KR20020035411A - 촉매반응과 펄스타입프라즈마(Pulse type plasma)를 이용하여 아질산가스 및 아황산가스를 제거하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매반응과 펄스 타입 프라즈마(pulse type plasma)를 이용하여NO _x 및SO _X 를 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

우리나라에서는 환경보존법 규칙 제12조에NO _x 의 배출허용기준을NO ₂와 경우 250ppm으로 규정하여 선진국에 비해 규제가 훨씬 약한 문제점을 가지고 있다. 그러나 점차 환경오염의 심각성이 대도시의 경우 국제적으로 우려할 단계에 이르게 됨으로써 향후 보다 엄격한 기준치가 마련될 것으로 보인다. 따라서NOx,CO ₂및SO _X 와 같은 유해가스를 거의 0%로 만드는 장치의 개발이 국내외적으로 절실하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 도1에 도시한 바와 같은 반응기안에 도선을 삽입하여 전극으로 하고 다른 한 전극은 절연층으로 이루어진 반응기 바깥에 반응기를 둘러싸도록 형성시킴으로써 전극판주변에 전위차형성을 막고, 전위분포를 고르게 할 수 있는 장점을 가지도록 하고,

뿐만 아니라 양 전극사이에 고전압을 연속적으로 인가하는 것이 아니라 순간 전압 10-20KV의 고전압을 1/10⁶-1/10⁹초동안에 반응기안에 삽입된 도선형태의 전극과 반응기를 둘러싼 전극사이에 인가하여 대기압 상태하에서 반응기내에 pulse type plasma를 발생시켜서 반응기를 통과하는NO _x ,및SO _X 를 N, S, O상태로 분해시켜서 제거효율을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

촉매반응과 펄스타입프라즈마를 이용하여 NOx 및 SOx를 제거하는 방법 및 장치{USE CATALYSIS AND PULSE TYPE PLASMA,PROCCESS AND DEVICE OF NOx AND SOx}

본 발명은 촉매반응과 Pulse type plasma를 이용하여NO _x 및SO _X 를 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

대기오염은 산성비,호흡기질환,오존층파괴,지구온난화,토양 및 식물의 오염,광학스모그등 지구의 환경문제에 날로 심각성이 더해가고 있다. 따라서 그 원인물질에 대한 규명과 함께 오염자체를 현저히 낮추지 않고는 2150년경에는 인류의 생존자체가 불가능할 단계에 이를 것으로 예측되고 있다.

오염원으로는 발전소,제철소,각종 공장 보일러,자동차등의 엔진,가정용 난방에 이러기까지 화석연료를 사용하는 모든 원동기가 원인이며 이들 오염원에서 배출되는 가스는NO _x ,CO ₂, CO,SO _X 등이 지구환경오염의 주된 물질이다.

특히NO _x 는 미국,일본등에서는 이미 인체에 치명적인 영향을 미치는 것을 잘 알고 배기가스중의 최대 평균 허용농도가 50ppm으로 정해져서 그 이상 배출될 경우 법적인 제재를 받게 된다.

우리나라에서는 환경보존법 규칙 제12조에NO _x 의 배출허용기준을NO ₂의 경우 250ppm으로 규정하여 선진국에 비해 규제가 훨씬 약한 문제점을 가지고 있다. 그러나 점차 환경오염의 심각성이 대도시의 경우 국제적으로 우려할 단계에 이르게 됨으로써 향후 보다 엄격한 기준치가 마련될 것으로 보인다. 따라서NO _x ,CO ₂및SO _X 와 같은 유해가스를 거의 0%로 만드는 장치의 개발이 국내외적으로 절실하다.

NO _x ,CO ₂및SO _X 를 제거하는 기존 기술은 습식세정법과 건식세정법 및 플라즈마응용법이 이미 개발되어 있다. 그 중에서 습식세정법 및 건식세정법은 오래전부터 사용해 오던 방법이고 플라즈마 응용법은 가장 최근에 개발된 기술이다.

