KR20020026481A - 연도 가스용 정화 장치 - Google Patents

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칼 하인쯔 호르닝어
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Abstract

본 발명은 연도 가스용 정화 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따라 특히 증기 발생기로부터 나온 연도 가스(1)는 법적 조건에 따라 정화되어야만 한다. 이를 위해, 예컨대 공기 예열기(15)를 가열하는 연도 가스(1)로부터 질소를 제거하기 위한 촉매 컨버터(8)가 자주 사용된다. 환원제의 나머지는 반응하지 않은 황산화물과 반응하여, 공기 예열기(15)를 손상시키는 물질을 형성한다. 이러한 반응을 억제하기 위해 본 발명에 따라 흐름 방향으로 볼 때 촉매 컨버터(8)의 뒤에 환원제와 연도 가스(1)를 균일하게 혼합시키기 위한 제 1 혼합기(10, 12)가 제공된다.

Description

연도 가스용 정화 장치 {DEVICE FOR CLEANING FLUE GAS}
예컨대 증기 발생기로부터 나온 연도 가스의 정화시, 촉매에 의해 산화 질소를 감소시킬 경우에는 통상적으로 환원제로서의 암모니아나 이러한 환원제를 방출시키는 첨가제인 예컨대 요소가 사용된다. 촉매가 이루어지기 전에 연도 가스 내로 주입된 암모니아는 산화 질소, 특히 NO 및/또는 NO2와 함께 반응하여, 원자로 내에 설치된 촉매 컨버터에서 질소(N2)와 물(H2O)이 된다. 분사되었거나 주입된 암모니아의 소량이 촉매가 이루어진 후에 연도 가스 내에 소위 암모니아 슬립으로서 남게 되는 일이 자주 발생한다. 상기 암모니아 슬립은 필요한 산화 질소 증착율, 촉매 활성율, 그리고 연도 가스와 분사된 암모니아의 혼합물의 품질에 대한 함수이다. 또한 원자로 횡단면의 모든 지점에서 동일한 연도 가스 속도로 주어지는, 원자로 관류의 균일성과 전체 촉매 재료의 무한정한 이용가능성이 중요한 역할을 한다.
이러한 전제들은 기술적 범주에서 볼 때 정당한 비용으로만 제한적으로 실현될 수 있다. 따라서, 원자로 횡단면에 걸쳐 불균일하게 분포된 암모니아 슬립이 야기될 수 밖에 없다. 통상적으로 가능한 암모니아 슬립은 단지 소량의 ppm이다. 그러나, 소수의 지점에서 여러 곱의 직경값에 해당되는 값이 나타날 수 있다.
촉매 컨버터의 뒤에는 부가의 부속 설비가 배치되는데, 화력 발전소에서는 공기 예열기(Luvo)가 자주 배치된다. 이러한 공기 예열기 내에서 아직 뜨거운 연도 가스와 아직 차가운 연소 가스 간의 열 교체가 이루어진다. 여기서, 연도 가스는 300℃ 이상으로부터 예컨대 대략 150℃까지 냉각된다. 연도 가스는 가능한한 연료 내에 함유된 황산의 연소로 인해 생성된 황산화물(SO3)을 함유한다. 상기 황산화물은 상기 온도 범위 내에서 암모니아 슬립으로 이루어진 암모니아와 반응하여 관계식 2NH3+H2O+SO3→(NH4)2SO4에 따라 황산 암모늄으로 되거나, 또는 관계식 NH3+SO2+H2O→NH4HSO4에 따라 황산 수소 암모늄으로 된다.
황산 수소 암모늄은 점착성 및 부식성을 띈다. 이러한 특성으로 인해 상기 황산 수소 암모늄은 촉매 컨버터의 하부에 연결된 부속 설비 또는 공기 예열기 내에 고정되어, 거기서 가능한한 밀폐 및 부식을 야기한다. 지금까지 이러한 효과는 암모니아 슬립이 5ppm 미만의 값으로 제한되며, 심지어 몇몇 설비에서는 2ppm 미만의 값으로 제한될 때 나타났다. 이는 필요한 촉매 컨버터 체적에 대한 높은 비용과 결부된다. 그럼에도 불구하고, 원자로 횡단면의 소수의 지점에서 직경값 보다 높은 암모니아 슬립이 나타나는 것을 배제할 수 없다. 따라서, 부속 설비 횡단면또는 공기 예열기 횡단면의 정해진 영역 앞에서 부분적으로 비교적 높은-매우 높은- 암모니아 농도가 나타날 수 있음으로써, 이 영역에서의 부속 설비 또는 공기 예열기는 위에 언급된 과정에 의해 손상된다.
