KR102086440B1 - 화력발전소의 배가스 처리장치 - Google Patents

화력발전소의 배가스 처리장치 Download PDF

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이승재
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Abstract

본 발명의 화력발전소의 배가스 처리장치는, 화력발전소의 가스터빈(gas turbine) 후단에 배치된 덕트와 가스터빈의 사이에서 배가스 흐름을 조절하여 상기 덕트의 내벽 측으로 유도하는 확산모듈부; 확산모듈부로부터 덕트의 내벽 측으로 유도된 배가스의 상기 덕트 내 유동구간에 설치되며, 덕트의 내벽으로부터 돌출 형성된 복수 개의 분사노즐; 분사노즐과 연결되고 덕트 외부로 연장된 유체공급관; 유체공급관을 통해서 분사노즐로 액상의 오염물질 처리용 유체를 공급하는 유체공급부; 및 분사노즐 후단에 배치된 촉매모듈을 포함한다. 본 발명에 의해 화력발전소의 배가스를 매우 효과적, 효율적으로 처리할 수 있다.

Description

화력발전소의 배가스 처리장치{Apparatus for treating exhaust gas of thermal plant}
본 발명은 배가스 처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화력발전소의 배가스 처리장치에 관한 것이다.
전력은 일반적으로 대규모 발전시설에서 생산되고 있다. 발전소에서는 주로 연료를 연소시켜 발전하는 화력발전방식이나, 원자력에너지를 이용한 원자력발전방식, 유체의 낙차를 이용하는 수력발전방식 등으로 발전하며, 그 밖의 발전시설 등에서는 태양열, 조력, 풍력 등을 이용한 발전방식도 사용된다.
이 중 화력발전방식은 현재까지도 매우 활발하게 사용되고 있는 발전방식으로서 연료를 연소하여 터빈을 구동하는 방식이다. 화력발전으로 전력을 얻기 위해서는 지속적으로 연료를 소비해야 하며 연료는 가스터빈 내에서 연소되며 다량의 배가스(배기가스)를 생성하게 된다. 이러한 배가스는 연료의 연소반응 및 고온 열반응 등에 의해 생성된 오염물질들을 함유하고 있어 각별한 처리가 요구된다.
따라서 화력발전소에 다양한 형태의 처리설비가 적용되고 있으나(예, 대한민국 등록특허공보 10-1563079 등) 종래의 처리설비로 배가스가 만족스럽게 처리되지는 못하고 있다. 특히 화력발전소는 터빈의 운전 상태가 수시로 변동되고 그에 따라 배가스의 유량, 속도, 온도 등의 조건도 바뀔 수 있으며 특히, 기동 시 조건이 급격히 바뀔 수 있어 이에 대한 기술적 대응이 필요하나 만족스러운 처리 기술의 개발은 아직 미진한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1563079호(2015. 10. 30), 명세서
본 발명의 기술적 과제는, 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 화력발전소의 배가스 처리장치를 제공하는 것이며, 특히 화력발전시설의 기동 시에도 배가스를 효율적으로 처리할 수 있는 화력발전소의 배가스 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예인 화력발전소의 배가스 처리장치는 화력발전소의 가스터빈(gas turbine) 후단에 배치된 덕트와 상기 가스터빈의 사이에서 배가스 흐름을 조절하여 상기 덕트의 내벽 측으로 유도하는 확산모듈부; 상기 확산모듈부로부터 상기 덕트의 내벽 측으로 유도된 배가스의 상기 덕트 내 유동구간에 설치되며, 상기 덕트의 내벽으로부터 돌출 형성된 복수 개의 분사노즐; 상기 분사노즐과 연결되고 상기 덕트 외부로 연장된 유체공급관; 상기 유체공급관을 통해서 상기 분사노즐로 액상의 오염물질 처리용 유체를 공급하는 유체공급부; 및 상기 분사노즐 후단에 배치된 촉매모듈을 포함한다.
상기 확산모듈부는, 내부로 배가스가 통과되는 외측 실린더부 및 상기 외측 실린더부의 중심부에 삽입되어 배가스를 원심 방향으로 유도하는 허브(hub)를 포함할 수 있다.
상기 화력발전소의 배가스 처리장치는, 상기 허브에 배가스의 유동방향을 상기 덕트의 내벽 측으로 유도하는 흐름조절부재를 더 포함할 수 있다.
상기 분사노즐은, 상기 허브의 외주면에서 상기 허브의 길이방향으로 연장된 연장선과 교차되지 않을 수 있다.
상기 분사노즐의 말단은, 상기 허브의 외주면에서 상기 허브의 길이방향으로 평행하게 연장된 연장선에서 상기 덕트의 내벽으로 내린 수선 a를 따라, 상기 덕트의 내벽으로부터 상기 수선 a의 길이의 5/6이하로 이격되어 있을 수 있다.
상기 분사노즐은, 상기 덕트 내벽에서 상기 덕트의 길이방향으로 평행하게 연장된 제1연장선과 상기 허브의 말단에서 연장되어 상기 제1연장선과 수직하게 교차하는 제2연장선의 교차점으로부터, 상기 제1연장선을 따라, 상기 허브에서 상기 덕트의 후단부에 연결된 덕트확관까지의 직선거리 c의 7/8이하로 이격되어 있을 수 있다.
상기 촉매모듈은 선택적촉매환원 촉매를 포함할 수 있다.
상기 선택적촉매환원 촉매는 제올라이트계 선택적촉매환원 촉매를 포함할 수 있다.
상기 제올라이트계 선택적촉매환원 촉매는 철 제올라이트계 선택적촉매환원 촉매 및 구리 제올라이트계 선택적촉매환원촉매 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 화력발전소의 배가스 처리장치는, 상기 분사노즐 후단에 배치된 열교환모듈을 더 포함하고, 상기 촉매모듈은 상기 분사노즐과 상기 열교환모듈의 배가스 유출측 말단 사이에 배치될 수 있다.
상기 열교환모듈은 제1열교환모듈과 제2열교환모듈을 포함하며, 상기 분사노즐과 상기 제2열교환모듈 사이에 상기 제1열교환모듈이 배치되고, 상기 촉매모듈은 상기 제1열교환모듈과 제2열교환모듈의 사이 또는 상기 분사노즐과 상기 제1열교환모듈 사이에 배치될 수 있다.
상기 촉매모듈 후단에 배치되는 추가촉매모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 추가촉매모듈은 금속산화물 선택적촉매환원 촉매 및 산화촉매 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 화력발전소의 배가스 처리장치는, 상기 분사노즐 후단에 배치된 열교환모듈을 더 포함하고, 상기 열교환모듈은 제1열교환모듈과 제2열교환모듈을 포함하며, 상기 분사노즐과 상기 제2열교환모듈 사이에 상기 제1열교환모듈이 배치되고, 상기 촉매모듈은 상기 제1열교환모듈과 제2열교환모듈의 사이 또는 상기 분사노즐과 상기 제1열교환모듈 사이에 배치되고, 상기 추가촉매모듈은 상기 제2열교환모듈의 후단에 배치될 수 있다.
상기 열교환모듈은 상기 제2열교환모듈 후단에 배치되는 제3열교환모듈을 더 포함하고, 상기 추가촉매모듈은 상기 제3열교환모듈 후단에 배치될 수 있다.
상기 제2열교환모듈과 상기 제3열교환모듈 사이에 기상의 오염물질 처리용 유체를 주입하는 기상유체주입부가 배치될 수 있다.
상기 추가촉매모듈은 금속산화물 선택적촉매 환원 촉매를 포함하는 제1추가촉매모듈과 산화촉매를 포함하는 제2추가촉매모듈을 포함하고, 상기 제1추가촉매모듈 후단에 상기 제2추가촉매모듈이 배치될 수 있다.
본 발명에 의해, 화력발전소의 배가스를 매우 효과적, 효율적으로 처리할 수 있다. 이러한 본 발명은 특히 복합화력발전소에서 생성되고 배출되는 배가스에 대해서 탁월한 처리효과를 발휘할 수 있으며 복합화력발전소의 기동 시점에도 탁월한 처리효과를 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 화력발전소의 배가스 처리장치의 배치구조를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 배가스 처리장치의 분사노즐이 설치되는 덕트 부분의 A-A'단면도이다.
도 3은 도 2의 분사노즐의 설치구조를 나타낸 확대도이다.
도 4는 도 1의 배치구조 중 일부를 확대하여 도시한 부분확대도이다.
도 5 내지 도 7은 도 4의 분사노즐의 내부구조를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8은 허브에 형성되는 흐름조절부재의 예를 도시한 도면이다.
도 9는 도 1의 배가스 처리장치의 작동도이다.
도 10은 도 1의 배가스 처리장치의 제1변형례의 배치구조를 도시한 도면이다.
도 11은 도 1의 배가스 처리장치의 제2변형례의 배치구조를 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하기 위한 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 화력발전소의 배가스 처리장치(이하, 배가스 처리장치)에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 화력발전소의 배가스 처리장치의 배치구조를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 배가스 처리장치의 분사노즐이 설치되는 덕트 부분의 A-A'단면도이며, 도 3은 도 2의 분사노즐의 설치구조를 나타낸 확대도이고, 도 4는 도 1의 배치구조 중 일부를 확대하여 도시한 부분확대도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 배가스 처리장치(10)는 화력발전소의 배가스의 흐름을 이용하여 효과적으로 배가스 처리가 가능하도록 구성된다. 본 발명의 배가스 처리장치(10)는 가스터빈(gas turbine)(1)과 연결된 확산모듈부(2)를 통해 덕트(3) 내벽 측으로 배가스의 흐름을 유도하도록 형성된다. 분사노즐(11)은 배가스가 유동하는 공간 내부에 가설되는 그리드와 같은 구조를 필요로 하지 않으며, 덕트(3) 내벽으로부터 직접 돌출되어 있어 덕트(3) 내 배가스 흐름을 방해하지 않으면서 오염물질 처리용 유체를 배가스에 용이하게 주입할 수 있다.
특히, 분사노즐(11)이 배치된 덕트(3) 내벽의 구역은 확산모듈부(2)에 의해 원심 방향으로 유도된 배가스 흐름이 형성 및 유지되는 구역으로 덕트(3) 내 배가스가 상대적으로 고농도로 분포하는 구역이다. 따라서 이러한 구역 내 배치된 분사노즐(11)로 배가스 내 오염물질 처리용 유체를 집중적으로 주입함으로써 더욱 효과적으로 배가스 내 오염물질과 접촉할 수 있고, 오염물질은 오염물질 처리용 유체와 충분히 접촉된 상태로 촉매모듈(7)에 포함되는 촉매 표면에 도달하여, 촉매반응에 의해 보다 용이하게 처리될 수 있게 된다. 이와 같이 배가스의 흐름을 고려하여 특정 지점에서 오염물질 처리용 유체를 집중 분사하여 배가스 중 오염물질과 충분히 접촉된 상태로 촉매표면에 도달하여 촉매반응이 일어나는 결과, 배가스 전체의 오염물질 처리효율을 크게 상승시킬 수 있다.
