KR102140953B1 - 소성로 고온 공정가스를 이용한 요소수 증발장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소성로 공정 가스에 직접적으로 요소수를 분무하거나, 별도의 히터를 이용하여 증발시킨 뒤 투입하는 것이 아닌, 소성로 고온 공정가스의 일부를 흡입하여 더스트를 분리한 뒤 이 가스를 이용하여 요소수를 충분한 시간동안 증발, 반응시켜 소성로 공정에 재투입 하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로서,
소성로 일부 고온 공정가스 중의 공정 더스트를 분리하는 분급기, 상기 분급기에 연결되고 내부에서 분사된 요소수를 인입된 가스와 반응하여 증발시키며 낙출된 소성로 공정 더스트를 배출하는 배출구를 가진 증발기, 상기 증발기 내부에 설치되어 요소수를 압축공기를 이용하여 미세하게 분사하는 노즐, 상기 증발기에 연결되어 소성로 고온 공정가스의 일부를 순환시켜 증발된 요소수와 함께 소성로 공정에 투입하는 송풍기, 소성로 공정의 700~1300℃ 영역에 연결되어 고온 공정가스의 일부를 흡입하여 상기 분급기에 전달하는 흡입덕트, 상기 흡입덕트에 연결되어 인입 가스의 온도를 일정하게 유지하기 위해 대기를 유입하고 유입량을 조절할 수 있는 냉풍유닛, 상기 송풍기 후단에 연결되고 소성로 공정의 800~1050℃ 영역에 연결되어 증발된 요소수 등을 공급하는 공급덕트를 포함하여 이루어지고,
본 발명의 소성로 고온 공정가스를 이용한 요소수 증발장치에 따르면, 소성로 공정 가스에 직접적으로 요소수를 분무하거나, 별도의 히터를 이용하여 증발시킨 뒤 투입하는 것이 아닌, 소성로 고온 공정가스의 일부를 흡입하여 더스트를 분리한 뒤 이 가스를 이용하여 요소수를 충분한 시간동안 증발, 반응시켜 소성로 공정에 재투입 하는 장치를 제공할 수 있으며, 특히 별도의 점화원 및 점화장치가 필요하지 않아 설치비용 및 운영비용을 절감할 수 있고, 기존 소성로의 질소산화물 저감장치에 비해 제거 효율이 높아지고 미반응 암모니아의 배출농도가 낮아져 요소수의 사용량 또한 절감할 수 있다.

Description

소성로 고온 공정가스를 이용한 요소수 증발장치 {Device for evaporating urea-water solution using high-temperature process gas in the kiln}

이 발명은 소성로 고온 공정가스를 이용한 요소수 증발장치에 관한 것으로서, 특히 소성로 고온 공정가스중의 더스트를 분리하고 이를 이용하여 요소수를 증발한 뒤 다시 이를 공급하여 NOx 제거 효율을 상향시키는 요소수 증발장치에 관한 것이다.

소성로는 광물의 상변화를 위해 고온의 화염을 형성하여야 하며, 이로인해 많은 양의 질소산화물이 생성되어 대기로 배출되고 있고, 이를 감소하기 위한 방법중 하나로 널리 알려져 있는 공지의 기술인 선택적 비촉매 환원법을 대부분의 소성로 공정에서 적용하고 있다.

선택적 비촉매 환원법의 환원제는 주로 취급의 용이성 등으로 인해 요소수를 이용하고 있으나, 암모니아에 비해 반응온도영역이 좁고 효율이 낮은 단점이 있으며, 특히 소성로의 경우 최적 반응온도 영역인 950~1000℃ 영역이 좁아 충분한 증발 및 반응시간을 확보하지 못하여 반응 효율이 감소하게 되는 문제가 있다.

