KR100868955B1

KR100868955B1 - 가스내의 질소산화물 함량을 줄이기 위한 반경류 기상반응기 및 그 방법

Info

Publication number: KR100868955B1
Application number: KR1020037011186A
Authority: KR
Inventors: 어윈 엠. 제이. 플라트보에트; 스티븐 엠. 홉킨스
Original assignee: 에이비이비이 러머스 글로벌 인코포레이티드
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2008-11-17
Also published as: EP1379321A2; CA2438697A1; JP4576552B2; WO2002068096A2; US6663839B2; NO20033759D0; WO2002068096A3; KR20040010597A; JP2004524960A; CA2438697C; BR0207520A; BR0207520B1; NO20033759L; US20020150526A1

Abstract

가스 스트림속에서 질소산화물을 선택적으로 산화하기 위한 반경류 기상 반응기는 내면을 둘러싸는 셀(shell)을 포함하고, 내면에는 질소산화물을 선택적 전환하기 위한 적어도 일개의 촉매층을 포함하고 있다. 변류기는 축매층을 통과하는 가스의 흐름을 반경방향으로 변경시킨다. 촉매층 상류단의 분사기는 유입가스 스트림속으로 암모니아와 같은 환원제를 도입시킨다. 각 촉매층은 단일층 또는 미세화된 촉매를 포함할 수 있다.

Description

가스내의 질소산화물 함량을 줄이기 위한 반경류 기상 반응기 및 그 방법 {RADIAL FLOW GAS PHASE REACTOR AND METHOD FOR REDUCING THE NITROGEN OXIDE CONTENT OF A GAS}

본 발명은 연료의 연소시 발생되는 가스, 특히 배연 가스 또는 굴뚝 가스 내의 질소산화물 함량을 촉매를 이용하여 줄이기 위한 화학 반응기 및 그 방법에 관한 것이다.

각종 산업용 공정에서 연료의 연소는 종종 바람직하지 못한 질소산화물(NO_x)을, 통상 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO₂)의 형태로 생성한다. 연소 온도가 높을수록 더 많은 질소산화물(NO_x)이 배출되는 경향이 있다. 질소산화물(NO_x) 환경에 유해하므로, 연료의 연소를 포함하는 산업용 공정, 특히 발전소, 열분해로(thermal cracking furnace), 소각로, 내연기관, 야금공장, 비료공장 및 화학공장의 가동으로부터 생성되는 배연가스 내에서 질소산화물의 배출을 감소하기 위한 노력이 진행되어 왔다.

배연가스 내의 질소산화물 함량을 선택적으로 줄이기 위한 여러 가지 방법들이 알려져 있다. 일반적으로, 그러한 방법은 환원제, 선택적으로 촉매의 존재하에 서 질소산화물의 반응을 포함한다. 암모니아 또는 요소와 같은 환원제를 이용한 질소산화물의 선택적 비촉매 환원 (selective non-catalytic reduction, "SNCR")은 상대적으로 고온, 즉 약 1600^oF 내지 약 2100^oF 범위를 요한다.

대안으로서, 암모니아를 이용한 질소산화물의 환원은 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, "SCR")으로 알려진 공정에서 상대적으로 저온, 즉 약 500^oF 내지 약 950^oF 범위에서 촉매 하에서 진행될 수 있다.

종래의 SCR 방법 및 장치를 사용하는 배기 가스 처리에 관련되는 한 가지 문제는 질소산화물를 만족한 수준으로 제거하기 위해 장치의 무게와 크기가 커야하고, 따라서 그 장치는 지상 레벨에 위치해야 한다. 많은 산업용 공장은 보다 강화된 정부의 규정 조건을 만족하기 위해 탈질 (deNO_x) 설비를 갖추어야 한다. 그러나, 탈질시스템의 외형 크기 때문에 배연 가스는 처리를 위해 지상 레벨로 우회되어야 하고, 대기로 배출시키기 위해 굴뚝으로 다시 보내져야 한다.

따라서 본 발명의 일 목적은 그와 같은 시스템의 고비용 구조를 피하기 위해, 굴뚝에 직접 설치될 수 있는 상대적으로 경량의 탈질 설비를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 가스 스트림 내에 질소산화물의 화학적 전환을 위한 반경류 기상 반응기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 가스 스트림 내에 질소산화물의 화학적 전환을 위한 반경류 기상 반응 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 평행흐름내의 바람직한 촉매 배열 방법을 제공하 는 것이다.

