KR101406198B1 - Ｓｆ６ 분해 처리용 촉매 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고농도의 SF6(Sulfur hexafluoride)가 포함된 배기가스, 특히 중전기기 등의 전력기반 시설 및 송배전설비, 전력기기 제조업체 등에서 발생하는 다량의 SF6 가스를 효율적으로 제거하기 위한 고정층 Alumina based catalyst bed를 통과시켜 안정적으로 분해처리하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면 고농도의 SF6 가스를 수증기를 포함한 반응온도 700 ℃ 이하에서 제거할 수 있는 최적화 처리 조건과 내구성이 향상된 촉매의 제조로 고농도의 과불화 화합물을 함유한 배기가스를 장시간 연속적으로 상용 처리할 수 있다.

Description

ＳＦ６ 분해 처리용 촉매 및 이의 제조방법{Catalyst for removing SF6 and preparatio method thereof}
본 발명은 지구온난화의 대표적인 물질인 SF6을 폐기 처리할 수 있는 시스템의 기술 개발과 관련하여 적정한 촉매분해 반응을 위주로 한 처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 SF6을 고온 열분해 보다 낮은 온도에서 효과적으로 분해할 수 있는 촉매개발과 분해공정 최적화에 관한 것이다.
SF6 (Sulfur hexafluoride)는 정상 상태에서 비활성, 무독성, 난연성, 비폭발성 등으로 화학적, 열적 안정성을 지니며 특히 상온뿐만 아닌 상당히 높은 온도에서도 높은 절연내력 등의 전기부성 효과 등을 나타내어 고전압 전력기기의 절연매체로 사용되어 전력기기의 소형화 및 고성능화에 기여해 온 물질이다. 그러나 상대적으로 SF6는 적외선 흡수력이 크고 화학적 안정성 등으로 인해 지구 대기권 영역에서 빠른 시간 내에 제거되지 못하게 되고, 인해 현재 지구 온난화(Global warming) 문제와 관련하여 이산화탄소를 비롯한 6개 감축 대상 물질로 규정되어 있다.
이런 상황에서 지구온난화 원인의 대표적 물질인 이산화탄소보다 지구 온난화 지수(Global Warming Potential)가 23,900배 높은 SF6의 사용 및 폐기 규제에 대응한 사용량, 배출량, 폐기량 등의 전 단계 데이터베이스 구축이 필요하며, 이로부터 주로 중전기 분야에서 다량 사용되어 배출되는 SF6에 대한 회수 및 분리를 통한 효율적 재생 및 이용, 그리고 최종적으로 재생될 수 없는 SF6 포함 불순물에 대해 가수분해 또는 산화반응을 위주로 한 처리방법에 대한 기술 개발이 필요하다.
국내의 송배전 설비용 SF6는 다른 공정에서 발생하는 온실가스 사용량에 비하여 매우 높은 온실가스 배출비중을 차지하고 있으며, 2003년 기준으로 약 17,418 CO2 천톤의 SF6이 배출되고 있으며, 현재 약 25,000 CO2 천톤의 SF6이 배출되고 있는 것으로 추산되고 있다[온실가스 배출량(2003년 기준, 출처: 에너지경제연구원 2005 연차보고서)].
SF6 가스는 주로 냉매 및 세정(cleaning) 가스로 사용되고 있는 다른 PFCs (Perfluroinated compounds) 기체와 달리 우수한 절연 차단 성능으로 인해 주로 절연매체로서 이용되고 있는데, 현재까지 국내에선 수 kV에서 800 kV까지 가스 절연 개폐장치(GIS: Gas Insulated Switchgear), 가스차단기(GCB, Gas Circuit Breaker), 관로 기중선로(GIL, Gas Insulated Line)등에 적용되고 있는 상황이다. 배출되는 SF6 가스 중 대부분인 500톤 정도가 가스제조업체, 가스절연기기 제조업체 및 전력회사 등에서의 사용 중 누설에 의한 것이고, 가스절연기기 제조업체에서의 개발 제조시의 배출이 100 톤 정도 그리고 기기 설치 시의 배출량이 150 톤 정도 되는 것으로 분석되고 있다. 그리고 용기 내에 저장되어 회수, 재생되는 양이 약 50 톤 정도 되는 것으로 알려져 있다.
지구온난화 물질 제어 대책기술과 관련하여 예전부터 진행되어 온 CFCs, HFC, PFCs 등의 회수 및 분리를 위한 막분리, 흡착 기술을 중심으로 한 정제/재이용 기술이 확보될 수 있으며, 최종적으로는 오염되어 더 이상 사용 또는 재생될 수 없는 SF6를 안전하고 경제적인 방법으로 처리할 기술을 개발해 나갈 수 있다. 특히 폐기 처리되어야 하는 SF6 가스는 고농도(50% 이상) 수준이고, 분해 시 다른 PFCs 기체류와는 달리 황(S, Sulfur)을 함유하고 있는 만큼 촉매 분해 처리 시 예상되는 S와 연관된 분해물질, 즉 SO2를 중심으로 한 SO2F2, SOF2, SF4, S2F10 등의 배출이 예상됨에 따라 이에 대한 적절한 반응활성 및 내구성을 지닌 촉매의 개발이 필요하다.
