KR20190012852A - Low energy consumption NOx reduction device equipped with means for heating catalyst by microwave - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 마이크로파 이용 촉매 가열 수단이 구비된 저에너지 소비형 NOx 제거 반응장치; 및 이의 이용에 관한 것이다.The present invention relates to a low energy consumption type NOx removing reaction device equipped with a microwave utilizing catalyst heating means; And the use thereof.
질소산화물(NOx)은 주로 연료의 연소과정에서 배출되는 대기오염물질 중의 하나인데 이에는 N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4 및 N2O5 등이 있으나 이 가운데 대기오염을 일으키는 것은 NO와 NO2이며 기타 가스는 미량으로 무시해도 된다. 즉, NOx 중 NO가 약 90%, NO2가 약 10% 정도를 차지한다. Nitrogen oxides (NOx) are one of the air pollutants emitted mainly from the combustion process of fuels such as N 2 O, NO, N 2 O 3 , NO 2 , N 2 O 4 and N 2 O 5 , NO and NO 2 are the causes of air pollution and other gases can be neglected in trace amounts. That is, about 90% of NO and about 10% of NO 2 are included in NO x.
NO는 무색, 무취의 기체이고 물에는 거의 녹지 않는다. NO2는 NO가 대기 중에서 산화되어 생성되고, 수분과 결합하여 질산(HNO3)으로 변화된다. NO2의 생성반응은 풍속, 일사량, 기온 등의 기상조건 및 오염물질 등에 의해 영향을 받는다. NO2는 NO 보다도 수용성이고, 농도가 높은 경우에는 적갈색을 띠고 취기가 있다.NO is a colorless, odorless gas and hardly soluble in water. NO 2 is produced by oxidation of NO in the atmosphere, and is converted to nitric acid (HNO 3 ) by combining with moisture. The production of NO 2 is affected by weather conditions such as wind speed, solar radiation, temperature, and pollutants. NO 2 is more soluble than NO, and when it is high, it is reddish brown and odorous.
Nox는 연소시 배출되는 탄화수소와 함께 태양광선에 의해 광화학 스모그의 발생원인이 된다. NOx는 1~3ppm만 존재해도 취기를 맡을 수 있으며 호흡기 질환에 의한 면역감소 및 혈중 헤모그로빈과 반응에 의한 메트헤모글로빈 형성으로 산소전달을 방해한다. NO2는 적갈색, 자극성 기체로 NO 보다 독성이 5배정도 강하다. 급성 피해로는 눈, 코 자극 및 폐충혈, 폐수종, 폐쇄성 기관지염, 폐렴 등을 일으킨다. Nox is the source of photochemical smog by sunlight along with hydrocarbons emitted during combustion. NOx can be odorous even in the presence of 1 to 3 ppm, and it inhibits oxygen transport by reducing the immune system by respiratory diseases and the formation of methemoglobin by reaction with hemoglobin in the blood. NO 2 is a reddish brown, irritant gas that is 5 times more toxic than NO. Acute damage causes eye, nasal irritation and pulmonary hyperemia, pulmonary edema, obstructive bronchitis and pneumonia.
연소시 NOx의 생성에 영향을 주는 인자로는 온도, 반응시간, 반응물질의 농도 및 반응물질의 혼합정도이며 연소과정에서 보면 연료와 공기의 비율, 주입공기의 온도 및 연소로 내 온도 등이며 이들 인자를 조절함으로써 발생을 억제할 수 있다. The factors affecting the production of NOx during combustion include temperature, reaction time, concentration of reactants and mixture of reactants. In the combustion process, the ratio of fuel to air, the temperature of the injection air, By controlling the factor, the occurrence can be suppressed.
대기 중에 존재하는 NOx의 발생은 자연발생원과 인공발생원으로 구분된다. 자연발생원은 천둥, 화산의 분화, 박테리아의 활동 등이 대부분이고, 인공발생원은 배출형태에 따라 고정발생원(산업시설), 이동발생원(자동차, 선박, 비행기, 디젤기관차 등) 및 소형발생원(주방, 개별 난방용시설 등)으로 분류하고 황산화물에 비해 발생원의 종류가 다양하다.The generation of NOx in the atmosphere is divided into a natural source and an artificial source. The natural sources are thunderstorms, volcanic eruptions, bacterial activity, and artificial sources are classified into fixed sources (industrial facilities), migration sources (automobiles, ships, airplanes, diesel locomotives, etc.) Individual heating facilities, etc.), and the types of sources are different than sulfur oxides.
NOx의 제거 처리기술로는, 산화 흡수방식, SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction, 선택적 무촉매 환원법), SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적 촉매 환원법) 등이 있다. Examples of techniques for removing NOx include an oxidation absorption system, selective non-catalytic reduction (SNCR), selective catalytic reduction (SCR), and the like.
여기서, SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적 촉매 환원법)은 암모니아를 환원제로 사용하여 NOx의 화학반응을 촉매에 의하여 촉진시키는 방법으로 촉매로는 TiO2 등이 사용되고 있으며, 반응온도는 270~350℃가 적당하고, 연소가스 중의 NOx를 N2와 H2O로 환원시킨다. 질소산화물과 같은 당량의 암모니아를 주입시키면 촉매 하에서 선택적으로 반응한다. 연소가스는 SCR을 거치면서 200℃로 냉각되어 연돌을 통하여 대기로 방출함으로써 백연발생을 방지한다. Here, SCR (Selective Catalytic Reduction) is a method in which ammonia is used as a reducing agent to catalyze the chemical reaction of NOx, and TiO 2 is used as a catalyst. The reaction temperature is in the range of 270 to 350 ° C. , And reduces NOx in the combustion gas to N 2 and H 2 O. When an equivalent amount of ammonia, such as nitrogen oxide, is injected, it reacts selectively under a catalyst. The combustion gas is cooled to 200 ° C under SCR and released into the atmosphere through the stack to prevent the occurrence of white smoke.
[반응식][Reaction Scheme]
6 NO + 4 NH3 → 5 N2 + 6 H2O 6 NO + 4 NH 3 ? 5 N 2 + 6 H 2 O
6 NO2 + 8 NH3 → 7 N2 + 12 H2O 6 NO 2 + 8 NH 3 → 7 N 2 + 12 H 2 O
SCR 공정은 현재까지의 탈질기술 중 고정오염원에 대한 탈질분야에서 효율이 가장 높은 방법이다. SCR의 핵심은 촉매의 조성과 반응기 형태인데, 대부분의 연구가 촉매에 주안점을 두고 있다. SCR 촉매는 대부분 활성을 갖는 온도가 250~400℃이로서 고온영역이다. 그러나, 발전소에서 탈질 설비가 갖추어질 수 있는 단계에서의 온도가 탈질 촉매가 활성화될 수 있는 온도대보다 낮은 경우가 많아 이들 촉매가 180~250℃의 저온 영역에 적용되면 효율은 감소된다.The SCR process is the most efficient method in the field of denitrification for stationary pollutants among the existing denitrification technologies. At the core of the SCR is the composition of the catalyst and the reactor form, most of which focus on catalysts. The SCR catalyst has a temperature of 250 to 400 ° C, which is the most active, and a high temperature region. However, since the temperature at the stage where the denitration facility can be equipped at the power plant is lower than the temperature at which the denitration catalyst can be activated, the efficiency decreases when these catalysts are applied to the low temperature region of 180 to 250 ° C.
상용화된 V2O5-WO3/TiO2 촉매는 SO2에 대한 피독 및 수명문제를 고려하여 탈질공정이 탈황설비 후단부에 설치되는데, 탈황공정을 거치면서 배가스의 온도가 급격히 감소하여 최적의 효율을 얻기 위하여 Reheating system이 필요하다. Reheating의 경우 배가스의 온도를 100℃ 상승시키는데 발전소의 전체 발전량의 2~5%의 막대한 에너지가 필요하다. 이에 저온에서 활성을 갖는 촉매가 요구된다.The commercialized V 2 O 5 -WO 3 / TiO 2 catalyst is installed at the end of the desulfurization facility in consideration of poisoning and life span of SO 2 , and the temperature of the exhaust gas is drastically reduced through the desulfurization process. Reheating system is required to obtain efficiency. Reheating requires an enormous amount of energy of 2 to 5% of the total power generation of the power plant to raise the temperature of the flue gas by 100 ° C. Therefore, a catalyst having activity at low temperature is required.
