선택적 촉매 환원

Selective catalytic reduction

선택적 촉매 환원(SCR)은 질소 산화물을 변환하는 수단이며, 촉매의 도움을 받아 NO라고도
2
2 합니다
x.환원제, 전형적으로 무수 암모니아(NH
3), 수성 암모니아(NHOH
4) 또는 요소(CO(NH
2)
2 용액을 연도 또는 배기가스 스트림에 첨가하여 촉매에 반응시킨다.반응이 완료로 진행됨에 따라 요소 사용 시 질소(N
2)와 이산화탄소(CO
2)가 생성된다.

암모니아를 환원제로 사용하는 선택적 NO 촉매
x 환원법은 1957년 엥겔하드사에 의해 미국에서 특허 취득되었습니다.SCR 기술의 개발은 1960년대 초 일본과 미국에서 지속되었으며, 보다 저렴하고 내구성이 뛰어난 촉매제에 초점을 맞춘 연구로 이루어졌다.최초의 대규모 SCR은 1978년 [1]IHI Corporation에 의해 설치되었다.

상업용 선택적 촉매 저감 시스템은 일반적으로 대형 유틸리티 보일러, 산업용 보일러 및 도시형 고형 폐기물 보일러에서 발견되며, NO를 70-95%[1] 감소시키는
x 것으로 나타났습니다.보다 최근의 응용 분야에는 대형 선박, 디젤 기관차, 가스 터빈, 심지어 자동차에서 볼 수 있는 디젤 엔진이 포함됩니다.

SCR 시스템은 이제 중형 트럭과 자동차 및 경상용 차량에서도 Tier 4 Final 및 EURO 6 디젤 배기 가스 배출 표준을 충족하기 위해 선호되는 방법입니다.그 결과 NOx, 미립자 및 탄화수소의 배출량이 프리배출 [2]엔진에 비해 95%나 감소했습니다.

화학

가스가
x 촉매 챔버를 통과할 때 NO 환원 반응이 발생합니다.촉매 챔버에 들어가기 전에 암모니아 또는 기타 환원제(요소 등)를 주입하고 가스와 혼합합니다.선택적 촉매 환원 프로세스를 위해 무수 또는 수성 암모니아를 사용하는 화학량학 반응에 대한 화학 방정식은 다음과 같습니다.

몇 가지 2차 반응:

요소의 반응은 다음과 같습니다.

암모니아와 마찬가지로 황이 존재할 때 다음과 같은 몇 가지 2차 반응이 발생합니다.

이상적인 반응은 630 ~ 720 K(357 ~ 447 °C)의 최적의 온도 범위를 가지지만, 더 긴 체류 시간으로 500 K(227 °C)까지 작동할 수 있습니다.최소 유효 온도는 다양한 연료, 가스 성분 및 촉매 형상에 따라 달라집니다.다른 가능한 환원제로는 시아누르산과 [3]황산암모늄이 있다.

촉매

SCR 촉매는 산화티타늄과 같은 다양한 다공질 세라믹 재료로 제조되며 활성 촉매 성분은 일반적으로 비금속(바나듐, 몰리브덴, 텅스텐 등)의 산화물, 제올라이트 또는 다양한 귀금속을 포함합니다.저온에서 [4]NOx를 제거하는 데 적용할 수 있는 활성탄 기반 촉매도 개발되었습니다.각 촉매 성분에는 장점과 단점이 있습니다.

바나듐 및 텅스텐과 같은 비금속 촉매는 높은 열 내구성이 없지만 가격이 저렴하고 산업 및 유틸리티 보일러에서 가장 일반적으로 사용되는 온도 범위에서 매우 잘 작동합니다.열 내구성은 디젤 미립자 필터를 강제 재생과 함께 사용하는 차량용 SCR 애플리케이션에서 특히 중요합니다.또한 SO를 산화시켜 SO로
2 만들
3 수 있는 높은 촉매 잠재력을 가지고 있으며, 이는 [5]산성 특성 때문에 매우 해로울 수 있습니다.

