KR100689106B1 - 유동층 연소로에서의 질소산화물 저감 장치 및 방법 - Google Patents

유동층 연소로에서의 질소산화물 저감 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보일러 후단에 입자 제거 장치 및 촉매탑이 구비되어 유동층 발전소나 슬러지 연소로 등에서 발생되는 질소산화물을 효율적으로 제거할 수 있는 질소산화물 저감 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 질소 저감 장치는 보일러에 가해지는 열을 집열하기 위한 제1열교환기와, 상기 제1열교환기로부터의 열을 집열하기 위한 제2열교환기와, 상기 제1열교환기의 열을 상기 제2열교환기로 전달하기 위한 제1공기주입팬과, 상기 제2열교환기의 열에 의하여 상기 보일러에서 배출되는 가스를 가열시키기 위한 공기 예열기와, 상기 제2열교환기의 열을 상기 공기 예열기로 전달하기 위한 제2공기주입팬 및, 유량조절밸브, 전자솔밸브, 차압계, 로터리 밸브, 제어기가 구비된 촉매탑을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 질소 저감 장치에 의하면 배기 가스를 충분히 예열시켜 촉매탑으로 유입시킴으로써, 배기 가스 중의 입자와 질소산화물을 효율적으로 제거할 수 있으며, 상기와 같은 장치에 의하여 간단한 공정으로 질소산화물을 제거할 수 있다.
대기오염, 질소산화물, 연소로, 촉매탑, 열교환기

Description

유동층 연소로에서의 질소산화물 저감 장치 및 방법{The Apparatus and Method of reducing NOx in Fluidized-Bed Combustor}
도 1은 일반적인 유동층 연소로에 대한 개략적인 구조를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유동층 연소로에서 발생되는 질소산화물을 저감시키기 위한 장치에 대한 개략적인 구조를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감 장치의 촉매탑 외부 구조를 개략적으로 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감 장치의 촉매탑 내부 구조를 개략적으로 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유동층 연소로에서의 질소산화물 저감 방법을 나타낸 순서도.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
10 : 연소로 20 : 사이클론
30 : 보일러 40 : 집진기
50a,50b : 열교환기 60,60a,60b : 공기주입팬
70 : 공기예열기 80 : 촉매탑
90 : 유인송풍기
본 발명은 질소산화물을 저감시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보일러 후단에 입자 제거 장치 및 촉매탑이 구비되어 유동층 발전소나 슬러지 연소로 등에서 발생되는 질소산화물을 효율적으로 제거할 수 있는 질소산화물 저감 장치 및 방법에 관한 것이다.
NOx로 대표되는 질소산화물은 황산화물과 함께 산업화에 따라 각종 연소 공정 및 열분해 공정에서 발생되는 대표적인 대기오염물질로서, 난방부문이나 산업부문, 수송부문, 발전부문 등 다양한 부문에서 배출된다.
최근 환경오염에 대한 관심이 증가함에 따라 정부에서도 그 위험성으로 인해 대기로 배출되는 연소 가스에 포함된 유해 성분이 일정치 이하의 농도로만 배출될 수 있도록 규정하고 있으며, 이에 따라 기업체나 연구소에서도 배출되는 질소산화물의 농도를 줄일 수 있는 다양한 장치와 공정 기술을 개발하고 있다.
일반적으로 순환 유동층 발전 방식은 현재까지 가장 많은 상업화를 이루고 있는 발전 방식으로 연소로 내에 석탄, 회재 등을 순화 연소시켜 증기를 발생시키게 된다. 즉, 보일러에 투입되는 석탄이 유동층 내부에 충진되어 있는 가열된 충전물에 의해 고온의 화염 없이 가열 및 연소되는 방식으로, 보통 900℃ 이하에서 운전되어 다른 연소로에 비해 낮은 농도의 질소산화물 생성된다.
현재 국내에서 석탄을 이용하여 발전하는 방식으로 미분탄 연소와 유동층 연소로 구분이 가능하며, 정부에 의한 질소산화물의 배출 농도 규제는 2005년 01월부터 80ppm으로 강화되었다.
