KR19990022319A - 휘발성 화학물질 방출을 감소시키기 위한 촉매적 배기 가스처리 시스템 - Google Patents

휘발성 화학물질 방출을 감소시키기 위한 촉매적 배기 가스처리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 공장으로부터의 일산화탄소 및 휘발성 유기 화합물의 방출을 감소시키는 통합된 배기 가스 처리 방법에 관한 것이며, 이 방법은 고형 산화 촉매(44)를 사용하여 배기 가스 스트림중의 이산소를 갖는 유기 오염물질의 촉매적 산화를 위한 설비, 다량의 연소성 유체(31)를 산화의 배기 가스 상부 스트림속에 공급하여 유기 오염물질의 촉매적 산화를 촉진시키는 수단 및 공급 수단에 의해 공급되는 연소성 유체의 양을 조절하는 수단(여기서, 조절 수단은 촉매적 산화를 위한 충분한 반응물을 제공하도록 배열되어 본 발명에 따른 적합한 반응 온도를 유지시킨다)을 포함한다.

Description

휘발성 화학물질 방출을 감소시키기 위한 촉매적 배기 가스 처리 시스템
열적 및 촉매적 소각(incineration)은 널리 공지되어 있으며 각종 공업적 공정에서 발생하는 폐기(waste air) 및 기타 가스 스트림에서 발견된 위험한 휘발성 유기 화합물의 분해에 사용된다. 이러한 스트림은 유기 화학물질 및 중합체의 제조방법 및 휘발성 유기 용매가 금속 가공, 기계 가공 및 마무리 공정에서 세정 및 탈지 목적으로 사용되는 공정으로부터 생성된다. 촉매적 소각은 실질적으로 저온에서 및 또다른 열 소각에서보다 상당히 낮은 잔류시간에서 작동할 수 있지만, 노 및/또는 기타 열교환 장치를 포함하는 추가의 장치가 각종 공업적인 공정으로부터 위험한 휘발성 유기 화합물을 분해하기 위한 촉매적 활성을 수득하기 위한 적합하게 상승된 작동 온도를 제공하는데 요구되어 왔다.
촉매적 소각의 통상적으로 사용가능한 적용에서는, 분해하는 것이 바람직한 휘발성 유기 화합물에 적합하고 이의 촉매 활성을 파괴하는 화합물에 대한 선택된 촉매의 노출을 피하기 위한 산화 촉매 시스템을 선택하는 것이 필요하다. 처리해야 하는 가스 스트림 대부분은 다량의 할로겐 및/또는 할로겐화 화합물을 포함한다. 그러나, 통상적인 촉매 소각에 사용된 일부 귀금속 촉매는 이들 화합물로부터의 분해로부터 할로겐 원자에 의한 이의 성능을 심하게 억제하고 이러한 바람직한 방법은 이들 가스 스트림에 대한 이러한 촉매와 함께 일반적으로 사용할 수 없다.
자동차 및 기타 차량 적용에서 사용된 내연 기관으로부터 대기 오염을 감소시키는데 있어서의 최근의 계속적인 관심은 이러한 간헐적 작업을 위한 장치에 관한 수많은 문헌에 나타나 있다. 전형적으로, 대기 오염의 감소 및/또는 일부 규제 표준은 이러한 문헌에 기재된 장치를 사용하여서 충족할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 개량된 엔진 설계 및 특수한 연료를 사용한 특정한 장치의 배합에 따라 상당한 개선이 성취될 수 있다. 연료 품질의 증진은 일반적으로 특별한 오염물질의 공지된 전구체인 화합물의 연료 조성물의 제거와 배기 가스의 조성을 변화시킬 수 있는 추가의 화합물과의 배합 둘 다를 포함한다.
데쓰야 가미하라(Tetsuya Kamihara) 명의로 출원한 후 니산 모터 캄파니 리미티드(Nissan Motor Co. Ltd.)에게 양도된 최근에 허여된 미국 특허 제5,193,340호는 내연 엔진 적용을 위한 배기 가스 시스템의 대표적인 것이다. 대부분의 디젤 엔진은 현재 디젤 엔진으로부터 배출되는 입상 물질 등을 트랩핑하기 위한 배출 통로에 배치된 트랩 필터가 장착되어 있다. 트랩 필터에 의해 트랩핑된 입상 물질의 축적으로 인하여 엔진의 배압이 증가하는 경우, 입상 물질이 주기적으로 연소되어 트랩 필터를 재생시킨다. 가미하라의 장치에서, 트랩 필터는 재생되기 전에 필터에 수집된 입상 물질의 연소를 보조하기 위한 산화 촉매를 포함한다. 인젝터 밸브를 제공하여 제공하여 디젤 연료를 트랩 필터의 배출 통로 상부 스트림 속에 주입하여 트랩 필터에 디젤 연료를 공급한다. 디젤 연료는 산화 촉매의 작용하에 트랩 필터 속에서 연소되기 때문에 입상 물질을 연소시켜서 트랩 필터를 위한 재생 작용이 성취되도록 한다. 작업시, 주입된 디젤 연료의 양은 엔진에 공급된 흡수 공기량이 증가함에 따라 증가하도록 하고 배기 가스 온도가 증가함에 따라 감소하도록 조절하여, 트랩 필터에 대한 열 손상을 제한하거나 피한다. 입상 물질이 주기적으로 연소되어 트랩 필터를 재생시키는 경우, 트랩 필터에 의해 트랩핑된 입상 물질의 축적으로 인한 엔진의 배압을 감소시킴으로써 배압이 엔진 성능에 영향을 미치는 것을 방지한다. 증가된 가스상 오염물질의 기재되지 않은 양을 추가의 디젤 연료의 연소로 인한 재생 작업 동안에 시스템으로부터 대기로 배기시킨다.
배기 가스로부터 연소성 입자를 여과하고 필터 베드와 이의 촉매 섹션을 재생시키기 위한 추가의 방법은, 예를 들면, 카시미르 에스 키르크(Kashmir S. Kirk) 및 마틴 엘퍼스타인(Martin Alperstein) 명의로 출원된 미국 특허 제4,322,287호, 미국 특허 제4,359,862호 및 미국 특허 제4,372,111호, 및 카시미르 에스 키르크 및 로버트 비 번즈(Robert B. Burns)의 명의로 출원된 미국 특허 제4,359,863호[이상의 출원 모두는 텍사코 인코포레이티드(Texaco Inc.)로 양도됨]에 기재되어 있다.
가스 스트림과의 열 교환에 적합한 고체의 가스 투과성 층이 촉매적 산화 층으로부터의 열 유출물과 함께 가열되고 층을 통한 가스 유동 방향을 주기적으로 역전시킴으로써 층 속으로 유동하는 기제로 냉각시키는 촉매적 소각 장치의 초기 예는 유진 제이 하우드리(Eugene J. Houdry)의 명의로 출원되고 옥시-캐탈리스트, 인코포레이티드(Oxy-Catalyst, Inc.)에 양도된 미국 특허 제2,946,651호에 기재되어 있다. 작업시, 이러한 특허 문헌에서는 충분한 디젤 오일이 가열 가스 스트림 속으로 주입되어 증발된 다음, 촉매적 층 위에서 촉매적으로 산화되어 가스 투과성 고체의 층을 가열시키는 데 사용된다고 교시되어 있다. 사용된 촉매는 구리 및 크롬 산화물 5%로 함침된 활성화 알루미나의 펠릿 형태이며, 크기는 0.1 inch이다. 열교환 층은 조밀한 융합 알루미나(Corhart)로 구성된 동일한 크기의 펠릿이다.
