KR20220140664A - 암모니아 변환 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 변환 시스템은 내부공간이 형성된 반응챔버; 상기 내부공간으로 요소 수용액을 공급하도록, 상기 반응챔버 하부에 연결된 요소 수용액 공급부; 상기 반응챔버에 수용된 요소 수용액의 수위를 실시간으로 감지하는 레벨센서를 포함하는 센서부; 상기 반응챔버에 수용된 요소 수용액을 가열하도록, 상기 반응챔버 하부에 연결되어 요소 수용액에 스팀을 분사하는 스팀 공급부; 상기 스팀 공급부 상부를 감싸 설치되고 상기 반응챔버의 길이방향을 따라 연장되되, 상기 스팀 공급부를 통하여 요소 수용액 내부로 유입된 스팀과 생성된 암모니아 가스 기포를 미세화하면서 상기 반응챔버 내측 측벽 방향으로 가이드하는 복수 개의 기포 배출공이 형성된 히팅 커버부; 및 상기 센서부로부터 반응챔버 수위정보를 수신받아 상기 요소 수용액 공급부와 스팀 공급부의 작동을 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

암모니아 변환 시스템{AMMONIA CONVERSION SYSTEM}
본 발명은 요소 수용액(UREA SOLUTION)을 암모니아로 변환시키는 암모니아 변환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 요소 수용액의 압력 및 온도를 조절하여 기체 혼합물인 암모니아, 이산화탄소 및 물로 변환하는 과정에서 사용되는 열원으로 요소 수용액에 스팀을 직접 분사하여 요소 수용액를 암모니아로 빠르게 변환시킬 수 있는 암모니아 변환 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 가스터빈, 발전소, 보일러, 선박 및 자동차 등에서 배출되는 배기가스에는 다량의 질소산화물(NOx)를 포함되어 있는데, 이러한 질소산화물은 연소과정 중에 생성되며 대기중으로 배출시 광화학 스모그 또는 산성비 등을 유발하거나, 2차 미세먼지를 생성하는 전구물질로 대표적인 대기오염 물질 중 하나이다.
이에, 질소산화물을 처리하기 위한 다양한 기술 개발이 진행되고 있으며, 대표적으로 암모니아를 환원제로 하여 촉매상에서 질소산화물을 물과 질소로 환원하여 처리하는 선택적 촉매 환원법(SCR)과 촉매를 사용하지 않고 고온에서 질소산화물을 암모니아 등 환원제와 반응시켜 처리하는 선택적 무촉매 환원법(SNCR) 등의 기술이 개발되었다.
그러나 환원제로 사용되는 암모니아는 악취, 폭발성이 높은 유해·위험물질로 분류되어 있는 물질로 수송, 저장 및 취급이 용이하지 않을 뿐만 아니라 대기오염물질로서 대기로 배출될 경우 대기환경을 오염시킬 수 있는 문제가 있어, 상대적으로 취급이 쉬운 환원제의 요구가 증가되고 있는 실정이다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해 환원제로 다양한 종류의 탄화수소가 제안되었으나, 대부분 암모니아를 환원제로 사용하는 경우에 비하여 질소산화물 제거 활성이 크게 저하되는 단점이 있어 환원제로 사용되는 암모니아를 생성하여 질소산화물을 제거하는 다양한 기술 개발이 진행되고 있다.
암모니아를 생성하는 다양한 기술 중, US 5281403 A(1994.01.25)과 US 5827490 A(1998.10.27) 등을 통하여 요소 수용액을 암모니아로 전환하는 기술을 제시되었는데, 요소 수용액을 300psig의 고압 하에서 350~650℉ 로 가열하여 암모니아로 전환시키는 것을 주요 특징으로 한다.
이때, 요소 수용액이 암모니아로 전환되는 과정은 하기의 식 (1)에 따라 이루어지며, 40%의 요소 수용액을 가수분해 반응을 이용하여 암모니아로 전환하면 약 25%의 암모니아가 생성된다.
NH2CONH2 + H2O → NH3CO2NH3 → 2NH3 + CO2 -------------------------- (1)
도 1은 종래 요소 수용액을 이용한 암모니아 변환 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 암모니아 변환 시스템은 가수분해 반응으로 암모니아가 생성되는 반응챔버(10)와, 반응챔버(10)로 요소 수용액을 공급하는 요소 수용액 공급부(20)와, 요소 수용액를 가열하기 위한 가열부(30)와, 반응챔버(10) 내부의 요소 수용액의 수위를 감지하는 레벨센서(40) 및 이를 제어하기 위한 제어부를 포함한다.
종래, 요소 수용액을 승온시키기 위한 가열부는 고온의 유체가 유동하는 히팅 튜브(31)를 반응챔버에 수용된 요소 수용액에 침지되도록 하부에 설치하여 요소 수용액를 간접 가열하도록 구성하였다.
