KR20080112016A - 고온 배출가스 탈질시스템과 그 시스템을 이용한 고온배출가스 탈질방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온의 배출가스 중의 질소산화물(NOx)을 탈질시키는 고온 배출가스 탈질시스템에 관한 것으로, 상세하게는, 액상의 환원제가 기상의 암모니아로 기화되도록 배출가스 중에 간접 노출되어 열원을 공급하는 장치 없이 환원제의 기화 또는 열분해에 필요한 열량을 공급할 수 있고, 기상의 암모니아가 배출가스의 전단(upstream)에 고르게 분포되도록 그리드를 형성하여 전체 설비의 크기 및 공간을 줄일 수 있고, 고온의 배출가스를 최적의 탈질효율에 적합한 온도로 맞추어 일반적인 암모니아 및 요소수계 SCR설비를 적용할 수 있고, 열교환기로 들어가는 냉각수의 일부를 활용하여 고온의 배출가스의 온도를 최적의 NOx제거율을 얻을 수 있는 온도범위로 자동 조정함으로써 적용온도범위 제약을 받는 SCR설비의 적용온도범위를 넓히고 저렴한 비용으로 일반적인 SCR설비를 적용할 수 있으며, 설비의 비용을 증가시키는 반응기질소산화물 및 암모니아 분석기를 생략함으로써 설비의 경쟁력을 강화할 수 있는 고온 배출가스 탈질시스템 및 그 시스템을 이용한 탈질방법에 관한 것이다.

암모니아, 촉매, 기화튜브, 기상, 열교환, 탈질

Description

고온 배출가스 탈질시스템과 그 시스템을 이용한 고온 배출가스 탈질방법{Exhaust Gas of High Temperature Denitrifing System and Denitrifing Method using the System}

도 1a는 종래의 고온 배출가스 탈질시스템의 블럭도

도 1b는 종래의 열병합발전시스템의 블럭도

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 배출가스 탈질시스템의 블럭도

도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 배출가스 탈질시스템의 구성도

도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고온 배출가스 탈질시스템의 구성도

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고온 배출가스 탈질시스템의 구성도

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고온 배출가스 탈질방법을 구현하는 시스템의 블럭도

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고온 배출가스 탈질방법의 흐름도

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고온 배출가스 탈질방법의 흐름도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 환원제공급부 4 : 반응챔버 5 : 반응기 6 : 열교환기 7 : 제어부

8 : 고온 배출가스 탈질시스템 9 : 스택

10 : 배출부 11 : 저장탱크 12 : 유량측정기 13 : 유량제어밸브

14 : 순환펌프 15 : 히터 41 : 다공판 42 : 기체혼합기 43 : 챔버열교환부 51 : 시스템댐퍼 52 : 바이패스댐퍼 61 : 유입로 62 : 배출로

70 : 컨트롤룸 71 : 출력센서 72 : 챔버온도센서 73 : 반응기온도센서

74 : 증폭부 75 : AD변환부 76 : 중앙처리부 77 : DA변환부 78 : 통신부 79 : 저장부 80 : 소음기 431 : 냉각수량측정기 432 : 냉각수량제어밸브 451 : 헤드 611 : 공급로 612 : 회수로

S1 : 시작 S2 : 질소산화물량분석단계

S3 : 환원제수량판단단계 S4 : 암모니아생성단계 S5 : 챔버온도측정단계

S6 : 챔버온도판단단계 S7 : 제 1 바이패스단계 S8 : 제 2 바이패스단계

S9 : 혼합단계 S10 : 반응기온도측정단계 S11 : 반응기온도판단단계

S12 : 냉각수량증가단계 S13 : 냉각수량감소단계 S14 : 냉각수량유지단계 S15 : 탈질단계

T1 : 챔버온도 T2 : 반응기온도

본 발명은 고온의 배출가스 중의 질소산화물(NOx)을 탈질시키는 고온 배출가스 탈질시스템에 관한 것으로, 상세하게는, 액상의 환원제('액상의 환원제'는 암모 니아수 또는 요소수이다. 이하 같다.)가 기상의 암모니아로 기화되도록 배출가스 중에 간접 노출되어 열원을 공급하는 장치 없이 환원제의 기화 또는 열분해에 필요한 열량을 공급할 수 있고, 기상의 암모니아가 배출가스의 전단(upstream)에 고르게 분포되도록 그리드를 형성하여 반응기에 도달하는 환원제의 균일 분포를 얻고 탈질효율을 극대화할 수 있으며 전체 설비의 크기 및 공간을 줄일 수 있고, 고온의 배출가스를 최적의 탈질효율에 적합한 온도로 맞추어 일반적인 암모니아 및 요소수계 SCR설비를 적용할 수 있고, 열교환기로 들어가는 냉각수의 일부를 활용하여 고온의 배출가스의 온도를 최적의 NOx제거율을 얻을 수 있는 온도범위로 자동 조정함으로써 적용온도범위 제약을 받는 SCR설비의 적용온도범위를 넓히고 저렴한 비용으로 일반적인 SCR설비를 적용할 수 있으며, 설비의 비용을 증가시키는 반응기질소산화물 및 암모니아 분석기를 생략함으로써 설비의 경쟁력을 강화할 수 있는 고온 배출가스 탈질시스템 및 그 시스템을 이용한 탈질방법에 관한 것이다.

화석연료를 연소하여 열원 및 동력을 얻는 과정을 통해 배출되는 배출가스 내에는 불가피하게 광스모그, 산성비 및 호흡기 질환의 원인물질로 밝혀진 NOx성분이 포함되어 있어, 최근 이러한 NOx성분 배출규제에 대응하여 암모니아를 환원제로 하는 SCR기술이 다양하게 적용되고 있다.

종래 배출가스 중의 NOx를 탈질시키는 배출가스 탈질시스템은 저장탱크 속에 용해된 요소수를 분사노즐을 통하여 반응챔버에 분사하고 반응챔버에서 요소수를 기상의 암모니아로 변화시키고 반응기내부의 촉매를 이용해 NOx성분을 탈질시켜 최적의 탈질효율을 얻고 NOx성분이나 암모니아로 인한 환경오염을 효율적으로 방지한 다.

그러나, 액상의 환원제를 반응챔버에서 기상의 암모니아로 기화시키기 위하여 분사노즐을 이용하여 미세분무를 하면, 분사노즐의 분사 비거리와 액상의 환원제가 기상의 암모니아로 변화되기 위한 것을 고려하면 반응챔버의 길이가 길어질 수밖에 없어 배출가스 탈질시스템의 설치공간이 넓어지는 문제와, 분사각도에 따른 직경의 크기도 제한적으로 설계할 수밖에 없는 문제점이 있다.

도 1a는 종래의 고온배출가스 탈질시스템의 블럭도이다.

도 1a를 참조하면, 종래의 고온배출가스 탈질시스템은 고온스팀발생부, 환원제기화기, 그리드를 포함하는 것으로 배출가스의 열에 의해 발생된 증기로 기화기에 열원을 공급하여 액상의 환원제를 기화시키도록 형성되어 있어 설치비용이 증가하고 설치공간이 넓어져 중소형 배출가스 탈질시스템에 적용하기 어려운 문제가 있다.

한편, 일반적인 SCR기술은 알려진 바와 같이 250~400℃에서 최적의 탈질효율을 나타내기 때문에, SCR설비에서 배출가스의 온도가 너무 높은 경우 탈질효율이 많이 떨어지고 촉매의 수명단축이 예상되며 환원제가 고온에서 반응하여 다시 질소산화물로 바뀌는 등 2차적인 문제들이 발생하는 문제가 있다.

또한, 배출가스의 온도가 너무 낮은 경우에도 탈질효율이 많이 떨어지는 등의 2차적인 문제가 마찬가지로 발생하는 문제가 있고, 배출가스의 승온을 하기 위한 설비를 추가로 구비하는 경우 비용이 증가되어 설비의 경쟁력을 약화시키는 문제가 있다.

도 1b는 종래의 열병합발전시스템의 블럭도이다.

따라서, 배출가스가 유출되는 입구단의 온도가 최적의 탈질효율이 나타나는 250~400℃의 온도범위내가 아닌 경우, 예컨대 일반적인 중소형열병합발전용 LNG가스배출부의 경우, 도 1을 참조하면, 배출부(10), 열교환기(6), 소음기(80)로 이루어져 있고, 탈질이 필요한 가스 또는 유체를 배출하는 배출부(10)에서 열교환기(6) 입구까지의 온도가 통상 500℃이상이고, 상기 열교환기(6) 출구단에서는 열을 회수하는 과정을 거치면서 온도가 강하하여 100~150℃의 온도범위를 나타내기 때문에 SCR설비를 적용할 수 없는 문제가 있다.

