KR100963910B1

KR100963910B1 - 축열식 배출가스탈질장치

Info

Publication number: KR100963910B1
Application number: KR1020080008568A
Authority: KR
Inventors: 이수태; 김진영; 송옥렬; 최원석
Original assignee: 주식회사 파나시아
Priority date: 2008-01-28
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2010-06-17
Also published as: KR20090082669A

Abstract

본 발명은 축열식 배출가스탈질장치에 관한 것으로서, 상세하게는 질소산화물을 탈질함에 있어 선택적촉매환원법의 환원제인 암모니아를 배출가스에 제공하기 위하여 내부에 축열재가 설치되어 배출가스에 의하여 축열되어 공기를 가열시킬 수 있도록 형성된 제1축열챔버와 제2축열챔버를 포함한 축열부를 형성하여 축열과 가열을 교대로 반복함에 의하여 배출가스의 폐열을 이용한 가열된 공기에 의하여 요소수를 암모니아로 변환할 수 있어 운전비용을 절감할 수 있도록 하는 축열식 배출가스탈질장치에 관한 것이다.

축열부, 기화부, 선택적 촉매환원법,

Description

축열식 배출가스탈질장치{accumulated Exhaust Gas Denitrifing Device}

화석연료를 연소하여 열원 및 동력을 얻는 과정을 통해 배출되는 배출가스 내에는 불가피하게 광스모그, 산성비 및 호흡기 질환의 원인물질로 밝혀진 NOx성분(질소산화물)이 포함되어 있어, 최근 이러한 NOx성분 배출규제에 대응하여 암모니아를 환원제로 하여 NOx성분이 인체에 영향을 미치지 않도록 질소와 물로 분해하는 선택적촉매환원법(selective catalytic reduction)이 다양하게 사용되고 있다.

종래의 배출가스 탈질장치는, 저장탱크 속에 용해된 암모니아수를 환원제로 하여 배기가스 중의 NOx성분을 탈질시키는 선택적촉매환원법을 사용하였다. 그러 나, 암모니아는 자극적인 냄새와 함께 독성을 지니기 때문에, 인체에 유해한 물질로 분류되고 있고, 이와 같은 암모니아를 사용하는 종래의 장치는, 암모니아의 관리를 위하여 고압가스압력용기를 저장탱크로 사용하고, 암모니아의 누설 여부를 검지하는 암모니아 디텍터, 누설된 암모니아를 세정하는 저장탱크 샤우어, 저장탱크에서 발생되는 가스를 물에 용해시켜 폐수와 함께 처리하는 탱크와 같은 암모니아 처리안전설비를 추가로 구비하여야 하기 때문에 설비를 구축함에 있어 높은 기술력을 요구할 뿐만 아니라 높은 비용과 많은 시간이 소요되며, 무엇보다도 누설시에는 인체에 유해한 영향을 미친다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래의 탈질장치는 암모니아수를 사용하지 않고 저장탱크 속에 용해된 요소수를 사용하여 상기 요소수를 분사노즐을 통하여 배출가스의 흐름에 분사하고 고온의 배출가스의 열량에 의해 요소수를 기상의 암모니아로 변화시킨 후에 반응기 내부의 촉매를 이용해 NOx성분을 탈질시켜 최적의 탈질효율을 얻고 NOx성분이나 암모니아로 인한 환경오염을 효율적으로 방지한다.

그러나, 액상의 요소수를 고온의 배출가스에서 기체상태의 암모니아로 기화시키기 위하여 분사노즐을 이용하여 분무를 하면, 분사노즐의 분사 비거리와, 배출가스에 분사된 요소수가 배출가스의 열량에 의해 기체 상태의 암모니아로 변화될 수 있는 충분한 시간이 필요하여 반응챔버의 길이가 길어지게 되는 문제와, 액상의 환원제가 배출가스의 열량을 받아 기체상태의 암모니아로 변화된 후에 배출가스와 균일하게 혼합될 때까지의 시간을 고려하면 반응챔버의 길이는 더욱 길어지게 되어 종래의 배출가스 탈질장치의 설치공간이 넓어지는 문제가 여전히 있다.

