KR100593403B1 - 배기가스의 질소산화물 처리장치 및 이의 처리방법 - Google Patents

배기가스의 질소산화물 처리장치 및 이의 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기가스에 함유되어 있는 질소산화물(NOx)의 처리장치 및 제조방법에 관한 것으로, 질소산화물을 함유한 배기가스의 처리장치에 있어서, 오존, 암모니아, 질소산화물을 함유한 배기가스를 유입하기 위한 각각의 유입구가 형성되고, 내부에서 처리된 질소산화물을 배출하기 위한 배출구가 형성된 중공의 몸체와; 상기 몸체 내부에, 상기 유입구로부터 유입된 오존과 질소산화물 및 암모니아가 혼합되고, 질소산화물 중 일산화질소를 이산화질소로 산화시키는 혼합 반응기와, 상기 혼합 반응기에서 배출된 이산화질소를 촉매가 도포된 다공성 구조체에 통과시키면서 촉매반응으로 제거시키는 촉매 반응기와; 상기 몸체의 외측에 상기 혼합반응기와 촉매 반응기를 소정온도로 유지토록 설치되는 온도 가열기; 및 상기 오존 흡입구와 접합되고, 외부공기를 받아들이고 고전압을 인가하여 고농도 오존을 발생시키는 유전체 방전기를 포함하여 이루어진 배기가스의 질소산화물 처리장치 및 질소산화물을 함유한 배기가스의 처리방법에 있어서, (a) 고전압을 인가하여 외부공기로부터 고농도 오존을 발생시키는 단계와; (b) 상기 발생된 고농도 오존과 배기가스 및 암모니아를 혼합시켜, 소정온도에서 배기가스의 질소산화물 중 일산화질소를 이산화질소로 산화시키는 단계; 및 (c) 상기 산화된 이산화질소를 소정온도에서 촉매반응시켜 제거하는 단계를 포함하여 이루어져 있는 배기가스의 질소산화물 처리방법을 제공함으로써, 질소산화물의 제거효율을 크게 높여 유해물질 배출을 저감하 고, 일반적인 촉매공정의 온도보다 훨씬 낮은 온도에서도 고효율의 질소산화물 제거가 가능하여, 종래 기술의 여러 문제점들을 개선할 수 있을 뿐만아니라, 장치가 매우 간단하여 배기가스의 처리장치로 쉽게 적용이 가능한 효과가 있다.
질소산화물, 오존, 암모니아, 혼합반응기, 유전체 방전기, 촉매 반응기

Description

배기가스의 질소산화물 처리장치 및 이의 처리방법{APPARATUS AND METHOD FOR TREATING NITROGEN OXIDES IN EXHAUST GAS}
도 1은 본 발명에 따른 배기가스의 질소산화물 처리장치를 간략하게 나타낸 정면도,
도 2는 본 발명에 따른 유전체 방전기를 간력하게 나타낸 정면도,
도 3은 본 발명에서 실험한 유전체 방전기와 촉매 반응기의 구성을 도식화한 개략도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 의해 산화되어 감소하는 일산화질소와 생성되는 이산화질소의 농도를 첨가된 오존 농도의 따라 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 일시시예에 의한 일산화질소의 산화반응과, 종래 저온 플라즈마 공정의 일산화질소의 산화반응을 에너지밀도로 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 일시시예에 의한 일산화질소와 이산화질소의 농도 변화를 나타내는 그래프,
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 질소산화물 제거효율을 반응온도와 질소산화물에 대한 이산화질소 함량에 따라 나타낸 막대 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
10: 중공 몸체 11: 혼합 반응기
12: 촉매 반응기 13: 온도 가열기
14: 오존 유입구 15: 암모니아 유입구
16: 배기가스 유입구 17: 배기가스 배출구
20: 유전체 방전기 21: 스테인레스 봉
22: 유리관 23: 유리구슬
24: 알루미늄 호일 25: 공기 유입구
31: 교류 고전압 변압기 32: 슬라이닥스 가변 변압기
본 발명은 배기가스에 함유되어 있는 질소산화물(NOx)의 처리장치 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유전체 방전기를 이용하여 외부공기로부터 고농도 오존을 발생시키고, 이를 배기가스와 반응시켜 배기가스의 일부 일산화질소(NO)를 이산화질소(NO2)로 산화시키고, 촉매반응을 통해 질소산화물(NO + NO2)을 제거하는 처리장치 및 처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 화석연료를 연소시키는 화력발전소나 제철소, 산업용 보일러 등에서 배출되는 배기가스는 유해한 질소산화물(NOx)을 포함하고 있기 때문에 이러한 질소산화물을 제거하기 위한 배기가스 처리장치를 설치해야한다.
