KR101827019B1 - 가스 스트림에서 아산화질소를 제거하는 방법 - Google Patents

Abstract

오염 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림에서 아산화질소를 제거하여 크게 감소된 농도의 아산화질소를 갖는 가스 스트림을 제공하는 방법을 설명한다. 본 방법은 각각 아산화질소 분해 촉매 및 각각이 본 방법에 사용되는 특별한 순서 및 배열로 유효하게 연결된 열 싱크 매질을 함유하는 열 전달 유닛을 함유하는 여러 개의 N₂O 분해 반응기를 가지는 공정 시스템의 사용을 포함한다. 가스 스트림은 일정 기간 동안 특정 작동 모드로 작동되는 공정 시스템을 지나고 이어서 이런 작동이 멈추고 본 공정 흐름이 역류한다. 이들 단계가 주어진 아산화질소 파괴 제거 효율에 대해 향상된 에너지 회수 효율을 제공하기 위해 반복적으로 착수될 수 있다.

Description

가스 스트림에서 아산화질소를 제거하는 방법{A PROCESS FOR REMOVING NITROUS OXIDE FROM A GAS STREAM}

본 발명은 가스 스트림 내 오염 농도(contaminating concentration)로 함유된 아산화질소 (N₂O)를 제거하는 방법에 관한 것이다.

보통 소기(laughing gas)로 알려진, 아산화질소 (N₂O)는 탄소-함유 물질, 예컨대 탄화수소, 및 질소 함유 화합물, 예컨대 암모니아 (NH₃) 연소의 생성물일 수 있다. 다른 연소 생성물은 NO 및 NO₂ (둘을 함께 NO_x로 지칭할 수 있음)의 산화 질소를 포함한다. 아산화질소는 임의의 다른 온실 가스 예컨대 이산화탄소 (CO₂)보다 온실 효과 및 지구 온난화에 더 큰 기여자로 생각되고 있으며, 대기중에 배출되는 연소 가스 내 함유된 오염 농도의 아산화질소를 경제적으로 제거할 수 있는 방법을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

선행 기술은 일반적으로 아산화질소의 제거보다는 연소 가스에 함유된 산화 질소의 감소에 좀 더 초점을 맞추어 왔다. 가스 스트림에서 NO_x를 제거하기 위해 사용되는 한가지 방법은 선택적인 촉매 환원 (SCR) 방법이다. 이 방법의 한 버전은 US 7,294,321에서 설명한다. 이 선택적인 촉매 환원 방법에서, 일정 농도의 NO_x 및 암모니아 (NH₃) (통상적으로 반응물로 연소 가스에 첨가됨)를 함유하는 연소 가스는 NO_x가 암모니아 및 산소와 반응하여 질소 및 물을 산출하는 환원 반응을 촉진시키는 촉매와 접촉한다.

US 7,459,135에서 설명한 것은 NO_x의 촉매 환원을 위해 사용되는 촉매이다. 이 촉매는 팔라듐-함유 제올라이트를 포함하고, 여기서 제올라이트는 또한 스칸듐 또는 이트륨 또는 란탄 계열 원소 또는 이들의 조합을 포함한다. US 7,459,135의 가르침은, 그러나, 아산화질소의 촉매적 분해를 고려하지 않았다. 반면에, 가스에 함유된 아산화질소의 촉매적 분해를 포함하는 한 방법이 US 6,143,262에서 설명하는 방법이다. 이 방법에서, 아산화질소를 함유하는 가스는 주로 산화 주석을 포함하나, 추가적으로 조-촉매로 코발트를 함유할 수 있는 촉매와 접촉한다.

아산화질소의 촉매적 분해에 대한 또 다른 방법은 US 2008/044334에서 설명한다. 이 문헌은 아산화질소 (N₂O)의 질소 (N₂) 및 산소 (O₂)를 산출하는 촉매적 분해에 사용되는 촉매를 설명한다. US 2008/044334에서 대략적으로 설명하는 촉매는 첫 번째 귀 금속 및 두 번째 전이 금속이 로딩되어 있는 제올라이트를 포함한다. 첫 번째 금속은 루테늄 (Ru), 로듐 (Rh), 오스뮴 (Os), 및 이리듐 (Ir)으로 구성되는 군에서 선택되고, 두 번째 금속은 철 (Fe), 코발트 (Co), 및 니켈 (Ni)로 구성되는 군에서 선택된다.

아산화질소가 임의의 다른 온실 가스보다 매우 더 큰 지구 온난화 지수(global warming potential)를 가지는 온실 가스이기 때문에, 고 농도의 아산화질소를 가지고 대기 중에 배출되는 가스 스트림에서 아산화질소를 제거하는 방법을 보유하는 것이 바람직하다. 추가적으로 이런 방법은 비용-효율적이고, 열적으로 효율적인 방법으로 아산화질소의 제거를 달성하는 것이 바람직하다.

따라서, 제공되는 것은 오염 농도의 아산화질소 (N₂O)를 함유하는 가스 스트림에서 아산화질소를 제거하기 위한 방법이고, 여기서 상기 방법은 상기 가스 스트림이 고 열용량의 열 전달 물질을 함유하는 열 전달 구역을 통과하여, 상기 열 전달 물질로부터 상기 가스 스트림으로 열을 전달하여 가열된 가스 스트림을 제공하는 단계; 상기 가열된 가스 스트림이 아산화질소의 분해를 제공하는 N₂O 분해 촉매를 함유하는 반응 구역을 통과하여 그로부터 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림을 산출하는 단계; 상기 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 상기 가스 스트림이 아산화질소를 분해하는 두 번째 N₂O 분해 촉매를 함유하는 두 번째 반응 구역을 통과하여 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림을 산출하는 단계; 및 상기 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 상기 가스 스트림이 두 번째 고 열용량의 두 번째 열 전달 물질을 함유하는 두 번째 열 전달 구역을 통과하고 열이 상기 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 상기 가스 스트림에서 상기 두 번째 열 전달 물질로 전달됨으로써 냉각된 가스 스트림을 제공하는 단계를 포함한다.

