KR100264738B1 - 연소배가스의 대기오염물질 연속처리방법 및 이에 이용되는 장치 - Google Patents

연소배가스의 대기오염물질 연속처리방법 및 이에 이용되는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 각종 연소기에서 발생되는 배가스중의 대기오염물질을 연속적으로 처리하는 방법 및 이에 이용되는 연속처리장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적달성을 위한 본 발명의 처리방법은, 연소배가스를 상온으로 냉각시킨 다음, 이를 활성탄층에 통과시켜 배가스중의 SOx를 제거하고, 상기 배가스중의 수분을 제습한 후, 제습된 배가스를 상기 연소배가스에 의해 70∼150℃의 온도로 승온시키고 나서 다시 환원제와 함께 활성탄층에 통과시켜 배가스중의 NOx를 제거함을 포함하여 구성되며; 그리고,
이에 이용되는 연속처리장치(100)은 연소기(11)와 냉각기(30) 사이에 위치되어 제습처리된 배가스가 통과하도록 구성되는 열교환기(20), 배가스를 상온으로 냉각시키는 냉각기(30), 상부는 제1활성탄공급조(41)측에 연결되며 하부는 제1활성탄회수조(43) 및 황산저장조(44)에 연결되는 한편 내부에 활성탄층(41)이 내재된 제1반응기(40), 제1반응기에서 처리된 배가스중의 수분을 제거하는 제습기(50) 및 상기 제습기(50)와 열교환기(20)을 거쳐 유입되는 고온배가스가 통과되는 활성탄층(61)이 내재되어 있고, 상부는 제2활성탄공급조(61)와 환원제공급조(65)에 연결되며 하부는 제2활성탄회수조(63)와 배가스가 배출되는 굴뚝(70)에 연결되는 제2반응기(60);를 포함하여 구성된다.

Description

연소배가스의 대기오염물질 연속처리방법 및 이에 이용되는 장치{A METHOD FOR REMOVING AIR POLLUTANT FROM FLUE GAS CONTINUOUSLY AND AN APPARATUS THEREFOR}
본 발명은 각종 연소기에서 발생되는 배가스중의 대기오염물질을 연속적으로 처리하는 방법 및 이에 이용되는 연속처리장치에 관한 것이다.
최근 쓰레기 소각로, 제철소의 소결로 등을 비롯한 각종 연소기에서 황화합물 및 질소산화물과 함께 맹독성 물질인 다이옥신 및 푸란 등의 화합물이 발생되는 것이 알려짐에 따라 이의 제거가 중요한 문제점으로 대두되었다. 이러한 연소배가스중에 존재하는 대기오염물질의 정화처리공정에 있어 종래에는 황화합물이나 질소산화물을 주요 제거대상물질로 하고 있으며, 이산화항의 처리를 위한 습식석회고법이나 질소산화물의 제거를 위한 선택적 환원촉매법 등이 주로 사용되어 왔다.
일례로 도 1은 촉매를 이용하여 질소산화물을 선택적으로 환원시켜 제거하는 선택적 환원촉매장치(11)를 보이고 있다. 상기 선택적 환원촉매방법은 도 1과 같이, 연소기(11)에서 발생되어 약 200℃ 정도의 온도를 유지하고 있는 배가스를 열교환기(12)에 통과시켜 약 250℃의 온도로 승온시킨 다음, 승온된 배가스를 가열기(13)에 의해 약 350℃의 온도로 가열하고, 고온의 배가스는 환원제공급조(15)로부터 투입되는 환원제와 함께 촉매 반응기(14)에서 반응시켜 선택적으로 질소산화물을 제거한 후, 처리된 배가스의 헌열에 의해 상기 열교환기(12)에서 새로이 유입되는 배가스를 승온시키고, 굴뚝(17)으로 배출하는 과정으로 이루어진다. 상기 선택적 촉매환원법은 질소산화물의 선택적 제거에는 유용하나 반응온도가 높으므로 많은 에너지가 필요하며 상대적으로 이산화항의 제거효율이 낮은 단점이 있다.
