KR101969877B1 - 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템 - Google Patents

고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템 Download PDF

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Abstract

고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템이 개시되어 있다.
개시된 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템은 아스콘을 제조하는 공정 중에 발생하는 대기오염물질을 제거하기 위한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템으로, 베이스 상에 고정 설치되며, 측면에 공기가 유입되는 제1 유입포트; 연료가스와, 유해가스, 부생가스 및 수증기가 유입되는 제2 유입포트;를 갖는 유입챔버; 상기 유입챔버의 내측 상부에 마련된 채, 유입챔버로부터 상승되는 가스를 혼합시켜주는 혼합부; 상기 유입챔버와 연통되게 적층되며, 그 내부에는 혼합가스를 촉매반응에 의해 연소시키기 위한 고온 연소촉매가 충진된 연소촉매부; 상기 연소촉매부의 상부에 연통되게 적층되며, 상기 촉매반응을 위해 열원을 제공하는 점화수단이 마련된 점화부; 상기 점화부의 상부에 적층되되, 그 내부에 상기 점화부와 연통되어 고온의 연소가스가 통과되는 다수의 열교환 파이프와, 상기 열교환 파이프를 냉각시켜주기 위한 냉매가 내장된 열교환부; 그리고 상기 열교환부의 상부에 연통되게 적층되어, 상기 열교환부를 통과한 냉각된 연소가스를 외부로 배출시켜주는 배기부;를 포함하며, 상기 유입챔버의 저면에는, 유입챔버로 유입된 상기 수증기가 유입챔버의 내부온도에 의해 상변화된 응축수를 외부로 배출하기 위한 응축수 배출포트가 마련된 것을 더 포함하는 것이다.

Description

고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템{Atmospheric environment purification system for ascon production using high temperature combustion catalyst}
본 발명은 아스콘을 제조하는 공정 중에 발생하는 유해물질을 제거하기 위한 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템에 관련한 것으로, 자세하게는 유해물질 및 부생가스의 처리능력이 우수한 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템에 관한 것이다.
일반적으로 아스콘(asphalt-concrete)은 자갈 또는 쇄석 등과 같은 골재와, 첨가제, 그리고 원유의 분류시에 남는 찌꺼기인 아스팔트를 일정한 조건하에서 가열하고 혼합하여 제조되는 것으로 각종 도로포장 등의 재료로 널리 사용된다.
아스콘의 생산은 많은 양의 골재와 함께 아스팔트 원료가 200℃ 온도에서 혼합이 되어 제조된다. 아스팔트는 석유를 정제한 다음 발생 되는 석유제품으로 많은 양의 휘발성 유기화합물(VOCS)을 포함하고 있다.
이러한 아스팔트와 골재를 일정한 온도에서 일정시간 혼합하게 되면 아스콘이 제조되는데, 이때 많은 양의 유기화합물이 열로 인해 증발하게 되고, VOCS 형태로 대기중으로 배출된다. 이것은 악취 및 미세먼지의 주범으로 반드시 처리되어야 할 대기유해가스이다.
또한, 아스콘 생산과정에서 부생가스로 일산화탄소 및 수소가 발생된다. 이것은 수성가스전환반응(Water Gas Shift reaction: WGS)에 의한 것으로, 아스콘 제조시 사용되는 원료로 인한 것이라고 추정된다.
아스콘 제조시 사용되는 주원료는 아스팔트와 골재인데, 아스팔트는 WGS 반응에서 필요한 탄소성분을 제공하고, 야적된 상태의 골재 속 수분은 WGS 반응에서의 수증기를 제공한다. 또한, 골재 속에 포함된 철분은 WGS 반응의 촉매 역할을 하고, 아스콘 생산을 위한 드럼은 WGS 반응기 역할, 아스콘 제조를 위한 200℃ 정도의 열공급은 WGS 반응을 위한 활성화에너지 역할을 한다.
이에 따라, 아스콘 제조시 많은 양의 수소와 일산화탄소가 발생되는데, 수소는 약 10~20% 정도이고, 일산화탄소는 100~1,500ppm 정도 발생된다. 아울러 많은 양의 수증기 또한 발생하여 일반 연소방식의 RTO(Regenerative Thermal oxidizer)나 RCO(Regenerative Catalytic oxidizer) 시스템을 적용하기에는 부적절하다. 그 이유는 폭발성이 강한 수소가스는 RTO나 RCO 시스템처럼 밀폐형 연소방식에서 처리하게 되면 폭발의 위험성이 있으며, 또한 많은 양의 수증기는 RTO나 RCO 시스템의 열효율에 역효과를 주는 물질이기 때문이다.
