KR100464167B1

KR100464167B1 - 촉매내장형 다단 저온플라즈마 반응기

Info

Publication number: KR100464167B1
Application number: KR10-2002-0010366A
Authority: KR
Inventors: 전상구; 신대현; 문승현; 노남선; 김광호
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2005-01-03
Also published as: KR20030070931A

Abstract

본 발명은 질소산화물,황산화물,VOC 등과 같은 대기오염물질을 처리하는 촉매내장형 다단 저온플라즈마 반응기에 관한 것으로 더욱 상세하게는 촉매층과 프라즈마 발생부가 교대로 위치시켜 플라즈마 발생부에서 생성된 라디칼이 촉매표면에서 반응시켜 원하는 생성물로 변환시키는 장치로 플라즈마 영역을 거친 라디칼이 완전히 촉매층을 거칠 수 있도록 평판형 플라즈마 전극과 하니컴형 촉매층을 직렬로 배치시키고 플라즈마 영역과 촉매영역이 연속적으로 인접시켜 플라즈마 영역에서 발생한 라디칼이 촉매영역까지 도달하는 시간을 최소화시키고 사용하는 촉매의 종류에 따라 원하는 반응을 제어할 수 있게한 것으로 유입구가 형성된 상부덕트(1)를 상부 플랜지(2)를 통하여 다단으로 형성된 반응기 본체(3)에 연결시키고 배출구가 형성된 하부덕트(5)를 하부 플랜지(6)를 통하여 반응기 본체(3')에 연결시키며 각 반응기 본체(3)(3') 내부에는 막대형 전극(7)(7')이 형성된 하부지지체(8)(8')에 상부지지체(9)(9')가 결합되고 지지체의 내부는 촉매(C)를 장입시키고 상하부에는 메쉬(10)(10')와 와이어(11)(11')를 설치한 촉매접지전극(A)과 촉매방전전극(B)를 삽입시킨 것을 특징으로 하는 촉매내장형 다단 저온플라즈마 반응기.

Description

촉매내장형 다단 저온플라즈마 반응기{Multi layer non-thermal plasma/catalyst reactor}

본 발명은 질소산화물,황산화물,VOC 등과 같은 대기오염물질을 처리하는 촉매내장형 다단 저온플라즈마 반응기에 관한 것으로 더욱 상세하게는 촉매층과 프라즈마 발생부가 교대로 위치시켜 플라즈마 발생부에서 생성된 라디칼이 촉매표면에서 반응시켜 원하는 생성물로 변환시키는 장치로 플라즈마 영역을 거친 라디칼이 완전히 촉매층을 거칠 수 있도록 평판형 플라즈마 전극과 하니컴형 촉매층을 직렬로 배치시키고 플라즈마 영역과 촉매영역이 연속적으로 인접시켜 플라즈마 영역에서 발생한 라디칼이 촉매영역까지 도달하는 시간을 최소화시키고 사용하는 촉매의 종류에 따라 원하는 반응을 제어할 수 있게한 것이다.

일반적으로 질소산화물,황산화물,VOC 등과 같은 대기오염물질을 처리하는 방법은 각각의 물질에 따라 다른 방법이 적용되며 개별공정이 필요하게 된다.

플라즈마 장치는 이들 대기오염물질의 종류에 관계없이 동시에 처리가 가능하다는 장점이 있어 다양한 공정이 개발되어 사용하고 있으나 반응 후 생성물질의 선택성이 적어 새로운 오염물질이 생성되는 문제점이 있었다.

