KR20040092497A

KR20040092497A - 고정원에서 발생되는 이산화질소 가시매연 저감방법

Info

Publication number: KR20040092497A
Application number: KR1020030025953A
Authority: KR
Inventors: 김두성; 이진구; 가명진; 이승재
Original assignee: 주식회사 코캣
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2004-11-04
Also published as: KR100597961B1; EP1470851A1; JP3968086B2; TW200424001A; US20040265200A1; CN100382874C; CN1550253A; TWI281014B; JP2004322094A

Abstract

본 발명은 고정 배출원의 연소공정에서 발생되는 이산화질소를 포함하는 배가스의 이동경로를 제공하는 배관(2), 상기 배관(2) 내부에 구비되어 상기 배관(2) 내부에 흐르는 배가스에 공기 및 환원제 또는 산화제를 분사하는 적어도 하나 이상의 노즐(4), 상기 노즐(4)로부터 분사되는 환원제 또는 산화제가 저장되어 있는 저장탱크(6), 상기 저장탱크(6)와 노즐(4) 사이에 연결설치되어 상기 저장탱크(6)에 저장된 환원제 또는 산화제를 노즐(4)로 이송하는 주입펌프(8) 및 상기 노즐(4)에 연결설치되어 공기를 공급하는 공기펌프(10)를 포함하는 배가스 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 종래의 선택적 촉매환원반응 등에서 필요로 하는 높은 초기 설치비 및 유지비를 필요로 하지 않는 경제적인 배가스 처리장치를 제공할 수 있다.

Description

고정원에서 발생되는 이산화질소 가시매연 저감방법{Cleaning Method of NO2 Visible Gas from Stationary Sources}

본 발명은 고정 배출원의 연소공정에서 발생되는 이산화질소를 제거하는 것에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고정 배출원의 연소공정에서 발생되는 이산화질소(NO₂) 등의 질소산화물을 포함하는 배가스의 이동경로에 환원제 또는 산화제를 분사하여 상기 이산화질소를 일산화질소 또는 질소로 전환시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.

고정 배출원의 연소공정에서 배출되는 배가스에 함유된 가스의 종류 및 농도는 사용하는 연료에 따라 크게 달라지는데, 고체(석탄) 및 액체(벙커C유 등)를 연료로 사용하는 고정 배출원의 경우, 주로 연료에 포함되어 있는 황 및 질소화합물이 연소되면서 황산화물(SOx) 및 질소산화물(NOx)이 배출된다.

특히, 고정 배출원에서 발생되는 질소산화물 중에서도 이산화질소는 대기중의 다른 화합물과 광화학반응을 일으켜 광화학스모그의 원인이 되는 광화학화합물및 오존을 발생시켜 인체 및 생태계에 막대한 영향을 초래하는 것으로 알려져 있다.

상기 이산화질소는 적갈색을 띄는 가스로 알려져 있는데, 이 가스는 배가스가 연돌을 통하여 배출될 때 색깔을 띄게 되는 가시매연 현상을 야기시켜 인근주민의 집단민원의 원인으로 작용하고 있으며, 이들 가시매연은 저 출력(90MW 이하)의 확산 연소시 주로 발생되고, 연돌 내부 가스의 체류시간이 길고, 유속 및 온도가 낮고, 연돌의 직경이 클수록 심한 것으로 보고되고 있다.

한편, 전술한 황산화물은 주로 석회석-석고법을 이용하여 제거하고 있고, 이산화질소의 경우에는 환원제를 주입하여 촉매상에서 질소와 물로 전환시켜 제거하는 선택적 촉매환원반응(Selective catalytic reduction; SCR)이 사용되고 있다.

상기 선택적 촉매환원반응에 사용되는 환원제로는 촉매 반응성 및 선택성이 높은 암모니아가 널리 사용되고 있으며, 일예로서 미국특허 제5,024,981호에는 티타니아 담체에 바나디움 및 텅스텐 등의 활성물질을 담지시킨 허니컴 구조의 촉매를 이용하여 배가스에서 배출되는 이산화질소를 선택적으로 제거하는 NH₃-SCR법이 개시되어 있다.

