KR20240013683A - 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치 및 공정 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치 및 공정에 관한 것으로, 본 발명에 따른 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치 및 공정은 수소를 이용하여 탈질 성능이 현저하게 향상될 뿐 아니라, 수소를 공급하는 데 있어 발생할 수 있는 안전상의 문제를 모두 개선할 수 있다.
Description
본 발명은 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치 및 공정에 관한 것이다.
대기 오염 물질 중에서도 환경문제의 주요 원인으로 꼽히는 질소산화물(NOx)은 NO2와 NO 같은 물질을 의미하는데 생태계에서 바이오매스(biomass) 또는 미생물로 부터 발생하기도 하지만 화석연료의 연소 과정에서도 생성된다. 이러한 NOx는 대기중의 수증기와 결합하여 아질산이나 질산으로 변화하는데, 이는 산성비의 원인이 되며 대기 중 탄화수소 및/또는 자외선에 영향을 받아 광화학반응을 일으켜 2차 오염물질을 형성하기도 한다. 또한, 온실효과(Green house effect)의 원인이 되는 아산화질소(N2O)를 형성하여 지구 온난화를 가속화시킴과 동시에 대기층의 다른 오염물과 반응하여 광화학 스모그를 형성하여 많은 환경 문제를 야기한다.
이러한 질소 산화물을 제거하기 위하여 배기가스 중 질소 산화물만 선택적으로 환원시켜 질소산화물을 저감시키는 기술이 개발되었으며, 크게 촉매를 함께 사용하는 선택적 촉매 환원법(SCR: Selective Catalytic Reduction)과 촉매를 사용하지 않는 선택적 무촉매 환원법(SNCR: Selective Non- Catalytic Reduction)으로 분류할 수 있다.
특히, SNCR에서는 노즐의 구조, 배기가스의 조성, 배기가스의 체류시간 및 환원제의 표준 양론비 등 다양한 요인이 질소산화물 제거 성능에 영향을 미치기에 이러한 요인들을 조절하는 것이 쉽지 않고, 질소산화물 배출 기준이 점차 엄격해짐에 따라 배출되는 질소산화물을 배출 기준까지 감소시키는 데 한계가 존재하였다. 이에 질소산화물을 더욱 높은 효율로 제거할 수 있는 기술개발이 시급한 실정이다.
이에, 본 발명에서는 SNCR에 안전희석장치를 도입하여 수소를 공급하면, 탈질 성능이 현저하게 향상될 뿐 아니라, 수소가 가지고 있는 안전성 문제를 개선할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 수소를 탈질환원제와 함께 공급시키되, 상기 수소가 안전성 문제를 일으키지 않는 범위의 농도로 희석시킴으로써, 수소로 인한 안전 문제없이 탈질 성능을 현저하게 향상시킬 수 있는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치 및 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 수소를 희석매질과 혼합하여 희석된 수소를 생산하는 안전희석장치; 및 상기 희석된 수소, 탈질환원제 및 배기가스가 반응하는 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부;를 포함하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 안전희석장치에 수소 기체 및 희석매질을 각각 공급하고, 이들을 혼합하여 희석된 수소를 수득하는 희석 단계; 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부에 상기 희석된 수소 기체, 탈질환원제 및 배기가스를 공급하는 공급 단계; 및 상기 배기가스, 상기 수소 및 상기 탈질환원제가 반응하는 탈질 단계;를 포함하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 공정을 제공한다.
본 발명에 따른 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치 및 공정은 수소를 이용하여 탈질 성능이 현저하게 향상될 뿐 아니라, 수소를 공급하는 데 있어 발생할 수 있는 안전상의 문제를 모두 개선할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 수소를 이용하지 않는 종래의 선택적 무촉매 환원 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이젝터를 이용한 감압형 안전희석장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 (A) 가스 유인 팬(ID FAN, Induced Draft Fan) 이용 및 (B) 강제 통풍 팬(FD FAN, Forced Draft Fan) 이용 감압형 안전희석장치를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 (A) 팽창탱크 이용 및 (B) 팽창탱크와 팽챙백 이용 팽창형 안전희석장치를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 (A) 팽창탱크 이용 및 (B) 팽창탱크와 팽챙백 이용 팽창형 안전희석장치를 나타낸 도면이다
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 (A) 이류체 노즐 및 (B) 단일체 노즐을 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예 4에 따른 ID Fan 이용 감압형 H2 안전희석장치를 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예 5에 따른 FD Fan 이용 감압형 H2 안전희석장치를 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 실시예 6에 따른 FD Fan 및 팽창백을 이용한 혼합형 H2 안전희석장치를 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 실시예 7에 따른 팽창탱크 이용 팽창형 H2 안전공급설비를 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 실시예 8에 따른 가압형 H2 안전공급설비를 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 온도에 따른 탈질 성능을 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시예 2(MSR2=0.2, 0.4 및 0.6) 및 비교예 2(MSR2=0.2)의 온도에 따른 탈질 성능을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이젝터를 이용한 감압형 안전희석장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 (A) 가스 유인 팬(ID FAN, Induced Draft Fan) 이용 및 (B) 강제 통풍 팬(FD FAN, Forced Draft Fan) 이용 감압형 안전희석장치를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 (A) 팽창탱크 이용 및 (B) 팽창탱크와 팽챙백 이용 팽창형 안전희석장치를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 (A) 팽창탱크 이용 및 (B) 팽창탱크와 팽챙백 이용 팽창형 안전희석장치를 나타낸 도면이다
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 (A) 이류체 노즐 및 (B) 단일체 노즐을 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예 4에 따른 ID Fan 이용 감압형 H2 안전희석장치를 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예 5에 따른 FD Fan 이용 감압형 H2 안전희석장치를 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 실시예 6에 따른 FD Fan 및 팽창백을 이용한 혼합형 H2 안전희석장치를 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 실시예 7에 따른 팽창탱크 이용 팽창형 H2 안전공급설비를 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 실시예 8에 따른 가압형 H2 안전공급설비를 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 온도에 따른 탈질 성능을 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시예 2(MSR2=0.2, 0.4 및 0.6) 및 비교예 2(MSR2=0.2)의 온도에 따른 탈질 성능을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급한 "포함한다", "갖는다", "이루어진다" 등이 사용되는 경우 "~만"이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
이하 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 수소를 이용하지 않는 종래의 선택적 무촉매 환원 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
전술한 바와 같이 종래의 SNCR에서는 노즐의 구조, 배기가스의 조성, 배기가스의 체류시간 및 환원제의 표준 양론비 등 다양한 요인이 질소산화물 제거 성능에 영향을 미치고, 질소산화물 배출 기준이 점차 엄격해짐에 따라 배출되는 질소산화물을 배출 기준까지 감소시키는 데 한계가 존재하였으며, 도 1과 같은 종래의 선택적 무촉매 환원 장치를 이용할 경우 질소산화물 제거온도 범위는 약 850 내지 1150 ℃로 한정되었다.
이에 본 발명에서는 탈질환원제와 함께 수소(H2)를 주입하여 환원 반응을 수행하면, 제거 온도 범위를 증가시켜 탈질 성능이 향상됨을 발견하여 수소(H2)를 주입하되, 수소가 대기 중에서 안전하지 않은 점을 개선하기 위하여 수소를 안전한 범위로 희석시키는 안전희석장치를 도입하였다.
보다 구체적으로, 본 발명의 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치는 수소를 희석매질과 혼합하여 희석된 수소를 생산하는 안전희석장치; 및 상기 희석된 수소, 탈질환원제 및 배기가스가 반응하는 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부;를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
상기 도 2 및 도 3를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치(10)는 수소공급장치(100), 안전희석장치(200), 탈질환원제 공급장치(300) 및 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)를 포함할 수 있다.
상기 수소공급장치(100)는 수소발생장치(110), 수소저장부(120) 및 외기 벤트용 밸브(130)을 포함할 수 있다.
상기 수소발생장치(110)는 수소가 생산물 또는 부산물로 발생되는 장치로 LNG 개질 장치, 암모니아 개질 장치, 수전해장치 또는 해수전해장치 중 어느 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 해수전해장치일 수 있다.
화력발전소의 경우 해변가에 주로 설치되어 발전소 내부에 발전용수로 해수를 사용하는데, 해수 중에는 패류나 기타 해양생물이 냉각수의 수로나 복수기 전면에 달라붙기 쉬워 이를 제거하기 위하여 아래 식 (1)과 같이 바닷물을 전기분해하여 NaCl에서 NaOCl를 발생시켜 이를 ppm 단위의 산화제(살균)로 사용하는 해수전해설비를 이용하여 해양생물 발생을 방지하는데, 이 과정에서 생산된 수소(H2)는 부산물로 외기로 배출되어 버려지고 있다.
식 (1): NaCl + H2O + 전기분해 → NaOCl + H2
그러나, 상기 부산물로 배출되는 수소를 본 발명의 선택적 무촉매 환원 장치에 공급하여 사용한다면 폐기될 자원을 유용하고 효율적으로 활용할 수 있으며, 다른 수소 발생장치와 달리 폐기되는 수소를 활용하기에 공정 설비를 새로 설치하거나 운전비가 따로 발생되지 않는 이점이 존재한다.
상기 수소저장부(120)는 상기 수소발생장치(110)에서 발생된 수소를 상기 안전희석장치(200)에 공급하기 전까지 저장할 수 있다.
상기 외기 벤트용 벨브(130)는 작동 중단 등에 따라 상기 안전희석장치(200)에 수소 공급이 필요하지 않을 때 발생되는 수소를 외기로 배출할 수 있다.
상기 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 수소발생장치(110)가 해수전해장치일 때 상기 해수전해장치 내 해수가 상기 안전희석장치(200)에 공급되지 못하도록 해수 표면에 부직포 형태의 필터 가이드를 설치할 수 있다.
