KR101139601B1 - 질소산화물 처리 시스템의 환원제 주입 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보일러에서 발생하는 주요 대기 오염 물질의 하나인 질소 산화물(NOx)을 처리하는 질소산화물 처리 시스템에서 보일러의 스팀 유량에 따라 환원제 주입량이 제어되도록 하여 신속하고 안정적인 제어가 되도록 하는 질소산화물 처리 시스템의 환원제 주입 방법에 관한 것으로서,
보일러에서 발생되는 연소 가스 중의 질소산화물을 처리하는 SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction) 시스템, SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템 또는 하이브리드 시스템에 적용되는 질소산화물 처리 시스템의 환원제 주입 방법에 있어서, 보일러에서 발생하는 스팀 유량을 측정하여 그 결과에 따라 환원제 주입량을 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 보일러의 스팀 유량에 의한 제어가 이루어진 후, 연도 가스 중의 질소산화물(NOx) 농도를 측정하여 그 결과에 따라 환원제 주입량을 결정하여 2차 제어가 이루어지도록 하는 과정을 더 포함할 수 있다.

Description

질소산화물 처리 시스템의 환원제 주입 방법{The chemical injection method of de-NOx system}

본 발명은 보일러에서 발생하는 주요 대기 오염 물질의 하나인 질소 산화물(NOx)을 처리하는 질소산화물 처리 시스템에 적용되는 환원제 주입 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보일러의 스팀 유량에 따라 환원제 주입량이 제어되도록 하여 신속하고 안정적인 제어가 되도록 하는 질소산화물 처리 시스템의 환원제 주입 방법에 관한 것이다.

본 발명의 기술적 사상은 발전소 보일러, 산업용 보일러, 소각장 보일러 등을 포함하여 다양한 분야의 보일러에 적용이 가능하다.

또한, 본 발명의 기술적 사상은 선택적 비촉매 환원법(SNCR : Selective Non-Catalytic Reduction)을 사용하는 시스템에 적용되거나, 또는 선택적 촉매 환원법(SCR : Selective Catalytic Reduction)을 사용하는 시스템에 적용되거나, SNCR과 SCR을 함께 사용하는 하이브리드 시스템에 적용될 수 있다.

일반적으로 발전소 보일러, 산업용 보일러, 소각장 보일러 등의 보일러에서 발생하는 주요 대기 오염 물질의 하나인 질소 산화물(NOx)을 처리하고자 할 때에는 현장 여건에 따라 선택적 비촉매 환원법(Selective Non-Catalytic Reduction : 이하 SNCR 이라 한다.) 또는 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction : 이하 SCR 이라 한다.)을 적용하거나 SNCR과 SCR을 함께 사용하는 하이브리드 시스템을 적용한다.

상기 SNCR은 질소산화물을 처리하는 한 가지 방법으로 촉매를 사용하지 않는 대신 반응 온도가 1,000℃ 정도의 높은 온도 영역에서 질소산화물과 환원제를 반응시키면 무해한 물과 질소가 생성되는 반응이 선택적으로 일어나는 원리를 이용하여 질소산화물을 처리하는 방법을 일컫는다.

상기 SNCR은 연소 가스에 직접 암모니아수나 요소수 같은 환원제를 분사하여 질소산화물을 환원시키므로 설비가 간단하고 설치가 용이하다는 장점이 있다. 또한, 촉매를 사용하지 않으므로 1,000℃ 정도의 높은 반응 온도가 요구되기 때문에 연도의 앞부분에 환원제 분무 노즐을 설치하며 반응 온도, 혼합 상태, 체류 시간에 따라 SNCR의 질소 산화물(NOx) 처리 효율은 영향을 받는데 보통 40% 내지 80% 범위에서 운영된다.

한편, 상기 SCR은 반응 온도 350℃ 정도에서 촉매를 이용하여 질소산화물과 환원제를 반응시키면 마찬가지로 무해한 물과 질소가 생성되는 반응이 선택적으로 일어나는 원리를 이용하여 질소산화물을 처리하는 방법을 말한다. 상기 SCR은 촉매층 전단에 암모니아나 요소수 같은 환원제를 주입하여 촉매 표면에서 질소산화물의 환원 반응을 일으킨다. 반응 온도는 350℃ 정도가 적합하므로 연도 후단에 설치되며 질소산화물의 처리 효율은 90% 정도 까지도 가능하나 초기 투자비, 설치 공간이 설비 투자의 제약 조건이 되기도 한다.

