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수방전을 이용한 암모니아 생성 장치 및 방법

  • 기술번호 : KST2022002962
  • 담당센터 : 대전기술혁신센터
  • 전화번호 : 042-610-2279
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요약, Int. CL, CPC, 출원번호/일자, 출원인, 등록번호/일자, 공개번호/일자, 공고번호/일자, 국제출원번호/일자, 국제공개번호/일자, 우선권정보, 법적상태, 심사진행상태, 심판사항, 구분, 원출원번호/일자, 관련 출원번호, 기술이전 희망, 심사청구여부/일자, 심사청구항수의 정보를 제공하는 이전대상기술 뷰 페이지 상세정보 > 서지정보 표입니다.
요약 본 발명의 목적은 질소가스(N2)를 방전가스로 발생한 플라즈마를 이용하고 물을 원료로 하여 수소(H2)를 생성하며, 수소(H2)와 함께 생성된 산소(O2)를 제거하기 위해 생성된 산소를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성하고, 탄화수소 또는 수소를 공급하여 물분해와 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본(solid carbon)과 수소(H2)를 생성하며, 합성촉매에서 수소와 일산화질소(NO)로 암모니아를 생성하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 이용한 암모니아 생성 장치는, 질소가스(N2)를 방전가스로 발생한 플라즈마에 물을 공급하여 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 생성하는 플라즈마 분해 반응부, 상기 플라즈마 분해 반응부의 하방에 연결되어 추가 공급구로 탄화수소 또는 수소를 더 공급하여 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하는 열분해 반응부, 및 상기 열분해 반응부에 연결되어 물과 분리된 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 합성하여 암모니아(NH3)를 생성하는 합성촉매부를 포함한다.
Int. CL B01J 19/08 (2015.01.01) C01B 3/34 (2006.01.01) C01B 3/04 (2006.01.01) C01B 3/02 (2006.01.01) C01C 1/04 (2006.01.01)
CPC B01J 19/088(2013.01) C01B 3/342(2013.01) C01B 3/042(2013.01) C01B 3/025(2013.01) C01C 1/0494(2013.01)
출원번호/일자 1020200114011 (2020.09.07)
출원인 한국기계연구원
등록번호/일자
공개번호/일자 10-2022-0032347 (2022.03.15) 문서열기
공고번호/일자
국제출원번호/일자
국제공개번호/일자
우선권정보
법적상태 공개
심사진행상태 수리
심판사항
구분 국내출원/신규
원출원번호/일자
관련 출원번호
심사청구여부/일자 Y (2020.09.07)
심사청구항수 37

출원인

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번호 이름 국적 주소
1 한국기계연구원 대한민국 대전광역시 유성구

발명자

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번호 이름 국적 주소
1 이대훈 대전광역시 유성구
2 김유나 서울특별시 강서구
3 강홍재 대전광역시 유성구
4 송호현 대전광역시 유성구
5 이희수 대전광역시 유성구
6 송영훈 대전광역시 유성구
7 김관태 세종특별자치시 반곡로 **,
8 무자밀 이크발 대전광역시 유성구

대리인

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번호 이름 국적 주소
1 팬코리아특허법인 대한민국 서울특별시 강남구 논현로**길 **, 역삼***빌딩 (역삼동)

