KR20170039710A

KR20170039710A - 촉매 모듈 및 이의 적용

Info

Publication number: KR20170039710A
Application number: KR1020177005843A
Authority: KR
Inventors: 크리스 디프란체스코; 스콧 프리처드; 에릭 베이커 하월; 제레미 토마스 프리맨
Original assignee: 코르메텍, 인코포레이티드
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2017-04-11
Also published as: JP7235700B2; EP3174619B1; JP2020189290A; KR102468548B1; JP6803829B2; US20190201843A1; EP3174619A1; US10226737B2; WO2016019050A1; DK3174619T3; CN107438480A; US20170266617A1; CN107438480B; JP2017529227A

Abstract

일부 양태에서 유동 스트림 압력 강하에 관련된 비효율 및/또는 문제를 경감시키는 촉매 모듈 및 촉매 반응기가 하나의 국면에서 제공된다. 촉매 모듈은 주름진 형태로 배열된 구조 촉매체들의 층을 포함하고, 상기 구조 촉매체는 주름 유입면 및 주름 유출면을 형성하고, 상기 구조 촉매체의 내부 파티션 벽에 의해 한정되는 유액 유동 채널들이 상기 주름 유입면부터 상기 주름 유출면까지 연장된다. 상기 주름 유입면은 상기 촉매 모듈의 유입면과 각도(δ)를 형성한다.

Description

촉매 모듈 및 이의 적용{CATALYST MODULES AND APPLICATIONS THEREOF}

관련된 출원 데이터

본 특허출원은 35 U.S.C.§119(e)에 따라 2014년 7원 29일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/030,427호에 대하여 우선권을 주장하고, 상기 가특허출원의 전문은 본원에 인용되어 포함된다.

기술분야

본 발명은, 촉매 모듈, 및 특히, 주름진 배열의 구조 촉매체를 사용하는 촉매 모듈에 관한 것이다.

탈질화 또는 선택적 촉매 환원(SCR) 기술은 일반적으로, 촉매 반응기를 통과하는 때의 질소 산화물을 제거하기 위한 연소-유도된 연도 가스에 적용된다. 탈질화는, 이원자 질소(N₂) 및 물의 생성을 야기하는, 기체 상태의 질소 산화물 종, 예를 들어 일산화 질소(NO) 또는 이산화 질소(NO₂)와, 질소 함유 환원제, 예를 들어 암모니아 또는 우레아의 반응을 포함한다. 게다가, 다양한 흡수제 또는 포획 기술이 사용되어 촉매적으로 분해되지 않는 연도 가스의 다른 화학 종을 제거한다.

용어, 촉매 반응기는 일반적으로, 촉매를 포함하는 용기를 언급하기 위해 사용된다. 촉매 반응기는 일반적으로, 배기 가스 스트림과 촉매 구조물의 촉매 활성 화합물을 접촉시킬 수 있는 배기 가스 유동로를 포함하는 촉매 구조물을 포함한다. 모듈형 촉매 반응기의 촉매 구조물은 일반적으로 다수의 모듈화된 섹션으로 구성된다. 각각의 모듈화된 섹션은, 촉매체를 통과하는 배기 스트림의 적절한 유동 분포에 대하여 필요한 경우, 촉매체들 사이의 씰링(sealing) 또는 패킹 물질이 사용되는 자리에 일부 촉매체를 고정시키는 금속 지지 골조(framework)를 포함한다. 촉매체는, 촉매 조성물을 함유하고, 촉매체를 통한 배기 가스 유동을 위한 유동 채널 또는 통로를 기술하는 물리적 구조를 나타낸다.

다수의 경우에서, 촉매 반응기의 모듈화된 섹션을 통하여 유동하는 배기 가스 스트림은 압력 강하를 경험한다. 압력 강하는 구조, 마찰력 및 배기 가스 스트림의 유동을 방해하거나 상기 유동에 저항하는 다른 요소들로부터 야기될 수 있다. 압력 강하는 다양한 비효율을 야기할 수 있고, 산업상의 적용, 예를 들어 전력 생성 동안의 기생 전력 손실을 유발할 수 있다.