이를 해결하기 위한 선행기술로는 특허문헌 1에 기술된, 요소수를 히터를 이용하여 가수분해 한 뒤 공정가스의 일부와 반응시켜 암모니아 가스 등을 만들고 이를 질소산화물의 환원제로 이용하여 효율을 상승시키는 요소수를 사용하는 질소산화물의 저감시스템 등이 있으나, 고온의 공정내에 직접 요소수를 분사하여 발생하는 문제와 반응시간이 짧은 문제를 피하기 위해 별도의 히터를 추가하여 요소수를 미리 증발시켜 사용함에 따라 설치비용과 운영비용이 증가하는 문제점이 있었다.

KR101821096 B1 '요소수를 사용하는 질소산화물의 저감시스템'

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이에 본 발명은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 소성로 공정 가스에 직접적으로 요소수를 분무하거나, 별도의 히터를 이용하여 증발시킨 뒤 투입하는 것이 아닌, 소성로 고온 공정가스의 일부를 흡입하여 더스트를 분리한 뒤 이 가스를 이용하여 요소수를 충분한 시간동안 증발, 반응시켜 소성로 공정에 재투입 하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 소성로 고온 공정가스를 이용한 요소수 증발장치는, 소성로 일부 고온 공정가스 중의 공정 더스트를 분리하는 분급기, 상기 분급기에 연결되고 내부에서 분사된 요소수를 인입된 가스와 반응하여 증발시키며 낙출된 소성로 공정 더스트를 배출하는 배출구를 가진 증발기, 상기 증발기 내부에 설치되어 요소수를 압축공기를 이용하여 미세하게 분사하는 노즐, 상기 증발기에 연결되어 소성로 고온 공정가스의 일부를 순환시켜 증발된 요소수와 함께 소성로 공정에 투입하는 송풍기, 소성로 공정의 400~1300℃ 영역에 연결되어 고온 공정가스의 일부를 흡입하여 상기 분급기에 전달하는 흡입덕트, 상기 흡입덕트에 연결되어 인입 가스의 온도를 일정하게 유지하기 위해 대기를 유입하고 유입량을 조절할 수 있는 냉풍유닛, 상기 송풍기 후단에 연결되고 소성로 공정의 800~1050℃ 영역에 연결되어 증발된 요소수 등을 공급하는 공급덕트를 포함하여 이루어진다.

상기한 바에 의한 본 발명의 소성로 고온 공정가스를 이용한 요소수 증발장치에 따르면, 소성로 공정 가스에 직접적으로 요소수를 분무하거나, 별도의 히터를 이용하여 증발시킨 뒤 투입하는 것이 아닌, 소성로 고온 공정가스의 일부를 흡입하여 더스트를 분리한 뒤 이 가스를 이용하여 요소수를 충분한 시간동안 증발, 반응시켜 소성로 공정에 재투입 하는 장치를 제공할 수 있다.

특히, 본 발명은 별도의 점화원 및 점화장치가 필요하지 않아 설치비용 및 운영비용을 절감할 수 있으며, 기존 소성로의 질소산화물 저감장치에 비해 제거 효율이 높아지고 미반응 암모니아의 배출농도가 낮아져 요소수의 사용량 또한 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 청구항에 따르는 방법을 수행할 수 있는 장치의 실시예를 나타낸다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가용이학 실시하 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 청구항에 따른 방법을 수행할 수 있는 장치의 실시예를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 본 발명은 분급기(10), 분급기 전단에 연결된 흡입덕트(11), 흡입덕트에 연결된 냉풍유닛(12), 분급기 후단에 연결된 증발기(20), 증발기 내부로 연결된 노즐(30), 증발기 하단에 위치한 배출구(21), 증발기 후단에 연결된 송풍기(40), 송풍기 후단에 연결된 공급덕트(41)를 포함한다.

