KR100606438B1 - Ｓｃｒ 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을회수하는 배가스 처리 시스템 - Google Patents

Ｓｃｒ 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을회수하는 배가스 처리 시스템 Download PDF

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조성필
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Abstract

보일러에서 배출되는 배가스 내의 질소 산화물(NOx)을 포함한 유해가스를 제거하기 위한 SCR 반응기; 상기 보일러와 상기 SCR 반응기 사이에 위치되고, 상기 보일러에서 배출되는 배가스의 온도를 SCR 반응기의 운전 온도에 적합한 온도로 만드는 배가스 온도 조절 설비; 상기 SCR 반응기 후단에 위치되고, 상기 SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하여 온수를 발생시키는 온수 발생기; 및 상기 온수 발생기 상단에 위치되고, 상기 온수 발생기 내에서 상기 배가스의 폐열과 냉수 사이에 가스-물 열교환이 이루어지도록 상기 온수 발생기에 냉수를 공급하는 냉수 공급기;를 포함하는, SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하는 배가스 처리 시스템이 개시된다. 본 발명에 따르면, SCR 반응기 후단에, SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하여 온수를 생산할 수 있는 온수 발생기를 설치함으로써 화석연료 연소 보일러 시스템의 열효율을 극대화하고, 경제성을 확보하며, 백연 현상을 방지할 수 있다.
질소산화물, 탈질 촉매, 화석연료, 온수 발생기

Description

ＳＣＲ 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하는 배가스 처리 시스템{Flue Gas Treatment System to Recover Exhaust Heat from the Downstream of SCR}
도 1은 종래 기술에 따른 화석연료 연소 보일러 시스템에서 배가스의 폐열이 처리되는 공정을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, SCR 반응기 후단에 온수 발생기가 설치된 배가스 처리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3는 본 발명의 다른 실시예에 따른, SCR 반응기 후단에 온수 발생기가 설치된 배가스 처리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하여 온수를 발생시키는 가스-물 열교환기인 온수 발생기를 개략적으로 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 송풍팬 (Forced Draft Fan)
20 : 스팀-가스 예열기
30 : 화석연료 연소 보일러
40 : 가스-가스 예열기
45 : 열소자 일부가 제거된 가스-가스 예열기
50 : 전기 집진기(Electro Static Precipitator)
55 : 증설된 전기 집진기
60 : 덕트 버너(Duct Burner)　　　
70 : 배가스 가열용 보조연료공급장치
80 : SCR 반응기
90 : 온수 발생기 (Hot Water Supply)
100 : 냉수(Cold Water) 공급기
110 : 가스-가스 열교환기
120 : 흡입팬(Induced Draft Fan)
130 : 연돌(Stack)
본 발명은 지역난방공사를 포함한 화석연료 연소 보일러 시스템에서 발생하는 배가스의 폐열을 회수하는 배가스 처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 질소산화물의 제거 설비인 SCR 반응기 후단에 온수 발생기를 설치하여 SCR 반응기로부터 배출되는 배가스의 폐열을 이용하여 온수를 생산함으로써 화석연료 연소 보일러 시스템 전체의 열효율을 극대화시키는 시스템에 관한 것이다.
화석연료 연소 보일러 시스템은 화석연료를 연소하여 발생된 열에너지를 이용하여 전기, 스팀 등의 에너지를 발생시키는 시스템을 의미한다. 일반적으로, 화 석연료 연소 보일러 시스템은 열 발생부인 보일러 이외에 열 교환 설비 및 대기오염방지 설비가 설치되어 있고, 각 설비는 각각 고유의 운전 조건, 특히 한정된 범위 내에서의 운전 온도가 요구된다. 상기 대기오염 방지 설비는 산업용 보일러, 가스터빈, 화력 발전소, 폐기물 소각설비, 선박용 엔진, 석유화학 플랜트 등의 고정원으로부터 발생되는 질소 산화물을 포함하는 유해 가스를 제거하는 설비를 말한다. 대기오염 방지 설비를 통한 질소 산화물 등의 제거 방법을 소위 후처리 기술이라 하는 데, 이 기술은 질소 산화물의 제거효율이 우수하여 실제 상용화 공정에 적용되고 있다.
상기 후처리 기술에는 습식법과 건식법이 있고, 특히, 건식법이 활발히 연구되고 있다. 건식법에는 촉매의 사용 없이 고온(850℃ 이상)에서 질소산화물을 암모니아 분사만으로 선택적으로 질소 및 수분으로 환원시키는 선택적 비촉매 환원법(Selective Non-Catalytic Reduction; SNCR)과, 촉매를 사용하여 질소산화물을 질소 및 수분으로 환원시키는 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction; SCR)이 있다. 전자의 경우, 비교적 적은 비용으로 50 % 이상의 질소 산화물을 제거할 수 있다는 장점을 갖고 있으나, 배출되는 미 반응 암모니아가 암모늄염(ammonium salt) 등을 형성하여 SCR 반응기 후단에 있는 장치에 플러깅(plugging) 또는 부식 현상을 유발할 수 있고, 조업온도 대역이 협소하기 때문에 운전의 어려움이 있다. 따라서, 고정원으로부터 발생되는 질소 산화물을 제거함에 있어 경제적 측면 및 기술적인 측면에서 선택적 촉매 환원법(이하, SCR 이라 함)이 가장 각 광을 받고 있다.
