KR102660652B1 - 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치 및 기화 요소수 주입방법 - Google Patents

소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치 및 기화 요소수 주입방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치 및 기화 요소수 주입방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소각로에서 발생되는 폐열(스팀)을 기화 열원으로 사용하여 소각로 내부에 기화된 요소수를 주입하는 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치 및 기화 요소수 주입방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치는 소각로에서 배출되어 재순환되는 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스를 열교환기(200)로 압송하는 송풍기(100); 상기 송풍기(100)에 의해 압송된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스를 소각로의 잉여 스팀과 열교환시키는 열교환기(200); 소각로의 잉여 스팀을 공급받아 액상의 요소수를 기화시키는 요소수 기화기(300); 및 상기 열교환기(200)에 의해 가열된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스와 요소수 기화기(300)에 의해 기화된 요소수를 혼합하는 혼합기(400);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치 및 기화 요소수 주입방법{Apparatus and method for injecting vaporized urea solution using waste heat of incinerator}
본 발명은 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치 및 기화 요소수 주입방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소각로에서 발생되는 폐열(스팀)을 기화 열원으로 사용하여 소각로 내부에 기화된 요소수를 주입하는 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치 및 기화 요소수 주입방법에 관한 것이다.
일반적으로 공장이나 발전소의 연소로 또는 소각로나 내연기관 등에서 화석연료나 폐기물 등을 연소시켜 에너지를 얻을 때 배출되는 연소가스에는 질소산화물, 황산화물 등의 유해 물질이 함유되어 있으며, 이러한 유해 물질을 제거하고 저감시키기 위하여 다양한 기술이 개발되고 있다.
질소산화물을 저감하는 대표적인 방법으로는 촉매를 사용하는 선택적 촉매 환원법(SCR: Selective Catalytic Reduction)과 촉매를 사용하지 않는 선택적 비촉매 환원법(SNCR: Selective Non- Catalytic Reduction)이 있다.
선택적 촉매 환원법(SCR)은 화석연료를 사용하는 보일러, 가스터빈, 내연기관 등에 광범위하게 적용되어 효과적으로 사용되는 NOx 제거 방법이다. 이 방법의 원리는 공기 또는 스팀으로 희석한 암모니아 가스를 배기가스로 분사한 후 이를 촉매층으로 공급하여 NOx를 환원시키는 것이다.
선택적 비촉매 환원법(SNCR)은 촉매를 사용하지 않고 고온의 배기가스에 직접 환원제를 분사하여 NOx를 분해하는 방법으로서, 환원제로는 암모니아수 또는 요소수가 사용된다.
대부분의 소각시설에서는 환원제로 요소수를 사용하고 있으며, 이류체 노즐을 통하여 분사된 요소수는 연소가스 중 질소산화물을 질소와 수증기로 환원시킨다.
이러한 선택적 비촉매 환원법(SNCR)의 경우에 초기 투자비 및 유지비가 적다는 장점이 있으나, 요소수가 액상으로 주입되기 때문에 질소산화물과의 반응 효율이 낮아 일부 미반응된 요소수가 대기 중으로 배출되는 암모니아 슬립 발생에 대한 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 기술의 일례가 하기 문헌 1에 개시되어 있다.
특허문헌 1에는 소각로 내에 요소수를 분사하는 요소수 분사방법으로서, 소각로에서 배출된 연소가스에서 분기되어 재순환되는 재순환 가스를 요소수 분사장치로 공급하는 단계; 상기 요소수 분사장치에서 상기 재순환 가스를 가열하는 단계; 및 상기 요소수 분사장치에서 상기 가열된 재순환 가스에 요소수를 주입하여 혼합한 후 소각로 내부로 분사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 소각로 내부열을 이용한 요소수 분사방법에 대해 개시되어 있다.
그러나, 종래의 기술은 재순환 가스를 열원 및 캐리어 가스로 활용하고 있으며, 특히, 재순환 가스를 열원으로 이용하기 위하여 고온의 조건이 요구되는데, 이때 요소수의 기화를 위해서 재순환 가스를 300℃의 고온으로 가열해야 하고, 충분한 열량 공급을 위해 많은 풍량을 필요로 한다.
