KR102580496B1 - SNCR-SCR Hybrid NOx Reduction System - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템은 (1) 전산유체 해석 (Computational Fluid Dynamics, CFD)을 통해 분진이 편중되지 않고 일정하게 내려오면서 온도가 균일한 지점(들)에 NHx 기반 환원제 분사 노즐이 설치되어 선택적 비촉매 환원반응(SNCR) 효율 증대 및 평준화 제어를 통해 40 ~ 50%의 NOX 제거효율(NOx Reduction Rate)을 발휘하면서, 후단의 선택적 촉매 환원반응(SCR)에서 NOx의 환원제로 사용되도록 미반응 NH3 슬립 발생 정도를 제어(CONTROL)하는 SNCR 설비; 및 (2) 배가스를 기준으로 SNCR 설비 후단에 설치되고, SNCR 설비에서 발생시킨 미반응 NH3 슬립을 NOx의 환원제로 사용하면서 촉매 상에서 선택적 촉매 환원반응(SCR)을 수행하는 SCR 설비를 포함한다.
본 발명에 따른 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템을 통해 SNCR-SCR 하이브리드 통합시스템 구축에 따른 NOX 제거효율은 80 이상이고, 잔여 NOx는 80~82ppm이며, 높은 SNCR 효율 및 SCR 부하 감소에 따른 SCR 설치비(촉매사용량 감소 및 SCR 설비 소형화 등)가 혁신적으로 감소될 수 있다.The SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system according to the present invention (1) sprays NHx-based reducing agent at the point(s) where the temperature is uniform while the dust is not biased and falls steadily through Computational Fluid Dynamics (CFD). A nozzle is installed to increase the efficiency of the selective non-catalytic reduction reaction (SNCR) and achieve a NOx reduction rate of 40 to 50% through leveling control, while acting as a reducing agent for NOx in the selective catalytic reduction reaction (SCR) at the downstream. SNCR equipment that controls the degree of unreacted NH 3 slip to be used as a; and (2) an SCR facility that is installed at the rear of the SNCR facility based on the exhaust gas and performs a selective catalytic reduction reaction (SCR) on the catalyst while using unreacted NH 3 slip generated in the SNCR facility as a reducing agent for NOx.
Through the SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system according to the present invention, the NO Installation costs (reduction in catalyst usage and miniaturization of SCR equipment, etc.) can be dramatically reduced.
Description
본 발명은 SNCR 설비 및 SCR 설비를 구비한 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템을 통해 SNCR-SCR 하이브리드 통합시스템 구축에 따른 NOX 제거효율은 80 % 이상이고, 잔여 NOx는 80~82ppm이며, 높은 SNCR 효율 및 SCR 부하 감소에 따른 SCR 설치비(촉매사용량 감소 및 SCR 설비 소형화 등)가 혁신적으로 감소될 수 있다.The present invention relates to a SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system equipped with an SNCR facility and an SCR facility. Through the SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system according to the present invention, the NO SCR installation costs (reduction in catalyst usage and miniaturization of SCR facilities, etc.) can be dramatically reduced.
또한, 본 발명에 따른 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템은 시멘트 산업 미세먼지 저감 혁신기술로 적용 및 설계될 수 있다.In addition, the SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system according to the present invention can be applied and designed as an innovative cement industry fine dust reduction technology.
국가적으로 대기환경보전법을 제정하는 등 여러 노력에도 불구하고 생활수준 향상에 따른 에너지 사용량이 급격히 증가하여 수많은 대기오염물이 생성되어 심각하게 방출되고 있다. 이 중 에너지 다소비 산업에서 연료 연소에 의한 질소산화물은 광화학작용에 의해 이차 오염물을 생성하며, 대기오염의 주요 물질 중 하나이다. 전세계적으로 질소산화물 배출규제를 강화하면서 발전소, 소각로, 시멘트 공정의 연소 설비 등의 주요 배출시설에서 대기중으로 배출되기 전에 배출 규제 농도 규제 및 총량 관리 강화 정책에 따라 처리되어야 한다. 질소산화물을 필수적으로 저감하여야 할 필요성이 증가함에 따라 배출원에서 질소산화물을 저감하기 위한 방법들이 활발히 개발 중이다. Despite various efforts, including the national enactment of the Air Quality Conservation Act, energy use has rapidly increased due to improved living standards, resulting in the generation and serious release of numerous air pollutants. Among these, nitrogen oxides caused by fuel combustion in energy-consuming industries generate secondary pollutants through photochemical reactions and are one of the main substances of air pollution. As nitrogen oxide emission regulations are being strengthened worldwide, major emission facilities such as power plants, incinerators, and cement process combustion facilities must be treated in accordance with emission control concentration regulations and strengthened total quantity management policies before being discharged into the atmosphere. As the need to absolutely reduce nitrogen oxides increases, methods for reducing nitrogen oxides at the source are being actively developed.
전세계에 걸쳐서 가정과 산업에 이용되는 많은 전력이 보일러에서, 그리고 화석 연료(석탄, 오일, LNG) 및 바이오매스를 연소시키는 발전소에서 생성된다. 생성되는 고온의 배가스(연소가스)는 가스터빈을 가동시키거나 물을 비등시켜서 증기를 발생시키고 이것은 증기터빈을 가동시키며, 상기 터빈은 발전기와 함께 전력을 생산한다. 이후에 연소가스 증기는 공기 예열기, 예를 들어 연소가스로부터의 열을 유입되는 공기 증기에 전달하는 회전 휠 열 교환기를 통과한 후에 연소기로 이동한다. 부분 냉각된 연소가스는 공기 예열기로부터 배기 굴뚝으로 이동한다. Much of the electricity used in homes and industry around the world is generated by boilers and power plants that burn fossil fuels (coal, oil, LNG) and biomass. The generated high-temperature exhaust gas (combustion gas) operates a gas turbine or boils water to generate steam, which operates a steam turbine, and the turbine produces electric power together with a generator. The combustion gas vapors then pass through an air preheater, e.g. a rotating wheel heat exchanger, which transfers heat from the combustion gases to the incoming air vapor before moving to the combustor. Partially cooled combustion gases move from the air preheater to the exhaust stack.
주요 연료 공급원으로서 화석연료 및 바이오매스가 사용된 경우, 상기 연소가스는 황산화물, 질소산화물, 일산화탄소 및 매연 미립자 등과 같은 오염물질을 함유한다. 이들 오염물질 전량의 대기 배출은 이들 연소가스 성분의 수준을 크게 제한하는 미연방법 및 지역법의 규제를 받게 된다. When fossil fuels and biomass are used as the main fuel source, the combustion gases contain pollutants such as sulfur oxides, nitrogen oxides, carbon monoxide, and soot particles. Air emissions of all of these pollutants are regulated by U.S. federal and local laws that significantly limit the levels of these combustion gas components.
폐기물을 소각하는 지자체, 민간 소각로에서 배출되는 배가스는 비산재(fly ash), 염화수소(HCl), 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 수은을 포함하는 중금속, 또는 다이옥신 등의 미량 성분을 함유하고 있다. 이러한 유해성분은 환경보호를 위해 반드시 제거되어야 한다. Flue gases discharged from local governments and private incinerators that incinerate waste contain trace elements such as fly ash, hydrogen chloride (HCl), sulfur oxides (SOx), nitrogen oxides (NOx), heavy metals including mercury, or dioxins. I'm doing it. These harmful ingredients must be removed to protect the environment.
한편, 시멘트 산업은 철강, 석유화학 산업 등과 함께 국가의 기반을 구축하는 산업이고, 다량의 자원과 에너지를 소비하는 산업으로, 환경적인 측면에서 분진, CO2 및 질소산화물(NOx) 발생 등 부정적인 측면이 많이 대두되어 왔다. 게다가, 산업부산물을 '시멘트 원료'나 '연료'로 자원화하는 것에 대한 관심이 증가하고 있다. 시멘트 산업은 생산공정 및 품질을 유지하고 향상시키기 위해 고온 단염화 소성이 필수적이기 때문에 불가결하게 NOx가 발생되는 공정 조건을 가지고 있으며, 일산화탄소, 분진 등을 포함하여 유해물질이 배출되고 있어 감축을 위한 설비들이 추가되고 있다.Meanwhile, the cement industry is an industry that builds the nation's foundation along with the steel and petrochemical industries, and is an industry that consumes a large amount of resources and energy. In terms of the environment, it has negative aspects such as the generation of dust, CO2, and nitrogen oxides (NOx). This has come to the fore a lot. In addition, interest in recycling industrial by-products into 'cement raw materials' or 'fuel' is increasing. The cement industry has process conditions in which NOx is inevitably generated because high-temperature monochlorination firing is essential to maintain and improve the production process and quality, and hazardous substances including carbon monoxide and dust are emitted, so facilities for reduction are required. are being added.
NOx로 표시되는 질소산화물은 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 외에 N2O, N2O3, N2O4, N2O5, NO3 등이 있지만 일반적으로 NOx라 하면 NO와 NO2만을 대상으로 하고 있다.Nitrogen oxides expressed as NOx include nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ), as well as N 2 O, N 2 O 3 , N 2 O 4 , N 2 O 5 , and NO 3 , but in general, NOx includes NO and It is targeting only NO 2 .
발전소, 소각로, 시멘트 생산 공정에서의 NOx 배출 요인은 1) 연소 공기에 존재하는 질소 분자의 고온 산화(Thermal NOx), 2) 연료 중 질소 화합물의 산화(Fuel NOx), 3) 원재료에 포함된 질소 화합물의 산화(원료의 NOx), 4) 연료 CH 라디칼과 질소 화합물의 산화(Prompt NOx)에 기인한다.The causes of NOx emissions from power plants, incinerators, and cement production processes are 1) high-temperature oxidation of nitrogen molecules present in combustion air (thermal NOx), 2) oxidation of nitrogen compounds in fuel (fuel NOx), and 3) nitrogen contained in raw materials. It is due to oxidation of compounds (NOx of raw materials), 4) oxidation of fuel CH radicals and nitrogen compounds (Prompt NOx).
발전소, 소각로, 시멘트 공정에서 적용 가능한 NOx 저감 기술은 크게 2가지 방법으로 나눌 수 있다. 하나는 연소 조건을 제어하여 NOx의 생성을 감소하는 방법과, 다른 하나는 연소과정에서 생성된 NOx를 제거하는 방법이다. NOx reduction technologies applicable to power plants, incinerators, and cement processes can be broadly divided into two methods. One is to reduce the production of NOx by controlling combustion conditions, and the other is to remove NOx generated during the combustion process.
발전소, 소각로, 시멘트 공정의 연소 설비에서 Thermal NOx의 생성은 화염 온도 및 산소 농도에 영향을 받는다. 따라서, Thermal NOx의 발생을 줄이기 위해서는 화염 온도 및 산소 농도가 변화할 수 있는 요인을 줄이는 것이 중요하다. Fuel NOx와 Feed NOx의 생성에 대해서는 Thermal NOx 만큼 잘 알려져 있지 않으나, 일반적으로 연료나 원료의 질소 함량이 많을수록 많이 생성되는 것으로 알려져 있다. 따라서, Fuel NOx와 Feed NOx를 줄이기 위해서는 질소 함량이 낮은 연료나 원료를 사용하는 것이 바람직하다. 킬른의 형태도 NOx의 발생에 영향을 끼친다. 고체-기체 열전달 효율이 높은 킬른의 경우 에너지 효율이 높기 때문에 NOx 발생이 저감될 수 있다.Thermal NOx production in combustion facilities of power plants, incinerators, and cement processes is affected by flame temperature and oxygen concentration. Therefore, in order to reduce the generation of thermal NOx, it is important to reduce factors that can change flame temperature and oxygen concentration. The production of fuel NOx and feed NOx is not as well known as thermal NOx, but it is generally known that the higher the nitrogen content of the fuel or raw material, the more it is produced. Therefore, in order to reduce fuel NOx and feed NOx, it is desirable to use fuel or raw materials with low nitrogen content. The shape of the kiln also affects the generation of NOx. In the case of kilns with high solid-gas heat transfer efficiency, NOx generation can be reduced due to their high energy efficiency.
연소에 의해 생성된 NOx는 환원성 약품을 통해 질소로 환원된다. 이러한 환원성 약품에는 CO, H2와, 암모니아, 요소 등 NHx를 생성할 수 있는 환원제가 있다. CO, H2는 배가스 중의 산소도 같이 환원시키므로 환원제의 양이 많이 소모되나 NHx를 생성할 수 있는 환원제는 NOx만 선택적으로 환원시킬 수 있다. 이러한 선택적 환원법에는 촉매를 사용하는 선택적 촉매 환원법(SCR: Selective Catalytic Reduction)과 촉매를 사용하지 않는 선택적 비촉매 환원법(SNCR: Selective Non- Catalytic Reduction)이 있다.NOx generated by combustion is reduced to nitrogen through reducing chemicals. These reducing chemicals include reducing agents that can generate NHx, such as CO, H 2 , ammonia, and urea. CO and H 2 also reduce oxygen in the exhaust gas, so a large amount of reducing agent is consumed, but a reducing agent that can generate NHx can selectively reduce only NOx. These selective reduction methods include Selective Catalytic Reduction (SCR), which uses a catalyst, and Selective Non-Catalytic Reduction (SNCR), which does not use a catalyst.
선택적 촉매 환원법(SCR)은 화석연료를 사용하는 보일러, 가스터빈, 내연기관 등에 광범위하게 적용되어 효과적으로 사용되는 NOx 제거방법이다. 이 방법의 원리는 공기 또는 스팀으로 희석한 암모니아 가스를 배가스로 분사한 후 이를 촉매층으로 공급하여 NOx를 환원시키는 것이다.Selective catalytic reduction (SCR) is an effective NOx removal method that is widely applied to boilers, gas turbines, and internal combustion engines that use fossil fuels. The principle of this method is to spray ammonia gas diluted with air or steam as exhaust gas and then supply it to the catalyst layer to reduce NOx.
선택적 비촉매 환원법(SNCR)은 촉매를 사용하지 않고 고온의 배가스에 직접 환원제를 분사하여 NOx를 분해하는 방법으로 주된 반응식은 다음과 같다.Selective non-catalytic reduction (SNCR) is a method of decomposing NOx by spraying a reducing agent directly into high-temperature exhaust gas without using a catalyst. The main reaction equation is as follows.
[반응식 1][Scheme 1]
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O4NO + 4NH 3 + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O
SNCR은 초기 설치비가 다른 NOx 저감 기술에 비해 저렴하면서도 기존 시설에 적용하기 간단하여 별도의 설치 공간 확보가 필요하지 않아 적용성은 우수하지만 효율이 다소 낮은 단점이 있다. 반응온도 850 ~ 1,100 ℃ 범위에서 NOx 저감 효율이 30 ~ 50 % 수준의 탈질 효율을 나타내지만, 반응온도 구간 이상의 온도영역에서는 공급된 환원제 (요소수, 암모니아수)의 산화반응으로 NOx 생성이 증가하고, 낮은 온도구간에서는 환원제가 효율적으로 반응하지 못하고 암모니아 슬립이 발생하게 된다. The initial installation cost of SNCR is lower than other NOx reduction technologies, but it is simple to apply to existing facilities and does not require separate installation space, so it has excellent applicability, but has the disadvantage of being somewhat low in efficiency. In the reaction temperature range of 850 ~ 1,100 ℃, NOx reduction efficiency is at the level of 30 ~ 50%, but in the temperature range above the reaction temperature range, NOx production increases due to the oxidation reaction of the supplied reducing agent (urea solution, ammonia solution), In low temperature ranges, the reducing agent does not react efficiently and ammonia slip occurs.
SNCR에서 사용되는 환원제로는 암모니아(또는 암모니아수), 요소(또는 요소수), 암모늄 카바메이트, 피리딘, 암모늄아세테이트, cyanuric acid, 탄산암모늄 등 NHx 성분을 함유하고 있는 여러 환원제(이하, 'NHx 기반 환원제'로 통칭)가 있으나 약품가격, 안전성, 공급 안정성, 부산물 생성 측면에서 대부분의 SNCR 공정에 요소수가 사용되고 있다. 암모니아의 경우에는 다른 종류의 환원제와 비교하여 NO에 대한 선택도가 우수하다. SCR은 공정 특성상 400℃ 미만에서 운전되고 이는 요소수의 기화 에너지 측면에서 온도가 낮은 공정조건이므로 주로 SCR 공정에 암모니아가 사용되고는 있지만, 독성물질이므로 취급의 어려움과 각종 설비를 부식시킬 뿐 아니라, 누출시 지하수 오염가능성이 있으므로 2중벽의 저장조에 저장하거나 보호 지반 위에 만들어야 하며, 누출사고 발생시 사고현장에 대한 접근 곤란으로 신속 대처가 어렵기 때문에 대형사고 확대 우려가 있다. The reducing agents used in SNCR include several reducing agents containing NHx components such as ammonia (or ammonia water), urea (or urea water), ammonium carbamate, pyridine, ammonium acetate, cyanuric acid, and ammonium carbonate (hereinafter referred to as 'NHx-based reducing agents'). However, urea water is used in most SNCR processes in terms of drug price, safety, supply stability, and by-product generation. In the case of ammonia, the selectivity for NO is excellent compared to other types of reducing agents. Due to the nature of the process, SCR is operated below 400℃, which is a low-temperature process condition in terms of the vaporization energy of urea water, so ammonia is mainly used in the SCR process. However, since it is a toxic substance, it is difficult to handle, corrodes various equipment, and leaks. Since there is a possibility of contamination of city groundwater, it must be stored in a double-walled storage tank or built on protected ground. In the event of a leak, it is difficult to respond quickly due to difficulty accessing the accident site, so there is a risk of a major accident expanding.
화력발전소 또는 산업용 소각로에서 환원제로 암모니아수를 사용할 경우 암모니아 자체가 유독물질이기 때문에 인체에 해로운 영향을 미치는 문제점 외에도 각종 규제가 심하기 때문에 요소수를 사용하는 것이 유리하다. 현재 화력발전소 또는 산업용 소각로 탈질(SCR) 설비에서는 안정적인 운영과 환경적인 면을 고려하여 요소수를 환원제로 적용하는 탈질 설비가 증가하고 있다.When using ammonia water as a reducing agent in a thermal power plant or industrial incinerator, it is advantageous to use urea water because ammonia itself is a toxic substance, which has a harmful effect on the human body and is subject to various regulations. Currently, in thermal power plants or industrial incinerator denitrification (SCR) facilities, the number of denitrification facilities that apply urea water as a reducing agent is increasing in consideration of stable operation and environmental aspects.
요소수 분무장치는 대기오염물질인 질소산화물(NOx)를 저감하기 위한 탈질장치인 SCR 또는 SNCR의 주요 부속장치로, 요소수를 열분해하여 암모니아를 생성하기 위한 용도로 사용되고 있다.The urea water spray device is a main accessory device of SCR or SNCR, a denitrification device to reduce nitrogen oxides (NOx), an air pollutant, and is used to generate ammonia by thermally decomposing urea water.
선택적 촉매 환원법(SCR)은 대기오염물질의 하나인 NOx의 제거를 위해 암모니아를 환원제로 이용하여 무해한 N2 및 H2O로 전환하는 기술로서 높은 탈질효율을 나타내고, 운전 및 유지보수 용이 등 여러 장점으로 인해 현재까지 개발된 기술 중 NOx를 저감시키는 가장 대표적인 기술로서 세계적으로 이미 상용화되어 다양한 플랜트에 가동 중에 있다. 일본에서 화석연료를 사용하는 보일러의 NOx를 90% 이상 제거하기 위해 널리 사용되고 있으며, 미국에서는 가스터빈과 내부 연소엔진에 사용되고 있다. 이 방법의 원리는 암모니아를 직접 분사는 방식과, 공기 또는 스팀으로 희석한 암모니아 가스를 배가스로 분사한 후 이를 촉매층으로 공급하여 NOx를 환원시키는 것으로 환원반응은 다음과 같이 진행된다. 이 반응은 NOx의 대부분이 NO이기 때문에 반응식 1이 주된 반응이 된다.Selective catalytic reduction (SCR) uses ammonia as a reducing agent to remove NOx, one of the air pollutants, to produce harmless N2 and H2As a technology for converting to It is widely used in Japan to remove more than 90% of NOx from boilers using fossil fuels, and in the United States it is used in gas turbines and internal combustion engines. The principle of this method is to directly inject ammonia, inject ammonia gas diluted with air or steam as exhaust gas, and then supply it to the catalyst layer to reduce NOx. The reduction reaction proceeds as follows. This reaction is Since most of NOx is NO, Reaction Formula 1 is the main reaction.
