KR100859747B1 - 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 하나 이상의 담지체 제올라이트를 포함하는 Pd/Fe/MOR 또는 Fe/HNZ의 촉매를 사용하여 촉매반응탑에서 300℃∼450℃의 온도 범위에서 저감반응을 수행하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은, Pd/Fe/MOR 또는 Fe/HNZ 촉매를 사용하여 온실가스 배출원으로부터 배출되는 질소 및 질소산화물을 동시에 감소시킬 수 있게 되어 국제적 환경규제 강화에 따른 기술의 탄력적 대응이 가능하고, 대기오염물질 배출로 인한 환경부하 저감의 효과를 가진다.
질소, 질소산화물, 촉매, 촉매반응탑, 저감

Description

질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR REDUCING THE NOx AND N2O OF GASES}
도 1은 본 발명에서 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 장치의 구성도이고,
도 2는 본 발명에서 Pd/Fe/MOR 촉매에 메탄 환원제를 사용한 실시예에 따른 그래프이고,
도 3은 본 발명에서 Pd/Fe/MOR 촉매에 암모니아 환원제를 사용한 실시예에 따른 그래프이고,
도 4는 본 발명에서 Fe/HNZ 촉매에 메탄 환원제를 사용한 실시예에 따른 그래프이고,
도 5는 본 발명에서 Fe/HNZ 촉매에 암모니아 환원제를 사용한 실시예에따른 그래프이고,
도 6은 본 발명의 촉매반응탑 전단에서 Pd/Fe/MOR 촉매에 암모니아 환원제를 사용한 실시예에 따른 그래프이고,
도 7은 본 발명의 촉매반응탑 전단에서 Fe/HNZ 촉매에 암모니아 환원제를 사용한 실시예에 따른 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 열교환기 110 : 환원제 공급장치
120 : 촉매탑반응기
본 발명은 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유동층 발전소, 카프로락탐제조사업장, 질산제조사업장, 슬러지 연소로 등의 온실가스 배출원에서 발생하는 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
대체적으로 질산제조사업장, 카프로락탐제조사업장에서의 배출규제는 현재까지 없는 실정이며 대부분의 사업장에서는 질소산화물(NOx)에 대해서만 규제를 하고 있는 실정이다. 위의 배출원에서 배출되는 질소(N2O)의 농도는 보통 2,000ppm 정도로 사업장별 조금씩 다르게 측정된다. 일반적으로 NOx의 처리방식은 온도 350℃에서 환원제 암모니아를 주입하여 제거하는 선택적촉매환원법을 사용한다.
그렇지만 현재의 선택적촉매환원법으로는 N2O제거가 전혀 제거되지 않으므로 개선의 방법이 필요하다.
또한, 유동층 연소로의 발전방식은 현재가지 가장 많은 상업화를 이루고 있는 신발전 방식으로서 연소로 내에 석탄, 회재 등을 순화 연소시켜 증기를 발생시킨다. 보일러에 투입되는 석탄이 유동층 내부에 충진 되어 있는 가열된 충전물질에 의해 고온의 화염 없이 가열 및 연소되는 방식으로 900℃이하에서 운전됨으로서 질소산화물의 생성이 타 연소로에 비해 낮다. 현재 국내에서 석탄을 이용하여 발전하는 방식으로 미분탄연소와 유동층연소로 구분이 가능한데 미분탄연소로의 경우 질소산화물의 농도가 '05년 1월 1일부터 규제가 80ppm으로 강화되어 이전에 국내 탄을 사용하여 발생되는 질소산화물의 농도는 보통 270ppm으로(기준 300ppm) '05년 배출기준을 만족하기 위해 비선택적촉매환원법을 사용하여 간신히 만족하였다. 유동층 연소로의 경우 저온에서 연소되므로 질소산화물의 농도가 평균 44∼48 ppm(기준 80 ppm)으로 발생되므로 현재까지는 법적규제치에 만족한다. 