KR100794389B1 - 선택적비촉매환원법에서 질소산화물 저감을 위한 내부관통형 3중관 환원제 분사기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 연료의 연소장치 및 폐기물 소각로에서 발생하는 질소산화물(NOx)의 저감 방법인 선택적비촉매환원법(SNCR)에서 환원제로 사용하는 암모니아 또는 요소용액을 연소실 내부로 균일하게 분사하여 NOx를 효과적으로 분해 처리하기 위하여 연소실 내부에 환원제를 분사할 수 있는 다수의 분사관이 장착된 3중관 분사기를 연소실 내부를 관통하여 설치하여 연소실 내부에 환원제를 균일하게 분사하고 그 결과 질소산화물 제거율을 향상시킬 수 있는 내부 관통형 환원제 분사기에 관한 것이다.

본 발명을 통하여 환원제 공급관의 고온 손상을 방지하고 환원제 공급관 내부의 환원제 온도를 균일하게 유지하며 연소실 내부에 NOx 저감용 환원제의 액적을 균일하게 분사함으로써 획기적으로 NOx와 환원제의 혼합 성능을 개선하여 NOx 저감 효율을 향상시킬 수 있는 환원제 분사기에 관한 것이다.

선택적비촉매환원(SNCR), 질소산환물(NOx), 환원제, 노즐, 분사기

Description

선택적비촉매환원법에서 질소산화물 저감을 위한 내부 관통형 3중관 환원제 분사기{Combustor crossing triple annulus tube type reducing agent injector for NOx reduction by selective non-catalytic reduction}

도 1은 종래기술에 따른 환원제 분사 시스템의 개략도이다.

도 2는 도 1의 부분확대도이다.

도 3은 본 발명에 따른 질소산화물 저감을 위한 연소실 내부 관통형 3중관 환원제 분사기의 개략도이다.

도 4는 본 발명의 실시예1에 따른 결과 그래프이다.

도 5는 본 발명의 실시예2에 따른 결과 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1,9: 연소실 벽체 2,14: 환원제 분사기

3: 냉각관 4: 열전대

5,5´: 피토관 6,10: 환원제 공급관

7,11: 분사노즐 8: 연소가스

12: 냉각수 공급관 13: 냉각수 배출관

본 발명은 선택적비촉매환원법을 이용하여 다양한 연소장치에서 발생하는 질소산화물을 저감하기 위한 연소실 내부 관통형 환원제 분사기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연소실 내부에 환원제를 분사할 수 있는 다수의 분사관이 장착된 3중관 분사기를 연소실 내부를 관통하여 설치하여 연소실 내부에 환원제를 균일하게 분사하고 그 결과 질소산화물 제거율을 향상시킬 수 있는 내부 관통형 환원제 분사기에 관한 것이다.

최적 연소조건에 따라 결정된 화력발전소 또는 소각로 연소실의 규모는 선택적비촉매환원장치의 설치 공간을 제한하게 되어 환원제와 질소산화물의 충분한 반응시간을 확보하지 못함으로서 질소산화물 제거율이 낮은 경우가 있다.

이런 경우, 환원제의 분사 방법을 개선함으로써 동일한 환원제 체류시간 동안 질소산화물과의 접촉시간을 증가시킬 수 있으며 결과적으로 질소산화물의 제거율을 개선할 수 있다.

질소산화물(NOx)은 연료의 연소 과정에서 공기 중의 질소와 산소가 반응하여 생성된 NO, NO₂, NO₃, N₂O₃, N₂O₄, N₂O₅를 포함하여 구성되며, 보일러 등의 일반 연소장치에서 발생하는 연소가스에 포함된 질소산화물 중 90~95% 정도가 NO로서 질소산 화물의 대부분을 차지하고 있다.

현재 국내외에서 각종 화석 연료의 연소 및 폐기물 소각에서 발생하는 질소산화물을 효율적이고 저비용으로 저감할 수 있는 방법의 하나로 환원제로 암모니아 또는 요소용액을 질소산화물의 환원제로 사용하는 선택적비촉매환원법(SNCR)을 적용하고 있으나 분사된 환원제와 질소산화물의 충분한 접촉 및 반응시간이 확보되지 않아 질소산화물의 제거율이 30~50중량% 정도에 지나지 않기 때문에 이러한 문제점을 해결하기 위하여 환원제의 분사 방법 개선을 통한 질소산화물의 제거 효율을 향상시키고자 하는 노력이 진행되고 있다.

현재 선택적비촉매환원법에 의한 질소산화물 저감 방법을 적용하고 있는 화력발전소, 소각로 등에서는 환원제 분사장치를 연소실 벽면에 설치하는 벽노즐 형태를 널리 사용하고 있다.

