KR101897666B1 - 연소가스 처리 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 연소 장치로부터 배출되는 연소가스에 포함된 질소산화물 등 환경오염물질의 배출량을 저감시켜, 배기가스 배출규제를 만족시킬 수 있는 연소가스 처리 방법 및 연소가스 처리 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 연소가스 처리 방법은, 연소 장치에서 연료의 연소에 의해 생성된 연소가스가 수조를 통과하면서, 연소가스에 포함된 오염물질의 분리제거 반응이 일어나는 단계; 및 상기 오염물질의 분리제거 반응에 의해 오염물질이 제거된 연소가스가 배출되는 단계;를 포함하고, 상기 수조로 상기 오염물질의 분리제거 반응을 가속화하기 위하여 추가 공기를 주입하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연소가스 처리 방법 및 시스템 {Combustion Gas Treating Method and Combustion Gas Treatment System}

본 발명은, 연소 장치로부터 배출되는 연소가스에 포함된 질소산화물 등 환경오염물질의 배출량을 저감시켜, 배기가스 배출규제를 만족시킬 수 있는 연소가스 처리 방법 및 연소가스 처리 시스템에 관한 것이다.

연소 장치(combustion apparatus)는 연료의 에너지를 효율적으로 활용할 수 있도록 연료를 연소시키는 장치이다. 예를 들어, 연소 장치는 연료의 연소에 의해 생성된 열 에너지를 이용하여 물이나 공기를 가열시킨다. 연소 장치는 사용되는 연료에 따라 오일 연소 장치, 가스 연소 장치, 석탄 연소 장치 등이 있다.

연소 장치에서는 연료의 연소에 의해 연소가스가 필연적으로 생성되고, 생성된 연소가스는 온도를 낮추는 등의 처리과정을 거쳐 공기 중으로 배출시킨다. 일반적으로 연소가스에는, 완전 연소 시를 기준으로, 수증기(H₂O)와 이산화탄소(CO₂), 황산화물(SO_x), 질소산화물(NO_x) 등 환경오염물질이 포함된다. 특히, 연소가스에 포함된 이산화탄소, 황산화물, 질소산화물 등은 대표적인 대기환경오염 물질이다.

그에 따라, 전세계적으로 연소가스의 배출규제는 점차 강화되고 있다. 일례로, 지난 2015년부터 국내 대기환경보전법 시행규칙은, 2015년 이후 설치된 액체연료 보일러의 질소산화물 배출 농도가 50ppm 이하를 만족하도록 허용기준을 신설하였다. 이에, 연소가스의 배출규제를 만족시키기 위한 청정연료의 개발이나 탈질 시설의 개발 노력이 활발히 이루어지고 있다.

한편, 천연가스(natural gas)는 청정 연료로서, 전 세계적으로 수요가 급증하고 있다. 천연가스는 가스정(gas well)으로부터 생산할 때 탈황 등의 정화처리를 거치므로, 석탄이나 석유에 비해 연소 후 배출되는 연소가스에 환경오염 물질이 거의 없다.

일반적으로 천연가스는 생산지에서 액화시켜 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)의 상태로 저장되어 LNG 운반선 등에 의해 목적지까지 운반된다. LNG는 천연가스를 상압에서 약 -163℃의 극저온으로 냉각하여 얻어진다. LNG는 가스 상태인 천연가스일 때보다 그 부피가 약 1/600로 감소되므로 원거리 운반에 매우 적합하다. 목적지에 운반된 LNG는 해상 또는 육상의 가스 터미널로 하역하고, 재기화 시스템을 이용하여 재기화시키며, 재기화 가스(regas)는 배관망(regas network)을 통하여 가스 수요처(consumer)로 공급한다.

LNG를 재기화시키는 재기화 시스템은, 열교환에 의해 LNG를 기화시키는 기화기(vaporizer)를 포함한다. 기화기에서 LNG를 기화시키는 열원으로는, 해수(seawater)나 공기(atmosphere) 등 자연으로부터 얻을 수 있는 열원을 사용할 수 있고, 또는 폐열이나 전기 등을 사용할 수도 있다.

LNG는 주로 선박에 의해 해상을 통해 운반되며, 재기화 시스템은 해상에 부유하고 있는 선박 또는 해안가의 육상 터미널에 설치되므로, 재기화 시스템의 기화기는, 해수를 열원으로 사용하는 해수식 기화기(open rack vaporizer)가 많이 사용된다. 또한, 해수식 기화기는 대용량의 LNG를 재기화시키기에도 적합하다.

그러나, 해수식 기화기는, 겨울철에 해수의 온도가 낮아지면 충분한 양의 LNG를 기화시키지 못하여 재기화 가스 생산량이 현저히 줄어든다. 그럼에도 불구하고, 겨울철에는 가스 수요처의 가스 수요가 증대되므로, 겨울철의 해수식 기화기의 재기화 가스 송출 능력은 가스 수요를 충족시키기에 부족하다. 또한, 해수식 기화기의 고장이나 정기적인 유지·보수 시에는 가스 수요처로 재기화 가스를 송출할 수 없다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여, 해수식 기화기의 대체 설비, 또는 해수식 기화기의 백업 설비로서, 연소식 기화기(submerged combustion vaporizer)를 사용할 수 있다.

연소식 기화기는 일종의 연소 장치로서, LNG가 유동하는 배관이 수조 내에 잠겨 있고, 수조 내에서 연료를 연소시켜 발생하는 연소열을 이용하여 수조 내 물을 가열시킴으로써, 배관을 따라 흐르는 LNG를 기화시킨다.

그러나, 이러한 연소식 기화기로부터 배출되는 연소가스에는, 질소산화물, 황산화물, 일산화탄소, 이산화탄소 등 대기환경오염 물질이 포함되며, 열교환을 마친 연소가스는 그대로 대기 중으로 배출된다.

예를 들어, 질소산화물은 대표적인 대기환경오염 물질로서, 스모그 현상이나 오존층 파괴, 호흡기 질환 등을 유발한다. 이에 따라, 전 세계적으로 질소산화물의 배출허용기준이 나날이 강화되고 있는 실정이며, 질소산화물의 배출을 효과적으로 저감시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다.

따라서 본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연소식 기화기 등 연소 장치에서 연료의 연소에 의해 생성된 연소가스를 처리(정화)하여 배출시킴으로써, 연소가스에 포함된 대기환경오염 물질의 배출량을 저감시킬 수 있는 연소가스 처리 방법 및 연소가스 처리 시스템을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 연소 장치에서 연료의 연소에 의해 생성된 연소가스가 수조를 통과하면서, 연소가스에 포함된 오염물질의 분리제거 반응이 일어나는 단계; 및 상기 오염물질의 분리제거 반응에 의해 오염물질이 제거된 연소가스가 배출되는 단계;를 포함하고, 상기 수조로 상기 오염물질의 분리제거 반응을 가속화하기 위하여 추가 공기를 주입하는 단계;를 더 포함하는, 연소가스 처리 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 오염물질의 분리제거 반응은 연속 공정으로서, 상기 오염물질이 상기 추가 공기와 반응하여 상기 수조 내 물에 용해되는 형태로 전환되는 단계; 및 상기 물에 용해되는 형태로 전환된 오염물질이 상기 물에 용해되는 단계;를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 오염물질의 분리제거 반응은, 상기 수조에 산도 조절제를 공급하여 상기 수조 내 물의 산도를 설정값 이상 또는 설정범위로 유지시키는 것과 동시에, 상기 산도 조절제와 상기 물에 용해된 오염물질이 반응하여 상기 오염물질을 염으로 석출시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 석출된 염은, 상기 연소 장치의 운전 정지 시 상기 수조 내 물과 함께 회수하여 제거할 수 있다.