그러나 향후 대기환경보전법이 강화되면 이러한 대기오염물질에 대해 확실한 방안이 제시되어야 할 것으로 판단된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 결점을 해소시키기 위하여 안출된 것으로서, Pd/Fe/MOR 또는 Fe/HNZ 촉매를 사용하여 온실가스 배출원으로부터 배출되는 질소 및 질소산화물을 동시에 감소시킬 수 있도록 한 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법에 있어서, 하나 이상의 담지체 제올라이트를 포함하는 Pd/Fe/MOR 또는 Fe/HNZ의 촉매를 사용하여 촉매반응탑에서 300℃∼450℃의 온도 범위에서 저감반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
삭제
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에서 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에서 Pd/Fe/MOR 촉매에 메탄 환원제를 사용한 실시예에 따른 그래프이고, 도 3은 본 발명에서 Pd/Fe/MOR 촉매에 암모니아 환원제를 사용한 실시예에 따른 그래프이고, 도 4는 본 발명에서 Fe/HNZ 촉매에 메탄 환원제를 사용한 실시예에 따른 그래프이고, 도 5는 본 발명에서 Fe/HNZ 촉매에 암모니아 환원제를 사용한 실시예에따른 그래프이고, 도 6은 본 발명의 촉매반응탑 전단에서 Pd/Fe/MOR 촉매에 암모니아 환원제를 사용한 실시예에 따른 그래프이고, 도 7은 본 발명의 촉매반응탑 전단에서 Fe/HNZ 촉매에 암모니아 환원제를 사용한 실시예에 따른 그래프이다.
본 발명에서는 온실가스 배출원 질산제조사업장, 유동층 연소로, 카프로락탐제조사업장 등에서 질소와 질소산화물을 저감시키기 위한 장치으로서 도 1에서와 같이, 사업장에서 고온으로 배출되는 온실가스인 NOx과 N2O의 온도 저하를 방지하도록 열교환장치(100)가 설치되며, 바람직하게 열교환장치(100)의 열원으로는 스팀이나 가스버너 또는 전기히터 등이 사용될 수 있다.
그리고 열교환장치(100)의 후단으로 연결관(10) 상에 환원제를 가하기 위한 환원제 공급장치(110)가 설치된다.
여기서 환원제는 암모니아 또는 메탄이 사용되며, 1:0.2∼1:3의 비율에서 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 환원제 공급장치(110)의 후단으로 이어지는 연결관(10)에 촉매가 타겟물질과 반응하게 되는 촉매반응탑(120)이 설치된다.
촉매반응탑(120)에서는, 하나 이상의 담지체 제올라이트를 포함하는 Pd/Fe/MOR 또는 Fe/HNZ 의 촉매를 사용하며, 300℃∼450℃의 온도 범위에서 운전 공간속도가 2,000∼30,000 h-1에서 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, Pd/Fe/MOR 의 촉매는, 담지체 제올라이트 Si/Al 비가 4∼15이고, Fe의 중량%가 1∼10%이며, Pd의 중량%가 0.5∼5%의 조성을 가지는 것이며, Fe/HNZ 의 촉매는, 담지체 제올라이트 Si/Al 비가 4∼15이고, Fe의 중량%가 1∼10%의 조성을 가 지는 것이다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법을 설명하면 다음과 같다.
다시, 도 1에 나타낸 바와 같이 각 온실가스 배출원 질산제조사업장, 유동층 연소로, 슬러지 소각로, 카프로락탐제조, 비료사업장 등에서 배출되는 배기가스의 성분이 [표 1]과 같거나 이와 유사한 분포의 가스조성을 가지는 공정에서 N2O와 NOx를 동시에 90%이상 제거가 가능하다.