[반응식 1][Scheme 1]
4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O 4NH 3 + 4NO + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O
SCR은 암모니아나 요소수의 NH3가 촉매 상에서 선택적으로 NOx와 반응 환원하여 N2로 전환시키는 공정이며, 가스터빈, 디젤엔진, 화력발전소에서 배출하는 NOx 제거를 위해 사용되었다. SCR에 의한 NOx 저감 효율은 90% 이상까지 가능하며, VOC, 다이옥신/퓨란 및 수은 제거에도 기여한다.SCR is a process in which NH 3 from ammonia or urea is converted to N 2 by selectively reacting with NOx over a catalyst, and has been used to remove NOx emissions from gas turbines, diesel engines, and thermal power plants. The NOx reduction efficiency by SCR can be up to 90% or more, and it also contributes to the removal of VOC, dioxin/furan, and mercury.
암모니아의 경우에는 다른 종류의 환원제와 비교하여 NO에 대한 선택도가 우수하여 주로 SCR 공정에 사용되고는 있지만, 독성물질이므로 취급의 어려움과 각종 설비를 부식시킬 뿐 아니라, 누출시 지하수 오염가능성이 있으므로 2중벽의 저장조에 저장하거나 보호 지반 위에 만들어야 하며, 누출사고 발생시 사고현장에 대한 접근 곤란으로 신속 대처가 어렵기 때문에 대형사고 확대 우려가 있다. 또한 현재 발전 및 소각 시설의 SCR 설비를 충당하기 위해서는 많은 양의 무수암모니아 및 암모니아수를 필요로 하게 된다.In the case of ammonia, it has excellent selectivity for NO compared to other types of reducing agents and is mainly used in the SCR process. However, since it is a toxic substance, it is difficult to handle and corrodes various facilities, and there is a possibility of groundwater contamination in case of leakage. It must be stored in a storage tank in the middle of the wall or built on protected ground. In the event of a leak, it is difficult to respond quickly due to difficulty accessing the accident site, so there is a risk of a large-scale accident. In addition, a large amount of anhydrous ammonia and ammonia water are required to cover the SCR equipment of current power generation and incineration facilities.
국내 시멘트사들은 질소산화물 저감을 위해 2004년부터 SNCR(Selective Non-catalytic Reduction, 선택적 비촉매 환원) 설비를 설치 및 운영 중이나, 시멘트 생산 시 연료의 종류, 공정조건, 생산되는 제품의 종류 및 보조연료 연소에 따른 배출가스 조성변화 등 다양한 요인에 의해 효율이 좌우됨에 따라 현재 배출 기준을 만족하기엔 한계가 존재하기 때문에, 이를 해결하기 위한 다양한 변수에 대처가 가능한 고효율의 질소산화물 저감 기술이 필요하다. 예열기와 소성로 사이에 설치하고 반응온도 범위는 약 850~1,050℃이나, SNCR의 NOx 저감 효율은 10~40% 수준에 불과하다. 따라서, 배출허용기준이 강화되고 있는 최근의 기준을 충족하기 어려운 상황이다. Domestic cement companies have been installing and operating SNCR (Selective Non-catalytic Reduction) facilities since 2004 to reduce nitrogen oxides, but when producing cement, the type of fuel, process conditions, type of product produced, and auxiliary fuel are different. As efficiency is determined by various factors, such as changes in the composition of exhaust gases due to combustion, there are limits to satisfying current emission standards. Therefore, highly efficient nitrogen oxide reduction technology that can cope with various variables is needed to solve this problem. It is installed between the preheater and the kiln, and the reaction temperature range is about 850~1,050℃, but the NOx reduction efficiency of SNCR is only 10~40%. Therefore, it is difficult to meet the recent standards for stricter emission standards.
시멘트 산업에서는 세계 최초로 독일 Solnhofen 시멘트 공장에 SCR 설비가 적용되었다. 독일 Solnhofen 시멘트 공장에서는 Pilot Plant 연구 결과를 활용하여, 2000년 SCR 설비를 집진설비 전단(High Dust)에 설치하였으며, 6단 반응기의 3곳에 촉매를 설치하였다. SCR 입구 NOx 농도 1,050 mg/Nm3에서 출구 200 mg/Nm3 달성하였으며, 이후 시멘트 제조 공정에도 SCR 설비 구축 및 운영 중이다.In the cement industry, SCR equipment was applied to the Solnhofen cement plant in Germany for the first time in the world. At the Solnhofen cement plant in Germany, utilizing the pilot plant research results, an SCR facility was installed in front of the dust collection facility (High Dust) in 2000, and catalysts were installed in three locations of the six-stage reactor. The SCR inlet NOx concentration was 1,050 mg/Nm 3 and the outlet 200 mg/Nm 3 was achieved, and SCR facilities are being built and operated in the cement manufacturing process.
해외 시멘트 제조 공정에 적용된 SCR은 크게 3가지이며, 이는 1) High Dust SCR, 2) Tail End SCR, 3) Semi-Dust SCR 등으로 구분된다.There are three main types of SCR applied to overseas cement manufacturing processes, which are divided into 1) High Dust SCR, 2) Tail End SCR, and 3) Semi-Dust SCR.
전술한 바와 같이 국내 시멘트 산업계는 질소산화물 저감을 위해 SNCR 설비를 설치운영 중이나, 시멘트 제조공정 상태에 의해 효율이 좌우됨에 따라 현재 강화되고 있는 배출 기준을 만족하기엔 한계가 존재한다. 이에, 시멘트 제조 공정은 최근 전 세계적으로 강화된 NOx 배출규제로 인해 주목받고 있는 SCR 기술의 적용이 필수적으로 요구된다. 또한, 기존의 SNCR 효율이 약 30 ~ 50 % 내외라면, SCR을 연계할 경우 90% 이상의 질소산화물 저감 효율을 나타냄에 따라, SNCR 시스템의 활용과 더불어, 국내 시멘트 제조공정에 적합한 SCR 시스템이 필수적으로 진행되어야 하는 것이 현실이다.As mentioned above, the domestic cement industry is installing and operating SNCR facilities to reduce nitrogen oxides, but as efficiency is determined by the state of the cement manufacturing process, there are limits to meeting the currently strengthened emission standards. Accordingly, the cement manufacturing process essentially requires the application of SCR technology, which is attracting attention due to recently strengthened NOx emission regulations around the world. In addition, while the existing SNCR efficiency is around 30 to 50%, when connected to SCR, nitrogen oxide reduction efficiency is over 90%. Therefore, in addition to the use of the SNCR system, an SCR system suitable for the domestic cement manufacturing process is essential. The reality is that progress has to be made.
본 발명은 SNCR 설비 및 SCR 설비를 구비한 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템을, NOx 규제 충족과 함께, 높은 SNCR 효율 및 이로 인한 SCR 부하 감소에 따른 SCR 설치비를 혁신적으로 감소하도록 설계하고자 한다. The present invention seeks to design a SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system equipped with an SNCR facility and an SCR facility to meet NOx regulations and innovatively reduce SCR installation costs due to high SNCR efficiency and a resulting reduction in SCR load.
또한, 본 발명은 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템을 통해 시멘트 산업 미세먼지 저감 혁신기술을 제공하고자 한다.In addition, the present invention seeks to provide an innovative technology for reducing fine dust in the cement industry through a SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system.
본 발명의 제1양태는 (1) 전산유체 해석 (Computational Fluid Dynamics, CFD)을 통해 분진이 편중되지 않고 일정하게 내려오면서 온도가 균일한 지점(들)에 NHx 기반 환원제 분사 노즐이 설치되어 선택적 비촉매 환원반응(SNCR) 효율 증대 및 평준화 제어를 통해 40 ~ 50%의 NOX 제거효율(NOx Reduction Rate)을 발휘하면서, 후단의 선택적 촉매 환원반응(SCR)에서 NOx의 환원제로 사용되도록 미반응 NH3 슬립 발생 정도를 제어(CONTROL)하는 SNCR 설비; 및 (2) 배가스를 기준으로 SNCR 설비 후단에 설치되고, SNCR 설비에서 발생시킨 미반응 NH3 슬립을 NOx의 환원제로 사용하면서 촉매 상에서 선택적 촉매 환원반응(SCR)을 수행하는 SCR 설비를 포함하는 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템을 제공한다.The first aspect of the present invention is (1) through Computational Fluid Dynamics (CFD), an NHx-based reducing agent injection nozzle is installed at a point(s) where the dust is not biased and the temperature is uniform while the dust is not biased, and the temperature is uniform. By increasing and leveling the catalytic reduction reaction (SNCR) efficiency, a NOx reduction rate of 40 to 50% is achieved, while unreacted NH is used as a reducing agent for NOx in the subsequent selective catalytic reduction reaction (SCR). 3 SNCR facility that controls the degree of slip occurrence; and (2) SNCR, which is installed at the rear of the SNCR facility based on exhaust gas and includes an SCR facility that performs a selective catalytic reduction reaction (SCR) on a catalyst while using unreacted NH 3 slip generated in the SNCR facility as a reducing agent for NOx. -Provides an SCR hybrid nitrogen oxide reduction system.
예컨대, 본 발명의 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템에서 통합시스템 구축에 따른 NOX 제거효율은 80% 이상이고/이거나, 잔여 NOx는 80~82ppm이고/이거나, 높은 SNCR 효율 및 SCR 부하 감소에 따른 SCR 설치비가 감소될 수 있다.For example, in the SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system of the present invention, the NO SCR installation costs can be reduced.
본 발명의 제2양태는 제1양태의 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템을 사용하여 NOx 함유 연소가스를 처리하는 방법으로서, SNCR 설비에서 이류체 분무 노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키고, 요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하면서, 미반응 NH3 슬립 발생 정도를 제어(CONTROL)하는 제1단계; 또는 SNCR 설비에서 이류체 분무 노즐로부터 분사된 NHx 기반 환원제에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하면서, 미반응 NH3 슬립 발생 정도를 제어(CONTROL)하는 제1단계; 및 SCR 설비에서 SNCR 설비에서 발생시킨 미반응 NH3 슬립을 NOx의 환원제로 사용하면서 선택적 촉매 환원법(SCR)을 수행하는 제2단계를 포함하는 것이 특징인 NOx 함유 연소가스 처리 방법을 제공한다.The second aspect of the present invention is a method of treating NOx-containing combustion gas using the SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system of the first aspect, and performs a urea decomposition reaction of urea water sprayed from the two-fluid spray nozzle in the SNCR facility. A first step of generating ammonia and performing a NOx reduction reaction of NOx-containing combustion gas using ammonia generated by the urea decomposition reaction of urea water, while controlling the degree of unreacted NH 3 slip generation; Alternatively, a first step of controlling the degree of unreacted NH 3 slip while performing a NOx reduction reaction of NOx-containing combustion gas by an NHx-based reducing agent sprayed from a two-fluid spray nozzle in an SNCR facility; and a second step of performing selective catalytic reduction (SCR) while using unreacted NH 3 slip generated in the SNCR facility as a reducing agent for NOx in the SCR facility.
본 발명의 제3양태는 시멘트 제조 공정 중 연소로 및/또는 프리히터에서 발생하는 NOx 함유 연소가스를, 제1양태의 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템으로 처리하는 것이 특징인 시멘트 제조 방법을 제공한다.The third aspect of the present invention provides a cement manufacturing method characterized by treating NOx-containing combustion gas generated from a combustion furnace and/or preheater during the cement manufacturing process with the SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system of the first aspect. do.
이때, 시멘트 제조 방법은 제2양태의 NOx 함유 연소가스 처리 방법을 수행하는 것일 수 있다.At this time, the cement manufacturing method may be carrying out the NOx-containing combustion gas treatment method of the second aspect.
이하, 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described.
본 명세서에서, 'NHx 기반 환원제'는 NHx 성분을 함유하고 있어, NOx만 선택적으로 환원할 수 있는 NHx를 생성할 수 있는 환원제를 의미하며, 이의 비제한적인 예로 암모니아(또는 암모니아수), 요소(또는 요소수), 암모늄 카바메이트, 피리딘, 암모늄아세테이트, cyanuric acid, 탄산암모늄 등이 있다.In this specification, 'NHx-based reducing agent' refers to a reducing agent that contains NHx components and can generate NHx that can selectively reduce only NOx, non-limiting examples of which include ammonia (or ammonia water), urea (or urea), ammonium carbamate, pyridine, ammonium acetate, cyanuric acid, ammonium carbonate, etc.
도 1에 예시된 바와 같이, 본 발명은 SNCR 설비와 SCR 설비에서 동시에 NOX를 분산 제거할 경우 처리효율증대, 공사비용 절감 및 유지비 절감 효과를 극대화하도록, SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템을 설계하는 것이 특징이다.As illustrated in Figure 1, the present invention designs a SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system to maximize the effects of increasing treatment efficiency, reducing construction costs, and reducing maintenance costs when NO The characteristic is that
[선택적 비촉매 환원반응(SNCR) 효율 증대 및 평준화 제어][ Selective non-catalytic reduction reaction (SNCR) efficiency increase and leveling control ]
본 발명은 선택적 비촉매 환원반응(SNCR) 효율 증대 및 평준화 제어를 통해 40 ~ 50%의 NOX 제거효율을 발휘하도록, 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이 SNCR 설비의 전산유체 해석 (CFD)을 사용하여, NHx 기반 환원제 분사 노즐이 설치되는 지점(들)을 선정하는 것이 특징이다.The present invention uses computational fluid analysis (CFD) of the SNCR facility as shown in Figures 2 and 3 to achieve a NO It is characterized by selecting the point(s) where the NHx-based reducing agent injection nozzle is installed.
예컨대, 연소로 및/또는 프리히터 내부의 온도 850 ~ 1,050 ℃, 바람직하게는 900 ~ 1000 ℃ 영역에서 요소수가 열분해되어 암모니아가 생성되는 경우, 통상 30 ~ 50 % 탈질 효율이 나타난다.For example, when urea water is thermally decomposed to generate ammonia in the temperature range of 850 to 1,050°C, preferably 900 to 1,000°C, inside the combustion furnace and/or preheater, a denitrification efficiency of 30 to 50% is usually observed.
또한, 본 발명은 선택적 비촉매 환원반응(SNCR) 효율 증대 및 평준화 제어를 위해, SNCR 설비의 전산유체 해석 (CFD)을 통해 분진이 편중되지 않고 온도가 균일한 지점(들)에 NHx 기반 환원제 분사 노즐을 설치하는 것이 특징이다.In addition, in order to increase selective non-catalytic reduction reaction (SNCR) efficiency and leveling control, the present invention sprays NHx-based reducing agent at the point(s) where dust is not biased and temperature is uniform through computational fluid analysis (CFD) of SNCR equipment. It is characterized by the installation of a nozzle.
분진이 편중되거나 일정하게 내려오지 않거나, 온도가 균일하지 않는 지점에서는, NHx 기반 환원제 분사 노즐에서 분사되는 NHx 기반 환원제 액적이 유체학적으로 교란되므로 NHx 기반 환원제 액적 내 NOx 제거효율의 평준화 제어가 불가능하여 NOx 효율이 떨어질 수 있기 때문이다. At points where the dust is concentrated or does not fall uniformly or the temperature is not uniform, the NHx-based reducing agent droplets sprayed from the NHx-based reducing agent injection nozzle are hydrodynamically disturbed, making it impossible to control the leveling of NOx removal efficiency within the NHx-based reducing agent droplets. This is because NOx efficiency may decrease.
본 명세서에서, “NHx 기반 환원제 분사 노즐이 설치되는, 온도가 균일한 지점(들)”은, SNCR 설비의 전산유체 해석 (CFD)을 통해 NHx 기반 환원제 분사 노즐이 설치되는 지점을 기준으로 NHx 기반 환원제 분사 노즐에서 분사되는 NHx 기반 환원제 액적의 체류시간 동안 NHx 기반 환원제 액적이 다다를 수 있는 범위에서, 온도가 균일한 지점일 수 있다.In this specification, “point(s) where the NHx-based reducing agent injection nozzle is installed and the temperature is uniform” refers to the NHx-based During the residence time of the NHx-based reducing agent droplets sprayed from the reducing agent injection nozzle, the temperature may be a uniform point within the range that the NHx-based reducing agent droplets can reach.
본 명세서에서, “NHx 기반 환원제 분사 노즐이 설치되는, 분진이 편중되지 않고 일정하게 내려오는 지점(들)”은, SNCR 설비의 전산유체 해석 (CFD)을 통해 NHx 기반 환원제 분사 노즐이 설치되는 지점을 기준으로 NHx 기반 환원제 분사 노즐에서 분사되는 NHx 기반 환원제 액적의 체류시간 동안 NHx 기반 환원제 액적이 다다를 수 있는 범위에서 배가스 내 분진이 편중되지 않는 것일 수 있다.In this specification, “the point(s) where the NHx-based reducing agent injection nozzle is installed and where the dust is not biased but comes down consistently” refers to the point where the NHx-based reducing agent injection nozzle is installed through computational fluid analysis (CFD) of the SNCR facility. Based on this, dust in the exhaust gas may not be biased within the range that the NHx-based reducing agent droplets can reach during the residence time of the NHx-based reducing agent droplets sprayed from the NHx-based reducing agent injection nozzle.
[SNCR 설비에서 발생시킨 미반응 NH 3 슬립을 SCR 설비의 NOx 환원제로 사용][Use unreacted NH 3 slip generated in SNCR equipment as a NOx reducer in SCR equipment ]
본 발명은 SNCR 설비에서 발생시킨 미반응 NH3 슬립을 후단의 선택적 촉매 환원반응(SCR)에서 NOx의 환원제로 사용하는 것이 특징이다.The present invention is characterized by using unreacted NH 3 slip generated in the SNCR facility as a reducing agent for NOx in the subsequent selective catalytic reduction reaction (SCR).
선택적 비촉매 환원법(SNCR)에서 환원제의 적정온도는 암모니아의 경우 870 ~ 1,000 ℃, 요소수의 경우 900 ~ 1,030 ℃이다. 통상 SNCR 설비는 반응온도 850 ~ 1,030 ℃ 범위에서 NOx 저감 효율이 30 ~ 50 % 수준의 탈질 효율을 나타내지만, 낮은 온도구간에서는 환원제가 효율적으로 반응하지 못하고 암모니아 슬립이 발생하는 점을 역이용하는 것이 특징이다.In selective non-catalytic reduction (SNCR), the appropriate temperature of the reducing agent is 870 to 1,000 ℃ for ammonia and 900 to 1,030 ℃ for urea. Typically, SNCR equipment exhibits a NOx reduction efficiency of 30 to 50% in the reaction temperature range of 850 to 1,030 ℃, but it is characterized by taking advantage of the fact that the reducing agent does not react efficiently in the low temperature range and ammonia slip occurs. am.
SNCR에서 NOx 제거율에 영향을 주는 인자는 반응온도 (850 ~ 1030 ℃), 노즐의 형태 및 위치, 연소가스 체류시간과 환원제의 표준 양론비(Normalized Stoichiometric Ratio, NSR, [NH3]환원제/[NOx])등과 같이 주요 공정 변수가 NOx 저감 효율에 영향을 미친다.Factors that affect the NOx removal rate in SNCR are reaction temperature (850 ~ 1030 ℃), shape and location of the nozzle, combustion gas residence time, and normalized stoichiometric ratio (NSR) of the reducing agent (NH 3 ] reducing agent / [NOx ]), etc., major process variables affect NOx reduction efficiency.
따라서, 본 발명은 SNCR 설비에서 미반응 암모니아(암모니아 슬립)가 발생하도록 이류체 분무노즐을 통해 액적 입자크기를 크게 조절하여 NHx 기반 환원제 분사량을 증가시킬 수 있다.Therefore, the present invention can increase the injection amount of NHx-based reducing agent by greatly adjusting the droplet particle size through a two-fluid spray nozzle to generate unreacted ammonia (ammonia slip) in the SNCR facility.