일부 양태에서 유액 스트림 압력 강하에 관련된 비효율성 및/또는 문제를 경감시키는 촉매 모듈 및 촉매 반응기가 하나의 국면에서 제공된다. 예를 들어, 본원 명세서에서 개시된 촉매 모듈 및/또는 촉매 반응기는, 환원, 또는 질소 산화물의 선택적 환원 및/또는 다른 촉매 반응에서의 촉매 성능의 감소 또는 실질적인 감소 없이도 압력 강하의 감소를 제공할 수 있다. 촉매 모듈은 주름진 형태로 배열된 구조 촉매체들의 층을 포함하고, 상기 구조 촉매체는 주름 유입면 및 주름 유출면을 형성하고, 상기 구조 촉매체의 내부 파티션 벽에 의해 한정되는 유액 유동 채널들이 상기 주름 유입면부터 상기 주름 유출면까지 연장된다. 상기 주름 유입면은 상기 촉매 모듈의 유입면과 각도(δ)를 형성한다. 일부 양태에서, 상기 각도(δ)는 약 5°내지 약 85°범위이다.

또한, 본원 명세서에 개시된 촉매 반응기는 주름진 형태로 배열된 구조 촉매체들의 층을 포함하는 모듈을 하나 이상 포함한다. 상기 구초 촉매체는 주름 유입면 및 주름 유출면을 형성하고, 상기 구조 촉매체의 내부 파티션 벽에 의해 한정되는 유액 유동 채널들이 상기 주름 유입면부터 상기 주름 유출면까지 연장된다. 상기 주름 유입면은 상기 촉매 모듈의 유입면과 각도(δ)를 형성한다. 일부 양태에서, 상기 각도(δ)는 약 5°내지 약 85°범위이다.

이들 및 다른 양태들은 다음의 상세한 설명에서 추가로 상세히 개시된다.

도 1은, 본원 명세서에 개시된 일 양태에 따른 모듈의 구조 촉매체의 주름진 배열을 도시한다.
도 2는, 모듈 내 구조 촉매체의 선행 기술의 배열을 도시한다.
도 3은, 본원 명세서에 개시된 일 양태에 따른 허니컴(honeycomb) 유사 구조 촉매체를 도시한다.
도 4는, 본원 명세서에 개시된 일 양태에 따른 파형(corrugated) 구조 촉매체의 일부의 단면을 도시한다.
도 5는, 본원 명세서에 개시된 일 양태에 따른 모듈의 구조 촉매체의 주름진 배열의 사시도를 도시한다.

본원 명세서에 개시된 양태들은 다음의 상세한 설명 및 실시예 및 이들의 상기 및 하기 설명을 참조하여 보다 손쉽게 이해될 것이다. 하지만, 본원 명세서에 개시된 요소 및 장치는 상세한 설명에 제공되는 특정 양태들도 제한되지 않을 것이다. 이러한 양태들은 본원 발명의 원리의 예시일 뿐인 것으로 인식되어야 한다. 본 발명의 정신 및 범위에서 벗어나지 않는 다수의 변형 및 각색이, 당해 기술 분야의 숙련가에게 손쉽게 자명할 것이다.

I. 촉매 모듈

본원 명세서에 개시된 촉매 모듈은 주름진 형태로 배열된 구조 촉매체들의 층을 포함하고, 상기 구조 촉매체는 주름 유입면 및 주름 유출면을 형성하고, 상기 구조 촉매체의 내부 파티션 벽에 의해 한정되는 유액 유동 채널들이 상기 주름 유입면부터 상기 주름 유출면까지 연장된다. 상기 주름 유입면은 상기 촉매 모듈의 유입면과 각도(δ)를 형성한다. δ는 본 발명의 목적에 모순되지 않는 임의의 값을 갖기 위해 선택될 수 있다. 일부 양태에서, δ는 표 I에 나타낸 값들로부터 선택된다.