또한, 종래 상기 열교환기(6) 출구단에서 SCR설비를 적용하기 위해서 촉매 반응기 전단에 배출가스 가열장치를 설치하여 250℃이상의 온도를 유지시키고, 촉매의 양을 증가시켜 성능을 유지하였으나, 이 경우 연속적으로 승온에 따른 연료비 또는 전력비용과 같은 운전비용이 높고, 촉매량을 증가시킴에 따라 탈질설비의 초기설치비용의 증가가 불가피하였다.

또한, 종래의 배출가스 탈질시스템의 구성요소에서 질소산화물량과 암모니아량을 분석하여 시스템을 제어하기 위한 반응기질소산화물 및 암모니아 분석기가 고가의 설비여서 비용이 증가되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 액상의 환원제가 흐를 수 있는 기화튜브가 배출가스의 열량을 공급받을 수 있도록 배출가스의 주류(main stream)에 노출되도록 형성되어 액상 의 환원제가 배출가스와 혼합되기 전에 기상의 암모니아로 변화되어 열원을 공급하는 가열기와 같은 별도의 장치 없이 액상의 환원제의 기화 또는 열분해에 필요한 열량을 공급할 수 있어 설치비용과 운영비용이 감소되고, 고온 배출가스 탈질시스템 전체의 설비의 크기 및 공간을 줄일 수 있으므로 중소형 배출가스탈질시스템에 적합한 고온 배출가스 탈질시스템과 그 시스템을 이용한 고온 배출가스 탈질방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은, 환원제인 암모니아가 기체상태로 배출가스에 분사되므로 환원제가 배출가스에 고르게 분포될 수 있어 탈질효율을 극대화할 수 있고, 종래의 액상의 환원제를 배출가스와 균일하게 혼합할 수 있도록 공기를 주입하는 설비를 생략할 수 있으며, 이로 인해 설치비용과 운영비용이 감소하고, 설비의 크기 및 공간을 줄일 수 있는 고온 배출가스 탈질시스템과 그 시스템을 이용한 고온 배출가스 탈질방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은, 기상의 암모니아가 배출가스에 고르게 분포되도록 그리드를 형성하여 반응기에 도달하는 환원제의 배출가스 내에서 균일 분포를 얻을 수 있어 탈질효율을 극대화할 수 있으며, 환원제가 분사되는 비거리를 줄일 수 있어 전체 설비의 크기 및 공간을 줄일 수 있는 고온 배출가스 탈질시스템과 그 시스템을 이용한 고온 배출가스 탈질방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 고온의 배출가스를 최적의 탈질효율에 적합한 온도로 맞추어 일반적인 암모니아계 SCR설비를 적용할 수 있는 고온 배출가스 탈질시스템과 그 시스템을 이용한 고온 배출가스 탈질방법을 제공하는 것을 목적으로 한 다.

본 발명의 또 다른 목적은 열교환기로 들어가는 냉각수의 일부를 활용하여 고온의 배출가스의 온도를 조정함으로써 저렴한 비용으로 일반적인 SCR설비를 적용할 수 있는 고온 배출가스 탈질시스템과 그 시스템을 이용한 고온 배출가스 탈질방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 설비의 비용을 증가시키는 반응기질소산화물 및 암모니아 분석기를 생략함으로써 설비의 경쟁력을 강화할 수 있는 고온 배출가스 탈질시스템과 그 시스템을 이용한 고온 배출가스 탈질방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 고온 배출가스 탈질시스템은 하기와 같은 구성을 포함한다.

본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질시스템은 고온의 배출가스의 열량을 공급받아 액상의 환원제가 기상의 암모니아로 변화될 수 있도록 배출가스 중에 노출되어 형성된 기화튜브를 포함하는 반응챔버와; 상기 기화튜브에 액상의 환원제를 공급하는 환원제공급부와; 상기 반응챔버로부터의 혼합가스 중 질소산화물을 탈질시키는 반응기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질시스템은 제 1 실시예에 있어서, 상기 반응챔버는, 기상의 암모니아가 배출가스와 균일하게 혼합되도록 하고, 상기 반응챔버의 길이를 줄일 수 있도록 상기 기화튜브의 타 단에서 구멍이 형성된 그리드를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 3 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질 시스템은 제 2 실시예에 있어서, 상기 그리드는, 상기 그리드의 상단에서도 기상의 암모니아가 배출가스로 균일하게 분포될 수 있도록 일단은 상기 기화튜브의 일단과 연통되고 타단은 상기 그리드와 연통되게 형성되며, 수리를 용이하게 할 수 있도록 배출가스가 흐르는 상기 반응챔버의 외부에 돌출되어 탈부착이 가능하게 형성된 헤드를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 4 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질시스템은 제 2 실시예에 있어서, 상기 고온 배출가스 탈질시스템은, 상기 반응기의 출구단에 위치하여 냉각수를 이용해 배출된 혼합가스의 열을 회수하는 열교환기와; 상기 반응챔버의 앞단에 위치하며 상기 열교환기로 유입되는 냉각수의 일부를 공급하여 고온의 배출가스의 온도를 SCR공정에 적합한 온도로 냉각시킨 뒤 다시 상기 열교환기로 유출시키는 챔버열교환부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 5 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질시스템은 제 4 실시예에 있어서, 상기 챔버열교환부는 열교환기로부터 취출되는 냉각수의 공급량을 측정하는 냉각수량측정기와, 냉각수의 공급량을 조절하는 냉각수량제어밸브를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 6 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질시스템은 제 2 실시예 또는 제 4 실시예에 있어서, 상기 반응챔버는 온도가 조절된 배출가스와 기상의 암모니아의 혼합을 배가시키는 다수의 관통공을 구비한 다공판과, 상기 다공판을 통과한 혼합기체를 재혼합시키는 기체혼합기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 7 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질시스템은 제 2 실시예 또는 제 4 실시예에 있어서, 상기 환원제공급부는 액상의 환원제를 저장하는 저장탱크와, 상기 저장탱크에서 공급되는 환원제의 유량을 측정하는 유량측정기와, 상기 유량측정기의 출력단에 연결되며 환원제의 공급량을 조절하는 유량제어밸브와, 환원제의 정체를 막기 위하여 환원제를 강제순환시키는 순환펌프와, 환원제의 응고를 방지하기 위한 히터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 8 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질시스템은 제 2 실시예 또는 제 4 실시예에 있어서, 상기 반응기는 그 입구단과 출구단에서의 혼합가스의 압력차이를 측정하여 그 차이가 소정치 이하로 떨어질 경우 시스템의 작동을 정지시키는 차압트랜스미터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 9 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질시스템은 제 4 실시예 또는 제 5 실시예에 있어서, 상기 고온 배출가스 탈질시스템은, 배출가스에서 질소산화물량을 분석하기 위해 배출부의 출력단에서 배출부의 부하량을 측정하고 전송하는 출력센서와, 상기 챔버열교환부의 출구단에서 배출가스의 온도를 측정하는 챔버온도센서와, 상기 반응기의 입구단에서 상기 반응챔버를 거친 혼합가스의 온도를 측정하는 반응기온도센서와, 상기 센서들로부터 정보를 수신하여 분석함으로써 시스템을 전체적으로 제어하는 제어부를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 10 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질시스 템은 제 9 실시예에 있어서, 상기 반응챔버는, 그 출구단에서 혼합가스가 반응기를 거치지 않고 열교환기로 바이패스시키거나 반응기로 유동시키는 댐퍼를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 11 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질시스템은 제 9 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 센서들로부터 수신한 정보의 데이타신호를 증폭하는 증폭부와; 상기 증폭된 신호를 디지털데이타신호로 변환하는 AD변환부와; 상기 디지털데이타신호를 탑재된 소정의 프로그램을 이용하여 분석하고 처리하며, 디지털제어신호를 발생시켜 시스템을 전체적으로 제어하는 중앙처리부와; 상기 중앙처리부의 각종 디지털제어신호를 아날로그제어신호로 변환하는 DA변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 12 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질방법은 열교환기로부터 일정량의 냉각수를 취출하여 반응챔버로 유입시켜 상기 반응챔버로 유입되는 배출가스의 온도를 일정 온도로 냉각하는 배출가스 전냉각단계와; 액상의 환원제가 배출가스와 혼합되기 전에 액상의 환원제가 배출가스의 열량을 받아 기상의 암모니아로 변화시키는 암모니아생성단계와; 상기 기상의 암모니아가 그리드를 통하여 분무되어 배출가스와 균일하게 혼합되어 탈질효과를 높이는 혼합단계와; 반응기로 유입된 혼합가스 내의 질소산화물과 암모니아를 촉매를 이용해 반응시켜 탈질하는 탈질단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 13 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질방법은, 제 12 실시예에 있어서, 기 고온 배출가스 탈질방법은 챔버온도센서가 챔버열 교환부에 의해 온도가 조절된 배출가스의 온도를 센싱하는 챔버온도측정단계와; 중앙처리부가 챔버온도가 기준챔버온도를 만족하는지 여부를 판단하는 챔버온도판단단계와; 상기 챔버온도판단단계결과, 챔버온도가 하한기준챔버온도 미만이면 상기 중앙처리부가 챔버열교환부에 유입되는 냉각수량을 감소시키고 기화튜브에 액상의 환원제의 공급을 차단시켜 액상의 환원제를 기상의 암모니아로 변환시키는 암모니아생성단계를 중단시키고, 이미 유입된 배출가스를 열교환기로 바이패스 시키며 다시 챔버온도판단단계를 진행하는 제 1 바이패스단계와, 상기 챔버온도판단단계결과, 챔버온도가 상한기준챔버온도 이상이면 상기 중앙처리부가 챔버열교환부에 유입되는 냉각수량을 증가시키고 기화튜브에 액상의 환원제의 공급을 차단시켜 액상의 환원제를 기상의 암모니아로 변환시키는 암모니아 생성단계를 중단시키고, 이미 유입된 배출가스를 열교환기로 바이패스 시키며 다시 챔버온도판단단계를 진행하는 제 2 바이패스단계를 포함하고, 상기 챔버온도판단단계결과, 챔버온도가 기준챔버온도를 만족하면 상기 중앙처리부가 챔버열교환부에 유입되는 냉각수량을 유지시키고 기화튜브에 액상의 환원제를 공급시켜 상기 암모니아생성단계와 탈질단계를 진행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 14 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질방법은, 제 13 실시예에 있어서, 상기 고온 배출가스 탈질방법은 배출부의 출력단에서 배출부의 부하량을 전송하여 상기 중앙처리부가 상기 배출부출력에 따라 배출가스에 포함된 질소산화물량을 판단하는 질소산화물량분석단계와; 상기 중앙처리부가 질소산화물량에 따른 적정한 양의 액상의 환원제의 공급량을 판단하는 환원제수량 판단단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 15 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질방법은, 제 14 실시예에 있어서, 상기 고온 배출가스 탈질방법은 반응기온도센서가 반응기의 입구단에서 반응기온도를 센싱하는 반응기온도측정단계와; 중앙처리부가 상기 반응기온도가 기준반응기온도를 초과하는지 여부를 판단하는 반응기온도판단단계와; 상기 반응기온도판단단계결과, 반응기온도가 하한기준반응기온도 미만이면 상기 중앙처리부가 냉각수량을 감소시키고 다시 반응기온도판단단계를 진행하며, 상기 탈질단계를 진행하는 냉각수량감소단계와, 상기 반응기온도판단단계결과, 반응기온도가 상한기준반응기온도 이상이면 상기 중앙처리부가 챔버열교환부에 유입되는 냉각수량을 증가시키고 다시 반응기온도판단단계를 진행하며, 상기 탈질단계를 진행하는 냉각수량증가단계를 포함하고, 상기 반응기온도판단단계결과, 반응기온도가 기준반응기온도를 만족하면 상기 중앙처리부가 챔버열교환부에 유입되는 냉각수량을 유지시키는 냉각수량유지단계를 거쳐 상기 탈질단계를 진행하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 당업계에서 공지된 구성요소를 이용하여 고온 배출가스 탈질시스템을 구성한 것에 특징이 있는 만큼, 각 구성요소에 대한 구체적인 구성에 대한 설명은 해당 제조사의 제품명과 사양을 기재하는 것으로 갈음하고자 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 배출가스 탈질시스템의 블럭도이고 도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 배출가스 탈질시스템의 구성도이다.

