬 효과적인 결과를 도출할 것이다. 질소산화물을 제거 또는 저감을 위하여 전 세계적으로 다양한 연구가 수행 중이며, 빛을 촉매로 하여 질소산화물을 흡착 후 제거하는 광촉매 활용 기술이 그 대표적인 예이다. 특히, 건설·환경 분야에서는 광촉매 물질인 이산화티타늄(titanium dioxide, TiO2)가 광범위하게 사용되고 있다. 또한 저영향개발(Low Impact Develoment, LID)에서와 같이 물순환이 최근 중요한 이슈가 되고 있고 이러한 도심지 물순환을 위하여는 다공성 콘크리트의 적용과 같이 배수성능을 가지는 포장기술의 확대가 매우 중요하다. 이 연구에서는 이러한 다공성 콘크리트와 광촉매기술을 융합하여 각각의 기술의 장점을 최대로 이끌어 낼 수 있는 방안 개발하기 위한 기초연구이다. 하지만 다공성 콘크리트는 일반 콘크리트와 달리 역학적 및 내구적인 성능의 확보가 우선되어야 한다. 이 연구는 총 4개의 단계별 연구로 구성되어 있는데, 국내·외 관련 문헌조사를 통하여 1차 분석에서는 TiO2가 다공성 콘크리트에 미치는 물리적·역학적 성능을 확인하였으며, 2차 분석에서는 역학적 성능을 확보하기 위한 다공성 콘크리트 표준단면 최소압축강도를 15MPa로 설정하였으며, 역학적 성능 확보를 위한 골재 최대치수 및 물-시멘트비에 따른 연구를 진행하였다. 3차와 4차 분석에서는 이상기후 대비, 미세먼지 저감을 위한 다공성 콘크리트가 구조체로서의 역할을 수행하기 위해서는 투수콘크리트 품질기준에 부합하여야 한다고 판단하여, 고강도 발현이 가능한 초미세입자인 실리카흄을 사용하여, 콘크리트의 역학적 성능을 확보하는 방안과 이러한 경우 TiO2의 질소산화물 제거 효율을 분석하였다. 이 때, 다공성 콘크리트의 배합은 물-시멘트비 0.3과 공극률 8%로 설정하였으며, 실리카흄 5%, 10%, 20% 치환 혼입과 TiO2 5%, 10%로 치환 혼입한 단일치환 변수와 TiO2 5%에 따른 실리카흄 치환 혼입 비율과의 비교를 위하여 OPC를 포함한 9가지의 변수에 대해서 슬럼프, 공극률, 투수계수, 압축강도, 질소산화물 제거율 실험을 진행하였다. 실험 결과, 투수계수는 전 변수에서 투수콘크리트 품질기준을 부합하였으나, 슬럼프 품질기준에서는 TiO2를 10% 혼입한 T10 변수가 해당 기준에 미달하였다. 공극률 품질기준에서는 TiO2를 5% 치환 혼입 및 실리카흄 20%를 치환 혼입한 SF20T5 변수가 미달하는 결과가 나타났다. 또한, TiO2를 혼입한 변수인 T5, SF5T5, SF10T5에서는 투수콘크리트 품질기준 압축강도인 18MPa 만족하였으나, 실리카흄 단일치환한 변수인 SF5, SF10, SF20보다 다공성 콘크리트로써 구조체 역할을 하기에는 부족한 것으로 판단된다. 질소산화물 제거율 실험에서는 TiO2를 활용한 변수인 T5, T10, SF5T5, SF10T5, SF20T5에서는 일본 광촉매 협회에서 제시한 광촉매 제품 품질기준 1.4% 이상을 충분히 만족하였다. 따라서, 이상기후 대비, 질소산화물 저감을 위한 다공성 콘크리트 개발을 위해서는 실리카흄 및 TiO2의 재료를 적절하게 사용하여야 역학적 성능 및 투수성능과 질소산화물 제거 효과를 확인할 수 있다고 판단된다. 하지만, 다공성 콘크리트의 문제점인 공극막힘 현상과 TiO2가 묻어나오는 현상으로 보아 장기내구성으로 문제가 있을 것으로 판단되어 추후 연구에서는 공극막힘 현상과 TiO2 고정화 등 내구성 확보를 위한 연구가 필요하다고 사료된다. Most of the domestic road pavement is impermeable, and a number of phenomena such as torrential rains due to climate change have occurred recently, and torrential rains in Korea have increased about 1.5 times compared to the past. In particular, in the case of urban areas, the drainage of the excellent system is insufficient compared to the precipitation, and flooding occurs frequently. In addition, secondary physical and human damage such as a sliding accident due to a meningeal phenomenon is caused. This phenomenon is related to climate change, and a representative reason among the main causes of climate change is known as nitrogen oxide emissions. In particular, it was confirmed that the proportion of automobile exhaust gas, which is a pollution source of road movement, was very large. To reduce exhaust gas generated in a vehicle, there is a method such as reducing the use of a vehicle, but it is practically impossible, and the development of technology to remove or reduce the generated nitrogen oxide will produce more effective results. Various studies are being conducted around the world to remove or reduce nitrogen oxides, and a typical example is a photocatalyst utilization technology that removes nitrogen oxides after adsorption using light as a catalyst. In particular, TiO2, a photocatalytic material, is widely used in the construction and environment fields. In addition, water circulation has become an important issue recently, as in Low Impact Development (LID), and for such urban water circulation, it is very important to expand packaging technologies with drainage performance, such as the application of porous concrete. This study is a basic study to develop a method to maximize the advantages of each technology by combining these porous concrete and photocatalytic technologies. However, unlike ordinary concrete, securing mechanical and durable performance should be a priority for porous concrete. This study consists of four step-by-step studies. The physical and mechanical performance of TiO2 on porous concrete was confirmed in the first analysis, and the minimum compressive strength of the standard section of porous concrete was set to 15 MPa to secure mechanical performance, and the study was conducted according to the maximum aggregate size and water-cement ratio. In the 3rd and 4th analyses, porous concrete for reducing fine dust in preparation for abnormal weather must meet the quality standards of permeable concrete, and the mechanical performance of concrete was analyzed using silica fume, an ultra-fine particle capable of expressing high strength, and in this case, TiO2's nitrogen oxide removal efficiency. In this case, the mixing of the porous concrete was set to 0.3 water-cement ratio and 8% porosity, and the slump, porosity, permeability coefficient, compression strength, and oxidation experiments were conducted on 9 variables including OPC to compare the single substitution variable added to 5% TiO. As a result of the experiment, the permeability coefficient met the quality standard of permeable concrete in all variables, but the T10 variable in which TiO2 was 10% mixed in the slump quality standard did not meet the corresponding standard. In the porosity quality standard, the SF20T5 variable in which TiO2 was additionally mixed with 5% and silica fume with 20% was not sufficient. In addition, the variables T5, SF5T5, and SF10T5 mixed with TiO2 satisfied 18MPa, which is the compressive strength based on the quality of permeable concrete, but it is judged that it is insufficient to serve as a porous concrete than SF5, SF10, and SF20, which are single-substituted variables of silica fume. In the nitrogen oxide removal rate experiment, variables T5, T10, SF5T5, SF10T5, and SF20T5 using TiO2 sufficiently satisfied the quality standard of photocatalyst products proposed by the Japan Photocatalyst Association. Therefore, it is judged that the mechanical performance, permeability performance, and nitrogen oxide removal effect can be confirmed only when silica fume and TiO2 materials are properly used to develop porous concrete to reduce nitrogen oxides compared to abnormal weather. However, given that porous concrete problems such as pore blockage and TiO2 come out, long-term durability is considered to be a problem, so future research is needed to ensure durability such as pore blockage and TiO2 immobilization.

