KR20150128255A - 촉매반응장치 - Google Patents

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KR20150128255A
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박중호
정병연
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(주)유이티엔지니어링
정병연
박중호
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Abstract

본 발명은 촉매반응장치에 관한 것으로, 가스유입구와 가스배출구를 갖는 케이싱과, 상기 케이싱의 내부에 구비되어 상기 가스유입구로부터 공급된 배기가스를 방사상으로 확산시키는 제1촉매유닛 및 상기 제1촉매유닛 상에 적층되며, 상기 제1촉매유닛을 통과한 배기가스를 중앙으로 집중시켜 상기 가스배출구로 방출하는 제2촉매유닛을 포함하여 촉매와 배기가스의 접촉율을 극대화할 수 있는 촉매반응장치를 제공한다.

Description

촉매반응장치{Catalytic reactor}
본 발명은 촉매반응장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉매와 배기가스의 접촉율을 극대화하여 질소산화물 제거 효율을 향상시킬 수 있도록 한 촉매반응장치에 관한 것이다.
일반적으로 질소산화물(NOx)은 고온의 연소설비에서 공기의 과잉 공급으로 질소와 산소가 반응하여 생성되는 화합물을 총칭하는 것으로 인체에 유해한 것은 물론 산성비 또는 스모그(Smog)를 발생시켜 대기오염을 야기하는 직접적인 원인물질로 알려져 있다. 특히, 화석연료를 사용하는 자동차 등의 내연기관에서는 필연적으로 질소산화물이 생성되기 때문에 각종 규제나 법규를 통해 배기가스 중에 포함된 질소산화물 배출량을 엄격하게 통제하고 있는 실정이다.
내연기관에서 발생하는 배기가스는 통상 고온 상태로 배출관을 통과한 후 배출관 후단에 설치된 소음방지장치인 소음기(Silence)와, 냉각장치인 라디에이터(Radiator)를 거쳐 대기 중으로 배출된다. 그러나 상술한 구성만으로는 배기가스에 다량 함유된 질소산화물을 완전하게 제거할 수 없다. 따라서 종래부터 질소산화물을 원천적으로 제거하기 위해 전산소연소, 배기가스 순환 등 연소 조건과 관련한 질소산화물 발생억제기술이 개발되었으나, 연소기술의 개선만으로는 질소산화물을 완전하게 제거할 수 없기 때문에 배기가스를 다양한 방법으로 처리하는 후처리 기술이 제안되고 있다.
후처리 기술로는 선택적 촉매 환원법(SCR), 선택적 비촉매 환원법(SNCR), 로우 낙스 버너법(LOW-NOX BURNER) 등이 알려져 있다. 선택적 촉매 환원법의 경우 하기의 [반응식 1]과 같이 질소산화물을 촉매와 접촉시켜 질소와 물로 환원시키는 기술로서 접촉면의 성분, 방법, 표면적 등에 따라 환원 효율에 큰 차이를 나타낸다. 또한, 선택적 비촉매 환원법은 촉매 없이 환원제만 사용하는 기술이고, 로우 낙스 버너법은 가열로 내의 연소 상태를 제어하는 기술이나, 2차 오염 발생 유무, 제거 효율, 운전비 등을 고려할 때 선택적 촉매 환원법이 가장 효과적인 것으로 평가되고 있다.
[반응식 1]
NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O
현재 상용화되어 있는 선택적 촉매 환원 기술은 질소산화물 제거 효율이 90% 이상으로 2~4년 정도 사용할 수 있고, 맹독성 다이옥신(Dioxin)까지 제거할 수 있는 것으로 입증되고 있다. 그러나 질소산화물 제거 효율 90%는 정부가 요구하는 배출기준에 미달하는 것이기 때문에 완전한 제거 효율은 달성하지 못한 실정이다.
