KR102046121B1 - 복합형 질소산화물 저감시스템 - Google Patents

복합형 질소산화물 저감시스템 Download PDF

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KR102046121B1 KR1020180153673A KR20180153673A KR102046121B1 KR 102046121 B1 KR102046121 B1 KR 102046121B1 KR 1020180153673 A KR1020180153673 A KR 1020180153673A KR 20180153673 A KR20180153673 A KR 20180153673A KR 102046121 B1 KR102046121 B1 KR 102046121B1
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박정봉
김성경
박원균
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주식회사 피티케이씨
박원균
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Abstract

본 발명은 복합형 질소산화물 저감시스템에 관한 것으로, 제1 환원제를 저장하는 제1 환원제 저장조와; 제2 환원제를 저장하는 제2 환원제 저장조; 제1 환원제를 고온의 가스상으로 분해반응을 일으키는 분해조; 배기가스 발생원에서 배출되는 질소산화물을 함유한 배기가스를 연도로 유도하는데, 환형 분사노즐과, 스태틱 믹서, 암모니아 주입설비(AIG), 및 촉매층을 구비하는 배기관; 제1 환원제 저장조의 제1 환원제를 분해조로 안내하는 제1 공급라인; 제2 환원제 저장조의 제2 환원제를 배기관의 상류측에 배치된 환형 분사노즐로 안내하는 제2 공급라인; 및 분해조에서 배기관의 하류측에 배치된 AIG까지 길이연장되어, 분해조에서 만들어진 가스상 환원제를 AIG로 공급하는 제3 공급라인;으로 이루어져, 배기관의 상류측에서는 선택적 비촉매 환원법에 기초한 탈질공정 그리고 배기관의 하류측에서는 선택적 촉매 환원법에 기초한 탈질공정을 수행할 수 있다.

Description

복합형 질소산화물 저감시스템 {Complex type NOx reduction system}
본 발명은 복합형 질소산화물 저감시스템에 관한 것으로, 특히 가스 터빈의 부하성능에 따라 환원제를 다지점으로 분배·공급하여 선택적 촉매 환원법 및/또는 선택적 비촉매 환원법으로 배기가스의 질소산화물을 저감할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 공장, 발전소 혹은 연소장치 등에서 화석연료를 연소시켜 발생하는 생성물 중 유해배기가스인 질소산화물은 다양한 방식으로 저감하여 대기환경의 오염을 최대한 방지해야만 한다.
현재 공지된 질소산화물의 대표적인 저감방법은 앞서 기술된 바와 같이 선택적 촉매 환원법과 선택적 비촉매 환원법을 적용하고 있는게 현실이다.
선택적 촉매 환원법(SCR;Selective Catalytic Reduction)은 연소장치의 하류에 환원제인 암모니아를 공급하여 촉매층에서 환원반응을 야기시켜 질소산화물을 저감하도록 되어 있다(특허문헌 1 참조). 이러한 선택적 촉매 환원법은 통상적으로 연소장치가 저부하(low load) 상태이거나 촉매층으로 유입될 배기가스의 온도가 낮으면 질소산화물의 반응이 현저하게 떨어지는 현상이 발생되어 그대로 배기가스와 함께 암모니아의 슬립 현상이 생겨 후단 설비에 나쁜 영향을 야기될 수 있는 문제점을 갖고 있다.
이와 달리, 선택적 비촉매 환원법(SNCR;Selective Non-Catalytic Reduction)은 연소장치 내로 암모니아수 혹은 요소수를 직접 분사하고 연소장치 내에서 화석연료의 연소를 통해 발생하는 질소산화물과 반응시켜 저감시킬 수 있도록 구성되어 있다. 이러한 선택적 비촉매 환원법은 기술된 바와 같이 액상의 암모니아 혹은 요소수를 연소로 내부로 공급하도록 되어 있기 때문에, 환원제가 연소장치 내부로 분사되면서 물방울이 보일러 튜브와 접촉하게 되면 예상치 못한 대형사고를 유발시킬 수 있는 위험성을 항상 내포하고 있으며, 실제로 일부 몇몇 기업에서는 이로 인한 큰 손해를 본 적도 있다.
또한, 선택적 비촉매 환원법을 적용한 시스템은 연소장치가 저부하일 경우에 고효율을 낼 수 있는 반면에 탈질률이 떨어지는 한계성을 갖는다.
