WO2020050444A1 - 미세먼지 전구물질 농도 및 온도의 2차원 측정 및 이의 능동제어 방법 - Google Patents

미세먼지 전구물질 농도 및 온도의 2차원 측정 및 이의 능동제어 방법 Download PDF

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laser
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processors
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이창엽
유미연
소성현
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한국생산기술연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a two-dimensional measurement of the fine dust precursor concentration and temperature and an active control method thereof, specifically, the concentration and temperature of the fine dust precursor NO contained in the exhaust gas of a large combustion system such as a power plant 2 It relates to a control method for measuring a dimension using the TDLAS method and minimizing the concentration of NO by spraying ammonia in response.
  • fine dust and ultra-fine dust refer to particulate matter having a particle diameter of 2.5 ⁇ m and 1.0 ⁇ m, respectively, and are defined in Korea as 10 ⁇ m and 2.5 ⁇ m, respectively.
  • Fine dust from combustion in thermal power plants accounts for 20 to 30% of the domestic fine dust production.
  • ammonia is sprayed from the outlet.
  • NO should be converted by reacting NO and ammonia by spraying ammonia to the NO concentration.
  • NO and ammonia are not uniformly mixed due to the characteristics of the discharge end having a large cross-sectional area, and a uniform reactant is not generated due to a difference in reaction speed according to a gradient of concentration.
  • ammonia is injected by predicting the minimum amount of NO so that there is no ammonia discharged without reaction, but nevertheless, an ammonia slip phenomenon often occurs in which unreacted ammonia is discharged.
  • ammonia adversely affects downstream equipment, especially air dryers operated by indirect heat exchange between exhaust gas and combustion air. Since ammonia has good reactivity, it encounters SO x , NO x , and ash in the air dryer and causes various problems such as depositing and blocking the flow path and causing corrosion.
  • ammonia slim is that it is in the non-uniform distribution of NO in the flue gas, and that it cannot control and spray ammonia accordingly. Due to the characteristics of the discharge end with a large cross-sectional area, the flow rate of the periphery is low and mixing does not occur easily, so the concentration of NO is high and the center is low.
  • the measurement method using a laser capable of real-time measurement without sampling the gas to be measured has been spotlighted.
  • Gas species affecting the atmospheric environment are mainly absorbed in the infrared region, where the infrared region is near-infrared ray (0.8 ⁇ m-1.5 ⁇ m), mid-infrared ray (Mid-infrared ray, 1.5 ⁇ m-5.6 ⁇ m) , Far-infrared ray (5.6 ⁇ m-1000 ⁇ m).
  • the vibration or rotational motion modes of molecules that cause absorption of molecules are concentrated, so it is applied to DAS (Direct Absorption Spectroscopy) measurement technique using the characteristics of molecules that absorb the wavelength of light to measure the concentration or temperature of the gas to be measured. It has an excellent effect on the measurement method.
  • DAS Direct Absorption Spectroscopy
  • Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy uses a wavelength-tunable laser as a light source, after the initial laser intensity (I 0 ) before passing through the measurement region and after absorption occurs after the measurement region. It is a method to find the concentration and temperature by comparing the ratio of laser intensity (I). It is based on the Beer-Lambert law.
  • the absorption amount is proportional to the optical path length (L).
  • the main variable values for measurement improvement are measurement distance (L) and temperature (T).
  • Patent Document 1 relates to a method for measuring a two-dimensional and three-dimensional gas temperature distribution, and the temperature and concentration distribution of a gas in a space in which a two-dimensional or three-dimensional measurement is impossible by measuring only in one dimension using a diode laser. Or it is characterized by mapping in three dimensions.
  • the above method is to collect the laser generated in the light emitting unit in the light receiving unit and calculate it according to a predetermined formula to map the calculated value in two or three dimensions. It is a method that can measure the temperature and concentration distribution of gas in a structure such as a furnace of a steel mill.
  • Patent Document 2 relates to an optical temperature distribution precision measuring device and method, and when a concentration is measured using a wavelength-tunable diode laser absorption spectroscopy method, a variation in absorbance according to temperature is considered. It is intended to measure precise concentrations by simultaneously measuring the absorbance according to temperature and concentration and correcting the influence by temperature.
  • Patent Document 3 relates to a retro-reflector in a furnace equipped with a movable variable diode laser absorption spectrometer, wherein the laser light is projected through a pitch optical device including a pitch condensing lens disposed outside the inside of the boiler.
  • the pitch condenser lens projects laser light through the through hole into the boiler.
  • the laser light projected by the pitch condensing lens is reflected by at least one retro-reflector in the furnace, and is received by a catch optic that is substantially the same as the pitch optic disposed outside the interior of the boiler.
  • the pitch condensing lens can also be steered towards another reflector of at least one in-retro retroreflectors. Combustion properties can be calculated for each retro-reflector or based on the retro-reflector region in the furnace.
  • Patent Document 4 relates to a combustion control and monitoring method and apparatus, wherein the sensing device is optically connected to one or more diode lasers each having a constant oscillation frequency, the output of the diode laser, and optically connected to the optical fiber at the transmitter side It consists of a multiplexer.
  • the multiplexed laser light is transmitted to the transmitting optical unit through the transmitting optical fiber.
  • the transmitting optics are operatively connected to a combustion chamber or a process chamber such as a boiler in a coal or gas-fired power plant.
  • the receiving optical unit is operatively connected to the process chamber, and is in optical communication with the transmitting optic, and receives a multiplexed laser output fired through the process chamber.
