KR102182472B1 - 암모니아 생성 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR102182472B1
KR102182472B1 KR1020200056395A KR20200056395A KR102182472B1 KR 102182472 B1 KR102182472 B1 KR 102182472B1 KR 1020200056395 A KR1020200056395 A KR 1020200056395A KR 20200056395 A KR20200056395 A KR 20200056395A KR 102182472 B1 KR102182472 B1 KR 102182472B1
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권찬용
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(주)성산기업
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    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01C—AMMONIA; CYANOGEN; COMPOUNDS THEREOF
    • C01C1/00—Ammonia; Compounds thereof
    • C01C1/02—Preparation, purification or separation of ammonia
    • C01C1/08—Preparation of ammonia from nitrogenous organic substances
    • C01C1/086—Preparation of ammonia from nitrogenous organic substances from urea

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Abstract

본 발명은 요소수를 이용한 암모니아 생성 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 요소수와 열원의 투입량 대비 암모니아의 생성 유량을 확인하고, 요구량 조건에 맞도록 시스템을 제어함으로써 효율적으로 암모니아를 생성할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

암모니아 생성 시스템 및 방법 {Ammonia Generating System and Process}
본 기재는 요소수의 가수분해 반응을 통한 암모니아 생성 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 및 발전소의 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)은 대기오염의 주요 원인으로 지목되고 있으며, 질소산화물의 배출을 줄이기 위해 선택적 촉매환원(SCR, Selective Catalytic Reduction)을 적용한 배기가스 후처리용 촉매장치가 사용되고 있다.
선택적 촉매환원 방식은, SCR 촉매 상에서 질소산화물(NOx)을 암모니아(NH3)와 반응시켜 인체에 무해한 N2 및 H2O로 변환(아래의 식(1)과 식(2) 참조)시킴으로써 질소산화물을 제거할 수 있다.
4NO + 4NH3+ O2 → 4N2 + 6H2O (1)
2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O (2)
그러나, 고농도의 암모니아수는 폭발 및 부식의 위험성이 있어 이동 운반 및 저장시 안전상 취약한 문제점을 가지고 있기 때문에, 이러한 문제점을 해결하기 위해 암모니아 공급을 위한 전구체(precursor)로 요소수(urea solution)을 이용하고 있다.
요소수를 암모니아로 전환하기 위해서는 고온의 분위기가 요구되며, 요소수는 아래의 식(3)의 열분해와 (4)의 가수분해를 통해 암모니아로 전환된다.
CO(NH2)2 → NH3 + HNCO (3)
HNCO + H2O → NH3 + CO2 (4)
이와 관련하여, 도 1에는 종래의 암모니아 생성 시스템의 블록도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 암모니아 생성 시스템(1)은, 하우징(10), 요소수 공급부(20), 열원 공급부(30), 전열부(40), 배출관(50), 히팅 케이블(60)과 제어부(70)를 포함한다.
하우징(10)에는 요소수 공급부(20)로부터 공급받은 요소수(U)가 저장되며, 하우징(10)의 내부에 삽입 설치된 전열부(40)는 열원 공급부(30)로부터 공급받은 열을 이용하여 요소수와 열교환하며, 이를 통해 요소수를 가열하여 암모니아 가스(NH3)를 생성한다. 이러한 암모니아 생성을 위한 각 구성부의 작동은 제어부(70)에 의해 조절된다.
먼저, 가열과정에서 요소수(U)는 하우징 내에서 일정 수위를 유지해야 하는데, 이를 위해 종래에는 하우징(10)에 직접 부착된 레벨센서(16)를 통해 요소수의 수위(h)를 감지하였다.
그러나, 요소수의 가수분해 과정에서 하우징(10) 내부에는 고온 기체 상태의 암모니아 가스로 인해 레벨센서(16)가 진동하는 헌팅(hunting) 현상이 발생하였으며, 요소수 수위(h)를 정확하게 감지하기 어려운 문제점이 존재하였다.
또한, 종래에는 암모니아 가스가 배출되는 배출관(50)에는 압력센서(P)와 온도센서(T)가 설치되어 배출관(50)을 따라 흐르는 암모니아 가스의 압력과 온도 만을 확인할 수 있을 뿐, 암모니아 가스의 유량을 확인하기 어려웠다. 이에 따라, 암모니아 생성량에 따른 요소수나 열원의 공급량을 조절하기 어려워 생산량을 정밀하게 조절하기 어려운 문제점이 존재하였다.
한편, 암모니아 가스가 배출될 때, 배출관(50)의 온도가 일정 온도 이하로 낮아지면 결정화되는 성질을 가지고 있다. 이러한 결정화 현상은 시스템 운전 중일 경우에는 암모니아 가스 자체가 고온 상태로 유지되기 때문에 문제되지 않으나, 시스템 운전 중단 시에는 아래와 같은 문제가 발생하게 된다.
일 예로서, 시스템 운전이 중단되면 열원이 공급되지 않더라도 일정량의 요소수가 채워진 하우징(10)에서는 잠열로 인해 생성된 암모니아 가스가 배출관(50)을 따라 흐르게 된다. 이때, 시스템 운전 중일 경우와는 달리, 암모니아 가스가 고온 상태로 유지되지 못해 배출관(50) 내부의 온도가 낮아져 암모니아 결정화 현상이 발생하게 되며, 이를 방지하기 위해 배출관(50)의 외면을 히팅 케이블(60)로 복수 회 둘러감고, 히팅 케이블(60)의 열을 이용하여 배출관(50) 내부의 온도를 유지시켜 왔다.
