KR20030081231A - 요소를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한질소산화물의 저감시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 요소를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템에 관한 것으로, 특히 공장 또는 연소기관 등에서 배출되는 유해한 배기가스 중 일부인 질소산화물을 제거하는 선택적 촉매 환원법에서 요소를 환원제로 사용하는 바, 저장 및 운반이 편리한 요소가 배기가스에 함유된 질소산화물의 함유량에 따라 화학양론비에 따른 소정량으로 제공되어서 고온하의 짧은 응답시간으로 분해반응하여 암모니아로 전환되되, 분해된 암모니아는 선택적 촉매 환원법 공정의 탈질설비내에서 배출되는 배기가스상의 질소산화물의 변화량에 신속하게 정량의 암모니아로 분해되어 화학반응을 일으키는데, 환원화학반응을 통하여 질소산화물이 무해한 질소로 전환되므로, 유해한 질소산화물의 배출량을 현격하게 줄이므로 대기환경오염을 미연에 방지할 수 있다.

Description

요소를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템{NOx reduction system by selective catalytic reduction available for urea as reducing agent}
본 발명은 선택적 촉매 환원법을 이용하여 질소산화물을 저감하는 시스템에 관한 것으로, 특히 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction)에서 환원제로 요소(urea)를 사용하여 질소산화물(NOx)을 저감하는 시스템이다.
통상적으로, 공장 혹은 연소기관 등에서 화석연료를 연소시켜 발생되는 생성물 중 유해배출가스인 질소산화물은 다양한 방법을 동원하여 최대한도로 저감시켜 대기환경을 청정상태로 유지해야할 필요성이 대두되고 있는 현실이다. 이를 위해서, 최근에는 선택적 촉매 환원법을 이용한 질소산화물의 저감시스템이 사용되는데, 일반적으로 이 선택적 촉매 환원법의 환원제로는 암모니아(NH3)를 이용하였다.
특히, 종래의 탈질설비에서 환원제로서 암모니아를 사용한 선택적 촉매 환원법으로 암모니아와 질소산화물의 화학반응식은,
이상과 같다.
다시 말하자면, 암모니아는 가수분해되어서 질소산화물과 반응하고, 이로 인해서 질소(N2)와 물(H2O)이 생성되는 바, 이로 인하여 질소산화물이 전환되어져 이의 배출량을 최소화시킬 수 있다.
이와 같이, 암모니아를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법의 종래기술은 도 4로 도시된 바와 같은 공정을 갖춘다. 공정상에서, 저장조(101)에 보관된 암모니아는 공급모듈(102)의 제어로 공급량을 조정할 수 있다. 연소장치(5)로부터 배기되는 질소산화물의 배출량은 공급모듈(102)로 정보제공되되, 질소산화물의 배출량에 따라서 공급모듈(102)로 저장조(101)에 보관된 암모니아의 공급량이 조절된다. 공급모듈(102)로 적당량 송급되는 암모니아는 증발기(103)내로 주입되는 한편, 송풍기(104)는 상당량의 공기를 증발기(103)로 공급한다. 그런 후에, 증발기(103)내로 고온의 가열증기를 통과시켜서 액상의 암모니아를 증기상으로 기화시킨다. 특히, 암모니아는 고온 하에서는 폭발성이 강하므로 송풍기(104)로 공급된 공기와 증발기(103) 내부에서 잘 혼합되어져야 하는데, 이의 폭발방지를 위해서 당해분야의 숙련자들에게는 이미 널리 알려졌듯이 암모니아/공기의 비를 2% 내지 5%정도로 유지시키는 것이 바람직하다. 즉, 증발기(103)내의 암모니아는 공기와 혼합되어 매우 희박한 암모니아증기상으로 되어야만 한다. 