KR20130084979A - 폐가스로부터 이산화탄소 및 이산화황를 촉매적으로 제거하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다음의 단계를 포함하는 것이 특징인, 활성화된 탄소 촉매로 충진된 반응기 내에서 폐가스로부터 이산화탄소 및 이산화황을 촉매적으로 제거하는 방법에 관한 것이다:
활성화된 탄소를 SO2로 포화시키는 단계;
폐가스를 물로 포화시키거나 부분적으로 포화시키는 단계;
상기 폐가스를 반응기 내에 도입시키는 단계;
SO2를 H2SO4로 촉매적으로 전환시키고, 이와 병행하여 동일한 촉매 상에서 CO2를, C와 O2로 및 황-탄소 화합물로 촉매적으로 전환시키는 단계; 및
상기 촉매를 세척하여 제거하고, 상기 H2SO4를 액체로 배출시키고, 상기 C를 고체로 및/또는 황 화합물과 결합시켜 배출시키는 단계.

Description

폐가스로부터 이산화탄소 및 이산화황를 촉매적으로 제거하는 방법{Method for the catalytic removal of carbon dioxide and sulphur dioxide from exhaust gases}
본 발명은 일반적으로 폐가스로부터 이산화탄소 및 이산화황을 촉매를 이용하여 제거하는 방법에 관한 것이다.
기후 변화에 대한 논의를 통해 우리에게 이용가능한 자원들은 제한되어 있고, 인간의 활동에 의해 발생된 해로운 성분들이 환경에 주요 영향을 끼치며 이것이 장기간의 기후 변화를 야기함이 분명히 입증되었다. 황 배출이 1960대에 주요 관심을 받은 후 이산화탄소 배출은 현재의 주요 관심사가 되고 있다. 수년간의 집중적인 연구를 통해 현재 상기 가스의 생성을 피할 수 있는 방법을 발견하였고, 그 중 가능한 또는 다른 방법들은 대기로부터 상기 가스를 제거할 수 있다. 상기 후자의 방법과 관련하여, 대기로부터 이산화탄소를 고체 또는 액체로 결합시키고 이후 이를 저장하는 다양한 방법들이 제안되어 왔다. 상기 방법들은 예를 들어, WO2005108297A, KR200502862A 및 WO2004098740A에 공지되어 있다. 이산화탄소를 전기화학적으로 감소시키는 방법이 또한 시도되어 왔으며, 이 경우 JP4063115 A에 기술된 바와 같이 전기 에너지가 환경 친화적인 방식으로 태양 에너지로부터 수득될 수 있다.
그러나, 상기 방법들은 문제를 단지 이동시킬 뿐이거나 그 밖에 매우 에너지 집중적인 결점이 있다.
본 발명의 목적은 폐가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법을 제공하는것이다.
상기 목적은 다음의 단계를 포함하는 것이 특징인, 활성화된 탄소 촉매로 충진된 반응기 내에서 폐가스로부터 이산화탄소 및 이산화황을 촉매적으로 제거하는 방법인 본 발명에 의해 달성된다:
활성화된 탄소를 SO2로 포화시키는 단계;
폐가스를 물로 포화시키거나 부분적으로 포화시키는 단계;
상기 폐가스를 반응기 내에 도입시키는 단계;
상기 SO2를 H2SO4로 촉매적으로 전환시키고, 이와 병행하여 동일한 촉매 상에서 CO2를, C와 O2로 촉매적으로 전환시키고/전환시키거나 C를 황 화합물에 첨가하는 단계; 및
상기 촉매를 세척하여 제거하고, 상기 H2SO4를 액체로서 배출시키고, 상기 C를 고체로 및/또는 황 화합물과 결합시켜 배출시키는 단계.
상기 방법의 한가지 이점은 반응 생성물인 H2SO4와 C가 상기 폐가스의 가스상으로부터 분리되고 상기 방법이 종결되었을 때 액체(H2SO4) 및 고체(C 또는 황 화합물 상의 C)로 존재하여 추가로 사용될 수 있다는 것이다.
