KR100833126B1 - 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템 - Google Patents

선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction)에서 환원제로 요소(urea)수 또는 암모니아수를 사용하여 질소산화물을 저감할 수 있도록 한 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템에 관한 것이다.
촉매, 환원, 질소산화물, 처리

Description

선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템{NOx reduction system by selective catalytic reductionavailable}
도 1은 본 발명의 처리 시스템의 전체 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 처리 시스템의 구성중 배기가스 균일 분배수단의 외관 사시도.
도 3 및 도 4는 본 발명에 의한 난류 형성수단의 구성을 도시한 외관 사시도.
도 5는 본 발명에 의한 유속 변경수단이 케이싱에 설치된 상태를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 연소장치
110 : 배출덕트
150 : 저장탱크
170 : 펌프
200 : 촉매반응탑
230 : 증기분사수단
300 : 이송덕트
400 : 배기가스 균일 분배수단
500 : 순환 히터
600 : 분사수단
700 : 난류 형성수단
900 : 유속 변경수단
본 발명은 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction)에서 환원제로 요소(urea)수 또는 암모니아수를 사용하여 질소산화물을 저감할 수 있도록 한 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템에 관한 것이다.
통상적으로, 소각로, 공장, 발전소등의 연소장치에서 화석 연료를 연소시켜 발생되는 생성물인 유해 배기가스중에 포함된 질소산화물은 다양한 방법을 동원하여 최대한도로 저감시켜 대기 환경을 청정 상태로 유지해야 할 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
이를 위해서, 환원제로 요소(UREA)수 또는 암모니아수(amonium를 사용함과 아울러 산화바나듐(V2O5) 또는 산화티탄늄(TiO2)등의 촉매를 사용하는 촉매반응탑에 의한 선택적 촉매 환원법으로 질소산화물을 저감하는 시스템이 개발되고 있다.
좀더 상세하게는 이러한 질소산화물의 저감 시스템은 요소수를 환원제로 사용하는 경우에는 연소장치에서 배출덕트를 통해 배출되는 배기가스가 촉매반응탑의 촉매층을 통과하기 전에 미세 입자(㎛ 단위)크기로 분사되는 요소수에 대하여 열적분해반응을 가함으로써, 분사되는 요소수 모두가 암모니아로 전환되도록 되도록 함과 아울러 암모니아와 배기가스가 접촉되어 혼합되도록 하는 전처리 단계를 진행한다.
한편, 암모니아수를 환원제로 사용하는 경우에는 배기가스가 촉매반응탑의 촉매층을 통과하기 전에 미세 입자(㎛ 단위)크기로 분사되는 암모니아수가 배기가스와 접촉되어 혼합되도록 하는 전처리 단계를 진행한다.
이러한 전처리 단계를 수행하는 잘 진행하게 되면, 탈질설비인 촉매반응탑에서 촉매층을 통과하면서 암모니아가 질소산화물과 환원 반응이 일어나, 질소산화물을 환원 반응시키게 되며, 그 결과, 질소산화물은 질소와 물로 바뀌므로 이의 배출량이 감소되며, 이로 인해 대기 오염 방지에 도움을 주게 된다.
그러나, 현재 개발된 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템은 촉매반응탑의 촉매를 통과하기 전에 암모니아가 배기가스의 질소산화물과 접촉되어 혼합되도록 하는 전처리 성능이 높지않아 촉매반응탑의 촉매층을 통과하더라도 질소산화물의 처리 효율을 높이는데 한계가 있었다. 이에 최근에 질소산화물의 처리 효율을 최대한 높일 수 있는 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 요소수와 암 모니아수를 환원제로 사용하여 촉매반응탑의 촉매층을 통과하기 전에 암모니아와 질소산화물이 충분히 혼합되도록 전처리를 실시함으로써, 배기가스에 포함된 질소산화물의 처리 효율을 최대한 높일 수 있도록 한 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템은, 배출덕트를 통해 연소장치에서 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물이 저감되도록 처리하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물 처리 시스템에 있어서, 요소수가 저장된 요소수 저장탱크와; 상기 요소수 저장탱크내의 요소수를 강제로 펌핑하여 이송시키는 펌프와; 상측 중앙에 설치된 입구부와 하측에 설치된 출구부를 갖는 케이싱과, 케이싱의 내부에 상하 방향으로 설치된 다수의 촉매층으로 이루어진 촉매반응탑과; 상기 다단의 촉매층 사이로 고온 고압 상태의 증기를 분사하여 촉매에 있는 미세 분진을 세척하는 증기 분사수단과; 일단부는 상기 배출덕트의 단부와 연통되도록 설치되고, 