그런 후에, 희박한 암모니아증기는 암모니아주입설비(ammonia injection grid;이하 AIG)로 주입된다. 이 AIG(6)는 연소장치(5)에서 배출되는 질소산화물과 증발기(103)로부터 주입된 희박한 암모니아증기를 원활하면서도 잘 혼합시킨다. 물론 AIG(6)내부에는 널리 공지된 바와 같이 상당수의 노즐을 구비하는데, 다수의 노즐은 증발기(103)로부터 주입된 희박한 암모니아증기를 배출가스에 분산시켜서 혼합정도를 높일 수 있다. AIG(6)에서 희박한 암모니아증기와 질소산화물간의 혼합으로 생성된 혼합가스는 다음 공정인 선택적 촉매 환원법에 따른 촉매반응탑(7;SCR tower)으로 이동하게 되는데, 질소산화물은 암모니아를 매개로 환원반응을 일으킨다(화학식 1참조). 촉매반응탑(7)에서의 반응온도는 일반적으로 350℃(662℉)의 고온으로, 이미 기술되었듯이 암모니아는 고온에서 폭발성이 강하여서 증발기(103)에서 과잉공급된 공기와 충분히 혼합되어 희박한 증기상으로 만들어야 한다. 주입된 희박한 암모니아증기는 촉매반응탑(7)에서 기술된 화학식 1과 같은 반응을 하게 된다. 즉, 질소산화물은 암모니아와 환원반응하여 질소와 수소를 생성하게 되는데, 촉매반응탑(7)에서의 체류시간을 연장하여 반응이 더욱 효과적으로 발생하게 할 수 있도록 촉매반응탑(7)내에 다수의 단을 형성한다. 추가로, 고온반응을 하는 촉매반응탑(7)의 열은 예열기(8)로 전달되고서 연소공기를 가열시킨다. 그런 다음에 가열된 연소공기는 연소장치(5)로 이송된다. 또한, 촉매반응탑(7)에서 반응된 후에 생성된 질소와 수소는 굴뚝(9)을 통하여 대기중으로 방출가능하다. 이와 같은 개략적인 공정을 통하여 유해한 질소산화물이 암모니아를 환원제로 하여서 질소가스로 전환된다.
환원제로 사용되는 암모니아는 저장과 운송 및 취급시에 상당한 주의를 기울여야 한다. 특히 선택적 촉매 환원법에서는 주로 안전상의 이유로 무수암모니아(anhydrous ammonia)를 사용하는데, 통상적으로 무수암모니아는 35.5℃ 이하의 온도와 13.6atm(200psi) 이상의 압력하에서는 액체상태를 유지하고, 환원제로 사용되기 위해서 증발기(103)를 관통하면서 가스상태로 전환된 후에 AIG(6)로 주입되어야 한다. 이때에 고농도의 암모니아가 고온의 가스와 만나면 폭발을 동반할 가능성이 커지므로, 암모니아 폭발한계점 이하인 암모니아/공기의 비를 2% 내지 5% 정도로 매우 희박한 가스상태의 암모니아가스로 만들어야 한다. 더욱이, 무수암모니아는 폭발가연성유해화학물질 및 독성물질로 국제적으로는 OSHA(Occupational Safety and Health Administration:미국직업안정위생관리국)와 EPA(Environmental Protection Agency:미국환경보호청)규제를 받고 있으며, 대한민국 내에서도 특정고압가스로 분류되어 각종 법규에 규제관리를 받고 있다. 이로 인해서, 상당량의 무수암모니아를 사용하는 화학플랜트에서는 운송 및 저장방법에서 충분한 안전성을 확보해야 하고, 그에 따른 비용 부담이 적지 않다.
도 5로 도시된 다른 종래기술로는 미국의 EC&C Tech., Inc.사의 선택적 촉매환원법을 이용한 U2A공법이 있다.
도 4를 참조로 하여 설명된 바와 같이, 최근에는 안전성을 고려하여 선택적 촉매 환원법에서는 환원제를 무수암모니아 대신에 요소를 대체제로 사용하는 방법을 개발중으로, 전술된 암모니아를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템과는 달리 U2A공법은 요소(NH2CONH2)를 환원제로 사용하고 있으나, 요소를 가수분해하여 암모니아로 전환시키는 공정이 추가로 요구된다.
도 5를 참조로 하여서, 요소를 환원제로 사용하여 질소산화물을 저감시키는 공정인 U2A공법을 설명한다.