문헌 1 : 등록특허공보 제10-1485776호(2015.01.19 등록) 문헌 2 : 등록특허공보 제10-1164550호(2012.07.04 등록)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 아스콘 생산 과정에서 발생되는 유해물질 및 부생가스를 총괄적으로 제거할 수 있는 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 아스콘을 제조하는 공정 중에 발생하는 대기오염물질을 제거하기 위한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템으로, 베이스 상에 고정 설치되며, 측면에 공기가 유입되는 제1 유입포트; 연료가스와, 유해가스, 부생가스 및 수증기가 유입되는 제2 유입포트;를 갖는 유입챔버; 상기 유입챔버의 내측 상부에 마련된 채, 유입챔버로부터 상승되는 가스를 혼합시켜주는 혼합부; 상기 유입챔버와 연통되게 적층되며, 그 내부에는 혼합가스를 촉매반응에 의해 연소시키기 위한 고온 연소촉매가 충진된 연소촉매부; 상기 연소촉매부의 상부에 연통되게 적층되며, 상기 촉매반응을 위해 열원을 제공하는 점화수단이 마련된 점화부; 상기 점화부의 상부에 적층되되, 그 내부에 상기 점화부와 연통되어 고온의 연소가스가 통과되는 다수의 열교환 파이프와, 상기 열교환 파이프를 냉각시켜주기 위한 냉매가 내장된 열교환부; 그리고 상기 열교환부의 상부에 연통되게 적층되어, 상기 열교환부를 통과한 냉각된 연소가스를 외부로 배출시켜주는 배기부;를 포함하며, 상기 유입챔버의 저면에는, 유입챔버로 유입된 상기 수증기가 유입챔버의 내부온도에 의해 상변화된 응축수를 외부로 배출하기 위한 응축수 배출포트가 마련된 것을 더 포함하는 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유입챔버와 연소촉매부 사이에 개입되어, 상기 혼합부에 의해 혼합된 반응물질을 재차 혼합시켜주는 재혼합부재를 더 포함하되, 상기 재혼합부재는 메쉬(mesh)형으로 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2 유입포트는, 상기 제1 유입포트과 마주하거나 또는 직각을 이루도록 배치되며, 대기오염물질, 부생가스 및 수증기를 포함하는 반응물질이 유입되는 반응물질 유입관; 출구측이 상기 반응물질 유입관의 내부로 나란하게 삽관되어 연료가스가 유입되는 연료가스 유입관;으로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 유입포트와 제2 유입포트는 상하방향으로 위치차를 갖도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 점화부의 내부에는 구배판이 설치되되, 상기 구배판의 하단은 점화부의 일측 내면에 밀착되게 설치되고, 상단은 점화부의 타측 내면에 이격되게 설치되어, 이격된 부분은 연소가스의 통로가 되고, 밀착된 부분은 이격된 부분을 통과하는 연소가스로부터 발생되는 응축수가 포집되는 포집공간이 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 열교환부의 일측 하부에는 상기 열교환부의 내부로 냉매를 주입하기 위한 냉매주입포트가 마련되고, 상기 열교환부의 일측 상부에는 열교환부 내의 냉매를 외부로 배출하기 위한 냉매배출포트가 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 열교환부와 배기부 사이에 배치되어, 연소가스 내에 포함된 유해물질을 흡착하는 흡착부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 배기부는, 상기 열교환부에 의해 열교환된 연소가스를 재차 공냉시켜 주는 공냉챔버; 상기 공냉챔버의 상부에 결합되는 배기구;로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 점화수단은 스파크형 점화봉, 파일럿 버너, 전기히터 중 어느 하나로 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 고온 연소촉매는 전이금속을 갖는 헥사 알루미네이트계 촉매로 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전이금속은 망간, 코발트, 철 또는 크롬 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 고온 연소촉매는 전이 금속, 알칼리 토금속 및 질산염 알루미늄을 함유하되, 상기 알칼리 토금속은 칼슘, 스트론튬, 바륨 또는 라듐 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전이 금속/알칼리 토금속/질산염 알루미늄의 몰 비는 (1-x)/(1-y)/11이되, 상기 x는 0.1 내지 0.5 범위의 수이고, 그리고 y는 0.1 내지 0.5 범위의 수로 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 연소촉매부의 열효율은 90% 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 반응물질에 포함된 휘발성 유기화합물(VOCS)의 처리효율은 99% 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 아스콘 생산 과정에서 발생되는 대기오염물질과 부생가스를 안정적으로 처리할 수 있으며, 폭발위험성 또한 거의 없어서 안정성이 확보된 시스템이다.
또한, 귀금속이 포함되지 않고, 고온에서 우수한 내구성을 가지며, 비교적 저렴한 전이 금속 성분으로 구성된 고온 연소촉매를 사용함에도 희박연소/완전연소/이론연소가 가능하여 일산화탄소의 발생이 거의 없을 뿐만 아니라 휘발성 유기화합물(VOCS) 발생 또한 거의 없어서 친환경적이고, 경제적이며, 열효율이 높다는 장점이 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템의 개념도
도 2는 본 발명에 따른 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템의 상세 사시도
도 3은 본 발명에 따른 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템의 정단면도
도 4는 본 발명에 따른 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템의 계통도
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템의 상세 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템의 정단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템의 계통도이다.
본 발명은 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템(이하 '대기환경 정화시스템'으로 약칭함,100)은 아스콘 제조설비에 연결되어, 아스콘 제조시 발생되는 대기오염물질을 여과하여 청정가스만이 외부로 반출되도록 하는 일종의 필터링 시스템으로서, 이러한 대기환경 정화시스템(100)은 도 1에서와 같이, 유입챔버(120)의 일측으로 신선한 공기가 유입되고, 타측으로는 아스콘 제조시 발생되는 대기오염물질인 유해가스 및 부생가스, 그리고 연료가스가 유입되어 유입챔버의 내부에서 혼합된다.
