KR20170075514A

KR20170075514A - 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템 및 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법

Info

Publication number: KR20170075514A
Application number: KR1020150185271A
Authority: KR
Inventors: 홍용철; 신동훈; 최대현
Original assignee: 한국기초과학지원연구원
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2015-12-23
Publication date: 2017-07-03
Also published as: KR101818824B1

Abstract

본 발명은, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템 및 이를 이용한 탈질 처리 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 플라즈마 합성가스 발생장치를 포함하는 환원제 공급부; 상기 환원제 공급부로부터 제공된 환원제로 NOx를 포함하는 가스를 탈질 처리하는 탈질 처리부; 및 탈질 처리된 가스를 배출하는 가스 배출부; 를 포함하는, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템 및 이를 이용한 탈질 처리 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 질소 산화물에 대한 탈질 효율이 우수하고, 저온에서 탈질 처리가 가능하다.

Description

플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템 및 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법{SYSTEM FOR DENITRIFICATION USING PLASMA AND METHOD FOR DENITRIFICATION U SING PLASMA}

본 발명은, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템 및 플라즈마를 이용한 탈질 처리방법에 관한 것이다.

질소 산화물(NOx)에 대한 배출 규제의 강도가 전세계적으로 높아지고 있고, 국내에서도 다양한 배출원에 대한 배출규제가 제정되어 그 규제가 점점 강화되고 있다.

질소 산화물(NOx)은, NO, NO₂, N₂O₃, N₂O₅ 등과 같은 산화물이며, 이러한 질소 산화물의 생성은, 산소의 분압, 주변 온도 및 연료 중 질소 성분의 함량, 휘발성분의 함량 등에 따라 영향을 받으며, 생성 요인에 따라 열적 질소 산화물(thermal NOx), 프롬프트 질소 산화물(Prompt NOx), 연료 질소 산화물(fuel NOx) 등으로 구분될 수 있다. 상기 열적 질소 산화물(thermal NOx)은, 연소과정에서 공급되는 연소공기의 질소 분자로부터 생성되며, 약 1300 ℃ 정도의 온도에서 생성되고 온도가 증가할 수록 급격하게 생성량이 증가된다. 프롬프트 질소 산화물(Prompt NOx)은, 질소 분자가 초기 연소가 이루어지는 화염의 앞쪽에서 중가생성물(HCN)을 매개체로 하여 탄화수소와 반응하여 질소 산화물로 전환되어 생성되고, 열적 질소 산화물에 비하여 생성량이 극히 소량이다. 연료 질소 산화물(fuel NOx)은, 연료 중에 함유된 질소의 산화에 의해서 생성되지만, 정확한 매커니즘은 알려져 있지 않으나, 연료에 함유된 질소성분이 0.5 % 내지 2.0 % 정도이므로 연소공정 및 방법의 개선을 통하여 생성량을 제어할 수 있다.

질소 산화물을 제거하는 공정은 대표적으로, 선택적 비촉매 환원법(SNCR) 및 선택적 촉매 환원법(SCR)이 있다. 선택적 비촉매 환원법(SNCR)은, 암모니아(NH₃), 유레아(NH₂CONH₂) 등과 같은 질소 함유 환원제를 약 870 ℃ 내지 1150 ℃의 온도 지점에서 분사시키고, 분사된 환원제가 이온화되어 산소가 존재하는 환경에서 질소 산화물과 반응하여 N₂, CO₂, H₂O 등으로 분해되는 방법이다.

선택적 비촉매 환원법(SNCR)의 반응 효율은, 환원제가 분사되는 지점의 온도 범위에 의해서 결정되므로, 분사되는 지점의 온도를 일정하게 유지해야 하고, 온도가 일정하게 유지되지 않을 경우에는 탈질 반응이 완전하게 이루어지지 않아 반응 효율이 떨어지고, 이온화된 환원제가 다시 암모니아 또는 질소 산화물로 재결할 수 있다. 질소 산화물의 제거가 필요가 배출가스는 연료 등에 따라 CO 함량, SO₂ 등의 함량이 달라 CO 함량, SO₂ 등에 따라 반응 효율에 영향을 줄 수 있다. 즉 배기가스 중 CO 함량이 높으면 질소 산화물의 제거효율이 감소하고, SO₂의 함량이 높고 암모니아 슬립 등의 양이 많을 경우에는 반응 온도가 상승하고, 환원제와 이들의 상호 작용에 의해서 암모니아 설페이트((NH₄)₂SO₄) 또는 암모니아 비설페이트((NH₄SO₄) 등이 발생되어 설비의 막힘, 부식의 원인된다. 선택적 비촉매 환원법(SNCR)는, 선택적 촉매 환원법(SCR)에 비하여 운전 비용이 낮지만 질소 산화물의 제거율이 낮다.

선택적 촉매 환원법(SCR)는, 산화촉매의 존재 하에서 암모니아(NH₃), 유레아(NH₂CONH₂) 등과 같은 질소 함유 환원제 분사시켜 산화촉매의 표면에 환원제가 흡착된 이후 질소 산화물과 반응하여 N₂, H₂0 등으로 분해되는 방법이며, 암모니아의 배출이 낮고 질소 산화물의 제거 효율이 높은 장점이 있다. 선택적 촉매 환원법(SCR)의 반응 효율은, 반응 온도에 영향을 받으며, 반응 온도는 약 260 ℃ 내지 600 ℃의 온도 범위 내에서 산화촉매에 따라 결정된다. 선택적 촉매 환원법(SCR)은, 반응 온도를 제공하기 위해서 시스템을 가열해야 하고, 고가의 촉매를 사용하므로 운전비용이 높고, 암모니아 사용에 따른 독성, 저장에 관련된 안정성 문제, SO₂와 반응에 의한 암모니아 설페이트((NH₄)₂SO₄) 또는 암모니아 비설페이트((NH4SO4) 등의 발생에 따른 문제점이 있다.