열분해 슬러지 Char에서의 선택적 촉매 환원 반응 연구

차진선 서울시립대학교 2010 국내박사

본 연구에서는 열분해를 통해 생성된 슬러지 char를 활성화하여 질소산화물 저감 촉매로의 적용가능성을 고찰하였다. 다양한 열분해 조건에서 생성된 char와 활성화 방법에 따라 제조한 활성 char(activated char)의 특성은 원소분석법, 질소 흡-탈착법, FT-IR, FE-SEM 등을 이용하여 분석하였으며, 활성 char와 MnOx를 담지한 char에서의 저온 SCR 반응 특성은 질소산화물 저감 효율 측정, NO-TPD, NH3-TPD 분석을 통해 조사하였다. 슬러지 char는 온도, 승온속도, 반응 시간에 따라 열분해하여 생성하였다. 열분해 온도가 300℃에서 600℃로 증가함에 따라 슬러지 char의 비표면적과 기공부피가 증가하였으나, 700℃에서 감소한 후 800℃에서 다시 증가하였다. 그러나 열분해 속도와 반응 시간은 char의 비표면적과 기공특성 변화에 큰 영향이 없는 것으로 나타나, 슬러지 char의 비표면적 및 기공 특성에 가장 큰 영향을 주는 인자는 열분해 온도인 것으로 판단되었다. 슬러지 char의 특성 향상을 위하여 수분을 이용한 물리적 방법과 KOH를 이용한 화학적 방법으로 char를 활성화하였으며, 활성화 온도, 수분농도, KOH/Char 비율에 따라 활성화된 char의 특성을 평가하였다. 물리적 활성화에서 활성화 온도가 증가함에 따라 활성 char의 비표면적과 기공특성이 증가하였으나, 수분 농도의 영향은 크지 않은 것으로 나타났다. 그러나 화학적 활성화에서는 활성화 온도와 KOH/Char 비율이 증가함에 따라 비표면적과 기공부피가 크게 증가하였다. 각각의 활성화 방법으로 생성된 char에서의 질소산화물 저감 효율을 측정한 결과, 화학적 활성 char에서의 질소산화물 저감 효율이 물리적 활성 char에서 보다 높은 것으로 측정되었다. 질소산화물 저감 효율과 FT-IR, NH3-TPD 등의 분석을 통해 활성 char에서의 질소산화물 저감 효율은 비표면적과 기공부피와 같은 물리적 특성보다 산소작용기와 산점과 같은 화학적 특성의 영향을 더 많이 받는 것으로 판단되었다. KOH/Char 비율 2.0, 활성화 온도 600℃에서 활성화된 char (SCK-2.0-600)에서의 질소산화물 저감 효율은 250℃에서 84.2%로 가장 높았으며, 이는 상용 활성탄에서의 질소산화물 저감 효율 35.6%보다 높은 것으로 나타났다. 활성 char에 MnOx를 담지하는 경우에는 질소산화물 저감 효율이 향상되어 SCK-2.0-600에 3wt%의 MnOx를 담지한 경우, 250℃에서의 효율이 95.5%로 증가하였다.