타단부는 상기 케이싱의 입구부와 연통되도록 설치되어 상기 배기가스를 상기 케이싱 내부로 안내하는 이송덕트와; 상기 이송덕트의 일단부측 내에는, 상기 배기가스가 이송덕트내에서 균일하게 유동되도록 분배하는 배기가스 균일 분배수단과; 상기 펌프에 펌핑되어 이송되는 요소수가 유입되는 유입구와, 유입된 요소수가 배출되는 배출구를 가지고, 내부에 상기 요소수가 일시 수용되는 수용 공간부를 가지며, 상기 수용 공간부내에 상기 요소수에 잠겨지도록 설치되어 외부로부터 (+)전극이 전기적으로 연결된 전극봉을 갖는 순환 히터와; 상기 배기가스 균일 분배수단의 후류측의 배기가스 유동 영역에 해당되는 이송덕트내로 상기 순환 히터의 배출구에서 배출되는 요소수를 미립자 상태로 상기 배기가스의 진행방향과 동일한 방향으로 분사하는 분사수단과; 상기 분사수단의 후류측에 해당되는 이송덕트내에 설치되어 상기 배기가스 균일 분배수단을 지난 배기가스와 미립자 상태의 요소수를 난류 상태가 형성되도록 함과 아울러 요소수가 암모니아로 분해되도록 하는 난류 형성수단과; 상기 난류 형성수단에 의해 난류 상태의 불규칙한 유속 흐름을 갖는 암모니아와 배기가스의 혼합가스가 상기 입구부를 통해 유입된 후, 첫번째 촉매층을 통과하기 전의 상기 케이싱내에 설치되어 상기 배기가스의 유속이 일정해지도록 하는 유속 변경수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 의한 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템은, 배출덕트를 통해 연소장치에서 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물이 저감되도록 처리하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물 처리 시스템에 있어서, 암모니아수가 저장된 암모니아수 저장탱크와; 상기 암모니아수 저장탱크내의 암모니아수를 강제로 펌핑하여 이송시키는 펌프와; 상측에 설치된 입구부와 하측에 설치된 출구부를 갖는 케이싱과, 케이싱의 내부에 상하 방향으로 설치된 다수의 촉매층으로 이루어진 촉매반응탑과; 상기 다단의 촉매층 사이로 고온 고압 상태의 증기를 분사하여 촉매에 있는 미세 분진을 세척하는 증기 분사수단과; 일단부는 상기 배출덕트의 단부와 연통되도록 설치되고, 타단부는 상기 케이싱의 입구부와 연통되도록 설치되어 상기 배기가스를 상기 케이싱 내부로 안내하는 이송덕트와; 상기 이송덕트의 일단부측 내에는, 상기 배기가스가 이송덕트내에서 균일하게 유동되도록 분배하는 배기가스 균일 분배수단과; 상기 펌프에 의해 펌핑되어 이송되는 암모니아수가 유입되는 유입구와, 유입된 암모니아수가 배출되는 배출구를 가지고, 내부에 상기 암모니아수가 일시 수용되는 수용 공간부를 가지며, 상기 수용 공간부내에 상기 암모니아수에 잠겨지도록 설치되어 외부로부터 (+)전극이 전기적으로 연결된 전극봉을 갖는 순환 히터와; 상기 배기가스 균일 분배수단의 후류측의 배기가스 유동 영역에 해당되는 이송덕트내로 상기 순환 히터의 배출구에서 배출되는 암모니아수를 미립자 상태로 상기 배기가스의 진행 방향과 동일한 방향으로 분사하는 분사수단과; 상기 분사수단의 후류측에 해당되는 이송덕트내에 설치되어 상기 배기가스 균일 분배수단을 지난 배기가스와 미립자 상태의 암모니아수를 난류 상태가 형성되도록 하는 난류 형성수단과; 상기 난류 형성수단에 의해 난류 상태의 불규칙한 유속 흐름을 갖는 암모니아와 배기가스의 혼합가스가 상기 입구부를 통해 유입된 후, 첫번째 촉매층을 통과하기 전의 상기 케이싱내에 설치되어 상기 배기가스의 유속이 일정해지도록 하는 유속 변경수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 의한 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 처리 시스템의 전체 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 처리 시스템의 구성중 배기가스 균일 분배수단의 외관 사시도이며, 도 3 및 도 4는 본 발명에 의한 난류 형성수단의 구성을 도시한 외관 사시도이며, 도 5는 본 발명에 의한 유속 변경수단이 케이싱에 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
본 발명은 요소수(urea)와 암모니아수(amoium)를 환원제로 사용하여 촉매반응탑의 촉매층을 통과하기 전에 암모니아와 질소산화물이 충분히 혼합되도록 전처리를 실시하는 것인 바, 우선 환원제로 요소수를 사용할 경우를 먼저 설명하기로 한다.
본 발명은 배출덕트(110)를 통해 연소장치(100)에서 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물이 저감되도록 처리하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물 처리 시스템에 관한 것으로, 그 주요 구성은 저장탱크(150)와, 펌프(170)와, 촉매반응탑(200)과, 증기 분사수단(230)과, 이송덕트(300)와, 배기가스 균일 분배수단(400)과, 순환 히터(500)와, 분사수단(600)과, 난류 형성수단(700)과, 유속 변경수단(900)을 포함하여 이루어져 있다.