최근에는 고정 배출원의 연소공정에서 발생되는 환경오염 물질을 최소화하기 위하여 청정연료인 액화천연가스(LNG) 등의 가스를 사용하는 비중이 증가하고 있는데, 상기 가스를 연료로 사용할 경우에는 석탄 및 유분을 연료로 사용할 경우와 달리 연료에 질소화합물이 거의 포함되어 있지 않기 때문에 대부분 규제치 이하인 미량의 질소산화물만이 배출된다.

한편, 상기 가스를 연료로 사용하는 고정 배출원의 배가스에 포함되어 있는 질소산화물의 대부분은 공기중에 포함된 질소의 고온 산화에 의하여 생성되는 것으로, 이들의 농도는 연소공정에 사용되는 엔진의 부하 등과 같은 운전조건에 의존하게 된다.

이와 같이, 가스를 연료로 사용하는 고정 발생원에서 발생되는 미량의 이산화질소 가시매연을 제거하기 위하여 기존의 촉매를 이용한 선택적 촉매환원반응을 적용할 경우, 효과적으로 이산화질소를 제거할 수 있으나 촉매 설치에 따른 비용부담 및 압력손실 등의 문제점이 있다.

특히, 선택적 촉매환원반응의 경우 요구되는 촉매의 양은 제조사 또는 엔지니어링사가 제시하는 공간속도에 의하여 결정되는데, 상용화된 NH₃-SCR법의 경우에는 5,000 내지 7,000h^-1정도를 통상적으로 적용하고 있으며, 이에 따라 고정 발생원의 배가스의 유량은 발전량에 따라 다르지만 일반적으로 500,000 내지 1,000,000Nm³/h인 것을 감안하면 70 내지 200m³의 촉매 양이 필요하게 되므로 막대한 비용이 소요된다.

또한, 가스를 연료로 하는 고정 발생원의 경우 기존의 시스템에 촉매 반응기를 설치하면 차압에 의한 가스의 흐름이 방해받아 전단의 연소반응이 지대한 영향을 받을 수 있기 때문에 촉매 설치를 위한 설비확장이 필요하게 되어 적은 양의 이산화질소 가시매연을 제거하기 위하여 많은 투자비가 요구되는 문제점이 있으며,기존 설비의 경우 설치면적이 증가하게 되어 설비확장에 따른 부지확보가 어려운 문제점이 있다.

한편, 가스를 연료로 하는 고정 발생원 배가스의 경우, 가시매연의 농도가 가시치에 도달하는 시간은 운전부하에 따라 다르겠지만 일반적으로 30분 미만으로 비교적 짧기 때문에 이러한 짧은 시간동안 발생되는 이산화질소를 저감하기 위하여 SCR용 촉매를 충진하여 사용하는 것은 경제적인 측면에서 불리하여 전력생산 원가를 증진시키는 원인으로 작용하게 된다.

그러므로, 발전소 등에서는 배가스에 함유되어 있는 이산화질소를 다른 설비투자 없이 단순히 환원제 또는 산화제를 배가스가 유입되는 배관에 직접 주입하여 일산화질소와 질소로 전환시켜 제거할 수 있는 기술에 대한 요구가 높아지고 있다.

한편, 고온영역에서 환원제를 주입하여 질소산화물을 제거하는 기술로는 미국특허 제5,489,420호에 개시된 바와 같이, 암모니아류를 사용하여 950℃ 이상의 고온에서 질소산화물을 제거하거나, 미국특허 제5,443,805호 및 미국특허 제5,536,482호에 개시된 바와 같이 900 내지 1,200℃에서 암모니아류에 고분자류를 주입하여 제거하는 것이 개시되어 있다.

본 발명은 고정 배출원의 연소공정에서 발생되는 이산화질소를 함유한 배가스의 이동경로에 환원제 또는 산화제를 분사하여, 상기 이산화질소를 일산화질소또는 질소로 전환시켜 제거하는 장치 및 방법을 제공하는데 기술적 과제가 있다.

또한, 본 발명은 배가스의 이동경로에 환원제 또는 산화제를 분사하는 노즐 및 상기 노즐이 연결설치되어 환원제 또는 산화제의 이동경로를 제공하는 배관을 단열하여 상기 환원제 또는 산화제가 이산화질소와 반응하기 전에 연소되는 것을 방지하는 것에 기술적 과제가 있다.

