KR20200059119A - 배기가스 처리장치 - Google Patents

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Abstract

배기가스 처리장치를 개시한다.
본 발명의 일실시예에 따른 배기가스 처리장치는 배기가스가 유입되는 반응기; 배기가스가 상기 반응기에 유입되기 전에 배기가스에 환원제나 상기 환원제가 되는 환원제 전구체를 혼합하는 환원제 공급유닛; 및 상기 배기가스가 상기 반응기에 유입된 이후에, 상기 반응기 내부에 재생제를 공급하는 재생제 공급유닛; 을 포함할 수 있다.

Description

배기가스 처리장치{EXHAUST GAS TREATMENT APPARATUS}
본 발명은 배기가스를 처리하는 배기가스 처리장치에 관한 것이다.
배기가스 처리장치는 엔진 등의 배기가스 배출장치로부터 배출되는 배기가스를 처리한 후 외부로 배출되도록 하는 장치이다.
이러한 배기가스 처리장치로는 배기가스로부터 황산화물이 제거되도록 하는 스크러버와, 배기가스로부터 질소산화물이 제거되도록 하는 SCR(Selective Catalyst Reduction)이라고 불리우는 선택적 촉매환원장치 등이 있다.
종래, 배기가스로부터 황산화물과 질소산화물을 모두 제거하기 위해서는 전술한 스크러버와 선택적 촉매환원장치가 모두 구비되어야만 하였다. 이외, 경우에 따라서 배기가스로부터 황산화물을 제거하거나 질소산화물을 제거하는 경우에도 전술한 스크러버와 선택적 촉매환원장치가 모두 구비되어야만 하였다.
따라서, 선박 등과 같이 여유공간이 많지 않은 곳에서는, 스크러버와 선택적 촉매환원장치를 모두 설치하는 것이 용이하지 않기 때문에, 배기가스로부터 황산화물과 질소산화물을 동시에 제거하거나, 경우에 따라 배기가스로부터 황산화물 또는 질소산화물을 제거하는 것이 용이하지 못하였다.
또한, 종래 스크러버에서는 해수나 청수 등의 처리수를 배기가스에 분사하여 배기가스로부터 황산화물을 제거하며, 이러한 경우에는 사용되는 처리수의 양이 많기 때문에, 스크러버 이외에, 처리수를 스크러버에 공급하는 구성과, 배기가스로부터 황산화물을 제거하여 황산화물이 포함된 처리수를 처리하는 구성이 별도로 구비되어야만 하였다.
본 발명은 상기와 같은 종래에서 발생하는 요구 또는 문제들 중 적어도 어느 하나를 인식하여 이루어진 것이다.
본 발명의 목적의 일 측면은 하나의 배기가스 처리장치로 배기가스로부터 황산화물과 질소산화물을 동시에 제거할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 목적의 다른 측면은 배기가스가 반응기에 유입되기 전에 배기가스에 환원제나 상기 환원제가 되는 환원제 전구체를 혼합하고, 배기가스가 반응기에 유입된 이후에, 반응기 내부에 재생제를 공급하도록 하는 것이다.
상기 과제들 중 적어도 하나의 과제를 실현하기 위한 일실시 형태와 관련된 배기가스 처리장치는 다음과 같은 특징을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시 형태에 따른 배기가스 처리장치는 배기가스가 유입되는 반응기; 배기가스가 상기 반응기에 유입되기 전에 배기가스에 환원제나 상기 환원제가 되는 환원제 전구체를 혼합하는 환원제 공급유닛; 및 상기 배기가스가 상기 반응기에 유입된 이후에, 상기 반응기 내부에 재생제를 공급하는 재생제 공급유닛; 을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 반응기에는 배기가스가 유입되도록 하는 배기가스 유입구가 구비되며, 상기 재생제 공급유닛에서는 배기가스 유동방향으로 상기 배기가스 유입구로부터 소정 거리 떨어진 상기 반응기 내부의 부분에 상기 재생제를 공급할 수 있다.
또한, 상기 반응기에는 처리된 배기가스가 배출되는 배기가스 배출구가 구비되며, 상기 재생제 공급유닛에서는 상기 배기가스 배출구 측의 상기 반응기 내부의 부분에 상기 재생제를 공급할 수 있다.
그리고, 상기 반응기 내부에 구비되는 흡착촉매부재; 를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 환원제와, 상기 흡착촉매부재에 부착된 흡착촉매제에 의해 배기가스에 포함된 질소산화물이 제거되며, 상기 흡착촉매제에 의해 배기가스에 포함된 황산화물이 흡착되고 배기가스에 포함된 질소산화물이 순차적으로 제거될 수 있다.
그리고, 상기 흡착촉매제는 배기가스에 포함된 황산화물이 흡착되고 질소산화물이 순차적으로 제거되도록 하는 흡착제와, 배기가스에 포함된 질소산화물이 상기 환원제에 의해서 질소로 환원되어 배기가스로부터 제거되는 것을 돕는 촉매를 포함할 수 있다.
또한, 상기 흡착촉매제는 상기 흡착제와 촉매가 혼합된 분말형태이고, 상기 흡착촉매부재에 압출성형이나 접착물질에 의해서 부착될 수 있다.
그리고, 분말형태의 상기 촉매가 먼저 압출성형이나 접착물질에 의해서 상기 흡착촉매부재에 부착된 후에, 분말형태의 상기 흡착제가 접착물질이나 압출성형에 의해서 상기 흡착촉매부재에 부착될 수 있다.
또한, 배기가스에 포함된 황산화물은 화학반응에 의해서 상기 흡착제에 흡착되어 탈황부산물로 됨으로써 배기가스로부터 제거되며, 배기가스에 포함된 질소산화물은 상기 탈황부산물과 화학반응하여 탈질부산물이 됨으로써 배기가스로부터 제거될 수 있다.
그리고, 상기 재생제는 배기가스에 포함된 상기 질소산화물, 황산화물, 탈황부산물 및, 탈질부산물과 화학반응하여 흡착제 전구체를 만들고, 상기 흡착제 전구체는 배기가스의 열로 열분해 되어 상기 흡착제로 재생될 수 있다.
또한, 상기 재생제는 알칼리 수용액일 수 있다.
그리고, 상기 흡착제 전구체의 열분해와 상기 환원제와 촉매에 의한 질소산화물의 질소로의 환원이 가능하도록 상기 반응기 내부의 배기가스의 온도는 200℃ 이상 500℃ 미만일 수 있다.
또한, 상기 흡착제는 산화철(Fe2O3)과 산화구리(CuO) 및 산화세륨(CeO) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 흡착제는 산화철(Fe2O3)이고 상기 흡착제 전구체는 수산화철(Fe(OH)3)일 수 있다.
또한, 상기 촉매는 바나듐(V)과 텅스텐(W) 및 산화티타늄(TiO2) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 배기가스 처리장치로 배기가스로부터 황산화물과 질소산화물을 동시에 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스가 반응기에 유입되기 전에 배기가스에 환원제나 상기 환원제가 되는 환원제 전구체를 혼합하고, 배기가스가 반응기에 유입된 이후에, 반응기 내부에 재생제를 공급할 수 있다
도1은 본 발명에 따른 배기가스 처리장치의 일실시예의 사시도이다.
도2는 본 발명에 따른 배기가스 처리장치의 일실시예에서 배기가스가 처리되는 것을 나타내는 도면이다.
