KR100968580B1 - 다중 탈황 구조를 갖는 연료처리장치 및 이를 구비한연료전지 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 탈황 구조를 갖는 연료처리장치 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 연료처리장치는 발전연료가 통과되도록 구성되며 발전연료에 함유된 황 성분이 흡착되는 흡착제를 구비하는 제1 탈황기, 및 제1 탈황기의 후방에서 발전연료가 통과되도록 구성되며 발전연료에 함유된 황 성분과 촉매 발열 반응하는 탈황 촉매제를 구비하는 제2 탈황기를 포함한다. 그리고, 연료전지 시스템용 연료처리장치는 제2 탈황기의 후방에서 발전연료가 통과되도록 구성되며, 발전연료를 수소가 함유된 개질가스로 개질하는 개질기를 더 포함한다.
연료전지, 연료처리장치, 발전연료, 탈황기, 촉매, 바이패스
Description
본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템에서 발전연료를 개질가스로 개질하면서도 발전연료에 함유된 황(sulfur) 성분을 보다 효과적으로 제거하도록 개선된 연료처리장치 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 수소를 함유한 연료와 산소를 함유한 공기를 이용하여, 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전장치이다.
이런 연료전지 시스템은 개략적으로 다음과 같은 구성을 갖는다. 즉, 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학반응이 유발되는 연료전지스택과, 발전연료를 수소가 함유된 개질가스로 개질하고 이를 연료전지스택에 공급하는 연료처리장치, 및 산소를 함유한 공기를 연료전지스택에 공급하는 공기공급장치를 주된 구성요소로 구비한다.
연료처리장치는 발전연료를 수소가 함유된 개질가스로 반응 변환시키는 과정 중에서 연료전지 성능을 저해시키는 여러 성분들을 제거하도록 여러 반응기들을 구비한다. 발전연료로는 LNG 또는 LPG와 같은 탄화수소연료가 일반적으로 사용되는데, 이러한 탄화수소연료에는 황화합물로 이루어진 부취제(Odorant)가 첨가된다. 이로 인해, 기존의 연료처리장치는 여러 반응기들 중에서도 발전연료에 함유된 황 성분 또는 황화합물을 제거하기 위한 탈황기를 필수적으로 구비한다.
연료처리장치는 발전연료에 함유된 황 성분 또는 황화합물을 탈황기에서 설정된 기준치 이하로 낮추지 못하면, 발전연료에 함유된 황 성분 또는 황화합물이 개질기로 유입된다. 그러면, 발전연료에 함유된 황 성분 또는 황화합물은 개질기 내의 개질 촉매에 흡착 또는 피독되어, 개질 촉매 성능을 저하시키는 원인이 된다. 이와 같이 개질기에서의 개질 촉매 성능 저하는 수소를 함유하는 개질가스의 생산능력과 연계되어, 연료전지스택에서의 전력 생산 효율을 저하시키는 문제점을 유발시킨다. 더욱이 발전연료에 함유된 황 성분 또는 황화합물은 주변 환경 여건에 따라 그 농도가 급격하게 변화될 수 있기 때문에, 기존의 연료처리장치는 황 성분 또는 황화합물의 급격한 농도 변화에 의해 탈황기가 제대로 대처하지 못할 수도 있는 문제점이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 발전연료에 함유된 황 성분 또는 황화합물의 급격한 농도 변화에도 발전연료에 함유된 황 성분 또는 황화합물을 설정된 기준 이하로 제거할 수 있도록 개선된 연료처리장치 및 이를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 장기간 사용되더라도 탈황기의 탈황 촉매 성능이 종래에 비해 저하되지 않아서 탈황기의 교체 주기가 상대적으로 더 길어질 수 있는 연료처리장치 및 이를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 연료처리장치는 발전연료가 통과되도록 구성되며 상기 발전연료에 함유된 황 성분이 흡착되는 흡착제를 구비하는 제1 탈황기, 및 상기 제1 탈황기의 후방에서 상기 발전연료가 통과되도록 구성되며 상기 발전연료에 함유된 황 성분과 촉매 발열 반응하는 탈황 촉매제를 구비하는 제2 탈황기를 포함한다. 그리고, 연료전지 시스템용 연료처리장치는 상기 제2 탈황기의 후방에서 상기 발전연료가 통과되도록 구성되며 상기 발전연료를 수소가 함유된 개질가스로 개질하는 개질기를 더 포함한다.
상기 제2 탈황기와 상기 개질기는 케이스 본체의 내부에 설치되고, 상기 제1 탈황기는 상기 케이스 본체의 외부에 위치한다.
