KR20020058179A - Catalyst for selective catalytic reduction of nitrogen oxides including sulfur dioxide at low temperature - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A novel vanadium-rhodium/TiO2 catalyst for selective catalytic reduction of nitrogen oxides including sulfur dioxide at low temperature of less than 250deg.C is provided, which is characterized in that tungsten is impregnated on TiO2 to avoid catalyst poisoning due to ammonium sulfate. CONSTITUTION: The present invention is characterized in that based on the weight of TiO2, Rd and Vd are impregnated on W-TiO2 complex support material in an amount of 0.1-2 wt.% and 0.1-2 wt.%, respectively wherein tungsten is impregnated on TiO2 support material in an amount of 1 to 10 wt.%, based on the weight of TiO2.

Description

이산화황을 포함하고 있는 배가스 중의 질소산화물을 저온에서 제거하기 위한 선택적 환원촉매{Catalyst for Selective Catalytic Reduction of Nitrogen Oxides Including Sulfur Dioxide at Low Temperature}Catalyst for Selective Catalytic Reduction of Nitrogen Oxides Including Sulfur Dioxide at Low Temperature

본 발명은 이산화황을 포함하는 배가스 내의 질소산화물 제거용 선택적 환원촉매에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 유황유 연소 내연발전기, 폐기물 소각설비, 선박용 엔진, 대형건물용 보일러 등에서 발생되는 배가스 내에 함유된 질소산화물을 이산화황에 의한 촉매의 피독을 최대한 방지하면서 저온에서 효과적으로 제거하기 위한 선택적 환원촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a selective reduction catalyst for removing nitrogen oxides in exhaust gas containing sulfur dioxide. More specifically, the present invention is to effectively remove nitrogen oxides contained in the exhaust gas generated from sulfur oil combustion internal combustion generator, waste incineration plant, marine engine, large-scale boiler, etc. at the low temperature while effectively preventing poisoning of the catalyst by sulfur dioxide. It relates to a selective reduction catalyst.

고정원에서 발생하는 질소산화물을 제거하는 기술은 크게 2가지로 구분할 수 있는데, 그 중 하나는 연료의 질소 함유량을 조절하거나 버너 및 연소 공정을 변화시키는 청정기술(clean technology)이고, 또 하나는 연소 후에 발생하는 배기가스내의 질소산화물을 제거하는 후처리기술(end of pipe technology) 또는 배연처리(flue-gas treatment) 기술이다.There are two types of techniques for removing nitrogen oxides from fixed sources, one of which is clean technology that controls the nitrogen content of the fuel or changes the burner and combustion process, and the other is combustion. End of pipe technology or flue-gas treatment technology to remove nitrogen oxides in the exhaust gas generated later.

청정기술(clean technology)을 질소산화물 제거에 이용할 경우 연료의 질소함유량 감소로 인하여 제거할 수 있는 질소산화물은 최대 60%정도이며, LNB(Low NOxBurner) 및 이단 연소 등의 공정변화에 의해 제거할 수 있는 효율은 30∼50%정도로 현재 강화된 NOx규제치 및 총량규제 등의 환경규제를 충족시킬 수 없어 상용화되지 못하고 있는 실정이다.When clean technology is used to remove nitrogen oxides, the nitrogen oxides that can be removed by reducing the nitrogen content of fuel are up to 60%, and are removed by process changes such as low NO x burner (LNB) and two-stage combustion. The efficiency that can be achieved is 30-50%, and it is not commercialized because it cannot satisfy the environmental regulations such as NO x regulation and total amount regulation.

따라서, 질소산화물 제거효율 측면에서 우수한 후처리 기술에 의한 NOx제거 기술이 실제 상용화공정에 적용 가능하다. 이 중 습식법은 NOx와 SOx를 동시에 제거할 수 있다는 장점을 가지고 있어 소량의 NOx가 발생되는 공정에 적용되어 왔다. 그러나, 상기 기술은 2가지의 심각한 문제점을 유발하는데, 그 하나는 NO가 물에 대한 용해성이 좋지 않기 때문에 수용액상에서 NO를 흡수시키지 전에 NO2로 산화시켜야 하며, 이 과정에 비용이 많이 소요된다는 점이다. 또 다른 문제점은 NO2로 산화시키는 과정에서 부산물로 NO3및 N2O4가 형성되어, 다시 이러한 부산물들을 처리해야 하는 문제가 발생한다.Therefore, the NO x removal technology by the excellent after-treatment technology in terms of nitrogen oxide removal efficiency can be applied to the actual commercialization process. Among them, the wet method has the advantage of being able to remove NO x and SO x at the same time, and has been applied to a process in which a small amount of NO x is generated. However, this technique causes two serious problems, one of which is that NO is poorly soluble in water and must be oxidized to NO 2 before absorbing NO in an aqueous solution, which is expensive. to be. Another problem is that NO 3 and N 2 O 4 are formed as by-products in the process of oxidizing to NO 2 , which causes the problem of treating these by-products again.

이러한 문제점으로 인하여 후처리 기술 중에서도 건식법이 활발히 연구되고 있으며, 건식법은 촉매를 사용하지 않고 850∼1050℃의 고온에서 NOx를 NH3분사만으로 선택적으로 N2및 H2O로 환원시키는 SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction) 및 150∼450℃의 비교적 저온영역에서 촉매를 이용하여 NOx를 N2와 H2O로 환원시키는 SCR(Selective Catalytic Reduction)방법이 이용되고 있다. SNCR은 적은 비용으로 50%이상의 NOx를 제거할 수 있다는 장점이 있지만, 배출되는 미반응 암모니아가 암모늄 염(ammonium salt) 등을 형성하여 반응기 후단에 있는 장치에 플러깅(plugging) 또는 부식현상을 유발할 수 있고 좁은 영역의 조업온도로 인하여 운전의 어려움이 있다.Due to this problem, the dry method is actively studied among post-treatment technologies, and the dry method selectively reduces NO x to N 2 and H 2 O by NH 3 injection only at a high temperature of 850 to 1050 ° C. without using a catalyst. Non-Catalytic Reduction) and SCR (Selective Catalytic Reduction) method is used to reduce NO x to N 2 and H 2 O using a catalyst in a relatively low temperature range of 150 to 450 ° C. SNCR has the advantage of being able to remove more than 50% of NO x at a low cost, but the unreacted ammonia released forms ammonium salts, etc., which can lead to plugging or corrosion in the device behind the reactor. It may be difficult to operate due to the narrow operating temperature.

전술한 문제로 인하여 현재 고정원에서 NOx를 제거하는 기술로 경제적 및 기술적인 측면에서 가장 각광을 받고 있는 기술이 SCR 기술이다. 선택적 촉매 환원법은 촉매를 하기 반응식 1, 2, 3 및 4와 같이 일산화질소(NO) 또는 이산화질소(NO2)와 같은 질소산화물을 환원제로서 암모니아를 사용하여 질소 및 수증기로 환원시킨다. 실제 배기가스 중에는 산소가 포함되어 있으므로 실제로는 반응식 3과 4에 따라 질소산화물이 제거된다.Due to the above-mentioned problem, the technology that removes NO x from the fixed source is the most popular technology in terms of economic and technical aspects SCR technology. The selective catalytic reduction method reduces the catalyst to nitrogen and water vapor using ammonia as the reducing agent, such as nitrogen monoxide (NO) or nitrogen dioxide (NO 2 ), as shown in Schemes 1, 2, 3 and 4. Since the actual exhaust gas contains oxygen, nitrogen oxides are actually removed according to the equations (3) and (4).

6NO + 4NH3→ 5N2+ 6H2O6NO + 4NH 3 → 5N 2 + 6H 2 O

6NO2+ 8NH3→ 7N2+ 12H2O6NO 2 + 8NH 3 → 7N 2 + 12H 2 O

4NO + 4NH3+ O2→ 4N2+ 6H2O4NO + 4NH 3 + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O

2NO2+ 4NH3+ O2→ 3N2+ 6H2O2NO 2 + 4NH 3 + O 2 → 3N 2 + 6H 2 O

그러나, 환원제로 사용되어야 할 암모니아가 산소와 반응하여 질소 및 질소산화물을 생성하는데, 이러한 부반응은 반응식 5, 6, 7 및 8과 같이 발생된다.However, ammonia, which should be used as a reducing agent, reacts with oxygen to produce nitrogen and nitrogen oxides, which side reactions occur as shown in Schemes 5, 6, 7 and 8.

