KR101821096B1 - NOx reduction system based on urea solution - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a nitrogen oxide reduction system using urea solution. According to the present invention, the nitrogen oxide reduction system using the urea solution includes: a storage tank which stores a urea solution that is a precursor of a reducing agent; a hydrolyzing device which primarily modifies the urea solution in the storage tank to an ammonium carbonate solution; a decomposer which brings the ammonium carbonate solution and air in contact with the exhaust gas containing hot nitrogen oxide discharged from an exhaust gas source, secondarily modifies the ammonium carbonate solution to an ammonia vapor, and generates lean ammonia vapor by mixing the ammonia vapor with the air; a vortex reactor which mixes and brings the lean ammonia vapor interposed between the decomposer and a catalytic reaction tower and modified in the decomposer in contact with the exhaust gas; and the catalytic reaction tower.

Description

요소수를 사용하는 질소산화물의 저감시스템 {NOx reduction system based on urea solution}[0001] The present invention relates to a NOx reduction system based on urea solution,

본 발명은 요소수를 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템에 관한 것으로, 특히 요소수에서 가수분해된 탄산암모늄을 배기가스에 주입시켜 생성된 환원제를 통해 선택적 촉매 환원법으로 질소산화물을 저감하는 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a system for reducing nitrogen oxides by selective catalytic reduction using urea water. Specifically, the present invention relates to a system for reducing nitrogen oxides by selective catalytic reduction through a reducing agent produced by injecting ammonia hydrolyzed in urea water into exhaust gas Lt; / RTI >

일반적으로, 공장 혹은 연소장치 등에서 화석 연료를 연소시켜 발생하는 생성물 중 유해배출가스인 질소산화물은 다양한 방법을 동원하여 최대 한도로 저감시켜 대기환경을 청정 상태로 유지해야할 필요성이 대두되고 있는 현실이다.Generally, it is a reality that the nitrogen oxide which is a harmful exhaust gas among the products generated by burning fossil fuels in a factory or a combustion apparatus is reduced to a maximum extent by using various methods, so that the air environment needs to be kept clean.

이와 같이, 현재 공지된 질소산화물의 대표적인 저감방법은 선택적 촉매 환원법과 선택적 비촉매 환원법을 적용하고 있다. 이러한 선택적 촉매 환원법과 선택적 비촉매 환원법은 널리 알려져 있는 공지기술로서 이에 대해서 구체적인 상세한 설명은 피한다.Thus, currently known methods of reducing nitrogen oxides include selective catalytic reduction and selective non-catalytic reduction. Such selective catalytic reduction and selective non-catalytic reduction are well-known publicly known techniques and avoid detailed description thereof.

이와 관련된 선행기술로는 동 출원인이 2007년 1월 18일자로 출원한 특허문헌 1(발명의 명칭 : 선택적 촉매 환원법을 이용하는 질소산화물의 저감시스템)에 기술된 바와 같이, 선택적 촉매 환원법(SCR; Selective Catalytic Reduction)은 연소장치의 하류에 암모니아 주입설비(AIG)를 통해 환원제인 암모니아를 공급하여 촉매반응탑에서 환원반응을 야기하여 질소산화물을 저감하도록 되어 있다. 이러한 선택적 촉매 환원법은 통상적으로 연소장치가 저부하(low load) 상태이거나 촉매반응탑으로 유입될 배기가스 온도가 낮으면 질소산화물의 반응이 현저하게 떨어지는 현상이 발생되어 그대로 배기가스와 함께 암모니아의 슬립(slip) 현상이 생겨 후단 설비에 나쁜 영향이 야기될 수 있는 문제점을 갖고 있다.As a prior art related thereto, there is a selective catalytic reduction (SCR) method as described in Patent Document 1 (entitled "Reduction System of Nitrogen Oxide Using Selective Catalytic Reduction Method") filed by the applicant on Jan. 18, Catalytic Reduction) is to reduce ammonia by supplying ammonia as a reducing agent through the ammonia injection system (AIG) to the downstream of the combustion apparatus to cause a reduction reaction in the catalytic reaction tower. Such a selective catalytic reduction process typically causes a phenomenon in which the combustion apparatus is in a low load state or the temperature of the exhaust gas to be introduced into the catalytic reaction tower is low, the reaction of nitrogen oxides is significantly lowered, there is a problem that a slip phenomenon occurs and a bad influence may be caused in the rear end facility.

종래기술에 따른 특허문헌 1은 요소((NH2)2CO)가 물에 용해된 요소수를 고온 환경 하에서 열적분해반응과 열적가수분해반응을 동반하여 암모니아로 개질시켜 질소산화물과 반응토록 한다.Patent Document 1 of the prior art discloses that urea ((NH 2 ) 2 CO) reacts with nitrogen oxide by modifying urea water dissolved in water into ammonia accompanied with thermal decomposition reaction and thermal hydrolysis reaction under a high temperature environment.

