KR100592035B1

KR100592035B1 - A metod nitrogen on oxide using plasma or high frequency fuel reformer

Info

Publication number: KR100592035B1
Application number: KR1020050007729A
Authority: KR
Inventors: 엄태인; 채종성; 오민
Original assignee: 한밭대학교 산학협력단
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2006-06-21

Abstract

본 발명은 화력발전소 보일러 및 산업용 보일러의 연소성 향상과 연소시 발생하는 질소산화물(NOx)을 저감시키는 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 보일러의 연료로 사용하는 천연가스, 경유, 석탄 및 바이오 연료 중 5-20%를 플라즈마 또는 고주파 개질법을 이용하여 수소, 일산화탄소로 개질시키고, 개질된 90%의 수소와 일산화탄소를 연소실에 공급하여 나머지 연료와 혼합하여 연소하므로서 보일러의 연소성을 크게 향상시켜 국부적인 고온 화염부를 제거하고 저과잉 공기 연소가 가능하므로 질소산화물 생성을 억제하고 또한 개질된 10%의 수소와 일산화탄소는 질소산화물 저감장치인 SCR(Selective Catalysis Reduction) 장치의 환원제로 사용하여 배기가스중의 질소산화물을 질소로 환원시켜 저감시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 것이다.The present invention relates to a method for improving the combustibility of a thermal power plant boiler and an industrial boiler and reducing NOx generated during combustion. More specifically, the present invention relates to five of natural gas, diesel, coal and biofuel used as a fuel for a boiler. -20% is reformed into hydrogen and carbon monoxide using plasma or high frequency reforming, and the reformed 90% of hydrogen and carbon monoxide are supplied to the combustion chamber and mixed with the remaining fuel to combust the boiler to greatly improve the combustibility of the boiler, It is possible to remove the nitrogen gas in the exhaust gas by suppressing the production of low excess air and suppressing the generation of nitrogen oxide. Also, the modified 10% hydrogen and carbon monoxide are used as the reducing agent of the SCR (Selective Catalysis Reduction) device, which is a nitrogen oxide reduction device. It is characterized by reducing to reduce to.

질소산화물(NOx), 산업용 보일러, 플라즈마개질법, 고주파 개질법, 개질가스, SCR, 경유, 석탄, 수소, 일산화탄소NOx, industrial boilers, plasma reforming, high frequency reforming, reforming gas, SCR, diesel, coal, hydrogen, carbon monoxide

Description

A method for reducing nitrogen oxides using plasma and high frequency fuel reformers

도 1 은 본 발명에 따른 전체 개략도.1 is an overall schematic view according to the present invention;

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명][Description of Symbols for Main Parts of Drawing]

1 : 플라즈마 및 고주파 연료 2 : 화석연료 공급라인1 plasma and high frequency fuel 2 fossil fuel supply line

3 : 보일러 연소실 4 : 개질가스인 H₂, CO공급라인3: boiler combustion chamber 4: reforming gas H ₂ , CO supply line

5 : 배기가스라인 6 : 질소산화물 저감장치(SCR장치)5: exhaust gas line 6: nitrogen oxide reduction device (SCR device)

본 발명은 보일러의 연료로 사용하는 천연가스, 경유, 석탄 및 바이오 연료 중 5-20%를 플라즈마 또는 고주파 개질법을 이용하여 수소, 일산화탄소로 개질시키고, 개질된 90%의 수소와 일산화탄소를 연소실에 공급을 하며, 수소는 높은 환원 반응성, 빠른 화염전파속도, 광범위한 가연한계의 특성을 가지고 있으므로 연소성을 크게 향상시켜 국부적인 고온 화염부를 제거하고 저과잉 공기 연소가 가능하다. The present invention reforms 5-20% of natural gas, diesel, coal, and biofuel used as a fuel of a boiler to hydrogen, carbon monoxide using a plasma or high frequency reforming method, and supplies 90% of the reformed hydrogen and carbon monoxide to the combustion chamber. Hydrogen is characterized by high reduction reactivity, fast flame propagation speed and wide flammability limits, which greatly improves combustibility, eliminating local high temperature flames and enabling low excess air combustion.