[표 I]

도 1을 참조로 하여, 주름진 촉매층으로 형성된 구조 촉매체의 2개의 주름 섹션이 도시된다. 구조 촉매체가 배열되어 본 발명의 목적에 모순되지 않는 임의의 수의 주름을 제공할 수 있다. 주름진 형태의 형성에서, 구조 촉매체(12)는 모듈(10)의 유입면(14)과 각도(δ)를 형성하는 주름 유입면(13)을 제공한다. 구조 촉매체(12)에 의해 형성된 개별 주름 유입면(13)은 폭 s를 갖고, 촉매층(11)을 통한 유액 통과에 대한 모듈 개방 면적(module open area: moa)을 제공한다. 도 1에서의 화살표들(16)은 촉매체(12)에 의해 형성된 주름 유입면(13)을 통한 유액 유동을 도시한다. 주름 유입면(13)이 촉매 모듈(10)의 유입면(14)으로부터 각도(δ)로 배열되는 바와 같이, 유액 스트림(16)은 구조 촉매체(12)를 통과하기 위해 모듈 유입 방향(17)으로부터 전환되어야만 한다. 본원 명세서에 개시된 바와 같이, 유액은 주름 유입면(13)부터 주름 유출면(15)까지 연장되는 내부 파티션 벽에 의해 한정되는 유동 채널들을 통하여 구조 촉매체(12)를 통과한다. 일부 양태에서, 주름 유입면(13) 및 유출면(15)을 형성하는 구조 촉매체들(12)은 세멘트 또는 접착제에 의해 서로 접합되어 일체식 허니컴 구조물을 형성한다. 다르게는, 주름 유입면(13) 및 유출면(15)을 형성하는 구조 촉매체들(12)은 패킹 물질에 의해 서로 분리된다. 도 5는 본원 명세서에 개시된 일 양태에 따른 모듈의 구조 촉매체의 주름진 배열의 사시도를 도시한다. 도 5에 도시되는 바와 같이, 주름 유입면(13) 및 유출면(15)은 개별 허니컴 구조 촉매체(12)를 형성한다.

촉매 모듈(10)은 본 발명의 목적에 모순되지 않는 임의의 %의 개방 면적을 가질 수 있다. 예를 들어 일부 양태에서, 촉매 모듈(10)은 표 II로부터 선택되는 %의 개방 면적을 갖는다.

[표 II]

도 1을 참조하면, 촉매 모듈의 개방 면적 %는

로 정의된다.

또한, 구조 촉매체(12)의 말단은, 유입면(13)과 유출면(15)에서 연장되는 깊이 d를 갖는다. 깊이 d는, 유액의 통로가 폐쇄되는 모듈 폐쇄 면적(module blocked area: mba)을 정의한다. mba 지역으로 들어가는 유액은 주름 유입면(13)으로 재지향되고(redirected), 구조 촉매체(12)를 통하여 유동한다. 구조 촉매체(12)의 주름진 배열은 깊이 D, 및 주름 폭 P도 갖고, 상기 모듈의 전체 폭은 W이다.

상기 언급한 지정된 파라메터들에 대해, 일부 양태에서 촉매 모듈은 다음 조건식(1)을 만족한다:

상기 조건식에서,

도 1에 제공된 바와 같이, W는 모듈 폭이며, n은 주름의 수이며, s는 주름 유입면의 폭이다. 일부 양태에서,

는 표 III으로부터 선택되는 값을 갖는다.

[표 III]

일반적으로, 촉매체 압력 강하(ΔP_c)는

와 정비례를 나타낸다. 하지만, 주름진 배열로부터 야기된 2차 압력 손실(ΔP_m)이 촉매 모듈의 최종 설계에 고려돼야만 한다. 2차 압력 손실은 우선, 관에서의 자유 스트림부터 모듈의 개방 면적까지의 유동 면적의 수축 및 모듈로부터 상기 관의 자유 스트림으로 되돌아가는 유동 면적의 확장으로부터 야기될 수 있다. 추가적인 2차 손실은, 촉매체 표면 유입 평면으로 유입되고 촉매체 출구로 유출되는 유액 스트림의 요구되는 전환에 관한 것일 수 있다. 2차 압력 손실은 δ, n 및 s를 포함하는 적합한 주름 기하학을 선택함으로써 관리할 수 있다. 모듈 깊이 D_m이 고려돼야만 하며, 제공된 유액 스트림 처리 적용에 대하여 실질적인 한도 내여야 한다.