전술한 바와 같이, 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 사용되는 탈질환원제와 함께 수소(H2)를 주입하여 탈질 성능을 높일 수 있었으나, 수소는 대기압 하에서 공기와 혼합되거나 산소와 혼합된 경우의 점화온도는 대략 560 ℃ 전후로 질소산화물 제거 온도범위와 중첩되고, 폭발범위(공기중)는 대기압하에서 4 내지 75 부피%, 산소 중에서는 4 내지 94 부피%로 수소를 챔버에 공급할 때 공급 라인 상의 안전성이 문제가 되었다.
이에 본 발명에서는 수소를 희석매질과 혼합하여 희석된 수소를 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 공급하는 안전희석장치(200)를 도입하여 수소로 인한 안전성 문제를 해결하였다.
상기 안전희석장치(200)는 유량제어기(210), 희석매질 공급부(220) 및 버퍼탱크(230)를 포함할 수 있다.
상기 유량제어기(210)는 상기 안전희석장치(200)로 공급되는 수소의 유량을 제어하여 상기 희석된 수소에 수소가 4 부피% 미만, 바람직하게는 3 부피% 이하 또는 94 부피% 초과, 바람직하게는 95 부피% 이상이 되도록 수소를 상기 버퍼탱크(230)에 공급한다. 전술한 바와 같이 수소는 공기중에서 폭발 범위가 4 내지 75 부피%이고, 산소 중에서 수소의 폭발 범위는 4 내지 94 부피%이기 때문에, 4 부피% 미만 또는 94 부피% 초과로 주입되어야한다. 이때 상기 희석된 수소의 수소가 0.05 부피% 미만이면, 수소 주입으로 인한 탈질 성능 증가 효과를 기대하기 어려울 수 있다는 점에서 하한치는 0.05 부피%일 수 있다. 또한, 상기 희석된 수소의 수소농도가 94 내지 99 부피%인 경우는 통상 구현이 가능하나, 99.999% 또는 99.99999% 이상의 고순도로 주입할 경우에 고농도 수소 마련을 위한 별도의 농축 및 분리설비가 필요하다는 점에서 상한치는 99 부피%일 수 있다. 그러나, 희석매질을 조절하여 100 부피%까지 도달하는 것이 가능하므로, 이에 제한되지는 않는다.
상기 희석매질 공급부(220)는 공기, 질소 및 물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 희석매질, 가장 바람직하게는 공기를 상기 버퍼탱크(230)에 공급하여 수소를 희석시킬 수 있다.
상기 버퍼탱크(230)는 상기 수소발생장치(110)로부터 공급받은 수소와 상기 희석매질 공급부(220)로부터 공급받은 희석매질이 혼합되는 공간으로, 상기 버퍼탱크(230)에서 배출되는 기체는 희석된 수소가 된다.
상기 버퍼탱크(230)는 노즐(400)과 연결되어 있어, 상기 희석된 수소는 노즐(400)을 통해 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 공급된다.
상기 안전희석장치(200)는 수소를 유량제어기(210) 후단 이젝터에서 감압시켜 주입하는 감압형, 수소를 상기 유량제어기(210) 전단 팽창탱크를 이용하여 주입하는 팽창형 또는 수소를 유량제어기(210) 전단 팬(fan)으로 이송시키는 가압형 방식을 이용할 수 있다. 상기 감압형, 팽창형 및 가압형 모두 이송매질(공기 또는 산소) 없이 수소를 상기 버퍼탱크(230)에 공급하는 방법으로, 산화제 역할을 하는 공기 또는 산소가 이송매질로 사용되지 않으므로 폭발을 방지할 수 있다. 특히, 감압형 및 팽창형 방식은 팬을 이용하는 가압형에 비하여 수소가 팬을 통하여 직접적으로 이송되지 않아 팬 내부 및 주변에서 전기적인 스파크가 발생하지 않는다. 즉, 감압형 및 팽창형은 수소와 접촉되는 이송 부분(팬 등)에서 직접적으로 전기연결을 하지 않는 방법이기에 전기적인 스파크가 발생될 위험이 없고 산화제인 산소와 공기에 노출될 우려가 적어 발화에 의한 폭발을 완전히 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이젝터를 이용한 감압형 안전희석장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 (A) 가스 유인 팬(ID FAN, Induced Draft Fan) 이용 및 (B) 강제 통풍 팬(FD FAN, Forced Draft Fan) 이용 감압형 안전희석장치를 나타낸 도면이다.
이하, 상기 도 4 및 도 5를 참조하여 이젝터를 이용한 감압형 안전희석장치(200)를 설명하도록 한다.
상기 안전희석장치(200)가 감압형 방식을 이용하는 경우, 상기 안전희석장치(200)는 베르누이 원리에 따라 고압의 작동유체가 지닌 압력에너지로 투입유체를 빨아들여 이송하는 이젝터를 이용할 수 있다. 이때 상기 버퍼탱크(230)로 이젝터가 사용되고, 작동유체로 희석매질이 공급되고, 투입유체로서 수소가 공급되어 이젝터 내부에서 희석매질과 수소가 혼합되어 노즐을 통해 배출되는 기체는 수소가 희석된 기체가 된다.
도 4에 도시된 상기 이젝터를 이용한 버퍼탱크(230)의 구조를 더욱 상세하게 살펴보면, 상기 이젝터는 작동유체가 공급되는 제1 공급부(231); 투입유체가 공급되는 제2 공급부(232); 및 본체(233);를 포함하고, 상기 본체(233)는 상기 제1 공급부(231)와 연결되어 상기 작동유체가 흡입되는 흡입부(233a); 상기 제2 공급부(232) 및 상기 흡입부(233a)와 연결되며, 상기 작동유체 및 상기 투입유체가 혼합되어 혼합유체를 형성하는 믹싱부(233b); 및 상기 믹싱부(233b)와 연결되고, 상기 혼합유체를 배출하는 디퓨저부(233c);를 포함한다.
상기 제1 공급부(231)는 상기 희석매질 공급부(220)일 수 있다.
상기 제2 공급부(232)는 상기 유량제어기(210)와 연결될 수 있다.
상기 믹싱부(233b)는 내벽 상단에 상단 막힘구조(234)가 형성되어 있고, 내벽 하단에 하단 막힘구조(235)가 형성되어 있어, 상기 막힘 구조를 통해 상기 혼합 유체가 고속 저압의 흐름으로 변화하게 된다. 상기 믹싱부(233b)는 상기 막힘구조로 인해 상기 유체의 이동방향으로 직경이 좁아지는 축관부(233b-1); 상기 축관부에 연속되며 일정 직경을 갖는 목부(233b-2); 및 상기 목부에 연결되어 유체의 이동방향으로 직경이 넓어지는 증관부(233b-3);가 형성된다. 상기 상단 막힘구조(234) 높이가 상기 하단 막힘구조(235)의 높이보다 더 낮을 때 유속의 증가로 인해 상기 믹싱부(233b) 통과 시 난류의 흐름 방향을 이젝터 상부와 하부에 충돌시켜 수소와 공기의 혼합효과가 현저하게 향상될 수 있다는 점에서 상기 상단 막힘구조(234) 높이가 상기 하단 막힘구조(235)의 높이 보다 더 낮은 것이 바람직하다.
보다 구체적으로 상기 하단 막힘구조(235) 높이(hB)에 대한 상기 상단 막힘구조(234)의 높이(hT) 비율(hT/hB)은 0.2 내지 0.99, 바람직하게는 0.25 내지 0.95, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.9일 수 있다. 상기 비율(hT/hB)이 상기 하한치 미만이면, 통과 면적이 적정 크기보다 커 운동에너지가 적어져 수소 흡입력이 저하될 수 있고, 반대로 상기 상한치 초과이면, 막힘구조가 커져 통과 면적이 적정 크기보다 작게 되어 급격한 단면 축소로 인하여 수소 흡입 시 에너지 손실이 증가할 수 있다.
상기 제2 공급부(232)는 상기 투입유체가 공급되는 노즐이 복수 개 구비된 것일 수 있으며, 이때 수소와 희석매질이 혼합되는 시간이 현저하게 감소한다는 이점이 존재한다.
상기 안전희석장치(200)가 감압형 방식을 이용하는 경우 희석매질을 상기 이젝터 유입하기 위하여 가스 유인 팬(ID FAN, Induced Draft Fan) 및 강제 통풍 팬(FD FAN, Forced Draft Fan) 중 어느 하나 이상을 이용할 수 있으며, 상기 이젝터 전단 및/또는 후단에 설치된다.
상기 도 5 (A)에 나타낸 바와 같이, 가스 유인 팬(ID FAN, Induced Draft Fan)을 이용하는 경우, 상기 이젝터 후단에 가스 유인 팬을 설치하여, 이젝터로 공급된 희석매질 및 수소가 상기 이젝터 후단에 설치된 가스 유인 팬을 통해 노즐(400)에서 요구하는 분사압(0.3 내지 20 kgf)을 형성시키며 주입될 수 있다.
상기 도 5 (B)에 나타낸 바와 같이, 강제 통풍 팬(FD FAN, Forced Draft Fan)을 이용하는 경우, 상기 이젝터 전단에 강제 통풍 팬을 설치하며, 0.3 내지 20 kgf 압력으로 희석매질이 공급될 수 있으며, 상기 가스 유인 팬을 이용할 때와 달리 상기 공기는 이젝터 통과시 감압된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 (A) 팽창탱크 이용 및 (B) 팽창탱크와 팽챙백 이용 팽창형 안전희석장치를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 (A) 팽창탱크 이용 및 (B) 팽창탱크와 팽챙백 이용 팽창형 안전희석장치를 나타낸 도면이다
이하, 상기 도 6 및 도 7을 참조하여 팽창형 안전희석장치(200)를 설명하도록 한다.