도 1은 오염 농도의 아산화질소를 함유하는 가스 스트림에서 아산화질소를 제거하기 위한 본 발명 방법의 공정 흐름 및 시스템 배열에 대한 개괄적인 묘사이다.

본 발명 방법은 오염 또는 고 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림에서 아산화질소를 제거하는 매우 에너지 효율적인 방법이다. 아산화질소는 극도로 높은 지구 온난화 지수를 가지는 온실 가스이고 지구 대기의 오존층 감소의 한 원인이 된다. 본 발명 방법은 아산화질소를 함유하는 가스 스트림에서 제거되는 온실 가스, 즉, 아산화질소의 주어진 양에 대해 낮게 요구되는 에너지 투입을 제공하고, 본 방법은 아산화질소 및 이산화탄소 모두의 제거를 포함하는 총 온실 가스 제거의 높은 백분율을 제공한다.

아산화질소는 다양한 연소 장치 예컨대 소각로, 용광로, 보일러, 연소식 히터, 연소 엔진 및 다른 연소 장치에 의한 탄소질 물질 및 질소 함유 화합물의 다양한 형태의 연소 동안 생산될 수 있다. 연소될 수 있는 탄소질 및 질소 함유 물질은 예를 들어, 나무 및 다른 셀룰로오스성 물질, 석탄, 연료유 및 다른 석유 또는 미네랄 유래 연료, 연료 가스 및 다른 가스, 및 다른 탄소질 물질, 및 질소 함유 물질, 예컨대, 암모니아 및 질산을 포함할 수 있다. 본 발명 방법의 더 흔한 연소 물질은 암모니아일 것이고, 이것은 질산, 아디프산, 글리옥살, 및 글리옥실산의 파괴, 또는 사용, 또는 생산 중 어느 하나의 이런 공급원으로부터 생산될 수 있음이 고려된다. 통상적으로, 암모니아는 연소될 때 연소 가스를 산출하는 연소 혼합물을 제공하는 가스와 공기의 혼합을 제공하는 버너에서 태운다. 이들 연소 가스는 종종 바람직하지 않은 연소 생성물 예컨대 일산화탄소, 산화 질소 및 아산화질소를 포함한다.

탄소질 물질의 연소는 오염 농도의 아산화질소를 포함할 수 있는 가스 스트림을 제공한다. 아산화질소를 제거하기 위한 본 방법 발명으로 처리될 수 있는 가스 스트림은 일반적으로, 약 100 ppmv 내지 약 600,000 ppmv (60 부피%) 범위로 오염 농도의 아산화질소를 통상적으로 수반할 것이다. 그러나, 더욱 통상적으로, 가스 스트림 내 아산화질소 농도는 100 ppmv 내지 10,000 ppmv (1 부피%) 범위일 것이고, 가장 통상적으로는, 100 ppmv 내지 5,000 ppmv 범위이다.

연소 가스 스트림의 다른 성분은 공급원이 암모니아 및 질산과 같은 질소 함유 화합물 및 탄소질 물질, 이산화탄소 및 수증기의 연소에 사용되는 공기에 어느 정도 함유될 수 있는, 질소를 포함할 수 있다. 연소 가스 스트림 내 이산화탄소의 양은 통상적으로 약 5 부피% 내지 약 20 부피% 범위일 수 있고 연소 스트림 내 수증기의 양은 통상적으로 약 5 부피% 내지 20 부피% 범위일 수 있다. 연소 가스 스트림 내 질소 분자는 50 부피% 내지 80 부피% 범위일 수 있다. 만약 과량의 산소가 탄소질 물질 연소에 사용된다면, 그 후에 산소 분자가 또한, 연소 가스 스트림에 존재할 수 있다. 보통은, 탄소질 물질을 태울 때 과량의 산소를 사용하는 것은 바람직하지 않으나, 과량의 산소가 연소에 사용될 때, 통상적으로, 산소가 0.1 부피% 내지 3.5 부피% 범위와 같은, 약 4 부피%, 또는 그 이상까지의 범위의 농도로 연소 가스 스트림에 존재할 수 있다.

연소 가스 스트림의 다른 성분은 NO_x, CO, 및 SO_x를 포함할 수 있다. NO_x는 약 1 ppmv 내지 약 10,000 ppmv (1 부피%) 범위의 농도로 연소 가스 스트림에 존재할 수 있다. 일산화탄소는 1 ppmv 내지 2,000 ppmv 또는 그 이상의 범위의 농도로 존재할 수 있다. 본 방법은 추가적으로 연소 가스 스트림 내 NO_x, CO, VOC, 다이옥신 및 다른 바람직하지 않은 성분의 환원에 유용한 촉매를 포함할 수 있다.

본 발명 방법은 여러 개의 또는 다수의 열 전달 구역 및 여러 개의 또는 다수의 반응 구역의 사용에 의한 높은 열 회수를 제공한다. 이들 열 전달 구역 및 반응 구역은 공정 시스템 전반에 걸쳐 고 열 회수를 제공하는 특별한 방법 및 비평형 조건에서 작동될 수 있는 공정 시스템을 제공하기 위해 특별한 배열 또는 순서로 유효하게 연결된다. 본 방법 및 시스템은 또한 고 열 회수 효율과 함께 고 아산화질소 파괴 제거 효율을 제공한다.

본 공정 시스템의 각각의 반응 구역은 구조에 의해 형성되고, 각각 이런 반응 구역 내에 함유된 것은 N₂O 분해 촉매이다. N₂O 분해 촉매는 아산화질소의 촉매성 분해 또는 전환을 제공하여 질소 및 산소를 산출한다. 본 방법의 조건 하에서 사용될 수 있고 아산화질소 분해 반응을 촉매하는 임의의 적합한 촉매가 본 공정 시스템의 반응 구역에서 사용될 수 있다.

