KR100287634B1 - 배연처리설비 - Google Patents

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Abstract

배연 처리 설비에서, 흡수탑(21), 재가열부(22) 및 팬(23)을, 처리된 배연을 대기중에 방출시키는 굴뚝의 적어도 일부로서의 역할을 수행하도록 수직축선상에 일직선으로 배열한다. 또한, 배연 처리 방법에서, 탈황 단계[흡수탑(21)]로 주입된 배연내에 암모니아 또는 암모늄염이 잔류하도록 탈질 단계[탈질 장치(2)]에서의 암모니아 주입량 및/또는 탈질 단계의 하류부에서의 암모니아 주입량을 과량으로 설정한다. 이에 따라, 설비의 소형화 및 비용 절감이 가능하다.

Description

배연 처리 설비
도1은 본 발명의 제1일례에 따른 배연 처리 설비를 나타낸 개략도이다.
도2는 본 발명의 제2일례에 따른 배연 처리 설비를 나타낸 개략도이다.
도3은 도2의 배연 처리 설비에 포함되는 탈황 장치의 상세부를 나타낸 개략도이다.
도4는 도2의 배연 처리 설비에 사용하기 알맞은 무배수 처리 장치(no-waste water disposal system)를 나타낸 개략도이다.
도5는 본 발명의 효과(즉, 탈황률의 향상)를 실증하기 위한 데이타를 나타낸 그래프이다.
도6은 본 발명의 효과(즉, 배연내에서 SO3에 기인한 석출물의 최소화)를 실증하기 위한 실험 장치를 나타낸 개략도이다.
도7은 본 발명의 효과(배연내에서 SO3에 기인한 석출물의 최소화)를 실증하기 위한 실험 결과(열교환기의 기압 손실의 변화)를 나타낸 그래프이다.
도8은 본 발명의 효과(배연내에서 SO3에 기인한 석출물의 최소화)를 실증하기 위한 실험 결과(열교환기의 총괄 전열 계수의 변화)를 나타낸 그래프이다.
도9는 통상적인 배연 처리 설비를 나타낸 개략도이다.
도10은 통상적인 배연 처리 설비에 포함되는 탈질 장치 및 그 밖의 장치를 나타낸 개략도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1. 보일러 하우스 1a. 보일러
2. 탈질 장치 3. 에어 히터(형 열교환기)
5. 건식 전기집진기 13a, 13b. 굴뚝 본체
14, 14b. 굴뚝의 구조물 21, 21a. 흡수탑
22. 재가열부 23. 팬
24. 열회수부(비-누출형 열교환기) 31. 에어히터(비-누출형 열교환기)
32. 습식 전기집진기 A. 미처리 배연
B. 암모니아 D. 처리된 배연
본 발명은 적어도 배연(flue gas)의 탈질(denitration) 처리 및 탈황(desulfurization) 처리를 수행하기 위한 배연 처리 기술에 관한 것이다. 좀더 구체적으로는, 설비의 소형화 및 고성능화를 가능하게 하는 배연 처리 기술에 관한 것이다.
통상적으로는, 화력 발전소의 보일러 등으로부터 발생되는 배연내에 함유된 질소산화물, 황산화물(전형적으로, 이산화황) 및 분진(예컨대, 플라이 애쉬: fly ash)을 제거하기 위해, 예컨대, 도9와 10에 나타낸 바와 같은 배연 처리 설비 또는 공정이 보급되어 있다. 다음에, 이같은 배연 처리 기술에 관하여 후술한다.
도9에 나타낸 바와 같이, 보일러(도9에서는 생락함)로부터 배출된 미처리 배연 A는 먼저 보일러 하우스 1내에 설치된 탈질 장치 2에 도입되어, 배연내에 존재하는 질소산화물을 분해시킨다. 이 탈질 장치 2는, 촉매를 이용하여 암모니아 접촉 환원법(catalitic ammonia reduction method)에 의해 질소산화물을 분해시키는 것이다. 이같은 단계에서, 종래 기술로는 탈질 처리가 필요한 당량에 거의 동량의 암모니아 B를 배연내로 주입해왔다. 이 탈질 장치 2의 하류부로 미끄러지듯이 유입되는 암모니아의 양은 약 5ppm 정도로 매우 적다.
그 이후에, 역시 보일러 하우스 1 내에 설치된 에어 히트(air heater, 또는 열교환기)에 이 배연을 주입시킨다. 그리하여, 이 배연으로부터 열을 회수하여 보일러에 공급되는 공기 C를 가열하는 데 사용한다. 통상적으로는, 소위 융스트롬()형 열교환기가 에어 히터 3으로서 사용되고 있다.
