KR20170081291A - 가스 스트림 내의 미립자 물질을 감소시키는 방법 및 시스템 - Google Patents

가스 스트림 내의 미립자 물질을 감소시키는 방법 및 시스템 Download PDF

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KR20170081291A
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토마스 거들스톤
시코 스티븐 드
윌리엄 에스. 에프링
제랄드 에이. 콜레
그레고리 제이. 와그너
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에메라켐, 엘엘씨
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Abstract

가스 스트림으로부터 미립자 물질의 배출물들을 감소시키는 방법들 및 시스템들이 제공되어 있다. 본 시스템들은 가스 스트림 내의 미립자 물질의 양을 감소시키는 촉매를 포함한다. 본 시스템들의 구체예들은 또한 가스 스트림 내의 미립자 물질 전구체 배출물들의 양을 감소시킨다. 일부 경우들에서, 본 시스템들 및 방법들은 가스 스트림 내의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 감소를 촉진하는 흡착제를 포함한다. 본 방법들 및 시스템들은 가스 스트림으로부터 미립자 물질 배출물들을 감소시킬 필요가 있는 다양한 용례들에 사용될 수 있다.

Description

가스 스트림 내의 미립자 물질을 감소시키는 방법 및 시스템{METHODS AND SYSTEMS FOR REDUCING PARTICULATE MATTER IN A GASEOUS STREAM}
관련 출원에 대한 상호참조
본 출원은 본 명세서에 그 전문이 참조로 통합되어 있는 2008년 10월 31일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/110,482호의 우선권을 주장한다.
미립자 물질은 가스 내에 현탁된 고체 또는 액체의 작은 입자들이며, 1차적 또는 2차적 형태들로 발생할 수 있다. 1차적 미립자 물질은 탄화수소들, 스모크, 분진 등 같은 대기로 직접적으로 방출되는 입자들이다. 2차적 미립자 물질 또는 미립자 물질 전구체들은 다른 오염물들과 반응하여 미립자 물질을 형성하는 배출물들(예컨대, NOx, 황, 암모니아)이다. 차량들, 발전소들 및 다양한 산업적 공정들에서 화석 연료들을 연소시키는 것 같은 활동들은 현저한 양의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들을 발생시킨다. 소위 미세 입자들(예를 들어, 직경이 2.5㎛ 미만인 미립자 물질(PM2.5) 또는 직경이 1㎛ 미만인 미립자 물질(PM1)) 및 초미세 입자들(UFP 또는 UP, 예를 들어, 직경이 0.1㎛ 미만인 미립자 물질) 같은 직경이 10㎛ 미만인 미립자 물질(예를 들어, PM10)의 배출물들은 이들이 호흡 시스템에 흡입되어 축적될 수 있기 때문에 건강 문제를 유발할 수 있다. 미립자 물질의 흡입은 심장 질환, 폐 기능 변경 및 폐암 같은 건강 위험들에 연계된다. 따라서, 왕복 내연 기관들, 내연 터빈들, 유틸리티 보일러들, 산업적 보일러들 등으로부터의 연소 가스 스트림들 같은 가스 스트림들 내의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 감소를 위한 시스템의 개발에 대한 지속적 관심이 존재한다.
가스 스트림으로부터 미립자 물질의 배출물들을 감소시키는 방법들 및 시스템들이 제공된다. 본 방법들 및 시스템들은 가스 스트림 내의 미립자 물질의 양을 감소시키는 촉매를 포함한다. 또한, 본 시스템들의 구체예들은 가스 스트림의 미립자 물질 전구체 배출물들의 양을 감소시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 본 시스템들 및 방법들은 가스 스트림 내의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 감소를 이행하는 흡착제를 포함한다. 본 방법들 및 시스템들은 가스 스트림으로부터 미립자 물질 배출물들을 감소시키는 것이 필요한 다양한 용례들에 사용될 수 있다.
도 1은 가스 스트림으로부터 미립자 물질의 배출물들을 감소시키는 본 시스템의 일 구체예의 개략도를 도시한다.
도 2는 가스 스트림으로부터 미립자 물질의 배출물들을 감소시키는 본 시스템의 일 구체예의 도면을 도시한다.
도 3은 가스 스트림으로부터 미립자 물질의 배출물들을 감소시키는 본 시스템의 일 구체예의 도면을 도시한다. 재생 가스 스트림의 유동이 표시되어 있다.
가스 스트림으로부터 미립자 물질의 배출물들을 감소시키는 방법들 및 시스템들이 제공되어 있다. 본 시스템들은 가스 스트림 내의 미립자 물질 배출물들의 양을 감소시키는 촉매를 포함한다. 또한, 본 시스템들의 구체예들은 가스 스트림 내의 미립자 물질 전구체 배출물들의 양을 감소시킬 수도 있다. 일부 경우들에서, 본 시스템들 및 방법들은 가스 스트림 내의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 감소를 이행하는 흡착제를 포함한다. 본 방법들 및 시스템들은 가스 스트림으로부터 미립자 물질 배출물들을 감소시키는 것이 필요한 다양한 용례들에 사용된다.
일부 경우들에서, 시스템들 및 방법들은 가스 스트림 내의 응축가능한 탄화수소들 같은 미립자 물질의 양을 감소시킨다. 또한, 시스템들 및 방법들은 가스 스트림 내의 황 이산화물(SO2) 및 황 삼산화물(SO3) 같은 미립자 물질 전구체들의 양을 감소시킬 수도 있다.
본 방법은 가스 스트림 내의 미립자 물질은 30% 이상 만큼 감소되는, 가스 스트림을 촉매와 접촉시키는 단계와, 가스 스트림 내의 미립자 물질이 감소되었다는 것을 보고하는 단계를 포함한다. 본 방법들에 사용되는 본 시스템들의 추가적 양태들은 이하에 상세히 설명되어 있다.
일부 경우들에서, 본 방법들은 배출물 트랩을 통해 유동할 때 가스 스트림의 가스 시간당 공간 속도를 조절하는 단계를 추가로 포함한다. 가스 시간당 공간 속도는 가스 스트림 내의 미립자 물질 및/또는 미립자 물질 전구체들의 농도에 기초하여 조절될 수 있다. 예로서, 가스 시간당 공간 속도는 가스 스트림 내의 황 산화물들의 농도에 기초하여 조절될 수 있다.
특정 구체예들에서, 본 방법들은 가스 스트림 내의 미립자 물질이 감소된 양을 확인하는 단계를 추가로 포함한다. 가스 스트림 내의 미립자 물질의 양은 U.S. EPA 방법 5(http://www.epa.gov/ttn/emc/promgate.html에서 온라인으로 입수할 수 있는 40 C.F.R. Part 60, Appendix A-3 참조), U.S. EPA 방법 201A(http://www.epa.gov/ttn/emc/promgate.html에서 온라인으로 입수할 수 있는 40 C.F.R. Part 51, Appendix M 참조), U.S. EPA 방법 202(http://www.epa.gov/ttn/emc/promgate.html에서 온라인으로 입수할 수 있는 40 C.F.R. Part 51, Appendix M 참조) 등 같은, 그러나 이에 한정되지 않는 다양한 테스트 프로토콜들을 사용하여 확인될 수 있다.
또한, 구체예들은 촉매 배출물 트랩을 갖는 시스템들을 포함한다. 배출물 트랩은 촉매를 포함하고, 가스 스트림이 트랩을 통해 유동할 때 가스 스트림이 촉매와 접촉하도록 구성된다. 가스 스트림 내의 미립자 물질은 30% 이상 만큼 감소될 수 있으며, 예로서, 50% 이상 감소될 수 있고, 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상, 95% 이상 또는 98% 이상 감소되는 것을 포함한다. 특정 구체예들에서, 결과를 사용자에게 출력하기 위한 미립자 물질 인디케이터(indicator)를 추가로 포함하고, 여기서, 결과는 시스템은 가스 스트림 내의 미립자 물질이 감소된 양이다.
본 시스템들은 가스 스트림 내의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 감소에 사용된다. 일부 경우들에서, 미립자 물질은 탄화수소들을 포함한다. 이들 경우들에서, 촉매는 탄화수소들을 산화시키도록 구성된다. 일부 경우들에서, 미립자 물질은 SO3 및 SO2를 포함한다. 이들 경우들에서, 촉매는 SO3를 SO2로 환원시키도록 구성된다. 또한, 본 시스템의 양태들은 시스템들을 포함하며, 암모니아 또는 암모니아 전구체들은 가스 스트림에 추가되지 않는다.
시스템은 미립자 10㎛ 이하의 평균 직경을 갖는 미립자 물질의 배출물을 감소시키도록 구성될 수 있다. 일부 경우들에서, 시스템은 2.5㎛ 이하의 평균 직경을 갖는 미립자 물질의 배출물을 감소시킨다. 예로서, 시스템은 1㎛ 이하의 평균 직경을 갖는 미립자 물질의 배출물을 감소시킬 수 있다.
특정 경우들에서, 가스 스트림은 왕복 내연 기관, 내연 터빈, 유틸리티 보일러, 산업적 보일러 등 같은, 그러나 이에 한정되지 않는 연소 공급원으로부터의 가스 배출물 스트림이다.
본 시스템의 특정 구체예들은 촉매를 포함하며, 촉매는 백금 함유 촉매이다. 촉매 배출물 트랩은 흡착제를 추가로 포함하며, 일부 경우들에서, 흡착제는 K2CO3, BaCO3 같은 카보네이트들, 카보네이트들의 조합들 등을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 촉매 배출물 트랩은 워시코트(washcoat)를 추가로 포함할 수 있으며, 일부 경우들에서, 워시코트는 알루미나, 티타니아 등을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
본 발명을 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 설명된 특정 구체예들에 한정되지 않으며, 이 때문에, 물론 변할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 본 명세서에 사용된 용어는 단지 특정 구체예들을 설명하기 위한 목적이며, 제한을 의도하지 않고, 그 이유는 본 발명의 범주가 첨부된 청구범위에 의해서만 제한될 것이기 때문이다.
값들의 범위가 제공되는 경우, 문맥상 달리 명시되지 않은 한, 그 범위의 상한과 하한 사이의 하한의 단위의 1/10까지의 각 중간값과, 그 선언된 범위의 임의의 다른 선언된 값 또는 중간값이 본 발명에 포함된다는 것을 이해하여야 한다. 이들 더 작은 범위들의 상한 및 하한은 독립적으로 더 작은 범위들에 포함될 수 있으며, 또한, 본 발명에 포함되고, 임의의 선언된 범위 내의 명시적으로 배제된 한계를 갖는다. 선언된 범위가 한계들 중 하나 또는 양자 모두를 포함하는 경우, 이들 포함된 한계들 중 어느 하나 또는 양자 모두를 배제한 범위도 본 발명에 포함된다.
