KR102506402B1 - 황연저감이 가능한 탈질장치 - Google Patents

황연저감이 가능한 탈질장치 Download PDF

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Abstract

황연저감이 가능한 탈질장치가 제공된다. 탈질장치는, 복합화력발전소의 배가스에 섞여 배출되는 황연(yellow gas)저감이 가능한 탈질장치에 있어서, 암모니아계 환원제가 저장된 제1환원제탱크, 탄화수소계 환원제가 저장된 제2환원제탱크, 가스터빈과 연돌 사이의 배가스 유동로에 배치되는 탈질촉매, 제1환원제탱크로부터 배가스 유동로의 탈질촉매 전단으로 암모니아계 환원제를 공급하는 제1환원제공급부, 및 제2환원제탱크로부터 배가스 유동로의 탈질촉매 전단으로 탄화수소계 환원제를 공급하는 제2환원제공급부를 포함하되, 제2환원제공급부는, 배가스 내 이산화질소에 대한 탄화수소계 환원제의 주입당량비를 황연 저감이 가능한 제1범위에서 조절가능한 고유량공급부와, 배가스 내 이산화질소에 대한 탄화수소계 환원제의 주입당량비를 제1범위보다 작은 제2범위에서 조절가능한 저유량공급부를 포함하고, 탄화수소계 환원제가 제2환원제탱크로부터 고유량공급부 및 저유량공급부 중 어느 하나를 통해 선택적으로 제공되는 것을 특징으로 한다.

Description

황연저감이 가능한 탈질장치{Denitrification apparatus capable of diminishing yellow gas}
본 발명은 배가스 내 질소산화물을 제거하는 탈질장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 배가스에 섞여 배출되는 황연(yellow gas)을 저감시킬 수 있는 황연저감이 가능한 탈질장치에 관한 것이다.
질소산화물은 질소와 산소로 이루어진 화합물 또는 이들의 혼합물로 주된 대기 오염물질 중 하나이다. 질소산화물은 질소분자의 분해가 가능한 고온에서 생성될 수 있다. 예를 들어 복합화력발전소 등 연소기관이 배치된 각종 시설물에서 질소산화물이 발생될 수 있다.
질소산화물의 처리를 위해서는 보통 촉매를 사용하게 된다(예, 대한민국 특허10-1409154등). 그러나 촉매를 이용한 질소산화물의 처리는 다음과 같은 문제를 가지고 있어 개선이 필요하였다.
예를 들어, 질소산화물의 농도나 질소산화물 중 이산화질소/일산화질소 비율에 따라 질소산화물의 처리효율이 변동하는 문제가 있다. 특히 고농도 질소산화물이나 이산화질소 비율이 높은 질소산화물을 일반적 선택적 촉매환원(SCR)방식(암모니아 환원제 적용)으로 처리하는 경우 처리효율이 원하는 수준보다 낮을 수 있다.
또한, 복합화력발전소와 같은 시설물에서는 부하를 변경하며 운전하는 경우도 많은데, 가스터빈의 기동 초기 등에는 질소산화물 중 이산화질소의 증가에 따라 적갈색의 황연(Yellow gas)이 생성되는 문제가 있다. 황연은 시각적으로도 불안감을 유발하여 민원의 대상이 되기 때문에 보다 효과적으로 처리될 필요가 있다.
대한민국등록특허공보 제10-1409154호, (2014. 06. 19), 명세서
본 발명의 기술적 과제는, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배가스 내 섞여 배출되는 황연을 저감시킬 수 있는, 황연저감이 가능한 탈질장치를 제공하는 것이며, 특히 황연저감이 가능하고, 이산화질소 함량이 높은 고농도 질소산화물을 효과적으로 처리가능한 황연저감이 가능한 탈질장치를 제공하는 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 황연저감이 가능한 탈질장치는, 복합화력발전소의 배가스에 섞여 배출되는 황연(yellow gas)저감이 가능한 탈질장치에 있어서, 암모니아계 환원제가 저장된 제1환원제탱크; 탄화수소계 환원제가 저장된 제2환원제탱크; 가스터빈과 연돌 사이의 배가스 유동로에 배치되는 탈질촉매; 상기 제1환원제탱크로부터 상기 배가스 유동로의 상기 탈질촉매 전단으로 상기 암모니아계 환원제를 공급하는 제1환원제공급부; 및 상기 제2환원제탱크로부터 상기 배가스 유동로의 상기 탈질촉매 전단으로 상기 탄화수소계 환원제를 공급하는 제2환원제공급부를 포함하되, 상기 제2환원제공급부는, 상기 배가스 내 이산화질소에 대한 상기 탄화수소계 환원제의 주입당량비를 황연 저감이 가능한 제1범위에서 조절가능한 고유량공급부와, 상기 배가스 내 이산화질소에 대한 상기 탄화수소계 환원제의 주입당량비를 상기 제1범위보다 작은 제2범위에서 조절가능한 저유량공급부를 포함하고, 상기 탄화수소계 환원제가 제2환원제탱크로부터 상기 고유량공급부 및 상기 저유량공급부 중 어느 하나를 통해 선택적으로 제공되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1범위는 상기 주입당량비가 1이상인 범위이고, 상기 제2범위는 상기 주입당량비가 1미만인 범위일 수 있다.
상기 제1환원제공급부와 상기 제2환원제공급부는, 상기 배가스 유동로의 상기 탈질촉매 전단에 배치된 인젝션그리드, 및 상기 인젝션그리드에 연결된 기화기를 공유하며, 상기 저유량공급부 및 상기 고유량공급부는, 상기 제2환원제탱크와 상기 기화기 사이에 병렬로 연결된 제1저유량공급부 및 제1고유량공급부를 포함할 수 있다.
상기 제2환원제공급부는, 상기 배가스 유동로의 상기 인젝션그리드 전단에 배치된 제2인젝션노즐을 더 포함하고, 상기 저유량공급부 및 상기 고유량공급부는, 상기 제2환원제탱크로부터 상기 기화기를 거치지 않고 상기 제2인젝션노즐에 병렬로 연결된 제2저유량공급부 및 제2고유량공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1환원제공급부는, 상기 배가스 유동로의 상기 인젝션그리드 전단에 배치된 제1인젝션노즐과, 상기 제1환원제탱크와 상기 기화기를 연결하는 제1공급부와, 상기 제1환원제탱크로부터 상기 기화기를 거치지 않고 상기 제1인젝션노즐에 연결된 제2공급부를 포함할 수 있다.
상기 배가스 유동로는, 상기 가스터빈 측에 연결되고 상대적으로 폭이 좁은 축관부, 상기 연돌 측에 연결되고 상기 축관부로부터 확장된 확관부, 및 상기 확관부 내 형성된 복수의 과열기모듈을 포함하고, 상기 인젝션그리드 및 상기 탈질촉매는 상기 확관부 내 배치되며, 상기 제1인젝션노즐 및 상기 제2인젝션노즐은 상기 축관부 내 배치될 수 있다.
상기 기화기는, 상기 배가스 유동로에 연결되어 상기 배가스 유동로 내 배가스를 유입하는 배가스 유입관을 포함하여, 상기 암모니아계 환원제 및 상기 탄화수소계 환원제 중 적어도 어느 하나를 상기 배가스와 혼합하여 기화시킬 수 있다.
상기 저유량공급부 및 상기 고유량공급부는, 각각 서로 다른 크기의 포트를 갖는 밸브를 포함하여 형성될 수 있다.
상기 저유량공급부 및 상기 고유량공급부는, 각각 서로 다른 용량의 펌프를 포함하여 형성될 수 있다.
상기 저유량공급부 및 상기 고유량공급부는, 상기 제2환원제탱크로부터 제공된 상기 탄화수소계 환원제의 일부를 상기 제2환원제탱크로 재주입하여 상기 탄화수소계 환원제의 공급량을 조절하는 재순환관을 포함하고, 상기 재순환관의 유량이 서로 다르게 조절될 수 있다.
상기 탈질장치는, 상기 탈질촉매의 온도, 상기 배가스 내 이산화질소의 농도, 및 상기 배가스 내 이산화질소와 일산화질소의 함량비 중 적어도 어느 하나에 따라 유로를 조절하여 상기 탄화수소계 환원제의 제공경로를 상기 저유량공급부 또는 상기 고유량공급부로 선택하여 공급하는 공급제어모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 배가스 내 질소산화물을 효과적으로 처리할 수 있다. 예를 들어, 복합화력발전소의 배가스 중 특히 황연을 효과적으로 처리할 수 있으며, 이산화질소 함량이 높은 고농도 질소산화물을 효과적으로 처리할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 황연저감이 가능한 탈질장치의 구성도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 탈질장치의 작동도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 의한 황연저감이 가능한 탈질장치의 구성도이다.
도 5 및 도 6은 도 4의 탈질장치의 작동도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 의한 황연저감이 가능한 탈질장치의 구성도이다.
도 8 및 도 9는 도 7의 탈질장치의 제2환원제공급부 중 고유량공급부와 저유량공급부의 작동도이다.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 의한 황연저감이 가능한 탈질장치의 구성도이다.
도 11 및 도 12는 도 10의 탈질장치의 제2환원제공급부 중 고유량공급부와 저유량공급부의 작동도이다.
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.
본 발명의 '제1환원제공급부' 및 '제2환원제공급부'는 공급경로에 배치된 세부구성들의 조합으로 형성될 수 있다. 제1환원제공급부와 제2환원제공급부는 후술하는 바와 같이 공급경로에 배치된 세부구성 중 일부를 공유하는 것도 가능하다. 이하 실시예에서는 그러한 취지를 살려 제1환원제공급부 및 제2환원제공급부에 대해서는 별도의 부호를 지정하지 않고, 각각에 포함된 세부구성들의 부호를 병기하여 표시한다.
이하, 도 1 내지 도 12를 참조하여 본 발명에 의한 황연저감이 가능한 탈질장치에 대해 상세히 설명한다. 먼저 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 대해 상세히 설명하고, 그를 바탕으로 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 제2실시예를, 도 7 내지 도 9를 참조하여 제3실시예를, 도 10 내지 도 12를 참조하여 제4실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 황연저감이 가능한 탈질장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 황연저감이 가능한 탈질장치(1)(이하, 탈질장치)는 암모니아계 환원제가 저장된 제1환원제탱크(100)와 탄화수소계 환원제가 저장된 제2환원제탱크(200)를 포함한다. 본 발명은 각 환원제탱크로부터 암모니아계 환원제 및 탄화수소계 환원제를 적용하여 질소산화물을 제거한다.