상기 저장탱크(150)내에는 요소수가 저장되어 있다.
상기 펌프(170)는 요소수 저장탱크(150)내의 요소수를 강제로 펌핑하여 이송시키는 역활을 한다.
상기 촉매반응탑(200)은 상측 중앙에 설치된 입구부(211)와 하측에 설치된 출구부(212)를 갖는 케이싱(210)과, 이 케이싱(210)의 내부에 상하 방향으로 설치된 다수의 촉매층(220;220a,220b,220c)으로 이루어진다.
여기서, 상기 촉매층(220:220a,220b,220c)은 다단으로 상호 이격되게 설치되는 것으로, 본 발명에서는 촉매층을 3층 구조로 하였는바, 이 촉매층의 촉매로는 통상적으로 질소산화물 저감용으로 사용되는 것을 사용할 수 있다.
상기 증기 분사수단(230)은 상기 다단의 촉매층(220) 사이로 고온 고압 상태의 증기를 분사하여 촉매에 있는 미세 분진을 세척하게 되는 바, 이 증기 분사수단(230)은 통상적으로 알려진 기술인 바, 상세한 구성 설명은 생략하기로 한다.
상기 이송덕트(300)는, 일단부(310)가 상기 배출덕트(110)의 단부와 연통되도록 설치되고, 타단부(320)는 상기 케이싱(210)의 입구부(211)와 연통되도록 설치되어 상기 배기가스를 상기 케이싱(210)의 내부로 안내하는 역할을 한다.
상기 배기가스 균일 분배수단(400)은, 상기 이송덕트(300)의 일단부(310)측에, 상기 배기가스가 이송덕트(300)내에서 균일하게 유동되도록 균일 분배하는 역할을 한다.
상기 순환 히터(500)는 상기 펌프(170)에 의해 펌핑되어 이송되는 요소수가 유입되는 유입구(510)와, 유입된 요소수가 배출되는 배출구(520)를 가지고, 내부에 상기 요소수가 일시 수용되는 수용 공간부(530)를 가지며, 상기 수용 공간부(530)내에 상기 요소수에 잠겨지도록 설치되어 외부로부터 (+)전극이 전기적으로 연결된 전극봉(540)을 갖는 구성으로 이루어져 있다.
상기 분사수단(600)은, 상기 배기가스 균일 분배수단(400)의 후류측의 배기가스 유동 영역에 해당되는 이송덕트(300)내로 상기 순환 히터(500)의 배출구(520) 에서 배출되는 요소수를 미립자 상태로 상기 배기가스의 진행방향과 동일한 방향으로 분사하는 역할을 하는 것으로, 미립자(마이크로 단위;㎛) 상태로 요소수등의 액체를 분사하는 기술적 구성은 통상적으로 잘 알려진 것이어서 설명을 생략하기로 한다.
상기 난류 형성수단(700)은, 상기 분사수단(600)의 후류측에 해당되는 이송덕트(300)내에 설치되어 상기 배기가스 균일 분배수단(400)을 지난 배기가스와 미립자 상태의 요소수를 난류 상태가 형성되도록 함과 아울러 요소수가 암모니아로 분해되도록 한다.
상기 유속 변경수단(900)은, 상기 난류 형성수단(700)에 의해 난류 상태의 불규칙한 유속 흐름을 갖는 암모니아와 배기가스의 혼합가스가 상기 입구부(211)를 통해 유입된 후, 첫번째 촉매층(220a)을 통과하기 전의 상기 케이싱(210)내에 설치되어 상기 배기가스의 유속이 일정해지도록 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에서 환원제로 요소수를 이용한 질소산화물의 처리 시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 보일러 등의 연소장치(100)의 가동으로 인한 배출가스는 배출덕트(110)를 통해 배출되다가 이송덕트(300)의 내부를 따라 이동된 후, 촉매반응탑(200)을 구성하는 케이싱(210)의 입구부(211)로 유입된다.
여기서, 상기 배기가스는 배출덕트(110)와 연결되는 이송덕트(300)의 일단부측에 설치된 배기가스 균일 분배수단(400)을 통과한 후에는 이송덕트(300)의 내부 전체에 걸쳐 난류 흐름이 아닌 균일, 즉 골고루 분포되는 상태로 분배되어 유동된다.
상기 배기가스 균일 분배수단(400)은, 상기 이송덕트(300)내에 배기가스의 흐름 방향과 직각이 방향으로 설치되는 플레이트(410)로 이루어지며, 이 플레이트(410) 전체에 걸쳐 분배공(411)들이 상호 동일한 간격으로 이격되게 관통 형성되도록 구성된다.
