WO2020091392A1 - 금속 필터를 이용한 일체형 배가스 처리 장치 - Google Patents

금속 필터를 이용한 일체형 배가스 처리 장치 Download PDF

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WO2020091392A1
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gas treatment
treatment device
supply device
integrated exhaust
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변영철
김병기
김량균
김준우
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재단법인 포항산업과학연구원
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    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
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    • B01D53/8637—Simultaneously removing sulfur oxides and nitrogen oxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D2251/206—Ammonium compounds
    • B01D2251/2067—Urea

Definitions

  • the present invention relates to an integrated exhaust gas treatment apparatus using a metal filter in which pelletized SCR catalysts are stacked.
  • the filter cloth dust collector is most widely used as a technology for removing dust from the prior art.
  • a technique for removing nitrogen oxides there is a method using a SCR (Selective Catalytic Reduction) catalyst, and in order to remove SO 2 , a technique of spraying a wet scrubber, a semi-dry or dry desulfurizing agent is applied.
  • SCR Selective Catalytic Reduction
  • devices for reducing dust, nitrogen oxides, and SO 2 are connected and operated in series because the operating conditions of each reduction device are different.
  • a filter bag in the form of a fabric (Fabric) capable of withstanding at a low temperature of 200 ° C or less is mainly used, and in the case of an SCR catalyst for reducing nitrogen oxides, nitrogen oxides are reduced by NH 3 as a reducing agent above 250 ° C.
  • the wet scrubber for reducing SO 2 is 100 ° C. or less, and when a semi-dry or dry desulfurizing agent is sprayed, a reaction is performed at 100 to 170 ° C.
  • Korean Patent Registration No. 10-1104837 introduces a ceramic filter capable of removing dust even at high temperatures of 250 ° C or higher.
  • Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0128219 introduces a filter-type SCR catalyst capable of simultaneously performing dust collection and denitrification at a temperature of 250 ° C or higher by coating an SCR catalyst on a ceramic filter.
  • dust can be removed at a high temperature of 250 ° C or higher, and at the same time, nitrogen oxides can be removed by inducing an SCR reaction.
  • ceramic filters are easily vulnerable to earthquakes because they are easily broken even by small shocks and vibrations, and the desulfurization process is performed at temperatures below 170 ° C, so even if a ceramic filter coated with an SCR catalyst is used, nitrogen oxides There is a problem that the reaction temperature of the reduction process and the desulfurization process cannot be matched.
  • the technology for the process capable of desulfurization as well as dust collection and denitrification has not yet been achieved, and the closest dust collection, denitrification, and desulfurization simultaneous treatment technologies include 1-stage desulfurization reactor and 2 as in Korean Patent Publication No. 10-2012-0047586.
  • a technique using a dust collection / denitrification / desulfurization reactor is mentioned.
  • the above technique has a disadvantage in that the reaction rate is lowered by mixing slaked lime, quicklime, or zeolite powder used as a desulfurization agent when nitrogen oxide and SO 2 of the flue gas are introduced together with a high concentration of dust, and the reaction rate decreases.
  • Patent Document 1 Korean Patent Registration No. 10-1104837
  • Patent Document 2 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0128219
  • Patent Document 3 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2012-0047586
  • the present invention is to solve the above problems, and is not easily broken by external impact, and is to provide an integrated exhaust gas treatment device capable of performing both dust collection, denitrification and desulfurization processes even at high temperatures.
  • a primary dust collector for removing dust in the flue gas generated in the combustion furnace and a metal filter in which pelletized SCR catalyst is stacked are provided, and the dust collecting, desulfurization, and denitrification processes are performed on the flue gas. It provides an integrated exhaust gas treatment device including a single reactor module.
  • the SCR catalyst may be TiO 2 , Al 2 O 3 or a metal-supported zeolite, and the metal may be one or more selected from the group consisting of Sn, W, V, Co, Zr, Ce, and Fe.
  • the metal filter may include at least one metal selected from the group consisting of Fe, Cu, Ni, Cr, Ti, and alloys thereof.
  • the temperature of the single reactor module may be 250 ° C or higher.
  • the concentration of dust discharged from the primary dust collector may be 600 mg / Nm 3 .
  • the integrated exhaust gas treatment device may further include a water supply device, and the water supply device may spray water or steam into the exhaust gas so that the moisture content in the exhaust gas is 5 to 20% by weight.
  • the integrated exhaust gas treatment device further includes a desulfurizing agent supply device, the desulfurizing agent supply amount of the desulfurizing agent supply device is 0.5 to 5 g / Nm 3 , and the desulfurizing agent is slaked lime (Ca (OH) 2 ); Activated carbon; Or it may be a powder of at least one inorganic material selected from the group consisting of Al, Si, Mg and Ca.
  • the integrated exhaust gas treatment device may further include a reducing agent supply device, and the reducing agent supply device may be to inject ammonia gas or urea into the exhaust gas.