현재 상용화되어 있는 대표적인 질소산화물 제거방법으로는 선택적 촉매 환 원법(Selective datalytic reduction; SCR)이 있다.
선택적 촉매 환원법은 배기가스와 환원제를 촉매층에 동시에 통과를 시키면서 질소산화물을 질소로 환원시키는 방법이다(Koebel 등, Urea SCR; a Promosing Technique to Reduce NOx Emissions forom Automotive Diesel Engines, Catalysis Today, 59, pp 335-345, 2000).
그러나, 이러한 기존의 기술은 촉매의 활성온도를 유지하기 위하여 통상적으로 250∼400℃범위의 높은 온도에서 운전되고 있어, 배기가스의 온도가 이보다 낮을경우 질소산화물 제거효율이 급격히 저하되는 문제점이 있다.
이러한 종래의 선택적 촉매 환원법의 문제를 개선하기위해서, 저온 플라즈마와 촉매를 결합하여 사용하는 방법이 공지되어 있다(대한민국 특허 등록 제0402021호).
상기 방법은 저온 플라즈마 반응장치에서 배기가스의 일산화질소를 이산화질소로 산화시켜 촉매 반응기에서의 반응성을 증가시키는 방법이다.
그러나, 상기 대한민국 특허 등록 제0402021호는 배기가스의 온도가 증가됨에 따라, 저온 플라즈마 반응장치에서의 일산화질소 산화반응 속도가 급격히 낮아져, 궁극적으로 일산화질소를 이산화질소로 산화시키는 데, 지나치게 많은 전력을 소비하게 된다는 단점이 발생된다.
이에 반응첨가제로 에텔렌과 같은 탄화수소를 사용하여 저온 플라즈마 반응장치에서의 일산화질소 산화반응 속도를 빨리 유도하는 방법이 추가로 알려져 있 다.
하지만, 이 또한 에틸렌에서 유해부산물인 포름알데히드와 일산화 탄소를 발생시키고, 에틸렌 주입설비가 추가로 설치되어야하므로, 에틸렌의 사용에 따른 추가 비용이 상승되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 인식하여, 이를 개선하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 저온플라즈마 반응장치를 대체하면서 배기가스 중의 일산화질소를 촉매반응시 제거효율이 높은 이산화질소로 신속히 산화시키고, 이를 동시에 촉매반응을 일으켜 질소산화물의 제거효율을 높일 수 있는 장치 및 이의 방법을 개발하는 것이다.
이에, 본 발명의 목적은 배기가스의 처리장치에 있어서, 외부공기로부터 고전압을 인가하여 고농도 오존을 발생시키는 유전체 방전기와; 고농도 오존과 일산화질소를 혼합하여 이산화질소로 산화시키는 혼합 반응기와; 상기 산화된 이산화질소를 촉매층에 통과시켜 제거시키는 촉매 반응기;를 포함하여 이루어지는 배기가스의 질소산화물 처리장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 외부공기로부터 고전압을 인가하여 고농도 오존을 발생시키고, 상기 발생된 오존을 배기가스내의 질소산화물 중 일산화질소와 반응시켜, 촉매반응에서 제거효율이 높은 이산화질소로 산화되게 하고, 상기 산화된 이산화질소를 촉매와 반응시켜 질소산화물을 제거하는 배기가스의 질소산화물 처리방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 질소산화물을 함유한 배기가스의 처리장치에 있어서, 오존, 암모니아, 질소산화물을 함유한 배기가스를 유입하기 위한 각각의 유입구가 형성되고, 내부에서 처리된 질소산화물을 배출하기 위한 배출구가 형성된 중공의 몸체와; 상기 몸체 내부에, 상기 유입구로부터 유입된 오존과 질소산화물 및 암모니아가 혼합되고, 질소산화물 중 일산화질소를 이산화질소로 산화시키는 혼합 반응기와, 상기 혼합 반응기에서 배출된 이산화질소를 촉매가 도포된 다공성 구조체에 통과시키면서 촉매반응으로 제거시키는 촉매 반응기와; 상기 몸체의 외측에 상기 혼합반응기와 촉매 반응기를 소정온도로 유지토록 설치되는 온도 가열기; 및 상기 오존 흡입구와 접합되고, 외부공기를 받아들이고 고전압을 인가하여 고농도 오존을 발생시키는 유전체 방전기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 처리장치를 제공한다.
