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KR102635313B1 - 일산화탄소와 질소산화물을 동시에 저감하는 선택적 촉매 환원 시스템 및 제어방법 - Google Patents

일산화탄소와 질소산화물을 동시에 저감하는 선택적 촉매 환원 시스템 및 제어방법 Download PDF

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KR102635313B1
KR102635313B1 KR1020230124618A KR20230124618A KR102635313B1 KR 102635313 B1 KR102635313 B1 KR 102635313B1 KR 1020230124618 A KR1020230124618 A KR 1020230124618A KR 20230124618 A KR20230124618 A KR 20230124618A KR 102635313 B1 KR102635313 B1 KR 102635313B1
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KR
South Korea
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ammonia water
gas
catalyst
injection
nitrogen oxide
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KR1020230124618A
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Inventor
육상윤
이기동
박경원
Original Assignee
금화씨앤이(주)
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Publication date
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Abstract

본 발명은, 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOx)을 함유한 가스가 유입되는 가스유입부; 상기 가스유입부에 설치되어, 상기 가스에 암모니아(NH3)수를 직분사하는 암모니아수 분사부; 및 상기 가스유입부로부터 유입된 일산화탄소(CO)를 저감하는 제1 촉매 및 상기 가스유입부로부터 유입된 질소산화물(NOx)과 상기 암모니아수 분사부에서 직분사된 암모니아(NH3)를 반응하게 하여 질소산화물을 저감하는 제2 촉매를 구비하는 반응부;를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.

Description

일산화탄소와 질소산화물을 동시에 저감하는 선택적 촉매 환원 시스템 및 제어방법{SELECTIVE CATALYST REDUCTION SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR SIMULTANEOUS REDUCTION OF CARBON MONOXIDE AND NITROGEN OXIDES}
본 발명은 선택적 촉매 환원 시스템 및 제어방법에 관한 것으로서, 특히 배열회수보일러 기동/정지 시 발생되는 고동도 또는 저농도 일산화탄소(CO)와 질소산화물(NOx)을 동시에 저감하는 선택적 촉매 환원 시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
미세먼지 감축을 위한 친환경 발전으로의 에너지 전환 정책에 따라 액화천연가스 발전설비 용량이 꾸준히 증가될 예정이다. 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 발전은 미세먼지 배출 수준이 석탄 발전 대비 1/8로 매우 낮은 편에 속하나, 액화천연가스의 연소 과정에서 발생되는 질소산화물의 양은 환경규제를 만족하기 위해 추가적으로 저감될 필요가 있어, 이에 따른 추가적인 저감 설비가 요구되고 있는 실정이다. 질소산화물의 배출을 저감하기 위해 일반적으로 암모니아(NH3) 또는 요소(CH4N2O)를 환원제로 사용하여 촉매를 통해 질소산화물을 질소(N2)와 물(H2O)로 분해하는 방법을 사용하고 있다. 이러한 방식을 선택적 촉매 환원 방법(Selective Catalytic Reduction, SCR)이라고 한다. 선택적 촉매 환원 시스템은 촉매에 가스와 환원제를 함께 통과시킴으로써 가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.
그러나 액화천연가스 발전은 가동 초기에 불완전 연소로 인해 다량의 일산화탄소와 질소산화물이 그대로 배출될 수 있다. 특히, 일산화탄소는 질식을 유발하는 유독 가스이고, 규제대상이 아닌 일산화탄소에 대한 문제가 최근 제기됨에 따라 이에 대한 저감 문제가 대두되고 있다. 또한, 액화천연가스 발전 초기에는 배출가스의 온도가 낮아 이산화질소 저감이 어려워 에탄올 환원제 분사 방법(Yellow Plume Elimination System, YPES)을 적용하고 있으나, YPES는 이산화질소를 일산화질소로 변환할 뿐 고농도의 일산화질소는 그대로 대기로 배출될 수 있으므로 한계점이 존재한다. 따라서, 낮은 온도(100도 이상)에서도 일산화탄소와 질소산화물을 동시에 저감할 수 있는 선택적 촉매 환원 시스템이 요구되고 있는 실정이다.
한편, 선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물을 저감하기 위해 환원제로 암모니아 또는 요소를 사용하고 있는데, 일반적으로 촉매 전단에서 환원제를 기화시키고 기화된 환원제를 분사한다. 일산화탄소와 질소산화물을 동시에 저감하기 위해서는 일산화탄소를 저감하기 위한 촉매층과 질소산화물을 저감하기 위한 촉매층이 필요하다. 이때, 질소산화물을 저감하기 위한 촉매층 전단에는 환원제를 기화하여 분사하는 장치가 필요하므로 2개의 촉매층은 분리되어 존재할 수밖에 없었다. 이에 따라, 선택적 촉매 환원 시스템의 전체적인 구성이 복잡해지고, 촉매 설치를 위해 요구되는 면적도 커지게 된다는 문제점이 있다.
