KR102411695B1 - 선택적 촉매 환원법에서 액상의 환원제 전구물질을 이용하는 질소산화물 저감시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선택적 촉매 환원법에서 액상의 환원제 전구물질을 이용하는 질소산화물 저감시스템에 관한 것으로, 액상의 환원제 전구물질을 저장하는 저장부와; 저장부의 제1 공급라인으로 액상의 환원제 전구물질을 공급받고, 순환라인을 통해 액상의 환원제 전구물질을 저장부로 재안내하는 순환 공급부; 순환 공급부의 제2 공급라인으로 안내될 액상의 환원제 전구물질의 공급량을 조절하여 촉매 반응탑의 전단으로 공급하는 계량 제어부; 계량 제어부로 공급될 액상의 환원제 전구물질을 가온하는 승온부; 및 승온부에 의해 가열된 액상의 환원제 전구물질을 압축공기를 이용하여 액적 형태로 촉매 반응탑의 전단에 주입하는 환원제 주입부;를 포함하고, 여기서 액상의 환원제 전구물질이 유로 상에서 결빙 또는 결정화를 방지하기 위해 저장부와 순환 공급부 사이를 순환하도록 안내될 수 있다.

Description

선택적 촉매 환원법에서 액상의 환원제 전구물질을 이용하는 질소산화물 저감시스템 {NOx reduction system using liquid reducting agent in Selective Catalytic Reduction}
본 발명은 선택적 촉매 환원법을 기반으로 하는 질소산화물의 저감시스템에 관한 것으로, 특히 배기가스에 액상의 환원제 전구물질을 액적 형태로 주입시켜 선택적 촉매 환원법으로 질소산화물을 저감시키는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 발전소, 공장 혹은 연소장치 등에서 화석 연료를 연소시켜 발생하는 생성물 중 유해배기가스인 질소산화물은 다양한 방법을 동원하여 최대 한도로 저감시켜 대기환경을 청정 상태로 유지해야할 필요성이 대두되고 있는 현실이다.
이와 같이, 현재 공지된 질소산화물의 대표적인 저감 방법은 선택적 촉매 환원법과 선택적 비촉매 환원법을 적용하고 있다. 이러한 선택적 촉매 환원법과 선택적 비촉매 환원법은 널리 알려져 있는 공지기술로서 이에 대해서 구체적인 상세한 설명은 피한다.
탈질과 관련된 선행기술로는 본 출원의 공동 출원인인 박정봉에 의하여 2017년 7월 14일자로 출원된 특허문헌 1(발명의 명칭 : 요소수를 사용하는 질소산화물의 저감시스템)에 기술된 바와 같이, 선택적 촉매 환원법(SCR; Selective Catalytic Reduction)을 기초로 하여 예컨대 요소수와 같은 액상 환원제를 배기가스에 도입하여 질소산화물을 저감하도록 설계되어 있다. 이러한 종래의 탈질 시스템은 배기가스에 함유된 질소산화물과 희박한 암모니아 증기의 혼합 효율을 개선하기 위해 촉매 반응탑의 전단측에 와류 반응기를 배치하는 한편 액상 환원제를 빠른 기체의 흐름에 분사하여 액체를 미립화시키고 덕트 단면에 걸쳐 균일하게 공급할 수 있는 분무특성을 고려하지 않는다.
대한민국 특허출원 제10-2017-0089829호
본 발명은 전술된 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 광범위한 온도 범위 하에서도 환원제인 암모니아의 전환 효율과 함께 배기가스와 환원제의 혼합 특성을 개선할 수 있도록 선택적 촉매 환원법으로 질소산화물 저감시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
덧붙여서, 본 발명은 광범위한 온도 범위에서 액체나 고체 형태의 다양한 환원제 전구물질을 공급받아 환원제를 생성할 수 있도록 구성된다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 보일러에서 배출된 질소산화물을 함유한 배기가스에 압축공기와 암모니아를 충분히 혼합시킨 희박한 혼합가스를 촉매 반응탑에서 선택적 촉매 환원법에 따라 탈질반응을 유도하는 질소산화물 저감시스템에 관한 것으로,
액상의 환원제 전구물질을 저장하는 저장부와;
저장부의 제1 공급라인으로 액상의 환원제 전구물질을 공급받고, 순환라인을 통해 액상의 환원제 전구물질을 저장부로 재안내하는 순환 공급부;
순환 공급부의 제2 공급라인으로 안내될 액상의 환원제 전구물질의 공급량을 조절하여 촉매 반응탑의 전단으로 공급하는 계량 제어부;
계량 제어부로 공급될 액상의 환원제 전구물질을 가온하는 승온부; 및
승온부에 의해 가열된 액상의 환원제 전구물질을 압축공기를 이용하여 액적 형태로 촉매 반응탑의 전단에 주입하는 환원제 주입부;를 포함하고, 여기서 액상의 환원제 전구물질이 유로 상에서 결빙 또는 결정화를 방지하기 위해 저장부와 순환 공급부 사이를 순환하도록 안내될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 보일러는 연소열과 질소산화물을 함유한 배기가스를 배출하는 연소 영역과; 연소 영역 하류에 배치되고, 환원제 주입부로 분사공급될 액상의 환원제 전구물질을 배기가스에 도입하여 암모니아 증기로 전환하고 촉매 반응탑으로 안내하는 토출 영역;으로 구성될 수 있다.
