KR102460811B1 - 선택적 촉매 반응장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선택적 촉매 환원법을 이용하는 탈질설비인 선택적 촉매 반응장치에 관한 것으로서, 연소가스가 인입되고 암모니아수가 분사되는 연소가스 인입 덕트부와 선택적 촉매 반응부 및 반응연소가스 배출부를 포함하고, 상기 선택적 촉매 반응부는 수직 배치되는 반응탑과 반응탑 내에 1개층 이상의 촉매층이 구비되는 선택적 촉매 반응장치에 있어서, 상기 연소가스 인입 덕트부와 선택적 촉매 반응부의 사이에 개재되고, 상기 연소가스 인입 덕트부로 인입된 연소가스와 분사된 암모니아수에 대해 반응탑의 내부로 균일하게 확산 처리하여주기 위한 기액혼합물 확산부를 포함하며, 상기 기액혼합물 확산부는 전체 영역에 걸쳐 관통된 다수의 타공홀을 배열시킨 판형몸체의 기액혼합물확산판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 구조 개선을 통해 연소가스와 암모니아수의 기액 접촉효과 및 반응효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 반응탑 내로 기액혼합물인 혼합가스가 균일하게 퍼질 수 있도록 컨트롤할 수 있으며, 기존에 비해 연소가스에 함유된 질소산화물(NOx)의 제거 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

선택적 촉매 반응장치{APPARATUS FOR SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION REACTION}
본 발명은 선택적 촉매 환원법을 이용하는 탈질설비인 선택적 촉매 반응장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소가스와 암모니아수의 기액 접촉효과 및 반응효율을 높일 수 있도록 함과 더불어 반응탑 내로 기액혼합물인 혼합가스가 균일하게 퍼질 수 있도록 컨트롤하며 기존에 비해 연소가스에 함유된 질소산화물(NOx)의 제거 성능을 향상시킬 수 있도록 한 선택적 촉매 반응장치에 관한 것이다.
일반적으로 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction; SCR)은 촉매하에서 NH3, CO, 탄화수소 등의 환원제를 사용하여 질소산화물(NOx)을 질소(N2)로 전환시키는 기술로서. 질소산화물(NOx)을 저감시키는 기술이며, 주로 소각시설 등의 공업적 연도가스 처리나 디젤엔진의 배출가스 처리에 활용되고 있다.
이때, 상기 질소산화물(NOx)은 고온의 연소설비에서 공기의 과잉 공급으로 질소와 산소가 반응하여 생성되는 화합물을 총칭하는 것으로서, 인체에 유해할 뿐만 아니라 산성비 또는 스모그(Smog)를 발생시켜 대기오염을 야기하는 직접적인 원인물질로 정의할 수 있다.
이와 같이 질소산화물(NOx)의 저감에 사용되는 선택적 촉매 환원법은 환원제에 따라 탄화수소 반응법과 암모니아 반응법으로 구별되고, 이들 원리를 접목한 반응탑을 갖는 선택적 촉매 반응장치가 사용되고 있으며, SCR 장치라고도 한다.
상기 암모니아 반응법을 접목하는 선택적 촉매 반응장치는 연소가스에 암모니아 환원제를 분사하여 혼합시킨 후 촉매층을 통과시킴으로써 질소산화물(NOx)의 환원반응을 유도하여 연소가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감하도록 구비되며, 반응속도의 증가를 위해 촉매가 필수적으로 사용된다.
부연하여, 선택적 촉매 반응장치에서는 하기에 나타낸 환원 반응식에서와 같이, 연소가스에 함유된 질소산화물(NOx)은 암모니아 성분에 의해 질소 및 물로 전환되어 저감된다.
(환원 반응식)
(1) 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
(2) 2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 8H2O
(3) NO + NO2 +2NH3 → 2N2 + 3H2O
이때, 반응하지 못하고 남은 암모니아 성분은 하기 화학식에서와 같이 산소와 결합되는 반응에 의해 질소 및 물로 전환되어 제거되는 메커니즘을 갖는다.
(화학식)
3O* + 2NH3 → N2 + 3H2O + 3*
한편, 도 1은 종래 일반적으로 사용되고 있는 선택적 촉매 반응장치를 나타낸 구성도로서, 연소가스 인입 덕트부(10)와 선택적 촉매 반응부(20) 및 반응연소가스 배출부(30)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
상기 연소가스 인입 덕트부(10)는 연소가스를 하측방향에서 인입하도록 초입부(11)를 형성한 후 바로 수평 흐름을 유도하도록 평면 배치부(12)가 형성되고 내부의 공간 상에 다수의 가이드베인(13)을 분배 설치하여 인입된 연소가스에 대해 선택적 촉매 반응부(20)를 향해 확산을 유도하도록 구비된다.
