KR102122253B1 - 배기가스 처리장치 - Google Patents

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Abstract

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 배기가스 발생원에서 공급된 배기가스 중의 산소농도를 증가시키는 산소 공급기, 상기 산소 공급기의 하류에 배치되고, 상기 배기가스 발생원에서 배출되는 일산화질소를 이산화질소로 산화시키는 플라즈마 반응기 및 상기 플라즈마 반응기에서 배출된 배기가스에 환원제를 공급하여 질소산화물을 제거하는 탈질장치를 포함하는 배기가스 처리장치를 특징으로 한다.

Description

배기가스 처리장치 {APPARATUS FOR TREATING EXHAUST GAS }
본 발명은 질소산화물 또는 황화산화물을 줄이는 배기가스 처리장치에 관한 것이다.
일반적으로, 공장 혹은 연소장치 등에서 화석 연료를 연소시켜 발생하는 생성물 중 유해배출가스인 입자상 물질, 황산화물, 질소산화물은 다양한 방법을 동원하여 최대 한도로 저감시켜 대기환경을 청정 상태로 유지해야 할 필요성이 대두되고 있는 현실이다. 특히, 현재 공지된 질소산화물의 대표적인 저감방법은 선택적 촉매 환원법과 선택적 비촉매 환원법을 적용하고 있다. 이러한 선택적 촉매 환원법과 선택적 비촉매 환원법은 널리 알려진 공지기술로서 이에 대해서 구체적인 상세한 설명은 피한다.
기본적으로, 선택적 촉매 환원법(SCR;Selective Catalytic Reduction)은 연소장치의 하류에 암모니아 주입설비(AIG)를 통해 환원제인 암모니아를 공급하여 촉매 반응탑에서 환원반응을 야기시켜 질소산화물을 저감하도록 되어 있다. 이러한 선택적 촉매 환원법은 통상적으로 연소장치가 저부하(low load) 상태이거나 촉매 반응탑으로 유입될 배출가스 온도가 낮으면 질소산화물의 반응이 현저하게 떨어지는 현상이 발생되어 그대로 배출가스와 함께 암모니아의 슬립 현상이 생겨 후단 설비에 나쁜 영향이 야기될 수 있는 문제점을 갖고 있다.
이외에도, 선택적 비촉매 환원법(SNCR;Selective Non-Catalytic Reduction)은 연소장치 내로 암모니아수 혹은 요소수를 직접 분사하고 연소장치 내에서 화석 연료의 연소를 통해 발생되는 질소산화물과 반응시켜 저감시킬 수 있도록 되어 있다. 이러한 선택적 비촉매 환원법은 기술된 바와 같이 액상의 암모니아 또는 요소수를 연소장치 내부로 공급하도록 되어 있기 때문에, 환원제가 연소장치 내부로 분사되면서 물방울이 보일러 튜브와 접촉하게 되면 예상치 못한 대형사고를 유발시킬 수 있는 위험성이 항상 내포하고 있고, 실제로 일부 몇몇 기업에서는 이로 인한 큰 손해를 본 적도 있다.
또한, 선택적 비촉매 환원법을 적용한 탈질 시스템은 연소장치가 저부하일 경우에 고효율을 낼 수 있는 반면에 탈질률이 떨어지는 한계성을 갖는다.
일반적으로, 질소산화물(NOx)은 연료의 연소 과정에서 공기 중의 질소와 산소가 반응하여 생성된 NO, NO2,, NO3, N2O3, N2O4, N2O5를 포함하여 구성되며, 보일러 등의 일반 연소장치에서 발생하는 연소가스에 포함된 질소산화물 중 90~95% 정도가 NO로서 질소산화물의 대부분을 차지하고 있다.
