KR100339317B1 - 조합형공급및혼합장치및그방법 - Google Patents

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Abstract

발전소의 연도 가스 채널에는, 산화 질소의 촉매 변환을 위해 필요한 암모니아가 다수의 공급 파이프 및 노즐 헤드 그리고 동일한 수의 조절가능한 밸브를 통해 연도 가스 내로 균일하게 분포되도록 공급되는 것이 통상적이다. 그러나, 이러한 장치에 의해 연도 가스 채널에서 야기되는 압력 강하가 비교적 크고, 이러한 장치 자체도 비교적 복잡하고 비용이 많이 든다.
이러한 단점을 없애기 위해, 본 발명에 따라 예컨대 암모니아 같은 제 1 흐름 매체(M1)를 흐름 채널(4)에 안내되는 예컨대, 산화질소 함유 연도 가스(28)와 같은 제 2 흐름 매체(M2) 내로 공급하여 두 흐름 매체(M1, M2)를 혼합하기 위한 조합형 공급 및 혼합 장치(14, 36)가 제공된다. 이 장치에서는 적어도 하나의 공급구(22)를 가진, 제 1 흐름 매체(M1)를 안내하는 적어도 하나의 파이프(18), 및 혼합 삽입물(26, 26a 내지 26h)이 제공된다. 단면적(A) 및 흐름 채널(4)의 수력학적 직경 dhydr에 대해, m² 의 단면적(A) 당 0.05 내지 10개의 공급구(22)가 제공된다. 상기 공급구(22)와 혼합 삽입물(26) 사이의 간격(a)은 0.05 내지 3 dhydr이다. 이렇게 함으로써, 암모니아가 연도 가스 내로 균일하게 공급되어 혼합된다.

Description

조합형 공급 및 혼합 장치 및 그 방법{COMBINED FEED AND MIXING DEVICE}
본 발명은 흐름 도관 내의 제 2 흐름 매체 내로 제 1 흐름 매체를 도입하여 두 흐름 매체들을 혼합시키기 위한 조합형 공급 및 혼합 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공급 오리피스를 갖추고 있고 제 1 흐름 매체를 이송하는 하나 이상의 관과, 흐름 방향에서 공급 오리피스의 하류에 배치된 혼합 삽입물을 포함하며, 소정의 단면적 및 소정의 수력학적 직경을 갖는 m²의 단면적 당 0.05 내지 10개의 공급 오리피스가 제공되고, 공급 오리피스와 혼합 삽입물 사이의 거리는 수력학적 직경의 0.05 내지 3배인 조합형 공급 및 혼합 장치에 관한 것이다.
이러한 조합형 공급 및 혼합 장치는 미국 특허 제 4,131,432호에 대응하는 프랑스 특허 2 341 040 Al호에 공지되어 있다.
여러 산업 분야에서 높은 공정 효율을 얻기 위해, 하나의 유체 또는 기체의 흐름을 다른 유체 또는 기체 흐름에 가급적 균일하게 혼합해야 할 필요가 있다. 예컨대, 배출 가스 또는 연도 가스에 포함된 산화질소를 선택적 촉매 환원 방법(SCR 방법)에 따라 촉매 환원시키는데 있어서, 기상의 환원제를 질소가 제거될 배출 가스 흐름 또는 연도 가스 흐름에, 특히 촉매 변환기 상류에서 공급해야 한다. 통상적으로 암모니아/공기 혼합물이 환원제로서 연도 가스 내로 분사된다. 이 경우, 공급될 암모니아/공기 흐름은 배출 가스 흐름 또는 연도 가스 흐름에 비해 매우 작다. 공급될 암모니아/공기 흐름은 통상적으로 배출 가스 또는 연도 가스 흐름의 약 2 내지 5 부피%이다.