혼합가스는 유입챔버(120)의 위쪽에 배치되는 연소촉매부(140)에서 촉매반응에 의해 연소되고, 연소가스는 열교환부(160)에서 냉각된 후 배기부(170)로 최종 배출되는 과정을 거치게 된다. 이 과정을 통해 배기부(170)에서 배출되는 가스는 유해물질이 모두 제거된 청정가스가 되는 것이다.
이러한 대기환경 정화시스템(100)을 도 2 및 3을 통해 보다 상세하게 설명한다.
상기 대기환경 정화시스템(100)은 베이스(110), 유입챔버(120), 혼합부(130), 연소촉매부(140), 점화부(150), 열교환부(160) 및 배기부(170)를 포함할 수 있다.
상기 유입챔버(120)는 상기 베이스(110) 상에 결합된 채, 공기, 유해가스, 부생가스 및 연료가스를 유입하는 역할을 하는 것으로, 일측면에는 공기가 유입되는 제1 유입포트(121)가 마련되고, 타측면에는 아스콘 제조설비와 직접 또는 간접적으로 연결되어 제조설비에서 발생되는 유해가스(휘발성 유기화합물, 황화합물, 암모니아 화합물, 할로겐화합물 등), 부생가스, 수증기 및 연료가스가 유입되는 제2 유입포트(122)가 마련될 수 있다.
여기서, 상기 제2 유입포트(122)는 유해가스 및 부생가스가 유입되는 유해가스 유입관(122a)과, 미세관 형태로 되며, 출구측이 상기 유해가스 유입관의 내부로 나란하게 삽관되어 연료가스가 유입되는 연료가스 유입관(122b)으로 구성될 수 있다. 이렇게 유해가스 유입관(122a)과 연료가스 유입관(122b)의 배출방향이 동일하도록 나란하게 구성됨에 따라 유해가스와 연료가스가 혼합된 상태로 원활하게 공급될 수 있다.
상기 제1 유입포트(121)와 제2 유입포트(122)는 가스유입부(120)의 측면에 마주하거나 또는 직각을 이루도록 배치될 수 있으며, 마주하게 배치되는 경우에는 상하방향으로 위치차를 갖도록 배치함으로써 두 유입포트로부터 배출되는 가스가 충돌됨으로 인해 원활한 유입이 방해되는 것을 방지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 유입챔버(120)의 저면에는 유입챔버로 유입된 수증기를 유입챔버의 내부온도에 의해 응축되어 상변화되는 응축수를 외부로 배수하기 위한 응축수 배출포트(123)가 마련될 수 있다. 여기서, 상기 응축수 배출포트(12)는 밸브에 의해 개폐가 제어될 수 있다.
상기 혼합부(130)는 상기 유입챔버(120)의 내부 상측에 마련된 채, 상기 유입챔버로부터 상승되는 유해가스, 부생가스 및 연료가스를 1차적으로 혼합시켜주는 역할을 하는 것으로, 본 실시예에서 상기 혼합부(130)는 철실이 얼기설기 엉켜있는 철수세미와 같은 형태로 될 수 있다. 이 경우, 유해가스, 부생가스 및 연료가스가 철수세미의 불규칙한 유로를 통과하면서 혼합이 이루어지게 된다.
연소촉매부(140)는 촉매연소를 위한 것으로, 상기 유입챔버(120)와 연통되게 적층되며, 그 내부에는 상기 혼합부(130)에 의해 혼합된 혼합가스를 촉매반응에 의해 연소시키기 위한 고온 연소촉매(141)가 충진될 수 있다.
상기 연소촉매부(140)의 부피는 고온 연소촉매(141)의 충진량에 따라 가변적이나 100~500리터(ℓ)가 적당하다.
실험결과, 상기 연소촉매부(140)의 열효율은 90% 이상이 될 수 있 수 있으며, 연소촉매부(140)에서 배출되는 CO량은 10ppm 이하이고, 연소촉매모듈(140)에서 배출되는 NOX 양은 100ppm 이하이며, 부생가스 및 유해가스의 처리 효율은 99% 이상이다. 이는 표 1에서 확인할 수 있다.
상기 고온 연소촉매(141)는 알갱이 형태 즉, 펠릿형태를 이룰 수 있으나, 원통형, 원기둥형, 구형, 육면체형 등도 적용될 수 있다. 이들은 모두 기공을 형성될 수 있으며, 기공이 형성되면, 연료가스의 확산방지 및 차압을 받지 않게 되므로 연료가스가 특정부위로 편중되지 않고 일정하게 통과하게 된다.
바람직하게, 상기 펠릿의 크기는 2 ~ 5mm가 적절하다. 펠릿의 크기가 이 범위보다 크면 펠릿과 펠릿 사이의 기공이 커지게 되어 연소효율이 저하되고, 반면 펠릿의 크기가 이 범위보다 작으면 기공이 작아지게 되어 연소가스의 통과율이 저하되므로 연소촉매부(120)의 점화불꽃이 상기 혼합부(130)로 플래시 백(flash back)되는 문제점이 발생하므로 상기 크기범위를 준수해야 한다.
한편, 상기한 고온 연소촉매(141)는 아래의 공정을 통해 대량생산이 가능하다.
