KR20210115916A - 산화 및 환원반응과 배기가스 재순환을 통한 질소산화물 제거시스템 - Google Patents

Abstract

질소산화물 제거시스템이 개시된다. 개시된 질소산화물 제거시스템은 가열로(100)의 배기가스 배출구(110)에 배치되며 선택적 비촉매 환원법이 적용되어 상기 가열로(100)에서 배출되는 배기가스에 환원제를 분사하는 SNCR 모듈(200);
상기 SNCR 모듈(200) 후단에 배치되어 배기가스를 냉각시키고 상기 가열로(100)에 유입되는 공기를 예열하는 열교환기(300); 및
질소산화물 제거시스템을 전반적으로 제어하는 제어기(700);를 포함하며,
상기 SNCR 모듈(200)에서는 분사된 환원제가 이산화질소를 환원시켜 질소산화물을 제거하는 것을 특징으로 한다.

Description

산화 및 환원반응과 배기가스 재순환을 통한 질소산화물 제거시스템{NOx REMOVING SYSTEM THROUGH OXIDATION, DEOXIDATION AND RETURN OF EXHAUST GAS}

본 발명은 산화 및 환원반응과 배기가스 재순환을 통한 질소산화물 제거시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열교환기 후단 또는 SCR 모듈 후단에 배기가스 재순환모듈을 배치하여 SNCR 모듈에서 질소산화물의 환원효율을 높이는 한편, 열교환기 후단에 산화제 분무모듈을 배치하여 배기가스에 잔류하는 일산화질소를 이산화질소로 산화시킴으로써 SNCR 모듈 또는 SCR 모듈에서의 질소산화물의 환원효율을 높이도록 한 질소산화물 제거시스템에 관한 것이다.

질소산화물은 미세먼지의 원인물질일 뿐만 아니라 산성비, 광화학 스모그를 유발하기도 하고 호흡곤란을 초래하기도 한다. 이러한 질소산화물의 주요 배출원으로서는 슬라브를 장입하여 뜨거운 온도(일례로 1200

로 가열한 후 압연하는 공업로, 각종 쓰레기를 소각하는 소각로, 증기를 발생시켜 증기 자체나 전기를 생산하는 보일러의 연소로 시스템 등이 있다

이와 같이 다양한 가열로에서 배출되는 배기가스 중의 질소산화물을 제거하기 위한 방법으로 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction; SCR)과 선택적 비촉매 환원법(Selective Non-Catalytic Reduction; SNCR)이 주로 사용되고 있다.

SCR 시스템은 공정 중에 촉매를 사용함으로써 처리효율을 최대 90% 정도까지 높일 수 있고 300

정도의 낮은 온도에서 운전이 가능하다는 장점이 있으나, 높은 설치비, 촉매 교체비용, 연료비 등으로 인해 유지관리비가 많이 소요되는 단점이 있다.

SNCR 시스템은 국내의 기존 소각로나 비교적 낮은 농도의 질소산화물(NOx)을 배출하는 시설에 많이 적용되며 약 40-80%의 제거효율을 가진다. 이러한 SNCR 시스템은 환원제 주입 장치와 환원제 저장용기만을 요구하는 비교적 간단한 설비이기 때문에 기존의 보일러에 쉽게 설치할 수 있다는 장점이 있다.

이와 같은 SNCR 시스템은 반응온도, 분사 노즐의 위치와 체류시간, 그리고 환원제의 종류에 따라서 처리 효율이 달라진다. SNCR 시스템의 주요 반응은 900-1200

의 좁은 온도 영역에서 일어나고 일반적으로 950-1000

에서 최대의 제거 효율을 나타낸다.

종래의 질소산화물 제거시스템은 SNCR 또는 SCR을 거친 배기가스에 미환원 이산화질소가 다량 존재하는 상태로 배출되어 문제점으로 지적되어 왔다.

한편, 배기가스에 포함된 대표적인 질소산화물은 일산화질소와 이산화질소이다. SNCR에서 환원제가 분사되면 이산화질소는 환원반응에 적극적으로 참여하여 환원되나, 일산화질소는 반응성이 좋지 않아 충분히 제거할 수 없었다.

따라서 SNCR 또는 SCR에서 처리된 후 배출되는 배기가스에 포함된 잔여 질소산화물을 줄일 수 있는 새로운 접근방법이 요구되며, 또한 환원반응에 대한 반응성이 좋지 않은 일산화질소를 제거할 해결책이 절실히 요청된다.