도3은 본 발명에 따른 배기가스 처리장치의 다른 실시예들을 나타내는 도면이다.
도4와 도5는 본 발명에 따른 배기가스 처리장치가 선박에 설치되는 경우를 나타내는 도면이다.
도6과 도7은 본 발명에 따른 배기가스 처리장치에 포함되는 흡착촉매부재에 부착되는 흡착촉매제의 성능을 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.
도8은 본 발명에 따른 배기가스 처리장치와 배기가스 처리방법에서 배기가스로부터 질소산화물과 황산화물 각각이 제거되는 관련 화학반응식을 나타내는 도면이다.
도9는 본 발명에 따른 배기가스 처리장치와 배기가스 처리방법에서 배기가스로부터 질소산화물과 황산화물이 제거되는 과정을 나타내는 일례를 나타내는 도면이다.
도10은 본 발명에 따른 배기가스 처리장치와 배기가스 처리방법에서 흡착촉매부재에 부착된 흡착촉매제의 흡착제가 흡착제 재생제에 의해서 재생되는 과정을 나타내는 도면이다.
상기와 같은 본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 본 발명의 실시예와 관련된 배기가스 처리장치와 배기가스 처리방법에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 하겠다.
이하 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술적인 특징을 이해시키기에 가장 적합한 실시예들을 기초로 하여 설명될 것이며, 설명되는 실시예들에 의해 본 발명의 기술적인 특징이 제한되는 것이 아니라, 이하 설명되는 실시예들과 같이 본 발명이 구현될 수 있다는 것을 예시하는 것이다. 따라서, 본 발명은 아래 설명된 실시예들을 통해 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하며, 이러한 변형 실시예는 본 발명의 기술 범위 내에 속한다 할 것이다. 그리고, 이하 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 기재된 부호에 있어서, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.
이하, 도1 내지 도10을 참조로 하여 본 발명에 따른 배기가스 처리장치와 배기가스 처리방법에 대하여 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 배기가스 처리장치의 일실시예의 사시도이며, 도2는 본 발명에 따른 배기가스 처리장치의 일실시예에서 배기가스가 처리되는 것을 나타내는 도면이고, 도3은 본 발명에 따른 배기가스 처리장치의 다른 실시예들을 나타내는 도면이며, 도4와 도5는 본 발명에 따른 배기가스 처리장치가 선박에 설치되는 경우를 나타내는 도면이다.
또한, 도6과 도7은 본 발명에 따른 배기가스 처리장치에 포함되는 흡착촉매부재에 부착되는 흡착촉매제의 성능을 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.
그리고, 도8은 본 발명에 따른 배기가스 처리장치와 배기가스 처리방법에서 배기가스로부터 질소산화물과 황산화물 각각이 제거되는 관련 화학반응식을 나타내는 도면이며, 도9는 본 발명에 따른 배기가스 처리장치와 배기가스 처리방법에서 배기가스로부터 질소산화물과 황산화물이 제거되는 과정을 나타내는 일례를 나타내는 도면이고, 도10은 본 발명에 따른 배기가스 처리장치와 배기가스 처리방법에서 흡착촉매부재에 부착된 흡착촉매제의 흡착제가 흡착제 재생제에 의해서 재생되는 과정을 나타내는 도면이다.
배기가스 처리장치
본 발명에 따른 배기가스 처리장치(100)는 반응기(200), 흡착촉매부재(300), 환원제 공급유닛(400) 및, 재생제 공급유닛(500)을 포함할 수 있다.
반응기(200)에는 배기가스가 유입될 수 있다. 이를 위해서, 반응기(200)는 배기가스가 배출되는 배기가스 배출장치(ED)에 연결될 수 있다. 예컨대, 반응기(200)는 도4와 도5에 도시된 바와 같이 선박에 구비되는 메인엔진(ME) 또는 발전용 엔진(GE) 등의 배기가스 배출장치(ED)에 연결될 수 있다. 그러나, 반응기(200)에 연결되는 배기가스 배출장치(ED)는 특별히 한정되지 않고, 배기가스가 배출되는 것이라면, 보일러(도시되지 않음) 등 주지의 어떠한 것이라도 가능하다.
반응기(200)는 도1과 도2 및 도3의 (b)에 도시된 바와 같이 높이방향으로 긴 형상이거나 도3의 (a)에 도시된 바와 같이 길이방향 또는 너비방향으로 긴 형상일 수 있다. 그러나, 반응기(200)의 형상은 특별히 한정되지 않고, 배기가스 배출장치(ED)에 연결되어 배기가스 배출장치(ED)로부터 배출된 배기가스가 유입되어 유동하며 내부에 흡착촉매부재(300)가 구비될 수 있는 형상이라면 어떠한 형상이라도 가능하다.
반응기(200)에는 도1에 도시된 바와 같이 배기가스 유입구(210)와, 배기가스 배출구(220) 및, 처리부산물 배출구(230)가 구비될 수 있다.
배기가스 유입구(210)를 통해 반응기(200)에 배기가스가 유입될 수 있다. 이를 위해서, 배기가스 유입구(210)에는 배기가스 배출장치(ED)에 연결된 배기관(PE)이 연결될 수 있다. 그리고, 메인엔진(ME)이나 발전용 엔진(GE) 등의 배기가스 배출장치(ED)에서 배출되고 배기관(PE)을 유동한 배기가스가 배기가스 유입구(210)를 통해 도2에 도시된 바와 같이 반응기(200) 내부에 유입되어 반응기(200) 내부를 유동할 수 있다. 배기가스 유입구(210)는 도1에 도시된 바와 같이 반응기(200)의 하부에 구비될 수 있다. 그러나, 배기가스 유입구(210)가 구비되는 반응기(200)의 부분은 특별히 한정되지 않고, 배기가스 배출장치(ED)에 연결된 배기관(PE)이 연결되어 배기가스 배출장치(ED)에서 배출된 배기가스가 반응기(200) 내부에 유입될 수 있는 부분이라면 반응기(200)의 어떠한 부분에도 구비될 수 있다.
반응기(200)에서 처리된 배기가스는 배기가스 배출구(220)를 통해 배출될 수 있다. 예컨대, 반응기(200) 내부를 유동하면서 후술할 바와 같이 황산화물과 질소산화물 중 적어도 하나 이상이 제거된 배기가스는 배기가스 배출구(220)를 통해 배출될 수 있다. 배기가스 배출구(220)에는 도2에 도시된 바와 같이 배기가스 배출관(PD)이 연결될 수 있다. 배기가스 배출구(220)에서 배출된 배기가스는 배기가스 배출관(PD)을 통해 도4에 도시된 바와 같이 배기가스 배출관(PD)에 구비된 터보챠저(TC) 등에 유입되거나, 도5에 도시된 바와 같이 외부로 배출될 수 있다. 배기가스 배출구(220)는 도1에 도시된 바와 같이 반응기(200) 상부에 구비될 수 있다. 그러나, 배기가스 배출구(220)가 구비되는 반응기(200)의 부분은 특별히 한정되지 않고, 반응기(200) 내부를 유동하면서 황산화물과 질소산화물 중 적어도 하나 이상이 제거된 배기가스가 배출될 수 있는 부분이라면 반응기(200)의 어떠한 부분에도 구비될 수 있다.
