KR102478595B1 - 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치 - Google Patents

복합화력발전소용 질소산화물 제거장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 복합화력발전소의 기동 초기부터 환원제의 급속한 기화 공급을 가능케 하여, 배기가스의 온도가 낮은 기동 초기부터 질소산화물을 저감시킬 수 있는 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치는, 복합화력발전소 가스터빈의 배기가스를 배출하는 배기관, 상기 배기관에 구비되는 선택적환원촉매(SCR), 상기 배기관과 상기 선택적환원촉매를 바이패스 연결하는 바이패스관, 상기 바이패스관의 유입측에 구비되어 기동 초기 제1온도(T1)의 배기가스를 상기 바이패스관으로 공급하는 브로워, 상기 브로워를 경유한 배기가스를 가열시키도록 상기 바이패스관에 구비되는 열원, 및 상기 열원에서 승온되어(ΔT) 상기 제1온도보다 높은 제2온도(T2 = T1 + ΔT)의 배기가스에 환원제를 분사하여 기화시켜서 선택적환원촉매(SCR)에 공급하여 질소산화물을 환원시키도록 상기 바이패스관의 출구측에 구비되는 기화기를 포함한다.

Description

복합화력발전소용 질소산화물 제거장치 {APPARATUS REDUCING NOx IN EXHAUST GAS OF THERMAL POWER PLANT}
본 발명은 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복합화력발전소의 기동 초기에 배기가스의 온도가 낮은 상황에서도 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거하는 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치에 관한 것이다.
알려진 바에 따르면, 복합화력발전소에서 배출되어 미세먼지의 주요원인인 NOx를 제거하기 위해 선택적환원촉매(SCR, selective catalyst reduction) 설비가 사용되고 있다. SCR 설비는 SCR촉매의 운전온도(통상 220℃ 이상)에 도달한 경우 탈질 성능을 얻을 수 있다.
SCR촉매 상에서 NOx를 질소로 환원하기 위하여, 환원제를 공급한다. 환원제로써 암모니아수 또는 요소수가 사용되며, 액상으로 공급되므로 이들을 기화시켜 SCR 상에 공급하기 위한 수단이 필요하다.
복합화력발전소에서 배출되는 고온 배기가스의 열을 활용할 경우, 기동 초기에 배기가스의 온도가 충분히 높지 않은 기간에는 열량의 부족으로 환원제를 기화할 수 없게 된다.
한편. 복합화력발전소의 가스터빈 기동 초기에 배출되는 질소산화물은 정상상태 운전 보다 상대적으로 NO2 가 NO 보다 많고, 이 경우 10~12ppm 이상 조건의 NO2가 배출되면 배출가스가 노락색을 띄는 황연현상이 발생하게 된다. 그러나 기동 초기에는 SCR촉매의 온도가 낮고, 배기가스의 온도가 낮아서 환원제를 제대로 공급하기 어려운 조건이다.
그리고 복합화력발전소의 경우 일년에 200번 이상 기동과 정지를 반복하기 때문에 기동 초기에 배출되는 질소산화물을 저감하기 위한 수단이 필요하지만, 현재까지 대응 가능한 기술이 없다.
본 발명의 목적은 복합화력발전소의 기동 초기부터 환원제의 급속한 기화 공급을 가능케 하여, 배기가스의 온도가 낮은 기동 초기부터 질소산화물을 저감시킬 수 있는 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 복합화력발전소의 기동 초기 배기가스가 100℃ 이하 조건에서도 환원제의 급속한 기화 공급을 가능케 하여, 질소산화물을 제거하는 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치는, 복합화력발전소의 배기가스를 배출하는 배기관, 상기 배기관에 구비되는 선택적환원촉매(SCR), 상기 배기관의 일부 구간을 바이패스 하여 상기 배기관과 상기 선택적환원촉매를 바이패스 연결하는 바이패스관, 상기 바이패스관의 유입측에 구비되어 기동 초기 제1온도(T1)의 배기가스를 상기 바이패스관으로 공급하는 브로워, 상기 브로워를 경유한 배기가스를 가열시키도록 상기 바이패스관에 구비되는 열원, 및 상기 열원에서 승온되어(ΔT) 상기 제1온도보다 높은 제2온도(T2 = T1 + ΔT)의 배기가스에 환원제를 분사하여 기화시켜서 상기 선택적환원촉매(SCR)에 공급하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시키도록 상기 바이패스관의 출구측에 구비되는 기화기를 포함한다.
상기 환원제는 암모니아수 또는 요소수일 수 있다.
상기 기화기는 상기 암모니아수를 기화 및 열분해하여 선택적환원촉매(SCR)에 기체상의 암모니아를 공급할 수 있다.