상기 팽창형 방식은 팽창매질의 유압을 이용하여 상기 버퍼탱크(230)에 투입되는 수소의 양을 조절하는 방법으로, 팽창형 방식을 이용하는 경우 상기 안전희석장치(200)는 팽창탱크(240) 또는 이와 팽창백(250)을 더 포함하고, 상기 버퍼탱크(230) 전단에 팽창탱크(240) 또는 이와 팽창백(250)이 구비되며, 수소는 수소 공급장치(100), 팽창탱크(240), 유량제어기(210), 버퍼탱크(230) 및 노즐(400) 순으로 이동하게 된다.
보다 구체적으로, 팽창형 방식은 팽창매질의 확장 및 축소에 따른 내부 압력 차이를 이용하여 상기 버퍼탱크(230)에 공급되는 수소의 양을 조절한다.
상기 안전희석장치(200)가 팽창탱크(240)만을 포함하는 경우, 상기 팽창탱크(240)는 내부 밀폐형임과 동시에 팽창매질(260)로 둘러싸여 있어 상기 팽창매질(260)의 수축 및 확장에 대응하는 확장 및 수축이 가능하다(도 6 (A) 및 도 7 (A)). 이에 상기 팽창매질(260)이 확장하면 상기 팽창탱크(240)의 부피가 감소하며 상기 버퍼탱크(230)로 공급되는 수소가 증가하게 되고, 상기 팽창매질(260)이 수축되면 상기 팽창탱크(240)의 부피가 상대적으로 증가하여 상기 버퍼탱크(230)에 공급되는 수소가 감소하게 된다.
상기 안전희석장치(200)가 팽창탱크(240) 및 팽창백(250)을 포함하는 경우, 상기 팽창백(250)은 상기 팽창탱크(240) 내부에 존재한다(도 6 (B) 및 도 7 (B)). 이에 상기 팽창백(250)이 확장하면 상기 팽창탱크(240)의 부피가 감소하며 상기 버퍼탱크(230)로 공급되는 수소가 증가하게 되고, 상기 팽창매질이 축소되면 상기 팽창탱크(240) 부피가 상대적으로 증가하여 상기 버퍼탱크(230)에 공급되는 수소가 감소하게 된다.
상기 팽창탱크(240)를 둘러싼 팽창매질(260) 또는 상기 팽창백(250)의 부피를 변화시키기 위하여 팽창매질을 공급하는 펌프;를 더 포함할 수 있다.
상기 팽창매질은 물(Water) 또는 질소(N2)일 수 있다. 특히, 상기 팽창매질은 공기를 사용하지 않는 것일 수 있는데, 공기를 사용할 때 팽창탱크에서 공기가 노출될 경우, 공기 중 수소함량이 4 내지 75 부피% 이내로 변동될 경우, 폭발 위험성이 커지는 문제점이 개선될 수 있다.
수소는 상기 팽창탱크(240)를 지나 상기 유량제어기(210)를 통하면서, 목표한 만큼의 수소만이 버퍼탱크(230)로 투입되게 된다. 또한, 상기 버퍼탱크(230)는 상기 희석매질 공급부(220)와 연결되어 희석매질이 공급되고 희석매질 및 수소가 혼합되어 4 부피% 미만의 수소 또는 94 부피% 초과의 수소를 포함하는 희석된 수소를 노즐(400)을 통해 상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 공급된다.
상기 노즐(400)에 공급되는 희석된 수소의 공기압이 0.3 내지 20 kgf가 되도록 상기 팽창탱크(240) 또는 상기 팽창백(250)을 가압시켜 상기 버퍼탱크(230) 내부로 주입할 수 있다.
상기 안전희석장치(200)가 가압형 방식을 이용하는 경우, 상기 유량제어기(210) 전단에 팬(fan);을 더 포함할 수 있다. 상기 팬(fan)은 상기 수소를 가압시켜 상기 유량제어기(210)를 거쳐 버퍼탱크(230)로 수소를 공급한다.
상기 탈질환원제 공급장치(300)는 탈질환원제 저장부(310), 물 저장부(320) 및 탈질환원제 희석부(330)를 포함할 수 있다. 상기 탈질환원제 희석부(330)는 탈질환원제 저장부(310) 및 물 저장부(320)와 연결된다.
상기 탈질환원제는 암모니아 또는 요소 중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 탈질환원제는 암모니아수 또는 요소수와 같은 액상으로 주입될 수 있다.
상기 탈질환원제는 탈질환원제 희석부(330)에서 탈질환원제와 물이 혼합되어 3 내지 4 중량% 농도로 희석된 후 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 공급될 수 있다.
상기 희석된 탈질환원제는 탈질환원제 희석부(330)와 수소 희석매질 공급부(220)가 연결된 통합노즐(430)을 통해 상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 공급될 수 있고, 이때의 통합노즐(430)은 이류체 노즐일 수 있다.
상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에서는 배기가스, 탈질환원제 및 수소가 반응하여, 배기가스의 질소산화물(NOx)이 환원된다.
전술한 바와 같이, 수소 공급에 따라 SNCR 반응온도 영역의 증가로 질소산화물과 환원제와의 반응시간이 증가되어 탈질효율이 증가할 수 있다. 보다 구체적으로, 종래 암모니아(NH3) 이용 SNCR 성능은 50 내지 60%를 상회하고 있으나, 수소를 추가적으로 주입한 본 발명의 NH3-SNCR 성능은 80% 내외의 성능을 나타내어 종래 기술에 비하여 탈질 성능이 20 내지 30% 향상될 수 있다.
식 (2): 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
뿐만 아니라, SNCR에 수소를 추가함으로써 불완전 연소 시 발생되는 가시매연 원인인 NO2를 효과적으로 제거할 수 있다. 현재 NO2를 제거하기 위하여 HC-SNCR로 산화물로 탄화수소류 또는 알코올류를 넣어 O2보다 산화력이 강한 NO2와 산화반응시켜 NO2를 NO로 환원시키고 있으며, 석탄에 암모니아를 혼소하였을 경우는 N2O가 발생한다. 그러나, 본 발명에서는 탄화수소 대신 H2를 사용함으로서 O2보다 산화력이 강한 NO2와 산화반응시켜 아래 식 (3) 및 식 (4)와 같이 N2O를 N2로 환원시키는 것이 가능하기에 화력발전소 기동 시 문제가 될 수 있는 불완전 연소 시 발생되는 NO2를 제거하는데도 효과적이다.
식 (3): 2NO2 + H2 → N2 + 2H2O
식 (4): N2O + H2 → N2 + H2O
상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 공급되는 상기 배기가스 내 산화질소(NOx)에 대한 상기 탈질환원제의 몰비는 0.5 내지 1.5, 바람직하게는 0.6 내지 1.3, 더욱 바람직하게는 0.7 내지 1.2, 가장 바람직하게는 0.9 내지 1.1 이고, 상기 배기가스 내 산화질소(NO)에 대한 상기 수소의 몰비는 0.01 내지 3.0, 바람직하게는 0.06 내지 1.95, 더욱 바람직하게는 0.14 내지 1.2, 가장 바람직하게는 0.18 내지 0.7 일 수 있다. 상기 배기가스 내 산화질소(NO)에 대한 상기 탈질환원제 및 상기 수소의 몰비 중 어느 하나라도 상기 범위를 벗어나는 경우 수소에 의한 탈질환원제의 증진효과가 저하될 수 있다.
상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 공급되는 상기 탈질환원제에 대한 상기 수소의 몰비는 0.02 내지 2.0, 바람직하게는 0.1 내지 1.5, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 1.0, 가장 바람직하게는 0.2 내지 0.7일 수 있다. 상기 탈질환원제에 대한 상기 수소의 몰비가 상기 하한치 미만이면, 탈질 성능 증진 효과를 기대하기 어려울 수 있고, 반대로 상기 상한치 초과하여 계속 주입하면, 산소가 함유된 배가스 내 수소 폭발범위인 4 부피% 이상에 도달할 위험이 있을 수 있다.
상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)의 온도는 580 내지 1150 ℃, 바람직하게는 750 내지 1100 ℃, 더욱 바람직하게는 850 내지 1050 ℃, 가장 바람직하게는 850 내지 900 ℃일 수 있다. 챔버의 온도가 상기 하한치 미만이면, 수소에 의한 암모니아 탈질 증진반응이 떨어져 탈질 반응이 효율적으로 일어나지 못할 수 있고, 반대로 상기 상한치 초과이면, 수소가 급속히 산화되어 암모니아의 탈질 증진효과가 미미할 수 있다.
상기 안전희석장치(200)에서 수득되는 희석된 수소는 노즐(400)을 통해 상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 주입된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 (A) 이류체 노즐 및 (B) 단일체 노즐을 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
상기 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 노즐(400)은 상기 탈질환원제와 따로 상기 희석된 수소를 상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 주입하는 제1 노즐(410)일 수 있으며, 상기 노즐(400)이 제1 노즐(410)일 때 본 발명은 상기 탈질환원제를 상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 주입하는 제2 노즐(420)을 더 포함할 수 있다.
상기 도 8 (A)에 도시한 바와 같이, 상기 제1 노즐(410)은 상기 버퍼탱크(230) 및 상기 희석매질 공급부(220)에 연결된 이류체 노즐일 수 있다. 이때 상기 희석매질 공급부(220)는 상기 버퍼탱크(230)에 연결되지 않고, 상기 제1 노즐(410)에 연결되어, 희석매질을 상기 버퍼탱크(230)가 아닌 상기 제1 노즐(410)로 공급한다. 또한, 이때 상기 도 8 (A)에 도시하지는 않았지만, 현장에 별도로 존재하는 공기 공급라인을 이용하여 공기가 이중노즐로 공급되어 수소의 부피%가 조절될 수 있다.
상기 도 8 (B)에 도시한 바와 같이, 상기 제1 노즐(410)은 상기 버퍼탱크(230)와 단일 연결된 단일체 노즐일 수 있다.
상기 제2 노즐(420)은 이류체 노즐 또는 단일체 노즐일 수 있다.
