[논문]알칼리 및 알칼리 토금속에 의한 SCR 촉매 비활성 거동

한승윤; 신민철; 이희수

doi:10.6111/jkcgct.2016.26.6.238

초록
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알칼리(토)금속이 SCR(Selective Catalytic Reduction) 촉매 비활성화에 미치는영향을 미세구조, 촉매 비표면적, 기공 부피 변화, 탈질 성능 분석을 통해 규명하였다. 신촉매를 $350^{\circ}C$에서 6시간 동안 $H_3PO_4$, $K_2CO_3$, $Na_2CO_3$, $Ca(CH_3COO)_2{\cdot}H_2O$, $C_4H_6MgO_4{\cdot}4H_2O$ 수용액을 분사 시켜, 모사 피독된 SCR 촉매를 제조하였다. 피독 촉매 표면의 미세구조는 신촉매와 거의 유사한 형태를 보이지만, 비표면적과 기공 부피 변화를 신촉매와 비교하였을 때, Na < Mg < K < Ca < P 순으로 감소하는 것으로 나타났다. 특히 Na에 의해 피독된 촉매는 비표면적은 $10.20m^2/g$, 기공부피는 $0.061cm^2/g$ 정도 감소하였다. $150{\sim}450^{\circ}C$에서 신촉매 및 피독 촉매의 탈질성능을 평가한 결과, 알칼리 금속(K, Na)에 피독된 SCR 촉매가 가장 낮은 탈질효율을 보였으며, 알칼리 토금속(Ca, Mg)에 피독된 SCR 촉매는 알칼리 금속(K, Na)에 피독된 촉매에 비해 상대적으로 높은 탈질 효율을 보였으며, 인(P)에 의해 피독된 촉매는 SCR 신촉매와 거의 유사한 탈질 성능을 나타내는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 SCR 촉매 비표면적이나 기공 부피 감소에 따른 물리적인 비활성화가 SCR 촉매 탈질 성능에 영향을 미치는 것으로 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of the alkali, alkali earth metal elements on selective catalytic reduction(SCR) catalyst deactivation behavior were investigated in terms of microstructure, surface area, pore volume and De-NOx test. Poisoned SCR catalyst were manufactured by injection of $K_2CO_3$, $Na_2...

The effect of the alkali, alkali earth metal elements on selective catalytic reduction(SCR) catalyst deactivation behavior were investigated in terms of microstructure, surface area, pore volume and De-NOx test. Poisoned SCR catalyst were manufactured by injection of $K_2CO_3$, $Na_2CO_3$, $Ca(CH_3COO)_2{\cdot}H_2O$, $C_4H_6MgO_4{\cdot}4H_2O$, $H_3PO_4$ solutions in the new SCR catalyst at $350^{\circ}C$ for 6 hours. New and poisoned catalysts surface were similar. But specific surface area, pore volume decrease from Na, Mg, K, Ca, P compared to new SCR catalyst. Especially, Na poisoned catalyst surface area and pore size extremely decreased by $10.20m^2/g$, $0.061cm^2/g$. De-NOx test results of new and poisoned catalysts at $150{\sim}450^{\circ}C$ indicated that alkali metal (K, Na) poisoned SCR catalysts have the lowest De-NOx efficiency, alkali earth metal poisoned SCR catalysts (Ca, Mg) De-NOx efficiency are higher than alkali metal poisoned SCR catalysts. P poisoned SCR catalyst De-NOx efficiency is similar new SCR catalyst. It were considered that physical deactivation of SCR catalyst was affected by SCR catalyst surface area and pore volume change.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 바이오매스와 화석연료 혼소 시 발생하는 인, 알칼리(토)금속에 의한 SCR 촉매 비활성화를 확인하고자, 단일 피독 물질 수용액 H₃PO₄, K₂CO₃, Na₂CO₃, Ca(CH₃COO)₂ · H₂O, C₄H₆MgO₄ · 4H₂O를 실제 발전소에서 사용된 촉매와 유사하게 피독 시켜 조건과 유사하게 모사 피독 장치를 적용하여, 피독 촉매를 제조한 후, SEM, BET 분석 및 탈질 성능 평가를 통해 그 특성을 비교 및 원인을 고찰하였다.

