KR100374291B1 - 연소장치 배출 가스 중의 질소산화물 함량 감소 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소장치의 배출가스 중의 질소산화물 함량을 감소시키는 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따라 연소반응기에 세제 함유 요소 용액을 탈질첨가제로 분무주입하여 연소반응을 수행하면 연소에 의해 발생되는 질소산화물의 제거효율이 증대될 뿐만 아니라 연소온도 범위가 넓어 효과적이다.

Description

연소장치 배출 가스 중의 질소산화물 함량 감소 방법{METHOD FOR REDUCING THE CONTENT OF NITROGEN OXIDES IN GAS EXHAUSTED FROM COMBUSTION REACTOR}

본 발명은 연소장치에서 배출되는 가스 중의 질소산화물 함량을 저감시키는 방법에 관한 것으로, 특히 탈질첨가제로서 세제를 함유하는 요소 용액을 주입하는 것을 특징으로 하는 방법에 관한 것이다.

보일러, 소각로, 내연기관 등의 연소장치에서 배출되는 가스 중에서 대기 오염의 원인이 되는 질소산화물 함량을 저감시키기 위한 방법으로 다양한 기술이 있는데, 크게는 선택적 촉매 환원법과 선택적 무촉매 환원법으로 나눌 수 있다.

선택적 촉매 환원법은 촉매를 이용하여 질소산화물을 선택적으로 제거하는 방법으로 제거 효율은 우수하지만 설치비의 고가, 촉매의 사용으로 인해 비용이 증가하게 된다는 단점이 있다.

한편, 선택적 무촉매 환원법은 간단히 아민계 화합물, 예를 들면, 암모니아, 시아누르산(cyanuric acid), 요소 등을 적절한 온도로 유지되는 연소 장치 내에 주입함으로써 질소 산화물을 환경에 무해한 N₂및 CO₂로 환원분해하는 공정으로, 저렴한 장치설치비와 운영비 및 간단한 운전 등의 잇점으로 인해 널리 사용되고 있다. 특히, 요소를 주입하는 공정이 반응제의 취급안전성, 가격의 저렴, 주입방법의 간단성 및 암모니아 부산물의 유출성의 저하 등으로 인해 최근 주목을 받고 있다 (미국 특허 제4,208,386호 참조). 그러나, 상기 요소 첨가반응은, 질소산화물의 환원반응을 위한 온도범위가 대략 870 내지 1000 ℃로 제한되어, 연소 장치에서의 반응조건 제어의 어려움과 함께 요소 첨가제 입자의 균일한 분산을 위한 분사 노즐의 선정과 배치에 있어서 문제점이 있어, 결과적으로 질소 산화물의 저감 효율이 30내지 50% 정도로, 선택적 촉매 환원법에 비해 낮은 편이다. 따라서, 이를 보완하기 위한 첨가제의 개발이 공정 채택의 관건이 되어 왔다.

한편, 날코 퓨얼 테크(Nalco Fuel Tech)에서 개발한 첨가제인 NOxOut A, NOxOut 34, NOxOut 83등(문헌[R, Pachaly et.al., The NOxOUT process for the control of the NOx Emissions from waste incinerators, Air and Waste Management Association Annual Meeting, Canada, June 16-21, 1992] 참조)는 저감 효율의 증가 효과 및 반응온도 확장의 효과가 있는 것으로 알려졌지만, 가격 면에서 고가이어서 보다 저렴하고 효과가 우수한 첨가제의 개발이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 저렴한 장치설치비와 운영비 및 간단한 운전 등의 잇점을 가지면서도 질소산화물 저감효율을 증대시킬 수 있는 탈질첨가제를 이용함으로써 연소장치의 질소산화물 배출량을 감소시키는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 탈질첨가제를 주입하는 연소장치의 흐름개략도이고,

도 2는 탈질첨가제 주입용 분무 노즐의 상세도이다.

* 도면 부호의 간단한 설명

1: 연소반응기 2: 이류체 분무용 노즐

3: 가압용 공기 흐름 4: 탈질첨가제 용액조

5: 연료(가스반응제) 흐름 6: 공기 흐름

7: 배출 가스 성분 측정계 8: NO 가스 흐름

9: 노즐 중앙부 10: 노즐 환상 내면

11: 노즐 끝단의 혼합실

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 750 내지 1,100 ℃ 범위로 유지된 연소장치 내부로 0.005 내지 0.5 중량% 범위의 세제를 함유하는 요소용액을 분무주입함을 특징으로 하는, 연소장치에서 배출되는 가스 중의 질소산화물 함량을 감소시키는 방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

연소장치에 연료가스와 함께 탈질첨가제를 주입하여 반응물의 연소반응을 수행하는 통상의 선택적 무촉매 환원방법에서, 탈질첨가제로 요소를 사용하는 질소산화물의 환원분해반응은 다음 식과 같다.