연소실 벽에서 환원제를 분사하는 방법은 환원제가 연소가스를 투과할 수 있는 거리에 제약이 있고 환원제가 불균일하게 분사되기 때문에 질소산화물과 환원제의 반응이 원활하지 못하여 질소산화물의 제거율이 저하되는 원인이 되고 있다.

이러한 벽노즐을 통한 환원제 분사의 문제점을 해결하기 위하여 위한 방안으로 환원제 분사 노즐의 분사 각도 및 분사 구명의 형태를 조절하는 방법이 대한민국 등록특허공보(10-0560837)에 공고되어 있고, 일반적으로 환원제의 분사를 위한 벽노즐 고정 방식이 플렌지 볼트로 체결되어 탈부착이 번거롭고 분사상태의 확인이 어려운 문제를 해결하기 위하여 탈부착 플렌지 및 노즐 보스를 설치하는 방법이 대한민국 등록특허공보(10-5049239)에 공고되어 있으며, 연소실 내부의 화염으로 부 터 환원제 분사 노즐을 보호하기 위하여 환원제 분사 노즐을 세라믹으로 보호한 다음 연소실 내부로 삽입 및 제거가 가능하도록 하여 환원제 분사용 벽노즐의 수명을 향상시키기 위한 방법이 대한민국 공개특허공보(특2003-00600821)에 공개되어 있다.

이러한 특허는 환원제 분사용 노즐을 연소실 벽면에 설치하는 벽노즐의 개선을 통한 환원제의 분사 성능 개선 및 분사 노즐의 내열성 향상을 발명의 대상으로 하였다.

또, 연소실 내부로 환원제를 균일하게 분사하기 위한 방법으로 벽노즐을 사용하지 않고 연소실 내부에서 환원제를 분사하는 방법이 미국 특허(US005286458A)에 공개되어 있다. 도 1은 미국 특허(US005286458A)에 공개된 발명의 내용을 나타내고 있다.

상기 미국특허에는 내부에 연소를 위한 공간을 가지는 연소실의 상부 일측 연소실벽체(1)를 통과시켜 환원제 분사기(2)를 설치하여 환원제를 연소실 내부에 분사하는 시스템을 공지하고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 환원제 분사기(2)는 가장 바깥에 냉각수 공급을 위한 2중관 형태의 냉각관(3)을 설치하고, 상기 냉각관(3)의 중심으로 연소가스의 온도를 측정하기 위한 열전대(4)를 설치하였다.

또한, 연소가스의 유량을 측정하기 위하여 상기 냉각관(3) 내측으로 압력 측정용 피토관인 유입부(5) 및 유출부(5′)를 설치하였다.

또, 환원제를 연소실 내부에 분사하기 위하여 분사기(2) 내부에 환원제 공급 관(6)을 설치하고, 상기 환원제 공급관(6)의 단부에 분사노즐(7)을 설치하였다.

도 1에서 제시한 발명은 환원제 분사 노즐이 연소실 벽면이 아닌 내부에 위치함으로써 환원제의 균일한 분사 효과를 확보할 수는 있지만 상기 분사기(2)가 연소실의 한쪽 벽면을 통과하여 설치되어 환원제 및 냉각수 또한 연소실 벽면 방향으로 부터 공급되기 때문에 연소실 벽면에서 멀어질수록 냉각수 및 환원제의 온도가 높게 형성된다.

이러한 현상에 의해 분사기(2)에 설치된 환원제 공급관(6)과 분사노즐(7)의 온도도 연소실 벽면에서 멀어질수록 높아지기 때문에 공급되는 환원제의 상태가 분사 노즐(7)의 위치에 따라 달라져서 연소실 내에 분사된 환원제가 균일한 상태를 유지하지 못하고 질소산화물의 제거율을 감소시키는 요인으로 작용하는 문제점이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 연소실에서 환원제의 불균일한 분사로 인해 발생하는 질소산화물 제거율 저하를 개선하기 위한 방법으로 다수의 분사노즐이 부착된 3중관 분사기가 연소실을 횡단할 수 있는 구조를 가지는 내부 관통형 환원제 분사기를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 다수의 분사관이 장착된 3중관 구조의 환원제 분사기가 연소기를 관통하도록 설치하여 분사기의 고온 손상을 방지하고 분사관 내부의 환원제 온도를 균일하게 조절함으로써 일정 크기의 환원제 액적을 연소실 내부 에 균일하게 분사하여 질소산화물과 환원제의 반응시간 증가에 따른 질소산화물 저감율을 최대화하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연소가스에 함유된 질소산화물을 제거하기 위하여 연소실 내부에 질소산화물과 반응하는 환원제를 분사하는 환원제 분사기에 있어서, 상기 연소기 양쪽 벽을 관통하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 환원제 분사기이다.

