KR102393713B1

KR102393713B1 - 매립가스를 연료로 하는 연소촉매버너를 포함하는 대기환경 정화시스템

Info

Publication number: KR102393713B1
Application number: KR1020210096635A
Authority: KR
Inventors: 김현준; 정유식; 이우원; 강성칠; 김문정; 박유리; 김재형
Original assignee: 주식회사 성광이엔텍; 수도권매립지관리공사
Priority date: 2021-07-22
Filing date: 2021-07-22
Publication date: 2022-05-06

Abstract

매립가스를 연료로 하는 연소촉매버너를 포함하는 대기환경 정화시스템이 개시되어 있다.
개시된 본 발명은 매립지에서 발생되는 매립가스와 악취가스를 송출하는 송출유닛; 상기 송출유닛으로부터 송출되어온 매립가스와 연소촉매의 촉매반응에 의해 상기 매립가스와 함께 송출되어온 악취가스를 연소시켜 제거하는 연소촉매버너;를 포함하되, 상기 연소촉매버너는, 하부에 상기 매립가스와 악취가스가 유입되는 유입포트가 마련된 하우징; 상기 하우징의 최하층을 형성하며, 상기 유입포트를 통해 유입되는 매립가스와 악취가스가 혼합되고, 일측에는 악취가스의 부족한 산소농도를 보충하기 위하여 공기가 투입되는 공기공급관이 마련된 악취가스 혼합부; 상기 하우징 내의 혼합부 상층에 혼합부와 연통되게 마련되며, 상기 혼합부에서 혼합된 혼합가스를 촉매반응에 의해 연소시키기 위한 연소촉매부; 상기 하우징 내의 연소촉매부 상층에 연소촉매부와 연통되게 마련되며, 상기 연소촉매부에서 촉매반응시 발생되는 반응열을 흡열하는 흡열부; 및 상기 하우징의 상층에 상기 흡열부와 연통되게 마련되어 흡열이 완료된 연소공기를 외부로 배기하는 배기포트;로 구성된 것을 포함하며, 상기 송출유닛은, 상기 매립지와 상기 혼합부를 연결하는 제1 연결관로; 상기 제1 연결관로 상에 설치되어, 상기 매립지에서 발생되는 악취가스를 상기 제1 연결관로를 통해 상기 혼합부로 압송하는 악취가스 송출팬; 상기 매립지와 상기 제1 연결관로의 악취가스 송출팬과 혼합부 사이구간을 연결하는 제2 연결관로; 상기 제2 연결관로 상에 설치되어 매립지에서 발생되는 매립가스를 청정한 에너지원으로 정제하는 전처리 모듈;로 구성됨을 더 포함하고, 상기 흡열부에서 흡열된 흡열에너지를 회수하고 상기 혼합부로 리사이클링하여 혼합가스를 예열하는 것을 더 포함하며, 상기 매립가스는 메탄 농도가 43%이고, 상기 악취가스의 양은 230 L/min이며, 상기 공기의 양은 400 L/min이며, 전체 가스 중 메탄의 농도는 5.06 내지 5.11인 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

매립가스를 연료로 하는 연소촉매버너를 포함하는 대기환경 정화시스템{Air purification system including combustion catalyst burner using landfill gas as fuel}

본 발명은 매립지의 매립가스 만을 연료로 하여 연소촉매버너를 가동시키고, 가동되는 연소촉매버너에 의해 매립지에서 발생되는 악취가스를 연소시켜 제거할 수 있도록 한 매립가스를 연료로 하는 연소촉매버너를 포함하는 대기환경 정화시스템에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이 고형폐기물의 가장 일반적인 처리방법은 매립하는 것이며, 이러한 매립지에서 발생하는 매립가스(Landfill gas: LFG) 또는 바이오가스(Bio-gas)는 환경적 측면에서 유해하지만, 매립가스 가운데 50~60%에 이르는 메탄(CH₄)이 함유되어 있어 이를 대체 에너지원으로 이용할 경우 환경적 문제 뿐만 아니라 에너지의 효율적 이용에 큰 효과을 얻을 수 있다.

