KR100259104B1 - 연도가스의 질소산화물의 감소를 위한 수성환원제를 기화시키는 방법 - Google Patents

연도가스의 질소산화물의 감소를 위한 수성환원제를 기화시키는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연소시스템에서 연도가스의 NOx를 감소시키기 위한 수성 환원제를 기화시키는 방법에 관한 것이다.
열교환기는 연도가스 통로에 배치되어서 연도가스로 부터의 열이 열 교환 매체, 바람직하기로는 주변공기를 가열시킨다. 가열된 공기는 수성환원제, 바람직하기로는 수성 암모니아가 기화되는 기화기로 통과된다. 기화된 암모니아는 NOx를감소시키기에 효과적인 연도가스 통로내로 주입된다. 자동제어 시스템의 일부 단면들이 개시되어 있다.

Description

연도가스의 질소산화물의 감소를 위한 수성환원제를 기화시키는 방법.
제 1 도는 NOx의 선택 촉매 환원용 반응기 및 증기 발생기를 포함하는 연소시스템에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하는 개략도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 증기 발생기 12 : 로
14 : 열 회복부 16 : 증기터빈
20 : 연도 30 : 스택
40 : 촉매 반응기 50 : 탱크
52 : 펌프 54 : 여과기
56 : 필터 58 : 유량계
60 : 압력조절기 64 : 기화기
66 : 공기분사노즐 67 : 자동제어밸브
68 : 열교환기 70 : 팬
71 : 제어밸브 72 : 유입헤더
74 : 유출헤더 76 : 주입그리드
78 : 자동제어기 80 : 온도센서
82 : NOx분석시스템
본 발명은 연소시스템에서 연도가스의 NOx를 감소시키기 위한 수성환원제를 기화시키는 방법에 관한 것이다. 석탄, 석유와 같은 화석연료, 공업 또는 천연 가스의 연소는 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)를 포함하는 환경적으로 위험한 물질을 만들어낸다. 일산화질소 및 이산화질소는 집합적으로 NOx라 불리운다. 화석연료의 통상적인 연소공정에서 NOx의 주요부는 NO이다.
주지한 바와같이, NOx의 생성은 화석연료가 다양한 장치에서 연소될때 일어난다. 따라서 본 발명은 공정내 정련 가열기, 가스터빈 시스템 및 증기설비를 포함하는 보일러에 적용시킬 수 있다. 연료는 석탄, 기름, 가스, 도시의 고체폐기물과 같은 폐기물, 및 다양한 다른 탄소질 물질을 포함한다. 본 발명은 입자를 함유한 연료가스를 갖고 소위 "청정" 연도 가스라 불리우는 것을 갖는 장치에 적용된다.
몇가지의 NOx환원제가 공지되어 있다. 암모니아가 통상적으로 사용된다.
연도 가스흐름으로부터 NOx의 제거를 위한 주요공정은 암모니아, 요소, 또는 다수의 공지된 환원제와 같은 환원제의 주입이다. 예를들면, 매우 통상적인 방법은 촉매의 존재하에서 후속의 화학반응 및 연도가스내로 암모니아(NH3)의 주입을 포함하는 NOx의 선택촉매환원(SCR)이다; 즉,
연도가스 흐름내로 암모니아를 주입하는 하나의 종래방식은 무수 또는 무성의 액체 암모니아가 먼저 가열기 또는 기화기에서 기화되고, 공기와 혼합되고, 그런후에 SCR 반응기의 상류위치에서 연도가스 흐름내로 후속의 주입을 위한 배수 그리드 망으로 향하는 외부 암모니아가 기화 시스템이 사용된다. 무수 암모니아를 주입하기 위한 공지된 방법 및 시스템의 보다 상세한 설명은 1991년 6월 3일~6일에 플로리다 올란도에서 국제 가스터빈 및 에어로엔진 회합 및 박람회의 에스.엘.쵸, 에이.에이치 셜처, 및 제트. 테츄의 "가스터빈 시스템에서 NOx제어를 위한 선택촉매환원 시스템의 디자인 및 가동경험"에 나타나 있다. (ASME paper number 91-GT-26). 이하 인용논문이라고 한다. 무수암모니아는 유독하고 위험하기 때문에, "통상" 수성 암모니아(NO3ㆍH2O)가 사용되고, 이는 암모니아와 물의 혼합물이다. 그러므로 암모니아가 "무해한" 물에 희석되어, 수성 암모니아는 무수 암모니아 보다 덜 위험하게 된다. 전형적인 공업등급 수성 암모니아는 대략 30% 암모니아 및 70% 물을 함유한다. 상기 비율의 암모니아-물 혼합물은 미국 고속도로 상에서 안전하게 이송된다. 이는 통상온도에서 미소한 기화 압력을 갖는다.
