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[국내논문] 폐 RHDM 촉매의 재생 후 워시코팅에 의한 NOx 저감 효율
The Efficiency of NOx Reduction by Regeneration and Wash Coating of Spent RHDM Catalyst 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.35 no.3, 2018년, pp.876 - 885  

나우진 (한서대학교 화학공학과) ,  박해경 (한서대학교 화학공학과)

초록
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폐 RHDM(Residue Hydrodemetallation) 촉매상에 침적된 비활성화 성분인 탄소, 황 을 고온배소 처리하여 제거한 후, 과량 침적되어 있는 바나듐은 초음파 교반기에서 5~15wt% 옥살산 수용액을 이용하여 $50^{\circ}C$, 5분 조건하에 바나듐 추출량을 조절함으로써 NOx 저감을 위한SCR(Selective Catalytic Reduction) 촉매로의 적용 가능성을 확인하고자 하였다. 폐촉매와 단계별 처리된 RHDM 촉매를 대상으로 상압반응기상에서 NOx 저감 효율을 측정하였고, 촉매의 성분분석은 ICP, C & S analyzer 및 XRF를 이용하여 분석하였다. 10wt% 옥살산 수용액으로 바나듐을 침출한 촉매가 가장 안정적이었으며 높은 NOx 저감 효율을 보였다. 이를 메탈폼 형태의 지지체에 워시코팅한 촉매는 상용 SCR 촉매와 동등 수준의 NOx 저감 효율을 나타내었다. 따라서 폐 RHDM 촉매의 처리 조건 조정에 관한 후속 연구를 통하여 각 적용처에 적합한 SCR 촉매로의 이용 가능성은 충분할 것으로 사료된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Utilization of spent RHDM(Residue Hydrodemetallation) catalyst as de-NOx SCR(Selective Catalytic Reduction) catalyst was studied by conducting by heptane cleaning and high-temperature roasting for removal of deposited carbon and sulfur. Followed by oxalic acid leaching was carried out for controllin...

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문제 정의

  •  본 연구 대상인 중질유탈금속(Residue hydrodemetallation, RHDM) 촉매는 중질유분에 함유된 중금속(Ni, V)을 제거하는 촉매로서, 특히 바나듐(V)은 촉매의 기공입구 주변과 표면위에 점차 침착되어 결국 촉매를 비활성화 시키는 작용을 한다[9]. 그러나 폐 RHDM촉매에 침적된 피독 물질인 바나듐 성분은 탈질 SCR 촉매의 주 활성성분이고, 본래 RHDM 촉매의 주 활성성분인 몰리브데늄은 탈질 SCR 촉매의 조촉매 성분으로 가장 널리 사용되는 텅스텐(W)과 주기율표 상에서 같은 족 성분이므로 폐 RHDM 촉매의 물리적, 화학적 처리를 통하여 탈질 SCR 촉매로의 재이용 가능성을 확인하고자 하였다[10,11,12, 13]. 현재 사용되고 있는 RHDM 촉매의 수명은 6개월∼1년으로 짧으며 매년 국내에서 약 4천 톤이 배출되고 있다.
  • 본 연구에서는 폐 RHDM 촉매에 침적된 불순물을 유분세정, 고온배소 그리고 산 침출 처리 하여 제거한 후 메탈폼지지체에 워시코팅하여 제조한 촉매와 상용 SCR촉매의 NOx 저감 효율을 비교함으로써 탈질 SCR 촉매로의 적용 가능성에 대한 연구를 진행하였다[14,15,16,17].
  • 본 연구에서는 폐 RHDM 촉매를 처리하여 침적된 바나듐(V)이 활성성분으로 작용하는 SCR 촉매로의 이용 가능성 연구를 수행하였다. 폐 RHDM 촉매의 처리조건(유분세정 뒤 고온배소 전후, 산 침출 용액의 농도별)에 따른 성분분석 및 NOx 저감 효율을 측정하여 상용 SCR 촉매와 비교함으로써 아래와 같은 결론을 도출할 수 있었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고도화 설비의 가동을 위한 선행조건은 무엇인가?  고도화 설비의 가동을 위해서는 중질유분에 함유되어있는 유기질소, 유황, 산소, 금속화합물의 제거가 선행되어야 하며[2,3], 수소첨가 반응 촉매를 적용하여 중금속을 제거하기 위한 탈금속 (HydroDeMetallation, HDM), 황화합물을 제거하기 위한 탈황 (HydroDeSulfurization, HDS), 질소화합물을 제거하기 위한 탈질 (Hydro DeNitrogenation, HDN)공정 등을 거치게 된다[4,5,6,7,8]. 
수명이 다한 RHDM 촉매의 처리 방법은 무엇인가? 현재 사용되고 있는 RHDM 촉매의 수명은 6개월∼1년으로 짧으며 매년 국내에서 약 4천 톤이 배출되고 있다. 수명이 다한 촉매는 단순히 침적된 코크(coke)성분만 고온배소 처리로 제거하여 신촉매와 혼합하여 반응기에 일부 투입 재사용하거나 분쇄 후 유가금속만을 회수한 후 폐기처리 되고 있는 실정이다. 최근 국내에서도 폐 중질유 탈황촉매의 재제조에 관한 연구개발이 진행되어 pilot plant에서의 시제품 생산을 통한 상용 공정 적용 검증 단계에 이른 것으로 알려져 있으나, 폐 RHDM 촉매는 바나듐 침적량이 5배 이상 많고 또한 반응기로부터 촉매 형태를 유지한 상태로 배출하는 것도 용이하지 않기 때문에 본래의 용도로 재사용하기 위한 기술 개발 시도가 매우 제한적인 상황이었다.
중질유 분해공정은 무엇으로 구성되는가?  원유를 정제하면 경질유 (LPG, 나프타, 가솔린, 경유, 등유)가 약 30 %, 중질유가 약 70 % 비율로 얻어진다. 현재는 중질유의 경질유로의 고부가가치화를 목적으로 중질유 분해공정 (수첨분해, 접촉분해, 열분해)을 거쳐 경질유로 전환하는 고도화 설비 (Heavy Oil Upgrading, HOU)가 개발되어 지속적으로 확장되고 있는 추세이다[1]. 
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참고문헌 (17)