질소산화물을 처리하기 위해 SNCR 시스템이나 SCR 시스템을 운영할 경우 질소산화물과 환원제가 반응하여 무해한 질소(N2)와 물(H2O)이 생성되도록 덕트로 지나가는 질소산화물을 함유한 연도 가스에 환원제를 주입해 주어야 한다.

첨부 도면 도 1은 종래 기술에 의한 환원제 주입방법을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.

상기 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 경우에 일반적으로 SNCR(2) 시스템이나 SCR(3) 시스템 모두 연도 가스 중의 질소산화물(NOx) 농도를 가스 분석기(7,8,9)로 분석하여 그 결과를 환원제 주입량을 제어해주는 제어기(10,11)에 입력 신호로 보내 환원제 주입량을 제어하는 방식으로 환원제 주입 시스템이 운영된다.

결국, 종래 기술에 의하여 환원제 주입 시스템을 운영할 경우 연도 가스의 하류 지점에서 시료가 채취되어 가스 분석기(참조번호 9 참조)에 보내지고 분석을 하여 그 결과를 제어기(11)에 보내는데 까지는 약 3분이 소요되고 연도 하류 부분, 특히 굴뚝에서 시료를 채취하여 그 결과가 제어기에 입력되기 까지는 2분정도 더 소요되어 5분 정도 걸리기 때문에 제어 시스템의 시간 지연(time lag)에 따라 도 3에 도시된 바와 같이 환원제의 주입량 제어에 어려움이 따른다.

또한, 연도 가스 중의 질소산화물(NOx) 농도 측정은 가스의 흐름에 편류 현상이 심하고 질소산화물(NOx) 농도 편차가 시료 채취 지점의 공간에서 크기 때문에 분석기로 측정하는 질소산화물(NOx) 농도의 흔들림 현상이 나타나고 따라서 이를 입력 신호로 하여 제어하는 환원제의 주입량 제어에도 흔들림 현상이 나타날 수밖에 없는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 SNCR 시스템 또는 SCR 시스템 또는 하이브리드 시스템에서 보일러에서 발생하는 스팀 유량을 제어기의 입력 신호로 사용하여 환원제 주입량을 제어하도록 함으로써 환원제의 주입량 제어가 신속하게 이행되도록 하는 질소산화물 처리 시스템의 환원제 주입 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 종속 제어(cascade control) 개념을 추가하여 가스 중의 질소산화물(NOx) 농도를 기준으로 2차 제어하도록 함으로써 환원제의 주입량 제어가 안정적으로 이행되도록 하는 질소산화물 처리 시스템의 환원제 주입 방법을 제공하는데 있다.

그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 보일러에서 발생되는 연소 가스 중의 질소산화물을 처리하는 SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction) 시스템, SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템 또는 하이브리드 시스템에 적용되는 질소산화물 처리 시스템의 환원제 주입 방법에 있어서,

보일러에서 발생하는 스팀 유량을 측정하여 그 결과에 따라 환원제 주입량을 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 처리 시스템의 환원제 주입 방법을 제공한다.

이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 보일러의 스팀 유량에 의한 제어가 이루어진 후, 연도 가스 중의 질소산화물(NOx) 농도를 측정하여 그 결과에 따라 환원제 주입량을 결정하여 2차 제어가 이루어지도록 하는 과정을 더 포함하는 것이 바람직하다.

이때, 질소산화물(NOx)의 농도는 연도의 상류와 중간 및 하류 부분에서 각각 측정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 질소산화물 처리 시스템의 환원제 주입 방법을 적용하면, SNCR 시스템 또는 SCR 시스템 또는 하이브리드 시스템에서 환원제 주입량 제어기의 입력 신호를 연도 가스 중의 질소산화물(NOx) 농도 측정 결과로 하기 전에 연도의 가장 상류에 위치하는 보일러에서 발생하는 스팀 유량을 제어기의 입력 신호로 사용하고, 연도 가스 중의 질소산화물(NOx) 농도를 기준으로 2차 제어하기 때문에 환원제의 주입량 제어가 신속하고 안정적으로 이행되는 효과가 있다.

