KR101110665B1 - 촉매재생장치 및 촉매재생방법 - Google Patents

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KR101110665B1 KR1020100078237A KR20100078237A KR101110665B1 KR 101110665 B1 KR101110665 B1 KR 101110665B1 KR 1020100078237 A KR1020100078237 A KR 1020100078237A KR 20100078237 A KR20100078237 A KR 20100078237A KR 101110665 B1 KR101110665 B1 KR 101110665B1
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Abstract

본 발명은 촉매재생장치와 촉매재생방법에 관한 것으로, 유해가스에 포함된 질소산화물 제거과정에서 부산물로 배출되는 Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4)에 의해 촉매 활성도 저하를 방지하기 위해, 촉매를 포함하는 챔버의 내부 압력을 측정하여, 측정된 압력 결과값에 따라 유해가스를 가열하는 가열버너를 제어하여, 촉맥에 부착된 Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4)을 용융 제거함으로써, 촉매를 반영구적으로 사용할 수 있도록 하는 촉매재생장치와 촉매재생방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

촉매재생장치 및 촉매재생방법{An apparatus for regenerating catalysts and method}
본 발명은 촉매재생장치 및 촉매재생방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 촉매에 부착되어 촉매의 성능을 저하시키는 암모늄염의 제거를 효율적이며 간편하게 할 수 있는 촉매재생장치 및 촉매재생방법에 관한 것이다.
다양한 산업분야에서, 예컨대 쓰레기 소각로(refuse incineration)에서, 분진, 비산회(fly ash:불연성 재), 중금속, 다이옥신, 푸란(furan) 및 SO2 , 질소산화물(NOx), CO, CHx 와 같은 고형물과 가스 물질을 함유하는 고온 유해가스(hot flue gas)가 형성된다.
쓰레기의 열처리중에, 유해가스들은 열에너지를 회수하기 위해 냉각 보일러에서 대략 220°-240℃의 온도로 냉각되며, 유해가스들이 대기로 방출되기 전에, 오염물들은 법정 제한(statutory limits)에 따라 제거되어야 한다.
특히, 유해가스에 포함되는 질소산화물은 다음과 같은 여러가지 방법으로 처리된다.
질소산화물 처리기술 가운데 억제법으로는 1) 저NOx 버너의 사용 2) 배기가스 재순환법 등의 방법이 있으며, 처리법으로는 1) 선택적 비촉매 환원법 2) 선택적 촉매 환원법(SCR, Selective Catalytic Reduction) 3) 수세법(약액 세정법) 등의 방법이 있다.
전술한 처리기술 가운데 선택적 촉매 환원법은 높은 설치비, 고가의 촉매 교환비, 연료비 등으로 유지관리비가 많이 든다는 단점도 존재하나, 촉매를 사용함으로써, 유해가스 처리효율을 최대 90%까지 높였으며 유해가스의 온도가 250-350℃ 정도의 낮은 온도에서 처리를 가능하다는 장점이 있다.
이하에서는 선택적 촉매 환원법(SCR, Selective Catalytic Reduction)에 대해서 보다 자세하게 설명한다.
먼저 유해가스가 SCR 시스템의 챔버를 통과하는 과정에서 유해가스에 포함된 질소 산화물은 챔버 내부로 주입된 암모니아수 및 촉매와의 접촉하게 된다.
암모니아수 및 촉매와 접촉한 질소 산화물은 아래의 반응식에 의해 질소가스(N2)와 물(H2O)로 환원반응이 발생하여, 질소산화물이 제거된다.
2NO2+O2+4NH3 --> 3N2+6H2O
4NO+O2+4NH3 --> 4N2+6H2O
전술한 반응식에 의해 유해가스 중의 질소산화물이 제거되는 과정에서 Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4) 등의 부산물이 배출된다.
배출된 Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4)은 극도로 점성이 높아 다공성 재질인 촉매의 공극을 막게된다.
이와 같이 Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4)에 의해 공극이 막힌 촉매는 활성도가 저하되어, 유해가스의 질소산화물 정화기능이 상실 내지는 감소하는 등 촉매효율의 상당한 감소가 있게 된다.
따라서, Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4) 등의 부산물에 의해 공극이 막힌 촉매는 주기적으로 교체되거나, 촉매를 재생하여야 한다.