이처럼, 매립지에서 발생되는 매립가스에는 가스연료로서 활용할 수 있는 메탄가스와 불활성가스인 이산화탄소가 매립가스의 90 mol% 이상을 차지하고, 기타 암모니아, 황화수소, 이산화황, 질소, 수분 등 미량의 유해성분을 포함하고 있다. 도시가스로 활용되고 있는 천연가스의 주성분이 메탄가스임을 감안할 때 다량의 메탄가스가 포함되어 있는 매립가스는 대체연료로서 검토될 수 있는 중요한 자원이라 할 수 있다.

매립가스의 메탄 농도는 매립지의 기온, 날씨, 가입, 매립된 폐기물의 종류에 따라 농도는 크게 변하게 된다. 예를 들어, 더운 여름 오후 2시경에는 가장 기온이 높은 시기인데, 이때는 매립가스의 메탄 농도가 최고로 높아질 수 있고, 추운 겨울 새벽에는 가장 기온이 낮은 시기이므로 매립가스의 메탄 농도는 매우 낮거나 매립가스 자체가 발생되지 않을 수 있다. 뿐만 아니라 매립가스에 포함된 이산화탄소는 소화성 가스로서 주로 소화기 연료로 사용되는 가스이므로 연소반응을 방해하는 가스 중 하나이다.

따라서, 매립가스 단독으로는 일반 화염 연소기의 연료로 사용할 수 없으며, 매립가스에는 메탄 및 이산화탄소 이외에 악취성분을 포함하고 있으므로 대부분 소각장에서 태워서 처리하고 있다.

문헌 1 : 등록특허공보 제1024969호(2011.03.18 등록) 문헌 2 : 등록특허공보 제1137996호(2012.04.12 등록) 문헌 3 : 등록특허공보 제1494177호(2015.02.11 등록)

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 매립지의 매립가스 만을 연료로 하여 연소촉매버너를 가동시키고, 가동되는 연소촉매버너에 의해 매립지에서 발생되는 악취가스를 연소시켜 제거할 수 있도록 한 매립가스를 연료로 하는 연소촉매버너를 포함하는 대기환경 정화시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 연소열을 흡열하는 흡열부를 마련하여, 흡열부에서의 폐열을 혼합부로 리사이클링 하여 혼합가스를 예열하는 용도로 활용하거나 또는 별도의 배출관을 통하여 열원이 필요한 곳에 공급할 수 있도록 한 매립가스를 연료로 하는 연소촉매버너를 포함하는 대기환경 정화시스템을 제공함에 있다.

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.

본 발명은 상기한 목적에 따라, 매립지에서 발생되는 매립가스와 악취가스를 송출하는 송출유닛; 상기 송출유닛으로부터 송출되어온 매립가스와 연소촉매의 촉매반응에 의해 상기 매립가스와 함께 송출되어온 악취가스를 연소시켜 제거하는 연소촉매버너;를 포함하되, 상기 연소촉매버너는, 하부에 상기 매립가스와 악취가스가 유입되는 유입포트가 마련된 하우징; 상기 하우징의 최하층을 형성하며, 상기 유입포트를 통해 유입되는 매립가스와 악취가스가 혼합되고, 일측에는 악취가스의 부족한 산소농도를 보충하기 위하여 공기가 투입되는 공기공급관이 마련된 악취가스 혼합부; 상기 하우징 내의 혼합부 상층에 혼합부와 연통되게 마련되며, 상기 혼합부에서 혼합된 혼합가스를 촉매반응에 의해 연소시키기 위한 연소촉매부; 상기 하우징 내의 연소촉매부 상층에 연소촉매부와 연통되게 마련되며, 상기 연소촉매부에서 촉매반응시 발생되는 반응열을 흡열하는 흡열부; 및 상기 하우징의 상층에 상기 흡열부와 연통되게 마련되어 흡열이 완료된 연소공기를 외부로 배기하는 배기포트;로 구성된 것을 포함하며, 상기 송출유닛은, 상기 매립지와 상기 혼합부를 연결하는 제1 연결관로; 상기 제1 연결관로 상에 설치되어, 상기 매립지에서 발생되는 악취가스를 상기 제1 연결관로를 통해 상기 혼합부로 압송하는 악취가스 송출팬; 상기 매립지와 상기 제1 연결관로의 악취가스 송출팬과 혼합부 사이구간을 연결하는 제2 연결관로; 상기 제2 연결관로 상에 설치되어 매립지에서 발생되는 매립가스를 청정한 에너지원으로 정제하는 전처리 모듈;로 구성됨을 더 포함하고, 상기 흡열부에서 흡열된 흡열에너지를 회수하고 상기 혼합부로 리사이클링하여 혼합가스를 예열하는 것을 더 포함하며, 상기 매립가스는 메탄 농도가 43%이고, 상기 악취가스의 양은 230 L/min이며, 상기 공기의 양은 400 L/min이며, 전체 가스 중 메탄의 농도는 5.06 내지 5.11인 것을 더 포함하는, 매립가스를 연료로 하는 연소촉매버너를 포함하는 대기환경 정화시스템이 제공된다.