바람직하게는, 상기 수조에 산화제를 공급하여 상기 수조 내 산화제 농도가 설정값을 유지하도록 하는 단계;를 더 포함하여, 상기 산화제에 의해 상기 오염물질이 상기 수조 내 물에 용해되는 형태로 전환되는 반응을 가속화시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 추가 공기의 산소 농도는 1 내지 15%일 수 있다.

바람직하게는, 상기 연소 장치는 연료를 연소시켜 액화가스를 기화시키는 연소식 기화기이고, 상기 오염물질은 질소산화물일 수 있다.

바람직하게는, 상기 연소식 기화기에서는, 상기 수조 내에서 액화가스 연료를 연소시켜, 연료의 연소열에 의해 상기 수조 내 물을 가열시키는 단계; 및 상기 연료의 연소열에 의해 가열된 수조 내 물과, 재기화시킬 액화가스를 열교환시켜, 재기화 가스를 생성하는 단계;를 더 포함하고, 상기 수조 내에서는, 상기 열교환 및 상기 연소가스에 포함된 질소산화물의 분리제거 반응이 동시에 일어날 수 있다.

바람직하게는, 상기 연소식 기화기로부터 배출되는 연소가스의 질소산화물 농도는 10 내지 20ppm일 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 연료의 연소에 의해 연소가스를 생성하는 연소 장치; 내부에 물을 저장하며, 상기 연소가스에 포함된 오염물질의 제거 반응이 일어나는 수조; 상기 수조를 통과하면서 상기 오염물질이 제거된 연소가스가 상기 수조로부터 배출되도록 구비되는 연소가스 배출부; 및 상기 오염물질의 제거 반응을 가속화시키는 반응 가속화 수단;을 포함하고, 상기 연소가스에 포함된 오염물질은, 상기 연소가스로부터 상기 수조에 저장된 물에 분리되는, 연소가스 처리 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 수조에서는, 상기 오염물질이 상기 수조 내 물에 용해될 수 있는 형태로 전환되는 제1 반응; 및 상기 제1 반응에 의해 물에 용해될 수 있는 형태로 전환된 오염물질이 상기 물에 용해되는 제2 반응;이 일어날 수 있다.

바람직하게는, 상기 반응 가속화 수단은, 상기 연료의 연소에 의해 생성되고 수조 내부로 유입되는 연소가스에 산소가 주입되도록 구비되는 추가 공기 주입부;를 포함하고, 상기 추가 공기 주입부를 통해 주입된 산소에 의해 상기 제1 반응이 가속화될 수 있다.

바람직하게는, 상기 수조에 중화제를 주입할 수 있도록 구비되는 중화제 공급부; 및 상기 수조에 저장된 물의 산도(pH)가 설정값 또는 설정범위 이하로 낮아지면 상기 수조에 중화제가 주입되도록 상기 중화제 공급부를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 수조에서는, 상기 제2 반응에 의해 상기 물에 용해된 오염물질이, 상기 중화제에 의해 염으로 석출되는 제3 반응;이 일어나고, 상기 제3 반응에 의해 상기 물에 용해된 오염물질은 염으로 석출되며, 상기 석출된 염은 상기 연소 장치의 운전 정지 시 상기 수조 내 물과 함께 배출될 수 있다.

바람직하게는, 상기 반응 가속화 수단은, 상기 수조에 과산화수소를 주입할 수 있도록 구비되는 첨가제 공급부; 및 상기 수조 내 과산화수소가 설정값 또는 설정범위 이상을 유지하도록 상기 첨가제 공급부를 제어하는 제어부;를 더 포함하고, 상기 과산화수소를 공급함으로써 상기 제1 반응이 가속화될 수 있다.

바람직하게는, 상기 연소장치는, 액화가스를 기화시키는 연소식 기화기이고, 상기 수조에서는 상기 연료의 연소열에 의해 상기 물이 가열되며, 상기 수조에는, 기화시킬 액화가스가 유동하면서 상기 연료의 연소열에 의해 가열된 수조 내 물에 의해 상기 액화가스가 기화되는 열교환부;가 구비될 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 또 다른 일 측면에 의하면, 재기화시킬 액화가스가 유동하면서 열전달 매체와 액화가스의 열교환에 의해 액화가스가 기화되는 열교환부; 액화가스 연료의 연소에 의해 생성된 연소열에 의해 상기 열전달 매체가 가열되는 가열부; 내부에 상기 열전달 매체를 저장하며, 상기 열교환부 및 가열부가 구비되고, 질소산화물 제거 반응이 일어나는 수조; 상기 수조에서 질소산화물이 제거되고 열교환을 마친 연소공기가 상기 수조로부터 배출되도록 구비되는 연소가스 배출부; 및 상기 질소산화물 제거 반응을 가속화시키는 반응 가속화 수단;을 포함하고, 상기 열전달 매체는 액상이며, 상기 연소열에 의해 가열되어 상기 액화가스를 기화시키는 수단이자 상기 연소가스에 포함된 질소산화물을 용해시키는 수단인, 연소식 기화기가 제공된다.

바람직하게는, 상기 수조에서는, 산소와 질소산화물이 반응하여 상기 질소산화물이 상기 열전달 매체에 용해될 수 있는 형태로 전환되는 제1 반응;이 일어날 수 있다.

바람직하게는, 상기 반응 가속화 수단은, 상기 가열부와 연결되며, 상기 액화가스 연료의 연소에 의해 생성되어 상기 가열부로 이동하는 연소가스에 산소가 주입되도록 구비되는 추가 공기 주입부;를 포함하고, 상기 추가 공기 주입부를 통해 주입된 산소에 의해 상기 제1 반응이 가속화될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 반응에 의해 열전달 매체에 용해될 수 있는 형태로 전환된 질소산화물이 상기 열전달 매체에 용해되는 제2 반응;이 일어날 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 반응에 의해 상기 열전달 매체에 용해된 질소산화물은 산성이고, 상기 열전달 매체의 산도가 낮아지면서 상기 제1 반응이 가속화될 수 있다.

바람직하게는, 상기 수조에 중화제를 주입할 수 있도록 구비되는 중화제 공급부; 및 상기 수조에 저장된 열전달 매체의 산도(pH)가 설정값 또는 설정범위 이하로 낮아지면 상기 수조에 중화제가 주입되도록 상기 중화제 공급부를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 수조에서는, 상기 제2 반응에 의해 상기 열전달 매체에 용해된 질소산화물이, 상기 중화제에 의해 염으로 석출되는 제3 반응;이 일어날 수 있다.