전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은, 질소 산화물 함유 가스의 탈질 처리 시 공정비용을 낮추고, 질소 산화물의 제거 효율이 우수한 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템을 이용한 탈질 처리 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 하나의 양상은, 플라즈마 합성가스 발생장치를 포함하는 환원제 공급부; 상기 환원제 공급부로부터 제공된 환원제로 NOx를 포함하는 가스를 탈질 처리하는 탈질 처리부; 및 탈질 처리된 가스를 배출하는 가스 배출부; 를 포함하는, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 환원제 공급부는, 수소 가스를 공급하고, 상기 플라즈마 합성가스 발생장치는, 하나 이상의 플라즈마 수소 가스 발생기를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 플라즈마 수소 가스 발생기는: 소정 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부; 상기 전자파 공급부로부터 공급된 상기 전자파 및 스팀과 가스의 혼합가스로부터 플라즈마가 발생되는 방전관; 상기 방전관의 하단부를 고정하는 고정부; 상기 방전관에 스팀과 가스의 혼합가스를 소용돌이 형태로 주입하는 가스 공급부; 상기 방전관 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 액체, 기체 또는 이 둘의 탄화수소를 공급하는 탄화수소 공급부; 상기 방전관 내부에 플라즈마 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부; 및 상기 방전관에서 생성된 플라즈마와 탄화수소의 반응으로부터 합성된 합성가스를 배출하는 가스 배출부; 를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 고정부는, 상기 방전관의 하단부에 상기 방전관을 감싸는 형태로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 가스 공급부는, 상기 고정부 내에 형성된 공급로를 포함하고, 상기 공급로는, 상기 공급로의 일단이 상기 방전관의 내부와 연결되어 방전관의 내부로 혼합가스를 분사하고, 상기 공급로는, 상기 방전관 내부로 스팀을 공급하는 하나 이상의 제1 공급로; 및 상기 방전관 내부로 가스를 공급하는 하나 이상의 제2 공급로;가 동일한 개수로 구성되거나 또는 하나의 공급로에 스팀 및 가스가 혼합되어 공급될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 가스 공급부는, 방전관의 상단부, 하단부 또는 이 둘에 배치되는 공급관을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 가스 공급부는, 상기 고정부를 관통하여 방전관에 연결되는 공급관을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 공급관은, 상기 공급관의 일단이 상기 방전관의 내부와 연결되어 방전관의 내부로 혼합가스를 분사하고, 상기 공급관은, 상기 방전관 내부로 스팀을 공급하는 제1 공급관; 및 상기 방전관 내부로 가스를 공급하는 제2 공급관;이 동일한 개수로 구성되거나 또는 하나의 공급관에 스팀 및 가스가 혼합되어 공급될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 환원제 공급부는, 생성된 합성 가스로부터 불순물 및 가스를 분리하는 가스 분리기 및 상기 분리된 가스를 저장하는 가스 저장 탱크를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 가스 분리기는, 필터를 통하여 카본 파우더 및 수소 가스를 분리하거나 또는 사이클론으로 카본파우더 및 수소 가스를 분리할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 탈질 처리부는, 산화촉매를 더 포함하고, 상기 산화촉매는, 바나듐, 니켈, 세륨, 로듐, 백금, 몰리브데늄, 티타늄, 팔라듐 및 텅스텐, 및 이 들의 산화물 1종 이상을 포함하고, 상기 산화촉매는, 산화알루미늄, 제올라이트, 또는 실리카 담체에 담지된 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 환원제 공급부는, 상기 플라즈마 수소 가스 발생기에서 생성된 수소 가스를 농축하는 WGSR 반응기(Water-gas shift reaction)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 가스 공급부는, 공기, 산소, 질소, 및 아르곤 가스 중 1종 이상을 공급하고, 상기 가스 공급부 및 상기 가스 공급관은, 100 ℃ 이상의 수증기를 공급할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 환원제 공급부는, 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스를 더 공급하고, 상기 플라즈마 합성가스 발생장치는, 하나 이상의 플라즈마 분해 가스발생기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 양상은, 플라즈마를 이용하여 환원제를 획득하는 단계; 상기 환원제를 NOx를 포함하는 가스에 접촉시켜 탈질 처리하는 단계; 및 탈질 처리된 가스를 배출하는 단계; 를 포함하는 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법은,

플라즈마를 이용하여 수소 가스를 획득하는 단계; 상기 수소 가스를 NOx를 포함하는 가스에 접촉시켜 탈질 처리하는 단계; 및 탈질 처리된 가스를 배출하는 단계; 를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법은, 플라즈마를 이용하여 수소 가스; 및 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스; 를 각각 획득하는 단계; 상기 수소 가스; 및 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스; 를 NOx를 포함하는 가스에 접촉시켜 탈질 처리하는 단계; 및 탈질 처리된 가스를 배출하는 단계; 를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법은, 플라즈마를 이용하여 수소 가스 및 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스; 를 각각 획득하는 단계; 상기 수소 가스를 NOx를 포함하는 가스에 접촉시켜 제1 탈질 처리하는 단계; 상기 제1 탈질 처리하는 단계 이후에 생성된 혼합 가스에 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스; 를 접촉시켜 제2 탈질 처리하는 단계; 및 탈질 처리된 가스를 배출하는 단계; 를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 탈질 반응하는 단계 이전에, 상기 수소 가스를 수소치환반응시켜 수소 가스를 농축하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 탈질 처리하는 단계에서, 반응 온도는 상온 내지 1000 ℃일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 플라즈마를 이용하여 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스; 를 획득하는 단계; 산화촉매의 존재 하에서 상기 플라즈마 분해가스를 NOx를 포함하는 가스에 접촉시켜 탈질 처리하는 단계; 및 탈질 처리된 가스를 배출하는 단계; 를 포함할 수 있다.

본 발명은, 플라즈마를 이용하여 고순도의 수소 가스를 제공할 수 있고, 플라즈마를 이용하여 생성된 수소 가스를 탈질 처리에 환원제로 사용하여 낮은 온도에서 고효율의 탈질 효과를 제공할 수 있다.

본 발명은, 플라즈마를 이용하여 분해된 질소 화합물의 플라즈마 분해 가스를 탈질 처리에 환원제를 사용하여 탈질 효과를 향상시키고, 특히, 선택적 촉매 환원(SCR) 공정에서 촉매의 수명을 연장하고, 효율을 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 탈질처리 시스템(1)의 구성도를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 플라즈마를 이용한 탈질처리 시스템(2)의 구성도를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 플라즈마 수소가스 발생기의 구성도를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수소 가스 발생기(110)의 도파관(125) 및 방전관(130)의 연결되는 부분을 도시한 수직 단면도를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 플라즈마 수소 발생장치(110)의 가스 공급부(140)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수소 발생장치(110)의 탄화수소 공급부(150)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 플라즈마 수소 가스 발생기(110)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 플라즈마 수소 가스 발생기(110)의 가스 공급관(145)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탈질처리 시스템(3)의 구성도를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 10 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른, 플라즈마 이용한 탈질 처리방법의 흐름도를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른, LNG 발전 시스템에서 본 발명에 의한 탈질 처리방법을 이용한 탈질 처리 공정의 개념도를 예시적으로 나타낸 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