또한, 소각로에서 배출되어 재순환되는 고온의 배기가스 중에는 분진이나 부식성 이물질 등이 포함되어 있는데, 이러한 이물질이 고온의 배기가스와 함께 소각로에 유입되어 슬래그 형태로 벽에 부착된다. 이로 인해, 열전달 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 청소를 위해 소각로 전체의 가동을 정지시켜야 하는 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-2464835호(2022.11.10. 공고)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 소각로에서 발생되는 폐열(스팀)을 이용하여 요소수를 기화시킨 후 소각로 내부에 주입함으로써 고온과 많은 풍량을 필요로 하지 않는 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치 및 기화 요소수 주입방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 연돌 배기가스 등의 저온 가스를 활용하므로 고온의 배기가스에 포함되는 분진이나 부식성 이물질 등이 소각로에 유입되는 것을 방지할 수 있는 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치 및 기화 요소수 주입방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 요소수 기화기의 특정 내부 온도 및 내부 압력 조건에 따라 요소수의 기화가 증가되어 결정이 생성되지 않는 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치 및 기화 요소수 주입방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명에 따른 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치는 소각로에서 배출되어 재순환되는 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스를 열교환기(200)로 압송하는 송풍기(100); 상기 송풍기(100)에 의해 압송된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스를 소각로의 잉여 스팀과 열교환시키는 열교환기(200); 소각로의 잉여 스팀을 공급받아 액상의 요소수를 기화시키는 요소수 기화기(300); 및 상기 열교환기(200)에 의해 가열된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스와 요소수 기화기(300)에 의해 기화된 요소수를 혼합하는 혼합기(400);를 포함하며, 상기 요소수 기화기(300)는, 각각 다른 유체가 유입 및 유출되면서 상호 간에 열교환이 이루어지도록 원통 형상의 동체로 이루어진 쉘과, 상기 쉘의 내부에 평행하게 배치되는 다수의 튜브를 포함하는 쉘앤튜브(Shell and Tube) 열교환기 타입으로 구성되고, 쉘 내부에 잉여 스팀과 액상의 요소수를 공급하는 공급 영역과, 요소수가 흘러 잉여 스팀과의 사이에서 열교환하는 열교환 영역과, 기화된 요소수를 배출시키는 배출 영역이 마련되고, 요소수 저장탱크(510)에서 요소수를 공급받고, 폐열보일러(600)에서 잉여 스팀을 공급받은 다음, 일정한 내부 압력을 조성하도록 압력 제어밸브(520)에 의해 제어되며, 상기 요소수 기화기(300)의 내부 온도는 148~153℃이고, 상기 요소수 기화기(300)의 내부 압력은 3bar이며, 상기 요소수 기화기(300)에 공급되는 스팀의 압력은 5bar이고, 상기 혼합기(400)는, 일측이 열교환기(200)와 요소수 기화기(300)에 각각의 배관으로 연결되고, 타측이 소각로와 배관으로 연결되며, 메인유체와 혼합유체가 유입되어 내부에 구비된 엘리멘트(Element)를 지나며 빠른 시간내에 혼합시키는 라인믹서(Line mixer)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입방법은 각각 다른 유체가 유입 및 유출되면서 상호 간에 열교환이 이루어지도록 원통 형상의 동체로 이루어진 쉘과, 상기 쉘의 내부에 평행하게 배치되는 다수의 튜브를 포함하는 쉘앤튜브(Shell and Tube) 열교환기 타입으로 구성되고, 쉘 내부에 잉여 스팀과 액상의 요소수를 공급하는 공급 영역과, 요소수가 흘러 잉여 스팀과의 사이에서 열교환하는 열교환 영역과, 기화된 요소수를 배출시키는 배출 영역이 마련되고, 요소수 저장탱크(510)에서 요소수를 공급받고, 폐열보일러(600)에서 잉여 스팀을 공급받은 다음, 일정한 내부 압력을 조성하도록 압력 제어밸브(520)에 의해 제어되는 요소수 기화기(300)에 액상의 요소수를 공급하는 단계; 소각로의 잉여 스팀을 요소수 기화기(300)와 열교환기(200)에 각각 공급하는 단계; 상기 요소수 기화기(300)의 요소수와 송풍기(100)에 의해 압송된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스를 