저과잉 공기 연소는 보일러 연소실로 공급되는 공기중의 질소량을 감소시킬 수 있으며 이로 인하여 질소가 원인물질이 되는 질소산화물을 감소시킬 수가 있고, 또한 고온 화염부의 제거로 인하여 고온시 발생하는 질소산화물을 감소시킬 수 있다.Low excess air combustion can reduce the amount of nitrogen in the air supplied to the boiler combustion chamber, thereby reducing the nitrogen oxides that cause nitrogen, and also reduce the nitrogen oxides generated at high temperatures due to the removal of high temperature flames. You can.

10%의 수소와 일산화탄소는 질소산화물 저감장치인 SCR(Selective Catalysis Reduction) 장치의 환원제로 공급하여 반응 (1)과 (2)를 통하여 배기가스중의 질소산화물을 질소로 환원시켜 저감시킬 수 있으며 수소와 일산화탄소는 현재 가장 많이 사용하고 있는 암모니아 환원제보다 환원특성이 더 좋다.10% hydrogen and carbon monoxide can be supplied to the reducing agent of the SCR (Selective Catalysis Reduction) device, which is a nitrogen oxide reduction device, to reduce and reduce the nitrogen oxides in the exhaust gas to nitrogen through reactions (1) and (2). Carbon monoxide has better reducing properties than the most commonly used ammonia reducing agent.

(1) 2NO + 2H₂= 2H₂O + N₂(1) 2NO + 2H₂ = 2H ₂ O + N₂

(2) 2CO + 2NO = 2CO₂+ N₂(2) 2CO + 2NO = 2CO₂ + N₂

최근 국가적으로 추진하고 있는 대기오염물질 총량규제가 실시될 경우 화력발전소, 대형 산업용 보일러에서는 질소산화물, 분진 등의 농도가 현재 보다 현저히 저감되어야 하며 따라서 대도시의 소규모 열병합 발전소 및 대형 산업용 보일러의 경우 연소 후처리 설비의 높은 초기설치비, 고효율 탈질운전에 따른 암모니아, 촉매 및 SCR 공정의 운전비용 상승하게 된다.In recent years, if national air pollutants have been regulated, the concentration of nitrogen oxides and dust should be significantly reduced in thermal power plants and large industrial boilers. Therefore, post-combustion treatment for small cogeneration plants and large industrial boilers in large cities Higher initial installation costs and higher operating costs for ammonia, catalysts and SCR processes due to high efficiency denitrification.

상기와 같은 이유로 천연가스, 경유, 석탄 및 바이오 연료 등 화석연료 개질장치에서 얻어지는 개질가스를 화력발전소 보일러 및 대형 산업용 보일러에 적용하여 연소성 향상과 연소가스 후처리에 적용하는 기술의 발명이 필요하며, 본 발명은 이와같은 점을 해결하기 위하여 개발된 것이다.For the above reasons, the invention of the technology to apply the reformed gas obtained from the fossil fuel reformer such as natural gas, diesel, coal and biofuel to thermal power plant boilers and large industrial boilers to improve the combustibility and after-treatment of the combustion gas, The present invention has been developed to solve this problem.

본 발명은 천연가스, 경유, 석탄 바이오 연료 중 5-20%를 플라즈마 또는 고주파 개질법을 이용하여 수소, 일산화탄소로 개질시키고, 개질된 90%의 수소와 일산화탄소를 연소실에 공급하여 나머지 연료와 혼합하여 연소하므로서 연소성을 크게 향상시켜 국부적인 고온 화염부를 제거하고 저과잉 공기 연소가 가능하므로 질소산화물 생성을 억제하고 또한 개질된 10%의 수소와 일산화탄소는 질소산화물 저감장치인 SCR(Selective Catalysis Reduction) 장치의 환원제로 사용하여 배기가스중의 질소산화물을 질소로 환원시켜 저감시킬 수 있는 새로운 시스템으로 이 분야의 종래기술은 없으나 개질장치를 이용하여 개질가스를 제조하는 방법과 가스 환원제를 이용하여 질소산화물을 저감시키는 방법은 각각 존재한다. In the present invention, 5-20% of natural gas, diesel oil and coal biofuel is reformed into hydrogen and carbon monoxide using a plasma or high frequency reforming method, and the reformed 90% of hydrogen and carbon monoxide are supplied to a combustion chamber and mixed with the remaining fuel to burn. This greatly improves combustibility, eliminates local high temperature flames and enables low excess air combustion, thus inhibiting nitrogen oxide production. Also, the modified 10% hydrogen and carbon monoxide are reducing agents of SCR (Selective Catalysis Reduction) devices, which are nitrogen oxide reduction devices. It is a new system that can reduce nitrogen oxide in exhaust gas by reducing it to nitrogen. There is no prior art in this field, but there is no method for producing reformed gas using reforming equipment and reducing nitrogen oxide using gas reducing agent. Each method exists.

