KR20190142348A - Scr 촉매를 사용하여 연도 가스로부터 유해 화합물을 제거하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
저온에서 연도 가스로부터 질소 산화물을 제거하기 위한 방법 및 시스템.
Description
본 발명은 오프-가스로부터 질소 산화물(NOx)의 배출을 감소시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 방법 및 시스템은 엔진의 냉 시동 동안 NOx의 개선된 감소를 제공한다.
상이한 연소 시설들, 예를 들어 고체 또는 액체 점화 파워 플랜트의 보일러, 오일 점화 발전소 또는 시멘트 킬른, 바이오연료 연소 플랜트 및 폐기물 소각 플랜트로부터의 연도 가스는 다수의 환경적으로 문제가 있거나 심지어 유독성인 화합물을 함유한다. 이들은 NOx를 포함한다.
연도 가스의 촉매 정화는 NOx의 양을 감소시키며, 따라서 일반적으로 환경에 유익하다. 대부분의 지역에서는 연도 가스에서 NOx의 감소를 요구하는 규제가 있다.
NOx의 선택적 촉매 환원(SCR)에서 아산화질소 화합물은 촉매 위에서 환원제, 예를 들어 암모니아와의 반응에 의해 무해한 질소와 물로 선택적으로 환원된다.
파워 플랜트에는 전형적으로 열 회수 유닛 스팀 발생기 유닛(HRSG)이 설치되어 고온 연도 가스 스트림으로부터 열을 회수한다.
HRSG 유닛은 과열기, 증발기 및 절탄기를 포함한다. 과열기 및 증발기에서는 연도 가스의 열을 사용하여 스팀을 과열시키고 급수를 예열한 다음 그것을 보일러로 펌프하며, 이것은 파워 플랜트의 보일러 효율을 증가시킨다. 연도 가스 온도는 이로써 전형적으로 대략 150℃로 냉각된다.
증발기 하류에서 연도 가스의 저온은 SCR에 의한 NOx 제거에 문제를 일으킨다.
공지된 SCR 촉매가 가진 문제는 250℃ 아래의 연도 가스 온도에서 상대적으로 낮은 효율을 가진다는 것이다. 이것은 통상 HRSG의 증발기 구역이 분할되어야 하고 SCR이 두 구역 사이에 위치되어야 한다는 것을 의미한다. SCR 촉매는 전형적으로 과열기의 하류와 절탄기의 상류에 설치된다.
소위 말하는 "급속" SCR 반응에 의해 연도 가스 중의 NO와 NO2의 등몰량에서 SCR 반응이 상당히 가속될 수 있고 저온 활성이 유의하게 상승될 수 있다는 것이 알려져 있다:
2NH3 + NO + NO2 -> 2N2 + 3H2O.
본 발명은 연도 가스 덕트의 외부에서 NO2를 형성하고 제조된 NO2를 급속 SCR 반응을 촉진하는 양으로 연도 가스에 분사(injection)하는 것에 기초한다. NO2는 제1 단계에서 귀금속 함유 촉매 위에서 NH3의 NO로의 산화와 계속해서 제2 단계에서 NO의 NO2로의 산화에 의해 NH3로부터 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명은 제1 양태에서 연소 시설들로부터의 연도 가스로부터 질소 산화물의 제거를 위한 방법을 제공하며, 상기 방법은
그대로 또는 전구체의 형태로 연도 가스에 첨가된 암모니아의 존재하에 질소 산화물의 선택적 환원을 위한 촉매를 통해서 연도 가스를 통과시키는 단계;
250℃ 아래의 연도 가스 온도에서 질소 산화물의 선택적 환원을 위한 촉매의 상류에서 연도 가스에 이산화질소를 함유하는 유출물 가스를 더 분사하는 단계
를 포함하며,
상기 이산화질소를 함유하는 유출물 가스는
산화 촉매의 존재하에 산소 함유 분위기에서 암모니아 또는 그것의 전구체를 일산화질소 및 산소를 포함하는 유출물 가스로 촉매 산화시키는 단계;
유출물 가스를 주위 온도로 냉각하고 냉각된 유출물 가스 중의 일산화질소를 이산화질소로 산화시키는 단계
에 의해서 제공된다.
