KR102434008B1 - 배기가스 처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스 처리장치에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 배기가스 처리장치는 배기가스가 유입되는 유입라인; 상기 유입라인과 연결되어 상기 배기가스가 유입되고, 내부에 선택적 환원촉매층이 구비되며, 암모니아(NH3)를 포함하는 환원제가 주입되어 상기 유입된 배기가스를 처리하여 질소산화물이 제거된 제1 처리가스를 생성하는 SCR(선택적 환원촉매) 유닛; 상기 SCR 유닛의 후단에 연결되며, 상기 제1 처리가스가 배출되는 배출라인; 및 상기 배출라인 및 유입라인과 연결되는 순환라인;을 포함한다.

Description

배기가스 처리장치 {EXHAUST GAS TREATMENT APPARATUS}
본 발명은 배기가스 처리장치에 관한 것이다.
발전소에서 배출되는 질소산화물을 저감시키는 기술 중, 암모니아 NH3)를 환원제로 하는 선택적 촉매환원법(Selective Catalytic Reduction, SCR)은 질소산화물을 90 중량% 이상 제거할 수 있는 기술로써, 일반적으로 활용되고 있는 가장 오래된 촉매기술이다.
한편, 암모니아를 환원제로 하는 SCR 반응은 하기 화학식 1과 같이 300~400℃ 온도에서 산소의 존재 하에 진행된다.
[화학식 1]
4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O
일반적으로 연소 배기가스에 포함된 NOx는 NO가 90 중량% 이상 존재하기 때문에, NH3와 NO의 화학양론비는 몰비 기준 1:1 반응이지만, 미세먼지 전구물질인 질소산화물의 추가저감을 위해 탈질설비에 과량의 암모니아를 주입하여 반응효율을 높이고 있으며, 그 결과 반응에 참여하지 않은 암모니아가 탈질설비 후단에서 배출되는데 이러한 현상을 암모니아 슬립(slip)이라 한다. 500MW 석탄화력 발전 기준 질소산화물이 100ppm 발생 시 몰비 1.2로 암모니아를 주입하는 경우, 시간당 23kg의 암모니아가 탈질설비 후단에서 슬립되는 것으로 계산할 수 있다.
한편 국내 화력발전소의 경우, 미세먼지의 직접배출보다, 미세먼지의 2차 생성물질(또는 2차 생성 미세먼지)인 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)의 배출 비중이 각각 34 중량%와 7 중량%로 단일 배출원으로는 높은 수준을 차지한다. 이와 같이 미반응 암모니아가 탈질설비 후단에서 함께 배출시 하기 화학식 2 및 화학식 3과 같이 대기 중에서 2차 미세먼지를 생성한다.
[화학식 2]
NOx + H2O → HNO3 + NH3 → NH4NO3
[화학식 3]
SOx + H2O → H2SO4 + NH3 → (NH4)2SO4
한편, 발전소 탈질설비 내 촉매단은 질소산화물 저감을 위한 2단 촉매로 구성되어 있으나, 암모니아를 처리할 수 있는 과정이 없어 미반응 암모니아가 그대로 배출되고 있는 실정이다. 특히 복합화력 발전소의 경우, 환경설비 중 탈질설비만 설치되어 있어 탈질설비에 주입되는 암모니아의 양이 증가시, 발전소의 굴뚝을 통해 대기 중으로 직접 배출될 우려가 있다. 또한 미반응 암모니아(암모니아 슬립)는 배가스 처리 계통 내에서 염을 생성하여 배관 내 막힘 및 부식 현상을 유발하는 등 발전설비 운영에도 영향을 미친다.
발전소 배출가스에 대한 환경규제 정책이 엄격하게 강화될수록 NOx 제거율을 높이기 위해 향후 암모니아 주입량을 추가로 늘릴 수밖에 없어 암모니아 슬립은 지속적으로 문제가 발생할 수 있다. 암모니아는 산업안전보건법상 유독물질로 분류되고 있어, 최소배출이 요구되는 물질이지만 발전소 탈질설비 내에 적용되는 기술에서는 질소산화물 저감에 중점이 맞추어져 있기 때문에 환경규제에 적극 대응하기 위해서는 탈질설비 내에서 질소산화물뿐 아니라 미반응 암모니아를 저감할 수 있는 공정이 필요한 실정이다.
