KR0135324B1 - 배연탈황 공정의 공기공급 교반장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공해방지장치로서 화력발전소나 공장에서 화석연료등을 연소시키는 과정에서 발생되는 배기가스중에 포함된 황산화물(SOx)을 습식방법에 의해 제거하기 위한 배연탈황공정의 공기공급 교반장치에 관한 것으로 종래의 배연탈황공정에 적용되는 산소공급장치는 별도의 공기압축기를 사용하여 공기를 고압으로 압축하여 반응액체상에 여러개의 노즐로 분사하여 기액접촉을 유도하나 용액 교반을 위한 프로펠러가 커다란 공기방울로 성장시켜 기체와 액체간의 경계표면적이 급격히 감소되어 이산화황(SO₂)의 제거효율을 저하시키며, 부수적으로 공기압축기, 분사노즐, 교반프로펠러를 중복설치해야 하므로 이로 인한 투자비와 동력비 부담이 크게 되며, 장치의 복잡화로 인한 보수 및 유지관리의 번거로운 문제점이 있었으나 본 발명에서는 간단한 구조의 장치에 의해 공기의 공급기능과 교반기능을 동시에 수행하도록 하는것으로 관내에서 유체의 흐름에 따른 유속과 압력과의 관계를 설명하는 베르누이 효과(Bernoulli-effect)에 의하여 자체적으로 관내에 발생하는 흡입력을 이용하여 산소를 공급하도록 하는 공기 공급기능과, 반응조내에 비스듬한 방향으로 토출 및 흡입되도록 설치된 다수의 흡입노즐과 토출노즐에 의하여 용액 교반기능이 이루어지도록 하기 위하여 슬러리용액을 순환시켜 주는 슬러리펌프와 순환관의 양측단에는 반응조의 원주상에 비스듬한 각도로 설치된 다수의 노출노즐과 흡입노즐을 구비하고 상기 순환관의 일부분에는 공기흡입관이 연결된 벤츄리관을 설치하여 상기 벤츄리관을 통과하는 슬러리용액의 흐름과정에서 베르누이 정리에 의한 압력강하로 발생하는 흡입력에 의하여 상기 공기흡입관을 통해 공기가 흡입되어 미세한 기포상태로 슬러리용액과 섞여 반응조에 분출되도록 함을 특징으로 한다.

Description

배연탈황 공정의 공기공급 교반장치

제1도는 배기가스 처리공정을 보여주는 계통도.

제2도는 본 발명의 요부 구성상태를 보인 개략 구성도.

제3도는 본 발명의 구성요소인 노즐부의 구성단면도.

제4도는 본 발명의 반응조 하부에 설치되는 분사노즐의 설치상태도.

제5도는 본 발명의 반응조 상부에 설치되는 흡입노즐의 설치상태도.

제6도는 본 발명의 다른 실시예를 보인 개략 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 가압팬 20 : 전단세정기

30 : 반응조 31 : 순환관

32 : 슬러리펌프 33 : 토출노즐

34 : 흡입노즐 40 : 슬러리공급부

50 : 산화공기공급부 51 : 벤츄리관

52 : 공기흡입관 53 : 끝단부

60 : 탈수설비

본 발명은 공해방지장치에 관한 것이다.

더욱 구체적으로는 화력발전소나 공장에서 에너지를 얻기 위해 화석 연료등을 연소시키는 과정에서 발생되는 배기가스 중에 포함된 황산화물(SOx)을 습식방법에 의해 효과적으로 제거하기 위한 배연탈황공정의 공기공급 교반장치에 관한 것이다.

일반적으로 배기가스 중에 포함된 이물질들 가운데 황산화물을 제거하기 위한 탈황장치는 배기가스에 흡수액을 분무하는 액분사 방식과 배기가스를 흡수액에 직접 분사하는 가스분사방식의 두가지로 크게 대별된다.

현재 상용하되어 있는 탈황장치중 대표적인 액분사방식에는 분무탑이 있고, 가스분무방식에는 단탑 및 제트 버블링 리액터가 있다.

