KR200204735Y1 - 배기가스의 질소산화물 저감장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 배기가스의 질소산화물 저감장치에 관한 것으로, 가스입구(11)와 타측에 배출구(12)가 트여지는 반응기하우징(10)과;

이 반응기하우징(10) 내에 수용되는 환원촉매층(20)(21)과;

상기 반응기하우징(10) 내에 환원촉매층(20)(21)을 통과한 배기가스를 정화하기 위한 기본촉매층(30) 및 산화촉매층(40)과;

상기 반응기하우징(10)의 가스입구(11)측에서 환원제를 분사시키는 제1스프레이노즐(50)과;

상기 환원촉매층(20)(21)의 사이에 위치되어 환원제를 분사시키는 제2스프레이노즐(60)로 구성되는 것에 의해, 첫째 NOx 저감 효율을 상승시킬 수 있었으며, 이는 제1환원 촉매층에서 1차로 저감된 NOx가 제 2환원 촉매층에서 2차로 저감되어 전체 NOx 저감율이 상승하는 것이다.

둘째, NOx 저감효율의 증가와 함께 에탄올의 사용량이 감소하게 되고, NOx 저감효율의 증가는 촉매와 설비의 초기설치 비용의 감소를 유발하며, 에탄올 사용량의 감소는 NOx 저감설비의 운전비를 감소시킬 수 있어 경제적이다.

셋째, 촉매 상에서 에탄올이 분해되어 CO로 전환되는 량을 줄일 수 있어 2차 오염을 감소시킬 수 있는 등의 매우 유용한 고안인 것이다.

Description

배기가스의 질소산화물 저감장치{Improvement of NOx Reducing System}

본 고안은 발전소 보일러 연소로의 배출가스나 화학공장 배출구 가스중 질소산화물(NOx)의 저감장치에 관한 것으로써, NOx를 저감시키기 위한 환원제를 적절히 분배하여 환원촉매상에 분사함으로써 NOx 저감효율의 증대와 환원제의 사용량을 감소 시키는 NOx 저감시스템의 개선에 관한 것이다.

산업용 또는 발전용 보일러 연소로 나 제조공정의 배출구에서는 유해한 질소화물(NOx)이 방출될 수 있으며, 이는 광산화 반응 등을 일으켜 인체나 동·식물의 생활이나 생육에 큰 지장을 초래하고 있어, 국제적으로 이의 저감은 큰 관심의 대상이 되어 오고 있다.

이 NOx를 저감하기 위해 보일러의 연소로를 저 NOx 배출형으로 교환하거나 배출된 NOx를 여러 가지 방법으로 처리하여 저감하고 있는 실정이다.

한편, 배출된 NOx를 저감처리 하는데 있어 환원제를 사용하는 선택적인 촉매환원법(Selective Catalytic Reduction : SCR)에 관한 것으로, 암모니아(NH₃)를 환원제로 사용는 SCR법에는 바니디아(V₂O₅)를 티탄니아(TiO₂)상에 담지시킨 촉매계가 사용되며, 반응온도는 300∼400℃, 산소농도는 2％ 이상이 사용될때 저감효율이 80∼90％까지 얻어지는 것으로 알려졌다.

이 방법은 전세계 NOx 저감설비중 80％이상 대부분 이 방법을 채택하고 있는 실정이다.

그러나, 이 방법은 NH₃를 환원제로 사용하므로, 미반응 NH₃탱크의 설치로 인한 안전상의 문제, V₂O₅/TiO₂촉매의 적은 공간속도(5,000∼10,000hr^-1)로 인한 NOx 저감설비가 커져 큰 설치공간이 필요한 문제 등의 단점이 있어, 새로운 방법을 찾기 위한 노력이 꾸준히 진행되고 있다.

이에 대한 대안으로써 탄화수소를 환원제로 사용하고 구리(Cu)를 제오라이트에 담지한 촉매계를 이용하여 NOx를 환원시킬 때 50％ 정도의 저감효율이 얻어지는 것을 확인한 바 있다.

그러나, 이 방법은 NH₃를 사용하지 않는 장점이 있으나, 저감효율이 낮고 촉매가 유황분에 취약하며 내구성이 약한 문제가 있어 아직 상업화 되지 못하고 있다.

최근, 탄화수소중 알코올, 특히 에탄올을 환원제로 사용하여 은(Ag)계 촉매상에서 80∼90％ NOx 저감효율을 얻은 기술이 미국특허 5,882,607호에서 공개되었다.

이 기술에서는 은(Ag) 혹은 은산화물(AgO)을 알루미나(Al₂O₃)상에 담지시켜 NOx가 고효율로 저감되는 것을 확인하였으며, NOx가 저감될 때 NH₃나 시안화합물 (CN), 알데히드(CH₃CHO)등이 부생되는 단점이 있어 이를 제거하기 위해 Cu를 기본으로 하고 텅스텐(W)과 바나듐(V)산화물을 선택적으로 추가시킨 기본금속 촉매로 NH₃나 CN을 제거시켰다. 이 기술은 첫째 층(Layer)에 Ag/Al₂O₃촉매를 사용하고 둘째 층에 Cu기본 촉매를 사용하여 NOx를 고효율로 저감시키면서 부생물인 NH₃나 CN 등을 제거시킨 것이 특징이다.

