KR101910122B1 - 일산화질소 저감형 스크러버 및 이를 이용한 일산화질소 저감방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일산화질소 저감형 스크러버 및 이를 이용한 일산화질소 저감방법에 관한 것으로, 본 발명의 일산화질소 저감형 스크러버는, 연소가스유입구 및 공기주입구가 구비되어 있고 처리가스를 연소시키기 위한 불꽃을 생성하는 버너부; 및 상기 버너 하부에 위치되며, 처리가스 주입노즐 및 공기유입구가 구비되어 있고, 상기 처리가스 주입노즐로 유입된 처리가스가 연소되는 버닝챔버;를 포함하되, 상기 버닝챔버 내부의 공간은 메탄의 환원 반응을 통해 처리가스 연소 시 발생하는 일산화질소를 제거하는 공간인 환원연소부 및 상기 환원연소부 하부에 위치하며 상기 환원연소부에서 발생하는 부산물인 일산화탄소를 산소 공급을 통해 산화 반응시키는 공간인 산화연소부를 포함한다.

Description

일산화질소 저감형 스크러버 및 이를 이용한 일산화질소 저감방법{Low nitrogen monoxide scrubber and method for reducing nitrogen monoxide using the same}

본 발명은 환원연소구역과 산화연소구역이 구분된 하나의 소각로 내에서 환원 및 산화연소가 가능한 일산화질소 저감형 스크러버 및 이를 이용한 일산화질소 저감방법에 관한 것이다.

반도체 및 첨단 디스플레이 산업의 발전에 따라 이들 산업에 사용되는 특수가스의 유통 및 생산이 증가되고 있는 실정이다. 또한 관련 연구를 위해 연구소 및 대학 또는 기업체 등에서도 소규모로 특수가스의 구입과 사용이 이루어지고 있다. 하지만 잔여가스의 처리가 많은 문제점으로 대두되고 있는 실정이다. 문제가 되고 있는 잔여가스, 즉 특수가스는 대부분 고압, 폭발, 가연성을 가지고 있거나 강산 또는 알칼리성을 갖는 등 독성이 매우 높아 취급 및 처리에 특별하게 주의하여야 한다.

보통, 독성가스들 중 많은 수의 가스들은 매우 불안정하고 독성이 높아 우선적으로 연소를 통한 열산화 반응으로 안정화시킨 다음 집진, 가스흡수 등의 방법으로 처리하고 있다. 여기서 대부분의 독성가스들은 산화반응에 의한 안정화 처리가 요구되지만 산화질소(NO) 가스의 경우, 산화반응을 통한 이산화질소(NO₂) 가스로의 전환은 환원성 흡수제인 Na₂S를 이용한 별도의 처리가 필요하므로 경제성 및 효율성을 고려할 때 바람직하지 못한 측면이 있다.

이에 본 발명에서는 산환 반응만이 가능했던 종래 독성가스 산화로를 일산화질소(NO) 가스의 처리가 가능하도록 환원연소구역과 산화연소구역이 별도로 나누어진 하나의 소각로 내에서 환원/산화연소가 가능할 수 있도록 한 하방흐름식 폐가스 연소로를 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.

대한민국 등록특허 제10-0739124호

따라서 본 발명의 목적은 환원연소구역과 산화연소구역이 구분되며 하나의 소각로 내에서 환원연소 및 산화연소가 가능하도록 설계한 하방흐름식 폐가스 연소로인 일산화질소 저감형 스크러버를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 연소가스유입구 및 공기주입구가 구비되어 있고 처리가스를 연소시키기 위한 불꽃을 생성하는 버너부; 및 상기 버너 하부에 위치되며, 처리가스 주입노즐 및 공기유입구가 구비되어 있고, 상기 처리가스 주입노즐로 유입된 처리가스가 연소되는 버닝챔버;를 포함하되, 상기 버닝챔버 내부의 공간은 메탄의 환원 반응을 통해 처리가스 연소 시 발생하는 일산화질소를 제거하는 공간인 환원연소부 및 상기 환원연소부 하부에 위치하며 상기 환원연소부에서 발생하는 부산물인 일산화탄소를 산소 공급을 통해 산화 반응시키는 공간인 산화연소부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 일산화질소 저감형 스크러버를 제공한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 공기주입구는 상기 버너의 상부 측면에 위치하여 버너 내부로 공기를 주입하는 제1 공기주입구; 상기 환원연소부로 공기를 주입시키는 제2 공기주입구; 상기 산화연소부로 공기를 주입시키는 제3 공기주입구; 및 상기 산화연소부 하단의 버닝챔버 내부로 공기를 주입시키는 제4 공기주입구로 이루어진 것일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 환원연소부는 메탄을 환원제로 사용하며 이론 공연비(Stoichiometric Ratio)가 0.8~0.9인 조건 하에서 환원반응이 수행되고, 상기 산화연소부는 이론 공연비(Stoichiometric Ratio)가 1.0 이상이고 900℃ 이하의 온도 조건 하에서 산화반응이 수행되는 것일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 연소가스 또는 메탄은 엘엔지(LNG) 가스일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 환원연소부에서의 환원반응은 2초 ~ 4초 동안 수행되는 것일 수 있다.