달리 정의되지 않은 한, 본 명세서에 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상적 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 바와 동일한 의미를 갖는다. 비록, 본 명세서에 설명된 것들과 유사한 또는 대등한 임의의 방법들 및 물질들이 또한 본 발명의 실시 또는 테스트에 사용될 수 있지만, 대표적 예시적 방법들 및 물질들이 이제 설명된다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용될 때, 단수 형태들 "하나" 및 "그"는 문맥상 달리 명시되어 있지 않은 한, 복수의 지시대상들을 포함한다는 것을 주의하여야 한다. 또한, 청구범위는 임의의 선택적 요소를 배제하도록 기안될 수 있다. 따라서, 본 선언은 청구항 요소들의 인용과 연계하여 "단지" 및 "~만" 같은 배제적 용어의 사용이나, "부정적" 제한의 사용을 위한 전제적 기초로서 기능하도록 의도된다.
본 내용을 읽는 본 기술 분야의 숙련자들에게 명백한 바와 같이, 본 명세서에 개시 및 예시된 개별 구체예들 각각은 본 발명의 개념 및 범주로부터 벗어나지 않고 다른 다수의 구체예들 중 임의의 구체예의 특징들로부터 쉽게 분리되거나 그와 조합될 수 있는 별개의 구성요소들 및 특징들을 갖는다. 임의의 언급된 방법은 기재된 사건들의 순서로 수행될 수 있거나, 논리적으로 가능한 임의의 다른 순서로 수행될 수 있다.
본 명세서에 인용된 모든 공보들 및 특허들은 각 개별 공보 또는 특허가 구체적으로, 그리고, 독립적으로 참조로 통합되어 나타나 있는 것 같이, 그리고, 공보들의 인용과 연계된 방법들 및/또는 자료들을 개시 및 설명하도록 참조로 본 명세서에 통합되어 있는 것 같이 본 명세서에 참조로 통합되어 있다. 임의의 공보의 인용은 출원일 이전의 그 공개에 대한 것이며, 본 발명이 선행 발명으로서 이런 공보에 선행하지 못한다는 것을 허용하는 것으로 해석하지 않아야 한다. 또한, 제공된 공보의 날짜들은 실제 공개 날짜들과 다를 수 있으며, 개별적으로 확인할 필요가 있을 수 있다.
본 발명에 대한 추가 설명에 있어서, 본 방법들의 구체예들을 먼저 상세히 설명하고, 그후, 본 방법들이 사용되는 시스템들의 구체예의 고찰이 이어진다.
방법들
가스 스트림으로부터 미립자 물질의 배출물들을 감소시키는 방법들이 제공되어 있다. 또한, 특정 예들에서, 이 방법들은 가스 스트림으로부터 미립자 물질 전구체들의 배출물들을 감소시킬 수도 있다. 본 방법들의 구체예들은 가스 스트림을 촉매와 접촉시키는 단계를 포함한다. 일부 경우들에서, 가스 스트림 내의 미립자 물질은 30% 이상만큼 감소되며, 예로서, 50% 이상만큼 감소되며, 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상, 95% 이상 또는 98% 이상만큼 감소되는 것을 포함한다. 가스 스트림 내의 미립자 물질 전구체들의 양도 30% 이상만큼 감소되며, 예로서, 50% 이상만큼 감소되며, 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상, 95% 이상 또는 98% 이상만큼 감소되는 것을 포함한다.
추가적으로, 본 방법들은 가스 스트림 내의 미립자 물질이 감소되었다는 것을 보고하는 단계를 포함한다. 특정 예들에서, 보고 단계는 가스 스트림 내의 미립자 물질이 감소되었다는 청각적 및/또는 시각적 신호 같은 지표를 사용자에게 제공하는 단계를 포함한다. 보고 단계는 가스 스트림 내의 미립자 물질이 감소되었다는 것을 디스플레이하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 가스 스트림 내의 미립자 물질의 양이 디스플레이된다. 필요시, 가스 스트림 내의 미립자 물질의 감소량이 디스플레이될 수 있다.
특정 구체예들에서, 본 시스템은 제1 촉매를 구비한 제1 촉매 배출물 트랩과, 제2 촉매를 구비한 제2 촉매 배출물 트랩을 포함한다. 본 방법은 제1 촉매 배출물 트랩 및 제2 촉매 배출물 트랩과 가스 스트림을 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. 추가적으로, 제2 촉매 배출물 트랩은 제1 배출물 트랩으로부터 상류에 위치될 수 있다. "상류"는 가스 스트림 같은 유체 유동의 공급원에 근접하게 위치되어 있다는 것을 의미한다. "하류"는 유체 유동의 공급원으로부터 원거리에 위치되어 있다는 것을 의미한다. 대응적으로, 일부 경우들에서, 본 방법은 가스 스트림을 제2 배출물 트랩과 접촉시키는 단계와, 후속하여, 가스 스트림을 제1 배출물 트랩과 접촉시키는 단계를 포함한다. 다른 구체예들에서, 제1 배출물 트랩은 제2 배출물 트랩으로부터 상류에 위치된다. 대응적으로, 이들 경우들에서, 본 방법은 가스 스트림을 제1 배출물 트랩과 접촉시키는 단계와, 후속하여, 가스 스트림을 제2 배출물 트랩과 접촉시키는 단계를 포함한다.
추가적으로, 본 시스템들의 특정 구체예들은 배출물 트랩을 위한 가스 시간당 공간 속도(gas hourly space velocity)가 시간당 200 내지 시간당 300,000의 범위이고, 예로서, 시간당 200 내지 시간당 150,000의 범위이고, 시간당 1,000 내지 시간당 100,000을 포함하는 경우를 포함한다. 시스템이 제1 배출물 트랩 및 제2 배출물 트랩을 포함하는 구체예들에서, 트랩들의 가스 시간당 공간 속도는 실질적으로 동일할 수 있다. 다른 경우들에서, 제1 및 제2 배출물 트랩들의 가스 시간당 공간 속도들은 서로 다를 수 있다. 예로서, 제1 배출물 트랩의 가스 시간당 공간 속도는 시간당 200 내지 시간당 100,000의 범위일 수 있고, 예로서, 시간당 3,000 내지 시간당 50,000일 수 있으며, 시간당 10,000 내지 시간당 35,000, 예를 들어, 시간당 20,000 내지 시간당 35,000을 포함한다. 일부 경우들에서, 제2 배출물 트랩의 가스 시간당 공간 속도는 시간당 200 내지 시간당 300,000의 범위일 수 있고, 예로서, 시간당 1,000 내지 시간당 100,000일 수 있으며, 시간당 10,000 내지 시간당 100,000, 예를 들어, 시간당 30,000 내지 시간당 90,000 또는 시간당 60,000 내지 시간당 90,000을 포함한다.
특정 구체예들에서, 본 방법은 가스 스트림 내의 미립자 물질의 양에 기초하여 가스 시간당 공간 속도를 조절하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 예들에서, 본 방법은 가스 스트림 내의 미립자 물질 전구체들의 양에 기초하여 가스 시간당 공간 속도를 조절하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 경우들에서, 본 방법은 가스 스트림 내의 미립자 물질의 양 및 미립자 물질 전구체들의 양에 기초하여 가스 시간당 공간 속도를 조절하는 단계를 포함한다. 가스 스트림 내의 미립자 물질 및/또는 미립자 물질 전구체들의 농도가 특정 양(예를 들어, 0.001 건조 표준 입방 피트 당 입자수(gr/dscf) 이상) 만큼 증가되는 경우, 이때, 본 방법은 가스 스트림 내의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 더 효율적 감소를 실행하기 위해 가스 스트림의 가스 시간당 공간 속도를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 반대로, 가스 스트림 내의 미립자 물질 및/또는 미립자 물질 전구체들의 농도가 특정 양(예를 들어, 0.001 gr/dscf 이상) 만큼 감소하는 경우, 이때, 본 방법은 가스 스트림 내의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 효율적 감소를 여전히 유지하면서 가스 스트림의 가스 시간당 공간 속도를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 특정 구체예들에서, 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들을 위한 배출물들의 감소를 위한 목표값이 요구된다. 본 방법은 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 배출물의 감소를 위한 목표값이 달성되도록 가스 스트림의 가스 시간당 공간 속도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
특정 경우들에서, 본 방법은 가스 스트림 내의 황 산화물들의 농도에 기초하여 가스 스트림의 가스 시간당 공간 속도를 조절하는 단계를 포함한다. 예로서, 가스 스트림 내의 황 산화물들의 양이 증가하는 경우, 이때, 본 방법은 가스 스트림의 가스 시간당 공간 속도를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 가스 스트림의 가스 시간당 공간 속도를 감소시키는 단계는 가스 스트림 내의 황 산화물들의 농도를 원하는 목표값 이하로 유지하는 것을 용이하게 한다. 대안적으로, 가스 스트림 내의 황 산화물들의 양이 감소하면, 이때, 본 방법은 가스 스트림의 가스 시간당 공간 속도를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 필요시, 가스 스트림의 가스 시간당 공간 속도는 가스 스트림 내의 황 산화물들의 농도를 여전히 원하는 목표값 이하로 유지하면서 증가될 수 있다.
특정 구체예들에서, 본 방법은 가스 스트림의 공급원으로부터 가스 스트림의 온도를 조절하지 않고 가스 스트림을 촉매와 접촉시키는 단계를 포함한다. 일부 구체예들에서, 본 방법은 가스 스트림을 촉매와 접촉시키기 이전에 가스 스트림이 온도를 조절하는 단계를 포함한다. 촉매로부터 상류의 가스 스트림의 온도가 원하는 온도 또는 온도 범위보다 큰 경우, 이때, 조절 단계는 원하는 온도 또는 온도 범위로 가스 스트림의 온도를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 예로서, 가스 스트림의 온도를 감소시키는 단계는 가스 스트림의 압력을 감소시키는 단계, 가스 스트림을 열 교환기와 접촉시키는 단계 등을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 촉매로부터 상류의 가스 스트림의 온도가 원하는 온도 또는 온도 범위보다 낮은 경우, 이때, 조절 단계는 가스 스트림의 온도를 원하는 온도 또는 온도 범위로 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 예로서, 가스 스트림의 온도를 증가시키는 단계는 가스 스트림의 압력을 증가시키는 단계, 가스 스트림을 열 교환기와 접촉시키는 단계 등을 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다. 일부 예들에서, 가스 스트림의 온도는 50℃ 내지 550℃의 범위일 수 있고, 예로서, 150℃ 내지 500℃일 수 있으며, 200℃ 내지 450℃, 예로서, 260℃ 내지 400℃를 포함한다. 특정 경우들에서, 본 방법들은 온도가 이들 범위들 이내로 들어가도록 초기 가스 스트림의 온도를 조절하는 단계를 포함한다.
본 방법들의 다른 구체예들에서, 가스 스트림 내의 미립자 물질이 감소되는 양을 확인하는 단계는 미립자 물질 및/또는 미립자 물질 전구체들의 존재 또는 부재에 대해 가스 스트림을 테스트하는 단계를 포함한다. 일부 경우들에서, 확인 단계는 샘플링 프로브, 가열된 샘플링 라인, 가열된 필터 및 일련의 임핀저들을 포함하는 U.S. EPA 방법 5(http://www.epa.gov/ttn/emc/promgate.html에서 온라인으로 입수할 수 있는 40 C.F.R. Part 60, Appendix A-3 참조)를 사용하여 가스 스트림을 테스트하는 단계를 포함한다. 특정 경우들에서, 확인 단계는 측정시 조립질 미립자 물질의 양을 감소시키는 관성 분리 장치를 포함하는 U.S. EPA 방법 201A(http://www.epa.gov/ttn/emc/promgate.html에서 온라인으로 입수할 수 있는 40 C.F.R. Part 51, Appendix M 참조)를 사용하여 가스 스트림을 테스트하는 단계를 포함한다. 특정 경우들에서, 확인 단계는 응축가능한 무기 화합물들 및 응축가능한 유기 화합물들을 테스트하도록 구성될 수 있는 U.S. EPA 방법 202(http://www.epa.gov/ttn/emc/promgate.html에서 온라인으로 입수할 수 있는 40 C.F.R. Part 51, Appendix M 참조)를 사용하여 가스 스트림을 테스트하는 단계를 포함한다.