도 2와 도 3a를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 고온 배출가스 탈질시스템은 배출부(10), 열교환기(6), 환원제공급부(1), 반응챔버(4), 반응기(5)를 포함한다.

상기 배출부(10)는 탈질이 필요한 가스 또는 유체를 배출하는 중소형열병합발전용 LNG가스배출부나 화력발전을 위한 엔진 등이 사용될 수 있고, 질소산화물을 포함한 가스 또는 유체를 배출하는 다양한 처리가스발생원이 사용될 수 있다. 한편, 이러한 처리가스발생원인 상기 배출부(10)는 작동상태에 따른 부하량에 따라 배출되는 가스 또는 유체에 포함되는 질소산화물량이 정하여져 있고, 예컨대 RPM, 전류량, 출구온도 등에 의해 상기 배출부(10)의 부하량을 판단하여 배출되는 가스 또는 유체의 질소산화물량을 알 수 있도록 상기 배출부(10)의 제조사와 종류에 따라 테이블화 되어 있다.

상기 열교환기는(6)는 산업체, 건물 등에 필요한 전기, 열에너지를 보일러가동 및 외부 전력회사의 수전에 의존하지 않고 자체 발전시설을 이용하여 일차적으로 전력을 생산한 후 배출되는 열을 회수하여 이용하기 위한 설비로, 냉각수가 유동하는 유입로(61)와 배출로(62)를 가진다.

상기 유입로(61)는 상기 열교환기(6)에 냉각수를 공급하기 위한 유로이고, 상기 배출로는 상기 유입로(61)와 연통되도록 형성되고 혼합가스의 열을 회수할 수 있기 위한 유로이다. 한편, 상기 열교환기의 구성과 작동구조는 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 자명한 사항에 해당하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 환원제공급부(1)는 저장탱크(11), 유량측정기(12), 유량제어밸브(13)를 포함한다.

상기 저장탱크(11)는 액상의 환원제('액상의 환원제'는 '암모니아수 또는 요소수'이다. 이하 같다.)를 저장하는 탱크로서 일측이 유량측정기(12)와 연결된다. 일반적으로, 상기 저장탱크(11)는 원통형, 장방형 등과 같은 다양한 형상으로 형성될 수 있고, SUS304 또는 SPV300과 같은 다양한 재질과 운전시간에 따라 액상의 환원제의 함유용량 또는 그 크기는 다양하게 형성될 수 있다. 한편, 일반적으로 액상의 환원제 중에 암모니아수를 저장하는 저장탱크(11)는 고압가스압력용기를 사용하나, 요소수를 저장하는 저장탱크(11)는 고압가스압력용기가 아니어도 무방하다.

상기 유량측정기(12)는 일측이 상기 저장탱크(11)의 출구단에 연결되고 타측이 상기 유량제어밸브(13)에 연결되며, 상기 저장탱크(11)에서 유출되는 액상의 환원제의 유량을 측정하는 장치이다. 상기 유량측정기(12)는 시중에 많이 시판되고 있으며, 예컨대 유량범위 5.7 ~ 85 liter/min이고 TURBINE Type인 대림종합계기(연안밸브)(www.pdflowmeter.co.kr)의 "FM4-8N3CFA3G"모델이 사용될 수 있다.

상기 유량제어밸브(13)는 일측이 상기 유량측정기(12)와 연결되어 액상의 환원제를 공급받아 상기 제어부(7)의 신호를 받아서 하기에 설명할 기화튜브(3)에 공급하는 액상의 환원제의 공급량을 조절하는 장치이다. 예컨대, 유량범위 5.7 ~ 85 liter/min이고 SCS13(Body), SUS316(TRIM) 재질로 제작된 대림종합유량계(연안밸브)의 "YAD-12211(1/2")"모델이 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 환원제공급부(1)는 순환펌 프(14)와 히터(15)를 추가로 구비할 수 있다.

상기 순환펌프(14)는 상기 저장탱크(11)의 하단에 연결되고, 상기 저장탱크(11) 내부의 액상의 환원제가 한곳에 정체되어 있을 경우 침전현상이 발생하여 액상의 환원제의 공급배관을 막는 현상을 방지하기 위하여 액상의 환원제를 강제순환시키는데 사용된다.

상기 히터(15)는 일측이 상기 저장탱크(11)에 연결되고 타측이 상기 순환펌프(14)에 연결되며, 액상의 환원제가 응고되지 않도록 배관둘레에 설치되어 배관을 가열한다.

