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KR101893618B1 - 2차 연도 가스를 이용하여 수성 요소를 암모니아 증기로 가스화하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

2차 연도 가스를 이용하여 수성 요소를 암모니아 증기로 가스화하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR101893618B1
KR101893618B1 KR1020127014495A KR20127014495A KR101893618B1 KR 101893618 B1 KR101893618 B1 KR 101893618B1 KR 1020127014495 A KR1020127014495 A KR 1020127014495A KR 20127014495 A KR20127014495 A KR 20127014495A KR 101893618 B1 KR101893618 B1 KR 101893618B1
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Abstract

본 발명은 요소-암모니아 증기 반응기 시스템을 채용한 연소 시스템에 관한 것이다. 보일러로부터 나오는 질소산화물(NOx)을 함유하는 연도 가스 메인 스트림으로부터의 분기점에서 2차 연도 가스 스트림을 수용하는 우회류 덕트 내에 요소-암모니아 반응기 하우징이 봉입된다. 우회류 덕트는 2차 연도 가스 스트림이 봉입된 반응기 하우징을 지나 흐르도록 허용하며, 이때 원자화된 또는 비-원자화된 형태로 주입된 수성 요소가 암모니아 증기로 가스화된다. 계속해서, 암모니아와 그 부산물과 2차 연도 가스 스트림의 결과의 기상 혼합물이 메인 스트림과 합류되고, 그 다음 메인 연도 가스가 선택적 촉매 환원(SCR) 반응기 장치를 통해 처리된다. 우회류 덕트 내에서 2차 스트림의 체류 시간은 재순환 루프에 의해 증가될 수 있으며, 요소가 SCR 장치에 사용되는 암모니아로 효과적으로 전환될 수 있다.

Description

2차 연도 가스를 이용하여 수성 요소를 암모니아 증기로 가스화하기 위한 시스템 및 방법{A SYSTEM AND METHOD TO GASIFY AQUEOUS UREA INTO AMMONIA VAPORS USING SECONDARY FLUE GASES}
관련 출원의 참조
본 출원은 2009년 11월 5일 제출된 미국 가 출원 제61/258,538호의 우선권을 주장하며, 이것은 본원에 참고로 포함된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 NOx 방출 제어 분야에 관한 것이며, 더 구체적으로는 NOx 및 다른 오염물질을 포함하는 연도 가스의 효과적인 처리를 위한 SCR 촉매의 활성화에 이용되는 암모니아 증기를 형성하기 위해 수성 요소를 가스화하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
파워플랜트, 산업생산 등의 경우와 같이 가스터빈, 용광로, 내연기관 및 보일러에서 화석연료(예를 들어, 연료 오일)의 사용은 일반적으로 산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)가 조합된 형태로 바람직하지 않은 질소산화물들(NOx)을 포함하는 연도 가스를 발생시킨다. 특정한 작동 조건에서는 NOx를 암모니아와 반응시켜 생성물로 무해한 물과 질소를 생산함으로써 연도 가스 스트림 중의 NOx 수준을 낮출 수 있다. 이 반응은 선택적 촉매 환원(SCR)이라고 알려진 과정에서 특정 촉매의 존재하에 발생할 수 있다.
SCR을 위한 암모니아는 전형적으로 수성 요소를 충분히 가열하여 기상 암모니아를 형성함으로써 공급된다. 충분히 가열된 연도 가스 우회 스트림의 엔탈피를 이용해서 급송된 요소를 암모니아 가스로 전환하는 것 역시 본 분야에 공지되어 있다.
예를 들어, 미국특허 제4,978,514호, 발명의 명칭 "질소산화물 환원을 위한 조합된 촉매/비-촉매 과정"(Hofmann et al.)은 "처리된 유출물에 암모니아가 존재하는 질소산화물 농도가 감소된 처리된 유출물을 생성하는데 효과적인 조건하에서 유출물에 질소성 처리제를 도입하는 단계; 및 유출물 중의 질소산화물을 환원하는데 효과적인 조건하에서 상기 처리된 유출물을 질소산화물 환원 촉매와 접촉시키는 단계를 포함하는 연소 유출물 중의 질소산화물을 환원하는 과정"을 개시한다.
미국특허 제5,139,754호, 발명의 명칭 "질소산화물 환원을 위한 촉매/비-촉매 조합 과정"(Luftglass et al.)은 "처리된 유출물에 암모니아가 존재하는 질소산화물 농도가 감소된 처리된 유출물을 생성하는데 효과적인 조건하에서 유출물에 질소성 처리제를 도입하는 단계; 및 유출물 중의 질소산화물을 환원하는데 효과적인 조건하에서 상기 처리된 유출물을 질소산화물 환원제와 접촉시키는 단계를 포함하는 연소 유출물 중의 질소산화물을 환원하는 과정"을 설명한다.
미국특허 제7,090,810호, 발명의 명칭 "측류 요소 분해에 의해 가능하게 된 NOx의 선택적 촉매 환원"(Sun et al.)은 "필요한 경우 보충될 수 있는 연도 가스의 엔탈피를 이용하여 요소(30)를 SCR을 위한 암모니아로 전환하기 위한 바람직한 과정 배치"를 개시하며, "140℃ 이상의 온도에서 분해하는 요소(30)가 1차 과열기 또는 절탄기와 같은 열교환기(22)를 거친 연도 가스 스트림 스플릿 오프(28)에 주입된다. 이상적으로는 추가 가열의 필요 없이 측류가 요소를 가스화할 것이다. 그러나, 가열이 필요한 경우라 해도 전체 유출물(23)이나 요소(30)를 가열하는데 필요한 것보다 훨씬 적다. 이 측류는 전형적으로 연도 가스 중 3% 미만이며, 요소(30)의 완전 분해에 필요한 온도 및 체류 시간을 제공한다. 사이클로닉 분리기를 사용해서 미립자를 제거하고 시약과 연도 가스를 완전히 혼합할 수 있다. 다음에, 이 스트림이 송풍기(36)를 사용해서 SCR 앞의 주입망(37)으로 보내질 수 있다. 종래의 암모니아-SCR 과정에서 AIG를 통해 주입된 것과 비슷한 규모로 높은 질량의 측류로 인해서 연도 가스와의 혼합이 촉진된다"라고 설명한다.
미국특허 제5,286,467호, 발명의 명칭 "질소산화물 환원을 위한 고 효율 하이브리드 과정"(Sun et al.)은 "유출물에 암모니아 이외의 다른 질소성 처리제를 도입함으로써 처리된 유출물에 암모니아가 존재하는 질소산화물 농도가 감소된 처리된 유출물을 생성하는 단계; 암모니아 공급원을 유출물에 도입하는 단계; 및 상기 처리된 유출물을 질소산화물 환원 촉매와 접촉시키는 단계를 포함하는 연소 유출물 중의 질소산화물을 환원하는 과정"을 설명한다.
그러나, 요소의 암모니아 가스로의 변환을 효과적으로 허용하기에 충분한 체류 시간을 제공하기 위한 시스템 및 방법이 필요하다. 따라서, 본 발명은 반응기 조립체 안에서 수성 요소를 암모니아 증기로 가스화하기 위한 충분히 가열된 연도 가스의 2차 스트림에 필요한 체류 시간을 허용함으로써 NOx의 효과적인 선택적 촉매 환원을 가능하게 하는 새로운 시스템 및 방법이다. 다음에, 암모니아와 2차 연도 가스의 혼합물이 SCR 반응기 시스템 상류의 연도 가스 메인 스트림에 다시 공급된다.
본 발명의 목적은 집합적으로 연소 시스템이라고 하는 보일러, 가스터빈, 내연기관, 용광로 등에서 화석연료를 연소시킴으로써 발생된 연소 생성물에 존재하는 NOx의 효과적인 선택적 촉매 환원(SCR)을 가능하게 하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 연소로부터의 결과인 뜨거운 배기 가스에서의 이용성에만 제한되지 않으며, NOx의 환원에 SCR 과정이 사용될 때는 언제나 이용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 수성 요소, 수성 암모니아 및 알코올류와 같은 다량의 액체를 함유하는 유체를 효과적으로 가스화하기 위해 충분히 가열된 연소 가스의 2차 스트림에 필요한 체류 시간을 허용하는 것이다.
한 구체예에서, 본 발명의 시스템 및 방법은 보일러로부터 나오는 충분히 가열된 연도 가스의 2차 스트림에 필요한 체류 시간을 허용함으로써 반응기 조립체 안에서 수성 요소를 암모니아 증기로 가스화할 수 있다. 다음에, 암모니아와 2차 연도 가스의 혼합물이 SCR 반응기 시스템 상류의 연도 가스 메인 스트림에 다시 공급되어 연도 가스 메인 스트림에 존재하는 NOx의 환원이 가능하게 된다.
