KR101454554B1 - 단폭형 초음파 무화반응기 및 벤튜리를 이용한 액상탈질반응제 무화공급장치 - Google Patents

단폭형 초음파 무화반응기 및 벤튜리를 이용한 액상탈질반응제 무화공급장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 단폭형 무화반응기 그리고 벤튜리 관을 이용한 요소 및 암모니아수 등 액상 탈질반응제의 미립화 공급장치에 관한 것으로, 단폭형 초음파 무화장치를 이용하여 액상 탈질반응제를 무화시키고, 무화된 탈질 반응제는 벤튜리 관을 통해 선택적 탈질 환원장치인 SCR 내부로 직주입 시키는데, 이때, 희석공기가 벤튜리 목을 통과할 때 형성된 음압에 의해 무화된 암모니아수가 벤튜리 안으로 자동 흡입되며, 벤튜리를 통과한 무화된 암모니아수가 송풍기류와 함께 SCR에 주입함으로써 종래의 액상반응제 공급설비에서 증발장치 설치비용 및 운전비용이 절감되고, 유지관리가 간편하며, 보다 효율적으로 액상 탈질반응제를 공급해주는 초음파무화장치 및 벤튜리를 이용한 액상 탈질 반응제 무화공급장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 단폭형 초음파 무화장치에 관한 것으로, 종래의 초음파 무화장치에 있어서, 자동차 기화기, 가습기 등 주로 국소부위, 소량규모에 적용되던 것을 대량 무화가 가능하도록 한 단폭형 초음파 무화반응기에 관한 것으로, 액상의 탈질반응제가 장치의 중앙부로 유입되고, 미세관이 부착된 다단 계단식 반응조를 상부에서 하부로 흘러내리면서 장치 하부에 설치된 초음파진동자에 의해 무화되어 배출되므로 종래의 무화장치보다 대량 연속적으로 액상의 탈질반응제를 무화시킬 수 있는 이점이 있다.
[색인어]
초음파 무화장치, SCR

Description

단폭형 초음파 무화반응기 및 벤튜리를 이용한 액상탈질반응제 무화공급장치{An ultrasonic humidifier with cascade and an apparatus for providing atomized DeNOx reagent utilizing ultrasonic humidifier with cascade and a venturi in SCR system}
발전소, 소각로 혹은 열 공급시설 등 공장에서는 화석연료를 연소시킬 때 발생하는 질소산화물을 저감시키기 위하여 선택적 촉매환원법(SCR)을 운영하고 환원반응제로 암모니아수 및 요소 용액을 사용하고 있다. 그런데, 질소산화물의 반응효율을 높이기 위해 환원반응제는 사전 증발장치를 통해 기화시킨 후, SCR에 주입되도록 공급시스템이 구성된다.
본 발명은 탈질반응제인 암모니아수를 증발시켜 SCR로 공급할 수 있는 증발장치에 관한 것으로, 자세하게는 초음파진동자에 의한 무화원리에 의하여 암모니아수를 무화시켜, SCR노즐에 직주입시킬 때, 배가스 조건에 의해 자연 증발되도록 하는 초음파 무화장치에 관한 것이다. 또한, 대용량 설비에 적용될 수 있도록 대량 무화가 가능한 초음파 무화장치에 관한 것이다.
액상 탈질반응제를 SCR에 공급함에 있어서, 사전 증발 기화시켜 공급하는 것이 탈질반응효율을 높이기 위해 필요하다. 증발장치는 통상, 전열장치, 포화증기, 고온공기 등의 열원이 필요하고, 액상반응제가 증발되도록 열원과 반응제의 열교환 반응기가 구성되어야 한다. 액상반응제를 미립화시켜 주입할 경우, 희석공기 송풍기, 압축기, 혼합기 및 미립화장치가 설치된다. 이러한 증발장치는 설치공간이 소요되고 설치비 및 운영비용이 많이 드는 단점이 있다. 또한, 암모니아수를 열공기로 증발, 혼합시켜서 주입할 경우, 암모니아/공기의 폭발범위인 부피비 15-28%에 유의해서 혼합해야하므로 안전문제가 제기되고, 미립화시켜 분무시에는 SCR에 주입시 재응축을 방지하기위해 사전 82℃ 이상의 온도유지가 요구되어, 또 다른 가온장치를 설치해야하는 번거로움이 있다. 미립화시켜 액적을 분사하여 주입할 경우, 배가스 온도조건에서 자연 증발되기 위해서는 액적의 크기가 직경 40-50미크론 이하로 미립화 할 필요가 있다.