4NH3+ 3O2→ 2N2+ 6H2O4NH 3 + 3O 2 → 2N 2 + 6H 2 O

4NH3+ 4O2→ 2N2O + 6H2O4NH 3 + 4O 2 → 2N 2 O + 6H 2 O

4NH3+ 5O2→ 4NO + 6H2O4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O

4NH3+ 7O2→ 4NO2+ 6H2O4NH 3 + 7O 2 → 4NO 2 + 6H 2 O

일반적으로 NH3산화반응은 반응온도가 고온으로 상승함에 따라 활발히 일어나며, NOx의 환원반응과 서로 경쟁적으로 발생하게 되어, 온도에 따른 NO 전환율이 최고치를 갖는 현상을 보이게 된다. 수분이 포함되지 않는 경우에는 반응식 6은 거의 발생하지 않으며, 특히 반응식 7 및 반응식 8에 의하여 NOx가 발생되므로 억제되어야 할 반응들이나, 이들은 반응온도가 증가함에 따라 반응속도가 증가하게 된다.In general, the NH 3 oxidation reaction occurs actively as the reaction temperature rises to a high temperature, it occurs competitively with the reduction reaction of NO x , it shows a phenomenon that the NO conversion rate with the maximum temperature. When moisture is not included, Scheme 6 hardly occurs, and in particular, since NO x is generated by Reactions 7 and 8, reactions to be suppressed, but these reaction rates increase as the reaction temperature increases.

또한, 배가스 중에는 수분 및 황산화물이 존재하며 이들이 촉매상에서 염을 생성하여 촉매를 비활성화시킨다. 상기와 같이 촉매가 피독되는 주된 원인이 되는 반응은 반응식 9, 10, 11 및 12에 따라 이루어진다.In addition, moisture and sulfur oxides are present in the flue-gases, which form salts on the catalyst to deactivate the catalyst. As described above, the reaction which is the main cause of poisoning of the catalyst is carried out according to Schemes 9, 10, 11 and 12.

2NH3+ H2O +2NO2→ NH4NO3+ NH4NO2 2NH 3 + H 2 O + 2 NO 2 → NH 4 NO 3 + NH 4 NO 2

2SO2+O2→ 2SO3 2SO 2 + O 2 → 2SO 3

NH3+ SO3+ H2O → NH4HSO4 NH 3 + SO 3 + H 2 O → NH 4 HSO 4

SO3+ H2O → H2SO4 SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4

상기 반응식 9는 NO와 NH3가 반응하여 질산염을 형성하는 반응이며, 이러한 질산염은 150℃이상에서는 분해되어 촉매 피독을 형성하지 않는 것으로 알려져 있다. 결국 촉매의 피독은 반응식 10에 의하여 생성된 SO3가 반응식 11에 따라 황산염을 형성하여 촉매 표면에서 분해되지 않고 잔류함으로써 유발된다. 또한, 반응식 12에 의하여 황산이 생성되어 촉매층 및 후단의 설비를 부식시키는 원인을 제공하게 된다.Scheme 9 is a reaction in which NO and NH 3 react to form nitrate, and such nitrate is known to decompose at 150 ° C. or higher to not form catalyst poisoning. Eventually poisoning of the catalyst is caused by SO 3 produced by Scheme 10 remaining sulfate-free on the surface of the catalyst, forming sulfates according to Scheme 11. In addition, sulfuric acid is generated by the reaction scheme 12 to provide a cause of corrosion of the catalyst layer and the equipment of the latter stage.

따라서, 반응식 10에 의한 SO3생성을 최소화하며, 반응식 11에 의하여 생성된 황산염의 분해온도를 저온영역으로 낮추는 촉매의 개발이 절실한 실정이다.Therefore, there is an urgent need to develop a catalyst that minimizes SO 3 generation by Scheme 10 and lowers the decomposition temperature of sulfate generated by Scheme 11 to a low temperature region.

일반적으로 SCR기술에 사용되는 촉매는 금속산화물 촉매로부터 제올라이트(zeolite) 촉매에 이르기까지 다양하게 제시되고 있으며 많은 연구에서 촉매에 대한 반응조건의 영향이 중점적으로 연구되고 있다. 귀금속 촉매는 자동차 배기가스 중의 NO를 제거하기 위하여 이용되고 있는데, 백금촉매상에서 암모니아 및 수소를 환원제로 하여 NO 제거 실험을 시행하면, 이산화황 존재 하에서는 반응 후 4시간 이내에 NO 제거활성이 거의 사라지는 점을 발견할 수 있다. 이는 백금표면이 유황성분에 의하여 피독되는 것이 원인으로 분석된다. 따라서, 귀금속 촉매들은 보통 배기가스 내에 존재하는 10∼60 ppm의 이산화황에서도 심하게 피독되므로 SCR촉매로 상용화되지 못하고 있는 실정이다. 제올라이트(zeolite) 촉매로는 주로 Y형 제올라이트, 모더나이트(mordenite) 및 ZSM-5가 연구되고 있으며, 전이금속을 양이온과 교환시켜 NO 제거활성을 높이고 있다. 그러나, 제올라이트 촉매의 구조상의 단점으로 인하여 수분 존재시 활성저하 및 구조내의 알루미늄이 용출되어 내구성이 현저히 떨어지므로 상용화 촉매로 사용하기에는 어려운 실정이다.Generally, catalysts used in the SCR technology have been proposed in various ways from metal oxide catalysts to zeolite catalysts, and many studies have focused on the effect of reaction conditions on catalysts. Precious metal catalysts are used to remove NO in automobile exhaust gases. When NO removal experiments are carried out on platinum catalysts using ammonia and hydrogen as reducing agents, NO removal activity disappears within 4 hours after the reaction in the presence of sulfur dioxide. can do. This is because the platinum surface is poisoned by the sulfur component. Therefore, the noble metal catalysts are severely poisoned even at 10 to 60 ppm sulfur dioxide, which is usually present in the exhaust gas, and thus are not commercialized as SCR catalysts. As zeolite catalysts, Y-type zeolite, mordenite and ZSM-5 are mainly studied, and the NO removal activity is increased by exchanging transition metals with cations. However, due to the structural disadvantages of the zeolite catalyst, it is difficult to use it as a commercialization catalyst because activity decreases in the presence of water and aluminum in the structure elutes so that durability decreases significantly.

따라서, 최근의 SCR촉매는 거의 대부분이 바나듐을 중심으로 연구되고 있으며 V2O5를 TiO2, Al2O3, 또는 SiO2에 침전시키거나 담지시켜 사용되어 SCR반응에 가장 우수한 효과를 발휘하는 것으로 알려져 있다. 상기의 담체 중에서도 유황성분에 대한 내구성 측면을 고려하여 TiO2를 주로 사용한다. 또한, 반응식 10에 의하여 생성되는 SO3를 감소시키기 위한 방법으로 텅스텐, 몰리브덴 등을 첨가시킨 촉매의 개발이 활발히 진행되고 있다. 현재 상용화되어 있는 배연가스 탈질촉매는 V2O5/TiO2계열에 촉매의 활성 및 이산화황에 대한 내피독성을 증진시키기 위하여 텅스텐, 몰리브덴 등이 첨가된 형태이다. 이러한 촉매는 350℃ 전후의 온도에서는 높은 탈질효율을 보이나, 200℃ 이하의 온도에서는 낮은 탈질효율 및 촉매표면에 형성되는 황산암모늄에 의하여 피독되어 저온영역에서는 사용할 수 없는 문제점을 갖고 있다. 대부분의 탈질공정에서는 V2O5/TiO2계열의 촉매를 탈황설비 후단부에 설치하고 있으며, 이 경우 100℃이하로 낮아진 배가스의 온도를 높이기 위하여 추가적인 에너지가 필요한 실정이다. 실제로 배가스의 온도를 약 100℃높이는데 전체 발전소의 발전용량의 약 5∼10%의 막대한 양의 동력을 소모하는 것으로 알려져 있다. 상기와 같이 실제 공정의 탈질설비는 촉매의 고온활성에 기인하여 설치된 고에너지 소비형 공정이며, 기존 설비에 추가로 탈질공정을 적용시키고자 할 경우에는 V2O5/TiO2계열 촉매의 촉매활성 온도인 350。C 내외의 온도 영역대의 설치공간이 협소하여 상대적으로 온도가 낮은 공간에 이 촉매를 설치하고 추가적인 열원을 제공해야 하는 단점이 있다. 또한, 고온에서 조업시 촉매층의 열적 피로를 가속화하여 수명을 단축시키게 된다.Therefore, most of the recent SCR catalysts have been studied mainly on vanadium, and V 2 O 5 is used to precipitate or support V 2 O 5 in TiO 2 , Al 2 O 3 , or SiO 2 to give the best effect on SCR reaction. It is known. Among the above carriers, TiO 2 is mainly used in consideration of the durability of the sulfur component. In addition, development of a catalyst in which tungsten, molybdenum or the like is added as a method for reducing SO 3 generated by Scheme 10 has been actively conducted. Flue gas denitrification catalysts are currently commercialized in the form of tungsten, molybdenum, etc. added to the V 2 O 5 / TiO 2 series to enhance the catalytic activity and endothelial toxicity to sulfur dioxide. Such catalysts exhibit high denitrification efficiency at temperatures around 350 ° C., but have a low denitrification efficiency at temperatures below 200 ° C. and are poisoned by ammonium sulfate formed on the surface of the catalyst and thus cannot be used at low temperatures. In most denitrification processes, a V 2 O 5 / TiO 2 -based catalyst is installed at the rear end of the desulfurization plant, in which case additional energy is required to increase the temperature of the flue gas lowered below 100 ° C. In fact, it is known that it increases the temperature of exhaust gas by about 100 ℃ and consumes a huge amount of power of about 5 to 10% of the power generation capacity of the entire power plant. As mentioned above, the denitrification equipment of the actual process is a high energy consumption process installed due to the high temperature activity of the catalyst, and the catalytic activity of the V 2 O 5 / TiO 2 -based catalyst is required to apply the denitrification process to the existing equipment. Since the installation space in the temperature range of 350 ° C or less is narrow, the catalyst has to be installed in a relatively low temperature space and an additional heat source is provided. In addition, when operating at a high temperature to accelerate the thermal fatigue of the catalyst layer to shorten the life.

