KR101312994B1

KR101312994B1 - 저온 운전 조건에서 효율적인 황연 및 질소산화물 저감을 위한 선택적 촉매환원 탈질설비

Info

Publication number: KR101312994B1
Application number: KR1020130038694A
Authority: KR
Inventors: 김태인; 이경배; 한성신; 강해문; 정국형; 남인식; 김영진
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단; 블루버드환경 주식회사
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2013-10-01

Abstract

본 발명은 복합화력발전의 가스터빈에서 배출되는 배가스 중에서 황연과 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있는 선택적 촉매환원 탈질설비에 관한 것으로, 저온 운전 조건에서도 효율적인 질소산화물의 제거가 이루어질 수 있도록 저온 활성 탈질촉매를 적용하며, 환원제의 종류에 따라서 적정 기화 조건을 충족시킬 수 있는 기화수단을 마련하여 저온의 조건에서도 질소산화물 및 황연을 효과적으로 제거가 이루어질 수 있는 효과가 있다.

Description

저온 운전 조건에서 효율적인 황연 및 질소산화물 저감을 위한 선택적 촉매환원 탈질설비{SCR De-NOx system for reducing yellow plume and NOx under low temperature operating condition}

본 발명은 황연 및 질소산화물을 저감하기 위한 선택적 촉매환원 탈질설비에 관한 것으로, 특히 저온 운전 조건에서도 황연 및 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있는 탈질설비에 관한 것이다.

질소산화물(NOx)은 이산화질소, 이산화질소 및 아산화질소 등으로 발전소, 각종 산업용 보일러 등과 같은 고정 배출원에서 연소 과정 중에 생성되어 대기 중으로 배출됨에 따라 광화학 스모그와 산성비를 유발하는 대표적인 대기오염물질이다.

질소산화물을 제거하는 기술 중에서 현재 가장 널리 상업화된 기술로는 암모니아를 환원제로 하여 촉매 상에서 질소산화물을 무해한 물과 질소로 환원시켜 제거하는 SCR방식과, 촉매를 사용하지 않고 고온 영역에서 환원제(대표적으로, 암모니아) 만을 사용하여 질소산화물을 질소와 수증기로 전환시켜 저감하는 SNCR방식이 있다.

SCR방식은 고정 배출원에서 배출되는 배가스에 암모니아 또는 탄화수소 류 환원제를 분사하여 배가스와 환원제를 혼합시킨 후에 촉매를 통과시켜서 질소산화물을 물과 산소로 환원시켜 질소산화물을 제거하게 되며, 이러한 SCR방식은 배가스 중에서 질소산화물 제거에 매우 효과적이지만, 적정 온도범위를 벗어난 운전 조건, 예를 들어 배가스의 온도가 낮은 저부하 운전에서는 탈질 효과가 매우 저하될 수 있다.

상업적으로 사용되고 있는 NH3-SCR방식은 반응온도 300 ~ 400℃에서 온도에 크게 의존적이며 반응온도 영역이 450℃ 이상의 고온영역에서는 암모니아가 산화되기 시작하여 저감률이 감소하고 200℃ 이하의 영역에서는 미반응된 암모니아와 배기가스 중의 질소산화물과 반응하여 질산염을 발생시켜 시스템의 부식문제를 발생시킨다.

예를 들어, 공개특허 특1999-0069935호(공개일자: 1999.09.06)에는 환원촉매공정에 의한 연소배가스의 처리방법을 제안하고 있으며, 환원제로써 암모니아가 아닌 에탄올과 같은 탄화수소계열의 환원제를 사용한 환원촉매공정을 이용하여 연소배가스 중의 황연과 질소산화물을 처리하는 방법을 개시하고 있다.

그러나 환원제로 에탄올만을 사용한 환원촉매공정은 다른 환원제인 암모니아수, 또는 요소수 등과 같은 암모니아계열 환원제와 비교하여 비용 증가가 발생되는 문제점이 있다.

다른 예로써, 본 출원인의 등록특허 제10-0595844호(등록일자: 2006.06.23)는 요소수용액을 환원제로 하는 질소산화물 제거 방법을 개시하고 있으며, 암모니아를 사용하였을 때와 동일한 질소산화물 제거 효율을 보여주면서도 상대적으로 암모니아와 비교하여 취급이 용이하고 수송, 저장에서 안전한 질소산화물 제거방법을 제안하였다.

SNCR방식은 촉매를 사용하지 않고 연소 배가스에 암모니아를 환원제로 주입하여 질소산화물을 제거하게 되며, 촉매를 사용하지 않으므로 초기 투자비용과 설치 기간이 짧은 장점이 있으나 상대적으로 고온이면서도 좁은 활성온도(operating temperature)(930~980℃) 범위를 가지며, 따라서 정확한 양의 암모니아가 배가스 중에 분사되지 못하는 경우에는 저감효율이 낮으며, 특히 과량으로 주입되면 부반응에 의해 대기중으로 암모니아가 배출되는 암모니아 슬립(ammonia slip)이 발생되는 문제점을 갖는다.

