KR101433611B1 - 가시매연 제거를 위한 선택적 촉매환원 탈질설비 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합화력등에서 가스터빈 기동시 가시매연(Yellow Fume)을 제거하고자, 선택적 촉매환원법(Selective Catalytic Reduction)을 이용하여 이들을 효율적으로 제거하기 위한 선택적 촉매환원 탈질설비에 관한 것이다. 이를 위해 기존의 선택적 촉매환원법에 의한 질소산화물 저감장치의 환원제 공급조건을 개선하고 NO2/NOX의 비율을 세밀하게 조정하여 130℃ 이하의 저온의 배기가스에서부터 가시매연을 제거하는 우수한 효과가 있다.

Description

가시매연 제거를 위한 선택적 촉매환원 탈질설비{SCR De-Nox Equipment for removing yellow plume}
본 발명은 가스터빈 기동시 발생하는 가시매연(Yellow Fume)을, 선택적 촉매환원법(Selective Catalytic Reduction)을 이용하여 130℃ 이하의 저온 배기가스에서부터 효과적으로 제거하기 위한 방법에 관한 것이다.
발전용 보일러나 가스터빈, 산업용 보일러, 소각로, 디젤엔진 등에서 많은 질소산화물(NOx)이 배출되어 공해를 일으키는 주요 원인이 되고 있다. 질소산화물의 발생을 억제하거나 저감하는 방법으로는, 저NOx 버너, 선택적 무촉매 환원법(Selective Non Catalytic Reduction), 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction) 등이 이용되어 왔다.
이 중, 선택적 촉매환원법은 탈질 촉매 전단에서 암모니아나 요소를 분사하여 다음과 같은 화학반응을 통하여 배기가스 중의 질소산화물을 암모니아와 함께 촉매를 통과시켜 무공해의 물과 질소로 전환하는 방법이다.
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
상기 반응은 표준 선택적 촉매환원법(SCR)이라고도 지칭되며, 대략 300~400℃의 반응온도에서 가장 높은 반응 효율을 나타내는 것으로 알려져 있다. 이 때문에 복합화력 발전소의 경우, 가스터빈에서 발생하는 NOx를 제거하기 위하여 배열회수보일러 내에 300~400℃ 온도구간에 촉매를 장착하여 최적의 탈질효율이 달성하도록 운전하고 있다.
그런데, 탈질촉매의 최적 반응온도 300~400℃는 가스터빈의 초기 기동 시점에는 달성할 수 없는 문제가 있다. 일반적으로 복합화력 발전소에서 가스터빈 초기 기동시 배기가스 온도는 200℃ 이하로 낮기 때문에, 초기 기동시에는 다량의 NO2가 생성되어 가시매연이 발생한다. 낮은 배기가스 온도는 다음과 같이 NO2와 NH3의 반응 속도를 매우 느리게 한다.
2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O
배기가스의 온도가 낮을 경우, 탈질효율을 증가시키기 위해 촉매량을 증가하는 방법이 있으나, 온도가 낮아질수록 탈질에 필요한 촉매량이 급격히 증가하여 기술적으로 한계가 있다. 또한, 탈질 촉매량 증가는 가스터빈의 압력손실을 증가시켜 가스터빈 효율을 급격히 감소시키고, 압력손실이 큰 경우 가스터빈의 불시정지도 발생할 수 있는 문제가 있다.
현재 많은 복합화력 등에서 가시매연의 원인인 NO2를 제거하기 위하여 에탄올 등을 배기가스에 분사하여 가시매연 제거를 시행하고 있으나, 이들 방법은 근본적으로 NO2를 제거하지 못하고, 발암물질인 포름알데히드를 추가로 발생시켜, 환경오염을 더욱 증가시킨다.
최근 연구결과에서는 300℃ 이하 저온에서 배기가스중의 NO2 농도가 증가할수록 동일한 촉매량 기준으로 탈질효율이 증가하여, NO2/NOx 비율이 0.5에 근접할수록 탈질 효율이 최대가 되는 가속 선택적 촉매환원반응(Fast SCR)이 일어나는 것이 알려져 있다.