이와 같은 처리구조는 가스터빈(1) 기동 시점에 아직 온도가 충분히 상승되지 않은 배가스에도 오염물질 처리용 유체를 집중 주입하여 매우 탁월한 처리효과를 발휘할 수 있는 것으로, 가스터빈(1)의 운전상황이 수시적으로 바뀌며 상대적으로 자주 기동되는 복합화력발전소에 특히 효과적으로 적용될 수 있다. 즉 본 발명의 처리대상인 배가스는 바람직하게는 복합화력발전소의 배가스일 수 있으며 본 발명은 복합화력발전소의 가스터빈(1)이 기동하는 시점에 발생된 배가스 처리에도 유용할 수 있다. 특히 종래 이러한 기동 초기에 배가스에 함유되어 황연(yellow gas)을 만들어내는 원인물질(예, 이산화질소) 역시 본 발명의 처리구조를 이용하여 매우 효과적으로 처리할 수 있어 복합화력발전소의 황연 등을 제거하는 데에 본 발명은 매우 유용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 배가스 처리장치(10)는 구체적으로 다음과 같이 구성된다. 배가스 처리장치(10)는, 화력발전소의 가스터빈(1) 후단에 배치된 덕트와(3) 가스터빈(1)의 사이에서 배가스 흐름을 조절하여 덕트(3)의 내벽 측으로 유도하는 확산모듈부(2), 확산모듈부(2)로부터 덕트(3)의 내벽 측으로 유도된 배가스의 덕트(3) 내 유동구간에 설치되며, 덕트(3)의 내벽으로부터 돌출 형성된 복수 개의 분사노즐(11), 분사노즐(11)과 연결되고 덕트(3) 외부로 연장된 유체공급관(12), 유체공급관(12)을 통해서 분사노즐(11)로 액상의 오염물질 처리용 유체를 공급하는 유체공급부(13), 및 분사노즐(11) 후단에 배치된 촉매모듈(7)을 포함한다. 이하 이러한 배가스 처리장치(10)의 구체적인 배치구조와 각 구성부의 특징 등에 대해서 각 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
먼저 가스터빈(1), 덕트(3), 덕트확관(4), 및 연돌(6)로 이루어진 배가스 배기구조와 확산모듈부(2)의 배치관계에 대해 설명한다. 이하 전단과 후단은 배가스 진행방향을 기준으로 한 상대적 위치로 도 1에서는 배가스가 가로방향 우측으로 진행하므로 각 구성부에 대해 오른쪽의 말단 측 방향이 후단이 될 수 있다. 도 1을 참조하여 상세하게 설명하면, 가스터빈(1)은 연료를 연소시켜 터빈을 회전시키며 연소 시 발생하는 배가스를 후단으로 배출한다. 가스터빈(1)은 고온·고압의 연소가스로 터빈을 기동시키는 회전형 열기관으로, 일반적으로 압축기, 연소기, 및 터빈을 포함하여 이루어진다. 가스터빈(1)의 후단에는 덕트(3)가 배치된다. 덕트(3)는 가스터빈(1) 후단에 위치하되 가스터빈(1)과 직접 연결되지는 않을 수 있다. 확산모듈부(2)는 가스터빈(1)과 덕트(3)의 사이에 형성될 수 있다. 확산모듈부(2)는 가스터빈(1)에서 배출된 배가스를 유입하여 압력을 조절하고 확산시켜 덕트(3) 측으로 배출할 수 있다. 확산모듈부(2)는 배가스를 통과시키며 배가스에 원심방향 속도성분을 추가할 수 있으며, 이로 인해 확산모듈부(2) 후단의 덕트(3) 내벽 측으로 배가스가 유도될 수 있다.
덕트(3) 후단에는 다시 덕트확관(4)이 연결된다. 덕트확관(4)은 너비가 점차 증가되는 깔때기 형상의 구조물로 후단의 배열회수보일러부(5)와 연결된다. 배열회수보일러부(5)는 덕트(3)보다 너비가 넓은 배가스 유동통로를 포함하며 그 내부에는 배가스의 열에너지를 회수하기 위한 열교환모듈(8) 등이 설치되어 있을 수 있다. 열교환모듈(8)은 배가스의 열을 교환하기 위해 물과 같은 열교환유체가 내부에 흐르는 파이프를 포함하여 이루어질 수 있으며, 복수개의 서브열교환모듈로 이루어질 수 있다. 즉, 예를 들어, 열교환모듈(8)은 제1열교환모듈(81), 제2열교환모듈(83), 제3열교환모듈(85), 및 제4열교환모듈(87) 등의 서브열교환모듈을 포함하여 이루어질 수 있다. 도 1에는 제1열교환모듈 내지 제4열교환모듈만 도시되어 있으나, 제5열교환모듈, 제6열교환모듈 등도 추가로 열교환모듈에 포함될 수 있음은 물론이다. 열교환모듈(8)은 과열기번들을 포함하여 이루어질 수 있으며, 각각의 서브열교환모듈 역시 과열기번들을 포함하여 이루어질 수 있다. 도시되지 않았지만, 각각의 서브열교환모듈의 상단 및 하단은 서로 연결되어 있을 수 있고 연결부위에는 고압증기나 열교환용 유체를 저장하고 순환시키는 탱크 등이 설치되어 있을 수 있다. 서브열교환모듈은 후단의 것(예, 제4열교환모듈)으로부터 순차적으로 맨 앞단의 것(예, 제1열교환모듈)을 향해 차례로 유체를 순환시키며 고압증기 등을 생성할 수 있다. 서브열교환모듈의 온도는 맨 앞단의 것(예, 제1열교환모듈)으로부터 후단의 것(예, 제4열교환모듈)을 향해서 차례로 낮아질 수 있다.
배열회수보일러부(5) 후단에는 수직방향으로 연장된 연돌(6)이 연결되어 있어 배가스는 연돌(6)을 통해 최종 배출된다.
분사노즐(11)은 확산모듈부(2)로부터 덕트(3)의 내벽 측으로 유도된 배가스의 덕트(3) 내 유동구간에 설치된다. 전술한 바와 같이 확산모듈부(2)는 배가스를 유입하여 압력을 조절하고 확산시켜 배출하며 배가스는 이러한 과정에서 원심방향의 속도 성분을 얻고 후단에 위치한 덕트(3)의 내벽 측으로 유도된다. 분사노즐(11)은 덕트(3)의 내벽에서 직접 돌출 형성되므로 이와 같이 덕트(3) 내벽 측으로 유도되어 형성된 고농도의 배가스 흐름에 오염물질 처리용 유체가 직접 주입되어 배가스 중 오염물질과 보다 효과적으로 접촉될 수 있다. 유동구간은 확산모듈(2)에 의해 덕트(3) 내벽 측으로 유도된 배가스가 유동하는 공간을 의미하며, 이로써 제한되는 것은 아니나 바람직하게는, 후술하는 허브(22)의 외주면에서 허브(22)의 길이방향으로 평행하게 연장된 연장선과 덕트(3)의 내벽 사이에 형성된 공간일 수 있다. 보다 바람직하게는, 허브(22)의 외주면에서 허브(22)의 길이방향으로 평행하게 연장된 연장선에서 덕트(3)의 내벽으로 내린 수선 a(도 4참조)를 따라, 덕트(3)의 내벽으로부터 상기 수선 a의 길이의 5/6이하로 이격되고, 덕트(3) 내벽에서 덕트(3)의 길이방향으로 평행하게 연장된 제1연장선(도 4의 L1참조)과 허브(22)의 말단에서 연장되어 제1연장선과 수직하게 교차하는 제2연장선(도 4의 L2참조)의 교차점으로부터 제1연장선을 따라, 허브(22)에서 덕트(3)의 후단부에 연결된 덕트확관까지의 직선거리 c(도 4참조)의 7/8이하로 이격되어 있는 공간일 수 있다.
확산모듈부(2)는 내부로 배가스가 통과되는 외측 실린더부(21) 및 외측 실린더부(21)의 중심부에 삽입되어 배가스를 원심 방향으로 유도하는 허브(hub)(22)를 포함하는 구조로 이루어져 덕트(3) 내벽 측으로 유도된 배가스 흐름을 더욱 용이하게 형성할 수 있다. 외측 실린더부(21)는 원형 단면을 가질 수 있다. 외측 실린더부(21) 중심부의 허브(22)는 배가스에 대해 일종의 저항체로 기능하여 배가스의 흐름방향을 허브(22) 바깥쪽으로 변경하므로 허브(22)를 통과하는 동안 배가스에 원심방향의 속도성분이 더욱 크게 추가될 수 있다. 허브(22)의 길이나 직경 등은 필요에 따라 변경될 수 있다. 허브(22)는 외측 실린더부(21)에 지지대(23)로 연결되어 고정될 수 있다.
덕트(3)는 확산모듈부(2)와 덕트확관(4) 사이의 배관으로 이루어질 수 있으며 일 측에 진동을 완충시키는 완충연결부(31)를 포함할 수 있다. 분사노즐(11)은 완충연결부(31)의 후단에 위치할 수 있다. 예를 들어 덕트(3)는, 도시된 바와 같이 제1덕트부(3a), 제2덕트부(3b), 및 제1덕트부(3a)와 제2덕트부(3b) 사이의 완충연결부(31)로 이루어진 구조일 수 있으며 완충연결부(31)가 진동을 흡수하여 후단으로의 진동의 전파를 저지하도록 형성된 구조일 수 있다. 분사노즐(11)이 이러한 완충연결부(31)의 후단에 위치함으로써 분사노즐(11)은 가스터빈(1)의 기계적 진동 등에 의한 영향을 최소화하면서 정상 위치에서 보다 원활하게 배가스에 오염물질 처리용 유체를 주입할 수 있다. 그러나 반드시 그와 같이 한정될 필요는 없으며 필요한 경우 분사노즐(11)은 완충연결부(31)의 전단 혹은 후단 등에 관계없이 덕트(3) 내 어느 위치에도 설치가 가능하다. 다만 본 실시예에서는 완충연결부(31) 후단에 배치된 예를 설명하나 반드시 그와 같이 한정하여 이해할 필요는 없다. 완충연결부(31)는 다양한 형태의 완충장치를 포함하여 형성될 수 있으며 예를 들어, 벨로우즈와 같이 진동을 흡수하는 주름관과 같은 구조물을 포함하여 형성될 수 있다. 제1덕트부(3a)와 제2덕트부(3b)의 크기는 정해진 것은 아니며 완충연결부(31)의 위치나 배치상태에 따라서 크기나 배치상태는 적절히 변경될 수 있다. 예를 들어, 완충연결부(31)를 가스터빈(1)과 가까운 쪽으로 이동시켜 배치함으로써 제1덕트부(3a) 측의 길이가 제2덕트부(3b) 측보다는 짧게 형성될 수 있다.
