KR20070019924A

KR20070019924A - 무촉매 탈질설비의 노즐 배치방법과 배기가스 처리장치

Info

Publication number: KR20070019924A
Application number: KR1020050103342A
Authority: KR
Inventors: 김병효; 박유리; 박태성
Original assignee: 주식회사 한산-이; 박유리
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2007-02-16

Abstract

본 발명은 배기가스처리용 무촉매 탈질설비 SNCR( SELECTIVE NON CATALYTIC REDUCTION)의 탈질 효율을 향상시키도록 하는 노즐의 배치방법과 배기가스 처리시설에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 로 내부의 온도(1100도 - 1300도)가 아무리 높아도 로 벽면의 온도는 열 발산에 의해 낮아짐에 착안하여 로 벽면을 기준으로 일정이상의 분사각도로 환원제를 분사하여 고온에서도 탈질 효율을 향상시켰으며 고온영역에서부터 탈질반응을 이룩하므로 로 온도의 고온시 질산화물의 급격한 헌팅과 환원제 사용량의 과다를 방지하며 특히 고온에서 배기가스의 체적팽창에 따른 환원제의 충분한 환원반응시간(0.2초-2초) 미확보에 따른 탈질반응효율 저하를 방지하였다.

또한 본 발명은 환원제 분사노즐의 배치에 관한 것으로 일반적인 환원제 분사노즐은 연소실 온도에 따라 상하 방향으로 2단에서 그이상의 단으로 배치되나, 본 발명은 일반적인 환원제 분사노즐의 하부에 환원제를 7O도에서 150도의 광각으로 분사시키는 노즐을 설치하여 소각로 화염표면의 환원제 적정 반응영역에 분사되어 고온(1050 ^oC 이상)에서도 최적의 반응효율을 형성시키도록 환원제 분사노즐을 배치하는 것이다.

질소산화물, 환원제, 유체분사, 촉매탑

Description

무촉매 탈질설비의 노즐 배치방법과 배기가스 처리시설{Nozzle arrangement method and exhaust processing equipment of selective non-catalytic reduction}

도 1은 수직방향의 로에서 본 발명의 노즐이 배치되고 배기가스 처리시설로 SCR중 촉매탑만이 설치된 구성도

도 2는 수직 수평방향의 로에서 본 발명의 노즐이 배치되고 배기가스 처리시설로 SCR중 촉매탑만이 설치된 구성도

도 3은 수직방향의 로에서 본 발명의 노즐이 배치되고 배기가스 처리시설로 선택적 촉매반응탑(SCR)이 설치된 구성도

도 4는 수직형 로에서 연소에 따른 탈질반응구간과 본 발명의 노즐이 배치되어 분사될 경우 분사 궤적도

도 5는 수직형 로에서 연소에 따른 탈질반응구간과 본 발명의 노즐이 배치되어 분사될 경우 탈질 반응영역 표시도

도 6은 수직형 로에서 연소에 따른 탈질반응구간과 본 발명의 노즐이 로 하부에 설치되어 분사될 경우 탈질 반응영역 표시도

도 7은 본 발명의 노즐이 배치되고 절탄기 출구가스를 이용하여 여과집진기(B/F) 출구가스를 가열하는 열교환기를 설치하고 그 가열된 가스가 후단촉매에서 2 차 탈질반응 하도록 하는 구성도

도 8은 본 발명의 노즐이 배치되고 여과집진기(B/F)출구에 촉매층(촉매탑)이 설치되어 탈질반응 하도록 하는 구성도

도 9는 수직, 수평형으로 이루어진 로에서 연소에 따른 탈질반응구간과 본 발명의 노즐이 배치되어 분사될 경우 분사 궤적도

도 10은 연소에 따른 탈질반응구간과 본 발명의 노즐이 배치되어 분사될 경우 탈질 반응영역 표시도

도 11은 연소에 따른 탈질반응구간과 본 발명의 일반각노즐과 일반적인노즐이 로 하부에 설치되어 분사될 경우 탈질 반응영역 표시도

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

N-1,N-2,N-3,N-4 : SNCR 노즐 31 : 보일러

32 : 절탄기 33 : 반건식 반응탑 34 : 여과 집진기

35 : 열교환기 36 :닥트버너 37 : 환원제공급장치

42 : 유인송풍기 101 :촉매탑 110 : 촉매

본 발명은 무촉매 반응설비(SNCR:selective non-catalytic reduction)의 노즐 및 노즐의 배치방법과 배기가스 처리시설에 관한 것으로, 보일러나 소각로 또는 가열로 등의 연소로에서 발생되는 유해 가스 중 질소산화물(NOx)을 처리하는 무촉 매 반응설비에 있어서, 연소로의 온도가 1050 ^oC 이상 시 질소산화물(NOx)을 효과적으로 제거하도록 하는 무촉매 탈질설비의 노즐 배치방법과 배기가스 처리시설을 제공하는 것이다.

