KR20230072551A - 시멘트 제조 공정 중 연소 반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터에 장착되는 요소수 분사용 이류체 분무 노즐 - Google Patents

시멘트 제조 공정 중 연소 반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터에 장착되는 요소수 분사용 이류체 분무 노즐 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시멘트 제조 공정 중 연소 반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터에 장착되는 요소수 분사용 이류체 분무 노즐에 관한 것으로, 구체적으로 요소수 유체를 노즐 캡에 제공하는 요소수 주입관 및 압축공기 유체를 노즐 캡에 제공하는 압축공기 주입관 외부에 동심원상으로 배치되고, 노즐 팁까지 연장되어 있으나 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체가 노즐 캡을 통해 분사되지 않는 노즐 보호용 냉각 유체 주입관을 구비한 것이다.

Description

시멘트 제조 공정 중 연소 반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터에 장착되는 요소수 분사용 이류체 분무 노즐 { Air atomizing nozzle for urea water injection installed in a combustion furnace and/or preheater that generates NOx-containing combustion gas by combustion reaction during the cement manufacturing process }
본 발명은 시멘트 제조 공정 중 연소 반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터에 장착되는 요소수 분사용 이류체 분무 노즐에 관한 것으로, 구체적으로 요소수 유체를 노즐 캡에 제공하는 요소수 주입관 및 압축공기 유체를 노즐 캡에 제공하는 압축공기 주입관 외부에 동심원상으로 배치되고, 노즐 팁까지 연장되어 있으나 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체가 노즐 캡을 통해 분사되지 않는 노즐 보호용 냉각 유체 주입관을 구비한 것이다.
시멘트 제조 공정은 채광, 원료 생산, 소성 및 시멘트 출하 과정으로 구분된다.
시멘트 산업은 국가의 기반을 구축하는 산업이고, 다량의 자원과 에너지를 소비하는 산업으로, 환경적인 측면에서 분진, CO2 및 질소산화물(NOx) 발생 등 부정적인 측면이 많이 대두되어 왔다. 또한, 산업부산물을 시멘트 원료나 연료로 자원화하는 것에 대한 관심이 증가하고 있다.
시멘트 산업은 생산공정 및 품질을 유지하고 향상시키기 위해 고온 단염화 소성이 필수적이기 때문에 불가결하게 NOx가 발생되는 공정 조건을 가지고 있다.
NOx로 표시되는 질소산화물은 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 외에 N2O, N2O3, N2O4, N2O5, NO3 등이 있지만 일반적으로 NOx라 하면 NO와 NO2만을 대상으로 하고 있다.
시멘트 생산 공정에서의 NOx 배출 요인은 1) 연소 공기에 존재하는 질소 분자의 고온 산화(Thermal NOx), 2) 연료 중 질소 화합물의 산화(Fuel NOx), 3) 원재료에 포함된 질소 화합물의 산화(원료의 NOx), 4) 연료 CH 라디칼과 질소 화합물의 산화(Prompt NOx)에 기인한다.
시멘트 산업에서 적용 가능한 NOx 저감 기술은 크게 2가지 방법으로 나눌 수 있다. 하나는 연소 조건을 제어하여 NOx의 생성을 감소하는 방법과, 다른 하나는 연소과정에서 생성된 NOx를 제거하는 방법이다.
시멘트 공정에서 Thermal NOx의 생성은 화염 온도 및 산소 농도에 영향을 받는다. 따라서, Thermal NOx의 발생을 줄이기 위해서는 화염 온도 및 산소 농도가 변화할 수 있는 요인을 줄이는 것이 중요하다. Fuel NOx와 Feed NOx의 생성에 대해서는 Thermal NOx 만큼 잘 알려져 있지 않으나, 일반적으로 연료나 원료의 질소 함량이 많을수록 많이 생성되는 것으로 알려져 있다. 따라서, Fuel NOx와 Feed NOx를 줄이기 위해서는 질소 함량이 낮은 연료나 원료를 사용하는 것이 바람직하다. 킬른 반응기의 형태도 NOx의 발생에 영향을 끼친다. 고체-기체 열전달 효율이 높은 킬른 반응기의 경우 에너지 효율이 높기 때문에 NOx 발생이 저감될 수 있다.
연소에 의해 생성된 NOx는 환원성 약품을 통해 질소로 환원된다. 이러한 환원성 약품에는 CO, H2와, 암모니아, 요소 등 NHx를 생성할 수 있는 환원제가 있다. CO, H2는 배기가스 중의 산소도 같이 환원시키므로 환원제의 양이 많이 소모되나 NHx를 생성할 수 있는 환원제는 NOx만 선택적으로 환원시킬 수 있다. 이러한 선택적 환원법에는 촉매를 사용하는 선택적 촉매 환원법(SCR: Selective Catalytic Reduction)과 촉매를 사용하지 않는 선택적 비촉매 환원법(SNCR: Selective Non- Catalytic Reduction)이 있다.
선택적 촉매 환원법(SCR)은 화석연료를 사용하는 보일러, 가스터빈, 내연기관 등에 광범위하게 적용되어 효과적으로 사용되는 NOx 제거방법이다. 일본에서 화석연료를 사용하는 보일러의 NOx를 90% 이상 제거하기 위해 널리 사용되고 있으며, 미국에서는 가스터빈과 내부 연소 엔진에 사용되고 있다. 이 방법의 원리는 공기 또는 스팀으로 희석한 암모니아 가스를 배기가스로 분사한 후 이를 촉매층으로 공급하여 NOx를 환원시키는 것이다.
선택적 비촉매 환원법(SNCR)은 촉매를 사용하지 않고 고온의 배기가스에 직접 환원제를 분사하여 NOx를 분해하는 방법으로 주된 반응식은 다음과 같다.
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
SNCR은 초기 설치비가 다른 NOx 저감 기술에 비해 저렴하면서도 기존 시설에 적용하기 간단하여 별도의 설치 공간 확보가 필요하지 않아 적용성은 우수하지만 효율이 낮은 단점이 있다. 반응온도 850 ~ 1030 ℃ 범위에서 NOx 저감 효율이 40 ~ 70 % 수준의 탈질 효율을 나타내지만, 반응온도 구간 이상의 온도영역에서는 공급된 환원제 (요수소, 암모니아수)의 산화반응으로 NOx 생성이 증가하고, 낮은 온도구간에서는 환원제가 효율적으로 반응하지 못하고 암모니아 슬립이 발생하게 된다.
