먼지와 질소산화물의 동시처리를 위한 촉매필터의 질소산화물 제거특성에 대한 연구 = (A) study on the NOx removal characters of catalytic filter for simultaneous reduction of dust and NOx

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 실제 발전소 등에서 집진공정과 NOx저감 SCR공정이 함께 설치된 공정에서 나타나는 촉매의 활성저하 및 plugging 현상과 재 가열해야하는 에너지 손실 등의 문제점들을 해결하여 열효율 향상과 처리비용 절감 및 장치설비 공간, 설치비용 등의 절감 등의 효과를 얻기 위해 질소산화물 제거를 위한 촉매공정과 먼지제거를 위한 집진공정을 일체화한 hybrid system의 촉매필터를 고안하여 제작하였다. 일차적으로 촉매필터의 NOx 전환율에 대한 실험을 수행하였으며, 그에 따른 필터에 담지된 촉매의 양, NH₃/NOx 몰비, Face velocity, 시간, 온도 등에 대해 각각 NOx 전환율 test 및 slip되는 NH₃ 검출 등 기초적인 실험을 실시하여 실험결과를 토대로 NOx 저감용 촉매필터개발에 필요한 조건들을 알아보았다.
촉매를 코팅시키기 위해서는 필터의 표면뿐만 아니라 내부까지 코팅하기 위해 코팅장치를 제작하여 실시한 결과 SEM분석을 통해 필터의 각 fiber에 촉매가 내부까지 고르게 코팅이 되었으며, 필터의 pore를 막는 현상은 없었다. 하지만 바인더의 영향으로 고정층에서의 실험과 비교하여 전환율이 낮아졌으며, 이점에 대해서는 새로운 바인더의 개발을 필요로 한다. 촉매필터의 반응성 실험결과 먼저 face velocity 결과로부터 촉매필터는 불규칙하게 구성된 fiber에 의해 유체의 흐름이 불규칙하여 반응gas와 촉매와의 mass transfer를 증가시키게 되므로 honeycomb에 비해 space velocity가 2.5배 크더라도 같은 전환율을 얻었다. 촉매의 담지량은 필터의 압력손실을 감안하여 그 양을 결정해야하며, 촉매의 담지량별 실험결과 촉매의 담지량이 증가할수록 높은 전환율을 보였으나 그 담지량을 10.97g 이상 증가시킬 경우 증가율이 감소되는 경향을 나타냈다. 따라서 촉매의 최적 담지량을 10.97g로 결정했으며, 단위면적당 촉매코팅양은 0.46g/㎠이다. 반응온도는 230℃이상에서 NH₃가 자체산화와 고온에서의 NO₂생성으로 인해 반응에 필요한 NH₃의 감소로 전환율이 약간 감소하는 결과를 얻었으며, NH₃의 배출은 온도전역에서 NH₃/NOx mole ratio 1.0부터 배출되기 시작하므로 NH₃로 인한 2차 오염을 방지하기 위해 0.9 이하에서 결정해야한다. 또한 face velocity 실험결과 0.8에서 2.0사이에서 90～82%의 전환율을 얻었다.
따라서 0.46g/㎠의 촉매를 코팅한 필터에, 반응온도 190～230℃, face velocity 0.8～1.6m/min, NH₃/NOx mole ratio 0.9로 실험조건을 할 경우, NOx를 85% 제거할 수 있으며, 또한 NH₃에 의한 2차 오염도 방지할 수 있는 것으로 나타났다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The typical air pollution control devices (Bag filter or Selectively Catalyst Reactor) were used to have some troubles, such as plugging, catalyst activity drop, and energy loss for flue gas re-heating, during the operation to control the particulate matters and NOx from power plant as the emission source. This study was focused on the energy, cost, and spatial effective process which referred as hybrid system; combined process of catalytic process for NOx and particulate matter control.
The NOx conversion rate and detection of slipped NH₃ were investigated to estimate the appropriate amount of catalyst, NH₃/NOx mole ratio, face velocity of flue gas, residence time, and temperature.
To coat filter with catalyst, the coater, which was available to coat not only surface but also inner space of filter fiber, was needed. It was regarded that the catalyst was fluently coated on surface and inside without any stopping pore of filter as the result of SEM analysis. However, the NOx conversion rate in the experiment of coated filter was lower than the fixed bed experiment's because of the binder. The advanced binder will be required in further research.
Even though the catalytic filter had 2.5 times faster space velocity than honeycomb's, it showed similar NOx conversion rate with honeycomb type because of its irregular flow by porous fiber. The amount of catalyst loaded on the fiber must be decided with the consideration of pressure drop of filter. The NOx conversion rate was increased with the amount of catalyst loaded on the filter; however, after more than 10.97g of catalyst loaded, the conversion rate was decreased. Thus, the optimum amount of catalyst loaded was regarded as 0.46g catalyst per unit area of filter.
The NOx conversion rate was decreased at the temperature 230℃ and above, because NH₃ was oxidized by itself and was decreased by forming NO₂ under the high temperature. The drawing off of NH₃ was observed after the NH₃/NOx mole ratio 1.0 in all experimented temperature (150-230℃), so that the mole ratio must be below 0.9 to prevent secondary contamination. Additionally, the NOx conversion rate showed 90% and 82% at the mole ratio 0.8 and 2.0, respectively, as results from the face velocity experiment.
As the conclusions, the optimum conditions of NOx control in hybrid system were regarded to the conditions such as 0.46g catalyst coated per unit area of filter, 190～230℃ of reaction temperature, 0.8～1.6m/min of face velocity, and 0.9 of NH₃/NOx mole ratio to eliminate 85% of NOx and to prevent the secondary contamination.

