KR101096505B1 - 회분 유동화 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

선택적 촉매 환원 시스템의 덕트(duct)(124)에서 회분을 유동화하기 위한 시스템(120)이 개시된다. 시스템(120)은 덕트(124), 압축 공기를 발생시키기 위한 소스(126), 및 소스(126)와 연결되고 상기 덕트(124)에 있는 하나 이상의 구멍(130)들을 통해 덕트(124)와 연결되는 공기 분사 헤더(128)를 포함한다. 공기 분사 헤더(128)는 소스(126)로부터 먼지가 축적되기 쉬운 덕트의 영역들로 압축 공기를 분사하는데 적합하다. 공기 분사 헤더(128)는 다수의 분사 랜스(134)들과 연결되는 서브 헤더(132)를 포함한다. 다수의 분사 랜스(134)들의 각각은 단부 노즐(136)을 가진다. 단부 노즐(136)은 특정 방향으로 공기를 보내도록 버섯 모양의 캡(137) 또는 각진 단부 구성(angled end configuration)을 가질 수 있다.
선택적 촉매 환원 시스템, 회분, 공기 분사 헤더, 단부 노즐, 분사 랜스

Description

회분 유동화 시스템 및 방법{ASH FLUIDIZATION SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 일반적으로 덕트워크(ductwork) 내의 먼지 축적을 방지하기 위한 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템의 덕트워크를 통해 흐르는 연도 가스(flue gas) 내의 회분(ash)을 재반출(再伴出)하거나 유동화하도록 공기의 분사를 사용하는 시스템에 관한 것이다.
선택적 촉매 환원(SCR) 시스템들은 통상 NOx 방출물을 감소시키도록 설비와 산업 연소 유닛에 적용된다. SCR 시스템에서, 암모니아 등은 연도 가스 내로 분사된다. 암모니아가 분사된 연도 가스는 NOx 방출물을 질소 원소 및 물로 변환하도록 화학 반응이 발생하는 촉매를 통과한다. 촉매의 존재는 대체로 SCR 시스템이 전형적으로 비교적 낮은 온도에서 동작하기 때문에 화학 반응을 가속하도록 요구되며, 낮은 온도는 화학 반응을 느리게 하거나 또는 방지할 수 있다. 통상 사용되는 촉매는 바나듐/티타늄 제형(formulation), 제올라이트 물질 등을 포함한다.
많은 설비들이 입자 수집 시스템 앞에 있는 고농축 먼지 위치(high dust location)에 SCR 반응기를 배치한다. 먼지 퇴적을 피하도록 덕트워크와 SCR 반응기의 설계에 세심한 주의를 기울였다. 촉매는 부식과 회분의 잠재적으로 유해한 영향에 견디도록 특별하게 설계된다. 덕트워크 속도들은 덕트워크에서의 회분 이탈(drop out)이 바람직하지 않기 때문에 회분이 설계 시에 비말 동반되어(entrained) 있는 것을 보장하도록 선택된다.
그러나, 이러한 시스템이 특정 상황 하에서 덕트워크 내의 일부 위치들에서 먼지 퇴적을 겪는 것이 일반적이다. 연소 유닛이 감소된 부하로 동작될 때 겪는 덕트워크를 통한 가스의 속도에서의 감소는 먼지 퇴적의 주요 원인이다. 이러한 것은 또한 예를 들어 낮은 과잉 공기 또는 다른 연료로 동작하는 유닛의 동작에서의 환경 변화에 의해 유발될 수 있다. 퇴적에 대한 가장 일반적인 지점들은 덕트워크 및 SCR 입구 후드의 바로 상류측의 덕트워크에 있는 데드 레그(dead leg)들이다.
도 1 및 도 2는 먼지 축적의 예와 회분 축적으로부터 SCR 시스템(20)의 결과적인 막힘을 제공한다. 도 1은 연소 유닛이 낮은 부하(22)에서 동작할 때 SCR 시스템(20)의 일부분을 도시한다. SCR 시스템(20)은 전형적으로 증기 발생기 출구(도시되지 않음)와 예열기 입구(도시되지 않음) 사이에 위치된다. 연도 가스 흐름(21)이 덕트(duct)(24)를 통해 흐름으로써, 회분은 전형적으로 연도 가스 흐름에서 존재한다. 촉매(26)는 덕트(24) 내에서 SCR 시스템(20)에 수용되고, 연도 가스 흐름(21)이 촉매를 통과함으로써 회분이 완전 농축(full concentration)된다. 촉매(26)는 전형적으로 회분이 촉매 채널(도시되지 않음)에 도달하기 전에 회분을 포획하도록 스크린(28)에 의해 덮여진다.