SNCR에서는 사용되는 환원제로는 암모니아 또는 암모니아수, 요소 또는 요소수, 암모늄 카바메이트, 피리딘, 암모늄아세테이트, cyanuric acid, 탄산암모늄 등 NHx 성분을 함유하고 있는 여러 환원제가 있으나 약품가격, 안전성, 공급 안정성, 부산물 생성 측면에서 요소수가 대부분의 SNCR 공정에 사용되고 있다. 암모니아의 경우에는 다른 종류의 환원제와 비교하여 NO에 대한 선택도가 우수하여 주로 SCR 공정에 사용되고는 있지만, 독성물질이므로 취급의 어려움과 각종 설비를 부식시킬 뿐 아니라, 누출시 지하수 오염가능성이 있으므로 2중벽의 저장조에 저장하거나 보호 지반 위에 만들어야 하며, 누출사고 발생시 사고현장에 대한 접근 곤란으로 신속 대처가 어렵기 때문에 대형사고 확대 우려가 있다. 또한 현재 발전 및 소각 시설의 SCR 설비를 충당하기 위해서는 많은 양의 NH3를 필요로 하게 된다.
화력발전소 또는 산업용 소각로에서 환원제로 암모니아수를 사용할 경우 암모니아 자체가 유독물질이기 때문에 인체에 해로운 영향을 미치는 문제점 외에도 각종 규제가 심하기 때문에 요소수를 사용하는 것이 유리하다. 현재 화력발전소 또는 산업용 소각로 탈질(SCR) 설비에서는 안정적인 운영과 환경적인 면을 고려하여 요소수를 환원제로 적용하는 탈질 설비가 증가하고 있다.
요소(Urea)는 무색, 무취로 독성이 거의 없어 저장이 용이하고, 예컨대 고체 요소는 싸이로(silo)에 저장하고, 상온에서 고체로 존재하고 비교적 낮은 온도에서 분해되어 DeNOx 반응에서 암모니아를 대체할 경우 미반응 암모니아에 의한 부차적인 오염을 줄일 수 있다. 또한 요소(Urea)는 무색 무취의 결정체로 물에 잘 녹기 때문에 독성이 강한 암모니아를 대신하는 환원제로 사용을 할 수 있다.
요소(Urea, (NH2)2CO)는 다음과 같은 과정으로 암모니아로 분해된다.
Urea → Biuret + Ammonia (1)
Urea → Cyanuric + Ammonia (2)
Biuret → Cyanuric + Ammonia (3)
Biuret → Cyanuric + Amminia (4)
요소(Urea)의 DeNOx 반응은 하기의 반응식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[반응식 1]
2 NH2CONH2 + 4 NO +O2 → 4 N2 + 4 H2O + 2 CO2
SNCR에서 NOx 제거율에 영향을 주는 인자는 반응온도 (850 ~ 1100 ℃), 노즐의 형태 및 위치, 연소가스 체류시간과 환원제의 표준 양론비(Normalized Stoichiometric Ratio, NSR [NH2]urea/[NOx])등과 같이 주요 공정 변수가 NOx 저감 효율에 영향을 미친다. 일반적으로 체류시간은 1초 이상이 적당하며, NSR은 암모니아 슬립이 일어나지 않는 영역(NSR, 0.5 ~ 1.5)에서 운전하는 것이 중요하다. 미반응 암모니아(암모니아 슬립)가 발생하면 연소가스 중의 SO3와 반응하여 Ammonium Bisulfate(NH4HSO4)와 Ammonium Sulfate((NH4)2SO4)를 형성하여 후단 설비의 부식 문제가 발생할 가능성이 있으며, 굴뚝에서 백연 현상과 공장 주변에 암모니아 냄새가 퍼질 수 있다. 암모니아 주입 위치는 DOPOL 킬른의 경우 반응 온도와 산소 농도를 고려하여 중단부 정도(Bottom Gas Duct)를 정하며, LEPOL 킬른의 경우 온도창 측면에서 Hot Gas Chamber가 가장 좋은 위치로 알려져 있다. SP 킬른에서는 킬른의 출구가 SNCR 환원제 주입부분으로 대부분 사용되고 있다. Preheater/Precalciner 형태의 시멘트 킬른에서는 로타리 킬른의 끝부분, Riser Duct 내부, 사이클론 예열기 아랫부분이 SNCR의 온도창을 만족하는 위치가 된다.
국내 시멘트산업은 질소산화물 저감을 위해 2004년부터 SNCR(선택적 비촉매 환원) 설비를 설치 및 운영 중이다. 그러나, 시멘트 제조공정 상태에 의해 효율이 좌우됨에 따라 현재 배출 기준을 만족하기엔 한계가 존재한다.
시멘트 제조 공정에서 발생되는 SNCR을 통해 NOx를 저감하기 위한 방법으로, 시멘트 킬른 제조업체인 폴리시우스(Polysius)社는 다음의 세 가지 위치에 설치가 가능하다고 발표하였다:
a. 환원 조건(930∼990℃) 하에서 운전되는 하소 설비 부분의 연소 영역이 온도와 관련하여 가장 이상적인 위치
b. 하소로 배출 챔버(850∼890℃) 전단과 연소 공기 유입구 사이의 산화 구역
c. 하부 사이클론 스테이지에 유입되기 전의 혼합 챔버 이후 영역
한편, 요소수 분무장치는 대기오염물질인 질소산화물(NOx)를 저감하기 위한 탈질장치인 SCR 또는 SNCR의 주요 부속장치로, 요소수를 열분해하여 암모니아를 생성하기 위한 용도로 사용되고 있다.
본 발명은 분진의 농도 부하가 높고 NOx가 배출되는 시멘트 생산 공정에서, 요소수 분사용 이류체 분무 노즐을 통해 요소수 액적의 입자 크기를 조절하고, 다량의 분진에 의한 노즐 팁의 막힘을 최소화하며, 열화 방지 가능한 요소수 분사용 이류체 분무 노즐을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 분진이 많은 시멘트 제조 공정에 특화하여, 대용량의 요소수 액적 입자 크기를 조절하여 SNCR 효율을 증진시키고자 한다.