CO(NH₂)₂+ 2 NO + 1/2 O₂---→ CO₂+ 2 N₂+ 2 H₂O

상기 반응의 효율을 증가시키기 위해서는 탈질첨가제 주입량을 증가시키거나 아니면 첨가제의 입경 조절과 균일한 분산이 필요한데, 본 발명에서는 첨가제인 요소의 분산성 향상을 위해 요소와 함께 세제를 사용함을 특징으로 한다. 본 발명에 따라 요소에 첨가되는 세제 성분은 반응 유체의 표면장력을 낮춤으로써 요소가 희석용매 중에 균일하게 분산되게 하는 역할을 하여 요소의 반응기회를 증가시키며 주반응제인 요소의 이용율을 높이는 효과를 제공하게 된다.

본 발명에 따라 요소 용액에 첨가되는 세제는 계면활성제의 일종으로, 예를 들면 의류용 합성 세제 및 주방용 합성 세제, 더욱 상세하게는 비이온성 또는 음이온성 고급 알콜계, 음이온성 알파-올레핀계, 음이온성 지방산계 계면활성제, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 음이온성 계면활성제는 친수성 부분에 Na, K, NH₄, 각종 에탄올아민 등을 포함하고 있어, 금속 염들이 환원반응에 촉매 역할을 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 세제가 요소를 균일하게 분산시키는데 적절한 사용량 범위는 요소에 대해 0.5 내지 10 중량%이며, 총 탈질첨가제 용액 중의 세제의 농도는0.005 내지 0.5 중량%가 적합하다. 본 발명에 따른 탈질첨가제로서의 세제 함유 요소 용액은 연소반응 생성물 중의 질소산화물의 몰량을 기준으로 요소 1 내지 2 몰 범위의 양이 되도록 연소장치에 주입되며, 용액의 농도는 5 내지 10 중량% 범위가 바람직할 수 있다.

본 발명에 따른 탈질첨가제 용액은 추가로 과산화수소 또는 솔비톨(sorbitol)(C₆H₁₄O₆)를 포함할 수도 있으며, 이들의 사용량은 각각 요소를 기준으로 0.1 내지 1 중량% 범위일 수 있다.

본 발명에 따른 탈질첨가제 용액을 연소장치 내로 주입하는 것은 압축 공기와 이류체 광각 노즐을 사용하여 분무 주입하는 것이 바람직하며, 생성되는 에어로졸 입자의 크기는 55 내지 100 μ범위일 수 있다. 도 1은 본 발명에 따른 탈질첨가제를 이용하는 연소장치의 흐름 개략도이다. 도 1에서와 같이 연소반응기(1) 하부로 연소반응물과 함께 통상의 탄화수소 연료 가스(5)를 주입하고, 탈질첨가제 용액조(4)로부터 펌핑되는 탈질첨가제 용액을, 가압용 공기(3)를 이용하여 이류체 분무용 노즐(2)을 통해, 연소반응기 내부로 분무 주입한다. 탈질첨가제 용액의 반응기내 분사 방향은 연소 가스와 반응제의 접촉시간을 최대로 하기 위해 향류로 분사된다.

본 발명에 사용될 수 있는 이류체 분무용 노즐의 한 예를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 보듯이, 액상 탈질첨가제가 노즐 중앙(9)으로 투입되고 동시에 고압, 예를 들면 3 내지 5 kg/cm²의 공기가 노즐 환상 내면(10)에 주입되면 노즐 끝단의 혼합실(11)에서 혼합되어 분무된다.

본 발명에 따르면, 최대효율을 나타내는 연소반응 온도 영역이, 종래의 요소만 주입하는 방법의 870 내지 1,000 ℃ 범위에 비해, 750 내지 1100℃로 보다 광범위하여, 온도변화가 극심한 연소장치 내부에서의 환원반응 효과를 높일 수 있어, 연소장치에서 배출되는 질소산화물의 저감 효율이 선택적 촉매환원법(SCR)에 버금가는 최대 90% 이상으로 증진될 수 있다.

본 발명의 방법에 적용될 수 있는 연소장치는 당 분야에 공지된 모든 형태의 것일 수 있으며, 예로는 유류(油類), 석탄, 천연가스등을 연료로 사용하는 보일러 및 가스터빈, 고형폐기물을 연소시키는 용도의 소각로, 자동차 및 선박의 내연기관 등이 있다.

이하, 실시예를 참조로 본 발명을 보다 상세히 설명하며, 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다.

