KR101765768B1 - 선택적 촉매 환원 반응용 촉매 모듈 케이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선택적 촉매 환원 반응용 촉매 모듈 케이스에 관한 것이고, 촉매 모듈에서 발생되는 배압 상승을 억제하기 위하여 인접 촉매체 간 간격을 확보하기 위한 수단이 구비되는 촉매 모듈 케이스에 관한 것이다.

Description

선택적 촉매 환원 반응용 촉매 모듈 케이스{A module case for the selective catalytic reduction}
본 발명은 선택적 촉매 환원 반응용 촉매 모듈 케이스에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 촉매 모듈 내부의 배압 상승을 억제하기 위하여 인접 촉매체 간 간격을 확보하기 위한 수단이 구비되는 촉매 모듈 케이스에 관한 것이다.
일반적으로 산업, 다용도 보일러, 엔진 및 노(furnace)의 분야에서 시스템으로부터 방출되는 질소산화물 제어를 위한 선택적 촉매환원(SCR; selective catalytic reduction) 시스템이 활용되고 있다. SCR 시스템은 보일러, 엔진과 노의 배기가스로부터 질소산화물의 방출을 줄이는 데에 이용된다. 상기 시스템에서 암모니아는 촉매가 구비된 보일러의 배기가스 흐름에 분사된다. 암모니아는 배기가스로부터 다량의 질소산화물을 환원시켜 물과 질소로 전환하게 된다. SCR 시스템에 이용되는 촉매활성물질은 내화 무기재료 또는 금속재질의 담체에 지지된다. 촉매활성물질이 지지된 담체를 편의상 단위 촉매체라 칭한다. 이러한 단위 촉매체는 필요개수만큼 조합되고 케이스에 내장되어 촉매 모듈을 형성하고, 촉매 모듈들이 SCR 시스템의 반응기에 장착되어 상기된 바와 같이 암모니아 환원제를 이용하여 배기가스로부터 다량의 질소산화물을 환원시켜 무해한 물과 질소로 전환시킨다.
공개특허공보 제10-2015-0118239호(2015.10.22.)
SCR 시스템의 단위 촉매체는 시간이 경과 함에 따라 촉매체 채널 일부가 배기가스 입자물질 및 환원반응 부산물로 인하여 차단된다. 촉매 모듈에서는 다수의 단위 촉매체들은 전후 접촉되어 내장되므로 모듈 전단에 있는 단위 촉매체 채널 중 일부가 막히면, 상기 단위 촉매체 바로 뒤에 인접한 모듈 후단에 있는 단위 촉매체의 채널에도 배기가스가 통과하지 못하여 전체적으로 배압이 상승되는 문제가 생긴다.
본 발명은 촉매 모듈 내에서 바람직하지 않은 배압 상승을 억제하기 위하여 인접 단위 촉매체 사이 간격을 확보하기 위한 접촉방지수단 또는 간격확보수단이 구비되는 촉매 모듈 케이스에 관한 것이다. 본 발명에 의한 촉매 모듈 케이스는 상면, 하면, 좌측면 및 우측면의 평판들이 연결되고 전방 및 후방이 관통되는 상자형으로 2 이상의 단위 촉매체가 전후로 배치되도록 구성되고, 상기 전후의 단위 촉매체들이 서로 물리적으로 접촉되지 않도록 상기 상면, 하면, 좌측면 또는 우측면의 평판에 걸림편이 구비된 것을 특징으로 한다. 상기 걸림편은 한 쌍 이상 형성될 수 있다. 또한 본 발명에 의한 촉매 모듈 케이스는 상기 전후의 단위 촉매체들이 서로 접촉되지 않도록 상기 상면, 하면, 좌측면 또는 우측면의 평판에 걸림턱이 구비된 것을 특징으로 한다. 상기 걸림턱은 하나 이상 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 촉매 모듈 케이스에는, 단위 촉매체가 전후로 서로 접촉되지 않고 상호 간격을 유지하면서 배치되므로 전단의 단위 촉매체 채널 일부가 막히더라도 형성된 간격을 통해 배기가스가 분산될 수 있으므로 모듈 내부 배압 상승을 억제할 수 있다.
도 1은 종래 SCR 모듈 케이스 및 단위 촉매체가 내장되어 촉매 모듈을 형성하는 제작 순서를 보이는 사진이다.
도 2는 단위 촉매체들이 내장된 종래 SCR 모듈 상태도이다.
도 3은 종래 SCR 모듈 내부에서 배압 발생 모식도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 SCR 모듈 케이스 실물 사진이다.