상기 반응챔버(4)는 배출가스와 기체상태의 암모니아가 균일하게 혼합될 수 있도록 형성되고, 기화튜브(44)와 그리드(45)를 포함한다.

상기 기화튜브(44)의 일단은 상기의 유량제어밸브(13)의 출구단과 연결되고 상기 기화튜브(44)의 타단은 배출가스의 주류(main stream)에 노출되도록 형성된다. 상기 기화튜브(44)는 배출가스의 열원을 흡수하여 액상의 환원제가 기체상태의 암모니아로 변화되도록 형성되므로 기화기 등의 별도의 장치가 불필요하여 비용의 절감효과와 전체설비의 크기 및 차지하는 공간을 줄일 수 있고, 환원제가 기체상태로 배출가스에 분사되므로 환원제가 균일하게 배출가스와 혼합이 되어 탈질효과를 높일 수 있다.

상기 그리드(45)는 환원제인 기체상태의 암모니아가 배출가스에 균일하게 분배되도록 상기 기화튜브(44)의 타단에 다수의 구멍이 형성되고 상기 기화튜브(44)의 타단과 일체로 형성되며, 상기 구멍의 직경과 갯수는 기체상태의 암모니아가 곧 바로 배출가스와 균일하게 혼합될 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 환원제가 배출되는 분사비거리를 고려하는 노즐을 사용하지 않고 상기 구멍이 형성된 그리드(45)를 형성함으로 인해 환원제가 배출되는 분사비거리를 고려할 필요 없이 기체상태의 암모니아가 구멍이 형성된 그리드(45)를 통하여 분사되는 순간에 배출가스와 균일하게 혼합될 수 있다. 따라서 노즐을 사용하지 않고 구멍이 형성된 그리드(45)를 사용함으로 인해 배출가스와 기체상태의 암모니아가 균일하게 혼합될 수 있도록 하는 상기 반응챔버(4)의 길이를 줄일 수 있으며, 이로 인해 전체 시스템의 크기를 줄일 수 있어 중소형발전시스템에도 고온배출가스 탈질시스템을 적용할 수 있다.

상기 반응기(5)는 내부에 촉매를 탑재하고 있고, 입구단으로 유입되는 배출가스 중 질소산화물(NOx)을 무해한 성분으로 탈질시키는 것으로 (주)SK의 SCR제품이 사용될 수 있다.

상기 촉매는 다양한 제품이 사용될 수 있는데 V, Mo, W, Cu, Ni, Fe, Cr, Mn, Sn 등의 산화물, 황산염, 희토류산화물, 귀금속 등을 촉매활성종으로 하고, Al₂0₃, Ti0₂, 활성탄, 제올라이트, 실리카 등을 촉매담체하는 제품이 사용될 수 있으며, 이들 중 현재 실용화되어 있는 것은 Ti0₂(titanium oxide)를 담체로 한 V₂0₅(vanadium pentoxide), Mo0₃(molybdenum troxide), W0₃(tungsten trioxide)계의 촉매이다. Al₂0₃을 담체로 한 촉매는 석탄 및 중유 연료의 배가스와 같이 SOx가 존재하는 배가스 중에서는 황산염화해서 比表面積(비표면적)의 저하로 劣化(열화)가 일어나기 때문에 SOx가 없는 배가스에만 적용할 수 있다.

도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고온 배출가스 탈질시스템의 구성도이다.

본 발명의 다른 실시예로, 도 3b를 참조하면, 상기 그리드(45)는 기상의 암모니아가 그리드(45)의 상단에서도 고르게 분포될 수 있도록 기상의 암모니아를 저장할 수 있는 헤드(451)를 포함할 수도 있다. 상기 헤드(451)의 일단은 상기 기화튜브(44)와 연통되고 상기 헤드(451)의 타단은 상기 그리드(45)와 연통되도록 형성되며, 상기 헤드(451)는 배출가스가 흐르는 상기 반응챔버(4)의 외부에 돌출되도록 상기 기화튜브(44)와 상기 그리드(45)의 사이에 탈부착이 가능하게 형성된다. 탈부착이 가능한 헤드(451)로 인해 상기 기화튜브(44) 또는 상기 그리드(45)가 손상되었을 때 용이하게 수리할 수 있다. 한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용상태를 설명하면, 상기 기화튜브(44)에서 액상의 환원제가 기상의 암모니아로 변화되고, 상기 변화된 암모니아가 상기 헤드(451)에 모이게 되며, 상기 헤드(451)에 기상의 암모니아의 유량이 증가되고 증가된 유량에 의한 압력에 의해 상기 그리드(45)의 상단까지 기상의 암모니아가 고르게 도달할 수 있고, 이로 인해 상기 그리드(45)의 상단에서도 기상의 암모니아가 배출가스에 더욱더 균일하게 배출될 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고온 배출가스 시스템의 구성도이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고온 배출가스 시스템에 구비되는 구성들 은 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 배출가스 시스템의 구성들과 대략 일치한 기능과 형상으로 이뤄지는 바, 이러한 구성들에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략하기로 하며, 이하에서는 상기 고온 배출가스 시스템과 차이점이 있는 반응챔버(4), 반응기(5), 열교환기(6), 제어부(7)의 구성만을 설명하기로 한다.

도 4를 참고하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 반응챔버(4)는 내부에 챔버열교환부(43)를 추가로 포함한다.

상기 챔버열교환부(43)는 상기 반응챔버(4)의 내부에서 상기 기화튜브(44)의 전단에 설치되어 배출부(10)에서 배출되는 고온 배출가스의 온도를 조절하기 위해 하기에 설명할 열교환기(6)에 유입되는 냉각수의 일부를 이용하며, 냉각수량측정기(431)와 냉각수량제어밸브(432)를 포함한다.

상기 냉각수량측정기(431)는 상기 챔버열교환부(43)로 유입되는 냉각수량을 측정한다.

상기 냉각수량제어밸브(432)는 상기 챔버열교환부(43)로 공급되는 냉각수량을 하기에 설명할 제어부(7)에 의해 배출가스의 온도를 탈질에 적정한 온도가 되도록 냉각수량을 조절하는 장치이다. 한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도시되지는 않았지만, 냉각수량을 조절할 수 있는 장치이면 상기 냉각수량제어밸브(432)외에 제어펌프가 사용될 수도 있다.

앞서 설명한 구성을 이용하여 상기 반응챔버(4)는 250~400℃에서 최적의 탈질효율을 가지는 상기 반응기(5)에 적정한 온도의 배출가스와 기상의 암모니아의 혼합기체를 공급하기 위하여 상기 챔버열교환부(43)를 통해 배출가스의 온도를 적정온도로 맞추어 혼합기체를 반응기(5)로 공급하게 되며, 그 과정에서 아래의 화학반응이 발생된다.

xH₂O + 2CO(NH₂)₂ + O₂ → 2NH₃ + CO₂ + (x-1)H₂O

상기 챔버열교환부(43)을 통해 열교환을 거친 후의 배출가스의 온도가 앞서 기술한 250~400℃ 범위 내(이하 '기준챔버온도'라 함)가 아니라면, SCR공정에서 탈질효율이 떨어지게 되므로 상기 챔버열교환부(43)를 통해 배출가스의 온도를 적정온도로 유지해야 하며 이를 위해 상기 냉각수량제어펌프(432)를 통해 유입되는 냉각수량을 적정수준에서 유지하는 것이 중요하다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예로 상기 반응챔버(4)는 기상의 암모니아를 배기가스와 보다 균일하게 혼합할 수 있도록 다공판(41)과 기체혼합기(42)를 추가로 포함하여 상기 다공판(41)과 기체혼합기(42)를 거친 혼합기체를 반응기(5)로 공급할 수도 있다.

상기 다공판(41)은 상기 반응챔버(4)의 내부에서 상기 그리드(45)의 후단에 설치되고, 다수의 관통공을 가지고 있어 상기 그리드(45)를 통해 공급되는 기상의암모니아와 배출가스가 상기 관통공을 통과하면서 난류를 형성하여 보다 잘 혼합되도록 하는 역할을 한다.

상기 기체혼합기(42)는 상기 다공판(41)의 후단에 설치되고, 하니콤 구조를 구비하고 있으며 상기 다공판(41)을 거친 혼합기체를 하니콤 구조를 통해 다시 한 번 혼합해 주어 반응효율을 높이는 장치로, (주)파나시아의 "PA-NXM-XXX"모델이 사용될 수 있다.

상기 반응기(5)는 시스템댐퍼(51)와 바이패스댐퍼(52)를 추가로 구비할 수 있다.