습식 및 건식세정법은 대규모공장에서 넓은 면적을 차지하며 cooler, scrubber,feeder, pump, compressor등의 장치들이 이용되어 burner에서 배출되는 가스를 물, lime, 모래, 각종 환원제등과 함께 반응시켜 제거하는 평균 40-70%의 제거효율을 가진 것으로 알려져 있다.

반면에 플라즈마응용법은 아직 연구단계에 있지만 현재 개발된 방법은NO _x 및SO _X 를 반응기내로 흘러넣을 때 반응기내에 두 개의 전극판을 삽입하여 전극판 사이에 5-20KV의 고전압을 걸어서 연속적인 아크방전 혹은 연속적인 플라즈마방전을 통해NO _x , 및SO _X 를 분해시켜 제거하는 방법이다.

이 때 문제점은 연속적인 방법을 통해 전극판주변에 전위차가 형성되어 탄소이온등이 축적됨으로써 일정시간 이후에 방전이 방해를 받거나 아크방전시 전위분포가 고르지 못하여 제거효율을 높이는데 지장을 초래하게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도1에서 도시된 바와 같이, 반응기안에 도선을 삽입하여 전극으로 하고 다른 한 전극은 절연층으로 이루어진 반응기 바깥에 반응기를 둘러싸도록 형성시킴으로써 전극판주변에 전위차형성을 막고, 전위분포를 고르게 할 수 있는 장점을 가지고 있다.

뿐만 아니라 양 전극사이에 고전압을 연속적으로 인가하는 것이 아니라 순간전압 10-20KV의 고전압을 1/10⁶-1/10⁹초동안에 반응기안에 삽입된 도선형태의 전극과 반응기를 둘러싼 전극사이에 인가하여 대기압 상태하에서 반응기내에 pulse type plasma를 발생시켜서 반응기를 통과하는NO _x 및SO _X 를 N, S, O상태로 분해시켜서 제거시키는 기술이다.

이렇게 함으로써 연속방전을 일으킬 경우 발생하는 문제점을 해소할 수 있을 뿐 아니라 도면4에서 알 수 있는 바와 같이 전력소모를 현저히 감소시킬 수 있다.

그 이유는 연속적인 방전을 통해 플라즈마를 유지시키기 위해 20-30KV의 고전압하에서 300-1000㎂의 전류를 지속적으로 흘리게 될 경우와 10-20KV의 고전압하에서 300-1000㎂의 전류를 1/10⁶-1/10⁹초동안만 가했다 안가했다 하면서 소모된 전력량이 현저히 줄어들 수 밖에 없고 pulse형태의 전압인가를 통해 탄소이온들이 전극주변에 형성되는 것을 막을 수 있기 때문이다.

특히 자동차등과 같이 한정된 전력량을 가지고 작동을 시켜야 할 경우 전력소모는 매우 중요한 요소이며 발전소,공장등과 같이 대규모 장치에서도 전력소모를 최소화하는 것은 매우 중요한 것이다.

또한 기존의 플라즈마이용 가스제거장치들에서 사용하는TiO ₂,AI ₂ O ₃촉매제와 달리 본 발명에서는 zeolite금속양이온교환을 통해 Cu,Co,Ag로 이온교환된 zeolite를 사용하거나,TiO ₂에V ₂ O ₅가 담지된 촉매제를 사용하였다.

또한 촉매제의 환원반응을 위해 NO와C ₂ H ₄혹은CH ₄혹은CH ₃ CH ₂ OH를O ₂와 유량비 1:1:3의 비율로 반응기내에 불어넣고 온도를 300-400℃의 범위에서 가열하여 촉매의 활성도를 높이는 기술을 사용하였다.

이를 통해 0.2초 내에NO _X 가스가 100% 제거되는 것을 확인할 수 있었고,NH ₃및H ₂ O ₂혹은 휘발유,경유등을 태울 때 자연스럽게 발생하는H ₂ O를 이용하여SO _X 가스도 거의 동시에 제거할 수 있다.

