KR19990088143A - 질소산화물을환원시키는시설에들어가는장치 - Google Patents
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Abstract
연소시설에서 나오는 연기가스에 들어 있는 질소산화물을 환원시키는 시설에서는 연기가스를 안내하는 연기가스 통로(1)가 반응기(2)와 연결된다. 이 연기가스 통로(1)에는 무동작 혼합기(4)가 배치되고, 스프레이 노즐(9)이 부여된 랜스(8)가 연기가스 통로(1)의 벽(6)을 관통하여 무동작 혼합기(4)의 작용 영역 속으로 들어간다. 랜스(8)는 분무된 환원제를 위한 수송관(8)으로 형성되고, 스프레이 노즐(9)은 수송관(8)이 연기가스 통로(1)의 벽(6)을 관통하는 부위에 배치된다.
Description
본 발명은 청구항 1의 상위개념이 규정하는, 질소산화물을 환원시키는 시설에 들어가는 장치에 관한 것이다.
석탄이나 그 밖의 다른 가연물질, 특히 쓰레기나 목재가 연소될 때 나오는 연기가스에는 질소산화물이 들어 있는데, 이것은 사람과 환경에 해가 되는 영향을 주므로 연기가스에서 제거해야 한다. 이 질소산화물은 환원제가 이용되어 촉매 반응기에서 화학적으로 분해된다.
질소산화물을 분해하는 공지된 방법에는 SCR 방법이 있다. 이 방법의 변이형 가운데 하나(로우 더스트 서키트[Low Dust Circuit])에서는 정화될 연기가스가 먼저 열교환기를 통해 온도가 상승된다. 주로 버너에 적용되는 화석연료 에너지 매체는 외부 열공급에 의해 연기가스의 온도를 촉매 반응기의 작업 온도로 끌어올려 준다. 이 연기가스에는 환원제가 혼합되며, 이렇게 해서 촉매 반응기에 들어갈 때는 연기가스와 환원제가 가능한 한 균질적으로 혼합되어 있게 된다. 촉매의 표면에서는 비균질 촉매반응이 일어나 원하는 대로 질소산화물이 분해된다. 이어서 연기가스는 언급한 열교환기의 정화가스 구역에서 냉각된다.
이 방법에서 환원제로는 액체 환원제, 예를 수용액 또는 요소 수용액이 자주 사용된다. 공지된 방법들 가운데 몇몇에서는 액체 환원제가 외부 기화기에서 기체 상태로 바뀌고 이 상태에서 연기가스 통로 내부로 반입된다. 오늘날의 시설들에서는 액체 환원제가 압축공기 스프레이 노즐을 통해서 미세한 방울로 분무된다. 스프레이 노즐은 스프레이 랜스(spray lance)의 출구측의 단부에 배치되어 있으며, 연기가스 통로에 배치되어 있는 무동작(static) 혼합기의 작용 영역 속에 있게 된다. 무동작 혼합기의 작용 영역에 분사된 분무액은 이 영역의 온도가 높기 때문에(예를 들어 300℃) 완전히 기화된다. 이 방법의 단점은 스프레이 노즐이 뜨거운 연기가스 통로 내부에 배치되어 있다는 것이다. 이러한 작업에 사용될 수 있는 스프레이 노즐은 매질이 통과하는 아주 미세한 구멍들이 있기 때문에 때때로 점검을 받아야 한다. 그 밖에도 스프레이 랜스 속으로 뻗어 있는 도관, 특히 액체 도관은 뜨거운 연기가스의 열에 의해 과도한 영향을 받지 않도록 단열 수단을 통해 보호해야 한다. 스프레이 노즐의 점검 작업은 도관이 연기가스 통로 속으로 깊이 들어가 있고 스프레이 랜스 내부에서 단열 처리되어 있기 때문에 번거롭다.
질소산화물을 환원시키는 SCR 방법의 또 다른 변이형(하이 더스트 서키트[High Dust Circit])에서는 분진과 황산화물을 함유하는 뜨거운 연기가스에 환원제가 혼합되고, 이 혼합물은 이어서 질소산화물을 환원시키는 반응기에 보내진다. 이 경우에도 환원제를 분사하는 스프레이 노즐은 분진이 극히 많고 온도가 높은 환경에 노출된다.
본 발명의 목적은 언급한 종류의 장치를 개선하여 스프레이 노즐을 간편하게 점검할 수 있도록 하는 데 있다.
