[논문]바나듐계 촉매상에서 암모니아를 이용한 질소산화물의 환원반응속도에 수분이 미치는 영향에 관한 연구

김영득; 정수진; 김우승

doi:10.7467/ksae.2012.20.6.073

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The main and side reactions of the three selective catalytic reduction (SCR) reactions with ammonia over a vanadium-based catalyst have been investigated using synthetic gas mixtures in the temperature range of $170{\sim}590^{\circ}C$. The three SCR reactions are standard SCR with pure NO...

The main and side reactions of the three selective catalytic reduction (SCR) reactions with ammonia over a vanadium-based catalyst have been investigated using synthetic gas mixtures in the temperature range of $170{\sim}590^{\circ}C$. The three SCR reactions are standard SCR with pure NO, fast SCR with an equimolar mixture of NO and $NO_2$, and $NO_2$ SCR with pure $NO_2$. Vanadium based catalyst has no significant activity in NO oxidation to $NO_2$, while it has high activity for $NO_2$ decomposition at high temperatures. The selective catalytic oxidation of ammonia and the formation of nitrous oxide compete with the SCR reactions at the high temperatures. Water strongly inhibits the selective catalytic oxidation of ammonia and the formation of nitrous oxide, thus increasing the selectivity of the SCR reactions. However, the presence of water inhibits the SCR activity, most pronounced at low temperatures. In this study, the experimental results are analyzed by means of a dynamic one-dimensional isothermal heterogeneous plug-flow reactor (PFR) model according to the Eley-Rideal mechanism.

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문제 정의

이때 가스의 공간속도는 40000 h^-1, O₂ 농도는 5%인 조건 하에서 촉매 온도를 170℃에서 590℃까지 70℃ 간격으로 변화시키며 SCR 촉매의 NO_X 저감효율 특성을 분석하였다. 또한 가스 내 H₂O의 농도(5%)가 촉매의 SCR 반응 및 NH₃의 산화반응속도에 미치는 영향을 실험을 통해 살펴보았다.
본 연구에서는 바나듐계 촉매상에서 NO_X의 SCR 반응에 대하여 보다 자세한 반응속도 모델 개발을 수행하였으며, 배출가스 내 수분이 NO_X의 SCR 반응속도에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다.
본 연구에서는 바나듐계 촉매상에서 NO_X의 SCR 반응에 대한 반응속도 모델 개발을 수행하였으며, 배출가스 내 수분이 NO_X의 SCR 반응속도에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다. 일반적으로 SCR 촉매의 온도가 상대적으로 저온일 경우, 배출가스 내수분이 포함되어 있을 때의 NO_X 저감효율은 수분의 반응 억제 효과에 의해 수분이 없을 때보다 크게 감소된다.
특히, 본 연구의 주요 목적인 NO_X의 SCR 반응속 도에 수분이 미치는 영향에 관한 많은 연구가 V₂O₅-WO₃/TiO₂²⁾, V₂O₅/TiO₂³⁾, CuZSM₅⁶⁾, Cr₂O₃/TiO₂⁷⁾, Fe/Zeolite⁸⁾, V₂O₅-WO₃/TiO₂⁹⁾ SCR 촉매를 통해 수행되어 왔으나, 상당히 제한적인 작동조건(촉매 온도, 화학종 및 반응) 하에서 이에 대한 분석이 이루어졌다. 기존 연구 결과는 배출가스 내 수분이 저온 영역에서는 NO_X 저감효율을 저하시키는 반면, 고온 영역에서는 이를 향상시킴을 보여주었다.