Figure 112017067768332-pat00001
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이와 같은 반응을 실행하기 위해서는 상당한 고열(300℃ 이상)로 유지될 필요가 있다. 또한, 요소에서 암모니아(NH3)로의 전환은 대략 5 내지 15분 정도의 긴 응답속도를 가져야 하고 반응기의 내부는 고압상태를 유지해야만 한다. In order to carry out such a reaction, it is necessary to maintain a considerable high temperature (300 DEG C or higher). In addition, the conversion of urea to ammonia (NH 3 ) should have a long response time of about 5 to 15 minutes and the inside of the reactor must maintain a high pressure state.

또한, 선택적 비촉매 환원법(SNCR: Selective Non-Catalytic Reduction)은 연소장치 내로 암모니아수 혹은 요소수를 직접 분사하고 연소장치 내에서 화석연료의 연소를 통해 발생되는 질소산화물과 반응시켜 저감시킬 수 있도록 되어 있다. 이러한 선택적 비촉매 환원법은 기술된 바와 같이 액상의 암모니아와 요소수를 연소장치 내부로 공급하도록 되어 있기 때문에, 환원제가 연소장치 내부로 분사되면서 물방울이 보일러 튜브와 접촉하게 되면 예상치 못한 대형사고를 유발시킬 수 있는 위험성을 항상 내포하고 있고, 실제로 일부 몇몇 기업에서는 이로 인한 큰 손해를 본 사례도 있다.In addition, the selective non-catalytic reduction (SNCR) method is capable of directly spraying ammonia water or urea water into the combustion apparatus and reacting with nitrogen oxides generated through combustion of fossil fuel in the combustion apparatus . Since the selective non-catalytic reduction method is to supply ammonia and urea liquid into the combustion apparatus as described above, if the reducing agent is sprayed into the combustion apparatus and water droplets come into contact with the boiler tube, unexpected large accidents may occur There is always a risk that it can be done, and in fact, some companies have suffered large losses.

대한민국 특허출원 제10-2007-0005662호Korean Patent Application No. 10-2007-0005662

본 발명은 요소수를 고온의 배기가스와의 직접적인 접촉을 통해 암모니아로 개질시키기는 반응을 배제하고, 상대적으로 낮은 온도하에서 요소수를 탄산암모늄로 1차 가수분해하고 이를 배기가스에 주입시켜 환원제인 암모니아로 2차 개질시켜 선택적 촉매 환원법으로 질소산화물을 저감하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention eliminates the reaction of reforming urea water with ammonia through direct contact with exhaust gas at a high temperature, primary hydrolysis of urea water with ammonium carbonate at a relatively low temperature, and injecting it into an exhaust gas, It is a second object of the present invention to provide a system for reducing nitrogen oxides by selective catalytic reduction.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 요소수를 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템은,In order to achieve the above object, a nitrogen oxide reduction system using selective catalytic reduction using urea water according to a preferred embodiment of the present invention,

환원제의 전구물질인 요소수를 저장보관하는 저장조와; A reservoir for storing urea water as a precursor of a reducing agent;

저장조에 보관된 요소수를 탄산암모늄 수용액으로 1차 개질하는 가수분해기;A hydrolyzing unit for first reforming the number of urea stored in the storage tank with an aqueous solution of ammonium carbonate;

탄산암모늄 수용액과 공기를 배기가스 발생원에서 배출된 고온의 질소산화물을 함유한 배기가스와 접촉시켜, 탄산암모늄 수용액에서 암모니아 증기로 2차 개질하고 암모니아 증기를 무화(automizing)하기 위해 압축 공기와 혼합시키기 위한 분해 반응기; 및The aqueous ammonium carbonate solution and air are brought into contact with an exhaust gas containing high temperature nitrogen oxides discharged from the exhaust gas generating source to be secondarily reformed with ammonia vapor in an aqueous ammonium carbonate solution and mixed with compressed air for automizing the ammonia vapor Decomposition reactor; And

분해 반응기와 촉매 반응탑 사이에 개재되고, 분해 반응기에서 개질된 미립화된 암모니아 증기와 배기가스를 상호 혼합접촉시키는 와류 반응기;로 이루어질 수 있다.And a vortex reactor interposed between the decomposition reactor and the catalytic reaction column for mixing and contacting the reformed ammonia vapor and the exhaust gas with each other in the decomposition reactor.

본 발명의 실시예에서, 본 발명은 가수분해기에 히터를 추가로 구비할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the present invention may further comprise a heater in the hydrolysis unit.

본 발명은 가수분해기에서 요소수를 1분 이상의 체류시간 동안 70℃~200℃, 바람직하기로는 80℃~150℃로 가열하여 탄산암모늄으로 분해할 수 있다.In the present invention, the urea water can be decomposed into ammonium carbonate by heating the urea water at 70 ° C to 200 ° C, preferably 80 ° C to 150 ° C for a residence time of 1 minute or more.