이에 따라, 본 발명의 한 구체예에 따른 요소-암모니아 증기 반응기 시스템은 분기점에서 연도 가스 메인 스트림으로부터 분리되어 나온 2차 연도 가스 스트림을 수용하는 우회류 덕트에 봉입된 요소 반응기 하우징을 포함한다. 연도 가스 메인 스트림은 연료를 태우고, 그 결과 질소산화물(NOx)을 포함하는 연소 연도 가스가 생산되는 보일러로부터 나온다. 수성 요소가 선택적으로 압축 공기와 같은 캐리어 유체의 도움을 받아서 원자화된 또는 비-원자화된 형태로 우회류 덕트 안에 봉입된 반응기 하우징에 주입된다. 우회류 덕트는 2차 연도 가스 스트림이 내장된 반응기 하우징을 지나 흐르도록 허용하며, 이때 주입된 수성 요소가 암모니아 증기로 가스화되고, 이어서 암모니아와 그 부산물과 2차 연도 가스 스트림의 결과의 기상 혼합물이 메인 스트림과 다시 합류하게 되고, 그 다음 메인 연도 가스가 선택적 촉매 환원(SCR) 반응기 장치를 통해 처리된 후에 대기로 배출된다.
다른 구체예에서, 본 발명의 복수의 요소-암모니아 증기 반응기 시스템이 직렬로 연결되어 연속 계단식 배열을 형성하며, 이로써 제 1 단계에서 생긴 암모니아 증기와 2차 연도 가스의 혼합물이 제 2 단계로의 유입 등등을 형성하게 된다.
또 다른 구체예에서, 본 발명의 복수의 요소-암모니아 증기 반응기 시스템은 각 시스템이 각각의 분기점으로부터 독립된 부피의 2차 연도 가스 스트림을 수용하는 한편, 복수의 시스템 각각으로부터 나온 암모니아와 연도 가스의 결과의 기상 혼합물이 독립적으로 연도 가스 메인 스트림에 다시 공급될 수 있는 구성형태로 연결된다.
본 발명의 시스템에서 복수의 단계를 통한 가스 흐름의 바람직한 속도는 송풍기, 압축기, 오리피스, 노즐, 밸브, 파이프 직경의 변화, 배관 굽힘, 및/또는 이들의 조합에 의해서 발생되어 유지된다. 예를 들어, 보일러 용도에서, 분기점(들)은 사용될 보일러의 종류와 상이한 지점에서 연도 가스의 온도에 따를 수 있다. 한 구체예에서, 분기점(들)은 보일러의 대류 통로 내에, 바람직하게는 절탄기가 사용된다면 절탄기의 상류에 위치될 수 있다.
한 구체예에서, 본 발명은 수성 요소를 증기 암모니아로 전환하기 위한 반응기이며, 상기 반응기는 (a) 제 1 가스 스트림을 수용하는 가스 흐름 유입구, 제 3 가스 스트림을 내보내는 가스 흐름 유출구, 및 상기 가스 흐름 유입구와 상기 가스 흐름 유출구 사이에 배치된 제 1 내부 공간을 한정하는 하나 이상의 엔클로저 벽을 구비한 엔클로저; (b) 상기 엔클로저 내에 배치된 반응기를 포함하며, 상기 반응기는 (i) 제 2 내부 공간을 한정하며, 상기 제 1 내부 공간에 노출된 제 1 외부면을 더 한정하는 하나 이상의 반응기 벽을 가진 하우징; 및 (ii) 상기 제 2 내부 공간과 유체 연통되는 수성 요소 유입구를 포함하고, 상기 제 1 외부면은 상기 제 2 내부 공간과 상기 제 1 내부 공간 사이에 압력차 구역을 생성하는 모양을 가지며, 상기 하우징에는 제 1 개구가 있고, 상기 제 1 개구(본원에서는 또한 "윈도우"라고도 한다)는 상기 제 1 외부면에 위치하며, 단면적은 상기 제 1 외부면의 약 35% 미만이고, 상기 압력차 구역에 인접하여 배치된다.
선택적으로, 제 2 가스 스트림이 상기 제 1 가스 스트림의 상기 제 1 부분의 적어도 일부와 상기 제 1 가스 스트림의 상기 제 2 부분의 적어도 일부로부터 생성된다. 암모니아 증기는 제 2 윈도우를 통해 상기 반응기 하우징을 빠져나와 상기 제 2 가스 스트림과 혼합되어 상기 제 3 가스 스트림을 생성한다. 암모니아 증기는 상기 제 2 윈도우를 통해 상기 반응기 하우징을 빠져나와 상기 제 2 가스 스트림과 혼합되어 재순환 가스 스트림을 생성한다. 재순환 가스 스트림은 제 1 윈도우를 통해 상기 제 2 내부 공간으로 들어간다. 상기 제 2 내부 공간으로부터 상기 제 2 윈도우를 통한 암모니아 증기의 탈출, 상기 재순환 가스 스트림의 생성, 및 상기 재순환 가스 스트림의 상기 제 2 내부 공간으로의 진입은 대류 루프를 형성한다. 재순환/대류 루프는 체류 시간을 증가시키는 방법이다. 반응기는 돌출 부재를 더 포함하며, 상기 돌출 부재는 상기 제 1 윈도우 근처에 위치되며, 상기 반응기의 외부면에서 상기 제 1 내부 공간으로 연장된다. 상기 제 1 가스 스트림으로부터 상기 반응기 하우징으로 전달된 열 에너지에 의해서 제 2 내부 공간이 가열된다. 제 2 내부 공간의 가열은 추가 열 에너지의 유입 없이 수성 요소를 암모니아 증기로 가스화하기에 충분하다.
다른 구체예에서, 본 발명은 NOx를 함유하는 배기 가스 스트림으로 암모니아 증기를 도입하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 이것은 (a) 본원에 설명된 요소를 암모니아로 전환하는 반응기; (b) 상기 수성 요소 유입구에 연속 주입되는 수성 요소 스트림; (c) 상기 반응기 하우징의 적어도 일부분 주변에서 상기 가스 흐름 유입구로 연속 유입되는 가열된 가스를 포함하는 제 1 스트림; (d) 상기 암모니아 증기를 주로 포함하며, 상기 제 1 개구를 가로질러 빠져나가는 제 2 스트림; (e) 상기 가열된 가스와 상기 암모니아 증기의 혼합물을 포함하며, 상기 가스 흐름 유출구를 가로질러 빠져나가는 제 3 스트림; 및 (f) 상기 제 3 스트림을 NOx를 함유하는 상기 배기 스트림을 포함하는 제 4 스트림에 도입하기 위한 SCR 촉매의 상류에 위치한 포트를 포함한다.
다른 구체예에서, 본 발명은 (a) 반응기의 적어도 일부분의 주변으로 가열된 연도 가스 측류를 유입시켜 대류 방식으로 상기 반응기를 적어도 약 700℉까지 가열하는 단계; (b) 상기 가열된 반응기에 수성 요소를 주입하는 단계로, 단계 (b)는 단계 (a)와 동시에 수행되고; (c) 상기 요소의 대부분이 암모니아 증기로 전환될 때까지 상기 가열된 반응기 안의 상기 수성 요소를 열 분해하는 단계로, 단계 (c)는 단계 (a)와 동시에 수행되고; (d) 상기 가열된 반응기로부터 상기 암모니아 증기를 인출하는 단계로, 단계 (d)는 단계 (a)와 동시에 수행되고; 및 (e) 상기 인출된 암모니아 증기를 상기 가열된 가스의 일부와 혼합하는 단계를 포함하는, 암모니아 증기를 생산하는 방법이다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들 및 이점들이 인정되며, 이들은 첨부된 도면과 관련하여 생각할 경우 이후의 상세한 설명을 참조하여 더 잘 이해될 것이다.
도 1a는 본 발명의 요소-암모니아 증기 반응기 시스템의 구체예를 도시한다.
도 1b는 본 발명의 복수의 요소-암모니아 증기 반응기 시스템의 직렬 배열을 도시한다.
도 1c는 본 발명의 복수의 요소-암모니아 증기 반응기 시스템의 다른 구성형태를 도시한다.
도 2a는 본 발명의 한 구체예에 따른 요소-암모니아 증기 반응기 조립체의 3차원 도면이다.
도 2b는 반응기 조립체가 제 1 타입의 보일러에 사용된 경우 반응기 조립체의 제 1 상향 측면도이다.