본 발명의 제1양태는 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터에 장착되는 요소수 분사용 이류체 분무노즐에 있어서, (a1) 요소수 유체를 노즐 캡에 제공하는 요소수 주입관 (pipe); (a2) 요소수 주입관 내부 또는 외부에 동심원상으로 삽입되고, 압축공기 유체를 노즐 캡에 제공하는 압축공기 주입관(pipe); 및 (a3) 요소수 주입관 및 압축공기 주입관 외부에 동심원상으로 배치되고, 노즐 팁까지 연장되어 있으나 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체가 노즐 캡을 통해 분사되지 않는 노즐 보호용 냉각 유체 주입관(pipe)을 구비한 노즐 몸체(a); 및 노즐 캡을 구비하고 토출구를 제공하여, 분사되는 요소수 액적 형태를 조절하는 노즐 팁 (b); 을 구비하고, 요소수 주입관(a1) 내부 공간에서 흐르는 요소수 유체의 경로와 압축공기 주입관(a2) 내부 공간에서 흐르는 압축공기 유체의 경로와 노즐 보호용 냉각 유체 주입관 (a3) 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체의 경로는 서로 평행하며, 요소수가 노즐 캡의 토출구에서 액체 줄기 형태로 분사되고, 노즐 캡의 토출구에서 분사되는 압축공기의 팽창에 의해 요소수 액체 줄기가 분쇄되면서 분무되고, 이때 분사되는 요소수 액적의 크기는 요소수의 요소 분해반응에 의한 암모니아 생성 및 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응이 일어나도록 100㎛ 이상이고, 노즐 보호용 냉각 유체 주입관 (a3) 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체의 온도, 유속 및/또는 냉각속도를 조절하여, 요소수가 NOx로 산화되어 NOx의 생성이 증가되지 않도록 분사 조절하는 것이 특징인 요소수 분사용 이류체 분무노즐을 제공한다.
본 발명의 제2양태는 시멘트 제조 공정 중 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터에 있어서, 제1양태의 요소수 분사용 이류체 분무노즐이 연소로 및/또는 프리히터 벽체에 관통하여 설치되어 있는 것이 특징인 연소로 및/또는 프리히터를 제공한다.
본 발명의 제3양태는 시멘트 제조 공정 중 연소로 및/또는 프리히터에서 제1양태의 요소수 분사용 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 단계를 포함하되, 요소수 분사용 이류체 분무노즐은 요소수 분무 시, 요소수 분무 액적의 크기가 100㎛ 이상으로 분사하는 것이 특징인 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. 이류체는 액과 함께 압축공기를 주입함으로써 액적의 입자크기를 100 ㎛ 이상으로 만들어서 분사하여 대상 가스층에 미세한 입자가 침투되어 가스층과의 혼입을 도와 주고 반응성을 좋게 한다(도 7).
본 발명의 요소수 분사용 이류체 분무노즐은, 기존 노즐과 달리 시멘트 제조 공정에 특화하여 개발 및 사용 가능한 노즐로써 액적의 크기는 100㎛ 이상, 바람직하게는 300 ㎛ 이상으로 분사하며, 시멘트 제조 설비의 특성상 유속이 일반 설비(3-15m/sec)와 달리 유속이 매우 빠른 특성(20-30m.sec)에 맞게 요소수 액적 입자의 크기를 매우 크게 한 노즐이다. 또한 시멘트는 공정상 분진량이 10g/Nm3으로 일반 설비(10mg/Nm3 )의 1000배로써 이러한 공정에서 탈질효율을 얻고자 특별히 고안된 장치이다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이 액 주입구와 압축공기 주입구로 구성되어 있고 전면에 있는 팁으로 혼입되어 분사하는 형태의 종래 이류체 노즐은 노 내부로 일정길이 빼어져 취외 가능하지 않는 경우도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 노 내부로 일정길이 빼어져 사용시 이류체 노즐을 보호하기 위해, 본 발명에 따른 요소수 분사용 이류체 분무노즐은 일반적인 이류체 노즐에 부가하여, 요소수 주입관 및 압축공기 주입관 외부에 동심원상으로 배치되고 노즐 팁까지 연장되어 있으나 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체가 노즐 캡을 통해 분사되지 않는 노즐 보호용 냉각 유체 주입관을 구비하는 것이 특징이다. 노즐 보호용 냉각 유체 주입관의 이러한 구조는 분진에 의한 노즐 팁을 보호하는 방패(shield) 역할을 하여 다량에 분진에 의한 막힘을 최소화하는 기능을 가지게 한다.
예컨대, 노즐 팁 앞으로 노즐 보호용 냉각 유체 주입관(pipe) 말단이 도출되어 나와 분진에 의한 노즐팁 막힘을 최소화할 수 있는 방패(shield) 역할을 할 수 있다.
또는, 도 3에 예시된 바와 같이, 노즐 팁 근처에서 노즐 보호용 냉각 유체 주입관으로부터 냉각 유체가 분사되는 경우, 분사되는 냉각 유체에 의해 분진이 노즐 팁 근처로 유입되는 흐름을 방해할 수 있다. 이 경우, 노즐 보호용 냉각 유체 주입관은 노즐 팁 말단까지 확장되지 않아도 분사되는 냉각 유체가 분진으로부터 노즐 팁을 보호하는 방패 역할을 할 수 있다.
노즐 보호용 냉각 유체 주입관 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체는 기체(예, cooling air) 또는 액체일 수 있다. 노즐 보호용 냉각 유체의 예로, 냉각 공기가 있다.
경우에 따라, 요소수 분사용 이류체 분무노즐로부터 노즐 보호용 냉각 유체 주입관이 분리되어 연소로 및/또는 프리히터의 벽체에 장착되어 있는 상태에서, 나머지 요소수 분사용 이류체 분무노즐은 노즐 보호용 냉각 유체 주입관의 내부에 동심원상으로 삽입 또는 탈착될 수 있다.
요컨대, 본 발명에 따라 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터에 장착되는 요소수 분사용 이류체 분무노즐은
(a1) 요소수 유체를 노즐 캡에 제공하는 요소수 주입관 (pipe);
(a2) 요소수 주입관 내부 또는 외부에 동심원상으로 삽입되고, 압축공기 유체를 노즐 캡에 제공하는 압축공기 주입관(pipe); 및
(a3) 요소수 주입관 및 압축공기 주입관 외부에 동심원상으로 배치되고, 노즐 팁까지 연장되어 있으나 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체가 노즐 캡을 통해 분사되지 않는 노즐 보호용 냉각 유체 주입관(pipe)
을 구비한 노즐 몸체(a); 및
노즐 캡을 구비하고 토출구를 제공하여, 분사되는 요소수 액적 형태를 조절하는 노즐 팁 (b);
을 구비한 것일 수 있다.
이때, 요소수 주입관(a1) 내부 공간에서 흐르는 요소수 유체의 경로와, 압축공기 주입관(a2) 내부 공간에서 흐르는 압축공기 유체의 경로와, 노즐 보호용 냉각 유체 주입관 (a3) 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체의 경로는 서로 평행하다.
본 발명에 따른 요소수 미세 분사용 이류체 분무노즐은 요소수가 노즐 캡의 토출구에서 액체 줄기 형태로 분사되고, 노즐 캡의 토출구에서 분사되는 압축공기의 팽창에 의해 요소수 액체 줄기가 분쇄되면서 분무된다.