본 발명은 가수분해기와 와류 반응기 사이를 유체연통가능하게 배관하는 바이패스관을 추가로 구비할 수 있다. 여기서, 바이패스관은 가수분해기에서 생성된 암모니아, 이산화탄소, 물 등을 와류 반응기로 공급할 수 있다.The present invention may further include a bypass pipe for piping the fluid between the hydrolysis unit and the vortex reactor so as to be in fluid communication. Here, the bypass pipe can supply ammonia, carbon dioxide, water, and the like generated in the hydrolysis unit to the vortex reactor.

본 발명의 실시예에서, 분해 반응기는,In an embodiment of the present invention,

인젝터를 통해 2바아~6바아의 압력과 30㎛~100㎛의 미세입자 크기로 공급된 탄산암모늄 수용액과, 7m/s~20m/s, 바람직하기로는 10m/s~15m/s의 유속으로 공급된 고온의 배기가스를 접촉시키는 공간부를 제공한다.Supplied with an aqueous ammonium carbonate solution at a pressure of 2 bar to 6 bar and a fine particle size of 30 탆 to 100 탆 through an injector and a flow rate of 7 m / s to 20 m / s, preferably 10 m / s to 15 m / s Thereby providing a space for contacting the exhaust gas at a high temperature.

선택가능하기로, 요소수는 저장조와 가수분해기 사이를 연결하는 요소수 공급관에 배치된 순환모듈로 유동할 수 있다.Optionally, the number of urea can flow into a circulation module disposed in the urea water supply line connecting the reservoir and the hydrolyzer.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.The features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. Prior to that, terms and words used in the present specification and claims should not be construed in a conventional and dictionary sense, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best explain its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 요소수를 탄산암모늄으로 1차 개질하고 이를 암모니아로 2차 개질한 환원제를 매개로 하여 선택적 촉매 환원법을 기초로 하는 탈질설비를 제공할 수 있다.According to the present invention, the present invention can provide a denitration facility based on a selective catalytic reduction method through a first reforming of urea water with ammonium carbonate and a second reducing agent reformed with ammonia.

특히, 본 발명은 종래기술에 비해 상대적으로 낮은 온도하에서 환원제 전구물질에서 환원제로 전환시킬 수 있어 환원제 생성에 따른 비용을 현저하게 줄일 수 있다.In particular, the present invention can convert a reducing agent precursor to a reducing agent at a relatively low temperature as compared with the prior art, thereby remarkably reducing the cost of producing a reducing agent.

본 발명은 상대적으로 낮은 온도하에서도 요소수로부터 탄산암모늄의 전환을 빠르게 진행시킬 수 있으며, 탄산암모늄로부터 암모니아로의 전환 역시 낮은 온도 하에서도 안정적이면서 신속하게 진행시켜 질소산화물과의 원활한 환원반응을 야기시킬 수 있다.The present invention can rapidly proceed the conversion of ammonium carbonate from urea water even at a relatively low temperature and the conversion from ammonium carbonate to ammonia can also proceed stably and rapidly even at a low temperature to cause a smooth reduction reaction with nitrogen oxides .

본 발명은 환원제 전구물질로 저장 및 운반이 편리한 요소수를 채택하고 있어, 암모니아의 사용으로 문제시되었던 운전 및 설비의 취급자가 독극물 취급에 따른 위험성으로부터 안정성을 제공한다.The present invention employs a urea water which is convenient to store and transport as a precursor of a reducing agent, so that the operator who has been in trouble with the use of ammonia provides stability from the danger of toxic material handling.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 요소수를 사용하는 질소산화물의 저감시스템을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도 2는 가수분해기의 조업 온도와 조업 압력에 따른 요소수에서 탄산암모늄의 전환률을 도시한 그래프도이다.1 is a process diagram schematically showing a nitrogen oxide reduction system using urea water according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the conversion rate of ammonium carbonate in urea depending on the operating temperature and the operating pressure of the hydrolyzer.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 첨부 도면에 있어서, 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The objectives, specific advantages and novel features of the invention will become more apparent from the following detailed description and examples taken in conjunction with the accompanying drawings. It should be noted that, in the present specification, the reference numerals are added to the constituent elements of the drawings, and the same constituent elements are assigned the same number as much as possible even if they are displayed on different drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. In this specification, the terms first, second, etc. are used to distinguish one element from another, and the element is not limited by the terms. In the accompanying drawings, some of the elements are exaggerated, omitted or schematically shown, and the size of each element does not entirely reflect the actual size.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 요소수를 사용하는 질소산화물의 저감시스템은 요소수를 저장보관하는 저장조(100)와, 이 저장조(100)로부터 공급되는 요소수를 탄산암모늄으로 분해하는 가수분해기(300;hydrolyzer), 화석연료 등을 연소시키는 연소실 혹은 배기가스 발생원(600), 배기가스 발생원(600)에서 배출되는 배기가스에 함유된 질소산화물과 가수분해기(300)에서 공급된 탄산암모늄의 접촉을 보장하는 분해 반응기(700), 분해 반응기(700) 하류에 배치되고 희박한 암모니아와 질소산화물을 혼합하여 혼합가스를 생성하는 와류 반응기(800), 및 촉매 반응탑(900)을 구비한다.A nitrogen oxide reduction system using urea water according to a preferred embodiment of the present invention includes a storage tank 100 for storing urea water and a hydrolyzer for decomposing urea water supplied from the storage tank 100 into ammonium carbonate A combustion chamber or an exhaust gas generating source 600 for burning a fossil fuel or the like, a nitrogen oxide contained in an exhaust gas discharged from the exhaust gas generating source 600 and an ammonium carbonate supplied from the hydrolyzing unit 300 A vortex reactor 800 disposed downstream of the decomposition reactor 700 and mixing lean ammonia with nitrogen oxides to produce a mixed gas, and a catalytic reaction column 900.

