전산유체해석을 이용한 국내 500MW 화력발전소 선택적촉매환원장치 유동균일화 연구

Abstract

Since the Paris Climate Change Accord in 2015, the demand to reduce global greenhouse gas emissions has continued. It was closed in December. Starting with this, the coal-fired power generators are continuously shutting down as a policy of de-coal energy conversion to continuously reduce fine dust emissions from coal-fired power plants, such as environmental power supply and seasonal management system. In particular, 58 coal-fired power plants are in operation in Korea, and the gas turbine combined cycle power plant, which is an alternative to coal-fired power plants, is also required to develop facilities for nitrogen oxide (NOx) removal. On the other hand, there are 40 power plants with more than 10 years of life remaining, and efforts are being made to increase facility capacity to improve the performance of environmental facilities with the goal of complying with exhaust gas emission standards for the operation of coal-fired power plants. However, each unit costs a minimum of 100 billion won to a maximum of 300 billion won. Although this seems like a natural measure to satisfy the domestic carbon-neutral policy and respond to changes in the electric power market, it is a method that ignores economic aspects such as investment for facility expansion and securing of land from a companys point of view. Environmental facilities for coal-fired power plants include selective catalytic reducing system (SCR), electrostatic precipitators, and desulfurization facilities. These facilities are reaction methods that remove Nox, Dust, and Sox through chemical and electrical reactions. A method of increasing the reaction efficiency includes a method of increasing the reaction area or maximizing the reaction time by passing an appropriate amount of gas through a predetermined area at an optimum speed. For this, efficiency can be improved by adjusting the guide vane and gas distributor so that the optimal amount of gas can pass through the reactant. That is, the reaction efficiency can be increased only by a method of uniform flow by minimizing gas drift. In a previous study on this, the efficiency could be improved by measuring the actual speed in the environmental equipment (electric dust collector) to improve the efficiency of the electrostatic precipitator, and then adjusting the gas distribution plate to obtain the RMS(Root Mean Square) value and make it uniform early. Therefore, in this study, 3D model modeling was carried out based on the Selective Catalytic Reduction (SCR) facility of the 7th and 8th Serise boilers among 500MW class coal-fired power plants in Korea, and the flow characteristics of exhaust gas were evaluated using computational fluid analysis (CFD). It was verified and proved that the gas flow can be uniformed through the improvement factors (Guide Vane, Mixing Pipe). In addition, through this study, an adjustable (motor power, etc.) guide vane model was proposed to secure the meaning of this study. In the future, it is expected that it will be able to establish itself as a new technological paradigm for flow analysis in the expansion of thermal power plant environmental facility improvement and research in related fields.

2015년 파리기후협약(Paris Climate Change Accord) 이후 세계 온실가스 배출량 감축의 요구가 계속되고 있으며, 정부는 선제적 에너지 전환 및 탄소중립 정책을 추진하여 보령화력 1,2호기를 계획보다 2년 앞당겨 2019년 12월에 폐쇄하는 조치를 취했다. 이를 시작으로 석탄화력 미세먼지 배출량을 지속적으로 감축하기 위한 탈석탄 에너지전환 정책으로 환경급전, 계절관리제 등으로 석탄화력 발전기 Shut Down이 지속적으로 진행되고 있다. 특히 국내에는 석탄화력발전 58기가 운영중에 있고, 석탄화력발전소 대채 방안인 가스터빈 복합발전 또한 질소산화물(NOx) 제거를 위한 설비의 개발 요구가 계속되고 있다. 한편 10년 이상 수명이 남은 발전소는 약40기 이상으로 발전소 현장에서는 석탄화력발전소의 운영을 위해 배기오염물질 배출기준 준수를 목표로 환경설비 성능개선 대책으로 설비용량 증대의 노력을 하고 있다. 하지만 한 호기당 최소 천억에서 많게는 삼천억의 과대한 비용이 소요된다. 이는정부탄소중립정책을충족하고,전력시장변화에대응하기위한 당연한 조치로 보이지만 기업측면에서 볼때 설비증설을 위한 투자, 부지확보 등 경제성 측면을 무시한 방법이다.석탄화력발전소 환경설비로는 선택적 촉매환원제(SCR), 전기집진기,탈황설비등이있으며이설비들은화학적,전기적반응을통하여 NOx, Dust, SOx환원및제거하는반응법이다.이 반응 효율을 높이는 방법은 반응 면적을 넓히거나, 정해진 면적에 적절한 양의 가스를 최적의 속도로 통과시켜 반응시간을 최대화하는 방법이 있다. 이를 위해 반응체에 최적양의 가스가 통과할 수 있도록 안내깃(Guide Vane), 암모니아가스 혼합기(Mixing Pipe)의 조정 등을 통해 효율향상을 이룰 수 있다. 즉 가스편류를 최소화하여 유동을 균일화하는 방법만으로 반응 효율을 높일 수 있다. 이에 대한 선행 연구에서는 전기집진기 효율향상을 위해 환경설비(전기집진기)내 실제 속도를 측정하여 RMS을 값을 구하고 이른 균일하게 할수 있도록 가스 분포판 조정하여 효율을 향상 할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 국내 500MW급 석탄화력발전소 중 7,8호기시리즈의 보일러의 SCR(선택적촉매환원법)설비를 기반으로 3D모델링을 진행하고 전산유체역학해석(CFD)을 이용하여 배기가스의 유동 특성을 확인해 보고, 개선인자(Guide Vane, Mixing Pipe, Catalyst)의 변화를 통해 가스 유동이 균일화 될 수 있음을 증명 하였다. 또한 이 연구를 통해 조정가능한(adjustable: 모터동력 등) 가이드 베인 모델을 제안하여 본 연구의 의미를 확보할 수 있었으며, 향후 화력발전소 환경설비 개선 확대와 관련 분야 연구에 있어 유동해석의 새로운 기술 패러다임으로 자리 잡을 수 있을 것으로 예상된다.