최종권리자

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번호 서류명 접수/발송일자 처리상태 접수/발송번호
1 [특허출원]특허출원서
[Patent Application] Patent Application		 2020.09.07 수리 (Accepted) 1-1-2020-0945910-60
2 선행기술조사의뢰서
Request for Prior Art Search		 2020.12.11 수리 (Accepted) 9-1-9999-9999999-89
3 선행기술조사보고서
Report of Prior Art Search		 2021.03.19 발송처리완료 (Completion of Transmission) 9-6-2022-0010909-33
4 의견제출통지서
Notification of reason for refusal		 2022.01.14 발송처리완료 (Completion of Transmission) 9-5-2022-0042486-37
5 [거절이유 등 통지에 따른 의견]의견서·답변서·소명서
 2022.01.21 수리 (Accepted) 1-1-2022-0080505-51
6 [명세서등 보정]보정서
[Amendment to Description, etc.] Amendment		 2022.01.21 보정승인간주 (Regarded as an acceptance of amendment) 1-1-2022-0080506-07
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번호 청구항
1 1
탄화수소 기체와 수소 중 어느 하나와 질소가스(N2)를 포함하는 방전가스로 발생한 플라즈마에 물을 공급하여 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 생성하며 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하는 플라즈마 분해 반응부; 상기 플라즈마 분해 반응부의 하방에 연결되어 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하는 열분해 반응부; 및상기 열분해 반응부에 연결되어 물과 분리된 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 합성하여 암모니아(NH3)를 생성하는 합성촉매부 를 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
2 2
제1항에 있어서,상기 플라즈마 분해 반응부는추가 공급구로 탄화수소 또는 수소를 더 공급하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
3 3
제2항에 있어서,상기 플라즈마 분해 반응부와 상기 합성촉매부 사이의 상기 열분해 반응부에 내장되어 상기 플라즈마 분해 반응부에서 배출되는 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 수소(H2)의 배출가스를 냉각하여 상기 합성촉매의 촉매 반응에 적합한 온도로 제어하는 열교환부를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
4 4
제3항에 있어서,상기 열교환부는입구로 공급되는 저온의 물로 상기 내부공간의 열을 흡수하여 상기 플라즈마 분해 반응부에 공급하는 물공급부에 출구로 연결되는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
5 5
제3항에 있어서,상기 촉매합성부의 후류(downstream)에 배치되어 합성된 암모니아(NH3)를 회수하는 암모니아 회수부, 및상기 암모니아 회수부를 경유한 배출가스에서 수소와 질소를 분리하는 가스분리부를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
6 6
제2항에 있어서,상기 플라즈마 분해 반응부는,전기적으로 접지되고 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 통로의 토출구를 구비하는 하우징,상기 하우징의 일측에 장착되어 고전압에 연결되어 상기 방전공간에 플라즈마 방전을 일으키는 고전압전극,상기 고전압전극의 일측으로 상기 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구,상기 고전압전극의 전방에서 상기 플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분을 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
7 7
제6항에 있어서,상기 물공급부는물을 분사하는 물분사 노즐 또는 스팀을 공급하는 스팀공급로 형성되는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
8 8
제7항에 있어서,상기 물분사 노즐은상기 방전공간의 길이 방향의 중간에서 상기 하우징에 설치되어 물을 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 도중에 분사하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
9 9
제2항에 있어서,상기 열분해 반응부의 하방에 구비되어 상기 플라즈마 분해 반응부에서 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 저류하여 카본 배출구로 배출하는 회수조를 더 포함하며,상기 합성촉매부는상기 열분해 반응부의 하단 측방에 구비되는 토출구에 연결되는, 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
10 10
제2항에 있어서,상기 플라즈마 분해 반응부는,전기적으로 접지되고 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 토출구를 구비하는 하우징,상기 하우징의 일측에 장착되어 고전압에 연결되어 상기 방전공간에 플라즈마 방전을 일으키는 고전압전극,상기 고전압전극의 일측으로 상기 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구,상기 방전공간에서 통로가 좁아진 부분, 및 상기 좁아진 부분에 연결되고 끝에 상기 토출구를 구비하는 연결부, 및상기 좁아진 부분의 끝에서 상기 연결부에 설치되어 물을 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 끝에 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분을 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
11 11