이같은 에어 히터 3에서 나온 배연은, 그 후에 연도(flue) 4에 따라 보일러 하우스 1로부터 배출되어 보일러 하우스 1의 외부에 설치된 건식 전기집진기(electrostatic precipitator) 5에 도입된다. 이같은 전기집진기 5에서는, 배연내에 존재하는 분진이 포집되어 제거된다.
또한, 오일 연소 보일러(oil-fired boiler)의 경우에는, 전기집진기 5내에서 배연내에 존재하는 삼산화황(SO3)을 암모늄설페이트[(NH4)2SO4]로 포집할 수 있도록, 암모니아를 연도 4의 배연내로 주입할 수도 있다. 한편, 석탄 연소 보일러의 경우에는, 배연내에 플라이 애쉬 등의 다량의 분진이 존재하기 때문에, 배연내에 존재하는 SO3가 유해 미스트(mist)(미크론 이하 입자)를 형성하지 않으며, 이 분진 입자에 응결된 상태로 남아 전기집진기 5 및 후술될 흡수탑 8내에 포집된다. 따라서, 석탄 연소 보일러의 경우에는, 연도 4 내로의 암모니아 주입이 일반적으로 생략된다. 다음에, 전기집진기 5를 나온 배연은 연도 6을 통해, 이들로부터 열이 회수되는 기체-기체 히터의 열회수부(또는 열교환기) 7에 도입된다. 그 후에, 배연은 탈황 장치로서 제공되는 흡수탑 8에 도입된다. 이같은 흡수탑 8에서는, 흡수제(예컨대, 석회암)가 현탁된 흡수액(이하, 흡수제 슬러리라 함)과 배연을 기체-액체 접촉시켜, 주로 배연내에 존재하는 SO2를 흡수제 슬러리내로 흡수하고, 잔류 분진 역시도 이 흡수제 슬리러 내로 포집한다. 흡수탑 8의 기저부 탱크에서는, SO2를 흡수한 슬러리가 산화되어 중화 반응을 포함한 후속 반응에 의해 부산물로서 석고를 형성한다.
[반응식 1]
(흡수 탱크)
SO2+ H2O → H++ HSO3 -
(탱크)
H++ HSO3 -+ 1/202→ 2H++ SO4 2 -
2H++ SO4 2 -+ CaCO3+ H2O → CaSO4·2H2O + CO2
탈황 장치인 흡수탑 8에서 SO2등을 제거한 배연은 기체-기체 히터의 재가열부 9를 통해 경유하는데, 열회수부 7에서 회수된 열을 이용함으로써 대기로 방출되기에 알맞은 온도로 가열된다. 그 후에, 이 배연은 연도 10, 팬(fan) 11 및 연도 12를 경유하여 굴뚝(stack) 본체 13의 하부에 도입되고, 최종적으로는 처리된 배연 D로서 이 연도 본체 13의 상단 개구부로부터 대기중으로 방출된다. 팬 11은 이 설비에 의해 발생하는 압력 손실을 상쇄시킬 수 있도록 배연을 압송하는 역할을 하여, 최종적으로는 이 배연을 굴뚝 본체 13을 통해 대기중으로 방출시킨다. 통상적으로, 모터 11a가 본체와 따로 설치되어 있다. 동일한 목적으로, 마찬가지의 팬 또하나를 흡수탑 8의 상류부 측면에 설치할 수도 있다.
또한, 이 설비에서는 굴뚝 본체 13이 갖는 지상으로부터의 고도가, 대기 방출의 규제를 준수할 수 있도록, 처리된 배연 D 중에 잔류하는 질소산화물과 황산화물의 농도, 및 분진의 농도 등에 따라 독특하게 설정된다. 예를 들어, 통상적인 성능(즉, 80%보다 약간 클 정도의 탈질률 및 80%보다 약간 클 정도의 탈황률)을 기준하여, 150 MW class의 발전 플랜트에서는 일반적으로 약 150m의 높이(L)가 요구되왔다. 이러한 경우에, 굴뚝 본체 13을 지지 보강하는 구조물 14를 포함하여 굴뚝 설치에 필요한 지표 공간은 대개 약 38m 길이(W)의 변으로 이루어진 스퀘어 형태가 된다. 도10은 보일러로부터 에어 히터 3까지의 구성 설비를 나타낸 블록 다이어그램이다. 도10에서, 부호 1a는 보일러를 나타낸 것이며, 부호 2a는 탈질 장치 2내에 함유된 탈질 촉매를 나타낸 것이고, 부호 2b는 탈질 장치내에 함유된 암모니아 분해 촉매를 나타낸 것이다. 암모니아 분해 촉매 2b는 하류부로 미끄러지듯이 유동하는 모든 암모니아를 제거하는 데 사용된다. 하지만, 통상의 암모니아 주입량의 경우에는, 미끄러지듯이 유동하는 암모니아의 양이 매우 적기 때문에 이같은 촉매가 생략된다. 또한, 전술한 바와 같이, Ljungstorm형의 열교환기가 에어 히터 3으로서 사용되어 왔다. 따라서, 이같은 설비에서는, 도10에 점선으로 나타낸 바와 같이, 공급되는 공기 C의 일부(예컨대, 배연 부피를 기준으로 약 5% 정도)가 배연부로 새게 되며, 동시에 배연의 일부(예컨대, 약 1%)가 공기 C의 부로 새게 된다.
