KR101763661B1 - 축열식 선택적 촉매환원장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 축열식 선택적 촉매환원장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 특정 운전조건으로 유입밸브 및 배출밸브의 순차적인 작용에 의하여 질소산화물 함유 배가스를 처리함으로써, 반응축열조 내부에서 충분한 유동순환과 열교환이 이루어져 기계적인 디스크와 구동수단 없이 열에너지 사용을 최소화하면서 질소산화물 저감 효율을 향상시킬 수 있는 축열식 선택적 촉매환원장치에 관한 것이다.

Description

축열식 선택적 촉매환원장치{Selective Catalytic Reduction Device Using Regenerative Heat Recovery System}
본 발명은 축열식 선택적 촉매환원장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배가스 중에 존재하는 질소산화물을 선택적으로 촉매환원시켜 처리함과 동시에 상기 환원 공정에서 이용되는 열을 회수 및 재이용하는 축열식 선택적 촉매환원장치에 관한 것이다.
일반적으로 발전소, 보일러, 소각로, 소성로 등과 같은 연료의 연소설비로부터 발생하는 오염물질 중 대표적인 오염물질인 질소산화물은 공해방지의 관점에서 직접 대기중으로 방출할 수 없기 때문에 제거의 대상이 되고 있다. 특히, 상기 질소산화물의 경우 호흡기관장애, 광화학 스모그 발생 등 인체에 대한 유해성을 지니고 있으므로 심각한 환경오염문제를 일으키고 있다.
현재까지 상기 질소산화물을 처리하기 위하여 비과잉 공기를 이용한 연소 및 연소온도 조절 등과 같은 연소방법을 개선시키거나, 세정기술, 선택적 촉매환원기술, 선택적 무촉매 환원기술 등을 이용하여 질소산화물을 처리하고 있다.
선택적 촉매환원기술(Selective Catalytic Reduction, SCR)은 화력발전소, 플랜트 등의 연소설비에서 발생하는 NOx를 포함하는 연소가스를 일정한 온도 조건하에서 환원제가 동시에 촉매층에서 접촉시켜 배가스 내의 NOx를 환원제(NH3)와의 선택적 반응에 의해 무해한 질소(N2)와 수증기(H2O)로 선택적 환원을 시키는 기술이다.
이러한 선택적 촉매환원기술(SCR)은 환원제를 이용한다는 점에서 선택적 무촉매환원기술(SNCR)과 유사하나 촉매를 이용한다는 점과 이에 의해 반응온도가 낮다는 점이 다르며, 또한 적정온도에서 매우 높은 NOx 전환율을 보인다.
선택적 촉매환원기술 공정의 주요 고려사항은 반응 시스템에 적당한 촉매, 암모니아 등 환원제 주입 시스템과 저장 등이며, 이중 선택적 촉매환원기술의 핵심은 촉매의 조성, 반응기의 형태 그리고 운전 조건이다.
그러나 선택적 촉매환원기술은 반응 적정온도가 300 ℃ 근처로 배가스의 온도가 이보다 낮을 경우 반응을 위한 온도까지 지속적인 승온이 필요하다. 이 경우에 승온을 위하여 버너 또는 기타 열원으로 에너지가 계속 소비되며, 또한 반응기에서 처리된 고온의 배가스는 대기중으로 배출되게 된다. 이는 에너지 낭비를 초래하게 된다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 대한민국 공개특허공보 제2003-0021731호에는 회전형 로터에 의해 풍향을 분배하고 축열층을 구비하여, 축열온도 및 반응온도를 일정하게 유지할 수 있는 축열식 선택적 촉매 환원 설비(Regenerative Selective Catalytic Reduction)를 개시된 바 있다.
그러나, 상기 회전형 로터 방식에 의한 축열식 선택적 촉매 환원 설비는 수평 회전체인 디스크가 금속재로 이루어져 있으며, 장기간 회전 운전시에 수평 회전체인 디스크가 상하부 고정판 사이의 마찰면의 마모로 인하여 누설이 빈번하게 발생하는 문제점을 가진다. 이러한 마모에 의한 배가스 누설로 인해 반응에 참여하지 못하는 질소산화물 (NOx)뿐만 아니라, 환원제인 암모니아나 요소수가 처리 후 배가스에 섞이게 되어 배출되게 되어, 오히려 대기환경오염문제를 유발하거나, 질소산화물의 배출가스 농도기준을 충족하지 못하는 심각한 문제가 대두되고, 더군다나 환원제인 암모니아의 투입량을 정교하게 제어하지 못할 경우, 연소실에 있는 버너 화염과의 접촉 연소에 의해 오히려 질소산화물(NOx)로 전환되는 문제가 발생되었다.