상기 기화기는 상기 요소수를 기화, 열분해 및 가수분해하여 선택적환원촉매(SCR)에 기체상의 암모니아를 공급할 수 있다.
상기 기화기가 작동을 시작하는 상기 제1온도(T1)는 50℃ 이상 내지 170℃ 이하이고, 상기 환원제가 암모니아수인 경우, 상기 제2온도(T2)는 170℃ 초과 내지 350℃이하일 수 있다.
상기 제1온도(T1)는 50℃ 이상 조건에서 운전이 가능하고, 상기 환원제가 요소수인 경우, 상기 제2온도(T2)는 공급되는 환원제의 증발과 열분해를 위해 요소수의 물이 증발된 후 조건에서 350℃ 초과 내지 500℃이하일 수 있다.
승온되는 온도(ΔT)는 배기가스의 제1온도와 환원제의 기화열에 소요되는 열의 합으로 설정될 수 있다.
상기 배기가스는, 가스터빈의 운전 부하 조건에 따라 15~20%의 산소 농도를 가질 수 있다.
상기 기화기는 요소수를 환원제로 사용하는 경우, 요소수 분해에 따른 이소시안(HNCO)을 가수분해시키기 위하여 후단에 구비되는 가수분해 촉매 반응기를 더 포함할 수 있다.
상기 바이패스관은 확장부를 형성하고, 상기 열원은 상기 확장부에 내에 설치될 수 있다.
상기 바이패스관은 상기 열원에서 승온된 배기가스를 상기 브로워의 전방에 공급하도록 상기 열원과 상기 브로워의 전방에 연결되는 승온 배기 공급관을 더 포함할 수 있다.
상기 열원은 가스터빈에 사용되는 천연가스를 연료로 사용하여 천연가스의 열량으로 배기가스를 승온하는 버너로 형성될 수 있다.
상기 열원은 배기가스를 승온하는 전기 히터로 형성될 수 있다.
상기 열원은 부분산화의 다단 연소 구조로 배기가스를 승온하는 플라즈마 버너로 형성될 수 있다.
상기 플라즈마 버너는 전기적으로 접지되는 제1하우징, 상기 제1하우징에 내장되고 방전전압이 인가되는 전극, 및 상기 제1하우징보다 큰 내부 공간을 가지고 상기 제1하우징에 연결되는 제2하우징을 포함하며, 상기 제1하우징의 제1연료구로 공급되는 연료와 제1공기구로 공급되는 공기의 비를 연소 이론 당량비보다 작은 연료농후(fuel rich) 조건의 플라즈마에 의한 제1연소로 제1화염을 형성하고, 상기 제1연소의 생성물인 수소, CO와 미연 연료를 상기 제2하우징의 배기가스 유입구로 공급되는 배기가스 중의 산소를 이용하는 제2연소로 제2화염을 형성할 수 있다.
상기 제1연소는 부분산화반응이며, 상기 제2연소는 부분산화 반응 생성물과 배기가스 내 산소에 의한 추가 연소일 수 있다.
상기 제1화염은 연료대비 공기 공급량이 이론 연소 당량비의 50~100% 범위를 가질 수 있다.
상기 플라즈마 버너는 전기적으로 접지되는 제1하우징, 상기 제1하우징에 내장되고 방전전압이 인가되는 전극, 및 상기 제1하우징보다 큰 내부 공간을 가지고 상기 제1하우징에 연결되는 제2하우징을 포함하며, 상기 제1하우징의 제1연료구로 공급되는 제1연료와 제1공기구로 공급되는 제1공기의 비를 연소 이론 당량비보다 작은 연료농후(fuel rich) 조건의 플라즈마에 의한 제1연소로 제1화염을 형성하고, 상기 제2하우징의 제2연료구로 공급되는 제2연료와 제2공기구로 공급되는 제2공기의 비를 연소 이론 당량비보다 작은 연료농후(fuel rich) 조건의 플라즈마에 의한 제2연소로 제2화염을 형성하며, 상기 제1연소 및 상기 제2연소의 생성물인 수소, CO와 미연 연료를 상기 제2하우징의 배기가스 유입구로 공급되는 배기가스 중의 산소를 이용하는 제3연소로 제3화염을 형성할 수 있다.
상기 플라즈마 버너는 전기적으로 접지되는 제1하우징, 상기 제1하우징 내장되고 방전전압이 인가되는 전극, 및 상기 제1하우징에 연결되어 점진적으로 확장되고 확장된 공간을 가지며 다시 점진적으로 좁아지는 제2하우징을 포함하며, 상기 전극의 연료구로 공급되는 연료와 상기 제1하우징의 공기구로 공급되는 공기의 비를 연소 이론 당량비보다 작은 연료농후(fuel rich) 조건의 플라즈마에 의한 제1연소로 제1화염을 형성하고, 상기 제1연소의 생성물인 수소, CO와 미연 연료를 상기 제2하우징의 배기가스 유입구로 공급되는 배기가스 중의 산소를 이용하는 제2연소로 제2화염을 형성할 수 있다.