요소저장탱크에 저장된 요소와 탈이온화수(deionized water)를 용해조(201)에서 요소수로 개질시킨다. 이 요소수는 펌프(202)로 물과 함께 양정되어 반응기(203)로 이송된다. 고온증기로 가열된 반응기(203)는 요소수를 카르바민산암모늄(NH4COONH2)으로 열적가수분해시켜 다음의 화학식 2와 같은 반응을 거쳐서 암모니아로 전환된다.
이상과 같이, 요소를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법은 요소를 열적가수분해를 통해 암모니아로 전환시켜 질소산화물을 저감시키는 것을 특징으로 한다. 위의 열적가수분해반응을 기초로 한 U2A공법에서 암모니아로 변환되는반응기(203)의 내부환경은 다음과 같다. 요소에서 암모니아로의 전환은 대략 5 내지 15분 정도의 긴 응답속도를 가져야 하고, 반응기(203)가 또한 증기로 가열되어 149℃(300℉)의 반응기내부온도하에서 13.6 atm 내지 20.4 atm(200 내지 300 psi)의 고압상태를 유지해야만 한다. 반응기(203)에서 생성된 암모니아는 송풍기(204)로 주입된 공기와 희박하게 혼합되어서 배기가스의 질소산화물과 함께 AIG(6)로 유입된다. 그런 후에는, 도 4로 언급된 공정과 동일하게 처리된다.
이외에도, 요소를 사용한 선택적 촉매 환원법을 통해 질소산화물을 저감하는 시스템은 상당수 공지되어 있다. 특히, U2A공법을 시현한 미국의 EC&C Tech.,Inc.사의 최근개발공정인 AOD공정이 있는데, 이 AOD공정에서는 요소와 보급수(makeup water)가 혼합탱크에서 혼합된 후에, 펌프를 통해 가수분해조로 이동된다. 이 가수분해조는 뜨거운 증기로 가열되어서, 가수분해조로 유입된 요소수를 가수분해하여 암모니아로 변환하는 바, 195℃(383℉)와 18.7atm(1900Kpa)의 고온고압하에서 요소수로부터 암모니아로의 분해는 5 내지 15분의 긴 응답속도를 갖는다.
요소가 암모니아로 변환되면, 전술된 공정시스템과 동일하게 공기와 충분하게 혼합된 희박한 암모니아증기상을 이뤄 AIG로 주입되고, 배기가스인 질소산화물과 충분히 접촉하여서 질소산화물을 질소로 개질시킨다.
그러나, EC&C Tech.,Inc.사의 U2A공법과 AOD공법은 암모니아증기에 공기를 추가하여 AIG로 이송시켜야 하는데, 특히 공기와 암모니아증기를 혼합시키는 송풍기는 반드시 구비해야 한다. 또한, 가수분해반응하는 반응기에서 응답속도가 상당히 느릴 뿐만 아니라 연소기관으로부터 배출되는 배기가스에 함유된 질소산화물의배출되는 몰수(mole)에 따른 화학양론적 비에 대해서 암모니아의 적당한 몰수의 공급이 용이하지 않아, 효율적이면서 효과적인 가용상태를 유지할 수 없다.
추가로, 미국의 Fuel Tech.,Inc.사의 NOx-OUT ULTRA공법은 U2A공법(도 5참조)과 유사하나 U2A공법의 반응기(203)는 고온상태로 유지시키기 위해서 고온의 증기를 사용하지만, Fuel Tech.,Inc.사는 반응기내에 버너를 장착하고 버너의 연료원으로 천연가스를 사용한다. 반응기는 천연가스의 연소로 반응기 내부온도를 상승시켜 요소수를 열적분해하여 암모니아로 분해된다. 이는 반응기내에 버너를 장착하여서 배출된 질소산화물의 몰수에 맞춰서 반응기 내부온도를 조절하여 암모니아의 몰수를 조정할 수 있는 반면에, 천연가스를 추가로 사용해야 하고 천연가스의 저장 및 운송에 따른 부가비용이 발생하여 경제적인 부담을 갖는다.