또한, 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 질소산화물을 함유한 배기가스의 처리방법에 있어서, (a) 고전압을 인가하여 외부공기로부터 고농도 오존을 발생시키는 단계와; (b) 상기 발생된 고농도 오존과 배기가스 및 암모니아를 혼합시켜, 소정온도에서 배기가스의 질소산화물 중 일산화질소를 이산화질소로 산화시키는 단계; 및 (c) 상기 산화된 이산화질소를 소정온도에서 촉매반응시켜 제거하는 단계를 포함하여 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 처리방법을 제공한다.
본 발명에서 상기 상기 촉매는 오산화바나듐-삼산화텅스텐/이산화티타늄을 사용하는 것이 바람직하다. 다만, 이산화질소를 환원하여 질소산화물을 제거하는 효율이 높은 촉매라면 어느 것이라도 사용이 무방하다.
또한, 본 발명에서 상기 다공성 구조체는 허니콤을 사용하는 것이 바람직한데, 이때, 1평방인치당 20개의 채널을 가지고 있는 허니콤을 사용하는 것이 더 바람직하다. 이는 원통형의 허니콤 형상은 질소산화물 중 일산화질소가 산화된 이산화질소가 통과되면서 용이하게 촉매반응을 일으킬 수 있는 구조로 되어 있기 때문이다.
그리고, 본 발명에서 상기 상기 유전체 방전기(20)는 교류 고전압이 인가되는 스테인레스 봉(21)과 유리관(22)과; 상기 스테인레스 봉과 유리관 사이에 충전되는 유리구슬(23) 및; 상기 유리관(22) 외측을 둘러싸고 있는 알루미늄 호일(24)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 교류 고전압을 발생하기 위해서 가변 변압기와 교류 변압기를 사용한다.
그리고, 본 발명에서 상기 암모니아는 질소산화물과 오존을 소정의 온도로 유지된 상기 혼합 반응기 내에 유입시킨 후, 상기 질소산화물 중 일산화질소의 농도가 안정적인 상태로 유지된 시점에 유입시키는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 소정온도는 170∼200℃로 하는 것이 바람직하다. 이는 상기 낮은 온도로 유지된 상태에서도 질소산화물 중 일산화질소 감소와 이산화질소의 증가가 정비례하기 때문이다.
그리고, 본 발명의 처리방법에서 상기 (b) 단계는 배기가스의 질소산화물 중 일산화질소와 이산화질소의 농도 비율이 1:1이 될때까지 산화시키는 것이 바람직하다.
이는 오존의 유입량을 일정하게 하고, 소정의 온도로 유지시킨 상기 혼합 반응기 내로 질소산화물과 암모니아를 유입시키면, 질소산화물 중 일산화질소가 산화되면서 일산화질소와 이산화질소의 농도 비율이 변하게 되는데, 이때, 상기 농도 비율별로 본 발명의 처리장치를 통과시키고, 배출되는 질소산화물 양과 최초 유입된 질소산화물 양을 비교하여 제거효율을 측정하면, 일산화질소와 이산화질소의 농도 비율이 1:1인 경우 제거효율이 약 90%이고, 일산화질소에 비해 이산화질소의 농도가 낮을 경우 제거 효율이 약 72%이며, 1:19인 경우 제거효율이 약 59% 이기 때문이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하자면 다음과 같다.