상기한 바와 같은 종래의 배연 처리에서는, 대형의 고가 장비가 문제점이 되고 있다. 특히, 개발도상국 및 소규모 발전 사업 등의 시장에서는 설치 면적 및 굴뚝 높이의 축소에 부가하여, 비용면에서의 현저한 감소가 강력하게 요구되고 있다.
특히, 종래의 설비에서는 보일러 하우스 1과 굴뚝 13 사이에 전기집진기 5, 흡수탑 8 및 팬 11이 수평 방향으로 배열되어 있으며, 연도 4, 6, 10 및 12로 접속되는 배치 구성으로 되어 있다. 이는 보일러 하우스 1과 굴뚝 13 사이에 넓은 공간이 필요하게 되고, 다수의 연도 및 그에 따른 지지 성분들이 다수 필요하게 되어 비용이 증가된다.
또한, 전술한 바와 같이, 굴뚝의 설치 공간 및 높이가 고유한 값으로 결정되는데, 예를 들면 배연 D에 잔류하는 질소산화물 및 황산화물의 농도에 따라 결정된다. 따라서, 굴뚝의 높이를 축소하기 위해서는, 결국 설비의 성능을 향상시키는 것이 필요하게 된다. 이또한 종래의 구성으로는 곤란한 것이다. 예를 들면, 탈황률을 증진시키기 위해, 단순히 흡수탑 8을 대형화함으로써 기체-액체 접촉 용량을 증진시키는 것이 고려될 수 있다. 하지만, 이는 크기를 축소시키고자 하는 요구에 반하는 것이므로, 일정한 한계가 있다.
또한, 탈질 장치 2 내에서의 탈질률을 증진시키기 위해, 단순히 암모니아의 주입량을 증가시키는 것이 고려될 수 있다. 이같은 경우에, 종래 설비에서는 하류부로 미끄러지듯이 유동하는 모든 암모니아를 제거하기 위해 암모니아 분해 촉매 2b를 사용하고 있어서, 이에 상응하는 비용의 증가가 초래된다. 이러한 경우에 암모니아 분해 촉매 2b를 사용하지 않는다면, 암모니아가 하류부로 미끄러지듯이 유동하게 되어 다음과 같은 역효과가 발생하게 될 것이다.
즉, 암모니아가 배연에 남게 되면, 다음 반응식 2에 따라 부착성이 큰 산성 암모늄설페이트(NH4HSO4)가 생성된다. 이 산성 암모늄설페이트의 노점(dew point)은 이같은 유형의 설비내의 상압 하에서 약 230℃인데, 통상의 에어 히터에서 배연은 350℃ 정도에서 150℃ 정도까지로 냉각된다. 따라서, 탈질 장치 2에서 나온 배연내에 암모니아가 잔류할 경우에, 특히 에어 히터내에서 다량의 산성 암모늄설페이트(NH4HSO4)가 생성될 것이다. 본 발명자들의 연구에 따르면 융스트롬형의 통상적인 에어 히터에서 이같은 산성 암모늄설페이트가 에어 히터내의 축열제의 캡에 증착되기 쉬워서, 청소 등의 유지 작업이 자주 필요하다는 것이 밝혀졌다.
[반응식 2]
SO3+ NH3+ H2O → NH4HSO4
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
따라서, 본 발명의 제1목적은 설비의 배열 구성을 개선하여 설비의 소형화 및 비용 절감을 실현시킬 수 있는 배연 처리 설비를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2목적은 배연 처리 성능을 향상시키고, 이에 따라 설비의 소형화 등을 실현시킬 수 있는 배연 처리 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 제3목적은 상기한 바와 같은 설비의 소형화 및 성능 향상이 그의 유지성의 저하를 수반하지 않고 실현될 수 있는 배연 처리 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 제4목적은 이 설비의 배열 구성을 개선하고, 배연 처리 성능을 향상시키는데, 굴뚝의 소형화를 포함하여 현저한 설비의 소형화 및 비용 절감을 실현시킬 수 있는 배연 처리 공정을 제공하는 것이다.
