KR20210075560A - 대용량 요소수의 미립화를 위한 이류체 분무노즐 - Google Patents

대용량 요소수의 미립화를 위한 이류체 분무노즐 Download PDF

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KR20210075560A
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민윤식
구본욱
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(주)금강씨엔티
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Abstract

본 발명은 (a) 노즐 몸체, (b) 압축공기 토출구 및 요소수 토출구를 제공하여 분사되는 요소수 액적 형태를 조절하는 노즐 팁, 및 (c) 아답터를 포함하는 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐; 및 이의 용도에 관한 것이다.
본 발명의 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐은 압축공기 주입관(a1) 내부 공간에서 흐르는 압축공기 유체의 경로와 요소수 주입관(a2) 내부 공간에서 흐르는 요소수 유체의 경로는 서로 평행하고, 아답터(c) 내부에 압축공기 주입관에 주입되는 압축공기가 통과하는 오리피스를 압축공기 유체 경로상에 구비하고, 요소수 노즐 캡의 토출구 말단이 압축공기 노즐 캡의 토출구 말단의 정중앙에 배치되고, 요소수 주입관의 내부 직경은 1mm 또는 그 이하이며, 압축공기 노즐 캡의 토출구 내부 직경은 6mm 또는 그 이상인 것이 특징이다. 따라서, 100kg/hr 이상의 대용량 요소수 분무 시, 요소수 분무 액적의 크기를 30um 이하, 바람직하게는 20 um 이하까지도 제어가능하다.

Description

대용량 요소수의 미립화를 위한 이류체 분무노즐 { Air atomizing nozzle for atomization of large capacity urea water }
본 발명은 (1) 요소수 노즐 캡의 토출구 말단이 압축공기 노즐 캡의 토출구 말단의 정중앙에 배치되고 요소수 주입관의 내부 직경이 1mm 또는 그 이하이며, 압축공기 노즐 캡의 토출구 내부 직경이 6mm 또는 그 이상이고, 압축공기 주입관 내부 공간에서 흐르는 압축공기 유체의 경로와 요소수 주입관 내부 공간에서 흐르는 요소수 유체의 경로는 서로 평행한 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐;
(2) 상기 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 내부에 설치하고, 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응이 일어나 암모니아를 형성하는 기화기;
(3) 상기 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 내부에 설치하고 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키는 장치; 및 요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하는 장치를 구비하는 질소산화물의 저감시스템;
(4) 화력발전소 또는 산업용 소각로에서 상기 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 사용하여 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.
화력발전소 또는 산업용 소각로 탈질설비(SCR)에 사용되는 촉매 환원제는 주로 액화암모니아(99.5%), 요소수(40%), 암모니아수(25%)이다.
다른 종류의 환원제(탄화수소, 일산화탄소)에 비해서 NO에 대한 선택도가 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.
화력발전소 또는 산업용 소각로에서 환원제로 암모니아수를 사용하는 경우에는 암모니아 자체가 유독물질이기 때문에 인체에 해로운 영향을 미치는 문제점과 각종 규제가 심하기 때문에 요소수를 사용하는 것이 유리하다. 현재 화력발전소 또는 산업용 소각로 탈질설비(SCR)에서는 안정적인 설비 운영과 환경적인 면을 고려하여 환원제로 요소수를 도입하는 경우가 늘어나고 있다.
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)
이와 같이 상온에서 고체로 존재하고 비교적 낮은 온도에서 분해되어 암모니아를 생성하는 요소(Urea)는 독성이 거의 없어 저장이 용이하고, DeNOx 반응에서 암모니아를 요소로 대체할 경우 미반응 암모니아에 의한 부차적인 오염을 줄일 수 있다. 또한, 요소는 무색 무취의 결정으로 물에 잘 녹는다. 따라서, 독성이 강한 NH3를 대신하는 환원제로서 요소수를 이용할 수 있다.
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.
통상, 화력발전소 또는 산업용 소각로에서 환원제로 요소수를 사용하는 경우, 요소수를 암모니아 가스로 전환시킬 수 있는 기화기가 필요하다.
요소수는 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.
한편, 요소수가 기화기 내부로 미스트 형태로 분사되면 400 ℃ 내외의 기화기 내부 온도에 의해 요소수가 기화된 다음 열분해가 되어서 암모니아 가스를 생성하게 된다.
기화기에서 요소수를 입자크기 30um 이하로 분사하고, 내부온도를 400℃로 운전하면 암모니아 가스로 전환이 잘 이루어진다. 그러나, 분사량이 증가하게 되면 입자크기도 커지기 때문에 대용량의 요소수 기화기에서는 분사량에 따라 요소수 분무 노즐의 개수가 3~4개까지 설치되고 있다.