제안 방법

본 연구에서는 Fig. 1과 같이 분사 피독 장비를 적용하여, 2개의 furnace에 각각 2개씩 촉매 반응기를 설치하여 총 4개의 반응기로 구성하고, 각각 모사 피독 수용액이 분사가 가능하도록 하였다. 또한 온도를 조정 가능한 컨트롤 판넬을 통하여 추가적인 건조 및 하소 공정없이 furnace의 온도를 발전소 운전 조건인 350°C로 고정하였으며, 촉매 표면에 모사 피독 수용액의 국부적인 피독을 막고, 전체적으로 균일하게 모사 피독 수용액이 도포된 피독 촉매를 형성하기 위해, 용액을 공급하는 펌프의 용액 주입속도를 1.

대상 데이터

피독 촉매를 제조하기 위해서 (주)나노에서 제작한 상용 SCR 촉매로 V₂O₅, WO₃ 함량이 각각 1.0 wt%, 8.0 wt%인 V₂O₅-WO₃/TiO₂ monolith 신촉매를 28.5 mm * 28.5 mm * 400 mm(16 cpsi)로 제단하여 사용하였으며, 피독 물질이 포함된 수용액으로 H₃PO₄, K₂CO₃, Na₂CO₃, Ca(CH₃COO)₂ · H₂O, C₄H₆MgO₄ · 4H₂O을 사용하였다.

데이터처리

분사 피독장치를 적용하여 단일 피독성분으로 모사 피독 촉매를 제조한 후, 단일 피독성분에 의한 SCR 촉매의 비활성화를 SEM, BET 분석 및 탈질 성능 평가를 통해 확인하였다. SEM 분석 결과, 신촉매와 피독 촉매의 미세 구조 변화는 거의 없었지만, BET 분석 결과 Na, Mg, K, Ca, P 순으로 SCR 촉매의 비표면적, 기공 부피가 감소하는 것을 확인하였다.
신촉매와 분사 피독 촉매를 SEM(Scanning Electron Microscope: HITACHI SU8020)을 이용하여 SCR 촉매 표면의 미세구조를 분석하였고, BET(Brunauer Emmett Teller: Micromeritics ASAP 2020)를 이용하여 SCR 촉매 비표면적, 기공 부피, 기공 크기 변화를 비교하여 물리적인 비활성화를 확인하고자 하였다.