그러나 상기와 같은 간접 가열 방식은 보일러 등 질소산화물을 배출하는 공정의 부하 변동에 따라, 배기가스 정화를 위해 질소산화물 제거에 요구되는 암모니아의 필요량이 변화에 신속하게 대응하기 어려워 필요 이상의 암모니아를 생산하거나 미처리된 질소산화물을 배출시켜야하는 등, 배기가스 의 질소산화물 제어에 어려움을 가지고 있었다.
또한, 간접 가열 방식은 직접 가열 방식에 비하여 에너지 소모가 높아 운전비를 상승시키는 문제점을 가지고 있었다.
일반적으로, 반응챔버(10) 내 요소 수용액을 가열하여 온도 120℃, 압력 3bar.g 도달하면 암모니아로 변환되어 탈질 설비에 주입이 가능한 상태가 되고, 정상운전 중에는 암모니아의 안정적 주입 가능한 조작 온도는 140℃ 내지 200℃ 및 조작 압력은 3bar.g 내지 11bar.g 범위로 제어되도록 가열부(30)의 작동을 제어하게 되는데, 통상 최적의 반응챔버(10)의 조작온도는 150℃ 내지 160℃ 및 조작 압력은 5.5bar.g 내지 6bar.g 이다.
한편, 요소 수용액(20~50 중량%)을 암모니아로 변환시, 물의 비율이 요소에 비하여 높을 경우 암모니아 전환 속도가 빨라지는데, 이러한 이유로 최초 운전시 또는 재가동시에는 암모니아 혼합기체를 생성하기 위해 반응챔버(10)에 요소 수용액 이외에 추가로 물을 공급하고 반응챔버(10) 내 압력 및 온도를 조절하여 암모니아를 변환시킨다.
보다 구체적으로, 요소 수용액의 암모니아 변환 속도는 온도가 높을수록, 수용액 내 물의 비율이 높을수록 증가하고, 요소 수용액의 압력이 증가할수록 온도는 증가한다.
이에, 암모니아 변환 공정은 최초 또는 재가동 등 운전 초기에 에너지 소모가 증가하게 되는데, 종래의 간접 가열 방식은 반응속도가 느리고, 요소 수용액의 승온에 장시간이 소요될 뿐만 아니라 에너지 소모가 높아 운전 비용을 증가시키는 문제점을 가지고 있었다.
상기와 같은 암모니아 변환 시스템은 암모니아 전환량 조절 등을 위해 가수분해 반응이 이루어지는 반응챔버(10) 내부의 요소 수용액의 온도, 압력 및 수위가 일정하게 유지되어야 한다.
이때, 레벨센서(40)는 요소 수용액의 수위를 실시간으로 감지하게 되는데, 반응챔버(10) 내에서 생성되는 암모니아 가스 또는 요소 수용액의 수면 등 온도차가 발생되는 부위에서 암모니아 가스가 고형의 암모늄 카바이드로 변환되면서 요소 수용액의 수면 부위에 대응하는 반응챔버(10)의 내벽에 고착되면서, 요소 수용액의 수위 감지를 어렵게 하는 헌팅(hunting) 현상이 유발되는 문제점을 가지고 있어 요소 수용액 용액과 반응챔버(10) 내 압력 및 온도 등 제어에 어려움이 있었다.
또한, 가열부(30)는 내부에 고온의 스팀이 유동하는 히팅 튜브(31) 등을 이용하여 요소 수용액을 가열하거나, 전열히터 등을 이용하여 가열하도록 구성되었으나, 전열히터를 사용하는 경우 암모니아 전환 비용이 과도하게 상승되고 히팅 튜브 등을 이용한 간접 가열방식은 요소 수용액 가열에 장시간이 소요되며 생산성이 저하되는 문제점을 가지고 있었다.
또한, 종래 암모니아 변환 시스템은 요소 수용액 중 포함된 이물질과 포름알데히드 등과 같은 유해 물질이 반응챔버 내부에 퇴적하게 되는데, 이는 암모니아 전환율을 저하시키거나 설비에 손상을 유발할 수 있어, 일정 기간 조업 후 가동을 정지하고 내부에 퇴적된 이물질을 제거한 후 재가동 해야하는 문제점을 가지고 있었다.
상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2182472 B1(2020.11.18.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 요소 수용액 가열 시간 및 가열 열원의 에너지 소모를 최소화하여 암모니아 전환율을 향상시킬 수 있으며, 나아가 설치 공간을 최소화할 수 있는 암모니아 변환 시스템을 제공한다.
또한, 반응챔버에 수용된 요소 수용액 수위감지를 용이하게 하고, 온도 및 압력 제어를 신속하게 하여, 요구되는 암모니아 유량에 신속하게 대응할 수 있는 암모니아 변환 시스템을 제공한다.
