KR20040021237A

KR20040021237A - 바나듐/활성탄을 이용한 배기가스 중의 다이옥신과질소산화물의 동시 제거방법

Info

Publication number: KR20040021237A
Application number: KR1020020052833A
Authority: KR
Inventors: 고동준
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2004-03-10

Abstract

본 발명은 배기가스 중에 함유된 질소산화물 및 다이옥신을 동시에 제거할 수 있는 촉매를 이용한 동시 제거방법에 관한 것으로, a) 질소산화물, 및 다이옥신을 함유한 배기가스에 암모니아, 또는 우레아를 혼입시키는 단계; 및 b) 상기 a)단계의 암모니아, 또는 우레아가 혼입된 배기가스를 ⅰ) 100 내지 200 ℃의 온도에서, ⅱ) 담지 촉매 총 중량기준으로 활성탄 담체에 바나듐이 1 내지 20 중량% 담지된 담지 촉매 상에 통과시키는 단계를 포함하는 배기가스에 함유된 질소산화물, 및 다이옥신을 동시에 제거하는 방법을 제공한다.

Description

바나듐/활성탄을 이용한 배기가스 중의 다이옥신과 질소산화물의 동시 제거방법{METHOD FOR SIMULTANEOUS REMOVING DIOXINS AND NITROGEN OXIDE USING VANADIUM/ACTIVATED CARBON}

본 발명은 배기가스 중에 함유된 질소산화물 및 다이옥신을 동시에 제거할 수 있는 촉매를 이용한 동시 제거방법에 관한 것이다.

종래의 질소산화물을 제거하는 방법은 촉매를 이용한 선택적 촉매환원법(selective cayalytic reduction; SCR)이 많이 사용되고 있다. 이 방법은 질소산화물을 주입하는 암모니아와 반응시켜 질소와 물로 전환시켜 제거하는 방법이다. 문헌(Chemical Engeneering Progress, pp. 39-45, January, 1944)에 따르면 선택적 촉매환원법에 주로 사용되는 촉매는 V₂O₅-WO₃-TiO₂계 촉매이며, 반응조건에 따라서 90 % 이상 질소산화물을 제거할 수 있다고 한다. 그러나 대부분의 배기가스 온도는 100 내지 200 ℃인데 반하여, 질소산화물 제거에 사용되는 촉매는 200 내지 350 ℃의 반응온도를 필요로 하기 때문에 배기가스를 재가열하여 질소산화물을 제거해야 하는 문제점이 있었다.

한편, 다이옥신도 촉매를 이용하여 제거하는 촉매산화 방법이 알려져 있다. 구체적으로는 다이옥신을 함유한 배기가스를 촉매층에 흘려보내서 다이옥신이 배기가스에 존재하는 산소와의 산화반응에 의해 이산화탄소와 물, 및 염산 또는 염소가스 등으로 분해시켜 제거하는 것이다. 이와 같은 촉매산화법에 의하여 다이옥신을 제거할 때 사용되는 촉매는 상기에서 설명한 선택적 촉매 환원법에서 많이 사용하는 V₂O₅-WO₃-TiO₂계 촉매이다. 문헌(Chemosphere, Vol. 26, NO.12, pp.2167-2172, 1993)에 따르면 이러한 V₂O₅-WO₃-TiO₂계 촉매를 사용하여 200 내지 350 ℃의 온도 범위에서 다이옥신을 제거할 수 있다고 한다. 다른 방법으로 한국특허등록 제0241771호 및 일본공개특허공보 평9-102475호에는 활성탄을 흡착제로 사용하여 다이옥신을 제거하는 방법이 개시되어 있다. 구체적으로는 배가스의 배관내에 분말 활성탄을 일정량 분사함으로써 활성탄이 다이옥신을 흡착하여 제거하는 것이다.

그러나 질소산화물과 다이옥신을 동시에 함유하고 있는 소각로 등의 배기가스는 상기 두 가지 오염물질을 모두 제거하기 위해서는 각각의 오염물질의 제거에 가장 효과적인 장치를 각각 별도의 2 단으로 설치해야 하는 문제점이 있으며, 질소산화물과 다이옥신을 V₂O₅-WO₃-TiO₂계 촉매를 사용하여 동시에 제거하더라도 질소산화물의 제거를 위해서는 200 내지 275 ℃의 온도를 사용해야 하며, 다이옥신의 제거율도 만족할 만한 것이 아니다(일본공개특허공보 95-75720호).