대한민국 공개특허공보 제2003-0021731호
본 발명의 주된 목적은 전술한 문제점을 극복하기 위해 도출된 것으로서, 특정 운전조건으로 유입밸브 및 배출밸브의 순차적인 작용에 의하여 질소산화물 함유 배가스를 처리함으로써, 반응축열조 내부에서 충분한 유동순환과 열교환이 이루어져 기계적인 디스크와 구동수단 없이 열에너지 사용을 최소화하면서 질소산화물 저감 효율을 향상시킬 수 있는 축열식 선택적 촉매환원장치를 제공하는데 있다.
본 발명은 또한, 상기 축열식 선택적 촉매환원장치를 이용한 질소산화물 함유 배가스 처리용 축열식 환원처리방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예는, 상측 내부에 질소산화물 함유 배가스가 유입되어 환원처리되는 체류실로 형성된 본체부; 상기 체류실 하측의 본체부 내부에 설치되고, 축열부 및 촉매부가 순차적으로 구비되어 다수의 구역으로 구획되어 있으며, 상기 촉매부에 환원제를 공급하기 위한 다수의 환원제 공급수단이 장착되어 있는 반응축열조; 상기 본체부로 질소산화물 함유 배가스를 유입시키는, 각각 독립적으로 개폐하는 다수의 유입밸브가 상기 반응축열조의 구획된 구역마다 대응되도록 하나 이상 구비되는 유입부; 및 상기 본체부로부터 처리된 가스를 배출하는, 각각 독립적으로 개폐하는 다수의 배출밸브가 상기 반응축열조의 구획된 구역마다 대응되도록 하나 이상 구비되는 배출부를 포함하고, 상기 체류실의 온도는 300 ℃ ~ 400 ℃이고, 상기 반응축열조의 공간속도는 1,500 hr-1 ~ 12,000 hr- 1 이며, 상기 환원제 공급수단은 질소산화물 함유 배가스 및 환원제의 몰비가 1 : 0.7 ~ 1.2가 되도록 환원제를 주입하는 것을 특징으로 하는 축열식 선택적 촉매환원장치를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 축열식 선택적 촉매환원장치는 반응축열조 다수의 구역 중 하나 이상의 구역에 대응되는 유입밸브를 개방하는 동시에 나머지 유입밸브를 폐쇄하여 질소산화물 함유 배가스를 상기 구역을 통해 상기 체류실로 유입시키고, 반응축열조 다수의 구역 중 질소산화물 함유 배가스가 유입되지 않은 하나 이상의 구역에 대응되는 배출밸브를 개방하여 처리된 가스를 배출시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 반응축열조의 구획은 방사상 또는 동심원상으로 구획되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 유입밸브 및 배출밸브는 개방, 폐쇄 및 개방의 순서로 무한 순환하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 체류실은 버너가 구비되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 반응축열조는 구역의 수와 대응되는 다각형이고, 상기 본체부의 측면은 상기 반응축열조와 대응되는 형상인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는, (a) 질소산화물 함유 배가스를 상기 축열식 선택적 촉매환원장치로 공급시키는 단계; (b) 상기 공급된 질소산화물 함유 배가스를 반응축열조 다수의 구역 중 하나 이상의 구역에 대응되는 유입밸브를 개방하여 반응축열조에 유입시키고, 촉매부에 환원제를 공급한 후 유입된 배가스를 환원시키는 단계; (c) 상기 환원 처리된 가스를 체류실로 유입시킨 다음, 상기 질소산화물 함유 배가스가 유입된 구역을 제외한 다른 하나 이상의 구역에 대응되는 배출밸브를 개방하여 질소산화물 함유 배가스가 유입된 구역의 반응축열조를 제외한 다른 구역을 통과시켜 외부로 배출함으로써 축열부로 폐열을 회수하는 단계; (d) 상기 폐열이 회수된 반응축열조의 구역에 대응되는 유입밸브를 개방하여 질소산화물 함유 배가스를 유입시켜 예열시키고, 촉매부에 환원제를 공급한 다음, 유입된 배가스를 환원시키는 단계; 및 (e) 상기 (c) 내지 (d) 단계를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 함유 배가스 처리용 축열식 