  • the receiving optical unit is optically connected to the optical fiber and transmits the multiplexed laser output to the demultiplexer.
  • the demultiplexer demultiplexes the laser light and optically connects the light of the selected oscillation frequency to the detector.
  • the detector is sensitive to one of the selected oscillation frequencies.
  • Patent Documents 1 and 2 measure concentration and temperature, or only map and measure them in 2D or 3D, and Patent Document 3 directly arranges a reflector inside, but solves other problems in contamination of the reflector.
  • Patent Document 4 only describes the concept of detecting gas flow and spraying ammonia, and lacks specific means for this.
  • the prior art has not provided a specific solution to the problem of inability to spray by controlling ammonia in accordance with the non-uniform distribution of NO in the flue gas, which is the biggest cause of ammonia slim.
  • Patent Document 0001 Korean Registered Patent Publication No. 1485498 (2015.01.16)
  • Patent Document 0002 Republic of Korea Registered Patent Publication No. 1614851 (2016.04.18)
  • Patent Document 0003 Republic of Korea Patent Publication No. 2015-0004864 (2015.01.13)
  • Patent Document 0004 Republic of Korea Patent Publication No. 2006-0008314 (2006.01.26)
  • the present invention aims to solve this problem, and aims to remove slip caused by ammonia injected to remove NO.
  • An aspect according to the present invention for solving the above problems is in the nitrogen oxide treatment apparatus in the pipe for removing nitrogen oxides discharged by combustion or operation of the engine, projected on a surface perpendicular to the flow of the discharged fluid
  • a processing unit including a plurality of processors arranged in a grid when viewed; It includes; a light source unit in which a plurality of light sources for scanning laser light are disposed in the processors, and the processors corresponding to the first straight line in the lattice form among the plurality of disposed processors in the lattice form are the first plane perpendicular to the flow of the discharged fluid.
  • the processors corresponding to the straight lines disposed in parallel to and spaced apart from the processors corresponding to the first straight line are disposed so as not to overlap each other in a different plane spaced parallel to the first plane, each of the light sources.
  • a nitrogen oxide treatment device is provided.
  • the combustion or operation of the engine may be one of power plant combustion, boiler combustion, operation of a ship engine, operation of a large land transport engine, the nitrogen oxide is NO, and the removal liquid is ammonia.
  • the distance between the first plane and the outermost planes of the other planes is 5% or less, preferably 1% or less, of the total length in the pipe through which the fluid moves.
  • the laser is a tunable diode laser or a distributed feedback laser, and the light source is condensed when the irradiated laser is reflected through the reflector in addition to a laser unit that irradiates laser light.
  • the injector is in the form of a nozzle that controls the injection of the removal liquid in response to the concentration of nitrogen oxide analyzed by the processor unit.
  • An additional measuring unit for measuring the concentration of nitrogen oxide in the pipe may be added to the rear end of the nitrogen oxide processing apparatus, and the additional measuring unit may have a shape similar to that of the second processing unit and the light source unit with an injector removed. It includes a second light source unit, it is possible to adjust the amount of the removal liquid discharged from the injector according to the value measured by the additional measuring unit.
  • Another aspect according to the present invention provides a method for removing nitrogen oxides discharged by combustion or operation of an engine using the nitrogen oxide treatment apparatus.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a discharge stage used in a conventional power plant or the like.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a two-dimensional temperature or concentration measurement method according to the prior art.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a nitrogen oxide treatment apparatus according to the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view when the nitrogen oxide treatment apparatus according to the present invention is projected on a plane perpendicular to the flow of discharged fluid.
  • FIG. 5 is a schematic diagram when the nitrogen oxide treatment apparatus according to the present invention is projected in the flow direction of discharged fluid.
  • the nitrogen oxide treatment apparatus relates to a nitrogen oxide treatment apparatus that directly measures the concentration of NO in an exhaust flow path of a fluid discharged by combustion or operation of an engine and injects the removal liquid in real time.
  • the conventional apparatus analyzes only the concentration near the wall surface of the piping, or calculates the internal concentration through calculation, so that accurate real-time analysis of the internal concentration was impossible.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a discharge stage used in a conventional power plant or the like.
  • the discharge end 100 processes the nitrogen oxide contained in the fluid while the fluid burned in the combustion unit 110 is discharged to the outside along the pipe.
  • the dotted line in FIG. 1 is a virtual representation of the flow of the discharged fluid
  • Patent Document 1 a laser light is irradiated from the processing unit 120 of FIG. 1 to measure a gradient of internal temperature or concentration.
  • a laser light source or a detection unit is disposed along an outer circumferential surface of a pipe having a rectangular cross-section to detect laser light passing through the laser inner pipe, and the degree of laser absorption cross-detected in each two-dimensional temperature is calculated.
  • the gradient of and concentration was derived as shown in FIG. 2.
  • Patent Document 4 presents the concept of measurement and injection of ammonia, but does not provide a specific solution.
  • Patent document 2 has a disadvantage that it is not possible to directly measure the concentration inside, and lacks a means to directly control it even when measuring the inside concentration.
  • concentration is measured using the method of Patent Document 2
  • an ammonia injection means is provided at the intersection point of each laser light, there is a problem in that it is difficult to measure appropriately because it interferes with the irradiation trajectory of the laser light.