또한, 반응챔버 내부에 포름알데히드 등 이물질의 퇴적을 방지하고, 유지보수 주기를 연장시킬 수 있는 암모니아 변환 시스템을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 변환 시스템은 내부공간이 형성된 반응챔버; 상기 내부공간으로 요소 수용액을 공급하도록, 상기 반응챔버 하부에 연결된 요소 수용액 공급부; 상기 반응챔버에 수용된 요소 수용액의 수위를 실시간으로 감지하는 레벨센서; 상기 반응챔버에 수용된 요소 수용액을 가열하도록, 상기 반응챔버 하부에 연결되어 요소 수용액에 스팀을 분사하는 스팀 공급부; 상기 스팀 공급부 상부를 감싸 설치되고 상기 반응챔버의 길이방향을 따라 연장되되, 상기 스팀 공급부를 통하여 요소 수용액 내부로 유입된 스팀과 생성된 암모니아 가스 기포를 미세화하면서 상기 반응챔버 내측 측벽 방향으로 가이드하는 복수 개의 기포 배출공이 형성된 히팅 커버부; 및 상기 레벨센서로부터 반응챔버 수위정보를 수신받아 상기 요소 수용액 공급부와 스팀 공급부의 작동을 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 스팀 공급부는, 스팀탱크; 일단은 상기 스팀탱크에 연결되고 타단은 상기 반응챔버 하부에 연결된 제1 스팀 공급라인; 상기 제1 스팀 공급라인 상에 설치되어, 상기 반응챔버로 공급되는 스팀의 온도를 조절하는 스팀 컨디션 조절수단; 및 상기 제1 스팀 공급라인의 타단에 연결되어 상기 반응챔버 내부에 수용된 요소 수용액에 스팀을 분사하는 하나 이상의 분사노즐;을 포함할 수 있다.
본 발명에서, 상기 반응챔버는 하부 일측에 이물질을 배출시키는 이물질 배출구가 형성되고, 상기 분사노즐은 상기 반응챔버 타측 하부에서 상기 이물질 배출구 방향으로 스팀을 분사하도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 반응챔버는, 하부 중앙에 길이 방향으로 슬릿(slit) 형상의 이물질 홈이 형성되되, 상기 이물질 홈의 일측에는 하나 이상의 상기 이물질 배출구가 형성되고 이물질이 상기 이물질 배출구 방향으로 가이드하도록, 타측에서 일측방향으로 하향 경사지게 형성되고, 하나 이상의 상기 분사노즐은 상기 이물질 홈의 타측에서 상기 이물질 배출구 방향으로 스팀을 분사하도록, 상기 이물질 홈의 폭 방향으로 등간격 이격 설치된 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 반응챔버는, 상기 이물질 배출구를 사전에 설정된 시간에 따라 주기적으로 개폐하는 이물질 배출밸브;를 더 포함할 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 스팀 공급부는, 요소 수용액을 간접 가열하도록, 상기 히팅 커버부 상부에 위치하는 가열튜브; 및 상기 가열튜브에 스팀을 공급하도록, 상기 스팀 컨디션 조절수단 후단의 상기 제1 스팀 공급라인에서 분기되어 상기 가열튜브에 연결되는 제2 스팀 공급라인;을 더 포함할 수 있다.
상기 히팅 커버부는, 상기 반응챔버의 저면과 평행하도록 상기 반응챔버의 길이방향으로 연장되는 제1 플레이트; 및 상기 제1 플레이트의 양 측에서 상기 반응챔버의 내벽 방향으로 하향 경사지게 형성되고, 복수 개의 상기 기포 배출공이 형성된 한 쌍의 제2 플레이트;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 기포 배출공이 지면과 이루는 배출각은 15 ~ 45°의 경사를 이루도록, 상향 경사지게 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1 플레이트는, 그 저면의 두께가 중심부로 갈수록 증가되도록 형성되는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 변환 시스템은 상기 반응챔버에 수용된 요소 수용액을 가열하도록, 요소 수용액에 침지되어 설치되는 전열히터;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 스팀 공급부가 고온의 스팀이 요소 수용액 용액에 직접 분사되도록 함으로써 요소 수용액 용액을 신속하게 가열시키고, 스팀 분사로 추가 공급된 물은 요소 수용액의 물의 비율을 증가시켜 요소 수용액 용액의 암모니아 전환에 소요되는 시간을 최소화하여 생산량을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
스팀 직접 공급 승온 방식은 스팀 유동에 의한 간접 열교환에서 사용되지 않는 추가 열량을 요소 수용액 온도 증가에 사용하므로 에너지 소모량을 최소화할 수 있으며, 변환장치 초기 기동 및 재기동 시간을 단축시키고, 정상 운전 중 공정 부하 변화에 신속하게 대응할 수 있는 효과가 있다.
이때, 히팅 커버부가 고온의 스팀 또는 생성된 암모니아 기체를 반응챔버 내측벽방향으로 가이드 함으로써, 레벨센서의 헌팅을 방지하고 제어를 원활하게 실시할 수 있는 효과가 있다.
