KR101555227B1 - 드라이아이스를 이용한 열교환기의 건식 세정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보일러 등의 연소시 발생하는 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거하기 위한 저감장치를 운전할 때 미반응된 암모니아와 배기가스중의 삼산화황(SO₃)이 결합하여 황산암모늄이 발생하여 질소산화물 저감장치 후단에 설치된 절탄기나 공기예열기등과 같은 열교환기에 부착되어 배가스 통로를 막아 보일러 내부 압력을 증가시켜 운전을 어렵게 하거나 설비 손상을 일으키는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
이를 위해 열교환기 전단에 드라이아이스 세정장치를 설치하여 황산암모늄으로 인한 열교환기 오염으로 막힘 현상이 발생하면 보일러 운전중에 드라이아이스 펠렛을 분사하여 오염물질을 제거하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 보일러에서 배출되는 배기가스 통로에 설치된 질소산화물 제거 장치의 후단에 위치한 열교환기 입구에 압력계를 설치하여 열교환기의 막힘 현상을 실시간으로 측정하고 일정한 압력증가가 발생하면 열교환기 전단에 설치한 드라이아이스 세정장치를 가동시켜 보일러 운전 중에 열교환기의 손상이나 2차 오염물질 발생없이 열교환기 막힘 현상을 해결하는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

드라이아이스를 이용한 열교환기의 건식 세정 방법 {The dry cleaning method of heat exchanger by dry ice}

본 발명은 보일러 등의 연소시 발생하는 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거하기 위한 저감장치를 운전할 때 미반응된 암모니아와 배기가스중의 삼산화황가스가 결합하여 황산암모늄이 발생하여 이들 설비 후단에 설치된 절탄기나 공기예열기등과 같은 열교환기에 오염을 일으켜 배가스 통로를 막아 보일러 운전을 어렵게 하거나 정지하는 문제점을 해결하기 위한 것이다.

보일러 등에서 석탄이나 오일, 가스 또는 가연성 물질등이 연소될 때 나오는 배가스에는 질소산화물이 포함되어 있는데, 이런 질소산화물은 환경에 해가 되는 공해요소로서 대기 중으로 배출하기 이전에 제거하여야 한다.

배가스에 포함된 질소산화물을 제거하기 위해서, 보일러 노내에 암모니아와 같은 환원제를 직접 분사하는 비선택적촉매환원법(SNCR : Selective Non-Catalytic Reduction) 법을 이용하든지 보일러 후단에서 선택적촉매환원법(SCR : Selective Catalytic Reduction)을 사용하는데, SNCR 법이 탈질 효율이 높지 않아 주로 SCR 법을 사용하고 있다.

선택적촉매환원법은 배가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 암모니아와 같은 환원제와 혼합한 후 촉매를 통과시켜 질소와 물로 전환하는 방법이다.

발전설비나 산업용 보일러에서 일반적인 공해방지 설비 배치는 도 1 과 같이 연소로(1)에서 배출되는 배가스가 절탄기(2)를 거쳐 질소산화물 저감장치(3)의 촉매층을 통과한 후 공기예열기(4)와 집진기(5), 탈황설비(6)등을 통과하여 굴뚝(7)으로 배출된다. 일부 설비의 경우, 보일러(1) 후단에 질소산화물 저감장치(3)가 있고 그 다음에 절탄기(2)와 공기예열기(4)가 배치되기도 한다.

일반적으로 보일러에서 석탄이나 중유 연소시 이산화황(SO₂)과 삼산화황(SO₃)이 발생하는데, 이들 중 이산화황은 다음과 같이 탈질촉매 통과시, 일부가 삼산화황으로 산화되어, 질소산화물 저감장치가 설치된 경우, 배가스중의 전체 삼산화황 농도는 증가한다.

2SO₂ + O₂ → 2SO₃ (1)

배가스에는 수분이 존재하는데, 질소산화물 저감장치에 투입되는 암모니아 일부는 다음과 같이 삼산화황 및 수분과 반응하여 황산암모늄염을 형성한다.

NH₃ + SO₃ + H₂O → NH₄HSO₄, (NH₄)₂SO₄ (2)

황산암모늄염은 촉매의 활성을 저하시키고, 질소산화물 저감장치 후단 설비를 부식시키며, 촉매의 구멍과 열교환기 배가스 통로를 막아 보일러의 압력 손실을 증대한다. 이러한 이유로 질소산화물 저감장치 운전시 미반응 암모니아의 배출 농도를 2~3ppm 이하로 제한하고 있다. 그러나 많은 설비에서 운전중에 절탄기(2)나 공기예열기(4) 등이 막히는 경우가 자주 발생하고 있다.