또한 촉매를 사용하지 않는 공정으로서 소위 선택 무촉매 환원(SNCR)공정이 공지되어 있다. 암모니아, 요소, 또는 다른 환원제가 로 또는 연소기의 상부 연소영역으로 주입된다. 다른 주입기에는 순환 유동층 증기 발생기의 원심분리기를 포함하는 것이 공지되어 있다.
이러한 수성 암모니아를 사용하는 시스템 및 방식에 있어서, 암모니아를 기화시키는 여러가지 방식이 널리 사용되고 있다. 이러한 방식은 (1). 주변 공기를 가열하고 용기내의 수성 암모니아와 혼합시키는 전기가열기를 사용함으로써 수성암모니아를 기화시키고(상기 인용논문에 기술되어 있음), (2). 수성암모니아를 기화시키는 증기에 제공되는 코일을 함유하는 수성 암모니아가 채워진 탱크의 케틀 타입 열교환 탱크의 사용, (3). 수성 암모니아가 유체-유체 타입 접촉탑의 상부내로 분사되고 증기는 하부로 도입되는 암모니아 제거탑의 사용, 및 (4). 연도가스가 수성 암모니아와 혼합되고 기화되는 기화용기내로 송풍기에 의해 빨려들어가는 연도가스 슬립 스트림(slip stream)의 사용을 포함한다.
본 발명은 NOx가 발생하는 연소기에서 나오는 연도가스의 NOx를 감소시키려는 목적으로 수성환원제를 기화시키는 방법이 제공된다. 연소기는 연도가스가 스택(stack)으로 이동되는 소정의 통로를 따라 형성되는 연소시스템의 일부분이다. 열교환기는 연도가스가 열교환기의 제 1 기능측(즉, 핀이 장착된 튜브의 외부)에 접촉하는 방식으로, 전형적인 덕트에서, 연도가스 통로에 배치된다. 열 이송매체, 바람직하게는 주변공기는 열 이송매체가 가열되는 열교환기의 제 2 기능측(즉, 핀이 장착된 튜브의 내부)과 접촉하여 통과된다. 가열된 매체는 그후 환원제의 수성용액을 기화시키는데 사용되는 연도가스 통로 외부 위치로 통과된다. 바람직하기로는, 기화는 예를들어 분무에 의해, 용기내의 수성용액 및 가열된 매체를 혼합시키는 것에 의해서 이루어진다. 바람직하기로는, 환원제는 암모니아이다. 결국, 기화된 수성용액은 NOx를 감소시키는데 효과적인 연도가스 통로내로 주입된다. (기화기는 더이상 수성 용액이 아닌 어떤 물질로 수성용액을 변화시킨다는 것이 알려져있다. 그러나 편의상, 환원제, 공기, 증기, 및 특정한 잔류 기체의 혼합물은 '기화된 수성용액"으로 칭한다).
기화된 수성용액이 연도가스통로내로 주입되는 위치는 연소시스템의 성질을 다양하게 할 것이다. SNCR 타입의 연소 시스템에 있어서, 연소기 최상부의 연도가스내로 기화된 용액을 분사시키는 것이 바람직하다. 반면, SCR 시스템에서 촉매 반응기의 상류로 거슬러 올라가는 적당한 거리로 기화된 용액을 주입하는 것이 요구된다.
