[논문]고온 불활성 기체 분위기에서 아산화질소 열분해 및 반응속도에 관한 연구

이한민; 윤재근; 홍정구

doi:10.15435/jilasskr.2020.25.3.132

고온 불활성 기체 분위기에서 아산화질소 열분해 및 반응속도에 관한 연구
A Study of Nitrous Oxide Thermal Decomposition and Reaction Rate in High Temperature Inert Gas 원문보기

한국분무공학회지 = Journal of ilass-korea, v.25 no.3, 2020년, pp.132 - 138

이한민 (경북대학교 기계공학과) , 윤재근 (경북대학교 기계공학과) , 홍정구 (경북대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

N2O is hazardous atmosphere pollution matter which can damage the ozone layer and cause green house effect. There are many other nitrogen oxide emission control but N2O has no its particular method. Preventing further environmental pollution and global warming, it is essential to control N2O emission from industrial machines. In this study, the thermal decomposition experiment of N2O gas mixture is conducted by using cylindrical reactor to figure out N2O reduction and NO formation. And CHEMKIN calculation is conducted to figure out reaction rate and mechanism. Residence time of the N2O gas in the reactor is set as experimental variable to imitate real SNCR system. As a result, most of the nitrogen components are converted into N2. Reaction rate of the N2O gas decreases with N2O emitted concentration. At 800℃ and 900℃, N2O reduction variance and NO concentration are increased with residence time and temperature. However, at 1000℃, N2O reduction variance and NO concentration are deceased in 40s due to forward reaction rate diminished and reverse reaction rate appeared.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Experimental setup
표 Table 1. Test gas conditions
표 Table 2 Experimental conditions
표 Table 3 GRI3.0 Mechanism
그림 Fig. 4 Absolute rate of production of N2(M/s)
그림 Fig. 2 Experimental gas concentration according to tem-perature
그림 Fig. 5 N₂O reduction according to residence time
그림 Fig. 3 Calculated N₂ concentration according to temperature
그림 Fig. 6 Rate of progress between N₂O and N₂(M/s) according to residence time
그림 Fig. 7 Rate of progress between N₂O and N₂(M/s) according to residence time at 1000°C
표 Table 4 Rate of progress between N₂O and N₂
그림 Fig. 8 NO concentration according to residence time
그림 Fig. 9 Rate of progress between N₂O and NO(M/s) accord-ing to residence time
그림 Fig. 10 Rate of progress between N₂O and NO(M/s) according to residence time at 1000°C
표 Table 5 Rate of progress between N₂O and NO

AI 본문요약
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문제 정의

앞선 선행연구에서는 질소산화물의 반응 과정 등에 대한 분석 연구가 대부분이며, 상대적으로 아산화질소의 생성 및 분해 메커니즘(Mechanism)에 대한 기초 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 실험실 규모의 선택적 비촉매 환원 공정 반응기를 구성하여 실제 산업용 연소기에서 배출되는 아산화질소의 열분해 반응을 관찰하고자 한다. 선택적 비촉매 환원 장치의 크기와 연소 운전조건(유속, 온도)은 배기가스의 조성에 영향을 미친다.
본 연구는 고온 반응기 열분해 실험을 통하여 아산화질소 저감 및 질소산화물 생성을 관찰하였으며, 계산결과로 획득한 반응식 및 반응속도와 비교하여 체류시간 및 온도에 따른 화학반응의 진행과정을 확인하였다.
선택적 비촉매 환원 장치의 크기와 연소 운전조건(유속, 온도)은 배기가스의 조성에 영향을 미친다. 이에 배기가스 조성에 영향을 미치는 체류시간과 온도를 실험 변수로 설정하고자 한다. 이후 실험적 결과와 CHEMKIN-PRO에서 계산한 반응식 및 반응속도를 비교하여 아산화질소 저감 및 질소산화물 생성 메커니즘에 대해 고찰하고자 한다.
이에 배기가스 조성에 영향을 미치는 체류시간과 온도를 실험 변수로 설정하고자 한다. 이후 실험적 결과와 CHEMKIN-PRO에서 계산한 반응식 및 반응속도를 비교하여 아산화질소 저감 및 질소산화물 생성 메커니즘에 대해 고찰하고자 한다.