본 발명은 배기가스의 유동흐름 방향을 변경하는 토출 영역의 굴곡부 내에 환원제 주입부를 위치선정할 수 있다.
덧붙여서, 저장부 또는 순환 공급부는 히팅 설비를 구비할 수도 있다.
바람직하기로, 환원제 주입부는 내부관과, 이 내부관의 길이방향을 따라 유체연통가능하게 분지된 다수의 분지관, 및 분지관의 관말부에 배치된 제1 노즐 캡을 구비하는 환원제 이송관과; 내부관을 둘러싸는 외부관과, 분지관과 대응되는 위치에 외부관의 외면에 돌출 형성된 다수의 공급관, 및 공급관의 관말부에 배치된 제2 노즐 캡을 구비하고, 환원제 이송관의 외주면에 이격배치된 압축공기 이송관; 및 환원제 이송관과 압축공기 이송관 사이로 압축 공기의 이동 경로를 제공하는 이격 공간;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 승온부에서 액상의 환원제 전구물질을 70~120℃의 온도 범위로 가온시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 본 발명은 고상의 환원제 전구물질을 용해하는 용해부를 저장부의 전단에 추가로 유체연통가능하게 구비할 수 있다.
본 발명은 액상의 환원제 전구물질을 요소수, 탄산암모늄 수용액 또는 액상 환원제인 저농도 암모니아수로 구성할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 환원제의 전환 효율과 함께 탈질 효율을 향상시키기 위해 액상 환원제나 환원제가 되는 액상의 환원제 전구물질을 배기가스에 액적 상태로 도입하는 탈질 설비를 제공할 수 있다.
본 발명은 전술된 바와 같이 암모니아수 등의 액상 환원제나 환원제가 되는 요소수, 탄산암모늄 수용액 등의 액상의 환원제 전구물질을 상대적으로 낮은 온도를 포함하는 광범위한 온도 범위 하에서 환원제로 전환시킬 수 있도록 구성되어 있다. 이는 환원제의 전환을 안정적이면서 신속하게 진행시켜 질소산화물과의 원활한 환원반응을 유도할 수 있다.
덧붙여서, 본 발명은 계통 내에서 액상의 환원제 전구물질의 결빙 및/또는 결정화를 방지할 수 있게 설계되어 액상의 환원제 전구물질을 배기가스에 용이하게 계량 공급할 수 있다.
특히, 본 발명은 액상의 환원제 전구물질 뿐만 아니라 고상의 환원제 전구물질과 같이 다양한 유형의 환원제 전구물질을 공급받아 분해하여 환원제인 암모니아를 생성할 수 있다.
또한, 본 발명은 보일러의 토출 영역, 다시 말하자면 촉매 반응탑의 전단에서 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질의 분무특성을 개선함으로써 질소산화물을 함유한 배기가스와 액적 상태로 분사공급되는 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질 간의 신뢰할 수 있는 혼합접촉을 유도한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원법에서 액상의 환원제 전구물질을 이용하는 질소산화물 저감시스템을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 질소산화물 저감시스템에 채용된 환원제 주입부의 일례를 개략적으로 도시한 부분 절개도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원법에서 액상의 환원제 전구물질을 이용하는 질소산화물 저감시스템을 개략적으로 도시한 공정도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 첨부 도면에 있어서, 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선택적 촉매 환원법을 기초로 하는 질소산화물 저감시스템(즉, 탈질 시스템)은 화력발전소, 소각로, 용해로, 보일러, 가스터빈이나 디젤 엔진 등의 배기가스 발생원에서 배출되는 질소산화물을 촉매에서 환원제와의 환원반응을 통해 질소(N2)로 전환시켜 저감시킬 수 있다.
특히, 본 발명은 보일러 내로 직접 분사될 액상의 환원제 전구물질(precusor)에서 암모니아 및/또는 이소시안산의 전환 효율을 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라 환원제와 배기가스의 혼합 특성을 개선할 수 있도록 구성되어 있다.
덧붙여서, 본 발명은 액상(液相)의 환원제 전구물질 뿐만 아니라 고상(固相)의 환원제 전구물질을 액상의 환원제 전구물질로 개질시켜 사용할 수 있어 환원제 선택의 다양성을 확보하는 동시에 광범위한 온도 범위에서 적용할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조로 하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원법에서 액상의 환원제 전구물질을 이용하는 질소산화물 저감시스템(이하 질소산화물 저감시스템)은 액상의 환원제 전구물질을 저장하는 저장부(1)와, 액상의 환원제 전구물질을 저장부 또는 후술될 계량 제어부로 공급하는 순환 공급부(2), 보일러(6)에 제공될 액상의 환원제 전구물질의 공급량을 조절하는 계량 제어부(3), 계량 제어부로부터 공급된 액상의 환원제 전구물질을 승온시키는 승온부(4), 승온된 액상의 환원제 전구물질을 보일러(6)에 액적 형태로 주입하는 환원제 주입부(5), 및 배기가스와 환원제가 혼합된 희박한 혼합가스의 환원반응을 돕는 촉매 반응탑(7)을 포함한다. 여기서, '희박한 혼합가스'의 용어는 보일러(6)에서 배출된 질소산화물을 함유한 배기가스, 환원제 주입부를 통해 보일러 내부로 공급된 압축공기, 환원제 주입부를 통해 보일러 내부로 공급된 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질에서 전환된 증기상의 암모니아를 상호 충분히 혼합한 것을 의미한다.
