KR20020066411A - 질소산화물 제거 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경제적면에서 탁월할 뿐만 아니라 기존설비에 특별한 제한 없이 적용할 수 있는 커다란 장점을 가진 SNCR 공정이 실제 플랜트 적용에 있어서는 효율이 떨어져 적용이 기피되고 있는 점에 대하여 SNCR 공정 기술에서 가장 중요한 환원 반응제 분무지점, 시점, 방법에 대한 문제를 반응메카니즘 및 연소공정 또는 연소제어설비들과 연계하여 최적화하고 이를 위한 분무시스템을 개발함으로서 실험적 연구에서 밝혀진 질소산화물 제거효율인 70∼90%까지 향상시킬 수 있도록 하는 기술이다.

Description

질소산화물 제거 시스템{NITROGEN OXIDE REMOVE SYSTEM}

본 발명은 환경오염 방지 기술에 관한 것으로서, 특히 질소산화물을 제거할 수 있는 시스템에 관한 것이다.

산업과 경제의 발전 그리고 인간 생활수준의 향상에 따라 에너지의 소비 및 쓰레기의 발생량은 지속적으로 증가하고 이 에너지의 대부분은 화석연료의 연소에 의존하고 있다. 화선연료의 연소나 쓰레기 소각시 등 각종 연소로에서 발생하는 배기가스에는 황산화물(SO_x), 질소산화물(NO_X) 등 각종 오염물질이 포함되어 있어 인간생활공간인 대기오염을 심화시키고 있다. 그 중에서 질소산화물은 대기중의 수분 및 탄화수소와 더불어 광화학 현상을 일으키게 되며, 직접적으로는 인체의 호흡기 점막을 자극하여 기관지염과 같은 만성 호흡기 질환을 발생시키고 심할 경우 사망에 이르게 하는 원인 물질이다.

그러므로, 이에 대한 대책으로 국ㆍ내외적으로 질소산화물 배출에 대한 각종 환경규제를 강화하고 뿐만 아니라 근본적인 배출억제를 위해 보다 효율적이고 경제적인 질소산화물 제거 기술 개발에 심혈을 기울이고 있다.

한편, 연소공정에서 생성되는 질소산화물의 생성메카니즘에 대해서는 지금까지 많은 연구가 이루어져 비교적 상세하게 알려져 있으며, 일반적으로 연료에 화학적으로 결합된 질소성분의 산화에 의하여 생성되는 fuel NO_x와 대기중에 포함되어있는 질소성분의 열적고정(thermal fixation)에 의하여 생성되는 thermal NOx 및 연소공정 중에 생성되는 prompt NO_x로 구분되며, 그 메카니즘은 Zeldovich에 의하여 설명되고 있다.

이렇게 생성된 질소산화물의 제거방법으로는 연소전 제어(pre-combustion control)와 연소제어(combustion control)가 있으며, 이것만으로는 충분한 제어가 힘들기 때문에 일단 생성된 질소산화물의 제어 기술인 연소후 제어(post-combustion control)를 적용하기 위한 활발한 연구가 진행되고 있다. 그 중에서 stationary source NO_x는 mobil source NO_x와는 다르게 다량의 산소가 존재하고, 촉매의 사용시 촉매층의 압력강하, 분진이나 SO₂등에 의한 촉매의 피독과 촉매의 수명이 문제가 되므로 촉매를 사용하지 않는 선택적 반응(Selective Non-Catalyst Reduction)(이하 "SNCR"이라 함)과 촉매를 사용한 선택적 반응(Selective Catalyst Reduction)(이하 "SCR"이라 함)으로 크게 구분되어 발전하였다.

그러나, 그 동안 선택적 촉매환원 반응(SCR)을 응용한 반응이 효율적 측면에서 가장 우수하여 세계적으로 가장 널리 사용되는 질소산화물 제거기술로 적용되어 오고 있으나, 이 기술은 고가의 촉매를 사용해야 한다는 것은 물론 촉매의 활성이 산성유안(NH₄HSO₄)이나 배가스에 존재하는 먼지에 의하여 감소하므로 전기집진시설이나 탈황설비가 전공정에 설치되어야 하고 이럼에도 불구하고 주기적인 촉매의 활성화 복원작업 및 교체를 해주어야 하고 또 폐촉매는 그 자체로 특정유해물질로 취급되는 단점들이 있다.