상기 방법에 의해 이산화탄소 및 SO2를 함유하는 산업 플랜트(plant)로부터의 폐가스를 처리하고 상기 해로운 성분들 모두를 동시에 및 병행하여, 즉, 단일 방법으로 폐가스로부터 완전히 또는 상당한 정도로 제거하는 것이 가능하다.
상기 방법에서 상기 폐가스에 함유된 적어도 40%, 바람직하게는 적어도 50%, 특히 바람직하게는 적어도 60%, 특별히 적어도 82%의 CO2가 전환된다.
본 발명의 내용에서 황-탄소 화합물들은 개수, 산화 상태 및 다른 원소의 존재와 무관하게 황과 탄소를 모두 함유하는 화합물들을 의미하는 것으로 이해된다.
표현 "활성화된 탄소를 SO2/SO3로 포화"는 본 발명의 내용에서 활성된 탄소 촉매가 SO2/SO3/H2SO4 전환에 의해 생성된 충분한 발열 전환 에너지를 가져 후속하는 CO2 전환을 개시시킴을 의미하는 것으로 이해된다. 우리의 테스트로부터 현출된 바와 같이, 이는 1m3 촉매당 20 내지 50 kg의 SO2에 상응한다.
표현 "폐가스를 물로 포화"는 본 발명의 내용에서 매우 미세한 물방울을 연도가스(flue gas) 내 대기의 최대 상대 습도가 100%에 도달할 때까지 온도를 하강시키고 물 함량을 증가시키면서 상기 연도가스 내로 도입하는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 상기 폐가스의 물로의 포화는 바람직하게 퀀치 냉각기(quench cooler) 또는 주입 냉각기(injection cooler) 내에서 실시된다. 상기 물의 pH는 중성이거나, 알칼리성이거나 산성일 수 있다. 상기 폐가스를 포화시키는 데 사용된 상기 물의 pH는 바람직하게는 3 내지 11이고, 특히 바람직하게는 5 내지 9이다.
상기 방법은 SO2가 활성화된 탄소 촉매 상에서 H2SO4로 전환되는 "SULFACID"법과 다소 유사하다. 그러나, 상기 방법에서 이산화탄소는 탄소 및 산소로 전환되지 않고, 황-탄소 화합물로도 전환되지 않는다. 이는 상기 방법에서는 SO2가 SO3를 통해 H2SO4를 형성하도록 전환되는 동안에 발생한 발열 에너지가 상기 촉매 배드에서 수성 덮개(aqueous covering)에 거의 완전히 공급되기 때문이다.
본 발명에 이르게 된 연구와 결합하여 실시된 테스트들을 통해, SULFACID법을 실시한 가능한 통상적은 방법들 모두에서, 당해 테스트들이나 산업 적용 분야에서 CO2 분리가 관찰되지 않음이 확립되었다. 이는 상기 방법에서 SO2가 SO3를 통해 H2SO4를 형성하도록 전환되는 동안에 발생한 발열 에너지가 전술한 H2SO4를 생성하기위해 상기 촉매 배드에서의 수성 덮개에 공급되기 때문이다.
SO2에 대한 CO2의 비가 0.25 mol/mol 내지 0.58 mol/mol인 폐가스가 우선적으로 처리된다. 물론, 상기 2개의 해로운 성분들의 비가 상기 범위를 벗어나는 폐가스를 처리하는 것도 가능하다. 이 경우, 그러나, 상기한 범위를 벗어나는 해로운 성분은 폐가스로부터 완전히 제거되지 않고 부분적으로만 제거된다.
상기 폐가스의 주입구 온도는 바람직하게 주위 온도 내지 150℃이다. 연속 공정에서 더 높은 온도는 촉매를 영구적으로 손상시킬 수 있다.