종래의 플라즈마와 촉매를 혼합한 장치는 한국 공개특허 공보(제 2000-75396호)와 한국 공개실용신안 공보(제 2001-353호)의 "내연기관의 배출가스 정화장치"가 공개되어 있으며 그 기술구성의 요지는 배출가스 정화용 광촉매층이 다수의 담체셀 표면에 코팅된 허니콤담체가 반응로의 내부에 구비되고 플라즈마를 발생시키는 전극으로 구성된 반응기가 상기 허니콤담체의 양단에 구비된 것으로 광촉매와 삼원촉매를 플라즈마 반응기내에 단일층으로 장착시킨 것이고,한국 공개특허 공보(제 2000-44706호)"배출가스 분산주입형 다단식 코로나 반응기"의 그 기술적 요지는 배출가스의 유입구와 유출구를 갖춘 원통형의 하우징과 상기 유입구로 유입되는 배출가스를 코로나방전에 의한 플라즈마 화학반응으로 산화시킨 후 촉매에 의해 무해가스로 환원시키도록 상기 하우징내에 직렬로 설치된 다수의 하이브리드 반응기와 상기 하이브리드 반응기에 펄스고전압을 공급하는 펄스전원장치와 상기 유입구로 유입되는 배출가스를 분기시켜 분기된 배출가스가 상기 하우징 내부에 설치된 하이브리드 반응기들 사이에 형성되는 다수의 공간으로 유입되도록 상기 유입구의 일측에서 분기되어 상기 각 공간과 연결된 바이패스관을 구비한 것이고,한국 공개특허 공보(제 2000-44707호)"개별 전원장치를 구비한 다단식 코로나 반응기"의 그 기술적 요지는 배출가스의 유입구와 유출구를 갖춘 원통형의 하우징과 상기 유입구로 유입되는 배출가스를 코로나방전에 따른 플라즈마 화학반응에 의해 무해가스로 정화시키도록 핀형 방전전극과 상대전극판으로 구성되어 상기 하우징 내에 직렬로 설치된 다수의 반응기와 상기 반응기의 각각에 별도의 펄스고전압을 공급하는 다수의 펄스전원장치로 구성된 것이며 상기 공개된 다단식 코로나 반응기는 촉매를 사용하지 않고 플라즈마의 효과를 극대화시키기 위한 장치인 것이다.

그리고 한국 공개특허 공보(제 2000-17881호)"탈질이나 탈황 또는 탈질/탈황의 동시처리용 광촉매반응/플라즈마 복합시스템"의 그 기술적 요지는 황상화물,질소산화물,헬륨,산소로 이루어진 모사 배기가스 또는 연소 후 실제 배기가스를 질량유속 제어기에 통과시켜 유량을 제어한 후 고압의 펄스 발생기가 부착된 플라즈마 반응기를 통과시켜 1차 정화시키고 상기 플라즈마 반응기를 통과한 배기가스를 중앙에는 저압 수은램프가 장착되고 램프 외측으로 광촉매가 코팅된 반응기를 통과시킴으로 2차 정화를 하고 2차 정화를 한 배기가스를 질소산화물 분석기와 황산화물 분석기 및 적외선 변환 분광기를 통과시켜 처리된 농도와 반응물을 분석할 수 있도록 구성된 것으로 와이어-플레이트(wire-plate)형 플라즈마 발생기와 광촉매를 원통형 반응기 내벽에 코팅한 반응기를 직/병렬로 여러 개 조합한 시스템으로 플라즈마 반응기와 촉매 반응기가 개별적으로 구성되어 있어 플라즈마 영역을 거친 라디칼이 후단의 촉매반응기까지 도달하는 동안에 원래의 물질이나 제 3의 물질로 전환되는 경우가 발생하여 촉매/플라즈마 복합시스템으로서 기능과 효과를 거둘 수 없는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 목적으로 창출된 것으로 플라즈마 영역을 거친 라디칼이 완전히 촉매층을 거칠 수 있도록 평판형 플라즈마 전극과 허니컴형 촉매층을 직렬로 배치시키고 플라즈마 영역과 촉매영역이 연속되게 인접시켜 플라즈마 영역에서 발생한 라디칼이 촉매 영역까지 도달하는 시간을 최소화함으로 사용하는 촉매의 종류에 따라 원하는 반응을 제어할 수 있게한 촉매내장형 다단 저온플라즈마 반응기를 제공하기 위한 것이다.

상기한 반응기를 제공하기 위하여 종래의 대기오염물질을 저감시키는 방법 중에서 촉매 단독 또는 플라즈마 단독의 공정에서 달성하는 저감율의 한계를 극복하기 위하여 플라즈마와 촉매의 조합으로 구성된 공정을 이용하였으며 플라즈마와 촉매의 조합방법은 플라즈마 후단에 촉매층을 두는 방법과 플라즈마 영역 내에 촉매를 두는 방법 중에서 플라즈마 영역 내에 촉매층을 두어 플라즈마에서 발생한 라디칼이 재결합하는 역반응을 억제하고 전체 반응가스가 플라즈마와 촉매층을 통과할 수 있도록 플라즈마-촉매 반응기를 구성하였으며 또한 플라즈마 영역과 촉매층을 다단으로 구성하여 유입되는 가스의 조건과 필요한 저감율에 손쉽게 적응할 수 있게한 반응기를 제공할 수 있는 것이다.