또한, 본 발명은 배가스의 이동경로에 환원제 또는 산화제를 1단 또는 다단또는 각 단에서 순차적으로 주입함으로써 이산화질소와 환원제 또는 산화제의 접촉성을 용이하게 하여 상기 이산화질소의 제거효율을 증진시키는데 기술적 과제가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 배가스 처리장치를 나타내는 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 배가스 처리장치의 다른 양태를 나타내는 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 암모니아를 환원제로 이용한 이산화질소의 제거활성을 나타내는 도,

도 4는 본 발명에 따른 탄화수소류를 환원제로 이용한 이산화질소의 제거활성을 나타내는 도,

도 5는 본 발명에 따른 에탄올/이산화질소의 몰비에 따른 이산화질소의 제거활성을 나타내는 도,

도 6은 본 발명에 따른 실시예 8의 과산화수소를 산화제를 이용한 이산화질소의 제거활성을 나타내는 도,

도 7은 본 발명에 따른 노즐의 단열유무에 따른 에탄올을 환원제로 이용한 이산화질소의 제거활성을 나타내는 도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2 : 배관 4 : 노즐

6 : 저장탱크 8 : 주입펌프

10 : 공기펌프 12 : 연돌

14 : 관 16 : 조절수단

18 : 밸브 20 : 온도센서

한가지 관점에서, 본 발명은 가스를 연료로 하는 고정 배출원의 연소공정에서 발생되는 이산화질소를 포함하는 배가스의 이동경로를 제공하는 배관(2), 상기 배관(2) 내부에 구비되어 상기 배관(2) 내부에 흐르는 배가스에 공기 및 환원제 또는 산화제를 분사하는 적어도 하나 이상의 노즐(4), 상기 노즐(4)로부터 분사되는 환원제 또는 산화제가 저장되어 있는 저장탱크(6), 상기 저장탱크(6)와 노즐(4) 사이에 연결설치되어 상기 저장탱크(6)에 저장된 환원제 또는 산화제를 노즐(4)로 이송하는 주입펌프(8) 및 상기 노즐(4)에 연결설치되어 공기를 공급하는 공기펌프(10)를 포함하는 배가스 처리장치를 제공한다.

다른 관점에서, 본 발명은 200 내지 700℃의 중온으로 유지되는 배가스의 이동경로에 가스를 연료로 하는 고정 배출원의 연소공정에서 발생하는 이산화질소를 포함하는 배가스를 통과시키고, 상기 이동경로를 따라 흐르는 배가스에 환원제 또는 산화제를 분사하는 것을 포함하는 배가스 처리방법을 제공한다.

본 발명에 따른 배가스 처리장치에 있어서, 상기 배가스는 가스를 연료로 하는 고정 배출원의 연소공정에서 발생하는 배가스를 지칭하는 것으로서, 석탄 및 유분을 연료로 사용할 경우 발생되는 배가스에 비하여 이산화질소 등 질소산화물의 함량이 낮다.

상기 환원제 또는 산화제는 공기와 함께 노즐로부터 배가스로 분사되어 상기 배가스에 존재하는 이산화질소를 일산화질소로 환원시키거나 질소로 산화시키게 되는데, 그 사용량은 통상적으로 상기 배가스에 포함되어 있는 질소산화물에 대한 몰비로 적어도 0.1 이상 되도록 한다.

여기서, 상기 환원제는 이산화질소를 일산화질소로 환원시킬 수 있는 물질이라면 어느 것을 사용하여도 무방하며, 대표적으로 사용 가능한 물질은 암모니아, 암모니아수, 우레아 등의 암모니아류 및/또는 불포화탄화수소, 비균질계탄화수소 등의 탄화수소류가 있으며, 바람직하게는 암모니아수가 좋다.

또한, 상기 산화제는 이산화질소를 질소로 산화시킬 수 있는 물질이라면 어느 것을 사용하여도 무방하며, 대표적으로 사용 가능한 물질은 과산화수소(H₂O₂), 오존(O₃)등이 있으며, 추천하기로는 과산화수소가 좋다.