한편, 이산화황이 포함된 배가스 중의 질소산화물 제거효율을 높이고 황산암모늄에 의한 촉매피독을 방지하기 위하여 연구된 선택적 환원촉매에 관련된 기술은 다음과 같다.On the other hand, the techniques related to the selective reduction catalyst studied in order to increase the nitrogen oxide removal efficiency in the flue gas containing sulfur dioxide and to prevent catalyst poisoning by ammonium sulfate are as follows.

일본의 Babcock-Hitachi Kabushiki Kaisha사에 양도된 미국특허 제5,409,681호는 주촉매인 V-(W and/or Mo)/TiO2촉매를 Pt, Pd 및 Rh으로 이루어진 군으로부터 선택되는 귀금속을 알루미나 또는 제올라이트 담체 중에 담지한 조촉매와 물리혼합하여 사용하되, 주촉매는 질소산화물을 환원제거하고 부촉매는 미반응 암모니아 및 일산화탄소 산화제거용 촉매로 사용할 수 있음을 개시하고 있다. 이때, 2 촉매군의 비율을 9 : 1로 조절하여 이산화황 2 ppm 존재 하에서 350℃에서 사용할 수 있음을 기술하고 있다. 그러나, 상기 혼합촉매는 200℃ 이하의 저온영역에서 미반응 암모니아가 다량 배출되는 문제점이 발견되었다.U.S. Patent No. 5,409,681, assigned to Babcock-Hitachi Kabushiki Kaisha of Japan, discloses a precious metal selected from the group consisting of Pt, Pd and Rh as the main catalyst, V- (W and / or Mo) / TiO 2 catalyst. It is disclosed that the catalyst may be physically mixed with the promoter supported on the carrier, but the main catalyst may be used to reduce and remove nitrogen oxides, and the subcatalyst may be used as a catalyst for oxidative removal of unreacted ammonia and carbon monoxide. At this time, it is described that the ratio of the two catalyst groups can be adjusted to 9: 1 to be used at 350 ℃ in the presence of 2 ppm of sulfur dioxide. However, the mixed catalyst was found to have a large amount of unreacted ammonia is discharged in the low temperature region of 200 ℃ or less.

일본의 Seitetsu Kagaku 사에 양도된 미국특허 제4,152,296호는 TiO2담체에 바나듐 설페이트(VSO4), 바나딜 설페이트(VOSO4), 또는 이들의 혼합물을 담지하여 300∼520℃에서 0.05∼100 몰%의 암모니아 및 99.95∼0 몰%의 불활성 가스로 이루어진 혼합가스를 공급하여 질소산화물을 제거하기 위한 공정을 제시하고 있다.U.S. Patent No. 4,152,296, assigned to Seitetsu Kagaku, Japan, carries 0.05 to 100 mol% at 300 to 520 DEG C by supporting vanadium sulfate (VSO 4 ), vanadil sulfate (VOSO 4 ), or a mixture thereof on a TiO 2 carrier. A process for removing nitrogen oxides is provided by supplying a mixed gas consisting of ammonia and 99.95 to 0 mol% of an inert gas.

일본의 JGC Corporation 사에 양도된 미국특허 제4,182,745호는 헤테로폴리산(silicotungstic acid, silicomolybdic acid, phosphotungstic acid, phosphomolybdic acid)을 담체로 사용하여 Cu, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni등의 전이금속을 담지시킨 촉매를 사용하여 250∼550℃에서 질소산화물을 제거하기 위한 공정을 제시하고 있다.U.S. Patent No. 4,182,745, assigned to JGC Corporation of Japan, uses a heteropoly acid (silicotungstic acid, silicomolybdic acid, phosphotungstic acid, phosphomolybdic acid) as a carrier such as Cu, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, etc. A process for removing nitrogen oxides at 250 to 550 ° C using a transition metal supported catalyst is proposed.

또한, 일본의 Sakai Chemical Industry사에 양도된 미국특허 제5,582,809호는 TiO2담체에 12∼21 중량%의 텅스텐 및/또는 몰리브텐을 담지시키고 이러한 담지산화물에 니오븀(niobium)을 0.15∼0.5 중량% 담지한 촉매를 사용하여 270∼530℃에서 질소산화물을 제거하는 방법을 제시하고 있다.In addition, U. S. Patent No. 5,582, 809, assigned to Sakai Chemical Industry of Japan, supports 12-21 wt% of tungsten and / or molybten on a TiO 2 carrier, and 0.15-0.5 wt. Of niobium in such supported oxide. A method of removing nitrogen oxides at 270 to 530 ° C using a supported catalyst is provided.

그러나, 상기 특허들은 대부분 TiO2담체 또는 고체산 담체에 귀금속 및 전이금속을 담지하여 사용하였으며 이산화황 투입시 반응기의 온도를 최소 250℃에서 최대 550℃ 영역에서 조업할 것을 요구하고 있다. 따라서, 250℃이하의 저온영역에서 이산화황의 존재 시 촉매의 피독없이 질소산화물을 제거할 수 있는 촉매에 대하여는 연구가 미미한 실정이다.However, the above patents are mostly used to support the precious metal and transition metal in the TiO 2 carrier or solid acid carrier, and requires the operation of the reactor temperature in the range of 250 ℃ to 550 ℃ at the time of sulfur dioxide input. Therefore, studies on catalysts capable of removing nitrogen oxides without poisoning of catalysts in the presence of sulfur dioxide in a low temperature region of less than 250 ° C have not been studied.

이에 대하여, 본 발명자들은 종래에 상용화된 V2O5-WO3/TiO2촉매의 경우 그 표면에 형성되는 황산암모늄의 분해온도가 300℃이상이므로 이산화황의 존재 하에서는 300℃ 이하에서 조업할 수 없는 문제점을 극복하기 위한 연구를 진행한 결과, SO2의 산화에 의한 SO3의 생성을 최대한 억제하고 촉매의 표면에 형성되는 황산암모늄을 촉매표면과 약한 결합을 가진 화합물로 생성시켜 250℃의 저온 영역에서도 분해할 수 있는 촉매를 개발하게 된 것이다.In contrast, the present inventors cannot operate at 300 ° C or lower in the presence of sulfur dioxide because the decomposition temperature of ammonium sulfate formed on the surface of the conventionally commercialized V 2 O 5 -WO 3 / TiO 2 catalyst is 300 ° C or higher. As a result of research to overcome the problem, it is possible to minimize the production of SO 3 by oxidation of SO 2 and to produce ammonium sulfate formed on the surface of the catalyst as a compound having a weak bond with the surface of the catalyst to a low temperature region of 250 ℃ It is to develop a catalyst that can decompose in.

따라서, 본 발명의 목적은 250℃ 이하의 저온 영역에서 우수한 탈질 효율을 나타내는 질소산화물 제거용 촉매를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a catalyst for removing nitrogen oxides that exhibits excellent denitrification efficiency in a low temperature region of 250 ° C or lower.

본 발명의 다른 목적은 배가스 중의 이산화황에 의하여 형성되는 황산암모늄에 의한 촉매 피독을 최소화하고 환원제로서 사용되는 미반응 암모니아의 배출을 억제하고 촉매의 수명을 연장할 수 있는 질소산화물 제거용 촉매를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a catalyst for removing nitrogen oxides that can minimize catalyst poisoning by ammonium sulfate formed by sulfur dioxide in flue gas, suppress the emission of unreacted ammonia used as reducing agent, and extend the life of the catalyst. will be.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 촉매를 이용하여 질소산화물을 제거하거나 질소산화물과 다이옥신을 동시 제거하는 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method for removing nitrogen oxide or simultaneously removing nitrogen oxide and dioxin using the catalyst.

상기 목적 및 기타 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 태양은 이산화황을 포함하고 있는 배가스 중의 질소산화물을 저온에서 제거하는 선택적 환원촉매에 있어서, TiO2담체에 상기 TiO2중량 기준으로 0.1∼2 중량%의 바나듐 및 0.05∼2 중량%의 로듐이 공침 과정을 통하여 담지되어 제조된 것을 특징으로 한다.One aspect of the present invention for achieving the above and other objects is a selective reduction catalyst for removing nitrogen oxides in the flue gas containing sulfur dioxide at low temperature, 0.1 to 2% by weight based on the TiO 2 weight to TiO 2 carrier Vanadium and 0.05 to 2% by weight of rhodium is characterized in that it is supported by the coprecipitation process was prepared.