바람직하게는, 상기 제3 반응에 의해 질소산화물은 염으로 석출되며, 상기 석출된 염은 상기 연소식 기화기의 운전 정지 시 상기 수조 내 열전달 매체와 함께 배출될 수 있다.

바람직하게는, 상기 중화제는 수산화나트륨 수용액이고, 상기 질소산화물은 질산나트륨 염으로 석출될 수 있다.

바람직하게는, 상기 반응 가속화 수단은, 상기 수조에 과산화수소를 주입할 수 있도록 구비되는 첨가제 공급부; 및 상기 수조에 저장 내 과산화수소가 설정값 또는 설정범위 이하를 유지하도록 상기 첨가제 공급부를 제어하는 제어부;를 더 포함하고, 상기 과산화수소를 공급함으로써 상기 제1 반응이 가속화될 수 있다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 수조 내에서 액화가스 연료를 연소시켜 생성된 연소가스와 수조 내 열전달 매체를 열교환시켜 열전달 매체를 가열시키는 단계; 및 상기 연료의 연소열에 의해 가열된 수조 내 열전달 매체와 재기화시킬 액화가스를 열교환시켜 재기화 가스를 생성하는 단계;를 포함하고, 상기 수조 내에서는, 상기 열교환 및 상기 연소가스에 포함된 질소산화물의 분리제거 반응이 동시에 일어나고, 상기 질소산화물 분리제거 반응에 의해 질소산화물의 제거 및 열교환을 마친 연소가스가 배출되는 단계;를 더 포함하며, 상기 수조로 상기 질소산화물의 분리제거 반응을 가속화하기 위하여 추가 공기를 주입하는 단계;를 더 포함하는, 연소식 기화기의 질소산화물 저감 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 질소산화물의 분리제거 반응 연속 공정으로서, 상기 질소산화물이 상기 추가 공기와 반응하여 상기 열전달 매체에 용해되는 형태로 전환되는 단계; 및 상기 열전달 매체에 용해되는 형태로 전환된 질소산화물이 상기 열전달 매체에 용해되는 단계;를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 수조 내 열전달 매체는, 상기 질소산화물이 용해되면서 산성화되고, 상기 수조에 산도 조절제를 공급하여 상기 수조 내 산도가 설정값 이상 또는 설정범위를 유지시키는 것과 동시에, 상기 산도 조절제와 상기 열전달 매체에 용해된 질소산화물이 반응하여 상기 질소산화물을 질산염으로 석출시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 석출된 질산염은, 상기 연소식 기화기의 운전 정지 시 상기 수조 내 열전달 매체와 함께 회수하여 제거할 수 있다.

바람직하게는, 상기 수조에 산화제를 공급하여 상기 수조 내 산화제 농도가 설정값을 유지하도록 하는 단계;를 더 포함하여, 상기 산화제에 의해 상기 질소산화물이 상기 열전달 매체에 용해되는 형태로 전환되는 반응을 가속화시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 추가 공기의 산소 농도는 1 내지 15%일 수 있다.

바람직하게는, 상기 배출되는 연소가스의 질소산화물 농도는 10 내지 20ppm일 수 있다.

본 발명의 연소가스 처리 방법 및 시스템에 따르면, 액화가스를 연료로 사용할 수 있어 연료 수급이 용이하며, 디젤유 등 액체 연료나 석탄 등 고체 연료에 비해 친환경적이다.

또한, 연료의 연소에 의해 생성된 질소산화물 등 환경오염물질을 물에 용해시키고, 염(salts)으로 석출함으로써, 연소 장치로부터 배출되는 연소가스로부터 환경오염물질을 용이하게 분리 및 제거할 수 있다. 그에 따라, 환경오염물질의 대기 배출량을 저감시키고, 배기가스 배출규제를 만족시킬 수 있어 친환경적이다.

또한, 연소가스로부터 분리된 환경오염물질이 염으로서 석출되므로, 연소 장치로부터 분리된 환경오염물질의 회수 및 처리가 용이하다.

또한, 간단한 구성으로 환경오염물질의 배출량을 저감시킬 수 있어 경제적이며, 실제 적용 가능한 환경오염물질 저감 장치로 인정받을 수 있다.

또한, 연소식 기화기에 적용되는 경우, 수조 내의 물이 환경오염물질을 용해시키는 것과 동시에 액화가스를 기화시키는 열전달 매체의 역할을 하여, 연료의 연소에 의해 액화가스를 기화시킴으로써 계절이나 기후, 해수의 온도, 가스 수요처의 수요량 급변 등에 관계없이 안정적으로 재기화 가스를 가스 수요처로 공급할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소가스 처리 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 2는 (a) 액상 조건 및 (b) 기상 조건에서 산소 농도에 따른 산화질소의 전환율을 비교한 실험결과를 도시한 그래프이다.
도 3은 수조 내 물의 산도(pH) 변화에 따른 산화질소의 전환율을 비교한 실험결과를 도시한 그래프이다.
도 4는 수조 내 물에 (a) 과산화수소를 첨가하지 않았을 때 및 (b) 과산화수소를 첨가하였을 때의 수조 부피에 따른 산화질소의 전환율을 비교한 실험결과를 도시한 그래프이다.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.

본 명세서에서 연소 장치는, 연료의 연소에 의해 환경오염물질을 포함하는 연소가스를 생성하는 장치이며, 후술하는 본 발명의 실시예에서 연소 장치는, 액화가스를 연료로 사용하는 연소 장치로서, 액화가스를 기화시키는 연소식 기화기인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

또한, 본 명세서에서 액화가스는, 가스를 저온으로 액화시켜 수송할 수 있는 액화가스일 수 있으며, 예를 들어, LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 액화 석유화학 가스일 수 있다. 다만, 후술하는 본 발명의 실시예에서는 대표적인 액화가스인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

또한, 본 명세서에서 연소가스에 포함된 환경오염물질은, 이산화탄소(CO₂), 일산화탄소(CO), 오존(O₃), 황산화물(SO_x), 질소산화물(NO_x), 미세먼지 및 초미세먼지 등에 모두 적용될 수 있다. 다만, 후술하는 본 발명의 실시예에서는 연소가스에 포함된 환경오염물질로서 질소산화물의 배출량을 저감시키는 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 그러나, 이에 한정하는 것은 아니다.

이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 장치의 연소가스 처리 방법 및 연소가스 처리 시스템을 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소 장치의 연소가스 처리 방법 및 연소가스 처리 시스템은, LNG를 연료로 사용하며 연소열에 의해 LNG를 기화시키는 연소식 LNG 기화기에서, 연료의 연소에 의해 생성된 연소가스를 처리하여 질소산화물의 배출량을 저감시키는 것을 예로 들어 설명한다.

먼저 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 연소 장치의 연소가스 처리 시스템은, 연소식 기화기(1000); 수조(100); 연소 보일러(200); 열교환부(110); 가열부(300); 및 추가 공기 주입부(400);를 포함한다.