그러나, 이러한 히팅 케이블(60) 방식은, 배출관(50) 내부의 온도를 일정 온도(약 120℃) 이상으로 유지시키지 못하였으며, 이에 따라 결정화된 암모니아가 배출관(50)의 내벽에 침착되고, 시스템의 재가동시 침착된 암모니아 결정을 제거하는 작업을 수행하여야 했으므로, 생산 효율성이 떨어지는 문제점이 존재하였다.
본 발명의 일 측면은, 암모니아 가스의 생성 유량을 확인하고 암모니아 가스의 생산량에 따라 투입되는 요소수량, 열원 공급량을 조절함으로써, 불필요한 투입량을 줄여 효율적인 운전이 가능한 암모니아 생성 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 요소수 수위를 감지하는 센서를 반응챔버와 별도로 마련하여 간접적으로 요소수 수위를 감지함으로써, 헌팅현상 없이 요소수 수위를 정확하게 감지할 수 있는 암모니아 생성 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 열량 대비 전열효율을 높인 전열부를 반응챔버 내부에 배치함으로써, 반응챔버의 크기를 줄일 수 있는 암모니아 생성 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 시스템의 운전을 중단할 경우 발생할 수 있는 암모니아 가스의 결정화 현상을 방지하여 생산 효율성을 높인 암모니아 생성 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 암모니아 생성 시스템은, 요소수 공급부, 상기 요소수 공급부로부터 요소수를 공급받고 암모니아 가스를 생성하는 반응챔버, 상기 반응챔버의 측부에 연결되고, 반응챔버에 공급된 요소수 중 일부가 반응챔버에 저장된 요소수와 동일 수위를 가지도록 내부로 유입되며, 상기 유입된 요소수의 수위를 감지하는 레벨센서가 구비된 레벨챔버, 상기 반응챔버의 내부에 삽입 설치되고 암모니아 가스를 생성하기 위해 반응챔버에 저장된 요소수를 가열하는 전열부, 상기 반응챔버의 외부에서 전열부로 제1 스팀을 공급하는 제1 스팀 공급부, 상기 암모니아 가스가 배출되는 내부배관과 상기 내부배관을 둘러싸는 외부배관을 포함하는 이중배관, 상기 내부배관 내부의 온도와 압력, 암모니아 가스의 유량을 측정하는 센서부, 상기 내부배관의 내부 온도를 일정하게 유지시키기 위해 외부배관으로 제2 스팀을 공급하는 제2 스팀 공급부 및 상기 요소수 공급량, 제1, 2 스팀 공급량, 요소수의 수위 및 센서부의 측정값을 수신하고, 요소수 공급부, 제1 스팀 공급부, 또는 제2 스팀 공급부의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다.
이때, 상기 제어부는 센서부의 측정값을 기반으로 제1 스팀 공급량, 제2 스팀 공급량 또는 요소수 공급량을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 요소수 공급부는 상기 요소수가 저장되는 요소수 저장탱크, 상기 요소수 저장탱크의 요소수를 반응챔버 내부로 펌핑하는 요소수 공급펌프 및 상기 요소수의 공급경로를 제공하고, 공급되는 요소수의 유량을 측정하는 요소수 유량계(M0)와 요소수의 유량을 조절하는 요소수 제어밸브가 구비되는 요소수 공급배관을 포함할 수 있다.
이때, 상기 요소수 공급량은 요소수 유량계(M0)에서 측정된 요소수의 유량, 또는 센서부의 측정값을 기반으로 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 스팀 공급부는, 상기 제1 스팀을 생산하는 제1 스팀 발생기, 상기 제1 스팀 발생기의 제1 스팀을 전열부로 펌핑하는 제1 스팀 공급펌프 및 상기 제1 스팀의 공급경로를 제공하고, 공급되는 제1 스팀의 유량을 측정하는 제1 유량계(M1)와 제1 스팀의 유량을 조절하는 제1 제어밸브가 구비되는 제1 스팀 공급배관을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1 스팀 공급량은 제1 유량계(M1)에서 측정된 제1 스팀의 유량, 또는 센서부의 측정값을 기반으로 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 전열부는 복수 개의 전열관들을 포함하고, 상기 각 전열관은, 상기 제1 스팀이 이동하는 메인배관과 상기 메인배관의 내부에 배치되는 내부핀을 포함하고, 상기 내부핀의 외면은 돌출부와 함몰부를 형성하며 돌출부가 메인배관의 내면에 맞닿는 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 스팀 공급부는 상기 제2 스팀을 생산하는 제2 스팀 발생기, 상기 제2 스팀 발생기의 제2 스팀을 외부배관으로 펌핑하는 제2 스팀 공급펌프 및 상기 제2 스팀의 공급경로를 제공하고, 공급되는 제2 스팀의 유량을 조절하는 제2 제어밸브가 구비되는 제2 스팀 공급배관을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제2 스팀 공급 공급량은, 내부배관의 내부 온도가 일정하게 유지될 수 있도록 센서부에서 측정된 온도를 기반으로 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 레벨챔버는 상기 반응챔버의 내부와 연통 가능하게 연결되고, 요소수가 저장되는 제1 레벨챔버와, 상기 제1 레벨챔버의 외부를 둘러싸는 제2 레벨챔버를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은, 상기 암모니아 생성 시스템을 이용한 암모니아 생성 방법을 더 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 암모니아 생성 시스템을 이용한 암모니아 생성 방법은, (a) 반응챔버에 요소수를 공급하는 단계, (b) 상기 반응챔버에 저장된 요소수의 수위를 간접적으로 감지하는 단계, (c) 상기 요소수 수위가 설정범위 내에 도달하면 전열부에 제1 스팀을 공급하여 요소수를 가열하고 암모니아 가스를 생성하는 