삭제

바람직하게, 상기 연소촉매부에서의 연소촉매 운전온도는 800℃ 이상일 수 있다.

삭제

바람직하게, 상기 연소촉매는 질산염 전이 금속, 질산염 알칼리 토금속 및 질산염 알루미늄을 함유하되, 상기 전이 금속은 망간, 코발트, 크롬, 구리, 니켈 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 알칼리 토금속은 마그네슘, 칼슘, 스트론듐, 바륨 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

삭제

바람직하게, 상기 매립가스가 부족한 경우에는 제2 연결관로를 통해 메탄가스가 포함된 바이오가스, 천연가스가 보충될 수 있다.

본 발명에 따른 실시예에 따르면, 매립지의 매립가스 만을 연료로 하여 연소촉매버너를 가동시킬 수 있고, 가동되는 연소촉매버너에 의해 미립지에서 발생되는 악취가스를 거의 전량 연소시켜 제거할 수 있다.

또한, 연소촉매버너에서 발생되는 폐열을 회수하여 난방 및 전력 생산에 필요한 열원(열에너지)으로 활용할 수 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 매립가스를 연료로 하는 연소촉매버너를 포함하는 대기환경 정화시스템의 전체 구성을 나타낸 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 매립가스를 연료로 하는 연소촉매버너를 포함하는 대기환경 정화시스템의 설치상태를 나타낸 사진,
도 3은 본 발명에 따른 매립가스를 연료로 하는 연소촉매버너를 포함하는 대기환경 정화시스템에 의한 복합악취 처리결과를 나타낸 그래프이다.

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 참고하여 본 발명의 실시예를 개시한다.

첨부된 도 1은 본 발명에 따른 매립가스를 연료로 하는 연소촉매버너를 포함하는 대기환경 정화시스템의 전체 구성을 나타낸 개념도, 도 2는 본 발명에 따른 매립가스를 연료로 하는 연소촉매버너를 포함하는 대기환경 정화시스템의 설치상태를 나타낸 사진, 도 3은 본 발명에 따른 매립가스를 연료로 하는 연소촉매버너를 포함하는 대기환경 정화시스템에 의한 복합악취 처리결과를 나타낸 그래프이다.

위 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 대기환경 정화시스템(100)은 매립지(1)에서 발생되는 매립가스와 악취가스를 송출하는 송출유닛(200)과, 송출유닛으로부터 송출되어온 매립가스와 연소촉매제의 촉매반응에 의해 매립가스와 함께 송출되어온 악취가스를 연소시켜 제거하는 연소촉매버너(300)로 대별될 수 있다.

본 발명에 따른 대기환경 정화시스템(100)의 일 구성인 상기 연소촉매버너(300)는 하우징(310), 혼합부(320), 연소촉매부(330), 흡열부(340) 및 배기포트(350)를 포함할 수 있다.