도 2ba는 반응기 조립체가 제 2 타입의 보일러에 사용된 경우 반응기 조립체의 제 1 상향 측면도이다.
도 2c는 반응기 조립체가 제 1 타입의 보일러에 사용된 경우 반응기 조립체의 제 2 상향 측면도이다.
도 2ca는 반응기 조립체가 제 2 타입의 보일러에 사용된 경우 반응기 조립체의 제 2 상향 측면도이다.
도 2d는 반응기 조립체가 제 1 타입의 보일러에 사용된 경우 반응기 조립체의 상부 평면도이다.
도 2da는 반응기 조립체가 제 2 타입의 보일러에 사용된 경우 반응기 조립체의 상부 평면도이다.
도 3a는 본 발명의 요소-암모니아 증기 반응기 조립체의 구체예의 분해조립도이다.
도 3aa는 후드와 상응하는 윈도우가 없는 본 발명의 다른 구체예이다.
도 3b는 본 발명의 요소-암모니아 증기 반응기 조립체의 구체예의 조립된 3차원 도면이다.
도 3ba는 후드와 상응하는 윈도우가 없는 본 발명의 다른 구체예이다.
도 3c는 반응기 조립체가 제 1 타입의 보일러에 사용된 경우 본 발명의 요소-암모니아 증기 반응기 조립체의 구체예의 상향 길이방향 단면도이다.
도 3ca는 반응기 조립체가 제 2 타입의 보일러에 사용된 경우 본 발명의 요소-암모니아 증기 반응기 조립체의 구체예의 상향 길이방향 단면도이다.
도 3caa는 후드와 상응하는 윈도우가 없는 본 발명의 다른 구체예이다.
도 3d는 반응기 조립체가 제 1 타입의 보일러에 사용된 경우 본 발명의 요소-암모니아 증기 반응기 조립체의 구체예의 유입 덕트 리드의 상부 평면도이다.
도 3da는 반응기 조립체가 제 2 타입의 보일러에 사용된 경우 본 발명의 요소-암모니아 증기 반응기 조립체의 구체예의 유입 덕트 리드의 상부 평면도이다.
도 3e는 반응기 조립체가 제 1 타입의 보일러에 사용된 경우 본 발명의 요소-암모니아 증기 반응기 조립체의 구체예의 유입 덕트 리드의 제 2 상부 평면도이다.
도 3ea는 반응기 조립체가 제 2 타입의 보일러에 사용된 경우 본 발명의 요소-암모니아 증기 반응기 조립체의 구체예의 유입 덕트 리드의 제 2 상부 평면도이다.
도 4a는 반응기 하우징의 3차원 조립도이다.
도 4aa는 후드와 상응하는 윈도우가 없는 본 발명의 다른 구체예이다.
도 4b는 반응기 하우징의 분해조립도를 도시한다.
도 4ba는 후드와 상응하는 윈도우가 없는 본 발명의 다른 구체예이다.
도 4c는 반응기 조립체가 제 1 타입의 보일러에 사용된 경우 반응기 하우징의 측상향 단면도이다.
도 4ca는 반응기 조립체가 제 2 타입의 보일러에 사용된 경우 반응기 하우징의 측상향 단면도이다.
도 4caa는 후드와 상응하는 윈도우가 없는 본 발명의 다른 구체예이다.
도 4d는 반응기 조립체가 제 1 타입의 보일러에 사용된 경우 반응기 하우징의 제 1 패널의 상향도를 도시한다.
도 4da는 반응기 조립체가 제 2 타입의 보일러에 사용된 경우 반응기 하우징의 제 1 패널의 상향도를 도시한다.
도 4daa는 후드와 상응하는 윈도우가 없는 본 발명의 다른 구체예이다.
도 4e는 반응기 조립체가 제 1 타입의 보일러에 사용된 경우 반응기 하우징의 제 2 패널의 상향도를 도시한다.
도 4ea는 반응기 조립체가 제 2 타입의 보일러에 사용된 경우 반응기 하우징의 제 2 패널의 상향도를 도시한다.
도 4eaa는 후드와 상응하는 윈도우가 없는 본 발명의 다른 구체예이다.
도 4f는 반응기 조립체가 제 1 타입의 보일러에 사용된 경우 조립된 반응기 하우징의 상부 평면도이다.
도 4fa는 반응기 조립체가 제 2 타입의 보일러에 사용된 경우 조립된 반응기 하우징의 상부 평면도이다.
도 4g는 반응기 조립체가 제 1 타입의 보일러에 사용된 경우 유입 덕트 내에 배치되었을 때 조립된 반응기 하우징의 상부 평면도이다.
도 4ga는 반응기 조립체가 제 2 타입의 보일러에 사용된 경우 유입 덕트 내에 배치되었을 때 조립된 반응기 하우징의 상부 평면도이다.
도 5a는 상부 리드의 3차원 도면이다.
도 5b는 상부 리드의 하부의 3차원 도면이다.
도 5c는 반응기 조립체가 제 1 타입의 보일러에 사용된 경우 주입장치-리드 조립체의 상향 단면도이다.
도 5ca는 반응기 조립체가 제 2 타입의 보일러에 사용된 경우 주입장치-리드 조립체의 상향 단면도이다.
도 5d는 반응기 조립체가 제 1 타입의 보일러에 사용된 경우 주입장치-리드 조립체의 밑면에서 본 도면이다.
도 5da는 반응기 조립체가 제 2 타입의 보일러에 사용된 경우 주입장치-리드 조립체의 밑면에서 본 도면이다.
도 6은 반응기 하우징을 통과해 내부를 지나가는 측류 및 암모니아 증기 가스 흐름의 도식도이다.
도 7은 본 발명의 일 구체예에 따른 엔클로저를 통한 측류 연도 가스 흐름의 일반적인 방향을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 구체예에 따른 엔클로저의 단면도로서, 측류 연도 가스 및 암모니아 증기의 흐름을 나타낸 반응기 하우징이 있는 가스 흐름 유입구와 가스 흐름 배출구를 함유하는 평면에 위치된다.
도 9a는 본 발명의 일 구체예에 따른 엔클로저의 단면도로서, 측류 연도 가스 및 암모니아 증기의 흐름을 나타낸 반응기 하우징이 가스 흐름 유입구를 함유하는 평면에 위치된다.
도 9b는 본 발명의 일 구체예에 따른 엔클로저의 단면도로서, 측류 연도 가스와 암모니아 증기의 혼합물의 흐름을 나타낸 반응기 하우징이 가스 흐름 유출구를 함유하는 평면에 위치된다.
도 10은 본 발명의 구체예의 주 기능들을 순서대로 도시한 블록도이다.
본 발명은 많은 상이한 형태로 구현될 수 있지만, 본 발명의 원리에 대한 이해를 촉구하려는 목적에서 이제 도면에 예시된 구체예들을 참조하여 특정한 언어를 사용해서 이들을 설명하려 한다. 그렇지만, 이로써 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아님이 이해된다. 설명된 구체예의 어떤 변경 및 추가의 변형, 그리고 본원에 설명된 발명의 원리의 어떤 추가의 적용도 본 발명이 관련된 분야의 당업자에 의해서 일반적으로 이루어지는 것으로서 고려된다.
이제, 도 1a는 본 발명의 일 구체예에 따른 요소-암모니아 증기 반응기 시스템(100)을 도시한다. 시스템(100)은 우회류 덕트(105)에 봉입된 요소 반응기 하우징(미도시)을 포함하며, 이것은 일 구체예에서 분기점(110)에서 연도 가스 메인 스트림(115)으로부터 분리되어 나온 2차 연도 가스 스트림(112)을 수용한다. 연도 가스 메인 스트림(115)은 화석연료, 탄화수소 연료를 태우는 시스템으로부터 나온다. 이러한 시스템은 화석, 탄화수소 연료, 또는 질소산화물을 포함하는 연소 생성물을 생산하는 어떤 다른 연료를 태우는 보일러, 가스터빈, 내연(IC)기관, 용광로 또는 어떤 다른 시스템을 포함할 수 있으며, 이것은 당업자에게 자명한 사항이다. 추가로, 본 발명의 시스템(100)은 그것의 사용이 연소의 결과인 가열된 연도/배기 가스에만 제한되지 않으며, NOx의 환원에 선택적 촉매 환원(SCR) 과정이 사용되는 어디에나 사용될 수 있다. 예시를 위해서 본 발명은 보일러와 관련하여 설명되지만, 본 발명의 시스템 및 방법은 화석, 탄화수소 연료 또는 바이오매스 연료를 태워서 연소 가스를 생산하거나, 또는 연소의 결과로서 반드시 연도/배기 가스가 생산되지는 않지만 SCR 과정이 NOx의 환원에 사용되는 어떤 다른 시스템에도 동일하게 사용될 수 있다.