배출 가스 또는 연도 가스의 질소 제거를 위해 필요한 촉매량을 가급적 줄이기 위해서는, 촉매가 전체 배출 가스 도관 횡단면에 걸쳐 균일하게 사용되어야 한다. 이러한 사실 때문에, 암모니아/공기 혼합물은 전체 배출 가스 도관 횡단면에 걸쳐 가급적 균일하게 분사되어 배출 가스와 혼합되어야 한다.
비교적 적은 유체 또는 기체 흐름을 비교적 많은 유체 또는 기체 흐름에 균일하게 첨가하여 혼합하는 것은 유체역학적으로 어렵기 때문에 기술적으로 매우 복잡하다. 최근에는 다수의 노즐을 가진, 개별적으로 조절가능한 다수의 분사관을 배출 가스 도관에 설치함으로써, 배출 가스 도관의 전체 횡단면에 걸쳐 노즐, 즉 연도 가스 내로의 암모니아/공기 혼합물의 유입 지점을 균일하게 분포시킴으로써 이러한 문제점을 해결하고 있다. 그러나, 이러한 해결책은 연도 가스 도관에서 다수의 분사관에 의해 압력 손실이 야기되는 문제점이 있다. 또한, 이러한 해결책은 파이프라인, 노즐, 제어 밸브 및 전체 부가 제어 시스템과 관련하여 매우 많은 장치 비용을 필요로 한다. 게다가, 작동 중에 이러한 시스템을 조절하는 것은 매우 많은 시간 및 비용을 필요로 한다.
본 발명의 목적은 무시할 수 있을 정도의 압력 손실만이 발생하며, 장치의 소요 비용을 감소시킬 수 있고, 또한 작동시에 시스템을 용이하게 조절할 수 있는, 제 1 흐름 매체를 제 2 흐름 매체 내로 공급하고 흐름 도관의 전체 횡단면에 걸쳐 제 1 흐름 매체를 균일하게 분포시킬 수 있는 조합형 공급 및 혼합 장치를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 소정의 흐름 방향으로 기체상 제 2 흐름 매체를 이송하고 소정의 단면적 및 소정의 수력학적 직경을 갖는 흐름 도관을 포함하는 조립체에서, 상기 흐름 도관 내의 상기 제 2 흐름 매체 내로 제 1 흐름 매체를 도입하여 상기 흐름 매체들을 혼합시키기 위한 조합형 공급 및 혼합 장치로서,
m²의 단면적 당 0.05 내지 10개의 공급 오리피스를 갖추고 있고 제 1 흐름 매체를 이송하는 하나 이상의 관과,
상기 소정의 흐름 방향에서 상기 공급 오리피스의 하류에 배치되어 있고 상기 공급 오리피스로부터 상기 소정의 수력학적 직경의 0.05 내지 3배의 거리만큼 이격되어 있는 혼합 삽입물을 포함하며,
상기 혼합 삽입물은 상기 수력학적 직경 보다 작고 상기 소정의 흐름방향에 대해 각을 이루는 평면에서 상호 평행한 열로 배치된 혼합 부재를 포함하며,
상기 각각의 열에서의 상기 혼합 부재는 서로 동일한 방향으로 그리고 인접한 열의 상기 혼합 부재에 대해 반대 방향으로 평면에서 대해 기울어져 있는 조합형 공급 및 혼합 장치를 제공한다.
수력학적 직경은 흐름 도관의 단면적(A)을 흐름 도관의 원주로 나눈 값의 4배로 정의한다.