미국 공개특허 제US 2006/0115402호
본 발명은 앞서 기술된 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로, 환원제의 공급방식을 이원화(二元化)하여 선택적 촉매 환원법 및/또는 선택적 비촉매 환원법으로 탈질할 수 있는 복합형 질소산화물 저감시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 더불어서, 본 발명은 2종의 환원제를 시스템에서 다지점 분배 방식으로 공급하여 최적의 조건 하에서 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있도록 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합형 질소산화물 저감시스템은, 제1 환원제를 저장하는 제1 환원제 저장조와; 제2 환원제를 저장하는 제2 환원제 저장조; 제1 환원제를 고온의 가스상으로 분해반응을 일으키는 분해조; 배기가스 발생원에서 배출되는 질소산화물을 함유한 배기가스를 연도로 유도하는데, 환형 분사노즐과, 스태틱 믹서, 암모니아 주입설비(AIG), 및 촉매층을 구비하는 배기관; 제1 환원제 저장조의 제1 환원제를 분해조로 안내하는 제1 공급라인; 제2 환원제 저장조의 제2 환원제를 배기관의 상류측에 배치된 환형 분사노즐로 안내하는 제2 공급라인; 및 분해조에서 배기관의 하류측에 배치된 AIG까지 길이연장되어, 분해조에서 만들어진 가스상 환원제를 AIG로 공급하는 제3 공급라인;으로 이루어질 수 있다. 본 발명은 다지점 분배 방식으로 환원제를 배기관의 여러 지점으로 분해하여 탈질반응을 유도할 수 있다.
바람직하기로, 제1 환원제는 요소수로 이루어질 수 있다.
본 발명은 제1 공급라인과 제2 공급라인 사이에 제4 공급라인을 유체연통간능하게 배관할 수 있다.
특별하기로, 배기관은 환형 분사노즐과, 스태틱 믹서, AIG, 및 촉매층을 배기가스의 흐름을 따라 상류측에서 하류측을 향해 순차적으로 배치할 수 있다. 이로써, 본 발명은 배기관 내에서 선택적 비촉매 환원법과 선택적 촉매 환원법에 따른 공정을 연속적으로 처리할 수 있도록 설계되어 있다.
선택가능하기로, 본 발명은 배기관 내에 온도가 다른 영역에서 안내된 배기가스를 혼합하여 열원으로 사용할 수 있다.
스태틱 믹서는 복수의 단위 배플 모듈로 형성되는데, 복수의 단위 배플 모듈은, 상향 경사져 있는 하나 이상의 제1 상부 플레이트와 하향 경사져 있는 하나 이상의 제1 하부 플레이트를 폭방향을 따라 교호적으로 배치하는 제1 배플부와; 상향 경사져 있는 하나 이상의 제2 상부 플레이트와 하향 경사져 있는 하나 이상의 제2 하부 플레이트를 폭방향을 따라 교호적으로 배치하는 제2 배플부;로 이루어지고, 제1 배플부와 제2 배플부를 서로 엇갈리게 맞물려 결합한다.
제1 하부 플레이트의 높이는 제2 상부 플레이트의 높이의 1/2 크기를 가질 수 있다.
본 발명에서, 제1 상부 플레이트와 제1 하부 플레이트는 직교되게 배치되고, 제2 상부 플레이트와 제2 하부 플레이트는 직교되게 배치될 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 배기가스 내에 질소산화물의 함유량에 따라 다양한 종류의 환원제를 화학양론비적으로 제공하여 탈질 효율을 극대화시킬 수 있는 시스템을 제공한다.
특별하기로, 본 발명은 다양한 종류의 환원제를 배기관의 다지점, 구체적으로 상류측과 하류측으로 공급하여 선택적 비촉매 환원법 및/또는 선택적 촉매 환원법에 기초하여 탈질 공정을 선택적으로 혹은 연속적으로 수행할 수 있는 장점을 제공한다.
본 발명은 이종의 환원제를 사용할 수 있도록 설계되어 있어 암모니아의 사용으로 문제시되었던 운전 및 설비의 취급자가 독극물 취급에 따른 위험으로부터 안정성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라 암모니아로의 전환가능한 다양한 종류의 환원제를 채용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 복합형 질소산화물 저감시스템을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도 2는 도 1에 도시된 스태틱 믹서를 개략적으로 도시한 도면들로서, 도 2(a)는 스태틱 믹서의 사시도이고 도 2(b)는 스태틱 믹서의 측면도이다.
