KR102164999B1 - 2D Measurement of Concentration and Temperature of Fine Particle Precursor and Active Control Thereof - Google Patents
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Abstract
본원 발명은 미세먼지 전구물질 농도 및 온도의 2차원 측정 및 이의 능동제어 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 발전소 등의 대형 연소시스템의 배가스내에서 포함되어 있는 미세먼지 전구물질인 NO의 농도 및 온도를 2차원 TDLAS 방법을 사용하여 측정하고 이에 대응하여 암모니아를 분사하여 NO의 농도를 최소화하는 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a two-dimensional measurement of the concentration and temperature of fine dust precursors, and an active control method thereof. Specifically, the concentration and temperature of NO, which is a fine dust precursor, contained in the exhaust gas of a large combustion system such as a power plant, is 2 It relates to a control method of minimizing the concentration of NO by measuring using the dimensional TDLAS method and spraying ammonia in response thereto.
Description
본원 발명은 미세먼지 전구물질 농도 및 온도의 2차원 측정 및 이의 능동제어 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 발전소 등의 대형 연소시스템의 배가스내에서 포함되어 있는 미세먼지 전구물질인 NO의 농도 및 온도를 2차원 TDLAS 방법을 사용하여 측정하고 이에 대응하여 암모니아를 분사하여 NO의 농도를 최소화하는 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a two-dimensional measurement of the concentration and temperature of fine dust precursors, and an active control method thereof. Specifically, the concentration and temperature of NO, which is a fine dust precursor, contained in the exhaust gas of a large combustion system such as a power plant, is 2 It relates to a control method of minimizing the concentration of NO by measuring using the dimensional TDLAS method and spraying ammonia in response thereto.
WHO 기준으로 미세먼지와 초미세먼지는 각각 입자의 직경이 2.5㎛, 1.0㎛인 입자상 물질을 의미하며 우리나라에서는 각각 10㎛, 2.5㎛ 로 정의하고 있다.According to WHO standards, fine dust and ultrafine dust refer to particulate matter with particle diameters of 2.5㎛ and 1.0㎛, respectively, and are defined as 10㎛ and 2.5㎛ in Korea, respectively.
현재 국내 미세먼지의 원인 중 하나로 화력 발전소에서의 연소에 의한 것을 들 수 있는데 화력 발전소에서의 연소에서 생기는 미세먼지는 국내 미세 먼지 생산량의 20~30%를 차지하고 있는 것으로 파악된다.Currently, one of the causes of domestic fine dust is combustion in thermal power plants. It is believed that fine dust generated from combustion in thermal power plants accounts for 20 to 30% of the domestic fine dust production.
미세먼지 전구물질 중의 하나인 NO를 제거하기 위해서 배출단에서 암모니아를 분사하고 있다. 이론상으로 암모니아를 NO농도에 맞추어 분사하여 NO와 암모니아가 반응하여 NO가 모두 전환되어야 한다. 단면적이 넓은 배출단의 특성상 NO와 암모니아가 균일하게 혼합되지 않고, 농도의 구배에 따른 반응속도의 차이로 균일한 반응물이 생성되지 않는다. 통상적으로는 반응하지 않고 배출되는 암모니아가 없도록 NO의 최소량을 예측하여 암모니아를 분사하고 있으나, 그럼에도 불구하고 종종 미반응 암모니아가 배출되는 암모니아 슬립(Ammonia Slip) 현상이 발생한다.Ammonia is sprayed at the discharge stage to remove NO, one of the fine dust precursors. In theory, by spraying ammonia according to the NO concentration, NO and ammonia react and all NO should be converted. Due to the characteristics of the discharge stage with a wide cross-sectional area, NO and ammonia are not uniformly mixed, and a uniform reactant is not generated due to the difference in reaction rate according to the concentration gradient. Normally, ammonia is injected by predicting the minimum amount of NO so that there is no ammonia discharged without reacting, but an ammonia slip phenomenon often occurs in which unreacted ammonia is discharged.
미반응 암모니아는 후단 설비, 특히 배기가스와 연소공기 사이의 간접식 열교환 방식으로 작동되는 공기 건조기에 나쁜 영향을 미친다. 암모니아는 반응성이 좋기 때문에 공기 건조기 내에서 SOx, NOx, 애쉬(ash) 등과 만나 증착하고 유로를 막거나 부식을 일으키는 등 다양한 문제를 발생시킨다.Unreacted ammonia adversely affects downstream installations, especially air dryers operated by indirect heat exchange between the exhaust gas and the combustion air. Since ammonia has good reactivity, it meets with SO x , NO x , and ash in the air dryer and deposits, clogs the flow path, and causes various problems, such as causing corrosion.
암모니아 슬림이 발생하는 가장 큰 원인은 배가스내 NO의 불균일 분포에 있다는 점과 이에 맞추어 암모니아를 조절하여 분사하지 못한다는 점이다. 단면적이 넓은 배출단의 특성상 주변부의 유속이 낮고 혼합이 잘 일어나지 않아서 NO의 농도가 주변부가 높고 중심부는 낮다.The biggest cause of ammonia slimming is that it is in the non-uniform distribution of NO in the exhaust gas and that ammonia cannot be controlled and injected accordingly. Due to the characteristics of the discharge stage with a wide cross-sectional area, the flow rate at the periphery is low and mixing is difficult, so the concentration of NO is high at the periphery and the center is low.