특히, 선택적 비촉매 환원법을 적용한 탈질 시스템에서, 배기가스 중에 NO의 농도가 매우 높을 경우 탈질률이 현저히 떨어지는 한계성을 갖는다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 탈질율을 향상시키고 효율을 향상된 배기가스 처리장치를 제공함에 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 배기가스 발생원에서 공급된 배기가스 중의 산소농도를 증가시키는 산소 공급기, 상기 산소 공급기의 하류에 배치되고, 상기 배기가스 발생원에서 배출되는 일산화질소를 이산화질소로 산화시키는 플라즈마 반응기 및 상기 플라즈마 반응기에서 배출된 배기가스에 환원제를 공급하여 질소산화물을 제거하는 탈질장치를 포함하는 배기가스 처리장치를 특징으로 한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기의 구성을 가지는 본 발명의 공기조화기는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째,　본 발명은 산소 공급기가 탈질장치에 공급되는 배기가스 중에 질소농도는 감소시키고, 산소 농도는 증가시켜서, 플라즈마 반응기에서 일산화질소가 이산화질소로 산화되는 반응의 효율을 향상시킨다.
둘째, 탈질장치로 공급되는 배기가스의 이산화질소의 농도가 증가되므로 탈질장치에서 탈질효율이 향상되는 이점이 존재한다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리장치의 개략적인 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산소 공급기의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 산소 공급기의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈질장치를 개략적으로 도시한 종단 면도이다.
도 5는 도 4의 A-A 선으로 절취한 탈질장치의 횡단면도이다.
도 6은 비교예의 플라즈마 반응기 내에서 질소산화물의 산화상태를 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예의 플라즈마 반응기 내에서 질소산화물의 산화상태를 나타내는 그래프이다.
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 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소들과 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 구성요소의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및/또는 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부도면은 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다름과 같다.
먼저, 공기조화기의 전체 구성을 설명하고, 그 이후, 배기가스 처리장치와 배기가스 처리장치가 설치되는 실외기의 상세구성을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리장치의 개략적인 공정도이다.
화석 연료의 연소를 통해 발생되는 배기가스에서 황산화물(SOX), 질소산화물(NOX), 입자상 물질 등의 유해배출물질을 저감시키는 시스템에 관한 것이다.
개략적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리장치(1)는 배기가스 발생원(1000)에서 배출되는 배기가스를 집진장치(100)와, 산소 공급기(150), 플라즈마 반응기(200), 및 탈질장치를 순차적으로 통과시켜 배기가스에 함유된 오염물질, 즉 입자상 물질, 황산화물, 질소산화물 등을 을 제거할 수 있도록 설계되어 있다.
여기서, 배기가스 발생원(1000)은 연소로, 공정가열로, 내연기관일 수 있으며, (연료) 물질을 연소, 합성, 분해 등을 통해 질소산화물 및/또는 황산화물 등의 유해가스를 배출하는 장치일 수 있다.
배기가스 발생원(1000)의 연소를 통해 발생된 배기가스는 질소산화물과 황산화물을 제외한 입자상 물질 등의 이 물질을 집진하는 집진장치(100)로 안내된다. 집진장치(100)는 전술된 바와 같이 탈황장치(300)와 탈질장치의 전단에 배치하도록 하는데, 이는 입자상 물질이 탈황장치(300) 및/또는 탈질장치로 유입되어 불필요한 부반응을 미연에 방지할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 배기가스 처리장치는 다양한 유형의 집진장치(100)를 설치할 수 있으며, 특히 전기 집진기는 운전시 배기가스 내에 함유된 일산화질소(NO)를 이산화질소(NO2)로 일부 개질하는 효과를 획득할 수 있다.
탈황장치(300)는 배기가스 내에 황을 제거한다. 탈황장치(300)는 집진장치(100)와 플라즈마 반응기(200) 사이에 배치되는 것이 바람직하다. 탈황장치(300)는 건식 또는 습식 탈황시스템을 채용할 수 있다. 습식 탈황시스템은 황산화물을 함유한 배기가스에 수용액 또는 슬러지 상의 액체 시약을 이용하여 배기가스 중의 황산화물을 안정적으로 분해 및/또는 포집하여 황산화물 배출량을 저감시킬 수 있다.