본 발명은, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템에 관한 것으로, 상기 탈질 처리 시스템은, 환원제 공급부, 탈질 처리부 및 가스 배출부를 포함할 수 있다. 상기 탈질처리 시스템은, 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈질처리 시스템(1)의 구성을 예시적으로 나타낸 것으로, 도 1에서 탈질 처리부는, 환원제 공급부(100), 탈질 처리부(200) 및 가스 배출부(300)를 포함할 수 있다. 환원제 공급부(100)는, NOx를 포함하는 가스의 탈질 처리를 위한 환원제를 생성하고, 탈질 처리부(200)에 공급한다. 환원제 공급부(100)는, 플라즈마 합성가스 발생장치를 이용하여 합성가스를 제조하는 것으로, 예를들어, 수소 가스; 암모니, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스; 또는 이 둘을 생성하고 처리하여 탈질 처리부(200)에 공급한다. 예를 들어, 플라즈마 합성가스 발생장치는, 하나 이상의 플라즈마 수소가스 발생기, 하나 이상의 플라즈마 분해가스 발생기 또는 이 둘을 포함하고, 또는 하나의 장치에서 수소 및 플라즈마 분해가스를 생성할 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 합성가스 발생장치는, 가스화기(gasification), 또는 개질화기(reforming: 건식 또는 습식)일 수 있다.

탈질 처리부(200)는 환원제 공급부(100)에서 제공된 환원제로 NOx를 포함하는 가스를 탈질 처리하는 것으로, 탈질 처리부(200)는, 탈질 처리부 내에서 NOx를 포함하는 가스가 발생하거나 또는 탈질처리를 위해서 외부에서 NOx를 포함하는 가스가 공급될 수 있다. 예를 들어, 탈질 처리부(200)는, 보일러의 연소관, 엔진 인테이크, SNCR, SCR 처리 장치 등일 수 있고, 연소가스, 배기가스 등과 같이 NOx를 포함하는 가스 공급될 수 있다. 탈질 처리부(200)는, 산화촉매(또는, 질소 산화물 환원용 촉매)를 더 포함하고, 산화촉매는, 바나듐, 니켈, 세륨, 로듐, 백금, 몰리브데늄, 티타늄, 팔라듐 및 텅스텐, 및 이들의 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함한다. 바람직하게는 상기 산화촉매는 산화알루미늄, 제올라이트, 또는 실리카 담체에 담지될 것일 수 있고, 바나듐/티타늄 옥사이드, 백금/팔라듐 옥사이드 등일 수 있다.

가스 배출부(300)는, 탈질 처리부(200)에서 발생한 가스를 배출하는 것으로, 상기 가스를 다양한 분야에 재사용하기 위해서 원하는 가스를 분리하기 위한 가스 분리기(미도시)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따라, 도 2는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 탈질처리 시스템(2)의 구성도를 예시적으로 나타낸 것으로, 탈질처리 시스템(2)은, 플라즈마 수소가스 발생기(110), 탈질 처리부(200) 및 가스 배출부(300)을 포함할 수 있다. 탈질 처리부(200) 및 가스 배출부(300)는, 상기 언급한 바와 같다. 플라즈마 수소가스 발생기(110)는, 플라즈마와 탄화수소의 반응으로부터 수소 가스를 생성하는 것으로, 상기 수소 가스는 탈질 처리부(200)에 공급되고, 탈질 처리에 이용 시, 촉매 없이 저온에서 탈질 반응이 가능하고, 탈질 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 예로, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 플라즈마 수소가스 발생기의 구성도를 예시적으로 나타낸 것으로, 도 3에서 플라즈마 수소가스 발생기(110)는, 플라즈마를 이용하여 탄화수소를 연소시켜 수소 가스를 포함하는 합성가스를 발생하는 것으로, 전자파 공급부(120), 방전관(130), 가스공급부(140), 탄화수소 공급부(150), 점화부(160), 가스 배출부(170) 및 고정부(180, 미도시)을 포함할 수 있다.

전자파 공급부(120)는 전자파를 발생시켜 방전관(130)으로 공급하는 것으로, 전원부(121), 전자파 발진기(122), 순환기(123), 튜너(124), 및 도파관(125)를 포함한다.

전원부(121)는 플라즈마 수소가스 발생기(110)의 구동에 필요한 전력을 공급한다.

전자파 발진기(122)는 전원부(121)와 연결되며, 전원부(121)로부터 전력을 공급받아 전자파를 발진한다. 예를 들어, 902~928MHz 또는 886~896MHz의 주파수 범위를 갖는 전자파를 발진하는 전자파 발진기를 사용하며, 바람직하게는 전자파 발진기(122)를 이용하여 915MHz 또는 896MHz의 주파수를 갖는 전자파를 발진할 수 있다.

순환기(123)는 전자파 발진기(122)와 연결되며, 전자파 발진기(122)에서 발진된 전자파를 출력함과 동시에 임피던스 부정합으로 반사되는 전자파 에너지를 소멸시켜 전자파 발진기(122)를 보호한다.

튜너(124)는 순환기(123)로부터 출력된 전자파의 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도함으로써 상기 전자파로 유도된 전기장이 방전관(130) 내에서 최대가 되도록 한다.

도파관(125)은 튜너(124)로부터 입력되는 전자파를 방전관(130)으로 전송한다. 예를 들어, 도파관(125)의 크기는 전자파 발진기(122)에서 발진되는 전자파의 주파수와 관계가 있으며, 전자파 발진기(122)에서 발진되는 전자파의 주파수가 작아지면 파장이 길어지므로 일정 크기의 도파관에 서로 다른 주파수를 갖는 전자파를 유입시킬 경우, 도파관 고유의 차단주파수보다 낮은 주파수의 전자파는 도파관으로 유입되지 않는다. 즉, 도파관은 일종의 하이패스 필터(high pass filter)로 작용하게 되며, 따라서 사용되는 주파수에 따라 도파관의 크기가 정해지게 된다.

방전관(130)이 도파관(125)의 종단으로부터 관내 파장(λg)의 1/4 떨어진 위치에 삽입되는 경우, 방전관이 삽입되는 위치에서의 파장은 약 11cm (≒43.5÷4)가 된다.