CO, CO2, NOx, SOx 등 다양한 가스들의 농도를 계측하는데 있어 측정 대상의 가스를 샘플링 하지 않고, 실시간 계측이 가능한 레이저를 이용한 계측 방법이 크게 각광받고 있다. 대기환경에 영향을 미치는 가스 종들은 주로 적외선 영역에서 흡수가 이루어지는데, 여기서 적외선 영역은 근적외선(Near-infrared ray, 0.8㎛ - 1.5㎛), 중적외선(Mid-infrared ray, 1.5㎛ - 5.6㎛), 원적외선(Far-infrared ray, 5.6㎛ - 1000㎛)으로 나눌 수 있다. 중적외선에서는 분자의 흡수를 일으키는 분자의 진동이나 회전운동 모드들이 집중되어 있어, 빛의 파장을 흡수하는 분자의 특성을 이용한 DAS(Direct Absorption Spectroscopy) 계측 기법에 적용되어 측정 대상 가스의 농도나 온도를 계측하는 방법에 탁월한 효과를 나타내고 있다.In measuring the concentration of various gases such as CO, CO 2 , NO x and SO x , a measurement method using a laser capable of real-time measurement without sampling the gas to be measured is in the spotlight. Gas species affecting the atmospheric environment are mainly absorbed in the infrared region, where the infrared region is near-infrared ray (0.8㎛-1.5㎛), mid-infrared ray (1.5㎛-5.6㎛) , Far-infrared ray (5.6㎛-1000㎛) can be divided. In the mid-infrared rays, the vibration and rotational motion modes of molecules that cause the absorption of molecules are concentrated, so it is applied to the DAS (Direct Absorption Spectroscopy) measurement technique that uses the characteristics of molecules that absorb the wavelength of light to measure the concentration or temperature of the gas to be measured. It has an excellent effect on how to measure.
파장가변형 다이오드레이저 흡수분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 이하 'TDLAS')는 광원으로 파장가변형 레이저를 사용하는데, 계측 영역을 투과하기 전의 초기 레이저 강도(I0)와 계측 영역을 지나 흡수가 일어난 후의 레이저 강도(I)의 비를 비교하여 농도와 온도를 구하는 방법이다. 이는 Beer-Lambert 법칙을 근거로 한다.Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (hereinafter referred to as'TDLAS') uses a variable-wavelength laser as a light source. The initial laser intensity (I 0 ) before passing through the measurement area and after absorption through the measurement area This is a method of calculating the concentration and temperature by comparing the ratio of the laser intensity (I). It is based on the Beer-Lambert law.
도 1의 식에서 알 수 있듯이 흡수량(Tν)은 광학적 측정거리(optical path length, L)에 비례하는 것을 알 수 있다. 미세먼지 전구물질을 측정하는 환경에서 각 계측 가스의 농도가 아주 미세하다고 가정하면 계측 향상을 위한 주요 변수 값은 측정거리(L)와 온도(T)가 된다.As can be seen from the equation of FIG. 1, it can be seen that the absorption amount (T ν ) is proportional to the optical path length (L). Assuming that the concentration of each measurement gas is very fine in the environment where fine dust precursors are measured, the main variable values for measurement improvement are the measurement distance (L) and temperature (T).
특허문헌 1은 2차원 및 3차원적 가스 온도 분포 측정 방법에 관한 것으로서, 다이오드 레이저를 이용하여 1차원적으로만 측정하여 2차원 또는 3차원 측정이 불가능한 공간 내의 가스의 온도 및 농도 분포를 2차원 또는 3차원적으로 매핑하는 것을 특징으로 한다. 상기 방법은 발광부에서 발생하는 레이저를 수광부에서 수집하여 이를 정해진 수식에 의해서 연산하여 2차원 또는 3차원적으로 계산된 값을 매핑하는 것이다. 제철소의 가열로와 같은 구조물에서 가스의 온도 및 농도 분포를 측정할 수 있는 방법이다.
특허문헌 2는 광학적 온도분포 정밀계측 장치 및 방법에 관한 것으로서 파장가변형 다이오드레이저 흡수분광법을 사용하여 농도를 측정할 경우 온도에 따른 흡수도의 변이를 고려한 것이다. 온도와 농도에 따른 흡수도를 동시에 측정하여 온도에 의한 영향을 보정함으로써 정밀한 농도를 측정하기 위한 것이다.Patent Document 2 relates to an apparatus and method for precise optical temperature distribution, and considers the variation in absorbance according to temperature when the concentration is measured using a wavelength tunable diode laser absorption spectroscopy method. It is to measure the precise concentration by measuring the absorbance according to the temperature and concentration at the same time and correcting the effect of the temperature.
특허문헌 3은 이동식 가변형 다이오드 레이저 흡수 분광기를 구비한 노 내 역-반사기에 관한 것으로서, 레이저 광이 보일러 내부 외측에 배치된 피치 집광 렌즈를 포함하는 피치 광학기구를 통해 투사된다. 피치 집광렌즈는 관통구를 통해 보일러 내부로 레이저 광을 투사한다. 피치 집광 렌즈에 의해 투사된 레이저 광은 적어도 하나의 노내 역-반사기에 의해 반사되고, 보일러 내부 외측에 배치된 피치 광학 기구와 실질적으로 동일한 캐치 광학기구에 의해 수신된다. 피치 집광 렌즈는 또한 적어도 하나의 노내 역-반사기들의 또 다른 반사기를 향하도록 조종될 수 있다. 연소 특성들은 각 역-반사기에 대해 또는 노 내에서 역-반사기 영역을 기초해서 산출될 수 있다.Patent Document 3 relates to a retro-reflector in a furnace equipped with a movable variable diode laser absorption spectrometer, and the laser light is projected through a pitch optical device including a pitch condensing lens disposed inside and outside the boiler. The pitch condensing lens projects laser light into the boiler through the through hole. The laser light projected by the pitch condensing lens is reflected by at least one in-furnace retro-reflector, and is received by a catch optical device that is substantially the same as a pitch optical device disposed inside and outside the boiler. The pitch condensing lens can also be steered towards another reflector of at least one of the in-furnace retro-reflectors. Combustion characteristics can be calculated for each retro-reflector or on the basis of the retro-reflector area within the furnace.