산소 공급기(150)는 배기가스 발생원에서 공급된 배기가스 중의 산소농도를 증가시켜서, 플라즈마 반응기(200)로 공급한다. 산소 공급장치는 플라즈마 반응기(200)의 상류, 집진장치(100)의 하류에 배치되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 탈질장치에서 질소산화물의 대부분인 일산화질소를 효과적으로 제거하기 위해서는 일산화질소와 이산화질소가 1 : 1 비율에 근접하게 공급되는 것이 효율이 우수하다.
이를 위해, 보통은 탈질장치에 공급되는 배기가스를 플라즈마 반응시켜서, 일산화질소를 이산화질소로 산화시키는 것이 일반적이다. 그러나, 공급되는 배기가스 중에 산소의 농도가 낮은 경우, O / OH 라디칼, O3 농도가 낮아져서 일산화질소가 이산화질소로 산화되는 효율이 저하되게 된다. 또한, 탈질장치에 공급되는 배기가스 중에 포함된 질소(N2)가 플라즈마 반응기(200) 내에서 일산화질소로 전환되어서, 일산화질소가 이산화질소로 산화되더라도, 일산화질소의 농도가 감소되지 않는 문제점이 존재한다.
본 발명의 산소 공급기(150)는 탈질장치에 공급되는 배기가스 중에 질소농도는 감소시키고, 산소 농도는 증가시킨다. 따라서, 플라즈마 반응기(200)에 공급되는 배기가스의 상대적인 질소농도는 낮아지고, 산소농도를 높아지게 되고, 플라즈마 반응기(200)에서 일산화질소가 이산화질소로 산화되는 반응 중에 질소가 일산화질소로 전환되는 반응을 방지할 수 있고, O / OH 라디칼, O3 농도가 낮아져서 일산화질소가 이산화질소로 산화되는 효율이 저하되는 것을 개선할 수 있다.
예를 들면, 산소 공급기(150)는 배기가스에 직접 외부의 산소를 공급한다. 구체적으로, 산소 공급기(150)는 수중 전기분해에 의한 OH 라디칼 발생 및 H2O2 생성 후 환원 촉매 통과로 발생된 산소를 배기가스에 공급하거나, 산소 저장조의 산소를 공급할 수 있다.
다른 예를 들면, 산소 공급기(150)는 배기가스 중에 질소를 감소시켜 배기가스 중에 산소의 농도를 증가시키거나, 공기 중에 질소를 제거하고 배기가스에 공급할 수 있다. 이에 대해서는 도 2 및 도 3에서 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시예는 집진장치(100)의 하류에 플라즈마 반응기(200)를 배치한다. 플라즈마 반응기(200)는 집진처리된 배기가스를 저온(15~200℃) 하에서 탈질반응을 제공할 수 있다. 플라즈마 반응기(200)는 일산화질소(NO)를 이산화질소(NO2)나 질산(HNO3)으로 산화시키는 산화 영역(oxidation zone)이다.
다시 말하자면, 플라즈마 반응기(200)는 일산화질소의 산화반응으로 인해 일산화질소의 농도를 감소시키고 이산화질소의 농도를 증가시키게 하는바, NO2/NO 비율이 높아지게 돕는다. 질소산화물 중에서 이산화질소의 비율이 높아질수록 탈질 반응기(400) 내에서 질소산화물(NOX) 분해 속도를 향상시켜 탈질 효율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 소비 전력을 낮춰 경제성도 높일 수 있다.
플라즈마 반응기(200)는 마이크로 플스 코로라 플라즈마(micro puls corona plasam discharge) 반응기일 수도 있다. 저온이라 함은 후술하는 탈질장치 내 보다 낮은 온도라는 의미이다.