즉, 본 발명은 SNCR 설비에서 미반응 NH3 슬립 발생 정도를 제어하기 위해, 이류체 분무노즐을 통해 액적 입자크기를 조절하여 NHx 기반 환원제 분사량 조절 및 이로인한 미반응 NH3 슬립 발생 정도를 조절할 수 있다.In other words, in order to control the degree of unreacted NH 3 slip generation in the SNCR facility, the present invention can control the injection amount of NHx-based reducing agent by adjusting the droplet particle size through the two-fluid spray nozzle and the resulting degree of unreacted NH 3 slip generation. there is.
또한, SNCR은 반응 온도가 중요한데 반응 온도가 낮으면 NOx 환원 반응속도가 느리기 때문에, 미반응 암모니아(암모니아 슬립)가 발생하도록, NHx 기반 환원제 액적의 크기뿐만 아니라 냉각 수단이 구비된 NHx 기반 환원제 분사 노즐을 통해 분사되는 NHx 기반 환원제 액적의 온도를 낮게 조절할 수 있다. In addition, the reaction temperature is important in SNCR, and since the NOx reduction reaction rate is slow when the reaction temperature is low, the size of the NHx-based reducing agent droplets as well as the NHx-based reducing agent injection nozzle equipped with a cooling means are used to generate unreacted ammonia (ammonia slip). The temperature of the NHx-based reducing agent droplets sprayed can be adjusted low.
이를 위해, SNCR 설비에서 사용되는 NHx 기반 환원제 분사노즐은 NHx 기반 환원제 주입관 및 압축공기 주입관 외부에 동심원상으로 배치되고, 노즐팁까지 연장되어 있으나 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체가 노즐 캡을 통해 분사되지 않는 노즐 보호용 냉각 유체 주입관이 추가로 구비된 이류체 분무노즐일 수 있다.For this purpose, the NHx-based reducing agent injection nozzle used in the SNCR facility is arranged concentrically outside the NHx-based reducing agent injection pipe and the compressed air injection pipe, and extends to the nozzle tip, but the cooling fluid flowing in the internal space is sprayed through the nozzle cap. It may be a two-fluid spray nozzle additionally provided with a cooling fluid injection pipe to protect the nozzle from being sprayed.
이 경우, 도 4에 예시된 바와 같이, 노즐 팁 근처에서 노즐 보호용 냉각 유체 주입관으로부터 냉각 유체가 분사되는 경우, 분사되는 냉각 유체의 팽창에 의해 분진이 노즐 팁 근처로 유입되는 흐름을 방해하는 방패층 및/또는 노즐 캡을 통해 분사되는 NHx 기반 환원제 액적의 가열을 늦추는 단열 방패층이 형성될 수 있다. In this case, as illustrated in FIG. 4, when cooling fluid is sprayed from the nozzle protection cooling fluid injection pipe near the nozzle tip, a shield that hinders the flow of dust near the nozzle tip by expansion of the sprayed cooling fluid An insulating shield layer may be formed that slows the heating of NHx-based reducing agent droplets sprayed through the layer and/or nozzle cap.
일반적으로 SNCR 설비에서 환원제액적의 체류시간은 1초 이상이 적당하며, NSR은 암모니아 슬립이 일어나지 않는 영역에서 NSR은 0.5 ~ 1.5이다. 따라서, 암모니아 슬립이 일어나도록 본 발명은 NSR을 1.5 이상으로 조절할 수 있다. In general, the residence time of the reducing agent droplets in SNCR equipment is appropriate to be 1 second or more, and the NSR is 0.5 to 1.5 in the area where ammonia slip does not occur. Therefore, the present invention can adjust the NSR to 1.5 or more so that ammonia slip occurs.
[SNCR 설비][ SNCR facility ]
본 발명에서 시멘트 제조 공정 중 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터는 도 1 및 도 3에 예시된 바와 같이 킬른형 반응기를 구비한 것일 수 있다.In the present invention, the combustion furnace and/or preheater that generates NOx-containing combustion gas through a combustion reaction during the cement manufacturing process may be equipped with a kiln-type reactor as illustrated in FIGS. 1 and 3.
시멘트 제조공정에서 사용되는 킬른의 형태는 습식킬른, 건식킬른, Preheater 킬른, Precalciner 킬른 4가지 종류가 있다. 습식과 건식킬른은 하나의 연료 소성대를 갖는 반면 Preheater, Precalciner 킬른은 소성대와 2차 소성대의 두개의 소성대를 갖는다. 두개의 소성대에 있어서 일반적인 온도가 다르기 때문에 NOx 생성에 미치는 인자 또한 다르다.There are four types of kilns used in the cement manufacturing process: wet kiln, dry kiln, preheater kiln, and precalciner kiln. Wet and dry kilns have one fuel firing zone, while preheater and precalciner kilns have two firing zones, a firing zone and a secondary firing zone. Because the general temperatures in the two firing zones are different, the factors affecting NOx production are also different.
킬른 소성대에서 Thermal NOx의 발생은 소성대의 온도, 가스 체류시간, 고온 소성대에서의 산소 농도에 의존한다. 소성대의 온도는 연소되는 연료의 종류에 의해 영향을 받는다. 일반적으로 소성대 온도에 영향을 미치는 화염 온도는 석탄 버너 보다 가스 버너가 더 세다. 가스보다 석탄의 질소 함량이 높아 석탄 버너에서 Fuel NOx 발생량은 많지만, 가스 버너가 화염 온도가 높기 때문에 Thermal NOx의 발생은 더 많아 결과적으로 가스버너에서의 NOx 발생량이 많다. 화염의 모양과 이론적인 화염의 온도는 Thermal NOx 형성의 중요한 인자로 길고 흐름이 느린 화염이 짧고 센 화염보다 더 적은 NO를 발생한다. 화염의 모양은 연료만 아니라 공기비에 의해 결정된다. The generation of thermal NOx in the kiln firing zone depends on the temperature of the firing zone, gas residence time, and oxygen concentration in the high-temperature firing zone. The temperature of the firing zone is influenced by the type of fuel being burned. In general, the flame temperature that affects the firing zone temperature is stronger for gas burners than for coal burners. Because the nitrogen content of coal is higher than that of gas, a large amount of fuel NOx is generated from coal burners, but since gas burners have a high flame temperature, thermal NOx is generated more, resulting in a large amount of NOx generated from gas burners. Flame shape and theoretical flame temperature are important factors in thermal NOx formation. Long, slow-flowing flames generate less NOx than short, strong flames. The shape of the flame is determined not only by the fuel but also by the air-to-air ratio.
산소농도가 높으면 NOx의 생성이 촉진되기 때문에 과잉 공기의 양과 산소의 농도에 따라 NOx 생성은 영향을 받게 된다. 과잉 공기의 양이 많아지면 NOx의 생성량은 어느 정도 증가하지만 그 이상이 되면 2차 공기의 공급량이 증가함에 따라 화염의 온도도 낮아지므로 큰 영향을 주지 않게 된다. 소성대에서의 산소 농도는 전체 과잉 공기뿐만 아니라 1차공기와 2차공기의 비에 의해 따라 달라지게 된다. 직접 연소방식(Direct Firing System)은 다량의 공기가 연료와 함께 타게 된다. 이러한 연소 방식은 높은 산소농도 또는 연료부족 상태의 연소로 및/또는 프리히터 NOx가 많이 발생하는 측면과 화염 온도가 낮아 NOx가 적게 발생하는 측면의 서로가 모순된 효과가 있다. 반면 간접 연소방식(Indirect Firing System)은 연소에 적은 양의 공기가 사용되기 때문에 1차공기가 적게 사용되어 NOx 발생량이 직접 연소 방식보다 더 적다. 2차 공기의 온도가 더 낮아질수록 2차 공기내의 더스트 함량이 커질수록 킬른 소성대에서의 NOx 형성은 더 낮아진다. 수분이 많은 1차 공기와 시멘트 킬른 더스트(CKD: Cement Kiln Dust)를 소성대에 불어넣으면 NOx 생성을 감소할 수 있다.Since the production of NOx is promoted when the oxygen concentration is high, the production of NOx is affected by the amount of excess air and the concentration of oxygen. If the amount of excess air increases, the amount of NOx produced increases to a certain extent, but if it exceeds that amount, the temperature of the flame decreases as the amount of secondary air supplied increases, so it does not have a significant effect. The oxygen concentration in the firing zone depends on the ratio of primary air to secondary air as well as the total excess air. In the direct firing system, a large amount of air is burned along with the fuel. This combustion method involves combustion with high oxygen concentration or fuel shortage. and/or preheater There are contradictory effects on the side where a lot of NOx is generated and the side where the flame temperature is low and therefore less NOx is generated. On the other hand, the indirect combustion system uses a small amount of air for combustion, so less primary air is used and the amount of NOx generated is lower than that of the direct combustion system. The lower the temperature of the secondary air and the greater the dust content in the secondary air, the lower the NOx formation in the kiln firing zone. NOx production can be reduced by blowing moisture-rich primary air and cement kiln dust (CKD) into the firing zone.
온도 안정성, 원료의 소성성, 알칼리와 황의 제어와 같은 공정 조건도 NOx 형성에 영향을 미친다. 온도 안정성은 클링커의 질을 유지하고 안정적 화염 조건과 에너지 효율을 달성하는데 중요하다. 클링커 형성반응은 2,600℃ 이상의 화염 온도 및 산화분위기가 필요하다. 연소에 사용된 과잉 공기는 NOx 배출에 상당량의 영향을 끼친다. 배가스 중에서 4~5%의 산소 농도는 NOx 배출량이 많아지게 됨을 의미하고, 0.5~1.5%의 산소 농도는 NOx 배출량이 낮아지게 됨을 의미한다. 이렇기 때문에 킬른에서 배출되는 NOx의 양은 생산되는 클링커의 품질을 유지하기 위해 필요한 과잉 산소의 영향을 받게 된다.Process conditions such as temperature stability, plasticity of raw materials, and control of alkali and sulfur also affect NOx formation. Temperature stability is important to maintain clinker quality and achieve stable flame conditions and energy efficiency. The clinker formation reaction requires a flame temperature of over 2,600℃ and an oxidizing atmosphere. Excess air used in combustion has a significant impact on NOx emissions. An oxygen concentration of 4 to 5% in exhaust gas means that NOx emissions will increase, and an oxygen concentration of 0.5 to 1.5% will mean that NOx emissions will decrease. For this reason, the amount of NOx emitted from the kiln is affected by the excess oxygen required to maintain the quality of the clinker produced.
연료의 발열량도 NOx 형성에 영향을 끼칠 수 있다. Petroleum coke와 같은 높은 발열량을 갖는 연료는 적은 연소 공기를 필요로 하기 때문에 단위 생산 클링커 당 NOx 발생량이 적다.The calorific value of the fuel can also affect NOx formation. Fuels with high calorific value, such as petroleum coke, require less combustion air and therefore produce less NOx per unit of clinker produced.
서로 다른 원료 성분은 생산되는 클링커의 적정 품질을 유지하기 위해 다른 소성 조건이 요구된다. 이렇기 때문에 동일한 형태의 킬른이라 하더라도 원료 성분의 차이에 따라 NOx 배출 수준이 차이가 나며 원료의 알칼리 함량도 NOx 생성에 영향을 미칠 수 있다.Different raw material components require different firing conditions to maintain the appropriate quality of the clinker produced. For this reason, even for the same type of kiln, the NOx emission level varies depending on the raw material components, and the alkali content of the raw materials can also affect NOx production.
예열기(Preheater)와 하소로(Calciner)의 2차 소성대의 온도 범위는 820~1030℃이다. 연료에 함유된 질소의 일부는 킬른 배가스 중의 NO를 환원하여 NO를 없애고 일부는 산소와 반응하여 NO가 생성된다. The temperature range of the secondary firing zone of the preheater and calciner is 820~1030℃. Some of the nitrogen contained in the fuel reduces NO in the kiln exhaust gas, eliminating NO, and some reacts with oxygen to produce NO.
고체 연료 중위 휘발분이 많으면 2차 소성대의 온도를 높이면 실질적인 NO의 생성이 낮아진다. 3차 공기를 사용하여 하소를 하는 경우 일반적으로 40~50%의 연료만 킬른에서 연소되므로 고온의 킬른에서 배출되는 연소가스의 양이 이에 비례하여 감소하게 되어 NOx의 생성이 감소된다. 또한 하소로를 설치하면 열효율이 좋아지기 때문에 연료의 사용량이 감소하여 NOx의 총 생성량도 감소하게 된다.If the median volatile content of the solid fuel is high, increasing the temperature of the secondary firing zone lowers the actual production of NO. When calcining is performed using tertiary air, generally only 40-50% of the fuel is burned in the kiln, so the amount of combustion gas discharged from the high-temperature kiln is proportionally reduced, thereby reducing the production of NOx. Additionally, since thermal efficiency improves when a calciner is installed, fuel usage decreases and the total amount of NOx produced decreases.
NOx의 형성은 직접적으로 연료의 연소와 관련이 있기 때문에, 단위 시멘트 생산량당 사용되는 연료의 양이 감소되면 단위 시멘트 생산량 당 NOx의 배출량이 감소될 수 있다. 시멘트 제조공정의 에너지 효율을 증가시키기 위해서는 과도한 클링커 소성을 피하고, 연소 공기, 석탄 및 연료의 예열을 위해 폐열을 이용하다. 또한, 뜨거운 가스와 고체간의 열전달을 증가하면 열효율도 증가하는데 이를 위해 개발된 킬른이 preheater와 precalciner 킬른이다. 최근의 대부분 시멘트 공장이 이 킬른을 이용하여 시멘트를 생산하고 있다.Since the formation of NOx is directly related to the combustion of fuel, reducing the amount of fuel used per unit of cement production can reduce NOx emissions per unit of cement production. To increase the energy efficiency of cement manufacturing processes, avoid excessive clinker firing and use waste heat to preheat combustion air, coal and fuel. In addition, increasing heat transfer between hot gas and solids increases thermal efficiency, and the kilns developed for this purpose are preheater and precalciner kilns. Most recent cement factories use this kiln to produce cement.
한편, 본 발명에서 NHx 기반 환원제 분사 노즐을 통해 분사된 요소수 액적의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의한 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응은 선택적 무촉매환원법(SNCR)일 수 있다.Meanwhile, in the present invention, the NOx reduction reaction of NOx-containing combustion gas by ammonia generated by the urea decomposition reaction of urea water droplets injected through an NHx-based reducing agent injection nozzle may be a selective non-catalytic reduction (SNCR) method.
요소(Urea)는 무색, 무취로 독성이 거의 없어 저장이 용이하고, 예컨대 고체 요소는 싸이로(silo)에 저장하고, 상온에서 고체로 존재하고 비교적 낮은 온도에서 분해되어 DeNOx 반응에서 암모니아를 대체할 경우 미반응 암모니아에 의한 부차적인 오염을 줄일 수 있다. 또한 요소(Urea)는 무색 무취의 결정체로 물에 잘 녹기 때문에 독성이 강한 암모니아를 대신하는 환원제로 사용을 할 수 있다. Urea is colorless and odorless and has little toxicity, so it is easy to store. For example, solid urea is stored in a silo, exists as a solid at room temperature, and decomposes at a relatively low temperature, so it can replace ammonia in the DeNOx reaction. In this case, secondary pollution caused by unreacted ammonia can be reduced. In addition, urea is a colorless, odorless crystal that is easily soluble in water, so it can be used as a reducing agent to replace highly toxic ammonia.
요소(Urea, (NH2)2CO)는 다음과 같은 과정으로 암모니아로 분해된다.Urea ((NH 2 ) 2 CO) is decomposed into ammonia through the following process.
Urea → Biuret + Ammonia (1)Urea → Biuret + Ammonia (1)
Urea → Cyanuric + Ammonia (2)Urea → Cyanuric + Ammonia (2)
Biuret → Cyanuric + Ammonia (3)Biuret → Cyanuric + Ammonia (3)
Biuret → Cyanuric + Amminia (4)Biuret → Cyanuric + Amminia (4)
실제 요수소(Urea solution)를 질소산화물 저감을 위한 환원제로 사용하기 위해서는 요소((NH2)2CO)가 물에 용해된 요소수를 300℃이상의 온도 환경하에서 다음의 열적분해 반응과 열적가수분해 반응을 동반하여 암모니아로 전환시켜 질소산화물과 반응하도록 한다.In order to actually use urea solution as a reducing agent to reduce nitrogen oxides, urea solution ((NH 2 ) 2 CO) dissolved in water must be subjected to the following thermal decomposition reaction and thermal hydrolysis under a temperature environment of 300°C or higher. Along with the reaction, it is converted into ammonia and reacts with nitrogen oxides.
NH2CONH2 + H2O → NH4COONH2 NH 2 CONH 2 + H 2 O → NH 4 COONH 2
NH4COONH2 + H2O → 2NH3 + CO2 + H2ONH 4 COONH 2 + H 2 O → 2NH 3 + CO 2 + H 2 O
요소(Urea)의 DeNOx 반응은 하기와 같이 나타낼 수 있다.The DeNOx reaction of urea can be expressed as follows.
2 NH2CONH2 + 4 NO +O2 → 4 N2 + 4 H2O + 2 CO2 2 NH 2 CONH 2 + 4 NO +O 2 → 4 N 2 + 4 H 2 O + 2 CO 2
4 NH2CONH2 + 6 NO +O2 → 7 N2 + 8 H2O + 4 CO2 4 NH 2 CONH 2 + 6 NO +O 2 → 7 N 2 + 8 H 2 O + 4 CO 2
요소(Urea)는 NOx 제거효율이 공정 조건의 영향을 많이 받으며, SNCR에서 NOx 제거율에 영향을 주는 인자는 체류시간이고, 체류시간은 1초 이상이 적당하다. The NOx removal efficiency of urea is greatly affected by process conditions, and the factor that affects the NOx removal rate in SNCR is residence time, and a residence time of 1 second or more is appropriate.
요소수의 요소 분해반응은 반응식 2로 표시되는 열적가수분해반응 및/또는 반응식 3으로 표시되는 열적분해반응을 포함할 수 있다.The urea decomposition reaction of urea water may include a thermal hydrolysis reaction represented by Scheme 2 and/or a thermal decomposition reaction shown by Scheme 3.
[반응식 2][Scheme 2]
NH2CONH2 + H2O + 열 + 시간 → NH4COONH2 + H2O → 2NH3 + CO2 + H2O NH 2 CONH 2 + H 2 O + heat + time → NH 4 COONH 2 + H 2 O → 2NH 3 + CO 2 + H 2 O
[반응식 3][Scheme 3]
NH2CONH2 + 열 + 시간 → NH3 + HNCONH 2 CONH 2 + heat + time → NH 3 + HNCO
따라서, 요소수 분사 노즐로부터 요소수 액적이 직접 분사되는 영역의 온도는 요소수를 열분해할 수 있는 온도 또는 그 이상인 것이 바람직하다.Therefore, it is desirable that the temperature of the area where urea water droplets are directly sprayed from the urea water injection nozzle is at or above the temperature at which urea water can be thermally decomposed.
요소수 분사 노즐로부터 분사된 요소수 액적이 주입 또는 요소수의 요소 분해반응이 일어나는 영역의 온도는 850 ~ 1030 ℃일 수 있다.The temperature of the area where the urea water droplets sprayed from the urea water injection nozzle are injected or the urea decomposition reaction occurs may be 850 to 1030°C.
선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의해 NOx 환원반응이 동시에 일어나기 위해서, 요소수 분사 노즐로부터 분사된 요소수 액적이 주입 또는 요소수 액적 내 요소 분해반응이 일어나는 영역의 온도는 900 ~ 1030 ℃이다. 이때, 전술한 본 발명의 요소수 분사용 이류체 분무노즐을 통해 요소수를 열분해할 수 있는 고온의 반응 영역에 직접 분사하여 요소수의 열분해에 의해 암모니아가 생성될 수 있다.In order for the NOx reduction reaction to occur simultaneously by selective non-catalytic reduction (SNCR), the temperature of the area where the urea water droplets sprayed from the urea water injection nozzle are injected or the urea decomposition reaction occurs within the urea water droplets is 900 to 1030 ℃. At this time, ammonia can be generated by thermal decomposition of urea water by directly spraying it into a high-temperature reaction area where urea water can be thermally decomposed through the double-fluid spray nozzle for spraying urea water of the present invention described above.