이때, 상기 연소가스 인입 덕트부(10)의 초입부(11)에는 연소가스에 대한 유해가스 전환효율을 높이기 위해 암모니아수를 분사하도록 노즐(14)이 설치된다.
상기 선택적 촉매 반응부(20)는 연소가스인입부(10)의 하측에 연장되는 수직형 반응탑(21)을 구비하되, 질소산화물(NOx)의 환원반응을 유도하여 연소가스에 함유된 질소산화물(NOx)의 저감을 수행하기 위한 촉매가 배치된 촉매층(22)을 포함한다.
이때, 상기 선택적 촉매 반응부(20)는 수직형 반응탑(21) 내에 상하 방향으로 다층 구조를 형성하고 각 층별로 촉매층(22)을 배치하는 구성을 갖는다.
상기 반응연소가스 배출부(30)는 선택적 촉매 반응부(20)의 하측에 연장되어 구비되고, 연소가스의 배출을 돕는 유인송풍기와 연결되어 질소산화물이 저감된 연소가스에 대해 굴뚝을 통해 외부 배출하도록 구비된다.
하지만, 상술한 구성을 갖는 종래의 기술은 연소가스가 인입되는 연소가스 인입 덕트부(10) 측 초입부(11)의 형성라인이 1000mm 내지 1500mm로서 극히 짧고 평면 배치부(12)가 수평형 배치구조로 이루어지므로 인해 연소가스 인입 덕트부(10)의 초입부(11)에서 인입 및 분사되는 연소가스와 암모니아수의 접촉에 의한 반응시간이 충분하지 않으며, 단순히 가이드베인(13)을 통해 확산 흐름을 안내하므로 연소가스와 암모니아수의 반응이 원활하지 않을뿐더러 충분한 기액 접촉효과를 기대할 수 없었다.
즉, 종래에는 연소가스(기체)와 암모니아수(액체) 간의 기액 접촉효율에 따른 유해가스 전환효율이 높지 않은 문제점이 있었다.
이로 인해, 암모니아수의 사용량을 높이는 등 불필요하게 약품 사용량이 증가되는 문제점이 있었으며, 전반적으로 운영비가 커지는 문제점이 있었다.
또한, 종래에 있어서는 연소가스 인입 덕트부(10) 내에서 연소가스와 암모니아수 간의 슬립현상이 발생되고, 연소가스 인입 덕트부(10) 내에 암모니아(NH3)에 의한 부식이 유발되는 문제점이 있었다.
또한, 종래에 있어서는 가이드베인(13)을 통해 확산된 혼합가스(연소가스 + 암모니아수)가 관성에 의해 선택적 촉매 반응부(20) 상에서 중앙으로 집중되는 흐름이 형성되므로 촉매층(22)과의 접촉효율 및 반응효율이 저하되는 문제점이 있었으며, 환원반응에 의한 질소산화물(NOx)의 저감 성능이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 종래에 있어서는 반응연소가스 배출부(30)에 연결되는 유인송풍기 측 작동에 의해 장치 시스템 내에 배출압력이 작용되는데, 연소가스 인입 덕트부(10)와 선택적 촉매 반응부(20)에서 연소가스와 암모니아수가 혼합된 상태의 혼합가스가 불균일하게 확산되므로 인해 연소가스 인입 덕트부(10)의 초입부(11) 상에서 차압이 발생되는 문제점이 있었다.
이와 같이 선택적 촉매 반응장치 상에 발생되는 차압은 연소가스 인입 덕트부(10) 내에서 연소가스와 암모니아수의 접촉효율 및 반응효율을 저하시키는 요인이 되고 있고, 선택적 촉매 반응부(20) 내에서의 유동을 발생시키므로 반응탑(21)에 형성된 촉매층(22)의 촉매를 손상 및 잦은 교체를 야기하는 요인이 되고 있으며, 심지어는 유인송풍기에도 과부하가 발생되는 등 장치 가동에 있어서의 전반적인 문제를 야기시킴과 더불어 운영비가 과다해지는 문제점이 있었다.