또한, 촉매 모듈은 0.001 내지 0.5 범위의 d/s 비율을 나타낼 수 있다. 일부 양태에서, d/s 비율은 0.003 내지 0.3 범위이다. 상기 언급한 조건들 중 하나 이상을 만족함으로써, 구조 촉매체의 주름진 배열을 갖는 촉매층이, 촉매 성능을 희생시키지 않고/희생시키지 않거나 촉매 성능을 유지하기 위해 모듈에 대한 상당한 구조 개질을 요구하지 않고, 모듈을 통한 압력 강하를 감소시킬 수 있음이 확인되었다.

주름인 배열의 구조 촉매체가 통상적인 배열의 모듈 내 촉매체와 뚜렷하게 대조된다. 도 2는 통상적인 배열의 모듈(20) 내 구조 촉매체(24)를 도시한다. 도 2는 선행 촉매 모듈(20)의 유입측의 평면도를 도시한다. 촉매 모듈(20)은, 그 내부에 배치된 구조 촉매체(24)를 지지하기 위한 개방 금속 골조(22)를 포함한다. 구조 촉매체(24)는, 가스 유동 방향에 대하여 일반적인, 상기 촉매체의 유입면과 나란히 배열된다. 가스 유동 방향에 대하여 일반적으로, 촉매체(24)의 유입면은 모듈(20) 유입면과 평행하여, 모듈과 촉매체 유입면 사이에 0°의 각도를 야기한다. 도 2에 제공되는 촉매 모듈(20)은, 골조(22)의 개방성을 도시하기 위해 부분적으로만 촉매체(24)로 채워져있다. 패킹 물질이 촉매체들(24) 사이에 제공되어 촉매체(24)의 우회로부터의 유액 스트림 유동을 방지한다. 도 2에 도시된 모듈의 효과적인 촉매 단면적은 모듈 골조(22)의 단면적을 초과하지 않는다.

본원 명세서에 개시된 주름진 층에 사용하기 위한 구조 촉매체는, 유액 스트림 유입면, 유액 스트림 유출면 및 상기 유입면에서 상기 유출면까지 연장되는 내부 파티션 벽에 의해 한정되는 유동 채널을 포함한다. 구조 촉매체는 다양한 유동 채널 구조를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 구조 촉매체는 외부 주변벽 및 상기 외부 주변벽 내에 배열된 다수의 내부 파티션 벽을 포함하는 허니컴 설계를 가질 수 있다. 도 3은, 본원 명세서에 개시된 일 양태에 따른 허니컴 유사 구조 촉매체를 도시한다. 도 3의 구조 촉매체(30)는 외부 주변벽(31) 및 다수의 내부 파티션 벽(32)을 포함한다. 내부 파티션 벽(32)은 다수의 유동 채널 또는 허니컴 유사 구조 촉매체(30)를 세로로 통과하여 연장된 셀(33)을 한정한다. 내부 파티션 벽(32), 및 외부 주변벽(31)을 포함하는 이들의 접합은 인접한 유동 채널들(33)의 경계의 역할을 한다. 도 3에 도시된 허니컴 유사 구조 촉매체의 유동 채널(33)의 단면 프로파일이 정사각형인 것과 같이, 내부 파티션 벽(32)은 동일하거나, 대체로 동일한 폭을 갖는다.

유동 채널의 단면 프로파일은 명목상으로 다각형, 예를 들어 삼각형, 정사각형, 직사각형 또는 육각형일 수도 있다. 일부 양태에서, 유동 채널의 단면 프로파일은 원 또는 타원 또는 다각형과 곡선형의 조합, 예를 들어 환형 부채꼴일 수 있다. 게다가, 촉매체의 외부 주변벽의 외부 주변의 단면 프로파일은, 정사각형, 직사각형, 원형, 타원형, 원형 부채꼴, 예를 들어 파이 조각 또는 사분면일 수 있거나, 임의의 기하학적 형태 또는 제공되는 적용에 대하여 편리한 형태일 수 있다.