상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 가스 스트림 내에 질소산화물의 화학적 전환을 위한 반경류 기상 반응기에 있어서:

a) 내면과 외면, 질소산화물의 초기 농도를 갖는 유입가스 스트림이 유입되는 가스 스트림 입구, 상기 유입가스 스트림보다 상대적으로 질소산화물의 농도가 감소된 처리된 가스를 방출하는 가스 스트림 출구를 갖는 반응기 셸;

b) 환원제를 상기 유입가스 스트림내에 유도하는 적어도 하나의 분사기;

c) 상기 분사기에 또는 분사기 하류에 위치한 상기 반응기 셸내의 적어도 하나의 촉매층, 상기 촉매층은 유입 가스 스트림속의 질소산화물을 선택적 촉매 환원하여 저감된 질소산화물 농도의 처리된 가스를 생성하는 적어도 하나의 질소산화물 전환 촉매를 함유하며, 각 촉매층은 축방향 통로를 정의하는 내벽 및 상기 반응기 셸의 내부 표면에서 이격되어 있는 외벽을 가지며; 및

d) 환원제를 함유하는 유입가스의 흐름을 상기 촉매층의 반경반향으로 조절하기 위한 유입가스 스트림 변류기, 여기서 상기 처리된 가스는 상기 촉매층을 통하여 반경통로로부터 배출되고, 가스 스트림 출구를 통하여 반응기 셸로부터 배출되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 반경류 기상 반응기를 제공한다.

본 발명에서 반경류 기상 반응기는 가스, 특히 로에서 화석 연료의 연소에 의해 생성된 배연가스내의 질소산화물의 선택적 촉매 환원을 위하여 상대적으로 무게가 낮은 장치를 제공한다. 또한 본 반응기는 종래 설계된 굴뚝이 있는 로에 쉽게 결합되며, 기존 장치를 쉽게 개량하여 설치할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 가스 스트림 내에 질소산화물의 화학적 전환을 위한 반경류 기상 반응기 및 그 방법을 첨부한 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 반경류 반응기 및 반응기 내의 바람직한 촉매 배열의 다양한 실시예가 다음 도면을 참조하여 설명된다.

도 1A는 공지의 로장치(furnace system)와 본 발명의 반경류 반응기를 굴뚝 영역에 일체화한 도식도.

도 1B는 도 1A의 측면도;

도 2A는 단일 촉매층을 특징으로 하는 반경류 반응기의 도식도;

도 2B는 단일층 반경류 반응기의 다른 실시예의 도식도;

도 2C는 단일층 반경류 반응기의 또 다른 실시예의 도식도;

도 2D는 다각형 촉매층의 평면도;

도 2E는 촉매층의 축공에 위치하는 포물선형 변류기의 도식도;

도 3은 다수의 도심 촉매층을 특징으로 하는 반경류 반응기의 도식도;

도 4는 미립자 촉매를 사용하는 촉매층의 단면도;

도 5A는 벽돌형 유니트로 구성된 단일체 촉매층의 예시도;

도 5B는 도 5A의 단일체 촉매층을 구성하는 벽돌형 유니트 사시도;

도 5C 및 5D는 단일체 촉매의 다른 실시예의 예시도;

도 6C은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 패킹 구조의 투상 도식도;

도 6A은 물결진 패킹 재료의 변수를 설명하기 위한 그림;

도 7은 미세 촉매 및 단일체 촉매를 조합한 도식도; 그리고

도 8은 패킹 요소 부분의 말단도이다.

여기에 사용되는 용어 "굴뚝" 및 "연관"은 동의어로 사용된다. 모든 물리량은 "약" 또는 "대략"이라는 용어로 변경될 수 있다. 성분의 백분율은 달리 명시되지 않으면 중량비이다.

촉매층을 통한 배연가스의 흐름과 관련되어 사용되는 "반경류(radial flow)"라는 용어는 촉매층 외부에서 내부로의 내향류는 물론 촉매층 내부에서 외부로의 외향류를 의미하며, 촉매층은 내부 및 외부 실린더벽으로 정의되는 실질적인 환상(annular) 형태, 또는 원통형 방식으로 효율적으로 기능하는 형태 (예컨데 단면으로 나타내는 바와 같이 내벽 및 외벽이 육각형, 팔각형 등의 다각형 형태를 지니는)을 구비한다.