또한, 종래의 배출가스 탈질장치에 있어서, 외부의 열원에 의하여 요소수를 암모니아로 변환시키기 위한 열량을 제공하나 운전비용이 증가하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 질소산화물을 탈질함에 있어 선택적촉매환원법의 환원제인 암모니아를 배출가스에 제공하기 위하여 내부에 축열재가 설치되어 배출가스에 의하여 축열되어 공기를 가열시킬 수 있도록 형성된 제1축열챔버와 제2축열챔버를 포함한 축열부를 형성하여 축열과 가열을 교대로 반복함에 의하여 배출가스의 폐열을 이용한 가열된 공기에 의하여 요소수를 암모니아로 변환할 수 있어 운전비용을 절감할 수 있도록 하는 축열식 배출가스탈질장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 배출가스의 메인스트림(main stream)이 흐르는 배출부의 일측에 배출가스의 사이드스트림(side stream)이 흐를 수 있도록 사이드스트림관을 형성하여 배출가스의 유량이 적어지므로 적은 양의 축열재로 과부하가 걸리지 않게 축열을 시킬 수 있어 제1축열챔버와 제2축열챔버의 크기가 축소되게 되고 이로 인해 전체적인 탈질장치의 크기를 축소할 수 있도록 하는 축열식 배출가스탈질장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 사이드스트림관의 일단이 배기부의 일측과 연통되도록 형성하여 사이드스트림관을 통하여 유입된 배출가스로 축열부에서 열을 축적한 후에 다시 배출가스의 메인스트림(main stream)으로 흐를 수 있도록 하여 축열 후의 배출가스를 회수하여 환경에 저해되지 않도록 하는 축열식 배출가스탈질장치를 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 축열식 배출가스탈질장치는 다음과 같은 구성을 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 본 발명에 따른 축열식 배출가스탈질장치는, 공기가 유입될 수 있도록 형성된 공기공급부와, 배출가스를 공급하는 배출가스공급부와, 상기 배출가스공급부로 유입된 배출가스에 의하여 가열되어 상기 공기공급부에서 유입된 공기를 가열할 수 있도록 형성된 축열부를 포함하며, 상기 축열부는, 내부에 축열재가 설치되어 배출가스에 의하여 축열되어 공기를 가열시킬 수 있도록 형성된 제1축열챔버와 제2축열챔버를 추가로 포함하여, 폐열을 회수하여 요소수를 암모니아로 변환할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 본 발명에 따른 축열식 배출가스탈질장치에 있어서, 상기 배출가스공급부는, 설비의 크기를 줄일 수 있도록 배출가스가 배출되는 배출부의 일측과 연통되어 형성된 사이드스트림관을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 본 발명에 따른 축열식 배출가스탈질장치에 있어서, 상기 사이드스트림관은, 상기 제1축열챔버와 상기 제2축열챔버를 관통하여 일단이 상기 배출부와 연통되도록 형성되어 축열 후에 배출가스를 다시 회수할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 본 발명에 따른 축열식 배출가스탈질장치에 있어서, 상기 축열식 배출가스탈질장치는, 상기 축열부에서 가열된 공기에 의하여 요소수를 암모니아로 변환할 수 있도록 형성된 기화챔버를 포함하는 기화부와, 상기 기화챔버의 일단에 연결되어 기체상태의 암모니아를 분사하는 분사부와, 상기 분사부로부터 주입된 기체상태의 암모니아가 배출가스와 혼합되어 혼합가스를 형성하는 반응챔버와, 촉매를 탑재하고 있으며 상기 반응챔버에서 유입된 혼합가스 중 질소산화물은 상기 촉매에서 탈질반응을 통해 질소로 변환되는 화학반응이 일어나는 반응기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 본 발명에 따른 축열식 배출가스탈질장치에 있어서, 상기 공기공급부는, 상기 제1축열챔버와 상기 제2축열챔버를 관통하여 일단이 상기 기화챔버의 일측과 연통되도록 형성된 공기유입로를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 본 발명에 따른 축열식 배출가스탈질장치는, 상기 제1축열챔버와 상기 제2축열챔버 중에 어느 하나의 챔버에서 사이드스트림에 의하여 축열되는 사이에 상기 제1축열챔버와 상기 제2축열챔버 중 어느 하나의 챔버에서 공기로 열전달이 각각 교대로 이루어지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 앞서 본 실시 예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은, 질소산화물을 탈질함에 있어 선택적촉매환원법의 환원제인 암모니아를 배출가스에 제공하기 위하여 내부에 축열재가 설치되어 배출가스에 의하여 축열되어 공기를 가열시킬 수 있도록 형성된 제1축열챔버와 제2축열챔버를 포함한 축열부를 형성하여 축열과 가열을 교대로 반복함에 의하여 배출가스의 폐열을 이용한 가열된 공기에 의하여 요소수를 암모니아로 변환할 수 있어 운전비용을 절감할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