한편, 상기 공기는 노즐로부터 분사되는 본 발명에 따른 환원제 또는 산화제가 배가스에 광범위하게 분사될 수 있도록 하는 것으로서, 상기 환원제 또는 산화제와 반응성이 없는 불활성 기체라면 어느 기체라도 상기 공기를 대체하여 사용할 수 있지만 가격, 수득의 용이성 등을 고려하여 볼 때, 상기 공기를 상기 환원제 또는 산화제와 함께 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 환원제 또는 산화제는 상기 공기와 혼합되지 않은 상태에서 배가스로 분사될 수 있지만 상기 공기의 혼합 없이 환원제 또는 산화제만을 노즐로 분사시킬 경우 배가스 전체에 걸쳐 상기 환원제 또는 산화제가 분사되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 배가스 처리장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 배가스 처리장치의 구성을 나타내는 구성도, 도 2는 본 발명에 따른 배가스 처리장치의 다른 양태를 나타내는 구성도로서 함께 설명한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배가스 처리장치는 가스를 연료로 하는 고정 배출원의 연소공정에서 발생되는 이산화질소를 포함하는 배가스의 이동경로를 제공하는 배관(2), 상기 배관(2) 내부에 구비되어 상기 배관(2) 내부에 흐르는 배가스에 환원제 또는 산화제를 분사하는 적어도 하나 이상의 노즐(4), 상기 노즐(4)로부터 분사되는 환원제 또는 산화제가 저장되어 있는 저장탱크(6), 상기 저장탱크(6)와 노즐(4) 사이에 연결설치되어 상기 저장탱크(6)에 저장된 환원제 및/또는 산화제를 노즐(4)로 이송하는 주입펌프(8), 상기 노즐(4)에 연결설치되어 고압의 공기를 공급하는 공기펌프(10) 및 상기 배가스의 이동경로를 통과하며 처리된 배가스가 배출되는 연돌(12)로 구성된다.

본 발명에 따른 배관(2)은 가스를 연료로 하는 고정 배출원의 연소공정에서 발생되는 이산화질소를 포함하는 배가스가 유입되도록 그 일측이 고정 배출원과 연결설치되어 있으며, 그 타측으로는 상기 이산화질소를 포함하는 배가스가 배관(2)을 통과하며 처리된 후 외부로 배출될 수 있는 연돌(12)이 연결설치되어 있다.

본 발명에 따른 노즐(4)은 상기 배관(2)의 내부에 설치되어 공기와 환원제 또는 산화제를 상기 배관(2)을 통과하여 흐르는 이산화질소를 포함하는 배가스에 분사하기 위한 것으로서, 상기 목적을 달성할 수 있는 것이라면 어떠한 형태로 설치되어도 무방하지만, 바람직하게는 상기 배관(2) 내부 일측에 1단 또는 다단으로 설치되어, 상기 배관(2)을 따라 유입되는 이산화질소를 포함하는 배가스에 공기와 환원제 또는 산화제를 용이하게 분사할 수 있도록 하는 것이 좋다.

여기서, 1단이라 함은 하나의 관(14)에 다수개의 구멍을 구비시킨 뒤 상기 다수개의 구멍에 노즐(4)를 체결하여 구성한 것을 의미하며, 상기 1단을 적어도 하나 이상 구비시킨 것을 다단이라 한다.

한편, 본 발명에 따른 배가스 처리장치는 필요에 따라서, 상기 관(14)의 내부를 통과하여 흐르는 유체의 흐름을 조절할 수 있도록 상기 관(14)의 일측에 밸브(18)를 구비하고, 상기 배관(2)을 흐르는 배가스의 온도를 측정하는온도센서(24)를 상기 배관(2) 내부에 적어도 하나 이상 구비시킨 뒤 상기 온도센서(24)와 밸브(18)에 연결설치되어 상기 온도센서(24)로부터 입력되는 온도 데이터를 근거로 밸브(18)를 개폐시키도록 한 조절수단(16)을 더 구비할 수 있다.