배기 가스의 촉매적 세정을 위한 유동을 예비 가열시키고/시키거나 역전시키는 추가의 방법은, 예를 들면 캉 양(Kang Yang) 및 제임스 디 리디(James D. Reedy)의 명의로 출원되고 컨티넨탈 오일 캄파니(Continental Oil Company)에게 양도된 미국 특허 제4,059,676호, 주리 에스 마트로스(Jury S. Matros), 빅터 에이 츄마첸코(Viktor A. Chumachenko), 류드밀라 제이 주딜리나(Ljudmila J. Zudilina), 알렉산드르 에스 노스코프(Alexandr S. Noskov) 및 에브게니 에스 버그단(Evgeny S. Bugdan)의 명의로 출원되고 인스티튜트 카탈리자 시비르스코고 오트델레니아 아카데미 나우크(Institut Kataliza Sibirskogo Otdelenia Akademii Nauk) SSSR에게 양도된 미국 특허 제4,877,592호; 스페트시알노에 콘스트루크토르스코-테크놀로지체스코에 비쥬로 카탈리자토로프 에스 옵티님 자보딤(Spetisialnoe Konstruktorsko-Technologicheskoe Bjuro Katalizatorov S Optnym Zavodim); 및 존 씨 슈마셔(John C. Schumacher), 조세프 씨 맥메나민(Joesph C. McMenamin), 로렌스 비 앤더슨(Lawrence B. Anderson), 헤롤드 알 코울스(Harold R. Cowles) 및 스티븐 엠 로드(Stephen M. Lord)의 명의로 출원되고 커스텀 엔지니어드 마테리얼즈 인코포레이티드(Custom Engineered Materials Inc.)에게 양도된 미국 특허 제4,966,611호에 기재되어 있다.
각각 통상적으로 사용되는 장치와 방법은, 성공하기 위해서는, 상기 시스템에서의 촉매의 활성 지속 시간 및 분해하고자 하는 휘발성 화합물에 적합한 산화 촉매의 선택에 좌우된다. 유용한 촉매 수명은 종종 이의 촉매 활성을 파괴하는 화합물에 대한 산화 촉매의 노출로 인하여 한정된다. 역사적으로, 처리되어야 하는 다수의 폐기 가스 스트림 중의 다량의 할로겐 및/또는 유기 및 무기 할로겐화 화합물의 존재는 이러한 적용을 위한 조절 기술로서 촉매적 산화 방법의 사용을 방지해 왔다. 할로겐 및/또는 할로겐으로부터 유도된 화합물의 존재는, 이러한 화합물이 공정에서 분해되는지 여부에 관계없이, 일부 귀금속 촉매의 성능을 열화시키고 일시적으로 해롭게 한다.
가연물을 연소시키기 위하여 기타 금속과 임의로 혼합된 귀금속(백금) 함유 촉매는 헤르만 에스 비오치(Herman S. Bioch)의 명의로 출원되고 유니버셜 오일 프로덕츠 캄파니(Universal Oil Products Company)에게 양도된 미국 특허 제3,378,334호에 기재되어 있다. 수화된 금속 산화물 촉매도 기재되어 있다. 예를 들면, 에드워드 제이 사레(Edward J. Sare) 및 제롬 엠 라바니쉬(Jerome M Lavanish)의 명의로 출원되고 피피지 인더스트리즈, 인코포레이티드(PPG Industries, Inc.)에게 양도된 미국 특허 제4,059,677호에는, C2-C4할로겐화 탄화수소, 특히 불포화 염소화 탄화수소[예: 비닐 클로라이드] 함유 폐기물이 망간 및 코발트의 수화된 산화물의 배합물의 존재하에서 소각되는 것이 교시되어 있다. 제Ⅷ족 금속(백금)을 함유하는 지지된 촉매 시스템은 유진 에이치 이르쉬버그(Eugene H. Hirschberg) 및 조오지 에이 허프 2세(George A. Huff, Jr.)의 명의로 출원되고 아모코 코포레이션(Amoco Corporation)에게 양도된 미국 특허 제5,145,826호에 기재되어 있다. 미국 특허 제3,378,334호, 제4,059,677호 및 제5,145,826호의 명세서는 모두 본 발명에서 참고 문헌으로 인용한다.
조오지 알 레스터(George R. Lester)의 명의로 출원되고 얼라이드-시그널 인코포레이티드(Allied-Signal Inc.)에게 양도된 미국 특허 제5,292,704호에는 특정한 탄화수소 결합을 갖지 않는 C1할로겐화 화합물을 포함하는 페기물이 귀금속(백금, 팔라듐 및 로듐), 티타니아, 산화바나듐, 산화텅스텐 및 임의로 유효량의 물의 활성 촉매적 성분의 특정 배합물의 존재하에 이산화탄소 및 할로 산(HCl, HBr 등)으로 소각되는 것이 교시되어 있다. 미국 특허 제5,292,704호의 명세서는 본 발명에서 참고 문헌으로 인용한다. 그러나, 할로 산은 매우 부식성인 오염물질이다.
따라서, 본 발명의 일반적인 목적은 폐기 가스 또는 잠재적인 오염물질의 혼합물을 포함하는 배기 가스 스트림을 갖는 화학 공정으로부터 일산화탄소 및 휘발성 유기 화합물의 방출을 감소시키는 선행 기술의 방법의 상기한 문제점이 해결된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 휘발성 화학물질을 사용하는 공업적 공정으로부터 위험한 방출을 감소시키는 통합된 촉매적 배기 가스 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 대기에 방출되는 배기 가스 입상 물질의 양을 감소시킴으로써 공기 오염을 감소시키는 통합된 촉매적 배기 가스 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 보다 낮은 작동 온도에서 잠재성 오염물질의 양과 일산화탄소를 감소시키는 통합된 촉매적 배기 가스 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연료 효율을 증가시키고 연료 요건을 줄이면서 일산화탄소 및 잠재적 오염물질의 양을 조절하는 통합된 촉매적 배기 가스 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 여전히 또 다른 목적은 소각 장치 수명을 연장시키고 유지 비용을 줄이며 설비의 중단시간의 빈도 및 지속시간을 줄이는 통합된 촉매적 배기 가스 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 여전히 또 다른 목적은 에너지 비용이 감소된 통합된 촉매적 배기 가스 처리 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적들은 본 발명에 따르는 통합된 촉매적 배기 가스 처리 시스템에 의해 달성될 수 있지만, 본 발명의 기타 목적 및 이점은 다음의 상세한 설명과 첨부된 청구의 범위를 숙지함으로써 명백해질 것이다.
발명의 요약
본 발명에는 잠재적 오염물질 및 과량의 이산소를 포함하는 배기 가스 스트림을 갖는 화학 공정으로부터 일산화탄소 및 휘발성 유기 화합물의 방출을 감소시키는 경제적인 처리 시스템이 기재되어 있다. 본 발명에 따르는 방법은 광범위하게는, 배기 가스 스트림 속에 조절된 양의 미리 선택된 연소성 유체를 분산시키는 단계(A), 연소성 유체를 동시에 산화시키고 승온에서 산화 촉매상에서 산화시켜 유기 화합물의 실질적인 분획을 분해시키는 단계(B) 및 배기 가스 스트림에 전달되는 연소성 유체의 양을 조절하여 촉매적 산화에 대한 충분한 반응물을 제공하여 반응 온도를 적합한 범위로 유지시키는 단계(C)를 포함한다.
연소성 유체의 선택은 이의 산화가 촉매 활성에 해로운 영향없이 산화 촉매 위에서의 작업 조건을 조절하는데 필요한 다량의 열을 제공하도록 하기 위하여 중요하다. 유리하게는, 연소성 유체중의 화합물은 작업 조건에서 증기 상태이어야 한다. 적합한 연소성 유체는 일산화탄소, 수소, 탄화수소 화합물, 및 분자당 하나 이상의 산소원자를 포함하는 유기 화합물을 함유한다. 일반적으로, 본 발명에 따르는 연소성 유체로서 유용한 유기 화합물은 비점이 약 200 내지 약 -165℃, 바람직하게는 약 160 내지 약 -50℃, 보다 바람직하게는 약 130 내지 약 30℃ 이하의 범위인, 알칸, 알켄, 알콜, 에테르, 알데히드(알칸알), 케톤(알칸온), 유기 산 및 이들의 혼합물과 같은 화합물로 이루어진다. 소정의 연소성 유체는 일산화탄소, 수소, C1-C5탄화수소 화합물, 분자당 하나 이상의 산소원자를 포함하는 C1-C5유기 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹 다수, 바람직하게는 일산화탄소, 이수소(H2), 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 2-부탄올 및 2-메틸-2-프로판올로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1원 이상을 함유한다.