통상 요소수 분무노즐은 액체와 기체를 각각 내부 혹은 외부에서 혼합하여 압축공기의 힘으로 액체를 분무하는 이류체 분무노즐이 주로 사용되고 있다. 도 6에 도시된 바와 같은 이류체 미세 분무 노즐(Air Atomizing Nozzle)은 기체와 액체를 외부에서 혼합함으로써 미세한 분사 형태를 만들어 낸다.
요소수 분무노즐은 압축공기와 요소수를 노즐 내부에서 혼합하여 분사하는 후단믹싱 타입 노즐;과 요소수의 미립화를 위해 압축공기와 요소수를 각 배관(pipe)을 따라 주입하여 노즐의 토출구에서 혼합하여 분사되는 방식의 전단 믹싱 타입 노즐이 있다.
압축공기와 요소수를 노즐 내부에서 혼합하여 분사하는 후단믹싱 타입 노즐은 내부구조가 단순하고 요소수의 분사량에 적합한 토출구의 크기와 분사압력으로 분사한다.
도 2 내지 4에 예시된 바와 같이, 압축공기와 요소수를 노즐 내부에서 혼합하여 분사하는 후단믹싱 타입 노즐의 경우, 본 발명은 요소수 유체를 제공하는 요소수 주입관 (a1) 및 압축공기 유체를 제공하는 압축공기 주입관(a2) 중 동심원상으로 외부에 위치한 주입관은 노즐 캡까지 연장되어 연결되어 있고, 동심원상으로 내부에 위치한 주입관은 노즐 캡까지 연장되지 않고 해당 유체를 외부에 위치한 주입관에 제공하여, 노즐 캡까지 외부에 위치한 주입관에서 요소수 유체와 압축공기 유체가 혼합되어 노즐 캡의 토출구에 제공된다.
한편, 요소수의 미립화를 위해 압축공기와 요소수를 각 배관(pipe)을 따라 주입하여 노즐의 토출구에서 혼합하여 분사되는 방식의 전단 믹싱 타입 노즐의 경우, 노즐 팁 (b)은 요소수 주입관에 결합되는 요소수 노즐 캡(b1); 및 요소수 노즐 캡 내부 또는 외부에 동심원상으로 삽입되고 압축공기 주입관에 결합되는 압축공기 노즐 캡(b2)을 구비하고, 요소수 토출구 및 압축공기 토출구를 제공하여, 분사되는 요소수 액적 형태를 조절할 수 있다. 또한, 압축공기와 요소수를 각 배관(pipe)을 따라 주입하여 노즐의 토출구에서 혼합하여 분사되는 방식은 노즐의 내부구조를 조절하여 요소수 분무액적의 크기를 조절할 수 있다.
이류체 미세분무 노즐은 도 6에 도시된 바와 같이, 약간 경사져 배치되어 있는 기체용 노즐 캡에서 기체가 분사되면서 노즐 중심의 액체용 노즐 캡에서 분사되는 희석된 요소수 액체줄기를 분쇄시키면서 액체의 분무가 이루어진다.
전단 믹싱 타입 노즐의 경우 본 발명에 따른 요소수 분사용 이류체 분무노즐에서, 노즐 몸체(a)의 앞부분에는 기체용 노즐 캡 및 액체용 노즐 캡이 구비된 노즐 팁(b)이 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 단독 조절이 가능하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 요소수 분사용 이류체 분무노즐은 연소로 및/또는 프리히터의 벽체를 관통하여 노즐 보호용 냉각 유체 주입관 (a3)이 길이방향으로 확장되어 장착될 수 있다. 연소로 및/또는 프리히터 외부에, 본 발명의 요소수 분사용 이류체 분무노즐은 노즐 보호용 냉각 유체 주입관 (a3)의 냉각 유체 주입구가 노즐 팁(b)을 기준으로 가장 가깝게 배치되고, 이후 요소수 주입구 또는 압축공기 주입구가 배치되어 있다. 요소수 주입구 및 압축공기 주입구는 액과 공기를 노즐에 주입하여 필요한 약품을 분사하는 기존 이류체 노즐과 동일하다.
요소(Urea)는 NOx 제거효율이 공정 조건의 영향을 많이 받으며, SNCR에서 NOx 제거율에 영향을 주는 인자는 체류시간이고, 체류시간은 1초 이상이 적당하다. 체류시간을 1초 이상 유지하기 위해, 본 발명의 요소수 액적은 100 ㎛ 이상, 바람직하게는 300 ㎛ 이상으로 크게 조절하는 것이 특징이다.
이류체 분무노즐을 통해 요소수 분사량을 증가시켜 액적 입자크기를 크게 조절할 수 있다.
그러나, 미반응 암모니아(암모니아 슬립)가 발생하면 연소가스 중의 SO3와 반응하여 Ammmonium Bisulfate(NH4HSO4)와 Ammonium Sulfate((NH4)2SO4)를 형성하여 후단설비의 부식문제가 발생할 가능성이 있다.
SNCR은 반응 온도가 중요한데 반응 온도가 낮으면 반응속도가 느려서 NOx의 제거효율이 낮아지고, 온도가 너무 높으면 환원제가 NOx로 산화(4NH3 + 5O2 → 4NO + 5H2O)되어 NOx의 생성이 오히려 증가하게 된다. 따라서, SNCR에서는 최적 효율을 나타내는 온도 구간인 온도창(temperature window)이 존재하는데 일반적으로 870~1,090 ℃로 알려져 있다.
따라서, 요소수 액적의 체류시간을 연장하기 위해 크기뿐만 아니라 냉각 수단을 통해 노즐을 통해 분사되는 요소수 액적의 온도를 낮게 조절하는 것이 중요하다. 예컨대, NO의 저감 효율은 환원제인 분무된 요소수의 주입 온도가 840 ℃로부터 증가함에 따라 증가하여 960 ~ 980 ℃부근에서 최대값에 도달하고, 환원제 주입 온도가 더 이상 증가하면 오히려 감소하는 SNCR 반응의 온도 의존성이 나타나기 때문이다. 이를 위해 본 발명은 요소수 주입관 및 압축공기 주입관 외부에 동심원상으로 배치되고, 노즐팁까지 연장되어 있으나 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체가 노즐 캡을 통해 분사되지 않는 노즐 보호용 냉각 유체 주입관을 추가로 사용하는 것이 또 다른 특징이다.