한편 종래에 개발된 암모니아 슬립 억제 장치는, 탈질설비 SCR 반응기 안에 암모니아 산화촉매를 설치하거나 반응기 후단의 배출라인에 촉매 물질을 코팅하여 암모니아 슬립을 최소화하는 장치 등이 사용되고 있었다. 그러나, 반응기 안에 촉매단을 추가하는 경우는 설비 내 별도의 설치공간을 요구하기 때문에 공간이 협소한 설비에는 적용이 불가능하며, 반응기의 배출라인에 코팅된 촉매는 암모니아 촉매산화 경로에 따라 오히려 질소산화물의 배출량을 증가시켜 배출된 질소산화물에 대한 후처리가 불가능한 문제점이 있었다.
본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2020-0032903호(2020.03.27. 공개, 발명의 명칭: 선택적 촉매 환원 시스템 및 이의 제어방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 하나의 목적은 배기 가스의 질소산화물과 슬립 암모니아를 동시에 저감하는 효과가 우수하며, 2차 생성 미세먼지의 발생 방지 효과가 우수한 배기가스 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 환원제 반응 효율성이 우수하여, 미반응 환원제 배출량을 최소화할 수 있는 배기가스 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 처리장치의 운전시 설비 안정성, 에너지 효율성 및 경제성이 우수한 배기가스 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 처리장치의 컴팩트화 및 소규모화가 가능한 배기가스 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 배기가스 처리장치를 이용한 배기가스 처리방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 배기가스 처리장치에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 배기가스 처리장치는 배기가스가 유입되는 유입라인; 상기 유입라인과 연결되어 상기 배기가스가 유입되고, 내부에 선택적 환원촉매층이 구비되며, 암모니아(NH3)를 포함하는 환원제가 주입되어 상기 유입된 배기가스를 처리하여 질소산화물이 제거된 제1 처리가스를 생성하는 SCR(선택적 환원촉매) 유닛; 상기 SCR 유닛의 후단에 연결되며, 상기 제1 처리가스가 배출되는 배출라인; 및 상기 배출라인 및 유입라인과 연결되는 순환라인;을 포함하며, 상기 순환라인은, 상기 배출라인과 연결되며, 내벽에 전이금속 산화물을 포함하는 제1 촉매층이 형성된 제1 구역; 내벽에 귀금속을 포함하는 제2 촉매층이 형성된 제2 구역; 및 상기 유입라인과 연결되며, 내벽에 전이금속을 포함하는 제3 촉매층이 형성된 제3 구역;이 순차적으로 형성된 것이며, 상기 제1 처리가스의 적어도 일부는 상기 순환라인으로 유입되어 상기 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역을 거쳐 상기 처리가스 중 슬립 암모니아(slip NH3)를 처리하여, 제2 처리가스를 생성하며, 상기 제2 처리가스는 상기 유입라인으로 유입된다.
한 구체예에서 상기 제1 촉매층은 산화구리(CuO)를 포함하는 활성물질 및 이를 지지하는 알루미나계 지지체를 포함하고, 상기 제2 촉매층은 백금(Pt) 및 로듐(Rh)을 포함하는 활성물질 및 이를 담지하는 알루미나계 지지체를 포함하고, 그리고 상기 제3 촉매층은 구리(Cu) 및 망간(Mn)을 포함하는 활성물질 및 이를 담지하는 제올라이트계 지지체를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제2 촉매층은 상기 백금(Pt) 0.1~1 중량% 및 로듐(Rh) 0.1~1 중량%를 포함하며, 상기 제3 촉매층은 상기 구리(Cu) 0.1~5 중량% 및 망간(Mn) 0.1~5 중량%를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역은 1:0.1~5:0.1~5 면적비로 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 제2 처리가스는 질소(N2) 및 이산화질소(NO2)를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제1 처리가스는 온도가 200~350℃ 이며, 상기 제2 처리가스는 온도가 150~350℃ 일 수 있다.