  • the reducing agent supply device is to supply the reducing agent so that the molar ratio of NH 3 and nitrogen oxide present in a single reactor module is 0.5 to 1.5, nitrogen oxide measured at the exhaust gas outlet Depending on the concentration, it may be to control the amount of the reducing agent supplied.
  • the integrated exhaust gas treatment device may further include a compressed air supply device that provides compressed air to the metal filter.
  • a metal filter in which pelletized SCR catalysts are stacked to promote a reduction reaction of nitrogen oxides.
  • the SCR catalyst may be TiO 2 , Al 2 O 3 , or zeolite containing one or more metals selected from the group consisting of Sn, W, V, Co, Zr, Ce, and Fe.
  • the metal filter may include one or more metals selected from the group consisting of Fe, Cu, Ni, Cr, Ti, and alloys thereof.
  • the integrated exhaust gas treatment apparatus of the present invention has an advantage that dust collecting, desulfurization, and denitrification are easily performed even at high temperatures using a metal filter in which pelletized SCR catalysts are stacked, and are not easily broken by external impact.
  • pelletized SCR catalyst the dust layer formed on the filter bag can be easily removed.
  • FIG. 1 is a view showing the overall structure of the integrated dust collection, desulfurization, denitrification apparatus of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing the structure of a single reactor module of the present invention.
  • FIG. 3 is a view showing a filter bag equipped with a metal filter of the present invention.
  • the integrated exhaust gas treatment apparatus includes a single reactor module, a primary dust collector disposed in front of the single reactor module, a moisture supply device, a desulfurizing agent supply device, and a reducing agent, as shown in FIG. 1.
  • a supply device and a compressed air supply device may be further included.
  • FIG. 2 shows a single reactor module in which dust, nitrogen oxides (NO x ) and SO 2 to remove dust, denitrification and desulfurization processes are all included in the exhaust gas.
  • a dust collecting and denitrification process is performed using a metal filter in which a pelletized SCR catalyst having a high strength (destructive toughness value of 15 to 100 MPa ⁇ m 1/2 ) compared to a ceramic filter is stacked.
  • pelletizing the SCR catalyst is to smoothly remove the dust layer formed on the surface of the filter bag.
  • the dust contained in the flue gas forms a dust layer on the surface of the filter bag during the dust collection process.
  • the dust layer becomes thicker, the dust collecting performance of the filter bag decreases. Therefore, the dust layer must be properly removed, and for this, air must be injected into the cylindrical filter bag, and the injected air must pass through the filter bag to the outside to be exhausted.
  • the SCR catalyst in the form of a powder is used as a filter bag by being stacked on a metal filter, the dust layer on the surface of the filter bag is not easily removed because of insufficient air permeability. Therefore, it is preferable to use a pelletized SCR catalyst stacked metal filter to improve air permeability.
  • the pelletized SCR catalyst stacked on the metal filter in the present invention may be a metal supported on TiO 2 , Al 2 O 3 or zeolite, and the metal is a group consisting of Sn, W, V, Co, Zr, Ce, and Fe It is preferably one or more selected from, but is not limited thereto.
  • the metal that can be used as the metal filter may be one or more selected from the group consisting of Fe, Cu, Ni, Cr, Ti, and alloys thereof, but is not limited thereto, preferably SUS, Mikel, Titanium , Monel, Inconell, Hastelloy, etc. can be used.
  • one or more inorganic powders selected from the group consisting of Al, Si, Mg, and Ca are used as a desulfurizing agent, and the specific surface area of the powders is preferably 30 m 2 / g or more.
  • the desulfurization reaction formula using the desulfurization agent is as follows.
  • the SO 2 removal rate decreases as the reaction temperature increases. However, when the reaction temperature exceeds about 200 ° C., the SO 2 removal rate increases as the reaction temperature increases, and when the reaction temperature becomes about 350 ° C., the SO 2 removal rate decreases again (FIG. 4).
  • the temperature of the flue gas injected into the single reactor module of the present invention is generally 200 to 400 ° C.
  • the metal filter in which the pelletized SCR catalyst is stacked can be used even at a high temperature of 250 ° C. or higher, so that dust collection, denitrification, and desulfurization processes can be performed without a separate process for raising the temperature of the exhaust gas.
  • the unreacted desulfurizing agent in a single reactor module may be stored in a separate storage device or transferred to a desulfurizing agent supply device, which will be described later, and used again in the desulfurization reaction.
  • the primary dust collector of the present invention is disposed at the front end of the single reactor module, and performs a dust collecting process by gravity, centrifugal force or electric dust collector.
  • a gravity or centrifugal dust collector has a dust removal efficiency of about 70 to 80%.
  • an electrostatic precipitator or filter bag precipitator it is possible to achieve a dust removal efficiency of 90% or more. Therefore, when the concentration of the dust entering the primary precipitator is 2 g / Nm 3 or higher, the electrostatic precipitator or filter bag precipitator It is preferred to use. When the concentration of dust entering the primary dust collector is 2 g / Nm 3 or less, the dust collectors can be used without limitation.