질소산화물은 이산화질소와 일산화질소를 포함하며 오염원(예, 가스터빈)의 운전상태에 따라 배가스 내 이산화질소와 일산화질소간 함량비가 달라질 수 있다. 적절한 환원제로 질소산화물을 환원시켜 이들의 함량비를 조절하면 선택적 촉매 환원에 의한 처리가 보다 효과적으로 진행될 수 있고, 특정 환원제의 작용을 증가시키면 촉매가 작용할 수 있는 온도에 이르지 못한 조건에서도 이산화질소에 의해 생성되는 황연(yellow gas)을 보다 효과적으로 처리할 수도 있다.
이러한 작용들은 이산화질소에 대한 탄화수소계 환원제의 주입 당량비(equivalent ratio)를 특정 범위 내에서 조절함으로써 수행될 수 있다. 본 발명은 탄화수소계 환원제를 고유량공급부(202) 및 저유량공급부(203)의 서로 다른 경로를 통해 선택적으로 공급함으로써 이러한 목적을 달성한다.
본 발명의 탈질장치(1)는 구체적으로 다음과 같이 구성된다. 탈질장치(1)는, 복합화력발전소의 배가스에 섞여 배출되는 황연(yellow gas)저감이 가능한 탈질장치에 있어서, 암모니아계 환원제가 저장된 제1환원제탱크(100), 탄화수소계 환원제가 저장된 제2환원제탱크(200), 가스터빈(10)과 연돌(30) 사이의 배가스 유동로(20)에 배치되는 탈질촉매(300), 제1환원제탱크(100)로부터 배가스 유동로(20)의 탈질촉매(300) 전단으로 암모니아계 환원제를 공급하는 제1환원제공급부(101, 400, 402, 500), 및 제2환원제탱크(200)로부터 배가스 유동로(20)의 탈질촉매(300) 전단으로 탄화수소계 환원제를 공급하는 제2환원제공급부(201, 202, 203, 400, 402, 500)를 포함하되, 제2환원제공급부는, 배가스 내 이산화질소에 대한 탄화수소계 환원제의 주입당량비를 황연 저감이 가능한 제1범위에서 조절가능한 고유량공급부(202)와, 배가스 내 이산화질소에 대한 탄화수소계 환원제의 주입당량비를 제1범위보다 작은 제2범위에서 조절가능한 저유량공급부(203)를 포함하고, 탄화수소계 환원제가 제2환원제탱크(200)로부터 고유량공급부(202) 및 저유량공급부(203) 중 어느 하나를 통해 선택적으로 제공되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1실시예에서, 제1범위는 상기 주입당량비가 1이상인 범위이고, 제2범위는 상기 주입당량비가 1미만인 범위일 수 있다. 이와 같은, 제1범위는 바람직하게는 가스터빈 기동 초기 탈질촉매가 작동할 수 있는 온도 미만에서 이산화질소를 적어도 일산화질소로 환원시켜, 배가스 중 이산화질소에 의해 나타나는 황연을 시각적으로 인식하기 어려운 농도(예, 이산화질소 농도 11ppm 이하)가 되도록 할 수 있는 이산화질소에 대한 탄화수소계 환원제의 주입당량비 범위를 나타낸다. 또한, 제2범위는 바람직하게는 탄화수소계 환원제와 암모니아계 환원제가 함께 환원제로 작용하여, 탈질촉매에 의해 질소산화물을 환원시킬 수 있는 이산화질소에 대한 탄화수소계 환원제의 주입당량비 범위를 나타낸다.
즉, 가스터빈 기동 초기 탈질촉매가 작동할 수 있는 온도 미만에서 이산화질소에 의해 발생하는 황연을 처리하기 위해, 이산화질소에 대해 1당량 이상의 탄화수소계 환원제를 공급하여 처리하고, 가스터빈 작동에 따라 온도 증가시 탄화수소계 환원제를 이산화질소가 일산화질소로 환원될 수 있는 양{이산화질소에 대해 1당량 미만(예, 0.5 당량 이하, 0.1 내지 0.2당량)의 양}으로 배가스 중 주입하고, 그와 같이 환원된 일산화질소 및 경우에 따라 원래 존재하던 일산화질소를 주로 암모니아계 환원제와 탈질촉매에 의해 바람직하게는 질소로 환원시켜 처리하는 것이다.
또한, 제1환원제공급부(101, 400, 402, 500)와 제2환원제공급부(201, 202, 203, 400, 402, 500)는 배가스 유동로(20)의 탈질촉매(300) 전단에 배치된 인젝션그리드(500) 및 인젝션그리드(500)에 연결된 기화기(400)를 공유하는 구조로 형성될 수 있다. 이하, 이러한 본 발명의 제1실시예에 기초하여, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 복합화력발전소의 배가스에 섞여 배출되는 황연 저감이 가능한 탈질장치로서 복합화력발전소의 배기구조 상에 적용될 수 있다. 도 1을 참조하면, 복합화력발전소의 배기구조는 가스터빈(10) 후단에 연결된 배가스 유동로(20)와 배가스 유동로(20) 후단에 연결된 연돌(30)을 포함할 수 있다. 배가스(C)는 가스터빈(10)에서 배출되어 배가스 유동로(20)를 통과한 후 연돌(30)을 통해 배기된다.
배가스 유동로(20)는 가스터빈(10) 측에 연결되고 상대적으로 폭이 좁은 축관부(21), 연돌(30) 측에 연결되고 축관부(21)로부터 확장된 확관부(22), 및 확관부(22) 내 형성된 과열기모듈(23)을 포함할 수 있다. 과열기모듈(23)이 배치된 배가스 유동로(20)는 고온 배가스의 열에너지 회수를 위해 복합화력발전소의 배기구조 상에 형성된 배열회수보일러(HRSG: Heat Recovery Steam Generator)의 일부일 수 있다.
탈질촉매(300)는 가스터빈(10)과 연돌 사이의 배가스 유동로(20)에 배치된다. 바람직하게는, 도시된 바와 같이 복수의 과열기모듈(23)의 사이에 위치하도록 탈질촉매(300)를 배치할 수 있다. 탈질촉매(300)는 선택적 촉매 환원(SCR: Selective Catalytic Reduction)에 의해 탈질작용하는 것으로서 그러한 작용이 가능한 한도 내에서 다양한 재질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 탈질촉매(300)는 선택적 촉매 환원에 의해 질소산화물을 질소로 환원시킬 수 있는 것인 한 제한되지 않는다. 예를 들면 탈질촉매(300)는 암모니아-SCR 반응촉매(예, 바나듐 포함 금속산화물촉매 등)를 포함하며, 이온교환법, 건식함침법 등 공지의 방법에 의해 제조하거나 시판되는 것일 수 있다.
탈질촉매(300)는, 배가스 유동로(20) 내에서 선택적 촉매 환원이 효과적으로 진행되는 온도구간 내에 위치를 바꾸어 가며 배치될 수 있다. 따라서 도시된 배치는 예시적이며 탈질촉매(300)의 위치는 필요에 따라 변경될 수도 있다.
제1환원제탱크(100)와 제2환원제탱크(200)는 서로 분리되어 배치된다. 제1환원제탱크(100)에는 암모니아계 환원제가 저장되고, 제2환원제탱크(200)에는 탄화수소계 환원제가 저장된다. 각각의 환원제탱크는 배가스 유동로(20) 내 환원제를 공급하기 용이한 위치에 적절히 배치할 수 있다.
제1환원제탱크(100)에 저장된 암모니아계 환원제는 탈질촉매(300)의 촉매작용에 의한 선택적 촉매 환원반응시 환원제로 작용하는 것일 수 있다. 암모니아계 환원제는 예를 들면 암모니아, 요소 또는 그 전구체 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 암모니아계 환원제는 제1환원제탱크(100) 내에서 액상일 수 있으며, 후술하는 기화기(400)에서 기화된 후 배가스 유동로(20)에 공급될 수 있다.
제2환원제탱크(200)에 저장된 탄화수소계 환원제는 선택적 촉매 환원반응 전 촉매 없이 질소산화물을 환원시키기 위한 것일 수 있다. 예를 들어, 탄화수소계 환원제는 질소산화물 중 이산화질소를 일산화질소로 환원시키는 것일 수 있다. 탄화수소계 환원제는 질소성분을 포함하지 않으므로 공기 중 산소와 반응하여 질소산화물을 생성할 가능성이 낮은 것일 수 있다. 탄화수소계 환원제는 예를 들면 한 분자 내에 수산(OH)기를 하나 이상 포함하는 탄화수소 및 설탕과 같은 당류 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 보다 바람직하게는, 탄화수소계 환원제는 에탄올(Ethanol), 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), 글리세린(Glycerin), 설탕, 및 과당 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 탄화수소계 환원제 역시 제2환원제탱크(200) 내에서 액상일 수 있으며, 후술하는 기화기(400)에서 기화된 후 배가스 유동로(20)에 공급될 수 있다.
제1환원제공급부(101, 400, 402, 500)는 제1환원제탱크(100)로부터 배가스 유동로(20)의 탈질촉매(300) 전단으로 암모니아계 환원제를 공급한다. 본 설명의 서두에서 언급한 것처럼, 제1환원제공급부(101, 400, 402, 500)는 공급경로에 배치된 세부구성들의 조합으로 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 제1환원제탱크(100)와 기화기(400)를 연결하는 공급부(101), 공급부(101)를 통해 제1환원제탱크(100)와 연결된 기화기(400), 기화기(400)와 인젝션그리드(500)를 연결하는 환원제공급관(402), 및 환원제공급관(402)과 연결되고 배가스 유동로(20) 내 탈질촉매(300) 전단에 배치된 인젝션그리드(500)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 이와 같은 예를 설명하지만, 제1환원제공급부가 이로써 한정될 필요는 없다. 제1환원제공급부는, 제1환원제탱크(100)로부터 암모니아계 환원제를 탈질촉매(300) 전단으로 공급할 수 있는 한도 내에서 다른 형태로도 변형이 가능하다. 예를 들어, 기화기는 상황에 따라 제1환원제공급부에 포함되지 않을 수도 있으며 따라서 기화기를 우회하는 공급경로로 이루어진 또 다른 형태의 제1환원제공급부 등을 형성하는 것도 얼마든지 가능하다. 제1환원제공급부의 다른 형태에 대해서는 본 발명의 다른 실시예를 통해 상세히 설명한다.
본 실시예에서 제1환원제공급부(101, 400, 402, 500)는, 제2환원제공급부(201, 202, 203, 400, 402, 500)와 기화기(400) 및 인젝션그리드(500)를 서로 공유할 수 있다. 즉 제1환원제탱크(100)의 암모니아계 환원제와, 제2환원제탱크(200)의 탄화수소계 환원제는 같은 기화기(400)에서 기화된 후 같은 인젝션그리드(500)를 통해 탈질촉매(300) 전단으로 공급될 수 있다. 두 환원제는 단일 인젝션그리드(500)를 통해 선택적으로, 또는 동시에 탈질촉매(300) 전단에 공급될 수 있다.