SCR 시스템(20)은 연소 유닛(도시되지 않음)이 완전 부하로 동작할 때 연도 가스 흐름(21)을 수용하는 크기이다. 연소 유닛(도시되지 않음)이 낮은 부하(22)로 동작될 때, 덕트(24)는 덕트를 통과하는 보다 적은 양의 연도 가스를 가진다. 그러므로, 연도 가스 흐름(21)의 속도는 크게 감소된다. 이러한 속도에서의 감소는 먼지 퇴적을 이끌 수 있다. 연도 가스 흐름이 덕트(24)를 통해 흐름으로써, 회분(30)은 축적되어 먼지 더미(32, dust pile)로 정착한다. 덕트(24)의 설계로 인하여, 먼지 더미(32)는 통상적으로 SCR 입구 후드(34)의 바로 상류측에서 발생한다.
도 2를 참조하여, SCR 시스템(20)이 완전 부하(36)로 동작될 때, 연도 가스 흐름(21)의 속도는 설계 속도로 다시 증가한다. 속도가 완전 부하(36)를 수용하도록 증가됨으로써, 먼지 더미(32)에 축적된 회분(30)은 급격하게 다시 비말 동반하여, 회분의 사태(38, avalanche)가 촉매(26) 상으로 떨어지도록 한다. 그 결과, 촉매(26) 내에 있는 채널(도시되지 않음)들은 막히게 되고, SCR 시스템(20)의 효율은 감소된다. SCR 시스템(20)에 걸친 압력 강하가 또한 증가할 수 있다.
전형적으로, 단지 먼지 더미들의 축적을 방지하도록 취해진 조치들은 덕트워크의 설계를 수반한다. 대체로, SCR 입구 후드에 대한 입구의 형상은 이러한 변이 부분을 통한 속도가 설계시에 일정하도록 설계될 수 있다. 그 결과, 덕트워크는 역시 SCR 반응기 단면과 일치하도록 확장하는 경사진 지붕을 구비한다. 우회 덕트들은 데드 레그들을 제거하도록 댐퍼들을 장비하는 것에 의하여, 또는 회분이 축적할 수 있는 선반을 가지지 않도록 우회 덕트를 만드는 것에 의하여 보호된다.
이러한 접근들은 대체로 성공적이지 않은 것으로 판명되었다. SCR 주입 후드(hood) 입구와 덕트워크 내의 데드 레그(dead leg)들에서의 먼지 퇴적의 문제는 여전히 남아있다. 연소 유닛이 완전 출력 부하로 되돌아올 때, 촉매 베드(bed)들 상으로 떨어지는 회분 더미들은 문제가 된다. 현재의 기술은 SCR 반응기 주입 영역에서 회분 퇴적물의 잠재적인 문제를 거의 처리하지 못한다.
본 발명의 일 특징은 선택적 촉매 환원 시스템의 덕트에서 회분을 유동화하기 위한 시스템이다. 시스템은 압축 공기를 발생시키기 위한 소스와, 상기 소스와 연결되고 덕트에 있는 하나 이상의 구멍들을 통해 덕트와 연결되는 공기 분사 헤더를 포함한다. 공기 분사 헤더는 상기 소스로부터 먼지가 축적되기 쉬운 덕트의 영역으로 압축 공기를 분사하는데 적합하다.
본 발명의 다른 특징은 선택적 촉매 환원 시스템의 덕트에서 회분을 유동화하기 위한 시스템이다. 시스템은 덕트, 압축 공기를 발생시키기 위한 메커니즘, 및 압축 공기를 발생시키기 위한 메커니즘과 연결되고 덕트에 있는 하나 이상의 구멍을 통해 덕트와 연결되는 공기 분사 헤더를 포함한다. 공기 분사 헤더는 다수의 분사 랜스(lance)들과 연결되는 서브 헤더를 포함한다. 복수의 분사 랜스들의 각각은 단부 노즐(end nozzle)을 가진다. 공기 분사 헤더는 압축 공기를 발생시키기 위한 메커니즘으로부터 먼지가 축적되기 쉬운 덕트의 영역으로 압축 공기를 분사하는데 적합하다.
본 발명의 또 다른 특징은 선택적 촉매 환원 시스템의 덕트에서 회분을 유동화하기 위한 방법이다. 방법은, 덕트를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 제공하는 단계; 압축 공기를 발생시키는 단계; 및 공기 분사 헤더와 덕트에 있는 하나 이상의 구멍들을 통해 먼지가 축적되기 쉬운 덕트의 영역으로 압축 공기를 분사하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징은 덕트, 상기 덕트 내에 위치된 촉매, 및 상기 촉매의 상류측 위치에서 상기 덕트 내로 압축 공기를 분사하기 위한 메커니즘을 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템이다.