상기 플라즈마 버너는 교류 또는 직류로 구동되어 아크플라즈마(Arc Plasma)를 발생시킬 수 있다.
상기 플라즈마 버너는 무선주파수(Radio Frequency) 또는 마이크로웨이브(Micro Wave)로 구동되어 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
이와 같이, 일 실시예는 별도로 구비되는 열원에서 승온된 배기가스를 기화기로 공급하여 승온된 배기가스에 환원제를 분사하여 급속히 기화하여 선택적환원촉매에 공급하므로 복합화력발전소의 기동 초기에 낮은 온도(예, 170℃ 이하)의 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제6실시예에 따른 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제7실시예에 따른 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치의 구성도이다.
도 8은 도 7에 적용되는 플라즈마 버너의 단면도이다.
도 9는 도 7에 적용되는 다른 플라즈마 버너의 단면도이다.
도 10은 도 7에 적용되는 또 다른 플라즈마 버너의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 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 제1실시예에 따른 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 제1실시예의 질소산화물 제거장치(100)는 복합화력발전소(10)의 배기관(20), 선택적환원촉매(SCR)(30), 바이패스관(40), 브로워(50), 열원(60) 및 기화기(70)를 포함한다.
배기관(20)은 복합화력발전소(10)에서 가스터빈의 배기가스를 배출한다. 선택적환원촉매(30)는 배기관(20)에 구비되어 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시킨다. 바이패스관(40)은 배기관(20)의 일부 구간을 바이패스 하여 배기관(20)과 선택적환원촉매(30)를 바이패스 연결한다. 브로워(50), 열원(60) 및 기화기(70)는 바이패스관(40)에 순차적으로 설치된다.
복합화력발전소(10) 기동 초기에 가스터빈으로부터 연소 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물은 정상상태의 운전보다 상대적으로 NO2가 많다. 이 경우 10~12ppm 이상 조건의 NO2가 배출되면, 배기가스가 노락색을 띄는 황연 현상이 발생한다.
이에 대하여, 제1실시예는 선택적환원촉매(30)의 온도가 낮고, 배기가스의 온도가 낮은 경우에도 환원제를 정상적으로 공급 기화하여 선택적환원촉매(30)에서 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있게 한다.
이를 위하여, 바이패스관(40)은 배기관(20)의 일측에 구비되는 선택적환원촉매(30)의 경로를 배기관(20)의 일부 구간에서 바이패스 하여 별도로 배기관(20)과 선택적환원촉매(30)를 연결한다. 바이패스관(40)은 기동 초기에 선택적환원촉매(30)로 환원제를 공급하는 기화기(70)에 정상상태의 운전에 상응하는 온도의 배기가스를 공급할 수 있게 한다.
이를 위하여, 브로워(50)는 바이패스관(40)의 유입측에 구비되어 가스터빈의 기동 초기, 즉 기화기(70)가 작동을 시작하는 제1온도(T1)의 배기가스를 바이패스관(40) 및 바이패스관(40)에 구비되는 열원(60)으로 공급한다. 제1온도(T1)는 선택적환원촉매(30)에서 질소산화물이 환원제에 의하여 정상적으로 환원되기 어려운 낮은 온도를 의미한다. 따라서 가스터빈의 기동 초기에 배기가스의 제1온도(T1)는 선택적환원촉매(30)의 환원 작용으로 질소산화물을 제거하기 위하여 승온되어야 할 온도이다.
열원(60)은 브로워(50)를 경유하여 배기관(20)으로부터 유입되는 배기가스를 가열시키도록 구성된다. 열원(60)은 제1온도(T1)의 배기가스를 승온시킨다(ΔT). 즉 제1온도(T1)의 배기가스는 열원(60)을 경유하면서 제1온도(T1)보다 높은 제2온도(T2 = T1 + ΔT)로 가열된다.
시동 초기에도 불구하고, 제2온도(T2)는 선택적환원촉매(30)의 환원 작용을 위한 환원제 공급이 가능하게 하는 온도이다. 즉 제2온도(T2)는 바이패스 되는 배기가스에 환원제를 분사하여 기화시켜서 선택적환원촉매(SCR)(30)에 공급함으로써 선택적환원촉매(30)에서 질소산화물을 환원시킬 수 있게 한다.