특정 구체예들에서, 본 방법들은 실시간으로 가스 스트림 내의 미립자 물질의 양을 측정하는 단계를 포함한다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "실시간으로 측정하는" 및 "실시간 측정"은 서로 교체가능하게 사용되며, 파라미터를 발생시 또는 발생 직후에 측정하는 것을 지칭한다. 일부 경우들에서, 본 방법들 및 시스템들은 가스 스트림 내의 미립자 물질의 양의 연속적 실시간 측정을 제공한다.
특정 구체예들에서, 본 방법은 촉매 배출물 트랩을 재생하는 단계를 포함한다. 필요시, 재생 단계는 흡착제를 재생하는 단계를 포함한다. 재생 단계는 흡착제를 재생 가스 스트림과 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 흡착제는 흡착제를 재생 가스 스트림과 접촉시키기 이전에 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 실질적으로 제거된다. 흡착제는 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 실질적으로 제거될 수 있다. "실질적으로"는 가스 배출물 스트림의 유동 중 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상이 배출물 트랩과 접촉이 방지되는 것을 의미하며, 예로서, 95% 이상이 배출물 트랩과의 접촉이 방지되는 것을 의미하고, 98% 이상, 예로서, 99% 이상이 배출물 트랩과 접촉이 방지되는 것을 포함한다. 필요시, 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 촉매 배출물 트랩을 제거하는 단계는 가스 배출물 스트림의 유동을 운반하는 도관으로부터 촉매 배출물 트랩을 제거하는 단계를 포함한다. 예로서, 촉매 배출물 트랩은 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 촉매 배출물 트랩을 선형적으로 병진시킴으로서(예를 들어, 활주, 상승, 하강 등) 또는 회전시킴으로써(예를 들어, 루버링(louvering), 캔틸레버링 등) 가스 배출물 스트림의 유동을 운반하는 도관으로부터 제거될 수 있다.
특정 경우들에서, 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 촉매 배출물 트랩을 제거하는 단계는 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 촉매 배출물 트랩을 실질적으로 격리시키는 단계를 포함한다. 격리 단계는 예로서, 촉매 배출물 트랩으로부터 상류에 위치된 제1 유량 조절기를 폐쇄하고 촉매 배출물 트랩으로부터 하류에 위치된 제2 유량 조절기를 폐쇄함으로서 달성될 수 있다. 유량 조절기들은 댐퍼들, 밸브들 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 일부 경우들에서, 유량 조절기들은 댐퍼들이다. 필요시, 본 방법은 촉매 배출물 트랩으로부터 상류에 위치된 상류 댐퍼를 폐쇄하는 단계와, 촉매 배출물 트랩으로부터 하류에 위치된 하류 댐퍼를 폐쇄하는 단계를 포함한다. 특정 경우들에서, 재생 가스 스트림의 유동은 가스 배출물 스트림의 유동과 동일한 방향이다. 대안적으로, 재생 가스 스트림의 유동은 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 반대 방향일 수 있다. 재생 가스 스트림은 가스 배출물 스트림의 유량보다 작은 유량을 가질 수 있다. 예로서, 재생 가스 스트림의 유량은 가스 배출물 스트림의 유량의 25% 이하일 수 있으며, 예로서, 가스 배출물 스트림의 유량의 10% 이하일 수 있고, 가스 배출물 스트림의 유량의 5% 이하 또는 1% 이하를 포함한다.
일부 경우들에서, 재생 가스 스트림은 환원 가스 스트림을 포함한다. "환원 가스 스트림"은 환원 가스 스트림과 접촉하는 하나 이상의 화합물들이 환원될 수 있도록 환원 분위기를 제공하는 가스 스트림을 의미한다. 예로서, 후술된 바와 같이, 흡착제는 가스 배출물 스트림으로부터 NOx 같은 미립자 물질 전구체들의 흡착을 이행할 수 있다. 일부 경우들에서, 흡착제는 NOx가 가스 배출물 스트림으로부터 흡착될 때 KNO2 및 KNO3로 변환될 수 있는 K2CO3를 포함한다. 흡착제의 재생은 KNO2 및 KNO3로부터 K2CO3를 재생하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 흡착제의 재생은 이하의 반응들에 따라 이루어질 수 있다.
KNO2 + KNO3 + CO2 + 4H2 → K2CO3 + 4H2O + N2
KNO2 + KNO3 + CH4 → 2KOH + N2 + CO2 + H2O → K2CO3 + N2 +2H2O
특정 구체예들에서, 재생 가스 스트림은 천연 가스, 합성가스, 메탄, 프로판, 디젤 연료, 그 혼합물들 등 같은, 그러나, 이에 한정되지 않는 탄화수소들을 포함한다. 탄화수소들은 메탄(CH4)을 포함할 수 있다. 재생 가스 스트림은 0.5% 내지 25% CH4를 포함할 수 있으며, 예로서, 1% 내지 20% CH4를 포함할 수 있고, 1% 내지 15% CH4 또는 1% 내지 10% CH4, 예로서 1% 내지 5% CH4를 포함하는 것을 포함한다. 일부 경우들에서, 재생 가스 스트림은 수소를 포함한다. 재생 가스 스트림은 1% 내지 10% H2를 포함할 수 있고, 예로서, 1% 내지 5% H2를 포함할 수 있으며, 2% 내지 4% H2를 포함하는 것을 포함한다. 재생 가스 스트림은 촉매 배출물 트랩과 접촉하기 이전에 혼합될 수 있다. 일부 구체예들에서, 탄화수소들의 유동 및 증기의 유동은 재생 가스 스트림과 흡착제의 접촉 이전에 재생 가스 스트림을 제공하도록 혼합된다.
특정 예들에서, 본 방법은 혼합 단계 이전에 탄화수소들의 유동 내의 황의 농도를 감소시키는 단계를 포함한다. 탄화수소들의 유동 내의 황의 농도는 탄화수소들의 유동을 황 트랩, 황 스크러버 등과 접촉시킴으로써 감소될 수 있다. 일부 경우들에서, 재생 가스 스트림 내의 황의 농도는 100 이하이고, 예로서, 50 ppm 이하이고, 30 이하, 예로서 20 ppm 이하 또는 10 이하인 것을 포함한다.
일부 예들에서, 본 방법은 재생 가스 스트림을 촉매 배출물 트랩과 접촉시키기 이전에 재생 가스 스트림 내의 탄화수소들을 H2로 변환하는 단계를 포함한다. 탄화수소들을 H2로 변환하는 단계는 탄화수소들의 H2로의 증기 개질을 포함한다. CH4 같은 탄화수소들의 H2로의 증기 개질은 이하의 반응들에 따라 수행될 수 있다.
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 (이론적)
CH4 + 100H2O → CO2 + 4H2 + 98H2O (캐리어 가스로서의 증기와 함께)
재생 가스 스트림은 증기 같은 물을 추가로 포함할 수 있다. 증기는 과열 증기일 수 있다. 예로서, 증기는 150℃ 내지 600℃의 범위의 온도를 가질 수 있으며, 예로서, 250℃ 내지 550℃의 범위의 온도를 가질 수 있으며, 400℃ 내지 500℃의 범위의 온도를 포함한다. 일부 경우들에서, 증기는 450℃의 온도를 가질 수 있다. 증기는 50 kPa 내지 150 kPa의 범위의 압력을 가질 수 있으며, 예로서, 75 kPa 내지 125 kPa의 범위의 압력을 가질 수 있고, 90 kPa 내지 110 kPa의 범위의 압력을 포함한다. 특정 경우들에서, 증기는 100 kPa의 압력을 갖는다. 특정 구체예들에서, 증기는 500 lb/hr 내지 10,000 lb/hr의 범위의 유량을 가지며, 예로서, 750 lb/hr 내지 8,000 lb/hr의 범위의 유량을 가지고, 1,000 lb/hr 내지 7,000 lb/hr 범위의 유량을 포함한다. 탄화수소 유량은 50 시간당 표준 입방 피트(scfh) 내지 1,500 scfh의 범위일 수 있으며, 예로서, 100 scfh 내지 1,000 scfh의 범위일 수 있고, 120 scfh 내지 800 scfh의 범위를 포함한다. 일부 경우들에서, 탄화수소 유량에 대한 증기 유량의 비율은 2:1 내지 15:1의 범위, 예로서, 5:1 내지 10:1의 범위일 수 있고, 7:1 내지 9:1의 범위를 포함한다. 필요시, 탄화수소 유량에 대한 증기 유량은 8.5:1이다.
일부 경우들에서, 흡착제는 가스 배출물 스트림으로부터 SOx를 흡착하도록 구성된다. 특정 예들에서, SO2는 SO3로 산화되고, 이는 흡착제에 의해 흡착될 수 있다. 가스 배출물 스트림으로부터 SO2의 흡착은 흡착제-SO3 복합체를 형성하기 위한 이하의 반응에 따라 이루어질 수 있다.
SO2 + 1/2 O2 + 흡착제 → 흡착제-SO3
흡착제의 재생은 흡착제-SO3 복합체로부터 흡착제를 재생하는 단계를 포함할 수 있다. 특정 경우들에서, 흡착제의 재생은 이하의 반응에 따라 이루어질 수 있다.
흡착제-SO3 + H2 → 흡착제 + SO2 + H2O
필요시, 재생된 SO2는 황 트랩, 황 스크러버 등과 재생 가스 스트림을 접촉시킴으로써 재생 가스 스트림으로부터 제거된다. 재생 가스 스트림으로부터 SO2의 제거는 가스 스트림으로부터 SO2의 더욱 효율적인 제거를 이행할 수 있게 하는 데, 그 이유는, 특정 경우들에서, 배출물 트랩과 접촉된 가스 배출물 스트림의 체적보다 적은 재생 가스의 체적이 사용되기 때문이다.
시스템들
또한, 가스 스트림으로부터 미립자 물질의 배출물들을 감소시키는 시스템들이 제공된다. 본 시스템의 구체예들은 촉매를 포함하는 적어도 하나의 배출물 트랩, 즉, 촉매 배출물 트랩을 포함한다. 촉매 배출물 트랩은 가스 스트림이 트랩을 통해 유동할 때 가스 스트림이 촉매와 접촉하도록 구성되어 있다. 일부 경우들에서, 촉매 배출물 트랩은 30% 이상만큼 가스 스트림 내의 미립자 물질을 감소시키며, 예로서, 50% 이상 만큼 가스 스트림 내의 미립자 물질을 감소시키고, 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상, 95% 이상 또는 98% 이상만큼 가스 스트림 내의 미립자 물질을 감소시키는 것을 포함한다. 촉매 배출물 트랩은 30% 이상만큼 가스 스트림 내의 미립자 물질전구체들을 감소시키며, 예로서, 50% 이상 만큼 가스 스트림 내의 미립자 물질 전구체들을 감소시키고, 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상, 95% 이상 또는 98% 이상만큼 가스 스트림 내의 미립자 물질 전구체들을 감소시키는 것을 포함한다.