유체공급관(12)은 분사노즐(11)과 연결되고 덕트(3) 외부로 연장된다. 유체공급관(12)은 덕트(3) 외부의 유체 공급구조로부터 덕트(3)에 결합된 분사노즐(11)로 오염물질 처리용 유체를 공급할 수 있는 다양한 형태로 구조화 될 수 있다. 따라서 도시된 바와 같은 유체공급관(12)의 형성방식은 예시적인 것이므로 유체공급관(12)의 형태를 그와 같이 한정하여 이해할 필요는 없다. 유체공급관(12)에는 유체를 유동시키는 펌프(12a)와 관로를 개폐하여 유출입을 제어하는 제어밸브(12b) 등을 포함하는 유체제어구조 또한 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어 펌프(12a)는 정량 주입이 가능한 정량 펌프 등을 포함할 수 있으며, 제어밸브(12b)는 유출입 제어가 가능한 차단밸브, 역류를 방지하는 체크밸브, 압력조절이 가능한 PRV(pressure regulating valve) 등과 같은 다양한 형태의 밸브구조를 하나 또는 하나 이상 조합하여 형성할 수 있고, 그 외 추가적으로 밸브를 설치하는 것도 가능하다. 또한 밸브의 위치도 필요에 따라 변경되어 유체를 도입하는 메인 관로나 각 분사노즐(11)로 분기되는 분기관 등에 필요한 만큼 설치해 줄 수 있다.
유체공급부(13)는 유체공급관(12)을 통해서 분사노즐(11)로 액상의 오염물질 처리용 유체를 공급한다. 유체공급부(13)는 오염물질 처리용 유체를 저장하는 저장소일 수 있으며 예를 들어 유체저장탱크와 같은 구조물을 포함할 수 있다. 유체공급부(13)에는 액상의 오염물질 처리용 유체가 저장되어 유체공급관(12)으로 공급될 수 있다. 오염물질 처리용 유체는 배가스 내 다양한 오염물질(예, 질소산화물, 황산화물 등)을 처리 가능한 물질일 수 있다. 오염물질의 종류에 따라서 상기 물질도 달라질 수 있으며 상기 물질은 단일 물질이거나 하나 이상의 물질이 혼합된 것일 수도 있다. 이러한 오염물질 처리용 유체를 덕트(3) 내벽에 돌출 형성된 분사노즐(11)로 분사함으로써 덕트(3) 내벽 측으로 유도된 배가스와 보다 효과적으로 접촉시킬 수 있다.
오염물질 처리용 유체는, 예를 들어, 배가스 내 질소산화물을 환원시키는 액상의 환원제일 수 있으며, 특히 가스터빈(1)의 기동 초기에 생성되어 배가스 내 함유될 수 있는 이산화질소와 같은 황연의 원인물질을 환원시켜 처리하는 것일 수 있다. 오염물질 처리용 유체는 예를 들어, 질소계 환원제일 수 있다. 질소계 환원제는 암모니아, 요소 등을 포함하며, 촉매 표면에서 질소산화물을 환원시켜 처리할 수 있다. 이와 같은 질소계 환원제와 촉매에 의해, 이산화질소와 같은 질소산화물을 보다 안정하고 무해한 형태인 질소로 환원시켜 제거하는 것이 가능하다. 다만, 오염물질 처리용 유체는 질소계 환원제만으로 한정되는 것은 아니며, 비질소계 환원제 역시 포함될 수 있다. 비질소계 환원제는 예를 들어 한 분자 내에 수산(OH)기, 에테르기, 알데히드기, 또는 케톤기를 하나 이상 포함하는 탄화수소, 함산소탄화수소, 및 탄수화물 중에서 선택된 하나 이상일 수 있으며 액상일 수 있다. 보다 바람직한 비질소계환원제는 예를 들어 에탄올(Ethanol), 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), 및 글리세린(Glycerin) 중에서 선택된 하나 이상일 수 있으며, 액상일 수 있다.
분사노즐(11)은 도 2에 도시된 바와 같이 덕트(3)를 관통하여 결합된다. 분사노즐(11)은 일단부는 덕트(3) 내부에 위치하고 타단부는 덕트(3) 외부로 노출될 수 있다. 즉, 분사노즐(11)은 전술한 바와 같이 덕트(3) 내부에서 배가스 유동을 방해하는 구조물 등의 도움 없이 덕트(3)를 관통하여 매우 간편한 방식으로 설치가 가능하다. 오염물질 처리용 유체를 공급하는 유체공급관(12)은 분사노즐(11)의 덕트(3) 외부로 노출된 타단부에 연결될 수 있다.
분사노즐(11)은 도 3에 도시된 바와 같은 구조로 매우 편리하게 설치될 수 있다. 분사노즐(11)은 예를 들어, 덕트(3)를 관통하며 덕트(3) 외부의 말단에 플랜지가 형성된 플랜지관통관(114)의 내측으로 삽입되고, 적어도 일부가 플랜지에 맞닿아 고정될 수 있다. 예를 들어, 분사노즐(11)의 몸통(111) 둘레에 결합플랜지(112)를 돌출시켜 형성하고 결합플랜지(112)를 플랜지관통관(114)의 플랜지[도 3의 플랜지관통관(114)의 덕트(3)외측 말단에 형성된 절곡부]에 맞닿게 하여 고정시킬 수 있다. 이때 결합플랜지(112)와 플랜지관통관(114)의 플랜지가 직접 맞닿게 하는 대신에 그 사이에 개스킷(113)을 삽입하여 틈새를 막고 완충도 가능한 구조로 형성할 수도 있다. 이와 같은 구조를 통해, 도 3의 (a)와 같이 분사노즐(11)을 플랜지관통관(114)에 삽입하여 매우 편리하게 고정할 수 있으며 또한, 도 3의 (b)와 같이 플랜지관통관(114)으로부터 인출시켜 매우 편리하게 분리할 수도 있다. 분사노즐(11) 고정 시에는 예를 들어 볼트나 너트와 같은 착탈이 가능한 결합부재(미도시) 등을 사용할 수 있으며 그 밖에도 돌기와 홈과 같은 구조를 형성하여 고정성을 증가시키는 것도 가능하다. 이러한 구조로 분사노즐(11)을 덕트(3)에 매우 편리하게 설치할 수 있다.
덕트(3)는 분사노즐(11)이 돌출되는 평면 형상의 서로 다른 내벽이 연결되어 단면이 다각형상을 이루는 다각형 덕트로 이루어질 수 있다. 그러나 반드시 그와 같이 한정될 필요는 없으며 덕트(3)는 원형 단면을 갖는 형상으로 형성될 수도 있다. 다만 본 실시예에서는 다각형 덕트인 경우를 예로 설명하며 그러한 경우 하기와 같은 특징을 추가적으로 가질 수 있다. 그러나 본 실시예는 하나의 예일 뿐이므로 다른 실시예에서 덕트(3)의 형상은 필요에 따라 다른 형상으로도 얼마든지 변경이 가능하다. 덕트(3)는 원형 단면을 갖는 외측 실린더부(21)의 최대 직경보다 너비가 넓을 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 외측 실린더부(21)의 최대직경보다 너비가 넓게 확장된 사각 형상의 덕트로 형성될 수 있다. 분사노즐(11)은 이러한 덕트(3)의 서로 다른 복수 개의 내벽 각각에 적어도 하나가 배열될 수 있다. 그러나 덕트(3)의 형상이 도시된 형상으로 한정될 필요는 없으며 분사노즐(11)의 배열도 도시된 바와 같이 한정될 필요는 없다. 필요에 따라 사각형상이 아닌 다른 다각형 형상을 갖는 덕트(3)도 가능하며, 덕트(3)의 형상이나 배치에 따라서 분사노즐(11)의 배열도 얼마든지 바뀔 수 있다. 예를 들어, 분사노즐(11)은 배가스의 유속분포 등을 고려하여 서로 다른 내벽 각각에 설치된 개수나 서로 인접한 노즐간 간격 등을 적절히 바꾸어 줄 수 있다.
분사노즐(11)은 도 2에 도시된 바와 같이 허브(22)를 바라보는 방향으로 허브(22)와 중첩되지 않게 형성될 수 있다. 즉 전술한 바와 같이 확산모듈부(2)는 외측 실린더부(21)의 중심부에 삽입된 허브(22)를 포함하며, 분사노즐(11)은 허브(22)의 외주면에서 허브(22)의 길이방향으로 연장된 연장선과 교차되지 않을 수 있다(도 4참조). 이하, 도 4를 참조하여 분사노즐(11)의 배치구조에 대해서 좀더 상세히 설명한다.
도 4를 참조하면, 분사노즐(11)의 말단은, 허브(22)의 외주면에서 허브(22)의 길이방향으로 평행하게 연장된 연장선에서 덕트(3)의 내벽으로 내린 수선 a를 따라, 덕트(3)의 내벽으로부터 수선 a의 길이의 5/6 이하로 이격되어 있을 수 있다. 이러한 범위로 분사노즐(11)의 말단 위치를 설정함으로써 덕트(3) 내벽 측으로 유도된 배가스 흐름 상에 분사노즐(11)의 말단을 보다 정확하게 위치시킬 수 있고 따라서 덕트(3) 내측으로 유도된 배가스 흐름에 오염물질 처리용 유체를 보다 효과적으로 주입하고 혼합하는 것이 가능하다. 이는 실험례로 부터도 확인된다. 이러한 분사노즐(11)의 배치는 전술한 것처럼 허브(22)의 외주면에서 허브(22)의 길이방향으로 연장된 연장선과 교차되지 않는 한도 내에서 이루어지는 것으로서 분사노즐(11)의 말단 위치는 상기한 범위 안에서 적절히 조정될 수 있다.