한국공개특허공보 10-2019-0084512호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하고자 제안된 것으로, 가열로에서 배출되는 배기가스에 존재하는 질소산화물을 제거하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 SNCR 또는 SCR에서 처리된 후 배출되는 배기가스에 포함된 잔여 질소산화물을 줄이는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 환원반응에 대한 반응성이 좋지 않은 일산화질소를 제거하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 가열로에서 배출되는 배기가스 내의 질소산화물을 제거하기 위한 질소산화물 제거시스템에 있어서,

상기 가열로의 배기가스 배출구에 배치되며 선택적 비촉매 환원법이 적용되어 상기 가열로에서 배출되는 배기가스에 환원제를 분사하는 SNCR 모듈;

상기 SNCR 모듈 후단에 배치되어 배기가스를 냉각시키고 상기 가열로에 유입되는 공기를 예열하는 열교환기; 및

질소산화물 제거시스템을 전반적으로 제어하는 제어기;를 포함하며,

상기 SNCR 모듈에서는 분사된 환원제가 이산화질소를 환원시켜 질소산화물을 제거하는 것을 특징으로 하는, 질소산화물 제거시스템을 제공한다.

또한 본 발명은, 가열로에서 배출되는 배기가스 내의 질소산화물을 제거하기 위한 질소산화물 제거시스템에 있어서,

상기 가열로의 배기가스 배출구에 배치되며 선택적 비촉매 환원법이 적용되어 상기 가열로에서 배출되는 배기가스에 환원제를 분사하는 SNCR 모듈;

상기 SNCR 모듈 후단에 배치되어 배기가스를 냉각시키고 상기 가열로에 유입되는 공기를 예열하는 열교환기;

상기 열교환기 후단에 배치되며 선택적 촉매 환원법이 적용되어 배기가스에 환원제를 분사하는 SCR 모듈; 및

질소산화물 제거시스템을 전반적으로 제어하는 제어기;를 포함하며,

상기 SNCR 모듈과 SCR 모듈에서는 분사된 환원제가 이산화질소를 환원시켜 질소산화물을 제거하는 것을 특징으로 하는, 질소산화물 제거시스템을 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 열교환기 후단 또는 SCR 모듈 후단에 배치되어 배기가스를 상기 가열로의 배기가스 배출구로 유입시키는 배기가스 재순환모듈;을 더 포함하며,

상기 배기가스 재순환모듈은 잔여 질소산화물이 존재하는 열교환기 후단 또는 SCR 모듈 후단의 배기가스를 배기가스 배출구로 유입시켜 상기 SNCR 모듈에서 질소산화물의 환원효율을 높이는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 상기 열교환기 후단에 배치되며 배기가스에 산화제를 분무하는 산화제 분무모듈;을 더 포함하며,

상기 산화제 분무모듈은 산화제를 배기가스에 분무하여 일산화질소를 이산화질소로 산화시켜 상기 SNCR 모듈 또는 SCR 모듈에서의 질소산화물의 환원효율을 높이는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 상기 산화제 분무모듈은 산화제로 과산화수소를 분무하며, 상기 SNCR 모듈 및 SCR 모듈은 환원제로 암모니아를 분무하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 질소산화물 제거시스템은 가열로 배기가스의 오염도를 줄이는 효과가 있다.

또한 본 발명은 열교환기 후단 또는 SCR 모듈 후단에 배기가스 재순환모듈을 배치하여 SNCR 모듈에서 질소산화물의 환원효율을 높이는 효과가 있다.

또한 본 발명은 열교환기 후단에 산화제 분무모듈을 배치하여 SNCR 모듈 또는 SCR 모듈에서의 질소산화물의 환원효율을 높이는 효과가 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 본 발명에 따른 질소산화물 제거시스템의 구성도이다.
도 2는 SNCR 모듈의 최적 반응 온도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 일산화질소에 대한 과산화수소 농도에 따른 일산화질소가 이산화질소로 변환되는 전환율을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 문서의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.

또한, 본 문서에서 사용된 "제1," "제2," 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, '제1 부분'과 '제2 부분'은 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 부분을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 문서에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.

또한, 본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.

도 1은 본 발명에 따른 질소산화물 제거시스템의 구성도이고, 도 2는 SNCR 모듈의 최적 반응 온도를 나타내는 그래프이며, 도 3은 일산화질소에 대한 과산화수소 농도에 따른 일산화질소가 이산화질소로 변환되는 전환율을 나타내는 그래프이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 질소산화물 제거시스템은 SNCR 모듈(200), 열교환기(300), SCR 모듈(500), 제어기(700)를 포함한다.