상기 시스템댐퍼(51)와 바이패스댐퍼(52)는 상기 반응챔버(4)에서 배출가스의 온도가 기준챔버온도 범위 내가 아닌 경우, 하기에 설명할 제어부(7)에서 상기 기화튜브(44)에 액상의 환원제의 공급을 중단하고 상기 시스템댐퍼(51)를 폐쇄하며, 상기 바이패스댐퍼(52)를 개방하여 배출가스가 상기 반응기(5)로 유입되지 않고 상기 열교환기(6)를 거쳐 스택(9)으로 배기되도록 한다.

반면, 상기 반응챔버(4)에서 배출가스의 온도가 기준챔버온도 범위 내인 경우에는, 하기에 설명할 제어부(7)에서 상기 기화튜브에 액상의 환원제를 공급하고 상기 바이패스댐퍼(52)를 폐쇄하며 상기 시스템댐퍼(51)를 개방하여 기체상태의 암모니아와 배출가스의 혼합기체를 상기 반응기(5)에 유입하여 탈질단계를 진행하도록 한다.

또한, 상기 고온 배출가스 탈질시스템(8)의 보수나 촉매의 교환 등을 이유로 시스템의 정지가 요구될 때 ON/OFF 동작을 통해 상기 반응기(5)를 거치지 않고 상기 열교환기(6)를 통해 스택(9)으로 배기되도록 할 수 있다.

또한, 상기 시스템댐퍼(51)와 바이패스댐퍼(52)는 사이즈가 Ø350 X 250mm(350A)이고 버터플라이밸브타입인 (주)유니텍코리아의 "NA250"모델이 사용될 수 있다.

또한, 상기 시스템댐퍼(51)가 개방되어 암모니아와 배출가스의 혼합기체가 유입된 경우에 그 혼합기체 중 질소산화물(NOx)은 상기 반응기(5)에서 아래 화학반응을 통해 무해한 성분으로 변환된다.

4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O

2NO₂ + 4NH₃ + O₂ → 3N₂ + 6H₂O

이와 같은 화학반응은 상기 반응챔버(4)의 출구단과 상기 반응기(5)의 입구단에서 상기 반응기(5)로 공급되는 혼합기체의 온도가 250~400℃(이하 '기준반응기온도'라 함)일 때 최적의 탈질효율을 나타내기 때문에 혼합기체의 온도를 기준반응기온도에 맞추어 유지하는 것이 중요하다.

상기 열교환기(6)는 공급로(611)와 회수로(612)를 추가로 포함한다.

상기 공급로(611)는 일단은 상기 유입로(61)에서 분기되어 연통되고, 타단은 상기 냉각수량제어밸브(432)에 연결된 냉각수량측정기(431)와 연통되어, 하기에 설명할 제어부(7)에 의해 상기 챔버열교환부(43)가 기준챔버온도인가를 판단하여 상기 유입로(61)로부터 냉각수의 일부를 공급받거나 차단하기 위한 유로이다.

상기 회수로(612)는 상기 챔버열교환부(43)에서 열교환을 마친 냉각수를 회수하여 상기 열교환기(6)에 공급하기 위해 분기된 상기 유입로(61)에 재연결되어 냉각수를 공급하기 위한 유로이다.

따라서, 상기 공급로(611)를 통해 상기 챔버열교환부(43)에서 열교환하고 상기 회수로(612)를 통해 공급되는 소정의 온도로 상승한 냉각수와 상기 공급로(611) 를 통하지 않고 상기 유입로(61)를 통해 공급되는 냉각수를 혼합하여 상기 열교환기(6)에 공급함으로써 상기 열교환기(6)는 기존과 같은 열효율을 유지할 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고온 배출가스 탈질방법을 구현하는 시스템의 블럭도이다.

도 5를 참고하면, 상기 제어부(7)는 출력센서(71), 챔버온도센서(72), 증폭부(74), AD변환부(75), 중앙처리부(76), DA변환부(77), 통신부(78), 컨트롤룸(70), 저장부(79)를 포함한다.

상기 출력센서(71)는 처리가스발생원인 상기 배출부(10)의 부하량에 관한 정보를 센싱하여 제어부(7)로 전송하기 위한 수단이다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 상기 배출부(10)의 부하량에 따라 배출되는 가스 또는 유체에 포함되는 질소산화물량이 정하여지므로, 상기 배출부(10)의 부하량을 판단할 수 있는 RPM, 전류량, 출구온도 등의 정보를 상기 제어부(7)로 송신하여, 배출가스에 포함된 질소산화물량을 탈질시키기에 적합한 액상의 환원제를 상기 기화튜브(44)에 공급할 수 있도록 상기 제어부(7)가 제어할 수 있도록 한다. 따라서, 상기 출력센서(71)에 의해 배출가스에 포함된 질소산화물량을 판단할 수 있어 종래 일반적인 암모니아 및 요소수계 SCR설비의 적용시 설비의 경쟁력을 약화시키던 반응기질소산화물 및 암모니아 분석기의 구성을 생략하여 경쟁력 있는 설비를 구축할 수 있다.

상기 챔버온도센서(72)는 상기 반응챔버(4)에서 챔버열교환부(43)의 후단에 설치되어 냉각수를 이용하여 열교환을 마친 배출가스의 온도를 측정하여, 하기에 설명할 상기 챔버열교환부(43)에 공급하는 냉각수량을 제어하기 위해 그 측정값을 상기 제어부(7)에 전송하기 위한 수단이다.

상기 증폭부(74)는 상기 출력센서(71), 챔버온도센서(72), 반응기온도센서(73)를 통해 수신된 신호를 공지의 증폭회로를 사용하여 증폭한다.

상기 AD변환부(75)는 증폭된 상기 신호를 디지털데이터신호로 변환하는 역할을 하며, 공지된 AD변환회로를 사용한다.

상기 중앙처리부(76)는 디지털데이터신호에 근거하여 소정의 프로그램으로 수신된 신호값을 연산하고 분석하여 상기 고온 배출가스 탈질시스템(8)을 전반적으로 제어하기 위한 신호를 발생시키며, 그 제어방법은 하기에 상세히 설명하기로 한다.

상기 DA변환부(77)는 상기 중앙처리부(76)에서 발생한 제어신호를 아날로그신호로 변환하여 각 장치에 인가되도록 하고, 도시되지는 않았지만, 아날로그신호로 변환되지 않고 디지털신호의 형태로 직접 인가될 수도 있다.

상기 통신부(78)는 상기 중앙처리부(76)에서 소정의 프로그램으로 수신된 신호값을 연산하고 분석한 데이터를 수신한다.

상기 컨트롤룸(70)은 상기 통신부(78)로부터 데이터를 수신하여 상기 컨트롤룸(70)의 컴퓨터의 모니터 화면에 표시하고, 관리자가 표시된 데이터를 통해 시스템의 이상 유무를 실시간으로 점검한 후 상기 통신부(78)를 거쳐 상기 중앙처리부(76)를 통해 시스템에 적절한 제어신호를 보낼 수 있도록 구성될 수 있다. 이 경우 시스템과 상기 컨트롤룸(70)간의 통신은 RS-232방식, 평형·불평형방식, 유·무선 모뎀통신방식, 전력선통신방식, 블루투스통신방식, 유·무선랜통신방식과 같은 다양한 통신방식에 따라 이루질 수 있다.

상기 저장부(79)는 상기 중앙처리부(76)에서 발생하는 시스템 제어신호를 저장하여 추후에 시스템에 이상이 생겼을 시에 데이터값을 분석할 수 있도록 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 앞서 설명한 구성에 반응기온도센서(73)를 추가로 구비할 수 있는데, 상기 반응기온도센서(73)는 상기 반응챔버(4)의 출력단과 상기 반응기(5)의 입구단 사이에 설치되어, 상기 챔버열교환부(43)를 통해 열교환된 배출가스의 온도를 상기 반응챔버(4) 출구단에서 측정하여, 그 온도가 소정 온도로 상승 또는 하강한 경우 상기 챔버열교환부(43)로 공급되는 냉각수량을 제어하여 최적의 탈질효율을 보유하기 위해 그 측정값을 상기 제어부(7)로 전송하기 위한 수단이다. 다만, 상기 챔버열교환부(43)를 거쳐 조절된 배출가스의 온도가 상기 반응챔버(4)의 출구단에서 큰 변화량을 보이지 않을 것이므로 앞서 설명한 바이패스댐퍼(52)를 이용한 바이패스단계를 거치지 않고, 곧바로 탈질단계를 진행한다.