이를 위하여, 기화기(70)는 바이패스관(40)의 출구측에 구비되어, 제2온도(T2)로 가열된 배기가스에 액체상의 환원제를 분사하여 기체상의 환원제를 형성한 후, 선택적환원촉매(30)에 공급할 수 있게 한다.
일례로써, 환원제는 암모니아수 또는 요소수일 수 있다. 기화기(70)에는 환원제를 공급하는 저장탱크(71)가 연결된다. 저장탱크(71)에 연결되는 노즐(72)은 기화기(70)의 내부로 투입되어 제2온도(T2)로 승온된 배기가스에 환원제를 미립자로 분사하여 기체상으로 만든다. 기체상의 환원제, 즉 암모니아는 제2온도(T2)로 승온된 배기가스와 함께 선택적환원촉매(30)로 공급된다.
즉 기화기(70)는 저장탱크(71)로부터 공급되는 암모니아수를 기화 및 열분해 하여 선택적환원촉매(30)에 기체상의 암모니아를 공급할 수 있다. 또는, 기화기(70)는 저장탱크(71)로부터 공급되는 요소수를 기화, 열분해 및 가수분해 하여 선택적환원촉매(30)에 기체상의 암모니아를 공급할 수 있다.
일례를 들면, 제1온도(T1)는 인입되는 배기가스와 증발시키고자 하는 액상 환원제의 공급량에 따라 달라질 수 있지만 50℃ 이상 내지 170℃ 이하이다. 이때, 환원제가 암모니아수인 경우, 제2온도(T2)는 170℃ 초과 내지 350℃이하일 수 있다. 이때, 암모니아수는 노즐(72)에 의하여 기화기(70)에 분사되어 기화 및 열분해 되어, 선택적환원촉매(30)에 기체상의 암모니아로 공급이 가능하게 된다.
일례로써, 배기가스에서 분기하여 기화기(70)로 유입되는 배기가스의 양(F)에 대하여 필요한 열량(Q)는 공급하는 암모니아수 또는 요소수를 증발시킨 이후 배출 조건에서 120℃ 이상 조건으로 배출되게 하는 배기가스 승온값(ΔT)을 설정할 수 있다.
Q = F * 배기가스 밀도 * ΔT
배기가스의 유량 또는 배기가스 승온값(ΔT)이 크지 않으면 공급된 환원제인 암모니아수 또는 요소수가 충분히 증발되지 못하고 액상의 방울(drop)으로 공급되거나, 전환이 다 되지 않아 촉매에 손상을 줄 수 있다.
또한, 제1온도(T1)는 50℃ 이상 조건에서 운전이 가능하고, 환원제가 요소수인 경우, 제2온도(T2)는 공급되는 환원제의 증발과 열분해를 위해 요소수의 물이 증발된 후 조건에서 350℃ 초과 내지 500℃이하일 수 있다. 이때, 요소수는 노즐(72)에 의하여 기화기(70)에 분사되어 기화, 열분해 및 가수분해를 거쳐, 선택적환원촉매(30)에 기체상의 암모니아로 공급이 가능하게 된다.
350℃ 이하의 조건에서는 요소수의 열분해에 필요한 반응이 충분히 일어나지 않게 되고, 500℃ 초과의 조건에서는 기화기(70) 운전에 따른 운전 비용이 과다해 지고 생성된 암모니아가 분해될 수 있는 가능성이 있다.
제1온도(T1)에서 승온되는 온도(ΔT)는 배기가스의 제1온도(T1)와 기화열에 소요되는 열의 합으로 설정될 수 있다. 이때, 유입되는 배기가스는 가스터빈의 운전 부하 조건에 따라 15~20%의 산소 농도를 가지질 수 있다. 황연 발생 및 배기가스 온도가 높지 않은 발전소 초기 기동 조건에서는 17~20%의 산소 농도, 및 높은 부하의 운전 조건에서는 17% 이하의 산소 농도 조건이 발생될 수 있다.
이하 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명한다. 제1실시예 및 기 설명된 실시예와 비교하여 동일한 구성에 대한 설명을 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 제2실시예의 질소산화물 제거장치(200)에서, 기화기(270)는 제1실시예의 기화기(70)에 가수분해 촉매 반응기(271)를 더 포함한다. 가수분해 촉매 반응기(271)는 요소수를 환원제로 사용하는 경우, 기화기(70)의 후단에 구비되어 요소수 분해에 따른 이소시안(HNCO)을 가수분해시킨다.