한편, 선택적 촉매 환원 시스템은 유입되는 가스에 포함되는 유해물질의 농도, 온도, 유량, 가스터빈의 하중, 환원제의 환원 효율 등에 따라 질소산화물을 저감하는 효율이 달라질 수 있다. 이에 따라, 질소산화물의 저감 효율을 높이기 위해 관련된 변수들의 변화에 따라 실시간으로 환원제의 분사량을 조절할 수 있는 선택적 촉매 환원 시스템이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 낮은 온도에서도 일산화탄소와 질소산화물을 동시에 저감하는 선택적 촉매 환원 시스템 및 제어방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 암모니아수를 기화하여 촉매층에 분사하는 방식을 탈피하여 시스템의 구성을 단순화하고 설치 면적을 축소시키는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 가스터빈의 부하 변동과 최종 배출되는 질소산화물의 농도를 실시간으로 고려하여 암모니아수 분사량을 조절하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOx)을 함유한 가스가 유입되는 가스유입부; 상기 가스유입부에 설치되어, 상기 가스에 암모니아(NH3)수를 직분사하는 암모니아수 분사부; 및 상기 가스유입부로부터 유입된 일산화탄소(CO)를 저감하는 제1 촉매 및 상기 가스유입부로부터 유입된 질소산화물(NOx)과 상기 암모니아수 분사부에서 직분사된 암모니아(NH3)를 반응하게 하여 질소산화물을 저감하는 제2 촉매를 구비하는 반응부;를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 암모니아수 분사부는, 암모니아수와 희석수의 비율을 조절하여 암모니아수를 일정 농도로 조절하는 미터링 모듈; 분사될 암모니아수의 양을 조절하는 분배 모듈; 및 암모니아수를 압축 공기를 이용하여 분사하는 하나 이상의 분사 모듈을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 가스터빈의 부하 또는 상기 반응부를 통과한 가스의 질소산화물농도에 따라 상기 암모니아수 분사부를 제어하여 암모니아수 분사량을 조절하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 가스터빈의 부하에 따른 암모니아수 분사량이 테이블 셋팅되고, 입력된 가스터빈의 부하에 따른 암모니아수 분사량을 상기 테이블을 이용하여 결정하는 기본 분사량 결정모듈;을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 입력되는 가스터빈의 부하가 변동되면, 상기 테이블을 이용하여 암모니아수 분사량을 실시간으로 변경하는 피드포워드 모듈;을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 반응부를 통과한 가스의 질소산화물 농도를 측정하고, 측정된 질소산화물 농도와 목표하는 질소산화물 농도를 비교하여, 상기 목표하는 질소산화물 농도가 상기 측정된 질소산화물 농도보다 높으면 암모니아수 분사량을 감소시키고, 상기 목표하는 질소산화물 농도가 상기 측정된 질소산화물 농도보다 낮으면 암모니아수 분사량을 증가시키는 피드백 모듈;을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 피드백 모듈은, 하기 [수학식 1]에 따라 암모니아수 분사량을 조절할 수 있다.
[수학식 1]
바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 반응부의 온도를 측정하여, 상기 반응부의 온도에 따라 상기 암모니아수 분사부의 암모니아수 주입여부를 결정하는 주입시점 결정모듈;을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 주입시점 결정 모듈은, 상기 반응부의 온도가 160도 내지 400도 사이에서 암모니아수가 주입되도록 상기 암모니아수 분사부를 제어할 수 있다.
바람직하게는, 상기 반응부는, 상기 제1 촉매와 상기 제2 촉매가 하나의 모듈로 구성될 수 있다.
또한 본 발명은, 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOx)를 함유한 가스를 덕트로 유입시키는 단계; 상기 덕트의 입구에서, 상기 가스에 암모니아수를 직분사하는 단계; 제1 촉매를 이용하여 상기 가스에 함유된 일산화탄소(CO)를 저감시키고, 제2 촉매를 이용하여 상기 가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 직분사된 암모니아(NH3)를 반응하게 하여 질소산화물을 저감하는 단계; 그리고 가스터빈의 부하 또는 상기 질소산화물을 저감하는 단계 이후 상기 가스의 질소산화물농도에 따라 암모니아수 분사량을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
본 발명은 일산화탄소와 질소산화물을 동시에 저감할 수 있고, 광역온도(160도 내지 400도)에서 질소산화물을 저감할 수 있는 넓은 구동 온도를 가지고 있어 탈질 효율을 높일 수 있다는 이점이 있다.
본 발명은 YPES 시스템이 요구되지 않는 다는 이점이 있다.
또한 본 발명은, 암모니아수를 덕트 입구에서 직분사하여, 반응부의 2개의 촉매층을 하나로 모듈화할 수 있고, 암모니아수를 기화시키는 장비를 사용하지 않으므로 시스템을 단순화하고 설치 면적을 축소시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한 본 발명은, 피드포워드 모듈과 피드백 모듈에서 가스터빈의 부하 변동과 질소산화물의 농도에 따라 암모니아수 분사량을 조절하여 탈질 효율을 극대화할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 일산화탄소와 질소산화물을 동시에 저감하는 선택적 촉매 환원 시스템의 구성도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 암모니아수 분사부의 구성도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모듈화된 촉매를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모듈화된 촉매를 사용한 경우 이산화탄소와 질소산화물의 저감 효율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 구성도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기본 분사량 결정모듈에서 이용되는 테이블을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 피드포워드 모듈과 피드백 모듈의 제어도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 환원 촉매용 암모니아수 직분사장치의 구성도를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 분사 모듈의 구성도를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 노즐, 홀, 및 가이드링의 확대도를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 홀의 위치에 따른 홀의 길이방향 길이의 변화를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 가이드링의 구성도를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 노즐의 배치를 선정하기 위한 시뮬레이션 과정을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 발명의 설명에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간 적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 일산화탄소와 질소산화물을 동시에 저감하는 선택적 촉매 환원 시스템(1000)의 구성도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 선택적 촉매 환원 시스템(1000)은 가스유입부(100), 암모니아수 분사부(300), 반응부(500), 및 제어부(700)를 포함할 수 있다.
선택적 촉매 환원 시스템(1000)은 일산화탄소와 질소산화물을 동시에 저감할 수 있고, 광역온도(160도 내지 400도)에서 질소산화물을 저감할 수 있는 넓은 구동 온도를 가지고 있어 탈질 효율을 높일 수 있다. 선택적 촉매 환원 시스템(1000)은 일산화탄소와 질소산화물을 동시에 저감할 수 있고, 저온에서(100도이상)부터 활성도를 가지므로 황연 저감효과가 발생하여 YPES 시스템이 요구되지 않는다. 선택적 촉매 환원 시스템(1000)은 암모니아수를 덕트 입구에서 직분사하여, 반응부(500)의 2개의 촉매층을 하나로 모듈화할 수 있고, 암모니아수를 기화시키는 장비를 사용하지 않으므로 시스템을 단순화하고 설치 면적을 축소시킬 수 있다. 선택적 촉매 환원 시스템(1000)은 가스터빈의 부하 변동과 질소산화물의 농도에 따라 암모니아수 분사량을 조절하여 탈질 효율을 극대화할 수 있다.
가스유입부(100)는 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOx)을 함유한 가스가 유입될 수 있다. 가스유입부(100)는 배열회수보일러(1100)의 입구 부분을 의미할 수 있다. 가스유입부(100)는 입구 덕트(110)를 포함할 수 있다. 가스유입부(100)는 가스가 유입될 수 있는 덕트(duct)로 형성될 수 있으며, 내측에는 유입된 가스에 암모니아를 고르게 분사하기 위한 암모니아수 분사부(300)가 설치될 수 있다.