[발명의 구성 및 작용]
상기 목적들을 달성하기 위해, 본 발명은 배연을 흡수액과 기체-액체 접촉시켜 배연으로부터 적어도 황산화물을 흡수액에 흡수시킴으로써 제거하는 흡수탑, 이 흡수탑에서 배출되는 배연을 대기중에 방출하기에 적합한 온도로 가열하는 재가열부, 및 이 흡수탑과 재가열부를 포함하는 배연 유로에 의해 야기되는 압력 손실을 상쇄시킬 수 있도록 배연을 압송하는 팬으로 이루어진 배연 처리 설비를 제공하는데, 상기 흡수탑, 재가열부 및 팬은 수직축선상에 직렬 상태로 배열되어, 처리된 배연을 대기중으로 방출시키기 위한 굴뚝의 적어도 일부로서의 역할을 수행한다.
본 발명은 또한, 적어도 질소산화물 및 황산화물을 함유하는 배연에 암모니아를 주입하여 배연내 존재하는 질소산화물을 분해 처리하는 탈질 단계와, 이 탈질 단계로부터 배출되는 배연을 흡수탑에 도입하여 흡수액과 기체-액체 접촉시켜 적어도 황산화물을 이 흡수액에 흡수시킴으로써 제거하는 탈황 단계로 이루어진 배연 처리 방법을 제공하는데, 상기 탈질 단계의 하류부 지점에서 필요에 따라 배연에 암모니아를 주입하며, 탈황 단계에 주입되는 배연중에 암모니아 또는 암모늄염이 잔류하도록 하는 과량 수준으로, 이 탈질 단계에서의 암모니아 주입량 및/또는 탈질 단계의 하류부 지점에서의 암모니아 주입량을 결정한다.
본 발명의 배연 처리 방법에서는, 상기 탈질 단계에서의 암모니아 주입량이 탈질 단계로부터 배출된 배연중에 잔류하는 암모니아의 농도가 30ppm 이상이 되도록 설정될 수도 있다.
본 발명의 배연 처리 방법은 추가로, 상기 탈질 단계로부터 배출된 배연을 흡수탑의 상류부에 있는 열교환기로 도입함으로써, 배연으로부터 열을 회수하는 열회수 단계를 포함할 수도 있으며, 열교환기로서 쉘-앤-튜브(shell-and-tube) 구조의 비-누출(non-leakage)형 열교환기를 이용할 수도 있다.
본 발명의 배연 처리 방법은 또한, 상기 탈질 단계로부터 배출된 배연을 흡수탑의 상류부에 있는 열교환기로 도입함으로써, 배연으로부터 열을 회수하는 열회수 단계를 포함할 수도 있으며, 이 탈질 단계에서의 암모니아 주입량 및/또는 탈질 단계의 하류부 지점에서의 암모니아 주입량이, 열교환기에 주입되는 배연중에 잔류하는 암모니아의 농도가 이 배연내의 SO3농도에 대하여 13ppm 이상 초과하게 되도록 결정될 수도 있다.
본 발명의 배연 처리 방법에서는, 상기 흡수탑에서 배연과 흡수액과의 기체-액체 접촉이 수행되는 영역의 하류부에, 상기 흡수액보다 산성도가 큰 액체를 스프레이하여 암모니아가 기체상으로 쉽게 방출되지 못하도록 하는 영역을 형성시키는데, 상기 탈황 단계에 도입되는 배연내에 잔류하는 암모니아가 상기 흡수탑으로부터 배출되는 배연내에 잔류하지 않고 흡수탑에서 흡수된다.
본 발명의 배연 처리 방법은 추가로, 상기 흡수탑의 상류부에서 배연을 건식 전기 집진기로 도입하여, 배연중의 분진을 제거하는 제 1 분진 제거 단계와, 상기 흡수탑의 하류부에서 배연을 습식 전기집진기에 도입하여, 배연중에 잔류하는 분진을 제거하는 제 2 분진 제거 단계를 포함한다.
본 발명은 또한, 배연내로 암모니아를 주입하여 배연중의 질소산화물을 분해 처리하는 탈질 장치와, 이 탈질 장치로부터 배출되는 배연으로부터 열을 회수하기 위한 열교환기와, 이 열교환기로부터 배출되는 배연을 흡수액과 기체-액체 접촉시켜 배연으로부터 적어도 황산화물을 흡수액에 흡수킴으로써 제거하는 흡수탑과, 이 흡수탑으로부터 배출되는 배연을 열교환기에서 회수된 열의 적어도 일부를 사용하여 대기중에 방출시키는 데 적합한 온도로 가열하는 재가열부 및, 상기 흡수탑 및 재가열부를 포함하는 배연 유로의 압력 손실을 상쇄시킬 수 있도록 배연을 압송하는 팬으로 이루어지는데, 상기 흡수탑, 재가열부 및 팬이 처리된 배연을 대기중에 방출시키는 굴뚝의 적어도 일부로서의 역할을 수행할 수 있도록 수직축선상에 직렬상으로 배열되어 있는 배연 처리 설비를 이용하여, 적어도 질소산화물 및 황산화물을 함유하는 배연을 정제하는 배연 처리 방법을 제공하는데, 상시 탈질 장치의 하류부 지점에서 필요에 따라 암모니아를 배연에 주입하며, 상기 탈질 장치에서의 암모니아 주입량 및/또는 탈질 장치의 하류부에서의 암모니아 주입량을 상기 흡수탑에 도입되는 배연내에 암모니아 또는 암모늄염이 잔류할 수 있도록 초과량으로 설정한다.