특히, 히팅 커버부에 형성된 기포 배출공이 스팀 공급 또는 암모니아 가스 생성된 기포의 크기를 줄여, 요소 수용액 용액 표면의 헌팅을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 스팀 공급부의 분사노즐이 반응챔버의 이물질 배출구 방향으로 분사되도록 함으로써, 요소 수용액 용액을 통하여 유입된 포름알데히드 등 이물질이 유입되는 즉시 반응챔버 외부로 배출되도록 함으로써 유지보수를 원활히 하는 효과가 있다.
도 1은 종래 요소 수용액을 이용한 암모니아 변환 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이고,
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 변환 시스템을 개략적으로 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부와 스팀 공급부 및 히팅 커버부의 설치를 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분사노즐의 작동을 설명하기 위한 도면이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 히팅 커버부를 설명하기 위한 사시도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기포 미세화 및 유동을 설명하기 위한 단면도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 변환 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 변환 시스템은 암모니아 가스로 가수분해가 이루어지는 내부공간이 형성된 반응챔버(100)와, 반응챔버(100) 내부로 요소 수용액을 공급하는 요소 수용액 공급부(200)와, 반응챔버(100) 내부에 수용된 요소 수용액의 수위, 온도 및 압력을 실시간으로 감지하는 센서부(300)와, 요소 수용액을 가열하도록 반응챔버(100) 하부에 연결되는 스팀 공급부(400)와, 요소 수용액에 직접 공급된 스팀과 생성된 암모니아 가스 기포를 미세화하면서 이동을 가이드 하는 히팅 커버부(500) 및 센서부(300)로부터 반응챔버(100)의 수위정보를 포함하는 공정정보를 수신 받아 요소 수용액 공급부(200)와 스팀 공급부(400)의 작동을 제어하는 제어부(600)를 포함한다.
반응챔버(100)는 내부를 사전에 설정된 압력 및 온도로 유지되도록 하여 내부로 공급된 요소 수용액을 암모니아 가스로 가수분해하는 내부공간이 형성된 함체 형상으로 형성된다.
요소 용액이 암모니아 가스로 변환되는 과정은 일반적으로 120℃ 이상의 온도 및 3bar.g 이상의 압력에서 시작되며 정상운전시 140 ~ 150℃ 온도 및 5.5 ~ 6bar.g의 압력 조건에서 운전되기 때문에 반응챔버(100)는 고온, 고압에 사용 가능한 압력용기를 사용한다.
이때, 암모니아 변환 속도는 온도와 압력이 높을수록 증가되는 경향을 보이기 때문에, 반응챔버(100)는 암모니아 변환 시 충분한 온도 및 압력을 확보할 수 있는 재질 및 구조로 형성될 수 있다.
요소 수용액 공급부(200)는 반응챔버(100) 내부로 요소 수용액을 공급하기 위한 구성으로, 요소 수용액 탱크(210), 양단이 각각 요소 수용액 탱크(210)와 반응챔버(100)에 연결되어 요소 수용액이 유동되는 경로를 제공하는 요소 수용액 공급라인(220) 및 요소 수용액 공급라인(220) 상에 설치되어 요소 수용액의 유량을 제어하는 요소 수용액 유량 조절수단(230)을 포함한다.
이때, 제어부(600)는 반응챔버(100)에 수용된 요소 수용액의 레벨을 실시간으로 측정하는 레벨센서(310)와 반응챔버(100) 내부의 온도 및 압력을 실시간으로 측정하는 온도센서 및 압력센서로부터 실시간으로 반응챔버(100)의 수위, 온도 및 압력 정보를 수신받아 요소 수용액 유량 조절수단의 작동을 제어한다.
본 발명에서 요소 수용액은 요소의 농도가 20 ~ 50 중량% 인 것을 사용하는데, 요구되는 암모니아의 농도, 후단 SCR의 처리가스 유량 등 조업 조건에 따라 요소 수용액의 농도를 조절할 수 있도록 요소 수용액 탱크(210) 전단에 요소를 물에 용해시켜 요소 수용액을 제조하도록 구성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 센서부(300)는 레벨센서(310)와 온도센서(320) 및 압력센서(330)을 포함한다.
레벨센서(310)는 반응챔버(100) 내에 수용된 요소 수용액의 수위를 실시간으로 측정하여 제어부(600)에 요소 수용액의 수위 정보를 제어부(600)에 제공하며, 온도센서와 압력센서는 각각 반응챔버(100) 내 온도 및 압력을 실시간으로 측정하여 온도 정보와 압력 정보를 제어부(600)에 제공한다.
본 발명에서 레벨센서(310)는 플로트 수위센서, 아두이노 수위센서, 초음파 수위센서(접촉식/비접촉식), 정전용량 수위센서 등이 사용될 수 있으며, 전술된 실시예에 제시된 종류에 한정하지 않고 반응챔버(100)의 운전조건에서 요소 수용액의 수위를 감지할 수 있는 다양한 종류의 수위센서가 선택적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스팀 공급부(400)는 요소 수용액을 가열하기 위한 열원을 제공하기 위한 것으로, 요소 수용액를 신속하게 가열할 수 있도록 요소 수용액 내부로 스팀을 직접 분사하여 가열하는 직접 가열 방식인 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부와 스팀 공급부 및 히팅 커버부의 설치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀 공급부(400)는 스팀탱크(410)와, 스팀탱크(410)와 반응챔버(100)를 매개하여 스팀이 이동하는 경로를 제공하는 제1 스팀 공급라인(420)과, 반응챔버(100)로 공급되는 스팀의 온도를 조절하는 스팀 컨디션 조절수단(430) 및 반응챔버(100) 내부에서 요소 수용액에 스팀을 분사하는 하나 이상의 분사노즐(440)을 포함한다.