특히 높은 산화 질소 증착율-85% 이상 95% 이하나 그 이상-이 달성되어야만 하는 촉매 컨버터를 갖는 장치에서 암모니아 슬립이 불균일하게 분포되는 문제가 제기된다. 그 이유는 환원을 위해 암모니아가 사용되지만, 산화 질소는 더 이상 존재하지 않는 영역이 원자로 횡단면에 제공될 수 있다는데 있다. 상기 영역에서 반응물의 결핍때문에 초과량의 암모니아가 더 이상 분해되지 않으며 국부적으로 높은 슬립으로서 설비 내에 남게 된다. 이러한 암모니아 슬립은 여전히 큰 부가의 촉매 컨버터 체적에 의해서도 더 이상 감소될 수 없다.
지금까지 공지되었던, 앞서 언급된 문제점을 해결하기 위한 처리는 분사된 암모니아가 촉매가 이루어지기 전에 연도 가스와 잘 혼합되고 촉매 컨버터 자체를 대형으로 설계하는 것이다. 이러한 처리들에 드는 비용은 경미하지 않지만, 원하는 만큼 성공을 이루지는 않는다.
본 발명은 환원제를 방출하는 첨가제용 분사 장치 및 산화 질소를 환원시키기 위한 촉매 변환기를 갖는, 연도 가스, 즉 발전소 내에 제공된 화석 연료로 점화된 증기 발생기로부터 나온 연도 가스용 정화 장치에 관한 것이다.
도 1은 층별로 형성된 촉매 컨버터 뒤에서 부가의 혼합기를 갖는 정화 장치의 기본 원리도이고,
도 2는 층별로 형성된 촉매 컨버터 내에서 부가의 혼합기 및 정류기를 갖는 정화 장치의 기본 원리도이다.
따라서, 본 발명의 목적은 적어도 촉매 컨버터의 하부에 배치된 부속 설비의 앞과 내에서, 특히 공기 예열기의 앞이나 내에서 연도 가스 내에 아직 함유되어 있는 소량의 잔여 황산화물과 암모니아 간의 환원이 나타나지 않도록 형성된 연도 가스용 정화 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 1항의 특징에 의해 달성된다. 이를 위해, 흐름 방향으로 볼 때 촉매 컨버터의 뒤에는 연도 가스와 환원제를 균일하게 혼합시키기 위한 제 1 혼합기가 제공된다. 다수의 촉매 컨버터 층으로 형성된 촉매 컨버터에서도 바람직하게 상기 촉매 컨버터 뒤에는 이러한 (제 1) 혼합기가 배치된다. 이에 대한 대안으로서 또는 이에 대한 부가로 촉매 컨버터 층 사이에는 각각 하나의 혼합기가 제공될 수 있다.
상기 (제 1) 혼합기는 촉매 컨버터의 흐름 하부로 볼 때 연도 가스 흐름 내에 아직 존재하는, 환원제의 평균치 이상의 많은 양의 잔여물 다발을 나머지 연도 가스 흐름과 혼합시킨다. 이러한 배치에 의해, 2ppm 이상의 함량을 갖는 암모니아 다발이 존재하지 않도록 연도 가스와 잔여 암모니아와의 균일한 혼합이 달성된다.
촉매 컨버터의 하부에 연결된 부속 설비, 예컨대 공기 예열기에서 촉매 컨버터의 하부에 연결된 (제 1) 혼합기는 바람직하게 부속 설비나 공기 예열기로서 촉매 컨버터에 더욱 가까이 제공된다.
바람직한 실시예에 따르면 정화 장치의 분사 장치와 촉매 컨버터 사이에서 연도 가스의 흐름 방향에 따라 연속해서 부가의 (제 2) 혼합기, 연도 가스용 편향 장치 및/또는 연도 가스 흐름용 정류기가 배치된다. 또한 층별로 형성된 모듈식 촉매 컨버터에서 바람직하게 적어도 하나의 촉매 컨버터 층의 흐름 하부에 인접하게 하나의 혼합기가 제공되고, 적어도 하나의 촉매 컨버터 층의 흐름 상부에는 연도 가스 흐름용 정류기가 제공된다.