방전관(130)은 전자파 공급부(120)로부터 공급된 상기 전자파 및 가스 공급부(140)으로부터 공급된 스팀과 가스의 혼합가스로부터 플라즈마를 생성하여 탄화수소를 가스화하여 합성가스(Syn-gas)를 생성한다. 상기 합성가스는 주로 일산화탄소(CO)와 수소(H2)로 구성되며, 그 외에 카본파우더 등과 같은 불순물을 포함할 수 있다. 방전관(130) 내부에 주입된 스팀과 가스의 혼합가스는 생성된 플라즈마를 안정화시키고 방전관(130) 내에 소용돌이(swirl)를 형성하여 고온의 플라즈마 화염으로부터 방전관(130)의 내벽을 보호하게 된다. 일반적으로 대기압 상태에서 순수 스팀만을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 것은 매우 어려우며, 발생되더라도 플라즈마가 쉽게 꺼지는 등의 문제점이 있으나, 스팀과 가스의 혼합가스를 사용함으로써 순수 스팀을 사용한 경우에서보다 훨씬 안정적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 또한, 상기 스팀(H2O)와 가스의 혼합가스의 혼합 비율을 제어함으로써 생성되는 합성가스(Syn-gas)에서 수소 가스의 비율의 조절이 가능하다.

가스 공급부(140)는 방전관(130)에 스팀과 가스의 혼합가스를 소용돌이 형태로 주입한다. 상기 가스는, 공기, 산소, 질소, 및 아르곤 가스 중 1종 이상을 공급하고, 바람직하게는 산소이다. 가스 공급부(140)는, 100 ℃ 이상, 바람직하게는 100 ℃ 내지 145 ℃, 더 바람직하게는 100 ℃ 내지 140 ℃의 수증기를 소용돌이 형태로 주입할 수 있다.

탄화수소 공급부(150)는 방전관(130) 내부에서 생성된 플라즈마에 액체, 기체 또는 이 둘의 탄화수소를 공급한다.

점화부(160)는 방전관(130) 내부에 설치되는 한 쌍의 전극을 포함하며 상기 전극을 통하여 플라즈마의 생성을 위한 초기 전자를 공급한다.

가스 배출부(170)는 방전관(130)의 상단에 구비되며, 플라즈마에 의하여 생성된 합성가스를 외부로 배출한다. 예를 들어, 가스 배출부(170)는, 탈질 처리부(300)로 합성가스, 즉 수소가스를 공급하여 탈질 처리의 환원제로 이용한다.

본 발명의 일 예로, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수소 가스 발생기(110)의 도파관(125) 및 방전관(130)의 연결되는 부분을 도시한 수직 단면도를 예시적으로 나타낸 것으로, 도 4(a)에서 방전관(130)은 도파관(125)과 연결되어 도파관(125)을 통해 입력되는 전자파에 의해 플라즈마가 생성되는 공간을 제공한다. 방전관(130)은 원통형으로 형성되어 도파관(125)의 종단으로부터 도파관(125) 내 파장의 1/8~1/2 사이, 바람직하게는 1/4에 해당하는 지점에서 도파관(125)을 수직하게 관통하도록 설치될 수 있으며, 전자파의 용이한 투과를 위해 석영, 알루미나, 또는 세라믹으로 구성될 수 있다. 도파관(125) 아래에 형성된 방전관 홀더(131)는 방전관(130)이 안정적으로 도파관(125) 내부에 삽입되어 고정되도록 방전관(130)을 지지한다. 고정부(180)는, 방전관(130) 하단부를 감싸는 형태로 형성되며, 방전관(130)을 지지하기 위한 적절한 재료를 이루어지며, 바람직하게는 카본블록으로 이루어진다. 가스 공급부(140)는, 고정부(180) 내에 형성된 공급로를 포함한다. 탄화수소 공급부(150)는 가스 공급부(140)의 상단, 즉 방전관(130)에서 플라즈마가 형성되는 부분을 감싸는 형태로 형성된다.

도 4(b)에서 방전관(130)과 도파관(125)이 연결되는 형태는 동일하나, 방전관(130)이 용이하게 고정되는 동시에 가스 유출을 억제하기 위하여 방전관(130)의 하단에 바깥으로 돌출된 걸림턱(131-1)이 부설되어 있다는 점이 상이하다. 이와 같은 걸림턱(131-1)은 제1 카본 블록(181) 및 고정부(180)의 제2 카본 블록(182)의 사이에 삽입되어 제1 카본 블록(181) 및 제2 카본 블록(182)에 의하여 지지되며, 제1 카본 블록(181) 및 제2 카본 블록(182)의 외부에는 케이스(183)가 형성됨으로써 방전관(130)이 고정될 수 있도록 한다. 본 실시예에서 가스 공급부(140)는 제2 카본 블록(182) 내에 형성된 공급로를 포함하는 가스 공급부(140)를 포함하고, 이는 방전관(130)의 하단으로 가스를 공급하게 된다.

본 발명의 일 예로, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수소 발생기(110)의 가스 공급부(140)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도를 예시적으로 나타낸 것으로, 도 5에서 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수소 가스 발생기(110)의 가스 공급부(140)는 하나 이상의 제1 공급로(141) 및 하나 이상의 제2 공급로(142)을 포함한다. 제1 공급로(141) 및 제2 공급로(142)는 각각 일단이 방전관(130)의 내부와 연결되어 방전관(130) 내부로 스팀 및 가스를 공급하도록 구성된다. 제1 공급로(141) 및 제2 공급로(142) 각각으로 공급된 스팀 및 가스는 방전관(130)의 내부에서 혼합되어 스팀 및 가스의 혼합가스를 형성하게 된다. 또는, 하나의 공급로 내에서 스팀 및 가스가 혼합되어 공급될 수 있다.

제1 공급로(141) 및 제2 공급로(142)는 필요에 따라 가스 공급부(140)의 내부에 적정한 개수로 형성될 수 있다. 도 5(a)는 제1 공급로(141) 및 제2 공급로(142)이 각각 1개씩 형성된 실시예를, 도 5(b) 및 5(c)는 제1 공급로(141) 및 제2 공급로(142)이 각각 2개 또는 3개씩 설치된 실시예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 제1 공급로(141) 및 제2 공급로(142)은 각각 동일한 개수로 고정부(180, 즉 제2 카본 블록(182)) 내에 형성될 수 있다. 즉, 제1 공급로(141)이 2개 형성될 경우 제2 공급로(142) 또한 2개가 형성되도록 구성될 수 있다. 또한 제1 공급로(141) 및 제2 공급로(142)는 고정부(180, 즉 제2 카본 블록(182)) 내에서 방전관(130) 주위에 동일 간격으로 배치될 수 있으며, 도시된 바와 같이 제1 공급로(141) 및 제2 공급로(142)이 가스 공급부(140) 내에서 번갈아 (즉, 제1 공급로(141), 제2 공급로 (142), 제1 공급로(141), 제2 공급로(142)… 의 순서로) 배치될 수 있다.

