석탄화력발전소는 석탄을 주연료로 보일러 내부에서 연소후 ash가 함유된 고온의 배기가스를 생성시킨다. 고온의 배기가스는 보일러내부에 설치된 튜브내의 증기와 열교환되고 통풍계통을 통해 외부로 배출된다. 고온의 배기가스에 함유된 용융된 Ash가 연소가스류와 흐르다가 연화온도 이하의 저온영역인 대류전열부(Reheater, 1ry superheater, Economizer) 표면에서 응축 및 부착되어 표면에서 굳어지는 현상을 파울링이라고 하며, 파울링에 의해 형성된 덩어리Ash 중 작은 7 mm 이하의 조각을 팝콘애쉬라고 한다. 대류전열부에 부착되어형성되는 파울링성 팝콘애쉬는 기공이 많아 아주 가볍고 단단하지 못해 배기가스와 함께 탈질설비 촉매층으로 유입된다.
탈질설비 촉매층으로 유입된 팝콘애쉬의 퇴적으로 Flue gas 불균일 유동에 의한 촉매파손 및 촉매 활성도저하로 NOx 제거효율이 떨어지고, 미반응 암모니아와 SO성분이 결합하여 280℃이하의 저온에서 생성되는 중황산암모늄이 증가하여 공기예열기 하부 Element 막힘에 의한 차압상승으로 운전신뢰도를 떨어뜨린다. 미세먼지 저감을 위한 정부 대기오염물질 배출강화에 대비하기 위해탈질설비 효율을 향상시키고 공기예열기 막힘에 의한 통풍계통 불안전요소를해소하기 위하여 본 연구에서는 배기가스와 함께 흘러가는 팝콘애쉬를 포집하기위해 팝콘애쉬 size(1,3,5,7 mm)별 유동흐름을 분석하고 포집효율을 극대화할 수 있는 위치에 높이 30 cm, 필터격자 3 mm, 각도 30도 포집필터를 설치하고 수치해석을 시행하였다. 수치해석결과 유동이 급격히 변경되는 부분에서 separation이 유사하게 발생하였고 압력손실은 기준조건 대비 12 pa이 상승된 154.5 pa, 포집효율은 3 mm 입자의 경우 1%정도 향상되었다. 포집필터 설치시 분석결과를 바탕으로 포집율을 향상시키고 압력손실을 줄일 수 있는 효율적인 두가지 방안을 다음과 같이 제시하였다. 첫번째는 포집효율을 증가시키기 위해 절탄기 후단 최적위치에 plat 형 baffle을 설치하고, 두 번째는 압력손실을 최소화하기 위해 특정구간을 Fillet 처리하였다.
포집효율을 향상시키기 위해 최적위치에 plat형 baffle을 설치(30 cm, 60 cm)하고 수치해석을 실시한 결과, baffle size가 증가할수록 5,7 mm 입자의 경우 포집율은 100%가 되나 3 mm 입자의 경우 미 포집된 입자는 덕트면에서 속도가 감소되어 곡면부에 쌓이는 결과가 분석되었다. 압력손실은 baffle 크기가 증가 할수록 54 pa→145 pa 더욱 크게 증가하였다. 다음은 경계면에서 유동이 급격히 변경되는 면을 Fillet을 처리(r25,50) 할 경우 특정구간의 유동흐름을 완만하게 하여 덕트상부에 발생하였던 separation을 발생시키지 않아 압력손실값은 138.7 pa/136 pa로 필터 설치조건 대비 15.8 pa/18.5 pa정도 압력손실을 줄일수 있으나 포집효율은 기준값과 유사하였다.
본 연구에서 최적위치에 필터 및 plat형 baffle을 설치하고, 유동이 변경되는 지점에 Fillet을 처리하여 포집효율 및 압력손실을 분석한결과 plat 형 baffle의 경우 포집효율은 향상되나 차압이 증가하는 단점이 있고, Fillet을 처리할 경우 일부구간의 separation을 제거하여 차압을 줄일수 있으나 포집효율은 필터를 설치할 경우와 유사하여 포집효율 증가 및 압력손실을 개선할 수 있는 타원형 baffle을 설치하는 최적화 설계방안을 제시하고자 한다.