본 발명은 대용량의 기화기 시스템에서 이류체 분무노즐을 통해 요소수 분사량이 증가하게 되면 입자크기도 커지고, 분사되는 요소수의 입자가 너무 크거나 기화기 내부의 온도가 낮은 경우 요소수 입자가 암모니아 가스로 전환되지 못하고, 기화기 내부 또는 후단에 고체형태로 부착하거나 설비의 막힘 현상이 발생하는 문제점을 해결하기 위해, 대용량의 요소수를 최대한 미립화할 수 있는 이류체 분무노즐을 제공하고자 한다.
본 발명의 제1양태는 (a1) 압축공기 유체를 압축공기 노즐 캡에 제공하는 압축공기 주입관(pipe); 및
(a2) 압축공기 주입관 내부에 동심원상으로 삽입되고, 요소수 유체를 요소수 노즐 캡에 제공하는 요소수 주입관(pipe)
을 구비한 노즐 몸체(a);
(b1) 압축공기 주입관에 아답터를 통해 결합되는 압축공기 노즐 캡; 및
(b2) 압축공기 노즐 캡 내부에 동심원상으로 삽입되고, 요소수 주입관에 아답터를 통해 결합되는 요소수 노즐 캡;
을 구비하고 압축공기 토출구 및 요소수 토출구를 제공하여, 분사되는 요소수 액적 형태를 조절하는 노즐 팁 (b); 및
전단에 압축공기 노즐 캡(b1) 및 후단에 압축공기 주입관(a1)이 결합되어 압축공기 토출구까지 압축공기 유체 경로를 제공하면서, 내부에 압축공기 주입관에 주입되는 압축공기가 통과하는 오리피스를 압축공기 유체 경로상에 구비하여 압축공기의 유량을 조절하고,
전단에 요소수 노즐 캡(b2) 및 후단에 요소수 주입관(b2)이 결합되어 요소수 토출구까지 요소수 유체 경로를 제공하는 아답터 (c);
*을 포함하는 이류체 분무노즐로서,
요소수 노즐 캡의 토출구 말단이 압축공기 노즐 캡의 토출구 말단의 정중앙에 배치되고,
요소수 주입관의 내부 직경은 1mm 또는 그 이하이며, 압축공기 노즐 캡의 토출구 내부 직경은 6mm 또는 그 이상이고,
압축공기 주입관(a1) 내부 공간에서 흐르는 압축공기 유체의 경로와 요소수 주입관(a2) 내부 공간에서 흐르는 요소수 유체의 경로는 서로 평행하며,
요소수가 요소수 노즐 캡의 토출구에서 물기둥 형태로 분사되고, 아답터의 오리피스를 통과하여 압축공기 노즐 캡의 토출구에서 분사되는 압축공기에 의해 요소수 물기둥이 분쇄되면서 분무되는 것이 특징인, 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 제공한다.
본 발명의 제2양태는 제1양태의 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 내부에 설치하고, 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응이 일어나 암모니아를 형성하는 것이 특징인, 기화기를 제공한다.
본 발명의 제3양태는 제1양태의 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 내부에 설치하고 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키는 장치; 및 요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하는 장치를 구비하되 상기 두 장치는 일체형이거나 배관을 통해 직간접적으로 연결된 별개의 장치인 것이 특징인, 질소산화물의 저감시스템을 제공한다.
본 발명의 제4양태는 화력발전소 또는 산업용 소각로에서 제1양태의 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 사용하여 NOx 함유 연소가스를 처리하는 방법으로서,
이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키는 단계; 및
요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하는 단계
를 포함하는 NOx 함유 연소가스 처리 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
노즐(nozzle)은 흐르는 유체의 방향을 조절하고, 그 속도를 증가시키기 위한 장치이다. 노즐은 기체나 액체 같은 유체의 흐름 방향을 결정하기 위하여 사용되는 파이프 모양의 기계 부품일 수 있으며, 흐르는 물질의 유량, 유속, 방향, 압력 등의 유체가 가지는 특성을 제어할 수 있다.
통상, 노즐은 출구의 단면적이 입구 쪽보다 작고, 출구의 속도가 입구 쪽보다 크며, 출구 쪽의 압력이 입구 쪽보다 작으며, 출구의 엔탈피가 입구 쪽보다 작다. 노즐은 들어가는 유체의 압력을 희생시켜서 속도를 증가시킨다. 즉, 압력을 줄임으로써 유체를 팽창시키는데, 이 과정에 아무런 일과 열이 발생하지 않는 장치이다.
