[go: up one dir, main page]

KR101902331B1 - 선택적 비촉매 환원법에 기반한 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하는 질소산화물 저감시스템 - Google Patents

선택적 비촉매 환원법에 기반한 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하는 질소산화물 저감시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101902331B1
KR101902331B1 KR1020170134157A KR20170134157A KR101902331B1 KR 101902331 B1 KR101902331 B1 KR 101902331B1 KR 1020170134157 A KR1020170134157 A KR 1020170134157A KR 20170134157 A KR20170134157 A KR 20170134157A KR 101902331 B1 KR101902331 B1 KR 101902331B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
reducing agent
microwave plasma
plasma reactor
microwave
combustion furnace
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
KR1020170134157A
Other languages
English (en)
Inventor
박정봉
Original Assignee
박원균
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 박원균 filed Critical 박원균
Priority to KR1020170134157A priority Critical patent/KR101902331B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101902331B1 publication Critical patent/KR101902331B1/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B01D53/54—Nitrogen compounds
    • B01D53/56—Nitrogen oxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/32—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • B01D53/8621—Removing nitrogen compounds
    • B01D53/8625—Nitrogen oxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/80—Employing electric, magnetic, electromagnetic or wave energy, or particle radiation
    • B01D2259/818—Employing electrical discharges or the generation of a plasma

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Treating Waste Gases (AREA)

Abstract

본 발명은 선택적 비촉매 환원법을 기초로 하여 질소산화물을 저감하는 시스템에 관한 것으로, 선택적 비촉매 환원법을 기초로 하여 1차 탈질 환원반응을 유도하는 연소로와, 연소로에서 미반응된 암모니아와 미분해된 질소산화물을 고온 분위기 하에서 2차 탈질 환원반응을 유도하는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 갖추고 있다. 특히, 본 발명은 탈질설비인 연소로와 마이크로웨이브 플라즈마 반응기에 질소산화물 함유량에 따라 환원제를 화학양론적 당량비에 맞춰 분배공급할 수 있다.