2NO+ 2NO2 + 4NH3 → 4N2 + 6H2O
상기 가속 선택적 촉매환원반응은 200℃ 이하의 낮은 온도에서 반응속도가 표준 SCR 보다 최대 10배 이상 증가하는 것으로 알려져 있다.
본 출원인은 한국등록특허 제10-1057342호에서 상기 가속 선택적 촉매환원반응(Fast SCR)을 이용하여 통상의 SCR 반응온도보다 낮은 온도에서도 효과적으로 가시매연과 NOx를 제거할 수 있는 방법을 제시하였다. 그런데 최근 보급되고 있는 가스터빈의 운전결과를 분석한 결과, 가스터빈 출구의 NOx 발생량은 많이 감소하였으나 가시매연은 여전히 많이 발생하고 있는 문제가 있었다.
그 원인을 분석한 결과, NOx 배출량을 최대한 감소시키고자 가스터빈 버너의 연소온도를 낮추고 운전하여 NOx 총량은 대폭 감소시킬 수 있었으나, 도 1과 같이 가스터빈 기동시의 배기가스 온도가 너무 낮아져, 배열회수보일러 과열기 후단에서 배기가스 온도가 130℃ 근처까지 내려감에 따라, 가시매연이 잘 제거되지 않은 것을 발견하였다.
구체적으로 배기가스에서 NOx 총량이 감소하여 NO2/NOx의 비율이 기존보다 0.5 에 근접함으로써, Fast SCR 조건은 개선되었으나, 배기가스 온도가 많이 내려가 기존의 환원제 공급장치로는 촉매 반응에 필요한 NH3 공급이 충분하지 않아 가시매연 제거가 제대로 이루어지고 있지 않은 것이다.
일반적으로 촉매반응에 필요한 환원제인 NH3는 암모니아 가스나 암모니아수용액, 또는 우레아 수용액을 가열하여 기화시켜 공급하는데, 가열방법은 도 2와 같이 고온 배기가스나 배열회수보일러의 보조증기를 사용한다.
한국등록특허 제10-1312994호에서는 환원제로 사용하는 암모니아 수용액의 최소 기화온도를 200~250℃로, 요소 수용액은 280~300℃를 제시하고, 배열회수보일러의 고온쪽과 저온쪽 배기가스를 이용하여 환원제를 기화시키는 방법을 제시하였다. 그러나 가스터빈 기동 후 배기가스나 보조증기를 이용하여 환원제를 촉매층에 공급하는데 소요되는 시간이 최소 30분에서 1시간 정도나 요구되므로, 가스터빈 기동후 30분 이내에 집중적으로 발생하는 가시매연은 한국등록특허 제10-1312994호에 따른 방법으로는 제거하기 매우 어려운 문제가 있다.
[선행기술문헌]
(특허문헌 1) 한국등록특허 제10-1057342호: 가속 선택적 촉매 환원법을 이용한 저온 탈질 효율 증가 및 가시매연 제거 시스템
(특허문헌 2) 한국등록특허 제10-1312994호: 저온 운전 조건에서 효율적인 황연 및 질소산화물 저감을 위한 선택적 촉매환원 탈질설비
본 발명의 목적은 낮은 온도(130℃) 근처부터 발생하는 가시매연을 효과적으로 제거하기 위하여, 가스터빈 기동시부터 환원제가 촉매층에 효과적으로 도달할 수 있는 선택적 촉매환원(SCR) 탈질설비를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 낮은 온도(130℃) 근처부터 발생하는 가시매연, CO, VOC를 효과적으로 제거하고, 촉매량의 한계와 압력손실을 극복하기 위하여 환원제 기화기 전단에 보조가열장치, 탈질설비 내에 산화촉매 및 플라즈마 발생기, 오존 발생기 또는 산화제 분사기를 설치한 선택적 촉매환원(SCR) 탈질설비를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 배열회수 보일러 및 환원제 공급장치를 포함하는 선택적 촉매환원(SCR) 탈질설비로서, 상기 배열회수 보일러는 탈질촉매 및 상기 탈질촉매의 전단부에 설치된 노즐 유니트를 포함하고, 상기 환원제 공급장치는 환원제 저장탱크, 상기 환원제 저장탱크와 연결되어 상기 환원제 저장탱크로부터 공급된 환원제를 기화시켜 상기 노즐 유니트로 전달하기 위한 기화기를 포함하는 선택적 촉매환원(SCR) 탈질설비를 제공한다.