상기 폐가스의 산소 함량은 실제로는 중요하지 않지만 이상적으로도 적어도 5용적%이어야 한다. 상기 O2 함량은 바람직하게는 상기 SO2 함량보다 8배 더 많아야 한다.
상기 폐가스는 퀀칭 또는 유사한 방법에 의해 물로 상당히 용이하게 포화될 수 있다. 상기 폐가스는 상기 촉매의 무독화 및 응고를 방지하기 위해 가능한 작은 고체, 먼지 등을 자연스럽게 함유해야 한다. 상기 폐가스를 퀀처에 공급하기 전에 통상적인 여과에 의해 상기 폐가스 중 먼지를 제거(제진)할 수 있다.
상기 배기 가스에 대한 SO2 정제 함수(purifying factor)는 촉매의 보조하에 바람직하게 0.4 내지 0.6이다. 따라서, SO2의 40% 내지 60%가 SO3를 통해 H2SO4로 전환된다; 상기 SO2/SO3의 나머지는 반응하여 황-탄소 화합물을 형성하며, 이는 SO2/SO3 형태로 배기 공기로 배출된다. 예: CO2 공정에서 SO2의 100% 분리는 H2SO4로의 40 내지 60% 전환 및 황-탄소 화합물로의 60 내지 40% 전환에 상응한다(SO2/SO3의 과부하(overload)로 H2SO4로 40 내지 60% 이상 전환되지 않고, 상기 초과량은 SO2/SO3의 형태로 배기 공기 중으로 배출된다-이 경우 CO2 분리는 또한 감소되거나 중지된다). 상기 SULFACID 공정에서, SO2 100% 분리와 함께 70 내지 90%의 H2SO4로의 전환이 일어나며, 대략 30 내지 10%의 SO2/SO3가 배기 공기 내로 방출된다. 상기 SULFACID 공정에서 SO2/SO3의 과부하로, 상기 70 내지 90%의 H2SO4로의 전환은 증가되지 않고, 대신 상기 초과량은 SO2/SO3의 형태로 상기 배기 가스로 재도입된다.
따라서, 본 발명에 따른 방법에서, 대량 용적의 유량 및/또는 고농도의 SO2/SO3/CO2와 함께, 요구된 값을 달성하기 위해서는 복수개의 반응기가 병렬로 및/또는 연속하여 연결될 수 있다.
본 발명의 추가 설명 및 이점은 첨부된 도 1을 기초로 하여 본 발명의 가능한 양태의 다음 상세한 설명으로부터 이해될 수 있다. 도면들에서:
도 1은 배치의 개략도이다.
도 2는 테스트 1 동안에 측정된, 반응기의 주입구 및 배출구에서 폐가스의 SO2 함량값을 보여주는 그래프이다.
도 3은 테스트 1 동안에 측정된, 반응기의 주입구 및 배출구에서 폐가스의 CO2 함량값을 보여주는 그래프이다.
도 4는 테스트 2 동안에 측정된, 반응기의 주입구 및 배출구에서 폐가스의 SO2 함량값을 보여주는 그래프이다.
도 5는 테스트 2 동안에 측정된, 반응기의 주입구 및 배출구에서 폐가스의 CO2 함량값을 보여주는 그래프이다.
본 발명을 예시하기 위한 도 1에 도시된 테스트 배치는 테스트 반응기(10)를 포함하며, 상기 반응기의 하부(12)에 테스트 가스가 공급되고 상기 반응기의 상부(14)에 물이 분사된다.
폐가스를 모사하기 위해 사용된 테스트 가스는 가열 장치(16) 내에서 대략 80℃로 가열된 대기공기(ambient air)로 이루어지며, 여기에, 각각 상응하는 밸브(22 및 24)를 통해 SO2가 제1 가압 실린더(18)로부터 후속으로 첨가되고, 또한 제2 가압 실린더(20)로부터 CO2가 첨가된다. 제1 측정 장치(26)는 조성(SO2 함량, CO2 함량, O2 함량), 온도, 유량 용적 및 테스트 가스의 유속을 분석한다.