아울러, 종래에 있어서와 동일한 구성 및 작용에 대한 반복되는 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스의 질소산화물 처리장치의 간략하게 나타낸 정면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 유전체 방전기를 간력하게 나타낸 정면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배기가스의 질소산화물 처리장치는 오존, 암모니아, 질소산화물을 함유한 배기가스를 유입하기 위한 각각의 유입구(14, 15, 16)가 형성되고, 내부에서 처리된 질소산화물을 배출하기 위한 배출구(17)가 형성된 중공의 몸체가 이루어져 있는 데, 상기 몸체(10) 내부에는 상기 유입구로부터 유입된 오존과 질소산화물 및 암모니아가 혼합되고, 질소산화물 중 일산화질소 를 이산화질소로 산화시키는 혼합 반응기(11)와 상기 혼합 반응기(11)에서 배출된 이산화질소를 촉매가 도포된 다공성 구조체에 통과시키면서 촉매반응으로 제거시키는 촉매 반응기(12)가 형성되어 있으며, 상기 몸체(10)의 외측에는 상기 혼합반응기와 촉매 반응기를 소정온도로 유지토록 설치되는 온도 가열기(13)가 구비되어 있고, 상기 혼합 반응기(10)에 고농도의 오존을 공급하기 위해서, 상기 오존 유입구(14)와 접합되고, 외부공기를 받아들이고 고전압을 인가하여 고농도 오존을 발생시키는 유전체 방전기(20)를 포함하여 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 교류변압기(31)와 슬라이닥스 가변변압기(32)에서 발생된 교류 고전압은 방전극인 스테인레스 봉(21)에 인가되어, 외부공기 유입구(25)로부터 유입된 공기로부터 고농도 오존을 발생시키고, 상기 발생된 고농도 오존은 상기 혼합 반응기(11)로 배출시킨다.
이때, 상기 유리관(22)은 외측에 알루미늄 호일(25)로 감싸서 접지되도록 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전체 방전기 및 오산화바나듐-삼산화텅스텐/이산화티타늄 촉매를 이용한 배기가스 처리장치 및 이의 처리방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에서 실험한 유전체 방전기와 촉매 반응기의 구성을 도식화한 개략도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 의해 산화되어 감소하는 일산화질소와 생성되는 이산화질소의 농도를 첨가된 오존 농도의 따라 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일시시예에 의한 일산화질소의 산화반응과, 종래 저온 플라즈마 공정 의 일산화질소의 산화반응을 에너지 밀도로 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일시시예에 의한 일산화질소와 이산화질소의 농도 변화를 나타내는 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 질소산화물 제거효율을 반응온도와 질소산화물에 대한 이산화질소 함량에 따라 나타낸 막대 그래프이다.
[실시예] 본 발명에 따른 질소산화물 처리장치의 제작
본 발명에 따른 질소산화물의 제거효율을 검증하고자 파이롯 장치를 제작하였다.
상기 파이롯 장치의 설계는 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 유전체 방전기와 촉매 반응기의 구성을 도식화한 개략도에 맞추어 제작되도록 하였다.
먼저, 본 발명에 따른 파일롯 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 혼합 반응기는 내경과 길이가 각각 2.5 cm와 50 cm인 원통형 유리관으로, 총 부피를 약 250 ㎤가 되게 제작하였다. 그리고, 촉매반응기는 허니컴 (벌집) 원형 형상 구조체로 1 평방인치당 20개의 채널(20 cpsi)을 가지도록 설계하였으며, 상기 구조체의 표면에는 오산화바나듐-삼산화텅스텐/이산화티타늄 (V2O5-WO3/TiO 2)촉매로 도포하였다. 그리고, 상기 촉매의 바나듐 함량과 텅스텐 함량은 각각 1.6 wt.%와 7.3 wt.%이고, 비표면적은 60 ㎡/g이 되게 하였고, 촉매의 겉보기 부피는 42㎤로 하였다. 그리고, 상기 혼합 반응기와 촉매 반응기는 온도 설정이 가능한 오븐내에 설치되게 제조하였으며, 본 발명의 유전체 방전기는 유리관(내경: 16 mm; 외경: 20mm)과 직경이 1/4 인치인 스테인레스 봉을 준비하고, 스테인레스 봉과 유리관 사 이에 직경이 4 mm인 유리구슬이 충전하여 제작하였다. 그리고, 유리관의 외측 표면은 알루미늄 포일로 감싸고 접지가 되게 하였다. 이때, 알루미늄 포일로 감싸져 있는 부분은 190 mm로 하였다.
그리고, 교류 고전압 발생장치는 0-220 V로 가변 가능한 슬라이닥스 (가변 변압기 일종)와 교류 변압기를 사용하였으며, 스테인레스 봉에 인가되는 교류 고전압은 슬라이닥스의 출력 전압을 변화시켜 0-17 kV 범위에서 변화되게 하였다.