한편, 요소용액을 환원반응제로 사용할 경우, SCR입구 배가스 온도인 400℃ 이하에서는 50%만이 NH3와 HNCO로 분해되므로, 필요 NH3공급을 위해서는 과량의 요소용액이 소요되고, 증발을 위해 추가 열원을 공급해야하는 문제가 있다(비특1,2).
초음파에 의한 액체의 무화특징은 별도의 열원이 필요 없이 상온에서 장치가 간단하고, 초음파의 진동수에 따라 액적경을 조절할 수 있으며, 무화된 액적의 분포가 균일한 점이다. 초음파 무화장치는 20kHz 이상의 초음파를 발생시키는 초음파 진동자에 의한 액체의 무화원리를 이용한 것으로, 초음파의 무화원리는 19세기 말 캘빈경의 음향학 물리학에서 언급되기 시작하였는데, 수면에 수직으로 20kHz이상의 초음파가 진동할 때, 액체는 진동에너지를 흡수하고, 수면에는 초미세한 표면정상파를 야기하는데, 수면파의 골과 산이 임계점을 지나면 수면이 물방울로 떨어져 나가게 된다. 진동주파수가 클수록 액적은 작아지게 되고, 물을 사용할 때 48kHz의 경우 35 내지 50미크론의 물방울이 생성되어 무화현상으로 나타난다(비특2).
초음파 진동자에 의한 무화사례는 가습기, 자동차 기화기, 농업용 분무기 및 폐수처리용 등 다양한 분야에서 적용되고 있는데, 주로 가정용 및 소규모 국소용으로 이용되고 있다.
초음파 무화원리를 탈질설비에 이용한 한 사례는 자동차엔진, 소각로 및 산업용 연소설비의 SCR시스템에서 환원제로 사용하는 요소를 증발시키기 위하여 초음파 무화장치를 이용하여 주입하는 사례가 있다(특1).
일반적으로 초음파 무화장치의 구성은 용액 저장조, 초음파진동자 및 송풍기로 구성되고, 또한 무화된 요소용액에 이차열원을 가하여 열분해시킴으로써 질소산화물 배출농도를 조정하는 경우가 있는데(특2), 상기 종래의초음파 무화장치는 주로 소규모 발생용도이고, 발전소 등 대량 소요처용으로는 개발사례가 없다. 한편, 대량 무화발생을 위해 복수개의 무화노즐을 설치하거나, 무화노즐 혼(horn)안에 여러 개의 구멍을 설치하여 발생량을 크게 한 경우가 있다(특3).
또한 초음파 무화장치에 있어서는 송풍장치가 별도 수반되어야 하는데, 대용량 사용처에서는 설치공간이 필요하고 비용증가요인이 된다.
따라서, 본 발명은 액상 탈질환원제인 암모니아수의 증발수단에 있어서, 초음파 무화장치를 적용하되, 발전소 등 대용량 연소설비에 적용이 가능하고, 별도의 송풍장치가 불필요한 자동유입식 무화공급장치에 관한 것이다.