가열하는 단계; 기화된 요소수와 가열된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스를 혼합기(400)에 공급하여 일정 비율로 혼합하는 단계; 및 혼합된 혼합기체를 소각로 내부로 주입하는 단계;를 포함하며, 상기 요소수 기화기(300)의 내부 온도는 148~153℃이고, 상기 요소수 기화기(300)의 내부 압력은 3bar이며, 상기 요소수 기화기(300)에 공급되는 스팀의 압력은 5bar이고, 상기 혼합기(400)는, 일측이 열교환기(200)와 요소수 기화기(300)에 각각의 배관으로 연결되고, 타측이 소각로와 배관으로 연결되며, 메인유체와 혼합유체가 유입되어 내부에 구비된 엘리멘트(Element)를 지나며 빠른 시간내에 혼합시키는 라인믹서(Line mixer)로 구성되고, 상기 소각로의 잉여 스팀은 폐열보일러(600)에서 발생되어 헤더를 통해 분기되어 각각 열교환기(200)와 요소수 기화기(300)로 공급하며, 상기 기화된 요소수와 가열된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스는 5~20:80~95 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
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상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치 및 기화 요소수 주입방법은 소각로에서 발생되는 폐열(스팀)을 이용하여 요소수를 기화시킨 후 소각로 내부에 주입함으로써, 고온과 많은 풍량을 필요로 하지 않으므로 스팀 에너지의 소비를 최소화하는 효과가 있다.
또한, 연돌 배기가스 등의 저온 가스를 활용하므로 고온의 배기가스에 포함되는 분진이나 부식성 이물질 등이 소각로에 유입되는 것을 방지하는 효과가 있다.
또한, 요소수 기화기의 특정 내부 온도 및 내부 압력 조건에 따라 요소수의 기화가 증가되어 결정이 생성되지 않으므로 요소수 기화기의 표면에 부착되는 스케일 생성을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치를 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치의 요소수 기화기를 나타낸 예시도.
도 3은 요소수 기화 테스트 실험장치를 나타낸 구성도.
도 4는 도 3에 따른 실험장치의 내부 압력 조건에 따른 기화 후 요소수 상태를 나타낸 이미지.
도 5는 도 3에 따른 실험장치의 내부 온도 및 내부 압력 조건이 요소수 기화에 미치는 영향을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치의 혼합기를 나타낸 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입방법을 나타낸 공정도.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치는 소각로에서 발생되는 잉여 스팀을 기화 열원으로 사용하여 소각로 내부에 기화된 요소수를 주입하는 장치로서, 송풍기(100), 열교환기(200), 요소수 기화기(300) 및 혼합기(400)를 포함한다.
상기 송풍기(100)는 소각로에서 배출되어 재순환되는 저온의 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스를 열교환기(200)로 압송한다.
저온의 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스는 연돌 등에서 흡입되기 때문에 상대적으로 깨끗하고 낮은 온도의 기체이다.
저온의 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스는 기화된 요소수의 재응축을 방지하고, 단순히 이송용으로 사용되므로 고사양의 열교환기가 필요하지 않으며, 특히, 일부 잉여 스팀을 열원으로 사용할 경우 높은 잠열이 활용 가능하여 작은 전열면적의 열교환기 사용으로 비용을 절감할 수 있다.
상기 열교환기(200)는 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스가 이송되는 재순환 관로상에 설치되어 송풍기(100)에 의해 압송된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스를 소각로의 잉여 스팀과 열교환시킨다.
이러한 열교환기(200)는 스테인리스 강판을 여러 장을 겹쳐 조립한 판형 열교환기를 적용하는 것이 바람직하다.
상기 열교환기(200)에는 재순환된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스를 가열하기 위하여 잉여 스팀이 공급된다. 이는 기화된 요소수가 가열되지 않은 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스와 혼합될 경우 온도가 낮아져서 재응축이 발생되는 것을 방지하기 위함이다.