저장탱크(71)로부터 공급되는 요소수는 노즐(72)에 의하여 기화기(70)에 분사되어 1차적으로 기화 및 열분해 되어 기체상의 암모니아와 이소시안(HNCO)으로 되고, 가수분해 촉매 반응기(271)를 경유하면서 이소시안(HNCO)이 가수분해에 의하여 추가적인 암모니아가 생성된다. 이 기체상의 암모니아는 선택적환원촉매(30)에 공급되어 질소산화물을 더욱 효과적으로 제거할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치의 구성도이다. 도 3을 참조하면, 제3실시예의 질소산화물 제거장치(300)에서, 바이패스관(240)은 확장부(241)를 형성하고, 열원(60)은 확장부(241) 내에 설치된다. 따라서 열원(60)에서 발생되는 열은 외부로 방출되지 않고 확장부(241) 내에서 배기가스를 승온시키는데 모두 사용되므로 열원(60)의 효율을 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치의 구성도이다. 도 4를 참조하면, 제4실시예의 질소산화물 제거장치(400)에서, 바이패스관(340)은 승온 배기 공급관(341)을 더 포함한다.
승온 배기 공급관(341)은 브로워(50)를 바이패스 하여 열원(60)과 브로워(50)의 전방에서 바이패스관(340)에 연결된다. 승온 배기 공급관(341)은 열원(60)에서 승온된 배기가스를 브로워(50)의 전방에 공급하여 가스터빈의 기동 초기에 배기가스의 인입을 원활하게 한다.
즉 브로워(50)는 배기가스의 고온 조건에 맞추어서 운전된다. 기동 초기 저온 조건에서는 배기가스의 낮은 밀도로 인하여 브로워(50)로 인입되는 배기가스의 유량이 적을 수 있다. 기동 초기의 저온 조건일 경우, 브로워(50)의 전단으로 배기가스를 더 공급할 필요가 있다.
승온 배기 공급관(341)은 열원(60)에서 승온된 고온의 배기가스의 일부를 바이패스관(340)으로 역공급하여 브로워(50)에 의한 배기가스의 인입을 원활하게 하므로 열원(60)을 경유하여 기화기(70)로 공급되는 배기가스의 유량 부족을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치의 구성도이다. 도 5를 참조하면, 제5실시예의 질소산화물 제거장치(500)에서, 열원은 버너(260)로 형성된다.
버너(260)는 가스터빈에 사용되는 천연가스를 연료로 사용하여 천연가스의 열량으로 바이패스관(40)에서 배기가스를 승온시킬 수 있다. 버너(260)는 복합화력발전소의 가스터빈에 사용되는 연료를 사용하므로 다른 연료의 사용에 따른 불편함이 제거될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제6실시예에 따른 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치의 구성도이다. 도 6을 참조하면, 제6실시예의 질소산화물 제거장치(600)에서, 열원은 전기 히터(360)로 형성된다.
전기 히터(360)에 브로워(361)를 더 구비하여, 전기 히터(360)에서 가열된 공기를 기화기(70)로 더 공급할 수 있다. 즉 브로워(50)는 배기가스의 고온 조건에 맞추어서 운전된다.
기동 초기 저온 조건에서는 배기가스의 낮은 밀도로 인하여 브로워(50)로 인입되는 배기가스의 유량이 적을 수 있다. 기동 초기에 배기가스의 저온 조건일 경우, 브로워(361)는 기화기(70)로 승온된 외부 공기를 직접 공급하여, 열원(360)에서 기화기(70)로 공급되는 배기가스의 유량 부족을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제7실시예에 따른 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치의 구성도이다. 도 7을 참조하면, 제7실시예의 질소산화물 제거장치(700)에서, 열원(460)은 플라즈마 버너(461, 462, 463)(도 8, 도 9 및 도 10 참조)로 형성된다. 플라즈마 버너(461, 462, 463)는 부분산화의 다단 연소 구조로 배기가스를 다단으로 승온시킬 수 있도록 구성된다.
플라즈마 버너(461, 462, 463)는 배기가스의 승온을 위하여 운전시 플라즈마를 이용하며, 연료와 공기의 비를 연소 이론 당량비보다 작은 연료농후(fuel rich) 조건으로 부분산화 반응시키고 부분산화반응 생성물인 수소, CO 와 미연 연료를 배기가스 중에 잔류하는 산소를 이용하여 추가로 연소시킨다. 따라서 플라즈마 버너(461, 462, 463)는 운전에 따른 공기 사용량을 점점 감소하고, 운전 비용을 절감할 수 있게 한다.
플라즈마 버너(461, 462, 463)는 교류 또는 직류로 구동되어 아크플라즈마(Arc Plasma)를 발생시키도록 구성될 수 있다. 또한 플라즈마 버너(미도시)는 무선주파수(Radio Frequency) 또는 마이크로웨이브(Micro Wave)로 구동되어 플라즈마를 발생시키도록 구성될 수도 있다.