환원처리방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 체류실의 온도는 300 ℃ ~ 400 ℃이고, 반응축열조의 공간속도는 1,500 hr-1 ~ 12,000 hr-1인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 환원제 공급수단은 질소산화물 함유 배가스 및 환원제의 몰비가 1 : 0.7 ~ 1.2가 되도록 환원제를 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 환원제는 암모니아, 요소수, 우레아 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 축열식 선택적 촉매환원장치는 특정 운전조건으로 유입밸브 및 배출밸브의 순차적인 작용에 의하여 반응을 수행함으로써, 반응축열조 내부에서 충분한 유동순환과 열교환이 효율적으로 이루어져 열에너지 사용을 최소화하면서 90% 이상의 질소산화물 저감 효율을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 축열식 선택적 촉매환원장치는 기존 회전형 로터 방식의 축열식 선택적 촉매환원설비의 문제점인 마모에 의한 유입 및 배가스의 혼합에 따라 미처리된 배가스의 대기방출을 방지할 수 있으며, 축열부에 의해 유입가스 및 배출가스의 열전달을 통해 불필요한 열에너지의 낭비가 없도록 함으로써 에너지 효율 증대 및 수명을 연장할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 축열식 선택적 촉매환원장치는 밸브방식으로 배가스의 유입 및 배출을 조절함으로써, 정확한 환원제의 투입 시점의 확보가 가능하게 되어 기존의 로터 방식의 문제점인 잉여의 환원제가 체류실의 버너 화염과 접촉하면서 질소산화물로 전환되어 전체 설비의 효율이 떨어지는 문제점을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축열식 선택적 촉매환원장치의 일부 절개 개략 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 A-A' 부분의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 B-B' 부분의 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 본체부의 개략 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 반응축열조의 투영 단면도이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 '포함' 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 본 발명에 따른 처리대상 가스는 질소산화물 함유 배가스를 의미하는 것으로서, 본 발명에서는 상기 질소산화물 함유 배가스를 '배가스'로 지칭할 수 있으며, 처리가스는 질소산화물 함유 배가스를 환원처리한 가스를 의미하는 것으로서, 본 발명에서는 청정가스를 '처리가스'로 지칭할 수 있다.
본 발명은 일 관점에서, 상측 내부에 질소산화물 함유 배가스가 유입되어 환원처리되는 체류실로 형성된 본체부; 상기 체류실 하측의 본체부 내부에 설치되고, 축열부 및 촉매부가 순차적으로 구비되어 다수의 구역으로 구획되어 있으며, 상기 촉매부에 환원제를 공급하기 위한 다수의 환원제 공급수단이 장착되어 있는 반응축열조; 상기 본체부로 질소산화물 함유 배가스를 유입시키는, 각각 독립적으로 개폐하는 다수의 유입밸브가 상기 반응축열조의 구획된 구역마다 대응되도록 하나 이상 구비되는 유입부; 및 상기 본체부로부터 처리된 가스를 배출하는, 각각 독립적으로 개폐하는 다수의 배출밸브가 상기 반응축열조의 구획된 구역마다 대응되도록 하나 이상 구비되는 배출부를 포함하고, 상기 체류실의 온도는 300 ℃ ~ 400 ℃이고, 상기 반응축열조의 공간속도는 1,500 hr-1 ~ 12,000 hr- 1 이며, 상기 환원제 공급수단은 질소산화물 함유 배가스 및 환원제의 몰비가 1: 0.7 ~ 1.2가 되도록 환원제를 주입하는 것을 특징으로 하는 축열식 선택적 촉매환원장치에 관한 것이다.