유용한 연소성 유체의 예는 프로판, 부탄, 펜탄, 에텐(에틸렌), 프로펜(프로필렌), 1-부텐(α-부틸렌), 2-부텐(β-부틸렌), 메틸프로펜(이소부틸렌), 1-펜텐(α-아밀렌), 2-펜텐, 2-메틸-1-부텐, 2-메틸-2-부텐, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 2-메틸-1-프로판올(이소부틸 알콜), 2-메틸-2-프로판올 (3급-부틸 알콜), 메톡시메탄(디메틸 에테르), 메톡시에탄(메틸 에틸 에테르), 에톡시에탄(디에틸 에테르), 1-메톡시프로판(메틸 n-프로필 에테르), 2-메톡시프로판(메틸 이소프로필 에테르), 1-메톡시부탄(메틸 n-부틸 에테르), 메탄알(포름알데히드), 에탄알(아세트알데히드), 프로판알(프로피온알데히드), 부탄알(n-부티로알데히드), 메틸프로판알(이소부티르알데히드), 펜탄알(n-발레르알데히드), 디메틸프로판알(피브알데히드), 프로파논(아세톤), 부타논(메틸 에틸 케톤), 3-펜타논(디에틸 케톤), 2-펜타논(메틸 n-프로필 케톤), 메탄, 에탄 및 이들의 혼합물을 포함한다.
광범위한 양태에서, 본 발명은 잠재적 오염물질 및 과량의 이산소를 포함하는 배기 가스 스트림을 갖는 화학 공장으로부터 일산화탄소, 휘발성 탄화수소 및 기타 휘발성 화합물의 방출을 감소시키는 배기 가스 처리 시스템에 관한 것이다. 특히, 이러한 시스템은 배기 가스 스트림에 배치된 고형 산화 촉매, 산화 촉매의 상부 스트림의 배기 가스 스트림의 온도를 측정하기 위한 수단, 다량의 연소성 유체를 산화 압력 용기의 배기 가스 상부 스트림속으로 도입하여 유기 오염물질의 촉매적 산화를 촉진시키는 수단, 산화 촉매의 배기 가스 하부 스트림의 온도를 측정하는 수단, 및 수단들을 공급함으로써 운반되는 연소성 유체의 양을 조절하기 위한 수단[여기서, 조절 수단은 적합한 반응 온도를 유지하기 위한 촉매적 산화를 위한 충분한 반응물을 제공하도록 배열된다]을 포함한다.
본 발명에 따르는 배기 가스 처리 시스템은 유리하게는 이들 사이에 열을 이동시키기 위한 산화 용기로부터의 산화 유출물 스트림과 처리되지 않은 배기 가스 스트림 모두에 배치된 가스 열 교환기에 가스를 포함할 수 있다. 임의로, 가스 스크러버는 가스 열 교환기에 가스의 산화 유출물 하부 스트림에 부착될 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 유기 오염물질 및 과량의 이산소를 포함하는 배기 가스 스트림을 갖는 화학 공장으로부터 일산화탄소, 휘발성 탄화수소 및 알킬 할라이드 화합물의 방출을 감소시키는 배기 가스 처리 방법이다. 이 방법은 배기 가스 스트림의 온도가 약 25℃ 이상의 온도범위, 전형적으로 약 30 내지 약 600℃의 온도범위에서 배기 가스 스트림 속에 조절된 양의 연소성 유체를 분산시키는 단계(A), 연소성 유체를 산화시키고 약 150℃ 이상의 온도범위, 전형적으로 약 200 내지 약 600℃의 온도범위에서 선택된 고형 산화 촉매를 사용하여 산화시킴으로써 유기 오염물질의 실질적인 분획을 분해시키는 단계(B) 및 배기 가스 스트림으로 운반되는 연소성 유체의 양을 조절하여 촉매적 산화에 대한 충분한 반응물을 제공하여 반응 온도를 적합한 범위로 유지시키는 단계(C)를 포함한다. 적합한 연소성 유체의 한 부류는 바람직하게는 비점이 약 200 내지 약 -165℃의 온도범위, 바람직하게는 약 160 내지 약 -50℃의 온도범위, 보다 바람직하게는 약 130 내지 약 30℃의 온도범위인, 분자당 하나 이상의 산소원자를 포함하는 유기 화합물 및 수소로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
본 발명의 수 개의 양태는 유기 산 및/또는 이의 무수물, 특히 이염기성 방향족 산, 예를 들면, 이소프탈산, 테레프탈산, 2,6-나프탈렌 디카복실산, 또는 무수물, 예를 들면, 트리멜리트산 무수물 등을 통상적으로 제조하기 위한 촉매적 산화 방법에 관한 것이다. 할로겐으로부터 유도된 하나 이상의 화합물은 전형적으로, 이염기성 방향족 산을 통상적으로 제조하는데 사용된 산화 촉매 시스템의 중요한 성분이다. 방법은, 예를 들면, 배기 가스 스트림이 승압 및 승온에서 산화 촉매시스템의 존재하에, 이산소 공급원, 예를 들면, 압축 공기와 접촉시킴으로써 상응하는 메틸 치환된 방향족 화합물로부터의 방향족 산을 형성하는 액체상 산화 방법으로부터의 질소, 과량의 이산소, 휘발성 탄화수소 화합물 및 다른 유기 화합물, 예를 들면, 휘발성 알킬 할라이드 화합물을 포함하는 유출물을 함유한다. 본 발명에 따르는 통합된 처리 시스템은 유리하게는, 방향족 산, 예를 들면, 이소프탈산, 테레프탈산, 2,6-나프탈렌 디카복실산 및 기타 이염기성 산을 형성하는 액체상 산화 방법으로부터 일산화탄소 및 휘발성 유기 화합물의 방출을 감소시키는데 사용된다.
첨부한 도면과 관련지어 다음 상세한 설명과 첨부한 청구의 범위에 대해 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 휘발성 화학물질 방출을 감소시키는 촉매적 배기 가스 처리 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 잠재적 오염물을 함유하는 배기 가스 스트림을 갖는 공업적 공정으로부터의 일산화탄소 및 휘발성 유기 화합물의 방출을 감소시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 배기 가스 스트림 속에 조절된 양의 미리 선택된 연소성 유체를 분산시키는 단계(A), 연소성 유체를 동시에 산화시키고 승온에서 산화 촉매를 사용하여 산화시켜 위험한 휘발성 유기 화합물의 실질적인 분획을 분해시키는 단계(B) 및 배기 가스 스트림으로 운반되는 연소성 유체의 양을 조절하여 촉매 산화에 대한 충분한 반응물을 제공하여 반응 온도를 적합한 범위로 유지시키는 단계(C)를 포함한다.
본 발명의 여러 가지 양태는 할로겐으로부터 유도된 하나 이상의 화합물을 포함하는 산화 촉매 시스템의 존재하에 이산소(dioxygen)의 공급원[예: 압축 공기]과 접촉시킴으로써 메틸 그룹의 액체상 산화에 의해 상응하는 메틸 치환된 방향족 화합물로부터 형성된 유기산, 특히 이염기성 방향족 산의 통상적인 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르는 통합된 처리 시스템은 유리하게는 방향족 산의 액체상 산화로부터의 일산화탄소 및 휘발성 유기 화합물의 방출을 감소시키는데 사용된다.
본 발명에 따르는 방법은 전형적으로 일산화탄소의 분해 효율을 약 90 내지 약 95% 이상의 범위로 성취하고, 탄화수소의 분해 효율은 약 80 내지 약 90% 이상의 범위로 성취한다. 본 발명에 따르는 선택된 산화 촉매를 사용하는 방법은 유리하게는 알킬 할라이드 화합물에 대한 분해 효율을 약 50 내지 약 85% 이상의 범위로 성취할 수 있다.
첨부한 청구의 범위에는 본 발명을 특성화하는 신규한 양태가 기재되어 있다. 그러나, 본 발명 자체 뿐만 아니라, 이의 이점은 첨부한 도면을 참조로 하여, 바람직한 양태의 하기 상세한 설명을 참조로 하면 가장 잘 이해할 수 있다.
