KR0120837B1 - 배기 가스 처리 장치 - Google Patents

배기 가스 처리 장치

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KR0120837B1
KR0120837B1 KR1019940700271A KR19940700271A KR0120837B1 KR 0120837 B1 KR0120837 B1 KR 0120837B1 KR 1019940700271 A KR1019940700271 A KR 1019940700271A KR 19940700271 A KR19940700271 A KR 19940700271A KR 0120837 B1 KR0120837 B1 KR 0120837B1
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exhaust gas
catalyst
reactor
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pipe
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KR1019940700271A
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구니오 요시다
아쯔시 쯔쯔미
야스후미 사까끼다
가즈오 쯔쯔미
도모아끼 다까다
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오오바 히로시
가와사끼쥬고교가부시끼가이샤
구니오 요시다
아쯔시 쯔쯔미
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Abstract

디젤 엔진(EG)의 배기를 받는 피처리 기체 도입관(11,26,53)을 갖는 외부 케이싱(10,22,52)의 내부에 유동촉매층 반응기(1,21,31,41)이 회전 가능하게 설치된다. 반응기는 디젤 엔진(EG)에 의해 구동된다. 반응기 내에는 제오라이트와 같은 분립상 촉매(7)이 충전되어 있으며, 반응기의 회전에 의해 촉매(7)은 반응기의 원통형 다공 분산판(2,23,42,42a)의 내주벽에 부착하고, 외부 케이싱 내부로부터 반응기 내로 반경 방향 내측으로 유입하는 피처리 기체에 의해 유동하여 유동층을 형성한다. 유입한 피처리 기체는 촉매(7)에 의해 처리된 후, 원통형 필터(8,34,48)을 통과하고, 배기관(6,29,35,47)을 통해 배기된다. 촉매(7)은 피처리 기체중의 NOx가스를 환원한다. 유동 촉매층에 걸리는 큰 원심력 때문에 피처리 기체의 반응기 내에의 유입 속도가 커도 유동층은 유지되고, 피처리 기체의 유량을 많게 할 수 있고, 처리 장치를 소형화 할 수 있다.

Description

[발명의 명칭]
배기 가스 처리 장치
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명의 배기가스 처리 장치의 일실시예의 축방향 단면도이다.
제2조는 제2도의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
제3도는 배기 가스 처리 장치의 디젤 엔진과의 관계를 도시하는 사시도이다.
제4도는 제1도의 실시예의 변형예의 축방향 단면도이다.
제5도는 본 발명의 다른 사실예의 축방향 단면도이다.
제6도는 본 발명의 또 다른 실시예의 축방향 단면도이다.
제7도는 제6도의 Ⅶ-Ⅶ선 단면도이다.
제8도는 본 발명의 다른 실시예의 축방향 단면도이다.
제9도는 제8도의 실시예의 변형예의 축방향 단면도이다.
제10도는 제8도의 실시예의 다른 변형예의 축방향 단면도이다.
[발명의 상세한 설명]
[기술분야]
본 발명은 예를 들면 디젤 엔진으로부터 배출되는 가스와 같은 배기 가스 처리 장치에 관한 것이다.
[배경기술]
예를 들면, 디젤 엔진의 배기 가스중에 포함되는 질소 산화물(NOx)과 매연 분진을 제거하기 위한 탈질산, 탈진 장치는 공지이다. 이 탈질산, 탈진 장치는 촉매층에 배기 가스를 통하고, 촉매 반응에 의해 NOx를 제거하기 위한 장치이다. 이런 종류의 탈진산 장치로서는 고정 촉매층 반응기 및 중력 공급식 유동 촉매층 반응이(gravity-fed catalytic fluidized reactor)가 알려져 있다(예컨데, 특히 공개 소52-131970호 공보 참조)
전자의 고정 촉매층 반응기에서는 배기 가스중에 포함되어 있는 매연 분진에 의해 반응기가 막힘을 일으켜 처리 능률이 현저히 저하되고 또 촉매가 열화된 경우 운전중에 촉매의 교환이 불가능한 등의 문제가 있다.