상기 환원제 분사기는 다수의 분사노즐이 장착된 환원제 공급관; 상기 환원제 공급관을 감싸도록 설치되는 냉각수 공급관; 상기 냉각수 공급관과 연통되고, 상기 냉각수 공급관을 감싸도록 설치되는 냉각수 배출관을 포함하고, 상기 분사노즐은 상기 냉각수 공급관 및 냉각수 배출관을 관통하여 상기 냉각수 배출관 외부로 노출되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 환원제 공급관, 상기 냉각수 공급관, 및 상기 냉각수 배출관은 양단부가 상기 연소실 외부로 연장되고, 상기 환원제 공급관의 양단부에 동일한 유량으로 환원제가 공급되며, 상기 냉각수 공급관의 양단부에 동일한 유량으로 냉각수가 공급되고, 상기 냉각수 배출관의 양단부를 통해 냉각수가 배출되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 다수의 분사노즐은 상기 연소실의 양쪽 벽의 중심에 대하여 대칭으로 설치되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 다수의 분사노즐은 연소가스의 흐름방향과 반대방향으로 설치되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

선택적비촉매환원법을 이용한 질소산화물을 제거공정에서 연소실 내부에 환원제를 균일하게 분사할 수 있는 방법을 제공함으로써 질소산화물 제거율을 향상시킬 수 있는 본 발명의 구성은 도 2의 설명 및 실시예에 따라 보다 구체화할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감을 위한 연소실 내부 관통형 3중관 환원제 분사기(14)의 개략도이다.

상기 환원제 분사기(14)는 양쪽의 연소실벽체(9)를 관통하여 설치된다.

상기 환원제 분사기(14)는 중심부에 다수의 분사노즐(11)이 설치된 환원제 공급관(10)을 가지고, 상기 환원제 공급관(10)의 외측으로 냉각수 공급관(12)이 감싸고 있으며, 상기 냉각수 공급관(12)의 외측으로 냉각수 배출관(13)이 감싸고 있는 3중관 구조를 가지고 있다.

상기 다수의 분사노즐(11)은 양쪽의 연소실벽체(9) 사이의 중심을 기준으로 대칭으로 설치된다.

그리고, 상기 분사노즐(11)은 상기 냉각수 공급관(12) 및 상기 냉각수 배출관(13)을 관통하여 상기 환원제 분사기(14)의 외측으로 환원제를 분사할 수 있도록 한다.

따라서, 상기 환원제 공급관(10)은 냉각수 공급관(12)과 냉각수 배출관(13)에 냉각수를 공급함으로써 환원제 분사기(14)의 과열을 방지하고 환원제의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.

또한, 상기 냉각수 공급관(12)을 상기 냉각수 배출관(13)보다 내측에 설치하여 상기 환원제 공급관(10)과 맞닿도록 하는 것은, 연소실 내의 연소가스(8)로 인한 온도의 영향을 1차적으로 상기 냉각수 배출관(13)에서 막을 수 있으므로 바람직하다.

종래기술에 따른 환원제 분사기(2)는 도 1에서와 같이 환원제 및 냉각수가 한쪽의 연소실벽체(1) 방향에서만 공급될 경우, 분사기(2) 내부의 환원제 및 냉각수 온도는 연소실 벽면에서 내부로 갈수록 높아지게 되어 분사 노즐(7)을 통하여 분사되는 환원제의 온도가 일정하게 유지되지 못하고 그 결과 연소실 내부에 분사된 환원제도 균일하게 유지되지 못하며 질소산화물 제거율이 감소하는 결과를 나타내게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 환원제 분사기(14)의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 환원제는 양쪽의 연소실벽체(9)의 외측으로 연장된 상기 환원제 공급관(10)의 양단을 통하여 연소실 내부로 대칭적으로 공급되며, 냉각수 또한 양쪽의 연소실벽 체(9)에 설치된 냉각수 공급관(12)을 통하여 연소실 내부 방향으로 공급된 다음 상기 냉각수 배출관(13)을 통해 상기 양쪽의 연소실벽체(9)의 외부로 배출된다.

따라서, 본 발명은 연소실의 한쪽 벽면에서 내부로 환원제 및 냉각수를 공급하는 방법에 비해 환원제 분사기(14) 내부의 환원제 및 냉각수의 온도 분포가 연소로 중심을 기준으로 대칭적인 구조를 가지게 되어 보다 균일한 환원제 온도 분포 및 이에 따른 환원제 분사를 달성할 수 있기 때문에 질소산화물 제거율을 개선할 수 있다.

이하 실시예에 의거하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명할 수 있다.