SF6를 감축할 수 있는 방안이 다양하게 연구 검토되고 있다. 이러한 감축 기술로는 환경에 영향을 줄일 수 있는 가스와의 혼합에 의한 SF6 대체 절연매질의 개발, SF6 가스 배출을 최소화할 수 있는 공정의 최적화, 사용 후 처리라는 3가지로 분류할 수 있다.
첫 번째 기술인 혼합가스에 의한 SF6 대체 절연매질에 대한 연구 개발은 활발히 진행 중이지만, 차단기의 경우 차단성능에서 아직 SF6를 대체할 수 있는 소호매질이 제시되어 있지 않아 앞으로도 상당 기간 초고압 기기에는 SF6 가스의 사용이 불가피한 실정이다. SF6 대체매질의 경우 크게 절연매질과 소호매질로의 양방향으로 구분하여 제조업체 및 대학을 중심으로 연구 및 개발이 진행되고 있음을 알 수 있다. 특히 질소와의 혼합가스에 대한 연구가 가장 앞서 현재 실용화 단계에 이르러 있음을 알 수 있다. 이 외에도 현재 PFCs와의 혼합가스에 대한 연구가 활발히 진행되어 실용화를 위한 가능성이 검토되고 있다. 다만 PFC 가스의 경우 아직 고가라는 점 등 사용측면에서 다소의 제약이 있다.
두 번째, 공정 최적화는 제조공정 중 가스 사용량을 최소화하며, SF6 사용효율(공정 내 분해율) 향상을 통한 배출량을 저감하는 방법으로, 감축량이 적어 한계성은 있지만 제조비용 절감이라는 직접적인 이득도 동반한다.
마지막으로, 사용 후 처리법에는 분리, 회수, 분해 등이 있으며, 최근에는 상대적으로 저농도인 SF6을 처리하기 위해 연소, 열분해, 플라즈마 분해 및 촉매분해 등에 초점이 맞추어지고 있다. 반도체 제조공정에서의 처리시설은 사용 후 5-80%가 분해되지 않고 배출되는 PFCs를 90% 이상 분해하는 감축기술로, 경제성은 없지만 PFCs를 대량으로 감축할 수 있다는 장점을 보인다.
국내의 열분해 기술로는 2010년 환경산업기술원에서 ‘대용량 육불화황 및 불화가스 고효율 직화 분해기술’을 녹색기술로 인증했다고 밝혔다. 이 기술은 1250-1350 ℃의 고온 반응기 내에서 육불화황을 열분해한 후 급속 냉각하여 제거하는 기술로, 다이옥신과 같은 2차 오염물질 생성 우려가 없으며, 대용량(30 m3/min이상)의 육불화황 처리가 가능할 뿐만 아니라, 온도 조건에 따라 95% 이상의 육불화황 제거가 가능한 것이 특징이라 한다. 그러나 고온 열분해는 에너지 측면에서 1000 ℃ 이상의 온도를 유지시켜야 하기 때문에 경제적 측면에서 불리한 부분이 있으며, 이를 경제적으로 해결하기 위해서는 촉매를 통해 반응온도를 낮추는 노력이 필요하였다.
이와 같은 SF6를 제거하기 위한 처리 기술 중 촉매를 이용한 분해반응을 통해 저감하는 기술로는 반도체 공정에서 발생하는 PFCs 가스류를 처리하기 위해서 일본의 히다찌, 칸켄, 에바라, 쇼와덴코와 같은 회사에서 이에 대한 기술개발 성과 및 사업화 실적을 가지고 있다. 그러나, 이러한 촉매분해를 이용한 SF6 가스 제거기술은 전 세계적으로 반도체 분야에서의 소규모 장치(약 200 L/min)에만 국한되는 기술이며, 일본을 중심으로 반도체 제조공정에서만 상용화 되어 있는 상태이다.
중전기 분야 및 대용량 분해처리 분야에 대해서는 회수 및 분리/정제에 대한 기술은 많이 연구되고 있으나 상대적으로 중전기기 대상 고농도의 SF6 처리 기술 및 장기운전에 대한 대한 기술적인 전개는 부진한 편이다. 이에 본 발명은 중전기기 절연가스 처리를 위한 안정되고 장기연속 운전 가능한 SF6 가스 제거 기술과 분해 촉매의 제조에 관한 것이다.
SF6 촉매분해 반응에서 적용 가능한 촉매로는 대부분 고체산 촉매가 널리 알려져 있으며, 이 중에서도 γ-Al2O3 촉매가 가장 많이 이용되고 있다. SF6 제거와 유사한 PFCs 가스를 제거하기 위한 촉매로는 알루미나를 기본 촉매로 하여 Ni, Co, P, Fe, Ti, Zn, La, Ce 등 금속 첨가물로 촉매를 제조하여 제거하는 방식의 기술이 많이 발표되었다. 이외에 포스페이트계 촉매, 지르코니아계 촉매, 실리카계 촉매로도 연구되었으며, 알루미나 상에 황산, 인산, 붕산 등 무기산을 담지시킨 촉매도 연구되었다.