이에 따라, 한 구체예에서, 연도 가스 메인 스트림(115)은 연료(130)를 태우는 보일러(125)로부터 나오며, 결과로서 질소산화물(NOx)을 포함하는 연소/연도 가스가 생산된다. 연소/연도 가스(115)는 전형적으로 복수의 열교환기 튜브(127) 안의 물을 가열하는데 사용되고, 다음에 연도 가스(115)는 선택적 촉매 환원(SCR) 반응기 장치(135)를 통해 처리된 후에 대기로 배출되는데, 이것은 당업자에게 알려진 대로이다. 수성 요소가 원자화된 또는 비-원자화된 형태로 요소 주입장치(120)를 사용해서 우회류 덕트(105) 내에 봉입된 반응기 하우징에 직접 주입된다. 우회류 덕트(105)는 2차 연도 가스 스트림(112)이 봉입된 반응기 하우징을 지나 흐르도록 허용하며, 이때 주입된 수성 요소가 암모니아 증기로 가스화되고, 이어서 암모니아와 그 부산물과 2차 연도 가스 스트림의 결과의 기상 혼합물이 메인 스트림(115)에 합류될 수 있다.
작동 동안, 2차 연도 가스 스트림(112) 중 'x%' 부피(예를 들어, 메인 연도 가스의 1% 내지 5% 범위)가 우회류 덕트(105)로 들어가 원자화된 또는 비-원자화된 요소와 상호작용할 수 있는데, 이것은 정류 상태에 도달한 후에는 2차 가스 스트림(112) 근처의 온도를 가진다. 2가 연도 가스 스트림(112)이 우회류 덕트(105)에 도입되는 유속은 보일러의 타입 및 크기, 보일러로부터 증기가 생성되는 속도 및 사용된 연료 타입과 같은 요인들에 영향을 받는다. 2차 스트림(112)이 우회류 덕트(105)로 들어감에 따라서, 덕트의 흐름 속도/유속이 감소한다는 것은 당업자에게 자명한 사항이다. 따라서, 한 구체예에서, 우회류 덕트(105)는 덕트 밖의 흐름과 비교하여 독립적이며 전형적으로는 상이한 가스 흐름 패턴을 생성한다. 이런 상대적으로 느린 가스 흐름 패턴은 충분히 가열된 유입되는 2차 가스 스트림(112)의 존재하에, 원자화된 또는 비-원자화된 요소가 암모니아 증기로 되고, 그 부산물이 정류 상태에 도달하는데 필요한 체류 시간을 허용한다는 점에서 유익하다. 재순환/대류 루프가 체류 시간을 증가시키는 한 방식인데, 이것은 더 나아가 요소의 암모니아로의 효과적인 전환을 가능하게 한다. 반응기 하우징(우회류 덕트(105) 내에 봉입된)이 충분히 가열되기 위해서는 2차 연도 가스 스트림(112)이 700 내지 950℉의 온도 범위인 것이 바람직하다. 또한, 체류 시간은 0.5 내지 5초의 범위이다. 본 발명의 시스템(100)에 의해 가능하게 된 필요한 체류 시간의 이점은 본 구체예에서와 같은 수성 요소의 가스화뿐만 아니라, 다른 구체예에서는 수성 암모니아 및 히드록실-함유 유기 화합물과 같은 다른 유체들을 효과적으로 가스화하는데도 유익하게 사용될 수 있다는 것을 당업자는 주지해야 한다.
도 1a는 본 발명의 요소-암모니아 증기 반응기 시스템(100)의 단일 단계의 사용을 도시하지만, 본 발명의 한 양태에 따르면 도 1b에 도시된 대로, 복수의 시스템(100)이 직렬로 연결되어 연속 계단식 배열을 형성할 수 있고, 이로써 제 1 단계(141)에서 생긴 암모니아 증기와 2차 연도 가스의 혼합물이 제 2 단계(142)로의 유입 등등을 형성하게 된다는 것을 당업자는 인정해야 한다. 따라서, 다른 구체예는 여러 단계로 연결된 시스템(100)을 가진다. 도 1c는 본 발명의 다른 구체예에 따른 복수의 시스템(100)을 사용한 또 다른 구성형태를 도시한다. 이 구체예에서, 도 1c에 도시된 제 1 시스템(141) 및 제 2 시스템(142)과 같은 복수의 시스템(100)은 각 시스템(100)이 분기점(110)으로부터 2차 연도 가스 스트림(112)의 독립된 부피를 수용하는 한편, 제 1 및 제 2 시스템(141, 142) 각각으로부터 나오는 수성 암모니아와 연도 가스의 결과의 혼합물이 연도 가스 메인 스트림(115)으로 다시 돌아갈 수 있도록 사용된다.
복수의 단계의 시스템(100)을 통해 바람직한 가스 유속을 생성하고 유지하기 위해서 연결 파이프 안에 팬/송풍기가 신중하게 사용된다. 다시 도 1a를 보면, 일 구체예에서, 우회류 덕트(105)에서 생긴 암모니아와 연도 가스의 혼합물이 SCR 반응기 장치(135) 근처의 송풍기(미도시)에 의해서 연도 가스 메인 스트림(115)으로 급송된다. 일 구체예에서, 암모니아와 연도 가스의 혼합물은 SCR 반응기(135) 상류의 암모니아 주입망으로 보내진다. 다른 구체예에서, 시스템(100) 하류의 우회 연결 파이프에 설치된 고정식 혼합장치에 의해서 암모니아 증기와 2차 연도 가스가 또한 적절히 혼합될 수 있다. 일 구체예에서, 공기 팬 또는 공작용 압축기에 의해 공기 흐름이 제공되며, 이로써 요소 주입장치 노즐을 냉각시킬 수 있으며, 또한 공기 시일을 제공하여 노즐 위로 뜨거운 유체가 역류하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분기점(들)(110)의 위치는 주문제작 가능하며, 사용될 보일러의 타입 및 상이한 지점에서 연도 가스의 온도에 따른다. 일 구체예에서, 분기점(들)(110)은 보일러의 대류 통로 내에, 바람직하게는 절탄기가 사용된다면 절탄기의 상류에 위치될 수 있다.
다음으로, 도 2a는 본 발명의 일 구체예에 따른 요소-암모니아 증기 반응기 조립체(200)의 3차원 도면이다. 도 2b 및 2c는 반응기 조립체(200)의 상향 측면도이고, 도 2d는 상부 평면도이며, 모두 조립체(200)가 제 1 타입의 보일러에 사용된 경우의 본 발명의 구체예에 따른 전형적인 치수를 도시한다. 유사하게, 도 2ba 및 2ca는 반응기 조립체(200)의 상향 측면도이고, 도 2da는 상부 단면도이며, 모두 조립체(200)가 제 2 타입의 보일러에 사용된 경우의 본 발명의 다른 구체예에 따른 전형적인 치수를 도시한다. 이제, 같은 번호가 동일한 요소를 나타내는 도 2a 내지 2d와 도 2ba 내지 2da를 동시에 보면, 반응기 조립체(200)는 2차 연도 가스 스트림(208)이 반응기 조립체로 들어가도록 하는 유입구 포트(207)와 암모니아 증기와 2차 연도 가스(210)의 혼합물이 반응기 조립체(200)를 떠나도록 하는 유출구 포트(209)를 가진 흐름 덕트(205)를 포함한다. 도 2c 및 2ca에서 볼 수 있는 대로, 요소 반응기 하우징(215)이 흐름 덕트(205) 내에 봉입된다. 요소 주입장치(220)를 사용하여 반응기 하우징(215) 내에 요소가 도입되는데, 한 구체예에서 요소 주입장치는 흐름 덕트(205)의 상부 리드(225)에 부착된다. 주입장치(220)는 반응기 하우징(215)에서 수성 요소의 도입 지점 바로 상류에 3-방향 밸브를 포함한다. 한 구체예에서, 요소 주입장치(220)는 중력을 이용해서 위에서부터 반응기 하우징(215)으로 원자화된 또는 비-원자화된 수성 요소를 주입한다. 그러나, 다른 구체예에서는 요소 급송이 흐름 덕트(205)의 측면 또는 하부로부터 제공된다.