한편, 상기 방법이외에도 단일 공정내의 대기오염물질 처리방법이 있는데, 이 방법은 활성코크스를 흡착제로 사용하여 기체와 반응시킴으로써 오염물질을 제거하는 방법이다(VGB Kraftwerkstechnik 72, p.572, 1992, No.7). 그러나, 이 방법은 흡착탑내에서의 반응시 공간속도를 500/hr 이상으로 유지할 수 없으므로 흡착제층의 부피가 매우 커야 되는 단점이 있다(NKK Technical Review No. 74, p.53, 1996).
본 발명은 종래의 활성코크스 공정의 개선을 위하여 제안된 것으로서, 휘발성 유기화합물 및 황화합물, 질소화합물을 차례로 그리고 연속적으로 처리하면서도 공간반응속도의 향상으로 인해 고효율로 처리할 수 있는 배가스의 연속처리방법을 제공함에 그 목적이 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 이러한 연속처리공정에 이용될 수 있는 장치를 제공함에 있다.
도 1은 종래의 선택적 환원촉매에 부합되는 배가스 연속처리장치의 구성도
도 2는 본 발명의 배가스 연속처리장치의 구성도
도 3은 도 2의 반응기의 상세구조도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100.....연속처리장치 11.....연소기
20.....열교환기 30.....냉각기
40.....제1반응기 50.....제습기
60.....제2반응기
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연소배가스의 대기오염물질을 처리하는 방법에 있어서,
연소배가스를 상온으로 냉각시키는 단계;
냉각 배가스를 활성탄층에 통과시켜 배가스중의 SOx를 제거하는 단계;
SOx가 제거된 배가스중의 수분을 제습하는 단계;
제습된 배가스를 상기 연소배가스에 의해 70∼150℃의 온도로 승온시키는 단계;
승온된 배가스를 환원제와 함께 활성탄층에 통과시켜 NOx를 제거하는 단계; 및
NOx가 제거된 배가스를 배출하는 단계;를 포함하여 구성되는 연소배가스의 대기오염물질 연속처리방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 연소배가스의 대기오염물질을 처리하는 장치에 있어서,
연소기와 냉각기 사이에 위치하고, 제습처리된 배가스가 통과하도록 구성되는 열교환기;
상기 열교환기에서 인입되는 배가스를 상온으로 냉각시키는 냉각기;
상기 냉각기에 후속하여 위치하고, 상부는 제1활성탄공급조측에 연결되며 하부는 제1활성탄회수조 및 황산저장조에 연결되는 한편 내부는 활성탄층이 내재된 제1반응기;
상기 제1반응기에 후속하여 위치되어 제1반응기에서 처리된 배가스중의 수분을 제거하는 제습기; 및
상기 제습기와 열교환기를 거쳐 유입되는 고온 배가스가 통과되는 활성탄층이 내재되어 있고, 상부는 제2활성탄공급조와 환원제공급조에 연결되며 하부는 제2활성탄회수조와 배가스가 배출되는 굴뚝에 연결되는 제2반응기;를 포함하여 구성되는 연소배가스의 대기오염물질 연속처리장치에 관한 것이다.
먼저, 본 발명의 연속처리장치를 도면을 통해 상세히 설명한다.
본 발명의 연소배가스 연속처리장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 크게 열교환기(20), 냉각기(30), 제1반응기(40), 제습기(50) 및 제2반응기(60);를 포함하여 구성된다.