이후, 상기 테스트 가스를 퀀처(28)에서 물의 증발에 의해 포화 온도로 냉각시킨다. 상기 테스트 가스를 상기 퀀처(28)를 통해 폐가스 팬(30)에 의해 테스트 반응기(10) 내로 유인한다. 퀀처(28)의 배출구에서 먼지 수집기가 물보라(spray)를 포집한다.
상기 테스트 가스는 상기 테스트 반응기(10)를 통해 흐르고 활성화된 탄소 촉매(32)가 여기에서 바닥에서 꼭대기로 배열되고, 이후 제2 측정 장치(34)에서 제1 측정 장치(26)에서와 동일한 파라미터, 즉, 조성(SO2 함량, CO2 함량, O2 함량), 온도, 유량 용적 및 유속을 테스트 반응기(10)로부터 배출된 후 조사하고, 이후 대기로 방출된다.
상기 공정에 필요한 물은 계량 장치(38)를 통해 저장 용기(36)로부터 공급되고, 여기서 유량이 측정되고 테스트 반응기(10)의 상부(14) 내로 펌프(40)를 통해 공급되며, 여기서 물은 상기 테스트 가스의 반대 방향으로 활성화된 탄소 촉매(32)를 통해 흐른다. 퀀처(28)에 필요한 물은 상기 공급수로부터 직접 유입되어 상기 순환기에서 순환한다.
또는, 그러나 상기 공정에 필요한 물은 또한 상기 테스트 가스와 같은 방향으로 흐르는 흐름으로, 즉, 동일한 방향으로 상기 반응기를 통해 공급될 수 있다. 같은 방향으로 흐르는 또는 반대로 흐르는 방법의 선택은 예를 들어 국소적 상태에 따라 달아진다.
상기 SO2는 상기 활성화된 탄소 촉매 상에서 SO2로 촉매적으로 전환되고, 이는 금속으로 추가 함침되지 않으며, 이후 이는 물이 첨가된다면 황산으로 전환된다. 팩킹 물질은 분자체 아래 위치하고 상기 가스를 분포시켜 도핑(doping)될 수 있다. 형성된 황산 및 탄소 및 황-탄소 화합물들은, 상기 촉매의 용적 및 SO2/SO3 농도의 함수로써 상기 가스의 반대로 흐르는 물의 간헐적 분무와 함께 활성화된 탄소 촉매에 의해 세정된다. 파일럿 시스템에서, 1시간 당 2 내지 15 L의 물의 양을 사용하여 1시간 당 1 내지 4회의 분무를 실시하였다. 상기 물은 상기 과정 동안에서 생성된 황산 수용액 및 이에 현탁된 탄소 및 탄소-황 화합물과 함께 상기 테스트 반응기(10)의 하부(12) 내 용기(42)에 포집되고 산 함량이 측정 장치(44)를 통해 측정된다. 상기 황산 수용액은 이후 펌프(46)에 의해 펌핑되고, 상기 유량 용적은 추가의 측정 장치(48)를 통해 확인된다.
기술된 상기 시스템에서, 상기 폐가스의 이산화황은 축축한 촉매 입자 상에서 SO3를 통해 촉매적으로 전환되어 황산을 형성하고, 이산화탄소는 동시에 또는 병행하여 분해되어 탄소 및 산소를 형성한다. 그러나, 탄소의 일부가 또한 황 화합물에 흡수된다.
상기 방법은 다음 조건 하에서 성공적으로 테스트되었다:
ㆍ 반응기 내에 도입 전에 퀀칭에 의한 폐가스의 물 포화.