본 발명 방법에 특히 유용한 촉매는, 본 명세서에서 참고문헌으로 인용된 문헌인 미국 특허 공보 제2008/0044334에서 설명하는 것들을 포함한다. 이런 적합한 촉매는 US 2008/0044334에서 상세하게 설명되는 것들을 포함하고, 이것은, 일반적으로, 루테늄, 로듐, 은, 레늄, 오스뮴, 이리듐, 백금 및 금으로 구성된 군에서 선택되는 귀 금속이 로딩되고, 바나듐, 크로뮴, 망간, 철, 코발트, 니켈 및 구리로 구성된 군에서 선택되는 전이 금속이 로딩된 제올라이트를 포함한다.

본 공정 시스템의 각각의 열 전달 구역은 구조에 의해 형성되고, 각각 이런 열 전달 구역 내에 함유된 것은 열전달 물질 또는 매질이다. 열 전달 물질은 본 방법의 가스 스트림에서 및 가스 스트림으로 열적 에너지 (열)의 전달을 제공하는 열 싱크(heat sink) 매질을 포함한다. 가스 스트림의 온도가 열 전달 물질의 온도보다 더 높을 때, 그러면 열이 가스 스트림에서 열 전달 물질로 흘러 가스 스트림을 냉각시키고 냉각된 가스 스트림을 제공한다. 열 전달 물질의 온도가 가스 스트림의 온도보다 더 높을 때, 그러면 열은 열 전달 물질에서 가스 스트림으로 전달되어 가스 스트림을 가열하고 가열된 가스 스트림을 제공한다.

열 전달 물질의 열 싱크 매질은 필요한 열전도율, 열용량 및 좋은 열 싱크 매질에 필요한 및 본 발명 방법의 사용에 필요한 다른 성질을 가지는 매우 다양한 물질로부터 선택될 수 있다. 열 전달 물질이 상대적으로 높은 열전도율 및 열용량을 가지는 것이 특히 바람직하다. 열 전달 물질의 열용량은 통상적으로 약 750 내지 1300 kJ/(g·K)의 범위, 및, 더욱 특별히, 850 내지 1200 kJ/(g·K)의 범위이다. 열 전달 물질의 열전도율은 통상적으로 약 1 내지 3 W/(m·K)의 범위, 및, 더욱 특별히, 1.5 내지 2.6 W/(m·K)의 범위이다.

세라믹 물질이 열 싱크 적용에 특히 좋다. 이 세라믹 물질은 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아, 산화 베릴륨, 질화 알루미늄, 및 상기 언급한 화합물의 혼합물을 포함하는 다른 적합한 물질과 같은 그런 화합물을 포함할 수 있다.

세라믹 열 싱크 매질은 또한 다른 화합물, 예컨대 산화 철 (Fe₂O₃), 산화 칼슘 (CaO), 산화 마그네슘 (MgO), 산화 나트륨 (Na₂O), 산화 칼륨 (K₂O) 및 이들의 조합물을, 보통 미량 농도로 포함할 수 있다.

본 발명 방법의 열 싱크 매질로 사용하는데에 특히 바람직한 세라믹 물질은 알루미나, 실리카 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 것을 포함한다. 특히 바람직한 열 싱크 매질을 고려하면, 열 싱크 매질이 대부분 알루미나를 포함할 때, 알루미나는 10 중량% 내지 99 또는 더 많은 중량% 범위의 양으로 존재한다. 열 싱크 매질이 대부분 실리카를 포함할 때, 실리카는 10 중량% 내지 99 또는 더 많은 중량% 범위의 양으로 존재한다. 열 싱크 매질이 알루미나 및 실리카의 조합물을 포함할 때, 알루미나는 1 내지 99 중량% 범위의 양으로 열 싱크 매질 내에 존재하고, 실리카는 1 내지 99 중량% 범위의 양으로 존재한다. 이들 중량 백분율은 모두 열 싱크 매질의 총 중량을 기준으로 한다.

열 싱크 매질은 바람직하게는 특정 특징 또는 이점 예컨대, 예를 들어, 열 싱크 매질 층을 가로질러 감소된 또는 낮아진 압력 강하, 또는 열 싱크 매질 층의 오염 또는 막힘의 감소, 또는 열 싱크 매질의 개선된 기계적 무결성(mechanical integrity) 또는 다른 장점을 제공할 수 있도록 특별한 디자인으로 구조화된 또는 설계된 또는 성형된 물질이다. 열 싱크 매질의 모양 또는 구조의 예는 볼, 실린더, 안장, 관, 중공 실린더, 바퀴, 및 통상적으로 이런 매질에 사용되는 다양한 다른 모양과 같은 모양을 포함할 수 있다. 본 발명 방법의 열 전달 물질로 사용하기 적합한 세라믹 열 전달 매질의 상업적으로 이용가능한 예는 새인트-고배인 노르프로(Saint-Gobain NorPro)에서 판매용으로 제공되는 것 및 노톤^TM(Norton^TM) 새들스(Saddles), 티-팍®(Ty-Pak®) 열 전달 매질, 스노우후래이크^TM(Snowflake^TM) 열 전달 매질, AF38^TM 매질, 헥스팍^TM(HexPak^TM) 열 전달 매질, 등의 제품 명칭을 갖는 것을 포함한다.

이미 기재한 것처럼, 본 발명 방법은 오염 농도의 아산화질소를 함유하는 가스 스트림에서 아산화질소의 제거를 제공한다. 통상적으로 본 방법의 가스 스트림은 연소 가스를 포함하고 추가적으로 일정 농도의 아산화질소를 함유하는 연소 배기 가스 스트림이고, 이것은 또한 추가적으로 일정 농도의 NO_x 화합물을 포함할 수 있다. 그러나, 비록 NO_x 화합물의 제거가 얻어질 수 있을지라도 본 발명 방법의 특별한 목적은 가스 스트림에서 이들의 제거가 아니다.