제1환원제공급부(101, 400, 402, 500)의 세부구성을 설명하면 다음과 같다. 공급부(101)는 기화기(400)와 제1환원제탱크(100) 사이에 연결된 배관으로 형성될 수 있다. 공급부(101) 상에는 압력구배를 형성하기 위한 펌프(801)가 배치될 수 있다.
기화기(400)는 공급부(101)를 통해 제1환원제탱크(100)와 연결된다. 기화기(400)는 액상의 환원제를 공급받고 가열하여 기상의 환원제로 변화시킨다. 바람직하게는, 기화기(400)는 배가스 유동로(20)에 연결되어 배가스 유동로(20) 내 배가스(C)를 유입하는 배가스 유입관(401)을 포함하여, 암모니아계 환원제 및 탄화수소계 환원제 중 적어도 어느 하나를 배가스와 혼합하여 기화시키도록 형성될 수 있다.
따라서 기화기(400)는 내부에 적어도 하나의 기화공간을 가지고 있을 수 있다. 배가스 유입관(401)을 이용하여 고온 배가스를 기화기(400) 내부로 유입하고 기화공간 내에서 환원제와 열교환시키는 방식으로 액상의 환원제를 기화시킬 수 있다. 배가스 유입관(401) 일 측에는 배가스를 강제 흡입하거나 흡입유량을 조절하기 위한 블로워(803)가 배치될 수 있다.
기화기(400)는 환원제공급관(402)을 통해 인젝션그리드(500)와 연결된다. 인젝션그리드(500)는 배가스 유동로(20)의 내부에 배치된다. 인젝션그리드(500)는 배가스 유동로(20) 내 탈질촉매(300)의 전단에 위치하며 탈질촉매(300) 전단에 위치하는 한도 내에서 위치는 조정될 수도 있다. 따라서 도시된 인젝션그리드(500)의 위치 역시 예시적이다.
인젝션그리드(500)는 예를 들어, 격자 형태로 구성된 분사기구로 형성될 수 있다. 예를 들면 인젝션그리드(500)는 그리드 형태로 배열된 관체에 복수의 노즐이 결합된 구조일 수 있다. 도면 상에는 그러한 인젝션그리드(500)가 간략히 도시되어 있다. 인젝션그리드(500)를 이용하면 기화된 환원제를 배가스 유동로(20) 내부에 보다 균일하게 공급할 수 있다.
제2환원제공급부(201, 202, 203, 400, 402, 500)는 제2환원제탱크(200)로부터 탄화수소계 환원제를 탈질촉매(300) 전단으로 공급한다. 앞서 언급한 것처럼, 제2환원제공급부(201, 202, 203, 400, 402, 500) 역시 공급경로에 배치된 세부구성들의 조합으로 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 제2환원제탱크(200)에서 연장된 공유관(201), 공유관(201)에서 분기되어 제2환원제탱크(200)와 기화기(400)를 병렬로 연결하는 고유량공급부(202) 및 저유량공급부(203), 기화기(400)와 인젝션그리드(500)를 연결하는 환원제공급관(402), 및 환원제공급관(402)과 연결되고 배가스 유동로(20) 내 탈질촉매(300) 전단에 배치된 인젝션그리드(500)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 이와 같은 예를 설명하지만, 제2환원제공급부 역시 이로써 한정될 필요는 없다. 제2환원제공급부는, 제2환원제탱크(200)로부터 탄화수소계 환원제를 탈질촉매(300) 전단으로 공급할 수 있는 한도 내에서 다른 형태로 변형될 수도 있다. 제2환원제공급부(201, 202, 203, 400, 402, 500) 역시 기화기를 포함하지 않을 수도 있으며, 따라서 기화기를 우회하는 공급경로 등 또 다른 형태로 변형하는 것도 얼마든지 가능하다. 제2환원제공급부의 다른 형태 역시 본 발명의 다른 실시예를 통해 상세히 설명한다.
제2환원제공급부(201, 202, 203, 400, 402, 500)의 세부구성을 설명하면 다음과 같다. 전술한 것처럼, 제2환원제공급부(201, 202, 203, 400, 402, 500)와 제1환원제공급부(101, 400, 402, 500)는 기화기(400)와 인젝션그리드(500)를 서로 공유한다. 나머지 구성을 설명하면 다음과 같다.
제2환원제탱크(200)와 기화기(400)의 사이에는 공유관(201)과 공유관(201)에서 분기되어 서로 병렬로 배치된 고유량공급부(202) 및 저유량공급부(203)가 형성된다. 탄화수소계 환원제는 공유관(201)에서 고유량공급부(202) 또는 저유량공급부(203)로 선택적으로 이동하여 기화기(400)로 제공될 수 있다. 고유량공급부(202) 및 저유량공급부(203)는 각각 유체 이송한도가 다른 관로 구조로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 저유량공급부(203) 및 고유량공급부(202)는, 각각 서로 다른 크기의 포트를 갖는 밸브를 포함하여 형성될 수 있다. 즉 저유량공급부(203) 및 고유량공급부(202)는 병렬로 배치된 배관으로 형성되되, 각각에는 환원제 공급한도를 결정하는 서로 다른 크기의 포트(밸브 구조 중 밸브 내부에서 밸브의 개도를 조절하는 연결부)를 갖는 밸브가 배치되어 있을 수 있다. 따라서 저유량공급부(203)로는 상대적으로 작은 주입당량비로 탄화수소계 환원제의 공급량을 제어할 수 있고, 고유량공급부(202)로는 상대적으로 큰 주입당량비로 탄화수소계 환원제의 공급량을 제어할 수 있다.
그러나 저유량공급부(203) 및 고유량공급부(202)의 환원제 공급한도가 밸브의 포트 크기에 의해서 결정되는 것으로만 한정하여 이해될 필요는 없다. 예를 들면, 저유량공급부(203) 및 고유량공급부(202)는 각각을 이루는 관로 자체의 수송능력(예, 관경)이 다르게 형성되는 등의 또 다른 방식으로도 환원제 공급한도가 서로 다르게 결정될 수 있다. 저유량공급부(203) 및 고유량공급부(202)는 서로 다른 유체 이송한도를 갖도록 형성된 유로 상의 구조를 다양하게 활용하여 구현될 수 있다.
특히, 고유량공급부(202)를 통해 탄화수소계 환원제가 공급되는 경우, 배가스 내 이산화질소에 대한 탄화수소계 환원제의 주입당량비(예, 탄화수소계 환원제량/배가스 내 이산화질소량을 몰비로 계산한 것일 수 있다)는 황연 저감이 가능한 제1범위에서 조절될 수 있다. 그와 같은 제1범위는, 상기 주입당량비가 1이상인 범위일 수 있다.
상기 제1범위의 이산화질소에 대한 탄화수소계 환원제의 주입당량비는 배가스 중 이산화질소 농도가 황연 미발생농도(예, 11ppm)에 이르도록 하는 당량비로서, 고유량공급부(202)를 통해서 예를 들어, 이산화질소 농도 11ppm이 되도록 하는 당량비가 되도록 탄화수소계 환원제를 공급하는 것이 바람직하다.
반면, 저유량공급부(203)를 통해 탄화수소계 환원제가 공급되는 경우, 배가스 내 이산화질소에 대한 탄화수소계 환원제의 주입당량비는 제1범위보다 작은 제2범위에서 조절될 수 있다. 그와 같은 제2범위는, 상기 주입당량비가 1미만인 범위(일 예로, 0.5이하인 범위, 일 구체예로 0.1~0.2인 범위 등)일 수 있다.
상기 제2범위의 이산화질소에 대한 탄화수소계 환원제의 주입당량비는 선택적촉매환원이 보다 효과적으로 진행가능한 조건으로 이산화질소와 일산화질소의 비율을 조절하기 위한 것으로 이는 예를 들어, 배가스 중 이산화질소 농도를 일산화질소 농도와 동일하게 하는 당량비일 수 있다. 따라서 저유량공급부(203)를 통해서 예를 들어, 이산화질소 농도와 이산화질소 농도가 동일하게 되는 당량비가 되도록 탄화수소계 환원제를 공급하는 것이 바람직하다.
일반적인 관로 구조나 밸브체 등을 적용하는 경우, 주입당량비를 상기한 제1범위부터 제2범위까지 넓은 범위로 정밀하게 조정하기 매우 곤란한 문제가 있지만, 본 발명은 서로 다른 유량한계를 갖는 저유량공급부(203) 및 고유량공급부(202)를 서로 분리하여 독립된 병렬공급구조를 형성하고 저유량공급부(203) 및 고유량공급부(202)로 탄화수소계 환원제를 선택적으로 공급하는 구성으로 그러한 문제를 해소한다.
공유관(201)의 일 측에는 압력구배를 형성하기 위한 펌프(802)를 배치할 수 있으며, 고유량공급부(202) 및 저유량공급부(203) 각각에는 각 배관을 개폐하여 유로 및 유량을 조절하기 위한 밸브(701, 702)가 형성될 수 있다. 밸브(701, 702)는 유로 및 유량 조절이 가능한 것으로 전술한 것처럼, 고유량공급부(202)에 배치된 밸브(701)와, 저유량공급부(203)에 배치된 밸브(702)는 각각 서로 다른 크기의 포트를 가져 유량 한계가 다르게 설정될 수 있다.
본 발명의 제1실시예에서, 탈질장치(1)는 탈질촉매(300)의 온도, 배가스 내 이산화질소의 농도, 및 배가스 내 이산화질소와 일산화질소의 함량비 중 적어도 어느 하나에 따라 유로를 조절하여 탄화수소계 환원제의 제공경로를 저유량공급부(203) 또는 고유량공급부(202)로 선택하여 공급하는 공급제어모듈(900)을 더 포함할 수 있다.
공급제어모듈(900)의 유로제어를 통해, 탈질촉매(300)의 온도가 촉매작용이 원활하게 이루어지는 적정온도에 이르지 못한 조건(예, 가스터빈의 기동 초기 등)에서도, 탄화수소계 환원제의 제공경로를 고유량공급부(202)로 조절하여 이산화질소에 의해 생성되는 황연(yellow gas)을 보다 효과적으로 처리할 수 있으며, 배가스 내 이산화질소의 농도 및 이산화질소와 일산화질소의 함량비에 따라서도 탄화수소계 환원제의 제공경로를 고유량공급부(202) 또는 저유량공급부(203)로 적절히 조절하여 황연을 제거하거나 보다 효과적으로 탈질작용할 수 있다.
