KR20090081866A - 선택적촉매환원반응기와 ａｃｆ 흡착탑을 이용한 복합탈질방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선택적촉매환원반응기와 ACF 흡착탑을 이용한 복합 탈질방법에 관한 것으로, 그 목적은 불규칙하게 간헐적으로 발생하는 고농도 질소산화물이 발생할 경우에 대비하여 흡착탑 설비와 기존 SCR 설비를 병행 설치하는 방법으로 흡착 공정을 보완함으로써 SCR 설비 규모가 필요 이상으로 커지지 않도록 하는 데 있다.

본 발명의 구성은 불규칙적이며 간헐적으로 고농도의 질소산화물(NOx)을 발생시키는 장치의 배가스로부터 질소산화물을 효과적으로 저감시키는 방법에 관한 것으로, 일반적인 배가스 처리 공정인 선택적 촉매환원 공정(Selective Catalytic Reduction, SCR)을 이용하여 정상 운전시 NOx를 처리하다가 순간적으로 발생되는 고농도의 NOx는 별도로 설치된 흡착탑으로 처리하는 흡착공정과 두 공정의 결합과 운전에 관한 방법을 제공하는 것을 그 기술적 사상의 특징으로 한다.

질소산화물, 선택적촉매환원공정, 흡착, 활성탄소섬유, 탈질

Description

선택적촉매환원반응기와 ＡＣＦ 흡착탑을 이용한 복합 탈질방법{Hybrid DeNOx process using Selective Catalytic Reduction and Adsorption}

본 발명은 선택적촉매환원반응기와 ACF 흡착탑을 이용한 복합 탈질방법에 관한 것으로, 자세하게는 촉매를 장착한 반응기에서 NH₃와 같은 환원제를 분사하여 NOx를 N₂와 H₂O로 변환시키는 선택적촉매환원공정을 바탕으로 하고 있으며, 미세한 기공 내부에 특정 성분의 가스를 포집하여 분리하는 흡착법을 겸용 수단으로 하고 있는 탈질방법에 관한 것이다.

배가스로부터 NOx를 제거하는 종래 기술로는 촉매를 이용한 환원법, 흡착법, 플라즈마법 등과 같은 건식법과 산화, 환원 반응과 함께 흡수를 결합한 습식법이 적용되고 있다. 이 중에서 V₂O₅/TiO₂계의 촉매를 사용하는 선택적촉매환원공정이 가장 널리 적용되고 있다.

특히, 현재 대부분의 촉매가 300℃ 주변에서 가장 우수한 반응 효율을 보이 므로 보다 낮은 온도에서 적용할 수 있는 촉매와 높은 반응율을 보이는 촉매가 많이 개발되고 있다.

종래 선택적촉매환원공정이 안정적인 반응 효율을 나타내기 위해서는 환원제인 NH₃가 NOx와 일정한 당량비를 유지하면서 공급되어야 하는데 유입되는 NOx 농도가 변동되는 경우에는 적절한 양의 NH₃를 주입하기 어렵다는 문제점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 최고 농도의 NOx가 배출되는 경우를 대비하여 선택적촉매환원공정설비의 규모가 과대하게 결정되고 있다는 문제점이 있다.

또한 배가스중의 불규칙한 NOx 농도 변화에 맞춰 환원재인 NH₃농도를 미세하게 조절하기 위한 부가 장비도 과잉으로 설치되어야 한다는 문제점이 있다.

그리고 미반응 NH₃가 슬립되면 하부 장치를 부식시킬 뿐만 아니라 대기 방출로 인해 2차 오염을 발생시키는 문제가 발생한다는 문제점이 있다.

현재까지 알려진 질소산화물의 정화방법으로서, 대한민국특허(출원번호 2004 - 0101266)에 출원된 바처럼, 촉매가 다단으로 배치된 배열회수 시스템을 적용함으로써 배가스의 온도 대역에 유연성을 가지도록 한 방법이 알려져 있다.

또한, 활성탄소섬유를 적용한 사례로는 대한민국특허(출원번호 2002 - 0053428)에서 적시한 바처럼 활성탄소섬유를 제조하는 과정에 바나듐이나 몰리브덴 성분을 첨가하여 질소산화물 저감 촉매로 활용한 것과 대한민국특허(출원번호 2002 - 0033236)에서 게시한 바와 같이 활성탄소섬유에 전이금속을 전해도금하여 질소산화물 처리에 활용한 것이 있다.

또한 대한민국특허(출원번호 2000-0080303)에서는 V2O5/TiO2촉매를 활성탄소섬유에 분산시킨 후 안정화 단계를 거쳐 질소산화물 분해 촉매로 사용하는 방법을 제시하고 있다.