또, 후자의 중력 공급식 유동 촉매층 반응기에서는 엔진의 부하 변화에 의한 배기 가스량의 변화에 대응할 수 없는 결점이 있으며, 또 촉매의 유동화 가능한 가스 속도를 얻으려면 면적을 크게 해야 하기 때문에 장치가 대형화한다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 큰 유동화 가스 속도를 얻고, 배기 가스 처리량을 크게 하고, 전체 장치의 소형화를 도모할 수 있는 배기 가스 처리 장치를 제공하는 것이다.
[발명의 개시]
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 배기 가스 처리 장치는 처리되는 배기 가스용 도입관을 갖는 외부 케이싱과, 이 외부 케이싱 내부에 설치된 원통형 유동 촉매층 반응기와, 상기 반응기에 연결되고 상시 외부 케이싱으로부터 돌출된 배기 가스용 배기관으로 이루어지며, 상기 반응기는 그 내부에 처리될 배기 가스를 도입하기 위한 다공형 실린더로 구성되는 분산판(distribution plate)을 가지며, 상기 배기관은 다공형 원통의 중심축 주위에서 회전 구동가능하고 상기 반응기의 중심축과 동축으로 연결된다.
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]
이하에, 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
제1도 및 제2도에 도시한 실시예에 대한 우선 설명하면, 유동 촉매층 반응기(1)는 다수의 구멍이 형성된 원형 실린더(2)를 갖는다. 상기 실린더의 표면은 분배기 또는 분산판으로 작용하고, 단부 판(3,4)은 축방향으로 상기 실린더의 양 측면에 부착된다. 상기 한족 단부 판(3)의 중심부 외부 표면은 구동축(5)에 고정되고, 다른쪽 단부 판(4)의 중심부는 상기 구동축(5)의 중심축과 동일한 축을 갖는 배기관(6)의 일단에 고정된다. 상기 반응기(1)내에는 분립상 촉매(7)가 보유되고 있다. 필터(8)는 분말화한 촉매(7)나 분진의 배출을 억제하기 위해 설치되어 있다.
제3도에 도시한 바와 같이, 상기 구동축(5)에는 풀리(9)가 고정되어 있으며, 예를 들면 디젤 엔진(EG)의 회전축(12)의 풀리(13) 및 구동 벨트(14)등을 포함하는 구동 전달 기구(drive mechanism)에 의해 상기 엔진(EG)의 회전수에 대응하는 회전 구동축(5)에 전달되도록 구성되어 있다.
외부 케이싱(10)은 반응기(1)를 둘러싸서 설치되어 있다. 외부 케이싱(10)은 상기 반응기(1)보다 지경이 크고, 또 상기 반응기(1) 전체와, 구동축(5) 및 배기관(6)의 일부를 피복하도록 설치되어 있다. 이 외부 케이싱(!0)의 한쪽에는 엔진(EG)의 배기관(16)에 직결되는 배기 가스 도입관(11)이 설치되어 잇다. 제1도에 도시한 바와 같이 구동축(5) 및 배기관(6)은 기밀 구조의 베어링(17,18)을 거쳐 외부 케이싱(10)에 회전가능하게 지지되어 있다. 또, 상기 반응기(1) 및 외부 케이싱(10)은 분해가능하고, 촉매(7)이나 필터(8)등의 교환, 청소 등의 보수를 행할 수 있도록 구성되어 있다.