특허문헌 4는 연소제어 및 모니터링 방법 및 장치에 관한 것으로서, 센싱장치는 각각 일정한 발진 주파수를 갖는 한 개 이상의 다이오드 레이저와, 다이오드 레이저의 출력과 광학적으로 연결되며, 또 발신측 광섬유에 광학적으로 연결되는 멀티플렉서로 구성된다. 다중화 레이저 빛은 발신측 광섬유를 통해 발신광학부로 전송된다. 발신 광학부는 연소실 또는 석탄이나 가스 화력 발전소의 보일러 등과 같은 프로세스 실과 작용적으로 연결되어 있다. 또한, 수신 광학부는 상기 프로세스 실과 작용적으로 연결되며, 상기 발신 광학부와 광학적으로 연통되고, 상기 프로세스 실을 관통하여 발사된 다중화 레이저 출력을 수신한다. 수신 광학부는 광섬유에 광학적으로 연결되어 다중화 레이저 출력을 디멀티플렉서로 전송한다. 디멀티플렉서는 레이저 빛을 역다중화하며, 선택된 발진 주파수의 빛을 검출기에 광학적으로 연결한다. 검출기는 선택된 발진 주파수 중의 하나에 민감하다.Patent Document 4 relates to a combustion control and monitoring method and apparatus, wherein the sensing device is optically connected to one or more diode lasers each having a constant oscillation frequency, the output of the diode laser, and optically connected to the transmitting optical fiber. It consists of a multiplexer. The multiplexed laser light is transmitted to the transmitting optical unit through the transmitting optical fiber. The transmission optics are operatively connected to a combustion chamber or a process chamber such as a boiler of a coal or gas fired power plant. Further, the receiving optical unit is operatively connected to the process chamber, optically communicates with the transmitting optical unit, and receives the multiplexed laser output emitted through the process chamber. The receiving optical unit is optically connected to the optical fiber and transmits the multiplexed laser output to the demultiplexer. The demultiplexer demultiplexes the laser light and optically connects the light of the selected oscillation frequency to the detector. The detector is sensitive to one of the selected oscillation frequencies.
종래의 특허문헌 1 및 2는 농도 및 온도를 측정하거나, 이를 2차원 또는 3차원으로 매핑하여 측정만 하며, 특허문헌 3은 내부에 직접적으로 반사기를 배치하고 있으나, 반사기의 오염에 다른 문제를 해결할 수 있는 방안이 제시되지 않았고, 특허문헌 4는 가스흐름을 검출하고 암모니아를 분사하는 개념에 대해서 기재하고 있을 뿐 이에 대한 구체적인 수단이 결여되어 있다.
이와 같이 종래 기술은 암모니아 슬림이 발생하는 가장 큰 원인인 배가스내 NO의 불균일 분포와 이에 맞추어 암모니아를 조절하여 분사하지 못하는 문제에 대한 구체적인 해결책을 제시하지 못하고 있다.As described above, the prior art has not been able to provide a specific solution to the problem of non-uniform distribution of NO in exhaust gas, which is the biggest cause of ammonia slimming, and inability to control and spray ammonia accordingly.
본원 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, NO를 제거하기 위해서 분사하는 암모니아에 의한 슬립을 제거하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve such a problem, and an object of the present invention is to eliminate slip caused by sprayed ammonia in order to remove NO.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본원 발명에 따른 양태는 (a) 측정대상공간을 제어부가 2차원적으로 분할하되, 2차원적으로 분할된 공간이 n2개의 상호 등면적을 갖도록 분할하는 단계;An aspect according to the present invention for solving the above problem includes the steps of: (a) dividing the space to be measured two-dimensionally by the control unit, and dividing the two-dimensionally divided spaces to have n two equal areas;
(b) 상기 분할된 측정대상공간들 중 발광 측 최외곽에 위치된 분할 공간들(A1, A4, A7)의 발광점에서 수광 측 최외곽에 위치된 분할 공간들(A3, A6, A9)의 수광점을 향해 1:n으로 대응되게 레이저광을 발광시켜 수광부에서 흡수신호를 검출하는 단계;(b) Among the divided measurement target spaces, the divided spaces A 3 and A located at the outermost side of the light receiving side from the emission point of the divided spaces A 1 , A 4 and A 7 located at the outermost side of the light emitting side 6 , A 9 ) detecting an absorption signal at the light receiving unit by emitting laser light corresponding to 1:n toward the light receiving point;
(c) 상기 수광부에서 검출된 흡수신호에 기초하여 제어부가 직접 흡수 분광 기법으로 n2개의 흡광도의 넓이를 연산하는 단계;(c) calculating, by the control unit, an area of n 2 absorbances based on the absorption signal detected by the light receiving unit using a direct absorption spectroscopy technique;
(d) 상기 연산된 흡광도의 넓이에 기초하여 제어부가 분할된 측정대상공간의 구간별로 레이저광의 n2개의 제1선 강도 변화(ai=S1(Ti)Xi)를, (d) based on the calculated absorbance area, the control unit calculates n 2 first line intensity changes (a i =S 1 (T i )X i ) of the laser light for each section of the divided measurement target space,
(Asi: 광 투과 경로별 흡광도의 넓이, P : 측정대상공간 내에서의 압력, Xabs : 몰분율)의 함수식으로부터 연산하는 단계; 및(A si : area of absorbance for each light transmission path, P: pressure in the measurement target space, X abs : mole fraction) calculating from a functional formula; And
(e) 상기 제1선 강도 변화(ai=S1(Ti)Xi)와, (a) 단계부터 (d) 단계까지 수행하여 연산 처리된 다른 파장 대역의 제2선 강도 변화(bi=S2(Ti)Xi)를 가지고 제어부가 상기 분할된 측정대상공간의 구간별 온도를, 
(f) 상기 매핑된 2차원적 온도 분포에 기초하여 제어부가 상기 분할된 측정대상공간의 구간별 측정대상가스의 몰분율(mole fraction)을 산출하여 2차원적 농도 분포를 매핑하는 단계;(f) mapping a two-dimensional concentration distribution by calculating, by a controller, a mole fraction of a measurement target gas for each section of the divided measurement target space based on the mapped two-dimensional temperature distribution;
(g) (f) 단계에서 산출된 농도 분포에 대응하여 상기 분할된 각각의 측정대상공간에 가장 근접한 배출부를 통해서 환원제를 배출하는 단계;(g) discharging the reducing agent through a discharge unit closest to each of the divided measurement target spaces in response to the concentration distribution calculated in step (f);
를 포함하는 미세먼지 전구물질의 농도를 최소화하는 방법을 제공한다.It provides a method of minimizing the concentration of fine dust precursors comprising a.