  • FIGS. 3 to 5 a specific embodiment of the nitrogen oxide treatment apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 5. Although described with reference to the drawings according to embodiments of the present invention, this is for easier understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
  • Nitrogen oxide treatment apparatus is intended to solve the above problems, in the nitrogen oxide treatment apparatus in the pipe for removing nitrogen oxides discharged by the operation of the combustion or engine, perpendicular to the flow of the discharged fluid
  • a processing unit (not shown) including a plurality of processors 320 (see FIG.
  • a light source unit (not shown) in which a plurality of light sources 310 for scanning laser light are disposed in the processors 320, and includes a first straight line in a lattice form among the processors 320 arranged in a lattice form (
  • the processors corresponding to 340) are disposed in the first plane 345 perpendicular to the flow of the discharged fluid, and the processors corresponding to each straight line spaced apart and parallel to the processors corresponding to the first straight line 340 are
  • the first plane 345 is disposed not to overlap with each other in a plane spaced apart from each other in parallel, and each one of the light sources scans laser light to processors corresponding to a straight line disposed in the one plane (380).
  • Each of the processors provides a nitrogen oxide treatment apparatus including a reflector 321 for reflecting laser light scanned by the light source and an injector 322 for ejecting the removal liquid.
  • the combustion or the operation of the engine may be one of power plant combustion, boiler combustion, operation of a ship engine, operation of a large-sized land transport engine, the nitrogen oxide is NO, and the removal liquid is ammonia.
  • the nitrogen oxide according to the present invention may be NO or NO 2 , and the nitrogen oxide may be removed by a non-selective or selective reduction reaction depending on the type of nitrogen oxide.
  • Nitrogen oxides may be removed by a non-selective reduction reaction in which Reaction Scheme 1 and Reaction Scheme 2 are simultaneously performed, or nitrogen oxides may be removed by a selective reduction reaction proceeded only by the following Reaction Scheme 1.
  • the non-selective reduction reaction is a process in which the reducing agent (ammonia), LNG (liquefied natural gas), and clean dry air (CDA) react with nitrogen oxide to decompose the nitrogen oxide, and the selective reduction reaction causes the reducing agent to react with nitrogen oxide. It is the process of decomposing nitrogen oxides.
  • the distance 360 between the first plane 345 and the outermost planes of the different planes is 5% or less, preferably 1% or less, of the total length in the pipe through which the fluid moves.
  • the processor is composed of five layers, but the distance 350 between the planes to which each processor belongs and the distance 360 between the planes located at the outermost side are smaller than the lengths in the entire pipe. Therefore, it is easy to calculate the concentration of the part where each processor is located, assuming that they are all located in one plane when calculating the concentration later.
  • the laser is a tunable diode laser or a distributed feedback laser, and the irradiated laser is reflected through the reflector in addition to a laser unit that irradiates laser light to the light source 310.
  • a light detection unit (not shown) for condensing it when;
  • a processor unit (not illustrated) for analyzing the detected laser is further included.
  • TDLAS is a measurement system using a tunable diode laser, and has recently received a lot of attention among real-time measurement systems.
  • TDLAS-related configuration and technical matters about TDLAS itself are described in Patent Documents 1 and 2, and detailed description thereof will be omitted.
  • the injector 322 is in the form of a nozzle that controls injection of the removal liquid in response to the concentration of nitrogen oxide analyzed by the processor unit.
  • the support part 330 also serves to support the processor 320, but may also simultaneously supply ammonia, which is the treatment liquid, to the nozzle that is the injector 322.
  • ammonia which is the treatment liquid
  • the lattice form is a lattice form when projected on a surface perpendicular to the flow of the discharged fluid (see FIG. 4), but when viewed from a surface according to the flow of fluid, there is a difference in height between each support 330 (FIG. 5). Reference). Light sources are arranged at each height.
  • One light source 310 positioned at the corresponding height irradiates light to the reflector 321 of the processor 320 disposed at the corresponding height through a rotational movement, and the reflector 321 corresponds to an angle according to the rotational movement of the light source It is configured so as to be inclined (see the reflector angle change in FIG. 4).
  • An additional measuring unit for measuring the concentration of nitrogen oxide in the pipe may be added to the rear end of the nitrogen oxide processing apparatus, and the additional measuring unit may have a shape similar to that of the second processing unit and the light source unit with an injector removed. It includes a second light source unit (see 130 in Figure 1), it is possible to adjust the amount of the removal liquid discharged from the injector according to the value measured by the additional measurement unit. This is a feedback control method that corrects when there is a certain error in the value measured through the laser light of the processor.
  • the amount of absorption of light reflected from the reflectors of each processor is the amount of absorption according to the trajectory of laser light reciprocating to the reflectors.
  • the absorption trajectory to the processor located at the top of the first straight line passes through two grids, and the absorption trajectory to the processor located below it passes through the one grid.
  • the concentration can be calculated by averaging the values of the lattice.
  • the middle section (processor located in the third place from the top) can further define the middle section grid to increase precision. Since the degree of absorption by laser light reciprocating to the far right processing in FIG.
  • Another aspect according to the present invention provides a method for removing nitrogen oxides discharged by combustion or operation of an engine using the nitrogen oxide treatment apparatus.
  • the nitrogen oxide concentration in the pipe is directly measured and correspondingly, by spraying ammonia with high precision, nitrogen oxide can be removed almost completely unlike the conventional one.
  • nitrogen oxide can be removed almost completely unlike the conventional one.
  • the concentration measurement device has a simple structure of the device compared to a conventional 2D or 3D temperature / concentration measurement device, and is a result of a direct measurement method, which results in a conventional 2D or 3D temperature / concentration measurement device. In contrast, the accuracy is high.

