KR20230078399A - 선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치, 그리고 이를 포함하는 질소산화물 저감 장치 - Google Patents

선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치, 그리고 이를 포함하는 질소산화물 저감 장치 Download PDF

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Abstract

선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치는, 복수의 웨지를 가지며, 촉매가 코팅되어 있는 금속폼, 그리고 복수의 웨지의 꼭지점마다 설치되어 있는 복수의 플러그를 포함하고, 질소산화물을 포함하는 유체가 금속폼을 통과하면서, 금속폼에 코팅되어 있는 촉매에 의해 질소산화물이 물과 질소로 분해된다.

Description

선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치, 그리고 이를 포함하는 질소산화물 저감 장치{METAL FOAM CATALYST APPARATUS USING SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION, AND APPARATUS FOR REDUCING NITROGEN OXIDE INCLUDING THE SAME}
선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치, 그리고 이를 포함하는 질소산화물 저감 장치가 제공된다.
미세먼지의 주된 원인으로 지목되는 질소산화물(NOx)은 화력발전소, 내연기관 자동차, 각종 화공플랜트의 보일러, 소각장 등에서 발생한다. 이러한 질소산화물을 정부의 규제에 맞게 저감하는 방법으로 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction)을 이용하는 것이 가장 효과적인 것으로 알려져 있다. 선택적 촉매 환원법은 연소 후 배출되는 배기가스 중 질소산화물과 NH3를 촉매에서 선택적으로 반응시켜 이를 물과 질소로 전환하는 방법이다.
SCR용 촉매 장치는 일반적으로 압출형(extruded honeycomb type) 촉매 장치, 파형(corrugated type) 촉매 장치, 판형(plate type) 촉매 장치 등이 있다. 그러나, 이러한 촉매 장치들의 경우 부피와 무게가 비교적 크다. 이에 따라, SCR용 촉매 장치로 금속폼을 이용하는 촉매 장치에 대한 연구개발이 진행되고 있다. 금속폼 촉매 장치의 경우, 종래의 SCR 촉매 장치들과 비교할 때, 촉매를 도포할 수 있는 면적이 넓고, 가벼우며, 비열이 낮다. 예를 들어, 금속폼 촉매 장치는, 종래의 압출형 촉매 장치와 비교할 때, 같은 조건에서 촉매의 사용 부피가 대략 1/2 에서 1/4 에 불과할 정도로 고성능을 갖는다. 금속폼 촉매 장치의 경우, 상대적으로 사용 부피가 감소한 것과 동시에 무게도 감소하므로, 촉매를 작동온도까지 가열하기 위해 필요한 열량도 감소하며, 이에 따라 초기 작동시 촉매의 작동온도까지 촉매의 온도가 빠르게 도달할 수 있다. 예를 들어, 화력발전소의 경우 초기 작동시 NO2가 과다 배출되어 노랗게 보이는 현상, 즉 황연(yellow plume)이 문제되고 있는데, 초기 작동시 가열 성능이 우수한 금속폼 촉매 장치는 별도의 장치를 필요로 하지 않고 황연을 빠르게 제거할 수 있다. 다만, 금속폼 촉매 장치는 종래의 SCR 촉매 장치들에 비해 압력강하가 크게 발생하기 때문에, 금속폼 촉매 장치 내에 특별한 배열 방법이 요구된다.
일 실시예는 주어진 공간 안에서 질소산화물 저감 성능을 극대화하고 압력강하를 최소화하기 위한 것이다.
일 실시예는 무게를 가볍게 만들고 부피를 작게 만들기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치는, 복수의 웨지(wedge)를 가지며, 촉매가 코팅되어 있는 금속폼, 그리고 복수의 웨지의 꼭지점마다 설치되어 있는 복수의 플러그를 포함하고, 질소산화물을 포함하는 유체가 금속폼을 통과하면서, 금속폼에 코팅되어 있는 촉매에 의해 질소산화물이 물과 질소로 분해된다.
복수의 웨지는 산(mountain) 모양의 웨지와 골(valley) 모양의 웨지를 포함할 수 있고, 산 모양의 웨지와 상기 골 모양의 웨지가 교대로 형성되어 있을 수 있다.
복수의 플러그는 산 모양의 웨지 위에 접촉하여 위치하는 플러그, 그리고 골 모양의 웨지 아래에 접촉하여 위치하는 플러그를 포함할 수 있다.
촉매는 V2O5, WO3, MoO3, SbO3, 또는 TiO2를 하나 이상 포함할 수 있다.
금속폼은 Ni을 포함하며, Cr, Al 또는 Fe를 하나 이상 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 질소산화물 저감 장치는, 본체, 그리고 본체 안에 위치하는 선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치를 포함하고, 선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치는, 복수의 웨지를 가지며, 촉매가 코팅되어 있는 금속폼, 그리고 복수의 웨지의 꼭지점마다 설치되어 있는 복수의 플러그를 포함하고, 질소산화물을 포함하는 유체가 금속폼을 통과하면서, 금속폼에 코팅되어 있는 촉매에 의해 질소산화물이 물과 질소로 분해된다.