한편, 발전소 운전 시에 운전조건 등을 최적화하여 배기가스 중의 질소산화물(NOx)을 배출허용기준 이하로 배출되도록 발전소를 운영하고는 있으나 운전 초기의 저부하 운전 시에 주로 발생되는 이산화질소(NO2)는 황연(Yellow Plume) 문제를 유발하게 되며, 이러한 황연 발생은 주역 주민들에게 심리적인 영향을 주어 청정연료로 알려진 천연가스를 연료로 하는 복합화력발전소의 건설 조차도 부지 선정에 많은 민원 문제를 발생시켜 필요한 전력 확보에 많은 난관이 있는 게 현실이다.

황연은 통상적으로 운전 기동, 정지 또는 저부하 운전 시 불완전연소로 발생되고 있으며, 이산화질소(NO2) 농도가 약 12ppm을 초과하는 경우에 발생되며, 배출 농도범위가 10ppm 이하로 유지되는 경우에는 육안으로 관찰되지 않는다.

예를 들어, 등록특허 제10-0553838호(등록일자: 2006.02.14), 등록특허공보 제10-0597961호(등록일자: 2006.06.30) 및 등록특허 제10-0953939호(등록일자: 2010.04.13)는 고정원에서 발생되는 이산화질소 가시매연 저감장치 또는 방법을 개시하고 있으며, 무촉매 방식으로 환원제를 분사하여 질소산화물 중에서 이산화질소를 일산화질소 또는 질소로 전환시켜 황연을 저감시키는 것을 제안하고 있다.

본 발명은 천연가스(LNG) 복합화력발전 플랜트에서 배출되는 배가스 중에서 황연과 질소산화물을 저온 운전조건에서도 효과적으로 제거할 수 있는 저온 촉매를 이용한 선택적 촉매환원 탈질설비를 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선택적 촉매환원 탈질설비는, 가스 터빈에서 연소되어 발생된 배가스를 연돌로 배출하게 되는 배기계통 중에 TiO2/V2O5/WO3계열의 담체인 촉매부가 마련된 배기관에 상기 촉매부의 전단부에 위치하도록 상기 배기관에 설치되는 노즐 유니트와; 암모니아계열 수용액의 환원제가 저장된 저장탱크와 연결되어 상기 저장탱크로부터 공급된 환원제를 기화시켜 상기 노즐 유니트로 전달하기 위한 기화부와; 상기 노즐 유니트와 상기 기화부를 연결하는 배관에 마련되어 개폐 제어가 가능한 밸브 유니트와; 상기 저장탱크와 상기 기화부를 연결하는 배관에 마련되어 토출량 제어가 가능한 펌프와; 상기 배기관과 상기 기화부를 연결하는 배관에 마련되어 배기관의 배가스 일부를 상기 기화부로 공급하기 위한 블로어 유니트와; 상기 펌프의 토출단에 마련되어 상기 기화부로 전달되는 환원제의 유량을 검출하는 유량검출부와; 상기 기화부의 토출단에 마련되어 기화되어 토출되는 환원제의 온도를 검출하기 위한 온도 검출부와; 상기 유량검출부에서 검출된 유량과, 상기 온도 검출부에서 검출된 온도에 따라서 설정 유량과 설정 온도 범위 내에서 상기 기화부에서 환원제의 기화가 이루어지도록 상기 펌프와, 상기 블로어 유니트의 토출량을 제어하는 제어부에 의해 달성된다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 촉매부를 기준으로 상기 배기관의 전단과 상기 블로어 유니트를 연결되는 배관에 마련되어 고온 배가스의 공급량을 조절하는 고온 배가스 조절밸브와; 상기 촉매부를 기준으로 상기 배기관의 후단과 상기 블로어 유니트를 연결하는 배관에 마련되어 저온 배가스의 공급량을 조절하는 저온 배가스 조절밸브를 더 포함하다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 블로어 유니트는, 상기 촉매부를 기준으로 상기 배기관의 전단과 상기 기화부를 연결하는 배관에 마련되어 배기관의 고온 배가스 일부를 상기 기화부로 공급하되, 토출량 제어가 가능한 제1블로어와; 상기 촉매부를 기준으로 상기 배기관의 후단과 상기 기화부를 연결하는 배관에 마련되어 배기관의 저온 배가스 일부를 상기 기화부로 공급하되, 토출량 제어가 가능한 제2블로어를 포함한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 배기관에 마련되는 촉매부를 통과하는 배가스의 차압을 검출하기 위한 차압검출부를 더 포함하여, 상기 제어부는 상기 차압검출부에서 검출된 차압이 기준 차압 이상인 경우에 상기 펌프를 제어하여 토출량을 저감하거나 환원제의 공급을 차단하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 배기관 후단 또는 연돌에는 미처리된 질소산화물을 검출하는 질소산화물 검출부와; 상기 기화부와 펌프를 연결하는 배관에 마련되어 유로를 가변적으로 제어가 가능한 가변제어밸브를 더 포함하여, 상기 제어부는 상기 질소산화물 검출부에서 검출된 질소산화물이 기준 농도 이상인 경우에 상기 가변제어밸브를 제어하여 상기 기화부로 전달되는 환원제의 공급을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 배기관 후단 또는 연에는 미반응되어 배출되는 환원제를 검출하는 미반응 환원제 검출부를 더 포함하여, 상기 제어부는 미반응 환원제 검출부에서 검출된 미반응 환원제의 검출 농도가 설정된 농도 이상인 경우에는 상기 펌프를 제어하여 토출량을 저감하거나 환원제의 공급을 차단하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 저장탱크는 환원제의 저장량을 검출하는 저장용량 검출부를 더 포함하여, 상기 제어부는 저장탱크에 저장된 환원제의 저장량이 설정된 수준 이하인 경우에 상기 펌프를 제어하여 환원제의 공급을 차단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 선택적 촉매환원 탈질설비는, 저온에서 질소산화물의 제거 활성이 우수한 TiO2, WO3, V2O5 계열의 탈질촉매를 이용하여 선택적 촉매환원에 의해 저온의 운전 조건에서도 질소산화물 및 황연을 효과적으로 제거가 이루어지며, 배기관의 고온 및 저온 영역의 배가스를 이용하여 적정 온도 조건에서 환원제를 기화시켜 분사가 이루어지도록 하여 요소수와 같이 기화 시에 열량이 많이 요구되는 환원제의 사용에서도 효과적인 질소산화물의 제거가 이루어질 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 선택적 촉매환원 탈질설비는, 다수의 검출수단을 포함하여 탈질설비의 효율적인 운전이 이루어질 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 선택적 촉매환원 탈질설비의 전체 구성도,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 선택적 촉매환원 탈질설비의 전체 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 탈질설비에서 촉매의 질소산화물 제거 효율을 보여주는 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 탈질설비에서 촉매의 이산화질소 전환율을 보여주는 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 탈질설비에서 촉매의 일산화질소 전환율을 보여주는 그래프.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1실시예