제어기(700)는 질소산화물 제거시스템을 전반적으로 제어하는 구성이다.

가열로(100)의 배기가스는 배기가스 배출구(110)를 통해 배출된다. 배기가스 배출구(110)의 온도는 대략 섭씨 900 내지 1000도 정도에 이른다.

SNCR 모듈(200)은 선택적 비촉매 환원법이 적용되어 가열로(100)에서 배출되는 배기가스에 환원제를 분사하는 구성으로서, 가열로(100)의 배기가스 배출구(110)에 배치된다.

도 2는 가로축은 온도를 나타내고, 세로축은 일산화질소의 반응전 초기 질량에 대한 일산화질소의 반응후 최종 질량의 비를 나타내는 것으로, 반응도가 높으면 그 수치는 작아지게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 촉매없이 환원제인 암모니아를 분사하여 질소산화물을 저감할 수 있는 최적의 온도는 940

이며, 좀 더 넓게는 900

℃? 범위이다. 따라서 이 온도 범위에 도달되는 가열로(100)의 배기가스 배출구(110)에 암모니아수를 분사한다.

암모니아수 분사는 전기 펌프를 사용하여 단순 압력분무형 노즐을 사용하여 분사한다. 분사된 암모니아수 액적의 크기는 20~100m가 되도록 하여 암모니아수가 급히 기화되도록 한다.

열교환기(300)는 SNCR 모듈(200) 후단에 배치되어 배기가스를 냉각시키고, 가열로(100)에 유입되는 공기를 예열하는 구성이다.

SNCR 모듈(200)에서 분사되는 환원제에 대해 이산화질소에 비해 일산화질소는 반응성이 떨어져 잘 반응하지 않는다. 결과적으로 열교환기(300)를 거친 배기가스에는 일산화질소가 다량 존재하게 된다.

이에 본 발명에서는 일산화질소에 산화제를 분사하여 이산화질소로 산화시키는 산화제 분무모듈(400)을 구비하였다.

산화제 분무모듈(400)은 열교환기(300) 후단에 배치되며 배기가스에 산화제를 분무하는 구성이다.

산화제 분무모듈(400)은 산화제를 배기가스에 분무하여 일산화질소를 이산화질소로 산화시켜 SNCR 모듈(200) 또는 후술할 SCR 모듈(500)에서 질소산화물의 환원효율을 높이게 된다.

산화제로는 바람직하게는 과산화수소를 사용한다.

열교환기(300) 후단의 배기가스 온도는 대략 300

℃?가 된다. 이 지점에서는 도 3에 나타낸 바와 같이 일산화질소가 이산화질소로 전환되는데 필요한 농도인 10~20%의 농도로 과산화수소를 분사한다. 이 때 배기가스 온도가 높은 경우에는 상기의 온도가 되도록 열교환기(300) 전단에 송풍기(310)를 사용해서 외부 공기를 불어넣을 수도 있다.

본 발명에서는 SNCR 모듈(200)을 거친 배기가스에 포함된 질소산화물을 추가적으로 제거하기 위해 SCR 모듈(500)을 구비하였다.

SCR 모듈(500)은 열교환기(300) 후단에 배치되며 선택적 촉매 환원법이 적용되어 배기가스에 환원제를 분사하는 구성이다.

SCR 모듈(500)은 유지관리비가 많이 소요되므로, 상황에 따라 배제할 수도 있다.

산화제 분무모듈(400)로 인해 열교환기(300)를 거친 배기가스에 이산화질소가 다량 포함되게 되므로, SCR 모듈(500)에서 환원제를 분사하여 환원효율을 한층 높일 수 있는 것이다.

종래의 질소산화물 제거시스템은 SNCR 모듈(200) 또는 SCR 모듈(500)을 거친 배기가스를 별다른 조치없이 대기로 배출하였다. 그러나 SNCR 모듈(200) 또는 SCR 모듈(500)을 거친 배기가스에는 여전히 이산화질소가 잔류하고 있어 공기정화측면에서 추가적인 조치가 필요하다.

이에 본 발명에서는 배기가스 재순환모듈(600)을 구비하였다.

배기가스 재순환모듈(600)은 열교환기(300) 후단 또는 SCR 모듈(500) 후단에 배치되어 배기가스를 가열로(100)의 배기가스 배출구(110)로 유입시키는 구성으로서, 배기가스 재순환용 배관(610)과 블로워(620)로 구성된다.