또한, 분사노즐(11)은 덕트(3) 내벽에서 덕트(3)의 길이방향으로 평행하게 연장된 제1연장선(L1)과 허브(22)의 말단에서 연장되어 제1연장선(L1)과 수직하게 교차하는 제2연장선(L2)의 교차점으로부터, 제1연장선(L1)을 따라, 허브(22)에서 덕트(3)의 후단부에 연결된 덕트확관(4)까지의 직선거리 c의 7/8이하로 이격되어 있을 수 있다. 분사노즐(11)은 덕트(3) 내 위치하는 한도 내에서 상기한 범위 내로 위치가 적절히 조정될 수 있다. 즉 분사노즐(11)은 말단의 위치뿐만 아니라 그 전체의 설치 위치도 조정될 수 있다. 상기 범위 내에서 덕트(3) 내측으로 유도된 배가스 흐름에 오염물질 처리용 유체를 보다 효과적으로 주입하고 혼합하는 것이 가능하며 이 역시 실험례로부터도 확인된다. 실험례에 대해서는 후술하여 상세히 설명하도록 한다.
이하 도 5 내지 도 7을 참조하여 분사노즐의 내부 구조에 대해 보다 상세히 설명한다. 도 5 내지 도 7은 도 4의 분사노즐의 내부구조를 설명하기 위한 단면도들이다. 각 단면도는 유체토출구가 형성된 분사노즐의 말단부를 도시한 것으로 도면의 각 예에서 좌측에는 종단면도를 우측에는 횡단면도를 함께 배치하여 유로구조 등의 확인이 용이하도록 하였다.
이러한 분사노즐(11)은 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같은 유로구조가 내부에 형성될 수 있다. 분사노즐(11)은 말단의 유체토출구(11d)와 연결되며 오염물질 처리용 유체(F)를 이송하는 유체이송로(11a), 및 유체토출구(11d)와 연결되지 않고 유체이송로(11a)를 둘러싸며 단열유체(H)를 수용하는 단열유로(11c)를 포함할 수 있다. 따라서 단열유로(11c)의 단열작용으로 오염물질 처리용 유체(F)가 배가스의 고열에 의해 기화되지 않고 분사노즐(11) 내부로 안전하게 이동하여 배출되도록 할 수 있다. 이하, 이러한 유로구조의 예를 좀더 상세히 설명한다.
분사노즐(11)은 예를 들어, 도 5의 (a), (b)에 도시된 바와 같이 형성될 수 있다. 분사노즐(11)은 오염물질 처리용 유체(F)를 유동시키는 유체이송로(11a)와, 단열유체(H)를 유동시키며 유체이송로(11a)를 둘러싸 형성되는 단열유로(11c)를 포함하고 말단에 유체이송로(11a)와 연통되는 유체토출구(11d)가 형성될 수 있다. 단열유체(H)는 오염물질 처리용 유체의 증발을 막기 위한 것일 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이 중앙에 유체이송로(11a)가 배치되고, 유체이송로(11a) 둘레에 단열유로(11c)가 배치되어 유로들이 동심원 상의 구조를 이룰 수 있다. 분사노즐(11)은 다중의 유로구조를 통해 오염물질 처리용 유체를 내부에 위치시켜 보호하고 외부의 고열은 차단할 수 있으며, 따라서 오염물질 처리용 유체가 노즐 내부에서 증발하는 등의 문제를 효과적으로 방지할 수 있다. 즉, 가스터빈에 직접 연결된 확산모듈부 후단에서 배가스는 상대적으로 매우 고온일 수 있으므로 이와 같은 노즐구조를 이용하여 배가스의 열에 의해 노즐 내부의 오염물질 처리용 유체가 토출되기도 전에 증발하는 등의 문제를 원활히 방지할 수 있다.
이러한 분사노즐(11)은 도 5의 (a)와 같이 단열유로(11c)의 말단이 유체토출구(11d) 주변으로 개구된 구조로 형성될 수도 있으며, 도 5의 (b)와 같이 단열유로(11c) 일 측과 타 측으로 단열유체(H)를 유출입하여 순환시키는 구조로 형성될 수도 있다. 단열유체(H)는 기체 또는 액체로 형성될 수 있으며 단열유체(H)가 기체인 경우 도 5의 (a)와 같은 구조가 보다 효과적일 수 있다. 즉 단열유체(H)로 공기 등의 기체를 사용할 수 있고 이를 단열유로(11c) 내부로 지속적으로 통과시켜 배출함으로써 외부의 열을 내부까지 도달하지 못하도록 효과적으로 단열시킬 수 있다. 또한, 단열유체(H)가 물 등 액체로 형성된 경우에는 도 5의 (b)와 같이 단열유로(11c)의 일 측과 타 측에 단열유체(H)를 입출하는 유로를 개설하여, 단열유체(H)가 단열유로(11c) 내부로 순환한 후 배출되도록 구성할 수 있다. 특히, 이와 같은 구조로 후술하는 가압기체 등을 활용하지 않고도, 분사노즐(11)로 액상의 오염물질 처리용 유체를 분사하여 배가스 내 효과적으로 주입할 수 있다. 다만, 본 발명의 분사노즐(11)의 구조가 그와 같이 제한될 필요는 없으므로 필요에 따라 적용이 가능할 수 있는 다른 구조에 대해서도 추가적으로 설명한다.
한편, 필요에 따라 분사노즐(11)은 유체토출구(11d)와 연결되며 가압기체(G)를 이송하는 가압기체유로(11b)를 더 포함할 수도 있다. 그러한 경우 오염물질 처리용 유체를 미립자 형태의 포말로 형성하여 분사시켜 줄 수도 있다. 이러한 경우 분사노즐(11)은 도 6의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 오염물질 처리용 유체(F)를 유동시키는 유체이송로(11a)와, 단열유체(H)를 유동시키며 유체이송로(11a)를 둘러싸 형성되는 단열유로(11c)와, 가압기체(G)를 유동시키는 가압기체유로(11b)를 포함하고 말단에 유체이송로(11a)와 가압기체유로(11b)와 연통되는 유체토출구(11d)가 형성될 수 있다. 바람직하게는, 유체이송로(11a)와 단열유로(11c) 사이에 가압기체유로(11b)가 배치될 수 있으며, 도시된 바와 같이 가압기체유로(11b)는 유체이송로(11a)의 외주부 둘레에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이 중앙에 유체이송로(11a)가 배치되고, 유체이송로(11a) 둘레에 가압기체유로(11b) 및 단열유로(11c)가 차례로 배치되어 유로들은 동심원 상의 구조를 이룰 수 있다.
도시되지 않았지만, 컴프레서 및 컴프레서와 연결된 공급라인 등을 분사노즐(11)과 연결시켜 가압기체(G)나 단열유체(H)를 공급받을 수 있다. 단열유체(H)는 예를 들어 공기 혹은 물 일 수 있으며, 가압기체(G)는 예를 들어, 압축공기 일 수 있다. 단열유체(H)는 액체 또는 기체일 수 있다. 단열유체(H)를 기체로 형성하는 경우 이러한 컴프레서를 활용할 수 있다. 단열유체(H)가 액체인 경우에는 추가적으로 순환용 펌프 등을 연결하여 사용할 수 있다.
이와 같은 분사노즐(11)은 도 7에 도시된 바와 같은 형태로 유로들의 배치나 구조가 다양하게 변형될 수도 있다. 예를 들어, 도 7의 (a)와 같이 유체이송로(11a)는 가압기체유로(11b)의 외주부 둘레에 배치될 수 있다. 즉, 유로들을 동심원 상의 구조로 형성하되 중앙에 가압기체유로(11b)를 배치하고 그 둘레에 유체이송로(11a)를 배치하고 다시 유체이송로(11a)를 둘러싸는 형태로 단열유로(11c)를 형성할 수 있다. 또한, 도 7의 (b), (c)와 같이 유로들은 동심원 상의 구조가 아닌 형태로 형성될 수도 있으며 이러한 경우 예를 들어, 도 7의 (b)와 같이 가압기체유로(11b)는 유체이송로(11a)와 이격되고, 단열유로(11c)가 가압기체유로(11b) 또한 둘러쌀 수 있다. 즉, 단열유로(11c)를 특정한 형태로 한정하지 않고 분사노즐(11) 내부공간을 넓게 활용하여 서로 이격된 유체이송로(11a)와 가압기체유로(11b) 전체를 둘러싸는 형태의 단열유로(11c)를 형성할 수 있다. 또한, 예를 들어, 도 7의 (c)와 같이 가압기체유로(11b)는 유체이송로(11a)와 이격되고, 가압기체유로(11b)를 둘러싸는 추가단열유로(11c')를 형성할 수 있다. 즉, 분사노즐(11) 내부공간을 이용하여 서로 이격된 유체이송로(11a) 및 가압기체유로(11b) 각각의 외주부를 둘러싸는 단열유로(11c) 및 추가단열유로(11c')를 각각 형성할 수 있다. 이때 단열유체(H)를 유출입하여 순환시키는 구조를 단열유로(11c)와 추가단열유로(11c')에 각각 형성해 줄 수 있다. 이와 같이 여러 형태로 오염물질 처리용 유체(F), 가압기체(G), 단열유체(H) 등이 내부를 유동하는 노즐구조를 형성하고 노즐 내 단열유체(H)를 이용하여 외부 고열을 차단할 수 있다. 이를 통해 오염물질 처리용 유체 등이 노즐 내부에서 증발하는 등의 문제도 매우 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 분사노즐(11) 후단에는 촉매모듈(7)이 배치된다. 앞서 살펴본 바와 같이, 분사노즐(11)이 확산모듈부(2)와 복합적으로 적용됨으로써, 오염물질 처리용 유체가 오염물질과 보다 원활하게 접촉할 수 있고, 촉매모듈(7)에 포함되는 촉매 표면에서 촉매반응에 의해 보다 용이하게 오염물질을 처리할 수 있게 된다. 촉매모듈(7)은 하우징과 하우징 내부에 위치하는 촉매를 포함하여 이루어질 수 있다. 촉매는 허니콤 형태 등 배가스가 통과할 수 있는 형태일 수 있다. 촉매모듈(7)에 포함되는 촉매는 예를 들어, 선택적촉매환원 촉매, 보다 구체적으로 제올라이트계 선택적촉매환원 촉매일 수 있다. 제올라이트계 선택적촉매환원 촉매는 주로 암모니아-SCR(selective catalytic reduction) 반응에 사용되는 촉매 중 금속(예, Fe, Cu, Mn, Ce)을 이온교환시킨 제올라이트 촉매를 포함하며, 이온교환법, 건식함침법 등 공지의 방법에 의해 제조하거나 시판되는 것일 수 있다. 이와 같은 제올라이트계 선택적촉매환원촉매는 적용 온도 범위가 넓으므로, 보다 다양한 운전조건과 위치에 적용할 수 있다는 점에서 보다 바람직하다. 