KR20200072609A - 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치 - Google Patents
농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치; 상기 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 내부에 설치하고, 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응 및 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의해 NOx 환원반응이 동시에 일어나는 SNCR 반응기; 상기 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 내부에 설치하고, 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응이 일어나 암모니아를 형성하는 기화기; 상기 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 포함하는 질소산화물(NOx)의 저감시스템; 상기 질소산화물의 저감시스템에서, 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키고, 요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하여 NOx 함유 연소가스를 처리하는 방법 에 관한 것이다.
Description
본 발명은 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치; 상기 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 내부에 설치하고, 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응 및 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의해 NOx 환원반응이 동시에 일어나는 SNCR 반응기; 상기 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 내부에 설치하고, 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응이 일어나 암모니아를 형성하는 기화기; 상기 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 포함하는 질소산화물(NOx)의 저감시스템; 상기 질소산화물의 저감시스템에서, 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키고, 요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하여 NOx 함유 연소가스를 처리하는 방법에 관한 것이다.
고온의 소각로, 가열로, 보일러, 내연기관은 내부로 연료와 산화제를 공급하면서 착화시켜 연료를 태우고 연료 자체의 연소열로 고온을 유지하는 장치이다. 연소반응의 산화제로 공기가 사용되는 경우, 공기 중의 질소가 연소반응을 거치면서 NO, NO2, NO3, N2O3, N2O, N2O4, N2O5 등과 같은 질소산화물(NOx)을 생성한다.
특히, 화석연료를 사용하는 석탄 화력발전소, 산업용보일러, 내연기관인 디젤엔진 등의 연소과정에서 발생하는 질소산화물(NOx)는 일차오염물질로 대기 중으로 배출되어 초미세먼지로 전환되고 산성비, 광화학 스모그 등 환경문제를 유발한다.
질소산화물을 제거하는 기술은 저NOx 버너, 다단 연소, 배가스 재순환과 같은 연소기술 개선방법과 연소 후 배가스 처리기술로 구분된다. 연소기술 개선의 경우 저감효율이 높지 않아 배출허용기준 준수를 위하여 선택적 촉매환원법(SCR)과 선택적 무촉매환원법(SNCR)과 같은 배가스 처리 기술을 주로 사용하고 있다.
SCR공정은 Pt-V2O5/TiO2 촉매 활용시 300 ~ 450℃ 온도구간에서 90% 이상의 제거효율을 얻을 수 있다. 그러나, 촉매의 비용이 높고 반응조건에 따른 비활성화 문제로 질소산화물의 저감원단위는 비교적 높다.
SNCR 공정은 SCR공정에 비하여 초기 설치비가 저렴하고 별도의 설치부지가 필요 없어 적용성은 우수하지만 효율이 높지 않다는 단점이 존재한다. 반응온도 850 ~ 1100℃ 범위에서 40-70% 수준의 탈질효율을 나타낸다. SNCR공정은 좁은 반응온도 구간 이상의 온도영역에서는 투입된 환원제(요소수, 암모니아수)의 산화반응으로 NOx 생성이 증가하며 낮은 온도구간에서는 환원제가 효율적으로 반응하지 못하고 암모니아 유출이 발생하게 된다.
NO에 대한 선택도가 다른 종류의 환원제(탄화수소, 일산화탄소)에 비해서 우수하기 때문에 현재 상용화된 촉매 환원 공정(SCR)에 주로 사용되는 환원제는 암모니아(NH3)이다. 그러나, NH3는 독성이 매우 강하고 각종 설비를 부식시킬 뿐 아니라 저장 및 수송에 많은 비용이 든다는 단점이 있다. 또한 현재 발전 및 소각시설의 SCR 설비를 충당하기 위해서는 많은 양의 NH3를 필요로 하게 된다.
요소(Urea, (NH2)2CO)는 다음과 같이 쉽게 암모니아로 분해된다.
Urea → Biuret + Ammonia
(1)
Urea → Cyanuric acid + Ammonia
(2)
Biuret → Cyanuric acid + Ammonia
(3)
Biuret → Cyanuric acid + Amminia
(4)
요소(Urea)의 DeNOx 반응은 하기 화학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
이와 같이 상온에서 고체로 존재하고 비교적 낮은 온도에서 분해되어 암모니아를 생성하는 요소(Urea)는 독성이 거의 없어 저장이 용이하고, DeNOx 반응에서 암모니아를 요소(Urea)로 대체할 경우 미반응 암모니아에 의한 부차적인 오염을 줄일 수 있다. 또한, 요소(Urea)는 무색 무취의 결정으로 물에 잘 녹는다. 따라서, 독성이 강한 NH3를 대신하는 환원제로서 요소수를 이용할 수 있다.
Lugt et al.은 lean burn engine의 배가스를 처리하기 위해 air-blast-nozzle을 이용하여 우레아(NSR=2)를 반응기 상부에서 주입하고 static mixer를 통하여 배가스와 잘 혼합되도록 하여 V2O5/TiO2/W2O3 monolith 촉매 상에서 325℃에서 반응시켜 90%이상의 NOx 전환율을 얻었다. Kobel et al.은 TiO3-W2O3-V2O5상에서 우레아 용액(40%)을 통한 NOx 환원반응과 반응 후 환원제와 NOx의 몰비 α(Nreducing agent:NNOx의 몰비, α=1 은 우레아와 NO의 양론비 0.5에 해당)에 따른 NOx 전환율과 암모니아 slip에 대하여 살펴본 결과, 넓은 온도(230~455℃) 영역에서 80%이상의 전환율을 나타내었고 암모니아 slip이 보통의 암모니아 SCR 공정보다 낮으며 부차적인 NOx, N2O, HNCO, HCN은 검출되지 않았다.