다시 말하자면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 질소산화물 저감시스템은 액상 환원제 또는 액상의 환원제 전구물질로부터 전환된 예컨대 암모니아 및/또는 이소시안산 등을 선택적 촉매 환원법의 환원제로 사용할 수 있도록 설계되어 있다.
저장부(1)는 보일러(6)에 도입될 액상의 환원제 전구물질 공급원으로서, 환원제 전구물질의 유동성을 향상시키기 위해서 액상의 환원제 전구물질을 보관한다.
환원제가 되는 액상의 환원제 전구물질은 바람직하기로 요소((NH2)2CO)와 탈이온화수(deionized water)로 이루어진 수용성(水溶性) 환원제인 요소수로 구성될 수 있으며, 요소수(urea solution)는 요소로부터 암모니아로의 전환이 매우 빠르고, 암모니아를 직접 환원제로 사용때에 수반되었던 운전 및 설비의 취급자가 독극물 취급에 따른 위험 요소를 사전에 제거할 수 있는 장점을 갖는다. 이러한 요소수는 하류로의 원활한 이송 뿐만 아니라 가수분해반응 효율을 향상시킬 수 있다. 참고로, 수용성 환원제는 수분(humidity)에서 발생되는 수산화기(OH-)를 갖고 있어, 다른 성질의 반응기와 화학적 결합이 쉽게 이루어질 수 있다. 다시 말하자면, 음이온인 수산화기가 수소(H+)와 신속하게 결합되어 물로 전환하게 되고, 질소산화물의 접촉 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 저장부(1)에 수용된 액상의 환원제 전구물질은 요소수에 국한되지 않고 이종(異種) 액상의 환원제 전구물질, 예컨대 탄산암모늄 수용액 등으로 대체가능하다. 선택가능하기로, 저장부(1)는 액상 환원제인 저농도 암모니아수를 저장보관하고서 보일러의 배기가스에 도입시켜 혼합될 수도 있다. 저농도 암모니아수는 운송/저장 과정에서 안정성을 확보하기 위해 2 내지 28 wt%의 암모니아를 포함한 수용액일 수 있다.
저장부(1)에 수용된 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질은 제1 공급라인(L1)을 따라 순환 공급부(2)로 안내된다. 순환 공급부(2)는 도시된 바와 같이 제2 공급라인(L2)을 통해 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질을 계량 제어부(3)로 안내하거나 순환라인(LC)을 통해 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질을 저장부(1)로 순환 공급할 수 있다.
본 발명은 저장부 및/또는 순환 공급부 내에 교반기와 같은 기계설비를 배치하지 않고서도 액상의 환원제 전구물질의 물성을 유지시키기 위해 저장부(1)와 순환 공급부(2) 사이에서 액상의 환원제 전구물질을 순환이동시킬 수 있도록 구성되어 있다. 즉, 액상의 환원제 전구물질은 저장부(1)에서 제1 공급라인(L1)을 지나 순환 공급부(2)로 유입되는 한편 순환 공급부(2)에서 순환라인(LC)을 따라 저장부(1)로 재안내(혹은 회수)될 수 있다. 당해분야의 숙련자들에게 알려져 있듯이, 요소염(urea salt)은 요소수에 포함된 불순물로 저장부(또는 순환 공급부) 내부면에 부착되어 요소수의 품질 저하를 야기시킬 수 있으며, 저장부나 공급라인 등에 부착된 요소염을 주기적으로 제거해야 한다. 즉, 본 발명에 따른 질소산화물 저감시스템은 환원제로 열분해되기 전에 액상의 환원제 전구물질인 요소수의 순환 공정을 통해 요소염의 생성 방지, 요소수의 순도 유지를 제공할 수 있다.
덧붙여서, 요소수는 10℃ 이하에서 결정화(crystalizing)되고 -11℃에서 결빙(freezing)되는 것으로 알려져 있다. 이에, 본 발명은 요소수의 결빙 또는 결정화를 방지할 수 있도록 저장부(1) 및/또는 순환공급부(2)에 히팅설비를 구비하는 한편 선택적으로 펌프 등의 순환설비를 구비할 수도 있다.
순환 공급부(2)에 수용된 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질은 제2 공급라인(L2)을 따라 계량 제어부(3)로 안내된다. 본 발명은 보일러(6) 내부로 분사될 암모니아 등의 액상 환원제나, 환원제가 되는 요소수, 탄산암모늄 수용액 등의 액상의 환원제 전구물질의 분사량을 계량 제어부(3)로 산출 결정할 수 있다. 계량 제어부(3)는 보일러(6)에서 발생된 질소산화물의 배출량과 이에 필요한 환원제를 당량비에 따라 계산된 환원제의 소모량(화학양론비)을 산출하여 제2 공급라인(L2)으로 이송된 액상 환원제 또는 액상의 환원제 전구물질을 후단 설비인 보일러 내부로 공급한다.