본 발명은, 배출가스의 메인스트림(main stream)이 흐르는 배출부의 일측에 배출가스의 사이드스트림(side stream)이 흐를 수 있도록 사이드스트림관을 형성하여 배출가스의 유량이 적어지므로 적은 양의 축열재로 과부하가 걸리지 않게 축열을 시킬 수 있어 제1축열챔버와 제2축열챔버의 크기가 축소되게 되고 이로 인해 전체적인 탈질장치의 크기를 축소할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

본 발명은, 사이드스트림관의 일단이 배기부의 일측과 연통되도록 형성하여 사이드스트림관을 통하여 유입된 배출가스로 축열부에서 열을 축적한 후에 다시 배출가스의 메인스트림(main stream)으로 흐를 수 있도록 하여 축열 후의 배출가스를 회수하여 환경에 저해되지 않도록 하는 효과를 제공한다.

이하에서는 본 발명에 따른 축열식 배출가스 탈질장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 축열식 배출가스탈질장치의 구성도, 도 2는 본 발명의 축열부를 상세하게 설명하기 위한 구성확대도이다.

도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 축열식 배출가스 탈질장치(10)는 배출부(9), 공기공급부(1), 배출가스공급부(2), 축열부(3), 요소수공 급부(4), 기화부(5), 분사부(6), 반응챔버(7), 반응기(8)를 포함할 수 있다.

상기 배출부(9)는 배출가스의 메인스트림(main stream)이 흐르도록 관 등과 같이 다양하게 형성되는 것이고, 상기 메인스트림은 상기 배출부(9)를 흐르는 질소산화물이 포함된 배출가스의 주 흐름 등을 지칭하는 것으로 설명하기로 한다. 상기 배출부(9)는 탈질이 필요한 가스 또는 유체를 배출하는 중소형열병합발전용 LNG가스배출부나 화력발전을 위한 엔진 등이 사용될 수 있고, 질소산화물을 포함한 가스 또는 유체를 배출하는 다양한 처리가스발생원이 사용될 수 있다. 한편, 이러한 처리가스발생원인 상기 배출부(9)는 작동상태에 따른 부하량에 따라 배출되는 가스 또는 유체에 포함되는 질소산화물량이 정하여져 있고, 예컨대 RPM, 전류량, 출구온도 등에 의해 상기 배출부(9)의 부하량을 판단하여 배출되는 가스 또는 유체의 질소산화물량을 알 수 있도록 상기 배출부(9)의 제조사와 종류에 따라 테이블화 되어 있다.

상기 공기공급부(1)는, 외부의 공기를 하기에 설명할 축열부(3)에서 열을 공급받아 하기에 설명할 기화부(5)로 유입될 수 있도록 하며, 송풍기(11), 공기량제어밸브(13)를 포함할 수 있다.

상기 송풍기(11)는, 외부공기를 공기유입로(12)를 통하여 하기에 설명할 기화부(5)로 불어넣어 주며 상기 송풍기(11)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적으로 사용되는 구성이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 공기량제어밸브(13)는 상기 송풍기(11)의 출구단과 연결되어 공기량의 공급량을 조절하는 장치이며 버터플라이 타입인 연안밸브 "YADB-122E1"모델이 사용 될 수 있다. 한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 공기량제어밸브(13)는 센서에 의하여 신호를 받아 공기량의 공급을 조절할 수도 있다.

한편, 도면에 도시되지는 않았지만, 본 발명은 공기필터를 추가로 포함할 수 있다. 상기 공기필터는 일측이 상기 송풍기(11)의 출구단과 연결되어 공기 중에 함유된 이물질을 필터링하는 장치로서, 크기 289 X 129.5 X 163, 사용압력 0.5 ~ 8.5 bar, 사용온도 0 ~ 60 ℃, 여과도 5 ㎛를 가진 PAKER사의 "PARKER AU421-15"모델이 사용될 수 있다. 한편, 본 발명의 공기공급부(1)는 상기 송풍기로부터 공급되는 공기량을 측정하는 공기량측량기를 추가로 포함하는 것을 배제하는 것은 아니다.

상기 배출가스공급부(2)는 상기 배출가스의 사이드스트림(side stream)이 흘러 하기에 설명할 축열부(3)에 열을 전달하는 것으로서, 사이드스트림관(21)을 포함할 수 있다.