상기 요소수 기화기(300)는 소각로의 잉여 스팀을 공급받아 액상의 요소수를 기화시킨다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 요소수 기화기(300)는 각각 다른 유체가 유입 및 유출되면서 상호 간에 열교환이 이루어지도록 원통 형상의 동체로 이루어진 쉘과, 상기 쉘의 내부에 평행하게 배치되는 다수의 튜브를 포함하는 쉘앤튜브(Shell and Tube) 열교환기 타입으로 구성되는 것이 바람직하다.
이러한 요소수 기화기(300)는 쉘 내부에 잉여 스팀과 액상의 요소수를 공급하는 공급 영역과, 요소수가 흘러 잉여 스팀과의 사이에서 열교환하는 열교환 영역과, 기화된 요소수를 배출시키는 배출 영역이 마련되어 있다.
한편, 상기 요소수 기화기(300)는 요소수 저장탱크(510)에서 요소수를 공급받고, 폐열보일러(600)에서 잉여 스팀을 공급받은 다음, 일정한 내부 압력을 조성하도록 압력 제어밸브(520)에 의해 제어된다. 이 밖에도, 요소수 저장탱크(510) 내의 요소수를 펌핑하여 요소수 기화기(300)로 공급하도록 요소수 공급펌프(530)가 설치된다.
또한, 요소수의 유량은 밸브 및 유량계, 요소수 기화기의 내부 수위를 통해 제어되고, 잉여 스팀 및 기화된 요소수는 요소수 기화기 내부 압력을 기반으로 제어밸브를 통해 제어된다.
상기 요소수 기화기(300)에는 요소수 기화기(300)의 내에서 기화되는 만큼의 요소수를 펌프로 보충하여 항상 일정한 양의 액상 요소수가 수용된다.
이하, 요소수 기화가 가능한 특정 내부 온도 및 내부 압력 조건을 추출하고, 요소수 기화기 설계 산출식에 필요한 설계 인자를 선정된 최적의 운전 조건에서 추출하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 요소수를 기화시키기 위해 실험반응기(1)를 준비하였다.
히터 열량(2)은 사용할 열원 스팀의 총 열량을 측정하기 위한 것이고, 히터 표면온도(30)는 사용할 열원 스팀의 공급 온도를 측정하기 위한 것이다.
실험반응기의 내부 요소수 온도(4) 및 요소수 압력(5)은 실험반응기에서 요소수가 안정적으로 기화되는 온도/압력을 측정하기 위한 것이다. 이때, 온도/압력은 열역학적 포화상태를 의미한다.
따라서, 반응기의 압력만 제어하면, 실험반응기의 온도/압력을 제어할 수 있으므로, 이를 압력제어밸브, 반응기 PRV(6)를 사용하여 제어한다. 이때, 제어 압력은 3bar로 설정하였고, 실험반응기 압력이 3bar를 넘어갈 경우 자동으로 실험반응기 외부로 배출된다.
상기 조건 (2)~(6)이 모두 제어되어 안정적으로 운전되고, 실험반응기 압력이 3bar를 넘는 경우, PRV를 통해서 기화된 요소수가 실험반응기 외부로 배출되며, 요소수 기화 물질을 육안으로 확인하기 위하여 가스응축기(7)를 설치하였다.
최종적으로, [요소수 기화 발생량]=[실험 전 요소수 무게]-[실험 후 요소수 무게]를 측정하여 확인하였고, 실제 가스응축기를 통해 배출되는 기화 요소수의 상태를 확인하였다.
요소수 기화기 설계를 위해서, 히터 열량과 요소수 기화 발생량을 활용하여, 요소수 기화에 필요한 열역학적 요소수 기화 엔탈피(△eexp)를 실험적으로 산출하였다.
여기서, qnet은 히터 열량, murea는 요소수 기화 발생량, △eexp는 실험을 통해 얻게 되는 값을 의미한다.
실제 요소수 기화기 설계를 위해서, 그 형태를 일반적인 쉘앤튜브 타입의 열교환기 형태로 선정할 경우, 일반적인 열교환기 설계 방법을 활용하여 설계가 가능하다.