도 3은 스태틱 믹서를 구성하는 단위 배플부의 분해사시도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 첨부 도면에 있어서, 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 복합형 질소산화물 저감시스템을 개략적으로 도시한 공정도이다.
본 발명에 따른 복합형 질소산화물 저감시스템은 요소수 등의 제1 환원제를 저장하는 제1 환원제 저장조(10)와, 제2 환원제를 저장하는 제2 환원제 저장조(20), 제1 환원제 저장조(10)에서 공급되는 요소수를 화학적으로 분해하는 공간을 갖춘 분해조(30), 및 배기가스 발생원(G;예컨대, 가스 터빈)에서 발생된 배기가스를 연도(90)로 배출하도록 안내하는 배기관(40)으로 이루어진다. 여기서, 배기가스 발생원(G)은 보일러, 소각로 공정가열로, 내연기관, 복합화력발전소에 가스 터빈일 수 있으며 물질의 연소, 합성, 분해 등을 통해 질소산화물 등의 유해가스를 배출하는 장치로서, 탄화수소 연료, 예컨대 화석연료 등을 연소시켜 연소열과 함께 질소산화물을 함유한 배기가스를 발생시킨다.
선택가능하기로, 배기관(40)은 복합화력발전소에서의 배열회수보일러(HRSG;Heat Recovery Steam Generator)일 수 있으며, 복합화력발전소의 가스 터빈(G)을 가동할 때 배출되는 열에너지를 회수하여 열교환을 통해 고온/고압의 증기를 발생시켜 스팀 터빈을 구동하는 배열회수용 모듈(450)을 배열회수보일러 내에 설치할 수 있다.
제1 환원제 저장조(10)는 제1 환원제의 유동성을 향상시키고 안정성을 확보하기 위해서 액상의 요소수를 수용하고 있으며, 이에 국한되지 않고 이종(異種)의 환원제를 수용할 수도 있다. 앞서 기술된 바와 같이, 제1 환원제는 수용성(水溶性) 환원제인 요소수로 구성되는 것이 바람직하다. 수용성 환원제는 아래의 화학식 4에 보여지듯이 수분(humidity)에서 발생되는 수산화기(OH-)를 갖고 있어, 다른 성질의 반응기와 화학적 결합이 쉽게 이루어질 수 있다. 다시 말하자면, 음이온인 수산화기가 수소(H+)와 신속하게 결합되어 물로 전환하게 되고, 질소산화물의 접촉반응 효율을 향상시킬 수 있다.
제1 환원제 저장조(10)에 수용된 요소수는 제1 공급라인(L1)을 따라 분해조(30)로 안내된다. 본 발명은 전술된 바와 같이 제1 환원제 저장조(10)에 요소수로 채워 넣는데, 요소수는 요소(NH2CONH2)로부터 암모니아로의 전환이 매우 빠르고, 암모니아를 직접 환원제로 사용할 때에 수반되었던 운전 및 설비의 취급자가 독극물 취급에 따른 위험 요소를 사전에 제거할 수 있는 장점을 갖는다.
특별하기로, 분해조(30)는 제1 환원제 저장조(10)로부터 요소수를 공급받아 고온에서 분해 혹은 액상에서 가스상으로의 상변환 과정을 유도한다. 분해조(30)는 열적가수분해반응과 함께 열적분해반응을 통해 요소수를 암모니아(NH3)와 이소시안산(HNCO)으로 전환한다. 이러한 열적분해반응을 구현하기 위해서, 분해조(30)는 상당한 고온의 열을 필요로 한다.