일반적인 배열회수보일러(1100)는 가스가 유입되는 부분에 황연 발생을 억제하기 위한 YPES가 적용되고 있으나, 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(1000)은 이중 촉매를 이용하므로 가스유입부(100)에 YPES가 적용되지 않을 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 암모니아수 분사부(300)의 구성도를 나타낸다. 암모니아수 분사부(300)는 미터링 모듈(310), 분배 모듈(330), 및 분사 모듈(350)을 포함할 수 있다. 분사부(300)는 하나 이상의 분사 모듈(350)을 포함할 수 있다.
종래에는 기화된 암모니아(환원제)를 촉매 전단에서 분사하였고, 일산화탄소 저감 촉매와 질소산화물 저감 촉매 사이에서 암모니아수 분사가 이루어 졌다. 따라서, 일산화탄소 저감 촉매가 질소산화물 저감 촉매 전단에 위치해야 하는 배치적 제한이 있었다. 본 발명의 실시예에 따른 암모니아수 분사부(300)는 가스유입부(100)에 설치되어, 가스에 암모니아(NH3)수를 직분사할 수 있다. 암모니아수 분사부(300)는 가스유입부(100) 내측에 설치되어 암모니아수를 직분사하므로, 다중 촉매의 배치적 제한을 없앨 수 있다.
미터링 모듈(310)은 암모니아수와 희석수의 비율을 조절하여 암모니아수를 일정 농도로 조절할 수 있다. 미터링 모듈(310)은 펌프를 통해 유입되는 암모니아수와 희석수의 양을 체크하여 분사되는 암모니아수의 농도를 측정할 수 있다. 미터링 모듈(310)을 통해 일정 농도로 조절된 암모니아수는 분배 모듈(330)로 이동할 수 있다.
분배 모듈(330)은 분사될 암모니아수의 양을 조절할 수 있다. 분배 모듈(330)은 제어부(700)에 의해 제어될 수 있다. 구체적으로, 분배 모듈(330)은 기본 분사량 결정모듈(710)에서 결정된 암모니아수 분사량만큼 분사 모듈(350)에서 분사되도록 분배되는 암모니아수의 양을 조절할 수 있다. 분배 모듈(330)은 피드포워드 모듈(730)에서 가스터빈의 부하가 변경됨에 따라 암모니아수 분사량을 가감하여 분사 모듈(350)에서 분사되도록 분배되는 암모니아수의 양을 조절할 수 있다. 분배 모듈(330)은 피드백 모듈(750)에서 반응부(500)를 통과한 가스의 질소산화물 농도가 목표하는 질소산화물 농도를 추종하도록 분배되는 암모니아수의 양을 조절할 수 있다.
분사 모듈(350)은 암모니아수를 압축 공기를 이용하여 분사할 수 있다. 즉, 분사 모듈(350)은 분배 모듈(330)을 통해 암모니아수를 공급받고, 제1 에어 주입부(353)를 통해 압축 공기를 공급받을 수 있다. 분사 모듈(350)은 압축 공기의 세기에 따라 분사되는 암모니아수의 속도 및 시간당 분사되는 양을 조절할 수 있다. 분사 모듈(350)은 제어부(700)에 의해 제어될 수 있다.
반응부(500)는 가스유입부(100)로부터 유입된 일산화탄소(CO)를 저감하는 제1 촉매(510) 및 가스유입부(100)로부터 유입된 질소산화물(NOx)과 암모니아수 분사부(300)에서 직분사된 암모니아(NH3)를 반응하게 하여 질소산화물을 저감하는 제2 촉매(530)를 구비할 수 있다. 반응부(500)는 배열회수보일러(1100)의 기동 또는 정지 시 발생되는 고농도/저농도 일산화탄소(CO), 일산화질소(NO), 및 이산화질소(NO2)를 동시에 저감할 수 있다.
제1 촉매(510)는 일산화탄소(CO)와 이산화질소(NO2)를 동시에 저감하는 Smart Ambi-Catalyst로 구성될 수 있다. 제1 촉매(510)는 일산화탄소(CO)와 이산화질소(NO2)가 일산화질소(NO)와 이산화탄소(CO2)로 변환하는데 있어 촉매로 작용할 수 있다. 또한, 제1 촉매(510)는 일산화탄소(CO)와 1/2산소(1/2O2)가 이산화탄소(CO2)로 변환하는데 있어 촉매로 작용할 수 있다. 제1 촉매(510)는 백금족 전이금속을 포함하는 활성금속이 담지된 지지체를 포함하는 일산화탄소-이산화질소 동시 저감 촉매일 수 있다.
제1 촉매(510)는 100도에서 일산화탄소(CO)를 이산화탄소(CO2)로 80%정도 변환시키며, 160도까지 변환율이 점차 올라가다가 160도 내지 400도 사이에서는 100% 근접하게 변환시킨다. 제1 촉매(510)는 100도 내지 400도 사이에서 이산화질소(NO2)를 일산화질소(NO)와 이산화탄소(CO2)로 100%에 근접하게 변환시킨다.
제2 촉매(530)는 저온 SCR 촉매(LT SCR)로 구성될 수 있다. 제2 촉매(530)는 암모니아(NH3)가 환원제로 작용하여 질소산화물(NOX)이 질소(N2)로 변환하는데 있어서 촉매로 작용할 수 있다.
제2 촉매(530)는 광역온도(160도 내지 400도)에서 질소산화물(NOX)을 저감할 수 있다. 제2 촉매(530)는 170도 내지 400도 사이가 최적의 구동 온도이고, 탈질 효율이 90%이상이다. 제2 촉매(530)는 Gd, V, Mn, Co, Ni, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 활성금속이 담지된 지지체를 포함하는 질소산화물 환원 촉매일 수 있다. 제2 촉매(530)는 탈질 효율을 상용 촉매 대비 2.3배 향상시킬 수 있으며, 상용 촉매 대비 우수한 SO2 내구성을 가질 수 있다.
제2 촉매(530)는 산화티타늄 담체에 가돌리늄-바나데이트가 담지된 촉매로서, 하기 [관계식 1]의 산소 비율 및 [관계식 2]를 만족하는 것인, 질소산화물 환원용 촉매일 수 있다.