Zeolite 촉매는 기본 금속 촉매보다 상당히 높은 온도에서 작동할 수 있습니다. 900K(627°C)의 온도와 최대 1120K(847°C)의 과도 조건에서도 장시간 작동할 수 있습니다.또한 제올라이트는 SO 산화 잠재력이
2 낮기 때문에 관련 부식 위험을 [5]낮춥니다.

철 및 구리 교환 제올라이트 요소 SCR은 NO의
2 비율이 [6]전체
x NO의 20%~50%일 경우 바나듐 요소 SCR과 거의 동일한 성능을 발휘하도록 개발되었습니다.오늘날 사용되는 두 가지 가장 일반적인 촉매 형상은 벌집 촉매와 플레이트 촉매입니다.벌집 형태는 일반적으로 캐리어 전체에 균일하게 도포되거나 기판에 코팅된 압출 세라믹으로 구성됩니다.다양한 유형의 촉매와 마찬가지로 구성에도 장점과 단점이 있습니다.플레이트형 촉매는 벌집형 촉매보다 압력 강하가 적고 막힘이나 오염이 덜하지만 훨씬 크고 비싸다.벌집 구성은 플레이트 타입보다 작지만 압력 강하가 높고 플러그가 훨씬 쉽습니다.세 번째 유형은 골판지로, 발전소 애플리케이션의 [1]시장점유율 약 10%를 차지하고 있다.

환원제

현재 SCR 용도에는 무수 암모니아, 수성 암모니아 또는 용해된 요소를 포함한 여러 질소 함유 환원제가 사용되고 있습니다.이 세 가지 환원제는 모두 다량으로 널리 구할 수 있다.

무수 암모니아는 약 10bar의 강철 탱크에 액체로 저장될 수 있다.흡입 위험으로 분류되지만 잘 개발된 코드와 표준을 준수할 경우 안전하게 보관 및 취급할 수 있다.SCR 내에서 작동하기 위해 더 이상의 변환이 필요하지 않고 일반적으로 대규모 산업용 SCR 운영자들이 선호한다는 것이 장점입니다.수성 암모니아를 사용하려면 먼저 기화시켜야 하지만, 무수 암모니아보다 저장 및 운반하는 것이 훨씬 안전합니다.요소가 가장 안전하지만 열분해로 암모니아로 전환해야 합니다.[7] 공정 종료 시 정제된 배기가스는 보일러, 콘덴서 또는 기타 기기로 보내지거나 [8]대기 중으로 배출된다.효과적인 [1]환원제로 사용하기 위해.

제한 사항

SCR 시스템은 정상 작동 또는 비정상적인 이벤트로 인한 오염 및 플러그에 민감합니다.많은 SCR은 처리되지 않은 가스의 알려진 오염 물질 양으로 인해 제한된 사용 수명을 가집니다.시장에 나와 있는 촉매의 대부분은 다공질 구조와 특정 표면적을 증가시키도록 최적화된 형상을 가지고 있습니다.점토 식재 화분은 SCR 촉매가 어떤 느낌인지 보여주는 좋은 예입니다.이 다공성으로 인해 촉매는 NOx를 줄이는 데 필수적인 높은 표면적을 갖게 됩니다.그러나 미세입자, 황산암모늄, 황산암모늄(ABS) 및 실리카 화합물에 의해 쉽게 막힌다.이러한 오염물질의 대부분은 초음파 경음기 또는 그을음 블로어를 통해 장치가 온라인 상태일 때 제거할 수 있습니다.또한 회전 중에 또는 배기 온도를 높여 장치를 청소할 수도 있습니다.SCR 성능에서 더욱 우려되는 것은 독극물입니다. 독극물은 촉매 표면을 코팅하여 NO 감소 시 효과가
x 없으며, 심각한 경우 암모니아 또는 요소가 산화되어 NO 배출량이 증가할
x 수 있습니다.이러한 독은 알칼리 금속, 알칼리 토류 금속, 인, 비소, 안티몬, 크롬, 구리, 중금속(특히 수은, 탈륨, 납), 그리고 그 화합물(예: 산화물 및 할로겐화물)입니다.