현재 세계적으로 수소생산량의 약 50%를 천연가스에 의존하고 있는 실정이다. 그러나 상용화된 수소생산 공정이 수증기 개질반응 또는 부분산화반응(Steam Reforming 또는 Partial Oxidation)공정으로 이산화탄소 발생은 피할 수 없다. 따라서 이산화탄소의 발생을 근원적으로 제거하는 신기술이 절실히 요구되는데 플라즈마에 의한 천연가스 분해공정은 공정이 단순하며, 부생산물로 카본블랙을 제조하는 공정으로 새로운 부가가치원을 창출할 수 있으며 경제성이 있으며 시장 점유율이 높아 단기간 내에 사업화할 수 있는 기술이다.Currently, about 50% of the world's hydrogen production depends on natural gas. However, the commercialized hydrogen production process is steam reforming or partial oxidation (Steam Reforming or Partial Oxidation) process, carbon dioxide generation is inevitable. Therefore, there is an urgent need for new technologies that fundamentally eliminate the generation of carbon dioxide. The process of decomposing natural gas by plasma is simple and the process of manufacturing carbon black as a by-product can create new value-added sources. It is high technology that can be commercialized in a short time.

천연가스 및 중유를 포함한 화석연료로부터 플라즈마개질 기술은 90년대 노르웨이에서 개발되어 현재 캐나다에 수소의 생산량이 연간 2,500백만ft³인 플랜트가 가동중에 있으며, 미국의 주요국가연구서(Sandia, Lawrence Livermore, Brookhaven 등)에서 수소제조 및 이를 이용한 청정 연소연구가 pilot급 실증연구로 진행중이며 GE는 네덜란드에 소재한 가스터빈 발전설비에서 수소보조 연소기술이 실증되었으며 미국 DOE에서는 수소이용 저 질소산화물 연소기술의 경제성이 기존의 SCR 공정과 대등한 것으로 평가하였다.Natural gas and fuel oil from fossil fuels, including plasma modification technology has been developed in Norway, the '90s and during the current production of hydrogen annual 25 million ft ³ of a plant in the Canadian operations, major national yeonguseo of America (Sandia, Lawrence Livermore, Brookhaven Research on hydrogen production and clean combustion using it is being conducted as pilot-level empirical research. GE has demonstrated hydrogen-assisted combustion technology in gas turbine power generation facilities in the Netherlands. It was evaluated to be equivalent to the SCR process.

이하, 본 발명을 첨부 도면에 의거하여 본 발명에 따른 플라즈마 개질장치를 이용한 산업용 보일러 질소산화물 저감 연소 방법에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the industrial boiler nitrogen oxide reduction combustion method using the plasma reforming apparatus according to the present invention in detail with reference to the accompanying drawings as follows.

화석연료 공급라인(2) 통과하여 보일러 연소실(3)로 공급되는 천연가스, 경유, 석탄 및 바이오 연료 중 5-20%를 플라즈마 및 고주파 연료 개질장치(1)에서 개질가스인 수소와 일산화탄소로 만든다. 상기 개질장치(1)에서 만들어진 개질가스 중 90%의 수소와 일산화탄소를 보일러연소실(3)로 공급한다.5-20% of the natural gas, diesel oil, coal and biofuel supplied through the fossil fuel supply line (2) to the boiler combustion chamber (3) is made of hydrogen and carbon monoxide as reforming gases in the plasma and high frequency fuel reformer (1). . 90% of hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas produced in the reformer 1 are supplied to the boiler combustion chamber 3.