본 발명의 선택적 무촉매 환원장치는 상기 제2 노즐(420)이 상기 제1 노즐(410) 아래에 위치되도록 상기 제1 노즐(410) 및 제2 노즐(420)이 다단으로 배치될 수 있다. 이러한 다단 배치는 배가스가 상기 제2 노즐(420) 하부에서 상부로 배출될 경우, 액상으로 주입되는 탈질환원제의 NH3로의 전환속도, 전환된 NH3와 NOx가 반응하는 속도 및 기상으로 주입되는 H2와 NH3 및/또는 H2와 NOx의 반응속도에 차이에 따른 반응시간의 차이를 현저하게 줄일 수 있어 수소 기체 주입으로 인한 질소산화물 제거 성능 증진 효과를 극대화할 수 있다. 또한, 상기 제2 노즐(420)이 상기 제1 노즐(410) 아래에 위치되는 다단 배치는 상기 제1 노즐(410) 및 제2 노즐(420)이 동일한 높이에서 주입되어 기상으로 주입되는 H2의 반응성이 액상으로 주입되는 탈질환원제가 NH3로의 전환보다 빨라 혼합되기 전에 미리 산화되는 경우보다 성능이 5 내지 20% 향상될 수 있다.
또한, 상기 제1 노즐(410)이 상기 제2 노즐(420) 아래에 위치되도록 상기 제1 노즐(410) 및 제2 노즐(420)이 다단으로 배치되는 경우에는 상기 제1 노즐(410) 및 제2 노즐(420)이 동일한 높이에서 주입되는 경우 보다 기상으로 주입되는 H2가 탈질환원제 주입 전에 더 빨리 산화되어 탈질성능은 더 저하될 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 안전희석장치(200)에서 수소가 4 부피% 미만 또는 95 부피% 이상으로 희석될 수 있는데, 수소가 4 부피% 미만으로 희석되는 경우 배가스 내 고른 혼합을 위한 주입량이 충분하기 때문에 상기 제1 노즐(410)은 단일 노즐일 수 있고, 수소가 95 부피% 이상로 희석되는 경우 소량을 주입해야 되고 배가스 내 고르게 혼합되는 것이 바람직하기 때문에 상기 제1 노즐(410)은 이류체 노즐일 수 있다.
상기 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 노즐(400)은 상기 희석된 수소 및 상기 탈질환원제가 동시에 공급되는 통합노즐(430)일 수 있으며, 상기 통합노즐(430)은 상기 안전희석장치(200) 및 상기 탈질환원제 공급장치(300)에 연결된 이류체 노즐일 수 있다.
특히, 하기 실시예 및 비교예에 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명의 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치에 있어서, 하기 조건들을 달리하여 두달 동안 탈질 공정을 수행하고 탈질 성능을 초기와 비교하였다.
상기 안전희석장치(200)는 상기 수소 공급부와 연결되는 유량제어기(210);를 포함하고, 상기 유량제어기는 상기 희석된 수소에 수소가 3 부피% 이하로 포함되도록 상기 수소를 공급하는 것이고,
상기 안전희석장치(200)는 작동 유체로 공기가 주입되고, 투입유체로 수소가 공급되는 이젝터;를 포함하고,
상기 이젝터는 작동유체가 공급되는 제1 공급부(231); 투입유체가 공급되는 제2 공급부(232); 및 본체(233);를 포함하고, 상기 본체(233)는 상기 제1 공급부(231)와 연결되어 상기 작동유체가 흡입되는 흡입부(233a); 상기 제2 공급부(232) 및 상기 흡입부(233a)와 연결되며, 상기 작동유체 및 상기 투입유체가 혼합되어 혼합유체를 형성하는 믹싱부(233b); 및 상기 믹싱부(233b)와 연결되고, 상기 믹싱부(233b)에서 혼합된 유체를 배출하는 디퓨저부(233c);를 포함하고, 상기 믹싱부(233b)는 유체가 유동되는 공간의 부피를 감소시키도록 내벽 상단에 상단 막힘구조(234)가 형성되어 있고, 내벽 하단에 하단 막힘구조(235)가 형성되고, 상기 하단 막힘구조(235) 높이(hB)에 대한 상기 상단 막힘구조(234)의 높이(hT) 비율(hT/hB)은 0.3 내지 0.9이고, 상기 제2 공급부(232)는 투입유체를 공급하는 복수 개의 노즐을 포함하는 것이고,
상기 희석매질은 0.3 내지 20 kgf 압력이 형성되도록 공급되는 것이고,
상기 희석된 수소를 상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 주입하는 제1 노즐(410) 및 상기 탈질환원제를 상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 주입하는 제2 노즐(420)을 더 포함하고,
상기 제2 노즐(420)이 상기 제1 노즐(410) 아래에 위치되도록 상기 제1 노즐(410) 및 제2 노즐(420)이 다단으로 배치되는 것이고,
상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 공급되는 상기 배기가스 내 산화질소(NOx)에 대한 상기 탈질환원제의 몰비는 0.9 내지 1.1 이고, 상기 배기가스 내 산화질소(NOx)에 대한 상기 수소의 몰비는 0.18 내지 0.7이고,
상기 탈질환원제에 대한 상기 수소의 몰비는 0.2 내지 0.7이고,
상기 챔버의 온도는 850 내지 900 ℃일 수 있다.
그 결과, 상기 조건들을 모두 만족할 때 수소 공급에 따른 어떠한 안전 문제가 발생하지 않았을 뿐 아니라, 탈질 성능이 초기와 동일한 수준으로 유지되어 특히 더 우수한 것을 확인하였다.
다만, 상기 조건들 중 어느 하나라도 만족하지 않는 경우, 그 정도는 조건에 따라 차이가 있었으나, 두달 후 탈질 성능이 초기보다 저하되는 것이 확인되었다.
본 발명의 다른 측면은 안전희석장치에 수소 기체 및 희석매질을 각각 공급하고, 이들을 혼합하여 희석된 수소를 수득하는 희석 단계; 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부에 상기 희석된 수소 기체, 탈질환원제 및 배기가스를 공급하는 공급 단계; 및 상기 배기가스, 상기 수소 및 상기 탈질환원제가 반응하는 탈질 단계;를 포함하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 공정을 제공한다.
상기 희석 단계에서는 안전희석장치(200)에 수소 기체 및 희석매질을 각각 공급하고, 이들을 혼합하여 희석된 수소를 수득한다.
상기 안전희석장치(200)에 공급되는 수소 기체는 LNG 개질 장치, 암모니아 개질 장치, 수전해장치 또는 해수전해장치 중 어느 하나 이상의 수소발생장치, 가장 바람직하게는 해수전해장치에서 발생되는 수소 기체일 수 있다.
상기 희석 단계에서 상기 수소 기체는 유량제어기(210)를 통해 유량이 조절된 후 안전희석장치(200)의 버퍼탱크(230)에 주입될 수 있으며, 상기 버퍼탱크(230)에서 희석매질과 혼합되어 4 부피% 미만, 바람직하게는 3 부피% 이하 또는 94 부피% 초과, 바람직하게는 95 부피% 이상의 희석된 수소가 수득된다.
상기 희석매질은 공기, 질소 및 물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 공기일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 희석 단계는 이젝터에 작동유체로 희석매질을 공급하고, 투입유체로 수소를 공급하여 희석된 수소를 수득하는 감압형 방식을 이용하는 것일 수 있다.
상기 이젝터는 작동유체가 공급되는 제1 공급부(231); 본체(233); 및 투입유체가 공급되는 제2 공급부(232);를 포함하고, 상기 본체(233)는 상기 제1 공급부(231)와 연결되어 상기 작동유체가 흡입되는 흡입부(233a); 상기 제2 공급부(232) 및 상기 흡입부(233a)와 연결되며, 작동유체 및 투입유체가 혼합하여 혼합유체를 형성하는 믹싱부(233b); 및 상기 믹싱부(233b)와 연결되고, 상기 혼합유체를 배출하는 디퓨저부(233c);를 포함할 수 있다.
상기 믹싱부(233b)는 내벽 상단에 상단 막힘구조(234)가 형성되어 있고, 내벽 하단에 하단 막힘구조(235)가 형성되어 있어, 상기 막힘 구조를 통해 상기 혼합 유체가 고속 저압의 흐름으로 변화하게 된다. 상기 믹싱부(233b)는 상기 막힘구조로 인해 상기 유체의 이동방향으로 직경이 좁아지는 축관부(233b-1); 상기 축관부에 연속되며 일정 직경을 갖는 목부(233b-2); 및 상기 목부에 연결되어 유체의 이동방향으로 직경이 넓어지는 증관부(233b-3);가 형성되며, 바람직하게는 상기 상단 막힘구조(234) 높이가 상기 하단 막힘구조(235)의 높이 보다 더 낮을 수 있다. 보다 구체적으로 상기 하단 막힘구조(235) 높이(hB)에 대한 상기 상단 막힘구조(234)의 높이(hT) 비율(hT/hB)은 0.2 내지 0.99, 바람직하게는 0.25 내지 0.95, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.9 일 수 있다. 상기 비율(hT/hB)이 상기 하한치 미만이면, 운동에너지가 적어져 수소 흡입력이 저하일 수 있고, 반대로 상기 상한치 초과이면, 수소 흡입 시 에너지 손실이 증가할 수 있다.
상기 제2 공급부(232)는 상기 투입유체가 공급되는 노즐이 복수 개 구비된 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 상단 막힘구조(234)의 높이는 상기 하단 막힘구조(235)의 높이 보다 더 높은 것이고, 상기 제2 공급부(232)는 투입유체를 공급하는 복수 개의 노즐을 포함하는 것일 수 있다.