스팀탱크(410)는 반응챔버(100) 내부로 스팀을 공급하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 변환 시스템이 적용시, 별도의 스팀 라인이 구비되어 있는 경우 생략 가능하며, 스팀 라인으로부터 직접 스팀을 공급받도록 제1 스팀 공급라인(420)은 스팀 라인으로부터 분기되어 반응챔버(100) 내부로 스팀을 공급하도록 구성될 수 있다.
스팀 컨디션 조절수단(430)는 제1 스팀 공급라인(420)을 통해 공급되는 스팀을 설정된 온도로 조절하기 구성으로 제1 스팀 공급라인(420) 상에 설치되며, 제어부(600)에 의해 그 작동이 제어된다.
분사노즐(440)은 제1 스팀 공급라인(420)의 단부에 설치되어 요소 수용액에 고온의 스팀을 직접분사 함으로써, 승온과 더불어 가수분해에 필요한 수분을 공급하여 요소 수용액의 암모니아 가스 전환을 용이하게 한다.
분사노즐(440)은 하나 이상이 설치될 수 있으며, 복수 개가 설치되는 경우 반응챔버(100)의 폭 방향으로 일정간격 이격되어 배치되며, 제어부(600)에 의해 공급되는 스팀의 유량이 조절된다.
본 발명에서 분사노즐(440)은 일류체 노즐, 이류체 노즐 등 다양한 종류의 유체 공급 노즐이 적용될 수 있으나, 분사되는 스팀의 입자크기 및 분사 반경 등을 조절할 수 있는 분사노즐을 사용하는 것이 바람직하며 제어부(600)에 의해 스팀 입자크기 및 분사 반경 등이 제어되도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 다른 분사노즐(440)의 설치 및 작동에 대해서는 이후 반응챔버(100)의 이물질 배출구 설명시 보다 상세하게 설명하기로 한다.
이때, 제어부(600)는 앞서 설명한 바와 같이, 수위 정보, 온도 정보 및 압력 정보를 수신받아 스팀 컨디션 조절수단(430) 및 분사노즐(440)의 작동을 제어하여 반응챔버(100) 내부로 공급되는 스팀의 온도 및 유량을 조절한다.
보다 바람직하게, 본 발명에서 제어부(600)는 수위 정보, 온도 정보 및 압력 정보 뿐만 아니라, SCR 등 후단설비의 배기가스 처리량, 배기가스 중 질소산화물의 농도 등 후단설비의 조업조건에 따라 요소 수용액 공급부(200) 및 스팀 공급부(400)의 작동을 제어하도록 구성된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분사노즐의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 반응챔버(100)는 일측 하부에 포름알데히드 등 이물질이 배출될 수 있는 이물질 배출구(110)가 형성되고, 분사노즐(440)은 반응챔버(100)의 타측 하부에서 이물질 배출구(110) 방향으로 스팀을 분사하도록 설치되는 것이 바람직하다.
이에, 반응과정 중 발생되어 반응챔버(100)의 하부에 퇴적된 포름알데히드 및 암모늄 카바이드 등 이물질을 이물질 배출구(110)를 통해 외부로 배출시킴으로써, 유해 이물질 제거를 원활히 하고, 이물질로 인한 유지보수 주기를 연장함으로써 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 암모니아 가스 변환과정에서 발생된 이물질은 반응챔버(100)의 부식 등을 유발하는 문제점을 가지고 있는데, 분사노즐(440) 및 이물질 배출구(110)를 이용하여 이물질이 주기적으로 외부로 배출되도록 함으로써, 반응챔버(100)의 부식 등 손상을 방지하고 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
보다 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 반응챔버(100)는 하부 중심부에 길이 방향을 따라 연장된 슬릿 형상의 이물질 홈(120)이 형성되고 이물질 홈(120)의 일측에 이물질 배출구(110)가 형성되며, 이물질 홈(120)은 이물질이 자연스럽게 이물질 배출구(110) 방향으로 이동하도록 길이 방향으로 이물질 배출구(110) 방향으로 하향 경사지게 형성되는데, 보다 상세하게, 상부에 분사노즐(440)이 설치되는 이물질 홈(120)의 일측 높이(h1)가 이물질 배출구(110)가 형성되는 타측 높이 (h2)에 비하여 높게 형성되는 것이 바람직하다.