도 1은 일반적인 소성로 구조의 예시를 포함하고 있으며, 일반적으로 대기를 소성로 냉각기(100)에 유입하여 반제품과 반응시켜 고온의 공기를 형성하고 이를 소성로(200)와 소성로 고온공기 바이패스 덕트(300)로 공급한다. 이들은 각각 소성로 예열실 상승덕트(400)에 연결되어 고온의 가스를 각각 공급한다. 소성로 예열실 상승덕트(400)는 소성로 예열실 최하단 싸이클론(510), 소성로 예열실 아래서 2번째의 사이클론(520), 소성로 예열실 아래서 3번째의 사이클론(530) 순으로 연결되어 고온의 가스가 점차 원료를 가열하고 온도가 감소된 뒤 배출되게 된다.

흡입덕트(11)는 소성로 공정의 700~1300℃ 영역에 연결되어 소성로 고온 공정가스중의 일부를 흡입하게 되며, 이 때 다량의 공정 더스트가 가스중에 함유되어 있으므로 바랍직하게는 더스트 함량이 다소 적은 소성로 최하단 싸이클론(510)의 출구 직후 또는 소성로 고온공기 바이패스 덕트(300) 등에 설치한다.

흡입덕트(11)로 인입된 고온 가스는 소성로 공정 상태에 따라 온도 변화가 있을 수 있으므로, 안정된 요소수 증발 및 분해 반응을 위해 흡입덕트(11) 중에 냉풍유닛(12)을 설치하여 저온의 대기를 담파(Damper)조절로 유입하여 후단에 연결된 분급기(10)에 인입되는 고온의 가스 온도를 일정하게 유지한다.

상기 흡입덕트(11)로부터 연결된 분급기(10)로 고온의 가스를 유입시킨 후, 가스와 더스트를 분리하여 가스는 증발기(20)로 보내주고, 분리된 더스트는 포집하여 소성로 공정 예열실 상승덕트(400)로 재투입 한다. 이 때 사용되는 분급기(10)는 사이클론 타입의 정적 분급기 또는 순환팬이 있는 동적 분급기 모두 사용이 가능하다. 본 실시예에서는 사이클론 타입의 정적 분급기를 사용한 예를 표시하였다.

분급기(10)로 부터 배출된 가스는 덕트로 연결된 후단의 증발기(20)로 전달된다. 증발기(20)는 고온 가스의 체류시간을 늘리기 위해 널리 알려진 스프레이 타워처럼 덕트경을 상부에서 확장하고 하부에는 호퍼형태로 오목하게 좁아지는 형태를 취할 수 있다.

증발기(20) 내부 상단에 요소수 분사를 위한 노즐(30)을 한개 또는 그 이상의 복수개를 설치하여 요소수 펌프로부터 이송된 요소수와 고압의 압축공기를 노즐(30)에 동시에 인입하여 작은 미스트 형태로 증발기(20) 내부에 요소수를 분사한다.

증발기(20)에 유입된 소성로 고온 공정가스중에 분급기(10)에서 포집되지 못하고 증발기(20)에 유입된 소량의 더스트가 노즐(30)에서 분사된 요소수와 일부 결합하여 더스트가 하부로 일부 낙출되게 된다. 따라서 상기 증발기(20) 하단부에 배출구(21)를 설치하여 더스트 누적 시 배출구(21)에 설치된 담파(Damper) 등을 통해 하부로 누적 더스트를 배출시켜 고장을 방지한다. 이 때 담파(Damper)의 동작은 무게추를 이용한 자동 열림방식이나 일정 시간간격으로 열리고 닫히는 방식 중에 어느것을 사용하여도 무방하다.

증발기(20) 내부에서는 요소수가 미세하게 분사되어 인입된 소성로 고온 공정가스와 반응하게 되는데, 먼저 요소수 중의 물이 증발하게 되고, 이후 요소성분이 여러 중간물질을 거쳐 암모니아 가스로 분해되게 된다. 요소가 암모니아로 분해되는 온도는 일반적으로 400~500℃ 범위로 알려져 있으며, 따라서 해당 온도 범위를 증발기(20) 출구의 가스온도로 맞추어 조절하게 된다.