상기 측정대상공간은 구체적으로 발전소 연소, 보일러 연소, 선박 엔진의 작동, 대형 육상 운송 장치 엔진의 작동에 의해서 발생하는 질소산화물이 배출되는 공간이다. 이때, 상기 질소산화물은 NO이며, 상기 환원제는 암모니아이고, 상기 배출부 및 상기 배출은 각각 노즐 및 분사일 수 있다.The measurement target space is a space in which nitrogen oxides generated by combustion of a power plant, combustion of a boiler, operation of a ship engine, and operation of an engine of a large land transport system are specifically discharged. In this case, the nitrogen oxide is NO, the reducing agent is ammonia, and the discharge unit and the discharge may be nozzles and sprays, respectively.
또한, 상기 질소산화물이 NO인 경우, 하기 반응식 1과 같은 선택적 환원반응에 의해서 질소산화물을 제거하기 위해서 환원제로서 암모니아만을 공급하고,In addition, when the nitrogen oxide is NO, only ammonia is supplied as a reducing agent in order to remove the nitrogen oxide by a selective reduction reaction as shown in
상기 질소산화물이 NO2인 경우, 하기 반응식 2와 같은 선택적 환원반응에 의해서 질소산화물을 제거하기 위해서 환원제로서 암모니아와 탄화수소를 같이 공급하며,When the nitrogen oxide is NO 2 , ammonia and a hydrocarbon are supplied together as a reducing agent in order to remove the nitrogen oxide by a selective reduction reaction as shown in Reaction Formula 2 below,
상기 질소산화물이 NO 및 NO2인 경우, 하기 반응식 1 및 2와 같은 비선택적 환원반응에 의해서 질소산화물을 제거하기 위해서 환원제로서 암모니아와 탄화수소를 같이 공급한다.When the nitrogen oxides are NO and NO 2 , ammonia and hydrocarbons are supplied together as a reducing agent in order to remove the nitrogen oxides by non-selective reduction reactions as shown in
NH3 + NO + O2 ↔ N2 + H2O (1)NH 3 + NO + O 2 ↔ N 2 + H 2 O (1)
N2O + CH4 + NH3 + O2 ↔ CO2 + N2 + H2O (2)N 2 O + CH 4 + NH 3 + O 2 ↔ CO 2 + N 2 + H 2 O (2)
상기 (g) 단계의 상기 배출부는 상기 (a) 단계에서 2차원적으로 분할된 등면적에 각각 1개 이상이 대응되는 것이 바람직하다.It is preferable that at least one of the discharge units in the step (g) correspond to the equal area divided in two dimensions in the step (a).
상기 (g) 단계의 상기 배출부가 상기 측정대상공간의 외주변을 따라 배치되었을 경우, 상기 배출부에서 배출되는 환원제는 상기 측정대상공간의 중심부를 향하며, 각각의 배출부에서 배출되는 환원제의 양은 상기 (a) 단계에서 2차원적으로 분할된 등면적에 대응하는 농도 분포의 합에 해당한다.When the discharge part in step (g) is arranged along the outer periphery of the measurement target space, the reducing agent discharged from the discharge part faces the center of the measurement target space, and the amount of the reducing agent discharged from each discharge part is the It corresponds to the sum of the concentration distributions corresponding to the iso-area divided two-dimensionally in step (a).
상기 레이저는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)이며, 상기 배출부는 (a) 단계에서 2차원적으로 분할된 등면적의 후단에 배치되는 것이 바람직히다.The laser is a Tunable Diode Laser or a Distributed Feedback laser, and the discharge part is preferably disposed at the rear end of the iso-area divided two-dimensionally in step (a).
환원제의 의한 제거효과를 확인하기 위해서 상기 배출부의 후단에 상기 (a) 단계 내지 (f) 단계를 다시 수행하여 상기 측정대상가스의 2차원적 농도 분포를 다시 매핑하는 단계를 추가할 수 있다. 또한 상기 측정대상가스의 2차원적 농도 분포를 다시 매핑한 결과에 대응하여 상기 배출부를 통해서 배출되는 환원제의 양을 피드백 조절할 수 있다.In order to check the removal effect of the reducing agent, a step of re-mapping the two-dimensional concentration distribution of the measurement target gas may be added by performing steps (a) to (f) again at the rear end of the discharge unit. In addition, in response to a result of re-mapping the two-dimensional concentration distribution of the gas to be measured, the amount of the reducing agent discharged through the discharge unit may be adjusted in feedback.
본원 발명은 배관내에 질소산화물의 농도를 직접 측정하고 이를 대응하여, 매우 정밀하게 환원제를 분사함으로써, 종래와 달리 질소산화물을 거의 완벽하게 제거할 수 있으며, 특히 미반응 암모니아의 배출로 인한 암모니아 슬립이라는 문제를 원천적으로 제거할 수 있는 장점이 있다.The present invention directly measures the concentration of nitrogen oxide in the pipe and responds to it, and by spraying a reducing agent very precisely, it is possible to remove nitrogen oxide almost completely unlike the conventional one. In particular, the ammonia slip caused by the discharge of unreacted ammonia. There is an advantage that can fundamentally eliminate the problem.