상기 목적 및 기타 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 태양은 이산화황을포함하고 있는 배가스 중의 질소산화물을 저온에서 제거하는 선택적 환원촉매에 있어서, TiO2중량 기준으로, 1∼10 중량%의 텅스텐을 담지시킨 TiO2혼합담체에 0.1∼2 중량%의 바나듐 및 0.05∼2 중량%의 로듐이 공침 과정을 통하여 담지되어 제조된 것을 특징으로 한다.Another aspect of the present invention for achieving the above and other objects is a selective reduction catalyst for removing nitrogen oxides in the flue gas containing sulfur dioxide at low temperature, it carries 1 to 10% by weight of tungsten, based on the weight of TiO 2 0.1-2% by weight of vanadium and 0.05-2% by weight of rhodium are supported on the TiO 2 mixed carrier by carrying out the coprecipitation process.

도 1은 실시예 1에 따라 제조예 1∼2에 의하여 제조된 본 발명의 촉매를 질소산화물 제거촉매로 사용하고, NH3/NOx의 몰 비를 변화시키면서 질소산화물의 제거율을 보여주는 선도이다.1 is a diagram showing the removal rate of nitrogen oxide using the catalyst of the present invention prepared according to Examples 1 to 2 as a nitrogen oxide removal catalyst and changing the molar ratio of NH 3 / NO x .

도 2(a)는 본 발명의 로듐 및 바나듐이 공침된 촉매표면상에 형성되는 황산암모늄의 흡착상태를 도시하는 도면이다.FIG. 2 (a) is a diagram showing the adsorption state of ammonium sulfate formed on the surface of the catalyst in which rhodium and vanadium are co-precipitated.

도 2(b)는 종래의 바나듐 촉매의 표면상에 형성되는 황산암모늄의 흡착상태를 도시하는 도면이다.Fig. 2 (b) is a diagram showing the state of adsorption of ammonium sulfate formed on the surface of a conventional vanadium catalyst.

도 2(c)는 종래의 로듐촉매의 표면상에 형성되는 황산암모늄의 흡착상태를 도시하는 도면이다.Fig. 2 (c) is a diagram showing an adsorption state of ammonium sulfate formed on the surface of a conventional rhodium catalyst.

도 3은 실시예 2에 따라 촉매표면에 황산암모늄을 형성한 후에 이산화황의 투입을 중단시켜 형성된 황산암모늄이 250℃ 이하 저온에서도 완전분해되어 질소산화물 제거활성이 다시 회복되는 과정을 보여주는 선도이다.3 is a diagram showing a process in which ammonium sulfate formed by stopping the addition of sulfur dioxide after the formation of ammonium sulfate on the catalyst surface according to Example 2 is completely decomposed even at a low temperature below 250 ° C., thereby restoring nitrogen oxide removal activity.

이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Looking at the present invention in more detail as follows.

본 발명의 이산화황을 포함하고 있는 배가스 중의 질소산화물을 250℃ 이하의 저온에서 제거하는 선택적 환원촉매는 담체로서 TiO2를 사용하고, 활성금속으로는 로듐(rhodium) 및 바나듐(vanadium)을 공침시켜 하나의 담체 내에 2가지 특성을 갖는 금속을 담지시킨 것이다. 이와 함께, 촉매 상에서 SO2가 산화되어 SO3로 전환되는 비율을 최소화시키기 위하여 선택적으로 TiO2담체에 먼저 텅스텐을 담지한 후에 로듐 및 바나듐을 공침시켜 제조할 수도 있다. 상기에서, 활성금속으로 사용되는 바나듐 및 로듐은 담체인 TiO2의 중량 기준으로 각각 0.1∼2 중량%, 0.05∼2 중량%로 담지되며, 상기 로듐 및 바나듐을 담지시키기 전에 TiO2담체에 1차적으로 담지될 수 있는 텅스텐의 함량은 TiO2의 중량 기준으로 1∼10 중량%이다. 상기에서 바나듐 및 로듐의 함량이 2 중량%를 초과할 경우에는 경제성 측면에서 제조원가가 높아지는 문제가 있으며, 텅스텐이 10 중량%를 초과하는 경우에는 비표면적 감소로 인하여 2차 담지 금속인 바나듐과 로듐이 불균일하게 분포되는 문제가 발생한다.Selective reduction catalyst for removing nitrogen oxides in exhaust gas containing the sulfur dioxide of the present invention at a low temperature of less than 250 ℃ is using TiO 2 as the carrier and, as active metals are one by co-precipitation of rhodium (rhodium), and vanadium (vanadium) The metal having two characteristics is supported in the carrier of. In addition, in order to minimize the rate at which SO 2 is oxidized and converted to SO 3 on the catalyst, it may be prepared by first supporting tungsten on the TiO 2 carrier and then co-precipitating rhodium and vanadium. In the above, vanadium and rhodium, which are used as the active metal, are supported by 0.1 to 2% by weight and 0.05 to 2% by weight, respectively, based on the weight of the carrier TiO 2 , and are primarily supported on the TiO 2 carrier before supporting the rhodium and vanadium. The content of tungsten that can be supported by is 1 to 10% by weight based on the weight of TiO 2 . In the case where the content of vanadium and rhodium is more than 2% by weight, there is a problem in that the manufacturing cost is increased in terms of economics, and when tungsten is more than 10% by weight, the secondary supported metals, vanadium and rhodium, are reduced due to the reduction of specific surface area. The problem of uneven distribution occurs.

본 발명의 촉매를 제조하기 위한 방법은 다음과 같다.The method for preparing the catalyst of the present invention is as follows.

먼저, 바나듐 전구체 및 로듐 전구체를 수용액 상에 용해시킨다. 바나듐 전구체로는 암모늄 메타바나데이트(NH4VO3) 등이 사용되고, 로듐 전구체로는 로듐(Ⅲ) 클로라이드(RhCl3), 로듐설페이트(Rh2(SO4)3), 로듐나이트레이트(Rh(NO3)3) 등이 사용될 수 있다. 이때, 상기 2가지의 금속 전구체가 용해된 수용액으로 상기 바나듐 전구체와 동일한 몰수의 유기산을 첨가시켜 함께 용해시킨다. 그 다음, 상기 수용액에 담체로서 사용될 일정량의 TiO2를 투입하는데, 이때 2개의 전구체가 동일한 수용액에 용해되어 있으므로 이에 TiO2을 혼합시키면 바나듐 및 로듐이 상기 TiO2담체에 공침(co-precipitation)된다. 상기와 같이 혼합된 슬러리는 점도 30∼300 cps 및 pH 2∼3이 되도록 조절하여 50∼70℃로 가열하면서 교반시켜 수분을 증발시키는데, 바람직하게는 진공증발기를 사용한다. 이때, 슬러리의 점도 및 pH를 일정 범위로 조절하는 이유는 촉매의 분산도 및 내구성을 증진시키기 위한 것으로 담체의 미세기공 속까지 전구체 금속 수용액이 고르게 확산시킴으로써 전체 촉매 내에서 금속산화물이 균일한 조성 및 함량으로 분포, 형성되도록 하기 위함이다. 따라서, 상기 슬러리의 점도가 30 cps 미만인 경우에는 진공증발기 혼합 시 바나듐 및 로듐이 분리되어 한 부분으로 뭉치게 되는 불균일화되는 문제가 있고, 300 cps를 초과한 경우에는 전구체 수용액이 이산화티탄의 미세기공까지 확산되지 못하고 표면에서만 응집된다. 또한, pH가 2 미만인 경우에는 전구체 중의 금속양이온이 이산화티탄의 표면에 급격히 흡착되어 고르게 분산되지 못하여 응집되고, 3을 초과한경우에는 전구체 중의 양이온이 이산화티탄의 표면으로 흡착되기 곤란하다. 그 다음, 80∼120℃, 바람직하게는 약 100℃의 온도에서 20∼30시간 동안 건조시킨 후에 230∼270℃의 소성로에서 3시간 동안 수소분위기로 환원시킨다. 상기 과정에 의하여 로듐의 전구체로 사용된 로듐(Ⅲ) 클로라이드 내에 함유된 염소성분이 제거될 수 있다. 상기와 같이 수소에 의하여 환원시킨 후에는 350∼450℃의 공기분위기에서 4시간 동안 소성시켜 산화물 형태의 촉매를 제조한다.First, the vanadium precursor and the rhodium precursor are dissolved in an aqueous solution. Ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ) is used as the vanadium precursor, and rhodium (III) chloride (RhCl 3 ), rhodium sulfate (Rh 2 (SO 4 ) 3 ), and rhodium nitrate (Rh ( NO 3 ) 3 ) and the like can be used. At this time, the same molar number of the organic acid as the vanadium precursor is added to an aqueous solution in which the two metal precursors are dissolved, and then dissolved together. Then, a certain amount of TiO 2 to be used as a carrier is added to the aqueous solution. Since the two precursors are dissolved in the same aqueous solution, when TiO 2 is mixed therewith, vanadium and rhodium are co-precipitation to the TiO 2 carrier. . The slurry mixed as described above is adjusted to a viscosity of 30 to 300 cps and pH 2 to 3 and stirred while heating to 50 to 70 ° C. to evaporate moisture. Preferably, a vacuum evaporator is used. At this time, the viscosity and pH of the slurry is controlled to a certain range to improve the dispersion and durability of the catalyst, and evenly spreading the precursor metal aqueous solution evenly into the micropores of the carrier, the metal oxide uniform composition and It is intended to be distributed and formed by content. Therefore, when the viscosity of the slurry is less than 30 cps, there is a problem of disproportionation in which vanadium and rhodium are separated and agglomerated into one part when mixing in a vacuum evaporator. When the viscosity of the slurry exceeds 300 cps, the precursor aqueous solution is fine pores of titanium dioxide. It is not diffused until and aggregates only on the surface. In addition, when the pH is less than 2, the metal cations in the precursor are rapidly adsorbed on the surface of the titanium dioxide and are not evenly dispersed and aggregated. When the pH is above 3, the cations in the precursor are difficult to adsorb to the surface of the titanium dioxide. Then, it is dried for 20 to 30 hours at a temperature of 80 to 120 ℃, preferably about 100 ℃ and then reduced to a hydrogen atmosphere for 3 hours in a kiln of 230 to 270 ℃. By the above process, the chlorine component contained in the rhodium (III) chloride used as the precursor of rhodium can be removed. After the reduction by hydrogen as described above is calcined for 4 hours in an air atmosphere of 350 ~ 450 ℃ to prepare an oxide catalyst.