다시 말하자면, 분해조(30)는 고온의 열을 이용하여 액상의 요소수 등을 요소의 분해가스인 가스상의 암모니아와 같은 환원제로 상변환시킨다. 이러한 상변환 과정을 위해서, 필요한 열은 기존 설비를 적극적으로 이용하여 에너지 비용절감을 실현하도록 배기가스 발생원(G) 하류에 배치된 배기관(40)에서 고온의 배기가스 일부를 분해조(30)로 안내하여 분해조(30)의 열원으로 사용할 수 있다. 선택가능하기로, 본 발명은 온도가 다른 배기관(40)의 상류측(고온 영역)과 하류측(상대적으로 저온 영역)에 배기가스를 분해조(30)의 열원으로 사용할 수 있다. 상류측의 배기가스는 환형 분사노즐(410)의 상류를 통과하는 배기가스이고 하류측의 배기가스는 스태틱 믹서(420)의 하류를 통과하는 배기가스일 수 있다. 온도가 다른 영역에서 안내되는 배기가스들이 분해조로 안내되는 구성을 통해, 본 발명은 상류측에 배기가스의 유량과 하류측에 배기가스의 유량을 조절하면서 서로 다른 온도 영역에서 안내된 배기가스들을 혼합하고 일정한 온도로 제어하여 분해조(30)로 안내할 있다. 이는 분해조에 사용될 열원의 온도 범위를 확장시킬 수 있는 장점을 제공한다. 예컨대, 분해조(30)는 도시된 바와 같이 환형 분사노즐(410)의 상류를 관통하는 고온의 배기가스를 열원으로 사용하여, 배기관의 상류측에서 선택적 비촉매 환원법으로 1차 탈질될 배기가스를 열원으로 사용한다. 고온의 배기가스로 가열된 분해조(30) 내에서 요소로부터 암모니아로의 분해는 대략 7 내지 10초의 빠른 응답속도로 진행하게 된다.
본 발명은 요소(또는 요소수)를 화학식 1과 같이 열적가수분해반응와 화학식 2와 같이 열적분해반응을 통해 분해조(30) 내에서 신속하게 암모니아로 개질할 수 있다.
Figure 112018120859121-pat00001
Figure 112018120859121-pat00002
참고로, 요소는 화학식 2의 반응을 통해 암모니아와 이소시안산을 생성한다. 생성물인 암모니아와 이소시안산은 제3 공급라인(L3)을 통해 배기관(40) 내에 촉매층으로 공급되어 질소산화물과 반응하게 된다.
요소수는 이러한 다양한 반응매커니즘을 통해 가스상의 암모니아 환원제로 전환되어 질소산화물의 탈질반응을 고온 분위기 하에 있는 배기관(40)에서 일어나도록 한다.
제2 환원제 저장조(20)는 고온 분위기 하에 배기관(40) 상류측에 제공될 환원제의 공급원으로서, 배기가스 발생원(G)에서 발생된 초기 질소산화물의 배출량에 근거하여 계량공급모듈(미도시)을 수단으로 하여 제2 환원제 저장조(20)에서 소정량의 환원제를 후단 설비, 즉 배기관(40)에 제공할 수 있다. 제2 환원제 저장조(20)는 제1 환원제 저장조(10)에 저장된 요소수와 다른 이종의 환원제를 수용할 수도 있다. 예컨대, 제2 환원제 저장조(20)는 저농도 암모니아, 탄산암모늄(NH4CO3), 이소시안산 등의 다른 환원제를 채택할 수 있으며, 이에 국한되지 않고 제2 환원제 저장조(20)는 저농도 요소수 혹은 요소를 채택할 수도 있다.
본 발명은 배기가스 발생원(G)에서 발생하는 배기가스에 함유된 질소산화물의 배출량과 이에 필요한 환원제를 당량비에 따라 계산된 환원제의 소모량(화학양론비)을 제2 공급라인(L2)을 통해 제2 환원제 저장조(20)에서 배기관(40)의 상류측으로 안내한다. 이와 상응하게, 본 발명은 배기관(40)의 상류측에서 선택적 비촉매 환원법으로 제거되지 않고 연도(90)를 향해 하류로 이송될 질소산화물의 잔존량과 함께 미반응 암모니아의 슬립(slip)량을 근거로 하여 필요한 환원제를 당량비에 따라 전술된 바와 같이 제3 공급라인(L3)을 통해 소정량의 환원제를 분해조(30)에서 배기관(40)의 하류측으로 안내할 수 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명은 배기가스 발생원(G)와 연도(90) 사이에 배기관(40)을 상호 유체연통가능하게 개재하는데, 배기관(40)은 전술되었듯이 질소산화물을 탈질하기 위한 환원 영역에 해당한다.
배기관(40)은 선택적 촉매 환원법 및/또는 선택적 비촉매 환원법에 기초하여 질소산화물을 저감할 수 있도록 구성되어 있는데, 구체적으로 선택적 비촉매 환원법을 기반으로 하여 고온 분위기 하에 배기관의 상류측에 환원제를 직접 분사하여 질소산화물과 반응시켜 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 선택적 촉매 환원법을 기반으로 하여 배기관의 하류측에 설치된 암모니아 주입설비(430,ammonia injection grid;이하 AIG)를 통해 환원제인 암모니아를 공급하여 촉매층(440)에서 환원반응을 야기시켜 질소산화물을 저감시킬 수 있다.