ㆍ 300 ppm 내지 6000 ppm의 배기 가스의 SO2 함량. 이 경우 이상적인 상태 및 연속적 작동에서 CO2 전환 동안에 174 내지 3480 ppm의 SO2만이 전환될 수 있음을 주목해야 한다. 과량의 SO2는 이 경우 H2SO4 산 형성에 사용되거나 SO2/SO3 형태로 대기 중으로 방출된다.
ㆍ연도가스 중 CO2 함량은 0.1 용적%(1000ppm) 내지 15 용적%(150000 ppm).
ㆍ가스 온도는 10 내지 80℃
ㆍ O2 함량은 대략 20 용적%.
ㆍ 물 포화 및 퀀칭에 의한 폐가스의 냉각.
ㆍ 테스트된 촉매는 상품명 Norit_PK1-3, Norit_PK_2-4 및 Norit_PK_3-5으로 NORIT (소재지: 네델란드 비.브이. 포스트버스 105 NL-3800 AC 아메르스포르트)에 의해 제공되었다.
이들 촉매들은 1-3 mm, 2-4 mm 또는 3-5 mm의 입자 크기를 가진 활성화된 탄소 과립이며, 스팀 활성화에 의해 제조된다. 다음의 일반적인 특성들이 제조자에 의해 보증된다: 요오드가 800; 메틸렌 블루 흡수 11g/100g; 내부 표면적(BET) 875 m2/g; 벌크 밀도 260 kg/m3; 역세후밀도(density after back-wash) 230 kg/m3; 균일성 인자 1.3-애쉬(ash) 함량 7 중량%; pH 알칼리성; 습도 (충진된) 2 중량%.
본 테스트에서 Testo 브랜드의 연도가스 분석 장치가 사용되었다. 상기 장치는 가장 새로운 기종(제조년도 2009년)으로 제조자에 의해 보정되었다. 추가로, 이들 연도가스 분석 장치의 분석 데이터는 병행하여 실시된 습식-화학적 측정으로 확인되었다. 모든 측정 결과들은 인정될만한 편차 허용값 범위 내였다.
촉매 표면에서 SO2의 H2SO4로의 전환 과정은 다음의 전체 화학식에 상응한다:
SO2 + ½O2 + n H2O (촉매적으로) ⇒ H2SO4 + (n-1) H2O
특정 이론에 얽매이진 원치 않지만 다음과 같이 추정된다:
ㆍ O2와 SO2가 촉매의 활성 중앙 쪽으로 이동하고 여기서 이들은 SO3로 전환된다.
ㆍ SO3는 촉매의 활성 중앙으로부터 바깥쪽으로 이동하고 촉매 코어 주위의 수성 덮개와 함께 H2SO4를 형성한다.
ㆍ SO2는 상기 반응식에 따라 산소 및 물과 반응하여 황산을 형성한다.
ㆍ 대략 SO2 분자와 동일한 크기인 CO2 분자가 또한 촉매 코어의 구멍으로 이송되고, 여기서 형성 에너지의 추가에 의해 분리되어 황 화합물 상에 흡수된다. 상기 코어 주위의 수성 덮개에서 형성된 농축된 황산은 높은 표면 장력(비표면)을 통해 CO2의 C 부분과 O2를 흡수한다. '탄소-황 화합물'이 따라서 형성된다.
그 중에서도 다음 반응이 일어난다:
CO2 + SO2 + H2O →C + H2SO4 + ½O2
H2SO4 + CO2 → SCO3 + H2O + O2
ㆍ 황 화합물 상에 위치하는 C 부분은 현탁액으로 황산 내 제공된다.
ㆍ 상기 형성된 탄소 화합물들은 물로 세척하여 촉매로부터 황산의 현탁액으로 방출되며, 이로써 황산으로 희석된다. 상기 탄소 화합물들은 단기간의 시간 후에 침전을 형성한다.
상기 촉매를 세척하는 데 연수(softened water) 또는 탈미네랄화된 물이 사용될 수 있다.