대부분의 SCR은 올바르게 동작하기 위해 튜닝이 필요합니다.튜닝의 일부에는 가스 스트림에 암모니아가 적절히 분포하고 촉매를 통해 균일한 가스 속도를 보장하는 것이 포함됩니다.조정하지 않으면 SCR은 촉매 표면적을 효과적으로 활용하지 못해 과도한 암모니아 슬립과 함께 비효율적인 NOx 감소를 보일 수 있습니다.조정의 또 다른 측면은 모든 공정 조건에 적합한 암모니아 흐름을 결정하는 것입니다.암모니아 흐름은 일반적으로 가스 흐름에서 측정한 NOx 또는 엔진 제조업체(가스터빈 및 왕복 엔진의 경우)의 기존 성능 곡선에 기초하여 제어됩니다.일반적으로 SCR 시스템을 적절하게 설계 및 조정하려면 미래의 모든 작동 조건을 사전에 알고 있어야 합니다.

암모니아 슬립은 SCR을 통과하는 암모니아가 반응하지 않는 것을 가리키는 업계 용어입니다.암모니아가 과도하게 주입되거나, 암모니아가 반응하기에는 온도가 너무 낮거나, 촉매가 오염되었을 때 발생합니다.

SCR의 가장 큰 제한은 온도입니다.모든 엔진은 시동 중에 배기 온도가 너무 낮은 기간이 있으며, 특히 추운 기후에서 엔진을 처음 시동할 때 NOx 저감이 발생하도록 촉매를 예열해야 합니다.

발전소

발전소에서는 발전이나 공업에서 사용되는 보일러의 배기가스로부터 NO를
x 제거하기 위해서도 같은 기초 기술을 채용하고 있다.일반적으로 SCR 유닛은 노내 이코노마이저와 에어히터 사이에 위치하고 암모니아는 암모니아 주입 그리드를 통해 촉매 챔버에 주입된다.다른 SCR 어플리케이션과 마찬가지로 동작 온도는 매우 중요합니다.암모니아 슬립(미반응 암모니아)은 발전소에서 사용되는 SCR 기술에서도 문제가 됩니다.

발전소에서 NO 제어를 위해
x SCR을 사용할 때 고려해야 할 다른 문제로는 연료의 황 함량에 의한 황산암모늄 및 황산암모늄의 생성과 연도 가스 중 SO
2 및
2 O에서 바람직하지 않은 촉매로 인한 SO의
3 형성이 있다.

석탄 연소 보일러의 또 다른 작동 어려움은 연료 연소에서 발생하는 플라이 애쉬에 의한 촉매 결합입니다.이를 위해서는 그을음 블로어, 소닉 혼, 플라이 애쉬에 의한 막힘을 방지하기 위한 덕트 및 촉매 재료의 신중한 설계가 필요합니다.SCR 촉매는 연도가스 조성에 따라 석탄 화력발전소에서 약 16,000–40,000시간(1.8–4.5년), 청정 가스 화력발전소에서 최대 80,000시간(9년)의 운전 수명을 가집니다.

촉매의 수명을 늘리기 위해 SCR 시스템 전에 스크러버를 설치하면 독극물, 황화합물 및 플라이 애쉬를 제거할 수 있지만 대부분의 발전소 및 해양 엔진에서는 스크러버를 시스템 후에 설치하여 SCR 시스템의 효과를 극대화합니다.

자동차

역사

트럭에 SCR을 적용한 닛산 디젤은 2004년 일본에서 [9]첫 실용품 '닛산 디젤 쿤'을 선보였다.

2007년 미국 환경보호청(EPA)은 유해한 배기 가스 배출을 대폭 줄이기 위한 요건을 제정했습니다.이 표준을 달성하기 위해 Cummins와 다른 디젤 엔진 제조업체는 디젤 미립자 필터(DPF)를 사용하는 후처리 시스템을 개발했습니다.DPF는 저황 디젤 연료와 함께 작동하지 않기 때문에 2007년 EPA 배기 가스 기준에 부합하는 디젤 엔진은 DPF 손상을 방지하기 위해 초저황 디젤 연료(ULSD)가 필요합니다.짧은 전환 기간 후, ULSD 연료는 미국과 캐나다의 연료 펌프에서 일반화되었다.2007년 EPA 규제는 제조사가 더욱 엄격한 2010년 EPA 규제에 대비할 수 있도록 하기 위한 임시 해결책으로, NOx 수준을 [10]더욱 감소시켰다.