도 1은 화학 공장으로부터의 일산화탄소 및 휘발성 유기 화합물의 방출을 감소시키는 통합된 배기 가스 처리 방법의 일부를 나타내는 개략도로서, 고체 산화 촉매 위의 배기 가스 스트림 중의 이산소를 갖는 유기 오염물질의 촉매적 산화를 위한 설비 및 공급 수단에 의해 공급되는 연소성 유체의 양을 조절하기 위한 수단[여기서, 조절 수단은 본 발명에 따른 적합한 반응 온도를 유지시키기 위한 촉매적 산화를 위한 충분한 반응물을 제공하도록 제공된다]을 포함한다.
본 발명에 따르는 휘발성 화학물질 방출을 감소시키는 촉매적 배기 가스 처리 시스템은 각종 공업적 공정과 관련된 폐기 및 기타 가스 스트림에서 발견된 휘발성 유기 화합물을 분해하는데 사용하는 것이 적합하다. 이러한 스트림은, 예를 들면, 유기 화학물질 및 중합체, 직물 피복, 식품 가공, 고무 제조 공정, 및 휘발성 유기 용매가 금속 가공, 기계 가공 및 마무리 공정에서 피복, 세정 및/또는 탈그리징 목적에 사용되는 공정으로부터 생성된다.
본 발명의 촉매적 방법에서 처리하기에 적합한 배기 가스 스트림은 촉매적 장치의 작동 범위내의 온도에서 산소의 존재하에 연소성인 대부분의 물질을 포함할 수 있다. 이러한 물질은 일반적으로 일산화탄소, 수소, 탄화수소 화합물, 및 산소, 질소, 할로겐 등과 같은 다른 원자를 포함하는 유기 화합물이지만, 이에 한정되지는 않는다. 일반적으로, 잠재적 오염물질은 배기 가스 스트림에서 발견되는 증기를 형성하는 휘발성 화합물, 예를 들면, 알칸, 알켄, 알콜, 에테르, 알데히드(알칸알), 케톤(알칸온), 유기 산 및 이들의 혼합물을 포함한다.
안전한 작동을 위하여, 폐기 또는 배기 가스 스트림중에서 유기 화합물의 양은 일반적으로 작동 조건에서 실질적으로 저 폭발성 한계(LEL) 이하의 범위, 바람직하게는 약 50% LEL 이하의 범위, 특히 바람직하게는 약 25% LEL 이하이어야 한다. 가스 스트림의 조성은 전형적으로 배기 가스 스트림에 운반되는 연소성 유체의 양을 조절하여 촉매적 산화를 위한 충분한 반응물을 제공하여 반응 온도를 적합한 범위로 유지시키면서 안전한 작동을 위한 온-라인 분석 장치로 모니터링한다.
본 발명에서 유용한 총 반응기 압력의 범위는 대기압 내지 약 1000psig, 바람직하게는 대기압 이하 내지 약 600psig, 보다 바람직하게는 대기압 내지 약 300psig, 가장 바람직하게는 약 10 내지 약 200psig이다.
본 발명에 따르는 배기 가스 처리는 폐기물 가스 스트림을 전형적으로 약 600℃ 이하의 범위인 적합한 온도에서 과량의 산소의 존재하에 촉매와 접촉시킴을 포함한다. 본 발명의 공정은 폐기물 가스 스트림의 조성 및 특별한 촉매 시스템의 성질에 따라, 약 550 내지 약 50℃의 이하의 범위에서 산화 촉매에 대한 주입 온도에서 수행하는 것이 유리하다. 촉매는 평형에서 반응 생성물 조성을 변화시키지 않지만, 저 에너지 수준(저 작동 온도)에서 이들의 평형을 향해서 반응물을 가속시킬 수 있다. 진정한 촉매는 반응에서 소모되지 않지만, 촉매는 폐기물 가스 스트림 또는 심한 작동 조건에서 특별한 화합물의 존재하에 독성을 지니거나 탈활성화될 수 있다.
유용한 용적 시간 공간 속도의 범위는 촉매의 용적을 기준으로 하여, 약 100 내지 약 200,000hr-1, 바람직하게는 약 1000 내지 약 50,000hr-1일 수 있다.
본 발명에 따라, 산화 촉매는 촉매 지지체에 부착된 연소 촉진 금속을 함유한다. 기본 금속 촉매는 높은 상대적 분해성을 갖는 CO 및/또는 유기 화합물[예: 알콜, 셀로솔브, 알데히드 등]을 함유하는 폐기물 스트림의 처리에 사용될 수 있다. 일반적으로, 특정 부류의 유기 화합물의 분자량이 높아질수록, 이의 상대적 분해성이 더욱 높아진다. 신규한 금속 촉매는 상대적 분해성이 보다 낮은 유기 화합물[예: 방향족 화합물, 케톤, 아세테이트, 알칸, 할로겐화 탄화수소 등]을 포함하는 폐기물 스트림의 처리에 사용된다.
본 발명에서, 촉매는 처리할 가스 스트림에 촉매의 산화 촉진 성분들을 노출시키는 특정한 편리한 배치, 형태 또는 크기로 사용될 수 있다. 예를 들면, 촉매는 환제, 펠릿, 과립, 환, 구 등의 형태일 수 있다. 큰 용적의 촉매가 필요한 경우 입상 형태가 특히 바람직하며, 촉매의 주기적 대체가 필요할 수 있는 상황에 사용한다. 적은 질량이 바람직한 경우 또는 촉매 입자의 운동 또는 교반이 분쇄, 분말화 및 분산된 금속의 손실 또는 입자를 가로지르는 압력 강하의 과도한 증가를 일으킬 수 있는 상황에서는, 모놀리드식 형태가 바람직하다. 본 발명에 따라, 촉매는 전형적으로 펄릿화된 형태 또는 모놀리드식 형태로 사용된다.
산화 촉매용 지지체는 촉매적으로 덜 활성이거나 산화 반응에 대해서 심지어는 불활성일 수 있다. 바람직하게는, 지지체는 다공성이며, 최적의 결과를 얻기 위해서는, 표면적상의 세공 면적은 약 25 내지 약 250m2/gm, 바람직하게는 약 50 내지 약 200m2/gm, 보다 바람직하게는 약 80 내지 약 150m2/gm이다. 본 발명에서 사용하기 위한 적합한 지지체는 뮬라이트, 스피넬, 모래, 실리카, 알루미나, 델타 알루미나 및 에타 알루미나를 포함한다. 알파 알루미나, 감마 알루미나, 실리카 또는 실리카 알루미나를 함유하는 지지체가 바람직하다. 알파 알루미나 또는 감마 알루미나를 함유하는 지지체가 보다 바람직하다.
산화 촉매의 지지체 성분은 순수하거나 물질의 복합체일 수 있다. 촉매에 특별한 화학물질 또는 물리적 특성을 가하고자 하는 경우에는 복합체 지지체가 유리하다. 예를 들면, 산화 촉매는 고분쇄 내성을 갖는 지지체 물질과 표면적이 큰 지지체 피복 물질 모두의 특별한 이득을 달성할 수 있도록 하기 위해 지지체 및 지지체 피복물을 함유할 수 있다. 지지체 및 지지체 피복물은 통상적인 함침 기술을 통해 합할 수 있다. 산화 촉매용 복합체 지지체로서 사용하기에 적합한 물질은 뮬라이트, 스피넬, 알파 알루미나 및 모래이다. 알파 알루미나가 바람직한 복합체 지지체이다. 복합체 지지체 피복물로서 사용하기에 적합한 물질은 실리카, 알루미나, 티타니아, 실리카 알루미나, 지르코니아, 알파 알루미나, 감마 알루미나, 델타 알루미나 및 에타 알루미나이다. 실리카, 티타니아, 실리카 알루미나 및 감마 알루미나를 함유하는 복합체 지지체 피복물이 바람직하다. 감마 알루미나를 함유하는 복합체 지지체가 더욱 바람직하다.
본 발명의 방법의 연소 촉진용 금속은 산소분자의 존재하에 일산화탄소의 이산화탄소로의 산화를 촉진시키기 위한 당해 분야에서 사용되거나 일반적으로 공지된 형태일 수 있다. 금속은 원소 상태이기 보다는 산화물과 같은 혼합된 형태일 수 있다. 연소 촉진용 금속은 물리적으로나 화학적으로 혼합된 2개 이상의 촉매적으로 활성인 금속을 포함할 수 있다. 본 발명의 방법에 사용하기 위한 적합한 연소 촉진용 금속은 주기율표(IUPAC)의 전이족 원소, 바람직하게는 제VIII족 금속, 가장 바람직하게는 귀금속, 보다 바람직하게는 백금 및 팔라듐이다. 일산화탄소의 산화에 대한 고활성을 유지하기 위한 능력때문에 백금이 바람직하다.
