KR20210120195A - 오존산화방식의 질소산화물(NOx) 제거공법에 효율적인 개량된 덕트구조 - Google Patents

오존산화방식의 질소산화물(NOx) 제거공법에 효율적인 개량된 덕트구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오존산화방식의 질소산화물(NOx) 제거공법에 있어서 오존을 주입하는 주입구의 덕트구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 습식세정탑의 입구측과 연결되는 덕트에 순차적으로 오존을 공급하는 다수의 노즐이 포함된 혼합덕트를 설치하고, 덕트의 내부에는 스크류를 설치함으로서, 통과하는 배기가스와 오존의 혼합을 향상시킴과 동시에 오존과 배기가스의 반응시간을 늘려주어 더 많은 질소산화물(NOx)을 제거할 수 있도록 고안된 오존산화방식의 질소산화물(NOx) 제거공법에 효율적인 개량된 덕트구조에 관한 것이다.

Description

오존산화방식의 질소산화물(NOx) 제거공법에 효율적인 개량된 덕트구조{Duct structure}
본 발명은 오존산화방식의 질소산화물(NOx) 제거공법에 있어서 오존을 주입하는 주입구의 덕트구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 습식세정탑의 입구측과 연결되는 덕트에 순차적으로 오존을 공급하는 다수의 노즐이 포함된 혼합덕트를 설치하고, 덕트의 내부에는 스크류를 설치함으로서, 통과하는 배기가스와 오존의 혼합을 향상시킴과 동시에 오존과 배기가스의 반응시간을 늘려주어 더 많은 질소산화물(NOx)을 제거할 수 있도록 고안된 오존산화방식의 질소산화물(NOx) 제거공법에 효율적인 개량된 덕트구조에 관한 것이다.
산업용 연소장치(예를들면 소각로, 보일러, 엔진, 발전소 등)에서 배출되는 배기가스에는 질소산화물(NOx)를 포함한 다량의 유해물질이 포함되어 있고, 이러한 배기가스 중에서 질소산화물(NOx)를 그대로 대기중으로 배출시킬 경우 미세먼지발생의 주원인으로 질소산화물(NOx)를 제거하기 위한 공법에는 선택적 비촉매환원법 (SNCR)과 선택적 촉매환원법(SCR)이 대표적이다.
선택적 비촉매환원법(SNCR)이란 촉매를 사용하지 않고 870~1200℃ 범위의 온도범위에서 NOx를 제거하는 방법으로 암모니아 또는 요소(Urea)로 환원시켜 질소와 물로 환원하는 방법으로 낮은 투자비와 공정의 단순성 때문에 가장 많이 보급되었다. 환원제 주입설비로 인한 보일러 내부의 수관벽에 변형이 일어날 수 있으며 NOx 저감율은 30 ~ 50%정도이므로 추가로 저감을 하려면 SCR공정을 추가 하여야 한다.
선택적 촉매환원법(SCR)이란 300~400℃ 온도에서 배기가스와 환원제가 동시에 촉매층에 접촉함으로서 배기가스내의 NOx를 환원제(NH3)와의 선택적 반응에 의해 질소(N2)와 수증기(H2O)로 환원시키는 방법이다. 사용되는 환원제로는 암모니아수(주로 25% 암모니아 용액), 요소수(50% Urea용액) 등이 사용되며 SCR 촉매전단에 주입하여 배기가스중에 분사한다. SNCR에서 제거하지 못한 50 ~ 70%의 NOx는 SCR에서 추가로 제거한다.
그러나 SCR의 가장 큰 문제는 극소량의 다른 물질이 촉매에 강하게 흡착 하여 촉매의 활성을 감소시키는 피독현상(Poisoning)이다.
연료중에 황(S)성분이 암모니아와 반응하여 촉매표면과 기공에 흡착되면서 덮힘(Masking) 현상과 막힘 현상을 야기하고 열교환기에 부식을 일으킨다. 또한 낮은온도의 배기가스는 촉매의 활성을 저하시키기에 배기가스를 재가열하는 경우도 있다. 폐기물 또는 펠릿을 연소하면 배기가스의 성분이 균일하지 못하고 이로 인해 촉매의 수명을 보장하지 못한다. 이에 대부분의 폐기물 소각시설에는 SCR 이 설치되지 않았거나 가동하지 않는 실정이다.