바람직한 실시예에 따르면 바람직하게 고정식 혼합기는 연도 가스 채널 내에서 이동 불가능하게 설치된 라멜라로 이루어지며, 상기 라멜라에 연도 가스가 비스듬히 흘러간다. 여기서, 상기 라멜라는 바람직하게 촉매 컨버터 층에 배열된 혼합기로부터 50mm 내지 200mm의 폭을 갖는다. 분사 장치의 하부에, 공기 예열기 또는 부속 설비의 앞에 놓여있는 마지막 혼합기의 라멜라는 바람직하게 촉매 컨버터의 각각의 층에 배열된 혼합기 내 라멜라 보다 큰 폭을 갖거나, 바람직하게는 두 배의 폭을 갖는다. 또한 혼합기 중 적어도 하나는 냉각 팬으로 그리고 활성 혼합기로 형성될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에 따르면 적어도 하나의 정류기는 연도 가스의 흐름 방향으로 볼 때 50mm 내지 200mm의 높이를 가지고 및/또는 흐름에 대해 평행하게 배치된 라멜라, 바람직하게는 1mm 내지 4mm의 강한 스트립으로 조성된다. 또한 적어도 하나의 정류기의 라멜라는 바람직하게 20mm 내지 50mm의 메시 폭을 갖는 격자 또는 바람직하게 20mm 내지 50mm의 간격으로 서로 평행하게 놓인 스트립으로 이루어진 그레이트(grate)를 형성한다. 여기서, 2개의 연속된 그레이트의 라멜라는 바람직하게 90°만큼 서로에 대해 선회된다.
본 발명의 의해 달성된 장점들은 특히 적어도 하나의 혼합기를 사용하여 환원제용 분사 장치를 갖는 정화 장치의 층별로 형성된 촉매 컨버터 뒤에서, 연도 가스, 초과량의 잔여 암모니아 및 여전히 존재하는 다른 잔여 가스들로 이루어진 혼합 가스의 균질성이 실제로 달성되도록 균일한 혼합이 달성된다는데 있다. 이러한 실제적으로 균질의 혼합물에서 서두에 언급된 원치않은 환원은 더 이상 나타나지 않는다.
하기에는 본 발명의 실시예가 도면에 의해 더 자세히 도시된다.
두 도면에서 서로 상응하는 부분들은 동일한 도면 부호를 갖는다.
예컨대 소수의 MW로부터 1000MV 이상까지의 열 출력을 갖는, 도시되지 않은 발전소의 증기 발생기로부터 나온 연도 가스(1)는 연도 가스 채널(2)을 통해 분사 장치(3)로 흐르게 된다. 상기 증기 발생기는 석탄, 폐기물 및/또는 기름으로 점화됨으로써, 오늘날 통상적으로 사용되는 높은 연소 온도에서는 어쨌든 연도 가스(1)와 함께 유출되는 산화 질소가 형성된다. 상기 분사 장치(3)는 연도 가스 채널(2)의 수평 섹션에서 비스듬하게 흐르는 연도 가스(1) 및 이동 불가능하게 배치된 라멜라(4')를 갖는 (제 2) 혼합기(4) 앞에 배치된다. 상기 혼합기(4)는 환원제, 예컨대 암모니아를 연도 가스(1)에 혼합시킨다. 이를 위해, 예컨대 환원제를 방출하는 첨가제(Z), 예컨대 요소가 연도 가스 채널(2) 내로 분사된다.
상기 연도 가스 채널(2)은 연도 가스 채널(2)에 비해 매우 확대된 횡단면을 갖는 촉매 컨버터 타워(5)의 상부 단부 내로 이어진다. 상기 촉매 컨버터 타워(5)는 30m 이하 또는 그 이상의 높이를 가지며 수직 레그(14)에 의해 지지된다. 상기 연도 가스 채널(2)로부터 촉매 컨버터 타워(5)로 이르는 전이 영역에는 편향 벽(6)이 배치되고, 상기 편향 벽(6)은 한편으로는 흐르는 연도 가스 또는 연도 가스 흐름(1)의 손실없는 편향을 보장하고 다른 한편으로는 연도 가스(1) 및 환원제로 이루어진 혼합 가스의 분리를 막는다.
