KR102481513B1 - 오염물질 처리장치 - Google Patents

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Abstract

연도를 통해 배기되는 배가스의 오염물질 등을 처리하기 위한 오염물질 처리장치가 제공된다. 오염물질 처리장치는, 배가스가 유동하는 연도 내 배치된 기체분사모듈, 기체분사모듈을 통해 기상으로 분사되어 배가스의 오염물질을 처리하는 제1환원제가 액상으로 저장된 제1환원제탱크, 기체분사모듈을 통해 기상으로 분사되어 배가스의 오염물질을 처리하며 제1환원제와는 다른 물질로 이루어진 제2환원제가 액상으로 저장된 제2환원제탱크, 제1환원제탱크 및 제2환원제탱크와, 기체분사모듈 사이에서 액상의 제1환원제 및 액상의 제2환원제 중 적어도 어느 하나를 공급받고 기화시켜 기체분사모듈로 제공하는 이종환원제기화모듈, 및 이종환원제기화모듈의 서로 다른 지점에서 제1환원제탱크 및 제2환원제탱크로 각각 연결되어 액상의 제1환원제 및 액상의 제2환원제를 서로 독립적으로 이종환원제기화모듈로 공급하는 제1공급조절관 및 제2공급조절관을 포함하되, 제1공급조절관 및 제2공급조절관 각각은, 이종환원제기화모듈 측 말단에 형성된 노즐을 포함하는 적어도 일부가 냉각부를 포함한다.

Description

오염물질 처리장치{Apparatus for treating pollutant}
본 발명은 오염물질 처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화력발전소 등에서 연도를 통해 배기되는 배가스의 오염물질 등을 처리하기 위한 오염물질 처리장치에 관한 것이다.
일상적으로 소비되는 전력을 공급하기 위한 전력공급원으로서 발전소가 설치된다. 환경보전의 요구와 신기술의 개발 등으로 새로운 형태의 발전방식이 많이 도입되었지만 연료를 연소하여 전력을 얻는 화력발전방식의 발전소도 활발하게 사용 중이다. 특히 화력발전소는 가스터빈과 증기터빈을 복합 적용하여 공해는 줄이고 에너지효율은 높인 복합화력발전소나, 배가스의 열에너지를 지역난방의 열원으로 제공하여 전력 외에 난방까지 직접 공급하는 열병합발전소 등과 같은 형태로 발전되어 매우 활발하게 사용되고 있다.
이러한 화력발전소에서는 기본적으로 가연성 연료를 연소하여 터빈을 구동하는 과정이 진행된다. 연료는 가스터빈 내에서 연소되며 다량의 배가스(배기가스)를 생성하게 된다. 이러한 배가스는 연료의 연소반응 및 고온 열반응 등에 의해 생성된 오염물질들을 함유하고 있어 공해의 원인이 되며 따라서 각별한 처리가 요구된다. 이에 대응하기 위해 종래 화력발전소에도 여러 형태의 처리설비가 적용된 바 있다(예, 대한민국 특허10-1563079 등).
그러나, 실질적으로 종래의 처리설비로 배가스가 만족스럽게 처리되지는 못하고 있다. 특히, 복합화력발전소 등에서 터빈의 운전 상태가 수시로 변동되고 그에 따라 배가스의 유량, 속도, 온도 등의 조건이 바뀌는 상황이 발생할 수 있지만 이에 만족스럽게 대응할 수 있는 처리설비는 구현이 어려웠다. 예를 들어, 기동 초기에 배가스 내 질소산화물 등이 상대적으로 높은 농도로 포함될 수 있으나 연도 내 온도 등 조건이 유동적인 상황에서 효과적인 처리방식을 찾기 어려웠고 따라서 이러한 문제에 대한 기술적 대안이 요구되고 있는 실정이다.
대한민국등록특허공보 제10-1563079호, (2015. 10. 30), 명세서
본 발명의 기술적 과제는, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 화력발전소 등에서 연도를 통해 배기되는 배가스의 오염물질 등을 처리하기 위한 오염물질 처리장치를 제공하는 것이며 아울러, 이를 통해 기동 초기 등에도 배가스 내 함유된 질소산화물 등의 오염물질을 원활하게 처리할 수 있게 하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 의한 오염물질 처리장치는, 배가스가 유동하는 연도 내 배치된 기체분사모듈; 상기 기체분사모듈을 통해 기상으로 분사되어 상기 배가스의 오염물질을 처리하는 제1환원제가 액상으로 저장된 제1환원제탱크; 상기 기체분사모듈을 통해 기상으로 분사되어 상기 배가스의 오염물질을 처리하며 상기 제1환원제와는 다른 물질로 이루어진 제2환원제가 액상으로 저장된 제2환원제탱크; 상기 제1환원제탱크 및 상기 제2환원제탱크와, 상기 기체분사모듈 사이에서 액상의 상기 제1환원제 및 액상의 상기 제2환원제 중 적어도 어느 하나를 공급받고 기화시켜 상기 기체분사모듈로 제공하는 이종환원제기화모듈; 및 상기 이종환원제기화모듈의 서로 다른 지점에서 상기 제1환원제탱크 및 상기 제2환원제탱크로 각각 연결되어, 액상의 상기 제1환원제 및 액상의 상기 제2환원제를 서로 독립적으로 상기 이종환원제기화모듈로 공급하는 제1공급조절관 및 제2공급조절관을 포함하되, 상기 제1공급조절관 및 상기 제2공급조절관 각각은, 상기 이종환원제기화모듈 측 말단에 형성된 노즐을 포함하는 적어도 일부가 냉각부를 포함한다.
상기 이종환원제기화모듈은, 내부에 서로 다른 온도를 나타낼 수 있는 제1기화부 및 제2기화부를 포함하며, 액상의 상기 제1환원제 및 액상의 상기 제2환원제는 상기 제1기화부 및 상기 제2기화부에 각각 공급되어 기화될 수 있다.
상기 오염물질 처리장치는, 상기 연도 내 배가스를 흡입하여 상기 제1기화부 및 상기 제2기화부 중 적어도 어느 하나로 제공함으로써 상기 제1기화부 및 상기 제2기화부의 온도를 조정하는 온도조절모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 제1기화부 및 상기 제2기화부는 서로 연통 가능하게 직렬로 연결되며, 상기 배가스는 상기 제1기화부 및 상기 제2기화부로 순차적으로 통과되며 액상의 상기 제1환원제 및 액상의 상기 제2환원제 중 적어도 어느 하나와 열교환될 수 있다.
상기 제1기화부 및 상기 제2기화부는 각각 입구와 출구가 형성된 챔버의 형태로 이루어지며, 상기 제1공급조절관은, 상기 제1기화부의 입구측에서 상기 제1환원제탱크로 연결되어 상기 제1기화부에 공급되는 액상의 제1환원제의 공급량을 조절하며, 상기 제2공급조절관은, 상기 제2기화부의 입구측에서 상기 제2환원제탱크로 연결되어 상기 제2기화부에 공급되는 액상의 제2환원제의 공급량을 조절하며, 상기 이종환원제기화모듈은, 상기 제1기화부의 출구와 상기 제2기화부의 입구를 연통시키는 직렬연결관을 더 포함할 수 있다.
상기 온도조절모듈은, 상기 제1기화부로부터 분기되어 상기 연도의 서로 다른 지점에 각각 연결되되 상기 연도에 연결된 지점이 상대적으로 상기 연도의 입구방향으로 전진된 고온측흡입관, 및 상기 연도에 연결된 지점이 상대적으로 상기 연도의 출구방향으로 후퇴된 저온측흡입관을 포함하며, 상기 고온측흡입관 및 상기 저온측흡입관 각각에 상기 배가스의 흡입량을 조절하는 흡입제어밸브가 각각 배치될 수 있다.
상기 오염물질 처리장치는, 상기 흡입제어밸브를 제어하여, 상기 제1기화부로 도입되는 상기 배가스의 온도를 상기 제1환원제 및 상기 제2환원제 중 적어도 어느 하나의 자연발화온도 미만으로 조절하는 제어모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 제어모듈은, 상기 제1기화부로 공급되는 상기 제1환원제의 공급량에 따라 상기 흡입제어밸브의 개폐량을 변동시켜, 상기 제2기화부로 도입되는 상기 배가스와 상기 제1환원제의 혼합가스의 온도를 상기 제2환원제의 자연발화온도 미만으로 유지시킬 수 있다.
상기 제1환원제는 암모니아계 환원제로 이루어지며 상기 암모니아계 환원제는 암모니아를 포함하고, 상기 제2환원제는 탄화수소계 환원제로 이루어지며 상기 탄화수소계 환원제는 에탄올 및 에틸렌글리콜 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 제1환원제 및 상기 제2환원제에 의해 처리되는 오염물질은 상기 배가스 내 질소산화물을 포함할 수 있다.