한편, 선택적 비촉매환원법(Selective Noncatalytic NOx Reduction; SNCR)은 환원제를 노내의 연소가스의 온도가 900 ~ 1,000℃인 지점으로 주입하여 연소공정에서 발생된 NO를 질소와 수증기로 환원시키는 연소가스 탈질기술이다. SNCR공정은 촉매를 사용하는 연소가스 탈질기술인 선택적 촉매환원법(Selective Catalytic NOx Reduction; SCR)에 비하여 탈질효율이 비교적 낮으며 탈질반응이 환원제의 주입온도에 매우 민감한 단점이 있으나, 장치가 간단하여 초기설치비가 다른 NOx저감기술에 비하여 저렴하고 설치공간을 적게 필요로 하며, 특히 연소로의 운전 중에도 장치를 설치할 수 있는 큰 장점이 있다. 따라서, 이 공정은 전세계적으로 발전용 보일러와 산업용 보일러에서 발생되는 연소가스의 탈질 뿐만 아니라 소각가스의 탈질에도 많이 사용되고 있다.
SNCR 공정에서 사용되는 환원제로는 암모니아와 우레아가 대표적이다. SNCR공정에서 연소가스에 우레아를 환원제로 주입하면, 주입된 우레아는 도 1에서와 같이 NH3(Ammonia)와 HNCO(Isocyanic Acid)로 분해되며, NH3와 HNCO는 각각 별개의 반응경로를 따라 탈질반응을 하게 된다. 우레아와 NO 사이의 환원반응은 200 ~ 300 여개의 기본 라디칼반응으로 구성되어 있으며, 상기 화학식 1와 같은 단일 총괄반응식으로 표현될 수 있다.
표 1은 환원제로 사용되는 암모니아와 요소의 물성적 특성을 비교한 것이다.
| 구분 | 암모니아(NH 3 ) | 요소( NH 2 CONH 2 ) |
| 분자량( M.W .) | 17 | 60 |
| 색 | 무색 | 무색 |
| 비중 | 0.817 | 1.335 |
| 녹는점(℃ | -77.7 | -33.4 |
| 끓는점(℃ | 132.7 | 180 |
| 형태(표준상태) | 기체(무수암모니아) | 고체 |
| 저장형태(표준상태) | 200 Psig, 35℃이하 | 고체 |
| 표준상태라 함은 1atm의 대기압과 상온(20℃상태에서의 측정을 의미함 | ||
요소는 상온에서는 무색, 무취, 무미로 수용액에서는 천천히 탄산암모늄 ((NH4)2CO3)으로 가수분해되고, 녹는점 이상에서 승화하여 암모니아(NH3)와 시아누르산(HNCO)으로 전환된다. 따라서, 요소는 암모니아와 비교하였을 때에 녹는점과 끓는점 및 용해도가 상당히 높기 때문에 요소의 보관 및 저장의 용이성과 운송의 안전성을 확보할 수 있다.
질소산화물의 저감시스템에서 환원제로 요소를 물에 용해된 요소수 상태로 사용하는 경우, 열적분해반응 뿐만 아니라 동시에 열적가수분해반응 또한 동반하여 일어나지만, 이 모든 반응들에 의해 암모니아로 변환되어 질소산화물과 반응가능하게 된다. 요소의 열적가수분해반응에 대한 화학반응식은 화학식 2이고, 열적분해반응의 화학반응식은 화학식 3이다.
한편, 요소수 분무장치는 대기오염물질인 질소산화물(NOx)를 저감하기 위한 탈질장치인 SCR 또는 SNCR의 주요 부속장치로, 요소수를 열분해하여 암모니아를 생성하기 위한 용도로 사용되고 있다.
SCR의 경우, 요소수 분무장치를 SCR 설비 외부의 기화기 내부에 설치하여 생성된 암모니아가 AIG(Ammonia injection grid)를 통해 SCR 설비 내부로 주입된다.
SNCR의 경우, 요소수 분무장치를 통해 고온의 반응구간에 직접 분사하여 열분해에 의해 암모니아를 생성시키는 방식으로 운전되고 있다.
암모니아는 탈질설비로 유입되는 질소산화물의 농도에 따라 적정한 농도로 희석시킨 후 기화기로 유입되어 암모니아 가스상으로 전환시켜 탈질설비로 공급되어야 한다. 요소수의 경우 40%의 고농도로 생산 및 공급되고 있으므로, 탈질장치의 반응조건에 따라 외부 별도의 희석탱크에서 요소수를 일정 농도로 희석한 후 분무장치로 주입하고 있다.
기존의 탈질설비는 환원제의 양을 배출규제를 만족하는 수준으로만 수동제어하여 주입하는 방식으로, 최적 조건으로 운전하고 있지 않다. 이는 과잉으로 주입된 암모니아가 미반응할 경우 후단의 설비를 부식시키는 문제가 발생하기 때문에 법적 규제 내에서 운전이 가능한 수준으로 암모니아를 주입하고 있다.
그러나, 최근 환경부는 미세먼지 관리 특별대책의 일환으로 대기환경보전법 시행령·시행규칙을 개정하여 18년 1월 28일 시행됨에 따라 영흥화력 3~6호기와 신규 석탄 화력발전소에 대한 배출허용기준을 강화하였다. 이에 신규 화력발전소 운영 시에는, 질소산화물의 배출기준을 대폭 낮춰 NOx 5ppm 수준으로 저감시키는 탈질기술 적용을 검토하고 있다. 강화된 NOx 배출기준을 만족하기 위해서는 탈질설비로 유입되는 NOx 농도의 계측값을 통하여 반응에 필요한 최적의 암모니아 분사량으로 탈질설비를 운전하여야 NH3 Slip 저감 및 최적 탈질효율을 얻을 수 있다.
유입되는 NOx 농도의 변화에 따라 최적량으로 암모니아가 공급될 수 있도록 적정한 농도의 요소수가 기화기 내부 또는 탈질장치 내부에 적정량으로 분사할 수 있는 신규 분무시스템이 필요하다.