실시예 1

도 1에 도시한 바와 같은 연소 반응기(1) (직경 0.22 m, 높이 3.6 m, 재질 SUS 304)에 프로판 가스(5) 연료 및 공기(6)를 각각 평균 4.0kg/hr, 55NM³/hr의 유량으로 하부에서 도입하고, 반응기(1) 내의 질소산화물 농도가 열 NO_x를 포함하여 총 200 ppm 농도가 되도록 순수 NO 가스(8)를 주입하였다. 또한, 탈질첨가제 용액조(4)로부터 펌핑된 세제 함유 요소 용액을 압축 공기(3)(압력 4.0 kg/cm²)를 이용하는 이류체 노즐(2)을 통해 연소 반응기(1) 내로 향류로 분무 주입하였다. 이때, 총질소산화물에 대한 요소 주입 양론비는 2.0였고, 세제 함유 요소 용액의 농도는 5.0 중량%였으며, 용액의 유량은 10 ml/분이었고, 연소가스 온도는 1100 ℃까지 조절할 수 있도록 하였다.

연소반응을 1시간동안 수행한 후 반응기(1) 상부로부터 연소가스를 배출시켰으며, 배출가스의 성분을 가스분석기(7)(정 엔지니어링 제품)로 분석하였다.

배출가스의 성분분석에 의한 탈질첨가제 중의 세제 농도와 반응가스 온도에 따른 질소산화물의 저감율을 표 1에 나타내었다.

구분	800℃	850℃	900℃	950℃	1000℃	1025℃	1100℃
탈질첨가제 용액 중의 세제(비이온성 고급 알콜계 계면활성제) 농도 (중량%)	0.00	-	10	60	80	75	58	-
	0.05	20	48	84	51	22	-	-
	0.10	-	53	88	70	45	28	-
	0.30	48	65	92	99	95	73	50

상기 실험결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 따르면 연소장치 내에 주입되는 탈질첨가제로서의 요소에 계면활성제를 첨가함으로써, 계면활성제를 포함하지 않는 경우에 비해 연소장치 배출가스 중의 질소산화물 농도를 크게 저하시킬 수 있다. 특히 계면활성제 농도 0.3 중량%, 반응온도 950 ℃에서는 질소산화물이 완전제거되는 효과를 나타내었다.

또한, 계면활성제를 사용하지 않는 경우에 비해 대체로 약 50 ℃ 정도 반응온도영역이 저온으로 이동하는 효과를 보였다.

실시예 2 및 3

상기 실시예 1에서와 유사하게 실시하되, 세제로서 음이온성 고급 알콜계 계면활성제를 단독으로 및 과산화수소와 혼합하여 사용하였다.

배출가스의 성분분석에 의한 탈질첨가제 중의 계면활성제 농도와 반응가스 온도에 따른 질소산화물의 저감율 결과를 표 2에 나타내었다.

구분	815℃	850℃	900℃	950℃	1000℃	1040℃
세제 농도(중량%)	0.05	65	78	49	39	29	-
	0.3	-	80	86	87	35	26
세제 0.3 중량% + H2O20.3 중량%	-	15	86	90	85	70	58

상기 표에서 알 수 있듯이, 세제의 첨가는 대체로 질소산화물의 최대저감율 반응온도영역을 낮추는 효과를 가지며, 주입농도가 증가할수록 최대효율 온도가 고온으로 이동하는 경향을 나타낸다.

또한, 과산화수소를 계면활성제와 함께 사용하면, 최대효율을 나타내는 반응온도영역이 고온으로 확장되고 효율도 증가함을 알 수 있다.

본 발명에 따라 연소장치의 배출가스의 질소산화물 저감을 위한 선택적 무촉매환원법에 요소와 함께 세제를 사용하면 저렴한 운영비와 간단한 조작으로도 연소효율 및 질소산화물 저감 효과를 크게 증대시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 750 내지 1,100℃ 범위로 유지된 연소장치 내부로 0.005 내지 0.5 중량% 범위의 세제 및0.1 내지 1 중량% 범위의 과산화수소 또는 솔비톨(sorbitol)을 함유하는 요소 용액을 분무주입함을 특징으로 하는, 연소장치에서 배출되는 가스 중의 질소산화물 함량을 감소시키는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   세제가 비이온성 및 음이온성 고급 알콜계 계면활성제, 음이온성 알파-올레핀계 계면활성제, 음이온성 지방산계 계면활성제, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   세제 함유 요소 용액이, 반응기 중의 질소산화물에 대해 요소 1 내지 5 당량의 양으로 주입되도록 사용됨을 특징으로 하는 방법.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   연소장치가 보일러, 가스터빈, 소각로 및 내연기관 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 방법.