이상과 같이, 환원제를 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템은 상당수의 문제점을 내포하고 있으며, 이를 극복하기 위해서 본 발명은 요소를 환원제로 사용하여 질소산화물을 저감하는 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 환원제로 사용될 환원제는 요소로서 아래의 표 1에서와 같이 상온에서는 무색, 무취, 무미로 수용액에서는 천천히 탄산암모늄((NH4)2CO3)으로 가수분해되고, 녹는점 이상에서 승화하여 암모니아(NH3)와 시아누르산(HNCO)으로 전환된다.
구분 암모니아(NH3) 요소(NH2CONH2)
분자량(M.W.) 17 60
색 무색 무색
비중 0.817 1.335
녹는점(℃) -77.7 -33.4
끓는점(℃) 132.7 180
용해도(g/100g-H2O) 89.9 100
형태(표준상태) 기체(무수암모니아) 고체
저장형태(표준상태) 200 Psig, 35℃이하 고체
특히, 표 1은 환원제로 사용되는 암모니아와 요소의 물성적 특성을 비교나열한 것으로, 표에 기재된 바와 같이 암모니아와 비교하였을 때에 녹는점과 끓는점 및 용해도가 상당히 높기 때문에 요소의 보관 및 저장의 용이성과 운송의 안전성을 확보할 수 있다. 덧붙여서, 표에 기술된 표준상태라 함은 1atm의 대기압과 상온(20℃)상태에서의 측정을 의미한다.
본 발명에 따른 질소산화물의 저감시스템에서 사용될 요소는 물에 용해된 요소수상태로 사용하므로 다음과 같은 열적분해반응 뿐만 아니라 동시에 열적가수분해반응 또한 동반하여 일어나지만, 이 모든 반응들에 의해 암모니아로 변환되어 질소산화물과 반응가능하게 된다.
다시 말하자면, 요소의 열적가수분해반응에 대한 화학반응식은 화학식 2로 이미 기재되었으며, 아래의 화학식은 열적분해반응의 화학반응식을 기술한 것이다.
반응후에는 화학식 3의 생성물로 알 수 있듯이, 암모니아와 시아누르산이 생성된다. 요소로부터 분해된 암모니아와 시아누르산은 탈질설비, 예컨대 촉매반응탑에서 질소산화물과 반응하게 되는데, 암모니아와 질소산화물과의 반응은 화학식 1로 기재하였다. 또 다른 생성물인 시아누르산과 질소산화물과의 반응식은
의 화학반응으로 진행되어서 유해한 질소산화물이 질소(N2)와 이산화탄소(CO2)로 전환된다.
특히, 본 발명에 따른 요소를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템에서는 환원제를 암모니아로 사용하였을 때와는 달리 근래에 환경파괴물질로 분류되어진 이산화탄소가 발생되지만, 이산화탄소의 발생량은 몇 ppm 미만으로 발생되므로, 환경적 원인을 제공하기에는 매우 미비한 양이다.
본 발명에 따른 요소를 사용한 질소산화물의 저감시스템은 기존의 암모니아를 환원제로 사용하였던 선택적 촉매 환원법의 공정 일부를 사용가능하므로 새롭게 추가설비를 신설할 필요없이 구동가능하면서, 그 비용의 절감효과를 가져올 수 있다. 요소를 환원제로 한 선택적 촉매 환원법의 저감시스템의 상세한 설명은 본 발명에 따른 실시예를 통해 구체적이면서도 명백하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 선택적 촉매 환원법을 이용한 시스템의 개략적인 공정도이고,
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 선택적 촉매 환원법을 이용한 시스템의 개략적인 공정도,
도 3은 선택적 촉매 환원법의 환원제로 요소와 암모니아를 사용했을 때에 환원상태를 도시한 그래프도,
도 4는 종래의 암모니아를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법을 이용한 시스템의 공정도,
도 5는 종래의 요소를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법을 이용한 시스템의 공정도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 ----- 저장조, 2 ----- 개량공급모듈,
3 ----- 분해조, 5 ----- 연소장치,
6 ----- 암모니아주입설비(AIG), 7 ----- 촉매반응탑,
8 ----- 예열기, 9 ----- 굴뚝,
10 ----- 집진기, 11 ----- SO2D시스템,
22 ----- SI3DNA시스템, 23 ----- 제 1와류생성기,
24 ----- 제 2와류생성기, 25 ----- 와류형 분해조,
26 ---- 분사기, 101 ----- 저장조,
102 ----- 공급모듈, 103 ----- 증발기,
104,204 ----- 송풍기, 201 ----- 용해조,
202 ----- 펌프, 203 ----- 반응기.