상기 사이드스트림관(21)은 배출가스의 메인스트림이 흐르는 배출부(9)의 일측에 배출가스의 사이드스트림이 흐를 수 있도록 관 등과 같이 다양하게 형성되는 것이고, 상기 사이드스트림(side stream)은 상기 사이드스트림관(21)을 흐르는 질소산화물이 포함된 배출가스의 부 흐름 등을 지칭하는 것으로 설명하기로 한다. 상기 사이드스트림관(21)의 일단은 상기 배출부(9)의 일측과 연통되도록 형성되어 하기에 설명할 제1축열챔버(31)와 제2축열챔버(32)를 관통하면서 사이드스트림에 의하여 축열재에 열을 축적시키게 된다. 상기 사이드스트림관(21)을 형성하여 하기에 설명할 제1축열챔버(31)와 제2축열챔버(32)를 통과하는 배출가스의 양이 줄어들게 되므로 적은 양의 축열재로 과부하가 걸리지 않게 축열을 시킬 수 있으므로 제1축 열챔버(31)와 제2축열챔버(32)의 크기가 축소되게 되고 이로 인해 전체적인 축열식 배출가스탈질장치(10)의 크기를 축소할 수 있게 된다.

한편, 상기 사이드스트림관(21)의 타단은 하기에 설명할 제1축열챔버(31)와 제2축열챔버(32)를 관통하여 상기 배출부(9)의 일측과 연통되도록 형성되어 축열 후에 사이드스트림의 배출가스를 다시 회수하여 배출가스의 폐열을 이용한 열원에 의하여 에너지를 절감할 뿐만 아니라 환경에 저해되지 않도록 하게 된다.

상기 축열부(3)는 상기 사이드스트림관(21)에 의하여 유입된 배출가스에 의하여 가열되어 상기 공기유입로(12)에서 유입된 공기를 가열할 수 있도록 하는 것으로서, 제1축열챔버(31)와 제2축열챔버(32)를 추가로 포함할 수 있고, 상기 제1축열챔버(31)와 상기 제2축열챔버(32)의 구성과 작동관계는 유사하므로 이하에서 제1축열챔버(31)의 구성을 위주로 설명한다.

상기 제1축열챔버(31)는 상기 사이드스트림관(21)과 상기 공기유입로(12)가 관통될 수 있도록 형성되며, 내부에 축열재가 탑재되어 상기 사이드스트림관(21)으로 유입되는 사이드스트림으로부터 폐열을 회수하고 상기 공기유입로(12)가 유입되는 공기를 예열하게 된다.

상기 축열재는 본 발명에서 특별히 한정하는 것은 아니나, 바람직하게는 세라믹으로 형성되는 것이 적합하다. 상기 세라믹은 내구성 및 내열성 측면에서 우수하고, 최고 사용온도가 950℃로 매우 높고 열 회수율이 98% 정도로 우수하다. 세라믹의 형태로는 바람직하게는, 열팽창계수가 작을 뿐만 아니라 열에 대한 탄성이 뛰어나 변형이 작을 수 있는 하니콤(honeycomb)타입의 세라믹이 적합하다. 또한, 상 기 세라믹은 내부가 작은 셀들로 이루어져 있고 셀들은 직관구조로 되어 있도록 형성함으로 인해 열전도도가 공기에 비해 30~100배 정도 크고 800~1000m²/m³의 큰 비표면적을 가지고 있어 상기 사이드스트림관으로 유입된 사이드스트림과 접촉시 열 회수 효율을 극대화할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명에 채용된 축열부의 제1사이클의 사용상태도, 도 4는 본 발명에 채용된 축열부의 제2사이클의 사용상태도이다. 한편, 본 발명에 이용되는 하기에 언급되는 유입밸브(121), 배출밸브(122), 가스유입밸브(22), 가스배출밸브(23)는 3개의 유로의 개폐를 조절할 수 있는 밸브로서 그 구성 및 작동관계는 본 발명이 속하는 당업자에게 공지된 구성이므로 그 구성 및 작동관계의 상세한 설명은 생략한다.

