KR950009474Y1 - 질소 산화물 제거용 촉매반응기 - Google Patents

질소 산화물 제거용 촉매반응기 Download PDF

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Abstract

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Description

질소 산화물 제거용 촉매반응기
제 1 도는 본 고안에 따른 촉매 반응기의 구성도.
제 2 도는 본 고안의 촉매 반응기에 의한 질소 산화물의 제거율을 도시한 그래프도로서, (a)도는 부착촉매가 20/30메쉬 CuHM(I) 인 경우, (b)도는 부착촉매가 20/30메쉬 CuHM(II) 인 경우, (c)도는 부착촉매가 20/30메쉬 CuNZA인 경우이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 촉매 반응기 10 : 중공형 몸체
20 : 스테인레스망 30 : 촉매
본 고안은 발전소, 화학공장 및 제철소 등의 산업체에서 배출되는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 촉매물질로서 물과 질소로 분해시켜 제거하는 선택적 촉매환원기술에 이용되는 질소 산화물 제거용 촉매반응기에 관한 것이다.
질소 산화물은 주로 연소과정에서 생성되는 물질로 대기중에 배출되어 광화학 스모그의 원인 물질로 될 뿐만아니라 유황산화물과 더불어 산성비의 주원인이 되는 물질이다. 질소 산화물의 제거기술은 크게 두가지로 대별될 수 있는데 첫째로 질소산화물은 연소과정에서 생성되는 물질이므로 이론 연소 농도에 가까운 산소 농도유지, 고온의 화염영역에서의 체류시간 단축, 화염온도 저하등의 연소조건의 개선으로 원천적으로 질소 산화물생성을 억제하는 기술이다. 이 기술로는 저산소연소, 이단연소, 배가스 순환기술등이 있으나 이러한 기술들은 적용대상이나 기술상의 차이는 있으나, 대략 60%이상의 제거효율을 얻을 수는 없고, 또한 부수되는 연소효율 저하등의 단점이 있다. 따라서, 보다 적극적인 질소 산화물 처리기술로 배연탈질(徘煙脫窒)기술이 제안되고있다.
상기 배연탈질 기술은 산화, 흡수, 환원 공정등에서 흡수액을 사용하여 질소 산화물을 제거하는 습식법과 흡착, 촉매분해, 촉매환원법 등 흡수액을 사용하는 대신 흡착제나 촉매등을 사용하여 질소 산화물을 제거하는 건식법으로 대별된다. 이중습식법은 투자비와 운전비가 많이 드는 단점외에 2차적인 페수 처리문제로 건식법에비해 경제적, 기술적으로 불리하므로 건식법이 질소 산화물 제거에 더 효율적인 기술로 알려져 있다. 건식법에 의한 질소 산화물 제거 기술중 현재 가장 널리 이용되는 기술로는 촉매 존재하에서 암모니아를 환원제로 하여 질소 산화물을 인체에 무해한 물과 질소로 분해 제거하는 선택적 촉매 환원 기술이다.
일반적으로 질소 산화물이 함유된 연소 배가스는 그 처리 물량이 막대하여 일정 크기의 입자가 촉매 반응기에 충전된 통상의 고정층 반응기를 사용할 경우에는 질소산화물 제거 효율은 우수하지만 촉매 반응기에서의 압력저하로 인해 대용량의 압축 송풍기가 필요하게 될 뿐만 아니라, 탈질(脫窒)설비가 연소설비 후단에 설치된다는점을 고려할 때 연소설비 성능 및 운전상의 문제점을 초래할 가능성이 매우 높다. 따라서, 이와같은 문제점을 해결하기 위해서는 고정층 반응기에서와 같이 높은 질소 산화물 제거 효율과 더불어 촉매 반응기에서 압력손실을 최대로 줄일 수 있는 반응기 형태가 요구된다. 고정층 반응기를 대체할 수 있는 새로운 반응기로는 유동층 반응기 그리고 벌집형 반응기, 관형 반응기 등의 저압차(低壓差)반응기가 제안되고 있으나 유동층 반응기는 높은 고정자본으로 인해 투자비가 많이 들고 벌집형 반응기나 관형 반응기는 이들 반응기를 제작하기위해서 별도로 고가의 장비가 필요한 단점이 있다.