연소 배기 가스 스트림에서 NO_x의 제거에 사용되는 통상적인 선택적 촉매 환원 방법에서, NO_x를 전환하기 위해서 환원 촉매와 가스 스트림의 접촉과 함께 무수 암모니아, 암모니아수 또는 요소와 같은 반응물 또는 환원제의 존재가 요구된다. 반면에, 본 발명 방법에서, 반응물이 아산화질소 분해가 일어나는 N₂O 분해 촉매와 접촉하는 아산화질소 함유 가스 스트림에 있을 필요는 없다. 일정 농도의 암모니아 또는 요소, 또는 둘 다가 실질적으로 없는 가스 스트림이 더 바람직하고; 따라서, 본 발명 방법의 가스 스트림은 일정 농도의 암모니아 또는 요소, 또는 둘 다, 또는 약 10,000 ppmv 미만, 바람직하게는 1,000 ppmv 미만, 및 가장 바람직하게는 10 ppmv 미만을 포함해야 한다.

또한 본 발명 방법의 한 바람직한 양상은 가스 스트림이 저 농도의 탄화수소 화합물을 포함하는 것이다. 따라서, 본 발명 방법의 가스 스트림의 바람직한 탄화수소 농도는 총 가스 스트림의 200 ppmv 미만, 바람직하게는 50 ppmv, 및 더욱 바람직하게는 20 ppmv 미만을 함유하는 것이다. 탄화수소는 일반적으로 표준 압력 및 표준 온도 조건에서 보통 가스인 것들일 것이고 메탄, 에탄, 프로판 및 부탄을 포함할 수 있다.

본 발명 방법에서, 오염 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림이 열 전달 구역 안으로 지나가고 유입된다. 열 전달 구역 내에 함유하는 것은 열 전달 물질이다. 열 전달 물질의 성질 및 조성은 본 명세서의 다른 곳에서 설명한다. 가스 스트림은 열 전달 구역 내로 유입되고 여기서 이것은 열 전달 구역에 함유된 열 전달 물질 위를 지나가거나 이와 접촉하여 열 전달 물질 및 가스 스트림 사이에서 열적 또는 열 에너지가 교환된다. 본 방법의 시작 단계 전에, 열 전달 물질이 바람직한 시작 온도로 온도를 상승시키는 착수 절차의 방법에 의해 또는 열 전달 물질 위로 및 열 전달 구역을 통해 가열된 가스 스트림이 통과함으로써 가열될 것이다.

본 방법의 시작 단계에서, 열 전달 구역의 열 전달 물질은 오염 농도의 아산화질소를 함유하는 가스 스트림의 온도보다 더 큰 초기 온도를 가지고, 가스 스트림이 열 전달 구역을 통과하면서, 열적 에너지가 열 전달 물질에서 가스 스트림으로 전달된다. 가열된 가스 스트림이 그 후에 열 전달 구역에서 산출된다. 통상적으로, 이 단계에서, 열 전달 물질이 약 400 ℃ 내지 약 700 ℃ 범위의 온도에서 시작할 것이고 열 전달 구역 내 유입된 가스 스트림의 온도는 약 10 ℃ 내지 약 400 ℃의 범위이다. 한 기간에 걸쳐, 열 전달 물질의 온도가 열적 에너지가 열 전달 구역을 통과하는 가스 스트림으로 전달되면서 감소할 것이다.

열 전달 구역에서 산출된 가열된 가스 스트림은 반응 구역을 통과하고 그 안에 유입된다. 반응 구역 내에 함유된 것은 N₂O 분해 촉매이다. 이 N₂O 분해 촉매는 본 명세서의 다른 곳에서 설명하는 조성을 가진다. 가열된 가스 스트림은 반응 구역의 N₂O 분해 촉매와 접촉할 때 아산화질소 분해 반응이 일어나게 되는 온도를 보유한다. 가열된 가스 스트림의 온도는, 따라서, 일반적으로 400 ℃ 내지 700 ℃의 범위여야 한다.

반응 구역 내는, 가열된 가스 스트림 내 함유된 아산화질소의 적어도 한 부분의 분해로 질소 및 산소를 제공하기에 적합한 반응 조건이고, 그 후에, 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림이 반응 구역에서 산출된다. 통상적으로, 이 단계에서는, 아산화질소 분해 반응의 발열 성질 때문에, 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림이 반응 구역 내 유입된 가열된 가스 스트림의 온도 초과의 다소 상승된 온도를 가질 것이다. 열 전달 구역에서 통과하고 반응 구역으로 유입되는 가열된 가스 스트림의 온도 및 반응 구역에서 산출되는 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림의 온도 사이의 온도 차이인, 발열은 최저 온도에서 200 ℃의 증가까지 증가하는 범위일 수 있다. 더욱 통상적으로, 그러나, 발열은 5 ℃ 내지 200 ℃의 범위이고, 가장 통상적으로는, 10 ℃ 내지 45 ℃의 범위이다.

감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림은 그 후에 반응 구역에서 두 번째 반응 구역을 통과한다. 두 번째 반응 구역 내 함유된 것은 두 번째 N₂O 분해 촉매이다. 이 두 번째 N₂O 분해 촉매는 본 명세서에서 앞서 설명한 조성 및 성질을 가진다. 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림은 두 번째 반응 구역 내에 유입되고, 여기서 적합한 아산화질소 분해 반응 조건 하에서 두 번째 N₂O 분해 촉매와 접촉한다.