본 발명을 예시하기 위하여, 도면들은 바람직한 본 발명의 형태를 도시한다. 그러나, 본 발명은 도면에 도시된 명확한 배열 및 설비에 제한되지 않는다.
도 1은 낮은 부하로 동작하는 SCR 시스템의 단면도.
도 2는 완전 부하로 동작하는 SCR 시스템의 단면도.
도 3a는 본 발명의 한 실시예에 따른 시스템의 단면도.
도 3b는 본 발명의 한 실시예에 따른 서브 헤더의 사시도.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 노즐의 단면도.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 노즐의 단면도.
도 6은 본 발명의 한 실시예에서 사용하기 위한 매니폴드의 단면도.
동일한 부호가 동일한 부분을 지시하는 도면들을, 특히 도 3a 및 도 3b를 참조하여, 본 발명의 일 특징은 선택적 촉매 환원 시스템(SCR)의 덕트(duct)(124)에서 먼지(123)의 더미(122)의 형성을 방지하도록 회분을 유동화하기 위한 시스템(120)이다. 시스템(120)에서, 공기 압축기(126) 또는 설비 공기 공급부(도시되지 않음)로부터의 압축 공기(도시되지 않음)는 먼지(123)가 축적되기 쉬운 덕트(124)의 영역으로 분사된다.
시스템(120)은 전형적으로 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 먼지(123)가 축적되기 쉬운 SCR의 영역에 위치된다. 공기 분사 헤더(128)는 덕트에 있는 하나 이상의 구멍(130)들을 통해 덕트(124)와 연결된다. 공기 분사 헤더(128)는 전형적으로 공기의 흐름을 제어하기 위한 제어 밸브(131)와 유지 보수를 위한 시스템(120)의 격리 부분(isolating portion)을 포함한다. 공기 분사 헤더(128)는 전형적으로 복수의 분사 랜스들(injection lances)(134)과 결합된 서브 헤더(132)를 포함한다. 각각의 분사 랜스(134)는 일반적으로 단부 노즐(end nozzle)(136)을 포함한다.
도 4 및 도 5a 내지 도 5c를 참조하여, 단부 노즐(136)은 버섯 모양의 캡(mushroom cap)(137), 각진 단부(angled end)(138), 구멍이 난 단부(139), 또는 특정 방향으로 압축 공기(141)를 향하도록 하기 위한 개방 단부(14)를 포함한다. 버섯 모양의 캡(137)은 랜스(134)를 통해 위로 흐르는 압축 공기(141)를 덕트(124)의 표면으로 아래로 보내도록(화살표 참조) 구성된다. 각진 단부(138)는 랜스(134)를 통하여 위로 흐르는 압축 공기(141)를 특정 방향으로, 예를 들어 측방향(화살표 참조)으로 보내도록 구성된다. 구멍이 난 단부(139)는 랜스(134)를 통하여 위로 흐르는 압축 공기(141)를 특정 방향으로, 예를 들어 측방향으로 보내도록 구성된다. 개방 단부(140)는 랜스(134)를 통하여 흐르는 압축 공기(141)를 특정 방향으로, 예를 들어 위로 보내도록 구성된다. 버섯 모양의 캡(137), 각진 단부(138), 구멍이 난 단부(139), 및 개방 단부(140)는 예를 들어 먼지(123)가 랜스(134)로 들어가는 것을 방지하도록 스크린 또는 적절한 크기의 개구를 포함하도록 구성될 수 있다. 각각의 형태의 단부 노즐(136)은 예를 들어 신축 가능하게(telescopically), 회전 방향으로, 수직 방향으로, 수평 방향으로, 측면 방향으로, 축선 방향으로 등과 같은 무수한 방향으로 조정 가능하거나 이동 가능할 수 있다. 단일 서브 헤더(132) 내에 있는 다수의 랜스(134)들은 상이한 형태의 단부 노즐(136)들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 대안적으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 다수의 랜스(134)들 중 적어도 하나는 단부 노즐(136)을 포함하지 않을 수 있으며, 압축 공기(141)는 랜스와 덕트(124)에 있는 구멍(130)을 통해 위로 흐를 수 있다.