즉 온도조건이 불충분하더라도 이산화질소의 농도가 높거나, 일산화질소에 대한 이산화질소의 함량비가 높은 경우에는 탄화수소계 환원제를 고유량공급부(202)로 제공하여 탄화수소계 환원제의 주입당량비를 증가시키고 황연을 처리할 수 있으며, 온도조건이 적정하면, 이산화질소의 함량비와 일산화질소에 대한 이산화질소의 함량비에 따라서 고유량공급부(202)로 탄화수소계 환원제를 제공하여 황연을 보다 효과적으로 처리할 수도 있고, 저유량공급부(203)로 탄화수소계 환원제를 제공하여 탄화수소계 환원제의 주입당량비를 조절하고 촉매 작용에 의한 탈질작용을 보다 효과적으로 수행할 수도 있다.
이를 위해 배가스 유동로(20) 내부에는 온도조건과 이산화질소 및 일산화질소의 농도조건을 모니터링 하기 위한 복수의 센서들(미도시-예, 적어도 하나의 온도센서 및 이산화질소 및 일산화질소의 농도 감지가 가능한 감지센서 등)도 함께 배치될 수 있다.
공급제어모듈(900)은 예를 들어, 프로그램 가능한 제어장치(예, PLC: Programmable logic controller)등으로 형성될 수 있으며 전술한 밸브(701, 702)로 제어신호를 전송하여 밸브를 제어하도록 형성할 수 있다. 그러한 경우, 밸브는 전자제어가 가능한 전동식 혹은 공압식 밸브로 형성될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 탈질촉매 작동온도에 미달하는 등의 사정으로, 탈질촉매에 의한 이산화질소 처리가 불충분하거나 한 경우, 이산화질소를 적어도 일산화질소로 환원시키는 탄화수소계 환원제의 공급량을 늘림으로써, 이산화질소에 의한 황연을 처리할 수 있다.
황연은 예를 들어, 연돌(30) 내 이산화질소의 농도를 측정하는 농도센서(전술한 감지센서 중 하나일 수 있다), 및/또는 연돌(30) 외부에서 배가스의 색상을 모니터링하는 비전센서(예, 카메라) 등을 포함하는 다양한 감지기구를 통해 감지될 수 있다. 또는 육안으로 황연을 관찰하고 수동으로 감지신호를 생성시키는 것도 가능하다. 그와 같은 감지신호가 공급제어모듈(900)로 입력되면 공급제어모듈(900)은 제어신호로 유로를 조절하여 탄화수소계 환원제를 고유량공급부(202)로 제공할 수 있다.
도 2 및 도 3은 도 1의 탈질장치의 작동도이다.
이러한 탈질장치(1)의 동작은 도 2 및 도 3에 예시되어 있다. 도 2 및 도 3을 참조하여 탈질장치(1)의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저 가스터빈(10)의 기동 초기에 탈질장치(1)는 도 2와 같이 작동할 수 있다. 기동 초기에는 연료의 불완전연소 등에 의해 배가스(C) 내 이산화질소의 비율이 상대적으로 높아 배가스(C)에 적갈색의 황연이 섞여 배출될 수 있다. 황연이 감지되면, 전술한 것처럼 공급제어모듈(900)로 감지신호가 전송되고 공급제어모듈(900)의 제어에 의해 유로가 조절된다.
예를 들면, 공급제어모듈(900)은 도 2와 같이 저유량공급부(203)의 밸브(702)는 닫고, 고유량공급부(202)의 밸브(701)는 개방하여 탄화수소계 환원제(B)를 고유량공급부(202)로 제공할 수 있다. 따라서 고유량공급부(202)를 통해서, 제2환원제탱크(200)로부터 황연 저감이 가능한 제1범위로, 배가스 내 이산화질소에 대한 탄화수소계 환원제의 주입당량비가 조절되어 공급된다. 제1범위는 전술한 것처럼 주입?량비가 1이상인 범위일 수 있으며, 예를 들면 주입당량비가 1~2의 사이에 있는 범위일 수 있다.
고유량공급부(202)를 따라 기화기(400)로 공급된 탄화수소계 환원제(B)는 기화기(400)에서 기화된 후 인젝션그리드(500)를 통해 탈질촉매(300) 전단으로 분사된다. 즉 황연 제거 시에는, 인젝션그리드(500)를 통해 이산화질소에 대한 주입당량비가 상기한 제1범위로 조절된 탄화수소계 환원제가 기화된 환원제(D)로서 탈질촉매(300) 전단에 공급될 수 있다.
따라서 황연의 원인물질인 이산화질소를 일산화질소로 환원시키기 충분한 비율로 탄화수소계 환원제(B)가 배가스 유동로(20)에 제공되므로, 기동 초기 등에 황연이 생성되더라도 이를 효과적으로 제거할 수 있다.
필요한 경우에는, 제1환원제탱크(100)로부터 암모니아계 환원제(A)도 기화기(400)로 공급하고, 기화기(400)에서 탄화수소계 환원제(B)와 암모니아계 환원제(A)를 함께 기화시킨 후 인젝션그리드(500)를 통해 이종의 환원제를 동시에 제공하는 것도 가능하다. 즉 인젝션그리드(500)를 통해 공급되는 기화된 환원제(D)는 성분이 조정될 수 있으며, 탄화수소계 환원제(B) 및 암모니아계 환원제(A) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이러한 방식으로 기동 초기에 생성되는 황연을 고유량공급부(202)를 이용한 탄화수소계 환원제의 당량비 조절을 통해 제거할 수 있다.
한편, 가스터빈(10)의 부하가 일정 수준 이상으로 증가하고 배가스(C) 내 질소산화물 농도가 높아지면, 탈질장치(1)는 도 3과 같이 작동할 수 있다. 해당 경우 공급제어모듈(900)은 도 3과 같이 고유량공급부(202)의 밸브(701)는 닫고, 저유량공급부(203)의 밸브(702)는 개방하여 탄화수소계 환원제(B)를 저유량공급부(203)로 제공할 수 있다.
따라서 저유량공급부(203)를 통해서, 전술한 제1범위보다 작은 제2범위로 배가스 내 이산화질소에 대한 탄화수소계 환원제(B)의 주입당량비가 조절되어 공급된다. 제2범위는 전술한 바와 같이 주입당량비가 1미만인 범위일 수 있으며 예를 들면 주입당량비가 바람직하게는 0.5 이하, 보다 바람직하게는 0.1~0.2의 사이에 있는 범위일 수 있다.
제2범위로 주입당량비가 조절된 탄화수소계 환원제(B)는, 기화기(400)에서 암모니아계 환원제(A)와 함께 기화된 후, 인젝션그리드(500)를 통해 분사될 수 있다. 즉 주로 탈질촉매작용에 의해 질소산화물 제거 시 인젝션그리드(500)를 통해 공급되는 기화된 환원제(D)는 주입당량비가 전술한 제2범위로 조절된 탄화수소계 환원제(B) 및 암모니아계 환원제(A)가 혼합된 것일 수 있다.
환원제가 탈질촉매(300)의 전단으로 공급되면, 상대적으로 적은 양의 탄화수소계 환원제에 의해 이산화질소가 부분적으로 일산화질소로 환원되고 배가스(C) 내 이산화질소/일산화질소의 비율은 적정하게 조정될 수 있다. 그러한 비율 조정에 의해서 탈질촉매(300)에서 나타나는 선택적 촉매 환원반응은, 일산화질소가 탈질촉매(300)와 접촉하여 질소로 환원되는 보다 빠른 반응이 지배하게 될 수 있다. 따라서 보다 신속하게 고농도의 질소산화물을 처리할 수 있다.
이와 같은 방식으로, 고유량공급부(202) 및 저유량공급부(203)의 선택적 사용을 통해 탄화수소계 환원제의 주입비율을 적합한 범위에서 정교하게 조정할 수 있으며, 그를 통해 상황에 따라 황연을 더 효과적으로 저감하거나 또는 보다 빠르게 고농도의 질소산화물을 제거하는 탈질작용이 가능하다.
이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 의한 황연저감이 가능한 탈질장치(1-1)에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 제2실시예는 제1환원제공급부와 제2환원제공급부의 구성방식이 다를 뿐 나머지 구성은 실질적으로 전술한 실시예와 동일하므로 동일부분에 대한 반복설명은 생략하고 차이나는 부분에 대해 중점적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 의한 황연저감이 가능한 탈질장치의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 의한 탈질장치(1-1)는, 배가스 유동로(20) 내 환원제를 다양한 경로로 공급할 수 있도록 변형된다. 탈질장치(1-1)는 전술한 인젝션그리드(500) 외에도 제1인젝션노즐(601) 및 제2인젝션노즐(602)을 통해서 배가스 유동로(20) 내 환원제를 공급할 수 있다.
즉 본 발명의 제2실시예에서, 탈질장치(1-1)는 기화기(400)를 거치지 않고 제1인젝션노즐(601) 및 제2인젝션노즐(602)을 통한 환원제의 직접분사도 가능하다. 아울러 기화기(400)와 전술한 인젝션그리드(500)도 함께 배치하여, 기화기(400)를 경유하여 인젝션그리드(500)로 공급하는 공급경로와 기화기(400)를 우회하는 다른 공급경로를 선택적으로 활용하는 것이 가능하게 구성된다. 이하, 이에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 제2실시예에서도, 제1환원제공급부(101a, 101b, 101c, 400, 402, 500, 601)와, 제2환원제공급부(201, 202a, 202b, 203a, 203b, 204, 400, 402, 500, 602)는 각각을 구성하는 세부구성의 기호를 병기하여 나타낸다. 본 발명의 제2실시예에서도 제1환원제공급부(101a, 101b, 101c, 400, 402, 500, 601) 및 제2환원제공급부(201, 202a, 202b, 203a, 203b, 204, 400, 402, 500, 602)는 앞선 실시예와 동일하게 기화기(400)와 인젝션그리드(500)를 서로 공유한다.
특히 본 발명의 제2실시예에서, 저유량공급부 및 고유량공급부는, 제2환원제탱크(200)와 기화기(400) 사이에 병렬로 연결된 제1저유량공급부(203a) 및 제1고유량공급부(202a)를 포함하며, 또한, 제2환원제공급부(201, 202a, 202b, 203a, 203b, 204, 400, 402, 500, 602)는 배가스 유동로(20)의 인젝션그리드(500) 전단에 배치된 제2인젝션노즐(602)을 더 포함하고, 저유량공급부 및 고유량공급부는, 제2환원제탱크(200)로부터 기화기(400)를 거치지 않고 제2인젝션노즐(602)에 병렬로 연결된 제2저유량공급부(203b) 및 제2고유량공급부(202b)를 더 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 제2실시예에서 고유량공급부 및 저유량공급부는 각각 제1고유량공급부(202a)와 제2고유량공급부(202b), 제1저유량공급부(203a)와 제2저유량공급부(203b)로 나누어 질 수 있다.