한 구체예에서 상기 순환라인의 내부에는 하나 이상의 순환 팬이 더 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 배기가스 처리장치를 이용한 배기가스 처리방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 배기가스 처리방법은 배기가스를 유입라인을 통해 선택적 환원촉매층이 구비된 SCR(선택적 환원촉매) 유닛으로 유입하는 단계; 상기 유입된 배기가스를 암모니아(NH3)를 포함하는 환원제가 주입되어 처리하여 질소산화물이 제거된 제1 처리가스를 생성하는 단계; 및 상기 제1 처리가스를 SCR 유닛의 후단에 연결된 배출라인을 통해 배출하는 단계;를 포함하는 배기가스 처리장치를 이용한 배기가스 처리방법이며, 상기 배기가스 처리장치는 상기 배출라인 및 유입라인과 연결되는 순환라인을 포함하고, 상기 순환라인은, 상기 배출라인과 연결되며, 내벽에 전이금속 산화물을 포함하는 제1 촉매층이 형성된 제1 구역; 내벽에 귀금속을 포함하는 제2 촉매층이 형성된 제2 구역; 및 상기 유입라인과 연결되며, 내벽에 전이금속을 포함하는 제3 촉매층이 형성된 제3 구역;이 순차적으로 형성된 것이며, 상기 제1 처리가스의 적어도 일부는 상기 순환라인으로 유입되어 상기 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역을 거쳐 상기 처리가스 중 슬립 암모니아(slip NH3)를 처리하여, 제2 처리가스를 생성하며, 상기 제2 처리가스는 상기 유입라인으로 유입된다.
한 구체예에서 상기 제1 촉매층은 산화구리(CuO)를 포함하는 활성물질 및 이를 지지하는 알루미나계 지지체를 포함하고, 상기 제2 촉매층은 백금(Pt) 및 로듐(Rh)을 포함하는 활성물질 및 이를 담지하는 알루미나계 지지체를 포함하고, 그리고 상기 제3 촉매층은 구리(Cu) 및 망간(Mn)을 포함하는 활성물질 및 이를 담지하는 제올라이트계 지지체를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제2 촉매층은 상기 백금(Pt) 0.1~1 중량% 및 로듐(Rh) 0.1~1 중량%를 포함하며, 상기 제3 촉매층은 상기 구리(Cu) 0.1~5 중량% 및 망간(Mn) 0.1~5 중량%를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역은 1:0.1~5:0.1~5 면적비로 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 제2 처리가스는 질소(N2) 및 이산화질소(NO2)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배기가스 처리장치를 이용하여 배기가스 처리시, 배기 가스의 질소산화물과 슬립 암모니아를 동시에 저감하는 효과가 우수하며, 2차 생성 미세먼지의 발생 방지 효과가 우수하고, 처리된 배기가스를 SCR 유닛에 유입시, fast SCR 반응유도를 통해 환원제의 반응 효율성이 우수하여, 탈질 효율성을 극대화할 수 있고, 미반응 환원제의 배출량을 최소화할 수 있으며, 처리장치의 운전시 슬립 암모니아에 의한 배관 막힘을 방지하여 설비 안정성, 에너지 효율성 및 경제성이 우수하고, 처리장치의 컴팩트화 및 소규모화가 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 배기가스 처리장치를 나타낸 것이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
배기가스 처리장치
본 발명의 하나의 관점은 배기가스 처리장치에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 배기가스 처리장치를 나타낸 것이다.
상기 도 1을 참조하면 배기가스 처리장치(1000)는 배기가스가 유입되는 유입라인(10); 유입라인(10)과 연결되어 상기 배기가스가 유입되고, 내부에 선택적 환원촉매층이 구비되며, 암모니아(NH3)를 포함하는 환원제가 주입되어 상기 유입된 배기가스를 처리하여 질소산화물이 제거된 제1 처리가스를 생성하는 SCR(선택적 환원촉매) 유닛(100); SCR 유닛(100)의 후단에 연결되며, 상기 제1 처리가스가 배출되는 배출라인(20); 및 배출라인(20) 및 유입라인(10)과 연결되는 순환라인(30);을 포함한다.
상기 배기가스는 화력발전소, 복합 화력발전소 및 각종 보일러 시설에서 화석 연료를 사용하여 발전시 발생하여 배출되는 것일 수 있다.