본 고안은 상기와같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 우수한 질소산화물 제거효율을 갖는 동시에 낮은 압력차로 운전이 가능하며, 또한 제작이 보다 용이한 저압차 촉매 반응기를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 고안은, 중공형 몸체 내부에 스테인레스망이 배기가스의 흐름방향으로 평행하게 다수개 설치되어 배기가스의 질소 산화물(NOx)을 제거하는 촉매반응기에 있어서, 상기 스테인레스망의 외표면에 내열 접착성 물질을 이용하여 질소 산화물 제거용 촉매를 부착함을 특징으로 하는 질소 산화물 제거용 촉매반응기를 마련함에 의한다.
이하, 본 고안을 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.
제1도에는 본 고안에 따른 촉매반응기(1)가 도시되어 있다.
중공형의 몸체(10)내부에는 다수개의 스테인레스망(20)이 일정 간격(d)으로 배기가스의 배출방향에 따라서 나란히 고정 설치된다. 상기 스테인레스망(20)에는 질소산화물(NOx)을 제거하는 촉매물질(30)이 내열 접착성물질인 내열페인트를 매개로 부작되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 고안의 촉매반응기(1)는 질소 산화물 제거에 활성이 우수한 촉매(30)가 부착된 스테인레스망(20)이 배기가스의 흐름 방향에 일정한 간격(d)을 유지하며 평행하게 놓여 있기 때문에 처리 가스량이 많아도 즉, 배기가스의 유속이 빨라도 낮은 압력차를 유지하게 되는 것이다. 또한, 처리하고자 하느 배기가스중에 함유된 질소 산화물은 반응기를 통과하는 과정에서 스테인레스망(20)에 부작된 촉매로 확상되어 촉매반응에 의해 제거된다. 물론, 이 경우 배기 가스상에 함유된 질소 산화물이 촉매까지 전달되어야 하기 때문에 유속이 빠른 경우 질소 산화물의 처리효율저하가 우려되지만, 이는 사용되는 촉매량을 증가시킨다거나 또는 반응온도를 상승시켜 반응속도를 상승시킨다던가 하는 반응조건의 조절로 인하여 충분히 높은 질소 산화물 제거효과를 얻을 수 있다.
이하, 구체적인 실험예에 의하여 본 고안을 설명한다.
[실험예]
본 고안에 따라서, 크리가 4.4×19.5cm, 40메쉬인 스테인레스망(20)에 내열접착성 물질인 내역페인트를 골고루 바르고 이를 완전히 건조시키고 다시 내열페인트를 한번 더 바른후 촉매(30)를 부착시켰다. 이와같이 내열페인트를 2회 바르는 것은 페인트를 고르게 발라서 촉매(30)가 균일하게 붙도록 하기 위해서이다. 이때 사용된촉매(30)는 수소 모더나이트형 제오라이트를 질산동으로 이온교환시켜 구리함량이 1.53중량% (CuHM(I)), 3.33충량% (CuHM(II))및 천연제오라이트를 이온 교환시켜 구리함량이 1.58중량% (CuNZA)인 촉매로 이들촉매(30)는 질소산화물 제거에 매우 우수한 활성을 나타내는 것이 확인된 촉매이다. 촉매는 20-100메쉬 크기의 것을 사용하였다. 촉매가 부착된 스테인레스망(20)은 대기중에서 48시간 건조시키고 이를 다시 100℃에서 10시간정도 건조시킨후 500℃, 공기 분위기에서 4시간 소성하여 접착제의 휘발성 성분을 제거하였다.