도1은 본 발명에 의한NO _x ,및SO _X 를 제거하는 장치도

도2는 제1도의 장치도 중 반응기부분의 상세도

도3은 종래의 연속식 플라즈마 이용 제거장치와 본 발명에서 개발된 펄스형 플라즈마를 이용한 제거장치의 전력소모 대비 제거효율도

도4는NO _x ,및SO _X 의 순간 제거효율도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

도1의 부호 설명 : ①slide transformer ②고전압 transformer ③고전압다이오드 ④50-100K의 저항 ⑤1000-1500pF의 콘덴서 ⑥로터리 스위치 ⑦연소기배관 ⑧반응관 ⑨연결관 ⑩도선형태의 전극 ⑪반응기를 감싼 전극 ⑫그물망 ⑬알갱이형태의 촉매제 ⑭히터.

도2의 부호 설명 : ①연소기배관 ②반응관 ③연결관 ④도선형태의 전극 ⑤촉매활성화 가스도입관 ⑥반응기를 감싼 전극 ⑦그물망 ⑧알갱이형태의 촉매제 ⑨히터

도1은NO _X 및SO _X 를 제거하는 장치도로서, 100V의 AC전원을,

①slide transformer를 통해 임의의 전압으로 조정할 수 있도록 하고 ②고전압 transformer를 통해 2차측에 최대 20KV의 고전압이 발생할 수 있도록 한다.

③고전압다이오드 ④50-100K의 저항 ⑤1000-1500pF의 콘덴서를 통해 정류된 DC전압을 ⑥로터리 스위치를 통해 ⑩도선형태의 전극과 ⑪반응기를 감싼 전극사이에 인가하는 장치이다.

이 때 ⑦연소기배관과 연결된 ⑧반응관을 ⑨연결관으로 잇고 연결관을 통해 ⑩도선전극이 반응관속으로 삽입되도록 한다. 연소기배관을 통해 나온NO _X 및SO _X 가스는 전극에 가해진 펄스형태의 고전압에 의해 플라즈마상태로 변하고 이 가스는 ⑫그물망속에 충진되어 있는 ⑬알갱이형태의 촉매제를 통과하면서 제거된다. ⑭촉매제의 활성화를 높이기 위해 가열시킬 수 있는 히터가 부착된다.

도2는 전극과 반응기부분을 상세하게 나타낸 것으로서, ①연소기배관과 연결된 ②반응관은 절연관으로 주로 석영 혹은AI ₂ O ₃등의 절연성을 띤 도자기류로 이루어지며 ③연결관으로 연소기배관과 반응관을 잇고 연결관에 구멍을 내어 ④도선전극과 ⑤촉매활성화가스 (NO,C ₂ H ₄혹은CH ₄혹은CH ₃ CH ₂ OH,O ₂) 또는 (NH ₃및H ₂ O ₂혹은 휘발유,경유등을 태울 때 자연스럽게 발생하는H ₂ O)를 유입시킬 수 있는 관을 도입시키고 봉밀한다.

도선과 ⑥반응관을 감싸도록 만든 전극사이에 고전압을 펄스형으로 인가하면 연소관을 통해 배출된NO _X 및SO _X 가스는 플라즈마 상태에서 분해되고 ⑦그물망안에 충진된 ⑧촉매제(zeolite금속양이온 교환을 통해 Cu, Co, Ag로 이온교환된 zeolite를 사용하거나,TiO ₂에V ₂ O ₅가 담지된 촉매제)를 통과하면서 제거되도록 구성된다. 또한 촉매반응을 활성화시키기 위하여 ⑨가열장치를 통해 온도를 300-400℃의 범위에서 가열하여 촉매의 활성도를 높이도록 구성되어있다.

