KR100580930B1 - 연소 연도(煙道) 가스 컨디셔닝 방법 - Google Patents

Abstract

매우 간단하고 실행 가능한 방식으로 암모니아를 연소 연도 가스 흐름에 주입하여 연소 연도 가스를 컨디셔닝하는 방법에 있어서, 용해된 우레아를 압력 하에 가열하여 가수분해하여 암모니아 및 이산화탄소를 생성하고, 뜨거운 수증기에 의해 가수분해 용액으로부터 가수분해 생성물을 스트리핑하여 상기 연도 가스 흐름에 주입하는 것과 함께, 가수분해 용액으로부터으로부터 나온 물을 플랜트에 공급되는 새로운 우레아를 용해시키기 위해 재사용하는 것을 특징으로 한다.

연소 연도 가스, 우레아, 가수분해, 암모니아, 이산화탄소

Description

연소 연도(煙道) 가스 컨디셔닝 방법{Process for combustion flue gas conditioning}

본 발명은 연도(煙道) 가스를 처리하는 방법에 관한 것이고, 구체적으로는, 암모니아의 첨가에 의해 연도 가스를 정화(淨化)(컨디셔닝(conditioning))하는 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 우레아(urea)의 가수분해로부터 얻어지는 암모니아를 첨가하여 연도 가스를 처리하는 방법에 관한 것이다.

예를 들어, 연소 과정에서 생성되는 질소 산화물을 제거하기 위해, 연도 가스에 암모니아를 첨가하는 것은 잘 알려져 있다. 산소의 존재에서의 암모니아와 질소 산화물과의 반응의 결과, 하기의 반응식에 따라 질소와 물이 생성된다:

2NH₃ + NO + O₂ → 3H₂O + N₂

암모니아 농도가 대략 30 중량%인 암모니아 수용액에 함유된 암모니아의 스트리핑(stripping)에 의해 얻어진 증기에 의해, 처리될 연도 가스 흐름에 암모니아 가스가 주입된다. 암모니아 수용액은 제조 플랜트로부터 사용 플랜트로 운반되어 저장되고, 소망의 암모니아를 얻기 위해 스트리핑 플랜트로 보내져야 하고, 다음에, 암모니아 함유 잔류수는 폐기 전에 중화되어야 한다.

현재, 암모니아 용액은 독성 물질로 분류되고 있다. 그 결과, 암모니아의 높은 휘발성 및 오염 수준 때문에, 암모니아의 취급은 특수한 규칙에 따라야 한다.

상기 문제를 회피하기 위해, 반응 조건 하에서 암모니아를 생성할 수 있는, 무독성이고 무해한 화합물을 사용하는 것이 제안되어 있다. 이 목적을 위해, 원하지 않는 부산물을 생성함이 없이 암모니아를 생성하기 위해 우레아가 사용되고 있다. 연도 가스의 컨디셔닝제(劑)로서의 우레아의 사용은, 고도로 유독성인 물질의 취급 및 저장과 관련된 문제를 해결하였지만, 고체 우레아의 미립자를 얻고 이것을 연도 가스 흐름에 균일하게 주입하기 위해서는 실질적인 문제가 여전히 존재한다.

Von Harpe에게 허여된 미국 특허 제520,688호에는, 암모니아 원(源)(source)으로서, 고체 우레아 대신에, 우레아의 가수분해로부터 얻어지는 생성물을 사용하는 것도 제안되었다. 이러한 가수분해 생성물은 우레아 용액을 가열함으로써 얻어진다. 가수분해 생성물 전체, 즉, 탄산 암모늄, 카르밤산 암모늄, 중탄산 암모늄 및 암모니아가 NO_x의 환원에 사용된다. 그러나, 진한 우레아 용액의 단순한 가열만으로는 만족스러운 양의 가수분해 생성물을 얻을 수 없다. 상기 특허는 염기성 또는 산성 분위기를 사용하거나 또는 촉매를 첨가하는 것을 개시하고 있다. 그러나, 촉매나 염기성 또는 산성 생성물의 사용은 가수분해 구역 및 NO_x 환원 구역 모두에서의 상기 물질의 존재로 인하여 몇가지 문제를 초래할 수 있다.

미국 특허 제4,168,299호에 따르면, 우레아 가수분해 생성물의 제거가, 가압된 CO₂를 묽은 우레아 용액에 흡수시킨 후 그 흡수된 CO₂를 스트리핑함으로써 달성될 수 있다. 이 방법은 묽은 우레아 용액과 가압된 CO₂ 원(源)을 사용한다.