[실시예 1]

환원제 분사기 내의 환원제 체류시간이 0.25초 일때, 컴퓨터 모사를 통해 질소산화물이 함유된 연소가스의 온도 변화에 따른 본 발명의 환원제 분사기(14)의 횡단노즐과 종래기술의 환원제 분사기(2)의 벽노즐을 이용한 질소산화물 제거율을 도 4에 나타내었다.

가스 온도가 1,173K(900℃)에서는 횡단노즐과 벽노즐을 사용했을 때 각가의 질소산화물 제거율은 크게 변하지 않았으나 가스온도가 1,273K(1,000℃) 인 경우는 액적의 크기에 따라 횡단노즐과 벽노즐을 이용한 환원제 분사에 의한 질소산화물 제거율이 아래와 같이 5.1~5.8% 정도 차이를 나타내어 횡단노즐이 보다 우수한 질소산화물 제거율을 나타내었다.

[실시예 2]

환원제 분사기 내의 환원제 체류시간이 0.42초 일때, 컴퓨터 모사를 통해 질소산화물이 함유된 연소가스의 온도 변화에 따른 횡단노즐과 벽노즐을 이용한 질소산화물 제거율을 도 5에 나타내었다.

가스 온도가 1,173K(900℃)에서는 횡단노즐과 벽노즐을 사용했을 때 각가의 질소산화물 제거율은 크게 변하지 않았으나 가스온도가 1,273K(1,000℃) 인 경우는 액적의 크기에 따라 횡단노즐과 벽노즐을 이용한 환원제 분사에 의한 질소산화물 제거율이 아래와 같이 6.1~7.5% 정도 차이를 나타내어 횡단노즐이 보다 우수한 질소산화물 제거율을 나타내었다.

따라서, 환원제 분사기 내의 환원제 체류시간이 길수록 질소산화물의 제거율의 차이가 더욱 커지게 됨을 알 수 있다.

이는 환원제 분사기 내의 환원제 체류시간이 커질수록 연소가스(8)에 의하여 환원제의 온도상승이 이루어지게 되고, 이 때 종래기술의 환원제 분사기(2)보다 본 발명에 따른 환원제 분사기(14)가 환원제의 온도상승을 크게 억제할 수 있으므로 상기와 같은 결과를 나타내게 된다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영 역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 선택적비촉매환원법을 이용한 질소산화물 저감 방법의 하나로서 선택적비촉매환원법을 적용하는 연소실에 내부를 관통하는 3중관 형태의 분사기를 설치함으로서 연소실 내부로 일정한 액적 크기의 환원제를 균일하게 분사하여 연소실을 통과하는 모든 질소산화물이 분사된 환원제와 반응하여 질소산화물 저감율을 극대화할 수 있다.

최적 연소조건에 근거하여 규모를 결정한 실제 화력발전소 또는 소각로의 연소실은 선택적비촉매환원장치를 장착할 공간이 협소하기 때문에 환원제와 질소산화물 사이의 반응시간이 불충분하여 질소산화물 제거율이 낮은 경우가 있다.

이런 경우 다수의 환원제 분사노즐이 장착된 연소실 관통형 3중관 분사기를 사용하면 짧은 환원제 체류시간에도 벽노즐 형태보다 질소산화물 제거율이 5~8%정도 증가하는 결과를 얻을 수 있다.

Claims (5)

1. 연소가스에 함유된 질소산화물을 제거하기 위하여 연소실 내부에 질소산화물과 반응하는 환원제를 분사하는 환원제 분사기에 있어서,

   상기 연소기 양쪽 벽을 관통하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 환원제 분사기.
2. 제1항에 있어서, 다수의 분사노즐이 장착된 환원제 공급관;

   상기 환원제 공급관을 감싸도록 설치되는 냉각수 공급관;

   상기 냉각수 공급관과 연통되고, 상기 냉각수 공급관을 감싸도록 설치되는 냉각수 배출관을 포함하고,

   상기 분사노즐은 상기 냉각수 공급관 및 냉각수 배출관을 관통하여 냉각수 배출관 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 환원제 분사기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 환원제 공급관, 상기 냉각수 공급관, 및 상기 냉각수 배출관은 양단부가 상기 연소실 외부로 연장되고,

   상기 환원제 공급관의 양단부에 동일한 유량으로 환원제가 공급되며,

   상기 냉각수 공급관의 양단부에 동일한 유량으로 냉각수가 공급되고,

   상기 냉각수 배출관의 양단부를 통해 냉각수가 배출되는 것을 특징으로 하는 환원제 분사기.
4. 제2항에 있어서,

   상기 다수의 분사노즐은 상기 연소실의 양쪽 벽의 중심에 대하여 대칭으로 설치되는 것을 특징으로 하는 환원제 분사기.
5. 제2항에 있어서,

   상기 다수의 분사노즐은 연소가스의 흐름방향과 반대방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 환원제 분사기.

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