여기에서 사용되는 "질소산화물 (nitrogen oxide)"은 NO, NO₂, N₂O₄, N2O 및 그들의 혼합물과 같은 질소의 산화물을 지칭하며, 달리 "NO_x"로 명명된다.

본 발명에서 질소산화물의 선택적 촉매 환원을 위한 반응기 및 방법은 환원제로 바람직하게는 암모니아를 사용한다. 질소산화물은 촉매하에서 암모니아와 반 응하여 다음식 (화학양론적으로 평형은 아님)에서 나타나는 바와 같이 질소와 물을 생성한다.

NO_x + NH₃ → N₂ + H₂O

여기에서 기술된 반경류 기상 반응기 및 탈질방법은 질소산화물 함량을 줄이기 위하여 질소산화물을 포함한 가스의 처리를 요하는 모든 곳에 사용할 수 있다. 고농도의 질소산화물를 생성하는 전형적인 연소 장치는 발전소, 유동상 촉매 분해 (fluid catalytic cracking, FCC) 재생기, 유리 용해로, 열분해기 및 동종기기를 포함한다. 여기에서 탈질방법은 에탄, 프로판, 나프타 및 동종물과 같은 포화 탄화수소로부터 올레핀 (예를 들어, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌 등)을 생산하기 위한 열분해 장치와 관련되어 기술된다. 그러나, 상기 반응기 및 방법은 질소산화물을 규정치 이상 함유한 배연가스를 생성하는 다른 연소장치 및 공정에 사용될 수 있다.

도 1A 및 1B를 참조하면, 반경류 기상 탈질반응기(10)는 연료의 분해를 위해 2200^oF에서 가동되는 복사 연소실을 구비한 로쌍(11, 12)를 채용한 열분해시스템과 관련되어 기술된다. 각 로는 각각의 굴뚝을 통해 배출되는 배연가스를 생성한다. 통상 각 굴뚝에서 배연가스의 유속은 약 100,000-300,000 lbs/hr이다. 배연가스는 통상 다음 성분을 포함한다.

질소 60-80 vol %

산소 1-4 vol %

수증기 10-25 vol %

이산화탄소 2-20 vol %

질소산화물 50-300 ppm

복사 연소실에서 배출되는 배연가스의 온도는 통상 약 1800^oF이다. 각 굴뚝은 선택적으로 연소가스가 통과할 때 열 회수를 위한 열교환 설비를 포함하는 대류부(13)를 포함한다. 배연가스는 통상 약 300^oF-500^oF 온도로 대류부에서 배출되지만, 열 회수 공정은 약 300^oF-500^oF 온도 범위에서 벗어나게 조절될 수 있다. 그후 각 굴뚝의 배연가스는 합해지고, 송풍기(14)에 의해 탈질 시스템(10)으로 이동된다. 송풍기(14)는 배연가스가 탈질 시스템(10)을 통과하도록 배연가스의 압력을 증가시킨다.

본 발명의 반경류 반응기는 배연가스가 촉매층에 유입되기까지 상대적으로 긴 가스 유동 길이를 제공한다. 특히 변류기와 연계되어, 긴 가스 유동 길이는 촉매층을 통한 가스 유동의 보다 균일한 속도 분포를 제공하는데 도움을 준다. 이는 가스 유동이 송풍기 출구에서 격렬한 속도 분포를 나타내는 이유로 중요시된다. 종래의 시스템에서, 촉매층은 송풍기에 기인하는 속도 불균일 분포를 보상하기 위해 약 20% 이상 과잉 설계된다. 과잉 설계로 말미암아 촉매층이 과도하게 크고 무겁게 되는데, 이는 여기 설명되는 반경류 반응기에서 피해야 되는 점이다.

도 2A를 참조하면, 일 실시예로서, 반경류 기상 반응기(20)는 내면(21a) 및 외면(21b)를 갖는 반응기 셸(21)을 포함한다. 상기 반응기 셸(21)은 질소산화물의 초기 농도를 포함하는 유입 가스를 도입하는 배연가스 스트림(stream) 입구(21c), 질소산화물의 감소된 농도를 포함한 처리된 가스를 배출하는 배연가스 스트림 출구(21d) 및 처리된 배연가스의 통과를 위해 제공되는 배연가스 스트림 출구(21d)와 연결되는 통로(21e)를 포함한다.