특정 구체예들에서, 본 시스템들은 또한 미립자 물질 인디케이터를 포함한다. 필요시 미립자 물질 인디케이터들은 사용자에게 가스 스트림 내의 미립자 물질의 양을 보고한다. 일부 경우들에서, 미립자 물질 인디케이터는 사용자에게 미립자 물질이 감소되었다는 것을 보고한다. 미립자 물질 인디케이터들은 사용자에게 결과를 출력한다. 결과는 가스 스트림 내의 미립자 물질이 감소된 양을 포함할 수 있다.
본 시스템의 구체예들은 가스 스트림 내의 다양한 미립자 물질의 양을 포획 및 감소시킨다. 특정 구체예들에서, 본 시스템들은 가스 스트림 내의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들을 감소시킨다. 본 시스템은 10㎛ 이하의 평균 직경을 갖는 미립자 물질의 양을 감소시키도록 구성될 수 있다. 일부 경우들에서, 시스템은 2.5㎛ 이하의 평균 직경을 갖는 미립자 물질의 양을 감소시키도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 본 시스템은 1㎛ 이하의 평균 직경을 갖는 미립자 물질의 양을 감소시키도록 구성될 수 있다.
특정 구체예들에서, 본 시스템은 가스 스트림의 공급원을 포함한다. 추가적으로, 본 시스템은 가스 스트림의 유동을 운반하도록 구성된 도관을 포함할 수 있다. 가스 스트림은 미립자 물질을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 가스 스트림은 엔진, 연소 기관, 왕복 내연 기관, 내연 터빈, 유틸리티 보일러, 산업적 보일러 등 같은, 그러나, 이에 한정되지 않는 연소 공급원으로부터의 배출물 스트림이다. 일부 경우들에서, 가스 스트림은 탄화수소들(예를 들어, 응축가능한 탄화수소들) 같은, 그러나, 이에 한정되지 않는 미립자 물질과, 황 산화물들, 예로서, 황 삼산화물(SO3), 황 이산화물(SO2) 등 같은, 그러나, 이에 한정되지 않는 미립자 물질 전구체들을 포함하는 연소 가스 스트림이다.
상술한 바와 같이, 연소 공급원은 터빈일 수 있다. 특정 구체예들에서, 본 시스템은 가스 스트림이 배출물 트랩을 통해 유동할 때 터빈으로부터의 가스 배출물 스트림이 H2O 15 인치 이하의 압력 강하를 가지며, 예로서, H2O 10 인치 이하의 압력 강하를 가지고, H2O 5 인치 이하, 예로서, H2O 3 인치 이하의 압력 강하를 갖는 것을 포함한다. 다른 구체예들에서, 본 시스템은 가스 스트림이 배출물 트랩을 통해 유동할 때, 내연 기관으로부터의 가스 배출물 스트림이 100 psi 이하의 압력 강하를 갖고, 예로서, 50 psi 이하의 압력 강하를 가지며, 25 psi 이하, 예로서, 10 psi 이하, 5 psi 이하의 압력 강하를 갖는 것을 포함한다.
특정 구체예들에서, 시스템은 가스 스트림을 운반하는 도관 내에 위치된 촉매 배출물 트랩을 포함한다. 특정 예들에서, 가스 스트림은 가스 스트림이 촉매와 접촉하는 배출물 트랩을 포함하는 시스템을 통해 유동한다. 일부 경우들에서, 배출물 트랩은 시간당 200 내지 시간당 300,000의 범위의, 예로서, 시간당 200 내지 시간당 150,000의 범위의, 시간당 1,000 내지 시간당 100,000을 포함하는 범위의 가스 시간당 공간 속도를 수용하도록 구성된다. 예로서, 배출물 트랩은 시간당 200 내지 시간당 100,000의 범위의, 예로서, 시간당 3,000 내지 시간당 50,000의 범위의, 그리고, 시간당 10,000 내지 시간당 35,000, 예를 들어, 시간당 20,000 내지 시간당 35,000을 포함하는 범위의 가스 시간당 공간 속도를 수용하도록 구성될 수 있다. 일부 경우들에서, 배출물 트랩은 시간당 200 내지 시간당 300,000의 범위의, 예로서, 시간당 1,000 내지 시간당 100,000의 범위의, 그리고, 시간당 10,000 내지 시간당 100,000, 예를 들어, 시간당 30,000 내지 시간당 90,000 또는 시간당 60,000 내지 시간당 90,000을 을 포함하는 범위의 가스 시간당 공간 속도를 수용하도록 구성된다.
특정 구체예들에서, 시스템은 제어기를 포함한다. 제어기는 가스 스트림의 가스 시간당 공간 속도를 제어하도록 구성된다. 필요시, 제어기는 가스 스트림의 미립자 물질 및/또는 미립자 물질 전구체 조성에 따라 가스 스트림의 가스 시간당 공간 속도를 조절하도록 구성된다. 예로서, 가스 스트림 내의 미립자 물질 및/또는 미립자 물질 전구체들의 농도가 특정량(0.001 gr/dscf 이상) 만큼 증가되는 경우, 이때, 제어기는 가스 스트림의 가스 시간당 공간 속도를 감소시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 가스 스트림의 가스 시간당 공간 속도의 감소는 가스 스트림 내의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 더욱 효율적 감소를 이행한다. 반대로, 가스 스트림 내의 미립자 물질 및/또는 미립자 물질 전구체들의 농도가 특정 양(예를 들어, 0.001 gr/dscf 이상) 만큼 감소하는 경우, 이때, 제어기는 가스 스트림 내의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 효율적 감소를 여전히 유지하면서 가스 스트림의 가스 시간당 공간 속도를 증가시킬 수 있다.
특정 구체예들에서, 제어기는 촉매 배출물 트랩들의 재생을 제어하도록 구성된다. 제어기는 배출물 트랩들로부터 하류에 위치된 센서들로부터 입력들을 수신할 수 있다. 센서들은 미립자 물질, 미립자 물질 전구체들, NOx, SOx, 탄화수소들 등 같은, 그러나, 이들에 한정되지 않는 가스 스트림 내의 하나 이상의 배출물들의 농도를 검출하도록 구성될 수 있다. 일부 경우들에서, 시스템은 병렬로 배열된 둘 이상의 배출물 트랩들을 포함한다. 각 배출물 트랩은 배출물 트랩으로부터 하류에 위치된 센서를 구비할 수 있으며, 그래서, 가스 스트림 내의 하나 이상의 배출물들의 농도를 다른 배출물 트랩들로부터 독립적으로 각 배출물 트랩의 하류에서 검출할 수 있다. 필요시, 제어기는 가스 스트림 내의 하나 이상의 배출물들의 농도를 임계값과 비교하도록 구성된다. 일부 예들에서, 가스 스트림 내의 하나 이상의 배출물들의 농도가 임계값들보다 큰 경우, 이때, 제어기는 임계값을 초과하는 배출물들을 갖는 배출물 트랩의 재생을 개시한다. 대안적으로, 제어기는 원하는 시간의 양 동안 배출물 트랩이 가스 배출물 스트림과 접촉한 이후 배출물 트랩을 재생하도록 구성될 수 있다.
본 시스템들의 촉매 배출물 트랩들은 촉매를 포함한다. 특정 구체예들에서, 촉매는 기판(substrate)에 적용된다. 배출물 트랩은 역시 기판에 적용된 흡착제를 추가로 포함할 수 있다. 특정 구체예들에서, 촉매 및 흡착제는 기판 상에 균일하게 분포된다. 특정 경우들에서, 배출물 트랩은 역시 기판에 적용된 워시코트를 추가로 포함한다. 워시코트가 기판에 먼저 적용되고, 존재시, 흡착제 및 촉매가 후속하여 기판에 적용될 수 있다. 다른 경우들에서, 워시코트 및 촉매가 먼저 조합되고, 그후, 기판에 적용되고, 존재시, 흡착제가 후속하여 기판에 적용된다.
특정 구체예들에서, 본 시스템들은 하나 이상의 촉매 배출물 트랩들을 포함한다. 트랩들은, 직렬로 또는 병렬로 배열될 수 있다. 예로서, 시스템은 제1 촉매를 포함 제1 배출물 트랩과 제2 촉매를 포함 제2 배출물 트랩을 포함할 수 있다. 특정 경우들에서, 제1 배출물 트랩 및 제2 배출물 트랩은 직렬로 배열된다. 제1 배출물 트랩은 제2 배출물 트랩의 상류에 위치될 수 있다. 다른 구체예들에서, 제2 배출물 트랩은 제1 배출물 트랩의 상류에 위치된다. 가스 스트림은 먼저 상류 배출물 트랩을 통해 유동하고, 그후, 임의의 하류 배출물 트랩들을 통해 유동한다. 특정 경우들에서, 가스 스트림은 상류 배출물 트랩에 먼저 접촉하고, 그후, 하류 배출물 트랩에 두 번째로 접촉한다.
특정 구체예들에서, 촉매 배출물 트랩들은 직렬로, 그리고, 병렬로 배열되며, 그래서, 가스 스트림은 배출물 트랩들의 둘 이상의 병렬 열들을 통해 유동하고, 각 열은 직렬로 하나 이상의 배출물 트랩들을 포함한다. 일부 경우들에서, 하나 이상의 트랩들 모두는 동일한 촉매, 흡착제 및 워시코트의 조성을 포함한다. 다른 경우들에서, 하나 이상의 트랩들은 서로 다른 촉매, 흡착제 및 워시코트의 조성들을 포함한다. 예로서, 제1 트랩 및 제2 트랩은 직렬로 배열될 수 있고, 제1 트랩은 촉매, 흡착제 및 워시코트의 제1 조성을 포함하고, 제2 트랩은 촉매, 흡착제 및 워시코트의 동일 조성을 포함한다. 다른 예들에서, 제1 트랩 및 제2 트랩은 직렬로 배열될 수 있고, 제1 트랩은 촉매, 흡착제 및 워시코트의 제1 조성을 포함하고, 제2 트랩은 촉매, 흡착제 및 워시코트의 다른 조성을 포함한다. 촉매들, 흡착제들 및 워시코트들의 구체예들은 이하에 더 상세히 설명되어 있다.
특정 구체예들에서, 시스템은 촉매 배출물 트랩의 재생을 제공하도록 구성된다. 예로서, 시스템은 흡착제의 재생을 제공하도록 구성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 촉매 배출물 트랩은 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 실질적으로 제거될 수 있다. 필요시, 촉매 배출물 트랩은 가스 배출물 스트림의 유동을 운반하는 도관으로부터 촉매 배출물 트랩을 제거함으로써 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 제거될 수 있다. 일부 경우들에서, 촉매 배출물 트랩은 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 실질적으로 격리될 수 있다. 설명된 다른 방식에서, 시스템은 격리될 수 있는 촉매 배출물 트랩을 포함할 수 있다. 격리가능 촉매 배출물 트랩의 구체예들은 실질적으로 어떠한 가스 배출물 스트림도 촉매 배출물 트랩과 접촉하지 않도록 구성될 수 있다. 대신, 격리가능 촉매 배출물 트랩은 재생 가스 스트림이 촉매 배출물 트랩을 통해 유동할 때 재생 가스 스트림이 흡착제와 접촉하도록 구성될 수 있다.