본 실시예의 수조(100)는, 내부에 열전달 매체가 저장되며, 내부에 열교환부(110) 및 가열부(300)가 구비될 수 있는 구조이다. 열교환부(110)와 가열부(300)의 전체 또는 적어도 일부는 열전달 매체에 잠겨있을 수 있다.

또한, 수조(100)의 상부에는 상부판(미도시)이 구비될 수 있고, 상부판은 수조(100)의 상부를 덮고 있을 수 있다. 후술하는 pH 측정부는 상부판에 설치될 수 있다.

본 실시예의 수조(100) 내에 저장된 열전달 매체는 물(water)인 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니고, 본 실시예의 열전달 매체는, 질소산화물을 용해시킬 수 있으며, 후술할 연료의 연소에 의한 열 에너지를 LNG로 전달해줄 수 있는 액체인 것이 바람직하다.

본 실시예의 연소 보일러(200)는, 버너(burner)와 연소공간을 포함할 수 있다. 연소 보일러(200)에서 연료가 연소되면서 생성되는 열 에너지에 의해 수조(100) 내의 열전달 매체, 즉 물이 가열된다. 연료의 연소열에 의해 가열된 물과 열교환부(110)를 따라 흐르는 LNG가 열교환하며, 열교환에 의해 LNG가 기화된다.

본 실시예의 가열부(300)에서는, 연소 보일러(200)에서 연료의 연소에 의해 생성된 화염 및 연료의 연소에 의해 생성된 고온의 연소가스 중 어느 하나 이상과 수조(100) 내의 열전달 매체, 즉 물이 열교환된다. 열교환에 의해 물은 가열된다.

가열부(300)는 도 1에 도시된 바와 같이, 연료의 연소에 의해 화염이 생성되는 제1 가열부(310); 및 연료의 연소에 의해 생성된 연소가스가 유동하는 제2 가열부(320);를 포함한다.

도 1에서는 제1 가열부(310)는 수조 내의 수직 방향으로 구비되고, 제2 가열부(320)는 수평 방향으로 구비되는 것을 예로 들어 도시하였다. 그러나 가열부(300)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니다.

본 실시예의 수조(100)에는, 열교환을 마친 연소가스가 수조(100)에 저장된 물을 통과하여 수조(100) 외부로 배출되도록 하는 연소가스 배출부(500);가 구비될 수 있다.

본 실시예의 제2 가열부(320)는 도 1에 도시된 바와 같이, 수조(100) 내 하부에 구비될 수 있고, 연소가스 배출부(500)는 수조(100)의 상부에 구비될 수 있다. 그러나, 제2 가열부(320) 및 연소가스 배출부(500)의 위치가 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 본 실시예에 따르면, 연소가스는, 제1 가열부(310), 제2 가열부(320)를 따라 유동하며 수조(100)에 저장된 열전달 매체, 즉 물을 가열시킨다. 열교환을 마친 연소가스는 수조(100)의 하부로부터 상부로 이동하며 수조(100)에 저장된 물을 통과하여 연소가스 배출부(500)를 통해 대기 중으로 배출될 수 있다.

또한, 본 실시예의 연소 보일러(200)는, 연료 및 연소용 공기가 버너로 유입되도록 하는 연료가스 라인(FL)과 연결된다. 본 실시예에서는, 연료가스 라인(FL)을 통해 연료와 연소용 공기가 혼합되어 연소 보일러(200)로 공급되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 그러나, 이에 한정하는 것은 아니고, 연료가스와 연소용 공기가 각각 서로 다른 배관을 통해 연소 보일러(200)로 공급될 수도 있다.

연료가스 라인(FL)을 통해 연소 보일러(200)로 공급된 연료와 연소용 공기는 연소되어 화염 및 연소가스를 생성한다.

본 실시예의 연료는, 가스 연료일 수 있고, 바람직하게는, LNG일 수 있다. 즉, 본 실시예에 따르면, LNG를 재기화 시키는 기화기(1000)에서 LNG를 재기화시키기 위한 열원으로서, LNG를 활용할 수 있다. 따라서, 연료 수급이 용이하고, 청정 연료인 LNG를 사용하므로 친환경적이며, 설치비용 및 운영비용 또한 절감할 수 있다.

본 실시예의 추가 공기 주입부(400)는, 가열부(300)와 연결되며, 수조(100) 내로 유입되는 연소가스 또는 화염에 추가 공기가 공급되도록 구비된다.

추가 공기 주입부(400)는 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 가열부(310)에 연결될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따르면, 연소가스와 추가 공기가 혼합되어 제2 가열부(320)로 공급된다.

본 실시예에 따르면, 추가 공기 주입부(400)를 통해 주입된 추가 공기에 의해, 후술할 산화질소 산화반응(제1 반응)이 가속화된다.

본 실시예의 추가 공기는, 대기 중의 공기 또는 산소일 수 있다. 연소가스로 주입되는 추가 공기의 산소 농도는 약 1 내지 15%일 수 있다. 추가 공기로서, 순수 산소 기체를 주입하는 경우 그 양은, 연소가스 유량의 약 1~15%일 수 있다.

본 실시예의 추가 공기 주입부(400)는, 가열부(310, 320)로 공급되는 추가 공기를 가압하는 수단, 예를 들어, 블로워(blower)를 포함할 수 있다.

가열부(310, 320)로 공급되는 추가 공기는, 가압 수단에 의해 연소 보일러(200)로 공급되는 연료가스 및 연소용 공기의 압력보다 약간 높은 압력으로 공급될 수 있다. 따라서, 추가 공기 주입부(400)를 통해 가열부(310, 320)로 공급되는 추가 공기가 연소 보일러(200)로 역류되는 것을 방지하고, 추가 공기가 가열부(310, 320)로 용이하게 주입될 수 있도록 할 수 있다.

본 실시예의 열교환부(110)는, 수조(100) 내에 구비되며, 열교환부(110)를 따라 유동하는 LNG와, 연소 보일러(200)에서 연료의 연소열에 의해 가열된 수조(100) 내의 물을 열교환시킨다. 열교환부(110)에서 물과의 열교환에 의해 LNG는 기화된다.

본 실시예의 열교환부(110)는, LNG를 저장하는 LNG 저장탱크(미도시)와 연결되며, LNG 저장탱크로부터 열교환부(110)로 LNG가 유동하는 LNG 라인(LL); 및 가스 수요처와 연결되며 열교환부(110)를 따라 기화된 재기화 가스가 열교환부(110)로부터 가스 수요처로 유동하는 재기화 가스 라인(GL);과 연결된다.

LNG 저장탱크는, 극저온의 LNG가 액체 상태를 유지하면서 저장되어 있을 수 있도록 단열처리된 것일 수 있다.

본 실시예의 열교환부(110)는 LNG 라인(LL)과 연결되는 LNG 공급부(도면부호 미부여)와 재기화 라인(GL)과 연결되는 재기화 가스 배출부(도면부호 미부여)를 가진다.