또한 대한민국특허(출원번호 1997-7001085)에서는 탄소성분을 비산화분위기에서 열처리하여 탈황용과 탈질용으로 적용한 경우도 있다.

하지만 상기한 종래의 기술들은 불규칙하게 갑자기 고농도가 배출되는 상황에 대비하기 위한 기술들이 아니라는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 불규칙하게 간헐적으로 발생하는 고농도 질소산화물이 발생할 경우에 대비하여 흡착탑 설비와 기존 SCR 설비를 병행 설치하는 방법으로 흡착 공정을 보완함으로써 SCR 설비 규모가 필요 이상으로 커지지 않도록 하는 데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 기존공정의 큰 변경 없이 간헐적인 고농도 질소 산화물 발생에 대비할 수 있으므로 설비 투자를 크게 줄인 탈질방법을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 활성탄소섬유(ACF)를 흡착제로 사용하는 흡착탑을 불규칙하게 간헐적으로 고농도 질소산화물이 발생할 때 활용하고, 흡착탑 재생시에는 ACF의 특성을 이용한 전기변동 탈착 공정을 적용함으로서 별도의 고온 공기나 스팀과 같은 희석제 없이 경제적으로 탈착시킬 수 있는 탈질 방법을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 활성탄소섬유(ACF)를 흡착제로 사용하는 흡착탑을 불규칙하게 간헐적으로 고농도 질소산화물이 발생할 때 활용하고, 흡착탑 재생시에는 ACF의 특성을 이용한 전기변동 탈착 공정을 적용함으로서 별도의 고온 공기나 스팀과 같은 희석제 없이 경제적으로 탈착시킬때, 탈착가스는 기존의 SCR공정에서 저농도의 배가스와 함께 처리하거나, 별도의 SCR공정에서 탈착가스만 단독으로 처리하는 방법을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 간헐적인 고농도 질소산화물 흡착공정과 활성탑의 활성탄소섬유 전기변동 탈착공정이 결합되어 최적 운전되는 탈질방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 배가스 중 NOx를 처리하도록 환원제를 분사하는 노즐을 구비한 선택적 촉매환원(Selective Catalytic Reduction, SCR)반응기와 순간적으로 발생되는 고농도의 NOx를 처리하는 흡착탑과, SCR반응기와 흡착탑 사이에서 배가스의 흐름을 유도하기 위해 연결된 밸브를 구비한 후, 정상 운전시는 선택적촉매환원공정 운전을 통하여 NOx를 처리하고, 순간적으로 불규칙하고 간헐적으로 발생하는 고농도의 NOx는 흡착탑에서 흡착공정 운전으로 처리하는 방법을 특징으로 하는 선택적촉매환원반응기와 ACF 흡착탑을 이용한 복합 탈질방법을 제공함으로써 달성된다.

상기 정상 운전시는 ACF에 흡착되어 있는 NOx를 ACF의 통전에 의한 자체열과 흡착탑의 진공조건으로 탈착시키고 이때 발생한 탈착가스를 기존 공정에서의 배가스와 혼합하여 SCR반응기에서 동시 탈질처리토록 하는 방법을 특징으로 한다.

상기 SCR반응기의 처리용량을 초과할 경우에는 별도의 소형 SCR반응기와, SCR반응기와 흡착탑의 배가스 흐름을 유도하기 위해 연결된 밸브를 더 구비하여, 이 소형 SCR반응기를 이용하여 탈착가스만 탈질처리하는 방법을 특징으로 한다.

상기 흡착탑은 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber, ACF) 흡착제를 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 흡착탑에 흡착된 질소산화물은 흡착탑에서 ACF가 발열하도록 통전하는 전원공급장치와 흡착탑 내부를 진공펌프로 진공상태로 만들어 전원공급장치로 전극에 전류를 흘려주면 ACF가 자체 발열한 한후, 발열상태에서 탈착된 탈착가스를 SCR로 흐름을 용이하게 하기 위해 흡착탑을 진공상태로 만들어 탈착가스를 빨아내어 탈착하는 방법을 특징으로 한다.