상기 축열부에서 축열되어 공기를 가열하는 방식은 도 3에 도시된 바와 같이, 사이드스트림이 사이드스트림관(21)으로 유입되어 가스유입밸브(22)에 의하여 제1축열챔버(31)를 관통한 후에 가스배출밸브(23)에 의하여 메인스트림으로 합류(도 3의 A 방향 참조)하는 과정에서 사이드스트림으로부터 상기 제1축열챔버(31)의 축열재가 열을 회수하게 된다. 이와 동시에, 공기유입로(12)로 유입된 공기는 유입밸브(121)에 의하여 제2축열챔버(32)를 관통한 후에 열전달을 받은 후 배출밸브(122)를 통하여 하기에 설명할 기화기로 유출(도 3의 B 방향 참조)되도록 하는 제1사이클과, 상기 제1사이클이 소정시간 바람직하게는, 상기 제1축열챔버(31)의 축열제가 열을 받아 요소수를 암모니아로 변환시킬 수 있는 온도로 공기를 가열하 기 위하여 60초~120초 동안 진행된 후에, 도 4에 도시된 바와 같이, 유입밸브(121), 배출밸브(122), 가스유입밸브(22), 가스배출밸브(23)를 절환시켜 사이드스트림과 공기의 유로를 변경하여 공기는 제1축열챔버(31)를 관통하면서 축열제에서 열전달을 받아 가열이 된 후에 하기에 설명할 기화기로 유출(도 4의 D 방향 참조)되고, 이와 동시에 사이드스트림이 제2축열챔버(32)를 관통한 후에 메인스트림으로 합류(도 4의 C 방향 참조)하는 과정에서 사이드스트림으로부터 상기 제2축열챔버(32)의 축열재가 열을 회수하는 제2사이클로 전환되는 운전방식을 계속 반복하여 이용하게 된다. 즉 제1축열챔버(31)과 제2축열챔버(32)에서 교대로 가열이 됨과 동시에 축열이 이루어지게 되어 폐열을 효과적으로 이용하게 되어 운전비용을 절감할 수 있게 된다.

상기 요소수공급부(4)는 요소수를 요소수유입로(42)를 통하여 하기에 설명할 기화부(5)로 공급하고, 저장탱크(41), 요소수량제어밸브(43), 요소수분사노즐(46)을 포함한다.

상기 저장탱크(41)는 요소수를 저장하는 탱크로서 원통형, 직육면체형 등과 같은 다양한 형상으로 그리고 SUS304, SPV400과 같은 다양한 재질로 제작될 수 있으며, 요소수 함유용량 또는 그 크기는 운전시간에 따라 다양하게 설계될 수 있다.

상기 요소수량제어밸브(43)는 일측이 상기 저장탱크(21)의 출구단과 연결되고 타측이 하기에 설명할 요소수분사노즐(26)에 연결되어 하기에 설명할 온도조절부(7)의 신호를 받아서 요소수분사노즐(26)에 공급하는 요소수의 공급량을 조절하는 장치로서, 예컨대, 유량범위 5.7 ~ 85 liter/min이고 SCS13(Body), SUS316(TRIM) 재질로 제작된 대림종합유량계(연안밸브)의 "YAD-12211(1/2")"모델이 사용될 수 있다.

상기 요소수분사노즐(46)은 요소수가 흐르는 요소수유입로(23)의 일단에 형성되어 하기에 설명할 기화부(51)에 요소수를 분사하는 장치로서, 하기에 설명할 기화챔버(51)의 일정위치, 바람직하게는 요소수와 가열된 공기간의 열전달이 되는 면적을 넓히기 위하여 기화챔버의 상측에 형성되는 것이 적합하다. 상기 요소수분사노즐은 예컨대 분사량 33 liter/hr, 재질 SUS304로 이루어진 Spraying Systems Co., Korea사(www.spray.co.kr)의 "광각원형분사(setup번호 : 26)"모델이 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 요소수공급부(4)는 요소수량측정기를 추가로 포함할 수 있다. 상기 요소수량측정기는 일측이 상기 저장탱크(41)의 출구단에 연결되고 타측이 상기 요소수량제어밸브(43)에 연결되며, 상기 저장탱크(41)에서 유출되는 요소수의 유량을 측정하는 장치이다. 상기 요소수량측정기는 시중에 많이 시판되고 있으며, 예컨대 유량범위 5.7~85 liter/min이고 TURBINE Type인 대림종합계기연안밸브 (www.pdflowmeter.co.kr)의 "FM4-8N3CFA3G"모델이 사용될 수 있다. 한편, 요소수분사노즐(46)이 훼손된 경우에 보수 또는 교환을 쉽게 할 수 있도록 상기 요소수유입로(42)는, 상기 요소수유입로(42)의 일정위치에 탈부착이 가능한 밸브를 추가하는 등의 다양한 방법으로 형성되는 것을 배제하는 것은 아니다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 요소수공급부(4)는 순환펌 프(44)와 히터(45)를 추가로 구비할 수 있다.