제1 공급로(141) 및 제2 공급로(142)는 공급된 스팀 및 가스의 혼합가스가 방전관(130)의 내주면을 따라 소용돌이 형태로 회전하도록 방전관(130)으로 공급된다. 이를 위하여, 도시된 바와 같이 제1 공급로(141) 및 제2 공급로(142)은 방전관(130) 내부로 배출되는 스팀 및 산소가 방전관(130)의 내주면을 따라 (즉, 내주면과 평행하게) 배출되도록 방전관(130)의 내부와 연결된다. 이를 위하여, 제1 공급로(141) 및 제2 공급로(142)이 방전관(130)과 연결되는 일단 부근에서는 제1 공급로(141) 및 제2 공급로(142)의 진행 방향이 방전관(130)의 내주면과 평행하도록 구성되어야 한다. 이렇게 구성될 경우, 공급된 스팀 및 가스는 방전관(130)의 내부에서 서로 혼합되면서 일방향으로 회전하여 소용돌이 형태를 형성한다. 제1 공급로(141) 및 제2 공급로(142)에서 공급되는 스팀 및 가스의 회전 방향이 모두 동일하도록 구성될 수 있다.

본 발명이 일 예로, 플라즈마 수소 발생기(110)의 탄화수소 공급부(150)는 하나 이상의 탄화수소 공급관(151)을 포함하며, 탄화수소 공급관(151)을 통하여 방전관(130) 내부에 형성된 플라즈마에 기체, 액체 또는 이 둘을 공급하게 된다. 탄화수소 공급관(151) 또한 필요에 따라 탄화수소 공급부(150)의 내부에 적정한 개수로 형성될 수 있으며, 제1 공급로(141) 및 제2 공급로(142)과 마찬가지로 탄화수소 공급관(151) 또한 탄화수소 공급부(150) 내에서 방전관(130) 주위에 동일 간격으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 탄화수소 공급관(151)은 공급된 탄화수소가 방전관(130)의 내주면을 따라 소용돌이 형태로 회전하도록 방전관(130)으로 공급될 수 있다. 이를 위하여, 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 탄화수소 공급관(151)은 방전관(130) 내부로 배출되는 탄화수소가 방전관(130)의 내주면을 따라 (즉, 내주면과 평행하게) 배출되도록 방전관(130)의 내부와 연결된다. 이를 위하여, 제1 공급로(141) 및 제2 공급로(142)과 마찬가지로 탄화수소 공급관(151) 또한 방전관(130)과 연결되는 일단 부근에서는 탄화수소 공급관(151)의 진행 방향이 방전관(130)의 내주면과 평행하도록 구성되어야 한다. 이렇게 구성될 경우, 공급된 탄화수소는 방전관(130)의 내부에서 일방향으로 회전하여 소용돌이 형태를 형성한다. 이때 상기 소용돌이의 회전 방향은 스팀 및 가스의 혼합가스의 회전 방향과 일치하는 것이 바람직하다.

다른 예로, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 탄화수소 공급관(151)이 방전관(130) 내부에 형성된 플라즈마의 중심부를 향하도록 형성될 수 있다. 이 경우에는 탄화수소 공급로(151)을 통하여 분출된 탄화수소가 고온을 띄는 플라즈마의 중심부를 향하여 직접 분사됨으로써 탄화수소의 부분연소 및 가스화가 좀 더 용이하게 일어날 수 있다.

본 발명의 일 예로, 방전관(130) 내부로 탄화수소를 공급하기 위한 캐리어 가스로는 이산화탄소(CO₂), 또는 가스 공급부(140)와 동일하게 산소와 가스의 혼합가스를 사용할 수 있으며, 순수 스팀 또는 산소 또한 캐리어 가스로 사용 가능하다. 플라즈마 수소가스 발생기(110)에서 생성되는 합성가스는 수소(H₂)와 일산화탄소 이외에 상당량의 이산화탄소를 포함하게 된다. 따라서 상기 이산화탄소를 합성가스로부터 분리하여 상기 탄화수소 연료의 이송을 위한 캐리어가스로 재활용하게 되면 탄화수소를 방전관(130) 내의 플라즈마로 효과적으로 이송함과 동시에 이산화탄소의 공기중 배출로 인한 환경오염 또한 방지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따라, 플라즈마 수소가스 발생기(110)는, 전자파 공급부(120), 방전관(130), 가스 공급부(140), 점화부(160), 탄화수소 공급부(150) 가스 배출부(170) 및 고정부(180)를 포함할 수 있다. 전자파 공급부(120), 방전관(130), 탄화수소 공급부(150), 점화부(160) 및 가스 배출부(170)는 상기 언급한 바와 같다. 가스 공급부(140)는, 방전관(130)에 스팀과 가스의 혼합가스를 소용돌이 형태로 주입하는 것으로, 공급관(145)을 포함한다. 상기 가스는, 공기, 산소, 질소, 및 아르곤 가스 중 1종 이상을 공급하고, 바람직하게는 산소이다. 가스 공급부(140)는, 100 ℃ 이상, 바람직하게는 100 ℃ 내지 150 ℃ 미만, 바람직하게는 100 ℃ 내지 145 ℃, 더 바람직하게는 100 ℃ 내지 140 ℃의 수증기를 소용돌이 형태로 주입한다.

본 발명의 일 예로, 공급관(145)은, 방전관(130)를 향해 혼합가스를 공급하도록 방전관(130)의 상단부, 하단부 또는 이 둘에 배치되고, 공급관(145)의 일단이 상기 방전관의 내부와 연결되어 방전관의 내부로 혼합가스를 분사하다. 예를 들어, 공급관(145)은, 고정부(180)를 관통하여 방전관(130)에 연결되는 공급관(145)을 포함하고, 즉, 제2 카본 블록(182)을 관통하는 공급관(145)을 포함하거나 또는 공급관(145)은, 탄화수소 공급부(150)를 관통하여 방전관(130)에 연결되는 공급관(145')을 포함한다.

도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 플라즈마 수소 가스 발생기(110)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도를 예시적으로 나타낸 것으로, 도 7(a)는 가스 공급관(145)이 방전관(130)의 하단부에 배치된 실시예를, 도 7(b)는 가스 공급관(145)이 방전관(130)의 상단부에 배치된 실시예를, 도 7(c)는 가스 공급관(145)이 방전관(130)의 상단부 및 하단부에 배치된 실시예를 도시한 것이다.