상기 제1 탈황기는 외부로부터 상기 발전연료가 유입되는 제1 배관이 연결되 고, 상기 제1 탈황기와 상기 제2 탈황기 사이에는 제2 배관이 연결되고, 상기 제1 배관과 상기 제2 배관 사이에는 상기 발전연료가 상기 제1 탈황기를 바이패스하도록 제3 배관이 연결된다. 이때 상기 제1 배관과 상기 제3 배관이 연결되는 지점에는 상기 발전연료의 유입 경로를 변환하는 방향 전환 밸브가 설치된다.
상기 제2 탈황기와 상기 개질기 사이에는 제4 배관이 연결되고, 상기 제2 배관과 상기 제4 배관 사이에는 상기 발전연료가 상기 제2 탈황기를 바이패스하도록 제5 배관이 연결된다. 이때 상기 제2 배관에는 상기 발전연료를 선택적으로 차단하거나 유통시키는 제1 솔레노이드 밸브가 설치되고, 상기 제5 배관에는 상기 발전연료를 선택적으로 차단하거나 유통시키면서 상기 제1 솔레노이드 밸브와 연계 작동되는 제2 솔레노이드 밸브가 설치된다.
상기 제1 탈황기에서 상기 흡착제로는 활성탄, 합성 비석(合成沸石), 산화철(iron oxide)을 이용한다.
상기 제2 탈황기는 상기 황 성분을 황화수소(H2S)로 변환시킨 후에 상기 탈황 촉매제로 촉매 발열 반응시킨다. 상기 탈황 촉매제로는 산화아연(ZnO)을 이용한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지스택, 발전연료를 수소가 함유된 개질가스로 개질하여 상기 연료전지스택에 공급하는 연료처리장치, 및 상기 연료전지스택에 산소를 공급하는 산소공급장치를 포함한다. 상기 연료처리장치는 상기 발전연료가 통과되도록 구성되며 상기 발전연료에 함유된 황 성분이 흡착되는 흡착제를 구비하는 제1 탈황기, 상기 제1 탈황기의 후방에서 상기 발전연료가 통과되도록 구성되며 상기 발전연료에 함유된 황 성분과 촉매 발열 반응하는 탈황 촉매제를 구비하는 제2 탈황기, 및 상기 제2 탈황기의 후방에서 상기 발전연료가 통과되도록 구성되며 상기 발전연료를 수소가 함유된 개질가스로 개질하는 개질기를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료처리장치는 다중 탈황 구조를 적용함으로써, 발전연료에 함유된 황 성분 또는 황화합물의 급격한 농도 변화에도 종래에 비해 상대적으로 탈황 촉매 성능이 저하되지 않는 장점이 있다. 이로 인해, 본 발명의 실시예는 종래에 비해 개질기의 촉매 성능이 상대적으로 더 길게 유지되어, 연료처리장치의 안정성과 내구성도 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 종래에 비해 상대적으로 탈황 촉매 성능의 저하가 급격하게 이뤄지지 않아서, 종래에 비해 탈황기의 교체 주기가 상대적으로 길어지는 장점이 있다. 이로 인해, 본 발명의 실시예는 그 유지 비용이 적게 소요될 뿐만 아니라, 관리 유지도 보다 편리해지는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 연료전지 시스템의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지스택(10), 발전연료를 수소가 함유된 개질가스로 개질하여 연료전지스택(10)에 공급하는 연료처리장치(100), 연료전지스택(10)에 산소를 공급하는 산소공급장치(30)를 구비한다. 그 외에도 연료전지 시스템은 연료전지스택(10)에서 생산된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환기(40), 연료전지스택(10)을 설정된 온도 이하로 냉각시키는 냉각장치(50), 각종 주변장치(BOP ; balance of plants) 및 제어기를 구비한다.
이와 같은 연료전지 시스템은 발전연료로서 LNG 또는 LPG와 같은 탄화수소연료를 이용한다. 탄화수소연료는 가스 누설시 누설된 가스를 보다 손쉽게 감지할 수 있도록 부취제(Odorant)라는 물질이 첨가된다. 이러한 부취제는 그 주된 구성요소가 황화합물로 이루어진다.