본 발명은 다른 관점에서, (a) 질소산화물 함유 배가스를 상기 축열식 선택적 촉매환원장치로 공급시키는 단계; (b) 상기 공급된 질소산화물 함유 배가스를 반응축열조 다수의 구역 중 하나 이상의 구역에 대응되는 유입밸브를 개방하여 반응축열조에 유입시키고, 촉매부에 환원제를 공급한 후 유입된 배가스를 환원시키는 단계; (c) 상기 환원 처리된 가스를 체류실로 유입시킨 다음, 상기 질소산화물 함유 배가스가 유입된 구역을 제외한 다른 하나 이상의 구역에 대응되는 배출밸브를 개방하여 질소산화물 함유 배가스가 유입된 구역의 반응축열조를 제외한 다른 구역을 통과시켜 외부로 배출함으로써 축열부로 폐열을 회수하는 단계; (d) 상기 폐열이 회수된 반응축열조의 구역에 대응되는 유입밸브를 개방하여 질소산화물 함유 배가스를 유입시켜 예열시키고, 촉매부에 환원제를 공급한 다음, 유입된 배가스를 환원시키는 단계; 및 (e) 상기 (c) 내지 (d) 단계를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 함유 배가스 처리용 축열식 환원처리방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 축열식 선택적 촉매환원장치는 구획된 반응축열조의 구역을 따라 순차적으로 순환하면서 질소산화물 함유 배가스 및 처리(청정)가스가 각각 통과하고, 처리가스가 반응축열조의 축열부를 통과하므로 인하여 축열부에 축열하여 유입된 질소산화물 함유 배가스를 예열한다. 이때, 다수의 유입밸브를 독립적으로 개폐하여 질소산화물 함유 배가스가 체류실로 유입되는 것을 허용하고, 다수의 배출밸브를 독립적으로 개폐하여 처리가스가 연소실에서 배출되는 것을 허용하므로, 질소산화물 함유 배가스가 처리가스에 혼합될 우려가 전혀 없다.
또한, 본 발명에 따른 축열식 선택적 촉매환원장치는 반응축열조를 특정 운전조건을 유지하고 특정 몰비로 환원제를 투입시킴으로써, 반응축열조 내부에서 충분한 유동순환과 열교환이 효율적으로 이루어져 열에너지 사용을 최소화하면서 질소산화물 저감 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축열식 선택적 촉매환원장치의 일부 절개 개략 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 A-A' 부분의 평면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 B-B' 부분의 평면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 본체부의 개략 단면도이며, 도 5는 도 1에 도시된 반응축열조의 투영 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 축열식 선택적 촉매환원장치는 내부에 공간이 형성된 본체부(100)를 포함할 수 있다. 상기 본체부(100)의 내부 상측 부위는 배가스가 유입되어 환원되는 체류실(110)로 형성될 수 있고, 내부 하측 부위는 후술할 반응축열조(120)가 구비된다. 또한, 상기 체류실(110)에는 손실되는 열을 보충할 수 있도록 버너(111)와 내부유지보수를 위한 맨홀(112)을 추가로 구비할 수 있다.
이때 상기 체류실(110)의 온도는 300 ℃ ~ 400 ℃로, 만일 상기 온도범위를 벗어나는 경우에는 질소산화물의 환원반응이 제대로 이루어지지 않거나, 또는 반응이 촉진되어 부반응이 발생되어 질소산화물의 전환효율이 저하되는 문제점이 발생된다.
상기 반응축열조(120)의 내부에는 축열재와 촉매가 조적되어 있는 축열부(121) 및 촉매부(125)가 순차적으로 구비되어 있고, 상기 촉매부(125)에 환원제를 공급하는 환원제 공급수단(126)이 구비되어 있으며, 상기 축열부(121) 및 촉매부(125)은 방사상 또는 동심원상으로 구획되어 있다.
상기 축열부(121)의 축열재의 재질은 처리가스로부터 폐열을 회수하고, 배가스를 예열할 목적을 달성할 수 있는 물질이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하나, 바람직하게는 당업계에서 통상적으로 사용되고 있는 축열재로, 예를 들면 허니컴 구조의 세라믹 구조체 등을 사용할 수 있고, 반응축열조 소정 구역에 충진되어 축열층 형태로 구성된다.
또한, 촉매는 질소산화물을 질소로 환원시키는 방법에 사용되는 촉매로서, 전술한 목적을 달성하기 위하여 당업계에서 통상적으로 사용되는 탈질 촉매라면 제한 없이 사용 가능하며, 반응축열조 소정 구역 중 축열부 상부에 구비되어 촉매층 형태로 구성된다. 이때, 반응축열조의 공간속도에 따라 질소산화물 처리 성능분포가 달라지므로 상기 반응축열조의 공간속도는 1,500 hr-1 ~ 12,000 hr-1인 것이 바람직하다. 만일 상기 공간속도 범위를 벗어나는 경우에는 반응이나 축열이 제대로 진행되지 않거나, 또는 부반응 또는 미반응이 발생되어 질소산화물의 전환효율이 저하되는 문제점이 발생된다.