분사기(injector, 22)는 환원제를 도입하는 곳으로, 알려진 종래의 어떤 형태의 분사기가 될 수 있다. 통상 상기 분사기는 촉매층의 상류측으로 유입 배연가스 스트림 상에 위치하는 격자형상부분(grid-like portion)을 포함한다. 상기 격자형상부분은 분사 노즐이 가지런히 분포된 형태로 배열된 살포기(sparger) 튜브의 집합체를 포함한다. 일반적으로 환원제는 유입배연가스의 흐름과 반대 방향으로 분사된다. 환원제는 암모니아가 바람직하지만, 대안으로 또는 추가적으로 요소(urea), 알킬 아민(alkyl amine) 또는 다른 적절한 환원제가 포함될 수 있다. 분사기(22)는 입구(21c) 내부 또는 입구(21c)의 상류측에 위치할 수 있다.

촉매층(23)은 질소산화물의 선택적 환원을 위해 적어도 하나의 촉매를 포함한다. 선택적 촉매 환원 반응을 위한 바람직한 온도는 약 380^oF 내지 약 550^oF 범위를 가지며, 보다 바람직하게는 약 400^oF 내지 약 450^oF 범위를 가진다. 일반적으로 온도가 낮을수록 설정된 질소산화물 변환 수준을 달성하기 위해 더 많은 양의 촉매가 필요하다. 배연가스 온도가 부적절하게 낮은 경우, 버너(burner) 또는 다른 열원이 배연가스의 온도를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 대안으로, 로(furnace) 시스템의 대류부(13)는 질소산화물의 선택적 촉매 환원에 적절한 온도를 가진 배연가스를 공급하도록 형성될 수 있다.

환원제 존재하에 질소산화물의 선택적 환원을 위한 촉매는 종래에 알려져 있다. 대표적인 촉매로는 바나듐 산화물, 알루미늄 산화물, 티타늄 산화물, 텅스텐 산화물 및 몰리브덴 산화물을 포함하나, 이에 국한되지 않는다. 또한 제올라이트(zeolite)도 사용될 수 있다. 제올라이트는 양성자(proton), 또는 구리, 코발트, 은, 아연 또는 백금 양이온 또는 그들의 조합에 의해 변형된 ZSM-5를 포함한다. 그러나 본 발명의 범위는 특정 SCR 촉매 또는 촉매조성에 국한되지 않는다.

촉매층(23)은 환원제를 함유한 입력 가스 스트림을 받도록 축방향 통로(23c)를 한정하는 내벽(23b)를 지닌다. 도시한 바와 같이 축방향 통로(23c)는 전체 길이로 균일한 직경의 구멍형태로 된다. 그러나 다른 축방향 통로의 형태도 가능하다. 예를 들어 도 2C에 나타내는 바와 같이 반응기(50)은 원추형 통로(53c)를 지니는 원추형 또는 사다리꼴 촉매층을 포함한다. 유입 가스 스트림은 입구(51c)로 들어와 분사기(52)를 통과하고 그 후 통로로 유입된 다음 변류기(54)에 의해 굴절되어 촉매층(53)을 통하여 반경 방향으로 외향되어 통과된다. 촉매층(53)에서 벗어난 처리된 가스는 출구(51d)로 흘러간다. 다시 도 2를 참조하면, 저감된 질소산화물을 포함한 처리된 가스는 촉매층의 외벽(23a)에서 벗어나 통로(21e)로 유입되고, 출구(21d)로 유동된다. 통로(21e)는 적어도 부분적으로 촉매층의 외벽(23a) 및 반응기 셸의 내면(21a) 사이의 환상 공간으로 정의된다.

촉매층(23)은 일반적으로 환상 형태이며, 바람직하게 외벽(23a)과 내벽(23b)의 동심의 실린더 형태이다. 대안으로서 외벽(23a) 또는 내벽(23b)은 도 2D에서 촉매층(23')으로 예시하는 것처럼 팔각형, 육각형 등과 같은 다각형으로 될 수 있다. 다각형 촉매층은 특히 후술되는 MEC 촉매와 함께 사용하는 용도로 적절하다.