한편, 본 발명과 관련하여서는 국내공개특허 제10-2022-0066641호에 개시된 '선택적 촉매 환원 반응기'와, 국내등록특허 제10-1806315호에 개시된 '선택적 환원촉매 시스템의 반응기', 및 국내등록특허 제10-1591229호에 개시된 '선택적 촉매 환원법에 기반한 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하는 질소산화물 저감시스템' 등을 참조할 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2022-0066641호 대한민국 등록특허공보 제10-1806315호 대한민국 등록특허공보 제10-1591229호
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해소 및 이를 감안하여 안출된 것으로서, 구조 개선을 통해 연소가스와 암모니아수의 기액 접촉효과 및 반응효율을 높일 수 있도록 함과 더불어 반응탑 내로 기액혼합물인 혼합가스가 균일하게 퍼질 수 있도록 컨트롤하며, 기존에 비해 연소가스에 함유된 질소산화물(NOx)의 제거 성능을 향상시킬 수 있도록 한 선택적 촉매 반응장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 반응탑으로 인입되는 연소가스에 함유된 질소산화물(NOx)의 반응이 원활하게 이루어지게 하고, 반응탑 내에 존재하는 촉매로 유입되는 연소가스와 혼합된 암모니아 농도의 균일성과 인입된 혼합가스의 균일성을 유지케 함으로써 질소산화물(NOx)의 제거효율을 높일 수 있도록 한 선택적 촉매 반응장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 촉매와의 접촉효율 및 반응활성을 높일 수 있도록 하고, 촉매의 사용수명을 높여 교체시기를 늦출 수 있도록 하며, 전체적인 운영비를 절감할 수 있도록 한 선택적 촉매 반응장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 장치 시스템 내 차압 발생을 방지할 수 있도록 하고 촉매층의 손상을 방지할 수 있도록 한 선택적 촉매 반응장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선택적 촉매 반응장치는, 연소가스가 인입되고 암모니아수가 분사되는 연소가스 인입 덕트부와 선택적 촉매 반응부 및 반응연소가스 배출부를 포함하고, 상기 선택적 촉매 반응부는 수직 배치되는 반응탑과 반응탑 내에 1개층 이상의 촉매층이 구비되는 선택적 촉매 반응시스템에 있어서, 상기 연소가스 인입 덕트부와 선택적 촉매 반응부의 사이에 개재되고, 상기 연소가스 인입 덕트부로 인입된 연소가스와 분사된 암모니아수의 기액혼합물에 대해 반응탑의 내부로 균일하게 확산 처리하여주기 위한 기액혼합물 확산부를 포함하며, 상기 기액혼합물 확산부는 전체 영역에 걸쳐 관통된 다수의 타공홀을 배열시킨 판형몸체의 기액혼합물확산판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 기액혼합물 확산부는, 일단이 연소가스 인입 덕트부에 연결되고 타단이 선택적 촉매 반응부에 연결되며 하측으로 갈수록 직경이 확장되는 구조의 연결프레임을 포함하고, 상기 연결프레임 상에 횡(橫) 방향으로 탈장착개구를 형성함으로써 상기 기액혼합물확산판을 탈장착 및 교체 사용 가능하도록 구성할 수 있다.
여기에서, 상기 기액혼합물확산판은, 차압 발생 및 중앙 집중현상을 방지하고 연소가스와 암모니아수의 기액혼합물에 대한 균일한 확산 처리를 수행하기 위하여 관통된 다수의 타공홀에 대해 중앙지점에서 좌우 양측부로 갈수록 직경의 크기가 커지도록 형성하는 구성일 수 있다.
여기에서, 상기 연소가스 인입 덕트부는, 인입된 연소가스와 분사된 암모니아수와의 상호간에 접촉 및 반응을 위한 체류시간을 높일 수 있도록 하기 위하여, 연소가스가 인입되는 영역으로서 수직 배치되고 5000mm 내지 6000mm의 길이로 형성시킨 초입관로부와, 초입관로부에 연장되는 "∩" 형상의 좌우 대칭구조를 갖는 곡선관로부와, 곡선관로부에 연장되어 수직 배치되고 초입관로부와 동일하거나 더 확장된 길이로 구비되며 선택적 촉매 반응부의 반응탑과 연결되는 반응탑연결관로부, 및 초입관로부 상에 설치되어 암모니아수를 분사하는 스프레이노즐부를 포함하는 구성일 수 있다.
여기에서, 상기 곡선관로부 내 중간지점과 상기 반응탑연결관로부 내 시작지점에는 각각 체류파이프를 추가 설치함으로써 인입된 연소가스와 분사된 암모니아수와의 상호간에 접촉 및 반응을 위한 체류시간을 갖게 하여 흐름을 늦출 수 있도록 구성하되, 상기 체류파이프는 연소가스의 이송 흐름에 직각되는 방향으로 교차 배치되는 구성일 수 있다.