  • the primary dust collector removes high-concentration dust contained in the exhaust gas discharged from the combustion facility.
  • the high concentration of dust and the desulfurizing agent are mixed, and the contact between the desulfurizing agent and SO 2 decreases, thereby decreasing the SO 2 removal rate (FIG. 5). Therefore, it is preferable to remove the high concentration of dust contained in the exhaust gas by the primary dust collector to prevent the SO 2 removal rate from lowering.
  • a moisture supply device, a reducing agent supply device, and a desulfurizing agent supply device may be disposed between the single reactor module and the primary dust collector of the present invention.
  • the arrangement order of the water supply device, the reducing agent supply device, and the desulfurizing agent supply device can be appropriately adjusted according to the process, which is not involved in dust collection, denitrification, and desulfurization efficiency.
  • water, reducing agent, and desulfurizing agent are supplied to the exhaust gas discharged from the primary dust collector, the exhaust gas is evenly mixed with a uniform mixer installed in the pipe and injected into a single reactor module.
  • the nozzle of the water supply device is connected to a pipe connecting the single reactor module and the primary dust collector, and water or steam is injected through the nozzle to increase the SO 2 removal rate of the desulfurizing agent in the single reactor module.
  • the desulfurizer increases the reactivity of SO 2 and Ca 2+ by absorbing moisture in the flue gas and dissociating it into the ionic state of Ca 2+ and OH ⁇ , so the removal rate of SO 2 increases as the moisture content in the flue gas increases.
  • the moisture content in the exhaust gas is 5 to 20% by weight.
  • the desulfurization agent supply device sprays a desulfurization agent with flue gas moving through a pipe, and the desulfurization agent is slaked lime (Ca (OH) 2 ); Activated carbon; Alternatively, one or more inorganic powders selected from the group consisting of Al, Si, Mg, and Ca are used as desulfurizing agents.
  • the desulfurizing agent is suitably supplied so that the removal rate of SO 2 in the reactor module is 50% or more, and may generally be supplied in the range of 0.5 to 5 g / Nm 3 . If the supply amount of the desulfurizing agent does not reach 0.5 g / Nm 3 , there is a problem that a target removal rate for SO 2 is not achieved, and if it exceeds 5 g / Nm 3 , the operation cost of the exhaust gas treatment apparatus of the present invention is excessively high, which is not preferable.
  • the reducing agent supply device directly injects ammonia gas into the flue gas in the ammonia tank, or injects urea directly into the flue gas in the urea tank.
  • nitrogen oxide is reduced using ammonia as a reducing agent, N 2 and H 2 O are generated, and the reduction reaction formulas are as shown in the following formulas (2) to (5).
  • Urea is thermally decomposed at high temperature to produce ammonia and water vapor, and the ammonia produced at this time also reduces nitrogen oxides according to the following formulas (2) to (5).
  • a nitrogen oxide concentration meter is provided, and the amount of the reducing agent supplied in the reducing agent supply device is controlled according to the concentration of the nitrogen oxide measured in the meter.
  • the amount of the reducing agent supplied may be adjusted such that the molar ratio of NH 3 and nitrogen oxide present in a single reactor is 0.5 to 1.5.
  • the nitrogen oxide removal rate becomes 50% or less, and a large amount of nitrogen oxide is discharged through the exhaust gas discharge unit. Due to this, the nitrogen oxide concentration in the exhaust gas outlet is measured high, and the amount of the reducing agent supplied increases.
  • the molar ratio exceeds 1.5, there is a problem that unreacted ammonia remains.
  • the compressed air supply device of the present invention is for removing the dust layer formed on the surface of the metal filter, and is disposed on the top of the metal filter to supply compressed air into the metal filter.
  • compressed air can pass smoothly from inside to outside of the filter. Therefore, the dust layer is efficiently removed, and the dust collection efficiency does not decrease with time.
  • a metal filter in which pelletized SCR catalyst is stacked is provided to promote a reduction reaction of nitrogen oxides.
  • the SCR catalyst may be TiO 2 , Al 2 O 3 or zeolite containing one or more metals selected from the group consisting of Sn, W, V, Co, Zr, Ce, and Fe.
  • the metal that can be used as the metal filter may be one or more selected from the group consisting of Fe, Cu, Ni, Cr, Ti, and alloys thereof, but is not limited thereto, preferably SUS, Mikel, Titanium , Monel, Inconell, Hastelloy, etc. can be used.
  • Table 1 and FIG. 5 show the results of measuring the SO 2 removal rate according to the concentration of dust contained in the exhaust gas introduced into the single reactor module. At this time, the moisture content of the flue gas was 15% by weight, and slaked lime (Ca (OH) 2 ) was used as a desulfurizing agent.

