전산유체역학을 이용한 복합화력발전에서 SCR 적용에 따른 질소산화물 저감성능 연구

국문 초록 (Abstract)

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.