상기 열교환기(20)는 연소기(11)와 냉각기(30)사이에 위치하고, 제습처리된 배가스가 통과하도록 구성된다. 상기 열교환기(20)는 황화합물과 휘발성 유기화합물(Volatile organic compound; 이하, 단기 'VOC')의 제거가 용이하도록 연소기(11)에서 배출되는 기체의 농도를 낮춰주는 동시에 상기 VOC 및 황화합물의 제거가 완료된 기체, 즉 제습처리된 기체의 온도를 상승시켜 질소산화물을 용이하게 제거하는 역할을 한다. 본 발명의 열교환기(20)는 기체-기체 열교환방식의 통상의 열교환기를 사용하면 된다.
또한, 상기 냉각기(30)는 열교환기(20)에서 1차적으로 냉각되어 인입되는 배가스를 더욱 상온부근까지 냉각하여 VOC 및 황화합물의 제거가 용이하도록 해주는 역할을 한다. 본 발명의 냉각기(30)는 통상 사용되는 기체냉각기이면 충분하다.
상기 냉각기(30)에 후속하여 위치하는 제1반응기(40)는 그 상부가 제1활성탄공급조(41)측에 연결되고, 하부는 제1활성탄회수조(43) 및 황산저장조(44)에 연결된다. 또한, 그 내부는 VOC와 황화합물을 제거하도록 활성탄층(41)이 충진된다. 도 3은 제1반응기(40)의 상세 구조를 보이고 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1반응기(40)의 상부에는 제1활성탄공급조(42)가 마련되어 공급피더(feeder)(46)을 통해 활성탄이 연속적으로 공급된다. 그리고, 상기 활성탄이 연속적으로 공급된 만큼 다시 연속적으로 활성탄의 제거가 가능하도록 제1반응기(40)의 하부에 제1활성탄회수조(43)가 설치된다. 제1반응기(40)의 내부에 충진된 활성탄층의 상하측에는 망상구조의 그물망상(47)(48)이 마련되어 배가스가 통과하도록 구성되어 있다. 상기 활성탄층을 통과한 배가스중의 수증기와 산소로부터 유황화합물은 활성탄에 의하여 반응되어 황산이 생성되는데, 이때 반응부산물인 황산을 그물망상(48)의 아래로 배출하여 저장할 수 있는 황산저장조(44)가 제1반응기(40)의 하부측면에 배치된다. 또한, VOC와 황화합물 반응이 제거된 배가스는 제습기(50)측으로 배출된다.
상기 제습기(50)은 제1반응기(40)에 후속하여 위치되어 제1반응기에서 처리된 배가스중의 수분을 제거한다. 본 발명의 제습기(50)은 기체와 접촉하는 부분이 부식에 영향을 받지 않도록 제작된 것이면 통상적으로 사용하는 모든 종류의 제습기가 사용 가능하다.
본 발명의 연속처리장치(100)는 상기 제습기(50)를 빠져 나온 상온의 배가스가 열교환기(20)을 거쳐 제2반응기(60)에 인입되도록 구성된다. 상기 제2반응기(60)는 제1반응기(40)와 같이, 열교환기(20)에서 승온된 고온의 배가스가 통과되는 활성탄층(61)이 내부에 충진되어 있고, 상부에는 제2활성탄공급조(61)가 설치되며 하부에는 제2활성탄회수조(63)가 마련되어 있다. 다만, 제2반응기(60)는 배가스중의 질소화합물을 제거하기 위해 상부에 환원제공급조(65)가 마련되며, 반응후 처리된 배가스가 배출되도록 하부측이 굴뚝(70)과 연결된다. 제2반응기(60)는 제1반응기(40)와 마찬가지로 활성탄이 연속적으로 공급되고, 사용된 활성탄은 투입량만큼 연속적으로 배출된다. 본 발명의 제2반응기(60)는 제1반응기(40)와는 달리, 카트리지 형태의 반응기를 사용하면 더욱 바람직하다. 이 경우 배가스는 카트리지 반응기의 하부로부터 인입하여 상부측으로 배출되도록 구성함이 적합하다.
이하, 상기한 연속처리장치를 이용하여 본 발명의 배가스 연속처리방법을 상세히 설명한다.