도 1에 도시된 바와 같이, LNG 공급부는 수조(100) 내 하부, 즉, 재기화 가스 배출부보다 하부에 가열부(300)와 가깝게 배치될 수 있다. 또한, 재기화 가스 배출부는 수조(100) 내 상부, 즉, 연소가스 배출부(500)와 가깝게 배치될 수 있다.

LNG 공급부가 가열부(300)와 가깝도록 하부에 배치됨으로써, 극저온의 LNG가 수조(100) 내로 유입됨에 따라 열전달 매체나 열교환부(110)가 동결되는 것을 방지할 수 있다.

본 실시예의 열교환부(110)는, 내부식성 배관으로 구비될 수 있고, 또는, 내산성 물질로 코팅된 배관으로 구성될 수도 있다. 열교환기(110)가 내부식성 배관 또는 내산성 물질이 코팅된 배관으로 구성됨으로써, 후술할 본 실시예의 수조(100) 내 물이 산성, 예를 들어 pH=5.5 이하가 되더라도, 배관이 부식되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 연소식 기화기(1000)는, 도면에 도시하지는 않았으나, 수조(100)에 저장된 물의 산도(pH)를 측정하는 pH 측정부(미도시); 수조(100)에 저장된 열전달 매체인 물에 첨가제를 공급하는 첨가제 공급부(미도시); 및 첨가제 공급부를 제어하고, 수조(100)에 저장된 물의 산도, 농도 등 수조(100)의 상태를 제어하는 제어부(미도시);를 더 포함할 수 있다.

즉, 본 실시예에 따르면, 수조(100)에 저장된 물은 pH 측정부, 첨가제 공급부 및 제어부에 의해 산도가 유지되거나, 상황에 따라 특정 산도로 조절될 수 있다. 또한, 수조(100) 내 물의 특정 물질의 농도가 일정 수준 이상 또는 이하를 유지하도록 할 수도 있다. 이에 의해, 후술할 산화질소 산화반응(제1 반응)이 가속화된다.

수조(100)에 저장된 물의 pH는 5 내지 5.5, 또는 6, 또는 6 내지 6.5로 조절될 수 있다. 즉, 본 실시예의 제어부는, 첨가제 공급부를 제어하여 수조(100)에 저장된 물의 pH를 상술한 범위 내에 있도록, 또는 상술한 범위 내의 특정값을 유지하도록 조절할 수 있다. 수조(100)에 저장된 물의 pH는 6 내지 6.5 범위 내에서 조절하고, 6.5를 유지시키도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 첨가제 공급부는, 수조(100)에 저장된 물의 산도를 조절하는 것 뿐 아니라, 산화질소의 전환율을 높일 수 있는 물질을 수조(100)에 저장된 물에 공급할 수도 있다.

본 실시예의 연소가스는, 열교환 후 수조(100)에 저장된 물을 통과하면서 물을 더 가열시키고, 이 과정에서 질소산화물이 분리 및 제거된다. 수조(100)에 저장된 물을 통과하여 열교환 후 배출되는 연소가스의 질소산화물 농도는 약 50ppm 이하, 또는 약 20ppm 이하, 또는 약 10ppm 이하일 수 있다. 또는, 본 실시예의 연소식 기화기(1000)로부터 연소가스 배출부(500)를 통해 배출되는 연소가스의 질소산화물 농도는 약 10ppm 내지 20ppm일 수 있다.

본 실시예의 수조(100)에 저장된 물은, 연소열을 LNG로 전달하는 열전달 매체이자 연소가스에 포함된 질소산화물을 용해시키는 수단이다.

연소가스는 수조(100)에 저장된 물을 통과하면서 질소산화물, 이산화탄소 등이 물에 용해되어 분리 및 제거될 수 있다.

이하, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 연소식 기화기(1000) 및 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 장치의 연소가스 처리 방법, 즉, 연소식 기화기의 질소산화물 처리 방법을 설명하기로 한다.

상술한 본 발명의 일 실시예의 연소식 기화기(1000)는 LNG를 연료로 사용하는 가스 연소 장치이다.

연소가스의 성분은 연소 장치에서 사용되는 연료가 무엇인지에 따라 그 농도가 달라질 수 있다. LNG는 청정 연료로서, 석유나 석탄에 비해 연소가스에 포함된 이산화탄소, 황산화물, 질소산화물 등의 환경오염 물질이 거의 없다. 그러나, 실제 연소 시에는, 연료의 연소를 위하여 공급되는 공기에 포함된 질소(N₂)와 고온의 반응 환경에 의해 질소산화물이 생성된다.

연소 장치로부터 배출되는 연소가스에 포함된 질소산화물의 양을 저감시키기 위한 탈질 방법으로는, 크게 연소 제어 방법과 연소 후 제어 방법으로 구분할 수 있다. 연소 제어 방법은, 질소산화물이 생성되는 조건을 억제함으로써 질소산화물의 생성 자체를 줄이는 방법이다. 대표적인 연소 제어 방법으로는, 연소가스 재순환 장치(EGR; Exhaust Gas Recirculation)를 이용하는 것으로, 배기가스의 일부를 연소용 공기와 혼합하여 연소 장치로 공급함으로써 질소산화물의 생성을 억제한다.

연소 후 제어 방법은, 연료의 연소에 의해 생성된 질소산화물을 연소가스로부터 분리 제거함으로써, 대기로 배출되는 질소산화물의 양을 저감시키는 방법이다. 일반적으로 탈질 효율은 연소 제어 방법에 비해 연소 후 제어 방법이 더 크다.

대표적인 연소 후 제어 방법으로는, SCR(Selective Catalytic Reactor)을 이용하는 것으로, 연소가스를 환원제와 혼합하여 촉매 층을 통과시킴으로써 질소를 선택적으로 환원시킨다. 그러나, SCR을 이용하는 방식은, 설치비가 비싸고, 집진시설이나 탈황설비가 필요하여 규모가 크며, 장치의 압력 손실이 크다는 단점이 있다.

또한, SCR을 이용하는 방식은, 반응온도가 약 200 ~ 400℃의 고온인데 비해 연소식 기화기(1000)로부터 배출되는 연소가스의 온도는 약 25 ~ 30℃로 반응조건을 만족시키기 위한 열 공급의 문제가 있어 연소식 기화기(1000)에 적용하는 것은 비효율적이다.

본 실시예는, 연소식 기화기(1000)의 연소가스로부터 질소산화물을 분리 및 제거하는 연소 후 제어 방법에 관한 것으로, 저온처리로 연소가스로부터 질소산화물을 효율적으로 제거할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 연소가스는 가열부(300)를 통해 수조(100) 내 물을 가열시키고, 가열부(300)로부터 연소가스 배출부(500)를 향해 수조(100) 내 물을 통과하면서, 다음과 같은 반응에 의해 질소산화물이 분리 및 제거 된다.