도 1 은 본 발명의 전체구조를 도시한 구조개념도

도 2 는 본 발명 촉매접지전극의 상세구조도

도 3 은 본 발명 촉매방전전극의 상세구조도

도 4 는 Cu/ZSM-5 촉매상에서 플라즈마 단독,촉매단독,플라즈마/촉매 반응시스템의 탈질효율 비교 그래프도

도 5 는 플라즈마/촉매 영역 위치에 따른 효과 비교 그래프도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) 상부덕트 (2) 상부 플랜지

(3)(3') 반응기 본체 (5) 하부덕트

(6) 하부 플랜지 (7)(7') 막대형전극

(8)(8') 하부지지체 (9)(9') 상부지지체

(10)(10') 메쉬 (11)(11') 와이어

(A) 촉매접지전극 (B) 촉매방전전극

이하 발명의 요지를 첨부된 도면에 연계시켜 그 구성과 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명의 전체구조를 도시한 구조개념도로서 반응기 본체 내부에 촉매접지전극과 촉매방전전극이 배치되어 있는 구조와 상하부 플랜지가 결합된 상태의 전체구조를 도시하였으며, 도 2, 3은 본 발명 촉매접지전극과 촉매방전전극의 상세구조도로서 각 전극의 메쉬(Mesh)와 와이어(Wire)가 각 전극의 지지체에 결합된 상태를 도시한 것이다.

질소산화물,황산화물,VOC 등과 같은 대기오염물질을 처리함에 있어서,

유입구가 형성된 상부덕트(1)를 상부 플랜지(2)를 통하여 다단으로 형성된 반응기 본체(3)에 연결시키고 배출구가 형성된 하부덕트(5)를 하부 플랜지(6)를 통하여 반응기 본체(3')에 연결시키며 각 반응기 본체(3)(3') 내부에는 막대형 전극(7)(7')이 형성된 하부지지체(8)(8')에 상부지지체(9)(9')가 결합되고 지지체의 내부는 촉매(C)를 장입시키고 상하부에는 메쉬(10)(10')와 와이어(11)(11')를 설치한 촉매접지전극(A)과 촉매방전전극(B)를 삽입시킨 구조이다.

상기한 반응기 본체(3)(3')는 테프론, 알루미나, 세라믹으로 이루어진 군중에서 선택된 하나로 제작하고, 촉매전극(A)(B)은 스테인레스, 테프론, 알루미나, 세라믹으로 이루어진 군중에서 선택된 하나로 제작되고, 촉매전극(A)(B)의 원통내부에는 하니컴(Hyneycomb)형태나 입자상 형태 중에서 선택된 하나의 형태를 가진 촉매(C)가 장입되고, 여기에 사용되는 촉매는 Cu/ZSM-5계 촉매, 광촉매계, 혼합광촉매, SCR촉매 및 산화촉매로 이루어진 군중에서 선택된 하나를 사용한다.

그리고 촉매접지전극(A)과 촉매방전전극(B)은 직렬로 연결시켜 반응기의 용량을 용이하게 조절시킬 수 있는 것이다.

이와 같이 된 본 발명은 질소산화물, 황산화물, VOC 등과 같은 대기오염물질을 처리함에 있어 최대한의 전환율을 얻을 수 있게 한 것으로 대기오염물질이 포함된 배가스를 상부덕트(1)를 통하여 유입시키기 전에 암모니아 또는 탄화수소와 같은 환원제와 혼합시켜 반응기 본체(3)에 상부 플랜지(2)를 통하여 연결된 유입구가 형성된 상부덕트(1)로 유입시키면 다단으로 형성된 촉매접지전극(A)-촉매방전전극(B)의 순서로 접촉하면서 반응이 진행되는 것이다.

대기오염물질은 플라즈마 전극에서 생성된 라디칼로 분해되고 인접한 촉매전극(A)(B)에서 전환시키는 반응기로 플라즈마 전극에서 생성된 라디칼(존재시간 수 ms)이 다시 원래의 물질로 환원되거나 원하지 않는 물질로 반응이 진행되기 전에 촉매(C)와 접촉시키므로 원하는 반응으로의 선택성을 향상시킬 수 있는 것이다.

상기한 반응은 1단의 촉매방전전극-촉매접지전극을 거치면서 완전히 전환되지 않은 대기오염물질은 2단의 촉매방전전극-촉매접지전극을 거치면서 1단에서와 동일하게 반응이 진행되고 다시 3 단, 4 단, 5 단 등을 거치면서 전환율이 향상되고 최종 단을 거친 가스는 하부 플랜지(6)의 하부덕트(5)를 통하여 외부로 배출되는 것이다.