덧붙여서, 집진장치(100)를 걸쳐 빠져나온 배기가스는 집진장치(100)의 일부 개질반응을 통해 배기가스 발생원(1000)에서 배출되는 배기가스에 비해서 NO2/NO 비율이 높은 상태로 플라즈마 반응기(200)로 안내될 수 있을 것이다. 이는 결과적으로 플라즈마 반응기(200) 내에서 이루어질 산화반응을 줄여 플라즈마 반응기(200)의 운전에 따른 전력 소모를 줄일 수 있을 것이다.
아울러, 산소 공급기(150)에서 배기가스 내에 질소를 줄이거나 산소를 공급하여서, NO2/NO 비율을 높게 하여 탈질장치에 공급할 수 있으므로, 탈질효율이 향상되는 이점이 존재하고, 이는 플라즈마 반응기(200)의 운전에 따른 전력 소모를 줄일 수 있다.
플라즈마 반응기(200)는 산소 공급기(150)의 하류, 탈질장치의 상류에 배치되어, 탈질장치에 산화된 배기가스를 공급한다.
플라즈마 반응기(200)에서 배출되는 배기가스에서 이산화질소의 비율이 일산화질소의 비율 보다 높을 수 있다. 바람직하게는, 효과적은 탈질 반응을 위해,
플라즈마 반응기(200)에서 배출되는 배기가스의 일산화질소와 이산화질소의 비율은 0.9 : 1.1 내지 1.1 : 0.9 인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 플라즈마 반응기(200)에서 배출되는 배기가스의 일산화질소와 이산화질소의 비율은 대략 1 : 1 이다.
탈질장치는 플라즈마 반응기(200)에서 배출된 배기가스에 환원제를 공급하여 질소산화물을 제거한다.
예를 들면, 탈질장치는 배기가스 발생원(1000)에서 배출되는 배기가스에 함유된 질소산화물과 저장조(600)에서 공급된 환원제를 고온의 플라즈마 화염 하에서 분해 및/또는 환원을 통해 질소, 이산화탄소, 물 등의 가스로 전환시키는 탈질 반응기(400)를 구비한다.
저장조(600)는 탈질 반응기(400)에 제공될 환원제의 공급원으로, 탈질 반응기(400)로 안내될 질소산화물의 유입량에 근거하여 개량공급모듈(700)을 수단으로 하여 저장조(600)에서 소정량의 환원제를 후단 설비, 예컨대 탈질 반응기(400)로 제공한다. 이 개량공급모듈(700)은 전술된 바와 같이 탈질 반응기(400)에서 요구하는 유량 속도를 결정하는데, 플라즈마 반응기(200)에서 배출되는 질소산화물의 배출량과 이에 필요한 요소량(암모니아량)을 당량비에 따라 계산하여 개량공급모듈(700)을 통해 환원제를 공급하게 된다. 개량공급모듈(700)을 통해 제어된 환원제는 탈질 반응기(400)로 공급된다.
저장조(600)는 환원제의 유동성을 향상시키고 안정성을 확보하기 위해서 통상적으로 액상 혹은 증기상의 환원제를 수용하고 있으나, 이에 국한되지 않고 다양한 조성, 예컨대 요소수, 요소(NH2CONH2), 암모니아(NH3), 탄산암모늄(NH4CO3), 시아누르산(HNCO) 등의 환원제를 수용할 수 있다. 본 발명의 환원제는 앞서 기술하였듯이 요소일 수 있는데, 이 요소가 상온 하의 수용액에서는 천천히 탄산암모늄으로 가수분해되고, 녹는점 이상에서는 승화하여 암모니아와 시아누르산으로 전환될 수 있다.
본 발명은 다양한 환원제, 예컨대 암모니아 혹은 요소를 탈질 반응기(400) 내로 강제로 공급하여 고온 분위기 하에서 분해 혹은 액상에서 가스상으로 상변환을 야기할 수 있다.