여기서, 수조(100) 내 물과 연소가스의 열교환은, 가열부(300)에서 뿐만 아니라, 연소가스가 수조(100) 내 물을 통과할 때에도 이루어질 수 있다. 즉, 본 실시예에서 연소가스와 수조(100) 내 물의 열교환은 연소가스가 연소에 의해 생성되어 가열부(300)로부터 연소가스 배출부(500)로 배출될 때까지 이루어질 수 있다. 따라서, 하기 반응이 일어나는 중에도 열교환은 이루어질 수 있다.

1) 제1 반응(R1) : 2NO + O₂ → 2NO₂ (산화질소 산화반응)

2) 제2 반응(R2) : 3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO (이산화질소 흡수반응)

3) 제3 반응(R3) : HNO₃ + NaOH → NaNO₃(s) + H₂O (질산염 석출반응)

본 실시예에 따른 연소 장치의 연소가스 처리 방법은, 연속 공정으로 이루어질 수 있고, 제1 반응(R1) 및 제2 반응(R2)은 반응이 개시되면 시리즈로 일어날 수 있다.

제1 반응(R1)에 의해, 연소가스에 포함된 산화질소(NO)는 산소(O₂)와 반응하여 이산화질소(NO₂)를 생성한다. 산화질소는 불용성 물질이나, 이산화질소는 수용성 물질이다. 따라서, 연소가스로부터 질소산화물을 분리 및 제거하기 위해서는 질소산화물이 산화질소 형태일 때보다 이산화질소 형태로 존재하는 것이 유리하다. 또한, 산화질소는, 대기 중으로 배출되면, 대기 중의 유기물과 결합하여 산성비의 원인이 될 뿐 아니라, 눈과 호흡기를 자극하여 염증이나 천식을 유발한다.

연료의 연소에 의해 생성되는 연소가스에는 산화질소의 농도는 높으나, 산소의 농도는 희박하다. 따라서, 제1 반응(R1)에서 산화질소의 전환율은 연소가스에 포함된 산소의 농도에 따라 결정될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 추가 공기 주입부(400)를 통해 연소가스에 공기 또는 산소를 추가로 공급해줌으로써, 제1 반응(R1)을 가속화시킬 수 있다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 반응(R1)에 의한 액상 반응에서의 산소 농도에 따른 산화질소의 전환율(도 2의 a)이, 기상 반응에서의 산소 농도에 따른 산화질소의 전환율(도 2의 b)보다 더 높다. 액상에서의 산화질소 산화반응(NO + O₂ + H₂O → NO₂)에 대한 반응속도 상수는 기상에서의 산화질소 산화반응(NO + O₂ → NO₂)에 대한 반응속도 상수보다 약 1,000배 높은 것으로 나타났다.

즉, 본 실시예에 따르면, 추가 공기가 주입된 연소가스는 수조(100) 내 물을 통과하면서 제1 반응(R1)이 가속화된다.

도 2의 b를 참조하면, 기상 조건일 때의 제1 반응(R1)에 의한 산화질소의 전환율은 산소 농도와는 무관하게 0에 수렴한다. 한편, 도 2의 a를 참조하면, 액상 조건일 때의 제1 반응(R1)에 의한 산화질소 전환율은 산소의 농도가 높아질수록 더 높아진다는 것을 알 수 있다.

도 2에 도시된 기상 조건과 액상 조건에서의 산소농도에 따른 산화질소 전환율 변화 실험은, 실온(room temperature)에서 실시하였으며, 반응공급물(NO, O₂, N₂)은 산화질소의 농도가 50ppm, 유량은 2L/min가 되도록 하고, 반응기는 PFR(Plug Flow Reactor)인 것을 가정하여 실시하였다. 반응기는, 기상 반응의 경우 연소로(furnace), 액상 반응의 경우에는 18L의 물이 담긴 수조에서 실시하였다.

제1 반응(R1)에 의해 산화질소가 이산화질소로 전환되면, 이산화질소는 수조(100) 내 물에 용해된다. 본 실시예에 따르면, 질소산화물은, 열전달 매체인 물에 용해됨으로써 연소가스로부터 분리 제거된다.

즉, 제1 반응(R1)에 의해 생성된 이산화질소는, 제2 반응(R2)에 의해 수조(100) 내 물에 용해되어 질산(HNO₃)이 된다.

이와 같이, 연소가스에 포함되어 있던 질소산화물을, 질산의 형태로 수조(100) 내 물에 용해시킴으로써, 본 실시예의 따른 연소식 기화기(1000)로부터 배출되는 연소가스의 질소산화물의 농도를 저감시킬 수 있는 것이다.

또한, 제2 반응(R2)에 의해 이산화질소가 수조(100) 내 물에 용해되어 수조(100) 내 물의 질산 농도가 높아질수록 수조(100) 내 물의 산도(pH)는 낮아지게 되며, 산성 수조(100) 내 물은 산성을 띠게 된다. 수조(100) 내 물의 pH가 낮아지면, 제1 반응(R1)에서 산화질소의 전환율은 더 높아질 수 있다.

도 3에는 수조(100) 내 물의 산도(pH) 변화에 따른 산화질소의 전환율 변화 실험 결과를 그래프로 도시하였다. 도 3에 도시된 바와 같이, 수조(100) 내 물의 산도가 낮을수록 산화질소의 전환율은 높아지는 것을 알 수 있다.

도 3에 도시된 산화질소 전환율 실험은, 실온(room temperature)에서 실시하였으며, 반응공급물(NO, O₂, N₂)은 산화질소의 농도를 50ppm, 200ppm 및 400ppm으로 각각 변화를 주어 실시하고, 물의 산도는 pH=1.5, pH=3 및 pH=7로 각각 변화를 주어 실시하였으며, 산소의 농도는 10%, 반응공급물의 유량은 2L/min가 되도록 하고, 반응기는 PFR(Plug Flow Reactor)인 것을 가정하여 실시하였다.

본 실시예에 따르면, 수조(100) 내 물의 산도는 일정 수준 이하가 되면 산도 조절제를 첨가하여 적정 수준을 유지하도록 제어할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 수조(100) 내 물이 산성을 유지하게 되면 열교환부(110)가 부식되는 것을 방지하는 것과 동시에, 산도 조절제에 의해 후술하는 제3 반응(R3)을 유도하여, 수조(100) 내 물에 질산 형태로 용해되어 있는 질소산화물을 염으로 석출할 수 있는 효과가 있다.

연소식 기화기(1000)는 LNG를 기화시키는 것이 가장 큰 목적이고, LNG는 배관으로 이루어진 열교환부(110)를 따라 유동하므로, LNG가 유동하는 열교환부(110)가 부식되는 것을 방지하기 위하여, 수조(100) 내 물의 산도는 pH=5 ~ 6.5 범위 내에 있도록, 또는 해당 범위 내 특정값을 일시적으로 또는 계속해서 유지하도록 조절하는 것이 바람직하다.

제어부는, 수조(100) 내 물의 산도는 pH= 5 ~ 6, 또는 pH=5 ~ 5.5 또는 pH=6, 또는 pH=6 ~ 6.5 이하로 낮아지면, 수조(100) 내 물에 산도 조절제가 첨가되도록 제어할 수 있다.