상기 희석 단계에서 감압형 방식이 이용될 때 희석매질을 상기 이젝터 유입하기 위하여 가스 유인 팬(ID FAN, Induced Draft Fan) 및 강제 통풍 팬(FD FAN, Forced Draft Fan) 중 어느 하나 이상을 이용할 수 있다. 가스 유인 팬(ID FAN, Induced Draft Fan)을 이용하는 경우, 상기 이젝터 후단에 가스 유인 팬을 설치하여(도 5A), 이젝터로 공급된 희석매질 및 수소가 상기 이젝터 후단에 설치된 가스 유인 팬을 통해 노즐(400)에서 요구하는 분사압(0.3 내지 20 kgf)을 형성시키며 노즐(400)로 주입될 수 있다. 반면, 강제 통풍 팬(FD FAN, Forced Draft Fan)을 이용하는 경우(도 5 (B)), 상기 강제 통풍 팬는 상기 이젝터 전단에 설치되며, 상기 가스 유인 팬을 이용할 때와 달리 상기 공기는 이젝터 통과시 감압되기에 0.3 내지 20 kgf 압력으로 희석매질이 공급될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 희석 단계는 팽창매질의 유압을 이용하여 상기 안전희석장치 내 버퍼탱크에 투입되는 수소의 양을 조절하는 팽창형 방식을 이용하는 것일 수 있다.
상기 팽창형 방식은 팽창탱크(240) 또는 이와 팽창백(250)을 이용하는 것일 수 있으며, 상기 안전희석장치(200)는 팽창탱크(240) 또는 이와 팽창백(250)를 더 포함하고, 상기 버퍼탱크(230) 전단에 팽창탱크(240) 또는 이와 팽창백(250)이 구비되며, 수소 공급장치(100), 팽창탱크(240), 유량제어기(210) 및 버퍼탱크(230) 순으로 이동하게 된다.
상기 안전희석장치(200)가 팽창탱크(240)만을 포함하는 경우, 상기 팽창탱크(240)는 팽창매질(260)의 수축 및 확장에 대응하는 확장 및 수축이 가능한 내부 밀폐형으로, 상기 팽창탱크(240)는 팽창매질(260)로 둘러싸여 있다(도 6 (A) 및 도 7 (A)). 이에 상기 희석 단계는 상기 팽창매질(260)의 부피를 변화시켜 상기 버퍼탱크에 공급되는 수소의 양을 조절하여 수행되며, 보다 구체적으로 상기 팽창매질(260)의 부피가 증가하면 상기 수소 저장부의 부피가 감소하며 상기 버퍼탱크(230)로 공급되는 수소가 증가하게 되고, 상기 팽창매질(260)의 부피가 감소되면 상기 팽창탱크(240)의 부피가 상대적으로 증가하여 상기 버퍼탱크(230)에 공급되는 수소가 감소하게 된다.
상기 안전희석장치(200)가 팽창탱크(240) 및 팽창백(250)을 포함하는 경우, 상기 팽창백(250)은 상기 팽창탱크(240) 내부에 존재한다(도 6 (B) 및 도 7 (B)). 이에 상기 희석 단계는 상기 팽창백의 부피를 변화시켜 상기 버퍼탱크에 공급되는 수소의 양을 조절하여 수행되는 것일 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 팽창백(250)이 확장하면 상기 팽창탱크(240)의 부피가 감소하며 상기 버퍼탱크(230)로 공급되는 수소가 증가하게 되고, 상기 팽창백(250)이 축소되면 상기 팽창탱크(240) 부피가 상대적으로 증가하여 상기 버퍼탱크(230)에 공급되는 수소가 감소하게 된다.
펌프를 이용하여 상기 팽창탱크(240)를 둘러싼 팽창매질 또는 팽창백(250)에 공급되는 팽창매질 양을 조절하여 부피를 변화시킬 수 있다.
상기 팽창매질은 물(Water) 또는 질소(N2)일 수 있다.
상기 희석 단계가 팽창형 방식을 이용할 때 희석된 수소의 공기압이 0.3 내지 20 kgf 가 되도록 상기 팽창탱크(240) 또는 상기 팽창백(250)을 가압시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 희석 단계는 상기 수소를 가압시켜 상기 유량제어기(210)를 거쳐 버퍼탱크(230)로 수소를 공급하는 가압형 방식을 이용하는 것일 수 있다.
상기 공급 단계는 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 상기 희석된 수소 기체, 상기 탈질환원제 및 배기가스를 공급하는 단계이다.
상기 탈질환원제는 암모니아 또는 요소 중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 탈질환원제는 암모니아수 또는 요소수와 같은 액상으로 주입될 수 있다.
상기 탈질환원제는 물과 혼합되어 3 내지 4 중량% 농도로 희석된 것일 수 있다.
상기 공급 단계에서 상기 희석된 수소는 제1 노즐(410)로 공급되고 상기 탈질환원제는 제2 노즐(420)로 상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 주입되거나, 상기 희석된 수소는 상기 탈질환원제와 함께 통합 노즐(430)로 상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 주입될 수 있다.
상기 제1 노즐(410)은 상기 제1 노즐(410)은 상기 버퍼탱크(230) 및 상기 희석매질 공급부(220)에 연결된 이류체 노즐일 수 있다.
상기 제1 노즐(410)은 상기 버퍼탱크(230)와 단일 연결된 단일체 노즐일 수 있다.
상기 제2 노즐(420)은 이류체 노즐 또는 단일체 노즐일 수 있다.
상기 공급 단계에서 상기 희석된 수소는 제1 노즐(410)로 공급되고 상기 탈질환원제는 상기 제1 노즐(410) 아래에 다단으로 위치한 제2 노즐(420)로 주입될 수 있다.
상기 통합노즐(430)은 이류체 노즐일 수 있다.
상기 통합노즐(430)은 상기 안전희석장치(200) 및 상기 탈질환원제 공급장치(300)에 연결된 이류체 노즐일 수 있다.
상기 희석 단계에서 수소가 4 부피% 미만으로 희석되는 경우 상기 제1 노즐(410)은 단일 노즐일 수 있고, 수소가 95 부피% 이상로 희석되는 경우 상기 제1 노즐(410)은 이류체 노즐일 수 있다.
상기 탈질 단계는 상기 배기가스, 상기 수소 및 상기 탈질환원제가 반응하여, 배기가스의 질소산화물(NOx)이 환원되는 단계이다.
상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 공급되는 상기 배기가스 내 산화질소(NO)에 대한 상기 탈질환원제의 몰비는 0.5 내지 1.5, 바람직하게는 0.6 내지 1.3, 더욱 바람직하게는 0.7 내지 1.2, 가장 바람직하게는 0.9 내지 1.1 이고, 상기 배기가스 내 산화질소(NO)에 대한 상기 수소의 몰비는 0.01 내지 3.0, 바람직하게는 0.06 내지 1.95, 더욱 바람직하게는 0.14 내지 1.2, 가장 바람직하게는 0.18 내지 0.7일 수 있다.
상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 공급되는 상기 탈질환원제에 대한 상기 수소의 몰비는 0.02 내지 2.0, 바람직하게는 0.1 내지 1.5, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 1.0, 가장 바람직하게는 0.2 내지 0.7일 수 있다.
상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)의 온도는 580 내지 1150 ℃, 바람직하게는 750 내지 1100 ℃, 더욱 바람직하게는 850 내지 1050 ℃, 가장 바람직하게는 850 내지 900 ℃일 수 있다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다.
실시예 1. H
2
+NH
3
-SNCR 성능 (최대 체류시간 17.9 sec)
모사가스 공급장치, 모사가스 혼합장치, 예열장치, 반응장치, 예열장치와 반응장치 중간 H2 주입부분, 소성로 및 NOx 분석장치로 구성한 실험 장비를 준비하고, 주입되는 모사가스의 NOx 농도를 고정시킨 상태에서 NH3 주입량과 H2 주입량의 비의 하기 표 1과 같이 변화시켜 이에 따른 탈질성능을 비교하였다.
보다 구체적으로는, NO, O2 및 NH3를 각각 질량유량제어기(MFC; Mass flow meter)를 통하여 모사가스 혼합장치에 주입하여 혼합시킨 후 예열장치에서 예열시킨 후, 소성로 내부 반응장치로 유입시켰다. 이때 H2의 주입은 예열장치와 반응장치(소성로 내부) 중간에 H2 주입부분를 설치하여 H2를 주입하였으며, 반응장치(소성로 내부) 후단에서 NOx 분석장치를 설치하여 H2 및 NH3 주입 전, 후의 NOx 농도를 측정할 수 있도록 구성하였다.
모사가스 주입조건은 Lab. test 유량 3 L/min, N2 balance 하, O2 6.5%, NO 200 ppm, NH3 200 ppm을 질량유량제어기로 조정하여 모사가스 혼합장치로 유입시켜 혼합된 후에 예열부 측에서 공급되었다. 이후, H2는 탱크 내 고압 형성을 위하여 붐베 내 고압을 레귤레이터 및 MFC로 조정하여 팽창형 방식으로 H2/NH3 비율을 0.2 내지 1.0으로 조절하여 예열장치와 반응장치 중간 H2 주입부분에 주입하였다.
상기와 같이 주입된 H2 가스는 예열장치 쪽의 모사가스와 혼합한 후 반응장치(소성로 내부)에서 H2+NH3=SNCR 반응을 유도하였으며, 이때 온도구간별 H2/NH3 성능을 비교하기 위하여 아래 표 1과 같이 소성로 내부 반응온도는 650 ℃에서 900 ℃로, 체류시간은 최대 17.9 sec로 조절하였다.
| 반응온도(℃) | NH3/NO 몰비 | H2/NO 몰비 | H2/NH3 몰비 | 비고 |
| 650 | 1 | 0 | 0 | 3 L/min O2 (6~7%) NO (200 ppm) NH3 (200 ppm) H2 (0, 40 ppm) 체류시간 17.9sec |
| 0.2 | 0.2 | |||
| 700 | 1 | 0 | 0 | |
| 0.2 | 0.2 | |||
| 750 | 1 | 0 | 0 | |
| 0.2 | 0.2 | |||
| 800 | 1 | 0 | 0 | |
| 0.2 | 0.2 | |||
| 850 | 1 | 0 | 0 | |
| 0.2 | 0.2 | |||
| 900 | 1 | 0 | 0 | |
| 0.2 | 0.2 |
실시예 2. H
2
+NH
3
-SNCR 성능 (최소 체류시간 0.27 sec)
NO, O2 및 NH3를 각각 질량유량제어기(MFC; Mass flow meter)를 통하여 모사가스 혼합장치에 주입하여 혼합시킨 후 예열장치에서 예열시킨 후, 소성로 내부 반응장치로 유입시켰다. 이때 H2의 주입은 예열장치와 반응장치(소성로 내부) 중간에 H2 주입부분를 설치하여 H2를 주입하였으며, 반응장치(소성로 내부) 후단에서 NOx 분석장치를 설치하여 H2 & NH3 주입 전, 후의 NOx 농도를 측정할 수 있도록 구성하였다.
