KR20180128720A - 선택적 촉매 환원 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선택적 촉매 환원 시스템 내의 유동 편차가 발생된 영역에서 배플(Baffle) 부재들을 포함하여 유체의 유동 편차를 개선한 기술을 설명하고 있다.

Description

선택적 촉매 환원 시스템{Selected Catalytic Reduction System}
본 발명은 선택적 촉매 환원(Selected Catalytic Reduction; SCR) 시스템에 관한 것으로서, 특히 배관이나 각종 시스템 내에서의 가스와 같은 유체의 흐름에 있어서 유동 편차를 개선하기 위한 배플(Baffle)을 포함하는 선택적 촉매 환원(Selected Catalytic Reduction; SCR) 시스템에 관한 것이다.
국내외적으로 대기 오염 물질에 대한 규제가 강화되고 있는 추세이고, 오염 물질을 저감하기 위한 노력이 진행되고 있다. 대기 오염 물질 중 질소산화물은 연소과정에서 생성되는 것으로 다른 오염 물질에 비해 기술적인 면에서 제어가 쉽지 않다. 배기 가스에 포함된 질소산화물을 처리하는 후처리 시설 중에 하나가 선택적 촉매 환원(Selected Catalytic Reduction; SCR) 시스템이다.
선택적 촉매 환원 시스템의 성능은 촉매의 성능과 적절한 운전조건 유지에 따라 결정된다고 볼 수 있다. 특히 촉매층 전단에서의 온도, 속도, 암모니아의 질량비 분포의 균일성은 촉매의 성능 유지와 밀접한 관계가 있다. 이러한 종래의 기술들은 시스템의 형상을 반영하여 배플을 설치하여 유동 분포의 균일성을 유지하도록 하였으나, 이미 유동 편차가 발생된 것을 개선하는 데는 한계가 있었다.
본 발명은 선택적 촉매 환원 시스템 내의 유동 편차가 발생된 영역에서 배플(Baffle) 부재들을 포함하여 유체의 유동 편차를 개선하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 촉매층을 구비하는 선택적 촉매 환원(Selected Catalytic Reduction; SCR) 시스템은, 촉매층의 전단으로부터 이격되어 위치되고 유체의 유동 단면의 적어도 일 방향으로의 확장으로 인한 유동편차를 감소시키기 위한 복수 개의 배플 부재들을 포함하고, 각각의 배플 부재는 유동 단면의 확장 방향에 수직한 방향으로 각각 연장되는 제 1 부분 및 제 2 부분을 포함하고, 제 1 부분의 일단부와 제 2 부분의 일단부는 일체로 형성되어 각각의 배플 부재는 유체의 도입방향으로 돌출된 형상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템에 있어서, 각각의 배플 부재의 단면으로서, 배플 부재가 연장된 방향에 수직한 방향으로의 단면은 V 형상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템에 있어서, 제 1 부분과 제 2 부분의 사이각은 45 내지 90° 일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템에 있어서, 제 1 부분의 타단부와 제 2 부분의 타단부 사이의 길이는 30mm 내지 200mm이고, 각각의 배플 부재 간의 간격은 30mm 내지 50mm 일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템에 있어서, 각각의 배플 부재 간의 간격은 일정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템에 있어서, 시스템은 촉매층의 전단으로부터 소정 거리 이격되어 위치된 암모니아 주입 그리드(Ammonia Injection Grid; AIG)를 포함하고, 복수 개의 배플 부재들은 암모니아 주입 그리드의 전단에 장착가능할 수 있다.
본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템에서는 배플 부재들을 통과한 유체의 촉매층 전단에서의 유동편차가 크게 개선되는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수 개의 배플 부재들을 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템을 도시한 도면이고, 도 1b는 도 1a의 일부를 확대한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배플 부재들을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 따른 배플 부재들의 장착 전후의 유체의 속도 분포를 도시한다.
도 4는 도 2에 따른 배플 부재들의 장착 전후의 유체 내의 암모니아 질량비 분포를 도시한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 배플 부재들을 포함하는 유체의 유동 편차를 개선하기 위한 시스템을 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체의 유동편차를 감소시키기 위한 복수 개의 배플 부재들(10)과 촉매층(20)을 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템(1)을 도시한다. 유체는, 도입부(40)로 유입되어 복수 개의 배플 부재들(10) 사이를 통과하고 촉매층(20)을 지나 배출부(50)로 빠져나가게 된다. 우선, 배플 부재들(10)이 장착되지 않은 경우(미도시)라면, 도입부(40)에 유입된 유체는 유동 단면이 확장되는 등에 따른 유체의 유동편차가 발생하게 된다(도 3 및 도 4 참조).
