KR100739124B1 - 선택적 촉매 환원법을 이용하는 질소산화물의 저감시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선택적 촉매 환원법을 이용하는 질소산화물의 저감시스템에 관한 것으로, 특히 공장 또는 연소기관 등에서 배출되는 유해한 배기가스 중 질소산화물(NO_X)을 제거할 수 있도록 선택적 촉매 환원법을 기본으로 하여 환원제를 연소실 하류에 직접 분사할 수 있도록 되어 있다. 암모니아 혹은 요소는 연소실 하류를 통과하는 질소산화물의 함유량에 따라서 화학양론적으로 연소실 하류에 제공되되, 300℃ 이상의 고온으로 배출되는 배기가스의 질소산화물과 환원제의 혼합가스를 형성하고서 선택적 촉매 환원법 공정의 촉매반응탑에서 암모니아와 질소산화물의 화학반응을 일으키는데, 환원화학반응을 통하여 질소산화물이 무해한 질소(N₂)로 전환되므로, 유해한 질소산화물의 배출량을 현격하게 줄이므로 대기환경오염을 미연에 방지할 수 있다.

Description

선택적 촉매 환원법을 이용하는 질소산화물의 저감시스템 {NOx reduction system based on selective catalytic reduction}

도 1은 본 발명에 따른 질소산화물의 저감시스템의 개략적인 공정도이다.

도 2는 도 1의 원호로 표기된 부분의 단면도이다.

도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 단면도이다.

도 4는 종래기술에 따른 질소산화물의 저감시스템의 개략적인 공정도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1,101 ----- 저장조, 2,102 ----- 계량모듈,

5,105 ----- 연소실, 6 ----- 반응채임버,

7 ----- 촉매반응탑, 16 ----- 분사기,

26 ----- 구획칸, 36 ----- 암모니아확산노즐,

61 ----- 유입관, 62 ----- 배출관

106 ----- 암모니아주입장치.

본 발명은 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction)을 기초로 하여 질소산화물을 저감시키는 시스템에 관한 것으로, 특히 배기가스의 일부인 질소산화물과 환원제의 접촉을 돕도록 고온상태로 유지되고 있는 연소실 하류에 환원제를 근접 공급할 수 있는 반응채임버를 장착하고 있는 것을 특징으로 한다.

통상적으로, 공장 혹은 연소기관 등에서 화석연료를 연소시켜 발생되는 생성물 중 유해배출가스(특히 질소산화물)는 다양한 방법을 동원하여 저감시켜 대기환경을 청정상태로 유지해야할 필요성이 대두되고 있는 현실이다. 이를 위해 선택적 촉매 환원법은 촉매 하에서 암모니아(NH₃) 등의 환원제를 사용하여 질소산화물을 질소로 전환시키는 기술이 많이 애용되고 있는 게 현실이다. 이러한 선택적 촉매 환원법은 현재까지 신뢰성이 높고, 정화효율이 높아 질소산화물의 처리기술 중 상업적으로 많이 사용되고 있다.