SCR 유닛(100)은 내부에 선택적 환원촉매층이 구비된다. 상기 선택적 환원촉매층은, 당 업계에 통상적으로 사용되는 것을 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들면 2 이상의 선택적 환원촉매층이 적층될 수 있다. SCR 유닛(100)의 일측에는 환원제 주입구(미도시)를 통해 암모니아를 포함하는 환원제가 주입된다.
유입라인(10)을 통해 SCR 유닛(100) 내부로 유입되는 배기가스는 상기 선택적 환원촉매층 상에서, 산소(O2)의 존재 하에 상기 암모니아계 환원제와 접촉하여, 배기가스 중 질소산화물(NOX)을 질소(N2) 및 물(H2O)로 환원하여 제거하여 제1 처리가스를 생성할 수 있다.
한 구체예에서 SCR 유닛(100)의 내부 온도는 300~400℃일 수 있다. 상기 조건에서 반응성이 우수하여 제1 처리가스가 용이하게 생성될 수 있다.
한편, 상기 제1 처리가스 생성 과정에서, 상기 배기가스와 반응하지 못하고 배출라인으로 그대로 배출되는 환원제를 슬립 암모니아(slip NH3)라 한다. 상기 슬립 암모니아를 대기 중으로 배출시 2차 미세먼지를 생성하여 인체 및 환경에 악영향을 미치므로, 이를 방지하기 위해 상기 제1 처리가스 중 적어도 일부는 상기 순환라인으로 유입하여, 순환라인 내부의 복합촉매층과 순차적으로 반응하여 상기 슬립 암모니아를 질소(N2)로 전환시키며, 상기 슬립 암모니아 중 일부는 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)로 전환시켜 유입라인으로 이송하여, SCR 유닛 내부로 유입하여 fast SCR 반응을 유도한다.
한 구체예에서 순환라인(30)은, 상기 배출라인과 연결되며, 내벽에 전이금속 산화물을 포함하는 제1 촉매층(32)이 형성된 제1 구역(31); 제1 구역(31)과 연결되며, 내벽에 귀금속을 포함하는 제2 촉매층(34)이 형성된 제2 구역(33); 및 제2 구역(33)과 연결되어 유입라인(10)과 연결되며, 내벽에 전이금속을 포함하는 제3 촉매층(35)이 형성된 제3 구역(36);이 순차적으로 형성된 것이다.
상기 제1 처리가스의 적어도 일부는 상기 순환라인으로 유입되며, 상기 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역을 거쳐 상기 처리가스 중 슬립 암모니아(slip NH3)를 처리하여, 제2 처리가스를 생성하며, 상기 제2 처리가스는 상기 유입라인으로 유입된다.
상기와 같이 순환라인 내부에 상기 제1 촉매층, 제2 촉매층 및 제3 촉매층을 형성시 별도의 설치 공간이 필요없기 때문에 처리장치의 소규모화 및 컴팩트화가 가능하다. 또한, 상기 순환라인에 구역별로 상이한 촉매를 설치하여 질소산화물의 배출을 최소화하여 제1 처리가스 중의 질소산화물 및 슬립 암모니아를 동시에 저감시킬 수 있다.
한 구체예에서 상기 제1 구역에서는 하기 화학식 4를 포함하는 반응이 발생할 수 있다:
[화학식 4]
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O
상기 제1 구역으로 유입된 제1 처리가스 중 슬립 암모니아는 상기 제1 구역에 형성된 제1 촉매층과 반응하여 일산화질소(NO)로 전환될 수 있다.
한 구체예에서 상기 제1 촉매층은 산화구리(CuO)를 포함하는 활성물질 및 이를 지지하는 알루미나(Al2O3)계 지지체를 포함할 수 있다. 상기 제1 촉매층을 포함시, 상기 슬립 암모니아의 일산화질소 전환 효율성이 우수할 수 있다.