또한, 파형 구조 촉매체는 본원 명세서에 개시된 주름진 배열에 사용될 수 있다. 도 4는 본원 명세서에 개시된 일 양태에 따른 파형 구조 촉매체 일부의 단면을 도시한다. 구조 촉매체(40)의 유동 채널(41)이, 내부 파티션 벽(42, 43)으로 한정된다. 내부 파티션 벽(42, 43) 및 이들의 접합 또는 이들끼리의 교차는 인접한 유동 채널(41)에 대하여 경계의 역할을 한다. 도 4에 도시되는 바와 같이, 파형 촉매체(40)는 A와 C 사이의 거리로 정의되는 폭을 갖는 평평한 내부 파티션 벽(43)을 포함한다. 파형 촉매체는 A와 B 사이의 거리로 정의되는 폭을 갖는 곡선형 내부 파티션 벽(42)도 갖는다. 게다가, 지점 A, B, 및 C에서의 내부 파티션 벽(42, 43)들끼리의 교차는, 예를 들어 중심축 구조(46)를 제공한다.

본원 명세서에서 개시되는 주름진 형태로 배열되는 구조 촉매체는 임의의 목적하는 셀 밀도 또는 유동 채널 밀도를 가질 수 있다. 구조 촉매체는, 예를 들어 50 내지 900cpsi(cells per square inch) 범위의 셀 밀도를 가질 수 있다. 또한, 구조 촉매체는 임의의 목적하는 조성으로 형성될 수 있다. 구조 촉매체의 조성은 관심 촉매 반응(들), 촉매 표면적 및 구조 촉매체의 크기 요건을 포함하는 다수의 요소에 따라 선택될 수 있다. 구조 촉매체는 단일 기능성 또는 다중 기능성 촉매 활성을 나타낼 수 있다.

일부 양태에서, 구조 촉매체는 질소 산화물의 선택적 촉매 환원에 적합하다. 이러한 양태에서, 촉매체는 50 내지 99.9중량%의 무기 산화 조성물 및 0.1중량% 이상의 촉매적으로 활성인 금속 작용 그룹을 포함하는 화학적 조성물로 형성될 수 있다. 무기 산화 조성물은 티타니아(TiO₂), 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아(ZrO₂), 및/또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 게다가 일부 양태에서, 촉매적으로 활성인 금속 작용 그룹은, 금, 백금, 이리듐, 팔라듐 오스뮴, 로듐, 레늄, 루테늄, 오산화 바나듐(V₂O₅), 산화 텅스텐(WO₃), 산화 몰리브덴(MoO₃) 또는 다른 귀금속 또는 이들의 혼합물을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 추가적인 양태에서, 화학적 조성물은 30중량% 이하의 다른 산화물, 예를 들어 이산화 규소(SiO₂), 강화제, 예를 들어 유리 섬유 및/또는 압출 조제를 포함할 수 있다. 또한, 화학적 조성물은 상당히 균일할 수 있다.

일부 양태에서, 본원 명세서에 개시된 모듈에 사용하기 위한 구조 촉매체는 미국 특허 제7,776,786호, 제7,807,110호, 제7,833,932호 및 제7,390,471호에 개시된 구조들 중 어느 하나를 가지며, 상기 특허 각각의 전문은 본원에 인용되어 포함된다. 또한, 구조 촉매체는 미국 특허 출원 공보 제2012/0087835호에 개시된 구조를 가질 수 있으며, 상기 특허 출원 공보의 전문은 본원에 인용되어 포함된다.

일부 양태에서, 촉매 모듈, 주름진 촉매층 및 관련된 구조 촉매체는, 대형 고정 연소원, 예를 들어 발전 플랜트로부터 생성되는 질소 산화물의 선택적 촉매 환원을 포함하는 산업적 유액 처리 적용에 사용하기에 적합한 설계 및 치수를 갖는다. 본원 명세서에 개시된 촉매 모듈은 HRSG 또는 가스 터빈 배기 가스 처리 시스템에서의 적용에서 확인할 수 있다.