상기와 같은 배기가스 균일 분배수단(400)의 분배공(411)들로 인하여 배기가스가 플레이트(410)를 통과하게 되면, 그 흐름이 이송덕트(300)의 내부 전체에 걸쳐 골고루 분포되는 상태로 분배되어 유동될 수 있게 된다.
여기서, 이송덕트(300)의 내부 전체에 걸쳐 골고루 분포되는 상태로 분배되어 유동될 수 있도록 상기 분배공(411)의 직경은 3㎝~10㎝로 하며, 분배공(411)들이 플레이트(410)에 밀집된 상태로 형성하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 분배공(410)들간의 이격 간격은 대략 분배공(411)의 직경의 절반이 되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명은 배기가스 균일 분배수단(400)의 후단측 이송덕트(300;300a)의 내부에는 배기가스 감지센서(미도시)를 설치하여, 이 배기가스 감지센서(미도시)에 의해 배기가스가 유동되는 것을 감지하게 되면, 콘트롤러(미도시)는 펌프(170)와 순환 히터(500)가 구동되도록 제어 신호를 출력한다.
상기 펌프(170)는 콘트롤러(미도시)의 제어에 의해 구동되어 요소수 저장탱크(150)내의 요소수를 펌핑하여 순환 히터(500)를 구성하는 유입구(510)를 통해 순환 히터(500)의 수용 공간부(530)내로 수용되도록 한다. 이 수용 공간부(530)내에 수용된 요소수는 순환 히터(500)에 형성된 배출구(520)를 통해 펌핑 압력에 의해 분사수단(600)으로 이동하게 되며, 이후, 요소수는 분사수단(600)을 통해 배기가스 균일 분배수단(400)의 후류측의 배기가스 유동 영역에 해당되는 이송덕트(300;300a)내에 미립자 상태로 배기가스의 진행 방향과 동일한 방향으로 분사된다.
여기서, 순환 히터(500)는 콘트롤러(미도시)의 제어에 의해 펌프(170)와 동시 작동되는 것으로, 이 내부에 설치된 전극봉(540)에 외부에서 (+)전극이 인가되도록 외부에서 전원을 인가한다.
이렇게 되면, 순환 히터(500)의 수용 공간부(530)내에 수용되는 요소수는 자체적으로 (+)극성을 가진 상태로 공급되기 때문에 전극봉(540)을 통해 (+) 전극을 더 인가하게 되면, 요소수의 움직임은 보다 활발해진다.
상기와 같이, 요소수를 순환 히터(500)를 통과시켜 그 운동력을 보다 활발한 조건으로 만들어 분사수단(600)을 통해 미립자 상태로 배기가스 균일 분배수단(400)의 후류측의 배기가스 유동 영역에 해당되는 이송덕트(300)내에 배기가스의 진행 방향과 동일한 방향으로 분사하게 되면, 배기가스 균일 분배수단(400)을 통과한 후의 이송덕트(300) 내부 전체에 걸쳐 골고루 분포되는 상태로 분배되어 유동되는 배기가스와 매우 혼합이 잘 된다.
즉, 본 발명은 분사수단(600)을 통해 미립자 상태로 분사되는 요소수의 분사 위치를 배기가스 균일 분배수단(400) 후측 지점이 되도록 하여, 이송덕트(300) 내부 전체에 걸쳐 골고루 분포되는 상태로 분배되어 유동되는 배기가스와 매우 혼합이 잘 이루어지도록 한 것이다.
이와 같이, 본 발명을 구현하기 위해 본 출원인은 분사수단을 배기가스 균일 분배수단(400)의 후측 지점에 설치하는 구성 이외에, 미립자 상태의 요소수와 배기가스를 혼합하기 위한 다른 방법으로 배기가스를 와류 생성기등의 수단을 이용하여 난류화 상태의 조건으로 만들어준 다음 이 난류화 상태의 배기가스에 미립자 상태의 요소수를 분사하게 되면, 이송덕트내에서는 요소수가 배기가스가 상호 충분히 접촉하여 혼합되지 않음을 알 수 있었다.
즉, 와류 생성기에 의해 이송덕트내에서 생성되는 배기가스의 흐름이 소용돌이 형상의 난류 상태인 관계로 이송덕트의 내부 공간은 와류가 없는 부분과 있는 부분이 존재하게 된다. 따라서, 이송덕트내로 분사되는 요소수는 난류가 없는 부분과 있는 부분으로 분리되어 편중된다. 이로 인해 요소수와 배기가스가 상호 충분히 접촉하여 혼합되지 않게 된다.
한편, 본 발명은 전술한 바와 같이, 순환 히터(500)를 통과하면서 (+)이온 입자 움직임이 요소수 저장탱크(150)에서보다 활발하게 된 요소수를 분사수단(600)을 통해 미립자 상태로 분사되는 요소수의 분사 위치를 배기가스 균일 분배수단(400) 후측 지점(300a)이 되도록 하기 때문에, 이송덕트(300) 내부 전체에 걸쳐 골고루 분포되는 상태로 분배되어 유동되는 배기가스와 매우 혼합이 잘 이루어지게 됨과 아울러 후술하는 난류 형성수단(700)에서 요소수가 암모니아로 분해 반응되는 시간을 촉진시킬 수 있는 요인이 된다.