Description

선택적 비촉매 환원법에 기반한 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하는 질소산화물 저감시스템 {NOx reduction system using microwave plasma based on Selective Non-Catalytic Reduction}
본 발명은 선택적 비촉매 환원법을 기초로 하여 질소산화물(NOX)을 저감하는 시스템에 관한 것으로, 배기가스 중의 질소산화물을 탈질 환원반응으로 제거한 다음에 후속으로 고온 분위기의 마이크로웨이브 플라즈마를 통해 미분해 질소산화물을 완전분해하여 질소산화물을 저감하는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 공장 혹은 연소장치 등에서 화석 연료를 연소시켜 발생하는 생성물 중 유해배출가스인 질소산화물은 다양한 방법을 동원하여 최대 한도로 저감시켜 대기환경을 청정 상태로 유지해야할 필요성이 대두되고 있다.
이와 같이, 현재 공지된 질소산화물의 대표적인 저감방법은 촉매를 사용하는 선택적 촉매 환원법과 촉매를 사용하지 않는 선택적 비촉매 환원법이다.
선택적 촉매 환원법(SCR;Selective Catalytic Reduction)은 연소장치의 하류에 암모니아 주입설비(AIG)를 통해 환원제인 암모니아를 공급하여 촉매반응탑에서 환원반응을 야기시켜 질소산화물을 저감하도록 되어 있다. 이러한 선택적 촉매 환원법은 선택적 비촉매 환원법에 비해 낮은 온도하에서도 운전될 수 있으며 질소산화물(NOX)의 제거 효율도 높은 것으로 알려져 있다. 하지만, 초기 투자비용이 높을 뿐만 아니라 주기적으로 촉매를 교체해야 하며, SCR에 사용되는 촉매는 대부분 유해한 중금속으로 지정되어 있어 특별한 관리를 요한다.
이외에도, 선택적 비촉매 환원법(SNCR:Selective Non-Catalytic Reduction)은 연소장치 내로 암모니아수 혹은 요소수를 직접 분사하고 연소장치 내에서 화석연료의 연소를 통해 발생되는 질소산화물과 반응시켜 저감시킬 수 있도록 되어 있다. 널리 알려져 있듯이, 선택적 비촉매 환원법은 고온의 온도하에서 운전되어야 하고, 선택적 비촉매 환원법은 연소가 직접 일어나는 연소장치 내에서 구현되기 때문에 온도 분포가 불균일할 뿐만 아니라 온도 변화가 심하여 탈질율이 떨어지는 한계성을 갖는다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해, 특허문헌 1은 SNCR 시스템의 하류에 SCR 시스템을 설치하는 하이브리드(hybrid) 시스템을 제안하고 있는데, 이는 SNCR 시스템에서 미반응 암모니아를 재활용할 수 있는 장점을 가지고 있지만 SCR 시스템에서의 촉매 사용에 대한 해결책을 제시하지는 못하고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1002888호
본 발명은 배기가스의 질소산화물을 선택적 비촉매 환원법을 통한 연소로 내에서 1차 탈질하는 한편, 고온의 마이크로웨이브 플라즈마 영역 내에서 2차 탈질할 수 있는 탈질설비를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선택적 비촉매 환원법에 기반한 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하는 질소산화물 저감시스템은, 환원제를 보관저장하는 환원제 저장조와; 연소열과 질소산화물을 포함한 배기가스를 배출하는 연소 영역과, 연소 영역 하류에 배치되고 환원제 저장조의 환원제를 공급받아 질소산화물과 1차 탈질 환원반응하여 질소를 형성하는 환원 영역을 갖춘 연소로; 연소로의 환원 영역 하류에 유체연통되게 배치되어, 연소로에서 배출된 질소산화물을 함유한 배기가스를 공급받고, 환원제 저장조에서 제공된 환원제를 고온의 가스상으로 변환시켜 질소산화물의 해리를 돕는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기; 전원의 인가에 따라 마이크로웨이브를 발생하는 마이크로웨이브 발생기; 및 마이크로웨이브 발생기와 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 사이에 배치된 웨이브가이드를 통해 마이크로웨이브를 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 내부로 안내하여 화염을 발생시키는 플라즈마 토치;로 이루어진다. 특히, 본 발명은 플라즈마 토치의 화염을 마이크로웨이브 플라즈마 반응기의 열원으로 하여 환원제와 질소산화물을 접촉시켜 2차 탈질 환원반응을 일으키도록 되어 있다.
본 발명의 실시예에서, 본 발명은 환원제 저장조 하류에 환원제 분배모듈을 추가로 구비할 수 있다. 선택가능하기로, 본 발명은 환원제 분배모듈과 연소로 사이에 배치된 제1 공급라인을 통해 환원제를 연소로로 안내할 수 있을 뿐만 아니라 환원제 분배모듈과 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 사이에 배치된 제2 공급라인을 통해 환원제를 마이크로웨이브 플라즈마 반응기로도 안내할 수 있다.
추가로, 본 발명은 환원제 저장조와 환원제 분배모듈 사이에 계량공급모듈을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 플라즈마 토치는 제2 공급라인으로 안내된 환원제와 함께 플라즈마 발생가스를 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 내부로 배출할 수 있다.
선택가능하기로, 본 발명은 플라즈마 발생가스로 증기를 사용할 수 있다.
본 발명은 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 하류에 후단설비를 추가로 구비할 수 있으며, 여기서 후단설비는 촉매반응기로 구성될 수 있다.
본 발명은 플라즈마 토치를 연소로의 환원 영역과 결합되는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 전단측에 배치하여, 미반응 암모니아, 미분해된 질소산화물, 환원제 저장조에서 공급될 환원제를 고온 분위기 상태에서 적절하게 혼합될 수 있도록 한다.