탈질 반응기(400)는 예컨대 요소(혹은 요소수)의 환원제를 공급받은 후에 이러한 요소를 열적가수분해반응을 통해 암모니아로 개질시킬 수 있을 뿐만 아니라 열적분해반응을 탈질 반응기(400)에서 일어나도록 한다.
이러한 열적분해반응을 실현하기 위해서는 탈질 반응기(400)는 상당한 고온의 열을 필요로 한다. 따라서, 실시예는 탈질장치에 열을 공급하는 열공급 수단을 구비할 수 있다.
탈질 반응기(400)는 고온의 화염, 즉 열을 이용하여 액상의 요소수 등을 요소의 분해가스인 가스상의 암모니아와 같은 환원제로 상변환시킨다. 열공급 수단은 이러한 상변환 과정을 위해서, 필요한 열을 공급한다. 열공급 수단은 마이크로웨이브 발생기(800)와 플라즈마 발생기(900)로 만들어진 화염을 열원으로 사용할 수 있다.
생성물인 암모니아와 시아누르산은 탈질 반응기(400)와 같은 탈질장치 내에서 질소산화물과 반응하게 된다. 여러 반응메카니즘을 통해 가스상의 암모니아 환원제로 전환되어 질소산화물의 탈질반응이 고온의 반응기(400)에서 일어나도록 한다. 이러한 가스상 환원제는 배기가스 발생원(1000)에서 화석 연료의 연소로 발생되는 질소산화물과 반응을 통해 탈질될 수 있다.
저장조(600)에서 공급되거나 탈질 반응으로 생성된 시아누르산은 질소산화물과 반응을 유도할 수 있는바, 화학반응이 진행되면서 유해한 질소산화물을 질소와 이산화탄소(CO2)와 같이 대기오염과 무관한 물질로 전환된다.
선택적으로, 저장조(600)에 수용된 환원제는 수용성(水溶性) 환원제로 구성되는 것이 바람직하다. 수용성 환원제는 화학식 4에 보여지듯이 수분(humidity)에서 발생되는 수산화기(OH-)를 갖고 있어, 다른 성질의 반응기와 화학적 결합이 쉽게 이루어질 수 있다. 구체적으로, 음이온인 수산화기가 수소(H+)와 신속하게 결합되어 물로 전환하게 되고, 질소산화물의 접촉반응 효율을 향상시켜 탈질 반응기(400) 내에서 질소산화물의 체류 시간을 낮출 수 있다.
본 발명은 전술된 바와 같이 다양한 종류의 환원제를 고온의 탈질 반응기(400)에서 가스상으로 그리고 암모니아로 전환시킬 수 있을 뿐만 아니라 탈질반응을 동시에 유도할 수 있는 환원 영역(reduction zone)이다.
마이크로웨이브 발생기(800)는 전원의 인가에 따라 구동되어 마이크로웨이브를 발생하게 된다. 마이크로웨이브는 예컨대 웨이브가이드를 통해 플라즈마 발생기(900)로 안내되는 한편, 플라즈마 발생기(900)는 탈질 반응기(400) 내부로 뻗어 있는 유도관(T3)을 통해 플라즈마 발생가스를 반응기 내부로 배출하게 된다. 널리 알려져 있듯이, 마이크로웨이브는 극초단파로서 30MHz~30GHz의 주파수 범위를 갖는 전자기파이며, 플라즈마를 발생하는데 사용된다. 마이크로웨이브가 유전체에 조사(照射)되면 유전체의 분자들이 회전 운동하게 되면서 분자들 간의 충돌로 인해 열이 발생하게 된다.
플라즈마 발생기(900)는 예컨대 플라즈마 발생용 증기(steam), 미세 분사수(water), 불활성 가스 등의 플라즈마 발생가스를 마이크로웨이브 발생기(800)에서 안내된 마이크로웨이브의 진동에 노출함으로써 고열이 발생하게 되고, 발생된 고열에 의해 화염이 탈질 반응기(400)에서 생기게 된다. 탈질 반응기(400) 내에서 발생된 화염(플라즈마) 온도는 2,000~4,000℃ 일 수 있다. 이러한 고온의 반응기(400)내에는 지속적인 플라즈마가 발생하게 된다. 플라즈마는 음전하를 가진 전자와 양전하를 가진 양이온으로 전리된 기체로서, 전리된 전자 및/또는 양이온 등이 유해가스의 분해능을 향상시킬 수 있다.