도 1은 질소산화물을 환원시키는 시설의 도면.
도 2는 도 1에 따른 시설의 무동작 혼합기의 도면.
도 3은 도 2에 따른 무동작 혼합기를 A 방향으로 바라본 측면도.
언급한 종류의 장치에서 이 목적은 본 발명에 따라 청구항 1이 제시하는 특징들을 통해 달성된다. 본 발명의 유용한 발전들은 종속항들이 다루고 있다.
본 발명 및 그 작용 방식과 장점들은 실시예와 도면을 통해 이하에서 자세히 설명된다.
연료 또는 쓰레기를 태우는 연소 시설에서 나오는 연기가스는 연기가스 통로(1)를 화살표 방향으로 흘러 지나가 반응기(2)에 이른다. 이 반응기(2)의 여러 영역들에는 촉매석(3)이 들어 있으며, 이 촉매석들에서는 연기가스에 첨가되는 환원제와 연소시에 발생하여 연기가스에 들어 있게 되는 질소산화물이 서로 반응을 한다. 연기가스는 그 이전에 정화되어 미리 접속되어 있는 열교환기에서 반응기(2)에서의 반응에 필요한 온도로 가열될 수 있다. 연기가스 통로(1)는 분진을 함유하는 뜨거운 연기가스를 반응기(2)에 바로 보낼 수도 있다.
연기가스 통로(1)에는 반응기(2)로 들어가기 전의 부위에 무동작 혼합기(4)가 배치되어 있다. 이 혼합기(4)에는 평면형의 내장 요소 또는 혼합작용 요소(5)가 포함되어 있는데, 이것은 연기가스의 흐름에 대해 일정한 각도를 유지하며 배치되어 있다. 내장 요소(5)는 도면에서는 편의상 평면 플레이트로 도시되어 있다. 그러나 내장 요소(5)는 바람직하게는 사다리꼴을 취할 수 있는데, 이 사다리꼴 도형의 짧은 변이 연기가스 흐름 방향과 마주한다. 이 사다리꼴 내장 요소(5)는 세 직선을 따라 모서리를 형성하여, 이 내장 요소(5)의 단면이 ω(오메가) 또는 W 형태를 보인다. 이렇게 해서 연기가스가 유입되어와 닿는 쪽에서는 오목한 곳이 하나 형성되고 그 양쪽으로는 볼록한 곳이 두 군데 형성된다. 내장 요소(5)의 이러한 특수 형태는 동시에 출원한 다른 특허의 대상이 되고 있는 것이다.
연기가스 속에 있게 되는 내장 요소(5)의 전방 모서리들에서는 연기가스가 사방을 돌며 스치고 지나간다. 이렇게 해서 그 모서리들에서는 교체 소용돌이가 발생하는데, 이 소용돌이는 흐름을 따라 내려가면서 원뿔 형태로 확산되어 소용돌이 필드(field)를 형성한다. 이 소용돌이 필드는 자체의 회전을 통해 본류(本流) 방향을 횡단하는 방향으로 흐르는 흐름 성분을 생성한다. 이 횡단 흐름 성분은 본류 방향의 횡단 방향으로 충격력이 교환되게 함으로써 연기가스 흐름이 잘 혼합되도록 해 준다.
연기가스 통로(1)의 벽(6)에는 방출구(7)가 부여된 랜스(8)가 관통하고 있는데, 여기서 방출구(7)는 내장 요소(5)의 작용 영역 속에 있게 되므로 압력이 감소된 흐름 영역 속에 있게 된다. 랜스(8)는 환원제를 연기가스 속으로 들여보내는 일을 한다. 환원제로는 암모니아 수용액 또는 요소 수용액이 사용되는데, 이것은 압축공기 노즐로 설계되는 스프레이 노즐을 통해 분무 매질이 되는 공기 또는 증기에 실려 연기가스 속으로 분사된다.
스프레이 노즐(9)은 랜스(8)가 연기가스 통로(1)의 벽(6)을 관통하는 부위에 배치되어 있다. 따라서 랜스(8)는 수송관(8)이 되는데, 스프레이 노즐(9)에서 분무된 환원제는 비말(飛沫) 상태로 이 수송관을 통해 연기가스 통로(1)의 내부로 보내진다. 이때 생기는 흐름의 속도는 대략적으로는 분무를 위해 사용된 공기의 양에 따라 결정된다. 스프레이가 수송관에 체류하는 시간이 짧으면, 분무에 의해 생성된 액체 방울이 합착(合着)에 의해 커지는 것이 방지되므로 유리하다.