본 발명은 환원연소구역과 산화연소구역이 구분되며 하나의 소각로 내에서 환원연소 및 산화연소가 가능하도록 설계한 하방흐름식 폐가스 연소로인 일산화질소 저감형 스크러버에 관한 것으로, 본 발명에서 제공하는 일산화질소 저감형 스크러버는 환원제로서 메탄을 이용한 환원반응으로 처리가스의 연소 과정에서 발생되는 일산화질소를 효과적으로 제거할 수 있으며, 하나의 소각로 내에 구분된 환원연소구역과 산화연소구역이 일체형으로 배치되어 있어 처리가스의 처리 효율을 월등히 증진시킬 수 있고, 종래 일산화질소 가스 처리에 사용되는 환원성 흡수제의 사용이 불필요하여 경제적으로도 효과가 크다.

도 1은 본 발명에 따른 환원연소구역과 산화연소구역이 구분된 일체형 일산화질소(NO) 저감형 스크러버를 나타낸 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 환원연소구역과 산화연소구역이 구분된 일체형 일산화질소(NO) 저감형 스크러버를 나타내는 개략도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 일산화질소(NO) 저감형 스크러버는 버너 및 버닝챔버를 구비할 수 있다.

도 1의 일산화질소(NO) 저감형 스크러버에 구비된 버너는 연소로 상부에 파일럿 버너가 설치되며, 이 버너는 메탄(CH4)을 주성분으로 하는 LNG를 연료로 한다. 버너는 처리가스를 연소시키기 위한 열원을 제공하는데, 상기 처리가스는 반도체 공정 등에서 발생되는 폐가스 등과 같은 유해물질을 함유하고 있는 가스를 포함할 수 있으며, 본 발명에서의 상기 처리가스는 일산화질소(NO)이다.

상기 처리가스는 파일럿 버너 근처, 연소로 상부의 측면에 적당한 각도로 구비되어 있는 처리가스 주입노즐을 통해 연소로 내로 유입될 수 있으며, 파일럿 버너의 화염과 혼합된다.

또한, 상기 버너에는 연소가스가 공급되는 연소가스유입구가 구비될 수 있으며, 공급된 연소가스는 연료로 이용되어 버닝챔버 내에서 불꽃을 형성하게 된다. 연소가스유입구는 버너의 상단에 구비될 수 있고, 일정 압력과 유량으로 연소가스를 버너에 공급한다. 또한 공급된 연소가스는 하방의 버닝챔버 방향으로 유동될 수 있고, 버너 내에서 점화되어 버닝챔버 내에서 처리가스의 연소를 위한 불꽃을 발생시킨다.

이때 상기 연소가스로는 LNG를 사용할 수 있다.

버닝챔버는 버너의 하부에 위치되며, 챔버 내부는 처리가스의 연소를 위한 공간이 구비되어 있다. 처리가스는 버너에서 생성된 불꽃에 의해 버닝챔버 내에서 연소되며, 이 과정에서 파우더가 생성될 수 있다. 처리가스 내에 함유된 유해물질은 파우더 형태로 열분해되며, 생성된 파우더는 버닝챔버 하단으로 유동하여 포집될 수 있고, 파우더의 포집을 위해 별도의 처리부가 버닝챔버 하단에 연결될 수 있다.

버닝챔버 내측에 형성된 공간은 처리가스인 일산화질소를 메탄을 이용하여 환원시키는 환원연소부가 위치하고, 환원연소부 하부에는 공기 주입에 의한 다량의 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시키는 산화연소부가 연속되어 위치한다.

특히 본 발명에서는 하나의 소각로 내에서 환원 및 산화연소가 가능하도록 연소로를 설계하였으며, 먼저 상기 환원연소부에서는 환원분위기를 갖는 S.R=0.8~0.9의 조건에서 운영된다.

