2.1 전기집진기의 구성

전기집진기(EP : Electro-stator Precipitator)는 그림 1과 같이화력발전소와 같은 산업용 대형연소 보일러 연소 시 배출되는 가스 또는 고체 등 입자상 분진을 전기적인 방법으로 제거하는 집진장치이다.

전기집진기의 기본구조는 집진기 본체를 이루는 Casing, Corona 전류를 발생시키는 방전극(DE : Discharge electrode), Corona 전류에 의해 대전된 분진을 포집하는 집진극(CE : Collecting electrode), 집진극에 포집된 Dust를 박리시키는 추타장치(Rapping device), 집진극의 가스의 흐름을 균일하게 하기 위한 가스 균압 분배판(Gas distribution device), 방전극의 고전압을 지지하기 위한 고압지지애자(Support insulator), 고압지지애자를 수용하는 장소인 애자실(Pent house), 박리된 분진을 외부로 배출시키는 분진배출장치, 방전극과 집진극 사이에 고전압을 인가하는 하전장치, 집진 회로를 제어하는 제어설비 등으로 이루어져 있다.

하전장치는 고전압설비로 방전극과 집진극 사이에 전장(Electric field)세기를 조절하는 제어반, 정류형변압기, 접지장치 그리고 발생된 고전압을 집진극과 연결하는 Bus duct line으로 구성된다⁽²⁾. 여기서 집진율에 영향을 주는 직접적인 요소는 보일러 연소 배기가스의 상태와 정류형 변압기의 방전전압 그리고 방전전류 값이다.

2.2 전기집진기 주변설비

전기집진기의 주변 설비로는 탈질설비와 Air heater, GGH(Gas gas heater, 탈황설비 등이 있다. Air heater는 보일러 연소 공기를 예열하기 위한 설비로 환경규제 이전에 기본적으로 설치된 것으로 탈질설비 추가설치 시 Duct bunner로 온도를 보상하고, GGH는 전기집진기의 후단에 설치되므로 집진효과 분석에서 제외하였다. 탈질설비는 발전소 보일러를 연소할 때 발생하는 질소산화물을 효과적으로 제거하기 위한 설비로서 질소산화물 분해방법에 따라 선택적촉매환원법(SCR)과 선택적비촉매환원법(SNCR)으로 구분된다.

2.3 전기집진기의 문제점 분석

과거 발전설비를 설계하고 건설하는 과정에서는 대기오염에 관한 심각성이 부각되지 않은 상황이었다. 기후의 변화가 자연재해로 드러나면서 환경오염에 대한 관심이 높아져 특정 유해물질에 대해 정의하고 세계보건기구(WHO)에서 국제적인 협조요청을 구하여 개개의 국가마다 법적으로 장·단기 기준치를 설정하고 오염물질의 배출허용기준을 준수하려는 노력이 커져가고 있는 실정이다. 이에 준하여 탈황 ․ 탈질 등 배연처리설비를 추가로 설치하였을 때 기존의 설비는 고려하였으리라고는 생각된다. 그러나 이러한 설비로 인하여 배기가스의 흐름이 설치 전의 상황과 동일한 조건을 운용하기는 어려움이 있다. 이는 전기집진기의 전·후의 운전 환경이 계통별로 많은 변화가 있었기 때문이다. 이러한 문제점을 요약하면 다음과 같이 정리할 수 있다.

첫째, 전기집진기와 탈황설비의 구간의 덕트의 변경으로 인한 배기가스 유속변화이다. 전기집진기와 연돌(Stack) 구간에 설치된 탈황설비는 전기집진기 집진실의 가스 흐름을 변화시켜 부분적으로 Guide Vain을 설치하여 와류에 의한 집진손실을 보완을 필요로 하게 되었다.

둘째, FGD Booster Fan 및 GGH, Absorber 등은 집진실의 가스유속을 FGD Booster Fan의 운전 여건에 따라 변할 수밖에 없는 환경이 되었다. Fan의 송풍용량에 따라 전기집진실의 압력의 변화는 분진의 포집능력에 영향을 미치는 방전전압을 고려하지 않았다. 특히 GGH의 차압의 지속적인 상승으로 배기가스 유량이 설계대비 약 25% 초과되어 유속증가에 따른 Mist Carry Over로 GGH 열소자 Plugging 현상이 발생함으로서 집진실의 배기가스의 역압(Back Pressure)은 집진실의 포집구간의 변화를 가져왔다.