본 발명의 일 예로, 공급관(145)은 방전관(130)의 수평선 (L)에 향해 기울어지게 방전관(130)에 배치되고, 하나 이상의 공급관(145)의 일단이 방전관(130)의 내부와 연결되어 방전관(130)의 내부로 혼합가스를 분사하므로 탄화수소의 가스화 효율이 증가될 수 있다. 도 7(d)는 가스 공급관(145)이 수평선 (L)을 향해 상부 방향으로 기울어지게 배치된 실시예를, 도 7(e)는 방전관(130)의 하단부에 가스 공급관(145)이 수평선 (L)을 향해 상부 방향으로 기울어지게 배치되고, 방전관(130)의 상단부에 공급관(145)이 수평으로 배치되는 실시예를, 도 7(f)는 방전관(130)의 하단부 및 상단부에서 공급관(145)이 수평선 (L)을 향해 상부 방향 및 하부 방향으로 기울어지게 배치된 실시예를 도시한 것이다.

본 발명의 일 예로, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 플라즈마 수소 가스 발생기(110)의 가스 공급관(145)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도를 예시적으로 나타낸 것으로, 도 8에서 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 수소 발생기(110)의 공급관(145)은 스팀을 공급하는 하나 이상의 제1 공급관(146) 및 가스를 공급하는 하나 이상의 제2 공급관(147)을 포함한다. 제1 공급관(146) 및 제2 공급관(147)은 각각 일단이 방전관(130)의 내부와 연결되어 상기 방전관 내부로 스팀 및 가스를 공급하도록 구성된다. 하나 이상의 제1 공급관(146)에서 가스 및 스팀이 혼합되어 공급될 수 있고, 또는, 제1 공급관(146) 및 제2 공급관(147) 각각으로 공급된 스팀 및 가스는 방전관(130)의 내부에서 혼합되어 스팀 및 가스의 혼합가스를 형성하게 된다. 제1 공급관(146) 및 제2 공급관(147)은 필요에 따라 적정한 개수로 형성될 수 있다. 도 8(a)는 제1 공급관(146) 및 제2 공급관(147)이 각각 1개씩 형성된 실시예를, 도 8(b)는 제1 공급관(146) 및 제2 공급관(147)이 각각 2개씩 설치된 실시예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 제1 공급관(146) 및 제2 공급관(147)은 각각 동일한 개수로 형성될 수 있다. 즉, 제1 공급관(146)이 2개 형성될 경우 제2 공급관(147) 또한 2개가 형성되도록 구성될 수 있다. 또한 제1 공급관(146) 및 제2 공급관(147)은 동일 간격으로 배치될 수 있으며, 도시된 바와 같이 제1 공급관(146) 및 제2 공급관(147)이 번갈아 (즉, 제1 공급관(146), 제2 공급관 (147), 제1 공급관(146), 제2 공급관(147) … 의 순서로) 배치될 수 있다. 또한, 제1 공급관(146) 및 제2 공급관(147)은 방전관(130)의 상단부 및 하단부에서 동일 간격으로 배치되거나 또는 상이한 간격으로 배치될 수 있다. 또한, 상단부 및 하단부에 배치된 공급관은 서로 이격되게 배치될 수 있다. 도 8(c)는 방전관(130)의 하단부에 배치된 공급관(145) 및 상단부에 배치된 공급관(145')은 동일한 간격으로 설치된 실시예를, 도 8(d)는 방전관(130)의 하단부에 배치된 공급관(145) 및 상단부에 배치된 공급관(145')는 서로 이격되게 설치된 실시예를 도시하였다.

제1 공급관(146) 및 제2 공급관(147)은 공급된 스팀 및 가스의 혼합가스가 방전관(130)의 내주면을 따라 소용돌이 형태로 회전하도록 방전관(130)으로 공급된다. 이를 위하여, 도시된 바와 같이 제1 공급관(146) 및 제2 공급관(147)은 방전관(130) 내부로 배출되는 스팀 및 산소가 방전관(130)의 내주면을 따라 (즉, 내주면과 평행하게) 배출되도록 방전관(130)의 내부와 연결된다. 이를 위하여, 제1 공급관(146) 및 제2 공급관(147)이 방전관(130)과 연결되는 일단 부근에서는 제1 공급관(146) 및 제2 공급관(147)의 진행 방향이 방전관(130)의 내주면과 평행하도록 구성되어야 한다. 이렇게 구성될 경우, 공급된 스팀 및 가스는 방전관(130)의 내부에서 서로 혼합되면서 일방향으로 회전하여 소용돌이 형태를 형성하게 된다. 스팀 공급관(146) 및 가스 공급관(147)에서 공급되는 스팀 및 가스의 회전 방향이 모두 동일하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따라, 도 9는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탈질처리 시스템(3)을 나타낸 것으로, 탈질처리 시스템(3)은, 환원제 공급부(100), 탈질 처리부(200) 및 가스 배출부(300)를 포함하고, 환원제 공급부(100)는, 플라즈마 수소가스 발생기(110) 및 플라즈마 분해가스 발생기(111)를 포함할 수 있다. 플라즈마 수소가스 발생기(110), 탈질 처리부(200) 및 가스 배출부(300)는 상기 언급한 바와 같다. 플라즈마 분해 가스 발생기(111)는, 플라즈마 수소가스 발생기(110)와 동일한 구성으로 이루어지고, 플라즈마 분해 가스를 얻기 위해서 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상을 방전관(130)에 공급하여 플라즈마에 의해 분해된다. 상기 탈질처리 시스템(3)은, 가스분리기(113), 가스저장탱크(114) 및 WGSR(115)를 더 포함한다. 가스분리기(113)는, 플라즈마 가스 발생기(110)에서 발생한 혼합가스를 분리하는 것으로, 바람직하게는 플라즈마 수소가스 발생기(110)에서 발생한 혼합가스에서 카본 파우더 등과 같은 불순물 및 수소가스를 필터 또는 사이클론으로 분리한다.

가스저장탱크(114)는, 가스분리기(113)에서 분리된 가스를 저장하고, 필요 시 탈질 처리부(200)에 공급 시 적절하게 공급량을 조절할 수 있다.