강화된 규제치에 따라 국내 탄을 사용하는 미분탄 연소로의 경우 비선택적 촉매환원법을 사용하여 겨우 그 규제치를 만족시키고 있으며, 유동층 연소로의 경우 저온에서 연소되므로 질소산화물의 농도가 평균 44 내지 48ppm으로 현재까지는 배출 농도 규제치를 만족시키고 있다.
그러나 대기 환경에 관한 관심이 높아지면서, 유해 가스의 배출 규제치를 점차 강화하고 있고, 그 규제치와는 별도로 이러한 질소산화물과 같은 대기오염물질은 배출되지 않아야 하며, 배출을 방지하거나 저감시키기 위한 확실한 방안이 제시되어야 할 필요성이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 일반적인 유동층 연소로 구조에서 보일러 후단의 집진장치가 제거되고 촉매탑과 열교환기, 히터 등이 구비되어, 배기 가스 중의 입자를 제거하고 촉매재에 의해 효율적으로 질소산화물을 제거할 수 있는 질소산화물 저감 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명의 목적은 상기와 같은 장치에 의하여 간단한 공정으로 질소산화물 저감 할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 질소 저감 장치는 보일러에 가해지는 열을 집열하기 위한 제1열교환기;와, 상기 제1열교환기로부터의 열을 집열하기 위한 제2열교환기; 상기 제1열교환기의 열을 상기 제2열교환기로 전달하기 위한 제1공기주입팬; 상기 제2열교환기의 열에 의하여 상기 보일러에서 배출되는 가스를 가열시키기 위한 공기 예열기; 상기 제2열교환기의 열을 상기 공기 예열기로 전달하기 위한 제2공기주입팬; 및 유량조절밸브와, 전자솔밸브, 차압계, 로터리 밸브 및 제어기가 구비된 촉매탑; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 있어서 상기 촉매탑의 내부는 미세 입자를 제거하기 위한 필터와, 불활성 가스를 공급하는 질소퍼지공급관, 배기 가스에 환원제를 혼합시키기 위한 환원제공급관, 방향전환판, 질소산화물을 제거하기 위한 촉매층을 포함하여 구성되고, 유입되는 가스를 강제로 가열시키기 위한 히터가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 질소산화물 저감 방법은 연소로와 사이클론, 보일러를 통과하는 배기 가스에 포함된 질소산화물 저감 방법에 있어서, 상기 사이클론에서 보일러로 전송되는 배기 가스의 열을 수집하는 집열단계;와, 상기 집열단계에서 수집된 열을 이용하여 보일러를 통과하여 촉매탑으로 유입되는 배기 가스를 가열하는 제1예열단계; 촉매탑에 유입되는 상기 배기 가스에 포함된 미세 입자를 제거하는 단계; 및, 상기 배기 가스에 포함된 질소산화물을 제거하는 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제2예열단계를 통과하여 촉매탑으로 유입되는 배기 가스가 설정된 온도 이상이 되지 않는 경우 촉매탑의 히터에 의해 강제적으로 열을 공급하여 배기 가스를 가열시키는 제2예열단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.
도 1은 연소로에서 발생되는 가스를 외부로 배출하기 위한 일반적인 유동층 연소로에 대한 개략적인 구조를 나타낸 도면으로, 연소로(10)와 사이클론(20), 보일러(30), 예열기(70), 집진기(40), 공기주입팬(60), 유인송풍기(90)로 구성된다. 도 1과 같은 구성에 의하여, 연소로(10)와 사이클론(20) 등에서 발생되는 질소산화물 가스는 보일러(30)와 예열기(70)를 통과하면서 집진기(40)를 통해 제거되어 유인송풍기(90)에 의하여 대기로 배출되게 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유동층 연소로에서 발생되는 질소산화물을 저감시키기 위한 장치에 대한 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 질소산화물 저감 장치는 연소로(10)와, 사이클론(20), 보일러(30), 열을 수집하기 위한 제1,2열교환기(50a,50b), 열을 전달하기 위한 제1,2공기주입팬(60a,60b), 가스와 공기를 예열시키기 위한 공기 예열기(70), 질소산화물 가스를 제거하기 위한 촉매탑(80) 및 유인송풍기(90)로 구성된다.