배기관(40)은 배기가스 발생원(G)에서 연도(90)까지 배기가스의 흐름을 유도하도록 구성되되, 환형 분사노즐(410)과, 스태틱 믹서(420), AIG(430), 및 촉매층(440)을 상류측에서 하류측을 향해 순차적으로 구비된다.
당해분야의 숙련자들에게 널리 알려져 있듯이, 배기관(40)은 가스 터빈(G)에서 발생된 배기가스의 유동에 따라 배기관의 길이방향으로 배기가스의 온도구배를 갖는다. 즉, 배기관의 상류측은 약 500℃~ 550℃의 배기가스 온도를 유지하는 반면에 배기관의 하류측은 약 300℃~ 350℃의 배기가스 온도를 유지한다.
본 발명은 환형 분사노즐(410)을 배기관(40)의 상류측 내주면 둘레를 따라 배치되고 다수의 분사홀을 통해 제2 환원제를 배기관의 내부 중심을 향해 반경방향으로 분사할 수 있다. 본 발명은 환형 분사노즐에 국한되지 않고 배기관의 상류측에 제2 환원제를 분사할 수 있는 다양한 유형의 다중 분사노즐일 수도 있다. 제2 환원제는 제2 환원제 저장조(20)에서 환형 분사노즐(410)까지 유체연통가능하게 길이연장된 제2 공급라인(L2)을 통해 배기관의 상류측으로 분사될 수 있다.
전술된 바와 같이, 제2 환원제는 제1 환원제 저장조(10) 내에 저장된 제1 환원제와 다른 종류의 환원제, 예컨대 암모니아, 이소시안산, 탄산암모늄일 수 있다.
암모니아를 제2 환원제로 사용하는 경우에,
Figure 112018120859121-pat00003
배기관(40)의 상류측으로 분사된 암모니아는 고온 하에서 화학식 3과 같은 환원 반응이 주로 일어나 탈질 효과를 기대할 수 있다. 앞서 기술하였듯이, 본 발명은 화학식 2와 같이 요소(혹은 요소수)를 배기관의 상류측 내로 주입하여 신속하게 암모니아로 전환시켜 환원제로 사용할 수도 있다.
본 발명에서, 배기관의 상류측은 하류측을 향해 유동하는 고온의 배기가스에 환원제를 직접 분사하여 유효 반응온도를 충족시켜 제2 환원제와의 접촉을 통해 선택적 비촉매 환원법에 기초하여 질소산화물을 질소와 수증기로 환원시키는 선택적 비촉매 환원 영역에 해당한다.
Figure 112018120859121-pat00004
이소시안산을 제2 환원제로 사용하는 경우에, 이소시안산은 배기관의 고온 영역에서 화학식 4와 같은 화학반응이 진행되면서 유해한 질소산화물을 질소와 이산화탄소(CO2)와 같이 대기오염과 무관한 물질로 전환된다. 참고로, 이산화탄소의 발생량은 몇 ppm 미만이므로, 환경적 오염원으로써의 원인을 제공하기는 극히 소량일 것이다.
참고로, 본 발명은 환형 분사노즐(410) 하류측에 스태틱 믹서(420;mixer)를 배치하여 제2 환원제와 배기가스의 강제 혼합을 유도한다.
당해분야의 숙련자들에게 널리 알려져 있듯이, 배기관(40)의 상류측에서 제2 환원제와 질소산화물과의 반응경로는 온도 의존성이 크기 때문에 암모니아와 질소산화물이 미반응 상태로 하류측으로 이동할 수 있다.
본 발명은 배기관(40)의 하류측에 AIG(430)와 촉매층(440)을 배치하여 선택적 촉매 환원 영역을 제공할 수 있다. 구체적으로, 촉매층(440) 상류에 배치된 AIG(430)을 통하여 공급된 가스상의 암모니아와 배기가스 발생원(G) 또는 배기관의 상류측에서 미반응된 질소산화물이 환원 반응을 통해 질소와 수증기로 분해될 수 있다. 본 발명은 선택적 촉매 환원법에 따라 가스상 환원제를 AIG(440)에 공급함으로써, 선택적 촉매 환원법의 장점인 질소산화물의 탈질률을 높일 수 있으며, 과도한 질소산화물의 저감 운전을 하는 경우나 가스 터빈의 부하 변동이 일어나는 경우에도 외부로 암모니아 슬립 발생이 줄어들게 된다.