상기 화석연료 연소 보일러 시스템의 작동 열효율은 화석연료 연소 보일러 시스템으로부터 방출된 열 출력(Heat Output)을 화석연료 연소 보일러 시스템의 운전을 위해 공급되는 연료의 열 입력(Heat Input) 및 각 시스템 부분을 정상적으로 운전하는데 필요한 소모된 연료의 열 입력(Heat Input)으로 나눈 것으로 정의될 수 있다. 따라서, 상기 화석연료 연소 보일러 시스템 내의 열전달이 많으면 많을수록 연돌에서 최종 방출되는 배가스 온도는 낮아져 화석연료 연소 보일러 시스템의 열효율은 높아질 것이다. 그러나, 연돌로부터 배출되는 배가스의 온도가 설정된 기준온도(산 이슬점 온도(Acid Dewpoint Temperature)) 아래로 내려가는 것은 항상 바람직하지만은 않다. 왜냐하면, 보일러 후단으로부터 연돌까지의 시스템 내에서의 온도가 산 이슬점 온도 아래로 내려가면 배가스 내 수증기는 응축되어 보일러 후단 설비의 부식을 초래하기 때문이다. 따라서, 최적의 열효율은 화석연료 연소 보일러 시스템의 각 설비의 운전온도 및 산 이슬점 온도를 고려하면서 확보되어야 한다. 이를 위해 현재까지 제안된 화석연료 연소 보일러 시스템의 대기오염 방지 설비 시스템은, SCR 반응기의 장착 위치에 따라 High Dust System, Low Dust System 및 Tail End System 으로 나눌 수 있다.
이 중 Tail End System은 SCR 반응기를 탈황 설비 후단, 또는 탈황 설비가 없는 경우 전기 집진기 후단에 설치하여 촉매 비활성화를 초래하는 분진과 황산화물(SOx)이 저감된 상태의 배가스를 SCR 반응기가 처리하게 되는 시스템을 말한다. Tail End System의 일반적인 공정은 (보일러)-(가스-가스 열교환기)-(집진설비)-( 탈황설비)-(덕트 버너)-(탈질설비, SCR)-(연돌)의 순이다. 이 공정은 배가스가 SCR에 도입되기 전에 배가스 내의 분진 및 황산화물(SOx)을 제거할 수 있어 SCR 촉매의 피독을 방지하여 촉매 수명을 연장시킬 수 있고, NOx 제거율을 상승시킬 수 있어 장착되는 촉매량을 감소시킬 수 있다. 그러나, 이 공정에서 집진설비로 도입되는 배가스는 운영상의 이유로 그 온도가 낮아야 하고, 또한, 습식 운전이 탈황효율이 높은 관계로 CaCO3나 CaO 등과 물을 혼합한 슬러리를 탈황설비에 분사하기 때문에 집진설비와 탈황설비를 통과한 배가스는 그 온도가 약 100℃ 정도로 저하된다. 그러나, 일반적으로 SCR 반응기는 250∼400℃에서 운영되기 때문에 100℃의 배가스 온도로는 질소산화물의 제거가 불가능하다. 따라서, 이러한 공정에는 국내특허번호 제309,959호에 개시되어 있는 고온 활성을 갖는 탈질 촉매, 즉 운전온도가 300℃∼400℃인 촉매를 직접 적용할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 탈황설비(탈황설비가 없는 경우 집진 설비)와 SCR 반응기 사이에 덕트버너와 같은 배가스 재가열설비를 두는 것이 일반적이다. 또 다르게, 덕트 버너를 사용하지 않고 스팀 등을 사용한 간접가열을 통해 배가스를 가열하기도 한다.
덕트 버너를 사용하는 경우, 배가스는 덕트 버너에 의해 SCR 운전이 가능한 250∼400℃로 가열된다. 즉, 보일러 부하에 관계없이 SCR 반응기로 도입되는 배가스 온도는 덕트버너에 의하여 250∼400℃로 적절히 제어되어 일정 온도 이상을 유지할 수 있다. 또한, 상기 덕트 버너의 사용은 배가스의 온도를 일정 온도 이상으로 유지하기 위해 집진설비나 탈황설비의 성능과 사양을 제한했던 문제점을 해결할 수 있다. 그러나, 덕트 버너의 사용은 연료비 등 운전비를 상승시키는 단점이 있다.
