KR100733470B1 - 배기가스에 함유된 질소산화물 제거장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기가스에 함유된 질소산화물 제거장치로 보일러나 발전기 등에 사용되는 연료 및 연료의 연소과정 중 연소 공기로 인해 생성된 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 가온하지 않고 약품과 반응시켜 질소산화물을 제거할 수 있도록 기존의 배출시설인 배기덕트에 NOx 제거시설을 간단하게 설치하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, NOx 제거시설 내로 이송되는 배기가스에 함유된 질소산화물을 제거하기 위한 약품 주입방법의 특화로 인해 타 공법보다 적은 약품을 사용하고도 2배 이상을 제거하는 효과는 물론 NOx 제거시설의 운전이 용이하기 때문에 별도의 인건비가 소요되지 않아 유지관리비가 거의 들지 않는 특징이 있다.

배출시설, 히트 익스체인저(Heat Exchanger), NOx 제거시설, 후처리시설

Description

배기가스에 함유된 질소산화물 제거장치{Device removing nitrogen oxides in the exhaust gas}

도 1은 본 발명을 도시해 보인 계통도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: 배출시설 2: 히트 익스체인저(Heat Exchanger)

3: NOx 제거시설 4: 에어 애토마이져(Air Atomizer)

5: 공기압축기(Air Compressor) 6: 약품저장탱크

7: 정량 약품주입 펌프 8: 송풍기

9: 후처리시설 10: 필라멘트

11: TMS(Telemetric Measuring System) 12: 버블캡

본 발명은 보일러나 발전기 등의 연료 및 연료의 연소공기로 인해 생성된 질소산화물을 함유한 배기가스를 가온하지 않고 약품과 반응시켜 제거할 수 있도록 기존의 배기덕트 일부분에 NOx 제거시설을 설치하여 배기가스에 함유된 질소산화물 제거하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 질소산화물은 질소와 산소의 화합물로 자동차, 항공기, 선박, 산업용 보일러, 소각로, 전기로, 발전기 등 연료의 연소과정에서 공기 중의 질소가 고온에서 산화하여 발생한 것으로 대기오염을 유발한다.

즉 NOx라고 총칭하는 질소산화물은 NO, NO2, NO3을 일컫는 것으로 이들을 제거하기 위해서는 NO3을 환원시켜서 NO2로 만들고 NO2는 다시 환원 시켜서 NO로 만들고 NO를 다시 환원을 시켜서 N2로 만들어야 하기 때문에 산화나 단순 환원으로 제거되는 다른 화합물에 비하여 그 제거기술에 많은 어려움이 있다고 볼 수 있다.

또한, 질소산화물은 약한 규제기준과 처리기술의 부재로 인해 고농도로 외부로 배출되어 왔으며 이로 인하여 산성비의 원인이 될 뿐만 아니라 광화학 스모그를 발생시켜 눈과 호흡기 질환을 유발하게 되며 이산화탄소와 함께 지구온난화의 주범이 되고 있는 공해물질이다.

따라서 최근에서야 환경오염의 심각성이 부각되면서 정부차원에서 질소산화물의 발생을 제한하기 위한 규제정책을 시행하고 있기 때문에 질소산화물의 처리에 관하여 많은 기술개발이 이루어지고 있는 실정이다.

한편, 종래의 질소산화물 저감 및 제거방법은 촉매 사용 여부에 따라 크게 선택적 촉매 환원법(SCR)과 선택적 비 촉매 환원법(SNCR)으로 분류된다.

상기 선택적 촉매 환원법은 소각로, 보일러, 전기로 등 폐기물이나 연료의 연소과정 중에서 발생하는 질소산화물을 무해한 질소와 물로 환원시키기 위해 환원제로 NH3, CO, H2S 등을 사용하며 주로 암모니아(NH3)를 배기가스에 분사하고, 상기 배기가스는 TiO2 또는 V2O5 촉매층을 통과하고, 최적 운전조건인 300 - 400 온 도를 유지하여 질소산화물을 처리한다.

