KR100876161B1 - 질소산화물의 저감시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질소산화물을 저감하는 시스템에 관한 것으로, 특히 공장 또는 연소장치 등에서 배출되는 유해한 배출가스 중 일부인 질소산화물을 제거하기 위해 요소 혹은 암모니아 등의 환원제를 가스상으로 상전환시켜 배출가스에 함유된 질소산화물의 함유량에 따라 화학양론비에 따른 소정량으로 제공하여, 환원화학반응을 통하여 질소산화물이 무해한 질소로 전환되도록 되어 유해한 질소산화물의 배출량을 현격하게 줄이므로 대기환경오염을 미연에 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 더욱 효과적으로 질소산화물을 저감하기 위해서 선택적 촉매 환원법과 선택적 비촉매 환원법을 수단으로 하여 운행될 수 있는 시스템을 구축하고 있다. 이러한 시스템은 연소장치(예컨대 연소로)의 부하성능에 따라서 선택적으로 혹은 병행하여 질소산화물을 저감시킨다.

Description

질소산화물의 저감시스템 {Total NOx Control Process}

본 발명은 가스상의 환원제를 사용하여 질소산화물의 배출을 현저하게 줄일 수 있는 저감시스템에 관한 것으로, 특히 단순화된 시스템 설비를 통해서 연소장치의 부하성능에 기인하여 선택적 촉매 환원법 혹은 선택적 비촉매 환원법으로 질소산화물을 저감할 수 있도록 되어 있다.

일반적으로, 공장 혹은 연소장치 등에서 화석연료를 연소시켜 발생하는 생성물 중 유해배출가스인 질소산화물은 다양한 방식을 수단으로 하여 저감시켜 대기환경의 오염을 최대한 방지해야만 한다.

이와 같이, 현재 공지된 질소산화물의 대표적인 저감방법은 이미 기술된 바와 같이 선택적 촉매 환원법과 선택적 비촉매 환원법을 적용하고 있는 게 현실이다. 이러한 선택적 촉매 환원법과 선택적 비촉매 환원법은 널리 알려진 공지기술로서 이에 대해서 구체적인 상세한 설명은 피한다.

기본적으로, 선택적 촉매 환원법(SCR;Selective Catalytic Reduction)은 연 소장치의 하류에 암모니아 주입설비(AIG)를 통해 환원제인 암모니아를 공급하여 촉매반응탑에서 환원반응을 야기시켜 질소산화물을 저감하도록 되어 있다. 이러한 선택적 촉매 환원법은, 통상적으로 연소장치가 저부하(low load) 상태이거나 촉매반응탑으로 유입될 배출가스 온도가 낮으면 질소산화물의 반응이 현저하게 떨어지는 현상이 발생되어 그대로 배출가스와 함께 암모니아의 슬립현상이 생겨 후단 설비에 나쁜 영향이 야기될 수 있는 문제점을 갖고 있다.

이외에도, 선택적 비촉매 환원법(SNCR;Selective Non-Catalytic Reduction)은 연소장치 내로 암모니아수 혹은 요소수를 직접 분사하고 연소장치 내에서 화석연료의 연소를 통해 발생하는 질소산화물과 반응시켜 저감시킬 수 있도록 되어 있다. 이러한 선택적 비촉매 환원법은 기술된 바와 같이 액상의 암모니아와 요소수를 연소로 내부로 공급하도록 되어 있기 때문에, 환원제가 연소장치 내부로 분사되면서 물방울이 보일러 튜브와 접촉하게 되면 예상치 못한 대형사고를 유발시킬 수 있는 위험성을 항상 내포하고 있고, 실제로 일부 몇몇 기업에서는 이로 인한 큰 손해를 본 적도 있다.

또한, 선택적 비촉매 환원법을 적용한 시스템은 연소장치가 저부하일 경우에 고효율을 낼 수 있는 반면에 탈질률이 떨어지는 한계성을 갖는다.

이상과 같이, 선택적 촉매 환원법과 선택적 비촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템은 여러 문제점을 갖고 있으며, 이를 극복하기 위해서 본 발명은 가스상의 환원제를 사용하여 질소산화물을 저감할 수 있는 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 질소산화물(NO_X)을 저감하는 탈질시스템의 일종으로 다양한 환원제, 예컨대 암모니아(NH₃) 혹은 요소(NH₂CONH₂)를 증발분해장치를 통해 고온에서 분해 혹은 액상에서 가스상으로의 상변환을 야기하도록 한다. 연소장치가 저부하로 운행될 때에는, 가스상의 요소 분해가스 혹은 암모니아 증기를 연소장치의 고온영역(800~1,200℃) 구간에 직접 분사하여 사용할 수 있도록 본 발명은 설계되어 있어 시스템상의 안정성을 확보하면서 탈질시킬 수 있다. 반면에, 연소장치가 고부하로 운행될 때에도, 가스상의 요소 분해가스 혹은 암모니아 증기를 암모니아 주입설비에서 배출가스와 접촉시켜 탈질현상이 일어날 수 있도록 한다.