그런데, 저온에서의 또 다른 문제는 미반응 암모니아(ammonia)의 배출이다. 효율이 낮은 촉매는 NOx 배출에 비례하여 암모니아가 배출되는데, 암모니아는 그 자체가 독성물질이며, 또한 수분, NOx와 함께 저온에서 NH4NO3를 형성하거나 혹은 SO2가 함께 유입될 경우 NH4HSO4 등의 ammonium salt를 형성함으로서 촉매를 비활성화시킨다. 이 또한 촉매의 수명을 단축시키고 탈질 효율을 감소시킨다. 따라서 미반응 암모니아의 배출을 억제하여야 한다. 물론 탈질 효율은 충분한 촉매가 제공되면 저온에서도 상승할 수 있다. 그러나, 탈질 설비가 적용될 수 있는 공간은 제한적이며 탈질촉매가 설치됨에 따라 압력손실이 발생되는데, 복합화력발전소의 경우 압력손실에 비례하여 가스터빈의 발전효율이 저하되므로 촉매 설치량을 증가시킬 수만은 없다. However, another problem at low temperatures is the release of unreacted ammonia. Catalyst efficiency is low as there is ammonia is discharged in proportion to the NOx emissions, ammonia itself is a toxic material, and water, when at a low temperature with the NOx to form a NH 4 NO 3, or SO 2 flows with NH 4 HSO 4, and so on, thereby deactivating the catalyst. This also shortens the lifetime of the catalyst and reduces the denitrification efficiency. Therefore, the emission of unreacted ammonia should be suppressed. Of course, denitrification efficiency can rise even at low temperatures if sufficient catalyst is provided. However, the space in which the denitration facility can be applied is limited, and pressure loss occurs due to the installation of the denitration catalyst. In the case of a combined-cycle power plant, the power generation efficiency of the gas turbine is reduced in proportion to the pressure loss, .
고정원에서 발생하는 NOx 처리방법으로 V2O5/TiO2 촉매상에서 NH3를 환원제로 하는 NH3 SCR법이 널리 사용되고 있다. 이러한 V2O5/TiO2 촉매의 경우 온도범위 300~400℃, O2 농도 2%이상에서 높은 NOx 제거활성을 보인다. 한편 고정원에서는 연료의 종류, 운전조건에 따라 배출가스의 온도, O2 농도, SOx 농도가 변하며, 이에 따라 환원제, 촉매 및 공정을 최적화해야 한다. 그러나, 근원적으로 암모니아가 환원제로 사용됨에 따라 야기되는 부작용을 해결할 방법은 없는 실정이다. 따라서, 최근에는 NH3 SCR에서 환원제로 사용되고 있는 NH3의 독성, 폭발성, slip등이 문제시되면서 CH4, C3H6, C3H8, C4H10 등과 같은 탄화수소를 환원제로 하는 촉매의 개발이 진행되고 있다. 그러나, 탄화수소를 환원제로 사용할 경우 열수현상, SO2에 의한 피독 및 부생되는 CO등에 대한 문제가 해결되어야 한다. 또한 일련의 연구들은 과잉 O2 농도(5~10%) 및 반응온도 400℃ 이상의 반응온도에 집중되고 있다.The NH 3 to the NH 3 SCR process with a reducing agent on a V 2 O 5 / TiO 2 catalyst with NOx processing method for generating from the anchorage has been widely used. This V 2 O 5 / TiO 2 catalyst exhibits high NO x removal activity at a temperature range of 300 to 400 ° C. and an O 2 concentration of 2% or more. On the other hand, the temperature of the exhaust gas, the O 2 concentration, and the SO x concentration are changed according to the kind of the fuel and the operating conditions, so that the reducing agent, the catalyst and the process must be optimized. However, there is no way to overcome the side effects caused by the use of ammonia as a reducing agent. Therefore, in recent years, the toxicity, explosiveness, and slip of NH 3 used as a reducing agent in NH 3 SCR have been problematic, and a catalyst such as CH 4 , C 3 H 6 , C 3 H 8 and C 4 H 10 , Development is underway. However, when hydrocarbons are used as a reducing agent, problems such as hydrothermal phenomena, poisoning by SO 2 , and by-produced CO must be solved. A series of studies have also focused on excess O 2 concentration (5-10%) and reaction temperatures above 400 ° C.
한편, 디젤차량은 출력 및 에너지 효율이 높으나, 디젤엔진 배기가스 중에는 PM, 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx)과 같은 오염물질이 다량 포함되어 있어서 환경 오염문제를 야기하기 때문에, 이러한 오염물질의 저감장치는 크린디젤의 완성에 필수적인 부분이다. 이때, NOx는 환원제(암모니아, NH3) 존재 촉매상에서 아래의 반응 기구를 통하여 분해될 수 있다.On the other hand, diesel vehicles have high output and energy efficiency, but pollutants such as PM, hydrocarbon (HC), carbon monoxide (CO) and nitrogen oxides (NOx) , These pollutant abatement devices are an integral part of the completion of clean diesel. At this time, NOx can be decomposed on the catalyst in the presence of a reducing agent (ammonia, NH 3 ) through the following reaction mechanism.
4 NO + 4 NH3 + O2 → 4 N2 + 6 H2O, SCR (1)4 NO + 4 NH 3 + O 2 ? 4 N 2 + 6 H 2 O, SCR (1)
NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O, fast SCR (2) NO + NO 2 + 2NH 3 → 2N 2 + 3H 2 O, fast SCR (2)
6 NO2 + 8 NH3 → 7 N2 + 12 H2O, SCR (3)6 NO 2 + 8 NH 3 ? 7 N 2 + 12 H 2 O, SCR (3)
질소산화물 저감을 위해서, 통상 배기가스 정화장치는 엔진의 후단에 DOC (Diesel Oxidation Catalyst), cDPF 및 SCR(Selective Catalytic Reduction)를 순차적으로 구비하며, 이를 통해 질소산화물과 함께 CO, HC, PM을 저감시킬 수 있다.In order to reduce nitrogen oxides, a typical exhaust gas purifying apparatus sequentially includes DOC (Diesel Oxidation Catalyst), cDPF and Selective Catalytic Reduction (SCR) at the downstream of the engine, thereby reducing CO, HC and PM together with nitrogen oxide .
상기 장치들은, 차량하체에 장착되기 때문에 공간적인 여유가 없으며, 특히, 차량의 이동속도에 따라서, 배기가스 온도 변화가 크기 때문에 SCR 작용 범위인, 200℃ 이상 유지 분율(시간평균)은, 도심 운행 소형차 기준으로 50%에 불과하다.Since the devices are mounted on the lower body of the vehicle, there is no spatial margin. Particularly, since the exhaust gas temperature change is large depending on the moving speed of the vehicle, the SCR operating range of 200 ° C or more It is only 50% based on compact cars.
디젤연료를 사용하는 자동차와 선박과 같은 이동원에서 발생되는 NOx를 제거하기 위한 시스템에서는 적은 양의 에너지 사용과 장치의 소형화가 요구된다. 따라서, 본 발명은 이동원에서 배출되는 배가스의 온도를 높이기 위한 추가적인 가열 없이 높은 촉매층 온도의 유지만으로 발생되는 NOx를 효과적으로 제거하는 반응장치를 제공하고자 한다.In systems for removing NOx from mobile sources such as automobiles and ships using diesel fuel, small amounts of energy use and miniaturization of the apparatus are required. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a reaction apparatus for effectively removing NOx generated only by maintaining a high catalyst bed temperature without additional heating for raising the temperature of the exhaust gas discharged from the source.