상기 순환펌프(44)는 상기 저장탱크(41)의 하단에 연결되고, 상기 저장탱크(41) 내부의 요소수가 한곳에 정체되어 있을 경우 침전현상이 발생하여 요소수의 공급배관을 막는 현상을 방지하기 위하여 요소수를 강제순환시키는데 사용된다.

상기 히터(45)는 일측이 상기 저장탱크(41)에 연결되고 타측이 상기 순환펌프(44)에 연결되며, 0℃ 이하에서 응고되는 요소수를 항상 상온으로 유지토록 하기 위하여 배관 둘레에 설치되어 배관을 가열한다.

상기 기화부(5)는, 상기 공기공급부(1)에서 유입된 공기를 가열하여 상기 요소수공급부(4)에서 분사된 요소수를 기체상태의 암모니아로 변환시키는 장치로서, 기화챔버(51)를 포함한다.

상기 기화챔버(51)는 장방향으로 일정길이 연장되게 형성되고 상기 기화챔버(51)의 일측은 상기 공기유입로(12)와 연통되어 축열부에 의하여 가열된 공기가 유입되어 상기 요소수분사노즐(46)에 의하여 분사된 요소수를 기체상태의 암모니아로 변환하여 상기 기체상태의 암모니아를 하기에 설명할 분사부(6)로 공급한다. 상기 '기체상태의 암모니아'는 요소수가 열분해된 암모니아를 의미하나 물과 반응하여 암모니아 및 이산화탄소로 전환될 수 있는 이소시안산(HNCO)등의 부산물을 포함하는 것을 배제하는 것은 아니다. 상기 열분해과정에서 아래의 화학반응이 발생한다.

(NH₂)₂CO-> NH₃ + HNCO

한편, 본 발명은 상기 기화챔버에 요소수가 기체상태의 암모니아로 충분히 변환될 수 없는 경우에 열량을 보충할 수 있는 발열기(52)가 형성되는 것을 배제하는 것은 아니다.

상기 분사부(6)는, 상기 기화부(5)의 출구단에 형성되어 기체상태의 암모니아를 하기에 설명할 반응챔버(7)로 분사하고, 그리드(61)와 헤드(62)를 포함한다.

상기 그리드(61)는 기체상태의 암모니아가 배출가스에 균일하게 분배되도록 하기에 설명할 헤드(62)의 출력단과 연통되도록 형성되고, 상기 그리드(61)는 하기에 설명할 반응챔버(7) 내에 배출가스가 흐르는 방향과 수직으로 형성되며, 상기 그리드(61)의 구멍의 직경과 갯수는 기체상태의 암모니아가 곧바로 배출가스와 균일하게 혼합될 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 구멍이 형성된 그리드(61)를 형성함으로 인해 암모니아가 배출되는 분사 비거리를 고려할 필요 없이 기체상태의 암모니아가 구멍이 형성된 그리드(61)를 통하여 분사되는 순간에 배출가스와 균일하게 혼합될 수 있어 상기 반응챔버(7)의 길이를 줄일 수 있게 된다.

상기 헤드(62)는 상기 기화챔버(51)의 출력단과 그 일단이 연통되고 타단은 상기 그리드(61)와 연통되도록 형성되며, 상기 헤드(62)는 배출가스가 흐르는 상기 반응챔버(7)의 외부에 돌출되도록 상기 기화챔버(51)와 상기 그리드(61)의 사이에 탈부착이 가능하게 형성되므로 상기 그리드(61)와 헤드(62)의 손상이 있을 때 용이하게 수리할 수 있다. 한편, 상기 기화챔버(51)에서 배출된 기체상태의 암모니아가 상기 헤드(62)에 모이게 되며, 상기 헤드(62)에 기체상태의 암모니아의 유량이 증가되고 증가된 유량에 의한 압력에 의해 상기 그리드(61)의 상단까지 기체상태의 암모니아가 고르게 도달할 수 있고, 이로 인해 상기 그리드(61)의 상단에서도 기체상태의 암모니아가 배출가스에 더욱더 균일하게 배출될 수 있게 된다.