요소수 분무노즐로 사용되는 이류체 노즐은 환원제인 요소수를 압축공기와 함께 분사함으로써 요소수를 미립화시켜 분사하게 된다. 이때, 요소수 분무노즐로 활용이 가능한 노즐의 종류는 요소수와 압축공기의 혼합 방법과 노즐의 구조 및 형태에 따라 다양하다.
기존의 요소수 분무노즐은 액체와 기체를 각각 내부 혹은 외부에서 혼합하여 압축공기의 힘으로 액체를 분무하는 이류체 분무노즐이 주로 사용되고 있다. 도 1에 도시된 바와 같은 이류체 미세분무 노즐(Air Atomizing Nozzle)은 기체와 액체를 외부에서 혼합함으로써 미세한 분사 형태를 만들어 낸다.
현재 기화기에서 주로 사용되고 있는 요소수 분무노즐은 압축공기와 요소수를 노즐 내부에서 혼합하여 분사하는 후단믹싱 타입 노즐이 사용되고 있으며, 최근에는 요소수의 미립화를 위해 압축공기와 요소수를 각 배관(pipe)을 따라 주입하여 노즐의 토출구에서 혼합하여 분사되는 방식의 전단믹싱 타입 노즐이 도입되고 있다.
*기존의 압축공기와 요소수를 노즐 내부에서 혼합하여 분사하는 후단믹싱 타입 노즐은 내부구조가 단순하고 요소수의 분사량에 적합한 토출구의 크기와 분사압력으로 분사하기 때문에 요소수를 분무액적의 크기를 줄이는데 한계가 있다.
하지만 압축공기와 요소수를 각 배관(pipe)을 따라 주입하여 노즐의 토출구에서 혼합하여 분사되는 방식은 노즐의 내부구조를 조절하여 요소수 분무액적의 크기를 최소화할 수 있다.
따라서, 본 발명은 압축공기와 요소수를 각 배관(pipe)을 따라 주입하여 노즐의 토출구에서 혼합하여 분사되는 방식의 이류체 노즐에서, 주요 부품의 구조를 최적화하여 100kg/hr 이상의 대용량의 요소수 분무액적의 크기를 최소화할 수 있으며, 이로 인하여 기화기의 성능을 증진시키고자 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 이류체 미세분무 노즐은 약간 경사져 배치되어 있는 기체용 노즐 캡에서 기체가 분사되면서 노즐중심의 액체용 노즐 캡에서 분사되는 희석된 요소수 액체줄기를 분쇄시키면서 액체의 분무가 이루어진다.
반면, 본 발명에 따라 요소수 미립화를 위한 이류체 분무노즐은 (a1) 압축공기 주입관, (a2) 압축공기 주입관 내부에 동심원상으로 삽입된 요소수 노즐 주입관, (b1) 압축공기 주입관과 함께 압축공기 유체 경로를 제공하는 압축공기 노즐 캡, (b2) 압축공기 노즐 캡 내부에 동심원상으로 삽입되고, 요소수 주입관과 함께 요소수 유체 경로를 제공하는 요소수 노즐 캡, 및 (c) 압축공기 주입관에 주입되는 압축공기가 통과하는 오리피스를 내부에 구비한 아답터를 구비한다.
이때, 도 3에 도시된 바와 같이 요소수 노즐 캡의 토출구 말단을 압축공기 노즐 캡의 토출구 말단의 정중앙에 배치시킴으로써, 즉 요소수 노즐 캡의 토출구 말단과 압축공기 노즐 캡의 토출구 말단이 동일 선상에 배치되도록 제작함으로써, 대용량 요소수 분무시 요소수 분무액적의 크기를 최소화하고, 분사각도를 증가하여 기화기의 성능을 증진시킬 수 있다는 것을 확인하였으며, 본 발명은 이에 기초한 것이다.
본 발명에 따른 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐은 (a) 노즐 몸체, (b) 압축공기 토출구 및 요소수 토출구를 제공하여 분사되는 요소수 액적 형태를 조절하는 노즐 팁, 및 (c) 아답터를 포함한다.
본 발명에 따른 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐에서, 노즐 몸체(a)는
(a1) 압축공기 유체를 압축공기 노즐 캡에 제공하는 압축공기 주입관(pipe); 및
(a2) 압축공기 주입관 내부에 동심원상으로 삽입되고, 요소수 유체를 요소수 노즐 캡에 제공하는 요소수 주입관(pipe)을 구비한다.
이때, 압축공기 주입관(a1) 내부 공간에서 흐르는 압축공기 유체의 경로와 요소수 주입관(a2) 내부 공간에서 흐르는 요소수 유체의 경로는 서로 평행하다.