이때, 상기 유전체 방전기는 상온의 조건에서 수행하였다.
[실험예]
상기 실시예에서 제작된 배기가스의 질소산화물 처리장치에 모사가스를 처리하여 본 발명에 의한 효과를 검증하고자 하였다.
1. 모의 실험 조건
본 실험에서 사용한 모사 배기가스의 주성분은 공기(산소: 20%; 질소: 80%)이며, 모사 배기가스의 질소산화물 (NOx) 농도는 300 ppm (NO 275 ppm+ NO2 25 ppm)으로 고정시켰다. 여기서, ppm은 부피기준의 백만분율을 의미한다.
그리고, 질소산화물의 환원제로 암모니아(NH3)를 사용하였으며, 이때, 암모니아 농도는 270 ppm으로 하였다.
그리고, 유전체 방전기에 공급되는 공기의 유량은 2 ℓ/분(ℓ/min)으로 하였고, 모사 배기가스의 유량은 3 ℓ/분으로 하여, 혼합 반응기와 촉매 반응기에 유입된 총 유량을 5 ℓ/분이 되게 하였다.
따라서, 촉매의 겉보기 부피는 42 ㎤이므로 유량 5ℓ/분에서 공간 속도는 7,200/h이다. 이때, 질소산화물 제거 시험은 반응온도 170℃와 200℃에서 실시되었다.
2. 질소산화물의 측정방법
배기가스의 일산화질소(NO) 농도는 화학발광법을 사용하는 분석기 (모델 42C, Thermo Environmental Instruments, Inc., 미국)를 이용하여 측정하였으며, 이산화질소 (NO2) 농도는 퓨리에 변환 적외선 분광기 (모델 1600, Perkin Elmer, 미국)를 이용하여 측정하였다.
[실험예 1] 오존 농도에 따른 일산화질소와 이산화질소의 농도변화
유전체 방전기에서 인가되는 고전압의 크기에 따라 오존의 발생량이 달라지게 되므로, 궁극적으로 일산화질소(NO)의 산화정도와 이산화질소의 생성량이 달라지게 되는 데, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에서 산화되어 저감된 NO의 농도와 NO2 발생 농도는 주입된 오존농도에 거의 정비례하는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 본 발명의 처리장치는 일반적으로 알려 진 바와 달리 170∼200℃의 비교적 낮은 온도에서도 일산화질소가 이산화질소로 쉽게 산화된다는 점과 촉매 반응기로 유입되는 배기가스의 전처리 방안으로 오존처리 방법이 효과적으로 이용될 수 있다는 사실을 알 수 있었다.
[실험예 2] 종래 장치와 본 발명에 따른 장치의 에너지 밀도 비교
본 실험에서는 본 발명의 일실시예 장치와 종래 저온 플라즈마 장치에서 일산 화질소를 산화시킬 때 소요되는 에너지밀도를 측정하여, 유지비용에 따른 질소산화물의 제거효율을 비교 분석하고자 하였다. 이때, 에너지밀도란 소비 전력을 배기가스의 유량으로 나눈 값을 나타낸 것이다.
이의 결과, 하기 표 1과 도 5의 그래프와 나타낸 바와 같이, 반응온도 200℃에서, 종래 저온 플라즈마 장치는 일산화질소의 산화속도가 매우 느리며, 많은 전력을 소모하는것으로 나타났으며, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 반응첨가제로 에틸렌 (C2H4)를 사용하게 되면, 소비 전력이 상당히 절감되는 것으로 보이나, 본 발명의 일시시예에 의한 장치는 보다 적은 전력으로도 쉽게 일산화질소의 산화반응을 유도하는 것으로 나타나 소비전력 측면에서 매우 경제적임을 알 수 있었다.
이때, 일산화질소 산화반응에 대한 종래 저온 플라즈마 장치의 에너지밀도 값은 종래 저온 플라즈마 공정의 데이터는 문헌으로부터 인용하였다(Mok 등, Nonthermal Plasma Enhanced Catalytic Removal of Nitrogen Oxides over V2O5/TiO 2 and Cr2O3/TiO2, Industrial and Engineering Chemistry Research, 42 (13), 2960-2967, 2003 참조).