본 발명은 배가스로부터 질소산화물을 저감함에 있어서, 장의 기 보유 설비인 선택적촉매환원반응기로 대응할 수 없는, 간헐적으로 발생하는 비정상운전시에 순간적으로 고농도 질소산화물이 발생할 때 대처할 수 있는 방법으로, 장비의 기동과 정지가 잦은 보일러와 같은 경우에는 온도 변화가 심하여 발생되는 질소산화물의 농도 변화가 크고 또한 초기에는 촉매의 활성 온도까지 도달하지 못하여 기존의 방식으로는 질소산화물을 처리할 수 없지만 본 발명은 이러한 경우에도 적용이 가능하다는 장점과,

또한 일정 농도 이상 부분을 소규모 흡착탑에서 감당하므로 전체 공정의 규모가 소형화되고 초기 설비투자비 뿐 만 아니라 운전유지비도 절감하는 효과를 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다

도 1은 본 발명의 전체 구조를 도시한 SCR과 흡착탑을 이용한 탈질 공정 구성도인데, 본 발명의 공정은 정상운전시의 경우 도 1의 (a)와 같이 촉매(8)가 충전된 SCR인 제 1반응기(1)만을 이용하여 NOx를 제거하고, 갑작스러운 운전 조건의 변화 등으로 인하여 NOx농도가 순간적으로 높아질 경우에는 도 1의 (b)공정에 도시된 흡착탑(2)을 이용함으로써 비정상운전에서 발생하는 고농도 NOx를 흡착탑(2)의 ACF(3)에 흡착시킨다. 이 방법을 사용함으로써 최고 농도의 NOx를 기준으로 최대용량의 SCR 반응기를 설치하기 보다는 기존 정상운전조건에 맞는 SCR을 사용하면서 간헐적으로 발생하는 순간적인 상황에 대비하는 ACF 흡착탑(2)을 추가 설치하는 것이 효율적임을 알 수 있다.

도 1의 (c) ①공정은 정상운전시에, ACF에 흡착되어 있는 NOx를 ACF를 가열하는 전원공급장치(5)로 전극(4)에 열을 흘려주어 ACF가 자체발열하게하고, 발열상태에서 탈착된 탈착가스를 SCR로 흐름을 용이하게 하기 위해 흡착탑을 진공펌프(6)의 진공을 가하여 탈착시킨다. 이때 발생한 탈착가스를 기존 공정에서의 배가스와 혼합하여 기존 SCR에서 동시 탈질처리한다. 이때 흡착탑의 탈착가스농도가 기존 SCR반응기의 처리용량을 초과할 경우에는 별도의 소형 SCR인 제 2반응기(10)을 추가하여 탈착가스만 도 1의 (c) ②공정으로 탈질처리할 수 있다.

미설명부호 1은 배가스 분배 밸브이고, 7은 흡착탑 출구 가스 분배 밸브이다.

도 2는 본 발명의 한 실시예로서, 흡착탑에서 흡착된 NOx를 140℃, 진공으로 5회 반복 탈착하였을 때 배출되는 NOx의 농도를 나타낸 그래프로, 흡착탑의 활성탄소섬유(ACF)에 흡착된 질소산화물의 탈착반응시, 활성탄소섬유(ACF) OG20A-H1100 6g, 반응온도 140^oC, 진공 600mmHg, Flow rate 1.5 liter/min 조건에서 탈기가스의 조성을 측정한 그래프이다.

도시된 바와 같이 탈착을 5회 반복하면서 탈기가스 조성을 비교시, 첫 번째 탈착을 제외하고는 약 1,500ppm 이상 고농도가 초기 20초 이내에 발생되고 있음을 보여준다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 흡착탑의 탈착 가스와 배가스를 SCR공정으로 동시에 처리하는 공정에서 암모니아 농도를 일정하게 하였을 때 최종 배출되는 NOx농도를 나타낸 그래프인데, 흡착탑의 탈기가스와 배가스를 기존 선택적 촉매환원 공정(Selective Catalytic Reduction, SCR)에서 탈질처리반응 실시예이다.

도시된 바와 같이, 세차례 반응 결과 두 번째와 세 번째 반응시에 초기 30초 반응 즈음에 200 ppm 이상의 고농도가 기록되었다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 흡착탑의 탈착 가스와 배가스를 SCR공정으로 동시에 처리하는 공정에서 암모니아 농도를 초기에 과잉으로 주입하였을 때 최종 배출되는 NOx농도를 나타낸 그래프로, 흡착탑의 탈기가스와 배가스를 기존 선택적 촉매환원 공정(Selective Catalytic Reduction, SCR)에서 탈질처리반응 실시예이다. 도시된 바와 같이 초기 30초 고농도 발생시에 고농도의 암모니아를 주입하여 최고 농도를 80 ppm이하로 저감시킬 수 있음을 보여주는 그래프이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 흡착탑의 탈착가스를 기존 배가스와 동시 처리 SCR공정에서 처리하였을 때와 별도의 SCR공정에서 탈착가스만 단독으로 처리하였을 때 최종 배출되는 NOx농도 비교를 보인 그래프로, 흡착탑의 탈기가스와 배가스를 기존 선택적 촉매환원 공정(Selective Catalytic Reduction, SCR)에서 탈질반응시킨 경우와 탈기가스만 별도의 SCR에서 탈질반응시켰을 때 배출되는 질소산화물 농도를 비교한 그래프이다.