이후, 상기와 같이, 분사수단(600)을 통해 미립자 상태로 분사된 요소수는 배기가스 균일 분배수단(400)의 후류측에서 배기가스와 충분히 혼합된 상태된 후, 연소장치(100)에서 배출되는 배기가스의 유동력에 의해 난류 형성수단(700)을 통과하게 된다.
즉, 상기 난류 형성수단(700)을 통과하면서 미립자 상태의 요소수와 배기가스가 혼합된 혼합가스가 난류 상태가 되며, 이로 인해 미립자 상태의 요소수가 배기가스의 열로 인한 열적 분해 반응에 의해 다음의 화학식1과 같은 반응을 거쳐 암모니아로 분해되는 것이다.
[화학식1]
NH2CONH2 + H2O→NH4COONH2 + H2O→ 2NH3 + CO2 + H2O
본 발명에 의한 바람직한 난류 형성수단(700)은, 상기 이송덕트(300)내에 설치되는 외통체(710)와, 상기 외통체(710)의 내부 중심에 축방향으로 배치되는 회전축(740)과,상기 회전축(740)의 외주면에 방사상으로 돌출되어 상기 외통체(710)의 내면에 고정 설치되는 다수의 블레이드(750;750a,750b)로 이루어져, 상기 이송덕트(300)내에 일정 간격 이격되게 복수단으로 설치된다.
즉, 상기 난류 형성수단(700)을 이송덕트(300)에 일례로 일정 간격 이격되게 2단으로 설치한 경우에는, 두개의 난류 형성수단(700)중 어느 하나의 블레이 드(750;750a)와 나머지 하나의 블레이드(750a;750b)의 배치 각도를 서로 상이하게 설치하여, 각각의 난류 형성수단(700)에 의한 혼합가스의 난류 발생 방향 서로 달라지도록 구성하는 것이다.
예를 들어, 상기 블레이드(750a)들은 도 3에 도시된 바와 같이, 모두 회전축(740)에 비스듬히 경사지게 설치하는 것이고, 상기 블레이드(750b)들은 도 4에 도시된 바와 같이, 모두 회전축(740)에 상기 블레이드(750a)들과 다른 방향이 되게 비스듬히 경사지게 설치하는 것이다.
상기와 같이 블레이드(750;750a,750b)가 회전 내통체(730)와 함께 회전함에 따라 혼합가스는 난류 상태의 흐름이 되는 것이며, 이후 이송덕트(300)를 따라 연소장치(100)에서 배출되는 배기가스의 유동력에 의해 계속 이동하여 촉매반응탑(200)을 구성하는 케이싱(210)의 입구부(211)로 유입된 다음, 다단의 촉매층(220;220a,220b,220c)을 통과하면서 질소산화물이 저감 처리된 후, 촉매반응탑(200)을 구성하는 케이싱(210)의 출구부(211)를 통해 배출되는 것이다.
여기서, 상기 난류 형성수단(700)의 구성중 외통체(710)에 대해 회전 내통체(730)를 회전 가능하게 하는 수단인 베어링수단은 통상적인 수단으로 베어링을 사용할 수 있고, 외통체(710)와 회전 내통체(730)의 접촉면에 상호 접촉 마찰을 줄일 수 있는 기름등의 유체를 충진할 수 있음은 물론이다.
한편, 본 발명은 상기 난류 형성수단(700)에 의해 난류 상태의 불규칙한 유속 흐름을 갖는 암모니아와 배기가스의 혼합가스가 촉매반응탑(200)을 구성하는 케이싱(210)의 입구부(211)를 통해 유입된 후, 첫번째 촉매층을 통과하기 전에 상기 배기가스의 유속이 일정해지도록 하는 상기 케이싱(210)내에 유속 변경수단(900)을 설치한다.
본 발명의 바람직한 상기 유속 변경수단(900)으로, 상기 첫번째 촉매층(220a)과 상기 입구부(211) 사이의 케이싱(210)내에 상기 입구부(211)에 대응하여 수평으로 설치되되, 상기 입구부(211)를 통해 유입된 난류 상태의 혼합가스가 충돌됨에 따라 난류 상태의 흐름을 줄여주는 저항체(910)로 이루어지고, 상기 저항체(910)는 상기 입구부(211)를 통해 유입되어 충돌되는 배기가스중 일부가 통과하는 혼합가스 통과공(911)들이 일정한 간격으로 배열 형성되며, 상기 저항체(910)는 상기 입구부(211)를 통해 유입된 혼합가스중 나머지가 상기 케이싱(210)의 내측면과 상기 저항체(910)의 가장자리부 사이로 분기 유동되도록 상기 케이싱(210)의 내측면과 상기 저항체(910)의 가장자리 사이에는 바이패스 유로(B-P)가 형성되도록 상기 케이싱(210)내에 설치된다.