또한, 본 발명을 적용하면 시료 채취, 분석 등의 시간 지연이 없으므로 제어가 신속하고 간편해지며 가스 흐름의 편류 현상이나 가스 중의 질소산화물(NOx) 농도가 균일하지 않기 때문에 나타나는 환원제 주입량의 흔들림 현상도 차단시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 환원제 주입방법을 개략적으로 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 질소산화물 처리 시스템의 환원제 주입 방법을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래 기술에 의한 환원제 유량 제어시 응답 커브이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 환원제 유량 제어시 응답 커브이다.

이하, 상기의 목적 달성을 위하여 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

그러나, 본 발명의 명세서에서 제시되는 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로 이해되어야 할 것이다.

또한 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

첨부 도면 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 질소산화물 처리 시스템의 환원제 주입 방법을 개략적으로 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 환원제 유량 제어시 응답 커브이다.

기본적으로 연도 가스 발생량은 연소로의 운전 부하에 비례하며 연소로의 운전 부하를 직접적으로 나타내주는 지표는 보일러(1)에서 발생하는 스팀량이다. 연소로에서 발생하는 질소산화물(NOx) 발생량도 가스 발생량에 직접적으로 비례하므로 처리하여야 할 질소산화물(NOx) 발생량은 보일러(1)에서 발생하는 스팀 발생량(4)과 직접적인 관계가 있다.

연도 가스 중에서 질소산화물(NOx) 농도(7, 8, 9)를 측정하여 환원제 주입량을 제어하는 방법은 간접적이면서도 연도 가스 흐름의 상태, 비정상적인 탈질 시스템의 운전 등의 영향을 많이 받는다. 그러므로 질소산화물(NOx) 발생량에 맞추어 주입하여야 하는 환원제의 주입량은 스팀 발생량(4)과 연결시켜 제어하는 것이 연도 가스 중의 질소산화물(NOx) 농도(7, 8, 9)를 측정하여 그 결과치와 연결시켜 제어하는 방법보다 훨씬 신속하고 안정하다.

본 발명은 질소산화물의 처리 시스템인 SNCR(2) 시스템, SCR(3) 시스템, 하이브리드 시스템(2, 3)의 운영에서 환원제의 주입량 제어를 가스 중의 질소산화물(NOx) 농도(7, 8, 9)를 측정하여 그 결과치를 입력 신호로 하여 제어하기 전에 보일러(1)에서 발생하는 스팀 유량(4)을 제어기(10)의 입력 신호로 사용하여 1차 제어하고 여기에 종속 제어(cascade control) 개념을 추가하여 가스 중의 질소산화물(NOx) 농도(7, 8, 9)를 기준으로 2차 제어하는 방법으로 바꾼 것에 특징이 있다.

상기 첨부 도면 도 2를 참조하여 질소산화물 처리 시스템의 구성을 개략적으로 살펴보면, 참조 번호 1은 발전소 보일러, 산업용 보일러, 소각장 보일러 등을 포함하는 보일러를 나타내고, 2는 SNCR을 나타내며, 3은 SCR을 나타낸다.

또한, 참조 번호 4는 보일러(1)에서 발생하는 스팀 유량을 계산하는 스팀 유량계를 나타내고, 5 및 6은 자동 제어 밸브를 나타내며, 7과 8 및 9는 연도의 상류와 중간 및 하류 부분에 각각 설치되어 가스 중의 질소산화물(NOx) 농도를 측정하는 분석기를 나타낸다.

또한, 참조 번호 10 및 11은 상기 스팀 유량계(4) 및 분석기(7,8,9)의 출력신호를 입력받아 환원제의 주입량을 결정하여 제어하는 환원제 주입량 제어기를 나타내고, 12 및 13은 환원제 탱크로부터 환원제를 분사노즐로 공급하는 펌프를 나타내며, 14 및 15는 환원제 저장 탱크를 나타낸다.

상기와 같은 시스템의 동작을 간략히 설명하면, 보일러(1)에 연료의 공급이 이루어지고 버너에 의해 연료의 연소가 진행되는 동안 질소산화물이 발생된다. 이때 발생되는 질소산화물을 처리하기 위해 SNCR(2) 반응 영역 및 SCR(3) 반응 영역으로 환원제를 주입하여야 한다.