일반적으로, 선택적 촉매 환원법에 따른 탈질시스템은 도 4와 유사하거나 동일한 공정을 갖춘다. 공정상에서, 저장조(101)에 보관된 암모니아는 계량모듈(102)의 제어로 공급량을 조절할 수 있다. 연소실(105)에서 배기될 질소산화물의 배출량은 다양한 센서 등을 매개로 계량모듈(102)로 정보제공되는바, 질소산화물의 배출량에 따라서 계량모듈(102)을 통해 저장조(101)에 보관된 암모니아의 공급량이 조절된다. 계량모듈(102)로 적당량으로 송급되는 암모니아는 증발기(103) 내로 주입 시켜 고온의 가열증기를 사용하여 액상의 암모니아를 증기상으로 기화시킨다. 그런 다음에, 가열된 암모니아는 송풍기(104)를 수단으로 하여 상당량의 공기와 혼합된다. 일반적으로, 암모니아는 고온 하에서는 폭발성이 강하므로 송풍기(104)로 공급된 공기와 증발기(103) 내부에서 잘 혼합되어져야만 한다. 암모니아의 폭발을 방지하기 위해서, 당해분야의 숙련자들에게 이미 널리 알려져 있듯이 암모니아/공기의 비는 2% ~ 5% 정도로 유지시키는 것이 바람직하다. 즉, 송풍기(104)로 제공된 공기와 증기상의 암모니아가 서로 혼합되어 매우 희박한 암모니아증기상으로 되어야만 한다. 그런 후에, 희박한 암모니아증기는 암모니아주입장치(ammonia injection grid;이하 AIG)로 유입된다. AIG(106)는 연소실(105)에서 배출되는 질소산화물과 송풍기(104)로 안내되는 희박한 암모니아증기를 원활하게 잘 혼합시킨다. 물론, AIG(106) 내부에는 널리 공지된 바와 같이 상당수의 노즐을 구비하는데, 다수의 노즐은 희박한 암모니아증기를 배기가스 중으로 분산시켜 혼합정도를 높이도록 한다. AIG(106)에서 희박한 암모니아증기와 질소산화물 간의 혼합으로 생성된 혼합가스는 다음 공정인 선택적 촉매 환원법에 따른 촉매반응탑(7;catalyst tower)으로 이동안내하게 되는데, 질소산화물은 암모니아와 환원반응을 일으킨다. 촉매반응탑(7)에서의 반응온도는 일반적으로 300℃ 이상의 고온이기 때문에, 다량의 공기와 암모니아증기를 혼합시켜 암모니아에 의한 폭발을 미연에 방지할 수 있도록 한다. 촉매반응탑(7)으로 주입된 희박한 암모니아증기는 촉매반응탑(7)에서, 아래에 기술된 화학식 1과 같은 반응을 한다.

이와 같이, 질소산화물은 암모니아와 환원반응하여 질소(N₂), 물(H₂O)을 생성하게 되는데, 촉매반응탑(7)에서의 체류시간을 연장하여 반응이 더욱 효과적으로 발생하게 할 수 있도록 촉매층을 다수의 단으로 형성한다. 추가로, 고온 하에서 반응하기 때문에 내부온도의 열은 예열기(8)로 전달되고서 연소공기를 다시 가열하여 연소실(5)로 순환시킨다. 또한, 촉매반응탑(7)에서 반응된 후에 생성된 질소와 물은 굴뚝(9)을 통하여 대기중으로 방출가능하다. 이와 같은 개략적인 선택적 촉매 환원법에 따른 공정을 통하여 유해한 질소산화물의 저감방법을 기술하였다.

이러한 종래기술에 따른 탈질장치는 연소실의 하류에 희박한 암모니아증기를 질소산화물과 접촉하도록 암모니아주입장치를 갖춰야 하는데, 이를 위한 다수의 장치들이 추가로 구비되어야만 하는 단점과 이에 따른 추가비용이 발생한다. 구체적으로, 암모니아 혹은 암모니아수를 고온으로 상승시키기 위해 증발기와 함께 다량의 공기를 주입할 수 있는 송풍기를 갖추고 있어야 한다. 또한, 연소장치로부터 배출되는 질소산화물을 함유한 배기가스가 AIG까지 안내이송될 수 있는 길게 연결된 파이프관이 별도로 필요로 하며, 이와 같이 희박한 암모니아증기를 AIG까지 이송시키기 위해 추가의 파이프관이 필요하다. 이로 인해서, 암모니아는 위험물질로서 도 4에 도시된 일반적인 선택적 촉매 환원법에 따른 공정에서 긴 유동경로를 따라 흐 르면서 플랜트 혹은 작업자에게 예기치 못할 위험성을 야기시킬 수 있다.

이상과 같이, 환원제를 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템은 상당한 문제점을 내포하고 있으며, 이를 극복하기 위해서 본 발명은 별도의 AIG를 구비하지 않고 연소실 하류에 환원제를 분사할 수 있는 반응채임버를 갖추고 있는 저감시스템에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 선택적 촉매 환원법에 사용될 수 있는 암모니아와 더불어서 요소(urea)도 환원제로 사용할 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 합니다. 본 발명에 따른 질소산화물의 저감시스템에서 사용될 환원제는 물에 용해된 암모니아수 혹은 요소수상태로 사용하는바, 특히 요소수는 다음과 같은 열적분해반응 뿐만 아니라 동시에 열적가수분해반응도 동반되어 일어나게 되지만, 이 모든 반응들에 위해서 암모니아로 변환되어 질소산화물과 반응토록 한다.