제안 방법

SCR 촉매 내 총 5개의 화학종(NH3, NO, NO2, N2O, O2)의 비정상 거동을 예측하기 위해서 촉매 표면에서 NH3의 흡･탈착 반응과 주요 SCR 반응 및 NH3의 산화반응식을 고려하였다.
2에 나타내었다. 가스의 공간속도는 40000 h^-1로 유지하고, NH₃의 유입 농도는 최초 500 ppm을 유지하다가 856 sec에서 유입을 중단하는 계단형태의 입력을 가하였다. 촉매 온도가 높을수록 표면에 흡착되는 총 NH₃의 양은 감소함을 알 수 있다.
먼저, 가스 내 H₂O를 공급하지 않고 NH₃의 흡･탈착 반응, NO의 산화 및 NO₂의 해리반응, NH₃의 산화반응, 그리고 standard-, fast- 및 NO₂-SCR 반응에 대한 실험을 수행하였다. 이때 가스의 공간속도는 40000 h^-1, O₂ 농도는 5%인 조건 하에서 촉매 온도를 170℃에서 590℃까지 70℃ 간격으로 변화시키며 SCR 촉매의 NO_X 저감효율 특성을 분석하였다.
의 산화반응식을 고려하였다. 본 연구에서 고려한 반응식과 각각의 반응식에 대한 반응속도식을 Table 1에 나타내었으며, 반응속도식에 포함된 반응상수(kinetic parameter)는 선행 연구에서 제안한 최적화 기법을 적용하여 구하였다.¹⁰⁾
앞서 기술한 SCR DeNO_X 촉매의 1차원 해석모델은 가스 내 H₂O가 포함되어 있지 않은 경우에 대하여 고려하였으며, 비정상 상태에서 NH₃의 흡･탈착 반응, 정상 상태에서 NO의 산화 및 NO₂의 해리반응, NH₃의 산화반응, 그리고 standard-, fast- 및 NO₂-SCR 반응에 따른 NO_X의 저감효율을 예측함으로써 해석 모델의 타당성을 검증하였다.
-SCR 반응에 대한 실험을 수행하였다. 이때 가스의 공간속도는 40000 h^-1, O₂ 농도는 5%인 조건 하에서 촉매 온도를 170℃에서 590℃까지 70℃ 간격으로 변화시키며 SCR 촉매의 NO_X 저감효율 특성을 분석하였다. 또한 가스 내 H₂O의 농도(5%)가 촉매의 SCR 반응 및 NH₃의 산화반응속도에 미치는 영향을 실험을 통해 살펴보았다.
이러한 NO_X의 SCR 반응속도에 수분이 미치는 영향을 보다 자세히 살펴보기 위해 모사 배기가스를 이용한 test-rig 실험을 수행하였다. 바나듐계 촉매상에서 NO_X의 SCR 반응에 대한 반응속도는 1차원 등온 PFR(one-dimensional isothermal plug flow reactor) 모델과 연계하여 계산하였다.

대상 데이터

SCR DeNOX 촉매의 해석모델과 반응 메커니즘의 타당성 검증 및 NOX의 저감 효율 특성을 분석하기 위하여 본 연구에서는 모사 배기가스를 이용한 test-rig 실험을 수행하였으며, 실험에는 바나듐 계열의 촉매가 담지된 400 cpsi 모노리스를 직경 2.25 cm, 길이 3.23 cm로 가공한 샘플이 사용되었다.

데이터처리

바나듐계 촉매상에서 NO_X의 SCR 반응에 대한 반응속도는 1차원 등온 PFR(one-dimensional isothermal plug flow reactor) 모델과 연계하여 계산하였다. 본 연구에서 제안한 반응속도 모델의 타당성 검증을 위해 모사 배기가스를 이용한 test-rig 실험 결과와 해석 결과를 비교하였다.

이론/모형

의 SCR 반응속도에 수분이 미치는 영향을 보다 자세히 살펴보기 위해 모사 배기가스를 이용한 test-rig 실험을 수행하였다. 바나듐계 촉매상에서 NO_X의 SCR 반응에 대한 반응속도는 1차원 등온 PFR(one-dimensional isothermal plug flow reactor) 모델과 연계하여 계산하였다. 본 연구에서 제안한 반응속도 모델의 타당성 검증을 위해 모사 배기가스를 이용한 test-rig 실험 결과와 해석 결과를 비교하였다.
본 연구에서는 채널 벽면과 채널 내 가스의 열 및 물질전달을 고려하기 위하여 1차원 등온 PFR 모델을 사용하였다. 채널 벽 및 채널 내 가스의 물질전달을 나타내는 지배방정식은 다음과 같다.