  1. H. K. Park, M. K. Jun, H. L. Koh, "Remanufacturing Technology and Market Situation of Used Chemical Catalyst", Korean Industrial Chemistry News, Vol.15, No.5 pp. 14-25, (2012) 

  2. H. K. Park, "A study of hydrodesulfurization of dibenzothiophene over Mo, CoMo, NiMo/ ${\gamma}$ - $Al_2O_3$ catalysts with various states, and their characterization and kinetic analysis", Chem. Eng. Yeonsei Univ. (1994). 

  3. H. J. Jo, S. G. Moun, Y. M. Jo, Y. S. Chung, "A Patent Analysis on Impurity Removal and Catalysts for Crude Oil Purification", Clean Technol, Vol.16, No.1 pp. 1-11, (2010). 

  4. A. R. Ware, J. Wei, "Catalytic Hydro demetallation of Nickel Porphyrins : II. Effects of pyridine and of sulfiding", j. Catal, Vol.93, No.1 pp. 122-134, (1985). 

  5. M. Marafi, A. Stanislaus, E. Furimsky, E., "Handbook of Spent Hydro procrssing Catalyst Regeneration, Rejuvenation and Reclamation" Elsevier, pp. 17-189, (2010). 

  6. H. J. Jeon, G. Seo, "Introduction to Catalysis," 4th ed., Hanlimwon Publishers, Seoul, pp. 285, (2002). 

  7. C. L. R. Bonne, V. P. Steenderen, V. E. A. Diepen, A. J. Moulijn, "Hydrodemetallisation of nicke l- 5, 10, 15, 20 - tetraphenylporphyrin over sulphided Mo/ $Al_2O_3$ Initial catalyst deactivation", Appl. Catal. A. Gen, Vol.108, No.2 pp. 171-186, (1994). 

  8. J. Wei, X. Zhao, "Metal Deposition and Deactivation of Hydro demetallation Catalysts", J. Chem. Eng. Sci, Vol.47, No.9-11 pp. 2721-2726, (1992). 

  9. J. H. Kim, H. T. Kim, W. S. Cho, "Recovery of Valuable Metals from the Spent Catalyst", Korean J. Chem. Eng, Vol.1, No.2 pp. 845-848, (1995). 

  10. K. L. Kim, K. S. Choi, "Desulfurization, denitrogenation, deoxygenation and demetallation from petroleum fuels", Korean J. Chem. Eng, Vol.6, No.2 pp. 133-138, (1988). 

  11. S. Y. Kang, H. S. Koo, K. S. Choi, K. L. Kim, "A Study of Hydrodemetallation of Ni-TPP Catalyzed by CoMo/ ${\gamma}$ - $Al_2O_3$ ", Korean J. Chem. Eng, Vol.29, No.1 pp. 11-18, (1991). 

  12. H. S. Shim, H. K. Park, E. S. Ko, K. L. Kim, "A Study of Hydrodemetallation of VO-TPP Over CoMo/ ${\gamma}$ - $Al_2O_3$ Catalyst", J. Ind. Eng. Chem, Vol.4, No.4 pp. 701-708, (1993). 

  13. M. Inomata, K. Mori, A. Miyamoto, T. Ui, Y. Murakami, "Structures of supported vanadium oxide catalysts. 1. Vanadium(V) oxide/titanium dioxide (anatase), vanadium(V) oxide/titanium dioxide (rutile), and vanadium(V) oxide/titanium dioxide (mixture of anatase with rutile)", J. Phys. Chem, Vol.87, No.5 pp. 754-761, (1983). 

  14. N. lsabella, D. Lorenzo, L. Luca, G. Elio, F. Pio, "Study of thermal deactivation of a de-NOx com-mercial catalyst", Appl. Catal., B : Environmental, Vol.35, No.1, pp. 31-42, (2001) 

  15. S. J. Lee, S. C. Hong, "Deactivation and Regeneration of a Used De-NOx SCR Catalyst for Wastes Incinerator", J. Ind. Eng. Chem, Vol.19, No.3, pp. 259-263, (2008). 

  16. L. Lietti, "Reactivity of $V_2O_5-WO_3$ / $TiO_2$ de-NOx catalysts by transient methods", Applied catalysis B : Environmental, Vol.10, No.4 pp. 281-297, (1996). 

  17. P. Forzatti, L. Lietti, "Selective catalytic reduction of NOx by $NH_3$ from stationary sources", La Chimica e l'industria, Vol.78, No.6 pp. 685-691, (1996). 

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