Abstract

본 발명은 펠렛화된 SCR 촉매가 적층된 금속 필터를 사용하여 단일 반응기 모듈에서 집진, 탈황, 탈질 공정을 모두 수행할 수 있는 일체형 배가스 처리 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 금속 필터를 사용함으로써 고온에서도 집진, 탈황, 탈질 공정을 수행할 수 있으며, 외부 충격에도 쉽게 부서지지 않으며, 필터백 상에 형성된 먼지층을 쉽게 제거할 수 있는 일체형 배가스 처리 장치가 제공된다.

Description

금속 필터를 이용한 일체형 배가스 처리 장치
본 발명은 펠렛화된 SCR 촉매가 적층된 금속 필터를 이용한 일체형 배가스 처리 장치에 관한 것이다.
발전소, 제철소 등 에너지를 사용하는 산업체는 석탄, 가스 등의 연료를 이용한 다양한 연소 시설을 운영한다. 석탄, 가스 등의 연료를 사용하면 먼지, 질소산화물(NO x), SO 2 등의 대기 오염 물질이 필수적으로 발생한다. 따라서, 대기 오염 물질을 발생시키는 모든 사업장은 먼지, 질소산화물(NO x), SO 2의 배출을 저감시키기 위해 많은 비용과 노력을 들이고 있다.
종래의 기술 중 먼지를 제거하기 위한 기술로는 여과포 집진기가 가장 널리 사용되고 있다. 한편, 질소산화물을 제거하기 위한 기술로는 SCR(Selective Catalytic Reduction) 촉매를 사용하는 방법이 있으며, SO 2를 제거하기 위해서는 습식 스크러버, 반건식 또는 건식의 탈황제를 분사하는 기술을 적용하고 있다.
일반적으로 먼지, 질소산화물 및 SO 2의 저감을 위한 장치를 직렬로 연결하여 운영하고 있으며, 이는 각 저감 장치의 가동 조건이 상이하기 때문이다. 먼지는 200℃ 이하의 중저온에서 견딜 수 있는 패브릭(Fabric) 형태의 필터백이 주로 사용되며, 질소산화물 저감을 위한 SCR 촉매의 경우 250℃이상에서 질소산화물이 환원제인 NH 3에 의해 환원된다. 한편, SO 2의 저감을 위한 습식 스크러버는 100℃ 이하, 반건식 또는 건식의 탈황제를 분사하는 경우에는 100 내지 170℃에서 반응이 이루어진다.
최근에는 먼지, 질소산화물 및 SO 2의 반응 온도를 일치시키기 위한 기술의 개발이 진행되어 왔다. 대한민국 등록특허 제10-1104837호는 250℃ 이상의 고온에서도 먼지 제거가 가능한 세라믹 필터를 소개한다. 대한민국 공개특허 제10-2017-0128219호는 세라믹 필터에 SCR 촉매를 코팅하여 250℃ 이상의 온도에서 집진과 탈질을 동시에 수행할 수 있는 필터형 SCR 촉매를 소개한다. 세라믹 필터에 SCR 촉매 물질을 코팅하면 250℃ 이상의 고온에서 먼지를 제거할 수 있으며, 동시에 SCR 반응을 유도하여 질소산화물 제거가 가능하게 된다. 그러나 세라믹 필터는 작은 충격이나 진동에도 쉽게 부서지기 때문에 지진 등에 취약하고, 탈황 공정은 170℃ 이하의 온도에서 수행되므로 SCR 촉매가 코팅된 세라믹 필터를 사용하더라도 질소산화물 환원 공정과 탈황 공정의 반응 온도를 일치시킬 수 없는 문제가 있다.
집진 및 탈질 뿐만 아니라 탈황까지 가능한 공정에 대한 기술은 아직 이루어지지 않은 상태이며, 가장 근접한 집진, 탈질, 탈황 동시 처리 기술로는 대한민국 공개특허 제10-2012-0047586호와 같이 1단 탈황 반응기와 2단 집진/탈질/탈황 반응기를 이용한 기술을 들 수 있다. 그러나 상기 기술은 배가스의 질소산화물, SO 2가 고농도의 먼지와 함께 유입될 시 탈황제로 사용되는 소석회, 생석회, 또는 제올라이트 분말이 먼지와 혼합되어 반응율이 떨어지는 단점이 있으며, 일체형 반응기에서 사용한 여과 필터 촉매는 필터에 포집된 먼지를 탈진하기 위한 공기를 여과백과 SCR 촉매 사이에 주입해야 하는 어려움이 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 대한민국 등록특허 제10-1104837호
(특허문헌 2) 대한민국 공개특허 제10-2017-0128219호
(특허문헌 3) 대한민국 공개특허 제10-2012-0047586호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 외부 충격에 쉽게 부서지지 않고, 고온에서도 집진, 탈질 및 탈황 공정을 모두 수행할 수 있는 일체형 배가스 처리 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연소로에서 발생하는 배가스 내의 먼지를 제거하는 1차 집진기 및 펠렛화된 SCR 촉매가 적층된 금속 필터를 구비하고, 상기 배가스에 대하여 집진, 탈황, 탈질 공정이 수행되는 단일 반응기 모듈을 포함하는 일체형 배가스 처리 장치를 제공한다.
