KR20170021047A - 대기오염물질 처리시스템 - Google Patents

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Abstract

대기오염물질이 유입되는 입구와 처리된 처리가스가 배출되는 출구를 가지는 스크러버와, 원수를 전기분해하여 생성된 산화제를 스크러버로 공급하도록 연결되는 전해조와, 스크러버의 출구에 연결되어 산화제와 미반응된 대기오염물질을 수소와 촉매상에서 반응시켜 제거하기 위한 촉매를 가지는 촉매 처리부 및, 촉매 처리부로 공급되는 수소가스는 전해조에서 원수를 전기분해시 생성되는 부생가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 대기오염물질 처리시스템이 개시된다.

Description

대기오염물질 처리시스템{A SYSTEM FOR TREATMENT AIR POLLUTANT}
본 발명은 내연기관, 각종 환경설비로부터 배출되는 대기오염물을 처리하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 대기오염물질을 습식처리함에 있어서 산화제 생성시 발생하는 부생 수소를 환원제로 재사용하여 처리하는 대기오염물 처리시스템에 관한 것이다.
일반적인 습식 스크러버는 입자상 오염물질(PM)과 황산화물(SOx), VOCs 등을 흡수 제거하는 목적으로 사용된다.
또한, 각종 고정 오염원 및 이동 오염원으로부터 배출되는 NOx를 제거하기 위해서는 암모니아를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원(SCR) 기술이 적용되고 있으며, 그 외 염수의 전기분해를 통해 생성된 산화제를 분사하여 NOx를 제거하는 습식 스크러버와 배가스 일부를 연소실로 주입하는 배가스 재순환(EGR) 기술 등도 사용되고 있다.
한편, 기존 SCR은 200℃ 이상 온도에서 운전해야 하고, 황 성분에 대한 촉매 피독으로 인한 성능 저하 등의 한계를 가지고 있다. 또한, 요소수, 암모니아, 탄환수소 등 환원제를 별도 보관해서 사용해야 하는 문제점이 있다.
또한, 현장에서 산화제를 만들어 사용하는 습식스크러버의 경우에 운전 비용 절감 차원에서 소모 전력을 낮추면서 NOx 제거효율을 유지시킬 수 있어야 한다.
최근에는 상대적으로 낮은 온도에서 NOx를 처리할 수 있는 장점 때문에 수소 가스를 환원제로 사용하는 SCR이 연구개발 단계에 있다. 그러나 NOx의 환원제로 사용하는 수소 가스를 공급하기 위한 별도의 생산장치 및 저장장치가 요구되며, 수소가스의 특성상 폭발 위험이 있음은 물론, 저장용량의 한계와 사용량의 한계가 있다. 이를 위해 현장에서 생산하여 사용하기 위해 전해질을 이용한 물의 전기분해 방법이 있으나, 환원제 생산만을 위해 적용하기에는 에너지 비용이 너무 큰 단점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-7013450호에서는 수소(H2)를 환원제로 사용하는 SCR 기술이 개시되어 있으나, 이러한 기술의 경우 20ppm의 이산화황(SO2) 만으로도 촉매 활성이 급감하는 문제점이 있음을 밝히고 있어 대기오염물질을 처리하는데 한계가 있음을 알 수 있다.
대한민국 특허출원 제10-2008-7013450호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 창안된 것으로서, 별도의 수소가스 생산 설비나 공급설비를 생략한 상태로 염수를 이용해 산화제를 만들고, 여기서 나오는 부생 수소와 NOx의 촉매반응을 통해 대기오염물질들을 효과적으로 처리할 수 있도록 개선된 대기오염물질 처리시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대기오염물질 처리시스템은, 대기오염물질이 유입되는 입구와 처리된 처리가스가 배출되는 출구를 가지는 스크러버; 원수를 전기분해하여 생성된 산화제를 상기 스크러버로 공급하도록 연결되는 전해조; 상기 스크러버의 출구에 연결되어 상기 산화제와 미반응된 대기오염물질을 전해조 부생 수소와 촉매 상에서 반응시켜 제거하기 위한 촉매를 가지는 촉매 처리부; 및 상기 촉매 처리부로 공급되는 수소가스는 상기 전해조에서 원수를 전기분해시 생성되어 대기오염물질과 함께 공급되는 부생가스를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전해조에서 전기분해되는 원수는 염수 또는 해수를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전해조에서 전기분해되는 원수는 담수 또는 청수를 포함하며, 상기 전해조로 전해질을 첨가하기 위한 전해질 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 촉매 처리부에 연결되어 전해조 부생가스 외에 추가의 수소가스를 공급하기 위한 수소가스 공급부를 더 포함할 수 있다..