이하에서는 배출부에서 출력되는 배출가스의 흐름에 따른 상기 고온 배출가스 탈질시스템의 다른 실시예를 도4 및 도 5를 참고하여 설명하고자 한다.

배출부(10)의 부하량이 정해지고, 그 부하량은 상기 출력센서(71)를 통해 상기 제어부(7)로 전송되며, 상기 제어부(7)는 배출가스에 포함된 질소산화물량(NOx)에 따른 적정한 양의 액상의 환원제의 공급 여부를 판단하고 ;

상기 배출부(10)에서 배출가스가 유출되면, 그 배출가스는 상기 열교환기(6)의 유입로(61)에서 분기된 공급로(611)를 통해 냉각수의 일부를 상기 반응챔버(4) 의 챔버열교환부(43)에 공급하여 열교환을 거쳐 일정 온도로 냉각하여 조절되고 ;

상기 챔버열교환부(43)의 후단에서 상기 챔버온도센서(72)가 챔버온도를 센싱하여 상기 제어부(7)로 전송하고 ;

상기 제어부(7)는 챔버온도가 250~400℃로 기준챔버온도 범위 내인가를 판단하여,

챔버온도가 기준챔버온도 범위 내가 아니면, 상기 제어부(7)는 상기 유량제어밸브(13)에 차단신호를 발생시켜 상기 기화튜브(4)에 액상의 환원제의 공급을 차단하고, 상기 바이패스댐퍼(52)를 개방하고 상기 시스템댐퍼(51)를 차단하여 배출가스를 바이패스시켜 상기 열교환기(6)와 소음기(80)를 거쳐 스택(9)으로 배기하며,

이 경우에 상기 제어부(7)는 배출가스의 온도가 250℃미만인 경우 상기 냉각수량제어밸브(432)에 냉각수량을 감소시키는 신호를 발생시키고, 배출가스의 온도가 400℃를 초과하는 경우에는 냉각수량을 증가시키는 신호를 발생시켜 챔버온도를 기준챔버온도 범위 내로 조절하도록 하고, 다시 상기 챔버온도센서(72)를 통해 챔버온도를 센싱하고,

배출가스의 온도가 기준챔버온도 범위 내인 경우 상기 제어부(7)는 상기 유량제어밸브에, 앞서 배출부(10)의 부하량에 따라 판단한 적정한 양의 액상의 환원제의 공급신호를 발생시켜 상기 기화튜브에 액상의 환원제를 공급하여 배기가스의 열량에 의해 액상의 환원제를 기상의 암모니아로 변화시키고, 상기 바이패스댐퍼(52)를 차단하고 상기 시스템댐퍼(51)를 개방하여 상기 반응챔버(4)에서 그리 드(45)를 통하여 배출가스에 기상의 암모니아를 분사하여 혼합기체를 형성하고, 상기 혼합기체를 상기 반응기(5)로 배출하고 ;

상기 반응기(5)에서 혼합기체는 무해한 성분으로 탈질되어 상기 열교환기(6)로 공급되고 ;

탈질된 혼합기체는 상기 열교환기(6)에서 유입로(61)를 통해 공급되는 냉각수 및 상기 챔버열교환부(43)를 거쳐 회수로(612)를 통해 공급되는 냉각수와 열교환을 하고, 소음기(80)를 거쳐 스택(9)으로 배기된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 반응기(5)의 입구단에 반응기온도센서(73)를 추가로 구비하여 상기 반응챔버(4)에서 배출된 혼합기체의 온도를 센싱하고, 그 온도값을 상기 제어부(7)로 전송하며, 상기 제어부(7)는 그 혼합기체의 온도에 따라 상기 냉각수량제어밸브(432)를 통해 냉각수량을 조절하여 혼합기체의 온도가 250~400℃인 기준반응기온도 범위 내에서 형성되도록 한다. 이 경우 혼합기체의 온도는 상기 챔버열교환부(43)를 거치면서 250~400℃인 기준챔버온도 범위 내로 조절된 후이므로 그 온도량의 변화가 크지 않을 것이어서 앞서 설명한 바이패스단계는 포함되지 않는다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 도시되지는 않았지만, 저장탱크에 저장된 액상의 환원제의 온도를 실시간으로 체크하는 저장탱크온도센서를 추가로 구비할 수도 있는데, 이와 같은 온도센서는 저장탱크의 액상의 환원제의 온도를 측정하여 상기 제어부(7)로 송신하고, 상기 제어부(7)는 해당 온도가 소정 온도 예컨대 20℃ 이하인지 여부를 판단하여, 이하이면 상기 히터(15)에 히터온신호를 송신하여 히터를 온시킴으로써 저장탱크(11)의 액상의 환원제의 온도를 항상 소정 온도 이상으로 유지하여 액상의 환원제의 고형화를 방지한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 도시되지는 않았지만, 상기 반응기(5)에는 차압트랜스미터(Differential Pressure Transmitter)가 추가로 구비될 수 있는데, 이는 반응기 입구단과 출구단의 압력차이를 측정하는 장치로, 압력차이가 압력강화로 인해 소정치 이하로 떨어지면 상기 열교환기(6)로의 배출이 원활해지지 아니하므로, 자체적으로 전체 시스템(8)의 작동을 중단시킨다. 일 예로, (주)엔드레스하우스(Endress+Hauser, www.endress.co.kr)의 PMD235시리즈가 차압트랜스미터로 사용될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 다른 실시예인 고온 배출가스 탈질방법을 설명하고자 한다.

본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질방법은 배출가스 전냉각단계, 암모니아 생성단계(S4), 혼합단계(S9), 탈질단계(S15)를 포함한다.

도 4를 참고하면, 상기 배출가스 전냉각단계는 열교환기로부터 일정량의 냉각수를 취출하여 상기 기화튜브(44)의 전단에 이격되어 형성된 상기 챔버열교환부(43)로 유입시켜 상기 배출부(10)에서 유출되는 배출가스의 온도를 일정 온도로 냉각하는 단계이다.

상기 암모니아생성단계(S4)는 액상의 환원제가 배출가스와 혼합되기 전에 기화튜브(44)를 흐르는 액체상태의 환원제가 배출가스의 열량을 받아 기체상태의 암모니아로 변화되는 단계이다.

상기 혼합단계(S9)는 상기 배출가스 전냉각단계를 거쳐 앞서 설명한 기준챔버온도(250~400℃)범위 내로 온도가 조절된 배출가스와, 기체상태의 암모니아가 상기 반응챔버(4)의 다공판(41)과 기체혼합기(42)를 거쳐 혼합기체를 형성하는 단계이다.

상기 탈질단계(S15)는 상기 혼합단계(S9)를 거쳐 상기 반응기(5)로 유입된 혼합가스 내의 질소산화물과 암모니아를 촉매를 이용해 반응시켜 무해한 성분으로 탈질시키는 단계이다.

이와 같은 고온 배출가스 탈질방법은 상기 배출부(10)로부터 배출되는 고온의 가스 또는 유체를 냉각하여 액상의 환원제를 기상의 암모니아로 변환시키는 것과 최적의 탈질효율을 나타내는 온도범위로 조절하기 위한 냉각수량과, 배출가스 내에 포함된 질소산화물을 탈질 시키는데 필요한 최적의 환원제의 공급량을 조절하여 기체상태의 암모니아를 반응챔버(4)에 공급하기 위해서 하기에 설명할 추가단계들을 구비하여 보다 효율적인 고온 배출가스 탈질시스템을 구체적으로 구현할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예로서 상기 고온 배출가스 탈질방법에 추가단계를 부가하여 구체적으로 구현한 고온 배출가스 탈질방법을 설명하고자 한다.

도 4, 도 5 및 도 6을 참고하면, 본 발명에 따른 고온 배출가스 탈질방법은 질소산화물량분석단계(S2), 환원제수량판단단계(S3), 챔버온도측정단계(S5), 챔버온도판단단계(S6), 제 1 바이패스단계(S7), 제 2 바이패스단계(S8), 암모니아생성 단계(S4), 혼합단계(S9)를 추가로 포함한다.

상기 질소산화물량분석단계(S2)는 상기 출력센서(71)가 상기 배출부(10)의 부하량에 관한 정보신호를 발생시키고 이를 상기 중앙처리부(76)가 수신하여, 그 부하량에 따라 배출가스 중에 포함된 질소산화물량을 연산하는 단계를 의미한다.