또한, 선택적 비 촉매 환원법은 촉매 없이 870 - 1200 온도범위의 고온의 배기가스에 암모니아 또는 요소수를 분사하여 질소산화물을 처리한다.

따라서 상기 촉매 환원법의 장점은 제거율이 70-90%로 비교적 높은 편이나 안정된 운전과 다이옥신 제거가능(사용 촉매에 따라 다름), 공정이 단순하고, 백연현상은 적으나, 단점은 시설비가 매우 많이 소요되고, 고가의 촉매 사용과 배기가스에 함께 함유된 SO2에 의하여 촉매의 수명이 단축되어 잦은 촉매 교체로 인한 유지관리비 또한 막대하여 중소기업이나 부가가치가 높지 않은 사업장에서 사용하기에는 경제적으로 어려움이 많다.

또한, 선택적 비 촉매 환원법의 장점은 촉매 환원법의 운전온도가 250 - 400 보다 높은 온도인 900 - 1000에서 운전하도록 개발됨으로써 별도의 연료를 사용하지 않아도 되는 소각로에 적용하는데 용이하나, 여타 배출시설(발전기, 보일러)에는 가온하는데 막대한 비용이 소요되므로 적용할 수 없으며, 높은 효율을 유지하기 위해서는 많은 양의 환원제를 투입하여야 70-90% 정도의 효율을 얻을 수 있는 등의 문제점이 있다.

또한, 환원과정에서 고온의 온도가 필수적이기 때문에 처리과정에서도 많은 에너지를 필요로 하는 것은 물론 기존의 기술들이 많은 시설비와 많은 운전비를 요구하고 있기 때문에 자본이 많지 않은 중소업체에서는 부과금을 내는 한이 있더라도 시설투자를 하지 않고 공장을 가동하는 경우가 허다하다.

따라서 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 소각로, 보일러, 전기로 등 폐기물이나 연료의 연소과정 중에서 발생하는 질소산화물을 무해한 질소와 물로 환원시키기 위해서 기존의 많은 시설투자비와 운전비용과 별도의 에너지 사용 없이 적은 시설비용과 적은 유지관리비로 높은 효율을 얻을 수 있도록 기존의 배기가스 배출시설인 배기덕트에 간단하게 설치함으로써 질소의 환원과정에서 2차 공해를 유발시키는 별도의 에너지 사용이나 값비싼 촉매의 사용 없이도 필요한 수준의 질소산화물을 제거하는 효과를 얻을 수 있는 배기가스에 함유된 질소산화물 제거장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 보일러나 발전기 등의 연소과정에서 배출되는 배기가스에 함유된 질소산화물을 제거하는 방법에 있어서, 배기가스를 배출하는 배출시설과 이를 처리하는 후처리시설을 연결하는 배기덕트와, 상기 배기덕트의 일부분에 질소산화물을 제거하는 NOx 제거시설을 마련하여, 상기 배출시설인 보일러나 발전기 등에 사용하는 연료의 질소성분이나 연소용 공기 중의 질소성분에 의해 발생되는 질소산화물이 함유된 배기가스를 배출하는 단계와, 상기 배출시설에서 배출되는 배기가스가 배기덕트를 통해 배출될 때 배기가스의 온도가 낮은 경우 질소의 제거효율에 영향을 주므로 가온이 필요한 경우 선택적으로 사용되는 히트 익스체인저를 통해 배기가스 온도를 올려주는 단계와, 상기 히트 익스체인저를 지나 배출되는 배기가스가 배기덕트 일부분에 설치된 NOx 제거시설(내부에는 필라멘트, 버블캡등의 설비를 갖추고 있음)에 의해 질소산화물이 제거되는 단계 와 이 NOx 제거시설의 외부에 부대시설로 공기와 약품을 혼합하여 최적의 조건을 만들어주는 에어 애토마이저와 상기 에어 애토마이저에 약품을 주입하는 약품주입설비와 공기를 공급하는 공기압축기로 구성하여 NOx 제거시설에서는 암모니아의 분무량이 처리효율 85 - 90% 정도를 목표로 하는 량 만큼만 분무되어 약품 반응이 65-90% 정도 반응하는 단계와, 상기 NOx 제거시설에서 암모니아가 분무된 배기가스가 송풍기에 의해 흡입되면서 암모니아와 질소산화물을 완벽하게 100% 반응하는 단계와, 질소산화물의 불일정한 배출농도로 인하여 야기될 수 있는 과잉 암모니아와 배기가스는 후단에 분진이나 황산화물의 제거를 목적으로 설치된 후처리 시설에서 완충작용을 하는 단계와, 상기 후처리시설에 TMS를 설치하여 배출가스의 최종 오염농도를 감시하고 운전을 제어하기 위한 단계를 그 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면에 의해 본 고안을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명을 도시해 보인 계통도이다.