국내 특허 출원 번호 제2003-67200호에 개시된 고온 및 저온 대역을 모두 포괄하는 대역에 걸쳐 활성을 갖는 광대역 촉매, 즉 운전온도가 150℃∼450℃의 영역을 갖는 촉매를 이러한 Tail End System 시스템에 적용할 경우 덕트 버너의 운전비를 다소 절감할 수 있다.
상기 Tail End System에서 덕트 버너의 사용으로 인한 연료 비용 추가 발생의 문제점을 극복하는 방법으로, 가스-가스 예열기의 열소자 제거 및 전기 집진기의 증설을 통해 SCR 반응기의 운전 온도를 만드는 방법이 있다. 그러나, 이 방법의 경우 가스-가스 예열기에서 보일러로 도입되는 공기의 온도가 낮아 보일러의 운전조건을 변경하여야 한다. 또한 보일러에서 배출되어 가스-가스 예열기를 통과한 배가스의 온도가 높아 실제 배가스의 유량이 증가하게 되어 전기 집진기(집진 설비)의 용량을 증설해야 한다. 이러한 단점을 보완하는 차원에서 전체 시스템의 에너지 효율을 상승시키기 위해 연돌 전단에서 가스-가스 열교환기를 설치하여 회수된 열을 사용하는 공정이 있다.
도 1에는 SCR 반응기 후단에 가스-가스 열교환기가 설치된 시스템이 개략적으로 도시되어 있다.
도 1에 따르면, 송풍팬(10)에 의하여 공급된 공기는 스팀-가스 예열기(20)를 거쳐 약 40℃ 로 가열되고, 이후 가스-가스 예열기(40)에서 약 230℃로 가열되어 화석연료 연소 보일러(30)내에 공급된다. 화석원료 연소 보일러(30)에서 배출되는 배가스는 약 327℃의 상태로 가스-가스 예열기(40)에 공급되고, 상기 가스-가스 예열기(40)에서 열교환이 발생되어 배가스는 일반적인 전기 집진기(50) 입구온도인 약 155℃로 냉각된다. 이 후, 상기 배가스는 전기 집진기(50)를 통과하여 분진이 제거되고 SCR 반응기(80)에 도입된다. 그러나, 상기 전기 집진기(50)를 통과한 배가스의 온도가 매우 낮으므로 SCR 반응이 진행될 수 있는 온도까지 배가스의 온도를 상승시켜야 한다. 이를 위해 전기 집진기(50) 후단과 SCR 반응기(80) 전단 사이에 배가스 가열 장치로서 덕트 버너(60)가 설치되어 있다. 상기 덕트 버너(60)는 일반적으로 천연가스나 유류 등의 보조연료를 사용한다. 상기 보조 연료는 배가스 가열용 보조연료공급장치(70)를 통해 덕트 버너(60)에 공급된다. SCR 반응기에서 고온 활성의 탈질 촉매를 사용되는 경우 덕트 버너(60)에 의해 배가스의 온도는 300∼400℃로 되며, 저온에서 활성을 갖는 탈질촉매를 사용하는 경우 250℃∼400℃로 가열된다. 상기와 같이 SCR 반응의 적정 온도로 가열된 배가스는 SCR 반응기(80)로 도입되어 배가스 내의 질소산화물이 제거된다. 이 후 SCR 반응기를 통과한 배가스는 SCR 반응기(80) 후단과 연돌(130) 사이에 설치된 가스-가스 열교환기(110)를 통과하게 되고 이를 통해 배가스의 열에너지가 회수된다.
회수된 열에너지는 SCR의 환원제인 암모니아의 기화나 덕트 버너로 도입되는 공기의 예열 등에 사용될 수 있으며, 스팀-가스 예열기(20)을 대신하여 화석연료 연소 보일러(30)로 도입되는 공기를 예열하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 대부분 기존 설비는 스팀-가스 예열기(20)가 별도로 있어 그 활용의 효율이 낮다.
한편, NOx를 비롯한 배가스 처리 공정에서 최종적으로 연돌을 통하여 배출되 는 배가스의 온도는 110℃ 이상으로 하는 것이 일반적인 운전 방법이다. 이는 동절기 외부 기온과의 온도차이로 인해 백연 현상이 발생하기 때문이다. 백연 현상을 방지하기 위한 방법으로 배가스의 온도를 80∼120℃로 유지시키거나 또는 배가스 내에 수분을 제거하는 방법이 있다. 수분을 제거하는 방법의 경우, SCR 반응기 후단에서 배출되는 배가스의 온도가 충분히 높지 않으면 가스-가스 열교환기로 도입되는 배가스가 가스-가스 열교환기 내부에서 냉각되면서 배가스 내 수증기가 미량의 황산화물(SOx) 및 미반응 암모니아와 결합하여 황산암모늄염을 형성하게 된다. 생성된 황산암모늄염은 가스-가스 열교환기의 열교환 매체에 부착되어 Plugging을 일으키거나 부식 문제를 발생시키게 된다. 또한, 산 이슬점 온도(Acid Dew Point Temperature) 이하로 냉각되면 배가스 내의 황산화물이 수분과 반응하여 형성된 H2SO4가 덕트 버너나 흡입팬 등의 설비를 부식시키는 문제가 발생하게 된다. 따라서, 열교환과 배가스 내의 수분을 제거하기 위한 목적의 가스-가스 열교환기는 운전상 주의가 필요하다. 백연현상을 방지하는 또 다른 방법으로 배가스를 가열하는 방법이 있다. 이를 위해서 연돌 전의 열교환기에서 열교환 효율을 낮추어 고온으로 배가스를 배출하거나, 또는 연돌 전의 배가스 온도가 낮은 경우, 가스-가스 열교환기 재가열설비를 두어 배가스의 온도를 상승시켜야 한다.