여기에서, 상기 연소가스 인입 덕트부는, 연소가스 및 암모니아수와의 접촉에 의한 부식을 방지하기 위한 부식방지코팅층을 내면에 형성하되, 상기 부식방지코팅층은 디프로필렌글리콜 100중량부를 기준으로 하여 3-트라이에톡시실란프로필아민 10중량부 내지 40중량부, 테트라에톡시실란 20중량부 내지 50중량부, 스테아르산 3중량부 내지 10중량부가 혼합된 부식방지코팅액으로 이루어지도록 구성할 수 있다.
여기에서, 상기 상기 촉매층은, 망간계 화합물, 철계 화합물, 구리계 화합물 중에서 선택된 2종을 활성을 위한 금속성분으로 사용하되 이를 물에 녹이고 이산화티탄(TiO2)을 혼합한 수용액을 제조하는 단계; 금속성분이 포함된 수용액에 그래핀을 첨가한 후, 20~30℃에서 12~24시간 동안 교반하여 이온교환 및 담지 처리하는 단계; 이온교환 결과물에 대해 증류수로 세척하고 여과 처리한 후, 70~90℃의 온도에서 5~10시간 동안 건조시키는 단계; 건조시킨 이온교환 결과물에 대해 일정 형상으로 성형 처리한 후, 300~600℃의 온도에서 4~6시간 동안 소성하는 단계;로 제조된 촉매로 이루어지며, 상기 망간계 화합물은 Mn(NO3)2·4H2O 또는 Mn(NO3)2·6H2O이고, 상기 철계 화합물은 Fe(NO3)3·9H2O이고, 상기 구리계 화합물은 Cu(NO3)2·2.5H2O이고, 상기 그래핀은 100~150℃의 온도에서 1~3시간 동안 건조시킨 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 구조 개선을 통해 연소가스와 암모니아수의 기액 접촉효과 및 반응효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 반응탑 내로 기액혼합물인 혼합가스가 균일하게 퍼질 수 있도록 컨트롤할 수 있으며, 기존에 비해 연소가스에 함유된 질소산화물(NOx)의 제거 성능을 향상시킬 수 있는 유용함을 달성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반응탑으로 인입되는 연소가스에 함유된 질소산화물(NOx)의 반응활성이 원활하게 이루어지게 하고, 반응탑 내에 존재하는 촉매로 유입되는 연소가스와 혼합된 암모니아 농도의 균일성과 인입된 혼합가스의 균일성을 유지케 함으로써 질소산화물(NOx)의 제거효율을 높일 수 있는 유용함을 달성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 촉매에 의한 접촉효율 및 반응활성을 높일 수 있고, 촉매의 사용수명을 높일 수 있어 교체시기를 늦출 수 있으며, 전체적인 운영비를 절감할 수 있는 유용함을 달성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 장치 시스템 내 차압 발생을 방지할 수 있고 부하 발생을 방지할 수 있으며, 촉매층의 국부적인 손상을 방지할 수 있는 유용함을 달성할 수 있다.
도 1은 종래 일반적으로 사용되고 있는 선택적 촉매 반응장치를 나타낸 개략적 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 반응장치를 나타낸 개략적 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 반응장치에 있어 체류파이프를 포함하는 구성을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 반응장치에 있어 기액혼합물확산판을 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 반응장치에 있어 반응탑 내 기액혼합물의 확산형태를 나타낸 실험 데이터로서, (a)는 기액혼합물확산판을 사용하지 않은 상태이고, (b)는 기액혼합물확산판을 사용한 상태를 나타낸 도면이다.
본 발명에 대해 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같으며, 이와 같은 상세한 설명을 통해서 본 발명의 목적과 구성 및 그에 따른 특징들을 보다 잘 이해할 수 있게 될 것이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 반응장치를 설명하기 위해 나타낸 도면들이다.
본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 반응장치는 도 2 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 연소가스가 인입되고 암모니아수가 분사되는 연소가스 인입 덕트부(100), 반응탑 내 촉매 배치에 의한 촉매층의 형성을 통해 내부에서 선택적 촉매 환원반응을 유도하여 질소산화물(NOx)을 저감시키는 선택적 촉매 반응부(200), 선택적 촉매 환원반응에 의해 질소산화물이 저감된 반응연소가스의 배출을 유도하는 반응연소가스 배출부(300)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
상기 선택적 촉매 반응부(200)는 상측에 연소가스 인입 덕트부(100)가 연결되고 하측에 반응연소가스 배출부(300)가 연결되며 수직 배치되는 반응탑(210)과, 상기 반응탑(210) 내에 1개 이상의 층으로 구비되는 촉매층(220)을 포함한다.