본 발명의 저항체(910)는 대략 판상으로 이루어지되, 혼합가스 통과공(911)을 가진 것이면 어떠한 구조이면 가능하나, 바람직한 실시예로는, 외면에 경사진 혼합가스 유도면(912a)을 가진 대략 "∧"자 형상의 단면을 갖는 종프레임(912)을 일정한 간격으로 배열한 다음, 외면에 경사진 혼합가스 유도면(913a)을 가진 대략 "∧"자 형상의 단면을 갖는 횡프레임(913)을 상기 종프레임(912)의 꼭지점에 해당되는 첨부(912b) 부분에 직교하도록 일정 간격으로 배치하여 이들을 용접등의 결합방법으로 결합하여 구성한 것이다.
즉, 종프레임(912)와 횡프레임(913)의 2단 적층 구조로 서로 교차하게 배치하게 되면, 이들 사이에는 전술한 혼합가스 통과공(911)이 형성되는 것이다.
여기서, 미설명 부호 914는 종프레임(912)과 횡프레임(913)으로 이루어진 저항체(910)를 케이싱(210)의 내부 공간에 설치하기 위한 연결 지지대이다.
그리고, 본 발명의 유속 변경수단(900)인 저항체(910)의 면적은 입구부(211)의 통로 면적의 대략 1.5~2배 정도, 즉, 입구부(211)의 통로 사이즈보다 크게 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 저항체(910)을 구성하는 종프레임(912)과 횡프레임(913)은 도 6에 도시된 바와 같이, 그 갯수에 한정되지 않고 상기 혼합가스 통과공(911)의 통로 크기가 작아지도록 함과 아울러 통과공(911)의 개수가 증가되도록 도 6에 도시된 개수보다 많은 수의 종프레임(912)과 횡프레임(913)을 사용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서 유속 변경수단(910)을 설치한 이유는, 난류 형성수단(700)에 의해 난류 상태의 불규칙한 유속 흐름을 갖는 암모니아와 배기가스의 혼합가스를 촉매반응탑(200)의 촉매층(220)을 통과하도록 하게 되면, 촉매반응탑(200) 전체에 유속 흐름이 불균일하여 혼합가스가 촉매층과의 반응이 원활하게 이루어지지 않게 되며, 결국에는 질소산화물의 저감 효율이 떨어지기 때문에 첫번째 촉매층(220a)을 통과하기 전의 난류 상태의 불규칙한 유속 흐름을 갖는 혼합가스의 유속을 일정하게 변경한다는 것이다.
즉, 첫번째 촉매층(220a)을 통과하기 전에 혼합가스의 유속이 일정하고, 그 흐름 상태를 규칙적이 되도록 변경하여 주면, 첫번째 촉매층(220a)과 고른 분포를 가지면서 접촉하기 때문에 촉매층(220a)과의 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
반면에, 상기 유속 변경수단(910)을 설치하지 않게 되면, 케이싱(210)의 상부 중앙에 돌출 형성된 입구부(211)를 통해 난류 상태로 유입되는 혼합가스는 바로 아래에 해당되는 첫번째 촉매층(220a)의 중앙 부분에만 집중되어 접촉 반응될 뿐 첫번째 촉매층(220a)의 중앙 부분을 제외한 가자자리 부분에는 도달하지 않게 될 뿐만 아니라 첫번째 촉매층(220a)과 입구부(211) 사이의 케이싱(210) 공간에는 혼합가스의 유속 흐름이 난류 상태인 유속이 불균일하게 된다.
따라서, 본 발명은 배기가스의 유속 흐름을 첫번째 촉매층(220a)과 입구부(211) 사이의 케이싱(210) 공간에서 어느 정도는 균일하게 되는 분위를 형성함과 아울러 첫번째 촉매층(220a) 전체에 걸쳐 고른 분포로 혼합가스가 접촉될 수 있도록 하는 것이다.
상기와 같이, 첫번째 촉매층(220a)과의 반응 효율이 증가되어 1차로 혼합가스중에 포함된 질소산화물의 저감 처리 효율이 증가되고, 그 아래의 단에 설치된 나머지 두개의 촉매층(220b)(220c)에서는 처리되지 않은 나머지 질소산화물과 반응하여 최종적으로 출구부(212)에서 배출되는 배기가스중에 포함된 질소산화물의 배출 농도를 저감시킬 수 있게 된다.
즉, 아래 화학식2 또는 화학식3과 같은 반응에 의해 질소산화물은 질소와 H2O로 환원되는 것이다.
[화학식2]
4N0 + 4NH3 + O2 →4N2 + 6H2O
[화학식3]
NO + N02 + 2NH3 →2N2 + 3H2O
이제까지는 설명한 본 발명은 환원제로 요소수를 사용한 것을 예로 들어 설명하였다.