상기 연소촉매버너(300)의 일 구성인, 상기 하우징(310)은 하나의 통으로 구성할 수 있고, 이와는 달리 각 부위별로 모듈화 하여 탈착 가능하게 구성할 수도 있다.

또한, 상기 하우징(310)은 그 하부에 상기 매립가스와 악취가스가 합류되어 유입되는 유입포트(311)가 마련될 수 있다.

상기 연소촉매버너(300)의 일 구성인, 상기 혼합부(320)는 상기 하우징(310)의 최하층을 구성하는 것으로, 상기 유입포트(311)를 통해 유입되는 매립가스와 악취가스를 혼합하는 역할을 한다.

여기서, 상기 매립가스는 30% 이상의 메탄성분이 포함되어 있어야 연료로소의 효용가치가 있다. 만약, 매립지에서 배출되는 매립가스의 양이 적거나 또는 매립가스가 발생되지 않는 경우에는 바이오가스, 천연가스 등 메탄가스가 포함된 가스를 연료로 대체하여 사용할 수 있고, 필요에 따라 액화석유가스, 수소 등 발열량을 가진 가스를 연료로 사용할 수도 있다.

상기 혼합부(320)는 예컨대 철실이 얼기설기 엉켜있는 철수세미와 같은 형태로 될 수 있다. 이 경우, 상기 유입포트(311)를 통해 유입되는 혼합가스(매립가스+악취가스)가 철수세미의 불규칙한 유로를 통과하면서 혼합이 이루어지게 된다.

한편, 상기 혼합부(320)의 일측에는 악취가스의 부족한 산소농도를 보충하기 위하여 혼합부로 공기를 투입하기 위한 공기공급관(321)과, 상기 공기공급관(321)으로 공기를 압송하기 위한 공기압송팬(322)이 추가로 설치될 수 있다.

통상, 악취가스의 산소농도는 일반 공기보다 약간 부족한 15~20%이나 연소를 위한 산소량으로는 충분하다. 다만, 연소율이 떨어지는 경우를 대비하여 상기 공기공급관(321) 및 공기압송팬(322)이 설치될 필요는 있다.

상기 연소촉매버너(300)의 일 구성인, 상기 연소촉매부(330)는 상기 하우징(310) 내의 혼합부(320) 상층에 혼합부와 연통되게 마련되며, 상기 혼합부(320)에서 혼합된 혼합가스를 촉매반응에 의해 연소시켜주는 연소촉매(미도시)를 포함한다.

여기서, 혼합가스에 포함된 매립가스는 분자단위로 연소반응을 전개하는 연소촉매에서만 연소가 가능하며, 연소 반응시 발생되는 연소열의 온도는 약 700 ~ 800℃ 정도이며, 이러한 연소열은 회수하여 난방이나 전력을 생산하기 위한 열에너지로 활용될 수 있다.

상기 연소촉매는 알갱이 형태 즉, 펠릿형태를 이룰 수 있으나, 이외에도 원통형, 원기둥형, 구형, 육면체형 등 다양한 형태로 적용될 수 있다.

상기 연소촉매는 기공이 형성될 수 있으며, 기공이 형성되면, 혼합가스의 확산방지 및 차압을 받지 않게 되므로 혼합가스가 편중되지 않고 일정하게 통과하게 되므로 연소효율을 높일 수 있다.

바람직하게, 상기 펠릿의 크기는 1 ~ 7mm가 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(330)의 점화불꽃이 플래시 백(flash back)되는 문제점이 발생할 수 있다.

한편, 상기 연소촉매는 아래의 공정에 의해 대량생산이 가능하다.

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(Mn), 코발트(Co), 철(Fe) 및 크롬(Cr) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 질산염 알칼리 토금속은 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 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 스피넬 구조와 헥사알루미네이트 구조를 가지되, 5 ~ 150 m²/g 범위의 비표면적을 가질 수 있다.

본 발명에 따른 연소촉매의 제조방법에 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 이러 공정으로 인해 동일한 품질의 촉매를 대량으로, 그리고 반복적으로 제조하는 것은 비교적 어렵다.