상기 반응챔버(7)는 상기 분사부(6)의 출구단과 연통되어 상기 분사부(6)의 그리드(61)의 구멍에서 분사된 기체상태의 암모니아와 배출가스가 균일하게 혼합되어 혼합가스를 형성하도록 설치되고, 상기 반응챔버(7)는 기체상태의 암모니아를 배출가스와 보다 균일하게 혼합할 수 있도록 다공판(71)과 기체혼합기(72)를 추가로 포함하여 상기 다공판(71)과 기체혼합기(72)를 거친 혼합가스를 하기에 설명할 반응기(8)로 공급할 수도 있다.

상기 다공판(71)은 상기 반응챔버(7)의 내부에서 상기 그리드(61)의 후단에 설치되고, 다수의 관통공을 가지고 있어 상기 그리드(61)를 통해 공급되는 기체상태의 암모니아와 배출가스가 상기 관통공을 통과하면서 난류를 형성하여 보다 잘 혼합되도록 하는 역할을 한다.

상기 기체혼합기(72)는 상기 다공판(71)의 후단에 설치되고, 하니콤 구조를 구비하고 있으며 상기 다공판(71)을 거친 혼합가스를 하니콤 구조를 통해 다시 한번 혼합해 주어 반응효율을 높이는 장치로, (주)파나시아의 "PA-NXM-XXX"모델이 사용될 수 있다.

상기 반응기(8)는 내부에 촉매를 탑재하고 있고, 상기 반응챔버(7)의 후단에 형성되며, 상기 반응기(8)를 거친 혼합가스 중 질소산화물은 아래 화학반응을 통해 무해한 성분으로 변환된 후에 스텍(100)으로 배출된다.

4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O

2NO₂ + 4NH₃ + O₂ → 3N₂ + 6H₂O

상기 촉매는 다양한 제품이 사용될 수 있는데 V, Mo, W, Cu, Ni, Fe, Cr, Mn, Sn 등의 산화물, 황산염, 희토류산화물, 귀금속 등을 촉매활성종으로 하고, Al₂0₃, Ti0₂, 활성탄, 제올라이트, 실리카 등을 촉매담체로 하는 제품이 사용될 수 있으며, 이들 중 현재 실용화되어 있는 것은 Ti0₂(titanium oxide)를 담체로 한 V₂0₅(vanadium pentoxide), Mo0₃(molybdenum troxide), W0₃(tungsten trioxide)계의 촉매이다. Al₂0₃을 담체로 한 촉매는 석탄 및 중유 연료의 배출가스와 같이 SOx가 존재하는 배출가스 중에서는 황산염화해서 比表面積(비표면적)의 저하로 劣化(열화)가 일어나기 때문에 SOx가 없는 배출가스에만 적용할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 축열식 배출가스탈질장치의 사용상태에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 축열식 배출가스탈질장치의 사용상태를 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면,

배출부로 유입되는 메인스트림의 배출가스중의 질소산화물을 탈질시키기 위하여 사이드스트림이 사이드스트림관(21)으로 유입되어 가스유입밸브(22)에 의하여 제1축열챔버(31)를 관통한 후에 가스배출밸브(23)에 의하여 메인스트림으로 합류(도 3의 A 방향 참조)하는 과정에서 사이드스트림으로부터 상기 제1축열챔버(31)의 축열재가 열을 회수하게 된다. 이와 동시에, 공기유입로(12)로 유입된 공기는 유입밸브(121)에 의하여 제2축열챔버(32)를 관통한 후에 배출밸브(122)를 통하여 하기에 설명할 기화기로 유출(도 3의 B 방향 참조)되도록 하는 제1사이클과, 상기 제1사이클이 소정시간 바람직하게는, 상기 제1축열챔버(31)의 축열제가 열을 받아 요소수를 암모니아로 변환시킬 수 있는 온도로 공기를 가열하기 위하여 60초~120초 동안 진행된 후에, 도 4에 도시된 바와 같이, 유입밸브(121), 배출밸브(122), 가스유입밸브(22), 가스배출밸브(23)를 절환시켜 사이드스트림과 공기의 유로를 변경하여 공기는 제1축열챔버(31)를 관통하면서 축열제에서 열전달을 받아 가열이 된 후에 하기에 설명할 기화기로 유출(도 4의 D 방향 참조)되고, 이와 동시에 사이드스트림이 제2축열챔버(32)를 관통한 후에 메인스트림으로 합류(도 4의 C 방향 참조)하는 과정에서 사이드스트림으로부터 상기 제2축열챔버(32)의 축열재가 열을 회수하는 제2사이클로 전환되는 운전방식을 계속 반복하여 이용하게 된다. 즉 제1축열챔버(31)과 제2축열챔버(32)에서 교대로 가열이 됨과 동시에 축열이 이루어지게 되어 폐열을 효과적으로 이용하게 되어 운전비용을 절감할 수 있게 된다.