이와 같은 장치들에서 요구되는 사항은 첫째 처리효율이 매우 중요하며, 장치를 가동시키는데 사용되는 에너지의 소모를 최소화 할 수 있어야 하고, 또한 장치의 설치 규모를 최소화하면서도 처리효율이 저하되지 않음이 매우 중요하다. 특히 습식탈황공정에서 배연가스중에 포함된 이산화황(SO₂)을 효율적으로 제거하기 위한 요체는 기체와 흡수물질인 용액간의 효과적인 물질전달에 기인한다.

이와 같은 물질전달은 기체와 액체간의 접촉면적을 증가시킴으로써 효율을 높일 수 있다. 이산화황(SO₂)의 제거공정중 중요한 단계가 산소를 이용한 아황산염을 황산염으로 변화시키는 반응이다. 따라서 완전산화반응은 산소기포를 미세한 크기로 축소 공급함으로써 기액접촉표면적의 증가를 유도하여야 한다.

종래의 배연탈황공정에 적용되어 사용되고 있는 산소공급장치는 별도의 공기압축기를 사용하여 공기를 고압으로 압축한 다음 압축공기를 반응액체상에 여러개의 노즐로 분사하여 공급하므로서 기액접촉을 유도하도록 하고 있다. 그러나 상기와 같은 경우 흔히 혼합용액중의 고체입자로 인한 노즐막힘현상이 발생하여 효율을 저하시키는 요인이 되었다. 또한 별도의 공기압축기를 사용하여 관을 통해 공급되는 공기에 프로펠러를 이용하여 기포를 형성하여 기액접촉을 유도하고 있다.

이와 같은 방법에서도 용액 교반을 위한 프로펠러가 엄청난 크기의 공기방울로 성장시키는 결과를 초래하게 되는 문제점이 있었다. 따라서 기체와 액체간의 경계표면적이 급격히 감소되며 결과적으로 이산화황(SO₂)의 제거효율을 저하시키게 된다.

또한 상기 적용되어온 대부분의 프로펠러 사용교반법은 프로펠러의 크기, 위치 및 종류에 따라 영향을 받으며, 용액중 고체입자의 국부적 침전으로 인해 균질한 용액을 형성하는데 어려움이 많다. 그리고 이와 같은 방식에서는 부수적으로 공기압축기, 분사노즐, 교반 프로펠러를 중복설치하는 결과가 되므로 이로 인한 투자비와 동력비 부담이 크게 되며, 장치의 복잡화로 인한 보수 및 유지관리의 번거로움이 따르게 되었다.

이와 같은 문제점을 개선하기 위하여 안출된 본 발명에서는 간단한 구조의 장치에 의해 공기의 공급기능과 교반기능을 동시에 수행하도록 하므로서 경제적이며, 운전이 용이하고 기액접촉면적을 늘려 높은 반응효과를 얻을 수 있도록 한 배연탈황공정의공기공급 교반장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 적용하고자 하는 작동원리는 관내에서 유체의 흐름에 따른 유속과 압력과의 관계를 설명하는 베르누이 효과(Bernoulli- effect)에 의하여 자체적으로 관내에 발생하는 흡입력을 이용하여 산소를 공급하도록 하는 공기 공급기능과, 반응조 내에 비스듬한 방향으로 토출 및 흡입되도록 설치된 다수의 흡입노즐과 토출노즐에 의하여 용액 교반기능이 이루러지도록 하는 것이다.

상기와 같은 기능을 도출하기 위하여 본 발명에서는 슬러리용액을 순환시켜 주기 위한 슬러리펌프와 순환관의 양측에 각각 반응조의 원주상에 비스듬한 각도로 설치된 다수의 토출노즐과 흡입노즐을 구비한다.

또한 상기 슬러리펌프의 후측 순환관에 벤츄리관을 설치하고 상기 벤츄리관의 상부에 공기흡입관을 연결시킨다. 따라서 상기 벤츄리관을 통과하는 슬러리용액의 흐름과정에서 베르누이 정리에 의한 압력강하로 발생하는 흡입력에 의하여 상기 공기흡입관을 통해 공기가 흡입되어 미세한 기포상태로 슬러리용액과 섞이도록 한다.

상기 슬러리용액과 공기가 혼합된 혼압용액은 토출노즐을 통하여 고속으로 분출되도록 하므로서 순환, 교반되면서 반응조내의 슬러리용액에 포함된 이산화황과 공기중의 산소가 반응하여 산화작용이 이루어지도록 한다.