또한, 상기 연소가스 인입 덕트부(100)와 선택적 촉매 반응부(200)의 사이에 개재되고, 상기 연소가스 인입 덕트부(100)로 인입된 연소가스와 분사된 암모니아수의 기액혼합물에 대해 하측에 위치된 선택적 촉매 반응부(200)의 내부로 균일하게 확산 처리하여주기 위한 기액혼합물 확산부(400)를 더 포함하는 구성을 갖게 할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 반응장치가 갖는 구성요소에 대해 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
상기 연소가스 인입 덕트부(100)는 인입된 연소가스와 분사된 암모니아수에 의한 기체와 액체를 혼합하여 혼합가스화하는 영역으로서, 인입된 연소가스와 분사된 암모니아수와의 상호간에 접촉 및 반응을 위한 체류시간을 높일 수 있도록 하기 위한 개선 구조를 제안한다.
이를 위해, 상기 연소가스 인입 덕트부(100)는 연소가스가 인입되는 영역으로서 수직 배치되고 5000mm 내지 6000mm의 길이로 형성시킨 초입관로부(110)와, 상기 초입관로부(110)에 연장되는 "∩" 형상의 좌우 대칭구조를 갖는 곡선관로부(120)와, 상기 곡선관로부(120)에 연장되어 수직 배치되고 초입관로부(110)와 동일하거나 더 확장된 길이로 구비되며 선택적 촉매 반응부(200)의 반응탑(210)과 연결되는 반응탑연결관로부(130), 및 상기 초입관로부(110) 상에 설치되어 암모니아수를 분사하기 위한 스프레이노즐부(140)를 포함한다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 곡선관로부(120) 내 중간지점과 상기 반응탑연결관로부(130) 내 시작지점에는 각각 체류파이프(150)를 추가 설치하는 구성을 갖게 할 수 있다.
상기 체류파이프(150)는 연소가스 인입 덕트부(100)로 인입되는 연소가스의 이송 흐름에 직각되는 방향으로 교차 배치함이 바람직하다.
이와 같은 상기 체류파이프(150)를 통해서는 인입된 연소가스와 분사된 암모니아수와의 상호간에 접촉 및 반응을 위한 체류시간을 갖게 하여 흐름을 늦출 수 있도록 하는 구성을 갖게 할 수 있다.
즉, 상기 연소가스 인입 덕트부(100)에서는 초입관로부(110)와 곡선관로부(120), 반응탑연결관로부(130), 및 체류파이프(150)를 포함하는 구조 개선을 통해 내부로 인입된 연소가스와 분사된 암모니아수와의 기액 접촉 및 혼합가스화 처리에 따른 효율을 기존에 비해 크게 높여줄 수 있다.
또한, 상기 연소가스 인입 덕트부(100)는 내부로 연소가스가 인입되고 암모니아수가 분사되는 시스템을 갖는 것으로서, 연소가스 및 암모니아수의 접촉에 따라 덕트 측 부식이 발생되는데, 연소가스 및 암모니아수의 접촉에 의한 덕트 측 부식을 방지하기 위하여 부식방지코팅층을 내면에 형성할 수 있다.
상기 부식방지코팅층은 디프로필렌글리콜(Dipropylene Glycol) 100중량부를 기준으로 하여 3-트라이에톡시실란프로필아민(3-Aminopropyl triethoxysilane) 10중량부 내지 40중량부, 테트라에톡시실란(tetraethoxysilane) 20중량부 내지 50중량부, 스테아르산(stearic acid) 3중량부 내지 10중량부가 혼합된 부식방지코팅액으로 이루어지도록 구성할 수 있다.
여기에서, 상기 디프로필렌글리콜은 용제로 사용되고, 상기 3-트라이에톡시실란프로필아민은 부식방지코팅액에 대해 덕트 측 강한 접착력을 갖게 하기 위함이며, 상기 테트라에톡시실란은 덕트 측 내면에 안정적인 피막을 형성하여주기 위함이며, 상기 스테아르산은 내식성을 증대시켜주기 위한 용도로 사용된다.