본 발명의 제1양태는 마이크로파 이용 촉매 가열 수단이 구비된 저에너지 소비형 NOx 제거 반응장치에 있어서, 반응관 내 기체 반응물 주입영역, 탈질촉매 함유 촉매층(catalyst bed)이 구비된 마이크로파 흡수 반응영역, 및 기체 생성물 배출영역을 직렬로 포함하는 반응기; 및 반응관의 촉매층에 마이크로파를 조사하는 마이크로파 발생 장치를 포함하며, 마이크로파 조사시, 마이크로파를 흡수하는 촉매층에 의해 원하는 반응온도까지 반응영역 내 탈질촉매를 가열하나, 반응물 주입영역 내 NOx 함유 기체 반응물 및 기체 생성물 배출영역 내 NOx가 일부 또는 전부 제거된 기체 생성물은 상기 반응온도까지 가열되지 않는 것이 특징인 NOx 제거 반응장치를 제공한다.A first aspect of the present invention is a low energy consumption type NOx removing reactor equipped with a microwave utilizing catalyst heating means, comprising a gas reactant injection region in a reaction tube, a microwave absorption reaction region provided with a catalyst bed containing a denitration catalyst, A reactor comprising a gaseous product discharge zone in series; And a microwave generator for irradiating a microwave to the catalyst layer of the reaction tube. In the microwave irradiation, the denitration catalyst in the reaction zone is heated to a desired reaction temperature by a catalyst layer that absorbs microwaves. The NOx- And the gaseous product in which the NOx in the gaseous product discharge region is partially or completely removed is not heated up to the reaction temperature.
본 발명의 제2양태는 제1양태의 NOx 제거 반응장치가 배기가스 중 NOx를 제거하도록 장착된 것이 특징인 NOx 함유 배기가스 배출 장치를 제공한다.The second aspect of the present invention provides the NOx-containing exhaust gas discharging apparatus characterized in that the NOx removing reaction apparatus of the first aspect is mounted so as to remove NOx in the exhaust gas.
본 발명의 제3양태는 촉매에 의한 NOx 제거 방법에 있어서, 제1양태의 NOx 제거 반응장치에서 수행하는 것이 특징인 NOx 제거 방법을 제공한다.A third aspect of the present invention provides a NOx removal method by a catalyst, which is characterized in that it is carried out in a NOx removal reactor of the first aspect.
본 발명의 제4양태는 마이크로파 이용 촉매 가열 수단에 의해 촉매반응(catalytic reaction)의 on/off 제어가 가능한 화학반응장치에 있어서, 기체 반응물 주입영역, (i) 촉매 및 (ii) 마이크로파 조사를 조절하여 촉매반응의 on/off를 제어할 수 있도록 마이크로파를 흡수하고 열전도도가 높은 SiC 함유 희석제를 포함하는 촉매층(catalyst bed)이 구비된 마이크로파 흡수 반응영역, 및 기체 생성물 배출영역을 직렬로 포함하는 반응관; 및 촉매층에 마이크로파를 조사하는 마이크로파 발생 장치를 포함하는 것이 특징인 화학반응장치를 제공한다.A fourth aspect of the present invention is a chemical reaction apparatus capable of on / off control of a catalytic reaction by a microwave utilizing catalyst heating means, comprising a gas reactant injection region, (i) a catalyst, and (ii) A microwave absorptive reaction zone comprising a catalyst bed containing a SiC-containing diluent which absorbs microwaves and has high thermal conductivity so as to control the on / off of the catalytic reaction, and a reaction comprising a gaseous product discharge zone in series tube; And a microwave generator for irradiating microwave to the catalyst layer.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따라 마이크로파 이용 촉매 가열 수단이 구비된 저에너지 소비형 NOx 제거 반응장치는,According to the present invention, there is provided a low-energy-consumption NOx removing reactor equipped with a microwave utilizing catalyst heating means,
반응관 내 기체 반응물 주입영역, 탈질촉매 함유 촉매층(catalyst bed)이 구비된 마이크로파 흡수 반응영역, 및 기체 생성물 배출영역을 직렬로 포함하는 반응기(a); 및(A) a reactor including a gas reactant injection region in a reaction tube, a microwave absorption reaction region provided with a denitration catalyst-containing catalyst bed (catalyst bed), and a gaseous product discharge region in series; And
반응관의 촉매층에 마이크로파를 조사하는 마이크로파 발생 장치(b)를 포함하며,And a microwave generating device (b) for irradiating microwave to the catalyst layer of the reaction tube,
마이크로파 조사시, 마이크로파를 흡수하는 촉매층에 의해 원하는 반응온도까지 반응영역 내 탈질촉매를 가열하나, 반응물 주입영역 내 NOx 함유 기체 반응물 및 기체 생성물 배출영역 내 NOx가 일부 또는 전부 제거된 기체 생성물은 상기 반응온도까지 가열되지 않는다. During the microwave irradiation, the denitration catalyst in the reaction zone is heated to the desired reaction temperature by the catalyst layer that absorbs the microwave. The NOx-containing gas reactant in the reactant injection zone and the gaseous product in which NOx is partially or completely removed from the gaseous product exhaust zone, It is not heated up to temperature.
또한, 본 발명에 따라 마이크로파 이용 촉매 가열 수단에 의해 촉매반응(catalytic reaction)의 on/off 제어가 가능한 화학반응장치는,Further, according to the present invention, a chemical reaction device capable of on / off control of a catalytic reaction by a microwave utilizing catalyst heating means,
기체 반응물 주입영역, (i) 촉매 및 (ii) 마이크로파 조사를 조절하여 촉매반응의 on/off를 제어할 수 있도록 마이크로파를 흡수하고 열전도도가 높은 SiC 함유 희석제를 포함하는 촉매층(catalyst bed)이 구비된 마이크로파 흡수 반응영역, 및 기체 생성물 배출영역을 직렬로 포함하는 반응관(a'); 및(Ii) a catalyst bed containing a SiC-containing diluent which absorbs microwaves and has high thermal conductivity so as to control on / off of the catalytic reaction by controlling microwave irradiation; A microwave absorptive reaction zone, and a gas product evacuation zone in series; And
촉매층에 마이크로파를 조사하는 마이크로파 발생 장치(b')를 구비한다.And a microwave generating device (b ') for irradiating microwave to the catalyst layer.
활성화 에너지는 반응하는데 필요한 최소한의 에너지이다. 화학반응이 진행되려면 입자의 유효충돌이 많아야 하고 입자 자체가 일정한 양 이상의 에너지를 가지고 있어야 하는데, 이 일정한 에너지가 바로 활성화 에너지이다.Activation energy is the minimum energy required to react. In order for the chemical reaction to proceed, there must be a lot of effective collisions of the particles, and the particles themselves must have a certain amount of energy. This constant energy is the activation energy.
NOx 제거 공정에서는 대부분 기상반응물-고체촉매계인 불균일계 촉매반응 공정이 운전되고 있으며, 촉매반응 속도는 반응온도의 증가에 따라 증가한다.In the NOx removal process, heterogeneous catalytic reaction process, which is a gaseous reactant - solid catalyst system, is in operation and the rate of catalytic reaction increases with increasing reaction temperature.
화학반응 시 반응물이 충돌하더라도 결합이 깨지는 데 필요한 에너지, 즉 활성화 에너지가 부족하면 반응하지 않는다. 활성화 에너지에 영향을 미치는 요인으로는 촉매가 있다. 촉매의 활성점 S에 반응물 A가 흡착하여 생성된 반응중간체 A-S를 생성하는 촉매가 높은 활성을 갖는 촉매이다.When a reaction occurs in a chemical reaction, it does not react when the energy required to break the bond, that is, the activation energy, is insufficient. Catalysts are the factors that affect activation energy. The catalyst for producing the reaction intermediate A-S produced by adsorption of the reactant A to the active site S of the catalyst is a catalyst having high activity.
촉매는 화학반응의 반응속도를 높이는 활성을 갖는 것이다. 촉매를 사용할 경우 촉매를 사용하지 않는 화학반응과 동일한 반응속도를 유지하기 위해 필요한 반응온도를 크게 낮출 수 있게 된다. 따라서, 촉매를 사용할 경우 화학반응의 전체 반응속도를 증가시킬 수도 있고, 반응에 필요한 온도를 낮출 수 있어 에너지를 절약할 수 있다. The catalyst has activity to increase the reaction rate of the chemical reaction. When the catalyst is used, the reaction temperature required to maintain the same reaction rate as the chemical reaction using no catalyst can be greatly lowered. Therefore, when the catalyst is used, the overall reaction rate of the chemical reaction can be increased, and the temperature required for the reaction can be lowered, thereby saving energy.