- 1999년 독일 린데社에서 개발한 LoTOx는 Low temperature oxidation for NOx control의 약자로 오존을 이용한 저온산화방식으로 다양한 가스상 유해물질을 제거방식이다. (미국특허 제6197268호 1999.7.2. 출원)
<참고도면1>
Figure pat00001
일반적인 화학적 반응식은 아래 참고도면2 와 같다.
<참고도면2>
Figure pat00002
배출되는 연소가스에 오존을 투입하여 질소산화물(NOx)및 기타 오염물질을 제거하는 방식으로 불용성 물질인 NO를 수용성물질인 NO2, N2O5 로 산화시키는 EOP (end- of - pipe)시스템이며 질소산화물(NOx)의 산화는 오존의 투입량과 직접적인 관계가 있다.
오존/NO몰비 = 1.6일 때, NO는 0.5s내에 완전히 산화되어 NO2가 되며, 오존의 투입이 계속되면 NO2는 N2O5 로 산화된다. NO2가 N2O5로 산화되는 시간은 3 ~ 5sec정도이다.
<참고도면3>
Figure pat00003
온도가 높으면 오존의 소멸이 빠르다. 150℃이하에서는 오존농도가 일정하게 유지되지만 200℃ 이상에서는 소멸이 빨라지며 1s에 [O3]/[O3]0가 0.8까지 내려가며 손실율이 20%이다. 온도가 250℃ 이면 2sec내에 완전히 소멸된다. 연기의 온도가 150℃ 이상인 경우 O3의 자체소멸을 무시할 수 없기에 투입량을 증가하여야 한다. 따라서 LoTOx System은 배기가스의 온도가 낮을수록 유리하며 온도가 높으면 오존의 손실을 고려하여 투입량을 증가시킨다.(참고도면3참조)
<참고도면4>
Figure pat00004
NO는 오존에 산화되어 NO2와 N2O5가 생성되며, N2O5는 습식세정탑 내부에서 물과 반응하여 2HNO3(질산)으로 변하며 NaOH(수산화나트륨)로 중화한다.
산화되지 않은 오존은 산소로 변한다.
도 1 은 종래의 오존산화를 이용한 질소산화물(NOx) 제거방식을 도시한 것으로서,
배기가스가 배출되는 배기덕트(1)의 출구측에 습식세정탑(2)이 설치되는 것이고, 습식세정탑(2)은 입구(3)가 배기덕트(1)와 연결되고 출구(4)는 굴뚝과 연결되도록 설치되고, 습식세정탑(2)의 내부에는 배기가스와 산화 반응하기 위한 오존을 분사하는 오존노즐(7)이 설치되며, 또한, 배기가스의 온도를 낮춰주면서 오존과 혼합된 배기가스 중의 NOx가 H2O, N2, O2 로 환원되도록 세정액을 분무하는 다수의 세정액노즐(5)이 설치되어 있다.
오존노즐(7)은 오존발생기(8)에서 생성된 오존을 공급받아 분사하고, 습식세정탑(2)의 바닥부에 존재하는 세정액을 펌프(6)가 펌핑하여 세정액노즐(5)로 공급하도록 구성되어 있다.
이러한 종래의 질소산화물(NOx) 제거장치는 배기덕트(1)를 통해 습식세정탑(2)으로 공급된 배기가스가 오존과 혼합되면서 산화된 후 세정액과 환원반응하여 배기가스에 포함되어 있는 NOx가 제거되는 것이다.
그러나, 종래의 질소산화물(NOx) 제거장치는 오존과 배기가스의 혼합율이 낮고 오존과 배기가스의 반응시간이 짧으므로 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물(NOx) 제거율이 낮아지는 문제점이 발생하고 있었다.
따라서, 상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 습식세정탑의 입구측과 연결되는 덕트에 순차적으로 오존을 공급하는 다수의 노즐이 포함된 혼합덕트를 설치하고, 덕트의 내부에는 스크류를 설치함으로서, 통과하는 배기가스와 오존의 혼합을 향상시킴과 동시에 오존과 배기가스의 반응시간을 늘려주어 더 많은 질소산화물(NOx)을 제거할 수 있도록 고안된 오존산화방식의 질소산화물(NOx) 제거공법에 효율적인 개량된 덕트구조를 제공함을 목적으로 한다.