본 발명의 실시예에 있어서, 유동층 연소로를 구성하는 연소로(10)와 사이클론(20), 보일러(30), 유인송풍기(90) 등에 관한 구성은 일반적인 공지 기술에 해당 하는 것으로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 유동층 연소로에서의 질소산화물 저감 장치를 더욱 상세히 살며보면, 전술한 제1열교환기(50a)는 사이클론(20)에서 보일러(30)로 전달되는 배기 가스의 열을 수집하기 위한 장치로, 사이클론(20)과 보일러(30) 사이에서 구비된다.
연소로(10)에서 사이클론(20)을 통과한 배기 가스의 온도는 약 700 내지 850℃ 정도를 유지하고 있어, 제1열교환기(50a)는 이러한 배기 가스의 열을 수집하여 보일러(30) 후단의 제2열교환기(50b)로 전달하게 된다.
전술한 제2열교환기(50b)는 상기 제1열교환기(50a)로부터 전달된 열을 수집하기 위한 장치로, 보일러(30)의 후단에서 구비된다.
일반적으로 보일러(30)를 통과한 배기 가스의 온도는 약 250 내지 350℃ 정도로 떨어지게 된다. 그러나 본 발명의 실시예 따라 후술하는 촉매탑(80)에서는 선택적촉매환원법을 이용하여 질소산화물을 제거하게 되므로, 이 경우 촉매탑(80)으로 유입되는 배기 가스의 온도는 300 내지 400℃가 유지되어야 한다.
이를 위하여 제2열교환기(50b)는 보일러 전단의 제1열교환기(50a)로부터의 열을 수집하여, 보일러(30)를 통과한 배기 가스의 온도를 상승시키기 위해 공기 예열기(70)로 전달하게 된다.
전술한 공기 예열기(70)는 보일러(30)를 통과한 배기 가스와 연소로(10), 사이클론(20)에 주입되는 공기를 예열시키기 위한 장치로서, 제2열교환기(50b)로부터 열을 전달받아 배기 가스와 공기를 가열시키기 된다.
한편, 제1열교환기(50a)로부터의 열을 제2열교환기(50b)로 전달하고, 제2열교환기(50b)의 열을 공기 예열기(70)로 전달하기 위하여 제1,2열교환기(50a,50b)에는 제1,2공기주입팬(60a,60b)이 각각 구비된다.
전술한 촉매탑(80)은 제2열교환기(50b)와 공기 예열기(70)에 의해 300 내지 400℃의 온도로 예열된 배기 가스가 유입되어 질소산화물을 제거하기 위한 장치로서, 상세한 구성에 대해서는 후술한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감 장치의 촉매탑 외부 구조를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 4는 내부 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 촉매탑(80)의 외부에는 유량조절밸브(831)와 전자솔밸브(832), 차압계(833), 로터리 밸브(834), 히터(835) 및 제어기(837)가 구비된다.
전술한 유량조절밸브(831)와 전자솔밸브(832)는 촉매탑(80) 내부로 환원제와 질소퍼지를 각각 공급하기 위한 조절 밸브이다.
전술한 차압계(833)는 후술하는 촉매탑(80)의 필터(841) 내부와 외부의 압력 차이를 측정하기 위한 장치로서, 측정된 압력의 차이에 의하여 질소의 퍼지 시간과 주기를 결정하게 된다.
이 경우 본 발명의 실시예에 따른 적정한 압력의 차이는 0 내지 1000mmH2O 이며, 1000mmH2O 이상이 되는 경우 상기 전자솔밸브(832)는 제어기(837)에 의해 0.4초 동안 1회 열렸다 닫히도록 설정된다.
전술한 로터리 밸브(834)는 촉매탑(80) 내부의 미세 입자(848)를 촉매탑 외부로 배출시키기 위한 장치로서, 후술하는 필터(841)로부터 걸러지는 입자(848)를 배출시키게 된다.
전술한 히터(835)는 촉매탑(80)으로 유입되는 가스에 열을 가하기 위한 장치로서, 제2열교환기(50b)를 통과한 가스가 제어기(837)에 의해 설정된 온도 이상이 되지 않는 경우 구동되어 외부에서 인위적으로 열을 가하여 가스의 온도를 상승시키게 되며, 이를 위하여 가스의 온도를 측정하기 위한 온도감지센서(836)가 함께 구비된다.
