WO2018225979A1 - High-frequency induction heating pyrolysis process for nitrous oxide-containing gaseous compound - Google Patents

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이상구
박인준
하종욱
이광원
육신홍
장세훈
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Abstract

The present invention relates to a high-frequency induction heating pyrolysis process enabling the treatment of nitrous oxide-containing gas mixture exhaust gas discharged in an adipic acid production process, a nitric acid production process, a caprolactam production process and a nitrous oxide production process. The high-frequency induction heating pyrolysis process, according to the present invention, comprises: a high-frequency induction heating pyrolysis reactor for decomposing a nitrous oxide-containing gas mixture into nitrogen and oxygen; a high-frequency induction heating system; and a heat exchanger for recovering energy from a high-temperature pyrolyzed gas mixture. The nitrous oxide-containing gas mixture is supplied to the heat exchanger, is preheated by means of the high-temperature decomposed gas mixture discharged from the high-frequency induction heating pyrolysis reactor, and is supplied to the high-frequency induction heating pyrolysis reactor. The internal temperature of the high-frequency induction heating pyrolysis reactor is controlled by the high-frequency induction heating system so as to preferably be within a range of 800 to 1,200. The retention time of the nitrous oxide-containing gas mixture in the high-frequency induction heating pyrolysis reactor is preferably 0.5 to 5 seconds.

Description

아산화질소 함유 기체화합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정High Frequency Induction Heating Pyrolysis Process of Nitrous Oxide-containing Gas Compounds
본 발명은 아디핀산 생산공정, 질산 생산공정, 카프로락탐 생산공정 및 아산화질소 생산공정 등의 화학공정에서 배출되는 아산화질소(N2O) 함유 기체혼합물을 처리하기 위한 열분해 공정에 관한 것이다. 구체적으로, 지구온난화를 유발하는 아산화질소를 질소와 산소로 분해하기 위한 고주파 유도 가열 열분해 공정에 관한 것이다.The present invention relates to a pyrolysis process for treating nitrous oxide (N 2 O) -containing gas mixture discharged from chemical processes such as adipic acid production process, nitric acid production process, caprolactam production process and nitrous oxide production process. Specifically, the present invention relates to a high frequency induction heating pyrolysis process for decomposing nitrous oxide causing global warming into nitrogen and oxygen.
아디핀산, 질산과 카프로락탐 생산공정 등의 화학공정에서 아산화질소를 함유하는 기체혼합물이 배기가스로 배출된다. 아산화질소는 아산화탄소의 300배 이상의 지구온난화지수를 갖는 온실가스이다. 지구환경보호를 위하여 화학공정에서 배출되는 아산화질소를 분해하여 처리해야 한다. 산업에서 발생하는 아산화질소 함유 기체혼합물은 가능한 한 감축해야 한다. In chemical processes such as adipic acid, nitric acid, and caprolactam production processes, gaseous mixtures containing nitrous oxide are emitted as exhaust gases. Nitrous oxide is a greenhouse gas with a global warming index of more than 300 times that of nitrous oxide. To protect the global environment, nitrous oxide emitted from chemical processes should be decomposed and treated. Nitrous oxide-containing gas mixtures from industry should be reduced as much as possible.
촉매를 사용하지 않는 경우에 아산화질소는 약 800℃ 이상에서 분해가 시작된다. 온도가 증가할수록 아산화질소가 질소와 산소로 분해되는 속도가 증가하지만, 1,000℃ 이상에서는 일산화질소(NO)의 생성이 증가한다. 일산화질소는 약 1,500℃ 이상에서 질소와 산소로 분해된다. 이로 인하여 반응이 시작된 이후에는 정밀한 온도 제어가 요구된다. 특히 아산화질소의 농도가 높은 경우에는 발열량이 크기 때문에 온도 제어는 더욱 중요하다. 아산화질소의 열분해 과정에서 환경적으로 엄격하게 규제되는 NOx의 생성을 조절하기 위하여 특별한 주의가 요구된다. In the absence of a catalyst, nitrous oxide begins to decompose above about 800 ° C. As the temperature increases, the rate of decomposition of nitrous oxide into nitrogen and oxygen increases, but the production of nitrogen monoxide (NO) increases above 1,000 ° C. Nitrogen monoxide decomposes into nitrogen and oxygen above about 1,500 ° C. This requires precise temperature control after the reaction has started. In particular, when the concentration of nitrous oxide is high, temperature control is more important because of the large amount of heat generated. Special care is needed to regulate the production of environmentally tightly regulated NO x during the pyrolysis of nitrous oxide.
화학공정에서 발생하는 아산화질소를 감축시키는 방법으로 여러 가지가 제안되어 있다. 대부분의 제안된 방법은 아산화질소를 질소와 산소로 분해하는 방법에 관한 것이다. 이들 방법은 크게 촉매를 사용하지 않고 열에 의하여 분해하는 열분해 방법(DE 4,116,950)과 촉매를 사용하는 촉매분해 방법(US 6,723,295)의 2가지로 구분할 수 있다. 현재 사용하고 있는 열분해 방법과 촉매분해 방법의 열분해 장치에 대하여 아래에 기술한다.Various methods have been proposed as a method of reducing nitrous oxide generated in the chemical process. Most proposed methods relate to the decomposition of nitrous oxide into nitrogen and oxygen. These methods can be divided into two types, pyrolysis method (DE 4,116,950) which decomposes by heat without using a catalyst, and catalytic decomposition method (US 6,723,295) using a catalyst. The pyrolysis method of the present pyrolysis method and catalytic decomposition method is described below.
아디핀산 생산공정에서 배출되는 30~50% 정도의 고농도 아산화질소 함유 배기가스 처리에 현재 사용하고 있는 열분해 장치의 개요를 도 1에 나타내었다. 아산화질소의 열분해 장치는 도 1의 제1열분해로(101)과 제2열분해로(102)의 2단계 연소로로 구성된다. 도 1의 제1열분해로(101)에 아산화질소 함유 기체혼합물과 천연가스 연료와 공기를 공급하여 천연가스를 연소시키면서 발생되는 연소열에 의하여 얻어지는 고온에서 아산화질소를 분해시킨다. 이 열분해의 반응식은 다음과 같으며, 아산화질소가 연소되어 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)이 부생된다.1 shows an overview of a pyrolysis apparatus currently used to treat high concentrations of nitrous oxide containing 30 to 50% of the adipic acid production process. The pyrolysis apparatus of nitrous oxide is composed of two stage combustion furnaces of the first pyrolysis furnace 101 and the second pyrolysis furnace 102 of FIG. 1. A nitrous oxide-containing gas mixture, a natural gas fuel, and air are supplied to the first pyrolysis furnace 101 of FIG. 1 to decompose nitrous oxide at a high temperature obtained by combustion heat generated while burning natural gas. The reaction equation of the pyrolysis is as follows. Nitrous oxide is combusted to produce carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O).