본원 발명에 따른 농도 측정 장치는 종래의 노즐을 통한 환원제 분사장치의 변경 없이 바로 적용할 수 있다는 장점이 있다. 종래의 농도 측정에 따른 오차를 현저하게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 이를 통해서 암모니아 슬립이라는 문제를 원천적으로 제거할 수 있다.The concentration measuring device according to the present invention has the advantage that it can be applied directly without changing the reducing agent injection device through a conventional nozzle. The error caused by the conventional concentration measurement can be significantly reduced, and through this, the problem of ammonia slip can be fundamentally eliminated.
또한, 질소산화물의 종류에 따라서 다른 환원제를 투입함으로써, 다양한 질소산화물에 대응할 수 있다.In addition, by introducing different reducing agents according to the type of nitrogen oxide, it is possible to respond to various nitrogen oxides.
도 1은 통상적인 TDLAS에 사용되는 흡광도에 관한 일반적인 개략도이다.
도 2는 통상적인 발전소 등에 사용되는 배출단의 개략도이다.
도 3는 본원 발명에 따른 2차원 농도 분포 결과의 예상도이다.
도 4은 본원 발명에 따른 미세먼지 전구물질의 농도를 최소화하는 방법에 대한 순서도이다.1 is a general schematic diagram of absorbance used in a typical TDLAS.
2 is a schematic diagram of a discharge stage used in a conventional power plant.
3 is a predicted diagram of a two-dimensional concentration distribution result according to the present invention.
4 is a flow chart for a method of minimizing the concentration of a fine dust precursor according to the present invention.
본원 발명에 따른 질소산화물 처리장치는 연소 또는 엔진의 작동에 의해서 배출되는 유체의 배기유로 등에서 NO의 농도를 직접 측정하여 실시간으로 제거액을 분사하는 질소산화물 처리장치에 관한 것이다. 종래의 장치는 부정확한 농도에 기반하고 부정확한 위치에서 부정확한 암모니아를 분사하고 있지만, 본원 발명에 따른 방법은 2차원적 농도 분포에 대응하여 다수의 노즐을 구비하고 이에 대응하여 정확한 양의 환원제를 투입할 수 있는 방법에 관한 것이다.The nitrogen oxide treatment apparatus according to the present invention relates to a nitrogen oxide treatment apparatus that directly measures the concentration of NO in an exhaust passage of a fluid discharged by combustion or operation of an engine and injects a removal liquid in real time. Conventional devices are based on an incorrect concentration and inject incorrect ammonia at an incorrect location, but the method according to the present invention has a plurality of nozzles corresponding to a two-dimensional concentration distribution, and a correct amount of reducing agent is provided in response thereto. It's about how you can put it in.
도 2는 통상적인 발전소 등에 사용되는 배출단의 개략도이다. 배출단(100)은 연소부(110)에서 연소된 유체가 배관을 따라서 외부로 배출되면서 유체에 포함된 질소산화물 등을 처리한다. 도 2에서 점선은 배출되는 유체의 흐름을 가상적으로 나타낸 것으로서 도 1의 처리부(120)에서 레이저 광을 조사하여 내부 온도 또는 농도의 구배를 측정하는 자세한 방법은 특허문헌 1에 기재된바 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.2 is a schematic diagram of a discharge stage used in a conventional power plant. The
다만 본원 발명은 그 적용대상이 발전소 연소, 보일러 연소, 선박 엔진의 작동, 대형 육상 운송 장치 엔진의 작동에 의해서 발생하는 질소산화물이 배출되는 공간으로서 통상적으로 말하는 거대 굴뚝에 해당한다.However, the present invention corresponds to a giant chimney generally referred to as a space in which nitrogen oxides generated by combustion of a power plant, combustion of a boiler, operation of a ship engine, and operation of a large land transport engine are discharged.
일반적으로 단면이 사각형인 배관의 외주면을 따라 레이저 광원 또는 검출부를 배치하여 레이저 내부 배관을 통과한 레이저 광을 검출하였고 각각의 2차원에 교차 검출되는 레이저 흡수 정도를 연산을 통해서 온도와 농도의 구배를 도3과 같이 도출한다. 특허문헌 4는 측정과 암모니아 분사에 대한 개념을 제시하고 있으나, 본원 발명과 같은 구체적인 해결책은 제시를 하지 못하고 있다.In general, a laser light source or detector is placed along the outer circumferential surface of a pipe with a square cross section to detect the laser light that has passed through the internal laser pipe, and the gradient of temperature and concentration is calculated through calculation of the degree of laser absorption that is cross-detected in each two dimensions. It is derived as shown in Figure 3. Patent Document 4 proposes the concept of measurement and ammonia injection, but does not present a specific solution such as the present invention.
특허문헌 2는 내부의 농도를 직접적으로 측정할 수 없다는 단점이 있으며, 내부 농도를 측정하더라도 이를 직접적으로 제어할 수 있는 수단이 결여되어 있다.Patent Document 2 has a disadvantage in that it cannot directly measure the internal concentration, and lacks a means to directly control it even if the internal concentration is measured.