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 선택적 촉매환원 탈질설비의 전체 구성도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 선택적 촉매환원 탈질 설비는, 가스 터빈(GT)에서 연소되어 배출되는 배가스를 연돌(20)로 배출하게 되는 배기관(10)을 따라서 촉매부(110)가 마련되며, 이 촉매부(110)의 전단부에 촉매환원을 위한 환원제를 분사하기 위한 노즐 유니트(120)와, 암모니아계열의 수용액 환원제(암모니아수, 요소수 등)가 저장되는 저장탱크(130)와, 환원제를 기화시키기 위한 기화부(140)와, 노즐 유니트(120)로 공급되는 환원제의 흐름을 단속하기 위한 밸브 유니트(150)와, 저장탱크(130)에서 기화부(140)로 환원제를 전달하기 위한 펌프(160)와, 배기관(10)의 배가스 일부를 기화부(140)로 전달하기 위한 블로어 유니트(170)와, 검출수단의 검출신호를 수신하여 조작기구(펌프, 밸브 등)의 조작을 제어하게 되는 제어부(190)를 포함한다.

본 발명에서 촉매부(110)는 저온에서 질소산화물의 제거 활성이 우수한 TiO2/V2O5/WO3 계열의 허니컴(honeycomb)구조의 담체인 촉매가 사용되어 저온 조건에서도 우수한 탈질효과를 발휘할 수 있는 촉매가 사용됨이 바람직하다.

이러한 촉매부(110)는 가스 터빈의 저온 운전 조건에서도 질소산화물(NOx) 제거가 효율적으로 이루어지며, 특히 황연을 유발하는 이산화질소(NO2)를 효과적으로 일산화질소(NO)로 전환시킬 수 있다.

참고로, 본 실시예에서 배기관(10)은 복합화력발전에서의 배열회수보일러(HRSG; heat recovery steam generator)를 예시하고 있으며, 도면부호 11, 12는 배열회수보일러 내에 설치되어 배열회수와 관련된 배열회수용 모듈을 나타낸 것이다.

노즐 유니트(120)는 배기관(10) 내에 수직 방향으로 설치되어 환원제를 액적(droplet) 형태로 분사하기 위하여 다수의 노즐이 마련된 노즐배관에 의해 제공될 수 있으며, 배기관(10)을 따라 배출되는 연소 배가스에 균일하게 환원제를 분사할 수 있는 범위 내에서 구조나 형태는 특별히 제한될 필요가 없으며, 또한 본 실시예에서는 하나의 노즐배관만을 도시하고 있으나 두 개 이상의 노즐배관으로 구성될 수도 있을 것이다.

저장탱크(130)는 암모니아계열 수용액의 환원제가 저장되며, 본 발명에서는 암모니아 수용액 또는 요소수가 환원제로 사용될 수 있으며, 본 실시예에서는 암모니아 수용액(25%)이 저장되어 환원제로 사용됨을 예시하고 있다.

기화부(140)는 저장탱크(130)와 연결되어 저장탱크의 암모니아 수용액을 기화시켜 노즐 유니트(120)로 전달하며, 바람직하게는, 배기관(10)을 따라 배출되는 배가스를 활용하여 기화가 이루어질 수 있다.