더욱 구체적으로, 본 발명은 요소(또는 요소수)를 화학식 1과 같이 열적가수분해를 통해 암모니아로 개질될 뿐만 아니라 화학식 2와 같이 열적분해반응을 증발분해장치에서 일어나도록 한다.

화학식 2와 같은 반응 후에는, 암모니아와 시아누르산이 생성된다. 생성물인 암모니아와 시아누르산은 여러 탈질설비(연소장치 내, 촉매반응탑)로 공급되어 질소산화물과 반응된다.

이상과 같이, 여러 반응메커니즘을 통해 가스상의 암모니아 환원제로 전환되어 질소산화물의 탈질반응을 고온의 반응기에서 일어나도록 한다. 이렇게 가스상의 환원제는 선택적 비촉매 환원법과 유사한 방법으로 연소장치에 직접 분사되어 화석연료의 연소로 발생하는 질소산화물과 아래의 화학식 3 또는 화학식 4의 반응을 통해 탈질될 수 있다.

또한, 더욱 효과적인 탈질을 위해서, 본 발명은 증발분해장치에서 만들어진 가스상의 환원제를 선택적 촉매 환원법과 유사한 방법으로 암모니아 주입설비(AIG)로 공급하고 촉매반응탑에서 추가적인 탈질을 야기할 수 있다.

이러한 화학식 3과 같이, 암모니아는 연소장치와 촉매반응탑 내에서 가수분 해되면서 질소산화물과의 반응이 야기되고, 이로 인해서 질소(N₂)와 물(H₂O)이 생성된다. 최종적으로 질소와 물이 굴뚝을 통해 배출되므로 대기환경의 오염원을 미연에 방지할 수 있는 효과를 갖는다.

추가로 화학식 2로 생성된 시아누르산은 위의 화학식 4와 같이 질소산화물과 반응을 유도할 수 있는바, 화학반응이 진행되면서 유해한 질소산화물을 질소와 이산화탄소(CO₂)와 같이 대기오염과 무관한 물질로 전환된다. 참고로, 이산화탄소의 발생량은 몇 ppm 미만이므로, 환경적 오염원으로써의 원인을 제공하기에는 극히 소량이다.

본 발명은 전술된 바와 같이 다양한 종류의 환원제를 고온의 증발분해장치에서 가스상으로 그리고 암모니아로 전환시키는 것을 특징으로 한다. 특히, 증발분해장치의 온도를 일정한 고온으로 유지하도록 암모니아 주입설비의 하류로 배출될 연도가스를 증발분해장치로 재순환시켜 비용의 절감효과를 창출할 수도 있다. 덧붙여서, 증발분해장치의 열공급을 위해서 재순환되는 연도가스는 연소장치로 분사공급되어 질소산화물의 저감을 돕는 역활을 수행하는데, 이러한 사실은 당해분야의 숙련자들에게 이미 널리 공지되어져 있기 때문에 상세한 설명을 배제한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 액상의 환원제를 대신하여 가스상의 환원제를 사용함으로써 선택적 비촉매 환원법에 따라 환원제를 연소장치 내로 공급하여도 물방울과 같은 액상물질이 버너에 악영향을 끼치지 못하여 시스템의 효율과 사용수명의 연장뿐만 아니라 안정성을 더욱 확보할 수 있는 장점을 제공한다.

또한, 본 발명은 연소장치 내의 부하상태와 이의 온도 등을 고려하여 선택적 촉매 환원법 혹은 선택적 비촉매 환원법을 선택적으로 혹은 병행하여 시스템을 운영할 수 있어 더욱 효과적으로 상황에 대처하면서 질소산화물을 저감할 수 있다. 추가로, 연소장치를 통해 일차로 탈질된 배출가스를 분해조로 재순환시켜 배출가스를 열원으로 사용함과 동시에 이 배출가스를 통해 탈질반응을 돕는다.