도 2와 같이, 연소기(11)에서 발생되는 배가스는 보통 200℃정도를 유지하는데, 열교환기(20)를 통과시키면 약 150℃로 온도가 저하되고, 이어서 냉각기(30)에서 상온으로 냉각된다. 즉, 연소공정에서 발생되는 배가스중의 VOC와 황화합물은 어느 정도 수분이 함유된 상태에서 제거가 용이하며 또한 고온보다 상온에서 제거가 쉽다.
상온으로 냉각된 배가스를 제1반응기(40)중의 활성탄층에 통과시키면 배가스중의 SOx가 제거된다. 즉, 배가스중의 수증기와 산소로부터 유황화합물이 활성탄에 의해 반응하면 황산과 같이 SOx가 제거된다. 이때 부산물로 발생되는 황산은 제1반응기(40)의 하부측에 배출되어 황산저장조(44)내로 회수 가능하다.
그 다음, SOx가 제거된 배가스는 제습기(50)에서 배가스중의 수분을 제습하고, 제습된 배가스를 약 70∼150℃의 온도로 승온시킨다. 황화합물은 어느 정도 수분이 존재하는 상온상태에서 제거가 용이하나 배가스중의 질소산화물은 고온에서 가능한 한 습도를 낮게 유지할수록 제거가 용이하기 때문에 제2반응기(60)에서 질소산화물의 제거효율을 높이기 위해서는 제습과정과 승온과정이 필요하다.
구체적으로 배가스의 절대습도를 1%미만으로 유지할 때 질소산화물의 제거효율이 양호해진다. 기체의 절대습도가 1%이상의 될 경우 습도에 따라서 질소산화물의 환원반응의 전환율이 급격히 저하되게 되어 바람직하지 않다.
또한, 상기 배가스의 온도를 70∼150℃정도로 유지함이 바람직하며, 본 발명의 경우 제2반응기(60)내에서 반응되는 배가스의 승온은 상기 열교환기(20)의 현열을 이용함에 특징이 있다. 이때, 상기 반응온도가 70℃이하에서는 환원제와 반응에 의해 질화물이 생성되어 활성탄의 수명을 단축하게 될 수 있으며, 150℃이상으로 유지되는 경우 질소산화물이 활성탄에의 흡착이 곤란하게 되어 질소산화물의 환원반응이 활성탄 표면에서 활발히 일어나지 못하므로 제거가 곤란하다.
이와 같이 승온된 배가스를 환원제와 함께 활성탄층에 통과시키면 배가스중의 NOx제거 효율이 높게 된다. 이때, 활성탄중에 공급되는 환원제의 투입량은 배가스중의 질소산화물 농도의 1∼1.5배로 조절하여 공급함이 바람직하다. 환원제의 농도를 배가스중의 질소산화물의 농도의 1배미만으로 하는 경우 질소산화물과 동일한 당량으로 반응되는 제2반응기(60)내의 환원반응에서 충분히 반응되지 못하므로 질소산화물의 전환율이 낮아지게 되며, 1.5배이상의 온도의 환원제를 투입하여도 환원반응의 증가효과가 없으므로 반응에 참여하지 않은 환원제의 배출에 의한 2차적인 오염이 일어나게 되므로 추가적인 환원제의 제거공정이 필요하게 된다. 본 발명의 경우 환원제로는 암모니아가 바람직하다. 또한, 본 발명의 경우 활성탄의 투입은 비표면적이 200m2/g 이상인 활성코크스를 500/hr의 공간속도로 행함이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명의 배가스 연속처리공정은 기본적으로는 황화합물과 질소화합물을 차례로 제거하여 해당 오염물질을 흡착시켜 제거하는데, 특히 400ppm이상의 농도를 갖는 질소산화물의 90%이상을 500/hr이상의 공간속도에서 처리 가능하다. 예를 들면, 5%이상의 산소농도와 400ppm이상의 농도를 갖는 질소산화물을, 200m2/g이상의 비표면적을 갖는 활성코크스를 충진한 70∼150℃의 제2반응기(60)내에 500/hr의 공간속도로 통과시킬 경우 질소산화물의 90%이상의 제거가 가능하다.