한편, TiO2에 텅스텐이 담지된 형태의 혼합담체를 사용할 경우에는 전술한 바와 같이 바나듐 및 로듐을 공침시키기 전에 텅스텐을 TiO2에 담지하는 단계가 더 포함된다. 즉, 암모늄 텅스테이트((NH4)2WO4) 등의텅스텐 전구체를 물에 용해시키면서 같은 몰수의 유기산을 상기 수용액에 첨가시켜 함께 용해시킨다. 상기 과정에서 전체 수용액을 50∼60℃로 가열하여 완전 용해시킨 후에 상기 수용액을 다시 상온으로 냉각시킨다. 상기 용액에 일정량의 TiO2를 첨가하여 전체 슬러리의 점도를 30∼300 cps가 되도록 혼합시키고, 이때 슬러리의 pH가 2∼3이 되도록 조절한다. 그 다음, 슬러리를 교반하에 50∼70℃로 가열하여 수분을 증발시키는데, 바람직하게는 진공증발기를 사용한다. 상기 수분증발 단계가 종료된 후에는 80∼120℃의 온도에서 24 시간이상 건조시킨 후에 450∼550℃의 공기분위기에서 4∼6시간 동안 소성시켜 텅스텐이 담지된 TiO2혼합담체를 제조한다. 그 다음 단계는 전술한 TiO2단독 담체에 바나듐 및 로듐을 담지시키는 과정과 동일하다.On the other hand, when using a mixed carrier in the form of tungsten supported on TiO 2 , as described above, the step of supporting tungsten on TiO 2 before co-precipitation of vanadium and rhodium is further included. That is, while tungsten precursors such as ammonium tungstate ((NH 4 ) 2 WO 4 ) are dissolved in water, the same molar number of organic acids is added to the aqueous solution and dissolved together. In the process, the entire aqueous solution is heated to 50 to 60 ℃ completely dissolved, and then the aqueous solution is cooled to room temperature again. A certain amount of TiO 2 is added to the solution to mix the viscosity of the entire slurry to 30 to 300 cps, and the pH of the slurry is adjusted to be 2-3. The slurry is then heated to 50-70 ° C. under stirring to evaporate the moisture, preferably using a vacuum evaporator. After the moisture evaporation step is completed, after drying for 24 hours or more at a temperature of 80 ~ 120 ℃ and fired for 4 to 6 hours in an air atmosphere of 450 ~ 550 ℃ to prepare a tungsten-supported TiO 2 mixed carrier. The next step is the same as the process of supporting vanadium and rhodium on the above-described TiO 2 single carrier.

본 발명의 촉매는 금속판, 세라믹 필터, 하니컴에 코팅하여 사용할 수 있다. 이때, 촉매를 1∼10 ㎛의 입자크기로 균일하게 분쇄하여 코팅한다. 다만, 1 ㎛ 미만으로 분쇄할 경우에는 미분쇄 단계의 경제성에 문제가 있고, 10 ㎛을 초과하는 경우에는 코팅의 균일성 및 접착력이 저하된다. 이 밖에도, 상기 촉매를 입자형 또는 단일체(monolith)로 압출가공한 형태로 사용할 수 있다. 이러한 코팅과정 및 압출가공 공정은 당업계에서 널리 알려져 있는 방법에 따라 실시될 수 있다.The catalyst of the present invention can be used by coating on a metal plate, ceramic filter, honeycomb. At this time, the catalyst is uniformly ground to a particle size of 1 ~ 10 ㎛ coating. However, when grinding to less than 1 μm, there is a problem in the economics of the fine grinding step, and when it exceeds 10 μm, the uniformity and adhesion of the coating are reduced. In addition, the catalyst may be used in the form of extrusion or granular (monolith). Such coating process and extrusion process may be carried out according to methods well known in the art.

본 발명의 촉매를 사용하여 질소산화물을 제거하는 공정은 황산화물을 함유하는 질소산화물 및 암모니아를 질소산화물에 대한 암모니아 몰 비를 0.8∼1.2로 하여 1000∼50000hr-1의 공간속도로 공급하고, 170∼250℃의 온도범위에서 선택적 촉매환원 반응시킨다. 이때. 상기 몰 비가 0.8 미만인 경우에는 암모니아에 의한 환원작용이 미약하여 질소산화물 제거효율이 낮아지는 문제가 있으며, 1.2를 초과하는 경우에는 미반응 암모니아가 배출되거나 암모니아의 소비율이 높아 경제적으로 바람직하지 않다.In the process of removing nitrogen oxides using the catalyst of the present invention, nitrogen oxides containing sulfur oxides and ammonia are supplied at a space velocity of 1000 to 50000 hr −1 with ammonia molar ratio of nitrogen oxides of 0.8 to 1.2, and 170 The selective catalytic reduction reaction is carried out in the temperature range of ˜250 ° C. At this time. When the molar ratio is less than 0.8, there is a problem in that the reduction effect of ammonia is weak and the nitrogen oxide removal efficiency is low. When the molar ratio is higher than 1.2, unreacted ammonia is discharged or the consumption rate of ammonia is not economically preferable.

상기와 같이 본 발명의 촉매를 이용할 경우, 선택적 환원법을 사용하여 배기가스 중의 질소산화물을 처리할 수 있는 온도범위가 저온으로 확대됨으로써 다양한 공정조건에 적용할 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 본 발명의 촉매에 있어서 공침된 바나듐 및 로듐은 각기 다른 흡착성을 갖기 때문에 질소산화물에 대한 암모니아의 농도비를 1.2까지 증가하여 운전할 수 있는 장점이 있기 때문에 종래의 바나듐 촉매를 사용할 경우 암모니아 농도가 과다할 때 발생되는 미반응 암모니아의 비율을 현저히 줄일 수 있다.When using the catalyst of the present invention as described above, by using a selective reduction method has a merit that can be applied to a variety of process conditions by extending the temperature range for treating nitrogen oxides in the exhaust gas to a low temperature. In addition, since the vanadium and rhodium co-precipitated in the catalyst of the present invention have different adsorption properties, there is an advantage that the concentration ratio of ammonia to nitrogen oxides can be increased to 1.2 so that the ammonia concentration is excessive when using a conventional vanadium catalyst. Can significantly reduce the proportion of unreacted ammonia produced.

한편, 반응온도가 증가할 수록 배가스 내에 함유된 SO2가 SO3로 산화되는 량이 증가한다. 그러나, 본 발명의 촉매를 사용할 경우에는 저온영역에서의 조업이 가능하므로 이러한 산화반응을 감소시켜 황산암모늄 및 황산의 생성을 최소화할 수 있다.On the other hand, as the reaction temperature increases, the amount of SO 2 contained in the exhaust gas is oxidized to SO 3 increases. However, in the case of using the catalyst of the present invention, since it is possible to operate in a low temperature region, it is possible to minimize the production of ammonium sulfate and sulfuric acid by reducing the oxidation reaction.

