질소산화물(NOx)은 산업 생산의 주요 오염 물질 중 하나이며 대기 환경에 상당한 피해를 입힙니다. 점점 더 엄격해지는 환경 보호 기준에 따라 전기, 철강, 화학과 같은 다양한 산업은 NOx 배출을 줄여야 하는 압박에 직면해 있습니다. 다음으로, 탈질소 촉매가 어떻게 질소산화물을 효율적으로 처리하는지 알아보겠습니다.

 

1. 선택적 촉매 환원(SCR) 기술: 핵심 반응 메커니즘
선택적 촉매 환원(SCR) 기술은 현재 가장 널리 사용되고 성숙한 탈질소화 기술입니다. 핵심 원리는 환원제(예: 암모니아)를 연도 가스에 도입하고 촉매 작용 하에 NOx를 선택적으로 무해한 질소(N₂)와 물(H₂O)로 환원하여 탈질소화를 달성하는 것입니다.

 

SCR 반응의 기본 반응 방정식은 다음과 같습니다.

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O4NO + 4NH_3 + O_2 \rightarrow 4N_2 + 6H_2O4NO+4NH3+O2​→4N2​+6H2​O6NO2+8NH3→7N2+12H2O6NO_2 + 8NH_3 \rightarrow 7N_2 + 12H_2O6NO2​+8NH3​→7N2​+12H2​O

촉매는 이 공정에서 반응을 촉진하는 역할을 하는 동시에 반응 온도를 제어하여 환원제가 주로 NOx와 반응하고 산화성 암모니아를 피합니다. SCR 기술의 탈질 효율은 일반적으로 90% 이상에 도달할 수 있으며 광범위한 응용 분야가 있습니다. 화력 발전소, 제철소 및 기타 산업에서 선호하는 기술입니다.

 

2. 촉매의 구성 및 구조: 탈질 효율에 영향을 미치는 핵심
촉매는 SCR 기술의 핵심 구성 요소이며, 그 재료 구성과 미세 구조는 반응 효율을 직접 결정합니다. 일반적인 촉매 재료에는 바나듐-티타늄, 바나듐-텅스텐, 망간, 철 기반 및 분자 체 촉매가 있습니다. 각 재료에는 특정 적용 온도 범위와 작업 조건 요구 사항이 있습니다.

 

바나듐-티타늄 촉매: 가장 흔히 사용되며, 300~400℃의 온도 범위에 적합하며 비용 효율성이 높습니다.
바나듐-텅스텐 촉매: 바나듐-티타늄에 텅스텐을 첨가하여 항황화 능력을 강화하였으며, 고유황 배기가스에 적합합니다.

분자체 촉매: 분자체 구조는 촉매의 비표면적을 증가시켜 저온 및 고온 환경에서 촉매 효과를 향상시키는 데 도움이 됩니다.

촉매의 구조적 설계, 특히 표면적과 다공성은 반응의 접촉 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 비표면적이 클수록 환원제가 NOx와 접촉할 기회가 많아지고 반응 효율이 높아집니다. 동시에 채널 설계는 반응 속도와 공기 흐름 저항을 고려하여 배기 가스 유량에 영향을 미치지 않도록 해야 합니다.

 

3. 활성성분 최적화 : 중독방지 및 내구성 향상
실제 작업 조건에서, 배기 가스는 종종 SO₂ 및 먼지와 같은 불순물을 함유하고 있으며, 이는 촉매를 중독시키고 탈질소화 효율을 감소시킬 수 있습니다. 따라서 촉매의 중독 방지 성능이 중요합니다. 이 문제에 대응하여 연구자들은 촉매의 중독 방지 및 내구성을 향상시키기 위해 촉매의 활성 성분을 지속적으로 개선하고 있습니다.

 

황화 방지: 텅스텐 원소를 첨가하거나 분자체 구조를 사용하면 촉매의 황화 방지 능력을 효과적으로 향상시켜 SO₂가 황산염으로 전환되어 촉매 표면이 오염되는 것을 방지할 수 있습니다.

내수성: 저온 탈질소 환경에서 수증기는 촉매 표면과 반응하여 촉매 활성이 감소할 수 있습니다. 내수성 구성 요소를 추가하면 촉매의 내수성을 효과적으로 개선하고 습한 환경에서 안정성을 보장할 수 있습니다.

알칼리 금속 중독 저항성: 특정 작업 조건에서, 배기 가스는 나트륨 및 칼륨과 같은 알칼리 금속을 함유하고 있으며, 이는 촉매와 반응한 후 촉매 활성을 감소시킵니다. 이러한 상황에 대응하여, 촉매 표면에 보호층을 코팅하여 알칼리 금속과 활성 성분의 접촉을 줄일 수 있습니다.