또한, 상기 촉매는, 백금, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 이리듐으로 이루어진 백금족 원소 중 적어도 하나를 포함하여 이루어진 주촉매; 및 란타늄, 세륨을 포함하는 희토류 금속류로 이루어진 부촉매;를 포함하는 것이 좋다.
또한, 상기 촉매의 지지체는 코디어라이트, 지르코니아, 알루미나, 실리카, 타이타니아로 이루어진 세라믹군, 및 금속 산화물 또는 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌으로 이루어진 고분자 탄화수소계열 군, 철/크롬/알루미늄 등으로 이루어진 합금 군 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 것이 좋다.
본 발명의 실시예에 따른 대기오염물질 처리시스템에 따르면, 스크러버와 촉매 처리부를 직렬로 연결하고, 스크러버를 통해 전해조에서 생성된 산화제와 부생가스인 수소가스를 공급하여 줌으로써, 스크러버에서는 질소산화물(NOx), 휘발성 유기화합물(VOCs), 황산화물(SOx), 입자상 오염물질(PM) 등을 흡수 세정하여 처리할 수 있으며, 촉매 처리부에는 수소가스를 이용하여 미반응 대기오염물질(NO, NO2)을 추가로 제거할 수 있다.
따라서, 현장에서 원수를 전기분해하여 산화제를 공급함은 물론, 촉매 반응을 위한 수소가스를 공급하기 위해 별도의 공급시설을 생략하고 전해조에서 생성되는 수소가스를 이용하면 되므로, 설비 비용을 줄일 수 있다. 또한, 비용을 효과적으로 줄일 수 있고, 설비의 소형화 및 경량화가 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 대기오염물질 처리시스템을 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 대기오염물질 처리시스템을 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 대기오염물질 처리시스템을 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 4 및 도 5 각각은 본 발명의 제1실시예에 따른 대기오염물질 처리시스템을 이용하여 대기오염물질을 처리한 실험결과를 나타내 보인 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 대기오염물질 처리시스템을 자세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 대기오염물질 처리시스템(100)은, 오염원(110)으로부터 이송되는 대기오염물질을 1차로 처리하는 스크러버(120)와, 촉매 처리부(130)와, 배출부(140), 전해조(150), 가스 분석부(160) 및 전해질 공급부(170)를 구비한다.
상기 오염원(110)은 내연기관, 소각로, 각종 환경설비 등에 해당되는 것으로서, 질소산화물(NOx), 휘발성 유기화합물(VOCs), 황산화물(SOx), 입자상 오염물질(PM) 등이 배출되며, 스크러버(120)의 입구에 연결된다.
상기 스크러버(120)는 오염원(110)에 연결되어 오염원(110)으로부터 배출되는 각종 대기오염물질 중에서 질소산화물, 황산화물 등을 습식 세정하여 제거한다. 즉, 스크러버(120)는 대기오염물질 중에서 수용성 대기오염물(질소산화물, 황산화물 등)의 흡수와, 일산화질소(NO)의 산화반응을 유도한다. 이때 스크러버(120)로 공급되어 대기오염물질의 산화제로 사용되는 세정액은 상기 전해조(150)에서 전기분해에 의해 생성된 염소계 산화제가 사용된다. 이를 위해 스크러버(120)에는 염소계 세정액을 공급받기 위해서 전해조(150)가 연결된다.
여기서, 상기 전해조(150)는 염수 또는 해수를 전기분해하여 염기성 산화제를 생산하여 스크러버(120)로 제공하며, 또한 전기분해시 생성되는 부생가스도 스크러버(120)로 제공된다. 따라서 부생가스인 수소가스는 스크러버(120)를 경유하여 촉매 처리부(130)로 전달될 수 있다.