CH4 + 4N2O → CO2 + 2H2O + 4N2 CH 4 + 4N 2 O → CO 2 + 2H 2 O + 4N 2
도 1의 제1열분해로(101)의 온도는 약 1,300℃이고 아산화질소의 완전 분해를 촉진하면서 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)와 같은 원하지 않는 부생가스의 생성을 최소화하기 위하여 천연가스가 과잉 상태로 공급된다. 천연가스의 불완전한 산화에 의하여 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 부생된다. 도 1의 제1열분해로(101)에서 배출되는 기체는 공기로 냉각하는 도 1의 열교환기(102)에서 냉각되어 도 1의 제2열분해로(103)에 공급된다. 도 1의 열교환기(102)에서 가열된 공기는 도 1의 제2열분해로(103)에 공급되어 연소 공기로 사용된다. 도 1의 제2열분해로(103)에서 약 950℃의 온도에서 도 1의 제1열분해로(101)에서 부생된 일산화탄소와 수소를 완전히 연소시킨다. 이 과정에서 발생되는 NOx를 제거하기 위하여 도 1의 제2열분해로(103)후단에 암모니아를 공급한다. 도 1의 제2열분해로(103)에서 배출되는 고온의 분해 기체혼합물을 이용하여 도 1의 수증기 발생기(104)에서 수증기를 생산하여 에너지를 회수한다. 이와 같이 현재 아디핀산 생산공정에서 사용하고 있는 열분해 공정은 2단의 열분해공정이며 천연가스 연료와 암모나아가 추가로 공급되어야 하는 등 복잡한 공정이다. 또한, 천연가스 연료를 사용하는 에너지 다소비 공정이며 열분해 과정에서 온실가스인 이산화탄소가 추가로 발생하는 단점이 있다. The temperature of the first pyrolysis furnace 101 of FIG. 1 is about 1,300 ° C. and natural gas in order to minimize the generation of unwanted by-product gases such as nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ) while promoting complete decomposition of nitrous oxide. Is supplied in excess. Incomplete oxidation of natural gas results in byproducts of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ). The gas discharged from the first pyrolysis furnace 101 of FIG. 1 is cooled in the heat exchanger 102 of FIG. 1 cooled by air and supplied to the second pyrolysis furnace 103 of FIG. 1. The air heated in the heat exchanger 102 of FIG. 1 is supplied to the second pyrolysis furnace 103 of FIG. 1 and used as combustion air. Carbon monoxide and hydrogen by-produced in the first pyrolysis furnace 101 of FIG. 1 are completely burned at a temperature of about 950 ° C. in the second pyrolysis furnace 103 of FIG. 1. In order to remove NO x generated in this process, ammonia is supplied to the rear of the second pyrolysis furnace 103 of FIG. 1. The steam is produced in the steam generator 104 of FIG. 1 using the high temperature decomposition gas mixture discharged from the second pyrolysis furnace 103 of FIG. 1 to recover energy. As such, the pyrolysis process currently used in the adipic acid production process is a two-stage pyrolysis process and is a complex process such as additional supply of natural gas fuel and ammonia. In addition, it is an energy consumption process using natural gas fuel, and there is a disadvantage in that carbon dioxide, which is a greenhouse gas, is additionally generated during the pyrolysis process.
현재 질산 생산공정과 카프로락탐 생산공정의 배기가스 처리에 사용되고 있는 아산화질소 함유 기체혼합물의 촉매분해 공정에서는 촉매가 충진된 튜브형태의 반응기가 사용된다. 촉매분해 공정에서는 열분해와 달리 전기가열기가 분해 반응기에 장착되어 분해온도까지 가열한다. 촉매분해 공정은 주로 아산화질소의 농도가 1% 정도의 저농도 기체혼합물의 분해에 사용된다. 질산과 카프로락탐 생산공정에서 아산화질소의 농도가 1% 정도의 저농도 기체혼합물이 발생하는데, 이의 처리에 촉매분해 공정이 사용되고 있다. 촉매분해는 분해온도가 400~600℃로 촉매를 사용하지 않은 열분해보다 낮다. 그러나 촉매분해는 처리하려는 기체에 불순물이 ppm 단위의 농도로 존재해도 촉매가 피독되어 활성이 떨어지는 단점이 있다. 따라서 촉매분해에서는 공급되는 아산화질소 함유 기체혼합물의 불순물 조성을 일정한 규격에 맞도록 유지해야 한다. 게다가 아산화질소의 분해는 강한 발열반응이기 때문에 촉매분해 장치에 공급하는 기체혼합물의 아산화질소의 농도의 심한 변화는 촉매분해 반응기의 내부에 심한 고온 지점(hot spot)의 발생을 유도하여 촉매의 부분 손상을 초래한다. 심한 발열반응으로 반응기 내부의 온도는 크게 상승하고 이 온도 상승은 촉매와 촉매 지지체의 손상을 유발하여 촉매 활성과 수명을 저하시킨다. 또한 촉매분해는 아산화질소의 질화산화물(NOx)으로의 분해를 촉진하여 질화산화물 생성을 증가시키는 단점이 있다. 일반적으로 촉매분해 공정은 시간에 따른 안정성이 떨어지므로 아산화질소 분해에 촉매를 사용하지 않는 열분해 공정을 더욱 선호한다. In the catalytic decomposition process of the nitrous oxide-containing gas mixture which is currently used for the exhaust gas treatment of nitric acid production process and caprolactam production process, a tube-type reactor filled with a catalyst is used. In the catalytic cracking process, unlike pyrolysis, an electric heater is mounted in the cracking reactor and heated to the cracking temperature. Catalytic processes are mainly used for the decomposition of low concentration gaseous mixtures with nitrous oxide concentrations of about 1%. In the nitric acid and caprolactam production process, a low concentration gas mixture with a nitrous oxide concentration of about 1% is generated, and a catalytic cracking process is used for the treatment thereof. Catalytic decomposition has a decomposition temperature of 400 to 600 ° C., which is lower than pyrolysis without a catalyst. However, catalytic decomposition has a disadvantage in that activity is inferior due to poisoning of the catalyst even when impurities are present in the concentration of ppm unit in the gas to be treated. Therefore, in catalytic cracking, the impurity composition of the nitrous oxide-containing gas mixture supplied must be maintained to meet certain standards. In addition, since the decomposition of nitrous oxide is a strong exothermic reaction, the severe change in the concentration of nitrous oxide in the gas mixture supplied to the catalytic cracking device leads to the occurrence of severe hot spots inside the catalytic cracking reactor, resulting in partial damage of the catalyst. Brings about. Due to the exothermic reaction, the temperature inside the reactor is greatly increased, which increases the catalyst and the catalyst support, thereby degrading the catalyst activity and the lifetime. In addition, catalytic decomposition has the disadvantage of promoting the decomposition of nitrous oxide to nitride oxide (NO x ) to increase the production of nitride oxide. In general, the catalytic cracking process is less stable with time, so the pyrolysis process without a catalyst for nitrous oxide decomposition is more preferred.
상기한 바와 같이 기존 열분해 방법과 촉매분해 방법은 각각 단점을 가지고 있다. 따라서 이를 개선할 수 있는 새로운 열분해 방법이 요구되고 있다.As described above, the conventional pyrolysis method and the catalytic decomposition method each have disadvantages. Therefore, there is a need for a new pyrolysis method that can improve this.
<선행기술문헌><Preceding technical literature>
<특허문헌><Patent Documents>
(특허문헌 1) DE 4,116,950(Patent Document 1) DE 4,116,950
(특허문헌 2) US 6,723,295(Patent Document 2) US 6,723,295
상기한 바와 같이 현재 아디핀산 생산공정에서 사용하고 있는 열분해 공정은 1,300℃에서 운전되는 제1열분해로와 950℃에서 운전되는 제2열분해로로 구성되고, 천연가스 연료와 암모나아가 추가로 공급되어야 하는 등 복잡한 공정이다. 또한, 천연가스 연료를 사용하는 에너지 다소비 공정이며 열분해 과정에서 온실가스인 이산화탄소가 추가로 발생하는 단점이 있다. 본 발명은 기존 열분해 공정의 단점인 공정의 복잡성과 에너지 다소비를 개선할 수 있으며 촉매분해 공정의 단점인 촉매 및 공정의 불안정성을 개선하기 위한 것이다. As described above, the pyrolysis process currently used in the adipic acid production process includes a first pyrolysis furnace operated at 1,300 ° C. and a second pyrolysis furnace operated at 950 ° C., and additional natural gas fuel and ammonia should be supplied. Etc. is a complicated process. In addition, it is an energy consumption process using natural gas fuel, and there is a disadvantage in that carbon dioxide, which is a greenhouse gas, is additionally generated during the pyrolysis process. The present invention can improve the complexity and energy consumption of the process, which is a disadvantage of the existing pyrolysis process, and to improve the instability of the catalyst and the process, which is a disadvantage of the catalytic decomposition process.
본 발명자들은 심도있는 연구를 수행하여 기존 열분해 공정과 촉매분해 공정의 단점을 개선할 수 있는 새로운 열분해 공정을 고안하여 본 발명에 이르게 되었다. 본 발명은 아산화질소 함유 기체화합물을 처리하기 위하여 고주파 유도 가열 열분해 반응기를 사용하는 새로운 열분해 공정을 제공한다. 고주파 유도 가열 열분해 반응기를 사용하는 아산화질소 함유 기체혼합물의 열분해 공정은 현재 상업적으로 사용하고 있는 열분해 공정과 촉매분해 공정과는 전혀 다른 새로운 공정이다.  The present inventors have led to the present invention by devising a new pyrolysis process that can be carried out in-depth study to improve the disadvantages of existing pyrolysis and catalytic decomposition process. The present invention provides a novel pyrolysis process using a high frequency induction heating pyrolysis reactor to treat nitrous oxide containing gaseous compounds. The pyrolysis process of nitrous oxide-containing gas mixtures using a high frequency induction heating pyrolysis reactor is a new process that is completely different from the pyrolysis process and the catalytic process currently used commercially.