이때, 상기 온도센서(24)는 상기 배관(2)을 흐르는 배가스의 온도를 용이하게 측정할 수 있는 위치라면 배관(2) 내부의 어느 곳에 설치되어도 무방하다.

한편, 본 발명에 따른 배가스 처리장치는 필요에 따라, 노즐(4) 및 상기 노즐(4)이 연결설치되어 있는 관(14)의 외주면을 단열재로 처리하여 200 내지 700℃의 온도로 배출되는 배가스에 의해 환원제 또는 산화제가 연소되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 고열로부터 노즐(4) 및 관(14)의 내부를 흐르는 산화제 또는 환원제를 좀 더 효율적으로 보호하기 위하여, 상기 단열재를 사용하는 것 외에 관(14) 및/또는 노즐(4)의 내부에 공기가 이동할 수 있는 이동경로(미도시)를 구비시킨 후 상기 공기가 이동할 수 있는 이동경로에 외부의 차가운 공기를 이동시켜 고온의 배가스로부터 산화제 또는 환원제가 연소되는 것을 방지할 수 있다.

이상에서 설명한 상기 노즐(4)은 공기와 환원제 또는 산화제를 분사하기 위한 것으로서, 그 일측으로는 외부로부터 공기를 공급받아 압축하는 공기펌프(10)가 연결설치되어 있고, 환원제 또는 산화제를 공급받을 수 있도록 한 주입펌프(8) 및 상기 환원제 또는 산화제가 저장되어 있는 저장탱크(6)가 순차적으로 연결설치되어, 상기 주입펌프(8)를 동력원으로 하여 상기 저장탱크(6)에 저장되어 있는 환원제 또는 산화제를 노즐(4)로 이송시킨다.

이때, 상기 공기펌프(10)는 압축공기를 상기 환원제 또는 산화제와 함께 노즐(4)로 이송시켜 상기 환원제 또는 산화제를 고압으로 분사시킴으로써 이산화질소를 포함하는 배가스와 환원제 또는 산화제가 서로 용이하게 혼합되도록 한다.

전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 배가스 처리장치의 작동기작을 살펴보면 다음과 같다.

가스를 연료로 하는 고정 배출원의 연소공정에서 이산화질소를 함유한 배가스가 발생하면, 상기 배가스를 노즐(4)이 구비된 배관(2)으로 이송시킨다.

그 다음, 저장탱크(6)에 채워져 있는 환원제 또는 산화제를 주입펌프(8)를 이용하여 노즐(4)로 이송시키고, 이와 동시에 공기펌프(10)를 이용하여 외부의 공기를 노즐(4)로 이송시킨다.

그 다음, 상기 배관(2)의 내부에 구비된 노즐(4)로 이송된 공기 및 환원제 또는 산화제는 상기 배관(2)을 통과하며 흐르는 이산화질소를 포함하는 배가스에 분사되어 상기 이산화질소를 일산화질소로 환원시키거나 질소로 산화시켜 제거한 뒤 상기 일산화질소 또는 질소로 전화되어 처리된 배가스를 상기 배관(2)의 종단부에 연결설치된 연돌(12)로 통과시켜 외부로 배출하게 된다.

여기서, 상기 공기펌프(10)에서 압축된 압축공기는 상기 환원제 또는 산화제와 함께 노즐(4)로 이송되어 상기 환원제 또는 산화제를 고압으로 분사시켜 이산화질소를 포함하는 배가스와 환원제 또는 산화제가 서로 용이하게 혼합되도록 한다.

한편, 본 발명에 따른 배가스 처리장치는 그 일측에 온도센서(24)로부터 입력되는 온도 데이터를 근거로 밸브(18)를 개폐시키도록 한 조절수단(16)을 이용하여 좀더 효율적으로 배가스를 처리할 수 있다.

먼저 장치의 구성은 배관(2)의 내부에 다수개의 노즐(4)이 설치되어 있는 관(14)을 적어도 하나 이상 구비시킨 뒤 상기 관(14)을 주입펌프(10) 및 공기펌프(8)에 연결설치하고, 상기 배관(2)의 내부에 온도센서(20)를 적어도 하나 이상 구비되도록 이루어져 있다.