박막 금속과 같은 가스 불침투성 재질로 형성된 유입가스 스트림 변류기(24)는 통로(23c)에 들어오는 유입가스 스트림의 흐름을 촉매층(23)의 반경방향으로 외향시키도록 축방향 통로(23c) 내에 위치한다. 바람직한 실시예에서 변류기(24)는 가스 흐름을 균일하게 분포시키도록 꼭지점이 상류로 향하는 형태의 원추형이다. 도 2E에 나타난 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에서 변류기(24')는 촉매층(23)의 축방향 통로(23c)에 위치하고 아치형, 바람직하게 포물선형, 또한 표면(24")과 상류로 향하는 꼭지점(24"')을 지닌다. 포물선형 변류기(24')는 원추형 변류기에 비하여 촉매층(23)을 통한 보다 균일한 반경 방향의 가스 흐름을 제공하는 유체역학적 이점을 지닌다.

도 2B를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서 반응기(40)는 나팔형 측면부(41h)를 지닌 셸(41)을 포함한다. 유입가스 스트림은 입구(41c)에서 하나 또는 다수의 분사기를 지나, 촉매층(43)의 외벽(43a)과 반응기 셸(41)의 내면(41a) 사이의 공간으로 정의되는 통로(41e)로 유입된다. 반응기 셸의 내면(41a)과 촉매층의 외벽(43a)은 영역(41j)에 걸치며, 통로(41e)의 하류단에서 가스 흐름 장벽을 형성하여, 유입 가스 스트림을 반경방향으로 내향하여 환상 촉매층(43)을 통과하도록 굴절한다. 처리된 가스는 내벽(43b)을 벗어나 축방향 통로(43c)에 유입된다. 그후 처리된 가스는 출구(41d)로 유동되어 반응기에서 빠져 나온다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 반경류 반응기의 구조를 나타내는데, 반응기(30)는 내부 공간을 감싸는 반응기 셸(31)을 포함한다. 셸(31)은 내면(31a)과 외 면(31b), 입구(31c), 출구(31d), 그리고 출구(31d)와 연결되어 처리된 가스의 경로가 되는 통로(31e)를 포함한다. 분사기(32)는 입구(31c)의 내부 또는 입구(31c)의 상류측에 위치할 수 있다. 분사기(22)에 관련된 앞의 설명은 본 분사기(32)에 적용된다.

반응기(30)는 적어도 2개, 바람직하게 동심상의 공간으로 이격된 촉매층들을 포함한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 반응기(30)는 동심의 환상 촉매층들(33a, 33b, 33c)를 포함한다. 중심 촉매층(33a)은 원추형 변류기(34a)가 배치된 축공(axial bore, 33d)을 포함한다. 사다리꼴 변류기(34b)는 촉매층(33a, 33b) 사이의 환상 공간내에 위치하고, 사다리꼴 변류기(34c)는 촉매층(33b, 33c) 사이의 환상 공간내에 위치한다. 환상 판재(34d)는 유입가스가 촉매층(33c)과 셸의 내면(31a) 사이의 환상 공간에 유입되어 촉매층을 우회하지 않도록 한다. 환원제 (예컨대 암모니아)를 지닌 유입가스는 축공(33d)과 촉매층 사이(33a와 33b, 33b와 33c)의 환상 공간 하단으로 들어오고, 변류기(34a, 34b, 34c)에 의해 각각의 촉매층을 반경방향으로 외향하여 통과하도록 굴절된다. 처리된 가스는 그후 촉매층을 이탈하여 통로(31e)에 유입된다.

촉매는 미립체, 단일체, 또는 MEC(Microengineered catalyst)의 형태로 될 수 있다.

도 4를 참조하면, 촉매층(40)은 외부 스크린(41)과 내부 스크린(42) 사이의 환상 공간에 분포된 미립자 촉매(43)를 포함한다. 내부 스크린(42)은 유입가스와 환원제를 수용하기 위한 축경로(44)를 한정하는 내벽구조를 제공한다. 내부 스크린(42)와 외부 스크린(41)은 미국 버지니아주 와이더빌(Wytheville)의 USF/Johnson Screens사로부터 상업적으로 취득 가능하다. 적절한 스크린은 예를 들어 용접된 선재 스크린(welded wire screens), 루프형 선재 스크린(looped wire screens) 및 직조선재 스크린(woven wire screens)을 포함한다. SCR 촉매는 미립자의 형태로 되거나, 티타니아(titania), 제올라이트(zeolite), 탄소(carbon), 지르코니아(zirconia), 세라믹(ceramic) 또는 실리카(silica)-알루미나(alumina)와 같은 물질에 담지될 수 있다.