본 발명의 실시예를 따르는 고주파 유도 가열 열분해 공정은 아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정에 있어서, 아산화질소 함유 기체혼합물을 분해하는 고주파 유도 가열 열분해 반응기 및 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기 내의 아산화질소 함유 기체혼합물을 가열하는 고주파 유도 가열 시스템을 이용하여 아산화질소 함유 기체혼합물을 분해하는 단계(단계1); 및 열교환기를 이용하여 상기 단계1을 거친 고온의 열분해 기체혼합물로부터 에너지 회수하는 단계(단계2);를 포함한다. In the high frequency induction heating pyrolysis process according to the embodiment of the present invention, in the high frequency induction heating pyrolysis process of the nitrous oxide containing gas mixture, the high frequency induction heating pyrolysis reactor for decomposing the nitrous oxide containing gas mixture and the nitrous oxide in the high frequency induction heating pyrolysis reactor Decomposing the nitrous oxide containing gas mixture using a high frequency induction heating system for heating the containing gas mixture (step 1); And recovering energy from the high temperature pyrolysis gas mixture passed through step 1 using a heat exchanger (step 2).
또한, 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기는 외부에 고주파 유도 코일이 배치되어 있고, 상기 고주파 유도 코일은 구리 재질의 튜브 형태로서 튜브 내부에 냉각수가 공급되어 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기를 냉각하고 상기 튜브 벽으로 고주파를 공급할 수 있다. In addition, the high frequency induction heating pyrolysis reactor has a high frequency induction coil disposed outside, and the high frequency induction coil is a copper tube, and cooling water is supplied inside the tube to cool the high frequency induction heating pyrolysis reactor to the tube wall. High frequency can be supplied.
또한, 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기는 1,000℃ 이상의 온도에서 사용할 수 있는 금속 재질을 사용하여 제조할 수 있다. In addition, the high frequency induction heating pyrolysis reactor may be manufactured using a metal material that can be used at a temperature of 1,000 ° C or more.
또한, 상기 열분해 반응기는 인코넬(Inconel) 재질을 사용하여 제조할 수 있다. In addition, the pyrolysis reactor may be manufactured using an Inconel material.
또한, 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기 내부에 충진물질이 충진되어 있으며, 상기 충진물질은 금속, 세라믹 및 질화 알루미늄 중 적어도 하나로 만들어진 것이고, 상기 충진물질의 직경은 3 내지 30mm이고, 상기 충진물질이 금속으로 만들어진 경우 사용하는 금속은 인코넬(Inconel)을 포함할 수 있다. In addition, the filling material is filled in the high frequency induction heating pyrolysis reactor, the filling material is made of at least one of metal, ceramic and aluminum nitride, the diameter of the filling material is 3 to 30mm, the filling material is a metal The metal used, if made, may include Inconel.
또한, 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 직경(D)은 0.5 내지 20cm이고, 길이(L)는 L/D 값이 5 내지 100 인 것을 만족할 수 있다. In addition, the diameter (D) of the high frequency induction heating pyrolysis reactor may be 0.5 to 20cm, the length (L) may satisfy that the L / D value is 5 to 100.
또한, 상기 고주파 유도 가열 시스템은 고주파를 발생하는 고주파 발생기, 상기 고주파 발생기 및 고주파 유도 코팅을 냉각하기 위한 냉각시스템, 및 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 온도를 제어하기 위한 온도조절시스템을 포함하고, 상기 고주파 발생기에서 발생하는 고주파는 3~30MHz일 수 있다. In addition, the high frequency induction heating system includes a high frequency generator for generating a high frequency, a cooling system for cooling the high frequency generator and the high frequency induction coating, and a temperature control system for controlling the temperature of the high frequency induction heating pyrolysis reactor, The high frequency generated by the high frequency generator may be 3 ~ 30MHz.
또한, 상기 열분해를 위해 고주파 유도 가열 열분해 반응기로 공급되는 아산화질소 함유 기체혼합물은 산소, 질소, 질화산화물, 황화물 및 기타 공해물질 중 적어도 하나의 불순물을 포함하고, 상기 불순물의 농도에 열분해 효율이 영향을 받지 않을 수 있다. In addition, the nitrous oxide-containing gas mixture supplied to the high frequency induction heating pyrolysis reactor for pyrolysis includes at least one impurity of oxygen, nitrogen, nitride oxides, sulfides and other pollutants, and the pyrolysis efficiency is influenced by the concentration of the impurity. May not receive.
또한, 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 내부 온도는 800 내지 1,200℃로 유지할 수 있다. In addition, the internal temperature of the high frequency induction heating pyrolysis reactor can be maintained at 800 to 1,200 ℃.
또한, 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 압력은 1 내지 10bar일 수 있다. In addition, the pressure of the high frequency induction heating pyrolysis reactor may be 1 to 10bar.
또한, 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기 내의 아산화질소 함유 기체혼합물의 체류시간은 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기 내의 온도와 압력에 따라 달라지는데 1기압과 25℃의 조건을 기준으로 0.5 내지 5초일 수 있다. In addition, the residence time of the nitrous oxide-containing gas mixture in the high frequency induction heating pyrolysis reactor may vary depending on the temperature and pressure in the high frequency induction heating pyrolysis reactor, which may be 0.5 to 5 seconds based on the conditions of 1 atmosphere and 25 ° C.
또한, 상기 열교환기는 상기 단계1을 거친 고온의 열분해 기체혼합물을 이용하여 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기에 공급되는 아산화질소 함유 기체혼합물을 예열함으로써 상기 단계1을 거친 고온의 열분해 기체혼합물로부터 에너지를 회수할 수 있다. The heat exchanger may recover energy from the high temperature pyrolysis gas mixture passed through step 1 by preheating the nitrous oxide containing gas mixture supplied to the high frequency induction heating pyrolysis reactor using the high temperature pyrolysis gas mixture passed through step 1. Can be.
본 발명의 아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정은 현재 상업적으로 사용하고 있는 열분해 공정과 촉매분해 공정의 단점을 개선할 수 있는 새로운 공정이다. 본 발명의 아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정은 촉매를 사용하지 않으며, 기존 2단 열분해공정에 비하여 공정을 단축할 수 있는 1단 열분해공정이다. The high frequency induction heating pyrolysis process of the nitrous oxide containing gas mixture of the present invention is a new process that can improve the disadvantages of the pyrolysis process and the catalytic decomposition process currently used commercially. The high frequency induction heating pyrolysis process of the nitrous oxide-containing gas mixture of the present invention does not use a catalyst, and is a one-stage pyrolysis process that can shorten the process compared to the conventional two-stage pyrolysis process.
본 발명의 고주파 유도 가열 열분해 공정은 아산화질소 함유 기체혼합물을 처리하여 완전하게 질소와 산소로 분해시키면서 부산물인 질화산화물(NO, NO2, N2O4 등의 NOx)생성을 최소화할 수 있다. 또한, 기존 열분해 공정에서 사용하는 천연가스 연료를 사용하지 않아 온실가스인 이산화탄소가 추가로 생성되지 않는 환경친화적인 공정이다. 본 발명의 고주파 유도 가열 열분해 공정은 촉매를 사용하지 않으며 기존 열분해 공정에 비하여 간단한 공정이고 분해 온도가 낮고 연료를 사용하지 않아 에너지 소비를 감축할 수 있다. High-frequency induction heating of the invention the thermal decomposition process can be minimized (NO x, such as NO, NO 2, N 2 O 4) generating nitrous oxide-containing gas mixture is completely while decomposing to nitrogen and oxygen nitride oxide by-product was treated in . In addition, since it does not use the natural gas fuel used in the conventional pyrolysis process, it is an environmentally friendly process that does not generate additional greenhouse gas carbon dioxide. The high frequency induction heating pyrolysis process of the present invention does not use a catalyst and is a simple process compared to the conventional pyrolysis process, has a low decomposition temperature and does not use fuel, thereby reducing energy consumption.