한편, 기체를 반응물로 사용하는 화학반응기에서는 통상적으로 외부열원(가열히터, 스팀 열교환기 등)으로부터 열을 공급받아 필요한 반응온도까지 반응물인 기체와 촉매를 가열한다. 이때 반응물인 기체는 일반적으로 열용량(heat capacity)이 낮아서, 원하는 반응온도까지 가열하기 위해서는 많은 에너지의 공급이 필요하다. 반응물인 기체가 가열된 촉매와 접촉 시 활성화되기 위한 충분한 에너지를 공급받을 수 있으면 반응물인 기체는 가열하지 않고 고체인 촉매만을 선택적으로 반응온도까지 가열하여 화학반응을 진행할 수 있고, 이로부터 상기 반응 시스템의 에너지 소비를 최소화할 수 있다는 점을 착안하여 본 발명을 완성한 것이다.On the other hand, in a chemical reactor using a gas as a reactant, heat is normally supplied from an external heat source (a heating heater, a steam heat exchanger, etc.), and the reactant gas and the catalyst are heated to a required reaction temperature. At this time, the reactant gas generally has a low heat capacity, so that it is necessary to supply a large amount of energy to heat it to a desired reaction temperature. If the gas, which is a reactant, can be supplied with sufficient energy to be activated upon contact with the heated catalyst, only the solid catalyst can be selectively heated up to the reaction temperature without heating the gas as the reactant, So that the present invention has been completed.
따라서, 본 발명은 SCR 촉매인 탈질촉매에 의한 NOx 제거 반응시, 탈질촉매가 활성을 발휘하는 고온으로 가열을 통해 NOx 함유 가스의 온도를 상승시키지 아니하고, 탈질촉매 함유 촉매층만 상기 고온을 유지시키기 위해, 마이크로파를 흡수하는 탈질촉매 함유 촉매층을 설계하고, 마이크로파 이용 촉매 가열 수단을 사용하는 것이 특징이다.Therefore, in the present invention, during the NOx removing reaction by the denitration catalyst, which is an SCR catalyst, the temperature of the NOx-containing gas is not raised by heating to a high temperature at which the denitration catalyst is activated, , A denitration catalyst-containing catalyst layer that absorbs microwaves is designed, and a microwave utilizing catalyst heating means is used.
흡열 촉매반응 시 필요한 활성화 에너지가 부족하면 반응하지 않으나, 통상 촉매반응은 반응온도까지 가열된 반응물이 모두 사라져서 더 이상 반응이 가능하지 않을 때까지 반응을 중간에 정지시키기가 거의 불가능하다. 따라서, 본 발명은 마이크로파를 이용하여 반응온도까지 반응물은 가열하지 않고 촉매만 가열하므로, 촉매반응 수행 시 간단하게 마이크로파 조사를 조절하여 촉매반응의 on/off를 세밀하게 제어하는 것이 다른 특징이다. When the activation energy required for the endothermic catalytic reaction is insufficient, the reaction does not occur. However, in general, the catalytic reaction is almost impossible to stop the reaction in the middle until the reactants heated to the reaction temperature disappear and the reaction is no longer possible. Therefore, the present invention is characterized in that the microwave irradiation is controlled simply and precisely on / off of the catalytic reaction when the catalytic reaction is performed, since the reaction is not heated to the reaction temperature using the microwave, but only the catalyst is heated.
또한, 본 발명은 마이크로파를 이용하여 촉매를 가열하되, 촉매의 특정 온도에서 필요한 활성화 에너지에 해당하는 에너지의 공급여부를, 마이크로파 조사 조건을 통해 민감하게 제어할 수 있도록, 즉 마이크로파 조사를 조절하여 촉매반응의 on/off 제어 측면에서, 기체 반응물 주입영역, 마이크로파를 흡수하는 촉매층이 구비된 반응영역 및 기체 생성물 배출영역을 직렬로 포함하는 반응관을 사용하되, 마이크로파를 흡수하는 촉매층은 열전도도가 높은 희석제를 추가로 사용하는 것이 또다른 특징이다. 이때, 희석제는 탈질촉매와 열전달이 가능한 것이고, 바람직하게는 마이크로파를 흡수할 수 있다. 이때, 희석제 자체는 촉매활성이 있을 수도 없을 수도 있다. The present invention also relates to a method for controlling the supply of energy corresponding to the required activation energy at a specific temperature of a catalyst by heating the catalyst using a microwave, In view of on / off control of the reaction, a reaction tube including a gaseous reactant injection region, a reaction region having a catalyst layer for absorbing microwave and a gaseous product discharge region in series is used, and the catalyst layer absorbing microwaves has a high thermal conductivity Another feature is the use of an additional diluent. At this time, the diluent is capable of heat transfer with the denitration catalyst, and can preferably absorb microwaves. At this time, the diluent itself may or may not have catalytic activity.
예컨대, 본 발명은 촉매를 가열하거나/하고 촉매와 접촉한 NOx 기체에 열에너지를 공급하기 위해, 탈질촉매 함유 촉매층에 높은 열전도도를 갖는 희석제(예, SiC 비드)를 혼합사용할 수 있다. For example, in the present invention, a diluent having a high thermal conductivity (for example, SiC bead) may be mixed with a denitration catalyst-containing catalyst layer in order to heat the catalyst and / or supply thermal energy to NOx gas in contact with the catalyst.
[[ 탈질촉매Denitration catalyst ]]
탈질촉매는 촉매성분(활성금속)을 알루미늄, 티타늄 등 표면적이 큰 담체에 균일하게 부착시킨 촉매 또는 활성금속과 담체물질을 혼합 성형한 촉매가 일반적으로 사용되고 있다. 활성체로서는 천이금속원소가 쓰이고 있다. As the denitration catalyst, a catalyst in which a catalyst component (active metal) is uniformly adhered to a carrier having a large surface area such as aluminum or titanium or a catalyst in which an active metal and a carrier material are mixed and molded is generally used. A transition metal element is used as the active substance.
하기 표 1에는 NOx 정화촉매의 활성금속이 예시되어 있다.The active metals of the NOx purification catalyst are shown in Table 1 below.
(Base Metal)Nonmetallic element
(Base Metal)
(Noble Metal)Precious metal element
(Noble Metal)
탈질촉매는 연료의 종류, Ash 함량, 황산화물 농도 및 불순물 농도에 따라 촉매 종류 및 형태가 달라진다. 촉매의 크기를 결정하는데 중요한 변수로는 온도, 암모니아와 NOx의 몰비(NH3/NOx), 가스속도, 산소농도, 수분량, 가스분포 등이다. 이러한 탈질촉매는 반응성이 좋고 압력강하에 영향을 적게 받으며 SO2가 SO3로서 전환이 적으며 열충격(Thermal Shock)에 영향을 적게 받고, 촉매 교체가 쉽게 설계되는 것이 좋다. The denitration catalysts vary in type and shape depending on the type of fuel, the ash content, the sulfuric acid concentration, and the impurity concentration. Temperature, ammonia / NOx molar ratio (NH 3 / NO x), gas velocity, oxygen concentration, moisture content, gas distribution, etc. are important parameters for determining the size of the catalyst. These denitration catalysts are good in reactivity, less affected by pressure drop, SO 2 is less converted to SO 3 , less affected by thermal shock, and easily designed for catalyst replacement.
탈질촉매는 크게 금속산화물 촉매와 제올라이트(Zeolite)로 구별된다.The denitration catalyst is mainly classified into a metal oxide catalyst and a zeolite.
금속 산화물 촉매에 사용되는 금속의 비제한적인 예로 V, Fe, W, Cu, Mo, Mn, Ce, Ni, Sn 등이 있다. 금속 또는 그 화합물과 질소산화물과의 반응성은 Pt, MeO2, CuO, Fe2O3, Cr2O3, Co2O3, MoO3, NiO, WO3, Ag2O, ZrO2, Al2O3, SiO2, PhO 순으로 낮아진다. 금속산화물 촉매는 질소산화물과 반응성이 높은 금속 또는 그 화합물을 2가지 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 사용빈도가 높은 촉매의 예로 V2O5-Al2O3 촉매, V2O5-SiO2-TiO2 촉매, Pt 촉매, WO3-TiO2 촉매, Fe2O3-TiO2 촉매, CuO-TiO2 촉매, CuO-Al2O3 촉매 등이 있다. Non-limiting examples of the metal used in the metal oxide catalyst include V, Fe, W, Cu, Mo, Mn, Ce, Ni and Sn. Reactive with the metal or its compound and the nitrogen oxide is Pt, MeO 2, CuO, Fe 2
제올라이트 촉매는 Y형 제올라이트 촉매, Mordenite 촉매, ZSM-5 촉매 등이 있다.The zeolite catalyst includes a Y-type zeolite catalyst, a Mordenite catalyst, and a ZSM-5 catalyst.