[관계식 1]
1.4 ≤ Oβ / Oα ≤ 2.0
(여기에서, Oα는 표면산소(suface adsorbed oxygen)의 비율이고, Oβ는 격자산소(lattice oxygen)의 비율이고, 상기 Oα 및 Oβ는 촉매 내 전체 산소(OTotal)에 대한 비율이고, 단위는 %이다)
[관계식 2]
0.4 ≤ V4+ / [V4++V5+]≤ 0.6
(여기에서, V4+는 V4+의 원자가 상태(valance state)의 비율이고, V5+는 V5+의 원자가 상태의 비율이다)
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모듈화된 촉매를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 반응부(500)는 제1 촉매(510)와 제2 촉매(530)가 하나의 모듈로 구성될 수 있다. 종래에는 두 개의 촉매 사이에 암모니아수를 기화시켜 분사시키는 구성이 있어 하나의 모듈로 구성할 수 없었다. 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(1000)은 암모니아수 분사부(300)가 가스유입부(100)에 설치되므로 두 개의 촉매를 하나의 모듈로 구성하는데 제약이 없다.
하나의 모듈로 구성된 다중 촉매는 하나의 레이어(Layer) 설치만으로 일산화탄소 저감과 질소산화물 저감이라는 2가지 목적을 한번에 달성할 수 있는 다기능 촉매로 역할을 수행할 수 있다. 하나의 모듈로 구성된 다중 촉매는 제1 촉매(510)와 제2 촉매(530)의 전후배치를 상황에 따라 달리할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모듈화된 촉매를 사용한 경우 이산화탄소와 질소산화물의 저감 효율을 나타내는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 모듈화된 촉매는 150도 내지 400도 사이에서 일산화탄소(CO)를 97%이상 저감하는 효율을 보이고, 이산화질소(NO2)를 100%로에 근접하게 저감하는 효율을 보이며, 일산화질소(NO)를 90%이상 저감하는 효율을 보인다. 모듈화된 촉매는 하나의 모듈이므로 교체가 용이하고, 설치 공간을 절약할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제어부(700)의 구성도를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 제어부(700)는 기본 분사량 결정모듈(710), 피드포워드 모듈(730), 피드백 모듈(750), 및 주입시점 결정모듈(770)을 포함할 수 있다.
제어부(700)는 가스터빈의 부하 또는 반응부(500)를 통과한 가스의 질소산화물 농도에 따라 암모니아수 분사부(300)를 제어하여 암모니아수 분사량을 조절할 수 있다. 구체적으로, 제어부(700)는 가스터빈의 부하에 따라 암모니아수 분사량을 정할 수 있고, 이후 제어부(700)는 가스터빈의 부하변동에 맞춰 암모니아수 분사량을 조절할 수 있다. 이어서, 제어부(700)는 배출되는 질소산화물 농도를 목표치에 근접하게 하기 위해 암모니아수 분사량을 미세하게 조절할 수 있다.
제어부(700)는 암모니아수 분사부(300)를 제어할 수 있으며, 구체적으로 분사 모듈(350)에서 분사되는 암모니아수 분사량을 제어할 수 있다. 제어부(700)는 암모니아수 분사부(300)에서 분사되는 암모니아수의 농도, 분사 속도, 초당 분사되는 암모니아수의 양을 조절할 수 있다.
가스터빈의 부하에 따라 연소 가스량이 증가하고 그 연소 가스량 안에 발생하는 질소산화물의 양도 조금씩 달라질 수 있다. 기본 분사량 결정모듈(710)은 가스터빈의 부하에 따른 암모니아수 분사량이 테이블 셋팅되고, 입력된 가스터빈의 부하에 따른 암모니아수 분사량을 테이블을 이용하여 결정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기본 분사량 결정모듈(710)에서 이용되는 테이블을 나타낸다. 도 6을 참조하면, 테이블은 사전에 계산되어 가스터빈의 부하에 따라 필요한 암모니아수의 분사량으로 셋팅될 수 있다. 예를 들면, 기본 분사량 결정모듈(710)은 초기 가스터빈의 부하가 80MW인 경우 암모니아수가 25LPH만큼 분사되도록 결정할 수 있다. 기본 분사량 결정모듈(710)은 암모니아수의 기본 분사량을 정하는 것이며, 이후 가스터빈의 부하변동 또는 배출되는 질소산화물의 농도에 따라 암모니아수 분사량은 기본 분사량에서 가감될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 피드포워드 모듈(730)과 피드백 모듈(750)의 제어도를 나타낸다. 도 7을 참조하면, 제어부(700)는 피드포워드 모듈(730)을 통해 가스터빈의 부하변동을 반영하여 암모니아수 분사부(300)에서 분사되는 암모니아수 분사량을 조절할 수 있다. 또한, 제어부(700)는 피드백 모듈(750)을 통해 목표하는 양만큼의 질소산화물이 배출되도록 암모니아수 분사부(300)에서 분사되는 암모니아수 분사량을 조절할 수 있다.
기본 분사량 결정모듈(710)과 피드포워드 모듈(730)은 가스터빈의 부하에 따라 암모니아수 분사량을 조절하는 것으로, 암모니아수 분사량이 상대적으로 크게 변동될 수 있다. 반면, 피드백 모듈(750)은 목표하는 양만큼의 질소산화물이 배출되도록 암모니아수 분사량을 조절하는 것으로, 암모니아수 분사량이 상대적으로 작게 변동될 수 있다. 따라서, 기본 분사량 결정모듈(710)과 피드포워드 모듈(730)은 분배모듈(330) 또는 분사 모듈(350)을 통해 암모니아수 분사량을 제어할 수 있으며, 피드백 모듈(750)은 미터링 모듈(310)을 통해 암모니아수의 농도를 제어하여 암모니아수 분사량을 미세 조절할 수 있다.
피드포워드 모듈(730)은 입력되는 가스터빈의 부하가 변동되면, 테이블을 이용하여 암모니아수 분사량을 실시간으로 변경할 수 있다. 예를 들면, 초기 가스터빈의 부하가 80MW인 경우 암모니아수가 25LPH만큼 분사되고, 이후 가스터빈의 부하가 100MW으로 변동된 경우 피드포워드 모듈(730)은 암모니아수가 5LPH만큼 더 분사되도록 암모니아수 분사부(300)를 제어할 수 있다. 가스터빈의 부하가 60MW으로 변동된 경우 피드포워드 모듈(730)은 암모니아수가 10LPH만큼 덜 분사되도록 암모니아수 분사부(300)를 제어할 수 있다.