스테인레스망(20)에 부착된 촉매의 양은 아래의 표1에서 나타낸 바와같이 부착된 촉매입자 크기에 따라 차이가 나는데 촉매입자가 클수록 단위면적당 부착량이 증가하고 따라서 촉매 부착량을 스테인레스망의 넓이로 나눈 표면밀도도 촉매입자가 클수록 증가하게 된다. 스테인레스망(20)에 부착된 촉매가 건조, 소성을 거친 후에는 약 6-18%정도 손실되는데 이는 접착제에 비교적 약하게 부착된 입자나, 또는 서로 밀착되어 있던 촉매들이 전처리후 수분감소로 인해 떨어지는 것에 기인하는 것으로 전처리 후에도 남아 있는 촉매들은 비교적 견고하게 스테인레스망(20)에 부착되어 있는 촉매들이다.
[표 1] 스테인레스망에 부착된 촉매량
상기와같이 촉매(30)가 부착된 스테인레스망(20)을 제1도에 도시한 바와같이 5×5×20cm의 직사각형 몸체(10)에 평행하게 고정시켜 촉매 반응기를 제작하였다. 촉매가 부착된 스테인레스망(20)은 직사각형몸체(10)의 아래, 윗면의 가로막대(10a) (10b)에 일정한 간격으로 홈을 내어 가는 절사로 묶어 고정시켰다.
이때 스테인레스망의 갯수는 임의로 조정할 수 있으며 망의 갯수가 증가할 수록 단위 반응기 부피당 부착된 촉매는 많아져 같은 가스량을 처리할때 활성은 높게 되나 압력 손실은 증가하게 된다.
한편, 상기와 같은 본 고안의 촉매반응기(1)는 하기 표 2에 나타낸 가스조성을 갖는 가정용 가스보일리의 일산화질소(NO)와 암모니아(NH3)가 500ppm이 되도록 추가로 이들 가스를 주입한 배기가스에 적용하여 반응온도, 부착된 촉매종류, 공간속도의 변화에 따른 질소산화물 제거 결과를 제2도에 각각 도시하였다.
[표 2] 가정용 가스보일러 배가스 조성
제2도에서 공간속도는 배기가스유량을 촉매 반응기(1)에 부착된 촉매(30)의 부피로 나눈값(즉, 배기가스유량/촉매의 부피)이고, 상기 촉매의 부피는 촉매량을 촉매의 밀도로 나누어서 구한 값이다.
제2도의 (a), (b)및 (c)도에서 알 수 있는 바와같이, 공간속도가 감소할 수록 즉, 배기가스와 촉매의 접촉시간이 길어질 수록 당연히 질소산화물 제거효율은 높고 또한 반응온도가 높을 수록 반응속도가 빨라져 질소산화물 제거효율은 커지게 된다. 이와같이 본 고안에 의하면 공간속도, 반응온도 등을 변화시켜 충분히 높은 질소산화물 제거 활성효율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 낮은 압력차를 유지할 수 있게 된다.
상기한 바와같이 본 고안에 따른 질소 산화물 제거용 촉매반응기는, 높은 질소 산화물 제거 효율을 나타내며 또한 통상의 고청층 반응기에서 문제되는 압력차를 최대한 줄일 수 있어 발전소, 화학공장, 제철소 등의 연소시설에서 배출되는 배기가스와 같이 처리물량이 많을 경우에도 배기가스에 포함된 질소 산화물 제거에 유용하게 사용될 수 있는 효과가 얻어진다.

Claims (1)

  1. 중공형 몸체(10) 내부에 스테인레스망(20)이 배기가스의 흐름방향으로 평행하게 다수개 설치되어 배기가스의 질소 산화물(NOx)을 제거하는 촉매반응기에 있어서, 상기 스테인레스망(20)의 외표면에 내열 접착성물질을 이용하여 질소 산화물 제거용 촉매(30)를 부착함을 특징으로 하는 질소 산화물 제거용 촉매반응기.
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