이와 더불어서, 본 발명은 고온 상태의 증발분해장치를 통해서 환원제, 예컨대 요소를 요소의 분해가스인 암모니아로의 전환을 현격하게 빨리 진행시킬 수 있다. 이러한 증발분해장치를 수단으로 하여 시스템 내에서 발생하는 질소산화물의 함유량에 따라서 시의 적절하게 화학양론비적으로 제공되어 원활하게 질소산화물과의 환원반응을 돕는다.

이제, 첨부도면을 참조로 하여서 본 발명에 대한 설명을 한다.

도 1은 본 발명에 따른 질소산화물의 저감시스템을 개략적으로 도시한 공정 도이다.

본 발명의 탈질시스템은 요소수, 암모니아수, 암모니아, 요소 등을 저장하는 저장조(1)와, 저장조(1)에서 공급된 재료를 고온처리하는 증발분해장치(2), 화석연료를 연소시키는 연소장치(3), 증발분해장치(2)로부터 배출된 가스상의 암모니아 또는 요수 분해가스를 배출가스에 함유된 질소산화물과의 접촉을 유도·촉진시키는 암모니아 주입설비(4,ammonia injection grid;이하 AIG), 촉매반응탑(5), 예열기(8) 및, 재순환공급팬(10)으로 구성되어져 있다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 탈질시스템은 그 작동순서에 따라 기술적 설명을 아래에서 한다.

저장조(1)는 환원제의 유동성을 향상시키고 안정성 확보를 위해서 통상적으로 액상의 요소수를 수용하고 있으나, 다양한 상태의 환원제를 수용할 수 있다. 이렇게 수용된 요소수는 증발분해장치(2)로 공급된다. 특히, 요소수는 요소로부터 암모니아로의 전환이 매우 빠르고, 암모니아를 직접 환원제로 사용할 때에 수반되었던 운전 및 설비의 취급자가 독극물 취급에 따른 위험성을 제거할 수 있다.

특별하기로, 본 발명의 증발분해장치(2)는 액상의 요소수 또는 암모니아를 공급받은 후에 이러한 요소를 열적가수분해반응(화학식 1 참조)과 열적분해반응(화학식 2 참조)으로 요소수가 암모니아와 시아누르산으로 전환된다. 이러한 열적분해반응을 실현하기 위해서는 증발분해장치(2)는 상당한 고온의 열을 필요로 한다.

다시 말하자면, 증발분해장치(2)는 고온의 열을 이용하여 액상의 요소수 등을 요소의 분해가스인 가스상의 암모니아와 같은 환원제로 상변환시킨다. 이러한 상변환과정을 위해서, 필요한 열은 기존 설비를 적극적으로 이용하여 에너지 비용절감을 실현하도록 연소장치(3)의 하류로 뻗어 있는 고온의 배출가스 이송관의 일부를 증발분해장치(2)까지 길이연장시켜 배출가스를 증발분해장치(2)의 열원으로 사용할 수 있다.

증발분해장치(2)에서 생성된 가스상 환원제는 개량공급모듈(chemical metering pumps module;도시되지 않음)을 사용하여 연소장치(3) 혹은 AIG(4)로 공급된다.

가스상 환원제는 탈질시스템의 구동여건에 따라서 연소장치(3) 또는 AIG(4)를 선별하여 공급되는바, 예컨대, 연소장치(3)가 통상적으로 저부하 상태에서 작동되면 가스상 환원제는 우선 연소장치(3)로 공급한다. 물론, 가스상 환원제는 이미 기술되었듯이 연소장치(3)에서 만들어지는 질소산화물의 발생량에 따라서 개량공급모듈을 수단으로 하여 화학양론비적으로 공급된다. 한편, 연소장치(3)가 고부하 상태에서 작동되면 가스상 환원제는 연소장치(3)를 대신하여 AIG(4)로 공급된다. 더욱 바람직하기로, 연소장치(3)에 질소산화물을 저감하고 그 후단으로 유동하는 질소산화물을 추가로 저감하기 위해서 각 부재들에 잔존하고 있는 질소산화물의 발생량에 근거하여 개량공급모듈로써 연소장치(3)와 AIG(4)에 가스상 환원제를 동시에 공급할 수도 있다. 일반적으로, 선택적 비촉매 환원법에 따라 가스상 환원제를 연소장치(3)로 공급함으로써, 기존 방식과 같이 액상의 환원제를 연소장치 내로 분무시키지 않아도 되므로 사고의 위험을 사전에 제거할 수 있을 뿐만 아니라 저부하 상황에서도 고효율을 낼 수 있다. 선택적 촉매 환원법에 따라 가스상 환원제를 AIG(4)로 공급함으로써, 선택적 촉매 환원법의 장점인 질소산화물의 탈질률을 높일 수 있다. 본 발명은 이러한 특징들을 모두 갖추고 있어, 과도한 질소산화물의 저감운전을 할 때나 연소장치 내에서 부하변동이 일어나도, 외부로 암모니아 슬립 발생이 줄어들게 되고 예열기의 막힘 현상이 현저하게 줄어든다.