II. 촉매 반응기

또 다른 양태에서, 촉매 반응기가 제공된다. 본원 명세서에 개시된 촉매 반응기는 주름진 형태로 배열된 구조 촉매체들의 층을 포함하는 모듈을 하나 이상 포함한다. 구조 촉매체는 주름 유입면 및 주름 유출면을 형성하며, 상기 구조 촉매체의 내부 파티션 벽에 의해 한정되는 유액 유동 채널들이 상기 주름 유입면부터 상기 주름 유출면까지 연장된다. 상기 주름 유입면은 상기 촉매 모듈의 유입면과 각도(δ)를 형성한다. 일부 양태에서, 촉매 반응기는 주름진 형태로 배열된 구조 촉매체들의 층을 포함하는 모듈을 다수 포함한다. 주름진 형태 및 관련된 구조 촉매체는 상기 본원 명세서의 섹션 I에 나타낸 임의의 성질들, 구조 및/또는 설계를 가질 수 있다. 일부 양태에서, 촉매 반응기의 모듈은 상이한 주름 형태의 촉매층을 사용한다. 주름진 형태의 촉매 구조체는, 예를 들어 촉매 반응기 내의 모듈의 장소 또는 위치에 대하여 특정한 유액 스트림 유동 조건에 맞출 수 있다.

일부 양태에서, 주름진 형태로 배열된 구조 촉매체들의 층을 포함하는 모듈을 사용하는 촉매 반응기는, 다음 관계식(2)을 만족한다:

상기 관계식에서,

x는 0.001 내지 0.1이며, dp는 필드(field)에서 측정된, 촉매 반응기를 통과하는 (H₂O 중에서의) 정압의 차이이며, P는 촉매 전위로서, P = -ln(1-deNO_x)/마진(margin)이며, deNO_x는 상기 촉매 반응기의 NO_x 제거 효율이고, 마진은 불활성화 및 풀-스케일 시스템(full-scale system) 팩터에 적용되는 통상적인 성능 마진(전위의 증가)이다.

SCR 반응기에 대하여, deNO_x는 일반적으로 40 내지 98% 범위이고, 마진은 일반적으로 0.25 내지 0.95의 값으로 지정되며; u_inf는 상기 촉매 반응기의 직접적인 상부 스트림(immediately upstream)의 평균 자유 스트림 속도이다. 평균 자유 스트림 속도는 촉매 반응기의 유입면을 가로지르는 다양한 장소에서 측정함으로써 수득될 수 있다. 일반적으로, 평균 자유 스트림 속도는 0.1 내지 30m/초 범위이다.

일부 양태에서, x<0.01이다. 상기 언급한 관계식의 만족은, 높은 촉매 전위 및 모듈 깊이의 상당한 증가를 포함하지 않는 높은 촉매 활성을 유지하면서 촉매 반응기가 목적하는 압력 강하값을 성취할 수 있게 한다. 따라서, 본원 명세서에 개시된 구조 촉매체의 주름진 배열은 기존의 모듈 및 촉매 반응기 구조에 적용될 수 있다. 촉매 반응기가 관계식(2)를 만족할 수 있게 하기 위해 다수의 변수들이 다양해질 수 있다. 이러한 변수들은 구조 촉매체의 배열에 의해 형성된 주름의 수, 주름 각도, 모듈 깊이(D_m) 및 모듈 개방 면적(moa)을 포함한다. 게다가, 관계식(2)에 대하여 허용 가능한 x의 범위는, 주름진 형태로 배열된 구조 촉매체의 cpsi에 따라 다양해질 수 있다. 예를 들어, 표 IV는 관계식(2)의 변수들에 대한 값을 제공하며, 그 결과 주름진 형태로 배열된 촉매체의 다수의 cpsi값에 대한 x의 범위를 제공한다.

[표 IV]

표 IV의 cpsi값은, 촉매체 cpsi가 85 미만 또는 900 초과일 수 있는 비제한적 예에도 사용된다.

일부 양태에서, 주름진 형태로 배열된 구조 촉매체들의 층을 포함하는 모듈을 사용하는 촉매 반응기는, 다음 관계식(3)을 만족한다:

상기 관계식에서,

y는 0.72 미만이고, 상기 구조 촉매체는 200cpsi를 초과하고, dp는 필드에서 측정된, 촉매 반응기를 통과하는 (H₂O 중에서의) 정압의 차이이며;

이며, V_dot은 Nm³/시간(0℃로 수정된, 시간당 세제곱 미터) 단위의 연도 가스의 용적 유동 속도이고, V는 ㎥로 나타낸 촉매 반응기의 촉매 용적이고, AP는 단위 용적(㎡/㎥)당 연마된 표면적(whetted surface area)이며; u_inf는 상기 촉매 반응기의 직접적인 상부 스트림의 평균 자유 스트림 속도이다.