그러나, 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(1)에서 복수 개의 배플 부재들(10)이 촉매층(20)의 전단으로부터 소정 거리 이격되어 장착됨에 따라, 도입부(40)에 유입된 유체에는 유동 단면이 확장되는 등에 따른 유체의 유동편차의 발생이 최소화될 수 있다(도 3 및 도 4 참조).
복수 개의 배플 부재들(10)은 도 1a에 도시된 바와 같이 유동 단면이 확장되었다가 일정하게 되는 부분에 설치될 수 있고, 바람직하게는, 암모니아 주입 그리드(Ammonia Injection Grid, 30)의 전단에 장착될 수 있다. 또한, 도 1a에서는, 유체의 유동 단면은 횡방향으로(horizontally) 확장되고, 복수 개의 배플 부재들(10)의 각각은 유동 단면의 종방향으로(vertically) 연장되는 경우로서, 본 발명에 따른 일 실시예를 도시하고 있다.
도 1b는 도 1a의 암모니아 주입 그리드(Ammonia Injection Grid, 30)의 전단에 장착된 복수 개의 배플 부재들(10) 일부를 확대한 도면이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 복수 개의 배플 부재들(10)의 각각은 유동 단면의 종방향으로 연장되고, 또한, 배플 부재들(10)의 각각은 일체로 형성된 제 1 부분(10a) 및 제 2 부분(10b)을 포함한다. 제 1 부분(10a)의 일 단부와 제 2 부분(10b)의 일 단부는 일치하여, 각각의 배플 부재(10)의 제 1 부분(10a)과 제 2 부분(10b)은 일체로 형성되고, 배플 부재(10) 각각은 유체의 도입방향으로 돌출된 형상일 수 있다. 이 때, 각 배플 부재(10)가 연장된 방향인 종방향에 수직한 방향으로의 단면은, 바람직하게는 V 형상이고, 더욱 바람직하게는 이등변 삼각형의 두 빗변에 일치하는 형상일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 각 배플 부재(10)가 연장된 방향인 종방향에 수직한 방향으로의 단면이 삼각형일 수도 있는 등, 유체가 도입되는 부분으로 향하여 있는 제 1 부분(10a) 및 제 2 부분(10b)이 상술한 바와 같이 구성되고 각 배플 부재(10)의 나머지 다른 부분들은 다양한 방법으로 구현되는 등의 변형, 변경이 가능하다.
한편, 종래의 배플을 장착하는 경우에는, 배플 전단과 후단 사이의 차압이 커져 선택적 촉매 환원 시스템 전체에서의 유동 흐름이 원활하게 진행되지 않을 수 있다. 따라서 복수 개의 배플 부재들을 장착하면서도 차압을 낮출 필요가 있다. 본 발명에 따른 복수 개의 배플 부재들(10)을 장착하는 경우 차압을 50Pa (~ 5 mmH2O) 이하로 낮추면서도 촉매층(20) 전단에서의 유동 편차를 개선할 수 있다.
도 2는 도 1a의 복수 개의 배플 부재들(10)의 일부를 확대한 도면이다. 배플 부재(10) 각각의 제 1 부분(10a)의 일 단부와 제 2 부분(10b)의 일 단부가 일치하는 형상이고, 제 1 부분(10a)과 제 2 부분(10b) 사이의 각(θ)은 45°내지 90°일 수 있으며, 바람직하게는 60°일 수 있다. 또한, 제 1 부분(10a)의 타단부와 제 2 부분(10b)의 타단부 사이의 길이(D)는 30 내지 200mm, 바람직하게는 50 내지 150mm, 가장 바람직하게는 100mm 일 수 있다. 또한, 각각의 배플 부재(10) 간의 간격(S)은 30mm 내지 100mm일 수 있으며, 바람직하게는 30mm 내지 50mm일 수 있다.
한편, 본 발명이 구현될 수 있는, 선택적 촉매 환원 시스템의 암모니아 주입 그리드(30)의 폭은 예를 들어 4000mm 내지 5000mm일 수 있으며, 이러한 암모니아 주입 그리드(30)의 전단에 횡방향으로 걸쳐 상기의 복수 개의 배플 부재들(10)이 장착될 수 있다. 암모니아 주입 그리드(30)의 종방향으로의 길이는 예를 들어 4000mm 내지 5000mm 일 수 있으며, 이 경우 배플 부재들(10)의 각각의 종방향으로의 길이는 예를 들어 50mm 내지 100mm일 수 있다. 또한, 배플 부재들(10)의 재료로는 스테인리스강이 사용될 수 있고, 바람직하게는 오스테나이트계(austenite) 스테인리스강으로서 A240 TP310이 사용될 수 있다.