본 발명은 선택적 비 촉매환원법을 적용하여 보일러나 발전기 등의 연소과정에서 배출되는 배기가스에 함유된 질소산화물을 제거하기 위하여 배출시설(1)과 후처리시설(9) 사이를 연결하는 배기덕트에 NOx 제거시설(3)을 설치한다.

따라서 상기 본 발명은 배출시설(1)인 보일러나 발전기 등의 연료 연소과정 중에서 발생하는 질소산화물을 무해한 질소와 물로 환원시키기 위해서 히트 익스체인저(2)와 NOx 제거시설(3), 송풍기(8), 후처리시설(9)이 순차적으로 위치한다.

따라서 상기 배출시설(1)에서 배출되는 배기가스는 배기덕트를 통해 배출될 때 배기가스 온도가 150-350 정도 되기 때문에 제거효율 강하에 많은 영향을 미치 지는 않지만 연소설비가 아닌 상온의 배출가스를 배출하는 높은 질소 제거효율을 얻기 위하여 가온이 필요하여 히트 익스체인저(2)가 설치된다.

또한, 상기 히트 익스체인저(2)를 지나 배출되는 배기가스는 선택적으로 가온 또는 가온이 안 된 상태의 배기가스에 함유된 질소산화물을 제거하기 위하여 배기덕트의 일부분에 NOx 제거시설(3)을 설치한다.

한편, 배기덕트에 설치된 NOx 제거시설(3)은 기내 유속이 7.5m/s 이상 유지되는 크기로 설계되고, 일반적으로 이미 설치되어 있는 배기덕트들의 크기는 기내 유속이 5.0m/s ~ 15.0m/s 정도로 되어있으므로 NOx 제거시설(3)의 크기는 기존의 배기덕트 크기와 거의 비슷할 정도로 소형이라고 볼 수 있다.

또한, 상기 배기덕트의 길이는 충분하여 NOx 제거시설(3)에서 반응하는데 아무런 문제가 되지 않으며, 그 이유는 NOx 제거시설(3)의 길이는 직경의 1.5배 정도로 소형이기 때문이다.

또한, 상기 NOx 제거시설(3)은 배기가스에 함유된 질소산화물을 100% 제거하기 위한 약품량의 85-90% 정도만 투입하고, 나머지는 후처리시설(9)에 남아있는 잉여 약품에 의해서 처리하도록 하며 NOx 제거시설(3) 내부에는 반응을 도울 수 있도록 판형상의 필라멘트(10)와 버블캡(12)을 설치하고, 입구에는 공기와 약품을 혼합하여 최적의 반응조건을 만들어주기 위한 에어 애토마이저(4)를 필요한 수량만큼 설치하고, 부대설비로 공기압축기(5), 정량 약품주입 펌프(7), 약품 저장탱크(6)가 구비된다.

따라서 NOx 제거시설(3) 내부로 공급된 배기가스를 암모니아와 반응하도록 정량 약품주입펌프(7)를 사용하여 에어 애토마이저(4)로 이송시키고, 공기압축기(5)에서 에어 애토마이저(4)로 공급되는 공기는 에어 애토마이저(4)에 공급된 반응제인 암모니아를 미립분자로 만들어 본체에 공급하며, 그 량은 TMS(Telemetric Measuring System)(11)에 의해 감지된 농도를 기준으로 85-90% 정도를 제거목표로 조절하고, 본체에서의 반응은 65-90%로 일어나도록 하며, 미반응된 NOx와 암모니아는 본체 후단의 배기덕트를 거치면서 반응하게 되고, 송풍기(8)를 거치면서 배기가스는 암모니아에 의해 완벽하게 100% 반응하게 된다.