선택적 촉매 환원법에 따라 배가스 내 질소산화물을 제거함과 동시에 배가스의 폐열을 회수하는 선행 문헌은 구체적으로 하기와 같다.
미국특허번호 제5,603,909호는 연소 보일러 배가스 내 질소산화물을 포함하 는 유해성분을 제거하기 위한 후단설비 내에 가스-가스 열교환기를 설치하여, 회수된 열에 의해 가열된 공기를 공기 예열기(본 발명에서의 가스-가스 예열기(40)와 용도가 같음)로 공급하고, 열회수로 인해 최적 반응온도가 유지되는 공간에 알칼리성 반응물을 투입하여 이산화황을 포함한 산성 가스를 중화하여 제거하는 방법을 개시한다.
미국특허번호 제6,598,399 B2호는 SCR 촉매단의 반응 효율을 증진시키기 위하여 인접한 가스 터빈 배가스 중의 고온 가스를 댐퍼 조절함으로써 배가스 일부를 공급하는 복합화된 방법을 개시하고 있다.
또한, 한국특허번호 제0158763호는 화석연료 연소 보일러에서 동력 발생 시스템 작동 효율을 최적화하기 위한 방법을 개시하는데, SCR 반응기가 포함되어 있는 화석연료 연소 보일러 시스템에서 화석연료 연소와 공기의 연소가 실시되어 연소가스가 발생되는 버너지역, 화석연료 연소 증기 발생기의 버너지역의 하부에 설치된 제 1 열전달 표면, 제 1 열전달표면의 주위에 위치된 바이패스, 제 1 열전달 표면의 하부에 위치된 공기 예열기, 화석연료 연소 증기발생기의 버너지역으로부터 공기 예열기까지 형성된 제 1 및 제 2 흐름통로, SCR에 유입되는 가스의 온도를 검출하기 위한 센서로 구성되어 있으며, 제 2 열전달 표면 후단의 바이패스 댐퍼 및 SCR 후단 공기 예열기 댐퍼 조절에 의하여 SCR 최적온도 유지와 열효율 증진을 도모하는 방법을 개시하고 있다.
미국특허번호 제6,706,246호 B2는 SCR 반응기 후단의 열을 회수하는 열교환기를 설치함으로써 반응 온도를 최적화하여 SCR 반응기의 크기 및 무게를 감소시켜 초기 투자비 및 설치비를 획기적으로 감소하는 방법에 대하여 개시한다.
전술한 특허들은 SCR설비 설치시 SCR 외에 다른 유해 가스 제거시설을 설치함과 동시에 배가스 내의 열을 회수하기 위한 설비 및 방법에 대하여 개시하고 있다. 그러나, 대부분이 배가스가 SCR을 거치면서 그대로 연돌로 배출될 수 있는 열에너지를 SCR과 연돌 사이에 가스-가스 열교환기를 설치하여 열을 회수하는데, 이 열에너지는 공기 예열기 입구에 유입되는 공기온도를 다소 상승시켜 주는 역할을 할 뿐 직접적으로 부가가치 상승으로 연결되지는 않고 있는 실정이다. 또한, 가스-가스 예열기는 열교환 효율에 한계가 있어 설비 구조상 대기 중으로 열이 방출될 수밖에 없고, 높은 열교환 효율을 위해 가스-가스 예열기가 대형화되는 단점이 있다. 따라서, 종래의 시스템과는 달리 SCR 이후에 배가스의 폐열을 회수함에 있어서 에너지 이용율을 높이고, 이를 직접 부가가치 상승으로 연결시킴으로써 시스템 운전비를 상쇄함을 물론 경제적인 이익을 창출할 수 있는 시스템 개발이 절실한 실정이다.