최적의 타원형 baffle을 선정하기 위해 다양한 크기의 case study를 실시하고 필터설비 대비 포집효율을 향상시키고 기본값 대비 압력손실을 줄일 수 있는 최적점 A=1000 mm(세로), B=750 mm(가로)을 선정하고 ANSYS 17.0 해석프로그램 내에 있는 최적화 과정을 통해 verification을 수행하였다. 수행한 결과 압력손실은 137.7 pa로 필터 설치조건 대비 15.8 pa, 3 mm이상의 입자의 포집효율은 100%로 개선되는 효과가 있어 본 연구에서는 A=864 mm, B=733 mm 크기의 최적의 타원형 baffle을 제시하였다.

The coal-fired power plant uses coal as the main fuel and produces high-temperature exhaust gas containing ash in the boiler. The hot exhaust gas flows together with the molten Ash, and the molten Ash is condensed and adhered on the surface of the convection portion, which is a low temperature region below the softening temperature, so as to be hardened on the surface small 7mm or less piece of Ash that has been hardened is called popcorn ash. Fouling popcorn ash is very light and hard because it has many pores and it flows into the catalyst bed together with exhaust gas. NOx removal efficiency is deteriorated due to catalyst failure and catalytic activity due to uneven flue gas flow due to the accumulation of popcorn ash flowing into the catalyst layer of the denitrification facility catalyst layer, And the reliability of operation is lowered due to an increase in differential pressure due to clogging of the lower element of the air preheater.
In this study, to collect the popcorn ash flowing with the exhaust gas, the flow of the popcorn ash size (1,3,5,7 mm) at the downstream of the absorber is analyzed and the trapping filter. In order to minimize the differential pressure and install the plat baffle, the research was carried out to fillet the specific section and compare it with the reference value and suggest a more efficient method.
In order to select the optimal position of the filter, numerical analysis was performed after the numerical analysis, and then a collection filter of 30 cm in height, 3 mm in filter lattice, and 30 degrees in angle was installed at a position where the collection could be maximized.
As a result of the numerical analysis, separation occurred at the part where the flow was abruptly changed. As a result, the differential pressure was increased by 12 Pa compared to the reference value of 154.5 Pa, and the collection efficiency was improved by about 1% for the 3 mm particle. In order to further improve the collection efficiency, a plat-type baffle was installed at the optimum position (30 cm, 60 cm) to perform numerical analysis.
As the baffle size increases, the trapping rate of 5,7 mm particles becomes 100%. However, in the case of 3 mm particles, the trapped particles accumulate on the curved surface due to the reduced velocity on the duct surface. As the pressure difference increases 54 pa→145 pa. Next, we analyze the change of differential pressure and the trapping rate when the surface of the interface where the flow is rapidly changed at the interface is subjected to Fillet treatment. When the fillet is treated (r25,50), the flow is gentle and the separation of the specific section is not generated. The differential pressure is 138.7 pa / 136 pa, which can reduce the pressure loss by about 15.8 pa / 18.5 pa compared to the reference value.
As a result of studying the collecting efficiency and differential pressure by treating filter with baffle at the optimum position and processing the fillet at the point where the flow is changed, there is a disadvantage that the collecting efficiency is improved but the differential pressure is increased in case of baffle, It is possible to reduce the differential pressure by removing the separation of the sections. However, the collection efficiency is similar to that of the filter installation, and an optimization method for installing the elliptical baffle at the optimal position to improve the collection efficiency and differential pressure is proposed.
In order to select optimal elliptical baffle, various case studies were performed. Optimum points A=1000 mm (length) and B=750 mm (width) were selected to improve the collection efficiency compared to the default value and reduce pressure loss. The verification was performed through the process of ANSYS. As a result, the pressure loss was 137.7 pa, which is 17.8 pa compared to the reference value, and the collection efficiency of particles larger than 3 mm was improved to 100%, suggesting an optimal elliptical baffle of A=864 mm and B=733 mm.