반응기(200)에서 배기가스가 처리되면서, 예컨대 배기가스로부터 황산화물과 질소산화물 중 적어도 하나 이상이 제거되면서 발생된 처리부산물은 처리부산물 배출구(230)를 통해 배출될 수 있다. 처리부산물 배출구(230)는 도1에 도시된 바와 같이 반응기(200) 하부에 구비될 수 있다. 그러나, 처리부산물 배출구(230)가 구비되는 반응기(200)의 부분은 특별히 한정되지 않고, 반응기(200)에서 배기가스가 처리되면서 발생된 처리부산물이 배출될 수 있는 부분이라면, 반응기(200)의 어떠한 부분에도 구비될 수 있다. 처리부산물 배출구(230)에는 도4와 도5에 도시된 바와 같이 드레인관(PL)이 연결될 수 있다. 그리고, 드레인관(PL)은 처리부산물 수집탱크(TB)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 처리부산물 배출구(230)를 통해 배출된 처리부산물은 드레인관(PL)을 통해 처리부산물 수집탱크(TB)에 저장될 수 있다. 처리부산물 수집탱크(TB)에 저장된 처리부산물은 버려지거나 재활용되도록 별도의 장치(도시되지 않음)에 의해서 처리될 수 있다.
흡착촉매부재(300)는 반응기(200) 내부에 구비될 수 있다. 흡착촉매부재(300)에는 배기가스가 통과하는 배기가스 통과구멍(도시되지 않음)이 형성될 수 있다. 복수개의 배기가스 통과구멍이 흡착촉매부재(300)에 형성될 수 있다. 흡착촉매부재(300)에 형성되는 배기가스 통과구멍의 개수는 특별히 한정되지 않고, 어떠한 개수라도 가능하며, 한 개도 가능하다.
배기가스 통과구멍은 반응기(200) 내부에서의 배기가스 유동방향과 평행하게 흡착촉매부재(300)에 형성될 수 있다. 예컨대, 흡착촉매부재(300)의 높이방향 또는 두께방향으로 배기가스 통과구멍이 흡착촉매부재(300)에 형성될 수 있다. 그러나, 흡착촉매부재(300)에 형성되는 배기가스 통과구멍의 형상은 특별히 한정되지 않고, 배기가스가 통과할 수 있는 형상이라면 어떠한 형상이라도 가능하다.
흡착촉매부재(300)는 도1에 도시된 바와 같이 소정 두께를 가지는 판형상일 수 있다. 그러나, 흡착촉매부재(300)의 형상은 특별히 한정되지 않고, 전술한 배기가스 통과구멍이 형성될 수 있고, 반응기(200) 내부에 구비될 수 있는 형상이라면 어떠한 형상이라도 가능하다.
복수개의 흡착촉매부재(300)가 반응기(200) 내부에 구비될 수 있다. 이 경우, 복수개의 흡착촉매부재(300)는 서로 소정 간격 이격되게 반응기(200) 내부에 구비될 수 있다. 예컨대, 도1과 도2 및 도3의 (a)에 도시된 바와 같이 복수개의 흡착촉매부재(300)가 반응기(200)의 길이방향 또는 너비방향으로 서로 소정 간격 이격되게 반응기(200) 내부에 구비될 수 있다. 또한, 도3의 (b)에 도시된 바와 같이 복수개의 흡착촉매부재(300)가 반응기(200)의 높이방향으로 서로 소정 간격 이격되게 반응기(200) 내부에 구비될 수 있다. 그러나, 복수개의 흡착촉매부재(300)가 반응기(200) 내부에 구비되는 구성은 특별히 한정되지 않고, 어떠한 구성이라도 가능하다.
흡착촉매부재(300)에는 흡착촉매제(도시되지 않음)가 부착될 수 있다. 흡착촉매제는, 예컨대 압출성형이나 접착물질에 의해서 흡착촉매부재(300)에 부착될 수 있다. 그러나, 흡착촉매제가 흡착촉매부재(300)에 부착되는 구성은 특별히 한정되지 않고, 주지의 어떠한 구성이라도 가능하다.
흡착촉매제는 배기가스에 포함된 황산화물을 흡착하고 배기가스에 포함된 질소산화물을 순차적으로 제거할 수 있다. 또한, 흡착촉매제는 배기가스에 포함된 질소산화물이 환원제에 의해서 질소로 환원되어 배기가스로부터 제거되는 것을 도울 수 있다.
흡착촉매제는 흡착제와 촉매를 포함할 수 있다. 예컨대, 흡착촉매제는 흡착제와 촉매가 혼합된 분말형태일 수 있다. 그리고, 분말형태인 흡착촉매제가 압출성형이나 접착물질에 의해서 흡착촉매부재(300)에 부착될 수 있다. 이외에, 분말형태의 촉매가 먼저 압출성형이나 접착물질에 의해서 흡착촉매부재(300)에 부착된 후에, 분말형태의 흡착제가 접착물질이나 압출성형에 의해서 흡착촉매부재(300)에 부착될 수도 있다. 그러나, 흡착촉매제의 형태와 흡착촉매부재(300)에 부착되는 구성은 특별히 한정되지 않고, 흡착제와 촉매를 포함하는 형태와 구성이라면 어떠한 형태와 구성이라도 가능하다.
흡착제는 배기가스에 포함된 황산화물이 흡착되고 질소산화물이 순차적으로 제거되도록 할 수 있다. 예컨대, 배기가스에 포함된 황산화물이 화학반응에 의해서 흡착제에 흡착되어 탈황부산물로 됨으로써 배기가스로부터 제거될 수 있다. 그리고, 탈황부산물이 배기가스에 포함된 질소산화물과 화학반응하여 탈질부산물이 됨으로써 배기가스로부터 질소산화물이 제거될 수 있다.
흡착제는 산화철(Fe2O3)과 산화구리(CuO) 및 산화세륨(CeO) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 흡착제는, 전술한 바와 같이 배기가스에 포함된 황산화물이 흡착되어 탈황부산물이 되고 탈황부산물이 배기가스에 포함된 질소산화물과 반응하여 탈질부산물이 됨으로써, 배기가스로부터 황산화물과 질소산화물이 제거되도록 하는 역할 이외에, 흡착촉매제에 포함되는 촉매의 활성을 높이는 조촉매의 역할도 할 수 있다.
흡착제가, 예컨대 산화철(Fe2O3)인 경우에, 배기가스에 포함된 황산화물은 아래의 화학반응식1과 같이 흡착제에 흡착되어 탈황부산물이 됨으로써 배기가스로부터 제거될 수 있다.
[화학반응식1]
2Fe2O3 + 4SO2 + O2 = 4FeSO4
또한, 이 경우 배기가스에 포함된 질소산화물은 아래의 화학반응식2와 같이 탈황부산물과 반응하여 탈질부산물이 됨으로써 배기가스로부터 제거될 수 있다.