특히, 종래기술에 따른 촉매반응장치는 대부분 배기가스의 흐름이 단조롭고 단시간에 배출되기 때문에 촉매와 배기가스의 접촉율이 낮고, 이로 인해 질소산화물 제거 효율을 향상시키는데 한계가 있을 수 밖에 없다. 즉, 질소산화물의 제거 효율을 높이기 위해서는 촉매 자체의 활성이나 촉매량도 중요하지만 구조적으로 촉매와 배기가스의 접촉 회수와 시간을 증가시켜야 하는데, 종래기술에 따른 촉매반응장치는 대부분 이러한 배기가스의 흐름을 위한 구조적인 개선에 대해서는 간과하고 있는 것이다.
참고적으로, 본 발명의 배경이 되는 기술은 특허 제10-0584988호, 미국 특허 제5,827,489호, 제6,171,566호 등에 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 질소산화물 제거 효율이 우수하고, 고온에서 열적 안정성을 유지할 수 있을 뿐 아니라 폐가스에 함유되어 있는 황화합물과, 각종 무기분진, 유기분진에 대해서도 화학적으로 안정한 촉매반응장치를 제공하는 데 목적이 있다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서,
본 발명은 가스유입구와 가스배출구를 갖는 케이싱과; 상기 케이싱의 내부에 구비되어 상기 가스유입구로부터 공급된 배기가스를 방사상으로 확산시키는 제1촉매유닛; 및 상기 제1촉매유닛 상에 적층되며, 상기 제1촉매유닛을 통과한 배기가스를 중앙으로 집중시켜 상기 가스배출구로 방출하는 제2촉매유닛;을 포함하는 촉매반응장치를 제공한다.
이 경우, 상기 제1촉매유닛과 상기 제2촉매유닛은 중앙에 형성되는 가스유출입구와, 상기 가스유출입구와 연통되는 제1격벽을 갖는 외측촉매판; 및 상기 외측촉매판의 내측에 배치되되, 상기 제1격벽과 이격하여 대향되는 제2격벽을 갖는 내측촉매판;을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제1격벽과 상기 제2격벽이 교호로 대향될 수 있다.
이 경우, 상기 제1격벽과 상기 제2격벽은 허니컴 구조일 수 있다.
본 발명에 따르면, 한 쌍의 촉매유닛에 허니컴 구조의 격벽을 형성하고, 이러한 격벽이 서로 엇갈려 대향되도록 촉매유닛을 배치함으로써 배기가스의 흐름을 여러 단계로 굴절, 변환시켜 촉매량을 증가시키지 않고도 촉매와 배기가스의 접촉 회수 및 시간을 극대화할 수 있다.
또한, 하나의 촉매유닛은 배기가스를 중앙에서 방사상으로 확산시키고, 다른 촉매유닛은 확산된 배기가스를 다시 중앙으로 유도함으로써 촉매반응장치의 부피를 최소화할 수 있다.
아울러, 부피가 작기 때문에 원가 절감이 가능할 뿐 아니라 협소한 공간에도 용이하게 설치하여 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매반응장치의 측단면도,
도 2는 도 1에 도시된 촉매반응장치의 제1촉매유닛과 제2촉매유닛의 결합 구조를 나타낸 확대도,
도 3a는 도 1에 도시된 촉매반응장치의 제1촉매유닛의 평면도,
도 3b는 도 3a에 도시된 제1촉매유닛의 측단면도,
도 4a는 도 1에 도시된 촉매반응장치의 제2촉매유닛의 평면도,
도 4b는 도 4a에 도시된 제2촉매유닛의 측단면도.
이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매반응장치의 측단면도, 도 2는 도 1에 도시된 촉매반응장치의 제1촉매유닛과 제2촉매유닛의 결합 구조를 나타낸 확대도, 도 3a는 도 1에 도시된 촉매반응장치의 제1촉매유닛의 평면도, 도 3b는 도 3a에 도시된 제1촉매유닛의 측단면도, 도 4a는 도 1에 도시된 촉매반응장치의 제2촉매유닛의 평면도, 도 4b는 도 4a에 도시된 제2촉매유닛의 측단면도이다.