다시 말하자면, 본 발명에 따른 질소산화물의 저감시스템은 요소수를 분해하여 선택적 촉매 환원법의 환원제로 암모니아(NH3)를 사용할 수 있도록 설계되어 있다.In other words, the nitrogen oxide reduction system according to the present invention is designed to decompose urea water and use ammonia (NH 3 ) as a reducing agent in selective catalytic reduction.

저장조(100)는 환원제 전구물질인 요소수를 보관한다. 예컨대, 요소수는 요소((NH2)2CO)와 탈이온화수(deionized water)로 이루어진 수용액일 수 있으며, 이러한 액상의 요소수는 하류로의 이송을 가능하게 할 뿐만 아니라 원활한 가수분해반응을 야기킬 수 있다. 요소수는 순환모듈(200), 예컨대 순환펌프로 양정되어 가수분해기(300)까지 강제로 이송된다. 요소수는 순환모듈(200)의 구동으로 저장조(100)에서 가수분해기(300)까지 뻗어 있는 요소수 공급관(참조번호 없음)을 따라 강제로 정방향 및/또는 역방향으로 이송될 수 있는데, 순환모듈의 정방향 구동을 통해 요소수를 저장조에서 가수분해기로 안내할 수 있는 반면에 순환모듈의 역방향 구동을 통해 요소수를 요소수 공급관 내에서 지속적으로 순환이동을 가능하게 하거나 요소수 공급관에 잔존하는 요소수를 저장조로 회수시킬 수 있도록 유동방향을 조절할 수 있다. 이는 요소수 공급관에 잔존하는 요소수의 결빙(freezing) 또는 결정화(crystalizing)를 미연에 방지할 수 있도록 돕는다.The reservoir 100 stores urea water as a reducing agent precursor. For example, the urea number can be an aqueous solution consisting of urea ((NH 2 ) 2 CO) and deionized water, and this liquid urea water not only allows downstream transport but also facilitates a successful hydrolysis reaction Can cause. The number of urea is fed into the circulation module 200, for example a circulation pump, and forced to the hydrolyzer 300. The number of ellipses can be forcibly forwarded and / or reversed along the urea water supply pipe (no reference numeral) extending from the reservoir 100 to the hydrolyzer 300 by the driving of the circulation module 200, While the urea water can be guided from the reservoir to the hydrolyzer through the forward driving, reverse operation of the circulation module enables the number of urea to be circulated continuously in the urea water supply pipe, or the number of remaining elements in the urea water supply pipe The flow direction can be adjusted so that it can be recovered to the reservoir. This helps prevent freezing or crystalizing of the urea water remaining in the urea water supply pipe.

덧붙여서, 본 발명은 암모니아에 비해 녹는점, 끊는점, 용해도가 높은 요소를 환원제 전구물질로 채택하여 보관, 저장, 안정성 등을 확보할 수 있다.In addition, according to the present invention, as a reducing agent precursor, an element having higher melting point, breaking point and higher solubility than ammonia can be used to ensure storage, storage, and stability.

가수분해기(300)는 전술된 바와 같이 순환모듈(200)의 구동으로 저장조(100)에 공급된 요소수를 탄산암모늄(ammonium carbonate,(NH4)2CO3)으로 분해한다. The hydrolysis unit 300 decomposes the urea water supplied to the storage tank 100 into ammonium carbonate (NH 4 ) 2 CO 3 by driving the circulation module 200 as described above.

무색, 무취, 무미의 요소수는 화학식 2와 같이 수분과 접촉된 상태에서 소정의 온도로 가열하여 요소를 탄산암모늄으로 가수분해할 수 있다.The urea-free, odorless, tasteless urea water can be hydrolyzed to ammonium carbonate by heating to a predetermined temperature in the state of being in contact with water as shown in Chemical Formula 2.