본 발명에 따른 복합형 질소산화물 저감시스템은 분해조(30)에서 가열분해 및 가수분해된 암모니아 증기를 제3 공급라인(L3)을 통해 배기관(40)의 하류측에 AIG(430)로 유입한다. 제1 환원제 저장조(10)에 저정된 제1 환원제인 요소수가 분해조(30)로 주입되고, 재순환공급펌프를 수단으로 하여 배기가스 이송관을 따라 이동하는 고온의 배기가스를 분해조(30)로 공급하여 열원으로 사용하게 된다. 필요에 따라, 재순환공급펌프는 상당량의 공기를 분해조(30)로 공급할 수 있다. 암모니아는 고온 하에서 폭발성이 강하기 때문에 재순환공급펌프 혹은 별도의 송풍기로 공급된 공기와 분해조(30) 내부에서 잘 혼합되어야 한다. 이러한 폭발방지를 위해서 당해분야의 숙련자들에게 이미 널리 알려져 있듯이 암모니아/공기의 비를 2% 내지 5% 정도로 유지시키는 것이 바람직하다. 즉, 분해조(30) 내에 암모니아는 공기와 혼합되어 매우 희박한 암모니아 증기상으로 이루어진다. 희박한 암모니아 증기는 전술되었듯이 AIG(430)로 주입된다.
AIG(430)는 환원제인 희박한 암모니아 증기와 가스 터빈(G)에서 배기관(40)을 따라 이동하는 배기가스를 혼합접촉시켜 충분히 혼합된 희박한 혼합가스로 만들어, 이를 촉매층(440)에서 반응토록 안내한다. 충분히 혼합된 혼합가스들은 촉매층(440)으로 유입되어, 제3 공급라인(L3)으로 공급될 희박한 암모니아 증기는 예컨대 화학식 3과 같이 반응하여 질소산화물을 저감시킬 수 있게 된다. 덧붙여서, 제3 공급라인(L3)으로 공급될 이소시안산은 예컨대 화학식 4와 같이 반응하여 질소산화물을 저감시킬 수 있을 것이다.
촉매층(440)에서 반응된 후에 생성된 질소와 수소는 연도(90)를 통하여 대기중으로 방출할 수 있다. 전술된 공정을 매개로 하여 유해한 질소산화물이 요소수와 기타 다른 환원제를 환원제로 하여서 질소가스로 전환된다.
본 발명은 제1 환원제 저장조(10)와 분해조(30) 사이에 유체연통가능하게 제1 공급라인(L1)을 배관하고, 제2 환원제 저장조(20)와 배기관(40)의 상류측 사이에 유체연통가능하게 제2 공급라인(L2)을 배관하고 있다. 제1 환원제 저장조(10)에서 분해조(30)로 공급되는 제1 환원제의 흐름을 단속하기 위해 제1 공급라인(L1)의 배관 경로 상에 제1 밸브(V1)를 구비할 수 있다. 이와 대응되게, 제2 환원제 저장조(20)에서 배기관(40)의 상류측으로 공급되는 제2 환원제의 흐름을 단속하기 위해 제2 공급라인(L2)의 배관 경로 상에 제2 밸브(V2)를 구비할 수 있다. 선택가능하기로, 본 발명은 제1 공급라인(L1)과 제2 공급라인(L2)을 상호 유체연통가능하게 길이연장된 제4 공급라인(L4)을 구비한다. 본 발명은 제4 공급라인(L4)의 배관 경로 상에 제4 밸브(V4)를 추가로 구비하는데, 제4 공급라인(L4)의 개폐를 통해 작업자의 선택에 따라 제1 환원제를 제1 또는 제2 공급라인(L1,L2)으로 안내할 수 있으며 제2 환원제를 제2 또는 제1 공급라인(L2,L1)으로 안내할 수 있다. 본 발명은 환원제를 다지점으로 분배를 가능하도록 다양한 유로를 제공하기 위해서, 제1 밸브(V1)는 제1 공급라인(L1)과 제4 공급라인(L4)의 교차 지점과 제1 환원제 저장조(10) 사이의 제1 공급라인(L1)에 배치될 수 있으며, 제2 밸브(V2)는 제2 공급라인(L2)과 제4 공급라인(L4)의 교차 지점과 제2 환원제 저장조(20) 사이의 제2 공급라인(L2)에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 복합형 질소산화물 저감시스템은 전술된 바와 같이 배기관(40) 내에 스태틱 믹서(420)를 수단으로 하여 통상적으로 제2 환원제와 배기가스의 강제 혼합을 유도하게 된다. 물론, 본 발명은 배기관(40)의 상류측에 제2 환원제를 대신하여 제1 환원제를 선택적으로 공급할 수도 있다.