널리 알려져 있듯이, 플라즈마 발생가스는 공기, 질소, 연소가스를 사용할 수 있지만, 본 발명은 탈질 반응기(400) 내에서 질소산화물을 환원하는 것을 목적으로 하고 있다. 즉, 반응기 내에서 공기 중에 질소(N2)가 일산화질소로 전환되는 것을 방지하기 위해 증기, 미세 분사수 또는 불활성 가스를 플라즈마 발생가스로 사용하는 것이 바람직하다.
전술된 바와 같이, 플라즈마 발생기(900)는 마이크로웨이브의 진동을 매개로 하여 고열에 의한 화염이 발생할 수 있기 때문에 별도의 점화기 등이 필요로 하지 않아 본 발명에 따른 배기가스 처리장치의 구조적 단순화와 내구성을 향상시킬 수 있다.
전술된 바와 같이, 배기가스와 가스상 환원제가 탈질 반응기(400)에서 이미 기술된 화학식 등을 통해 탈질반응을 일으킨다. 질소산화물이 제거된 다음에, 고온의 배출가스는 굴뚝(500)으로 배기된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산소 공급기(150)의 개념도이다.
도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 산소 공급기(150)를 설명한다.
본 실시예의 산소 공급기(150)는 외부의 공기를 흡입하고 압축하여 질소를 분리, 흡착 한 후, 플라즈마 반응기(200)로 공급하다.
구체적으로, 산소 공급기(150)는 공기가 흡입되고 두 방향으로 분지되는 공기 흡입부(101)와, 공기 흡입부(101)의 분지부 각각과 연통되고 질소가 흡착되는 제 1, 2 질소 흡착부(102a,102b)와, 제 1, 2 질소 흡착부(102a,102b)의 각각과 연통되도록 두 갈래로 분지되고 제 1, 2 질소 흡착부(102a,102b)를 통과하면서 질소와 분리된 산소를 배출하는 산소 배출부(103)와, 산소 배출부(103)로 배출되는 산소를 펌핑시키는 산소 배출 펌프(104)와, 제 1, 2 질소 흡착부(102a,102b)의 각각에 연통되도록 두 갈래로 분지되고 실내기를 관통하여 실외까지 연장되는 질소 배출부(105)와, 제 1, 2 질소 흡착부(102a,102b)에 흡착된 질소를 진공 펌핑시켜 실외로 배출할 수 있도록 질소 배출부(105)에 장착된 진공 펌프(106)를 포함하여 구성된다.
공기 흡입부(101)와 질소 배출부(105)는 외기와 연결되고, 산소 배출부(103)는 플라즈마 반응기(200)와 연결된다. 구체적으로, 산소 배출부(103)는 배기가스 발생원(1000)과 플라즈마 반응기(200)를 연결하는 유로(10)와 연결된다.
제 1, 2 질소 흡착부(102a,102b)는 흡입구 및 배출구가 형성된 케이스와, 케이스 내부에 수용되어 통과되는 공기 중의 질소를 포집하여 공기의 산소 함량을 증가시키는 포집분말로 구성된다.
포집분말은 공기를 구성하는 다수의 분자들에 대한 포집력의 차이를 이용하는 지올라이트(zeolite)으로서, 질소는 산소나 다른 분자들에 비해 쉽게 포집되므로 포집분말에 통과되는 공기 중 질소의 비율이 감소되어 산소 함유량이 증가된 공기가 토출되게 된다.