또한, 배기가스 중에 함유된 일산화탄소(CO)나 환원제의 분해에 의한 생성 CO를 제거하기위해 촉매층들 중 마지막 층에 산화촉매를 부착시켜 CO를 제거시키도록 한 시스템을 채택하였다.

전체적으로 볼 때, 은 촉매 1∼2층, 기본금속 촉매 1층, 산화촉매 1층으로 촉매 시스템을 구성하거나, 은촉매 1∼2층, 기본금속촉매＋산화촉매 1층으로 촉매시스템을 구성한 것이 특징이다.

그러나 이 은계 촉매시스템의 특성은 은촉매층에 있으며, 이 은촉매층이 배기가스중의 NOx와 산소, 환원제인 에탄올과 다음과 같이 반응하여 무해한 가스인 질소(N₂), 탄산가스(CO₂), 물(H₂O)이 된다.

C₂H₅OH＋NOx＋O₂＋CO₂＋N₂＋H₂O

이 반응이 일어나기 위해서는 우선 에탄올이 은촉매층에 흡착되어야 하며, 다음에 반응 및 탈착의 순서로 무해한 반응가스가 생성된다.

이 반응이 일어나는 조건은 대개 온도 300∼450℃, 산소 2％ 이상이므로, 반응의 진행속도는 빠르다.

상기 온도에서는 에탄올이 촉매상에서 충분히 빨리 흡착 및 반응에 참가하고 반응에 참가치 않는것들은 분해되어 진다.

때로는 에탄올의 분해속도가 반응에 참여하는 속도보다도 빨라, 공급된 에탄올의 소모량이 이론량 보다도 2∼3개 가량 더 공급되어, 시스템의 운전비를 증가시키고 촉매의 단위 크기당 NOx 효율을 저감시키는 단점이 있다.

또, 도 2에서와 같은 종래 장치에 의하면 에탄올의 사용량이 증가하더라도 대부분의 에탄올이 환원용 제 1촉매 층에서 NOx환원용으로 반응하거나 분해되어 소모되어 없어져, 제 2 환원촉매층에서는 에탄올이 환원제로서 그 역할이 미미하다.

본 고안의 목적은 에탄올의 사용량을 적절히 두줄기로 나눠져, 그 환원제로서의 역할을 다 하므로써 NOx 저감효율을 상승시킬 수 있는 배기가스의 질소산화물 저감장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 고안의 질소산화물 저감장치를 보인 개략도

도 2는 종래 장치를 보인 도 1의 대응도

*도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 - 반응기하우징 20,21 - 환원촉매층

30 - 기본촉매층 40 - 산화촉매층

50 - 제1스프레이노즐 60 - 제2스프레이노즐

이러한 본 고안은, 가스입구(11)와 타측에 배출구(12)가 트여지는 반응기하우징(10)과;

이 반응기하우징(10) 내에 수용되는 환원촉매층(20)(21)과;

상기 반응기하우징(10) 내에 환원촉매층(20)(21)을 통과한 배기가스를 정화하기 위한 기본촉매층(30) 및 산화촉매층(40)과;

상기 반응기하우징(10)의 가스입구(11)측에서 환원제를 분사시키는 제1스프레이노즐(50)과;

상기 환원촉매층(20)(21)의 사이에 위치되어 환원제를 분사시키는 제2스프레이노즐(60)로 구성되는 것에 의해 달성된다.

따라서, 온도 300∼450℃, 산소 2％ 이상의 배기가스중 NOx를 저감시키기 위해 Ag/Al₂O₃계 촉매를 사용함에 있어 환원제로 에탄올을 사용함과 아울러, 환원촉매층 사이에 또다른 노즐을 설치하여 에탄올 분사공급을 분산시켰을 때 에탄올의 사용량을 적절히 두줄기로 나눠져, 환원용 제 1 및 제2 촉매 층에서 NOx저감을 위한 환원제로서의 역할을 다 하므로써 NOx 저감효율을 상승시킬 수 있는 것이다.

이하 첨부된 도면에 의해 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 고안의 장치를 보이고 도 2는 종래 장치를 개략 장치도로 도시하고 있다.

즉, 도 1에서와 같이 반응기하우징(10)은 속이 빈 원통형상으로 일측에는 배기가스가 유입되는 가스입구(11)와 타측에 배출구(12)가 각각 트여지고 그 내부로 각 촉매층과 노즐들이 수용되도록 한다.