본 발명은 탈질장치에 유입되는 NOx 농도의 변화에 따라 최적량으로 암모니아가 주입될 수 있도록 적정한 농도의 요소수가 기화기 내부 또는 탈질장치 내부에 적정량으로 분사할 수 있는 희석 요소수 분무장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 제1양태는 (a1) 요소수 압력과 희석수 압력을 조절하여 도입되는 각 유량을 변화시킴으로써, 가압된 요소수 유체 및 가압된 희석수 유체가 흐르면서 다양한 농도로 희석된 요소수 유체를 액체용 노즐 캡에 제공하는 액체 배관(pipe);
(a2) 상기 액체 배관 내부 유체 경로 상에 삽입된 다공성 구조체로서, 가압된 요소수 유체 및 가압된 희석수 유체가 동시에 다공성 구조체의 인접한 기공들을 연속적으로 통과하면서 기공 내 미세와류를 통해 요소수와 희석수가 균일하게 혼합되어 희석된 요소수를 제공하는 다공성 구조체(porous structure); 및
(a3) 기체를 기체용 노즐 캡에 제공하는 기체 배관
을 구비한 노즐 몸체(a); 및
노즐 몸체의 선단 부분에 부착되어 기체 및 희석된 요소수의 유량 조절 및 분사 형태 조절을 가능하게 하는 기체용 노즐 캡 및 액체용 노즐 캡이 구비된 노즐 팁(b)
을 포함하는 노즐을 1개 또는 2개 이상 구비하되,
희석된 요소수가 액체용 노즐 캡의 오리피스에서 물기둥 형태로 분사되고, 기체용 노즐 캡의 오리피스에서 분사되는 기체에 의해 물기둥이 분쇄되면서 분무되는 것이 특징인, 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 제공한다.
본 발명의 제2양태는 제1양태의 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 내부에 설치하고, 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응 및 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의해 NOx 환원반응이 동시에 일어나는 것이 특징인, SNCR 반응기를 제공한다.
본 발명의 제3양태는 제1양태의 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 내부에 설치하고, 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응이 일어나 암모니아를 형성하는 것이 특징인, 기화기를 제공한다.
본 발명의 제4양태는 제1양태의 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 포함하는 질소산화물(NOx)의 저감시스템으로서,
분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키고,
요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하는 것이 특징인, 질소산화물의 저감시스템을 제공한다.
본 발명의 제5양태는 제4양태의 질소산화물의 저감시스템에서,
분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키고, 요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하여 NOx 함유 연소가스를 처리하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
기존의 요소수 분무장치는 액체와 기체를 각각 내부 혹은 외부에서 혼합하여 압축 공기의 힘으로 액체를 분무하는 이류체 분무장치가 주로 사용되고 있다. 도 2에 도시된 바와 같은 이류체 미세분무 노즐(Air Atomizing Nozzle)은 기체와 액체를 혼합함으로써 가장 미세한 분사 형태를 만들어 낸다.
본 발명에 따른 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치는
(a1) 요소수 압력과 희석수 압력을 조절하여 도입되는 각 유량을 변화시킴으로써, 가압된 요소수 유체 및 가압된 희석수 유체가 흐르면서 다양한 농도로 희석된 요소수 유체를 액체용 노즐 캡에 제공하는 액체 배관(pipe);
(a2) 상기 액체 배관 내부 유체 경로 상에 삽입된 다공성 구조체로서, 가압된 요소수 유체 및 가압된 희석수 유체가 동시에 다공성 구조체의 인접한 기공들을 연속적으로 통과하면서 기공 내 미세와류를 통해 요소수와 희석수가 균일하게 혼합되어 희석된 요소수를 제공하는 다공성 구조체(porous structure); 및
(a3) 기체를 기체용 노즐 캡에 제공하는 기체 배관
을 구비한 노즐 몸체(a); 및
노즐 몸체의 선단 부분에 부착되어 기체 및 희석된 요소수의 유량 조절 및 분사 형태 조절을 가능하게 하는 기체용 노즐 캡 및 액체용 노즐 캡이 구비된 노즐 팁(b)
을 포함하는 노즐을 1개 또는 2개 이상 구비한다.
이때, 희석된 요소수가 액체용 노즐 캡의 오리피스에서 물기둥 형태로 분사되고, 기체용 노즐 캡의 오리피스에서 분사되는 기체에 의해 물기둥이 분쇄되면서 분무된다.
액체 배관 내경은 통상 1/2인치 정도이다. 따라서, 노즐 내 액체 배관에는 가압된 요소수 유체 및 가압된 희석수 유체가 흐르는데, 농도에 따라 요소수 밀도가 달라지고 나아가 요소수의 밀도와 희석수의 밀도가 상이할 뿐만 아니라, 요소수 압력/유속과 희석수 압력/유속이 상이하므로, 고정된 길이의 액체 배관에서 가압된 요소수 유체 및 가압된 희석수 유체가 흐르면서 균일하게 혼합 및 희석된 요소수 유체를 액체용 노즐 캡에 제공하는 것은 어렵다. 또한, 탈질장치에서 처리해야 하는 NOx 농도의 변화 및/또는 탈질장치의 반응조건에 대응하여 액체용 노즐 캡에 제공하는 희석된 요소수의 농도를 조절하기 위해 요소수 유체의 농도 및 유속뿐만아니라 희석수 유속이 변하게 되는데 고정된 길이의 액체 배관을 사용하여 다양한 조건의 요소수 유체 및 희석수 유체가 흐르면서 균일하게 혼합 및 희석된 요소수 유체를 액체용 노즐 캡에 제공하는 것은 더욱 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 노즐의 액체 배관 내부 유체 경로 상에 다공성 구조체(porous structure)를 삽입하여, 가압된 요소수 유체 및 가압된 희석수 유체가 동시에 다공성 구조체의 인접한 기공들을 연속적으로 통과하면서 기공 내 미세와류를 통해 요소수와 희석수가 균일하게 혼합되어 희석된 요소수를 액체용 노즐 캡에 제공하는 것이 특징이다.
본 발명에 따라 노즐의 액체 배관 내 액체용 노즐 캡 이전에 다공성 구조체(porous structure)를 삽입하면, 동일 또는 상이한 유속으로 도입되는 밀도가 다른 2개의 유체를 균일 혼합할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치는 액체 배관(liquid pipe) 내부에 다공체 구조체를 삽입하여 희석수와 고농도의 요소수를 원하는 비율로 희석하여 분무할 수 있고, 단시간에 적정 농도를 제어할 수 있으며, 특정량으로 분무량을 제어할 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 노즐의 액체 배관 내 액체용 노즐 캡 이전에 삽입된 다공성 구조체(porous structure)는 기공 내 미세와류에 의한 요소수 희석 및/또는 발열을 통해 우레아염 생성을 방지할 수 있다.