본 발명에 따른 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐에서, 노즐 팁 (b)은
(b1) 압축공기 주입관에 아답터를 통해 결합되는 압축공기 노즐 캡; 및
(b2) 압축공기 노즐 캡 내부에 동심원상으로 삽입되고, 요소수 주입관에 아답터를 통해 결합되는 요소수 노즐 캡을 구비한다.
노즐 몸체(a)의 앞 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.
본 발명에 따른 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐에서, 아답터 (c)는
전단에 압축공기 노즐 캡(b1) 및 후단에 압축공기 주입관(a1)이 결합되어 압축공기 토출구까지 압축공기 유체 경로를 제공하면서, 내부에 압축공기 주입관에 주입되는 압축공기가 통과하는 오리피스를 압축공기 유체 경로상에 구비하여 압축공기의 유량을 조절하고,
전단에 요소수 노즐 캡(b2) 및 후단에 요소수 주입관(b2)이 결합되어 요소수 토출구까지 요소수 유체 경로를 제공한다.
예컨대, 아답터(c) 전단에서 압축공기 노즐 캡(b1) 및 요소수 노즐 캡(b2)는 아답터(c)에 나사(screw) 결합되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐은 요소수가 요소수 노즐 캡의 토출구에서 물기둥 형태로 분사되고, 아답터의 오리피스를 통과하여 압축공기 노즐 캡의 토출구에서 분사되는 압축공기에 의해 요소수 물기둥이 분쇄되면서 분무된다.
본 발명에 따른 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐은
압축공기 주입관(a1) 내부 공간에서 흐르는 압축공기 유체의 경로와 요소수 주입관(a2) 내부 공간에서 흐르는 요소수 유체의 경로는 서로 평행하고,
아답터 (c) 내부에 압축공기 주입관에 주입되는 압축공기가 통과하는 오리피스를 압축공기 유체 경로상에 구비하고,
요소수 노즐 캡의 토출구 말단이 압축공기 노즐 캡의 토출구 말단의 정중앙에 배치되고,
요소수 주입관의 내부 직경은 1mm 또는 그 이하이며, 압축공기 노즐 캡의 토출구 내부 직경은 6mm 또는 그 이상인 것이 특징이다.
이 경우, 100kg/hr 이상의 대용량 요소수 분무 시, 요소수 분무 액적의 크기를 30um 이하, 바람직하게는 20 um 이하까지도 제어가능하다.
또한, 본 발명에 따른 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐에서, 요소수 노즐 캡의 외곽은 압축공기 노즐 캡의 내부 형상과 결합하여 압축공기 유체 경로를 형성하므로, 요소수 노즐 캡(b2)의 외곽에 압축공기용 가이드 베인(guide vane)을 제공할 수 있다. 따라서, 압축공기 주입관(a1), 이어서 아답터의 오리피스를 통과하여 나온 압축공기 유체는 아답터 전단에 결합된 요소수 노즐 캡(b2)의 외곽에 있는 압축공기용 가이드 베인을 통해 압축공기 노즐 캡의 토출구로 분사될 수 있다.
본 발명의 일구체예에 따른 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐에서, 요소수 노즐 캡(b2) 외곽에 형성된 압축공기용 가이드 베인이 2개 이상의 나선형 라인형상으로 제작되면, 아답터의 오리피스를 통과하여 나온 압축공기 유체에 회전력을 제공할 수 있다.
바람직하게는, 요소수 노즐 캡(b2) 외곽에 형성된 압축공기용 가이드 베인의 나선형 라인 개수와 아답터의 오리피스의 구멍 개수가 동일하고, 아답터의 오리피스의 각 구멍을 통과하여 형성된 독립적인 압축공기 유체 각각은 이어서 압축공기용 가이드 베인의 나선형 라인을 따라 형성된 독립적인 나선형 압축공기 유체 경로를 따라 압축공기 캡의 토출구로 안내될 수 있다.
나아가, 요소수 노즐 캡(b2) 외곽 형상이 스크류 형태를 갖도록 제작하는 경우, 압축공기가 요소수의 미립화와 분사균일도를 증진할 수 있으며, 이때 압축공기의 분사압력은 6bar 또는 그 이상으로 하고, 압축공기가 지나가는 스크류 라인의 개수는 4~8개로 제작하는 것이 효과적이다.
압축공기 주입관, 요소수 주입관, 압축공기 노즐 캡, 요소수 노즐 캡, 및/또는 아답터 등의 노즐 부품은 동일 또는 상이한 재질일 수 있고, 이의 비제한적인 예로 니켈을 도금한 황동제, 스테인레스강(SUS 303), 경질 고무제, 아크릴 수지제 등이 있다.