이때, 상기 부식방지코팅액에는 첨가제 5~15중량부를 더 첨가할 수 있는데, 첨가제로는 폴리카보네이트, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트, 폴리비닐리덴 디플루오라이드, 퍼플루오르알콕시, 폴리테트라플루오르에틸렌 중에서 적어도 1종 또는 그 이상이 사용될 수 있다.
여기에서, 상기 첨가제는 덕트 측 내면에 대한 표면비저항을 높여 연소가스 및 암모니아수와의 접촉에 따른 덕트 측 부착을 방지토록 함으로써 궁극적으로 내식성을 증대시키는 용도로 사용된다.
상기 연소가스 인입 덕트부(100)의 내면에 형성하는 상술한 조성을 갖는 부식방지코팅층은 필요에 따라 선택적 촉매 반응부(200)의 반응탑(210)과 반응연소가스 배출부(300)의 내면에도 형성할 수 있다.
상기 선택적 촉매 반응부(200)는 촉매의 작용으로 선택적 환원 반응을 유도하여 연소가스에 함유된 질소산화물(NOx)에 대해 인체에 무해한 질소와 물로 환원시킴으로써 질소산화물을 저감시키는 영역으로서, 수직 배치되는 반응탑(210)에 있어 챔버형 몸체로 구비되고, 상기 반응탑(210) 내에 배치되는 촉매층(220)은 암모니아 성분과의 반응을 이용한 질소산화물의 저감을 수행하는 촉매로 이루어진다.
이때, 상기 촉매층(220)은 연소가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 환원제인 암모니아 성분과 혼합한 상태에서 촉매의 작용으로 선택적 환원 반응을 유도하여 질소산화물(NOx)에 대해 인체에 무해한 질소(N2)와 물(H2O)로 환원시키는 기능을 한다.
여기에서, 연소가스에 함유된 질소산화물(NOx)에 대한 선택적 환원 반응은 하기의 환원 반응식을 참조할 수 있다.
(환원 반응식)
(1) 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
(2) 2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 8H2O
(3) NO + NO2 +2NH3 → 2N2 + 3H2O
또한, 선택적 환원 반응에 반응하지 못하고 남은 암모니아 성분은 하기 화학식에서와 같이 산소와 결합되는 반응에 의해 질소 및 물로 전환되어 제거되는 메커니즘을 갖는다.
(화학식)
3O* + 2NH3 → N2 + 3H2O + 3*
여기에서, 상기 촉매층(220)을 형성하는 촉매는 다양하게 적용될 수 있다 할 것인데, 비교적 낮은 온도(250℃ 이하)에서도 높은 활성을 나타낼 수 있는 촉매의 사용이 더욱 바람직하다.
이를 위해, 상기 촉매층(220)을 위한 촉매는 하기의 제조공정으로 제조된 것일 수 있다.
망간계 화합물, 철계 화합물, 구리계 화합물 중에서 선택된 2종을 활성을 위한 금속성분으로 사용하되 이를 물에 녹이고 이산화티탄(TiO2)을 혼합한 수용액을 제조한다.
여기에서, 구리와 망간 또는 철과 망간의 몰비가 1.0~1.2이 되게 하고, 티타늄과 망간의 몰비가 0.2~0.3이 되게 혼합한다.
여기에서, 망간계 화합물은 [Mn(NO3)2·xH2O]이 바람직한데, Mn(NO3)2·4H2O 또는 Mn(NO3)2·6H2O일 수 있다.
여기에서, 상기 철계 화합물은 [Fe(NO3)3·9H2O]이 바람직하다.
여기에서, 상기 구리계 화합물은 [Cu(NO3)2·2.5H2O]이 바람직하다.
상기 금속성분이 포함된 수용액에 그래핀을 첨가한 후, 20~30℃에서 12~24시간 동안 교반하여 이온교환 및 담지 처리함으로써 암모니아 성분에 의한 질소산화물의 환원반응 효율을 증대시킬 수 있도록 한다.
여기에서, 그래핀은 100~150℃의 온도에서 1~3시간 동안 건조시킨 것을 사용하며, 교반시 초음파 또는 마이크로파를 인가할 수 있다.
여기에서, 그래핀은 다공성 부재로서 활성을 위한 금속성분을 담지하는 담체로 기능하며, 이와 더불어 자체 흡착기능 및 정화기능을 함께 수행한다.
상기 이온교환 결과물에 대해 증류수로 세척하고 여과 처리한 후, 70~90℃의 온도에서 5~10시간 동안 건조시킨다.
상기 건조시킨 이온교환 결과물에 대해 일정 형상으로 성형 처리한 후, 300~600℃의 온도에서 4~6시간 동안 소성시켜 촉매를 제조한다.