액체배관 내부에 공급되는 요소수 농도/압력/유속과 희석수 압력/유속의 균형에 의해 요소수 및 희석수의 유량이 변하고 희석된 요소수의 농도가 변하는데, 요소수 농도/압력/유속 및/또는 희석수 압력/유속에 따라 가압된 요소수 유체와 가압된 희석수 유체의 균일 혼합을 위한 액체 배관(pipe)의 최소 길이가 달라지며, 탈질장치에서 처리해야 하는 NOx 농도의 변화 및/또는 탈질장치의 반응조건에 대응하여 다양하게 조절된 농도로 균일 혼합 및 희석된 요소수를 액체용 노즐 캡에 제공하기 위한 액체 배관의 다양한 최소 길이를 수용하기 위해서는 액체 배관의 길이가 길어야 한다. 이에 반해, 본 발명에 따라 노즐의 액체 배관 내부 유체 경로 상에 다공성 구조체(porous structure)를 삽입하면, 요소수 밀도/압력과 희석수 밀도/압력의 차가 크더라도 가압된 요소수 유체 및 가압된 희석수 유체가 동시에 다공성 구조체의 인접한 기공들을 연속적으로 통과하면서 기공 내 미세와류를 통해 요소수와 희석수가 균일하게 혼합될 수 있으므로, 노즐의 액체 배관을 짧게 설계할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치는 탈질장치에서 처리해야 하는 NOx 농도의 변화 및/또는 탈질장치의 반응조건에 대응하여 희석된 요소수의 농도를 조절하여 암모니아 공급량을 변화시킬 수 있고, 희석된 요소수 유체의 농도는 요소수 압력과 희석수 압력을 조절하여 액체배관에 도입되는 각 유량을 변화시켜 조절할 수 있다. 따라서, 탈질장치에서 처리해야 하는 NOx 농도의 변화 및/또는 탈질장치의 반응조건에 대응하여 노즐의 액체 배관 내부에서 다양한 농도로 희석된 요소수 유체를 액체용 노즐 캡에 제공할 수 있다. 그 결과, 탈질장치에 생성 또는 유입되는 NOx 농도의 계측값을 통하여 미반응 암모니아를 최소화하는, 탈질반응에 필요한 최적의 암모니아 공급량을 탈질장치에 제공하도록, 적정한 희석 농도의 요소수를 기화기 내부 또는 탈질장치 내부에 적정량으로 분사할 수 있다.
본 발명에 따라 노즐의 액체 배관 내 액체용 노즐 캡 이전에 다공성 구조체(porous structure)를 삽입하면, 동일 또는 상이한 유속으로 도입되는 밀도가 다른 2개의 유체를 균일 혼합할 수 있으나,
다양한 밀도/유속의 유체들의 신속하고 균일한 혼합 및 유체흐름 방향에 수직인 단면을 기준으로 유속 프로파일(등고선)을 조절하기 위해,
가압된 요소수 유체 및 가압된 희석수 유체가 흐르면서 희석된 요소수 유체가 형성되는 유체흐름 방향을 기준으로 다공성 구조체의 기공 크기 구배가 있는 것일 수 있고/있거나,
가압된 요소수 유체 및 가압된 희석수 유체가 흐르면서 희석된 요소수 유체가 형성되는 유체흐름 방향에 수직인 단면을 기준으로 다공성 구조체의 기공 크기 구배가 있는 것일 수 있다.
예컨대, 가압된 요소수 유체 및 가압된 희석수 유체가 흐르면서 희석된 요소수 유체가 형성되는 유체흐름 방향에 수직인 단면을 기준으로 유속이 클수록 기공크기가 작게 하여 균일한 혼합을 유도할 수 있다.
이때, 다공성 구조체의 기공 크기 구배는 기공 하나의 크기를 조절할 수도 있으나, 동일 또는 상이한 기공의 밀도를 조절하여 구현할 수 있다.
또한, 다공성 구조체의 기공 크기 구배는 일정한 규칙의 패턴을 형성하는 한, 증가방향 또는 감소방향으로 한정되지 않는다.
다공성 구조체는 두께 방향으로 1개의 통공이 있는 판상의 오리피스와 다른 것으로, 삽입되는 액체 배관의 내부 형상에 대응되는 표면 형상을 가지면서 두께/길이 방향으로 미세와류를 유도할 수 있는 적어도 2개의 기공이 연결되어 있는 것이다. 다공성 구조체는 폭(예, 직경) 보다 길이가 더 큰 것일 수 있다.
다공성 구조체의 재질은 액체 배관 또는 노즐의 다른 부품과 동일 또는 상이한 재질일 수 있고, 이의 비제한적인 예로 니켈을 도금한 황동제, 스테인레스강(SUS 303), 경질 고무제, 아크릴 수지제 등이 있다.
예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 이류체 미세분무 노즐은 약간 경사져 배치되어 있는 기체용 노즐 캡에서 기체가 분사되면서 노즐중심의 액체용 노즐 캡에서 분사되는 희석된 요소수 액체줄기를 분쇄시키면서 액체의 분무가 이루어진다.
기체 배관을 통해 기체용 노즐 캡에 제공되는 기체는 압축 기체일 수 있고, 바람직하게는 압축된 냉각 기체일 수 있다. 기체용 노즐 캡을 통해 분사되는 기체는 분무된 요소수의 운반기체로서 역할을 수행할 뿐만 아니라 기체 배관을 흐르는 냉각 기체는 노즐을 냉각시키는 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 노즐은 기액 이류체 미세분무 노즐로서, 요소수 및/또는 희석수와 같은 액체 및/또는 압축공기와 같은 기체는 대부분 펌프 등으로 충분히 가압해서 각각 액체 배관 및 기체 배관에 공급할 수 있다. 가압된 요소수 유체 및 가압된 희석수 유체는 펌프 압력에 의해 액체 배관 내 다공성 구조체를 관통하여 액체용 노즐 캡에 희석된 요소수 유체로 도달할 수 있다.
노즐 몸체(a)의 선단 부분에는 기체용 노즐 캡 및 액체용 노즐 캡이 구비된 노즐 팁이 부착되어 기체 및 액체의 유량 조절 그리고 분사 형태의 조절이 가능하다. 액체 유량 및 기체 유량, 그리고 분사 형태는 최종적으로는 각종 기체용 노즐 캡과 액체용 노즐 캡의 조합에 의해 조절될 수 있다. 액체 유량 및 기체 유량은 각기 단독조절이 가능하다.