증발기(20) 후단에 송풍기(40)를 연결하여 소성로 고온 공정가스의 일부를 흡입한다. 이 때 상기한 증발기(20) 출구의 가스 온도를 맞추기 위해 송풍기(40)의 담파(Damper) 또는 회전속도(R.P.M)를 조절하여 가스 인입량을 조절한다.

송풍기(40) 후단에는 증발, 분해된 요소수 가스와 소성로 고온 공정가스의 일부를 재투입하는 공급덕트(41)를 연결하고, 이를 소성로 예열실 상승덕트(400)에 연결한다. 이 때 공급덕트(41)와 소성로 예열실 상승덕트(400)의 연결부는 소성로 예열실 상승덕트(400)의 800~1050℃ 영역에 연결하여 질소산화물과 환원제가 높은 효율로 반응할 수 있게 한다. 도 1의 실시예에서는 소성로 예열실 아래서 2번째의 사이클론(520)에서 포집된 원료를 소성로 예열실 상승덕트(400)에 투입하게 되는데, 공급덕트(41)의 연결부는 이 투입부의 바로 하단부에 위치하게 된다. 이것은 석회석의 분해반응이 주로 890℃까지 일어나며, 그 이상의 온도에서는 황(S) 등의 미량성분과 원료가 결합하여 석고등의 퇴적물이 증가하게 되므로, 소성로 예열실 최하단 사이클론(510)의 입구 가스 온도를 바람직하게는 890℃ 이하로 관리하여 공정을 운영하기 때문에, 소성로 예열실 아래서 2번째의 사이클론(520)에서 포집된 원료가 투입되는 시점에서 소성로 고온 공정 가스의 온도는 1050~1300℃ 에서 800~950℃ 수준으로 급격히 감소하게 되기 때문이다. 따라서 공급덕트(41)의 연결부는 온도가 급감하는 상기한 영역에 위치하도록 한다.

공급덕트(41)에서 소성로 예열실 상승덕트(400)로 투입된 증발, 분해된 요소수를 포함한 가스는 소성로(200)에서 배출되어 상승하는 고온의 공정 가스와 혼합, 반응하여 질소산화물을 환원시켜 NOx의 배출을 감소시키게 된다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10 …분급기
11 …흡입덕트
12 …냉풍유닛
20 …증발기
21 …배출구
30 …노즐
40 …송풍기
41 …공급덕트
100 …소성로 냉각기
200 …소성로
300 …소성로 고온공기 바이패스 덕트
400 …소성로 예열실 상승덕트
510 …소성로 예열실 최하단 사이클론
520 …소성로 예열실 아래서 2번째의 사이클론
530 …소성로 예열실 아래서 3번째의 사이클론

Claims (1)

1. 소성로 일부 고온 공정가스 중의 공정 더스트를 분리하는 분급기,
   상기 분급기에 연결되고 내부에서 분사된 요소수를 인입된 가스와 반응하여 증발시키며 낙출된 소성로 공정 더스트를 배출하는 배출구를 가진 증발기,
   상기 증발기 내부에 설치되어 요소수를 압축공기를 이용하여 미세하게 분사하는 노즐,
   상기 증발기에 연결되어 소성로 고온 공정가스의 일부를 순환시켜 증발된 요소수와 함께 소성로 공정에 투입하는 송풍기,
   소성로 공정의 700~1300℃ 영역에 연결되어 고온 공정가스의 일부를 흡입하여 상기 분급기에 전달하는 흡입덕트,
   상기 흡입덕트에 연결되어 인입 가스의 온도를 일정하게 유지하기 위해 대기를 유입하고 유입량을 조절할 수 있는 냉풍유닛,
   상기 송풍기 후단에 연결되고 소성로 공정의 800~1050℃ 영역에 연결되어 증발된 요소수 가스 등을 공급하는 공급덕트;
   를 포함하는 소성로 고온 공정가스를 이용한 요소수 증발장치.
   

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