한편, 환원제는 질소산화물을 질소로 환원시키는 통상의 환원제로, 예를 들어 암모니아, 우레아, 요소수 및 이들의 혼합물이라면 제한 없이 사용 가능하며, 환원제 공급수단(126) 역시, 촉매부에 상기 환원제를 분사시킬 수 있는 통상의 부재라면 어느 것을 사용하여도 무방하다. 이때, 질소산화물 함유 배가스 및 환원제의 몰비는 1 : 0.7 내지 1.2가 되도록 환원제가 주입될 수 있다. 만일, 질소산화물 함유 배가스 및 환원제의 몰비가 1 : 0.7 범위 미만일 경우에는 질소산화물의 환원반응이 수행되지 않아 질소산화물의 전환효율이 저하되는 문제점이 발생되고, 질소산화물 함유 배가스 및 환원제의 몰비가 1 : 1.2 범위를 초과하는 경우에는 환원제의 과잉으로 부반응이 일어날 수 있으며 전환효율이 저하되는 문제점이 발생될 수 있다.
배가스 및 처리가스가 반응축열조(120)를 통과할 수 있도록 반응축열조는 상하면이 개방된 통형상의 중공체인 다수의 단위 촉매부 및 축열부에 의하여 형성될 수 있다. 즉, 다수의 단위 촉매부 및 축열부가 구획된 구역에 대응되도록 배치되고, 촉매부 및 축열부가 각각 다수로 구비되어 촉매층과 축열층을 형성할 수도 있다.
상기 구획된 구역은 방사상 또는 동심원상으로 구획될 수 있으며, 바람직하게는 반응축열조(120)의 외면이 구획된 구역의 수와 대응되는 4각 이상의 다각형이고, 상기 본체부(100)의 측면은 상기 반응축열조(120)와 대응되는 형상일 수 있다. 상기 반응축열조의 외면이 4각 이상의 다각형으로 형성될 경우에는 외주면이 원형 형상으로 형성된 종래 반응축열조에 비하여 사역(dead zone)이 감소하여 촉매부의 환원반응과 축열부의 축열효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 축열식 선택적 촉매환원장치는 2n(n=2) 개의 구역인 네 개의 구역(A, B, C, D)으로 촉매부 및 축열부이 구획되도록 격벽(130)이 설치될 수 있다. 상기 격벽(130)에 의하여 구획 형성된 공간에 촉매부와 축열부가 배치되고, 상기 반응축열조의 축열부(121) 및 촉매부(125) 하면은 메쉬 구조의 지지판이 지지되어 본체부 하부 및 축열부 상부와 각각 이격 설치될 수 있다.
이때 배가스는 어느 하나의 구역을 통과할 수 있고, 처리된 청정가스(처리가스)는 배가스가 통과하지 않는 어느 하나의 구역을 통과할 수 있다. 또한, 배가스가 통과하는 구역과 처리가스가 통과하는 구역은 반응축열조의 중심을 기준으로 대략 대칭을 이루는 것이 바람직하며, 배가스 및 청정가스는 각각 구획된 구역(A, B, C, D)를 하나씩 순차적으로 이동하면서 통과할 수 있다. 즉, 배가스 및 처리가스는 각각 반응축열조의 구역을 순환하면서 통과할 수 있고, 배가스 및 처리가스의 순환방향은 동일한 것이 바람직하다.
한편, 본체부(100)의 하측에는 유입부(140) 및 배출부(150)가 구분되어 설치된다. 상기 유입부(140)는 배가스를 공급받아 반응축열조(120)의 각 구역을 통하여 체류실로 각각 유입하기 위한 다수의 유입밸브(141)를 구비한다. 상기 구비된 다수의 유입밸브(141)의 수는 반응축열조의 구획된 구역의 수와 대응되게 마련된다. 이때, 상기 다수의 유입밸브는 각각 독립적으로 개폐할 수 있어 반응축열조(120)의 각 구역으로 선택적으로 유입시킬 수 있다.