도 6을 참조하여, 또 다른 실시예에서, 서브 헤더(132)는 박스형 매니폴드(142)를 포함하며, 매니폴드는 내부 캐비티(150)를 형성하는 상부(144), 저부(146), 및 측부(148)들을 가진다. 상부(144)는 상부면(152)을 가진다. 상부면(152)은 서브 헤더(132)와 덕트 사이에 기밀성 끼워 맞춤을 보장하도록 덕트(124) 상에 있는 외측 립(153, lip)을 포함할 수 있다. 다수의 분사 랜스(134)들은 상부면(152)을 통해 위로 연장하고, 내부 캐비티(150)로부터 먼지(123)가 축적되기 쉬운 덕트(124)의 영역으로 공기 분사 헤더(128)에 의해 제공되는 압축 공기를 분사한다. 다수의 분사 랜스(134)들 중 하나 이상은 단부 노즐(136)이 끼워질 수 있다. 선택적으로, 모터, 공기 실린더(pneumatic cylinder), 또는 다른 메커니즘(154)이 매니폴드(142)와 연결되고, 덕트(124)에서 먼지(123)의 움직임을 용이하게 하도록 매니폴드를 측방향으로 전후진시키도록(화살표 참조) 구성된다. 또한 이러한 메커니즘이 도 3a 및 도 3b에서 매니폴드들을 움직이도록 사용될 수 있는 것이 고려된다.
사용시에, 압축기(126)로부터의 공기는 공기 분사 헤더(128)로 보내진다. 공기 분사 헤더(128)는 서브 헤더(132)로 공기를 공급하고, 차례로 분사 랜스(134) 내로 공기를 공급한다. 랜스(134)들은 구멍(130)들을 통해 덕트(124) 내로 연장한다. 랜드(134)들의 수는 SCR 시스템의 크기에 따라서 변할 수 있다. 각각의 서브 헤더(128)는 전형적으로 다수의 분사 랜스(134)에 공기를 공급한다. 각각의 분사 랜스(134)의 단부에는 전형적으로 노즐(136)이 있다. 각각의 노즐(136)로부터 나온 공기는 노즐(136)의 영역에 있는 먼지(123)를 유동화하여, 덕트(124)를 통해 흐르는 연도 가스에 다시 비말 동반시킨다.
SCR 시스템에서의 회분의 퇴적물을 제거하도록 압축 공기 시스템을 사용하는 것은 먼지 사태가 촉매 상으로 떨어져 촉매를 막는 것을 제거하는 것으로 종래 기술 이상의 이점을 제공한다. 본 발명은 저렴한 매체이고 용이하게 이용할 수 있는 압축 공기의 이점을 가진다. 공기 압축기에 대한 유지 보수의 필요성은 널리 공지되어 있으며, 실행이 용이하고, 저렴하다. 부가적으로, 노즐 설계 및 헤더 배열은 특정의 공장 설비에 대해 주문화될 수 있으며, 본 발명의 특징들은 용이하게 변경될 수 있다.
비록 본 발명이 예시적인 실시예에 대해 기술되고 예시되었을지라도, 당업자는 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 상기 및 다양한 다른 변화, 생략, 및 추가가 만들어질 수 있다는 것을 예측할 것이다. 따라서, 다른 실시예들도 다음의 특허청구범위 내에 있는 것이다.

Claims (19)

  1. 선택적 촉매 환원 시스템의 덕트(duct)에서 회분(ash)을 유동화하기 위한 시스템에 있어서:
    덕트를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템;
    압축 공기를 발생시키기 위한 소스; 및
    상기 소스와 결합되고, 촉매의 상류에서 상기 덕트 내의 하나 이상의 구멍들을 통해 상기 덕트와 결합되는 공기 분사 헤더(air injection header)를 포함하고;
    상기 공기 분사 헤더는 상기 소스로부터 먼지가 축적되기 쉬운 상기 덕트의 영역들로 압축 공기를 분사하도록 구성되는, 회분 유동화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 분사 헤더는 복수의 분사 랜스들(injection lances)과 결합된 서브 헤더를 더 포함하고, 상기 복수의 분사 랜스들 각각은 단부 노즐(end nozzle)을 갖는, 회분 유동화 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단부 노즐은 버섯 모양의 캡(mushroom cap), 각진 단부 구성(angled end configuration), 구멍이 난 단부 구성, 또는 개방 단부 구성 중 하나를 포함하는, 회분 유동화 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 단부 노즐은 조정 가능하거나 이동 가능한, 회분 유동화 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 분사 헤더는 복수의 압축 공기 분사들을 먼지가 축적되기 쉬운 덕트워크(ductwork)의 영역들로 향하도록 하는 복수의 분사 랜스들을 갖는 상부면을 포함하는 매니폴드(manifold)를 더 포함하는, 회분 유동화 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 덕트 내의 먼지의 이동을 용이하게 하기 위해 상기 매니폴드를 측면으로 이동시키기 위한 수단을 더 포함하는, 회분 유동화 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 매니폴드를 이동시키기 위한 수단은 모터 또는 공기 실린더(pneumatic cylinder)를 포함하는, 회분 유동화 시스템.