1몰(mol)당 소비에너지(kj/mol) 비고
본 발명 3,940
종래 저온 플라즈마 장치 4,280 750ppm의 에틸렌 사용
종래 저온 플라즈마 장치 68.730 첨가제 사용 안함
[실험예 3] 질소산화물 내 일산화질소와 이산화질소의 농도비율에 따른 질소산화물의 제거효과
본 실험은 본 발명의 배기가스 처리장치에서 일산화질소 (NO)와 이산화질소 (NO2)의 농도비율의 변화가 질소산화물의 제거효율에 미치는 영향을 알아 내고자 수행하였다.
이때, 반응기 내 온도는 200℃로 유지하고, 공간속도는 7,200/h가 되게 운전하였으며, 환원제인 암모니아는 질소산화물의 농도가 안정된 후에 주입하도록 하였다.
그 결과, 도 6에 도시된 바와 같이, 암모니아의 주입 후 시간이 경과함에 따라 배기가스 처리장치 출구의 일산화질소의 농도는 점차 감소하여 일정 농도에 도달하고, 이산화질소의 농도는 0으로 감소되었다. 이때 이산화질소와 일산화질소의 농도는 각각 83 ppm과 0 ppm이었다. 이는 초기 질소산화물 농도 300ppm을 기준으로 보면 질소산화물 제거효율이 약 72%인 것을 알 수 있다.
한편, 유전체 방전기를 이용하여 일부의 일산화질소를 산화시켜 일산화질소/이산화질소의 농도비율을 1/1로 했을 때에는 일산화질소의 농도는 더욱 감소되었고, 이산화질소의 농도는 약간 높아지면서, 질소산화물의 제거효율이 약90%로 나타나, 유전체 방전 장치를 사용하지 않았을 때보다 질소산화물의 제거효율이 15% 가량 향상되었음을 알 수 있었다.
이의 결과는 (4NO+4NH3+O2 →4N2+6H2O)의 반응보다 (NO+NO2 +2NH3 →2N2+3H2O)의 반응 속도가 훨씬 빠르게 일어났기 때문으로 판단된다.
반면에, 일산화질소를 지나치게 많이 산화시켜 일산화질소/이산화질소의 농 도 비율이 1/19가 되었을 때는 오히려 질소산화물의 제거효율이 59%로 크게 낮아졌는데, 이 이유는 (6NO2+8NH3 →7N2+12H2O)반응이 느리게 일어났기 때문으로 추정된다.
따라서, 질소산화물을 제거효율을 높이기 위해서, 본 발명은 유전체 방전기의 운전 조건을 일산화질소/이산화질소 농도 비율이 1:1이 되도록 하는 것이 중요하다는 것을 알아 낼 수 있었다.
[실험예 4] 반응온도와 질소산화물의 이산화질소 함량에 따른 질소산화물의 제거효율
본 실험은 본 발명의 일시시예에 따른 배기가스 처리장치에서 반응온도와 질소산화물의 이산화질소 함량 조건에서, 질소산화물의 제거효율에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.
본 실험은 촉매의 공간속도 7,200/h에서 반응온도를 170∼200℃로 변화시키며 수행하였다.
이 결과, 도 6에 나타낸 바와 같이, 모든 반응 온도에서 일산화질소/이산화질소의 농도 비율이 1/1일 때, 즉 질소산화물 중 NO2 함량이 50%일 때, 가장 높은 질소산화물의 제거효율을 나타냈으며, 이산화질소의 함량이 더 높아지면 오히려 질소산화물의 제거효율이 감소됨을 알 수 있었다.
즉, 유전체 방전기를 사용하여 일산화질소/이산화질소의 농도 비율을 1/1로 했을 때와 유전체 방전기를 사용하지 않았을 때를 비교해 보면, 170℃에서는 유전 체 방전기를 사용하지 않는 경우 질소산화물의 제거효율이 63%이던 것이, 유전체 방전 장치를 사용했을 경우 83%로 20%가 증가되었고, 200℃에서는 유전체 방전기를 사용하지 않는 경우 질소산화물의 제거효율이 72%이던 것이, 유전체 방전 장치를 사용했을 경우 90%로 18%가 증가되었다.
한편, 질소산화물 중 일산화질소가 주성분일 경우에는(이때. 이산화질소는 약 5% 정도), 170℃에서는 질소산화물의 제거효율이 63%, 200℃에서 질소산화물의 제거효율은 72%로 나타나, 반응온도에 따라 질소산화물의 제거효율에 비교적 큰 차이를 있음을 알 수 있었다.