본 발명은 자동제어 시스템에 사용하기에 적당하다. 연도가스내로 주입된 환원제의 양은 자동적으로 제어되는 밸브를 통하여 액체수성 용액을 통과하는 것에 의해 다양하게 될 수 있다. 선택적으로, 그리고 바람직하기로는, 액체 수성용액 유속은 하나 이상의 "내부혼합" 공기분사 노즐을 경유하여 제어된다. 수성용액의 압력은 분사공기의 압력이 변화되는 동안 일정하게 유지된다. 공기압력의 변화는 노즐을 통하여 액체수성용액의 유속을 효과적으로 조절한다. 벨브제어는 이러한 방법이 사용되는 연소시스템의 성질에 따라 선택되는 다양한 공정인자를 모니터 하는 것에 의해 성취될 수 있다.
본 발명은 많은 다른 형태의 실시예로 변형될 수 있는데, 도면으로 도시되며,
본 개시가 본 발명의 원리의 예로써 간주되는 것이지 설명된 실시예에 본 발명의 넓은 범위를 제한하지 않는 본 발명의 소정의 실시예를 하기에 상세히 설명할 것이다.
도면은 본 발명에 관련하여 사용하기에 적합한 형태의 연소 시스템의 예를 개략적인 형태로 도시한다. 연소 시스템은 로(12) 및 열회복 부(14)의 형상으로 연소기를 포함하는 증기발생기(10)를 포함한다. 증기 라인은 열회복부(14)에서 증기터빈(16)까지 이끈다. 연도가스는 열회복부(14)를 통하여 로(12)내로 부터 소정의 통로를 따라 이송되고 그후 스택(stack, 30)으로 이끄는 연도(20)를 통과한다. 연소 시스템은 NOx의 선택촉매 환원(SCR)용 촉매반응기(40)를 포함한다. SCR 반응기(40)는 촉매로 채워진 세라믹 허니콤(honeycomb)과 같은 형태로 공지되어 있다. 그러한 반응기는 상기 언급된 인용문헌에 또한 설명되어 있다.
도면에 도시된 연소 시스템은 오직 예를들어 설명하는 것일 뿐이다. 다른 형태의 연소 시스템은 본 발명에 이익이 될 수도 있다. 예를들면, 가스터빈 열 회복 증기 발생기, 공정 가열기, 및 순환 유동층 증기발생기 등이 그것이다. 탱크(50)는 환원제, 바람직하기로는 수성 암모니아의 수성용액을 저장한다. 암모니아의 수성용액은 실온에서 보관해도 좋다.
이러한 수성용액은 펌프(54)에 의해서 여과기(52)를 통해 뽑아내다. 거기에서, 용액은 필터(56), 유량계(58), 압력조절기(60)를 통과하고, 그후 기화기(64)의 "내부혼합" 공기분사 노즐로 향한다.
기화기(64)는 설명되는 방식으로 수성용액을 효과적으로 기화시키는 특정한 타입이다. 기화기는 상기 인용문헌에 서술되는 형태일 수 있다. 선택적으로, 그리고 더욱 바람직하기로는, 상기 기화기는 공기분사노즐(66) 및 금속제 덮개링으로 충진한 껍질을 갖는다.
가압된 분사공기는 공기분사노즐(66)에 자동제어밸브(67)를 통하여 도입된다. 노즐(66)이 내부 혼합노즐이므로, 분사공기의 압력은(제어밸브(67)의 조절에 의해 성립됨)환원제의 유속을 좌우한다. 환원제 압력은 압력조절 밸브(60)의 작용을 통해 일정하게 유지된다.
기화기(64)는 열교환기(68)에서 가열된 열 전달 매체를 수용한다. 열교환기(68)는 연도가스의 통로에 배치된다. 공지된 방식으로, 열교환기(68)는 열을 방출하는 연도가스에 의해 접촉되는 제 1 기능측 및 열을 수용하는 열교환 매체에 의해 접촉되는 제 2 기능측으로 구성되어 있다. 예를들어, 도면은 핀이 장착된 튜브로 만들어진 열 교환기(68)를 도시한다. 핀 및 튜브의 외부는 연도가스와 접촉하는 열교환기의 제 1 기능측 상에 있다. 튜브의 내부는 튜브를 통과하는 열교환 매체와 접촉하여 열교환기의 제 2 기능측상에 있다.