셋째, 탈질설비의 설치는 집진기의 포집능력을 변화시키는 주요 요인이 되었다. 전기집진설비의 비저항값을 조정하는 암모니아설비(NH₃)를 탈질설비의 전단으로 이동설치 함으로써 탈질설비에 의존하게 되었다. 즉 SCR Inlet NOx 및 연소용 공기량에 따라 NH₃ 주입량이 결정된다.

넷째, 주변설비의 온도 변화는 전기집진기의 효율을 저하시키는 원인이 되었다. 탈질설비의 SCR의 반응효과를 높이기 위하여 Duct Burner를 기동하고 있으나 불완전 연소로 인한 CO 발생으로 SCR 입구의 NOx가 급격하게 감소하였다가 증가하는 반복되는 현상과 Duct Burner 기동 시 발생하는 미분연의 증가 또한 전기집진기 설비에 고려대상이 되지 않았다. 또한 Flue Gas가 SCR과 Air Heater를 지나면서 급감된 배기가스의 온도는 설비에 저온부식 뿐만 아니라 전기집진기의 포집 효율을 저하시키고 회처리설비 등 주변설비에 막힘 현상을 가져오기도 한다.

마지막으로 NH₃ 주입방법이다. 제어계통의 난조로 운전원이 안정을 유지하기 위하여 주입량을 수동과 자동운전 절체로 인한 Slip량의 증가로 전기집진기 분진 비저항값의 변화에 전압 ․ 전류가 응동하지 못하여 효율이 저하된다. 이것은 탈질설비 중심으로 NH₃를 주입함으로써 전기집진설비의 운전상황이 고려되지 못한 원인이기도 하다.

이와 같이 전기집진기의 효율을 높이기 위해 고려되어야 할 문제점들이 산재되어 있음에도 불구하고 주변설비에 맞추어 전기집진기를 운용 ․ 정비하기에는 어려움이 많을 수밖에 없다.

2.4 전기집진기 시스템 모델링 과정

전기집진장치와 같은 복잡한 시스템을 전체적으로 모델링하기는 간단하지 않다. 모델링은 지금까지의 연구에서 개발된 시스템의 모든 측면에 관련된 지식을 종합하는 총괄적 전자계산프로그램에 의해서만 달성될 수 있다. 이와 같은 모델은 US EPA를 위하여 Southern Research Institute가 개발하였다⁽⁴⁾. 이 모델은 1970년의 철저한 연구 작업과 후속 개발 사업에 기초를 두고 만들어졌다⁽⁵⁾. 이 장치 속에는 수많은 부속 시스템이 들어 있고 그곳에서 일어나는 전기적 현상과 입자의 거동 사이에 일어나는 상호작용은 매우 복잡하다.

그림 6은 Nichols와 Oglesby의 차트를 Licht가 약간 수정한 내용인데 집진기 내의 전체 시스템과 이들 상호 관련성을 파악하기 쉽도록 만들어졌다. 굵은 줄은 입자의 집진에 포함된 주요 단계를 연결하고 있으며, 가는 줄은 공정에 영향을 주는 보조적 상호 관련성을 나타낸다. 전기집진기의 설계는 석탄화력발전소가 증설되면서 그 중요성이 매우 증대되고 있다. 1970년대에는 약 400∼500℃ 이상 되는 고온 굴뚝 가스로부터 먼지를 집진하는 설비가 많았는데, 그중에서 석탄연소에서 발생하는 비산회를 집진하는 업무가 중요했었다.