2010년 EPA 규제

SCR과 디젤 미립자 활성 저감(DPR)을 결합한 히노 트럭과 표준 SCR 유닛.DPR은 재생 프로세스가 있는 디젤 미립자 여과 시스템으로, 늦은 연료 분사를 사용하여 배기 온도를 제어하여 [11][12]그을음을 연소시킵니다.

2010년 1월 1일 이후에 제조된 디젤 엔진은 미국 시장의 낮은 NOx 기준을 충족해야 합니다.

Navistar International 및 Caterpillar를 제외한 모든 헤비듀티 엔진(Class 7-8 트럭) 제조업체는 SCR을 사용하기로 결정했습니다.여기에는 디트로이트 디젤(DD13, DD15, DD16 모델), 커민스(ISX, ISL9, ISB6.7), 파카, 볼보/맥 등이 포함된다.이러한 엔진은 프로세스를 활성화하기 위해 디젤 배기 오일(DEF, 요소 솔루션)을 주기적으로 추가해야 합니다.DEF는 대부분의 트럭 정류장에서 병과 저그 형태로 제공되며, 보다 최근에 개발된 것은 디젤 연료 펌프 근처에 있는 벌크 DEF 디스펜서입니다.캐터필러와 Navistar는 당초 Environmental Protection Agency(EPA) 표준을 준수하기 위해 EEGR(Environmental Protection Agency)을 사용하기로 결정했으나 2012년 7월 Navistar는 단종될 MaxxForce 15를 제외하고 자사 엔진에 대한 SCR 기술을 추구할 것이라고 발표했습니다.캐터필러는 이러한 [13]요구 사항을 이행하기 전에 결국 고속도로 엔진 시장에서 철수했습니다.

BMW,[14][15] 다임러 AG(블루텍), 폭스바겐은 일부 디젤 승용차에 SCR 기술을 사용했다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c d 스팀: 그 생성과 용도.밥콕 앤 윌콕스
  2. ^ Denton, Tom (2021). Advanced Automotive Fault Diagnosis: Automotive Technology: Vehicle Maintenance and Repair. Routledge. pp. 49–50. ISBN 9781000178388.
  3. ^ "질소산화물의 환경적 영향"전력 연구소, 1989년
  4. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2015-12-08. Retrieved 2015-11-27.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크) CarbTech AC GmbH
  5. ^ a b DOE 프레젠테이션
  6. ^ Gieshoff, J; M. Pfeifer; A. Schafer-Sindlinger; P. Spurk; G. Garr; T. Leprince (March 2001). "Advanced Urea Scr Catalysts for Automotive Applications" (PDF). Society of Automotive Engineers. SAE Technical Paper Series. 1. doi:10.4271/2001-01-0514. Retrieved 2009-05-18.
  7. ^ Kuternowski, Filip; Staszak, Maciej; Staszak, Katarzyna (July 2020). "Modeling of Urea Decomposition in Selective Catalytic Reduction (SCR) for Systems of Diesel Exhaust Gases Aftertreatment by Finite Volume Method". Catalysts. 10 (7): 749. doi:10.3390/catal10070749.
  8. ^ 이민, Nox 저감, SCR 테크놀로지:
  9. ^ "尿素CSRシステム（FLENDS）" [CSR System "FLENDS"]. Society of Automotive Engineers of Japan (in Japanese). Retrieved 28 November 2021.
  10. ^ Mark Quasius (1 May 2013). "2010 EPA Emissions Standards And Diesel Exhaust Fluid". FamilyRVing. Retrieved 3 December 2021.
  11. ^ "Hino Standardized SCR Unit". Hino Motors. Archived from the original on 5 August 2014. Retrieved 30 July 2014.
  12. ^ "The DPR Future" (PDF). Hino Motors. Retrieved 30 July 2014.
  13. ^ "Caterpillar exits on-highway engine business". Today's Trucking. Jun 13, 2008. Retrieved 29 December 2017.
  14. ^ "BMW BluePerformance – AdBlue" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2017-01-08. Retrieved 2017-01-15.
  15. ^ "BMW maintenance: AdBlue". Archived from the original on 2017-01-04. Retrieved 2017-01-15.