본 발명에 따라, 흐름 도관에 배치된 소수의 관 및 공급 오리피스에 의해, 장치 비용 및 첨가할 흐름 매체의 공급 비용이 매우 적어진다. 동시에, 흐름 도관에서의 압력 손실도 선행 기술에 공지된 해결책에 비해 줄어든다. 흐름 도관에 배치된 혼합 삽입물의 사용은 연도 가스 도관 내로 공급되는 흐름 매체가 연도 가스 도관을 흐르는 흐름 매체에 단지 몇몇 지점에서 균일하게 분포된다. 혼합 삽입물에 의해 야기되는 압력 강하는 적합한 혼합 삽입물의 선택에 의해 다수의 공급관에 의해 야기되는 압력 손실 보다 현저히 낮을 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 특히 수백 메가 와트의 전력을 가진 화석 연료 발전소용 조합형 공급 및 혼합 장치의 설계 시에는 m²의 단면적 당 약 0.1 내지 1 공급 오리피스가 제공되고 및/또는 혼합 삽입물과 공급 오리피스 사이의 거리가 약 0.1 내지 1배인 것이 바람직한 것으로 판명되었다.
본 발명의 또다른 특징에 따르면, 본 발명에 따른 조합형 공급 및 혼합 장치는 무시될 수 있는 압력 강하에 대해 m²의 단면적(A) 당 0.01 내지 5, 바람직하게는 0.05 내지 1개의 관이 제공되는 것이 바람직하다.
제 2 흐름 매체 내로 공급되는 제 1 흐름 매체의 균일한 분포를 위해, 일반적으로 흐름 도관 내에 이미 존재하는 흐름 매체가 흐름 도관의 전체 횡단면에 걸쳐 가급적 균일한 속도 분포를 가져야 한다. 본 발명의 부가된 특징에 따르면, 제 1 흐름 매체의 공급 지점에서 층분히 균일한 흐름 프로파일이 제공되지 않는 경우, 제 2 흐름 매체의 흐름 방향에서 볼 때 공급 오리피스 및 혼합 삽입물 상류에 흐름 가이드 수단을 제공하는 것이 바람직하다. 이러한 흐름 가이드 수단으로는 예컨대 배플 및 이와 유사한 장치를 들 수 있다.
본 발명의 또다른 특징에 따르면, 혼합 삽입물은 m²의 단면적 당 0.5 내지50개의 혼합 부재를 갖추고 있다.
본 발명의 또다른 특징에 따르면, 흐름 도관을 부분 도관으로 분할하는 삽입물을 더 포함하며, 공급 오리피스 중 어느 하나와 혼합 삽입물 중 어느 하나가 각각의 부분 도관에 배치된다.
본 발명에 따른 조합형 공급 및 혼합 장치는 예컨대 화석 연료 발전소의 연도 가스 또는 자동차 배기가스와 같은 산화질소 함유 혼합물 내로 예컨대 암모니아/공기 혼합물과 같은 기상 암모니아를 공급하고 암모니아와 산화질소 함유 가스 혼합물을 혼합시키는데 사용된다. 암모니아/공기 혼합물의 대안으로서, 암모니아를 방출하는 모든 물질, 특히 우레아 수용액이 사용될 수도 있다.
이하에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
제 1도는 연도 가스 도관 내로 암모니아를 분사함과 동시에 균일하게 분포시키기 위한 종래의 시스템의 개략적인 단면도이고,
제 2도는 연도 가스 도관에서 이송되는 연도 가스 내로 암모니아를 공급하기 위한 본 발명에 따른 조합형 공급 및 혼합장치의 단면도이고,
제 3도는 화석 연료 600 메가와트 발전소의 연도 가스 라인에 설치된 제 2도에 따른 조합형 공급 및 혼합장치의 구성을 도시한 단면도이고,
제 4도는 흐름 도관을 분할하기 위한 삽입물을 갖춘 본 발명에 따른 또다른 조합형 공급 및 혼합장치의 단면도이다.
제 1도 내지 제 4도에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였다.