연소는 산소/연료비, 즉 산소에 대한 S.R(Stoichiometric Ratio) 값이 1 미만인 환원분위기 연소와 S.R값이 1 이상인 산화분위기로 나눌 수 있는데, 상기 환원연소부는 환원분위기 조건에서 반응이 일어난다.

이러한 환원분위기를 갖는 환원연소부에 유입된 처리가스인 일산화질소는 하기 반응식 (1)에 의해 N₂로 환원되도록 하여 제거한다.

<반응식>

2NO + CH₄ + O2 → N₂ + CO₂ + 2H₂O (1)

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (2)

이때 산소가 풍부한 조건에서는 반응식 (2)가 지배적일 수 있고, 이 경우 일산화질소의 N2로의 환원반응은 기대할 수 없다. 따라서 환원연소부에서는 S.R(Stoichiometric Ratio) 값이 1 미만이 되도록 유지시켜야 한다.

또한, 본 발명에서 수행한 상기 환원반응은 일반 상용 보일러에서 사용하고 있는 환원제인 암모니아(NH3) 또는 요소((NH3)2CO)를 사용한 것이 아니라, 메탄을 사용하였다.

본 발명에서 환원반응을 위한 메탄(CH₄)은 상기 기술된 연소가스유입구를 통해 파일럿 버너로 주입하여 버닝챔버에 구획되어 있는 환원연소부로 유동되어 환원제로 작용한다. 즉, 본 발명에서 상기 LNG 주입구와 메탄 주입구는 연소가스유입구의 동일한 주입구를 통해 주입되며, NO 제거 시 완전연소(과잉공기주입) 조건이 아닌 메탄을 불완전연소 조건으로 연소공기를 주입하여, 남은 잔류의 메탄이 NO와 반응하여 제거되도록 하였다.

본 발명의 환원연소부에서의 환원반응은 환원제로서 메탄(CH₄)을 사용한다는 특징 이외에도 환원연소부에 충분한 반응시간(2초 이상)을 부여하여 처리가스의 처리 효율을 증진시키도록 하였다.

보통 상용보일러에서는 최적반응 온도 구간이 1초 미만으로 너무 짧아 처리가스의 처리 효율이 50%에 미치지 못하고 있는 문제점이 있었다. 그러나 본 발명의 방법으로는 환원연소부에서의 반응시간을 2초~4초로 부여할 수 있어, 처리가스의 처리 효율을 90% 이상으로 현저하게 증가시킬 수 있다.

한편, 환원연소부에서는 S.R값이 1 미만이 유지되도록 하여 상기 반응식 (1)이 진행되는 과정에서 원하지 않는 반응부산물로 일산화탄소(CO)가 다량 발생하게 된다.

이때 발생되는 일산화탄소는 S.R값이 1이상으로 유지되는, 바람직하게는 1.2 이상으로 유지되는 산화연소부로 유입시켜 산소가 과잉 공급되는 산화연소부에서 하기 반응식의 반응을 유도하여 이산화탄소(CO₂)로 전환되도록 한다.

<반응식>

2CO + O₂ → 2CO₂

그리고 여기서 산화연소부의 온도가 너무 높게 되면(>1200℃) N₂의 산화에 의해 원치 않는 부산물인 일산화질소(NO)가 발생할 수 있고, 이로 인해 NO 가스의 처리효율이 저감될 수 있으므로 산화연소부 900℃ 이하의 온도에서 운전될 수 있도록 한다.

나아가 본 발명의 일산화질소(NO) 저감형 스크러버는 공기주입구를 더 포함할 수 있다.

상기 공기주입구는 파일럿 버너의 상단 측면에 위치하며, 또한 버닝 챔버에서 환원연소부, 산화연소부에도 각각 위치하고, 이외 버닝챔버의 하단, 즉 산화연소부 하단에서 위치한다.

구체적으로, 파일럿 버너의 상단 측면에 위치한 제1 공기주입구는 파일럿 버너에 연통되도록 구비되어 버너 내부로 공기를 공급한다.

또한, 환원연소부 및 산화연소부에 각각 구비된 공기주입구는 상하 방향으로 일정 간격으로 이격되어 배치되며, 제2 공기주입구는 환원연소부에, 제3 공기주입구는 산화연소부에 공기가 주입될 수 있도록 위치된다. 다시 말해, 버닝챔버의 내측 공간에 구획된 환원연소부로는 제2 공기주입구로 공기가 공급되도록 배치되고, 산화연소부로는 제3 공기주입구로 공기가 공급되도록 배치된다.

또한 산화연소부 하단에 구획된 공간으로의 공기 공급은 제4 공기주입구를 통해 공급되어지며, 산화연소부 하단의 구획된 공간은 냉각 에어공급부이다.