본 발명자들은, 상기에서 언급된 문제들을 해결하기 위해 연구를 수행한 결과, SCR 반응기 후단에 가스-물 열교환 장치인 온수 발생기를 설치하여 운전하면, SCR에서 배가스 내의 오염물질이 효율적으로 제거됨은 물론 SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 높은 온도의 배가스 폐열을 이용하여 일반 가정용 및 산업체의 온수를 생산할 수 있고, 연돌로부터 배출되는 배가스의 온도를 저하시켜 배가스 내의 수증기를 응축하여 제거함으로서 백연 현상을 방지할 수 있음을 알아내고, 이를 기초로 본 발명에 따른 시스템을 발명하게 되었다. 일반적으로, 가스-가스 열교환기의 총괄열전달계수는 관내면 기준으로 40∼100 W/m2·K인 반면, 물-가스의 열교환의 경우 700∼1,000 W/m2·K로 본 발명의 온수발생기는 기존의 가스-가스 열교환기에 비하여 에너지 효율면에서 우수하다고 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, Tail End System의 장점을 그대로 유지하고, 추가적인 배가스 가열 등으로 발생하는 화석연료 연소 보일러 시스템의 효율 감소를 억제하면서 SCR 반응기를 운전할 수 있으며, 온수를 생산하여 판매함으로써 운전비 절감과 열효율을 증대시킬 수 있는, SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하는 배가스 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 고온 탈질 촉매를 사용할 경우 SCR로 유입되는 배가스의 온도가 높은 단점이 있는 데, 이 경우 SCR 후단 배가스의 높은 온도로 더 많은 온수를 생산할 수 있어 고온 촉매의 사용의 단점을 극복할 수 있고, 광대역 촉매를 사용할 경우에도 적절한 SCR 설비 운전온도에서 SCR 설비를 운전하고 배출되는 배가스의 폐열을 이용하여 온수를 생산할 수 있어 저온에서 우수한 탈질 성능을 가지는 광대역 촉매의 장점을 극대화 할 수 있는, SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하는 시스템을 제공하는 것으로, 배가스 온도에 따른 SCR 효율의 증감을 보상할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 온수 발생기로 유입되는 냉수의 양을 조절함으로써 온수 발생기의 내부 온도를 황산암모늄염의 생성과 설비의 부식 문제를 해결 할 수 있는 온도로 만드는, SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, SCR 반응기의 운전 온도를 일정하게 유지시키면서도 온수 발생기로 유입되는 냉수 양의 조절을 통해 연돌로 배출되는 배가스의 온도를 조절하여 백연 현상을 방지할 수 있는 SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하는 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하는 배가스 처리 시스템은, 보일러에서 배출되는 배가스 내의 질소 산화물(NOx)을 포함한 유해가스를 제거하기 위한 SCR 반응기; 상기 보일러와 상기 SCR 반응기 사이에 위치되고, 상기 보일러에서 배출되는 배가스의 온도를 SCR 반응기의 운전 온도에 적합한 온도로 만드는 배가스 온도 조절 설비; 상기 SCR 반응기 후단에 위치되고, 상기 SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하여 온수를 발생시키는 온수 발생기; 및 상기 온수 발생기 상단에 위치되고, 상기 온수 발생기 내에서 상기 배가스의 폐열과 냉수 사이에 가스-물 열교환이 이루어지도록 상기 온수 발생기에 냉수를 공급하는 냉수 공급기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 온수 발생기는, 저온부식을 방지하기 위한 튜브 형태의 열교환기 및 단순 열회수를 위한 핀 형태의 열교환기가 결합된 형태인 것을 특징으로 한다.
상기 배가스 온도 조절 설비는 덕트 버너, 또는 열소자 일부가 제거된 가스- 가스 예열기 및 증설된 전기 집진기가 결합된 형태인 것을 특징으로 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하는 시스템을 설명하기로 한다. 아래의 기술된 각 온도는 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하기 위하여 기재된 것일 뿐 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
도 2는 발명의 일 실시예에 따른 SCR 반응기 후단에 온수 발생기가 설치된 배가스 처리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 이하, 도 2에 따른 시스템을 적용예 1로 한다.
도 2에 도시된 바에 따르면, 송풍팬(10)에 의하여 공급된 공기는 스팀-가스 예열기(20)를 거쳐 약 40℃ 로 가열되고, 이후 가스-가스 예열기(40)로 도입되어 약 230℃로 가열된다. 이 후, 화석연료 연소 보일러(30)내로 공급된다. 상기 화석연료 연소 보일러(30)로 도입된 공기는 약 327℃의 상태로 화석연료 연소 보일러(30)로부터 배출되어 가스-가스 예열기(40)에 공급되고, 가스-가스 예열기(40)에서 열교환이 일어나 배가스의 온도는 약 156℃로 저하된다. 이 후, 배가스는 전기 집진기(50)를 통과한다. 그러나, 전기 집진기(50)를 통과한 배가스의 온도는 SCR 반응기 내의 탈질 촉매가 정상적으로 운전되기 위한 온도 범위인 250∼450℃보다 낮다. 따라서, 탈질 촉매의 운전에 적정한 온도까지 덕트 버너(60)를 이용하여 배가스를 가열한다. 덕트 버너(60)에 사용되는 연료는 배가스 가열용 보조연료공급장치(70)를 통해 공급되는데, 천연가스, 유류 등이 일반적으로 사용된다. 덕트 버너(60)의 가열을 통해 배가스 온도는 SCR 반응 온도에 적합한 약 250∼400℃로 가열 된다.