본 발명에 따라 요소수 주입관 및 압축공기 주입관 외부에 동심원상으로 배치되고 노즐팁까지 연장되어 있는 노즐 보호용 냉각 유체 주입관에서는 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체가 노즐을 통해 분사되는 요소수 액적의 온도를 낮게 조절하고/하거나, 도 3에 예시된 바와 같이 노즐 팁 근처에서 노즐 보호용 냉각 유체 주입관으로부터 냉각 유체가 분사되는 경우, 분사되는 냉각 유체에 의해 노즐 캡을 통해 분사되는 요소수 액적이 가열되는 것을 억제함으로써, 체류시간 내 요소수 액적이 SNCR에서 최적 효율을 나타내는 온도 구간(temperature window)에 있도록 조절할 수 있다.
특히, 연소로 및/또는 프리히터의 벽체를 관통하면서 요소수 주입관 및 압축공기 주입관이 가열되지 않도록 나아가 벽체 온도보다 낮은 온도로 요소수 및 압축공기를 냉각시킬 수 있다.
분사되는 요소수 액적의 온도를 낮게 조절하여 체류시간 내 더 멀리 확산되어 요소수의 요소 분해 반응에 의한 암모니아 생성 및 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응이 일어나도록, 본 발명은 낮은 온도로 조절된 요소수 액적의 크기를 100 ㎛ 이상, 바람직하게는 300 ㎛ 이상과 같이 크게 조절하는 것이 특징이다.
요소수 주입관의 내부 직경은 10 mm 또는 그 이하이며, 압축공기 노즐 캡의 토출구 내부 직경은 1 mm 또는 그 이상일 수 있다.
이 경우, 500 kg/hr 이상의 대용량 요소수 분무 시, 요소수 분무 액적의 크기를 100 ㎛ 이상, 바람직하게는 300 ㎛ 이상으로 제어가능하다. 이때 압축공기의 분사압력은 6 bar 또는 그 이상으로 하는 것이 효과적이다.
압축공기 주입관, 요소수 주입관, 노즐 보호용 냉각 유체 주입관, 노즐 캡 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 노즐 캡에 제공되는 압축공기는 바람직하게는 압축된 냉각 기체일 수 있다. 노즐 캡을 통해 분사되는 압축공기는 분무된 요소수 액적의 운반기체로서 역할을 수행할 뿐만 아니라 압축공기 주입관을 흐르는 냉각 기체는 노즐을 냉각시키는 기능을 수행할 수 있다.
그러나, 본 발명에서 강력하고 효율적으로 노즐을 냉각시키는 주 기능은 노즐 보호용 냉각 유체 주입관을 흐르는 냉각 유체가 수행하고, 압축공기 주입관을 통해 노즐 캡에 제공되는 압축공기에 의한 노즐 냉각은 보조 기능이다.
시멘트 제조 공정 중 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터의 분진량은 1g/Nm3 이상, 통상 일반 설비(10mg/Nm3 )의 1000배로써 10g/Nm3 이상이다.
노즐 보호용 냉각 유체 주입관 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체는, 냉각 유체(예, cooling air) 주입구가 노즐 팁까지 이중관으로 연결되어 노즐 팁의 열화 방지 및 과량의 분진으로부터 보호하는 주요 목적을 달성할 수 있으며, 노즐대를 보호하는 목적도 달성할 수 있다.
본 발명의 노즐은 기액 이류체 미세 분무 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.
필요한 경우 냉각 유체는 펌프 등으로 충분히 가압해서 노즐 보호용 냉각 유체 주입관에 공급할 수 있으며, 유속을 조절하여 냉각 속도를 조절할 수 있다. 노즐 캡의 토출구에서 분사되지 않으나 노즐 팁 근처에서 노즐 보호용 냉각 유체 주입관으로부터 가압된 냉각 유체가 분사되는 경우, 분사되는 냉각 유체의 팽창에 의해 노즐 캡을 통해 분사되는 요소수 액적의 가열을 늦추는 단열 방패층을 두텁게 할 수 있다.
압축공기 주입관 (a2) 내부 압축공기 유체 경로 상에는 압축 공기가 통과하는 오리피스를 구비할 수도 있다.
노즐 보호용 냉각 유체 주입관 (a3) 내부 냉각 유체 경로 상에는 냉각 유체가 통과하는 오리피스를 구비할 수도 있다.
오리피스는 오리피스를 통과하여 나온 기체에 회전력을 제공하여 유량을 조절하고, 압축공기 및 냉각 유체의 온도를 더욱 낮출 수 있으며, 오리피스 통과 후 분사되는 기체의 팽창에 의해 요소수 액체기둥이 분쇄되면서 분무되고 정밀하게 농도를 제어할 수 있다.
본 발명의 이류체 미세분무 노즐의 몸체에는 분사의 on-off가 노즐 내부에서 자동식으로 가능할 수 있다.
본 발명의 요소수 분사용 이류체 분무노즐은 연소로 및/또는 프리히터 벽체에 관통하여 설치될 수 있다. 이경우, 연소로 및/또는 프리히터에서 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응 및 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의해 NOx 환원반응이 동시에 일어난다. 즉, 연소로 및/또는 프리히터 내 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생 또는 공급되면서 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의한 NOx 환원반응이 일어난다.
요소수 분무장치는 전술한 본 발명의 요소수 분사용 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.
본 발명의 요소수 분사용 이류체 분무노즐이 장착되는, 시멘트 제조 공정 중 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터는 산업부산물을 시멘트 원료 및/또는 연료로 사용할 수 있다.
본 발명에서 노즐을 통해 분사된 요소수 액적의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의한 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응은 선택적 무촉매환원법(SNCR)일 수 있다.
요소수의 요소 분해반응은 반응식 2로 표시되는 열적가수분해반응 및/또는 반응식 3으로 표시되는 열적분해반응을 포함할 수 있다.
[반응식 2]
NH2CONH2 + H2O + 열 + 시간 → NH4COONH2 + H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
[반응식 3]
NH2CONH2 + 열 + 시간 → NH3 + HNCO
따라서, 이류체 분무노즐로부터 요소수가 직접 분사되는 영역의 온도는 요소수를 열분해할 수 있는 온도 또는 그 이상인 것이 바람직하다.
이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수가 주입 또는 요소수의 요소 분해반응이 일어나는 영역의 온도는 850 ~ 1100 ℃ 일 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 분사용 이류체 분무노즐을 통해 요소수를 열분해할 수 있는 고온의 반응 영역에 직접 분사하여 요소수의 열분해에 의해 암모니아가 생성될 수 있다.
본 발명에서 시멘트 제조 공정 중 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터는 킬른형 반응기를 구비한 것일 수 있다.