피드백 모듈(750)은 반응부(500)를 통과한 가스의 질소산화물 농도를 측정하고, 측정된 질소산화물 농도와 목표하는 질소산화물 농도를 비교하여, 목표하는 질소산화물 농도가 측정된 질소산화물 농도보다 높으면 암모니아수 분사량을 감소시키고, 목표하는 질소산화물 농도가 측정된 질소산화물 농도보다 낮으면 암모니아수 분사량을 증가시킬 수 있다.
목표하는 질소산화물 농도보다 배출되는 질소산화물의 농도가 낮은 경우에는 과도하게 암모니아를 사용하게 되어 과도한 자원낭비 및 환경오염 문제가 발생할 수 있다. 반대로, 목표하는 질소산화물 농도보다 배출되는 질소산화물의 농도가 높은 경우에는 환경규제에서 제한하고 있는 질소산화물의 농도보다 높은 농도의 질소산화물이 배출될 수 있다. 따라서, 피드백 모듈(750)은 배출되는 질소산화물의 농도가 목표하는 질소산화물의 농도를 추종하도록 암모니아수 분사부(300)를 제어하여 암모니아수 분사량을 조절할 수 있다.
피드백 모듈(750)은 하기 [수학식 1]에 따라 암모니아수 분사량을 조절할 수 있다.
[수학식 1]
(여기에서, 는 촉매층 입구에 유입되는 의 농도, 는 촉매층 출구에 배출되는 반응후 의 농도, Ammonia Slip는 촉매층에서 미반응된 암모니아 농도를 의미한다)
[수학식 2]는 하기 [관계식 3]을 통해 도출될 수 있다.
[관계식 3]
(여기에서, Flue gas flow rate(Dry)는 연소가스 건가스 유량, Base NOx는 연소가스 내에 포함된 NOx 농도, O2(Dry)는 연소가스 내에 포함된 산소농도, O2(ref.)는 해당 연소시설의 보정산소농도, α는 NH3/NOx 당량비(NSR)를 의미한다)
주입시점 결정모듈(770)은 반응부(500)의 온도를 측정하여, 반응부(500)의 온도에 따라 암모니아수 분사부(300)의 암모니아수 주입여부를 결정할 수 있다. 제2 촉매(530)는 구동 온도가 160도 내지 400도 사이이다. 따라서, 주입시점 결정모듈(770)은 제2 촉매(530)의 탈질 효율을 높이기 위해 반응부(500)의 온도가 160도 내지 400도 사이에서 암모니아수가 주입되도록 암모니아수 분사부(300)를 제어할 수 있다. 바람직하게는, 주입시점 결정모듈(770)은 반응부(500)의 온도가 170도 내지 400도 사이일 때 암모니아수를 주입하도록 암모니아수 분사부(300)를 제어할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예인 선택적 환원 촉매 제어방법에 대해 설명한다.
선택적 환원 촉매 제어방법은 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOx)를 함유한 가스를 덕트로 유입시키는 단계, 덕트의 입구에서, 상기 가스에 암모니아수를 직분사하는 단계, 제1 촉매를 이용하여 상기 가스에 함유된 일산화탄소(CO)를 저감하고, 제2 촉매를 이용하여 상기 가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 직분사된 암모니아(NH3)를 반응하게 하여 질소산화물을 저감하는 단계, 그리고 가스터빈의 부하 또는 상기 질소산화물을 저감하는 단계 이후 상기 가스의 질소산화물농도에 따라 암모니아수 분사량을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
가스를 덕트로 유입시키는 단계는 전술한 가스유입부(100)에 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOx)을 함유한 가스가 유입되는 동작을 의미한다.
암모니아수를 직분사하는 단계는 전술한 암모니아수 분사부(300)가 가스에 암모니아(NH3)를 직분사하는 동작을 의미한다.
일산화탄소(CO)와 질소산화물(NOx)를 저감하는 단계는 전술한 반응부(500)가 제1 촉매(510)와 제2 촉매(530)를 이용하여 일산화탄소(CO)와 질소산화물(NOx)을 저감하는 동작을 의미한다.
암모니아수 분사량을 제어하는 단계는 전술한 제어부(700)가 가스터빈의 부하 또는 반응부(500)를 통과한 가스의 질소산화물농도에 따라 암모니아수 분사부(300)는 동작을 의미한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예인 선택적 환원 촉매용 암모니아수 직분사장치(300)의 구성도를 나타낸다. 도 8을 참조하면, 암모니아수 직분사장치(300)는 배열회수보일러의 입구 덕트(110)에 위치하고, 하나 이상의 분사 모듈(350)을 포함할 수 있다.
암모니아수 직분사장치(300)는 CFD(Computational Fluid Dynamic) 시뮬레이션을 통한 최적의 노즐 배치를 통해 암모니아수를 가스에 고르게 분사하여 질소산화물의 저감효율을 향상시킬 수 있다. 암모니아수 직분사장치(300)는 제2 주입관(355)에 실링 에어를 주입하여, 고온의 가스가 장치 내부로 역류하는 것을 방지하고, 장치의 파손을 방지할 수 있다. 암모니아수 직분사장치(300)는 홀(357)의 형상을 제2 주입관(355)의 길이방향으로 더 길게 형성된 타원형으로 하여 고온의 가스에 의한 주입관의 변형에도 분사된 암모니아가 홀(357)을 원활히 통과하여 분사될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 분사 모듈(350)의 구성도를 나타낸다. 분사 모듈(350)는 제1 주입관(351), 제1 에어 주입부(353), 약품 주입부(354), 제2 주입관(355), 제2 에어 주입부(356), 및 가이드링(358)을 포함할 수 있다.
제1 주입관(351)은 하나 이상의 노즐(352)이 구비될 수 있다. 제1 주입관(351)은 하나 이상의 노즐(352)이 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다. 제1 주입관(351)은 압축 공기와 암모니아수가 주입되는 배관으로 필요시 노즐(352)을 통해 암모니아수를 분사할 수 있다. 제1 주입관(351)은 암모니아수를 분사하기 위해 압축공기를 함께 주입 받을 수 있다. 제1 주입관(351)은 약품 주입부(354)를 통해 암모니아수를 주입 받고, 제1 에어 주입부(353)을 통해 압축 공기를 주입 받을 수 있다.