환원제는 환원제 저장 탱크(14,15)에 저장되어 있으며 SNCR(2) 및 SCR(3) 시스템을 가동하기 위하여는 펌프(12,13)를 가동하고, 상기 환원제 주입량 제어기(10,11)로 자동 제어 밸브(5,6)를 제어하여 유량을 결정하면 분무노즐을 통해 환원제가 분사된다.

SNCR(2) 반응은 950℃～1100℃ 영역에서 일어나며 환원제로 무수 암모니아, 암모니아수, 요소 수용액 모두가 사용될 수 있고 환원제와 질소 산화물(NOx)의 화학 반응은 다음과 같이 진행된다.

암모니아가 환원제로 사용될 경우

NH₃ + NO + 1/4O₂ → N₂ + 3/2H₂O

요소가 환원제로 사용될 경우

(NH₂)₂CO + 2NO + 1/2O₂ → 2N₂ + CO₂ + 2H₂0

상기 SNCR(2) 반응을 거친 연도 가스는 미반응 환원제와 질소산화물을 함유하게 되며 이들 물질은 뒤에 있는 SCR(3) 반응기에서 다시 환원 반응을 일으킨다. SCR(3) 반응은 보통 300℃～500℃영역에서 일어나며 화학 반응은 다음과 같이 진행된다.

4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂0

2NO₂ + 4NH₃ + O₂ → 3N₂ + 6H₂O

6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12H₂O

NO + NO₂ + 2NH₃ → 2N₂ + 3H₂O

이상의 화학 반응식에서 보듯이 질소 산화물은 환원 반응을 통해 무해한 질소와 물로 바뀌어진 다음 대기로 방출되는 것이다.

결국, 본 발명에 의한 환원제 분무 시스템을 구성하면 SNCR(2) 시스템이나 SCR(3) 시스템 모두 환원제 주입량을 보일러(1)에서 발생하는 스팀 유량을 스팀 유량계(4)에서 측정하여 1차 제어하고, 질소산화물(NOx)의 농도를 측정하는 분석기(7,8,9)와 연결시켜 2차 제어한다. 즉, 환원제 주입량 제어기(10,11)에 입력되는 스팀 유량에 따라 제어 신호가 자동 제어 밸브(5,6)로 전달되어 환원제의 유량을 1차 제어하고, 분석기(7,8,9)의 출력 신호에 따라 2차 제어한다.

본 발명에 의한 방법으로 환원제 주입 유량을 제어하면 보일러(1)에서 발생하는 스팀 유량(4)은 신속하고 정확하게 감지되므로 제어 시스템에서 시간 지연을 막을 수 있으며 가스 흐름에서 비정상적인 조건, 예를 들면 운전 온도, 흐름의 편류 현상, 성분 분포의 불균일성 등의 영향을 받지 않으므로 도 4에 도시된 바와 같이 안정적으로 환원제의 유량을 제어할 수 있다.

1 : 보일러 2 : SNCR
3 : SCR 4 : 스팀 유량계
5, 6 : 밸브 7,8,9 : NOx 분석기
10,11 : 환원제 주입량 제어기 12,13 : 펌프
14,15 : 환원제 저장 탱크

Claims (3)

1. 보일러에서 발생되는 연소 가스 중의 질소산화물을 처리하는 SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction) 시스템, SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템 또는 하이브리드 시스템에 적용되는 질소산화물 처리 시스템의 환원제 주입 방법에 있어서,
   보일러에서 발생하는 스팀 유량을 측정하여 그 결과에 따라 환원제 주입량을 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 처리 시스템의 환원제 주입 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   보일러의 스팀 유량에 의한 제어가 이루어진 후, 연도 가스 중의 질소산화물(NOx) 농도를 측정하여 그 결과에 따라 환원제 주입량을 결정하여 2차 제어가 이루어지도록 하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 처리 시스템의 환원제 주입 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   질소산화물(NOx)의 농도는 연도의 상류와 중간 및 하류 부분에서 각각 측정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 처리 시스템의 환원제 주입방법.

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