통상 요소수 분사 노즐은 액체와 기체를 각각 내부 혹은 외부에서 혼합하여 압축공기의 힘으로 액체를 분무하는 이류체 분무노즐이 주로 사용되고 있다. 이류체 미세 분무 노즐(Air Atomizing Nozzle)은 기체와 액체를 외부에서 혼합함으로써 미세한 분사 형태를 만들어 낸다. 요소수 분사 노즐로 활용이 가능한 노즐의 종류는 요소수와 압축공기의 혼합 방법과 노즐의 구조 및 형태에 따라 다양하다.Typically, urea water spray nozzles are mainly used as two-fluid spray nozzles that mix liquid and gas internally or externally and spray the liquid with the power of compressed air. Air Atomizing Nozzle creates a fine spray form by mixing gas and liquid externally. The types of nozzles that can be used as urea water injection nozzles vary depending on the mixing method of urea water and compressed air and the structure and shape of the nozzle.
요소수 분사 노즐은 연소로 및/또는 프리히터 벽체에 관통하여 설치될 수 있다. 이경우, 연소로 및/또는 프리히터에서 요소수 분사 노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응 및 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의해 NOx 환원반응이 동시에 일어난다. 즉, 연소로 및/또는 프리히터 내 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생 또는 공급되면서 선택적 무촉매환원법(SNCR)에 의한 NOx 환원반응이 일어난다.The urea water injection nozzle may be installed penetrating the combustion furnace and/or preheater wall. In this case, the urea decomposition reaction of urea water injected from the urea water injection nozzle in the combustion furnace and/or preheater and the NOx reduction reaction occur simultaneously by selective non-catalytic reduction (SNCR). In other words, NOx-containing combustion gas is generated or supplied through a combustion reaction in the combustion furnace and/or preheater, and a NOx reduction reaction occurs by selective non-catalytic reduction (SNCR).
SNCR 설비에서 요소수 분사 노즐은 1개 또는 2개 이상 구비할 수 있다. 예컨대, SNCR공정에서 환원제와 연소 배가스의 혼합은 NOx 저감효율에 큰 영향을 미치므로 환원제인 요소수가 반응구간 전체에 고르게 분사될 수 있는 것이 바람직하고, 이를 위해 노즐의 개수는 많을수록 좋으나, 경제성을 고려하여 노즐 개수를 한정할 수 있다. SNCR equipment may be equipped with one or two or more urea water injection nozzles. For example, in the SNCR process, the mixing of reducing agent and combustion exhaust gas has a great influence on NOx reduction efficiency, so it is desirable that urea water, which is a reducing agent, can be sprayed evenly throughout the reaction section. For this purpose, the greater the number of nozzles, the better, but considering economic feasibility. Thus, the number of nozzles can be limited.
본 발명에 따른 SNCR 설비에서 요소수 분사 노즐로부터 분사된 요소수 액적의 체류시간을 1초 이상 유지하기 위해 및/또는 미반응 암모니아(암모니아 슬립) 발생 정도를 제어하기 위해, 요소수 분사용 이류체 분무노즐을 통해 요소수 액적은 100 ㎛ 이상, 바람직하게는 300 ㎛ 이상으로 크게 조절하는 것이 바람직하다.In order to maintain the residence time of the urea water droplets sprayed from the urea water injection nozzle in the SNCR facility according to the present invention for more than 1 second and/or to control the degree of generation of unreacted ammonia (ammonia slip), a double fluid for urea water injection is used. It is desirable to adjust the size of urea solution droplets through the spray nozzle to 100 ㎛ or more, preferably 300 ㎛ or more.
기존 노즐과 달리 시멘트 제조 공정에 특화하여 개발 및 사용 가능한 요소수 분사 노즐은 액적의 크기는 100㎛ 이상, 바람직하게는 300 ㎛ 이상으로 분사하며, 시멘트 제조 설비의 특성상 유속이 일반 설비(3-15m/sec)와 달리 유속이 매우 빠른 특성(20-30m.sec)에 맞게 요소수 액적 입자의 크기를 매우 크게 하는 것이 바람직하다. Unlike existing nozzles, the urea water injection nozzle, which can be developed and used specifically for the cement manufacturing process, sprays droplets with a size of 100 ㎛ or more, preferably 300 ㎛ or more, and due to the nature of cement manufacturing facilities, the flow rate is 3-15 m for general facilities (3-15 m). /sec), it is desirable to make the size of the urea solution droplets very large to suit the very fast flow rate (20-30m.sec).
이류체 분무노즐을 통해 요소수 분사량을 증가시켜 액적 입자크기를 크게 조절할 수 있다. 요소수 분무노즐로 사용되는 이류체 노즐은 환원제인 요소수를 압축공기와 함께 분사함으로써 요소수를 미립화시켜 분사하게 된다. 구체적으로는, 이류체 미세분무 노즐은 약간 경사져 배치되어 있는 기체용 노즐 캡에서 기체가 분사되면서 노즐 중심의 액체용 노즐 캡에서 분사되는 희석된 요소수 액체줄기를 분쇄시키면서 액체의 분무가 이루어진다. The droplet particle size can be greatly adjusted by increasing the amount of urea water sprayed through the two-fluid spray nozzle. The two-fluid nozzle used as a urea water spray nozzle atomizes the urea water by spraying urea water, a reducing agent, together with compressed air. Specifically, the two-fluid fine spray nozzle sprays liquid by spraying gas from a gas nozzle cap disposed at a slight angle and crushing the diluted urea liquid stream sprayed from the liquid nozzle cap at the center of the nozzle.
이류체 노즐은 액과 함께 압축공기를 주입함으로써 액적의 입자크기를 100 ㎛ 이상으로 만들어서 분사하여 대상 가스층에 미세한 입자가 침투되어 가스층과의 혼입을 도와주고 반응성을 좋게 한다. The two-fluid nozzle injects compressed air together with the liquid to make the particle size of the liquid droplets larger than 100 ㎛ and sprays them, allowing fine particles to penetrate into the target gas layer, helping them mix with the gas layer and improving reactivity.
요소수 분무노즐은 압축공기와 요소수를 노즐 내부에서 혼합하여 분사하는 후단믹싱 타입 노즐;과 요소수의 미립화를 위해 압축공기와 요소수를 각 배관(pipe)을 따라 주입하여 노즐의 토출구에서 혼합하여 분사되는 방식의 전단 믹싱 타입 노즐이 있다.The urea water spray nozzle is a post-mixing type nozzle that sprays compressed air and urea water by mixing them inside the nozzle; and to atomize the urea water, compressed air and urea water are injected along each pipe and mixed at the nozzle's discharge port. There is a front-end mixing type nozzle that sprays.
도 4에 예시된 바와 같이, 압축공기와 요소수를 노즐 내부에서 혼합하여 분사하는 후단믹싱 타입 노즐은 내부구조가 단순하고 요소수의 분사량에 적합한 토출구의 크기와 분사압력으로 분사한다.As illustrated in FIG. 4, the rear mixing type nozzle, which sprays compressed air and urea water by mixing them inside the nozzle, has a simple internal structure and sprays with the size and injection pressure of the discharge port appropriate for the injection amount of urea water.
전단 믹싱 타입 요소수 분사용 이류체 분무노즐의 경우, 노즐 몸체(a)의 앞부분에는 기체용 노즐 캡 및 액체용 노즐 캡이 구비된 노즐 팁(b)이 부착되어 기체 및 액체의 유량 조절 그리고 분사 형태의 조절이 가능하다. 액체 유량 및 기체 유량, 그리고 분사 형태는 최종적으로는 각종 기체용 노즐 캡과 액체용 노즐 캡의 조합에 의해 조절될 수 있다. 액체 유량 및 기체 유량은 각기 단독 조절이 가능하다.In the case of a front-end mixing type two-fluid spray nozzle for spraying urea water, a nozzle tip (b) equipped with a nozzle cap for gas and a nozzle cap for liquid is attached to the front of the nozzle body (a) to control and spray the flow rate of gas and liquid. The shape can be adjusted. Liquid flow rate, gas flow rate, and spray form can ultimately be adjusted by combining various gas nozzle caps and liquid nozzle caps. Liquid flow rate and gas flow rate can each be adjusted independently.
예컨대, 본 발명에 따라 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터에 장착되는 요소수 분사용 이류체 분무노즐은For example, according to the present invention, the two-fluid spray nozzle for urea water injection, which is mounted on a combustion furnace and/or preheater that generates NOx-containing combustion gas through a combustion reaction,
(a1) 요소수 유체를 노즐 캡에 제공하는 요소수 주입관 (pipe); (a1) a urea water injection pipe that provides the urea water fluid to the nozzle cap;
(a2) 요소수 주입관 내부 또는 외부에 동심원상으로 삽입되고, 압축공기 유체를 노즐 캡에 제공하는 압축공기 주입관(pipe); 및(a2) a compressed air injection pipe (pipe) that is concentrically inserted inside or outside the urea water injection pipe and provides compressed air fluid to the nozzle cap; and
(a3) 요소수 주입관 및 압축공기 주입관 외부에 동심원상으로 배치되고, 노즐 팁까지 연장되어 있으나 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체가 노즐 캡을 통해 분사되지 않는 노즐 보호용 냉각 유체 주입관(pipe)(a3) A cooling fluid injection pipe for nozzle protection that is concentrically arranged outside the urea water injection pipe and compressed air injection pipe and extends to the nozzle tip, but does not spray the cooling fluid flowing in the internal space through the nozzle cap.
을 구비한 노즐 몸체(a); 및A nozzle body (a) provided with; and
노즐 캡을 구비하고 토출구를 제공하여, 분사되는 요소수 액적 형태를 조절하는 노즐 팁 (b); A nozzle tip (b) provided with a nozzle cap and an outlet to control the shape of the sprayed urea solution droplets;
을 구비한 것일 수 있다.It may be equipped with .
이때, 요소수 주입관(a1) 내부 공간에서 흐르는 요소수 유체의 경로와, 압축공기 주입관(a2) 내부 공간에서 흐르는 압축공기 유체의 경로와, 노즐 보호용 냉각 유체 주입관 (a3) 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체의 경로는 서로 평행하다.At this time, the path of the urea water fluid flowing in the inner space of the urea water injection pipe (a1), the path of the compressed air fluid flowing in the inner space of the compressed air injection pipe (a2), and the inner space of the nozzle protection cooling fluid injection pipe (a3) The paths of the flowing cooling fluid are parallel to each other.
도 4에 예시된 바와 같이, 압축공기와 요소수를 노즐 내부에서 혼합하여 분사하는 후단믹싱 타입 노즐의 경우, 본 발명은 요소수 유체를 제공하는 요소수 주입관 (a1) 및 압축공기 유체를 제공하는 압축공기 주입관(a2) 중 동심원상으로 외부에 위치한 주입관은 노즐 캡까지 연장되어 연결되어 있고, 동심원상으로 내부에 위치한 주입관은 노즐 캡까지 연장되지 않고 해당 유체를 외부에 위치한 주입관에 제공하여, 노즐 캡까지 외부에 위치한 주입관에서 요소수 유체와 압축공기 유체가 혼합되어 노즐 캡의 토출구에 제공된다. As illustrated in Figure 4, in the case of a rear mixing type nozzle that mixes compressed air and urea water inside the nozzle and sprays them, the present invention provides a urea water injection pipe (a1) that provides urea water fluid and a compressed air fluid. Among the compressed air injection pipes (a2), the injection pipe located on the outside in a concentric circle extends and is connected to the nozzle cap, and the injection pipe located on the inside in a concentric circle does not extend to the nozzle cap and injects the fluid into the injection pipe located on the outside. Provided to, the urea fluid and compressed air fluid are mixed in an injection pipe located externally to the nozzle cap and provided to the discharge port of the nozzle cap.
요소수 분사용 이류체 분무노즐은 요소수가 노즐 캡의 토출구에서 액체 줄기 형태로 분사되고, 노즐 캡의 토출구에서 분사되는 압축공기의 팽창에 의해 요소수 액체 줄기가 분쇄되면서 분무된다.The two-fluid spray nozzle for spraying urea water sprays urea water in the form of a liquid stream from the discharge port of the nozzle cap, and the urea water liquid stream is pulverized and sprayed by the expansion of compressed air sprayed from the discharge port of the nozzle cap.
압축공기 주입관을 통해 노즐 캡에 제공되는 압축공기는 바람직하게는 압축된 냉각 기체일 수 있다. 노즐 캡을 통해 분사되는 압축공기는 분무된 요소수 액적의 운반기체로서 역할을 수행할 뿐만 아니라 압축공기 주입관을 흐르는 냉각 기체는 노즐을 냉각시키는 기능을 수행할 수 있다.The compressed air provided to the nozzle cap through the compressed air injection pipe may preferably be compressed cooling gas. The compressed air sprayed through the nozzle cap not only serves as a carrier gas for the sprayed urea solution droplets, but the cooling gas flowing through the compressed air injection pipe can also perform the function of cooling the nozzle.
노즐 보호용 냉각 유체 주입관 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체는 기체(예, cooling air) 또는 액체일 수 있다. 노즐 보호용 냉각 유체의 예로, 냉각 공기가 있다.The cooling fluid flowing in the inner space of the nozzle protection cooling fluid injection pipe may be gas (e.g., cooling air) or liquid. An example of a cooling fluid for nozzle protection is cooling air.
압축공기 및/또는 (희석된) 요소수는 대부분 펌프 등으로 충분히 가압해서 각각 압축공기 주입관 및 요소수 주입관에 공급할 수 있다. 가압된 요소수 유체는 펌프 압력에 의해 요소수 주입관을 통해 요소수 노즐 캡에 도달할 수 있다.In most cases, compressed air and/or (diluted) urea water can be sufficiently pressurized with a pump or the like and supplied to the compressed air injection pipe and the urea water injection pipe, respectively. The pressurized urea solution can reach the urea solution nozzle cap through the urea solution injection pipe by pump pressure.
필요한 경우 냉각 유체는 펌프 등으로 충분히 가압해서 노즐 보호용 냉각 유체 주입관에 공급할 수 있으며, 유속을 조절하여 냉각 속도를 조절할 수 있다. 노즐 캡의 토출구에서 분사되지 않으나 노즐 팁 근처에서 노즐 보호용 냉각 유체 주입관으로부터 가압된 냉각 유체가 분사되는 경우, 분사되는 냉각 유체의 팽창에 의해 노즐 캡을 통해 분사되는 요소수 액적의 가열을 늦추는 단열 방패층을 두텁게 할 수 있다.If necessary, the cooling fluid can be sufficiently pressurized with a pump, etc. and supplied to the cooling fluid injection pipe for nozzle protection, and the cooling rate can be adjusted by adjusting the flow rate. When pressurized cooling fluid is not sprayed from the discharge port of the nozzle cap, but is sprayed from the nozzle protection cooling fluid injection pipe near the nozzle tip, insulation that slows down the heating of the urea water droplets sprayed through the nozzle cap by the expansion of the sprayed cooling fluid. The shield layer can be thickened.
경우에 따라, 요소수 분사용 이류체 분무노즐로부터 노즐 보호용 냉각 유체 주입관이 분리되어 연소로 및/또는 프리히터의 벽체에 장착되어 있는 상태에서, 나머지 요소수 분사용 이류체 분무노즐은 노즐 보호용 냉각 유체 주입관의 내부에 동심원상으로 삽입 또는 탈착될 수 있다.In some cases, when the cooling fluid injection pipe for nozzle protection is separated from the air spray nozzle for urea water injection and mounted on the wall of the combustion furnace and/or preheater, the remaining air spray nozzle for urea water spray is used to protect the nozzle. It can be inserted or detached concentrically inside the cooling fluid injection pipe.
예컨대, 한국특허출원 제10-2021-0158486호에 기재된 요소수 분사용 이류체 분무노즐을 사용할 수 있고, 상기 한국특허출원 제10-2021-0158486호에 기재된 내용은 본 명세서에 통합된다.For example, the two-fluid spray nozzle for spraying urea water described in Korean Patent Application No. 10-2021-0158486 can be used, and the contents described in Korean Patent Application No. 10-2021-0158486 are incorporated into this specification.
본 발명의 일구체 예에서 요소수 분사용 이류체 분무노즐은 연소로 및/또는 프리히터의 벽체를 관통하여 노즐 보호용 냉각 유체 주입관이 길이방향으로 확장되어 장착될 수 있다. 도 4에 예시된 바와 같이, 연소로 및/또는 프리히터 외부에, 요소수 분사용 이류체 분무노즐은 노즐 보호용 냉각 유체 주입관의 냉각 유체 주입구가 노즐 팁(b)을 기준으로 가장 가깝게 배치되고, 이후 요소수 주입구 또는 압축공기 주입구가 배치되어 있다. 요소수 주입구 및 압축공기 주입구는 액과 공기를 노즐에 주입하여 필요한 약품을 분사하는 기존 이류체 노즐과 동일하다.In one embodiment of the present invention, the two-fluid spray nozzle for spraying urea water may be installed by penetrating the wall of the combustion furnace and/or the preheater, with the nozzle protection cooling fluid injection pipe extending in the longitudinal direction. As illustrated in FIG. 4, outside the combustion furnace and/or preheater, the two-fluid spray nozzle for spraying urea water is arranged so that the cooling fluid inlet of the nozzle protection cooling fluid injection pipe is closest to the nozzle tip (b). , Afterwards, a urea water inlet or a compressed air inlet is placed. The urea water inlet and compressed air inlet are the same as the existing two-fluid nozzle that injects liquid and air into the nozzle to spray the necessary chemicals.
시멘트 제조 공정은 분진량이 60∼100g/Nm3으로 일반 설비(10mg/Nm3)의 10,000배로써 이러한 공정에서 원하는 탈질효율을 얻기 위해서는, 전술한 바와 같이 요소수 주입관 및 압축공기 주입관 외부에 동심원상으로 배치되고, 노즐팁까지 연장되어 있으나 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체가 노즐 캡을 통해 분사되지 않는 노즐 보호용 냉각 유체 주입관이 추가로 구비된 요소수 분사용 이류체 분무노즐을 사용하는 것이 바람직하다. In the cement manufacturing process, the amount of dust is 60 to 100 g/Nm 3 , which is 10,000 times that of general equipment (10 mg/Nm 3 ). In order to obtain the desired denitrification efficiency in this process, as described above, urea water injection pipe and compressed air injection pipe must be installed outside. It is preferable to use a two-fluid spray nozzle for spraying urea water that is arranged concentrically and extends to the nozzle tip, but is additionally provided with a nozzle protection cooling fluid injection pipe that prevents the cooling fluid flowing in the internal space from being sprayed through the nozzle cap. do.
노즐 보호용 냉각 유체 주입관의 이러한 구조는 분진에 의한 노즐 팁을 보호하는 방패(shield) 역할을 하여 다량에 분진에 의한 막힘을 최소화하는 기능을 가지게 한다. 예컨대, 노즐 팁 앞으로 노즐 보호용 냉각 유체 주입관(pipe) 말단이 도출되어 나와 분진에 의한 노즐팁 막힘을 최소화할 수 있는 방패(shield) 역할을 할 수 있다. 또는, 도 4에 예시된 바와 같이, 노즐 팁 근처에서 노즐 보호용 냉각 유체 주입관으로부터 냉각 유체가 분사되는 경우, 분사되는 냉각 유체에 의해 분진이 노즐 팁 근처로 유입되는 흐름을 방해할 수 있다. 이 경우, 노즐 보호용 냉각 유체 주입관은 노즐 팁 말단까지 확장되지 않아도 분사되는 냉각 유체가 분진으로부터 노즐 팁을 보호하는 방패 역할을 할 수 있다.This structure of the nozzle protection cooling fluid injection pipe serves as a shield to protect the nozzle tip from dust and has the function of minimizing clogging by large amounts of dust. For example, the end of the nozzle protection cooling fluid injection pipe may protrude in front of the nozzle tip and serve as a shield that can minimize nozzle tip clogging due to dust. Alternatively, as illustrated in FIG. 4 , when cooling fluid is injected from a nozzle protection cooling fluid injection pipe near the nozzle tip, the flow of dust near the nozzle tip may be interrupted by the injected cooling fluid. In this case, even if the nozzle protection cooling fluid injection pipe does not extend to the end of the nozzle tip, the injected cooling fluid can serve as a shield to protect the nozzle tip from dust.