도 8은 도 7에 적용되는 플라즈마 버너의 단면도이다. 도 8을 참조하면, 플라즈마 버너(461)는 제1연소와 제2연소의 2단 연소 구조를 형성한다. 제1연소는 연료의 부분산화반응으로 제1화염(F1)을 형성하며, 제2연소는 제1화염(F1)에 배기가스를 공급하여 배기가스 중에 포함된 산소를 이용한 추가 연소로 제2화염(F2)을 형성할 수 있다. 즉 제2연소는 부분산화 반응 생성물과 배기가스 내 산소에 의한 추가 연소이다. 이때, 제1화염(F1)은 연료대비 공기 공급량이 이론연소 당량비의 50~100% 범위를 가질 수 있다. 농후 연소에서 당량비 1.6 정도 범위를 벗어나게 되면 화염의 유지가 어렵다. 이때 플라즈마 버너(461)의 플라즈마를 사용하여 당량비가 1.6 이상 범위에서도 플라즈마 버너(461)의 운전이 가능해지며, 이 경우 플라즈마 버너(461)의 운전에 사용되는 신기(fresh air)의 사용량이 일반 이론 당량비 운전 조건의 절반 이하까지도 가능하여 플라즈마 버너(461)의 운전 비용을 획기적으로 줄일 수 있다.
구체적으로 보면, 플라즈마 버너(461)는 제1하우징(61)과 제2하우징(62) 및 전극(63)을 포함한다. 제1하우징(61)은 전기적으로 접지되고 전극(63)을 내장한다. 방전전압은 전극(63)에 인가된다. 즉 제1하우징(61)과 전극(63)은 전원장치(64)에 연결된다. 제2하우징(62)은 제1하우징(61)보다 큰 내부 공간을 가지고 제1하우징(61)에 연결된다.
제1하우징(61)은 연료를 공급하는 제1연료구(611) 및 공기를 공급하는 제1공기구(612)를 구비하고, 제2하우징(62)은 대량의 배기가스를 유입하는 배기가스 유입구(621) 및 가열된 배기가스를 배출하는 배출구(622)를 구비한다. 유입구(621)는 브로워(50) 측에 연결되고, 배출구(622)는 기화기(70) 측에 연결된다.
제1하우징(61)이 전기적으로 접지되고 방전전압이 전극(63)에 인가된 상태에서, 제1연료구(611)로 공급되는 연료와 제1공기구(612)로 공급되는 공기는 아크플라즈마에 의한 제1연소로 제1화염(F1)을 형성한다. 이때 연료와 공기의 비는 제1하우징(61) 내에서 연소 이론 당량비보다 작은 연료농후(fuel rich) 조건으로 제1화염(F1)을 형성한다.
제1화염(F1)에 의한 제1연소의 생성물인 수소, CO와 미연 연료는 배기가스 유입구(621)로 공급되는 배기가스 중의 산소와 반응하여 제2하우징(620) 내에서 제2연소로 제2화염(F2)을 형성한다. 제2화염은 배출구(622)로 배출되면서 배기가스를 가열하고, 승온된 배기가스는 바이패스관(40)을 경유하여 기화기(70)로 공급된다.
도 9는 도 7에 적용되는 다른 플라즈마 버너의 단면도이다. 도 9를 참조하면, 플라즈마 버너(462)는 제1연소와 제2연소 및 제3연소의 3단 연소 구조를 형성한다. 제1연소는 연료의 부분산화반응으로 제1화염(F1)을 형성하며, 제2연소는 제1화염(F1)에 추가 연료의 부분산화반응으로 제2화염(F22)을 형성하고, 제3연소는 제2화염(F2)에 배기가스를 공급하여 배기가스 중에 포함된 산소를 이용한 추가 연소로 제3화염(F3)을 형성할 수 있다. 이때, 제1, 제2화염(F1, F2)은 연료대비 공기 공급량이 50~100% 범위를 가질 수 있다.
구체적으로 보면, 플라즈마 버너(462)에서 제1하우징(61)은 연료를 공급하는 제1연료구(611)와 제2연료구(613) 및 공기를 공급하는 제1공기구(612), 제2공기구(614)를 구비하고, 제2하우징(62)은 배기가스를 유입하는 배기가스 유입구(621) 및 가열된 배기가스를 배출하는 배출구(622)를 구비한다.
제1하우징(61)이 전기적으로 접지되고 방전전압이 전극(63)에 인가된 상태에서, 제1, 제2연료구(611, 613)로 공급되는 연료와 제1, 제2공기구(612, 614)로 공급되는 공기는 아크플라즈마에 의한 제1, 제2연소로 제1, 제2화염(F1, F22)을 형성한다. 이때 연료와 공기의 비는 제1하우징(61) 내에서 연소 이론 당량비보다 작은 연료농후(fuel rich) 조건으로 제1, 제2화염(F1, F22)을 형성한다.