특정 구체예들에서, 격리가능 촉매 배출물 트랩은 가스 배출물 트랩의 유동으로부터 격리가능 촉매 배출물 트랩을 실질적으로 격리시키도록 구성된 하나 이상의 유량 조절기들을 포함한다. 필요시, 격리가능 촉매 배출물 트랩은 촉매 배출물 트랩의 촉매 및 흡착제로부터 상류에 위치된 제1 유량 조절기 및 촉매 배출물 트랩의 촉매 및 흡착제로부터 하류에 위치된 제2 유량 조절기를 포함한다. 유량 조절기들은 댐퍼들, 밸브들 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 일부 경우들에서, 유량 조절기들은 댐퍼들이다. 시스템의 구체예들은 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 촉매 배출물 트랩을 실질적으로 격리하도록 구성된 하나 이상의 댐퍼들을 포함할 수 있다. 예로서, 시스템은 촉매 배출물 트랩으로부터 상류에 위치되고 폐쇄 위치에 있을 때 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 배출물 트랩을 실질적으로 밀폐하도록 구성된 상류 댐퍼를 포함할 수 있다. 추가적으로, 시스템은 촉매 배출물 트랩으로부터 하류에 배치되고 폐쇄 위치에 있을 때 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 배출물 트랩을 실질적으로 밀폐하도록 구성된 하류 댐퍼를 포함할 수 있다.
상류 및 하류 댐퍼들이 폐쇄 위치에 있을 때, 촉매 배출물 트랩은 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 실질적으로 밀폐될 수 있다. 흡착제는 촉매 배출물 트랩이 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 실질적으로 격리된 이후 재생 가스 스트림과 접촉될 수 있다. 상술한 바와 같이, 시스템은 배출물 트랩들의 둘 이상의 병렬 열들을 포함하고, 각 열은 하나 이상의 배출물 트랩들을 직렬로 포함한다. 배출물 트랩들의 병렬 열들 각각은 그 자신의 도관 내에 배치될 수 있다. 일부 예들에서, 시스템들은 배출물 트랩들의 둘 이상의 병렬 열들 각각을 위한 상류 및 하류 댐퍼들을 포함한다. 배출물 트랩들의 각 열을 위한 상류 및 하류 댐퍼들은 독립적으로 제어될 수 있다. 필요시, 배출물 트랩들의 각 열은 배출물 트랩들의 다른 열들로부터 독립적으로 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 실질적으로 격리된다. 일부 경우들에서, 시스템은 배출물 트랩들의 하나 이상의 열들로부터 독립적으로 배출물 트랩들의 각 열을 재생하도록 구성된다. 가스 배출물 스트림의 유동은 재생 가스 스트림과 접촉되지 않는 배출물 트랩들을 통해 유지될 수 있다.
특정 구체예들에서, 댐퍼들은 하나 이상의 댐퍼 블레이드들을 포함한다. 댐퍼 블레이드들은 댐퍼 블레이드들이 개방 위치로부터 폐쇄 위치로, 그리고, 그 반대로 이동할 수 있도록 축을 중심으로 회전하도록 구성될 수 있다. 예로서, 댐퍼는 단일 블레이드 댐퍼, 버터플라이 댐퍼, 다중 블레이드 댐퍼 등으로 구성될 수 있다. 개방 위치에서, 댐퍼 블레이드들의 단면적은 가스 스트림의 유동에 관하여 실질적으로 최소화될 수 있다. 대안적으로, 폐쇄 위치에서, 댐퍼 블레이드들의 단면적은 가스 스트림에 관하여 실질적으로 최대화될 수 있다. 댐퍼 블레이드들이 폐쇄 위치에 있을 때, 댐퍼 블레이드들은 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 배출물 트랩을 실질적으로 밀폐할 수 있다.
일부 예들에서, 댐퍼 블레이드들은 사용 동안 변형에 저항하도록 구성된다. 예로서, 댐퍼 블레이드들은 수 주, 수 달, 그리고 수 년 같은 긴 사용 기간들에 걸쳐 실질적 변형 없이 변형에 저항하도록 구성될 수 있다. 일부 경우들에서, 변형에 저항하는 댐퍼 블레이드들은 긴 사용 기간들에 걸쳐 댐퍼들을 개방 및 폐쇄하는 다수의 사이클들 이후에도 기밀 밀폐를 유지할 수 있게 한다. 댐퍼 블레이드들은 평면형 댐퍼 블레이드들로서 구성될 수 있거나, 댐퍼 블레이드들은 삼각형, 정사각형, 직사각형, 부등변사변형 등의 형상의 단면을 갖도록 구성될 수 있다. 댐퍼 블레이드들은 현저한 구조적 열화, 분해 또는 부식 없이 높은 온도, 부식성 가스들, 부식성 액체들 등 같은 유해 환경들에 노출될 수 있다. 특정 예들에서, 댐퍼 블레이드들은 스테인레스 강 등으로 이루어진다.
일부 구체예들에서, 시스템은 댐퍼에 작동식으로 연결된 작동기를 포함한다. 작동기는 임의의 편리한 방식으로 동력공급될 수 있다. 예로서, 작동기는 공압식 작동기, 유압식 작동기, 전기 작동기 등일 수 있다. 작동기는 상세히 상술한 방식으로 댐퍼를 이동시키도록 구성된다.
필요시, 시스템은 하나 이상의 밀폐부들을 포함한다. 밀폐부들은 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 격리가능 촉매 배출물 트랩을 실질적으로 밀폐하도록 구성될 수 있다. 특정 구체예들에서, 밀폐부는 유량 조절기 상에 위치되며, 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 유량 조절기를 실질적으로 밀폐하도록 구성된다. 일부 예들에서, 밀폐부는 댐퍼 외주 둘레 같이 댐퍼 상에 위치된다. 밀폐부는 도관의 측벽들 상에 위치되고, 이 경우, 댐퍼가 폐쇄 위치에 있을 때 댐퍼가 도관의 측벽들과 접촉한다. 일부 경우들에서, 밀폐부는 댐퍼가 폐쇄 위치에 있을 때 촉매 배출물 트랩이 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 실질적으로 밀폐되도록 댐퍼 둘레에 실질적 기밀 밀폐를 유지한다. 달리 말하면, 밀폐부는 댐퍼가 폐쇄 위치에 있을 때, 댐퍼를 통한 가스 스트림의 어떠한 누설도 실질적으로 갖지 않게 한다. 필요시, 밀폐부는 가요성 밀폐부가다. 일부 경우들에서, 가요성 밀폐부는 실질적 기밀 밀폐를 유지하는 것을 용이하게 한다. 본 시스템들을 위해 유용한 밀폐부들은 고온, 부식성 가스들, 부식성 액체들 등 같은 유해 환경들에 실질적 구조적 열화, 분해 또는 부식 없이 노출될 수 있다. 밀폐부의 구체예들은 Inconel®금속 밀폐부(웨스트 버지니아주, 헌팅톤) 같은 금속 밀폐부들을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
특정 구체예들에서, 시스템은 재생 가스 스트림의 공급원을 포함한다. 상술한 바와 같이, 재생 가스 스트림은 탄화수소들 및 증기를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 재생 가스 스트림의 공급원은 탄화수소 개질기를 포함한다. 탄화수소 개질기는 탄화수소의 H2로의 증기 개질을 수행하도록 구성될 수 있다. 일부 경우들에서, 탄화수소들은 상술한 바와 같이 CH4를 포함할 수 있다. 탄화수소 개질기는 150℃ 내지 600℃의 범위의 온도를 수용하도록, 예로서, 250℃ 내지 550℃의 온도를 수용하도록, 400℃ 내지 500℃의 범위를 포함하는 온도를 수용하도록 구성될 수 있다. 탄화수소 개질기는 50 kPa 내지 150 kPa의 범위의 압력을 수용하도록, 예로서, 75 kPa 내지 125 kPa의 범위의 압력을 수용하도록, 그리고, 90 kPa 내지 110 kPa의 범위의 압력을 포함하는 압력을 수용하도록 구성될 수 있다.
본 시스템들은 하나 이상의 송풍기들을 추가로 포함할 수 있다. 송풍기들은 시스템을 통한 가스 스트림의 이동을 용이하게 한다. 특정 구체예들에서, 송풍기들은 시스템을 통한 재생 가스 스트림의 이동을 용이하게 한다. 송풍기는 배출물 트랩들로부터 상류에 위치될 수 있다. 송풍기는 시스템을 통해 재생 가스 스트림을 추진하도록 구성될 수 있다. 예로서, 송풍기는 시스템을 통해 하류로 재생 가스 스트림을 추진하도록 구성될 수 있다. 특정 구체예들에서, 본 시스템들은 하나 이상의 진공기들을 포함한다. 진공기들은 시스템을 통한 가스 스트림의 이동을 촉진할 수 있다. 특정 경우들에서, 진공기들은 시스템을 통한 재생 가스 스트림의 이동을 촉진한다. 진공기는 시스템을 통해 가스 스트림을 견인하도록 구성될 수 있다. 예로서, 진공기는 시스템을 통해 하류로 재생 가스 스트림을 견인하도록 구성될 수 있다. 특정 구체예들에서, 시스템은 "추진-견인" 가스 분배 시스템을 포함한다. 추진-견인 가스 분배 시스템은 촉매 배출물 트랩의 상류에 위치된 송풍기와 촉매 배출물 트랩으로부터 하류에 위치된 진공기를 포함한다. 일부 경우들에서, 추진-견인 가스 분배 시스템은 시스템을 통한 가스 스트림의 이동을 촉진한다. 예로서, 추진-견인 가스 분배 시스템은 시스템을 통한 재생 가스 스트림의 이동을 촉진할 수 있다. 추진-견인 가스 분배 시스템은 또한 촉매 배출물 트랩들에 걸친 가스 스트림의 균등한 분배를 촉진할 수 있다. 일부 경우에, 추진-견인 가스 분배 시스템은 촉매 배출물 트랩들을 가로지른 재생 가스 스트림의 균등한 분배를 용이하게 한다.
필요시, 추진-견인 가스 분배 시스템은 가스 배출물 스트림에 대향한 방향으로 시스템을 통해 재생 가스 스트림을 이동시키도록 구성된다. 예로서, 시스템은 가스 배출물 스트림의 공급원에 관하여 상류(즉, 가스 배출물 스트림의 공급원에 인접)로부터 하류(즉, 가스 배출물 스트림의 공급원으로부터 원위)로의 방향으로 가스 배출물 스트림의 유동을 제공하도록 구성될 수 있다. 시스템은 가스 배출물 스트림의 공급원에 관하여 하류로부터 상류로의 방향으로 재생 가스 스트림의 유동을 제공하도록 구성될 수 있다. 달리 말하면, 시스템은 재생 가스 스트림의 공급원에 관하여 상류(즉, 재생 가스 스트림의 공급원에 인접)로부터 하류(즉, 재생 가스 스트림의 공급원에 원위)로의 방향으로 재생 가스 스트림의 유동을 제공하도록 구성될 수 있다.