상기 토출노즐과 흡입노즐은 각각 원통형 반응조의 하부와 상부 원주상의 각지점 법선에 대하여 일정한 각도로 비스듬히 설치되어 반응조내의슬러리용액이 자체 회전 교반되도록 하므로서 완전한 반응이 이루어지도록 함을 특징으로 하는 것이다.

따라서 본 발명은 장치의 구조적 특성에 의하여 흡수액의 순환을 위한 별도의 외부동력 없이 자체 순환기능이 이루어져 반응조건을 양호하게 하며, 또한 장치내 기-액 접촉 효율이 높아 배기가스 처리에 매우 양호한 기능을 갖도록 한 것이다.

이하 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 배기가스를 처리함에 있어 통상적으로 사용하고 있는 배기가스 처리공정을 보여주는 계통도이다.

주요 구성은 배기가스를 가압 공급하는 가압팬(10)과 공급된 배기가스에 포함된 분진, HCL, HF 등의 불순물을 제거하는 전단세정기(20)와 배기가스내의 황산화물을 흡수하고 공급된 석회석 슬러리와의반응으로 석고결정체를 생성하는 반응조(30)와 상기 반응조(30)에서의 반응을 연속적으로 원활하게 이루어지도록 석회석 슬러리를 공급하는 석회석 슬러리공급부(40)와 산화공기공급부(50)와 반응조(30)내에서 생성된 석고결정체를 배출 처리하는 탈수설비(60)등으로 구성된다.

본 발명은 상기 배기가스 처리공정 장치 가운데 주요장치인 반응조(30)와 산화공기공급부(50)의 구성을 보다 효율적으로 새롭게 개량한 것으로서 산소공급기능과 용액 교반기능을 겸하도록 한 것이다.

제2도는 본 발명의 요부 구성상태를 보인 개략 구성도이다.

본 발명을 이루는 주요 구성은 석회석이 용해되어 생성된 슬러리용액이 담겨져 있는 반응조(30)와, 상기 반응조(30)내의슬러리용액을 순환시키기 위한 순환관(31) 및 슬러리펌프(32)와, 상기 순환관(31)의 양단에는 각각 흡입노즐(34)과 토출노즐(33)이 설치된다.

상기와 같은 구성에서 공기공급수단은 슬러리펌프(32)에 의해 관내에 고속으로 송출되는 슬러리용액의 흐름경로상에 벤츄리관(51)을 설치하고, 상기 벤츄리관(51)에는 공기흡입관(52)을 부설 연결하여 구성한다.

상기 공기흡입관(52)의 내경은 토출노즐(33)의 내경보다 작게 설치한다. 따라서 관내에 발생하는 압력변화에 따른 공기흡입력을 유발하도록 하여 공기와 슬러리용액이 혼합되어 공급되도록 하는 것이다. 또한 용액 교반수단은 상기 공기공급수단에 의해 공급된 공기와 슬러리의 혼합유체를 고속으로 비스듬한 각도로 분사함과 동시에 비스듬한 각도에서 흡입하도록 한다. 이를 위하여 다수의 토출노즐(33)과 흡입노즐(34)을 반응조(30)내에 비스듬한 각도로 설치한다.

상기 토출노즐(33)과 흡입노즐(34)은 반응조(30)의 원주상에 각각 3개 이상 다수개를 균일한 간격으로 설치하되, 설치지점의 법선에 대한 방사상의 최적각 A와 B는 각각 15°A65°, 15°B65°범위로 설치한다.

또한 상기 토출노즐(33)과 흡입노즐(34)은 각각 동일한 갯수로 설치하되 설치각은 상호 제4도 및 제5도에 도시한 바와 같이 역방향으로 설치한다. 따라서 반응조(30)내의 슬러리용액은 회전 및 순환이 자체적으로 이루어져 균질한 교반효과를 갖도록 하는 것이다.

상기 공기흡입관(52)은 용액의 역류됨을 방지하기 위하여 반드시 반응조(30)의 수주(슬러리용액의 높이)보다 높게 설치되어야 하며, 또한 끝단부(53)는 불순물의 유입을 방지하기 위하여 아래방향으로 구부러진 형태를 이루도록 한다.

제2도에 도시된 공기공급수단의 벤츄리관(51)은 마찰손실을 최소화하도록 원추각(θ)을 2°∼20°범위로 한다.