이 후, 배가스는 SCR 반응기 내로 도입되고, 배가스 내의 질소 산화물은 탈질 촉매 하에서 환원제와 반응하여 무해한 질소와 수증기로 전환된다. 상기 환원제로써 암모니아, 우레아, 암모니아수를 일반적으로 사용하나 이에 국한되지 않는다. 한편, SCR 반응기에 장착되는 탈질 촉매의 형태는 하니컴(Honeycomb), 평판형(Plate), 과립형(Pellet)형으로 다양하다. 상기 탈질 촉매의 조성은 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴, 티타니아, 망간 산화물 등의 조성이 일반적이나 이에 국한되지 않는다. 이러한 탈질 촉매 형태 및 조성은 당업계에 널리 알려져 있다. SCR 반응기(80)를 통과한 배가스는 온수 발생기(90)로 도입되고 냉수 공급기(100)로부터 공급된 냉수와 가스-물 열교환한다. 본 발명에서 온수 발생기라 함은 고온의 배가스의 폐열을 저온의 냉수로 전달하는 열교환기를 의미하는 것으로, 이러한 열교환기의 형태 및 종류는 당업계에 널리 알려져 있다. 냉수 공급기(100)로부터 공급되는 냉수의 온도는 0℃∼100℃, 바람직하게는 20℃∼60℃이다. 본 실시예에서는 약 60 ℃의 냉수가 공급된다(도 4 참조). 공급된 냉수는 배가스의 폐열을 흡수하여 온수로 전환된다. 생성된 온수의 온도는 40℃∼130℃, 바람직하게는 80℃∼110℃이다. 본 실시예에서는 약 110 ℃의 온수가 생성된다(도 4 참조). 한편, 온수 발생기(90)에서 냉수와 열교환된 후 온수 발생기로부터 배출되는 배가스의 온도는 공급되는 냉수의 양을 조절함으로서 제어될 수 있다. 이러한 제어를 통해 배가스 온도를 일정 온도 이상으로 유지함으로써 백연 현상을 방지할 수 있다. 백연 방지를 위해서는 연돌(130)로부터 배출되는 배가스의 온도 범위는 50℃∼150℃, 바람직하게는 80 ℃∼120℃이어야 한다.
또한, 냉수 공급기(100)로부터 온수 발생기(90)로 공급되는 냉수 양의 조절을 통해 온수 발생기(90)내의 배가스 온도를 조절함으로써 온수 발생기 내부온도가 산 이슬점 온도(Acid Dew Point Temperature) 및 황산암모늄염의 생성 온도 이하로 내려가는 것을 방지한다.
가스-물 열교환기인 온수 발생기는 가스-가스 열교환기에 비해 총괄열전달계수가 높으므로 기존의 시스템에 비하여 배가스의 폐열 회수율을 높일 수 있다. 또한, 온수 발생기는 배가스의 온도를 기존의 가스-가스 열교환기에서 보다 더 낮출 수 있어 배가스의 수분을 응축시킬 수 있다. 응축된 수분은 가스-물 열교환기 내에서 수집되어 배출된다 (도 4 참조). 이러한 과정을 통하여 배가스 내에 수분이 제거되므로서 배가스의 백연현상을 방지할 수 있다. 이 경우 배가스가 이슬점 온도 이하가 될 수 있으며, 이를 위하여 내식성의 재질로 구성된 온수발생기가 적용되어야 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 SCR 반응기 후단에 온수 발생기가 설치된 배가스 처리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 이하, 도 3에 따른 시스템을 적용예 2로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 송풍팬(10)에 의하여 공급된 공기는 스팀-가스 예열기(20)를 거쳐 약 40℃ 로 가열되고, 이후 가스-가스 예열기(45)로 도입된다. 상기 가스-가스 예열기(45)는 열소자 일부가 제거되어 있기 때문에 가스-가스 예열기(45)로 도입된 공기는 약 116℃가 된다. 이 후, 상기 가스-가스 예열기(45)를 통과한 공기는 화석연료 연소 보일러(30)내로 공급된다. 상기 화석 원료 보일러(30)로부터 배출되는 배가스는 약 327℃의 상태로 가스-가스 예열기(45)에 공급되고, 가스-가스 예열기(45)에서 열교환이 일어나 250 ℃의 상태가 된다. 상기 배가스의 온도는 일반적인 배가스의 온도보다 높기 때문에 유량(부피/시간)이 증가되어 전기 집진기에서의 체류시간이 짧다. 따라서, 증설된 전기 집진기가 요구된다. 도 3에는 증설된 전기 집진기(55)가 설치되어 있다. 상기 배가스는 증설된 전기 집진기(55)를 통과한다. 상기 증설된 전기 집진기(55)를 통과한 배가스는 SCR 반응기의 운전 온도에 적합한 약 250℃의 상태이다. SCR 반응기(80)로 도입된 배가스 내의 질소산화물은 탈질 촉매 하에서 외부에서 공급된 환원제와 반응하여 무해한 질소와 수증기로 분해된다. SCR 반응기(80)를 통과한 배가스는 온수 발생기(90)로 도입되어 냉수 공급기(100)로부터 공급된 냉수와 가스-물 열교환한다. 이로써 냉수는 온수로 변환하게 된다. 상기 생산된 온수는 온수 수용자에게 판매됨으로써, SCR 반응기의 운전 온도를 맞추기 위해 가스-가스 예열기의 열소자를 제거하고 전기 집진기를 증설하여 발생한 비용은 보상될 수 있어 화석연료 연소 보일러 시스템의 경제성 및 효율이 상승된다.