초음파 무화장치를 이용한 우레아 공급장치 등록번호 100907418 (2009.07.03) 초음파 무화장치 및 이차열원을 이용한 우레아 용액 공급장치 등록번호 101003627 (2010.12.16) 초음파를 이용한 다공무화장치 공개번호 1020050069143 (2005.07.05)
Rudolf J. Schick et al., Characterization of Two Fluid Nozzle for NOx Control Applications C. Scott Sluder et al., Low Temperature Urea Decomposition and SCR Performance, 05FL-55 Draft, 2004 SAE International
본 발명은 종래의 액상 탈질반응제의 증발장치에서 열원, 열교환설비 및 분무장치 등 부대설비 없이 간단히 상온에서 암모니아수를 무화시켜 공급할 수 있는 공급시스템을 개발하는 것이다.
또한, 종래의 가정용 소규모 및 국소부위의 적용이 아닌, 발전소 제철소 등 대용량 연소장치의 탈질설비에 적용하기 위하여 암모니아수를 다량 무화시킬 수 있는 초음파 무화장치를 개발하는 것이다.
한편, 통상의 초음파 무화장치에서는 무화발생된 것을 배출하기 위해 송풍수단이 자체 구비되어 있는데, 설치공간 및 비용이 증가하는 요인이 되고, 장치가 커지는 문제점이 있으므로 송풍기 없이 암모니아수를 기화하여 공급할 수 있는 암모니아 무화 공급시스템을 개발하는 것이다.
본 발명은 대용량 연소장치에서 액상 탈질반응제로 사용되는 암모니아수를 다량 증발시키는 방법의 하나로써, 용액을 초음파 진동자에 의해 무화시킬 수 있는 초음파 무화장치에 있어서, (a) 암모니아수를 상부로부터 유입시켜 중력으로 자연 유하시킬 수 있는 다단 단폭형(Cascade)으로 구성된 반응기, (b) 단폭형 반응기의 최하부 외벽에 부착되어 초음파를 진동시키는 초음파 진동자, (c) 반응기 표면에서 생성된 무화 암모니아가 상부로 모아지도록 다단 반응용기의 수직으로 관통된 복수개의 관, (d) 무화된 암모니아를 자동적으로 유입시켜 탈질설비에 주입시키는 벤튜리 관, (e) 상기 벤튜리 관을 통하여 무화암모니아를 희석시켜 배출시키기 위한 공기주입설비로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 (e)단계에서 공기주입설비는 종래의 초음파 무화장치처럼 자체부착 송풍기가 아닌, 기설치 사용중인 송풍장치로부터 배관에서 분기하여 사용할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 하기와 같은 효과가 있다.
본 발명의 1 효과는 암모니아수의 증발방법에 있어서, 초음파진동자에 의한 무화방식을 설치함으로써, 통상의 증발장치인 보조증기공급, 열교환설비 및 가열전원 등의 설비가 불필요하여 장치가 간단해지므로 설치비 및 운영비가 절감되어 경제적이다.
본 발명의 제 2 효과는 초음파 무화장치에 있어서, 다량 무화가 가능하여 소규모에만 한정된 초음파 무화장치용도를 대용량 연소장치의 SCR에도 적용이 가능하여 유용하다.
본 발명의 제 3 효과는 균일한 무화농도공급에 의해 암모니아를 공급함으로써 이용률을 제고로 탈질반응효율을 높일 수 있어 효과적이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단폭형 초음파 무화반응기 및 벤튜리를 이용한 액상 탈질반응제 무화공급시스템을 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단폭형 초음파 무화반응기의 측단면 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단폭형 초음파 무화반응기의 평면개략도 및 세부도.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단폭형 초음파 무화반응기 및 벤튜리를 이용한 액상 탈질반응제 무화공급시스템을 도시한 개략도이다.
