개요 촉매 형상 촉매 성능 SCR System의 구성 환원제 주입방법
                           
SCR(Selective Catalytic Reduction) PROCESS는 첨단의 NOX 저감 기술로서 배출가스중의 NOX를 촉매가 존재하는 상태에서 환원제인 Ammonia와 반응시켜 N2와 H2O로 분해하는 방법이다. PROCESS 상에서 촉매의 역할과 반응 메커니즘은 <Figure 1.>과 같이 이루어 진다.
SCR Process에서 선택적(Selective)이란 말의 의미는 NOX의 제거반응에서 NOX와 NH3의 반응 이외에 NH3와 SO2 등의 산화반응이 최소화된다는 것을 의미한다. NH3와 SO2의 산화반응이 진행될 경우 NOX의 제거효율이 감소되고, 촉매의 사용기간이 단축되는 결과를 초래하기 때문에 NH3와 SO2 등의 산화반응을 최소화하면서 NOX를 제거하는 선택적 반응은 SCR Process에서 중요한 의미를 갖는다고 할 수 있다.

상기 반응 메커니즘에 대한 대표적인 반응식은 다음과 같다.

촉매의 표면에서는 SO2에서 SO3로의 산화반응도 이루어진다.
배출가스 중의 황 함량이 높고 Ammonia Slip양이 많을 경우 상호 반응에 의해 ammonium sulfate ((NH4)2SO4) 혹은 ammonium bisulfate (NH4HSO4)가 발생하며, 이는 촉매의 표면에 달라 붙어 촉매와 Gas와 접촉을 방해하여 촉매의 성능을 저하시키고, 후단에 설치된 열교환기 등의 표면에 달라 붙어 설비의 막힘 및 부식의 주요 요인이 된다.
SCR Process의 운전에서 가장 중요한 점은 반응 온도이다. 일반적인 촉매의 가장 적절한 반응 온도는 260~430℃로 알려져 있으며, 촉매의 특성에 따라 보다 낮은 저온에서도 반응이 진행될 수 있다.

각종 촉매 성분에 따른 적정 반응 온도 범위는 아래와 같다.

Vanadium/Titanium Oxides : 260~430℃
Platinum/Palladium Oxides : 150~290℃
Zeolite-supported catalysts : 340~600℃
촉매의 활성도(activity) 또한 중요한 촉매의 설계 인자이다. 촉매의 활성도가 높을수록 NOX의 제거효율은 높아진다. 반면 활성도가 높을수록 SO2의 산화반응과 같은 촉매의 효율을 저감 시키는 부가반응이 일어날 확률도 그만큼 높아진다. 따라서 촉매의 설계에서는 SCR Process를 적용할 공정의 상황에 따라 적절한 촉매의 활성도와 사용온도를 결정하는 것이 중요하다고 볼 수 있다.
전반적으로 NOX의 제거효율은 NOX의 입구와 출구 농도, 배출가스의 온도, Ammonia의 주입량, 산소의 농도 그리고 촉매의 특성 등의 요인에 의해 좌우된다. Ammonia의 경우에는 주입량이 증가하면 그만큼 제거효율도 증가하지만 반응에 참여하지 않고 배출되는 Ammonia(Ammonia Slip)의 경우 그 자체가 주변 환경에 영향을 주기 때문에 적절한 양을 주입하여 반응에 참여하지 않고 배출되는 Ammonia Slip의 양을 최소화하여야 한다.
 
일반적으로 사용하는 촉매의 형상은 크게 Honeycomb Type과 Plate Type으로 구분된다. 두 가지 모두 지지체 역할을 하는 물질(Ceramic, WO3 등)과 촉매 역할을 하는 활성 금속(V2O5, TiO2 등) 분말을 일정비율로 혼합하고 이를 각각의 모양으로 성형하는 기계를 통해 원하는 형상으로 만든 다음, 고온에서 소성 과정을 거쳐 완성한다.
 
a. Production Control

- 활성도(Activity): 활성도(촉매의 처리효율)와 SO2/SO3 conversion rate 측정
- 물리적 성질(Physical properties): 비표면적, 미세기공 체적, 내마모성, Bulk의 강도 측정
- 화학적 성질(Chemical properties): 화학적 조성

 
b. Follow-up testing

일정 기간동안 운전된 촉매는 촉매탑에서 일정량 Sampling하여 Production control과 같은 항목의 시험절차와 동일한 방법으로 test 한 후 계속 사용여부를 결정한다.

