[NRL 소개] 한국에너지기술연구원 촉매연소연구센터 ( 촉매연소를 활용한 고효율/ 청정 산업응용장치의 개발)

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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 22, No. 5, 2004…531 National Research Laboratory (국가지정연구실)

NRL ^소개

송 광 섭

한국에너지기술연구원 [email protected]

연구실 소개

한국에너지기술연구원 촉매연소연구센터는 청 정연소이면서 에너지 이용 효율을 높일 수 있는 촉매연소기술의 조기 실용화를 위해 다양한 연구 를 수행하고 있는데, 2001년에 “촉매연소를 활용 한 고효율/청정 산업응용장치의 개발”이라는 과 제로 국가지정연구실로 선정되어 촉매연소기술이 각 분야에서 유기적으로 연결되어 활용될 수 있도 록 계통 연구를 수행하고 있다.

촉매연소 기술은 연소반응이 촉매표면에서 일 어나도록 한 것으로써, 가연성가스가 불균일 촉매 반응에 의해 산화되기 때문에 화염연소와 다른 특 성을 갖는다. 즉, 촉매에 의해 연소반응의 활성화 에너지가 낮아지기 때문에 화염 연소온도보다 낮 은 온도에서도 연소시킬 수 있고, 화염연소로 연 소가 불가능한 초희박 가스(농도가 아주 낮은 가 연성 가스)도 촉매반응을 이용하여 안정적으로 연소시킬 수 있는 특징을 갖고 있다. 또한 촉매연

소반응에서는 반응의 진행에 따라 열이 발생되기 때문에, 화염이 동반되지 않고 단열화염온도 이상 으로 연소가스의 온도가 상승되지 않는다. 따라서 낮은 온도의 열원(기존에는 열풍을 이용한 간접 가열방식 이용됨)을 필요로 하는 건조공정의 경 우에 피가열체와 가까운 거리에서 직접 반응열을 공급할 수 있기 때문에 건조공정에 촉매연소를 이 용하면 에너지 소비를 현저히 줄일 수 있다. 또한 촉매연소반응을 이용하면 화염온도를 1500℃ 이 하로 유지하면서 안정적으로 연소가 가능하기 때 문에 Thermal NOx의 발생을 획기적으로 줄일 수 있다. 이것은 연소과정에서 발생되는 Thermal NOx의 양이 온도에 매우 민감하게 의존하며 1500℃ 이상 온도에서 급격히 증가하기 때문이다.

이와 같은 특징으로 인하여 촉매연소 기술은 다 양한 분야에서 활용되고 있는데, 새로운 공정에 촉매연소 기술이 활용되기 위해서는 응용시스템 개발과 관련된 핵심 기술이 공정에 적합하도록 연

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532…NICE, 제22권 제5호, 2004

NRL

^소개

구되어야 한다. 즉, 공정에서 필요한 고활성 촉매 를 낮은 비용으로 제조하고, 선택된 연료를 균일 하게 혼합하여 연소시킬 수 있는 촉매 연소기의 제작 기술과 공정에 적합한 온도 달성을 위한 촉 매연소기의 제어기술 및 촉매연소기와 결합된 활 용 장치(시스템)의 설계 기술을 확보하여야 한다.

연구과제의 내용

1) 연소촉매의 내열특성 강화기술

열부하가 낮은 촉매연소장치 또는 VOC 소각장 치에서 사용되는 연소촉매는 사용온도가 낮아 소 결에 따른 활성저하가 적으며 비교적 제조가 간단 하여 현재 상업적으로 생산되고 있다. 그러나 연 소촉매의 사용온도가 증가하면 쉽게 소결되어 활 성을 잃기 때문에 가스터빈과 같은 고부하 촉매연 소장치에서 사용되는 연소촉매는 소결방지를 위 한 방법이 도입되어 합성된다.

고온 연소촉매로 사용되는 팔라듐 촉매는 연소 반응에서 산화물과 금속간의 해리와 결합 순환과 정을 복하면서 활성이 저하된다. 본 연구에서는 팔라듐 촉매의 내열특성을 향상시키기 위하여 TiO2, ZrO2를 postcoating하여 XANES/EXAFS 로 구조 변화 관찰하였으며, 백금과 이원금속 촉 매를 제조하여 반응 특성과 구조적인 변화 특성 및 담체 효과를 연구하였다. 팔라듐의 XANES 스펙트럼 분석을 통한 팔라듐 촉매의 가역적인 구 조변화 관찰에서 금속산화물로서 TiO2, ZrO2를 첨가하면 팔라듐 산화물인 tetragonal PdO 상태 를 950℃까지 유지하고 있음을 알 수 있었다. 백 금을 첨가하여 이원금속이 형성됨에 따라 팔라듐 은 tetragonal PdO 구조와 전혀 다른 구조로 변화 되며 팔라듐 특성피크는 Pd-Pd와 Pd-Pt로 확인 되었고, 백금과 팔라듐의 몰비가 1.0인 경우 Pd-O 특성피크가 사라진다. 이와 같이 팔라듐 촉매에 TiO2, ZrO2를 postcoating하면 고온 안정성이 높

아짐을 확인하였고, 팔라듐과 백금을 이원금속으 로 만들면 팔라듐의 구조가 바뀌어 메탄 연소반응 에서 hysteresis가 관찰되지 않고 내열특성이 향상 됨을 확인하였다.

한편 1400℃ 이상의 고온에서 높은 비표면적을 가져서 연소촉매의 지지체로 각광을 받고 있는 헥 사알루미네이트를 저렴하게 합성하는 기술을 연 구하였다. 가격이 저렴한 CTACl(Cetyltrime- thylammonium chloride)와 같은 계면활성제를 이용하여 합성한 결과 알콕사이드법으로 제조한 것과 유사한 비표면적을 얻었다.