이 반응기하우징(10) 내에 가장 입구측에는 두 개의 환원촉매층(20)(21)이 소정의 간격을 두고 설치되어 있으며, 이어서 환원촉매층(20)(21)을 통과한 배기가스를 정화하기 위한 기본촉매층(30) 및 산화촉매층(40)이 순차적으로 설치된다.

그리고, 반응기하우징(10)의 가스입구(11)측과 첫 번째 환원촉매층(20) 사이에는 환원제를 분사시키는 제1스프레이노즐(50)과, 서로 소정의 간격을 두고 벌어져 있는 첫 번째 환원촉매층(20)과 두 번째 환원촉매층(21)과 의 사이에는 2차로 환원제를 분사시키는 제2스프레이노즐(60)이 각각 설치되어 있다.

상기 환원촉매층(20)(21)는 Ag/Al₂O₃중 Ag 함량이 2％가 되도록 촉매를 제조하여 하니컴격자상에 워시코팅하고 실온에서 30시간, 120℃에서 2시간, 공기분위기 전기로에서 5시간 소성시켜 환원촉매를 제조한다.

그리고, 기본촉매층(30)은 Cu/Al₂O₃중 Cu함량이 10％ 가 되도록 제조하며, 산화촉매층(40)은 Pt/Al₂O₃·TiO₂중 Pt함량이 0.06％가 되도록 상기와 같이 산화촉매를 제조하여 각각 환원, 기본, 산화촉매층에 장착한다.

상기 환원촉매층(20)(21)은 도 1과 같이 소정의 간격을 두고 2층으로 장착한다.

촉매 반응기하우징(10)은 4층의 촉매가 장착될 수 있는 크기로 잘 단열되어 온도를 유지할 수 있게 하였다.반응기하우징(10)의 앞쪽에는 브로와(blower)로 공기를 주입하여 적절한 산소가 유지되게 하고, 예열용 히트가 부착된 원형관에서 예열하여 사용하였다.

시험용 배기가스는 5㎿ 보일러 연소로 후단에서 분취하여 사용하였고, 연소로의 연료로 액화천연가스를 사용하였으므로 배기가스중 NOx 함량은 100ppm, 산소 4％ 이었고 유황분은 미미하였다.

예열히터 후단에 스프레이노즐을 장착하였으며, 노즐에서 환원촉매층까지는 60㎝ 정도 거리를 두어 분사된 에탄올이 잘 배기가스와 혼합되게 하였다. 본 고안의 장치 실험을 위해 노즐을 도 1과 같이 장착하고 별도의 정량 펌프로 에탄올을 공급하였으며, 제1스프레이노즐(50)과 제2스프레이노즐(60)에 배분되는 에탄올 양은 0:10∼10:0까지 변화시켰고, 8:2에서 효과가 최선이었다.

반응기하우징(10) 내에 촉매를 도 1과 같이 장착하여 실험한 결과, 반응온도 350℃, 산소 4％에서, 에탄올 주입량을 변화시켰을 때 NOx제거효율이 다음과 같이 얻어졌다.

에탄올 주입량(ml/min)	개선 전 NOx제거효율(％)	개선 후 NOx제거효율(％)
0.3	57	75
0.6	74	88
0.9	86	97
1.2	92	99
1.5	94	99

상기 (표 1)의 결과에서와 같이 에탄올의 사용량과 NOx 제거효율이 개선된 것을 보여준다.

본 고안에 따른 장치에 의하면, 첫째 NOx 저감 효율을상승시킬 수 있었으며, 이는 제1환원 촉매층에서 1차로 저감된 NOx가 제 2환원 촉매층에서 2차로 저감되어 전체 NOx 저감율이 상승하는 것이다.

둘째, NOx 저감효율의 증가와 함께 에탄올의 사용량이 감소하게 되고, NOx 저감효율의 증가는 촉매와 설비의 초기설치 비용의 감소를 유발하며, 에탄올 사용량의 감소는 NOx 저감설비의 운전비를 감소시킬 수 있어 경제적이다.

셋째, 촉매 상에서 에탄올이 분해되어 CO로 전환되는 량을 줄일 수 있어 2차 오염을 감소시킬 수 있는 등의 매우 유용한 고안인 것이다.

Claims (2)

1. 가스입구(11)와 타측에 배출구(12)가 트여지는 반응기하우징(10)과;

   이 반응기하우징(10) 내에 수용되는 환원촉매층(20)(21)과;

   상기 반응기하우징(10) 내에 환원촉매층(20)(21)을 통과한 배기가스를 정화하기 위한 기본촉매층(30) 및 산화촉매층(40)과;

   상기 반응기하우징(10)의 가스입구(11)측에서 환원제를 분사시키는 제1스프레이노즐(50)과;

   상기 환원촉매층(20)(21)의 사이에 위치되어 환원제를 분사시키는 제2스프레이노즐(60)로 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 저감장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1스프레이노즐(50)과 제2스프레이노즐(60)에 배분되는 환원제 량이 0:10∼10:0비로 공급되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물 저감장치.