본 발명에 따른 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 용해시켜야만 제거된다. 이 불순물들은 촉매의 물성과 성능을 저하하는 원인으로 작용하므로, 여과 및 수세 공정을 엄격히 실시해야 한다. 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 1/2 정도만 사용하여도 충분히 제거가 되며, 건조 및 소성 공정에서도 완전히 제거가 가능하다. 또한, 여기서 생성되는 소량의 폐수 또한 재사용이 가능하다. 그래서 본 발명의 일 실시예에 따른 연소촉매의 제조 방법은 폐기되는 폐액이 거의 없는 무공해 제조 방법이라고 할 수 있다.

건조 및 소성공정에서, 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 연소촉매가 제조될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 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 연소 촉매의 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.

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 1 M이면, 요소 또한 1 M에 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 연소 촉매를 제조하기 위해서 건조된 침전물 슬러리는 1,200 ℃로 약 3 ℃/min의 승온 속도로 승온되어 다음 약 6 시간 동안 유지된다.

상기 연소촉매는 매립가스의 연소반응과 동시에 악취가스(유해가스)의 분해/연소 반응을 일으키는 역할을 한다. 특히 연소촉매의 활성점에 해당되는 부분에서 연소반응과 분해반응이 동시에 일어나는데, 이 반응은 강한 발열 반응이므로 많은 양의 열이 발생한다. 예를 들어 악취가스가 톨루엔인 경우, 1kg의 양이 연소촉매에서 처리될 때 약 9,665kcal의 열이 발생하게 된다. 또한, 매립가스의 경우, 1Nm³의 양이 연소촉매에 의해 연소될 경우 약 10,200kcal의 열이 또한 발생하게 된다. 이것은 연소촉매에서 매립가스와 악취가스가 동시에 처리되고 그 열량 또한 매립가스와 악취가스의 열량을 합한 것과 같다. 따라서, 악취가스의 농도가 높을수록 매립가스의 양이 적게 투입되므로 연료를 절약할 수 있다는 장점을 갖게 된다.

수도권매립지관리공사 내에 위치한 슬러지 2단계 사이트에서 발생되는 원취 가스의 악취를 처리하기 위하여 도 1 및 도 2와 같이 본 발명의 대기환경정화시스템을 설치하고, 원취 가스가 발생하는 라인에 송풍팬을 설치하여 본 발명의 대기환경정화시스템으로 악취가스를 주입하였다. 또한 메탄 농도가 약 43%인 매립가스를 시스템 운영에 필요한 연료로 사용하였으며, 악취가스의 양은 230 L/min, 공기의 양은 400 L/min이며, 전체 가스 중 메탄의 농도는 약 5.06% 정도이었다. 일반 화염 연소버너에서 최소 메탄 농도는 약 7% 이상인 것에 비해, 매우 낮은 농도에서도 안정적인 운전이 가능하였다.

그 결과, 아래의 [표 1]과 같이 시스템 운전에서 연소촉매부의 온도는 약 850 ^oC 내외 이며, 악취가스 중에 포함된 CO는 완전히 처리되었음을 알 수 있었다. 악취 가스처리 시 발생되는 NOx는 악취 가스 성분 중 암모니아 성분이 다량 포함되어 있어, 그 것이 분해되어 발생되는 것으로 판단진다.

또한 도 3의 결과는 복합악취 측정 결과로 초기 20,800배의 복합악취가 본 발명 시스템의 처리 후, 120배로 줄어듦을 알 수 있었고, 그 처리효율은 약 99.4% 이었다. 일반적인 복합악취 배출 허용치는 약 300배 정도인 것에 반해, 기준치 보다 상당히 낮은 복합악취 처리가 가능하다는 것을 알 수 있었다.

수도권매립지관리공사 내에 위치한 슬러지 2단계 사이트에서 발생되는 세정탑 후단 가스의 악취를 처리하기 위해서 도 2와 같이 본 발명의 대기환경정화시스템을 설치하고, 세정탑 후단 라인에 송풍팬을 설치하여 본 발명의 시스템으로 악취 가스를 주입하였다. 또한 메탄 농도가 약 43%인 매립가스를 시스템 운영에 필요한 연료로 사용하였으며, 악취가스의 양은 230 L/min, 공기의 양은 400 L/min이며, 전체 가스 중 메탄의 농도는 약 5.11% 정도이었다.