도 5A-5D를 참조하면, 촉매는 다수의 적층형 블록형 유니트(51)를 포함할 수 있는 단일체(50) 형태로 될 수 있다. 단일체 촉매(50)는 다수의 평행 경로를 포함한다. 도 5c에 나타내는 것처럼 단일체(52)는 육각 경로(53)를 갖춘 벌집구조로 되어 있다. 그러나 상기 경로는 정방형, 삼삭형, T형, 그리고 그 유사형 등의 다른 적절한 형태로 만들어 질 수 있다. 도 5D는 원형 경로(55)를 지난 단일체(54)를 나타낸다. 단일체는 소결 또는 종래에 당업자에게 알려진 다른 방법으로 성형될 수 있다. 통상 SCR 촉매는 단일체 지지물 내에 충진되고, 가스 스트림이 처리를 위해 유동되는 채널의 내면을 덮도록 되어있다.

다른 대안으로, 촉매층은 SCR 촉매가 85% 이상의 다공을 지닌 메쉬형 구조체상에 담지되어 있는 MEC(microengineered catalyst)를 포함할 수 있다.

상기 MEC는 대리인 사건번호 415000-530으로 2000. 7. 31 출원된 미국특허출원 번호 ******** 에 기재되며, 그 내용은 전체적으로 여기에 참고로 병합된다.

메쉬형 소재는 선재(wire)나 섬유재(fiber) 메쉬(mesh), 금속펠트(metal felt) 또는 쇠그물, 금속섬유 필터 또는 동종품과 같은 섬유재(fiber) 또는 선재(wire)로 구성된다. 메쉬형 구조는 단일층으로 구성될 수 있고, 하나 이상의 선재층 (예를들어, 편조선재 구조 또는 직조선재 구조)를 포함할 수도 있으며, 바람직하게는 소재의 삼차원 네트워크(망상체)를 형성하도록 다수층의 선재나 섬유재로 구성된다. 바람직한 실시예로서 지지물 구조체는 층내에서 임의의 방향을 향하는 다수의 섬유층으로 구성된다. 금속메쉬를 형성하는데 있어 하나 또는 다수의 금속이 사용될 수 있다. 대안으로 메쉬섬유는 금속에 추가되는 소재를 포함할 수 있다.

바람직한 실시예에서 메쉬형 구조체는 소재의 삼차원 망상체를 형성하도록 다수의 섬유층으로 구성되는데, 그러한 지지물의 두께는 적어도 5㎛이고 일반적으로 10mm를 초과하지 않는다. 바람직한 실시예에서 망상체의 두께는 적어도 50㎛, 보다 바람직하게는 100㎛이고, 일반적으로 2mm를 초과하지 않는다.

일반적으로 다수의 섬유층을 형성하는 섬유질의 두께 또는 직경은 약 500㎛ 이하, 바람직하게는 150㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 30㎛이하이다. 바람직한 실시예에서 섬유질의 두께 또는 직경은 약 8에서 약 25㎛이다.

3차원 메쉬형 구조체는 미국특허번호 5,304,330호, 5,080,962호, 5,102,745호 또는 5,096,663호 중의 어느 것과 같은 공지의 방법으로 형성될 수 있으며, 그 내용은 전체적으로 참고로 병합된다. 그러나 그러한 메쉬형 구조체는 전기의 특허에서 개시되는 것과 다른 방식으로 형성될 수 있다.

본 발명에서 채용된 메쉬형 구조체는 (메쉬 상에 담지되는 촉매가 없을때) 85% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상의 다공성 또는 공극율(void volume)을 지닌다. 여기에 사용되는 "공극율"이라는 용어는 비어있는 구조체의 부피를 구조체 (다공 및 메쉬 구조)의 전체 부피로 나누고 100을 곱하여 산출된다.

일 실시예에서 촉매는 미립자 담체를 사용하지 않고 메쉬형 소재상에 담지된다. 일 실시예에서 질소산화물을 변환하기 위한 촉매는 메쉬형 소재상에 담지되는 미립자 지지물 상에 담지된다. 여기에 사용되는 "미립자(particulate)"라는 용어는 구형 미립자, 늘린 미립자, 섬유질 등을 포함한다. 일반적으로 촉매가 담지되는 미립자의 평균입도는 200㎛을 초과하지 않고 통상 50㎛ 이하인데, 대부분의 경우 20㎛ 초과하지 않는 평균입도를 지닌다. 보편적으로 그러한 미립자의 평균입도는 적어도 0.002㎛, 더 보편적으로 적어도 0.5㎛이다. 미립자 담체 상에 담지되는 촉매가 메쉬에 코팅될 때 촉매 지지물의 평균입도는 통상 10㎛를 초과하지 않으며, 반면 메쉬에 수용될 때에는 통상 150㎛를 초과하지 않는다.