그러나, 본 발명은 전술한 본 발명의 시스템의 구성을 전혀 변경하지 않고서도, 요소수 저장탱크(150)내에 저장되는 요소수 대신에 암모니아수를 저장하여, 암모니아수를 사용할 수 있다. 이와 같이 저장탱크(150)내에 암모니아수를 저장하여 사용하게 되면, 요소수->암모니아로 분해 반응되는 현상은 발생되지 않지 않지만 환원제로 요소수를 사용할때와 마찬가지로 질소산화물을 저감 처리 효율이 향상된다.
즉, 전술한 난류 발생수단(700) 영역을 통과하게 되면, 이후에는 요소수가 암모미나로 분해 반응되기 때문인 관계로, 이후부터는 환원제로 요소수를 사용할 때와 동일한 작용 효과를 발휘하게 되는 바, 설명을 생략하기로 한다.
한편, 본 발명의 실시예중 배기가스(100)과 연결되는 이송덕트(300)의 연결 부분(300b) 내부에는 힌지축을 매개로 회동 가능하게 설치되어 이송덕트(300)의 내부 유로를 개폐하도록 설치되는 제1 댐퍼(800)와, 일단부(810a)가 배기가스(100)와 이송덕트(300)의 연결 부분에서 분기되게 설치됨과 아울러 중간부(810b)에 케이싱(210)의 출구부(212)가 연통 가능하게 설치되는 분기 덕트(810)와, 상기 분기덕트(810)내에 이의 유로를 개폐하도록 힌지축을 매개로 회동 가능하게 설치되는 제2 댐퍼(820)와, 상기 케이싱(210)의 출구부(212) 말단부에 이의 유로를 개폐하도록 힌지축을 매개로 회동 가능하게 설치되는 제3 댐퍼(830)를 더 구비할 수 있다.
상기와 같은 구성을 더 구비하는 이유는 다음과 같다.
먼저, 배기가스가 정상적인 유동 경로, 즉 이송덕트(300)의 내부로 유동되도록 할 경우에는 제1 댐퍼(800)를 개방 작동시키고, 제2 댐퍼(820)를 폐쇄 작동시키고, 제3 댐퍼(830)를 개방작동시킨다.
그러나, 본 발명의 구성인 펌프(170)와 순환 히터(500)의 작동이 되지 않는 등 시스템이 정지되는 긴급 사항일 경우에는 연소장치(100)로부터 배출되는 배기가스가 이송덕트(300)의 내부로 유동되는 것을 차단하여야 하는 바, 제1 댐퍼(800)를 폐쇄 작동시키고, 제2 댐퍼(820)를 개방 작동시키고, 제3 댐퍼(830)를 폐쇄 작동시킨다.
그리고, 본 발명은 상기 분기덕트(810)의 후단 출구측에 후처리 수단인 배기가스를 집진하는 집진 설비(미도시)가 설치된다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템에 따르면, 요소수 또는 암모니아수를 환원제로 사용하여 촉매반응탑의 촉매층을 통과하기 전에 암모니아와 질소산화물이 충분히 혼합되도록 전 처리를 효과적으로 실시함으로써, 배기가스에 포함된 질소산화물의 저감 처리 효율을 최대한 높일 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 배출덕트를 통해 연소장치에서 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물이 저감되도록 처리하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물 처리 시스템에 있어서,
    요소수가 저장된 요소수 저장탱크와;
    상기 요소수 저장탱크내의 요소수를 강제로 펌핑하여 이송시키는 펌프와;
    상측 중앙에 설치된 입구부와 하측에 설치된 출구부를 갖는 케이싱과, 케이싱의 내부에 상하 방향으로 설치된 다수의 촉매층으로 이루어진 촉매반응탑과;
    상기 다단의 촉매층 사이로 고온 고압 상태의 증기를 분사하여 촉매에 있는 미세 분진을 세척하는 증기 분사수단과;
    일단부는 상기 배출덕트의 단부와 연통되도록 설치되고, 타단부는 상기 케이싱의 입구부와 연통되도록 설치되어 상기 배기가스를 상기 케이싱 내부로 안내하는 이송덕트와;
    상기 이송덕트의 일단부측 내에는, 상기 배기가스가 이송덕트내에서 균일하게 유동되도록 분배하는 배기가스 균일 분배수단과;
    상기 펌프에 펌핑되어 이송되는 요소수가 유입되는 유입구와, 유입된 요소수가 배출되는 배출구를 가지고, 내부에 상기 요소수가 일시 수용되는 수용 공간부를 가지며, 상기 수용 공간부내에 상기 요소수에 잠겨지도록 설치되어 외부로부터 (+)전극이 전기적으로 연결된 전극봉을 갖는 순환 히터와;
    상기 배기가스 균일 분배수단의 후류측의 배기가스 유동 영역에 해당되는 이 송덕트내로 상기 순환 히터의 배출구에서 배출되는 요소수를 미립자 상태로 상기 배기가스의 진행방향과 동일한 방향으로 분사하는 분사수단과;
    상기 분사수단의 후류측에 해당되는 이송덕트내에 설치되어 상기 배기가스 균일 분배수단을 지난 배기가스와 미립자 상태의 요소수를 난류 상태가 형성되도록 함과 아울러 요소수가 암모니아로 분해되도록 하는 난류 형성수단과;
    상기 난류 형성수단에 의해 난류 상태의 불규칙한 유속 흐름을 갖는 암모니아와 배기가스의 혼합가스가 상기 입구부를 통해 유입된 후, 첫번째 촉매층을 통과하기 전의 상기 케이싱내에 설치되어 상기 배기가스의 유속이 일정해지도록 하는 유속 변경수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템.