환원제는 수분을 함유한 수용성 환원제로 조성될 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 선택적 비촉매 환원법을 통해 1차로 탈질하여 배기가스 내의 질소산화물을 저감시키고 연소로 후단에 배치된 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 통해 미분해 질소산화물을 재차 분해하여 탈질율을 향상시키는 질소산화물 저감시스템을 제공한다.
본 발명은 전술된 바와 같이 2가지 유형의 탈질설비를 직렬 배치하고 있어, 연소로에서 미반응된 암모니아와 미분해된 질소산화물을 2차 탈질설비인 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 내에서 미반응된 암모니아를 환원제로 재사용하여 하류에 암모니아의 슬립 현상을 미연에 방지할 수 있으며, 선택적 비촉매 환원법으로 구현되는 연소로 후단에서 2차 탈질처리를 통해 더욱 신뢰할 수 있는 질소산화물을 저감시킬 수 있다. 이는 선택적 비촉매 환원법에서 보여지는 탈질율의 한계성을 개선할 수 있다.
덧붙여서, 본 발명은 고온 분위기를 제공하는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 1차 탈질설비인 연소로 후단에 배치하는 하이브리드(hybrid) 타입으로 설계되어 있어, 저온의 배기가스를 배출하는 발전용 디젤 엔진 등에서 활용가능하다.
본 발명은 다양한 환원제를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 암모니아로의 전환속도를 향상시킬 수 있는 분위기를 조성할 수 있고, 배기가스 내의 질소산화물 함유량에 따라 환원제를 화학양론적 당량비에 맞춰 분배공급할 수 있는 구조를 제공한다.
본 발명은 고온의 플라즈마 화염을 2차 탈질반응기의 열원으로 사용하여 종래기술에서 화염 발생에 필요한 점화기 등의 교체에 따른 탈질 시스템의 작업을 중단시키지 않고 연속적으로 탈질공정을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선택적 비촉매 환원법에 기반한 질소산화물 저감시스템을 개략적으로 도시한 공정도이다.
본 발명의 장점, 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되는 실시예들을 통해 명확해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불명료하게 할 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이제, 본 발명의 바람직한 실시에에 따른 선택적 비촉매 환원법에 기반을 둔 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 질소산화물 저감시스템은 첨부 도면을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
도 1을 참조로 하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선택적 비촉매 환원법에 기반한 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 질소산화물 저감시스템은 예컨대 요소수, 암모니아수, 암모니아, 요소 등의 환원제를 저장하는 환원제 저장조(10)와, 배기가스 발생원으로써 선택적 비촉매 환원법을 수단으로 하여 1차 탈질하는 연소로(20), 이 연소로의 하류에 배치되어 고온의 플라즈마를 수단으로 하여 2차 탈질하는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30;microwave plasma reactor)를 구비한다. 여기서, 연소로(20)는 보일러, 소각로 공정가열로, 내연기관일 수 있으며 물질의 연소, 합성, 분해 등을 통해 질소산화물 등의 유해가스를 배출하는 장치로서, 탄화수소 연료, 예컨대 화석연료 등을 연소시켜 연소열과 함께 질소산화물을 함유한 배기가스를 발생시키는 연소 영역(21)과, 연소 영역(21)에서 발생된 유해배출가스 내의 질소산화물(NOX)과 반응하여 질소를 형성하는 환원 영역(22;reduction zone)으로 이루어질 수 있다. 통상적으로, 배기가스 내의 질소산화물은 95% 이상이 일산화질소(NO)이며 이산화질소(NO2)는 5% 이내로 매우 작다.
환원제 저장조(10)는 연소로(20) 및/또는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)에 제공될 환원제의 공급원으로서, 연소로(20)에서 발생된 초기 질소산화물의 배출량, 연소로(20)에서 제거되지 않은 질소산화물의 잔존량과 함께 미반응 암모니아의 슬립(slip)량에 근거하여서 계량공급모듈(110)을 수단으로 하여 환원제 저장조(10)에서 소정량의 환원제를 후단 설비, 예컨대 연소로(20) 및/또는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)로 제공할 수 있다.
덧붙여서, 본 발명은 환원제를 연소로(20)와 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)로 분배하여 공급할 수 있는 환원제 분배모듈(120)을 구비할 수 있다. 환원제 분배모듈(120)은 도시된 바와 같이 개량 공급모듈(110) 하류에 배치하여 각 구성부재에 요구되는 환원제의 소모량(화학양론비)에 맞춰 공급할 수 있다. 다시 말하자면, 본 발명은 연소로(20)에서 발생하는 배기가스에 함유된 질소산화물의 배출량과 이에 필요한 환원제를 당량비에 따라 계산된 소정량의 환원제를 제1 공급라인(L1)을 통해 환원제 분배모듈(120)에서 연소로(20)로 안내한다. 이와 상응하게, 본 발명은 연소로(20)에서 선택적 비촉매 환원법으로 제거되지 않고 하류로 이송된 질소산화물의 잔존량과 이에 필요한 환원제를 당량비에 따라 계산된 소정량의 환원제를 제2 공급라인(L2)을 통해 환원제 분배모듈(120)에서 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)로 안내된다. 제2 공급라인(L2)을 따라 이송될 환원제의 공급량은 질소산화물의 잔존량과 환원반응에 필요한 양만큼 공급하는데, 이때 연소로에서 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30) 내로 유입되는 미반응 암모니아의 슬립량도 고려하여 공급할 수 있도록 제어해야 할 것이다.
