초록 ▼

본 연구과제는 석탄가스화 복합발전기술에 적용할 수 있는 고온건식 탈황공정의 단위공정인 직접 황 회수공정의 촉매를 실증용으로 사용할 수 있도록 개선하기 위한 연구의 일환으로 수행되었다. 고온건식 탈황공정은 석탄가스 중에 함유된 수천 ppmv수준의 황화합물(H₂S 및 COS)를 금속산화물 탈황제를 이용하여 고온의 조건에서 선택적으로 화학반응에 의해서 흡수제거하는 기술인데, 탈황제에 흡수된 황 성분은 탈황제를 재생하기 위한 재생공정에서 공기에 의한 산화반응으로 다시 SO₂의 형태로 배출된다. 배출되

본 연구과제는 석탄가스화 복합발전기술에 적용할 수 있는 고온건식 탈황공정의 단위공정인 직접 황 회수공정의 촉매를 실증용으로 사용할 수 있도록 개선하기 위한 연구의 일환으로 수행되었다. 고온건식 탈황공정은 석탄가스 중에 함유된 수천 ppmv수준의 황화합물(H₂S 및 COS)를 금속산화물 탈황제를 이용하여 고온의 조건에서 선택적으로 화학반응에 의해서 흡수제거하는 기술인데, 탈황제에 흡수된 황 성분은 탈황제를 재생하기 위한 재생공정에서 공기에 의한 산화반응으로 다시 SO₂의 형태로 배출된다. 배출되는 SO₂는 대기 중에서 산성비를 유발하는 등의 대기오염물질로 작용하기 때문에 원소 황으로 전환하여 회수하는 것이 마땅하다. SO₂는 촉매환원에 의해서 원소 황으로 전환되는데, 이와 같은 반응을 기반으로 개념이 정립된 공정이 직접 황 회수공정(direct sulfur recovery process)이다. 직접 황 회수공정은 재생공정에서 배출되는 가스(이하 재생가스로 명명) 중의 SO₂를 CO 및 H₂와 같은 환원성 기체를 이용하여 고정층 촉매 상에서 환원하는데, 고체 촉매의 촉매작용에 의해서 원소 황으로 전환된다. 황 회수용 촉매는 금속산화물로 CeO₂ 또는 알루미나에 담지된 전이금속 촉매 등이 사용되는데, 촉매의 성분에 따라 촉매반응기구(catalytic reaction mechanism)의 차이가 있다. SO₂의 환원을 환원을 위한 반응기구로는 레독스 반응기구(redox mechanism)과 COS 중간체 반응기구(COS intermediate mechanism)이 주된 반응이다.

본 연구에서는 직접 황 회수공정용 촉매반응은 SO₂를 원소 황으로 환원하는 공정이기 때문에 공정가스 중에 산소가 함유된 경우에는 산소에 의한 환원된 촉매의 산화 및 생성된 원소 황의 산화로부터 SO₂전화율이 저하되며, 환원제로 공급된 일산화탄소와 수소의 연소반응으로부터 촉매층의 온도가 급격히 상승하여 촉매 소결에 의한 비활성화가 초래될 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 촉매에 조촉매를 적용하여 산소의 영향을 최소화시키기 위하여 COS 중간체 반응기구에 의한 SO₂ 환원이 일어날 수 있도록 촉매를 설계하였으며, 반응기 내 촉매 층 과열에 의한 촉매 비활성화를 억제하기 위하여 매크로 기공이 형성된 촉매를 개발하였다.

촉매의 내열성을 높이기 위하여 고분자 비드를 콜로이드 상태로 제조한 후 촉매의 제조과정에 혼합하고 열처리 과정에서 고분자 비드를 열분해시켜 촉매 상에 매크로 기공을 형성시켰다. 매크로 기공이 형성된 촉매는 촉매층의 과열에도 표면적 감소가 적은 것을 확인하였다. 매크로 기공이 형성된 금속산화물 촉매의 제조기술을 응용하여 새로운 기술을 도출하기도 하였는데, 매크로 기공이 형성된 SnO₂를 합성한 후 가스센서로 응용하는 연구가 추가로 진행되었으며, 매크로 기공을 형성시킨 SiO₂를 합성하고 이를 활성금속으로 이용하여 환원시켜 이차전지의 음극물질로 사용할 수 있는 매크로 기공이 형성된 Si를 제조하였다.

앞서 기술된 직접 황 회수용 촉매는 대량으로 제조한 후 성형하여 고등기술연구원이 보유한 테스트 베드에 충전하여 성능시험을 수행하였으며, 태안화력에 소재한 석탄가스화 테스트 베드 내에 구축된 설비에 충전하여 운전시험에 사용하는 성과를 얻었다. 또한, 개발된 직접 황 회수용 촉매는 한전 전력연구원과 공동으로 특허를 출원하는 성과도 얻었다.

( 출처 : Ⅰ. 연구결과 요약문 3p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 4
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 6
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 6
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 6
• Ⅲ. 연구성과 ... 7
• 끝페이지 ... 13