모사가스 주입조건은 Lab. test 유량 3 L/min, N2 balance 하, O2 6.5%, NO 200 ppm, NH3 200 ppm을 질량유량제어기로 조정하여 모사가스 혼합장치로 유입시켜 혼합된 후에 예열부 측에서 공급되었다. 이후, H2는 탱크 내 고압 형성을 위하여 붐베 내 고압을 레귤레이터 및 MFC로 조정하는 팽창형 방식으로 H2/NH3 비율을 0.2 내지 1.0으로 조절하여 예열장치와 반응장치 중간 H2 주입부분에 주입하였다.
상기와 같이 주입된 H2 가스는 예열장치 쪽의 모사가스와 혼합한 후 반응장치(소성로 내부)에서 H2+NH3=SNCR 반응을 유도하였으며, 이때 온도구간별 H2/NH3 성능을 비교하기 위하여 아래 표 2와 같이 소성로 내부 반응온도는 650 ℃에서 950 ℃, 체류시간은 최소 0.27 sec로 조절하였다.
| 반응온도(℃) | NH3/NO 몰비 | H2/NO 몰비 | H2/NH3 몰비 | 비고 |
| 650 | 1 | 0 | 0 | 3 L/min O2 (6~7%)NO (200 ppm) NH3 (200 ppm) H2 (0~120 ppm) 체류시간 0.27sec |
| 650 | 1 | 0.2 | 0.2 | |
| 650 | 1 | 0.4 | 0.4 | |
| 650 | 1 | 0.6 | 0.6 | |
| 750 | 1 | 0 | 0 | |
| 750 | 1 | 0.2 | 0.2 | |
| 750 | 1 | 0.4 | 0.4 | |
| 750 | 1 | 0.6 | 0.6 | |
| 800 | 1 | 0 | 0 | |
| 800 | 1 | 0.2 | 0.2 | |
| 800 | 1 | 0.4 | 0.4 | |
| 800 | 1 | 0.6 | 0.6 | |
| 850 | 1 | 0 | 0 | |
| 850 | 1 | 0.2 | 0.2 | |
| 850 | 1 | 0.4 | 0.4 | |
| 850 | 1 | 0.6 | 0.6 | |
| 900 | 1 | 0 | 0 | |
| 900 | 1 | 0.2 | 0.2 | |
| 900 | 1 | 0.4 | 0.4 | |
| 900 | 1 | 0.6 | 0.6 | |
| 950 | 1 | 0 | 0 | |
| 950 | 1 | 0.2 | 0.2 | |
| 950 | 1 | 0.4 | 0.4 | |
| 950 | 1 | 0.6 | 0.6 |
실시예 3
H2 주입방식에 따른 비교를 위하여 Lab. test 유량 3 L/min, N2 balance 하, H2 최저 40 ppm 최대 400 ppm 수준으로 수소를 조절하기 위하여 팽창형 및 감압형 방식으로 H2을 주입하였다. 이때 수소 공급 방법을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조건에서 수행하였다.
먼저, 팽창형 방식에서는 Lab. test 유량 3 L/min, N2 balance 하, H2 최저 40 ppm 최대 400 ppm 수준으로 주입이 가능한 H2 주입 MFC 전단에 버퍼탱크(1 L 용량)를 설치하고 3 L 팽창탱크 내에 부풀어 오를 수 있는 2 L 용량의 테들라 백(팽창백)을 넣은 다음에 H2를 버퍼탱크와 3 L 팽창탱크에 채우고, 그 다음에 테들라 백에 N2 실린더에서 시간당 1 mL/min 부터 10 mL/min 정도 범위로 N2를 주입하여 버퍼탱크 내로 유입시켰다.
감압형 방식에서는 Lab. test 유량 3 L/min, N2 balance 하, H2 최저 40 ppm(탈질환원제에 대한 상기 수소의 몰비 0.2 기준) 최대 400 ppm 수준(탈질환원제에 대한 상기 수소의 몰비 2.0 기준)으로 주입이 가능한지 N2 주입 MFC를 2개로 하여 1개는 N2 주입량을 1에서 2 L/min으로 조절하여 주입하고, 1개는 버퍼탱크(1 L 용량) 전단에 설치하여 1에서 2 L/min으로 조절하여 주입하여 전체량은 3 L/min이 되도록 설치하고, 버퍼탱크로 감압형 방식으로 H2을 주입하였다.
여기서 감압형은 버퍼탱크(1 L 용량) 후단에 소형 Vacuum Ejector를 설치하고, Vacuum Ejector 하단 흡입되는 곳에 3 L 탱크에 수소를 채운 후, Vacuum Ejector 전단에 설치된 N2 실린더에서 전체 N2 주입 유량을 최저 0.1 L/min 부터 3 L/min로 조절(최대 3 kgf)하여 버퍼탱크로 유입시켰다.
실시예 3에서 주입 방식 및 수소 농도에 따른 수소 주입량은 하기 표 3에 나타내었다.
| 수소 농도 (ppm) |
주입방식 | H2 주입량 (ml/min) |
비고 |
| 40 | 팽창형 | 6 | 전체 유량 3 L/min 기준 |
| 400 | 60 | ||
| 40 | 감압형 | 6 | |
| 400 | 60 |
실시예 4
도 9는 본 발명의 실시예 4에 따른 ID Fan 이용 감압형 H2 안전희석장치를 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
상기 도 9에 나타낸 실시예 4에 따른 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치에서는, 감압형 방식으로 수소를 희석할 때 버퍼탱크(230)로 이젝터가 이용되며, ID Fan을 통하여 이젝터 내로 희석매질(공기)이 유입되고, 이젝터 중앙 통과 시 감압되어 수소발생장치(110)인 해수전해설비에서 대기압 수준으로 발생한 수소(H2)가 이젝터 내로 유입되어 혼합될 수 있다. 이때 유입되는 수소(H2)의 양은 유량제어기(210)를 통하여 조절되며, 혼합된 3 부피% 이하의 H2/Air는 ID fan을 통하여 4 내지 7 kgf로 가압되어 노즐(400)을 통하여 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 분사된다.
실시예 5
도 10은 본 발명의 실시예 5에 따른 FD Fan 이용 감압형 H2 안전희석장치를 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
상기 도 10에 나타낸 실시예 5에 따른 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치에서는, 감압형 방식으로 수소를 희석할 때 버퍼탱크(230)로 이젝터가 이용되며, FD Fan을 통하여 이젝터 내로 0.3 내지 20 kgf(바람직하게는 4 내지 7 kgf)로 Air(희석매질)를 유입시키고, 이젝터 중앙 통과 시 감압되어 수소발생장치(110)인 해수전해설비에서 대기압 수준으로 발생한 H2가 이젝터 내로 유입되어 혼합된다. 이때 유입되는 H2의 양은 유량제어기(210)를 통하여 조절이 되며, 혼합된 3 부피% 이하 또는 95% 이상의 H2/Air는 노즐(400)을 통하여 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 분사된다.
실시예 6
도 11은 본 발명의 실시예 6에 따른 FD Fan 및 팽창백을 이용한 혼합형 H2 안전희석장치를 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
상기 도 11에 나타낸 실시예 6에 따른 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치에서는, 버퍼탱크(230)로 이젝터가 이용되며 FD Fan을 통하여 이젝터 내로 0.3 내지 20 kgf(바람직하게는 4 내지 7 kgf)로 Air(희석매질)를 유입시키고, 이젝터 중앙 통과 시 감압되어 수소발생장치(110)인 해수전해설비에서 대기압 수준으로 발생한 H2가 이젝터 내로 유입되어 혼합된다.
이때 유입되는 H2의 양은 유량제어기를 통하여 조절되며, H2의 유입을 원활하게 주입하기 위하여 보조적으로 수소저장부(120)를 팽창탱크(240)로 이용하고, 내부에 팽창백(250)을 설치하여 상기 팽창백(250)에 공급되는 팽창매질을 조절하여 팽창백(250)을 팽창시킴으로서 이젝터로의 유입압력을 조절할 수 있다. 이러한 수단으로 혼합된 3 부피% 이하 또는 95% 이상 H2/Air는 노즐(400)을 통하여 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 분사된다.
실시예 7
도 12는 본 발명의 실시예 7에 따른 팽창탱크 이용 팽창형 H2 안전공급설비를 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
상기 도 12에 나타낸 실시예 7에 따른 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치에서는, 수소발생장치(110)인 수전해설비에서 대기압 수준으로 발생한 H2는 감압시킨 밀폐형 팽창탱크(240)로 유입되고, 저장된 H2는 0.3 내지 20 kgf(바람직하게는 4 내지 7 kgf)로 가압시킨 밀페형 팽창탱크(240)에서 유량제어기(210)를 통해 버퍼탱크(230) 내로 유입되어 공기(희석매질)와 혼합되고 혼합된 3 부피% 이하 또는 95% 이상의 H2/Air는 노즐(400)을 통하여 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 분사된다.
실시예 8
도 13은 본 발명의 실시예 8에 따른 가압형 H2 안전공급설비를 이용한 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치를 나타낸 것이다.