본 발명의 촉매가 종래의 바나듐 촉매와 크게 다른 점은 바나듐 및 로듐의 공침에 의하여 저온에서 질소산화물의 탈질반응이 이루어질 수 있다는 점 및 촉매표면에 형성된 황산암모늄의 분해온도에 있다(Zhenping Zhu et al., "Decomposition and Reactivity of NH4HSO4on V2O5/AC Catalysts Used for NO Reduction with Ammonia", Journal of Catalysis, 195, 268∼278(2000)). 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 바나듐 촉매 상에서 형성되는 황산암모늄은 도 2(b)에 나타나 있고, 그 분해온도는 300℃ 이상이다. 따라서, 이산화황이 존재하는 배가스 중의 질소산화물 제거 촉매로서 바나듐 촉매를 사용할 경우에는 300℃ 이상의 온도에서 조업해야 촉매 피독을 방지할 수 있다. 한편, 도 2(c)에 도시된 바와 같이 로듐 담지 촉매상의 황산암모늄은 분해온도가 더욱 높아 400℃ 이상에서도 분해할 수 없어 촉매 피독을 피할 수 없다. 그러나, 본 발명의 바나듐-로듐 공침 담지 촉매의 경우, 촉매 표면상에 생성되는 황산암모늄은 도 2(a)에 도시된 바와 같이 흡착되어 있고, 190℃의 저온에서도 분해가 가능한 화합물이므로 저온에서 촉매 피독을 제거 또는 방지할 수 있다.The main difference between the catalyst of the present invention and the conventional vanadium catalyst lies in the denitrification reaction of nitrogen oxide at low temperature by co-precipitation of vanadium and rhodium and the decomposition temperature of ammonium sulfate formed on the catalyst surface (Zhenping Zhu et al. ., "Decomposition and Reactivity of NH 4 HSO 4 on V 2 O 5 / AC Catalysts Used for NO Reduction with Ammonia", Journal of Catalysis, 195, 268-278 (2000)). As shown in Figure 2, ammonium sulfate formed on a conventional vanadium catalyst is shown in Figure 2 (b), the decomposition temperature is 300 ℃ or more. Therefore, in the case of using a vanadium catalyst as the nitrogen oxide removal catalyst in the exhaust gas in which sulfur dioxide is present, it is necessary to operate at a temperature of 300 ° C. or higher to prevent catalyst poisoning. On the other hand, as shown in Fig. 2 (c), ammonium sulfate on the rhodium-supported catalyst has a higher decomposition temperature and thus cannot be decomposed even at 400 ° C or higher, and catalyst poisoning cannot be avoided. However, in the case of the vanadium-rhodium co-supported catalyst of the present invention, ammonium sulfate formed on the surface of the catalyst is adsorbed as shown in FIG. The poisoning can be eliminated or prevented.

특히, 본 발명 촉매를 사용하여 190℃의 저온영역에서 질소산화물, 암모니아 및 산소의 혼합가스를 내경 8㎜, 높이 50㎜의 고정층 반응기에 도입시켜 온도에 따라 실험한 결과 190℃의 저온영역에서도 종래의 바나듐 촉매와는 달리 80% 이상의 높은 전환율을 얻을 수 있었으며, 150 ppm의 이산화황을 도입한 경우에도 전환율의 감소는 보이지 않음을 확인할 수 있다. 그러나, 바나듐 및 로듐을 공침하지 않고 물리적으로 혼합하거나 어느 하나의 금속을 먼저 담지한 후에 다른 금속을 담지한 경우에도 이러한 저온탈질의 결과를 얻지 못하는데, 그 이유는 표면에 형성되는 황산암모늄의 분해온도가 높기 때문이다.In particular, using the catalyst of the present invention introduced a mixed gas of nitrogen oxides, ammonia and oxygen in a fixed bed reactor having an inner diameter of 8 mm and a height of 50 mm in a low temperature region of 190 ° C and experimented with the temperature, even in the low temperature region of 190 ° C Unlike the vanadium catalyst, a high conversion rate of 80% or more was obtained, and even when 150 ppm of sulfur dioxide was introduced, it can be seen that there was no decrease in conversion rate. However, even when vanadium and rhodium are physically mixed without coprecipitation or when one metal is first supported and then another metal is supported, such low temperature denitrification is not obtained because of the decomposition temperature of ammonium sulfate formed on the surface. Because is high.

본 발명의 촉매는 질소산화물 제거공정뿐만 아니라 각종 암과 기형아 출산의 원인이 되는 맹독성 물질로 알려져 있는 다이옥신 제거공정에 사용될 수 있다. 다이옥신으로 통칭되는 화합물은 염소원자로 치환된 2개의 벤젠고리가 2개의 산소로 연결된 다이옥신계 화합물(PCDD; Polychlorinated Dibenzo-p-Dioxin)과 1개의 산소원자로 연결된 퓨란계 (PCDF; Polychlorinated Dibenzo Furan)의 2종류로 구분되는데 다이옥신은 상당히 안정한 비수용성 물질이고 그 독성은 계속 존재하기 때문에 환경 오염을 야기하는 가장 문제시되는 화학물질로 알려져 있다. 본 발명의 촉매를 사용하여 배가스 내에 함유된 다이옥신을 제거하는 공정은 배가스를 1000∼50000hr-1의 공간속도로 공급하면서 130∼400℃의 온도범위에서 수행된다. 이때, 질소산화물과 다이옥신의 몰 비는 1:0.5∼1:2.0 범위가 바람직하다.The catalyst of the present invention can be used not only for the removal of nitrogen oxides but also for the dioxins removal process known as a highly toxic substance that causes various cancers and birth defects. Dioxin, commonly referred to as dioxin, is composed of two benzene rings substituted with chlorine atoms. Dioxins are known to be the most problematic chemicals that cause environmental pollution because dioxins are fairly stable, water-insoluble substances and their toxicity continues to exist. The process of removing the dioxins contained in the flue gas using the catalyst of the present invention is carried out at a temperature range of 130 to 400 ° C. while supplying the flue gas at a space velocity of 1000 to 50000 hr −1 . At this time, the molar ratio of nitrogen oxide and dioxin is preferably in the range of 1: 0.5 to 1: 2.0.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.The present invention can be more clearly understood by the following examples, which are only intended to illustrate the invention and are not intended to limit the scope of the invention.

제조예 1Preparation Example 1

Rh-V/TiO2촉매의 제조Preparation of Rh-V / TiO 2 Catalyst

0.459g의 암모늄 메타바나데이트(NH4VO3; Aldrich Chemical Co.의 20555-9) 및 0.513g의 로듐(Ⅲ) 클로라이드(RhCl3; KOJIMA Chemical Co. Ltd.사의 상품번호 제808062호)를 20㎖의 증류수에 용해시켰다. 상기 2가지의 금속 전구체가 용해된 수용액으로 상기 바나듐 전구체와 동일한 몰수의 유기산을 첨가시켜 함께 용해시켰다. 상기 수용액에 10g의 TiO2(대구사의 P-25)를 투입하여 슬러리 형태로 제조한 후에 점도 50 cps 및 pH 2.5가 되도록 조절하였다. 상기 슬러리를 진공증발기를 사용하여 60℃로 교반 하에서 가열시킨 후에, 100℃의 온도에서 24시간 동안 건조시켰고, 250℃의 소성로에서 3시간 동안 수소분위기 하에서 환원시켰다. 그 다음, 400℃의 온도 및 공기분위기에서 4시간 동안 소성시켰다. 상기와 같이 제조된 촉매를 원소분석기를 이용하여 분석한 결과, TiO2상에 TiO2중량기준으로 바나듐 2.0 중량% 및 로듐 2.0 중량%가 담지되어 있음을 확인할 수 있었다.0.459 g of ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ; 20555-9 of Aldrich Chemical Co.) and 0.513 g of rhodium (III) chloride (RhCl 3 ; product number 808062 of KOJIMA Chemical Co. Ltd.) It was dissolved in ml of distilled water. In the aqueous solution in which the two metal precursors were dissolved, the same mole number of organic acid as the vanadium precursor was added to dissolve together. 10 g of TiO 2 (P-25 from Daegu) was added to the aqueous solution to prepare a slurry, and then adjusted to a viscosity of 50 cps and a pH of 2.5. The slurry was heated to 60 ° C. under agitation using a vacuum evaporator, then dried at a temperature of 100 ° C. for 24 hours and reduced under hydrogen atmosphere for 3 hours in a 250 ° C. kiln. Then, it was calcined for 4 hours at a temperature of 400 ℃ and an air atmosphere. The prepared catalyst was analyzed by an element analyzer as described above, it was confirmed that the TiO 2 vanadium 2.0 wt% and rhodium 2.0 wt% based on the weight on the TiO 2 is supported.

제조예 2Preparation Example 2

Rh-V/W/TiO2촉매의 제조Preparation of Rh-V / W / TiO 2 Catalyst

1.544.g의 암모늄 텅스테이트((NH4)2WO4; Aldrich Chemical Co.의 32238-5)를20㎖의 증류수에 용해시키면서 같은 몰수의 유기산을 상기 수용액에 첨가시켜 함께 용해시켰다. 상기 수용액을 60℃로 가열하여 완전 용해시킨 후에 상기 수용액을 다시 상온으로 냉각시켰고, 그 다음 10g의 TiO2(대구사의 P-25)를 투입하여 슬러리 형태로 제조한 후에 점도 50 cps 및 pH 2.5가 되도록 조절하였다. 그 다음, 슬러리를 진공 증발기에서 교반하에 60℃로 가열하였고 100℃의 온도에서 24시간 동안 건조시킨 후에 500℃의 온도 및 공기분위기에서 5시간 동안 소성시켜 텅스텐이 담지된 TiO2혼합담체를 제조하였다. 상기 혼합담체를 이용하여 제조예 1의 방법에 따라 바나듐 및 로듐을 공침시켜 제조된 촉매를 원소분석기를 이용하여 분석한 결과, TiO2상에 TiO2중량기준으로 텅스텐 10.0 중량%, 바나듐 2.0 중량% 및 로듐 2.0 중량%가 담지되어 있음을 확인할 수 있었다.1.544.g of ammonium tungstate ((NH 4 ) 2 WO 4 ; 32238-5 from Aldrich Chemical Co.) was dissolved in 20 ml of distilled water while the same mole of organic acid was added to the aqueous solution to dissolve together. After the aqueous solution was completely dissolved by heating to 60 ° C., the aqueous solution was cooled again to room temperature. Then, 10 g of TiO 2 (P-25 from Daegu) was added to prepare a slurry, followed by viscosity of 50 cps and pH 2.5. Adjusted to. Then, the slurry was heated to 60 ° C. under stirring in a vacuum evaporator, dried at a temperature of 100 ° C. for 24 hours, and then calcined for 5 hours at a temperature of 500 ° C. and an air atmosphere to prepare a tungsten-supported TiO 2 mixed carrier. . The mixture of the catalyst prepared using the carrier by co-precipitation of vanadium and rhodium according to the method of Production Example 1 was analyzed by using an element analyzer, 10.0% by weight tungsten as TiO 2 by weight, based on TiO 2, vanadium 2.0 wt% And it was confirmed that rhodium 2.0% by weight is supported.