본 발명의 배연 처리 설비에서는, 흡수탑, 재가열부 및 팬이, 처리된 배연을 대기중에 방출시키는 굴뚝의 적어도 일부로서의 역할을 수행할 수 있도록 수직축선상에 직렬상으로 배열되어 있다. 따라서, 종래에는 굴뚝의 구조물 외부에 설치되었던 이같은 장치 또는 기구 모두가, 굴뚝의 구조물 내부 공간에 설치된다. 결론적으로, 전체 설비의 설치 면적이 현저하게 감소되어, 수평 방향의 설비 소형화가 현저히 달성될 수 있다. 더욱이, 연도 및 이를 위한 지지 성분의 상당 부분이 불필요하게 되고, 굴뚝 본체가 이전보다 많이 축소된다. 결과적으로, 설비 비용의 현저한 감축이 달성된다.
또한, 본 발명의 배연 처리 방법에서는, 탈질 단계의 하류부 지점에 필요에 따라 배연내로 주입되는 암모니아를 배연내로 주입하고, 상기 탈질 단계에서의 암모니아 주입량 및/또는 상기 탈질 단계의 하류부 지점에서의 암모니아 주입량을, 암모니아 또는 암모늄염이 탈황 단계로 주입되는 배연내에 잔류할 수 있도록 하는 초과량으로 설정한다.
따라서, 적어도 탈질 단계에서의 탈질률이 향상되고, 이는 결과적으로 흡수탑과 굴뚝의 소형화에 기여하는 것이다.
특히, 탈질 단계에서의 암모니아 주입량은 탈질 단계로부터 배출되는 배연내에 잔류하는 암모니아의 농도가 30ppm 이상이 되도록 설정하는 경우에, 특히 탈질 단계에서의 탈질률이 현저히 향상되고, 이는 결과적으로 굴뚝의 소형화에 기여하는 것이다.
또한, 발명의 배연 처리 방법은 추가로, 탈질 단계로부터 배출되는 배연을 흡수탑의 상류부에서의 열교환기로 도입함으로써, 배연으로부터 열을 회수하는 열회수 단계를 포함하고, 열교환기로서 쉘-앤-튜브 구조의 비-누출형 열교환기를 사용하는 경우에, 배연의 열을 통상적인 방식으로, 보일러내에 사용하기 위한 공기를 예열하거나 처리된 배연을 재가열하는 데 효과적으로 이용할 수 있다.
즉, 쉘-앤-튜브 구조의 비-누출형 열교환기에 있어서는, 통상적으로 사용되는 융스트롬형의 열교환기와는 대조적으로, 주입된 암모니아와 배연내의 SO3와의 반응에 의해 산성의 암모늄설페이트가 생성되고, 배연내의 SO3로부터 생성되는 황산 연무(mist)가 상기 열교환기내에서 응축될지라도, 이러한 물질들의 전열면 등에서 석출되거나 막히는 것이 거의 없다.
더욱이, 이같은 경우에는, 열교환기에 있는 배연중으로 공기가 새어나갈 수 없다. 이는 배연의 처리량을 감소시켜, 비용 절감을 달성할 수 있다.
또한, 탈질 단계에서 배출된 배연을 흡수탑의 상류부에서의 열교환기로 주입하여, 배연으로부터 열을 회수하고, 탈질 단계에서의 암모니아 주입량 및/또는 탈질 단계의 하류부에서의 암모니아 주입량을 열교환기내로 주입되는 배연내에 잔류하는 암모니아의 농도가 이같은 배연내의 SO3의 농도보다 13ppm 이상 초과하도록 설정한 경우에는, 상기 열교환기내에서의 산성 암모늄설페이트의 응축이 최소화되고 중성 암모늄설페이트의 미세 분말이 주로 생성된다. 따라서, 산성 암모늄설페이트에 기인한 스케일(scale)의 생성이 현저히 억제되고, 이는 열교환기의 유지를 매우 용이하게 한다.
또한, 흡수탑에 있는 배연과 흡수액과의 기체-액체 접촉이 수행되는 영역의 하류부에, 흡수액보다 산성도가 큰 액체를 스프레이하여 암모니아가 기체상으로 쉽게 방출되지 못하도록 하는 영역이 형성되어, 탈황 단계로 도입되는 배연내에 잔류하는 암모니아를 흡수탑으로부터 배출되는 배연내에 잔류시킴 없이 흡수탑내로 흡수하는 경우에는, 암모니아의 과도한 주입에 따른 부작용(즉, 대기중으로의 암모니아 방출)를 피할 수 있다. 이는 장래의 암모니아 방출 규제에 대응할 수 있으며, 배연의 추가 정제에도 기여한다.