특정 이론에 얽매이길 원치 않지만, SO2가 산화되어 SO3를 생성할 때 및/혹은 황산의 형성(SO3-H2SO4) 동안에 생긴 열 에너지를 사용하여 상기 CO2가 흡수되는 것으로 추정된다. 상기 산화 동안에 방출되는 발열 에너지는 △HR = -98.77 kJ/mol이고; 황산 형성에 대해서는 이 값은 △HR = -123.23 kJ/mol이고; 따라서, 총 발열 에너지는 △HR 전체 = -231 kJ/mol이 이용가능하다. CO2 전환에 필요한 +394.4 kJ/mol 의 에너지는 SO2의 SO3로의 발열 반응으로부터 끌어올 수 있거나, SO2 내지 SO3의 H2SO4로의 2개의 발열 반응으로부터 끌어올 수 있다. 이는 -98.77 kJ/mol 내지 -231 kJ/mol의 발열 에너지가 이용될 수 있음을 의미한다.
이상적으로, 즉, 에너지 손실이 없을 때, 산화 동안에 0.25 mol의 CO2를 SO2 mol 당 SO3로 전환시키는 것이 따라서 가능하다. 그러나, 산이 또한 생성되고, 따라서 이상적 상황에서 0.58 mol의 CO2가 mol 당 SO2로 전환되거나 0.39 kg의 CO2가 kg 당 SO2로 전환되고 동시에 1.53 kg의 H2SO4가 생성된다. 그러나, 예를 들어 상기 언급된 황-탄소 화합물의 형성 외에 다른 반응들이 또한 일어날 수 있음을 주목해야 한다.
상기 언급된 CO2 분리 반응들은 황산 형성에 대해 촉매의 구멍에서 특정 수준의 SO2로의 포화가 달성될 때만 일어날 수 있다. 이러한 평형은 충분한 SO2가 SO3로 전환되었을 때 반응기 내에서 발생하고 황산을 형성하기 시작한다. 상기와 같은 상태는 적용된 접근법(공급된 SO2/SO3 양)에 따라 대략 20 내지 100 시간의 작동 시간 후에 도달한다. 상기 상태는 산 형성의 중량 백분율과는 무관하다. 이러한 이유로, 상기 과정은 또한 상이한 중량 백분율의 산(H2SO4)으로 실시될 수 있다. 예: 상기 CO2 과정에서 100%의 SO2 분리는 40 내지 60%의 SO2가 H2SO4로 전환되는 것 및 60 내지 40%의 SO2가 황-탄소 화합물로 전환되는 것에 상응한다.
테스트 1
아래 조건 하에 테스트를 실시하였다.
원료 가스 용적 유량 min.
max.		 200
300		 m3/h
m3/h
CO2 함량 (주입구) min.
max.		 0.20
1.50		 용적%
용적%
SO2 함량 (주입구) min.
max.		 300
4,500		 ppm
ppm
폐가스 온도 min.
max.		 10
12		 ℃
℃
이슬점 온도 포화된
O2 함량 >20 용적%
반응기는 유리 섬유 강화 플리스틱 재질로 이루어져 있으며, 이의 용적은 약 2 m3이고 Norit_PK_2-4 타입의 1 m3의 활성화된 탄소 촉매로 충전되어 있다.