화석연료만 연로로 사용한 경우보다 수소가 혼합되면 연소성이 향상되어 보일러 자체의 효율이 증가할 뿐만 아니라 저과잉공기 연소가 가능하게되며 국부적인 고온화염부를 제거할 수 있다. 연소시 필요한 공기량의 감소는 공기중의 질소량 감소로 이어지며 이는 질소산화물 저감에 매우 중요하며 국부적인 고온화염부 제거또한 질소산화물 저감시키며, 또한 저과잉 공기 연소로 인하여 발생하는 배기가스량이 감소하여 후처리장치 설비비 및 운영비를 줄일 수가 있다. 연소실로 공급되는 화석연료와 개질가스는 각각의 라인을 설치하는 것이 바람직하다.When hydrogen is mixed with fossil fuels alone, the combustibility is improved, which increases the efficiency of the boiler itself, enables low excess air combustion, and removes local high temperature flames. The reduction in the amount of air required for combustion leads to a reduction in the amount of nitrogen in the air, which is very important for the reduction of nitrogen oxides, the removal of localized high temperature flames also reduces the nitrogen oxides, and the amount of exhaust gas generated by low excess air combustion reduces the post-treatment. The equipment cost and operating cost can be reduced. The fossil fuel and reforming gas supplied to the combustion chamber are preferably provided with separate lines.

보일러연소실(3)에서 발생하는 배기가스는 배기가스라인(5)을 통과하여 배출 된다. 배기가스중의 대기오염물질인 질소산화물을 제거하기 위하여 질소산화물 저감장치(6)를 보일러연소실(3) 후단에 설치한다. 질소산화물 저감장치(6)에 공급되는 가스 환원제는 플라즈마 및 고주파 연료를 개질장치(1)에서 제조된 10%의 수소와 일산화탄소로 개질가스인 H₂, CO 공급라인(4)을 통하여 공급되고, 공급된 개질가스는 질소산화물을 질소로 환원시켜 저감을 시킨다.Exhaust gas generated in the boiler combustion chamber 3 is discharged through the exhaust gas line (5). In order to remove nitrogen oxide, an air pollutant in the exhaust gas, a nitrogen oxide reduction device 6 is installed after the boiler combustion chamber 3. The gas reducing agent supplied to the nitrogen oxide reducing device 6 is supplied with plasma and high frequency fuel through H ₂ , CO, which is a reforming gas with 10% hydrogen and carbon monoxide produced in the reformer ₁ , and a CO supply line 4, The reformed gas supplied is reduced by reducing nitrogen oxides to nitrogen.

상술한 바와 같은 본 발명은 기존의 화석연료 연소장치에서 문제점으로 대두되어온 질소산화물, 분진 문제를 해결할 수 있는 방안으로 연료로 사용되는 화석연료 일부를 개질장치에서 수소와 일산화탄소등의 개질가스를 생산하여 연소실과 대기오염물질 후처리 시스템에 공급하여 연소성 향상과 대규모 탈질장치를 사용하지 않고 환경기준을 만족할 수 있는 근본적인 대기오염물질 저감을 동시에 달성할 수 있는 미래형 연소기술인 것이며, 또한 수소를 활용하는 신에너지분야(연료전지분야)에서 소요되는 핵심부품 기술의 조기 상용화(예:수소제조, 공급, 안전기술 등) 및 이를 통한 신에너지 분야의 제품화 실현에 크게 기여할 수 있는 이점이 있는 것이다.As described above, the present invention produces a reformed gas such as hydrogen and carbon monoxide from a reformer using a part of the fossil fuel used as a fuel as a way to solve the problem of nitrogen oxide and dust, which has been raised as a problem in a conventional fossil fuel combustion device. It is a future combustion technology that can supply the combustion chamber and the air pollutant aftertreatment system to achieve fundamental improvement of the combustibility and reduction of fundamental air pollutants that can meet environmental standards without using large-scale denitrification equipment. It is an advantage that it can greatly contribute to the early commercialization of core parts technology (eg, hydrogen production, supply, safety technology, etc.) required in the field (fuel cell field) and the realization of new energy products through this.

Claims

Diesel and fossil fuels used as fuels for thermal power plant boilers and industrial boilers are reformed into hydrogen and carbon monoxide using plasma and high frequency fuel reformers, and the reformed 90% of hydrogen and carbon monoxide are supplied to the combustion chamber and mixed with the remaining fuel to combust. The method for reducing nitrogen oxides using a plasma and high frequency fuel reformer, thereby improving the combustibility of the boiler to enable localized hot flame removal and low excess air combustion.

10% of hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas prepared in claim 1 are supplied to a SCR (Selective Catalysis Reduction) device, which is a nitrogen oxide reduction device, as a reducing agent to reduce and reduce nitrogen oxides generated in a boiler to nitrogen. Nitrogen oxide reduction method using plasma and high frequency fuel reformer.