본 발명의 고주파 유도 가열 열분해 공정에 사용하는 고주파 유도 가열 시스템은 열분해 반응기를 직접 가열하므로 다른 가열 장치에 비해 열효율이 매우 좋다. 더욱이, 예열이나 냉각이 필요하지 않고 가열시간이 짧아 열소모를 줄일 수 있다. 일반적인 전기가열기(electric heater)의 열효율이 45% 정도인데, 본 발명의 고주파 유도 가열 열분해 공정의 고주파 유도 가열 장치는 열효율이 90% 이상이어서 에너지를 대폭적으로 절약할 수 있다.The high frequency induction heating system used in the high frequency induction heating pyrolysis process of the present invention heats the pyrolysis reactor directly, so that the thermal efficiency is very good compared to other heating devices. Moreover, no preheating or cooling is required, and the heating time is short, reducing heat consumption. Although the thermal efficiency of a general electric heater is about 45%, the high frequency induction heating apparatus of the high frequency induction heating pyrolysis process of the present invention has a thermal efficiency of 90% or more, thereby greatly saving energy.
도 1은 종래의 아산화질소 함유 기체혼합물의 열분해 공정을 나타낸 것이다. 1 shows a pyrolysis process of a conventional nitrous oxide-containing gas mixture.
도 2는 본 발명의 실시예를 따르는 아산화질소 함유 기체화합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정을 나타낸 것이다. Figure 2 shows a high frequency induction heating pyrolysis process of the nitrous oxide containing gas compound according to an embodiment of the present invention.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다. 열분해 실험에 사용한 분석방법 및 아산화질소 함유 기체 혼합물의 열분해율과 열분해 반응기 내의 체류시간 산출 방법을 아래에 정리하였다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. The examples are intended to illustrate the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by these examples in accordance with the gist of the present invention. The analytical method used for the pyrolysis experiment and the pyrolysis rate of the nitrous oxide-containing gas mixture and the residence time calculation method in the pyrolysis reactor are summarized below.
본 발명의 실시예를 따르는 고주파 유도 가열 열분해 공정은 아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정에 있어서, 아산화질소 함유 기체혼합물을 분해하는 고주파 유도 가열 열분해 반응기 및 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기 내의 아산화질소 함유 기체혼합물을 가열하는 고주파 유도 가열 시스템을 이용하여 아산화질소 함유 기체혼합물을 분해하는 단계(단계1); 및 열교환기를 이용하여 상기 단계1을 거친 고온의 열분해 기체혼합물로부터 에너지 회수하는 단계(단계2);를 포함한다. In the high frequency induction heating pyrolysis process according to the embodiment of the present invention, in the high frequency induction heating pyrolysis process of the nitrous oxide containing gas mixture, the high frequency induction heating pyrolysis reactor for decomposing the nitrous oxide containing gas mixture and the nitrous oxide in the high frequency induction heating pyrolysis reactor Decomposing the nitrous oxide containing gas mixture using a high frequency induction heating system for heating the containing gas mixture (step 1); And recovering energy from the high temperature pyrolysis gas mixture passed through step 1 using a heat exchanger (step 2).
본 발명의 고주파 유도 가열 열분해 공정의 개략도를 도 2에 나타내었다. A schematic diagram of the high frequency induction heating pyrolysis process of the present invention is shown in FIG. 2.
도 2의 고주파 유도 가열 열분해 반응기에 공급되는 아산화질소 함유 기체혼합물은 도 2의 열교환기(201)에서 도 2의 고주파 유도 가열 열분해 반응기(202)에서 배출되는 고온의 배출가스에 의하여 예열된다. 처리하고자 하는 아산화질소 함유 기체혼합물은 도 2의 열교환기(201)에 공급되어 고주파 유도 가열 열분해 반응기(202)에서 배출되는 고온의 분해 기체혼합물로 예열되어 400~600℃의 온도까지 승온된다. 예열된 아산화질소 함유 기체혼합물은 도 2의 고주파 유도 가열 열분해 반응기(202)에 공급되어 질소와 산소로 분해된다. 도 2의 고주파 유도 가열 열분해 반응기(202)는 도 2의 고주파 유도 가열 시스템(203)에 의하여 가열된다. The nitrous oxide-containing gas mixture supplied to the high frequency induction heating pyrolysis reactor of FIG. 2 is preheated by the high temperature exhaust gas discharged from the high frequency induction heating pyrolysis reactor 202 of FIG. 2 in the heat exchanger 201 of FIG. The nitrous oxide-containing gas mixture to be treated is supplied to the heat exchanger 201 of FIG. 2 and preheated to a high temperature decomposition gas mixture discharged from the high frequency induction heating pyrolysis reactor 202 and heated up to a temperature of 400 to 600 ° C. The preheated nitrous oxide containing gas mixture is fed to the high frequency induction heating pyrolysis reactor 202 of FIG. 2 to decompose into nitrogen and oxygen. The high frequency induction heating pyrolysis reactor 202 of FIG. 2 is heated by the high frequency induction heating system 203 of FIG.
도 2의 고주파 유도 가열 열분해 반응기(202)의 내부 온도는 도 2의 고주파 유도 가열 시스템(203)에 의하여 800~1,200의 범위에서 조절된다. 도 2의 온도지시계(204)와 온도지시계(206)으로 도 2의 고주파 유도 가열 열분해 반응기(202)의 입구와 출구 온도를 측정한다. 도 2의 고주파 유도 가열 열분해 반응기(202)의 중간에 설치된 온도지시조절계(205)와 도 2의 고주파 유도 가열 시스템(203)으로 열분해 반응기의 온도를 제어한다. 도 2의 고주파 유도 가열 열분해 반응기(202)에서 배출되는 분해된 기체혼합물은 도 2의 열교환기(201)에 공급되어 고주파 유도 가열 열분해 반응기(202)에 공급되는 아산화질소 함유 기체혼합을 예열하면서 에너지가 회수되고 냉각된 후 대기에 배출된다. The internal temperature of the high frequency induction heating pyrolysis reactor 202 of FIG. 2 is controlled in the range of 800-1,200 by the high frequency induction heating system 203 of FIG. The inlet and outlet temperatures of the high frequency induction heating pyrolysis reactor 202 of FIG. 2 are measured by the temperature indicator 204 and the temperature indicator 206 of FIG. 2. The temperature control system 205 installed in the middle of the high frequency induction heating pyrolysis reactor 202 of FIG. 2 and the high frequency induction heating system 203 of FIG. 2 control the temperature of the pyrolysis reactor. The decomposed gas mixture discharged from the high frequency induction heating pyrolysis reactor 202 of FIG. 2 is supplied to the heat exchanger 201 of FIG. 2 while preheating the nitrous oxide containing gas mixture supplied to the high frequency induction heating pyrolysis reactor 202. Is recovered, cooled and discharged to the atmosphere.
본 발명의 아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정의 주요 특징은 다음을 포함한다. The main features of the high frequency induction heating pyrolysis process of the nitrous oxide containing gas mixture of the present invention include the following.
본 발명의 고주파 유도 가열 열분해 공정에 공급되는 아산화질소 함유 기체혼합물은 산소와 질소는 물론 질화산화물, 황화물 및 기타 공해물질 등의 불순물을 함유할 수 있다. 본 발명의 고주파 유도 가열 열분해 공정의 열분해 효율은 산소와 질소는 물론 질화산화물, 황화물 및 기타 공해물질 등의 불순물의 농도에 영향을 받지 않는다.  The nitrous oxide-containing gas mixture supplied to the high frequency induction heating pyrolysis process of the present invention may contain impurities such as nitride oxides, sulfides and other pollutants as well as oxygen and nitrogen. The pyrolysis efficiency of the high frequency induction heating pyrolysis process of the present invention is not affected by the concentration of impurities such as oxides, sulfides and other pollutants as well as oxygen and nitrogen.
상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 내부 온도는 800 내지 1,200℃로 유지할 수 있다.The internal temperature of the high frequency induction heating pyrolysis reactor can be maintained at 800 to 1,200 ℃.
본 발명의 고주파 유도 가열 열분해 공정에 사용하는 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 내부 온도는 800~1,200℃의 범위로 유지하는 바람직하다. 더욱 바람직한 온도는 900~1,100℃이다. 이 온도에서 아산화질소가 완전하게 질소와 산소로 분해되면서 부산물인 일산화질소, 이산화질소, 사산화이질소(N2O4) 등의 질화산화물의 생성을 최소화할 수 있다. The internal temperature of the high frequency induction heating pyrolysis reactor used in the high frequency induction heating pyrolysis step of the present invention is preferably maintained in the range of 800 to 1,200 ° C. More preferable temperature is 900-1,100 degreeC. At this temperature, nitrous oxide is completely decomposed into nitrogen and oxygen, thereby minimizing the production of nitrous oxides such as by-products nitrogen monoxide, nitrogen dioxide, and dinitrogen tetraoxide (N 2 O 4 ).