단계, (d) 상기 내부배관 내부의 온도와 압력, 암모니아 가스의 유량을 측정하는 단계, (e) 상기 요소수 공급량, 제1 스팀 공급량 및 단계(d)의 측정값을 기반으로 암모니아 생성 시스템을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 암모니아 생성 방법은, 외부배관에 제2 스팀을 공급하여 내부배관의 내부 온도를 일정 온도 이상으로 유지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 단계(d)에서 측정된 내부배관의 온도 측정값을 기반으로 외부배관으로 공급되는 제2 스팀 공급량을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 암모니아 가스의 배출경로 상에 구비된 센서부를 통해 암모니아 가스의 생산량을 확인하고, 이를 제어부로 입력하여 시스템의 작동 과정을 제어함으로써, 불필요한 자원, 또는 인력 투입을 절감하여 암모니아 생성을 위한 최적의 운영을 가능하게 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 반응챔버의 측부에 레벨챔버를 연통 가능하게 연결하여 레벨챔버로 유입된 요소수가 반응챔버의 요소수와 동일 수위를 갖도록 저장하고, 레벨챔버의 수위를 감지함으로써 요소수의 가열과정에서 발생하는 레벨헌팅을 방지하고, 요소수 수위를 정확하게 감지할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 요소수 가열을 위한 전열부는 복수 개의 전열관들로 이루어지고, 각 전열관은 관 형상의 메인배관과 메인배관 내부에 배치된 내부핀을 포함하며, 특히 내부핀의 돌출부가 메인배관과 맞닿아 전열면적을 늘릴 수 있게 되므로 동일 열량대비 전열효율을 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 암모니아 가스의 배출관을 내부배관과 외부배관의 이중배관 구조로 마련함으로써, 시스템의 운전 중단 시 발생할 수 있는 암모니아의 결정화 현상을 방지하고, 이를 통해 생산 효율성을 높일 수 있다.
도 1은 종래의 암모니아 생성 시스템의 블록도가 도시되어 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 암모니아 생성 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 암모니아 생성 시스템의 제어부의 입력과 출력 관계를 나타낸 블록도이다.
도 4는 도 2의 A-A선을 따라 자른 전열부의 일부 절개 사시도이다.
도 5는 도 2의 A-A선을 따라 자른 전열관의 단면도이다.
도 6은 도 2의 B-B선을 따라 자른 이중배관의 절개 사시도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 레벨챔버의 투명 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 암모니아 생성 시스템을 이용한 암모니아 생성 방법을 도시한 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 예에 대한 구성 및 작용을 상세하게 설명하기로 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지칭하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 암모니아 생성 시스템의 블록도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 암모니아 생성 시스템의 제어부의 입력과 출력 관계를 나타낸 블록도이다.
도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 암모니아 생성 시스템은, 반응챔버(100), 요소수 공급부(200), 레벨챔버(150), 제1 스팀 공급부(300), 전열부(400), 이중배관(500), 제2 스팀 공급부(600)와 제어부(700)를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 암모니아 생성 시스템은, 요소수로부터 암모니아를 제조함에 있어, 요소수와 열원(본 명세서의 제1 스팀)의 투입량 대비 암모니아 가스의 생성 유량을 계산함으로써 배출경로에서 암모니아 가스의 누출 여부를 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 암모니아 요구량 조건에 맞추어 시스템을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 반응챔버(100)는 내부에 저장공간을 갖는 하우징 형상으로 형성될 수 있으며, 요소수의 가수분해 과정의 온도와 압력을 견딜 수 있도록 설계될 수 있다.
상기 반응챔버(100)의 내부 저장공간에는 요소수 공급부(200)로부터 공급받은 요소수(U)가 수위(h1)를 가지며 저장될 수 있으며, 반응챔버(100)에 저장된 요소수를 가열하여 암모니아 가스를 생성할 수 있다.
상기 반응챔버(100)에서 생성된 암모니아 가스는 이중배관(500)을 통해 배출될 수 있으며, 이러한 암모니아 가스의 흐름을 제어하기 위해 개방, 또는 폐쇄되는 유량조절 밸브(도시하지 않음)가 반응챔버(100)에 구비될 수 있다.
다음으로, 상기 반응챔버(100)로 요소수를 공급하는 요소수 공급부(200)를 설명한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 요소수 공급부(200)는, 액상의 요소수가 저장되는 요소수 저장탱크(210), 상기 요소수 저장탱크(210)에 저장된 요소수를 반응챔버(100)의 내부로 펌핑하는 요소수 공급펌프(220)와 요소수 저장탱크(210)와 반응챔버(100)를 연결시키는 요소수 공급배관(230)을 포함할 수 있다.
상기 요소수 저장탱크(210)에 저장되는 요소수(urea solution)는, 요소가 물에 희석된 액체 상태의 요소의 수성 요액 또는 요소의 혼합물일 수 있다.