본 발명에 따른 선택적 촉매환원(SCR) 탈질설비는 기화기의 전단부에 보조가열장치가 구비될 수 있다.
상기 보조가열장치는 도 3과 같이 가시터빈 기동시에 이를 가동하여 환원제를 촉매층에 충분히 공급한다. 이때 가열방법은 전기나 오일 또는 가스버너 방식을 사용할 수 있다. 가스터빈 출력이 정상화되면 보조 가열장치 가동을 중단하고 고온배기가스나 보조 증기로 환원제를 기화하여 탈질설비로 인한 에너지 소비를 감소시킨다.
또한, 본 발명에 따른 선택적 촉매환원(SCR) 탈질설비 NO2/NOX 비율을 조정하도록 노즐 유니트 전단부에 산화촉매가 설치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선택적 촉매환원(SCR) 탈질설비는 NO2/NOX 비율을 조정하도록 노즐 유니트 전단부에 플라즈마 발생기, 오존 발생기 또는 산화제 분사장치가 설치되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선택적 촉매환원(SCR) 탈질설비 NO2/NOX 비율을 조정하도록 노즐 유니트 전단부에 산화촉매가 설치될 수 있고, 산화촉매와 노즐 유니트 사이에 플라즈마 발생기, 오존 발생기 또는 산화제 분사장치가 설치되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선택적 촉매환원(SCR) 탈질설비는 NO2/NOX 비율을 조정하도록 노즐 유니트 전단부에 산화촉매가 설치될 수 있고, 상기 산화촉매의 전단부에 플라즈마 발생기, 오존 발생기 또는 산화제 분사장치가 설치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선택적 촉매환원(SCR) 탈질설비는 NO2/NOX 비율이 0.1 내지 0.5인 것을 특징으로 한다. 바람직하게 상기 비율은 0.15 내지 0.5이며, 보다 바람직하게는 0.2 내지 0.5일 수 있다.
본 발명에서는 선택적 촉매환원법을 이용하여 130℃ 근처부터 가시매연을 제거하기 위하여 가스터빈 압력손실 허용범위 내에서 촉매량을 적절히 조절하면서, 촉매 전단에서의 NO2/NOx 비율을 0.5 에 근접하도록 조정하여 저온에서 촉매의 탈질효율을 극대화하는 효과가 있다.
본 발명에 따른 선택적 촉매환원(SCR) 탈질설비는 환원제 공급장치에 보조가열장치가 설치되거나, 배열회수보일러에 산화촉매 또는 산화제 분사장치가 설치되어 130℃ 근처의 저온에서 발생하는 가시매연, CO 및 VOC를 효과적으로 제거할 수 있다. 나아가 궁극적으로는 발전용 보일러, 가스터빈, 산업용 보일러, 소각로, 디젤엔진 등의 분야에서 질소산화물 발생을 최소화시킨 탈질설비로 널리 활용될 수 있다.