스태틱 믹서(420)는 도 2 내지 도 3에 도해되었듯이 배기관(40)의 상류측 내부에 배치되는데, 가스 터빈(G;도 1 참조)으로부터 배기관(40)으로 배출되는 배기가스와 환형 분사노즐(410)으로부터 배기관(40) 내측으로 공급되는 제2 환원제를 스태틱 믹서(420)를 통과시켜 난류 운동에 의해 균일한 혼합을 유도할 수 있게 된다. 즉, 본 발명은 스태틱 믹서를 통해 선택적 비촉매 환원 영역에서 균일한 탈질반응을 제공하고 환원반응율을 높일 수 있도록 미세하고 균일한 혼합가스를 형성할 수 있다.
스태틱 믹서(420)는 복수의 단위 배플 모듈(420')을 스택(stack)형태로 배열하여 배기관의 내부영역을 가로질러 배치한다. 구체적으로, 단위 배플 모듈(420')은 제1 배플부(420a;baffle)와 제2 배플부(420b)로 이루어져 있다.
제1 배플부(420a)는 도시된 바와 같이 상향 경사져 있는 하나 이상의 제1 상부 플레이트(421)와 하향 경사져 있는 하나 이상의 제1 하부 플레이트(423)를 폭방향을 따라 교호(交互))적으로 배치한다. 구체적으로, 제1 배플부(420a)는 제1 상부 플레이트(421)의 하측 모서리와 폭방향으로 인접해 있는 제1 상부 플레이트(421)의 하측 모서리는 제1 하부 플레이트(423)의 상측 모서리에 결합되되, 바람직하기로 제1 상부 플레이트(421)와 제1 하부 플레이트(423)는 직교되게 배치된다.
이와 대응되게, 제2 배플부(420b)는 상향 경사져 있는 하나 이상의 제2 상부 플레이트(422)와 하향 경사져 있는 하나 이상의 제2 하부 플레이트(424)를 폭방향을 따라 교호적으로 배치한다. 구체적으로, 제2 배플부(420b)는 제2 상부 플레이트(422)의 하측 모서리와 폭방향으로 인접해 있는 제2 상부 플레이트(422)의 하측 모서리는 제2 하부 플레이트(424)의 상측 모서리에 결합되되, 바람직하기로 제2 상부 플레이트(422)와 제2 하부 플레이트(424)는 직교되게 배치된다.
조립시, 단위 배플 모듈(420')는 폭방향으로 평행하게 배치된 제1 상부 플레이트(421) 사이에 제2 상부 플레이트(422)를 교차되게 개재하는 동시에 폭방향으로 평행하게 배치된 제1 하부 플레이트(423) 사이에 제2 하부 플레이트(424)를 교차되게 개재하여, 제1 배플부(420a)와 제2 배플부(420b)를 상호 결합할 수 있다. 전술된 바와 같이, 단위 배플 모듈(420')은 제1 배플부(420a)와 제2 배플부(420b)를 서로 엇갈리게 맞물려 결합되도록 상호 대칭되게 배치하고 결합되는데, 이로써 한정된 채널을 마름모꼴 형상으로 형성하게 된다. 채널은 폭방향으로 인접하게 배치된 한쌍의 제1 하부 플레이트(423)를 통해 소정의 이격거리(예컨대, 제1 하부 플레이트의 높이(h3))를 두고 평행하게 배치된 제1 상부 플레이트(421)와 제2 하부 플레이트(424)로 형성된 전방측 개구부(참조부호 없음)와 유체연통가능하며, 채널은 폭방향으로 인접하게 배치된 한쌍의 제1 상부 플레이트(421)를 통해 소정의 이격거리(예컨대, 제1 상부 플레이트의 하단부에서 제1 상부 플레이트의 중심부 사이)를 두고 평행하게 배치된 제2 상부 플레이트(422)와 제1 하부 플레이트(423)로 형성된 전방측 개구부(참조부호 없음)와 유체연통가능하게 형성된다. 배기가스와 제2 환원제는 전술된 개구부들과 채널을 통과하면서 난류 혼합되어 균일한 혼합을 유도하여 하류측으로 안내될 수 있다.