성능/효과

1) NO의 NO₂로의 산화반응속도는 660℃에서 4.4% 의 최대 변환효율로 무시할 수 있을 만큼 작지만, NO₂의 해리반응에 의한 최대 변환효율은 660℃에서 약 43%로 NO의 산화반응에 비해 상당히 높다. 또한 약 250℃ 이상에서 N₂와 N₂O를 생성하는 NH₃의 산화반응은 활성화되고, NO와 NO₂는 각각 450℃, 520℃ 이상에서 NH₃와 NO의 산화 반응에 의해 생성된다.
2) Fast-SCR 반응에 의한 NO_X의 저감효율은 상대적으로 낮은 온도 영역(240~450℃)에서 90% 이상으로 상당히 높지만, 380℃ 이상에서 NH₃, NO 및 N₂O의 농도는 상대적으로 크게 증가하여 NO_X의 저감효율은 감소된다. 이는 NO₂의 해리 반응에 의해 생성된 O₂가 NH₃의 산화반응에 참여하여 NO와 N₂O를 생성시킬 뿐만 아니라, fast-SCR 반응에 필요한 NO₂의 농도를 크게 감소시켜 fast-SCR 반응을 억제하기 때문이다.
3) Standard- 및 fast-SCR 반응에 비해 반응속도가 매우 느린 NO₂-SCR 반응은 약 310℃ 이상에서 일어나며, 450℃ 이하에서 NO_X 저감효율은 상당히 낮다. 하지만 520℃ 이상에서 NO_X 저감효율은 NO₂의 해리반응에 의해 생성된 NO가 fast-SCR 반응에 참여하기 때문에 fast-SCR 반응에 의한NO_X 저감효율과 유사한 성능을 가진다.
4) 고려된 전체 온도 영역에 대하여 가스 내 H₂O가 포함됨에 따라 NO₂의 해리 및 NH₃의 산화반응은 억제되며, 이러한 H₂O의 반응 억제 효과는 NH₃의 산화반응에서 보다 크다.
5) Standard- 및 fast-SCR 반응의 경우, 특정 촉매 온도 (각각 470℃, 380℃) 이하일 때, H₂O가 5% 포함되어 있을 때의 NO 저감 효율은 H₂O의 반응 억제 효과에 의해 H₂O가 없을 때보다 크게 감소된다. 하지만 특정 촉매 온도 이상이 되면 H₂O가 5% 포함되어 있을 때의 NO 저감 효율은 H₂O가 없을 때보다 향상된다.
1에 나타낸 바와 같이, 바나듐 계열의 SCR 촉매상에서 N₂O의 생성은 크게 세 가지 반응온도 영역에 따라 각기 다른 반응메커니즘에 의해 일어난다.⁹⁾ 약 350℃ 이상의 고온 영역에서는 반응식 (R.10)과 (R.11)에 의해 N₂O가 생성되고, 약 250 ~ 350℃의 촉매 온도 영역에서는 반응식 (R.12)와 (R.13)에 의해 N₂O가 생성된다.
SCR 촉매를 통해 수행되어 왔으나, 상당히 제한적인 작동조건(촉매 온도, 화학종 및 반응) 하에서 이에 대한 분석이 이루어졌다. 기존 연구 결과는 배출가스 내 수분이 저온 영역에서는 NO_X 저감효율을 저하시키는 반면, 고온 영역에서는 이를 향상시킴을 보여주었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	urea-SCR에 대한 사람들의 인식은 어떠한가?	대형 또는 소형 디젤엔진의 NOX 배기 규제 대응을 위해 요소(urea) 또는 탄화수소(HC)를 이용한 SCR(selective catalytic reduction), LNC(lean NOX catalyst), 그리고 LNT(lean NOX trap) 등과 같은 촉매 기술들이 제안되고 있으며, 이 중 urea-SCR은 NOX 배출을 향후 배기 규제 이하의 수준으로 저감시킬 수 있는 성능을 가진 후처리 기술로 인식되고 있다.
	바나둠계 촉매의 온도가 일정 온도 이상인 고온이 되면 수분이 포함되어 있을 때 NOX 저감효율이 수분이 없을 때보다 높아지는 이유는 무엇인가?	그러나 촉매 온도가 일정 온도 이상으로 고온이 되면 수분이 포함되어 있을 때 NOX 저감효율은 수분이 없을 때보다 높아지게 된다. 이는 고온에서 수분이 암모니아에 비해 촉매 표면에 강하게 흡착 하기 때문이다. 따라서 고온에서 암모니아의 산화반응은 감소하게 되고, NOX와 반응할 수 있는 암모니아의 농도는 상대적으로 증가하게 된다.
	SCR DeNOX 촉매로 사용되는 것에는 무엇이 있는가?	Urea를 이용한 SCR DeNOX 촉매에는 각각 다른 활성온도창(operating temperature window)을 가진 백금(platinum, 약 175~250°C), 바나듐(vanadium, 약 250~ 450°C), 그리고 제올라이트(zeolite, 350~600°C) 등이 다양한 운반제(carrier, Al2O3 또는 TiO2) 및 촉진제(promoter, WO3또는 MoO3)와 함께 사용되고 있으며, 이 중 바나듐1-4)과 제올라이트5,6) 계열의 SCR 촉매에 대한 수 많은 수치 및 실험적 연구가 진행되고 있다.