상기 요소수 공급펌프(220)는 요소수 저장탱크(210) 내의 요소수를 펌핑하여 반응챔버(100)로 공급하도록 구성될 수 있고, 요소수 공급펌프(220)의 구동속도(회전수)에 따라 요소수 공급량이 가변될 수 있다.
상기 요소수 공급배관(230)은 반응챔버(100)의 일측에 연결되어 요소수 공급펌프(220)에 의해 펌핑되어 이동하는 요소수의 공급경로를 제공할 수 있다.
상기 요소수 공급배관(230)에는 배관 내부를 따라 이동하는 요소수의 유량을 측정하는 요소수 유량계(MO)가 구비될 수 있고, 상기 요소수 유량계(MO)에서 측정된 요소수의 유량은 제어부(700)로 입력될 수 있다.
또한, 상기 요소수 공급배관(230)에는 요소수의 유량을 조절하기 위해 요소수 공급배관(230)을 개방, 또는 폐쇄시킬 수 있는 요소수 제어밸브(231)가 구비될 수 있으며, 요소수 제어밸브(231)의 개도(개방 정도)에 따라 요소수 공급량이 가변될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제어부(700)는 요소수 공급부(200)의 작동을 제어할 수 있다.
상기 제어부(700)는 요소수 유량계(MO)에서 측정된 요소수의 유량에 따라 요소수 공급펌프(220)의 구동을 제어하거나, 요소수 제어밸브(231)의 개도를 조절할 수 있고, 이를 통해 요소수 공급량을 조절할 수 있다.
한편, 제어부(700)는 후술하는 센서부(550)의 측정값에 따라 요소수 공급량을 조절할 수 있다.
다음으로, 반응챔버(100)에 저장된 요소수의 수위를 감지하는 레벨챔버(150)를 설명한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 레벨챔버(150)는 반응챔버(100)의 외부에 마련된 구성으로서, 반응챔버(100)의 측부에 연결될 수 있다.
상기 레벨챔버(150)는 한 쌍의 연결배관(151, 152)을 통해 반응챔버(100)에 연결될 수 있으며, 예를 들면, 하부배관(151)과 상부배관(152)에 의해 반응챔버(100)에 연통 가능하게 연결될 수 있고, 하부배관(151)을 통해서는 요소수가 유입될 수 있다.
상기 레벨챔버(150)는 내부에 요소수를 저장할 수 있는 저장공간을 가지며, 반응챔버(100)로 공급되어 저장된 요소수 중 일부는 하부배관(151)을 통해 레벨챔버(150)의 내부 저장공간으로 유입될 수 있다.
이때, 레벨챔버(150)로 유입되어 저장되는 요소수의 수위는 반응챔버(100)의 요소수와 동일 수위를 가지며 저장될 수 있다.
즉, 반응챔버(100)의 요소수의 수위를 제1 수위(h1)라 하고, 레벨챔버(150)의 요소수의 수위를 제2 수위(h2)라 할 때, 제2 수위(h2)는 제1 수위(h1)와 동일할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 레벨챔버(150)는 내부에 저장된 요소수의 수위(h2)를 감지할 수 있는 레벨센서(160)를 구비할 수 있다.
상기 레벨센서(160)는 반응챔버(100)의 제1 수위(h1)와 평형상태를 이루며 저장된 레벨챔버(150)의 제2 수위(h2)를 감지할 수 있으며, 감지된 요소수 수위(h2)는 제어부(700)로 입력될 수 있다.
정리하면, 레벨챔버(150)는 반응챔버(100)의 측부에 연통 가능하게 연결된 구조를 통해 반응챔버(100)로 공급된 요소수 중 일부가 레벨챔버(150) 내부로 유입될 수 있고, 레벨센서(160)가 레벨챔버(150)에 저장된 요소수의 수위(h2)를 감지함으로써 반응챔버(100)의 요소수 수위(h1)를 간접적으로 확인할 수 있다.
이에 따라, 요소수 수위 감지 과정에서 발생할 수 있는 레벨헌팅을 방지하고 요소수 수위 측정값의 정확도를 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제어부(700)는 레벨센서(160)에서 측정된 요소수 수위를 입력받을 수 있고, 입력받은 요소수 수위가 설정수위에 도달하게 되면 요소수를 가열하기 위해 후술하게 되는 제1 스팀 공급부(300)의 작동개시를 명령할 수 있다.
여기서, 제1 스팀 공급부(300)의 작동이 개시되는 설정수위는 레벨챔버(150)의 45% 이상 55% 이하를 채우는 수위일 수 있으나, 바람직하게는 50% 일 수 있다.
또한, 제어부(700)는 요소수 수위가 설정수위로 유지될 수 있도록 요소수 공급부(200), 또는 제1 스팀 공급부(300)의 작동을 제어할 수 있다.
다음으로, 반응챔버(100)에 저장된 요소수를 가열하기 위해 열원을 공급하는 제1 스팀 공급부(300)와, 상기 열원에 의한 열교환 과정을 통해 요소수를 가열하는 전열부(400)를 설명한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 스팀 공급부(300)는 반응챔버(100)의 외부에 마련된 구성으로서, 전열부(400)로 제1 스팀을 공급할 수 있다.
여기서, 제1 스팀은 약 175℃ 이상 185℃ 이하의 포화온도를 갖는 기체 상태의 열원으로 이해할 수 있으며, 바람직하게는 180℃일 수 있다.