상기 배출부(150)는 체류실에서 처리된 처리가스를 반응축열조(120)의 각 구역을 통하여 외부로 배출하기 위한 다수의 배출밸브(151)를 구비한다. 상기 구비된 다수의 배출밸브(151)의 수는 반응축열조(120)의 구획된 구역의 수와 대응되게 마련된다. 이때, 상기 다수의 배출밸브는 각각 독립적으로 개폐할 수 있어 반응축열조(120)의 각 구역을 통해 선택적으로 배출시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 축열식 선택적 촉매환원장치는 퍼지가스를 공급받아 반응축열조의 각 구역을 통하여 체류실로 각각 유입하기 위한 다수의 퍼지밸브(미도시)가 구비된 퍼지부(미도시)가 추가로 구비될 수 있다. 상기 구비된 다수의 퍼지밸브의 수 또한, 반응축열조(120)의 구획된 구역의 수와 대응되게 마련된다. 이때, 상기 다수의 퍼지밸브는 각각 독립적으로 개폐할 수 있어 반응축열조(120)의 각 구역으로 선택적으로 퍼지가스를 유입시킬 수 있다. 상기 퍼지가스로는 청정한 공기일 수 있다.
본체부 하부에는 반응축열조의 각 구역과 각각 연통되는 연통덕트(160)가 각각 설치될 수 있다. 각 연통덕트(160)에는 반응축열조의 각 구역과 대응되는 유입부 및 배출부와 각각 연통될 수 있고, 상기 유입부(140) 및 배출부(150)의 다수의 유입밸브(141) 및 다수의 배출밸브(151)는 반응축열조(120)의 각 구역마다 쌍을 이루어 하나 이상 구비될 수 있으며, 개방, 폐쇄 및 개발의 순서로 무한 순환 작동할 수 있다.
본 발명에 따른 축열식 선택적 촉매환원장치의 동작을 살펴보면, 일 실시예로 네 개의 구역(A, B, C, D)으로 구획된 반응축열조(120)가 구비된 축열식 선택적 촉매환원장치에서 유입부(140) 및 배출부(150)의 모든 밸브들이 폐쇄된 상태를 최초의 상태라 가정하고, 최초의 상태에서 배가스 및 처리가스가 구역(A) 및 구역(C)을 각각 통과할 수 있도록 이에 대응되는 제1 유입밸브(141a) 및 제3 배출밸브(151c)을 각각 개방한다. 그러면 배가스는 구역(A)을 통과하여 반응축열조(120)로 유입되고, 반응축열조의 촉매부(125)로 유입된 배가스는 체류실(110)로 이동하면서 환원되어 처리(청정)가스가 되며, 처리가스는 구역(C)을 통과하여 배출된다. 이때, 처리가스가 통과한 축열부(121)의 구역(C)은 청정가스와 열교환하여 축열을 하게 된다.
이러한 상태에서 순차적으로 제2 유입밸브(141b)가 개방되고, 제3 배출밸브(151c)는 폐쇄되며, 제4 배출밸브(151d)가 개방되고, 제1 유입밸브(141a)는 폐쇄된다. 그러면, 배가스는 반응축열조 구역(B)을 통과하여 축열부(121)에서 예열되고, 촉매부에서 환원처리되어 체류실(110)로 이송된 후 반응축열조 구역(D)을 통과하여 배출된다.
상기와 같이 배가스 및 처리가스는 반응축열조(120)의 중심축을 기준으로 회전 순환하는 형태로 순차적으로 반응축열조를 각각 통과할 수 있고, 이로 인해 반응축열조는 고온의 처리가스와 열교환하여 축열할 수 있으며, 축열부에 축열된 열은 유입되는 배가스를 예열할 수 있고, 상기 유입부 및 배출부의 다수의 밸브들이 각각 독립적으로 회전순환 개폐하여 처리가스와 배가스가 혼합될 우려가 전혀 없다.
전술된 바와 같은 본 발명에 따른 축열식 선택적 촉매환원장치를 이용하여 질소산화물 함유 배가스를 처리하는 방법을 정리하면 다음과 같다.