즉, 질산염 전이 금속, 질산염 알칼리(alkali) 토금속 및 질산염 알루미늄(aluminum)을 함유하는 금속 전구체 용액이 제조된다. 질산염 전이 금속/질산염 알칼리 토금속/질산염 알루미늄의 몰 비는 (1-x)/(1-y)/11이되, 여기서 x는 0.1 내지 0.5 범위의 수이고, 그리고 y는 0.1 내지 0.5 범위로 될 수 있다. 질산염 전이 금속은 망간, 코발트, 철 또는 크롬 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 질산염 알칼리 토금속은 칼슘, 스트론튬, 바륨 또는 라듐 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 금속 전구체 용액을 제조하는 것은 질산염 전이 금속, 질산염 알칼리 토금속 및 질산염 알루미늄을 증류수에 용해하는 것일 수 있다.
침전 용액이 제조된다. 침전 용액을 제조하는 것은 요소를 증류수에 교반하는 것일 수 있다. 침전 용액에서의 요소의 농도는 금속 전구체 용액에서의 금속 전구체의 농도의 12배일 수 있다.
금속 전구체 용액 및 침전 용액을 혼합하여, 혼합 용액이 제조되면, 혼합 용액을 90~100 ℃로 승온시키고, 그리고 10~48 시간 유지시켜 침전 반응이 일어나도록 한다. 혼합 용액을 침전 반응시키는 것은 균일 용액 침전법을 이용할 수 있다.
침전 반응에 의해 형성된 침전물 슬러리(slurry)는 여과되어, 혼합 용액으로부터 분리된다. 침전물 슬러리를 여과하여 분리된 혼합 용액은 침전 용액을 제조하는 것에 재활용될 수 있다. 침전물 슬러리가 수세된다.
수세된 침전물 슬러리에 있는 수분을 제거하기 위해 건조가 수행된다. 수세된 침전물 슬러리를 건조하는 것은 100~150℃ 범위의 온도에서 건조하는 것일 수 있다.
건조된 침전물 슬러리에 잔존하는 수분을 제거하기 위해 1,000~1,500 ℃에서 소성이 수행된다. 소성된 침전물 슬러리는 헥사알루미네이트 구조를 가지되, 5~150 m2/g 범위의 비표면적을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 고온 연소촉매의 제조 방법에 적용된 균일 용액 침전법은 다른 침전법과 달리 공정이 간편하고, 대량 생산을 위한 공정 설계가 용이하다. 일반적인 촉매 제조 방법으로 널리 사용되고 있는 공침법은 촉매를 합성하기 위한 침전제로 탄산나트륨(Na2CO3)이나 수산화나트륨(NaOH) 등과 같은 염기성 물질을 사용하며, 금속 전구체는 금속 질산염 등과 같은 산성 물질을 사용한다. 이 두 물질의 산중화 반응에서 생성되는 염을 사용하여 촉매로 이용하게 된다. 이 과정에서 pH 조절이 촉매의 물성과 성능을 결정짓는 중요한 요소 중 하나이다. 그러나 pH 조절 속도를 맞추는 것은 비교적 어려운 공정이며 까다로운 공정이다 이러한 공정으로 인해 동일한 품질의 촉매를 대량으로, 그리고 반복적으로 제조하는 것은 비교적 어렵다.
본 발명에 따른 고온 연소촉매의 제조 방법에 사용된 균일 용액 침전법은, 이러한 pH 조절 문제를 해결하면서 대량으로, 그리고 반복적으로 동일한 품질의 고온 연소 촉매를 제조할 수 있다. 균일 용액 침전법에서 침전제로 사용되는 요소는 90~100℃ 사이에서 암모니아(NH3)와 탄산가스(CO2)로 분해되어 금속 전구체들과 반응하게 된다. 이때, 용액 전체에서 침전 반응이 균일하게 나타나며, pH는 자연적으로 7을 유지하게 된다 수산화나트륨 등을 침전제로 이용한 공침법에서는, 침전제가 투입되는 곳에서만 먼저 침전 반응이 국부적으로 일어나면서 순간적으로 그 부위만 높은 pH가 나타나므로 강한 교반이 필요하고, 균일성을 보장하기 힘들기 때문에, 동일한 품질의 촉매를 생산하기 어려운 단점이 있다. 반면에, 균일 용액 침전법은 이러한 문제점을 해결할 수 있으므로, 동일한 품질의 고온 연소 촉매를 비교적 간단히 생산할 수 있다.
여과 및 수세 공정에서, 수산화나트륨 등을 침전제로 이용한 공침법의 경우, 침전물 슬러리 속에 남아있는 소듐(Na) 또는 질산염 등과 같은 불순물들을 제거하여 하는데, 이 불순물들은 다량의 증류수로 용해 시켜야만 제거된다. 이 불순물들은 촉매의 물성과 성능을 저하하는 원인으로 작용하므로, 여과 및 수세 공정을 엄격히 실시해야한다. 이때 사용되는 증류수 양이 촉매를 합성할 때 사용되는 증류수보다 3~4 배 이상 사용된다. 반면, 균일용액 침전법에서 생성되는 불순물들은 질산암모늄(NH4NO3)이나 미 반응된 요소이며, 이 불순물들은 소량의 증류수에도 잘 용해되어 제거가 용이하며, 열에 의해서도 제거가 가능하다. 그래서 균일 용액 침전법은 일반적인 공침법보다 불순물에 의한 촉매의 물성 및 성능 저하 현상이 거의 나타나지 않으며, 이러한 공정 상의 간편성으로 인해 공정 비용이 적게 들 수 있다.