특별하기로, 본 발명은 계량 제어부(3)와 후술될 환원제 주입부(5) 사이에 승온부(4)를 배치할 수 있다. 승온부(4)는 계량 제어부(3)로 계량(計量)된 소정량의 액상 환원제, 바람직하기로는 액상의 환원제 전구물질을 70~120℃의 온도 범위로 승온시켜 승온된 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질을 환원제 주입부(5)를 통해 보일러(6)에 분사 공급한다.
선택적 촉매 환원법은 통상적으로 보일러가 저부하(low load) 상태이거나 촉매 반응탑(7)으로 유입될 배기가스 온도가 요소의 분해온도 이하인 경우에 질소산화물의 반응이 현저하게 떨어지는 현상이 발생되어 그대로 배기가스와 함께 암모니아의 슬립(slip) 현상이 생겨 후단 설비에 나쁜 영향이 야기될 수 있는 문제점을 갖는다. 이에, 본 발명은 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질을 보일러(6)의 토출 영역(62)으로 주입하기 전에 선가열하여 상대적으로 낮은 온도 하에서도 환원제로의 전환을 빠르게 진행시킬 수 있다.
일례로, 순환 공급부(2)에서 승온부(4)로 송급되는 액상의 환원제 전구물질이 요소수인 경우에, 요소수는 상온 하에서도 탄산암모늄(ammonium carbonate,(NH4)2CO3)으로 가수분해될 수 있지만 요소수에서 탄산암모늄 수용액으로의 전환속도를 향상시키기 위해 승온부에서 가열된다.
무색, 무취, 무미의 요소수는 화학식 1과 같이 수분과 접촉된 상태에서 고온의 배기가스와 직접 접촉되지 않고서도 비교적 낮은 온도에서 승온시켜 신속하게 요소를 탄산암모늄으로 가수분해시킬 수 있다.
Figure 112021138037212-pat00001
탄산암모늄은 요소수보다 낮은 온도에서도 암모니아의 전환이 용이할 뿐만 아니라 질소산화물의 제거효율이 뛰어난 것으로 알려져 있다. 이러한 사실을 기초로 하여, 본 발명은 요소수를 고온의 배기가스와 직접 접촉시키지 않고, 우선적으로 요소수를 비교적 낮은 온도에서 선가열하여 탄산암모늄 수용액으로 분해시키는 것을 특징으로 한다.
널리 알려져 있듯이, 요소((NH2)2CO)가 물에 용해된 요소수는 고온 환경(약 300~500℃) 하에서 열적분해반응과 열적가수분해반응을 동반하여 암모니아(NH3)와 이소시안산(HNCO)으로 변환되는 특성을 갖는다,
Figure 112021138037212-pat00002
참고로, 이소시안산은 450℃ 이하의 반응 온도에서는 선택적 촉매 환원법의 촉매에서 가수분해(화학식 3)를 통해 환원제인 암모니아로 분해될 수 있다.
Figure 112021138037212-pat00003
Figure 112021138037212-pat00004
참고로, 질소산화물 저감시스템 내에서 이소시안산을 환원제로 사용할 경우에, 이소시안산은 보일러의 토출 영역에서 위의 화학식 4와 같은 화학반응이 진행되면서 유해한 질소산화물을 질소와 이산화탄소(CO2)와 같이 대기오염과 무관한 물질로 전환된다.
다른 일례로, 순환 공급부(2)에서 승온부(4)로 송급되는 액상의 환원제 전구물질이 탄산암모늄 수용액인 경우에, 탄산암모늄은 70℃ 정도의 가열온도에서도 쉽게 암모니아와 이산화탄소로 분해될 수 있다. 이에, 본 발명은 보일러의 토출 영역 내에서 탄산암모늄으로부터 암모니아로의 분해 응답속도를 빠르게 진행하기 위해 승온부(4) 내에서 탄산암모늄 수용액의 일부를 액상 암모니아로 전환하는바, 이의 화학반응식은 다음과 같다.
Figure 112021138037212-pat00005
즉, 본 발명은 보일러(6)의 토출 영역(62)에 주입될 최종 액상의 환원제 전구물질을 탄산암모늄 수용액으로 개질함으로써, 보일러의 저부하 상태(혹은 낮은 온도) 하에서도 탄산암모늄으로부터 암모니아로의 전환을 안정적이면서 신속하게 진행시켜 질소산화물과의 원활한 환원반응을 야기시킬 수 있다.
또 다른 일례로, 순환 공급부(2)에서 승온부(4)로 송급되는 액상 환원제가 암모니아인 경우에, 승온부는 액상 환원제인 암모니아수를 가열한다. 이러한 승온 공정은 보일러의 토출 영역에서 암모니아수를 빠른 시간 내에 기화될 수 있도록 돕는다.