탄소폐기물촉매를 이용한 질소산화물의 선택적 촉매 환원 반응 연구

고정휘 서울시립대학교 2011 국내석사

Experiments were performed to investigate the possibility for the development of catalysts for low-temperature selective catalytic reduction (SCR) using municipal waste char and waste activated carbon. Physical and chemical activations were employed to increase the catalytic activities. Activation processes were employed to increase the catalytic activities by using pyrolyzed char with water emitted from municipal waste resource recovery facility as a physical way and using HCl, KOH as a chemical way. The characteristics of the activated catalysts were investigated using N2 adsorption-desorption and FT-IR. The catalysts activated chemically using basic treatment showed higher NOx removal efficiencies than those activated physically or chemically using acidic treatment. The de-NOx performance of the activated catalysts was shown to be dependent on the chemical properties, such as oxygen functional groups and acid sites, as well as physical properties, such as specific surface area and pore volume. In order to investigate the effect of MnOx, which has been reported to be efficient for the removal of NOx in low-temperature SCR processes, the chemically activated catalyst was impregnated with manganese. The Mn-impregnated catalyst showed the highest NOx removal efficiency at all the temperatures tested in this study. Waste activated carbon, deactivated by long exposure to exhaust gas from an incinerator in a liquid crystal display (LCD) production process, was regenerated by the treatment with a surfactant, HCl, and NH3. After the regeneration, the physical properties of the regenerated waste activated carbon were analyzed, in addition to the catalytic performance for NOx reduction. The characterization of regenerated catalyst was analyzed by N2 adsorption-desorption, FT-IR and ICP. Selective catalytic reduction (SCR), using NH3 as are ducing agent, was carried out to evaluate the activity of NOx reduction. Sequential treatments with surfactant, HCl, and NH3 were applied to reform the waste activated carbon, in which the metal removal efficiency, specific surface area and amount off unctional groups on the surface were increased. Keywords : NOx, SCR(Selective Catalytic Reduction), Municipal waste char, Waste activated carbon, Physical activation, Chemical activation, MnOx, Surfactant, HCl treatment, NH3 treatment. 본 연구에서는 저온에서의 선택적촉매환원(SCR, Selective Catalytic Reduction) 공정에서 사용 가능한 촉매 개발을 위한 목적으로 생활폐기물 char와 폐활성탄을 활성화하여 촉매의 활성변화를 고찰하였다. 생활폐기물 자원회수시설에서 배출되는 열분해 char에 수분을 이용한 물리적 방법과 HCl, KOH를 이용한 화학적 방법으로 활성화하였다. 활성화된 시료의 특성은 N2 adsorption-desorption, FT-IR로 평가하였다. 각각의 활성화 방법으로 생성된 시료에서의 질소산화물 저감 효율을 측정한 결과, 화학적 활성시료에서의 질소산화물 저감 효율이 물리적 활성시료에서 보다 높은 것으로 측정되었다. 질소산화물 저감 효율과 특성분석 등을 통해 활성 char에서의 질소산화물 저감 효율은 비표면적과 기공부피와 같은 물리적 특성보다 산소작용기와 산점과 같은 화학적 특성의 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났다. 또한 저온의 SCR 공정에서 질소산화물 저감효율이 높은 것으로 보고된 MnOx의 영향을 알아보기 위하여 화학적 활성화 후 망간을 담지하여 실험한 결과 타 시료에 비하여 월등히 높은 질소산화물 저감 효율을 보인 것으로 나타났다. LCD 제조공정에서 소각장 배출가스에 장기간 노출이 되어 활성이 저하된 폐활성탄을 계면활성제, HCl, NH3로 처리하여 재생한 후, 재생 처리에 따른 촉매의 물성 변화를 확인하고 이에 따른 촉매의 질소산화물 저감 능력을 고찰하였다. 각각의 재생 과정을 통해 처리된 촉매의 특성은 N2 adsorption-desorption, FT-IR, ICP를 통해 분석하였고 질소산화물 저감능력을 측정하기 위해 NOx analyzer를 이용 NH3에 의한 SCR 반응을 수행하였다. 재생방법으로 계면활성제, 염산 및 암모니아를 이용하여 순차적으로 처리하였으며 상기의 과정을 거쳐 폐활성탄을 개질함으로써 중금속 제거율 및 비표면적을 증진시켜 질소산화물 저감 효율에 대한 영향을 고찰하였다. 첫 번째 단계로 계면활성제를 이용 폐활성탄을 세정함으로써 폐활성탄에 흡착된 중금속 및 붕소 등의 피독물질을 90% 이상 제거하였으며 두 번째 단계로 염산 처리를 통해 기공을 막고 있던 피독물질을 제거하여 비표면적을 신규활성탄 대비 90% 이상 복원하였다. 마지막으로 암모니아 처리를 통해 활성탄 표면에 작용기를 형성함으로써 신규활성탄보다도 높은 질소산화물 저감효율을 나타내는 활성탄으로 재생하였다.