Figure 112017067768332-pat00002
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특허문헌 1에 따른 탈질시스템은 고온(300~500℃)의 조건에서 요소수를 분사하여 암모니아로 개질하거나 액상의 암모니아를 분사하여 증기상의 암모니아로 상변환시킬 수 있다. 이와 달리, 본 발명은 요소수를 고온의 배기가스와 직접 접촉시키지 않고, 우선적으로 요소수를 비교적 낮은 온도에서 선가열하여 탄산암모늄 수용액으로 분해시키는 것을 특징으로 한다. The denitration system according to Patent Document 1 can reform urea into ammonia by spraying urea water at a high temperature (300 to 500 ° C), or inject ammonia in liquid phase to convert ammonia into vapor phase ammonia. Alternatively, the present invention is characterized in that the urea water is preferentially decomposed into an aqueous solution of ammonium carbonate by preheating the urea water at a relatively low temperature without directly contacting the urea water with the exhaust gas at a high temperature.

가수분해기(300)에서 전환속도가 느리면, 배기가스 발생원(600)으로부터 배출되는 배기가스에 함유된 질소산화물의 배출되는 몰수(mole)에 따른 화학양론적 비에 대하여 탄산암모늄의 적당한 몰수의 공급이 용이하지 않아, 효율적이면서 효과적인 가용상태를 유지할 수 없게 될 것이다.If the conversion speed is low in the hydrolysis unit 300, the supply of a suitable molar amount of ammonium carbonate to the stoichiometric ratio according to the number of moles of the nitrogen oxide contained in the exhaust gas discharged from the exhaust gas generating source 600 It will not be easy to maintain an efficient and effective availability state.

당해분야의 숙련자들에게 널리 알려져 있듯이, 요소수는 상온 하에서도 탄산암모늄으로 가수분해될 수 있지만 본 발명은 요소수에서 탄산암모늄으로의 전환속도를 향상시키기 위해 온도 상승에 필요한 1분 이상의 체류시간 동안에 히터(310)를 수단으로 하여 70∼200℃, 바람직하기로 80~150℃로 가열한다.As is well known to those skilled in the art, the urea water can be hydrolyzed to ammonium carbonate even at room temperature, but the present invention provides a method for increasing the rate of conversion from urea water to ammonium carbonate during a residence time of at least one minute, And heated to 70 to 200 캜, preferably to 80 to 150 캜, by means of the heater 310.

도 2는 가수분해기의 조업온도와 조업압력 조건에 따른 요소수에서 탄산암모늄으로의 전환률을 도해한 그래프도로서, 가수분해기 내에서 1분(60초)의 체류시간 동안에 온도와 압력 조건을 달리하여 요소수로부터 탄산암모늄의 분해 성능을 확인할 수 있다. 바람직하기로, 본 발명은 가수분해기의 내부온도를 80∼150℃를 유지하고 내부압력을 3바아∼5바아(bar)를 유지하면 원활한 전환률을 달성할 수 있다.FIG. 2 is a graph showing the conversion of urea to ammonium carbonate according to the operating temperature and the operating pressure of the hydrolyzer, wherein temperature and pressure conditions are varied during the residence time of 1 minute (60 seconds) in the hydrolyzer The decomposition performance of ammonium carbonate from the urea water can be confirmed. Preferably, the present invention can achieve a smooth conversion rate by maintaining the internal temperature of the hydrolysis unit at 80 to 150 캜 and maintaining the internal pressure at 3 to 5 bar.

부수적으로, 요소수는 소정의 온도로 가열된 가수분해기(300)의 내부온도를 통해 녹는점 이상에서 위의 화학식 1과 같이 열적가수분해반응 및/또는 화학식 3을 통해 암모니아와 이산화탄소 및 물을 생성할 수도 있다.Incidentally, the number of urea is thermally hydrolyzed and / or ammonia, carbon dioxide and water are produced through the thermal hydrolysis reaction and / or the chemical formula 3 as shown in the above chemical formula 1 above the melting point through the internal temperature of the hydrolyzer 300 heated to a predetermined temperature You may.

가수분해기(300)에서 부수적으로 생성된 암모니아 증기는 바이패스관(500)을 통해 와류 반응기(800)로 안내될 수 있다. 추가로, 바이패스관(500)은 가수분해기(300)에서 와류 반응기(800)까지 유체연통가능하게 배관되어 있다.The ammonia vapor incidentally generated in the hydrolysis unit 300 may be conducted to the vortex reactor 800 through the bypass pipe 500. In addition, the bypass tube 500 is piped in fluid communication from the hydrolyzer 300 to the vortex reactor 800.