전술한 제어기(837)는 촉매탑(80)을 구동시키고 제어하기 위한 장치로서, 특히 본 발명의 실시예에서는 질소의 퍼지 시간과 주기를 설정하여 질소퍼지공급관(842)을 제어하고, 촉매탑(80)으로 유입되는 가스의 온도를 설정하여 히터(835)를 구동시키도록 제어하게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 촉매탑(80)의 내부는 필터(841)와 질소퍼지공급관(842), 확장관(843), 환원제공급관(844), 방향전환판(845), 촉매층(846)으로 구성된다.
전술한 필터(841)는 촉매탑 내부로 유입되는 가스에 포함된 미세 입자(848)를 제거하기 위한 장치로서, 특히 본 발명의 실시예에서 촉매탑(80)은 유입되는 가스의 온도가 최소 300℃ 이상의 고온인 경우 작동하게 되므로, 고온에서도 기능을 발휘할 수 있는 내열성의 필터로서, 다공질의 금속 혹은 세라믹 필터로 구성된다.
전술한 질소퍼지공급관(842)은 필터(841)에 의해 걸러진 미세 입자(848)를 외부로 배출시키기 위한 장치로서, 상술한 차압계(833)에서 측정된 필터(841) 내외부의 압력 차이에 따라 불활성 가스를 공급하여 미세 입자(848)를 배출시키도록 구성된다.
즉, 제어부(837)에 의해 미리 설정된 차압계(833)에 의하여 전자솔밸브(832)가 작동되어 불활성 가스가 공급되고, 불활성 가스에 의해 미세 입자(848)를 배출하게 되며, 이 경우 질소퍼지공급관(842) 통하여 공급되는 불활성 가스의 팁이 약 20 내지 100m/s의 속도로 확장관(843)을 통하여 필터(841)로 분사되도록 구성된다.
여기서 상기 확장관(843)은 불활성 가스를 필터(841) 방향으로 넓게 분사시키기 위한 장치로서, 한 곳에 집중되어 분사되는 경우 필터(841)가 파손될 우려가 있으므로, 오피리스 또는 벤츄리 모양으로 구성된다.
전술한 환원제공급관(844)은 필터(841)를 통과하여 촉매층(846)으로 이송되는 가스에 환원제를 공급하기 위한 장치로서, 원형으로 가스 관로(847)와 맞게 노즐이 형성되어 배기 가스가 가스 관로(847)를 통과하면서 환원제와 직접 접촉이 가능하도록 구성된다.
전술한 방향전환판(845)은 필터(841)에서 촉매층(846)으로 이송되는 가스의 방향을 전환시키는 장치로서, 환원제공급관(844)을 통해 공급되는 환원제와 배기 가스의 접촉이 최대가 되도록 한다. 즉, 배기 가스의 흐름을 전환시켜 체류 시간을 확보하기 위한 것이다.
전술한 촉매층(846)은 배기 가스에 포함된 질소산화물은 제거하기 위한 장치로서, 촉매층(846)에 충진되는 촉매는 천연제올라이트에 철(Fe)을 함침시킨 촉매가 사용된다.
환원제와 혼합된 배기 가스는 촉매층(846)에 의하여 질소산화물이 제거되어 최종적으로 외부로 배출되며, 이 경우 촉매층(846)의 공간 속도는 배기 가스의 유량과 촉매의 무게를 고려하여 5,000 내지 30,000h-1가 되도록 구성된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유동층 연소로에서의 질소산화물 저감 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감 방법은 집열단계(S51)와, 제1예열단계(S52), 제2예열단계(S54), 미세 입자 제거단계(S55), 질소산화물 제거단계(S56)로 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감 방법은 연소로와 사이클론, 보일러를 통과하는 배기 가스에 포함된 질소산화물을 제거하기 위한 공정으로 도 2와 도 5를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
집열단계(S51)는 사이클론(20)에서 보일러(30)로 전송되는 배기 가스에 포함된 열을 수집하는 공정으로 사이클론(20)을 통과하는 배기 가스의 온도는 약 700 내지 850℃이지만, 보일러(30)를 통과한 배기 가스의 온도는 약 250 내지 350℃로 떨어지게 된다. 이 경우 선택적촉매환원법으로 질소산화물을 제거하기 위해서는 배기 가스의 온도가 약 300 내지 400℃를 유지하여야 한다.