여기에서, 촉매는 하니컴 형상으로 성형 및 완성될 수 있다.
이와 같은 상술한 조성을 갖는 촉매로 이루어진 촉매층(220)을 통해 질소산화물의 NH3-SCR 반응활성 및 그 성능을 크게 높여줄 수 있고, 비교적 낮은 온도(250℃ 이하)에서도 높은 반응활성을 나타낼 수 있으며, 기존에 비해 연소가스에 함유된 질소산화물(NOx)의 제거 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 반응연소가스 배출부(300)는 덕트 구조체로 구비된다.
상기 반응연소가스 배출부(300)에는 선택적 환원반응에 의해 질소(N2) 및 물(H20)로 전환되어 질소산화물(NOx)이 저감된 반응연소가스를 굴뚝 등 외부로의 배출을 유도하기 위한 유인송풍기가 연결되어 사용된다.
상기 기액혼합물 확산부(400)는 전체 영역에 걸쳐 관통된 다수의 타공홀(421)을 배열시킨 판형몸체의 기액혼합물확산판(420)을 포함하는 것으로서, 상기 연소가스 인입 덕트부(100)에 일단이 연결되고 타단이 선택적 촉매 반응부(200)에 연결되며 하측으로 갈수록 직경이 확장되는 구조를 갖는 연결프레임(410)을 포함한다.
이때, 상기 연결프레임(410) 상에는 횡(橫) 방향으로 절개되는 탈장착개구를 형성함으로써 상기 기액혼합물확산판(420)을 탈장착하여 사용함은 물론 용이하게 교체하여 사용하도록 구성함이 바람직하다.
특히, 상기 기액혼합물확산판(420)은 도 4에 나타낸 바와 같이, 차압 발생 및 중앙 집중현상을 방지하고 연소가스와 암모니아수의 기액혼합물(혼합가스)에 대한 균일한 확산 처리를 수행하기 위하여 관통된 다수의 타공홀(421)에 대해 중앙지점에서 좌우 양측부로 갈수록 직경의 크기가 커지도록 형성하는 구성일 수 있다.
여기에서, 상기 연결프레임(410) 상에는 상기 기액혼합물확산판(420)의 용이한 탈장착을 위해 탈장착가이드부재나 지지부재 또는 잠금부재 등이 구비될 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명에 있어 기액혼합물확산판(420)의 설치 유무에 따른 기액혼합물의 흐름 상태를 나타낸 것으로서, (a)는 기액혼합물확산판을 사용하지 않은 상태이고, (b)는 기액혼합물확산판을 사용한 상태를 나타낸 도면이다.
도 5의 (b)를 참조하면, 연소가스 인입 덕트부를 통해 암모니아수와 접촉 및 반응한 연소가스(기액혼합물)가 기액혼합물확산판의 작용에 의해 선택적 촉매 반응부 측 반응탑의 내부로 균일하게 확산시켜 촉매층으로 유도함을 보여주고 있다.
즉, 본 발명에서는 장치 상에 기액혼합물확산판(420)을 설치함에 따라 기액혼합물에 대해 반응탑(210)의 내부로 균일하게 확산시켜 촉매층(220)으로 유도하므로 기액혼합물과 접촉되고 환원반응을 유도하는 역할을 담당하는 촉매층(220)의 국부적인 손상을 막아줄 수 있고 손상 방지를 통해 촉매의 효율을 높여줄 수 있음과 동시에 사용 수명을 연장시킬 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 상술한 실시예들은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하다 할 수 있고 이러한 실시예들에 극히 한정되지 않는다 할 것이며, 본 발명의 기술적 사상과 청구범위 내에서 이 기술분야의 당해업자에 의하여 다양한 수정과 변형 등이 이루어질 수 있다 할 것인데, 이는 본 발명의 기술적 권리범위 내에 속한다 할 수 있다.