제1 주입관(351)은 압축공기의 압력을 견디기에 충분한 강도의 소재로 형성될 수 있고, 암모니아에 의한 부식을 최소화할 수 있는 소재로 형성될 수 있다. 제1 주입관(351)은 가스가 유입되는 입구 덕트(110)에 위치하며, 가스는 600~700도까지 온도가 올라갈 수 있다. 따라서, 제1 주입관(351)은 가스에 의해 온도가 올라갈 수 있으며, 이에 따라 변형이 일어날 수 있다. 여기에서 변형이란 온도의 높낮이에 따라 제1 주입관(351)이 길이방향 또는 폭방향으로 신축되는 것을 의미할 수 있다.
제1 에어 주입부(353)은 제1 주입관(351)에 형성되어 제1 주입관(351)에 공기를 주입할 수 있다. 제1 에어 주입부(353)은 제1 주입관(351)의 일측에 형성될 수 있다. 제1 에어 주입부(353)은 압축공기를 제1 주입관(351)에 주입하여 분사력을 제공할 수 있다. 제1 에어 주입부(353)를 통해 주입되는 압축공기와 제2 에어 주입부(356)를 통해 주입되는 압축공기는 구분될 수 있다. 후술할 제2 에어 주입부(356)를 통해 주입되는 압축공기는 실링 또는 쿨링을 위해 사용될 수 있다.
약품 주입부(354)는 제1 주입관(351)에 형성되어 제1 주입관(351)에 암모니아수를 주입할 수 있다. 약품 주입부(354)는 제1 주입관(351)의 일측에 형성될 수 있다. 약품 주입부(354)는 암모니아수와 희석수의 비율을 조절하여 암모니아수를 일정 농도로 조절할 수 있다. 약품 주입부(354)는 펌프를 통해 유입되는 암모니아수와 희석수의 양을 체크하여 분사되는 암모니아수의 농도를 측정할 수 있다. 약품 주입부(354)는 분사될 암모니아수의 양을 조절할 수 있다.
제2 주입관(355)은 제1 주입관(351)을 둘러쌓을 수 있다. 제2 주입관(355)은 제1 주입관(351)을 둘러싸고 있으므로 제1 주입관(351)에 형성된 하나 이상의 노즐(352)을 외부로부터 보호할 수 있다.
제2 주입관(355)은 제2 에어 주입부(356)를 통해 압축 공기를 주입 받을 수 있다. 제1 주입관(351)은 압축공기와 암모니아수를 주입 받고 있으므로 다양한 유체가 흐를 수 있는 배관이 형성될 수 있다. 제1 주입관(351)은 가스가 유입되는 입구 덕트(110)에 배치되므로 고온의 가스가 배관에 역류하면 장치 내부가 고온으로 파손되거나 변형될 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 제2 주입관(355)은 제2 에어 주입부(356)로부터 실링 에어(압축 공기)를 주입 받아 역류되는 가스를 밀어낼 수 있다.
제1 주입관(351)은 고온의 가스에 의해 변형될 수 있고, 가스 온도의 변화에 따라 신축을 반복함으로써 노즐(352)이 파손되거나 변형될 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 제2 주입관(355)은 제2 에어 주입부(356)로부터 주입 받은 압축공기로 제1 주입관(351)을 냉각시킬 수 있다. 즉, 제2 주입관(355)은 압축공기를 주입 받아 실링 및 쿨링을 수행할 수 있다.
제2 주입관(355)은 암모니아(NH3)가 제2 주입관(355) 외부로 분사될 수 있도록 노즐(352)에 대응하는 위치에 홀(357)이 형성될 수 있다. 제2 주입관(355)은 제1 주입관(351)을 둘러싸고 있으므로 제1 주입관(351)의 노즐(352)로부터 분사되는 암모니아수가 배출될 수 있는 홀(357)이 필수적이다. 제2 주입관(355)에 형성된 홀(357)은 노즐(352)을 통해 암모니아수가 원활히 가스에 분사될 수 있다면, 크기나 모양이 제한되지 않는다. 그러나 이하에서 설명하겠지만, 가스의 온도 변화에 따라 제1 주입관(351)은 신축하므로 이를 고려하여 홀(357)의 크기나 모양이 결정될 수 있다.
제1 주입관(351)과 노즐(351)이 제2 주입관(355)과 접촉하는 경우 파손이나 변형이 일어날 수 있다. 따라서, 제2 주입관(355)은 제1 주입관(351)과 일정 간격이 이격되도록 배치될 수 있다. 즉, 제2 주입관(355)의 내부 중앙부분에 제1 주입관(351)이 배치되어, 제1 주입관(351)과 제2 주입관(355)이 접촉되는 것을 방지할 수 있다. 제1 주입관(351)과 제2 주입관(355) 사이에 위치한 가이드링(358)이 제1 주입관(351)과 제2 주입관(355)을 이격시킬 수 있다.
제2 에어 주입부(356)는 제2 주입관(355)에 형성되어 제1 주입관(351)과 제2 주입관(355) 사이에 공기를 주입할 수 있다. 제2 에어 주입부(356)은 제2 주입관(355)의 일측에 형성될 수 있다. 제2 에어 주입부(356)는 실링 에어(압축 공기)를 주입하여 역류되는 가스를 밀어낼 수 있다. 제2 에어 주입부(356)는 고온의 가스가 역류하는 것을 최소화하여 장치 내부가 파손되거나 변형되는 것을 방지할 수 있다. 제2 에어 주입부(356)는 압축 공기를 제1 주입관(351)과 상기 제2 주입관(355) 사이에 공기를 주입하여 제1 주입관(351)을 냉각시킬 수 있다. 즉 제2 에어 주입부(356)는 실링 및 쿨링을 수행하는 압축공기를 주입할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 노즐(352), 홀(357), 및 가이드링(358)의 확대도를 나타낸다.