제 1도는 연도 가스 도관 또는 흐름 도관(4)의 단면도로서, 여기서는 도면 평면에 대해 수직으로 흐르는 연도 가스 내로 암모니아를 공급하기 위한 종래의 시스템(2)을 나타낸다. 시스템(2)은 다수의 분사 또는 공급관(6)을 포함하고 있다. 이러한 공급관(6)은 연도 가스 도관(4)에 균일하게 분포되어 배치되며 공급 오리피스로서 노즐 헤드(8)를 포함하고 있다. 공급관(6)의 입구측은 조절가능한 밸브(10)를 통해 암모니아/공기 혼합물용 공급라인(12)에 연결되어 있다.
연도 가스 도관(4) 내에 배치된 다수의 공급관(6)으로 인해, 예컨대 발전소의 전력에 부하를 주는, 무시될 수 없는 압력 손실이 야기된다. 또한, 장치에 대한 비용도 매우 높다. 이는 예컨대 600 MW 발전소에서 각각 조절가능한 밸브(10) 및 약 1600 개의 노즐 헤드(8)를 갖춘 약 30 내지 50개의 공급관일 수 있다. 이러한 시스템(2)의 작동 및 관리를 위해서는 많은 시간 및 비용이 필요하다.
제 2도에는 본 발명에 따른 조합형 공급 및 혼합장치(14)가 도시되어 있다. 도면에는 각각의 조절 밸브(16)를 갖춘 8개의 공급관(18)이 도시되어 있다. 공급관(18)의 입구측은 암모니아/공기 혼합물(M1)용 공급 라인(20)에 연결되고, 그것의 출구측은 공급 오리피스로서 제공된 노즐 헤드(22)로 뻗어 있다.
제 1도에 도시된 선행 기술로서 공지된 종래의 분사 시스템(2)과 본 발명에 따른 장치(14)를 직접 비교하기 위해, 제 1도에 공지된 흐름 도관(4)이 제 2도에 도시되어 있다. 실시예에서 흐름 도관(4)의 단면적은 약 8 m2이며, 따라서 2m x 4m 의 단면 형상이 주어지면, 약 2.67m의 수력학적 직경이 얻어진다. 여기서, 수력학적 직경(dhydr)은 단면적(A)을 흐름 도관(4)의 원주(U)로 나눈 값의 4배로 정의한다.
도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 노즐 헤드(22) 뒤에는 2열로 연결된 8개의 혼합 부재(24a~24h)가 배치되어 있다. 혼합 삽입물(26)에 속하는 혼합 부재(24a~24h)는 사다리꼴이며, 도면 평면으로부터 사다리의 좁은 에지를 향해 하방으로 각각 기울어져 있다. 이 경우, 도면 평면에 대한 경사각은 10°내지 60°, 바람직하게는 30° 내지 45° 일 수 있다. 흐름 도관(4) 내에서 이송되는 흐름 매체는 바람직하게는 선택된 도면 평면에 대해 수직으로 흐른다. 혼합 부재(24a~24h)를 사용함으로써 흐름 매체 내로 공급되는 암모니아/공기 혼합물(M1)와 흐름 매체의 국부적인 소용돌이 뿐만 아니라 흐름 도관(4)의 전체 횡단면에 걸친 혼합이 달성된다. 흐름 매체 내로 공급되는 암모니아/공기 혼합물을 흐름 도관(4)의 전체 횡단면에 걸쳐 균일하게 분포시키기 위해, 바람직하게는 흐름 도관 단면의 m² 당 0.5 내지 50개의 혼합 부재(24)가 제공되며, 보다 바람직하게는 0.5 내지 10개의 혼합 부재(24)가 제공된다.
화석 연료 발전소(도시되지 않음)의 연도 가스 라인(4)을 개략적으로 도시한 제 3도에서는, 제 2도에 따른 조합형 공급 및 혼합 장치(14)가 흐름 매체(M2)의 흐름 방향에서 증기 발생기(30)와 NOX제거 반응기(32) 사이에 배치되며, 질소-산화물 함유 연도 가스(28)의 흐름 방향으로 배치된다.