도 5는 단위 촉매체들이 내장된 본 발명에 의한 SCR 모듈 상태도이다.
도 6은 본 발명에 의한 SCR 모듈 내부에서 배압 저하를 보이는 모식도이다.
도 7은 단위 촉매체들이 내장된 본 발명의 다른 실시예에 의한 SCR 모듈 상태도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 SCR 모듈 내부에서 배압 저하를 보이는 모식도이다.
SCR 시스템에 사용되는 단위 촉매체는 통상 벌집형 구조로 제작된다. 간단히 설명하면 벌집형 구조의 유입면 또는 배출면으로부터 이를 통해 연장되는 미세한 병렬 가스 유동 통로를 가지는 형태의 담체가 사용되어 단위 촉매체를 형성한다. 상기 통로는 개방되어 있어 이를 통해 배기가스가 흐른다. 이때 유입구로부터 배출구까지 실질적으로 직선 경로인 통로는 촉매 활성물질이 워시코트(washcoat)로서 코팅되어 상기 통로를 통해 흐르는 배기가스가 촉매 물질에 접촉하도록 하는 내벽에 의해 한정된다. 단위 촉매체의 유동 통로는 사다리꼴, 직사각형, 정사각형, 사인 곡선 형태, 육각형, 타원형, 원형 등 임의의 적합한 단면 형태 및 크기일 수 있고, 내벽이 얇은 채널 구조이다. 이러한 구조체는 단면의 평방인치 당 약 10 내지 약 900개 이상의 가스 유입 개구(즉, 채널)를 가질 수 있다. 이러한 단위 촉매체들이 조합되고 케이스에 의해 둘러싸여 촉매 모듈을 형성한다.
도 1은 종래 SCR 모듈 케이스 및 단위 촉매체가 케이스에 내장되는 적용예를 보이는 사진이다. 도 1a에 도시된 바와 같이 통상의 촉매 모듈 케이스는 상면, 하면, 좌측면 및 우측면의 금속 평판들이 연결되고 전방 및 후방이 관통되는 상자형으로 2 이상의 단위 촉매체가 전후로 배치되도록 구성된다. 또한, 상기 평판 중 하나에는 소위 고정편이 형성된다. 도 1b 및 1c를 참조하면 벌집형 구조의 단위 촉매체가 내열성 밀봉 소재에 감겨 케이스에 내장 또는 적층되고, 케이스의 평판들은 체결편에서 서로 잠겨서 촉매 모듈이 완성된다. 이때 상기 고정편이 밀봉 소재에 박혀 단위 체결체를 고정시키고 모듈 내부에서 전후로 이동되는 것을 방지한다. 이러한 촉매 모듈이 SCR 반응기에 투입된다.
도 2는 단위 촉매체들이 내장된 종래 SCR 모듈 상태도이다. 구체적으로, 촉매 모듈 케이스 (10)는 상면, 하면, 좌측면 및 우측면의 금속 평판들이 연결되고 전방 및 후방이 관통되되, 내장된 단위 촉매체가 외부로 벗어나지 않도록 이탈방지턱 (12)이 구비되는 상자형으로 2 이상의 단위 촉매체 (20)가 전후 및/또는 상하로 배치되도록 구성된다. 각각의 단위 촉매체 사이에는 임의선택적으로 촉매체 온도 보온을 위한 밀봉 소재 (30)가 개재될 수 있다. 또한 케이스 금속 평판에는 하나 이상의 고정편 (11)이 형성되어, 밀봉 소재 (30)에 감긴 촉매체 (20)가 케이스에 내장된 후 고정편은 내향 벤딩되어 밀봉 소재에 박힘으로써 단위 체결체가 모듈 내부에서 전후로 움직이는 것을 최소화한다. 촉매체가 내장된 후 체결편 (13)으로 평판들을 결합시켜 촉매 모듈 (100)이 완성된다.