전동차 운행에 의한 질소산화물 발생량 추정에 관한 연구

백성종 서울시립대학교 2017 국내석사

현대인은 경제적 측면, 편리적 측면을 고려하여 대중교통수단을 이용하고 있고, 이 중 철도는 시간의 정확성, 노선의 다양성 때문에 많은 시민들이 이용하고 있는 교통수단이다. 현대 시민의 건강에 대한 관심도가 높아지면서 대중교통 또한 실내공간으로 인식되고 환경적인 측면을 고려하게 됨에 따라, 현재 우리 나라에서는 관련법상 운행시 전동차 실내공기질은 부유먼지(PM10)와 이산화탄소(CO2) 두 항목에 대한 관리기준을 수립하여 관리하고 있다. 이러한 관리범위 속에서 질소산화물(NOX) 또한 객차 내부의 농도가 외부보다 높아 내부적인 발생원이 있음을 추측하게 되었고, 본 논문은 이러한 추론을 시작으로 전동차 운행 중 질소산화물 발생원인과 발생량을 정량화하여 전동차 실내공기질 관리의 필요성을 제시하고자 하였다. 첫 번째로 질소산화물의 발생원인을 조사한 결과 전동차 운행시 아크(Arc) 발생에 따라 질소산화물이 발생할 수 있음을 확인하였고 이에 대한 이론적 배경, 아크발생에 따른 사고사례를 제시하였다. 두 번째로 전동차 운행시 배출량을 산정하기 위하여 배출량 산정 방법에 대한 조사를 하였다. 해당 결과를 바탕으로 물질 수지식을 전동차운영상황에 맞게 가정조건을 적용하여 정의하였고, 도출된 물질수지식을 의 각 구성요소(터널 외부 질소산화물 농도, 터널 내부 질소산화물 농도, 자연환기량 등)를 측정 및 계산을 통하여 구하였다. 그리고 이와 같은 구성요소를 물질수지식에 대입하여 배출량을 산정하였다. 산정결과 전동차 한 대가 1 km 운행시 934 mg의 질소산화물이 발생하고 있음을 확인하였고, 전동차 운행시에도 질소산화물을 관리해야 할 필요성을 제시하고자 하였다. 본 연구를 통해 전동차 운행에 따라 다양한 오염원이 존재할 수 있음이 밝혀진 만큼 현재와 같이 한정된 관리적 방향은 개선되어야 할 것이다. 또한 전동차에 발생하는 질소산화물에 관한 최초의 연구인 만큼 해당 논문결과를 활용하여 발전적으로 전동차 실내공기질 관리방안을 연구할 수 있는 기초자료로 활용되기를 바란다. Many people use public transportation. because of the many taking advantage of public transportation and it’s convenience. specially railways are used by many citizens due to its punctuality and diversified and track lines, and they are the eco-friendly means of transportation. As people become more aware of the public health and consider the aspects of the environment the Ministory of Environment currently regulates the quality of indoor air quality in the two categories of PM10 and CO2. Under these regulations, NOx was also assumed to have internal sources within the passenger compartment, and this thesis was intended to propose the need for management of the occurrence of nitrogen oxides and to quantify the occurrence of nitrogen oxides and the cause of their occurrence. First of all, the cause of the occurrence of NOx was found to be occurring in accordance with the occurrence of arcing in the wake of the electric rolling operation, resulting in a theoretical background of the arc. The secondly we researched the method for calculating NOx emissions by electric car was selected most appropriete and the most suitable model selection (one conpartment model). Domestic conditions for railway operation conditions were applied and implemented. Various factors (NOx concentration outside the tunnel, concentration inside the tunnel NOx, and natural ventilation) needed to calculate the NOX emissions through one compart model was used for measurements and calculations. NOx emissions were calculated by substituting the calculated values to one compartment models and the calculated NOX emissions was used to calculate the NOX emission per unit operation. Results showed that the electric rollingstock emits 934 mg of NOx distance of 1 km, and suggests the need to manage the NOx in the event of an electric motor operation. Given this study, a variety of pollutants can be found to exist in accordance with the electric vehicle operation, thus the direction of the limited management direction as it presently exists needs to be improved. Also, as the first study of nitrogen oxides in electric cars, we hope to utilize the results of the paper as a foundation for researching the quality of indoor air quality management measures.

TiO2 코팅 고정화 공법의 수직 콘크리트 구조물 적용에 대한 평가

김광현 강릉원주대학교 일반대학원 2024 국내석사

과도한 기술발전으로 화석연료의 사용량이 증가하였으며, 화석연료 연소 시 필연적으로 발생하는 미세먼지(Particulate Matter, PM)의 배출량이 증가하고 있다. 국내에서 발생 되는 대기오염물질 중 자동차로부터 배출되는 질소산화물(NOx)의 비율이 약 58 %를 차지하고 있다. 대기 중 미세먼지 제거를 위해 미세먼지 저감 소재인 TiO2 소재를 활용하여 질소산화물(NOx)을 제거를 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. TiO2 표면침투 공법은 모세관력(Capillary Force) 및 중력(Gravity)을 통해 콘크리트 표면에 적정 깊이까지 침투 및 고정하여 질소산화물(NOx)을 제거하는 공법이다. 그러나 수직 콘크리트 구조물 적용 시 중력(Gravity)에 의해 TiO2 소재가 바닥 면으로 흘러내리는 박리현상이 발생하였다. 이를 해결하기 위해 콘크리트 구조물에 전동 헤머를 통해 외력을 주어 TiO2 소재를 고정화하는 가압 침투 식 TiO2 고정화 공법이 사용되었다. 그러나 전동해머를 통한 고정화 방안의 경우 장비사용으로 인한 작업성 및 작업 공간의 제약성이 발생하였다. 본 연구에서는 수직 콘크리트 구조물에 TiO2 소재와 코팅제를 사용한 TiO2 코팅 고정화 공법과 동적 가압 코팅식 TiO2 고정화 공법을 적용하였다. 고정화 공법 적용을 위해 TiO2와 코팅제의 최적 혼합비율을 선정하였다. 장기 내구성 평가를 위한 환경 하중 저항성 시험을 진행하였으며, 공용 중 표면 열화에 따른 질소산화물(NOx) 제거효율 분석 및 평가를 통해 장기 공용성을 평가하였다. 현장 적용성 평가를 위해 대규모 Test – bed를 구축하여 일사량에 따른 질소산화물(NOx) 제거효율을 평가하였다. 질소산화물(NOx) 제거효율은 TiO2 코팅 고정화 공법의 경우 평균 57 %를 나타냈으며, 동적 가압 코팅식 TiO2 고정화 공법의 경우 평균 44.7 %을 실험을 통해 확인하였다. 표면박리 저항성 시험 50 Cycle에서 동적 가압 침투식 TiO2 고정화 공법의 질소산화물(NOx) 제거효율이 약 14.8 % 감소 폭을 나타냈으며, 동결융해 저항성 시험 300 Cycle에서 동적 가압 코팅식 TiO2 고정화 공법의 질소산화물(NOx) 제거효율의 감소 폭이 31.4 %를 나타내어 장기 공용성이 우수하다고 판단하였다. Test – bed에서 일사량이 높을 때 평균 40 %를 나타내어 질소산화물(NOx) 제거효율 확보를 통해 현장 적용성을 확인하였다. 본 연구에서는 환경 하중 저항성 시험을 통해 장기 내구성을 검토하였으며, 표면 열화에 따른 질소산화물(NOx) 제거효율 평가를 통해 장기 공용성을 확인하였다. 또한 실제 도로변 환경을 모사한 대규모 Test – bed에서의 일사량에 따른 질소산화물(NOx) 제거효율 분석을 통해 현장 적용성을 확보하였다.