본 시스템의 일 구체예가 도 1에 도시되어 있다. 시스템은 병렬로 배열된 촉매 배출물 트랩들(110)을 포함한다. 가스 배출물 스트림(120)은 제1 덕트(140)를 통해 연소 공급원으로부터 출구(130)로 유동한다. 가스 배출물 스트림은 제1 열 교환기(150)와 접촉한다. 필요시, 제1 열 교환기(150)는 가스 배출물 스트림(120)으로부터의 열을 제1 보일러(170)로부터의 증기로 전달하도록 구성된다. 제1 열 교환기(150)와 접촉한 이후, 가스 배출물 스트림(120)은 제2 덕트(160)를 통과한다. 가스 배출물 스트림(120)은 그후 제1 보일러(170)와 접촉한다. 특정 구체예들에서, 제1 보일러(170)는 가스 배출물 스트림(120)으로부터의 열을 물 같은 유체로 전달하도록 구성된다. 가스 배출물 스트림(120)은 그후 촉매 배출물 트랩들(110)과 접촉한다. 시스템은 촉매 배출물 트랩들(110)의 하류에 위치된 제2 열 교환기(190)를 추가로 포함할 수 있다. 제2 열 교환기(190)는 촉매 배출물 트랩들(110)로부터 하류의 가스 스트림으로부터 물 같은 유체로 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 필요시, 제2 열 교환기(190)는 제1 보일러(170)에 사용되는 물 같은 유체를 예열하도록 구성된다. 그후, 가스 스트림은 시스템의 외부로 유동하거나, 필요시, 후속 하류 배출물 제어 시스템들로 유동한다.
가스 배출물 스트림 내의 미립자 물질을 감소시키는 본 시스템의 일 구체예가 도 2에 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 시스템은 각각 도관들(201, 202) 내에 배치된 배출물 트랩들의 두 개의 병렬 열들을 포함한다. 배출물 트랩들은 가스 배출물 스트림(203)과 접촉될 수 있다. 도관들(201, 202)은 각각 네 개의 배출물 트랩들을 직렬로 포함할 수 있다. 일부 구체예들에서, 도관(201) 내의 세 개의 하류 배출물 트랩들(204)은 제1 촉매를 포함하고, 도관(201) 내의 상류 배출물 트랩(205)은 제2 촉매를 포함한다. 제1 촉매와 제2 촉매의 조성들은 서로 다를 수 있다. 유사하게, 도관(202) 내의 세 개의 하류 배출물 트랩들(214)은 제1 촉매를 포함하고, 도관(202) 내의 상류 배출물 트랩(215)은 제2 촉매를 포함할 수 있다. 또한, 시스템은 입구 격리 댐퍼들(206) 및 출구 격리 댐퍼들(207)을 포함한다. 도관(202)의 입구 격리 댐퍼 및 출구 격리 댐퍼는 양자 모두 개방 위치에 있으며, 가스 배출물 스트림(203)이 배출물 트랩들(215, 214)에 접촉할 수 있게 한다. 도관(201)의 입구 격리 댐퍼 및 출구 격리 댐퍼 양자 모두는 폐쇄 위치에 있으며, 가스 배출물 스트림의 유동으로부터 배출물 트랩들(204, 205)을 격리시키고, 배출물 트랩들(204, 205)이 재생 가스 스트림과 접촉할 수 있게 한다(도 3 참조). 또한, 도 2에는 재생 가스 입구(208) 및 재생 가스 출구(209)가 도시되어 있다. 재생 가스 스트림은 재생 가스 입구(208)를 통해 플리넘(210)으로 유동하고, 플리넘은 유동 분배 배플들(211)을 포함한다. 플리넘(210) 및 유동 분배 배플들(211)은 배출물 트랩들에 걸친 재생 가스 스트림의 균등한 분배를 촉진한다. 재생 가스 스트림은 플리넘(210)으로부터 도관(201) 내로 유동하고, 배출물 트랩들(204, 205)과 접촉하고, 재생 가스 출구(209)를 통해 도관(201)의 외부로 유동한다. 각 도관은 그 소유의 입구 격리 댐퍼, 출구 격리 댐퍼 및 재생 가스 스트림을 분배하기 위한 시스템을 구비하고 있으며, 이는 배출물 트랩들(204, 205)이 배출물 트랩들(214, 215)로부터 독립적으로 재생될 수 있게 한다.
도 3은 가스 배출물 스트림 내의 미립자 물질을 감소시키는 본 시스템의 일 구체예의 개략도를 도시한다. 재생 가스 스트림(310)의 유동 경로가 표시되어 있다. 재생 가스 스트림(310)은 가스 배출물 스트림(320)의 유동으로부터 반대 방향으로 배출물 트랩들(315)을 통해 유동한다. 또한, 도 3에는 재생 가스 출구(350)로부터 하류에 위치된 진공기(330)도 도시되어 있다. 진공기(330)는 배출물 트랩들(315)을 통해 재생 가스 스트림(310)을 견인하도록 구성된다. 재생 가스 입구(340)의 상류에서, 시스템은 또한 배출물 트랩들(315)을 통해 재생 가스 스트림을 추진하도록 구성된 송풍기(미도시)를 포함할 수도 있다. 시스템은 시스템을 통해 재생 가스 스트림을 분배하기 위한 추진-견인 가스 분배 시스템을 포함할 수 있다. 재생 가스 분배 시스템은 하나 이상의 밸브들(미도시)을 추가로 포함할 수 있다. 특정 구체예들에서, 재생 가스 분배 시스템은 재생 가스 입구에 인접하게 위치된 입구 밸브를 포함한다. 또한, 재생 가스 분배 시스템은 재생 가스 출구에 인접하게 위치된 출구 밸브를 포함할 수 있다. 밸브들은 시스템을 통한 재생 가스 스트림의 유동을 규제할 수 있다. 특정 구체예들에서, 밸브들은 실질적으로 누설 내성적이며, 그래서, 밸브들이 폐쇄 위치에 있을 때 실질적으로 어떠한 누설도 발생하지 않는다. 필요시, 밸브들은 American National Standards Institute/Fluid Controls Institute, ANSI/FCI 70-2-2006에 의해 규정된 바와 같은 클래스 V 또는 클래스 V의 시트 누설 분류를 가질 수 있다.
또한, 일부 경우들에서, 시스템은 인간이 판독할 수 있는 형태로 사용자에게 데이터 및/또는 결과들을 출력하기 위한 디스플레이를 포함한다. 특정 예들에서, 시스템은 또한 유선 통신 링크(예를 들어, USB, 시리얼, 에터넷 또는 페러럴 인터페이스 등) 또는 무선 통신 링크(예를 들어, 블루투스, 802.11, 셀룰러, 적외선, RF 등) 같은, 그러나, 이들에 한정되지 않는 다른 장치들과의 통신을 위한 통신 링크를 포함한다.
종래의 배출물 제어 시스템들은 NO 및 NO2 배출물들의 양을 제어하기 위해 배출 가스 스트림 내에 암모니아 또는 암모니아 전구체들을 혼합한다. 그러나, 암모니아 슬립이라고도 알려져 있는 비반응 암모니아가 그후 역시 배출 가스 내에 존재하는 황과 반응하여 미립자 물질을 생성할 수 있다. 본 시스템들의 구체예들은 암모니아 또는 암모니아 전구체들을 사용하지 않는다. 특정 구체예들에서, 시스템들은 암모니아 또는 암모니아 전구체들과 가스 스트림을 접촉시키지 않고 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 감소를 이행한다.
특정 구체예들에서, 본 시스템들은 EMx, ESx, SCONOx, SrSCONOx, 및 SCOSOx (모두 테네시주 크녹스빌 소재의 EmeraChem으로부터 상업적으로 입수할 수 있음) 같은, 그러나, 이들에 한정되지 않는 촉매 배출물들을 포함한다. 특정 구체예들에서, 촉매 배출물 트랩들은 그 내용들이 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 미국 특허 제6,521,196호, 제6,479,022호, 제6,251,347호, 제6,037,307호, 제5,953,911호, 제5,762,885호, 제5,665,321호, 제5,650,127호, 제5,607,650호, 제5,599,758호 및 제5,451,558호에 개시된 바와 같이 조성된다.
기판들
본 시스템들에 사용되는 기판들은 충분한 표면적을 제공하면서 시스템 내에 사용되는 촉매, 워시코트 및 흡착제의 적용과 공존할 수 있는 다양한 유형의 기판들을 포함할 수 있다. 추가적으로, 본 시스템들에 유용한 기판들은 높은 온도, 부식성 가스들, 부식성 액체들 등 같은 유해 환경들에 대해 현저한 구조적 열화, 분해 또는 부식 없이 노출될 수 있다. 예로서, 시스템들은 50℃ 내지 550℃의 온도, 예로서, 150℃ 내지 500℃의 온도, 그리고, 200℃ 내지 450℃, 예를 들어, 260℃ 내지 400℃를 포함하는 온도를 갖는 가스 스트림을 수용하도록 구성될 수 있다. 특정 구체예들에서, 기판은 스테인레스 스틸, 티타늄 등 같은, 그러나, 이들에 한정되지 않는 금속을 포함한다. 일부 예들에서, 기판은 Al, Si, Zr, Ca, Mg, Hf, Ti, 그 조합의 산화물들 등 같은, 그러나, 이들에 한정되지 않는 산화물들을 포함한다. 일부 경우들에서, 기판은 코디어라이트, 뮬라이트(mullite) 등 같은, 그러나, 이들에 한정되지 않는 세라믹을 포함한다.
본 시스템들의 구체예들은 다공성 구조를 갖는 기판을 포함한다. 필요시, 다공성 기판은 매크로다공성 구조를 가질 수 있다. 일부 구체예들에서, 기판은 평방 인치당 100 셀 내지 평방 인치당 600 셀, 예로서, 평방 인치당 200 셀 내지 평방 인치당 400셀을 가질 수 있으며, 평방 인치당 200 셀 내지 평방 인치당 300 셀을 갖는 것을 포함한다. 필요시, 기판은 평방 인치당 230 셀을 가질 수 있다. 기판은 기판의 표면에 인가된 촉매와 가스 스트림의 접촉을 용이하게 하도록 구성된다. 특정 구체예들에서, 기판은 허니콤 구조를 갖도록 구성된다.