최근 대기환경보전법과 대기관리권역법이 확대, 시행되면서 질소산화물(NOx) 배출량 및 TMS 설치 의무, 대기오염물질 총량관리제 등 법적으로 강화되었다. 발전설비 연소시 배출되는 고온의 배출 가스, 입자 절연성, 이온 이동도 등 모든 물성치에 관한 정밀한 조사가 더욱 필요하지만 이미 설치 운용되고 있는 대형설비의 시스템 변경은 계통 전체를 튜닝(Tuning)하여야 하므로 쉽게 접근할 문제는 아니다. 따라서 기존에 설치된 추가설비와 부분적인 튜닝 작업 후 설계 이론적인 상수 부분을 제외하고 운영자의 재량에 따라 유지관리하여야 하는 실정이다. 즉 전기집진기의 설계 모델링 자체와 더불어 각종의 운전조건 적용과 물성치를 조사는 절실하지만 어려움이 있다. 표 2는 TMS 법 규제치이며 표 3은 분석하고자 하는 대상기기의 부하별 연소비이다.

새로 설치되는 사업장의 경우 4종 사업장은 2023년 1월 1일부터, 5종 사업장은 2024년 1월 1일부터 적용되며, 개정시행 전에 운영 중인 기존 4, 5종은 2025년 1월 1일부터 의무화된다. 분석하고자하는 주보일러의 부하별 산소 기준치는 표 3과 같다. 분석하고자 하는 설비의 보일러 부하별 운전참조값은 표 3과 같다.

2.5 전기집진기 시스템 특성 분석

「2.3 전기집진기의 문제점 분석」에서 언급한 바와 같이 설비에서 가장 문제가 되는 것은 탈질설비이다. 표 4와 같이 촉매(Catalyst)의 종류에 따라 최대사용온도와 반응온도 범위가 다르고, 전기집진기의 최적 운전온도 범위도 탈질설비의 기동 여하에 따라 온도의 변화가 많아 비저항값의 변화 및 집진 효율에 치명적인 영향을 주고 있다.

표 5는 분석을 위한 집진기 전단의 탈질설비 설치 전⋅후의 가스(Flow gas)의 상태를 나타낸 것이다.

대용량의 발전소는 대부분 135∼160℃의 저온의 설계 온도값을 갖고 있다. 그러나 배기가스의 운전온도는 촉매와 덕트를 지나는 동안의 온도 강하를 고려하더라도 정상운전에 이르기 전까지 그림 7과 같이 전기집진기의 2차 전류는 서서히 증가한다.

보일러의 운전조건에 따라 표 5에서와 같이 전기집진실의 집진조건이 좋아졌음에도 불구하고 집진실 전단(Front)에 위치하고 있는 #1 EP Tr'의 방전전류가 낮은 것은 과도한 NH₃의 투입으로 인한 비저항값이 감소하는 것은 탈질설비의 촉매반응에 따른 NH₃의 투입량의 조정과 전기집진실 전단의 균압분배판에서의 유속이 변화로 사료된다. 또한 보일러의 노내와 덕트 및 집진실의 온도가 정상온도까지 상승하려면 보통 2시간 정도를 필요로하며 이때까지는 습한 가스로 인하여 전압의 난조(Hunting)가 심하게 발생하고, 집진효율이 감소할 수 밖에 없다. 또한 상승된 2차전류는 탈질설비가 설치된 후 덕트 버너(Duct Burner)의 운전 여부에 따라 난조가 재발생하고, 보일러 계통의 운전환경에 영향을 주었다.

그림 8의 전부하 운전까지는 2차전류(I2)의 제한설정값과 운전온도 조건의 변화에 따라 심한 난조 현상이 발생하여 2차전압(V2)의 조정이 필요하였다. 탈질설비를 설치 후 다음과 같이 집진율의 변화를 가져왔다.

먼저, 집진실의 적정 온도는 170±5℃에서 가장 효율이 좋았던 설비임에도 온도가 156℃에서 168℃로 상승하였음에도 불구하고 비저항값에 영향을 주지 않았다. 여전히 불완전 연소된 그을음이 많이 발생하여 분진이 대전되기는 쉬우나 집진이 되지 않고 재비산되는 영역에서 운전되었다.