상기 이종환원제기화모듈로부터 공급된 상기 제1환원제 및 상기 제2환원제 중 적어도 어느 하나가 포함된 처리기체는, 상기 기체분사모듈을 통해 상기 연도 내 온도 200~500℃ 범위인 구간에 분사될 수 있다.
상기 기체분사모듈은 상기 이종환원제기화모듈과 처리기체공급관으로 연결된 인젝션그리드로 이루어질 수 있다.
상기 기체분사모듈은 상기 연도 내 설치된 탈질촉매 전단에 위치할 수 있다.
상기 연도 내 복수의 열교환모듈이 형성되되 상기 열교환모듈 중 적어도 하나는 상기 기체분사모듈의 전단에 위치할 수 있다.
본 발명에 의하면, 가스터빈 등으로부터 생성되어 배기되는 배가스 내 오염물질을 매우 효과적으로 처리할 수 있다. 특히, 가스터빈과 같은 배가스 생성원이 일정한 부하 수준에 도달하기 전까지의 기동 초기에 발생할 수 있는 질소산화물과 같은 오염물질도 본 발명을 통해 매우 효과적으로 처리할 수 있으며 하나 또는 하나 이상의 환원제를 선택적, 복합적으로 활용하는 방식으로 보다 효과적으로 오염물질을 제거하는 것이 가능하다. 또한 이러한 환원제를 보다 원활하게 공급할 수 있는 간결한 공급구조의 구현을 통해 장치의 열적, 구조적 효율을 향상시키고 오염물질의 처리효과도 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 오염물질 처리장치의 구성도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 오염물질 처리장치 중 이종환원제기화모듈의 구조 및 작동방식을 보다 구체적으로 도시한 도면이다.
도 5는 이종환원제기화모듈의 변형례를 도시한 도면이다.
도 6은 도 1의 오염물질 처리장치의 사용상태를 예시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하기 위한 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 의한 오염물질 처리장치에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 오염물질 처리장치의 구성도이고, 도 2 내지 도 4는 도 1의 오염물질 처리장치 중 이종환원제기화모듈의 구조 및 작동방식을 보다 구체적으로 도시한 도면이며, 도 5는 이종환원제기화모듈의 변형례를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 의한 오염물질 처리장치(1)는 제1환원제탱크(10) 및 제2환원제탱크(20) 각각에 저장된 서로 다른 종류의 환원제를 연도(2) 내 배치된 기체분사모듈(40)로 제공하는 구조로 형성된다. 각각 서로 다른 종류의 환원제는 액상으로 제1환원제탱크(10) 및 제2환원제탱크(20)에 저장되나 이종환원제기화모듈(30)을 통과하며 기상으로 변화된 후 기체분사모듈(40)로 분사되어 연도(2) 내 오염물질에 작용한다. 특히 오염물질 처리장치(1)는 액상의 제1환원제 및 액상의 제2환원제 각각을 이종환원제기화모듈(30)에 독립적으로 공급하는 분리된 공급관로[제1공급조절관(110) 및 제2공급조절관(210)]를 포함하며, 각각의 공급관로에는 이종환원제기화모듈(30)과 연결되는 말단부를 포함하는 적어도 일부를 냉각시키는 구조[도 2 내지 도 5의 냉각부(111a, 211a)참조]가 형성되어 있어, 이종환원제기화모듈(30) 도입 전까지 열 등에 의한 액상 환원제들의 불필요한 기화를 막고 최대한 기화모듈 내 분사된 상태에서만 각각의 환원제가 기화되도록 할 수 있다. 이를 통해 환원제의 공급 및 기화과정을 보다 정확하게 진행하고 정밀하게 제어할 수 있으며 열 등에 의해 공급관로에 미치는 영향 등도 최소화할 수 있다. 아울러 이로 인해 액상 환원제들의 이종환원제기화모듈(30) 내 분사가 보다 용이해지는 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 서로 다른 이종 환원제가 함께 기화되는 경우 이들을 보다 원활하게 혼합할 수 있는 이점 등도 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서와 같이, 이종환원제기화모듈(30)은 서로 다른 온도를 나타낼 수 있는 제1기화부(31)와 제2기화부(32)를 포함할 수 있어 각 기화부의 서로 다른 온도를 이용하여 서로 다른 종류의 환원제를 효과적으로 기화시킬 수 있고, 이를 통해 하나 또는 하나 이상의 기화된 환원제를 선택적, 복합적으로 연도(2) 내 제공하여 오염물질 처리효과를 향상시킬 수 있다. 또한 이종환원제기화모듈(30)에서 서로 다른 종류의 환원제를 기화시킨 후 단일화된 기체분사모듈(40)을 통해 바로 분사시키는 구조로 이루어져 있어 연도(2) 내 불필요한 구조물의 설치를 최소화하고 장치를 간소화하며 유지보수 등도 편리하게 진행하는 효과까지 얻을 수 있다.
이러한 본 발명의 오염물질 처리장치(1)는 구체적으로 다음과 같이 구성된다. 오염물질 처리장치(1)는, 배가스가 유동하는 연도(2) 내 배치된 기체분사모듈(40), 기체분사모듈(40)을 통해 기상으로 분사되어 배가스의 오염물질을 처리하는 제1환원제가 액상으로 저장된 제1환원제탱크(10), 기체분사모듈(40)을 통해 기상으로 분사되어 배가스의 오염물질을 처리하며 제1환원제와는 다른 물질로 이루어진 제2환원제가 액상으로 저장된 제2환원제탱크(20), 제1환원제탱크(10) 및 제2환원제탱크(20)와, 기체분사모듈(40) 사이에서 액상의 제1환원제 및 액상의 제2환원제 중 적어도 어느 하나를 공급받고 기화시켜 기체분사모듈(40)로 제공하는 이종환원제기화모듈(30), 및 이종환원제기화모듈(30)의 서로 다른 지점에서 제1환원제탱크(10) 및 제2환원제탱크(20)로 각각 연결되어, 액상의 제1환원제 및 액상의 제2환원제를 서로 독립적으로 이종환원제기화모듈(30)로 공급하는 제1공급조절관(110) 및 제2공급조절관(210)을 포함하되, 제1공급조절관(110) 및 제2공급조절관(210) 각각은, 이종환원제기화모듈(30) 측 말단에 형성된 노즐(도 2 내지 도 5의 111, 211 참조)을 포함하는 적어도 일부가 냉각부(도 2 내지 도 5의 111a, 211a참조)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 이종환원제기화모듈(30)은, 내부에 서로 다른 온도를 나타낼 수 있는 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)를 포함하며, 액상의 제1환원제 및 액상의 제2환원제는 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)에 각각 공급되어 기화될 수 있다. 또한, 오염물질 처리장치(1)는 연도(2) 내 배가스를 흡입하여 제1기화부(31) 및 제2기화부(32) 중 적어도 어느 하나로 제공함으로써 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)의 온도를 조정하는 온도조절모듈(50)을 더 포함하며, 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)는 서로 연통 가능하게 직렬로 연결되며, 배가스는 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)로 순차적으로 통과되며 액상의 제1환원제 및 액상의 제2환원제 중 적어도 어느 하나와 열교환될 수 있다. 즉 이종환원제기화모듈(30)은 내부에 형성된 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)를 이용하여 각각의 환원제를 각각 서로 다른 온도에서 기화시키는 것이 가능하며, 연도(2) 내 배가스를 흡입하여 이종환원제기화모듈(30)의 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)에 제공하는 방식으로 제1기화부(31)와 제2기화부(32)의 온도조절이 가능할 뿐만 아니라 서로 다른 온도특성을 갖는 제1환원제 및 제2환원제도 선택적 및/또는 복합적으로 매우 적절하게 기화시키는 구조로 구현될 수 있다. 이하 이러한 본 발명의 일 실시예에 기초하여 본 발명의 구성 및 작용효과 등을 보다 상세히 설명한다.