본체 안에서, 플러그와 이격된 상태로 플러그 위 또는 아래에 위치하는 커버 금속폼을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 주어진 공간 안에서 질소산화물 저감 성능이 극대화되고 압력강하가 최소화될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 무게가 가볍고 부피가 작을 수 있다.
도 1 내지 도 3은 금속폼 촉매 장치의 다양한 형상을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 플러그를 포함하는 웨지형 금속폼 SCR 촉매 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 플러그가 없는 웨지형 금속폼 SCR 촉매 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 6은 플러그를 포함하는 웨지형 금속폼 SCR 촉매 장치에 대한 사진이다.
도 7은 플러그가 있는 웨지형 금속폼 SCR 촉매 장치의 유동 해석 결과이다.
도 8은 플러그가 없는 웨지형 금속폼 SCR 촉매 장치의 유동 해석 결과이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
그러면, 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치, 그리고 이를 포함하는 질소산화물 저감 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
목표한 질소산화물 저감 성능을 달성하기 위해서는 일정한 촉매의 부피가 필요하다. SCR 촉매 장치에 적용되는 금속폼은 촉매를 코팅하기 위한 기재(substrate)다. 금속폼의 성분은 Ni을 기반으로 한 Cr, Al, Fe 합금이거나, 이중 일부 성분이 빠진 합금일 수 있다. 예를 들어, 금속폼의 기공의 크기는 약 450 ㎛ 내지 약 6000 ㎛일 수 있으며, 기공의 크기가 450 ㎛보다 작은 경우, 촉매 코팅시 기공 막힘 현상이 발생하여 촉매 효율이 감소할 수 있으며, 약 6000 ㎛보다 큰 경우, 비표면적이 작아 촉매 코팅량이 감소하여 촉매 효율이 감소할 수 있다. 금속폼의 두께는 약 1.5 mm 내지 약 10 mm일 수 있으며, 두께가 약 1.5 mm보다 작은 경우, 가스가 촉매를 통과하는 시간이 감소하여 충분한 촉매 성능이 발휘되기 어려울 수 있으며, 약 10 mm보다 큰 경우, 촉매 코팅을 두께 방향으로 균일하게 하기 어려워 촉매 적용량에 비해 성능이 감소할 수 있다. 금속폼의 기공의 크기가 증가할수록, 가스가 통과할 때 압력강하는 감소하나, 금속폼의 표면적이 감소하여, 촉매 성능이 낮아진다.
SCR 촉매 장치를 설치하고자 하는 발전소나 보일러 등에는 최대 허용 압력강하가 존재하며, 주어진 질소산화물 저감 목표는 주어진 공간에서 최대 허용 압력강하 이하로 달성된다. 예를 들어, 질소산화물 저감 목표 성능을 달성하기 위해서는 일정한 촉매의 부피가 필요하고, 이러한 촉매의 부피는 허용 압력강하 이하를 달성할 수 있도록 배치된다. 금속폼에서, 유체가 통과하는 두께가 증가할수록 압력강하는 선형적으로 증가하고, 유속이 증가할수록 압력강하는 지수적으로 증가한다. 이에 따라, 압력강하를 감소시키기 위해서는 금속폼의 두께와 유속을 감소시킨다. 도 1 및 도 2를 참고하면, 금속폼 촉매 장치에서, 도 1의 장치와 도 2의 장치는 같은 부피를 가지므로 동일한 유량 Q를 통과시킬 때 촉매의 성능은 동일하나 압력강하는 도 1의 장치가 도 2의 장치에 비해 월등히 높다. 도 2의 장치와 같이 길게 유동 입구의 면을 늘이면 동일한 유량이 통과할 경우 유속과 두께를 감소시킬 수 있으므로 성능을 유지하고 낮은 압력강하를 달성할 수 있다. 그러나, 현실적으로 입구의 면적은 한정적이며 유동 방향의 깊이는 상대적으로 공간적으로 여유 있는 경우가 많다.
도 3을 참고하면, 금속폼 촉매 장치에서 도 3의 장치의 경우, 입구 면적과 두께를 유지하면서 유동 방향의 깊이를 활용하는 방안이 있다. 그러나, 이러한 도 3의 장치의 형상을 금속폼에 직접 적용하는 경우, 촉매의 성능이 저하될 수 있다. 유체가 들어오는 입구와 출구에서, 금속폼끼리 서로 맞닿는 꼭지 부분에서 유동의 일부가 금속폼을 통과하지 않고 틈을 통해 흘러 나가, 촉매의 성능이 저하될 수 있다. 또한, 금속폼끼리 서로 맞닿는 꼭지 부분의 압력이 상대적으로 낮아, 유체가 금속폼을 전반적으로 균일하게 두께 방향으로 통과하지 않고, 꼭지 부분을 불균일하게 통과하여, 촉매의 성능이 저하될 수 있다.