도 3은 종래 SCR 모듈 내부에서 배압 발생 가능성을 보이는 모식도이다. 상기된 바와 같이 SCR 시스템의 단위 촉매체는 선택적 환원 반응이 진행되면서 촉매체 채널 일부가 배기가스 입자물질 및 환원반응 부산물 등 여러 이유로 막힐 수 있다. 촉매 모듈에는 단위 촉매체들이 전후 접촉되어 배치되므로 모듈 전단에 있는 단위 촉매체 채널 중 일부가 막히면, 상기 단위 촉매체 바로 뒤에 인접한 모듈 후단에 있는 단위 촉매체의 해당 채널에도 배기가스(화살표)가 통과하지 못하여 배압이 상승되는 문제가 생긴다. 도 3을 참조하면, 종래 촉매 모듈 (100)에는 전방 촉매체 (20a) 및 후방 촉매체 (20b)가 간격없이 서로 접촉하여 배치된다. 따라서 전방 촉매체에 형성된 채널들은 후방 촉매체에 상응하는 채널들과 직접 연결되고, 도시된 바와 같이 전방 촉매체 일부가 다양한 이유로 입자물질 (25)로 차단되는 경우 후방 촉매체 해당 채널까지 배기가스가 통과하지 못하므로 배압이 전체적으로 상승된다. 간단한 시뮬레이션에 의하면, 채널이 모두 개방되어 있는 경우 배압이 1.3mbar에서, 전방 촉매체의 채널들이 약 30% 막히는 경우 (plugging)에는 배압이 3.8mbar로 증가하였다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 케이스 길이방향으로 구간을 나누어 앞단이 막히더라도 나누어진 구간 이후에는 배압이 걸리지 않도록 모듈을 제작하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 SCR 모듈 케이스 실물 사진이고, 도 5는 단위 촉매체들이 내장된 본 발명에 의한 SCR 모듈 (200) 상태도이다. 종래 케이스와 비교할 때, 본 발명의 케이스는 길이방향으로 대략 중앙부에 한 쌍 이상의 걸림편 (15)이 형성된다. 본원에서 한 쌍이란 길이방향으로 형성되는 두 개의 걸림편 (15)을 의미한다. 이러한 쌍의 걸림편의 길이방향에 수직한 방향으로 하나 이상 나열된다. 도 5에는 걸림편이 서로 대향하는 방향으로 형성되지만, 즉 앞의 걸림편은 'ㄷ'의 반전 형상, 뒤의 걸림편은 'ㄷ' 형상이지만, 이에 국한되지 않는다. 예컨대, 한 쌍의 걸림편은 동일 방향으로, 예컨대 모두 'ㄷ' 형상으로 구성될 수 있다. 걸림편 (15)은 이후 상세히 설명되는 바와 같이 케이스에 내장되는 단위 촉매체 일단과 접촉되도록, 예를들면 전방 촉매체의 경우에는 후단이 걸림편에 접촉되고, 후방 촉매체의 경우에는 전단이 걸림편에 접촉되도록, 거의 직각으로 내향 벤딩 구성되어 전후의 촉매체들이 서로 접촉되지 않도록 배열시킨다. 본원에서 걸림편은 궁극적으로 전후방 촉매체들 사이 간격을 형성하도록 구성된다. 하나의 실시태양에서 걸림편은 길이방향으로 'ㄷ' 형태로 평판에 절개되고, 걸림편은 대략 90°로 벤딩된다. 하나의 실시태양에서 걸림편의 길이(a)는 케이스에 내장되는 적어도 단위 촉매체 일단과 접촉될 수 있는 길이를 가질 수 있다. 한 쌍의 걸림편 사이 폭 (d)은 내장되는 전방 및 후방 촉매체들 사이 바람직한 간격과 동일하고, 예컨대, 케이스 길이방향 총 길이 (l)의 적어도 1/1000 내지 1/10 이하일 수 있다. 전방 및 후방 촉매체 사이 간격이 케이스 길이방향 총 길이 (l)의 1/1000 이하인 경우 본원에서 구현하려는 간격 사이 배기가스 와류 정도가 약하여 배압 감소에 미미할 수 있고, 1/10 이상인 경우, 배기가스의 연속적인 흐름이 차단되어 SCR 반응이 수월하지 않을 수 있지만, 이러한 간격 수치에 국한되는 것은 아니고, 촉매체 길이, 촉매체 재질, 촉매활성물질, 반응 조근 등에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 SCR 모듈 내부에서 배압 저하를 보이는 모식도이다. 도 3의 촉매 모듈 (100)과 비교할 때, 본 발명에 의한 촉매 모듈 (200)은 전방 촉매체 (20a) 및 후방 촉매체 (20b) 사이에는, 걸림편 (15)에 의해 간격 (d)이 형성된다. 간격 공간에서는 배기가스 (화살표)가 와류되어 비록 전방 촉매체 일부가 막혀있다고 하더라도 막힌 채널에 상응하는 후방 촉매체 채널 내부로 배기가스가 유통되어 전체 배압이 낮아진다. 간단한 시뮬레이션에 의하면, 채널이 모두 개방되어 있는 경우 배압이 1.3mbar에서, 전방 촉매체의 채널들이 약 30% 막히는 경우 (plugging)에는 배압이 2.5mbar로 증가하였고, 이는 종래 촉매 모듈에서 배압이 3.8mbar로 증가된 것에 비하여 배압 저감의 효과를 기대할 수 있다.