이에 중유보일러 등에서는 황산암모늄염에 의한 손상을 방지하기 위해서 연료첨가제를 사용하여 삼산화황을 제거하고 있다. 특히 기름을 사용하는 중유화력발전소나 보일러에서 많이 사용하고 있으나 효과가 불확실한 점이 있고 많은 운전 비용이 소요되는 단점이 있다.

따라서 일부 발전소에는 공기예열기(4)에 설치되어 있는 기존 제매기에 도 2 와 같이 실시간 물세척 시스템 설치하여 동시에 가동하여 운전중에 주기적으로 황산암모늄염을 제거하기도 한다.

그러나 이 방법도 물분사시 배기가스 중의 수분농도가 높아져 공기예열기 후단에 도 3과 같이 배수 시스템을 설치해도 공기예열기 후단에 설치된 집진기 성능과 수명을 저하시키는 문제점이 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점인 물분사시 배기가스 중의 수분농도가 높아져 공기예열기 후단에 설치된 집진기 성능과 수명을 저하시키는 단점을 해결하고자 습식 방법이 아닌 건식방법으로 황산염을 제거하는 방법을 개발하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연소로(1)에서 배출되는 배가스가 도 1 과 같이 질소산화물 저감장치(3) 통과한 후 공기예열기(4)를 통과할 때, 질소산화물 저감장치(3)에서 발생한 미반응암모니아와 배가스중의 SO₃ 와 만나 황산암모늄염을 생성한 후 공기예열기(4)의 열소자에 부착되어 막힘 현상을 발생시키는 경우 기존의 공기예열기(4)에는 도 2와 같이 고온의 증기를 이용한 제매기와 물을 이용한 수세장치를 사용하는데, 이들 중 수세장치 대신에 도 4와 같이 드라이아이스 펠렛을 분사한다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 드라이아이스 세정방법은 기존의 방법에서 문제점인 설비의 가동중단 없이 설비 운전중에 간편하게 작동할 수 있으며 열교환기나 전기집진기에 전혀 손상을 주지 않는다. 또한 오염물질이 추가로 배출되지 않아 별도로 폐수처리 등이 필요하지 않다. 장기적으로는 발전설비의 배기가스에서 포집한 CO₂를 드라이아이스로 제조하여 활용이 가능하므로 CO₂ 활용 및 원가 절감이 가능하다.

도 1은 공해 방지설비가 설치된 일반적인 발전설비나 보일러의 배치도로 연소로(1) 후단의 절탄기(2)가 있고 이 후단에 질소산화물 저감장치(3)가 있으며, 질소산화물 저감장치 후단에 공기예열기(4)가 있는 구조이며,
도 2는 공기예열기(4)에서 제매기(Soot Blower)와 수세(Water washing)시스템을 이용한 황산암모늄염 제거시스템을 나타내며,
도 3은 수세 시스템 이용시에 수분을 제거하기 위한 배수장치를 나타내며,
도 4는 도 2 의 수세장치 대신에 본 발명에 따라 드라이 아이스 펠렛 분사장치가 설치된 공기예열기(4)의 황산암모늄염 제거시스템을 나타내며,
도 5는 드라이아이스 펠렛(15)이 황산암모늄염(14)을 제거하는 것을 보여주며,
도 6은 도 1에 드라이아이스 세정장치와 압력계(19)가 설치된 시스템을 나타낸다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

아래에서, 본 발명에 따른 황산암모늄염의 제거에 대한 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도면에서, 도 1은 발전설비나 산업용 보일러에서 일반적인 설비 배치도로 보일러(1) 후단에 절탄기(2), 질소산화물 저감장치(3), 공기예열기(4), 전기집진기(5), 탈황설비(6), 굴뚝(7)등이 순차적으로 있는 구조이며

도 2은 질소산화물 저감장치(3) 후단에 위치한 공기예열기(4)가 황산암모늄염에 의해 막힘이 발생할 때 제매기(Soot Blower)와 수세(Water washing)시스템을 이용하여 이들 오염물을 제거하는 현재 사용되는 설비에 대한 그림이고

도 3은 도2의 수세시 수세(Water washing)시스템을 가동시 다량의 수분이 전기집진기등으로 흘러가는 것을 방지하기 위하여 수분을 외부로 방출하기 위한 배수장치이고

도 4는 도 2 의 수세장치 대신에 본 발명에서 개발한 드라이 아이스 펠렛 분사장치(12)를 설치하여 공기예열기의 황산암모늄염 제거하는 시스템에 대한 개략도이고