압축공기 주입관을 통해 압축공기 노즐 캡에 제공되는 압축공기는 바람직하게는 압축된 냉각 기체일 수 있다. 압축공기 노즐 캡을 통해 분사되는 압축공기는 분무된 요소수의 운반기체로서 역할을 수행할 뿐만 아니라 압축공기 주입관을 흐르는 냉각 기체는 노즐을 냉각시키는 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 노즐은 기액 이류체 미세분무 노즐로서, 압축공기 및/또는 (희석된) 요소수는 대부분 펌프 등으로 충분히 가압해서 각각 압축공기 주입관 및 요소수 주입관에 공급할 수 있다. 가압된 요소수 유체는 펌프 압력에 의해 요소수 주입관을 통해 요소수 노즐 캡에 도달할 수 있다.
본 발명의 이류체 미세분무 노즐의 몸체에는 분사의 on-off가 노즐 내부에서 자동식으로 가능할 수 있다.
요소수 분무장치는 전술한 본 발명의 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 1개 또는 2개 이상 구비할 수 있다. 예컨대, SNCR공정에서 환원제와 연소 배가스의 혼합은 NOx 저감효율에 큰 영향을 미치므로 환원제인 요소수가 반응구간 전체에 고르게 분사될 수 있는 것이 바람직하고, 이를 위해 노즐의 개수는 많을수록 좋으나, 경제성을 고려하여 노즐 개수를 한정할 수 있다. 후술할 기화기에서도 마찬가지이다.
본 발명에 따른 질소산화물(NOx)의 저감시스템은
전술한 본 발명의 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 내부에 설치하고 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키는 장치; 및
요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하는 장치를 구비하는 것이 특징이다.
이때, 상기 두 장치는 일체형이거나 배관을 통해 직간접적으로 연결된 별개의 장치일 수 있다.
요소수의 요소 분해반응은 화학식 1로 표시되는 열적가수분해반응 및/또는 화학식 2으로 표시되는 열적분해반응을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
[화학식 2]
Figure pat00002
따라서, 이류체 분무노즐로부터 요소수가 직접 분사되는 영역의 온도는 요소수를 열분해할 수 있는 온도 또는 그 이상인 것이 바람직하다.
요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의한 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응은 선택적 무촉매환원법(SNCR) 또는 선택적 촉매 환원법(SCR)일 수 있다.
본 발명의 일구체예에 따른 질소산화물(NOx)의 저감시스템은, 도 8에 도시된 바와 같이,
전술한 본 발명의 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 내부에 설치하고 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응이 일어나 암모니아를 형성하는 기화기; 및
선택적 촉매환원법(SCR) 의해 NOx 환원반응이 일어나는 SCR 반응기
를 포함한다.
이때, 기화기에서 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키고, SCR 반응기에서 촉매 존재하 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 본 발명의 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응이 일어나 암모니아를 형성하는 기화기, 즉 요소수 분해조를 제공한다.
기화기에서, 이류체 분무노즐로부터 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.
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.
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 8).
한편, 본 발명의 다른 일구체예에 따른 일체형 질소산화물(NOx)의 저감시스템에서, 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐로부터 요소수가 직접 분사되고 요소수를 열분해하는 고온 영역은 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로의 일부일 수 있다. 연소로의 비제한적인 예로는 소각로, 가열로, 보일러 또는 내연기관이 있다.
통상 SNCR 반응기는 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로와 NOx 환원제 분사노즐이 장착된 것이다(도 9). 따라서, 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로는 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의한 NOx 환원반응이 일어나는 SNCR 반응기일 수 있다.
본 발명의 또다른 일구체예에 따른 질소산화물(NOx)의 저감시스템은 SNCR 반응기 내부에 전술한 본 발명의 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 설치하고, SNCR 반응기에서 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응 및 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의해 NOx 환원반응이 동시에 일어나는 것일 수 있다.
선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의해 NOx 환원반응이 동시에 일어나기 위해서, 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수가 주입 또는 요소수의 요소 분해반응이 일어나는 영역의 온도는 850 ~ 1100℃, 바람직하게는 900 ~ 1000℃일 수 있다. 이때, 전술한 본 발명의 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 통해 요소수를 열분해할 수 있는 고온의 반응 영역에 직접 분사하여 요소수의 열분해에 의해 암모니아가 생성될 수 있다.
예컨대, SNCR 반응기 내 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생 또는 공급되면서 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의한 NOx 환원반응이 일어나는 것일 수 있다. SNCR 반응기의 비제한적인 예는 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로일 수 있다. 따라서, SNCR 반응기는 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생 또는 공급되면서 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의한 NOx 환원반응이 일어날 수 있다.
또한, 본 발명은 화력발전소 또는 산업용 소각로에서 전술한 본 발명의 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 사용하여 NOx 함유 연소가스를 처리하는 방법으로서,
이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키는 단계; 및
요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하는 단계
를 포함하는 NOx 함유 연소가스 처리 방법을 제공한다.