두 번째 반응 구역 내에 유입되는 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림은 반응 구역에서 산출될 때 그 온도와 근접한 온도를 가기거나, 임의적으로, 이 온도는 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림이 두 번째 반응 구역을 통과하기 전에 추가적인 열 에너지를 도입하여 추가적으로 상승될 수 있다. 두 번째 반응 구역 내에 유입되는 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림의 온도는, 따라서, 약 400 ℃ 내지 약 700 ℃ 범위의 온도를 가질 것이다. 더욱 통상적으로, 온도는 450 ℃ 내지 550 ℃의 범위일 수 있다.

두 번째 반응 구역 내에 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림은 두 번째 N₂O 분해 촉매 위를 지나가고 이와 접촉한다. 두 번째 반응 구역 내 반응 조건은 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림에 함유된 아산화질소의 적어도 일 부분의 분해로 질소 및 산소를 제공하는 것과 같은 것이다. 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림이 두 번째 반응 구역에서 산출된다.

가열된 가스 스트림이 반응 구역을 지나는 단계에서처럼, 이 단계에서, 아산화질소 분해 반응은 발열성이고, 결과적으로, 두 번째 반응 구역 전반에 걸쳐 온도 상승을 제공할 수 있으며, 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 산출된 가스 스트림의 온도가 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 유입된 가스 스트림의 온도 이상으로 상승된다. 이 온도 증가는 최소 온도로부터 200 ℃까지 또는 더 높은 범위일 수 있다. 더욱 통상적인 온도 증가는 2 ℃ 내지 100 ℃ 또는 5 ℃ 내지 40 ℃의 범위이다.

추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림이 그 후에 두 번째 반응 구역에서 두 번째 열 용량을 가지는 두 번째 열 전달 물질을 함유하는 두 번째 열 전단 구역으로 지나간다. 두 번째 열 전달 물질의 온도는 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림의 온도 미만이고, 결과적으로, 두 번째 열 전달 구역을 통과하면서 열 에너지가 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림에서 두 번째 열 전달 물질로 전달된다. 그 후에 냉각된 가스 스트림이 두 번째 열 전달 구역에서 산출된다. 통상적으로, 이 단계에서, 두 번째 열 전달 물질은 약 400 ℃ 내지 약 700 ℃ 범위의 온도에서 시작할 것이다. 일정 기간에 걸쳐, 두 번째 열 전달 물질의 온도는 열 에너지가 두 번째 열 전달 구역을 통과하는 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림으로 전달되어 감소할 것이다. 두 번째 열 전달 구역에서 통과하는 냉각된 가스 스트림은 본 공정 시스템의 열 전달 구역 내에 유입되는 가스 스트림의 온도와 근접한 온도를 가질 것이다.

냉각된 가스 스트림은 그 후에 두 번째 열 전달 구역에서 추가적인 공정을 위해 배기 스택(flue stack) 또는 하류부로 통과할 것이다. 아산화질소의 농도는 본 공정 시스템의 열 전달 구역을 통과하는 초기의 가스 스트림의 아산화질소의 오염 농도보다 훨씬 더 낮다.

본 발명 방법에 의해 파괴된 아산화질소 양의 측정은 본 발명 방법의 전체적인 아산화질소 파괴 제거 효율 백분율로 반영될 것이다. 이 값은 본 공정 시스템으로 통과하는 오염 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림에 함유된 아산화질소 및 냉각된 가스 스트림에 함유된 아산화질소의 농도의 차이를 계산하고 그 차이를 가스 스트림 내 아산화질소의 오염 농도로 나누고 그 비율에 100을 곱하여 계산된다. 본 공정 시스템에 걸친 아산화질소 파괴 제거 효율 (D_eff)은 그 후에 식, ((C_i-C_o)/C_i)×100으로 나타낼 수 있고, 여기서 C_i는 오염 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림의 아산화질소 농도이며, C_o는 냉각된 가스 스트림의 아산화질소의 농도이다.

본 공정 시스템에 걸친 아산화질소 파괴 제거 효율이 중요하고 75 %보다 클 수 있다. 아산화질소 파괴 제거 효율이 85 % 초과인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는, 이것은 95 % 초과이다. 본 발명 방법의 가장 바람직한 실시양태는, 아산화질소 파괴 제거 효율이 97.5 % 초과 및 심지어 99.9 % 초과일 수 있다. 냉각된 가스 스트림 내 아산화질소의 농도가 100 ppmv 미만인 것이 바람직하고, 바람직하게는, 이것은 75 ppmv 미만이다. 더욱 바람직하게는, 냉각된 가스 스트림 내 아산화질소의 농도는 50 ppmv 미만이다.

본 발명 방법이 높은 열 회수 효율을 제공하기 위해서는, 방법 및 시스템이 평형 또는 정상 상태 조건 밖에서 작동되는 것이 중요하다. 이것은, 공정이 평형 상태에 도달하지 못하도록 하기 위해, 본 시스템의 열 전달 구역 내로 처음 가서 유입되는 가스 스트림이, 일정 기간 후에, 열 전달 구역 내로 유입하는 것을 중단하고 공정 시스템으로의 흐름을 역류로 할 필요가 있다.

열 전달 구역으로의 가스 스트림 흐름이 멈춘 후에, 그 후에 두 번째 열 전달 구역을 통과한다. 이 단계에서, 두 번째 열 전달 구역의 두 번째 열 전달 물질은, 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림의 두 번째 열 전달 물질 위로의 이전의 통과의 결과로, 오염 농도의 아산화질소를 함유하는 가스 스트림의 온도보다 더 높은 온도를 가진다. 가스 스트림이 두 번째 열 전달 물질 위를 지나가고 두 번째 열 전달 구역을 통과함으로써, 열은 두 번째 열 전달 물질에서 가스 스트림으로 전달된다. 두 번째 가열된 가스 스트림은 그 후에 두 번째 열 전달 구역에서 통상적으로 약 400 ℃ 내지 약 700 ℃의 범위인 온도로 산출된다. 일정 기간에 걸처, 두 번째 열 전달 물질의 온도는 열적 에너지가 두 번째 열 전달 구역을 통과하는 가스 스트림에 전달됨으로써 감소할 것이다..