촉매들
일부 구체예들에서, 배출물 트랩 내의 촉매는 귀금속 같은 금속을 포함한다. 금속은 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 오스뮴 또는 이리듐 같은 백금족 금속일 수 있다. 특정 경우들에서, 촉매는 20 g/ft3 내지 100 g/ft3, 예로서 20　g/ft3 내지 50 g/ft3의 범위의 양으로 금속을 포함하며, 30 g/ft3 내지 46 g/ft3의 양으로 금속을 포함하는 경우를 포함한다. 필요시, 촉매는 백금을 포함한다. 일부 경우들에서, 촉매는 백금과, 팔라듐, 로듐 또는 팔라듐과 로듐의 조합 같은 하나 이상의 다른 백금족 금속들을 포함한다. 특정 구체예들에서, 촉매는 백금과 팔라듐, 백금과 로듐, 팔라듐과 로듐 또는 백금, 팔라듐 및 로듐을 포함한다. 일부 경우들에서, 촉매는 백금과 50중량% 이하의 팔라듐, 예로서, 40중량% 이하의 팔라듐을 포함하며, 25중량%의 팔라듐, 예로서, 10중량% 이하의 팔라듐을 포함하는 경우를 포함한다. 필요시, 촉매는 백금과 50중량% 이하의 로듐, 예로서, 40중량% 이하의 로듐을 포함하며, 25중량%의 로듐, 예로서, 10중량% 이하의 로듐을 포함하는 경우를 포함한다. 다른 예들에서, 촉매는 백금과 50중량% 이하의 팔라듐 및 로듐, 예로서, 40중량% 이하의 팔라듐 및 로듐을 포함하며, 25중량%의 팔라듐 및 로듐, 예로서, 10중량% 이하의 팔라듐 및 로듐을 포함하는 경우를 포함한다.
특정 구체예들에서, 촉매는 기판에 적용된다. 워시코트가 먼저 기판에 적용되고, 그후 촉매가 적용될 수 있다. 일부 예들에서, 촉매의 적용 이전에 워시코트를 건조시키거나 건조시키지 않고 촉매가 적용된다. 다른 예들에서, 촉매 및 워시코트가 먼저 조합되고, 그후 기판에 적용된다.
배출물 트랩은 연소 가스 스트림 내의 탄화수소들 같은, 그러나 이에 한정되지 않는 미립자 물질의 양을 감소시키도록 구성될 수 있다. 필요시, 촉매는 가스 스트림 내의 탄화수소를 산화시킴으로써 가스 스트림 내의 탄화수소들의 양을 감소시키는 산화 촉매이다. 일부 예들에서, 탄화수소들은 CO2로 산화된다. 특정 경우들에서, 산화 촉매는 SO2를 SO3로 산화시키도록 구성된다. 필요시, 배출물 트랩은 가스 스트림 내의 황 산화물들 같은, 그러나, 이들에 한정되지 않는 미립자 물질 전구체들의 양을 감소시키도록 구성된다. 일부 경우들에서, 촉매는 환원 촉매일 수 있다. 특정 구체예들에서, 촉매는 SO3를 SO2로 환원시키는 환원 촉매이다.
상술한 바와 같이, 본 시스템은 제1 배출물 트랩 및 제2 배출물 트랩을 포함할 수 있다. 특정 구체예들에서, 제1 배출물 트랩 및 제2 배출물 트랩 내의 촉매들의 금속 탑재량들은 실질적으로 동일하다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "실질적으로 동일" 및 "실질적으로 유사"는 서로 교체가능하게 사용되며, 동일하거나 95% 이상 동일 같은 거의 동일한 둘 이상의 항목들 또는 값들을 지칭하며, 98% 이상 동일 또는 99% 이상 동일한 경우를 포함한다. 다른 구체예들에서, 제1 배출물 트랩 내의 촉매의 금속 탑재량은 제2 배출물 트랩 내의 촉매의 금속 탑재량과 동일하지 않다. 예로서, 상류 배출물 트랩(즉, 가스 스트림의 공급원에 가장 근접하며 그를 통해 가스 스트림이 가장 먼저 유동하게 되는 배출물 트랩)은 상술한 바와 같이 SO3를 SO2로 환원시키는 촉매를 포함할 수 있고, 하류 배출물 트랩(즉, 가스 스트림의 공급원으로부터 더 멀고 두 번째로 가스 스트림이 그를 통해 유동하게 되는 배출물 트랩)은 상술한 바와 같이 탄화수소들을 산화시키는 촉매를 포함할 수 있다. 다른 구체예들에서, 제1 배출물 트랩은 탄화수소들을 산화시키는 촉매를 포함하고, 제2 배출물 트랩은 SO3를 SO2로 환원시키는 촉매를 포함할 수 있다.
특정 구체예들에서, 배출물 트랩은 구리 산화물을 추가로 포함한다. 필요시, 배출물 트랩은 0.001 g/in3 내지 5 g/in3, 예로서, 0.01 g/in3 내지 1 g/in3의 범위의 양으로 구리 산화물을 포함하며, 0.1 g/in3 내지 0.5 g/in3의 양으로 구리 산화물을 포함하는 경우를 포함한다. 특정 예들에서, 배출물 트랩은 0.2 g/in3의 양으로 구리 산화물을 포함한다.
흡착제들
본 시스템들의 배출물 트랩들은 선택적으로 흡착제를 포함한다. 흡착제는 시스템 내의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 보유를 촉진할 수 있다. 일부 경우들에서, 흡착제에 의해 흡착된 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들이 탈착된다. 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 탈착은 촉매와 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 접촉을 촉진할 수 있다. 흡착제는 본 시스템들의 배출물 트랩에 포함될 수 있다. 흡착제는 알칼리 금속, 알칼라인 토류 금속 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 흡착제는 알칼리 금속 카보네이트, 알칼리 금속 바이카보네이트, 알칼라인 토류 금속 카보네이트, 알칼라인 토류 금속 바이카보네이트 또는 그 조합들일 수 있다. 예로서, 흡착제는 K2CO3, BaCO3, Na2CO3, MgCO3, CaCO3 및 그 조합들 등을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 흡착제는 K2CO3를 포함한다. 다른 예들에서, 흡착제는 BaCO3를 포함한다. 필요시, 흡착제는 K2CO3 및 BaCO3를 포함한다.
일부 경우들에서, 흡착제는 촉매 및 워시코트와 실질적으로 동시에 기판에 적용된다. 다른 경우들에서, 흡착제는 촉매 및 워시코트가 기판에 적용된 이후에 기판에 적용된다. 배출물 트랩은 0.1 g/in3 내지 1 g/in3, 예로서, 0.1　g/in3 내지 0.6 g/in3의 범위의 양으로 흡착제를 포함할 수 있고, 0.1 g/in3 내지 0.4 g/in3, 예로서, 0.1 g/in3 내지 0.2 g/in3의 범위의 양으로 흡착제를 포함하는 경우를 포함한다. 일부 경우들에서, 배출물 트랩은 0.17 g/in3 BaCO3 및 0.17 g/in3 K2CO3를 포함한다.
흡착제는 가스 스트림과 반응할 수 있으며, 산화물 또는 하이드록사이드로 변환될 수 있다. 일부 경우에, 20몰% 이하, 예로서, 15몰% 이하의 흡착제가 산화물 또는 하이드록사이드로 변환되며, 10몰% 이하, 예로서, 5몰% 이하의 흡착제가 산화물 또는 하이드록사이드로 변환되는 경우를 포함한다. 예로서, 흡착제는 K2CO3를 포함할 수 있고, 미립자 물질 전구체들의 흡착을 촉진할 수 있다. 일부 예들에서, 흡착제는 가스 배출물 스트림으로부터 NOx를 흡착할 수 있다. 예로서, NO는 NO2로 산화되고, NO2가 흡착제에 의해 흡착될 수 있다. 가스 배출물 스트림으로부터의 NOx의 흡착은 이하의 반응들에 따라 이루어진다.
NO + 1/2 O2 → NO2
NO2 + K2CO3 → KNO2 + KNO3 + CO2
특정 구체예들에서, 가스 배출물 스트림으로부터의 SO2의 흡착은 이하의 반응에 따라 이루어진다. SO2는 SO3로 산화되고, SO3가 흡착제에 의해 흡착된다.
SO2 + 1/2 O2 + 흡착제 → 흡착제-SO3
워시코트(washcoat)들
특정 구체예들에서, 본 시스템의 배출물 트랩들은 기판에 적용된 워시코트를 포함한다. 워시코트는 알루미늄 산화물(예를 들어, 알파 알루미나, 베타 알루미나, 에타 알루미나, 카이 알루미나, 감마 알루미나, 델타 알루미나, 세타 알루미나 등), 티타늄 이산화물(예를 들어, 티타니아 아나타이즈, 티타니아 브루카이트, 티타니아 루타일 등) 같은, 그러나, 이들에 한정되지 않는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 워시코트는 촉매가 적용되기 이전에 기판의 표면에 적용된다. 필요시, 워시코트는 촉매가 적용되기 이전에 건조되고, 다른 경우들에서, 워시코트는 촉매가 적용되기 전에 건조되지 않는다. 워시코트 및 촉매는 실질적으로 동시에 기판에 적용될 수 있다. 일부 경우들에서, 워시코트는 촉매와 조합되어 혼합물을 형성할 수 있고, 그후, 이 혼합물이 기판에 적용된다. 혼합물은 슬러리 적용, 스프레이, 침지, 졸-겔 기술들 등 같은, 그러나, 이들에 한정되지 않는 다양한 기술들을 사용하여 기판에 적용될 수 있다.
배출물 트랩은 0.1 g/in3 내지 5 g/in3, 예로서, 0.1　g/in3 내지 3 g/in3의 범위의 양으로 워시코트를 포함할 수 있으며, 0.5 g/in3 내지 2 g/in3, 예로서, 1 g/in3 내지 2 g/in3의 범위의 양으로 워시코트를 포함하는 경우를 포함한다. 일부 경우들에서, 배출물 트랩은 1.6 g/in3의 알루미나를 포함한다. 필요시, 워시코트는 감마 알루미나를 포함한다.
배출물 트랩의 다른 구체예들은 0.1 g/in3 내지 5 g/in3, 예로서 1　g/in3 내지 4 g/in3의 범위의 양의 워시코트를 포함할 수 있으며, 1 g/in3 내지 3 g/in3, 예로서 2 g/in3 내지 2.5 g/in3의 범위의 양으로 워시코트를 포함하는 경우를 포함한다. 특정 구체예들에서, 워시코트는 티타니아 아나타이즈를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 시스템들은 제1 배출물 트랩 및 제2 배출물 트랩 같은 하나 이상의 배출물 트랩들을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 제1 배출물 트랩 및 제2 배출물 트랩은 동일한 워시코트를 구비할 수 있다. 대안적으로, 제1 배출물 트랩 및 제2 배출물 트랩은 서로 다른 워시코트들을 구비할 수 있다. 제2 배출물 트랩은 제2 배출물 트랩으로부터 상류에 존재할 수 있다. 이들 경우들에서, 제1 배출물 트랩은 상술한 바와 같이 알루미나 워시코트를 포함할 수 있고, 제2 배출물 트랩은 상술한 바와 같이 티타니아 워시코트를 포함할 수 있다.