하지만, 황 성분 또는 황화합물은 상기 언급한 바와 같이 개질기의 촉매 성능을 저하시킬 수 있으며, 연료전지스택에서의 전력 생산 효율을 저하시킬 수 있다. 이로 인해 연료처리장치(100)는 발전연료를 수소가 함유된 개질가스로 개질하는 개질기와 더불어, 개질기에 앞서서 발전연료에 함유된 황 성분 또는 황화합물 설정된 기준치 이하로 제거하도록 탈황기를 구비한다. 연료처리장치(100)는 구체적으로 다음과 같은 구성요소를 구비한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료처리장치의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 연료처리장치(100)는 발전연료가 1차적으로 통과하는 제1 탈황기(110)를 구비한다. 제1 탈황기(110)는 발전연료에 함유된 황 성분이 흡착되는 흡착제를 구비하여, 발전연료에 함유된 황 성분 또는 황화합물을 1차적으로 저감시킨다. 제1 탈황기(110)에서의 흡착제로는 활성탄, 합성 비석(合成沸石, 일 예로 molecular sieves), 산화철(iron oxide) 등이 사용될 수 있다. 즉, 제1 탈황기(110)는 흡착제의 표면에 황 성분 또는 황화합물이 흡착되도록 함으로써, 발전연료에 함유된 황 성분 또는 황화합물을 저감시킬 수 있다. 제1 탈황기(110)는 흡착제의 표면에 황 성분 또는 황화합물이 흡착되는 과정에서 발열 정도가 낮기 때문에, 저온형 탈황기로 지칭된다.
제2 탈황기(120)는 제1 탈황기(110)의 후방에서 발전연료가 통과되도록 구성되며, 발전연료에 함유된 황 성분 또는 황화합물과 촉매 발열 반응하는 탈황 촉매제를 구비한다. 이러한 제2 탈황기(120)는 HDS(hydrodesulfurisation) 방법으로서 황 성분 또는 황화합물을 황화수소(H2S)로 변환시키고서, 이러한 황화수소를 탈황 촉매제인 산화아연(ZnO)과 결합시킴으로써 황 성분 또는 황화합물을 제거한다. 이러한 제2 탈황기(120)는 제1 탈황기(110)에 비해 황 성분 또는 황화합물을 제거하는 능력이 높으며, 제1 탈황기(110)에 비해 상대적으로 발열온도가 높아서 고온형 탈황기로 지칭된다.
그리고, 제2 탈황기(120)는 연료처리장치(100)의 케이스 본체(101) 내부에 설치되며, 제1 탈황기(110)는 케이스 본체(101)의 외부에 위치한다. 즉, 제1 탈황 기(110)는 황 성분 또는 황화합물을 제거하는 능력이 제2 탈황기(120)에 비해 상대적으로 낮아서, 주기적으로 흡착제가 교환된다. 이로 인해 제2 탈황기(120)는 연료전지 시스템의 제작단계에서 연료처리장치(100)의 다른 반응기들과 함께 케이스 본체(101)에 설치되고, 제1 탈황기(110)는 케이스 본체(101)와 별도로 발전연료가 유입되는 배관 상에 설치된다.
이와 같은 구성으로 인해 발전연료에 함유된 황 성분 또는 황화합물은 제1 탈황기(110)에서 1차적으로 저감되고, 제2 탈황기(120)에서 설정된 기준치 이하로 제거될 수 있다. 제1 탈황기(110)는 제작 비용을 고려할 때 주기적으로 흡착제를 교환해 줌으로써, 발전연료에 함유된 황 성분 또는 황화합물을 제거하는 능력이 지속적으로 유지될 수 있다. 그리고, 제2 탈황기(120)는 그 자체만으로 발전연료에 함유된 황 성분 또는 황화합물을 제거하는 경우에 비해 교체 주기가 길어진다. 이로 인해, 제2 탈황기(120)는 케이스 본체(101)의 내부에 설치되며, 제2 탈황기(120)의 교체 작업은 다소 어렵지만 그 교체 주기가 길게 연장될 수 있다.
개질기(130)는 제2 탈황기(120)의 후방에서 발전연료가 통과되도록 설치된다. 그러면, 발전연료는 제1 탈황기(110)와 제2 탈황기(120)를 통과함으로써 황 성분 또는 황화합물이 제거된 반응가스로서 개질기(130)로 유입될 수 있다. 개질기(130)는 이러한 반응가스를 개질 촉매 반응시킴으로써, 수소가 다량 함유된 개질가스로 개질한다.
일산화탄소 저감기(140)는 개질기(130)로부터 공급되는 개질가스에 함유된 일산화탄소(CO)의 농도를 1차적으로 저감시킨다. 그리고, 일산화탄소 제거기(150) 는 일산화탄소 저감기(140)의 후방에서 개질가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 10ppm 이하 까지 제거한다.