이 후에 상기 축열부에서 가열된 공기가 기화챔버로 유입되면서 요소수분사노즐에 의해 기화챔버로 유입되는 요소수를 열분해하여 기체상태의 암모니아로 변환시키며, 상기 기체상태의 암모니아를 그리드를 통하여 배출가스에 균일하게 분사하여 혼합가스를 형성하고, 상기 혼합가스는 촉매가 탑재된 반응기를 거쳐 선택적촉매환원법에 의하여 질소산화물은 탈질되어 스텍으로 배출된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 축열식 배출가스탈질장치의 구성도

도 2는 본 발명의 축열부를 상세하게 설명하기 위한 구성확대도

도 3은 본 발명에 채용된 축열부의 제1사이클의 사용상태도

도 4는 본 발명에 채용된 축열부의 제2사이클의 사용상태도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1: 공기공급부 2: 배출가스공급부 3: 축열부 4: 요소수공급부

5: 기화부 6: 분사부 7: 반응챔버 8: 반응기 9: 배출부

10: 축열식 배출가스탈질장치 11: 송풍기 12: 공기유입로

21: 사이드스트림관 31: 제1축열챔버 32: 제2축열챔버

46: 요소수분사노즐 51: 기화챔버 61: 그리드

Claims

공기가 유입될 수 있도록 형성된 공기공급부와, 배출가스를 공급하는 배출가스공급부와, 상기 배출가스공급부로 유입된 배출가스에 의하여 가열되어 상기 공기공급부에서 유입된 공기를 가열할 수 있도록 형성된 축열부와, 요소수를 공급하는 요소수공급부를 포함하며,

상기 배출가스공급부는 배출가스가 배출되는 배출부의 일측에 연통되어 형성된 사이드스트림관을 포함하여, 배출가스의 메인스트림 일부를 상기 사이드스트림관을 통해 취출하여 형성되는 사이드스트림을 상기 축열부에 공급하여 상기 축열부의 크기를 줄일 수 있고,

상기 축열부는 내부에 축열재가 설치된 제1축열챔버와 제2축열챔버를 포함하고, 상기 사이드스트림은 상기 제1축열챔버로 유입되어 축열하는 반면 상기 공기공급부로부터 유입된 상기 공기는 축열된 상기 제2축열챔버에 유입되어 가열되는 제1사이클과 상기 사이드스트림은 상기 제2축열챔버로 유입되어 축열하는 반면 상기 공기공급부로부터 유입된 상기 공기는 축열된 상기 제1축열챔버에 유입되어 가열되는 제2사이클이 교대로 발생하여, 상기 제1사이클과 제2사이클을 통해 배출되는 상기 사이드스트림은 반응챔버의 메인스트림으로 합류하고 가열된 상기 공기는 상기 요소수공급부에서 공급된 요소수와 혼합되어 상기 반응챔버의 메인스트림으로 공급됨으로써 배출가스가 탈질처리되어 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 축열식 배출가스탈질장치.
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제 1 항에 있어서, 상기 사이드스트림관은,

상기 제1축열챔버와 상기 제2축열챔버와 연통하여 일단이 상기 배출부와 연통되도록 형성되어 축열 후에 배출가스를 다시 회수할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 축열식 배출가스탈질장치.
제 3 항에 있어서, 상기 축열식 배출가스탈질장치는,

상기 축열부에서 가열된 공기에 의하여 요소수를 암모니아로 변환할 수 있도록 형성된 기화챔버를 포함하는 기화부와,

상기 기화챔버의 일단에 연결되어 기체상태의 암모니아를 분사하는 분사부와,

상기 분사부로부터 주입된 기체상태의 암모니아가 배출가스와 혼합되어 혼합가스를 형성하는 반응챔버와,

촉매를 탑재하고 있으며 상기 반응챔버에서 유입된 혼합가스 중 질소산화물은 상기 촉매에서 탈질반응을 통해 질소로 변환되는 화학반응이 일어나는 반응기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 축열식 배출가스탈질장치.
제 4 항에 있어서, 상기 공기공급부는,

상기 제1축열챔버와 상기 제2축열챔버와 연통하여 일단이 상기 기화챔버의 일측과 연통되도록 형성된 공기유입로를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 축열식 배출가스탈질장치.
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