또 다른 온난화 가스인 CFCs (Chlorofluorocarbon compounds) 처리를 위한 촉매로는 제올라이트, γ-Al2O3, SiO2-Al2O3, V2O5/Al2O3, TiO2-SiO2, 불소화(fluorinated) TiO2, Pt/ZrO2-TiO2, Cr2O3/ZrO2, BPO4 등이 활성이 있는 것으로 알려져 있다. CFCs 촉매분해를 위한 연구는 1995년 이후 활발히 진행되어 큰 성과를 거두어왔으나, SF6 가스를 촉매분해 반응으로 처리하는 연구는 더 우수한 촉매의 개발과 현 공정들과의 호환성 문제에 있어서도 더 많은 실증을 거쳐야 하는 문제가 남아 있다.
따라서, 본 발명에서는 이러한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위하여 도출된 것으로서, SF6 등을 포함하는 배기가스 제거용 촉매로 내구성을 지니고 장기 연속 사용이 가능한 촉매의 제조 및 최적화된 처리 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 감마-알루미나, 세타-알루미나, 알파-알루미나, 예타-알루미나, 보에마이트 또는 의보에마이트로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 담체에, 상기 담체 100 중량부 대비, 1-80 중량부의 갈륨 및 1-80 중량부의 아연이 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 SF6 제거용 촉매가 개시된다.
일 구현예에 따르면, 상기 갈륨은 갈륨나이트레이트 용액(Ga(NO3)3), 갈륨클로라이드 용액(GaCl3), 갈륨설페이트 용액(Ga2(SO4)3) 또는 이들 2종 이상의 혼합물로부터 유래한 것이다. 또한, 상기 아연은 징크나이트레이트 용액(Zn(NO3)2), 징크클로라이드 용액(ZnCl2), 징크설페이트 용액(ZnSO4), 징크카보네이트([ZnCO3]2[Zn(OH)2]3) 또는 이들 2종 이상의 혼합물로부터 유래한 것일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 촉매는 0.2-1 M 황산 용액으로 후처리된 것이다. 이러한 후처리에 의해 촉매의 내구성이 크게 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 갈륨 전구체 및 아연 전구체의 혼합 용액을 담체에 함침시키고 건조하는 단계, 및 (b) 상기 건조된 촉매를 소성하는 단계를 포함하는 SF6 제거용 촉매의 제조방법이 개시된다.
혹은, (a) 갈륨 전구체 및 아연 전구체의 혼합 용액을 담체에 함침시키고 건조하는 단계, (b-1) 상기 건조된 촉매를 1차 소성하는 단계, (b-2) 상기 건조된 촉매를 산처리하는 단계, 및 (b-3) 상기 산처리된 촉매를 2차 소성하는 단계를 포함하는 SF6 제거용 촉매의 제조방법이 개시된다.
이러한 측면의 일 구현예에 따르면, 상기 갈륨 전구체 및 상기 아연 전구체는 상기 담체 100 중량부 대비, 갈륨 1-80 중량부 및 아연 1-80 중량부가 되도록 사용할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 담체는 감마-알루미나, 세타-알루미나, 알파-알루미나, 예타-알루미나, 보에마이트, 의보에마이트 또는 이들 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 또한, 상기 갈륨 전구체는 갈륨나이트레이트 용액(Ga(NO3)3), 갈륨클로라이드 용액(GaCl3), 갈륨설페이트 용액(Ga2(SO4)3) 또는 이들 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 또한, 상기 아연 전구체는 징크나이트레이트 용액(Zn(NO3)2), 징크클로라이드 용액(ZnCl2), 징크설페이트 용액(ZnSO4), 징크카보네이트([ZnCO3]2[Zn(OH)2]3) 또는 이들 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 SF6 제거용 촉매의 제조방법은 (c) 상기 (b) 단계 또는 (b-3) 단계에서 소성된 촉매를 바인더를 사용하여 성형하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 (A) 배기가스 유입부, (B) 물 주입구, (C) 상기 주입된 물을 기화시키고 상기 기화된 수증기와 상기 유입된 배기가스를 제1 고온에서 혼합하는 기체 혼합부, (D) 상기 혼합된 기체가 통과되는 촉매 반응층 및 상기 촉매 반응층을 제2 고온으로 유지하는 제2 가열수단을 포함하는 촉매 반응부, (E) 상기 촉매 반응층을 통과한 혼합기체의 온도를 낮추는 열교환기, 및 (F) 상기 온도가 낮아진 혼합기체를 세정하는 습식 세정부를 포함하는 SF6 제거장치에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 (a) 배기가스를 유입하는 단계, (b) 물을 주입하는 단계, (c) 상기 주입된 물을 기화시키고 상기 기화된 수증기과 상기 유입된 배기가스를 제1 고온에서 혼합하는 단계, (d) 상기 혼합된 기체를 제2 고온으로 유지된 촉매 반응층을 통과시키는 단계, (e) 상기 촉매 반응층을 통과한 혼합기체의 온도를 낮추는 단계, 및 (f) 상기 온도가 낮아진 혼합기체를 습식 세정하는 단계를 포함하는 SF6 제거방법에 관한 것이다.
