FGR (Flue Gas Re-circulatio)

특징 : FGR은 배기가스의 일부를 연소영역으로 재순환시켜 질소산화물(NOx)의 발생을 저감하는 기술이며 보통 30∼60% 정도의 저감효율을 보인다.

또한, 기 사용중의 장비에도 적용이 쉽고, 그 유지비용이 적게 든다는 장점이 있다.

재순환 되는 배기 가스량은 보통 전체 연소 공기량의 10∼30%인데, 배기 가스를 재순환 함으로써 연소영역의 온도와 산소농도를 낮추어 질소산화물(NOx)의 발생을 억제한다.

결국, 배기가스 재순환을 통하여 연소공기중의 O2농도를 낮춤으로써 1300℃ 이상의 고온영역의 온도와 체류시간을 줄여 질소산화물(NOx)의 배출량을 억제하고자 하는 것이 이 기술의 핵심이다.

질소산화물(NOx)의 발생의 원인은?

질소산화물(NOx)은 산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 말하며 NO가 대부분을 차지하고 있다.

질소산화물(NOx) 발생의 주요 원은 공기 중의 질소분자 (N2)에 의한 것이며 연료에는 거의 질소성분이 없다.

공기질소에 의한 NO 발생은 다음의 반응을 갖는다.

· N2 + O ⇔ NO + N

· O2 + N ⇔ NO + O

· OH + N ⇔ NO + H

질소산화물(NOx)은 출발 물질로부터 전환되는 형태에 따라 Thermal NOx, Prompt NOx, Fuel NOx로 구분할 수 있는데, 일반 연료유의 연소과정에서 Fuel NOx는 약 30% 전후로 구성되고, 70% 정도는 모두 공기중의 N2가 반응된 Thermal NOx이다.

NOx 저감기술의 종류

저 과잉공기 연소(Low Excess Air Firing: LEA) 기술

공기와 연료의 혼합과 적절한 연소상태를 유지하기 위하여 필요한 공기량 보다10∼30%를 과잉으로 주입하게 되는데, 이 과잉공기량을 적게 주입하여 연소영역의 산소농도와 화염온도를 낮춤으로써 질소산화물의 발생을 억제하는 기술이다. 적용이 용이하고 비용도 저렴하지만 저감효율이 10∼25% 정도로 낮아 단독으로 사용되기 보다는 저 NOx 버너와 함께 사용되는 경우가 많다.

BOOS(Burners out of Services) 기술

이 기술은 공기를 단계적으로 공급하는 방법의 일종으로 특정 버너에 연료공급을 중단시키고 공기만 주입하게 하고 나머지 버너에는 연료 농후 영역에서 운전하여 산소농도와 화염온도를 낮추는 방법이다. 장치투자비가 필요 없지만 저감효율은 비교적 낮다.

Over Fire Air(OFA) 연소기술

OFA(Over Fire Air) 기술은 주로 보일러에 적용하는 단계적 공기주입 연소기술로서 연소영역에 공급되는 공기량을 줄여 고온의 화염영역에 환원성 분위기를 만들어 질소산화물(NOx) 발생을 억제한 후, 로(炉)의 저온영역에서 필요한 공기를 충분히 공급하여 완전연소가 이루어지도록 하는 방법이다. 보통 10∼20%의 저감효율과 석탄 연소시 높은 효율을 보이지만 연소효율의 저하, 석탄 연소시 Slagging현상 발생 등의 문제가 있다. 한편 이 기술은 추가적인 2차 연소공간이 필요하므로 신설 보일러에 적합하다.

가스 재연소(Gas Re-burning) 기술

화염영역의 공기비를 이론 공기비인 1.0에 가까이 맞추고 그 후단에 연소성이 좋은 가스 연료를 공급하여 환원분위기를 유지하여 질소산화물(NOx)을 저감하는 기술이다. 저감효율은 50%까지도 가능하고 시설이 간단하여 시설비는 적게 들지만 재 연소를 위한 공간이 확보되어야 하며 가스 비용이 높은 것이 단점이다.

저 NOx 버너(Low NOx Burner : LNB)

질소산화물(NOx) 배출억제를 위한 방안의 일환으로 연료와 공기가 혼합되어 화염이 형성되는 버너를 개조한 것이 저 NOx 버너이다.