가이드링(358)은 제1 주입관(351)이 제2 주입관(355) 내부에 위치하도록 가이드할 수 있다. 가이드링(358)은 제1 주입관(351)이 제2 주입관(355)의 센터에 위치하도록 가이드할 수 있다. 가이드링(358)은 제1 주입관(351)에 체결되어 제1 주입관(351)과 함께 움직일 수 있다. 가이드링(358)은 제2 주입관(355)과는 체결되어 있지 않으므로 제1 주입관(351)이 신축하여도 가이드링(358)은 자연스럽게 제2 주입관(355)의 내부에서 움직일 수 있다. 따라서, 가이드링(358)은 제1 주입관(351)의 신축에도 제2 주입관(355)과 접촉하지 않게 할 수 있다. 가이드링(358)은 하나의 노즐(352) 사이에 두고 배치될 수 있다. 예를 들면, 노즐(352)이 하나인 경우 가이드링(358)은 2개가 배치되고, 노즐(352)이 4개인 경우 가이드링(358)은 8개가 배치될 수 있다. 가이드링(358)은 노즐(352) 사이에 배치됨으로써 노즐(352)이 제2 주입관(355)과 접촉되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 가이드링(358)의 구성도를 나타낸다. 도 12를 참조하면, 가이드링(358)은 몸체(360)가 링 형상으로 형성되어 제1 주입관(351)에 체결되고, 복수개의 돌기(361)가 몸체(360)의 외측에 구비되어 제2 주입관(355)과 제1 주입관(355)을 이격시킬 수 있다. 가이드링(358)는 돌기(361)를 3개 이상 구비할 수 있다.
노즐(352)은 가이드링(358)을 사이에 두고 배치될 수 있다. 즉, 노즐(352)이 하나인 경우 가이드링(358)은 2개가 배치되고, 노즐(352)이 4개인 경우 가이드링(358)은 8개가 배치될 수 있다. 노즐(352)은 가이드링(358) 사이에 배치되어 제2 주입관(355)과 접촉되는 것이 효과적으로 방지될 수 있다.
노즐(352)은 암모니아수를 선회형태로 분사하는 스월러(359)를 포함할 수 있다. 노즐(352)을 통해 분사되는 암모니아수는 유입되는 가스에 고르게 분사되어야 탈질 효율이 올라갈 수 있다. 따라서, 암모니아수를 고르게 분사하는 것은 탈질 효율을 높이는데 있어 중요한 해결과제이다. 본 발명의 실시예에 따른 노즐(352)은 스월러(359)를 이용하여 암모니아수를 선회형태로 분사함으로써 암모니아수를 가스에 고르게 분사할 수 있다.
하나 이상의 노즐(352)은 격자 형태로 배치될 수 있다. 앞서 언급한 탈질 효율을 높이기 위해 가스에 암모니아수를 고르게 분사하는 것이 중요하다. 하나의 노즐(352)을 이용하여 유입되는 가스에 암모니아수를 고르게 분사하는 것은 한계가 있다. 따라서, 하나 이상의 노즐(352)을 이용하여 암모니아수를 분사하는 것이 바람직하며, 하나 이상의 노즐(352)을 격자형태로 배치하는 경우 가스에 암모니아수가 고르게 분사될 수 있다.
하나 이상의 노즐(352)은 입구 덕트(110) 단면에서의 상대 속도 분포, 상기 입구 덕트(110) 단면에서의 가스 유선, 및 배열회수보일러(1100)의 온도 분포를 통해 도출된 암모니아수 분사 시 암모니아수의 온도, 암모니아수의 농도, 또는 수분사 액적 거동을 이용하여, 입구 덕트(110)에서의 암모니아수 농도가 균일하게 분사될 수 있도록 하는 위치에 배치될 수 있다.
하나 이상의 노즐(352)은 CFD(Computational Fluid Dynamic) 시뮬레이션을 이용하여 최적의 위치에 배치될 수 있다. CFD는 열 및 유체 운동에 대한 해석을 컴퓨터를 통해 유체와 기체의 상호작용을 시뮬레이션 하는 것으로 유체에 가해진 힘으로 유체가 어떻게 운동하는지에 대해 예측하는 것을 의미한다. 본 발명에 따른 하나 이상의 노즐(352)은 배열회수보일러의 입구 덕트(110)에서의 유량 분포를 고려하여 위치가 선정될 수 있다.
본 발명에 따른 하나 이상의 노즐(352)의 배치를 선정하기 위한 시뮬레이션은 관군부를 형상/격자에 직접 포함할 수 있다. 따라서, 시뮬레이션에 앞서 배열회수보일러의 형상을 격자형태로 모델링할 수 있다. 이어서, 입구 덕트(110) 단면에서의 상대 속도 분포 분석, 입구 덕트(110) 단면에서의 가스 유선 분석, 또는 배열회수보일러(1100)의 온도 분포 해석이 진행될 수 있다. 뒤이어, 분석된 속도 분포, 가스 유선, 또는 온도 분포를 이용하여 암모니아수 분사 시 암모니아수의 온도, 농도, 또는 수분사 액적 거동을 도출할 수 있다. 마지막으로, 노즐(352)의 분사 위치/각도를 달리하였을 때 암모니아수의 온도, 농도, 또는 수분사 액적 거동을 확인하여 입구 덕트(110)에서의 암모니아수 농도가 가장 균일한 조건을 선정할 수 있다.
하나 이상의 노즐(352)은 하기 [수학식 2]를 통해 계산된 값이 일정 값 이하가 되도록 배치될 수 있다.
[수학식 2]
(여기에서, 는 암모니아수의 농도, 는 암모니아수의 밀도, 는 암모니아수의 수직속도, 는 입구 덕트의 면적을 의미한다)
홀(357)은 제2 주입관(355)의 길이방향으로 길게 형성되는 타원형일 수 있다. 노즐(352)은 제1 주입관(351)의 신축에 따라 제1 주입관(251)의 길이방향으로 움직임이 발생할 수 있다. 이때, 노즐(352)이 홀(357)의 바깥으로 이동하게 되면 제2 주입관(255)이 노즐(352)의 분사를 막게 된다. 따라서, 홀(357)은 제1 주입관(251)의 신축에 따른 노즐(352)의 움직임을 커버할 수 있도록 길이방향으로 길게 형성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 홀(357)의 위치에 따른 홀(357)의 길이방향 길이의 변화를 나타낸다. 제1 주입관(351)은 가스의 온도 변화에 따라 신축하게 되는데, 고정단에서 멀어질수록 신축되는 정도가 더 크게 된다. 이에 따라, 홀(357)을 길이방향으로 길게 형성하여도, 고정단에서 거리가 먼 부분에서는 노즐(352)의 움직임이 커서 홀(357)의 바깥으로 이동할 수 있다. 따라서, 도 11과 같이 홀(357)은 약품 주입부(354)에서 멀어질수록 길이방향 길이가 더 길게 형성될 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 노즐(352)의 배치를 선정하기 위한 시뮬레이션 과정을 나타낸다. 도 13을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예인 암모니아수를 직분사하기 위한 노즐 배치 전정방법은 모델링하는 단계, 상대 속도 분포를 분석하는 단계, 가스 유선을 분석하는 단계, 온도 분포를 해석하는 단계, 노즐의 위치를 선정하는 단계, 및 암모니아수 농도 분포를 평가하는 단계를 포함할 수 있다.