그러나, 고가(高價)의 촉매를 주기적으로 교체하는 것은 유해가스 정화설비의 유지비를 증가시키는 원인이 되며, 촉매를 유해가스 정화설비로부터 탈착하여 세척 등의 방법에 의해 재생하는 것은 유해가스 정화설비의 작동이 중단될 뿐만 아니라, 정화(정수)되어야 하는 폐수를 발생시킨다는 문제점이 있었다.
본 발명은 종래기술의 단점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 유해가스에 포함된 질소산화물 제거과정에서 부산물로 배출되는 Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4)에 의해 촉매 활성도 저하를 방지하기 위한 것으로, 특히 촉매를 포함하는 챔버의 내부 압력을 측정하여, 측정된 압력 결과값에 따라 제어되는 유해가스 가열버너의 작동에 의해 유해가스를 가열시켜, Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4)을 용융 제거함으로써, 촉매를 반영구적으로 사용할 수 있도록 하는 촉매재생장치와 촉매재생방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명에 의한 촉매재생장치는,
유해가스가 유입되는 덕트라인;
상기 유해가스의 온도를 측정하는 온도측정부;
상기 유해가스를 가열하는 가열버너;
유입된 유해가스의 질소산화물을 제거하는 촉매를 포함하는 챔버;
상기 챔버 내부 압력을 측정하는 압력측정부;
상기 압력측정부의 값에 의해 상기 가열버너의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 특징으로 한다.
이와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명에 의한 촉매재생방법은,
유해가스의 질소산화물을 제거하는 과정에서의 챔버 내부 압력을 측정하는 압력측정단계; 유해가스의 질소산화물을 제거하는 과정에서의 챔버 내부 압력과 챔버의 기설정된 내부 압력을 비교하는 단계; 유해가스의 질소산화물을 제거하는 과정에서의 챔버 내부 압력이 챔버의 기설정된 내부 압력보다 높을 경우, 유해가스를 암모늄염이 분해되는 온도까지 가열하는 단계; 유해가스의 질소산화물을 제거하는 과정에서의 챔버 내부 압력이 일정수준 이하로 낮아질 경우, 유해가스의 가열을 중단하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 촉매재생장치와 촉매재생방법은 다음과 같은 장점이 있다.
(1) 가열을 통해 촉매에 부착되는 부산물인 암모늄염을 용융 제거하므로, 유해가스 정화설비의 챔버에 장착되는 고가의 촉매를 반영구적으로 사용할 수 있다는 장점이 있다.
(2) 종래의 기술과는 달리, 챔버에 장착된 촉매를 떼어내어 세정하는 등의 별도의 세정/재생작업이 필요하지 않으므로, 유해가스 중의 질소산화물의 제거와 동시에 촉매재생이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 촉매재생장치의 실시예를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 의한 촉매재생방법의 실시예를 도시한 순서도.
이하에서는 본 발명에 의한 촉매재생장치의 바람직한 실시례를 첨부된 도면을 참조하여 자세하게 설명한다.
먼저, 본 발명에 의한 촉매재생장치(100)는 유해가스가 유입되는 덕트라인(110)과, 상기 유해가스의 온도를 측정하는 온도측정부(130)와, 상기 유해가스를 가열하는 가열버너(120)와, 유입된 유해가스의 질소산화물을 제거하는 촉매(180)를 포함하는 챔버(200)와, 상기 챔버(200) 내부 압력을 측정하는 압력측정부(140)와, 상기 압력측정부(140)의 값에 의해 상기 가열버너(120)의 작동을 제어하는 제어부(300)를 포함하여 이루어진다.
분진, 비산회(fly ash:불연성 재), 중금속, 다이옥신, 푸란(furan) 및 SO2, SO3, 질소산화물(NOx), CO, CHx 와 같은 고형물과 가스 물질을 함유하는 유해 가스가 상기 덕트라인(110)을 통해서 챔버(200)로 공급된다.
상기 덕트라인(110)을 통해 상기 챔버(200)로 공급된 유해가스 중의 질소산화물(NOx)은 상기 챔버(200)에 포함된 촉매(180)를 사용하여 제거되며, 환경적으로 허용가능한 정화된 가스로 변환된다.
이와 같은 방식으로 계속 정화되는 가스(N2)들은 또 다른 처리를 위해 정화가스라인(175)을 통해 굴뚝(400)으로 공급된다.