본 발명의 일구체예에 따라 요소수 주입관 및 압축공기 주입관 외부에 동심원상으로 배치되고 노즐팁까지 연장되어 있는 노즐 보호용 냉각 유체 주입관에서는 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체가 노즐을 통해 분사되는 요소수 액적의 온도를 낮게 조절하고/하거나, 도 4에 예시된 바와 같이 노즐 팁 근처에서 노즐 보호용 냉각 유체 주입관으로부터 냉각 유체가 분사되는 경우, 분사되는 냉각 유체에 의해 노즐 캡을 통해 분사되는 요소수 액적이 가열되는 것을 억제함으로써, 체류시간 내 요소수 액적이 SNCR에서 최적 효율을 나타내는 온도 구간(temperature window)에 있도록 조절할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, in the nozzle protection cooling fluid injection pipe, which is concentrically disposed outside the urea water injection pipe and the compressed air injection pipe and extends to the nozzle tip, the cooling fluid flowing in the internal space is sprayed through the nozzle. When the temperature of the water droplet is adjusted low and/or the cooling fluid is sprayed from the nozzle protection cooling fluid injection pipe near the nozzle tip as illustrated in FIG. 4, the number of elements sprayed through the nozzle cap by the sprayed cooling fluid By suppressing the heating of the droplets, the residence time of the urea solution droplets can be controlled to be in the temperature window that represents the optimal efficiency in SNCR.
특히, 연소로 및/또는 프리히터의 벽체를 관통하면서 요소수 주입관 및 압축공기 주입관이 가열되지 않도록 나아가 벽체 온도보다 낮은 온도로 요소수 및 압축공기를 냉각시킬 수 있다.In particular, it is possible to cool the urea water and compressed air to a temperature lower than the wall temperature so that the urea water injection pipe and compressed air injection pipe are not heated while penetrating the wall of the combustion furnace and/or preheater.
분사되는 요소수 액적의 온도를 낮게 조절하여 체류시간 내 더 멀리 확산되어 요소수의 요소 분해 반응에 의한 암모니아 생성 및 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응이 일어나도록, 본 발명은 낮은 온도로 조절된 요소수 액적의 크기를 100 ㎛ 이상, 바람직하게는 300 ㎛ 이상과 같이 크게 조절하는 것일 수 있다.The present invention adjusts the temperature of the injected urea water droplets to a lower temperature so that they spread farther within the residence time, generate ammonia by the urea decomposition reaction of urea water, and cause NOx reduction reaction of NOx-containing combustion gas by ammonia. The size of the adjusted urea solution droplet may be adjusted to be large, such as 100 ㎛ or more, preferably 300 ㎛ or more.
요소수 주입관의 내부 직경은 10 mm 또는 그 이하이며, 압축공기 노즐 캡의 토출구 내부 직경은 1 mm 또는 그 이상일 수 있다. 이 경우, 500 kg/hr 이상의 대용량 요소수 분무 시, 요소수 분무 액적의 크기를 100 ㎛ 이상, 바람직하게는 300 ㎛ 이상으로 제어가능하다. 이때 압축공기의 분사압력은 2 ∼ 4 bar 또는 그 이상으로 하는 것이 효과적이다.The internal diameter of the urea water injection pipe may be 10 mm or less, and the internal diameter of the discharge port of the compressed air nozzle cap may be 1 mm or more. In this case, when spraying a large volume of urea water of 500 kg/hr or more, the size of the urea water spray droplets can be controlled to 100 ㎛ or more, preferably 300 ㎛ or more. At this time, it is effective to set the injection pressure of compressed air to 2 to 4 bar or higher.
시멘트 제조 공정 중 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터의 분진량은 1g/Nm3 이상, 통상 일반 설비(10mg/Nm3)의 10,000배로써 10g/Nm3 이상, 예컨대 60∼100g/Nm3이다. The amount of dust in combustion furnaces and/or preheaters that generate NOx - containing combustion gases through combustion reactions during the cement manufacturing process is 1g/Nm 3 or more, which is 10,000 times that of general equipment (10 mg/Nm 3 ). For example, it is 60 to 100 g/Nm 3 .
전술한 노즐 보호용 냉각 유체 주입관 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체는, 냉각 유체(예, cooling air) 주입구가 노즐 팁까지 이중관으로 연결되어 노즐 팁의 열화 방지 및 과량의 분진으로부터 보호하는 주요 목적을 달성할 수 있으며, 노즐대를 보호하는 목적도 달성할 수 있다.The cooling fluid flowing in the inner space of the cooling fluid injection pipe for protecting the nozzle described above is connected to the cooling fluid (e.g., cooling air) inlet through a double pipe to the nozzle tip, thereby achieving the main purpose of preventing deterioration of the nozzle tip and protecting it from excessive dust. and the purpose of protecting the nozzle base can also be achieved.
따라서, 전술한 요소수 분사용 이류체 분무노즐이 장착되는, 시멘트 제조 공정 중 연소반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로 및/또는 프리히터는 산업부산물을 시멘트 원료 및/또는 연료로 사용할 수 있다.Therefore, the combustion furnace and/or preheater that generates NOx-containing combustion gas through combustion reaction during the cement manufacturing process, equipped with the above-mentioned double fluid spray nozzle for spraying urea water, uses industrial by-products as cement raw materials and/or fuel. You can.
[전산유체 해석 (CFD)][ Computational fluid analysis (CFD) ]
본 발명은 선택적 비촉매 환원반응(SNCR) 효율 증대 및 평준화 제어를 통해 40 ~ 50%의 NOX 제거효율(NOx Reduction Rate)을 발휘하면서, 후단의 선택적 촉매 환원반응(SCR)에서 NOx의 환원제로 사용되도록 미반응 NH3 슬립 발생 정도를 제어(CONTROL)하는 SNCR 설비를 설계하기 위해, 전산유체 해석 (Computational Fluid Dynamics, CFD)을 통해 분진이 편중되지 않고 일정하게 내려오면서 온도가 균일한 지점(들)에 NHx 기반 환원제 분사 노즐을 설치하는 것이 특징이다.The present invention exhibits a NOx removal efficiency (NOx Reduction Rate) of 40 to 50% through selective non-catalytic reduction reaction (SNCR) efficiency increase and leveling control, and is used as a reducing agent for NOx in the subsequent selective catalytic reduction reaction (SCR). In order to design a SNCR facility that controls the degree of unreacted NH 3 slip to be used, Computational Fluid Dynamics (CFD) was used to determine points(s) where the temperature is uniform while the dust is not biased and falls steadily. ) is characterized by installing an NHx-based reducing agent injection nozzle.
전산유체 해석 (Computational Fluid Dynamics, CFD)이란 환경 설비 분야의 분석이 실험적인 연구로는 물리적 제약이 따르기 때문에 그 대신 이론적인 연구로 분석하고 검토하는 방법이다. CFD 검토를 통해 기존 설비의 현재 상태 모사 및 문제점 도출, 개선 후 효과 검증 작업이 가능하고, 설계 전 단계에서는 시행 착오를 최소화시키고 효율적인 운영이 가능토록 한다.Computational Fluid Dynamics (CFD) is a method of analyzing and reviewing environmental facilities through theoretical research instead, as experimental research is subject to physical limitations. Through CFD review, it is possible to simulate the current state of existing facilities, identify problems, and verify effects after improvement. In the pre-design stage, trial and error is minimized and efficient operation is possible.
본 발명은 현장 SNCR 운영 현황조사, 예컨대 Kiln 출구 및 Cyclone의 Process 파악 및 조사 등을 통해, 각 유입유출부의 가스조성(NOX, O2, CO, Temp.), PREHEATER 출구 가스 조성(NOX, O2, Co, Temp, SOX, Dust), 온도 및 분진량 및 분진 입자경 등을 파악하여 기본 DATA 수집 후, 3D 작업을 통해 도 2에 예시된 바와 같은 KILN TYPE별로 전산유체 해석을 한다. 이를 통해 유체의 방향 및 온도구간을 확인할 수 있다. The present invention is to investigate the gas composition ( NO O 2 , Co, Temp, SO Through this, the direction and temperature range of the fluid can be confirmed.
SNCR 설비에서 되도록 이상적인 NOx 포함 미세먼지 감축 방안을 제공하는 예상 노즐위치 선정을 위해, 전술한 전산유체 해석을 통해, 분진이 편중되지 않고 일정하게 내려오면서 온도가 균일한 지점(들)에 NHx 기반 환원제 분사 노즐 설치 지점(들)을 제공하는 것이다(실시예 1). In order to select the expected nozzle location that provides the ideal NOx-containing fine dust reduction method in SNCR facilities, through the above-mentioned computational fluid analysis, NHx-based reducing agent is applied to the point(s) where the dust is not biased and falls steadily and the temperature is uniform. Providing spray nozzle installation point(s) (Example 1).
마찬가지로, 도 6에서 예시된 바와 같이, SCR 설비 역시 CFD 해석(유속/온도/농도)을 수행할 수 있다.Likewise, as illustrated in FIG. 6, SCR equipment can also perform CFD analysis (flow rate/temperature/concentration).
CFD 해석을 통해 후술할 SCR 설비에서, 암모니아 분사 노즐 설계(예컨대, 노즐형상, 수량 및 분사방식 선정, 분사압력선정(Spraying, Cooling Air 분사량 및 공급압력 선정)), 온도/배가스/분진특성에 따른 SCR 촉매선정 및 촉매탑 설계를 할 수 있다. 나아가, 유동조건에 따른 촉매 및 촉매탑 설계도 가능하다. In the SCR facility, which will be described later through CFD analysis, ammonia injection nozzle design (e.g., selection of nozzle shape, quantity and injection method, selection of spray pressure (selection of spraying, cooling air injection amount and supply pressure)), temperature/exhaust gas/dust characteristics SCR catalyst selection and catalyst tower design can be performed. Furthermore, it is possible to design catalysts and catalyst towers according to flow conditions.
[싸이클론(cyclon)][ Cyclone ]
high dust 조건에서 질소산화물 저감 시 촉매의 마모 및 손상의 위험을 줄이고, 수명을 연장하며, dust가 촉매에 침적되어 촉매의 활성을 저하시키는 것을 방지하기 위해, 배가스를 기준으로 SNCR 설비 후단 및 SCR 설비 전단 사이에 싸이클론을 설치할 수 있다.In order to reduce the risk of wear and damage to the catalyst when reducing nitrogen oxides under high dust conditions, extend its lifespan, and prevent dust from depositing on the catalyst and reducing its activity, the rear end of the SNCR facility and the SCR facility are based on the exhaust gas. Cyclones can be installed between leaflets.
본 발명의 일구체예 따라 시멘트 제조 공정에서 발생하는 질소산화물을 저감하는 SCR 설비의 전단에 싸이클론이 장착되어 SCR 촉매에 부착 및 침적되는 분진의 감소를 통해 촉매의 차압 상승 방지와 촉매 마모를 방지하여 촉매의 수명을 연장시킬 수 있다. 이를 통해 SCR 설비에서 보다 효율적인 질소산화물 저감도 가능하다. According to one embodiment of the present invention, a cyclone is installed at the front of an SCR facility that reduces nitrogen oxides generated in the cement manufacturing process, thereby preventing an increase in the differential pressure of the catalyst and preventing wear of the catalyst by reducing dust attached to and deposited on the SCR catalyst. This can extend the life of the catalyst. Through this, more efficient nitrogen oxide reduction in SCR facilities is possible.
SNCR 설비에서 배출되는 분진 및 암모니아 슬립 함유 혼합가스로부터 분진 미립자들을 선별적으로 포집/제거하기 위해, 별도의 냉각 공정없이 싸이클론 장치에서 중력낙하 방식으로 1차적으로 분진 미립자들을 포집하고, 필요한 경우 필터백(Filter Bag)을 통해 2차적으로 분진을 포집할 수 있다. In order to selectively collect/remove dust particles from the mixed gas containing dust and ammonia slip discharged from the SNCR facility, dust particles are initially collected by gravity fall in a cyclone device without a separate cooling process, and filtered if necessary. Dust can be collected secondarily through a filter bag.
SNCR 설비에서 배출되는 분진 미립자들을 포집/제거하기 위한 싸이클론 장치는 투입구, 싸이클론 탱크 본체, 분진 배출호퍼 및 싸이클론 탱크 본체 중앙에서 시작되어 싸이클론 탱크 외부로 연장되어 있는 토출구를 구비할 수 있다. The cyclone device for collecting/removing dust particles emitted from the SNCR facility may be equipped with an inlet, a cyclone tank body, a dust discharge hopper, and an outlet that starts from the center of the cyclone tank body and extends to the outside of the cyclone tank. .
싸이클론(cyclone)은 입자가 부유하는 유체에 선회 흐름(vortex)을 주어 입자가 가속되는 원심력과 중력에 의해 흐름에서 이탈되어 본체(몸통) 내벽에 충돌하여 아래로 떨어지고, 유체는 Vortex effect에 의해 중심부에서 역류 상승하여 배출되는 원리를 이용한 것이다(도 10).A cyclone creates a vortex in the fluid in which particles are floating, causing the particles to break away from the flow due to accelerated centrifugal force and gravity, collide with the inner wall of the body, and fall down, causing the fluid to vortex due to the vortex effect. It uses the principle of countercurrent rising from the center and discharge (Figure 10).
싸이클론 탱크 본체 구조는 분진 미립자에 중력 낙하방식을 적용하여 포집할 수 있도록 설계된 것이다The cyclone tank body structure is designed to collect dust particles by applying a gravity fall method.
싸이클론은 유체에 선회 흐름을 일으키는 방이 있을 뿐 가동부도 없이 간단하다. 고온 가스, 고농도 가스 처리도 가능하며 설치장소에 크게 구애를 받지 않고, 직렬 또는 병렬로 연결하여 사용하면 사용폭을 보다 넓힐 수 있다.A cyclone is simple, with no moving parts, just a chamber that causes a swirling flow in the fluid. It is also possible to process high-temperature gas and high-concentration gas, and is not limited by the installation location. The range of use can be expanded by connecting in series or parallel.
SNCR 설비에서 배출되는 분진 미립자 함유 혼합가스가 투입구를 통해 선회 흐름으로 싸이클론 탱크 본체에 공급되면, 분진 미립자는 가속되는 원심력과 중력에 의해 흐름에서 이탈되어 내벽에 충돌하여 아래로 떨어져 배출호퍼를 통해 포집되고, 분진 미립자가 일부 제거된 유체는 선회 흐름 효과에 의해 중심부에서 역류 상승하여 토출구를 통해 배출될 수 있다.When the mixed gas containing dust particles discharged from the SNCR facility is supplied to the cyclone tank body in a rotating flow through the inlet, the dust particles are separated from the flow by the accelerated centrifugal force and gravity, collide with the inner wall, and fall down through the discharge hopper. The collected fluid from which some of the dust particles have been removed may flow upward from the center due to the swirling flow effect and be discharged through the discharge port.
투입구는 분진 미립자 함유 혼합가스가 선회 흐름(vortex)으로 공급될 수 있도록 설계된 것이다.The inlet is designed so that mixed gas containing dust particles can be supplied in a vortex.
탱크 본체는 유입되는 가스가 충분한 체류시간을 갖도록 설계된 것이고, 운전과정에서 변형이나 비틀림이 없도록 하기 위해, STS304 재질이 바람직하다.The tank body is designed so that the incoming gas has sufficient residence time, and to prevent deformation or distortion during operation, STS304 material is preferred.
[SCR 설비의 NOx 환원제][ NOx reducing agent in SCR equipment ]
전술한 바와 같이, 본 발명은 SNCR 설비에서 발생시킨 미반응 NH3 슬립을 후단의 선택적 촉매 환원반응(SCR)에서 NOx의 환원제로 사용하는 것이 특징이다.As described above, the present invention is characterized by using unreacted NH 3 slip generated in the SNCR facility as a reducing agent for NOx in the subsequent selective catalytic reduction reaction (SCR).
본 발명은 SCR 설비에서 SNCR 설비와 동일한 환원제를 사용함으로써 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템에서 이원화된 환원제 공급시설을 일원화하면서 비용을 줄이는 목적으로, 또한 기화에너지가 필요한 요소수의 특징을 고려하여 SNCR 설비 내 적정한 온도 구간(450℃∼550℃)에 요소수 분사 노즐을 설치하여 SCR 설비에서 필요한 NH3 환원제 양을 제어 공급하는 것이 특징이다.The present invention aims to reduce costs by unifying the dual reducing agent supply facilities in the SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system by using the same reducing agent as the SNCR facility in the SCR facility, and also considering the characteristics of urea water that requires vaporization energy to reduce SNCR It is characterized by controlling and supplying the amount of NH 3 reducing agent needed in the SCR facility by installing a urea water injection nozzle in an appropriate temperature range (450℃∼550℃) within the facility.
또한, 본 발명은 SCR 설비에서 질소산화물 저감을 위한 환원제와 관련하여 (1) 전단의 SNCR 설비에서 공급되는 NHx 기반 환원제에 의해 질소산화물 저감 후 배출되는 NOx 함유 배가스 내 함유된 미반응 암모니아 슬립 및 필요한 경우 (2) SCR 설비에서 암모니아수 분사를 통해, SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템에서 환원제를 일원화 또는 이원화 공급할 수 있는 것이 특징이다.In addition, the present invention relates to a reducing agent for reducing nitrogen oxides in an SCR facility: (1) unreacted ammonia slip contained in the NOx-containing exhaust gas discharged after reducing nitrogen oxides by an NHx-based reducing agent supplied from the SNCR facility at the front and the necessary Case (2) is characterized by the ability to supply the reducing agent in a single or dual manner in the SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system through ammonia water injection in the SCR facility.
SCR은 NOx를 환원제를 통해 무해한 N2와 H2O로 분해한다. SCR 반응에 사용되는 환원제로는 탄화수소(hydrocarbon)를 사용하는 HC-SCR, 수소(hydrogen)를 사용하는 H2-SCR 및 암모니아(ammonia)를 사용하는 NH3-SCR로 구분할 수 있다.SCR decomposes NOx into harmless N 2 and H 2 O through a reducing agent. The reducing agent used in the SCR reaction can be divided into HC-SCR using hydrocarbon, H 2 -SCR using hydrogen, and NH 3 -SCR using ammonia.
NO에 대한 선택도가 다른 종류의 환원제(탄화수소, 일산화탄소)에 비해서 우수하기 때문에 현재 상용화된 촉매 환원 공정(SCR)에 주로 사용되는 환원제는 암모니아(NH3)이다. 그러나, NH3는 독성이 매우 강하고 각종 설비를 부식시킬 뿐 아니라 저장 및 수송에 많은 비용이 든다는 단점이 있다. 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해, 기화에너지가 필요한 요소수의 특징을 고려하여 예열기(Preheater)에 온도가 적정한 (450℃∼550℃) 구간에 SNCR 노즐을 설치하여 SCR 에서 필요한 환원제 양을 제어 공급할 수 있다. Because the selectivity for NO is superior to other types of reducing agents (hydrocarbons, carbon monoxide), the reducing agent mainly used in the currently commercialized catalytic reduction process (SCR) is ammonia (NH 3 ). However, NH 3 has the disadvantage of being very toxic and corroding various facilities, as well as requiring a lot of costs to store and transport. In order to solve this problem, the present invention takes into account the characteristics of urea water that requires vaporization energy and installs an SNCR nozzle in the preheater at an appropriate temperature (450℃~550℃) to control the amount of reducing agent required in SCR. can be supplied.
[SCR 촉매][ SCR catalyst ]
본 발명의 일 구체예에 따른 SCR 설비에서, 촉매층은 도 8에 예시된 바와 같이 다단으로 수직으로 이격 적층된 것일 수 있다. In the SCR facility according to one embodiment of the present invention, the catalyst layer may be stacked vertically spaced apart in multiple stages, as illustrated in FIG. 8.
