KR20190121301A - 산업 플랜트로부터의 오프-가스에 함유된 황 산화물 및 질소 산화물의 제거를 위한 과정 - Google Patents

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요아킴 레이메르 퇴게르센
프란세스코 카스텔리노
수헤일 사디
니클라스 벵트 야콥슨
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할도르 토프쉐 에이/에스
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Abstract

하나의 여과 유닛에서, 특히 하나 이상의 촉매화된 패브릭 필터 조립체를 가진 필터 백 하우스에서 SOx 흡착 및 암모니아-SCR을 이용하여 황 산화물(SOx), 질소 산화물(NOx) 및 미립자 물질을 함유하는 오프-가스를 정화하는 과정.

Description

산업 플랜트로부터의 오프-가스에 함유된 황 산화물 및 질소 산화물의 제거를 위한 과정
본 발명은 하나의 여과 유닛에서, 특히 하나 이상의 촉매화된 패브릭 필터 조립체를 가진 필터 백 하우스에서 SOx 흡착 및 암모니아-SCR을 이용하여 황 산화물(SOx), 질소 산화물(NOx) 및 미립자 물질을 함유하는 오프-가스(off-gas)를 정화하는 과정에 관한 것이다.
선택적 촉매 환원(SCR)은 주로 질소 산화물(NOx)을 N2 및 H2O로 전환하기 위한 수단이다. 환원제, 전형적으로 무수 암모니아 또는 수성 암모니아가 연도가스 또는 배기가스의 스트림에 첨가되고, 다음에 촉매 위에 흡착된다.
환원제로서 암모니아를 이용한 SCR에서 저온 연도가스가 중황산암모늄(ABS)의 형성을 초래하고, 그 결과 SCR 촉매의 비활성화 및 하류 장비 상에 ABS의 끈적한 층을 만든다는 것은 잘 알려진 문제이다.
티타니아 상에 담지된 바나듐 산화물로 이루어진 SCR 촉매는 잘 알려져 있으며 고정 용도에 전형적으로 사용된다. 이들 촉매는 선택적으로 텅스텐 및/또는 몰리브데늄 산화물 또는 다양한 귀금속(예컨대 팔라듐 및 백금)으로 촉진된다. SCR 촉매는 모노리스 기판에 코팅된 상태로 가장 흔히 이용된다. 다른 공지된 SCR 촉매는 구리 및/또는 철로 촉진된 제올라이트를 포함한다.
NOx 환원 반응은 가스가 SCR 촉매와 접촉함에 따라 일어난다. 암모니아, 또는 요소와 같은 전구체가 주사되고 SCR 촉매의 상류에서 가스와 혼합된다.
선택적 촉매 환원 과정을 위한 무수 또는 수성 암모니아를 사용한 화학량론적 반응에 대한 화학 반응식은 아래 나타낸 바와 같다:
4NO + 4NH3 + O2 -> 4N2 + 6H2O
2NO2 + 4NH3 + O2 -> 3N2 + 6H2O
NO + NO2 + 2NH3 -> 2N2 + 3H2O
특정한 산업 과정으로부터의 오프-가스는 NOx 외에 SOx를 또한 함유한다.
이러한 과정의 예는 철강 산업에서 코크스를 생성하기 위한 석탄 건류(coal carbonization)이다. 코크스로 가스(COG)는 석탄 건류의 귀중한 부산물이다. COG는 COG의 부분적 산화를 통해 수소 분리, 메탄 부화, 메탄올 생성 및 합성가스 생성을 하기 위한 잠재적 공급원료이다. 그것은 또한 전기 및 액화천연가스를 생산하기 위해 효과적으로 이용될 수 있다.
COG에서 전형적인 SOx 수준은 150 mg/Nm3 - 180 mg/Nm3이다.
귀중한 오프-가스로서 적합하게 되기 위해서는 COG 및 다른 SOx 및 NOx 함유 오프-가스가 선택적으로 오프-가스에 더 함유된 먼지 또는 미립자 물질과 함께 이들 불순물의 제거에 의해 정화되어야 한다.
상기 이미 언급된 대로, SOx의 함량이 높은 가스의 암모니아-SCR 탈질화 과정에서의 문제는 중황산암모늄의 형성이다. 다음의 반응식에 의해 SO3이 암모니아와 반응하여 황산암모늄((NH4)2SO4) 및 ABS(NH4HSO4)를 생성한다:
2SO2 + O2 -> 2SO3
2NH3 + SO3 + H2O -> (NH4)2SO4
NH3 + SO3 + H2O -> NH4HSO4
SCR 반응기 입구에서 ABS의 벌크 이슬점은 전형적으로 290℃ 근처이지만, 관찰된 이슬점은 SCR 촉매의 미세기공 구조의 모세관 힘으로 인해 더 높다.
특정한 SCR 촉매, 예컨대 바나듐-기반 촉매는 황산암모늄 및 특히 중황산암모늄으로부터의 오염에 특히 민감하며, 이것은 저온에서 촉매의 기공 구조에 응축됨으로써 기공을 물리적으로 차단하고 촉매를 비활성화시킨다.
중황산암모늄의 이슬점 아래에서 오프-가스 정화를 피하기 위한 한 가지 방식은 가스를 냉각하기 전에 SCR 및 SOx 흡착을 수행하는 것이다.
한편, 중황산암모늄의 이슬점 아래의 저온에서 SCR의 작동은 SCR 반응 전에 생산 플랜트로부터 고온 오프-가스를 냉각할 때 감소된 에너지 수요 및 특정한 오프-가스에 함유된 벤젠, 톨루엔 및 자일렌 같은 귀중한 유기 화합물의 분리 가능성 때문에 바람직하다.
이 문제를 다루기 위한 또 다른 방식은 SCR을 고온에서 주기적으로 작동시키는 것이며, 이 경우 중황산암모늄이 촉매로부터 방출되고 촉매 기공은 촉매 반응에 다시 이용할 수 있게 된다. 이 방식에서는 촉매가 재활성화된다.
SCR 작업 및 미립자 물질 여과에서 촉매화된 패브릭 백 필터를 이용할 때, 이 과정은 백의 파손 온도 아래의 작동 온도에서 수행되어야 한다. 일반적으로, 필터 백은 최대 240℃ 근처에서만 내구성을 가지며, 이것은 더 고온에서의 주기적 열처리를 불가능하게 한다.
