KR101387024B1 - 열교환기용 복합 세정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보일러 등의 연소시 발생하는 배가스에 포함된 질소산화물을 제거하기 위하여 선택적촉매환원법(SCR : Selective Catalytic Reduction)을 이용할 때 미반응 암모니아(NH₃ 슬립)와 배가스 중의 삼산화황(SO₃)이 결합하여 발생된 황산암모늄염이 SCR 장치 후단에 설치된 공기예열기(APH : Air Preheater)등의 열교환기에 부착되어 배가스 통로를 막아 보일러 내부 압력을 증가시켜 운전을 어렵게 하거나 설비에 부식손상을 일으키는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이를 위해 공기예열기의 배가스 입구 전단에 드라이아이스 세정장치를 설치하여 황산암모늄염 등으로 열교환기에 막힘 현상이 발생하면 드라이아이스 펠렛을 분사하여 오염물질을 제거하고, 이와 병행하여 공기예열기의 냉단부에 고온 증기 분사 설비를 설치하여 보일러 공급 공기와 같은 방향으로 증기를 분사하여 오염물질을 더 효과적으로 제거한다. 아울러 공기예열기 냉단부에서 발생하는 막힘 현상을 효과적으로 제거하기 위하여, 공기예열기의 배가스 입구 전단뿐아니라 그 역방향인 보일러 공기 입구 전단에서도 드라이아이스를 분사하여 세정효과를 높였다.

Description

열교환기용 복합 세정 시스템 {The Combined Cleaning System for Hear Exchanger}

본 발명은 보일러같은 연소 기관의 운전시 발생하는 배가스에 포함된 질소산화물을 제거하기 위하여 선택적촉매환원법을 이용할 때, 미반응암모니아와 배가스 중의 삼산화황 가스가 결합하여 발생되는 황산암모늄염이 이들 설비 후단에 설치된 열교환기에 오염물질로 축적되어 배가스의 통로를 막아 보일러 운전을 어렵게 하거나 정지시키는 문제를 해결하기 위한 것이다.

연소기관에서 석탄이나 오일, 가스 또는 가연성 물질 등이 연소될 때 나오는 배가스에는 질소산화물이 포함되어 있는데, 이런 질소산화물은 환경에 해가 되는 공해요소로서 대기 중으로 배출하기 이전에 제거하여야 한다.

배가스에 포함된 질소산화물을 제거하기 위해서, 보일러 노내에 암모니아와 같은 환원제를 직접 분사하는 비선택적촉매환원법(SNCR: Selective Non-Catalytic Reduction) 법을 이용하든지 보일러 후단에서 선택적촉매환원법(SCR: Selective Catalytic Reduction)을 이용되는데, SNCR 법은 탈질 효율이 높지 않아 주로 SCR 법이 사용되고 있다.

선택적촉매환원법은 배가스에 포함된 질소산화물(NO_x)을 암모니아와 같은 환원제와 혼합한 후 촉매를 통과시켜 질소와 물로 전환하는 방법이다.

발전설비나 산업용 보일러같은 연소기관에서 일반적으로 사용되는 공해방지 설비 배치예가 도 1에 나타나 있다. 이에 따르면 보일러에서 배출되는 배가스는 절탄기를 거쳐 SCR의 촉매층을 통과한 후 공기예열기와 집진기, 탈황설비를 통과하여 굴뚝으로 배출된다.

일반적으로 보일러에서 석탄이나 중유가 연소되어 나오는 배가스에는 이산화황(SO₂)과 삼산화황(SO₃)이 포함되어 있는데, 이산화황은 다음 식 (1)과 같이 탈질촉매 통과시 일부가 삼산화황으로 산화되므로 SCR 통과 후의 배가스 중의 삼산화황 농도는 증가하게 된다.

2SO₂ + O₂ 2SO₃ (1)

한편 배가스에는 수분이 존재하는데, SCR에 투입되는 암모니아의 일부는 다음 식(2)와 같이 삼산화황 및 수분과 반응하여 황산암모늄염(Ammonium Bisulfate)을 형성한다.