 
 

Ammonia Gas (NH3)

Gas 상의 Ammonia를 주입하는 시스템은 암모니아 저장조, 기화장치, Air Mixing 장치 그리고 주입장치로 구성된다.
고농도의 Ammonia 저장 장치는 Pressurized Tank나 Cooled Tank를 사용하며, 일반적으로 Pressurized Tank를 고농도 Ammonia의 운반 및 저장에 사용한다.
Ammonia는 배출가스 내부로 주입하기 전에 Hot water나 steam 혹은 소규모의 Plant일 경우 Electric heater를 사용하여 기화 시켜야 한다. 기화된 Ammonia는 mixer에서 air와 함께 혼합되며 이때 air의 양은 연소용 공기량의 1% 정도로 하고, 혼합 후 Ammonia의 농도가 5%이하가 되도록 하여야 한다. Ammonia와 Air의 혼합기체는 Ammonia의 농도가 15~27%가 되면 폭발하므로 혼합기체는 Ammonia의 농도를 항상 일정하게 유지하도록 주의를 기울여야 하며, 혼합기체의 압력 또한 정확하게 유지하여야 한다.

 
Ammonia Water (NH4OH)

Ammonia Water는 보통 25~32% 수용액을 사용한다. Ammonia Water를 사용할 경우 안전한 사용을 위한 각종 법규의 적용을 받는 고농도의 Ammonia와는 달리 이들 법규의 규제를 피할 수 있다.
Ammonia Water는 고농도의 Ammonia와는 달리 대기압 하에서 운반 및 저장이 가능하여 취급이 용이하고 전체 시스템의 운전이 안정적인 반면, Ammonia Water를 직접 배출가스에 주입할 경우 특별한 분사 Nozzle 등의 장치가 필요하고 때로는 기화장치를 이용하여 기화 시켜 사용하여야 할 경우도 발생한다. 또한 전체적인 사용량을 기준으로 볼 때 고농도의 Ammonia 보다 약품 비용이 더 많이 소요되는 단점이 있다.

 
Urea (NH2CONH2)

대용량의 Plant에서는 Ammonia Water를 사용할 경우 운전비용의 증가 등으로 인해 Ammonia Water 대신 Urea를 사용하기도 한다.
순수 Urea의 경우 물에 쉽게 용해되어 사용상의 문제가 없으나, 불순물이 함유된 Urea의 경우 함유된 불순물이 물에 용해되지 않고 고형물로 남아 이송 배관이나 분사 Nozzle 내부에 축적되어 자주 Cleaning을 해야 하는 문제가 있으며, Ammonia Water나 Gas를 사용할 때보다 더 많은 N2O(Nitrous Oxide)가 발생하고, Urea 수용액 저장조나 이송 배관을 항상 일정한 온도(20~30℃)로 유지하여야 하는 등 운전상의 어려움이 많은 단점이 있다.

 
전체적인 약품의 사용량을 기준으로 볼 때 약품의 가격은 고농도 Ammonia를 1로 보면, Ammonia Water는 1.3, Urea는 0.9 정도이지만, Ammonia를 주입하는 상황에 따라 Ammonia 주입설비의 구성이 변화하게 되므로 Ammonia 주입설비의 선택 및 설계는 Ammonia의 주입량, 배출가스의 성분 및 온도, NOX의 제거량 등을 종합적으로 고려하여 선택 및 설계하여야 한다.
 
 
 
     
   

(주)디복스 | 사업자등록번호: 124-86-15195 | 대표이사: 이선우 | E-Mail: devocs@devocs.com

[본사/공장]경상북도 구미시 3공단3로 46-77(시미동 166-17)
Tel. 054) 476-6750~2 | Fax. 054) 476-6754
[기술연구소]경기도 수원시 영통구 에듀타운로 106번길 16 광교하이니티 301호
Tel. 070-8668-8246 | Fax. 070-8668-8390

COPYRIGHT (C) DEVOCS CO., LTD. ALL RIGHTS RESERVED.