한 구체예에서, 유입구 및 유출구 포트(207, 209)는 각 포트로부터 바깥쪽으로 돌출한 파이프 연장부(211, 212)를 각각 포함하며, 이로써 반응기 조립체(200)가 보일러의 우회 2차 연도 가스 스트림을 수용하도록 연결되었을 때 유입구 및 유출구 우회 파이프(미도시)와 포트들의 연결이 용이하게 된다. 배수 파이프(230)가 흐름 덕트(205)의 하부 리드(235)를 통해 지나간다.
반응기 요소들의 치수는, 몇 가지 예를 들면, 보일러의 타입, 보일러 용량, 보일러 연도 가스 오염물의 촉매 환원을 위한 시약으로서 생성되는 암모니아의 양, 연도 가스의 유속, 연도 가스의 온도, 반응기에 급송된 수성 요소 용액의 유속 및 조성과 같은 여러 요인들에 좌우된다. 한 구체예에서, 흐름 덕트(205)의 길이 대 외경 비는 2.5 정도이고, 전술된 요인들에 따라서 2 내지 4의 범위에서 변할 수 있다. 예를 들어, 도 2ba 내지 2da의 흐름 덕트(205)는 더 크게 도시되는데(예를 들어, 길이 42인치 및 외경 18인치로서, 길이 대 외경 비는 2.33), 상응해서 유입구와 유출구 포트(207, 209)의 직경도 도 2b 내지 2d의 흐름 덕트 치수(예를 들어, 길이 30인치 및 외경 12인치로서, 길이 대 외경 비는 2.5)보다 더 크며, 이것은 제 2 타입의 보일러가 제 1 타입의 보일러보다 더 크기 때문이다. 도 3a는 본 발명의 요소-암모니아 증기 반응기 조립체(300)의 구체예의 분해조립도이고, 도 3b는 조립된 3차원 도면이다. 도 3c는 흐름 덕트의 상향 길이방향 단면도이고, 도 3d는 상부 평면도이고, 도 3e는 상부도이며, 모두 요소-암모니아 증기 반응기 조립체(300)가 제 1 타입의 보일러에 사용된 경우의 본 발명의 구체예에 따른 전형적인 치수를 도시한다. 이러한 치수는 어떤 식으로도 제한은 아니며, 적어도 보일러의 타입이나 요소-암모니아 용량에 대한 요구에 따라서 변한다는 것을 당업자는 인정해야 한다. 따라서, 도 3ca는 흐름 덕트의 상향 길이방향 단면도이고, 도 3da는 상부 평면도이고, 도 3ea는 상부도이며, 모두 요소-암모니아 증기 반응기 조립체(300)가 제 2 타입의 보일러에 사용된 경우의 본 발명의 다른 구체예에 따른 전형적인 치수를 도시한다. 이제, 같은 번호가 동일한 요소를 나타내는 도 3a 내지 3c와 도 3ca를 동시에 참조한다. 일 구체예에서, 흐름 덕트(305)는 폐쇄된 버튼(335)을 가진 원형 단면의 파이프로서, 반응기 하우징 배수 파이프(330)가 수용되는 구멍(328)과 개방된 상부(345)를 포함한다. 구멍(328)의 확대된 도면(365)은 상단부에서 요소 반응기 하우징(315)의 하부(350)에 연결된 배수 파이프(330)를 도시하며, 배수 단부(331)는 구멍(328)을 통해 배수 연결장치(332)로 이어진다. 배수 플러그(334)가 배수 연결장치(332)에 스크류 고정되어 스탑 밸브로 작용한다.
흐름 덕트(305)의 상부 개구(345)는 원형 플랜지(347)를 가지며, 복수의 볼트와 너트(348)에 의해서 거기에 상부 리드(325)가 고정된다. 도 3d, 3e 및 3da, 3ea는 각각 제 1 및 제 2 보일러에 사용된 경우의 조립체(300)에 대한 것으로서, 일 구체예에 따른 볼트와 너트(348)의 원형 패턴을 도시한다. 볼트와 너트(348)를 사용해서 플랜지(347)에 볼트로 고정된 상부 리트(325)의 일부의 확대된 도면(370)이 도시된다. 볼트와 너트(348)를 타이트하게 고정하고 접촉면을 적절히 패킹하기 위해 플랜지(347)와 리드(325) 사이에 개스킷(349)이 사용된다. 플랜지(347)는 상부 개구(345) 주변에서 흐름 덕트(305) 위에 장착된다.
일 구체예에 따라서, 본 발명의 반응기 하우징(315)은 삼각형 단면을 가진 3개의 측면 패널(340)로 제작된다. 그러나, 다른 구체예에서, 반응기 하우징(315)은 원형 단면 파이프, 정사각형 단면 하우징, 직사각형 단면 하우징 또는 당업자에게 유리하다고 증명된 바와 같은 어떤 다른 적합한 단면의 하우징이다. 요소 반응기 하우징(315)은 흐름 덕트(305) 내에 완전히 봉입되도록 흐름 덕트(305)에 도입된다. 반응기 하우징(315)은 하부에서 하부 플레이트(335)에 고정되고, 상부에서는 상부 리드(325) 아래에서 슬리브(355)(확대된 도면(375)에 도시된다)에 의해 고정되며, 슬리브는 상부 리드(325)가 흐름 덕트(305)의 상부 개구(345) 위에 고정되었을 때 반응기 하우징(315)을 보유하는 포트를 형성할 수 있는 크기 및 모양을 가진다. 상부 리드(325)는 또한 일체식 주입장치 조립체(320)를 고정하여 보유하고, 요소가 반응기 하우징(315)에 도입되도록 하는 중앙 내경 관통구(360)를 포함한다.
도 4a는 본 발명의 구체예에 따른 반응기 하우징(415)의 3차원 조립도이고, 도 4b는 분해조립도이다. 도 4c는 측상향 단면도이고, 도 4d 및 4e는 각각 제 1 및 제 2 패널의 상향도이고, 도 4f 및 4g는 상부 평면도이며, 모두 조립된 반응기 하우징(415)이 제 1 타입의 보일러에 사용된 경우의 본 발명의 구체예에 따른 전형적인 치수를 도시한다. 이러한 치수가 어떤 식으로도 제한이 아니며, 적어도 보일러의 타입에 따라서 변한다는 것을 당업자는 인정해야 한다. 따라서, 도 4ca는 측상향 단면도이고, 도 4da 및 4ea는 각각 제 1 및 제 2 패널의 상향도이고, 도 4f 및 4ga는 상부 평면도이며, 모두 조립된 반응기 하우징(415)이 제 2 타입의 보일러에 사용된 경우의 본 발명의 다른 구체예에 따른 전형적인 치수를 도시한다. 같은 번호가 동일한 요소를 나타내는 도 4a 내지 4g와 도 4ca 내지 4ga를 동시에 참조한다. 반응기 하우징(415)은 3개의 패널, 즉 제 1 패널(471), 제 2 패널(472) 및 제 3 패널(473); 중앙 내경 배수구(493)를 가진 하부 패널(474); 3개의 패널 내부 유도장치(475); 및 배수 파이프(430)를 포함한다. 제 1 패널(471)은 윈도우(476) 및 아래에 2개의 추가의 좁은 윈도우(478)를 포함한다. 후드(479)가 윈도우(476) 위에서 패널(471)에 부착되는데, 길이 방향으로는 윈도우(476)의 일부만을 덮고, 너비 방향으로는 돌출되어 윈도우(476)를 완전히 덮는다.
본 발명의 구체예에 따라서, 3개 패널(471, 472, 473)은 동일한 높이 'h'를 가진다. 패널(472 및 473)은 동일한 너비 'w2'를 가지며, 이것은 제 1 패널(471)의 너비 'w1'보다 넓다. 또한, 제 2 및 제 3 패널(472, 473)은 하부 절단부(480) 및 관통 구멍(483)이 있는 플랜지(482)를 가진다. 패널(471)은 또한 필요에 따라 하부의 일부분이 연도 가스 통로를 수용하도록 제거될 수 있다. 하부 패널(474)은 패널 내부 유도장치(475)를 수용할 수 있는 홈형 유도장치를 가진다. 도 4f 및 4f는 패널 내부 유도장치(475)를 사용해서 3개 패널(471, 472 및 473)이 3개의 유도장치 하부 패널(474)에 부착되었을 때 반응기 하우징(415)의 상부 평면도를 도시한다.
확대된 도면(490)은 내부 유도장치(475)를 사용해서 임의의 2개 패널을 연결하는 방법을 도시한다. 배수 파이프(430)가 하부 패널(474)의 배수구(493)와 흐름 덕트(405)의 하부 플레이트(435)에 있는 내경 구멍을 연결한다.