다음에, 상기 실시예의 작용을 설명한다. 엔진(EG)이 시동되면 그 회전 구동 전달 기구를 거쳐 구동축(5)이 구동된다. 이에 의해, 구동축(5)에 직결되어 있는 유동 촉매층 반응기(1)가 배기관(6)과 동시에 회전하고, 상기 반응기(1)내에 수용되어 있는 분립상 촉매(7)는 원심력에 의해 분산판(2; 원통형 실린더)의 내면에 부착되도록 유동된다. 한편, 엔진(EG)의 시동과 동시에 그 배기 가스는 배기 가스 도입관(11)으로부터 배기 가스의 외부 케이싱(10) 내로 도입되고, 엔진(EG)에 의한 가스압에 의해 배기 가스는 분산판(2)의 작은 구멍(2a)을 통하여 반응기(1)의 내부에 들어가고, 촉매(7)를 유동시키면서 배기 가스는 촉매와 접촉 반응하고, 예를 들면 탈질산 반응이 행해진다.
탈질산 반응에 의해 정화된 배기 가스는 필터(8)을 통하여 배기관(6)으로부터 외부로 방출된다. 또, 분산판(2)의 구멍(2a)의 직경을 분지(미연 탄소)이 걸리지 않을 정도로 작은 직경으로 할 때는 제4도에 도시한 바와 같이 분산판(2)의 외면에 부착된 또는 부착하려 하는 분진을 긁어내기 위해 스크레이퍼(scraper;12)를 분산판(2)의 외면에 미끄럼 접촉하도록 설계하고 긁어낸 분진을 외부 케이싱(10)의 통과를 허용하는 비교적 큰 직경의 구멍을 형성한 경우에는 반응기(1)내에서 집진한다. 이 경우, 집진된 분진은 배기 가스와 반응하고 탈진산을 행한다.
다음에, 제5도에 도시한 실시예를 설명한다. 이 실시예에서 유통 촉매층 반응기(21)와 외부 케이싱(22)이 결합되어 있으며, 외부 케이싱(22)도 반응기(2!)와 함께 회전하게 되어 있다. 따라서, 도시한 바와 같이 유동 촉매층 반응기(2!)의 외부 실린더를 구성하는 분산판(23)의 한쪽은 외부 케이싱(22)의 한쪽 벽면에 고정된다. 또, 외부 케이싱(22)의 양측 중심에는 각각 외향 축방향 관(24,25)이 형성되어 있으며, 한쪽 관(24)은 엔진의 배기관에 연통하는 배기 가스 도입관(26)에 기밀 베어링(27)을 거쳐 회전가능하게 지지된다. 다른쪽 관(25)은 기밀 베어링(28)을 거쳐 배기관(29)에 회전가능하게 지지된다. 도, 상기 관(24)은 회전 구동용 풀리(30)가 고정된다. 또, 실시예에 있어서의 작용은 제1도에서 도시한 실시예와 거의 마찬가지로 탈질산, 탈진이 행해진다. 따라서, 상세한 설명은 생략한다.
제6도 및 제7도의 실시예에서는 유동 촉매층의 반응기(31) 내부의 원통형 필터(34) 내부에 정류판(32)이 설치되고, 이들 정류판(32)에 의해 장치의 압력 손실을 저감하도록 하고 있다. 정류판(32)은 링 형태이고, 회전 축선방향으로 적당 간격을 두고 고정되고 있다. 정류판(32)은 방사상 연결판(33)에 의해 상호 연결되어 있다. 35는 배기관이다.
이상에 설명한 배기 가스 처리 장치는 촉매를 선택함으로써 탈진은 물론, 탈진산, 탈황, 탈염 등의 분해 화학 반응이 가능하고, 그 이용 분야는 넓다.
제8도에는 촉매의 자동 공급 및 열화 촉매의 자동 배출을 행하는 수단을 구비한 배기 가스 처리 장치의 실시예를 도시한다
이 실시예에서는 상시 실시예와 마찬가지로 원통면의 분산판(42)을 갖고, 그 양측에 단부 판(43,44)가 고정되어 유동 촉매층 반응기(41)가 구성되어 있다. 한쪽 단부 판(43)의 중심부에는 관(45)이 고정되어 있으며, 이 관(45)의 내측에는 이 관의 축선과 직교하는 촉매(7)의 공급 유로(45a)가 일체로 연통하는 형상으로 형성되어 있다. 또, 상기 다른쪽 단부 판(44)의 중심부에는 상기 관(45)의 중심 축선과 축선이 일치하는 배기관(47)의 일단이 고정되어 있다. 분산판(42)의 내측에는 원통형 필터(48)가 관(45) 및 배기관(47)과 축선을 같게 하여 고정되어 있다.