용도
알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 시스템들 및 방법들은 가스 스트림 내의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 양을 감소시킬 필요가 있는 다양한 다수의 용례들에 사용될 수 있다. 미립자 물질 또는 미립자 물질 전구체들을 포함하는 임의의 가스 스트림이 본 시스템들 및 방법들에 의해 처리될 수 있다. 예로서, 본 시스템들 및 방법들은 가스 터빈 발전소들, 열병합 발전소들 등을 포함하는 발전소들로부터의 가스 배출물 스트림에 적용될 수 있다. 일부 구체예들에서, 본 발명의 시스템들 및 방법들은 왕복 내연 기관, 고정 내연 기관, 내연 터빈, 산업적 보일러, 유틸리티 보일러 등 같은 연소 엔진 같은, 그러나, 이에 한정되지 않는 연소 공급원으로부터의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체 배출물들을 감소시키는데 사용될 수 있다. 본 시스템들 및 방법들은 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체 배출물들을 감소시키기 위해 이들 연소 공급원들로부터의 연소 가스 배출물들 같은 가스 스트림에 적용될 수 있다.
본 시스템들 및 방법들은 추가적으로 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 양을 감시 및 제어하는데 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 방법들은 가스 스트림 내의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들이 감소된 양을 확인하는 단계를 포함한다. 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들이 감소된 양을 확인하는 단계는 연소 공급원으로부터의 가스 배출물들의 감시를 용이하게 한다. 추가적으로, 상술한 바와 같이, 본 방법들은 가스 스트림 내의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 농도에 따라 가스 스트림의 가스 시간당 고간 속도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 가스 스트림의 가스 시간당 공간 속도를 조절하는 단계는 가스 스트림 내의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 양을 제어하는 것을 용이하게 한다.
본 시스템들 및 방법들은 추가적으로 배출물 트랩을 가로지른 압력 강하가 최소화되는 가스 스트림들 내의 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들의 양을 감소시키는 용례들에 사용될 수 있다. 달리 말하면, 본 시스템들 및 방법들은 도입 가스 스트림에 과도한 역압을 생성하지 않으면서 가스 스트림으로부터 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들을 감소시키기 위해 사용하기에 적합하다. 예로서, 본 시스템들 및 방법들은 터빈으로부터의 연소 가스 배출물 스트림으로부터 미립자 물질 및 미립자 물질 전구체들을 감소시키는 데 사용될 수 있다. 필요시, 본 시스템은 가스 스트림이 배출물 트랩을 통해 유동할 때, 터빈으로부터의 가스 배출물 스트림이 H2O 15 인치 이하, 예로서, H2O 10 인치 이하의 압력 강하를 갖도록 구성되며, H2O 5 인치 이하, 예로서, H2O 3 인치 이하의 압력 강하를 갖도록 구성되는 경우를 포함한다.
상술한 내용으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 매우 다양한 용례들을 갖는다. 따라서, 이하의 예들은 예시적 목적을 위해 제공된 것이며, 어떤 방식으로도 본 발명에 대한 제한으로서 해석되지 않아야 한다. 본 기술 분야의 숙련자들은 실질적으로 유사한 결과를 산출하도록 변경 또는 변형될 수 있는 다양한 비임계적 파라미터들을 쉽게 인지할 수 있을 것이다. 따라서, 이하의 예들은 본 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자들에게 본 발명을 이행하고 사용하는 방식에 대한 완전한 설명 및 내용을 제공하기 위한 것이며, 본 발명에 관하여 본 발명자들이 의도하는 범주를 제한하거나 이하의 실험들이 수행된 실험의 전부이거나 유일한 실험이라는 것을 나타내고자 하는 것은 아니다. 사용된 수치들(예를 들어, 양들, 온도 등)에 관하여 정확도를 보증하기 위해 노력하였지만 특정의 실험적 에러들 및 편차들이 고려되어야만 한다. 달리 언급하지 않는 한, 분량들은 중량 분량이며, 몰 중량은 중량 평균 몰 중량이고, 온도는 섭씨이며, 압력은 대기압 또는 거의 대기압이다.
실시예
물질들 및 방법들
이하의 실시예들에서, 테스트된 시스템은 포타슘 카보네이트 흡착제를 구비한 알루미나 워시코트 위의 백금 산화 촉매를 포함하는 촉매 배출물 트랩을 포함한다.
실시예 1
30MW 천연 가스 연소 터빈에 대한 미립자 물질(PM) 제어가 테스트되었다. 본 테스트에서, 파이프라인 천연 가스를 연료로 하는 두 개의 GE LM2500 가스 터빈들 상에서 병렬적으로 남부 해안 대기 관리국(South Coast Air Quality Management District)의 방법 5.2가 수행되었다. 제1 터빈은 어떠한 배출물 제어 장치도 구비하지 않고, 제2 터빈은 희박 NOx 트랩을 구비하였다. 미립자 물질 배출물들은 총 미립자로서 보고되었다. 결과들이 이하의 표 1에 나타나있다.
희박 NOx 트랩이 설치된 것과 설치되지 않은 것의 두 개의 동일한 가스 터빈들로부터의 미립자 물질 배출물들의 비교. 배출물들은 g/h 단위로 보고되었다.
제1 터빈 제2 터빈 %편차
제1 테스트 272 127 -53%
제2 테스트 395 281 -29%
표 1의 두 개의 테스트들은 기후의 영향이 관찰될 수 있도록, 그리고, 희박 NOx 트랩 촉매의 노화의 영향이 관찰될 수 있도록 양자가 6개월의 간격을 두고 수행되었다.
실시예 2
5.5MW 이중 연료 가스 터빈에 대한 PM 제어가 테스트되었다. 천연 가스로 작동되는 5.5MW 이중 연료 가스 터빈에 3가지 일련의 테스트들이 수행되었다. 터빈은 황 트랩 촉매가 선행되는 희박 NOx 트랩 촉매가 장비되었다. 제1 테스트에서, U.S. EPA 방법 201A 및 U.S. EPA 방법 202를 사용하여 촉매 유닛 내의 촉매의 설치 이전 및 이후에 샘플들이 수집되었다. 제2 및 제3 테스트들은 약 12개월 뒤에 수행되었다. 표 2는 신규 희박 NOx 트랩 촉매가 설치된 상태로 수행된 테스트들의 결과들을 보여준다.
U.S. EPA 방법들 201A 및 202에 의해 신규 희박 NOx 트랩으로 측정된 미립자 물질 배출물들. 배출물들은 g/h 단위로 보고되었다.
빈 챔버 촉매 설치


%편차
현탁 PM 5.4 20.4
응축가능 유기물 분율 9.1 19.1
응축가능 무기물 분율 426.4 104.3
총 미세 미립자 물질 440.9 143.8 -67%
표 3 및 표 4는 희박 NOx 촉매가 6개월 동안 사용된 이후 이루어진 테스트들의 결과들을 보여준다.
희박 NOx 트랩이 6개월 동안 사용된 이후 측정된 미립자 물질 배출물들. 배출물들은 g/h 단위로 보고되었다.
빈 챔버 촉매 설치


%편차
현탁 PM 5.4 133.8
응축가능 유기물 분율 9.1 28.6
응축가능 무기물 분율 426.4 49.9
총 미세 미립자 물질 440.9 212.3 -52%
희박 NOx 트랩이 6개월 동안 사용된 이후 측정된 미립자 물질 배출물들. 배출물들은 g/h 단위로 보고되었다.
빈 챔버 촉매 설치


%편차
현탁 PM 5.4 85.7
응축가능 유기물 분율 9.1 7.3
응축가능 무기물 분율 426.4 22.7
총 미세 미립자 물질 440.9 115.7 -74%
실시예 3
200kW 등유 연소 가스 터빈에 대한 PM 제어가 테스트되었다. 배출물들은 희박 NOx 트랩 촉매가 이어지는 황 트랩을 포함하는 촉매 챔버 이전 및 이후에서 동시에 측정되었다. 제2 실험들의 세트는 미립자 물질의 감소가 물리적 스케빈징의 결과인지 여부를 결정하기 위해 비코팅 촉매 기판으로 수행되었다. 이어지는 테스트 프로토콜은 단지 현탁 미립자 물질만을 측정하는 U.S. EPA 방법 201A였다. 결과가 아래의 표 5에 나타나 있다.
활성 희박 NOx 트랩 촉매가 설치되어 있는 상태와 설치되어 있지 않은 상태의 미립자 물질 배출물들. 배출물들은 g/h 단위로 보고되었다.
입구 출구 %편차
희박 NOx 트랩 구비 10.67 3.19 -70%
빈 촉매 기판 구비 10.67 10.77 ---
실시예 4
43MW 천연 가스 연소 터빈에 대한 PM 제어가 테스트되었다. 두 가지 테스트들이 약 50% 부하로 동작하는 43MW 천연 가스 연소 터빈 상에 수행되었다. 촉매 챔버는 희박 NOx 트랩 촉매가 이어지는 황 트랩을 포함하였다. 수행된 테스트 방법들은 샘플 수집을 위해서는 U.S. EPA 방법 201A 및 202였고, 샘플 분석을 위해서는 남부 해안 대기 관리국 방법 5.2였다. 테스트 결과들이 표 6에 나타나 있다.
43MW 천연 가스 연소 터빈의 스택과 희박 NOx 트랩 전방에서 측정된 미립자 배출물들. 배출물들은 g/h 단위로 보고되었다.
입구 스택


%편차
제1 테스트 1034.2 707.6
제2 테스트 2041.2 621.4
평균 1537.7 664.5 -57%
비록, 상술한 발명이 이해의 명료성을 목적으로 예시 및 예를 통해 다소 상세히 설명되었지만, 본 기술 분야의 숙련자들은 본 발명의 교지들의 견지에서, 첨부된 청구범위의 개념 및 범주로부터 벗어나지 않고 이에 대한 특정 변경들 및 변형들이 이루어질 수 있다는 것을 명백히 알 수 있을 것이다.
따라서, 상술한 바는 단지 본 발명의 원리들을 예시하는 것일 뿐이다. 본 기술 분야의 숙련자들은 본 명세서에 명시적으로 설명 또는 예시되어 있지는 않지만, 본 발명의 범주 및 개념 내에 포함되면서 본 발명의 원리들을 구현하는 다양한 배열들을 안출할 수 있을 것이라는 것은 명백하다. 또한, 본 명세서에 사용된 모든 예들 및 조건적 언어는 원론적으로 본 발명의 원리들 및 본 발명자들에 의해 본 기술 분야의 진보에 공헌된 개념들에 대한 독자의 이해를 돕기 위한 것이며, 이런 구체적으로 설명된 예들 및 조건들에 한정되지 않는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 본 발명 및 그 특정 예들의 원리들, 양태들 및 구체예들을 언급하는 본 명세서의 모든 기재들은 그 구조적 및 기능적 균등물들 양자 모두를 포함하는 것을 의도한다. 추가적으로, 이런 균등물들은 현재 알려진 균등물들 및 미래에 개발될 균등물들을 포함하며, 다시 말하면 구조에 무관하게 동일 기능을 수행하는 개발된 임의의 요소들을 포함하는 것을 의도한다. 따라서, 본 발명의 범주는 본 명세서에 예시 및 설명된 예시적 구체예들에 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명의 개념 및 범주는 첨부된 청구범위에 의해 구현된다.

Claims (1)

  1. 가스 스트림을 촉매를 포함하는 촉매 배출물 트랩과 접촉시키는 단계로서, 가스 스트림 내의 미립자 물질이 30% 이상만큼 감소되는 단계; 및
    미립자 물질이 감소되었다는 것을 보고하는 단계를 포함하는, 가스 스트림 내의 미립자 물질을 감소시키는 방법.
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