이제, 첨부도면을 참조로 하여서 본 발명에 대한 설명을 한다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 요소를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템의 개략적인 공정도로서, 상기 저감시스템은 도 4를 참조로 전술된 선택적 촉매 환원법의 저감시스템과 거의 흡사하여서 개별적으로 구성부재들을 교체 혹은 변경하지 않고서도 사용할 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 한다.
다시 말하자면, 본 발명의 제 1실시예에 따른 요소를 사용한 선택적 촉매 환원법의 저감시스템(이하 SO2D시스템; Safe Out Side Director Decomposition System)은 요소수를 저장하는 저장조(1)와, 이 저장조(1)로부터 유입된 요소수를 적당량만큼 조절하여 공급할 수 있는 개량공급모듈(2;chemical metering pumps module), 개량(改量)된 소정량의 요소수를 화학적으로 분해하는 공간을 갖춘 분해조(3), 이송관(참조번호 없음)을 따라 이동한 배기가스를 집진하는 집진기(10), 분해조(3)로부터 배출된 희박한 암모니아증기가 배기가스에 함유된 질소산화물과 접촉되는 것을 촉진시키는 AIG(6), 촉매반응탑(7) 및, 예열기(8)를 구비한다.
SO2D시스템(11)은 열적분해를 기초로 한 것으로서, 선택적 촉매 환원법의 환원제로 요소를 사용하는 것을 특징으로 한다. 특히, 본 발명의 제 1실시예인 SO2D시스템(11)은 기존 암모니아를 사용한 시스템에 추가설비없이도 대기환경에 영향을 미치지 않는 정도로 질소산화물을 저감시킬 수 있도록 창출된 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, SO2D시스템(11)의 저장조(1)는 환원제의 유동이 쉽도록 요소를 액상으로 보관하는데, 질소산화물의 배출량에 근거하여서 개량공급모듈(2)이 저장조(1)로부터 소정량의 요소수를 다음 단계로 제공한다. 이 개량공급모듈(2)은 촉매반응탑(7)에서 요구하는 유량속도를 결정하는데, 연소장치(5)에서 발생하는 배기가스에 함유된 질소산화물의 배출량과 이에 필요한 요소량을 당량비에 따라 계산하여 개량공급모듈(2)로 공급되어진다. 그리고, 요소의 공급량을 제어하는 개량공급모듈(2)로부터 요소수는 분해조(3)로 보내진다.
바람직하기로, 연소장치(5)에서 발생한 질소산화물의 배출량에 즉각적으로 대처가능하도록 요소에서 암모니아로의 분해를 가급적 빠르게 진행시켜야 한다. 이를 위해서, 분해조(3)로 투입되는 요소수는 미세입자, 예컨대 80㎛ 이하의 크기로 분무시키는 것이 바람직하다.
특별하기로, 분해조(3)에서는 요소가 물에 용해되어 있는 액상의 요소수를 사용하므로 요소에 열적분해반응을 취하면서 열적가수분해반응을 동반하면서 요소수가 암모니아와 시아누르산으로(화학식 3 참조), 그리고 카르바민산암모늄으로 전환되면서 순식간에 다시 암모니아로 전환되는 바(화학식 2 참조), 이와 같은 반응들을 실행하기 위해서는 상당한 고열을 필요로 한다. 본 발명의 목적 중 하나는 기존 설비를 이용하는 비용절감 뿐만 아니라 경제적 비용의 절감을 꾀하는 것으로서, 연소장치(5)로부터 배출된 고온의 배기가스를 분해조(3)의 열원으로 사용한다. 고온의 배기가스로 가열된 분해조(3)내에서 요소로부터 암모니아로의 분해는 대략 7 내지 10초의 빠른 응답속도로써 진행된다.