본 발명의 일 실시예에서 촉매의 담체 역할을 하는 메쉬형 구조체는 패킹(packing) 형태로 되어 있다. 이러한 패킹은 예시된 실시예에서 후술되는 것처럼 반응기에서 촉매상으로 기상류의 난류를 제공하도록 형성될 수 있다. 메쉬형 촉매 담체 구조체는 이하 보다 상세하게 설명하는 것처럼 난류 흐름이 증가되도록 적절한 물결형상을 구비할 수 있다. 대안으로서 메쉬형 구조체는 역시 이후에 나타낸 것처럼 난류를 제공하도록 날개 또는 와류 발생기를 포함할 수 있다. 난류 발생기의 존재로 메쉬를 가로질러 국부적인 입력차를 발생하고 그리하여 유동을 위한 구동력이 발생됨에 따라 반경 (및 길이) 방향으로 혼합이 증대되고, 메쉬에 코팅되거 나 수용된 촉매로의 접근성이 향상된다. 구조화된 패킹은 튜브내에 위치하는 하나 또는 다수 박판(sheet)의 롤과 같은 모듈의 형태로 될 수 있으며, 그와 같이 하여 모듈내의 경로가 튜브의 길이 방향으로 따르도록 한다. 롤은 평평하거나, 물결형상이거나, 파형이거나, 그 조합된 형태의 박판으로 이루어지며, 박판은 혼합을 촉진하도록 핀이나 구멍을 포함할 수 있다. 박판도 또한 평판편(flat sheet)에 의해 상호 이격되는 물결형상편(corrugated strip) 형태로 성형될 수 있다. 평판편은 튜브의 크기와 정확하게 일치하며, 용접, 와이어, 통형 평판시트 또는 그 조합물에 의해 상호 지탱된다.

촉매를 지지하는 메쉬형 구조체는 구조화된 박판과 다른 형태로 채용될 수 있다. 예를 들어, 메쉬형 구조체는 고리, 미립자, 리본 등으로 형성되고 반응기 내에 충전층(packed bed) 형태로 채용될 수 있다.

메쉬형 구조체에 담지되는 촉매는 메쉬형 구조체의 형태인 선재(wire) 또는 파이버(fiber)위에 코팅되어 메쉬형 구조체위에 나타날 수 있고, 메쉬형 구조체의 갈라진 틈에 유지되어 나타날 수 있다.

촉매는 담금법(dipping) 또는 스프레이법(spraying)과 같은 여러 가지 기술에 의해 메쉬형 구조에 위에 코팅되어 진다. 촉매 입자들은 메쉬형 구조체와 액상에 분산된 입자가 포함된 액상 코팅 성분(바람직하게 코팅 배쓰(bath) 형태로)의 접촉으로 메쉬형 구조체 상에 담지된다. 따라서 코팅 성분은 메쉬형 구조체에 들어가고, 메쉬 구조체의 내부 및 외부에 다공의 코팅을 형성되게 된다.

촉매는 질소산화물을 전환할 수 있는 효과적인 양으로 메쉬형 구조에 담지된 다. 보통, 메쉬 및 촉매에 대비하여 촉매는 무게 기준으로 적어도 약 5%의 양을 포함되며, 바람직하게는 최소 10%의 양을 포함하고, 60%를 초과하지 않으며, 더욱 일반적으로 40%를 초과하지 않는다. 일 실시예에 따르면, 메쉬형 구조체의 공극율(porosity 또는 void volume)은 촉매가 담지되기 전에 약 87%이면, 담지된 촉매의 무게비는 약 5%에서 약 40%이고, 공극율이 90%이상이면, 담지된 촉매의 무게비는 약 5%에서 약 80%이다.

구조 패킹의 여러 가지 실시예들이 이하 설명된다. 도 6에 있어서, 패킹(2)는 다공성 메쉬 물질의 복수개의 평행 물결편(이하 "MEC 물질")을 도시적으로 나타낸 것이다. 도 6에서 물결형상(corrugation, 6)은 흐름 f의 수직 방향에서 α각도에 있는 대각선들에 의해 표시된다. 도 6A은 물결(6)의 단면을 표시한다. 인접한 물결 면(8)은 서로 90°로 교번된다.