선택가능하기로, 제1 하부 플레이트(423)의 높이(h3)는 제2 상부 플레이트(422)의 높이(h2)의 1/2로 형성되어 전방측 개구부의 형성을 가능하게 돕는다.
스태틱 믹서(420)는 제1 배플부(420a)와 제2 배블부(420b)로 형성된 채널을 지나 배기관(40)의 하류측으로 유동하는 혼합가스의 난류 운동을 유도할 수 있도록 제1 상부 플레이트(421)의 후단부에는 스포일러(420c;spoiler)를 배치할 수 있다. 이에 국한되지 않고, 스포일러(420c)는 제2 하부 플레이트(424)의 후단부에 배치될 수도 있다.
이상 본 발명은 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 복합형 질소산화물 저감시스템은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10 ----- 제1 환원제 저장조,
20 ----- 제2 환원제 저장조,
30 ----- 분해조,
40 ----- 배기관,
410 ----- 환형 분사노즐,
420 ----- 스태틱 믹서(static mixer),
430 ----- 암모니아 주입설비(AIG)
440 ----- 촉매층,
L1, L2, L3, L4 ----- 공급라인.

Claims (8)

  1. 제1 환원제를 저장하는 제1 환원제 저장조(10)와;
    제2 환원제를 저장하는 제2 환원제 저장조(20);
    배기가스 발생원(G)에서 배출되는 질소산화물을 함유한 배기가스를 연도(90)로 유도하는데, 환형 분사노즐(410)과, 스태틱 믹서(420), 암모니아 주입설비(430;이하 AIG), 및 촉매층(440)을 구비하는 배기관(40);
    상기 배기관(40)에서 온도가 다른 두 영역으로부터 안내된 배기가스를 혼합한 열원을 통해 제1 환원제를 고온의 가스상으로 분해반응을 일으키는 분해조(30);
    상기 제1 환원제 저장조(10)의 제1 환원제를 상기 분해조(30)로 안내하는 제1 공급라인(L1);
    상기 제2 환원제 저장조(20)의 제2 환원제를 상기 배기관(40)의 상류측에 배치된 상기 환형 분사노즐(410)로 안내하는 제2 공급라인(L2); 및
    상기 분해조(30)에서 상기 배기관(40)의 하류측에 배치된 상기 AIG(430)까지 길이연장되어, 상기 분해조(30)에서 만들어진 가스상 환원제를 상기 AIG(430)로 공급하는 제3 공급라인(L3);으로 이루어지는데,
    상기 배기관(40)는 다지점 분배 방식으로 환원제를 공급받아 여러 지점에서 탈질반응을 유도할 수 있으며,
    상기 스태틱 믹서(420)는 복수의 단위 배플 모듈(420')로 형성되는데,
    상기 복수의 단위 배플 모듈(420')은,
    상향 경사져 있는 하나 이상의 제1 상부 플레이트(421)와 하향 경사져 있는 하나 이상의 제1 하부 플레이트(423)를 폭방향을 따라 교호적으로 배치하는 제1 배플부(420a)와;
    상향 경사져 있는 하나 이상의 제2 상부 플레이트(422)와 하향 경사져 있는 하나 이상의 제2 하부 플레이트(424)를 폭방향을 따라 교호적으로 배치하는 제2 배플부(420b);로 이루어지고, 상기 제1 배플부(420a)와 상기 제2 배플부(420b)를 서로 엇갈리게 맞물려 결합되어 있는, 복합형 질소산화물 저감시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 환원제는 요소수로 이루어져 있는, 복합형 질소산화물 저감시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 공급라인(L1)과 상기 제2 공급라인(L2) 사이에 제4 공급라인(L4)을 개재하는, 복합형 질소산화물 저감시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기관(40)은 상기 환형 분사노즐(410)과, 상기 스태틱 믹서(420), 상기 AIG(430), 및 상기 촉매층(440)을 배기가스의 흐름을 따라 상류측에서 하류측을 향해 순차적으로 배치하는, 복합형 질소산화물 저감시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 하부 플레이트(423)의 높이(h3)는 제2 상부 플레이트(422)의 높이(h2)의 1/2 크기를 갖는, 복합형 질소산화물 저감시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 상부 플레이트(421)와 상기 제1 하부 플레이트(423)는 직교되게 배치되고,
    상기 제2 상부 플레이트(422)와 상기 제2 하부 플레이트(424)는 직교되게 배치되어 있는, 복합형 질소산화물 저감시스템.
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