여기서, 상기 각각의 관(14) 일측에는 밸브(18)가 구비되어 있으며, 상기 밸브(18) 및 온도센서(20)는 조절수단(16)에 연결설치되어 있다.

먼저 가스를 연료로 하는 고정 배출원의 연소공정에서 이산화질소를 함유한 배가스가 발생하면, 상기 배가스를 다수개의 노즐(4)이 설치되어있는 관(14)이 구비된 배관(2)으로 이송시킨다.

이때, 상기 배관(2)의 내부에 구비된 온도센서(20)로 상기 배관(2)으로 유입되는 배가스의 온도를 측정하여 그 데이터를 조절수단(16)으로 송신한다.

그 다음, 상기 조절수단(16)은 상기 온도센서(20)로부터 입력되는 온도 데이터를 근거로 산화 또는 환원을 시키기에 적당한 온도범위 예를 들면, 200 내지 700 ℃의 온도에 위치하는 노즐(4)이 설치되어 있는 관(14)의 밸브(18)를 개방시키고 이를 제외한 나머지 관(14)의 밸브(18)는 차단시킨다.

그 다음, 저장탱크(6)에 채워져 있는 환원제 또는 산화제를 주입펌프(8)를 이용하여 상기 밸브(18)가 개방된 관(14)으로 이송시키고, 이와 동시에 공기펌프(10)를 이용하여 외부의 공기를 상기 밸브(18)가 개방된 관(14)로 이송시키다.

그 다음, 상기 배관(2)의 내부에 구비된 밸브(18)가 개방된 관(14)으로 이송된 공기 및 환원제 또는 산화제는 상기 관(14)에 설치된 노즐(4)을 통과하여 배관(2)을 흐르는 이산화질소를 포함하는 배가스에 분사됨으로써 상기 이산화질소를 일산화질소로 환원시키거나 질소로 산화시켜 제거한 뒤 상기 일산화질소 또는 질소로 전화되어 처리된 배가스를 상기 배관(2)의 종단부에 연결설치된 연돌(12)로 통과시켜 외부로 배출하게 된다.

이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나 하기의 실시예는 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

<실시예 1>

암모니아를 환원제로 이용한 이산화질소의 제거활성

도 1에 도시된 바와 같이, SUS 304로 원통형 관[높이 15cm, 너비 15cm, 길이 100cm]으로 배관을 제작한 후 상기 제작된 배관 내부에 다수개의 노즐[TN050-SRW, 토탈노즐, 대한민국]이 20cm 간격으로 구비된 관을 4개 설치하였다.

그 다음, 저장탱크에 환원제로 암모니아수[두산, 대한민국]를 채워 넣고 상기 저장탱크를 주입펌프[M930, 영린, 대한민국]에 연결설치하고, 상기 주입펌프[M930, 영린, 대한민국]를 상기 노즐[TN050-SRW, 토탈노즐, 대한민국]이 구비된 관에 연결설치하였다.

그 다음, 상기 노즐[TN050-SRW, 토탈노즐, 대한민국]이 구비된 관에 외부로부터 공기를 공급하는 공기펌프[HP2.5, 에어뱅크콤프레샤, 한국]를 연결설치하였다.

그 다음, 가스를 연료로 하는 연소공정에서 발생되는 배가스의 조성과 유사한 조성의 유입가스를 상기 SUS 304로 직사각형 관으로 제작된 배관으로 주입시켰다. 여기서, 상기 유입가스의 조성을 표 1로 나타냈다.

유입가스의 조성

성상	NO	NO₂	CO	O₂	H₂O	N₂
	60ppm	50ppm	170ppm	14%	6%	발란스

한편, 상기 유입가스가 배관을 통과함과 동시에 상기 공기펌프[HP2.5, 에어뱅크콤프레샤, 한국] 및 주입펌프[M930, 영린, 대한민국]를 이용하여 외부 공기 및 상기 저장탱크에 채워져 있는 암모니아수를 노즐[TN050-SRW, 토탈노즐, 대한민국]로 이송시켜 배관 내부에 분사하였다.