환원제 저장조(10)는 환원제의 유동성을 향상시키고 안정성을 확보하기 위해서 통상적으로 액상 혹은 증기상의 환원제를 수용하고 있으나, 이에 국한되지 않고 다양한 조성, 예컨대 요소수, 요소(NH2CONH2), 암모니아(NH3), 탄산암모늄(NH4CO3), 이소시안산(HNCO) 등의 환원제를 수용할 수 있다. 본 발명의 환원제는 앞서 기술하였듯이 요소일 수 있는데, 요소는 상온 하의 수용액에서는 천천히 탄산암모늄으로 가수분해되고, 녹는점 이상에서는 승화하여 암모니아와 이소시안산으로 전환될 수 있다.
본 발명은 다양한 환원제, 전술된 바와 같이 암모니아 혹은 요소를 연소로 및/또는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 내로 강제로 분배/공급하여 고온 분위기 하에서 분해되거나 혹은 액상에서 가스상으로 상변환을 야기할 수 있다.
연소로(20)는 연소로 하단에 배치된 버너(미도시)의 착화를 통해 연소로 내에서 화염이 상부 방향으로 형성되는데, 연소가 진행되면서 발생되는 질소산화물을 처리하기 위해 연소 영역(21) 하류에 형성된 환원 영역(22)으로 환원제를 주입한다. 제1 공급라인(L1)을 따라 공급될 환원제는 연소로(20)의 환원 영역(22), 바람직하기로 대략 750℃~1150℃의 고온 분위기 내로 분사된다. 환원 영역(22)은 연소로(20) 내 고온의 배기가스에 환원제를 직접 분사하여 유효 반응온도를 충족시켜 환원제와의 접촉을 통해 선택적 비촉매 환원법에 기초하여 질소산화물을 질소와 수증기로 환원시키는 선택적 비촉매 환원 영역이다.
요소를 환원제로 사용하는 경우, 일반적으로 물과의 혼합물(즉, 요소수)의 형태로 연소로(20) 내로 주입되는데, 주입된 요소는 화학식 1과 같이 암모니아와 이소시안산으로 열분해된다.
Figure 112017101710642-pat00001
요소로부터 분해된 암모니아와 이소시안산은 환원 영역(22)에서 질소산화물(NOX)과 반응하게 되는데, 화학식 1로 분해되거나 환원제 저장조(10)에서 공급된 이소시안산은 다음의 화학식 2와 같이 질소산화물과 반응을 유도할 수 있다.
Figure 112017101710642-pat00002
고온 분위기 하에서 화학식 2와 같은 화학반응이 진행되면서 유해한 질소산화물을 질소와 이산화탄소(CO2)와 같이 대기오염과 무관한 물질로 전환된다. 참고로, 이산화탄소의 발생량은 몇 ppm 미만이므로, 환경적 오염원으로써의 원인을 제공하기는 극히 소량일 것이다.
전술된 바와 같이, 환원제 저장조(10)에 수용된 환원제는 수용성(水溶性) 환원제로 구성되는 것이 바람직하다. 수용성 환원제는 화학식 2에 보여지듯이 수분(humidity)에서 발생되는 수산화기(OH-)를 갖고 있어, 다른 성질의 반응기와 화학적 결합이 쉽게 이루어질 수 있다. 구체적으로, 음이온인 수산화기가 수소(H+)와 신속하게 결합되어 물로 전환하게 되고, 질소산화물의 접촉반응 효율을 향상시킬 수 있다.
암모니아를 환원제로 사용하는 경우, 일반적으로 암모니아는 기체 혹은 수용액 상태로 연소로(20) 내로 주입되는데, 주입된 암모니아는 최적 온도(750℃~1150℃)에 근접한 경우에 화학식 3과 같은 환원 반응이 주로 일어나 탈질 효과를 기대할 수 있다. 앞서 기술된 바와 같이, 본 발명은 화학식 1과 같이 요수(요소수)를 연소로 내에 환원 영역에 주입하여 신속하게 암모니아로 전환시켜 환원제로 사용할 수도 있다.
Figure 112017101710642-pat00003
당해분야의 숙련자들에게 널리 알려져 있듯이, 연소로의 환원 영역에서 환원제와 질소산화물과의 반응경로는 온도 의존성이 크기 때문에 암모니아와 질소산화물이 미반응 상태로 하류로 배출될 수 있다.
특별하기로, 본 발명은 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)를 연소로(20) 하류, 구체적으로 환원 영역(22) 하류에 유체연통가능하게 배치한다. 본 발명은 다양한 종류의 환원제를 고온의 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)에서 가스상으로 그리고 암모니아로 개질시킬 수 있을 뿐만 아니라 재차 탈질반응을 동시에 유도할 수 있는 제2 환원 영역이다. 선택가능하기로, 본 발명은 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)를 기존 설비에서 운용되는 싸이클론이나 연도를 활용하여 운영될 수도 있을 것이다.
전술된 바와 같이, 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)는 환원제를 열적분해반응을 통해 암모니아로 개질하거나 암모니아와 질소산화물의 탈질반응을 통해 질소와 물로 환원시키기 위해서는 상당한 고온의 열을 필요로 한다.
마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)는 다음과 같은 방식으로 고온의 열원을 공급받을 수 있으며, 하기에 기재된 방식 이외에도 마이크로웨이브 플라즈마를 생성할 수 있는 다른 방식을 채용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.
마이크로웨이브 발생기(40)는 전원의 인가에 따라 구동되어 마이크로웨이브를 발생하게 된다. 마이크로웨이브는 마이크로웨이브 발생기(40)와 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30) 사이에 배치된 예컨대 웨이브가이드(W;도파관)를 통해 플라즈마 토치(310)로 안내되는 한편, 플라즈마 토치(310)는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30) 내부로 플라즈마 발생가스를 배출하게 된다. 널리 알려져 있듯이, 마이크로웨이브는 극초단파로서 30MHz~30GHz의 주파수 범위를 갖는 전자기파이며, 플라즈마를 발생하는데 사용된다. 마이크로웨이브가 유전체에 조사(照射)되면 유전체의 분자들이 회전운동하게 되면서 분자들 간의 충돌로 인해 열이 발생하게 된다.