제1환원제공급부와 제2환원제공급부가 기화기(400)와 인젝션그리드(500)를 공유하는 구성은 전술한 실시예와 동일하므로 그에 대한 설명은 전술한 설명으로 대신하고 추가된 구성을 보다 상세히 설명한다.
제1고유량공급부(202a)는 제2환원제탱크(200)와 기화기(400)의 사이에 연결되며, 제2고유량공급부(202b)는 제2환원제탱크(200)로부터 기화기(400)를 거치지 않고 제2인젝션노즐(602)에 직접 연결된다. 제1고유량공급부(202a) 및 제2고유량공급부(202b)는 위치는 다르지만, 전술한 제1범위로 탄화수소계 환원제의 주입당량비를 조절할 수 있는 점은 서로 동일하다. 따라서 황연 저감 시 필요에 따라, 제1고유량공급부(202a) 또는 제2고유량공급부(202b)로 선택적으로 제1범위로 주입당량비가 조절된 탄화수소계 환원제를 제공할 수 있다. 물론 양측 고유량공급부를 동시에 활용하는 것도 가능하다.
마찬가지로, 제1저유량공급부(203a)는 제2환원제탱크(200)와 기화기(400)의 사이에 연결되고, 제2저유량공급부(203b)는 제2환원제탱크(200)로부터 기화기(400)를 거치지 않고 제2인젝션노즐(602)에 직접 연결된다. 제1저유량공급부(203a) 및 제2저유량공급부(203b) 역시 위치는 다르지만, 전술한 제2범위로 탄화수소계 환원제의 주입당량비를 조절할 수 있는 점은 서로 동일하다. 따라서 전술한 바와 같은 주로 탈질촉매에 의한 질소산화물 처리 시에는 필요에 따라, 제1저유량공급부(203a) 또는 제2저유량공급부(203b)로 선택적으로 제2범위로 주입당량비가 조절된 탄화수소계 환원제를 제공할 수 있다. 물론 양측 저유량공급부를 동시에 활용하는 것도 가능하다.
제1고유량공급부(202a), 제2고유량공급부(202b), 제1저유량공급부(203a) 및 제2저유량공급부(203b)는 모두 배관으로 형성된 것일 수 있으며, 제1고유량공급부(202a) 및 제2고유량공급부(202b)에는 상대적으로 큰 포트를 갖는 밸브가 배치되고, 제1저유량공급부(203a) 및 제2저유량공급부(203b)의 내부에는 상대적으로 작은 포트를 갖는 밸브가 배치되어, 각각 유량의 한계를 적합하게 설정할 수 있다.
즉 제1고유량공급부(202a), 제2고유량공급부(202b), 제1저유량공급부(203a) 및 제2저유량공급부(203b)에는 각각 유로 및 유량 조절을 위해 형성된 밸브(701, 702, 703, 704)들이 배치될 수 있고, 제1고유량공급부(202a) 및 제2고유량공급부(202b)의 밸브(701, 703)는 상대적으로 큰 포트를 갖는 밸브로, 제1저유량공급부(203a) 및 제2저유량공급부(203b)의 밸브(702, 704)는 상대적으로 작은 포트를 갖는 밸브로 형성될 수 있다.
제1고유량공급부(202a), 제2고유량공급부(202b), 제1저유량공급부(203a) 및 제2저유량공급부(203b)는 공유관(201) 및 우회관(204)을 통해 연결된 형태로 구성될 수 있다. 제2환원제공급부(201, 202a, 202b, 203a, 203b, 204, 400, 402, 500, 602)는, 제2환원제탱크(200)에서 연장되고 제1고유량공급부(202a) 및 제1저유량공급부(203a)가 병렬로 연결되어 있는 공유관(201), 제1고유량공급부(202a) 및 제1저유량공급부(203a)를 우회하여 공유관(201)과 연결되는 우회관(204)을 더 포함하고, 우회관(204)으로부터 제2고유량공급부(202b)와 제2저유량공급부(203b)가 병렬로 분기된 형태로 구성될 수 있다. 제2고유량공급부(202b) 및 제2저유량공급부(203b)는 제2인젝션노즐(602)과 병렬로 연결되어 선택적으로 제2인젝션노즐(602)에 탄화수소계 환원제를 제공할 수 있다.
이상과 같이 제2환원제공급부(201, 202a, 202b, 203a, 203b, 204, 400, 402, 500, 602)를 구성하여, 제1고유량공급부(202a) 및 제1저유량공급부(203a) 중 적어도 어느 하나를 통해, 기화기(400)를 거쳐 인젝션그리드(500)로 탄화수소계 환원제를 공급하거나, 제2고유량공급부(202b) 및 제2저유량공급부(203b) 중 적어도 어느 하나를 통해 기화기(400)를 거치지 않고 제2인젝션노즐(602)로 탄화수소계 환원제를 직접 공급하는 것이 가능하다.
한편, 제1환원제공급부(101a, 101b, 101c, 400, 402, 500, 601)는 배가스 유동로(20)의 인젝션그리드(500) 전단에 배치된 제1인젝션노즐(601)과, 제1환원제탱크(100)와 기화기(400)를 연결하는 제1공급부(101b)와, 제1환원제탱크(100)로부터 기화기(400)를 거치지 않고 제1인젝션노즐(601)에 연결된 제2공급부(101c)를 포함하는 형태로 구성된다. 따라서 암모니아계 환원제 역시 필요에 따라 제1공급부(101b) 또는 제2공급부(101c)를 통해, 선택적으로 배가스 유동로(20) 내 공급될 수 있다. 물론 이 경우에도 양측 공급부를 동시에 활용하는 것이 가능하다.
제1환원제공급부 역시 기화기(400)와 인젝션그리드(500)를 제2환원제공급부와 공유하는 구성은 전술한 실시예와 동일하므로 그에 대한 설명은 전술한 설명으로 대신하고, 추가된 구성을 상세히 설명한다.
제1환원제공급부(101a, 101b, 101c, 400, 402, 500, 601)는 제1환원제탱크(100)에서 연장된 공유관(101a)을 더 포함하고, 공유관(101a)에 제1공급부(101b)와 제2공급부(101c)가 병렬로 연결된 형태로 구성될 수 있다. 제1공급부(101b)는 제1환원제탱크(100)와 기화기(400)를 연결하는 배관으로 형성되고, 제2공급부(101c)는 제1환원제탱크(100)에서 기화기(400)를 우회하여 제1인젝션노즐(601)로 연결된 배관으로 형성될 수 있다.
제1공급부(101b)와 제2공급부(101c) 각각에도 유로 조절을 위해 밸브(705, 706)들이 각각 형성될 수 있다. 따라서 이러한 구성으로, 제1환원제공급부(101a, 101b, 101c, 400, 402, 500, 601)를 이용하여 제1공급부(101b)를 통해 기화기(400)를 거쳐 인젝션그리드(500)로 암모니아계 환원제를 공급하거나, 제2공급부(101c)를 통해 기화기(400)를 우회하여 제1인젝션노즐(601)로 직접 암모니아계 환원제를 공급하는 것이 가능하다.
배가스 유동로(20)는 전술한 것처럼 가스터빈(10) 측에 연결되고 상대적으로 폭이 좁은 축관부(21), 연돌(30) 측에 연결되고 축관부(21)로부터 확장된 확관부(22), 및 확관부(22) 내 형성된 복수의 과열기모듈(23)을 포함할 수 있다. 도시된 것처럼, 인젝션그리드(500) 및 탈질촉매(300)는 확관부(22) 내 배치되고, 제1인젝션노즐(601) 및 제2인젝션노즐(602)은 축관부(21) 내 배치될 수 있다.
축관부(21) 내부에서는 배가스 유속이 상대적으로 빠르고, 축관부(21)가가스터빈(10)과 인접하기 때문에 내부를 통과하는 배가스(C)의 온도도 상대적으로 높다. 따라서 축관부(21) 내 제1인젝션노즐(601)과 제2인젝션노즐(602)을 배치하고 전술한 공급경로의 조절을 통해 액상의 환원제를 각 인젝션노즐로 분사하면, 고온 배가스(C)와 환원제의 직접 접촉을 통해 환원제를 배가스 유동로(20)안에서 기화하고 배가스(C)에 바로 작용시킬 수 있다.
그에 따른 동작이 도 5 및 도 6에 도시되어 있다. 본 발명의 제2실시예에 의한 탈질장치(1-1)의 동작 역시 황연 저감 시(도 5참조)와, 주로 탈질촉매에 의한 질소산화물 제거 시(도 6참조)로 구분될 수 있으므로, 각각에 대응하는 동작을 설명한다.
먼저, 가스터빈(10)의 기동 초기에 탈질장치(1-1)는 도 5와 같이 작동할 수 있다. 기동 초기에 연료의 불완전연소 등으로 배가스(C)에 적갈색의 황연이 섞여 배출되면, 전술한 것처럼 황연이 감지되고, 공급제어모듈(900)의 제어에 의해 고유량공급부를 통해 탄화수소계 환원제가 제공되도록 유로가 조절된다.
예를 들면, 공급제어모듈(900)은 도 5처럼, 제1저유량공급부(203a) 및 제2저유량공급부(203b)의 밸브(702, 704)는 닫고, 제1고유량공급부(202a) 및 제2고유량공급부(202b)의 밸브(701, 703)는 개방하여 탄화수소계 환원제(B)를 제1고유량공급부(202a) 및/또는 제2고유량공급부(202b)로 통과시킬 수 있다. 도 5에 제1고유량공급부(202a)와 제2고유량공급부(202b)의 밸브(701, 703)가 모두 열린 상태로 도시되었지만, 둘 중 어느 하나의 밸브를 닫아 제1고유량공급부(202a) 또는 제2고유량공급부(202b)를 통해 탄화수소계 환원제(B)를 선택적으로 제공하는 것이 가능하다.
따라서 제1고유량공급부(202a) 및 제2고유량공급부(202b) 중 적어도 어느 하나를 통해, 제2환원제탱크(200)로부터 황연 저감이 가능한 제1범위로 이산화질소에 대한 탄화수소계 환원제의 주입당량비가 조절되어 공급될 수 있다.
보다 구체적으로, 제1고유량공급부(202a)를 통해 기화기(400)로 제공된 탄화수소계 환원제(B)는 기화기(400)에서 기화된 후 인젝션그리드(500)를 통해 탈질촉매(300) 전단으로 분사될 수 있다.
반면 제2고유량공급부(202b)를 통해 제2인젝션노즐(602)로 직접 제공된 탄화수소계 환원제(B)는 배가스 유동로(20) 내에서 기화된 후 배가스(C)에 바로 작용될 수 있다. 따라서 보다 신속하게 이산화질소를 환원시켜 황연을 저감할 수 있다.