비암모니아계 탈질 공정에서 사용되는 촉매의 예로는, 제올라이트계 촉매, 금속산화물 촉매, 귀금속 촉매가 있다. 제올라이트계 촉매의 비제한적인 예로는 (1) 이온교환 제올라이트 : Cu, Co, Fe, Zn, Cr, Ni, V, H, Ce, Ga/ZSM-5, modernite, Ce, La, Sm, (Cu, H, Na-Y), Cu-MFI; (2) 메탈로실리케이트(Metallo-silicates) : Fe-silicate, Ti-silicate; 및 (3) Silicoaluminophosphates : Cu-SAPO, H-SAPO가 있다. 금속산화물 촉매의 비제한적인 예로는 (1) 단일 금속 산화물(Single metal oxides) : Al2O3, Mn2O3, ZrO2, TiO2, SnO2, La2O3, Rare-earth oxides; (2) 금속-지지된 산화물(Metal-supported oxides) : V, Cr, Fe, Zn, Ce, Co, Sr, Cu, Ag/Al2O3, V/TiO2; (3) 설페이트 처리된 금속 산화물(Sulfate-treated metal oxides) : SO4/TiO2, SO4/ZrO2, Fe2O3; (4) 복합 산화물 및 페로브스카이트(Mixed oxides and Perovskites) : ZnO-SiO2, LaAlO3가 있다. 귀금속 촉매의 비제한적인 예로는 Rh, Pd, Pt/Al2O3, Pt/SiO2, Pd/La2O3, Ag/Al2O3, Ag/TiO2-ZrO2가 있다. 탈질촉매의 반응온도는 약 320~400℃ 정도의 범위에서 NOx 저감효율이 높으며 촉매의 수명도 연장된다. Examples of catalysts used in non-ammonia denitrification processes include zeolitic catalysts, metal oxide catalysts, and noble metal catalysts. Non-limiting examples of zeolite-based catalysts include (1) ion-exchanged zeolites such as Cu, Co, Fe, Zn, Cr, Ni, V, H, Ce, Ga / ZSM- , H, Na-Y), Cu-MFI; (2) Metallo-silicates: Fe-silicate, Ti-silicate; And (3) Silicoaluminophosphates: Cu-SAPO and H-SAPO. Non-limiting examples of the metal oxide catalyst (1) a single metal oxide (Single metal oxides): Al 2 O 3, Mn 2
한편, 불균일 촉매반응은 유체-고체계면에서 일어나기 때문에 계면의 면적을 크게 하는 것이 필요하다. 따라서, 촉매는 다공성 촉매, 분자체, 모노리스, 담지촉매일 수 있다. 다공성 촉매는 기공에 비해서 큰 면적을 가진 촉매이다. 분자체는 선택적 투과반응이 가능하며, 점토와 제올라이트가 있다. 모노리스는 압력강화와 열을 제거하는 공정에 이용되는 비다공성 촉매이다. 담지촉매는 촉매가 표면적이 넓은 담체 위에 미세한 활성물질 입자가 분산된 형태로 이루어져 있다.On the other hand, since the heterogeneous catalysis occurs at the fluid-solid interface, it is necessary to increase the interface area. Thus, the catalyst may be a porous catalyst, a molecular sieve, a monolith, or a supported catalyst. The porous catalyst is a catalyst having a larger area than the pores. The molecular sieve is capable of selective permeation reaction, and has clay and zeolite. Monoliths are non-porous catalysts used in pressure intensification and heat removal processes. The supported catalyst is a catalyst in which fine active material particles are dispersed on a carrier having a large surface area.
한편, 암모니아를 환원제로 하는 촉매에 의한 탈질과정은 상기 여러 가지 조건을 만족할 수 있어 널리 사용하고 있으나, 배기가스 성상에 따라서는 먼지에 의한 막힘과 마모, 기타의 마모가 발생될 우려가 있고 탈질장치의 선택 시 여러 가지 검토가 필요하다. LNG 연료를 연소하는 경우와 같이 먼지나 황산화물을 거의 포함하고 있지 않은 가스(Clean Gas)의 경우에는 먼지에 의한 촉매층이 막히는 일이 없으므로 입상 촉매를 충진한 관류형의 고정상 반응기가 사용되고 있다. On the other hand, the denitration process using a catalyst using ammonia as a reducing agent is widely used because it satisfies the above-mentioned various conditions. However, depending on the characteristics of the exhaust gas, clogging, abrasion or other abrasion may occur due to dust, There is a need for various studies. In the case of a gas (clean gas) containing almost no dust or sulfur oxide as in the case of burning LNG fuel, a flow-through type fixed-bed reactor filled with a granular catalyst is used because the catalyst layer due to dust is not clogged.
중유 및 석탄 연소시 배출되는 배기 가스중에 먼지와 황산화물을 포함하는 오염된 가스(Dirty Gas)에 대해서는 먼지에 대한 대책으로 전에는 입자상 촉매를 사용한 이동상식 반응기가 채용된 일도 있으나, 최근에는 먼지 퇴적이 적은 병행류형의 고정상식 반응기가 사용되고 있다. In the case of dirty gas containing dust and sulfur oxides in the exhaust gas discharged during heavy oil and coal combustion, a mobile phase type reactor using a particulate catalyst has been employed as a countermeasure against dust, but in recent years, A few parallel-flow fixed-bed reactors are used.
하기 도 6에는 배기가스 종류에 따른 반응기의 형식과 촉매형상이 예시되어 있다.FIG. 6 illustrates the type of the reactor and the shape of the catalyst depending on the kind of the exhaust gas.
[마이크로파 발생 장치][Microwave generator]
마이크로파 발생 장치(microwave generator)는 마그네트론(magnetron)일 수 있으며, 마그네트론은 전자파를 발생시키는 장치로서, 빠른 속도로 전기장의 방향을 바꾸어 주는 장치이다. 이렇게 전기장을 바꿔주는 전자기파를 이용해서 이를 흡수하는 재료를 직접 가열할 수 있다. The microwave generator may be a magnetron, and the magnetron is a device that generates electromagnetic waves and changes the direction of the electric field at a high speed. The electromagnetic wave that changes the electric field can be used to directly heat the absorbing material.
마이크로파 발생 장치의 일례로 고주파로 가열하는 조리 기구인 전자레인지(microwave oven)가 있다. 고주파 전장(電場) 중의 분자가 심하게 진동하여 발열하는 것을 이용한 것으로 빠른 시간에 고르게 가열할 수 있다. 극초단파는 사람 눈에 보이지 않으며 대부분의 물질을 그냥 통과한다. 그러나 자신의 진동수에 의해 공명을 일으키는 물질을 만나면 그 물질에 흡수되면서 분자를 진동시킨다. 대표적인 물질이 바로 물이며 그 다음은 지방, 탄수화물, 단백질의 순이다. 따라서 수분이 많이 포함된 부분이 먼저 뜨거워져 그 열이 다른 부분으로 전도되는 것이다.As an example of a microwave generating apparatus, there is a microwave oven which is a cooking apparatus for heating by a high frequency. The molecules in the high-frequency electric field are strongly vibrated to generate heat, which can be heated evenly in a short period of time. Microwaves are invisible to the eye and pass most of the material. However, when a material that resonates with its own frequency is encountered, it is absorbed by the material and vibrates the molecule. Representative substances are water, followed by fat, carbohydrate, and protein. Therefore, the portion containing the moisture is first heated, and the heat is conducted to the other portion.
마이크로파는 파장이 1mm ~ 1m이고, 진동수가 300 GHz~300 MHz이다.The microwave has a wavelength of 1 mm to 1 m and a frequency of 300 GHz to 300 MHz.
본 발명에서는 반응관의 촉매층에만 및/또는 균일하게 마이크로파가 조사될 수 있도록 웨이브가드(waveguide)를 더 구비할 수 있다.In the present invention, a waveguide may be further provided so that only the catalyst layer of the reaction tube and / or the microwave can be uniformly irradiated.