본 발명에 사용된 산화 촉매에 가하는 연소 촉진용 금속의 비율은 촉매 비용과 공정 효율의 함수이다. 촉진제 금속의 바람직한 농도는 최소 촉매 비용으로 공정 목적을 성취하는 농도이다. 일반적으로, 연소 촉진용 금속은 산화 촉매의 고비용의 성분이다. 고 금속 농도 및 낮은 용적 사용은 지지체와 산화 촉매의 비용을 줄인다. 본 발명의 연소 촉진제 촉매 위의 적합한 금속 농도는 최적의 결과를 위하여 약 0.1 내지 약 15,000ppm, 바람직하게는 약 0.5 내지 약 10,000ppm, 보다 바람직하게는 약 1 내지 약 8,000ppm이다.
백금족 성분은, 예를 들면, 지지체를 사용한 공침전법 또는 공겔화법, 이온 교환법 또는 함침법과 같은 적합한 방법으로 지지체에 혼입시킬 수 있다. 바람직하게는, 백금족 성분은 실질적으로 지지체상에 균일하게 부착된다. 지지체 상에 백금족 성분을 가하는 한 가지 바람직한 방법은 백금족 성분의 수용성 화합물을 사용하여 하소하기 전에 지지체를 함침시킴을 포함한다. 예를 들면, 하소되지 않은 지지체를 클로로백금산을 사용하여 동시 혼합함으로써 백금을 지지체에 가할 수 있다. 백금의 기타 수용성 화합물은 예를 들면, 클로로백금산암모늄 및 염화백금을 포함하는 함침액으로서 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용된 산화 촉매는 고정 층 산화에서 사용하기 위한 적합한 물리적 특성을 지녀야 한다. 본 발명의 방법을 실시함에 있어서 가장 중요한 물리적 특성은 촉매를 가로지르는 압력 강하 및 내마모성이다.
일부의 특히 유용한 폐기물 가스 산화 촉매가 기재되어 있다. 예를 들면, 전문이 본원에서 참고 문헌으로 인용된 미국 특허 제3,378,334호에는 약 5% 이하의 촉매적으로 활성인 금속[예: 백금, 팔라듐, 이리듐, 루테늄, 로듐, 백금-철, 백금-코발트, 백금-니켈, 팔라듐-철, 팔라듐-코발트, 팔라듐-니켈, 백금-팔라듐, 팔라듐-구리-코발트, 백금-구리-리튬-코발트, 백금-코발트-구리, 구리-코발트-니켈-백금, 백금-팔라듐-코발트, 망간-백금, 백금-코발트-망간, 리튬-백금-코발트, 구리-코발트-리튬 등]을 포함하는 각종 혼합물을 포함하는 구형 촉매 입자의 고정 층이 기재되어 있다. 이러한 산화 촉매는 일반적으로 침전 또는 함침 기술에 의해 하나 이상의 활성화 성분, 즉 촉매적으로 활성인 금속 또는 금속 산화물이 부착된 알루미나, 알루미나-실리카, 알루미나-지르코니아 등과 같은 고표면적의 내화성 무기 산화물 기재 또는 지지체를 포함하는 다른 탄화수소 전환 촉매와 유사한 방법으로 구성된다. 연소성 가스를 연소시키는 특히 바람직한 활성 성분은 백금족의 금속, 특히 백금 및 팔라듐이며, 이들은 일산화탄소, 탄화수소 및 장기간에 걸쳐 산화된 탄화수소에 대한 전환 활성이 우수하다.
비산화 지지체에 분산된 루테늄, 루테늄 + 백금 및 백금을 함유하는 적합한 촉매는 본원에서 구체적으로 참고 인용한 미국 특허 제4,059,675호, 제4,059,676호 및 제4,059,683호에 각각 기재되어 있다. 이들의 전문은 상기 첫 번째 특허에는 약 350℃ 이상의 온도에서 적어도 염소원자와 같은 수의 수소원자를 함유하고 4개 이하의 탄소원자를 함유하는 염소화된 탄화수소 화합물을 분해시키기 위한 비산화성 지지체 위에 0.01 내지 1.0중량%의 루테늄을 사용하는 것이 교시되어 있다. 상기 두 번째 특허에는 미분된 금속성 루테늄과 귀금속 모두, 즉 루테늄 1부당 미분된 금속성 백금 1 내지 20부가 약 350℃ 이상의 온도에서 적어도 염소원자와 같은 수의 수소원자를 함유하고 4개 이하의 탄소원자를 함유하는 염소화된 탄화수소 화합물을 분해시키기 위한 비산화성 지지체 위에 지지된 이금속성 촉매의 용도가 기재되어 있다. 분해되는 염소화된 화합물은 비닐 클로라이드 및 혼합물 중의 총 수소원자 수가 염소원자의 총 수와 적어도 동일한 비닐 클로라이드를 함유하는 C1염소화 화합물 및 C2염소화 화합물의 혼합물을 포함한다. 이들 촉매를 사용하여 산화 생성물 CO2, H2O, HCl 및 Cl2를 생성시킨다.
알루미나 지지체 및 희토류 금속, 특히 철과 프라세오디뮴의 산화물 위에 분산된 철(a) 및 텅스텐 라디칼의 평균 원자가가 4 내지 6인 텅스텐의 중간체 산화물(b)을 포함하는 적합한 촉매가 본원에서 참고로 인용된 미국 특허 제4,610,975호에 기재되어 있다.
다공성 지지체 위에서 수행된 팔라듐 및/또는 백금 및 3개 이상의 촉진제 성분을 포함하는 촉매는 본원에서 참고문헌으로 인용된 미국 특허 제4,857,499호에 기재되어 있다. 제1 촉진제 성분은 희토류 원소[예: 란타늄, 세륨, 프라세오디뮴 및 네오디뮴] 및 알칼리 토금속[예: 바륨, 스트론튬 및 칼슘] 및 이들의 산화물중의 하나를 포함하고, 제2 촉진제 성분은 마그네슘, 규소 및 이들의 산화물을 포함하며, 제3 촉진제 성분은 중금속[예: 니켈, 지르코늄, 코발트, 철, 망간 및 이들의 산화물] 중의 하나를 포함한다.
최근에, 티타니아 및 임의로 산화텅스텐, 산화바나듐, 산화주석 및 귀금속 백금, 팔라듐, 및 로듐을 포함하는 특히 유용한 촉매가 본원에서 참고 문헌으로 인용된 미국 특허 제5,176,897호에 기재되어 있는데, 이는 유효량의 물을 사용하여 할로겐 함유 유기 화합물을 이산화탄소 및 상응하는 할로산으로 전환시키는 방법에 관한 것이다.
다음 실시예는 본 발명에서 기술된 구체적인 양태를 설명하기 위한 것이다. 그러나, 이러한 실시예는 당해 분야의 숙련가들이 인식할 수 있는 바와 같이 기술된 본 발명의 정신으로부터 벗어나지 않고 본 발명에 수 많은 변형을 가할 수 있기 때문에 본 발명의 영역을 한정하는 것으로 해석하여서는 안된다.
