KR20020004396A

KR20020004396A - 오존을 이용한 ＮＯｘ 제거장치

Info

Publication number: KR20020004396A
Application number: KR1020000038259A
Authority: KR
Inventors: 이광학; 윤종국
Original assignee: 이광학; 주식회사 세원테크; 윤종국; 주식회사 세진
Priority date: 2000-07-05
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2002-01-16

Abstract

본 발명은 자동차 엔진, 보일러, 발전기와 같은 각종 산업용 연소장치에서 발생되는 배출가스를 오존발생기에서 발생되는 오존(O₃)을 이용하여 제거할 수 있도록 된 오존을 이용한 NOx 제거장치에 관한 것으로, 산업용 연소장치의 배출가스를 배출시키는 배기관(1)과, 오존을 발생시키는 오존발생기(2)와, 상기 배기관(1)으로 배출되는 배출가스와 상기 오존발생기(2)에서 발생된 오존을 내부에서 반응시켜 배출가스에 포함된 유해물질을 제거하는 반응기(3)를 포함하여, 상기 반응기(3)에서 유해물질이 제거된 배출가스를 상기 반응기(3)의 배기관(4)으로 배출시키도록 구성된다.

Description

오존을 이용한 ＮＯｘ 제거장치{NOx REMOVAL APPARATUS USING OZONE}

본 발명은 오존을 이용한 NOx 제거장치에 관한 것으로서, 특히 오존(O₃)을 이용하여 자동차 엔진, 보일러, 발전기와 같은 각종 산업용 연소장치의 배출가스에 포함된 유해물질을 제거할 수 있도록 된 오존을 이용한 NOx 제거장치에 관한 것이다.

일반적으로, 디젤을 연료로 사용하는 디젤엔진은 구동시 NOx와 CO 등의 유해물질과 함께 다량의 분진을 배출한다.

따라서, 배출가스를 정화하여 유해물질을 제거할 수 있는 필터나 삼원촉매를 이용한 정화장치는 개발되었으나, 필터를 이용한 정화장치는 유해물질을 충분히 처리하지 못하는 문제점이 있으며, 삼원촉매를 이용한 정화장치는 엔진에 투입되는 산소와 연료의 혼합비를 일정하게 유지하여야만 원하는 효과를 얻을 수 있기 때문에, 공기와 연료의 혼합비를 조절할 수 있는 인젝션장치 엔진에만 적용되며, 배출가스에 포함된 미량의 분진에도 정화장치가 막힐 수 있는 문제점이 있다.

한편, 공개특허공보 제2000-019403호에는 배출가스를 플라즈마와 오존으로 처리하여 유해물질을 제거하도록 하는 "디젤엔진 배출가스의 유해물질 제거장치"가 알려지고 있는 바, 이 유해물질 제거장치는 산업용 연소장치 배기관에 연결되어 배출가스 내부의 유해물질를 제거하는 플라즈마 리액터와, 상온에서 다른 물질과 손쉽게 반응하여 유해물질을 독성이 없는 물질로 분해하는 오존을 발생시키는 오존발생기와, 상기 플라즈마 리액터와 오존발생기에 동시에 연결된 반응기를 포함하여 구성되어 있다.

이 유해물질 제거장치는 디젤엔진의 머플러를 통해 배출가스가 배출되면 상기 플라즈마 리액터의 방전극에서 발생되는 코로나 방전에 의해 발생되는 라디칼과 오존발생기에서 발생되는 오존에 의해 배출가스의 유해물질이 독성이 없는 물질로 분해되어 제거되는 것으로 알려져 있다.

그러나, 이와 같이 플라즈마와 오존을 이용하여 유해물질을 제거하는 제거장치는 유해물질의 제거에 도움이 되지 않는 플라즈마 리액터를 사용하고 있으므로 구성이 복잡하고 제품의 비용이 높아지게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 자동차, 보일러, 발전기를 포함한 각종 산업용 연소장치에서 디젤유, 방카C유, 석탄 등을 열원으로 이용하여 발생되는 배출가스의 유해물질을 오존을 이용하여 산화시킨 후, 연소가스에 포함된 HC성분에 의해 환원시켜 N₂, CO₂, H₂O, O₂등의 독성이 없는 물질로 분해하여 효과적으로 제거할 수 있도록 된 새로운 오존을 이용한 NOx 제거장치를 제공하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 오존을 이용한 NOx 제거장치를 도시한 구성도

도 2는 1의 오존발생기의 측면구성도.