수조(100) 내 물의 산도 조절은 제어부가 pH 측정부에 의해 측정된 값에 의해 첨가제 공급부를 제어하도록 제어 로직을 설정하거나, 또는, 첨가제 공급부가 pH 측정부의 측정값에 의해 자동으로 산도 조절제를 첨가하도록 설정할 수도 있다.

산도 조절제를 첨가하지 않으면, 제1 반응(R1)이 가속화되지 않더라도, 수조(100) 내 물은, 연소가스에 포함되어 있는 이산화탄소 등에 의해 산도가 점차 낮아질 수 있다.

본 실시예에서 산도 조절제는 중화제일 수 있다. 염기성을 띠는 중화제를 수조(100) 내 물에 첨가함으로써, 수조(100) 내 물의 산도가 설정범위 내에 있거나 또는 설정값을 유지하도록 한다.

본 실시예의 중화제는 수산화나트륨(NaOH)일 수 있으며, 예를 들어 4% NaOH 수용액일 수 있다.

본 실시예에 따르면, 제2 반응(R2)이 진행됨에 따라 수조(100) 내 물의 산도가 낮아져 수조(100) 내 물이 산성, 예를 들어 pH=6 이하가 되면, 수산화나트륨을 수조(100) 내 물로 주입한다.

수산화나트륨이, 제2 반응(R2)에 의해 수조(100) 내 물에 첨가되면, 다음과 같은 반응이 개시되어 질소산화물이 염으로 석출된다.

제3 반응(R3)에 의해, 수조(100) 내 물에 용해되어 있던 질산은, 질산염, 본 실시예에서 질산나트륨(NaNO₃)으로 석출된다. 석출된 질산나트륨은 수조(100) 내 물에 분산되어 있거나 또는 수조(100) 하부에 침전된다.

질산염은, 산도 조절제의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 산도 조절제로 수조(100) 내 물에 주입되는 중화제는, 수산화칼륨일 수 있고, 질소산화물은 질산칼륨(KNO₃)으로 석출된다.

석출된 질산염은, 별도의 회수과정 없이 수조(100) 내 물의 교체 시 또는 연소식 기화기(1000)의 운전을 정지하였을 때 수조(100) 내 물의 배출과 함께 연소식 기화기(1000)로부터 배출될 수 있다.

즉, 본 실시예에 따른 연소식 기화기(1000)의 질소산화물 저감 방법은, 질소산화물을 연소가스로부터 용이하게 분리 제거할 수 있으면서도, 회수과정은 생략할 수 있어 공정이 간단하다.

본 실시예에 따르면, 제1 반응(R1)이 더 잘 일어날 수 있도록 수조(100)에 저장되어 있는 물에 산화질소의 전환율을 높일 수 있는 물질을 첨가하여, 전환율을 높일 수 있는 물질이 농도 설정값을 유지하도록 할 수 잇다.

수조(100) 내 물의 전환율 향상 물질의 농도 조절은, 전환율 향상 물질 농도 측정부(미도시)를 더 구비하여, 제어부는, 전환율 향상 물질 농도 측정부의 측정값을 이용하여 첨가제 공급부를 제어하도록 제어 로직을 설정하거나, 또는, 첨가제 공급부가 전환율 향상 물질 농도 측정부의 측정값에 의해 자동으로 전환율 향상 물질을 첨가하도록 설정할 수도 있다.

본 실시예에서 전환율 향상 물질은 과산화수소(H₂O₂)일 수 있다. 과산화수소와 같은 산화제를 수조(100) 내 물에 첨가함으로써, 수조(100) 내 물의 과산화수소의 농도가 설정값, 예를 들어 1% 내외를 유지하도록 할 수 있다. 과산화수소의 농도 유지는 일시적으로 실시할 수도 있고, 계속해서 실시할 수도 있다.

도 4에는, 수조(100) 내 물의 과산화수소 농도에 따른 산화질소 전환율 변화 실험 결과를 그래프로 도시하였다. 도 4의 a는 과산화수소를 첨가하지 않았을 때의 산화질소 전환율이고, 도 4의 b는 과산화수소를 첨가하였을 때의 산화질소 전환율이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 수조(100) 내 물에 과산화수소를 첨가하면, 과산화수소를 첨가하지 않았을 때와 비교하여 산화질소의 전환율이 높아지는 것을 알 수 있다.

동일 조건에서 과산화수소를 첨가하지 않았을 때의 산화질소 전환율은 수조(100) 내 물의 부피에 따라 약 12% 내지 25%인 것으로 나타났으며, 과산화수소를 첨가하였을 때의 산화질소 전환율은 수조(100) 내 물의 부피에 따라 약 17% 내지 31%인 것으로 나타났다. 즉, 수조(100) 내 물의 부피가 클수록, 다시 말해, 연소식 기화기(1000)의 용량이 클수록 산화질소 전환율은 더 높아질 수 있다.

수조(100) 내 물의 부피가 18L일 때 과산화수소 첨가 전 산화질소 전환율은 약 12.4%, 과산화수소 첨가 후 산화질소 전환율은 약 17%이고, 수조(100) 내 물의 부피가 36L일 때 과산화수소 첨가 전 산화질소 전환율은 약 17.6%, 과산화수소 첨가 후 산화질소 전환율은 약 22%였으며, 수조(100) 내 물의 부피가 54L일 때 과산화수소 첨가 전 산화질소 전환율은 약 24.5%, 과산화수소 첨가 후 산화질소 전환율은 약 31%로 나타났다.

도 4에 도시된 산화질소 전환율 실험은, 실온(room temperature)에서 실시하였고, 반응공급물(NO, O₂, N₂)의 조건은 산화질소의 농도가 50ppm, 산소의 농도는 10%, 반응공급물의 유량은 2L/min로 하였으며, 반응기는 PFR(Plug Flow Reactor)인 것을 가정하여 실시하였고, 과산화수소의 농도는 1%로 유지시켰다.

과산화수소의 첨가는, 예를 들어, 연소식 기화기(1000)의 가동 초기에, 수조(100) 내 물이 중성상태를 유지함으로 인해, 제1 반응(R1)의 가속화를 위하여 첨가할 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다.

본 실시예에 따르면, 상술한 바와 같이, LNG의 연소에 의해 생성된 화염 또는 연소가스를 이용하여 수조(100)에 저장된 물을 가열시키고, 가열된 물은 열교환부(110)를 따라 유동하는 LNG를 기화시킨다.

연소가스는 가열부(300)로부터 수조(100) 내 물을 통과하여 연소가스 배출부(500)를 통해 배출되고, 수조(100) 내 물을 통과하면서 질소산화물이 제거되며, 질소산화물이 제거된 후 연소가스 배출부(500)로 배출되는 연소가스의 질소산화물 농도는 약 50ppm 이하, 또는 약 10~20ppm 이하이다.

본 실시예에 따른 연소 장치(1000)의 연소가스 처리 방법은, 연소가스에 불용성인 산화질소(NO) 형태로 포함되어 있는 질소산화물을, 제1 반응(R1)에 의해 수용성인 이산화질소(NO₂)로 전환시킨다. 이때, 제1 반응(R1)을 활성화시키기 위해 추가 공기 주입부(400)를 통해 추가 공기(O₂)를 주입한다.