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Abstract

본원 발명은 미세먼지 전구물질 농도 및 온도의 2차원 측정 및 이의 능동제어 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 발전소 등의 대형 연소시스템의 배가스내에서 포함되어 있는 미세먼지 전구물질인 NO의 농도 및 온도를 2차원 TDLAS 방법을 사용하여 측정하고 이에 대응하여 암모니아를 분사하여 NO의 농도를 최소화하는 제어방법에 관한 것이다.

Description

미세먼지 전구물질 농도 및 온도의 2차원 측정 및 이의 능동제어 방법
본원 발명은 미세먼지 전구물질 농도 및 온도의 2차원 측정 및 이의 능동제어 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 발전소 등의 대형 연소시스템의 배가스내에서 포함되어 있는 미세먼지 전구물질인 NO의 농도 및 온도를 2차원 TDLAS 방법을 사용하여 측정하고 이에 대응하여 암모니아를 분사하여 NO의 농도를 최소화하는 제어방법에 관한 것이다.
WHO 기준으로 미세먼지와 초미세먼지는 각각 입자의 직경이 2.5㎛, 1.0㎛인 입자상 물질을 의미하며 우리나라에서는 각각 10㎛, 2.5㎛ 로 정의하고 있다.
현재 국내 미세먼지의 원인 중 하나로 화력 발전소에서의 연소에 의한 것을 들 수 있는데 화력 발전소에서의 연소에서 생기는 미세먼지는 국내 미세 먼지 생산량의 20~30%를 차지하고 있는 것으로 파악된다.
미세먼지 전구물질 중의 하나인 NO를 제거하기 위해서 배출단에서 암모니아를 분사하고 있다. 이론상으로 암모니아를 NO농도에 맞추어 분사하여 NO와 암모니아가 반응하여 NO가 모두 전환되어야 한다. 단면적이 넓은 배출단의 특성상 NO와 암모니아가 균일하게 혼합되지 않고, 농도의 구배에 따른 반응속도의 차이로 균일한 반응물이 생성되지 않는다. 통상적으로는 반응하지 않고 배출되는 암모니아가 없도록 NO의 최소량을 예측하여 암모니아를 분사하고 있으나, 그럼에도 불구하고 종종 미반응 암모니아가 배출되는 암모니아 슬립(Ammonia Slip) 현상이 발생한다.
미반응 암모니아는 후단 설비, 특히 배기가스와 연소공기 사이의 간접식 열교환 방식으로 작동되는 공기 건조기에 나쁜 영향을 미친다. 암모니아는 반응성이 좋기 때문에 공기 건조기 내에서 SOx, NOx, 애쉬(ash) 등과 만나 증착하고 유로를 막거나 부식을 일으키는 등 다양한 문제를 발생시킨다.
암모니아 슬림이 발생하는 가장 큰 원인은 배가스내 NO의 불균일 분포에 있다는 점과 이에 맞추어 암모니아를 조절하여 분사하지 못한다는 점이다. 단면적이 넓은 배출단의 특성상 주변부의 유속이 낮고 혼합이 잘 일어나지 않아서 NO의 농도가 주변부가 높고 중심부는 낮다.
CO, CO2, NOx, SOx 등 다양한 가스들의 농도를 계측하는데 있어 측정 대상의 가스를 샘플링 하지 않고, 실시간 계측이 가능한 레이저를 이용한 계측 방법이 크게 각광받고 있다. 대기환경에 영향을 미치는 가스 종들은 주로 적외선 영역에서 흡수가 이루어지는데, 여기서 적외선 영역은 근적외선(Near-infrared ray, 0.8㎛ - 1.5㎛), 중적외선(Mid-infrared ray, 1.5㎛ - 5.6㎛), 원적외선(Far-infrared ray, 5.6㎛ - 1000㎛)으로 나눌 수 있다. 중적외선에서는 분자의 흡수를 일으키는 분자의 진동이나 회전운동 모드들이 집중되어 있어, 빛의 파장을 흡수하는 분자의 특성을 이용한 DAS(Direct Absorption Spectroscopy) 계측 기법에 적용되어 측정 대상 가스의 농도나 온도를 계측하는 방법에 탁월한 효과를 나타내고 있다.
파장가변형 다이오드레이저 흡수분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 이하 'TDLAS')는 광원으로 파장가변형 레이저를 사용하는데, 계측 영역을 투과하기 전의 초기 레이저 강도(I0)와 계측 영역을 지나 흡수가 일어난 후의 레이저 강도(I)의 비를 비교하여 농도와 온도를 구하는 방법이다. 이는 Beer-Lambert 법칙을 근거로 한다.
도 1의 식에서 알 수 있듯이 흡수량은 광학적 측정거리(optical path length, L)에 비례하는 것을 알 수 있다. 미세먼지 전구물질을 측정하는 환경에서 각 계측 가스의 농도가 아주 미세하다고 가정하면 계측 향상을 위한 주요 변수 값은 측정거리(L)와 온도(T)가 된다.
특허문헌 1은 2차원 및 3차원적 가스 온도 분포 측정 방법에 관한 것으로서, 다이오드 레이저를 이용하여 1차원적으로만 측정하여 2차원 또는 3차원 측정이 불가능한 공간 내의 가스의 온도 및 농도 분포를 2차원 또는 3차원적으로 매핑하는 것을 특징으로 한다. 상기 방법은 발광부에서 발생하는 레이저를 수광부에서 수집하여 이를 정해진 수식에 의해서 연산하여 2차원 또는 3차원적으로 계산된 값을 매핑하는 것이다. 제철소의 가열로와 같은 구조물에서 가스의 온도 및 농도 분포를 측정할 수 있는 방법이다.