앞서 기술되었듯이, 환원제 주입부(5)를 수단으로 하여 보일러에 공급될 탄산암모늄 수용액 또는 암모니아수의 증발과 열분해 반응에 필요한 열에너지는 고온의 배기가스로부터 공급되기 때문에 이러한 증발과 열분해 반응 과정 동안에 배기가스의 온도가 감소한다. 이에, 본 발명은 보일러 내로 공급될 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질을 승온부에 의해 상변화 온도의 편차를 줄여 액상 환원제를 증기상으로 빠르게 상변화시킬 수 있다.
덧붙여서, 승온부 내에서 암모니아수의 일부는 배기가스보다 낮은 온도에서 기화되어 기상 암모니아로 상변화될 수도 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명은 승온 처리된 액상 환원제나 환원제가 되는 액상의 환원제 전구물질을 촉매 반응탑(7) 전단에서 배기가스에 액정 형태로 주입시킨다.
승온 공정을 통해 탄산암모늄 수용액으로 개질된 액상의 환원제 전구물질은 환원제 주입부(5)를 통해 (압축)공기와 함께 보일러(6)의 토출 영역(62)으로 주입되고, 고온의 배기가스를 열원으로 하여 화학식 5와 같이 기상 암모니아로 분해된다.
더욱이, 액상 환원제인 암모니아수 또한 고온의 배기가스의 접촉을 통해 기상 암모니아로 기화되면서 환원제 주입부에 의해 상당량의 공기와 혼합된다. 암모니아는 고온 하에서 폭발성이 강하므로 환원제 주입부(5)로 공급된 공기와 보일러 내부에서 잘 혼합되어야만 한다. 암모니아의 폭발을 미연에 방지하기 위해서, 당해분야의 숙련자들에게 이미 널리 알려져 있듯이 암모니아/공기의 비는 2~5% 정도로 유지하는 것이 바람직하다. 즉, 환원제 주입부에서 공급된 압축공기와 함께 보일러(6) 내에서 전환된 기상 암모니아가 서로 혼합되어 매우 희박한 암모니아 증기상으로 되어야만 한다.
보일러(6)는 물질의 연소, 합성, 분해 등을 통해 질소산화물 등의 유해가스를 배출하는 장치로서, 연료, 예컨대 화석연료 등을 연소시켜 연소열과 함께 질소산화물을 함유한 배기가스를 발생시키는 연소 영역(61)과, 연소 영역에서 발생된 배기가스를 후단으로 배출하는 토출 영역(62)으로 이루어질 수 있다. 도시된 바와 같이, 토출 영역(62)은 배기가스와 함께 환원제인 희박한 암모니아 증기를 혼합접촉시켜 충분히 혼합된 희박한 혼합가스를 촉매 반응탑(7)으로 안내할 수 있도록 덕트(duct) 구조로 이루어질 수 있으며, 선택적으로 폐열회수보일러를 채용하여 보일러를 운전할 때 배출되는 열에너지를 회수하여 증기를 생산할 수 있다. 또한, 본 발명은 토출 영역 또는 후단에 배치된 연도의 여열을 회수하여 승온부(4)의 열원으로 사용할 수도 있다.
본 발명에서, 보일러(6)는 보일러 하단에 배치된 버너(미도시)의 착화를 통해 보일러 내에서 화염이 상부 방향으로 형성되는데, 연소가 진행되면서 발생되는 질소산화물을 처리하기 위해 연소 영역(61) 하류에 형성된 토출 영역(62)으로 환원제를 주입한다. 액상 환원제(예컨대, 암모니아수)나 액상의 환원제 전구물질(예컨대, 요소수, 탄산암모늄 수용액 등)은 환원제 주입부(5)를 통해 보일러(6)의 토출 영역(62), 부언하자면 대략 200℃~400℃ 정도의 고온 분위기 내로 분사 공급된다. 토출 영역(62)은 보일러(6) 내 고온의 배기가스에 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질을 직접 분사하여 암모니아 증기로 개질되는 전환 영역인 동시에 연소 영역(61)에서 배출되는 질소산화물과 앞서 기술된 매우 희박한 암모니아 증기상을 난류 상태로 후단을 향해 흐르게 하여 충분히 혼합접촉시킬 수 있는 혼합 영역일 수 있다.
본 발명은 전술되었듯이 촉매 반응탑(7)으로 유입되는 배기가스에 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질과 압축공기를 함께 인가하여 압축공기로 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질을 액적 형태로 무화(automizing)시켜 주입하도록 한다. 환원제 주입부(5)를 통해 보일러(6), 구체적으로 보일러의 토출 영역(62)으로 분사 공급되는 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질은 고온의 배기가스 내에서 빠른 응답속도로 기화/분해 등을 진행하게 된다.
액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질을 액적 형태로 분사함으로써, 촉매 반응탑(7)에서 촉매 반응율을 높여 선택적 촉매 환원법에 따른 탈질 성능을 향상시킬 수 있다.