제1 반응(R1)에 의해 이산화질소(NO₂)로 전환된 질소산화물은, 제2 반응(R2)에 의해 수조(100) 내 물에 용해되어 질산(HNO₃)이 된다.

수조(100) 내 물의 산도 조절 및 질산염 석출을 위하여, 제어부는, 수조(100) 내 물에 중화제를 첨가하고, 중화제에 의해 물에 용해되어 있는 질산은 염으로 석출된다. 석출된 염은 수조(100) 내 물에 분산되어 있거나 침전되어 있으므로, 본 실시예의 연소가스로부터 염 상태로 분리제거된 질소산화물은 연소식 기화기(1000)의 운전 정지 또는 수조(100) 내 물 교체 시 연소식 기화기(1000)로부터 배출된다.

또한, 본 실시예에 따르면, 산화질소의 산화반응을 가속화시키기 위하여, 추가 공기를 공급하고, 수조(100) 내 물의 산도를 조절하며, 과산화수소를 첨가할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연소 장치의 연소가스 처리 시스템, 즉 연소식 기화기의 연소가스 처리 시스템은, 가열부 및 열교환부가 수조 내 열 전달 매체인 물에 잠겨있고, 연소가스가 연소식 기화기로부터 배출되는 경로가, 열전달 매체인 물을 통과하도록 구성되어 있다. 이를 이용하여, 연소가스에 포함된 질소산화물을 연소 후 제어 방법으로 제거하되, 물을 가열시키는 것과 동시에, 수조 내 물에 용해시켜 연소가스로부터 질소산화물을 분리 제거함으로써, 간단한 구성으로도 질소산화물의 제거 효율을 높일 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 실시 예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시 예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술한 실시 예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

1000 : 연소식 기화기
100 : 수조
110 : 열교환부
200 : 연소 보일러
300 : 가열부
400 : 추가 공기 주입부
500 : 연소가스 배출부
LL : LNG 라인
GL : 재기화 가스 라인
FL : 연료가스 라인

Claims (16)

1. 연소 장치에서 연료의 연소에 의해 생성된 연소가스가 수조를 통과하면서, 수조 내에 구비되는 열교환부를 따라 유동하는 액화가스를 기화시키는 것과 동시에 연소가스에 포함된 질소산화물의 분리제거 반응이 일어나는 단계;를 포함하여,
   상기 액화가스를 기화시키면서 냉각되고 질소산화물의 분리제거 반응에 의해 질소산화물이 제거된 연소가스는 상기 수조로부터 배출시키고, 기화된 액화가스는 재기화 가스 수요처로 공급하며,
   상기 질소산화물의 분리제거 반응은 연속 공정으로서,
   산화질소를 상기 수조 내 물에 용해되는 이산화질소로 산화시키는 단계; 및
   상기 이산화질소가 용해된 수조 내 물에 의해 열교환부가 부식되지 않도록 상기 물의 산도를 조절하는 단계;를 더 포함하며,
   상기 산화질소를 이산화질소로 산화시키는 반응을 가속화하기 위한 수단으로서, 상기 수조로 공급되는 연소가스에 추가 산소를 주입하는 단계;를 더 포함하고,
   상기 연소 장치의 가동 초기에 상기 수조 내 물이 중성 상태일 때에는, 산화제를 첨가하여 상기 질소산화물의 분리제거 반응을 개시하는 단계;를 더 포함함으로써,
   상기 수조 내로 공급하는 연소가스 또는 화염에 추가 산소를 공급함으로써 상기 수조 내 물에 용해되는 질소산화물의 양을 증가시키고,
   상기 물의 산도를 조절하는 단계에서는 물에 용해된 이산화질소가 고체 상태의 질산염으로 석출되며, 석출된 질산염은 별도의 회수과정 없이, 상기 수조 내 물의 배출과 함께 배출시키는, 연소가스 처리 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 추가 산소의 농도는 1 내지 15%인, 연소가스 처리 방법.
7. 삭제
8. 삭제
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 수조로부터 배출되는 연소가스의 질소산화물 농도는 10 내지 20ppm인, 연소가스 처리 방법.
10. 연료의 연소에 의해 연소가스를 생성하는 연소 장치; 및
    내부에 물을 저장하며, 재기화시킬 액화가스가 유동하는 열교환부 및 연소 보일러에서 연료의 연소에 의해 생성된 화염 및 고온의 연소가스 중 어느 하나 이상과 상기 물이 열교환하는 가열부가 구비된 수조;를 포함하고,
    상기 수조에서는, 상기 연소가스에 포함된 질소산화물의 제거 반응 및 액화가스를 재기화시키기 위한 열교환이 동시에 일어나고,
    상기 수조를 통과하면서 상기 질소산화물이 제거된 연소가스가 상기 수조로부터 배출되도록 구비되는 연소가스 배출부; 및
    상기 열교환부와 연결되며 상기 열교환부를 따라 유동하면서 기화된 재기화 가스가 열교환부로부터 가스 수요처로 유동하는 재기화 가스 라인;을 더 포함하고,
    상기 질소산화물의 제거 반응은,
    산화질소를 상기 수조 내 물에 용해되는 이산화질소로 산화시키는 제1 반응; 및
    상기 제1 반응에 의해 생성된 이산화질소가 상기 물에 용해되는 제2 반응;을 포함하며,
    상기 제2 반응에 의해 상기 수조 내 물이 상기 열교환부를 부식시키지 않도록 상기 물의 산도를 조절하기 위한 중화제 공급부;
    상기 수조에 저장된 물의 산도(pH)가 설정값 또는 설정범위 이하로 낮아지면 상기 수조에 중화제가 주입되도록 상기 중화제 공급부를 제어하는 제어부; 및
    상기 질소산화물의 제거 반응을 가속화시키는 반응 가속화 수단;을 더 포함하고,
    상기 반응 가속화 수단은,
    상기 가열부에 연결되며, 연료의 연소에 의해 생성되고 수조 내부로 유입되는 연소가스에 산소가 주입되도록 구비되는 추가 공기 주입부; 및
    상기 연소 장치의 가동 초기에 상기 수조 내 물이 중성 상태일 때, 상기 질소산화물의 제거 반응이 개시되도록 산화제를 첨가하는 첨가제 공급부;를 포함하여,
    상기 추가 공기 주입부를 통해 상기 수조 내로 공급하는 연소가스 또는 화염에 추가 산소를 공급함으로써 주입된 산소에 의해 상기 제1 반응이 촉진되어 상기 수조 내 물에 용해되는 질소산화물의 양을 증가시키고,
    상기 수조에서는, 수조로 주입되는 중화제에 의해 상기 물에 용해된 이산화질소가 고체 상태의 질산염으로 석출되며, 상기 석출된 염은 상기 연소 장치의 운전 정지 시 상기 수조 내 물과 함께 배출되는, 연소가스 처리 시스템.
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제

Images