이러한 장치 및 방법에 있어서, 일 구현예에 따르면, 상기 촉매는 감마-알루미나, 세타-알루미나, 알파-알루미나, 예타-알루미나, 보에마이트 또는 의보에마이트로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 담체에, 상기 담체 100 중량부 대비, 1-80 중량부의 갈륨 및 1-80 중량부의 아연이 함침되어 있다. 또한, 상기 갈륨은 갈륨나이트레이트 용액(Ga(NO3)3), 갈륨클로라이드 용액(GaCl3), 갈륨설페이트 용액(Ga2(SO4)3) 또는 이들 2종 이상의 혼합물로부터 유래할 수 있다. 또한, 상기 아연은 징크나이트레이트 용액(Zn(NO3)2), 징크클로라이드 용액(ZnCl2), 징크설페이트 용액(ZnSO4), 징크카보네이트([ZnCO3]2[Zn(OH)2]3) 또는 이들 2종 이상의 혼합물로부터 유래할 수 있다. 또한, 상기 촉매는 0.2-1.0 M 황산 용액으로 후처리된 것일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 기화된 수증기와 상기 배기가스가 혼합되는 제1 고온은 250-350 ℃일 수 있다. 상기 온도를 벗어나는 경우, 500-550 ℃에서 전환 효과를 전혀 보이지 않음을 확인하였다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 혼합된 기체 중 상기 기화된 수증기의 함량은 2-18 부피%일 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 촉매 반응층이 유지되는 제2 고온은 350-900 ℃일 수 있다. 이 온도 범위를 벗어나는 경우, 제거 효율이 크게 떨어지거나 또는 촉매 상변화에 의해(도 1) 촉매의 전환 활성이 크게 저하됨을 확인하였다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 습식 세정부는 냉각수 및 알칼리계 첨가물을 포함하는 것이 바람직하다. 이는 상기 촉매 반응층을 통과하여 생성된 부생성물을 더욱 효과적으로 제거할 수 있기 때문이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, SF6 촉매분해 반응에 대한 최적화에 관한 것이다. 일 구현예에 따르면, SF6 가스를 포함한 배출가스가 유입되는 배출가스 유입구(1); 가수분해 반응을 일으키기 위한 물 주입부(2); 상기 물 주입부를 통해 주입된 물을 기화시키고 이를 상기 배출가스 유입구를 통해 유입된 배출가스와 혼합시키기 위한 가스 혼합부(4); 상기 기화된 수증기와 배출가스의 혼합 가스가 유입되는 촉매 반응층(7) 및 상기 촉매 반응층(7)의 온도를 원하는 고온으로 설정하기 위한 가열장치(8)를 포함하는 촉매 반응부; 상기 촉매 반응층을 거치면서 발생되는 부생성물을 제거하기 위한 습식 세정부(10); 및 처리된 배출가스를 내보내는 배출구(11)을 포함하는 SF6 처리 장치가 개시된다.
또한, 본 발명에 따른 SF6 처리 장치에 대해서 다음과 같은 여러 구현예를 함께 개시한다.
즉, 본 발명의 일 구현예에 따르면, (a) 불소화합물 함유 폐기가스를 집결시켜 안정화시키며 저장한 후, 그중 일부를 고농도 농축하여 재생처리하고, 나머지 비재생 폐기가스는 다시 저장하는 전처리 수단(100); (b) 상기 전처리 수단으로부터 상기 비재생 폐기가스를 고온으로 희석하는 열교환 및 혼합 수단(200); (c) 상기 고온으로 희석된 비재생 폐기가스를 고온에서 촉매반응시키는 촉매분해 수단(300); 및 (d) 상기 촉매분해 수단으로부터 배출된 불소화합물 가스 내 부생성물을 제거하기 위한 습식 후처리 수단(400)을 포함하는 것을 특징으로 하는 집결식 불소화합물 가스분리 및 촉매분해 처리장치가 개시된다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, (a) 외부 이동탱크로부터 불소화합물 가스를 수용하여 안정화시키는 저장탱크(101), 상기 저장탱크로부터 유입된 불소화합물 가스 중 일부를 고농도로 농축하여 재생처리하고 재생처리되지 않은 나머지 비재생 불소화합물 가스는 상기 저장탱크로 회수시키는 분리장치(102)를 포함하는 전처리 수단(100);
(b) 외부로부터 외기를 유입하는 외기 유입용 팬(106), 상기 외기 및 상기 저장탱크로부 유입된 불소화합물 가스를 혼합하는 혼합기(201), 상기 외기가 상기 혼합기에 유입되기 전 고온으로 가열하는 열교환기(203)을 포함하여, 상기 상기 저장탱크로부 유입된 불소화합물 가스를 상기 가열된 외기와 혼합하여 고온으로 희석시키는 열교환 및 혼합 수단(200);
(c) 촉매반응기(301), 상기 혼합기에서 고온으로 희석된 불소화합물 가스가 상기 촉매반응기로 유입되기 전에 상기 고온 희석된 불소화합물 가스를 촉매반응 온도까지 가열하는 가열장치(302), 상기 고온 희석된 불소화합물 가스와 함께 상기 촉매반응기로 반응수를 유입시키는 반응수 주입부(303)를 포함하는 촉매분해 수단(300);
(d) 상기 촉매분해 수단으로부터 배출된 불소화합물 가스 내 부생성물을 제거하기 위한 습식 후처리 수단(400)을 포함하는 집결식 불소화합물 가스분리 및 촉매분해 처리장치가 개시된다.