실시예 1Example 1

제조예 1∼2에 따른촉매를 사용하여 NH3/NOx몰 비에 따른 NOx제거율을 도 1에 나타내었다. 이때, 반응기의 온도는 190℃로 유지하였으며, 공급된 NOx의 농도는 400 ppm, SO2는 150 ppm을 투입하였고, 시간당 공간속도는 10,000 hr-1로 유지하였다. 반응 전 촉매에 흡착되어 있는 수분과 산화가의 영향을 배제하기 위하여 400℃, 공기 분위기에서 1시간 동안 유지한 후에 반응온도까지 냉각하였다.The removal rate of NO x according to the NH 3 / NO x mole ratio using the catalyst according to Preparation Examples 1 to 2 is shown in FIG. 1. At this time, the temperature of the reactor was maintained at 190 ℃, the concentration of the supplied NO x 400ppm, SO 2 150ppm was added, the hourly space velocity was maintained at 10,000 hr -1 . In order to exclude the effects of water and oxidation value adsorbed on the catalyst before the reaction, the mixture was cooled to the reaction temperature after being maintained at 400 ° C. for 1 hour in an air atmosphere.

상기 실험 결과, 도 1에 도시된 바와 같이 각 촉매에 대한 NOx전환율은 NH3농도를 증가시킴에 따라 증가하였으며 두 촉매 모두 NH3/NOx몰 비 1.0 이상에서는 NOx전환율 90% 이상을 나타냄을 알 수 있다. 한편, 각 촉매를 이용하여 실험한 결과 NH3/NOx몰 비에 따른 배출가스 내의 암모니아 및 이산화질소의 농도를하기 표 1에 나타내었다.As a result of the experiment, as shown in FIG. 1, the NO x conversion for each catalyst increased with increasing NH 3 concentration, and both catalysts showed more than 90% NO x conversion at NH 3 / NO x molar ratio of 1.0 or more. It can be seen. On the other hand, as a result of the experiment using each catalyst, the concentration of ammonia and nitrogen dioxide in the exhaust gas according to the NH 3 / NO x molar ratio is shown in Table 1 below.

NH3/NOx NH 3 / NO x Rh-V/TiO2 Rh-V / TiO 2 Rh-V/W/TiO2 Rh-V / W / TiO 2 NH3 NH 3 NO2 NO 2 NH3 NH 3 NO2 NO 2 0.80.8 00 00 00 00 0.90.9 00 00 00 00 1.01.0 00 00 00 00 1.11.1 00 00 33 00 1.21.2 00 00 88 00

단위는 ppm임.The unit is ppm.

상기 표로부터 알 수 있듯이 NH3/NOx몰비 1.2에서도 Rh-V/TiO2촉매는 미반응 암모니아가 발생하지 않았으며, 텅스텐을 첨가한 Rh-V/W/TiO2촉매에서는 8 ppm 정도의 암모니아가 배출되었다. 이는 로듐 및 바나듐의 공침상에서 과잉의 암모니아가 로듐 산화물 표면에서 산화하여 NOx로 전환된 후에 바나듐 산화물에 흡착된 암모니아에 의하여 제거됨을 의미한다. 또한, 상기 2 촉매에서 NH3/NOx몰 비에 따라 배출되는 SO2량을 하기 표 2에 나타내었다.As can be seen from the table, unreacted ammonia was not generated in the Rh-V / TiO 2 catalyst even at an NH 3 / NO x molar ratio of 1.2, and about 8 ppm of ammonia in the Rh-V / W / TiO 2 catalyst containing tungsten. Was discharged. This means that in the coprecipitation of rhodium and vanadium, the excess ammonia is removed by the ammonia adsorbed on the vanadium oxide after being oxidized on the rhodium oxide surface and converted to NO x . In addition, the amount of SO 2 discharged according to the NH 3 / NO x molar ratio in the two catalysts is shown in Table 2 below.

NH3/NOx NH 3 / NO x Rh-V/TiO2 Rh-V / TiO 2 Rh-V/W/TiO2 Rh-V / W / TiO 2 0.80.8 135135 150150 0.90.9 135135 150150 1.01.0 130130 150150 1.11.1 140140 140140 1.21.2 140140 145145

단위는 ppm임.The unit is ppm.

상기 표에서 알 수 있듯이, Rh-V/TiO2촉매에서 다소의 SO2감소현상이 나타났으나 이는 SO3로 전환됨을 의미하는 것이 아니라 황원소로 환원되기 때문으로 보인다. 텅스텐을 첨가한 Rh-V/W/TiO2촉매에서는 거의 전환되지 않음을 알 수 있다.As can be seen from the above table, the Rh-V / TiO 2 catalyst showed some SO 2 reduction, but this does not mean that it is converted to SO 3 , but it seems to be reduced to sulfur element. It can be seen that in the Rh-V / W / TiO 2 catalyst added with tungsten, almost no conversion was achieved.

실시예 2Example 2

이산화황이 암모니아 및 수분과 반응하여 촉매표면에 형성되는 황산암모늄에 의하여 질소산화물 제거 효율은 NH3/NOx의 몰 비가 낮은 조건에서 크게 저하된다. 따라서, 제조예 1에 따른 촉매 상에서 SO2를 150 ppm 투입 시 촉매표면에 형성되는 황산암모늄에 의한 제거효율 감소와 이산화황의 투입의 중단시 190℃의 저온영역에서 황산암모늄이 분해되어 다시 초기의 제거효율을 회복되는 과정을 도 3에 나타내었다. 이때, 반응기의 온도는 190℃로 유지하였으며, 공급된 NOx의 농도는 400 ppm, SO2의 농도는 150 ppm이었다. 또한, NH3/NOx의 몰 비는 0.7을 유지하였고 시간당 공간속도는 10,000 hr-1이었다. 그 결과, 로듐(Rh) 및 바나듐(V)이 공침된 촉매상에서 형성되는 황산암모늄은 도 2(a)에서와 같이 촉매 상에서 로듐 및 바나듐의 두 산화물 표면에 흡착되어 있어 도 2(b) 및 도 2(c)에서와 같은 단일 산화물 표면에 흡착되어 있는 황산암모늄보다 불안정하여 190℃의 저온영역에서도 ??게 분해됨을 알 수 있다.Due to the ammonium sulfate formed on the surface of the catalyst by the reaction of sulfur dioxide with ammonia and water, the nitrogen oxide removal efficiency is greatly reduced under the condition that the molar ratio of NH 3 / NO x is low. Therefore, the removal efficiency of ammonium sulfate formed on the surface of the catalyst when 150 ppm of SO 2 is added to the catalyst according to Preparation Example 1 and ammonium sulfate is decomposed in the low temperature region of 190 ° C when the sulfur dioxide is stopped. The process of restoring efficiency is shown in FIG. 3. At this time, the temperature of the reactor was maintained at 190 ° C, the concentration of supplied NO x was 400 ppm, the concentration of SO 2 was 150 ppm. In addition, the molar ratio of NH 3 / NO x was maintained at 0.7 and the hourly space velocity was 10,000 hr −1 . As a result, ammonium sulfate formed on the catalyst in which rhodium (Rh) and vanadium (V) were co-precipitated is adsorbed to the two oxide surfaces of rhodium and vanadium on the catalyst as shown in FIG. It can be seen that it is more unstable than ammonium sulfate adsorbed on the surface of a single oxide as in 2 (c) and decomposes even at a low temperature of 190 ° C.