또한, 침전 반응이 끝난 후, 여과 공정에서 생성되는 폐수의 대부분은 미 반응된 요소이므로 침전제 역할을 하는 침전 용액으로 재사용이 가능하다. 침전 반응에서 과량으로 사용되는 침전 용액 중 전구체 농도와 동일한 요소만 침전 반응에 사용되며 나머지 요소는 그대로 남게 된다. 과량의 요소를 사용하게 되는 이유는 침전 반응속도를 정반응 쪽으로 원활하게 진행시키기 위해서이다. 그래서 침전 용액 중 일부만 사용되고 나머지는 그대로 여과액으로 나오게 된다. 여과액에 이론적으로 사용된 요소 양만 추가하여 사용하면 다시 침전 용액으로 재활용이 가능하다.
그리고, 수세 공정 또한 기존의 공침법에 비해 간편하다. 그 이유는 여과 공정 후 침전물에 남은 불순물은 반응후 생성된 질산암모늄 형태로 남아 있는데, 질산암모늄 또한 용해도가 높으며, 반응에 사용된 증류수의 절반 정도만 사용하여도 충분히 제거가 되며, 건조 및 소성 공정에서도 완전한 제거가 가능하다. 또한, 여기서 생성되는 소량의 폐수 또한 재사용이 가능하다. 그래서 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 연소촉매의 제조 방법은 폐기되는 폐액이 거의 없는 무공해 제조 방법이라고 할 수 있다.
건조 및 소성 공정에서, 침전물 슬러리의 건조는 약 100℃에서 10시간 이상 진행하여 잔존 수분을 제거한다. 그리고 소성 공정에서는 1,000℃ 이상으로 약 1 시간 이상 소성을 유지함으로써, 고온에서도 성능 및 내구성을 유지할 수 있는 고온 연소 촉매가 제조될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 고온 연소촉매의 제조 방법을 보다 상세히 설명한다.
1. 금속 전구체 용액 제조
금속 전구체로 망간(Mn), 바륨(Ba), 알루미늄을 질산염의 형태인 질산염 망간(Mn(NO3)2·6H2O), 질산염 바륨(Ba(NO3)2), 질산염 알루미늄(Al(NO3)3·9H2O) 시약들이 사용되었다 고온 연소촉매의 성분비인 망간/알루미늄/바륨은 1/10/1의 몰(molar) 비로 증류수에 용해시킨다.
2. 요소 용액 제조
요소 또한 증류수에 교반을 시켜 요소 용액이 제조된다. 요소 용액의 농도는 금속 전구체 농도의 약 12배로 한다.
3. 혼합
앞서 제조된 같은 용량의 금속 전구체 용액 및 요소 용액은 합성 반응기에서 혼합되어 혼합 용액이 형성된다. 혼합 용액은 고르게 잘 교반된다.
4. 침전 반응
합성 반응기의 온도는 약 95℃로 승온을 하고, 혼합 용액은 24 시간 이상 강하게 교반되면서 유지된다.
5. 여과
이러한 균일 용액 침전법으로 침전된 침전물 슬러리에 남아있는 질산암모늄 및 미 반응된 소량의 요소와 금속전구체인 불순물 및 물을 제거하기 위해서 여과 공정이 실시된다. 부후너 깔때기(Buchner funnel)에 필터(filter)를 설치를 한 다음, 침전물 슬러리를 투입시켜 필터에 걸러진 침전물 슬러리와 폐액으로 분리된다. 그리고 폐액은 다시 사용될 요소(금속 전구체 농도가 1M이면, 요소 또한 1M에 해당하게 첨가)를 첨가하여 요소용액으로 재활용될 수 있다.
6. 수세
폐액을 분리한 다음, 침전물 슬러리에 소량의 증류수를 통과시키는 것에 의해 침전물 슬러리 속에 남아 있는 질산암모늄이 제거된다. 그리고 여기서 생성된 폐액 또한 보관하여 차후 고온 연소 촉매를 제조할 때 다시 수세공정에 투입이 가능하다.
7. 건조 및 소성
불순물 및 물이 제거된 침전물 슬러리의 내부에 잔존하는 수분을 완전히 제거하기 위해서 약 100 ℃의 건조 오븐에서 약 10 시간 이상 건조 공정이 수행된다. 그 후 최종 상품인 고온 연소촉매를 제조하기 위해서 건조된 침전물 슬러리는 1,200℃로 약 3℃/min의 승온 속도로 승온되어 다음 약 6 시간 동안 유지된다.