기체분사모듈(40)은 배가스가 유동하는 연도(2) 내 배치된다. 잠시 연도에 대해 설명하면, 연도(2)는 배가스가 유동하는 통로로서 가스터빈(3)과 같은 배가스 생성원과 연결되어 있을 수 있다. 연도(2) 내에서 배가스(도 6의 C참조)의 유동방향은 연도(2)의 연장방향을 따라 형성되며 배가스는 가스터빈(3)에서 생성되어 연도(2)로 유입된 후 연도(2) 밖으로 빠져나간다. 따라서 가스터빈(3)이 연결된 방향이 연도(2)의 입구방향이 되고, 반대편으로 배가스가 빠져나가는 방향이 연도(2)의 출구방향이 될 수 있다. 배가스는 연도(2)의 입구방향으로부터 출구방향으로 유동하며 이에 따라 연도(2) 내에서의 전단 및 후단도 정의될 수 있다. 즉 배가스가 유동하는 방향으로 위치한 측을 후단으로, 그에 대해 상대적으로 배가스 유동방향과 역방향에 위치한 측을 전단으로 정의할 수 있다. 연도(2) 내에는 복수의 열교환모듈이 형성될 수 있으며 열교환모듈은 연도(2)의 입구방향으로부터 출구방향으로 차례로 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들면 연도(2) 내부에는 도시된 것처럼 제1열교환모듈(21) 후단에 제2열교환모듈(22)이, 제2열교환모듈(22) 후단에 제3열교환모듈(23)이, 제3열교환모듈(23) 후단에 제4열교환모듈(24)이, 제4열교환모듈(24) 후단에 제5열교환모듈(25)이 서로 이격되어 차례로 배치된 구조가 형성될 수 있다.
연도(2)는 이러한 열교환모듈들을 이용하여 배가스의 배열을 회수하는 역할도 할 수 있다. 각 열교환모듈은 이러한 열교환모듈들을 포함하는 배열회수보일러의 일부일 수 있다. 도시되지 않았지만, 각 열교환모듈의 상단과 하단은 서로 연결되어 있을 수 있고 연결부위에는 고압증기나 열회수용 유체를 저장하고 순환시키는 탱크 등이 설치될 수 있다. 열교환모듈은 가장 후단의 제5열교환모듈(25)로부터 순차적으로 가장 전단의 제1열교환모듈(21)을 향해 차례로 유체를 순환시키며 고압증기 등을 생성할 수 있다. 열교환모듈의 온도는 제1열교환모듈(21)로부터 제5열교환모듈(25)을 향해서 차례로 낮아질 수 있다. 아울러 연도(2) 내에는 선택적 촉매 환원반응의 촉매로 작용하는 탈질촉매(4)가 설치될 수 있으며 탈질촉매(4)는 이러한 열교환모듈들의 사이에 배치될 수 있다. 이러한 연도(2) 내 구조와 관련하여 기체분사모듈(40)의 위치를 설정할 수 있는데, 바람직하게는, 기체분사모듈(40)은 연도(2) 내 설치된 탈질촉매(4)의 전단에 위치할 수 있으며 상기한 열교환모듈 중 적어도 하나는 기체분사모듈(40)의 전단에 위치할 수 있다. 예를 들면, 기체분사모듈(40)은 도 1에 도시된 것처럼 제1열교환모듈(21)과 탈질촉매(4)의 사이에 배치될 수 있으며 이를 통해 해당 위치와 그 후단으로 연도(2) 내 기체상태의 환원제를 분사할 수 있다.
이와 같은 기체분사모듈(40)의 위치는 기상의 환원제와 배가스가 서로 원활하게 접촉하고 환원제의 반응도 더욱 효과적으로 이루어지는 지점에 형성된 것일 수 있다. 본 발명에서 환원제는 제1환원제 및 제2환원제를 포함하고 이들을 선택적 또는 복합적으로 연도(2) 내 제공함에 따라서 환원제 단독의 환원반응 및/또는 전술한 탈질촉매(4)의 촉매작용이 동반된 선택적 촉매 환원반응을 통해 질소산화물을 제거하는 탈질작용 등이 진행될 수 있다. 본 발명의 기체분사모듈(40)은 연도(2) 내 상기한 바와 같은 위치에서 환원제를 분사함으로써 가스터빈(3)의 기동 초기에 발생되는 이산화질소 등이 포함된 질소산화물들도 보다 용이하게 환원시켜 제거할 수 있다. 기체분사모듈(40)은 도 1에 도시된 바와 같이 연도(2) 내 단일 유닛으로 배치되며, 기상의 유체를 효과적으로 분사할 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 기체분사모듈(40)은 예를 들어, 이종환원제기화모듈(30)과 처리기체공급관(410)으로 연결된 인젝션그리드(injection grid)로 이루어질 수 있으며, 인젝션그리드는 이를 테면 격자 형상 등으로 배열된 그리드 구조에 다수의 인젝션노즐이 형성되어 있는 것일 수 있다. 그러나 기체분사모듈(40)의 형상이나 구조가 그로써 한정될 필요는 없으며 기상의 유체를 원활하게 분사시킬 수 있는 다양한 형태로 구조나 형상 등은 얼마든지 변경이 가능하다.
제1환원제탱크(10) 및 제2환원제탱크(20)는 각각 독립 배치되어 액상의 제1환원제 및 액상의 제2환원제를 각각 나누어 저장한다. 제1환원제탱크(10)에 저장된 제1환원제는 기체분사모듈(40)을 통해 기상으로 분사되어 배가스의 오염물질을 처리하며, 제2환원제탱크(20)에 저장된 제2환원제 역시 기체분사모듈(40)을 통해 기상으로 분사되어 배가스의 오염물질을 처리한다. 즉 전술한 것처럼 제1환원제 및 제2환원제 모두 기화된 후에는 단일 유닛으로 형성된 기체분사모듈(40)을 통해 선택적 또는 복합적으로 연도(2) 내 공급될 수 있다. 다만, 제2환원제는 제1환원제와는 다른 물질로 이루어지는 차이가 있고 그에 따라 연도(2) 내에서 진행되는 반응에도 차이가 나타날 수 있으므로 필요에 따라 적절한 환원제를 공급하여 원하는 처리효과를 얻어낼 수 있다. 제1환원제탱크(10) 및 제2환원제탱크(20)는 각각 제1공급조절관(110) 및 제2공급조절관(210)을 통해서 이종환원제기화모듈(30)의 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)에 각각 연결될 수 있다.
제1환원제는 암모니아계 환원제로 이루어지며 암모니아계 환원제는 암모니아(ammonia)를 포함할 수 있다. 또한, 제2환원제는 탄화수소계 환원제로 이루어지며 탄화수소계 환원제는 에탄올(Ethanol) 및 에틸렌글리콜(Ethylene glycol) 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이러한 제1환원제 및 제2환원제에 의해 처리되는 오염물질은 배가스 내 질소산화물을 포함하며, 따라서 상기한 제1환원제 및 제2환원제의 환원반응을 통해 질소산화물과 같은 오염물질을 환원시켜 제거할 수 있다. 제1환원제와 제2환원제는 전술한 것처럼 기체분사모듈(40)을 통해 선택적으로 또는 복합되어 연도(2) 내 분사될 수 있으며, 분사된 후 연도(2) 내 배가스와 충분히 혼합될 수 있다. 그에 따라 배가스와 충분한 접촉이 이루어지며 적절한 온도에서 원활한 환원반응을 통해 탈질 작용이 진행될 수 있다. 예를 들면, 제2환원제는 탄화수소계 환원제로 이루어져 단독으로 배가스 내 이산화질소를 일산화질소로 환원시키는 작용을 할 수 있고, 제1환원제는 암모니아계 환원제로 이루어져 질소산화물 전반을 전술한 탈질촉매(4)의 촉매작용을 동반한 선택적 촉매 환원반응으로 환원시켜 제거할 수 있다. 이들을 복합하는 경우 질소산화물의 처리효과는 후술하는 바와 같이 더욱 향상될 수 있으며 필요에 따라 특정 오염물질의 처리 등이 필요한 경우에는 제1환원제 또는 제2환원제를 선택적으로 연도(2) 내 분사하여 원하는 처리효과를 얻을 수도 있다.