도3은 연속식 플라즈마 아크방법에 의한NO _X 가스제거방법과 본 발명에서 제안하는 펄스식플라즈마에 의한NO _X 가스제거방법에 대해 제거효율,전력소모를 비교한 것으로서, 종래의 연속플라즈마에 사용된 전압은 25-30KV범위내에 있으며, 이 때 소모되는 전력은 0-25W이며 시간은 0에서 40분동안 조사한 것이다.

이 때NO _X 가스의 제거효율은 40분정도 경과후 90%정도이다. 반면에 펄스식 플라즈마에 사용한 전압은 10KV정도이며 전력은 0에서 5W이며 시간은 0에서 40분동안 조사한 것이다. 이 때NO _X 가스의 제거효율은 3분 경과후에서 90%에서 거의 100%의 제거효율을 40분동안 지속적으로 가점을 보여준다.

도4은 펄스식 plasma방법과 촉매 및 촉매활성화가스로NH ₃및H ₂ O ₂가스를 유입시킬 경우NO _X 는 약0.2초안에 100%제거되며SO _X 가스는 0.4초후 100%제거되는 것을 보여준다.

이와 같은 본 발명은 발전소,제철소, 각종 공장 보일러,자동차등의 엔진,가정용 난방에서 발생되는 환경오염가스인NO _X 및SO _X 를 촉매반응과 펄스타입프라즈마를 이용하여 제거시키게 됨으로 제거효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 순간전압 10-20KV의 고전압을 1/10⁶-1/10⁹초동안에 반응기안에 삽입된 도선형태의 전극과 반응기를 둘러싼 전극사이에 인가하여 대기압상태하에서 반응기내에 pulse type plasma를 발생시켜서 반응기를 통과하는NO _X 및SO _X 를 N, S, O상태로 분해시켜서 제거함을 특징으로 하는 촉매반응과 Pulse type plasma를 이용하여NO _X 및SO _X 를 제거하는 방법 및 장치.
2. 제1항에서NO _X 및SO _X 를 제거하기 위해 반응기내에 pulse type plasma를 발생시킬 때 반응기내의 일정부분을 촉매제를 채워서 제거효율을 높이는 것을 특징으로 하는 촉매반응과 Pulse type plasma를 이용하여NO _X 및SO _X 를 제거하는 방법 및 장치.
3. 제1항의 장치에 2항의 촉매제를 사용하여NO _X 및SO _X 를 제거할 때 사용되는 촉매제를 zeolite금속양이온 교환을 통해 Cu, Co, Ag로 이온교환된 zeolite를 사용하거나,TiO ₂에V ₂ O ₅가 담지된 촉매제를 사용하는 것을 특징으로 하는 촉매반응과 Pulse type plasma를 이용하여NO _X 및SO _X 를 제거하는 방법 및 장치.
4. 제1항에서 3항의 방법을 사용하여NO _X 및SO _X 를 제거할 때 3항의 촉매제의 환원반응을 위해 NO와C ₂ H ₄혹은CH ₄혹은CH ₃ CH ₂ OH를O ₂와 유량비 1:1:3의 비율로 반응기내에 불어넣고 온도를 300-400℃의 범위에서 가열하여 촉매의 활성도를 높이는 것을 특징으로 하는 촉매반응과 Pulse type plasma를 이용하여NO _X 및SO _X 를 제거하는 방법 및 장치.
5. 제1항에서 3항의 방법을NO _X 및SO _X 를 제거할 때 3항의 제거효율을 높이기 위해NH ₃및H ₂ O ₂혹은H ₂ O를NO _X 및SO _X 의 유량과 동일비율로 불어 넣는 것을 특징으로 하는 촉매반응과 Pulse type plasma를 이용하여NO _X 및SO _X 를 제거하는 방법 및 장치.
6. 화석연료(석유 및 석탄을 이용한 모든 종류의 연료)를 사용하는 동력생산장치에서 배출되는NO _X 및SO _X 를 제거하기 위하여 제1항에서 제5항까지의 방법 일부 혹은 전부의 기술을 사용하여 만들어진 장치 및 기술을 응용하는 방법.