본 발명을 뒷받침하는 사상은 중황산암모늄의 이슬점 아래에서 NH3-SCR의 촉매화된 백 필터를 작동시키고, 분상 황 흡착제에 의해 황 산화물과 형성된 중황산암모늄을 동시에 제거하는 것이다.
따라서, 본 발명은 산업 플랜트로부터의 오프-가스에 함유된 먼지, 황 산화물, 및 질소 산화물의 제거를 위한 방법을 제공하며, 이 방법은
240 내지 160℃의 온도로 오프-가스를 냉각시키는 단계;
냉각된 오프-가스를 필터 백 하우스로 보내는 단계;
필터 백 하우스에서, 냉각된 오프-가스에 분상 황 산화물 흡착제 및 일정량의 암모니아 또는 그것의 전구체 형태의 질소 산화물 환원제를 첨가하고 분상 황 산화물 흡착제 상에 황 산화물 및 암모니아 첨가량의 일부와의 반응에 의해 형성된 중황산암모늄을 흡착시키는 단계;
이렇게 처리된 오프-가스를 잔량의 암모니아와 함께 필터 백 하우스에 배열된 하나 이상의 패브릭 필터 조립체를 통과시키고 하나 이상의 패브릭 필터 백 조립체의 분산측(dispersion side) 상에서 먼지, 흡착된 황 산화물 및 흡착된 중황산암모늄을 여과하는 단계; 및
여과된 오프-가스 중 질소 산화물의 함유량을 하나 이상의 필터 백 조립체의 침투측(permeation side) 내의 패브릭 상에 코팅된 SCR 촉매와의 접촉에 의해 암모니아에 의한 선택적 촉매 환원에 의해서 감소시키거나 제거하는 단계
를 포함한다.
바람직하게, 오프-가스는, 전형적으로 황 화합물 및 중황산암모늄의 제거를 위한 기존 정화 시스템에 대부분 존재하는 열 교환기에서 간접 열-교환에 의해 냉각된다. 이것은 이들 정화 시스템의 개량(retrofit) 때문에 본 발명에 따른 방법을 매력적으로 만든다.
본 발명에 따른 방법을 작동시킬 때, 흡착제를 포함하는 중탄산나트륨 분말을 NOx 환원제인 암모니아와 함께 필터 백 하우스에 불어넣는 것이 바람직하다. 중황산암모늄과 황 산화물은 이로써 흡착제 분말 상에 흡착될 것이고, 필터 백 조립체의 분산측 상에서 먼지 및 미립자 물질과 함께 여과된다.
전형적으로, 필터 백 하우스는 하우스에 통상의 방식으로 배열된 복수의 패브릭 필터 백 조립체를 함유할 것이다.
필터 백 조립체는 각각 백의 침투측에서 SCR 촉매가 패브릭 상에 코팅된 단일 패브릭 필터 백으로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 구체예에서, 필터 백 조립체는 각각 외부 필터 백 및 이 외부 관형 필터 백 내에 분리되어 동심 배열된 하나 이상의 내부 필터 백을 포함한다.
용어 "외부 필터 백"은 공정 가스가 먼저 통과하는 필터 백을 말하고, 용어 "내부 필터 백"은 공정 가스가 외부 백을 통과한 후 연속적으로 통과하게 되는 필터 백(들)을 말한다.
후자의 구체예는 상이한 타입 및/또는 양의 촉매가 각 필터 백 조립체의 상이한 필터 백 상에 코팅될 수 있다는 이점을 가진다.
필터 백 상에 적용된 SCR 촉매는 오산화바나듐 및 산화티타늄과 선택적으로 추가로 텅스텐 및/또는 몰리브데늄의 산화물을 포함한다.
촉매 활성 물질은 금속 및/또는 산화물 형태의 팔라듐 또는 백금을 더 포함할 수 있다.
이들 촉매는 VOC 및 일산화탄소의 제거와 NH3와의 SCR 반응에 의한 질소 산화물(NOx)의 제거에서 모두 활성이다.
Pd/V/Ti 촉매는 (i) 이중 기능성(NOx의 제거 및 VOC의 제거)을 가지고, (ii) 황-내성(sulphur-tolerant)이고, (iii) 다른 촉매 조성물과 비교하여 낮은 SO2 산화 활성을 가지기 때문에 바람직한 촉매이다.
본 발명의 추가의 바람직한 구체예에서, SCR 촉매는 티타니아 상에 담지된 망간, 세륨 및 철의 산화물의 혼합물을 포함한다. 이러한 SCR 촉매는 190℃ 한참 아래의 온도에서, 예를 들어 130℃에서 충분한 촉매 활성을 가진다. 이로써 저온에서 SCR 촉매로부터의 암모니아 슬립을 제거하거나 충분히 감소시키는 것이 가능하다.
공정 가스에 존재하는 황 산화물 흡착제 입자는 외부 표면, 즉 정화되지 않은 오프-가스와 만나는 패브릭 필터 백의 분산측 상에 침착될 것이다.
따라서, 외부 백 및/또는 내부 백(들) 위에 로딩된 촉매는 잠재적 촉매 피독에 대해, 특히 오프-가스에 함유된 황 산화물에 대해 보호된다.
이것은, 예를 들어 Cu-SAPO-34 및 Cu-SSZ-13을 포함하여, 특히 공정의 저온 범위에서 효과적인 SCR 촉매로서 철 및/또는 구리로 촉진된 제올라이트 물질을 이용하는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 방법에서 유용한 추가의 SCR 조성물은, 미국특허 9,168,517에 설명된 대로, Cu/Al2O3, Mn/Al203, Ce02-Zr02, Ce-Mn/Al203 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 레독스 활성 금속 화합물과 물리적으로 혼합된 BEA, MFI, FAU, FER, CHA, MOR 또는 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 산성 제올라이트 또는 제오타입 성분을 포함하는 조성물을 포함한다.
상기 이미 언급된 대로, 본 발명에 따른 방법은 코크스 제조 및 황 함유 연료를 사용한 축열식(regenerative) 산화 과정으로부터의 오프-가스에서 황 산화물 및 중황산암모늄을 제거하는데 매우 적합하다.