일반적으로 무촉매 반응설비는 환원제를 로 내부로 분사시키는 환원제 분사장치인 환원제 분사 노즐이 다단으로 설치되어 있으며, 상기 환원제 분사 노즐에서 요소수, 암모니아수 등의 환원제를 공기와 혼합하여 무화 액체 상태로 질소산화물 발생부위의 870~1050 ^oC 온도 영역에 분사하므로서 연소시 발생하는 질소산화물(NOx)을 제거하도록 되어 있다.

그러나 상기된 환원제 분사노즐에서 무화액체 상태로 분사되는 환원제는 저온에서는 암모니아(NH₃)가 미반응 상태로 슬립(SLIP)되는 현상이 일어나고, 고온에서는 산화하여 또 다른 질소 산화물을 생성하게 되므로 환원제가 반응하는 적정온도(870~1050 ^oC)를 유지하여야만 무촉매 탈질 설비에서 안정적으로 질소산화물을 제거 할 수 있는 것이었다.

그리고 도 6 또는 도 11에 도시되어 있는 바와 같이 일반적인 SNCR 노즐(N-1)(N-2)(N-3)이 로 내부를 향하여 환원제를 분사하게 설치된 경우, 반응구간이 도면에 표시된 B 구간일 경우 SNCR 노즐(N-1)에 의해 환원제가 분사되어 반응 단면적은 도면과 같이 녹색으로 도시되고, C 구간일 경우 SNCR 노즐(N-2)에 의해 환원제가 분사되어 반응 단면적은 도면과 같이 보라색으로 도시되며, D 구간일 경우 SNCR 노즐(N-3)에 의해 환원제가 분사되어 반응 단면적은 도면과 같이 적색으로 도시 됨을 알 수 있으며, 여기서 반응 구간별 반응에 필요한 단면적이 특별히 증가되지 않음을 알 수 있다.

따라서 도 5 또는 도 10에 도시된 바와 같이 개선된 SNCR 노즐(N-1)(N-2)(N-3)(N-4)이 설치 및 배치된 경우 반응구간이 B 구간일 경우 SNCR 노즐(N-1)(N-4)노즐에 의해 환원제가 분사되어 반응 단면적은 녹색으로 도시되고, C 구간일 경우 SNCR 노즐(N-2)(N-4)노즐에 의해 환원제가 분사되어 반응 단면적은 보라색으로 도시되며, D 구간일 경우 SNCR 노즐(N-3)(N-4)노즐에 의해 환원제가 분사되어 반응 단면적은 적색으로 도시 됨을 알 수 있으며, 여기서 반응 구간별 반응에 필요한 단면적이 도 6 또는 도 11에 비해 특별히 증가됨을 알 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 안정적 운전을 이루도록 하므로서 열 부하 변동이 심한 소각로, 고온의 가열로, 보일러에서 발생하는 가스 중 유해 가스인 질소산화물을 보다 효율적으로 제거함과 동시에 미 반응된 슬립 환원가스를 재반응시켜 질소산화물을 처리하도록 하는 것이다.

본 발명은 그 목적달성을 위해 연소과정에서 발생되는 연소가스 중 질소산화물을 효율적으로 제거하고 슬립환원 가스를 재 반응되도록 하여 슬립 환원 가스를 최소화하기 위하여 일반적인 SNCR 노즐의 최하부 노즐 또는 그 하단부에 개선된 노즐을 설치함을 특징으로 하며, 상기노즐의 팁은 환원제의 상하 분사각도를 기존의 30내지 90도의 환원제 분사각도에서 70도에서 150도까지 광각으로 분사 되게 하고, 2유체 분사노즐에 의해 연소실 가스 통로의 전 단면적에 골고루 분사될 수 있도록 하는 한편 연소가스의 온도에 따라 무화 입자의 크기와 분사량을 조절할 수 있도록 하였고, 무화 된 환원제는 무화입도(입자무게) 및 분사각도에 따라 연소실 하부로 로의 벽면에 가깝게 분사되도록 노즐의 환원제분사방향을 하부, 상하부 혼용으로 하여 넓은 각도로 분사시킨다.

그 이유는 로 내부(연소실)의 온도가 환원제 반응온도보다 높은 1050 ^oC 이상 에서도 로 내벽의 벽면에서 가까운 부분의 온도는 벽면의 열손실과 수관이 설치된 경우 흡열 등으로 인하여 적정 환원제 반응구간으로 존재하기 때문이며, 또한 하부로부터 반응구간이 형성되므로 고온에서도 반응에 필요한 충분한 체류시간이 확보되고 탈질효율을 증가시킬 수 있기 때문이다.