상기 SCR 촉매는 TiO 2, Al 2O 3 또는 금속이 담지된 제올라이트일 수 있으며, 상기 금속은 Sn, W, V, Co, Zr, Ce 및 Fe로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 금속 필터는 Fe, Cu, Ni, Cr, Ti 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다.
상기 단일 반응기 모듈의 온도는 250℃ 이상일 수 있다.
상기 1차 집진기에서 배출되는 먼지의 농도는 600mg/Nm 3일 수 있다.
상기 일체형 배가스 처리 장치는 수분 공급 장치를 더 포함하고, 상기 수분 공급 장치는 배가스 내 수분 함유량이 5 내지 20중량%이 되도록 물 또는 스팀을 배가스에 분사하는 것일 수 있다.
상기 일체형 배가스 처리 장치는 탈황제 공급 장치를 더 포함하고, 상기 탈황제 공급 장치의 탈황제 공급량은 0.5 내지 5 g/Nm 3이며, 상기 탈황제는 소석회(Ca(OH) 2); 활성탄; 또는 Al, Si, Mg 및 Ca으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 무기물의 분말인 것일 수 있다.
상기 일체형 배가스 처리 장치는 환원제 공급 장치를 더 포함하고, 상기 환원제 공급 장치는 암모니아 가스 또는 우레아를 배가스에 분사하는 것일 수 있다.
상기 환원제 공급 장치는 단일 반응기 모듈 내에 존재하는 NH 3와 질소산화물의 몰비가 0.5 내지 1.5가 되도록 환원제를 공급하는 것으로, 배가스 배출부에서 측정된 질소산화물 농도에 따라 환원제 공급량을 제어하는 것일 수 있다.
상기 일체형 배가스 처리 장치는 상기 금속 필터에 압축 공기를 제공하는 압축 공기 공급 장치를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 질소산화물의 환원 반응을 촉진하기 위한, 펠렛화된 SCR 촉매가 적층된 금속 필터를 제공한다.
상기 상기 SCR 촉매는 TiO 2, Al 2O 3, 또는 Sn, W, V, Co, Zr, Ce 및 Fe로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속이 담지된 제올라이트일 수 있다.
상기 금속 필터는 Fe, Cu, Ni, Cr, Ti 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일체형 배가스 처리 장치는 펠렛화된 SCR 촉매가 적층된 금속 필터를 사용하여, 고온에서도 집진, 탈황, 탈질이 용이하게 수행되고, 외부 충격에 의해 쉽게 부서지지 않는 장점이 있다. 또한, SCR 촉매를 펠렛화하여 사용함으로써 필터백 상에 형성된 먼지층을 쉽게 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일체형 집진, 탈황, 탈질 장치의 전체 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 단일 반응기 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 금속 필터를 구비한 필터백을 나타낸 도면이다.
도 4는 단일 반응기 모듈 내 반응 온도에 따른 SO 2 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 단일 반응기 모듈 내 인입 먼지 농도에 따른 SO 2 제거율을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 일체형 배가스 처리 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 단일 반응기 모듈, 상기 단일 반응기 모듈 전단에 배치된 1차 집진기를 포함하고, 수분 공급 장치, 탈황제 공급 장치, 환원제 공급 장치, 압축 공기 공급 장치를 추가로 포함할 수 있다.
도 2는 배가스에 포함된 먼지, 질소산화물(NO x), SO 2를 제거하기 위한 집진, 탈질 및 탈황 공정이 모두 수행되는 단일 반응기 모듈을 나타낸 것이다.
종래의 집진 및 탈질 공정은 필터백으로서 SCR 촉매가 코팅된 세라믹 필터를 이용하여 수행되었다. 그러나 세라믹 필터는 파괴인성 값이 0.5 내지 5 MPa·m 1/2 정도로 낮은 값을 가지므로, 작은 충격이나 진동에도 쉽게 부서지기 때문에 지진 등에 취약한 단점이 있다.