NH₃ + SO₃ + H₂O → NH₄HSO₄ (2)

황산암모늄염은 촉매의 활성을 저하시키고, SCR 후단 설비를 부식시키며, 촉매의 구멍과 열교환기 배가스 통로를 막아 보일러의 압력 손실을 증대시킨다. 이러한 이유로 SCR 운전시 미반응 암모니아의 배출 농도를 2~3ppm 이하로 제한하는 것이 일반적이지만 그럼에도 불구하고 많은 설비에서 SCR 운전중에 열교환기가 막히는 경우가 자주 발생하고 있다.

따라서 일부 발전소에는 열교환기, 특히 공기예열기에 설치되어 있는 기존 제매기에 도 2 와 같이 실시간 고압수 세정설비를 추가로 설치하여 주기적으로 공기예열기 막힘 현상을 제거한다. 그러나 고압의 물분사로 열소자 코팅층이 손상되어 오히려 공기예열기 막힘 현상이 가중되기 때문에 효과적인 세정기술이라고 볼 수는 없다. 통상적으로 고압수 세정설비의 운전 압력은 150~200 ㎏/㎠g 로 매우 높은 편이지만 막힘 현상이 심한 경우, 300 ㎏/㎠g 으로도 막힘 현상이 해소되지 않는 경우도 많다.

또한 도 2 와 같이 고압 수를 사용하여 세정하는 경우, 수분이 다량 전기집진기 등 후속 장치로 흘러들어가 이들이 손상될 수 있어, 이를 방지하기 위하여 도 3 과 같이 배수 시스템을 추가로 설치할 수도 있다. 그러나 이 경우에도 수분에 의한 손상을 원천적으로 예방할 수는 없다.

상기한 문제를 해결하기 위해 본 발명자는 공기예열기의 배가스 입구 전단에 드라이아이스 세정장치를 설치하여, 황산암모늄염 등의 오염 물질에 의하여 발생하는 열교환기의 막힘 현상을 해결하기 위하여 드라이아이스 펠렛을 분사하여 오염물질을 제거하는 설비를 개발하여 한국 특허 제10-2010-0014527호 발명을 완성한 바 있다. 도 4는 한국특허출원 10-2010-0014527에 나타난 드라이아이스 세정장치를 이용하여 공기예열기의 황산암모늄염 제거하는 시스템에 대한 개략도이다.

도 4의 드라이아이스 세정장치에서 드라이아이스 펠렛이 공기예열기 열소자에 부착된 황산암모늄염을 제거하는 원리는 도 5 와 같다. 드라이아이스 펠렛은 세척기에서 고압(또는 저압) 공기에 의하여 고속으로 분사되어 공기예열기 열소자 표면에 충돌한다. 드라이아이스 펠릿은 열소자에 부착된 황산암모늄염을 초저온 (예를 들면, -78℃)으로 급속 동결시키고 이에 따라 황산암모늄염은 주변과의 온도 차이에 의해 수축되면서 수많은 균열을 일으킨다. 드라이아이스 펠릿은 이들 균열들을 통하여 황산암모늄염들 사이로 침투됨과 동시에 승화하면서 부피가 800배 이상 팽창하여 황산암모늄염만을 위로 들어 올려 분리시킨다. 이와 같이 초저온으로 동결된 이물질들은 세척기의 풍압에 의해 표면에서 쉽게 분리되어 공기예열기 후단으로 배출된다.

그런데 황산암모늄염만이 존재할 때는 이들이 공기예열기의 중간 지점에 부착되어 드라이아이스 단독으로 이들의 제거가 용이하나, 연료질의 저하로 이물질이 많이 발생하면 이물질 제거가 용이하지 않을 수 있다. 특히 겨울철에 강추위로 대기의 온도가 급격히 내려가면, 도 6에 나타난 것처럼, 공기예열기 냉단부에서 황산암모늄염과 분진이 결합하여 수분과 함께 동결된 오염물질이 공기예열기의 배가스 통로를 막게 된다. 따라서 드라이아이스를 이용한 세정 기술만으로는 오염물질을 효과적으로 제거할 수 없는 경우가 있다.