그러나, 본 발명은 상술된 것에 한정되지 않고, 본 발명이 구현되는 다양한 환경에 맞게, 제 1 부분(10a)과 제 2 부분(10b) 사이의 각도, 제 1 부분(10a)의 타단부와 제 2 부분(10b)의 타단부 사이의 길이(D), 각각의 배플 부재(10) 간의 간격(S)을 조절하여 구현할 수 있는 등 다양한 변형, 변경이 가능하다.
도 3은 도 2에 따른 배플 부재들의 장착 전후의 촉매층(20) 전단의 속도 분포를 도시한다. 도 3에서의 미장착의 경우는, 배플 부재들(10)이 장착되지 않은 경우를 의미하며, 이 때의 촉매층(20) 전단에서의 유체 속도 분포를 보여준다. 도입부(40)에 유입된 유체는 유동 단면이 확장되는 등에 따른 유체의 유동편차가 발생하게 되며, 촉매층(20) 전단에서의 속도가 불균일함을 알 수 있다.
반면 도 3에서 구현예 1 내지 4의 경우들은, 도 1a에서와 같이, 배플 부재들(10)이 장착된 경우의 촉매층(20) 전단의 유체의 속도 분포를 도시한다. 구체적으로, 구현예 1은 도 2에서의 D=100mm 이고 S=30mm인 경우를 도시하고, 구현예 2는 D=100mm 이고 S=40mm인 경우를 도시하고, 구현예 3은 D=100mm 이고 S=50mm인 경우를 도시하고, 구현예 4는 D=100mm 이고 S=100mm인 경우를 도시한다. 암모니아 주입 그리드(30)의 폭은 4000mm 내지 5000mm 이다. 도 1a에 도시된 바와 같이 도입부(40)에 유입된 유체의 유동 단면이 확장이 되더라도, 유체가 본 발명의 일 실시예에 따른 배플 부재들(10)을 통과함으로써, 도 3의 구현예 1 내지 4의 경우에 도시된 바와 같이, 촉매층(20) 전단에서의 유체의 속도 차이가 크지 않고 대체로 균일함을 알 수 있다. 특히, 구현예 1 내지 3의 경우에서 유체의 속도 차이가 현저히 개선된 것을 알 수 있다.
추가로, 유체의 유동 속도 분포의 균일도 판단을 위해, (비율) = (표준편차)/ (평균) 개념을 적용하여 살펴보면, (비율)의 값이 작을수록 분포가 균일함을 나타내는데, 배플 부재들(10)이 장착되지 않은 경우인 도 3의 미장착의 경우에서는 (평균)=5.36, (표준편차)=2.76이고, (비율) = (표준편차)/ (평균) = 0.51임을 알 수 있다. 반면, 배플 부재들(10)이 장착된 경우인 도 3의 구현예 1 내지 4에서는 각각 (비율) = 0.28, 0.23, 0.25, 0.40로 촉매층(20) 전단에서의 유체의 속도 차이가 개선되었으며, 특히 구현예 1 내지 3에서 현저히 개선되었음을 알 수 있고, 그 중에서도, 도 2에서의 D=100mm 이고 S=40mm인 경우에 해당하는 경우인 구현예 2에서 촉매층(20) 전단에서의 유체의 속도 차이가 가장 바람직하게 개선된 것을 알 수 있다.
또한, 도 4는 도 2에 따른 배플 부재들의 장착 전후의 촉매층(20) 전단의 암모니아(NH3) 질량비 분포를 도시한다. 도 4에서의 미장착의 경우는, 배플 부재들(10)이 장착되지 않은 경우를 의미하며, 이 때의 촉매층(20) 전단의 암모니아 질량비 분포를 도시한다. 도입부(40)에 유입된 유체는 유동 단면이 확장되는 등에 따른 유체의 유동편차가 발생하게 되고, 이러한 유체가 암모니아 주입 그리드(30)를 통과하면서 유체에 암모니아가 확산되게 되는데, 유체의 유동편차로 인하여 도 4의 미장착 경우에 도시된 바와 같이, 촉매층(20) 전단에서의 유체 내의 암모니아 질량비의 분포가 불균일하게 됨을 알 수 있다.