제2항에 있어서,상기 플라즈마 분해 반응부는,전기적으로 접지되고 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 통로의 토출구를 구비하는 하우징,상기 하우징의 일측에 장착되어 고전압에 연결되어 상기 방전공간에 플라즈마 방전을 일으키는 고전압전극,상기 고전압전극의 일측으로 상기 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구,상기 고전압 전극에 형성되어 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 외곽으로 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분을 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
12 12
제2항에 있어서,상기 플라즈마 분해 반응부는,전기적으로 접지되고 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 통로의 토출구를 구비하는 하우징,상기 하우징의 일측에 장착되어 고전압에 연결되어 상기 방전공간에 플라즈마 방전을 일으키는 고전압전극,상기 고전압전극의 일측으로 상기 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구,상기 고전압 전극에 형성되어 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 전방으로 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및 상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분을 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
13 13
제6항에 있어서,상기 토출구는수축-확장(converging-diverging) 구조의 노즐로 구성되어,플라즈마, 질소가스 플라즈마에 물을 분사하여 생성된 생성물이 상기 토출구를 통해 배출되면서 냉각되는수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
14 14
제2항에 있어서,상기 플라즈마 분해 반응부는,내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 통로의 토출구를 구비하는 유도결합 유전체 튜브,상기 유도결합 유전체 튜브의 외주에 구비되어 방전공간에 유도결합플라즈마 방전을 일으키는 방전코일,상기 유도결합 유전체 튜브의 일측으로 탄화수소 기체와 질소가스(N2)를 포함하는 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구,상기 방전공간의 유도결합플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분을 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
15 15
제14항에 있어서,상기 물공급부는물을 분사하는 물분사 노즐로 형성되는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
16 16
제14항에 있어서,상기 물공급부는스팀을 공급하는 스팀공급구로 형성되는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
17 17
제14항에 있어서,상기 물공급부는상기 유도결합 유전체 튜브의 길이 방향 일측에 구비되어, 상기 방전공간의 상기 유도결합플라즈마에 물을 공급하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
18 18
제2항에 있어서,상기 플라즈마 분해 반응부는,내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 통로의 토출구를 구비하는 유도결합 유전체 튜브,상기 유도결합 유전체 튜브의 외주에 구비되어 방전공간에 유도결합플라즈마 방전을 일으키는 방전코일,상기 유도결합 유전체 튜브의 일측으로 탄화수소 기체와 질소가스(N2)를 포함하는 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구,상기 유도결합 유전체 튜브의 길이 방향에서 상기 방전코일의 전방에 구비되어, 상기 방전공간의 유도결합플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분을 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
19 19
제2항에 있어서,상기 플라즈마 분해 반응부는,내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 토출구를 구비하는 하우징,상기 하우징의 외부에 구비되어 방전공간에 마이크로 웨이브 플라즈마를 발생시키는 마이크로 웨이브 가이드,상기 하우징의 일측으로 상기 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구,상기 방전공간의 상기 플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및 상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분을 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
20 20
제19항에 있어서,상기 물공급부는물을 분사하는 물분사 노즐 또는 스팀을 공급하는 스팀공급구로 형성되는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
21 21
제19항에 있어서,상기 물공급부는상기 하우징의 길이 방향 일측에 구비되어, 상기 방전공간의 상기 플라즈마에 물을 공급하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
22 22
제2항에 있어서,상기 열분해 반응부에 연결되어, 상기 플라즈마 분해 반응부 및 상기 물분해 방응부에서 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 저류하여 카본 배출구로 배출하는 회수조;를 더 포함하며,상기 합성촉매부는상기 플라즈마 분해 반응부의 연결부에 구비되는 토출구에 연결되는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
23 23
제2항에 있어서,상기 열분해 반응부의 토출구와 상기 합성촉매부 사이에 구비되는 열교환부;를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
24 24
제2항에 있어서,상기 열분해 반응부의 토출구의 상측에서 상기 열분해 반응부의 내측에 구비되는 열교환부;를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