종래 화력발전소에서 질소산화물을 처리하기 위해 사용되어 온 바나듐을 포함하는 금속산화물 선택적촉매환원 촉매의 경우, 고온에서 촉매가 열화하는 문제가 있어, 촉매를 배치할 수 있는 위치가 가스터빈으로부터 상당 거리 이격된 위치로 제한되어 있었다. 그와 같은 위치에서도 가스터빈이 안정적으로 운전되는 상태{예, 가스터빈 출력 100%인 풀로드(또는 베이스로드) 운전 상태}에서는 촉매반응에 필요한 온도유지에 별 문제가 없었으나, 가스터빈 초기 기동시 그와 같은 위치에서는 촉매반응에 필요한 온도유지에 어려움이 있었다. 실제로, 금속산화물 선택적촉매환원 촉매는 열교환모듈의 전단에 적용되기는 어려우나, 제올라이트계 선택적환원촉매는 고온에서 열화 가능성이 상대적으로 낮으므로 정상 운전조건에서 고온 영역이 발생하는 열교환모듈의 전단에도 적용할 수 있다. 또한, 전체적인 배가스 온도가 상대적으로 높지 않고 온도변화가 심한 가스터빈 초기 기동시에도, 온도가 상대적으로 높은 열교환모듈 전단 위치에서는 제올라이트계 선택적환원촉매의 촉매 작용이 가능하므로, 효과적으로 질소산화물을 제거할 수 있다. 제올라이트계 선택적촉매환원촉매는 이로써 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 철 제올라이트계 선택적촉매환원촉매 및 구리 제올라이트계 선택적촉매환원촉매 중에서 선태한 하나 이상일 수 있다. 철제올라이트계 선택적촉매환원촉매는 적용온도범위가 섭씨 200~650도로, 섭씨 400~650도에서는 80% 이상 탈질이 가능할 수 있으며, 구리제올라이트계 선택적촉매환원촉매는 적용온도범위가 섭씨 200 내지 500도로, 섭씨 250 내지 450도에서는 80% 이상의 탈질이 가능할 수 있어, 저온에서도 적용할 수 있다는 점에서 바람직할 뿐만 아니라, 철 제올라이트계 선택적촉매환원촉매 및 구리 제올라이트계 선택적촉매환원촉매를 함께 사용함으로써, 보다 넓은 온도 범위(예, 섭씨 200~650도)에서 효과적으로 탈질이 가능하다. 이와 같이, 2종 이상의 촉매 적용시에는 각각의 촉매를 함께 또는 따로 적용할 수 있으며, 따로 적용할 경우, 배가스 흐름을 가로지르는 각각의 층에 각각의 촉매가 포함되도록 배치할 수도 있다. 또한, 고온에 의한 촉매 열화 면에서도, 제올라이트계 선택적촉매환원촉매는 금속산화물 선택적촉매환원촉매에 비해 바람직하므로, 금속산화물 선택적촉매환원촉매와 달리 열교환모듈(8) 전단에도 적용이 가능하다. 따라서, 촉매모듈(7)은 도 1에 도시된 바와 같이 열교환모듈(8)의 전단에도 설치될 수 있으며, 그 이외 열교환모듈 후단 등 다양한 위치에 배치되어 질소산화물과 같은 오염물질을 효과적으로 제거할 수도 있다. 바람직하게는, 촉매모듈(7)은 분사노즐(11)과 열교환모듈(8)의 배가스 유출측 말단 사이에 배치될 수 있다. 열교환모듈(8)의 배가스 유출측 말단은 배가스가 열교환모듈(8)을 지나 열교환모듈로부터 멀어지는 방향을 향하고 있는 열교환모듈의 말단을 의미하며, 도 1을 기준으로 하면, 제4열교환모듈(87)의 우측 말단을 의미한다. 도 1에는 촉매모듈(7)이 분사노즐(11)과 제1열교환모듈(81) 사이에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이로써 한정되는 것은 아니고, 제1열교환모듈(81)과 제2열교환모듈(83)의 사이 등 다양한 위치에 배치될 수 있다. 온도기준으로는 배가스 온도가 바람직하게는 섭씨 650도 이하, 보다 바람직하게는 섭씨 200 내지 650도를 나타내는 위치에 촉매모듈(7)이 배치될 수 있다. 배가스 온도가 섭씨 650도 초과시 질소산화물 처리 효율 등이 떨어질 염려가 있고, 섭씨 200도 미만에서도 질소산화물 처리 효율이 떨어질 염려가 있기 때문이다. 따라서, 가스터빈 운전 조건에 따라 배가스온도가 섭씨 650도를 넘어설 수 있는 위치 이외의 위치에 촉매모듈이 배치되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 촉매모듈(7)은 분사노즐(11)과 제2열교환모듈(83) 사이 중, 섭씨 650도를 넘어설 수 있는 위치 이외의 위치이면서 섭씨 200도에 이르지 못하는 위치 이외의 위치에 배치될 수 있다. 제1열교환모듈(81)과 제2열교환모듈(83)의 사이에 촉매모듈(7)이 배치되는 예에 대해서는, 후술하는 일 변형예에서 보다 상세하게 설명할 것이다. 또한, 운전조건에 따라서도 촉매모듈이 배치되는 위치가 조절될 수도 있다. 예를 들어, 가스터빈 기동 후 10분 이내에 배가스온도가 바람직하게는 섭씨 200도 내지 650도, 보다 바람직하게는 섭씨 200도 내지 600도에 도달하는 위치에 촉매모듈(7)이 배치될 수 있다.
이하에서는, 도 8을 참조하여 허브에 형성 가능한 흐름조절부재에 대해 보다 상세히 설명한다. 도 8은 허브에 형성되는 흐름조절부재의 예를 도시한 도면이다.
전술한 허브(22)에는 도 8에 도시된 바와 같은 흐름조절부재(221)가 형성될 수 있다. 즉 허브(22)에 배가스의 유동방향을 덕트(3)의 내벽 측으로 유도하는 흐름조절부재(221)를 추가로 형성해 줄 수 있다. 흐름조절부재(221)는 배가스의 흐름을 가이드하여 후단에서 원심방향의 속도성분이 강화되도록 형성할 수 있는 것으로서, 여러 가지 다양한 형태로 구현할 수 있다. 예를 들어 곡면 형상의 판재나 유체 가이드 면이 외면에 형성되어 있는 블록 형상의 구조물 등으로 형성하는 것도 가능하다. 따라서 도시된 흐름조절부재(221)는 하나의 예일 뿐으로 이와 같이 한정하여 이해할 필요는 없다. 흐름조절부재(221)의 크기와 배치상태, 형상 등은 배가스의 흐름 등을 고려하여 적절하게 변경될 수 있다.
이하, 도 9를 참조하여 배가스 처리장치의 작동과정에 대해 설명한다. 도 9는 도 1의 배가스 처리장치의 작동도이다.
이러한 본 발명의 배가스 처리장치(10)는 도 9에 도시된 바와 같이 작동된다. 가스터빈(1)이 구동되면 배가스(E)가 방출되고 이는 후단의 확산모듈부(2)를 통과하며 흐름이 조정된다. 즉 전술한 것처럼 확산모듈부(2)를 통과하는 동안 배가스(E)는 원심방향 속도를 얻고 후단의 덕트(3) 내벽으로 유도된다. 특히 확산모듈부(2) 중앙에 삽입된 허브(22)는 외측 실린더부(21)를 향하는 방사상의 흐름을 만들어 덕트(3) 내벽 측을 향하는 배가스(E)의 흐름을 보다 효과적으로 유도할 수 있다.
가스터빈(1)이 구동되는 동안 배가스(E)는 이러한 과정을 거쳐 덕트(3) 내벽 측으로 지속적으로 유도되며, 따라서 덕트(3) 내벽을 따라 진행하는 고농도의 배가스 흐름이 형성된다. 이와 같이 덕트(3) 내벽으로 유도된 배가스(E) 흐름에 덕트(3) 내벽에서 돌출된 분사노즐(11)을 이용하여 오염물질 처리용 유체(F)를 집중적으로 주입한다. 오염물질 처리용 유체(F)는 유체공급부(13)에 액상으로 저장되어 있다가 유체공급관(12)을 통해 각 분사노즐(11)로 공급되며 분사노즐(11) 말단으로 토출되어 배가스(E)에 즉시 주입된다. 특히 덕트(3) 내벽으로 지속적으로 유도되어 형성된 고속 유동하는 고농도의 배가스(E) 흐름에 액상의 오염물질 처리용 유체(F)를 집중적으로 주입하므로, 오염물질 처리용 유체(F)와 배가스(E)의 혼합률을 크게 증가시킬 수 있으며 오염물질 처리용 유체(F)를 별도로 기화시키는 등의 과정을 거치지 않더라도 배가스(E)와 오염물질 처리용 유체(F)를 충분히 혼합시킨 상태로, 촉매모듈(7)에 도달하게 되고, 촉매표면에서 촉매반응에 의해 보다 효과적으로 오염물질을 처리할 수 있다.
본 발명의 배가스 처리장치는 본 발명의 일 실시예로 한정되는 것은 아니며, 다양하게 변형될 수 있다. 도 10 및 도 11을 참조하여, 본 발명의 일 실시예의 제1변형예(10-1)와 제2변형예(10-2)에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 10은 도 1의 배가스 처리장치의 제1변형예의 배치구조를 도시한 도면이다. 이하에서는 설명이 간결하고 명확하도록 전술한 일 실시예와 차이 나는 부분에 대해 중점적으로 설명하며 별도의 설명이 없는 구성요소에 대한 설명은 전술한 설명으로 대신한다.
도 10을 참조하면, 일 실시예의 제1변형예인 배가스 처리장치(10-1)는 촉매모듈(7) 외에 추가촉매모듈(9)을 더 포함한다. 이와 같은 구조에 의해, 촉매모듈(7)에서 충분히 반응되지 않고 남은 여분의 오염물질 처리용 유체를 이용하여 추가촉매모듈(9)에서 촉매반응에 의해 오염물질을 추가로 처리하는 것도 가능하다. 예를 들어, 촉매모듈(7)에 제올라이트계 선택적촉매환원 촉매를 포함하고, 추가촉매모듈(9)에 금속산화물 선택적촉매환원촉매를 포함하도록 함으로써, 암모니아나 요소와 같은 오염물질 처리용 유체를 이용하여 선택적촉매환원 반응에 의해, 질소산화물을 보다 효과적으로 처리할 수 있다. 즉, 촉매모듈(7)에서 처리되지 않은 질소산화물을 추가촉매모듈(9)에서 처리할 수 있으며, 촉매모듈(7)과 추가촉매모듈(9)에 적용되는 촉매 특성이 상이하므로, 다양한 운전조건에 대응하여 질소산화물을 보다 효과적으로 처리하는 것이 가능하다. 금속산화물 선택적촉매환원촉매는 예를 들어 암모니아-SCR 반응촉매 중 바나듐을 포함하는 금속산화물촉매일 수 있으며, 공지된 방법에 의해 제조되거나 시판되는 것일 수 있다. 이와 같은 금속산화물 선택적촉매환원촉매의 바람직한 적용 온도범위는 섭씨 200 내지 450도일 수 있다.