개요
다음 실시예에서 승온에서 산화 촉매를 사용하여 산화시킴으로써 잠재적으로 위험한 휘발성 유기 화합물의 실질적인 분획의 분해 및 연소성 유체의 동시 산화를 지지된 촉매 층을 포함하도록 채택된 소형 원형 반응기[3/4inch ID, 6inch L]를 사용하여 수행한다. 외부 표면을 전기 가열기를 사용하여 가열한다. 반응기의 내부 표면은 이들 실시예에서 사용된 각종 작동 조건하에 촉매 활성을 나타내지 않는 물질로 제조된다. 장치 전반에 걸쳐, 특히 촉매층의 바로 위 및 아래의 반응기에 열전쌍을 위치시킨다. 연소성 유체와 모의실험된 배기 가스를 연속적으로 계량하고 반응기의 정적 혼합기 상부 스트림을 통과시킨다. 반응기로 공급되는 가스상 혼합물의 온도는 전형적으로 약 200℃이다. 반응기의 공급물 및 유출 가스중의 유기 화합물의 농도는 불꽃 이온화 검출법을 사용하여 가스 크로마토그래피하여 측정한다. 일산화탄소와 이산화탄소의 농도는 적외선 분석기를 사용하여 측정한다. 산소 농도는 전기화학적 분석기를 사용하여 측정한다. 달리 나타내지 않는한, 가스 조성은 용적% 및 백만 용적당 부[ppmv]에 대한 것이다.
실시예 1
본 실시예에서, 세라믹 모놀리드의 형태이거나 이 위에 지지된 귀금속 휘발성 유기 화합물 분해 촉매를 사용하여 연소성 유체로서 메탄올을 사용하는 본 발명에 따르는 일련의 배기 가스 처리를 수행한다.
반응기로 공급되는 가스상 혼합물의 조성은 산소 약 2 내지 약 6%, 일산화탄소 약 0.1 내지 약 0.5%, 이산화탄소 약 0.5 내지 약 3.0%, 물 약 0.2 내지 약 2.0%, 메틸 아세테이트, 메틸 브로마이드, 메틸 포르메이트, 벤젠, 톨루엔, p-크실렌 및 아세트산 각각 약 1 내지 약 1000ppmv, 메탄올 약 3,000 내지 약 14,000ppmv 및 질소 균형량이다.
약 415 내지 약 510℃의 반응기 온도, 약 160 내지 약 170psig의 반응기 압력 및 약 10,000hr-1(표준 조건/촉매 용적에서의 가스 유동 속도)의 공간 속도에서, 일산화탄소, 메틸 아세테이트, 메틸 브로마이드, 메틸 포르메이트, 벤젠, 톨루엔, p-크실렌 및 아세트산의 전환율은 약 97% 이상의 범위이다. 약 310 내지 약 510℃의 반응기 온도 및 약 10,000hr-1의 공간 속도에서 메탄올의 전환율은 약 99%이상의 범위이다. 연소 생성물에 대한 반응기 유출물의 분석 결과 이산화탄소, 물 원소상 브롬(Br2) 및 브롬화수소(HBr)가 발견되었다. 약 1ppmv 이상의 농도에서 검출될 수 있는 중간체 산화 화합물은 검출되지 않았다. 이러한 실시 전반에 걸쳐 촉매의 활성에 대한 유해한 영향은 관찰되지 않았다.
비교 실시예 A
본 비교 실시예에서는, 총 반응기 공급 가스를 기준으로 하여, 약 30 내지 약 60ppmv의 범위의 매우 저농도의 메탄올에서 촉매를 사용하지 않는다는 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 일련의 실시를 수행한다. 실시예 1에서 사용된 작업 조건하에서, 약 550℃ 이하의 반응기 온도 및 약 140 내지 약 160psig의 반응기 압력에서도 반응기 공급 가스중에서 유기 화합물 또는 일산화탄소의 중요한 산화는 발생하지 않는다.
비교 실시예 B
본 비교 실시예에서는, 총 반응기 공급 가스를 기준으로 하여, 약 30 내지 약 35ppmv 범위의 매우 저농도의 메탄올에서 반응기 공급 가스외에 어떠한 연소성 유체를 첨가하지 않는다는 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 일련의 실시를 수행한다. 촉매 층의 온도는 외부 전기 가열기를 사용하여 가열함으로써 조절한다.
반응기로 공급되는 가스상 혼합물의 조성은 산소 약 2 내지 약 6%, 일산화탄소 약 0.1 내지 약 0.5%, 이산화탄소 약 0.5 내지 약 3.0%, 물 약 0.2 내지 약 2.0%, 메틸 아세테이트, 메틸 브로마이드, 메틸 포르메이트, 벤젠, 톨루엔, p-크실렌 및 아세트산 각각 약 1 내지 약 1000ppmv 및 질소 균형량이다.
약 438℃ 이상의 반응기 온도, 약 140 내지 약 150psig의 반응기 압력 및 약 10,600hr-1의 공간 속도에서, 일산화탄소, 메틸 아세테이트, 메틸 브로마이드, 메틸 포르메이트, 벤젠, 톨루엔, p-크실렌 및 아세트산의 전환율은 약 95% 이상의 범위이다. 약 494℃ 이상의 반응기 온도에서 전환율은 약 98% 이상이다.
비교 실시예 C
본 비교 실시예에서는, 과립형의 비귀금속 휘발성 유기 화합물 분해 촉매를 사용하여 연소성 유체로서 헥산을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 일련의 배기 가스 처리를 수행한다.
반응기로 공급되는 가스상 혼합물의 조성은 산소 약 5.8%, 물 약 2.0%, 메틸 브로마이드 및 메탄올 각각 약 1 내지 약 1000ppmv, 헥산 약 4,000 내지 약 5,000ppmv 및 질소 균형량이다.
약 415 내지 약 510℃의 반응기 온도, 약 110 내지 약 130psig의 반응기 압력 및 약 10,000hr-1(표준 조건/촉매 용적에서의 가스 유동 속도)의 공간 속도에서, 메틸 브로마이드, 메탄올 및 헥산의 전환율은 반응기를 통과하는 이들의 농도의 감소에 의해 측정한 것으로써 각각 약 91%, 92% 및 99.8%이다. 연소 생성물에 대한 반응기 유출물의 분석 결과, 이산화탄소, 일산화탄소, 물 원소상 브롬(Br2) 및 브롬화수소(HBr)가 발견되었다. 그러나, 약 10ppmv의 벤젠이 반응기 유출물 가스중에서 발견되었다. 이는 헥산으로부터 벤젠이 형성되는 것으로 밝혀졌다. 유출물 가스중에서는 브로모벤젠도 검출되었는데, 이는 벤젠과 브롬(Br2)의 반응에 의해 형성될 수 있는 것이다. 헥산이 연소성 유체에 적합한 양으로 반응기 공급 가스중에 존재하는 경우, 벤젠과 브로모벤젠의 형성은 연소성 유체로서 부적합한 헥산을 제조한다.
바람직한 양태의 간단한 설명
본 발명은 다수의 상이한 형태의 양태에 적합하지만 본 명세서 및 첨부한 도면은 본 발명의 용도 실시예로서 단지 일부의 구체적인 형태만을 기술한다. 압축 공기를 사용하는 촉매적 액체상 산화 공정으로부터 배기 가스를 처리하기 위한 본 발명의 특히 바람직한 양태가 설명되고 기술된다. 본 발명을 이와같이 기술된 양태로 한정시키려는 것은 아니며, 본 발명의 영역은 첨부된 청구의 범위에서 나타낸다.
본원에서 완전히 설명되거나 기술되지는 않았지만, 본원의 상세한 설명에서 사용된 특정한 통상적인 성분을 갖는 본 발명의 장치는 당해 분야의 숙련가들에게 명백할 것이며 이러한 성분의 필요한 기능도 이해할 수 있는 것이다.
도 1을 사용하여 보다 구체적으로 설명하면, 통합된 배기 가스 처리 시스템은 적합한 고형 산화 촉매를 포함하는 산화 용기(44)로서 설명된 하나 이상의 산화 용기, 교환기(22)로서 설명된 배기 가스 가열기 및 타워(66)로서 설명된 급냉 및 스크러빙 단위를 포함한다.
시스템의 작동 동안, 예를 들면 압축 공기를 사용하는 촉매적 액체상 산화 공정으로부터의 휘발성 화합물 및 과량의 이산소를 포함하는 배기 가스 스트림은 도관(21)을 통해 열 교환기(22)로 유동되어, 여기서 배기 가스 스트림은 적어도 최소의 촉매적 전환 온도로 가열된다. 이러한 배기 가스 스트림의 질소 함량은 전형적으로 약 90용적% 이상이고, 이산소 함량은 10% 미만, 전형적으로 약 7.5% 미만이며, 탄소 산화물 및 수증기는 함께 약 7.5% 미만, 전형적으로 약 5% 미만이다. 유리하게는 배기 가스 스트림중의 유기 오염 물질의 양은 실질적으로 작업 조건에서 저 폭발성 한계 이하, 바람직하게는 저 폭발성 한계의 약 50% 미만이다.