이를 해결 하기 위해서는, 꼭지 부분을 통해 유체가 통과하지 않도록 플러그를 삽입할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 장치와 같은 형상을 웨지형(wedge type)이라고 하며, 이를 이루는 폼을 웨지 폼(wedge foam)이라고 하며, 그 각도를 웨지 각도(wedge angle, θ)라고 한다. 도 3을 참고하면, 금속폼의 상부와 하부에 산(mountain) 모양의 웨지와 골(valley) 모양의 웨지가 교대로 형성되어 있다. 예를 들어, 금속폼의 상부에 2 개의 산 모양의 웨지들이 형성되어 있고, 산 모양의 웨지들 사이에 1개의 골 모양의 웨지가 형성되어 있다.
도 4는 플러그를 포함하는 웨지형 금속폼 SCR 촉매 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 5는 플러그가 없는 웨지형 금속폼 SCR 촉매 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 6은 플러그를 포함하는 웨지형 금속폼 SCR 촉매 장치에 대한 사진이다.
웨지 폼이 모이는 꼭지 부분이 플러그이다. 플러그 위에는 추가적 성능 향상을 위해 별도의 폼을 유동 방향에 수직한 방향으로 위치시킬 수 있으며, 이러한 폼을 커버 폼(cover foam)이라고 한다. 도 4에 도시된 것처럼, 복수의 웨지 각각에 플러그가 설치되어 있을 수 있다. 도 4를 참고하면, 금속폼의 상부와 하부에 산 모양의 웨지와 골 모양의 웨지가 교대로 형성되어 있다. 예를 들어, 금속폼의 상부에 7 개의 산 모양의 웨지들이 형성되어 있으며, 산 모양의 웨지들 사이에 7 개의 골 모양의 웨지들이 형성되어 있다. 산 모양의 웨지와 골 모양의 웨지의 꼭지 부분 각각에 플러그가 위치한다.
도 6을 참고하면, 웨지 폼이 모이는 꼭지 부분에 플러그를 포함하는 웨지형 금속폼 SCR 촉매 장치가 150 mm X 150 mm X 300 mm의 크기로 형성된다. 도 6에서 사용된 금속폼은 NiFeCrAl 합금이며, 3000 ㎛의 기공 크기, 4.5 mm의 두께를 가지며, 사용된 촉매는 산화바나듐이다. 도 6의 장치에서, 유체의 유동 속도는 65,000 (1/hr)이고, 웨지 각도는 89도일 때, 질소산화물의 변환 비율이 측정된다. 플러그가 설치된 웨지형 금속폼 촉매 장치에서 질소산화물의 변환 비율은 약 76%이다.
도 6의 장치에서 플러그를 생략한 장치로 만들고, 유동 속도는 65,000 (1/hr)이고, 웨지 각도는 89도일 때, 질소산화물의 변환 비율이 측정된다. 플러그가 생략된 웨지형 금속폼 촉매 장치에서 질소산화물의 변환 비율은 약 68%이다. 이로부터, 플러그가 설치된 웨지형 금속폼 SCR 촉매 장치는 플러그가 없는 웨지형 금속폼 SCR 촉매 장치보다, 질소산화물을 변환하는 촉매의 성능이 우수한 것이 나타난다.
도 7은 플러그가 있는 웨지형 금속폼 SCR 촉매 장치의 유동 해석 결과이며, 도 8은 플러그가 없는 웨지형 금속폼 SCR 촉매 장치의 유동 해석 결과이다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 플러그가 없는 경우 웨지 폼이 서로 맞닿는 출구 방향 꼭지 부분 포인트(Point) ①, 입구 방향 꼭지 부분 포인트(Point) ②에서 유속의 존재를 확인할 수 있다. 포인트 ① 및 ②에서의 압력과 유속이 두드러지게 각 포인트의 주위와 구별되지 않는다. 플러그가 없어서, 꼭지 부분으로의 유체의 유입 및 유출이, 폼 내부의 평균 유속에 비해 크며, 이에 따라 압력의 차이가 감소하기 때문이다. 플러그가 없는 경우, 유체가 반드시 웨지 폼만을 통과할 필요 없이, 꼭지 부분으로 유출할 수 있으므로, 유입 및 유출 채널간 압력강하가 불균일하며, 폼 내부를 통과하는 유속이 균일하지 않다. 이에 따라 촉매의 성능이 저하될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 주어진 공간 안에서 성능을 극대화하고 압력강하를 최소화하기 위해서는 웨지형 촉매 장치의 배치가 효과적이다. 웨지 폼을 웨지형으로 구성할 경우, 웨지 폼이 서로 맞닿는 꼭지 부분에 유체의 유출이 발생하여, 촉매의 성능이 저하될 수 있다. 이러한 유체의 유출을 막기 위해, 꼭지 부분에 플러그를 적용할 수 있다. 플러그가 없는 경우, 꼭지 부분을 통한 유체의 유출뿐 아니라, 유체가 촉매 부피를 통과하는 양이 감소하고, 유입 및 유출 채널간 압력강하가 불균일하므로, 웨지 폼을 통과하는 유체의 유속이 불균일하다. 이에 따라, 촉매가 코팅된 폼의 부피를 균일하게 활용할 수 없으므로, 촉매의 성능 저하가 발생한다.
일 실시예에 따르면, 웨지 각도는 주어진 공간과 목표 성능 및 압력강하에 따라 변동할 수 있으며 최대 89.5 까지 적용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 커버 폼은 촉매의 추가적인 성능 요구에 따라 적용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 금속폼 SCR에 적용되는 촉매의 성분은 V2O5, WO3, MoO3, SbO3, TiO2 등이 하나 이상 혼합되어 사용될 수 있다.
웨지 형의 금속폼은 SCR뿐 아니라, VOC 산화 촉매 등 금속폼을 촉매 기제로 사용하는 모든 촉매 제품에서 성능을 극대화하고 압력강하를 최소화하기 위해 사용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다