촉매(7)의 호퍼(44)에는 촉매 공급관(49)이 연통하도록 설치되고, 이 촉매 공급관(49)의 하부에는 수평자세의 촉매 저장소(49a)가 일체로 형성되어 있다. 이 촉매 저장소(49a)에는 기밀 베어링(50)을 거쳐 상기관(45)이 회전가능하게 지지된다. 또, 상기 촉매(7)의 공급 유로(45a)와 떨어진 단부 판(44)의 한쪽에 촉매(7)의 배출관(51)이 설치된다. 이 배출관(51)은 촉매(7)의 유동층 중에 개방된다.
외부 케이싱(52)은 반응기(41)보다 직경이 크고, 또 상기 반응기(41) 전체와 상기 배기관(47)의 일부 및 촉매 저장소(49a)의 일부를 피복하도록 형성되어 있다. 이 외부 케이싱(52)의 한쪽에는 엔진의 배기관(다시 생략)에 직결되는 배기 가스 도입관(53)이 설치되어 있다.
또, 상기 한쪽의 단부 판(44)측의 외부 케이싱(52)의 부분에는 구획판(54)에 의해 배기 가스 도입측과 구획된 촉매 배출 유로(55)가 형성되어 있으며, 이 촉매 배출 유로(55)에 촉매(7)의 배출관(51)이 연통하고 있다. 상기 구획판(54)과 상기 촉매 배출 유로(55)를 구성하는 외측판(58)에 각각 베어링(56,57)을 거쳐 반응기(41)의 한쪽 모서리부와 배기관(47)의 기부가 회전가능하게 지지된다. 따라서, 상기 유동 매체층의 반응기(41)는 외부 케이싱(52)에 대해 3점에서 회전가능하게 지지되어 있다.
반응기(41)를 회전 구동하는 수단으로서, 상기 배기관(47)에 풀리(60)를 설치하고, 이를 구동 전달 기구나 감속 기구를 거쳐 엔진의 회전축에 접속시키고, 엔진의 회전수에 대응한 회전이 반응기(41)에 의해 부여되도록 한다.
다음에, 상기 실시에의 작용을 설명한다. 엔진이 시동되면, 그 회전 구동에 의해 감속 기구나 구동 전달기구를 거쳐 배기관(47)이 구동되는 동시에 유동 촉매층 반응기(41)가 회전한다. 이 반응기(41)내에 수용되어 있는 촉매(7)는 원심력에 의해 분산판(42)의 내면에 부착하도록 유동되고, 한편 엔진의 시동과 동시에 엔진 배기 가스는 배기 가스 도입관(53)을 거쳐 외부 케이싱(52)내로 도입되고, 엔진에 의한 가스 압력에 의해 배기 가스는 분산판(42)의 작은 구멍을 통하여 반응기(41)의 내부로 들어가고, 촉매(7)를 유동하면서 배기 가스는 촉매(7)와 접촉 반응하고, 예를 들면 탈질산 반응이 행해진다.
탈질산 반응에 의해 정화된 배기 가스는 필터(48)를 통하여 배기관(47)으로부터 외부로 방출된다. 또, 분산판(42)의 구멍 직경을 분진(미연 탄소)이 막히지 않도록 작은 직경으로 할 때는 제4도의 경우와 마찬가지로 분산판(42)의 외면에 부착된 또는 부착하려는 분진을 스크레이퍼에 의해 긁어내고 외부 케이싱(52)의 하부에 설치된 분진 회수부에 포집한다. 또, 분산판(42)에 분진의 통과를 허용하는 비교적 큰 직경의 구멍을 형성한 경우에는 유동층 내에서 집진하고, 집진한 분진은 배기 가스와 반응하여 탈진산이 가능해진다.