WGSR(Water-Gas Shift Reaction) 반응기(115)는, 플라즈마 수소 가스 발생기(110)에서 생성된 수소 가스를 농축한다. 환원제 공급부(100)에서 농축된 수소 가스는 탈질 처리부(200)으로 공급되거나 또는 가스 분리기(113)를 거쳐 가스저장 탱크(114)에 저장될 수 있다.

본 발명은, 플라즈마 이용한 탈질 처리 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 본 발명에 의한 플라즈마를 이용한 탈질 처리시스템을 이용한다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 10 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 이용한 탈질 처리방법의 흐름도를 예시적으로 나타낸 것으로, 환원제를 획득하는 단계(S100); 탈질 처리하는 단계(S200); 및 가스를 배출하는 단계(S300); 을 포함할 수 있다.

환원제를 획득하는 단계(S100)는 플라즈마를 이용하여 환원제를 획득하는 단계이며, 본 발명이 일 예로, 환원제 공급부(100)에서 플라즈마 합성가스 발생장치를 이용하여 환원제를 획득하는 단계이며, 상기 환원제는, 수소 가스; 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스; 또는 이 둘을 포함할 수 있다.

탈질 처리하는 단계(S200)는 상기 환원제를 NOx를 포함하는 가스에 접촉시켜 탈질처리하는 단계이다.

가스를 배출하는 단계(S300)는 탈질 처리하는 단계(S200) 이후에 생성된 혼합가스를 배출하는 단계이다.

본 발명의 일 예로, 도 11에서 플라즈마 이용한 탈질 처리방법은, 플라즈마를 이용하여 수소 가스를 획득하는 단계(S100a); 상기 수소 가스를 NOx를 포함하는 가스에 접촉시켜 탈질 처리하는 단계(S200a); 및 탈질 처리된 가스를 배출하는 단계(S300a);를 포함할 수 있다. 탈질 처리하는 단계(S200a)는, 수소 가스를 이용하여 촉매 없이 NOx를 포함하는 가스를 탈질 처리하는 단계이다. 즉 수소 가스는 SNCR로 작용하고, 저온에서 탈질 반응이 가능하다.

본 발명의 일 예로, 도 12에서 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법은, 플라즈마를 이용하여 수소 가스; 및 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스; 를 각각 획득하는 단계(100b); 상기 수소 가스; 및 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스; 를 NOx를 포함하는 가스에 접촉시켜 탈질 처리하는 단계(200b); 및 탈질 처리된 가스를 배출하는 단계(300b); 를 포함할 수 있다. 가스에 접촉시켜 탈질 처리하는 단계(200b)는, 수소 가스를 이용하여 촉매 없이 NOx를 포함하는 가스를 탈질 처리하는 단계이며, 플라즈마 분해 가스는 상기 수소 가스의 운반을 위한 캐리어 가스로 적용되고, 탈질 처리의 효율을 더 향상시킬 수 있다. 탈질 처리하는 단계(200b)는, 산화촉매를 더 포함할 수 있고, 고가의 산화 촉매를 종래에 비하여 적은 양을 적용할 수 있으므로, 탈질 처리 비용을 낮추고, 플라즈마 분해 가스는 상시 산화 촉매의 수명 및 효율을 증가시킬 수 있다.

본 발명의 일 예로, 도 13에서 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법은, 플라즈마를 이용하여 수소 가스; 및 암모니아, 요소수 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스; 를 각각 획득하는 단계(100c); 상기 수소 가스를 NOx를 포함하는 가스에 접촉시켜 제1 탈질 처리하는 단계(200c); 상기 제1 탈질 처리하는 단계 이후에 생성된 혼합 가스에 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스; 를 접촉시켜 제2 탈질 처리하는 단계(300c); 및 탈질 처리된 가스를 배출하는 단계(400c); 를 포함할 수 있다. 제1 탈질 처리하는 단계(200c)는 수소 가스가 SNCR로 작용하므로, 촉매 없이 탈질 처리되고, 제2 탈질 처리하는 단계(300c)는, 제1 탈질 처리된 이후에 촉매층으로 가스를 이동시켜 2차 탈질 처리한다. 제1 탈질 처리 단계(200c) 및 제2 탈질 처리하는 단계(300c)는 상온 내지 1000 ℃의 반응온도에서 이루어지고, 바람직하게는 제1 탈질 처리하는 단계(200c)는 상온 내지 100 ℃의 반응 온도 및 제2 탈질 처리하는 단계(300c)는 100 ℃ 내지 500 ℃의 반응 온도에서 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 예로, 도 14에서 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법은, 플라즈마를 이용하여 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스; 를 획득하는 단계(100d); 산화촉매의 존재 하에서 상기 플라즈마 분해가스를 NOx를 포함하는 가스에 접촉시켜 탈질 처리하는 단계(200d); 및 탈질 처리된 가스를 배출하는 단계(300d); 를 포함할 수 있다. 상기 산화촉매는 상기 언급한 바와 같다. 플라즈마 분해 가스의 탈질 처리에 적용 시 산화촉매, 즉 SCR의 수명을 연장하고 효율을 증대시킬 수 있다.

본 발명의 탈질 반응하는 단계 이전에, 상기 수소 가스를 수소치환 반응시켜 수소 가스를 농축하는 단계를 더 포함할 수 하고, 이러한 수소치환반응에 의해서 수소 가스를 정제하여 고농축의 수소가스를 형성하고, 탈질 반응의 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 탈질 처리하는 단계에서 반응 온도는 상온 내지 1000 ℃일 수 있고, 바람직하게는 수소 가스의 적용 시 상온 내지 200 ℃; 상온 내지 150 ℃; 상온 내지 100 ℃; 상온 내지 80 ℃일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 플라즈마를 이용한 탈질 처리방법은, 연소 반응, 질소의 산화 등으로 발생한 질소 산화물의 탈질 처리에 적용될 수 있고, 예를 들어, 가스터빈, 디젤 기관, 고체 연료 또는 기체 연료의 발전용 내연기관 등과 같은 발전시설, 소각시설, 소각보일러 등에 적용될 수 있다. 본 발명의 일 예로, 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른, LNG 발전 시스템에서 본 발명에 의한 탈질 처리방법을 이용한 탈질 처리 공정의 개념도를 예시적으로 나타낸 것으로, 도 15에서 보일러 소각로에서 발생한 질소 산화물의 혼합 가스에 발전 시스템의 LNG를 일부 플라즈마 수소 가스 발생기에서 개질하여 수소 가스를 생성하여 상기 혼합 가스를 탈질 처리하고, 플라즈마 분해 가스를 SCR의 촉매층으로 투입하여 2차 탈질 처리한다. 투입된 플라즈마 분해 가스는 SCR의 촉매층의 수명을 연장하고 반응 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims

플라즈마 합성가스 발생장치를 포함하는 환원제 공급부;
상기 환원제 공급부로부터 제공된 환원제로 NOx를 포함하는 가스를 탈질 처리하는 탈질 처리부; 및
탈질 처리된 가스를 배출하는 가스 배출부;
를 포함하는, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 환원제 공급부는, 수소 가스를 공급하고,
상기 플라즈마 합성가스 발생장치는, 하나 이상의 플라즈마 수소 가스 발생기를 포함하는 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템.
제2항에 있어서,
상기 플라즈마 수소 가스 발생기는:
소정 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부;
상기 전자파 공급부로부터 공급된 상기 전자파 및 스팀과 가스의 혼합가스로부터 플라즈마가 발생되는 방전관;
상기 방전관의 하단부를 고정하는 고정부;
상기 방전관에 스팀과 가스의 혼합가스를 소용돌이 형태로 주입하는 가스 공급부;
상기 방전관 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 액체, 기체 또는 이 둘의 탄화수소를 공급하는 탄화수소 공급부;
상기 방전관 내부에 플라즈마 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부; 및
상기 방전관에서 생성된 플라즈마와 탄화수소의 반응으로부터 합성된 합성가스를 배출하는 가스 배출부; 를 포함하는 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템.
제3항에 있어서,
상기 고정부는, 상기 방전관의 하단부에 상기 방전관을 감싸는 형태로 형성되는 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템.
제3항에 있어서,
상기 가스 공급부는, 상기 고정부 내에 형성된 공급로를 포함하고,
상기 공급로는, 상기 공급로의 일단이 상기 방전관의 내부와 연결되어 방전관의 내부로 혼합가스를 분사하고,
상기 공급로는, 상기 방전관 내부로 스팀을 공급하는 하나 이상의 제1 공급로; 및 상기 방전관 내부로 가스를 공급하는 하나 이상의 제2 공급로;가 동일한 개수로 구성되거나 또는 하나의 공급로에 스팀 및 가스가 혼합되어 공급되는 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템.
제3항에 있어서,
상기 가스 공급부는, 상기 방전관의 상단부, 하단부 또는 이 둘에 배치되는 공급관을 포함하는 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템.
제3항에 있어서,
상기 가스 공급부는, 상기 고정부를 관통하여 방전관에 연결되는 공급관을 포함하는 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 공급관은, 상기 공급관의 일단이 상기 방전관의 내부와 연결되어 방전관의 내부로 혼합가스를 분사하고,
상기 공급관은, 상기 방전관 내부로 스팀을 공급하는 제1 공급관; 및 상기 방전관 내부로 가스를 공급하는 제2 공급관;이 동일한 개수로 구성되거나 또는 하나의 공급관에 스팀 및 가스가 혼합되어 공급되는 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템.
제3항에 있어서,
상기 가스 공급부는, 공기, 산소, 질소, 및 아르곤 가스 중 1종 이상의 가스를 공급하고,
상기 가스 공급부는, 100 ℃ 이상의 수증기를 공급하는 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 환원제 공급부는, 생성된 합성 가스로부터 불순물 및 가스를 분리하는 가스 분리기 및 상기 분리된 가스를 저장하는 가스 저장 탱크를 더 포함하는 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템.
제10항에 있어서,
상기 가스 분리기는, 필터를 통하여 카본 파우더 및 수소 가스를 분리하거나 또는 사이클론으로 카본파우더 및 수소 가스를 분리하는 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 탈질 처리부는, 산화촉매를 더 포함하고,
상기 산화촉매는, 바나듐, 니켈, 세륨, 로듐, 백금, 몰리브데늄, 티타늄, 팔라듐 및 텅스텐, 및 이 둘의 산화물 중 1종 이상을 포함하고,
상기 산화촉매는, 산화알루미늄, 제올라이트, 또는 실리카 담체에 담지된 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 환원제 공급부는, 상기 플라즈마 수소 가스 발생기에서 생성된 수소 가스를 농축하는 WGSR 반응기(Water-gas shift reaction)를 더 포함하는 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 환원제 공급부는 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스를 더 공급하고,
상기 플라즈마 합성가스 발생장치는, 하나 이상의 플라즈마 분해 가스발생기를 더 포함하는 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 시스템.
플라즈마를 이용하여 환원제를 획득하는 단계;
상기 환원제를 NOx를 포함하는 가스에 접촉시켜 탈질 처리하는 단계; 및
탈질 처리된 가스를 배출하는 단계; 를 포함하는,
플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법.
제15항에 있어서,
상기 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법은:
플라즈마를 이용하여 수소 가스를 획득하는 단계;
상기 수소 가스를 NOx를 포함하는 가스에 접촉시켜 탈질 처리하는 단계; 및
탈질 처리된 가스를 배출하는 단계; 를 포함하는 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법.
제15항에 있어서,
상기 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법은:
플라즈마를 이용하여 수소 가스; 및 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스; 를 각각 획득하는 단계;
상기 수소 가스; 및 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스; 를 NOx를 포함하는 가스에 접촉시켜 탈질 처리하는 단계; 및
탈질 처리된 가스를 배출하는 단계;를 포함하는 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법.
제15항에 있어서,
상기 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법은:
플라즈마를 이용하여 수소 가스 및 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스; 를 각각 획득하는 단계;
상기 수소 가스를 NOx를 포함하는 가스에 접촉시켜 제1 탈질 처리하는 단계;
상기 제1 탈질 처리하는 단계 이후에 생성된 혼합 가스에 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스;를 접촉시켜 제2 탈질 처리하는 단계; 및
탈질 처리된 가스를 배출하는 단계; 를 포함하는 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법.
제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탈질 처리하는 단계 이전에, 상기 수소 가스를 수소치환반응시켜 수소 가스를 농축하는 단계를 더 포함하는 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법.
제15항에 있어서,
상기 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법은:
플라즈마를 이용하여 암모니아, 요소수, 및 암모니아수 중 1종 이상의 플라즈마 분해 가스; 를 획득하는 단계;
산화촉매의 존재 하에서 상기 플라즈마 분해가스를 NOx를 포함하는 가스에 접촉시켜 탈질 처리하는 단계; 및
탈질 처리된 가스를 배출하는 단계; 를 포함하는 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법.
제15항에 있어서,
상기 탈질 처리하는 단계에서 반응 온도는 상온 내지 1000 ℃인 것인, 플라즈마를 이용한 탈질 처리 방법.