석탄발전소 SCR에 공급되는 액상 탈질반응제의 하나인 암모니아수를 기화시키기 위해서 증발장치가 필요한데, 먼저, 암모니아수(1)는 단폭형 반응기(10)로 유입되고, 반응기 하부에 부착된 초음파 진동자(11)에 의해 액적크기 직경 50미크론 이하로 표면 무화되어 생성된다. 무화 생성된 암모니아는 관을 통하여 벤튜리 관(3)의 목부입구(19)와 연결된다. 외부 공기공급설비(2)로부터 공급된 기류가 벤튜리관 입구(21)로 유입시키고, 기류가 목부(41)를 통과할 때 발생되는 음압에 의하여 상기 목부입구(19)와 연결된 무화된 암모니아는 벤튜리 관내부로 자동 흡입되는데, 기류에 의해 혼합 희석된 다음, 최종 배출(4)되어 SCR에 공급된다. 이때, 단폭형 반응기 내부 반응제의 수위(LT)를 유지하기 위해 순환펌프(5)가 설치된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단폭형 초음파 무화반응기(10)의 측단면 개략도이다. 암모니아수(1)는 무화반응기의 상단측면에서 공급라인(16)을 통하여 유입되고, 중심주부착 플레이트(15-0)에 모여지는데, 플레이트의 외주에 설치된 외주 물넘이턱(14-0)을 넘쳐 흐르는 암모니아수는 중력으로 자연 유하되어 하부에 설치된 벽면부착 플레이트(15-1)에 모아지고, 또 다시 플레이트 끝단에 설치된 벽면 물넘이턱(14-1)을 넘쳐 흐르는 암모니아수는 하부로 복수개의 계단형으로 흘러내려가면서 무화반응기 저류조(18)에 모여진다. 초음파 진동자(11)는 무화반응기의 하부에 위치하는데 초음파 진동은 중심주(12)를 통하여 중심주 부착 플레이트(15-0)에 통함과 동시에, 반응기외벽을 통하여 벽면부착 플레이트(15-1)에 통한다. 상기 플레이트(15-0,15-1) 및 무화반응기 저류조(18)에 모아진 암모니아수는 초음파 진동자(11) 가동에 의해 무화가 발생되고, 생성된 무화암모니아는 플레이트에 복수개 설치된 무화 통과공(13)을 통하여 상부로 모아지고, 무화반응기의 출구(17)를 통하여 벤튜리 관(3)의 목부입구(19)로 주입되도록 구성되어 있다.
이때, 상기 외주 물넘이턱(14-0)하단과 벽면 물넘이턱(14-1)상단의 수위 간극(DF)은 플레이트에 모여진 암모니아수의 안정화를 위해 1mm에서 25mm의 범위로 이격 설치된다. 또한 복수개의 무화통과공은 직경 1mm에서 25mm의 범위로 구성된다.
한편, 상기 플레이트(15-0,15-1)에 모아진 암모니아수의 적정 운전수위는 1mm내지 25mm의 범위에 있도록 하고, 무화반응기 저류조(18)의 수위는 10cm 내지 50cm의 범위로 유지되도록 수위조절장치(LT) 및 순환펌프(5)를 구성한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단폭형 초음파 무화반응기의 평면개략도 및 세부도이다. 상기 플레이트의 물넘이턱(14-0,14-1)은 하향 흐름의 안정을 위하여 설치각도(A)는 30도 내지 45도의 경사각도로 설치된다.
이상, 도 1 내지 도 3을 통하여 단폭형 초음파 무화장치 및 벤튜리를 이용한 액상 탈질반응제 무화공급시스템에 대하여 설명하였다. 통상, 초음파 진동자에 의한 무화장치는 단일용기의 뱃치 운전개념으로 소규모용량에 적용되나, 본 발명의 상기 단폭형 초음파 무화반응기는 다단 계단형으로 연속적 수류강하에 의해 초음파 진동자의 접촉면적을 높임으로써 무화발생량을 증가시키는 특징이 있다.
위에 설명된 예시적인 실시예는 제한적이기보다는 본 발명의 모든 관점들 내에서 설명적인 것이 되도록 의도되었다. 따라서, 본 발명은 본 기술분야의 숙련된 자들에 의하여 본 명세서 내에 포함된 설명들로부터 얻어질 수 있는 많은 변형 및 상세한 실행이 가능하다. 다음의 청구범위에 의하여 한정된 바와 같이 이러한 모든 변형 및 변경은 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 것으로 고려되어야 한다.