실시예 3Example 3

제조예 1에 따른 촉매인 Rh-V/TiO2및 제조예 2에 따른 Rh-V/W/TiO2를 각각 사용하여 다이옥신에 대한 산화제거 특성을 측정하였다. 상기 촉매 상에서 반응하는 다이옥신 성분으로는 다이옥신 제거 실험시 일반적으로 사용되는 전구물질인 1,2-DCB를 사용하였다. 반응 초기에 1,2-DCB 314 ppm을 산소 10%, 반응온도 200℃, 공간속도 10,000hr-1, 및 수분 1.2% 조건하에서 투입하여 제거효율을 측정하였다. 50 ppm의 이산화황을 함유한 조건에서는 1,2-DCB의 전환율이 Rh-V/TiO2의 경우에는62%, Rh-V/W/TiO2의 경우에는 58% 수준이었으며, 250℃에서는 상기 촉매 모두 99.9%로 나타났다. 따라서, 본 발명 촉매는 질소산화물 제거와 동시에 다이옥신의 제거 촉매로서의 역할이 기대된다.Oxidation removal characteristics for dioxins were measured using Rh-V / TiO 2 , a catalyst according to Preparation Example 1, and Rh-V / W / TiO 2 , according to Preparation Example 2, respectively. As a dioxin component reacting on the catalyst, 1,2-DCB, a precursor commonly used in dioxin removal experiments, was used. At the beginning of the reaction, 314 ppm of 1,2-DCB was added under oxygen 10%, reaction temperature 200 ° C., space velocity 10,000 hr −1 , and moisture 1.2% to measure the removal efficiency. In the condition of containing 50 ppm sulfur dioxide is the conversion of 1,2-DCB For a V-Rh / TiO 2 there was the case of 62%, Rh-V / W / TiO 2 , the level of 58%, in the catalyst 250 ℃ All were 99.9%. Therefore, the catalyst of the present invention is expected to serve as a removal catalyst of dioxins simultaneously with removing nitrogen oxides.

실시예 4 및 비교예 1Example 4 and Comparative Example 1

상기 제조예 1∼2에 따른 촉매와 미국특허 제5,409,681호에서 개시하는 바와 같이 이산화티탄 담체에 4 중량%의 바나듐 및 5 중량%의 텅스텐이 담지된 V-W/TiO2와 0.05 중량%의 로듐이 알루미나에 담지된 Rh/Al2O3를 9:1의 중량비로 물리 혼합한촉매를 이산화황이 없는 조건하에서 NH3/NOx의 몰 비를 1.0으로 하여 저온영역에서 미반응되어 배출되는 암모니아의 농도를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.VW / TiO 2 and 0.05% by weight of rhodium supported by a catalyst according to Preparation Examples 1 to 2 and 4% by weight of vanadium and 5% by weight of tungsten on a titanium dioxide carrier as disclosed in US Pat. No. 5,409,681 Physically mixed catalyst of Rh / Al 2 O 3 supported at a weight ratio of 9: 1 with NH 2 / NO x molar ratio of 1.0 in the absence of sulfur dioxide The measurement is shown in Table 3 below.

반응온도(℃)Reaction temperature (℃) 실시예 4Example 4 미국특허 제5,409,681호U.S. Patent 5,409,681 Rh-V/TiO2 Rh-V / TiO 2 Rh-V/W/TiO2 Rh-V / W / TiO 2 160160 120120 7272 300300 170170 7070 00 224224 180180 2424 00 128128 190190 00 00 7575 200200 00 00 1414

단위는 ppm임.The unit is ppm.

상기 표에 나타난 바와 같이 바나듐 및 로듐을 단순히 물리 혼합한 촉매는 본 발명의 촉매에 비하여 200℃이하의 저온 영역에서 미반응 암모니아가 다량 배출되고 있음을 알 수 있다.As shown in the above table, it can be seen that the catalyst in which vanadium and rhodium are simply physically mixed has a large amount of unreacted ammonia is discharged in a low temperature region of 200 ° C. or less as compared to the catalyst of the present invention.

본 발명의 TiO2담체 또는 W-TiO2혼합담체에 바나듐 및 로듐이 공침되어 담지된 촉매는 저온에서의 탈질효율이 우수하며 표면상에서 형성되는 황산암모늄의 흡착력을 감소시킴과 동시에 미반응 암모니아의 배출을 효과적으로 억제시킴으로써 종래의 상용화된 바나듐-텅스텐/이산화티탄 촉매를 사용할 경우 야기되는 황산암모늄에 의한 저온영역에서의 촉매 피독현상을 방지할 수 있다. 따라서, 다양한 공정조건에 적용할 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 본 발명의 촉매는 질소산화물뿐만 아니라 다이옥신 제거에도 유용하게 이용할 수 있다.The catalyst in which the vanadium and rhodium are co-precipitated in the TiO 2 carrier or the W-TiO 2 mixed carrier of the present invention has excellent denitrification efficiency at low temperature and reduces the adsorption power of ammonium sulfate formed on the surface and at the same time, releases unreacted ammonia. By effectively suppressing the catalyst poisoning phenomenon in the low temperature region by ammonium sulfate caused when using a conventional commercialized vanadium tungsten / titanium dioxide catalyst can be prevented. Therefore, there is an advantage that can be applied to various process conditions. In addition, the catalyst of the present invention can be usefully used for dioxin removal as well as nitrogen oxides.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.Simple modifications and variations of the present invention can be readily used by those skilled in the art, and all such variations or modifications can be considered to be included within the scope of the present invention.

Claims (8)

이산화황을 포함하고 있는 배가스 중의 질소산화물을 저온에서 제거하는 선택적 환원촉매에 있어서, 담체로서 TiO2를 사용하고 TiO2중량 기준으로 0.1∼2 중량%의 바나듐 및 0.1∼2 중량%의 로듐이 공침 과정을 통하여 상기 담체에 담지된 것을 특징으로 하는 질소산화물 제거용 촉매.In the selective reduction catalyst which removes nitrogen oxides in the flue gas containing sulfur dioxide at low temperature, TiO 2 is used as a carrier and 0.1 to 2 wt% of vanadium and 0.1 to 2 wt% of rhodium are based on the TiO 2 weight. Nitrogen oxide removal catalyst, characterized in that supported on the carrier through. 제1항에 있어서, 상기 담체는 TiO2중량 기준으로 1∼10 중량%의 텅스텐이 담지된 W-TiO2혼합담체인 것을 특징으로 하는 질소산화물 제거용 촉매.The method of claim 1, wherein the carrier is based on the weight of TiO 2 of 1 to 10% by weight of tungsten bearing the W-TiO 2 mixed carrier of the NOx removal catalyst according to claim. 제1항에 있어서, 상기 촉매의 분산도 및 내구성을 향상시키기 위하여 상기 바나듐 및 로듐은 점도가 30∼300 cps이고 pH가 2∼3이 되도록 조절된 슬러리 형태로 상기 담체 상에 공침되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 제거용 촉매.The method of claim 1, wherein the vanadium and rhodium are co-precipitated on the carrier in the form of a slurry adjusted to have a viscosity of 30 to 300 cps and a pH of 2-3 to improve the dispersion and durability of the catalyst Nitrogen oxide removal catalyst. 제2항에 있어서, 상기 텅스텐은 점도가 30∼300 cps이고 pH가 2∼3이 되도록 조절된 슬러리 형태로 상기 TiO2담체에 담지되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 제거용 촉매.The catalyst for removing nitrogen oxides of claim 2, wherein the tungsten is supported on the TiO 2 carrier in a slurry form adjusted to have a viscosity of 30 to 300 cps and a pH of 2 to 3. 3. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 촉매를 금속판, 세라믹 필터 및 하니콤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 지지체 상에 코팅하여 제조한 것을 특징으로 하는 질소산화물 제거용 촉매.A catalyst for removing nitrogen oxides, which is prepared by coating the catalyst of any one of claims 1 to 4 on a support selected from the group consisting of a metal plate, a ceramic filter and honeycomb. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 촉매를 입자형 또는 단일체(monolith)로 압출 가공하여 제조한 것을 특징으로 하는 질소산화물 제거용 촉매.A catalyst for removing nitrogen oxides, which is prepared by extruding the catalyst of any one of claims 1 to 4 into a particulate or monolith. 제1항 또는 제2항의 촉매의 존재 하에서 이산화황을 함유하는 질소산화물 및 암모니아를 질소산화물에 대한 암모니아의 몰 비를 0.8∼1.2로 하여 1,000∼50,000hr-1의 공간속도로 공급하여 170∼250℃의 온도에서 질소산화물을 제거하는 방법.Nitrogen oxides and ammonia containing sulfur dioxide in the presence of the catalyst of claim 1 or 2 are supplied at a space velocity of 1,000 to 50,000 hr -1 with a molar ratio of ammonia to nitrogen oxides of 0.8 to 1.2, and 170 to 250 캜. To remove nitrogen oxides at temperatures. 제1항 또는 제2항의 촉매의 존재 하에서, 질소산화물과 다이옥신을 질소산화물과 다이옥신의 몰 비를 1:0.5∼1:2.0으로 하여 1,000∼50,000hr-1의 공간속도로 공급하여 130∼400℃의 온도에서 질소산화물 및 다이옥신을 동시 제거하는 방법.In the presence of the catalyst of claim 1 or 2, nitrogen oxides and dioxins are supplied at a space velocity of 1,000 to 50,000 hr -1 at a molar ratio of nitrogen oxides and dioxins of 1: 0.5 to 1: 2.0 at 130 to 400 캜. Simultaneous removal of nitrogen oxides and dioxins at
KR10-2000-0086030A 2000-12-29 2000-12-29 Catalyst for Selective Catalytic Reduction of Nitrogen Oxides Including Sulfur Dioxide at Low Temperature KR100382051B1 (en)

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