이때, 상기 배관 내부의 온도는 전기로[기보, 대한민국]를 이용하여 500 내지 700℃의 온도를 유지하도록 하였으며, 온도는 K형 열전대를 이용하여 측정하였고, 상기 암모니아/이산화질소의 몰비는 2가 되도록하고, 상기 노즐[TN050-SRW, 토탈노즐, 대한민국]에서 분사되는 암모니아수[두산, 대한민국]와 배관을 통과하는 배가스의 접촉시간은 0.731초가 되도록 하였다.

또한, 반응 전후의 배가스는 휴대형 NOx 분석기[MKⅡ, 유로트론, 이탈리아]를 이용하여 분석하였으며, 이산화질소의 전환율은 하기 수학식 1로 계산하였다.

그 결과를 도 3으로 나타냈다.

<실시예 2>

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 암모니아수 대신 에탄올을 환원제로 하여 실시하였으며, 에탄올/이산화질소의 몰비는 2였다.

그 결과를 도 4로 나타냈다.

<실시예 3>

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 암모니아수 대신 아세톤을 환원제로 하여 실시하였으며, 아세톤/이산화질소의 몰비는 2였다.

그 결과를 도 4로 나타냈다.

<실시예 4>

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 암모니아수 대신 메탄올을 환원제로 하여 실시하였으며, 메탄올/이산화질소의 몰비는 2였다.

그 결과를 도 4로 나타냈다.

<실시예 5>

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 암모니아수 대신 LNG를 환원제로 하여 실시하였으며, LNG/이산화질소의 몰비는 2였다.

그 결과를 도 4로 나타냈다.

<실시예 6>

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 암모니아수 대신 LPG를 환원제로 하여 실시하였으며, LPG/이산화질소의 몰비는 2였다.

그 결과를 도 4로 나타냈다.

<실시예 7>

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 암모니아수 대신 에탄올를 환원제로 하여 실시하였으며, 에탄올/이산화질소의 몰비를 1 내지 2로 변화시키면서 이산화질소의 제거활성을 측정하였다.

그 결과를 도 5로 나타냈다.

<실시예 8>

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 환원제인 암모니아수 대신 산화제인 과산화수소를 사용하여 실시하였으며, 과산화수소/이산화질소의 몰비는 1이었다.

그 결과를 도 6으로 나타냈다.

<실시예 9>

실제현장시험에서 에탄올을 환원제로 이용할 때 노즐 단열유무에 따른 이산화질소의 제거활성을 실험하기 위하여 110MW 급 LNG 발전소[서인천화력발전소, 대한민국]에서 실시예 1에 따른 장치를 제작한 후 이산화질소의 제거활성을 실증시험을 하였으며, 이때 암모니아수 대신 에탄올을 사용하여 실시하였으며, 에탄올/이산화질소의 몰비는 1로 조절하였다.

한편, 실험 초기에는 노즐을 단열하지 않은 상태에서 실험을 한 후 상기 노즐 및 상기 노즐이 연결설치된 관을 단열시킨 뒤 실험을 실시하였다.

그 결과를 표 2로 나타냈다.

<실시예 10>

실시예 9와 동일한 방법으로 실시하되, 에탄올/이산화질소의 몰비는 3으로 조절하였다.

그 결과를 표 2로 나타냈다.

<실시예 11>

실시예 9와 동일한 방법으로 실시하되, 에탄올/이산화질소의 몰비는 5로 조절하였다.

그 결과를 표 2로 나타냈다.

	에탄올/NO₂몰비	단열 전 제거율(%)	단열 후 제거율(%)
실시예 9	1	25.9	37.8
실시예 10	3	54.3	66.2
실시예 11	5	82.6	94.8

노즐 및 관 단열 후에 이산화질소의 제거율이 증가함을 알 수 있다. 이는 엔진부하가 증가함에 따른 온도영역인 500 내지 650℃인 경우, 에탄올은 노즐에 도착하기도 전에 일부 산화되어 이산화질소에 대한 반응성이 떨어지는 원인이 되므로, 노즐 및 배관에 단열재를 사용하여 단열을 함으로서 에탄올 산화를 억제하여 이산화질소의 제거율을 증가시키는 결과를 도출하였다.