제6도는 본 발명의 다른 실시예로서 상기 제4도와 제5도에 도시된 토출노즐(33)과 흡입노즐(34)을 상호 바꾸어 설치한 것이다. 즉 용액교반수단인 흡입노즐(34)과 분사노즐(33)의 위치를 서로 바꾸어 설치하되 상기 분사노즐(33)은 비스듬히 하향으로 분출되도록 설치한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 살펴보면 슬러리펌프(32)에 의하여 슬러리용액을 가압 송출하면 순환관(31)을 통하여 순환되면서 이에 연결된 벤츄리관(51)을 통과하게 된다.

상기 벤츄리관(51)은 원주형 노즐을 이용하여 속도를 증가시키는데 이것이 축소된 노즐내의 압력강하를 위해 지켜야 할 조건이다. 축소노즐을 통과할때 유체속도 증가로 인한 운동에너지 증가는 압력 에너지를 감소시켜 대기중의 공기가 흡입되게 되며, 흡입된 공기는 물질전달에 필요한 최적의 표면적을 갖는 이상적인 크기의 기포를 형성하여 토출노즐(33)을 통하여 분출한다.

토출노즐(33)을 통해 용액 중으로 분산된 기포는 부력 및 유체순환력에 의해 수면으로 상승할 때까지 지속적으로 용액과 접촉하며 기포중의 산소가 용해되어 슬러리용액중에 용존산소량을 증대시킨다. 반응조(30)의 벽을 따라 경사각으로 분출된 슬러리용액은 프로펠러 없이도 용액을 회전시키며 교반하게 되며, 상승 후 흡입노즐(34)을 통하여 흡입되어 연속 순환되는 것이다.

본 장치의 성능은 용액토출력에 큰 영향을 받음을 확인하였는데 용액 토출속도가 클수록 흡입공기량은 중가하고 더욱 미세한 기포를 발생시킨다. 또한 용액 토출력과 용액 흡입력이 증가할수록 고체입자의 침전이 감소한다.

제4도에 도시된 바와 같이 토출노즐(33)은 반응조(30)의 하부에 배치되는 것으로서 설치방법과 위치를 설명하면 다음과 같다.

반응조내의 화학반응을 효과적으로 일으키기 위해선 고체입자를 용액중에 균일한 조성으로 섞어주어야 하는데 이는 토출노즐(33)을 반응조(30) 하부벽면에 등간격으로 배치하여 최적의 방사각(A)으로 설치함으로써 가능하다.

토출노즐(33)은 유체를 벽면을 따라 강제순환시켜 생성기포를 유체의 회전축 방향으로 회전시키며 분산한다. 방사각(A)이 작은 경우 반응조(30)의 벽면근처에 고체입자가 편중되며, 방사각(A)이 큰 경우 고체입자가 반응조(30)의 중심부에 국부적으로 침전됨이 확인되었다. 이는 반응조(30) 하단부의 경계면에서 반응조(30)의 중심으로 향하는 부수적인 유체의 흐름에 기인한다. 또한 제5도를 참조하여 반응조 상부 흡입노즐설치방법과 위치를 설명하면 다음과 같다.

반응조(30)내에 충분한 교반효과를 유도하기 위해선 하부토출용액을 회전상승시켜 반응조(30) 상부에 등간격으로 설치된 흡입노즐(34)로 빨아들인 후 재순환시켜야 하는데 이 같은 유체 상승운동은 고체입자의 침전을 방지한다. 이때 방사상 흡입노즐(34)의 최적 흡입방사각(B)는 토출방사각(A) 방향의 역방향으로 하고, 흡입방사각(B)의 크기는 토출방사각(A)의 경우와 같다.

[실시예]

본 발명에 의한 장치의 크기와 처리용량을 실시예를 들어 설명하면 다음과 같다.

원통형 반응조(30)의 지름은 150cm이고, 용액의 수주높이는 150cm이며, 각각8개의 용액 토출노즐(33)과 용액 흡입노즐(34)로 구성된다. 펌프 토출노즐(33)은 1.5inch schedule 40이고, 공기와 용액이 혼합되는 벤츄리관(51)의 상부는 1.5inch schedule 40, 하부는 1inch schedule 40이며, 공기흡입관(52)은 0.25inch schedule 40이고, 펌프 흡입노즐(34)은 2inch schedule 40로 설치하였다(상기 2inch schedule 40은 규격을 나타낸 것으로서 외경이 2inch 이고, schedle 40은 등급단위이다.).