예컨대, 도 5에 예시된 바와 같은 노즐 캡(cap)의 디자인에 따라 미세 분무 스프레이, 미스트 또는 안개를 형성할 수 있으며, 다양한 스프레이 패턴이 가능하다. 또한, 다양한 기체 및 액체 혼합 유형이 가능하다. 따라서, 본 발명은 기액 분무 노즐을 통해 희석된 요소수의 유속(flow rate), 액적 크기(drop size), 분무 분포(spray distribution) 및 적용 범위(coverage)를 미세 조정할 수 있다.
본 발명의 이류체 미세분무 노즐의 몸체에는 분사의 on-off가 노즐 내부에서 자동식으로 가능할 수 있다.
본 발명의 희석 요소수 분무장치는 전술한 다공성 구조체 삽입형 노즐을 1개 또는 2개 이상 구비할 수 있다. 예컨대, SNCR공정에서 환원제와 연소 배가스의 혼합은 NOx 저감효율에 큰 영향을 미치므로 환원용액인 희석 요소수가 반응구간 전체에 고르게 분사될 수 있는 것이 바람직하고, 이를 위해 노즐의 개수는 많을수록 좋으나, 경제성을 고려하여 노즐 개수를 한정할 수 있다.
본 발명에 따른 질소산화물(NOx)의 저감시스템은
분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키고, 요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하며,
전술한 본 발명의 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 포함하는 것이 특징이다.
요소수의 요소 분해반응은 화학식 2로 표시되는 열적가수분해반응 및/또는 화학식 3으로 표시되는 열적분해반응을 포함할 수 있다.
[화학식 2]
[화학식 3]
따라서, 분무장치로부터 요소수가 직접 분사되는 영역의 온도는 요소수를 열분해할 수 있는 온도 또는 그 이상인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키는 장치 및 요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하는 장치는 일체형 장치이거나 배관을 통해 직간접적으로 연결된 별개의 장치일 수 있다.
요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의한 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응은 선택적 무촉매환원법(SNCR) 또는 선택적 촉매 환원법(SCR)일 수 있다.
일체형 장치의 비제한적인 예로는 소각로, 가열로, 보일러 또는 내연기관과 같이 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로일 수 있다. 이 경우 분무장치로부터 요소수가 직접 분사되고 요소수를 열분해하는 고온 영역은 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로의 일부일 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 본 발명의 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 내부에 설치하고, 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응 및 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의해 NOx 환원반응이 동시에 일어나는 SNCR 반응기를 제공한다.
이때, 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의해 NOx 환원반응이 동시에 일어나기 위해서, 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치로부터 분사된 요소수가 주입 또는 요소수의 요소 분해반응이 일어나는 영역의 온도는 850 ~ 1100℃, 바람직하게는 900 ~ 1000℃일 수 있다. 이때, 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 통해 요소수를 열분해할 수 있는 고온의 반응 영역에 직접 분사하여 요소수의 열분해에 의해 암모니아가 생성된다.
SNCR 반응기는 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생 또는 공급되면서 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의한 NOx 환원반응이 일어날 수 있다.
통상 SNCR 반응기는 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로와 NOx 환원제 분사노즐이 장착된 것이다(도 6). 따라서, 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로는 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의한 NOx 환원반응이 일어나는 SNCR 반응기일 수 있다. 연소로의 비제한적인 예로는 소각로, 가열로, 보일러 또는 내연기관이 있다.
본 발명의 질소산화물의 저감시스템에서, 본 발명의 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키는 장치 및 요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하는 장치가 배관을 통해 직간접적으로 연결된 별개의 장치인 경우,
본 발명의 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키는 장치는 기화기, 즉 요소수 분해조일 수 있다.
이때, 분무장치로부터 분사된 요소수가 주입 또는 요소수의 요소 분해반응이 일어나는 영역의 온도는 200 ~ 500℃일 수 있다. 따라서, 요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하는 장치는 NOx 함유 연소가스가 공급되면서 선택적 촉매 환원법(SCR)에 의해 200 ~ 500℃에서 NOx 환원반응이 일어날 수 있는 SCR 반응기일 수 있다.
따라서, 본 발명은 전술한 본 발명의 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 내부에 설치하고, 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응이 일어나 암모니아를 형성하는 기화기를 제공한다.
또한, 본 발명의 질소산화물의 저감시스템은, 도 7에 도시된 바와 같이,
농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 내부에 설치하고, 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응이 일어나 암모니아를 형성하는 전술한 본 발명의 기화기; 및
NOx 함유 연소가스 및 기화기로부터 공급된 암모니아 가스에 대해 선택적 촉매 환원법(SCR)을 수행하는 SCR 반응기를 포함한다.
선택적 촉매 환원법으로 질소산화물을 저감하는데 사용되는 촉매로 산화바나듐(V205)과 산화티탄늄(TiO2)을 사용할 수 있다. 촉매 환원 공정(SCR)을 수행하는 SCR 반응기는 고정층 또는 유동층 촉매 반응기일 수 있다.
이때, 기화기는 SCR 반응기 외부 또는 내부에 설치될 수 있다.
농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응이 일어나 암모니아를 형성하는 기화기가 SCR 반응기 외부에 설치된 경우, 기화기에서 형성된 암모니아를 AIG(Ammonia injection grid)를 통해 SCR 반응기에 공급할 수 있다. AIG(Ammonia injection grid)는 기화기에서 형성된 암모니아와 NOx 함유 연소가스를 혼합하여 SCR 반응기에 공급할 수 있다(도 7).
또한, 본 발명은 전술한 본 발명의 질소산화물의 저감시스템에서,
분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키고, 요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하여 NOx 함유 연소가스를 처리하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따라 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치는 액체 배관(liquid pipe) 내부에 다공체 구조체를 삽입하여 희석수와 고농도의 요소수를 원하는 비율로 균일하게 희석하여 분무할 수 있고, 단시간에 적정 농도를 제어할 수 있으며, 특정량으로 분무량을 제어할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따라 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치는 탈질장치에 유입되는 NOx 농도의 변화에 따라 최적량으로 암모니아가 주입될 수 있도록 적정한 농도의 요소수가 기화기 내부 또는 탈질장치 내부에 적정량으로 분사할 수 있다.