특허문헌 2는 광학적 온도분포 정밀계측 장치 및 방법에 관한 것으로서 파장가변형 다이오드레이저 흡수분광법을 사용하여 농도를 측정할 경우 온도에 따른 흡수도의 변이를 고려한 것이다. 온도와 농도에 따른 흡수도를 동시에 측정하여 온도에 의한 영향을 보정함으로써 정밀한 농도를 측정하기 위한 것이다.
특허문헌 3은 이동식 가변형 다이오드 레이저 흡수 분광기를 구비한 노 내 역-반사기에 관한 것으로서, 레이저 광이 보일러 내부 외측에 배치된 피치 집광 렌즈를 포함하는 피치 광학기구를 통해 투사된다. 피치 집광렌즈는 관통구를 통해 보일러 내부로 레이저 광을 투사한다. 피치 집광 렌즈에 의해 투사된 레이저 광은 적어도 하나의 노내 역-반사기에 의해 반사되고, 보일러 내부 외측에 배치된 피치 광학 기구와 실질적으로 동일한 캐치 광학기구에 의해 수신된다. 피치 집광 렌즈는 또한 적어도 하나의 노내 역-반사기들의 또 다른 반사기를 향하도록 조종될 수 있다. 연소 특성들은 각 역-반사기에 대해 또는 노 내에서 역-반사기 영역을 기초해서 산출될 수 있다.
특허문헌 4는 연소제어 및 모니터링 방법 및 장치에 관한 것으로서, 센싱장치는 각각 일정한 발진 주파수를 갖는 한 개 이상의 다이오드 레이저와, 다이오드 레이저의 출력과 광학적으로 연결되며, 또 발신측 광섬유에 광학적으로 연결되는 멀티플렉서로 구성된다. 다중화 레이저 빛은 발신측 광섬유를 통해 발신광학부로 전송된다. 발신 광학부는 연소실 또는 석탄이나 가스 화력 발전소의 보일러 등과 같은 프로세스 실과 작용적으로 연결되어 있다. 또한, 수신 광학부는 상기 프로세스 실과 작용적으로 연결되며, 상기 발신 광학부와 광학적으로 연통되고, 상기 프로세스 실을 관통하여 발사된 다중화 레이저 출력을 수신한다. 수신 광학부는 광섬유에 광학적으로 연결되어 다중화 레이저 출력을 디멀티플렉서로 전송한다. 디멀티플렉서는 레이저 빛을 역다중화하며, 선택된 발진 주파수의 빛을 검출기에 광학적으로 연결한다. 검출기는 선택된 발진 주파수 중의 하나에 민감하다.
종래의 특허문헌 1 및 2는 농도 및 온도를 측정하거나, 이를 2차원 또는 3차원으로 매핑하여 측정만 하며, 특허문헌 3은 내부에 직접적으로 반사기를 배치하고 있으나, 반사기의 오염에 다른 문제를 해결할 수 있는 방안이 제시되지 않았고, 특허문헌 4는 가스흐름을 검출하고 암모니아를 분사하는 개념에 대해서 기재하고 있을 뿐 이에 대한 구체적인 수단이 결여되어 있다.
이와 같이 종래 기술은 암모니아 슬림이 발생하는 가장 큰 원인인 배가스내 NO의 불균일 분포와 이에 맞추어 암모니아를 조절하여 분사하지 못하는 문제에 대한 구체적인 해결책을 제시하지 못하고 있다.
-선행기술문헌
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(특허문헌 0004) 대한민국 공개특허공보 제2006-0008314호 (2006.01.26)
본원 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, NO를 제거하기 위해서 분사하는 암모니아에 의한 슬립을 제거하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본원 발명에 따른 양태는 연소 또는 엔진의 작동에 의해서 배출되는 질소산화물을 제거하기 위한 배관내 질소산화물 처리장치에 있어서, 배출되는 유체의 흐름에 수직인 면에 투영해 보았을 때 격자 형태로 다수 배치된 처리기들을 포함하는 처리부; 상기 처리기들에 레이저 광을 주사하는 광원이 다수 배치된 광원부;를 포함하며, 상기 격자 형태로 다수 배치된 처리기들 중 격자 형태의 첫번째 직선에 해당하는 처리기들은 배출되는 유체의 흐름에 수직인 첫번째 평면에 배치되고, 상기 첫번째 직선에 해당하는 처리기들과 평행으로 이격되어 배치된 각각의 직선에 해당하는 처리기들은 상기 첫번째 평면과 평행으로 이격된 각각 다른 평면에 서로 겹치지 않게 배치되고, 상기 광원 중 각각 하나의 광원은 상기 하나의 평면에 배치된 직선에 해당하는 처리기들에 레이저 광을 주사하며, 상기 각각의 처리기는 상기 광원이 주사하는 레이저 광을 반사하기 위한 반사기 및 제거액을 분사하기 위한 분사기를 포함하는 질소산화물 처리장치를 제공한다.
상기 연소 또는 엔진의 작동은 발전소 연소, 보일러 연소, 선박 엔진의 작동, 대형 육상 운송 장치 엔진의 작동 중 하나 일 수 있으며, 상기 질소산화물은 NO이며, 상기 제거액은 암모니아이다.