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 고려하여, 배기가스에 함유된 질소산화물과 다이옥신을 하나의 촉매반응기에서 동시에 제거할 수 있는 촉매 및 이를 이용한 배기가스에 함유된 질소산화물과 다이옥신의 동시 제거 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 배기가스의 가열이 필요없이 배기가스가 배출되는 온도에 바로 적용할 수 있는 촉매를 사용하여 저온에서 질소산화물과 다이옥신을 효율적으로 동시에 제거하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 배기가스에 함유된 질소산화물, 및 다이옥신의 동시 제거용 촉매에 있어서,

담지촉매 총 중량기준으로 활성탄 담체에 바나듐이 1 내지 20 중량% 담지된 바나듐/활성탄 담지 촉매를 제공한다.

또한 본 발명은 배기가스에 함유된 질소산화물, 및 다이옥신을 동시에 제거하는 방법에 있어서,

a) 질소산화물, 및 다이옥신을 함유한 배기가스에 암모니아, 또는 우레아를 혼입시키는 단계; 및

b) 상기 a)단계의 암모니아, 또는 우레아가 주입된 배기가스를

ⅰ) 100 내지 200 ℃의 온도에서,

ⅱ) 담지 촉매 총 중량기준으로 활성탄 담체에 바나듐이 1 내지 20 중량% 담지된 바나듐/활성탄 담지 촉매 상에 통과시키는 단계

를 포함하는 배기가스에 함유된 질소산화물, 및 다이옥신을 동시에 제거하는방법을 제공한다.

이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 하나의 촉매 반응기에서 배기가스 중에 함유된 질소산화물과 다이옥신을 동시에 제거할 수 있고, 배기가스의 가열이 필요없이 배기가스가 배출되는 온도에 바로 적용할 수 있도록, 바나듐/활성탄을 사용하여 저온에서 질소산화물과 다이옥신을 효율적으로 동시에 제거하는 방법을 제공하는 것이다.

이를 위하여 연속 흐름식 반응기와 같은 촉매반응기에 담지 촉매 총 중량을 기준으로 활성탄 담체에 바나듐이 1 내지 20 중량% 담지된 담지 촉매를 장착시키고, 이 촉매 반응기 상으로 암모니아를 환원제로 사용하면서 질소산화물 및 다이옥신이 함유된 배기가스를 통과시킨다.

상기 담지 촉매는 바나듐이 담지 촉매 총 중량 기준으로 1 내지 20 중량%의 양으로 활성탄 담체에 담지시키는 것이 바람직하다. 바나듐 함량이 1 중량% 미만으로 담지되면 질소산화물의 제거활성이 낮아지고, 20 중량%를 초과하면 바나듐이 활성탄 담체의 표면에 잘 분산되지 않기 때문에 촉매 활성이 오히려 낮아질 수 있다.

상기 담지 촉매에는 질소산화물과 다이옥신이 함유된 배기가스를 통과시키기 전에 환원제로 암모니아를 배기가스에 혼입시켜야 한다. 배기가스의 질소산화물은 상기 담지 촉매상에서 주입된 암모니아 환원제와 함께 하기 반응식 1 및 반응식 2와 같은 환원반응에 의해 제거되기 때문이다.

[반응식 1]

[반응식 2]

상기 배기가스 내로 주입되는 암모니아의 양과 농도는 제거되는 질소산화물의 양과 농도에 맞추어 주입되며, 암모니아 외에 우레아(urea)를 사용할 수도 있다. 이때의 우레아는 분해에 의해 암모니아가 생성되기 때문에 같은 결과를 얻을 수 있다.

이러한 암모니아가 혼입된 배기가스를 촉매반응기 상에 통과시킬 때에는 바람직하게는 촉매 반응기 부피기준으로 200,000 hr^-1이하의 공간속도로 주입하여 배기가스가 담지 촉매 상에서 암모니아 환원반응에 의한 질소산화물의 제거와 활성탄에 의한 다이옥신의 제거가 원활하게 이루어지도록 한다.

상기 배기가스를 제거할 때의 반응온도는 특별히 배기가스를 가열하지 않는 온도범위로 설정한다. 즉, 100 내지 200 ℃의 반응온도에서 암모니아가 미리 주입되고 질소산화물과 다이옥신이 함유된 배기가스를 상기 담지 촉매상으로 통과시킨다. 반응온도가 100 ℃ 미만이면 촉매의 활성이 낮아서 반응이 효과적으로 일어나지 못하며, 200 ℃를 초과하면 담지 촉매의 담체인 활성탄이 배기가스 중에 함유된 산소와 반응하여 연소되어 화재의 위험이 발생할 수도 있다.