다시 말하자면, 환원제로 사용될 요소수 혹은 암모니아수는 저장조에 저장보관되어 있는바, 특히 요소수는 개량모듈로 연소실에서 배출되는 질소산화물의 양에 따라 화학양론적으로 후연소실에 공급토록 한다. 특히, 요소(NH₂CONH₂)를 암모니아로 개질시키기 위해 열적가수분해반응에 대한 화학반응식은 다음과 같다.

요소수는 계량모듈로 질소산화물의 양에 따라 정량화되어 후연소실에 장착된 반응채임버로 직접공급된다. 그로 인해서, 위의 화학식 2에 따라서 요소는 암모니아로 개질될 수 있다.

요소수를 대신하여, 환원제로 암모니아가 사용되었다면 암모니아는 별도의 화학반응없이 반응채임버에 유입되어 질소산화물과 직접 접촉하여 환원반응을 일어나도록 한다.

반응채임버는 연소실 하류에 인접하게, 바람직하게는 연소실 하류에 위치한 연도가스 파이프의 측면에 장착되도록 한다. 연소실 하류로 유입되는 연도가스는 연소실 하류에 구비된 구획칸으로 일부는 연소실 하류방향으로 직접 안내되어 흐르며 나머지 일부는 반응채임버 내로 유입되고서 요소수로부터 열적가수분해반응으로 전환된 암모니아 혹은 시아누르산과 혼합되어 분사노즐과 배출관을 통해 다시 연소실 하류로 재유입되어 다음에 단계에 있는 촉매반응탑으로 이송하도록 한다.

이제, 본 발명에 따른 저감시스템의 구체적인 설명은 첨부도면을 참조로 하여 더욱 상세히 기술될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 질소산화물의 저감시스템의 개략적인 공정도이다.

본 발명에 따른 질소산화물의 저감시스템은 선택적 촉매 환원법을 기초로 하여 설비된 것으로, 연소실의 하류에서 질소산화물과 환원제를 접촉시키고서 촉매반 응탑에서 질소산화물과 환원제의 환원반응을 야기한다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 질소산화물의 저감시스템은 다양한 환원제, 더욱 구체적으로 암모니아(NH₃)와 요소(NH₂CONH₂) 등의 환원제를 수용액상태로 보관하는 저장조(1)와, 화석연료 등을 연소시키는 연소실(5), 다양한 촉매를 구비하고 있는 촉매반응탑(7) 및, 연소실 하류에 위치한 연도가스 파이프(50)에 반응채임버(6)를 갖추고 있다.

저장조(1)는 전술된 바와 같이 암모니아와 요소 등의 환원제를 보관하고 있다. 바람직하기로, 암모니아와 요소는 수용액상태로 보관되어 이송흐름을 돕고 가수분해반응을 야기시킬 수 있도록 한다. 가장 바람직하기로는, 저장조(1)는 25%의 암모니아수 혹은 10~70%의 요소수를 저장보관되어 있도록 한다.

저장조(1)에 보관되었던 환원제는, 연소실에서 배출되는 질소산화물의 발생량을 센서(도시되지 않음) 등으로 감지하고서 계량모듈(2)을 수단으로 하여 질소산화물과의 화학양론비에 맞춰 환원제를 연소실 하류, 즉 반응채임버(6)로 이송한다. 작동 중에는 고온으로 유지되고 있는 연소실 하류의 연도가스 파이프(50)에 반응채임버(6)는 운반된 환원제와 함께 연소실에서 방출되고 있는 연도가스를 동시에 유입한다.

바람직하기로, 연소실 하류의 측면과 반응채임버(6)는 일체로 형성되고 각 부재 사이에는 가스들의 이동을 용이하게 하기 위해 부분적으로 개방되어져 있다. 연소실 하류의 측면과 반응채임버(6)의 구체적인 배치는 도 2를 참조로 하여 더욱 구체적이면서 상세하게 기술될 것이다.

기술된 바와 같이, 반응채임버(6)는 연소실 하류의 측면에 배치되되, 더욱 바람직하기로는 연소실 내부의 온도가 300~500℃ 정도의 고온이 유지되고 있는 적소에 장착되어야 한다. 이러한 고온 중으로 환원제를 분사시켜 1) 요소수인 경우에는 암모니아로의 개질(화학식 2 참조)을 돕고 2) 암모니아수인 경우에는 암모니아 증기상으로 상태변경시키면서, 고온 중에 연도가스와 암모니아와의 접촉을 돕도록 한다.