100: 연소가스 인입 덕트부 110: 초입관로부
120: 곡선관로부 130: 반응탑연결관로부
140: 스프레이노즐부 150: 체류파이프
200: 선택적 촉매 반응부 210: 반응탑
220: 촉매층 300: 반응연소가스 배출부
400: 기액혼합물 확산부 410: 연결프레임
420: 기액혼합물확산판 421: 타공홀

Claims (7)

  1. 연소가스가 인입되고 암모니아수가 분사되는 연소가스 인입 덕트부와 선택적 촉매 반응부 및 반응연소가스 배출부를 포함하고, 상기 선택적 촉매 반응부는 수직 배치되는 반응탑과 반응탑 내에 1개층 이상의 촉매층이 구비되는 선택적 촉매 반응에 있어서,
    상기 연소가스 인입 덕트부와 선택적 촉매 반응부의 사이에 개재되고, 상기 연소가스 인입 덕트부로 인입된 연소가스와 분사된 암모니아수의 기액혼합물에 대해 반응탑의 내부로 균일하게 확산 처리하여주기 위한 기액혼합물 확산부를 포함하며,
    상기 기액혼합물 확산부는 전체 영역에 걸쳐 관통된 다수의 타공홀을 배열시킨 판형몸체의 기액혼합물확산판을 포함하되, 상기 기액혼합물확산판은 차압 발생 및 중앙 집중현상을 방지하고 연소가스와 암모니아수의 기액혼합물에 대한 균일한 확산 처리를 수행하기 위하여 관통된 다수의 타공홀에 대해 중앙지점에서 좌우 양측부로 갈수록 직경의 크기가 커지도록 형성하며,
    상기 연소가스 인입 덕트부는 인입된 연소가스와 분사된 암모니아수와의 상호간에 접촉 및 반응을 위한 체류시간을 높일 수 있도록 하기 위하여, 연소가스가 인입되는 영역으로서 수직 배치되고 5000mm 내지 6000mm의 길이로 형성시킨 초입관로부와, 초입관로부에 연장되는 "∩" 형상의 좌우 대칭구조를 갖는 곡선관로부와, 곡선관로부에 연장되어 수직 배치되고 초입관로부와 동일하거나 더 확장된 길이로 구비되며 선택적 촉매 반응부의 반응탑과 연결되는 반응탑연결관로부, 및 초입관로부 상에 설치되어 암모니아수를 분사하는 스프레이노즐부를 포함하며,
    상기 곡선관로부 내 중간지점과 상기 반응탑연결관로부 내 시작지점에는 각각 체류파이프를 추가 설치함으로써 인입된 연소가스와 분사된 암모니아수와의 상호간에 접촉 및 반응을 위한 체류시간을 갖게 하여 흐름을 늦출 수 있도록 구성하되, 상기 체류파이프는 연소가스의 이송 흐름에 직각되는 방향으로 교차 배치되는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 반응장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기액혼합물 확산부는,
    일단이 연소가스 인입 덕트부에 연결되고 타단이 선택적 촉매 반응부에 연결되며 하측으로 갈수록 직경이 확장되는 구조의 연결프레임을 포함하고, 상기 연결프레임 상에 횡(橫) 방향으로 탈장착개구를 형성함으로써 상기 기액혼합물확산판을 탈장착 및 교체 사용 가능하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 반응장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 연소가스 인입 덕트부는,
    연소가스 및 암모니아수와의 접촉에 의한 부식을 방지하기 위한 부식방지코팅층을 내면에 형성하되,
    상기 부식방지코팅층은 디프로필렌글리콜 100중량부를 기준으로 하여 3-트라이에톡시실란프로필아민 10중량부 내지 40중량부, 테트라에톡시실란 20중량부 내지 50중량부, 스테아르산 3중량부 내지 10중량부가 혼합된 부식방지코팅액으로 이루어진 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 반응장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매층은,
    망간계 화합물, 철계 화합물, 구리계 화합물 중에서 선택된 2종을 활성을 위한 금속성분으로 사용하되 이를 물에 녹이고 이산화티탄(TiO2)을 혼합한 수용액을 제조하는 단계;
    금속성분이 포함된 수용액에 그래핀을 첨가한 후, 20~30℃에서 12~24시간 동안 교반하여 이온교환 및 담지 처리하는 단계;
    이온교환 결과물에 대해 증류수로 세척하고 여과 처리한 후, 70~90℃의 온도에서 5~10시간 동안 건조시키는 단계;
    건조시킨 이온교환 결과물에 대해 일정 형상으로 성형 처리한 후, 300~600℃의 온도에서 4~6시간 동안 소성하는 단계; 로 제조된 촉매로 이루어지며,
    상기 망간계 화합물은 Mn(NO3)2·4H2O 또는 Mn(NO3)2·6H2O이고,
    상기 철계 화합물은 Fe(NO3)3·9H2O이고,
    상기 구리계 화합물은 Cu(NO3)2·2.5H2O이고,
    상기 그래핀은 100~150℃의 온도에서 1~3시간 동안 건조시킨 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 반응장치.
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