플라즈마 토치(310)는 예컨대 플라즈마 발생용 증기(steam), 미세 분사수(water) 불활성 가스 등의 플라즈마 발생가스를 마이크로웨이브 발생기(40)에서 안내된 마이크로웨이브의 진동에 노출함으로써 고열이 발생하게 되고, 발생된 고열에 의해 화염이 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)에서 생기게 된다. 플라즈마 발생가스로 증기를 사용하면, 증기 분해시 수소와 산소 성분으로 분해되어 2차 오염원으로 작용하지 않고, 이 성분들은 고온의 반응기 내에 분위기 조성과 반응에 직접 참여할 수 있어 최적의 공정조건을 확보하는 데에 도움을 줄 수 있다. 마이크로웨이브 플라즈 반응기(30) 내에서 발생된 화염(플라즈마) 온도는 1,300~2,000℃ 일 수 있다. 이러한 고온의 반응기(30) 내에는 지속적인 플라즈마가 발생하게 된다. 플라즈마는 음전하를 가진 전자와 양전하를 가진 양이온으로 전리된 기체로서, 전리된 전자 및/또는 양이온 등이 유해가스의 분해능을 향상시킬 수 있다.
덧붙여서, 본 발명은 환원제 분배모듈(120)을 통해 제2 공급라인(L2)을 따라 환원제를 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30) 내로 공급할 수 있다. 플라즈마 토치(310)는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30) 전단측에 배치되는 것이 바람직하다. 선택가능하기로, 플라즈마 토치(310)는 연소로(20)의 환원 영역(22)과 결합되는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30) 전단측에 배치되도록 한다. 또한, 제2 공급라인(L2)의 관말부는 플라즈마 토치(310)에 연결되어 환원제를 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)의 전단에서 분사시켜 배기가스와 화염 그리고 환원제의 균일한 혼합을 보장할 수 있도록 한다. 이로써, 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)는 연소로(20) 및/또는 제2 공급라인(L2)으로 공급되는 환원제를 고온의 가스상으로 변환시켜 질소산화물의 해리를 돕는다.
본 발명은 연소로(20)의 환원 영역(22)에서 미반응 암모니아 또는 제2 공급라인(L2)을 통해 공급될 환원제 수용액을 고온 영역의 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)에 직접 분사하여 고온에서 암모니아(NH3)에 의해 생성되는 NH2 라디칼과 일산화질소(NO)의 반응을 통해 질소와 수증기로 전환시켜 저감할 수 있는데, 다음과 같은 반응과정을 거친다.
Figure 112017101710642-pat00004
참고로, 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)에서도 열적분해반응을 통해 환원제를 암모니아 증기상으로 개질시킬 수 있으며(화학식 1 참조), 환원제(암모니아)의 존재 하에서 NO2는 다음과 같이 반응하여 NOX를 효과적으로 제거할 수도 있다. 예컨대, 발전용 디젤 엔진에서 배출되는 비교적 저온의 배기가스(250~450℃)는 NO의 산화반응으로 인해 NO의 농도가 감소하고 NO2의 농도가 증가될 수 있다.
Figure 112017101710642-pat00005
전술된 바와 같이, 배기가스(질소산화물)와 가스상 환원제가 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)에서 이미 기술된 화학식 등을 통해 탈질반응을 일으킨다. 질소산화물이 제거된 다음에, 고온의 배출가스는 연도(60)로 배기된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질소산화물의 저감시스템은 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30) 하류, 즉 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)와 연도(60) 사이에 별도의 후단설비(50)를 추가로 배치할 수 있다. 후단설비(50)는 선택적 촉매 환원법에 채용되는 촉매반응기로 채용될 수 있는데, 이는 고 탈질율(95%~98%)로 질소산화물을 저감시킬 수 있다. 예컨대, 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30) 내에서 개질된 기체상 환원제(예컨대, 암모니아 증기)는 후단설비인 촉매반응기의 촉매층에 흡수되고, 선택적으로 질소산화물을 암모니아와 환원반응시켜 질소와 물을 생성할 수 있는 3차 탈질설비일 수 있다.
이외에도, 후단설비는 필요에 따라 탈황기일 수도 있다. 탈황기는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30) 내에서 황산화물(SOX) 중에 있는 황(S)과 수소를 반응시켜 황화수소(H2S)로 전환시키고, 탈황기를 수단으로 하여 황화수소를 안정적으로 분해 및/또는 포집하여 황산화물 배출량을 저감시킬 수 있다.
이상 본 발명은 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 선택적 비촉매 환원법에 기반한 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하는 질소산화물 저감시시템은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10 ----- 환원제 저장조,
20 ----- 연소로,
30 ----- 마이크로웨이브 플라즈마 반응기,
40 ----- 마이크로웨이브 발생기,
50 ----- 후단설비,
60 ----- 연도,
L1, L2 ----- 공급라인.