공지된 방법 및 시스템이 가진 문제는 상기 언급된 대로 250℃ 아래의 연도 가스 온도에서는 SCR 촉매의 효율이 상대적으로 낮다는 것이다. 이 문제는 저온의 연도 가스에 NO2를 분사함으로써 "급속" SCR 반응을 촉진하는 본 발명에 의해 해소된다. 이 반응은 저온 SCR의 촉진을 담당한다.
250℃ 위의 연도 가스 온도에서는 SCR 촉매가 충분한 효율을 가지며, 가스 온도가 250℃에 도달했을 때 연도 가스에 NO2의 분사가 중단될 수 있다.
본 발명의 특별한 이점은 촉매 부피를 감소시키기 위해 필요한 더 고온으로 가스를 재가열할 필요 없이 맨 끝 SCR 설치(즉, 절탄기의 하류)가 가능하다는 점이다.
따라서, 공지된 연도 가스 정화 시스템에서 전형적으로 SCR 촉매의 상류에 배열되는, 연도 가스 재가열기 유닛이 생략될 수 있거나 부담이 훨씬 감소될 수 있다.
연도 가스 덕트의 외부에서 NO로의 암모니아 산화는 통상 귀금속 촉매, 전형적으로 백금 또는 백금과 미량 성분으로서 다른 귀금속의 합금을 넣은 반응기에서 250 내지 800℃의 반응 온도에서 산소 함유 분위기의 존재하에 수행된다.
필요한 반응 온도를 제공하기 위해, 산화 반응기는, 예를 들어 전기 가열 또는 유도 가열에 의해 가열될 수 있다.
한 구체예에서, 산소 함유 분위기는 고온 재순환 가스를 포함하며, 이것은 이후 산화 반응기 가열 임무의 일부를 추가로 제공한다.
제1 단계에서 귀금속 함유 촉매와 접촉된 상태에서 NH3의 산화에 의해 NH3으로부터 형성된 NO는 계속해서 제1 단계로부터의 NO 함유 유출물 가스 중에서 NO2로 산화되며, 이것은 상기 가스를 주위 온도로 냉각함으로써 평형 반응 2NO + O2 <-> 2NO2를 상기 반응도에서 NO2의 형성 쪽으로 밀어붙이는 것에 의해서 달성된다.
여기 사용된 용어 "주위 온도"는 본 발명의 방법 및 시스템을 이용한 연소 시설의 주변에서 지배적인 임의의 온도를 의미한다. 전형적으로, 주위 온도는 -20℃ 내지 40℃일 것이다.
NO 함유 유출물 가스의 냉각 및 산화는 가스의 체류 시간이 가스의 약 1분 이상이 되는 크기의 시효 반응기에서 수행될 수 있다.
한 구체예에서, 산화 반응은 NO의 NO2로의 산화를 촉진하는 촉매의 존재하에 수행된다. 이들 촉매는 본 분야에 공지되어 있으며, TiO2 상의 Pt, SiO2 상의 Pt 및 알루미나 상의 활성탄 또는 Pt 및/또는 Pd를 포함한다.
상기 언급된 대로, 바람직한 급속 SCR 반응은 등량의 NO와 NO2를 필요로 한다. 결과적으로, 250℃ 아래의 온도를 가진 냉 시동 조건에서 연도 가스에 분사된 NO2의 양은, 연도 가스 중의 질소 산화물 함량의 45 내지 55 부피%가 SCR 촉매 유닛으로 가는 입구에서 NO2가 되는 양으로 제어된다.
추가의 양태에서, 본 발명은 본 발명에 따른 방법에서 사용하기 위한 시스템을 제공한다.