상기 제1 스팀 공급부(300)는 제1 스팀을 생산하는 제1 스팀 발생기(310), 제1 스팀 발생기(310)에서 생산한 제1 스팀을 전열부(400)로 펌핑하는 제1 스팀 공급펌프(320)와 제1 스팀 발생기(310)와 전열부(400)를 연결시키는 제1 스팀 공급배관(330)을 포함할 수 있다.
상기 제1 스팀 공급펌프(320)는 제1 스팀 발생기(310)에서 생산한 제1 스팀을 펌핑하여 반응챔버(100)로 공급하도록 구성될 수 있고, 펌프의 구동속도(회전수)에 따라 스팀 공급량이 가변될 수 있다.
상기 제1 스팀 공급배관(330)은 전열부(400)의 일측에 연결되어 제1 스팀 공급펌프(320)에 의해 펌핑되어 이동하는 제1 스팀의 공급경로를 제공할 수 있다.
상기 제1 스팀 공급배관(330)에는 배관 내부를 따라 이동하는 제1 스팀의 유량을 측정하는 제1 유량계(M1)가 구비될 수 있고, 상기 제1 유량계(M1)에서 측정된 제1 스팀의 유량은 제어부(700)로 입력될 수 있다.
또한, 상기 제1 스팀 공급배관(330)에는 공급되는 제1 스팀의 유량을 조절하기 위해 제1 스팀 공급배관(330)을 개방, 또는 폐쇄시킬 수 있는 제1 제어밸브(331)가 구비될 수 있으며, 제1 제어밸브(331)의 개도에 따라 제1 스팀 공급량이 가변될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제어부(700)는 제1 스팀 공급부(300)의 작동을 제어할 수 있다.
상기 제어부(700)는 제1 유량계(M1)에서 측정된 제1 스팀의 유량에 따라 제1 스팀 발생기(310)의 제1 스팀 생산량을 조절하거나, 제1 스팀 공급펌프(320)의 구동을 제어하거나, 또는 제1 제어밸브(431)의 개도를 조절함으로써 제1 스팀 공급량을 조절할 수 있다.
다음으로, 전열부(400)를 설명한다.
전열부 구조를 보다 상세하게 설명하기 위해, 도 4에는 도 2의 A-A선을 따라 자른 전열부의 일부 절개 사시도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 2의 A-A선을 따라 자른 전열관의 단면도가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전열부(400)는 반응챔버(100)의 내부에 삽입 설치될 수 있다.
예를 들면, 상기 전열부(400)는 반응챔버(100)에 저장된 요소수(U)에 충분히 잠길 수 있도록 반응챔버(100)의 내부에서 하부 측에 설치될 수 있다.
도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 전열부(400)는 복수 개의 전열관들(410)로 이루어진 전열관 다발을 포함할 수 있으며, 각 전열관(410)은 제1 스팀이 이동할 수 있는 관 형상의 메인배관(411)과, 메인배관(411)의 내부에 배치되는 내부핀(412)을 포함할 수 있다.
상기 내부핀(412)은 외면이 돌출부(412a)와 함몰부(412b)를 형성할 수 있으며, 돌출부(412a)는 메인배관(411)의 내면에 맞닿을 수 있다.
상기 전열부(400)는 제1 스팀 공급부(300)로부터 공급받은 제1 스팀을 이용하여 열교환을 통해 요소수(U)를 가열할 수 있다.
즉, 상기 전열관(410)은 메인배관(411)의 내부에 내부핀(412)을 설치하여 열교환 면적을 증가시킴으로써, 효율적인 열교환을 가능하게 하며, 더욱이 이러한 구조의 전열관(410)들을 모아 다발을 이루는 구조이므로, 동일 열량대비 전열효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 전열부(400)의 전열효율을 높임으로써 요소수의 가열을 위해 투입해야 하는 제1 스팀의 공급량을 줄일 수 있으므로 설비의 운영비용을 절감할 수 있다.
또한, 내부핀(412)의 돌출부(412a)가 메인배관(411)의 내면과 접촉하여 동일면적 대비 열전달 효율을 높일 수 있으므로 같은 양의 암모니아를 생산하는 종래의 암모니아 생성 시스템보다 반응챔버의 크기를 줄일 수 있다.
또한, 내부핀(412)은 메인배관(411)의 내부에 배치되어 있기 때문에, 요소수가 고온에 노출됨에 따라 발생하게 되는 고체 결정이나 부식성 물질이 내부핀(412)에 침착되어 내구성을 저하시키거나, 열원인 제1 스팀의 이동 통로가 막히는 문제를 방지할 수 있다.
다음으로, 암모니아 가스의 배출경로를 제공하는 이중배관(500)과 배출경로 상의 온도저하로 인해 발생할 수 있는 암모니아의 결정화 현상을 방지할 수 있는 제2 스팀 공급부(600)를 설명한다.
이중배관의 구조를 보다 상세하게 설명하기 위해 도 6에는 도 2의 B-B선을 따라 자른 이중배관의 절개 사시도가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 이중배관(500)은 암모니아 가스가 배출되어 이동하는 내부배관(510)과 내부배관을 둘러싸는 외부배관(520)을 포함할 수 있다.
상기 내부배관(510)은 반응챔버(100)에서 배출된 암모니아 가스의 이동경로를 제공하며, 바람직하게는, SCR장치로 암모니아 가스를 전달할 수 있다.