먼저, 유해가스가 유입되는 덕트라인(110)은 상기 챔버의 전단(210)과 연결된다.
상기 덕트라인(110)에는 유입되는 유해가스를 가열하는 가열버너(120)가 구비되며, 상기 가열버너(120)의 자세한 역할은 후술한다.
상기 가열버너(120)의 후단에는 상기 덕트라인(110)으로 유입되는 유해가스의 온도를 측정하는 온도측정부(130)가 구비된다.
상기 가열버너(120)와 상기 온도측정부(130)는 후술할 제어부(300)와 연결된다.
이하에서는 촉매(180)가 포함되는 챔버(200)에 대해서 도면을 참조하여 자세하게 설명한다.
챔버(200)에는 유해가스의 질소산화물을 제거하는 촉매(180)가 포함된다.
또한, 상기 챔버(200)에는 상기 챔버(200) 내부 압력을 측정하는 압력측정부(140)가 설치되며, 상기 압력측정부(140)도 후술할 제어부(300)와 연결된다.
한편, 상기 챔버(200) 내부로 유입되는 유해가스 중의 질소산화물을 화학반응에 의해 제거하기 위해서는 별도의 암모니아수가 공급되어야 한다.
이와 같이 암모니아수를 상기 챔버(200) 내부로 공급하기 위한 암모니아수 공급장치는 암모니아수 저장 탱크(20)와 상기 탱크(20)에 저장된 암모니아수를 상기 챔버(200)로 이송시키는 펌프(30)를 포함한다.
또한, 상기 암모니아수 공급장치는 상기 암모니아수 저장 탱크(20)와 상기 챔버(200) 내부에 연결되는 암모니아수 이송라인(35)과 상기 챔버(200) 내부에서 암모니아수를 상기 챔버(200) 내부로 분사/분무하는 노즐(40)을 포함한다.
이하에서는 상기 챔버(200)에서의 질소산화물 제거 과정에 대해서 간략하게 설명한다.
상기 챔버(200) 내부에는 유해가스의 질소산화물을 제거하는 촉매(180)가 구비되며, 상기 챔버(200) 내부로 유입된 질소 산화물은 상기 챔버(200) 내부로 상기 노즐(40)에 의해 분무되는 암모니아수 및 상기 촉매(180)와의 접촉에 의해 질소가스(N2)와 물(H2O)로 환원반응이 발생하여, 질소산화물이 제거된다.
2NO2+02+4NH3 --> 3N2+6H2O
4NO+O2+4NH3 --> 4N2+6H2O
질소가스(N2)들은 또 다른 처리를 위해 정화가스라인(175)을 통해 굴뚝(400)으로 이송된다.
이와 같이 유해가스 중의 질소 산화물을 제거하는 과정에서 부산물로 Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4)이 배출된다.
이러한 Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4)은 점도가 매우 높아, 다공성 재질인 상기 촉매(180)의 공극을 막게된다.
상기 촉매(180)의 공극이 Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4)에 의해 막히게 되면, 상기 챔버(200) 내부로 유입되는 유해가스가 상기 촉매(180)를 통과하는데 장애가 발생하게 된다.
이와 같이 유해가스가 촉매(180)를 통과하는데 장애가 발생하는 것은 결국 상기 챔버(200) 내부의 압력 증가로 나타난다.
전술한 상기 챔버(200)에 구비된 압력측정부(140)는 이와 같은 상기 챔버(200) 내부 압력값을 상기 제어부(300)에 전달하게 된다.
상기 제어부(300)에 전달된 상기 챔버(200) 내부 압력값이 기설정된 챔버(200) 내부 압력보다 높을 경우, 상기 제어부(300)는 상기 가열버너(120)에 작동 신호를 보내게 된다.
상기 제어부(300)의 작동 신호를 받은 상기 가열버너(120)는 상기 덕트라인(110)으로 유입되는 유해가스를 가열한다.
상기 가열버너(120)에 의해 유해가스는 상기 촉매에 부착된 Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4)이 분해되는 온도까지 승온된다.
상기 가열버너(120)에 의해 가열된 유해가스의 온도는 상기 가열버너(120)의 후단에 위치한 온도측정부(130)에 의해 측정된다.
상기 온도측정부(130)에 의해 측정된 유해가스의 온도값은 상기 제어부(300)에 전달된다.