모델링하는 단계는 배열회수보일러(1100)의 형상을 격자형태로 모델링할 수 있다. 상대 속도 분포를 분석하는 단계는 입구 덕트(110) 단면에서의 상대 속도 분포를 분석할 수 있다. 가스 유선을 분석하는 단계는 입구 덕트(110) 단면에서의 가스 유선을 분석할 수 있다. 온도 분포를 해석하는 단계는 배열회수보일러의 온도 분포를 해석할 수 있다. 노즐의 위치를 선정하는 단계는 상대 속도 분포, 가스 유선, 온도 분포를 통해 도출된 암모니아수 분사 시 암모니아수의 온도, 암모니아수의 농도, 또는 수분사 액적 거동을 이용하여, 입구 덕트(110)에서의 암모니아수 농도가 균일하게 분사될 수 있도록 하는 노즐(352)의 위치를 선정할 수 있다.
암모니아수 농도 분포를 평가하는 단계는 나 이상의 노즐은 상기 [수학식 2]를 이용하여, 암모니아수 농도 분포를 평가할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
100: 가스유입부 110: 입구 덕트
300: 분사부 310: 미터링 모듈
330: 분배 모듈 350: 분사 모듈
351: 제1 주입관 352: 노즐
353: 제1 에어 주입부 354: 약품 주입부
355: 제2 주입관 356: 제2 에어 주입부
357: 홀 358: 가이드링
359: 스월러 360: 몸체
361: 돌기 500: 반응부
510: 제1 촉매 530: 제2 촉매
700: 제어부 710: 기본 분사량 결정모듈
730: 피드포워드 모듈 750: 피드백 모듈
770: 주입시점 결정모듈
1000: 선택적 환원 촉매 시스템 1100: 배열회수보일러

Claims (11)

  1. 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOx)을 함유한 가스가 유입되는 가스유입부;
    상기 가스유입부에 설치되어, 상기 가스에 암모니아(NH3)수를 직분사하는 암모니아수 분사부;
    상기 가스유입부로부터 유입된 일산화탄소(CO)를 저감하는 제1 촉매 및 상기 가스유입부로부터 유입된 질소산화물(NOx)과 상기 암모니아수 분사부에서 직분사된 암모니아(NH3)를 반응하게 하여 질소산화물을 저감하는 제2 촉매를 구비하는 반응부; 및 가스터빈의 부하 또는 상기 반응부를 통과한 가스의 질소산화물농도에 따라 상기 암모니아수 분사부를 제어하여 암모니아수 분사량을 조절하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    가스터빈의 부하에 따른 암모니아수 분사량이 테이블 셋팅되고, 입력된 가스터빈의 부하에 따른 암모니아수 분사량을 상기 테이블을 이용하여 결정하는 기본 분사량 결정모듈; 및 입력되는 가스터빈의 부하가 변동되면, 상기 테이블을 이용하여 암모니아수 분사량을 실시간으로 변경하는 피드포워드 모듈;을 포함하는 것인, 선택적 촉매 환원 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 암모니아수 분사부는,
    암모니아수와 희석수의 비율을 조절하여 암모니아수를 일정 농도로 조절하는 미터링 모듈;
    분사될 암모니아수의 양을 조절하는 분배 모듈; 및
    암모니아수를 압축 공기를 이용하여 분사하는 하나 이상의 분사 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 반응부를 통과한 가스의 질소산화물 농도를 측정하고, 측정된 질소산화물 농도와 목표하는 질소산화물 농도를 비교하여, 상기 목표하는 질소산화물 농도가 상기 측정된 질소산화물 농도보다 높으면 암모니아수 분사량을 감소시키고, 상기 목표하는 질소산화물 농도가 상기 측정된 질소산화물 농도보다 낮으면 암모니아수 분사량을 증가시키는 피드백 모듈;
    을 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 피드백 모듈은,
    하기 [수학식 1]에 따라 암모니아수 분사량을 조절하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
    [수학식 1]
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 반응부의 온도를 측정하여, 상기 반응부의 온도에 따라 상기 암모니아수 분사부의 암모니아수 주입여부를 결정하는 주입시점 결정모듈;
    을 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 주입시점 결정 모듈은,
    상기 반응부의 온도가 160도 내지 400도 사이에서 암모니아수가 주입되도록 상기 암모니아수 분사부를 제어하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반응부는,
    상기 제1 촉매와 상기 제2 촉매가 하나의 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  11. 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOx)를 함유한 가스를 덕트로 유입시키는 단계;
    상기 덕트의 입구에서, 상기 가스에 암모니아수를 직분사하는 단계;
    제1 촉매를 이용하여 상기 가스에 함유된 일산화탄소(CO)를 저감시키고, 제2 촉매를 이용하여 상기 가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 직분사된 암모니아(NH3)를 반응하게 하여 질소산화물을 저감하는 단계; 그리고
    가스터빈의 부하 또는 상기 질소산화물을 저감하는 단계 이후 상기 가스의 질소산화물농도에 따라 암모니아수 분사량을 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 암모니아수 분사량을 제어하는 단계는,
    가스터빈의 부하에 따른 암모니아수 분사량이 테이블 셋팅되고, 입력된 가스터빈의 부하에 따른 암모니아수 분사량을 상기 테이블을 이용하여 결정하고, 입력되는 가스터빈의 부하가 변동되면, 상기 테이블을 이용하여 암모니아수 분사량을 실시간으로 변경하는 것인, 선택적 촉매 환원 방법.
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