상기 환원제수량판단단계(S3)는 상기 중앙처리부(76)가 앞서 연산한 질소산화물량에 따른 적정한 양의 액체상태의 환원제의 공급량을 판단하는 단계이다.

상기 챔버온도측정단계(S5)는 상기 챔버온도센서(72)가, 도시되지는 않았지만, 열교환기로부터 일정량의 냉각수를 취출하여 반응챔버로 유입시켜 상기 반응챔버로 유입되는 배출가스의 온도를 일정 온도로 냉각하는 상기 배출가스 전냉각단계를 거친 배출가스의 온도에 관한 챔버온도신호를 발생시키고 이를 상기 중앙처리부(76)가 수신하여 챔버온도(T1)를 연산하는 단계를 말한다.

상기 챔버온도판단단계(S6)는 상기 중앙처리부(6)가 앞서 연산한 챔버온도(T1)가 기준챔버온도(250~400℃) 범위 내인가를 판단하는 단계이다.

상기 제 1 바이패스단계(S7)는 상기 챔버온도판단단계(S6)결과, 상기 챔버온도(T1)가 상한기준챔버온도(400℃)를 초과하면 상기 중앙처리부(76)가 상기 유량제어밸브(13)에 차단신호를 발생시켜 상기 기화튜브(44)에 액상의 환원제의 공급을 차단하여 암모니아 생성단계(S4)를 진행하지 않고, 바이패스신호를 발생시켜 상기 바이패스댐퍼(52)를 개방하고 상기 시스템댐퍼(51)를 차단하여 배출가스를 상기 반응기(5)를 거치지 아니하고 상기 열교환기(6)와 소음기(80)를 거쳐 스택(9)으로 배기하며, 상기 냉각수량제어펌프(432)에 냉각수량을 증가시키는 신호를 발생시켜 챔 버온도(T1)를 기준챔버온도 범위 내로 조절하도록 하고, 다시 챔버온도측정단계(S5)를 진행하는 단계이다.

상기 제 2 바이패스단계(S8)는 상기 챔버온도판단단계(S6)결과, 챔버온도(T1)가 하한기준챔버온도(250℃)미만이면 상기 중앙처리부(76)가 상기 유량제어밸브에 차단신호를 발생시켜 상기 기화튜브(44)에 액상의 환원제의 공급을 차단하여 암모니아 생성단계(S4)를 진행하지 않고, 바이패스신호를 발생시켜 상기 바이패스댐퍼(52)를 개방하고 상기 시스템댐퍼(51)를 차단하여 배출가스를 상기 반응기(5)를 거치지 아니하고 상기 열교환기(6)와 소음기(80)를 거쳐 스택(9)으로 배기하며, 상기 냉각수량제어펌프(432)에 냉각수량을 감소시키는 신호를 발생시켜 챔버온도(T1)를 기준챔버온도 범위 내로 조절하도록 하고, 다시 챔버온도측정단계(S4)를 진행하는 단계이다.

상기 암모니아 생성단계(S4)는 상기 챔버온도(T1)가 기준챔버온도(250~400℃) 범위 내이면 상기 중앙처리부(76)가 앞서 환원제수량판단단계(S3)에서 결정된 액상의 환원제의 공급량에 따라 상기 유량제어밸브(13)를 제어하여 적정량의 액상의 환원제를 기화튜브(44)에 공급함으로써 액상의 환원제를 기상의 암모니아로 변환시키는 것을 추가로 포함하는 단계이다.

상기 혼합단계는 상기 챔버온도(T1)가 기준챔버온도(250~400℃) 범위 내이면 상기 중앙처리부(76)가 바이패스신호를 발생시켜 상기 바이패스댐퍼(52)를 차단하고 상기 시스템댐퍼(51)를 개방하여 상기 암모니아 생성단계(S4)를 거쳐 형성된 기상의 암모니아와 배출가스의 혼합기체를 상기 반응기(5)로 배출하는 단계이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고온 배출가스 탈질방법의 흐름도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 고온 배출가스 탈질방법을 도 7 을 참고하여 설명하면, 고온 배출가스 탈질방법은 반응기온도측정단계(S10), 반응기온도판단단계(S11), 냉각수량증가단계(S12), 냉각수량감소단계(S13), 냉각수량유지단계(S14)를 추가로 구비할 수 있다.

상기 반응기온도측정단계(S10)는 상기 반응기온도센서(73)가 상기 반응챔버(4)의 출구단과 상기 반응기(5)의 입구단 사이에서 상기 반응챔버(4)의 배출가스 전냉각단계를 거쳐 배출되는 혼합기체의 온도에 관한 반응기온도 신호를 발생시키고, 이를 상기 중앙처리부(76)가 수신하여 상기 반응기(5)에 공급되는 반응기온도(T2)를 연산하는 단계이다.

상기 반응기온도판단단계(S11)는 상기 중앙처리부가 앞서 연산한 반응기온도(T2)가 기준반응기온도(250~400℃) 범위 내인가를 판단하는 단계이다.

상기 냉각수량증가단계(S12)는 반응기온도(T2)가 상한기준반응기온도(400℃) 이상이면 상기 중앙처리부(76)가 상기 냉각수량제어밸브(432)에 냉각수량 증가신호를 발생시켜 상기 챔버열교환부(43)에 유입되는 냉각수량을 증가시키고 다시 반응기온도판단단계(S11)를 진행하며, 배출가스 중의 질소산화물을 탈질시키는 탈질단계(S15)를 진행하는 단계이다.

상기 냉각수량감소단계(S13)는 반응기온도(T2)가 하한기준반응기온도(250℃) 미만이면 상기 중앙처리부(76)가 상기 냉각수량제어밸브(432)에 냉각수량 감소신호 를 발생시켜 냉각수량을 감소시키고 다시 반응기온도판단단계(S10)를 진행하며, 배출가스 중의 질소산화물을 탈질시키는 탈질단계(S14)를 진행하는 단계이다.

상기 냉각수량유지단계(S14)는 상기 반응기온도(T2)가 기준반응기온도(250~400℃) 범위 내이면 상기 중앙처리부(76)가 상기 냉각수량제어밸브(432)에 열교화수량 유지신호를 발생시켜 챔버열교환부(43)에 유입되는 냉각수량을 유지시키고 배출가스 중의 질소산화물을 탈질시키는 탈질단계(S15)를 진행한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

본 발명은 앞서 본 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 액상의 환원제가 흐를 수 있는 기화튜브가 배출가스의 열량을 공급받을 수 있도록 배출가스의 주류(main stream)에 노출되도록 형성되어 액상의 환원제가 배출가스와 혼합되기 전에 기상의 암모니아로 변화되어 열원을 공급하는 가열기와 같은 별도의 장치 없이 액상의 환원제의 기화 또는 열분해에 필요한 열량을 공급할 수 있어 설치비용과 운영비용이 감소 되고, 고온 배출가스 탈질 시스템 전체의 설비의 크기 및 공간을 줄일 수 있으므로 중소형 배출가스 탈질 시스템에 적합한 고온 배출가스 탈질시스템과 그 시스템을 이용한 고온 배출가스 탈질방법을 제공한다.

본 발명은 환원제인 암모니아가 기체상태로 배출가스에 분사되므로 환원제가 배출가스에 고르게 분포될 수 있어 탈질 효율을 극대화할 수 있고, 종래의 액상의 환원제를 배출가스와 균일하게 혼합할 수 있도록 공기를 주입하는 설비를 생략할 수 있으며, 이로 인해 설치비용과 운영비용이 감소하고, 설비의 크기 및 공간을 줄일 수 있는 효과를 이룰 수 있다.