하기에서는 SCR 공정을 보여주는 도 8을 참조하여, 환원제로 요소수를 사용하는 본 발명의 일구체예에 따른 질소산화물의 저감시스템 및 NOx 함유 연소가스 처리방법을 설명한다.
도 8은 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 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐이 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 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 8에 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 20㎛ 이하의 크기로 분무시키는 것이 바람직하다. 기화기/분해조(3)에서는 요소가 물에 용해되어 있는 액상의 요소수를 분무하여 사용하므로, 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, SNCR 공정을 보여주는 도 9를 참조하여, 환원제로 요소수를 사용하는 본 발명의 일구체예에 따른 SNCR 반응기 및 NOx 함유 연소가스 처리방법을 설명한다.
본 발명의 일구체예에 따른 SNCR 반응기에서 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 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 사용하여, 연소가스가 흐르는 덕트로 직접 분무한다. 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 통해 요소수 주입시, 요소수의 분무량은 일정하게 유지하고, 요소수의 요소(Urea) 농도를 변화시킴으로써 요소(Urea)의 화학적 표준양론비를 예컨대 1 ~ 2 사이에서 변화시킬 수 있다. 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, NH3 농도는 H3BO3를 흡수액으로 사용하는 중화적정법에 의해서 측정할 수 있다.
도 9의 SNCR 반응기에서 NO제거반응은 분무된 요소수의 체류시간이 0.5초에 도달하기 이전에 거의 완결되며 체류시간이 0.5초 이상으로 증가하여도 NO저감효율은 거의 일정하게 유지될 수 있다.
예컨대, NO 저감효율은 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 SNCR 반응기에서는 환원제 주입온도, 환원제의 화학적 표준양론비(Normalized Stoichiometric Ratio ; NSR), 연소가스 체류시간과 같은 주요 공정변수가 NO저감효율에 영향을 미친다.
본 발명의 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐은 대용량 요소수 분무 시, 요소수 분무 액적의 크기가 30um 이하, 바람직하게는 20um 이하까지 제어할 수 있다. 대용량의 기화기 시스템에서 요소수의 분무입자가 작아지면 요소수의 기화 및 열분해 효율이 증진되기 때문에 설비의 크기를 줄일 수 있으며, 기화기 내부온도도 낮출 수 있어 제작비용과 운영비용이 저감되는 이점을 가진다.
도 1은 종래 이류체 미세분무 노즐(Air Atomizing Nozzle)의 대표적인 일례이다.
도 2는 본 발명의 일구체예에 따른 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐의 개념도들(결합사시도(a), 분해사시도(b), 내부사시도(c), 전면에서 본 일부 분해사시도(d), 후면에서 본 일부 분해사시도(e), 후면에서 본 일부 내부사시도(f))이다.
도 3은 본 발명의 일구체예에 따른 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐의 노즐 팁 정면 사진으로, 요소수 노즐 캡의 토출구 말단이 압축공기 노즐 캡의 토출구 말단의 정중앙에 배치된 것을 보여준다.
도 4 내지 도 6은 각각 다양한 직경의 분무공을 가진 압축공기 노즐 캡, 다양한 요소수 토출구 직경을 가진 요소수 노즐 캡, 다양한 스크류 라인 개수를 가진 요소수 노즐 캡의 사진들이다.
도 7는 기존 이류체 노즐과 실시예 1의 이류체 노즐의 요소수 분해성능을 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일구체예에 따라 선택적 촉매 환원법을 이용한 질소산화물의 저감시스템의 개략적인 공정도이다.
도 9은 본 발명의 일구체예에 따른 Bench 규모의 SNCR 공정을 보여주는 개념도이다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 기술적 특징을 명확하게 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.
도 4 내지 도 6에 제시된 바와 같이, 다양한 직경의 분무공을 가진 압축공기 노즐 캡, 다양한 요소수 토출구 직경을 가진 요소수 노즐 캡, 다양한 스크류 라인 개수를 가진 요소수 노즐 캡을 조합 사용하여, 도 2b에 도시된 바와 같이 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 조립하고, 이들의 분무 특성과 열분해 특성을 확인하였다.
표 1에는 기존 이류체 노즐(자사 후단믹싱 분무노즐)의 분무량에 따른 분무액적크기를 표시하였다.
분무노즐 분무압력
(bar)		 분무유량
(ml/min)		 분무입경
(SMD, um)
기존 이류체 노즐 6.5 1,000 21.08
1,500 25.3
2,000 31.47
표 2에는 기존 이류체 노즐과 실시예 1의 이류체 노즐(6mm 직경의 분무공을 가진 압축공기 노즐 캡, 1mm 직경의 요소수 토출구 및 스크류 라인 8개를 가진 요소수 노즐 캡)의 분무액적크기를 비교하였다.