연도 가스 채널(2)로부터 촉매 컨버터 타워(5) 내로 이르는 지점에 흐르는 연도 가스(1)에 대해 횡으로 정류기(7)가 제공되며, 상기 정류기(7)는 흐르는 연도 가스(1) 또는 연도 가스 흐름 내의 난류를 억제한다. 이를 통해, 모듈식 촉매 컨버터(8)의 가장 상부의 촉매 컨버터 층(8a) 내로 연도 가스(1)가 유입될 때의 부식 과정은 상당량 감소된다. 각각의 촉매 컨버터 층(8a 내지 8c)은 촉매 컨버터 타워(5) 내에 횡으로 고정된 지지 부재(9) 위에 놓이고 촉매 컨버터 타워(5)의 전체 횡단면에 걸쳐 연장된다. 두 개의 실시예에서 촉매 컨버터(8)는 자세히 도시되지 않은 방식으로 각각 4 ×4의 촉매 컨버터 모듈을 갖는 각각 3개의 층(8a 내지 8c)으로 이루어진다.
각각의 촉매 컨버터 층(8a 내지 8c)의 하부에는 바람직하게 예컨대 서로에 대해 평행하게 배치되어, 바람직하게 50mm 내지 200mm의 폭을 가지면서, 1mm 내지 4mm의 두께의 스트립으로 이루어진 라멜라를 포함하는, 바람직하게 마찬가지로 라멜라 방식의 고정식 혼합기(10)가 제공된다. 상기 라멜라(10')는 -혼합기(4)의 라멜라(4')와 마찬가지로- 그것의 종축에 대해 선회되어, 흐르는 연도 가스(1)에 대해 비스듬하게 배치된다. 이를 통해, 연도 가스(1)는 개별 촉매 컨버터 층(8a 내지 8c)가 새로운 촉매 컨버터로 통과한 후에 혼합되는 것을 보장한다. 특히 평균치 보다 높은 양의 환원제를 갖는 연도 가스 다발이 형성되는 것이 방지된다.
연도 가스(1)가 촉매 컨버터(8)의 가장 낮은 층(8c)으로부터 방출된 후에 흐르는 연도 가스(1)는 재차 수평 연도 가스 채널(11)로 편향된다. 여기서, 생성된 난류는 흐름 방향으로 볼 때 촉매 컨버터(8)의 뒤에 배치된 (제 1) 혼합기(12) 내에서 바람직하게 흐르는 연도 가스(1)에 대해 비스듬하게 서 있는 라멜라(12')에 의해 강화됨으로써, 산화 질소가 없는 연도 가스(1)가 실제로 균질의 혼합물로서 연도 가스 채널(11)을 통해 공기 예열기(15)로 흐른다. 상기 공기 예열기(15) 내에서 300℃ 이상의 온도로 나타나는 연도 가스는 자세히 도시되지 않은 방식으로 증기 발생기 내의 연소실로 공급된 연소 공기(16)를 가열한다. 또한 공기 예열기(15) 대신에 촉매 컨버터(8)의 뒤에는 연도 가스(1)가 흘러가는 다른 부속 설비가 배치될 수 있다.
촉매 컨버터(8)의 연속된 층(8a 내지 8c) 간의 실제 간격이 1m 내지 2m의 치수로 제공될지라도, 흐르는 연도 가스(1)는 소수의 지점에서 후속하는 촉매 컨버터 층(8b 내지 8c)에 대해 비스듬하게 나타난다. 여기서, 특히 촉매에 의한 활성 표면층 내에 원치않은 높은 침식이 나타날 수 있다. 이를 피하기 위해, 도 2에 따른 실시예에서 촉매 컨버터(8)의 개별 층(8b 및 8c) 앞에는 정류기(13)가 배치되는데, 상기 정류기(13)는 각각 모든 연도 가스 다발을 축에 대해 평행한 방향으로 분기시킨다.
상기 정류기(13)는 -혼합기(4, 10, 12) 및 정류기(7)와 마찬가지로- 라멜라 방식으로 형성되는데, 예컨대 1mm 내지 4mm 두께의 스트립으로 이루어진, 50mm 내지 200mm 폭의 라멜라(13')로 형성된다. 그러나, 상기 정류기(13)의 라멜라(13')및 상기 정류기(7)의 라멜라(7')는 예외없이 모두 흐르는 연도 가스(1)에 대해 평행하게 놓이고 평행한 라멜라로 이루어진 그레이트 또는 교차되는 라멜라(7', 13')로 이루어진 격자를 형성한다. 상기 정류기(13)가 그레이트로 형성될 경우에 연속으로 제공되는 그레이트는 연도 가스 흐름에 대해 평행한 축을 중심으로 예컨대 90°만큼 서로에 대해 선회된다.