바람직하게는 본 발명에서 기화부(140)는 환원제에 따라서 적정 온도의 열원 공급이 이루어질 수 있도록 배기관(10)을 따라서 발생된 배가스의 온도구배(temperature gradient)에 따라서 최소한 두 개소 이상의 위치(고온 구간, 저온 구간)에서 배가스의 열원을 이용하여 기화부(140)에 열원 공급이 이루어지는 것을 주요 기술상의 특징들 중의 하나로 한다.

통상적으로 가스 터빈의 운전 초기 시에 배기관(10)의 전단부(도 1에서 가스 터빈에서 발생된 배가스의 흐름에 따라서 배기관의 좌측을'전단부'로 지칭하며 우측을 '후단부'로 지칭함)에서의 배가스 온도는 400℃ ~ 500℃이며, 이때 배기관의 온도구배는 배기관의 사이즈에 따라서 다소 상이하나 후단부에서는 약 100℃ ~ 150℃ 정도가 된다.

한편, 가스 터빈이 정상 부하(50% 이상) 운전 조건에서는 전단부에서 배가스의 온도는 600℃ ~ 650℃이며, 후단부는 300℃ ~ 350℃ 정도가 된다.

이와 같이 가스 터빈의 운전 상태에 따라서 배기관의 각 구간에서 발생되는 온도 편차는 큰 반면에, 이러한 열원을 사용하게 되는 기화부(140)는 환원제의 종류에 따라서 적정 온도 범위를 유지하여야만 효율적인 기화가 가능하다.

예를 들어, 암모니아 수용액은 200 ℃ ~ 250 ℃가 최소 기화조건 온도 범위이며, 요소 수용액의 기화조건 온도 범위는 280 ℃ ~ 300 ℃가 된다.

이와 같이 사용되는 환원제에 따라서 기화조건 온도 범위는 달라지며, 따라서 본 발명에서는 사용되는 환원제에 따라서 기화부(140)가 적정 온도 조건을 유지할 수 있도록 고온 영역의 열원과 저온 영역의 열원을 이용하여 적정 온도 범위의 열원이 기화부(140)에 공급될 수 있도록 하며, 이에 대한 구체적인 실시예는 다시 설명한다.

밸브 유니트(150)는 노즐 유니트(120)와 기화부(140)를 연결하는 배관에 마련되어 노즐 유니트(120)로 분사되는 환원제의 흐름을 단속하게 되며, 제어부(190)에 의해 개폐가 이루어져 유량 제어가 이루어지는 주지의 전자식 개폐밸브에 의해 제공될 수 있다.

펌프(160)는 저장탱크(130)와 기화부(140)를 연결하는 배관에 마련되어 환원제를 기화부(140)로 공급하며, 바람직하게는, 전동모터(M)(또는 인버터)가 마련되어 제어부(190)에 의해 가변적으로 운전속도의 제어가 이루어져 토출량 제어가 가능하게 마련된다.

블로어 유니트(170)는 배기관(10)과 기화부(140) 사이에 마련되어 배기관(10)을 따르는 배가스 일부를 기화부(140)로 전달하여 기화부(140)에서 환원제의 기화에 필요한 열을 공급한다.

바람직하게는, 블로어 유니트(170)에 의해 기화부(160)로 공급되는 열원은 배기관(10)을 따라 흐르는 고온 배가스와 저온 배가스가 활용됨에 따라서 기화부(160)는 환원제의 기화에 필요한 적정 온도 범위를 가질 수 있다.

본 발명은 촉매부(110)를 기준으로 배기관(10)의 전단과 블로어 유니트(170)를 연결되는 배관에 마련되어 고온 배가스의 공급량을 조절하는 고온 배가스 조절밸브(181)와; 촉매부(110)를 기준으로 배기관(10)의 후단과 블로어 유니트(170)를 연결하는 배관에 마련되어 저온 배가스의 공급량을 조절하는 저온 배가스 조절밸브(182)를 포함하며, 또한 기화부(140)와 펌프(160)를 연결하는 배관에 마련되어 유로를 가변적으로 제어하여 유량 조절이 이루어질 수 있는 가변제어밸브(183)를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 분사가 이루어질 환원제에 따라서 제어부(190)는 운전 초기에는 주로 고온 배가스 조절밸브(181)를 개방하여 고온 배가스를 기화부(140)로 공급하여 환원제의 신속한 기화를 도모하며, 정상 부하의 운전 시에는 저온 영역에서도 기화에 필요한 온도 조건을 만족하게 되므로 저온 배가스 조절밸브(182)를 개방하여 저온 배가스를 기화부(140)로 공급하여 안정적으로 환원제의 기화가 이루어질 수 있다.

한편, 제어부(190)는 기화부(140)의 토출단에 마련되는 온도검출부(260)로부터 검출신호를 수신하고 기화부(140)에서 배출되는 환원제의 온도에 따라서 능동적으로 고온 배가스 조절밸브(181)와 저온 배가스 조절밸브(182)의 개폐 정도를 적절히 조절하여 안정적으로 환원제를 기화시켜 배기관(10)으로 공급할 수 있다.