분무노즐 분무압력
(bar)		 분무유량
(kg/hr)		 분무입경
(SMD, um)
기존 이류체 노즐 6.5 120 31.47
실시예 1의 이류체 노즐 6.5 120 16.57
나아가, 표 2에는 기존 이류체 노즐과 실시예 1의 이류체 노즐에 대해, 반응조건 : 유량 60m3/hr, 분사압력 0.4bar, 요소수 분무량 100mL/min에서 요소수 분해성능을 확인하였으며, 실시예 1의 이류체 노즐의 경우 350℃ 이상에서 100%에 가까운 요소수 분해성능을 발휘하였다.

Claims (25)

  1. (a1) 압축공기 유체를 압축공기 노즐 캡에 제공하는 압축공기 주입관(pipe); 및
    (a2) 압축공기 주입관 내부에 동심원상으로 삽입되고, 요소수 유체를 요소수 노즐 캡에 제공하는 요소수 주입관(pipe)
    을 구비한 노즐 몸체(a);
    (b1) 압축공기 주입관에 아답터를 통해 결합되는 압축공기 노즐 캡; 및
    (b2) 압축공기 노즐 캡 내부에 동심원상으로 삽입되고, 요소수 주입관에 아답터를 통해 결합되는 요소수 노즐 캡;
    을 구비하고 압축공기 토출구 및 요소수 토출구를 제공하여, 분사되는 요소수 액적 형태를 조절하는 노즐 팁 (b); 및
    전단에 압축공기 노즐 캡(b1) 및 후단에 압축공기 주입관(a1)이 결합되어 압축공기 토출구까지 압축공기 유체 경로를 제공하면서, 내부에 압축공기 주입관에 주입되는 압축공기가 통과하는 오리피스를 압축공기 유체 경로상에 구비하여 압축공기의 유량을 조절하고,
    전단에 요소수 노즐 캡(b2) 및 후단에 요소수 주입관(b2)이 결합되어 요소수 토출구까지 요소수 유체 경로를 제공하는 아답터 (c);
    을 포함하는 이류체 분무노즐로서,
    요소수 노즐 캡의 토출구 말단이 압축공기 노즐 캡의 토출구 말단의 정중앙에 배치되고,
    요소수 주입관의 내부 직경은 1mm 또는 그 이하이며, 압축공기 노즐 캡의 토출구 내부 직경은 6mm 또는 그 이상이고,
    압축공기 주입관(a1) 내부 공간에서 흐르는 압축공기 유체의 경로와 요소수 주입관(a2) 내부 공간에서 흐르는 요소수 유체의 경로는 서로 평행하며,
    요소수가 요소수 노즐 캡의 토출구에서 물기둥 형태로 분사되고, 아답터의 오리피스를 통과하여 압축공기 노즐 캡의 토출구에서 분사되는 압축공기에 의해 요소수 물기둥이 분쇄되면서 분무되는 것이 특징인, 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐.
  2. 제1항에 있어서, 압축공기 노즐 캡의 내부 형상과 결합하여 압축공기 유체 경로를 형성하는 요소수 노즐 캡(b2)의 외곽에 압축공기용 가이드 베인(guide vane)이 형성되어 있고,
    아답터의 오리피스를 통과하여 나온 압축공기 유체는 아답터 전단에 결합된 요소수 노즐 캡(b2)의 외곽에 있는 압축공기용 가이드 베인을 통해 압축공기 노즐 캡의 토출구로 분사되는 것이 특징인, 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐.
  3. 제2항에 있어서, 요소수 노즐 캡(b2) 외곽에 형성된 압축공기용 가이드 베인은 2개 이상의 나선형 라인형상으로, 아답터의 오리피스를 통과하여 나온 압축공기 유체에 회전력을 제공하는 것이 특징인, 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐.
  4. 제3항에 있어서, 요소수 노즐 캡(b2) 외곽에 형성된 압축공기용 가이드 베인의 나선형 라인 개수와 아답터의 오리피스의 구멍 개수가 동일하고,
    아답터의 오리피스의 각 구멍을 통과하여 형성된 독립적인 압축공기 유체 각각은 이어서 압축공기용 가이드 베인의 나선형 라인을 따라 형성된 독립적인 나선형 압축공기 유체 경로를 따라 압축공기 캡의 토출구로 안내되는 것이 특징인, 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐.