금속산화물 촉매용으로 사용되는 금속은 사용빈도가 높은 순서로 하여 V, Fe, W, Cu, Mo, Mn, Ce, Ni, Sn 등이 있다. 또한 금속 또는 그 화합물과 질소산화물과의 반응성은 Pt, MeO2, CuO, Fe2O3, Cr2O3, Co2O3, MoO3, NiO, WO3, Ag2O, ZrO2, Al2O3, SiO2, PhO 순으로 반응성이 낮아진다. 금속산화물 촉매는 질소산화물과 반응성이 높은 금속 또는 그 화합물을 2가지 이상 혼합하여 사용하는데, 사용빈도가 높은 촉매로는 V2O5-Al2O3촉매, V2O5-SiO2-TiO2촉매, Pt촉매, WO3-TiO2촉매, Fe2O3-TiO2촉매, CuO-TiO2촉매, CuO-Al2O3촉매 등이 있다. SCR에 주로 사용되는 촉매는 V2O5-Al2O3촉매와 V2O5-TiO2촉매가 가장 많이 사용된다.Metals used for metal oxide catalysts, in order of frequency of use, include V, Fe, W, Cu, Mo, Mn, Ce, Ni, and Sn. Additionally, the reactivity of metals or their compounds with nitrogen oxides is Pt, MeO 2 , CuO, Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3 , Co 2 O 3 , MoO 3 , NiO, WO 3 , Ag 2 O, ZrO 2 , Al Reactivity decreases in that order: 2 O 3 , SiO 2 , and PhO. Metal oxide catalysts are used by mixing two or more metals or their compounds that are highly reactive with nitrogen oxides. The most frequently used catalysts are V 2 O 5 -Al 2 O 3 catalyst, V 2 O 5 -SiO 2 -TiO 2 catalyst, Pt catalyst, WO 3 -TiO 2 catalyst, Fe 2 O 3 -TiO 2 catalyst, CuO-TiO 2 catalyst, CuO-Al 2 O 3 catalyst, etc. The most commonly used catalysts in SCR are V 2 O 5 -Al 2 O 3 catalyst and V 2 O 5 -TiO 2 catalyst.
NH3-SCR은 고정원에서 배출되는 NOx를 90% 이상을 제거할 수 있는 기술로써, 가격 경쟁력 및 촉매활성의 안정성 측면에서 현재까지 NOx 제어 기술에 있어서 최적방지기술(Best Available Control Technology, BACT)로 상업화에 있다. NH 3 -SCR is a technology that can remove more than 90% of NOx emitted from fixed sources. In terms of price competitiveness and stability of catalytic activity, it is the Best Available Control Technology (BACT) in NOx control technology to date. is in commercialization.
NH3-SCR에 사용되는 촉매는 크게 귀금속 촉매, 금속산화물, Cu 또는 Fe가 이온 교환된 제올라이트의 형태로 구분할 수 있다. 귀금속계 원소를 활성성분으로 하는 NH3-SCR 촉매는 250 ℃ 이하의 저온에서 우수한 NOx 제거효율을 보인다. 제올라이트 촉매 중 NH3-SCR에 사용되는 가장 대표적인 종류로 Cu 또는 Fe가 이온 교환된 Cu-ZSM5 및 Fe-ZSM5 촉매가 있다. Cu-ZSM5는 200-300 ℃에서 우수한 활성을 나타내며, Fe-ZSM5는 500℃ 이상의 고온에서 비교적 우수한 활성을 나타낸다. 하지만 제올라이트 촉매는 수분에 의한 활성저하, SO2에 의한 활성저하 및 배가스 내의 존재하는 탄화수소에 의한 활성저하 등의 문제점이 있다. NH3-SCR에 이용되는 금속산화물 촉매는 망간산화물(manganese oxides), 세륨산화물(cerium oxides), 텅스텐산화물(tungsten oxides)및 바나듐산화물(vanadium oxides)을 활성성분으로 지지체인 TiO2 및 Al2O3 등에 담지하여 제조한 촉매들이 있다. 망간산화물과 세륨산화물을 이용한 촉매는 바나듐산화물을 활성성분으로 한 VOx/TiO2 촉매 보다 250 ℃ 이하의 저온에서 우수한 촉매활성을 나타내며, 이를 저온 SCR 촉매(Low-temperature SCR catalyst; LTC)라 한다. 이들 촉매는 저온에서의 우수한 활성에 비해 SO2에 의한 비활성화가 매우 크게 작용하며, 망간산화물을 활성성분으로 한 촉매는 배가스에 포함된 수분에 의해 촉매활성이 크게 저하되는 것으로 알려져 있다. 한편, 지지체인 TiO2에 바나듐산화물을 활성성분으로 첨가한 VOx/TiO2 촉매는 250-400 ℃ 온도에서 우수한 NOx 제거 효율을 나타내며, 수분에 의한 활성저하 및 SO2에 대한 내구성 측면에서 상기의 다른 촉매들에 비하여 매우 우수한 성능을 나타낸다. 이러한 이유로 VOx/TiO2계 촉매가 상업용으로 널리 사용되고 있다.Catalysts used in NH 3 -SCR can be broadly divided into noble metal catalysts, metal oxides, and zeolites in which Cu or Fe is ion-exchanged. NH 3 -SCR catalyst, which uses noble metal elements as an active ingredient, shows excellent NOx removal efficiency at low temperatures below 250 ℃. Among zeolite catalysts, the most representative types used in NH 3 -SCR are Cu-ZSM5 and Fe-ZSM5 catalysts in which Cu or Fe is ion-exchanged. Cu-ZSM5 shows excellent activity at 200-300°C, and Fe-ZSM5 shows relatively excellent activity at high temperatures above 500°C. However, zeolite catalysts have problems such as reduced activity due to moisture, reduced activity due to SO 2 and reduced activity due to hydrocarbons present in the exhaust gas. The metal oxide catalyst used in NH 3 -SCR consists of manganese oxides, cerium oxides, tungsten oxides, and vanadium oxides as active ingredients, and TiO 2 and Al 2 O as supports. There are catalysts manufactured by supporting them on 3, etc. Catalysts using manganese oxide and cerium oxide exhibit superior catalytic activity at low temperatures below 250°C compared to VOx/TiO 2 catalysts using vanadium oxide as an active ingredient, and are called low-temperature SCR catalysts (LTC). These catalysts are highly deactivated by SO 2 compared to their excellent activity at low temperatures, and catalysts using manganese oxide as an active ingredient are known to have their catalytic activity greatly reduced by moisture contained in exhaust gas. On the other hand, the VOx/TiO 2 catalyst in which vanadium oxide is added as an active ingredient to TiO 2 as a support shows excellent NOx removal efficiency at a temperature of 250-400 ℃, and is superior to other catalysts described above in terms of activity reduction due to moisture and durability against SO 2 It shows very excellent performance compared to catalysts. For this reason, VOx/TiO 2 -based catalysts are widely used commercially.
SCR공정은 Pt-V2O5/TiO2 촉매 활용시 300 ~ 450℃ 온도구간에서 90% 이상의 제거효율을 얻을 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템에서는, 상기 온도 조건보다 낮은 200 ~ 250℃ 온도구간에서 촉매 활성이 가능한 촉매를 선정 사용할 수 있다. 이는 SCR 설비에서 제거효율이 45% ∼ 50% 이상의 제거효율을 얻을 수 있으면 국내 환경규제치에 가능하기 때문이다. 또한, 본 발명에 따른 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템에서는, 촉매량 선정에 최적조건을 도출하여 적용할 수 있다.The SCR process can achieve a removal efficiency of over 90% in the temperature range of 300 to 450°C when using a Pt-V 2 O 5 /TiO 2 catalyst. However, in the SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system according to the present invention, a catalyst capable of catalytic activity in a temperature range of 200 to 250°C lower than the above temperature conditions can be selected and used. This is because if a removal efficiency of 45% to 50% or more can be achieved in an SCR facility, it is possible to meet domestic environmental regulations. Additionally, in the SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system according to the present invention, optimal conditions can be derived and applied to select the catalyst amount.
SCR 촉매는 형태와 제조 방법에 따라 Pellet형 촉매, Plate형 촉매, Corrugate형 촉매, Monolith 압출 촉매로 구분된다(도 7). SCR catalysts are classified into pellet-type catalysts, plate-type catalysts, corrugate-type catalysts, and monolith extrusion catalysts depending on their form and manufacturing method (Figure 7).
Pellet형 촉매는 SCR 반응기를 소형화(miniaturization)할 때 적용될 수 있으며, SCR 반응기 적용 / 제작성이 우수하여 특수조건에도 적용하다. Pellet형 촉매 사용으로 인해 SCR 설비의 크기가 작게 할 수 있다. 다만, 유지보수에 취약하고, 분진에 대한 막힘현상 / 고가의 비용 문제점이 있다.Pellet-type catalysts can be applied when miniaturizing an SCR reactor, and are excellent in SCR reactor application/manufacturability, so they can be applied even under special conditions. Due to the use of pellet-type catalyst, the size of SCR equipment can be reduced. However, it is vulnerable to maintenance, has problems with dust clogging, and is expensive.
Plate형 촉매는 금속 mesh 지지체에 촉매 활성물질을 코팅 후, 절곡면이 있는 평판형태의 촉매 cartridge를 제조하고, 각 cartridge를 맞추어 촉매 block을 형성하게 한다. Plate 촉매 사이의 간격을 통해 배가스가 흘러 들어가므로 단위 부피당 반응면적이 낮은 단점이며, 이로 인한 촉매부피 증가로 설치면적이 매우 많이 필요한 촉매이다. 그러나 촉매의 열적·기계적 내구성이 우수하며 촉매로 인한 압력손실이 낮으므로 배가스 내에 입자상 물질들이 많은 석탄화력 발전소에 주로 사용되고 있다. Plate-type catalysts are manufactured by coating a catalytically active material on a metal mesh support, manufacturing a catalyst cartridge in the form of a flat plate with a bent surface, and then fitting each cartridge to form a catalyst block. The disadvantage is that the reaction area per unit volume is low because the exhaust gas flows through the gap between the plate catalysts, and this increases the catalyst volume, making it a catalyst that requires a very large installation area. However, since the catalyst has excellent thermal and mechanical durability and has low pressure loss due to the catalyst, it is mainly used in coal-fired power plants where there is a lot of particulate matter in the exhaust gas.
Corrugate형 촉매는 세라믹이나 유리 섬유로 파형을 갖는 담체 제조 후, 촉매 활성물질이 포함된 슬러리를 담체에 코팅하여 제조한다. 촉매 제조 기간이 짧고, 가벼우며 단위 부피당 반응면적이 넓은 장점을 보유하고 있으나, 기계적 강도와 내구성이 낮아 배가스 중의 fly-ash가 많은 오염물질 배출원으로의 적용 시 어려움이 있다. Corrugate-type catalysts are manufactured by manufacturing a corrugated carrier using ceramic or glass fiber and then coating the carrier with a slurry containing a catalytically active material. It has the advantages of a short catalyst production period, being lightweight, and having a large reaction area per unit volume, but its mechanical strength and durability are low, making it difficult to apply to pollutant emission sources with a lot of fly-ash in exhaust gases.
Plate형 촉매 및 Corrugate형 촉매는 낮은 차압 운전이 가능하고 분진에 대한 막힘현상에 강하며, 저가의 비용이나, 촉매 표면적이 작아 촉매량이 매우 많고 마모성에 취약하다.이는 Plate형 촉매와 동일하게 설치면적이 매우 많이 필요한 촉매이다.Plate-type catalysts and corrugate-type catalysts are capable of low differential pressure operation and are resistant to clogging due to dust. They are low-cost, but the catalyst surface area is small, so the amount of catalyst is very high and they are vulnerable to abrasion. This is the same as the plate-type catalyst, and the installation area is small. This is a much needed catalyst.
허니컴(honeycomb)타입의 Monolith 압출형 촉매는 일체형 구조로, 촉매의 속과 겉이 같은 재질로 구성되어 있어 어느 부위든 조성이 동일하고, 촉매의 개구부는 다양한 기하학적 모양으로 제조가 가능하다. 또한, 성능이 우수하고, 마모성이 강하며, 안정적이고 재생성이 좋고 설비의 크기가 작으며, Pellet형 촉매 보다는 저가의 비용이다. 세 가지 촉매 형상 중 가장 높은 단위부피당 반응 면적을 나타내며, 촉매 재생이 용이한 장점을 가지고 있지만 촉매의 제조기간이 길고, 내구성이 Plate형과 Corrugate형 촉매의 중간 정도를 나타낸다.The honeycomb type Monolith extruded catalyst has an integrated structure, and the inside and outside of the catalyst are made of the same material, so the composition is the same at any part, and the opening of the catalyst can be manufactured in various geometric shapes. In addition, it has excellent performance, strong wear resistance, stability, good reproducibility, small equipment size, and lower cost than pellet-type catalysts. It has the highest reaction area per unit volume among the three catalyst shapes, and has the advantage of being easy to regenerate, but the catalyst manufacturing period is long, and its durability is intermediate between plate-type and corrugate-type catalysts.
일반적으로 SCR에 사용되는 촉매는 허니컴(honeycomb)타입으로 기하학적인 표면적이 넓기 때문에 더 경제적인데, 촉매의 형상을 유지하는 기본적인 원료는 이산화티타늄(TiO2)이며, 활성원료로 오산화바나듐(V2O5)과 삼산화텅스텐(WO3)이 첨가된다.Generally, the catalyst used in SCR is the honeycomb type, which is more economical because it has a large geometric surface area. The basic raw material that maintains the shape of the catalyst is titanium dioxide (TiO 2 ), and vanadium pentoxide (V 2 O) is used as the active raw material. 5 ) and tungsten trioxide (WO 3 ) are added.
[SCR 설비 내 분진제거를 위한 수트 블로워 설치][ Installation of soot blower to remove dust in SCR facility ]
가스 터빈 및 화력발전소는 최대 10 g/Nm3 정도의 분진이 나오지만, 시멘트 제조 공정의 경우 최대 120 g/Nm3의 분진이 발생하여 단순 SCR 시스템으로는 과량의 분진에 의해 질소산화물 저감의 어려움이 있다. Gas turbines and thermal power plants produce dust of up to 10 g/Nm 3 , but in the case of the cement manufacturing process, dust of up to 120 g/Nm 3 is generated, making it difficult to reduce nitrogen oxides with a simple SCR system due to excessive dust. there is.
시멘트 제조 공정 중 배가스 풍량 및 분진의 양을 고려하여 SCR 촉매의 부피를 설계할 수 있다.The volume of the SCR catalyst can be designed by considering the amount of exhaust gas and dust during the cement manufacturing process.
도 6, 도 8 및 도 9에 예시된 바와 같이, 본 발명의 SCR 설비는 수트 블로워 적용과 함께 SCR 반응기 바닥부에 호퍼(hopper)를 설치해, 수트 블로워를 통해 분진 및 SO3의 반응생성물이 촉매층에 부착되지 않게 하고 배가스 흐름에서 이탈되어 낙하시키도록 공정설계하여 수집할 수 있다.As illustrated in FIGS. 6, 8, and 9, the SCR facility of the present invention installs a hopper at the bottom of the SCR reactor along with the application of a soot blower, so that dust and reaction products of SO 3 are blown into the catalyst layer through the soot blower. It can be collected by designing the process so that it does not attach to the exhaust gas flow and falls away.
예컨대, SCR 설비는 분진(dust) 및 NOx 함유 배가스와 암모니아 가스에 대해 선택적 촉매 환원법(SCR)을 수행하되, 고정 촉매층을 연속적으로 흐르는 배가스 흐름에 대해, 고정 촉매층 전단 및/또는 후단에 설치된 수트 블로워(soot blower)을 통해 간헐적으로 압축공기를 분사하여 순방향 및/또는 역방향 교란을 제공하여(도 8), For example, the SCR facility performs selective catalytic reduction (SCR) on ammonia gas and exhaust gas containing dust and NOx, but for the exhaust gas flow continuously flowing through the fixed catalyst layer, a soot blower installed before and/or after the fixed catalyst layer. By spraying compressed air intermittently through a soot blower, forward and/or reverse disturbance is provided (Figure 8).
(1) 배가스 내 분진이 고정 촉매층에 부착 또는 침적하는 것을 억제하면서, (1) While suppressing dust in the exhaust gas from adhering to or depositing on the fixed catalyst layer,
(2) 간헐적으로 분사되는 압축공기에 의해 반응물인 산소 가스를 최대한 멀리까지 공급함과 동시에, 간헐적인 순방향 및/또는 역방향 교란을 통해 각 고정 촉매층 내 길이방향 반응가스 구배를 제거 또는 약화하는 방향으로 반응가스를 혼합시켜 SCR 반응기의 전체 질소산화물 제거 효율을 상승시키도록 설계될 수 있다.(2) React in the direction of supplying oxygen gas as a reactant as far as possible by intermittently injected compressed air and at the same time removing or weakening the longitudinal reaction gas gradient within each fixed catalyst layer through intermittent forward and/or reverse disturbance. It can be designed to increase the overall nitrogen oxide removal efficiency of the SCR reactor by mixing gases.
SCR 설비는 배가스 흐름에 대해 2단 이상의 고정 촉매층들이 수직 방향으로 이격 배치되고, 촉매층과 일정 간격을 두고 압축공기를 분사하는 다수개의 수트 블로워들이 수직 방향으로 배치되어 있는 것일 수 있다.The SCR facility may have two or more stages of fixed catalyst layers spaced vertically apart from the exhaust gas flow, and a plurality of soot blowers that spray compressed air at regular intervals from the catalyst layers are arranged vertically.
예컨대, SCR 설비에서, 촉매층은 다단으로 수직으로 이격 적층하고, 배가스 흐름은 촉매층 수직 하단에서 상단으로 흐르며, For example, in an SCR facility, catalyst layers are stacked vertically spaced apart in multiple stages, and the exhaust gas flow flows from the vertical bottom of the catalyst layer to the top.
수트 블로워는 (1) 각 촉매층 하단에 배가스 흐름과 동일한 방향 또는 (2) 각 촉매층 하단에 배가스 흐름과 동일한 방향 및 각 촉매층 상단에 배가스 흐름과 반대 방향으로, 압축공기를 분사하는 것이거나;The soot blower sprays compressed air (1) in the same direction as the exhaust gas flow at the bottom of each catalyst layer, or (2) in the same direction as the exhaust gas flow at the bottom of each catalyst layer and in the opposite direction to the exhaust gas flow at the top of each catalyst layer;
수트 블로워는 (1) 각 촉매층 상단에 배가스 흐름과 동일한 방향 또는 (2) 각 촉매층 상단에 배가스 흐름과 동일한 방향 및 각 촉매층 하단에 배가스 흐름과 반대 방향으로, 압축공기를 분사하는 것일 수 있다.The soot blower may spray compressed air in (1) the same direction as the exhaust gas flow at the top of each catalyst layer, or (2) in the same direction as the exhaust gas flow at the top of each catalyst layer and in the opposite direction to the exhaust gas flow at the bottom of each catalyst layer.
수트 블로워는 다단으로 이격 배치된 각각의 촉매층 당 1분 ~ 3분 간격으로 10초 ~ 30초 동안 압축공기를 분사하고, 배가스 흐름 방향으로 첫번째 촉매층부터 마지막 층까지 압축공기를 시간 및/또는 차압 변화에 따라 각 라인에 설치된 자동 밸브를 프로그램 제어로 순차적으로 분사할 수 있다.The soot blower sprays compressed air for 10 to 30 seconds at intervals of 1 to 3 minutes for each catalyst layer spaced in multiple stages, and blows compressed air from the first catalyst layer to the last layer in the direction of exhaust gas flow by changing time and/or differential pressure. Accordingly, the automatic valves installed in each line can be sprayed sequentially through program control.
수트 블로워에서 분사되는 압축공기의 압력은 5~9 kgf/cm2일 수 있다.The pressure of compressed air sprayed from the soot blower may be 5 to 9 kg f / cm 2 .
특히, 시멘트 제조 공정에서 발생하는 분진이 120 g/Nm3 이상 포함된 450,000 Nm3/hr 이상 고 풍량의 배가스가 SCR 설비를 통과하더라도, 수트 블로워(soot blower)을 통해 간헐적으로 압축공기를 배가스 흐름에 대해 순방향 및/또는 역방향 분사하여 분진(dust)에 의해 SCR 촉매가 마모되는 것을 억제하도록 설계될 수 있다. 또한, 수트 블로워는 시멘트 제조 공정이 시작됨과 동시에 계속적으로 반복하여 가동할 수 있다.In particular, even if a high volume of exhaust gas of more than 450,000 Nm 3 /hr containing more than 120 g/Nm 3 of dust generated in the cement manufacturing process passes through the SCR facility, compressed air is intermittently used as exhaust gas through a soot blower. It may be designed to suppress wear of the SCR catalyst by dust by spraying forward and/or reverse. Additionally, the soot blower can be operated continuously and repeatedly as soon as the cement manufacturing process begins.