냉각 에어공급부는 연소운전으로 650-900℃ 온도로 가열된 배출 가스를 냉각하기 위한 쿨링에어 공급부로서, 제4공기주입구 배관 뒤 장착되어 있는 온도 센서(TE)에 따라 댐퍼의 개도율이 조절되어 배출가스를 냉각한다.

또한, 버너 하단부의 챔버 외부는 철판 구조로 구성되어 있고 내부는 내화물(Castable)로 시공되어 있다. 내화물은 내부식, 마모성 및 단열성이 우수한 알루미나의 재질을 사용하였고 내열온도는 최대 Max 1,600도까지 사용이 가능하다. 따라서 내화물 단열성이 우수하여 축열의 기능을 가지며, 한번 가열되어 일정온도 이상이 되면 축적된 열에너지가 오래동안 유지될 수 있어, 방열손실도가 낮으며 낮은 방열손실 만큼 보조열원으로 LNG 사용이 가능하여 650 ℃ 이상의 온도를 유지할 수 있게 한다. 따라서 챔버의 축열 기능으로 소량의 LNG 사용량(운전비용) 또한 본 발명의 장점이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서 제공하는 일산화질소(NO) 저감형 스크러버는 버닝챔버 내로 환원제로서 메탄을 공급하여 처리가스의 연소 과정에서 발생되는 일산화질소를 효과적으로 제거할 수 있으며, 특히 버닝챔버 내부에 환원연소부와 산화연소부가 구분된 구획으로 존재하면서 하나의 소각로 내에서 환원 및 산화연소가 가능하도록 함으로써 일산화질소의 제거 효율을 더욱 높일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 버너는 LNG 연소 열량과 처리가스의 열량을 혼소하여 운전이 가능하게 설계되었으며, 발열량이 높은 처리가스 사용 시 온도가 상승하면 LNG의 사용을 줄이게 된다. 또한 단열이 우수한 내화물을 채택하여 내부 온도를 일정하게 유지하게 하는 특징이 있다.

뿐만 아니라, 본 발명의 일산화질소(NO) 저감형 스크러버는 배출 허용 기준 질소산화물을 배출하는 보일러 시설 및 산업에 모두 적용이 가능하며, 기체연료를 사용하는 소각로 및 보일러에 손쉽게 적용 할 수 있고, LNG 운전 조건과 3차의 공기주입구로 NOx 배출을 저감시켜 배출허용기준의 농도이하로 운전할 수 있는 효과가 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 연소가스유입구 및 공기주입구가 구비되어 있고 처리가스를 연소시키기 위한 불꽃을 생성하는 버너부; 및
   상기 버너 하부에 위치되며, 처리가스 주입노즐 및 공기주입구가 구비되어 있고, 상기 처리가스 주입노즐로 유입된 처리가스가 연소되는 버닝챔버;를 포함하되,
   상기 버닝챔버 내부의 공간은 메탄의 환원 반응을 통해 처리가스 연소 시 발생하는 일산화질소를 제거하는 공간인 환원연소부 및 상기 환원연소부 하부에 위치하며 상기 환원연소부에서 발생하는 부산물인 일산화탄소를 산소 공급을 통해 산화 반응시키는 공간인 산화연소부를 포함하고, 상기 산화연소부 하단에는 구획된 공간인 냉각 에어공급부를 포함하며,
   상기 공기주입구는 상기 버너의 상부 측면에 위치하여 버너 내부로 공기를 주입하는 제1 공기주입구; 상기 환원연소부로 공기를 주입시키는 제2 공기주입구; 상기 산화연소부로 공기를 주입시키는 제3 공기주입구; 및 상기 냉각 에어공급부로 공기를 주입시키는 제4 공기주입구로 이루어져 있고,
   상기 환원연소부는 상기 연소가스유입구로 주입된 메탄을 환원제로 사용하며 이론 공연비(Stoichiometric Ratio)가 0.8~0.9인 조건 하에서 환원반응이 수행되고, 상기 산화연소부는 이론 공연비(Stoichiometric Ratio)가 1.0 이상이고 900℃ 이하의 온도 조건 하에서 산화반응이 수행되며, 이때 상기 환원연소부에서의 환원반응은 2초 ~ 4초 동안 수행하는 것을 특징으로 하는,
   일산화질소 저감형 스크러버.
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3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 연소가스 또는 메탄은 엘엔지(LNG) 가스의 형태인 것을 특징으로 하는, 일산화질소 저감형 스크러버.
5. 삭제

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