상기 첫번째 평면과 상기 각각 다른 평면 중 가장 최외단에 위치하는 평면들 사이의 거리는 상기 유체가 이동하는 배관 내의 전체 길이의 5% 이하, 바람직하게는 1% 이하이다.
상기 레이저는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)이며, 상기 광원에는 레이저 광을 조사하는 레이저부 외에 상기 조사된 레이저가 상기 반사기를 통해서 반사되어 올 때 이를 집광하는 광검출부; 상기 검출된 레이저를 분석하는 프로세서부를 추가로 포함한다.
상기 분사기는 상기 프로세서부에 의해 분석된 질소산화물의 농도에 대응하여 제거액의 분사를 조절하는 노즐형태이다.
상기 질소산화물 처리장치의 후단에 상기 배관내 질소산화물의 농도를 측정하기 위한 추가측정부가 부가될 수 있으며, 상기 추가측정부는 상기 처리부와 유사한 형태로서 분사기를 제거한 제2처리부 및 상기 광원부와 유사한 형태의 제2광원부를 포함하며, 상기 추가측정부에서 측정된 값에 따라 상기 분사기에서 배출되는 제거액의 양을 조절할 수 있다.
본원 발명에 따른 또 다른 양태는 상기 질소산화물 처리장치를 이용하여 연소 또는 엔진의 작동에 의해서 배출되는 질소산화물을 제거하는 방법을 제공한다.
도 1은 통상적인 발전소 등에 사용되는 배출단의 개략도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 2차원 온도 또는 농도 측정 방법의 개략도이다.
도 3은 본원 발명에 따른 질소산화물 처리장치의 개략도이다.
도 4는 본원 발명에 따른 질소산화물 처리장치를 배출되는 유체의 흐름에 수직인 면에 투영했을 때의 개략도이다.
도 5는 본원 발명에 따른 질소산화물 처리장치를 배출되는 유체의 흐름 방향에서 투영했을 때의 개략도이다.
본원 발명에 따른 질소산화물 처리장치는 연소 또는 엔진의 작동에 의해서 배출되는 유체의 배기유로 등에서 NO의 농도를 직접 측정하여 실시간으로 제거액을 분사하는 질소산화물 처리장치에 관한 것이다. 종래의 장치는 배관의 벽면 근처의 농도만을 분석하거나, 내부 농도를 연산을 통해서 계산하고 있는바, 내부의 농도의 정확한 실시간 분석이 불가능하였다.
도 1은 통상적인 발전소 등에 사용되는 배출단의 개략도이다. 배출단(100)은 연소부(110)에서 연소된 유체가 배관을 따라서 외부로 배출되면서 유체에 포함된 질소산화물 등을 처리한다. 도 1에서 점선은 배출되는 유체의 흐름을 가상적으로 나타낸 것으로서 특허문헌 1에서는 도 1의 처리부(120)에서 레이저 광을 조사하여 내부 온도 또는 농도의 구배를 측정하였다. 도 2를 참조하면 통상적으로 단면이 사각형인 배관의 외주면을 따라 레이저 광원 또는 검출부를 배치하여 레이저 내부 배관을 통과한 레이저 광을 검출하였고 각각의 2차원에 교차 검출되는 레이저 흡수 정도를 연산을 통해서 온도와 농도의 구배를 도2와 같이 도출하였다. 특허문헌 4는 측정과 암모니아 분사에 대한 개념을 제시하고 있으나, 구체적인 해결책은 제시를 하지 못하고 있다.
특허문헌 2는 내부의 농도를 직접적으로 측정할 수 없다는 단점이 있으며, 내부 농도를 측정하더라도 이를 직접적으로 제어할 수 있는 수단이 결여되어 있다. 한편 특허문헌 2의 방법을 사용하여 농도를 측정할 경우 각 레이저 광의 교점에 암모니아 분사 수단을 마련할 경우 레이저 광의 조사 궤도에 간섭을 일으켜 적절할 측정이 어렵다는 문제점이 있다.
이하 도 3 내지 도 5와 함께 본원 발명에 따른 질소산화물 처리장치의 구체적인 일 실시예를 설명한다. 본원 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본원 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본원 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
본원 발명에 따른 질소산화물 처리장치는 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 연소 또는 엔진의 작동에 의해서 배출되는 질소산화물을 제거하기 위한 배관내 질소산화물 처리장치에 있어서, 배출되는 유체의 흐름에 수직인 면에 투영해 보았을 때 격자 형태로 다수 배치된 처리기(320)들을 포함하는(도 4 참조) 처리부(도면 미도시); 상기 처리기(320)들에 레이저 광을 주사하는 광원(310)이 다수 배치된 광원부(도면 미도시);를 포함하며, 상기 격자 형태로 다수 배치된 처리기(320)들 중 격자 형태의 첫번째 직선(340)에 해당하는 처리기들은 배출되는 유체의 흐름에 수직인 첫번째 평면(345)에 배치되고, 상기 첫번째 직선(340)에 해당하는 처리기들과 평행으로 이격되어 배치된 각각의 직선에 해당하는 처리기들은 상기 첫번째 평면(345)과 평행으로 이격된 각각 다른 평면에 서로 겹치지 않게 배치되고, 상기 광원 중 각각 하나의 광원은 상기 하나의 평면에 배치된 직선에 해당하는 처리기들에 레이저 광을 주사(380)하며, 상기 각각의 처리기는 상기 광원이 주사하는 레이저 광을 반사하기 위한 반사기(321) 및 제거액을 분사하기 위한 분사기(322)를 포함하는 질소산화물 처리장치를 제공한다.