시멘트 제조공정에서 사용되는 킬른의 형태는 습식킬른, 건식킬른, Preheater 킬른, Precalciner 킬른 4가지 종류가 있다. 습식과 건식킬른은 하나의 연료 연소대를 갖는 반면 Preheater, Precalciner 킬른은 소성대와 2차 연소대의 두개의 연소대를 갖는다. 두개의 연소대에 있어서 일반적인 온도가 다르기 때문에 NOx 생성에 미치는 인자 또한 다르다.
또한, 본 발명은 시멘트 제조 공정 중 연소 반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터에서 전술한 본 발명의 요소수 분사용 이류체 분무노즐을 사용하여 NOx 함유 연소가스를 처리하는 방법으로서,
이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해 반응을 수행하여 암모니아를 생성시키는 단계; 및
요소수의 요소 분해 반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하는 단계
를 포함하는 NOx 함유 연소가스 처리 방법을 제공한다.
이때, 요소수 분사용 이류체 분무노즐은 요소수 분무 시, 요소수 분무 액적의 크기가 100㎛ 이상으로 분사하는 것이 바람직하고, 상기 두 단계는 동시에 수행된다.
본 발명은 요소수 분사용 이류체 분무노즐에, 요소수 주입관 및 압축공기 주입관 외부에 동심원상으로 배치되고 노즐 팁까지 연장되어 있으나 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체가 노즐 캡을 통해 분사되지 않는 노즐 보호용 냉각 유체 주입관을 추가 장착하여, 분진에 의한 노즐 팁을 보호하는 방패(shield) 역할을 하여 다량에 분진에 의한 막힘을 최소화하고 노즐 팁의 열화 방지할 수 있으며, 이로 인하여 SNCR 효율을 증진시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일구체예에 따른 이류체 분무노즐이 SNCR 반응기의 벽체를 관통하여 장착된 요소수 분무장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일구체예에 따른 이류체 분무노즐의 분해도 및 부분확대도이다.
도 3은 노즐 팁 쪽에서 바라본, 노즐 팁 및 노즐 보호용 냉각 유체 주입관 말단 부분의 배치구조 및 각 유체 흐름을 파악할 수 있는 노즐 내부 분해도이다. 냉각 유체 주입관에서 분사되는 냉각 유체의 흐름에 의해 노즐 팁이 분진으로부터 보호될 수 있음을 보여주고 있다.
도 4는 각 유체 주입구 및 노즐 보호용 냉각 유체 주입관의 주입구측 말단 부분의 배치구조 및 각 유체 흐름을 파악할 수 있는 노즐 내부 분해도이다.
도 5는 종래 이류체 분무 노즐(Air Atomizing Nozzle)이 SNCR 반응기의 벽체를 관통하여 장착된 기존 요소수 분무장치의 개념도이다.
도 6은 이류체 분무 노즐(Air Atomizing Nozzle) 일례의 개념도이다.
도 7는 시멘트 제조 설비인 연소로 및/또는 프리히터에서 요소수 분사용 이류체 분무노즐의 장착 위치가 예시된 SNCR 공정 개요 및 모식도이다.
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.
시멘트 제조 공정용 연소로/프리히터는 도 7에 예시된 로터리 킬른형 반응기를 사용할 수 있다.
킬른 소성대에서 Thermal NOx의 발생은 소성대의 온도, 가스 체류시간, 고온 연소대에서의 산소 농도에 의존한다. 연소대의 온도는 연소되는 연료의 종류에 의해 영향을 받는다. 일반적으로 연소대 온도에 영향을 미치는 화염 온도는 석탄 버너 보다 가스 버너가 더 세다. 가스보다 석탄의 질소 함량이 높아 석탄 버너에서 Fuel NOx 발생량은 많지만, 가스 버너가 화염 온도가 높기 때문에 Thermal NOx의 발생은 더 많아 결과적으로 가스버너에서의 NOx발생량이 많다. 화염의 모양과 이론적인 화염의 온도는 Thermal NOx 형성의 중요한 인자로 길고 흐름이 느린 화염이 짧고 센 화염보다 더 적은 NO를 발생한다. 화염의 모양은 연료만 아니라 공기비에 의해 결정된다.
산소농도가 높으면 NOx의 생성이 촉진되기 때문에 과잉 공기의 양과 산소의 농도에 따라 NOx 생성은 영향을 받게 된다. 과잉 공기의 양이 많아지면 NOx의 생성량은 어느 정도 증가하지만 그 이상이 되면 2차 공기의 공급량이 증가함에 따라 화염의 온도도 낮아지므로 큰 영향을 주지 않게 된다. 소성대에서의 산소 농도는 전체 과잉 공기뿐만 아니라 1차공기와 2차공기의 비에 의해 따라 달라지게 된다. 직접연소방식(Direct Firing System)은 다량의 공기가 연료와 함께 타게 된다. 이러한 연소 방식은 높은 산소농도 또는 연료부족 상태의 연소로 및/또는 프리히터 NOx가 많이 발생하는 측면과 화염 온도가 낮아 NOx가 적게 발생하는 측면의 서로가 모순된 효과가 있다. 반면 간접연소방식(Indirect Firing System)은 연소에 적은 양의 공기가 사용되기 때문에 1차공기가 적게 사용되어 NOx 발생량이 직접 연소 방식보다 더 적다. 2차 공기의 온도가 더 낮아질수록 2차 공기내의 더스트 함량이 커질수록 킬른 소성대에서의 NOx 형성은 더 낮아진다. 수분이 많은 1차 공기와 시멘트 킬른 더스트(CKD: Cement Kiln Dust)를 소성대에 불어넣으면 NOx 생성을 감소할 수 있다.
온도 안정성, 원료의 소성성, 알칼리와 황의 제어와 같은 공정 조건도 NOx 형성에 영향을 미친다. 온도 안정성은 클링커의 질을 유지하고 안정적 화염 조건과 에너지 효율을 달성하는데 중요하다. 클링커 형성반응은 2,600℃ 이상의 화염 온도 및 산화분위기가 필요하다. 연소에 사용된 과잉 공기는 NOx 배출에 상당량의 영향을 끼친다. 배기가스 중에서 4~5%의 산소 농도는 NOx 배출량이 많아지게 됨을 의미하고, 0.5~1.5%의 산소 농도는 NOx 배출량이 낮아지게 됨을 의미한다. 이렇기 때문에 킬른에서 배출되는 NOx의 양은 생산되는 클링커의 품질을 유지하기 위해 필요한 과잉 산소의 영향을 받게 된다.
연료의 발열량도 NOx 형성에 영향을 끼칠 수 있다. Petroleum coke와 같은 높은 발열량을 갖는 연료는 적은 연소 공기를 필요로 하기 때문에 단위 생산 클링커 당 NOx 발생량이 적다.