도 7은 단위 촉매체들이 내장된 본 발명의 다른 실시예에 의한 SCR 모듈 (300) 상태도이다. 종래 케이스와 비교할 때, 본 발명의 케이스는 길이방향으로 대략 중앙부에 길이방향과 직교 방향으로 하나 이상의 걸림턱 (150)이 형성된다. 걸림턱은 길이방향과 수직한 방향으로 연속 형상 및 평판 평면에서 거의 수직하게 매몰된 형태로 도시되지만, 이에 국한되지 않는다. 본 실시태양에서 걸림턱 (150)은 소정의 깊이 (a) 및 소정의 폭 (d)을 가지고, 도 5에서 설명된 바와 같이, 깊이는 케이스에 내장되는 단위 촉매체 일단이 걸리도록, 예를들면 전방 촉매체의 경우에는 후단이 걸림턱에 접촉되고, 후방 촉매체의 경우에는 전단이 걸림턱에 접촉되도록, 폭은 궁극적으로 전후방 촉매체들 사이 간격을 형성하도록 구성된다. 상기된 바와 같이, 폭 (d)은 내장되는 전방 및 후방 촉매체들 사이 바람직한 간격과 동일하고, 예컨대, 케이스 길이방향 총 길이 (l)의 적어도 1/1000 내지 1/10 이하일 수 있다. 전방 및 후방 촉매체 사이 간격이 케이스 길이방향 총 길이 (l)의 1/1000 이하인 경우 본원에서 구현하려는 간격 사이 배기가스 와류 정도가 약하여 배압 감소에 미미할 수 있고, 1/10 이상인 경우, 배기가스의 연속적인 흐름이 차단되어 SCR 반응이 수월하지 않을 수 있지만, 이러한 간격 수치에 국한되는 것은 아니고, 촉매체 길이, 촉매체 재질, 촉매 자체 등에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.
도 8은 도 7의 실시예에 의한 SCR 모듈 내부에서 배압 저하를 보이는 모식도이다. 도 3의 촉매 모듈 (100)과 비교할 때, 본 실시예에 의한 촉매 모듈 (300)은 전방 촉매체 (20a) 및 후방 촉매체 (20b) 사이에는, 걸림턱 (150)에 의해 간격 (d)이 형성된다. 간격 공간에서는 배기가스 (화살표)가 와류되어 비록 전방 촉매체 일부가 막혀있다고 하더라도 막힌 채널에 상응하는 후방 촉매체 채널 내부로 배기가스가 유통되어 전체 배압이 낮아진다. 간단한 시뮬레이션에 의하면, 채널이 모두 개방되어 있는 경우 배압이 1.3mbar에서, 전방 촉매체의 채널들이 약 30% 막히는 경우 (plugging)에는 배압이 2.3mbar로 증가하였고, 이는 종래 촉매 모듈에서 배압이 3.8mbar로 증가된 것에 비하여 배압 저감의 효과를 기대할 수 있다.
100, 200, 300 촉매 모듈
10 모듈 케이스
11 고정편
12 이탈방지턱
13 체결편
20, 20a, 20b 단위 촉매체
25 입자상 물질 (PM: Particulate Matter)
30 밀봉 소재

Claims (4)

  1. 상면, 하면, 좌측면 및 우측면의 평판들이 연결되고 전방 및 후방이 관통되는 상자형으로 2 이상의 단위 촉매체 (20)가 전후로 배치되도록 구성되는 선택적 촉매 환원 반응용 촉매 모듈 케이스 (10)로서, 상기 전후의 단위 촉매체는 미세한 가스 유동 병렬 통로를 가지는 담체로 구성되고, 상기 전후의 단위 촉매체가 가스 유동 방향으로 순차적으로 배치되되 서로 접촉되지 않도록 상기 상면, 하면, 좌측면 또는 우측면의 평판에 접촉방지수단이 구비되는 것을 특징으로 하는, 촉매 모듈 케이스 (10).
  2. 제1항에 있어서, 상기 접촉방지수단은 한 쌍의 걸림편 (15) 또는 걸림턱 (150)인 것을 특징으로 하는, 촉매 모듈 케이스 (10).
  3. 제2항에 있어서, 상기 걸림편은 길이방향으로 한 쌍 이상 형성될 수 있는, 촉매 모듈 케이스 (10).
  4. 제2항에 있어서, 상기 걸림턱은 길이방향에 직교하는 방향으로 하나 이상 형성될 수 있는, 촉매 모듈 케이스 (10).
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