연소장치(5)로부터 AIG(6)로 연결되어 질소산화물을 함유한 배기가스를 이송하는 이송관에서 일부 우회된 고온의 배기가스(350℃ 정도)는 분해조(3)에서 열적반응을 돕는다. 배기가스에 함유된 다수의 분진들을 집진하기 위해서 집진기(10)를 추가로 구비하는데, 정화된 고온의 가스만이 분해조(3)로 전달되어 열원으로 사용되고 나머지 분진들은 집진기(10)로 포진되고, 분진함량이 적은 배기가스를 다시 이송관으로 복귀시킨다.
본 발명에 따른 SO2D시스템(11)의 분해조(3)에서 가열분해 및 가수분해된 암모니아증기는 AIG(6)로 유입되고, 연소장치(5)로부터 이송관을 따라 이동한 배기가스와 혼합접촉하게 된다. 충분한 접촉을 확보하도록 바람직하게는 배기가스상에 노즐을 통해 암모니아를 골고루 분무한다. 충분히 혼합된 혼합가스들은 촉매반응탑(7)으로 유입되어, 분해된 암모니아는 화학식 1과 같이, 그리고 분해된 또 다른 시아누르산은 화학식 4와 같이 반응하여 질소산화물을 저감시킬 수 있다.
덧붙여, 촉매반응탑(7)에서 나오는 고온의 증기는 예열기(8)로 전달되고 연소장치(5)에 사용될 연소공기를 미리 예열시켜 에너지 재활용률을 증대시키게 한다.
선택적으로는, 분해조(3)는 초기 공정시스템의 조업(start-up), 시스템의 건조를 위해서 혹은 촉매층의 보호를 목적으로 별도의 가열장치(버너 등)를 장착할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 선택적 촉매 환원법을 이용한 시스템의 개략적인 공정도이다.
본 발명의 제 2실시예에 따른 요소를 사용한 선택적 촉매 환원법의 저감시스템은 SI3DNA시스템(22;Safe in Duct Direct Decomposite & Non-AIG System)으로 칭한다. 이 또한, 제 1실시예에 따른 SO2D시스템(11;도 1참조)과 마찬가지로 기존의 암모니아를 환원제로 사용한 선택적 촉매 환원법의 공정시스템에서 사용되는 설비들을 대부분 그대로 사용할 수 있는 장점을 갖는다. 그러나, 본 발명의 제 2실시예에 따른 SI3DNA시스템(22)은 종래에 사용되었던 AIG(6)를 제거하고, 보다 효율적으로 요소를 빠른 시간내에 암모니아로 분해가능할 뿐만 아니라 이송된 배기가스와 암모니아의 접촉을 향상시킬 수 있도록 하는 새로운 와류형 분해조(25)를 추가로 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 SI3DNA시스템(22)의 구체적인 설명은 질소산화물의 저감공정순서에 따라서 기술될 것이며, 이미 기술된 부분은 본 발명의 이해의 명료성을 돕기 위해서 배제될 것이다.
요소수는 요소수저장조(1)로부터 연소장치(5)에서 배출되는 질소산화물의 배출량에 따라서 개량공급모듈(2)로써 공급량을 제어한다. 물론, 개량공급모듈(2)로부터 와류형 분해조(25)내로 분사기(26)를 통해 요소수를 주입하는데, 바람직하기로 요소수는 80㎛ 이하의 수적상태로 와류형 분해조(25)로 분사된다. 상기 와류형 분해조(25)는 연소장치(5)와 촉매반응탑(7) 사이에 배치되되, 기존의 AIG(6;도 1참조)와 증발기(103;도 4참조) 및 분해조(3;도 1참조)의 모든 기능을 일괄적으로 수행할 수 있다. 이송관을 따라 연소장치(5)에서 와류형 분해조(25)로 이동된 질소산화물을 함유한 대략 350℃의 고온배기가스는 와류형 분해조(25)의 선단(先端)에 배열된 제 1와류생성기(23;swirl generator)를 통과하면서 소용돌이쳐져 난류상태로 흐르게 한다. 이와 같이 난류흐름을 갖게 된 고온의 배기가스는 분사기(26)로 분사된 미세한 요소수와 충분히 희박하게 혼합되면서 분해반응을 갖는다. 고온의 배기가스를 열원으로 하여서 와류형 분해조(25)내에서 요소는 분해되어 암모니아로 된다. 와류형 분해조(25)의 후단(後端)에는 제 2와류생성기(24)가 배열되는데, 이 제 2와류생성기(24)를 통과하면서 혼합가스를 더욱 회전시켜 난류흐름을 유지토록 한다. 또한, 와류형 분해조(25) 내부온도는 매우 고온이므로 요소에서 암모니아로의 전환은 2초 미만으로 빠르게 분해되어 연소장치(5)의 질소산화물의 배출량에 따라 신속하게 소정량의 암모니아를 만들어 낼 수 있다.