상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 압력은 1 내지 10bar일 수 있다.The pressure of the high frequency induction heating pyrolysis reactor may be 1 to 10 bar.
고주파 유도 가열 열분해 반응기의 압력은 외부 경계조건(공정의 압력)에 따라 폭넓게 변화시킬 수 있으며, 특정 압력에 제한되지 않는다. 경험상 경제적으로 가장 유리한 압력 범위는 1~10bar이다.The pressure of the high frequency induction heating pyrolysis reactor can vary widely depending on the external boundary conditions (the pressure of the process) and is not limited to a specific pressure. In our experience, the most economically favorable pressure range is 1 to 10 bar.
상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기 내의 아산화질소 함유 기체혼합물의 체류시간(Residence Time)은 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기 내의 온도와 압력에 따라 달라지는데 1기압과 25의 조건을 기준으로 0.5 내지 5초일 수 있다. The residence time of the nitrous oxide-containing gas mixture in the high frequency induction pyrolysis reactor varies depending on the temperature and the pressure in the high frequency induction pyrolysis reactor, which may be 0.5 to 5 seconds based on the conditions of 1 atmosphere and 25 atmospheres.
본 발명의 고주파 유도 가열 공정에 사용하는 고주파 유도 가열 열분해 반응기 내부에서의 아산화질소 함유 기체혼합물의 체류시간은 고주파 유도 가열 열분해 반응기 내의 온도와 압력에 따라 달라지는데 1기압과 25℃의 조건을 기준으로 0.5 내지 5초가 바람직하다. 더욱 바람직한 체류시간은 1~3초이다. 체류시간은 분해온도에 따라 맞춰야 하는데 아산화질소가 완전하게 분해되면서 질화산화물(NOx)의 생성을 최소화할 수 있어야 한다. The residence time of the nitrous oxide containing gas mixture in the high frequency induction heating pyrolysis reactor used in the high frequency induction heating pyrolysis reactor of the present invention varies depending on the temperature and the pressure in the high frequency induction heating pyrolysis reactor, based on the conditions of 1 atm and 25 ° C. To 5 seconds is preferred. More preferable residence time is 1-3 seconds. The residence time has to be adjusted according to the decomposition temperature, and it must be possible to minimize the formation of nitrous oxide (NO x ) as nitrous oxide is completely decomposed.
상기 열교환기는 상기 단계1을 거친 고온의 열분해 기체혼합물을 이용하여 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기에 공급되는 아산화질소 함유 기체혼합물을 예열하여 상기 단계1을 거친 고온의 열분해 기체혼합물의 에너지를 회수할 수 있다.The heat exchanger may recover the energy of the high temperature pyrolysis gas mixture passed through step 1 by preheating the nitrous oxide-containing gas mixture supplied to the high frequency induction heating pyrolysis reactor using the high temperature pyrolysis gas mixture passed through step 1. .
본 발명의 고주파 유도 가열 열분해 공정에서 열교환기를 사용하여 고주파 유도 열분해 반응기에서 배출되는 고온(800~1,200℃)의 분해 기체혼합물의로부터 에너지를 회수하여 고주파 유도 열분해 반응기에 공급되는 아산화질소 함유 기체혼합물을 예열한다.  In the high frequency induction heating pyrolysis process of the present invention, the nitrous oxide-containing gas mixture supplied to the high frequency induction pyrolysis reactor is recovered by recovering energy from the high temperature (800-1,200 ° C.) decomposition gas mixture discharged from the high frequency induction pyrolysis reactor using a heat exchanger. Preheat.
본 발명의 고주파 유도 가열 열분해 공정에 사용하는 고주파 유도 가열 열분해 반응기는 아래와 같은 특징을 갖는다. The high frequency induction heating pyrolysis reactor used in the high frequency induction heating pyrolysis process of the present invention has the following characteristics.
상기 고주파 유도 가열 반응시스템에 장착되는 고주파 유도 코일은 구리 재질의 튜브 형태로서 튜브 내부에 냉각수가 공급되어 냉각되고 튜브 벽으로 고주파가 공급되는 것일 수 있다.The high frequency induction coil mounted on the high frequency induction heating reaction system may be a copper tube, in which a coolant is supplied and cooled, and a high frequency is supplied to the tube wall.
본 발명의 고주파 유도 가열 장치의 열분해 반기의 외부에 고주파 유도 코일이 장착되어 있다. 고주파 유도 코일은 구리 재질의 튜브 형태로서 튜브 내부에 냉각수가 공급되어 냉각되고 튜브 벽으로 고주파가 공급된다. The high frequency induction coil is mounted outside the pyrolysis half of the high frequency induction heating apparatus of the present invention. The high frequency induction coil is a copper tube, and cooling water is supplied inside the tube to cool the high frequency.
본 발명의 고주파 유도 가열 장치의 고주파 유도 가열 시스템은 고주파 발생기, 고주파 발생기와 고주파 유도 코팅을 냉각하기 위한 냉각시스템, 반응기의 온도를 조절하기 위한 온도조절시스템으로 구성되며, 고주파 발생기에서 발생하는 고주파는 3~30MHz 범위가 바람직하다.The high frequency induction heating system of the high frequency induction heating apparatus of the present invention comprises a high frequency generator, a high frequency generator and a cooling system for cooling the high frequency induction coating, and a temperature control system for controlling the temperature of the reactor. The range of 3-30 MHz is preferred.
상기 열분해 반응기는 1,000℃ 이상의 고온에서 사용할 수 있는 금속 재질을 포함할 수 있다.The pyrolysis reactor may include a metal material that can be used at a high temperature of 1,000 ° C. or higher.
본 발명의 고주파 유도 가열 장치의 고주파 유도 가열 열분해 반응기는 1,000℃ 이상의 고온에서 내구성이 우수한 금속 재질로 제조한다. 특히 니켈을 주체로 하여 15%의 크롬과 6~7%의 철, 2.5%의 티타늄, 1%이하의 알루미늄, 망간, 규소를 첨가한 합금인 인코넬(Inconel) 재질을 사용하는 것이 바람직하다. The high frequency induction heating pyrolysis reactor of the high frequency induction heating apparatus of the present invention is made of a metal material having excellent durability at a high temperature of 1,000 ° C. or higher. In particular, it is preferable to use Inconel, which is an alloy containing 15% of chromium, 6-7% of iron, 2.5% of titanium, 1% of aluminum, manganese, and silicon mainly based on nickel.
상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기 내부에 충진물질이 충진되어 있으며, 상기 충진물질은 금속, 세라믹 및 질화 알루미늄 중 적어도 하나로 만들어질 수 있다.Filling material is filled in the high frequency induction heating pyrolysis reactor, the filling material may be made of at least one of metal, ceramic and aluminum nitride.
본 발명의 고주파 유도 가열 장치의 고주파 유도 가열 열분해 반응기 내부에는 충진물질이 충진되어 있다. 충진물질은 아산화질소 기체의 접촉면적과 열전달면적을 증가시켜 열분해를 효율적으로 하기 위한 것이다. 충진물질은 금속이나 세라믹이나 질화 알루미늄 등의 재질로 만들어진 것을 사용하는 것이 바람직하다. The filling material is filled in the high frequency induction heating pyrolysis reactor of the high frequency induction heating apparatus of the present invention. The filling material is to increase the contact area and the heat transfer area of the nitrous oxide gas for efficient pyrolysis. The filling material is preferably made of a material such as metal, ceramic or aluminum nitride.
상기 충진물질의 직경은 3 내지 30mm 일 수 있다.The diameter of the filler material may be 3 to 30mm.
충진 물질의 크기는 반응기의 직경에 따라 커지는데 직경 3~30mm가 바람직하다. 충진물질로 금속을 사용하는 경우에 1,000℃ 이상의 고온에서 내구성이 우수한 금속을 사용하는 것이 바람직한데, 특히 인코넬(Inconel) 금속 재질을 사용하는 것이 바람직하다. The size of the filling material increases depending on the diameter of the reactor, preferably 3 to 30 mm in diameter. In the case of using the metal as a filling material, it is preferable to use a metal having excellent durability at a high temperature of 1,000 ° C. or higher, and particularly, an Inconel metal material.