도 1은 환원제인 우레아(urea)의 NOx 환원반응을 도시한 것이다.
도 2는 이류체 미세분무 노즐(Air Atomizing Nozzle) 일례의 개념도이다.
도 3은 이류체 미세분무 노즐이 장착된 기존 희석 요소수 분무장치의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일구체예에 따라 다공성 구조체 삽입형 이류체 미세분무 노즐이 장착된 희석 요소수 분무장치의 개념도이다.
도 5는 시판중인 Air Atomizing Nozzles의 다양한 노즐 팁을 예시한 사진이다.
도 6은 본 발명의 일구체예에 따른 Bench 규모의 SNCR 공정을 보여주는 개념도이다.
도 7는 본 발명의 일구체예에 따른 선택적 촉매 환원법을 이용한 질소산화물의 저감시스템의 개략적인 공정도이다.
도 2는 이류체 미세분무 노즐(Air Atomizing Nozzle) 일례의 개념도이다.
도 3은 이류체 미세분무 노즐이 장착된 기존 희석 요소수 분무장치의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일구체예에 따라 다공성 구조체 삽입형 이류체 미세분무 노즐이 장착된 희석 요소수 분무장치의 개념도이다.
도 5는 시판중인 Air Atomizing Nozzles의 다양한 노즐 팁을 예시한 사진이다.
도 6은 본 발명의 일구체예에 따른 Bench 규모의 SNCR 공정을 보여주는 개념도이다.
도 7는 본 발명의 일구체예에 따른 선택적 촉매 환원법을 이용한 질소산화물의 저감시스템의 개략적인 공정도이다.
본 발명의 전형적인 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
SNCR 공정을 보여주는 도 6를 참조하여, 환원제로 요소수를 사용하는 본 발명의 일구체예에 따른 질소산화물의 저감시스템 및 NOx 함유 연소가스 처리방법을 설명한다.
본 발명의 일구체예에 따른 질소산화물의 저감시스템에서 연소가스는 LPG를 연소시켜 발생시키며, 연소가스는 장치의 후단에 설치된 터보 송풍기를 사용하여 이송한다. 연소가스의 유량(Nm3/min)을 일정하게 유지하고, 발생된 연소가스에 함유된 NOx 농도를 계측한다. 발생된 연소가스 내 NOx 농도의 변화에 따라 최적량으로 암모니아가 공급될 수 있도록 적정한 농도의 요소수를, 도 4에 도시된 바와 같이 다공성 구조체 삽입형 이류체 미세분무 노즐이 장착된 희석 요소수 분무장치를 사용하여, 연소가스가 흐르는 덕트로 직접 분무한다. 다공성 구조체 삽입형 이류체 미세분무 노즐을 통해 희석된 요소수 제조 및 주입시, 희석된 요소수의 분무량은 일정하게 유지하고, 희석된 요소수의 요소(Urea) 농도를 변화시킴으로써 요소(Urea)의 화학적 표준양론비를 예컨대 1 ~ 2 사이에서 변화시킬 수 있다. 희석된 요소수의 분무량을 일정하게 유지함으로써, 분무되는 요소수의 액적 크기, 분무거리, 분무각도 등을 일정하게 유지하여 탈질반응에 미치는 유체역학적 영향을 일정하게 유지할 수 있다. 덕트 외부에 내열 및 단열 Castable을 설치할 수 있다. 덕트의 길이 방향으로 연소가스의 온도측정을 위한 K-Type 열전대와 연소가스의 NO, CO, O2, NH3 농도를 측정하기 위한 Sampling Port를 50～100 cm 마다 설치할 수 있다. NO, CO, O2의 농도는 NDIR방식, NH3농도는 H3BO3를 흡수액으로 사용하는 중화적정법에 의해서 측정할 수 있다.
도 6의 질소산화물의 저감시스템에서 NO제거반응은 분무된 요소수의 체류시간이 0.5초에 도달하기 이전에 거의 완결되며 체류시간이 0.5초 이상으로 증가하여도 NO저감효율은 거의 일정하게 유지될 수 있다.
예컨대, NO저감효율은 환원제인 분무된 요소수의 주입온도가 840oC로부터 증가함에 따라 증가하여 960～980℃부근에서 최대값에 도달하고 환원제 주입온도가 더이상 증가하면 오히려 감소하는 SNCR 반응의 온도 의존성이 나타난다. SNCR 반응의 이러한 온도의존성은 분무된 요소수의 주입온도가 낮을 때는 요소수의 열분해로 생성된 환원제 암모니아의 NO제거 반응속도가 느려서 암모니아가 미반응상태로 배출되나, 분무된 요소수의 최적 주입온도에서는 요소수의 열분해로 생성된 환원제 암모니아와 NO의 환원반응이 빠른 속도로 일어나서 NO가 N2로 환원되어 최대 NO저감효율에 도달하며, 그 이상의 고온에서는 암모니아(NH3)가 O2와 산화반응하여 NO로 산화되어 NO저감효율이 낮기 때문이다.
요소수가 환원제로 사용하는 질소산화물의 저감시스템에서는 환원제 주입온도, 환원제의 화학적 표준양론비(Normalized Stoichiometric Ratio ; NSR), 연소가스 체류시간과 같은 주요 공정변수가 NO저감효율에 영향을 미친다.
하기에서는 SCR 공정을 보여주는 도 7을 참조하여, 환원제로 요소수를 사용하는 본 발명의 일구체예에 따른 질소산화물의 저감시스템 및 NOx 함유 연소가스 처리방법을 설명한다.