예를 들면 상기 제1 촉매층은 산화구리 3~50 중량% 및 알루미나계 지지체 50~97 중량% 포함할 수 있다. 상기 함량범위로 포함시 상기 제1 촉매층의 내구성과, 상기 슬립 암모니아의 일산화질소 전환 효율성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제2 구역에서는 하기 화학식 5를 포함하는 반응이 발생할 수 있다:
[화학식 5]
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
상기 화학식 5와 같이 상기 일산화질소 및 슬립 암모니아가 반응물로 작용하여, 질소로 전환시키는 반응에는 다양한 금속 촉매를 이용할 수 있으나, 본 발명은 산화 반응성이 우수한 귀금속 촉매를 사용하며, 그 중에서도 기계적 강도를 높이기 위해 백금 및 로듐을 포함하는 제2 촉매층을 사용하여 질소의 반응 선택도를 높일 수 있다.
한 구체예에서 상기 제2 촉매층은 백금(Pt) 및 로듐(Rh)을 포함하는 활성물질 및 이를 담지하는 알루미나계 지지체를 포함할 수 있다. 상기 제2 촉매층을 포함시, 상기 제2 촉매층의 기계적 강도가 우수하며, 상기 제1 처리가스 중의 일산화질소(NO) 및 슬립 암모니아와 질소 전환 효율성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제2 촉매층은 상기 백금(Pt) 0.1~1 중량%, 로듐(Rh) 0.1~1 중량% 및 알루미나계 지지체 98~99.5 중량% 포함할 수 있다. 상기 조건으로 포함시 질소 전환 효율성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 제2 촉매층은 백금 0.5~1.0 중량% 및 로듐 0.1~0.3 중량% 포함하는 활성물질과, 알루미나계 지지체 98.7~99.5 중량%를 포함할 수 있다.
다른 예를 들면 상기 백금은 상기 로듐보다 높은 함량으로 포함할 수 있다. 상기 조건으로 포함시 질소 전환 효율성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제3 구역에서는 상기 제1 처리가스 중 슬립 암모니아를 산화시켜 이산화질소(NO2)를 포함하는 제2 처리가스를 생성할 수 있다.
상기 제3 구역에서는, 상기 제1 처리가스 중 슬립 암모니아 및 질소산화물의 추가적인 저감을 위해 제3 촉매층이 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 제3 촉매층은 구리(Cu) 및 망간(Mn)을 포함하는 활성물질 및 이를 담지하는 제올라이트계 지지체를 포함할 수 있다. 상기 제3 촉매층을 적용시 슬립 암모니아로부터 이산화질소가 용이하게 전환되어, 암모니아 발생 방지 및 상기 SCR 유닛의 배기가스 처리 효율성이 향상될 수 있다.
상기 제3 촉매층은 질소보다 이산화질소(NO2)로의 선택도가 우수한 구리망간을 이온교환시킨 제올라이트 지지체를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제3 촉매층은 상기 구리(Cu) 0.1~5 중량%, 망간(Mn) 0.1~5 중량%를 포함하는 활성물질 및 제올라이트계 지지체 90~99.8 중량% 포함할 수 있다. 상기 함량으로 포함시 제3 촉매층의 내구성이 우수하고, 슬립 암모니아로부터 이산화질소의 전환 효율성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 구리 1~3 중량%, 망간 1~3 중량% 및 제올라이트계 지지체 94~99 중량% 포함될 수 있다.
예를 들면, 상기 제3 촉매층은 구리 및 망간이 제올라이트 지지체 상에 이온 교환되어 형성될 수 있다. 상기 제3 촉매층을 적용시, 질소보다 이산화질소(NO2)로의 전환 효율성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제2 처리가스는 질소(N2) 및 이산화질소(NO2)를 포함할 수 있다.
상기 제2 처리가스는 상기 유입라인을 통해 상기 SCR 유닛으로 유입된다. 상기 제2 처리가스의 유입시, 상기 SCR 유닛 내부에서는 하기 화학식 6을 포함하는 fast SCR 반응이 발생할 수 있다:
[화학식 6]
4NH3 + 2NO + 2NO2 → 4N2 + 6H2O
한편 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)가 양론비 1:1로 참여하는 반응은, 통상적인 선택적 환원 촉매 반응에 비해 매우 빠르게 진행되기 때문에 이를 표준 SCR 반응과 구별하여 fast SCR 반응이라고 한다.