그러므로 이러한 SCR 공정에 대한 단점을 보완하는 대안 공정으로서 촉매를 사용하지 않는 SNCR 공정의 연구 개발 노력이 활발히 진행되고 있는데, 이 SNCR 공정은 환원제로서 암모니아, 요소용액, 시안산, 라디칼 등을 사용하며 이 공정에 대한 반응메카니즘은 1975년 "Richard K. Lyon"가 출원한 미국특허 US 3,900.554에 잘 나타나 있는데 그 총괄반응식은 '수학식 1'과 같고 이 반응식은 대체로 널리 규명되어 있다고 볼 수 있으며, 임영일(1996, KAIST) 박사의 논문조사에서 밝힌 표 1을 통해서 질소산화물 공정들의 경제성을 비교해 볼 수 있다.

비 고	건 식 법	습 식 법
	SNCR	SCR	RADIATION	ADSOPTION	ADSOPTION-REDUCTION	OXDATION-ADSORPTION-REDUCTION
초기비용($/kw)	15.5	5∼10	86	25∼75	65∼127	84∼123
초기비용($/kw)	0.16	0.1∼0.12	0.51	0.1∼0.23	0.48∼0.74	0.67∼0.9
효 율(%)	90	60∼70	70	40∼50	60∼70	90

(* 비용기준은 발전소 전기생산량(KW) 기준으로 하였으며 100,000KW 발전소의 경우 그 배가스량은 약 140만 Nm3이다.)

한편, 전술한 SNCR 공정에 관한 종래의 질소산화물 제거 기술 특허는 국내에 출원중인 공개번호 제95-703488호와 공개번호 제95-703489호 및 미국특허 US 3900554, US 4325924, US 4770863, US 4803059, US 4844878 등에서 알 수 있듯이 그 대부분이 SNCR에 적용되는 환원제 및 이 환원제의 효율이나 성능개선을 위한 첨가물질에 대한 것이고, 본 출원과 같은 전체 시스템 및 분무장치에 관한 특허는 없는 것으로 조사되었다. 즉, 단지 위에서 언급한 환원제(암모니아, 요소용액, 시안산, 라디칼)를 적절한 분무기를 통해 적절한 고정 지점에 분무노즐을 통해 분무해 주는 것이 전부이다.

그러나, 전술한 바와 같이 SNCR에 의한 질소산화물 제거 효율을 향상시키기 위한 환원제 및 첨가제의 개발은 일정한 한계가 있음은 물론 특수한 화학물질의 사용으로 인해 운전비가 크게 증가하는 단점이 있다. 또한 종래에는 환원제 분무기가 고정되어 있으므로 고온 및 유해물질에 의한 부식이나 고장에 매우 쉽게 노출되어 교체가 잦게 되거나 때론 특수재질에 의한 주문제작으로 고비용 설비가 되는 문제점을 가지고 있다.

특히, 전술한 SNCR 공정은 환원제와 배가스중의 질소산화물의 반응온도(최적온도는 사용 환원제에 따라 다르나 NH₃의 경우 950℃ 전후)가 가장 중요하고 만약 이 적절한 온도에서 반응하지 않을 경우는 저온에서는 NH₃슬립(slip)이라는 또 다른 오염물질을 발생시키고 너무 고온에서 반응시키면 질소 산화물 제거를 위한 환원제가 오히려 산소와의 반응에 의해 질소산화물이 생성되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 제반적인 사안들을 감안한 것으로, 그 목적은 선택적 비촉매환원 메카니즘에 대한 충분한 이해와 응용을 바탕으로 강화되는 환경규제 및 막대한 질소산화물 배출 방지시설 설치비용에 대해 효과적으로 대응할 수 있도록 구성한 기술 및 장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 제1견지에 따른 본 발명은 경제적면에서 탁월할 뿐만 아니라 기존설비에 특별한 제한 없이 적용할 수 있는 커다란 장점을 가진 SNCR 공정이 실제 플랜트 적용에 있어서는 효율이 떨어져 적용이 기피되고 있는 점에 대하여 SNCR 공정 기술에서 가장 중요한 환원 반응제 분무지점, 시점, 방법에 대한 문제를 반응메카니즘 및 연소공정 또는 연소제어설비들과 연계하여 최적화하고 이를 위한 분무시스템을 개발함으로서 실험적 연구에서 밝혀진 질소산화물 제거효율인 70∼90%까지 향상시킬 수 있도록 구성된 질소산화물 제거 시스템을 제안한다.