먼저 질소산화물 함유 배가스를 전술된 축열식 선택적 촉매환원장치로 공급하면, 상기 공급된 질소산화물 함유 배가스를 다수의 구역 중 하나 이상의 구역에 대응되는 유입밸브(141a)를 개방하여 반응축열조(120)를 통과시키고, 환원제 공급수단(126)을 이용하여 촉매부(125)에 환원제를 공급한 후 유입된 배가스를 환원시켜 체류실(110)로 유입시킨 다음, 상기 질소산화물 함유 배가스가 유입된 구역을 제외한 다른 하나 이상의 구역에 대응되는 배출밸브(151c)를 개방하여 질소산화물 함유 배가스가 유입된 구역의 반응축열조(120)를 제외한 다른 반응축열조(150) 구역을 통과시켜 외부로 배출함으로써 축열부(121)로 폐열을 회수한다. 한편 상기 폐열이 회수된 반응축열조(120)의 구역에 대응되는 유입밸브(141b)를 개방하여 질소산화물 함유 배가스를 유입시켜 예열시킨 다음, 촉매부(125)에 환원제를 공급한 후 유입된 배가스를 환원시키고, 전술된 과정을 반복하여 질소산화물 함유 배가스를 환원처리한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예로, 방사상으로 2n-1개의 구역으로 구획된 축열식 선택적 촉매환원장치에서는 배가스 및 처리가스는 각각 n-1개의 구역을 통과할 수 있다.
그리고, 유입부의 유입밸브 및 배출부의 배출밸브는 구획된 반응축열조의 구역에 대응되게 설치될 수 있으며, 배가스 및 처리가스가 중심축을 기준으로 시계방향인 정방향으로 순환하면서 반응축열조의 구역을 전술된 바와 같이 각각 순차적으로 통과할 수 있다.
예를 들어 반응축열조가 2n-1(n=3)개인 다섯 개의 구역(A, B, C, D, E)이 형성되므로, 배가스는 두 개의 구역을 통과할 수 있고, 처리가스는 배가스가 통과하지 않는 두 개의 구역을 통과할 수 있으며, 배가스가 통과하는 구역과 처리가스가 통과하는 구역은 대략 대칭을 이루는 것이 바람직하다.
아래의 실시 예를 통하여 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 한 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 특허 청구 범위가 이에 따라 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 7>
도 1의 축열식 선택적 촉매환원장치를 이용하여 배가스 함유 질소산화물을 제거하였다. 처리대상 가스로는 유산소 모사가스(250ppm NO와 12% 산소이고, 나머지는 질소임)로 실제 배가스와 유사한 모사가스를 이용하였으며, 처리용량은 3 Nm3/hr이고, 규격은 150 m ×150 m × 400 m이며, 운전은 72시간 동안 수행하였다. 또한, 촉매는 허니컴 타입의 Zeronox[4.3 mm pitch, (주)기련 E&C]를 사용하였고, 축열층은 직경이 150 mm × 150 mm × 400mm mm인 역시 같은 honeycomb type의 축열체를 조적하여 사용하였으며, 환원제는 암모니아를 사용하였다. 이때, 작동 조건은 표 1에 기재하였고, 그 외의 조건은 동일하게 수행하였다.
구분 체류실 온도(℃) 반응축열조 공간속도(hr-1) NO : NH3 몰비
실시예 1 300 4,500 1 : 1
실시예 2 300 4,500 1 : 1.2
실시예 3 300 4,500 1 : 0.7
실시예 4 350 4,500 1 : 1
실시예 5 400 4,500 1 : 1
실시예 6 300 1,500 1 : 1
실시예 7 300 5,000 1 : 1
실시예 8 300 8,000 1 : 1
비교예 1 300 4,500 1 : 0.5
비교예 2 300 4,500 1 : 1.5
비교예 3 200 4,500 1 : 1
비교예 4 250 4,500 1 : 1
비교예 5 450 4,500 1 : 1
비교예 6 550 4,500 1 : 1
비교예 7 300 14,000 1 : 1
하기 표 2는 상기 실시예 1 내지 8과 비교예 1 내지 7에서 처리된 처리가스의 전환효율과 암모니아 농도를 측정하여 전환율을 나타내었다. 이때, 질소산화물의 농도는 Gas analyser(EUROTRON-GREENLINE 9000, Made in Italia, 환경부 공인인증 측정설비)를 이용하여 측정하였으며, 암모니아 농도는 검지관을 이용하여 측정하였다.