한국특허출원 공개번호 제10-2011-0096603, 드라이아이스를 이용한 열교환기의 건식 세정 방법

상술한 바, 본 발명은 종래 기술의 문제점인 고압수 분사 설비 가동시 열소자가 손상되고 배가스 중의 수분 농도가 높아져 공기예열기 후단에 설치된 집진기 성능과 수명을 저하시키는 단점을 해결하기 위한 것으로, 효과적으로 열소자의 이물질을 제거하기 위한 복합 세정 방법을 제공한다.

본 발명은 SCR을 이용하는 다양한 산업 설비, 연소 기관, 더 구체적으로는 발전 설비나 산업용 보일러에 제한 없이 적용할 수 있다. 이하에서는 열교환기로서 공기예열기를 사용하는 경우를 예를 들어 설명하겠지만 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다.

단지 황산암모늄염에 의해서만 공기예열기의 열소자가 오염되었을 때에는 황산암모늄염 층은 공기예열기의 중간 지점에 주로 부착되기 때문에, 드라이아이스 단독으로 이들의 제거가 용이하다. 그러나 통상적으로, 또는 연료질의 저하로 다양한 종류의 이물질이 발생하여 축적되는 이물질 제거가 용이하지 않은 편이다. 특히 겨울철에 강추위에 의해 대기의 온도가 급격히 내려가면 공기예열기 냉단부에서 황산암모늄염과 분진이 결합하여 수분과 같이 동결되는 경우가 흔해 드라이아이스 단독 세정을 보강할 필요가 있다.

이에 따라, 본 발명은 고온 증기 분사 설비와 드라이아이스 분사 설비를 설치하여 이들을 교대로 또는 동시에 운전하여 열교환기의 열소자에 부착된 오염물질을 효과적으로 제거하는 방법을 제공한다.

또한 본 발명에 따르면, 공기예열기 냉단부에서 발생하는 막힘 현상을 효과적으로 제거하기 위하여, 지금까지의 공기예열기의 배가스 입구 전단에서만 드라이아이스를 분사하던 것을 기존 분사 방향에 대하여 역방향인 보일러 공급 공기 입구, 즉 냉단부에서도 드라이아이스와 고온의 증기를 분사하여 세정효과를 높힐 수 있다.

하나의 양태에 있어서, 본 발명은 공기예열기에 고온을 증기를 분사하고 또한 이와 동시에 또는 순차적으로 드라이아이스 펠렛을 분사함으로써 공기예열기의 표면에 형성된 이물질, 예를 들면, 황산암모늄염, 분진을 효과적으로 제거하는 공기예열기의 복합 세정 방법을 제공한다. 더 구체적으로 본 발명에 따른 복합 세정 방은 공기예열기에 증기 온도 90 ℃ 내지 500 ℃, 바람직하게는 90 ℃ 내지 400 ℃, 압력 10 ㎏/㎠g 내지 30 ㎏/㎠g, 바람직하게는 압력 20 ㎏/㎠g 으로 고온의 증기를 분사하는 단계와 공기예열기의 입구에서 열소자 표면에 평행하게 0.5 ㎏/㎠g 내지 20 ㎏/㎠g의 압력, 200 m/sec 내지 400 m/sec의 속도로 입경이 3 mm 이하, 바람직하게는 입경이 0.1 mm 내지 3 mm인 드라이아이스 펠렛을 분사하는 단계와, 열소자 표면에 형성된 이물질의 제거 단계를 포함하는 열교환기의 복합 세정 방법을 제공한다.

바람직하게 상기 방법에서 온도가 400℃ 이하, 압력이 20 ㎏/㎠g 이하인 경우, 공기예열기에 노화를 최소화하면서 효과적으로 이물질을 제거할 수 있다.