앞서 기술되었듯이, 환원제 주입부(5)는 압축공기를 이용하여 환원제를 액적 형태로 분사할 수 있도록 구성되어 있기 때문에 보일러(6)의 토출 영역(62) 단면에 걸쳐 분사되어 환원제가 배기가스에 균일한 농도로 혼합될 수 있다. 이를 위해서, 환원제 주입부(5)는 환원제 이송관(510)과, 환원제 이송관(510)의 외주면에서 이격배치된 압축공기 이송관(520), 및 환원제 이송관(510)과 압축공기 이송관(520) 사이로 압축공기의 이동 경로를 제공하는 이격 공간(530)을 포함한 이류체 노즐일 수 있다(도 2 참조). 환원제 이송관과 압축공기 이송관은 전반적으로 동심원 구조를 갖는다.
구체적으로, 환원제 이송관(510)은 길게 뻗은 내부관(510a)과 이 내부관의 길이방향을 따라 유체연통가능하게 양측으로 분지된 다수의 분지관(510b)을 구비한다. 도시된 바와 같이, 다수의 분지관(510b)은 승온부(4)에서 가온된 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질을 토출 영역에 균일하게 분배공급할 수 있도록 내부관(510a)의 길이방향을 따라 일정 간격 이격되게 돌출 형성되어 있다. 덧붙여서, 다수의 분지관(510b)은 이의 관말부에 토출공(참조부호 없음)을 가진 제1 노즐 캡(510c)을 구비할 수 있다.
환원제 이송관과 대응되게, 압축공기 이송관(520)은 내부관(510a)과의 사이에 이격 공간(530)을 형성하면서 둘러싸는 외부관(520a)과, 다수의 분지관(510b)과 대응되는 위치의 외부관(520a) 외면에 돌출 형성된 다수의 공급관(520b)을 구비한다. 공급관(520b)은 외부관(520a)과 유체연통가능하게 분지되어 연장되되, 분지관(510b)과의 사이에 유격 공간을 형성하면서 둘러쌀 수 있는 크기와 형상으로 형성된다.
덧붙여서, 공급관(520b)의 관말부는 보일러의 토출 영역(62)으로 액적 형태로 주입될 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질의 분사각도를 제어할 수 있도록 2개 이상의 토출공(참조부호 없음)을 갖춘 제2 노즐 캡(520c)을 구비한다.
환원제 주입부는 실질적으로 블로워(참조부호 없음)의 작동으로 강제로 송풍된 압축공기를 내부관(510a)과 외부관(520a) 사이의 제1 이격 공간부와, 분지관(510b)과 공급관(520b) 사이의 제2 이격 공간부로 이루어진 이격 공간을 지나 외부, 즉 토출 영역으로 분사될 수 있다. 환원제 주입부(5)는 분지관(510b)과 공급관(520b) 사이의 제2 이격 공간부로 압축공기가 분사되는 힘에 의해 제1 노즐 캡(510c)과 제2 노즐 캡(520c) 사이의 간극에 음압이 걸리게 되고, 이 음압에 의해 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질이 간극으로 유입되어 압축공기와 혼합접촉된다. 선택가능하기로, 압축공기와 액상의 환원제 전구물질(혹은 액상 환원제)의 압력비는 경제성을 고려하여 1:1~1:1.5 일 수 있다. 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질은 압축공기의 기류에 의해 분쇄하여 액체를 입자형태로 미립화시킨 액적 형태의 구조로 보일러로 토출시킬 수 있다.
본 발명의 실시예는 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질을 환원제 이송관을 따라 유동하는 동안에 2차 승온될 수 있고, 압축공기를 압축공기 이송관을 따라 유동하는 동안에 가열되기 때문에 배기가스와의 온도 편차를 줄일 수 있다.
실질적으로, 본 발명은 환원제 주입부를 이용하여 암모니아 주입설비(ammonia injection grid; AIG)와 같은 별도의 구성부재를 배제하여도 배기가스와 환원제의 혼합을 촉진시킬 수 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명은 보일러의 토출 영역(62)을 적어도 하나 이상의 굴곡부를 형성한 덕트 구조를 갖추고 있는바, 덕트의 굴곡부에 환원제 주입부(5)를 설치하도록 한다. 이는 배기가스의 유동흐름 방향을 변경(또는 전환)하는 토출 영역의 굴곡부에서 액적 형태의 환원제를 분사 공급함으로써 보일러(6)에서 배출되는 질소산화물과 희박한 암모니아 증기를 난류 상태로 흐르게 하여 충분히 혼합접촉시킨다. 덧붙여서, 환원제 주입부(5)에서 분사될 액상 환원제나 액상의 환원제 전구물질은 배기가스의 유동흐름 방향과 직교되게 분사되게 한다. 질소산화물과 희박한 암모니아로 혼합된 혼합가스는 선택적 촉매 환원법에 따른 촉매 반응탑(700;catalyst tover)으로 이동안내하게 되는데, 질소산화물은 암모니아와 환원반응을 일으킨다.
선택적 촉매 환원법 공정은 촉매의 존재 하에서 암모니아와 같은 환원제의 도움을 받아 질소산화물(NOX)을 질소(N2)와 물(H20)로 분해된다. 기상 환원제(예컨대, 암모니아 증기)는 촉매 반응탑(7)의 촉매층에 흡수되고, 배기가스 내 질소산화물과 선택적으로 환원반응할 수 있다. 암모니아를 사용한 화학양론적 SCR 환원에 대한 화학식은 다음과 같다.