Claims (8)

  1. 환원제를 보관저장하는 환원제 저장조(10)와;
    연소열과 질소산화물을 포함한 배기가스를 배출하는 연소 영역(21)과, 상기 연소 영역(21) 하류에 배치되고 상기 환원제 저장조(10)의 환원제를 공급받아 질소산화물과 1차 탈질 환원반응하여 질소를 형성하는 환원 영역(22)을 갖춘 연소로(20);
    상기 연소로(20)의 환원 영역(22) 하류와 유체연통되게 배치되어, 상기 연소로(20)에서 배출된 질소산화물을 함유한 배기가스를 공급받고, 상기 환원제 저장조(10)에서 제공된 환원제를 고온의 가스상으로 변환시켜 상기 질소산화물의 해리를 돕는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30);
    전원의 인가에 따라 마이크로웨이브를 발생하는 마이크로웨이브 발생기(40);
    상기 마이크로웨이브 발생기(40)와 상기 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30) 사이에 배치된 웨이브가이드(W)를 통해 상기 마이크로웨이브를 상기 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30) 내부로 안내하여 화염을 발생시키는 플라즈마 토치(310); 및
    상기 환원제 저장조(10)와 상기 연소로(20) 사이에 배치된 환원제 분배모듈(120);로 이루어지는데,
    상기 환원제 분배모듈(120)은 상기 환원제 분배모듈(120)과 상기 연소로(20) 사이에 배치된 제1 공급라인(L1)을 통해 환원제를 상기 연소로(20)로 안내하며, 상기 환원제 분배모듈(120)과 상기 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30) 사이에 배치된 제2 공급라인(L2)을 통해 환원제를 상기 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)로 안내하고,
    상기 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30)는 상기 플라즈마 토치(310)의 화염을 열원으로 하여 환원제와 질소산화물을 접촉시켜 2차 탈질 환원반응을 일으키도록 되어 있는, 선택적 비촉매 환원법에 기반한 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하는 질소산화물 저감시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 환원제 저장조(10)와 상기 환원제 분배모듈(120) 사이에 계량공급모듈(110)을 추가로 구비하는 질소산화물 저감시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마 토치(310)는 상기 제2 공급라인(L2)으로 안내된 환원제와 함께 플라즈마 발생가스를 상기 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30) 내부로 배출하는 질소산화물 저감시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 플라즈마 발생가스는 증기(steam)를 사용하여 풍부한 OH를 생산하는 질소산화물 저감시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30) 하류에 후단설비(50)를 추가로 구비하고,
    상기 후단설비(50)는 촉매반응기로 구성되는 질소산화물 저감시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마 토치(310)는 상기 연소로(20)의 환원 영역(22)과 결합되는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(30) 전단측에 배치되는 질소산화물 저감시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 환원제는 수용액, 액상 또는 기상의 환원제로 조성되어 있는 질소산화물 저감시스템.
KR1020170134157A 2017-10-16 2017-10-16 선택적 비촉매 환원법에 기반한 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하는 질소산화물 저감시스템 Active KR101902331B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170134157A KR101902331B1 (ko) 2017-10-16 2017-10-16 선택적 비촉매 환원법에 기반한 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하는 질소산화물 저감시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170134157A KR101902331B1 (ko) 2017-10-16 2017-10-16 선택적 비촉매 환원법에 기반한 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하는 질소산화물 저감시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101902331B1 true KR101902331B1 (ko) 2018-10-01