여기서, "저부하"라는 용어는 당해분야의 숙련자들에게는 별도의 설명을 필요로 하지 않으나, 통상적으로 연소장치의 최대연속운전용량(MCR Load) 중 20~70% 운전부하 사이로 작동하는 경우 또는 연소장치의 출구 배출가스의 온도가 300℃ 이하로 작동하는 경우를 칭한다. 이에 반해서, "고부하"라함은 연소장치의 최대연속운전용량 중 60~70% 이상 최대연속운전용량까지 작동하는 경우를 칭한다.

즉 연소장치(3)의 출구 배출가스 온도가 300℃ 이상으로 작동하여 연소장치(3) 내부에 가스상 환원제를 공급하여도 탈질률이 떨어질 때에는, 선택적 촉매 환원법과 동일한 방식으로 증발분해장치(2)에서 가스상 환원제를 AIG(4)로 공급한다. AIG(4)는 환원제인 가스상 암모니아와 배출가스를 충분히 혼합된 희박한 혼합가스로 만들어 촉매반응탑(5)에서 반응토록 한다.

연소장치(3)와 AIG(4)를 통과한 다음에, 배출가스(질소산화물)와 가스상 환원제는 촉매반응탑(5)에서 이미 기술된 화학식을 통해서 탈질반응을 일으킨다. 완전하게 질소산화물이 제거된 다음에, 고온의 배출가스는 예열기(8)를 지나 굴뚝(9)으로 배기되는 한편, 예열기(8)에서 고온의 열을 공급받아 널리 알려져 있듯이 연소장치(3)의 열원으로 사용할 수도 있다.

연소장치(3)와 촉매반응탑(5)을 통해, 본 발명은 최대 2번의 탈질반응을 야 기시킬 수 있어서 더욱 효과적으로 청정한 대기환경을 만들 수 있다.

바람직하기로, 증발분해장치(2)은 재순환공급팬(10)을 수단으로 하여 배출가스 이송관을 따라 이동하는 배출가스의 열원을 증발분해장치로 공급하여 사용하며, 이러한 배출가스는 열원 이외에도 다시 시스템의 질소산화물과 반응하여 탈질을 돕는 매개물로 작용한다.

본 발명은 첨부도면과 명세서에 기술된 실시예로 국한되지 않고 아래의 청구범위의 범주와 범위 내에서 변경 혹은 변형될 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 질소산화물의 저감시스템을 개략적으로 도시한 공정도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 ----- 저장조,

2 ----- 증발분해장치,

3 ----- 연소장치,

4 ----- 암모니아 주입설비(AIG),

5 ----- 촉매반응탑,

8 ----- 예열기,

9 ----- 굴뚝,

10 ----- 재순환공급팬.

Claims (3)

1. 저장조(1)에 저장보관된 환원제를 개질시켜 상기 연소장치(3) 또는 암모니아 주입설비(4; 이하 AIG)를 통해 촉매반응탑(5)으로 공급하여 연소에 의해 연소장치(3)에서 배출된 질소산화물을 저감하는 탈질시스템에 있어서,

   상기 저장조(1)에서 공급된 환원제를 고온의 가스상으로 변환 및 분해하여, 이 고온의 가스상 환원제를 상기 연소장치(3) 또는 AIG(4)에 분배공급하는 증발분해장치(2)와;

   상기 증발분해장치(2)로 일부 고온의 배출가스를 열원으로 공급할 수 있도록 하는 재순환공급팬(10);을 구비하는 것을 특징으로 하는 질소산화물의 저감시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 증발분해장치(2)는 개량공급모듈을 추가로 구비하여, 가스상 환원제를 연소장치(3) 또는 AIG(4)에 질소산화물의 발생량에 따라 선별적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 질소산화물의 저감시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 재순환공급팬(10)은 AIG(4) 하류에 위치되어 고온의 폐온도가스를 증발분해장치로 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 질소산화물의 저감시스템.

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