바람직하게 증기에 의한 수세시 고온의 증기는, 공기예열기의 냉단부에 설치된 고온 증기 분사 설비에 의하여 보일러 공급 공기와 같은 방향(9)으로 공기예열기에 분사될 수 있고, 또는, 그 역방향인 보일러 공급 공기 출구에서 분사된다. 한편 드라이아이스 펠렛에 의한 수세시 드라이아이스 펠렛은 공기예열기의 보일러 배가스 입구 전단에 설치된 고온 증기 분사 설비에 의하여 배가스와 같은 방향(8)으로 공기예열기에 분사되거나, 또는, 그 역방향인 배가스 출구에서 분사된다.

더 바람직하게, 증기는 공기 예열기의 냉단부에서 보일러 공급 공기와 같은 방향(9)으로 분사되며, 드라이아이스 펠렛은 예열기에 보일러 배가스가 공급되는 방향, 즉 배가스와 같은 방향(8)으로 분사된다.

증기에 의한 수세와 드라이아이스 펠렛에 의한 수세는 동시에 이루어질 수 있으며, 다른 한편으로, 증기에 의한 수세 이후에 드라이아이스 펠렛에 의하여 수세하거나 반대로 드라이아이스 펠렛에 의한 수세 이후에 증기에 의하여 수세하는 방식으로 순차적으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따라 드라이아이스 펠렛이 공기예열기에 분사되면, 드라이아이스 펠렛이 열교환기 열소자와 충돌하여 분쇄된 후, 분쇄 드라이아이스 펠렛 입자에 의하여 열소자 표면을 덮은 황산암모늄염을 0℃ 내지 -78.5℃의 온도 범위에서 급속 동결시키고, 이에 따라 황산암모늄염 층에 균열이 발생한다. 이때 발생된 황산암모늄염 층의 균열 사이로 분쇄 드라이아이스 펠렛 입자가 침투하는 것과 동시에 드라이아이스 입자는 승화하여 열소자 표면의 황산암모늄염이 열소자로부터 분리된다. 공기예열기 열소자의 표면에 축적된 분진이나 다른 오염 물질도 마찬가지 원리에 의하여 분리되어, 열소자의 수세가 이루어진다.

본 발명의 복합 세정 방법은 기존의 문제점인 설비의 가동중단 없이 설비 운전중에 간편하게 작동할 수 있으며 열교환기나 전기집진기에 전혀 손상을 주지 않는다. 또한 고온 증기 분사는 고압수 분사보다는 압력이 낮고, 수분의 사용량이 상대적으로 매우 적어 배가스의 수분 농도를 증가시키지 않는다. 따라서 오염물질을 추가로 배출하지 않기 때문에 별도의 폐수처리 시설이 필요없다.

한편, 발전설비의 배가스에서 포집한 CO₂를 재활용하여 드라이아이스를 생산할 수 있으므로, CO₂ 활용의 측면과 원가 절감에 있어서도 유리하다.

도 1은 종래에 공해 방지설비가 설치된 일반적인 발전설비나 보일러 배치도로 보일러 후단의 절탄기가 있고 이 후단에 SCR이 있으며, SCR 후단에 공기예열기가 있는 구조이며,
도 2는 공기예열기에서 종래에 제매기(Soot Blower)와 수세(Water washing)시스템을 이용하여 황산암모늄염을 제거하는 시스템을 나타내며,
도 3은 수세시 수분을 제거하기 위한 배수장치를 나타내며,
도 4는 도 2의 수세장치 대신에 드라이 아이스 세정장치가 설치된 공기예열기의 황산암모늄염 제거시스템을 나타낸다.
도 5는 드라이아이스 펠렛이 황산암모늄염을 제거하는 원리를 나타낸다.
도 6은 겨울철에 대기의 온도가 급격히 내려가는 경우, 공기예열기 냉단부에서 황산암모늄염과 분진이 결합하여 수분과 함꼐 동결되어 배가스 통로를 막고 있는 모습이며,
도 7은 드라이아이스 세정장치와 고온 증기 분사 시스템이 함께 설치되어 운전되는 시스템을 나타낸다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5에 나타난 바와 같이 드라이아이스 펠렛은 세척기에서 고압 또는 저압의 공기에 의하여 고속으로 분사되어 공기예열기 열소자 표면에 충돌한다. 드라이아이스 펠릿은 열소자에 부착된 황산암모늄염을 초저온(-78℃)으로 급속 동결시키게 되고 이에 따라 황산암모늄염은 주변과의 온도 차이에 의해 수축되면서 수많은 균열을 일으킨다. 드라이아이스 펠릿은 이들 균열들을 통하여 황산암모늄염들 사이로 침투됨과 동시에 승화하면서 부피가 800배 이상 팽창하여 황산암모늄염 만을 위로 들어 올려 분리시킨다. 마찬가지 원리에 의하여 황산암모늄염뿐 아니라 분진이나 다른 오염 물질도 분리 제거되며, 초저온으로 동결된 이물질들은 세척기의 풍압에 의해 표면에서 쉽게 분리되어 공기예열기 후단으로 배출된다.