여기서, 상기 열교환기 내에서는 상기 외기 유입용 팬으로부터 유입된 외기 및 상기 촉매반응기로부터 배출되는 고온의 배기가스 사이에 열 교환이 이루어지게 된다.
또한, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전처리 수단은 상기 저장탱크와 상기 분리장치 사이에 배관에 진공을 걸어주는 진공펌프(104)를 추가로 포함하게 되는데, 상기 진공펌프는 운행 초기에 배관 내 외기 및 미량의 불순물 제거함으로써 상기 저장탱크에서 고농도의 불소화합물 가스 분리를 용이하도록 하는 역할을 수행한다.
또한 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전처리 수단은 상기 고농도로 농축하여 재생처리된 불소화합물 가스를 보관하는 실린더(105)를 추가로 포함한다.
또한 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전처리 수단은 외기 유입용 팬(106)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 집결식 불소화합물 가스분리 및 촉매분해 처리장치가 개시된다. 상기 저장탱크(101)에서 고농도로 불소화합물 가스를 재생처리한 후, 저장탱크(101) 내 남은 불소화합물 가스 잔량을 처리하기 위하여 외기 유입용 팬(106)을 설치하여 저장탱크(101) 하부에서 외기를 유입시켜 잔량을 촉매반응기(301)로 보내어 촉매분해 처리한다.
또한 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전처리 수단은 상기 분리장치 하부의 벤트 라인 및 상기 벤트 라인가 열리도록 하는 밸브(107)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 집결식 불소화합물 가스분리 및 촉매분해 처리장치가 개시된다. 여기서, 상기 저장탱크(101)에서 고농도로 불소화합물 가스를 재생처리한 후, 저장탱크(101) 내 먼지(dust) 및 수분 등을 제거하기 위하여 외기 유입용 팬(106)을 이용하여 저장탱크(101) 상부로부터 외기를 유입시켜 밸브(107)를 열어 저장탱크(101) 바닥 벤트 라인(vent line)을 통하여 외부로 배출한다.
또한 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 분리장치 흡착반응기(1021), 필터장치(2022), 압력조절기(1023), 압력계측기(1024), 온도조절기(1025), 온도계측기(1026), 복수 개의 분리막 모듈(1027, 1028), 재생 불소화합물 가스 유량계(1029), 미재생 불소화합물 가스 유량계(1030)을 포함하는 집결식 불소화합물 가스분리 및 촉매분해 처리장치가 개시된다.
여기서, 상기 흡착반응기 및 상기 필터장치는 상기 저장장치로부터 유입된 불소화합물 가스 내 산성 물질과 수분 및 먼지를 각각 제거하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 압력조절기 및 상기 온도조절기는 상기 압력계측기로부터 계측된 압력 및 상기 온도계측기로부터 계측된 온도에 기초하여 상기 유입되는 불소화합물 가스의 압력 및 온도를 조절함으로써 상기 분리장치로부터 유입되는 가스 내 불소화합물 농도 및 유량에 따라 상기 복수 개의 분리막 모듈의 분리수율을 조절한다. 또한, 상기 재생 불소화합물 가스 유량계는 상기 고농도로 농축되어 재생처리된 불소화합물 가스가 상기 실린더로 유입되는 양을 조절하고, 상기 비재생 불소화합물 가스 유량계는 상기 비재생 불소화합물 가스가 상기 저장장치로 회수되는 양을 조절한다.
또한 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 열교환 및 혼합 수단은 상기 저장탱크로부 유입되는 불소화합물 가스의 양을 조절하는 유량계(202)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 집결식 불소화합물 가스분리 및 촉매분해 처리장치가 개시된다.