도 1은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 연소실 내의 온도 분포를 등온선으로 나타낸 도면.

도 2는 질소산화물과 환원제의 반응영역 온도와 질소산화물 제거효율과의 상관관계를 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 질소산화물 제거 시스템을 도시한 블록도.

도 4는 도 3에서 도시하고 있는 환원제 분무장치의 구성을 도시한 단면도.

도 5는 도 3에서 도시하고 있는 질소산화물 제거 시스템을 배가스량 10,000Nm3/hr인 소각로에 설치한 상태를 도시한 블록도.

도 6는 각 온도계의 지시값과 그에 따른 분무기의 분사방향 변화의 예를 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

14: 분무기26: 회전체

100: 온도측정장치102: 환원제 분무시스템

104: 제어부

이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

우선, 화석연료 및 쓰레기의 연소실은 도 1에 도시한 바와 같이 운전조건에 따라 또는 수평적, 수직적 위치에 따라 특정시점에서의 특정지점의 온도는 다르다. 그러므로 본 SNCR 기술을 이용하여 이론적 및 시험적으로 가능한 질소산화물 제거효율을 얻고 미반응 NH₃을 억제하기 위해서는 환원제의 분무를 도 2에서 보는 바와 같이 적절한 온도범위에서 조절해 주어야 한다.

그러나, 기존의 SNCR법에 의한 질소산화물 제거장치 또는 시스템은 이에 대한 문제점을 해결하지 못하는 고정분무방식을 채택함으로써 이 방법에 의한 실제 적용 질소산화물 제거효율이 40% 정도로 낮을 뿐만 아니라 경우에 따라서는 미반응 환원제에 의해 또 다른 오염물질을 증가시키는 문제를 야기시키기도 하는 실정이다.

본 출원은 이러한 문제점을 해결하기 위해 각종 연소실은 운전조건 및 주어진 상황에 따라 위치 및 시간별로 다양한 온도분포를 갖는 다는 것을 플랜트 운전자료 및 컴퓨터 시뮬레이션(도 1과 같이)을 통해 확인하고 SNCR 법의 반응메카니즘 분석과 많은 실험을 통해 환원제를 최적 온도영역에 계속적으로 분무함으로써 질소산화물 제거효율을 높일 수 있음을 오랜 연구 끝에 알게 되었다.

도 2는 질소산화물과 환원제의 반응영역 온도와 질소산화물 제거효율과의 상관관계에 대한 그래프로서, 이와 같은 결과는 국ㆍ내외의 여러 연구논문 및 보고서 등에서 이미 증명되어 있고 본 발명을 위한 실험에서도 검증하였다. 상기 도 2를 보다 자세히 설명하면, 우리가 전술한 SNCR법을 이용하여 60% 정도의 질소산화물제거효율을 얻기 위해서는 분무지점 또는 반응영역의 온도가 약 850∼1140℃(A)의 범위로 조절되어야 한다. 또한 80% 정도의 질소산화물 제거효율을 얻기 위해서는 분무가능 온도영역이 전술한 "A"보다 훨씬 좁은 범위인 920∼1040℃(B)으로 조절되어야 함을 알 수 있다. 그리고 또 너무 고온 영역에 환원제를 분무하면 "C"에 표시한 것처럼 질소산화물 제거를 위해 분무한 환원제가 아래 반응과정을 통해 오히려 질소산화물을 생성하게 되며, 또 너무 낮은 온도 영역에 환원제를 분무하면 "D"와 같이 분무한 환원제가 미반응하여 그대로 빠져나와서 그것이 오히려 또 다른 오염물질이 되게 된다.

그러므로, 본 발명은 기존의 SNCR법에 의한 질소산화물 제거방법이 위와 같이 환원제를 계속적으로 최적의 반응온도영역에 분무시키지 못하는 문제점 때문에 제거효율이 낮게 되는 것을 해결하기 위해 도 3,4에 도시한 바와 같은 질소산화물 제거 시스템 및 환원제 분무장치의 개발을 통해 경제적이면서도 효율이 높은 질소산화물 제거장치로서 사용하고자 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 질소산화물 제거 시스템의 구성을 도시한 블록도로서, 상기 시스템은 배가스중의 질소산화물 제거를 위해 환원제를 분무할 최적 온도 영역을 감지하기 위한 온도감지장치(T/C, thermocouple)(100)가 설치 대상물의 용량과 크기에 따라 적정한 수량의 온도계(T/C 1. T/C 2, T/C 3, T/C 4, T/C 5)로 구성된다. 여기서 감지된 각 지점의 온도값은 환원제 분무시스템(102)에 입력되며, 바람직하게는 전기적 신호에 의해 설치 대상물의 용량과 크기에 따라 적절히 결정된 수량의 분무기(14)의 분무방향을 제어하기 위한제어부(104)로 전해진다. 또한 배가스 유량 및 질소산화물 농도에 따른 환원제 분무량의 제어가 필요한 경우 배가스 유량 및 질소산화물 농도에 관한 정보도 같이 외부의 각 장치로부터 전달받아 분무기(14)의 작동중지 혹은 autoretraction 및 분무량 조절기능을 하는 장치와 연결시킨다.

