초록 ▼

□ 개발 목적 및 필요성
지구 온난화 지수(GWP)가 CO₂의 310배인 N₂O는 화학공정, 연소/소각 공정 그리고 전자산업에서 배출되는데, 반도체/디스플레이 제조 공정의 세정가스 및 유기성 폐기물의 증가로 인하여 산업 공정에서 N₂O 배출량은 계속적으로 증가될 것으로 예상되고 있다.

화학 공정 중에서 질산 생산 공정은 이미 CDM 사업을 통해 촉매 분해와 촉매 환원 기술에 의한 상용기술들이 적용되고 있다. 이들 공정의 경우 대부분 외국으로부터의 기술 도입

□ 개발 목적 및 필요성
지구 온난화 지수(GWP)가 CO₂의 310배인 N₂O는 화학공정, 연소/소각 공정 그리고 전자산업에서 배출되는데, 반도체/디스플레이 제조 공정의 세정가스 및 유기성 폐기물의 증가로 인하여 산업 공정에서 N₂O 배출량은 계속적으로 증가될 것으로 예상되고 있다.

화학 공정 중에서 질산 생산 공정은 이미 CDM 사업을 통해 촉매 분해와 촉매 환원 기술에 의한 상용기술들이 적용되고 있다. 이들 공정의 경우 대부분 외국으로부터의 기술 도입이 이루어져 해외 기술 의존도가 높기 때문에 촉매 공정의 국산화 기술 개발이 필요하다. 연소/소각 및 전자산업의 배가스에는 촉매의 활성을 저감시키는 성분들이 다량 포함되어 있으며, 아직 N₂O 저감을 위한 적용 기술이 개발되지 않았기 때문에 이에 대한 대응 기술의 개발이 요구되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 실증 연구 및 비활성 촉매 개발 연구를 통하여 산업 공정별 특성에 맞는 N₂O 저감 촉매 및 공정을 개발하고자 한다.

□ 연구개발 결과
현장 실증 적용처를 발굴하기 위하여, 석탄 유동층 연소공정, 유리용융 연소시설,고분자 소각 및 발포 시설, 하수슬러지 유동층 소각 공정 등에 대해 조사를 수행하였다. 대부분의 공정에서는 운전 온도가 높아 N₂O 배출 농도가 예상보다 낮게 나타났다. 그러나 고분자 발포공정은 대기 공기의 유입에도 약 100 ppm의 N₂O가 배출되는 것으로 파악되어, 저감 대상으로서 고려되고 있다. 조사된 발포공정에 대한 배출 N₂O를 저감할 경우 약 21,000 ton CO_2eq./yr의 온실저감효과가 있을 것으로 예측되었다.

환원 촉매 반응에서 Fe/BEA 촉매는 NO와 N₂O의 저감에 우수한 활성을 보였다. NO의 경우 모든 반응 조건에서 거의 100%의 전환율을 달성하였고, N₂O의 경우에도 20,000h^-1 이하의 공간속도에서 90%에 이르는 높은 활성을 보였다.
그러나, Fe/BEA 촉매는 비활성 성분인 H₂O와 SO₂가 존재하였을 때 급격한 활성감소가 관찰되었다. 제올라이트 촉매의 Dealumination 실험 및 분석을 통하여 촉매 표면의 -OH 그룹의 양과 반응성과의 상관성을 확인하였다.

환원 촉매로 개발된 Fe/BEA zeolite 촉매의 N₂O와 NO의 분해 반응결과 NO의 분해에서는 큰 효과를 보지 못했지만 기존 촉매들에 비해 N₂O의 분해 성능은 매우 우수한 것을 알 수 있었다. 그렇지만 환원 반응에서와 마찬가지로 비활성 요인으로 알려진 H₂O가 반응 가스에 포함되어 있을 때는 급격한 활성 저하가 관찰되었고, 활성 저하의 원인은 H₂O와 N₂O의 경쟁 흡착때문인 것으로 판단된다. 이러한 결과를 토대로 Fe/BEA 제올라이트 촉매의 성능을 향상시킬 수 있는 결과를 얻었다.

분해 공정 적용을 위하여 저온에서 우수한 활성을 보이는 Cobalt Spinel 계열과 Rhodium 계열 촉매를 개발하였다. 실제 배가스에는 다양한 활성 저해 가스가 포함되어있기 때문에 저해 가스로 인한 분해촉매의 비활성화원인을 규명하여 촉매의 피독 저항성을 향상시켰다. 또한, 지지체의 결정형태의 변화를 통하여 촉매 활성 개선 방안을 제시하였다.

다양한 오염물질 (산성가스, 분진, NOx 등)전자산업에 최적화된 N₂O 저감공정 개발을 위하여 전처리 공정이 결합된 통합 처리공정을 제안하였고, 환원촉매와 분해촉매의 Scale-up 연구를 통하여 실증용 촉매를 개발하였다. 또한, 제안된 촉매 공정에 적합한 촉매를 성형하고 구조체 내에서의 수치 해석을 실시하였다.
유체 흐름에 대한 수치 해석의 결과 파형 평판 촉매층에 비해 돌기형 평판 촉매층에서 유체의 흐름 방향이 다양하여 유체의 채녈링 현상을 억제하고 혼합효과를 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

N₂O/NOx 동시저감 촉매의 경우, 상용화를 위해서는 현재 사용되고 있는 Z사의 고가의 제올라이트로 대체할 수 있는 제품의 선정이 필요하다. 타사의 여러 제품을 조사한 결과 현재 N사의 제올라이트가 Z사의 제품으로 제조한 분말 Fe/BEA 촉매의 성능과 유사한 결과를 얻었다.