목차 (Table of Contents)

• 그림차례 = ⅶ
• 표 차 례 = ⅸ
• 국문요약 = ⅹ
• 제 1장 서 론 = 1
• 제 2장 이론적 배경 = 3
• 2.1 질소산화물 = 3
• 2.2 질소산화물 생성 = 3
• 2.2.1 Thermal NOx = 4
• 2.2.2 Prompt NOx = 4
• 2.2.3 Fuel NOx = 6
• 2.3 질소산화물 저감기술 = 7
• 2.4 선택적 촉매환원법 = 9
• 2.5 여과포 집진기술 = 10
• 2.5.1 여과포 집진장치의 필요성 = 10
• 2.5.2 집진원리 = 11
• 2.5.3 먼지포집 메카니즘 = 12
• 2.5.3.1 중력침강 = 12
• 2.5.3.2 관성충돌 = 13
• 2.5.3.3 집접차단 = 13
• 2.5.3.4 확 산 = 13
• 2.5.3.5 정전기력 = 14
• 2.6 촉매필터 = 14
• 제 3장 실 험 = 17
• 3.1 촉매 및 촉매필터 제조 = 17
• 3.1.1 촉매제조 = 17
• 3.1.2 촉매필터 제 = 17
• 3.2 실험장치 및 방법 = 19
• 3.3 촉매 및 필터의 특성분석 = 24
• 3.3.1 촉매의 특성분석 = 24
• 3.3.2 필터의 특성분석 = 24
• 제 4장 결과 및 고찰 = 25
• 4.1 특성분석 = 25
• 4.1.1 촉매의 특성분석 = 25
• 4.1.2 집진필터의 특성분석 = 32
• 4.1.3 촉매필터의 특성분석 = 35
• 4.2 반응성 연구 = 38
• 4.2.1 촉매의 선정 = 38
• 4.2.2 촉매담지량의 영향 = 40
• 4.2.3 반응온도의 영향 = 42
• 4.2.3.1 시간의 영향 = 42
• 4.2.3.2 반응온도의 영향 = 44
• 4.2.4 Face velocity의 영향 = 46
• 4.2.5 NH3/NOx mole ratio의 영향 = 49
• 제 5장 결 론 = 55
• 참고문헌 = 57
• ABSTRACT = 61