본 발명에서는 세라믹 필터에 비해 높은 강도(파괴인성 값이 15 내지 100 MPa·m 1/2)를 갖는 펠렛화된 SCR 촉매가 적층된 금속 필터를 이용하여 집진 및 탈질 공정을 수행한다. 도 3에 도시된 바와 같이, SCR 촉매를 펠렛화하는 것은 필터백 표면에 형성된 먼지층을 원활하게 제거하기 위한 것이다. 배가스에 포함된 먼지는 집진하는 과정에서 필터백 표면에 먼지층이 형성되는데, 상기 먼지층이 두꺼워질수록 필터백의 집진 성능이 저하된다. 따라서 먼지층을 적절히 제거하여야 하며, 이를 위해서는 원기둥 형태의 필터백 내부로 공기를 주입하고, 주입된 공기가 필터백의 내부에서 외부로 통과하여 탈진이 이루어져야 한다. 만약 분말 형태의 SCR 촉매를 금속 필터 상에 적층하여 필터백으로 사용하는 경우, 통기성이 부족하므로 필터백 표면의 먼지층이 쉽게 제거되지 않는다. 따라서 통기성 향상을 위해 펠렛화된 SCR 촉매가 적층된 금속 필터를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 금속 필터에 적층되는 펠렛화된 SCR 촉매는 TiO 2, Al 2O 3 또는 제올라이트에 담지된 금속일 수 있으며, 상기 금속은 Sn, W, V, Co, Zr, Ce 및 Fe로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 금속 필터로 사용될 수 있는 금속으로는 Fe, Cu, Ni, Cr, Ti 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 SUS, Mikel, Titanium, Monel, Inconell, Hastelloy 등의 금속을 사용할 수 있다.
한편, 단일 반응기 모듈 내 탈황 공정에서는 소석회(Ca(OH) 2); 활성탄; 또는 Al, Si, Mg 및 Ca으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 무기물의 분말을 탈황제로 사용하며, 상기 분말의 비표면적은 30m 2/g 이상인 것이 바람직하다.
상기 탈황제를 이용한 탈황 반응식은 하기와 같다.
Ca(OH) 2 + SO 2 + 1/2 O 2 → CaSO 4 + H 2O 식 (1)
소석회에 의한 탈황 반응은 반응 온도가 상승할수록 SO 2 제거율이 감소한다. 그러나, 반응 온도가 약 200℃를 넘어서면 반응 온도가 상승할수록 SO 2 제거율이 증가하며, 이후 반응 온도가 약 350℃가 되면 다시 SO 2 제거율이 감소한다(도 4).
종래에는 집진 공정, 탈질 공정, 탈황 공정을 직렬로 연결된 각각의 반응기에서 수행하고, 각 반응기에서 개별적으로 반응 조건을 설정하였기 때문에, 소석회를 이용한 탈황 공정에서 배가스의 온도를 300℃ 이상으로 승온시킬 필요가 없었다. 따라서, 습식 스크러버를 이용하는 경우에는 100℃ 이하, 반건식 또는 건식 탈황제를 분사하는 경우에는 100 내지 170℃에서 탈황 공정이 수행되었다.
본 발명의 단일 반응기 모듈에 주입되는 배가스의 온도는 일반적으로 200 내지 400℃이다. 상술한 바와 같이 펠렛화된 SCR 촉매가 적층된 금속 필터는 250℃ 이상의 고온에서도 사용 가능하므로, 배가스의 온도를 승온시키기 위한 별도의 공정 없이 집진, 탈질 및 탈황 공정을 수행할 수 있다.
한편, 단일 반응기 모듈에서 미반응 탈황제는 별도의 저장 장치에 저장되거나, 후술할 탈황제 공급 장치로 이송되어 다시 탈황 반응에 이용할 수 있다.
본 발명의 1차 집진기는 상기 단일 반응기 모듈의 전단에 배치되어, 중력, 원심력 또는 전기 집진기에 의해 집진 공정을 수행한다.　1차 집진기로서 중력 또는 원심력 집진기는 약 70 내지 80%의 먼지 제거 효율을 갖는다. 반면, 전기 집진기 또는 여과백 집진기를 사용하는 경우, 90% 이상의 먼지 제거 효율을 달성할 수 있으므로, 1차 집진기로 인입되는 먼지의 농도가 2 g/Nm 3 이상의 고농도인 경우 전기 집진기 또는 여과백 집진기를 사용하는 것이 바람직하다. 1차 집진기로 인입되는 먼지의 농도가 2 g/Nm 3 이하인 경우에는 상기 집진기들을 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 1차 집진기는 연소 시설에서 배출되는 배가스에 포함된 고농도의 먼지를 제거한다. 고농도의 먼지가 제거되지 않은 배가스가 단일 반응기 모듈로 공급되면, 상기 고농도의 먼지와 탈황제가 혼합되고 상대적으로 탈황제와 SO 2의 접촉이 감소하여 SO 2 제거율이 저하된다(도 5). 따라서 SO 2 제거율이 저하되는 것을 방지하기 위해 1차 집진기에 의해 배가스에 포함된 고농도의 먼지를 제거하는 것이 바람직하다.
단일 반응기 모듈에서 SO 2 제거율은 50% 이상인 것이 바람직하며, 상기 SO 2 제거율이 50% 이상이 되도록 하기 위해서는 단일 반응기 모듈로 인입되는 먼지의 농도가 약 600mg/Nm 3 이하가 되어야 한다. 따라서, 1차 집진기에서 배출되는 먼지의 농도 또한 600mg/Nm 3 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 단일 반응기 모듈 및 1차 집진기 사이에는 수분 공급 장치, 환원제 공급 장치, 탈황제 공급 장치가 배치될 수 있다. 상기 수분 공급 장치, 환원제 공급 장치, 탈황제 공급 장치의 배치 순서는 공정에 따라 적절하게 조절할 수 있으며, 이는 집진, 탈질, 탈황 효율에 관여하지 않는다. 1차 집진기에서 배출된 배가스에 수분, 환원제, 탈황제가 공급되면, 배관 내에 설치되어 있는 균일 혼합기에 의해 배가스와 골고루 혼합되어 단일 반응기 모듈로 주입된다.