펌프(160)와 블로어 유니트(170) 각각은 전동모터(M)가 마련되어 제어부(190)에 의해 전동모터(M)의 제어가 이루어질 수 있으며, 따라서 제어부(190)의 제어신호에 따라서 가변적으로 운전속도의 제어가 가능하여 토출량 제어가 가능하게 마련된다.

바람직하게는, 펌프(160)와 기화부(140) 사이를 연결하는 배관에는 유로를 가변적으로 제어가 가능한 가변제어밸브(183)가 마련되어 제어부(190)에 의해 제어가 이루어져 저장탱크(130)에서 기화부(140)로 전달되는 환원제의 유량 제어가 이루어질 수 있다.

제어부(190)는 본 발명의 탈질설비에 마련된 각종 검출수단으로부터 검출 신호를 수신하게 되며, 검출 신호를 비교 판정하여 밸브류 또는 펌프, 블로어 등의 조작기구에 대한 전반적인 제어가 이루어지며, 이에 대한 구체적인 설명은 각 검출수단과 조작기구에 대한 설명에서 다시 설명될 것이다.

다음으로, 본 발명에서 검출수단으로는 펌프(160)의 토출단에 마련되어 기화부(140)로 전달되는 환원제의 유량을 검출하는 유량검출부(210)와, 배기관(10)에 마련된 촉매부(110)를 통과하는 배가스의 차압을 검출하기 위한 차압검출부(220)와, 연돌(20)에 설치되어 미처리되어 배출되는 질소산화물을 검출하기 위한 질소산화물 검출부(230)와, 연돌(20)에 설치되어 미반응되어 배출되는 환원제를 검출하기 위한 미반응 환원제 검출부(240)와, 저장탱크(130)에 저장된 환원제의 저장량을 검출하는 저장용량 검출부(250)와, 기화부(140)에서 기화되어 배출되는 환원제의 온도를 검출하기 위한 온도 검출부(260)를 포함할 수 있다.

앞서도 설명된 것과 같이, 본 발명에서 기화부(140)는 저장탱크(140)로부터 배출된 암모니아 수용액을 기화시켜 노즐 유니트(120)로 전달하며, 바람직하게는, 배기관(10)을 따라 배출되는 배가스의 고열을 이용하여 기화가 이루어진다.

한편, 고온 배가스 조절밸브(181)와 저온 배가스 조절밸브(182)는 각각 고온 영역 및 저온 영역의 배기관(10)과 기화부(140)를 연결하는 배관에 마련되어 제어부(190)에 의해 가변적으로 배가스의 공급량 제어가 가능하며, 따라서 제어부(190)는 유량검출부(210)에서 검출된 환원제의 공급 유량 데이터를 수신하여, 검출된 유량을 근거로 하여 기화부(140)에서 환원제의 기화에 필요한 열량을 산출하여 고온 배가스 조절밸브(181)와 저온 배가스 조절밸브(182)를 능동 제어함으로써 기화부(140)에서는 환원제의 신속한 기화가 이루어질 수 있다.

특히, 요소수를 환원제로 사용하는 경우에는 암모니아수에 비하여 무해하고, 취급이 용이한 반면에 기화가 용이하지 않은 단점이 있었으나, 본 발명에서는 배기관(10)에서의 고온 열원을 같이 활용하게 되므로, 기화가 용이하지 않은 요소수를 환원제로 사용하는 경우에도 신속한 기화가 이루어질 수 있다.

차압검출부(220)는 탈질 처리 과정에서 배기관(10)의 촉매부(110) 사이를 통과하는 배가스의 차압을 검출하여 제어부(190)로 전달하며, 제어부(190)는 검출 차압이 기준 차압 이상인 경우에는 탈질 설비의 이상동작으로 판단하여 펌프(160)에서 토출되는 환원제의 공급을 중단 또는 저감하여 촉매부(110)에서 발생될 수 있는 이상 동작에 의해 환원제가 불필요하게 공급되는 것을 예방할 수 있다.

질소산화물 검출부(230)는 연돌(20)에서 배출되는 배가스 중에서 미처리된 질소산화물(NOx)의 농도를 검출하여 제어부(190)로 전달하며, 제어부(190)는 전달된 검출 신호로부터 미처리되어 배출되는 질소산화물이 허용 수준 이상인 경우에는 펌프(160)에서 기화부(140)로 환원제를 공급하도록 마련된 배관에 구비된 가변제어밸브(183)를 제어하여 기화부(140)를 공급되는 환원제의 공급량을 증가시킴으로써 적정 범위에서의 환원제 공급이 이루어질 수 있도록 한다.

미반응 환원제 검출부(240)는 연돌(20)에서 배출되는 배가스 중에서 미반응되어 배출되는 환원제 농도를 검출하여 제어부(190)로 전달하며, 제어부(190)는 허용치 이상의 환원제가 검출되는 경우에는 펌프(160)의 운전속도를 제어하여 환원제의 토출량을 저감하거나 공급을 중단하여 과잉 환원제가 대기 중으로 방출되는 것을 예방할 수 있다.