더욱이, 가수분해기(300)는 배기가스에 함유된 질소산화물의 배출량과 이에 필요한 암모니아량을 당량비에 따라 계산하여 탄산암모늄 및/또는 암모니아를 후단설비인 분해 반응기(700)와 와류 반응기(800)로 공급할 수 있는 계량공급모듈(미도시)을 구비할 수 있다. 계량공급모듈은 분해 반응기(700)로 제공될 탄산암모늄의 공급량 뿐만 아니라 바이패스관(500)을 통해 와류 반응기(800)로 제공될 암모니아의 공급량을 제어할 수 있다.Further, the hydrolysis unit 300 may convert the amount of nitrogen oxide contained in the exhaust gas and the required amount of ammonia into the decomposition reactor 700 and the vortex reactor 800, A metering supply module (not shown) which can supply the metering supply module. The metering supply module can control the amount of ammonia to be supplied to the vortex reactor 800 through the bypass pipe 500 as well as the amount of ammonium carbonate to be supplied to the decomposition reactor 700.

가수분해기(300)에서 적당량으로 송급되는 탄산암모늄 수용액은 인젝터(400)를 통해 공기와 함께 분해 반응기(700) 내로 주입되고, 고온의 배기가스를 열원으로 사용하여 증기상의 암모니아로 전환되되, 이의 화학반응식은,The ammonia aqueous solution fed in an appropriate amount in the hydrolysis unit 300 is injected into the decomposition reactor 700 together with the air through the injector 400 and converted into vapor phase ammonia by using a high temperature exhaust gas as a heat source, In the reaction formula,

Figure 112017067768332-pat00003
Figure 112017067768332-pat00003

이상과 같다.This is the same as above.

특별하기로, 본 발명은 가수분해기(300)에서 요소수를 탄산암모늄으로 1차 개질한 이후에 하류에 배치된 분해 반응기(700) 내에서 고온의 배기가스와의 접촉을 통해 탄산암모늄을 환원제인 암모니아로 2차 개질할 수 있도록 설계되어 있다. 당해분야의 숙련자들에게 이미 널리 알려져 있듯이, 탄산암모늄은 요소수보다 낮은 온도에서도 암모니아의 생성이 용이할 뿐만 아니라 질소산화물의 제거효율이 뛰어난 것으로 알려져 있기 때문이다. In particular, the present invention relates to a process for reforming urea water by firstly reforming urea water with ammonium carbonate in a hydrolysis unit (300) and then contacting ammonium carbonate with a high-temperature exhaust gas in a decomposition reactor (700) It is designed to be secondarily reformed with ammonia. As is well known to those skilled in the art, ammonium carbonate is known to be easy to produce ammonia even at lower temperatures than urea water, and has excellent nitrogen oxide removal efficiency.

본 발명은 배기가스 발생원(600)으로부터 배출된 200℃~400℃ 정도의 고온 배기가스를 분해 반응기(700)의 열원으로 사용한다. 탄산암모늄은 70℃ 정도의 가열온도에서도 쉽게 암모니아와 이산화탄소로 분해될 수 있는데, 탄산암모늄으로부터 암모니아로의 분해 응답속도를 빠르게 진행하기 위해 200℃~400℃의 배기가스를 7m/s~20m/s, 바람직하기로 10m/s~15m/s의 유속으로 분해 반응기(700)로 공급한다.The present invention uses a high-temperature exhaust gas discharged from the exhaust gas generating source (600) at a temperature of about 200 ° C to 400 ° C as a heat source of the decomposition reactor (700). Ammonium carbonate can be easily decomposed into ammonia and carbon dioxide even at a heating temperature of about 70 ° C. In order to accelerate the decomposition reaction rate from ammonium carbonate to ammonia, exhaust gas at 200 ° C. to 400 ° C. is fed at a rate of 7 m / s to 20 m / s , Preferably at a flow rate of 10 m / s to 15 m / s to the decomposition reactor 700.