연기가스 통로(1)의 벽(6)에 돌출해 있는 수송관(8)의 단부에는 플랜지(10)가 부여되어 있고, 플랜지 위에는 손잡이(11)가 부여된 뚜껑(12)이 분리 가능하게 나사로 연결되어 있다. 뚜껑(12)은 수송관이 외부 대기에 노출되지 않도록 밀폐하는 기능을 한다.
뚜껑(12)에 스프레이 노즐(9)이 수용되어 있기 때문에 스프레이 노즐(9)은 뚜껑(12)과 함께 수송관(8)에서 빼낼 수 있다. 도 2의 왼쪽에는 수송관(8)에서 빼낸 뚜껑(12')에 스프레이 노즐(9')이 고정되어 있는 것을 볼 수 있다.
도면에 개략적으로만 도시되어 있는 스프레이 노즐(9)에는 환원제를 넣어 주는 공급관(13)과, 분무 매질로 쓰이는 공기 또는 증기를 넣어 주는 공급관(14)이 부여되어 있다. 또 다른 공기 공급관(15)은 수송관(8)으로 직접 통한다.
내장 요소(5)의 작용 영역 바깥에 있게 되관 벽의 앞부분은 한 군데 또는 여러 군데에 관통 구멍(16)이 나 있을 수도 있고 다공벽으로 되어 있을 수도 있다. 수송관의 이 부분에서는 연기가스의 정체 압력이 수송관의 뒷부분에서보다 더 높기 때문에 뜨거운 연기가스가 수송관을 관통해서 흐르게 된다. 이렇게 해서 연기가스는 수송관 내부에서도 스프레이 노즐(9)에서 나온 분무 비말과 혼합될 수 있다. 연기가스가 수송관을 통해서도 흐르기 때문에 분무 비말의 흐름 속도가 증가되고, 이렇게 해서 액체 방울의 합착이 감소된다. 또 한편으로는, 이러한 구조에서는 뜨거운 연기가스가 통과하기 때문에 환원제 액체 방울의 기화가 일어난다. 이렇게 해서 수송관에서 다시 한번 흐름 속도가 빨라진다. 끝으로, 수송관의 벽을 통해 수송 공기의 가열이 이루어지기 때문에 또 한번 속도 증가가 이루어진다.
뜨거운 연기가스의 영향으로부터 스프레이 노즐기 위해서는 수송관 내부의 시작 부위에 보호관(17)을 배치할 수 있는데, 이 보호관은 스프레이 노즐(9)을 반경방향으로 일정한 간격을 유지한 채 에워싼다. 보호관의 축선은 수송관의 축선과 평행을 이룬다. 이렇게 해서 분무된 환원제 비말은 보호관 내부를 흐를 수 있고, 연기가스는 경우에 따라서는 보호관(17)과 수송관 사이의 공간을 흐를 수 있다. 분무 비말과 연기가스는 보호관의 단부에 도달할 때, 늦어도 수송관의 뒤쪽 단부에 있는 방출구(7)에 도달할 때, 혼합된다.
수송관은 바람직하게는 수평으로 또는 약간 아래로 기울어지게 연기가스 통로 속으로 뻗는다. 분진의 함량이 높은 연기가스를 처리하는 경우에는 그 경사도를 크게 해야 할 것이다. 이런 경우에는 보호막 공기를 추가로 이용하면 유리할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 배치 방식은 예컨대 발전소의 High Dust SCR DeNOx 기술 분야에 이용될 수 있다.
스프레이 노즐(9)을 수송관(8)의 앞쪽 단부에 배치하면, 스프레이 노즐(9)이 뒤쪽 단부에 배치되는 스프레이 랜스에 비해 다음과 같은 장점이 있다.
- 쉽게 접근할 수 있는 장소인, 연기가스 통로(1)의 벽(6) 가까이에 스프레이 노즐(9)이 배치되기 때문에, 노즐의 점검에 소요되는 시간이 단축된다.