Claims (14)

  1. 산업 플랜트로부터의 오프-가스에 함유된 먼지, 황 산화물, 및 질소 산화물의 제거를 위한 방법으로서,
    240 내지 160℃의 온도로 오프-가스를 냉각시키는 단계;
    냉각된 오프-가스를 필터 백 하우스로 보내는 단계;
    필터 백 하우스에서, 냉각된 오프-가스에 분상 황 산화물 흡착제 및 일정량의 암모니아 형태의 질소 산화물 환원제를 첨가하고 분상 황 산화물 흡착제 상에 황 산화물 및 암모니아 첨가량의 일부와의 반응에 의해 형성된 중황산암모늄을 흡착시키는 단계;
    이렇게 처리된 오프-가스를 잔량의 암모니아와 함께 필터 백 하우스에 배열된 하나 이상의 패브릭 필터 백 조립체를 통과시키고 하나 이상의 패브릭 필터 백 조립체의 분산측 상에서 먼지, 흡착된 황 산화물 및 흡착된 중황산암모늄을 여과하는 단계; 및
    여과된 오프-가스 중 질소 산화물의 함유량을 하나 이상의 필터 백 조립체의 침투측 내의 패브릭 상에 코팅된 SCR 촉매와의 접촉에 의해 암모니아에 의한 선택적 촉매 환원에 의해서 감소시키거나 제거하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 흡착된 황 산화물의 대부분이 SO3로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 오프-가스는 열 교환에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 분상 황 산화물 흡착제는 중탄산나트륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 필터 백 조립체는 각각 단일 패브릭 필터 백으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 필터 백 조립체는 각각 외부 필터 백 및 외부 필터 백 내에 분리되어 동심 배열된 하나 이상의 내부 필터 백을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, SCR 활성 촉매는 오산화바나듐 및 산화티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, SCR 활성 촉매는 텅스텐 및/또는 몰리브데늄의 산화물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, SCR 활성 촉매는 금속 및/또는 산화물 형태의 팔라듐 또는 백금을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, SCR 활성 촉매는 티타니아 상에 담지된 망간, 철 및 세륨의 산화물의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, SCR 활성 촉매는 철 및/또는 구리로 촉진된 제올라이트 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, SCR 활성 촉매는 Cu/Al2O3, Mn/Al203, Ce02-Zr02, Ce-Mn/Al203 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 레독스 활성 금속 화합물과 물리적으로 혼합된 BEA, MFI, FAU, FER, CHA, MOR 또는 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 산성 제올라이트 또는 제오타입 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 오프-가스는 황 함유 연료를 사용한 축열식 산화 과정으로부터 기원하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 오프-가스는 코크스 제조로부터 기원하는 것을 특징으로 하는 방법.
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