□ 성능사양 및 기술개발 수준
• 연소/소각 및 전자산업 적용을 위한 N₂O 저감 기술 개발
✓환원 공정에서 N₂O/NOx 저감 기술 확보 :　80% 이상 제거율
✓N₂O 저감 분해 공정 개발 : 신공정 도출, 촉매 성형기술 확보
• 화학 공정 실증 기술 개발
✓저비용 실증 촉매 성능 확인 :　90% 이상 제거율 (실증 조건)

□ 활용계획
• 상용화에 근접한 화학 공정의 N₂2O 저감 기술은 국내 실증 연구를 완성하고 기술 보급을 위한 사업화 추진
• 국내 사업화와 동시에 틈새 시장 및 해외 시장 진출
• 연소/소각 및 전자산업의 경우 N₂O 실증 적용을 위한 Test-bed 구축과 연구 단계에서 확보된 요소기술을 활용하여 기술 사업화 실시.

( 출처 : 요약서 6p )

Abstract ▼

Ⅳ. Results
In order to find out an applicable site for the developed technology,N₂O was measured in the exhaust gas from coal fluidized bed combustion process, glass fusion combustion facility, polymer incineration and foaming facilities, and sewage sludge fluidized bed incineration pr

Ⅳ. Results
In order to find out an applicable site for the developed technology,N₂O was measured in the exhaust gas from coal fluidized bed combustion process, glass fusion combustion facility, polymer incineration and foaming facilities, and sewage sludge fluidized bed incineration process. Most processes showed lower N₂O emission concentration than the expected one probably due to high operation temperature. However, polymer foaming process emitted about 100 ppm of N₂O, even though the tail gas was mixed with atmospheric air. Thus, the foaming process could be a target of the N₂O reduction, where the greenhouse gas reduction would be expected to be about 21,000 ton CO_2eq./yr.

Fe/BEA catalyst for catalytic reduction showed excellent activity in NO and N₂O reduction. 100 % of NO was achieved under all investigated reaction conditions. N₂O conversion was close to 90 % below 20000 h^-1 of space velocity. However, the activity of the Fe/BEA catalyst was observed to significantly lowered in the presence of H₂O and SO₂ as deactivation components. Dealumination of the zeolite catalyst and the characterization revealed the relation between the reactivity and hydroxyl group on the catalyst surface.

The Fe/BEA zeolite catalyst was not highly active in NO decomposition, but superior in N₂O decomposition to the conventional catalysts. However, similarly to the results in the catalytic reduction, the existence of H₂O in reaction gas stream greatly deactivated the catalyst performance in the decomposition, which might result from the competition of absorption between H₂O and N₂O.

Catalysts based on cobalt or rhodium were developed for the catalytic decomposition reaction. Firstly, K/Co-CeO₂ catalyst was developed as a cobalt-based catalyst. In the N₂O decomposition, a conversion rate of almost 100% was achieved even under the presence of deactive components such as O₂ and H₂O at a space velocity of 45,000 h^-1 and a reaction temperature less than 400 ℃. However, the K/Co-CeO₂ catalyst showed a drastic decrease in reactivity when NO was present. FT-IR and NO-TPD analysis revealed that molecules such as nitrosyl and nitrate adsorbed on the catalyst surface could suppress the N₂O decomposition.

Next, Rh/Al₂O₃-CeZr developed as a rhodium-based catalyst exhibited high N₂O conversion at a low reaction temperature, having an advantage to use in a monolith form. It was found that not only 100 % of N₂O decomposition could be obtained at a reaction temperature below 400 ℃ with O₂ and H₂O, but also the deactivation by the existence of NO was not significant. Thus, it was confirmed that the developed the rhodium-based catalyst is superior to the conventional catalysts in the decomposition performance of N₂O.

A hybrid catalytic process with N₂O reduction and decomposition and one with N₂O decomposition were suggested in electronics industry. A proper catalyst form for the suggested catalytic process was prepared and structured. Numerical analysis was performed for fluid stream in the wave-type catalyst and bump-type one. The later produced more various directions of fluid stream than the former, which could result in the prevention to channeling phenomenon and the enhancement of fluid mixing effect.

The catalyst for simultaneous reduction of N₂O and NOx had been prepared with the zeolite manufactured by Z company. As the raw zeolite isvery expensive, an alternative is required to reduce the production cost of the catalyst. The catalyst prepared with zeolite from N company showed as high as activity of that from Z one.

( 출처 : SUMMARY 17p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출서 ... 2
• 제출문 ... 3
• 요약서 ... 6
• 요약문 ... 10
• SUMMARY ... 15
• 목차 ... 21
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 23
• 1-1. 연구개발 목적 ... 23
• 1-2. 연구개발의 필요성 ... 23
• 1-3. 연구개발 범위 ... 27
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 30
• 2-1. 해외 기술개발 동향 ... 30
• 2-2. 국내 기술개발 동향 ... 40
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 42
• 3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 ... 42
• 3-2. 연구개발 결과 및 토의 ... 48
• 3-3. 연구개발 결과 요약 ... 323
• 4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 326
• 4-1. 목표달성도 ... 326
• 4-2. 관련분야 기여도 ... 328
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 330
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 333
• 6-1. 국내 주요시장 분석 ... 333
• 6-2. 국외 주요 시장 분석 ... 347
• 6-3. 국내 진입 장벽 분석 ... 359
• 6-4. 국외 진입 장벽 분석 ... 360
• 6-5. 연소와 산업 발생원으로부터의 N₂O 배출에 대한 기술적 전략 ... 364
• 7. 연구개발결과의 보안등급 ... 368
• 8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 368
• 9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 369
• 10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 370
• 11. 기타사항 ... 371
• 12. 참고문헌 ... 372
• 끝페이지 ... 383