본 발명의 담지 촉매에 사용되는 활성탄은 담체의 역할도 하지만 높은 흡착력에 의한 흡착제의 역할로 다이옥신을 제거한다. 이러한 다이옥신의 흡착제거 효과는 활성탄이 가지고 있는 적절한 기공에 기인한다.

이하의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 이들만으로 한정하는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1

(질소산화물의 제거)

4 내지 8 메쉬 크기의 활성탄 담체에 바나듐이 담지촉매 총 중량의 20 중량% 담지되도록 NH₄VO₃용액을 혼합하고, 이를 150 ℃의 건조기에서 건조하여 촉매를 제조하였다.

이 촉매를 연속 흐름식 반응기(촉매반응기)에 장착하고 반응온도를 변화시켜가면서 공간속도(유량/촉매부피) 3,000 hr^-1로 배기가스를 흘려보내 NO_x제거효율을 측정하였다. 이때 사용된 배기가스는 NO_x의 함유량이 200 ppm 이고, 배기가스에 환원제로 암모니아를 200 ppm 주입하여 촉매상으로 흘려보냈다.

반응온도에 따른 NO_x의 제거율을 하기 표 1에 나타내었다.

반응온도(℃)	NO_X제거율(%)
100	23
130	38
160	58
180	69

상기 표 1에 나타낸 바와 같이 반응온도의 증가에 따라서 질소산화물의 제거효율이 증가하는 것을 알 수 있다.

실시예 2

질소산화물과 다이옥신이 함유된 소각로의 배기가스를 상기 실시예 1과 같이 제조된 촉매가 장착된 연속 흐름식 반응기(촉매반응기)에 흘려보내서 질소산화물과 다이옥신의 동시제거 효과를 측정하였다. 촉매반응기의 온도는 160 ℃으로 설정하고, 공간속도는 3,000 hr^-1이고, 환원제로 암모니아를 150 ppm 주입하였다.

배기가스에 함유된 다이옥신의 농도 측정은 국내 대기오염 공정시험법에 따라서 배기가스를 채집하고, 정제 및 농축한 후에 고분해능 가스크로마토그래피/질량분석기(GC/MS)를 이용하여 분석하였다.

촉매반응기 전단과 후단의 질소산화물과 다이옥신의 농도를 분석한 결과 질소산화물의 제거율은 54 %이었으며, 다이옥신 제거율은 99 % 이었다.

본 발명의 바나듐/활성탄 담지촉매는 배기가스의 가열이 필요없이 배기가스가 배출되는 온도에 바로 적용할 수 있는 촉매이기 때문에 저온에서 질소산화물과 다이옥신을 효율적으로 동시에 제거할 수 있다.

Claims

배기가스에 함유된 질소산화물, 및 다이옥신의 동시 제거용 촉매에 있어서,

담지촉매 총 중량기준으로 활성탄 담체에 바나듐이 1 내지 20 중량% 담지된 바나듐/활성탄 담지 촉매를 포함하는 배기가스에 함유된 질소산화물, 및 다이옥신의 동시 제거용 촉매.
배기가스에 함유된 질소산화물, 및 다이옥신의 동시 제거방법에 있어서,

a) 질소산화물, 및 다이옥신을 함유한 배기가스에 암모니아, 또는 우레아를 혼입시키는 단계; 및

b) 상기 a)단계의 암모니아, 또는 우레아가 혼입된 배기가스를

ⅰ) 100 내지 200 ℃의 온도에서,

ⅱ) 담지 촉매 총 중량기준으로 활성탄 담체에 바나듐이 1 내지 20 중량% 담지된 바나듐/활성탄 담지 촉매 상에 통과시키는 단계

를 포함하는 배기가스에 함유된 질소산화물, 및 다이옥신의 동시 제거방법.
제 1 항에 있어서,

상기 b)단계의 암모니아, 또는 우레아가 혼입된 배기가스는 바나듐-활성탄 촉매가 장착된 연속 흐름식 반응기의 촉매반응기로 주입시키는 배기가스에 함유된 질소산화물, 및 다이옥신의 동시 제거방법.