이때, 열전달 관련 인자, 요소수 기화에 필요한 열전달계수 hexp를 실험적으로 산출하였다.
여기서, qnet은 히터 열량, hexp는 실험을 통해 얻게 되는 값, As는 히터 표면 전열면적, Tw는 히터 표면온도, Tl은 실험반응기 요소수 온도를 의미한다.
실험 인자 활용, 열교환기 형태/타입 선정, 사이즈 선정 등을 통해 요소수 기화기 설계를 위해서, 요소수 기화기의 발생량(목표값) murea를 선정하고, 실험반응기에서 기화에 필요한 요구 열량 qHEX를 산출하였다. 여기서, urea는 요소수를 의미하고, HEX는 Heat exchanger의 약자 표기를 의미한다.
이때, 요소수 기화 엔탈피(△eexp)는 실험에서 산출된 값을 의미한다.
여기서, qHEX는 요소수 기화에 필요한 열량, murea_HEX는 요소수 기화 발생량, △eexp는 요소수 기화 엔탈피 값을 의미한다.
요소수 기화기에 산출된 요구 열량 qHEX를 이용하여 최종적으로 필요한 열교환기 전열면적 AS_HEX를 산출하였다.
이때, 요소수 기화 실험 열전달계수 Uexp는 두가지 요소를 포함하고 있으며, 실험에서 산출된 요소수 열전달계수 hexp, 일반적인 문헌 상관식에서 산출 가능한 스팀 응축 열전달계수 hcond이다.
최종적으로, 기화기 전열면적 AS_HEX를 갖는 열교환기를 설계할 수 있다.
여기서, qHEX는 요소수 기화에 필요한 열량, Uexp는 요소수 기화 실험 총괄열전달계수, AS_HEX는 기화기 전열면적, Tw는 가열 표면온도, Tl은 실험반응기 요소수 온도를 의미한다.
한편, 상기 요소수 기화기(300)의 내부 온도는 148~153℃인 것이 바람직하고, 상기 요소수 기화기(300)의 내부 압력은 3bar인 것이 바람직하다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 요소수 기화기(300)의 내부 온도가 141~145℃이고, 내부 압력이 2bar인 경우에는 요소수가 일부 기화되었으나, 흰색의 결정이 생성되는 것을 확인할 수 있다.
이에 반해, 요소수 기화기(300)의 내부 온도가 148~153℃이고, 내부 압력이 3bar 인 경우에는 요소수의 기화가 증가되었고, 결정이 생성되지 않는 것을 확인할 수 있다.
이처럼, 본 발명은 요소수 기화기(300)의 특정 내부 온도 및 내부 압력 조건에 따라 요소수의 기화가 증가되어 결정이 생성되지 않으므로 요소수 기화기(300)의 표면에 부착되는 스케일 생성을 방지할 수 있다.
한편, 상기 요소수 기화기(300)에 공급되는 스팀의 압력은 5bar인 것이 바람직하다.
즉, 상기 요소수 기화기(300)는 요소수를 암모니아로 전환하는 것이 아니라, 액적 또는 미립화 등의 상태로 가열하여 요소수를 기화시키기 위한 것이다.
일례로, 요소수를 암모니아로 완전히 전환하기 위해서는 기화기 온도가 157℃로 유지해야 하고, 10bar의 스팀 공급이 필요하여 추가적인 설비가 필요하지만, 요소수를 기화시키기 위해서는 5bar의 스팀으로도 운전이 가능하며, 소각로의 일반적인 폐열보일러에서 공급이 가능하다.
상기 혼합기(400)는 상기 열교환기(200)에 의해 가열된 FGR 가스와 요소수 기화기(300)에 의해 기화된 요소수를 혼합한다.
즉, 상기 혼합기(400)는 일측이 열교환기(200)와 요소수 기화기(300)에 각각의 배관으로 연결되고, 타측이 소각로와 배관으로 연결된다.