상기 도 13에 나타낸 실시예 8에 따른 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치에서는, 버퍼탱크(230)로 이젝터가 이용되며 이젝터 내로 0.3 내지 20 kgf(바람직하게는 4 내지 7 kgf)로 Air를 유입시키면서 발생되는 이젝터 중앙의 감압으로 수소발생장치(110)인 수전해설비에서 대기압 수준으로 발생한 H2가 이젝터 내로 유입되어 혼합된다. 이때 H2의 유입을 원활하게하기 위하여 추가적으로 유량제어기(210) 하단에 fan을 보조적인 수단으로 이용할 수 있으며, fan을 통하여 유입된 H2의 양은 유량제어기(210)를 통하여 조절된다. 혼합된 3 부피% 이하 또는 95% 이상의 H2/Air는 노즐(400)을 통하여 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부(500)에 분사된다.
상기 실시예 4 내지 8에서, 수소발생장치(110)인 해수전해설비 내 해수가 안전희석장치로 유입되는 것을 방지하기 위하여 해수 상단에 부직포 형태의 필터를 가이드로 설치할 수 있으며, SNCR 미사용 시, 발생된 수소는 외기 벤트용 밸브(130)를 통해 외기로 배출된다.
또한, 상기 실시예 4 내지 8에서, 수소발생장치(110)로 해수전해설비를 예를 들어 설명하였으나, LNG개질, NH3 개질, 수전해 방법으로 발생되는 수소도 이용할 수 있음은 당연하다.
비교예 1
상기 실시예 1과 동일하게 탈질 반응을 수행하되, NH3-SNCR에 수소를 미첨가하였으며, 상세한 조건은 하기 표 4에 나타내었다.
| 반응온도(℃) | NH3/NO 비 | H2/NO 비 | H2/NH3 비 | 비고 |
| 650 | 1 | H2 off | H2 off | 3L/min O2 (6~7%)NO (200 ppm) NH3 (200 ppm) H2 (0 ppm) |
| 700 | 1 | H2 off | H2 off | |
| 750 | 1 | H2 off | H2 off | |
| 800 | 1 | H2 off | H2 off | |
| 850 | 1 | H2 off | H2 off | |
| 900 | 1 | H2 off | H2 off | |
| 950 | 1 | H2 off | H2 off |
비교예 2
상기 실시예 2와 동일하게 탈질 반응을 수행하되, NH3-SNCR에 수소를 미첨가하였다. 상세한 조건은 하기 표 5에 나타내었다
| 반응온도(℃) | NH3/NO 비 | H2/NO 비 | H2/NH3 비 | 비고 |
| 650 | 1 | H2 off | H2 off | 3L/min O2 (6~7%)NO (200 ppm) NH3 (200 ppm) H2 (0 ppm) 체류시간 0.27sec |
| 700 | 1 | H2 off | H2 off | |
| 750 | 1 | H2 off | H2 off | |
| 800 | 1 | H2 off | H2 off | |
| 850 | 1 | H2 off | H2 off | |
| 900 | 1 | H2 off | H2 off | |
| 950 | 1 | H2 off | H2 off |
실험예 1. 탈질 성능 평가
수소 주입 시 팽창형 방식을 이용한 상기 실시예 1 및 비교예 1의 탈질 공정에 따른 탈질 성능을 아래 수학식 1과 같이 평가하여 하기 표 6(실시예 1, H2 첨가), 표 7(비교예 1, H2 미첨가)에 나타내고, 이들의 탈질성능을 비교한 그래프를 도 14에 나타내었다.
[수학식 1]
| 반응온도(℃) | H2/NH3 몰비 (NH3/NO=1) |
H2&NH3 주입 전 NOx(ppm) |
H2&NH3 주입 후 NOx(ppm) |
탈질성능(%) |
| 650 | 0.2 | 200 | 196 | 2.0 |
| 700 | 0.2 | 200 | 196 | 2.0 |
| 750 | 0.2 | 200 | 186 | 7.0 |
| 800 | 0.2 | 200 | 149 | 25.5 |
| 850 | 0.2 | 200 | 120 | 40.0 |
| 900 | 0.2 | 200 | 103 | 48.5 |
| 반응온도(℃) | NH3/NO 몰비 | NH3 주입 전 NOx(ppm) |
NH3 주입 후 NOx(ppm) |
탈질성능(%) |
| 650 | 1.0 | 200 | 200 | 0.0 |
| 700 | 1.0 | 200 | 197 | 1.5 |
| 750 | 1.0 | 200 | 192 | 4.0 |
| 800 | 1.0 | 200 | 183 | 8.5 |
| 850 | 1.0 | 200 | 164 | 18.0 |
| 900 | 1.0 | 200 | 125 | 37.5 |
도 14는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 온도에 따른 탈질 성능을 나타낸 그래프이다.
상기 도 14, 상기 표 4 및 표 5를 참조하면, 수소를 주입하지 않은 비교예 1(표 7)보다 수소를 주입하였을 때 탈질성능이 현저하게 증가함을 확인할 수 있었으며, 800 ℃ 이상의 온도에서는 현저한 효과 차이가 확인되었다.
실험예 2. 탈질 성능 평가
상기 실시예 2 및 비교예 2의 탈질 공정에 따른 탈질 성능을 상기 수학식 1과 같이 평가하여 표 8(비교예 2, H2 미첨가), 표 9(실시예 2, H2 첨가; H2/NH3비(MSR2) 0.2), 표 10(실시예 2, H2 첨가; H2/NH3비(MSR2) 0.4), 표 11(실시예 2, H2 첨가; H2/NH3비(MSR2) 0.6)에 나타내고, 이들을 비교한 그래프를 도 15에 나타내었다.
도 15는 본 발명의 실시예 2(MSR2=0.2, 0.4 및 0.6) 및 비교예 2(MSR2=0.2)의 온도에 따른 탈질 성능을 나타낸 그래프이다.
| 반응온도(℃) | H2/NH3 몰비 (NH3/NO=1) |
NH3 주입 전 NOx(ppm) |
NH3 주입 후 NOx(ppm) |
탈질성능(%) |
| 650 | 0.0 | 200 | 200 | 0.0 |
| 700 | 0.0 | 200 | 200 | 0.0 |
| 750 | 0.0 | 200 | 200 | 0.0 |
| 800 | 0.0 | 200 | 200 | 0.0 |
| 850 | 0.0 | 200 | 200 | 0.0 |
| 900 | 0.0 | 200 | 200 | 0.0 |
| 950 | 0.0 | 200 | 194 | 3.0 |
| 반응온도(℃) | H2/NH3 몰비 (NH3/NO=1) |
NH3 주입 전 NOx(ppm) |
NH3 주입 후 NOx(ppm) |
탈질성능(%) |
| 650 | 0.2 | 200 | 200 | 0.0 |
| 700 | 0.2 | 200 | 200 | 0.0 |
| 750 | 0.2 | 200 | 200 | 0.0 |
| 800 | 0.2 | 200 | 199 | 0.5 |
| 850 | 0.2 | 200 | 185 | 7.5 |
| 900 | 0.2 | 200 | 160 | 20.0 |
| 950 | 0.2 | 200 | 135 | 32.5 |
| 반응온도(℃) | H2/NH3 몰비 (NH3/NO=1) |
NH3 주입 전 NOx(ppm) |
NH3 주입 후 NOx(ppm) |
탈질성능(%) |
| 650 | 0.4 | 200 | 200 | 0.0 |
| 700 | 0.4 | 200 | 200 | 0.0 |
| 750 | 0.4 | 200 | 200 | 0.0 |
| 800 | 0.4 | 200 | 199 | 0.5 |
| 850 | 0.4 | 200 | 165 | 17.5 |
| 900 | 0.4 | 200 | 143 | 28.5 |
| 950 | 0.4 | 200 | 129 | 35.5 |
| 반응온도(℃) | H2/NH3 몰비 (NH3/NO=1) |
NH3 주입 전 NOx(ppm) |
NH3 주입 후 NOx(ppm) |
탈질성능(%) |
| 650 | 0.6 | 200 | 200 | 0.0 |
| 700 | 0.6 | 200 | 200 | 0.0 |
| 750 | 0.6 | 200 | 200 | 0.0 |
| 800 | 0.6 | 200 | 199 | 0.5 |
| 850 | 0.6 | 200 | 155 | 22.5 |
| 900 | 0.6 | 200 | 129 | 35.5 |
| 950 | 0.6 | 200 | 128 | 36.0 |
상기 도 15 및 표 8 내지 11을 참조하면, 수소를 주입하지 않은 비교예 2보다 수소를 주입하였을 때 탈질성능이 현저하게 증가함을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 표 9 내지 11을 참조하면, NH3/NO 비가 1.0으로 고정되었을 때 H2/NO 비가 0.2에서 0.6으로 증가시킬수록 탈질성능이 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 특히, 반응온도가 850에서 950 ℃ 구간은 현저한 차이를 보였다.