[마이크로파를 흡수하는 재료][Material that absorbs microwaves]
마이크로파를 흡수하는 재료는 극성을 띠고 있으며, 마이크로파의 전기장의 방향이 바뀌면 전기장 방향에 따라 회전하여 재정렬될 수 있는 한 그 종류에 제한이 없다. 마이크로파를 흡수하는 재료는 유전체(dielectric substance)일 수 있다. 통상 금속은 마이크로파를 반사한다.The material that absorbs microwaves is polar and has no limitation as long as the direction of the electric field of the microwaves can be rotated and reordered according to the direction of the electric field. The material that absorbs microwaves may be a dielectric substance. Normally, the metal reflects microwaves.
마이크로파를 조사하면 극성 분자는 전자기파의 전기장이 양과 음으로 진동할 때 분자가 양과 음의 방향을 바꾸며 매우 빠르게 회전하여 전자기장을 따라 정렬한다. 분자의 회전에 의해 분자들이 서로 밀고 당기거나 충돌하는데 이러한 운동에너지가 온도를 높이게 된다. 온도는 분자들이 활발하게 움직이는 정도로, 마이크로파를 흡수하는 재료는 재정렬하는 과정에서 분자간의 충돌이 일어나며, 충돌된 분자는 운동에너지를 얻어 운동을 하게 되고 운동 속도는 주변 다른 분자와 충돌하는 방식으로 인해 주변 분자로 전달되므로, 마이크로파를 흡수하는 재료의 온도를 상승시킬 수 있다.When irradiated with microwaves, the polar molecules rotate very rapidly, aligning them along the electromagnetic field, changing the direction of positive and negative, as the electric field of the electromagnetic wave vibrates in positive and negative directions. As the molecule rotates, molecules push, pull or collide with each other, and this kinetic energy increases the temperature. Temperature is the degree to which molecules move vigorously. Material that absorbs microwaves collides with one another in the process of rearranging molecules. The collided molecules gain kinetic energy and move. The velocity of movement collides with other molecules in the vicinity The temperature of the material that absorbs the microwave can be raised.
마이크로파를 흡수하는 재료는 열전도도가 높을수록 바람직하다.The higher the thermal conductivity of the material absorbing microwaves, the better.
본 발명에서 마이크로파를 흡수하는 재료는 촉매 및/또는 희석제(탈질 촉매반응에 대해 반응성이 없는 물질)일 수 있다. 탈질촉매의 지지체가 마이크로파를 흡수하고/하거나 열전도도가 높은 물질일 수 있다.In the present invention, the material that absorbs the microwaves may be a catalyst and / or a diluent (a material that is not reactive with a denitration catalysis reaction). The support of the denitration catalyst may be a material that absorbs microwave and / or has a high thermal conductivity.
마이크로파를 흡수하는 고체재료의 비제한적인 예로는, 1) 활성탄(activated carbon), 탄소 나노튜브(carbon nanotube) 등의 탄소물질, SiC 등의 카비이드(carbide)계 물질; 2) SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2 및 제올라이트계 다공성 실리케이트 또는 알루미노 실리케이트(alumino silicate) 물질; 3) Ni, Cu, Ag 금속 등이 있다.Non-limiting examples of solid materials that absorb microwaves include: 1) carbon materials such as activated carbon, carbon nanotubes, carbide-based materials such as SiC; 2) SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 and zeolite-based porous silicates or alumino silicate materials; 3) Ni, Cu, and Ag metals.
마이크로파 흡수 촉매는, 활성점으로 작용하는 성분이 상기 3)에 나열된 금속 성분 중 하나이거나, 촉매 담체로 1) 또는 2)에 열거된 물질을 사용하거나, 탈질반응용 촉매와 상기 1), 2), 3)에 열거된 물질을 물리적으로 혼합한 것일 수 있다.The microwave absorbing catalyst may be one in which the component acting as the active site is one of the metal components listed in 3) above, or the catalyst carrier is the one listed in 1) or 2) , 3) may be physically mixed.
[반응기][Reactor]
본 발명에서 반응기는 반응관 내 기체 반응물 주입영역, 촉매 함유 촉매층(catalyst bed)이 구비된 마이크로파 흡수 반응영역, 및 기체 생성물 배출영역을 직렬로 포함한다.In the present invention, the reactor includes a gaseous reactant injection region in a reaction tube, a microwave absorption reaction region provided with a catalyst-containing catalyst bed, and a gaseous product discharge region in series.
반응기의 비제한적인 예로는 연속 마이크로파 방사 흐름형 고정층 반응기가 있다. A non-limiting example of a reactor is a continuous microwave radial flow fixed bed reactor.
상기 반응관은 촉매층이 마이크로파를 흡수하도록 마이크로파를 투과하는 재료로 제조된 것이 좋다. 예컨대, 석영(Quartz)는 마이크로파를 투과시키는 물질로 알려져 있으며 탈질반응에 영향을 끼치지 않는다.It is preferable that the reaction tube is made of a material through which the microwave is transmitted so that the catalyst layer absorbs the microwave. Quartz, for example, is known as a material that transmits microwaves and does not affect the denitrification reaction.
상기 촉매층이 담지촉매를 함유하는 경우 촉매의 활성성분 및/또는 지지체가 마이크로파를 흡수할 수 있다.When the catalyst layer contains the supported catalyst, the active component and / or the support of the catalyst may absorb the microwave.
상기 촉매층은 마이크로파를 흡수하는 희석제, 촉매와 열전달이 가능한 희석제, 또는 마이크로파를 흡수하고 촉매와 열전달이 가능한 희석제를 추가로 포함할 수 있다. 마이크로파를 흡수하고 촉매와 열전달이 가능한 희석제의 비제한적인 예로는 SiC 비드가 있다.The catalyst layer may further include a diluent capable of absorbing microwaves, a diluent capable of transferring heat with the catalyst, or a diluent capable of absorbing microwaves and capable of transferring heat to the catalyst. A non-limiting example of a diluent capable of absorbing microwaves and capable of catalytic and heat transfer is SiC beads.
SiC는 높은 강도와 경도, 우수한 고온 물성, 내 방사선 특성, HF가 포함된 에칭 용액에 대한 내 부식성 및 내 플라즈마 부식 특성 등 다양한 장점을 가진다. 최근 개발된 고순도 소결 SiC 및 reaction sintered SiC는 용융 석영 유리보다 높은 순도와 강도, 영율 특성을 나타내며, 낮은 열팽창 계수, 높은 열전도도 및 낮은 전기 저항성 등의 특징을 갖는다.SiC has various advantages such as high strength and hardness, excellent high temperature properties, radiation resistance characteristics, corrosion resistance against etching solution containing HF, and plasma corrosion resistance characteristics. The recently developed high purity sintered SiC and reaction sintered SiC exhibit higher purity, strength and Young 's modulus than fused quartz glass, and have characteristics of low thermal expansion coefficient, high thermal conductivity and low electrical resistance.
본 발명에 따라 마이크로파를 흡수하는 탈질촉매 함유 촉매층을 설계하고, 마이크로파 이용 촉매 가열 수단을 사용함으로써, 마이크로파 흡수 반응영역에서 반응온도는 탈질촉매가 활성을 갖는 250~400℃이고, 기체 반응물 주입영역에서 NOx 함유 기체 반응물의 온도 및 기체 생성물 배출영역에서 NOx가 일부 또는 전부 제거된 기체 생성물의 온도는 100℃ 이하일 수 있다. 탈질촉매에 의한 NOx 제거 반응시, 마이크로파 가열을 통해, 탈질촉매가 활성을 발휘하는 고온으로 NOx 함유 가스의 온도를 상승시키지 아니하고, 탈질촉매 함유 촉매층만 상기 고온을 유지시킬 수 있기 때문이다. By designing a catalyst layer containing an denitration catalyst that absorbs microwaves according to the present invention and using a microwave using catalyst heating means, the reaction temperature in the microwave absorption reaction region is 250 to 400 ° C, The temperature of the NOx-containing gaseous reactant and the temperature of the gaseous product from which the NOx is partially or completely removed in the gaseous product discharge region may be less than 100 占 폚. This is because, during the NOx removing reaction by the denitration catalyst, only the denitration catalyst-containing catalyst layer can maintain the high temperature without increasing the temperature of the NOx-containing gas at a high temperature at which the denitration catalyst exhibits activity through microwave heating.