도 7은 도 4의 드라이아이스 세정장치를 개량하여 고온의 증기 분사 설비(6)를 추가하고 이들의 분사 위치를 기존의 배가스 입구 뿐만아니라, 보일러 공급 공기 입구, 즉 공기예열기 냉단부에서도 분사하는 시스템을 나타낸다. 고온 증기 분사 설비는 증기 온도와 압력이 높을수록 세정 효과는 우수하나 열소자 손상 가능성이 있어 온도는 400℃ 이하, 압력은 20 ㎏/㎠g 이하로 분사한다. 증기의 압력은 고압수 세정시 통상적인 고압수의 운전 압력 150~200 ㎏/㎠g 의 1/10 수준으로 상대적으로 열소자에 손상을 주지 않는다.

이상에서 본 발명의 드라이아이스를 이용한 공기예열기 세정방법에 대한 기술사양을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

1: 공기예열기 회전 방향, 2: 공기예열기, 3: 드라이아이스 펠렛 분사 노즐, 4: 드라이아이스 펠렛 분사장치, 5: 드라이아이스 제조기, 6: 고온 증기 분사 설비, 7: 보일러 공급 공기 출구, 8: 보일러 배가스 입구, 9: 보일러 공급 공기 입구, 10:보일러 배가스 출구

Claims (6)

1. 열교환기에 증기 온도 90℃ 내지 500℃, 압력 10 ㎏/㎠g 내지 30 ㎏/㎠g 으로 고온의 증기를 분사하는 단계;
   열교환기의 입구에서 열소자 표면에 평행하게 0.5 ㎏/㎠g 내지 20 ㎏/㎠g의 압력, 200 m/sec 내지 400 m/sec의 속도로 입경이 0.1 mm 내지 3 mm인 드라이아이스 펠렛을 분사하는 단계; 및
   열소자 표면에 형성된 이물질의 제거 단계를 포함하고,
   상기 고온의 증기를 분사하는 단계에서 고온의 증기는, 열교환기의 보일러 배가스 입구 전단에서 분사되거나 그 역방향인 보일러 공급 공기 입구에서 분사되며,
   상기 드라이아이스 펠렛을 분사하는 단계에서 펠렛은, 열교환기의 보일러 배가스 입구 전단에서 분사되거나 그 역방향인 보일러 공급 공기 입구에서 분사되는 열교환기의 복합 세정 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 고온의 증기를 분사하는 단계와 드라이아이스 펠렛을 분사하는 단계는 동시 또는 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기의 복합 세정 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 드라이아이스 펠렛을 분사하는 단계는,
   드라이아이스 펠렛이 열교환기 열소자와 충돌하여 분쇄된 후, 분쇄 드라이아이스 펠렛 입자에 의하여 열소자 표면을 덮은 황산암모늄염을 0℃ 내지 -78.5℃의 온도 범위에서 급속 동결되어 황산암모늄염 층에 균열을 일으키는 단계;
   상기 황산암모늄염층의 균열 사이로 상기 분쇄 드라이아이스 펠렛 입자가 침투하는 단계; 및
   상기 드라이아이스 입자의 승화에 의하여 열소자 표면의 황산암모늄염이 열소자로부터 분리되어 제거되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 복합 세정 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 열교환기는 공기예열기인 것을 특징으로 하는 열교환기의 복합 세정 방법.
   

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