도 1은 가스터빈 후단의 배열회수보일러 과열기 후단에서 배기가스 온도가 가스터빈 출력에 따라 변화하는 것을 나타낸 그래프이고,
도 2는 복합화력 SCR 설비에서 종래의 환원제 공급장치를 나타낸 도면이고,
도 3은 복합화력 SCR 설비에서 환원제 공급장치에 보조가열장치를 설치한 경우를 나타낸 도면이고,
도 4는 복합화력 SCR 설비에서 환원제 공급장치에 보조가열장치, 배열회수보일러에 산화촉매을 설치한 경우를 나타낸 도면이고,
도 5는 복합화력 SCR 설비에서 환원제 공급장치에 보조가열장치, 배열회수보일러에 플라즈마 발생기나 오존 발생기 또는 산화제 분사장치를 탈질촉매 전단에 설치한 경우를 나타낸 도면이고,
도 6은 복합화력 SCR 설비에서 환원제 공급장치에 보조가열장치, 배열회수보일러에 산화촉매, 산화촉매 후단에 플라즈마 발생기나 오존 발생기 또는 산화제 분사장치를 설치한 경우를 나타낸 도면이고,
도 7은 복합화력 SCR 설비에서 환원제 공급장치에 보조가열장치, 배열회수보일러에 산화촉매, 산화촉매 전단에 플라즈마 발생기, 오존 발생기 또는 산화제 분사장치를 설치한 경우를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
종래 복합화력에서 SCR 설비는 도 2와 같이 설치되어 운전되어 왔다. 이때 환원제 기화기는 고온의 배기가스나 보조증기를 이용하여 환원제를 가열, 기화시켰다.
본 발명은 가스터빈의 기동시 저온의 배기가스에서도 효과적으로 가시매연 및 NOx를 제거하기 위해, 도 3에서와 같이 환원제 기화기 전단에 보조가열장치를 설치하여 가스터빈의 기동과 동시에 환원제인 NH3가 탈질촉매에 도달하도록 하는 것을 특징으로 한다.
환원제인 NH3가 탈질촉매에 도달하도록 하기 위해서는 먼저 보조가열장치를 가동하여 NH3를 기화시킨 후, 가스터빈 기동과 함께 NH3를 탈질촉매에 분사하는 것이 바람직하다.
한편, SCR 설비에 장착되는 촉매 량은 일반 정상운전 조건에 맞춰 장착하고 있다. 물론 촉매량을 충분히 장착할 수도 있으나 촉매량 증가는 압력손실을 증가하여 가스터빈의 효율을 저하시키고, 심한 경우 가스터빈의 불시정지도 유발할 수 있어 최소한의 촉매량을 장착하고 있다.
그러나 최소한의 촉매량을 장착하는 경우, 가스터빈 기동시에 발생하는 저온의 가시매연을 충분히 제거하지 못하는 경우가 있다. 이러한 경우, 도 4와 같이 가스터빈 후단의 높은 온도 영역에 산화촉매를, 배열회수보일러 내에는 탈질촉매를 설치하여 Fast SCR 반응을 가능하게 함으로써 저온의 배기가스에서 가시매연 및 NOx를 제거할 수 있다. 가스터빈 후단에 산화촉매를 설치하면 가스터빈 운전시 발생하는 CO 및 VOC도 동시에 제거할 수 있는 장점이 있다.
또한, 도 5에서와 같이, 플라즈마 발생기, 오존 발생기, 또는 산화제 분사기를 배열회수보일러 전단부에 설치할 수 있다. 도 4에서와 같이 가스터빈 후단에 산화촉매를 장착할 경우, 압력손실 증가로 가스터빈의 효율 저하가 발생할 수 있는 경우가 있다. 이러한 경우, 상기 플라즈마 발생기, 오존 발생기 또는 산화제 분사기를 설치한다면 가스터빈 기동시에 플라즈마, 오존 또는 산화제를 분사시킴으로써, NO2/NOx 비율을 세밀하게 조절하여 가시매연 등을 용이하게 제거할 수 있는 효과가 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 탈질설비는 가시매연, CO 또는 VOC를 제거하면서, 동시에 가스터빈의 압력손실을 최소화하기 위하여 탈질설비에 산화촉매와 플라즈마 발생기, 오존 발생기 또는 산화제 분사기를 모두 설치될 수 있다.