[NOx 제거 반응장치 및 NOx 함유 배기가스 배출 장치][ NOx removing reaction device and NOx-containing exhaust gas exhausting device ]
본 발명에 따른 NOx 제거 반응장치는 NOx 함유 배기가스 배출 장치에 배기가스 중 NOx를 제거하도록 장착되어 NOx를 제거할 수 있다. NOx 함유 배기가스 배출 장치의 비제한적인 예로 화력발전소, 자동차, 선박, 비행기, 또는 기관차 등이 있다. The NOx removing reaction apparatus according to the present invention can be installed to remove NOx from the exhaust gas to the NOx-containing exhaust gas exhausting apparatus to remove NOx. Non-limiting examples of NOx-containing exhaust gases include thermal power plants, automobiles, ships, airplanes, or locomotives.
본 발명에 따른 NOx 제거 반응장치는 소비전력이 700W ~ 1.2 kW인 마이크로파 발생 장치로 탈질촉매층을 가열하여 NOx 제거가 가능하다. 따라서, 차량의 이동속도에 따라 배기가스 온도 변화가 커 SCR 작용 범위인, 200℃ 이상 유지 분율(시간평균)이, 도심 운행 소형차 기준으로 50%에 불과함에도 불구하고, 본 발명에 따른 NOx 제거 반응장치는 낮은 소비전력과 장치의 소형화가 가능하므로, NOx 함유 가스를 배출하는 이동수단에 사용되는 것이 바람직하다.The apparatus for removing NOx according to the present invention can remove NOx by heating a denitration catalyst layer with a microwave generator having a power consumption of 700 W to 1.2 kW. Therefore, the exhaust gas temperature changes depending on the moving speed of the vehicle increases SCR action range of, keeping the fraction above 200 ℃ a (time average), and even though the light in the 50% to central station compacts reference, NOx removal in accordance with the present invention Since the reaction apparatus is capable of low power consumption and downsizing of the apparatus, it is preferable that the apparatus is used for a moving means for discharging the NOx-containing gas.
본 발명에 따른 NOx 제거 반응장치는 이동원에서 배출되는 배가스의 온도를 높이기 위한 추가적인 가열 없이 높은 촉매층 온도의 유지만으로 발생되는 NOx를 효과적으로 제거할 수 있으며, 적은 양의 에너지(전력) 사용과 장치의 소형화가 가능하므로, 공간적인 여유가 없는 차량하체에 장착될 수 있다. The apparatus for removing NOx according to the present invention can effectively remove NOx generated only by maintaining a high catalyst bed temperature without further heating to raise the temperature of the exhaust gas discharged from the source, and it is possible to use a small amount of energy (power) So that it can be mounted on a vehicle body without a space margin.
또한, 디젤연료를 사용하는 자동차와 선박과 같은 이동원에서 발생되는 NOx를 제거하기 위해 본 발명에 따른 NOx 제거 반응장치를 사용하는 것이 바람직하다. In addition, it is preferable to use the NOx removing apparatus according to the present invention in order to remove NOx generated from a moving source such as an automobile and a ship using diesel fuel.
또한, 본 발명에 따른 NOx 제거 반응장치는 탈황장치 후단부에 설치되어, NOx 함유 기체 반응물은 탈황처리된 것일 수 있다. 탈황공정을 거치면 배가스의 온도가 급격히 감소하여 효율적인 탈질촉매반응을 수행하기 위해 배가스를 재가열이 필요하나, 본 발명에 따른 NOx 제거 반응장치는 탈황장치 후단부에 설치되더라도, 탈황처리된 NOx 함유 기체 반응물을 재가열하는 수단이 생략될 수 있다.Further, the NOx removing reaction apparatus according to the present invention may be provided at the rear end of the desulfurizer, and the NOx-containing gas reactant may be desulfurized. When the desulfurization process is performed, the temperature of the exhaust gas is rapidly reduced, and the exhaust gas needs to be reheated to perform an efficient denitration catalytic reaction. However, even if the NOx removal reactor according to the present invention is installed at the end of the desulfurizer, The reheating means may be omitted.
[마이크로파 이용 촉매 가열 수단에 의해 촉매반응의 on/[On / off of the catalytic reaction by means of the microwave- off 제어가 가능한off control is possible 화학반응장치] Chemical reaction device]
본 발명에 따라 마이크로파 이용 촉매 가열 수단에 의해 촉매반응(catalytic reaction)의 on/off 제어가 가능한 화학반응장치, 예컨대 NOx 제거 반응장치는 마이크로파 조사를 조절하여 원하는 시점에서 촉매반응의 on/off를 제어하거나, 마이크로파 조사시 광량 또는 전력(Electric power)를 조절하여 촉매반응 속도를 제어할 수 있다. According to the present invention, a chemical reaction apparatus capable of controlling on / off of a catalytic reaction by a microwave utilizing catalyst heating means, for example, a NOx removal reaction apparatus, controls microwave irradiation to control the on / Or controlling the amount of light or electric power during microwave irradiation to control the catalytic reaction rate.
일례로, 촉매반응(catalytic reaction)의 on/off 제어가 가능한 화학반응장치는,For example, a chemical reaction apparatus capable of on / off control of a catalytic reaction can be used,
기체 반응물 주입영역, (i) 촉매 및 (ii) 마이크로파 조사를 조절하여 촉매반응의 on/off를 제어할 수 있도록 마이크로파를 흡수하고 열전도도가 높은 SiC 함유 희석제를 포함하는 촉매층(catalyst bed)이 구비된 마이크로파 흡수 반응영역, 및 기체 생성물 배출영역을 직렬로 포함하는 반응관; 및(Ii) a catalyst bed containing a SiC-containing diluent which absorbs microwaves and has high thermal conductivity so as to control on / off of the catalytic reaction by controlling microwave irradiation; A microwave absorptive reaction zone, and a gas product evacuation zone in series; And
촉매층에 마이크로파를 조사하는 마이크로파 발생 장치를 포함할 수 있다.And a microwave generator for irradiating the catalyst layer with microwaves.
본 발명에 따른 화학반응장치는 촉매반응에 제한이 없이, 기체 반응물로부터 촉매반응을 통해 기체 생성물 제조 시 사용할 수 있다. 이때, 촉매반응은 흡열반응인 것이 바람직하다.The chemical reaction apparatus according to the present invention can be used in the production of a gaseous product through a catalytic reaction from a gaseous reactant without limitation of the catalytic reaction. At this time, the catalytic reaction is preferably an endothermic reaction.
본 발명에 따른 NOx 제거 반응장치를 활용하면 이동원에서 배출되는 배가스의 온도의 추가적인 가열 없이 높은 촉매층 온도의 유지만으로 발생되는 NOx를 효과적으로 제거할 수 있다.The NOx removal reaction apparatus according to the present invention can effectively remove NOx generated only by maintaining a high catalyst bed temperature without further heating the temperature of the exhaust gas discharged from the source.
도 1은 본 발명의 일구체예에 따른 NOx 제거 반응장치를 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일구체예에 따라 연속 마이크로파 방사 흐름형 고정층 반응기가 장착된 NOx 제거 시스템을 도시한 개념도이다.
도 3은 시간에 따른 전환율을 도시한 그래프이다.
도 4는 시간에 따른 전력과 온도 비교 그래프이다.
도 5는 시간에 따른 반응기 전단, 반응기 내부 촉매층, 반응기 후단의 온도 비교 그래프이다.
도 6은 배기가스 종류에 따른 반응기의 형식과 촉매형상을 예시한 표이다.1 is a conceptual diagram showing a NOx removal reactor according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram showing a NOx removal system equipped with a continuous microwave radial flow type fixed bed reactor according to one embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the conversion rate with time.
4 is a graph of power vs. temperature versus time.
5 is a temperature comparative graph of the reactor front end, the internal catalyst bed, and the downstream end of the reactor.
6 is a table showing the type of the reactor and the shape of the catalyst depending on the type of the exhaust gas.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these examples.
[[ 실시예Example 1] One]
도 2에 도시된 바와 같이, 연속 마이크로파 방사 흐름형 고정층 반응기가 장착된 NOx 제거 시스템을 제작하였다. NOx 제거 시스템은 가스주입부, 반응기부, 및 반응가스 분석부로 구성하였다. 반응기에 공급되는 O2, NH3, NOX는 N2 balance 가스를 사용하였으며, MFC (Mass Flow Controller)를 이용하여 정량적으로 공급하였다.As shown in FIG. 2, a NOx removal system equipped with a continuous microwave radial flow fixed bed reactor was fabricated. The NOx removal system consisted of a gas injection part, a reaction part, and a reaction gas analysis part. The O 2 , NH 3 and NO x supplied to the reactor were N 2 balance gas and quantitatively supplied using MFC (Mass Flow Controller).
