화력발전소 - Stack 및 CEMS

화력발전소에서 연소된 배기가스는 스택(Flue-gas Stack)이라는 구조물을 통해 대기로 방출됩니다. 스택은 연소 후 생성된 배출가스를 대기 중으로 안전하게 확산시키는 중요한 역할을 합니다. 또한, 배출가스의 성상을 실시간으로 모니터링하기 위해 연속 배출 모니터링 시스템(Continuous Emission Monitoring System, CEMS)이 함께 설치됩니다.

이 글에서는 스택과 CEMS에 대해 기술하고자 합니다.

Flue-gas Stack

스택은 연소 후 배출가스를 대기 중으로 내보내는 수직 구조물로, 연통(chimney stack), 굴뚝(stack) 등으로 불리기도 합니다. 화력발전소,에서 연료가 연소될 때 발생하는 배출가스를 대기 중으로 배출하는 통로 역할을 합니다. 스택을 통해 배출되는 연소가스는 주로 이산화탄소(CO2)와 수증기, 질소, 과잉 산소(Excess O2)로 구성되며, 미세먼지, 일산화탄소(CO), 질소 산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등의 오염물질도 포함될 수 있습니다.

 

1. 스택의 역할

• 배출가스 방출 : 스택은 배출가스를 대기 중으로 방출하는 기능을 합니다. 이를 통해 배출가스를 발전소 내부에 축적되지 않도록 하여 작업 환경을 안전하게 유지합니다.
• 오염물질 확산 : 배출가스를 대기 중으로 확산시켜 오염물질이 집중되지 않도록 하여 농도를 낮추어 줍니다. 높은 스택을 사용하면 배출가스가 더 넓은 지역으로 퍼지게 되어 오염물질의 농도가 낮아 집니다.
• 자연 통풍 생성 : 스택 효과(Stack Effect)를 통해 자연적인 통풍을 생성합니다. 연소가스는 스택 내부에서 주변 공기보다 훨씬 뜨겁기 때문에 밀도가 낮아집니다. 이로 인해 스택 하부의 연소가스는 외부 공기보다 낮은 압력을 가지게 됩니다. 이러한 압력 차이는 스택 외부의 높은 압력의 공기는 연소 구역으로 이동시키고, 연소가스를 스택 상단으로 이동시키는 원동력이 됩니다. 이를 자연통풍(Natural Draft) 또는 스택 효과(Stack Effect)라고 합니다.

Stack Effect

2. 스택의 중요성

• 환경 보호 : 스택은 오염물질을 대기 중으로 확산시켜 지역 환경에 미치는 영향을 최소화합니다. 높은 스택을 통해 배출가스를 분산시키면, 대기 중 오염물질의 농도가 낮아져 환경 보호에 기여할 수 있습니다.
• 규제 준수 : 각국의 환경 규제는 배출가스 성상과 농도에 대한 엄격한 기준을 제시합니다. 스택은 이러한 규제를 준수하기 위해 필수적인 설비로, 뒤에서 설명할 CEMS와 함께 사용되어 배출가스를 지속적으로 모니터링합니다.
• 안정성 확보 : 배출가스를 대기로 방출하지 않으면, 유해 가스가 발전소 내부에 축적되어 작업자와 설비에 위험을 초래할 수 있습니다. 스택은 이러한 위험을 방지하고 안전한 작업 환경을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.

3. 스택의 재질과 구조

 

스택은 주로 콘크리트 또는 강철(steel)로 제작됩니다. 각각의 재질은 특정한 장점과 단점을 가지고 있습니다.

 

콘크리트 스택

• 장점 : 내구성이 강하고, 고온과 고압의 배출가스를 견딜 수 있으며, 산성 가스에 대한 내식성이 뛰어납니다.
• 단점 : 초기 건설 비용이 높고, 구조 변경이 어렵습니다.

강철 스택

• 장점 : 설치가 용이하고, 설치 시간이 짧으며, 구조 변경이 가능합니다.
• 단점 : 산성 가스에 의한 부식 문제를 해결하기 위해 추가적인 코팅이 필요하고, 정기적인 유지보수가 요구됩니다.

4. 스택 설계 시 고려사항

• 높이 : 환경 규제와 배출가스의 확산을 고려하여 적절한 높이를 설정해야 합니다. 높은 스택은 오염물지를 더 넓은 지역으로 확산시켜 농도를 낮추는 데 유리합니다.
• 재질 선택 : 고온의 배출가스를 견딜 수 있는 내구성과 내식성을 가진 재질로 제작되어야 합니다. 주로 콘크리트나 가얼이 사용됩니다.
• 구조적 안정성: 바람, 지진 등의 외부 하중을 견딜 수 있도록 설계되어야 합니다. 구조적 안정성을 확보하기 위해 정기적인 점검과 유지보수가 필요합니다.
• 열 방출: 배출가스의 온도에 따라 적절한 열 방출 설계를 해야 합니다. 이는 스택의 내구성을 유지하고, 효율적인 열 관리를 가능하게 합니다.
• 환경 규제 준수: 각국의 환경 규제를 준수할 수 있도록 설계되어야 합니다. 이를 위해 CEMS와 같은 모니터링 시스템이 함께 설치됩니다.

연속 배출 모니터링 시스템(Continuous Emission Monitoring System, CEMS)

CEMS는 발전소에서 배출되는 가스의 성상을 실시간으로 모니터링하고, 환경 관련 국가기관에 데이터를 전송하는 시스템입니다. CEMS는 대기 오염물질의 배출을 실시간으로 감시하여 환경 규제를 준수하고, 발전소의 운영을 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다.

 

1. CEMS의 구성요소

• 가스 분석기 : 배출가스 중의 주요 성분을 실시간으로 분석합니다. 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 질소 산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등을 측정합니다.
• 미세먼지 측정기: 배출가스 중의 미세먼지 농도를 측정합니다.
• 데이터 수집 및 처리 장치: 측정된 데이터를 수집하고, 실시간으로 분석하여 환경 규제 기관에 전송합니다.
• 보정 시스템: 측정기의 정확도를 유지하기 위해 주기적으로 보정 작업을 수행합니다.

2. CEMS의 중요성

 

CEMS는 발전소의 배출가스를 실시간으로 모니터링함으로써 환경 오염을 최소화하고, 법적 규제를 준수할 수 있도록 합니다. 또한, 데이터를 기반으로 발전소의 운영을 최적화하여 효율성을 높이고, 불필요한 비용을 줄이는 데 기여합니다.

결론

스택과 CEMS는 화력발전소의 배출가스를 관리하고, 환경 규제를 준수하는 데 필수적인 요소입니다. 스택은 배출가스를 대기 중으로 안전하게 확산시키는 역할을 하며, CEMS는 배출가스의 성상을 실시간으로 모니터링하여 환경 보호와 발전소의 효율적인 운영을 돕습니다. 이러한 시스템을 통해 화력발전소는 환경에 미치는 영향을 최소화하고, 지속 가능한 에너지 생산을 실현할 수 있습니다.