일반적으로 질소산화물은 일산화질소가 90 중량% 이상을 차지하고 있어서 일반적인 SCR 공정에서는 상기 반응이 진행되기 어려운 반면, 본 발명에서는 암모니아 산화촉매 및 순환라인을 설치함으로써 슬립 암모니아의 저감뿐 아니라, 질소산화물의 추가 저감도 가능하다.
한 구체예에서 상기 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역은 1:0.1~5:0.1~5 면적비로 형성될 수 있다. 상기 면적비로 형성시 반응 효율성이 우수하며, 슬립 암모니아 저감효과가 우수하고, 이산화질소(NO2)를 포함하는 제2 처리가스가 용이하게 생성되어, 상기 SCR 유닛의 fast SCR 반응성이 우수하여 탈질 효율성을 극대화할 수 있다. 예를 들면 1:0.5~3:0.5~3의 면적비로 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 제1 처리가스는 온도가 200~350℃ 이며, 상기 제2 처리가스는 온도가 150~350℃ 일 수 있다. 상기 조건에서 반응 효율성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 순환라인의 내부에는 하나 이상의 순환 팬(40)이 더 구비될 수 있다. 상기 조건에서 반응 효율성이 우수할 수 있다. 예를 들면 제2 구역(33)의 내부에 순환 팬(40)이 구비될 수 있다.
배기가스 처리장치를 이용한 배기가스 처리방법
본 발명의 다른 관점은 상기 배기가스 처리장치를 이용한 배기가스 처리방법에 관한 것이다.
한 구체예에서 상기 배기가스 처리방법은 배기가스를 유입라인을 통해 선택적 환원촉매층이 구비된 SCR(선택적 환원촉매) 유닛으로 유입하는 단계; 상기 유입된 배기가스를 암모니아(NH3)를 포함하는 환원제가 주입되어 처리하여 질소산화물이 제거된 제1 처리가스를 생성하는 단계; 및 상기 제1 처리가스를 SCR 유닛의 후단에 연결된 배출라인을 통해 배출하는 단계;를 포함하는 배기가스 처리장치를 이용한 배기가스 처리방법이며, 상기 배기가스 처리장치는 상기 배출라인 및 유입라인과 연결되는 순환라인을 포함하고, 상기 순환라인은, 상기 배출라인과 연결되며, 내벽에 전이금속 산화물을 포함하는 제1 촉매층이 형성된 제1 구역; 내벽에 귀금속을 포함하는 제2 촉매층이 형성된 제2 구역; 및 상기 유입라인과 연결되며, 내벽에 전이금속을 포함하는 제3 촉매층이 형성된 제3 구역;이 순차적으로 형성된 것이며, 상기 제1 처리가스의 적어도 일부는 상기 순환라인으로 유입되어 상기 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역을 거쳐 상기 처리가스 중 슬립 암모니아(slip NH3)를 처리하여, 제2 처리가스를 생성하며, 상기 제2 처리가스는 상기 유입라인으로 유입된다.
한 구체예에서 상기 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역은 1:0.1~5:0.1~5 면적비로 형성될 수 있다. 상기 면적비로 형성시 반응 효율성이 우수하며, 슬립 암모니아 저감효과가 우수하고, 이산화질소(NO2)를 포함하는 제2 처리가스가 용이하게 생성되어, 상기 SCR 유닛의 fast SCR 반응성이 우수하여 탈질 효율성을 극대화할 수 있다. 예를 들면 1:0.5~3:0.5~3의 면적비로 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 제2 처리가스는 질소(N2) 및 이산화질소(NO2)를 포함할 수 있다.
본 발명은 발전소에서 환원제로 사용되는 암모니아의 과량 주입 시 발생하는 슬립 암모니아를 무해한 질소로 전환하기 위한 공정에 관한 것으로, 종래기술의 단점을 보완하면서도 제1 처리가스의 순환을 통해, 탈질효율을 극대화시켜 질소산화물의 추가 저감이 가능하다.
또한 본 발명은 SCR 설비 내 별도의 공간을 요하지 않으면서도 촉매 반응이 가능하다. 또한 종래의 배기가스 처리장치는, 암모니아 산화촉매 반응에서 질소산화물로 산화된 반응들에 대한 대처가 불가능한 반면, 본 발명은 이를 보완하기 위해 순환라인을 설치함으로써 암모니아 및 질소산화물 배출을 최소화할 수 있다.