즉, 본 발명에서 환원제는 그 자체만으로도 질소산화물을 처리할 수 있으나 탈질촉매(4)와 함께 질소산화물을 보다 효과적으로 처리할 수 있다. 따라서 이러한 환원제를 촉매작용에 의해 질소산화물을 처리하는 것만으로 한정하여 이해할 필요는 없다. 또한 처리는 질소산화물이 환원되는 것을 의미하며, 질소산화물(NOx; NO, NO2, N2O, N2O3, N2O4, N2O5 등)이 질소(N2)로 환원되는 것은 물론, 하나의 질소산화물(예, NO2)이 다른 질소산화물(예, NO)로 환원되는 것 역시 포함하는 의미이다. 환원제에 대해 보다 구체적으로 설명하면, 상기한 암모니아계 환원제는 암모니아 및 요소 중에서 선택된 하나 이상일 수 있으며 암모니아는 예를 들면, 무수 암모니아(암모니아 기체)가 가압되어 액상으로 저장된 것일 수도 있다. 이러한 암모니아계 환원제는 주로 탈질촉매(4)의 촉진작용에 의해 질소산화물을 질소(N2)로까지 환원시켜 처리할 수 있다. 또한, 상기한 탄화수소계 환원제는 에탄올, 에틸렌글리콜, 및 글리세린 중에서 선택된 하나 이상일 수 있으며 이러한 탄화수소계 환원제는 주로 황연을 유발하는 이산화질소를 산화질소(일산화질소)로 환원시켜 처리함으로써 황연을 저감하는 방식으로 질소산화물을 처리할 수 있다. 탄화수소계 환원제는 촉매에 의한 촉진 작용에 의하지 않고 황연을 저감하는 것일 수 있다. 또한, 탄화수소계환원제에 의해 배가스 중 이산화질소가 일산화질소로 환원됨에 따라 배가스 중 이산화질소 함량이 감소하게 되고, 암모니아계 환원제는 탄화수소계 환원제와 함께 적용되어 탈질촉매에 의한 탈질이 보다 효과적으로 진행될 수도 있다. 특히, 화력발전소의 가스터빈 구동 초기 발생하는 배가스 중 이산화질소 함량이 높아 처리가 어려운 경우라도, 효과적으로 처리 가능하게 된다. 즉, 배가스에 고함량의 이산화질소가 포함되어 이산화질소/일산화질소 비율이 높은 값을 나타내더라도, 환원제(주로 탄화수소계 환원제)에 의해 배가스 중 이산화질소가 일산화질소로 환원된 결과 이산화질소/일산화질소 비율이 감소한 상태로 환원제(주로 암모니아계 환원제)와 함께 배가스가 탈질촉매와 접촉함으로써, 촉매반응에 의해 효과적으로 탈질반응이 진행될 수 있기 때문이다.
한편, 이러한 환원제가 기화되기 전 액상으로 저장 및 공급되는 것과 관련하여 액상의 의미는, 환원제가 그 자체로 액상으로 존재하는 외에도 자체의 상태에 관계 없이 액상 매질(예, 물 등)에 용해 및/또는 분산된 상태를 포함하는 의미일 수 있으며, 수용액상을 포함하는 의미일 수 있다. 예를 들어 암모니아계 환원제의 예로써 액상 암모니아, 액상 요소는 각각 암모니아수, 요소수를 포함하는 의미일 수 있다. 또한, 탈질촉매(4)는 환원제의 환원작용을 촉진할 수 있는 한 한정되지 않으므로, 암모니아계 환원제뿐만 아니라 탄화수소계 환원제에 대해서도 환원작용을 촉진할 수 있는 다양한 촉매가 가능할 수 있다. 바람직하게는, 탈질촉매(4)는 암모니아계 환원제의 환원작용을 촉진하는 촉매일 수 있으며 이러한 촉매는 예를 들어 선택적촉매환원(SCR: Selective Catalytic Reduction)촉매일 수 있고, SCR촉매는 예를 들면 바나듐계열 촉매 등을 포함하는 것일 수 있다.
제1환원제 및/또는 제2환원제는 기체상태로 연도(2) 내 특정구간에 분사됨으로써 가스터빈(3)의 기동 초기에 배가스에 함유되어 배출되는 이산화질소 등의 질소산화물도 효과적으로 제거할 수 있다. 기동 초기에도 효과적으로 반응이 진행되고 탈질작용이 나타나도록 환원제는 다음과 같은 지점에 분사되는 것이 바람직하다. 즉 이종환원제기화모듈(30)로부터 공급된 제1환원제 및 제2환원제 중 적어도 어느 하나가 포함된 처리기체는, 기체분사모듈(40)을 통해 연도(2) 내 온도 200~500℃ 범위인 구간에 분사될 수 있으며, 그러한 온도구간에서 제1환원제 및/또는 제2환원제에 의한 환원반응이 보다 원활하게 이루어져 효과적으로 질소산화물이 제거될 수 있다. 특히 해당 온도구간에 기상의 환원제를 분사해 줌으로써, 황연의 원인이 되는 이산화질소 등의 처리효율을 높은 수준으로 유지할 수 있으며 선택적 촉매 환원반응에 의한 전반적인 탈질작용 역시 원활하게 진행시킬 수 있다. 또한 상기 온도구간에서 제1환원제 및/또는 제2환원제는 기체상태를 유지하며 배가스와 충분히 접촉되므로 전체적인 처리효율도 향상시킬 수 있다. 이러한 온도구간은 위치 상으로는 전술한 연도(2) 내 기체분사모듈(40)의 위치와 중첩될 수 있는바 전술한 기체분사모듈(40)로부터 분사된 제1환원제 및/또는 제2환원제로 배가스 내 질소산화물 등을 효과적으로 처리할 수 있다.
이종환원제기화모듈(30)은 제1환원제탱크(10) 및 제2환원제탱크(20)와, 기체분사모듈(40) 사이에서 액상의 제1환원제 및 액상의 제2환원제 중 적어도 어느 하나를 공급받고 기화시켜 기체분사모듈(40)로 제공한다. 이종환원제기화모듈(30)은 내부에 서로 다른 온도를 나타낼 수 있는 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)를 포함하며, 액상의 제1환원제 및 액상의 제2환원제는 이러한 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)에 각각 공급되어 기화될 수 있다. 본 발명의 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)는 서로 온도가 다르게 나타날 수 있는 구성으로 다양한 방식으로 구조화될 수 있다. 예를 들면, 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)는 반드시 물리적으로 나누어진 별개의 공간으로 형성될 필요는 없으며 하나로 연결된 단일공간 내에서 제1기화부(31)와 제2기화부(32)를 형성할 수도 있다. 예를 들어, 단일한 챔버 내의 서로 다른 지점에 제1기화부(31)와 제2기화부(32)를 형성할 수도 있으며(이에 대해서는 후술하여 좀더 상세히 설명한다) 또한 후술하는 바와 같이 배가스로 온도를 제어하는 경우 단일관로를 통과하는 배가스가 관로의 서로 다른 부분과 순차적으로 열교환하며 관로의 서로 다른 지점을 다른 온도로 형성할 수도 있으므로 그러한 방식을 이용하여 단일관로 내 제1기화부(31)와 제2기화부(32)를 형성하는 것도 가능할 수 있다. 또한 다른 실시예에서 배가스를 활용하지 않고 다른 방식으로 이종환원제기화모듈(30)의 온도를 제어하는 경우에는 그에 따라 또 다른 형태의 제1기화부(31)와 제2기화부(32)를 구성할 수도 있다. 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)는 서로 다른 온도를 나타낼 수 있는 한도 내에서 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
오염물질 처리장치(1)는 전술한 것처럼 연도(2) 내 배가스를 흡입하여 제1기화부(31) 및 제2기화부(32) 중 적어도 어느 하나로 제공함으로써 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)의 온도를 조정하는 온도조절모듈(50)을 포함하며, 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)는 서로 연통 가능하게 직렬로 연결되며, 배가스는 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)로 순차적으로 통과되며 액상의 제1환원제 및 액상의 제2환원제 중 적어도 어느 하나와 열교환되는 구조를 이룰 수 있다.
구체적으로, 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)는 각각 입구(도 2 내지 도 4의 31a, 32a참조)와 출구(도 2 내지 도 4의 31b, 32b참조)가 형성된 챔버의 형태로 이루어지며, 전술한 제1공급조절관(110)은 제1기화부(31)의 입구측에서 제1환원제탱크(10)로 연결되어 제1기화부(31)에 공급되는 액상의 제1환원제의 공급량을 조절하며, 전술한 제2공급조절관(210)은 제2기화부(32)의 입구측에서 제2환원제탱크(20)로 연결되어 제2기화부(32)에 공급되는 액상의 제2환원제의 공급량을 조절할 수 있다. 또한 이종환원제기화모듈(30)은, 제1기화부(31)의 출구와 제2기화부(32)의 입구를 연통시키는 직렬연결관(도 2 내지 도 4의 33참조)을 포함하는 구조로 이루어져, 챔버 형태의 제1기화부(31)와 제2기화부(32)를 관로로 직결시킨 구조가 구현될 수 있다. 이하, 온도조절모듈(50)에 대해 먼저 설명하고, 이종환원제기화모듈(30)의 구조 및 작용과 전술한 냉각구조가 형성된 액상 환원제의 공급구조 등을 좀더 상세히 설명한다.