상기 수분 공급 장치의 노즐은 단일 반응기 모듈 및 1차 집진기를 연결하는 배관과 연결되며, 단일 반응기 모듈에서 탈황제의 SO 2 제거율을 높이기 위해 노즐을 통해 물 또는 스팀을 분사한다. 탈황제는 배가스 내의 수분을 흡수하여 Ca 2+ 및 OH -의 이온 상태로 해리시킴으로써 SO 2와 Ca 2+와의 반응성을 증가시키므로, 배가스에 함유된 수분의 함량이 높을수록 SO 2의 제거율이 증가한다. 반면, 배가스 내 함유된 수분의 함량이 지나치게 높은 경우, 배가스 배출부에서 백연이 발생하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 배가스 내 수분 함량이 5 내지 20중량%인 것이 바람직하다.
상기 탈황제 공급 장치는 배관을 통해 이동하는 배가스로 탈황제를 분사하며, 상기 탈황제는 소석회(Ca(OH) 2); 활성탄; 또는 Al, Si, Mg 및 Ca으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 무기물의 분말을 탈황제로 사용한다.
탈황제는 반응기 모듈 내 SO 2 제거율이 50% 이상이 되도록 적절하게 공급되며, 일반적으로 0.5 내지 5 g/Nm 3 공급될 수 있다. 상기 탈황제 공급량이 0.5 g/Nm 3 에 이르지 못하면 SO 2에 대한 목표 제거율을 달성하지 못하는 문제가 있고, 5 g/Nm 3를 초과하면 본 발명의 배가스 처리 장치 가동 비용이 지나치게 상승하므로 바람직하지 않다.
상기 환원제 공급 장치는 암모니아 탱크에서 암모니아 가스를 직접 배가스에 주입하거나, 우레아 탱크에서 우레아를 직접 배가스에 주입한다. 암모니아를 환원제로 사용하여 질소산화물을 환원시키면 N 2 및 H 2O가 생성되며, 환원 반응식은 하기 식 (2) 내지 식 (5)와 같다. 우레아는 고온에서 열분해되어 암모니아와 수증기를 생성하며, 이때 생성된 암모니아 또한 하기 식 (2) 내지 식 (5)에 따라 질소산화물을 환원한다.
4NO + 4NH 3 + O 2 → 4N 2 + 6H 2O 식 (2)
2NO 2 + 4NH 3 + O 2 → 3N 2 + 6H 2O 식 (3)
6NO + 4NH 3 → 5N 2 + 6H 2O 식 (4)
6NO 2 + 8NH 3 → 7N 2 + 12H 2O 식 (5)
한편, 배가스 배출부의 질소산화물 농도를 측정하기 위한, 질소산화물 농도 측정기가 구비되고, 상기 측정기에서 측정된 질소산화물의 농도에 따라 환원제 공급 장치에서의 환원제 공급량이 제어된다.
상기 환원제 공급량은, 단일 반응기 내에 존재하는 NH 3와 질소산화물의 몰비가 0.5 내지 1.5가 되도록 조절할 수 있다. 상기 몰비가 0.5 이하인 경우 질소산화물 제거율이 50% 이하가 되어, 질소산화물이 배가스 배출부를 통해 다량 배출된다. 이로 인해 배가스 배출부에서의 질소산화물 농도가 높게 측정되어 환원제 공급량이 증가한다. 반면, 상기 몰비가 1.5를 초과하면 미반응 암모니아가 잔존하는 문제가 있다.
본 발명의 압축 공기 공급 장치는 금속 필터의 표면에 형성되어 있는 먼지층을 제거하기 위한 것으로, 금속 필터 상단에 배치되어 금속 필터 내부로 압축 공기를 공급한다. 본 발명에서는 펠렛화된 SCR 촉매를 금속 필터 상에 적층하여 사용함으로써, 압축 공기가 필터 내부에서 외부로 원활하게 통과할 수 있다. 따라서, 먼지층이 효율적으로 제거되며, 시간이 경과함에 따라 집진 효율이 감소하지 않는다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 질소산화물의 환원 반응을 촉진하기 위한, 펠렛화된 SCR 촉매가 적층된 금속 필터가 제공된다.
상기 금속 필터에 적층된 SCR 촉매를 펠렛화하는 것은 필터백 표면에 형성된 먼지층을 원활하게 제거하기 위한 것이다. 촉매를 펠렛화 함으로써 필터백의 통기성이 향상되어 필터백 내부로 주입된 공기가 필터백 외부로 통과하여 탈진이 더욱 효율적으로 이루어질 수 있다. 상기 SCR 촉매는 TiO 2, Al 2O 3 또는 Sn, W, V, Co, Zr, Ce 및 Fe로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속이 담지된 제올라이트일 수 있다.