본 실시예에서 질소산화물 검출부(230)와 미반응 환원제 검출부(240)는 연돌(20)에 설치되는 것을 예시하고 있으나, 배기관(10) 후단에 설치될 수도 있을 것이다.

저장용량 검출부(250)는 저장탱크(130)에 저장된 환원제의 저장량(또는 수위)을 검출하여 제어부(190)로 전달하며, 제어부(190)는 저장탱크 내에 저장된 환원제가 일정 저장량 이하로 검출되는 경우에는 펌프(160)에서 토출되는 환원제의 공급을 중단하여 환원제의 저장량 부족임에도 탈질 처리가 진행되는 것을 방지할 수 있으며, 또한 경고신호를 출력하여 환원제의 보충이 이루어지도록 경고신호를 발생시킬 수 있다.

온도 검출부(260)는 기화부(140)에서 노즐 유니트(120)로 전달되는 환원제의 온도를 검출하여 제어부(190)로 전달하며, 제어부(190)는 설정된 온도가 유지될 수 있도록 펌프(160)에서 토출되는 환원제의 공급량, 또는 기화부(140)의 운전 온도를 판정하여 고온 배가스 조절밸브(181) 또는 저온 배가스 조절밸브(182)에 의해 이루어지는 배가스 공급량을 제어하여 기화부(140)가 적정 온도 범위 내에서 작동이 이루어지도록 할 수 있다.

예를 들어, 기화부(140)에서 배출되는 환원제의 온도가 낮은 경우에는 펌프(160)를 통해 토출되는 환원제의 공급량을 줄이거나 공급을 차단하며, 또는 고온 배가스 조절밸브(181) 또는 저온 배가스 조절밸브(182)를 제어하여 기화부(140)로 공급되는 고온과 저온 배가스 량을 조절하여 적정 온도 범위 내에서 환원제의 기화가 이루어질 수가 있을 것이다.

한편, 기화부(140)에서 배출되는 환원제의 온도가 높은 경우에는 펌프(160)를 통해 토출되는 환원제의 공급량을 늘리거나, 고온 배가스 조절밸브(181) 또는 저온 배가스 조절밸브(182)를 제어하여 기화부(140)에서 배출되는 환원제는 일정 온도 범위 내에서 배출이 이루어질 수가 있을 것이다.

본 실시예에서 구체적으로 설명되지는 않았으나, 배기관(10)의 전단부에는 가스 터빈(GT)에서 발생된 배가스 중의 질소산화물의 농도를 검출하기 위한 질소산화물 농도 검출부가 마련되며, 이 질소산화물 농도 검출부는 제어부(190)로 전달되어 검출된 배가스 중의 질소산화물 농도에 따라서 노즐 유니트(120)를 통해 분사될 환원제의 기본 분사량을 결정하게 되며, 이는 펌프(160)를 제어하여 환원제 공급량을 조절하게 되는 기본 환원제 분사량 제어에 해당되며, 앞서 본 실시예에서 설명된 각종 검출수단을 이용한 환원제의 공급량 제어는 기본 환원제 분사량에 대한 보정 값으로 제어가 이루어지는 것으로 이해하여야 할 것이다.

제2실시예

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 선택적 촉매환원 탈질설비의 전체 구성도이다.

본 발명의 제2실시는 기화부에 고온부와 저온부로부터 기화에 필요한 열원을 공급하기 위한 수단을 제외하고는 제1실시예와 실질적으로 동일하며, 따라서 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하고 중복되는 설명에 대해서는 생략한다.

도 2를 참고하면, 본 실시예에서 블로어 유니트는, 촉매부(110)를 기준으로 배기관(10)의 전단과 기화부(140)를 연결하는 배관에 마련되어 배기관(10)의 고온 배가스 일부를 기화부(140)로 전달하는 제1블로어(371)와, 촉매부(110)를 기준으로 배기관(10)의 후단과 기화부(140)를 연결하는 배관에 마련되어 배기관(10)의 저온 배가스 일부를 기화부(140)로 전달하는 제2블로어(372)에 의해 제공될 수 있다.

제1,2블로어(371)(372) 각각은 전동모터(M)가 마련되어 구동이 이루어지며, 각 전동모터(M)는 제어부(190)에 의해 구동 제어가 이루어져 제어부(190)의 제어신호에 따라서 제1,2블로어(371)(372)는 가변적으로 운전속도의 제어가 가능하여 토출량 제어가 가능하게 마련된다.

이와 같이 구성된 제1블로어(371)와 제2블로어(372)는 각각 고온과 저온의 배가스를 기화부(140)에 전달하게 되며, 각 블로어에서 토출되는 배가스의 공급량은 제어부(190)에 의해 제어가 이루어져 환원제에 따라서 적정 온도의 배가스가 기화부(140)에 공급되어 환원제는 적정 온도 조건에서 환원제의 기화가 이루어질 수 있다.

실험예

본 실험예에서는 TiO2/V2O5/WO3 계열 촉매의 질소산화물 제거 효율을 확인하기 위하여 반응 온도(reaction temperature)에 따라서 활성 평가를 실시하였으며, 본 실시예에 사용된 촉매는 TiO2/V2O5/WO3 계열의 Porzellanfabrik Frauenthal GmbH의 탈질촉매가 사용되었다.