가열된 가스의 온도 범위는 약 150℃ 이상, 일반적으로 약 200 내지 약 600℃이다. 가열된 가스 스트림은 교환기(22)로부터 도관(25) 및 (33)을 통해 산화 용기(44)로 이동된다.
휘발성 화합물의 촉매적 산화를 촉진시키기 위하여, 다량의 연소성 유체를 도관(31)을 통해 가열된 배기 가스 스트림속으로나 산화 용기 상부 스트림의 기타 적합한 위치속에 혼합한다. 연소성 유체의 양은 전형적으로 계량 펌프 또는 유동 조절 시스템(도시하지 않음)으로 조절한다. 공급되는 연소성 유체의 양을 조절하기 위한 수단을 배열하여 촉매적 산화에 대한 충분한 반응물을 제공함으로써 산화 용기(44)중에서 적합한 반응 온도를 유지시킨다.
연소성 유체의 양은 열전쌍과 같은 통상적인 공정 장치를 사용하여 수동으로 조절하여 적어도 산화 촉매의 상부 스트림의 배기 가스 스트림의 온도 및 산화 촉매의 하부 스트림의 배기 가스의 온도 및 임의로 공정 유동 속도 및 가스 스트림 조성을 측정한다. 그러나, 유리하게는, 공급되는 연소성 유체의 양을 조절하도록 변형된 자동 공정 조절 장치를 촉매적 산화를 위한 충분한 반응물을 제공하여 산화 용기(44)의 적합한 반응 온도를 유지시키고 가스중의 유기 화합물의 총량을 작업 조건에서 저 폭발성 한계(LEL) 이하의 양으로, 바람직하게는 약 50% 이하의 LEL, 보다 바람직하게는 약 25% 이하의 LEL로 한정하도록 배치시킨다.
적합한 작업 조건하에 선택된 산화 촉매를 사용하는 경우, 할로-유기 화합물도 유리하게 분해된다. 특히 메틸 브로마이드가 분해되어 브롬화수소 및/또는 브롬을 형성한다.
산화 용기(44)로부터의 고온 유출 가스의 온도 범위는 약 200℃ 이상, 일반적으로 약 300 내지 약 600℃이다. 반응 용기(44)로부터의 고온 유출 가스를 도관(43) 및 (45)를 통해 교환기(22) 속으로 이동시키는데, 여기서 당해 가스는 공급되는 배기 가스로의 열 교환에 의해 냉각된다. 교환기(22)로부터의 유출 가스는 도관(23)을 통해 타워(66)의 하부로 이동되며 여기서 가스 스트림은 급냉되고 스크러빙된다. 적합한 수성 용매를 액체 공급 라인(51)을 통해 타워(66)로 공급한다.
일반적으로, 수성 용매는 화학적 기제, 즉 수용액중에서 하이드록사이드 이온 농도를 증가시키는 물질의 희석 용액을 포함한다. 이들 알칼리 수용액의 pH의 범위는 약 7 이상, 바람직하게는 약 7 내지 약 9이다. 할로겐 함유 화합물이 가스 스트림중에 존재하는 경우, 용매는 유리하게는 할로겐과 반응하여 스크러빙 작업을 증진시키는 추가의 화합물을 함유할 수 있다. 바람직하게는 알칼리 금속 및 칼슘, 스트론튬, 바륨 및 암모늄 이온의 가용성 산화물, 수산화물, 탄산염, 아황산염 등이 일반적으로 유용한 화합물이다. 유용한 화합물의 공급원은 공업용 화학물질, 예를 들면, 석회(CaO), 암모니아(NH3), 수산화암모늄(NH4OH), 수산화나트륨(NaOH), 탄산나트륨(Na2CO3), 중탄산나트륨(NaHCO3), 포름산나트륨(NaCO2H), 아황산나트륨(NaS), 우레아(NH2CONH2), 포름알데히드(HCHO) 등을 포함한다. 염산, 염소, 브롬화수소 및/또는 브롬과 같은 화합물이 가스 스트림중에 존재하는 경우, 수성 용매는 묽은 가성 물질을 함유하는 것이 유리하다.
가용성 화합물의 용액을 하부 액체 공급 라인(53)을 통해 시스템으로부터 퍼징시켜 특정의 적합한 액체/고체 폐기물 처리한다. 처리된 가스 스트림을 오버헤드 라인(63)을 통해 타워(66)로 이동시켜 불활성 캐리어 가스와 같은, 공장용도로서 에너지를 회복 및/또는 처리시키거나 배출시킨다.
본 발명에 따르는 방법은 일산화탄소 분해 효율을 전형적으로 약 90% 이상, 바람직하게는 약 95% 이상의 범위로 성취하고 탄화수소 분해 효율을 약 80% 이상, 바람직하게는 약 90% 이상의 범위로 성취하며, 메틸 브로마이드 분해 효율은 약 50%이상, 바람직하게는 약 85% 이상으로 성취한다.
본 발명의 시스템의 작동은 전형적으로 공기(이의 공급은 도시하지 않음) 및 도관(71)을 통해 버너(72)로 공급되어 버너(72)로부터 도관(73) 및 (45)를 통해 열 교환기(22)[여기서, 압축 공기(여기서, 이의 공급은 도시하지 않음)와 같은 산소 함유 출발 가스 스트림은 적어도 최소의 촉매 전환 온도, 전형적으로 약 150℃ 이상으로 가열된다]속으로 유동되는 고온 연도 가스를 발생시키는 특정의 통상적인 연료를 사용하여 개시한다. 출발을 위한 열의 기타 적합한 공급원은 스팀, 고온 오일 및 전기 가열기를 포함한다. 가열된 출발 가스 스트림은 도관(25) 및 (33)을 통해 교환기(22)로부터 산화 용기(44)로 이동된다. 증가량의 연소성 유체를, 촉매적 산화로부터의 유출물이 충분히 가열되어 버너(72)로부터의 열이 적합한 작동 조건을 유지시키기 위해서 더 이상 필요하지 않을 때까지, 산화 용기의 상부 스트림의 도관(31)을 통해 가열된 가스 스트림속으로 혼합한다.

Claims (20)

  1. 배기 가스 스트림에 배치된 고형 산화 촉매를 포함하는 산화 용기;
    산화 촉매의 상부 스트림의 배기 가스 스트림의 온도를 측정하기 위한 수단;
    다량의 연소 유체를 산화 용기의 배기 가스 상부 스트림속으로 공급하여 일산화탄소 및 기타 유기 화합물의 촉매적 산화를 촉진시키는 수단;
    산화 촉매의 배기 가스 하부 스트림의 온도를 측정하는 수단 및
    상기 수단들을 공급함으로써 운반되는 연소성 유체의 양을 조절하기 위한 수단[여기서, 조절 수단은 촉매적 산화를 위한 충분한 연소성 유체를 제공하도록 배열되어 산화를 위한 산화 용기에서 적합한 반응 온도를 유지시킴으로써 이산화탄소 및 물을 포함하는 산화 유출물 스트림을 형성시킨다]을 포함하는, 휘발성 화합물과 과량의 이산소를 함유하는 배기 가스 스트림을 갖는 공업적 공정으로부터 일산화탄소와 기타의 휘발성 화합물의 방출을 감소시키는 배기 가스 처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 산화 용기로부터의 산화 유출물 스트림중에 배치된 가스 급냉기 및/또는 스트러버를 추가로 포함하는 배기 가스 처리 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 처리 시스템이 이들 사이에 열을 이동시키기 위한 산화 용기로부터의 산화 유출물 스트림 및 미처리된 배기 가스 스트림 모두에 배치된 가스 열 교환기에 가스를 추가로 포함하는 배기 가스 처리 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 가스 열 교환기에 대한 가스의 산화 유출물의 하부 스트림에 배치된 가스 스크러버를 추가로 포함하는 배기 가스 처리 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 고형 산화 촉매가 실리카, 알파 알루미나, 티타니아, 실리카 알루미나, 지르코니아 및 감마 알루미나로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 구성원 및 임의로 산화텅스텐, 산화바나듐, 산화주석, 및 금속 백금, 팔라듐 및 로듐으로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 구성원(여기서, 실리카, 알파 알루미나, 티타니아, 실리카 알루미나, 지르코니아 및/또는 감마 알루미나는 세라믹 또는 금속성 벌집형 지지체 위에 부착된다)을 포함하는 배기 가스 처리 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 연소성 유체가 일산화탄소, 수소, C1-C5탄화수소 화합물, 분자당 하나 이상의 산소원자를 함유하는 C1-C5유기 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터의 하나의 구성원을 포함하는 배기 가스 처리 시스템.