본 발명은 배기가스 발생원(600)에서 발생한 질소산화물의 배출량에 즉각적으로 대처가능하도록 탄산암모늄 수용액에서 암모니아 증기로의 분해를 가급적 빨리 진행시켜야 할 뿐만 아니라 탄산암모늄 수용액은 인젝터(400)를 수단으로 하여 상당량의 공기와 혼합되어야 한다. 이를 위해서, 탄산암모늄 수용액은 인젝터(400)를 통해 미세입자, 예컨대 30~100㎛의 크기와 2바아~6바아의 압력으로 분해 반응기(700)로 분무하여 이송된 배기가스와의 접촉 상태를 양호하게 하여 빠른 시간 내에 암모니아로 분해가능하도록 한다. 또한, 암모니아는 고온 하에서 폭발성이 강하므로 인젝터(400)로 공급된 공기와 분해 반응기(700) 내부에서 잘 혼합되어야만 한다. 암모니아의 폭발을 방지하기 위해서, 당해분야의 숙련자들에게 이미 널리 알려져 있듯이 암모니아/공기의 비는 2%~5% 정도로 유지하는 것이 바람직하다. 즉, 인젝터로로 제공된 공기와 함께 분해 반응기(700) 내에서 생성된 증기상의 암모니아가 서로 혼합되어 희박한 암모니아 증기상으로 되어야만 한다. 그런 후에, 희박한 암모니아 증기는 촉매 반응탑(900)의 전단측에 배치된 와류 반응기(800)로 유입된다.The decomposition of the ammonia vapor into the ammonia vapor in the aqueous ammonium carbonate solution should be promoted as quickly as possible so that the emission amount of the nitrogen oxides generated in the exhaust gas generating source 600 can be promptly dealt with as well as the aqueous ammonium carbonate solution can be recovered by means of the injector 400 It should be mixed with a significant amount of air. To this end, the aqueous ammonium carbonate solution is sprayed into the decomposition reactor 700 through fine particles, for example, 30 to 100 μm in size and pressure of 2 to 6 bar through the injector 400, To be decomposed into ammonia within a short period of time. In addition, since ammonia is explosive at high temperature, it must be well mixed with the air supplied to the injector 400 and the decomposition reactor 700. To prevent explosion of ammonia, it is desirable to maintain the ammonia / air ratio at about 2% to 5%, as is well known to those skilled in the art. That is, the ammonia in the vapor phase produced in the decomposition reactor 700 together with the air supplied to the injector must be mixed with each other to form a lean ammonia vapor phase. Then, the lean ammonia vapor flows into the vortex reactor 800 disposed at the front end side of the catalytic reaction column 900.

와류 반응기(800)는 배기가스 발생원(600)에서 배출되는 질소산화물과 희박한 암모니아 증기를 난류상태로 흐르게 하여 혼합접촉시킨다. 구체적으로, 와류 반응기(800)는 분해 반응기(700)에서 전환된 암모니아와 가수분해기(300)에서 열적가수분해로 생성된 암모니아를 배기가스의 질소산화물의 혼합 정도를 높일 수 있다. 혼합된 혼합가스들은 선택적 촉매 환원법에 따른 촉매 반응탑(900;catalyst tower)으로 이동안내하게 되는데, 질소산화물은 암모니아와 환원반응을 일으킨다.  The vortex reactor 800 mixes the nitrogen oxides discharged from the exhaust gas generating source 600 and the lean ammonia vapor in a turbulent flow state. Specifically, the vortex reactor 800 can increase the mixing degree of the nitrogen oxide of the exhaust gas by the ammonia converted in the decomposition reactor 700 and the ammonia generated by the thermal hydrolysis in the hydrolyzer 300. The mixed gases are guided to the catalyst tower 900 according to the selective catalytic reduction method, and the nitrogen oxides cause a reduction reaction with ammonia.

널리 알려져 있듯이, 선택적 촉매 환원법 공정은 촉매의 존재하에서 암모니아와 같은 환원제의 도움을 받아 질소산화물(NOX)을 질소(N2)와 물(H2O)로 환원시킬 수 있다. 기체상 환원제(예컨대, 암모니아 증기)는 촉매 반응탑(900)의 촉매층에 흡수되고, 선택적으로 질소산화물을 암모니아와 환원반응시켜 질소와 물을 생성할 수 있다. 암모니아를 사용한 화학양론적 SCR 환원에 대한 화학식은 다음과 같다.As is well known, the selective catalytic reduction process can reduce nitrogen oxides (NO x ) to nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O) with the aid of a reducing agent such as ammonia in the presence of a catalyst. The gaseous reducing agent (for example, ammonia vapor) is absorbed by the catalyst layer of the catalytic reaction tower 900, and the nitrogen oxide and ammonia can be selectively reduced to generate nitrogen and water. The formula for stoichiometric SCR reduction using ammonia is as follows.

Figure 112017067768332-pat00004
Figure 112017067768332-pat00004

촉매 반응탑(900)에서 반응된 후에 생성된 질소와 물은 굴뚝을 통하여 대기중으로 방출가능하다. The nitrogen and water produced after the reaction in the catalytic reaction tower 900 can be discharged into the atmosphere through the stack.

이상 본 발명은 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 요소수를 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.While the present invention has been described in detail with reference to the preferred embodiments thereof, it is to be understood that the present invention is not limited thereto. The present invention is not limited to the system for reducing nitrogen oxides by selective catalytic reduction using urea water according to the present invention, It will be apparent that modifications and improvements can be made by those skilled in the art without departing from the scope and spirit of the present invention.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

100 ----- 저장조,
200 ----- 순환모듈,
300 ----- 가수분해기,
400 ----- 인젝터,
500 ----- 바이패스관,
600 ----- 배기가스 발생원,
700 ----- 분해 반응기,
800 ----- 와류 반응기,
900 ----- 촉매 반응탑.100 ----- reservoir,
200 ----- circulation module,
300 ----- hydrolyzate,
400 ----- injector,
500 ----- Bypass tube,
600 ----- exhaust gas source,
700 ---- decomposition reactor,
800 ----- vortex reactor,
900 ----- Catalytic reaction tower.