이와 같이 제1고유량공급부(202a) 및/또는 제2고유량공급부(202b)를 통해서 황연의 원인물질인 이산화질소를 환원시켜 제거하기 충분한 양의 탄화수소계 환원제(B)가 배가스 유동로(20)에 제공되므로, 황연이 생성되더라도 이를 효과적으로 저감할 수 있다.
이러한 경우에도 암모니아계 환원제(A)를 함께 공급할 수 있음은 물론이다. 암모니아계 환원제(A)는 예를 들어 기화기(400)에서 기화시킨 후 인젝션그리드(500)를 통해 탄화수소계 환원제(B)와 함께 공급할 수도 있고, 제1인젝션노즐(601)을 통해 액상으로 배가스 유동로(20) 내 직접 공급할 수도 있다.
한편, 가스터빈(10)의 부하가 일정 수준 이상으로 증가하고 배가스(C) 온도가 적어도 탄화수소계 환원제와 암모니아계 환원제에 의해 탈질촉매에 의한 탈질반응이 진행될 수 있는 정도로 증가하면, 탈질장치(1-1)는 도 6과 같이, 저유량공급부를 통해 탄화수소계 환원제(B)를 공급한다.
그러한 경우 공급제어모듈(900)은 도 6에 도시된 것처럼, 제1고유량공급부(202a)와 제2고유량공급부(202b)의 밸브(701, 703)는 닫고, 제1저유량공급부(203a)와 제2저유량공급부(203b)의 밸브(702, 704)는 개방하여 탄화수소계 환원제(B)를 제1저유량공급부(203a) 및/또는 제2저유량공급부(203b)로 통과시킬 수 있다.
따라서 전술한 제1범위보다 작은 제2범위로, 배가스 내 이산화질소에 대한 탄화수소계 환원제(B)의 주입당량비가 조절되어 공급될 수 있다.
그와 같이 제2범위로 주입당량비가 조절된 탄화수소계 환원제(B)는, 기화기(400)에서 암모니아계 환원제(A)와 함께 기화된 후 인젝션그리드(500)를 통해 암모니계 환원제(A)와 함께 분사될 수 있다. 즉 고농도의 질소산화물 제거 시 인젝션그리드(500)를 통해 공급되는 기화된 환원제(D)는 주입당량비가 전술한 제2범위로 조절된 탄화수소계 환원제(B)와, 암모니아계 환원제(A)가 혼합된 것일 수 있다.
그러나 공급경로의 변경을 통해, 탄화수소계 환원제(B)와 암모니아계 환원제(A)는 기화기(400)를 거치지 않고 각각 제2인젝션노즐(602) 및 제1인젝션노즐(601)을 통해 배가스 유동로(20) 내 직접 공급도 가능하다. 탄화수소계 환원제(B)는 제2저유량공급부(203b)를 통해서 제2인젝션노즐(602)로 분사되고, 암모니아계 환원제(A)는 제2공급부(101c)를 통해서 제1인젝션노즐(601)로 분사될 수도 있다. 그와 같이 제1인젝션노즐(601) 및 제2인젝션노즐(602)로 각각 분사된 액상 환원제는 고온/고속 배가스(C)와 접촉하여 기화된 후 배가스(C)에 바로 작용할 수 있다.
도 6에는 제1공급부(101b)의 밸브(705)와 제2공급부(101c)의 밸브(706)가 모두 열린 상태로 도시되었지만, 둘 중 어느 하나를 닫아 암모니아계 환원제(A) 를 기화기(400) 또는 제1인젝션노즐(601)로 선택적으로 제공할 수 있음은 물론이다. 그러한 경우, 제1공급부(101b)의 밸브(705)와 제2공급부(101c)의 밸브(706) 역시 전자제어가 가능한 자동식 밸브로 형성되어 자동으로 개폐가 조절될 수 있고 자동제어를 위한 또 다른 제어부(미도시)를 배치하는 것도 얼마든지 가능하다.
이러한 방식으로 탄화수소계 환원제와 암모니아계 환원제가 탈질촉매(300)의 전단으로 공급되면, 전술한 바와 같이 상대적으로 적은 양의 탄화수소계 환원제에 의해, 이산화질소가 부분적으로 일산화질소로 환원되고, 배가스(C) 내 이산화질소/일산화질소의 비율이 적정하게 조정되며, 비율 조정에 의해 탈질촉매(300)로부터 나타나는 선택적 촉매 환원은 일산화질소가 탈질촉매(300)와 접촉하여 질소로 환원되는 빠른 반응에 의해 지배될 수 있다. 따라서 보다 신속하게 탈질촉매 반응에 의해 고농도의 질소산화물이 처리될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제2실시예를 통해서도, 고유량공급부 및 저유량공급부의 선택적 사용을 통해 탄화수소계 환원제의 주입비율을 적합한 범위에서 정교하게 조정할 수 있으며, 상황에 따라, 황연을 보다 효과적으로 저감하거나 또는 보다 빠르게 고농도의 질소산화물을 제거하는 탈질작용이 가능하다.
이하, 도 7 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 제3실시예에 의한 황연저감이 가능한 탈질장치(1-2)에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 제3실시예는 제2환원제공급부의 구성방식이 다를 뿐, 나머지 구성은 실질적으로 전술한 제1실시예와 동일하므로 동일부분에 대한 반복설명은 생략하고 차이나는 부분에 대해 중점적으로 설명한다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 의한 황연저감이 가능한 탈질장치의 구성도이고, 도 8 및 도 9는 도 7의 탈질장치의 제2환원제공급부 중 고유량공급부와 저유량공급부의 작동도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 의한 황연저감이 가능한 탈질장치(1-2)는 고유량공급부(202)와 저유량공급부(203)가 각각 서로 다른 용량의 펌프(802a, 802b)를 포함하여 형성된다. 제3실시예에서 고유량공급부(202) 및 저유량공급부(203)는 관로를 공유하지 않고 서로 독립된 배관으로 형성될 수 있다. 따라서 제1실시예의 공유관(도 1의 201참조)은 형성하지 않을 수 있다. 그와 같은 점을 제외하면 나머지 구성은 제1실시예와 동일하다.
본 발명의 제3실시예 역시, 제1환원제공급부(101, 400, 402, 500)와, 제2환원제공급부(202, 203, 400, 402, 500)는 각각을 구성하는 세부구성의 기호를 병기하여 나타낸다. 본 발명의 제3실시예에서도 제1환원제공급부(101, 400, 402, 500) 및 제2환원제공급부(202, 203, 400, 402, 500)는 앞선 실시예와 동일하게 기화기(400)와 인젝션그리드(500)를 서로 공유한다.
제3실시예에 의한 제2환원제공급부(202, 203, 400, 402, 500)의 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 제3실시예에서, 제2환원제공급부(202, 203, 400, 402, 500)는 고유량공급부(202)와 저유량공급부(203) 각각에 배치된 서로 다른 펌프(802a, 802b)의 용량(예를 들면, 단위시간당 유량일 수 있다) 차이로 탄화수소계 환원제의 공급량을 고유량 또는 저유량으로 보다 효과적으로 제공할 수 있다.
즉, 고유량공급부(202)에는 상대적으로 큰 용량의 펌프(802a)를 배치하여 전술한 제1범위의 주입당량비로 적합하게 탄화수소계 환원제의 유량을 조절하고, 저유량공급부(203)에는 상대적으로 작은 용량의 펌프(802b)를 배치하여 전술한 제2범위의 주입당량비로 적합하게 탄화수소계 환원제의 유량을 조절할 수 있다.
용량이 큰 펌프는 적정 가동범위가 상대적으로 고유량 범위일 수 있고, 용량이 작은 펌프는 적정 가동범위가 상대적으로 저유량 범위일 수 있으므로, 고유량공급부(202) 및 저유량공급부(203)에 서로 용량이 다른 펌프를 적합하게 배치하여 펌프의 성능도 만족시키고 환원제 공급유량도 적합하게 조절하여 공급할 수 있다.
이에 따른 제3실시예의 탈질장치는, 도 8 및 도 9에 예시된 방식으로 탄화수소계 환원제(B)를 공급할 수 있다. 제1실시예와의 차이점을 드러내기 위해 도면에는 탄화수소계 환원제(B)의 공급상태만 도시되었고, 나머지 부분(암모니아계 환원제 공급, 배가스 유입 등)에 대한 동작은 생략되었다. 생략된 나머지 부분의 동작은 제1실시예의 도 2 및 도 3의 도면 및 관련설명과 실질적으로 동일하므로, 그에 대한 반복 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 가스터빈(10)의 기동초기 등 전술한 바와 같이 황연 제거가 필요한 경우, 제2환원제공급부(202, 203, 400, 402, 500)는 고유량공급부(202)를 통해 전술한 제1범위의 주입당량비로 조절하여 탄화수소계 환원제(B)를 공급한다. 이때, 저유량공급부(203)의 밸브(702)는 닫고, 고유량공급부(202)의 밸브(701)는 개방하여 탄화수소계 환원제(B)를 고유량공급부(202)로 제공할 수 있다.
특히 고유량공급부(202)를 통한 탄화수소계 환원제(B)의 주입량의 조절은 고유량공급부(202)에 배치된 대용량 펌프(802a)를 통해 보다 적합하게 이루어질 수 있다. 아울러, 고유량공급부(202)에 배치된 밸브(701)역시 전술한 것처럼 포트가 큰 것을 사용하여 적합하게 유량한계를 조절할 수 있다.
따라서 제3실시예 역시 고유량공급부(202)를 통해 황연의 원인물질인 이산화질소를 일산화질소로 환원시키기 충분한 비율로 탄화수소계 환원제(B)가 배가스 유동로(20)에 제공되므로, 기동 초기 등에 황연이 생성되더라도 이를 효과적으로 제거할 수 있다.
한편 도 9를 참조하면, 가스터빈(10)의 부하가 일정 수준 이상으로 증가하고 배가스(C) 내 질소산화물 농도가 높아지는 등 탈질작용이 보다 필요한 경우, 제2환원제공급부(202, 203, 400, 402, 500)는 저유량공급부(203)를 통해 전술한 제2범위의 주입당량비로 조절하여 탄화수소계 환원제(B)를 공급한다. 이때, 고유량공급부(202)의 밸브(701)는 닫고, 저유량공급부(203)의 밸브(702)는 개방하여 탄화수소계 환원제(B)를 저유량공급부(203)로 제공할 수 있다.