서로 다른 원료 성분은 생산되는 클링커의 적정 품질을 유지하기 위해 다른 소성 조건이 요구된다. 이렇기 때문에 동일한 형태의 킬른이라 하더라도 원료 성분의 차이에 따라 NOx 배출 수준이 차이가 나며 원료의 알칼리 함량도 NOx 생성에 영향을 미칠 수 있다.
예열기(Preheater)와 하소로(Calciner)의 2차 연소대의 온도 범위는 820~1100℃이다. 연료에 함유된 질소의 일부는 킬른 배기가스 중의 NO를 환원하여 NO를 없애고 일부는 산소와 반응하여 NO가 생성된다.
고체 연료 중위 휘발분이 많으면 2차 연소대의 온도를 높이면 실질적인 NO의 생성이 낮아진다. 3차 공기를 사용하여 하소를 하는 경우 일반적으로 40~50%의 연료만 킬른에서 연소되므로 고온의 킬른에서 배출되는 연소가스의 양이 이에 비례하여 감소하게 되어 NOx의 생성이 감소된다. 또한 하소로를 설치하면 열효율이 좋아지기 때문에 연료의 사용량이 감소하여 NOx의 총 생성량도 감소하게 된다.
NOx의 형성은 직접적으로 연료의 연소와 관련이 있기 때문에, 단위 시멘트 생산량당 사용되는 연료의 양이 감소되면 단위 시멘트 생산량 당 NOx의 배출량이 감소될 수 있다. 시멘트 제조공정의 에너지 효율을 증가시키기 위해서는 과도한 클링커 소성을 피하고, 연소 공기, 석탄 및 연료의 예열을 위해 폐열을 이용하다. 또한, 뜨거운 가스와 고체간의 열전달을 증가하면 열효율도 증가하는데 이를 위해 개발된 킬른이 preheater와 precalciner 킬른이다. 최근의 대부분 시멘트 공장이 이 킬른을 이용하여 시멘트를 생산하고 있다.
본 발명은 전술한 바와 같이 본 발명에 따라 노즐 보호용 냉각 유체 주입관이 추가설계된 요소수 분사용 이류체 분무노즐을 시멘트 제조 설비 중 SNCR 반응기의 일종인 연소로 및/또는 프리히터의 벽체에 관통하여 장착하여, 선택적 무촉매환원법(SNCR)을 통해 요소수의 요소 분해 반응에 의해 생성된 암모니아에 의한 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응시키는 것이다.
시멘트 제조 공정 중 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터에서, 본 발명의 요소수 분사용 이류체 분무노즐 설치 위치는 SNCR의 온도창을 만족하는 위치로, 예컨대 환원 조건(930∼990℃) 하에서 운전되는 하소설비 부분의 연소 영역이 온도와 관련하여 가장 이상적인 위치; 하소로 배출 챔버(850∼890℃) 전단과 연소 공기 유입구 사이의 산화 구역; 하부 사이클론 스테이지에 유입되기 전의 혼합 챔버 이후 영역이 있다.
시멘트 제조 공정은 공정 상태에 따라 SNCR 저감 효율에 변화가 크며, SNCR 요소수, 암모니아수 투입 지점은 Gas와 원료가 혼재되어 있어 상대적으로 저감 효율이 낮은 상황이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 시멘트 제조 공정 중 연소 반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로/프리히터의 SNCR 공정에서 환원제인 요소수가 반응 구간 전체에 고르게 분사될 수 있는 것이 바람직하고, 이를 위해 노즐의 개수는 많을수록 좋으나, 경제성을 고려하여 노즐 개수를 한정할 수 있다. 또한, Gas와 원료가 혼재되어 환원제가 가스층에 도달 및 반응을 방해하는 것에 대하여 원료를 밀어낼 수 있게 입자경을 크게 할 수 있다. 이로 인하여 반응 효율을 극대화할 수 있다.
한편, 시멘트 제조 설비 중 연소로/프리히터에서 SNCR 공정을 보여주는 도 7를 참조하여, 환원제로 요소수를 사용하는 본 발명의 일구체예에 따른 SNCR 반응기 및 NOx 함유 연소가스 처리방법을 설명한다.
본 발명의 일구체예에 따른 SNCR 반응기에서 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 2 내지 5에 도시된 바와 같이 요소수 분사용 이류체 분무노즐을 사용하여, 연소가스가 흐르는 덕트로 직접 분무한다. 요소수 분사용 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, NH3농도는 H3BO3를 흡수액으로 사용하는 중화적정법에 의해서 측정할 수 있다.
도 7의 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.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 요소수 분사용 이류체 분무노즐을, 일종의 SNCR 반응기에 해당하는 연소로 및/또는 프리히터 내부에 설치하고, 요소수 농도 정밀 제어를 통해 요소수의 열분해 및 SNCR에 의한 탈질을 수행한 결과, 전술한 바와 같이 시멘트 제조 공정에서 NOx 배출 규제를 만족할 수 있었다. 이때, 연소로 및/또는 프리히터 내부의 온도는 850 ~ 1100 ℃, 바람직하게는 900 ~ 1000 ℃ 영역에서 본 발명의 요소수 분사용 이류체 분무노즐을 통해 요소수 분무 액적의 크기가 300㎛ 이상으로 요소수 분무 시, 분진에 의한 노즐 팁의 막힘없이 그리고 암모니아 슬립없이 요소수가 열분해되어 암모니아가 생성되고 이로 인해 ~ 45 %의 탈질 효율이 나타났다.

Claims (20)

  1. 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터에 장착되는 요소수 분사용 이류체 분무노즐에 있어서,
    (a1) 요소수 유체를 노즐 캡에 제공하는 요소수 주입관 (pipe);
    (a2) 요소수 주입관 내부 또는 외부에 동심원상으로 삽입되고, 압축공기 유체를 노즐 캡에 제공하는 압축공기 주입관(pipe); 및
    (a3) 요소수 주입관 및 압축공기 주입관 외부에 동심원상으로 배치되고, 노즐 팁까지 연장되어 있으나 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체가 노즐 캡을 통해 분사되지 않는 노즐 보호용 냉각 유체 주입관(pipe)
    을 구비한 노즐 몸체(a); 및
    노즐 캡을 구비하고 토출구를 제공하여, 분사되는 요소수 액적 형태를 조절하는 노즐 팁 (b);
    을 구비하고,
    요소수 주입관(a1) 내부 공간에서 흐르는 요소수 유체의 경로와 압축공기 주입관(a2) 내부 공간에서 흐르는 압축공기 유체의 경로와 노즐 보호용 냉각 유체 주입관 (a3) 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체의 경로는 서로 평행하며,
    요소수가 노즐 캡의 토출구에서 액체 줄기 형태로 분사되고, 노즐 캡의 토출구에서 분사되는 압축공기의 팽창에 의해 요소수 액체 줄기가 분쇄되면서 분무되고, 이때 분사되는 요소수 액적의 크기는 요소수의 요소 분해반응에 의한 암모니아 생성 및 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응이 일어나도록 100㎛ 이상이고,
    노즐 보호용 냉각 유체 주입관 (a3) 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체의 온도, 유속 및/또는 냉각속도를 조절하여, 요소수가 NOx로 산화되어 NOx의 생성이 증가되지 않도록 분사 조절하는 것이 특징인 요소수 분사용 이류체 분무노즐.