본 발명의 한가지 목적은, 매우 간단하고 실행 가능한 방식으로 연도 가스 흐름에 암모니아를 주입함으로써, 유해 물질의 취급 및 저장과 관련된 문제를 회피하는 연도 가스 컨디셔닝 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 특별한 안전 규칙에 의해 규제되지 않고, 종래의 방법에서 요구되는 것과 같은 다량의 암모니아 용액 및 독성 물질을 보존, 운반 및 저장할 필요가 없고, 또한 폐기 암모니아 또는 암모니아 전구체 용액을 처분할 필요가 없이 암모니아가 사용될 수 있는, 가스상(狀) 암모니아를 현장에서 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 상기 목적 및 다른 목적은, 우레아를 물에 용해시켜 진한 우레아 용액을 얻고, 그 진한 우레아 용액을 압력 하에 가열함으로써, 용해된 우레아를 가수분해하여, 암모니아 및 이산화탄소의 가수분해 생성물을 생성하는, 연도 가스 컨디셔닝 방법에 의해 달성된다. 상기 가수분해 생성물은 뜨거운 수증기 사용하여 상기 용액으로부터 스트리핑되고, 연도 가스 흐름 내로 주입되고, 한편, 스트리핑 구역으로부터 나오고 여전히 일부 우레아를 함유하는 가수분해 용액은 플랜트에 공급되는 새로운 우레아를 용해시키기 위해 새로운 물과 함께 재사용된다.

가수분해될 우레아 용액은 약 10 내지 70 중량%의 우레아를 함유한다. 우레아 가수분해는 약 100 내지 233℃의 온도 및 약 0.1 × 10³ KPa 내지 약 3.0 × 10³ KPa의 압력 하에 행해지는 것이 바람직하다. 가스상 가수분해 생성물의 스트리핑후에도 가수분해 용액은 여전히 약 1 내지 5 중량%의 미(未)가수분해 우레아를 함유한다.

본 발명의 상기 목적 및 다른 목적과 특징들은 첨부 도면을 참조한 하기의 상세한 설명으로부터 더욱 양호하게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 방법의 개략도이다.

이하, 도 1 및 하기 실험예를 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명한다. 도면 및 실시예는 본 발명을 더욱 양호하게 설명하기 위해 제공되는 것이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

도 1에 도시된 바와 같이, 프릴(prill) 또는 결정(結晶) 형태의 고체 우레아가, 적어도 하루 동안의 연속 가수분해 조작에 충분한 용량을 가지는 호퍼(1)에 도입된다. 이 우레아는 롤 타입 피더(roll-type feeder)(3)를 통해 용해기(4)에 도입되고, 이 용해기(4)에서, 플랜트 배터리 리미트(plant battery limit) 및/또는 배출 응축물 재순환 과정으로부터 용해기(4)에 도입되는 물 응축물을 사용하여 약 40% 농도의 우레아 용액이 생성된다. 우레아 용해 조작은 교반기(5)의 작용에 의해 용이하게 된다. 필요한 경우, 호퍼(2)의 출구에 슬라이드 밸브(2)가 설치될 수도 있다.

이렇게 하여 얻어진 우레아/물 용액은 펌프(6)에 의해 가수분해 장치의 조작 압력까지 압축되고, 예열기(7)에 의해 가수분해 온도로 예열된다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 가수분해 장치의 조작 조건은 아래와 같다.

압력: 1.9 × 10³ KPa

온도: 195℃

체류 시간: 40분

이들 조건 하에서는, 공급원료 중의 약 30 내지 40 중량% 우레아 농도가 가수분해 용액에서는 약1 내지 5 중량%로 감소한다. 가수분해 과정 중에 발생한 암모니아는, 배터리 리미트로부터 와서 가수분해 장치(8)의 바닥에 주입되는 일정량의 수증기에 의해 수용액으로부터 스트리핑된다. 수포화 암모니아 및 이산화탄소를 포함하는 가수분해 생성물은 라인(10)을 통해 반응 구역으로 운반된다. 물은 밸브(11)를 통해 팽창되고, 대기압에서 작동하는 분리기(9)로 보내진 다음, 용해기(4)로 재순환된다. 주로 암모니아 및 물의 팽창으로부터 얻어지는 증기는, 환경 오염을 피하기 위해, 라인(12)을 통해 가수분해 증기에 첨가된다. 분리기(9)로부터의 물은 약 100℃의 온도로 라인(13)을 통해 용해기(4)로 재순환됨으로써, 우레아에 용액의 열을 공급한 후 약 40℃의 온도로 용액이 얻어진다.