도시된 바와 같이 별도의 SCR이 있어 흡착탑의 탈기가스를 탈질할 경우 반응초기에 200ppm 이상의 고농도를 약 30ppm 이하로 줄일 수 있음을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위 에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명의 전체 구조를 도시한 SCR과 흡착탑을 이용한 탈질 공정 구성도이고,

도 2는 본 발명의 한 실시예로서, 흡착탑에서 흡착된 NOx를 140℃, 진공으로 5회 반복 탈착하였을 때 배출되는 NOx의 농도를 나타낸 그래프이고,

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 흡착탑의 탈착 가스와 배가스를 SCR공정으로 동시에 처리하는 공정에서 암모니아 농도를 일정하게 하였을 때 최종 배출되는 NOx농도를 나타낸 그래프이고,

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 흡착탑의 탈착 가스와 배가스를 SCR공정으로 동시에 처리하는 공정에서 암모니아 농도를 초기에 과잉으로 주입하였을 때 최종 배출되는 NOx농도를 나타낸 그래프이고,

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 흡착탑의 탈착가스를 기존 배가스와 동시 처리 SCR공정에서 처리하였을 때와 별도의 SCR공정에서 탈착가스만 단독으로 처리하였을 때 최종 배출되는 NOx농도 비교를 보인 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 배가스 분배 밸브 (2) : 흡착탑

(3) : 활성탄소섬유 (4) : 전극

(5) : 전원공급장치 (6) : 진공펌프

(7) : 흡착탑 출구 가스 분배 밸브 (8) : 촉매

(9) : 제 1 반응기 (10) : 제 2 반응기

Claims (5)

1. 배가스 중 NOx를 처리하도록 환원제를 분사하는 노즐을 구비한 선택적 촉매환원(Selective Catalytic Reduction, SCR)반응기와, 순간적으로 발생되는 고농도의 NOx를 처리하는 흡착탑과, SCR반응기와 흡착탑 사이에서 배가스의 흐름을 유도하기 위해 연결된 밸브를 구비한 후, 정상 운전시는 선택적촉매환원공정 운전을 통하여 NOx를 처리하고, 순간적으로 불규칙하고 간헐적으로 발생하는 고농도의 NOx는 흡착탑에서 흡착공정 운전으로 처리하는 방법을 특징으로 하는 선택적촉매환원반응기와 ACF 흡착탑을 이용한 복합 탈질방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 정상 운전시는 ACF에 흡착되어 있는 NOx를, ACF를 가열하는 전원공급장치와 흡착탑을 진공펌프로 진공을 가하여 탈착시키고, 이때 발생한 탈착가스를 기존 공정에서의 배가스와 혼합하여 SCR반응기에서 동시 탈질처리토록 하는 방법을 특징으로 하는 선택적촉매환원반응기와 ACF 흡착탑을 이용한 복합 탈질방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 SCR반응기의 처리용량을 초과할 경우에는 별도의 소형 SCR반응기와, SCR반응기와 흡착탑의 배가스 흐름을 유도하기 위해 연결된 밸브를 더 구비하여, 이 소형 SCR반응기를 이용하여 탈착가스만 탈질처리하는 방법을 특징으로 하는 선택적촉매환원반응기와 ACF 흡착탑을 이용한 복합 탈질방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 흡착탑은 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber, ACF) 흡착제를 사용하는 것을 특징으로 하는 선택적촉매환원반응기와 ACF 흡착탑을 이용한 복합 탈질방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 흡착탑에 흡착된 질소산화물은 흡착탑에서 ACF가 발열하도록 통전하는 전원공급장치와 흡착탑 내부를 진공펌프로 진공상태로 만들어 전원공급장치로 전극에 전류를 흘려주면 ACF가 자체 발열한 한후, 발열상태에서 탈착된 탈착가스를 SCR로 흐름을 용이하게 하기 위해 흡착탑을 진공상태로 만들어 탈착가스를 빨아내어 탈착하는 방법을 특징으로 하는 선택적촉매환원반응기와 ACF 흡착탑을 이용한 복합 탈질방법.

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