  2. 배출덕트를 통해 연소장치에서 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물이 저감되도록 처리하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물 처리 시스템에 있어서,
    암모니아수가 저장된 암모니아수 저장탱크와;
    상기 암모니아수 저장탱크내의 암모니아수를 강제로 펌핑하여 이송시키는 펌프와;
    상측에 설치된 입구부와 하측에 설치된 출구부를 갖는 케이싱과, 케이싱의 내부에 상하 방향으로 설치된 다수의 촉매층으로 이루어진 촉매반응탑과;
    상기 다단의 촉매층 사이로 고온 고압 상태의 증기를 분사하여 촉매에 있는 미세 분진을 세척하는 증기 분사수단과;
    일단부는 상기 배출덕트의 단부와 연통되도록 설치되고, 타단부는 상기 케이싱의 입구부와 연통되도록 설치되어 상기 배기가스를 상기 케이싱 내부로 안내하는 이송덕트와;
    상기 이송덕트의 일단부측 내에는, 상기 배기가스가 이송덕트내에서 균일하게 유동되도록 분배하는 배기가스 균일 분배수단과;
    상기 펌프에 펌핑되어 이송되는 암모니아수가 유입되는 유입구와, 유입된 암모니아수가 배출되는 배출구를 가지고, 내부에 상기 암모니아수가 일시 수용되는 수용 공간부를 가지며, 상기 수용 공간부내에 상기 암모니아수에 잠겨지도록 설치되어 외부로부터 (+)전극이 전기적으로 연결된 전극봉을 갖는 순환 히터와;
    상기 배기가스 균일 분배수단의 후류측의 배기가스 유동 영역에 해당되는 이송덕트내로 상기 순환 히터의 배출구에서 배출되는 암모니아수를 미립자 상태로 상기 배기가스의 진행 방향과 동일한 방향으로 분사하는 분사수단과;
    상기 분사수단의 후류측에 해당되는 이송덕트내에 설치되어 상기 배기가스 균일 분배수단을 지난 배기가스와 미립자 상태의 암모니아수를 난류 상태가 형성되도록 하는 난류 형성수단과;
    상기 난류 형성수단에 의해 난류 상태의 불규칙한 유속 흐름을 갖는 암모니아와 배기가스의 혼합가스가 상기 입구부를 통해 유입된 후, 첫번째 촉매층을 통과하기 전의 상기 케이싱내에 설치되어 상기 배기가스의 유속이 일정해지도록 하는 유속 변경수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배기가스 균일 분배수단은,
    상기 이송덕트내에 배기가스의 흐름 방향과 직각이 방향으로 설치되는 플레이트로 이루어지며,
    상기 플레이트 전체에 걸쳐 분배공들이 상호 동일한 간격으로 이격되게 관통 형성된 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 분배공의 직경은 3㎝~10㎝인 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 난류 형성수단은, 상기 이송덕트내에 설치되는 외통체와, 상기 외통체의 중심에 축방향으로 배치되는 회전축과,상기 회전축의 외주면에 방사상으로 돌출되어 상기 외통체의 내면에 고정 설치되는 다수의 블레이드로 이루어져, 상기 이송덕트내에 일정 간격 이격되게 복수단으로 설치된 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유속 변경수단은, 상기 첫번째 촉매층과 상기 입구부 사이의 케이싱내에 상기 입구부에 대응하여 수평으로 설치되되, 상기 입구부를 통해 유입된 혼합가스가 충돌되는 저항체로 이루어지고,
    상기 저항체는 상기 입구부를 통해 유입되어 충돌되는 혼합가스중 일부가 통과하는 혼합가스 통과공들이 일정한 간격으로 배열 형성되며,
    상기 저항체는 상기 입구부를 통해 유입된 혼합가스중 나머지가 상기 케이싱의 내측면과 상기 저항체의 가장자리부 사이로 분기 유동되도록 상기 케이싱의 내측면과 상기 저항체의 가장자리 사이에는 바이패스 유로가 형성되도록 상기 케이싱내에 설치되는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 처리 시스템.
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