도 3은 상기 오존발생기의 평면구성도.

도 4 내지 도 11은 산업용 연소장치의 배출가스에 대한 유해물질 측정 그래프를 보인 것으로,

도 4는 유해물질을 제거하기 위한 처리를 하지 않은 통상 배출가스의 유해물질 측정 그래프.

도 5는 도 4의 부분 확대 그래프.

도 6은 플라즈마를 이용하여 처리한 배출가스의 유해물질 측정 그래프.

도 7은 도 6의 부분 확대 그래프.

도 8은 플라즈마와 오존으로 처리한 배출가스의 유해물질 측정 그래프.

도 9a, 9b, 9c는 도 8의 부분 확대 그래프.

도 10은 오존으로 처리한 배출가스의 유해물질 측정 그래프.

도 11a, 11b, 11c는 도 10의 부분 확대 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 배기관 2 : 오존발생기

3 : 반응기 4 : 배기관

10 : 오존발생관 11 : 방전극

12 : 접지극 13 : 유전체장벽

20 : 교류전압발생기 30 : 제어기

본 발명에 의한 오존을 이용한 NOx 제거장치는 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 자동차, 보일러, 발전기를 포함한 각종 산업용 연소장치에서 디젤유, 방카C유, 석탄 등의 각종 연료를 연소시켜 구동에너지, 전기에너지, 열에너지 등을 얻는각종 산업용 연소장치의 산업용 연소장치의 배출가스를 배출시키는 배기관과, 오존을 발생시키는 오존발생기와, 상기 배기관으로 배출되는 배출가스와 상기 오존발생기에서 발생된 오존을 내부에서 반응시켜 배출가스에 포함된 유해물질을 제거하는 반응기를 포함하여, 상기 반응기에서 유해물질이 제거된 배출가스를 상기 반응기의 배기관으로 배출시키도록 구성된다.

이하, 이와 같은 본 발명의 오존을 이용한 NOx 제거장치를 첨부한 도면에 의하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 오존을 이용한 NOx 제거장치를 도시한 구성도이고, 도 2는 1의 오존발생기의 측면구성도이며, 도 3은 상기 오존발생기의 평면구성도로서, 이에 도시한 바와 같이, 본 고안은 산업용 연소장치의 배출가스를 배출시키는 배기관(1)과, 오존을 발생시키는 오존발생기(2)와, 상기 배기관(1)으로 배출되는 배출가스와 상기 오존발생기(2)에서 발생된 오존을 내부에서 반응시켜 배출가스에 포함된 유해물질을 제거하는 반응기(3)를 포함하여, 상기 반응기(3)에서 유해물질이 제거된 배출가스를 상기 반응기(3)의 배기관(4)으로 배출시키도록 구성된다.

상기 오존발생기(2)는 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 배기관(1)에 연결되어 구성될 수 있으며, 또한 상기 반응기(3)에 연결되어 구성될 수도 있다.

그리고, 상기 산업용 연소장치의 배기관(1) 또는 상기 반응기(3)에는 분진을 제거하기 위한 집진장치를 결합할 수 있으며, 이와 같이 하면 배출가스에서 분진을 제거한 후 배출시킬 수 있다.

예를들어, 상기 집진장치는 통상의 것을 상기 앞쪽 배기관(1)에 연결하거나,또한 반응기(3)에 부속시켜 하나의 부품으로 형성할 수도 있다.

상기 오존발생기(2)는 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 고압의 전원을 이용하여 공기에서 오존을 발생시키는 오존발생관(10)과, 이 오존발생관(10)에 고압의 전원을 공급하는 교류전압발생기(20)와, 이 교류전압발생기(20)를 제어하는 제어기(30)로 구성된다.

상기 오존발생관(10)은 관체의 내부에 방전극(11)과 접지극(12)을 상호 평행하게 이격배치하고, 상기 접지극(12)에 세라믹 등으로 이루어진 유전체장벽(13)을 부착하여 구성된다. 상기 방전극(11)은 측면의 표면적을 높이기 위하여 도 3에 도시된 바와 같이, 그 양측으로 다수의 핀(14)이 돌출형성된 것으로, 상기 전극에 고압의 전기를 공급하면, 방전극(11)과 접지극(12)의 사이에 방전이 발생되어, 상기 방전극(11)의 측면에 코로나가 발생된다. 상기 유전체장벽(13)은 다량의 전하가 함유되어 방전극(11)과 접지극(12)의 사이에서 방전이 용이하게 발생되도록 하는 것으로, 방전극(11)과 접지극(12)의 면적보다 넓게 형성하여야 한다.