상기한 촉매전극(A)(B)의 막대형 전극(7)(7')은 외부전원과 나사로 연결되어 탈,부착이 용이하고 촉매접지전극(A)과 촉매방전전극(B)은 직렬로 연결되어 있어서 대기오염물질의 농도, 온도 및 유량에 따라 플라즈마-촉매의 단을 용이하게 조절할 수 있게 하여 전환율을 필요한 정도로 조절할 수 있는 것이다.

이하 실시예를 통하여 본 발명의 장점을 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 1.

플라즈마 단독,촉매 단독,플라즈마/촉매반응 시스템의 비교

500ppm 질소산화물(NOx),5% 산소(O₂)의 유입가스 농도조건에서 환원제인 암모니아(NH₃)를 500ppm 사용하였을 때 각각의 반응 시스템에서 온도에 따른 질소산화물 저감 효율을 비교한 것을 도 4 에 도시하였다.

플라즈마 단독(인가 전압 18kV),촉매단독(Cu/ZSM-5 촉매) 시스템의 경우는 50-150℃ 범위에서 40%를 넘지 않지만 본 발명은 50%이상의 전환율을 보이고 온도가 상승함에 따라 그 효과가 더욱 뚜렷하며 150℃ 에서는 80%를 상회한 것을 알 수 있다.

실시예 2.

플라즈마-촉매영역 위치에 따른 효과 비교

500ppm 질소산화물(NOx),5% 산소(O₂),500pp 암모니아(NH₃)의 가스 유입농도 조건으로 150℃ 에서 플라즈마 단독,촉매 단독,플라즈마-촉매 분리,플라즈마-촉매 통합 시스템의 질소산화물 저감효율을 비교하여 도 5 에 도시하였다.

유입된 500ppm의 질소산화물은 프라즈마-촉매 시스템에서 50% 이상 저감되었으며 특히 본 발명에서 제기한 플라즈마-촉매 통합 시스템에서의 질소산화물 배출 농도가 100ppm이하로 유지되어 가장 우수한 성능을 나타내었다.

즉 플라즈마 영역에서 발생된 라디칼이 인접한 촉매 영역에서 곧 바로 반응을 거치게 되므로 해서 이와같은 우수한 성능을 나타내었다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

그러므로 본 발명은 종래 방식인 플라즈마 단독 반응기,촉매 단독 반응기보다높은 저감효율을 나타내고 또한 플라즈마-촉매 반응기로 이미 개발된 플라즈마 영역과 촉매영역이 이격되어 있는 방식보다 소형의 장치로 더욱 향상된 높은 전환율을 얻을 수 있어 대기오염물질을 효과적으로 저감시킬 수 있고 대기오염물질의 농도,온도 및 유량에 따라 단을 조절하여 전환율을 필요한 정도로 조절할 수 있는 등의 효과가 있는 것이다.

Claims

질소산화물, 황산화물, VOC 등과 같은 대기오염물질을 처리하는 장치에 있어서,

유입구가 형성된 상부덕트(1)를 상부 플랜지(2)를 통하여 다단으로 형성된 반응기 본체(3)에 연결시키고 배출구가 형성된 하부덕트(5)를 하부 플랜지(6)를 통하여 반응기 본체(3')에 연결시키며 각 반응기 본체(3)(3') 내부에는 막대형 전극(7)(7')이 형성된 하부지지체(8)(8')에 상부지지체(9)(9')가 결합되고 지지체의 내부는 촉매(C)를 장입시키고, 상하부에는 메쉬(10)(10')와 와이어(11)(11')를 설치한 촉매접지전극(A)과 촉매방전전극(B)을 삽입시킨 것을 특징으로 하는 촉매내장형 다단 저온플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서,

반응기 본체(3)(3')는 테프론, 알루미나, 세라믹으로 이루어진 군중에서 선택된 하나로 제작하고, 촉매전극(A)(B)은 스테인레스, 테프론, 알루미나, 세라믹으로 이루어진 군중에서 선택된 하나로 제작하는 것을 특징으로 하는 촉매내장형 다단 저온플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서,

촉매전극(A)(B)의 원통내부에는 하니컴(Hyneycomb)형태나 입자상 형태 중에서 선택된 하나의 형태를 가진 촉매(C)가 장입되고, 여기에 사용되는 촉매는 Cu/ZSM-5계 촉매, 광촉매계, 혼합광촉매, SCR촉매 및 산화촉매로 이루어진 군중에서 선택된 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 촉매내장형 다단 저온플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서,

촉매접지전극(A)과 촉매방전전극(B)은 직렬로 연결시켜 반응기의 용량을 용이하게 조절시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 촉매내장형 다단 저온플라즈마 반응기.