일부 양태에서, y는 표 V로부터 선택되는 값을 갖는다.

[표 V]

본원 명세서에 개시된 촉매 반응기는 다양한 유액 스트림 처리 장치에서 사용될 수 있다. 일부 양태에서, 촉매 반응기는 배기 가스 또는 연도 가스 스트림 중의 질소 산화물의 선택적 촉매 환원에서의 적용을 확인한다. 배기 가스 또는 연도 가스 스트림은, 발전 설비 및/또는 제조업 공정에서 탄화수소를 연소시키기 위한 장치를 포함하는 산업적 고정 연소원으로부터 생성될 수 있다. 예를 들어, 배기 가스 또는 연도 가스 스트림은, 250 내지 10,000,000lbs/시간 범위의 유동 속도로 본원 명세서에 개시된 촉매 반응기 및 모듈에 제공된다. 일부 양태에서, 배기 가스 또는 연도 가스 스트림은, 표 VI으로부터 선택되는 유동 속도로 본원 명세서에 개시된 촉매 모듈 및 촉매 반응기에 제공된다.

[표 VI]

또한, 촉매 반응기 및 관련된 모듈 및 주름진 구조 촉매체들의 층은, 중형 디젤(MDD) 및 대형 디젤(HDD) 공급원을 포함하는 이동 공급원에 의해 생성된 배기 가스 스트림의 처리에서의 적용을 확인할 수 있다. 예를 들어, 본원 명세서에 개시된 촉매 반응기 및 모듈은 온로드(on-road), 오프로드, 선박 및 기관차 MDD 및 HDD 공급원의 배기 가스 스트림의 처리에서의 적용을 확인할 수 있다.

본 발명의 다양한 양태들은 본 발명의 다양한 목적의 실현으로 설명된다. 이러한 양태들은 본 발명의 원리의 예시적일 뿐인 것으로 인식되어야 한다. 본 발명의 정신 및 범위에서 벗어나지 않는 본 발명의 다수의 변형 및 각색이, 당해 기술 분야의 숙련가에게 손쉽게 자명할 것이다.

Claims

주름진 형태(pleated format)로 배열된 구조 촉매체(structural catalyst body)들의 층을 포함하는 촉매 모듈(catalyst module)로서,
상기 구조 촉매체는 주름 유입면(pleat inlet face) 및 주름 유출면(pleat outlet face)을 형성하고, 상기 구조 촉매체의 내부 파티션 벽에 의해 한정되는 유액(fluid) 유동 채널들이 상기 주름 유입면부터 상기 주름 유출면까지 연장되고, 상기 주름 유입면이 상기 촉매 모듈의 유입면과 5°내지 85°범위의 각도(δ)를 형성하는, 촉매 모듈.
제1항에 있어서, 상기 구조 촉매체들의 층이 20 내지 99% 범위의 개방 면적을 갖는, 촉매 모듈.
제1항에 있어서, 상기 구조 촉매체들의 층이 50 내지 85% 범위의 개방 면적을 갖는, 촉매 모듈.
제1항에 있어서, 상기 주름진 형태가 n개의 주름을 갖는, 촉매 모듈.
제4항에 있어서, 상기 모듈의 폭이 W이고, 상기 주름 유입면의 폭이 s인, 촉매 모듈.
제5항에 있어서, 상기 모듈이 다음 조건을 만족하는, 촉매 모듈:
제5항에 있어서, 상기 구조 촉매체가 상기 유액 스트림 유입면과 유출면 사이에서 연장되는 깊이(d)를 갖는, 촉매 모듈.
제7항에 있어서, 비율 d/s가 0.001 내지 0.5 범위인, 촉매 모듈.
제7항에 있어서, 비율 d/s가 0.003 내지 0.3 범위인, 촉매 모듈.
제1항에 있어서, δ가 55°내지 87°범위인, 촉매 모듈.
제1항에 있어서, 상기 구조 촉매체가 50 내지 900cpsi(cells per square inch)의 셀 밀도를 갖는, 촉매 모듈.
제1항에 있어서, 상기 구조 촉매체가 허니컴(honeycomb) 촉매체인, 촉매 모듈.
제1항에 있어서, 상기 구조 촉매체가 파형(corrugated) 촉매체인, 촉매 모듈.
제1항에 있어서, 상기 구조 촉매체가 유액 스트림 중 질소 산화물들의 선택적 촉매 환원에 대하여 작동 가능한, 촉매 모듈.
주름진 형태로 배열된 구조 촉매체들의 층을 포함하는 모듈을 하나 이상 포함하는 촉매 반응기로서,
상기 구조 촉매체는 주름 유입면 및 주름 유출면을 형성하고, 상기 구조 촉매체의 내부 파티션 벽에 의해 한정되는 유액 유동 채널들이 상기 주름 유입면부터 상기 주름 유출면까지 연장되고, 상기 주름 유입면이 상기 모듈의 유입면과 5 내지 85°범위의 각도(δ)를 형성하는, 촉매 반응기.
제15항에 있어서, 상기 구조 촉매체들의 층이 50 내지 85% 범위의 개방 면적을 갖는, 촉매 반응기.
제15항에 있어서, 상기 촉매 반응기가 다음 관계식을 만족하는, 촉매 반응기:

상기 관계식에서,
x는 0.001 내지 0.1이며; dp는 필드(field)에서 측정된, 촉매 반응기를 통과하는 (H₂O 중에서의) 정압의 차이이며; P는 촉매 전위로서, P = -ln(1-deNO_x)/마진(margin)이며, deNO_x는 상기 촉매 반응기의 NO_x 제거 효율이고, 마진은 불활성화 및 풀-스케일 시스템(full-scale system) 팩터에 적용되는 통상적인 성능 마진이며; u_inf는 상기 촉매 반응기의 직접적인 상부 스트림(immediately upstream)의 평균 자유 스트림 속도이다.
제17항에 있어서, 상기 deNO_x가 40 내지 98%이고, 상기 마진이 0.25 내지 0.95인, 촉매 반응기.
제17항에 있어서, x가 0.001 내지 0.009 범위인, 촉매 반응기.
제17항에 있어서, x가 0.002 내지 0.06 범위인, 촉매 반응기.
제20항에 있어서, 상기 구조 촉매체가 70cpsi 이상을 갖는, 촉매 반응기.
제20항에 있어서, 상기 구조 촉매체가 75 내지 325cpsi를 갖는, 촉매 반응기:
제15항에 있어서, 상기 촉매 반응기가 다음 관계식을 만족하는, 촉매 반응기:

상기 관계식에서,
y는 0.72 미만이고, 상기 구조 촉매체는 200cpsi를 초과하고, 여기서 dp는 필드에서 측정된, 촉매 반응기를 통과하는 (H₂O 중에서의) 정압의 차이이며;
이며, V_dot은 Nm³/시간 단위의 연도 가스의 용적 유동 속도이며; V는 ㎥로 나타낸 촉매 반응기의 촉매 용적이고, AP는 단위 용적당 연마된 표면적(whetted surface area)이며; u_inf는 상기 촉매 반응기의 직접적인 상부 스트림의 평균 자유 스트림 속도이다.
제23항에 있어서, y는 0.6 미만인, 촉매 반응기.
제15항에 있어서, 상기 모듈이 다음 조건식을 만족하는, 촉매 반응기:

상기 조건식에서,
W는 모듈 폭이고, n은 주름의 수이고, s는 주름 유입면의 폭이다.
제25항에 있어서, 상기 구조 촉매체가 상기 유액 스트림 유입면과 유출면 사이에서 연장되는 깊이(d)를 갖는, 촉매 반응기.
제26항에 있어서, 비율 d/s가 0.005 내지 0.05 범위인, 촉매 반응기.
제15항에 있어서, 상기 촉매 반응기가 유액 스트림 중 질소 산화물들의 선택적 촉매 환원에 대하여 작동 가능한, 촉매 반응기.
제28항에 있어서, 상기 유액 스트림이 고정 연소원(stationary combustion source)에 의해 제공되는, 촉매 반응기.
제29항에 있어서, 상기 고정 연소원이 발전 플랜트인, 촉매 반응기.
제29항에 있어서, 상기 유액 스트림이 250 내지 10,000,000lbs/시간의 유동 속도를 갖는, 촉매 반응기.