그 결과, 아래의 [표 2]에서와 같이 시스템 운전에서 촉매층 온도는 약 850 ^oC 내외 이며, 악취가스 중에 포함된 CO는 완전히 처리되었음을 알 수 있었다. 세정탑 후단의 악취 가스는 원취 가스에서 산 세정처리를 한 다음의 가스로, 암모니아 성분이 원취 가스에 비해 비교적 적게 포함되어 있으며, 이러한 이유로, 본 발명 시스템에서 악취 가스 처리 시 NOx가 소량 발생되었다.

또한, 도 3의 결과는 복합악취 측정 결과로, 초기 4,481배의 복합악취가 본 발명 시스템의 처리 후, 120배로 줄어듦을 알 수 있었고 그 처리효율은 약 97.3% 이었다. 일반적인 복합악취 배출 허용치는 약 300배 정도인 것에 반해, 기준치 보다 상당히 낮은 복합악취 처리가 가능한 것을 알 수 있었다.

상기 연소촉매버너(300)의 일 구성인, 흡열부(340)는 상기 하우징(310) 내의 연소촉매부(330) 상측에 연소촉매부와 연통되게 마련되는 것으로, 상기 연소촉매부에서 배출되는 고온의 연소가스가 통과되는 열교환 파이프가 구성될 수 있다. 바람직하게는 상기 열교환 파이프의 외면에 다수의 흡열핀을 형성하여 고온 연소가스의 열을 회수할 수 있도록 하는 것이 좋다.

이렇듯, 냉각핀에서 회수된 고온의 열은 외부로 방출하여도 되지만, 폐열을 포집·회수를 하여 상기 혼합부(320)로 리사이클링하여 혼합가스를 예열하는 용도로 활용할 수 있고, 별도의 배출관을 통해 열원이 필요한 곳에 공급하여 에너지원으로도 활용할 수 있다.

상기 연소촉매버너(300)의 일 구성인, 배기포트(350)는 상기 하우징(310)의 상층에 상기 흡열부(340)와 연통되게 마련되어 흡열이 완료된 냉각된 연소공기를 외부로 배기하는 통로이다. 앞서 설명한 바와 같이, 배기포트(350)로 최종 배출되는 공기는 본 시스템에 의해 악취가스가 99.4% 처리되어(실시예 1 근거) 인체에 무해하고 무취상태여서 일반의 공기질과 유사한 상태로 배출이 이루어지게 된다.

한편, 본 발명에 따른 대기환경 정화시스템(100)의 일 구성인 송출유닛(200)은 상기 매립지(1)와 상기 혼합부(320)를 연결하는 제1 연결관로(210)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 송출유닛(200)은 상기 제1 연결관로(210) 상에 설치되어, 상기 매립지(1)에서 발생되는 악취가스를 상기 제1 연결관로(210)를 통해 상기 혼합부(320)로 압송하는 악취가스 송출팬(220)을 포함할 수 있다.

또한, 상기 송출유닛(200)은 상기 매립지(1)와 상기 제1 연결관로(210)의 악취가스 송출팬(220)과 혼합부(320) 사이구간을 연결하는 제2 연결관로(230)을 포함할 수 있다.

또한, 상기 송출유닛(200)은 상기 제2 연결관로(230) 상에 설치되어 매립지(1)에서 발생되는 매립가스를 청정한 에너지원으로 정제하는 전처리 모듈(240)을 포함할 수 있다.