이렇게 접수된 입력정도를 바탕으로 제어부(104)는 전체 배가스에 골고루 및 최적 질소산화물 제거가능 온도영역(950℃ 전후)으로 환원제 분무방향을 제어하도록 각 분무기(14)에 제어신호를 보낸다. 이때 제어되는 분무기(14)의 설치상태 및 구성은 후술하는 도 4의 상세 설명에 의해 용이하게 이해될 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 환원제 분무장치, 바람직하게는 분무기(14)의 설치 상태를 도시한 단면도로서, 상기 분무기(14)의 내부에는 전/후 방향으로 이동하는 분무로드(16)가 결합되며, 이 분무로드(16)의 끝부분에는 노즐(18)이 설치된다. 이때 환원제는 전술한 분무로드(16)를 통해 유입된 다음 노즐(18)을 통해 연소실(12)로 분사되어진다.

전술한 분무기(14)의 상단면에는 유압 또는 공기압으로 작동하는 통상의 실린더(20)가 고정 설치되고, 상기 실린더(20)의 피스톤 로드(22)의 끝부분은 전술한 분무로드(16)의 끝부분과 브라켓(24)으로 연결 고정된다. 이때 전술한 분무로드(16)는 실린더(20)의 작동에 따라 전/후로 이동하게 된다.

한편, 전술한 분무기(14)가 조립된 연소실벽(10)에는 외측으로 돌출되도록 브라켓(30)이 설치되고, 이 브라켓(30)의 외면에는 지지대(28)가 고정 설치된다. 상기 지지대(28)의 내주면에는 볼 타입의 회전체(26)가 조립되어 상/하, 좌/우 방향으로 회전운동을 하며, 이러한 회전체(26)의 중심부에는 전술한 분무기(14)가 고정 설치된다.

전술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 분무장치는 환원제 분무지점 선정시 유사한 설비의 운전자료 및 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 최적위치를 결정하고 시간 및 운전조건에 따른 온도영역 변화에 대응하여서는 연소실(12)의 연소현황 모니터링을 위해 설치된 온도측정장치(100)를 통해 최적 반응온도 영역의 위치를 파악하고 환원제의 분무가 그 지점으로 분무가 될 수 있도록 도 4와 같이 분무기(14)의 분사방향을 상,하 및 좌,우 방향으로 변경시키도록 하는 것이다.

그리고 주어진 주변의 온도영역이 분무기(14)의 분사방향 전환에 의해서도 약 700℃ 이하 혹은 1200℃ 이상의 영역이 될 경우에는 분무를 중단하여 또 다른 오염물질 발생이나 질소산화물 배출농도를 증가시키는 것을 방지한다. 이때 분무를 위해 돌출된 분무기(14)는 분무가 중단되면 고온 및 유독가스에 의한 부식을 방지하기 위해 분무가 중단되는 즉시 실린더(20)의 작동에 따라 연소실벽(10) 쪽으로 이동되어진다. 그 이유는 환원제가 분무되는 동안은 환원제가 상온으로 공급되므로 분무기(14)를 냉각시켜 보호하는 역할을 하지만 환원제의 공급이 중단되면 이와 같은 기능이 없어지고 연소실(12)의 고온, 유독가스에 의해 분무기(14)가 부식되기 때문이다.