상기 연소 또는 엔진의 작동은 발전소 연소, 보일러 연소, 선박 엔진의 작동, 대형 육상 운송 장치 엔진의 작동 중 하나 일 수 있으며, 상기 질소산화물은 NO이며, 상기 제거액은 암모니아이다. 본원 발명에 따른 질소산화물은 NO 또는 NO2가 될 수 있으며, 질소산화물의 종류에 따라서 비선택적 또는 선택적 환원반응에 의해서 질소산화물이 제거될 수 있다.
반응식 1 및 반응식 2가 동시에 진행되는 비선택적 환원반응에 의해서 질소산화물을 제거할 수도 있고, 하기 반응식 1에 의해서만 진행되는 선택적 환원반응에 의해서 질소산화물을 제거할 수 있다.
NH3 + NO + O2 ↔ N2 + H2O (1)
N2O + CH4 + NH3 + O2 ↔ CO2 + N2 + H2O (2)
비선택적 환원반응은 상기 환원제(암모니아), LNG(액화천연기체), 청정 건조 공기(CDA)가 질소산화물과 반응하여 질소산화물을 분해하는 과정이며, 선택적 환원반응은 상기 환원제가 질소산화물과 반응하여 질소산화물을 분해하는 과정이다.
상기 첫번째 평면(345)과 상기 각각 다른 평면중 가장 최외단에 위치하는 평면들 사이의 거리(360)는 상기 유체가 이동하는 배관 내의 전체 길이의 5% 이하, 바람직하게는 1% 이하이다. 도 3 내지 5의 예제 경우 5개의 층으로 처리기가 구성되어 있으나, 각 처리기가 속해 있는 평면간의 거리(350)과 최외단에 위치하는 평면들 사이의 거리(360)이 전체 배관 내의 길이에 비해서 작기 때문에 추후에 농도를 계산할 때 모두 하나의 평면에 위치하는 것으로 가정을 해서 각 처리기가 위치해 있는 부분의 농도를 쉽게 계산할 수 있다.
상기 레이저는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)이며, 상기 광원(310)에는 레이저 광을 조사하는 레이저부 외에 상기 조사된 레이저가 상기 반사기를 통해서 반사되어 올 때 이를 집광하는 광검출부(도면 미도시); 상기 검출된 레이저를 분석하는 프로세서부(도면 미도시)를 추가로 포함한다.
TDLAS는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser)를 이용한 계측시스템으로서 최근 들어서 실시간 계측 시스템 중 많은 관심을 받고 있다. TDLAS 관련 구성 및 TDLAS 자체에 대한 기술적 사항은 특허문헌 1 및 2에 기재된바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기 분사기(322)는 상기 프로세서부에 의해 분석된 질소산화물의 농도에 대응하여 제거액의 분사를 조절하는 노즐형태이다.
도 4에서 지지부(330)는 처리기(320)를 지지하는 역할도 하지만 분사기(322)인 노즐에 처리액인 암모니아를 동시에 공급할 수도 있다. 배관내의 단면 전체에 암모니아를 선택적으로 분사하기 위해서는 미리 암모니아를 공급할 수 있는 관이 설치가 되어야함으로 이를 처리기(320)의 위치에 적합하도록 격자형태로 배치하는 것이 바람직하다. 격자형태는 배출되는 유체의 흐름에 수직인 면에 투영해 보았을 때는 격자 형태이지만(도 4 참조), 유체의 흐름에 따른 면에서 관측하면 각 지지부(330) 사이에는 높이의 차이가 있다(도 5 참조). 각 해당 높이에는 광원이 배치되어 있다. 해당 높이에 위치하는 하나의 광원(310)은 회전운동을 통해서 해당 높이에 배치되어 있는 처리기(320)의 반사기(321)에 빛을 조사하고 반사기(321)는 광원의 회전운동에 따른 각도에 대응하도록 경사지게 구성되어 있다(도 4의 반사기 각도 변화 참조).
상기 질소산화물 처리장치의 후단에 상기 배관내 질소산화물의 농도를 측정하기 위한 추가측정부가 부가될 수 있으며, 상기 추가측정부는 상기 처리부와 유사한 형태로서 분사기를 제거한 제2처리부 및 상기 광원부와 유사한 형태의 제2광원부(도 1의 130 참조)를 포함하며, 상기 추가측정부에서 측정된 값에 따라 상기 분사기에서 배출되는 제거액의 양을 조절할 수 있다. 이는 피드백 제어 방식으로서 처리기의 레이저 광을 통해서 측정한 값에 일정한 오류가 있을 경우 이를 보정하는 방식이다.