상기 고온 연소촉매는 연료가스의 연소반응과 동시에 유해가스의 분해/연소 반응을 일으키는 역할을 한다. 특히 고온 연소촉매의 활성점에 해당되는 부분에서 연소반응과 분해반응이 동시에 일어나는데, 이 반응은 강한 발열반응이므로 많은 양의 열이 발생한다. 예를 들어 유해가스가 톨루엔인 경우, 1kg의 양이 고온 연소촉매에서 처리될 때 약 9,665kcal의 열이 발생하게 된다. 또한, 연료가스가 LNG인 경우, 1Nm3의 양이 고온 연소촉매에서 연소될 경우 약 10,200kcal의 열이 또한 발생하게 된다. 이것은 고온 연소촉매에서 연료가스와 유해가스 및 부생가스가 동시에 처리되고 그 열량 또한 연료가스와 유해가스 및 부생가스의 열량을 합한 것과 같다. 따라서, 유해가스 및 부생가스의 농도가 높을수록 연료가스의 양이 적게 투입되므로 연료를 절약할 수 있다는 장점을 갖게 된다.
상기 연소촉매부(140)에서의 촉매효율을 높이기 위한 최적의 조건은, 상기 연소촉매부에 대한 혼합가스의 공간속도(GHSV)가 1,000 ~ 30,000 h-1라고 할 때, 상기 연소촉매부(140)의 부피는 1~15ℓ이고, 상기 고온 연소촉매(141)의 밀도는 0.5~1 g/㎖ 이며, 고온 연소촉매(141)의 공극률(고온 연소촉매 전체 용적에 대한 공간용적의 비율)은 0.3~0.5%로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 연소촉매부(140)의 토출측 압력강하율을 20% 이내로 유지할 수 있게 된다.
아래의 표 1은 아스콘 생산과정에서 발생되는 대기오염물질 중 VOCs 처리능력을 나타낸 것이며, VOCs 농도는 연소촉매부(140)를 통과 전과 통과 후를 비교 측정한 것이다. 그 결과, 본 발명의 시스템은 VOCs를 거의 99.99% 이상 제거되었음을 알 수 있다.
측정 횟수 통과 전 VOCs 농도(ppm) 통과 후 VOCs 농도(ppm) 처리효율(%)
1 12.70 0.00 99.99
2 12.77 0.00 99.99
3 11.44 0.00 99.99
4 16.87 0.00 99.99
아래의 표 2는 아스콘 생산과정에서 발생되는 부생가스가 본 발명에 따른 연소촉매부(140)를 통과하기 전과 통과한 후의 소멸량을 비교한 것으로, 3회에 걸쳐 실험한 결과값이다.
결과값에 따르면, 일산화탄소(co), 질소산화물(NOx), 아황산가스(SO2) 등의 부생가스가 현저히 줄거나 또는 완전히 제거된다는 것을 알 수 있었다.
시료명 O2(%) CO(ppm) NOx(ppm) SO2(ppm)
1회 IN 13.4 362.5 64.5 6.5
OUT 5.9 4.5 57 0
2회 IN 12.6 187 108 8
OUT 2.8 3.5 99 0
3회 IN 13.8 1173 70.7 18.7
OUT 3.5 3 64 0
한편, 본 발명에 따른 대기환경 정화시스템(100)은 상기 유입챔버(120)와 연소촉매부(140) 사이에 개입되어, 상기 혼합부(130)에 의해 혼합된 혼합가스를 재차 혼합시켜주는 재혼합부재(190)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에서 상기 재혼합부재(190)는 메쉬(mesh)형태로 될 수 있다.
점화부(150)는 상기 연소촉매부(140) 상부에 연통되게 적층되며, 연소반응을 위해 열원을 제공하는 점화수단(151)이 마련된다. 여기서 점화수단은 스파크형 점화봉, 파일럿 버너, 전기히터 중 어느 하나가 적용될 수 있다. 이 중, 예열시 전기히터가 적용될 경우, 초기화염이 전혀 발생하지 않게 된다.
한편, 상기 점화부(150)의 내부에는 구배판(152)이 설치될 수 있다. 상기 구배판(152)의 하단은 점화부(150)의 일측 내면에 밀착되게 설치되고, 상단은 점화부(150)의 타측 내면과 이격되게 설치된다.
따라서, 이격된 부분으로는 연소가스의 통로가 되고, 상기 밀착된 부분은 이격된 부분을 통과하는 연소가스로부터 발생되는 응축수가 포집된다. 이로써, 응축수가 고온 연소촉매로 낙수되는 것을 방지할 수 있어서 연소효율을 보다 높일 수 있게 된다.
또한, 상기 점화부(150)의 일 측면에는 연소촉매부(140) 내의 연소상태를 육안으로 확인할 수 있는 관찰창(153)이 마련될 수 있다.
열교환부(160)는 고온의 연소가스를 냉각시키기 위한 것으로, 상기 점화부(150)의 상부에 적층되되, 그 내부에 상기 점화부(150)와 연통되어 고온의 연소가스가 배출되는 다수의 열교환 파이프(161)가 수직상으로 설치되며, 상기 열교환 파이프를 냉각시키기 위한 냉매(162)가 내장될 수 있다.
따라서, 상기 열교환 파이프(161)를 통과하는 고온의 연소가스는 냉매에 의해 열교환되면서 냉각된다. 이 과정에서 냉매는 열교환작용에 의해 고온화 되는데, 고온화된 냉매는 회수하여 활용할 수 있다.