환원제인 암모니아와 오염원인 질소산화물의 혼합가스는 연소실 하류에서 연통되어 있는 촉매반응탑(7)으로 안내된다. 선택적 촉매 환원법에 기초하여 위의 혼합가스는 촉매반응탑(7)에서 환원반응을 일으켜서 질소산화물이 대기환경에 영향을 미치지 못하는 수소와 질소 등으로 생성시킨다(화학식 1 참조). 당해분야의 숙련자들에게 널리 알려져 있듯이, 촉매반응탑(7)은 촉매와 혼합가스와의 접촉시간을 지연시켜, 즉 촉매반응탑 내에서 체류시간을 연장하여 더욱 확실한 환원반응을 일으키도록 하며, 이를 위해 다단의 촉매층을 형성하는 것도 한 방편일 수 있다.

촉매반응탑(7)에서 환원반응을 거쳐 나온 고온의 배기가스는 이송관을 따라 예열기(8)로 전달되고 연소실(5)에 사용될 연소공기를 미리 예열시켜서 에너지 재활용토록 할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 배기가스에 함유된 다수의 분진들은 집진기(도시되지 않음)를 구비하여 다량의 분진을 집진기로 포집한 다음에 굴뚝(9)을 통해 외부로 방출시킨다.

도 2는 도 1의 원호로 표기된 부분의 단면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 단면도이다.

연소실(5)은 화석연료 등을 연소시키면서 주 대기오염원인 질소산화물과 황산화물 등을 내뿜게 된다. 도시되었듯이, 연소실 하류, 연도가스 파이프(50)의 측면에 반응채임버(6)를 구비한다. 반응채임버(6)의 상부에는 저장조(1;도 1 참조)에서 보관되었던 환원제 중 요소수 혹은 암모니아수를 그 내부로 분무할 수 있는 분사기(16)를 구비한다. 또한, 반응채임버(6)와 연소실 하류(50)의 접촉부 중 상측부에는 연소실에서 나오는 연도가스의 일부인 제1연도가스가 반응채임버(6) 내부로 유입될 수 있도록 개방되어져 있는 유입관(61) 뿐만 아니라 하측부는 연도가스와 환원제를 다시 연소실 하류(50)로 유도하는 배출관(62)를 구비한다. 덧붙여서, 유입관(61)과 배출관(62) 사이에는 구획칸(26) 및 암모니아확산노즐(36)을 장착한다.

특히, 구획칸(26)은 유입관(61) 바로 아래에 위치시켜 고온의 연도가스의 방향설정을 돕는다. 즉, 구획칸(26)은 유입관(61) 아래에 위치되고서 연소실 하류(50) 내부를 향해서 뻗는데, 연도가스 파이프(50)를 완전히 밀폐하지 않도록 하는 것을 특징으로 한다. 이러한 구조로 배치된 구획칸(26)은 연도가스 중 일부, 즉 제1연도가스는 유입관(61)을 지나 반응채임버(6) 내부로 보내고 나머지 제2연도가스는 직접적으로 하류로 이동시킬 수 있다. 바람직하기로, 연도가스의 배출량 중 대략 65~75%를 반응채임버(6)로 안내하고 나머지 25~35% 정도의 연도가스는 하류로 보내도록 한다.

분사기(16)는 환원제를 반응채임버(6) 안쪽으로 분무하도록 되어 있는바, 특히 구획칸(26)으로 안내된 고온의 제1연도가스를 통해 요소수는 반응채임버(6) 내 로 분사되면서 열가수분해 혹은 열적가수분해반응이 일어나게 되어 요소가 다음에 기재된 화학식 3에 따라 암모니아(NH₃)와 시아누르산(HNCO)으로 전환된다.

고온하에서 요소에서 분해된 암모니아와 시아누르산은 탈질설비, 즉 촉매반응탑(7)에서 질소산화물과 반응하게 되는데, 암모니아와 질소산화물과의 반응은 화학식 1로 기재된 바와 같이 반응하는 한편, 다른 생성물인 시아누르산과 질소산화물과의 반응식은,

의 화학반응으로 진행되어서 유해한 질소산화물이 질소(N₂)와 이산화탄소(CO₂)로 전환되어 탈질을 돕는다.