[화학반응식2]
FeSO4 + NO = Fe(NO)SO4
한편, 흡착제는 후술할 재생제 공급유닛(500)에 의해서 반응기(200) 내부에 공급된 재생제에 의해서 재생될 수 있다. 재생제는 후술할 바와 같이, 예컨대 수산화나트륨(NaOH) 등의 알칼리 수용액일 수 있다. 그리고, 알칼리 수용액인 재생제가 재생제 공급유닛(500)에 의해서 반응기(200) 내부에 공급되면, 재생제는 배기가스에 포함된 질소산화물, 황산화물, 탈황부산물 및, 탈질부산물과 화학반응하여 흡착제 전구체를 만들 수 있다. 예컨대, 흡착제가 산화철(Fe2O3)인 경우에, 재생제는 배기가스에 포함된 질소산화물, 황산화물, 탈황부산물 및, 탈질부산물과 화학반응하여 흡착제 전구체인 수산화철(Fe(OH)3)을 생성할 수 있다. 그리고, 흡착제 전구체인 수산화철(Fe(OH)3)은 반응기(200) 내부의 배기가스의 열에 의해서 열분해되어 흡착제인 산화철(Fe2O3)로 재생될 수 있다. 이와 같이 흡착제가 재생제에 의해서 재생되기 때문에, 흡착제를 추가로 공급해 줄 필요가 없다.
후술할 바와 같이 배기가스가 반응기(200)에 유입되기 전에 배기가스에는 환원제 공급유닛(400)에 의해서, 암모니아(NH3) 등의 환원제나, 환원제가 되는 요소수 등의 환원제 전구체가 혼합될 수 있다. 그리고, 반응기(200) 내에서 배기가스에 포함된 질소산화물은 아래의 화학반응식3과 같이 환원제에 의해서 질소로 환원되어 배기가스로부터 제거될 수 있다.
[화학반응식3]
4NO + 4NH3 + O2 = 4N2 + 6H2O
이 경우, 흡착촉매제에 포함되는 전술한 촉매는 배기가스에 포함된 질소산화물이 환원제에 의해서 질소로 환원되어 배기가스로부터 제거되는 것을 도울 수 있다. 그러므로, 배기가스에 포함된 질소산화물은 환원제와 촉매에 의해서 질소로 환원되어 배기가스로부터 제거될 수 있다.
반응기(200)에서 배기가스에 포함된 질소산화물은, 전술한 바와 같이, 탈황부산물과 반응하여 탈질부산물이 됨으로써 배기가스로부터 제거되거나, 환원제와 촉매에 의해서 질소로 환원되어 배기가스로부터 제거될 수 있다.
흡착촉매제에 포함되는 촉매는 바나듐(V)과 텅스텐(W) 및 산화티타늄(TiO2) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 질소산화물 제거 효율을 향상시키는 측면에서, 촉매는 바나듐(V)과 텅스텐(W) 및 산화티타늄(TiO2)을 모두 포함하는 것이 바람직하며, 이때 촉매 전체 중량을 기준으로 바나듐(V)은 0.1 내지 5 중량%, 텅스텐(W)은 0.1 내지 10 중량%, 산화티타늄(TiO2)은 85 내지 99.8 중량% 포함될 수 있다. 촉매의 각 성분의 함량은 상기 범위 내에서 최대의 질소산화물 제거율을 나타내며, 바나듐(V)과 텅스텐(W)이 함께 존재하는 경우 질소산화물의 환원 반응이 더욱 활성화된다.
특히, 상기 촉매에 있어서, 바나듐(V)의 함량이 0.1 중량% 미만이면 질소산화물 환원 반응의 활성이 나타나지 않을 우려가 있다. 반면, 바나듐(V)의 함량이 5 중량%를 초과하는 경우에는 과량의 바나듐(V)이 배기가스 내 SO2를 산화시킴으로써 SO3를 형성하고, 이러한 SO3로 인해 촉매가 피독되어 질소산화물 환원율이 떨어질 수 있다. 한편, 텅스텐(W)의 함량이 10 중량%를 초과하는 경우 비용 대비 질소산화물의 제거율 향상 측면을 고려할 때 바람직하지 않다.
예컨대, 촉매는 바나듐(V)과 텅스텐(W) 및 산화티타늄(TiO2)이 각각 5 중량%와 9 중량% 및 86 중량%로 이루어지며, 지지체인 산화티타늄(TiO2)에 바나듐(V)과 텅스텐(W)이 부착되거나 삽입된 형태로 이루어질 수 있다. 그러나, 촉매의 조성과 형태는 특별히 한정되지 않고, 바나듐(V)과 텅스텐(W) 및 산화티타늄(TiO2) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 조성과 형태라면 어떠한 조성과 형태라도 가능하다.
흡착촉매제에 있어서 흡착제와 촉매의 혼합 비율은 1:0.1 내지 1:10인 것이 바람직하다. 흡착제와 촉매의 혼합 비율이 상기 범위를 벗어나는 경우, 흡착제 또는 촉매의 함량이 지나치게 적으므로 배기가스로부터 황산화물 또는 질소산화물이 충분히 제거되지 않을 수 있다.
또한, 상기 흡착촉매제는 200℃ 내지 500℃, 바람직하게는 250℃ 내지 500℃ 온도에서 황산화물과 질소산화물을 제거하기 위해 사용될 수 있으며, 이는 질소산화물 환원 반응의 촉매 활성 온도 범위와 일치하는 것이다. 따라서, 상기 온도 범위를 벗어나는 경우에는 황산화물 흡착 반응에는 크게 영향을 미치지 않으나, 질소산화물의 환원 반응 활성이 50% 미만으로 나타나 질소산화물 환원율이 급격하게 저하되므로 바람직하지 않다.
도6은 본 발명에서와 같이 흡착제와 촉매를 혼합하여 흡착촉매제가 이루어지는 경우, 흡착촉매제에 포함되는 흡착제가 질소산화물의 질소로의 환원율에 영향을 주는가를 실험한 그래프이다.
도시된 바와 같이 산화철(Fe2O3)인 흡착제만 사용하는 경우, 바나듐(V)과 텅스텐(W) 및 산화티타늄(TiO2)으로 이루어진 촉매만 사용하는 경우 및, 본 발명에 따른 흡착촉매제를 사용하는 경우로 나누었다. 본 발명에 따른 흡착촉매제를 사용하는 경우에는, 촉매와 흡착제의 혼합비율이 각각 1:0.1, 1:0.3, 1:1, 1:3 및 1:6인 경우로 다시 나누었다. 그리고, 황산화물은 없고 질소산화물만 있는 배기가스에 대하여 동일한 양의 환원제에 의한 질소산화물의 질소로의 환원율을 측정하였다.
도6의 그래프에서 알 수 있듯이, 산화철(Fe2O3)인 흡착제만 사용하는 경우에는 배기가스의 온도에 관계없이 질소산화물의 환원율이 비교적 낮았다. 그리고, 배기가스의 온도가 200℃ 보다 낮은 경우에는, 질소산화물의 환원율이 촉매만 사용하는 경우보다 본 발명에 따른 흡착촉매제를 사용하는 경우 낮았다. 그러나, 배기가스의 온도가 본 발명에 따른 배기가스 처리장치(100)의 운영범위 내인 200℃ 이상 400℃ 미만의 경우에는, 질소산화물의 환원율이 촉매만 사용하는 경우와 본 발명에 따른 흡착촉매제를 사용하는 경우 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었으며, 오히려 200℃ 내지 300℃의 온도 범위에서는 본 발명에 따른 흡착촉매제를 사용하는 경우의 질소산화물 환원율이, 촉매만 사용하는 경우의 질소산화물 환원율보다 높았다.
따라서, 이를 통해 흡착제와 촉매를 혼합한 본 발명에 따른 흡착촉매제를 사용하더라도, 흡착제에 관계없이 배기가스에 포함된 질소산화물을 산화제와 촉매에 의해서 질소로 환원시킬 수 있음을 알 수 있다.