도 3 및 4를 참조하면, 첫번째 직선(340)에는 5개의 처리기가 부착되어 있다. 각 처리기의 반사기에서 반사되는 빛의 흡수량은 각각 반사기까지 왕복하는 레이저 광의 궤적에 따른 흡수량이다. 예를 들어 첫번째 직선의 가장 위쪽에 위치한 처리기까지 흡수 궤적은 2개의 격자를 지나고 있으며, 그 아래에 위치한 처리기까지의 흡수 궤적은 1개의 격자를 지나고 있다. 이를 격자의 값으로 평균하여 농도를 산출할 수 있다. 중간부(위에서 3번째에 위치한 처리기)는 중간부 격자를 추가로 정의하여 정밀도를 높일 수 있다. 도 4의 가장 오른쪽에 있는 처리까지 왕복하는 레이저 광에 의한 흡수정도는 그 앞 모든 격자의 흡수정도에 최종 마지막 흡수량을 더한 값이 되므로, 이를 통해서 전체 격자의 농도구배를 완성할 수 있다. 통상적으로 흡수에 따른 스펙트럼은 온도에 영향을 받기 때문에 온도에 따른 온도구배를 동시에 측정하여 온도에 따른 변화값을 보정하는 것이 바람직하다. 본원 발명에 각 처리기마다 층을 둔 것은 레이저 광을 조사할 경우 모두 한 평면에 있게 되면 처리기에 부착된 노즐과 지지부에 의해서 레이저 광의 산란되거나 제대로 전달이 되지 않기 때문에 이를 방지하기 위해서 각 지지부마다 높이의 차이를 둔 것이다. 이는 본원 발명과 같이 노즐을 통해서 측정과 동시에 암모니아를 분사할 경우에 측정에 대한 오차를 해결함과 동시에 암모니아를 정밀하게 분사할 수 있는 장점이 있다.
본원 발명에 따른 또 다른 양태는 상기 질소산화물 처리장치를 이용하여 연소 또는 엔진의 작동에 의해서 배출되는 질소산화물을 제거하는 방법을 제공한다.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
- 부호의 설명
100 배출단
110 연소부
120 처리부 및 광원부
130 제2처리부 및 제2광원부
210 레이저 광원 또는 검출부
220 계산에 의한 농도 또는 온도 구배
300 본원 발명에 따른 질소산화물 처리장치
310 광원
320 처리기
321 반사기
322 분사기
330 지지부
340 첫번째 직선
345 첫번째 평면
350 하나의 평면간의 거리
360 최외단에 위치하는 평면들 사이의 거리
370 배관
380 레이저 광의 궤적
본원 발명은 배관내에 질소산화물의 농도를 직접 측정하고 이를 대응하여, 매우 정밀하게 암모니아를 분사함으로써, 종래와 달리 질소산화물을 거의 완벽하게 제거할 수 있으며, 특히 미반응 암모니아의 배출로 인한 암모니아 슬립이라는 문제를 원천적으로 제거할 수 있는 장점이 있다.
본원 발명에 따른 농도 측정 장치는 종래의 2차원 또는 3차원 온도/농도 측정 장치에 대비하여 장치의 구조가 간단하고, 직접적인 측정 방법에 의한 결과로서 종래의 2차원 또는 3차원 온도/농도 측정 장치에 대비하여 정확도가 높다.
아울러, 암모니아 분사를 위해서 이미 설치된 노즐에 단순 부착하기 때문에 추가의 비용이 발생하지 않는다.

Claims (10)

  1. 연소 또는 엔진의 작동에 의해서 배출되는 질소산화물을 제거하기 위한 배관내 질소산화물 처리장치에 있어서,
    배출되는 유체의 흐름에 수직인 면에 투영해 보았을 때 격자 형태로 다수 배치된 처리기들을 포함하는 처리부;
    상기 처리기들에 레이저 광을 주사하는 광원이 다수 배치된 광원부;를 포함하며,
    상기 격자 형태로 다수 배치된 처리기들 중 격자 형태의 첫번째 직선에 해당하는 처리기들은 배출되는 유체의 흐름에 수직인 첫번째 평면에 배치되고, 상기 첫번째 직선에 해당하는 처리기들과 평행으로 이격되어 배치된 각각의 직선에 해당하는 처리기들은 상기 첫번째 평면과 평행으로 이격된 각각 다른 평면에 서로 겹치지 않게 배치되고,
    상기 광원 중 각각 하나의 광원은 상기 하나의 평면에 배치된 직선에 해당하는 처리기들에 레이저 광을 주사하며,
    상기 각각의 처리기는 상기 광원이 주사하는 레이저 광을 반사하기 위한 반사기 및 제거액을 분사하기 위한 분사기를 포함하는 질소산화물 처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연소 또는 엔진의 작동은 발전소 연소, 보일러 연소, 선박 엔진의 작동, 대형 육상 운송 장치 엔진의 작동 중 하나 이상인 질소산화물 처리장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 질소산화물은 NO이며, 상기 제거액은 암모니아인 질소산화물 처리장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 첫번째 평면과 상기 각각 다른 평면중 가장 최외단에 위치하는 평면들 사이의 거리는 상기 유체가 이동하는 배관 내의 전체 길이의 5% 이하인 질소산화물 처리장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)인 질소산화물 처리장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광원에는 레이저 광을 조사하는 레이저부 외에 상기 조사된 레이저가 상기 반사기를 통해서 반사되어 올 때 이를 집광하는 광검출부; 상기 검출된 레이저를 분석하는 프로세서부를 추가로 포함하는 질소산화물 처리장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분사기는 상기 프로세서부에 의해 분석된 질소산화물의 농도에 대응하여 제거액의 분사를 조절하는 노즐형태인 질소산화물 처리장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 질소산화물 처리장치의 후단에 상기 배관내 질소산화물의 농도를 측정하기 위한 추가측정부가 부가된 질소산화물 처리장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 추가측정부는 상기 처리부와 유사한 형태로서 분사기를 제거한 제2처리부 및 상기 광원부와 유사한 형태의 제2광원부를 포함하며,
    상기 추가측정부에서 측정된 값에 따라 상기 분사기에서 배출되는 제거액의 양을 조절하는 질소산화물 처리장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 질소산화물 처리장치를 이용하여 연소 또는 엔진의 작동에 의해서 배출되는 질소산화물을 제거하는 방법.
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