10: 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치
100: 수소공급장치
110: 수소발생장치
120: 수소저장부
130: 외기 벤트용 밸브
200: 안전희석장치
210: 유량제어기
220: 희석매질 공급부
230: 버퍼탱크
231: 제1 공급부
232: 제2 공급부
233: 본체
233a: 흡입부
233b: 믹싱부
233b-1: 축관부
233b-2: 목부
233b-3: 증관부
233c: 디퓨저부
234: 상단 막힘구조
235: 하단 막힘구조
240: 팽창탱크
250: 팽창백
260: 팽창매질
300: 탈질환원제 공급장치
310: 탈질환원제 저장부
320: 물 저장부
330: 탈질환원제 희석부
400: 노즐
410: 제1 노즐
420: 제2 노즐
430: 통합노즐
500: 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부
100: 수소공급장치
110: 수소발생장치
120: 수소저장부
130: 외기 벤트용 밸브
200: 안전희석장치
210: 유량제어기
220: 희석매질 공급부
230: 버퍼탱크
231: 제1 공급부
232: 제2 공급부
233: 본체
233a: 흡입부
233b: 믹싱부
233b-1: 축관부
233b-2: 목부
233b-3: 증관부
233c: 디퓨저부
234: 상단 막힘구조
235: 하단 막힘구조
240: 팽창탱크
250: 팽창백
260: 팽창매질
300: 탈질환원제 공급장치
310: 탈질환원제 저장부
320: 물 저장부
330: 탈질환원제 희석부
400: 노즐
410: 제1 노즐
420: 제2 노즐
430: 통합노즐
500: 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부
Claims (25)
- 수소를 희석매질과 혼합하여 희석된 수소를 생산하는 안전희석장치; 및
상기 희석된 수소, 탈질환원제 및 배기가스가 반응하는 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부;를 포함하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치. - 제1항에 있어서,
상기 안전희석장치와 연결되어 수소를 공급하는 수소발생장치;를 더 포함하고,
상기 수소발생장치는 LNG 개질 장치, 암모니아 개질 장치, 수전해장치 또는 해수전해장치 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치. - 제1항에 있어서,
상기 안전희석장치는 공급되는 수소의 유량을 제어하는 유량제어기;를 더 포함하고,
상기 유량제어기는 상기 희석된 수소에 수소가 4 부피% 미만 또는 94 부피% 초과로 포함되도록 상기 수소를 공급하는 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치. - 제1항에 있어서, 상기 안전희석장치는 작동 유체로 상기 희석매질이 주입되고, 투입유체로 상기 수소가 공급되는 이젝터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치.
- 제4항에 있어서,
상기 이젝터는,
상기 작동유체가 공급되는 제1 공급부;
상기 제1 공급부와 연결되어 상기 작동유체가 흡입되는 흡입부;
상기 투입유체가 공급되는 제2 공급부;
상기 제2 공급부 및 상기 흡입부와 연결되며, 상기 작동유체 및 상기 투입유체가 혼합하여 혼합유체를 형성하는 믹싱부; 및
상기 믹싱부와 연결되고, 상기 혼합유체를 배출하는 디퓨저부;를 포함하고,
상기 믹싱부는,
유체가 유동되는 공간의 부피를 감소시키도록 내벽 상단에 상단 막힘구조가 형성되어 있고, 내벽 하단에 하단 막힘구조가 형성되어 있으며,
상기 하단 막힘구조의 높이는 상기 상단 막힘구조의 높이보다 더 높은 것이고,
상기 제2 공급부는 상기 투입유체를 공급하는 복수 개의 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치. - 제1항에 있어서,
상기 안전희석장치는,
상기 수소가 수용되는 팽창탱크;
상기 팽창탱크를 둘러싸는 평창매질; 및
상기 팽창탱크로부터 수소를 공급받고, 상기 수소와 상기 희석매질이 혼합되는 버퍼탱크;를 더 포함하고,
상기 팽창매질의 부피 변화에 따라 상기 팽창탱크의 부피가 변화하여 상기 버퍼탱크에 공급되는 수소의 양이 변화하는 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치. - 제1항에 있어서,
상기 안전희석장치는,
상기 수소가 수용되는 팽창탱크;
상기 팽창탱크 내부에 존재하고, 팽창매질이 수용되는 팽창백; 및
상기 팽창탱크로부터 수소를 공급받고, 상기 수소와 상기 희석매질이 혼합되는 버퍼탱크;를 더 포함하고,
상기 팽창백의 부피 변화에 따라 상기 팽창탱크의 부피가 변화하여 상기 버퍼탱크에 공급되는 수소의 양이 변화하는 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치. - 제1항에 있어서,
가스 유인 팬(ID FAN, Induced Draft Fan) 및 강제 통풍 팬(FD FAN, Forced Draft Fan) 중 어느 하나 이상을 이용하여 상기 희석매질이 상기 안전희석장치에 공급되는 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치. - 제1항에 있어서,
상기 배기가스 내 산화질소(NO)에 대한 상기 탈질환원제의 몰비는 0.5 내지 1.5이고,
상기 배기가스 내 산화질소(NO)에 대한 상기 수소의 몰비는 0.01 내지 3.0 이고,
상기 탈질환원제에 대한 상기 수소의 몰비는 0.02 내지 2.0인 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치. - 제1항에 있어서,
상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부의 온도는 580 내지 1150 ℃인 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치. - 제1항에 있어서,
상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부에 상기 희석된 수소 및 상기 탈질환원제를 주입하는 통합노즐;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치. - 제1항에 있어서,
상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부에 상기 희석된 수소를 주입하는 제1 노즐; 및
상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부에 상기 탈질환원제를 주입하는 제2 노즐;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치. - 제12항에 있어서,
상기 제2 노즐이 상기 제1 노즐 아래에 위치되도록 상기 제1 노즐 및 상기 제2 노즐이 다단으로 배치되는 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치. - 안전희석장치에 수소 기체 및 희석매질을 각각 공급하고, 이들을 혼합하여 희석된 수소를 수득하는 희석 단계;
선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부에 상기 희석된 수소 기체, 탈질환원제 및 배기가스를 공급하는 공급 단계; 및
상기 배기가스, 상기 수소 및 상기 탈질환원제가 반응하는 탈질 단계;를 포함하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 공정. - 제14항에 있어서, 상기 안전희석장치에 공급되는 수소 기체는 LNG를 개질하여 발생된 수소, 암모니아를 개질하여 발생된 수소, 수전해 공정에서 발생된 수소 또는 해수전해 공정에서 부산물로 발생되는 수소 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 공정.
- 제14항에 있어서,
상기 희석된 수소는 수소가 4 부피% 미만 또는 94 부피% 초과로 포함되는 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 공정. - 제14항에 있어서,
상기 희석 단계는,
이젝터에 작동 유체로 상기 희석매질을 주입하고, 투입유체로 상기 수소를 공급하여 희석된 수소 기체를 수득하여 수행되는 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 공정. - 제17항에 있어서,
상기 이젝터는,
상기 작동유체가 공급되는 제1 공급부;
상기 제1 공급부와 연결되어 상기 작동유체가 흡입되는 흡입부;
상기 투입유체가 공급되는 제2 공급부;
상기 제2 공급부 및 상기 흡입부와 연결되며, 상기 작동유체 및 상기 투입유체가 혼합하여 혼합유체를 형성하는 믹싱부; 및
상기 믹싱부와 연결되고, 상기 혼합유체를 배출하는 디퓨저부;를 포함하고,
상기 믹싱부는,
유체가 유동되는 공간의 부피를 감소시키도록 내벽 상단에 상단 막힘구조가 형성되어 있고, 내벽 하단에 하단 막힘구조가 형성되어 있으며,
상기 하단 막힘구조의 높이는 상기 상단 막힘구조의 높이보다 더 높은 것이고,
상기 제2 공급부는 상기 투입유체를 공급하는 복수 개의 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 공정. - 제14항에 있어서,
상기 안전희석장치는,
상기 수소가 수용되는 팽창탱크;
상기 팽창탱크를 둘러싸는 평창매질; 및
상기 팽창탱크로부터 수소를 공급받고, 상기 수소와 상기 희석매질이 혼합되는 버퍼탱크;를 더 포함하고,
상기 희석 단계는,
상기 팽창매질의 부피를 변화시켜 상기 버퍼탱크에 공급되는 수소의 양을 조절하여 수행되는 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 공정. - 제14항에 있어서,
상기 안전희석장치는,
상기 수소가 수용되는 팽창탱크;
상기 팽창탱크 내부에 존재하고, 팽창매질이 수용되는 팽창백; 및
상기 팽창탱크로부터 수소를 공급받고, 상기 수소와 상기 희석매질이 혼합되는 버퍼탱크;를 더 포함하고,
상기 희석 단계는 상기 팽창백의 부피를 변화시켜 상기 버퍼탱크에 공급되는 수소의 양을 조절하여 수행되는 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 공정. - 제14항에 있어서,
상기 공급 단계는,
상기 희석된 수소 및 상기 탈질환원제가 통합 노즐을 통해 상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부에 공급되어 수행되는 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 공정. - 제14항에 있어서,
상기 공급 단계는,
상기 희석된 수소는 제1 노즐로 상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부에 공급되고 상기 탈질환원제는 제2 노즐로 상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부에 공급되어 수행되는 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 공정. - 제22항에 있어서, 상기 제2 노즐이 상기 제1 노즐 아래에 위치되도록 상기 제1 노즐 및 상기 제2 노즐이 다단으로 배치되는 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 공정.
- 제14항에 있어서, 상기 배기가스 내 산화질소(NO)에 대한 상기 탈질환원제의 몰비는 0.5 내지 1.5이고,
상기 배기가스 내 산화질소(NO)에 대한 상기 수소의 몰비는 0.01 내지 3.0 이고,
상기 탈질환원제에 대한 상기 수소의 몰비는 0.02 내지 2인 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 공정. - 제14항에 있어서, 상기 선택적 무촉매 환원(SNCR) 반응부의 온도는 580 내지 1150 ℃인 것을 특징으로 하는 수소 이용 선택적 무촉매 환원 공정.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220091077 | 2022-07-22 | ||
| KR20220091077 | 2022-07-22 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240013683A true KR20240013683A (ko) | 2024-01-30 |
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ID=89715171
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230093654A KR20240013683A (ko) | 2022-07-22 | 2023-07-19 | 수소 이용 선택적 무촉매 환원 장치 및 공정 |
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| Country | Link |
|---|---|
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102107910B1 (ko) | 2018-11-22 | 2020-05-11 | 에이치에스디엔진 주식회사 | 선택적 무촉매 환원 및 선택적 촉매 환원 복합 시스템 |
-
2023
- 2023-07-19 KR KR1020230093654A patent/KR20240013683A/ko unknown
Patent Citations (1)
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