한편 연소실에 SNCR이 설치되어 가동될 경우 필연적으로 미반응 환원제(암모니아)가 후단설비로 이동하여 비산재에 침적되어 배출되거나 또는 굴뚝으로 배출되고, 여기서 굴뚝으로 배출되는 배기가스 중에는 암모니아가스가 혼합되어 있어 여과집진기 후단부에 설치된 촉매탑의 촉매를 통과할 경우 추가적인 탈질효과를 발휘하게 된다.

일반적으로 탈질촉매의 활성도는 배기가스온도가 150 ^oC인 경우 45%이고, 200 ^oC에서 70%, 280 ^oC도에서 85%, 320 ^oC에서 95%, 350 ^oC에서 99%효율을 나타내게 되며, 본 발명은 무촉매탈질설비의 노즐배치방법으로 20 - 50ppm의 질소산화물 배 출농도에 추가적으로 촉매반응탑에서 (배출가스온도가 150 ^oC일 경우)45%의 제거효율을 발휘할 경우 11 - 28ppm의 질소산화물을 안정적으로 배출하게 되는 것으로, 여기서 여과집진기의 여과포의 사용온도가 150 ^oC 이상이면 탈질효율은 더 상승하게 된다

본 발명의 환원제 분사노즐의 배치에 관하여 살펴본다.

일반적으로 로의 구조가 수직형일 경우 도 6과 같이 환원제 분사노즐(N-1)(N-2)(N-3)이 배치되고, 로의 구조가 수직수평 혼용일 경우 도 10과 같이 환원제 분사노즐(N-1)(N-2)(N-3)이 배치되며, 이는 일반적인 분사각도를 갖는 환원제 분사노즐(N-1)(N-2)(N-3)로 환원제를 분사시키게 되는 것으로, 편의상 저온일 경우 환원제 반응구간이 B구간이고, 중온일 경우 환원제 반응구간이 C 구간이고, 고온일 경우 환원제 반응구간이 D 구간으로 표기하며, 저온일 경우 환원제 분사노즐(N-1)이 가동되고, 중온일 경우 환원제 분사노즐(N-2)이 가동되고, 고온일 경우 환원제 분사노즐(N-3)이 가동되어 환원제가 분사되게 하므로서, 도 6 및 도 10에서와 같이 저온에서는 녹색의 반응구간이 형성되고, 중온에서는 보라색의 반응구간이 형성되고, 고온에서는 적색의 반응 구간이 형성됨을 보여준다.

또한 환원제 분사노즐(N-1)하부에 일반적인 환원제 분사노즐(N-4)장착될 경우 노란색의 구간은 환원반응 구간에서 벗어나 오히려 질산화물의 생성 원인이 되는 문제가 발생하게 된다.

도 4 및 도 9는 환원제 분사노즐(N-4)이 설치되고, 환원제 분사 궤적상태를 보여주며, 도 6과 도 10은 환원제 분사노즐(N-4)의 설치에 따라 도 8 및 도 11 보다 반응영역이 확대됨을 보여준다.

여기서 환원제 분사노즐(N-4)은 로를 형성하는 로의 4면 중 한 면에서 4면까지 설치가 가능하고, 환원제 분사노즐(N-4)의 설치가 증가할수록 그 효율은 증가 된다.

이러한 본 발명은 1000 ^oC 이하에서 질소산화물(NOx) 발생량은 20 ~ 30PPM, 1200 ^oC 에서도 20 ~ 30PPM을 유지할 수 있어 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명은 로 내부의 온도(1100 ^oC - 1300 ^oC)가 아무리 높아도 로 벽면의 온도는 열 발산에 의해 낮아짐에 착안하여 로 벽면을 기준으로 일정이상의 분사각도로 환원제를 분사하여 고온에서도 탈질 효율을 향상시키는 한편 고온 영역에서부터 탈질반응을 이룩하므로 로 온도의 고온시 질산화물의 급격한 헌팅과 환원제 사용량의 과다를 방지하며 특히 고온에서 배기가스의 체적팽창에 따른 환원제의 충분한 환원반응시간(0.2초-2초) 미확보에 따른 탈질반응효율 저하를 방지하게 된다.

일반적인 환원제 분사노즐이 연소실 온도에 따라 상하 방향으로 2단에서 그 이상의 단으로 배치되는 데 반하여 본 발명은 일반적인 환원제 분사노즐의 하부에 환원제 분사각도가 70내지 150도의 광각을 갖는 환원제분사노즐을 설치하여 소각로 화염표면의 환원제 적정 반응영역에 분사되어 고온(1050 ^oC 이상)에서도 최적의 반응효율을 향상시키도록 환원제 분사각도가 70내지 150도를 갖는 광각의 환원제 분사노즐을 배치하여 그 목적을 달성하는 것이다.