전산유체역학을 이용한 복합화력발전에서 SCR 적용에 따른 질소산화물 저감성능 연구

김석겸 연세대학교 공학대학원 2023 국내석사

전산유체역학을 이용한 복합화력발전에서 SCR 적용에 따른 질소산화물 저감성능 연구 국내 전력시장은 경제 발전과 산업화로 인해 지속적으로 성장해왔다. 이러한 과정에서 정부는 에너지 다변화와 지속 가능한 발전을 위한 노력을 기울이고 있다. 이에 따라 미래의 전력시장은 환경오염으로부터 지구를 보호하기 위해 친환경에너지로의 변화를 맞이할 것이다. 하지만 그 과정에서 발전 분야 기술 혁신은 필수적이며, 그전까지 중간 다리 역할로서 기존 전력시장을 점유했던 석탄화력을 대체할 에너지원이 필요하다. 복합화력발전은 친환경에너지로 변화하는 과도기에 석탄화력을 대체할 수 있는 가장 대표적인 에너지원이다. 가스터빈은 다른 내연·외연 기관들에 비해 상대적으로 높은 효율을 가지며 복합화력발전의 경우 효율이 60%에 이른다. 하지만 가스터빈 운전 시 연소기에서 다량의 질소산화물(NOx)을 발생시킨다. 최근 환경부는 대기오염물질 배출허용기준을 재 공포 하고, 대기오염물질 총량관리제를 도입하며 질소산화물에 대한 규제를 한층 강화하였다. 따라서 복합화력발전소는 강화된 환경 규제에 대응하기 위해서 탈질설비 도입이 필요하게 되었다. 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction, 이하 SCR)은 가장 대표적인 탈질 기술로서, 암모니아계 환원제를 촉매 전단에 분사하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 촉매에서 물과 질소로 환원시킨다. 따라서 본 논문에서는 한국서부발전에서 운용 중인 서인천 복합화력발전소를 대상으로 SCR 적용에 따른 질소산화물 저감성능에 대해 연구하였다. 연구 진행은 전산유체해석 상용 프로그램 ANSYS Fluent 17.2를 사용하여 수치해석적인 방법으로 수행하였다. 화학 반응 모델링에 Species Transport, 반응 속도 연산에 Finite-Rate Kinetics, 촉매 표면 반응에는 Wall Surface Reaction을 사용하였다. SCR 화학 반응 모델로 J.A. Dumesic 외 4인이 수행한 선행 논문에서 암모니아에 의한 일산화질소 선택적 촉매 환원의 화학 반응식과 동역학 모델을 적용하였다. 수치해석 모델 검증을 위해 동일 선행 논문에서의 Plug-Flow Reactor 화학실험과 수치해석 결과를 비교 하였고 질소산화물 저감률에서 동일한 경향을 보였다. 첫 번째 연구에서는 SCR 촉매 타입에 따른 질소산화물 저감성능을 비교 분석하였다. SCR 촉매는 대표적으로 Honeycomb, Corrugated, Plate 타입이 있으며 화학반응 수치해석을 위해 각 촉매 타입의 단위 셀을 설계하였다. 수치해석 결과 전체 유체 온도조건에서 질소산화물 저감률은 Plate, Corrugated, Honeycomb 촉매 순서로 높았고, 입구 압력은 Plate, Corrugated, Honeycomb 촉매 순서로 높았다. 두 번째 연구에서는 SCR 촉매 치수에 따른 질소산화물 저감성능을 비교 분석하였다. Honeycomb, Corrugated, Plate 촉매에서 셀 피치, 판 피치, 두께를 변화시키며 각 촉매 별 8가지 Case를 도출하여 수치해석을 진행하였다. 수치해석 결과 Honeycomb 촉매는 셀 피치가 증가할수록 질소산화물 저감률과 입구 압력이 감소하였고, 두께가 증가할수록 질소산화물 저감률은 소량 감소하고 입구 압력은 증가하였다. Corrugated 촉매는 셀 피치와 판 피치를 증가시킬수록 질소산화물 저감률과 입구 압력이 감소하였고, 두께는 증감 시 질소산화물 저감률이 감소하여 0.3mm에서 최적의 성능을 보였다. Plate 촉매는 셀 피치에 따른 성능에 변화는 없었으며, 판 피치 증가에 따라 질소산화물 저감률과 입구 압력이 크게 감소하였고 두께가 증가할수록 질소산화물 저감률은 소량 증가하지만 입구 압력도 증가하였다. 세 번째 연구에서는 SCR 촉매 위치에 따른 질소산화물 저감성능을 비교 분석하였다. 먼저 서인천 복합화력발전소의 배열회수보일러(HRSG)와 열교환기 튜브 수치해석 모델을 설계하였다. 열교환기 튜브는 Porous Media와 Source Term Energy 기능으로 구현하였다. 다음으로 HRSG 모듈 내 촉매 설치 가능 위치 4개소를 선정하여 설치 위치에 따른 Honeycomb 촉매의 질소산화물 저감성능을 확인하였다. 촉매는 열교환기 튜브와 동일하게 Porous Media 기능으로 구현하였다. 수치해석 결과 설치 위치에 따라 질소산화물 저감률과 입구 압력의 차이가 존재했으며 HRSG 고압 증발기 모듈 전단 개소에서 가장 큰 질소산화물 저감률을 보였다. 또한 해당 설치 위치에서 Corrugated 촉매와 Plate 촉매를 적용하여 질소산화물 저감률을 비교하였고, Corrugated 촉매의 성능이 가장 우수하였다. 마지막으로 SCR 촉매 체적에 따른 질소산화물 저감성능을 비교 분석하였다. 이전 연구에서 도출한 최적 설치 위치에서 촉매 길이 변화에 따라 체적을 변화시키며 수치해석을 진행하였다. 수치해석 결과 촉매 부피가 증가할수록 질소산화물 저감률과 입구 압력이 함께 증가하였으며, 서인천 복합화력발전소의 배기가스 압력 허용 기준에서 촉매 최대 길이는 350mm로 도출되었다.