또한, 추가촉매모듈(9)에는 알데히드와 같은 탄화수소류나 일산화탄소 같은 불완전연소산물, 미반응 암모니아와 같이 반응되지 않고 남은 환원제와 같이 산화방식 또는 분해방식에 의해 처리 가능한 물질을 처리하기 위한 산화촉매도 포함될 수 있다. 즉, 가스터빈 초기 기동시 불완전연소에 의해 발생하는 일산화탄소 등도 산화촉매를 적용함으로써 산화방식이나 분해방식 등에 의해 처리할 수 있는 것이다. 산화촉매 역시 산화방식이나 분해방식에 의해 처리가능한 물질에 적용할 수 있는 촉매인 한 제한되지 않으며, 예를 들어 백금, 및/또는 팔라듐 등을 포함하는 산화촉매 등일 수 있다. 산화촉매 역시 공지된 방법에 의해 제조되거나 시판되는 것일 수 있다.
따라서, 추가촉매모듈(9)은 금속산화물 선택적촉매환원 촉매 및 산화촉매 중에서 선택된 하나 이상을 포함하여, 보다 효과적으로 오염물질을 처리할 수 있다. 서로 다른 종류의 촉매를 함께 적용시, 각각의 촉매가 서로 다른 층을 이루도록 배가스 흐름방향을 가로지르도록 배치될 수 있다.
추가촉매모듈(9)은 촉매모듈(7) 후단에 배치되는 한, 그 위치가 제한되는 것은 아니나, 도 10에 도시된 바와 같이, 추가촉매모듈(9)이 제2열교환모듈(83) 후단에 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 촉매모듈(7)은 제1열교환모듈(81)과 제2열교환모듈(83) 사이에 배치되고, 추가촉매모듈(9)은 제3열교환모듈(85)의 후단인 제3열교환모듈(85)과 제4열교환모듈(87) 사이에 배치되며, 제2열교환모듈(83)과 제3열교환모듈(85) 사이에 기상의 오염물질 처리용 유체를 주입하는 기상유체주입부(41)가 배치될 수 있다.
추가촉매모듈(9)에 포함되는 촉매는 적용 온도의 상한이 촉매모듈(7)에 포함되는 촉매에 비해 낮을 수 있다. 이와 같이, 촉매모듈(7) 보다 적용 온도의 상한이 낮은 촉매가 포함되는 추가촉매모듈(9)을 촉매모듈(7)의 후단에 배치함으로써, 열화손상의 염려가 있는 촉매도 용이하게 적용할 수 있으며, 열교환 작용 등에 의해 온도가 보다 낮아진 배가스 중 포함되는 오염물질도 보다 원활하게 처리할 수 있다. 예를 들어, 온도기준으로는 배가스 온도가 바람직하게는 섭씨 450도 이하, 보다 바람직하게는 섭씨 200 내지 450도를 나타내는 위치에 추가촉매모듈(9)이 배치될 수 있다. 배가스 온도가 섭씨 450도 초과시 열화 등에 의해 질소산화물 처리 효율 등이 떨어질 염려가 있고, 섭씨 200도 미만에서는 질소산화물 처리 효율이 떨어질 염려가 있기 때문이다. 따라서, 가스터빈 운전 조건에 따라 배가스온도가 섭씨 450도를 넘어설 수 있는 위치 이외의 위치에 추가촉매모듈(9)이 배치되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 추가촉매모듈(9)은 제2열교환모듈(83)과 연돌(6)의 출구 사이 중, 섭씨 450도를 넘어설 수 있는 위치 이외의 위치이면서 섭씨 200도에 이르지 못하는 위치 이외의 위치에 배치될 수 있다. 또한, 운전조건에 따라서도 추가촉매모듈(9)이 배치되는 위치가 조절될 수도 있다. 예를 들어, 가스터빈 정상운전(base load) 조건에서 배가스온도가 바람직하게는 섭씨 200도 내지 섭씨 450도를 나타내는 위치에 추가촉매모듈(9)이 배치될 수 있다.
이 때, 촉매모듈(7)은 앞서 일 실시예에서 살펴본 위치에 배치될 수 있음은 물론이며, 도시된 바와 같이, 제1열교환모듈(81)과 제2열교환모듈(83)의 사이에도 배치될 수 있다.
또한, 추가촉매모듈(9)의 전단에는 기상유체주입부(41)가 배치될 수 있다. 기상유체주입부(41)에 의해 액상보다 분산성이 좋은 기상 상태의 오염물질 처리용 유체를 배가스에 직접 주입할 수 있으므로, 보다 넓은 영역에서 오염물질과 용이하게 접촉할 수 있다. 기상유체주입부(41)는 분사노즐(11)의 후단에 배치되어, 기상 상태의 오염물질 처리용 유체를 유동하는 배가스 중으로 주입할 수 있다. 기상의 오염물질 처리용 유체는 예를 들어, 처리대상이 산화질소와 같이 처리를 위해 환원반응이 필요한 경우, 질소계 환원제 및/또는 비질소계 환원제일 수 있다. 기상유체주입부(41)는 유동하는 배가스 중으로 기상의 오염물질 처리용 유체를 공급할 수 있으며, 기상의 오염물질 처리용 유체를 주입하기 위해 일반적으로 적용되는 노즐, 그리드 등을 포함하여 이루어질 수 있다. 기상의 오염물질 처리용 유체는 배가스와 미리 혼합되어 기화된 것일 수 있다. 즉, 기상유체주입부(41)는 액상의 오염물질처리용 유체를 기화시키는 기화기(43)와 연결될 수 있고, 기화기(43)는 배가스유동통로 외부에 위치할 수 있으며, 가스터빈(1)과 연돌(6)의 출구 사이에서 유동하는 배가스를 액상의 오염물질처리용 유체와 혼합하여 기화시킬 수 있다. 기화기(43)에서 배가스와 혼합되어 기화된 환원제와 배가스의 혼합가스는 기상유체주입부(41)로 공급된다. 이러한 구조를 통해서 추가 열원 없이도, 배가스를 재활용하여 액상의 오염물질처리용 유체를 기화기(43)에서 기화할 수 있으며, 기상유체주입부(41)로는 기화된 오염물질처리용 유체와 배가스의 혼합가스를 제공하여 배가스 전체의 질소산화물 등을 보다 효과적으로 처리할 수 있다. 구체적으로, 유체공급관(12)으로부터 분지된 분지관(14)을 통하여 유체공급부(13)로부터 액상의 오염물질처리용 유체가 기화기(43)로 유입되고, 배가스이송관(16)을 통하여 기화기(43)로 이송된 배가스에 의해 액상의 오염물질처리용 유체가 기화되며, 기화된 기상의 오염물질처리용 유체는 기상유체공급관(42)을 통해 기상유체주입부(41)로 공급될 수 있다. 배가스이송관(16)에는 제어밸브(16b)와 펌프(16a)가 설치되어 배가스의 흐름을 조절할 수 있으며, 분지관(14) 역시 제어밸브(15)가 설치되어 기화기(43)에 유입되는 액상의 오염물질처리용 유체의 흐름을 조절할 수 있다. 다만, 도 10에는 하나의 유체공급부(13)가 사용되는 예가 도시되어 있으나, 이로써 한정되는 것은 아니며, 기화기(43)에 유체공급부(43)와 별도의 추가유체공급부(미도시)가 연결되어 사용될 수 있음은 물론이다. 특히, 분사노즐(11)로 공급되는 액상의 오염물질 처리용 유체와 기상유체주입부(41)로 공급되는 기상의 오염물질 처리용 유체가 서로 상이한 물질을 포함하는 경우, 유체공급부 외에 추가유체공급부를 직접 기화기에 연결관으로 연결하여 적용하는 것이 바람직하다.
또한, 도 11은 도 1의 배가스 처리장치의 제2변형예의 배치구조를 도시한 도면이다. 이하에서는 설명이 간결하고 명확하도록 전술한 일 실시예 및 제1변형예와 차이 나는 부분에 대해 중점적으로 설명하며 별도의 설명이 없는 구성요소에 대한 설명은 전술한 설명으로 대신한다.
도 11을 참조하면, 일 실시예의 제2변형예인 배가스 처리장치(10-2)는 촉매모듈(7) 외에 추가촉매모듈(9)을 더 포함하며, 추가촉매모듈(9)은 제1추가촉매모듈(91) 및 제2추가촉매모듈(93)을 포함한다. 제1추가촉매모듈(91)과 제2추가촉매모듈(93) 각각에는 동일하거나 상이한 종류의 촉매가 포함될 수 있다. 동일한 종류의 촉매가 포함될 경우, 앞서 살펴 본 제1변형예와 동일하되 추가촉매모듈에 포함되는 촉매의 반응면적이 넓어져 처리되는 배가스의 양과 속도가 증가할 수 있다. 또한, 제1추가촉매모듈(91)과 제2추가촉매모듈(93) 각각에 상이한 종류의 촉매가 포함될 경우 각각의 촉매 작용에 의해 다양한 물질의 처리가 가능하다. 예를 들어, 제1추가촉매모듈(91)에는 금속산화물 선택적촉매환원촉매 환원촉매가 포함되고, 제2추가촉매모듈(93)에는 금속산화물촉매가 포함되는 경우, 촉매모듈(7)에서 충분히 반응되지 않고 남은 여분의 오염물질 처리용 유체를 이용하여 제1추가촉매모듈(91)에서 촉매반응에 의해 오염물질을 보다 높은 효율로 처리하는 것도 가능하며, 일산화탄소와 같이 산화방식에 의해 처리 가능한 오염물질은 제2추가촉매모듈(93)에 의해 처리하는 것도 가능하다.