제안 방법

반응기 내부의 4개의 열선 코일(Heating Coil)로 반응기를 가열하며, 온도는 각 코일 중심부에 R-type 열전대(Thermocouple)를 설치하여 측정하였다. 반응 후 배기가스는 열교환기(Heat Exchanger)를 거친 후, Non-Dispersive Infrared (NDIR) 방식의 가스 측정기(IR-1, Sensonic. 아산화질소 측정용)와 가스 분석기(MK 6000+, Ecom GmbH, 질소산화물 및 산소 측정용)를 이용하여 측정하였다. NDIR 가스 측정기의 오차는 ±3 ppm or 3%이고 센서(Sensor)는 전기화학(Electrochemical) 센서이다.
반응기는 내경 140 mm, 길이 1000 mm의 원통형 구조이며, 1000℃까지 승온 가능한 전기로(Furnace)이다. 반응기 내부의 4개의 열선 코일(Heating Coil)로 반응기를 가열하며, 온도는 각 코일 중심부에 R-type 열전대(Thermocouple)를 설치하여 측정하였다. 반응 후 배기가스는 열교환기(Heat Exchanger)를 거친 후, Non-Dispersive Infrared (NDIR) 방식의 가스 측정기(IR-1, Sensonic.
Plug Flow Reactor는 원통형의 반응기 모델로써 투입된 기체의 완벽한 혼합을 가정하며 반응기 내부의 연속적인 화학반응을 관찰 할 수 있다. 실제 실험조건과 동일한 내경 140 mm, 길이 1000 mm의 반응기를 구성하였으며, 반응기의 온도는 800℃부터 1000℃까지 50개의 온도구간으로 나누었다(Populate). 혼합기의 체류시간은 10, 20, 40초로 실험조건과 동일하게 계산하였다.
Table 2는 실험 조건이다. 실험온도는 선택적 비촉매 환원법 공정의 일반적인 운전온도인 800℃부터 1000℃까지 20℃씩 승온시키면서 진행하였다. 각 온도구간마다 투입되는 기체 혼합기의 유량을 조절하여 체류시간을 일정하게 유지하기 위해 샤를의 법칙(Charles’s law)을 이용해 유량을 계산하였다.
는 반응기 온도이다. 유량 투입 10분후에 1분마다 기체 농도를 측정하였고 총 5분 측정하였다. 최종 데이터는 총 5분 측정한 값들의 평균값이다.
선택적 비촉매 환원 시스템의 배기가스 조성은 운전조건에 영향을 받는다. 질소산화물과 아산화질소는 체류시간과 온도에 따라 화학반응시간이 결정되므로, 혼합기의 반응기 내 체류시간(Residence Time)을 실험변수로 선정했다. 체류시간에 따른 아산화질소 열분해 실험은 혼합기 조성을 고정하고 체류시간을 10, 20, 40초로 변경하면서 실험을 진행하였다.
질소산화물과 아산화질소는 체류시간과 온도에 따라 화학반응시간이 결정되므로, 혼합기의 반응기 내 체류시간(Residence Time)을 실험변수로 선정했다. 체류시간에 따른 아산화질소 열분해 실험은 혼합기 조성을 고정하고 체류시간을 10, 20, 40초로 변경하면서 실험을 진행하였다. 각 체류시간에 대응하는 혼합기 유량은 반응기 체적과 체류시간의 식 (6)로 계산하였다.
Figure 2는 온도증가에 따른 아산화질소 및 질소산화물 농도를 나타낸 그래프이다. 체류시간은 20초, 산소농도 5% 조건에서 실험을 진행하였다. 아산화질소는 초기 온도 800℃에서 318 ppm으로 측정되었으며, 온도 증가에 따라 감소되어 1000℃에서 79 ppm에 도달하였다.
혼합기의 산소 농도를 5%로 고정한 조건에서 체류시간을 10, 20, 40초로 변화시키며, 실험을 진행하였다. 온도 상승에 따른 전체적인 아산화질소 저감율은 증가되었지만 각 온도구간별 변화량은 다르게 나타났다.
실제 실험조건과 동일한 내경 140 mm, 길이 1000 mm의 반응기를 구성하였으며, 반응기의 온도는 800℃부터 1000℃까지 50개의 온도구간으로 나누었다(Populate). 혼합기의 체류시간은 10, 20, 40초로 실험조건과 동일하게 계산하였다.

대상 데이터

를 이용하여 실험에 사용된 반응로를 모사하여 계산을 진행하였다. 계산에서 사용된 모델은 1차원 반응구조 해석 Plug Flow Reactor이다. Plug Flow Reactor는 원통형의 반응기 모델로써 투입된 기체의 완벽한 혼합을 가정하며 반응기 내부의 연속적인 화학반응을 관찰 할 수 있다.