예컨대, 본 발명은 시멘트 제조 공정에서 발생하는 분진이 120 g/Nm3 이상 포함된 450,000 Nm3/hr 이상 고 풍량의 배가스가 SCR 설비 통과 시, 수트 블로워(soot blower) 및/또는 소닉혼(Sonic Hone)을 통해 분진 함유 배가스를 통과시키며, 미통과 분진을 모아 별도의 배출구로 배출시킬 수 있다.For example, in the present invention, when exhaust gas with a high air volume of more than 450,000 Nm 3 /hr and more than 120 g/Nm 3 of dust generated in the cement manufacturing process passes through the SCR facility, a soot blower and/or sonic horn are used. Dust-containing exhaust gas passes through the Hone, and dust that does not pass can be collected and discharged through a separate outlet.
또한, SCR 설비는 분진제거를 위한 싸이클론, 전기 집진기 (electric precipitation) 또는 백필터 (Bag filter) 전단 또는 후단에 설치될 수 있다.Additionally, SCR equipment can be installed before or after a cyclone, electric precipitation, or bag filter for dust removal.
[SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템][ SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system ]
본 발명에 따라 전술한 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템을 사용하여 NOx 함유 연소가스를 처리하는 방법은The method of treating NOx-containing combustion gas using the above-described SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system according to the present invention is
SNCR 설비에서 이류체 분무 노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키고, 요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하면서, 미반응 NH3 슬립 발생 정도를 제어(CONTROL)하는 제1단계; 또는In the SNCR facility, ammonia is generated by performing a urea decomposition reaction of urea water sprayed from a two-fluid spray nozzle, and a NOx reduction reaction of NOx-containing combustion gas is performed by ammonia generated by the urea decomposition reaction of urea water. A first step of controlling the degree of reaction NH 3 slip; or
SNCR 설비에서 이류체 분무 노즐로부터 분사된 NHx 기반 환원제에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하면서, 미반응 NH3 슬립 발생 정도를 제어(CONTROL)하는 제1단계; 및A first step of controlling the degree of unreacted NH 3 slip while performing a NOx reduction reaction of NOx-containing combustion gas by an NHx-based reducing agent sprayed from a two-fluid spray nozzle in the SNCR facility; and
SCR 설비에서 SNCR 설비에서 발생시킨 미반응 NH3 슬립을 NOx의 환원제로 사용하면서 선택적 촉매 환원법(SCR)을 수행하는 제2단계The second step of performing selective catalytic reduction (SCR) using unreacted NH 3 slip generated in the SNCR facility as a reducing agent for NOx in the SCR facility.
를 포함한다.Includes.
이때, SNCR 설비에서 NHx 기반 환원제 분사용 이류체 분무노즐은 NHx 기반 환원제 분무 시, NHx 기반 환원제 분무 액적의 크기가 100㎛ 이상으로 분사하는 것이 바람직하다.At this time, when spraying the NHx-based reducing agent, the two-fluid spray nozzle for spraying the NHx-based reducing agent in the SNCR facility is preferably used so that the size of the NHx-based reducing agent spray droplets is 100㎛ or more.
통합시스템 구축에 따른 NOX 제거효율은 80 % 이상이고/이거나, 잔여 NOx는 80~82ppm이고/이거나, 높은 SNCR 효율 및 SCR 부하 감소에 따른 SCR 설치비가 감소될 수 있다. 전술한 SNCR 효율 증대 및 평준화 제어로 인해, SCR 설비는 촉매량 최소화 및 200℃~300℃ 사이의 저온 촉매 사용하는 공정도 가능하다. By building an integrated system, the NO Due to the above-mentioned SNCR efficiency increase and leveling control, SCR equipment is capable of minimizing the amount of catalyst and using low-temperature catalysts between 200℃ and 300℃.
본 발명에 따라 전술한 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템을 사용하면, 시멘트 제조 공정 중 발생하는 배가스는 선택적 무촉매 환원법으로 질소산화물이 저감처리된 후, 선택적 촉매 환원법으로 질소 산화물이 저감처리되므로, 시멘트 제조 공정 중 연소로 및/또는 프리히터에서 발생하는 NOx 함유 연소가스를 효율적으로 처리할 수 있다. 특히, 산업부산물을 시멘트 원료 또는 연료로 사용하는 시멘트 제조 공정에서도 NOx 함유 연소가스를 효율적으로 처리할 수 있다.When using the SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system described above according to the present invention, the exhaust gas generated during the cement manufacturing process is treated to reduce nitrogen oxides by a selective non-catalytic reduction method, and then treated to reduce nitrogen oxides by a selective catalytic reduction method. It is possible to efficiently treat NOx-containing combustion gases generated from combustion furnaces and/or preheaters during the cement manufacturing process. In particular, NOx-containing combustion gases can be efficiently treated in the cement manufacturing process that uses industrial by-products as cement raw materials or fuel.
도 9에 예시된 바와 같이, 1) High Dust SCR, 2) Tail End SCR, 3) Semi-Dust SCR을 구비한 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템은 하기와 같은 운전조건 및 공정순서로 설계될 수 있다. As illustrated in Figure 9, the SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system equipped with 1) High Dust SCR, 2) Tail End SCR, and 3) Semi-Dust SCR can be designed with the following operating conditions and process sequence. there is.
1) High Dust SCR 1) High Dust SCR
(i) 80~100g/Nm3 (6um) 분진에 대한 촉매(i) Catalyst for 80 ~ 100g/Nm 3 (6um) dust
(ii) 200 ℃~350 ℃ 사이의 온도구간에 대한 촉매(ii) Catalyst for the temperature range between 200 ℃ and 350 ℃
(iii) 공정순서: 킬른 → 예열실 → SCR → 원료분쇄기 (원료분쇄기를 가동하지 않을 경우에 냉각기 통과) → 백필터 → 유인송풍기(iii) Process sequence: Kiln → Preheating room → SCR → Raw material grinder (If the raw material grinder is not operated, pass through the cooler) → Bag filter → Induced blower
2) Semi Dust SCR2) Semi Dust SCR
(i) 30~60g/Nm3(6um) 분진에 대한 촉매(i) Catalyst for 30~60g/Nm 3 (6um) dust
(ii) 200 ℃~350 ℃ 사이의 온도구간에 대한 촉매(ii) Catalysts for the temperature range between 200 ℃ and 350 ℃
(iii) Dust Collector 의 설계(iii) Design of Dust Collector
(iv) 킬른 → 예열실 → Dust Collector → SCR → 원료분쇄기 (원료분쇄기를 가동하지 않을 경우에 냉각기 통과 ) → 백필터 → 유인송풍기(iv) Kiln → Preheating room → Dust Collector → SCR → Raw material grinder (If the raw material grinder is not in operation, passes through the cooler) → Bag filter → Induced blower
3) Low Dust (Tail End) SCR3) Low Dust (Tail End) SCR
(i) 200 ℃~250 ℃ 사이의 온도구간에 대한 촉매(i) Catalyst for the temperature range between 200 ℃ and 250 ℃
(i) 촉매반응을 위한 보조열원( Steam or LNG )(i) Auxiliary heat source for catalytic reaction (Steam or LNG)
(iii) 공정순서: 킬른 → 예열실 → 원료분쇄기 (원료분쇄기를 가동하지 않을 경우에 냉각기 통과) → 백필터 → SCR → 유인송풍기(iii) Process sequence: Kiln → Preheating room → Raw material grinder (if the raw material grinder is not operated, pass through the cooler) → Bag filter → SCR → Induced blower
본 발명에 따른 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템은 NOX 제거효율을 SNCR 과 SCR에서 동시에 분산 제거할 경우 처리효율증대, 공사비용 절감 및 유지비 절감 효과가 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템을 통해 SNCR-SCR 하이브리드 통합시스템 구축에 따른 NOX 제거효율은 80% 이상이고 즉 SNCR에서 50% 정도의 처리효율을 가지고 SCR 에서 50% 정도의 효율을 유지하여 NOx는 80~82ppm이며, 높은 SNCR 효율 및 SCR 부하 감소에 따른 SCR 설치비(촉매사용량 감소 및 SCR 설비 소형화 등)가 혁신적으로 감소될 수 있다. 또한 SNCR 설비와 동일한 환원제를 SCR 설비에서도 사용함으로써 이원화된 공급시설을 일원화하면서 비용을 줄이는 목적으로 또한 기화에너지가 필요한 요소수의 특징을 고려하여 예열기(Preheater)(450℃∼550℃) 구간에 SNCR 노즐을 설치하여 요소수를 공급하고 분사위치에서의 열분해에너지를 이용한 암모니아를 SCR 설비로 공급하여 SCR 에서 필요한 환원제 양을 제어 공급할 수 있다.The SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system according to the present invention has the effect of increasing treatment efficiency, reducing construction costs, and reducing maintenance costs when NO For example, through the SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system according to the present invention, the NO By maintaining the efficiency, NOx is 80~82ppm, and SCR installation costs (reduction in catalyst usage and miniaturization of SCR facilities, etc.) can be innovatively reduced due to high SNCR efficiency and reduction of SCR load. In addition, the same reducing agent as the SNCR facility is used in the SCR facility to unify the dual supply facilities and reduce costs. Also, considering the characteristics of urea that requires vaporization energy, SNCR is installed in the preheater (450℃∼550℃) section. By installing a nozzle to supply urea water and supplying ammonia using pyrolysis energy at the injection location to the SCR facility, the amount of reducing agent required for SCR can be controlled and supplied.
또한 SCR 의 위치가 1) High Dust SCR, 2) Tail End SCR, 3) Semi-Dust 에 따라서 다르지만 SCR-SCR 하이브리드는 동일하게 적용된다. In addition, the location of SCR is different depending on 1) High Dust SCR, 2) Tail End SCR, and 3) Semi-Dust, but the same applies to SCR-SCR hybrid.
도 1은 본 발명의 일구체예 따른 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템의 공정 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일구체예 따른 SNCR 설비에서 전산유체 해석을 예시한 것이다.
도 3은 도 2의 전산유체 해석을 통해 선정된 요소수 분사 노즐이 설치 위치를 예시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일구체예 따라 SNCR 설비에서 사용될 수 있는 냉각 수단이 구비된 요소수 분사 노즐의 유체 흐름을 통한 작동원리를 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일구체예 따른 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템의 작업 흐름도(FLOW CHART)이다.
도 6은 본 발명의 일구체예 따른 SCR 설비에서 전산유체 해석을 예시한 것이다.
도 7은 Pellet형 촉매, Plate형 촉매, Corrugate형 촉매, Monolith 압출 촉매를 예시한 것이다.
도 8은 본 발명의 SCR 촉매 하단 및 상단에 수트 블로워가 적용되어 압축공기를 분사하는 흐름을 나타낸 것으로, 압축공기를 분사하는 흐름이 배가스 흐름의 방향에 따라 배가스 흐름과 동일한 방향이 되도록 각 SCR 촉매 하단에, 배가스 흐름과 반대 방향이 되도록 각 SCR 촉매 상단에(좌측도) 및 배가스 흐름과 동일한 방향이 되도록 각 SCR 촉매 상단에, 배가스 흐름과 반대 방향이 되도록 각 SCR 촉매 하단에(우측도) 수트 블로워가 설치된 SCR 반응기를 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일구체예 따라 1) High Dust SCR, 2) Tail End SCR, 3) Semi-Dust SCR을 구비한 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템의 공정 개념도이다.
도 10은 일반적인 싸이클론의 개념도이다.Figure 1 is a process conceptual diagram of an SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 illustrates computational fluid analysis in an SNCR facility according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 illustrates the installation location of the urea water injection nozzle selected through the computational fluid analysis of Figure 2.
Figure 4 is a conceptual diagram showing the operating principle through fluid flow of a urea water injection nozzle equipped with cooling means that can be used in SNCR equipment according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a flow chart of the SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 illustrates computational fluid analysis in an SCR facility according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 illustrates a pellet-type catalyst, a plate-type catalyst, a corrugate-type catalyst, and a monolith extrusion catalyst.
Figure 8 shows the flow of compressed air sprayed by applying a soot blower to the bottom and top of the SCR catalyst of the present invention. Each SCR catalyst is adjusted so that the compressed air spray flow is in the same direction as the exhaust gas flow according to the direction of the exhaust gas flow. At the bottom, on top of each SCR catalyst in the opposite direction to the exhaust gas flow (left view) and on top of each SCR catalyst in the same direction as the exhaust gas flow, and on the bottom of each SCR catalyst in the opposite direction to the exhaust gas flow (right view). This is a cross-sectional view showing an SCR reactor with a blower installed.
Figure 9 is a process concept diagram of an SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system including 1) High Dust SCR, 2) Tail End SCR, and 3) Semi-Dust SCR according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 is a conceptual diagram of a general cyclone.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 기술적 특징을 명확하게 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are only intended to clearly illustrate the technical features of the present invention and do not limit the scope of protection of the present invention.
실시예 1 : SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템Example 1: SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system
(1) 전산유체 해석 (Computational Fluid Dynamics, CFD)을 통해 분진이 편중되지 않고 일정하게 내려오면서 온도가 균일한 지점(들)에 요소수 분사 노즐이 설치되어 선택적 비촉매 환원반응(SNCR) 효율 증대 및 평준화 제어를 통해 40 ~ 50%의 NOX 제거효율을 발휘하면서, 후단의 선택적 촉매 환원반응(SCR)에서 NOx의 환원제로 사용되도록 미반응 NH3 슬립 발생 정도를 제어(CONTROL)하는 SNCR 설비; 및 (2) 배가스를 기준으로 SNCR 설비 후단에 설치되고, SNCR 설비에서 발생시킨 미반응 NH3 슬립을 NOx의 환원제로 사용하면서, 200℃~300℃ 사이의 저온 촉매 상에서 선택적 촉매 환원법(SCR)을 수행하는 SCR 설비를 구비한 SNCR-SCR 하이브리드 시스템을 사용하여, 도 1의 공정 개념도 및 도 5의 작업 흐름도에 따라 수행한 결과를 비교예 1 ~ 3와 함께, 하기 표 1에 비교분석하였다. (1) Through Computational Fluid Dynamics (CFD), the urea water injection nozzle is installed at the point(s) where the dust is not concentrated and the temperature is uniform while the dust falls consistently, increasing the efficiency of the selective non-catalytic reduction reaction (SNCR). and SNCR equipment that controls the degree of unreacted NH 3 slip so that it can be used as a reducing agent for NOx in the selective catalytic reduction reaction (SCR) at the downstream stage, while demonstrating a NOx removal efficiency of 40 to 50% through leveling control; and (2) Selective catalytic reduction (SCR) is performed on a low-temperature catalyst between 200℃ and 300℃, installed at the rear of the SNCR facility based on the exhaust gas, and using unreacted NH 3 slip generated in the SNCR facility as a reducing agent for NOx. Using a SNCR-SCR hybrid system equipped with SCR equipment, the results of the process according to the process concept diagram of FIG. 1 and the work flow diagram of FIG. 5 were compared and analyzed in Table 1 below, along with Comparative Examples 1 to 3.
도 5의 작업 흐름도에서, Stack NOx에 의한 NH3 SLIP은, 환원제를 과도하게 공급하여 NOx 처리효율 대비 환원제 량이 많은 경우, N2 + H2O 로 배출되지 못하고 NH3로 대기로 방출되는 것이다. 이는 과도한 공급도 있지만 SNCR에서 적정 환원영역을 찾지 못하고 분사할 경우에 미반응 되어 대기로 방출하는 것 등 NH3 가 환원제의 공급량에 따라 대기로 방출되는 모든 것을 NH3 SLIP 이라고 한다. In the work flow diagram of FIG. 5, NH 3 SLIP due to stack NOx is not discharged as N 2 + H 2 O but is released into the atmosphere as NH 3 when the reducing agent is supplied excessively and the amount of reducing agent is large compared to the NOx treatment efficiency. This can be due to excessive supply, but when NH 3 is not found in an appropriate reduction area in SNCR and is sprayed, it becomes unreacted and is released into the atmosphere. All NH 3 that is released into the atmosphere depending on the supply amount of the reducing agent is called NH 3 SLIP.
(비교예 1)existing
(Comparative Example 1)
(비교예 2)SNCR facility
(Comparative Example 2)
(비교예 3)SCR equipment
(Comparative Example 3)
(실시예 1)SNCR-SCR HYBRID
(Example 1)
암모니아 공급설비SCR equipment
Ammonia supply facility
SCR 설비
요소수 공급설비SNCR facility
SCR equipment
Urea water supply facility
화학물질관리법 대상
위해 화학물질 대상Safety equipment-related costs are high. Applying the High Pressure Gas Safety Management Act.
Subject to the Chemical Substances Control Act
Hazardous chemical substances target
별도의 요소수 공급설비 필요NOx removal is impossible with SNCR alone
Separate urea water supply facility required
별도의 암모니아 공급설비 필요Excessive catalyst installation costs when using only SCR
Separate ammonia supply facility required
통합시스템 구축에 따른 NOx 규제 충족Revolutionary reduction in SCR installation costs due to high SNCR efficiency and reduced SCR load
Meeting NOx regulations by building an integrated system
SNCR 설비 적용시 896,000 Nm3/h에서 NSR=2.4일 때, NOx 제거효율(NOx Reduction Ratio)이 45.8% (192 → 104 ppm)이었다.When applying the SNCR facility, when NSR = 2.4 at 896,000 Nm 3 /h, the NOx Reduction Ratio was 45.8% (192 → 104 ppm).
SNCR 설비는 NOx 제거효율(NOx Reduction Ratio)이 통상 20~25%이나, 전산유체 해석 (CFD)을 통해 NOx 제거효율이 40 ~ 50%로 가장 높은 구간에 노즐 위치를 선정할 수 있다. 전산유체 해석 (CFD)을 통해 분진이 편중되지 않고 일정하게 내려오면서 온도가 균일한 지점(들)에 요소수 분사 노즐이 설치되는 경우 NOx 제거효율이 40 ~ 50%인 것을 확인하였다.SNCR facilities typically have a NOx reduction ratio of 20 to 25%, but through computational fluid analysis (CFD), the nozzle location can be selected in the section with the highest NOx removal efficiency of 40 to 50%. Through computational fluid analysis (CFD), it was confirmed that the NOx removal efficiency was 40 to 50% when the urea water injection nozzle was installed at a point(s) where the dust was not biased and fell steadily and the temperature was uniform.
실시예 2: 시멘트 제조 공정 중 발생하는 NOx 함유 연소가스를 처리하는 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템 Example 2 : SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system for treating NOx-containing combustion gases generated during the cement manufacturing process
시멘트 제조 설비 중 연소로/프리히터에 SNCR 설비가 구축된 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템을 보여주는 도 1을 참조하여, 환원제로 요소수를 사용하는 본 발명의 일구체예에 따른 NOx 함유 연소가스 처리방법을 설명한다. Referring to Figure 1, which shows a SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system in which an SNCR facility is installed in a combustion furnace/preheater in a cement manufacturing facility, NOx-containing combustion gas according to an embodiment of the present invention using urea water as a reducing agent. Explain the processing method.
이때, 시멘트 제조 공정 중 발생하는 배가스는 선택적 무촉매 환원법으로 질소산화물이 저감 처리된 후, 선택적 촉매 환원법으로 질소 산화물이 저감처리된다.At this time, the exhaust gas generated during the cement manufacturing process is treated to reduce nitrogen oxides using a selective non-catalytic reduction method, and then treated to reduce nitrogen oxides using a selective catalytic reduction method.