Family

ID=63877317

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170134157A Active KR101902331B1 (ko) 2017-10-16 2017-10-16 선택적 비촉매 환원법에 기반한 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하는 질소산화물 저감시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101902331B1 (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102133674B1 (ko) * 2019-04-16 2020-07-13 이승용 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 배연 탈질 장치
KR20210037940A (ko) * 2019-09-30 2021-04-07 에이치에스디엔진 주식회사 질소산화물 저감 및 불활성 가스 공급 통합 시스템
KR102350269B1 (ko) * 2021-09-15 2022-01-12 주식회사 용호기계기술 Sncr 기반 선박용 플라즈마 질소산화물 제어 방법 및 장치
KR102411695B1 (ko) * 2021-11-29 2022-06-24 박정봉 선택적 촉매 환원법에서 액상의 환원제 전구물질을 이용하는 질소산화물 저감시스템
KR102474846B1 (ko) * 2022-09-30 2022-12-06 주식회사 용호기계기술 Sncr 기반 선박용 플라즈마 질소산화물 저감 장치
KR20230009744A (ko) 2021-07-09 2023-01-17 한국핵융합에너지연구원 총질소 억제 색도 제거 플라즈마 수처리 장치 및 그 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101567745B1 (ko) 2015-05-28 2015-11-09 박정봉 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 질소산화물 저감시스템
KR101591229B1 (ko) 2015-08-28 2016-02-03 박정봉 선택적 촉매 환원법에 기반한 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하는 질소산화물 저감시스템

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101567745B1 (ko) 2015-05-28 2015-11-09 박정봉 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 질소산화물 저감시스템
KR101591229B1 (ko) 2015-08-28 2016-02-03 박정봉 선택적 촉매 환원법에 기반한 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하는 질소산화물 저감시스템