도 4g 및 4ga의 확대된 도면(495)에 도시된 대로, 반응기 하우징(415)은 흐름 덕트(405)의 하부 플레이트(435)의 위에 세워지고, 고정장치에 의해서 제 2 및 제 3 패널(472, 473)의 플랜지(482)의 구멍(483)에 고정될 수 있다. 다시, 도 4g 및 4ga를 보면, 본 발명의 일 구체예에서, 반응기 하우징(415)이 제 2 패널과 제 3 패널(472, 473)의 교차에 의해서 형성된 유도장치(492)가 연도 가스의 유입구 포트(407)를 가리키도록 흐름 덕트(405) 내에 봉입된다는 것을 당업자는 주지해야 한다. 결과적으로, 제 1 패널(471)(윈도우(476)와 2개의 좁은 윈도우(478)를 포함하는)이 흐름 덕트(405)의 유출구 포트와 대면하게 된다.
흐름 덕트(405)의 유입구 및 유출구 포트에 대한 패널들의 이런 배치와 그에 따른 반응기 하우징(415)의 배치는 유출구 포트에 대한 윈도우(476) 및 후드(479)의 배치와 함께 그것이 주입된 요소가 연도 가스에 의해서 충분히 간접적으로 가열되어 암모니아 증기로 될 수 있는 체류 시간을 허용한다는 점에서 유익하다. 따라서, 작동 동안, 2차 연도 가스가 유입구 포트(407)를 통해 흐름 덕트(405)로 들어가서 코너(492)에 부딪히고, 이로써 제 2 및 제 3 패널(472, 473)을 따라 2갈래로 나뉘어 반대 쪽에 위치된 제 1 패널(471)에 도달하게 된다. 연도 가스가 패널(472 및 471) 및 패널(473 및 471)에 의해서 형성된 코너를 돌아 나옴에 따라서, 유출구 포트(309)를 통해 흐름 덕트(405)를 탈출하기 위한 준비로서, 이러한 흐름 이동이 2개의 좁은 윈도우(478) 근처에 차등 압력 환경을 유도하고, 이로부터 반응기 하우징 내부의 기화된 요소-암모니아 유체가 일정하게 인출되고, 계속해서 두 연도 가스 스트림에 의해 합류된다. 암모니아와 연도 가스의 기상 혼합물은 유출구 포트(309)를 통해 반응기 흐름 덕트(405)를 떠나도록 준비되는 한편, 상기 연도 가스 중 소량은 후드(479)에 보유되고, 윈도우(476)를 통해 반응기 하우징(415)으로 스며들어가게 된다.
또한, 연도 가스의 상기 설명된 흐름 배열은 반응기 하우징(415)의 3개 패널 모두의 적절한 직접적 가열을 허용할 뿐만 아니라, 반응기 하우징(415)과 흐름 덕트(405) 사이에 순환하는 대류 루프를 유도하여, 위에서부터 주입된 원자화된 요소 소적들(또는 비-원자화된 요소)에 추가의 에너지를 제공함으로써 이들을 암모니아 증기 및 다른 부산물로 가스화되도록 할 수 있다. 이 순환하는 대류 루프의 설정, 및 흐름 덕트(405)를 통한 연도 가스의 유속을 제어하는 것이 반응기 하우징 내에서 초과 요소-암모니아 체류 시간이 달성되는 것을 더 보장한다. 일 구체예에서, 수성 요소를 암모니아로 가스화하는데 필요한 유일한 열 에너지원은 유입 연도 가스 스트림에 함유된 열 에너지, 또는 열이다.
도 6을 보면, 반응기(615)에 의해 그 내부에 생성된 대류 루프가 도시된다. 반응기 가스(687)가 재순환된 가스(686)와 합쳐져 반응기 유출구 가스 흐름(689)을 생성하며, 이것은 제 1 반응기 윈도우(678)를 통해서 떠난다. 반응기 유출구(689) 가스의 제 1 부분은 반응기가 가스(696)를 배출함에 따라 시스템을 떠나고, 반응기 유출구 가스(689)의 제 2 부분은 재순환된 가스(686)로서 제 2 반응기 윈도우(676)를 통해서 반응기(615)로 다시 재순환된다. 용어 "제 1" 및 "제 2"는 반응기 하우징 윈도우와 같은 유사한 요소들을 언급하기 위해 사용되었을 때, 단순히 두 요소들 사이의 차이나 구별을 나타내기 위해 사용되며, 순서, 요소의 절대 필요량, 또는 필요한 서열을 나타내는 것은 아니다. 따라서, 용어 "제 1" 및 "제 2"는 2개의 반응기 하우징 윈도우를 말할 때 상호 교환하여 사용될 수 있다. 다시, 도 3c 및 3ca를 보면, 후드(379)가 유출구 포트(309) 중심(301)의 다소 아래에 놓이도록 위치되며, 이로써 아래에서 나오는 암모니아 증기와 연도 가스의 혼합물이 방해 없이 유출구 포트(309)를 통해 직접 흘러나오지 않게 된다는 것이 주지되어야 한다. 이런 특정한 배열은 이점들이 있음에도 어떤 식으로도 제한은 아니며, 따라서 다른 구체예들은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 흐름 덕트의 유입구 및 유출구 포트에 대해 반응기 하우징의 다른 배치를 가질 수 있다는 것이 인정되어야 한다.
도 5a는 요소 주입장치 조립체(520)의 유입 파이프(506)를 수용할 수 있는 중심 내경 관통구(560)를 포함하는 상부 리드(525)의 3차원 도면이다. 도 5b는 상부 리드(525)의 하부의 3차원 도면이다. 리드(525)의 하부는 상부 리드(525)의 상향 단면도인 도 5c에 도시된 대로 원형의 절연 라이너(510)를 가진다. 두께 T와 직경 'd2'의 절연 라이너는 금속 플레이트에 의해서 리드의 하부에 고정된다. 상부 리드(525)는 또한 반응기 하우징(415)에 기구 감지 접근 포트(507)를 제공하며, 이로써 반응기 하우징(415) 내의 온도, 압력 및 화학 종들과 같은 작동 상태의 연속적 모니터링이 가능하게 된다. 도 5d는 주입장치-리드 조립체(500)의 하부 단면도 및 반응기 하우징(415)의 상부도이다. 도 5c와 5d는 모두 주입장치-리드 조립체(500)가 제 1 타입의 보일러에 사용된 경우의 본 발명의 구체예에 따른 전형적인 치수를 도시한다. 이러한 치수는 어떤 식으로도 제한이 아니며, 적어도 보일러의 타입에 따라서 변한다는 것을 당업자는 인정해야 한다. 따라서, 도 5ca는 주입장치-리드 조립체(500)의 상향 단면도이고, 도 5da는 하부 단면도이며, 모두 주입장치-리드 조립체(500)가 제 2 타입의 보일러에 사용된 경우의 본 발명의 다른 구체예에 따른 전형적인 치수를 도시한다. 이제, 같은 번호가 동일한 요소를 나타내는 도 5c, 5d 및 5ca, 5da를 동시에 참조한다. 주입장치-리드 조립체(500)의 상향 단면도에 도시된 대로, 도 5c 및 5ca에서 라이너(510)의 직경 'd2'는 흐름 덕트(505)의 내경 '0'보다는 약간 작으며, 리드(525)의 직경 'd1'은 흐름 덕트(505)의 플랜지(547)의 직경과 동일하다.
주입장치-리드 조립체(500)가 흐름 덕트(505) 상에 고정되면, 라이너(510)가 흐름 덕트(505)의 내부에 장착되고, 리드(525)는 개스킷(549)과 함께 플랜지(547) 위에 놓인다. 개스킷은 리드(525)가 복수의 볼트와 너트에 의해서 플랜지(547)에 고정될 때 이들 사이의 접촉면의 패킹을 개선하기 위한 것이다. 도 5b, 5d 및 5da에 도시된 대로, 슬리브(555)가 형성되고, 구멍(560) 근처에서 라이너(510)의 하부에 부착된다. 일 구체예에서, 슬리브(555)는, 일 구체예에서 삼각형 단면을 갖는 반응기 하우징(515)의 상부 부분을 수용할 수 있는 삼각형의 모양이다. 도 5d 및 5da는 삼각형 슬리브(555)에 의해 형성된 포트에 장착된 삼각형 단면의 반응기 하우징(515)을 더욱 명확히 도시한다. 당업자는 다른 구체예에서는 슬리브의 모양이 반응기 하우징(515)의 단면 모양에 따라 주문제작 가능하다는 것을 이해할 것이다.