도 4는 본원 발명의 일실시예로서 미세먼지 전구물질의 농도를 최소화하는 방법에 대한 순서도이다. 본원 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본원 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본원 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.Figure 4 is a flow chart for a method of minimizing the concentration of a precursor fine dust as an embodiment of the present invention. It will be described with reference to the drawings according to the embodiments of the present invention, but this is for easier understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
본원 발명에 따른 질소산화물 처리장치는 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 연소 또는 엔진의 작동에 의해서 배출되는 질소산화물을 제거하기 위한 배관내 미세먼지 전구물질인 질소산화물 처리방법에 있어서,The nitrogen oxide treatment apparatus according to the present invention is to solve the above problems, in the nitrogen oxide treatment method, which is a precursor of fine dust in a pipe for removing nitrogen oxide discharged by combustion or operation of an engine,
(a) 측정대상공간을 제어부가 2차원적으로 분할하되, 2차원적으로 분할된 공간이 n2개의 상호 등면적을 갖도록 분할하는 단계;(a) dividing the measurement target space two-dimensionally by the control unit, but dividing the two-dimensionally divided spaces to have n two equal areas;
(b) 상기 분할된 측정대상공간들 중 발광 측 최외곽에 위치된 분할 공간들(A1, A4, A7)의 발광점에서 수광 측 최외곽에 위치된 분할 공간들(A3, A6, A9)의 수광점을 향해 1:n으로 대응되게 레이저광을 발광시켜 수광부에서 흡수신호를 검출하는 단계;(b) Among the divided measurement target spaces, the divided spaces A 3 and A located at the outermost side of the light receiving side from the emission point of the divided spaces A 1 , A 4 and A 7 located at the outermost side of the light emitting side 6 , A 9 ) detecting an absorption signal at the light receiving unit by emitting laser light corresponding to 1:n toward the light receiving point;
(c) 상기 수광부에서 검출된 흡수신호에 기초하여 제어부가 직접 흡수 분광 기법으로 n2개의 흡광도의 넓이를 연산하는 단계;(c) calculating, by the control unit, an area of n 2 absorbances based on the absorption signal detected by the light receiving unit using a direct absorption spectroscopy technique;
(d) 상기 연산된 흡광도의 넓이에 기초하여 제어부가 분할된 측정대상공간의 구간별로 레이저광의 n2개의 제1선 강도 변화(ai=S1(Ti)Xi)를, (d) based on the calculated absorbance area, the control unit calculates n 2 first line intensity changes (a i =S 1 (T i )X i ) of the laser light for each section of the divided measurement target space,
(Asi : 광 투과 경로별 흡광도의 넓이, P : 측정대상공간 내에서의 압력, Xabs : 몰분율)의 함수식으로부터 연산하는 단계; 및(A si : area of absorbance for each light transmission path, P: pressure in the measurement target space, X abs : mole fraction) calculating from a functional formula; And
(e) 상기 제1선 강도 변화(ai=S1(Ti)Xi)와, (a) 단계부터 (d) 단계까지 수행하여 연산 처리된 다른 파장 대역의 제2선 강도 변화(bi=S2(Ti)Xi)를 가지고 제어부가 상기 분할된 측정대상공간의 구간별 온도를, 
(f) 상기 매핑된 2차원적 온도 분포에 기초하여 제어부가 상기 분할된 측정대상공간의 구간별 측정대상가스의 몰분율(mole fraction)을 산출하여 2차원적 농도 분포를 매핑하는 단계;(f) mapping a two-dimensional concentration distribution by calculating, by a controller, a mole fraction of a measurement target gas for each section of the divided measurement target space based on the mapped two-dimensional temperature distribution;
(g) (f) 단계에서 산출된 농도 분포에 대응하여 상기 분할된 각각의 측정대상공간에 가장 근접한 배출부를 통해서 환원제를 배출하는 단계;(g) discharging the reducing agent through a discharge unit closest to each of the divided measurement target spaces in response to the concentration distribution calculated in step (f);
를 포함하는 미세먼지 전구물질의 농도를 최소화하는 방법을 제공한다.It provides a method of minimizing the concentration of fine dust precursors comprising a.
상기 측정대상공간은 구체적으로 발전소 연소, 보일러 연소, 선박 엔진의 작동, 대형 육상 운송 장치 엔진의 작동에 의해서 발생하는 질소산화물이 배출되는 공간이다. 이때, 상기 질소산화물은 NO이며, 상기 환원제는 암모니아이고, 상기 배출부 및 상기 배출은 각각 노즐 및 분사일 수 있다.The measurement target space is a space in which nitrogen oxides generated by combustion of a power plant, combustion of a boiler, operation of a ship engine, and operation of an engine of a large land transport system are specifically discharged. In this case, the nitrogen oxide is NO, the reducing agent is ammonia, and the discharge unit and the discharge may be nozzles and sprays, respectively.
반응식 1 및 반응식 2가 동시에 진행되는 비선택적 환원반응에 의해서 질소산화물을 제거할 수도 있고, 하기 반응식 1에 의해서만 진행되는 선택적 환원반응에 의해서 질소산화물을 제거할 수 있다.Nitrogen oxides may be removed by a non-selective reduction reaction in which
NH3 + NO + O2 ↔ N2 + H2O (1)NH 3 + NO + O 2 ↔ N 2 + H 2 O (1)
N2O + CH4 + NH3 + O2 ↔ CO2 + N2 + H2O (2)N 2 O + CH 4 + NH 3 + O 2 ↔ CO 2 + N 2 + H 2 O (2)
비선택적 환원반응은 상기 환원제(암모니아), LNG(액화천연기체), 청정 건조 공기(CDA)가 질소산화물과 반응하여 질소산화물을 분해하는 과정이며, 선택적 환원반응은 상기 환원제가 질소산화물과 반응하여 질소산화물을 분해하는 과정이다.Non-selective reduction reaction is a process in which the reducing agent (ammonia), LNG (liquefied natural gas), and clean dry air (CDA) react with nitrogen oxides to decompose nitrogen oxides, and in the selective reduction reaction, the reducing agent reacts with nitrogen oxides. It is the process of decomposing nitrogen oxides.