둘째로 보일러의 입구온도와 노내 온도가 158℃나 상승하고 보일러의 Inlet O₂가 4.07[%]로 과잉 공급하여 운전한 상태였다. 즉 전기집진기실의 내부 차압 저하로 볼 때 탈황계통까지 배기가스의 유속이 증가하였음을 알 수 있다. 탈질설비에서의 NH₃의 적절한 공급은 유속과 온도의 변화에도 집진효율을 유지하기에 충분했다.

셋째로 연소비로 볼 때 탈질설비 설치 전의 연소비는 0.96의 부적절한 연소비와 적정 연소비 부근에서의 운전에도 불구하고 2차 방전전류를 유지할 수 있는 것은 집진실 내의 온도가 적정하여 168℃를 유지함으로 전기집진기의 효율유지에 온도유지가 미치는 영향이 얼마나 크다는 것을 알 수 있다.

2.6 전기집진기 시스템의 재구성

기존의 전기집진기 설비의 운용 방법을 보완하여 전기집진기의 운전상태를 상시 최적의 상태로 재구성하였다.

먼저 탈질설비에서 리액터(Reactor) 후단의 환경에 따라 NH₃ 주입과 Duct Burner를 기동⋅정지하던 설비에서 리액터의 후단 온도를 감지하여 전기집진실의 온도저하에 따라 정류형 변압기의 전압을 조정하도록 한다. 이는 기동 시 응축되었던 습분의 유입으로 저하되었던 전압을 온도에 따라 2차전압을 하향 조정하여 운전하도록 하여 스파크(spark)에 의한 효율 저하를 방지하고자 함이다.

또한 리액터 전단에서 공기와 희석되어 공급하던 암모니아에 의한 집진실의 비저항값 변화를 정류형변압기의 Control Unit에서 조정하여 Thyristor Unit의 Gate값으로 설정함으로 분진의 저항 변화에 속응성 있게 전압을 조정할 수 있도록 구성한다. 이때 1차전압과 1,2차전류를 조정을 설비의 한계값(Limit value)까지 설정하고, 2차전압은 스파크가 발생하기 전까지 조정하여 운전하도록 한다. 이것은 보일러의 운전상황에 따라 전기집진실의 비저항값이 수시로 변화하기 때문이며 실제적으로 방전전류는 2차전압에 의존하기 때문이다. 집진실 내의 비저항값은 집진기 제작시 변경할 수 없는 설비관련 계수는 일정한 상수이므로 제외하고, 실제 운전 중의 2차전압[㎸]에서 2차전류[㎃]를 나눈값을 비저항 값으로 하며 스파크의 횟수는 분당 20회이하의 설정값 중 초기전압강하 값과의 비교값을 Feed back값으로 한다.

제어 블록도에서 집진실의 온도상승에 의한 감지센서는 별도로 추가하지 않아도 된다. 이것은 연료 중에 포함되어 있는 질소성분이 연소 시 고온 영역에서 산화된 것으로 환경오염과 설비의 부식을 초래하지만 이미 Duct Burner의 기동⋅정지회로에 온도를 제어할 수 있도록 구성되어 있어 제외하였다. 또한 연소 영역에서 배기가스의 일부분을 재순환 시켜 배기가스의 상대적 온도를 조정하며 운전할 수 있기 때문이다.

문제는 리액터에서 보일러의 Fire Box에서 직접 분사하여 질소가스와 수증기로 분리하는 과정에서 전기집진실로 유입된 습분이 절연내력을 저하시켜 정류형변압기 2차 전압의 장애요소가 되므로 부하에 따라 NH₃의 분사 노즐을 조정할 필요가 있다.

그림 10에서 보이는 바와 같이 NH₃를 투입 후 인가되는 2차방전전압이 감소하였다. 이것은 집진실 내부 유체 가스의 비저항값의 상승으로 집진율을 유지하기 위한 출력의 감소효과로 나타났다. 그럼에도 불구하고 그림 11에서와 같이 집진율은 최적의 상태를 유지하고 있었다.

다만 집진실의 Front 측은 탈질설비와 Air heater를 지나는 가스의 온도 저하로 인하여 탈질설비의 촉매반응과 집진기의 집진율을 유지하기 위한 설계온도를 유지하는 것이 운용의 과제로 남았다.