제1 상에서, 테스트 시스템은 가스 실린더로부터 SO2의 첨가와 함께 대략 50 시간 동안 운행되고, 이 경우 3,000 내지 4,000 ppm의 SO2가 첨가되었다. 전체적으로, 반응기는 대략 45kg의 SO2(촉매 1m3 당 대략 45 kg의 SO2)로 충전되었다. 이 테스트에 있어서, 1시간 당 2 내지 15L의 물을 1시간 당 1 내지 4부로 나누어 첨가하였다. 이 경우, SULFACID 공정과는 대조적으로, 황산의 유의한 농도도 관찰되지 않았다(4 내지 6 중량%). CO2를 대략 40시간 후에 제진하였다(촉매 1m3 당 대략 36 kg의 SO2). 폐가스의 SO2 및 CO2 함량을 도 1에 도시된 바와 같이 반응기의 주입구 및 배출구에서 각각의 경우에 측정하였다. 상기 측정은 매 30초마다 실시하였고 이를 도 3 및 도 4의 그래프에 나타내었다. 이 경우에서 관찰된 제1 측정값은 촉매로 포화 후, 즉, 반응기를 개시한 40시간 후에 획득되었다. CO2 농도는 1.0 용적% 내지 1.55 용적% 사이에서 반복적으로 변동하였고 CO2 정제값은 평균 60% 미만이었음이 확립되었다. 테스트를 대략 40분에 거쳐 연속적으로 실시하였다. 상기 전체 기간 동안, 도 3에 도시된 바와 같이 처리된 폐가스는 SO2를 더 이상 함유하지 않았다.
상기 활성화된 탄소 촉매가 SO2로 과부하되면, CO2는 부분적으로만 또는 심지어 전혀 전환되지 않을 수 있다. 그렇지 않으면 CO2의 전환이 H2SO4 전환에 유리하게 감소되거나, 증가된 SO2/SO3가 폐공기 내로 방출되기 때문에 상기 공정 동안 물의 양은 또한 첨가되지 않아야 한다. 통상적인 SULFACID 공정의 경우에는 훨씬 많은 양의 물이 첨가됨을 주목해야 한다. 예를 들어, 비교 SULFACID 공정에서, 대략 8 내지 10L가 매 15분에 규칙적으로 첨가된다(촉매 1m3 당 1시간 당 32 내지 40L). 대조적으로, 상기 CO2 공정에서, 최대 15L(일반적으로 8L)가 매 시간 불규칙한 간격으로 첨가된다.
테스트 2
원료 가스 용적 유량 min.
max.		 200
300		 m3/h
m3/h
CO2 함량 min.
max.		 0.30
1.00		 용적%
용적%
SO2 함량 (주입구) min.
max.		 300
500		 ppm
ppm
폐가스 온도 min.
max.		 70
80		 ℃
℃
이슬점 온도 포화된
O2 함량 >20 용적%
반응기는 유리 섬유 강화 플리스틱 재질로 이루어져 있으며, 이의 용적은 약 2 m3이고 Norit_PK_2-4 타입의 0.3 m3의 촉매로 충전되어 있다.
제1 상에서, 테스트 시스템은 가스 실린더로부터 SO2의 첨가와 함께 대략 50 시간 동안 운행되고, 이 경우 낮은 수준의 촉매 충전으로 인해 300 내지 500 ppm의 SO2가 첨가되었다. 전체적으로, 반응기는 대략 15kg의 SO2(촉매 1m3 당 대략 50 kg의 SO2)로 충전되었다. 이 테스트에 있어서, 물은 비주기적으로 첨가되었다. 1시간 당 2 내지 5L의 물이 시간당 1 내지 4부로, 즉, 촉매 1m3 당 1시간 당 6.6 내지 16.6L로 첨가되었다. 상기 경우, SULFACID 공정과는 대조적으로, 황산의 유의한 농도가 관찰되지 않았다(1 내지 2 중량%). CO2를 대략 40시간 후에 제진하였다(촉매 1m3 당 대략 40 kg의 SO2). 폐가스의 SO2 및 CO2 함량을 도 1에 도시된 바와 같이 반응기의 주입구 및 배출구에서 각각의 경우에 측정하였다. 상기 측정은 매 30초마다 실시하였고 이를 도 4 및 도 5의 그래프에 나타내었다. 이 경우에서 관찰된 제1 측정값은 촉매로 포화 후, 즉, 반응기를 개시한 40시간 후에 획득되었다. CO2 농도는 0.8 용적% 내지 0.3 용적% 사이에서 반복적으로 변동하였고 CO2 정제값은 평균 85% 초과이었음이 확립되었다. 테스트를 대략 2시간에 거쳐 연속적으로 실시하였다. 상기 전체 기간 동안, 도 3에 도시된 바와 같이 거의 100%의 SO2 전환이 동시에 달성되었다.