두 번째 열 전달 구역에서 산출된 두 번째 가열된 가스 스트림은 두 번째 반응 구역을 지나고 여기 유입되고 여기서 두 번째 가열된 가스 스트림 내 함유된 아산화질소의 적어도 일부분이 분해되어 질소 및 산소가 된다. 두 번째 반응 구역에서 산출된 것은 두 번째 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 두 번째 가스 스트림이다. 두 번째 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 두 번째 가스 스트림은 그 후에 반응 구역을 지나고 여기서 그 안에 함유된 아산화질소의 적어도 일 부분이 질소 및 산소로 분해된다. 두 번째 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 두 번째 가스 스트림의 온도는, 필요하다면, 반응 구역 내 이것의 유입 전에 열 에너지의 유입에 의해 증가할 것이다.

반응 구역에서 산출된 것은 열 전달 구역으로 가게 되는 두 번째 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 두 번째 가스 스트림이다. 가스 스트림이 열 전달 구역을 이전에 통과한 결과로, 여기서 열 전달 물질은 두 번째 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 두 번째 가스 스트림의 온도보다 더 낮은 온도를 가질 것이다. 결과적으로, 열 에너지가 두 번째 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 두 번째 가스 스트림에서 열 전달 물질로 전달됨으로써 열 전달 구역에서 산출된 두 번째 냉각된 가스 스트림을 제공한다.

두 번째 냉각된 가스 스트림 내 아산화질소의 농도는 본 공정 시스템에 75 % 초과일 수 있는 아산화질소 파괴 제거 효율을 제공할 수 있을 만큼 충분히 낮다. 그러나 바람직한 아산화질소 파괴 제거 효율은 85 % 초과이고, 더욱 바람직하게는 95 % 초과이다. 본 발명 방법의 가장 바람직한 실시양태에서, 아산화질소 파괴 제거 효율은 97.5 % 초과 및 심지어 99 % 초과일 수 있다. 두 번째 냉각된 가스 스트림 내 아산화질소의 농도가 100 ppmv 미만인 것이 바람직하고, 바람직하게는, 이것은 75 ppmv 미만이다. 더욱 바람직하게는 두 번째 냉각된 가스 스트림 내 아산화질소의 농도는 50 ppmv 미만이다.

일정 기간 후에, 본 공정 시스템의 두 번째 열 전달 구역 내로 처음에 유입되는 가스 스트림의 흐름은 멈출 수 있고, 흐름은 다시 반대로 되고 및 가스 스트림이 다시 열 전달 구역 내로 처음 유입된다. 본 방법의 공정 시스템에 가스 스트림의 흐름의 역류가 일어날 수 있고, 바람직하게는 본 방법의 계속 진행중인 양상이고; 가장 큰 에너지 회수 효율을 얻기 위해, 이것은 평형 또는 정상 상태 조건 밖에서 작동하는 본 발명 방법 및 본 공정 시스템의 중요한 특징이기 때문이다.

이제 도 1을 참고로 하는데, 이는 오염 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림에서 아산화질소를 제거하는 본 발명 방법의 공정 스트림 및 공정 시스템 (10)의 개괄적인 묘사를 나타낸다.

공정 시스템 (10)은 열 전달 구역 (14)을 형성하는 열 전달 유닛 (12)을 포함한다. 열 전달 유닛 (12)은 각각 별도의 열 전달 구역을 형성하는 하나 이상의 또는 많은 이런 유닛을 포함할 수 있음이 이해된다. 열 전달 구역 (14) 내 함유된 것은 고 열용량을 가지는 열 전달 물질 (16)이다.

오염 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림은 도관(conduit) (18)의 길을 지나고 열 전달 유닛 (12)의 열 전달 구역 (14) 내에 유입된다. 공정 시스템 (10)의 초기 작동에서, 열 전달 물질 (16)의 온도는 열 전달 구역 (14) 내에 유입된 가스 스트림의 온도보다 높다.

열 전달 유닛 (12)은 도관 (24)에 의해 반응 구역 (26)과 유효하게 연결되고 유체 흐름 소통(fluid flow communication)하고 있다. N₂O 분해 반응기 (22)가 별도의 N₂O 분해 반응 구역을 각각 형성하는 하나 이상의 또는 많은 반응기를 포함할 수 있음이 이해된다. N₂O 분해 반응기 (22)는 N₂O 분해 촉매 (28)를 함유하는 반응 구역 (26)을 형성한다.

가스 스트림이 열 전달 구역 (14)을 통과하고, 열 전달 물질 (16)과 접촉함으로써, 열적 또는 열 에너지가 열 전달 물질 (16)에서 가스 스트림으로 전달된다. 가열된 가스 스트림이 산출되고 이는 도관 (24)에 의해 열 전달 구역 (14)을 지나 반응 구역 (26) 내로 유입된다.

반응 구역 (26) 내, 가스 스트림은 가스 스트림에 함유된 아산화질소의 적어도 일부분의 질소 및 산소로의 분해를 촉진하는데 적합한 N₂O 분해 반응 조건 하에서 N₂O 분해 촉매 (28)와 접촉한다. N₂O 분해 반응기 (22)는 두 번째 N₂O 분해 반응기 (32)와 도관 (40)에 의해 유효하게 연결되고 이것과 유체 흐름 소통하고 있다. 두 번째 N₂O 분해 반응기 (32)는 두 번째 N₂O 분해 촉매 (36)를 함유하는 두 번째 반응 구역 (34)을 형성한다. 두 번째 N₂O 분해 반응기 (32)가 각각 별도의 N₂O 분해 반응 구역을 형성하는 하나 이상의 또는 많은 반응기를 포함할 수 있음이 이해된다.