이에, 요소 수용액 공급시 유입된 먼지 등 이물질과 암모니아 가스로 전환되는 과정에서 발생되는 포름알데히드 등 이물질은 이물질 홈(120)으로 자연스럽게 유도되며, 이물질 홈(120)으로 유입된 이물질은 이물질 홈(120)의 경사를 따라 이물질 배출구(110) 방향으로 이동됨으로써 이물질 배출을 원활히 하는 효과가 있다.
이때, 분사노즐(440)은 이물질 홈(120)의 타측에 이물질 배출구(110) 방향으로 스팀을 분사하도록 설치되며, 분사노즐(440)이 복수 개인 경우 이물질 배출구(110)의 폭 방향으로 등간격 이격 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 분사노즐(440)은 반응챔버(100)의 폭 방향으로 소정각도 회전 가능하게 설치되며, 스팀 공급시 사전에 설정된 각도에 따라 회동하면서 스팀을 분사하는 것이 바람직하다.
이에, 회동하는 분사노즐(440)을 통해 분사되는 스팀이 비질을 하듯 소사(掃射)되면서 반응챔버(100) 내벽에 고착된 이물질을 제거하면서 퇴적된 이물질을 보다 원활하게 이물질 배출구(110) 방향으로 이동시킬 수 있어 이물질 배출을 원활히 하는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 반응챔버(100)는 상기와 같이 이물질 배출구(110) 방향으로 이동된 이물질을 반응챔버(100) 외부로 배출하도록 이물질 배출구(110)를 개폐하는 이물질 배출밸브(130)를 더 포함한다.
이때, 이물질 배출밸브(130)는 타이머 등을 이용하여 사전에 설정된 시간에 따라 개폐되도록 구성되거나 제어부(600)의 작동신호에 따라 개폐되도록 구성되며, 이물질 퇴적량 등에 따라 개폐되면서 반응챔버(100) 외부로 이물질을 배출하도록 구성된다.
스팀 컨디션 조절수단(430)는 분사노즐(440)을 통하여 분사되는 스팀의 온도를 조절하기 위한 것으로 되도록 반응챔버에 인접하도록 제1 스팀 공급라인(420) 상에 설치되는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 조업조건에 따라 제어부(600)의 작동신호를 수신하여 온도가 조절된 스팀이 분사노즐(440)을 통하여 분사되기 전 제1 스팀 공급라인(420)을 따라 이동하는 과정에서 열손실을 최소화하여 공급되는 반응챔버(100)의 내부공간에서 분사되는 스팀의 온도가 변화되는 것을 방지해야하기 때문이다.
나아가, 스팀의 온도가 조업 조건 등에 따라 최적화되어 공급되도록 함으로써 암모니아 변환 및 SCR 등 변환된 암모니아 가스가 사용되는 후단설비의 조업을 원활히 할 수 있기 때문이다.
보다 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀 공급부(400)는 요소 수용액과 열교환되면서 간접 가열하는 가열튜브(450) 및 가열튜브(450) 내부로 스팀을 공급하는 제2 스팀 공급라인(460)을 더 포함한다.
가열튜브(450)는 내부에서 유동하는 스팀이 반응챔버(100) 내부에 수용된 요소 수용액과 열교환 되도록, 반응챔버(100) 내 요소 수용액에 침지되도록 설치되는데, 바람직하게는 히팅 커버부(500) 하부에 위치하도록 설치되는 것이 바람직하다.
한편, 제2 스팀 공급라인(460)은 제1 스팀 공급라인(420)에서 분기되며, 분기점 후단에는 조업조건에 따라 선택되는 직접 가열 또는 간접 가열 방식에 따라 제1, 2 스팀 공급라인(420, 460)을 선택적으로 개폐할 수 있는 제1, 2 개폐밸브가 설치되는 것이 바람직하다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 변환 시스템의 초기 가동 또는 재가동시 분사노즐(440)을 이용하여 반응챔버(100) 내부로 스팀이 직접 공급되도록 함으로써 가수분해에 유리한 수분을 신속하게 보충함과 동시에 반응챔버(100)의 압력 및 온도가 빠르게 암모니아 가스 전환 조건에 도달되도록 하며, 이후 온도 및 압력이 일정하게 유지되는 정상조업 상태로 전환되면 가열튜브(450)를 이용하여 추가되는 요소 수용액이 가열되도록 하여 암모니아 전환 공정을 보다 원활하게 실시할 수 있는 효과가 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 히팅 커버부를 설명하기 위한 사시도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기포 미세화 및 유동을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 히팅 커버부(500)는 분사노즐(440)을 통해 요소 수용액 내부로 공급되는 스팀과 요소 수용액 내부에서 생성되는 암모니아 가스의 기포를 미세화하면서 반응챔버(100) 내측 측벽 방향으로 가이드한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 히팅 커버부(500)는 반응챔버(100)의 저면에서 일정간격 이격 배치되고 반응챔버(100)의 길이 방향으로 연장되는 제1 플레이트(510)와 제1 플레이트(510)의 양 측에서 반응챔버(100)의 양측 내벽 방향으로 하향 경사지게 형성되며 복수 개의 기포 배출공(521)이 형성되는 한 쌍의 제2 플레이트(520)로 이루어진다.