상기 열교환부(160)의 측면에는 고온화 된 냉매(예컨대, 물)를 외부로 인출하기 위한 냉매배출포트(163)가 마련되어 온수로 활용할 수 있으며, 냉매를 보충하기 위한 냉매주입포트(164)도 마련될 수 있다.
또한, 상기 열교환부(160)의 하우징 내면에는 오염방지를 위하여 내오염 코팅제가 코팅되는 것이 바람직하다.
상기 코팅제는 폴리올 20~30중량%, 플루오르알콜 또는 실란올 중에서 선택되는 하나 이상의 기능성 알콜 15~20중량%, 이소시아네이트 15~25중량%, 블록화제 5~8중량%, 체질안료 20~40중량%, 아민 단량체 3~10중량%, 첨가제 1~3중량% 및 유기금속 촉매 1~3중량%가 포함될 수 있다.
상기 폴리올은 조성물에 인장강도, 인열강도, 내마모성 등의 기능을 부여하기 위하여 첨가되는 물질로서, 바람직하게는 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리부틸렌 글리콜 및 폴리이소프렌 글리콜로 이루어진 군으로부터 하나 이상을 선택할 수 있다. 이 때, 상기 폴리올이 조성물 전체 중량에 대하여 20중량% 미만으로 포함시에는 조성물의 점도상승으로 인한 작업성이 떨어지고 30 중량%를 초과하여 포함하는 경우에는 경화에 의하여 형성된 도막의 기계적 물성이 현저하게 떨어져 작업성 및 도막 강도의 저하를 가져올 수 있으므로, 20 내지 30 중량%의 범위로 포함되도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에서는, 상기 폴리올은 KPX 케미칼사의 PP-3000 및 GP-4000을 혼합하여 사용하였다.
상기 기능성 알콜은 플루오르알콜 또는 실란올 중에서 선택되는 하나 이상의 알콜류로서, 폴리우레아 조성물에 내마모성, 내후성, 내오염성을 부여하기 위하여 첨가된다. 따라서 상기 기능성 알콜이 포함됨으로써 조성물에 난연성을 부여됨은 물론이고 내열성, 내한성, 내후성 및 내노화성 등의 기계적 물성을 현저하게 향상시킬 수 있다.
상기 기능성 알콜 중 플루오르 알콜은 플루오르알킬기(CnF2n+1)의 말단에 OH가 결합된 구조를 갖는 화합물로서, 구체적인 예를 들면 2,2,2-트리플루오르에탄올, 2,2,3,3-테트라플루오르-1-프로판올, 2,2,3,3,3-펜타플루오르-1-프로판올, 2,2,3,4,4,4-헥사플루오르-1-부탄올, 2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오르-1-부탄올, 2,2,3,3,4,4,5,5-옥타플루오르-1-펜탄올, 2,2,3,3,4,4,5,5,5-노난플루오르-1-펜탄올, 2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8-펜타데카플루오르-1-옥탄올, 4-플루오르-α-메틸벤질 알콜을 사용할 수 있다. 또한 상기 기능성 알콜 중 실란올은 트리메틸실란올, 트리페닐 실란올, 메틸 페닐 비닐 실란올, 에틸 벤질 비닐 실란올, 디부틸 비닐 실란올, 프로필 페닐알릴 실란올, 에틸 벤질 알릴 실란올 중 선택되는 하나 이상의 실란올 단량체로서 순도가 80~100%인 것을 사용할 수 있다.
이때, 상기 기능성 알콜은 조성물 전체 중량에 대하여 15~20 중량% 범위로 포함되도록 한다. 15 중량% 미만으로 포함시 본 발명에서 요구되는 내후성, 내오염성 및 기계적 물성의 부여 효과가 미미하고, 20 중량%를 초과하여 포함하는 경우에는 점도가 상승하고, 상대적으로 다른 조성물의 함량이 적어지므로 원하는 물성을 얻기가 어렵게 되는 문제점이 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기능성 알콜은 Aldrich사의 순도가 98~100%인 4-플루오르-a-메틸벤질 알콜 또는 순도 80~100%의 트리메틸 실란올을 단독 또는 혼합하여 사용하였다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 이소시아네이트는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 트라이머(HDT), 이소포론 디이소시아네이트 (Isophorone Diisocyanate,IPDI), 시클로헥실메탄디이소시아네이트(Cyclohexylmethanediisocyanate, H12MDI), 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(Methylene Diphenyl Diisocyanate, MDI) 및 톨루엔 디이소시아네이트(Toluene Diisocyanate, TDI) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 이소시아네이트 혹은 NCO 함량이 높아질수록 경도가 높아지거나 반응 조절이 어려우므로 상기 이소시아네이트의 NCO 함량은 5~10%인 것이 바람직하다. 또한 상기 이소시아네이트의 함량은 15~25 중량%로 포함시키는 것이 바람직한 바, 상기 이소시아네이트가 15 중량%미만으로 포함되면 조성물의 점도가 높아지고 기계적 물성이 저하되는 문제점이 있으며, 25 중량%를 초과하는 경우에는 조성물의 점도가 낮아지며 접착력이 낮아지고 경도가 증가되어 바람직하지 않기 때문이다.