혼합기(10)의 사용에 의해, 및/또는 아주 드물게는 혼합기(12)의 사용에 의해 탈질소 장치(촉매 컨버터)의 작동 안전성, 그리고 특히 흐르는 연도 가스(1)에서 흐름 하부에 놓인 공기 예열기(15)의 작동 안전성은 확실히 높아진다. 이는 특히 높은 산화 질소 증착율을 갖는 탈질소 장치에서 중요하다.
정화 장치는 부가로 사용된 혼합기(10 및 12) 및 경우에 따라 필요한 정류기(13)가 저가이고, 간단하게 설치될 수 있고 확실한 부품이기 때문에 경제적이다. 또한 이러한 부품에 의해 야기된 압력 강하는 촉매 컨버터(8)의 개별 층(8a 내지 8c) 내 압력 강하 보다 훨씬 더 작다. 가스의 양호한 혼합에 의해 몇몇 경우에는-이에 상응하는 설비의 최적화에 의해- 혼합기(12 및/또는 10)를 포함하지 않는 정화 장치와 비교해 볼 때 촉매 컨버터의 체적이 감소될 수 있다.

Claims (10)

  1. 환원제를 방출하는 첨가제(Z)용 분사 장치 및 산화 질소를 환원시키기 위한 촉매 컨버터(8)를 갖는, 연도 가스(1), 특히 화석 연료에 의해 점화되는 발전소 내 증기 발생기로부터 나온 연도 가스(1)용 정화 장치에 있어서,
    흐름 방향으로 볼 때 촉매 컨버터(8) 뒤에 환원제와 연도 가스(1)를 균일하게 혼합시키기 위한 제 1 혼합기(10, 12)가 제공되는 것을 특징으로 하는 정화 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 분사 장치(3)와 촉매 컨버터(8) 사이에는 연도 가스(1)의 흐름 방향으로 볼 때 연속해서 부가로 제 2 혼합기(4) 및/또는 흐르는 연도 가스(1)용 제 1 정류기(7)가 제공되는 것을 특징으로 하는 정화 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 2 혼합기(4)와 제 1 정류기(7) 사이에는 흐르는 연도 가스(1)용 편향 장치(6)가 제공되는 것을 특징으로 하는 정화 장치.
  4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    층별로 형성된 촉매 컨버터(8)에서 하나 또는 각각의 촉매 컨버터 층(8a 내지 8c)의 흐름 하부에 (제 1) 혼합기(10)가 제공되는 것을 특징으로 하는 정화 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 촉매 컨버터(8) 내에서 적어도 하나의 촉매 컨버터 층(8a, 8b, 8c)의 흐름 상부에는 흐르는 연도 가스(1)용 제 2 정류기(13)가 제공되는 것을 특징으로 하는 정화 장치.
  6. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 또는 각각의 혼합기(4, 10, 12)가 고정식 혼합기인 것을 특징으로 하는 정화 장치.
  7. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 또는 각각의 혼합기(4, 10, 12)가 흐르는 연도 가스(1)에 대해 비스듬하게 서 있는 이동 불가능한 라멜라(4', 10', 12')로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정화 장치.
  8. 제 3항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    라멜라 형태 또는 격자 형태로 형성된 정류기(7, 13)가 제공되는 것을 특징으로 하는 정화 장치.
  9. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매 컨버터(8)의 하부에 연결되어, 연도 가스(1)에 의해 가열된 공기 예열기(15)에서 상기 공기 예열기(15)의 앞에 (제 1) 혼합기(12)가 배치되는 것을 특징으로 하는 정화 장치.
  10. 상기 항들 중 어느 한 항 또는 다수의 항에 있어서,
    상기 촉매 컨버터(8)의 하부에 배치된 (제 1) 혼합기(12) 및/또는 상기 분사 장치(3)의 하부에 연결된 (제 2) 혼합기(4)는 개별 촉매 컨버터 층(8a 내지 8c)에 배열된 혼합기(10) 보다 폭이 큰 라멜라(12', 4')를 갖는 것을 특징으로 하는 정화 장치.
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