소각시설에 있어서 음식물폐수 중의 암모니아성 질소를 횔용한 질소산화물 제거에 관한 연구

고성규 한서대학교 대학원 환경공학과 2012 국내석사

Ocean dumping of food wastewater in the Korean littoral sea since 2013 will be prohibited. Prohibition of ocean dumping of food wastewater will cause problems in future treatment method by a generator of food waste who fails to find any alternative for overland treatment. In the Ministry of Environment is promoting the overland treatment of all food wastewater through expansion of overland treatment facilities or use of the existing treatment facilities, etc by the end of the 2012 to comply with the London Convention, etc and will prevent the overalll disposal of wastes from 2013. This study examined for possibility of the food wastewater incineration treatment method as one of overland treatment method by incineration through liquefied spray of food wastewater when incinerating life wastes under operation and for the relationship, etc of air discharge material discharged in incineration, and the results of study are as follow: 1. Design of a nozzle suitable for a structure within an incinerator and control of spray quantity must be achieved for incineration of food wastewater. It is also important not to prevent any damage of refractory bodies within the incinerator owing to food wastes and install a proper input device after understanding nature and state of food wastewater. 2. Concentration of nitrogen oxides(NOx) among air discharge gases was reduced by effect of ammoniac nitrogen (NH3-N) in food wastewater when inputting food wastewater into the incinerator as the quantity of food wastewater increased. It is because ammoniac nitrogen (NH3-N) reacts with nitrogen oxide and removes nitrogen oxides(NOx). 3. Concentration of air discharge gases such as sulfuric oxide (SOx) and heavy metal, etc except for nitrogen oxides(NOx) in incineration was not largely changed and the nozzle. With regard to spray quantity of food wastewater at a suitable position, stable incineration was performed without increased concentration of discharge gases such as carbon oxide (CO) since no incomplete burning within the incinerator occurred. 4. Concentration of dioxin during mixed incineration of food wastewater with MSW was average 0.0095 ng-TEQ/S㎥ and average concentration of dioxin generated in incineration of only MSW was 0.0075 ng-TEQ/S㎥, and no mixed incineration of food wastewater gave effect on dioxin concentration. 5. In the mixed incineration of food wastewater, generation speed of scales in the inside of a tubular exhaust gas boiler became rapid and the scale generation quantity became large but the exhaust gas boiler normally operated since scales were removed in cleaning of the tube with a compressive air cleaning facility and there was no opening clogging phenomena in a filter cloth of the filtering dust collector. 6. The overland treatment method, not ocean dumping of food wastewater can be proposed as a technology since mixed incineration of food wastewater with MSW in the existing life waste incineration plant is possible, and operation costs of the incineration facility were reduced since use of drugs such as ammonia and urinary hydrogen ion excretion, etc used in incineration facilities for removing nitrogen oxides(NOx) owing to reduced concentration of nitrogen oxides(NOx) of discharge gas in the mixed incineration. 본 연구는 음식물류 폐기물의 처리과정에서 발생하는 음식물류 폐수를 생활폐기물 소각시설에서 생활폐기물과 음식물류폐수를 혼합하여 소각처리 방법과 소각시 음식물류 폐수를 이용한 질소산화물 제거 및 배출가스의 영향등을 조사하고자 하였다. 음식물류 폐수는 해양배출 금지에 따른 육상처리 방법이 모색되어야 하는 시국에서 운영 중인 생활폐기물 소각시설을 이용한 소각시 대기 배출가스 중질소산화물의 농도가 음식물류 폐수의 투입량에 비례하여 낮아졌다. 이는 음식물류 폐수 중의 단백질이 아미노산으로 분해되어 생성되는 암모니아성 질소(NH3-N)의 영향 때문이다. 소각시설 운영 조건을 유지하면서 소각시 질소산화물(NOX)의 농도 외 황산화물 염화수소(HCℓ), 일산화탄소(C0), 먼지(DUST)등 연돌로 배출되는 다른 물질의 농도는 크게 변화가 없었다. 음식물 폐수 소각시 배출가스 중 다이옥신(DIOXIN)은 배출농도는 음식물류 폐수 투입 여부에 관계없이 큰 차이가 없었으며, 이는 정상적인 소각시 고온의 로내 온도로 다이옥신(DIOXIN)을 파괴하고 재생성이 안 되도록 운전조건을 관리한 것 때문이다. 연관식 폐열보일러는 음식물류 폐수의 투입량이 많을수록 튜브 막힘 현상이 있었으며, 막힘 튜브는 압축공기를 이용한 튜브 청소로 원상태를 유지 할 수 있어 연속적 소각에는 방해가 되지 않았다. 유기성 폐기물인 음식물류 폐수의 자원화 처리방법과 더불어 기존 소각시설을 이용한 소각처리가 육상처리의 한 방법으로 자리매김 할 수 있으며, 소각시 배출가스의 질소산화물이 제거 되므로써 질소산화물 제거용 암모니아, 요소수 등 화학약품비용 절감하는 효과도 있는 것으로 나타났다.