따라서 본 발명의 공정을 거쳐 처리된 배기가스는 암모니아 환원제 주입량에 관계없이, SCR 유닛 후단의 암모니아 발생량을 최소화하여, 설비 안정성을 제고하고 2차 미세먼지 생성을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은 선택적 촉매환원법을 적용하는 모든 탈질설비에 활용가능하므로 발전소와 같은 고정원뿐만 아니라 이동원에서도 모두 적용가능하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예 및 비교예
실시예
하기 도 1과 같은 배기가스 처리장치를 준비하였다. 구체적으로, 배기가스가 유입되는 유입라인(10); 유입라인(10)과 연결되어 상기 배기가스가 유입되고, 내부에 2개의 선택적 환원촉매층이 적층되어 형성되고, 암모니아(NH3)를 포함하는 환원제가 주입되어 상기 유입된 배기가스를 처리하여 질소산화물이 제거된 제1 처리가스를 생성하는 SCR(선택적 환원촉매) 유닛(100); SCR 유닛(100)의 후단에 연결되며, 상기 제1 처리가스가 배출되는 배출라인(20); 및 배출라인(20) 및 유입라인(10)과 연결되는 순환라인(30);을 포함하는 배기가스 처리장치(1000)를 준비하였다.
순환라인(30)은, 배출라인(20)과 연결되며 내벽에 산화구리(CuO) 및 이를 담지하는 알루미나(Al2O3)계 지지체를 포함하는 제1 촉매층(32)이 형성된 제1 구역(31); 내벽에 백금(Pt) 0.5 중량% 및 로듐(Rh) 0.25 중량%를 포함하는 활성물질과, 이를 담지하는 알루미나(Al2O3)계 지지체 99.25 중량%를 포함하는 제2 촉매층(34)이 형성된 제2 구역(33); 및 유입라인(10)과 연결되며, 내벽에 제올라이트 지지체(ZSM5) 95 중량%에 구리(Cu) 2.5 중량% 및 망간(Mn) 2.5 중량%가 이온 교환된 제3 촉매층(36)이 형성된 제3 구역(35);을 순차적으로 형성(제1 촉매층: 제2 촉매층: 제3 촉매층 = 1: 1: 1 면적비)한 것이며, 상기 제2 구역(33) 내부에 순환 팬(40)을 설치하였다.
비교예 1
순환라인을 구비하지 않은 것을 제외하고 상기 실시예와 동일한 방법으로 배기가스 처리장치를 준비하였다.
비교예 2
순환라인의 제1 구역에 제1 촉매층을 형성하고, 제2 구역 및 제3 구역에는 촉매층을 형성하지 않은 것을 제외하고 상기 실시예와 동일한 방법으로 배기가스 처리장치를 준비하였다.
비교예 3
순환라인의 제1 구역에 제1 촉매층을 형성하고, 제2 구역에 제2 촉매층을 형성하고 제3 구역에는 촉매층을 형성하지 않은 것을 제외하고 상기 실시예와 동일한 방법으로 배기가스 처리장치를 준비하였다.
실험예: 상기 실시예 및 비교예 1~3의 배기가스 처리장치를 이용하여 배기가스를 처리하였다. 구체적으로, 배기가스를 유입라인을 통해 선택적 환원촉매층이 구비된 SCR(선택적 환원촉매) 유닛으로 유입하였고, 환원제 유입구로부터 암모니아(NH3)를 포함하는 환원제를 SCR 유닛 내부로 주입하여 300~400℃의 온도 조건에서 상기 유입된 배기가스를 처리하여 질소산화물이 제거된 제1 처리가스를 생성하여 상기 SCR 유닛의 후단에 연결된 배출라인을 통해 배출하였다.
비교예 1의 제1 처리가스는 그대로 대기중으로 배출하였으며, 상기 실시예 및 비교예 2~3의 배출라인으로 배출된 제1 처리가스는, 순환라인으로 유입되어, 상기 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역을 순차적으로 거쳐 제2 처리가스를 생성하여 상기 유입라인으로 이송하여, SCR 유닛으로 유입하였다.