<실시예 12>

110MW 급 LNG 발전소[서인천화력발전소, 대한민국]에서 에탄올/이산화질소의 몰비를 3으로 하고, 온도를 350 내지 650℃로 변화시키면서 NO₂제거활성을 측정하였다.

그 결과를 도 7에 나타냈다.

도 7에 도시된 바와 같이, 배가스의 온도가 500℃이상으로 온도가 올라가면서 환원제인 에탄올이 산화되면서 이산화질소의 제거활성이 급격히 감소하였다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 전술한 바와 같이 고정 배출원의 연소공정에서 발생하는 이산화질소를 포함하는 배가스에 환원제 또는 산화제를 주입하여 이산화질소를 일산화질소로 환원시키거나 질소로 산화시켜 제거함으로써, 종래의 선택적 촉매환원반응 등에서 필요로 하는 높은 초기 설치비 및 유지비를 필요로 하지 않는 경제적인 배가스 처리장치를 제공할 수 있다.

Claims

고정 배출원의 연소공정에서 발생되는 이산화질소를 포함하는 배가스 중 이산화질소를 제거하는 장치에 있어서,

배가스의 이동경로를 제공하는 배관(2), 상기 배관(2) 내부에 구비되어 상기 배관(2) 내부에 흐르는 배가스에 공기 및 환원제 또는 산화제를 분사하는 적어도 하나 이상의 노즐(4), 상기 노즐(4)로부터 분사되는 환원제 또는 산화제가 저장되어 있는 저장탱크(6), 상기 저장탱크(6)와 노즐(4) 사이에 연결설치되어 상기 저장탱크(6)에 저장된 환원제 또는 산화제를 노즐(4)로 이송하는 주입펌프(8) 및 상기 노즐(4)에 연결설치되어 공기를 공급하는 공기펌프(10)를 포함하는 배가스 처리장치.
제 1항에 있어서,

상기 노즐(4)이 적어도 하나 이상 연결설치된 관(14)을 하나의 단으로 하여 적어도 하나 이상의 단이 배관(2) 내부에 설치되고, 상기 단을 통하여 공기 및 환원제 또는 산화제가 배가스로 분사되도록 한 것을 특징으로 하는 배가스 처리장치.
제 2항에 있어서,

상기 관(14)의 일측에 위치하여 각각의 관(14) 내부를 통과하여 흐르는 유체의 흐름을 조절할 수 있도록 한 밸브(18), 상기 배가스의 이동경로를 제공하는 배관(2)에 적어도 하나 이상 구비되어 상기 배관(2)을 흐르는 배가스의 온도를 측정하는 온도센서(24) 및 상기 온도센서(24)와 밸브(18)에 연결설치되어 상기 온도센서(24)로부터 입력되는 온도 데이터를 근거 밸브(18)를 개폐시키도록 한 조절수단(16)이 더 구비된 것을 특징으로 하는 배가스 처리장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 노즐(4), 관(14) 또는 노즐(4) 및 관(14)의 외주면을 단열재로 감싸 고고열의 배가스로부터 열을 차단하거나 상기 노즐(4), 관(14) 또는 노즐(4) 및 관(14)의 내부에 공기가 이동할 수 있는 이동경로를 구비시켜 상기 이동경로에 차가운 공기를 이동시킴으로써 고열의 배가스로부터 열을 차단하는 것 또는 상기 단열재 및 공기의 이동경로를 모두 구비시켜 고열의 배가스로부터 열을 차단하는 것을 특징으로 하는 배가스 처리장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 산화제가 과산화수소, 오존 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 배가스 처리장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 환원제가 암모니아류 또는 탄화수소류인 것을 특징으로 하는 배가스 처리장치.
제 6항에 있어서,

상기 암모니아류가 암모니아 가스, 암모니아수, 우레아 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 배가스 처리장치.
제 6항에 있어서,

상기 탄화수소류가 불포화탄화수소, 불균일계탄화수소 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 배가스 처리장치.
제 1항 내지 제 8항에 따른 배가스 처리장치의 배관으로 이산화질소를 포함하는 배가스를 통과시키고, 상기 배관을 따라 흐르는 이산화질소를 포함하는 배가스에 환원제 또는 산화제를 분사하는 것을 포함하는 배가스 처리방법.