- 스프레이 노즐(9)을 떼어 낼 때는 한 사람만 필요하다. 스프레이 랜스가 사용되지 않고, 스프레이 노즐(9)이 착탈식 뚜껑(12)에 고정되어 있고 점검을 할 때는 그것과 함께 분리될 수 있기 때문이다.
- 스프레이 노즐(9)의 작업 온도는 주위 온도와 거의 일치하기 때문에 공지된 스프레이 랜스의 경우보다 상당히 낮다. 따라서 환원제가 스프레이 노즐(9)에서 벌써 기화되는 것을 막을 수 있다. 따라서 순도(염분 함량)에 대한 요건이 종래보다 엄격하지 않은 환원제를 사용할 수 있게 된다.
- 액체 환원제 공급관은 공지된 스프레이 랜스의 경우보다 낮은 온도 수준에 있게 된다. 따라서 이제 공급관의 내부에서 액체가 끓게 되는 일이 더 이상 일어나지 않고 스프레이 노즐이 맥동 현상 없이 안정성 있게 작업을 할 수 있게 됨으로써 생성되는 액체 방울들의 크기 분포가 균일하게 된다. 따라서 생성되는 액체 방울들의 평균 직경이 작아진다. 큰 액체 방울들이 형성되는 작업 단계가 없어지기 때문이다.
- 스프레이 노즐(9)은 질소산화물 환원을 위해 후속된 반응기(2)의 작업이 진행될 때 점검될 수 있다.
- 분진이 수송관(8) 내부에 퇴적된 경우에는 작업이 진행되는 도중에 게이지를 가지고 수송관을 청소할 수 있다. 따라서 기능 장해가 일어날 수 없다.
- 발전소에서 사용되는 공지된 스프레이 랜스는 연기가스 통로의 크기 때문에 치수와 무게가 크다. 스프레이 노즐을 점검할 때는 스프레이 랜스의 무게가 크기 때문에 들어올리는 도구, 예컨대 영구적으로 설치된 호이스트가 필요하다. 설치 높이가 30 m에 이를 수 있기 때문에 대형 호이스트가 필요하다. 본 발명에 따른 장치를 사용하면 그러한 호이스트가 필요없게 된다.
- 스프레이 노즐은 High Dust SCR DeNOx 시설에서 사용되는 경우에는 분진이 많은 고온 환경에서 작업을 하기 때문에 오염될 위험이 아주 크다. 따라서 이러한 스프레이 노즐은 보호막 공기로 씻어내게 된다. 본 발명에 따른 스프레이 노즐(9)은 그보다 온도가 낮고 분진이 적은 환경에서 작업을 하기 때문에 연기가스나 분진의 영향을 직접 받아 오염될 위험이 적다. 따라서 점검 간격이 현저하게 늘어나는 효과를 얻게 된다.
상기와 같이 구성하면, 스프레이 노즐을 간편하게 점검할 수 있다.
Claims (4)
- 연기가스를 안내하는 연기가스 통로(1)가 반응기(2)와 연결되고, 연기가스 통로(1)에 무동작 혼합기(4)가 배치되고, 스프레이 노즐(9)이 부여된 랜스(8)가 연기가스 통로(1)의 벽(6)을 관통하여 무동작 혼합기의 작용 영역 속으로 들어가게 되어 있는 상태에서, 연소시설에서 나오는 연기가스에 들어 있는 질소산화물을 환원시키는 시설에 들어가는 장치에 있어서,랜스(8)는 분무된 환원제를 위한 수송관(8)으로서 형성되고, 스프레이 노즐(9)은 연기가스 통로(1)의 벽(6)을 관통하는 수송관(8)의 부위에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 연기가스 통로(1)의 벽(6)으로부터 돌출해 있는 수송관(8)의 단부는 분리 가능한 뚜껑(12)에 의해 폐쇄되고 이 뚜껑에 스프레이 노즐(9)이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 수송관(8)은 스프레이 노즐(9)로부터 흐름 방향의 하루에 있으면서 연기가스 통로(1)의 내부에 있으나 무동작 혼합기(4)의 작용 영역의 바깥에 있게 되는 부위에 하나 또는 다수의 관통 구멍들(16)이 부여되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 수송관(8)이 시작되는 부위에 배치되어 이 수송관과 동심을 이루는 보호관(17)이 스프레이 노즐(9)을 반경방향으로 일정한 간격을 유지하며 둘러싸는 것을 특징으로 하는 장치.
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