또한, 본 발명의 배연 처리 방법이 추가로, 흡수탑의 상류부에서 배연을 건식 전기집진기로 도입하여 배연내에 존재하는 분진을 제거하는 제 1 분진 제거 단계와, 흡수탑의 하류부에서 배연을 습식 전기집진기로 도입하여 배연내에 잔류하는 분진을 제거하는 제 2 분진 제거 단계를 포함하는 경우에는, 전체 설비의 분진 제거 성능이 현저히 향상된다.
본 발명의 다른 배연 처리 방법은, 탈질 장치 및 탈황 장치 등으로 이루어지고, 흡수탑(탈황 장치로서 제공됨), 재가열부 및 팬이 처리된 배연을 대기중에 방출하는 굴뚝의 적어도 일부로서의 역할을 수행하도록 수직축선상에 일직선으로 배열된 배연 처리 설비를 사용하여, 적어도 질소산화물 및 황산화물을 함유한 배연을 정제하는 것인데, 탈질 장치의 하류부 지점에서 필요에 따라 암모니아를 배연에 주입하며, 탈질 장치에서의 암모니아 주입량 및/또는 탈질 장치의 하류부 지점에서의 암모니아 주입량을, 암모니아 또는 암모늄염이 흡수탑으로 주입되는 배연에 잔류할 수 있도록 과량으로 설정한다.
따라서, 흡수탑, 재가열부 및 팬이 수직축선상에 일직선으로 배열되어 굴뚝의 일부를 형성하기 때문에, 설비의 설치 공간이 현저히 감소된다. 또한, 암모니아의 과량 주입을 통해 적어도 탈황률이 향상되고, 이는 결과적으로 굴뚝의 높이를 축소시킨다. 즉, 이러한 방법을 통해, 수평 및 수직 방향 모두에서 설비의 현저한 소형화, 및 설비의 성능 향상과 같은 우수한 효과를 얻을 수 있다.
[발명의 바람직한 실시 형태]
다음에, 본 발명의 몇몇 바람직한 실시 형태를 첨부 도면에 기초하여 기술하고자 한다.
[제1예]
도1을 참고하여 본 발명의 제1예에 대하여 설명한다. 도9의 종래 설비에 포함된 것과 동일한 구성 요소는 동일 부호를 사용하여 나타내었으며, 그에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 일례의 배연 처리 설비는, 굴뚝 본체 13a의 아래로, 흡수탑 21, 기체-기체 히터의 재가열부 22, 및 팬 23이 굴뚝의 수직축선상에 일직선으로 배열되어, 이 굴뚝의 일부를 형성한다.
기체-기체 히터의 열회수부 24는, 건식 전기집진기 5로부터 흡수탑 21을 접속시키는 연도 25의 중도이면서, 굴뚝 구조물 14의 내측인 위치에 설치된다. 결국, 흡수탑 21, 기체-기체 히터의 열회수부 24와 재가열부 22, 및 팬 23의 전체가 굴뚝 구조물 14의 내측에서의 빈 공간에 모두 설치된다.
본 일례에서, 흡수탑 21은 그 하부 측면에 형성된 도입부를 통해 배연을 도입하여, 흡수액과 역류(countercurrent) 방식으로 기체-액체 접촉시켜 배연으로부터 적어도 질소산화물을 이 흡수액에 흡수시킴으로써 제거하고, 그 상단부에 형성된 도출구로부터 배출시키는 것이다. 종래 설비에서 전술한 바와 동일한 방식으로, 예컨대, 석회암을 흡수제로서 사용하여 부산물로서 석고가 생성된다.
기체-기체 히터의 재가열부 22는 흡수탑 21의 상단부에 직접 접속된다. 따라서, 흡수탑 21의 상단 도출구로부터 배출된 배연을 기저면으로부터 재가열부 22에 주입하고, 열회수 24에서 회수된 열을 이용하여 대기중에 방출하기에 적합한 온도로 가열하여, 상부 윗면으로부터 방출한다.
이같은 경우에, 가열 매질 순환식의 기체-기체 히터가 사용되어, 열회수부 24 및 재가열부 22가 쉘-앤-튜브 구조의 비-누출형 열교환기로 이루어진다. 이와 같은 비-누출형 열교환기는, 배연내에 존재하는 SO3가 배연내의 암모니아와 상기 반응식 2에 따라 반응하여 산성 암모늄설페이트(NH4HSO4)가 생성되는 경우에도, 스케일을 형성시키기 쉬운, 산성 암모늄설페이트의 증착이 비교적 적다는 장점이 있다.