Claims (7)

연소에 의해 배기가스 발생원(600)에서 배출된 질소산화물을 함유한 배기가스와 환원제인 암모니아(NH3)를 혼합한 희박한 혼합가스를 촉매 반응탑(900)에서 환원제를 사용하는 선택적 촉매 환원법에 기초한 질소산화물의 저감시스템에 있어서,
환원제의 전구물질인 요소수를 저장보관하는 저장조(100)와;
상기 저장조(100)에 보관된 요소수를 탄산암모늄 수용액으로 1차 개질하는 가수분해기(300);
상기 저장조(100)와 상기 가수분해기(300) 사이를 연결하는 요소수 공급관에 배치되어, 상기 요소수 공급관을 따라 유동하는 상기 요소수의 유동방향을 제어하는 순환모듈(200);
상기 탄산암모늄 수용액과 공기를 상기 배기가스 발생원(600)에서 배출된 고온의 질소산화물을 함유한 배기가스와 접촉시켜, 상기 탄산암모늄 수용액에서 암모니아 증기로 2차 개질하고 상기 암모니아 증기를 공기와 혼합시켜 희박한 암모니아 증기를 생성하는 분해 반응기(700);
상기 분해 반응기(700)와 상기 촉매 반응탑(900) 사이에 개재되고, 상기 분해 반응기(700)에서 개질된 상기 희박한 암모니아 증기와 상기 배기가스를 상호 혼합접촉시키는 와류 반응기(800); 및
상기 가수분해기(300)에서 생성된 암모니아를 상기 와류 반응기(800)로 공급할 수 있도록, 상기 가수분해기(300)와 상기 와류 반응기(800) 사이를 유체연통가능하게 배관하는 바이패스관(500);으로 이루어진 것을 특징으로 하는 요소수를 사용하는 질소산화물의 저감시스템.
A lean mixture gas obtained by mixing exhaust gas containing nitrogen oxide discharged from the exhaust gas generating source 600 by combustion with ammonia (NH 3 ) as a reducing agent is supplied to the catalytic reaction tower 900 based on a selective catalyst reduction method using a reducing agent In the nitrogen oxide reduction system,
A storage tank (100) for storing urea water as a precursor of a reducing agent;
A hydrolyzer 300 for first reforming the urea water stored in the storage tank 100 with an aqueous solution of ammonium carbonate;
A circulation module (200) disposed in the urea water supply pipe connecting between the reservoir (100) and the hydrolyzer (300) and controlling the flow direction of the urea water flowing along the urea water supply pipe;
The aqueous ammonium carbonate solution and air are brought into contact with an exhaust gas containing nitrogen oxide at a high temperature discharged from the exhaust gas generating source 600 to secondarily modify the ammonia vapor with the ammonia vapor in the aqueous ammonium carbonate solution and mix the ammonia vapor with air A decomposition reactor 700 to produce lean ammonia vapor;
A vortex reactor (800) interposed between the decomposition reactor (700) and the catalytic reaction tower (900) and mixing and contacting the lean ammonia vapor reformed in the decomposition reactor (700) with the exhaust gas; And
A bypass pipe 500 for supplying the ammonia generated in the hydrolyzer 300 to the vortex reactor 800 so as to allow fluid communication between the hydrolyzer 300 and the vortex reactor 800; Wherein the nitrogen oxide removal system comprises:
청구항 1에 있어서,
상기 가수분해기(300)는 히터를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 요소수를 사용하는 질소산화물의 저감시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrolysis unit (300) further comprises a heater.
청구항 1에 있어서,
상기 가수분해기(300)는 상기 요소수를 온도 상승을 위한 체류시간 동안 70℃~200℃로 가열하여 상기 탄산암모늄으로 분해하는 것을 특징으로 하는 요소수를 사용하는 질소산화물의 저감시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrolysis unit (300) heats the urea water to 70 캜 to 200 캜 for decomposition into ammonium carbonate during a residence time for raising the temperature.
삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 분해 반응기(700)는,
인젝터(400)를 통해 2바아~6바아(bar)의 압력과 30㎛~100㎛의 미세입자 크기로 공급된 상기 탄산암모늄 수용액과;
7m/s~20m/s의 유속으로 공급된 고온의 배기가스;를 접촉시키는 것을 특징으로 하는 요소수를 사용하는 질소산화물의 저감시스템.
The method according to claim 1,
The decomposition reactor (700)
The aqueous ammonium carbonate solution supplied through the injector 400 at a pressure of 2 bar to 6 bar and a fine particle size of 30 mu m to 100 mu m;
And a high-temperature exhaust gas supplied at a flow rate of 7 m / s to 20 m / s is brought into contact with the exhaust gas.
삭제delete
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