여기서, SCR(selective catalytic reduction)장치는 질소산화물(NOx) 제거를 위한 장치이며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있는 내용이므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기 외부배관(520)은 내부배관(510)의 외면을 둘러싸는 형태로 형성될 수 있고 내부배관(510)의 외면과 외부배관(520)의 내면 사이에 통로(525)를 형성할 수 있으며, 상기 통로(525)에는 후술하는 제2 스팀 공급부(600)에서 공급된 제2 스팀이 순환 가능하게 흐를 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제2 스팀 공급부(600)는 제2 스팀을 생산하는 제2 스팀 발생기(610), 제2 스팀 발생기(610)에서 생산한 제2 스팀을 외부배관(520)으로 펌핑하는 제2 스팀 공급펌프(620)와 제2 스팀 발생기(610)와 외부배관(520)을 연결시키는 제2 스팀 공급배관(630)을 포함할 수 있다.
여기서, 제2 스팀은 제1 스팀과 동등한 조건의 온도, 즉, 약 175℃ 이상 185℃ 이하의 포화온도를 갖는 기체 상태의 열원으로 이해할 수 있으며, 바람직하게는 180℃일 수 있다.
상기 제2 스팀 공급펌프(620)는 제2 스팀을 펌핑하여 외부배관(520)으로 공급하도록 구성될 수 있고, 펌프의 구동속도에 따라 제2 스팀 공급량이 가변될 수 있다.
상기 제2 스팀 공급배관(630)은 외부배관(520)의 일측에 연통 가능하게 연결되어 제2 스팀의 공급경로를 제공할 수 있다.
상기 제2 스팀 공급배관(630)에는 공급되는 제2 스팀의 유량을 조절하기 위해 제2 스팀 공급배관(630)을 개폐시킬 수 있는 제2 제어밸브(631)가 구비될 수 있으며, 제2 제어밸브(631)의 개도에 따라 제2 스팀 공급량이 가변될 수 있다.
상기 이중배관(500)에는 내부배관(510)의 내부 온도, 압력과 내부를 통과하는 암모니아 가스의 유량을 측정하는 센서부(550)가 구비될 수 있으며, 센서부(550)는 암모니아 가스의 유량을 측정하는 제2 유량계(M2)와 온도센서(551) 및 압력센서(552)를 포함할 수 있다.
따라서, 센서부(550)의 제2 유량계(M2)는 암모니아 가스의 유량을 측정하고, 온도센서(551)와 압력센서(552)는 각각 내부배관(510) 내부의 온도와 압력을 측정할 수 있으며, 측정값은 제어부(700)로 입력될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제어부(700)는 사용자의 요구 조건에 따라 암모니아 가스의 생산량을 조절할 수 있으며, 이를 위해 요소수 공급부(200), 또는 제1 스팀 공급부(300)의 작동을 제어할 수 있다.
상기 제어부(700)는 제2 유량계(M2)를 통해 암모니아 가스 유량을 확인할 수 있고, 제1 유량계(M1)를 통해 제1 스팀 공급량을 확인할 수 있으며, 요소수 유량계(M0)를 통해 요소수 공급량을 확인할 수 있다.
이에 따라, 상기 제어부(700)는 사용자에 의해 설정된 암모니아 가스 생산량, 또는 기 설정값에서 변경된 생산량을 맞추기 위해 요소수 공급부(200)와 제1 스팀 공급부(300)의 작동을 제어함으로써 요소수 공급량이나 제1 스팀 공급량을 생산에 필요한 정도로 조절할 수 있다.
이와 함께, 상기 제어부(700)는 내부배관(510)의 내부 온도, 압력을 일정하게 유지시키기 위해 제2 스팀 공급부(600)의 작동을 제어하여 제2 스팀 공급량을 조절할 수 있다.
전술한 이중배관(500)과 제2 스팀 공급부(600), 그리고 제어부(700)를 통해 내부배관(510)의 온도를 일정하게 유지시키는 구성은, 시스템의 운전이 중단된 경우에 온도저하로 인해 발생할 수 있는 결정화 현상을 방지할 수 있다.
일반적으로, 요소수를 전환시켜 발생되는 암모니아 가스는 온도의 영향을 받게 되며, 암모니아 가스가 배출되는 경로(배관)의 온도가 110℃ 이하로 낮아지면 결정화되는 성질을 지니고 있다.
이러한 결정화 현상은, 암모니아 생성 시스템이 가동 중인 경우에는 고온 상태를 유지하는 암모니아 가스에 의해 배출경로의 온도가 낮아지지 않으므로 결정화 현상이 발생하지 않게 된다.
그러나, 시스템의 운전이 중단되는 경우에는 암모니아 가스가 결정화되어 생산성에 영향을 미칠 수 있으며, 아래에서 그 이유를 설명한다.
시스템 운전이 중단되어 반응챔버 내로 열원이 공급되지 않는 경우에도, 요소수가 50% 채워진 반응챔버 내에서는 잠열에 의해 여전히 암모니아 가스가 생성되고, 암모니아 가스는 배관을 따라 흐르게 된다.
이러한 경우, 종래에는 배관의 외면을 히팅 케이블로 복수 회 둘러감는 방식으로 배관 내부의 온도를 유지하여 왔으나, 이러한 방식은 배관 내부의 온도를 70 내지 75 ℃ 수준으로 유지하는 수준이었기 때문에 암모니아의 결정화 현상을 방지하기 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 내부배관(510)은, 그 외면을 외부배관(520)이 둘러싸고, 내부배관(510)과 외부배관(520) 사이의 통로(525)로 고온(약 180℃)의 제2 스팀이 순환 이동하면서 내부배관(510)의 내부 온도를 120℃ 이상으로 유지시킴으로써 암모니아 가스의 결정화 현상을 방지할 수 있다.