상기 목적달성을 위한 본 발명은
배기가스가 배출되는 배기덕트(10)가 습식세정탑(2)의 입구측과 연결되게 설치된 것을 포함하는 NOx 제거를 위한 오존주입구의 덕트구조에 있어서,
습식세정탑(2)의 입구측과 연결되는 배기덕트(10)상에 순차적으로 배열된 다수의 오존주입용 노즐(22-1,22-2.22-3)이 구비된 오존혼합덕트(20)를 설치하고, 오존혼합덕트(20)의 내부에는 통과하는 배기가스를 선회시켜 배기가스와 오존의 혼합율이 향상되도록 하는 스크류(21)를 설치한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 습식세정탑의 입구측과 연결되는 배기덕트 중간에 순차적으로 배열된 다수의 오존주입용 노즐(22-1, 22-2, 22-3)과 스크류가 내설되어 있는 오존혼합덕트를 연결 설치함으로서 노즐에서 분사되는 오존이 순차적으로 배기가스와 혼합되고 내부의 스크류를 통과하면서 오존과 배기가스의 혼합율을 향상시키면 오존과 배기가스의 반응시간을 늘려주어 질소산화물(NOx) 제거율을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1 은 종래의 질소산화물(NOx) 제거장치를 보인 도면.
도 2 는 본 발명의 질소산화물(NOx) 제거를 위한 오존주입구의 덕트구조를 보인 도면.
도 3 은 본 발명에 적용된 오존혼합덕트를 보인 도면.
이하, 첨부된 도면 도 2 와 도 3 을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 설명에 있어서 종래와 동일한 구성에 대해서는 동일부호 표기하여 중복설명을 피하기로 한다.
본 발명은,
배기가스가 배출되는 배기덕트(10)가 습식세정탑(2)의 입구측과 연결되게 설치된 것을 포함하는 NOx 제거를 위한 오존주입구의 덕트구조에 있어서,
습식세정탑(2)의 입구측과 연결되는 배기덕트(10)상에 오존 공급용 오존노즐(22)이 구비된 오존혼합덕트(20)를 설치하고, 오존혼합덕트(20)의 내부에는 통과하는 배기가스를 선회시켜 배기가스와 오존의 혼합율이 향상되도록 하는 스크류(21)를 설치한 것을 특징으로 한다.
또한, 오존혼합덕트(20)에는 순차적으로 배열된 다수의 오존주입용 노즐(22-1,22-2,22-3)이 설치되고, 오존발생기(23)와 오존노즐(22)을 별도의 연결파이프(24)로 연결한 것을 특징으로 한다.
또한, 오존혼합덕트(20)와 그 내부에 설치되는 스크류(21)는 FRP 또는 스테인레스 스틸로 구성한 것을 특징으로 한다.
또한, 오존혼합덕트(20)와 습식세정탑(2)의 사이에는 소정 길이의 덕트를 더 형성하여 오존과 배기가스가 반응할 수 있는 시간을 충분히 갖도록 하는 반응구간(11)을 형성한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 습식세정탑(2)의 입구(3)와 연결되는 배기덕트(10)상에 오존혼합덕트(20)를 형성한 것이다.
오존혼합덕트(20)는 도 3 에 도시된 바와같이 양단에 플랜지(25)를 형성하여 기존의 배기덕트(10) 중간부에 손쉽게 교체 설치가 가능하도록 하였고, 오존혼합덕트(20)의 내부에는 통과하는 배기가스를 와류시키기 위한 스크류(21)가 설치된다.
상기한 오존혼합덕트(20)에는 순차적으로 배열된 다수의 오존주입용 노즐(22-1, 22-2, 22-3)이 설치될 수 있고, 오존발생기(23)에서 생산되는 오존을 노즐(22)을 통하여 오존혼합덕트(20)와 연결한다.
오존혼합덕트(20)는 도 3 에 도시된 바와 같이 다수의 오존노즐(22)을 오존혼합덕트(20) 내부에 설치할 수 있고, 각각의 오존노즐(22)을 별도의 연결파이프(24)로 오존발생기(23)와 연결시켜 구성할 수 있다.
다수의 오존주입용 노즐(22-1, 22-2, 22-3)을 순차적으로 배열하는 이유는 위에서 기술한 바와 같이 오존은 열에 약하기 때문이다. 도 3에서 배기가스가 오른쪽에서 왼쪽 이동한다고 하면, 배기가스의 온도 또한 오른쪽이 높고 왼쪽이 낮다.