온도조절모듈(50)은 연도(2)와 연결된 복수의 관로를 포함하는 구조로 형성될 수 있다. 온도조절모듈(50)은 연도(2)로부터 배가스를 흡입하여 이종환원제기화모듈(30)의 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)로 통과시키며 각 기화부의 온도를 조절할 수 있다. 온도조절모듈(50)은 이종환원제기화모듈(30)의 제1기화부(31)로부터 분기되어 연도(2)의 서로 다른 지점에 각각 연결되되 연도(2)에 연결된 지점이 상대적으로 연도(2)의 입구방향으로 전진된 고온측흡입관(510), 및 연도(2)에 연결된 지점이 상대적으로 연도(2)의 출구방향으로 후퇴된 저온측흡입관(520)을 포함하며, 고온측흡입관(510) 및 저온측흡입관(520) 각각에 배가스의 흡입량을 조절하는 흡입제어밸브(510a, 520a)가 각각 배치될 수 있다. 흡입제어밸브(510a, 520a)는 예를 들어, 관로를 개폐하는 댐퍼가 포함된 형태 등으로 다양하게 형성될 수 있다. 구체적으로 고온측흡입관(510)과 저온측흡입관(520)은 관로의 일부를 공유하는 형태로 형성될 수 있으며 그에 따라 제1기화부(31)로부터 서로 분기되어 나누어진 형태로 구성될 수 있다. 예를 들면, 고온측흡입관(510)과 저온측흡입관(520)은 제1기화부(31)와 연결되는 관로의 일부인 합류부(500)를 공유할 수 있으며 합류부(500)와 제1분기부(501)가 고온측흡입관(510)을 구성하고, 합류부(500)와 제2분기부(502)가 저온측흡입관(520)을 구성하는 형태로 형성될 수 있다. 합류부(500)에는 배가스를 순환시키는 순환팬(530)을 배치할 수 있다. 그러나 이와 같이 한정될 필요는 없으며 고온측흡입관(510)과 저온측흡입관(520)은 제1기화부(31)에서 서로 분기되어 연도(2)의 서로 다른 지점에 연결되는 다른 형태로도 얼마든지 변형될 수 있다.
고온측흡입관(510)이 연도(2)와 연결되는 연결지점(511)은 도시된 바와 같이 연도(2)의 입구방향으로 전진되어 있으며, 저온측흡입관(520)이 연도(2)와 연결되는 연결지점(521)은 연도(2)의 출구방향으로 후퇴되어 있다[입구방향 및 출구방향은 전술함]. 따라서 고온측흡입관(510)을 이용하면 연도(2)로 갓 유입된 열교환이 적게 일어난 고온의 배가스를 흡입할 수 있고, 저온측흡입관(520)을 이용하면 연도(2)를 통과하며 열교환이 진행된 상대적으로 저온인 배가스를 흡입할 수 있다. 이들은 합류부(500) 등을 통과하며 혼합되어 이종환원제기화모듈(30)로 공급되므로 고온측흡입관(510) 및 저온측흡입관(520)을 통해 흡입하는 배가스의 양을 조절하여 최종적으로 이종환원제기화모듈(30)로 공급되는 배가스의 온도를 원하는 대로 조정해 줄 수 있다. 즉, 고온측흡입관(510) 및 저온측흡입관(520) 각각에 형성된 흡입제어밸브(510a, 520a)를 조절하여 각각의 배가스 흡입량을 조정하고 이를 통해 이종환원제기화모듈(30)로 유입되는 배가스의 온도를 바꾸어 줄 수 있다. 이를 통해 이종환원제기화모듈(30)의 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)에서 액상의 제1환원제 및 액상의 제2환원제 중 적어도 어느 하나를 원활하게 기화시킬 수 있으며 아울러, 이들이 자연발화온도 이상으로 온도가 상승하는 것을 방지하는 제어 등도 가능하다. 이에 대해서는 후술하는 작동과정 설명 시 보다 상세히 설명한다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 이종환원제기화모듈(30)의 구조 및 작용과 냉각구조가 형성된 액상 환원제의 공급구조 등을 좀더 상세히 설명한다. 먼저 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 실시예의 기본적인 구조 및 작용을 설명하고, 이를 바탕으로 도 5를 참조하여 이종환원제기화모듈(30)의 변형례에 대해서도 설명한다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 전술한 것처럼 이종환원제기화모듈(30)은 내부에 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)를 포함한다. 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)는 각각 입구(31a, 32a) 및 출구(31b, 32b)가 형성된 챔버의 형태로 이루어질 수 있으며 이들이 직렬연결관(33)에 의해 연결된 형태로 이종환원제기화모듈(30)의 내부구조가 형성될 수 있다. 직렬연결관(33)은 제1기화부(31)의 출구(31b)와 제2기화부(32)의 입구(32a)를 연통시켜 제1기화부(31)로 도입된 배가스를 제2기화부(32)로 유동시키는 관로로 형성될 수 있다. 제2기화부(32)의 출구(32b)에는 전술한 기체분사모듈(도 1의 40참조)로 연결되는 처리기체공급관(410)이 형성되어 있어 기화된 제1환원제 및/또는 제2환원제가 포함된 처리기체(F)를 기체분사모듈(40)에 바로 공급해 줄 수 있다. 이종환원제기화모듈(30)은 이러한 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)를 포함하는 한도 내에서 다양한 형상으로 형성될 수 있으며 제1기화부(31) 및 제2기화부(32) 역시 직렬연결관(33)을 통해 연통 가능한 다양한 형태로 구현될 수 있다.
제1공급조절관(110)은 전술한 바와 같이 제1기화부(31)의 입구(31a)측에서 제1환원제탱크(도 1의 10참조)로 연결되어 제1환원제탱크(10)에 저장된 액상의 제1환원제(도 2 및 도 4의 A참조)를 제1기화부(31)로 공급할 수 있다. 또한, 제2공급조절관(210) 역시 제2기화부(32)의 입구(32a)측에서 제2환원제탱크(도 1의 20참조)로 연결되어 제2환원제탱크(20)에 저장된 액상의 제2환원제(도 3 및 도 4의 B참조)를 제2기화부(32)로 공급할 수 있다. 이러한 제1공급조절관(110) 및 제2공급조절관(210) 각각은 도시된 것처럼 이종환원제기화모듈(30) 측 말단에 각각 액상의 제1환원제 및 액상의 제2환원제를 주입하기 위한 노즐(111, 211)이 형성되며, 노즐(111, 211)을 포함하는 적어도 일부는 냉각부(111a, 211a)를 포함하는 구조로 이루어진다. 노즐(111, 211)은 예를 들어, 제1공급조절관(110) 및 제2공급조절관(210)이 이종환원제기화모듈(30)과 연결되는 연결부위에 형성될 수 있으며 이종환원제기화모듈(30) 내부로 삽입되어 그 끝단부(예를 들어, 노즐 팁)는 이종환원제기화모듈(30) 안쪽의 배가스 유동공간 또는 유동로 등으로 노출될 수 있다. 즉 노즐(111, 211)은 액상의 제1환원제와 액상의 제2환원제를 이종환원제기화모듈(30)의 고온영역에 공급하여 기화시키기 위해 배가스 유동공간 등 이종환원제기화모듈(30) 내부의 고온영역에 면할 수 있는바 냉각부(111a, 211a)를 이용하여 이종환원제기화모듈(30)로부터 제1공급조절관(110) 및 제2공급조절관(210) 각각으로의 열의 역류를 방지하고 각각의 환원제를 기화온도 아래로 낮추어 보다 효과적으로 액상의 환원제를 이종환원제기화모듈(30) 내에 공급하는 것이 가능하다.
냉각부(111a, 211a)는 예를 들어, 액상의 환원제가 유동하는 유로를 둘러싸는 냉각자켓과 같은 구조로 형성될 수 있다. 냉각부(111a, 211a)의 내부에는 냉매를 수용하거나 유동시키는 공간 등이 형성되어 있을 수 있다. 그러나 그로써 한정될 필요는 없으며 예를 들어, 단열재를 활용하는 등의 다양한 방식으로 환원제를 냉각시켜 온도를 낮추고 액상으로 유지할 수 있는 또 다른 형태나 구조의 냉각부(111a, 211a)를 형성해 줄 수도 있다. 냉각부(111a, 211a)는 제1공급조절관(110) 및 제2공급조절관(210) 각각의 노즐(111, 211)에 형성될 수 있으나 그로써 한정될 필요는 없으며 필요한 경우 제1공급조절관(110) 및 제2공급조절관(210)의 다른 부분까지 확장하여 형성해 줄 수도 있다. 이러한 구조를 통해 냉각 효과를 원하는 수준으로 향상시키고 이종환원제기화모듈(30) 내 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)로 주입되기 전까지 각각의 제1환원제 및 제2환원제를 효과적으로 액상으로 유지할 수 있다. 따라서, 이종환원제기화모듈(30) 도입 전까지 열 등에 의한 액상 환원제들의 불필요한 기화를 막고 최대한 이종환원제기화모듈(30) 내 분사된 상태에서만 각각의 환원제가 기화되도록 할 수 있으며, 이를 통해 환원제의 공급 및 기화과정을 보다 정확하게 진행하고 정밀하게 제어하는 것이 가능하다. 또한 이를 통해 액상 환원제들의 이종환원제기화모듈(30) 내 분사가 보다 용이해지는 효과를 얻을 수 있고 서로 다른 이종 환원제가 함께 기화되는 경우, 이들을 보다 원활하게 혼합할 수 있는 등의 여러 가지 효과를 얻을 수 있다.