Claims (4)

  1. 대용량 연소장치에서 액상 탈질반응제로 사용되는 암모니아수를 다량 증발시키는 방법의 하나로써, 용액을 초음파 진동자에 의해 무화시킬 수 있는 초음파 무화장치에 있어서,
    (a) 암모니아수를 상부로부터 유입시켜 중력으로 자연 유하시킬 수 있는 다단 단폭형(Cascade)으로 구성된 반응기, (b) 단폭형 반응기의 최하부 외벽에 부착되어 초음파를 진동시키는 초음파 진동자, (c) 반응기 내부에서 생성된 무화 암모니아가 상부로 모아지도록 반응기 내부에 설치된 플레이트에 관통된 복수개의 무화통과공, (d) 무화된 암모니아를 자동적으로 유입시켜 탈질설비에 주입시키는 벤튜리 관, (e) 상기 벤튜리 관을 통하여 무화암모니아를 희석시켜 배출시키기 위한 공기주입설비 및 (f) 무화반응기 저류조의 수위를 유지되도록 하는 수위조절장치 및 순환펌프로 구성되는 것을 특징으로 하는 단폭형 초음파 무화반응기 및 벤튜리를 이용한 액상탈질반응제 무화공급장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단폭형 초음파 무화반응기는
    무화반응기의 상단측면에서 암모니아수 공급라인, 상기 공급라인을 통하여 암모니아수가 유입되어 모이게 하는 중심주부착 플레이트, 상기 중심주부착 플레이트의 외주에 설치된 외주 물넘이턱을 넘쳐서 자연 유하된 암모니아수를 모이게 하는 벽면부착 플레이트, 상기 벽면부착 플레이트의 외주에 설치된 벽면 물넘이턱을 넘쳐서 복수개의 플레이트를 거쳐 암모니아수가 최종 모아지는 무화반응기 저류조, 상기 중심주부착 플레이트와 연결된 중심주, 무화반응기 외부하부에 설치되어 중심주 및 외벽면에 진동을 주는 초음파 진동자, 상기 벽면부착 플레이트 및 중심주부착 플레이트에 수직으로 관통되어 복수개로 설치된 무화 통과공 및 상기 무화반응기 저류조의 수위를 유지되도록 하는 수위조절장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 단폭형 초음파 무화반응기 및 벤튜리를 이용한 액상탈질반응제 무화공급장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 무화된 암모니아를 자동적으로 유입시켜 탈질설비에 주입시키는 벤튜리 관은
    무화반응기 상부에 모아진 무화암모니아를 벤튜리 목부에 관으로 연결되고, 외부 공기공급설비로부터 공급된 기류로 벤튜리 입구를 통과시킬 때 생기는 음압에 의해 자동 유입된 무화암모니아가 기류와 희석 혼합되고, 고속 배출되는 것을 특징으로 하는 단폭형 초음파 무화반응기 및 벤튜리를 이용한 액상 탈질반응제 무화공급장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 외주 물넘이턱 하단과 벽면 물넘이턱 상단의 수위 간극은 플레이트에 모여진 암모니아수의 안정화를 위해 1mm에서 25mm의 범위로 이격 설치되고,
    복수개의 무화통과공은 직경 1mm에서 25mm의 범위로 구성되며,
    상기 중심주부착 플레이트와 벽면부착 플레이트에 모아진 암모니아수의 적정 운전수위는 1mm내지 25mm의 범위에 있도록 하고, 무화반응기 저류조의 수위는 10cm 내지 50cm의 범위로 유지되고,
    상기 외주 물넘이턱 및 벽면 물넘이턱의 설치각도는 하향흐름의 안정을 위하여 30도 내지 45도의 경사각도로 운영되는 것을 특징으로 하는 단폭형 초음파 무화반응기 및 벤튜리를 이용한 액상 탈질반응제 무화공급장치.
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