  5. 제3항에 있어서, 요소수 노즐 캡(b2) 외곽에 형성된 압축공기용 가이드 베인의 나선형 라인은 4~8 개이고, 압축공기의 분사압력은 6bar 또는 그 이상인 것이 특징인, 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐.
  6. 제1항에 있어서, 전단에서 압축공기 노즐 캡(b1) 및 요소수 노즐 캡(b2)이 아답터(c)에 나사(screw) 결합되는 것이 특징인 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐.
  7. 제1항에 있어서, 100kg/hr 이상의 대용량 요소수를 분무하기 위한 것이 특징인 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 100kg/hr 이상의 대용량 요소수 분무 시, 요소수 분무 액적의 크기가 30um 이하로 분사하는 것이 특징인 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 내부에 설치하고, 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응이 일어나 암모니아를 형성하는 것이 특징인, 기화기.
  10. 제9항에 있어서, 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수가 주입 또는 요소수의 요소 분해반응이 일어나는 영역의 온도는 200 ~ 500℃인 것이 특징인, 기화기.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 내부에 설치하고 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키는 장치; 및
    요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하는 장치
    를 구비하되, 상기 두 장치는 일체형이거나 배관을 통해 직간접적으로 연결된 별개의 장치인 것이 특징인, 질소산화물의 저감시스템.
  12. 제11항에 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.
  13. 제11항에 있어서, 이류체 분무노즐로부터 요소수가 직접 분사되는 영역의 온도는 요소수를 열분해할 수 있는 온도 또는 그 이상인 것이 특징인 질소산화물의 저감시스템.
  14. 제11항에 있어서, 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 내부에 설치하고 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응이 일어나 암모니아를 형성하는 기화기; 및
    선택적 촉매환원법(SCR) 의해 NOx 환원반응이 일어나는 SCR 반응기
    를 포함하는 질소산화물(NOx)의 저감시스템으로서,
    기화기에서 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키고,
    SCR 반응기에서 촉매 존재하 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하는 것이 특징인, 질소산화물의 저감시스템.
  15. 제14항에 있어서, 기화기는 SCR 반응기 외부 또는 내부에 설치되어 있는 것이 특징인, 질소산화물의 저감시스템.
  16. 제14항에 있어서, 기화기에서 형성된 암모니아를 AIG(Ammonia injection grid)를 통해 SCR 반응기에 공급하는 것이 특징인, 질소산화물의 저감시스템.
  17. 제16항에 있어서, AIG(Ammonia injection grid)에서 기화기에서 형성된 암모니아와 NOx 함유 연소가스를 혼합하여 SCR 반응기에 공급하는 것이 특징인, 질소산화물의 저감시스템.
  18. 제11항에 있어서, 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐로부터 요소수가 직접 분사되고 요소수를 열분해하는 고온 영역은 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로의 일부인 것이 특징인 질소산화물의 저감시스템.
  19. 제18항에 있어서, 연소로는 소각로, 가열로, 보일러 또는 내연기관인 것이 특징인 질소산화물의 저감시스템.
  20. 제11항에 있어서, SNCR 반응기 내부에 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 설치하고, SNCR 반응기에서 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응 및 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의해 NOx 환원반응이 동시에 일어나는 것이 특징인 질소산화물의 저감시스템.
  21. 제20항에 있어서, SNCR 반응기 내 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생 또는 공급되면서 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의한 NOx 환원반응이 일어나는 것이 특징인, 질소산화물의 저감시스템.
  22. 제20항에 있어서, 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수가 주입 또는 요소수의 요소 분해반응이 일어나는 영역의 온도는 850 ~ 1100℃인 것이 특징인, 질소산화물의 저감시스템.
  23. 제20항에 있어서, SNCR 반응기는 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로인 것이 특징인, 질소산화물의 저감시스템.
  24. 화력발전소 또는 산업용 소각로에서 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐을 사용하여 NOx 함유 연소가스를 처리하는 방법으로서,
    이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키는 단계; 및
    요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하는 단계
    를 포함하는 NOx 함유 연소가스 처리 방법.
  25. 제24항에 있어서, 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐은 100kg/hr 이상의 대용량 요소수 분무 시, 요소수 분무 액적의 크기가 30um 이하로 분사하는 것이 특징인 NOx 함유 연소가스 처리 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113926308A (zh) * 2021-11-25 2022-01-14 清华大学 Sncr脱硝喷嘴以及喷出方法
CN116173699A (zh) * 2023-03-02 2023-05-30 北京亿玮坤节能科技有限公司 小喷嘴节能高效脱硫系统
KR102634190B1 (ko) * 2023-05-15 2024-02-05 경북환경에너지 주식회사 환원제 분사 방식 개선을 통한 선택적 무촉매환원 공정을 이용한 질소산화물 저감 효율 향상 방법

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