추가촉매모듈(9)은 촉매모듈(7) 후단에 배치되는 한, 그 위치가 제한되는 것은 아니나, 도 11에 도시된 바와 같이, 제1추가촉매모듈(91)이 제2열교환모듈(83) 후단에 배치되고, 제2추가촉매모듈(93)은 제1추가촉매모듈(91) 후단에 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 촉매모듈(7)은 분사노즐(11)과 제1열교환모듈(81) 사이에 배치되고, 제1추가촉매모듈(91)은 제2열교환모듈(83)과 제3열교환모듈(85) 사이에 배치되고, 제2추가촉매모듈(93)은 제3열교환모듈(85)과 제4열교환모듈(87) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제2변형예 역시, 추가촉매모듈(9)의 전단에는 기상유체주입부(미도시)가 배치될 수 있음은 물론이다.
이하, 몇 가지 실험례를 통해서 본 발명의 효과를 좀 더 상세히 설명한다. 이하, 각 실험례 설명 시에 전술한 구성부에 대해서는 별도의 부호를 병기하지 않고 지칭하여 설명하도록 한다.
<실험례 1> 배가스 처리실험
도 11에 도시된 형식으로, 복합화력발전소의 축소모형에 배가스 처리장치를 설치하고 분사노즐을 이용하여 액상 환원제(암모니아)를 질소산화물과 동일한 몰비로 주입하며 배가스처리실험을 실시하였다. 이때 촉매모듈의 촉매는 제올라이트계 선택적촉매환원 촉매{허니콤 지지체에 Fe-베타 제올라이트(Zeolyst 사)를 워시코팅한 촉매}를 사용하였고, 제1추가촉매모듈의 촉매는 V2O5를 주성분으로 하는 바나듐계 선택적촉매환원 촉매를 사용하였으며, 제2추가촉매모듈의 촉매는 산화촉매인 백금촉매를 사용하였다. 이때 덕트 내 분사노즐 위치는 허브로부터 전술한 직선거리 c의 3/8에 해당하는 위치에 있도록 하고, 분사노즐의 말단 위치는 덕트 내벽으로부터 전술한 수선 a의 1/6에 해당하는 위치에 있도록 하였다. 복합화력발전소의 가스터빈 출력 변화를 모사한 조건 하에서, 환원제 주입 전과 후의 질소산화물(NOx: NO와 NO2 포함 질소산화물) 농도, 일산화탄소 농도를 연돌에서 측정하였다. 또한, 환원제 주입 후의 질소산화물농도와 암모니아농도를 촉매모듈과 제1열교환모듈 사이 및 연돌에서 측정하였고, 환원제 주입 후의 일산화탄소농도를 연돌에서 측정하였다. 일산화탄소 농도는 일산화탄소 외에 알데히드 등의 미연탄화수소류와 같은 불완전연소 부산물의 지표로 보고 측정한 것이었다. 그 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에서 가스터빈 출력 100%는 가스터빈을 풀부하로 운전하는 상태를 나타낸다.
분사노즐을 이용한 환원제 주입 전과 후의 측정 물질 농도 변화
가스터빈 출력(%) 5 10 20 40 60 80 100
환원제 주입 전 연돌 NOx 농
도(ppm)		 20 48 53 58 55 34 26
환원제 주입 전 연돌 CO 농
도(ppm)		 10 30 120 400 500 20 미검출
환원제 주입 후 촉매모듈 후단 NOx 농도(ppm) 5 3 3 4 4 4 3
환원제 주입 후 촉매모듈 후단 NH3 농도(ppm) 1 3 3 2 3 3 1
환원제 주입 후 연돌 NOx 농도(ppm) 미검출 미검출 미검출 1 1 미검출 미검출
환원제 주입 후 연돌 NH3 농도(ppm) 미검출 미검출 미검출 미검출 미검출 미검출 미검출
환원제 주입 후 연돌 CO 농도(ppm) 미검출 미검출 미검출 1 미검출 미검출 미검출
표 1에서와 같이, 운전시간에 관계 없이 환원제 주입 후 촉매모듈 후단에서의 NOx 농도는 3~5ppm으로 질소산화물이 처리된 것으로 나타났다. 이와 같은 질소산화물 농도에서는 황연도 전혀 나타날 수 없는 농도이므로, 본 발명에 의해 복합화력발전소에서 특히 문제될 수 있는 황연 등도 효과적으로 처리할 수 있음을 알 수 있다. 특히, 가스터빈의 출력이 낮은 기동 초기에도 황연의 원인물질을 포함하는 모든 질소산화물의 처리가 가능함을 알 수 있으며, 가스터빈의 기동 초기에 상대적으로 온도가 낮아 오염물질 처리가 어려운 운전조건에서도, 본 발명에 의해서는 용이하게 오염물질을 처리할 수 있음을 알 수 있다. 이는, 본 발명에 의해 덕트 내 오염물질 처리용 유체가 처리대상에 원활하게 혼합된 상태로 촉매표면에서 반응이 진행되었기 때문으로 판단된다. 또한, 최종적으로 연돌로 배출되는 배가스에는 질소산화물은 물론 잉여 환원제나 불완전연소부산물과 같은 물질 역시 존재하지 않거나 극히 미량 존재하는 것으로 나타났다. 이는 촉매모듈과 추가 촉매모듈의 복합적인 작용에 의한 것으로 판단된다. 결국, 본 발명에 의해 화력발전소의 배가스를 매우 효과적, 효율적으로 처리할 수 있음을 알 수 있다.
이하에서는 덕트 내 분사노즐의 위치와 분사노즐 말단의 위치 변화에 따른 오염물질 처리용 유체 분포의 변화를 확인함으로써 혼합에 미치는 영향과 그에 따른 배가스 처리에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.
<실험례 2> 덕트 내 분사노즐의 위치 변화에 따른 덕트 후단의 오염물질 처리용 유체의 분포변화 확인
덕트 내 분사노즐 위치 변화에 따른 오염물질 처리용 유체의 혼합분포 변화를 확인하기 위해 다음과 같이 실험하였다. 도 1 내지 도 4와 같은 덕트 내부에서 분사노즐로 암모니아수를 분사시키고, 덕트 후단에 연결된 덕트확관 측에서 암모니아의 농도분포를 측정하였다. 이때, 가스터빈의 위치에서 기동시 가스터빈에서 유출되는 유체 조건을 모사한 공기를 주입하였다. 분사노즐은 덕트의 횡단면 상에 도 2에 도시된 바와 같이 배치하되, 덕트의 길이방향을 따라서 전술한 도 4의 직선거리 c에 대한 일정 비율로 허브로부터 이격된 거리를 증가시키며 실험을 진행하였다. 분사노즐 말단의 위치는 덕트 내벽으로부터 전술한 수선 a의 3/6 위치에 있도록 유지하였다. 덕트확관의 말단(덕트확관과 배열회수보일러가 연결되는 지점)부에 덕트 내부로 접근 가능한 홀을 형성하고, 상기 홀을 통해 검지장치를 삽입하여 덕트확관의 말단부 상부측 3지점, 중앙측 3지점, 하부측 3지점의 총 9지점에서 암모니아 농도를 측정하였으며, 측정 결과로부터 하기 표 2와 같이 상부측 3지점의 평균농도와 그 표준편차, 중앙측 3지점의 평균농도와 그 표준편차, 하부측 3지점의 평균농도와 그 표준편차, 및 전체 9지점의 전체 평균농도와 그 표준편차를 산출하였다. 분사노즐에서 분사되는 암모니아수는 측정부에서 암모니아 농도가 이론값으로 농도 9±1ppm이 되도록 조절하였다. 그 결과 하기 표 2와 같은 결과값을 얻었다.
덕트 내 분사노즐의 위치 변화에 따른 덕트 후단의 오염물질 처리용 유체의 분포변화(농도 단위는 ppm임)
덕트 내 분사노즐 위치
(직선거리 c에 대한 비율)		 전체
평균농도
전체
표준편차
하부 측
평균농도
하부 측
표준편차
중앙 측
평균농도
중앙 측
표준편차
상부 측
평균농도
상부 측
표준편차
1/8 9.0 0.9 9.0 0.8 9.2 1.0 8.9 0.7
2/8 9.1 1.0 9.0 0.8 9.1 1.2 9.1 0.8
3/8 8.9 1.0 8.9 0.9 8.9 1.2 8.9 0.9
4/8 9.0 1.1 9.0 1.1 8.9 1.3 9.0 1.0
5/8 9.0 1.3 9.0 1.3 9.0 1.5 9.0 1.2
6/8 9.1 1.5 9.1 1.5 8.9 1.5 9.2 1.5
7/8 9.0 1.7 9.2 1.7 8.8 1.7 9.2 1.7
8/8 9.3 3.5 9.3 3.1 9.8 4.1 8.9 3.0
표 2에서와 같이, 분사노즐의 덕트 내 위치가 허브로부터 직선거리 c에 대해 7/8을 넘어서는 위치에 있는 경우, 전체 평균농도의 표준편차가 크게 상승하는 것이 확인되었다. 따라서 그러한 경우 오염물질 처리용 유체가 균일하게 배가스 내 혼합되지 못할 염려가 있는 것으로 보인다. 이는 하부 측 평균농도, 중앙 측 평균농도, 상부 측 평균농도가 서로 크게 차이나는 것에 기인하는 것으로 해석할 수 있으며 따라서 덕트 내 분사노즐의 위치는 허브로부터 직선거리 c에 대한 7/8 이내에 있는 것이 보다 바람직함을 알 수 있다. 특히 오염물질 처리용 유체와 배가스의 균일한 혼합은 촉매작용에 의한 배가스의 처리에도 영향을 미칠 수 밖에 없으므로, 분사노즐의 덕트 내 위치를 허브로부터 직선거리 c에 대한 7/8이내에 있도록 함으로써 배가스와 오염물질 처리용 유체의 균일한 혼합을 유도하고 배가스의 보다 안정적인 처리 역시 가능할 것으로 보인다.
<실험례 3> 분사노즐 말단 위치 변화에 따른 덕트 후단의 오염물질 처리용 유체의 분포변화 확인
분사노즐 말단 위치 변화에 따른 오염물질 처리용 유체의 분포 변화를 확인하기 위해 다음과 같이 실험하였다. 구체적으로 상기 실험례 2의 조건 중 분사노즐의 덕트 내 위치를 허브로부터 직선거리 c에 대한 3/8위치에 있도록 고정시키고, 분사노즐의 말단 위치를 수선 a에 대한 일정 비율로 변화시키는 방식으로 조건을 변경하여 실험을 진행하였다. 분사노즐에서 분사되는 암모니아수는 측정부에서 암모니아 농도가 이론값으로 농도 10±1ppm이 되도록 조절한 외 나머지 실험조건은 동일하게 유지하였다. 이로부터 하기 표 3과 같은 결과값을 얻었다.