아래의 표1은 본 발명에 따른 흡착촉매제의 황산화물 흡착 능력을 알아보기 위하여 실험한 것을 나타낸 것이다.
황산화물만 있는 배기가스에 대해서 실험이 이루어졌으며, 아래의 표1에서 알 수 있는 바와 같이 산화구리(CuO)인 흡착제만 사용한 경우의 황산화물 흡착량을 기준으로 하였다. 또한, 바나듐(V)과 텅스텐(W) 및 산화티타늄(TiO2)으로 이루어진 촉매만 사용하는 경우, 산화철(Fe2O3)인 흡착제만 사용하는 경우 및, 흡착제와 촉매의 혼합비율이 1:1인 본 발명에 따른 흡착촉매제를 사용하는 경우로 나누었다. 그리고, 각각의 경우에, 산화구리(CuO)인 흡착제만 사용한 경우와 대비하여, 증가된 황산화물 흡착량을 %로 나타내었다.
표1에서 알 수 있듯이, 촉매만 사용하는 경우에는 배기가스에 포함된 황산화물이 전혀 흡착되지 않았다. 또한, 흡착제만 사용하는 경우에는, 흡착제로 산화철(Fe2O3)을 사용하는 경우가, 흡착제로 산화구리(CuO)를 사용하는 경우보다 황산화물 흡착량이 3배 많았다. 그리고, 본 발명에 따른 흡착촉매제를 사용하는 경우에는 산화철(Fe2O3)인 흡착제만을 사용하는 경우보다 황산화물 흡착량이 작았으나, 산화구리(CuO)인 흡착제만을 사용하는 경우보다는 황산화물 흡착량이 2배 많았다.
따라서, 흡착제와 촉매를 혼합한 본 발명에 따른 흡착촉매제를 사용하더라도, 촉매에 관계없이 배기가스에 포함된 황산화물을 흡착제에 의해서 흡착할 수 있음을 알 수 있다.

물질
흡착제 CuO의 황산화물 흡착량을 기준으로 한 황산화물 흡착량 증가율(%)

V(5),W(9)/TiO2 (촉매)
0

Fe2O3 (흡착제)
300

V(5),W(9)/TiO2 +Fe2O3 (1:1)
(흡착촉매제)
200
도7은 배기가스에 질소산화물이 있는 경우와, 질소산화물과 황산화물이 모두 있는 경우에, 동일한 양의 환원제와 본 발명에 따른 흡착촉매제에 의한, 질소산화물의 질소로의 환원율에 대하여 측정한 것을 나타내는 그래프이다. 실험에 사용된 흡착촉매제는 흡착제와 촉매를 1:1 비율로 혼합한 것이다. 도시된 바와 같이, 황산화물이 배기가스에 포함된다고 하더라도, 환원제와 본 발명에 따른 흡착촉매제에 의한 질소산화물의 질소로의 환원율이 변동되지 않음을 알 수 있다.
상기한 점들을 토대로 하여 볼 때, 본 발명에 따른 흡착촉매제는 배기가스에 포함된 황산화물을 흡착하며 환원제에 의한 질소산화물의 질소로의 환원을 도와서, 배기가스로부터 황산화물과 질소산화물을 제거할 수 있다는 것을 알 수 있다.
환원제 공급유닛(400)은 배기가스가 반응기(200)에 유입되기 전에 배기가스에 환원제나 환원제가 되는 환원제 전구체를 혼합시킬 수 있다. 환원제 공급유닛(400)에 의해서 배기가스에 혼합되는 환원제는, 예컨대 암모니아(NH3)일 수 있다. 그러나, 환원제는 특별히 한정되지 않고, 배기가스에 혼합되어 반응기(200)에서 흡착촉매제의 촉매의 도움을 받아 배기가스에 포함된 질소산화물이 질소로 환원되어 배기가스로부터 제거되도록 할 수 있는 것이라면, 주지의 어떠한 것이라도 가능하다. 환원제 공급유닛(400)에 의해서 배기가스에 혼합되는 한원제 전구체는, 예컨대 요소수일 수 있다. 요소수는 배기가스에 혼합되면 암모니아(NH3)가 될 수 있다. 그러나, 환원제 전구체는 특별히 한정되지 않고, 배기가스에 혼합되어 전술한 암모니아(NH3) 등의 환원제가 될 수 있는 것이라면, 주지의 어떠한 것이라도 가능하다.
반응기(200) 내부에서 배기가스에 포함된 일부의 질소산화물이 환원제와 흡착촉매제의 촉매에 의해서 제거될 수 있는 양만큼만, 환원제나 환원제 전구체가 환원제 공급유닛(400)에 의해서 배기가스에 혼합되도록 할 수 있다. 이러한 경우, 배기가스에 포함된 질소산화물 중 일부는 환원제와 흡착촉매제의 촉매에 의해서 제거되고, 나머지 질소산화물 중 적어도 일부는 흡착촉매제의 흡착제에 의해서 제거될 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이 배기가스에 포함된 질소산화물 중 일부는 환원제와 흡착촉매제의 촉매에 의한 질소산화물의 질소로의 환원에 의해서 배기가스로부터 제거될 수 있다. 그리고, 배기가스에포함된 나머지 질소산화물 중 적어도 일부는, 흡착제에 배기가스에 포함된 황산화물이 화학반응에 의해 흡착되어 탈황부산물이 되고 탈황부산물이 배기가스에 포함된 질소산화물과 반응하여 탈질부산물이 됨으로써, 배기가스로부터 제거될 수 있다.
이에 의해서, 비교적 적은 양의 환원제나 환원제 전구체를 사용할 수 있기 때문에, 배기가스에 혼합되는 환원제나 환원제 전구체의 양과 환원제 공급유닛(400)의 크기, 예컨대 후술할 환원제 저장탱크(410) 등의 크기를 작게 할 수 있다.
환원제 공급유닛(400)은 도2 내지 도5에 도시된 바와 같이, 환원제 저장탱크(410)와, 환원제 공급관(420)을 포함할 수 있다.
환원제 저장탱크(410)에는 전술한 암모니아(NH3) 등의 환원제나 요소수 등의 환원제 전구체가 저장될 수 있다. 환원제 공급관(420)의 일측은, 반응기(200), 예컨대 반응기(200)의 배기가스 유입구(210)에 연결되며 배기가스가 유동하는 배기관(PE)에 연결되고, 타측은 환원제 저장탱크(410)에 연결될 수 있다. 이외, 환원제 공급관(420)의 일측은 반응기(200)의 배기가스 유입구(210)에 연결될 수도 있다. 환원제 공급관(420)에는 개폐밸브(VL)가 구비될 수 있다. 이에 따라, 환원제 공급관(420)의 개폐밸브(VL)가 열리면, 도2에 도시된 바와 같이 환원제 저장탱크(410)에 저장된 환원제나 환원제 전구체가, 환원제 공급관(420)을 통해, 반응기(200)에 유입되기 전의 배기가스에 공급되어, 배기가스에 혼합될 수 있다. 환원제나 환원제 전구체는 반응기(200)에 유입되기 전의 배기가스에 혼합되기 전에, 도4와 도5에 도시된 바와 같이 기화기(VP)에 의해서 기화될 수도 있다.