도 1 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 혼합기(400)는 특별한 동력없이 메인유체와 혼합유체가 유입되어 내부에 구비된 엘리멘트(Element)를 지나며 빠른 시간내에 혼합시키는 라인믹서(Line mixer)로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 혼합기(400)를 통하여 혼합된 혼합기체는 배관을 통해 소각로 내부로 주입된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 폐열보일러(600)는 소각로에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 폐열을 회수하기 위한 것으로, 소각로 일측에 설치된다. 이 경우, 배기가스는 폐열보일러(600)를 통과하면서 열교환이 이루어져 냉각되고, 폐열보일러(600)는 회수된 열을 이용하여 스팀을 발생시켜 열교환기(200) 및 요소수 기화기(300)에 공급하게 된다.
이하, 본 발명에 따른 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치를 이용하여 소각로에 기화 요소수를 주입하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입방법은 액상 요소수 공급단계, 잉여 스팀 공급단계, 요소수 및 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스 가열단계, 혼합단계 및 혼합기체 주입단계를 포함한다.
상기 액상 요소수 공급단계에서는 액상의 요소수를 요소수 기화기(300)에 공급한다.
부연하면, 상기 액상 요소수 공급단계에서는 요소수 저장탱크(510)와 요소수 기화기(300) 사이에 연결된 배관라인에 설치된 요소수 공급펌프(530)에 의해 요소수 저장탱크(510) 내의 요소수를 펌핑하여 요소수 기화기(300)로 공급한다.
상기 잉여 스팀 공급단계에서는 소각로의 잉여 스팀을 요소수 기화기(300)와 열교환기(200)에 각각 공급한다.
보통 소각로에서 배출되는 고온의 배기가스는 폐열보일러(600)를 거치면서 열교환이 이루어져 냉각되고, 이 과정에서 발생된 스팀은 재활용을 위해 사용처로 공급된다.
이에, 소각로의 잉여 스팀은 폐열보일러(600)에서 발생되어 헤더를 통해 분기되어 각각 열교환기(200)와 요소수 기화기(300)로 공급한다.
상기 열교환기(200)와 요소수 기화기(300)에 소각로의 잉여 스팀을 공급함으로써 열교환이 이루어지도록 함은 물론 에너지 비용을 절감할 수 있다.
상기 요소수 및 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스 가열단계에서는 상기 요소수 기화기(300)의 요소수와 송풍기(100)에 의해 압송된 FGR 가스를 가열한다.
상기 요소수 및 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스 가열단계에서는 재순환된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스를 가열하기 위하여 열교환기(200)에 잉여 스팀이 공급된다. 이는 기화된 요소수가 가열되지 않은 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스와 혼합될 경우 온도가 낮아져서 재응축이 발생되는 것을 방지하기 위함이다.
상기 혼합단계에서는 기화된 요소수와 가열된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스를 혼합기(400)에 공급하여 일정 비율로 혼합한다.
상기 기화된 요소수와 가열된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스는 5~20:80~95 중량비로 혼합된다. 바람직하게는 5:95 중량비로 혼합되는 것이 좋다.
상기 기화된 요소수와 가열된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스의 혼합 비율은 요소수 운전 사용량을 기준으로 설정하였으며, 특히 상기 혼합 비율 범위를 벗어나게 되면 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스가 유해물질 저감에 필요한 요건을 충족하지 못하거나 과도한 요소수 소비가 발생되는 문제가 있다.
상기 혼합기체 주입단계에서는 혼합된 혼합기체를 소각로 내부로 주입한다.
즉, 소각로 내부에 기화된 혼합기체가 주입되기 때문에 질소산화물 저감 효율을 극대화시키는 한편, 고온과 많은 풍량을 필요로 하지 않는 장점이 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.