단일튜브는 유입헤더(72) 및 유출헤더(74)에 연결되어 도시된다. 실제 시스템에 있어서, 일련의 이러한 튜브는 유입헤더(72) 및 유출헤더(74)에 연결될 수 있다. 도면에서, 각 튜브는 연도가스의 흐름의 방향을 가로지르는 연도(20)를 따라서 4개의 통로를 만든다. 또한, 유입헤더(72)는 연도가스 흐름의 방향에 관하여 유출헤더(74)의 하류인 것으로 도시된다. 열교환기(68)의 이러한 특성중의 어떠한것도 중요하지 않다. 변형은 열교환기를 위한 공지된 디자인 원리와 조화하도록 만들어지면 된다. 예를들면, 유입 및 유출헤더(72, 74)는 더욱 편리하도록 연도(20)내에 배치된다. 유입헤더(72)는 유출헤더(74)의(연도가스흐름의 방향에 관하여) 상류에 위치하게 된다. 핀들은 생략해도 된다. 통로의 수 또는 방향은 변화될 수 있다.
열교환기(68)는 그 자체가 전형적인 탄소강 튜브로 형편에 맞게 만들어질 수 있다. 적용에 의존하여, 튜브는 전형적으로 대략 1 ½ in에서 4 in 사이의 평균 직경 범위로 된다.
열교환 매체로는 공기가 바람직하고, 주변공기가 가장 바람직하다. 이러한 끝단에, 팬(70)은 연소시스템의 전체 주위로 부터 주변공기를 빨아들이고, 제어밸브(71)를 경유하여 유입헤더(72)내로 이것을 밀어낸다. 팬(70)과 같은 주변온도 공기송풍기는 고온연도가스를 취급해야만 하는 타입의 재순환 팬 보다 더 저렴하고 쉽게 이용할 수 있다. 또한 그러한 팬은 더 확실하리라고 기대된다.
기화기(64)에서, 가열된 매체 및 수성용액은 섞여져서 수성용액을 기화시킨다. 이러한 끝단으로, 소정의 실시예는 열교환기(68)에서 대략 400℉~950℉ 사이의 온도로 공기를 전형적으로 가열시킬 것이다. 이러한 온도 범위는 오직 전형적인 가동을 반영할 뿐이지, 기술적 이유로 지속되어야만 하는 고정된 한계는 아니다.
또한 소정의 실시예에서, 가열된 공기는 상기 설명된 형태의 기화기의 꼭대기 언저리에 주입되고, 여기에서 꼭대기로 부터 들어오는 암모니아 분사에 의해 접촉된다. 전형적으로, 펌프(54)는 대략 10 psi 및 20 psi의 사이에 암모니아의 압력이 성립된다. 수성 암모니아 유속은 연소 시스템 및 가동 하중의 성질에 의존한다. 전형적으로, 유속은 대략 3,000 lbs/hr 또는 그 이하일 것이다.
기화된 수성용액은 그후 공지된 타입의 주입그리드(76)로 통과하고, 여기서 연도가스내로 주입되어 연도가스의 NOx를 감소시키게 된다. 주입 그리드(76)는 도시된 바와같이 열교환기(68)의 하류에 위치하거나, 또는 열교환기(68)의 상류에 위치할 것이다. 제시된 형태의 촉매 시스템을 위해(즉 촉매 반응기(40)의 상류에 위치한 주입그리드(76)를 갖음), 기화기의 유출물은 바람직하기로는 200℉~800℉ 사이, 더욱 바람직하기로는 250℉~500℉ 사이이다.
본 발명은 밸브(67)의 개시의 정도를 조절하는 자동제어 시스템에 관해 사용하기에 매우 적합하므로, 암모니아 또는 다른 환원제의 총량이 연도가스내로 도입된다. 자동제어기(78)는 바람직하게도 디지탈 프로세서(digital processor)를 포함한다. 상기 유출물은 제어밸브(67)의 개시를 조절하는데 사용된다. 제어기(78)는 다수의 센서로 부터 입력을 수용하고, 연소 시스템의 성질 및 사용자 기호에 따라 변하는 성질을 수용한다. 설명된 실시예는 전기등의 발생을 위한 증기터빈을 구동시키는데 사용되는 증기 발생기 시스템과 사용하기에 적당하다.