액상의 제1환원제 및 액상의 제2환원제는 이와 같은 냉각부(111a, 211a)가 형성된 제1공급조절관(110) 및 제2공급조절관(210) 각각을 통해 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)로 공급하여 기화시킬 수 있다. 제1기화부(31)의 입구(31a)측에는 제1공급조절관(110)과 대응되는 위치에 온도센서(311)가 형성될 수 있으며 제2기화부(32)의 입구(32a)측에도 제2공급조절관(210)과 대응되는 위치에 온도센서(321)가 형성될 수 있어 제1기화부(31) 및 제2기화부(32) 각각으로 도입되는 유체의 온도를 측정하고 제어하는 것이 가능하다. 제1공급조절관(110) 및 제2공급조절관(210)은 예를 들어, 각각에 형성된 조절밸브(도 1의 110a, 210a참조)에 의해 각각 개폐됨으로써 제1기화부(31)로 공급되는 제1환원제와 제2기화부(32)로 공급되는 제2환원제의 공급량을 조절할 수 있다.
이러한 구조에 따른 이종환원제기화모듈(30)의 작용을 설명하면 다음과 같다. 이종환원제기화모듈(30)은 도 2에 도시된 것처럼 제1공급조절관(110)을 통해 제1기화부(31)의 입구(31a)측으로 액상의 제1환원제(A)를 공급받고, 제1기화부(31)에서 기화시켜 제1환원제가 포함된 처리기체(F)를 생성할 수 있다. 구체적으로 이종환원제기화모듈(30)은 전술한 온도조절모듈(도 1의 50참조)을 통해 연도(도 1의 2참조)로부터 흡입된 배가스(C)를 공급받을 수 있으며, 이를 제1기화부(31)에서 액상의 제1환원제(A)와 열교환시켜, 배가스와 기상의 제1환원제가 혼합된 처리기체(F)를 생성할 수 있다. 생성된 처리기체(F)는 직렬연결관(33)과 제2기화부(32)를 거처 처리기체공급관(410)을 통해서 기체분사모듈(도 1의 40참조)로 제공될 수 있다. 이때 제2공급조절관(210)은 폐쇄될 수 있으며 온도조절모듈(50)은 전술한 고온측흡입관(도 1의 510참조) 및 저온측흡입관(도 1의 520참조)으로 흡입되는 배가스의 유량을 조절하여 제1기화부(31)로 도입되는 배가스(C) 온도를 조정할 수 있다. 제1기화부(31)로 도입되는 배가스(C)의 온도는 예를 들어, 제1환원제(A)의 기화온도보다는 높고 자연발화온도보다는 낮은 온도로 조정될 수 있다.
또한, 이종환원제기화모듈(30)은 도 3에 도시된 것처럼 제2공급조절관(210)을 통해 제2기화부(32)의 입구(32a)측으로 액상의 제2환원제(B)를 공급받고, 제2기화부(32)에서 기화시켜 제2환원제가 포함된 처리기체(F)를 생성할 수 있다. 구체적으로 이종환원제기화모듈(30)은 전술한 온도조절모듈(50)을 통해 연도(2)로부터 흡입된 배가스(C)를 공급받을 수 있으며, 이를 제2기화부(32)에서 액상의 제2환원제(B)와 열교환시켜, 배가스와 기상의 제2환원제가 혼합된 처리기체(F)를 생성할 수 있다. 배가스(C)는 제1기화부(31)와 직렬연결관(33)을 통과한 후 제2기화부(32)에 공급될 수 있으며 제2기화부(32)에서 생성된 처리기체(F)는 처리기체공급관(410)을 통해서 기체분사모듈(40)로 제공될 수 있다. 이때에는 제1공급조절관(110)이 폐쇄될 수 있고 온도조절모듈(50)은 전술한 고온측흡입관(510) 및 저온측흡입관(520)으로 흡입되는 배가스의 유량을 조절하여 역시 제1기화부(31)로 도입되는 배가스(C) 온도를 조정할 수 있다. 이때 제1기화부(31)로 도입되는 배가스(C)의 온도는 예를 들어, 제2환원제(B)의 기화온도보다는 높고 자연발화온도보다는 낮은 온도로 조정될 수 있다.
한편, 이종환원제기화모듈(30)은 도 4에 도시된 것처럼 제1공급조절관(110) 및 제2공급조절관(210)을 통해 제1기화부(31)의 입구(31a)측 및 제2기화부(32)의 입구(32a)측으로 각각 액상의 제1환원제(A) 및 액상의 제2환원제(B)를 동시에 공급받고 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)에서 기화시켜, 제1환원제(A) 및 제2환원제(B)가 모두 포함된 처리기체(F)를 생성할 수 있다. 예를 들어 배가스(C)는 먼저 제1기화부(31)에 공급되어 액상의 제1환원제(A)를 기화시킬 수 있으며 그에 따라 생성된 배가스와 제1환원제의 혼합가스(D)가 다시 제2기화부(32)로 공급되어 액상의 제2환원제(B)를 기화시킬 수 있다. 이를 통해 최종적으로 제2기화부(32)에서 제1환원제 및 제2환원제가 모두 포함된 처리기체(F)가 생성될 수 있다.
특히 이러한 경우에는, 제1기화부(31)로 공급되는 액상의 제1환원제(A)의 공급량에 따라 온도조절모듈(50)이 공급하는 배가스(C)의 온도 및 공급량을 대응하여 변화시킬 수 있으며 그를 통해 제1기화부(31)로 도입되는 배가스(C)의 온도와, 제1기화부(31)를 거쳐 제2기화부(32)로 도입되는 배가스와 제1환원제의 혼합가스(D)의 온도를 함께 조정해 줄 수 있다. 예를 들면, 제2기화부(32)로 도입되는 혼합가스(D)의 온도를 제2기화부(32)의 온도센서(321) 측정값에 근거하여 제2환원제(B)의 자연발화온도 미만(예, 250℃ 이상 400℃ 미만, 보다 구체적으로 320℃)으로 맞추어 줄 수 있고, 그에 따라 혼합가스(D)의 온도가 조정되면 제1기화부(31)로 도입되는 배가스(C)의 온도도 함께 결정될 수 있다.
이때 제1기화부(31)로 도입되는 배가스(C)의 온도는 제1환원제의 자연발화온도 미만이 되도록 조정될 수 있다. 즉 제1기화부(31)로 공급되는 액상의 제1환원제(A)의 공급량으로부터 제1기화부(31)에서 열교환으로 소모되는 열에너지와 그에 따른 온도감소 폭을 예측할 수 있고 이를 고려하여 배가스(C)의 온도 및 공급량을 대응하여 변화시킴으로써 각각 제1기화부(31)의 입구온도[즉, 제1기화부로 도입되는 배가스의 온도]는 제1환원제의 자연발화온도보다 낮게 하는 동시에 제2기화부(32)의 입구온도[즉, 제2기화부로 도입되는 혼합가스의 온도]는 제2환원제의 자연발화온도보다 낮게 조정할 수 있다. 필요한 경우, 액상의 제1환원제(A)의 공급량까지 함께 변화시키면서 보다 유기적으로 각 기화부의 입구온도를 조정하는 것도 가능하다.
특히 제2환원제는 탄화수소계 환원제로서 상대적으로 자연발화온도가 낮은 에탄올(대략 400℃일 수 있다) 등을 포함할 수 있으므로, 이를 기화시키는 제2기화부(32)의 입구온도는 상대적으로 자연발화온도가 높은 암모니아(대략 651℃일 수 있다)등이 포함된 제1환원제를 기화시키는 제1기화부(31)의 온도보다는 상당히 낮게 유지될 필요가 있으며, 상기한 방식 등을 통해서 그러한 입구온도의 제어를 달성할 수 있다. 그에 따라 예를 들면, 제2기화부(32)의 입구온도는 에탄올의 자연발화온도보다는 낮고 기화상태는 유지할 수 있는 온도(예, 250℃ 이상 400℃ 미만, 보다 구체적으로 320℃)를 유지하면서, 제1기화부(31)의 입구온도는 그보다는 높되 암모니아의 자연발화온도보다는 낮은 온도(예, 400℃ 이상이고 651℃ 미만인 온도, 보다 구체적으로 400℃)를 유지하도록 제어할 수 있다. 이와 같은 방식의 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)의 입구온도 제어는 장치를 조작하는 관리자 등이 수동으로 행할 수도 있으나, 후술하는 것처럼 제어모듈(60) 등을 이용하여 자동으로 수행하는 것도 가능하다. 이처럼 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)의 입구온도를 제어하면서, 액상의 제1환원제(A) 및 액상의 제2환원제(B)를 함께 기화시켜 제1환원제 및 제2환원제가 모두 포함된 처리기체(F)를 생성하고 처리기체공급관(410)을 통해 기체분사모듈(40)로 제공해 줄 수 있다. 이러한 방식으로 이종환원제기화모듈(30)을 이용하여 제1환원제 및 제2환원제 중 적어도 어느 하나가 포함된 처리기체(F)를 생성하고, 기체분사모듈(40)로 공급하여 연도(2) 내 질소산화물과 같은 오염물질을 효과적으로 제거하는 것이 가능하다.