재생제 공급유닛(500)은 흡착촉매부재(300)에 부착되는 흡착촉매제에 포함된 흡착제를 재생시킬 수 있는 재생제를 반응기(200)에 공급할 수 있다. 재생제 공급유닛(500)에서 공급하는 재생제는, 예컨대 수산화나트륨(NaOH) 수용액 등의 알칼리 수용액일 수 있다.
전술한 바와 같이, 반응기(200) 내부에서, 배기가스에 포함된 황산화물이 흡착촉매제에 포함된 흡착제에 화학반응에 의해서 흡착되면, 반응부산물로 탈황부산물이 생성된다. 또한, 탈황부산물이 배기가스에 포함된 질소산화물과 화학반응하면, 반응부산물로 탈질부산물이 생성된다. 이와 같이 배기가스가 처리되는 과정에서 탈황부산물과 탈질부산물이 생성되어, 배기가스에는 황산화물과 질소산화물 이외에도 탈황부산물과 탈질부산물이 포함될 수 있다. 이러한 반응기(200) 내부의 배기가스에 수산화나트륨(NaOH) 수용액 등의 알칼리 수용액을 재생제로 공급하면, 재생제가 배기가스에 포함된 황산화물, 질소산화물, 탈황부산물 및, 탈질부산물과 화학반응하여 흡착제 전구체가 만들어질 수 있다. 그리고, 흡착제 전구체는 배기가스의 열로 열분해 되어 흡착제로 재생될 수 있다. 이와 같이 흡착제가 재생제에 의해서 재생되기 때문에, 흡착제를 추가로 공급해 줄 필요가 없다.
예컨대, 흡착제가 산화철(Fe2O3)인 경우에, 수산화나트륨(NaOH) 수용액 등의 알칼리 수용액을 재생제로 반응기(200) 내부에 공급하면, 재생제인 수산화나트륨(NaOH) 수용액 등의 알칼리 수용액이 배기가스에 포함된 황산화물, 질소산화물, 탈황부산물 및, 탈질부산물과 화학반응하여, 흡착제 전구체로 수산화철(Fe(OH)3)이 만들어질 수 있다. 그리고, 수산화철(Fe(OH)3)인 흡착제 전구체는 배기가스의 열로 열분해 되어 흡착제인 산화철(Fe2O3)로 재생될 수 있다.
전술한 바와 같이 흡착제 전구체가 배기가스의 열로 열분해 되어 흡착제로 재생되기 위해서, 반응기(200) 내부의 배기가스의 온도는 200℃ 이상일 수 있다. 반응기(200) 내부의 배기가스의 온도가 200℃ 미만이면 흡착제 전구체가 배기가스의 열로 열분해되지 않게 된다. 이 경우, 흡착제 전구체의 열분해와, 환원제와, 흡착촉매제의 촉매에 의한 질소산화물의 질소로의 환원이 가능하도록 반응기(200) 내부의 배기가스의 온도는 200℃ 이상 500℃ 미만일 수 있다. 반응기(200) 내부의 배기가스의 온도가 500℃ 이상이면, 흡착제 전구체의 열분해는 이루어지나, 환원제와, 흡착촉매제의 촉매에 의한 질소산화물의 질소로의 환원은 이루어지지 않게 된다.
재생제 공급유닛(500)에서 공급하는 재생제는 전술한 수산화나트륨(NaOH)에 한정되지 않고, 알칼리 수용액이라면, 예컨대 수산화칼륨(KOH) 수용액 등 어떠한 것이라도 가능하다.
한편, 재생제는 배기가스에 포함된 황산화물과 먼저 반응하면 전술한 바와 같이 흡착촉매제에 포함된 흡착제를 재생시킬 수 없게 된다. 이를 방지하기 위해서, 재생제 공급유닛(500)에서는 배기가스가 반응기(200)에 유입된 이후에 반응기(200) 내부에 재생제를 공급할 수 있다. 이에 따라, 배기가스에 포함된 황산화물이 소정 정도 배기가스로부터 제거된 이후의 반응기(200) 내부의 부분에 재생제를 공급할 수 있다.
도1과 도2 및 도3에 도시된 바와 같이, 재생제 공급유닛(500)에서는 배기가스 유동방향으로 배기가스 유입구(210)로부터 소정 거리 떨어진 상기 반응기(200) 내부의 부분에 재생제를 공급할 수 있다. 예컨대, 도1과 도2 및 도3의 (a)에 도시된 바와 같이 복수개의 흡착촉매부재(300)가 반응기(200)의 길이방향 또는 너비방향으로 서로 소정 간격 이격되게 반응기(200) 내부에 구비될 수 있다. 이 경우에는, 도1과 도2에 도시된 바와 같이, 재생제 공급유닛(500)에서는 배기가스 배출구(220) 측의 반응기(200) 내부의 부분, 예컨대 반응기(200) 내부의 상부에 재생제를 공급할 수 있다. 이외, 도3의 (a)에 도시된 바와 같이, 재생제 공급유닛(500)에서는 반응기(200)의 내부의 상부에 재생제를 공급할 수 있다. 또한, 도3의 (b)에 도시된 바와 같이, 복수개의 흡착촉매부재(300)가 반응기(200)의 높이방향으로 서로 소정 간격 이격되게 반응기(200) 내부에 구비될 수 있다. 이 경우에는, 제일 아래에 구비된 흡착촉매부재(300)가 구비된 반응기(200) 내부의 부분에는 재생제를 공급하지 않고, 제일 아래에 구비된 흡착촉매부재(300) 위의 흡착촉매부재(300)들 이 구비된 반응기(200) 내부의 부분에 재생제가 공급될 수 있다.
재생제 공급유닛(500)은 도2에 도시된 바와 같이 재생제 저장탱크(510)와, 재생제 공급관(520) 및, 재생제 분사노즐(530)을 포함할 수 있다. 재생제 저장탱크(510)에는 전술한 수산화나트륨(NaOH) 수용액 등과 같은 알칼리 수용액인 재생제가 저장될 수 있다. 재생제 공급관(520)의 일측은 재생제 저장탱크(510)에 연결될 수 있다. 재생제 공급관(520)의 타측은 반응기(200)의 일면을 관통하여 반응기(200) 내부에 구비될 수 있다. 예컨대, 도2와 도3의 (a)에 도시된 바와 같이 재생제 공급관(520)의 타측은 반응기(200)의 상부 일면을 관통하여 반응기(200) 내부에 구비될 수 있다. 이외에, 재생제 공급관(520)의 타측은 도3의 (b)에 도시된 바와 같이 복수개로 분지된 후, 반응기(200)의 일면을 각각 관통하여, 복수개의 흡착촉매부재(300) 각각의 위의 반응기(200) 내부의 부분에 구비될 수 있다. 재생제 공급관(520)에는 개폐밸브(VL)가 구비될 수 있다. 이에 따라, 재생제 공급관(520)의 개폐밸브(VL)가 열리면, 재생제 저장탱크(510)에 저장된 재생제가 재생제 공급관(520)을 유동할 수 있다. 재생제 분사노즐(530)은 반응기(200) 내부에 구비된 재생제 공급관(520)의 부분에 구비될 수 있다. 재생제 공급관(520)을 유동한 재생제는 재생제 분사노즐(530)에 의해서 반응기(200) 내부에 분사될수 있다. 재생제는 반응기(200) 내부에 공급되기 전에 재생제 공급관(520)을 유동하면서 도4와 도5에 도시된 바와 같이 기화기(VP)에 의해서 기화될 수도 있다.