본 발명은 기상의 암모니아가 배출가스에 고르게 분포되도록 그리드를 형성하여 반응기에 도달하는 환원제의 균일 분포를 얻고 탈질효율을 극대화할 수 있으며 환원제가 분사되는 비거리를 줄일 수 있어 전체 설비의 크기 및 공간을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 고온의 배출가스를 최적의 탈질효율에 적합한 온도로 맞추어 일반적인 암모니아계 SCR설비를 적용할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 열교환기로 들어가는 냉각수의 일부를 활용하여 고온의 배출가스의 온도를 조정함으로써 저렴한 비용으로 일반적인 SCR설비를 적용할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 설비의 비용을 증가시키는 반응기질소산화물 및 암모니아 분석기를 생략함으로써 설비의 경쟁력을 강화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (15)

1. 고온의 배출가스의 열량을 공급받아 액상의 환원제가 기상의 암모니아로 변화될 수 있도록 배출가스 중에 노출되어 형성된 기화튜브를 포함하는 반응챔버와;

   상기 기화튜브에 액상의 환원제를 공급하는 환원제공급부와;

   상기 반응챔버로부터의 혼합가스 중 질소산화물을 탈질시키는 반응기를 포함하는 고온 배출가스 탈질시스템
2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응챔버는,

   기상의 암모니아가 배출가스와 균일하게 혼합되도록 하고, 상기 반응챔버의 길이를 줄일 수 있도록 상기 기화튜브의 타단에서 구멍이 형성된 그리드를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 배출가스 탈질시스템
3. 제 2 항에 있어서, 상기 그리드는,

   상기 그리드의 상단에서도 기상의 암모니아가 배출가스로 균일하게 분포될 수 있도록 일단은 상기 기화튜브의 일단과 연통되고 타단은 상기 그리드와 연통되게 형성되며, 수리를 용이하게 할 수 있도록 배출가스가 흐르는 상기 반응챔버의 외부에 돌출되어 탈부착이 가능하게 형성된 헤드를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 배출가스 탈질시스템
4. 제 2 항에 있어서, 상기 고온 배출가스 탈질시스템은,

   상기 반응기의 출구단에 위치하여 냉각수를 이용해 배출된 혼합가스의 열을 회수하는 열교환기와;

   상기 반응챔버의 앞단에 위치하며 상기 열교환기로 유입되는 냉각수의 일부를 공급하여 고온의 배출가스의 온도를 SCR공정에 적합한 온도로 냉각시킨 뒤 다시 상기 열교환기로 유출시키는 챔버열교환부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 배출가스 탈질시스템
5. 제 4 항에 있어서, 상기 챔버열교환부는

   열교환기로부터 취출되는 냉각수의 공급량을 측정하는 냉각수량측정기와, 냉각수의 공급량을 조절하는 냉각수량제어밸브를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 배출가스 탈질시스템
6. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 상기 반응챔버는

   온도가 조절된 배출가스와 기상의 암모니아의 혼합을 배가시키는 다수의 관통공을 구비한 다공판과, 상기 다공판을 통과한 혼합기체를 재혼합시키는 기체혼합기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 배출가스 탈질시스템
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 환원제공급부는

   액상의 환원제를 저장하는 저장탱크와, 상기 저장탱크에서 공급되는 환원제 의 유량을 측정하는 유량측정기와, 상기 유량측정기의 출력단에 연결되며 환원제의 공급량을 조절하는 유량제어밸브와, 환원제의 정체를 막기 위하여 환원제를 강제순환시키는 순환펌프와, 환원제의 응고를 방지하기 위한 히터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 배출가스 탈질시스템
8. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 반응기는

   그 입구단과 출구단에서의 혼합가스의 압력차이를 측정하여 그 차이가 소정치 이하로 떨어질 경우 시스템의 작동을 정지시키는 차압트랜스미터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 배출가스 탈질시스템
9. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 고온 배출가스 탈질시스템은,

   배출가스에서 질소산화물량을 분석하기 위해 배출부의 출력단에서 배출부의 부하량을 측정하고 전송하는 출력센서와, 상기 챔버열교환부의 출구단에서 배출가스의 온도를 측정하는 챔버온도센서와, 상기 반응기의 입구단에서 상기 반응챔버를 거친 혼합가스의 온도를 측정하는 반응기온도센서와, 상기 센서들로부터 정보를 수신하여 분석함으로써 시스템을 전체적으로 제어하는 제어부를 가지는 것을 특징으로 하는 고온 배출가스 탈질시스템
10. 제 9 항에 있어서, 상기 반응챔버는,

    그 출구단에서 혼합가스가 반응기를 거치지 않고 열교환기로 바이패스시키거 나 반응기로 유동시키는 댐퍼를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 배출가스 탈질시스템
11. 제 9 항에 있어서, 상기 제어부는

    상기 센서들로부터 수신한 정보의 데이타신호를 증폭하는 증폭부와; 상기 증폭된 신호를 디지털데이타신호로 변환하는 AD변환부와; 상기 디지털데이타신호를 탑재된 소정의 프로그램을 이용하여 분석하고 처리하며, 디지털제어신호를 발생시켜 시스템을 전체적으로 제어하는 중앙처리부와; 상기 중앙처리부의 각종 디지털제어신호를 아날로그제어신호로 변환하는 DA변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 배출가스 탈질시스템
12. 열교환기로부터 일정량의 냉각수를 취출하여 반응챔버로 유입시켜 상기 반응챔버로 유입되는 배출가스의 온도를 일정 온도로 냉각하는 배출가스 전냉각단계와;

    액상의 환원제가 배출가스와 혼합되기 전에 기화튜브에 흐르는 액상의 환원제가 배출가스의 열량을 받아 기상의 암모니아로 변화되는 암모니아생성단계와;

    상기 기상의 암모니아가 그리드를 통하여 분무되어 배출가스와 균일하게 혼합되어 탈질효과를 높이는 혼합단계와;

    반응기로 유입된 혼합가스 내의 질소산화물과 암모니아를 촉매를 이용해 반응시켜 탈질하는 탈질단계를 포함하는 고온 배출가스 탈질방법
13. 제 12 항에 있어서, 상기 고온 배출가스 탈질방법은

    챔버온도센서가 챔버열교환부에 의해 온도가 조절된 배출가스의 온도를 센싱하는 챔버온도측정단계와;

    중앙처리부가 챔버온도가 기준챔버온도를 만족하는지 여부를 판단하는 챔버온도판단단계와;

    상기 챔버온도판단단계결과, 챔버온도가 하한기준챔버온도 미만이면 상기 중앙처리부가 챔버열교환부에 유입되는 냉각수량을 감소시키고 기화튜브에 액상의 환원제의 공급을 차단시켜 액상의 환원제를 기상의 암모니아로 변환시키는 암모니아생성단계를 중단시키고, 이미 유입된 배출가스를 열교환기로 바이패스 시키며 다시 챔버온도판단단계를 진행하는 제 1 바이패스단계와,

    상기 챔버온도판단단계결과, 챔버온도가 상한기준챔버온도 이상이면 상기 중앙처리부가 챔버열교환부에 유입되는 냉각수량을 증가시키고 기화튜브에 액상의 환원제의 공급을 차단시켜 액상의 환원제를 기상의 암모니아로 변환시키는 암모니아 생성단계를 중단시키고, 이미 유입된 배출가스를 열교환기로 바이패스 시키며 다시 챔버온도판단단계를 진행하는 제 2 바이패스단계를 포함하고,

    상기 챔버온도판단단계결과, 챔버온도가 기준챔버온도를 만족하면 상기 중앙처리부가 챔버열교환부에 유입되는 냉각수량을 유지시키고 기화튜브에 액상의 환원제를 공급시켜 상기 암모니아생성단계와 탈질단계를 진행하는 것을 특징으로 하는 고온 배출가스 탈질방법
14. 제 13 항에 있어서, 상기 고온 배출가스 탈질방법은

    배출부의 출력단에서 배출부의 부하량을 전송하여 상기 중앙처리부가 상기 배출부출력에 따라 배출가스에 포함된 질소산화물량을 판단하는 질소산화물량분석단계와;

    상기 중앙처리부가 질소산화물량에 따른 적정한 양의 액상의 환원제의 공급량을 판단하는 환원제수량판단단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 배출가스 탈질방법
15. 제 14 항에 있어서, 상기 고온 배출가스 탈질방법은

    반응기온도센서가 반응기의 입구단에서 반응기온도를 센싱하는 반응기온도측정단계와;

    중앙처리부가 상기 반응기온도가 기준반응기온도를 초과하는지 여부를 판단하는 반응기온도판단단계와;

    상기 반응기온도판단단계결과, 반응기온도가 하한기준반응기온도 미만이면 상기 중앙처리부가 냉각수량을 감소시키고 다시 반응기온도판단단계를 진행하며, 상기 탈질단계를 진행하는 냉각수량감소단계와,

    상기 반응기온도판단단계결과, 반응기온도가 상한기준반응기온도 이상이면 상기 중앙처리부가 챔버열교환부에 유입되는 냉각수량을 증가시키고 다시 반응기온도판단단계를 진행하며, 상기 탈질단계를 진행하는 냉각수량증가단계를 포함하고,

    상기 반응기온도판단단계결과, 반응기온도가 기준반응기온도를 만족하면 상 기 중앙처리부가 챔버열교환부에 유입되는 냉각수량을 유지시키는 냉각수량유지단계를 거쳐 상기 탈질단계를 진행하는 것을 특징으로 하는 고온 배출가스 탈질방법

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