구분 전환율(%) 암모니아 농도(ppm)
실시예 1 93.72 -
실시예 2 91.22 -
실시예 3 90.42 -
실시예 4 98.00 -
실시예 5 98.12 -
실시예 6 90.41 -
실시예 7 92.07 -
실시예 8 91.82 -
비교예 1 77.19 -
비교예 2 85.42 -
비교예 3 36.12 0.01
비교예 4 69.46 -
비교예 5 69.95 -
비교예 6 20.61 -
비교예 7 73.88 -
표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 8의 조건에서 처리된 처리가스는 90% 이상의 높은 전환율을 보이는 반면, 비교예 1 내지 7의 조건에서 처리된 처리가스는 80% 미만의 전환율을 보이는 것으로 나타났다.
이는 본 발명에 따른 축열식 선택적 촉매환원장치의 운전에 있어서 체류실 온도, 반응축열조의 공간속도 및 질소산화물과 환원제의 함량이 질소산화물의 전환효율이 중요한 변수임을 알 수 있었고, 이를 효율적으로 제어할 경우에는 90% 이상의 질소산화물의 전환율을 보일 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
100: 본체부 110: 체류실
111: 버너 112: 맨홀
120: 반응축열조 121: 축열부
125: 촉매부 126: 환원제 공급수단
130: 격벽 140: 유입부
141: 유입밸브 150: 배출부
151: 배출밸브 160: 연통덕트

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  7. 상측 내부에 질소산화물 함유 배가스가 유입되어 환원처리되는 체류실로 형성된 본체부; 상기 체류실 하측의 본체부 내부에 설치되고, 축열부 및 촉매부가 순차적으로 구비되어 다수의 구역으로 구획되어 있으며, 상기 촉매부에 환원제를 공급하기 위한 다수의 환원제 공급수단이 장착되어 있는 반응축열조; 상기 본체부로 질소산화물 함유 배가스를 유입시키는, 각각 독립적으로 개폐하는 다수의 유입밸브가 상기 반응축열조의 구획된 구역마다 대응되도록 하나 이상 구비되는 유입부; 및 상기 본체부로부터 처리된 가스를 배출하는, 각각 독립적으로 개폐하는 다수의 배출밸브가 상기 반응축열조의 구획된 구역마다 대응되도록 하나 이상 구비되는 배출부가 포함된 축열식 선택적 촉매환원장치를 이용하는 질소산화물 함유 배가스 처리용 축열식 환원처리방법에 있어서,
    상기 질소산화물 함유 배가스 처리용 축열식 환원처리방법은 (a) 질소산화물 함유 배가스를 상기 축열식 선택적 촉매환원장치로 공급시키는 단계;
    (b) 상기 공급된 질소산화물 함유 배가스를 반응축열조 다수의 구역 중 하나 이상의 구역에 대응되는 유입밸브를 개방하여 반응축열조에 유입시키고, 촉매부에 환원제를 공급한 후 유입된 배가스를 환원시키는 단계;
    (c) 상기 환원 처리된 가스를 체류실로 유입시킨 다음, 상기 질소산화물 함유 배가스가 유입된 구역을 제외한 다른 하나 이상의 구역에 대응되는 배출밸브를 개방하여 질소산화물 함유 배가스가 유입된 구역의 반응축열조를 제외한 다른 구역을 통과시켜 외부로 배출함으로써 축열부로 폐열을 회수하는 단계;
    (d) 상기 폐열이 회수된 반응축열조의 구역에 대응되는 유입밸브를 개방하여 질소산화물 함유 배가스를 유입시켜 예열시키고, 촉매부에 환원제를 공급한 다음, 유입된 배가스를 환원시키는 단계; 및
    (e) 상기 (c) 내지 (d) 단계를 반복하는 단계를 포함하는 질소산화물 함유 배가스 처리용 축열식 환원처리방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 체류실의 온도는 300 ℃ ~ 400 ℃이고, 반응축열조의 공간속도는 1,500 hr-1 ~ 12,000 hr-1인 것을 특징으로 하는 질소산화물 함유 배가스 처리용 축열식 환원처리방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 환원제 공급수단은 질소산화물 함유 배가스 및 환원제의 몰비가 1 : 0.7 ~ 1.2가 되도록 환원제를 공급하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 함유 배가스 처리용 축열식 환원처리방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 환원제는 암모니아, 요소수, 우레아 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 함유 배가스 처리용 축열식 환원처리방법.
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