분사노즐 말단 위치 변화에 따른 덕트 후단의 오염물질 처리용 유체의 분포변화(농도 단위는 ppm임)
덕트 내 분사노즐 위치
(수선 a에 대한 비율)		 전체
평균농도
전체
표준편차
하부 측
평균농도
하부 측
표준편차
중앙 측
평균농도
중앙 측
표준편차
상부 측
평균농도
상부 측
표준편차
1/6 10.1 0.9 10.0 0.7 10.2 1.0 10.0 0.8
2/6 10.2 0.9 10.2 0.8 10.1 1.1 10.1 0.9
3/6 10.1 1.1 10.1 1.0 10.1 1.2 10.0 1.0
4/6 10.1 1.2 10.0 1.1 10.2 1.4 10.1 1.1
5/6 10.2 1.4 10.1 1.2 10.2 1.6 10.3 1.5
6/6 10.8 3.5 10.7 3.0 10.9 4.2 10.8 3.1
표 3에서와 같이, 분사노즐의 말단 위치가 덕트 내벽으로부터 수선 a에 대해 5/6를 넘어서는 위치에 있는 경우, 전체 평균농도의 표준편차가 크게 상승하는 것이 확인되었다. 따라서 그러한 경우에도 오염물질 처리용 유체가 균일하게 배가스 내 혼합되지 못할 염려가 있을 것으로 보인다. 이는 하부 측 평균농도, 중앙 측 평균농도, 상부 측 평균농도가 역시 서로 크게 차이 나는 것에 기인하는 것으로 해석할 수 있으며 따라서 분사노즐의 말단 위치는 덕트 내벽으로부터 수선 a에 대한 5/6이내에 있는 것이 바람직함을 알 수 있다. 특히 오염물질 처리용 유체와 배가스의 균일한 혼합은 촉매작용에 의한 배가스의 처리에도 영향을 미칠 수 밖에 없으므로 분사노즐의 말단 위치를 덕트 내벽으로부터 수선 a에 대한 5/6이내에 있도록 함으로써 배가스와 오염물질 처리용 유체의 균일한 혼합을 유도하고 배가스의 보다 안정적인 처리 역시 가능할 것으로 보인다.
실험례 2와 3의 결과를 정리하면, 분사노즐의 덕트 내 위치는 허브로부터 직선거리 c에 대한 7/8이내, 분사노즐의 말단 위치는 덕트 내벽으로부터 수선 a에 대한 5/6이내에서 배가스 처리가 보다 효과적일 것으로 볼 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 가스터빈 2: 확산모듈부
3: 덕트 3a: 제1덕트부
3b: 제2덕트부 4: 덕트확관
5: 배열회수보일러부 6: 연돌
7: 촉매모듈 8: 열교환모듈
9: 추가촉매모듈 10, 10-1, 10-2: 배가스 처리장치
11: 분사노즐 11a: 유체이송로
11b: 가압기체유로 11c: 단열유로
11c': 추가단열유로 11d: 유체토출구
12: 유체공급관 12a, 16a: 펌프
12b, 15, 16b: 제어밸브 13: 유체공급부
14: 분지관 16: 배가스이송관
21: 외측 실린더부 22: 허브
23: 지지대 31: 완충연결부
41: 기상유체주입부 42: 기상유체공급관
43: 기화기 81: 제1열교환모듈
83: 제2열교환모듈 85: 제3열교환모듈
87: 제4열교환모듈 91: 제1추가촉매모듈
93: 제2추가촉매모듈 111: 몸통
112: 결합플랜지 113: 개스킷
114: 플랜지관통관 221: 흐름조절부재
E: 배가스 F: 오염물질 처리용 유체
G: 가압기체 H: 단열유체

Claims (17)

  1. 화력발전소의 가스터빈(gas turbine) 후단에 배치된 덕트와 상기 가스터빈의 사이에서 배가스 흐름을 조절하여 상기 덕트의 내벽 측으로 유도하는 확산모듈부;
    상기 확산모듈부로부터 상기 덕트의 내벽 측으로 유도된 배가스의 상기 덕트 내 유동구간에 설치되며, 상기 덕트의 내벽으로부터 돌출 형성된 복수 개의 분사노즐;
    상기 분사노즐과 연결되고 상기 덕트 외부로 연장된 유체공급관;
    상기 유체공급관을 통해서 상기 분사노즐로 액상의 오염물질 처리용 유체를 공급하는 유체공급부; 및
    상기 분사노즐 후단에 배치된 촉매모듈을 포함하고,
    상기 확산모듈부는, 내부로 배가스가 통과되는 외측 실린더부 및 상기 외측 실린더부의 중심부에 삽입되어 배가스를 원심 방향으로 유도하는 허브(hub)를 포함하며,
    상기 분사노즐은, 상기 허브의 외주면에서 상기 허브의 길이방향으로 연장된 연장선과 교차되지 않는 화력발전소의 배가스 처리장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 허브에 배가스의 유동방향을 상기 덕트의 내벽 측으로 유도하는 흐름조절부재를 더 포함하는 화력발전소의 배가스 처리장치.
  4. 삭제
  5. 화력발전소의 가스터빈(gas turbine) 후단에 배치된 덕트와 상기 가스터빈의 사이에서 배가스 흐름을 조절하여 상기 덕트의 내벽 측으로 유도하는 확산모듈부;
    상기 확산모듈부로부터 상기 덕트의 내벽 측으로 유도된 배가스의 상기 덕트 내 유동구간에 설치되며, 상기 덕트의 내벽으로부터 돌출 형성된 복수 개의 분사노즐;
    상기 분사노즐과 연결되고 상기 덕트 외부로 연장된 유체공급관;
    상기 유체공급관을 통해서 상기 분사노즐로 액상의 오염물질 처리용 유체를 공급하는 유체공급부; 및
    상기 분사노즐 후단에 배치된 촉매모듈을 포함하고,
    상기 확산모듈부는, 내부로 배가스가 통과되는 외측 실린더부 및 상기 외측 실린더부의 중심부에 삽입되어 배가스를 원심 방향으로 유도하는 허브(hub)를 포함하며,
    상기 분사노즐의 말단은, 상기 허브의 외주면에서 상기 허브의 길이방향으로 평행하게 연장된 연장선에서 상기 덕트의 내벽으로 내린 수선 a를 따라, 상기 덕트의 내벽으로부터 상기 수선 a의 길이의 5/6이하로 이격되어 있는 화력발전소의 배가스 처리장치.
  6. 화력발전소의 가스터빈(gas turbine) 후단에 배치된 덕트와 상기 가스터빈의 사이에서 배가스 흐름을 조절하여 상기 덕트의 내벽 측으로 유도하는 확산모듈부;
    상기 확산모듈부로부터 상기 덕트의 내벽 측으로 유도된 배가스의 상기 덕트 내 유동구간에 설치되며, 상기 덕트의 내벽으로부터 돌출 형성된 복수 개의 분사노즐;
    상기 분사노즐과 연결되고 상기 덕트 외부로 연장된 유체공급관;
    상기 유체공급관을 통해서 상기 분사노즐로 액상의 오염물질 처리용 유체를 공급하는 유체공급부; 및
    상기 분사노즐 후단에 배치된 촉매모듈을 포함하고,
    상기 확산모듈부는, 내부로 배가스가 통과되는 외측 실린더부 및 상기 외측 실린더부의 중심부에 삽입되어 배가스를 원심 방향으로 유도하는 허브(hub)를 포함하며,
    상기 분사노즐은, 상기 덕트 내벽에서 상기 덕트의 길이방향으로 평행하게 연장된 제1연장선과 상기 허브의 말단에서 연장되어 상기 제1연장선과 수직하게 교차하는 제2연장선의 교차점으로부터, 상기 제1연장선을 따라, 상기 허브에서 상기 덕트의 후단부에 연결된 덕트확관까지의 직선거리 c의 7/8이하로 이격되어 있는 화력발전소의 배가스 처리장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 촉매모듈은 선택적촉매환원 촉매를 포함하는 화력발전소의 배가스 처리장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 선택적촉매환원 촉매는 제올라이트계 선택적촉매환원 촉매를 포함하는 화력발전소의 배가스 처리장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제올라이트계 선택적촉매환원 촉매는 철 제올라이트계 선택적촉매환원 촉매 및 구리 제올라이트계 선택적촉매환원촉매 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 화력발전소의 배가스 처리장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 분사노즐 후단에 배치된 열교환모듈을 더 포함하고, 상기 촉매모듈은 상기 분사노즐과 상기 열교환모듈의 배가스 유출측 말단 사이에 배치되는 화력발전소의 배가스 처리장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 열교환모듈은 제1열교환모듈과 제2열교환모듈을 포함하며, 상기 분사노즐과 상기 제2열교환모듈 사이에 상기 제1열교환모듈이 배치되고, 상기 촉매모듈은 상기 제1열교환모듈과 제2열교환모듈의 사이 또는 상기 분사노즐과 상기 제1열교환모듈 사이에 배치되는 화력발전소의 배가스 처리장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 촉매모듈 후단에 배치되는 추가촉매모듈을 더 포함하는 화력발전소의 배가스 처리장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 추가촉매모듈은 금속산화물 선택적촉매환원 촉매 및 산화촉매 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 화력발전소의 배가스 처리장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 분사노즐 후단에 배치된 열교환모듈을 더 포함하고, 상기 열교환모듈은 제1열교환모듈과 제2열교환모듈을 포함하며, 상기 분사노즐과 상기 제2열교환모듈 사이에 상기 제1열교환모듈이 배치되고, 상기 촉매모듈은 상기 제1열교환모듈과 제2열교환모듈의 사이 또는 상기 분사노즐과 상기 제1열교환모듈 사이에 배치되고, 상기 추가촉매모듈은 상기 제2열교환모듈의 후단에 배치되는 화력발전소의 배가스 처리장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 열교환모듈은 상기 제2열교환모듈 후단에 배치되는 제3열교환모듈을 더 포함하고, 상기 추가촉매모듈은 상기 제3열교환모듈 후단에 배치되는 화력발전소의 배가스 처리장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제2열교환모듈과 상기 제3열교환모듈 사이에 기상의 오염물질 처리용 유체를 주입하는 기상유체주입부가 배치되는 화력발전소의 배가스 처리장치.
  17. 제12항에 있어서, 상기 추가촉매모듈은 금속산화물 선택적촉매 환원 촉매를 포함하는 제1추가촉매모듈과 산화촉매를 포함하는 제2추가촉매모듈을 포함하고, 상기 제1추가촉매모듈 후단에 상기 제2추가촉매모듈이 배치되는 화력발전소의 배가스 처리장치.
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