대상공정 아산화질소(N2O) (단위: ppm) 일산화질소(NO) (단위: ppm) 이산화황(SO2) (단위: ppm) 산소(O2) (단위: %) 수분(H2O) (단위: %) 이산화탄소(CO2)(단위: %)
질산제조사업장 300-3000 300-3000 - 2-6 2-4 -
유동층, 슬러지 연소로 10-50 50-500 0-2000 2-10 1-10 2-20
카프로락탐공정 100-2000 100-2100 1-50 1-10 1-15 2-10
<표 1> 대상공정별 배기가스 조성
여기서, 촉매반응탑(120)에 공정 이전에 촉매반응탑(120)에 유입되는 배기가스의 온도가 다소 떨어지는 현상을 예방하고자 열교환장치(100)를 이용한 공정이 포함되며, 덧붙여, 촉매반응탑(120)의 전단에서 환원제 공급장치(110)를 구비하여 암모니아 또는 메탄도 공급이 가능한 공정을 구비한다.
따라서, 도 2와 도 3의 그래프를 보면, 촉매반응탑(120)의 후단에서 N2O 단독 저감 실증실험을 한 결과로 환원제 메탄을 사용할 경우 350℃, 환원제 암모니아를 사용할 경우 450℃에서 N2O가 90% 이상 저감되는 것을 알 수 있으며, 도 4와 도 5의 그래프에서는, 촉매반응탑(120) 후단에서 Fe/HNZ 촉매를 사용하여 N2O 저감실험 결과를 나타낸 그림인데 환원제 메탄을 사용할 경우 440 ℃에서 90% 이상, 환원제 암모니아를 사용할 경우 450 ℃에서 40% 정도 분해되는 것을 보여주는 실험 결과이다.
그리고 도 6은 촉매반응탑(120) 전단부에서 Pd/Fe/MOR 촉매를 사용하여 N2O와 NOx를 동시에 저감하는 실험결과로 450 ℃에서 95%이상 분해되는 것으로 확인되었으며, 도 7의 경우 Fe/HNZ 촉매를 사용하여 N2O와 NOx를 동시에 저감실험을 실시한 결과인데 NOx의 경우 350℃에서 99%이상, N2O의 경우 480℃에서 90%이상 저감되었음을 알 수 있다.
그러므로, 본 발명은 Pd/Fe/MOR 촉매와 Fe/HNZ 촉매를 사용하여 온실가스 배출원을 대상으로 온실가스의 저감이 가능하게 되었다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법 및 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법 및 장치는, Pd/Fe/MOR 또는 Fe/HNZ 촉매를 사용하여 온실가스 배출원으로부터 배출되는 질소 및 질소산화물을 동시에 감소시킬 수 있게 되어 국제적 환경규제 강화에 따른 기술의 탄력적 대응이 가능하고, 대기오염물질 배출로 인한 환경부하 저감의 효과를 가진다.

Claims (10)

  1. 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법에 있어서,
    하나 이상의 담지체 제올라이트를 포함하는 Pd/Fe/MOR 또는 Fe/HNZ의 촉매를 사용하여 촉매반응탑에서 300℃∼450℃의 온도 범위에서 저감반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 Pd/Fe/MOR 의 촉매는,
    담지체 제올라이트 Si/Al 비가 4∼15이고, Fe의 중량%가 1∼10%이며, Pd의 중량%가 0.5∼5%의 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 Fe/HNZ 의 촉매는,
    담지체 제올라이트 Si/Al 비가 4∼15이고, Fe의 중량%가 1∼10%의 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매반응탑에서의 운전조건 공간속도 2,000∼30,000 h-1에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매반응탑에서의 저감반응을 수행 이전에,
    상기 촉매반응탑으로 유입되는 NOx과 N2O 가스의 온도가 저하되는 것을 방지할 수 있는 열교환 공정이 포함되는 것을 특징으로 하는 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매반응탑에서의 저감반응을 수행 이전에,
    환원제를 가하는 공정이 포함되는 것을 특징으로 하는 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 환원제는,
    암모니아 또는 메탄이 사용되며, 온실가스와 상기 환원제는 1:0.2∼1:3의 비율에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 질소 및 질소산화물 가스를 감소시키기 위한 방법.
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