시멘트 제조 공정은 공정 상태에 따라 SNCR 저감 효율에 변화가 크며, SNCR 설비에서 요소수 투입 지점은 Gas와 원료가 혼재되어 있어 상대적으로 저감 효율이 낮은 상황이다. In the cement manufacturing process, the SNCR reduction efficiency varies greatly depending on the process condition, and the urea water input point in the SNCR facility is a situation where gas and raw materials are mixed, so the reduction efficiency is relatively low.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 시멘트 제조 공정 중 연소 반응에 의해 NOx 함유 연소가스가 발생하는 연소로/프리히터의 SNCR 공정에서 환원제인 요소수가 반응 구간 전체에 고르게 분사될 수 있는 것이 바람직하고, 이를 위해 노즐의 개수는 많을수록 좋으나, 경제성을 고려하여 노즐 개수를 한정할 수 있다. 또한, Gas와 원료가 혼재되어 환원제가 가스층에 도달 및 반응을 방해하는 것에 대하여 원료를 밀어낼 수 있게 입자경을 크게 할 수 있다. 이로 인하여 반응 효율을 극대화할 수 있다. In order to solve this problem, it is desirable that urea, a reducing agent, can be sprayed evenly throughout the reaction section in the SNCR process of a combustion furnace/preheater where NOx-containing combustion gas is generated by a combustion reaction during the cement manufacturing process. The greater the number of nozzles, the better, but the number of nozzles can be limited considering economic efficiency. also, When gas and raw materials are mixed, the particle size can be enlarged to push out the raw materials when the reducing agent reaches the gas layer and interferes with the reaction. Because of this, reaction efficiency can be maximized .
SNCR 반응기에서 연소가스의 유량(Nm3/min)을 일정하게 유지하고, 발생된 연소가스에 함유된 NOx 농도를 계측한다. 발생된 연소가스 내 NOx 농도의 변화에 따라 최적량으로 암모니아가 공급될 수 있도록 적정한 농도의 요소수를, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 요소수 분사용 이류체 분무노즐을 사용하여, 연소가스가 흐르는 덕트로 직접 분무한다. 요소수 분사용 이류체 분무노즐을 통해 요소수 주입시, 요소수의 분무량은 일정하게 유지하고, 요소수의 요소(Urea) 농도를 변화시킴으로써 요소(Urea)의 화학적 표준양론비를 변화시킬 수 있다. 요소수의 분무량을 일정하게 유지함으로써, 분무되는 요소수의 액적 크기, 분무거리, 분무각도 등을 일정하게 유지하여 탈질반응에 미치는 유체역학적 영향을 일정하게 유지할 수 있다. 덕트 외부에 내열 및 단열 Castable을 설치할 수 있다. 덕트의 길이 방향으로 연소가스의 온도측정을 위한 K-Type 열전대와 연소가스의 NO, CO, O2, NH3 농도를 측정하기 위한 Sampling Port를 50～100 cm 마다 설치할 수 있다. NO, CO, O2의 농도는 NDIR방식, NH3농도는 H3BO3를 흡수액으로 사용하는 중화적정법에 의해서 측정할 수 있다. In the SNCR reactor, the flow rate (Nm 3 /min) of combustion gas is kept constant, and the NOx concentration contained in the generated combustion gas is measured. Combustion is performed using a two-fluid spray nozzle for spraying urea water with an appropriate concentration so that ammonia can be supplied in an optimal amount according to changes in NOx concentration in the generated combustion gas, as shown in Figures 3 and 4. Spray directly into the duct where the gas flows. When injecting urea water through a double-fluid spray nozzle, the spray amount of urea water is kept constant, and the chemical standard stoichiometric ratio of urea can be changed by changing the urea concentration of urea water. . By keeping the spray amount of urea water constant, the droplet size, spray distance, spray angle, etc. of the sprayed urea water can be kept constant, thereby keeping the hydrodynamic influence on the denitrification reaction constant. Heat-resistant and insulating castables can be installed outside the duct. In the longitudinal direction of the duct, a K-Type thermocouple to measure the temperature of combustion gas and a sampling port to measure NO, CO, O 2 , and NH 3 concentrations of combustion gas can be installed every 50 to 100 cm. The concentrations of NO, CO, and O 2 can be measured by the NDIR method, and the NH 3 concentration can be measured by the neutralization titration method using H 3 BO 3 as an absorbent solution.
도 1의 SNCR 설비에서 NO제거반응은 분무된 요소수의 체류시간이 0.5초에 도달하기 이전에 거의 완결되며 체류시간이 0.5초 이상으로 증가하여도 NO저감효율은 거의 일정하게 유지될 수 있다.In the SNCR facility of Figure 1, the NO removal reaction is almost completed before the residence time of the sprayed urea solution reaches 0.5 seconds, and even if the residence time increases to 0.5 seconds or more, the NO reduction efficiency can be maintained almost constant.
예컨대, NO 저감효율은 환원제인 분무된 요소수의 주입온도가 840oC로부터 증가함에 따라 증가하여 960～980℃부근에서 최대값에 도달하고 환원제 주입온도가 더이상 증가하면 오히려 감소하는 SNCR 반응의 온도 의존성이 나타난다. SNCR 반응의 이러한 온도의존성은 분무된 요소수 액적의 최적 주입온도에서 요소수의 열분해로 생성된 환원제 암모니아와 NO의 환원반응이 빠른 속도로 일어나서 NO가 N2로 환원되어 최대 NO저감효율에 도달할 수 있다. 이때, 분무된 요소수 액적의 온도가 상승되지 않도록 냉각시키는 경우 요소수의 열분해로 생성된 환원제 암모니아의 NO제거 반응속도를 늦춰 암모니아가 미반응상태로 배출되어, 후단의 선택적 촉매 환원반응(SCR)에서 NOx의 환원제로 사용되도록 미반응 NH3 슬립을 생성시킬 수 있다. For example, the NO reduction efficiency increases as the injection temperature of sprayed urea water, which is a reducing agent, increases from 840 o C, reaching a maximum value around 960 to 980 ° C, and the temperature of the SNCR reaction decreases when the reducing agent injection temperature increases further. Dependency appears. This temperature dependence of the SNCR reaction is such that at the optimal injection temperature of the sprayed urea solution droplets, the reduction reaction between ammonia, a reducing agent generated by thermal decomposition of urea solution, and NO occurs at a rapid rate, and NO is reduced to N 2 to reach the maximum NO reduction efficiency. You can. At this time, when cooling the sprayed urea water droplets so that the temperature does not rise, the NO removal reaction rate of the reducing agent ammonia generated by thermal decomposition of urea water is slowed, and ammonia is discharged in an unreacted state, causing the selective catalytic reduction reaction (SCR) at the downstream stage. Unreacted NH 3 slip can be generated to be used as a reducing agent for NOx.
또한, 예열기(Preheater)에 온도가 적정한 (450℃∼550℃) 구간에 SNCR 노즐을 설치하여 SCR 에서 필요한 암모니아 환원제 양을 제어 공급하였다. In addition, an SNCR nozzle was installed in the preheater at an appropriate temperature (450℃∼550℃) to control and supply the amount of ammonia reducing agent required for SCR.
요소수가 환원제로 사용하는 SNCR 반응기에서는 환원제 주입온도, 환원제의 화학적 표준양론비(Normalized Stoichiometric Ratio ; NSR), 연소가스 체류시간과 같은 주요 공정변수가 NO저감효율 및 미반응 NH3 슬립 발생 정도에 영향을 미친다.In the SNCR reactor where urea water is used as a reducing agent, key process variables such as reducing agent injection temperature, reducing agent normalized stoichiometric ratio (NSR), and combustion gas residence time affect NO reduction efficiency and the degree of unreacted NH 3 slip. It's crazy.
SNCR 설비에서, 연소로 및/또는 프리히터 내부의 온도는 850 ~ 1030 ℃이고 전산유체 해석 (CFD)을 통해 분진이 편중되지 않고 일정하게 내려오면서 온도가 균일한 지점(들)에 요소수 분사 노즐을 설치하고 요소수 분사용 이류체 분무노즐을 통해 요소수 분무 액적의 크기가 300㎛ 이상으로 요소수 분무 시, 분진에 의한 노즐 팁의 막힘없이 그리고 요소수가 열분해되어 암모니아가 생성되고 암모니아 슬립 발생과 함께 이로 인해 ~ 45 %의 탈질 효율이 나타났다. In SNCR equipment, the temperature inside the combustion furnace and/or preheater is 850 ~ 1030 ℃, and through computational fluid analysis (CFD), the dust is not biased and falls steadily, and the urea water injection nozzle is placed at the point(s) where the temperature is uniform. When installing and spraying urea water through a double-fluid spray nozzle for urea water spraying with a size of 300㎛ or more, urea water spraying does not cause clogging of the nozzle tip due to dust, and urea water is thermally decomposed to generate ammonia and ammonia slip. Together this resulted in a denitrification efficiency of ~45%.
이어서, SNCR 설비 후단에 설치되고, SNCR 설비에서 발생시킨 미반응 NH3 슬립을 NOx의 환원제로 사용하면서 촉매 상에서 선택적 촉매 환원반응(SCR)을 수행하는 SCR 설비를 통해, 시멘트 제조 공정에서도 NOx 배출 규제를 만족할 수 있었다. Subsequently, NOx emissions are regulated in the cement manufacturing process through the SCR facility, which is installed at the rear of the SNCR facility and performs a selective catalytic reduction reaction (SCR) on the catalyst while using the unreacted NH 3 slip generated in the SNCR facility as a reducing agent for NOx. was able to satisfy.
1: SCR 반응기
2: 촉매
3: 수트 블로워1: SCR reactor
2: Catalyst
3: Soot blower
Claims (18)
(2) 배가스를 기준으로 SNCR 설비 후단에 설치되고, SNCR 설비에서 발생시킨 미반응 NH3 슬립을 NOx의 환원제로 사용하면서 촉매 상에서 선택적 촉매 환원반응(SCR)을 수행하는 SCR 설비
를 포함하되,
NHx 기반 환원제 분사 노즐이 설치되는, 분진이 편중되지 않고 일정하게 내려오는 지점(들)은, SNCR 설비의 전산유체 해석 (CFD)을 통해 NHx 기반 환원제 분사 노즐이 설치되는 지점을 기준으로 NHx 기반 환원제 분사 노즐에서 분사되는 NHx 기반 환원제 액적의 체류시간 동안 NHx 기반 환원제 액적이 다다를 수 있는 범위에서 배가스 내 분진이 편중되지 않는 것이고,
NHx 기반 환원제 분사 노즐이 설치되는, 온도가 균일한 지점(들)은, SNCR 설비의 전산유체 해석 (CFD)을 통해 NHx 기반 환원제 분사 노즐이 설치되는 지점을 기준으로 NHx 기반 환원제 분사 노즐에서 분사되는 NHx 기반 환원제 액적의 체류시간 동안 NHx 기반 환원제 액적이 다다를 수 있는 범위에서, 온도가 균일한 지점인 것이 특징인 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템. (1) Through computational fluid dynamics (CFD) applying data on the amount of dust and particle size within the SNCR facility, the NHx-based reducing agent injection nozzle is located at a point(s) where the temperature is uniform and the dust is not biased and falls steadily. This system is installed to increase the efficiency of the selective non-catalytic reduction reaction (SNCR) and achieve a NOx reduction rate of 40 to 50% through leveling control, while acting as a reducing agent for NOx in the selective catalytic reduction reaction (SCR) at the downstream stage. SNCR equipment that controls the degree of slip generation of unreacted NH 3 by adjusting the particle size of the NHx-based reducing agent droplets sprayed from the nozzle; and
(2) An SCR facility that is installed at the rear of the SNCR facility based on exhaust gas and performs a selective catalytic reduction reaction (SCR) on the catalyst while using unreacted NH 3 slip generated in the SNCR facility as a reducing agent for NOx.
Including,
The point(s) where the NHx-based reducing agent injection nozzle is installed, where dust is not biased and comes down consistently, is determined by calculating the NHx-based reducing agent based on the point where the NHx-based reducing agent injection nozzle is installed through computational fluid analysis (CFD) of the SNCR facility. During the residence time of the NHx-based reducing agent droplets sprayed from the injection nozzle, the dust in the exhaust gas is not concentrated in the range that the NHx-based reducing agent droplets can reach,
The point(s) where the NHx-based reducing agent injection nozzle is installed and the temperature is uniform is the point(s) where the NHx-based reducing agent injection nozzle is installed, based on the point where the NHx-based reducing agent injection nozzle is installed, through computational fluid analysis (CFD) of the SNCR facility. A SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system characterized by a point where the temperature is uniform in the range that the NHx-based reducing agent droplets can reach during the residence time of the NHx-based reducing agent droplets.
SNCR 설비는 미반응 암모니아가 발생하도록 이류체 분무노즐을 통해 액적 입자크기를 크게 조절하여 NHx 기반 환원제 분사량을 증가시키는 것이 특징인 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템.The SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system according to claim 1, which is designed to use an NHx-based reducing agent as a reducing agent for NOx in the SNCR facility and to use ammonia slip generated in the SNCR facility as a reducing agent for NOx in the SCR facility,
The SNCR facility is a SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system that is characterized by increasing the injection amount of NHx-based reducing agent by greatly controlling the droplet particle size through a two-fluid spray nozzle to generate unreacted ammonia.
NHx 기반 환원제 분사노즐은 NHx 기반 환원제 주입관 및 압축공기 주입관 외부에 동심원상으로 배치되고, 노즐팁까지 연장되어 있으나 내부 공간에서 흐르는 냉각 유체가 노즐 캡을 통해 분사되지 않는 노즐 보호용 냉각 유체 주입관을 추가로 구비한 이류체 분무노즐이고,
노즐 팁 근처에서 노즐 보호용 냉각 유체 주입관으로부터 냉각 유체가 분사되는 경우, 분사되는 냉각 유체의 팽창에 의해 분진이 노즐 팁 근처로 유입되는 흐름을 방해하는 방패층 및/또는 노즐 캡을 통해 분사되는 NHx 기반 환원제 액적의 가열을 늦추는 단열 방패층을 형성하는 것이 특징인 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템.The SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system according to claim 1, which is designed to use an NHx-based reducing agent as a reducing agent for NOx in the SNCR facility and to use ammonia slip generated in the SNCR facility as a reducing agent for NOx in the SCR facility,
The NHx-based reducing agent injection nozzle is concentrically arranged outside the NHx-based reducing agent injection pipe and the compressed air injection pipe, and extends to the nozzle tip, but is a nozzle protection cooling fluid injection pipe that prevents the cooling fluid flowing in the internal space from being sprayed through the nozzle cap. It is a two-fluid spray nozzle additionally equipped with,
When cooling fluid is sprayed from the nozzle protection cooling fluid injection pipe near the nozzle tip, NHx is sprayed through a shield layer and/or nozzle cap that obstructs the flow of dust near the nozzle tip due to expansion of the sprayed cooling fluid. A SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system characterized by forming an insulating shield layer that slows down the heating of the base reducing agent droplets.
SNCR 설비에서 암모니아 슬립이 발생하도록, 환원제의 표준 양론비(Normalized Stoichiometric Ratio, NSR, [NH3]환원제/[NOx])가 1.5 이상인 것이 특징인 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템.The SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system according to claim 1, which is designed to use an NHx-based reducing agent as a reducing agent for NOx in the SNCR facility and to use ammonia slip generated in the SNCR facility as a reducing agent for NOx in the SCR facility,
A SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system characterized by a Normalized Stoichiometric Ratio (NSR, [NH 3 ] reducing agent / [NOx]) of 1.5 or more of the reducing agent so that ammonia slip occurs in SNCR equipment.
고정 촉매층을 연속적으로 흐르는 배가스 흐름에 대해, 고정 촉매층 전단, 후단 또는 둘다에 설치된 수트 블로워(soot blower)을 통해 간헐적으로 압축공기를 분사하여 순방향, 역방향 또는 두 방향 모두 교란을 제공하여,
(1) 배가스 내 분진이 고정 촉매층에 부착 또는 침적하는 것을 억제하면서,
(2) 간헐적으로 분사되는 압축공기에 의해 반응물인 산소 가스를 최대한 멀리까지 공급함과 동시에, 간헐적인 순방향, 역방향 또는 두 방향 모두 교란을 통해 각 고정 촉매층 내 길이방향 반응가스 구배를 제거 또는 약화하는 방향으로 반응가스를 혼합시켜 SCR 반응기의 전체 질소산화물 제거 효율을 상승시키도록 설계된 것이 특징인 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템.The method of claim 1, wherein the SCR facility performs selective catalytic reduction (SCR) on dust and NOx-containing exhaust gas and ammonia gas,
For the exhaust gas flow continuously flowing through the fixed catalyst layer, compressed air is sprayed intermittently through a soot blower installed in the front, rear, or both of the fixed catalyst layer to provide disturbance in the forward, reverse, or both directions.
(1) While suppressing dust in the exhaust gas from adhering to or depositing on the fixed catalyst layer,
(2) Supplying oxygen gas as a reactant as far as possible by intermittently sprayed compressed air, while simultaneously removing or weakening the longitudinal reaction gas gradient within each fixed catalyst layer through intermittent disturbance in the forward, reverse, or both directions. SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system is designed to increase the overall nitrogen oxide removal efficiency of the SCR reactor by mixing reaction gases.
촉매층과 일정 간격을 두고 압축공기를 분사하는 다수개의 수트 블로워들이 수직 방향으로 배치되어 있는 것이 특징인 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템.The method of claim 8, wherein the SCR facility has two or more stages of fixed catalyst layers spaced apart in the vertical direction with respect to the exhaust gas flow,
A SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system characterized by a number of soot blowers arranged vertically that spray compressed air at regular intervals from the catalyst layer.
수트 블로워는 (1) 각 촉매층 하단에 배가스 흐름과 동일한 방향 또는 (2) 각 촉매층 하단에 배가스 흐름과 동일한 방향 및 각 촉매층 상단에 배가스 흐름과 반대 방향으로, 압축공기를 분사하는 것이거나;
수트 블로워는 (1) 각 촉매층 상단에 배가스 흐름과 동일한 방향 또는 (2) 각 촉매층 상단에 배가스 흐름과 동일한 방향 및 각 촉매층 하단에 배가스 흐름과 반대 방향으로, 압축공기를 분사하는 것이 특징인 SNCR-SCR 하이브리드 질소산화물 저감 시스템.The method of claim 8, wherein the catalyst layers are stacked vertically spaced apart in multiple stages, and the exhaust gas flow flows from the vertical bottom of the catalyst layer to the top,
The soot blower sprays compressed air (1) in the same direction as the exhaust gas flow at the bottom of each catalyst layer, or (2) in the same direction as the exhaust gas flow at the bottom of each catalyst layer and in the opposite direction to the exhaust gas flow at the top of each catalyst layer;
The soot blower is an SNCR-type system that is characterized by spraying compressed air in (1) the same direction as the exhaust gas flow at the top of each catalyst layer, or (2) in the same direction as the exhaust gas flow at the top of each catalyst layer and in the opposite direction to the exhaust gas flow at the bottom of each catalyst layer. SCR hybrid nitrogen oxide reduction system.
SNCR 설비에서 이류체 분무 노즐로부터 분사된 요소수의 요소 분해반응을 수행하여 암모니아를 생성시키고, 요소수의 요소 분해반응에 의해 생성된 암모니아에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하면서, 미반응 NH3 슬립 발생 정도를 제어(CONTROL)하는 제1단계; 또는
SNCR 설비에서 이류체 분무 노즐로부터 분사된 NHx 기반 환원제에 의해 NOx 함유 연소가스의 NOx 환원반응을 수행하면서, 미반응 NH3 슬립 발생 정도를 제어(CONTROL)하는 제1단계; 및
SCR 설비에서 SNCR 설비에서 발생시킨 미반응 NH3 슬립을 NOx의 환원제로 사용하면서 선택적 촉매 환원법(SCR)을 수행하는 제2단계
를 포함하는 것이 특징인 NOx 함유 연소가스 처리 방법.A method of treating combustion gas containing NOx using the SNCR-SCR hybrid nitrogen oxide reduction system according to any one of claims 1 to 13, comprising:
In the SNCR facility, ammonia is generated by performing a urea decomposition reaction of urea water sprayed from a two-fluid spray nozzle, and a NOx reduction reaction of NOx-containing combustion gas is performed by ammonia generated by the urea decomposition reaction of urea water. A first step of controlling the degree of reaction NH 3 slip; or
A first step of controlling the degree of unreacted NH 3 slip while performing a NOx reduction reaction of NOx-containing combustion gas by an NHx-based reducing agent sprayed from a two-fluid spray nozzle in the SNCR facility; and
The second step of performing selective catalytic reduction (SCR) using unreacted NH 3 slip generated in the SNCR facility as a reducing agent for NOx in the SCR facility.
A method of treating combustion gas containing NOx, characterized in that it includes.
The cement manufacturing method according to claim 17, wherein the cement manufacturing process uses industrial by-products as cement raw materials or fuel.
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