따라서, 상기 전극에 고압의 교류전원을 공급함과 동시에 상기 오존발생관(10)으로 공급된 공기는, 방전극(11)에 발생되는 코로나에 의해 공기중의 산소가 상호 결합되어 오존(O₃)이 발생된다.

그리고, 디젤엔진에서 발생된 배출가스와 오존발생기(2)에 발생되는 오존은 반응기(3)에 함께 유입되어 반응기(3)의 내부에서 상호 혼합, 반응하여, 독성이 없는 물질로 분해된 후, 반응기(3)에 구비된 배기관(4)으로 배출된다.

이와같이 구성된 오존을 이용한 NOx 제거장치는 반응기(3)에서 유해물질을오존과 반응시켜 독성이 없는 물질로 분해하여 배출하므로, 유해물질을 효과적으로 제거할 수 있는 장점이 있다. 또한, 산업용 연소장치의 배출가스뿐 아니라, 석탄 및 등유를 연료로 하여 배출가스에 다량의 분진이 포함되어 정화장치를 장착할 수 없었던 보일러 등에도 적용되어, 배출가스를 정화하므로써, 환경오염을 줄일수 있는 장점이 있다.

그리고, 상기 배출가스의 온도가 과도하게 높을 경우, 배출가스와 오존의 반응이 잘 일어나지 않으므로, 상기 반응기(3)에 배출가스를 공급하는 배기관(1)에 방열핀을 장착하여, 배출가스의 온도를 일정한 온도로 낮추어, 배출가스와 오존의반응을 촉진시키는 것도 가능하다.

도 4 내지 도 11에 표시된 그래프는 현대 1톤 트럭의 디젤엔진, 기아 스포티지 디젤엔진, 연소타입 보일러(용량: 0906MW_m, 버너: 2유체 분사링, 연료:경유 및 방카C유, 분사방식: 측면분사, 연료 분사량 77.4kg/hrMax., 배출가스유량: 1,800Nm³/hr(200℃설계기준))에서 발생되는 배출가스의 성분을 Bio Rad FT(FTS 3000 MX)를 이용하여 측정한 것이며, 실험조건 및 실험결과는 다음과 같다.

(1). 실험조건

사용 디젤유: SK정유

사용 보일러 경우 및 방카C유: SK정유

실험온도: 자동차 후처리의 경우 머플러 출구온도 100∼300℃,일러 후처리의 경우 200∼230℃ 조건에서 실험

실험 NOx의 농도: 자동차 120∼300ppm, 보일러 300∼400ppm

엔진운전 조건 및 실험 횟수

1000rpm: 무부하, 7toque, 14touqe(10여회)

1500rpm: 무부하(60여회), 7toque, 14touqe(10여회)

2000rpm: 무부하(60여회), 7toque, 14touqe(10여회)

2500rpm: 무부하(60여회), 7toque, 14touqe(10여회)

3000rpm: 무부하(30여회)

보일러 실험조건 및 횟수

NOx 조건: 300, 350, 400ppm

온도조건: 200, 220, 250℃

각 실험조건에서 O₃을 NOx 당량대비 075, 1, 1,25의 비율로 투입함.

각 실험조건에서 1시간 이상 반응을 유지하고 3회 이상 실험.

(2). 실험 결과

자동차 실험 결과

조건별 NOx 발생량

1000rpm: 무부하(83ppm), 50%부하(275ppm), 100%부하(270ppm)

1500rpm: 무부하(45ppm), 50%부하(246ppm), 100%부하(374ppm)

2000rpm: 무부하(47ppm), 50%부하(199ppm), 100%부하(400ppm)

2500rpm: 무부하(33ppm), 50%부하(200ppm), 100%부하(380ppm)

엔진 상태에 따라 약간의 변동이 발생됨

NOx 처리 결과

NOx량 250ppm까지 16,000ppm, 250LPM O₃로 NO의 95% 이상 처리됨.

반응 부산물로 N₂O₃, N₂O₅, NO₂및 HNO₃생성 없이 N₂로 처리됨.

NOx량 400ppm까지 16,000ppm, 30LPM O₃로 NO의 80% 이상 처리됨.