도 7에서 종래의 단일체 벌집 구조(9B)는 질소산화물의 SCR 전환을 위하여 결합된 촉매층 구조를 갖도록 본 발명의 MEC 메쉬 물질(9A)과 결합된다. 상기 결합된 구조는 전환율을 증가시킨다. 전환율의 증가는 하류측에 단일층 벌집구조를 갖는 구조로의 변경으로 혼합을 향상시킴에 기인한다.

도 8을 참조하면, 상기 MEC 메쉬 물질은 박막 물질 요소들(826)로 구성될 수 있고, 가스 흐름의 와류를 증가시키기 위해 와류 생성기(vortex generators)를 선택적으로 포함할 수 있다. 도 8에서, 선택적인 와류 생성기(846, 848)는 삼각으로 이루어져 있으며, 박막 물질 요소(826)의 면을 기준으로 구부러져 있다. 와류 생성기(846, 848)는 도 8에 잘 나타난 것처럼 박판 물질 면에서 돌출되는 방향으로 교 번된다. 물결은 폭(w)를 갖는다. 와류 생성기는 추가로 와류를 공급하여, 양단에 걸리는 압력차에 의해 MEC 물질의 공극을 통한 유체 흐름을 향상시킨다. 요소(826)의 측벽은 약 90°의 각도(β)로 기울어져 있다. 아래와 꼭대기는 선형방향으로 더 늘어날 수 있다.

아래의 실시예는 본 발명의 축흐름 기상반응기 및 탈질 방법의 동작을 설명한다.

실시예

도 2A에 나타난 반경류 기상 반응기가 다음 배연가스 조건 하에 있는 두 개의 로에서 생성된 배연가스 스트림의 질소산화물의 선택적 촉매 반응을 위해 사용된다.

유속 = 360,000 lbs/hr

온도 = 360℉ (182℃)

질소산화물 함량 = 100ppm

충분한 양의 암모니아가 질소산화물을 충분히 환원시키기 위해 배연가스에 더해진다. 적용된 촉매는 V₂O₅/TiO₂에 코팅된 MEC 촉매이다. 90%에서 10ppm까지 질소산화물 환원을 원할시 MEC 촉매는 약 54m³가 필요하다. 이 부피는 2m의 내부 촉매층 지름, 4m의 외부 촉매층 지름 및 5.75m의 높이를 갖는 반경류 흐름 반응기로 이루어진다. 속도의 이상 분포를 보상하기 위한 추가적인 촉매 부피는 없다.

처리를 위해 배연가스가 반드시 통과하여야 할 효과적인 촉매층 길이는 단지 약 1m이다. 촉매층 통과시 압력 손실은 약 0.17인치 H₂O이고, 유체 방향 변경으로 압력 강하는 0.3인치 H₂O로 증가된다.

본 실시예의 반경류 흐름 반응기와 반대로, 질소산화물의 90%를 환원시키기 위해 같은 촉매를 사용하는 축흐름 반응기(axial flow reactor)는 3x6x3m 촉매층 및 이상 속도 분포(maldistribution)를 보상하기 위해 10% 내지 20% 추가적인 촉매양이 필요하다. 반경류 흐름 반응기를 통한 압력 감소는 약 3인치 H₂O이며, 이는 본 발명의 반경류 흐름 반응기 대비 약 10배 규모이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

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Claims

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내면과 외면, 질소산화물의 초기 농도를 갖는 유입가스 스트림이 유입되는 가스 스트림 입구, 상기 유입가스 스트림보다 상대적으로 질소산화물의 농도가 감소된 처리된 가스를 방출하는 가스 스트림 출구를 갖고 연소구역의 위쪽에 있는 굴뚝에 위치되는 반응기 셸;

환원제를 상기 유입가스 스트림내에 유도하는 적어도 하나의 분사기를 포함하는 가스 스트림 내에 질소산화물의 화학적 전환을 위한 반경류 기상 반응기에 있어서,

a) 상기 분사기에 근접되게 또는 분사기 하류에 위치한 상기 반응기 셸내의 적어도 두 개의 서로 분리되어 있는 동심원 환형 촉매층과,

b) 유입가스의 흐름을 상기 촉매층의 반경반향으로 조절하기 위해 상기 동심원 환형 촉매층 사이에 위치한 적어도 하나의 제 2 입력 가스 스트림 변류기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반경류 기상 반응기.
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