제1, 제2화염(F1, F22)에 의한 제1, 제2연소의 생성물인 수소, CO와 미연 연료는 배기가스 유입구(621)로 공급되는 배기가스 중의 산소와 반응하여 제2하우징(620) 내에서 제3연소로 제3화염(F3)을 형성한다. 제3화염(F3)은 배출구(622)로 배출되면서 배기가스를 가열하고, 승온된 배기가스는 바이패스관(40)을 경유하여 기화기(70)로 공급된다.
도 10은 도 7에 적용되는 또 다른 플라즈마 버너의 단면도이다. 도 10을 참조하면, 플라즈마 버너(463)는 제1하우징(65)과 제2하우징(66) 및 전극(67)을 포함한다. 제1하우징(65)은 전기적으로 접지되고 전극(67)을 내장한다. 제2하우징(66)은 제1하우징(65)에 연결되어 점진적으로 확장되고 확장된 공간을 가지며 다시 점진적으로 좁아진다.
전극(67)은 연료를 공급하는 연료구(671)를 구비하고, 제1하우징(65)은 공기를 공급하는 공기구(651)를 구비하며, 제2하우징(66)은 배기가스를 유입하는 배기가스 유입구(661) 및 가열된 배기가스를 배출하는 배출구(662)를 구비한다.
제1하우징(65)이 전기적으로 접지되고 방전전압이 전극(67)에 인가된 상태에서, 전극(67)의 연료구(671)로 공급되는 연료와 제1하우징(65)의 공기구(651)로 공급되는 공기는 아크플라즈마에 의한 제1연소로 제1화염(F31)을 형성한다. 이때 연료와 공기의 비는 연소 이론 당량비보다 작은 연료농후(fuel rich) 조건의 플라즈마에 의한 제1연소로 제1화염(F31)을 형성한다.
제1화염(F31)에 의한 제1연소의 생성물인 수소, CO와 미연 연료는 배기가스 유입구(661)로 공급되는 배기가스 중의 산소와 반응하여 제2하우징(66) 내에서 제2연소로 제2화염(F32)을 형성한다. 제2화염(F32)은 배출구(662)로 배출되면서 배기가스를 가열하고, 승온된 배기가스는 바이패스관(40)을 경유하여 기화기(70)로 공급된다.
한편, 제2하우징(66)의 확장된 공간에는 보염기(78)를 구비한다. 일례로써 보염기(78)는 타공 실린더 형태를 가질 수 있다. 보염기(78)는 배기가스 유입구(661)로 유입되는 배기가스가 제1하우징(65)의 내부를 회전하면서 보염기(78) 내부로 균일한 유입을 유도하여, 제2화염(F32)이 보염기(78) 내에서 안정적으로 유지되면서 배기가스를 승온시킬 수 있게 한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 복합화력발전소 20: 배기관
30: 선택적환원촉매(SCR) 40, 240, 340: 바이패스관
50, 361: 브로워 60, 460: 열원
61, 65: 제1하우징 62, 66: 제2하우징
63, 67: 전극 64: 전원장치
70, 270: 기화기 71: 저장탱크
72: 노즐 78: 보염기
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700: 질소산화물 제거장치
241: 확장부 260: 버너
271: 가수분해 촉매 반응기 341: 승온 배기 공급관
36: 전기 히터 461, 462, 463: 플라즈마 버너
611: 제1연료구 612: 제1공기구
613: 제2연료구 614: 제2공기구
621, 661: 배기가스 유입구 622, 662: 배출구
651: 공기구 671: 연료구
F1, F31: 제1화염 F2, F22, F32: 제2화염
F3: 제3화염 T1: 제1온도
T2: 제2온도(T1 + ΔT) ΔT: 승온되는 온도

Claims (21)

  1. 복합화력발전소의 배기가스를 배출하는 배기관;
    상기 배기관에 구비되는 선택적환원촉매(SCR);
    상기 배기관의 일부 구간을 바이패스 하여 상기 배기관과 상기 선택적환원촉매를 바이패스 연결하는 바이패스관;
    상기 바이패스관의 유입측에 구비되어 기동 초기 제1온도(T1)의 배기가스를 상기 바이패스관으로 공급하는 브로워;
    상기 브로워를 경유한 배기가스를 가열시키도록 상기 바이패스관에 구비되는 열원;
    상기 열원에서 승온되어(ΔT) 상기 제1온도보다 높은 제2온도(T2 = T1 + ΔT)의 배기가스에 환원제를 분사하여 기화시켜서 상기 선택적환원촉매에 공급하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시키도록 상기 바이패스관의 출구측에 구비되는 기화기; 및
    상기 기화기의 후단에 구비되는 가수분해 촉매 반응기
    를 포함하며,
    상기 기화기는 환원제인 요소수를 기상의 암모니아와 액상의 이소시안으로 기화 열분해하고,
    상기 가수분해 촉매 반응기는 이소시안을 가수분해하여 추가적인 암모니아를 생성하는, 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1온도(T1)는 50℃ 이상 조건에서 운전이 가능하고,
    상기 제2온도(T2)는 350℃ 초과 내지 500℃이하인, 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치.