한편, 이러한 이종환원제기화모듈(30)은 도 5와 같이 단일챔버(34) 내 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)가 형성된 구조로 변형될 수도 있다. 즉 제1기화부(31)와 제2기화부(32)는 반드시 별도의 챔버 등으로 분리하여 형성할 필요는 없으며 서로 통합된 단일챔버 내 서로 다른 지점에 위치하도록 형성되는 것도 가능하다. 그러한 경우 예를 들어, 단일챔버(34)의 입구(34a) 측에 제1기화부(31)가 형성되고, 단일챔버(34)의 출구(34b) 측에 제2기화부(32)가 각각 형성되도록 구성할 수 있고 이를 통해 서로 통합된 단일챔버(34) 내부 공간의 서로 다른 지점에 각각 다른 온도를 나타내는 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)를 형성하는 것이 가능하다. 이러한 경우 제1공급조절관(110) 및 제2공급조절관(210)은 각각 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)에 대응되는 서로 다른 위치에서 단일챔버(34)와 연결될 수 있다.
이러한 경우, 서로 떨어진 제1기화부(31)와 제2기화부(32) 사이의 공간은 제1기화부(31)와 제2기화부(32)를 서로 연통시키는 역할을 하므로 전술한 직렬연결관(33)에 대응되는 것으로 볼 수 있으며 따라서 이러한 구조 역시 실질적으로 전술한 제1기화부(31)와 제2기화부(32)가 직렬연결관(33)으로 연통되어 있는 구조와 유사 내지는 동등한 구조로 해석될 수 있다. 따라서 전술한 제어 등도 이러한 구조를 이용하여 진행할 수 있다. 다만, 제1기화부(31)와 제2기화부(32) 사이를 연통시키는 공간 등이 확장되어 유체 유동량 등에 차이가 발생할 수 있고 그에 따라 제1기화부(31)와 제2기화부(32) 사이의 온도구배 등에 변화가 생길 수 있으므로 그러한 차이를 고려하여 배가스 공급량이나 각 환원제의 공급량 등은 적절히 조정해 주는 것이 바람직하다. 이와 같이 필요에 따라 또 다른 형태로도 이종환원제기화모듈(30)을 형성해 줄 수 있다.
도 6은 도 1의 오염물질 처리장치의 사용상태를 예시한 도면이다.
이하, 도 6을 참조하여 오염물질 처리장치 전체의 작동과정을 보다 상세히 설명한다. 본 발명의 오염물질 처리장치(1)는 전술한 환원제의 기화과정 등을 도 6에 예시된 바와 같이 진행할 수 있다. 제1환원제탱크(10)로부터는 액상의 제1환원제(A)가 공급되며 제2환원제탱크(20)로부터는 액상의 제2환원제(B)가 공급된다. 액상의 제1환원제(A) 및 액상의 제2환원제(B)는 각각 제1공급조절관(110) 및 제2공급조절관(210)을 따라 이종환원제기화모듈(30)의 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)로 공급될 수 있다. 전술한 것처럼 조절밸브(110a, 210a) 등을 조절하여 액상의 제1환원제(A) 및 액상의 제2환원제(B)의 공급량을 바꿀 수 있고 이종환원제기화모듈(30)로 제1환원제만을 공급하거나, 제2환원제만을 공급하거나, 제1환원제와 제2환원제를 함께 공급하는 것이 가능하다. 즉 도 6에는 액상의 제1환원제(A)와 액상의 제2환원제(B)가 모두 공급되는 형태로 도시되었지만 도면과 같이 한정될 필요는 없으며, 전술한 것처럼 액상의 제1환원제(A) 및/또는 액상의 제2환원제(B)를 선택적 또는 복합적으로 이종환원제기화모듈(30)에 공급하여 기화시키고 제1환원제 및 제2환원제 중 적어도 어느 하나가 포함된 처리기체(F)를 생성하여 기체분사모듈(40)로 제공할 수 있다.
이때 온도조절모듈(50)은 연도(2) 내 배가스(C)를 전술한 고온측흡입관(510) 및 저온측흡입관(520)으로 나누어 흡입한 후 혼합하여 적절한 온도로 조절할 수 있다. 즉 고온측흡입관(510)으로 흡입된 고온 배가스(C1)와 저온측흡입관(520)으로 흡입된 저온배가스(C2)를 합류부(500)등에서 혼합하여 온도를 조절하고 이종환원제기화모듈(30)로 제공할 수 있다. 전술한 것처럼 이종환원제기화모듈(30)로 제공된 배가스(C)는 제1기화부(31) 및 제2기화부(32)를 통과하면서 각각의 기화부에 공급된 제1환원제 및 제2환원제 중 적어도 어느 하나와 열교환하며 이를 통해 제1환원제 및 제2환원제 중 적어도 어느 하나가 포함된 처리기체(F)를 이종환원제기화모듈(30) 내에서 생성할 수 있다. 생성된 처리기체(F)는 처리기체공급관(410)을 통해 기체분사모듈(40)로 바로 제공되어 연도(2) 내에 분사될 수 있다.
오염물질 처리장치(1)는 제어모듈(60)을 활용한 제어를 통해 전술한 입구온도의 제어를 자동으로 수행할 수 있다. 즉, 오염물질 처리장치(1)는, 고온측흡입관(510) 및 저온측흡입관(520)에 배치된 흡입제어밸브(510a, 520a)를 제어하여, 제1기화부(31)로 도입되는 배가스(C)의 온도를 제1환원제 및 제2환원제 중 적어도 어느 하나의 자연발화온도 미만으로 조절하는 제어모듈(60)을 더 포함할 수 있다. 제어모듈(60)은, 제어신호를 전송하여 흡입제어밸브(510a, 520a)를 자동으로 개폐하는 제어를 하도록 형성될 수 있으며, 흡입제어밸브(510a, 520a)는 제어신호에 따라 자동으로 작동되는 전자식구동 등이 가능한 형태로 형성될 수 있다. 제어모듈(60)은 일종의 프로그램 가능한 컴퓨터 장치를 포함하여 형성될 수 있고 적절한 제어프로그램 등을 로딩하여 자동으로 제어가 가능하게 형성될 수 있다. 이를 통해, 전술한 도 2 내지 도 4의 환원제 기화과정에서 이종환원제기화모듈(30)의 제1기화부(31)로 도입되는 배가스(C)의 온도를 제1환원제 및 제2환원제 중 적어도 어느 하나의 자연발화온도 미만으로 조절할 수 있다. 예를 들어, 도 2의 과정과 같이 제1환원제만을 기화시키는 경우, 제1기화부(31)로 도입되는 배가스(C)의 온도는 제1환원제의 자연발화온도 미만으로 조절될 수 있으며, 도 3의 과정과 같이 제2환원제만을 기화시키는 경우, 제1기화부(31)로 도입되는 배가스(C)의 온도는 제2환원제의 자연발화온도 미만으로 조절될 수 있다. 또한, 도 4의 과정과 같이 제1환원제 및 제2환원제를 함께 기화시키는 경우에는, 전술한 것처럼 제1기화부(31)로 도입되는 배가스(C)의 온도를 제1환원제의 자연발화온도 미만으로 조절하면서, 제2기화부(32)로 도입되는 배가스와 제1환원제의 혼합가스의 온도는 제2환원제의 자연발화온도 미만으로 유지시키는 제어를 할 수 있다.
즉, 제어모듈(60)은 제1기화부(31)로 공급되는 제1환원제의 공급량에 따라 흡입제어밸브(510a, 520a)의 개폐량을 변동시켜, 제2기화부(32)로 도입되는 배가스와 제1환원제의 혼합가스(도 4의 D참조)의 온도를 제2환원제의 자연발화온도 미만으로 유지시킬 수 있고 이를 통해 전술한 것처럼, 제1기화부(31)로 공급되는 액상의 제1환원제(A)의 공급량에 따라, 온도조절모듈(50)이 공급하는 배가스(C)의 온도 및 공급량을 맞추어 조정할 수 있다. 이를 통해 제1기화부(31)로 도입되는 배가스(C)의 온도와, 제1기화부(31)를 거쳐 제2기화부(32)로 도입되는 배가스와 제1환원제의 혼합가스(D)의 온도를 함께 조정해 줄 수 있다. 제어모듈(60)은 전술한 온도센서(311, 321)와 연결되어 각각의 측정값을 제공받고 제어를 수행할 수 있으며 예를 들어, 제2기화부(32)로 도입되는 혼합가스(D)의 온도를 제2기화부(32) 에 형성된 온도센서(321) 측정값에 근거하여 제2환원제(B)의 자연발화온도 미만으로 맞추어 줄 수 있다. 이를 통해 혼합가스(D)의 온도가 설정되면 전술한 것처럼 제1기화부(31)로 도입되는 배가스(C)의 온도도 함께 결정될 수 있다.