한편, 환원제 공급유닛(400)에 의한 배기가스에의 환원제나 환원제 전구체의 혼합과, 재생제 공급유닛(500)에 의한 반응기(200) 내부에의 재생제의 공급은, 필요에 따라, 함께 이루어지거나 각각만 이루어질 수 있다.
배기가스로부터 황산화물과 질소산화물을 모두 제거할 필요가 있는 경우에는, 배기가스에의 환원제나 환원제 전구체의 혼합과, 반응기(200) 내부에의 재생제의 공급이 함께 이루어질 수 있다. 또한, 배기가스로부터 황산화물만을 제거할 필요가 있는 경우에는, 질소산화물 제거를 위한 배기가스에의 환원제나 환원제 전구체의 혼합이 필요하지 않기 때문에, 반응기(200) 내부에의 재생제의 공급만이 이루어질 수 있다. 그리고, 배기가스로부터 질소산화물만을 제거할 필요가 있는 경우에는, 황산화물 제거를 위한, 흡착촉매제의 흡착제의 재생이 필요하지 않아서 반응기(200) 내부에의 재생제 공급이 필요하지 않기 때문에, 배기가스에의 환원제나 환원제 전구체의 혼합만이 이루어질 수 있다. 더불어, 흡착촉매제의 재생, 즉 흡착촉매제의 흡착제의 재생이 필요한 경우에는, 반응기(200) 내부에의 재생제의 공급만이 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 배기가스 처리장치(100)는, 예컨대 선박에 구비될 수 있다. 이 경우, 배기가스 처리장치(100)는 도4의 상측부분에 도시된 바와 같이 터보챠저(TC) 전에 구비될 수 있거나, 도5의 상측부분에 도시된 바와 같이 같이 터보챠저(TC) 뒤에 구비될 수 있다.
선박이 배출규제지역(ECA: Emission Control Area)이면서 황배출규제지역(SECA: Sulphur Emission Control Area)도 되는 지역을 지나는 경우에는, 배기가스로부터 황산화물과 질소산화물을 모두 제거할 필요가 있다. 따라서, 이러한 경우에는, 환원제 공급유닛(400)에 의한 배기가스에의 환원제나 환원제 전구체의 혼합과, 재생제 공급유닛(500)에 의한 반응기(200) 내부에의 재생제의 공급이 함께 이루어질 수 있다.
또한, 선박이 배출규제지역(ECA: Emission Control Area)은 아니나 황배출규제지역(SECA: Sulphur Emission Control Area)인 지역을 지나는 경우 또는 황함유 기준을 만족하지 못하는 연료를 사용하는 경우에는, 배기가스로부터 황산화물만을 제거해도 된다. 따라서, 이 경우에는 질소산화물 제거를 위한 환원제 공급유닛(400)에 의한 배기가스에의 환원제나 환원제 전구체의 혼합은 하지 않아도 된다. 그리고, 흡착촉매부재(300)에 부착된 흡착촉매제의 흡착제를 재생하기 위해서, 재생제 공급유닛(500)에 의한 반응기(200) 내부에의 재생제의 공급만이 이루어질 수 있다.
그리고, 선박이 배출규제지역(ECA: Emission Control Area)이기는 하나, 황배출규제지역(SECA: Sulphur Emission Control Area)은 아닌 지역을 지나는 경우에는, 배기가스로부터 질소산화물만을 제거해도 된다. 따라서, 이 경우에는, 흡착촉매부재(300)에 부착된 흡착촉매제의 흡착제를 재생하지 않아도 되기 때문에, 환원제 공급유닛(400)에 의한 배기가스에의 환원제나 환원제 전구체의 혼합만이 이루어질 수 있다.
더불어, 선박이 배출규제지역(ECA: Emission Control Area)과 황배출규제지역(SECA: Sulphur Emission Control Area)이 모두 아닌 지역을 지나더라도, 황함유량이 높은 고유황유를 연료로 사용하는 경우에는, 황산화물 배출 규제에 대응할 필요가 있다. 이 경우에는, 질소산화물 제거를 위한 환원제 공급유닛(400)에 의한 배기가스에의 환원제나 환원제 전구체의 혼합이 필요하지 않기 때문에, 황산화물을 제거하는, 흡착촉매제의 흡착제의 재생을 위해서, 재생제 공급유닛(500)에 의한 반응기(200) 내부에의 재생제의 공급만이 이루어질 수 있다.
배기가스 처리방법
본 발명에 따른 배기가스 처리방법의 일실시예는 혼합단계(S100), 유입단계(S200), 처리단계(S300) 및, 재생단계(S400)를 포함할 수 있다.
혼합단계(S100)에서는 배기가스에 환원제나 환원제가 되는 환원제 전구체를 혼합할 수 있다. 예컨대, 전술한 바와 같이 반응기(200)에 배기가스가 유입되기 전에, 환원제 공급유닛(400)에 의해서, 암모니아(NH3) 등의 환원제나, 환원제가 되는 요소수 등의 환원제 전구체가, 배기가스 배출장치(ED)에 연결된 배기관(PE)을 유동하는 배기가스에 혼합될 수 있다.
한편, 혼합단계(S100)에서는, 처리단계(S300)에서 배기가스에 포함된 일부의 질소산화물이 환원제와 흡착촉매제의 촉매에 의해서 제거될 수 있는 양만큼만, 환원제나 환원제 전구체가 배기가스에 혼합되도록 할 수 있다.
이러한 경우, 배기가스에 포함된 질소산화물 중 일부는 처리단계(S300)에서 환원제와 흡착촉매제의 촉매에 의해서 제거되고, 나머지 질소산화물 중 적어도 일부는 처리단계(S300)에서 흡착촉매제의 흡착제에 의해서 제거될 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이 배기가스에 포함된 질소산화물 중 일부는 환원제와 흡착촉매제의 촉매에 의한 질소산화물의 질소로의 환원에 의해서 배기가스로부터 제거될 수 있다. 그리고, 배기가스에 포함된 나머지 질소산화물 중 적어도 일부는, 흡착제에 배기가스에 포함된 황산화물이 화학반응에 의해 흡착되어 탈황부산물이 되고 탈황부산물이 배기가스에 포함된 질소산화물과 반응하여 탈질부산물이 됨으로써, 배기가스로부터 제거될 수 있다.
이에 의해서, 비교적 적은 양의 환원제나 환원제 전구체를 사용할 수 있기 때문에, 배기가스에 혼합되는 환원제나 환원제 전구체의 양과 환원제 공급유닛(400)의 크기, 예컨대 환원제 저장탱크(410) 등의 크기를 작게 할 수 있다..
유입단계(S200)에서는 전술한 바와 같이 혼합단계(S100)에서 환원제나 환원제 전구체가 혼합된 배기가스가 반응기(200)에 유입될 수 있다. 예컨대, 배기관(PE)에 연결된 배기가스 유입구(210)를 통해, 환원제나 환원제 전구체가 혼합된 배기가스가 반응기(200) 내부에 유입될 수 있다.
처리단계(S300)에서는 반응기(200) 내부에서 환원제와 흡착촉매제에 의해 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거할 수 있다. 예컨대, 배기가스에 혼합된 암모니아(NH3) 등의 환원제가 반응기(200) 내부에 구비된 흡착촉매부재(300)에 부착된 흡착촉매제의 촉매의 도움을 받아 배기가스에 포함된 질소산화물을 질소로 환원하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 배기가스로부터 제거할 수 있다.