미설명 부호 101a,101b는 공기 흡입부(101)의 분지부 각각에 장착된 제 1, 2 흡입 개폐 밸브이고, 미설명 부호 105a,105b는 질소 배출부(105)의 분지부 각각에 장착된 제 1, 2 배기 개폐 밸브이며, 미설명 부호 107은 공기 흡입부(101)에 장착되어 공기를 정화시키는 필터이며, 미설명 부호 108a,108b은 산소 배출부(105)에 장착된 제 1,2 질소 흡착부(102a,102b) 상호간의 산소 역류를 막는 제 1, 2 체크 밸브이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 산소 공급기(150)의 개념도이다.
도 3을 참조하면 본 실시예의 산소 공급기(150)는 도 2의 산소 공급기(150)와 공기 흡입부(101)의 연결에 차이점이 존재한다. 이하 도 3의 실시예와 차이점을 위주로 설명하고 동일한 설명은 생략한다.
다른 실시예의 산소 공급기(150)는 배기가스를 흡입하고 압축하여 질소를 분리, 흡착 한 후, 플라즈마 반응기(200)로 공급하다.
구체적으로, 공기 흡입부(101)는 배기가스 발생원(1000)과 연결된다. 구체적으로, 공기 흡입부(101)는 배기가스 발생원(1000)과 플라즈마 반응기(200)를 연결하는 유로(10)와 연결된다. 공기 흡입부(101)는 산소 배출부(103) 보다 상류에 연결되는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈질장치를 개략적으로 도시한 종단 면도, 도 5는 도 4의 A-A 선으로 절취한 탈질장치의 횡단면도이다.
도시된 바와 같이, 탈질 반응기(400)는 이의 상측에 플라즈마 발생기(900)를 배치하고, 플라즈마 발생기(900)의 유도관(T3)을 탈질 반응기(400)의 축선상에 위치되어 하부를 향해 관입되도록 한다.
저장조(600)에서 길이연장된 환원제 공급관(T2)도 탈질 반응기(400) 내부로 관입되어, 환원제를 반응기(400) 내부로 공급할 수 있도록 한다. 환원제 공급관(T2)은 환원제를 하향류로 유동시킬 수 있도록 탈질 반응기(400)의 상측을 관통해 하부를 향해 관입시킨다. 특히, 환원제 공급관(T2)의 관말부는 유도관(T3)에 합류되어, 유도관(T3)의 관말부가 화염과 함께 환원제를 반응기 내부로 분사할 수 있도록 한다.
덧붙여서, 탈질 반응기(400)는 반응기 내부로 주입될 질소산화물 등의 배기가스를 반응기(400) 내부에서 상향류 선회될 수 있도록 분사한다. 이를 위해서, 본 발명은 탈황장치(300) 또는 플라즈마 반응기(200)에서 연장된 배기가스용 이송관(T1)을 탈질 반응기(400) 내부로 관입하는데, 이송관(T1)의 관말부가 반응기(400)의 상측방향을 향해 설치되도록 한다. 이송관(T1)으로 안내된 배기가스는 반응기 내측면을 따라 고속으로 선회하는 선회기류로 형성하여 상방으로 이동할 수 있을 것이다.
본 발명에서, 탈질 반응기(400)는 하향류로 안내되는 환원제와 상향류로 안내되는 배기가스를 향류(counter flow) 방식으로 연속적으로 공급하여, 환원제와 배기가스의 접촉 기회를 높일 수 있다. 도시된 바와 같이, 화염과 환원제가 하향류로 형성되어 상향으로 선회되는 배기가스와 접촉되는 시간을 증가시켜 환원 반응을 촉진시켜 최고의 탈질 효과를 기대할 수 있다.
본 발명은 환원제와 배기가스의 직접적인 접촉을 배가시킬 수 있도록 상방으로 개방된 배기가스용 이송관(T1)의 관말부와 하방으로 분사 가능한 유도관(T3)의 관말부를 반응기의 길이방향에 따른 동일 축선상에 배치되도록 한다.