배기가스 재순환모듈(600)은 잔여 질소산화물이 존재하는 열교환기(300) 후단 또는 SCR 모듈(500) 후단의 배기가스를 배기가스 배출구(110)로 유입시켜 SNCR 모듈(200)에서 질소산화물의 환원효율을 한층 높이게 된다.

본 발명은 산화 및 환원반응과 배기가스 재순환을 통한 질소산화물 제거시스템에 관한 것으로서, 열교환기(300) 후단 또는 SCR 모듈(500) 후단에 배기가스 재순환모듈(600)을 배치하여 SNCR 모듈(200)에서 질소산화물의 환원효율을 높이는 한편, 열교환기(300) 후단에 산화제 분무모듈(400)을 배치하여 배기가스에 잔류하는 일산화질소를 이산화질소로 산화시킴으로써 SNCR 모듈(200) 또는 SCR 모듈(500)에서의 질소산화물의 환원효율을 높이는 효과가 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

가열로 100
배기가스 배출구 110
SNCR 모듈 200
열교환기 300
송풍기 310
산화제 분무모듈 400
SCR 모듈 500
배기가스 재순환모듈 600
배기가스 재순환용 배관 610
블로워 620
제어기 700

Claims (5)

1. 가열로(100)에서 배출되는 배기가스 내의 질소산화물을 제거하기 위한 질소산화물 제거시스템에 있어서,
   상기 가열로(100)의 배기가스 배출구(110)에 배치되며 선택적 비촉매 환원법이 적용되어 상기 가열로(100)에서 배출되는 배기가스에 환원제를 분사하는 SNCR 모듈(200);
   상기 SNCR 모듈(200) 후단에 배치되어 배기가스를 냉각시키고 상기 가열로(100)에 유입되는 공기를 예열하는 열교환기(300); 및
   질소산화물 제거시스템을 전반적으로 제어하는 제어기(700);를 포함하며,
   상기 SNCR 모듈(200)에서는 분사된 환원제가 이산화질소를 환원시켜 질소산화물을 제거하는 것을 특징으로 하는, 질소산화물 제거시스템
   
2. 가열로(100)에서 배출되는 배기가스 내의 질소산화물을 제거하기 위한 질소산화물 제거시스템에 있어서,
   상기 가열로(100)의 배기가스 배출구(110)에 배치되며 선택적 비촉매 환원법이 적용되어 상기 가열로(100)에서 배출되는 배기가스에 환원제를 분사하는 SNCR 모듈(200);
   상기 SNCR 모듈(200) 후단에 배치되어 배기가스를 냉각시키고 상기 가열로(100)에 유입되는 공기를 예열하는 열교환기(300);
   상기 열교환기(300) 후단에 배치되며 선택적 촉매 환원법이 적용되어 배기가스에 환원제를 분사하는 SCR 모듈(500); 및
   질소산화물 제거시스템을 전반적으로 제어하는 제어기(700);를 포함하며,
   상기 SNCR 모듈(200)과 SCR 모듈(500)에서는 분사된 환원제가 이산화질소를 환원시켜 질소산화물을 제거하는 것을 특징으로 하는, 질소산화물 제거시스템
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 열교환기(300) 후단 또는 SCR 모듈(500) 후단에 배치되어 배기가스를 상기 가열로(100)의 배기가스 배출구(110)로 유입시키는 배기가스 재순환모듈(600);을 더 포함하며,
   상기 배기가스 재순환모듈(600)은 잔여 질소산화물이 존재하는 열교환기(300) 후단 또는 SCR 모듈(500) 후단의 배기가스를 배기가스 배출구(110)로 유입시켜 상기 SNCR 모듈(200)에서 질소산화물의 환원효율을 높이는 것을 특징으로 하는, 질소산화물 제거시스템
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 열교환기(300) 후단에 배치되며 배기가스에 산화제를 분무하는 산화제 분무모듈(400);을 더 포함하며,
   상기 산화제 분무모듈(400)은 산화제를 배기가스에 분무하여 일산화질소를 이산화질소로 산화시켜 상기 SNCR 모듈(200) 또는 SCR 모듈(500)에서의 질소산화물의 환원효율을 높이는 것을 특징으로 하는, 질소산화물 제거시스템
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 산화제 분무모듈은 산화제로 과산화수소를 분무하며, 상기 SNCR 모듈(200) 및 SCR 모듈(500)은 환원제로 암모니아를 분무하는 것을 특징으로 하는, 질소산화물 제거시스템
   
   

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