참고문헌 (14)

J. Gieshoff, A. Schafer-Sindlinger, P. C. Spurk, J. A. A. van den Tillaart and G. Garr, "Improved SCR Systems for Heavy Duty Applications," SAE 2000-01-0189, 2000.
C. Ciardelli, I. Nova, E. Tronconi, B. Konrad, D. Chatterjee, K. Ecke and M. Weibel, "SCR- $DeNO_{X}$ for Diesel Engine Exhaust Aftertreatment: Unsteady-State Kinetic Study and Monolith Reactor Modelling," Chemical Engineering Science, Vol.59, pp.5301-5309, 2004.

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C. Winkler, P. Florchinger, M. D. Patil, J. Gieshoff, P. Spurk and M. Pfeifer, "Modeling of SCR $DeNO_{X}$ Catalyst - Looking at the Impact of Substrate Attributes," SAE 2003-01-0845, 2003.
D. Tsinoglou and G. Koltsakis, "Modelling of the Selective Catalytic $NO_{X}$ Reduction in Diesel Exhaust including Ammonia Storage," Proc. IMechE Part D: Journal of Automobile Engineering, Vol.221, pp.117-133, 2007.

상세보기
J. H. Baik, S. D. Yim, I. S. Nam, Y. S. Mok, J. H. Lee, B. K. Cho and S. H. Oh, "Modeling of Monolith Reactor Washcoated with CuZSM5 Catalyst for Removing NO from Diesel Engine by Urea," Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol.45, pp.5258-5267, 2006.

상세보기
H. Sjovall, L. Olsson, E. Fridell and R. J. Blint, "Selective Catalytic Reduction of $NO_{X}$ with $NH_{3}$ over CuZSM5 - The Effect of Changing the Gas Composition," Applied Catalysis B, Vol.64, pp.180-188, 2006.

상세보기
R. Willi, M. Maciejewski, U. Gobel, R. A. Koppel and A. Baiker, "Selective Reduction of NO by $NH_{3}$ over Chromia and Titania Catalyst: Investigation and Modeling of the Kinetic Behavior," Journal of Catalysis, Vol.166, pp.356-367, 1997.

상세보기
M. Devarakonda, R. Tonkyn, D. Tran, J. Lee and D. Herling, "Modeling Species Inhibition of NO Oxidation in Urea-SCR Catalysts for Diesel Engine $NO_{X}$ Control," Journal of Engineering for Gas Turbines Power - Transactions of ASME, Vol.133, 2011.
G. Madia, M. Koebel, M. Elsener and A. Wokaun, "Side Reactions in the Selective Catalytic Reduction of $NO_{X}$ with Various $NO_{2}$ Fractions," Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol.41, pp.4008-4015, 2002.

상세보기
Y.-D. Kim and W.-S. Kim, "Re-evaluation and Modeling of a Commercial Diesel Oxidation Catalyst," Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol.48, pp.6579-6590, 2009.

상세보기
T. Kirchner and G. Eigenberger, "On the Dynamic Behavior of Automotive Catalysts," Catalysis Today, Vol.38, pp.3-12, 1997.

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E. N. Fuller, K. Ensley and J. C. Giddings, "Diffusion of Halogenated Hydrocarbons in Helium: The Effect of Structure on Collision Cross Sections," Journal of Physical Chemistry, Vol.73, pp.3679-3685, 1969.

상세보기
H.-C. Jeong, S.-M. Sim, Y.-D. Kim, S.-J. Jeong and W.-S. Kim, "An Experimental Study on the $NH_{3}$ -SCR of $NO_{X}$ over a Vanadium-based Catalyst," Transactions of KSAE, Vol.20, No.1, pp.20-27, 2012.
S. Suarez, S. M. Jung, P. Avila, P. Grange and J. Blanco, "Influence of $NH_{3}$ and NO Oxidation on the SCR Reaction Mechanism on Copper/ Nickel and Vanadium Oxide Catalysts Supported on Alumina and Titania," Catalysis Today, Vol.75, pp.331-338, 2002.

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