상기 시스템은,
연도 가스 덕트 내부에 질소 산화물의 선택적 환원을 위한 촉매;
질소 산화물의 선택적 환원을 위한 촉매의 상류에, 연도 가스 덕트에 암모니아 또는 요소 용액의 분사를 위한 분사 수단;
질소 산화물의 선택적 환원을 위한 촉매의 상류에, 이산화질소 함유 유출물 가스의 분사를 위한 분사 수단; 및
유출물 가스 덕트 외부에,
암모니아 산화 촉매; 및
출구 단부에서 이산화질소 함유 유출물 가스의 분사를 위한 분사 수단에 연결된 암모니아 산화 촉매로부터의 일산화질소를 냉각하고 이산화질소 함유 유출물 가스로 산화시키기 위한 수단
을 포함한다.
상기 언급된 대로, NO의 NO2로의 산화 반응은 적어도 1분, 전형적으로 1-2분의 NO 함유 가스의 체류 시간을 필요로 한다.
이것은 기냉 또는 수냉식 열 교환기에서, 또는 관을 통과하는 가스의 원하는 체류 시간을 가져오는 길이를 가진 나선형 권선 관으로서 냉각 및 산화 수단을 성형할 때 달성될 수 있다.
다른 구체예에서, 일산화질소 함유 유출물 가스의 냉각 및 산화를 위한 수단에는 NO의 NO2로의 산화를 촉진하는 산화 촉매가 제공된다.
Claims (9)
- 그대로 또는 전구체의 형태로 연도 가스에 첨가된 암모니아의 존재하에 질소 산화물의 선택적 환원을 위한 촉매를 통해서 연도 가스를 통과시키는 단계;
250℃ 아래의 연도 가스 온도에서 질소 산화물의 선택적 환원을 위한 촉매의 상류에서 연도 가스에 이산화질소를 함유하는 유출물 가스를 더 분사하는 단계
를 포함하며,
상기 이산화질소를 함유하는 유출물 가스가
산화 촉매의 존재하에 산소 함유 분위기에서 암모니아 또는 그것의 전구체를 일산화질소 및 산소를 함유하는 유출물 가스로 촉매 산화시키는 단계;
유출물 가스를 주위 온도로 냉각하고 냉각된 유출물 가스 중의 일산화질소를 이산화질소 함유 유출물 가스로 산화시키는 단계
에 의해서 제공되는, 연소 시설로부터의 연도 가스로부터 질소 산화물을 제거하는 방법. - 제 1 항에 있어서, 산소 함유 분위기는 연도 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 산소 분위기는 주위 공기인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 이산화질소 함유 유출물 가스는, 질소 산화물의 45 내지 55 부피%가 질소 산화물의 선택적 환원을 위한 촉매로 가는 입구에서 이산화질소가 되는 양으로 연도 가스에 분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각된 유출물 가스 중의 일산화질소의 이산화질소 함유 유출물 가스로의 산화는 산화 촉매의 존재하에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 연도 가스 덕트 내부에 질소 산화물의 선택적 환원을 위한 촉매;
질소 산화물의 선택적 환원을 위한 촉매의 상류에, 연도 가스 덕트에 암모니아 또는 요소 용액의 분사를 위한 분사 수단;
질소 산화물의 선택적 환원을 위한 촉매의 상류에, 이산화질소 함유 유출물 가스의 분사를 위한 분사 수단; 및
유출물 가스 덕트 외부에,
암모니아 산화 촉매; 및
출구 단부에서 이산화질소 함유 유출물 가스의 분사를 위한 분사 수단에 연결된 암모니아 산화 촉매로부터 나온 일산화질소 함유 유출물 가스를 냉각하고 이산화질소 함유 유출물 가스로 산화시키기 위한 수단
을 포함하는, 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 방법에서 사용하기 위한 시스템. - 제 6 항에 있어서, 일산화질소 함유 유출물 가스의 냉각 및 산화를 위한 수단은 열 교환기의 형태인 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 6 항에 있어서, 일산화질소 함유 유출물 가스의 냉각 및 산화를 위한 수단은 나선형 권선 관의 형태인 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 일산화질소 함유 유출물 가스의 냉각 및 산화를 위한 수단에는 산화 촉매가 제공되는 것을 특징으로 하는 시스템.
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