상기 제어부(300)는 상기 촉매(180)에 부착된 Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4)이 분해되어 상기 챔버(200) 내부의 압력이 일정수준 이하로 떨어질 때까지 유해가스의 온도를 일정하게 유지하도록 상기 가열버너(120)를 제어한다.
상기 가열버너(120)에 의해 가열된 유해가스의 온도는 상기 온도측정부(130)에 의해 상기 제어부(300)에 전달된다.
상기 가열버너(120)에 의해 가열된 유해가스에 의해 상기 촉매(180)에 부착된 Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4)이 분해된다.
Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4)이 분해되어, 상기 챔버(200) 내부의 압력이 일정수준 이하로 떨어지면, 상기 제어부(300)는 상기 가열버너(120)의 작동을 중지한다.
이와 같이, 상기 챔버(200) 내부로 유입되는 유해가스의 질소산화물을 제거하는 과정에서 상기 챔버(200) 내부 압력을 측정하는 압력측정부(140)에서의 결과값에 의해 상기 제어부(300)는 상기 가열버너(120)의 작동을 제어함으로써, 유해가스의 질소산화물을 중단없이 제거할 뿐만 아니라, 상기 촉매(180)의 연속적인 재생이 가능하게 된다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 대해서 설명한다.
본 발명에 의한 촉매재생장치(100)에는 유해가스가 상기 챔버(200)를 통과한 후, 유해가스가 다시 상기 덕트라인(110)으로 순환되도록 하는 순환라인(150)과 상기 순환라인(150)상에 설치되는 제1밸브(155)와 제2밸브(160)가 형성된다.
또한, 상기 촉매(180)에 의해 정화된 유해가스를 상기 굴뚝(400)으로 이송하도록 상기 챔버의 후단(220)에 정화가스라인(175)이 형성되며, 상기 정화가스라인(175)상에 제3밸브(170)가 구비되어, 정화된 유해가스를 굴뚝(400)으로의 흐름을 조절한다.
상기 제어부(300)는 유해가스의 질소산화물을 제거하는 과정에서 상기 제1밸브(155)와, 상기 제2밸브(160)와, 상기 제3밸브(170)를 제어한다.
이하에서는 상기 제1밸브(155)와, 상기 제2밸브(160)와, 상기 제3밸브(170)의 제어에 대하여 자세하게 설명한다.
먼저 상기 촉매(180)에 Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4)이 부착되어, 상기 챔버(200) 내부의 압력이 상승하게 되면, 상기 촉매(180)는 재생이 필요하다.
상기 제어부(300)는 상기 덕트라인(110)으로 유입되는 배기가스가 상기 챔버(200)를 통과하여 상기 정화가스라인(175)으로 배출되지 않도록 상기 제3밸브(170)를 차단함과 동시에, 상기 순환라인(150)에 설치된 상기 제1밸브(155)와 상기 제2밸브(160)를 개방한다.
따라서, 상기 덕트라인(110)으로 유입된 유해가스는 상기 챔버(200)를 통과하여 상기 순환라인(150)으로 계속 순환하게 됨으로써, 상기 가열버너(120)의 가열에 의해 유해가스는 효과적으로 승온된다.
또한, 유해가스의 질소산화물이 제거되지 않은 채로 유해가스가 상기 정화가스라인(175)으로 흐르는 것도 방지할 수 있다.
전술한 바와 같이, 유해가스의 온도가 상기 촉매(180)에 부착된 Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4)이 분해되는 온도까지 상승하고, Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4)이 분해되어, 상기 챔버(200) 내부 압력이 일정수준 이하로 낮아질 경우에는 상기 제어부(300)는 상기 정화가스라인(175)에 구비된 상기 제3밸브(170)를 개방한다.
따라서, 상기 정화가스라인(175)으로 흐르게 되는 정화된 가스(N2)는 상기 굴뚝(400)으로 배출되거나, 별도의 처리과정을 거친다.
이때, 상기 순환라인(150)에 구비된 상기 제1밸브(155)와 상기 제2밸브(160)는 차단함으로써, 유해가스가 상기 순환라인(150)으로 유입되는 것을 방지한다.
이하에서는 본 발명에 의한 촉매재생방법의 바람직한 실시례를 첨부된 도면을 참조하여 자세하게 설명한다.