본 발명과 결합하여 실시된 상기 테스트들은 CO2 분리를 개시하기 위해서는 촉매의 특정 수준의 SO2로의 포화가 존재해야 함을 보여준다(테스트들 참조). 이러한 수준의 포화에 도달하기까지는 테스트 1에서와 같이 CO2 분리가 일어나지 않거나 낮은 분리 수준의 부분적인 CO2 분리만이 일어난다. 상기 경우에서 흡수된 O2의 양은 더 적은 SO2/SO3이 또한 반응기로부터 방출되고 필요하다면 더 많은 양의 SO2/SO3이 분리될 수 있는 방식으로 SO2/SO3의 H2SO4로의 전환에 긍정적인 효과를 갖는 것으로 추정된다. SULFACID 공정과는 대조적으로, 상기 발열 에너지는 CO2를 분리하는 데 사용되고, 배드에서 수성 덮개로 방출되지 않는다.
CO2 분리에서 중요한 기준은 촉매의 SO2 정제 함수이다. 이는 SO2의 H2SO4의 전환에 있어 정상적인 연속 작동 하에서 (SULFACID 작동에서) 0.7 및 0.9이다. 이는 또한 10 내지 15 중량%의 산 농도를 생성한다. CO2 분리를 위해서 촉매의 SO2 정제 함수는 더 낮다. 상기 테스트는 대략 40 내지 60%의 SO2가 H2SO4로 전환됨을 보여준다. 이는 또한 이들 경우에서 산 농도가 1 중량% 내지 6 중량%임을 확인시켜 준다.
[테스트 반응기(10)의 도면 부호]
10 테스트 반응기
12 하부
14 상부
16 가열 장치
18,20 가압 실린더
22,24 밸브
26 제1 측정 장치
28 퀀처
30 폐가스 팬
32 활성화된 탄소 촉매
34 제2 측정 장치
36 저장 용기
38 계량 장치
40 펌프
42 용기
44 측정 장치
46 펌프
48 측정 장치

Claims (9)

  1. 다음의 단계를 포함하는 것이 특징인, 활성화된 탄소 촉매로 충진된 반응기 내에서 폐가스로부터 이산화탄소 및 이산화황을 촉매적으로 제거하는 방법:
    활성화된 탄소를 SO2로 포화시키는 단계;
    폐가스를 물로 포화시키거나 부분적으로 포화시키는 단계;
    상기 폐가스를 반응기 내에 도입시키는 단계;
    SO2를 H2SO4로 촉매적으로 전환시키고, 이와 병행하여 동일한 촉매 상에서 CO2를, C와 O2로 및 황 탄소 화합물로 촉매적으로 전환시키는 단계; 및
    상기 촉매를 세척하여 제거하고, 상기 H2SO4를 액체로 배출시키고, 상기 C를 고체로 및/또는 황 화합물과 결합시켜 배출시키는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폐가스 중 SO2 및 CO2의 비가 0.25 내지 0.58 mol/mol인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 폐가스의 주입구 온도가 주위온도 내지 150℃인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 폐가스 중 O2 함량이 적어도 5 용적%인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 O2 함량이 상기 SO2 함량보다 8배 이상 많은 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 폐가스가 퀀칭(quenching)에 의해 물로 포화된 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 촉매를 세척하는 데 연수 또는 탈미네랄화된 물이 사용되는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 촉매가 상기 폐가스와 같은 방향으로 흐르는 흐름으로 또는 반대 방향으로 흐르는 흐름으로 세척되는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 촉매의 SO2 정제 함수가 0.4 내지 0.6인 방법.
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