이때에도, 저유량공급부(203)를 통한 탄화수소계 환원제(B)의 주입량은 저유량공급부(203)에 배치된 저용량 펌프(802b)를 통해 보다 적합하게 조절될 수 있다. 아울러 저유량공급부(203)에 배치된 밸브(702)역시 전술한 것처럼 포트가 작은 것을 사용하여 적합하게 유량한계를 조절할 수 있다.
아울러, 도면 상에 환원제를 기화기(400)로 제공하는 구조가 예시되었지만 그로써 한정될 필요는 없으며, 전술한 제2실시예를 참조하면 기화기를 거치지 않고 전술한 인젝션노즐 등에 환원제를 직접 제공하여 배가스 유동로 측에 유량 조절된 환원제를 바로 공급하는 것도 얼마든지 가능함을 알 수 있다. 그러한 경우에도 본 실시예의 구성은 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
따라서 제3실시예 역시 저유량공급부(203)를 통해서, 전술한 제1범위보다 작은 제2범위로 배가스 내 이산화질소에 대한 탄화수소계 환원제(B)의 주입당량비를 조절하여 공급할 수 있다. 이로 인해 상대적으로 적은 양의 탄화수소계 환원제에 의해 이산화질소가 부분적으로 일산화질소로 환원되고 배가스(C) 내 이산화질소/일산화질소의 비율이 적정하게 조정될 수 있으므로, 전술한 것처럼 이산화질소/일산화질소간 비율 조정에 의한 효과적인 선택적 환원반응을 유도하여 보다 신속하게 고농도의 질소산화물을 처리할 수 있다.
이하, 도 10 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 제4실시예에 의한 황연저감이 가능한 탈질장치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 제4실시예 역시 제2환원제공급부의 구성방식이 다를 뿐, 나머지 구성은 실질적으로 전술한 제1실시예와 동일하므로 동일부분에 대한 반복설명은 생략하고 차이나는 부분에 대해 중점적으로 설명한다.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 의한 황연저감이 가능한 탈질장치의 구성도이고, 도 11 및 도 12는 도 10의 탈질장치의 제2환원제공급부 중 고유량공급부와 저유량공급부의 작동도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 의한 황연저감이 가능한 탈질장치(1-3)는 저유량공급부(203) 및 고유량공급부(202)가 탄화수소계 환원제(도 11 및 도 12의 B참조)를 제2환원제탱크(200)로 순환시키는 순환구조[예를 들면,도시된 재순환관(2004)를 포함하는 구조]를 갖도록 형성된다. 제4실시예에서 저유량공급부(203) 및 고유량공급부(202)는 관로를 공유할 수 있으며, 순환구조의 일부도 공유할 수 있다.
본 실시예에서 저유량공급부(203) 및 고유량공급부(202)는 기화기(400)와의 사이에 연결된 공유배출관(205)으로 탄화수소계 환원제(B)를 배출하도록 형성될 수 있다. 따라서 배출구조의 일부도 공유할 수 있다. 이와 같이 저유량공급부(203) 및 고유량공급부(202)의 구성에 차이가 있는 점을 제외하면 탈질장치의 나머지 구성은 제1실시예와 동일하다.
본 발명의 제4실시예 역시, 제1환원제공급부(101, 400, 402, 500)와, 제2환원제공급부(202, 203, 205, 400, 402, 500)는 각각을 구성하는 세부구성의 기호를 병기하여 나타낸다. 본 발명의 제4실시예에서도 제1환원제공급부(101, 400, 402, 500) 및 제2환원제공급부(202, 203, 205, 400, 402, 500)는 앞선 실시예와 동일하게 기화기(400)와 인젝션그리드(500)를 서로 공유한다.
제4실시예에 의한 제2환원제공급부(202, 203, 205, 400, 402, 500)의 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 제4실시예에서 제2환원제공급부(202, 203, 205, 400, 402, 500)의 저유량공급부(203) 및 고유량공급부(202)는, 제2환원제탱크(200)로부터 제공된 탄화수소계 환원제(B)의 일부를 제2환원제탱크(200)로 재주입하여 탄화수소계 환원제(B)의 공급량을 조절하는 재순환관(2004)을 포함하고, 재순환관(2004)의 유량이 서로 다르게 조절된다.
즉 제2환원제탱크(200)에서 토출되는 환원제의 유량을 고려하여, 제2환원제탱크(200)로 재주입되는(또는 재순환되는) 탄화수소계 환원제(B)의 유량을 조절하면, 재주입되지 않고 실제 공급되는 탄화수소계 환원제(B)의 유량을 고유량 또는 저유량으로 원하는 대로 조절할 수 있다(도 11 및 도 12참조). 보다 바람직하게는, 저유량공급부(203)에는 전술한 작은 포트를 갖는 밸브(708)가, 고유량공급부(202)에는 전술한 큰 포트를 갖는 밸브(707)가 각각 배치되어 재주입되는 탄화수소계 환원제의 한계유량을 적합하게 설정할 수 있다.
도 11 및 도 12를 참조하여, 고유량공급부(202) 및 저유량공급부(203)의 구성을 보다 구체적으로 설명한다. 예를 들어 고유량공급부(202)는, 제2환원제탱크(200)와 공유배출관(205) 사이에 연결된 공급관(2001), 공급관(2001)에서 분기된 분기관(2002), 및 분기관(2002)과 제2환원제탱크(200) 사이에 연결된 재순환관(2004)을 포함할 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 제2환원제탱크(200)에서 토출된 탄화수소계 환원제(B) 중 일부는 고유량공급부(202)의 분기관(2002)으로 분기되고 재순환관(2004)을 통해 제2환원제탱크(200)로 재주입된다. 따라서 재주입되지 않는 나머지 탄화수소계 환원제(B)의 공급량을 재주입되는 환원제의 유량을 이용하여 조절할 수 있다. 환원제 재주입량을 고유량공급부(202)에 적합하게 조절하기 위해, 재순환관(2004) 또는 분기관(2002) 일 측에 전술한 것처럼 큰 포트를 갖는 밸브(707)를 배치할 수 있다.
한편, 저유량공급부(203)는 제2환원제탱크(200)와 공유배출관(205) 사이에 연결된 공급관(2001), 공급관(2001)에서 분기된 분기관(2003), 및 분기관(2003)과 제2환원제탱크(200) 사이에 연결된 재순환관(2004)을 포함할 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 제2환원제탱크(200)에서 토출된 탄화수소계 환원제(B) 중 일부는 저유량공급부(203)의 분기관(2003)으로 분기되고 재순환관(2004)을 통해 제2환원제탱크(200)로 재주입된다. 따라서 재주입되지 않는 나머지 탄화수소계 환원제(B)의 공급량을 역시 재주입되는 환원제의 유량을 이용하여 조절할 수 있다. 환원제 재주입량을 저유량조절부(203)에 적합하게 조절하기 위해, 재순환관(2004) 또는 분기관(2003) 일 측에 전술한 바와 같은 작은 포트를 갖는 밸브(708)를 배치할 수 있다.
즉 저유량공급부(203) 및 고유량공급부(202)는 공유관(2001)과 재순환관(2004)을 서로 공유하는 형태로 형성될 수 있다. 다만 각각의 분기관(2002, 2003)은 서로 별개로 형성되므로, 각각의 분기관(2002, 2003)에 서로 다른 한계유량을 갖는(즉 서로 포트의 크기가 다른) 밸브(707, 708)를 각각 배치하여 제2환원제탱크(200)로 재주입되는 탄화수소계 환원제(B) 유량을 적합하게 조정할 수 있다.
그러나 환원제 일부를 순환시켜 유량을 조절하는 구조가 이로써 한정될 필요는 없다. 다른 실시예에서, 저유량공급부(203) 및 고유량공급부(202) 각각은 서로 관로를 공유하지 않게 개별 형성되어 각각이 독립된 순환구조를 포함하도록 형성될 수도 있다. 따라서 본 발명의 기술사상이 본 실시예의 형태로 한정될 필요는 없다. 다만 본 실시예에서는 도시된 구조에 기반하여 설명한다.
제2환원제공급부(202, 203, 205, 400, 402, 500)는 이와 같은 저유량공급부(203) 및 고유량공급부(202)와, 저유량공급부(203) 및 고유량공급부(202)를 기화기(400)와 연결하는 공유배출관(205)을 포함할 수 있다. 이러한 예시에서 공유배출관(205) 상에 추가로 유량조절이 가능한 밸브(709)를 배치하여 환원제 주입량을 더욱 정밀하게 제어할 수도 있다. 예를 들어 최대 배출량을 고려하면 공유배출관(205)의 밸브(709)는 상대적으로 큰 포트를 갖는 밸브(고유량공급부의 밸브와 동일한 밸브일 수 있다)가 바람직하다.
이러한 구성에 의해, 제4실시예의 탈질장치는, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이 탄화수소계 환원제(B)를 공급할 수 있다. 탄화수소계 환원제(B)의 공급 동작 외에 나머지 부분(암모니아계 환원제 공급, 배가스 유입 등)에 대한 동작은 제1실시예의 도 2 및 도 3의 도면 및 관련설명과 실질적으로 동일하므로, 그에 대한 도시는 생략하였으며 반복 설명하지 않는다.
먼저 도 11을 참조하면, 가스터빈(10)의 기동초기 등 전술한 바와 같이 황연 제거가 필요한 경우, 제2환원제공급부(도 10의 202, 203, 205, 400, 402, 500참조)는 고유량공급부(202)를 통해 전술한 제1범위의 주입당량비로 조절하여 탄화수소계 환원제(B)를 공급한다. 이때 저유량공급부(203)의 밸브(708)는 닫히고, 고유량공급부(202)의 밸브(707)는 개방된다. 밸브(707) 개방에 의해 도시된 것처럼 고유량공급부(202)측 분기관(2002)으로 탄화수소계 환원제(B) 일부가 분기되며 이를 재순환관(2004)을 통해 제2환원제탱크(200)로 재주입할 수 있다. 따라서 나머지는 공유배출관(205)을 통해 기화기(400)로 공급할 수 있다.
제2환원제탱크(200)에서 토출되는 환원제의 유량은 제1범위의 주입당량비를 설정할 수 있는 유량보다 더 큰 유량일 수 있다. 그러나 고유량공급부(202)의 밸브(707)로 재순환관(2004)의 유량을 조절하면 제2환원제탱크(200)로 적정유량의 환원제가 재주입되므로, 실제 공급되는 나머지 환원제의 유량은 제1범위로 적합하게 조정할 수 있다. 이와 같이 재주입량을 조절하여 제1범위의 주입당량비로 조절된 탄화수소계 환원제(B)를 공급할 수 있다.
따라서 제4실시예 역시 고유량공급부(202)를 통해 황연의 원인물질인 이산화질소를 일산화질소로 환원시키기 충분한 비율로 탄화수소계 환원제(B)가 배가스 유동로(20)에 제공되므로, 기동 초기 등에 황연이 생성되더라도 이를 효과적으로 제거할 수 있다.