보다 바람직하게, 본 발명에 따른 탈질설비는 초기 구동시의 가시매연 발생을 제거하기 위하여 기화기 전단에 보조가열장치가 구비되고, Fast SCR을 가능하도록 산화촉매가 설치되고, 나아가 압력손실을 보상하기 위하여 플라즈마 발생기, 오존 발생기 또는 산화제 분사기가 설치될 수 있다.
상기 산화촉매는 탈질설비의 노즐 유니트 전단부에 설치되고, 상기 산화촉매와 상기 노즐 유니트 사이에 플라즈마 발생기, 오존 발생기 또는 산화제 분사장치가 설치될 수 있다(도 6 참고). 또는, 탈질설비의 노즐 유니트 전단부에 산화촉매가 설치되고, 상기 산화촉매의 전단부에 플라즈마 발생기, 오존 발생기 또는 산화제 분사장치가 설치될 수 있다(도 7 참고).
하나의 양태로서, 도 6은 기동시의 가시매연을 저온에서 제거하고자 NO2/NOx 비율을 0.5에 근접하도록, NO를 먼저 산화촉매로 NO2로 산화시킨 후 부족한 NO2를 오존이나 과산화수소와 같은 산화제를 투입하여 NO를 산화시켜 적정량의 NO2를 발생시킨 후 탈질촉매를 통과시킴으로써, 저온에서 탈질효율을 극대화하고 가시매연인 NO2를 제거할 수 있는 시스템을 나타낸 모식도이다.
도 6에서 배기가스 온도가 낮아지면 산화촉매의 반응 효율이 급격히 낮아질 수 있어 가시매연 제거가 잘되지 않는 경우도 있다. 이러한 경우, 다른 하나의 양태로서, 도 7과 같이 먼저 오존과 같은 산화제를 투입하여 NO를 NO2로 산화시킨 후 산화촉매를 통과시키면 산화촉매의 반응온도를 300~350℃에서 120~200℃로 낮출 수 있어, 저온의 배기가스에서 탈질효율을 극대화하고 가시매연인 NO2를 제거할 수 있다.
1: 가스터빈, 2: 우회 굴뚝, 3: 배열회수보일러의 과열기, 4: 탈질촉매, 5: 배열회수보일러의 재열기, 6: 주 굴뚝, 7: 산화촉매, 8: 플라즈마 발생기, 오존 발생기 또는 산화제 분사장치.

Claims (7)

  1. 배열회수 보일러 및 환원제 공급장치를 포함하는 선택적 촉매환원 탈질설비로서, 상기 배열회수 보일러는 탈질촉매 및 상기 탈질촉매의 전단부에 설치된 노즐 유니트를 포함하고, 상기 환원제 공급장치는 환원제 저장탱크, 상기 환원제 저장탱크와 연결되어 상기 환원제 저장탱크로부터 공급된 환원제를 기화시켜 상기 노즐 유니트로 전달하기 위한 기화기를 포함하는 선택적 촉매환원 탈질설비로서,
    상기 기화기의 전단부에 보조가열장치가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매환원 탈질설비.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, NO2/NOX 비율을 조정하도록 상기 노즐 유니트 전단부에 산화촉매가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매환원 탈질설비.
  4. 제1항에 있어서, NO2/NOX 비율을 조정하도록 상기 노즐 유니트 전단부에 플라즈마 발생기 또는 산화제 분사장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매환원 탈질설비.
  5. 제1항에 있어서, NO2/NOX 비율을 조정하도록 상기 노즐 유니트 전단부에 산화촉매가 설치되어 있고, 상기 산화촉매와 상기 노즐 유니트 사이에 플라즈마 발생기 또는 산화제 분사장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매환원 탈질설비.
  6. 제1항에 있어서, NO2/NOX 비율을 조정하도록 상기 노즐 유니트 전단부에 산화촉매가 설치되어 있고, 상기 산화촉매의 전단부에 플라즈마 발생기 또는 산화제 분사장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매환원 탈질설비.
  7. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 NO2/NOX 비율은 0.1 내지 0.5인 것을 특징으로 하는 선택적 촉매환원 탈질설비.
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