그 외에도 연료처리장치(100)는 개질 반응에 필요한 열을 제공하는 버너, 버너 점화에 사용되는 이그나이터(igniter), 온도센서와 같은 부속장치들을 더 구비한다.
이와 같은 구성으로 인해 연료처리장치(100)는 발전연료에 함유된 황 성분 또는 황화합물의 농도가 외부 환경 조건이 변화됨에 따라 급격히 증가하더라도, 제1 탈황기(110)에서 황 성분 또는 황화합물을 1차적으로 저감시킨 후에 제2 탈황기(120)에서 설정된 기준치 이하로 황 성분 또는 황화합물을 제거할 수 있다. 특히, 연료처리장치(100)는 제1 탈황기(110)의 흡착제를 주기적으로 교체함으로써, 제2 탈황기(120)의 교체 주기를 상대적으로 길게 연장할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료처리장치의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제2 실시예의 연료처리장치(200)는 발전연료가 제1 탈황기(210)를 바이패스할 수 있도록 구성되는 특징이 있다. 즉, 제1 탈황기(210)는 외부로부터 발전연료가 유입되는 제1 배관이 연결되고, 제1 탈황기(210)와 제2 탈황기(220) 사이에는 제2 배관이 연결되고, 제1 배관과 제2 배관 사이에는 발전연료가 제1 탈황기(210)를 바이패스하도록 제3 배관(260)이 연결된다. 그리고, 제1 배관과 제3 배관(260)이 연결되는 지점에는 발전연료의 유입 경로를 변환하는 방향 전환 밸브(270)가 설치되고, 제2 배관에는 제1 솔레노이드 밸브(271)가 설치된다.
즉, 연료처리장치(200)는 정상 작동 조건에서 방향 전환 밸브(270)에서 발전연료가 제3 배관(260)으로 유입되게 설정되고, 제1 솔레노이드 밸브(271)가 차단 상태로 유지된다. 그러면, 외부로부터 공급되는 발전연료는 제1 탈황기(210)를 바이패스하고서, 제2 탈황기(220)로 직접 유입될 수 있다. 이때 제2 탈황기(220)는 발전연료에 황 성분 또는 황화합물이 다량 함유된 경우에 촉매 발열 반응이 상대적으로 높아지고, 설정된 온도 이상으로 상승할 수도 있다. 연료처리장치(200)는 온도센서로서 이와 같은 조건에 해당하는 제2 탈황기(220)의 온도를 감지하고, 방향 전환 밸브(270)와 제1 솔레노이드 밸브(271)를 각각 작동함으로써 발전연료의 유입경로를 전환시킨다. 그러면, 발전연료는 제1 탈황기(210)와 제2 탈황기(220)를 순차적으로 통과하면서, 다량의 황 성분 또는 황화합물도 효과적으로 대응 처리한다.
이와 같이 제2 실시예의 연료처리장치(200)는 발전연료에 함유된 황 성분 또는 황화합물의 농도가 외부 환경 조건에 따라 변화되더라도, 제1 탈황기(210)와 제2 탈황기(220)를 이용하여 대응 처리할 수 있다. 특히, 제2 실시예의 연료처리장치(200)는 발전연료가 제1 탈황기(210)를 바이패스하도록 설정함으로써, 연료처리장치(200)의 작동 중에도 제1 탈황기(210)의 흡착제를 교체할 수도 있다.
별도로 설명하지 않은 도 3에서의 도면번호 201은 케이스 본체이고, 도면번호 230은 개질기이고, 도면번호 240은 일산화탄소 저감기이고, 도면번호 250은 일산화탄소 제거기이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료처리장치의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제3 실시예의 연료처리장치(300)는 제2 탈황기(320)를 바이패스할 수 있도록 구성되는 특징이 더 부가될 수 있다. 즉, 제2 탈황기(320)와 개질기(330) 사이에는 제4 배관이 연결되고, 제2 배관과 제4 배관 사이에는 발전연료가 제2 탈황기(320)를 바이패스하도록 별도의 제5 배관(361)이 연결된다. 그리고, 제2 배관에는 제2 탈황기(320)의 전방에서 발전연료를 선택적으로 차단하거나 유통시키는 제1 솔레노이드 밸브(371)가 설치되고, 제5 배관(361)에는 발전연료를 선택적으로 차단하거나 유통시키면서 제1 솔레노이드 밸브(371)와 연계 작동되는 제2 솔레노이드 밸브(372)가 설치된다. 그리고, 제4 배관에는 제2 탈황기(320)의 후방에서 발전연료를 선택저으로 차단하거나 유통시키는 제3 솔레노이드 밸브(373)이 설치된다.