촉매활성 평가를 위하여 100 ppm NH3, 100 ppm NOx, 14% O2, 4% H2O, N2 밸런스로 조성된 반응 가스를 촉매가 설치된 반응기 내에 주입하였으며, 4 vol.%의 H2O는 증류수를 포화기를 이용하여 버블링(bubbling) 방법으로 주입하였으며, 모든 가스들은 혼합 챔버(mixing chamber)를 통해 반응 전에 충분히 혼합되었다. 반응기의 공간속도는 34,000/h로 유지되었으며, 가스 라인들은 수분이 포함된 반응가스의 응축을 방지하기 위하여 200℃로 유지하였다.

질소산화물과 암모니아(NH3) 등의 농도는 온라인으로 설치된 가스셀(gas-cell)이 부착된 FT-IR(Thermo electron Co., Nicolet 6700)을 이용하여 측정하였다.

질소산화물(NOx)와 암모니아의 당량비는 1로 하였으며, 반응가스에 포함된 질소산화물은 NO:NO2의 비율이 각각 4:6과 5:5로 하여 평가를 실시하였으며, 촉매활성은 반응 온도 150℃에서 300℃ 사이에서 측정하였다.

일반적으로 가스 터빈의 초기 운전 시에 NO:NO2의 비율은 대략 5:5로 발생되며, 일정 시간(30분 내지 1시간)이 경과하여 정상부하 운전 시에 그 비율은 9:1이 되어 배가스의 대부분은 일산화질소로 배출이 이루어진다. 따라서, 운전 초기에 이산화질소에 의해 유발되는 황연 저감 효과를 확인하기 위한 본 실시예에서는 NO:NO2 비율을 4:6과 5:5로 설정하여 평가가 이루어졌다.

- 결과 -

도 3은 본 발명에 따른 탈질설비에서 촉매의 질소산화물 제거 효율을 보여주는 그래프이다.

도 3에서 NO:NO2의 비율이 5:5인 경우에 150℃에서 약 70%, 200℃에서 약 90%, 250℃에서 약 98%의 질소산화물(NOx) 제거 효율을 보여주어 촉매의 탈질 활성이 우수함을 확인할 수가 있다.

한편, NO:NO2의 비율이 4:6인 경우에는 5:5인 경우와 비교하여 촉매의 탈질 활성이 다소 낮게 나타남을 확인할 수 있으나, 상대적으로 저온 반응 온도인 150℃에서도 65% 정도의 질소산화물(NOx) 제거 효율을 보여주고 있음을 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 탈질설비에서 촉매의 이산화질소 전환율을 보여주는 그래프로써, 질소산화물 중에서 이산화질소의 전환율만을 따로 측정한 것이다.

도 4를 참고하면, NO:NO2의 비율이 5:5인 경우에 150℃에서 이산화질소 전환율은 70% 이상 이루어지는 것을 확인할 수 있으며, 그 비율이 4:6인 경우에도 57%의 이산화질소 전환율을 보여주고 있으므로, 초기 운전 시에 상대적으로 많이 배출되는 이산화질소에 의한 황연 발생을 방지할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 탈질설비에서 촉매의 일산화질소 전환율을 보여주는 그래프로써, 질소산화물 중에서 일산화질소의 전환율만을 따로 측정한 것이다.

도 5에서 알 수 있듯이, 150℃에서 70% 이상의 일산화질소 제거가 이루어짐을 확인할 수 있으며, 200℃ 이상에서는 90% 이상의 일산화질소 제거가 이루어짐을 알 수가 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

10 : 배기관 20 : 연돌
110 : 촉매부 120 : 노즐 유니트
130 : 저장탱크 140 : 기화부
150 : 밸브 유니트 160 : 펌프
170 : 블로어 유니트 181 : 고온 배가스 조절밸브
182 : 저온 배가스 조절밸브 183 : 가변제어밸브
190 : 제어부 210 : 유량검출부
220 : 차압검출부 230 : 질소산화물 검출부
240 : 미반응 환원제 검출부 250 : 저장용량 검출부
260 : 온도 검출부 371 : 제1블로어
372 : 제2블로어