[실시예]

본 발명의 방법이 양호하게 이해되도록 하기 위해, 이하에, 100 kg/h의 암모니아 용량을 기준으로 한 실시예를 설명한다.

플랜트에 공급되는 우레아의 양은 177 kg/h이고, 플랜트 배터리 리미트로부터 오는 응축물의 양은 87 kg/h이다. 물의 재순환 양은 용액 중의 잔류 우레아 약 4.5 kg/h을 포함하여 150 kg/h이다. 용해기(4)로부터 나오는 용액은 온도가 약 40℃이고 유레아 농도가 약 44 중량%이며, 펌프(6)로 보내져, 압력이 약 1.6 × 10³ KPa로 증가하고, 예열기(7)를 통해 온도가 약 195℃로 증가한다. 이 용액은 가수분해 장치(8)로 들어가고, 하기의 특성을 갖는 가수분해 생성물이 형성된다:

온도: 195℃

압력: 1.5 × 10³ KPa

조성: NH₃ 100 kg/h 24.12 중량%

CO₂ 129 kg/h 31.24 중량%

H ₂ O 185 kg/h 44.64 중량%

합계 414 kg/h 100.00

일정한 가수분해 온도를 유지하고 반응 생성물을 스트리핑하기 위해 요구되는, 가수분해 장치(8)에의 직접 수증기 흐름은 약 155 kg/h이다.

본 발명의 방법의 결과로서, 플랜트는, 엄격한 규제를 받지 않으므로, 취급상 특별한 주의를 필요로 하지 않는 우레아용, 가장 잘 사용되는 질소비료용의 저장 설비만을 필요로 한다. 본 발명의 다른 중요한 이점은, 플랜트 조작이 안전하고, 조작자에 의한 위험 물질의 저장이 없고, 오염 물질이 없고, 종래 기술에 따른 암모니아 용액의 사용과 비교하여 투자 비용이 낮다는 것이다.

Claims (8)

1. 암모니아를 연소 연도 가스 흐름에 주입하여 연소 연도 가스를 컨디셔닝(conditioning)하는 방법에 있어서,

   우레아를 물에 용해시켜, 용해된 우레아 용액을 생성하고;

   상기 용해된 우레아 용액을 가열 및 가압하여, 가열 및 가압된 용해 우레아 용액을 생성하고;

   상기 가열 및 가압된 용해 우레아 용액 중의 용해된 우레아를 가수분해하여, 암모니아 및 이산화탄소를 포함하는 가수분해 용액을 생성하고;

   상기 가수분해 용액을 수증기와 접촉시킴으로써 상기 가수분해 용액으로부터 상기 암모니아 및 이산화탄소를 스트리핑(stripping)하여, 스트리핑된 가수분해 용액을 남기고;

   상기 암모니아 및 이산화탄소를 상기 연소 연도 가스 흐름에 주입하고;

   상기 스트리핑된 가수분해 용액을, 압력 및 온도가 우레아 용해 조작에 적합한 값으로 되게 한 후 상기 우레아의 용해를 위해 재순환시키는 것을 특징으로 하는 연소 연도 가스 컨디셔닝 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 용해된 우레아 용액이 10 내지 70 중량% 범위의 우레아를 함유하는 것을 특징으로 하는 연소 연도 가스 컨디셔닝 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 용해된 우레아가 100℃ 내지 233℃ 범위의 온도에서 가수분해되는 것을 특징으로 하는 연소 연도 가스 컨디셔닝 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 용해된 우레아가 0.1 × 10³ KPa 내지 3.0 × 10³ KPa 범위의 압력에서 가수분해되는 것을 특징으로 하는 연소 연도 가스 컨디셔닝 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 스트리핑된 가수분해 용액이 팽창되어 가수분해 증기를 생성하고, 이 가수분해 증기는 상기 암모니아 및 이산화탄소와 합쳐져, 상기 연소 연도 가스 흐름에 주입되는 것을 특징으로 하는 연소 연도 가스 컨디셔닝 방법.
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