또한, 상기 금속 필터로 사용될 수 있는 금속으로는 Fe, Cu, Ni, Cr, Ti 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 SUS, Mikel, Titanium, Monel, Inconell, Hastelloy 등의 금속을 사용할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
SO 2 제거율 측정
단일 반응기 모듈에 인입되는 배가스에 포함된 먼지 농도에 따라 SO 2 제거율을 측정한 결과를 표 1 및 도 5에 표시하였다. 이때 배가스의 수분 함량은 15중량%이고, 소석회(Ca(OH) 2)를 탈황제로 사용하였다.
인입 먼지 농도(mg/Nm 3) SO 2 제거율(%)
0 92
200 80
400 67
600 52
800 42
1200 35
1550 30
상기 표 1에서, 단일 반응기 모듈로 인입되는 먼지의 농도가 높을수록 SO 2 제거율이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 탈황제 공급 장치에 의해 공급된 탈황제가 고농도의 먼지와 혼합되는 경우, 상대적으로 탈황제와 SO 2의 접촉이 감소하기 때문이다. 따라서, 50% 이상의 SO 2 제거율을 달성하기 위해서는, 1차 집진기를 가동하여 단일 반응기 모듈 내로 인입되는 먼지의 농도를 600 mg/Nm 3 이하로 조절하여야 한다.
[부호의 설명]
1. 배가스 공급 배관
2. 1차 집진기
3. 집진 먼지 이송 벨트
4. 수분 공급 장치
5. 탈황제 공급 장치
6. 환원제 공급 장치
7. 압축 공기 공급 장치
8. 압축 공기 공급 노즐
9. 단일 반응기 모듈
10. SCR 촉매단
11. 먼지 제거 필터
12. 배가스 배출 배관
13. 집진 먼지 및 폐탈황제 이송 벨트
14, 15. 배가스
16. 탈황제 분말
17. 먼지

Claims (16)

  1. 연소로에서 발생하는 배가스 내의 먼지를 제거하는 1차 집진기 및
    펠렛화된 SCR 촉매가 적층된 금속 필터를 구비하고, 상기 배가스에 대하여 집진, 탈황, 탈질 공정이 수행되는 단일 반응기 모듈을 포함하는 일체형 배가스 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 SCR 촉매는 TiO 2, Al 2O 3 또는 금속이 담지된 제올라이트인 일체형 배가스 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속은 Sn, W, V, Co, Zr, Ce 및 Fe로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 일체형 배가스 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 필터는 Fe, Cu, Ni, Cr, Ti 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 필터인 일체형 배가스 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단일 반응기 모듈의 온도는 250℃ 이상인 일체형 배가스 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 1차 집진기에서 배출되는 먼지의 농도는 600mg/Nm 3인 일체형 배가스 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 일체형 배가스 처리 장치는 수분 공급 장치를 더 포함하고,
    상기 수분 공급 장치는 배가스 내 수분 함유량이 5 내지 20중량%이 되도록 물 또는 스팀을 배가스에 분사하는 것인 일체형 배가스 처리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 일체형 배가스 처리 장치는 탈황제 공급 장치를 더 포함하고,
    상기 탈황제 공급 장치의 탈황제 공급량은 0.5 내지 5 g/Nm 3인 일체형 배가스 처리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탈황제는 소석회(Ca(OH) 2); 활성탄; 또는 Al, Si, Mg 및 Ca으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 무기물의 분말인 것인 일체형 배가스 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 일체형 배가스 처리 장치는 환원제 공급 장치를 더 포함하고,
    상기 환원제 공급 장치는 암모니아 가스 또는 우레아를 배가스에 분사하는 것인 일체형 배가스 처리 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 환원제 공급 장치는 단일 반응기 모듈 내에 존재하는 NH 3와 질소산화물의 몰비가 0.5 내지 1.5가 되도록 환원제를 공급하는 것인 일체형 배가스 처리 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 환원제 공급 장치는, 배가스 배출부에서 측정된 질소산화물 농도에 따라 환원제 공급량을 제어하는 것인 일체형 배가스 처리 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 일체형 배가스 처리 장치는 상기 금속 필터에 압축 공기를 제공하는 압축 공기 공급 장치를 더 포함하는 일체형 배가스 처리 장치.
  14. 질소산화물의 환원 반응을 촉진하기 위한, 펠렛화된 SCR 촉매가 적층된 금속 필터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 SCR 촉매는 TiO 2, Al 2O 3, 또는 Sn, W, V, Co, Zr, Ce 및 Fe로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속이 담지된 제올라이트인 금속 필터.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 금속 필터는 Fe, Cu, Ni, Cr, Ti 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 것인 금속 필터.
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