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102133674B1 (ko) * 2019-04-16 2020-07-13 이승용 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 배연 탈질 장치
KR20210037940A (ko) * 2019-09-30 2021-04-07 에이치에스디엔진 주식회사 질소산화물 저감 및 불활성 가스 공급 통합 시스템
KR102652534B1 (ko) 2019-09-30 2024-03-29 한화엔진 주식회사 질소산화물 저감 및 불활성 가스 공급 통합 시스템
KR20230009744A (ko) 2021-07-09 2023-01-17 한국핵융합에너지연구원 총질소 억제 색도 제거 플라즈마 수처리 장치 및 그 방법
US12338145B2 (en) 2021-07-09 2025-06-24 Korea Institute Of Fusion Energy Plasma water treatment apparatus for removing color with restraining total nitrogen and method thereof
KR102350269B1 (ko) * 2021-09-15 2022-01-12 주식회사 용호기계기술 Sncr 기반 선박용 플라즈마 질소산화물 제어 방법 및 장치
KR102411695B1 (ko) * 2021-11-29 2022-06-24 박정봉 선택적 촉매 환원법에서 액상의 환원제 전구물질을 이용하는 질소산화물 저감시스템
KR102474846B1 (ko) * 2022-09-30 2022-12-06 주식회사 용호기계기술 Sncr 기반 선박용 플라즈마 질소산화물 저감 장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101902331B1 (ko) 선택적 비촉매 환원법에 기반한 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하는 질소산화물 저감시스템
CN101485957B (zh) 臭氧氧化结合双塔洗涤对烟气同时脱硫脱硝的装置及方法
KR101807996B1 (ko) 황연 및 질소산화물 저감을 위하여 이종 환원제를 사용하는 복합 탈질설비
CN102688672A (zh) 一种对燃烧系统所产生废气的脱硝方法及其装置
CA2617747C (en) Methods and systems for reducing nox emissions in industrial combustion systems
KR101567746B1 (ko) 배기가스 처리장치
KR20130126634A (ko) 테일 가스의 소각에서 ｎｏｘ 배출을 감소시키는 방법 및 장치
US6676912B1 (en) Method for removal of nitrogen oxides from stationary combustion sources
JP2007182812A (ja) 排ガスの脱硝方法
KR100907819B1 (ko) 배기가스 중의 질소산화물을 선택적 무촉매 환원 제거하는방법
CN108050850B (zh) 一种黄磷尾气锅炉烟气净化系统及净化方法
CN102355934A (zh) 在工业设备中对含有氨气和氮氧化物的废气流的组合废气处理
KR101591229B1 (ko) 선택적 촉매 환원법에 기반한 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하는 질소산화물 저감시스템
CN104474859A (zh) 一种烟气脱硫脱硝的方法、装置及其用途
KR102474846B1 (ko) Sncr 기반 선박용 플라즈마 질소산화물 저감 장치
KR101567745B1 (ko) 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 질소산화물 저감시스템
KR101139575B1 (ko) 배기가스의 저온 탈질 시스템 및 그 방법
KR100437875B1 (ko) 요소를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법을 통한질소산화물의 저감시스템
CN105642115A (zh) 一种烟气脱硝的装置和方法
JPH0871372A (ja) 尿素を用いた脱硝装置と方法
CN109260919A (zh) 臭氧结合尿素的一体化脱硫脱硝装置及其脱硫脱硝方法
KR102133674B1 (ko) 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 배연 탈질 장치
KR100739124B1 (ko) 선택적 촉매 환원법을 이용하는 질소산화물의 저감시스템
KR102452927B1 (ko) 탄소암모늄을 이용한 질소산화물 배출 저감장치
JP4902834B2 (ja) 脱硝方法、および脱硝装置

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20171016

PA0201 Request for examination
PA0302 Request for accelerated examination

Patent event date: 20171016

Patent event code: PA03022R01D

Comment text: Request for Accelerated Examination

PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20180208

Patent event code: PE09021S01D

PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20180627

N231 Notification of change of applicant
PN2301 Change of applicant

Patent event date: 20180914

Comment text: Notification of Change of Applicant

Patent event code: PN23011R01D

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20180919

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20180920

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20210903

Start annual number: 4

End annual number: 4

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20220707

Start annual number: 5

End annual number: 5

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20240417

Start annual number: 7

End annual number: 7