또한, 처리단계(S300)에서는 반응기(200) 내부의 흡착촉매제에 의해, 배기가스에 포함된 황산화물을 흡착하고 배기가스에 포함된 질소산화물을 순차적으로 제거할 수 있다. 예컨대, 반응기(200) 내부에 구비된 흡착촉매부재(300)에 부착된 흡착촉매제의 흡착제에 배기가스에 포함된 황산화물이 화학반응에 의해서 흡착되어 탈황부산물로 됨으로써 배기가스로부터 황산화물이 제거될 수 있다. 그리고, 탈황부산물이 배기가스에 포함된 질소산화물과 반응하여 탈질부산물이 됨으로써 배기가스로부터 질소산화물이 제거될 수 있다.
재생단계(S400)에서는 반응기(200) 내부에 재생제를 공급하여 흡착촉매제, 즉 흡착촉매제의 흡착제를 재생시킬 수 있다. 예컨대, 재생단계(S400)에서는 수산화나트륨(NaOH) 등의 알칼리 수용액을 재생제 공급유닛(500)에 의해서 반응기(200) 내부에 공급할 수 있다.
그리고, 재생단계(S400)는 전구체 생성단계(S410)와, 열분해단계(S420)를 포함할 수 있다.
전구체 생성단계(S410)에서는 반응기(200) 내부에 공급된 재생제와, 배기가스에 포함된 질소산화물, 황산화물 및, 전술한 처리단계(S300)에서 만들어진 탈황부산물, 탈질부산물이 화학반응하여, 예컨대 수산화철(Fe(OH)3) 등의 흡착제 전구체를 만들 수 있다.
열분해단계(S420)에서는 전구체 생성단계(S410)에서 만들어진 수산화철(Fe(OH)3) 등의 흡착제 전구체가 배기가스의 열로 열분해 되어, 예컨대, 산화철(Fe2O3) 등의 흡착제로 재생될 수 있다. 이를 위해서, 반응기(200) 내부의 배기가스의 온도는 흡착제 전구체의 열분해가 가능하도록 200℃ 이상일 수 있다. 이 경우, 흡착제 전구체의 열분해와, 환원제와 촉매에 의한 질소산화물의 질소로의 환원이 가능하도록 반응기(200) 내부의 배기가스의 온도는 200℃ 이상 500℃ 미만일 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 배기가스 처리장치를 사용하면, 하나의 배기가스 처리장치로 배기가스로부터 황산화물과 질소산화물을 동시에 제거할 수 있으며, 배기가스가 반응기에 유입되기 전에 배기가스에 환원제나 상기 환원제가 되는 환원제 전구체를 혼합하고, 배기가스가 반응기에 유입된 이후에, 반응기 내부에 재생제를 공급할 수 있다
상기와 같이 설명된 배기가스 처리장치는 상기 설명된 실시예의 구성이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100 : 배기가스 처리장치 200 : 반응기
210 : 배기가스 유입구 220 : 배기가스 배출구
230 : 처리부산물 배출구 300 : 흡착촉매부재
400 : 환원제 공급유닛 410 : 환원제 저장탱크
420 : 환원제 공급관 500 : 재생제 공급유닛
510 : 재생제 저장탱크 520 : 재생제 공급관
530 : 재생제 분사노즐 ED : 배기가스 배출장치
ME : 메인엔진 GE : 발전용 엔진
PE : 배기관 PD : 배기가스 배출관
TC : 터보챠저 VL : 개폐밸브
PL : 드레인관 TB : 처리부산물 수집탱크
VP : 기화기

Claims (15)

  1. 배기가스가 유입되는 반응기;
    배기가스가 상기 반응기에 유입되기 전에 배기가스에 환원제나 상기 환원제가 되는 환원제 전구체를 혼합하는 환원제 공급유닛; 및
    상기 배기가스가 상기 반응기에 유입된 이후에, 상기 반응기 내부에 재생제를 공급하는 재생제 공급유닛;
    을 포함하는 배기가스 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응기에는 배기가스가 유입되도록 하는 배기가스 유입구가 구비되며, 상기 재생제 공급유닛에서는 배기가스 유동방향으로 상기 배기가스 유입구로부터 소정 거리 떨어진 상기 반응기 내부의 부분에 상기 재생제를 공급하는 배기가스 처리장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 반응기에는 처리된 배기가스가 배출되는 배기가스 배출구가 구비되며, 상기 재생제 공급유닛에서는 상기 배기가스 배출구 측의 상기 반응기 내부의 부분에 상기 재생제를 공급하는 배기가스 처리장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반응기 내부에 구비되는 흡착촉매부재; 를 더 포함하는 배기가스 처리장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 환원제와, 상기 흡착촉매부재에 부착된 흡착촉매제에 의해 배기가스에 포함된 질소산화물이 제거되며, 상기 흡착촉매제에 의해 배기가스에 포함된 황산화물이 흡착되고 배기가스에 포함된 질소산화물이 순차적으로 제거되는 배기가스 처리장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 흡착촉매제는 배기가스에 포함된 황산화물이 흡착되고 질소산화물이 순차적으로 제거되도록 하는 흡착제와, 배기가스에 포함된 질소산화물이 상기 환원제에 의해서 질소로 환원되어 배기가스로부터 제거되는 것을 돕는 촉매를 포함하는 배기가스 처리장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 흡착촉매제는 상기 흡착제와 촉매가 혼합된 분말형태이고, 상기 흡착촉매부재에 압출성형이나 접착물질에 의해서 부착되는 배기가스 처리장치.
  8. 제6항에 있어서, 분말형태의 상기 촉매가 먼저 압출성형이나 접착물질에 의해서 상기 흡착촉매부재에 부착된 후에, 분말형태의 상기 흡착제가 접착물질이나 압출성형에 의해서 상기 흡착촉매부재에 부착되는 배기가스 처리장치.
  9. 제6항에 있어서, 배기가스에 포함된 황산화물은 화학반응에 의해서 상기 흡착제에 흡착되어 탈황부산물로 됨으로써 배기가스로부터 제거되며,
    배기가스에 포함된 질소산화물은 상기 탈황부산물과 화학반응하여 탈질부산물이 됨으로써 배기가스로부터 제거되는 배기가스 처리장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 재생제는 배기가스에 포함된 상기 질소산화물, 황산화물, 탈황부산물 및, 탈질부산물과 화학반응하여 흡착제 전구체를 만들고, 상기 흡착제 전구체는 배기가스의 열로 열분해 되어 상기 흡착제로 재생되는 배기가스 처리장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 재생제는 알칼리 수용액인 배기가스 처리장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 흡착제 전구체의 열분해와 상기 환원제와 촉매에 의한 질소산화물의 질소로의 환원이 가능하도록 상기 반응기 내부의 배기가스의 온도는 200℃ 이상 500℃ 미만인 배기가스 처리장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 흡착제는 산화철(Fe2O3)과 산화구리(CuO) 및 산화세륨(CeO) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 배기가스 처리장치.
  14. 제10항에 있어서, 상기 흡착제는 산화철(Fe2O3)이고 상기 흡착제 전구체는 수산화철(Fe(OH)3)인 배기가스 처리장치.
  15. 제6항에 있어서, 상기 촉매는 바나듐(V)과 텅스텐(W) 및 산화티타늄(TiO2) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 배기가스 처리장치.
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