또한 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 혼합기는 상기 열교환기를 거쳐 고온으로 변한 외기와 상기 유량계를 통하여 유입되는 불소화합물 가스가 혼합된 혼합가스의 온도를 고온으로 유지하기 위하여 상기 혼합기 전체가 단열 처리되고, 상기 혼합기 내 혼합 수단으로 타공망을 설치하거나 타공 재료가 충진된 것을 특징으로 하는 집결식 불소화합물 가스분리 및 촉매분해 처리장치가 개시된다.
또한 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 외기 유입용 팬(204)으로부터의 유입된 외기는 상기 열교환기의 일 측면에서 반대 측면으로 통과하고, 상기 촉매반응기로부터 배출되는 고온의 배기가스는 상기 열교환기의 하부에서 상부로 통과하면서 열 교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 집결식 불소화합물 가스분리 및 촉매분해 처리장치가 개시된다.
또한 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 습식 후처리 수단(400)은 산성 반응물질 보관탱크(404), 냉각수 보관탱크(405), 알칼리성 반응물질 보관탱크(406), 및 상기 습식 후처리 수단(400)은 상기 촉매반응기로부터 배출된 배기가스가 통과할 수 있는 반응물 주입장치(403)을 추가로 포함한다.
이를 통하여, 상기 촉매반응기로부터 배출된 배기가스가 통과함에 따라서, 상기 (1) 산성 반응물질 보관탱크, (2) 냉각수 보관탱크, (3) 알칼리성 반응물질 보관탱크로부터 각각 (1) 산성 반응물질, (2) 냉각수, (3) 알칼리성 반응물질이 상기 반응물 주입장치로 순차적으로 주입되어, 각각 순차적으로 (1) 기액 접촉 방식으로 상기 배기가스 내 부생성물이 상기 산성 반응물질과 고온 반응되어 제거되고, (2) 상기 배기가스의 온도가 낮추어지며, (3) 상기 배기가스 내 부생성물이 상기 알칼리성 반응물질과 기액 방식으로 저온 반응하여 제거된다.
또한 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 습식 후처리 수단(400)은 상기 촉매반응기로부터 배출된 배기가스가 상기 반응물 주입장치 이후에 통과할 수 있는 세정장치(401), 상기 세정장치에 반응수를 공급하는 반응수 보관탱크(407), 상기 반응수를 냉각시키는 냉각기(408)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 집결식 불소화합물 가스분리 및 촉매분해 처리장치가 개시된다.
또한 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 집결식 불소화합물 가스분리 및 촉매분해 처리장치는 상기 촉매반응기로부터 상기 열교환기까지 이어지는 제1 배관, 또는 상기 열교환기로부터 상기 반응물 주입장치까지 이어진 제2 배관, 또는 이들 2개의 배관 모두 단열되어 있는 것을 특징으로 하는 집결식 불소화합물 가스분리 및 촉매분해 처리장치가 개시된다. 상기 단열배관(402)은 촉매반응기(301)로부터 열교환기(203)를 통하여 배출된 부생성물로 인하여 반응기 및 배관의 저온 피독현상을 방지하기 위하여 배기가스 온도가 고온으로 유지될 수 있도록 촉매반응기(301)로부터 열교환기(203)와 연결된 배관, 그리고 반응물 주입장치(403) 중단부까지 연결된 배관이 단열되어 있다.
본 발명은 중전기기 등의 전력기반 시설 및 송배전설비, 전력기기 제조업체 등에서 발생하는 다량의 SF6 가스를 상대적으로 저온인 700 ℃ 이하에서 제거할 수 있도록 하며, 촉매의 충전량, 반응시 첨가되는 물의 양, 반응온도 등에 따라 SF6 가스를 포함한 배가스를 최적화하여 처리하고, 이와 같은 최적화로 촉매의 내구성을 높여 장기연속 운전이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 감마-알루미나 촉매의 반응온도별 결정구조를 나타내는 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 SF6 배가스 처리장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예에 따른 SF6 전환율을 나타내는 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 비교예의 SF6 전환율을 나타내는 도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 집결식 불소화합물 분리 및 촉매분해 처리장치의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 분리장치의 구성을 나타낸 개략도이다.
이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나 하기의 실시예는 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
실시예 1: 촉매의 제조
탈이온 교환수 35 mL에 갈륨나이트레이트 용액(Ga(NO3)3) 22 mL를 및 징크설페이트 용액(ZnSO47H2O) 8 mL를 혼합하여 함침 용액을 만든 후 이를 감마-알루미나에 알루미나 100 중량부 대비 갈륨이 40 중량부, 아연이 5 중량부로 포함되도록 함침한 뒤 24 시간 동안 상온에서 건조시켜 촉매를 제조하였다. 그 다음, 상기 제조된 촉매를 120 ℃에서 4 시간 동안 건조시킨 뒤 10 ℃/분의 속도로 승온하여 700 ℃에서 약 2 시간 동안 소성하였다. 위와 같이 제조된 촉매원료를 성형하기 위해서 무기 바인더 계열인 알루미나졸을 사용하여 알루미나 100 중량부 대비 상기 알루미나졸을 5 중량부로 혼합 및 반죽하여 타블렛(tablet) 형태의 촉매를 제조하였다.