본 발명의 고주파 유도 가열 장치의 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 직경(D)은 0.5~20cm가 바람직하다. 특히 1~10cm가 가장 바람직하다. 아산화질소의 분해 반응이 발열반응이므로 열분해 반응기의 직경이 클수록 열분해 반응기 내부의 온도를 균일하게 유지하기 어렵다. 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 길이(L)는 L/D를 기준으로 나타내면 5~100이 바람직하다. 특히 10~50(L/D)이 가장 바람직하다.The diameter (D) of the high frequency induction heating pyrolysis reactor of the high frequency induction heating apparatus of the present invention is preferably 0.5 to 20 cm. Especially 1-10 cm is the most preferable. Since the decomposition reaction of nitrous oxide is an exothermic reaction, the larger the diameter of the pyrolysis reactor, the more difficult it is to maintain a uniform temperature inside the pyrolysis reactor. The length (L) of the high frequency induction heating pyrolysis reactor is preferably 5 to 100 based on L / D. Especially 10-50 (L / D) is the most preferable.
<아산화질소 농도 분석 방법> <Method for analyzing nitrous oxide concentration>
아산화질소 함유 기체혼합물의 열분해 전후의 농도를 측정하는 방법으로 GC( 가스크로마토그래피) 방법을 사용하였다. GC의 검출기로는 PDD(Pulsed Discharge Detector)를 사용하였으며, 분석 칼럼은 Carboxene 1010 PLOT를 사용하였다. 또한 고농도 아산화질소 분석은 TCD(Thermal Conductivity Detector)를 사용하였다. The gas chromatography (GC) method was used to measure the concentration before and after pyrolysis of the nitrous oxide-containing gas mixture. PDD (Pulsed Discharge Detector) was used as a detector of GC, and Carboxene 1010 PLOT was used as an analytical column. In addition, the analysis of high concentration nitrous oxide was used TCD (Thermal Conductivity Detector).
GC 분석 조건은 표 1에 정리하였다.GC analysis conditions are summarized in Table 1.
분석기Analyzer YL Instrument 6500 GC systemYL Instrument 6500 GC system
검출기 Detector PDD, TCDPDD, TCD
이송 가스Conveying gas He(10.0 mL/min)He (10.0 mL / min)
칼럼 column Carboxen-1010 PLOT, 30 m x 0.53 mm I.D. Carboxen-1010 PLOT, 30 m x 0.53 mm I.D.
투입구 온도 Inlet temperature 200℃200 ℃
검출기 온도 Detector temperature 200℃200 ℃
칼럼 온도 Column temperature 150℃150 ℃
샘플 부피 Sample volume 50 μL50 μL
<일산화질소, 이산화질소 및 질화산화물 농도 분석 방법> 아산화질소는 열분해에 의하여 주로 질소와 산소로 분해되지만 일산화질소와 산소로도 분해될 수 있다. 아산화질소의 일산화질소와 산소로의 분해를 확인하기 위하여 아산화질소 함유 기체혼합물의 열분해 후의 기체혼합물을 화학발광법(Chemiluminescence)을 사용하는 NOx 분석기(Model T2000)로 분석하였다. <Method for analyzing concentration of nitrogen monoxide, nitrogen dioxide and nitride oxide> Nitrous oxide is mainly decomposed into nitrogen and oxygen by pyrolysis, but can also be decomposed into nitrogen monoxide and oxygen. In order to confirm the decomposition of nitrous oxide into nitrogen monoxide and oxygen, the gas mixture after pyrolysis of the nitrous oxide-containing gas mixture was analyzed by a NO x analyzer (Model T2000) using chemiluminescence.
사용한 NOx 분석기의 주요 사양을 다음 표 2에 정리하였다.The main specifications of the used NO x analyzers are summarized in Table 2 below.
분석방법 Analysis method 화학발광법(Chemiluminescence)Chemiluminescence
분석 농도 범위Analytical Concentration Range 0~20 ppm0-20 ppm
최소 측정 농도Measured concentration 0.4 ppb0.4 ppb
온도 범위 Temperature range 5~40℃5 ~ 40 ℃
유량 flux 0.5 liter/min0.5 liter / min
<아산화질소 분해율 계산> 아산화질소 함유 기체혼합물의 열분해 전후의 아산화질소 농도를 분석하여 열분해 전의 농도에서 열분해 후의 농도를 뺀 값을 열분해 전의 농도로 나누어 아산화질소 분해율(%) 계산하였다.Calculation of Nitrous Oxide Decomposition Ratio Nitrous oxide concentrations before and after pyrolysis of the nitrous oxide-containing gas mixture were analyzed to calculate the nitrous oxide decomposition rate (%) by dividing the concentration after pyrolysis by the concentration before pyrolysis.
<아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 반응기 내의 체류시간(Residence Time)><Residence Time in High Frequency Induction Heating Pyrolysis Reactor of Nitrous Oxide-containing Gas Mixture>
고주파 유도 가열 열분해 반응기의 직경과 길이로부터 반응기의 부피를 계산한다. 이때 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 내부에 충진물이 충진되지 않은 비어있는 상태로 가정한다. 산출된 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 부피를 아산화질소 함유 기체혼합물의 공급 유량(1기압과 25℃ 기준)으로 나누어 체류시간을 계산한다. The volume of the reactor is calculated from the diameter and length of the high frequency induction heating pyrolysis reactor. In this case, it is assumed that the inside of the high frequency induction heating pyrolysis reactor is not filled with a filling. The residence time is calculated by dividing the volume of the calculated high frequency induction heating pyrolysis reactor by the supply flow rate of nitrous oxide containing gas mixture (based on 1 atmosphere and 25 ° C).
<실시예 1><Example 1>
도 2에 나타낸 바와 같은 고주파 유도 가열 열분해 공정을 갖추어 실험을 수행하였다. 고주파 유도 가열 열분해 반응기(도 2의 (202))는 직경이 1인치(2.54cm)이고 길이가 40cm이었다. 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 내부에는 직경 1/4인치(0.635cm)이고 길이 0.5cm인 충진물이 충진되었다. 고주파 유도 가열 열분해 반응기와 충진물은 각각 인코넬(Inconel) 재질의 금속으로 제조되었다. 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 주위에는 구리 재질의 고주파 유도 코일 튜브가 장착되어 있으며 고주파 유도 가열 열분해 반응기 내부의 온도를 고주파 유도 가열 시스템(도 2의 (203))으로 조절하였다. 고주파 유도 가열 시스템에서 발생하는 고주파의 파장은 25kHz이며, 설치한 고주파 가열 코일에서 발생될 수 있는 최대 전기에너지는 10kw이었다. 고주파 유도 열분해 반응기 내부의 온도를 반응기 입구와 반응기 중간 및 반응기 출구의 3개의 지점에서 측정하였고, 반응기 중간 온도를 고주파 유도 가열 시스템으로 조절하였다.Experiments were carried out with a high frequency induction heating pyrolysis process as shown in FIG. 2. The high frequency induction heating pyrolysis reactor (202 in FIG. 2) was 1 inch (2.54 cm) in diameter and 40 cm long. The inside of the high frequency induction heating pyrolysis reactor was filled with a 1/4 inch diameter (0.635 cm) and 0.5 cm long filler. The high frequency induction heating pyrolysis reactor and the filler were each made of Inconel metal. Around the high frequency induction heating pyrolysis reactor, a copper high frequency induction coil tube was mounted, and the temperature inside the high frequency induction heating pyrolysis reactor was controlled by a high frequency induction heating system ((203) of FIG. 2). The wavelength of the high frequency generated in the high frequency induction heating system was 25 kHz, and the maximum electrical energy that could be generated in the installed high frequency heating coil was 10 kw. The temperature inside the high frequency induction pyrolysis reactor was measured at three points: the reactor inlet, the middle of the reactor, and the reactor outlet, and the reactor middle temperature was controlled by a high frequency induction heating system.