전술한 환원제 분무장치의 구성 및 기술개념을 좀더 구체적으로 서술하면, 선택적 비촉매환원법에 의한 탈질에 있어 가장 중요한 요소는 주입되는 환원제와 제거될 질소산화물(여기서는 주로 일산화질소)이 접촉하여 반응하는 영역의 온도이다. 그러므로 우리는 목표로 하는 효율 혹은 고효율을 얻기 위해서는 최적온도 지점에 이 환원제를 분무해야 하지만 여러 가지 이유에 의해 최적온도 영역은 고정되지 않고, 도 4의 "case1∼case3"과 같이 달라진다. 즉, 최적온도 지점이 case1 영역에서 case2 영역으로 바뀌면 분무기(14)는 전술한 도 3의 제어부(104)에 의해 분무방향을 전환하게 된다. 그리고 다시 case3과 같이 최적온도영역이 바뀌면 역시 분무기(14)는 분무방향을 바꾸는데, 이때 방향전환은 단속적이 아니고 연속적이며 부드럽게 움직이도록 되어 있고, 그 방향 또한 상,하는 물론 좌,우로도 자유롭게 움직인다. 즉, 전술한 회전체(26)를 중심으로 360°로 자유롭게 구동 가능하다는 뜻이며, 이 역할은 기계적 구동장치가 연결된 구형의 회전체(26)에 의해 달성된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 의거 상세히 설명하겠는 바, 상기 본 발명이 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.

{실시예 1}

본 발명의 시스템 구성은 도 3과 같지만 신설설비냐, 기존설비냐 또는 용량, 대상설비의 형태, 요구제거효율에 따라 이 시스템의 구성은 인젝터 위치, 개수, 용량, 제어방법 및 수준도 다양한 형태가 가능하도록 설계될 것인데 도 5는 그 중에서 배가스량 10,000Nm3/hr인 소각로의 경우에 대한 실시예를 나타내고 있다.

즉, 질소산화물 제거 대상 연소설비의 온도를 측정하기 위해 고온용 온도계 6개를 도 5에서 나타낸 것과 같이 설치하고 설치대상 설비의 용량 및 분무기의 환원제의 분무량의 계산에 따라 4개의 분무기를 상기 도 5에서 나타낸 것과 같이 설치하였다. 이때 설치되는 분무기의 위치는 설치된 온도계의 기록분석에 의해 대상설비가 가장 많은 시간 운전되는 조건에서 분사방향의 조절 없이도 주어진 제거효율을 얻을 수 있는 위치가 되도록 하였다. 한편 도 6은 전술한 실시예 1에 있어서 각 온도계의 지시값과 그에 따른 분무기의 분사방향 변환의 예를 나타낸 것이다.

이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명은 선택적 비촉매환원 메카니즘에 대한 충분한 이해와 응용을 바탕으로 저렴하면서도 효율도 높은 기술 및 장치를 사용하여 강화되는 환경규제 및 막대한 질소산화물 배출 방지시설 설치비용에 대해 효과적으로 대응할 수 있는 장점을 가지고 있다.

또한, 본 발명은 고온 및 유해물질에 의한 부식이나 고장에 매우 쉽게 노출되어 교체가 잦게 되거나 때론 특수재질에 의한 주문제작으로 고비용 설비가 되는 종래의 문제점들을 해결할 수 있다.

특히, 본 발명은 경제적인 면에서 탁월할 뿐만 아니라 기존설비에 특별한 제한 없이 적용할 수 있는 이점이 있으며, 질소산화물의 제거효율을 70∼90%까지 향상시킬 수 있는 상승적인 효과가 있다.

Claims (3)

1. 연소실(12) 내의 각종 유해가스를 제거하기 위한 시스템에 있어서,

   다수개의 온도계를 구비하며, 배가스중의 질소산화물 제거를 위해 환원제를 분무할 최적 온도 영역을 감지하기 위한 온도감지장치(100)와;

   상기 연소실(12)에 다수개의 분무기(14)들이 설치되며, 환원제를 상기 연소실(12) 내로 분사하기 위한 환원제 분무시스템(102)과;

   상기 온도감지장치(100)로부터 출력되는 각 지점의 온도값에 응답하여 상기 분무기(14)의 분무방향을 제어하기 위한 제어부(104)를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 제거 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 환원제 분무 시스템(102)은,

   상기 분무기(14)를 상,하 및 좌,우 방향으로 회전시킬 수 있도록 회전체(26)가 조립되며, 상기 분무기(14)에는 분무기의 분무로드(16)를 전/후 방향으로 이동시키는 실린더(20)가 설치됨을 특징으로 하는 질소산화물 제거 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 제어부(104)는 상기 분무기(14)가 최적온도 영역으로 환원제를 분무 가능하도록 제어함을 특징으로 하는 질소산화물 제거 시스템.