감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림은 반응 구역 (26)에서 산출되고 도관 (40)을 지나 두 번째 반응 구역 (34)에 유입된다. 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림은 가스 스트림 내 함유된 아산화질소의 적어도 일 부분의 분해를 촉진하기에 적합한 반응 조건 하에서 작동되는 두 번째 반응 구역 (34) 내에 두 번째 N₂O 분해 촉매 (36) 위를 지나가고 이와 접촉한다.

본 발명의 임의적인 실시양태에서, 가열 유닛 (42)은 도관 (40) 내에 삽입된다. 가열 유닛 (42)은 증가하는 열 에너지가 두 번째 N₂O 분해 반응기 (32) 내에 유입되기 전에 가스 스트림에 첨가되는 것이 필요한 그런 상황에 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림 내로 열 에너지의 유입을 제공한다.

추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림이 산출되어 도관 (44)에 의해 두 번째 반응 구역 (34)를 지나 두 번째 열 전달 구역 (48) 내에 유입된다. 두 번째 열 전달 구역 (48)은 두 번째 열 전달 유닛 (50)에 의해 형성되고 그 안에 두 번째 열용량을 가지는 두 번째 열 전달 물질 (52)을 함유한다. 두 번째 열 전달 유닛 (50)은 두 번째 N₂O 분해 반응기 (32)와 도관 (44)에 의해 유효하게 연결되고 유체 흐름 소통한다. 두 번째 열 전달 유닛 (50)이 각각 별도의 열 전달 구역을 형성하는 하나 이상의 또는 많은 열 전달 유닛을 포함할 수 있음이 이해된다.

두 번째 열 전달 유닛 (50)의 두 번째 열 전달 물질 (52)의 온도는 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 가스 스트림의 온도보다 더 낮고, 따라서, 가스 스트림이 두 번째 열 전달 구역 (48)을 통과함에 따라 열 에너지가 가스 스트림에서 두 번째 열 전달 물질 (52)로 전달되어 이에 의해 가스 스트림을 냉각시킨다. 냉각된 가스 스트림이 산출되고 도관 (54)에 의해 두 번째 열 전달 구역 (48)으로부터의 하류로 가게 된다.

냉각된 가스 스트림은 도관 (18)에 의해 열 전달 구역 (14) 내에 유입된 가스 스트림의 아산화질소의 오염 농도보다 훨씬 더 낮은 아산화질소의 농도를 가질 것이다.

공정 시스템 (10)이, 오염 농도의 아산화질소를 가지는 공급 가스 스트림이 열 전달 유닛 (12) 내에 유입되는 모드로 일정 기간 동안 작동한 후에, 이 도입은 멈추게 되고 공정 시스템 (10)으로의 공급 가스 흐름이 반대로 된다. 가스 흐름의 이러한 역류는 도관 (54)에 의해 가스 스트림을 두 번째 열 전달 구역 (48) 내로 유입함으로써 일어난다. 이 단계에서, 두 번째 열 전달 물질 (52)의 온도는 두 번째 열 전달 구역 (48) 내에 유입되는 가스 스트림의 온도보다 더 높다. 가스 스트림이 두 번째 열 전달 구역 (48)을 통과함으로써, 열 에너지는 두 번째 열 전달 물질 (52)에서 가스 스트림으로 전달되어 두 번째 가열된 가스 스트림을 제공한다.

두 번째 가열된 가스 스트림은 두 번째 열 전달 구역 (48)에서 산출되고 도관 (56)에 의해 두 번째 반응 구역 (34)으로 간다. 도관 (56)은 두 번째 열 전달 구역 (48) 및 두 번째 반응 구역 (34) 사이에서 유효하게 연결되어 유체 흐름 소통을 제공한다. 도관 (56)은 필수적인 것은 아니나, 도관 (44)과는 별도의 또는 독립적인 도관일 수 있고, 또는 도관 (44) 및 (56) 모두가 같은 것일 수 있음이 이해된다.

두 번째 가열된 가스 스트림은 두 번째 N₂O 분해 촉매 (36) 위를 지나가고 이와 접촉하는 두 번째 반응 구역 (34) 내에 유입된다. 두 번째 반응 구역 (34)은 두 번째 가열된 가스 스트림 내 함유된 아산화질소의 적어도 일 부분의 분해에 적합한 N₂O 분해 반응 조건 하에서 작동하여 두 번째 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 두 번째 가스 스트림을 제공한다. 이 가스 스트림은 두 번째 반응 구역 (34)에서 산출되고 이곳으로부터 도관 (58)에 의해 나간다.

도관 (58)은 두 번째 N₂O 분해 반응기 (32) 및 N₂O 분해 반응기 (22)를 유효하게 연결시키고, 및 두 번째 반응 구역 (34) 및 반응 구역 (26) 사이의 유체 흐름 소통을 제공한다. 도관 (58)은 필수적인 것은 아니나, 도관 (40)과는 별도의 또는 독립적인 도관일 수 있고 또는 도관 (40) 및 (58) 모두가 같을 것일 수 있음이 이해된다.

본 발명의 임의적인 실시양태에서, 가열 유닛 (42)이 제공되고 N₂O 분해 반응기 (22) 내로 도입되기 전에 증가되는 열적 에너지가 가스 스트림에 첨가되는 것이 필요한 상황에서 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 두 번째 가스 스트림 내에 열 에너지가 유입되도록, 도관 (58) 또는 도관 (40), 또는 두 도관 모두 내에 삽입된다.

두 번째 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 두 번째 가스 스트림이 N₂O 분해 촉매 (28) 위를 지나가고 이와 접촉하는 반응 구역 (26)으로 가서 여기에 유입된다. 반응 구역 (26)은 두 번째 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 두 번째 가스 스트림 내에 함유된 아산화질소의 적어도 일 부분의 분해에 적합한 N₂O 분해 반응 조건 하에서 작동함으로써 두 번째 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 두 번째 가스 스트림을 제공한다. 이 가스 스트림은 반응 구역 (26)에서 산출되고 그곳에서부터 도관 (60)에 의해 나간다.