이와 같이 이종환원제기화모듈(30)로 공급되는 배가스(C)의 온도 등을 조절하면서 제1환원제 및 제2환원제 중 적어도 하나를 기화시킬 수 있으며 그를 통해 생성한 처리기체(F)를 기체분사모듈(40)로 제공하여 연도(2) 내 분사시킬 수 있다. 기체분사모듈(40)로 분사된 처리기체(F)는 제1환원제 및 제2환원제 중 적어도 어느 하나를 포함하며 기체상태로 연도(2)로 공급되는바 기상의 배가스(C)와 원활하게 혼합되어 연도(2) 내에서 질소산화물 등의 오염물질을 처리할 수 있다. 특히 전술한 것처럼 기체분사모듈(40)을 연도(2) 내 특정 위치에 배치하고 온도조건이 특정 범위 내에 있는 구간[예를 들어, 전술한 200~500℃ 범위인 구간]에 처리기체(F)를 분사함으로써 가스터빈(3)이 구동되는 구동 초기 등에도 제1환원제 및/또는 제2환원제에 의한 환원반응이 보다 원활하게 이루어지며 효과적으로 질소산화물이 제거될 수 있다. 특히 해당 온도구간에 분사된 환원제에 의해 황연의 원인이 되는 이산화질소 등의 처리효율도 높은 수준으로 유지할 수 있으며, 선택적 촉매 환원반응에 의한 전반적인 탈질작용 역시 원활하게 진행시킬 수 있다. 이러한 방식으로 가스터빈(3) 등에서 생성된 배가스의 질소산화물과 같은 오염물질을 효과적으로 처리하는 것이 가능하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 오염물질 처리장치 2: 연도
3: 가스터빈 4: 탈질촉매
10: 제1환원제탱크 20: 제2환원제탱크
21: 제1열교환모듈 22: 제2열교환모듈
23: 제3열교환모듈 24: 제4열교환모듈
25: 제5열교환모듈 30: 이종환원제기화모듈
31: 제1기화부 32: 제2기화부
31a, 32a, 34a: 입구 31b, 32b, 34b: 출구
33: 직렬연결관 34: 단일챔버
40: 기체분사모듈 50: 온도조절모듈
60: 제어모듈 110: 제1공급조절관
111, 211: 노즐 111a, 211a: 냉각부
110a, 210a: 조절밸브 210: 제2공급조절관
311, 321: 온도센서 410: 처리기체공급관
500: 합류부 501: 제1분기부
502: 제2분기부 510: 고온측흡입관
520: 저온측흡입관 511, 521: 연결지점
510a, 520a: 흡입제어밸브 530: 순환팬
A, B: 제1환원제, 제2환원제 C, C1, C2: 배가스
D: 혼합가스 F: 처리기체

Claims (13)

  1. 배가스가 유동하는 연도 내 배치된 기체분사모듈;
    상기 기체분사모듈을 통해 기상으로 분사되어 상기 배가스의 오염물질을 처리하는 제1환원제가 액상으로 저장된 제1환원제탱크;
    상기 기체분사모듈을 통해 기상으로 분사되어 상기 배가스의 오염물질을 처리하며 상기 제1환원제와는 다른 물질로 이루어진 제2환원제가 액상으로 저장된 제2환원제탱크;
    상기 제1환원제탱크 및 상기 제2환원제탱크와, 상기 기체분사모듈 사이에서 액상의 상기 제1환원제 및 액상의 상기 제2환원제 중 적어도 어느 하나를 공급받고 기화시켜 상기 기체분사모듈로 제공하는 이종환원제기화모듈; 및
    상기 이종환원제기화모듈의 서로 다른 지점에서 상기 제1환원제탱크 및 상기 제2환원제탱크로 각각 연결되어, 액상의 상기 제1환원제 및 액상의 상기 제2환원제를 서로 독립적으로 상기 이종환원제기화모듈로 공급하는 제1공급조절관 및 제2공급조절관을 포함하되,
    상기 제1공급조절관 및 상기 제2공급조절관 각각은, 상기 이종환원제기화모듈 측 말단에 형성된 노즐을 포함하는 적어도 일부가 냉각부를 포함하고,
    상기 이종환원제기화모듈은, 내부에 서로 다른 온도를 나타낼 수 있는 제1기화부 및 제2기화부를 포함하여, 액상의 상기 제1환원제 및 액상의 상기 제2환원제는 상기 제1기화부 및 상기 제2기화부에 각각 공급되어 기화되며,
    상기 연도 내 배가스를 흡입하여 상기 제1기화부 및 상기 제2기화부 중 적어도 어느 하나로 제공함으로써 상기 제1기화부 및 상기 제2기화부의 온도를 조정하는 온도조절모듈을 더 포함하고,
    상기 제1기화부 및 상기 제2기화부는 서로 연통 가능하게 직렬로 연결되며, 상기 배가스는 상기 제1기화부 및 상기 제2기화부로 순차적으로 통과되며 액상의 상기 제1환원제 및 액상의 상기 제2환원제 중 적어도 어느 하나와 열교환되고,
    상기 온도조절모듈은, 상기 제1기화부로부터 분기되어 상기 연도의 서로 다른 지점에 각각 연결되되, 상기 연도에 연결된 지점이 상대적으로 상기 연도의 입구방향으로 전진된 고온측흡입관, 및 상기 연도에 연결된 지점이 상대적으로 상기 연도의 출구방향으로 후퇴된 저온측흡입관을 포함하고, 상기 고온측흡입관 및 상기 저온측흡입관 각각에 상기 배가스의 흡입량을 조절하는 흡입제어밸브가 각각 배치되며,
    상기 흡입제어밸브를 제어하여, 상기 제1기화부로 도입되는 상기 배가스의 온도를 상기 제1환원제 및 상기 제2환원제 중 적어도 어느 하나의 자연발화온도 미만으로 조절하는 제어모듈을 더 포함하되,
    상기 제어모듈은, 상기 제1기화부로 공급되는 상기 제1환원제의 공급량에 따라 상기 흡입제어밸브의 개폐량을 변동시켜, 상기 제2기화부로 도입되는 상기 배가스와 상기 제1환원제의 혼합가스의 온도를 상기 제2환원제의 자연발화온도 미만으로 유지시키는 오염물질 처리장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1기화부 및 상기 제2기화부는 각각 입구와 출구가 형성된 챔버의 형태로 이루어지며,
    상기 제1공급조절관은, 상기 제1기화부의 입구측에서 상기 제1환원제탱크로 연결되어 상기 제1기화부에 공급되는 액상의 제1환원제의 공급량을 조절하며, 상기 제2공급조절관은, 상기 제2기화부의 입구측에서 상기 제2환원제탱크로 연결되어 상기 제2기화부에 공급되는 액상의 제2환원제의 공급량을 조절하며, 상기 이종환원제기화모듈은, 상기 제1기화부의 출구와 상기 제2기화부의 입구를 연통시키는 직렬연결관을 더 포함하는 오염물질 처리장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1환원제는 암모니아계 환원제로 이루어지며 상기 암모니아계 환원제는 암모니아를 포함하고,
    상기 제2환원제는 탄화수소계 환원제로 이루어지며 상기 탄화수소계 환원제는 에탄올 및 에틸렌글리콜 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 제1환원제 및 상기 제2환원제에 의해 처리되는 오염물질은 상기 배가스 내 질소산화물을 포함하는 오염물질 처리장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 이종환원제기화모듈로부터 공급된 상기 제1환원제 및 상기 제2환원제 중 적어도 어느 하나가 포함된 처리기체는, 상기 기체분사모듈을 통해 상기 연도 내 온도 200~500℃ 범위인 구간에 분사되는 오염물질 처리장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 기체분사모듈은 상기 이종환원제기화모듈과 처리기체공급관으로 연결된 인젝션그리드로 이루어지는 오염물질 처리장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기체분사모듈은 상기 연도 내 설치된 탈질촉매 전단에 위치하는 오염물질 처리장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연도 내 복수의 열교환모듈이 형성되되 상기 열교환모듈 중 적어도 하나는 상기 기체분사모듈의 전단에 위치하는 오염물질 처리장치.
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