여기서 전처리 모듈(240)은 예컨데, 매립지(1)에 파묻어 놓은 매립가스수집기를 통해서 매립가스를 한 곳으로 수집하는 파이프매니폴드, 파이프매니폴드에 모아진 매립가스에 포함된 불순물과 수분(침출수)를 통과시켜 포화 응축된 수분을 제거하는 녹아웃드럼, 수분이 제거된 매립가스의 불순물을 여과하는 필터, 응축수를 제거하기 위한 열교환기 등으로 구성될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 대기환경 정화시스템 200 : 송출유닛
210 : 제1 연결관로 220 : 송풍팬
230 : 제2 연결관로 240 : 전처리 모듈
300 : 연소촉매버너 310 : 하우징
320 : 혼합부 330 : 연소촉매부
340 : 흡열부 350 : 배기포트

Claims

매립지에서 발생되는 매립가스와 악취가스를 송출하는 송출유닛;
상기 송출유닛으로부터 송출되어온 매립가스와 연소촉매의 촉매반응에 의해 상기 매립가스와 함께 송출되어온 악취가스를 연소시켜 제거하는 연소촉매버너;를 포함하되,
상기 연소촉매버너는,
하부에 상기 매립가스와 악취가스가 유입되는 유입포트가 마련된 하우징;
상기 하우징의 최하층을 형성하며, 상기 유입포트를 통해 유입되는 매립가스와 악취가스가 혼합되고, 일측에는 악취가스의 부족한 산소농도를 보충하기 위하여 공기가 투입되는 공기공급관이 마련된 악취가스 혼합부;
상기 하우징 내의 혼합부 상층에 혼합부와 연통되게 마련되며, 상기 혼합부에서 혼합된 혼합가스를 촉매반응에 의해 연소시키기 위한 연소촉매부;
상기 하우징 내의 연소촉매부 상층에 연소촉매부와 연통되게 마련되며, 상기 연소촉매부에서 촉매반응시 발생되는 반응열을 흡열하는 흡열부; 및
상기 하우징의 상층에 상기 흡열부와 연통되게 마련되어 흡열이 완료된 연소공기를 외부로 배기하는 배기포트;로 구성된 것을 포함하며,
상기 송출유닛은,
상기 매립지와 상기 혼합부를 연결하는 제1 연결관로;
상기 제1 연결관로 상에 설치되어, 상기 매립지에서 발생되는 악취가스를 상기 제1 연결관로를 통해 상기 혼합부로 압송하는 악취가스 송출팬;
상기 매립지와 상기 제1 연결관로의 악취가스 송출팬과 혼합부 사이구간을 연결하는 제2 연결관로;
상기 제2 연결관로 상에 설치되어 매립지에서 발생되는 매립가스를 청정한 에너지원으로 정제하는 전처리 모듈;로 구성됨을 더 포함하고,
상기 흡열부에서 흡열된 흡열에너지를 회수하고 상기 혼합부로 리사이클링하여 혼합가스를 예열하는 것을 더 포함하며,
상기 매립가스는 메탄 농도가 43%이고, 상기 악취가스의 양은 230 L/min이며, 상기 공기의 양은 400 L/min이며, 전체 가스 중 메탄의 농도는 5.06% 내지 5.11%인 것을 더 포함하는 매립가스를 연료로 하는 연소촉매버너를 포함하는 대기환경 정화시스템.
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청구항 1에 있어서,
상기 연소촉매부에서의 연소촉매 운전온도는 800℃ 이상인 것을 특징으로 하는 매립가스를 연료로 하는 연소촉매버너를 포함하는 대기환경 정화시스템.
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청구항 1에 있어서,
상기 연소촉매는 질산염 전이 금속, 질산염 알칼리 토금속 및 질산염 알루미늄을 함유하되, 상기 전이 금속은 망간, 코발트, 크롬, 구리, 니켈 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 알칼리 토금속은 마그네슘, 칼슘, 스트론듐, 바륨 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 매립가스를 연료로 하는 연소촉매버너를 포함하는 대기환경 정화시스템.
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청구항 1에 있어서,
상기 매립가스가 부족한 경우에는 제2 연결관로를 통해 메탄가스가 포함된 바이오가스, 천연가스가 보충되는 것을 특징으로 하는 매립가스를 연료로 하는 연소촉매버너를 포함하는 대기환경 정화시스템.