팬 23은 상기 재가열부 22의 상부에 설치되는 수직-플로우 팬이며, 기저면으로부터 배연을 흡인하여 상부 윗면으로 방출시키는 역할을 한다. 모터는 그 내부축에 장착된다.
본 일례의 배연 처리 설비의 배치 구성으로는, 도9에 나타낸 종래의 설비에 비해, 설비 전체의 설치 면적이 현저히 감축되어, 수평 방향에서 설비의 현저한 소형화가 달성될 수 있다. 특히, 도9의 설비에서의 흡수탑 8, 팬 11 및 연도 6과 10의 설치에 필요한 공간 전체가 불필요하게 된다. 더욱이, 통상적으로 굴뚝의 구조물 12내에 흡수탑 21 등의 설치 가능한 공간이 있기 때문에, 굴뚝의 설치 공간은 이전과 동일하다.
또한, 연도 6과 10 그자체 및 그의 지지 성분들이 불필요하게 되고, 굴뚝 본체 13a의 높이가 이전보다 현저히 단축된다. 결과적으로, 설비 비용에서도 현저한 절감 효과가 달성된다.
[제2예]
다음에, 도2를 참고하여 본 발명의 제2예를 설명한다. 제1예에 포함된 것과 동일한 구성 요소는 동일한 부호로 나타냈으며, 그에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 일례는, 쉘-앤-튜브 구조의 비-누출형 열교환기로 이루어진 에어 히터(또는 열교환기 31)를 장착하고, 습식 전기집진기 32를 흡수한 21a와 재가열부 22 사이에 설치하는 것을 특징으로 한다. 본 일례에서는, 상기 에어 히터 31과 전술한 바와 같은 기체-기체 히터의 열회수부 24가 본 발명의 열회수 단계를 수행하는 열교환기를 구성한다. 또한, 종래 설비에서 전술한 바와 같은 건식 전기집진기 5가 본 발명의 제 1 분진 제거 단계를 수행하고, 상기 습식 전기집진기 32가 본 발명의 제 2 분진 제거 단계를 수행하는 것이다.
이상과 같은 구성에 있어서는, 다음과 같은 장점이 있다. 그 중에서도, 에어 히터 31이 비-누출형 열교환기로 구성되기 때문에, 전술한 바와 같이 에어 히터 31에 주입된 배연내에서 산성 암모늄설페이트가 생성되는 경우에도, 증착되는 스케일의 양이 비교적 적다는 것이다. 이는 유지면에서 매우 유리한 것이다.
특히, 전술한 바와 같이, 탈질 장치 2로부터 배출된 배연내에 암모니아가 잔류할 경우에, 산성 암모늄설페이트가 특히 에어 히터 31내에서 생성된다. 본 발명자들에 의해 수행된 연구에 따르면, 통상적인 융스트롬형 에어 히터의 경우에는 이러한 산성 암모늄설페이트가 에어 히터내의 축열체 캡에 증착되기 쉬워서, 청소 등의 유지 작업이 자주 필요하다는 것이 밝혀졌다.
하지만, 본 발명자들에 의해 수행된 연구에 따르면, 쉘-앤-튜브 구조의 비-누출형 열교환기는 산성 암모늄설페이트의 이러한 증착이나 이로 인한 막힘이 비교적 적다는 것이 밝혀졌다. 또한, 산성 암모늄설페이트의 생성 및 열교환기의 내표면에서의 그의 증착이 배연내로 암모니아를 과량 주입함으로써 개선될 수 있다는 것이 밝혀졌는데, 이에 관해서는 따로 후술할 것이다.
또한, 에어 히터 31이 비-누출형 열교환기로 구성된 경우에는, 보일러에 공급되는 에어 C가 배연내로 새지 않는다. 이는 처리될 배연의 유속을 감속시켜, 팬 23 및 연도의 용량, 및 소비 전력에서 해당 감소 효과가 야기된다.
더욱이, 습식 전기집진기 32가 설치되기 때문에, 흡수탑 21a내에서 포집되지 않은 미세 분진 및 기타 이물질을 제거할 수 있다. 따라서, 처리된 배연 D내의 잔류 분진 농도가 감소된다. 이 점에서 설비 성능이 향상이 향상되며, 굴뚝 높이의 단축에도 기여한다.
다음에, 상기 일례의 배연 처리 설비를 사용한 본 발명의 배연 처리 공정의 특징적인 부분의 구성 및 효과를 후술한다.
이같은 방법에서는, 암모니아 분해 촉매를 사용하지 않고, 흡수탑 21a로 주입되는 배연내에 다량의 암모니아 또는 암모늄염이 잔류할 정도로, 탈질 장치 2에 주입되는 암모니아 B의 양을 과량으로 선정한다.