Figure 112021138037212-pat00006
촉매 반응탑(7)에서 반응된 후에 생성된 질소와 물은 연도를 통하여 대기 중으로 방출될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원법에서 액상의 환원제 전구물질을 이용하는 질소산화물 저감시스템을 개략적으로 도시한 공정도이다. 도 3에 도해된 질소산화물 저감시스템은 도 1에 도시된 질소산화물 저감시스템의 다른 변형예로서, 용해부의 배치를 제외하고는 매우 유사한 구조로 이루어져 있기 때문에, 본 발명의 명료한 이해를 돕기 위해서 유사하거나 동일한 구성에 대한 설명은 여기서 배제할 것이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원법에서 액상의 환원제 전구물질을 이용하는 질소산화물 저감시스템(이하 질소산화물 저감시스템)은 환원제 선택의 다양성을 확보할 수 있도록 설계되어 있다.
일반적으로, 질소산화물 저감시스템에서는 일정 농도의 액상으로 사용되는 요소수, 탄산암모늄 수용액, 저농도 암모니아수를 저장부(1)로부터 공급받아 탈질 공정을 수행하게 되는데, 액상의 환원제 전구물질을 저장부(1) 내로 끊이지 않고 연속적으로 공급하는데는 상당한 어려움이 따른다.
예컨대, 요소수의 어는점은 앞서 언급되었듯이 -11℃이므로 요소수 외부공급원으로부터 저장부(1)까지의 이송 경로의 온도를 적정 온도 이하로 유지하기 위해 별도의 단열 대책이 요구되는 한편 요소수의 어는점을 낮추기 위해 요소수에 물을 60% 이상 섞어 사용해야 하므로 요소수의 부피와 무게가 증가할 수밖에 없다. 다른 환원제 전구물질인 탄산암모늄 수용액은 질소산화물 제거에 많이 사용되는 요소수에 비해 제거효율이 뛰어나지만 환원반응에 요구되는 사용량이 비슷하여 고상 탄산암모늄이 사용되고 있다. 또한, 시중에서 구매가능한 고상 탄산암모늄은 요소수에 비해 공급가격이 저렴한 것으로 알려져 있다.
종래의 질소산화물 저감시스템에서는 환원제 전구물질을 고체 상태로 사용하여 취급이 용이하고 부피를 줄일 수 있지만 고상의 환원제 전구물질을 암모니아로의 열분해시 많은 양의 에너지가 필요하고 보일러나 관로에서 열분해 온도를 유지하지 못할 경우 관로 등에 환원제 전구물질이 응고되는 단점이 있다. 즉, 고상의 환원제 전구물질을 배기가스 유로에 직접 주입하는 방식은 보일러에서 발생된 질소산화물의 배출량에 따라 암모니아 공급량과 공급 시기를 제어하는데 한계를 가질 수밖에 없으며, 암모니아 환원제가 과다 공급될 경우 질소산화물과 반응되지 않은 암모니아의 슬립 현상이 발생되는 문제가 있다.
이에, 본 발명은 고상의 환원제 전구물질을 용해하여 액상의 환원제 전구물질을 질소산화물 저감시스템 내에 연속적으로 공급할 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 저감시스템 저감시스템은 고상의 환원제 전구물질을 용해하는 용해부(F1)와, 용해된 액상의 환원제 전구물질을 저장하는 저장부(1), 액상의 환원제 전구물질을 저장부 또는 후술될 계량 제어부로 공급하는 순환 공급부(2), 보일러(6)에 제공될 액상의 환원제 전구물질의 공급량을 제어하는 계량 제어부(3), 계량 제어부로부터 공급된 액상의 환원제 전구물질을 승온시키는 승온부(4), 승온된 액상의 환원제 전구물질을 보일러(6)에 액적 형태로 주입하는 환원제 주입부(5), 및 배기가스와 환원제가 혼합된 희박한 혼합가스의 환원반응을 돕는 촉매 반응탑(7)을 포함한다.
바람직하기로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 질소산화물 저감시스템은 액상의 환원제 전구물질을 수용하는 저장부(1) 전단에 고상의 환원제 전구물질을 용해하는 용해부(F1)를 배치한다. 고상의 환원제 전구물질은 고상 요소(혹은 요소 고체)나 고상 탄산암모늄일 수 있다.
용해부(F1)는 고상의 환원제 전구물질 공급원으로부터 공급된 고상의 환원제 전구물질와 수원으로부터 공급된 물을 투입하여 용해시키는 구성부재로, 액상의 환원제 전구물질로의 상변화를 유도하고 이를 저장부(1)로 이송시킨다.
고상의 환원제 전구물질인 고상 요소나 고상 탄산암모늄은 물에 녹는 용해도가 높아 요소수나 탄산암모늄 수용액과 같은 액상의 환원제 전구물질로 쉽게 개질시킬 수 있는데, 완전히 용해될 수 있도록 용해부(F1)는 교반기와 고상의 환원제 전구물질을 가열 용융하기 위한 가열기를 추가로 포함할 수 있다.