질소산화물과 암모니아 화학반응식은 다음과 같다.

1) A NO3 + B NH3 ---- C NO2 + D H2O

2) A NO2 + B NH3 ---- C NO + D H20

3) A NO + B NH3 ---- C N2 + D H20

상기와 같이 배기가스 중에 함유된 질소산화물은 상태에 따라 각각의 반응식이 적용된다.

또한, 약품으로는 암모니아를 대신하여 요소나 알콜을 사용할 수도 있다.

한편, 약품의 주입은 질소산화물을 100% 제거할 필요가 없는 한 85-90% 정도로 주입되도록 조절하고, 만일, 약품이 과다 투입되어 후단의 배기덕트와 송풍 기(8)를 통과한 후에도 질소산화물이 100% 제거되고 남을 경우에는 후단의 처리시설(9)이 완충작용을 하게 되며 이는 남을 경우 저장역할을 하고 부족할 경우에 반응에 사용하도록 하는 역할을 의미한다.

또한, 상기 스크러버라 하는 후처리시설(9)은 반응제인 암모니아의 잉여분의 약품을 흡수하여 재반응을 시키며 배기가스 중에 함유된 분진, 황산화물 등을 제거한다.

따라서 상기 후처리시설(9)을 통과한 배기가스에 함유된 질소산화물은 무해한 질소와 물로 환원되어 배출되는 것이다.

또한, 상시로 배출농도를 감시하고 제어하기 위하여 TMS 설비(11)를 설치하는 경우도 있다.

따라서 상기 TMS(11)에 의해 감지된 농도를 기준으로 도면에는 미도시 되었으나 제어부에 미리 세팅된 약품주입량에 따라 정량으로 약품을 공급할 수 있도록 정량 약품주입펌프(7)의 개폐밸브를 조절하는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은 배기가스 중에 함유된 질소산화물을 제거하기 위하여 NOx 배출시설과 후처리시설을 연도하는 배기덕트에 간단하게 설치함으로써 기존기술들의 10% 정도의 설치비로 시공할 수 있으며, 선택적 비 촉매 환원공법에서 약품 반응률을 높이기 위해 사용하는 기온장치 없이도 150 -350 의 저온에서 고효율을 얻음이 가능하다.

또한, NOx 제거시설 내의 약품 주입방법의 특화로 인해 적은 약품을 사용하고도 2배 이상을 제거하는 효과와 NOx 제거시설의 운전이 용이하여 별도의 인건비가 소요되지 않기 때문에 유지관리비가 거의 들지 않는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 보일러나 발전기 등의 연소과정에서 배출되는 배기가스에 함유된 질소산화물을 제거하기 위하여 배기가스를 배출하는 배출시설과, 배기가스의 온도에 따라 반응효율을 높일 수 있도록 선택적으로 가온하는 히트 익스체인저와, 질소산화물을 제거하기 위한 제거시설과, 제거시설에 공기를 공급하는 공기압축기와, 약품을 공급하도록 약품주입설비와, 배기가스를 후처리시설로 이송하는 송풍기와, 완충역할 및 분진이나 먼지를 제거하는 후처리시설과, 상시 배출농도를 감시하여 약품주입량을 제어하는 TMS(Telemetric Measuring System)가 설치된 배기가스의 질소산화물 제거장치에 있어서,

   배기가스가 유입 및 배출되도록 입구와 배출구를 형성하고, 입구에는 공기와 약품을 혼합하여 미립자 형태로 분무하는 다수개의 에어 애토마이저와;

   내부 중앙에는 분무된 약품과 배기가스의 유속 흐름을 방해하여 질소산화물이 쉽게 반응할 수 있도록 수평하게 설치된 판형상을 갖는 필라멘트와;

   하부에는 필라멘트를 통과한 질소산화물의 반응을 도울 수 있도록 버블캡이 설치된 NOx 제거시설이 구비된 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 제거장치.

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