한편, 촉매 공급관(49)의 촉매 저장소(49a)에 있는 촉매(7)는 윈심력의 작용으로 관(45)이 공급 유로(45a)를 거쳐 유동층에 공급된다. 또, 반응에 의해 열화하고 분말화(가루화)된 촉매(7)는 배출통(51)으로부터 날려 나오고, 촉매 배출 유로(55)를 거쳐 회수된다.
제9도에 도시한 변형 실시예에서는 제8도에 도시한 촉매의 공급 유로(45a) 대신에 관(45)의 구경보다 직경이 큰 원판(61)을 지주(59)에서 단부 판(43)에 대향적으로 배치된 것이다. 이와 같이 구성함으로써 원심력의 작용으로 반응기(1)내에 유입하는 촉매(7)는 원주 방향으로 균일하게 공급된다. 제8도의 실시예와 동일 구조 부분에는 동일 부호를 붙임으로써 구성의 상세한 발명은 생략한다. 또, 일부를 제외하고는 작용도 제8도의 경우의 작용과 마찬가지이므로 작용의 설명은 생략한다.
제10도에 도시한 변형 실시예는 제8도에 도시한 실시예에 있어서 분산판(42a)을 테이퍼진 원통 형상으로 한 것이다. 이로써, 배출관(51)으로부터 열화된 분말 상태의 촉매(7)가 원심력 작용으로 효율적으로 배출되게 된다. 또, 제8도와 동일 구조 부분에는 동일 부호를 붙임으로써 구성의 상세한 설명은 생략한다. 또, 분산판(42a)의 작용 이외에는 제8도의 작용과 거의 동일하므로 작용의 설명은 생략한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 얻어진다.
(a) 유동 촉매층 반응기를 배기 가스 내에서 회전가능하게 함으로써 유동 촉매층을 원심 유동층으로 할 수 있다. 이 때문에, 상기 유동 촉매층에는 반경 방향 외향으로의 힘이 항상 작용하고, 배기 가스 유동에 의해 유동 촉매가 반경 방향으로 내향으로 휩쓸리지 않게 된다. 따라서, 종래의 중력 공급식 유동층에 비해 큰 유동화 가스 선속도를 채택할 수 있고 배기 가스 처리량을 크게 할 수 있으므로 장치 전체의 소형화를 도모할 수 있으며, 자동차 등에 탑재도 가능해지며, 배기 가스에 의한 공해 문제도 합리적으로 해결할 수 있다.
(b) 유동 매체층 반응기의 구동원으로서 엔진의 회전 동력을 이용함으로써 엔진의 회전수에 따른 배기 가스량을 효율적으로 처리할 수 있다.
(c) 신규 촉매의 공급과 열화 및 분말화된 촉매의 폐기를 자동적으로 수행할 수 있고, 배기 가스용 반응기는 탈진산 등을 아주 효율적으로 행할 수 있다.
디젤 엔진의 배기 가스의 처리를 위한 유동 촉매층 반응기 내에 수용되는 촉매로서는 단결정 제오라이트 또는 그 금속 이온 교환체, 예를 들면 구리 이온 교환 제오라이트(ZSM-5)를 이용할 수 있다. 구리 이온 교환 제오라이트는 디젤 엔진의 배기 가스중의 NOx의 환원에 유효하다. 구리 이온 교환 제오라이트의 원심 유동층은 NOx의 환원과 동시에 입자나 매연을 제거하는데 효과적이다.
제오라이트(ZSM-5)는 열수 반응(hot water reaction)에 의해 합성하느 것이 좋다. 여과 후, ZSM-5와 같은 제오라이트 입자를 수중에 현탁시키고, 초산 제2구리를 첨가하여 실온에서 24시간에 걸쳐 이온 교환 처리한다. 다음에, 제오라이트 입자를 증류수로 정화하고, 383K에서 12시간 건조시킨다. 아래의 표1은 제오라이트의 조성을 표시한다. 촉매는 콜로이드형 실리카(SiO2의 20wt%)를 결합제로서 이용하고, 구리 이온 교환 제오라이트(ZSM-5)의 스프레이 입자 형성에 의해 얻어지고, 이것이 4시간 773K에서 하소(sintered)된다. 표2는 이와 같이하여 얻어진 촉매의 물리적 특성을 표시한다.