  2. 제1항에 있어서, 노즐 팁 근처에서 노즐 보호용 냉각 유체 주입관으로부터 냉각 유체가 분사되는 경우, 분사되는 냉각 유체의 팽창에 의해 분진이 노즐 팁 근처로 유입되는 흐름을 방해하는 방패층 및/또는 노즐 캡을 통해 분사되는 요소수 액적의 가열을 늦추는 단열 방패층을 형성하는 것이 특징인 요소수 분사용 이류체 분무노즐.
  3. 제1항에 있어서, 요소수 유체를 제공하는 요소수 주입관 (a1) 및 압축공기 유체를 제공하는 압축공기 주입관(a2) 중 동심원상으로 외부에 위치한 주입관은 노즐 캡까지 연장되어 연결되어 있고,
    동심원상으로 내부에 위치한 주입관은 노즐 캡까지 연장되지 않고 해당 유체를 외부에 위치한 주입관에 제공하여, 노즐 캡까지 외부에 위치한 주입관에서 요소수 유체와 압축공기 유체가 혼합되어 노즐 캡의 토출구에 제공되는 것이 특징인 요소수 분사용 이류체 분무노즐.
  4. 제1항에 있어서, 노즐 팁 (b)은 요소수 주입관에 결합되는 요소수 노즐 캡(b1); 및 요소수 노즐 캡 내부 또는 외부에 동심원상으로 삽입되고, 압축공기 주입관에 결합되는 압축공기 노즐 캡(b2)을 구비하고 요소수 토출구 및 압축공기 토출구를 제공하여, 분사되는 요소수 액적 형태를 조절하는 것이 특징인 요소수 분사용 이류체 분무노즐.
  5. 제1항에 있어서, 노즐 보호용 냉각 유체 주입관 (a3) 내부 냉각 유체 경로 상에 냉각 유체가 통과하는 오리피스를 구비하여 냉각 유체의 온도를 더욱 낮추는 것이 특징인 요소수 분사용 이류체 분무노즐.
  6. 제1항에 있어서, 시멘트 제조 설비 중 연소로 및/또는 프리히터에 장착되는 것이고, 시멘트 제조 공정 중 연소반응에 의해 발생하는 NOx 함유 연소가스의 분진량이 1g/nm3 이상인 것이 특징인 요소수 분사용 이류체 분무노즐.
  7. 제1항에 있어서, 연소로 및/또는 프리히터 외부에, 노즐 보호용 냉각 유체 주입관 (a3)의 냉각 유체 주입구가 노즐 팁(b)을 기준으로 가장 가깝게 배치되고, 이 후 요소수 주입구 또는 압축공기 주입구가 배치되어 있는 것이 특징인 요소수 분사용 이류체 분무노즐.
  8. 제1항에 있어서, 연소로 및/또는 프리히터의 벽체를 관통하여 노즐 보호용 냉각 유체 주입관 (a3)이 길이방향으로 확장되어 장착되는 것이 특징인 요소수 미세분사용 이류체 분무노즐.
  9. 제1항에 있어서, 요소수 분사용 이류체 분무노즐로부터 노즐 보호용 냉각 유체 주입관 (a3)이 분리되어 연소로 및/또는 프리히터의 벽체에 장착되어 있는 상태에서, 나머지 요소수 분사용 이류체 분무노즐은 노즐 보호용 냉각 유체 주입관 (a3)의 내부에 동심원상으로 삽입 또는 탈착될 수 있는 것이 특징인 요소수 분사용 이류체 분무노즐.
  10. 제1항에 있어서, 100kg/hr 이상의 대용량 요소수를 분무하기 위한 것이 특징인 요소수 분사용 이류체 분무노즐.
  11. 제1항에 있어서, 시멘트 제조 설비 중 연소로 및/또는 프리히터에 장착되는 것이고, 시멘트 제조 공정 중 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터는 산업부산물을 시멘트 원료 및/또는 연료로 사용하는 것이 특징인 요소수 분사용 이류체 분무노즐.
  12. 제1항에 있어서, 노즐을 통해 분사된 요소수 액적의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의한 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응은 선택적 무촉매환원법(SNCR)인 것이 특징인 요소수 분사용 이류체 분무노즐.
  13. 제1항에 있어서, 탈질 효율이 40% 이상인 것이 특징인 요소수 분사용 이류체 분무노즐.
  14. 시멘트 제조 공정 중 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터에 있어서, 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 요소수 분사용 이류체 분무노즐이 연소로 및/또는 프리히터 벽체에 관통하여 설치되어 있는 것이 특징인 연소로 및/또는 프리히터.
  15. 제14항에 있어서, 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수가 주입 또는 요소수의 요소 분해반응이 일어나는 영역의 온도는 850 ~ 1100℃인 것이 특징인 연소로 및/또는 프리히터.
  16. 제14항에 있어서, 이류체 분무노즐로부터 요소수가 직접 분사되는 영역의 온도는 요소수를 열분해할 수 있는 온도 또는 그 이상인 것이 특징인 연소로 및/또는 프리히터.
  17. 제14항에 있어서, 킬른형 반응기를 구비한 것이 특징인 연소로 및/또는 프리히터.
  18. 제14항에 있어서, 연소로 및/또는 프리히터 벽체를 관통하여 요소수 분사용 이류체 분무노즐을 설치하고, 연소로 및/또는 프리히터에서 이류체 분무노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응 및 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의해 NOx 환원반응이 동시에 일어나는 것이 특징인 연소로 및/또는 프리히터.
  19. 제14항에 있어서, 연소로 및/또는 프리히터 내 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생 또는 공급되면서 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의한 NOx 환원반응이 일어나는 것이 특징인 연소로 및/또는 프리히터.
  20. 시멘트 제조 공정 중 연소로 및/또는 프리히터에서 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 요소수 분사용 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 포함하되,
    요소수 분사용 이류체 분무노즐은 요소수 분무 시, 요소수 분무 액적의 크기가 100㎛ 이상으로 분사하는 것이 특징인 NOx 함유 연소가스 처리 방법.
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