생활폐기물 소각설비의 선택적 무촉매 환원설비에서 침출수 주입에 의한 질소산화물 저감에 관한 연구

최수호 昌原大學校 産業ㆍ情報大學院 2003 국내석사

Recently, incineration has become the primary method of general waste disposal, and as a result there has been an increase in the emission of NOx, a secondary pollutant. This study's objective is to find ways to increase the efficiency of disposal. First, lets look at some processing conditions in which stable disposal is possible, and then look at how we can reduce the emission. I analyzed the amount of emission with TMS and gas analyzer in order to find out how much of NOx is produced in the stack. In comparing the measurement from the gas analyzer with that of TMS, I found that the concentration measured by the gas analyzer was slightly higher. Therefore, I came to the conclusion that TMS data were more credible. The statistical analysis of municipal wastes showed bulk density of 0.316(ton/m3) and low heat value of 1590(Kcal/kg). The three components were moisture 48.02(%), combustible 39.01(%), ash 12.37(%). Of the combustible materials were food, paper, wood, plastic, and textiles which accounted for 40.28(%), 23.20(%), 9.65(%), 13.88(%), 3.61(%) respectively, and among the incombustible materials were metals, non-metals, and glass&pottery accounting for 59(%), 0.67(%), 0.90(%) respectively. The chemical analysis of the leachate that forms from general waste showed that the pollutant's concentration rate was fixed throughout the year except during the rainy season and that the concentration of T-N, NH_(3)-N, NO_(2-)N were 1187㎎/ℓ, 798㎎/ℓ, 80㎎/ℓ respectively. In comparing the NOx concentration and correlation of each data of the operating conditions the results were as follows: exit temperature of the incinerator -0.16; 1st air 0.17; 2nd air 0.29; fuel gas -0.18; Economizer O2 0.31. It showed no correlation between the operating factor and NOx. This research chose UREA injection and leachate injection as variables, and compared the efficiency of processing through the changing conditions of short and long operations. As the conditions for the experiment, I set <A> as leachate and urea injection, <B> as leachate injection only, <C> as urea injection only, <D> as twice leachate and a half urea injection and <E> as no injection. I compared the efficiency of each conditions by setting the no-injection production as the fiducial point. The result was A:65%, B:31%, C: 34%, in case of long operation with D's NOx production of 96.13ppm. In case of 1∼3 runs of short operation, A, B, C ,D and E were relatively low, showing the average of about 55%, 15%, 40%, 33%, 0% respectively. When comparing the amount of injected ammonia the long operation with short operation, the results were 4.13(kg/hr), 0.24(kg/hr), 3.87(kg/hr), 0 (kg/hr) for the long operation, and 4.15(kg/hr), 0.28(kg/hr), 3.88(kg/hr), 2.36(kg/hr), 0(kg/hr) for 1 run of short operation. Leachate injection showed about 0.28(kg/hr) which is only 6.7% of SNCR injection, but it showed significant elimination rate of 10∼30%. In the SNCR facility, increasing urea injection in case of increased concentration of NOx may be problematic in terms of B/F, removal facility, I·D fan, and stench during reprocessing. Therefore, we can expect better efficiency in elimination through appropriate injection of leachate. Instead of merely incinerating the leachate, there needs to be a change in the perception in considering leachate processing as having general NOx reduction effect.