도 5는 도 4의 드라이아이스 세정장치, 즉 드라이아이스 펠렛 분사장치(12)에서 드라이아이스 펠렛(15)이 공기예열기 열소자(16)에 부착된 황산암모늄염(14)을 제거하는 원리에 대한 설명이다. 드라이아이스 펠렛(15)은 드라이아이스 펠렛 분사장치(12)에서 고압(저압)공기에 의하여 고속으로 분사되어 도 5와 같이 공기예열기 열소자(16) 표면에 충돌한다. 드라이아이스 펠릿(15)은 열소자(16)에 부착된 황산암모늄염(14)을 초저온 (-78℃)으로 급속 동결시키게 되고 이들은 주변온도 차이에 의해 수축되면서 수많은 균열을 일으킨다. 드라이아이스 펠릿(15)은 이들 균열들을 통하여 황산암모늄염(14)들 사이로 침투됨과 동시에 승화하면서 부피가 800배 이상 팽창하여 황산암모늄염(14)만을 위로 들어 올려 열소자로부터 분리시킨다. 초저온으로 동결된 이물질들은 세척기의 풍압에 의해 표면에서 쉽게 분리되어 공기예열기(4) 후단으로 배출된다.

도 6은 도 4의 드라이아이스 펠렛 분사장치를 압력계(19)와 함께 도 1의 시스템에 설치한 개략도이다. 수세장치는 다수 노즐을 사용 가능하나 드라이아이스 세정장치는 단일 노즐(11)을 사용해야 하므로 통상적으로 회전형 공기예열기를 사용할 경우에는 도 4와 같이 공기예열기 전단에서 분사노즐의 앞뒤로 이동하면 황산암모늄염 제거가 가능하다. 이때 주의할 점은 황산암모늄염이 열소자를 완전히 막았을 때는 드라이아이스 세정이 어려우므로 적정한 시기에 드라이아이스를 분사하는 것이 중요하다. 이것을 위해서 공기예열기 앞에 설치된 압력계(19)를 이용하여 분사 시점을 판단해야하나 아날로그 방식 압력계는 미세한 압력 변화를 감지하지 못해 식별이 곤란하다. 따라서 도 6의 압력계(19)를 디지털 압력계로 하여 열소자 막힘 현상을 관찰하면서 적정한 시기에 드라이아이스를 분사하는 것이 바람직하다.

일부 발전설비나 보일러의 경우, 보일러(1) 후단에 질소산화물 저감장치(3)가 있고 그 다음에 절탄기(2)와 공기예열기(4)가 배치되는데, 절탄기(2)에서의 드라이아이스 세정장치에 의한 황산암모늄염 세정 원리도 동등하다.

이상에서 본 발명의 드라이아이스를 이용한 공기예열기 세정방법에 대한 기술사양을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

1 : 연소로, 2 : 절탄기, 3: 질소산화물 저감장치, 4: 공기예열기, 5: 집진기, 6 : 탈황설비, 7: 굴뚝, 8: 공기 입구, 9: 공기예열기 회전, 10: 공기예열기, 11: 드라이아이스 펠렛 분사 노즐, 12: 드라이아이스 펠렛 분사장치, 13: 드라이아이스 제조기, 14: 황산암모늄염, 15: 드라이아이스 펠렛, 16: 열소자, 17: 드라이아이스 분쇄입자 침투, 18: 가스층, 19: 압력계

Claims (4)

1. 열교환기 전단에 설치된 압력계로 압력 변화를 측정하여 열교환기의 막힘 현상을 감지하는 단계;
   입경이 1∼3mm인 드라이아이스 펠렛을 열교환기의 입구에서 일정주기로 열교환기 전면에 균등하게 분사 조절하는 단계;
   분사된 드라이아이스 펠렛이 열교환기 열소자와 충돌하여 분쇄된 후 이들 입자에 의하여 열소자 표면을 덮은 황산암모늄염을 급속 동결시켜 황산암모늄염층에 균열을 일으키는 단계;
   황산암모늄염층의 균열 사이로 상기 드라이아이스 입자가 침투하는 단계;
   상기 드라이아이스 입자의 승화에 의하여 열소자 표면의 황산암모늄염이 열소자로부터 분리되어 제거되는 단계를 포함하는, 열교환기의 건식세정방법.
2. 제1항에 있어서, 드라이아이스 펠렛은 열교환기의 입구에서 0.5∼16 bar의 압력으로 200∼300m/sec 의 고속으로 열소자 표면에 평행하게 분사되는 것을 특징으로하는 열교환기의 건식세정방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 급속 동결은 0 내지 -78.5℃의 온도 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기의 건식세정방법.
4. 삭제

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