또한, 상기 전해조(150)에서는 청수 또는 담수가 원수로 공급되고, 전해질 공급부(170)에서 전해조(150)로 전해질을 공급함으로써, 전해조(150)에서는 염기성 산화제를 전기분해에 의해 생성할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 촉매 처리부(130)는 스크러버(120)의 배출측에 연결되어, 상기 스크러버(120)를 통과하는 처리가스 중에서 미반응 대기오염물 즉, NO, NO2 등을 전해조(150)에서 생성된 부생가스인 수소가스(H2)와 반응시켜서 무해한 이산화질소(N2)로 환원시킨다. 또한, 잉여 수소가스는 촉매 처리부(130)를 통과하면서 H2O로 산화됨으로써 안전한 상태로 배출될 수 있게 된다.
여기서, 상기 스크러버(120) 내에서의 대기오염물 처리 반응식은 다음의 반응식 1 내지 3을 통해 알 수 있으며, 촉매 처리부(130)에서의 대기오염물 및 잉여 수소가스 처리 반응식은 반응식 4 내지 6을 통해 이해할 수 있다.
[반응식1]
4NO2 + 2H2O + O2 ----> 4HNO3
[반응식2]
2SO2 + 2H2O + O2 ----> 2H2SO4
[반응식3]
NO + NaOCl ----> NO2 + NaCl
[반응식4]
2NO + 4H2 + O2 ----> N2 + 4H2O
[반응식5]
2NO2 + 4H2 ----> N2 + 4H2O
[반응식6]
2H2 + O2 ----> 2H2O
또한, 상기 촉매 처리부(130)에서 사용되는 촉매는 백금, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 이리듐으로 이루어진 백금족 원소 중 적어도 하나를 포함하여 이루어진 주촉매와, 란타늄, 세륨을 포함하는 희토류 금속류로 이루어진 부촉매로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 촉매의 지지체는 코디어라이트, 지르코니아, 알루미나, 실리카, 타이타니아로 이루어진 세라믹군, 및 금속 산화물 또는 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌으로 이루어진 고분자 탄화수소계열 군, 철/크롬/알루미늄 등으로 이루어진 합금 군 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 것이 바람직하다. 이러한 지지체를 사용함으로써, 수분 분위기 내에서 소수성 성질을 가지게 되어 수분에 취약한 촉매성분의 기능저하를 방지할 수 있게 되어 대기오염물질을 효과적으로 처리할 수 있다.
그리고 촉매 처리부(130)를 통해 배출구(140)로 배출되는 처리가스의 일부를 포집하여 처리가스를 분석하는 가스 분석부(160)가 설치되어, 처리가스 내의 가스성분을 검출하고, 대기오염물질의 유무 및 농도 등을 측정한다. 가스 분석부(160)에서의 분석결과는 전해조(150)로 전달되어 전해조(150)에서의 전기분해량을 조절하여 대기오염물질을 충분히 처리할 수 있을 정도의 산화제와 부생가스인 수소가스를 생성하여 공급하도록 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명의 실시예에 따른 대기오염물질 처리시스템(100)에 의하면, 습식 스크러버(120)와 촉매 처리부(130)를 직렬로 연결하여 유입되는 대기오염물질을 차례로 처리할 수 있다. 특히, 스크러버(120)로 제공되는 산화제를 전해조(150)에서 원수를 전기분해하여 제공하여 현장에서 처리 가능하므로, 비용이 절감됨은 물론, 전기분해시 발생되는 부생가스인 수소가스를 이용하여 촉매 처리부(130)에서의 대기오염물질 처리용으로 사용할 수 있으므로, 처리 대상가스인 수소가스를 제거하기 위한 별도의 추가설비가 불필요하게 되며, 촉매 처리부(130)로 수소가스를 제공하기 위한 별도의 저장설비나 공급설비를 생략할 수 있어 비용을 절감할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 대기오염물질 처리시스템(100)을 이용하여 대기오염물질 중 NO의 제거율을 백금 촉매의 유무에 따라 비교한 실험예를 설명하기로 한다.
구체적인 실험조건은 아래의 표 1과 같다.
항목 단위 조건
피처리 가스(NO) mL/m3 800(N2 bal.)