이 경우 반응 부산물로 약간의 HNO₃가 생성됨

보일러 배출가스 실험 결과

배출가스 1,800N³m/hr, NOx 200ppm 조건에서 16,000ppm, 250LPM O₃를 투입

할 경우 반응시간 1초 이내에 NOx 100% 제거됨.

배출가스 1,800N³m/hr, NOx 200ppm 조건에서 16,000ppm, 250LPM O₃를 투입할 경우 반응시간 1초 이내에 NOx 100% 제거됨.

실험결과 NOx 당량대비 1:1의 O₃를 투입하면 반응 부산물 생성없이 95%이

상의 NOx을 제거할 수 있음.

플라즈마의 영향

각 실험조건에서 마이크로교류 코로나 플라즈마 반응기를 적용하여 같은

내용의 실험을 수행하였으나, 플라즈마에 의한 영향은 없었음.

각 조건에 나노교류 코로나 플라즈마를 적용하면 추가적인 NOx 저감 효과

가 예상되지만 운전비용 및 장치 비용 측면에서 O₃투입이 현실적으로 우

수한 기술 이라 할 수 있음.

위와 같은 본 발명 장치의 유해물질 제거능력을 도 4 내지 도 11를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

도 4는 유해물질 제거처리를 하지 않은 통상 배출가스의 유해물질 측정 그래프이고, 도 5는 도 4의 부분 확대도로서, 이에 표시된 바와 같이 디젤엔진에서 배출되는 통상의 배출가스에서는 NO가 132ppm 검출되었다.

도 6은 플라즈마를 이용하여 처리한 배출가스의 유해물질 측정 그래프이고, 도 7은 도 6의 부분 확대 그래프로서, 역시 배출가스에서 NO가 132ppm 검출되었다.

도 8은 플라즈마와 오존으로 처리한 배출가스의 유해물질 측정 그래프이고, 도 9a, 9b, 9c는 도 8의 부분 확대 그래프를 보인 것으로, NO가 도 9a와 같이 검출되지 않고, HNO₃도 도 9b와 같이 검출되지 않았으며, NO₂검출되지 않았다.

그리고, 도 10은 본 발명 제거장치에 의해 오존으로 처리한 배출가스의 유해물질 측정 그래프를 보인 것이고, 도 11a, 11b, 11c는 도 10의 부분 확대 그래프로서, NO가 도 9a와 같이 검출되지 않고, HNO₃도 도 9b와 같이 검출되지 않았으며, NO₂검출되지 않았다.

위와 같은 유해물질 측정 결과를 보면 디젤엔진을 포함한 산업 배출가스를 본 발명의 제거장치에 의해 오존으로만 처리하여도 종래에 플라즈마와 오존으로 처리한 제거장치와 유해물질 제거효과가 같음을 알 수 있었다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면 오존발생장치에 의해 발생된 오존을 반응기에서 배출가스와 혼합하여, 배출가스에 포함된 유해물질을 효과적으로 제거할 수 있도록 된 새로운 오존을 이용한 NOx 제거장치가 제공할 수 있으며, 종래 제거장치에서 요구되었던 플라즈마 리액터를 사용하지 않아도 유해물질 제거능력이 뛰어나므로 제품의 원가를 절감하고 구성을 단순화할 수 있는 이점이 있다.

Claims

산업용 연소장치의 배출가스를 배출시키는 배기관(1)과, 오존을 발생시키는 오존발생기(2)와, 상기 배기관(1)으로 배출되는 배출가스와 상기 오존발생기(2)에서 발생된 오존을 내부에서 반응시켜 배출가스에 포함된 유해물질을 제거하는 반응기(3)를 포함하여, 상기 반응기(3)에서 유해물질이 제거된 배출가스를 상기 반응기(3)의 배기관(4)으로 배출시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 오존을 이용한 NOx 제거장치.
제 1항에 있어서, 상기 오존발생기(2)가 상기 배기관(1)에 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 오존을 이용한 NOx 제거장치.
제 1항에 있어서, 상기 오존발생기(2)가 상기 반응기(3)에 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 오존을 이용한 NOx 제거장치.
제 1항에 있어서, 상기 산업용 연소장치의 배기관(1) 또는 상기 반응기(3)에 분진을 제거하기 위한 집진장치를 결합하여, 배출가스에서 분진을 제거한 후 배출시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 오존을 이용한 NOx 제거장치.