실시예 2
배가스를 포함한 가스를 모사하기 위하여 SF6, N2, Air를 질량유속 제어기를 이용하여 정량의 가스를 주입하였다. 배기가스가 유입되는 관에 물을 공급할 수 있는 물 주입구를 설치한 후 미터링 펌프을 이용하여 가스 용량 대비 정량의 물이 유입될 수 있도록 설치하였다. 물 주입구는 촉매 반응기 전단에 설치하며 유입된 물을 기화시켜 배기가스와 잘 혼합될 수 있도록 프리히팅(pre-heating) 구간을 설정하였으며, 설정온도는 250-350 ℃로 유지시켰다. 가스와 기화된 물이 잘 혼합되도록 혼합부(mixing chamber)를 설치하여 촉매 반응기 전단에 위치시켰다. 위에서 제조된 촉매를 분쇄하여 실험에 적합한 크기인 150-250 μm 범위의 표준체로 걸려 균일한 크기의 촉매를 얻은 후 1.2 g의 촉매를 촉매 반응기 내에 충진한 후 상기 촉매 반응기 외부에 가열히터를 설치하여 촉매 반응부를 구성하였다.
반응조건과 가스조성은 표 1과 같이 구성하였고, 촉매 반응층을 통과한 반응가스들은 독성의 부생성물을 포함하고 있기 때문에 열교환기를 통해 온도를 낮추고 습식 세정 장치부로 유입하였다. 습식 세정 부분은 가성소다를 포함한 물로 가스를 처리하여 부생성물로 발생한 다양한 종류의 산성 가스를 효과적으로 제거시켰다. SF6의 촉매분해 과정에서 반응기 출구의 반응가스와 생성가스의 농도를 온라인으로 연결된 열전도도 검출기가 장착된 기체크로마토그래프(Gas chromatography)을 사용하여 측정하였으며, SF6의 제거효율은 수학식 1로 계산하였다.
[수학식 1]
육불화황 제거효율 SF6 Conversion) =
Figure 112011040733878-pat00001
- F SF6in : 반응 전 육불화황의 농도
- F SF6out : 반응 후 육불화황의 농도
Temperature (℃) 300-900
Space velocity (mL/g- cat.·h) 5,000
Gas composition (vol%) SF6 0.5
H2O 12.5
O2 -
N2 Balance
그 결과를 도 3에 나타냈다. 도 3에 도시된 바와 같이, H2O가 포함된 상기 표 1과 같은 공정조건에서 온도가 증가함에 따라 SF6가 효율적으로 제거되며, 450 ℃에서 이미 전환효과를 나타내며, 650 ℃에서 98%의 전환율을 보이고, 700 ℃에서 이미 100%의 전환율을 나타냄을 확인하였다.
비교예 1-2
비교예 1에서는 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 징크설페이트 용액(ZnSO47H2O) 을 첨가시키지 않고 갈륨이 알루미나 중량 대비 40 중량%에 달하는 촉매를 제조하였다. 실시예 2와 동일한 방법으로 실험을 실시하였다. 한편, 비교예 2에서는 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 갈륨나이트레이트 용액(Ga(NO3)3)을 첨가시키지 않고 Zn 을 알루미나 중량 대비 5 중량%에 달하는 촉매를 제조하였다. 실시예 2와 동일한 방법으로 실험을 실시하였다.
그 결과를 도 3에 나타냈다. 도 3에 도시된 바와 같이, 실시예 2의 경우와 달리 비교예 1과 비교예 2의 경우는 450 ℃에서 전환효과가 보이지 않고, 700 ℃에서도 100%의 전환율에 도달하지 않음을 확인하였다.
실시예 3
실시예 1에서 제조된 촉매에 황산처리를 하여 부생성물로 발생하는 산성가스에 의한 촉매의 피독 현상을 저감하기 위해 전처리로 황산에 담지하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 소성된 촉매에 2차 황산 함침을 실시하였다. 고체산 촉매의 산세기를 높이기 위해 상기에서 소성된 촉매를 0.2 M 황산 수용액 5.5 mL에 함침시킨 뒤 24 시간 동안 상온에서 건조시켰다. 그 이후, 상기 건조물을 120 ℃에서 4 시간 동안 건조시킨 뒤 분당 10 ℃로 승온시켜 700 ℃에서 2 시간 동안 소성하여 본 발명에 따른 황산 처리된 촉매를 제조하였다.
그 결과를 도 4에 나타내었으며, 이를 통해 볼 수 있듯이 초기 촉매분해 전환성능에서는 큰 차이가 없었으나, 오랜 시간 운전을 통한 장기적인 피독현상 측면에서는 황산전처리 촉매의 내구성이 더 좋으며 이로 인해 더 높은 전환율을 더 오랜 시간 동안 유지함을 확인하였다.