가스 체류시간 sec 0.85 ~ 4.24
전해조 인가전류 A 20
세정액 전해질 3% NaCl
세정액 유량 mL/min 250
촉매 Pt
상기 표 1과 같은 실험 조건에서 대기오염물질 처리시스템(100)을 구동시켜본 결과, 도 4 및 도 5에 도시된 실험데이터를 얻을 수 있었다. 즉, 일정한 전류와 세정액 유량을 유지한 상태에서 가스의 유량 증가에 따라(가스 체류시간에 반비례) NO 제거율은 감소하는 경향을 보였으며, 약 38% ~ 81%의 제거율을 확인할 수 있었다.
반면에 스크러버를 통과한 가스를 Pt촉매를 통과시킨 결과 NO 제거율은 촉매를 사용하지 않는 상태일 때보다 9~16% 상승하는 것을 확인할 수 있었으며, 이와 동시에 최종 출구측의 수소가스(H2) 농도 역시 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 대기오염물질 처리시스템(100')을 나타내 보인 개략적인 도면으로서, 촉매 처리부(130)로 수소가스를 보충하여 공급하기 위한 별도의 수소 공급부(180)를 더 구비하는 점에 특징이 있다. 이 경우, 가스 분석부(160)에서의 분석값은 수소 공급부(180)로 제공되고, 수소 공급부(180)는 배출가스에 포함된 NO, NO2의 농도를 측정하여 미처리된 양에 따라서 촉매 처리부(130)로 공급되는 수소 가스의 공급량을 제어할 수 있다. 수소 공급부(180)는 별도의 준비되는 수소 탱크를 포함할 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 대기오염물질 처리시스템(100")의 경우에는, 촉매 처리부(130)로 공급되는 수소가스를 생산하기 위해서 별도의 개질기(191)를 설치하고, 탄화수소 공급부(193)로부터 LNG 등을 공급받아 수소가스로 개질한 뒤 공급할 수 있도록 구성될 수 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
100,100',100"..대기오염물질 처리시스템 110..오염원
120..스크러버 130..촉매 처리부
140..배출부 150..전해조
160..가스 분석부 170..전해질
180..수소가스 공급부 191..개질기
193..탄화수소 공급부

Claims (8)

  1. 대기오염물질이 유입되는 입구와 처리된 처리가스가 배출되는 출구를 가지는 스크러버;
    원수를 전기분해하여 생성된 산화제를 상기 스크러버로 공급하도록 연결되는 전해조;
    상기 스크러버의 출구에 연결되어 상기 산화제와 미반응된 대기오염물질을 수소와 촉매상에서 반응시켜 제거하기 위한 촉매를 가지는 촉매 처리부; 및
    상기 촉매 처리부로 공급되는 수소가스는 상기 전해조에서 원수를 전기분해시 생성되는 부생가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 대기오염물질 처리시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해조에서 전기분해되는 원수는 염수 또는 해수를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기오염물질 처리시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전해조에서 전기분해되는 원수는 담수 또는 청수를 포함하며,
    상기 전해조로 전해질을 첨가하기 위한 전해질 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대기오염물질 처리시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매 처리부에 연결되어 수소가스를 공급하기 위한 수소가스 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대기오염물질 처리시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수소가스 공급부는 수소가스를 저장하는 수소가스 저장탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기오염물질 처리시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 수소가스 공급부는 상기 촉매처리부에 연결되며, 유입된 탄화수소를 개질하여 수소가스로 개질하는 개질기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대기오염물질 처리시스템.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매는,
    백금, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 이리듐으로 이루어진 백금족 원소 중 적어도 하나를 포함하여 이루어진 주촉매; 및
    란타늄, 세륨을 포함하는 희토류 금속류로 이루어진 부촉매;를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기오염물질 처리시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 촉매의 지지체는 코디어라이트, 지르코니아, 알루미나, 실리카, 타이타니아로 이루어진 세라믹군, 및 금속 산화물 또는 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌으로 이루어진 고분자 탄화수소계열 군, 철/크롬/알루미늄 등으로 이루어진 합금 군 중에서 선택된 적어도 하나로 이우러진 것을 특징으로 하는 대기오염물질 처리시스템.
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