  7. 제1항에 있어서,
    승온되는 온도(ΔT)는
    배기가스의 제1온도와 환원제의 기화열에 소요되는 열의 합으로 설정되는 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스는
    15~20%의 산소 농도를 가지는, 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스관은 확장부를 형성하고,
    상기 열원은 상기 확장부에 내에 설치되는, 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스관은
    상기 열원에서 승온된 배기가스를 상기 브로워의 전방에 공급하도록 상기 열원과 상기 브로워의 전방에 연결되는 승온 배기 공급관을 더 포함하는, 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 열원은
    가스터빈에 사용되는 천연가스를 연료로 사용하여 천연가스의 열량으로 배기가스를 승온하는 버너로 형성되는, 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 열원은
    배기가스를 승온하는 전기 히터로 형성되는 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 열원은
    부분산화의 다단 연소 구조로 배기가스를 승온하는 플라즈마 버너로 형성되는, 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 플라즈마 버너는
    전기적으로 접지되는 제1하우징, 상기 제1하우징에 내장되고 방전전압이 인가되는 전극, 및 상기 제1하우징보다 큰 내부 공간을 가지고 상기 제1하우징에 연결되는 제2하우징을 포함하며,
    상기 제1하우징의 제1연료구로 공급되는 연료와 제1공기구로 공급되는 공기의 비를 연소 이론 당량비보다 작은 연료농후(fuel rich) 조건의 플라즈마에 의한 제1연소로 제1화염을 형성하고,
    상기 제1연소의 생성물인 수소, CO와 미연 연료를 상기 제2하우징의 배기가스 유입구로 공급되는 배기가스 중의 산소를 이용하는 제2연소로 제2화염을 형성하는, 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1연소는 부분산화반응이며,
    상기 제2연소는 부분산화 반응 생성물과 배기가스 내 산소에 의한 추가 연소인, 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1화염은
    상기 제1연료구로 공급되는 연료량 대비 상기 제1공기구로 공급되는 공기 공급량이 이론 연소 당량비의 50~100% 범위를 가지는, 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 플라즈마 버너는
    전기적으로 접지되는 제1하우징, 상기 제1하우징에 내장되고 방전전압이 인가되는 전극, 및 상기 제1하우징보다 큰 내부 공간을 가지고 상기 제1하우징에 연결되는 제2하우징을 포함하며,
    상기 제1하우징의 제1연료구로 공급되는 제1연료와 제1공기구로 공급되는 제1공기의 비를 연소 이론 당량비보다 작은 연료농후(fuel rich) 조건의 플라즈마에 의한 제1연소로 제1화염을 형성하고,
    상기 제2하우징의 제2연료구로 공급되는 제2연료와 제2공기구로 공급되는 제2공기의 비를 연소 이론 당량비보다 작은 연료농후(fuel rich) 조건의 플라즈마에 의한 제2연소로 제2화염을 형성하며,
    상기 제1연소 및 상기 제2연소의 생성물인 수소, CO와 미연 연료를 상기 제2하우징의 배기가스 유입구로 공급되는 배기가스 중의 산소를 이용하는 제3연소로 제3화염을 형성하는, 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 플라즈마 버너는
    전기적으로 접지되는 제1하우징, 상기 제1하우징 내장되고 방전전압이 인가되는 전극, 및 상기 제1하우징에 연결되어 점진적으로 확장되고 확장된 공간을 가지며 다시 점진적으로 좁아지는 제2하우징을 포함하며,
    상기 전극의 연료구로 공급되는 연료와 상기 제1하우징의 공기구로 공급되는 공기의 비를 연소 이론 당량비보다 작은 연료농후(fuel rich) 조건의 플라즈마에 의한 제1연소로 제1화염을 형성하고,
    상기 제1연소의 생성물인 수소, CO와 미연 연료를 상기 제2하우징의 배기가스 유입구로 공급되는 배기가스 중의 산소를 이용하는 제2연소로 제2화염을 형성하는, 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 플라즈마 버너는
    교류 또는 직류로 구동되어 아크플라즈마(Arc Plasma)를 발생시키는, 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 플라즈마 버너는
    무선주파수(Radio Frequency) 또는 마이크로웨이브(Micro Wave)로 구동되어 플라즈마를 발생시키는, 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치.
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