반면 도 4에서 구현예 1 내지 4의 경우는, 도 1a에서와 같이 배플 부재들(10)이 장착된 경우의 촉매층(20) 전단에서의 암모니아 질량비 분포를 도시한다. 구체적으로, 구현예 1은 도 2에서의 D=100mm 이고 S=30mm인 경우를 도시하고, 구현예 2는 D=100mm 이고 S=40mm인 경우를 도시하고, 구현예 3은 D=100mm 이고 S=50mm인 경우를 도시하고, 구현예 4는 D=100mm 이고 S=100mm인 경우를 도시한다. 암모니아 주입 그리드(30)의 폭은 4000mm 내지 5000mm 이다. 도 1a에서와 같이 도입부(40)에 유입된 유체에 유동 단면의 확장이 되더라도, 유체가 본 발명의 일 실시예에 따른 배플 부재들(10)을 통과함으로써, 도 4의 구현예 1 내지 4의 경우에 도시된 바와 같이, 촉매층(20) 전단에서의 유체 내의 암모니아 질량비 분포가 대체로 균일함을 알 수 있다. 특히, 구현예 1 내지 3의 경우에서 촉매층(20) 전단에서의 유체 내의 암모니아 질량비 차이가 크게 개선된 것을 알 수 있다.
추가로, 유체의 암모니아 질량비 분포의 균일도 판단을 위해, (비율) = (표준편차)/ (평균) 개념을 적용하여 살펴보면, (비율)의 값이 작을수록 분포가 균일함을 나타내는데, 배플 부재들(10)이 장착되지 않은 경우인 도 4의 미장착의 경우에서는 (평균)=3.7e-3, (표준편차)=2.7e-3이고, (비율) = (표준편차)/ (평균) = 0.72인 반면에, 배플 부재들(10)이 장착된 경우인 구현예 1 내지 4에서는 각각, (비율) = 0.20, 0.21, 0.24, 0.43으로 촉매층(20) 전단에서의 암모니아 질량비 차이가 개선되었으며, 특히 구현예 1 내지 3에서 현저히 개선되었음을 알 수 있고, 그 중에서도, 도 2에서의 D 에서의 D=100mm 이고 S=30mm인 경우에 해당하는 경우인 구현예 1에서 촉매층(20) 전단에서의 암모니아 질량비 차이가 가장 바람직하게 개선된 것을 알 수 있다.
한편, 전술한 도 1a에서는 유체의 유동 단면이 횡방향으로 확장되고, 복수 개의 배플 부재들(10)의 각각은 유동 단면의 종방향으로 연장되는 경우를 도시하였지만, 이는 본 발명의 일 실시예에 해당하고, 본 발명은 유체의 유동 단면이 종방향으로 확장되고, 복수 개의 배플 부재들(10)의 각각이 유동 단면의 횡방향으로 연장되는 경우로도 구현될 수 있고, 본 발명은 유체의 유동 단면이 종방향 및 횡방향으로 확장되고 복수 개의 배플 부재들(10)의 각각은 격자 형상으로 배열되고, 그 형상이 사각뿔 형상인 경우로 구현되는 등의 다양한 변형, 변경이 가능하다.
상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 기술자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구 범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템 10: 배플 부재
10a: 배플 부재의 제 1 부분 10b: 배플 부재의 제 2 부분
20: 촉매층 30: 암모니아 주입 그리드
40: 도입부 50: 배출부

Claims (6)

  1. 촉매층을 구비하는 선택적 촉매 환원(Selected Catalytic Reduction; SCR) 시스템에 있어서,
    상기 촉매층의 전단으로부터 이격되어 위치되고, 상기 유체의 유동 단면의 적어도 일 방향으로의 확장으로 인한 유동편차를 감소시키기 위한 복수 개의 배플 부재들을 포함하고,
    각각의 배플 부재는 상기 유동 단면의 확장 방향에 수직한 방향으로 각각 연장되는 제 1 부분 및 제 2 부분을 포함하고, 상기 제 1 부분의 일단부와 상기 제 2 부분의 일단부는 일체로 형성되어 상기 각각의 배플 부재는 유체의 도입방향으로 돌출된 형상인, 선택적 촉매 환원 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 배플 부재의 단면으로서, 배플 부재가 연장된 방향에 수직한 방향으로의 상기 단면은 V 형상인, 선택적 촉매 환원 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분의 사이각은 45 내지 90°인, 선택적 촉매 환원 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 부분의 타단부와 상기 제 2 부분의 타단부 사이의 길이는 30 내지 200mm이고, 상기 각각의 배플 부재 간의 간격은 30mm 내지 50mm인, 선택적 촉매 환원 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 배플 부재 간의 간격은 일정한, 선택적 촉매 환원 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 촉매층의 전단으로부터 이격되어 위치된 암모니아 주입 그리드(Ammonia Injection Grid; AIG)를 포함하고, 상기 복수 개의 배플 부재들은 상기 암모니아 주입 그리드의 전단에 장착가능한, 선택적 촉매 환원 시스템.
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