이와 같이 시스템 가동 중단 시 암모니아 가스의 결정화 방지하게 되면, 시스템이 재가동되었을 때, 암모니아 가스 배출경로 상에 침착된 암모니아 결정을 제거하기 위해 120℃ 이상의 유체를 흘려보내야 하는 번거로움을 덜 수 있다.
즉, 시스템의 가동 중단 시간을 없앰으로써 암모니아 가스의 생산 효율성을 높일 수 있다.
한편, 도 7에는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 레벨챔버의 투명 사시도가 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 레벨챔버(1150)는, 반응챔버(100)의 내부와 연통 가능하게 연결되고 요소수가 저장되는 제1 레벨챔버(1155)와, 상기 제1 레벨챔버(1155)의 외부를 둘러싸는 제2 레벨챔버(1156)를 포함할 수 있다.
상기 제1 레벨챔버(1155)는 하부배관(1151)과 상부배관(1152)에 의해 반응챔버(100)에 연통 가능하게 연결될 수 있으며, 요소수는 하부배관(1151)을 통해 제1 레벨챔버(1155)로 유입될 수 있다.
상기 제2 레벨챔버(1156)는 제1 레벨챔버(1155)와 분리된 공간을 가지며, 내부 공간에는 제1 레벨챔버(1155)의 내부 온도가 일정 온도를 유지할 수 있도록 외부로부터 열원을 공급받을 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 암모니아 생성방법을 도시한 순서도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 암모니아 생성방법은, 요소수 공급단계(S1), 요소수 수위 감지단계(S2), 요소수 가열단계(S3), 상태량 측정단계(S4) 및 시스템 제어단계(S5)를 포함한다.
먼저, 요소수 공급단계(S1)에서 요소수 공급부(200)는 반응챔버(100)로 요소수를 공급할 수 있다.
이때, 제어부(700)는 반응챔버(100)로 공급되는 요소수 공급량을 조절할 수 있다.
다음으로, 요소수 감지단계(S2)에서, 반응챔버(100)에 저장된 요소수의 수위를 감지할 수 있다.
요소수를 가열하기 전, 반응챔버(100) 내에 일정량의 요소수가 채워져야 하기 때문에 요소수 감지단계(S2)에서는 반응챔버(100)의 요소수의 수위가 설정범위 내에 도달했는지 여부를 감지할 수 있다.
구체적으로, 반응챔버(100)로 공급된 요소수 중 일부는 레벨챔버(150)로 유입되고, 레벨챔버(150)로 유입된 요소수는 반응챔버(100)의 요소수와 동일 수위를 가지며 저장될 수 있다.
이때, 레벨센서(160)는 레벨챔버(150)의 요소수 수위(h2)를 감지하여 반응챔버(100)의 요소수 수위(h1)를 간접적으로 확인할 수 있고, 요소수 감지신호는 제어부(700)로 입력될 수 있다.
다음으로, 요소수 가열단계(S3)에서는, 반응챔버(100)의 요소수를 가열하여 암모니아 가스를 생성할 수 있다.
요소수 가열단계(S3)는, 반응챔버(100)에 요소수가 약 50% 채워지면(설정범위 도달) 진행되는 단계일 수 있다.
구체적으로, 요소수 수위가 설정범위에 도달하면, 제1 스팀 공급부(300)는 전열부(400)로 제1 스팀(열원)을 공급할 수 있으며, 전열부(400)는 반응챔버(100)의 내부에서 열교환을 통해 요소수를 가열하고, 가수분해 반응결과 암모니아 가스가 생성될 수 있다.
이때, 제어부(700)는 전열부(400)로 공급되는 제1 스팀 공급량을 조절할 수 있다.
다음으로, 상태량 측정단계(S4)에서 암모니아 가스의 배출 유량, 내부배관의 온도 및 압력을 측정할 수 있다.
구체적으로, 암모니아 가스는 이중배관(500)의 내부배관(510)을 통해 배출될 수 있고, 내부배관(510)에 설치된 센서부(550)는 배출되는 암모니아 가스의 유량, 내부배관(510) 내부의 온도 및 압력을 측정할 수 있다.
다음으로, 시스템 제어단계(S5)에서, 제어부(700)는 요소수 공급량, 제1 스팀 공급량, 센서부(550)의 측정값(암모니아 가스 유량, 내부배관의 온도, 압력)을 기반으로 암모니아 생성 시스템을 제어할 수 있다.
제어부(700)는, 센서부(550)에서 측정한 암모니아 가스의 유량, 온도, 압력에 따라 반응챔버(100)의 요소수 수위를 50% 로 유지하면서 내부배관(510)의 압력과 온도를 각각 5 bar와 150 ℃가 될 수 있도록 요소수 공급부(200)와 제1 스팀 공급부(300)의 작동을 제어하여 요소수 공급량과 제1 스팀 공급량을 조절할 수 있다.
또한, 제어부(700)는 내부배관(510)의 내부 온도가 일정 온도(약 120 ℃) 이상을 유지할 수 있도록 제2 스팀 공급부(600)의 작동을 제어하여 외부배관(520)으로 공급되는 제2 스팀 공급량을 조절할 수 있다.