Claims

삭제
가스 터빈에서 연소되어 발생된 배가스를 연돌로 배출하게 되는 배기계통 중에 TiO2/V2O5/WO3계열의 담체인 촉매부가 마련된 배기관에 상기 촉매부의 전단부에 위치하도록 상기 배기관에 설치되는 노즐 유니트와;
암모니아계열 수용액의 환원제가 저장된 저장탱크와 연결되어 상기 저장탱크로부터 공급된 환원제를 기화시켜 상기 노즐 유니트로 전달하기 위한 기화부와;
상기 노즐 유니트와 상기 기화부를 연결하는 배관에 마련되어 개폐 제어가 가능한 밸브 유니트와;
상기 저장탱크와 상기 기화부를 연결하는 배관에 마련되어 토출량 제어가 가능한 펌프와;
상기 배기관과 상기 기화부를 연결하는 배관에 마련되어 배기관의 배가스 일부를 상기 기화부로 공급하기 위한 블로어 유니트와;
상기 촉매부를 기준으로 상기 배기관의 전단과 상기 블로어 유니트를 연결되는 배관에 마련되어 상기 기화부로 전달되는 고온 배가스의 공급량을 조절하는 고온 배가스 조절밸브와;
상기 촉매부를 기준으로 상기 배기관의 후단과 상기 블로어 유니트를 연결하는 배관에 마련되어 상기 기화부로 전달되는 저온 배가스의 공급량을 조절하는 저온 배가스 조절밸브와;
상기 펌프의 토출단에 마련되어 상기 기화부로 전달되는 환원제의 유량을 검출하는 유량검출부와;
상기 기화부의 토출단에 마련되어 기화되어 토출되는 환원제의 온도를 검출하기 위한 온도 검출부와;
상기 유량검출부에서 검출된 유량과, 상기 온도 검출부에서 검출된 온도에 따라서 설정 유량과 설정 온도 범위 내에서 상기 기화부에서 환원제의 기화가 이루어지도록 상기 펌프 및 상기 블로어 유니트의 운전속도를 제어하며, 상기 고온 배가스 조절밸브 또는 상기 저온 배가스 조절밸브의 개폐 정도를 제어하게 되는 제어부;를 포함하는 선택적 촉매환원 탈질설비.
가스 터빈에서 연소되어 발생된 배가스를 연돌로 배출하게 되는 배기계통 중에 TiO2/V2O5/WO3계열의 담체인 촉매부가 마련된 배기관에 상기 촉매부의 전단부에 위치하도록 상기 배기관에 설치되는 노즐 유니트와;
암모니아계열 수용액의 환원제가 저장된 저장탱크와 연결되어 상기 저장탱크로부터 공급된 환원제를 기화시켜 상기 노즐 유니트로 전달하기 위한 기화부와;
상기 노즐 유니트와 상기 기화부를 연결하는 배관에 마련되어 개폐 제어가 가능한 밸브 유니트와;
상기 저장탱크와 상기 기화부를 연결하는 배관에 마련되어 토출량 제어가 가능한 펌프와;
상기 촉매부를 기준으로 상기 배기관의 전단과 상기 기화부를 연결하는 배관에 마련되어 배기관의 고온 배가스 일부를 상기 기화부로 공급하되, 토출량 제어가 가능한 제1블로어와;
상기 촉매부를 기준으로 상기 배기관의 후단과 상기 기화부를 연결하는 배관에 마련되어 배기관의 저온 배가스 일부를 상기 기화부로 공급하되, 토출량 제어가 가능한 제2블로어와;
상기 펌프의 토출단에 마련되어 상기 기화부로 전달되는 환원제의 유량을 검출하는 유량검출부와;
상기 기화부의 토출단에 마련되어 기화되어 토출되는 환원제의 온도를 검출하기 위한 온도 검출부와;
상기 유량검출부에서 검출된 유량과, 상기 온도 검출부에서 검출된 온도에 따라서 설정 유량과 설정 온도 범위 내에서 상기 기화부에서 환원제의 기화가 이루어지도록 상기 펌프와, 상기 제1블로어 및 제2블로어의 토출량을 제어하는 제어부;를 포함하는 선택적 촉매환원 탈질설비.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 배기관에 마련되는 촉매부를 통과하는 배가스의 차압을 검출하기 위한 차압검출부를 더 포함하여,
상기 제어부는 상기 차압검출부에서 검출된 차압이 기준 차압 이상인 경우에 상기 펌프를 제어하여 토출량을 저감하거나 환원제의 공급을 차단하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매환원 탈질설비.
제2항 또는 제3항에 있어서, 배기관 후단 또는 연돌에는 미처리된 질소산화물을 검출하는 질소산화물 검출부와;
상기 기화부와 펌프를 연결하는 배관에 마련되어 유로를 가변적으로 제어가 가능한 가변제어밸브를 더 포함하여,
상기 제어부는 상기 질소산화물 검출부에서 검출된 질소산화물이 기준 농도 이상인 경우에 상기 가변제어밸브를 제어하여 상기 기화부로 전달되는 환원제의 공급을 증가시키는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매환원 탈질설비.
제2항 또는 제3항에 있어서, 배기관 후단 또는 연돌에는 미반응되어 배출되는 환원제를 검출하는 미반응 환원제 검출부를 더 포함하여,
상기 제어부는 미반응 환원제 검출부에서 검출된 미반응 환원제의 검출 농도가 설정된 농도 이상인 경우에는 상기 펌프를 제어하여 토출량을 저감하거나 환원제의 공급을 차단하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매환원 탈질설비.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 저장탱크는 환원제의 저장량을 검출하는 저장용량 검출부를 더 포함하여,
상기 제어부는 저장탱크에 저장된 환원제의 저장량이 설정된 수준 이하인 경우에 상기 펌프를 제어하여 환원제의 공급을 차단하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매환원 탈질설비.