도관 (60)은 N₂O 분해 반응기 (22) 및 열 전달 유닛 (12) 사이에 유효하게 연결되고, 이것은 반응 구역 (26) 및 열 전달 구역 (14) 사이에 유체 흐름 소통을 제공한다. 두 번째 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 두 번째 가스 스트림은 도관 (60)에 의해 지나가서 열 전달 물질 (16) 위를 지나가고 이와 접촉하는 열 전달 구역 (14) 내로 유입된다. 열 전달 물질 (16)의 온도는 두 번째 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 두 번째 가스 스트림의 온도보다 더 적고, 결과적으로, 열적 또는 열 에너지가 두 번째 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 가지는 두 번째 가스 스트림에서 열 전달 물질 (16)로 전달되어 두 번째 냉각된 가스 스트림을 제공한다.

두 번째 냉각된 가스 스트림이 산출되고 도관 (64)에 의해 열 전달 구역 (14)으로부터 하류로 간다. 두 번째 냉각된 가스 스트림은 도관 (54)에 의해 열 전달 구역 (48) 내 도관 (54) 내로 유입되는 가스 스트림의 아산화질소의 오염 농도보다 훨씬 더 낮은 아산화질소의 농도를 가질 것이다.

일정 기간 후에, 가스 스트림의 흐름은 두 번째 열 전달 구역 (48) 내로 가스 스트림의 통과 및 유입을 중단함으로써 다시 역류할 수 있고 그 후에 열 전달 구역 (14)내로 첫 번째로 유입되고 다른 단계들이 반복된다.

Claims (7)

1. (a) 오염 농도의 아산화질소(N₂O)를 함유하는 가스 스트림이, 상기 가스 스트림의 온도보다 더 높은 초기 온도 및 750 내지 1300 kJ/(g·K)의 범위의 열용량을 갖는 열 전달 물질을 함유하는 열 전달 구역을 통과하여, 가열된 가스 스트림을 제공하는 단계;
   (b) 상기 가열된 가스 스트림이, 루테늄, 로듐, 은, 레늄, 오스뮴, 이리듐, 백금 및 금으로 구성된 군에서 선택된 귀 금속으로 로딩되고 바나듐, 크로뮴, 망간, 철, 코발트, 니켈 및 구리로 구성된 군에서 선택된 전이 금속으로 로딩된 제올라이트를 포함하는 아산화질소 분해 촉매를 함유하는 반응 구역을 통과하여, 감소된 농도의 아산화질소를 갖는 가스 스트림을 수득하는 단계;
   (c) 상기 감소된 농도의 아산화질소를 갖는 상기 가스 스트림이, 루테늄, 로듐, 은, 레늄, 오스뮴, 이리듐, 백금 및 금으로 구성된 군에서 선택된 귀 금속으로 로딩되고 바나듐, 크로뮴, 망간, 철, 코발트, 니켈 및 구리로 구성된 군에서 선택된 전이 금속으로 로딩된 제올라이트를 포함하는 두 번째 아산화질소 분해 촉매를 함유하는 두 번째 반응 구역을 통과하여, 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 갖는 가스 스트림을 수득하는 단계; 및
   (d) 상기 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 갖는 상기 가스 스트림이, 상기 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 갖는 상기 가스 스트림의 온도보다 더 낮은 온도를 갖는 두 번째 열 전달 물질을 함유하는 두 번째 열 전달 구역을 통과함으로써, 냉각된 가스 스트림을 제공하는 단계
   를 포함하는, 오염 농도의 아산화질소를 함유하는 가스 스트림에서 아산화질소를 제거하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 추가적으로
   (e) 일정 기간 후에, 상기 단계 (a), (b), (c), 및 (d)를 지나는 것을 멈춤으로써 상기 가스 스트림의 흐름을 역류시키는 단계;
   (f) 상기 가스 스트림이, 오염 농도의 아산화질소를 함유하는 가스 스트림의 온도보다 더 높은 온도를 갖는 상기 두 번째 열 전달 물질을 함유하는 상기 두 번째 열 전달 구역을 통과함으로써, 두 번째 가열된 가스 스트림을 제공하는 단계;
   (g) 상기 두 번째 가열된 가스 스트림이 두 번째 반응 구역을 통과함으로써, 두 번째 감소된 농도의 아산화질소를 갖는 두 번째 가스 스트림을 수득하는 단계;
   (h) 상기 두 번째 감소된 농도의 아산화질소를 갖는 상기 두 번째 가스 스트림이 상기 반응 구역을 통과함으로써, 두 번째 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 갖는 두 번째 가스 스트림을 수득하는 단계; 및
   (i) 상기 두 번째 추가적으로 감소된 농도의 아산화질소를 갖는 상기 두 번째 가스 스트림이, 상기 두 번째 가스 스트림의 온도보다 더 낮은 온도를 갖는 열 전달 물질을 함유하는 상기 열 전달 구역을 통과함으로써, 두 번째 냉각된 가스 스트림을 제공하는 단계
   를 포함하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 추가적으로
   (j) 일정 기간 후에, 상기 단계 (f), (g), (h), 및 (i)를 지나는 것을 멈춤으로써 상기 가스 스트림의 흐름을 역류시키는 단계; 및
   (k) 상기 단계 (a), (b), (c), 및 (d)를 지나는 것을 반복하는 단계
   를 포함하는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 아산화질소의 오염 농도가 100 ppmv 내지 600,000 ppmv의 범위인 방법.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 열 전달 물질이 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아, 산화 베릴륨, 질화 알루미늄, 및 이들의 둘 이상의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 세라믹 물질을 포함하고, 두 번째 열 전달 물질이 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아, 산화 베릴륨, 질화 알루미늄, 및 이들의 둘 이상의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 세라믹 물질을 포함하는 것인 방법.
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7. 삭제

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