상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 반응챔버
150: 레벨챔버 160: 레벨센서
151: 하부배관 152: 상부배관
200: 요소수 공급부 300: 제1 스팀 공급부
400: 전열부 410: 전열관
411: 메인배관 412: 내부핀
500: 이중배관 510: 내부배관
520: 외부배관 550: 센서부
600: 제2 스팀 공급부 700: 제어부

Claims (7)

  1. 요소수 공급부;
    상기 요소수 공급부로부터 액상의 요소수를 공급받고 암모니아 가스를 생성하는 반응챔버;
    상기 반응챔버의 측부에 연결되고, 반응챔버에 공급된 요소수 중 일부가 반응챔버에 저장된 요소수와 동일 수위를 가지도록 내부로 유입되며, 상기 유입된 요소수의 수위를 감지하는 레벨센서가 구비된 레벨챔버;
    상기 반응챔버의 내부에 삽입 설치되고 암모니아 가스를 생성하기 위해 반응챔버에 저장된 요소수를 가열하는 전열부;
    상기 반응챔버의 외부에서 전열부로 제1 스팀을 공급하는 제1 스팀 공급부;
    상기 암모니아 가스가 배출되는 내부배관과 상기 내부배관을 둘러싸는 외부배관을 포함하는 이중배관;
    상기 내부배관 내부의 온도와 압력을 각각 측정하는 온도센서와 압력센서 및 내부배관을 통과하는 암모니아 가스의 유량을 측정하는 제2 유량계(M2)를 구비하는 센서부;
    상기 내부배관의 내부 온도를 일정하게 유지시키기 위해 외부배관으로 제2 스팀을 공급하는 제2 스팀 공급부; 및
    상기 요소수 공급량, 제1, 2 스팀 공급량, 요소수의 수위 및 센서부의 측정값을 수신하고, 요소수 공급부, 제1 스팀 공급부, 또는 제2 스팀 공급부의 작동을 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 요소수 공급부는,
    요소수가 저장되는 요소수 저장탱크;
    상기 요소수를 반응챔버 내부로 펌핑하는 요소수 공급펌프; 및
    상기 요소수의 공급경로를 제공하고, 공급되는 요소수의 유량을 측정하는 요소수 유량계(M0)와 요소수의 유량을 조절하는 요소수 제어밸브가 구비되는 요소수 공급배관;
    을 포함하고,
    상기 제1 스팀 공급부는,
    상기 제1 스팀을 생산하는 제1 스팀 발생기;
    상기 제1 스팀 발생기의 제1 스팀을 전열부로 펌핑하는 제1 스팀 공급펌프; 및
    상기 제1 스팀의 공급경로를 제공하고, 공급되는 제1 스팀의 유량을 측정하는 제1 유량계(M1)와 제1 스팀의 유량을 조절하는 제1 제어밸브가 구비되는 제1 스팀 공급배관;
    을 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 센서부의 측정값을 기반으로 제1 스팀 공급량, 제2 스팀 공급량 또는 요소수 공급량을 조절하되,
    상기 요소수 공급량은 요소수 유량계(M0)에서 측정된 요소수의 유량, 또는 센서부의 측정값을 기반으로 조절하고, 상기 제1 스팀 공급량은 제1 유량계(M1)에서 측정된 제1 스팀의 유량, 또는 센서부의 측정값을 기반으로 조절하는,
    암모니아 생성 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전열부는,
    복수 개의 전열관들을 포함하고,
    상기 각 전열관은,
    상기 제1 스팀이 이동하는 메인배관과 상기 메인배관의 내부에 배치되는 내부핀을 포함하고,
    상기 내부핀의 외면은 돌출부와 함몰부를 형성하며 돌출부가 메인배관의 내면에 맞닿는 구조로 이루어지는 암모니아 생성 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스팀 공급부는,
    상기 제2 스팀을 생산하는 제2 스팀 발생기;
    상기 제2 스팀 발생기의 제2 스팀을 외부배관으로 펌핑하는 제2 스팀 공급펌프; 및
    상기 제2 스팀의 공급경로를 제공하고, 공급되는 제2 스팀의 유량을 조절하는 제2 제어밸브가 구비되는 제2 스팀 공급배관;
    을 포함하고,
    상기 제2 스팀 공급 공급량은, 내부배관의 내부 온도가 일정하게 유지될 수 있도록 센서부에서 측정된 온도를 기반으로 조절되는 암모니아 생성 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레벨챔버는,
    상기 반응챔버의 내부와 연통 가능하게 연결되고 요소수가 저장되는 제1 레벨챔버와, 상기 제1 레벨챔버의 외부를 둘러싸는 제2 레벨챔버를 포함하는 암모니아 생성 시스템.
  7. 제1항에 따른 암모니아 생성 시스템을 이용한 암모니아 생성 방법으로서,
    (a) 반응챔버에 요소수를 공급하는 단계;
    (b) 상기 반응챔버에 저장된 요소수의 수위를 간접적으로 감지하는 단계;
    (c) 상기 요소수 수위가 설정범위 내에 도달하면 전열부에 제1 스팀을 공급하여 요소수를 가열하고 암모니아 가스를 생성하는 단계;
    (d) 상기 내부배관 내부의 온도와 압력, 암모니아 가스의 유량을 측정하는 단계;
    (e) 상기 요소수 공급량, 제1 스팀 공급량 및 단계(d)의 측정값을 기반으로 암모니아 생성 시스템을 제어하는 단계;
    를 포함하는 암모니아 생성 방법.
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