한편 본 발명에서 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 환원제 분사노즐(N-1)(N-2)(N-3)(N-4)이 설치된 경우 로의 배출가스는 보일러(31)와 절탄기(32)를 거친 후 반건식 반응탑(33)을 거치고 여과집진기(34)를 통하여 배출되게 되나, 상기 여과 집진기(34)의 후단부에 촉매(110)가 다층으로 설치된 촉매탑(101)을 통하여 탈질반응 되도록 하되 상기 촉매탑(101)을 거친 배기가스는 송풍기(42)를 거쳐 스택(stack)으로 배출되도록 한다.

여기서 도 1은 수직방향의 로인 경우의 도시이고, 도 2는 수직수평방향의 로인 경우에 대한 것으로, 이는 무촉매탈질설비의 노즐배치방법과 촉매탑의 탈질반응을 이용 2차탈질 반응으로 질소산화물배출을 최소화하는 것이다.

도 3에서는 본 발명의 무촉매탈질설비의 노즐배치방법으로 설치되고 여과 집진기(34) 후단에 일반적인 탈질촉매 반응탑(SCR)이 설치되는 것으로, 가스 열교환기(35)와 닥트버너(36)와 환원제 공급장치(37)가 촉매(110)가 다층으로 설치된 촉매탑(101)과 함께 다단으로 설치됨을 특징으로 한다.

본 발명의 도 7은 본 발명의 무촉매탈질설비의 노즐배치방법으로 개선된 환원제 분사노즐이 설치 된 경우 절탄기(32) 출구의 가스로 여과 집진기(34)의 출구가스를 가열하여 촉매(110)에서 2차 탈질반응 할 수 있도록 여과 집진기(34)출구와 촉매(110)전단에 가스 열교환기(35)가 설치됨을 특징으로 한다.

열교환기(35)의 열교환은 절탄기(32) 출구가스로(일반적으로 240 ^oC에서 190 ^oC) 여과집진기(34)의 출구 가스를 가열하도록 구성되었으며 열교환기(35)는 판형 또는 튜브형의 열교환기가 사용된다.

본 발명의 도 6에서는 본 발명의 개선된 환원제 분사노즐이 설치되고 본 발명의 노즐 배치가 된 경우 여과 집진기(34)의 출구닥트에 촉매(110)가 설치되어 2차 탈질 반응토록 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 노즐이 배치된 경우 질소 산화물 제거효율은 기존의 SCR(촉매 반응 설비)에 버금가는 성능을 발휘하며, 노즐의 수명향상, 설치비의 절감, 운영비의 절감, 기존 SNCR(무촉매 반응 설비)에 비해 질소 산화물 제거 능력을 소각로의 경우 30∼70PPM에서 20∼30PPM으로 제거 능력을 향상시켰으며, 유해가스 배출을 줄여 환경을 개선하고 환원제 사용량을 최소화할 수 있고, 또한 기존 SNCR과 SCR이 설치되고 그 효율이 감소되거나 운영상 비용이 과다할 경우 간단한 노즐의 추가설치 또는 노즐의 교체만으로도 그 효율을 향상시킬 수 있고 촉매의 성능이 떨어진 경우에도 로에 개선된 환원제분사노즐을 배치하여 분무만으로도 촉매교체 주기를 확대시키는 효과가 있다.

Claims

로 내부에 장착되고 다단으로 설치되는 환원제 분사노즐(N-1)의 하부에 환원제를 70도에서 150도의 광각으로 환원제를 분사시켜 환원반응 구간을 확장하는 환원제 분사노즐(N-4)을 장착하여 배치시키는 것을 특징으로 하는 무촉매 탈질설비의 노즐 배치방법
로 내부에 장착되고 다단으로 설치되는 환원제 분사노즐(N-1)(N-2)(N-3)이 설치된 것에 있어서, 최하부의 환원제 분사노즐(N-1)을 70도에서 150도의 광각으로 환원제를 분사시켜 환원반응 구간을 확장하는 환원제 분사노즐(N-4)로 대체하여 배치시키는 것을 특징으로 하는 무촉매 탈질설비의 노즐 배치방법.
로 내부에 장착되고 다단으로 설치되는 환원제 분사노즐(N-1)의 하부에 환원제를 70도에서 150도의 광각으로 환원제를 분사시켜 환원반응 구간을 확장하는 환원제 분사노즐(N-4)이 배치되어 사용된 연소실에서 1차 탈질반응 후 보일러(31), 절탄기(32), 반건식반응탑(33), 여과집진기(34)의 후단부에 촉매탑(101)을 설치하여 촉매탑(101)에서 미반응한 슬립암모니아가스가 2차로 탈질 반응하도록 구성된 무촉매 탈질설비의 배기가스 처리시설.