도 1 내지 도 4b를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매반응장치(100)는 케이싱(110)과, 제1촉매유닛(120) 및 제2촉매유닛(130)을 포함한다.
케이싱(110)은 제1촉매유닛(120)과 제2촉매유닛(130)의 설치를 위한 것으로 원통형 구조를 갖는 몸체(111)와, 몸체(111)의 상부와 하부에 각각 결합되는 상부덮개(112) 및 하부덮개(113)로 구성된다.
이 경우, 상부덮개(112)에는 가스배출구(112a)가 형성되고, 하부덮개(113)에는 가스유입구(113a)가 형성된다. 따라서 배기가스는 가스유입구(113a)를 통해 하방에서 유입되어 제1촉매유닛(120)과 제2촉매유닛(130)을 거친 후 가스배출구(112a)를 통해 상방으로 배출된다. 본 발명에서 가스배출구(112a)와 가스유입구(113a)의 형성 위치는 후술하는 바와 같은 배기가스의 흐름상 상부덮개(112)와 하부덮개(113)의 중앙에 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 몸체(111)와 상부덮개(112) 및 하부덮개(113)의 결합 부위에는 배기가스의 누출을 방지하기 위한 오링(114)이 개재될 수 있다.
제1촉매유닛(120)은 가스유입구(113a)를 통해 케이싱(110)의 중앙으로 유입된 배기가스를 지름방향을 따라 방사상으로 확산시키기 위한 것으로 케이싱(110)의 내부에 설치된다.
구체적으로, 제1촉매유닛(120)은 도 2에 도시된 바와 같이 외측촉매판(121)과 내측촉매판(122)으로 구성될 수 있다. 여기서, 외측촉매판(121)은 제1촉매유닛(120)과 제2촉매유닛(130)의 적층 상태에서 외부에 위치하는 촉매판을 의미하고, 내측촉매판(122)은 내부에 위치하는 촉매판을 의미한다.
외측촉매판(121)은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 원판형으로 이루어지며, 중앙에 가스유출입구(121a)가 형성된다. 또한, 가스유출입구(121a)의 주변으로는 제1격벽(121b)이 방사상으로 연장 형성되며, 제1격벽(121b)의 양측에는 내측촉매판(122)의 결합을 위한 체결공(121c)이 상방으로 돌출 형성된다.
이러한 외측촉매판(121)은 설치시 케이싱(110)의 내부에 밀착되어 배기가스를 누출 없이 안정적으로 가이드할 수 있도록 바닥부의 외경이 케이싱(110)의 내경과 동일하게 구성되는 것이 바람직하다. 다만, 바닥부를 제외한 몸체부는 그 최외측으로 배기가스가 배출되어 상부의 제2촉매유닛(130)으로 공급될 수 있는 공간이 확보되어야 하기 때문에 바닥부보다 작은 외경을 가져야 한다.
내측촉매판(122)은 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 원판형으로 이루어지며, 일면에 방사상으로 연장 형성된 제2격벽(122a)과, 외측촉매판(121)의 체결공(121c)에 대응되는 체결구(122b)가 각각 구비된다. 즉, 내측촉매판(122)의 경우 가스유출입구(121a)를 제외하고는 외측촉매판(121)과 유사한 구조를 가진다. 왜냐하면, 외측촉매판(121)의 경우 앞서 설명한 바와 같이 제1촉매유닛(120)과 제2촉매유닛(130)이 적층된 상태에서 최외곽에 배치되기 때문에 배기가스의 유입과 배출을 위한 가스유출입구(121a)가 필수적으로 구비되어야 하지만, 내측촉매판(122)의 경우에는 외측촉매판(121)의 내측에 배치되어 배기가스만 통과시키면 되기 때문에 가스유출입구가 구비될 필요가 없는 것이다.