적용예 2는 SCR 반응기의 운전 온도를 맞추기 위해 가스-가스 예열기(40)의 열소자를 일부 제거하는 바, 이 경우에 저온 공기 (약 116℃)가 보일러 연소용 공기로 공급됨으로써, 보일러 배출 온도를 기존과 동일하게 하기 위해서는 연료소모량이 증가되어야 한다. 그러나 SCR 후단에서 폐열을 회수함으로서 추가로 공급되는 연료는 온수 생산으로 회수되므로 전체적인 열효율은 기존과 차이가 없다. 또 한 적용예 1과 적용예 2에 대하여 필요한 열량과 비용을 계산하였을 때, 적용예 1은 덕트버너(60)를 이용하여 159,443 N㎥/hr의 배가스를 156.55℃에서 250℃까지 상승시키는 것을 기준으로 하며, 적용예 2는 가스-가스 예열기(40) 열소자 일부 제거에 의해 보일러로 유입되는 140,359 N㎥/hr 공기의 온도가 230℃에서 116.3℃로 저하됨에 따라 116.3℃의 공기를 중유를 이용하여 보일러 내에서 230℃까지 상승시키는 것을 기준으로 하면, 적용예 1은 4,217,901 kcal/hr의 열량이, 적용예 2는 4,517,648 kcal/hr의 열량이 필요하다. 열량측면에서는 적용예 2가 더 많은 에너지를 요구되나 적용예 1의 덕트버너 연료로는 일반적으로 10,500 kcal/㎥의 열량을 갖는 LNG를 사용하며, 적용예 2는 9,250 kcal/L의 열량을 갖는 중유를 이용하였을 때 비용은 적용예 1이 시간당 170,781원, 적용예 2가 시간당 133,161원이 소요되어 경제적으로 더 유리하다.
도 4에는 SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 열을 회수하여 온수를 발생시키는 온수 발생기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4에 따르면, 온수 발생기(90)는 저온부식을 방지하기 위한 튜브 형태의 열교환기(90a)와, 단순 열회수를 위한 핀 형태의 열교환기(90b)가 결합된 형태이다. 상기 열교환기에서는 수증기를 함유한 고온의 배가스가 저온으로 하강되어 노점 이하의 온도가 형성될 수 있다. 이 때, 배가스 내에 황산화물이 존재할 경우 수증기가 응축되면서 황산화물과 반응하여 H2SO4를 형성하고, 이들은 열교환기 내부를 부식시킬 수 있다. 따라서, 열교환기 중 배가스의 온도가 노점 이하가 되는 부 분 부터는 열교환기의 재질을 내식성으로 하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 내식성 재질은 고가이고 다루기가 어렵기 때문에 핀 형태보다는 튜브 형태로 제작이 가능하다. 따라서, 상기 온수발생기(90)는 배가스가 유입되는 전반부는 핀 형태로 제작되고 냉수가 유입되는 후반부는 튜브 형태로 제작된다.
온수발생기(90) 내부에서 튜브 형태의 열교환기(90a)와 핀 형태의 열교환기(90b)의 비율은 열교환기의 재질 및 용량에 따라 달라지며, 본 발명에서 적용되는, 튜브 형태의 열교환기(90a)와 핀 형태의 열교환기(90b)가 결합된 가스-물 열교환기(온수 발생기)는 기존에 상용 제품으로 시판되고 있으므로 이를 적용하여 본 발명을 달성할 수 있다.
온수 발생기 내에서의 가스-물 열교환이 이루어지는 과정은 도 4를 참고하여 설명하면 다음과 같다.