TDLAS는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser)를 이용한 계측시스템으로서 최근 들어서 실시간 계측 시스템 중 많은 관심을 받고 있다. TDLAS 관련 구성 및 TDLAS 자체에 대한 기술적 사항은 특허문헌 1 및 2에 기재된바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.TDLAS is a measurement system using a tunable diode laser, which has recently attracted much attention among real-time measurement systems. TDLAS-related configurations and technical matters for TDLAS itself are described in
상기 분사기(322)는 상기 프로세서부에 의해 분석된 질소산화물의 농도에 대응하여 제거액의 분사를 조절하는 노즐형태이다.The injector 322 is in the form of a nozzle that controls spraying of the removal liquid in response to the concentration of nitrogen oxide analyzed by the processor unit.
상기 (g) 단계의 상기 배출부가 상기 측정대상공간의 외주변을 따라 배치되었을 경우, 상기 배출부에서 배출되는 환원제는 상기 측정대상공간의 중심부를 향하며, 각각의 배출부에서 배출되는 환원제의 양은 상기 (a) 단계에서 2차원적으로 분할된 등면적에 대응하는 농도 분포의 합에 해당한다.When the discharge part in step (g) is arranged along the outer periphery of the measurement target space, the reducing agent discharged from the discharge part faces the center of the measurement target space, and the amount of the reducing agent discharged from each discharge part is the It corresponds to the sum of the concentration distributions corresponding to the iso-area divided two-dimensionally in step (a).
상기 레이저는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)이며, 상기 배출부는 (a) 단계에서 2차원적으로 분할된 등면적의 후단에 배치되는 것이 바람직히다.The laser is a Tunable Diode Laser or a Distributed Feedback laser, and the discharge part is preferably disposed at the rear end of the iso-area divided two-dimensionally in step (a).
환원제의 의한 제거효과를 확인하기 위해서 상기 배출부의 후단에 상기 (a) 단계 내지 (f) 단계를 다시 수행하여 상기 측정대상가스의 2차원적 농도 분포를 다시 매핑하는 단계를 추가할 수 있다. 또한 상기 측정대상가스의 2차원적 농도 분포를 다시 매핑한 결과에 대응하여 상기 배출부를 통해서 배출되는 환원제의 양을 피드백 조절할 수 있다.In order to check the removal effect of the reducing agent, a step of re-mapping the two-dimensional concentration distribution of the measurement target gas may be added by performing steps (a) to (f) again at the rear end of the discharge unit. In addition, in response to a result of re-mapping the two-dimensional concentration distribution of the gas to be measured, the amount of the reducing agent discharged through the discharge unit may be adjusted in feedback.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.Those of ordinary skill in the field to which the present invention belongs will be able to perform various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.
100 배출단
110 연소부
120 처리부 및 광원부
130 제2처리부 및 제2광원부
210 레이저 광원 또는 검출부
220 계산에 의한 농도 또는 온도 구배100 discharge stage
110 Combustion
120 processing unit and light source unit
130 Second processing unit and second light source unit
210 laser light source or detector
220 Concentration or temperature gradient by calculation
Claims (10)
(b) 상기 분할된 측정대상공간들 중 발광 측 최외곽에 위치된 분할 공간들(A1, A4, A7)의 발광점에서 수광 측 최외곽에 위치된 분할 공간들(A3, A6, A9)의 수광점을 향해 1:n으로 대응되게 레이저광을 발광시켜 수광부에서 흡수신호를 검출하는 단계;
(c) 상기 수광부에서 검출된 흡수신호에 기초하여 제어부가 직접 흡수 분광 기법으로 n2개의 흡광도의 넓이를 연산하는 단계;
(d) 상기 연산된 흡광도의 넓이에 기초하여 제어부가 분할된 측정대상공간의 구간별로 레이저광의 n2개의 제1선 강도 변화(ai=S1(Ti)Xi)를,
(Asi : 광 투과 경로별 흡광도의 넓이, P : 측정대상공간 내에서의 압력, Xabs : 몰분율)의 함수식으로부터 연산하는 단계; 및
(e) 상기 제1선 강도 변화(ai=S1(Ti)Xi)와, (a) 단계부터 (d) 단계까지 수행하여 연산 처리된 다른 파장 대역의 제2선 강도 변화(bi=S2(Ti)Xi)를 가지고 제어부가 상기 분할된 측정대상공간의 구간별 온도를,
(f) 상기 매핑된 2차원적 온도 분포에 기초하여 제어부가 상기 분할된 측정대상공간의 구간별 측정대상가스의 몰분율(mole fraction)을 산출하여 2차원적 농도 분포를 매핑하는 단계;
(g) (f) 단계에서 산출된 농도 분포에 대응하여 상기 분할된 각각의 측정대상공간에 가장 근접한 배출부를 통해서 환원제를 배출하는 단계;
를 포함하는 미세먼지 전구물질의 농도를 최소화하는 방법.(a) dividing the measurement target space two-dimensionally by the control unit, but dividing the two-dimensionally divided spaces to have n two equal areas;
(b) Among the divided measurement target spaces, the divided spaces A 3 and A located at the outermost side of the light receiving side from the emission point of the divided spaces A 1 , A 4 and A 7 located at the outermost side of the light emitting side 6 , A 9 ) detecting an absorption signal at the light receiving unit by emitting laser light corresponding to 1:n toward the light receiving point;
(c) calculating, by the control unit, an area of n 2 absorbances based on the absorption signal detected by the light receiving unit using a direct absorption spectroscopy technique;
(d) based on the calculated absorbance area, the control unit calculates n 2 first line intensity changes (a i =S 1 (T i )X i ) of the laser light for each section of the divided measurement target space,
(A si : area of absorbance for each light transmission path, P: pressure in the measurement target space, X abs : mole fraction) calculating from a functional formula; And
(e) the first line intensity change (a i =S 1 (T i )X i ) and the second line intensity change in another wavelength band computed and processed from steps (a) to (d) (b With i = S 2 (T i )X i ), the control unit calculates the temperature for each section of the divided measurement target space,
(f) mapping a two-dimensional concentration distribution by calculating, by a controller, a mole fraction of a measurement target gas for each section of the divided measurement target space based on the mapped two-dimensional temperature distribution;
(g) discharging the reducing agent through a discharge unit closest to each of the divided measurement target spaces in response to the concentration distribution calculated in step (f);
A method for minimizing the concentration of fine dust precursors comprising a.