도 7은 본 발명의 일구체예에 따라 분무된 희석 요소수를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법(SCR)을 통한 질소산화물의 저감시스템(11)의 개략적인 공정도로서, 요소수를 저장하는 저장조(1)와, 이 저장조(1)로부터 유입된 요소수를 적당량만큼 조절하여 공급할 수 있는 개량공급모듈(2;chemical metering pumps module), 도 4에 도시된 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치가 내부에 장착되어 개량(改量)된 소정량으로 분무된 희석 요소수를 화학적으로 분해하는 공간을 갖춘 기화기/분해조(3), 이송관 (참조번호 없음)을 따라 이동한 배기가스를 집진하는 집진기(10), 기화기/분해조(3)로부터 배출된 희박한 암모니아증기가 배기가스에 함유된 질소산화물과 접촉되는 것을 촉진시키는 AIG(6), 촉매반응탑(7) 및, 예열기(8)를 구비한다. 질소산화물의 저감시스템(11)은 요소수의 열적분해를 기초로 한 것으로서, 선택적 촉매 환원법의 환원제로 요소수를 사용하여 대기환경에 영향을 미치지 않는 정도로 질소산화물을 저감시킬 수 있도록 설계될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 질소산화물의 저감시스템(11)의 저장조(1)는 환원제의 유동이 쉽도록 요소를 액상으로 보관하는데, 질소산화물의 배출량에 근거하여 개량공급모듈(2)이 저장조(1)로부터 소정량의 요소수를 다음 단계로 제공한다. 개량공급모듈(2)은 촉매반응탑(7)에서 요구하는 유량속도를 결정하는데, 연소장치(5)에서 발생하는 배기가스에 함유된 질소산화물의 배출량과 이에 필요한 요소량을 당량비에 따라 계산하여 개량공급모듈(2)로 공급되어진다. 그리고, 요소수의 공급량을 제어하는 개량공급모듈(2)을 통해 요소수는 기화기/분해조(3)로 보내진다.
바람직하기로, 연소장치(5)에서 발생한 질소산화물의 배출량에 즉각적으로 대처가능하도록 요소수에서 암모니아로의 분해를 가급적 빠르게 진행시켜야 한다. 이를 위해서, 기화기/분해조(3)로 투입되는 요소수는 예컨대 80㎛ 이하의 크기로 분무시키는 것이 바람직하다. 기화기/분해조(3)에서는 요소가 물에 용해되어 있는 액상의 요소수를 분무하여 사용하므로, 도 1에 도시된 바와 같이 요소에 열적분해반응을 취하면서 열적가수분해반응을 동반하면서 요소수가 암모니아와 시아누르산으로, 그리고 카르바민산암모늄으로 전환되면서 순식간에 다시 암모니아로 전환되는 바, 이와 같은 반응들을 실행하기 위해서는 상당한 고열을 필요로 한다. 따라서, 연소장치(5)로부터 배출된 고온의 배기가스를 기화기/분해조(3)의 열원으로 재활용할 수 있다. 효율적으로 배기가스가 갖는 고온의 열과 분무된 요소수의 접촉을 통해 요소수가 암모니아로 분해반응을 일으킬 수 있으며, 기화기/분해조(3)를 적어도 하나 이상, 바람직하게는 2단 이상으로 설치시켜 전술된 분해반응을 도울 수 있다. 고온의 배기가스로 가열된 기화기/분해조(3) 내에서 요소수로부터 암모니아로의 분해는 대략 1 내지 3초의 빠른 응답속도로써 진행된다. 연소장치(5)로부터 AIG(6)로 연결되어 질소산화물을 함유한 배기가스를 이송하는 이송관에서 일부 우회된 고온의 배기가스(350℃ 정도)는 기화기/분해조(3)에서 요소수의 열적반응을 도울 수 있다. 이송관을 따라 이동하는 배기가스에 함유된 다수의 분진들을 집진하기 위해서 집진기(10)를 구비한다. 정화된 고온의 가스만이 기화기/분해조(3)로 전달되어 열원으로서 사용되고 나머지 분진들은 집진기(10)로 포진되되, 이와 같은 공정을 통해 분진함량이 적은 청정한 배기가스가 기화기/분해조(3) 및/또는 AIG(6)로 전달될 수 있다. 상기 집진기(10)는 배기가스를 충분히 정화시켜 요소와의 불필요한 부반응을 억제시키고 요소에서 암모니아로의 분해반응을 효과적으로 성취시킬 수 있다. 본 발명의 일구체예에 따른 질소산화물의 저감시스템(11)의 기화기/분해조(3)에서 가열분해 및 가수분해되어 생성된 암모니아증기는 AIG(6)로 유입되고, 연소장치(5)로부터 이송관을 따라 이동한 배기가스와 혼합접촉될 수 있다. 충분히 혼합된 혼합가스들은 촉매반응탑(7)으로 유입되어, 분해된 암모니아는 선택적 촉매 환원법(SCR)을 통해 질소산화물을 저감시킬 수 있다. 또한, 촉매반응탑(7)에서 반응된 후에 생성된 질소와 수소는 굴뚝(9)을 통하여 대기중으로 방출가능하다. 촉매반응탑(7)에서 나오는 고온의 증기는 예열기(8)로 전달되고 연소장치(5)에 사용될 연소공기를 미리 예열시켜 에너지 재활용률을 증대시킬 수 있다. 선택적으로는, 기화기/분해조(3)는 초기 공정시스템의 조업(start-up), 시스템의 건조를 위해서 혹은 촉매층의 보호를 목적으로 별도의 가열장치 (버너 등)를 장착할 수도 있다.
한편, Urea-SCR 시스템은 엔진출력을 유지하면서 90% 이상의 NOx 저감율을 달성할 수 있는 장점으로 인해 완성차업체에서 최근에 개발되는 차량의 대부분에 Urea-SCR 방식을 채택하고 있다.
Urea-SCR 시스템은 도 4에 도시된 바와 같은 요소수(urea-water solution) 분사 제어 장치를 통해 배기관내에 정밀하게 분사시키고 이렇게 분사된 요소수는 배기가스 열에 의해 열분해 되어 암모니아(NH3)로 변환되며, 생성된 암모니아는 후단에 장착된 SCR촉매에서 질소산화물(NOx)과 반응하여 인체에 무해한 물과 질소로 분해한다. Urea-SCR 시스템의 촉매 활용도를 높이고 암모니아 슬립을 방지하기 위해서는 촉매 전단에서 암모니아의 공간분포가 균일해야 한다. 이러한 암모니아의 공간 분포는 배기관 내로 분사된 요소수의 분무특성 및 배기가스와 혼합특성에 큰 영향을 받으며 대부분의 Urea-SCR 시스템에서는 요소수 분무와 배기가스의 혼합 촉진 및 요소수의 벽면 충돌을 피하기 위해 믹서(mixer)를 사용할 수 있으며, 믹서-하우징(mixer-housing assembly) 조립체가 배기관 내에 설치될 수 있다.