활성 성분의 개량을 통해 복잡한 작업 조건에서도 탈질소 촉매의 독성 방지 및 수명을 크게 개선하여 기업이 장기적이고 안정적인 탈질소 효과를 얻을 수 있도록 보장합니다.

 

4. 온도 제어 기술: 반응 효율 최적화의 핵심
SCR 반응의 효율은 온도에 매우 민감하며, 너무 높거나 너무 낮은 온도는 촉매 효과에 영향을 미칩니다. 다양한 촉매에는 고유한 최적 온도 범위가 있습니다. 예를 들어, 바나듐-티타늄 촉매의 최적 반응 온도는 300-400°C인 반면, 망간 촉매는 저온(180-250°C) 조건에 적합합니다.

 

고온 조건: 고온 조건에서 분자체 촉매와 바나듐-텅스텐 촉매는 더 안정적이고 비활성화되기 쉽지 않습니다. 촉매 재료를 합리적으로 선택함으로써 고온 환경에서의 탈질소 효율을 개선할 수 있습니다.

저온 조건: 시멘트 공장이나 폐기물 소각 공장과 같은 저온 조건의 경우 저온 촉매(예: 망간 촉매)를 선택하거나 연기 가스 가열 기술을 사용하여 온도를 높여 반응 활동을 보장할 수 있습니다.

또한 온도 변동은 촉매의 수명과 탈질소화 효율에 영향을 미칩니다. 따라서 일부 제조업체는 SCR 반응이 최적의 조건에서 수행되도록 실시간으로 반응 온도를 모니터링하고 조정하는 지능형 온도 제어 시스템을 도입했습니다.

 

5. 유체역학 최적화: 배기가스 분포 균일성 향상
최상의 탈질소 효율을 달성하기 위해서는 배기가스가 촉매 표면에 가능한 한 고르게 분포되어야 합니다. 이를 위해서는 반응 장치를 설계할 때 유체 역학을 최적화하고, 적절한 배기가스 배수 및 분배기 설계를 통해 공기 흐름 편차와 사각 지대를 줄이고, 환원제와 NOx 사이의 접촉률을 최대화해야 합니다.

 

배기가스 균일화기: 배기가스 균일화기는 SCR 반응기 입구에 설치되어 배기가스를 촉매 표면까지 균등하게 분배하여 반응의 적절성을 보장합니다.

유동장 시뮬레이션: 유동장 시뮬레이션 기술을 사용하여 배기가스 흐름 경로를 최적화하고 촉매층의 공기 흐름 편차를 줄입니다. 특히 대규모 산업 장비에서 유동장 시뮬레이션은 배기가스 분포를 효과적으로 예측하고 촉매 장치의 구조적 최적화를 위한 과학적 근거를 제공할 수 있습니다.

유체 역학 최적화 기술을 적용하면 SCR 시스템의 전반적인 탈질소 효율을 더욱 향상시키고, 불균일한 공기 흐름 분포로 인해 발생하는 불안정한 탈질소 효과 문제를 줄일 수 있습니다.

 

6. 촉매 재생 기술: 서비스 수명 연장
장기간 사용하면 불순물과 오염 물질이 축적되어 촉매의 활동이 감소합니다. 촉매 재생 기술은 고장난 촉매의 활동을 부분적으로 회복시켜 서비스 수명을 연장할 수 있습니다.

화학적 세척: 촉매 표면에 있는 재, 황산염 등의 불순물을 용액으로 세척하여 촉매의 활성을 회복합니다.
열 재생: 고온 처리를 통해 촉매 표면에 흡착된 오염 물질이 분해되고 활성 성분의 촉매 성능이 회복됩니다.

재생기술의 성숙된 적용은 기업의 촉매 교체 비용을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 처리해야 할 산업폐기물의 양을 줄이고 자원의 재활용을 실현할 수 있습니다.

 

결론
탈질소 촉매의 핵심 기술은 재료 구성에서 구조 설계, 온도 제어에서 유체 역학 최적화에 이르기까지 많은 측면을 포괄합니다. 기업은 탈질소 촉매를 선택하고 사용할 때 작동 온도, 배기 가스 구성 및 탈질소 효율 요구 사항과 같은 요인을 기반으로 포괄적으로 고려해야 합니다. 환경 보호 표준이 지속적으로 개선됨에 따라 미래의 촉매 기술은 더 엄격한 NOx 배출 제어 요구 사항을 충족하기 위해 고효율, 안정성 및 내구성 개발에 더 많은 주의를 기울일 것입니다.

 

효율적인 탈질소 촉매는 기업이 환경 보호 규정 준수 요구 사항을 충족하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 생산이 환경에 미치는 부정적 영향을 효과적으로 줄이고 지속 가능한 개발 환경 보호 목표를 달성하는 데 도움이 됩니다.