비교예 3
실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하고, 반응 장치부도 동일하나 습식처리 장비를 거치지 않고 배출되는 가스관에 바이패스 라인을 연결하여 촉매층을 통과한 후 SF6의 전환율을 확인하고 부생성물의 농도를 확인하는 실험을 실시하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.
실시예 2 비교예 3
전환율 SF6 98 % 98 %
농도 SO2 0-3 ppm 1,000-1,500 ppm
SO2F2 10-20 ppm 1,900-2,600 ppm
비교예 4
실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 실시예 2의 실험조건에서 물이 유입되는 않는 조건으로 실험을 실시하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다.
1: 배출가스 유입구 2: 미터링 펌프(Metering pump)
3: 물과 배출가스 이동관 4: 가스 혼합부(Mixing Chamber)
5: 가열장치 6: 가스관
7: 촉매 반응층 8: 가열장치
9: 열 교환기 10: 습식 세정부
11: 배출구

Claims (18)

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  9. (A) 배기가스 유입부,
    (B) 물 주입구,
    (C) 상기 주입된 물을 기화시키고 상기 기화된 수증기와 상기 유입된 배기가스를 제1 고온에서 혼합하는 기체 혼합부,
    (D) 상기 혼합된 기체가 통과되는 촉매 반응층 및 상기 촉매 반응층을 제2 고온으로 유지하는 제2 가열수단을 포함하는 촉매 반응부,
    (E) 상기 촉매 반응층을 통과한 혼합기체의 온도를 낮추는 열교환기,
    (F) 상기 온도가 낮아진 혼합기체를 세정하는 습식 세정부를 포함하는 SF6 제거장치로서;
    상기 기화된 수증기와 상기 배기가스가 혼합되는 제1 고온은 250-350 ℃이고,
    상기 혼합된 기체 중 상기 기화된 수증기의 함량은 2-18 부피%이며,
    상기 촉매 반응층이 유지되는 제2 고온은 350-900 ℃이고,
    상기 습식 세정부는 냉각수 및 알칼리계 첨가물을 포함하며,
    상기 촉매는 감마-알루미나, 세타-알루미나, 알파-알루미나, 예타-알루미나, 보에마이트 또는 의보에마이트로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 담체에, 상기 담체 100 중량부 대비, 1-80 중량부의 갈륨 및 1-80 중량부의 아연이 함침되어 있고,
    상기 갈륨은 갈륨나이트레이트 용액(Ga(NO3)3), 갈륨클로라이드 용액(GaCl3), 갈륨설페이트 용액(Ga2(SO4)3) 또는 이들 2종 이상의 혼합물로부터 유래하고; 상기 아연은 징크나이트레이트 용액(Zn(NO3)2), 징크클로라이드 용액(ZnCl2), 징크설페이트 용액(ZnSO4), 징크카보네이트([ZnCO3]2[Zn(OH)2]3) 또는 이들 2종 이상의 혼합물로부터 유래하며, 상기 촉매는 0.2-1.0 M 황산 용액으로 후처리된 것을 특징으로 하는 SF6 제거장치.
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  14. (a) 배기가스를 유입하는 단계,
    (b) 물을 주입하는 단계,
    (c) 상기 주입된 물을 기화시키고 상기 기화된 수증기과 상기 유입된 배기가스를 제1 고온에서 혼합하는 단계,
    (d) 상기 혼합된 기체를 제2 고온으로 유지된 촉매 반응층을 통과시키는 단계,
    (e) 상기 촉매 반응층을 통과한 혼합기체의 온도를 낮추는 단계,
    (f) 상기 온도가 낮아진 혼합기체를 습식 세정하는 단계를 포함하는 SF6 제거방법으로서;
    상기 기화된 수증기와 상기 배기가스가 혼합되는 제1 고온은 250-350 ℃이고,
    상기 혼합된 기체 중 상기 기화된 수증기의 함량은 2-18 부피%이며,
    상기 촉매 반응층이 유지되는 제2 고온은 350-900 ℃이고,
    상기 습식 세정부는 냉각수 및 알칼리계 첨가물을 포함하며,
    상기 촉매는 감마-알루미나, 세타-알루미나, 알파-알루미나, 예타-알루미나, 보에마이트 또는 의보에마이트로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 담체에, 상기 담체 100 중량부 대비, 1-80 중량부의 갈륨 및 1-80 중량부의 아연이 함침되어 있고,
    상기 갈륨은 갈륨나이트레이트 용액(Ga(NO3)3), 갈륨클로라이드 용액(GaCl3), 갈륨설페이트 용액(Ga2(SO4)3) 또는 이들 2종 이상의 혼합물로부터 유래하고; 상기 아연은 징크나이트레이트 용액(Zn(NO3)2), 징크클로라이드 용액(ZnCl2), 징크설페이트 용액(ZnSO4), 징크카보네이트([ZnCO3]2[Zn(OH)2]3) 또는 이들 2종 이상의 혼합물로부터 유래하며, 상기 촉매는 0.2-1.0 M 황산 용액으로 후처리된 것을 특징으로 하는 SF6 제거방법.


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