이러한 시스템은 촉매반응기(40)의 하류에 NOx분석시스템(82), 주입그리드(76) 및 촉매반응기(40) 사이에 예로서 배치된 온도센서(80), 및 연도가스 유속을 나타내는 제 3 의 센서를 수용할 수 있다. 공지된 방식으로, 연도가스 유속은 터빈하중에 관한 것이다. 이는 "84"의 도면에 도시되어 있는 바와 같이 측정된다.
염기성 암모니아 주입율은 각각 연도가스 유속 및 SCR 연도가스 유입온도를 나타내는, "80" 및 "84"로 부터 도입 전방 신호에 의해 설정된다. 염기성 암모니아 주입율은 끊임없이 새롭게된다. 암모니아 주입율의 양호한 조절은 SCR 유출구 NOx농도를 측정하는 "82"로 부터 피드백 신호를 이용하는 것으로 성취된다. 유량계(58)의 출력은 요구된 암모니아의 유속이 획득되도록 결정하는데 사용된다.
전술한 것 보다 더 경제적인 발명을 설명한다. 이는 가동중에 최소한의 에너지를 소모한다. 더이상 어떤 시스템보다 제조하기에 비용이 더 들지 않고 다른것 보다 제조하기에 비용이 덜든다. 최소한 어떤 시스템보다 유용하며 다른것보다 더 유용하다.
특히, 연도가스로 부터 열 에너지를 도시하는 것에 의해, 본 발명은 수성 환원제를 기화시키는 공정 증기 또는 전기를 사용하는 것을 피한다. 비록 그것이 연도가스로 부터 열을 회수할지라도, 열교환기를 가로지르는 연도 가스의 온도 하강은 무시해도 좋을 만큼 작아서(대부분의 적용에 몇 단계의 순서상에), 연도가스 시스템에서 전혀 해롭지 않은 효과를 야기시킨다. 본 발명은 기화매체를 가열시키는 다른 외부장비를 사용하는데 드는 부가적인 유지비용 및 자본지출을 피한다. 더우기 고온연도가스를 취급하도록 디자인된 형태의 재순환 팬에 연관해서 드는 유지 비용 및 여분의 자본을 저축하고, 대신에 평균주변 공기팬을 사용할 수 있게 한다.

Claims (5)

  1. 연도가스가 연도가스 통로의 하류끝단에서 배출구로 이송하는 소정의 통로를 한정하는 연소 시스템의 일부분이고 NOx가 발생되는 연소기에서 나오는 연도 가스의 NOx를 감소시키기 위한 수성환원제를 기화시키는 방법에 있어서,
    수성용액에 환원제원을 공급하는 단계와,
    상기 연도가스가 열교환기의 제 1 기능측에 접촉하도록 연도가스 통로내에 열교환기를 배치하는 단계와,
    열 교환 매체가 가열되도록 열교환기의 제 2 기능측과 접촉하여 열교환 매체를 통과시키는 단계와,
    연도가스 통로에서의 열교환기로 부터 연도가스 통로 바깥쪽 위치로 가열된 매체를 통과시키는 단계와,
    상기 수성 용액을 기화시키기 위하여 가열된 매체를 사용하는 단계와,
    상기 연도가스 통로내로 기화된 수성용액을 주입하는 단계 및
    상기 기화된 용액이 연도가스의 NOx를 감소시키는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 연도가스의 질소산화물의 감소를 위한 수성환원제를 기화시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 사용하는 단계는 기화기에서 가열된 매체 및 수성 용액을 혼합시켜 수성용액을 기화시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 전달 매체가 주변공기인 것을 특징으로하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원제가 암모니아인 것을 특징으로하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    주입되고 기화된 수성용액 및 연도가스의 혼합물을 촉매반응기에 접촉되어 통과시키는 것에 의해 NOx의 감소에 촉매작용을 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로하는 방법.
KR1019930013527A 1992-07-31 1993-07-19 연도가스의 질소산화물의 감소를 위한 수성환원제를 기화시키는 방법 KR100259104B1 (ko)

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