  7. (A) 약 25 내지 약 600℃의 온도 범위에서 배기 가스 스트림 속에 일산화탄소, 수소, C1-C5탄화수소 화합물, 분자당 하나 이상의 산소원자를 함유하는 C1-C5유기 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 조절된 양의 연소성 유체를 분산시키는 단계;
    (B) 연소성 유체를 산화시키고 약 200 내지 약 600℃의 온도범위에서 선택된 고형 산화 촉매를 사용하여 산화시킴으로써 배기 가스 스트림중의 유기 화합물의 실질적인 분획을 분해시키는 단계 및
    (C) 배기 가스 스트림으로 운반되는 연소성 유체의 양을 조절하여 촉매적 산화에 대한 충분한 반응물을 제공하여 산화시키기 위한 반응 온도를 적합한 범위로 유지시킴으로써 이산화탄소 및 물을 포함하는 산화 유출물 스트림을 형성시키는 단계를 포함하여, 휘발성 화합물 및 과량의 이산소를 포함하는 배기 가스 스트림을 갖는 공업적 공정으로부터의 일산화탄소 및 기타 휘발성 화합물의 방출을 감소시키는 배기 가스 처리 방법.
  8. 제7항에 있어서, 촉매적 산화로부터의 산화 유출물 스트림과 미처리된 배기 가스 스트림 모두를 적합한 가스를 통해 가스 교환기에 동시에 통과시켜 이들 사이에 열을 이동시키는 단계를 추가로 포함하는 배기 가스 처리 방법.
  9. 제7항에 있어서, 연소성 유체가 일산화탄소, 수소, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 2-부탄올 및 2-메틸-2-프로판올로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 구성원을 포함하는 배기 가스 처리 방법.
  10. 제7항에 있어서, 고형 산화 촉매가 실리카, 알파 알루미나, 티타니아, 실리카 알루미나, 지르코니아 및 감마 알루미나로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 구성원 및 임의로 산화텅스텐, 산화바나듐, 산화주석, 및 금속 백금, 팔라듐 및 로듐으로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 구성원(여기서, 실리카, 알파 알루미나, 티타니아, 실리카 알루미나, 지르코니아 및/또는 감마 알루미나는 세라믹 또는 금속성 벌집형 지지체 위에 부착되고, 촉매적 산화로부터의 배기 가스의 유출물 스트림은 유기 오염물질의 분해에 의해 형성된 이산화탄소, 물 및 할로산을 포함한다)을 포함하는 배기 가스 처리 시스템.
  11. (A) 배기 가스 스트림에 배치된 고형 산화 촉매를 포함하는 산화 용기;
    산화 용기의 배기 가스 하부 스트림에 배치된 가스 스크러빙 타워;
    산화 촉매의 배기 가스 상부 스트림의 온도를 측정하기 위한 수단;
    다량의 연소성 유체를 산화 압력 용기의 배기 가스 상부 스트림속으로 도입하여 유기 오염물질의 촉매적 산화를 촉진시키는 수단;
    산화 촉매의 배기 가스 하부 스트림의 온도를 측정하는 수단 및
    상기 수단들을 공급함으로써 운반되는 연소성 유체의 양을 조절하기 위한 수단[여기서, 조절 수단은 촉매적 산화를 위한 충분한 연소성 반응물을 제공하도록 배열되어 적합한 반응 온도를 유지시킨다]을 포함하는 배기 가스 처리 시스템을 제공하는 단계;
    (B) 일산화탄소, 휘발성 탄화수소 및 할로겐화 탄화수소 화합물, 및 과량의 이산소를 포함하는 배기 가스 스트림을 처리 시스템속으로 공급하여 산화 촉매의 배기 가스 상부 스트림의 온도를 측정하는 단계;
    (C) 공급 수단에 의해 운반되는 다량의 연소성 유체를 공급하고 조절하여 촉매적 산화에 대한 충분한 반응물을 제공함으로써 산화 용기 중의 적합한 반응 온도를 유지시키는 단계;
    (D) 연소성 유체를 산화시키고 산화 용기 속에서 산화 촉매를 사용하여 배기 가스 스트림중의 유기 화합물의 실질적인 분획을 분해시켜 이산화탄소, 물 및 할로산을 포함하는 산화 유출물 스트림을 형성시키는 단계 및
    (E) 가스 스크러빙 타워 속에서 산화 유출물 가스 스트림 및 흡수 액체를 접촉시켜 가용성 화합물의 용액 및 처리된 배기 가스 스트림을 형성시키는 단계를 포함하는, 휘발성 화합물 및 과량의 이산소를 포함하는 배기 가스 스트림을 갖는 공업적 공정으로부터의 일산화탄소 및 기타 휘발성 화합물의 방출을 감소시키는 배기 가스 처리 방법.
  12. 제11항에 있어서, 연소성 유체가 일산화탄소, 수소, C1-C5탄화수소 화합물, 분자당 하나 이상의 산소원자를 포함하는 C1-C5유기 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터의 하나의 구성원을 포함하는 배기 가스 처리 방법.
  13. 제11항에 있어서, 흡수 액체가 칼슘, 스트론튬, 바륨, 알칼리 금속 및 암모늄 이온으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 구성원을 포함하는 알칼리성 수용액인 배기 가스 처리 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    (A') 산화 용기의 배기 가스 상부 스트림에 배치된, 가스 열 교환기에 적합한 가스를 제공하는 단계 및
    (E) 열 교환기를 통해 산화 유출물 스트림과 미처리된 배기 가스 스트림 모두를 동시에 통과시켜 이들 사이에 열을 이동시키는 단계를 추가로 포함하는 배기 가스 처리 방법.
  15. 제14항에 있어서, 연소성 유체가 수소, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 2-부탄올 및 2-메틸-2-프로판올로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 구성원을 포함하는 배기 가스 처리 방법.
  16. 제14항에 있어서, 흡수 액체가 칼슘, 스트론튬, 바륨, 알칼리 금속 및 암모늄 이온으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 구성원을 포함하는 알칼리성 수용액인 배기 가스 처리 방법.
  17. 제14항에 있어서, 고형 산화 촉매가 티타니아 및 임의로 산화텅스텐, 산화바나듐, 산화주석, 및 금속 백금, 팔라듐 및 로듐으로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 구성원(여기서, 티타니아는 세라믹 또는 금속성 벌집형 지지체 위에 부착되고, 촉매적 산화로부터의 배기 가스의 유출물 스트림은 유기 오염 물질의 분해에 의해 형성된 이산화탄소, 물, 할로겐 산 및 할로겐 원소를 포함한다)을 포함하는 배기 가스 처리 방법.
  18. 제11항에 있어서, 배기 가스 스트림이 승압 및 승온에서 산화 촉매 시스템의 존재하에 이산소를 사용한 메틸 그룹의 액체상 산화에 의한 상응하는 메틸 치환된 방향족 화합물로부터 방향족 산을 형성하는 화학 공정으로부터의 유기 오염물질 및 과량의 이산소를 포함하는 유출물을 포함하는 배기 가스 처리 방법.
  19. 제18항에 있어서, 흡수 액체가 석회, 암모니아, 수산화암모늄, 수산화나트륨, 탄산나트륨, 중탄산나트륨, 포름산나트륨, 황화나트륨, 우레아 및 포름알데히드로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 구성원을 포함하는 알칼리성 수용액인 배기 가스 처리 방법.
  20. 제18항에 있어서, 연소성 유체가 수소, 메탄올 및 부탄으로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 구성원을 포함하는 배기 가스 처리 방법.
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