배기부(170)는 상기 열교환부(160)의 상부에 연통되게 적층되어, 상기 열교환부를 통과한 냉각된 연소가스를 외부로 배출시키는 역할을 한다. 이러한 배기부(170)은 상기 열교환부(160)에 의해 열교환된 연소가스를 재차 공냉시키기 위한 공냉챔버(171)와, 상기 공냉챔버의 상부에 결합되는 배기구(172)로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 대기환경 정화시스템(100)은 도 2 내지 3에 도시된 바와 같이, 상기 열교환부(160)와 배기부(170) 사이에 배치되며, 연소가스 내에 포함된 유해물질을 흡착하는 흡착물질이 충진된 흡착부(180)를 더 포함할 수 있다.
상술한 실시 예는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 기재한 것이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명의 기술적인 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태로 변경하여 실시할 수 있음을 명시한다.
100 : 대기환경 정화시스템 110 : 베이스
120 : 가스유입부 130 : 혼합부
140 : 연소촉매부 150 : 점화부
152 : 구배판 160 : 열교환부
170 : 배기부 180 : 흡착부
190 : 재혼합부재

Claims (15)

  1. 아스콘을 제조하는 공정 중에 발생하는 대기오염물질을 제거하기 위한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템으로,
    베이스 상에 고정 설치되며, 측면에 공기가 유입되는 제1 유입포트; 연료가스와, 유해가스, 부생가스 및 수증기가 유입되는 제2 유입포트;를 갖는 유입챔버;
    상기 유입챔버의 내측 상부에 마련된 채, 유입챔버로부터 상승되는 가스를 혼합시켜주는 혼합부;
    상기 유입챔버와 연통되게 적층되며, 그 내부에는 혼합가스를 촉매반응에 의해 연소시키기 위한 고온 연소촉매가 충진된 연소촉매부;
    상기 연소촉매부의 상부에 연통되게 적층되며, 상기 촉매반응을 위해 열원을 제공하는 점화수단이 마련된 점화부;
    상기 점화부의 상부에 적층되되, 그 내부에 상기 점화부와 연통되어 고온의 연소가스가 통과되는 다수의 열교환 파이프와, 상기 열교환 파이프를 냉각시켜주기 위한 냉매가 내장된 열교환부; 그리고
    상기 열교환부의 상부에 연통되게 적층되어, 상기 열교환부를 통과한 냉각된 연소가스를 외부로 배출시켜주는 배기부;를 포함하며,
    상기 유입챔버의 저면에는, 유입챔버로 유입된 상기 수증기가 유입챔버의 내부온도에 의해 상변화된 응축수를 외부로 배출하기 위한 응축수 배출포트가 마련된 것을 더 포함하는,
    고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유입챔버와 연소촉매부 사이에 개입되어, 상기 혼합부에 의해 혼합된 반응물질을 재차 혼합시켜주는 재혼합부재를 더 포함하되, 상기 재혼합부재는 메쉬(mesh)형으로 된 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 유입포트는,
    상기 제1 유입포트과 마주하거나 또는 직각을 이루도록 배치되며, 대기오염물질, 부생가스 및 수증기를 포함하는 반응물질이 유입되는 반응물질 유입관;
    출구측이 상기 반응물질 유입관의 내부로 나란하게 삽관되어 연료가스가 유입되는 연료가스 유입관;으로 구성된 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 유입포트와 제2 유입포트는 상하방향으로 위치차를 갖도록 배치된 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 점화부의 내부에는 구배판이 설치되되,
    상기 구배판의 하단은 점화부의 일측 내면에 밀착되게 설치되고, 상단은 점화부의 타측 내면에 이격되게 설치되어,
    이격된 부분은 연소가스의 통로가 되고, 밀착된 부분은 이격된 부분을 통과하는 연소가스로부터 발생되는 응축수가 포집되는 포집공간이 되는 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환부의 일측 하부에는 상기 열교환부의 내부로 냉매를 주입하기 위한 냉매주입포트가 마련되고, 상기 열교환부의 일측 상부에는 열교환부 내의 냉매를 외부로 배출하기 위한 냉매배출포트가 마련된 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환부와 배기부 사이에 배치되어, 연소가스 내에 포함된 유해물질을 흡착하는 흡착부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기부는,
    상기 열교환부에 의해 열교환된 연소가스를 재차 공냉시켜 주는 공냉챔버;
    상기 공냉챔버의 상부에 결합되는 배기구;로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 점화수단은 스파크형 점화봉, 파일럿 버너, 전기히터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 고온 연소촉매는 전이금속을 갖는 헥사 알루미네이트계 촉매인 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 전이금속은 망간, 코발트, 철 또는 크롬 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 고온 연소촉매는 전이 금속, 알칼리 토금속 및 질산염 알루미늄을 함유하되, 상기 알칼리 토금속은 칼슘, 스트론튬, 바륨 또는 라듐 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 전이 금속/알칼리 토금속/질산염 알루미늄의 몰 비는 (1-x)/(1-y)/11이되, 상기 x는 0.1 내지 0.5 범위의 수이고, 그리고 y는 0.1 내지 0.5 범위의 수인 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 연소촉매부의 열효율은 90% 이상인 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템.
  15. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    상기 반응물질에 포함된 휘발성 유기화합물(VOCS)의 처리효율은 99% 이상인 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 아스콘 생산용 대기환경 정화시스템.


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