상기 측정대상공간은 발전소 연소, 보일러 연소, 선박 엔진의 작동, 대형 육상 운송 장치 엔진의 작동에 의해서 발생하는 질소산화물이 배출되는 공간인 미세먼지 전구물질의 농도를 최소화하는 방법.The method of claim 1,
The measurement target space is a space in which nitrogen oxides generated by power plant combustion, boiler combustion, operation of a ship engine, and operation of a large-scale land transport engine are discharged, a method of minimizing the concentration of fine dust precursors.
상기 질소산화물은 NO이며, 상기 환원제는 암모니아이고, 상기 배출부 및 상기 배출은 각각 노즐 및 분사인 미세먼지 전구물질의 농도를 최소화하는 방법.The method of claim 2,
The nitrogen oxide is NO, the reducing agent is ammonia, and the discharge unit and the discharge are nozzles and sprays, respectively.
상기 질소산화물이 NO인 경우, 하기 반응식 1과 같은 선택적 환원반응에 의해서 질소산화물을 제거하기 위해서 환원제로서 암모니아만을 공급하고,
상기 질소산화물이 NO2인 경우, 하기 반응식 2와 같은 선택적 환원반응에 의해서 질소산화물을 제거하기 위해서 환원제로서 암모니아와 탄화수소를 같이 공급하며,
상기 질소산화물이 NO 및 NO2인 경우, 하기 반응식 1 및 2와 같은 비선택적 환원반응에 의해서 질소산화물을 제거하기 위해서 환원제로서 암모니아와 탄화수소를 같이 공급하는 미세먼지 전구물질의 농도를 최소화하는 방법.
NH3 + NO + O2 ↔ N2 + H2O (1)
N2O + CH4 + NH3 + O2 ↔ CO2 + N2 + H2O (2)The method of claim 2,
When the nitrogen oxide is NO, only ammonia is supplied as a reducing agent in order to remove the nitrogen oxide by a selective reduction reaction as shown in Reaction Formula 1 below,
When the nitrogen oxide is NO 2 , ammonia and a hydrocarbon are supplied together as a reducing agent in order to remove the nitrogen oxide by a selective reduction reaction as shown in Reaction Formula 2 below,
When the nitrogen oxides are NO and NO 2 , a method of minimizing the concentration of fine dust precursors by supplying ammonia and hydrocarbons as a reducing agent in order to remove nitrogen oxides by non-selective reduction reactions as shown in Schemes 1 and 2 below.
NH 3 + NO + O 2 ↔ N 2 + H 2 O (1)
N 2 O + CH 4 + NH 3 + O 2 ↔ CO 2 + N 2 + H 2 O (2)
상기 (g) 단계의 상기 배출부는 상기 (a) 단계에서 2차원적으로 분할된 등면적에 각각 1개 이상이 대응되어 배치되는 미세먼지 전구물질의 농도를 최소화하는 방법.The method of claim 1,
The method for minimizing the concentration of fine dust precursors, wherein at least one of the discharge units in the step (g) corresponds to each of the two-dimensionally divided equal areas in the step (a).
상기 (g) 단계의 상기 배출부가 상기 측정대상공간의 외주변을 따라 배치되었을 경우, 상기 배출부에서 배출되는 환원제는 상기 측정대상공간의 중심부를 향하며, 각각의 배출부에서 배출되는 환원제의 양은 상기 (a) 단계에서 2차원적으로 분할된 등면적에 대응하는 농도 분포의 합에 해당하는 미세먼지 전구물질의 농도를 최소화하는 방법.The method of claim 1,
When the discharge part in step (g) is arranged along the outer periphery of the measurement target space, the reducing agent discharged from the discharge part faces the center of the measurement target space, and the amount of the reducing agent discharged from each discharge part is the A method of minimizing the concentration of fine dust precursors corresponding to the sum of the concentration distributions corresponding to the iso-area divided in two dimensions in step (a).
상기 레이저는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)인 미세먼지 전구물질의 농도를 최소화하는 방법.The method of claim 1,
The laser is a tunable diode laser or a distributed feedback laser, a method of minimizing the concentration of fine dust precursors.
상기 배출부는 (a) 단계에서 2차원적으로 분할된 등면적의 후단에 배치되는 미세먼지 전구물질의 농도를 최소화하는 방법.The method of claim 1,
The discharge unit is a method for minimizing the concentration of fine dust precursors disposed at the rear end of the equal area divided in two dimensions in step (a).
상기 배출부의 후단에 상기 (a) 단계 내지 (f) 단계를 다시 수행하여 상기 측정대상가스의 2차원적 농도 분포를 다시 매핑하는 단계를 추가하는 미세먼지 전구물질의 농도를 최소화하는 방법.The method of claim 8,
A method for minimizing the concentration of fine dust precursors by adding a step of re-mapping the two-dimensional concentration distribution of the measurement target gas by performing the steps (a) to (f) again at the rear end of the discharge unit.
상기 측정대상가스의 2차원적 농도 분포를 다시 매핑한 결과에 대응하여 상기 배출부를 통해서 배출되는 환원제의 양을 피드백 조절하는 미세먼지 전구물질의 농도를 최소화하는 방법.The method of claim 9,
A method of minimizing the concentration of fine dust precursors for feedback-controlling the amount of reducing agent discharged through the discharge unit in response to a result of re-mapping the two-dimensional concentration distribution of the measurement target gas.
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