촉매는 또 금속 담지 제오라이트, 금속 실리케이트 및 페로브스카이트형 산화물로 이루어지는 군에서 선택한 촉매 미립자와 실리카졸을 포함하는 조성물을 스프레이 입자 형성함으로써 얻어진 구상 입자라도 좋다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은 디젤 엔진의 배기 가스 처리에 특히 유효하지만 촉매를 적당히 선택함으로써 각종 배기 가스 처리에 이용할 수 있다.

Claims (14)

  1. 처리되는 배기 가스용 도입관을 갖는 외부 케이싱과, 상기 외부 케이싱의 내부에 구비된 유동 촉매층 반응기-여기서, 상기 반응기는 상기 배기 가스가 상기 반응기 내로 도입되게 하는 다수의 구멍을 갖는 실린더로 제조된 분산판을 가지고, 상기 실린더는 그와 동축 상태인 원통형 필터를 그 내부에 가지고, 상기 원통형 필터는 그와 상기 실린더 사이에 환형 챔버를 한정하고, 상기 환형 챔버는 분립상 촉매를 그 내부에 밀집되지 않게(loosely) 보유하고 있고, 상기 배기 가스가 분산판의 상기 구멍과 상기 분립상 촉매를 통해 유동하는 동안에 원심력에 의해 상기 분립상 촉매가 유동층으로서 상기 실린더의 내부 벽에 대해 압착되는 방법으로 상기 실린더는 실린더 및 필터와 동축 상태인 회전축에 대해 회전가능하게 지지되고 또한 상기 회전축에 대해 회전하여 상기 챔버 내에서 분립상 촉매를 유동화시킴-와, 상기 회전축과 동축 상태인 상기 반응기에 연결되고 상기 외부 케이싱을 통과하여 외부로 돌출하는 상기 배기 가스용 배기관을 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응기는 일측면에는 상기 배기관을 타측면에는 상기 배기관과 동축 상태인 회전 구동축을 갖고, 상기 구동축이 상기 구동축이 외부 케이싱으로부터 돌출되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 구동축의 엔진에 의해 구동되도록 상기 엔진에 연결되고, 상기 엔진의 배기관은 상기 도입관에 연결되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 원통형 필터는 그 중심축 주위로 상기 반응기 내부에 설치되고, 상기 배기관은 상기 원통형 필터 내부와 연통하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 배기관은 상기 외부 케이싱의 기밀 베어링 내에서 자유로이 회전하도록 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반응기의 분산판의 외주면과 마찰 접촉하고 상기 외부 케이싱 내에 제공된 스크레이퍼를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 외부 케이싱은 상기 반응기에 부착되어 이에 대해 자유로이 회전하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 외부 케이싱의 상기 도입관은 상기 배기관과 동축으로 설치되고, 상기 도입관은 회전 구동 입력축으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  9. 제4항에 있어서, 상기 원통형 필터의 내부에 그 중심축 방향으로 이격되어 부착된 환형의 유동 정류판을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 외부 케이싱을 통해 상기 반응기 내로 돌출하도록 구비된 촉매 공급용 촉매 공급관을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 촉매 공급관의 내부 단부는 촉매 저장소를 갖는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  12. 제1항에 있어서, 촉매 배출 통로는 상기 외부 케이싱 내에 구비되고, 상기 촉매 배출 통로와 연통하는 촉매 배출 수단은 상기 반응기의 반경 방향 외부 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 반응기의 분산판의 테이퍼진 원형 실린더 형태로 형상화되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 촉매는 제오라이트인 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
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