  8. 선택적 촉매 환원 시스템의 덕트에서 회분을 유동화하기 위한 시스템에 있어서:
    덕트;
    압축 공기를 발생시키기 위한 수단; 및
    상기 압축 공기를 발생시키기 위한 수단에 결합되고, 상기 덕트 내의 하나 이상의 구멍들을 통해 촉매의 상류에서 상기 덕트와 결합되는 공기 분사 헤더로서, 상기 공기 분사 헤더는 복수의 분사 랜스들과 결합된 서브 헤더를 포함하고, 상기 복수의 분사 랜스들 각각은 단부 노즐을 갖고, 상기 공기 분사 헤더는 상기 압축 공기를 발생시키기 위한 수단으로부터 먼지가 축적되기 쉬운 상기 덕트의 영역들로 압축 공기를 분사하도록 구성되는, 상기 공기 분사 헤더를 포함하는, 회분 유동화 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 단부 노즐은 버섯 모양의 캡, 각진 단부 구성, 구멍이 난 단부 구성, 또는 개방 단부 구성 중 하나를 포함하는, 회분 유동화 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 단부 노즐은 조정 가능하거나 이동 가능한, 회분 유동화 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 공기 분사 헤더는 복수의 압축 공기 분사들을 먼지가 축적되기 쉬운 상기 덕트의 영역들로 지향시키기 위한 복수의 분사 랜스들을 갖는 상부면을 포함하는 매니폴드를 더 포함하는, 회분 유동화 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 덕트 내의 먼지의 이동을 용이하게 하기 위해 상기 매니폴드를 측면으로 이동시키기 위한 수단을 더 포함하는, 회분 유동화 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 매니폴드를 이동시키기 위한 수단은 모터 또는 공기 실린더를 포함하는, 회분 유동화 시스템.
  14. 선택적 촉매 환원 시스템의 덕트에서 회분을 유동화하기 위한 방법에 있어서:
    덕트를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 제공하는 단계;
    압축 공기를 발생시키는 단계; 및
    공기 분사 헤더 및 촉매의 상류에서의 상기 덕트 내의 하나 이상의 구멍들을 통해, 먼지가 축적되기 쉬운 상기 덕트의 영역들에 상기 압축 공기를 분사하는 단계를 포함하는, 회분 유동화 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 공기 분사 헤더는 복수의 압축 공기 분사들을 먼지가 축적되기 쉬운 상기 덕트의 영역들로 지향시키기 위한 복수의 분사 랜스들을 갖는 상부면을 포함하는 매니폴드를 더 포함하고, 상기 방법은 상기 덕트 내의 먼지의 이동을 용이하게 하기 위해 상기 매니폴드를 측면으로 이동시키는 단계를 더 포함하는, 회분 유동화 방법.
  16. 선택적 촉매 환원 시스템에 있어서:
    덕트;
    상기 덕트 내에 위치되는 촉매; 및
    상기 촉매의 상류측 위치에서 상기 덕트 내로 압축 공기를 분사하기 위한 수단을 포함하는, 선택적 촉매 환원 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 압축 공기 분사 수단은,
    압축 공기를 발생시키기 위한 수단; 및
    상기 압축 공기를 발생시키기 위한 수단과 결합되고 상기 덕트 내의 하나 이상의 구멍들을 통해 상기 덕트와 결합되는 공기 분사 헤더로서, 상기 공기 분사 헤더는 복수의 분사 랜스들과 결합된 서브 헤더를 포함하고, 상기 복수의 분사 랜스들 각각은 단부 노즐을 갖고, 상기 공기 분사 헤더는 상기 압축 공기를 발생시키기 위한 수단으로부터 먼지가 축적되기 쉬운 상기 덕트의 영역들로 압축 공기를 분사하도록 구성되는, 상기 공기 분사 헤더를 더 포함하는, 선택적 촉매 환원 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 단부 노즐은 버섯 모양의 캡, 각진 단부 구성, 구멍이 난 단부 구성, 또는 개방 단부 구성 중 하나를 포함하는, 선택적 촉매 환원 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 단부 노즐은 조정 가능하거나 이동 가능한, 선택적 촉매 환원 시스템.
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