다시, 도 7로 돌아가면, 요소-암모니아 반응기(미도시)를 함유하는 엔클로저(702)를 통한 측류 연도 가스(701)의 일반적인 흐름이 도시된다. 제 1 가스 스트림(703)(예를 들어, 연도 가스 메인 스트림으로부터 유래된 측류 연도 가스 스트림)이 가스 흐름 유입구(703)를 통해 엔클로저(또는 챔버)로 들어가고 엔클로저를 가로질러 암모니아 증기와 혼합되고, 결과의 혼합물이, 예를 들어 제 3 가스 스트림(711)으로 가스 흐름 유출구(705)를 통해 엔클로저로부터 흘러나온다. 바람직한 구체예에서, 엔클로저의 적어도 하나의 엔클로저 벽(708)은 가스 흐름 유입구와 가스 흐름 유출구 사이에 배치된 제 1 내부 공간(710)을 한정한다. 특정한 구체예에서, 엔클로저 벽(708)은 원통형이며, 제 1 내부 공간을 둘러싸서 제 1 엔클로저 단부(706) 및 제 2 엔클로저 단부(707)와 함께 제 1 내부 공간을 한정한다. 다른 구체예에서, 이 벽은 구체, 입방체 등일 수 있다. 바람직하게, 제 1 단부(706)는 가스 흐름 유입구에 인접해 있고(상기 가스 흐름 유출구에 비해), 제 2 단부(707)는 가스 흐름 유출구에 인접해 있다(상기 가스 흐름 유입구에 비해).
도 8로 돌아가면, 반응기 하우징(830)을 가진 반응기(800)를 포함하는 엔클로저(801)의 단면도가 도시되는데, 이 도면은 측류 연도 가스(810)와 암모니아 증기(812)의 흐름을 도시하며, 본 발명의 일 구체예에 따른 가스 흐름 유입구(804)와 가스 흐름 유출구(805)를 함유하는 평면에 위치된다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 일 구체예에 따른 가스 흐름 유입구(804)를 함유하는 평면상에서 측류 연도 가스(811)와 암모니아 증기(913)의 흐름을 나타낸 반응기 하우징(830)을 가진 엔클로저(801)의 단면도; 및 본 발명의 일 구체예에 따른 가스 흐름 유출구(805)를 함유하는 평면상에서 측류 연도 가스와 암모니아 증기(914)의 혼합물의 흐름을 나타낸 반응기 하우징(830)을 가진 엔클로저(801)의 단면도를 각각 도시한다.
여기서는, 엔클로저(801)가 제 1 내부 공간(820)을 한정한다. 반응기 하우징(830)은 서로 제 2 내부 공간(832)을 한정할 수 있는 관계로 배치된 하나 이상의 벽(831)을 가진다. 반응기 하우징 벽(831)은 상기 제 1 내부 공간(820)에 노출된 제 1 외부면(903)을 더 한정한다. 제 1 외부면은 또한 제 1 내부 공간과 제 2 내부 공간 사이의 연접부로서 작용하며, 또한 이 2개의 공간이 서로 유체 연통되도록 허용하는 하나 이상의 개구(예를 들어, 윈도우)를 가진다. 바람직하게, 윈도우의 단면적은 제 1 외부면의 전체 표면적의 약 35% 미만이고, 더 바람직하게는 약 10% 미만이다. 특정한 구체예에서, 하나 이상의 개구는 각각 주 방향과 부 방향을 가지며, 직사각형 윤곽을 가지는데, 주 방향은 반응기 주축(843)과 평행하다. 특정한 바람직한 구체예에서, 개구 중 하나 또는 2개는 제 2 반응기 단부에 비해 제 1 반응기 단부에 인접해 있다.
바람직하게, 표면(903)의 적어도 일부는 각도와 같은 모양을 가지며, 이것은 제 1 내부 공간(820)과 제 2 내부 공간(832) 사이에 압력차 구역(821)을 생성한다. 압력차 구역(831)의 위치, 크기 및 배향은 반응기 치수 및 작동 조건에 따라서 변할 수 있다. 또한, 이들은 시스템이 정류 상태에서 작동하는 동안에도 변할 수 있다. 바람직하게, 이 구역은 개구(예를 들어, 윈도우)(806)에서 등, 제 1 내부 공간과 제 2 내부 공간의 연접부에서 또는 근처에서 형성되어 유지된다. 특정한 예에서, 이 구역은 가스 스트림 내에 형성되는 작은 주머니이다. 주어진 표면 상에서 흐름의 분리는 가스 스트림과 부근 표면 사이에 압력 차이를 만드는 방향의 변화로 인한 것이다. 압력은 표면에 작용하는 힘이므로, 흐름이 분리되는 경우, "역류 구간"이 확립되고, 따라서 분리된 표면 영역 상에서 흐름 방향은 일반적으로 표면으로부터 "상승되는" 것을 특징으로 할 수 있으며, 이를 테면 최저 압력점이 생기게 되지만, 전체 엔클로저 내부가 반드시 음압(진공)이 되는 것은 아니다. 윈도우는 이 구역 근처에 위치되도록 설계되어 특정 영역에 위치되며, 이로써 제 2 내부 공간 내의 가압 분해된 요소 가스가 외부 역류 스트림(비말동반)의 작용에 의해서 제 1 내부 공간으로 가로질러 가게 된다. 따라서, 이들 조건하에서 유체는 요소 반응기(제 2 내부 공간)로부터 흐름 덕트(제 1 내부 공간)로 단지 한 방향으로만 흐른다.
또한, 반응기는 주입장치, 노즐 등과 같은 수성 요소 유입구(803)를 더 함유하며, 이것은 원자화된 요소를 포함하는 수성 요소가 제 2 내부 공간으로 들어가는 것을 허용하는 위치에 위치된다.
가스 흐름 유입구(804)는 유입구 주축(841)을 갖고, 가스 흐름 유출구는 유출구 주축(842)을 가진다. 반응기 하우징(830)은 상기 유입구 주축과 직교하는 반응기 주축(843)을 가지며, 바람직하게 상기 반응기 주축(843) 주변에서 삼각형 윤곽(940)을 이룬다. 삼각형 윤곽은 바람직하게 선두 꼭짓점(941), 제 1 드랙 꼭짓점(942) 및 제 2 드랙 꼭짓점을 가지며, 선두 꼭짓점은 제 1 및 제 2 드랙 꼭짓점에 비해 가스 흐름 유입구(804)에 인접해 있다. 바람직하게, 제 1 외부면(903)의 적어도 일부(944)는 선두 꼭짓점과 대향한다. 본원에 사용된 대로, 용어 꼭짓점은 물체의 기하면들이나 결정면들의 교차에 의해 형성된 모서리를 의미한다. 특정한 바람직한 구체예에서, 삼각형 윤곽(940)은 이등변 모양을 가지며, 이때 선두 꼭짓점은 60도 미만의 내각(946)을 가진다. 바람직하게, 반응기 하우징은 제 1 반응기 단부(851)와 제 2 반응기 단부(852)를 가지며, 제 1 단부와 제 2 단부는 반응기 주축(843)을 따라 있는 중심(904)을 갖고, 제 1 반응기 단부(851)는 가스 흐름 유출구(805)에 비해 가스 흐름 유입구(804)에 인접해 있으며, 제 2 반응기 단부(852)는 가스 흐름 유입구(804)에 비해 가스 흐름 유출구(805)에 인접해 있다.
본 발명의 반응기 시스템은 종래의 요소-암모니아 전환 시스템에 비해 비교적 더 컴팩트한 디자인을 제공할 수 있다는 점에서 유익하다. 따라서, 본 발명의 다른 양태는 상기 언급된 특정한 특징들에 더하여, (c) 메인 연도 가스 도관; (d) SCR 촉매; 및 (e) (i) 상기 가스 흐름 유입구의 상류에 배치되어 제 1 위치에서 상기 가스 흐름 유입구 및 연도 가스 도관과 유동가능하게 연결된 제 1 부분, 및 (ii) 상기 가스 흐름 유출구의 하류에서 제 2 위치에서 상기 가스 흐름 유출구 및 상기 연도 가스 도관과 유동가능하게 연결된 제 2 부분을 갖는 연도 가스 측류 도관을 가진 반응기 시스템으로서, 상기 메인 연도 가스 도관을 통한 연도 가스의 흐름에 대해서 상기 제 2 부분은 상기 제 1 위치의 하류 및 상기 SCR 촉매의 상류에 위치하며, 바람직하게 상기 가스 흐름 유입구와 상기 제 2 위치 사이의 직선 흐름 거리는 상기 측류 도관의 평균 직경의 약 40배 미만, 더 바람직하게는 약 30배 미만, 더욱더 바람직하게는 약 25배 미만, 가장 바람직하게는 약 20배 미만이다.