오존은 낮은 온도에서 높은 산화력을 가지므로 왼쪽의 주입구에 설치하면 유리할 수 있으나 이런 경우 반응 시간이 짧아지는 모순이 있다.
또한 배출되는 배기가스의 질소산화물(NOx)의 90%이상은 NO이다.
위에 기술한 바와 같이 22-1 노즐에서 주입되는 오존은 NO와 반응하여 NO2를 생성한다. (NO + O3 = 2NO2)
순차적으로 22-2 및 22-3노즐에서 주입되는 오존은 NO2와반응하여 N2O5를 생성한다. (NO2 + O3 = N2O5)
N2O5는 습식세정탑 내부에서 물과 매우 빠르게 반응하여 2HNO3(질산)으로 변하며 NaOH(수산화나트륨)로 중화한다. 산화되지 않고 남은 오존은 산소로 변한다.
상기와 같이 오존혼합덕트(20)의 내부에 스크류(21)를 설치하게되면, 스크류(21)를 통과하는 배기가스가 강한 와류를 형성하면서 통과하게되고, 이 과정에서 오존노즐(22)에서 분사되는 오존이 와류되는 배기가스와 함께 오존혼합덕트(20)를 선회하면서 통과하게 되므로 오존과 배기가스의 혼합율이 향상되는 효과를 기대할 수 있게 된다.
한편, 상기한 오존혼합덕트(20)와 습식세정탑(2)의 사이에는 소정길이의 배기덕트(10)가 존재하도록 설정하여 오존과 배기가스가 잘 반응할 수 있는 반응구간(11)으로 설정할 수 있다.
반응구간(11)이 길어질수록 오존과 배기가스의 혼합에 따른 질소산화물(NOx)의 산화반응이 잘 일어날 수 있게되며, 반응구간(11)을 통과한 배기가스가 습식세정탑(2)으로 공급된 후에는 습식세정탑(2) 내에 설치된 세정액노즐(5)에서 분무되는 세정액과 환원반응하여 제거되는 것이다.
습식세정탑(2)을 통과한 배기가스는 굴뚝을 통해 외부로 배출된다.
상기 설명에서 오존혼합덕트(20)와 스크류(21)는 오존의 산화기능에 견딜 수 있도록 FRP(Fiber Reinforced Plastics) 또는 스테인레스 스틸로 제작하는 것이 바람직하다.
2: 습식세정탑, 10: 배기덕트,
20: 오존혼합덕트, 21: 스크류,
22: 오존노즐, 23: 오존발생기,
24: 연결파이프, 25: 플랜지,

Claims (4)

  1. 배기가스가 배출되는 배기덕트(10)가 습식세정탑(2)의 입구측과 연결되게 설치된 것을 포함하는 NOx 제거를 위한 오존주입구의 덕트구조에 있어서,
    습식세정탑(2)의 입구측과 연결되는 배기덕트(10)상에 오존 공급용 오존노즐(22)이 구비된 오존혼합덕트(20)를 설치하고, 오존혼합덕트(20)의 내부에는 통과하는 배기가스를 선회시켜 배기가스와 오존의 혼합율이 향상되도록 하는 스크류(21)를 설치한 것을 특징으로 하는 오존산화방식의 질소산화물(NOx) 제거공법에 효율적인 개량된 덕트구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    오존혼합덕트(20)에는 순차적으로 배열된 다수의 오존주입용 노즐(22-1, 22-2, 22-3)이 설치될 수 있고, 오존발생기(23)와 오존노즐(22)을 별도의 연결파이프(24)로 연결한 것을 특징으로 하는 오존산화방식의 질소산화물(NOx) 제거공법에 효율적인 개량된 덕트구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    오존혼합덕트(20)와 그 내부에 설치되는 스크류(21)는 FRP 또는 스테인레스 스틸로 구성한 것을 특징으로 하는 오존산화방식의 질소산화물(NOx) 제거공법에 효율적인 개량된 덕트구조.
  4. 제 1 항에 있어서,
    오존혼합덕트(20)와 습식세정탑(2)의 사이에는 현장 상황에 맞춰 습식세정탑과 가장 먼곳에 가장 길게 제작하여 오존과 배기가스의 반응 시간을 충분히 갖도록 하는 반응구간(11)을 형성한 것을 특징으로 하는 오존산화방식의 질소산화물(NOx) 제거공법에 효율적인 개량된 덕트구조.
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