2) 촉매열교환 방식 직물코팅장치 개발

고효율이며 청정연소 기술인 촉매연소 기술을 산업공정에 보급하기 위해 수행되는 연구사업으 로써, 현재 국내에서 운전되고 있는 직물코팅장치 를 개선하여 공해물질의 배출과 에너지 소비를 획 기적으로 줄이는 연구이다. 공해물질인 휘발성유 기화합물(VOC)의 배출과 에너지 다소비로 사양 화되고 있는 직물코팅장치와 기존에 개발된 촉매 열교환기를 결합하여 직물코팅장치에서 배출되는 VOC문제를 해결하고, 운전에너지를 절감시킬 수 있는 장치를 개발하는 것이다. 기존장치의 코팅 및 건조특성, 건조열 공급 형태, VOC 배출형태를 파악하고 촉매연소 열교환기의 예열시스템 및 열 풍 균일분배 시스템 등에 대한 고찰을 통해 시스 템 제어기술을 확보하여 촉매열교환기가 코팅장

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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 22, No. 5, 2004…533

NRL

^소개 National Research Laboratory (국가지정연구실)

치에 결합될 때 나타날 수 있는 문제점을 최소화 한다. 예비테스트 결과 공정에서 배출되는 VOC 를 98% 정도 처리할 수 있었고, 비록 작업조건에 따라 다르지만 VOC 소각열을 이용하여 운전에너 지를 최고 80%까지 절약할 수 있었다.

시스템의 일체화 및 장치의 안정성을 확보하고 시스템 운전을 단순화하여 촉매연소 방식의 직물 코팅장치를 상용화할 계획이다.

3) 휘발성유기화합물 소각 처리장치 개발 촉매연소기술의 응용을 확대에 대한 spin-off 기술로서 소규모 공간에서 낮은 농도로 배출되는 VOC를 효과적으로 처리할 수 있는 이동형 VOC 소각 장치를 개발하였다. VOC 소각처리 장치에 서 촉매연소기술이 효과적으로 활용되고 있지만, 장치의 성능이나 유지비는 VOC의 농도에 의존한 다. 휘발성유기화합물의 농도가 2000ppm 이하로 매우 낮은 경우에 기존의 방식으로 촉매연소를 이 용하기 힘들다. 또한 국부적으로 발생되는 VOC 를 처리하기 위해 덕트를 설치하면 설치비용 및 압력손실에 따른 운전비 등이 증가한다. 이와 같 은 문제점을 해결하기 위해 소형으로 이동이 가능 하고, 이중관 열교환 방식을 채택하여 열손실을 최소화한 이동형 VOC 소각장치를 고안하였다.

VOC 배출공정의 화재 위험성을 감안하여 안전성 이 확보된 형태로 제품을 제작하였으며, 연소촉매 와 이중관 열교환기의 효율적인 배치를 통해 98.5% 정도의 VOC 소각처리 효율을 얻었다.

4) 마이크로 촉매연소기 개발

촉매 화학반응장치에서 수율향상과 열 이용 효 율을 높이는데 가장 큰 걸림돌은 반응물(또는 생 성물) 사이 물질전달 속도와 반응열의 공급(또는 제거)을 위한 열전달 속도의 증대이다. 두께 1mm 이하의 박판에 가공된 수십에서 수백 마이크로 크

기의 채널에서는 열전달 속도가 10배 정도 빨라지 고, 물질전달 저항도 매우 작아진다는 것이 확인 됨에 따라 세계적으로 마이크로 반응기에 대한 연 구가 활발해지고 있다. 이러한 마이크로 반응기에 서는 마이크로 채널 내부에서의 체류시간과 열전 달 저항을 감소시키고, 열의 소모를 줄여서 효율 성 증대시킬 뿐만 아니라 공정조건에 대한 정밀한 제어를 가능하게 하는 장점이 있다.

마이크로 반응기를 제작하기 위해서는 다양한 기술이 요구된다. 마이크로 채널 및 유입부에 대 한 적절한 설계를 통하여 마이크로 채널 내부에서 부분적인 과열현상 없어야 하고, 각 마이크로 채 널에서 균일한 유속 분포를 얻을 수 있도록 하여 야 한다. 또한 마이크로 채널 내 촉매를 선택적으 로 코팅함으로써 촉매 코팅 후 금속판 접합이 용 이하도록 해야 하고, 마이크로 채널 내에 촉매가 균일하게 코팅되도록 해야 한다.

촉매연소 반응도 다른 화학반응과 마찬가지로 물질전달과 열전달이 연소기 개발에 중요한 인자 이다. 팔라듐촉매의 내열 특성 향상을 위해 시도하 였던 팔라듐에 금속산화물의 postcoating 기술과 이원금속 제조기술을 마이크로 반응기에 접목하여 새로운 형태의 (촉매연소)반응기 개발을 시도하고 자 한다. 이를 위해 마이크로 채널에서 유동현상 해 석 및 균일 유속분포를 얻기 위한 컴퓨터 수치해석, 마이크로 반응기 제작에 필요한 금속 접합과 촉매 코팅 기술 개발 등 다양한 시도가 진행되고 있다.

마이크로 채널 내부에서 열전달 특성실험 및 연소 반응특성 고찰을 통해 마이크로 촉매연소 반응기 를 이용한 열원 공급을 시도하고 있다.

주요 보유 장비

XRD, TPD/TPR, TGA, FT-IR,

Mass spectrometer, GC, CO/CO2Analyzer, THC Analyzer, NOx Analyzer