저 NOx 버너 개발은 대부분 연료 및 공기의 혼합특성을 조절하여 연소강도를 낮추고 연소초기 영역의 산소농도와 화염온도를 낮추어 Thermal NOx 및 Fuel NOx 의 생성을 억제시키는 방향으로 이루어지고 있다.

선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction : SCR) 기술

SCR은 촉매를 사용하여 질소산화물(NOx)을 환원하는 대표적인 배연탈질 기술이다.

환원제로는 암모니아나 요소(Urea)를 사용하며 반응결과 NOx는 질소와 수증기로 환원된다. 이 기술은 다른 기술에 비하여 저감효율이 70∼90%로 탈질 기술 중 가장 높아 상업용 설비로서 널리 사용되고 있다. 장치는 크게 암모니아 주입부와 촉매 반응기 그리고 배기가스용의 Duct 등으로 구성되며 촉매 반응기는 보통 세라믹 하니컴 형태의 촉매층으로 이루어진다.

촉매의 종류는 금속 산화물계, Zeolite계, 알칼리토 금속계, 희토류계 촉매 등이 있으며 TiO₂, WO₃, V2, MoO₃ 등이 주로 사용된다.

하지만, SCR은 초기 투자비가 많고 넓은 설치공간을 필요로 하는 단점이 있고, 촉매 반응온도는 대부분 300∼400℃ 이며 이 이상의 온도에서는 촉매가 손상되고 효율도 떨어지기 때문에 배기가스 온도의 유지가 중요하다. 또한 배기가스중의 SOx는 촉매독(Catalyst Poison)으로 작용하여 촉매의 수명을 단축시키고, 미 반응된 암모니아와 반응하여 Ammonium sulfate와 Ammonium bisulfate를 형성하여 미세입자로 배출되기도 하므로 배기가스 중의 SOx 농도를 낮게 유지해야 한다.

최근 기술의 진보로 일본에서는 가장 대표적인 탈질 공정으로 인정받고 있다.

※ 촉매독(Catalyst Poison) : 촉매 작용을 현저하게 감퇴시키거나 완전히 정지시키는 물질

선택적 비촉매 환원(Selective Non-Catalytic Reduction : SNCR) 기술

이 기술은 환원제를 사용하여 질소산화물(NOx)을 질소와 수증기로 환원하는 방법으로 SCR기술과 다른 점은 촉매를 사용하지 않는다는 점이다. 반응에 필요한 온도는 850 ~ 1100℃로 촉매를 사용하지 않는 대신 고온의 배기가스 조건이 필요하다.

공정은 환원제 저장탱크와 주입장치, 그리고 제어장치 등으로 구성된다. SNCR 반응에 영향을 주는 주요 변수는 환원제 주입량과 반응온도, 체류시간, 환원제와 연소가스의 혼합 정도이다. 이 중 반응온도는 저감효율과 미반응 암모니아 농도와 직접 관련 있기 때문에 매우 중요한데, 일반적으로 최적온도는 환원제가 암모니아일 때 870 ~ 1050℃, 요소 환원제일 경우에는 900 ~ 1100℃ 범위이다.

환원제로는 암모니아와 요소가 주로 사용된다.

SNCR의 저감 효율은 SCR 보다 상대적으로 낮은 30∼50% 정도이며, 암모늄 화합물의 형성 등의 단점이 있지만 설치가 용이하고 설치비가 저렴한 장점이 있다.

배기 가스 재순환(Flue Gas Re-circulation : FGR) 기술

FGR은 배기가스의 일부를 연소영역으로 재순환시켜 질소산화물(NOx)의 발생을 저감하는 기술이며 보통 30∼60% 정도의 저감효율을 보인다.

또한, 기 사용중의 장비에도 적용이 쉽고, 그 유지비용이 적게 든다는 장점이 있다.

재순환 되는 배기 가스량은 보통 전체 연소 공기량의 10∼30%인데, 배기 가스를 재순환 함으로써 연소영역의 온도와 산소농도를 낮추어 질소산화물(NOx)의 발생을 억제한다.

결국, 배기가스 재순환을 통하여 연소공기중의 O2농도를 낮춤으로써 1300℃ 이상의 고온영역의 온도와 체류시간을 줄여 질소산화물(NOx)의 배출량을 억제하고자 하는 것이 이 기술의 핵심이다.

NOx 저감기술의 비교