그러나, 일산화질소/이산화질소의 농도 비율이 1/1일 경우에는 170℃와 200℃에서 질소산화물의 제거효율이 각각 83%와 90%로 나타남으로써, 반응 온도에 따른 질소산화물의 제거효율 차이가 현저히 줄어드는 효과를 보여주었다.
따라서, 유전체 방전기와 혼합 반응기에서 일산화질소를 50% 이상 산화시키면 오히려 질소산화물의 제거효율과 소비전력 측면에서 바람직하지 않다는 것을 알 수 있었다.
이상과 같이, 본 발명은 유전체 방전기와 오산화바나듐-삼산화텅스텐/이산화티타늄 촉매를 사용함으로써, 질소산화물 제거효율을 향상시키고, 종래 기술의 문제점들을 개선하는 효과가 있다.
즉, 첫째로 본 발명은 촉매 반응기만을 단독으로 사용하는 종래의 배기가스 처리기보다 낮은 온도에서도 질소산화물의 제거효율을 증가시켜 유해물질의 배출을 저감하며, 둘째, 저온 플라즈마와 촉매를 결합하여 사용하는 종래 장치는 반응첨가제로 에틸렌과 같은 탄화수소를 사용함에 따라 유해 부산물을 발생시키는 문제점과 고가의 에틸렌을 사용함에 따른 비용 상승의 문제점이 있는 반면, 본 발명은 반응첨가제를 사용하지 않아 유해 부산물 문제가 없고 적은 비용으로 운전이 가능한 장점을 가지고 있기 때문이다.
따라서, 본 발명은 질소산화물 처리장치 분야에 경쟁력을 갖추고 있으므로, 파급효과가 클 것으로 예상된다.

Claims (8)

  1. 질소산화물을 함유한 배기가스의 처리장치에 있어서,
    오존, 암모니아, 질소산화물을 함유한 배기가스를 유입하기 위한 각각의 유입구(14, 15, 16)가 형성되고, 내부에서 처리된 질소산화물을 배출하기 위한 배출구(17)가 형성된 중공의 몸체와(10);
    상기 몸체(10) 내부에,
    상기 유입구로부터 유입된 오존과 질소산화물 및 암모니아가 혼합되고, 질소산화물 중 일산화질소를 이산화질소로 산화시키는 혼합 반응기(11)와, 상기 혼합 반응기(11)에서 배출된 이산화질소를 촉매가 도포된 다공성 구조체에 통과시키면서 촉매반응으로 제거시키는 촉매 반응기(12)와;
    상기 몸체(10)의 외측에 상기 혼합반응기와 촉매 반응기를 소정온도로 유지토록 설치되는 온도 가열기(13) 및;
    상기 오존 흡입구(14)와 접합되고, 외부공기를 받아들이고 고전압을 인가하여 고농도 오존을 발생시키는 유전체 방전기(20)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매는 오산화바나듐-삼산화텅스텐/이산화티타늄인 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 처리장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매 반응기(12)의 다공성 구조체는 허니콤 형상의 구조체인 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 처리장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 방전기(20)는
    교류 고전압이 인가되는 스테인레스 봉(21)과 유리관(22)과;
    상기 스테인레스 봉과 유리관 사이에 충전되는 유리구슬(23) 및;
    상기 유리관(23) 외측을 둘러싸고 있는 알루미늄 호일(24)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 처리장치.
  5. 질소산화물을 함유한 배기가스의 처리방법에 있어서,
    (a) 고전압을 인가하여 외부공기로부터 고농도 오존을 발생시키는 단계와;
    (b) 상기 발생된 고농도 오존과 배기가스 및 암모니아를 혼합시켜, 소정온도에서 배기가스의 질소산화물 중 일산화질소를 이산화질소로 산화시키는 단계; 및
    (c) 상기 산화된 이산화질소를 소정온도에서 촉매반응시켜 제거하는 단계를 포함하여 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 처리방법.
  6. 제 6 항에 있어서,
    상기 암모니아는 상기 혼합 반응기 내의 일산화질소의 농도가 안정된 후에 유입시키는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 처리방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 소정온도는 170∼200℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 처리방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 배기가스의 질소산화물 중 일산화질소와 이산화질소의 농도 비율이 1:1이 될때까지 산화시키는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 처리방법.
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