고주파 유도 가열 열분해 반응기의 중간 온도를 1,000℃로 조절하면서 아산화질소의 농도가 0.84%이고 질소가 99.16%인 기체혼합물을 600liter/hr의 유량으로 공급하였다. 공급한 아산화질소 함유 기체혼합물은 고주파 유도 가열 열분해 반응기에서 배출되는 고온의 분해 기체혼합물을 이용하여 열교환기에서 예열하여 600℃로 승온하였다. 열분해 과정에서 반응기 출구의 온도는 1,052℃로 측정되었다. 고주파 유도 가열 열분해 반응기에서 배출되는 분해 기체혼합물의 아산화질소를 GC로 분석한 결과 287ppm으로 측정되었다. NOx 분석기를 이용하여 고주파 유도 가열 열분해 반응기에서 배출되는 분해 기체혼합물의 일산화질소, 이산화질소 등의 질화산화물을 분석하였으나 검출되지 않았다. 실시예 1의 아산화질소 함유 기체혼합물의 체류시간은 1.3초이고 아산화질소 분해율은 96.6%이었다. While adjusting the intermediate temperature of the high frequency induction heating pyrolysis reactor to 1,000 ° C., a gas mixture having a concentration of nitrous oxide of 0.84% and nitrogen of 99.16% was supplied at a flow rate of 600 liter / hr. The supplied nitrous oxide-containing gas mixture was preheated in a heat exchanger using a high temperature decomposition gas mixture discharged from the high frequency induction heating pyrolysis reactor and heated up to 600 ° C. In the pyrolysis process, the temperature at the reactor outlet was measured at 1,052 ° C. The nitrous oxide of the decomposition gas mixture discharged from the high frequency induction heating pyrolysis reactor was determined to be 287 ppm by GC. The NO x analyzer was used to analyze nitrogen oxides such as nitrogen monoxide and nitrogen dioxide in the decomposition gas mixture discharged from the high frequency induction heating pyrolysis reactor. The residence time of the nitrous oxide containing gas mixture of Example 1 was 1.3 seconds and the nitrous oxide decomposition rate was 96.6%.
<실시예 2~5><Examples 2-5>
열분해 온도의 영향을 파악하기 위하여, 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 내부 온도를 변화시키는 것을 제외하고 다른 조건들은 실시예 1과 동일하게 하면서 실험을 수행하였다. In order to understand the effect of the pyrolysis temperature, the experiment was carried out with the same conditions as in Example 1 except for changing the internal temperature of the high frequency induction heating pyrolysis reactor.
열분해 온도의 아산화질소 분해 영향(N2O 농도 0.84%)의 결과를 아래 표 3에 정리하였다. The results of nitrous oxide decomposition effect (N 2 O concentration 0.84%) of pyrolysis temperature are summarized in Table 3 below.
유량(liter/hr)Flow rate (liter / hr) 체류시간(초)Residence time (seconds) 열분해 반응기 온도(℃)Pyrolysis reactor temperature (℃) 분해 후 N2O 농도 (ppm)N2O concentration after decomposition (ppm) N2O 분해율 (%)N2O decomposition rate (%)
반응기 중간(set point)Reactor set point 반응기 출구Reactor outlet
실시예 1Example 1 600600 1.31.3 1,0001,000 1,0521,052 287287 96.696.6
실시예 2Example 2 800800 839839 5,9365,936 29.529.5
실시예 3Example 3 900900 960960 2,7922,792 66.866.8
실시예 4Example 4 960960 1,0111,011 1,1801,180 86.086.0
실시예 5Example 5 1,0201,020 1,0731,073 8989 98.9498.94
실시예 2~5에서 NOx 분석기를 이용하여 고주파 유도 가열 열분해 반응기에서 배출되는 분해 기체혼합물의 일산화질소, 이산화질소 등의 질화산화물을 분석하였으나 검출되지 않았다.Nitrogen oxides such as nitrogen monoxide and nitrogen dioxide of the decomposition gas mixture discharged from the high frequency induction heating pyrolysis reactor were analyzed using the NO x analyzer in Examples 2 to 5, but were not detected.
<실시예 6~9><Examples 6-9>
체류시간의 영향을 파악하기 위하여 고주파 유도 가열 열분해 반응기에 공급되는 아산화질소 함유 기체혼합물의 유량을 변화시키는 것을 제외하고 다른 조건들은 실시예 5와 동일하게 하면서 실험을 수행하였다. 열분해 반응기 내의 아산화질소 함유 기체혼합물 체류시간의 아산화질소 분해 영향(N2O 농도 0.84%)의 결과를 아래 표 4에 정리하였다.The experiment was carried out under the same conditions as in Example 5 except for changing the flow rate of the nitrous oxide-containing gas mixture supplied to the high frequency induction heating pyrolysis reactor in order to determine the influence of the residence time. The results of the nitrous oxide decomposition effect (N 2 O concentration 0.84%) of the nitrous oxide-containing gas mixture residence time in the pyrolysis reactor are summarized in Table 4 below.
유량(liter/hr)Flow rate (liter / hr) 체류시간(초)Residence time (seconds) 열분해 반응기 온도(℃)Pyrolysis reactor temperature (℃) 분해 후 N2O 농도 (ppm)N 2 O concentration after decomposition (ppm) N2O 분해율 (%)N 2 O Degradation Rate (%)
반응기 중간(set point)Reactor set point 반응기 출구Reactor outlet
실시예 5Example 5 600600 1.31.3 1,0201,020 1,0731,073 8989 98.998.9
실시예 6Example 6 200200 3.93.9 1,0201,020 1,0541,054 66 99.999.9
실시예 7Example 7 400400 2.02.0 1,0201,020 1,0621,062 1212 99.999.9
실시예 8Example 8 800800 0.980.98 1,0201,020 1,0831,083 226226 97.397.3
실시예 9Example 9 1,0001,000 0.790.79 1,0201,020 1,1001,100 323323 96.296.2
실시예 5~9에서 NOx 분석기를 이용하여 고주파 유도 가열 열분해 반응기에서 배출되는 분해 기체혼합물의 일산화질소, 이산화질소 등의 질화산화물을 분석하였으나 검출되지 않았다.Nitrogen oxides such as nitrogen monoxide and nitrogen dioxide of the decomposition gas mixture discharged from the high frequency induction heating pyrolysis reactor were analyzed using the NO x analyzer in Examples 5 to 9, but were not detected.
<실시예 10~14> <Examples 10-14>
고주파 유도 가열 열분해 반응기에 공급하는 아산화질소 함유 기체혼합물의 아산화질소 농도를 4.74%(질소 95.26% 함유)로 증가시키고 아산화질소 함유 기체혼합물의 공급 유량을 변화시키면서 다른 조건들은 실시예 1과 동일하게 하면서 실험을 수행하였다. While increasing the nitrous oxide concentration of the nitrous oxide-containing gas mixture supplied to the high frequency induction heating pyrolysis reactor to 4.74% (containing 95.26% nitrogen) and changing the flow rate of the nitrous oxide-containing gas mixture, the other conditions were the same as in Example 1. The experiment was performed.
열분해 온도의 아산화질소 분해 영향(N2O 농도 4.74%)의 결과를 아래 표 5에 정리하였다.The results of nitrous oxide decomposition effect (N 2 O concentration 4.74%) of pyrolysis temperature are summarized in Table 5 below.
유량(liter/hr)Flow rate (liter / hr) 체류시간(초)Residence time (seconds) 열분해 반응기 온도(℃)Pyrolysis reactor temperature (℃) 분해 후 N2O 농도 (ppm)N 2 O concentration after decomposition (ppm) N2O 분해율 (%)N 2 O Degradation Rate (%)
반응기 중간(set point)Reactor set point 반응기 출구Reactor outlet
실시예 10Example 10 200200 3.93.9 1,0201,020 1,0571,057 2222 99.999.9
실시예 11Example 11 400400 2.02.0 1,0201,020 1,0601,060 8686 99.899.8
실시예 12Example 12 600600 1.31.3 1,0201,020 1,0741,074 540540 98.998.9
실시예 13Example 13 800800 0.980.98 1,0201,020 1,0881,088 1,1001,100 97.797.7
실시예 14Example 14 1,0001,000 0.790.79 1,0201,020 1,1041,104 1,1041,104 97.097.0
실시예 10~14에서 NOx 분석기를 이용하여 고주파 유도 가열 열분해 반응기에서 배출되는 분해 기체혼합물의 일산화질소, 이산화질소 등의 질화산화물을 분석하였으나 검출되지 않았다.Nitrogen oxides such as nitrogen monoxide and nitrogen dioxide of the decomposition gas mixture discharged from the high frequency induction heating pyrolysis reactor were analyzed using the NO x analyzer in Examples 10 to 14, but were not detected.