환기 덕트 축소모형에서 이산화티탄(TiO2) 광촉매를 활용한 질소산화물(NOX) 저감 실험

유재윤 중앙대학교 대학원 2022 국내석사

국내에서는 미세먼지를 국가적 재난으로 지정하였으며 이를 저감하기 위한 노력이 진행되고 있다. 하지만 초미세먼지(PM2.5)의 경우 관측이 시작된 2015년 이후 연평균 농도 기준치인 25㎍/㎥를 지속적으로 초과하고 있는 실정으로 2019년에는 초미세먼지 농도가 150㎍/㎥일 경우 발령하는 경보의 횟수가 11회로 나타났다. PM2,5는 다양한 방법을 통해 저감할 수 있으며 그중 발생원인 물질인 질소산화물(NOX)의 저감을 통해 PM2.5의 생성을 억제할 수 있다. NOX는 대기오염물질로 산성비, 오존, 입자상 오염물질의 발생원인이다. NOX는 TiO2와 자외선을 통한 광화학반응을 활용하여 저감이 가능하다. 본 연구에서는 환기장치에 TiO2와 UV-A Lamp를 활용한 모듈을 적용하여 NOX 저감 가능성을 제시하였다. (1) 환기장치에 TiO2를 적용하기 위해 아나타제 구성의 TiO2가 혼입된 코팅제를 덕트 내부에 도포하였으며 이를 활용하여 NOX 저감 실험을 실시하였다. 또한, 다양한 환경조건에서의 NOX 저감 성능 변화를 확인하였다. UV-A 광량의 경우 7.5W/㎡, 10.0W/㎡, 12.5W/㎡, 15.0W/㎡을 적용하였으며 NO 가스주입 농도는 0.250ppm, 0.500ppm, 0.750ppm, 1.000ppm을 적용하였다. (2) 실험 결과 UV-A 광량 모든 조건에서 NOX 93.07%에서 97.37%의 제거율을 나타냈으며 광량이 증가할수록 TiO2의 광 활성도에 영향을 주어 제거율이 증가하는 것으로 확인되었다. 또한, NO 가스 주입 농도 조건에서도 93.71% ~ 96.41%의 NOX 제거율을 나타내었으며 NO 가스의 농도가 낮을수록 제거율이 높은 것으로 확인되었다. 이는, 같은 광량 조건에서 저감할 수 있는 NOX의 양이 동일하기 때문에 낮은 농도의 조건에서 저감률이 상승하는 것으로 판단된다. 반면, NO2는 모든 실험 조건에서 농도가 증가하였으며 이는 NO의 산화 반응으로 인해 증가하는 것으로 사료된다. (3) TiO2와 UV-A의 광화학반응을 통한 NOX 저감 여부를 확인하기 위해 중간생성물인 질산염(NO3-) 검출량을 확인할 수 있는 Ion Chromato graphy 분석을 실시하였다. 분석결과 약 2배 이상 검출량의 증가를 확인하였으며 이를 통해 축소모형 내의 NOX는 TiO2와 광화학반응을 통해 농도 저감이 이루어진 것으로 판단된다. 본 연구를 통해 TiO2 코팅제가 적용된 환기 덕트 축소모형의 NOX 저감 가능성을 확인하였으며 다양한 실험 조건에서도 TiO2 광촉매의 광화학반응으로 NOX 저감이 가능할 것으로 사료된다. 본 연구는 한정적인 체적과 폐회로 상태인 축소모형을 통해 대기오염물질 중 NOX 저감 가능성을 확인하였다. 실험에 사용된 축소모형보다 체적이 증가하거나, 개방된 회로 상태의 환기 덕트를 통해 NOX 저감 성능변화 확인을 위한 추가적인 연구가 이루어져야 할 것으로 사료된다. In Korea, fine dust has been designated as a national disaster, and efforts are being made to reduce it. However, in the case of ultrafine dust (PM2.5), it has exceeded the annual average concentration standard of 25㎍/㎥ since 2015 when observation began. In addition, in 2019, the number of warnings issued when the ultrafine dust concentration was 150㎍/㎥ was 11 times. PM2.5 can be reduced through various methods, and the generation of PM2.5 can be suppressed by reducing Nitrogen Oxide (NOX), a substance that causes it. NOX is an air pollutant and causes acid rain(HNO3), Ozone(O3), and particulate pollutants. NOX can be reduced by utilizing TiO2 and photochemical reactions through ultraviolet rays. In this study, the possibility of NOX reduction was suggested by applying a module using TiO2 and UV-A Lamp to ventilation devices. (1) In order to apply TiO2 to the ventilation system, a coating agent including TiO2 having an anatase configuration was applied inside the duct, and an NOX reduction experiment was conducted using the coating agent. In addition, changes in NOX reduction performance under various environmental conditions were confirmed. In the case of UV-A light, 7.5W/㎡, 10.0W/㎡, 12.5W/㎡, and 15.0W/㎡ were applied, and NO gas injection concentrations were 0.250ppm, 0.500ppm, 0.750ppm, and 1.000ppm. (2) Experimental results showed that NOX 93.07% to 97.37% removal rate under all conditions of UV-A light volume, and it was confirmed that the higher the light amount, the higher the removal rate by affecting the light activity of TiO2. In addition, the NOX removal rate was 93.71% to 96.41% under NO gas injection concentration conditions, and it was confirmed that the lower the NO gas concentration, the higher the removal rate. Since the efficiency that can be reduced under the same light amount condition is the same, it is judged that the reduction rate increases under low concentration conditions. On the other hand, NO2 increased in concentration under all experimental conditions, which is thought to increase due to the oxidation reaction of NO (3) Ion Chromatography analysis was performed to confirm the detection amount of Nitrate(NO3-), an intermediate raw gift, to confirm whether NOX was reduced through photochemical reactions between TiO2 and UV-A. As a result of the analysis, it was confirmed that the amount of detection was increased by about twice or more, and through this, it was judged that the concentration of NOX in the scale model was reduced through a photochemical reaction with TiO2. This research confirmed the possibility of reducing NOX in the ventilation duct scale model to which the TiO2 coating agent is applied, and it is believed that it would be possible to reduce NOX through a photochemical reaction of the TiO2 photocatalyt even under various experimental conditions. This study confirmed the possibility of NOX reduction among air pollutants through a reduced model in limited volume and closed circuit conditions. It is judged that additional research is needed to confirm the volume increase compared to the reduced model used in the experiment and the change in NOX reduction performance using the ventilation duct in the open circuit state.