발전소의 가동시, 질소-산화물 함유 연도 가스(28)는 증기 발생기(30)로부터 연도 가스 도관에 배치된 흐름 배플판(34)을 통해 조합형 공급 및 혼합 장치(14)로흐른다. 흐름 배플판(34)이 연도 가스(28)의 속도 프로파일을 균일화시키는 작용을 하며, 연도 가스(28)는 대략 동일한 속도로 연도 가스 도관(4)의 전체 횡단면을 통해 공급관(18)에 도달한다.
공급관(18)에서, 연도 가스(28)의 체적 유량에 대해, 공급 라인(20)을 통해 안내되어 밸브(16)에 의해 공급되는 암모니아/공기 혼합물(M1)의 약 2 내지 5 부피%가 연도 가스(28) 내로 공급된다. 연도 가스(28)의 흐름 방향으로 볼 때 공급관(18) 하류에 배치된 혼합 삽입물(26)에서, 암모니아/공기 혼합물과 연도 가스(28)가 혼합되며, 균일하게 혼합된 암모니아를 함유한 연도 가스(28')가 NOX제거 반응기(32)에 공급된다.
NOX제거 반응기(32)에 층층이 배치된 촉매(34a~34e), 소위 NOX제거 촉매에서, 연도 가스(28')에 함유된 질소-산화물이 암모니아와 함께 촉매(34a~34e)와 접촉하여 촉매 반응함으로써 질소와 물로 된다. 따라서, 질소-산화물 및 암모니아 없는 연도 가스(28")가 NOX제거 반응기(32)로부터 배출된다. 연도 가스(28) 내에서 암모니아가 균일하게 분포되기 때문에, 촉매(34a~34e)는 전체 횡단면에 걸쳐 균일하게 사용된다.
공급관(18)과 혼합 삽입물(26)의 사이의 거리는 일반적으로 수력학적 직경의 0.05 내지 3배이어야 하며, 바람직하게는 0.1 내지 1배이다.
제 4도는 조합형 공급 및 혼합 장치(36)의 또다른 실시예를 나타낸다. 연도 가스 도관(4), 조절 밸브(16), 공급관(18), 암모니아/공기 혼합물(M1)용 공급라인(20) 및 노즐 헤드(22)와 같은 제 2도에 도시된 구성요소들이 제 4도에도 도시되어 있다. 이에 부가하여, 흐름 도관(4)을 약 3dhydr의 길이로 8개의 부분 도관(4a~4h)으로 분할하는 삽입물(38)이 제공되어 있다. 또한, 각각의 부분 도관(4a~4b)에는 공급 오리피스로서 제공된 노즐 헤드(22), 및 구성은 제 2도의 혼합 삽입물과 동일하지만 보다 작은 혼합 삽입물(26a~26h)이 제공되어 있다. 각각의 혼합 삽입물(26a~26h)은 일렬로 배치되어 연결된 사다리꼴 혼합 부재(24')를 포함한다. 명확하게 도시되도록, 혼합 부재(24')는 혼합 삽입물(26a)에만 도시되어 있다. 물론, 다른 혼합 삽입물(26b~26h)도 혼합 삽입물(26a)과 동일한 갯수 및 구성의 혼합 부재(24')를 포함한다.
이러한 삽입물(38)을 제공함으로써, 공급되는 암모니아/공기 혼합물(M1)과 흐름 도관(4) 내에서 이송되는 흐름 매체(M2), 예컨대 제 3도에 따른 산화질소 함유 연도 가스(28)와의 완전하고 강력한 혼합이 이루어질 수 있다. 물론, 제 2도에 따른 혼합 삽입물(26)에 의해도 실제로 존재하는 NOX또는 NH3층의 광범위한 농도 균일화가 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위 내에서 개별적인 경우에 따라, 조합형 공급 및 혼합 장치의 선택적인 실시예가 구현될 수 있다.