본 발명에 의한 촉매재생방법은 유해가스의 질소산화물을 제거하는 과정에서의 챔버 내부 압력을 측정하는 압력측정단계(S1); 유해가스의 질소산화물을 제거하는 과정에서의 챔버 내부 압력과 챔버의 기설정된 내부 압력을 비교하는 단계(S2); 유해가스의 질소산화물을 제거하는 과정에서의 챔버 내부 압력이 챔버의 기설정된 내부 압력보다 높을 경우, 유해가스를 암모늄염이 분해되는 온도까지 가열하는 단계(S3); 유해가스의 질소산화물을 제거하는 과정에서의 챔버 내부 압력이 일정수준 이하로 낮아질 경우, 유해가스의 가열을 중단하는 단계(S4)로 이루어진다.
먼저, 상기 덕트라인(110)을 통해 유입된 유해가스의 질소산화물은 상기 챔버(200)에 포함된 촉매(180)에 의해 제거된다.
유해가스의 질소산화물을 제거하는 과정에서 상기 챔버(200) 내부 압력은 상기 압력측정부(140)에 의해 측정된다.
상기 제어부(300)는 기설정된 챔버(200) 내부 압력과 상기 압력측정부(140)에 의해 측정된 챔버(200) 내부 압력을 비교한다.
만약, 유해가스의 질소산화물을 제거하는 과정에서의 상기 챔버(200) 내부 압력이 상기 챔버(200)의 기설정된 챔버 내부 압력보다 높을 경우, 상기 제어부(300)는 상기 덕트라인(110)으로 유입되는 유해가스를 상기 가열버너(120)에 의해 가열한다.
상기 가열버너(120)에 의해 유해가스는 Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4) 등의 부산물이 용융분해되는 온도로 승온시킨다.
승온된 유해가스가 상기 챔버(200)에 포함된 상기 촉매(180)를 통과하게 된다.
승온된 유해가스의 열에 의해 상기 촉매(180)에 부착된 Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4) 등의 부산물이 용융분해된다.
부산물이 용융분해되어, 상기 챔버(200) 내부 압력이 일정수준 이하로 낮아질 경우, 상기 제어부(300)는 유해가스를 가열하는 상기 가열버너(120)의 작동을 중단한다.
전술한 단계를 상기 촉매(180)에 Ammoniumbisulfate[(NH4)2SO4] 및 Ammoniumhydrogensulfate(NH4 HSO4) 등의 부산물이 부착되어, 상기 챔버(200) 내부 압력이 상기 챔버(200)의 기설정된 내부 압력보다 높을 경우, 반복하여 실시함으로써, 유해가스의 질소산화물의 연속적인 제거 및 촉매의 연속적인 재생이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시례를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
10 : 유해가스 정화설비 20 : 암모니아수 저장 탱크
30 : 펌프 35 : 암모니아수 이송라인
40 : 노즐
100 : 촉매재생장치 110 : 덕트라인
120 : 가열버너 130 : 온도측정부
140 : 압력측정부 150 : 순환라인
155 : 제1밸브 160 : 제2밸브
170 : 제3밸브 175 : 정화가스라인
180 : 촉매 200 : 챔버
210 : 챔버의 전단 220 : 챔버의 후단
300 : 제어부 400 : 굴뚝

Claims (2)

  1. 유해가스가 유입되는 덕트라인;
    상기 유해가스의 온도를 측정하는 온도측정부;
    상기 유해가스를 가열하는 가열버너;
    유입된 유해가스의 질소산화물을 제거하는 촉매를 포함하는 챔버;
    상기 챔버 내부 압력을 측정하는 압력측정부;
    상기 압력측정부의 값에 의해 상기 가열버너의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 특징으로 하는 촉매재생장치
  2. 유해가스의 질소산화물을 제거하는 과정에서의 챔버 내부 압력을 측정하는 압력측정단계;
    유해가스의 질소산화물을 제거하는 과정에서의 챔버 내부 압력과 챔버의 기설정된 내부 압력을 비교하는 단계;
    유해가스의 질소산화물을 제거하는 과정에서의 챔버 내부 압력이 챔버의 기설정된 내부 압력보다 높을 경우, 유해가스를 암모늄염이 분해되는 온도까지 가열하는 단계;
    유해가스의 질소산화물을 제거하는 과정에서의 챔버 내부 압력이 일정수준 이하로 낮아질 경우, 유해가스의 가열을 중단하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매재생방법
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