100 : 송풍기 200 : 열교환기
300 : 요소수 기화기 400 : 혼합기
510 : 요소수 저장탱크 520 : 압력 제어밸브
530 : 요소수 공급펌프 600 : 폐열보일러

Claims (8)

  1. 소각로에서 배출되어 재순환되는 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스를 열교환기(200)로 압송하는 송풍기(100);
    상기 송풍기(100)에 의해 압송된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스를 소각로의 잉여 스팀과 열교환시키는 열교환기(200);
    소각로의 잉여 스팀을 공급받아 액상의 요소수를 기화시키는 요소수 기화기(300); 및
    상기 열교환기(200)에 의해 가열된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스와 요소수 기화기(300)에 의해 기화된 요소수를 혼합하는 혼합기(400);를 포함하며,
    상기 요소수 기화기(300)는, 각각 다른 유체가 유입 및 유출되면서 상호 간에 열교환이 이루어지도록 원통 형상의 동체로 이루어진 쉘과, 상기 쉘의 내부에 평행하게 배치되는 다수의 튜브를 포함하는 쉘앤튜브(Shell and Tube) 열교환기 타입으로 구성되고, 쉘 내부에 잉여 스팀과 액상의 요소수를 공급하는 공급 영역과, 요소수가 흘러 잉여 스팀과의 사이에서 열교환하는 열교환 영역과, 기화된 요소수를 배출시키는 배출 영역이 마련되고, 요소수 저장탱크(510)에서 요소수를 공급받고, 폐열보일러(600)에서 잉여 스팀을 공급받은 다음, 일정한 내부 압력을 조성하도록 압력 제어밸브(520)에 의해 제어되며,
    상기 요소수 기화기(300)의 내부 온도는 148~153℃이고, 상기 요소수 기화기(300)의 내부 압력은 3bar이며, 상기 요소수 기화기(300)에 공급되는 스팀의 압력은 5bar이고,
    상기 혼합기(400)는, 일측이 열교환기(200)와 요소수 기화기(300)에 각각의 배관으로 연결되고, 타측이 소각로와 배관으로 연결되며, 메인유체와 혼합유체가 유입되어 내부에 구비된 엘리멘트(Element)를 지나며 빠른 시간내에 혼합시키는 라인믹서(Line mixer)로 구성되는 것을 특징으로 하는 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입장치.
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  6. 각각 다른 유체가 유입 및 유출되면서 상호 간에 열교환이 이루어지도록 원통 형상의 동체로 이루어진 쉘과, 상기 쉘의 내부에 평행하게 배치되는 다수의 튜브를 포함하는 쉘앤튜브(Shell and Tube) 열교환기 타입으로 구성되고, 쉘 내부에 잉여 스팀과 액상의 요소수를 공급하는 공급 영역과, 요소수가 흘러 잉여 스팀과의 사이에서 열교환하는 열교환 영역과, 기화된 요소수를 배출시키는 배출 영역이 마련되고, 요소수 저장탱크(510)에서 요소수를 공급받고, 폐열보일러(600)에서 잉여 스팀을 공급받은 다음, 일정한 내부 압력을 조성하도록 압력 제어밸브(520)에 의해 제어되는 요소수 기화기(300)에 액상의 요소수를 공급하는 단계;
    소각로의 잉여 스팀을 요소수 기화기(300)와 열교환기(200)에 각각 공급하는 단계;
    상기 요소수 기화기(300)의 요소수와 송풍기(100)에 의해 압송된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스를 가열하는 단계;
    기화된 요소수와 가열된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스를 혼합기(400)에 공급하여 일정 비율로 혼합하는 단계; 및
    혼합된 혼합기체를 소각로 내부로 주입하는 단계;를 포함하며,
    상기 요소수 기화기(300)의 내부 온도는 148~153℃이고, 상기 요소수 기화기(300)의 내부 압력은 3bar이며, 상기 요소수 기화기(300)에 공급되는 스팀의 압력은 5bar이고,
    상기 혼합기(400)는, 일측이 열교환기(200)와 요소수 기화기(300)에 각각의 배관으로 연결되고, 타측이 소각로와 배관으로 연결되며, 메인유체와 혼합유체가 유입되어 내부에 구비된 엘리멘트(Element)를 지나며 빠른 시간내에 혼합시키는 라인믹서(Line mixer)로 구성되고,
    상기 소각로의 잉여 스팀은 폐열보일러(600)에서 발생되어 헤더를 통해 분기되어 각각 열교환기(200)와 요소수 기화기(300)로 공급하며,
    상기 기화된 요소수와 가열된 FGR(Flue Gas Recirculation) 가스는 5~20:80~95 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 소각로 폐열을 이용한 기화 요소수 주입방법.
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