제 2와류생성기(24)을 통과한 질소산화물의 배기가스와 암모니아의 혼합가스는 촉매반응탑(7)으로 들어가서 환원반응을 일으키게 된다. 따라서, 질소산화물은 환원되어 질소와 이산화탄소 및 물로 바뀌므로 대기오염방지에 도움을 주게 된다.
전술된 바와 같이, 촉매반응탑(7)의 내부온도가 고온으로 이를 이용하여 예열기(8)로 전달된 연소공기를 예열시킨다.
도 1에 도시된 제 1실시예인 SO2D시스템(11)과 도 2에 도시된 제 2실시예인 SI3DNA시스템(22)은 요소에서 암모니아로의 전환속도가 매우 빠른 것이 특징이다.
도 3은 선택적 촉매 환원법의 환원제로 요소와 암모니아를 사용했을 때에 환원상태를 도시한 그래프도로서, 환원제로서의 요소와 암모니아가 질소산화물과 반하는 환원정도를 각기 비교하여 도시한 것이다.
실험조건은 다음과 같다.
1) 동일한 선택적 촉매 환원법으로 질소산화물을 저감하는데, 특히 촉매로는 산화바나듐(V205)과 산화티탄늄(TiO2)을 사용한다.
2) 종래기술의 선택적 촉매 환원법을 사용한 시스템에서 암모니아를 환원제로 사용했을 때에 질소산화물과의 환원반응과 선택적 촉매 환원법을 사용한 시스템에서 본 발명에 따라서 요소를 환원제로 사용했을 때에 질소산화물과의 환원반응을 비교한다.
이상의 실험으로 도 3에 도시된 그래프를 해석하면 다음과 같은 결론을 갖는다.
암모니아를 환원제로 사용하는 경우에, 화학식 1과 같이 암모니아는 질소산화물과 동일몰수로 환원반응을 일으키는데, 도 3에 도시된 암모니아의 환원율을 살펴보면 암모니아의 당량비가 증가함에 따라서 환원율도 점차적으로 100% 로 환원되어가는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 요소를 환원제로 사용할 경우에도, 화학식 3과 같이 열적분해반응이 일어나면 요소가 암모니아로 전환되고서, 이 전환된 암모니아가 동일당량비로 질소산화물을 환원반응시키게 됨을 도 3에서 확인할 수 있다. 더우기, 요소의 화학양론비를 증가시킴에 따라서 환원율도 점차적으로 100% 까지 환원작용을 하고 있음을 알 수 있다.
따라서, 환원제로서의 요소와 암모니아의 환원정도가 거의 화학양론비에 따라서 오차없이 동일 직선상에서 환원율이 나타남을 알 수 있다. 이로 기존의 암모니아를 사용하였을 때와 대비하여도 환원제로서의 요소가 최소한 암모니아와 동일양의 질소산화물을 저감할 수 있는 효율을 갖는다는 것을 알 수 있다.
당해분야의 숙련자들에게 이미 널리 공지된 바와 같이, 선택적 촉매 환원법을 이용한 촉매반응탑에서 화학반응에 필요한 충분한 체류시간을 제공할 수 있도록 촉매반응탑을 바람직하게는 2단 이상으로 설치한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 환원제로 요소를 사용함에 따라 플랜트(plant)에 적용할 때에는 선택적 촉매 환원법을 이용한 탈질설비의 기존설비들을 이용할 수 있어 경제적 가용성을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 암모니아의 사용으로 문제시되었던 운전 및 설비의 취급자가 독극물 취급에 따른 위험으로부터 안전성을 갖는다.