연속 마이크로파 방사 흐름형 고정층 반응기는 내경 7mm, 높이 90mm인 quartz tube로 제작하였으며, 촉매층을 고정하기 위해 quartz wool과 quartz bead를 사용하였다. The fixed - bed reactor with a continuous microwave radiation flow was fabricated from a quartz tube with an inner diameter of 7 mm and a height of 90 mm and a quartz wool and a quartz bead were used to fix the catalyst layer.
활성범위가 300~350℃인 V2O5-WO3/TiO2인 촉매를 300bar의 압력으로 압축성형 후, 30~50크기의 mesh를 사용하여 sieving하였다. 이렇게 얻은 촉매 0.5g (30~50mesh, 0.7cc)과 SiC beads(Silicon Carbide Ceramic Beads) 1g (diameter 1.9-2.2mm)를 골고루 섞어 반응기에 충진하였다.The catalyst of V 2 O 5 -WO 3 / TiO 2 with an active range of 300-350 ° C was compression molded at a pressure of 300 bar and sieved using a mesh of 30-50 mesh size. 0.5 g (30-50 mesh, 0.7 cc) of the catalyst thus obtained and 1 g (diameter 1.9-2.2 mm) of SiC beads (Silicon Carbide Ceramic Beads) were evenly mixed to fill the reactor.
촉매층의 온도는, 촉매층 상부에 K-type의 열전대를 장착하여 Microwave power supply (1kW 용량)로 반응온도인 270℃에 맞춰 auto-tuning하였다. 압력은 상압에서 실험하였다. 반응조건인 NO의 농도와 NH3의 농도는 blank line을 통해 NO 800ppm, NH3 1000ppm으로 맞추었다. 총 유량은 700cc/min으로 GHSV(Gas Hourly Space Velocity)는 60000hr-1 조건하에서 실험하였다. 촉매층을 통과한 반응 후의 NO 농도는 검지관을 이용하여 측정하였다. The temperature of the catalyst layer was auto-tuned to a reaction temperature of 270 ° C with a microwave power supply (1 kW capacity) equipped with a K-type thermocouple above the catalyst layer. The pressure was tested at atmospheric pressure. The reaction conditions of NO and NH 3 were adjusted to NO 800 ppm and NH 3 1000 ppm through the blank line. The total flow rate was 700cc / min and the GHSV (Gas Hourly Space Velocity) was tested under the condition of 60000hr -1 . The NO concentration after the reaction through the catalyst layer was measured using a detection tube.
N2 분위기에서 촉매의 불순물 및 수분을 제거하기 위해, 촉매층의 온도를 반응온도인 270℃까지 올린 후 10분 간 유지하였다. 실험 온도가 정상상태에 도달하면 반응가스를 천천히 반응기 내로 주입시킨 후 생성물의 농도가 일정 농도에 도달되었을 때 실험을 시작하였다.In order to remove impurities and moisture from the catalyst in the N 2 atmosphere, the temperature of the catalyst layer was raised to the reaction temperature of 270 ° C and maintained for 10 minutes. When the experimental temperature reached a steady state, the reaction gas was slowly injected into the reactor and the experiment was started when the concentration of the product reached a certain concentration.
촉매의 NOx전환율은 다음과 같이 정의하였다.The NOx conversion of the catalyst was defined as follows.
도 3에 도시된 시간에 따른 NOx 전환율을 살펴보면, 반응을 시작한 후 3분만에 나오는 NO의 농도가 15ppm, NO2가 0ppm으로 전환율 98.125%에 도달하였다. 10 분 간격으로 측정한 결과 반응을 시작한 10분 후부터 나오는 NO의 농도가 12ppm (NO2 0ppm)로 전환율 98.5%로 200분간 유지되었다.As shown in FIG. 3, when the NOx conversion rate with respect to time was examined, NO concentration of 15 ppm and NO 2 of 0 ppm reached 98.125% at 3 minutes after the start of the reaction. 10 minutes after the start of the reaction, the NO concentration was maintained at 200 ppm for NOP concentration of 98 ppm for 12 ppm (NO 2 0 ppm).
이때, 시간에 따른 전력과 촉매층의 온도를 비교해 보면(도 4), 약 1분~3분 안에 microwave controller의 auto-tuning기능을 이용하여 목표 온도인 270℃까지 빠른 속도로 도달하였다. 도달한 이후 270℃을 유지하기 위해 필요한 전력은 40W밖에 되지 않았다.At this time, when the power according to the time and the temperature of the catalyst layer were compared (FIG. 4), the microwave controller's auto-tuning function was used in about 1 minute to 3 minutes to reach the target temperature of 270 ° C. at a high speed. The power required to maintain 270 ° C after reaching was only 40W.
이때, 도 5에 도시된, 시간에 따른 반응기 전단, 반응기 내부 촉매층, 반응기 후단의 온도를 살펴보면, 반응기 후단과 전단, 촉매층의 온도를 비교해 본 결과 반응기 전단의 온도인 30℃에 비해 후단의 온도는 60℃으로 30℃ 상승하였다. 즉, 기존 방법인 가스 자체를 heating 시켜 촉매로 열을 이동시키는 형태가 아닌 microwave를 이용해 촉매 자체를 heating시키는 것을 알 수 있다.The temperature of the rear end of the reactor, the temperature of the rear end of the reactor, the temperature of the rear end of the reactor, and the temperature of the rear end of the reactor are compared with each other. As shown in FIG. 5, Lt; 0 > C to 60 < 0 & In other words, it can be seen that the catalyst itself is heated by microwave, which is not a type of heating the gas itself but transferring the heat to the catalyst.
Claims (16)
반응관 내 기체 반응물 주입영역, 탈질촉매 함유 촉매층(catalyst bed)이 구비된 마이크로파 흡수 반응영역, 및 기체 생성물 배출영역을 직렬로 포함하는 반응기; 및
반응관의 촉매층에 마이크로파를 조사하는 마이크로파 발생 장치를 포함하며,
마이크로파 조사시, 마이크로파를 흡수하는 촉매층에 의해 원하는 반응온도까지 반응영역 내 탈질촉매를 가열하나, 반응물 주입영역 내 NOx 함유 기체 반응물 및 기체 생성물 배출영역 내 NOx가 일부 또는 전부 제거된 기체 생성물은 상기 반응온도까지 가열되지 않는 것이 특징인 NOx 제거 반응장치.1. A low energy consumption type NOx removing reactor equipped with a microwave utilizing catalyst heating means,
A reactor including a gas reactant injection region in a reaction tube, a microwave absorption reaction region provided with a denitration catalyst-containing catalyst bed, and a gas product discharge region in series; And
And a microwave generator for irradiating microwave to the catalyst layer of the reaction tube,
During the microwave irradiation, the denitration catalyst in the reaction zone is heated to the desired reaction temperature by the catalyst layer that absorbs the microwave. The NOx-containing gas reactant in the reactant injection zone and the gaseous product in which NOx is partially or completely removed from the gaseous product exhaust zone, And the temperature of the NOx removal catalyst is not heated up to the temperature.
기체 반응물 주입영역, (i) 촉매 및 (ii) 마이크로파 조사를 조절하여 촉매반응의 on/off를 제어할 수 있도록 마이크로파를 흡수하고 열전도도가 높은 SiC 함유 희석제를 포함하는 촉매층(catalyst bed)이 구비된 마이크로파 흡수 반응영역, 및 기체 생성물 배출영역을 직렬로 포함하는 반응관; 및
촉매층에 마이크로파를 조사하는 마이크로파 발생 장치를 포함하는 것이 특징인 화학반응장치.A chemical reaction apparatus capable of on / off control of a catalytic reaction by a microwave utilizing catalyst heating means,
(Ii) a catalyst bed containing a SiC-containing diluent which absorbs microwaves and has high thermal conductivity so as to control on / off of the catalytic reaction by controlling microwave irradiation; A microwave absorptive reaction zone, and a gas product evacuation zone in series; And
And a microwave generator for irradiating microwave to the catalyst layer.
16. The chemical reaction apparatus according to claim 15, wherein the catalytic reaction is an endothermic reaction.
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