도면 상에 공유배출관(205)이 기화기(400)에 연결된 구조가 예시되었지만 그로써 한정될 필요는 없으며, 전술한 제2실시예를 참조하면 기화기를 거치지 않고 전술한 인젝션노즐 등에 공유배출관(205)을 직접 연결하여 배가스 유동로 측에 유량 조절된 환원제를 바로 공급하는 것도 얼마든지 가능함을 알 수 있다. 그러한 경우에도 본 실시예의 구성은 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
한편, 도 12를 참조하면, 가스터빈(도 10의 10참조)의 부하가 일정 수준 이상으로 증가하고 배가스(도 10의 C참조) 내 질소산화물 농도가 높아지는 등 탈질작용이 보다 필요한 경우, 제2 환원제공급부(202, 203, 205, 400, 402, 500)는 저유량공급부(203)를 통해 전술한 제2범위의 주입당량비로 조절하여 탄화수소계 환원제(B)를 공급한다. 이때 고유량공급부(202)의 밸브(707)는 닫히고, 저유량공급부(203)의 밸브(708)는 개방된다. 밸브(708) 개방에 의해 도시된 것처럼 저유량공급부(203)측 분기관(2003)으로 탄화수소계 환원제(B) 일부가 분기되며 이를 재순환관(2004)을 통해 제2환원제탱크(200)로 재주입할 수 있다. 따라서 나머지는 공유배출관(205)을 통해 기화기(400)로 공급할 수 있다.
이 경우 제2환원제탱크(200)에서 토출되는 환원제의 유량은 제2범위의 주입당량비를 설정할 수 있는 유량보다 클 수 있다. 그러나 이 때에도 저유량공급부(203)의 밸브(708)로 재순환관(2004)의 유량을 조절하면 제2환원제탱크(200)로 적정유량의 환원제가 재주입되므로, 실제 공급되는 나머지 환원제의 유량은 제2범위로 적합하게 조정할 수 있다. 이와 같이 재주입량을 조절하여 제2범위의 주입당량비로 조절된 탄화수소계 환원제(B)를 공급할 수 있다.
이와 같이 제2범위의 저유량으로 환원제를 공급할 때에도, 전술한 것처럼 기화기를 거치지 않고 전술한 인젝션노즐 등에 공유배출관(205)을 직접 연결된 구조를 이용하면 배가스 유동로 측에 유량 조절된 환원제를 바로 공급하는 것도 가능함은 물론이다.
따라서 제4실시예 역시 저유량공급부(203)를 통해서, 전술한 제1범위보다 작은 제2범위로 배가스 내 이산화질소에 대한 탄화수소계 환원제(B)의 주입당량비를 조절하여 공급할 수 있다. 이로 인해 상대적으로 적은 양의 탄화수소계 환원제에 의해 이산화질소가 부분적으로 일산화질소로 환원되고 배가스(C) 내 이산화질소/일산화질소의 비율이 적정하게 조정될 수 있으므로, 전술한 것처럼 이산화질소/일산화질소간 비율 조정에 의한 효과적인 선택적 환원반응을 유도하여 보다 신속하게 고농도의 질소산화물을 처리할 수 있다.
한편, 본 실시예와 같이 저유량공급부(203) 또는 고유량공급부(202)가 순환구조를 공유하여 순환구조 상에 고유량 또는 저유량 환원제 유동이 선택적으로 나타나는 경우에는 그에 대응하기 위해 예를 들어, 공급관(2001)측에 설치된 펌프(802)의 부하를 적절히 조절할 수도 있다. 펌프의 부하는 예를 들어 인버터 등을 이용하여 제어할 수 있다.
또한 전술한 것처럼 공유배출관(205)등 배출 측에 추가적인 밸브(709)구조를 형성하여 저유량공급부(203) 또는 고유량공급부(202)를 통해 유량 조절된 탄화수소계 환원제(B)의 유량을 추가적으로 더욱 정밀하게 조절하는 것도 가능하다. 그러한 구성을 통해 탄화수소계 환원제(B)의 주입당량비를 더 정밀하게 조정하여 공급할 수 있다.
이러한 방식으로, 본 실시예에서도 고유량공급부 및 저유량공급부의 선택적 사용을 통해 탄화수소계 환원제의 주입비율을 적합한 범위에서 정교하게 조정하고, 상황에 따라 황연을 보다 효과적으로 저감하거나 또는 보다 빠르게 고농도의 질소산화물을 제거하는 탈질작용이 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, 1-1, 1-2, 1-3: 황연저감이 가능한 탈질장치
10: 가스터빈 20: 배가스 유동로
21: 축관부 22: 확관부
23: 과열기모듈 30: 연돌
100: 제1환원제탱크 101: 공급부
101a, 201: 공유관 101b: 제1공급부
101c: 제2공급부 200: 제2환원제탱크
202: 고유량공급부 202a: 제1고유량공급부
202b: 제2고유량공급부 203: 저유량공급부
203a: 제1저유량공급부 203b: 제2저유량공급부
204, 2002, 2003: 분기관 205: 공유배출관
300: 탈질촉매 400: 기화기
401: 배가스 유입관 402: 환원제공급관
500: 인젝션그리드 601: 제1인젝션노즐
602: 제2인젝션노즐 803: 블로워
701, 702, 703, 704, 705, 706, 707, 708, 709: 밸브
801, 802, 802a, 802b: 펌프 900: 공급제어모듈
2001: 공급관 2004: 재순환관
A: 암모니아계 환원제 B: 탄화수소계 환원제
C: 배가스 D: 기화된 환원제

Claims (11)

  1. 복합화력발전소의 배가스에 섞여 배출되는 황연(yellow gas)저감이 가능한 탈질장치에 있어서,
    암모니아계 환원제가 저장된 제1환원제탱크;
    탄화수소계 환원제가 저장된 제2환원제탱크;
    가스터빈과 연돌 사이의 배가스 유동로에 배치되는 탈질촉매;
    상기 제1환원제탱크로부터 상기 배가스 유동로의 상기 탈질촉매 전단으로 상기 암모니아계 환원제를 공급하는 제1환원제공급부; 및
    상기 제2환원제탱크로부터 상기 배가스 유동로의 상기 탈질촉매 전단으로 상기 탄화수소계 환원제를 공급하는 제2환원제공급부를 포함하되,
    상기 제2환원제공급부는,
    상기 배가스 내 이산화질소에 대한 상기 탄화수소계 환원제의 주입당량비를 황연 저감이 가능한 제1범위에서 조절가능한 고유량공급부와,
    상기 배가스 내 이산화질소에 대한 상기 탄화수소계 환원제의 주입당량비를 상기 제1범위보다 작은 제2범위에서 조절가능한 저유량공급부를 포함하고,
    상기 탄화수소계 환원제가 제2환원제탱크로부터 상기 고유량공급부 및 상기 저유량공급부 중 어느 하나를 통해 선택적으로 제공되는 것을 특징으로 하는 황연저감이 가능한 탈질장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1범위는 상기 주입당량비가 1이상인 범위이고,
    상기 제2범위는 상기 주입당량비가 1미만인 범위인 것을 특징으로 하는 황연저감이 가능한 탈질장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1환원제공급부와 상기 제2환원제공급부는,
    상기 배가스 유동로의 상기 탈질촉매 전단에 배치된 인젝션그리드, 및 상기 인젝션그리드에 연결된 기화기를 공유하며,
    상기 저유량공급부 및 상기 고유량공급부는,
    상기 제2환원제탱크와 상기 기화기 사이에 병렬로 연결된 제1저유량공급부 및 제1고유량공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 황연저감이 가능한 탈질장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2환원제공급부는, 상기 배가스 유동로의 상기 인젝션그리드 전단에 배치된 제2인젝션노즐을 더 포함하고,
    상기 저유량공급부 및 상기 고유량공급부는,
    상기 제2환원제탱크로부터 상기 기화기를 거치지 않고 상기 제2인젝션노즐에 병렬로 연결된 제2저유량공급부 및 제2고유량공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 황연저감이 가능한 탈질장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1환원제공급부는,
    상기 배가스 유동로의 상기 인젝션그리드 전단에 배치된 제1인젝션노즐과,
    상기 제1환원제탱크와 상기 기화기를 연결하는 제1공급부와,
    상기 제1환원제탱크로부터 상기 기화기를 거치지 않고 상기 제1인젝션노즐에 연결된 제2공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 황연저감이 가능한 탈질장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배가스 유동로는, 상기 가스터빈 측에 연결되고 상대적으로 폭이 좁은 축관부, 상기 연돌 측에 연결되고 상기 축관부로부터 확장된 확관부, 및 상기 확관부 내 형성된 복수의 과열기모듈을 포함하고, 상기 인젝션그리드 및 상기 탈질촉매는 상기 확관부 내 배치되며, 상기 제1인젝션노즐 및 상기 제2인젝션노즐은 상기 축관부 내 배치되는 것을 특징으로 하는 황연저감이 가능한 탈질장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 기화기는, 상기 배가스 유동로에 연결되어 상기 배가스 유동로 내 배가스를 유입하는 배가스 유입관을 포함하여, 상기 암모니아계 환원제 및 상기 탄화수소계 환원제 중 적어도 어느 하나를 상기 배가스와 혼합하여 기화시키는 것을 특징으로 하는 황연저감이 가능한 탈질장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 저유량공급부 및 상기 고유량공급부는,
    각각 서로 다른 크기의 포트를 갖는 밸브를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 황연저감이 가능한 탈질장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 저유량공급부 및 상기 고유량공급부는,
    각각 서로 다른 용량의 펌프를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 황연저감이 가능한 탈질장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 저유량공급부 및 상기 고유량공급부는,
    상기 제2환원제탱크로부터 제공된 상기 탄화수소계 환원제의 일부를 상기 제2환원제탱크로 재주입하여 상기 탄화수소계 환원제의 공급량을 조절하는 재순환관을 포함하고, 상기 재순환관의 유량이 서로 다르게 조절되는 것을 특징으로 하는 황연저감이 가능한 탈질장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 탈질촉매의 온도, 상기 배가스 내 이산화질소의 농도, 및 상기 배가스 내 이산화질소와 일산화질소의 함량비 중 적어도 어느 하나에 따라 유로를 조절하여 상기 탄화수소계 환원제의 제공경로를 상기 저유량공급부 또는 상기 고유량공급부로 선택하여 공급하는 공급제어모듈을 더 포함하는 황연저감이 가능한 탈질장치.
KR1020220136286A 2022-10-21 2022-10-21 황연저감이 가능한 탈질장치 KR102506402B1 (ko)

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