또한, 요소로부터 암모니아의 전환이 매우 빠르게 진행될 수 있고, 배기가스의 질소산화물의 함유량에 따라서 시기 적절하게 화학양론비적으로 제공되어 원활한 반응이 일어날 수 있어 질소산화물과의 환원반응을 도울 수 있다.

Claims (6)

  1. 연소에 의해 연소장치(5)에서 배출된 질소산화물을 함유한 배기가스는 이송관을 따라 암모니아주입설비(6;이하 AIG)로 주입되고, 이 AIG(6)에서 환원제인 암모니아(NH3)와 배기가스를 충분히 혼합된 희박한 혼합가스를 촉매반응탑(7)에서 환원제를 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템에 있어서,
    요소(NH2CONH2)를 액체상으로 저장보관하는 저장조(1)와;
    연소장치(5)의 질소산화물의 배출량에 따라서 저장조(1)에 보관된 요소수를 공급하는 개량공급모듈(2);
    상기 개량공급모듈(2)로 공급된 소정량의 요소수의 분해반응을 일으키는 분해조(3) 및;
    연소장치(5)와 촉매반응탑(7)으로 뻗어 있는 이송관을 따라 이동되는 고온의 배기가스의 분진을 집진하되, 이 집진된 고온의 폐온도가스의 일부는 상기 분해조(3)로 그리고 나머지 집진된 배기가스는 이송관으로 회귀시키는 집진기(10);을 구비하는데, 이송관을 따라 이동된 질소산화물을 함유한 배기가스와 이 배기가스 중 일부를 상기 집진기(10)를 통과시켜 상기 개량공급모듈(2)로 공급된 소정량의 요소수를 분해조(3)에서 가열시켜 분해된 암모니아를 AIG(6)에서 충분한 접촉을 한 후에, 촉매반응탑(7)에서 선택적으로 질소산화물을 질소로 환원시키도록 요소를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 개량공급모듈(2)로 제어된 소정량의 요소수는 미세한 입자크기, 바람직하기로 80㎛ 이하의 입자크기로 분해조(3)에 분사되어 주입시키는 요소를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 분해조(3)는 고온의 배기가스를 열원으로 사용하는 요소를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 분해조(3)는 요소를 암모니아로 용이하게 전환되도록 버너 등과 같은 가열장치를 추가로 설치하는 요소를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템.
  5. 연소장치(5)의 연소로 배출된 질소산화물을 함유한 배기가스는 이송관을 따라 촉매반응탑(7)으로 이동되어 환원제를 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템에 있어서,
    요소(NH2CONH2)를 액체상으로 저장보관하는 저장조(1)와;
    연소장치(5)의 질소산화물의 배출량에 따라서 저장조(1)에 보관된 요소수를 공급하는 개량공급모듈(2);
    상기 개량공급모듈(2)로부터 공급된 소정량의 요소수를 공급받으면서, 연소장치(5)로부터 촉매반응탑(7)으로 뻗어 있는 이송관에 구비되어 연소장치로 배출된 질소산화물을 함유한 배기가스와의 혼합과 분해반응을 돕는 와류형 분해조(25);
    상기 와류형 분해조(25)의 선단에 설치되어 배기가스흐름을 교란시키는 제 1와류생성기(23) 및;
    상기 와류형 분해조(25)의 후단에 설치되어 암모니아증기와 배기가스의 희박한 혼합가스흐름을 교란시키는 제 2와류생성기(24);를 구비하는데, 이송관을 따라 상기 제 1와류생성기(23)를 통과하면서 난류상태로 흐르는 고온의 배기가스와 상기 개량공급모듈(2)로 공급되어 와류형 분해조(25)로 주입된 소정량의 요소수는 상기 와류형 분해조(25)내에서 암모니아로 분해된 후에, 분해된 암모니아와 배기가스가 상기 제 2와류생성기(24)를 관통하면서 충분히 접촉되어 촉매반응탑(7)으로 이동시켜 질소산화물을 선택적으로 환원시키도록 요소를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 개량공급모듈(2)로 제공된 소정의 요소수는분사기(26)로 와류형 분해조(25)내부를 향해 미세한 입자크기로 분사시키는 요소를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한 질소산화물의 저감시스템.
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