<실시예 15> <Example 15>
고주파 유도 가열 열분해 반응기에 공급하는 아산화질소 함유 기체혼합물의 조성(N2O/O2/N2/NO=4.7%/5.8%/89.0%/0.5%)을 변화시키는 것을 제외하고 다른 조건들은 실시예 11과 동일하게 하면서 실험을 수행하였다. 열분해 후의 아산화질소의 농도와 분해율이 실시예 11과 동일하였다. NOx 분석기를 이용하여 고주파 유도 가열 열분해 반응기에서 배출되는 분해 기체혼합물의 일산화질소, 이산화질소 등의 질화산화물을 분석한 결과, 일산화질소의 농도는 열분해 전후에 차이가 없었으며 이산화질소와 질화산화물은 검출되지 않았다.Except for changing the composition (N 2 O / O 2 / N 2 /NO=4.7%/5.8%/89.0%/0.5%) of the nitrous oxide-containing gas mixture supplied to the high frequency induction heating pyrolysis reactor, The experiment was carried out in the same manner as in Example 11. The concentration and decomposition rate of nitrous oxide after pyrolysis were the same as in Example 11. As a result of analyzing the nitrogen oxides such as nitrogen monoxide and nitrogen dioxide of the decomposition gas mixture discharged from the high frequency induction heating pyrolysis reactor using NO x analyzer, the concentration of nitrogen monoxide was not different before and after pyrolysis, and nitrogen dioxide and nitride oxide were not detected. Did.
<부호의 설명><Description of the code>
101: 제1열분해로101: first pyrolysis furnace
102: 열교환기102: heat exchanger
103: 제2열분해로103: second pyrolysis furnace
104: 수증기 발생기104: steam generator
201: 열교환기 201: heat exchanger
202: 고주파 유도 가열 열분해 반응기202: high frequency induction heating pyrolysis reactor
203: 고주파 유도 가열 시스템 203: high frequency induction heating system
204, 206: 온도지시계204, 206: Temperature indicator
205: 온도지시조절계205: temperature indicating controller

Claims (11)

  1. 아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정에 있어서,In the high frequency induction heating pyrolysis process of the nitrous oxide containing gas mixture,
    아산화질소 함유 기체혼합물을 분해하는 고주파 유도 가열 열분해 반응기 및 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기 내의 아산화질소 함유 기체혼합물을 가열하는 고주파 유도 가열 시스템을 이용하여 아산화질소 함유 기체혼합물을 분해하는 단계(단계1); 및 Decomposing the nitrous oxide-containing gas mixture by using a high frequency induction heating pyrolysis reactor for decomposing the nitrous oxide-containing gas mixture and a high frequency induction heating system for heating the nitrous oxide-containing gas mixture in the high frequency induction heating pyrolysis reactor (step 1); And
    열교환기를 이용하여 상기 단계1을 거친 고온의 열분해 기체혼합물로부터 에너지를 회수하는 단계(단계2);를 포함하는 아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정.Recovering energy from the high temperature pyrolysis gas mixture passed through step 1 by using a heat exchanger (step 2); high frequency induction heating pyrolysis process of the nitrous oxide containing gas mixture.
  2. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기는 외부에 고주파 유도 코일이 배치되어 있고,The high frequency induction heating pyrolysis reactor is a high frequency induction coil is disposed outside,
    상기 고주파 유도 코일은 구리 재질의 튜브 형태로서 튜브 내부에 냉각수가 공급되어 상기 고주파 유도 코일을 냉각하고 상기 튜브 벽으로 고주파를 공급하는 아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정.The high frequency induction coil is in the form of a copper tube, a cooling water is supplied inside the tube to cool the high frequency induction coil and supply a high frequency to the tube wall high frequency induction heating pyrolysis process of the gas mixture.
  3. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기는 1,000℃ 이상의 온도에서 사용할 수 있는 금속 재질로 제조된 것이고, 특히 인코넬을 사용하여 제조된 고주파 유도 열분해 반응기를 포함하는 아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정.The high frequency induction heating pyrolysis reactor is made of a metal material which can be used at a temperature of 1,000 ° C. or higher, and in particular, a high frequency induction heating pyrolysis process of a nitrous oxide-containing gas mixture including a high frequency induction pyrolysis reactor manufactured using Inconel.
  4. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기 내부에 충진물질이 충진되어 있으며, 상기 충진물질은 금속, 세라믹 및 질화 알루미늄 중 적어도 하나로 만들어진 것이고, 상기 충진물질의 직경은 3 내지 30mm이고, 상기 충진물질이 금속으로 만들어진 경우 상기 열분해 반응기의 재질은 인코넬(Inconel)을 포함하는 것을 특징으로 하는 아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정.Filling material is filled in the high frequency induction heating pyrolysis reactor, wherein the filling material is made of at least one of metal, ceramic and aluminum nitride, the diameter of the filling material is 3 to 30mm, and the filling material is made of metal The material of the pyrolysis reactor is a high frequency induction heating pyrolysis process of nitrous oxide containing gas mixture, characterized in that it comprises Inconel (Inconel).
  5. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 직경(D)은 0.5 내지 20cm이고, 반응기의 길이(L)는 L/D 값이 5 내지 100 인 것을 만족하는 아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정.Diameter (D) of the high frequency induction heating pyrolysis reactor is 0.5 to 20cm, the length (L) of the reactor is a high frequency induction heating pyrolysis process of the nitrous oxide containing gas mixture satisfying that the L / D value of 5 to 100.
  6. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 고주파 유도 가열 시스템은 고주파를 발생하는 고주파 발생기, 상기 고주파 발생기 및 고주파 유도 코팅을 냉각하기 위한 냉각시스템, 및 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 온도를 제어하기 위한 온도조절시스템을 포함하고, 상기 고주파 발생기에서 발생하는 고주파는 3~30MHz임을 특징으로 하는 아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정.The high frequency induction heating system includes a high frequency generator for generating a high frequency, a cooling system for cooling the high frequency generator and the high frequency induction coating, and a temperature control system for controlling a temperature of the high frequency induction heating pyrolysis reactor. High frequency induction pyrolysis process of nitrous oxide containing gas mixture, characterized in that the high frequency generated in the 3 ~ 30MHz.
  7. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 열분해를 위해 고주파 유도 가열 열분해 반응기로 공급되는 아산화질소 함유 기체혼합물은 산소, 질소, 질화산화물, 황화물 및 기타 공해물질 중 적어도 하나의 불순물을 포함하고, 상기 불순물의 농도에 열분해 효율이 영향을 받지 않는 것을 특징으로 하는 아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정.The nitrous oxide-containing gas mixture supplied to the high-frequency induction heating pyrolysis reactor for pyrolysis contains at least one impurity of oxygen, nitrogen, nitride, sulfide and other pollutants, and pyrolysis efficiency is not affected by the concentration of the impurity. High frequency induction heating pyrolysis process of nitrous oxide containing gas mixture, characterized in that not.
  8. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 내부 온도는 800 내지 1,200℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정. The high frequency induction heating pyrolysis process of the nitrous oxide containing gas mixture, characterized in that the internal temperature of the high frequency induction heating pyrolysis reactor is maintained at 800 to 1,200 ℃.
  9. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기의 압력은 1 내지 10bar인 것을 특징으로 하는 아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정. The high frequency induction heating pyrolysis process of the nitrous oxide containing gas mixture, characterized in that the pressure of the high frequency induction heating pyrolysis reactor.
  10. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기 내의 아산화질소 함유 기체혼합물의 체류시간은 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기 내의 온도와 압력에 따라 달라지는데 1기압과 25℃의 조건을 기준으로 0.5 내지 5초인 것을 특징으로 하는 아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정.The residence time of the nitrous oxide-containing gas mixture in the high frequency induction pyrolysis reactor depends on the temperature and the pressure in the high frequency induction pyrolysis reactor, which is 0.5 to 5 seconds based on the conditions of 1 atm and 25 ° C. High frequency induction heating pyrolysis process of gas mixture.
  11. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 열교환기는 상기 단계1을 거친 고온의 열분해 기체혼합물을 이용하여 상기 고주파 유도 가열 열분해 반응기에 공급되는 아산화질소 함유 기체혼합물을 예열하여 상기 단계1을 거친 고온의 열분해 기체혼합물로부터 에너지를 회수하는 것을 특징으로 하는 아산화질소 함유 기체혼합물의 고주파 유도 가열 열분해 공정.The heat exchanger preheats the nitrous oxide-containing gas mixture supplied to the high frequency induction pyrolysis reactor using the high temperature pyrolysis gas mixture passed through step 1 to recover energy from the high temperature pyrolysis gas mixture passed through step 1. High frequency induction heating pyrolysis step of nitrous oxide containing gas mixture.
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