이와 같이, 분사기(16)로 분무된 환원제는 고온의 연도가스와 접촉하여 전술된 화학식으로 반응하여 (질소산화물이 내포된) 제1연도가스와 혼합된 다음에, 일부 혼합가스는 배출관(62)을 통해 연소실 하류(50)로 우회되어 재유입되는 한편, 나머지 혼합가스와 더불어 암모니아확산노즐(36)을 수단으로 하여 혼합되지 않은 암모니아와 시아누르산이 제2연도가스로 제트분사되어 환원제와 질소산화물의 혼합을 돕는다.

이와는 달리, 구획칸(26)에 위해 반응채임버(6)로 안내되지 않고 연소실 하류(50)방향으로 연속적으로 이동하는 나머지 고온의 제2연도가스는 암모니아확산노즐(36)을 통해 제트분사된 환원제(암모니아 혹은 시아누르산)와 접촉할 수 있도록 한다. 도시된 바와 같이, 암모니아확산노즐(36)은 구획칸(26) 아래에 배치되는 것을 특징으로 한다.

저장조(1)에 암모니아수를 보관하고 있다면, 암모니아수는 분사기(16)를 통해 유입되어 고온의 증기상으로 상태변환되고 부근에 위치된 암모니아확산노즐(36)을 통해 제2연도가스에 분사될 수 있도록 한다. 이렇게 접촉하는 암모니아와 연도가스의 혼합가스는 이송관을 따라서 촉매반응탑(7)으로 안내된다.

본 발명에 따른 반응채임버를 연소실 하류에 장착한 탈질시스템은 첨부도면과 이를 참조로 하여 기술된 실시예에만 국한되지 않고, 아래의 청구범위의 범주와 범위 내에서 변형 및 변경 가능함을 미리 밝혀둔다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 환원제를 암모니아와 요소의 선택구별 없이도 플랜트(plant)에 선택적 촉매 환원법을 적용하여 사용할 수 있도록 되어 있다. 요소를 암모니아로 전환하기 위한 설비와 암모니아와 연도가스와의 접촉을 돕던 기존의 암모니아주입설비(AIG)를 별도로 구비하지 않아 플랜트의 크기를 줄일 수 있는 등의 설비의 단순화 및 암모니아와 같은 위험물 취급시에 안정성을 확보하여 질소산화물과의 환원반응을 도울 수 있다.

Claims (4)

1. 연소실과 환원제를 보관하는 저장조 및 촉매반응탑으로 이루어져 선택적 촉매 환원법에 기초로 한 질소산화물의 저감시스템에서,

   상부측에는 상기 저장조에 보관되어 있던 환원제를 분사하는 분사기와;

   상기 연소실로부터 배출되는 고온의 연도가스 중 일부를 안내하는 유입관;

   상기 유입관으로 유입된 고온의 제1연도가스와 상기 분사기로 분사된 환원제의 혼합가스를 연도가스 파이프로 재유입시키는 배출구;

   상기 연도가스 파이프를 따라서 이동하는 제2연도가스와 환원제의 혼합을 돕기 위해 상기 유입관과 배출구 사이에 위치되고, 상기 연도가스 파이프 내부로 증기상 환원제를 공급하는 암모니아확산노즐 및;

   상기 제1연도가스와 제2연도가스의 분리를 돕도록, 상기 유입관 바로 아래에 위치되어 상기 연도가스 파이프 내부의 일부를 폐쇄하기 위해 뻗어 있는 구획칸;으로 이루어진 반응채임버를 구비하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원법을 이용하는 질소산화물의 저감시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 저장조는 요소와 암모니아를 수용액상태로 보관하는 것을 특징으로 하는 질소산화물의 저감시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 구획칸을 사용하여, 상기 연도가스의 대략 65~75%가 유입관을 통해 반응채임버로 유입되는 한편, 나머지 25~35%의 연도가스는 이송관을 따라 연소실 하류방향으로 지속적으로 이동하는 것을 특징으로 하는 질소산화물의 저감시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 연도가스의 온도는 300~500℃로 되어 있는 것을 특징으로 하는 질소산화물의 저감시스템.

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