이 경우, 내측촉매판(122)은 앞서 설명한 바와 같이 확산을 통해 최외측으로 배출된 배기가스가 상부의 제2촉매유닛(130)으로 공급될 수 있도록 외경이 대략 외측촉매판(121)의 몸체부 외경과 동일하게 구성되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 외측촉매판(121)과 내측촉매판(122)은 제1격벽(121b)과 제2격벽(122a)이 서로 대향되도록 결합된다. 이 경우, 외측촉매판(121)과 내측촉매판(122)의 결합은 외측촉매판(121)의 체결공(121c)에 내측촉매판(122)의 체결구(122b)가 끼움 결합되는 방식으로 이루어진다.
한편, 제1격벽(121b)과 제2격벽(122a)은 배기가스의 원활한 흐름을 위해 서로 이격 형성되며, 바람직하게는 교호로 대향되게 배치된다. 즉, 제1격벽(121b)의 맞은편에는 제2격벽(122a)에 의해 형성되는 빈 공간이 위치하고, 제2격벽(122a)의 맞은편에는 제1격벽(121b)에 의해 형성되는 빈 공간이 위치하도록 하여 배기가스가 제1격벽(121b)과 제2격벽(122a)을 반복적으로 교차하여 흐르도록 한 것이다.
제1격벽(121b)과 제2격벽(122a)의 구조는 특별히 제한되지 않으나 촉매의 활성을 증가시키고, 배기가스의 접촉면을 극대화하기 위해 육각형의 허니컴(honeycomb) 구조를 갖는 것이 바람직하다.
제2촉매유닛(130)은 제1촉매유닛(120)에 의해 방사상으로 확산된 배기가스를 다시 중앙으로 집중시키기 위한 것으로 제1촉매유닛(120)과 동일한 구조를 가지고 제1촉매유닛(120)의 상부에 반대방향으로 적층된다.
구체적으로, 제2촉매유닛(130)은 원판형의 외측촉매판(131)과 내측촉매판(132)으로 구성된다. 이 경우, 외측촉매판(131)에는 가스유출입구(131a), 제1격벽(131b), 체결공(131c)이 구비되고, 내측촉매판(132)에는 제2격벽(132a), 체결구(132b)가 구비되어 체결공(131c)과 체결구(132b)의 결합에 의해 제1격벽(131b)과 제2격벽(132a)이 일정한 간격을 가지고 서로 대향되게 설치된다.
한편, 이상에서 설명한 제1촉매유닛(120)과 제2촉매유닛(130)은 바나듐(V), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 철(Fe), 구리(Cu) 등과 같은 활성금속의 산화물(Oxide)과, 티타니아(Titania), 알루미나(Alumina), 실리카(Silica), 지르코니아(Zirconia) 등과 같은 담체를 담지, 건조하여 압축성형하는 방식으로 제조될 수 있다.
또한, 제1촉매유닛(120)과 제2촉매유닛(130)이 한 조를 이루는 촉매유닛은 배기가스의 양을 고려하여 적절하게 증감될 수 있다. 특히, 촉매유닛을 다단으로 적층하여 추가하면 배기가스의 확산과 집중이 반복적으로 이루어지기 때문에 분산수를 극대화할 수 있다. 이와 관련하여, 아래에는 본 발명에 따를 경우 얻을 수 있는 배기가스의 분산수를 계산하여 나타내었다. 참고적으로, 배기가스가 중심에서 테두리로 퍼질 경우를 확산측이라 하고, 테두리에서 중심으로 모일 경우를 집합측이라 한다.
열수 N의 제1촉매유닛의 확산측 분산수는 하기의 [식 1]과 같다.
[식 1]
분산수 = 3(2N-1 + 2N-2 +2N-4 + 2N-6 + …)
열수 N의 제2촉매유닛의 집합측 분산수는 하기의 [식 2]와 같다.
[식 2]
분산수 = 3N × 2(N/2)-1
1 촉매유닛(확산측 + 집합측)의 분산수는 하기의 [식 3]과 같다.
[식 3]
분산수 = 9N × 2(N/2)-1 × (2N-1 + 2N-2 +2N-4 + 2N-6 + …)
촉매유닛이 N개일 경우 분산수(Sn)는 하기의 [식 4]와 같다.