본 발명에서, 제1 플레이트(510)의 저면은 반응챔버(100)의 폭 방향으로 그 두께가 중심부에서 양 측으로 갈쑤록 얇게 형성되는 것이 바람직한데, 그 이유는 제1 플레이트(510) 하부에서 공급되는 스팀 및 생성된 암모니아 가스 기포를 테이퍼진 제1 플레이트(510)의 저면을 따라 제2 플레이트(520) 방향으로 자연스럽게 유도하여 기포 배출공을 통하여 미세화하여 배출할 수 있기 때문이다.
이때, 분사노즐(440)은 히팅 커버부(500) 내측 하부에 위치하도록 배치되는 것이 바람직한데, 그 이유는 분사노즐(440)을 통해 공급되는 스팀 및 생성된 암모니아 가스 기포를 미세화하면서 반응챔버(100)의 양측 내벽 방향으로 흐름을 가이드 함으로써, 기포가 수면으로 바로 부상하여 배출되는 것을 방지하여 레벨센서(310)에 헌팅 등 오작동이 발생되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 요소 수용액의 수면 위치에서 발생되어 반응챔버(100)의 내측벽에 고착되는 암모늄 카바이드 등 이물질이 기포에 의해 탈락되도록 하고, 분사노즐(440), 이물질 홈(120) 및 이물질 배출구(110)를 통해 외부로 배출되도록 함으로써 유지 및 보수를 원활히 하고 반응챔버(100)의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기포 배출공(521)이 지면과 이루는 배출각(θ)은 15 ~ 45°의 각도로 상향 경사지게 형성되는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 배출각(θ)이 15°미만의 각도로 형성되는 경우 기포의 배출이 원활히 이루어지지 않아 요소 수용액의 수위를 불안정하게 하고, 배출각(θ)이 45°를 초과하는 경우 미세화되어 배출되는 기포가 반응챔버(100)의 양측 내벽으로 원활하게 유도되지 않아 레벨센서(310)의 헌팅 등 오작동을 유발할 수 있어 상기 범위로 제한한다.
본 발명에서, 기포 배출공(521)은 레벨센서(310)의 헌팅을 유발하지 않으면서 기포의 배출을 원활히 할 수 있는 크기로 형성되는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 반응챔버(100)에 수용된 요소 수용액을 가열하도록 요소 수용액에 침지되어 설치되는 전열히터(700)를 더 포함할 수 있다.
이에, 암모니아 가스의 필요 요구량 등 조업 조건이 급격하게 변화되는 경우 제어부(600)에서 스팀 공급부(400)와 전열히터(700)를 동시에 작동되도록 함으로써, 조업조건에 신속하게 대응되도록 하는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 변환 시스템의 초기 가동 또는 재가동시에는 요소 수용액에 스팀을 직접분사하면서 전열히터(700)를 동시에 가동하여 요소 수용액을 빠르게 승온시켜 신속하게 암모니아 가스가 생성되도록 하고, 정상운전 중 암모니아 가스 요구량이 급격히 증가하는 등 조업조건이 변화되는 경우 제어부(600)가 선택적으로 전열히터(700)가 작동되도록 함으로써 신속하게 요구되는 조업조건을 충족시킬 수 있는 효과가 있다.
이때, 전열히터(700)는 히팅 커버부(500)의 하부에 위치하도록 설치되는 것이 바람직한데, 그 이유는 전열히터(700)는 주위에 비하여 온도가 높아 주변에 비해 암모니아 가스 생성량이 높기 때문에, 히팅 커버부(500)가 생성된 암모니아 가스 기포를 미세화되면서 반응챔버의(100) 내측벽으로 가이드함으로서 센서부(300)의 오작동을 최소화할 수 있기 때문이며, 전술한 가열튜브(400)를 히팅 커버부(500) 배치한 이유도 동일하다.
상기와 같이, 요소 수용액으로부터 변환된 암모니아 가스는 SCR 등 암모니아 가스 수요처에서 사용되는데, 암모니아 가스 수요처에서 암모니아 요구량이 증가할 경우 반응챔버(100) 출구의 암모니아 가스 유량조절 밸브를 개방하여 유량을 증가시키고, 암모니아 요구량이 감소할 경우 유량조절 밸브를 폐쇄한다.
이때, 암모니아 가스 밸브를 개방하게 되면 반응챔버(100)의 압력은 감소하게 며, 제어부(600)는 반응챔버(100)의 설정된 압력, 온도를 유지하기 위해 스팀 공급부(400)는 많은 열원을 공급하기 위하여 스팀 공급부(400)에 작동신호를 전송하여 스팀 공급부(400)의 유량조절 밸브를 개방하도록 제어한다.