25 25
제2항에 있어서,상기 열분해 반응부와 회수조는 서로의 사이에 통로가 좁아지는 축소부분과 넓어지는 제2확장부분, 및 축소부분과 제2확장부분을 좁아진 제2연결부로 연결되며,상기 합성촉매부는상기 제2연결부에 구비되는 토출구에 연결되는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
26 26
탄화수소 기체와 수소 중 어느 하나와 질소가스를 포함하는 방전가스로 발생한 플라즈마에 물을 공급하여 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 배출하고, 탄화수소의 분해 과정에서 얻은 솔리드 카본과 수소(H2)를 1차로 배출하는 제10단계; 상기 제10단계에 이어서 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 얻은 솔리드 카본과 수소(H2)를 2차로 배출하는 제20단계; 및상기 제10단계 및 상기 제20단계의 생성물인 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 배출 합성촉매에 공급하여 암모니아를 합성하고 합성된 암모니아를 배출하는 제30단계를 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법
27 27
제26항에 있어서,상기 제20단계는추가 공급구로 탄화수소 또는 수소를 더 공급하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법
28 28
제27항에 있어서,상기 제20단계는생성물을 암모니아 합성을 위한 상기 합성촉매에 공급하기 위해, 촉매 반응에 적절한 온도 조건으로 열교환 하는 제21단계를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법
29 29
제27항에 있어서,상기 제30단계는암모니아 합성 후 합성된 상온에서 액상인 암모니아(NH3)를 나머지 기체와 분리하여 회수하는 제31단계를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법
30 30
제29항에 있어서,상기 제30단계는상기 제31단계에 이어서 나머지 배출가스에서 수소와 질소를 분리하는 제32단계를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법
31 31
제27항에 있어서,상기 제10단계는방전가스로 플라즈마를 발생하여 상기 플라즈마에서 제공되는 높은 에너지로 물을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하고, 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하는 제1단계,상기 제1단계에서 분해된 산소가 플라즈마 발생 과정에서 생성된 질소(N2)와 반응하여 일산화질소(NO) 또는 이산화질소(NO2)를 생성하는 제2단계, 및상기 제2단계에서 생성된 일산화질소(NO) 또는 이산화질소(NO2)와 상기 제1단계에서 생성된 수소(H2)를 주 생성물로 하여 배출하고 상기 솔리드 카본을 물과 함께 배출하는 제3단계를 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법
32 32
제31항에 있어서,상기 제1단계는물분해 과정에서 발생되는 플라즈마 온도를 1000~2000K 범위의 웜플라즈마(warm plasma) 형태로 발생시키는 수방전을 이용한 암모니아생성 방법
33 33
제32항에 있어서,상기 제2단계는상기 제1단계를 통해서 물분해 과정에서 생성된 모든 산소가 질소와 반응하게 되어, 기상의 생성물을 반응하지 않는 질소(N2), 수소(H2), 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)로 구성하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법
34 34
제33항에 있어서,상기 제3단계는상기 제2단계 이후 플라즈마가 고온의 반응대로부터 좁아지는 배출구를 통하여 제트 형태로 배출되면서,상기 제2단계 생성물이 상기 배출구를 통과하는 과정에서 빠르게 온도를 저하시켜 일산화질소(NO)가 이산화질소(NO2)로 산화되는 반응을 억제하여, 일산화질소(NO)의 선택도를 높이는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법
35 35
제33항에 있어서,상기 제3단계는상기 제2단계 이후 플라즈마가 고온의 반응대로부터 좁아지는 배출구에 구비되는 열교환부를 통과하는 과정에서 빠르게 온도를 저하시켜 일산화질소(NO)가 이산화질소(NO2)로 산화되는 반응을 억제하여, 일산화질소(NO)의 선택도를 높이는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법
36 36
질소가스(N2)를 방전가스로 발생한 플라즈마에 물을 공급하여 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 생성하는 플라즈마 분해 반응부; 상기 플라즈마 분해 반응부의 하방에 연결되어 추가 공급구로 탄화수소 또는 수소를 더 공급하여 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하는 열분해 반응부; 및상기 열분해 반응부에 연결되어 물과 분리된 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 합성하여 암모니아(NH3)를 생성하는 합성촉매부 를 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
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질소가스를 방전가스로 발생한 플라즈마에 물을 공급하여 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 배출하는 제10단계; 상기 제10단계에 이어서 탄화수소 또는 수소를 더 공급하여 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 얻은 솔리드 카본과 수소(H2)를 배출하는 제20단계; 및상기 제10단계 및 상기 제20단계의 생성물인 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 배출 합성촉매에 공급하여 암모니아를 합성하고 합성된 암모니아를 배출하는 제30단계를 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법
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