따라서 본 발명의 실시예에서는 제1열교환기(50a)에 의해 보일러 전단 배기 가스의 열을 수집하여 보일러 후단의 제2열교환기(50b)로 전송하여 배기 가스를 가 열시키게 되고, 300 내지 400℃로 예열된 배기 가스를 촉매탑(80)으로 유입시킨다(S52).
한편, 보일러 전단에서 수집된 열을 이용하여 가열된 보일러 후단의 배기 가스가 소정의 온도로 예열되지 못하는 경우에는 촉매탑에 구비된 히터(835)에 의하여 외부에서 강제적으로 설정된 온도가 되도록 가열시켜 선택적촉매환원법에 의해 질소산화화물이 제거될 수 있도록 한다(S53,S54).
예열된 배기 가스는 촉매탑으로 유입되어 필터(841)와 질소퍼지공급관(842)으로 미세 입자(848)를 제거하고 외부로 배출하게 되며(S55), 이를 위해 질소퍼지공급관(842)은 불활성 가스를 공급한다.
또한 미세 입자가 제거된 배기 가스에는 환원제공급관(844)에 의해 환원제와 혼합되며, 혼합된 배기 가스는 촉매층(846)을 통과하면서 가스에 포함된 질소산화물이 제거되어 최종적으로 외부로 배출된다(S56).
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 질소산화물 저감 장치는 일반적인 유동층 연소로 구조에서 보일러 후단의 집진장치가 제거되고 촉매탑과 열교환기, 보조 히터 등이 구비되어, 배기 가스 중의 입자를 제거하고 촉매재에 의해 효율적으로 질소산화물을 제거할 수 있으며, 본 발명의 질소산화물 저감 방법은 상기와 같은 장치에 의하여 간단한 공정으로 질소산화물을 제거할 수 있다.

Claims (5)

  1. 연소로와 사이클론, 보일러를 포함하는 유동층 연소로에서 배출되는 질소산화물을 저감시키기 위한 장치에 있어서,
    상기 보일러에 가해지는 열을 집열하기 위한 제1열교환기;와,
    상기 제1열교환기로부터의 열을 집열하기 위한 제2열교환기;
    상기 제1열교환기의 열을 상기 제2열교환기로 전달하기 위한 제1공기주입팬;
    상기 제2열교환기의 열에 의하여 상기 보일러에서 배출되는 가스를 가열시키기 위한 공기 예열기;
    상기 제2열교환기의 열을 상기 공기 예열기로전달하기 위한 제2공기주입팬; 및,
    유량조절밸브와, 전자솔밸브, 차압계, 로터리 밸브 및 제어기가 구비되는 촉매탑; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 촉매탑의 내부는 미세 입자를 제거하기 위한 필터와, 불활성 가스를 공급하는 질소퍼지공급관, 배기 가스에 환원제를 혼합시키기 위한 환원제공급관, 방향전환판, 질소산화물을 제거하기 위한 촉매층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 촉매탑은 유입되는 가스를 강제로 가열시 키기 위한 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 장치.
  4. 연소로와 사이클론, 보일러를 통과하는 배기 가스에 포함된 질소산화물 저감 방법에 있어서,
    상기 사이클론에서 보일러로 전송되는 배기 가스의 열을 수집하는 집열단계;와,
    상기 집열단계에서 수집된 열을 이용하여 보일러를 통과하여 촉매탑으로 유입되는 배기 가스를 가열하는 제1예열단계;
    촉매탑에 유입되는 상기 배기 가스에 포함된 미세 입자를 제거하는 단계; 및
    상기 배기 가스에 포함된 질소산화물을 제거하는 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 질소산화물 저감 방법은 상기 제2예열단계를 통과하여 촉매탑으로 유입되는 배기 가스가 설정된 온도 이상이 되지 않는 경우 촉매탑의 히터에 의해 강제적으로 열을 공급하여 배기 가스를 가열시키는 제2예열단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 방법.
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