반대로, 반응챔버(100)의 압력이 증가하는 경우 제어부(600)는 스팀 공급부(400)의 유량조절 밸브는 폐쇄하도록 스팀 공급부(400)에 작동신호를 전송하여 반응챔버(100)의 열원 공급이 감소되도록 제어한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 반응챔버 110: 이물질 배출구
120: 이물질 홈 130: 이물질 배출밸브
200: 요소 수용액 공급부 300: 센서부
310: 레벨센서 320: 온도센서
330: 압력센서 400: 스팀 공급부
410: 스팀탱크 420: 제1 스팀 공급라인
430: 스팀 컨디션 조절수단 440: 분사노즐
450: 가열튜브 460: 제2 스팀 공급라인
500: 히팅 커버부 510: 제1 플레이트
520: 제2 플레이트 521: 기포 배출공
600: 제어부 700: 전열히터
θ: 배출각

Claims (9)

  1. 내부공간이 형성된 반응챔버;
    상기 내부공간으로 요소 수용액을 공급하도록, 상기 반응챔버 하부에 연결된 요소 수용액 공급부;
    상기 반응챔버에 수용된 요소 수용액의 수위를 실시간으로 감지하는 레벨센서를 포함하는 센서부;
    상기 반응챔버에 수용된 요소 수용액을 가열하도록, 상기 반응챔버 하부에 연결되어 요소 수용액에 스팀을 분사하는 스팀 공급부;
    상기 스팀 공급부 상부를 감싸 설치되고 상기 반응챔버의 길이방향을 따라 연장되되, 상기 스팀 공급부를 통하여 요소 수용액 내부로 유입된 스팀과 생성된 암모니아 가스 기포를 미세화하면서 상기 반응챔버 내측 측벽 방향으로 가이드하는 복수 개의 기포 배출공이 형성된 히팅 커버부; 및
    상기 센서부로부터 반응챔버 수위정보를 수신받아 상기 요소 수용액 공급부와 스팀 공급부의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하는, 암모니아 변환 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스팀 공급부는,
    스팀탱크;
    일단은 상기 스팀탱크에 연결되고 타단은 상기 반응챔버 하부에 연결된 제1 스팀 공급라인;
    상기 제1 스팀 공급라인 상에 설치되어, 상기 반응챔버로 공급되는 스팀의 온도를 조절하는 스팀 컨디션 조절수단; 및
    상기 제1 스팀 공급라인의 타단에 연결되어 상기 반응챔버 내부에 수용된 요소 수용액에 스팀을 분사하는 하나 이상의 분사노즐;을 포함하는, 암모니아 변환 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 반응챔버는 하부 일측에 이물질을 배출시키는 이물질 배출구가 형성되고,
    상기 분사노즐은 상기 반응챔버 타측 하부에서 상기 이물질 배출구 방향으로 스팀을 분사하도록 설치된 것을 특징으로 하는, 암모니아 변환 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 반응챔버는,
    하부 중앙에 길이 방향으로 슬릿(slit) 형상의 이물질 홈이 형성되되, 상기 이물질 홈의 일측에는 하나 이상의 상기 이물질 배출구가 형성되고 이물질이 상기 이물질 배출구 방향으로 가이드하도록, 타측에서 일측방향으로 하향 경사지게 형성되고,
    하나 이상의 상기 분사노즐은 상기 이물질 홈의 타측에서 상기 이물질 배출구 방향으로 스팀을 분사하도록, 상기 이물질 홈의 폭 방향으로 등간격 이격 설치된 것을 특징으로 하는, 암모니아 변환 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 반응챔버는,
    상기 이물질 배출구를 사전에 설정된 시간에 따라 주기적으로 개폐하는 이물질 배출밸브;를 더 포함하는 암모니아 변환 시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 스팀 공급부는,
    요소 수용액을 간접 가열하도록, 상기 히팅 커버부 상부에 위치하는 가열튜브;
    상기 가열튜브에 스팀을 공급하도록, 상기 스팀 컨디션 조절수단 후단의 상기 제1 스팀 공급라인에서 분기되어 상기 가열튜브에 연결되는 제2 스팀 공급라인;을 더 포함하는, 암모니아 변환 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 히팅 커버부는,
    상기 반응챔버의 저면과 평행하도록 상기 반응챔버의 길이방향으로 연장되는 제1 플레이트; 및
    상기 제1 플레이트의 양 측에서 상기 반응챔버의 내벽 방향으로 하향 경사지게 형성되고, 복수 개의 상기 기포 배출공이 형성된 한 쌍의 제2 플레이트;를 포함하고,
    상기 기포 배출공이 지면과 이루는 배출각은 15 ~ 45°의 경사를 이루도록, 상향 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는, 암모니아 변환 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 플레이트는,
    그 저면의 두께가 중심부로 갈수록 증가되도록 형성된 것을 특징으로 하는, 암모니아 변환 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응챔버에 수용된 요소 수용액을 가열하도록, 요소 수용액에 침지되어 설치되는 전열히터;를 더 포함하는, 암모니아 변환 시스템.
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