그 다음에, 상기 실시예 및 비교예를 통해 최종적으로 처리된 가스를 채취하여, 가스 중 산화질소(NOx) 농도(ppm) 및 슬립 암모니아(NH3)의 농도(ppm)를 측정하였으며, 초기 배기가스 중 산화질소의 농도(ppm)와, 상기 환원제 유입구에서 투입되는 환원제의 초기 암모니아 농도(ppm) 값과 비교하여 산화질소의 제거율과 암모니아 미반응율을 계산하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
Figure 112022080771720-pat00001
상기 표 1의 결과를 참조하면, 본원발명 배기가스 처리장치를 적용한 실시예의 경우, 순환라인을 적용하지 않은 비교예 1과, 본 발명의 제2 촉매층 또는 제3 촉매층을 적용하지 않은 비교예 2~3에 비해 최종 처리가스의 질소산화물의 제거율과, 슬립 암모니아 제거율이 모두 우수한 것을 알 수 있었다.
구체적으로 실시예는 비교예 1과 비교하여 질소산화물 제거율은 8.0% 상승, 암모니아 미반응율은 8.6%가 낮아짐을 확인하였으며, 비교예 2은, 제1 구역에서 일산화질소(NO) 생성량이 증가함으로 인해 질소산화물(NOx) 농도가 오히려 증가하기 때문에 질소산화물 제거율이 실시예에 비해 13% 저하되어 비교예 1 보다도 효과가 저하되었고, 암모니아 미반응율 또한 실시예 보다 증가하였다. 제3 촉매층을 미적용한 비교예 3의 경우 실시예에 비해 질소산화물 제거율은 5% 감소하였고, 암모니아 미반응율은 0.9% 증기함을 확인하였다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 유입라인 20: 배출라인
30: 순환라인 31: 제1 구역
32: 제1 촉매층 33: 제2 구역
34: 제2 촉매층 35: 제3 구역
36: 제3 촉매층 40: 순환 팬

Claims (1)

  1. 배기가스가 유입되는 유입라인;
    상기 유입라인과 연결되어 상기 배기가스가 유입되고, 내부에 선택적 환원촉매층이 구비되며, 암모니아(NH3)를 포함하는 환원제가 주입되어 상기 유입된 배기가스를 처리하여 질소산화물이 제거된 제1 처리가스를 생성하는 SCR(선택적 환원촉매) 유닛;
    상기 SCR 유닛의 후단에 연결되며, 상기 제1 처리가스가 배출되는 배출라인; 및
    상기 배출라인 및 유입라인과 연결되는 순환라인;을 포함하며,
    상기 순환라인은, 상기 배출라인과 연결되며, 내벽에 전이금속 산화물을 포함하는 제1 촉매층이 형성된 제1 구역; 내벽에 귀금속을 포함하는 제2 촉매층이 형성된 제2 구역; 및 상기 유입라인과 연결되며, 내벽에 전이금속을 포함하는 제3 촉매층이 형성된 제3 구역;이 순차적으로 형성된 것이며,
    상기 제1 처리가스의 적어도 일부는 상기 순환라인으로 유입되어 상기 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역을 거쳐 상기 처리가스 중 슬립 암모니아(slip NH3)를 처리하여, 제2 처리가스를 생성하며,
    상기 제2 처리가스는 상기 유입라인으로 유입되며,
    상기 제1 촉매층은 산화구리(CuO)를 포함하는 활성물질 및 이를 지지하는 알루미나계 지지체를 포함하고,
    상기 제2 촉매층은 백금(Pt) 및 로듐(Rh)을 포함하는 활성물질 및 이를 담지하는 알루미나계 지지체를 포함하고, 그리고
    상기 제3 촉매층은 구리(Cu) 및 망간(Mn)을 포함하는 활성물질 및 이를 담지하는 제올라이트계 지지체를 포함하되,
    상기 제2 촉매층은 상기 백금(Pt) 0.1~1 중량% 및 로듐(Rh) 0.1~1 중량%를 포함하며,
    상기 제3 촉매층은 상기 구리(Cu) 0.1~5 중량% 및 망간(Mn) 0.1~5 중량%를 포함하고,
    상기 SCR 유닛의 내부 온도는 300~400℃인 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치.
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