고상의 환원제 전구물질들은 용해 과정 중 흡열반응을 하기 때문에 반응이 진행될수록 수온이 떨어지게 되는바, 용해부의 내부 온도가 떨어질수록 용해속도가 매우 낮아지기 때문에 용해 속도가 떨어지는 것을 방지하기 위해 가열기를 구비하는 것이 바람직하다. 선택가능하기로, 가열기는 보일러이나 연도로 배출되는 배기가스의 일부를 열원으로 하는 열교환기로 이루어질 수도 있으며, 전술되었듯이 용해 속도를 높이기 위해 물을 40℃까지 가온하도록 한다.
덧붙여서, 용해 공정은 용해에 소요되는 시간이 늘어날수록 대기 중의 이산화탄소(CO2)가 계속 주입되어 염이 생성되는 문제점을 갖기 때문에 교반기를 통해 용해부 내부에 강제로 와류를 발생시켜 용해 시간을 단축시킬 수 있다.
이상 본 발명은 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원법에서 액상의 환원제 전구물질을 이용하는 질소산화물 저감시스템은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1 ----- 저장부,
2 ----- 순환 공급부,
3 ----- 계량 제어부,
4 ----- 승온부,
5 ----- 환원제 주입부,
6 ----- 보일러,
7 ----- 촉매 반응탑,
F1 ----- 용해부.

Claims (8)

  1. 보일러(6)에서 배출된 질소산화물(NOX)을 함유한 배기가스에 압축공기와 암모니아(NH3)를 충분히 혼합시킨 희박한 혼합가스를 촉매 반응탑(7)에서 선택적 촉매 환원법에 따라 탈질반응을 유도하는 질소산화물 저감시스템에 있어서,
    액상의 환원제 전구물질을 저장하는 저장부(1)와;
    상기 저장부(1)의 제1 공급라인(L1)으로 상기 액상의 환원제 전구물질을 공급받고, 순환라인(LC)을 통해 상기 액상의 환원제 전구물질을 상기 저장부(1)로 재안내하는 순환 공급부(2);
    상기 순환 공급부(2)의 제2 공급라인(L2)으로 안내될 상기 액상의 환원제 전구물질의 공급량을 조절하여 상기 촉매 반응탑(7)의 전단으로 공급하는 계량 제어부(3);
    상기 계량 제어부(3)로 공급될 상기 액상의 환원제 전구물질을 가온하는 승온부(4); 및
    상기 승온부(4)에 의해 가열된 상기 액상의 환원제 전구물질을 압축공기를 이용하여 액적 형태로 상기 촉매 반응탑의 전단에 주입하는 환원제 주입부(5);를 포함하는데,
    상기 환원제 주입부(5)는,
    내부관(510a)과, 상기 내부관의 길이방향을 따라 유체연통가능하게 분지된 다수의 분지관(510b), 및 상기 분지관의 관말부에 배치된 제1 노즐 캡(510c)을 구비하는 환원제 이송관(510)과;
    상기 내부관(510a)을 둘러싸는 외부관(520a)과, 상기 분지관과 대응되는 위치에 상기 외부관의 외면에 돌출 형성된 공급관(520b), 및 상기 공급관의 관말부에 배치된 제2 노즐 캡(520c)을 구비하고, 상기 환원제 이송관(510)의 외주면에 이격배치된 압축공기 이송관(520); 및
    상기 환원제 이송관(510)과 상기 압축공기 이송관(520) 사이로 상기 압축 공기의 이동 경로를 제공하는 이격 공간(530);을 포함하며,
    상기 액상의 환원제 전구물질이 유로 상에서 결빙 또는 결정화를 방지하기 위해 상기 저장부(1)와 상기 순환 공급부(2) 사이를 순환하도록 안내되는 것을 특징으로 하는, 선택적 촉매 환원법에서 액상의 환원제 전구물질을 이용하는 질소산화물 저감시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보일러(6)는,
    연소열과 질소산화물을 함유한 배기가스를 배출하는 연소 영역(61)과;
    상기 연소 영역(61) 하류에 배치되고, 상기 환원제 주입부(5)로 분사공급될 액상의 환원제 전구물질을 상기 배기가스에 도입하여 암모니아 증기로 전환하고 상기 촉매 반응탑(7)으로 안내하는 토출 영역(62);으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 질소산화물 저감시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 환원제 주입부(5)는 상기 배기가스의 유동흐름 방향을 변경하는 상기 토출 영역(62)의 굴곡부 내에 위치선정되는 것을 특징으로 하는, 질소산화물 저감시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 저장부(1) 또는 상기 순환 공급부(2)는 히팅 설비를 구비하는 것을 특징으로 하는, 질소산화물 저감시스템.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 승온부(4)는 상기 액상의 환원제 전구물질을 70~120℃의 온도 범위로 가온하는 것을 특징으로 하는, 질소산화물 저감시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    고상의 환원제 전구물질을 용해하는 용해부(F1)를 상기 저장부(1)의 전단에 추가로 유체연통가능하게 구비하는 것을 특징으로 하는, 질소산화물 저감시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 액상의 환원제 전구물질은 요소수, 탄산암모늄 수용액 또는 액상 환원제인 저농도 암모니아수로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 질소산화물 저감시스템.
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