성능/효과

분사 피독장치를 적용하여 단일 피독성분으로 모사 피독 촉매를 제조한 후, 단일 피독성분에 의한 SCR 촉매의 비활성화를 SEM, BET 분석 및 탈질 성능 평가를 통해 확인하였다. SEM 분석 결과, 신촉매와 피독 촉매의 미세 구조 변화는 거의 없었지만, BET 분석 결과 Na, Mg, K, Ca, P 순으로 SCR 촉매의 비표면적, 기공 부피가 감소하는 것을 확인하였다.
탈질 성능 분석 결과, 신촉매와 비교하여 P, 알칼리 토금속(Ca, Mg), 알칼리 금속(K, Na) 순으로 낮게 나타났다. 이를 통해 알칼리 토금속(Ca, Mg)과 인(P)에 의한 표면 변화나 SCR 촉매의 비표면적, 기공 크기 변화에 따른 물리적인 비활성화가 SCR 탈질 촉매 성능에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
탈질 성능 분석 결과, 신촉매와 비교하여 P, 알칼리 토금속(Ca, Mg), 알칼리 금속(K, Na) 순으로 낮게 나타났다. 이를 통해 알칼리 토금속(Ca, Mg)과 인(P)에 의한 표면 변화나 SCR 촉매의 비표면적, 기공 크기 변화에 따른 물리적인 비활성화가 SCR 탈질 촉매 성능에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SCR 촉매 비활성화에 대한 연구가 진행 중인 나라는 어디가 있는가?	하지만 화석 연료와 바이오매스를 혼소하였을 때, NOx 제거에 효과적인 SCR(Selective Catalytic Reduction) 촉매의 탈질 효율이 급격하게 감소하는 현상이 발생하였다. 따라서 SCR 촉매 비활성화에 대한 연구가 미국[1], 덴마크[2], 네덜란드[3], 일본[4] 등 선진국에서 다양하게 수행 되었으며, 그 결과, 연료 배가스 내에 존재하는 비산재, 알칼리(토)금속 산화물, 인 등의 피독 물질들을 그 원인으로 보았다[5]. 하지만 국내에서는 SCR 촉매 비활성 물질에 대한 다양한 연구가 진행 중인 선진국과는 달리 주로 알칼리 금속에 의해 비활성화된 SCR 촉매 재생 방법에 대한 연구가 수행되고 있으며[6], 알칼리 토금속이나 인에 의한 SCR 촉매 비활성화에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다.
	바이오 매스를 사용하는 이유는?	국내외 발전소에서는 기존 연료인 석유나 석탄의 사용량을 줄이고자 바이오 매스인 MBM(Meat & Bone Meal), 나무 Pellet 등과 화석연료의 혼소를 통해 세계적으로 강화된 대기 환경 규제에 대한 대책을 마련하고 있다. 하지만 화석 연료와 바이오매스를 혼소하였을 때, NOx 제거에 효과적인 SCR(Selective Catalytic Reduction) 촉매의 탈질 효율이 급격하게 감소하는 현상이 발생하였다.
	국내에서는 NOx 제거에 효과적인 SCR의 촉매 비활성화에 대한 연구 현황은 어떠한가?	따라서 SCR 촉매 비활성화에 대한 연구가 미국[1], 덴마크[2], 네덜란드[3], 일본[4] 등 선진국에서 다양하게 수행 되었으며, 그 결과, 연료 배가스 내에 존재하는 비산재, 알칼리(토)금속 산화물, 인 등의 피독 물질들을 그 원인으로 보았다[5]. 하지만 국내에서는 SCR 촉매 비활성 물질에 대한 다양한 연구가 진행 중인 선진국과는 달리 주로 알칼리 금속에 의해 비활성화된 SCR 촉매 재생 방법에 대한 연구가 수행되고 있으며[6], 알칼리 토금속이나 인에 의한 SCR 촉매 비활성화에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다.

참고문헌 (10)

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J. Blanco and P. Avila, "Influence of phoshorus in vanadium-containing catalysts for NOx removal", Appl. Catal. 55 (1989) 151.

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M. Klimczak, P. Kern, T. Heinzelmann, M. Lucas and P. Claus, "High throughput study of the effects for inorganic additives and poisons on $NH_3$ -SCR catalysts-Part I: $V_2O_5-WO_3/TiO_2$ catalysts", Appl. Catal. B. 95 (2010) 39.

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K.-H. Kim, "Deactivation and regeneration of alkali metal-doped SCR catalysts", University of Seoul, June 2012, Doctorate thesis.
O. Krocher and M. Elsener, "Chemical deactivation of $V_2O_5/WO_3-TiO_2$ SCR catalysts by additives and Impurities from fuels, Lubrication oils, and urea solution I. Catalytic studies", Appl. Catal. B. 75 (2008) 215.
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L. Chen, J. Li and M. Ge, "The poisoning effect of alkali metals doping over nano $V_2O_5-WO_3/TiO_2$ catalysts on selective catalytic reduction of NOx by $NH_3$ ", Chem. Eng. J. 170 (2011) 531.

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