SCR 반응기를 통과한 배가스는 온수발생기(90)의 핀형태 열교환기(90b)로 유입되고, 냉수 공급기의 냉수는 온수발생기의 튜브형태 열교환기(90a)로 도입된다. 상기 냉수는 튜브 형태 관으로 유입되어 핀 형태의 열교환기 쪽으로 압력에 의해 이동한다. 상기 이동하는 냉수는 온수발생기(90)의 핀형태 열교환기(90b)로 유입된 배가스의 폐열에 의해 가열되고, 가스-물 열교환은 튜브 형태의 관에서 이루어진다. 상기 가스-물 열교환으로 가열된 물은 핀 형태의 열교환기(90b)로 유입된다. 상기 핀 형태의 열교환기(90b)는 도 4에 도시된 바와 같이 튜브 형태의 관에 여러 개의 핀이 결합되어 있는 형태로 열교환 면적이 튜브 형태보다 넓어 열교환 능력이 매우 높다. 핀 형태의 열교환기(90b)는 배가스의 높은 폐열을 이용하여 튜 브형태의 열교환기(90a)로부터 유입되는 가열된 물을 더욱 높은 온도의 온수로 가열시킨다. 이러한 과정을 통해 배가스의 폐열은 열에너지를 잃고 냉수는 열에너지를 얻게 된다.
전술한 바와 같이 본 발명은 SCR 반응기 후단에 온수발생기를 설치함으로써, 덕트 버너 등을 통해 SCR 반응기 운전 온도에 적합하게 상승된 배가스의 열에너지를 SCR 반응 이외에는 효과적으로 이용하지 못하고 대기 중으로 배출시켜 열에너지 이용 효율이 저하되었던 Tail End System의 단점을 극복할 수 있다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 덕트 버너 설치 또는 가스-가스 예열기의 열소자 제거/전기 집진기 증설을 통해 SCR 반응기 운전에 적합한 온도로 상승되었던 배가스의 폐열을 회수하여 일반 가정 및 산업체에서 이용하는 온수를 생산함으로써, 화석연료 연소 보일러 시스템의 효율의 무감소 및 수익성을 동시에 달성할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따르면 고온 탈질 촉매를 사용하더라도 SCR 후단의 높은 배가스의 온도로 더 많은 온수를 생산할 수 있어 고온 촉매의 사용의 단점을 극복할 수 있고, 150℃∼450℃의 작동 온도를 갖는 광대역 촉매를 사용할 경우에도 SCR 반응기를 운전하고 배출되는 배가스의 폐열을 이용하여 온수를 생산함으로써 저온에서 우수한 탈질 성능을 가지는 광대역 촉매의 장점을 극대화할 수 있는 효과가 있다. 즉, SCR 반응기에 장착되는 탈질 촉매의 작동 온도 영역에 관계없이 온수를 발생시킬 수 있어 우수한 경제성 및 화석연료 연소 보일러 시스템의 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하여 증기와 온수를 생산하는 지역난방공사외에 전력생산을 목적하는 화력발전소에서, 화력발전소의 급수(Feed Water)를 가열하여 증기터빈으로부터 추출되는 추기(Extraction Stream)량을 감소시킴으로써 증기터빈의 출력을 증대시키는데 적용할 수 있으며, 고온의 폐열을 이용하여 해수의 담수화(淡水化, Desalination)에 적용할 수 있는 등 물을 비롯한 액체물질의 가열 용도로 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 온수 발생기로 유입되는 냉수의 양을 조절함으로써 최종 배출되는 배가스의 온도를 조절하여 백연현상을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 온수 발생기로 공급되는 냉수의 양을 조절함으로써 온수 발생기 내부의 온도를 황산암모늄염의 생성 온도 및 산 이슬점 온도 이상으로 유지되도록 하여 부식 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 화석연료 연소 보일러 시스템내의 배가스 처리 시스템에 있어서,
    보일러에서 배출되는 배가스 내의 질소 산화물(NOx)을 포함한 유해가스를 제거하기 위한 SCR 반응기;
    상기 보일러와 상기 SCR 반응기 사이에 위치되고, 상기 보일러에서 배출되는 배가스의 온도를 SCR 반응기의 운전 온도에 적합한 온도로 만드는 배가스 온도 조절 설비;
    상기 SCR 반응기 후단에 위치되고, 상기 SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하여 온수를 발생시키는 온수 발생기; 및
    상기 온수 발생기 상단에 위치되고, 상기 온수 발생기 내에서 상기 배가스의 폐열과 냉수 사이에 가스-물 열교환이 이루어지도록 상기 온수 발생기에 냉수를 공급하는 냉수 공급기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하는 배가스 처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 온수 발생기는, 저온부식을 방지하기 위한 튜브 형태의 열교환기 및 단순 열회수를 위한 핀 형태의 열교환기가 결합된 형태인 것을 특징으로 하는 SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하는 배가스 처리 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 배가스 온도 조절 설비는 덕트 버너인 것을 특징으로 하는 SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하는 배가스 처리 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 배가스 온도 조절 설비는, 열소자 일부가 제거된 가스-가스 예열기 및 증설된 전기 집진기가 결합된 형태인 것을 특징으로 하는 SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하는 배가스 처리 시스템.
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