Claims (11)

  1. 복수의 웨지(wedge)를 가지며, 촉매가 코팅되어 있는 금속폼, 그리고
    상기 복수의 웨지의 꼭지점마다 설치되어 있는 복수의 플러그
    를 포함하고,
    질소산화물을 포함하는 유체가 상기 금속폼을 통과하면서, 금속폼에 코팅되어 있는 촉매에 의해 질소산화물이 물과 질소로 분해되는, 선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 복수의 웨지는 산(mountain) 모양의 웨지와 골(valley) 모양의 웨지를 포함하고, 상기 산 모양의 웨지와 상기 골 모양의 웨지가 교대로 형성되어 있는, 선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 복수의 플러그는 상기 산 모양의 웨지 위에 접촉하여 위치하는 플러그, 그리고 상기 골 모양의 웨지 아래에 접촉하여 위치하는 플러그를 포함하는, 선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 촉매는 V2O5, WO3, MoO3, SbO3, 또는 TiO2를 하나 이상 포함하는, 선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 금속폼은 Ni을 포함하며, Cr, Al 또는 Fe를 하나 이상 포함하는, 선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치.
  6. 본체, 그리고
    상기 본체 안에 위치하는 선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치
    를 포함하고,
    상기 선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치는,
    복수의 웨지를 가지며, 촉매가 코팅되어 있는 금속폼, 그리고
    상기 복수의 웨지의 꼭지점마다 설치되어 있는 복수의 플러그
    를 포함하고,
    질소산화물을 포함하는 유체가 상기 금속폼을 통과하면서, 금속폼에 코팅되어 있는 촉매에 의해 질소산화물이 물과 질소로 분해되는, 질소산화물 저감 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 본체 안에서, 상기 플러그와 이격된 상태로 상기 플러그 위 또는 아래에 위치하는 커버 금속폼을 포함하는, 질소산화물 저감 장치.
  8. 제6항에서,
    상기 복수의 웨지는 산 모양의 웨지와 골 모양의 웨지를 포함하고, 상기 산 모양의 웨지와 상기 골 모양의 웨지가 교대로 형성되어 있는, 선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 복수의 플러그는 상기 산 모양의 웨지 위에 접촉하여 위치하는 플러그, 그리고 상기 골 모양의 웨지 아래에 접촉하여 위치하는 플러그를 포함하는, 선택적 촉매 환원을 이용한 금속폼 촉매 장치.
  10. 제6항에서,
    상기 촉매는 V2O5, WO3, MoO3, SbO3, 또는 TiO2를 하나 이상 포함하는, 질소산화물 저감 장치.
  11. 제6항에서,
    상기 금속폼은 Ni을 포함하며, Cr, Al 또는 Fe를 하나 이상 포함하는, 질소산화물 저감 장치.
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