Claims (22)
- (a1) 요소수 압력과 희석수 압력을 조절하여 도입되는 각 유량을 변화시킴으로써, 가압된 요소수 유체 및 가압된 희석수 유체가 흐르면서 다양한 농도로 희석된 요소수 유체를 액체용 노즐 캡에 제공하는 액체 배관(pipe);
(a2) 상기 액체 배관 내부 유체 경로 상에 삽입된 다공성 구조체로서, 가압된 요소수 유체 및 가압된 희석수 유체가 동시에 다공성 구조체의 인접한 기공들을 연속적으로 통과하면서 기공 내 미세와류를 통해 요소수와 희석수가 균일하게 혼합되어 희석된 요소수를 제공하는 다공성 구조체(porous structure); 및
(a3) 기체를 기체용 노즐 캡에 제공하는 기체 배관
을 구비한 노즐 몸체(a); 및
노즐 몸체의 선단 부분에 부착되어 기체 및 희석된 요소수의 유량 조절 및 분사 형태 조절을 가능하게 하는 기체용 노즐 캡 및 액체용 노즐 캡이 구비된 노즐 팁(b)
을 포함하는 노즐을 1개 또는 2개 이상 구비하되,
희석된 요소수가 액체용 노즐 캡의 오리피스에서 물기둥 형태로 분사되고, 기체용 노즐 캡의 오리피스에서 분사되는 기체에 의해 물기둥이 분쇄되면서 분무되는 것이 특징인, 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치. - 제1항에 있어서, 탈질장치에서 처리해야 하는 NOx 농도의 변화, 탈질장치의 반응조건 또는 둘다에 대응하여 희석된 요소수의 농도를 조절하여 암모니아 공급량을 변화시킬 수 있고, 희석된 요소수 유체의 농도는 요소수 압력과 희석수 압력을 조절하여 액체배관에 도입되는 각 유량을 변화시켜 조절하는 것이 특징인, 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치.
- 제1항에 있어서, 탈질장치에서 처리해야 하는 NOx 농도의 변화, 탈질장치의 반응조건 또는 둘다에 대응하여 희석 농도가 조절된 요소수가 기화기 내부 또는 탈질장치 내부에 분사할 수 있는 것이 특징인, 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치.
- 제1항에 있어서, 가압된 요소수 유체 및 가압된 희석수 유체가 흐르면서 희석된 요소수 유체가 형성되는 유체흐름 방향을 기준으로 다공성 구조체의 기공 크기 구배가 있는 것이 특징인, 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치.
- 제1항에 있어서, 가압된 요소수 유체 및 가압된 희석수 유체가 흐르면서 희석된 요소수 유체가 형성되는 유체흐름 방향에 수직인 단면을 기준으로 다공성 구조체의 기공 크기 구배가 있는 것이 특징인, 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 내부에 설치하고, 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응 및 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의해 NOx 환원반응이 동시에 일어나는 것이 특징인, SNCR 반응기.
- 제6항에 있어서, SNCR 반응기 내 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생 또는 공급되면서 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의한 NOx 환원반응이 일어나는 것이 특징인, SNCR 반응기.
- 제6항에 있어서, 분무장치로부터 분사된 요소수가 주입 또는 요소수의 요소 분해반응이 일어나는 영역의 온도는 850 ~ 1100℃인 것이 특징인, SNCR 반응기.
- 제6항에 있어서, SNCR 반응기는 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로인 것이 특징인, SNCR 반응기.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 내부에 설치하고, 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응이 일어나 암모니아를 형성하는 것이 특징인, 기화기.
- 제10항에 있어서, 분무장치로부터 분사된 요소수가 주입 또는 요소수의 요소 분해반응이 일어나는 영역의 온도는 200 ~ 500℃인 것이 특징인, 기화기.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 포함하는 질소산화물(NOx)의 저감시스템으로서,
분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키고,
요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하는 것이 특징인, 질소산화물의 저감시스템. - 제12항에 있어서, 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키는 장치 및 요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하는 장치는 일체형 장치이거나 배관을 통해 직간접적으로 연결된 별개의 장치인 것이 특징인, 질소산화물의 저감시스템.
- 제12항에 있어서, 요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의한 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응은 선택적 무촉매환원법(SNCR) 또는 선택적 촉매 환원법(SCR) 인 것이 특징인, 질소산화물의 저감시스템.
- 제12항에 있어서, 분무장치로부터 요소수가 직접 분사되는 영역의 온도는 요소수를 열분해할 수 있는 온도 또는 그 이상인 것이 특징인 질소산화물의 저감시스템.
- 제12항에 있어서, 분무장치로부터 요소수가 직접 분사되고 요소수를 열분해하는 고온 영역은 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로의 일부인 것이 특징인 질소산화물의 저감시스템.
- 제16항에 있어서, 연소로는 소각로, 가열로, 보일러 또는 내연기관인 것이 특징인 질소산화물의 저감시스템.
- 제12항에 있어서, 농도 정밀제어 가능한 다공성 구조체 삽입형 희석 요소수 분무장치를 내부에 설치하고, 분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응이 일어나 암모니아를 형성하는 제21항에 기재된 기화기; 및
NOx 함유 연소가스 및 기화기로부터 공급된 암모니아 가스에 대해 선택적 촉매 환원법(SCR)을 수행하는 SCR 반응기를 포함하는 것이 특징인, 질소산화물의 저감시스템. - 제18항에 있어서, 기화기는 SCR 반응기 외부 또는 내부에 설치되어 있는 것이 특징인, 질소산화물의 저감시스템.
- 제18항에 있어서, 기화기에서 형성된 암모니아를 AIG(Ammonia injection grid)를 통해 SCR 반응기에 공급하는 것이 특징인, 질소산화물의 저감시스템.
- 제20항에 있어서, AIG(Ammonia injection grid)에서 기화기에서 형성된 암모니아와 NOx 함유 연소가스를 혼합하여 SCR 반응기에 공급하는 것이 특징인, 질소산화물의 저감시스템.
- 제12항의 질소산화물의 저감시스템에서,
분무장치로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키고, 요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하여 NOx 함유 연소가스를 처리하는 방법.
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