이렇게 NOx가 제거된 배가스는 대기오염물질이 제거되어 최종적으로 굴뚝(70)으로 배출하게 된다. 이상의 공정을 특정의 연소배가스중 오염물의 제거에 사용하기 위하여는 배출되는 기체중에 포함된 분진 등의 고체상물질을 사전에 제거하여 각 반응기에서의 활성코크스의 수명을 길게 해 줄 필요가 있는데, 이를 위하여는 통상의 백필터나 전기집진기, 습식집진설비 등을 이용하는 것이 바람직하다. 이 같이, 전처리된 배출기체의 온도에 따라 열교환기나 냉각기의 용량을 결정해주면 되며, 배출기체의 압력에 따라 필요한 경우 송풍기를 설치하여 기체의 흐름을 원활하게 유지해주는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 기존의 배가스 처리방식과는 달리, 단일공정내에서 선택촉매환원법 등에 비하여 상대적으로 낮은 온도에서 휘발성 유기화합물 및 황화합물, 질소화합물을 차례로 제거할 수 있을 뿐만 아니라 연속적으로 처리하면서도 공간반응속도의 향상으로 인해 고효율로 처리할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 연소배가스의 대기오염물질을 처리하는 방법에 있어서,
    연소배가스를 상온으로 냉각시키는 단계;
    냉각 배가스를 활성탄층에 통과시켜 배가스중의 SOx를 제거하는 단계;
    SOx가 제거된 배가스중의 수분을 제습하는 단계;
    제습된 배가스를 상기 연소배가스에 의해 70∼150℃의 온도로 승온시키는 단계;
    승온된 배가스를 환원제와 함께 활성탄층에 통과시켜 NOx를 제거하는 단계; 및
    NOx가 제거된 배가스를 배출하는 단계;를 포함하여 구성되는 연소배가스의 대기오염물질 연속처리방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제습단계에서 SOx가 제거된 배가스중의 수분을 절대습도 1%미만으로 제습함을 특징으로 하는 연속처리방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 NOx 제거단계에서 환원제의 투입량은 배가스중의 질소산화물 농도의 1∼1.5배로 조절하여 공급함을 특징으로 하는 연속처리방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 환원제는 암모니아임을 특징으로 하는 연속처리방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 활성탄의 투입은 비표면적이 200m2/g이상인 활성코크스를 500h/r의 공간속도로 행함을 특징으로 하는 연속처리방법.
  6. 연소배가스의 대기오염물질을 처리하는 장치에 있어서,
    연소기(11)와 냉각기(30)사이에 위치하고, 제습처리된 배가스가 통과하도록 구성되는 열교환기(20);
    상기 열교환기(20)에서 인입되는 배가스를 상온으로 냉각시키는 냉각기(30);
    상기 냉각기(30)에 후속하여 위치하고, 상부는 제1활성탄공급조(41)측에 연결되며 하부는 제1활성탄회수조(43) 및 황산저장조(44)에 연결되는 한편 내부에 활성탄층(41)이 내재된 제1반응기(40);
    상기 제1반응기(40)에 후속하여 위치되어 제1반응기에서 처리된 배가스중의 수분을 제거하는 제습기(50); 및
    상기 제습기(50)와 열교환기(20)을 거쳐 유입되는 고온 배가스가 통과되는 활성탄층(61)이 내재되어 있고, 상부는 제2활성탄회수조(63)와 배가스가 배출되는 굴뚝(70)에 연결되는 제2반응기(60);를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연소배가스의 대기오염물질 연속처리장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 제2반응기(60)는 카트리지 형식의 반응기임을 특징으로 하는 연속처리장치.
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