본 발명은 그것의 본질적인 특징들로부터 벗어나지 않고 다른 특정한 형태로 구현될 수 있다. 설명된 구체예는 모든 면에서 단지 예시로서만 고려되어야 하며, 제한으로서 생각되어서는 안 된다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 설명에 의해서가 아니라 첨부된 청구항에 의해서 시사된다. 청구항과 등가인 의미와 범위 내에 들어가는 모든 변화도 본 발명의 범위 안에 포함된다.

Claims (20)

  1. a. 제 1 가스 스트림을 수용하는 가스 흐름 유입구, 제 3 가스 스트림을 내보내는 가스 흐름 유출구, 및 상기 가스 흐름 유입구와 상기 가스 흐름 유출구 사이에 배치된 제 1 내부 공간을 한정하는 하나 이상의 엔클로저 벽을 구비한 엔클로저;
    b. 주축을 가지고 상기 엔클로저 내에 배치된 반응기
    를 포함하며, 상기 반응기는
    i. 제 2 내부 공간을 한정하며, 상기 제 1 내부 공간에 노출된 제 1 외부면을 가지며 주축에 직각으로 삼각형 단면에 배열된 하나 이상의 반응기 벽을 가진 하우징; 및
    ii. 상기 제 2 내부 공간과 유체 연통되는 수성 요소 유입구를 포함하고,
    제 2 내부 공간으로부터 제 1 내부 공간으로의 유체 연통을 허용하도록 상기 하우징에는 제 1 개구가 있고, 상기 제 1 개구는 상기 제 1 외부면에 위치하며, 상기 제 1 외부면의 35% 미만인 반응기 주축에 평행하는 단면적을 가지고,
    반응기 시스템이 사용 중 일 때, 가스 스트림이 제 1 내부 공간을 통해 흐르고, 삼각형 단면 반응기 벽의 제 1 외부면이 상기 제 2 내부 공간과 상기 제 1 내부 공간 사이에 압력차 구역을 형성하고, 제 1 개구는 제 1 외부면의 압력차 구역의 옆에 위치하는 것을 특징으로 하는 수성 요소를 증기 암모니아로 전환하기 위한 반응기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 흐름 유입구는 반응기 주축에 직교하는 유입구 주축을 가지며, 하나 이상의 반응기 벽은 상기 반응기 주축에 대하여 삼각형 윤곽을 형성하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 삼각형 윤곽은 선두 꼭짓점, 제 1 드랙 꼭짓점, 및 제 2 드랙 꼭짓점을 가지며, 상기 선두 꼭짓점은 상기 제 1 및 제 2 드랙 꼭짓점에 비해 상기 가스 흐름 유입구 옆에 있고, 상기 제 1 외부면이 상기 선두 꼭짓점과 대향하고 있는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 삼각형 윤곽은 이등변 삼각형이며, 상기 선두 꼭짓점은 60°미만의 내각을 가지고, 상기 유입구 주축이 상기 선두 꼭짓점을 이등분하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 외부면의 적어도 일부분은 삼각형 단면을 가지며, 상기 가스 흐름 유출구는 상기 유입구 주축과 평행한 유출구 주축을 가지며, 상기 가스 흐름 유출구는 엔클로저의 제 1 내부 공간에 노출된 삼각형 윤곽의 상기 제 1 외부면에 인접해 있는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 반응기 하우징은 제 1 단부 및 제 2 단부를 가지며, 상기 제 1 및 제 2 단부는 상기 반응기 주축을 따라 있는 중심을 가지고, 상기 제 1 단부는 상기 가스 흐름 유출구에 비해 상기 가스 흐름 유입구에 인접해 있고, 상기 제 2 단부는 상기 가스 흐름 유입구에 비해 상기 가스 흐름 유출구에 인접해 있는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 개구는 제 1 주 방향 및 제 1 부 방향을 가지며, 상기 주 방향은 상기 반응기 주축에 평행하고, 상기 제 1 드랙 꼭짓점과 인접하되, 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 개구는 상기 제 2 단부에 비해 상기 제 1 단부에 인접해 있는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 외부면에 있는 제 2 개구를 더 포함하며, 상기 제 2 개구는 상기 제 1 외부면의 35% 미만인 반응기 주축에 평행하는 단면적을 가지고, 상기 제 2 개구는 제 2 주 방향 및 제 2 부 방향을 가지며, 상기 주 방향은 상기 반응기 주축에 평행하고, 상기 제 2 드랙 꼭짓점과 인접하되, 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    c. 메인 연도 가스 도관;
    d. SCR 촉매; 및
    e. i. 상기 가스 흐름 유입구 상류에 배치되어 제 1 위치에서 상기 가스 흐름 유입구 및 연도 가스 도관과 유동가능하게 연결된 제 1 부분; 및
    ii. 상기 가스 흐름 유출구의 하류에서 제 2 위치에서 상기 가스 흐름 유출구 및 상기 연도 가스 도관과 유동가능하게 연결된 제 2 부분을 가진 연도 가스 측류 도관
    을 더 포함하며,
    상기 메인 연도 가스 도관을 통한 연도 가스 흐름에 대해서 상기 제 2 부분은 상기 제 1 위치의 하류 및 상기 SCR 촉매의 상류에 위치된 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 가스 흐름 유입구와 상기 제 2 위치 사이의 직선 흐름 거리가 상기 측류 도관의 평균 직경의 25배 미만인 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    c. 상기 제 1 외부면에 있는 제 3 개구, 상기 제 3 개구의 단면적은 상기 제 1 및 제 2 개구의 상기 단면적보다 크고, 상기 제 3 개구는 상기 제 1 및 제 2 개구와는 분리됨; 및
    d. 상기 제 2 내부 공간의 바깥쪽에서 상기 제 3 개구에 인접하여 상기 제 1 내부 공간에 위치된, 상기 제 1 외부면에서 연장된 돌출 부재
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  13. (a) 제 1 항에 따른 반응기 시스템의 적어도 일부분의 주변으로 가열된 연도 가스 측류를 유입시켜 대류 방식으로 상기 반응기를 적어도 700℉까지 가열하는 단계;
    (b) 상기 가열된 반응기에 수성 요소를 주입하는 단계, 단계 (b)는 단계 (a)와 동시에 수행됨;
    (c) 상기 요소의 일부가 암모니아 증기로 전환될 때까지 상기 가열된 반응기 안의 상기 수성 요소를 열 분해하는 단계, 단계 (c)는 단계 (a)와 동시에 수행됨;
    (d) 상기 가열된 반응기에서 상기 암모니아 증기를 인출하는 단계, 단계 (d)는 단계 (a)와 동시에 수행됨; 및
    (e) 상기 제 2 내부 공간과 상기 제 1 내부 공간의 연접부 표면에서 압력차 구역을 형성하여 상기 인출된 암모니아 증기를 상기 가열된 가스의 일부와 혼합하고, 제 1 외부면의 제 1 개구는 압력차 구역의 옆에 위치하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아 증기를 생산하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 단계 (a), (b), (c), (d) 및 (e)는 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 가열된 반응기에서 상기 암모니아 증기를 인출하는 단계는 상기 유입되는 가열된 가스와 암모니아 증기 사이에 압력차를 형성함으로써 각각 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 압력차는 상기 반응기의 적어도 일부분의 주변에 상기 가열된 가스를 유동시킴으로써 야기되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 13 항에 있어서, 단계 (a), (b), (c), (d), 및 (e)가 엔클로저 안에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. a. 제 1 항에 따른 반응기 시스템;
    b. 상기 수성 요소 유입구에 연속 주입되는 수성 요소 스트림;
    c. 상기 반응기 하우징의 적어도 일부분 주변에서 상기 가스 흐름 유입구로 연속 유입되는 가열된 가스를 포함하는 제 1 스트림;
    d. 암모니아 증기를 포함하며, 제 1 개구를 가로질러 빠져나가는 제 2 스트림;
    e. 상기 가열된 가스와 상기 암모니아 증기의 혼합물을 포함하며, 상기 가스 흐름 유출구를 가로질러 빠져나가는 제 3 스트림; 및
    f. 상기 제 3 스트림을 NOx를 함유하는 배기 스트림을 포함하는 제 4 스트림에 도입하기 위한 SCR 촉매의 상류에 위치한 포트
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 NOx를 함유하는 배기 가스 스트림에 암모니아 증기를 도입하기 위한 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 가열된 가스는 상기 포트의 상류에서 상기 배기 가스 스트림으로부터 분리된 측류인 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 삭제
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