Claims (9)

  1. 소정의 흐름 방향으로 기상의 제 2 흐름 매체를 이송하고 소정의 단면적 및 소정의 수력학적 직경을 갖는 흐름 도관을 포함하는 조립체에서, 상기 흐름 도관 내의 상기 제 2 흐름 매체 내로 제 1 흐름 매체를 도입하여 상기 흐름 매체들을 혼합시키기 위한 조합형 공급 및 혼합 장치로서,
    m²의 단면적 당 0.05 내지 10개의 공급 오리피스를 갖추고 있고 제 1 흐름 매체를 이송하는 하나 이상의 관과,
    상기 소정의 흐름 방향에서 상기 공급 오리피스의 하류에 배치되어 있고 상기 공급 오리피스로부터 상기 소정의 수력학적 직경의 0.05 내지 3배의 거리만큼 이격되어 있는 혼합 삽입물을 포함하며,
    상기 혼합 삽입물은 상기 수력학적 직경 보다 작고 상기 소정의 흐름 방향에 대해 각을 이루는 평면에 상호 평행한 열로 배치된 혼합 부재를 포함하며,
    상기 각각의 열에서의 상기 혼합 부재는 서로 동일한 방향으로 그리고 인접한 열의 상기 혼합 부재에 대해 반대 방향으로 평면에 대해 기울어져 있는 조합형 공급 및 혼합 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 관은 m²의 단면적 당 0.1 내지 1개의 공급 오리피스를 갖추고 있는 조합형 공급 및 혼합 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 혼합 삽입물과 상기 공급 오리피스 사이의 거리는 상기 소정의 수력학적 직경의 0.1 내지 1배인 조합형 공급 및 혼합 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 관은 m²의 단면적 당 0.05 내지 5개의 관을 갖추고 있는 조합형 공급 및 혼합장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 하나 이상의 관은 m²의 단면적 당 0.1 내지 1개의 관을 갖추고 있는 조합형 공급 및 혼합 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 흐름 매체의 흐름 방향으로 볼 때, 상기 공급 오리피스와 상기 혼합 삽입물의 상류에 배치된 흐름 배플 부재를 더 포함하는 조합형 공급 및 혼합 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 혼합 삽입물은 m²의 단면적 당 0.5 내지 50개의 상기 혼합 부재를 갖추고 있는 조합형 공급 및 혼합 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 흐름 도관을 부분 도관으로 분할하는 삽입물을 더 포함하며, 상기 공급 오리피스 중 어느 하나와 상기 혼합 삽입물 중 어느 하나가 각각의 상기 부분 도관에 배치되어 있는 조합형 공급 및 혼합 장치.
  9. 가스를 혼합하는 방법으로서,
    소정의 단면적과 소정의 수력학적 직경을 갖는 흐름 도관에서 소정의 방향으로 질소-산화물 함유 가스를 이송시키는 단계와,
    상기 흐름 도관에 배치된 하나 이상의 관의 일단부에 m²의 단면적 당 0.05 내지 10개의 공급 오리피스를 제공하는 단계와,
    소정의 흐름 방향에서 상기 공급 오리피스의 하류에 혼합 부재를 갖추고 있고 상기 공급 오리피스로부터 상기 소정의 수력학적 직경의 0.05 내지 3배의 거리 만큼 이격된 혼합 삽입물을 제공하는 단계와,
    상기 혼합 부재를 상기 소정의 흐름 방향에 대해 각을 이루는 평면에 상호 평행한 열로 배치하고, 상호 평행한 열의 상기 혼합 부재를 서로 동일한 방향으로 그리고 인접한 열의 상기 혼합 부재에 대해 반대 방향으로 평면에 대해 기울어지도록 배치하는 단계와, 그리고
    상기 혼합 삽입물 내에서 상기 질소-산화물 함유 가스와 기상 암모니아 흐름을 혼합하기 위해 상기 하나 이상의 관에 상기 기상 암모니아 흐름을 도입하는 단계를 포함하는 방법.
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