선택가능하기로, 탈질 반응기(400)는 그 내부에 선회기(410;swirler)를 구비하여, 배기가스와 환원제의 선회기류 이동을 도울 수 있다.
본 발명에 따른 배기가스 처리장치에서, 질소산화물은 플라즈마 반응기(200)의 산화 영역과 탈질 반응기(400)의 환원 영역을 연속적으로 통과하면서 일산화질소와 이산화질소를 낮은 수준으로 저감시킬 수 있다.
도 6은 비교예의 플라즈마 반응기(200) 내에서 질소산화물의 산화상태를 나타내는 그래프, 도 7은 실시예의 플라즈마 반응기(200) 내에서 질소산화물의 산화상태를 나타내는 그래프이다.
비교예와 실시예는 다른 조건은 동일하고 플라즈마 반응기(200)에 공급되는 배기가스 중에 질소의 농도에 차이가 존재한다.
비교예는 질소의 농도가 일반 공기와 비슷한 조건이고, 실시예는 질소의 농도가 0% 내지 5% 사이이다.
실시예는 비교예에 비하여 일산화질소를 이산화질소로 변환시키는 효율이 현저히 향상됨을 알 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 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. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. 배기가스 발생원에서 공급된 배기가스 중의 산소농도를 증가시키는 산소 공급기;
    상기 산소 공급기의 하류에 배치되고, 상기 배기가스 발생원에서 배출되는 일산화질소를 이산화질소로 산화시키는 플라즈마 반응기;
    상기 플라즈마 반응기에서 배출된 배기가스에 환원제를 공급하여 질소산화물을 제거하는 탈질장치;
    상기 플라즈마 반응기의 상류에 배치되고 배기가스에서 황을 제거하는 탈황장치;
    상기 탈황장치의 상류에 배치되고 배기가스에서 입자상 물질을 제거하는 집진장치를 포함하고,
    상기 산소 공급기는,
    공기가 흡입되고 두 방향으로 분지되는 공기 흡입부와,
    상기 공기 흡입부의 분지부 각각과 연통되고 질소가 흡착되는 제 1, 2 질소 흡착부와,
    상기 제 1, 2 질소 흡착부의 각각과 연통되도록 두 갈래로 분지되고 상기 제 1, 2 질소 흡착부를 통과하면서 질소와 분리된 산소를 배출하는 산소 배출부와,
    상기 산소 배출부로 배출되는 산소를 펌핑시키는 산소 배출 펌프와,
    상기 제 1, 2 질소 흡착부의 각각에 연통되도록 두 갈래로 분지되고 실외와 연결되는 질소 배출부와,
    상기 질소 배출부에 장착된 진공 펌프와,
    상기 공기 흡입부의 분지부 각각에 장착된 제 1, 2 흡입 개폐 밸브와,
    상기 질소 배출부의 분지부 각각에 장착된 제 1, 2 배기 개폐 밸브와,
    상기 산소 배출부에 장착되고 상기 제 1,2 질소 흡착부 상호간의 산소 역류를 막는 제 1, 2 체크 밸브와,
    상기 공기 흡입부에 장착되어 공기를 정화하는 필터를 포함하고,
    상기 산소 배출부는 상기 플라즈마 반응기와 상기 집진장치를 연결하는 유로에 연결되는 배기가스 처리장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소 공급기는 외부의 산소를 배기가스에 공급하는 배기가스 처리장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 산소 공급기는 배기가스 중에 질소를 감소시켜 배기가스 중에 산소의 농도를 증가시키는 배기가스 처리장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기에서 배출되는 배기가스의 일산화질소와 이산화질소의 비율은 0.9 : 1.1 내지 1.1 : 0.9 인 배기가스 처리장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 탈질장치에 열을 공급하는 열공급 수단을 더 포함하는 배기가스 처리장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 탈황장치는 건식 또는 습식 탈황시스템을 포함하는 배기가스 처리장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 집진장치는 전기 집진기를 포함하는 배기가스 처리장치.

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