이와 같은 구성으로 인해 제3 실시예의 연료처리장치(300)는 제1 솔레노이드 밸브(371)와 제3 솔레노이드 밸브(373)를 차단 상태로 유지하고, 제2 솔레노이드 밸브(372)를 개방 상태로 유지한다. 그러면, 제1 탈황기(310)을 통과한 발전연료는 제2 탈황기(320)를 통과하지 않고, 개질기(330)로 직접 유입될 수도 있다. 즉, 연료처리장치(300)는 발전연료의 처리 용량이 적은 경우에 제1 탈황기(310)으로만 발전연료를 처리할 수 있으며, 발전연료가 제2 탈황기(220)를 바이패스하도록 설정함으로써 연료처리장치(300)의 작동 중에도 제2 탈황기(320)의 교체 작업을 실시할 수도 있다.
그리고, 제3 실시예의 연료처리장치(300)는 제1 솔레노이드 밸브(371)와 제2 솔레노이드 밸브(372)를 대신하여, 제2 배관과 제5 배관이 연결되는 지점에 하나의 방향 전환 밸브로 수행하여도 무방하다. 도 4에서의 도면번호 301은 케이스 본체이고, 도면번호 340은 일산화탄소 저감기이고, 도면번호 350은 일산화탄소 제거기이다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이 당연하다.
도 1은 연료전지 시스템의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료처리장치의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료처리장치의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료처리장치의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200, 300 : 연료처리장치 101, 201, 301 : 케이스 본체
110, 210, 310 : 제1 탈황기 120, 220, 320 : 제2 탈황기
130, 230, 330 : 개질기 140, 240, 340 : 일산화탄소 저감기
150, 250, 350 : 일산화탄소 제거기
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- 연료전지 시스템에 사용되는 발전연료가 통과되도록 구성되며, 상기 발전연료에 함유된 황 성분이 흡착되는 흡착제를 구비하는 제1 탈황기;상기 제1 탈황기의 후방에서 상기 발전연료가 통과되도록 구성되며, 상기 발전연료에 함유된 황 성분과 촉매 발열 반응하는 탈황 촉매제를 구비하는 제2 탈황기; 및상기 제2 탈황기의 후방에서 상기 발전연료가 통과되도록 구성되며, 상기 발전연료를 수소가 함유된 개질가스로 개질하는 개질기;를 포함하며,상기 제1 탈황기는 외부로부터 상기 발전연료가 유입되는 제1 배관이 연결되고, 상기 제1 탈황기와 상기 제2 탈황기 사이에는 제2 배관이 연결되고, 상기 제1 배관과 상기 제2 배관 사이에는 상기 발전연료가 상기 제1 탈황기를 바이패스하도록 제3 배관이 연결되며, 상기 제1 배관과 상기 제3 배관이 연결되는 지점에는 상기 발전연료의 유입 경로를 변환하는 방향 전환 밸브가 설치되고, 상기 제2 탈황기의 온도를 감지하는 온도센서를 포함하며, 상기 제2 탈황기와 상기 개질기 사이에는 제4 배관이 연결되고, 상기 제2 배관과 상기 제4 배관 사이에는 상기 발전연료가 상기 제2 탈황기를 바이패스하도록 제5 배관이 연결되고, 상기 제2 배관에는 상기 발전연료를 선택적으로 차단하거나 유통시키는 제1 솔레노이드 밸브가 설치되고, 상기 제5 배관에는 상기 발전연료를 선택적으로 차단하거나 유통시키면서 상기 제1 솔레노이드 밸브와 연계 작동되는 제2 솔레노이드 밸브가 설치되어, 상기 제1 탈황기의 흡착제 교체 중에는 발전 연료가 상기 제3 배관을 통해서 상기 제1 탈황기를 바이패스하며, 상기 제2 탈황기의 교체 중에는 발전 연료가 상기 제5 배관을 통해서 상기 제2 탈황기를 바이패스하고, 상기 제2 탈황기는 상기 황 성분을 황화수소(H2S)로 변환시킨 후에 상기 탈황 촉매제로 촉매 발열 반응시키며,상기 흡착제는 활성탄, 합성 비석, 산화철로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어지며, 상기 탈황 촉매제는 산화아연(ZnO)으로 이루어진 연료처리장치.
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