[식 4]
Sn = [9N × 2(N/2)-1 × (2N-1 + 2N-2 +2N-4 + 2N-6 + …)]N
상술한 바와 같은 방법으로 분산수를 계산하면 촉매유닛이 6개일 경우 분산수는 하기의 [식 5]와 같이 된다.
[식 5]
Sn = 45 × 217
이처럼 본 발명에 의하면 촉매유닛의 증가에 따라 경이적인 분산수를 얻을 수 있기 때문에 적은 양의 촉매로도 최대의 효과를 얻을 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매반응장치의 구성에 대해 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매반응장치의 작용에 대해 설명?도록 한다.
먼저, 가스유입구(113a)를 통해 케이싱(110) 내부로 주입된 배기가스는 가스유출입구(121a)를 통해 제1촉매유닛(120)으로 진입하게 된다. 이후, 배기가스는 외측촉매판(121)의 제1격벽(121b)과 내측촉매판(122)의 제2격벽(122a)에 의해 지름방향을 따라 방사상으로 확산된다. 이 과정에서 배기가스는 제1격벽(121b) 및 제2격벽(122a)과 지속적이고 반복적으로 접촉하여 굴절 및 반전되고, 와류를 형성함으로써 배기가스 내에 포함된 질소산화물이 질소와 물로 환원된다. 계속하여, 제1촉매유닛(120)의 최외측으로 확산된 배기가스는 제2촉매유닛(130)으로 진입하여 외측촉매판(131)의 제1격벽(131b)과 내측촉매판(132)의 제2격벽(132a)에 의해 중심방향으로 다시 모이게 된다. 이 과정에서 배기가스는 제1촉매유닛(120)에서와 동일한 방식으로 굴절, 회전함으로써 질소산화물의 제거가 이루어진다. 마지막으로, 중심으로 모인 배기가스는 제2촉매유닛(130)의 가스유출입구(131a)를 통해 외부로 배출된다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서 본 발명의 범위는 상술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위, 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 촉매반응장치 110 : 케이싱
111 : 몸체 112 : 상부덮개
112a : 가스배출구 113 : 하부덮개
113a : 가스유입구 114 : 오링
120 : 제1촉매유닛 121 : 외측촉매판
121a : 가스유출입구 121b : 제1격벽
121c : 체결공 122 : 내측촉매판
122a : 제2격벽 122b : 체결구
130 : 제2촉매유닛 131 : 외측촉매판
131a : 가스유출입구 131b : 제1격벽
131c : 체결공 132 : 내측촉매판
132a : 제2격벽 132b : 체결구

Claims (4)

  1. 가스유입구와 가스배출구를 갖는 케이싱과;
    상기 케이싱의 내부에 구비되어 상기 가스유입구로부터 공급된 배기가스를 방사상으로 확산시키는 제1촉매유닛; 및
    상기 제1촉매유닛 상에 적층되며, 상기 제1촉매유닛을 통과한 배기가스를 중앙으로 집중시켜 상기 가스배출구로 방출하는 제2촉매유닛;
    을 포함하는 촉매반응장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1촉매유닛과 상기 제2촉매유닛은,
    중앙에 형성되는 가스유출입구와, 상기 가스유출입구와 연통되는 제1격벽을 갖는 외측촉매판; 및
    상기 외측촉매판의 내측에 배치되되, 상기 제1격벽과 이격하여 대향되는 제2격벽을 갖는 내측촉매판;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매반응장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1격벽과 상기 제2격벽이 교호로 대향되는 것을 특징으로 하는 촉매반응장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제1격벽과 상기 제2격벽은 허니컴 구조인 것을 특징으로 하는 촉매반응장치.
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KR20210116074A (ko) 2020-03-17 2021-09-27 이종철 촉매 반응 장치
KR20210150060A (ko) 2020-06-03 2021-12-10 주식회사 국일인토트 촉매 모듈 제조 장치 및 제조 방법 및 이를 이용해 제조된 촉매 모듈
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