이와 같은 본 발명 장치에 의하여 배연가스 2000Nm³/hr중 1000ppm의 SO₂를 처리하는데 4801/min의 용량의 슬러리 펌프를 사용하여 장치내의 기포를 형성 용액중에 분사하며 교반을 위한 용액의 반응조 체류시간은 5.5Ton이다. 이때 필요한 공기는 대기압상태로 801/min으로 흡입되었다.

상기와 같은 동작을 연속적으로 수행하면서 배기가스내에 포함되어 있는 황산화물은 슬러리용액에 주로 흡수되고 공급된 용존산소와 석회석슬러리와의 반응으로 전체적으로는 다음과 같은 총괄적인 화학반응이 이루어진다.

상기의 화학반응을 반응식으로 표시하면

CaCO₃+SO₂+2H₂O+1/2O₂→CaSO₄·2H₂O+CO₂

의 반응이 이루어져 석고결정체를 이룬다.

상기 반응과정에서 부산물로 생성되는 석고는 여러가지 용도로 유용하게 사용될 수 있는 물질이다.

이상 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 배연탈황 공정의 공기공급 교반장치에 의한 배기가스의 처리의 잇점은 흡수액의 교반 및 공기공급을 위한 별도의 동력이 전혀 필요하지 않으므로 종래의 타공정에 비하여 동력손실이 적어 에너지 효율이 매우 좋으며, 반응조건을 양호하게 할 수 있도록 공급되는 기체에 의한 기포를 매우 미세하게 분쇄하여 공급되므로 처리효율을 배가할 수 있는 것이다.

Claims (5)

1. 배기가스의 습식 탈황장치에 있어서, 슬러리펌프(32)에 의해 순환관(31)내에 고속으로 흐르는 슬러리의 흐름경로상에 벤츄리관(33)과 공기흡입관(34)을 부설 연결하여 관내에서 발생하는 압력변화에 따른 공기흡입력을 유발하도록 하여 공기와 슬러리가 혼합되어 공급되도록 하는 공기 공급수단과; 상기 공기공급수단에 의해 공급된 공기와 슬러리의 혼합유체를 고속으로 비스듬한 각도로 분사함과 동시에 비스듬한 각도에서 흡입하여 반응조(30)내의 슬러리용액 자체의 회전 및 순환이 자체적으로 이루어져 균질한 교반 효과를 갖도록 하기 위하여 다수의 토출노즐(33)과 흡입노즐(34)로 이루어진 용액 교반수단을 포함하는 배연탈황 공정의 공기공급 교반장치.
2. 제1항에 있어서, 공기공급수단의 벤츄리관(51)은 압력손실을 최소화 하도록 원추각(θ)이 2°∼20°범위로 하며, 상기 벤츄리관(51)에 연결되는 공기흡입관(52)은 끝단이 하향으로 구부러지고, 높이는 반응조(30)내의 수주 이상으로 형성함을 특징으로 하는 배연탈황 공정의 공기공급 교반장치.
3. 제1항에 있어서, 용액 교반수단을 이루는 토출노즐(33)과 흡입노즐(34)은 각각 다수개 설치하되 설치지점 원주상의 법선에 대한 방사각의 최적각 A와 B는 각각 15°A65°, 15°B65°범위로 설치됨을 특징으로 하는 배연탈황 공정의 공기공급 교반장치.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 용액교반수단을 이루는 것으로서 반응조(30) 상부의 흡입노즐(34)과 반응조(30) 하부의 토출노즐(33)은 각각 동일한 갯수로 설치하되 설치각은 상호 역방향으로 설치됨을 특징으로 하는 배연탈황 공정의 공기공급 교반장치.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 용액교반수단인 흡입노즐(34)은 반응조(30)하부에 설치되고, 토출노즐(33)은 반응조(30)상부에 각각 동일한 갯수로 설치하되 상기 토출노즐(33)은 비스듬히 하향으로 분출되도록 설치됨을 특징으로 하는 배연탈황 공정의 공기공급 교반장치.