이론/모형

CHEMKIN-PRO⁽¹³⁾를 이용하여 실험에 사용된 반응로를 모사하여 계산을 진행하였다. 계산에서 사용된 모델은 1차원 반응구조 해석 Plug Flow Reactor이다.
각 온도구간마다 투입되는 기체 혼합기의 유량을 조절하여 체류시간을 일정하게 유지하기 위해 샤를의 법칙(Charles’s law)을 이용해 유량을 계산하였다.

성능/효과

(1) 실험결과에서 열분해된 아산화질소는 계산결과를 통해 대부분 질소로 전환된다는 것을 확인하였으며, 반응속도분석기를 이용하여 아산화질소의 질소 전환 반응식 및 반응속도를 확인하였다.
(2) 800℃ 및 900℃의 온도조건에서 실험결과, 체류시간에 따라 아산화질소 저감율과 일산화질소 농도가 증가되는 것을 확인하였다. 이는 계산결과에서 아산화질소 저감 반응진행율이 감소하여 아산화질소의 배출농도가 감소되기 때문으로 판단된다.
(3) 1000℃의 온도조건에서는 실험결과, 체류시간이 증가할수록 아산화질소 저감율 변화량과 일산화질소 농도가 감소되는 것을 확인하였다. 이는 계산결과에서 아산화질소 저감의 역반응이 우세하게 되는 결과로 확인하였다.
Figure 8은 반응기 온도 및 혼합기 체류시간 변화에 따른 일산화질소 농도를 나타낸 그래프이다. 동일 체류시간에서 온도증가에 따라 일산화질소 생성량이 커지는 것을 확인했다. 반응기 온도 800℃에서는 일산화질소가 거의 측정되지 않았으며, 반응기 온도 900℃ 및 체류시간 10, 20초에서는 일산화질소 농도가 동일하다가 체류시간 40초에서 증가되었다.
아산화질소가 분해되어 질소를 생성하는 반응인 식 (8) 및 (9)의 절대생성율은 일산화질소 생성반응식 (10)보다 10배 이상 큰 것으로 나타났다. 따라서 Fig. 2, 3에서의 결과인 저감된 아산화질소 대부분이 질소로 전환되고 일산화질소는 상대적으로 미량 생성된 결과와 일치함을 확인할 수 있다.
반응기의 온도를 800℃에서 900℃까지 승온시킨 조건에서 아산화질소 저감율 변화량은 체류시간에 따라 더 증가되는 경향을 보였다. 반면 반응기 온도를 900℃에서1000℃까지 승온시킨 조건에서는 체류시간 40초에서 10, 20초의 체류시간 조건보다 더 낮은 아산화질소 저감율 변화량을 확인하였다.
동일 체류시간에서 온도증가에 따라 일산화질소 생성량이 커지는 것을 확인했다. 반응기 온도 800℃에서는 일산화질소가 거의 측정되지 않았으며, 반응기 온도 900℃ 및 체류시간 10, 20초에서는 일산화질소 농도가 동일하다가 체류시간 40초에서 증가되었다. 하지만 반응기 온도 1000℃에서는 체류시간 증가에 따라 일산화질소 농도가 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아산화질소란?	아산화질소(Nitrous oxide, N2O)는 질소 원자(N) 두 개와 산소 원자(O) 한 개로 구성되는 질소산화물(Nitrogen oxide, NOX)로써 산업용 고정 연소 장치, 아디프산 및 질산 등의 화학 공정, 반도체 및 디스플레이 제조 공정에서 주로 배출된다(1). 아산화질소는 화학적으로 매우 안정하여 대류권에서 거의 분해되지 않고 대기 중에 약 150년 정도 체류 할 수 있다(2).
	아산화질소는 대기에 얼마나 머무르는가?	아산화질소(Nitrous oxide, N2O)는 질소 원자(N) 두 개와 산소 원자(O) 한 개로 구성되는 질소산화물(Nitrogen oxide, NOX)로써 산업용 고정 연소 장치, 아디프산 및 질산 등의 화학 공정, 반도체 및 디스플레이 제조 공정에서 주로 배출된다(1). 아산화질소는 화학적으로 매우 안정하여 대류권에서 거의 분해되지 않고 대기 중에 약 150년 정도 체류 할 수 있다(2). 아산화질소가 성층권에 도달하여 자외선을 받으면 식 (1)에 의해 분해된다.
	아산화질소 열분해 특성을 확인하기 위한 실험장치는 크게 어떤 부위들로 나누어지는가?	Figure 1은 아산화질소 열분해 특성을 확인하기 위한 실험장치 개락도이다. 실험 장치는 크게 기체 공급부, 반응기, 측정부 및 배기구로 나누어진다. 아산화질소 및 다른 실험기체는 질량 유량 조절계(Mass Flow Controller, MFC)를 이용하여 반응기로 유입된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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