흡수탑 21a로 주입되는 배연내에 암모니아 또는 암모늄염이 잔류한다면, 배연과 흡수제 슬러리 사이의 기체-액체 접촉의 결과로서, 이 암모니아 또는 암모늄염이 흡수탑 21a내의 슬러리로 용해된다. 이는 흡수탑 21a에서 순환하는 슬러리의 액체상중의 암모늄염 농도(즉, 암모늄 이온 농도)를 상승시킨다.
본 발명자들에 의해 수행된 연구에 따르면, 흡수탑의 순환액내의 암모늄염 농도(또는 암모늄 이온 농도)가 150mmol/L 이상으로 증가할 경우에, 그 외의 조건들이 일정하다고 할지라도, 흡수탑에서의 배연으로부터의 이산화황 제거율(즉, 탈황율)이 도5에 나타낸 바와 같이, 약 95% 정도 상승한다. 이때문에, 탈질 장치 2에 주입되는 암모니아 B의 주입량이 상기한 바와 같이 과량이 되도록 설정되는 본 일례에 따르면, 흡수탑 21a가 종래에 비해 소형화될 수 있다. 또한, 처리된 배연 D내에 잔류하는 황산화물(주로, 이산화황)의 농도를 추가로 감소시킬 수 있어, 이로써 굴뚝의 높이를 단축시킬 수 있다.
또한, 암모니아 B의 주입량이 당연하게 탈질 반응에 필요한 당량을 초과하기 때문에, 탈질 장치 2(또는, 탈질 단계)의 탈질 성능도 향상된다. 본 발명자들이 수행한 연구에 따르면, 탈질 반응에 필요한 당량을 초과하며, 한층 더하여, 탈질 단계후의 배연중에 잔류하는 암모니아(즉, 미끄러지듯 유동하는 암모니아)의 농도가 30ppm 이상이 되도록 암모니아 B의 주입량이 설정된다면, 탈질률이 약 80%의 종래 수준에서 약 90%로 향상되고, 처리된 배연 D내의 잔류하는 질소산화물의 농도가 절반으로 감소될 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명자들에 의해 수행된 시험 계산에 따르면, 150MW class의 발전 플랜트의 경우, 탈황률 및 탈질률이 상기한 바와 같이 향상되고, 분진 제거율 또한 습식 전기집진기 32의 설치에 의해 증진된다면, 굴뚝의 높이(L1)는 약 150m의 종래값으로부터 약 90m로 현저히 감소될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 더욱이, 이 결과로서, 굴뚝 구조불 14b의 설치 공간의 폭(W1)이 약 38m의 종래값으로부터 약 25m로 현저히 감축될 수 있다.
이 경우에, 암모니아 B의 구체적인 주입량은 탈질 반응에 필요한 당량을 초과할 뿐만 아니라, 배연내의 SO3농도도 고려하여 설정할 필요가 있다.
특히, 탈질 장치 2(또는, 탈질 단계)로부터 배출되는 배연내에 잔류하는 암모니아의 적어도 일부는, 배연내에 존재하는 SO3와 반응하여 상기한 바와 같은 암모늄설페이트 및 산성 암모늄설페이트 등의 암모늄염을 형성한다. 이 경우에, 대부분의 이들 암모늄염은 전기집진기 5에 포집된다. 따라서, 탈질 장치 2로부터 배출되는 배연내에 잔류하는 암모니아 기체 중에서, SO3의 당량에 대하여 과량인 암모니아 기체 일부만이 흡수탑 21a에 주입되는 배연내에 남는다.
좀더 구체적으로, 암모니아의 주입량은, 에어 히터 31 및 기체-기체 히터의 열회수부(또는, 열교환기) 24로 주입되는 배연내에 잔류하는 암모니아의 농도가 이 배연내의 SO3농도에 대하여, 13ppm 이상 초과하도록 설정하는 것이 바람직하다.
이와 같이 하면, 후술될 실시예에 의해 실증되는 바와 같이, 상기 열교환기에서 응축하는 산성 암모늄설페이트의 증착을 억제시킬 수 있다. 따라서, 열교환기의 전열면 및 다른 내표면에서 증착물(또는, 스케일)의 형성이 경미하게 되어 열교환기의 유지를 용이하게 한다.
즉, 도9에 나타낸 바와 같은 종래 설비에서는, 에어 히터 3으로 주입되는 배연에 잔류하는 암모니아 농도가 약 5ppm 정도로 경미하여, 통상의 암모늄설페이트보다 산성 암모늄설페이트가 다량으로 생성된다. 이같은 산성 암모늄설페이트는 특히 에어 히터 3 내에서 응축하기 쉽다. 하지만, 이같은 암모니아 농도가 배연내에서의 SO3농도에 대하여 13ppm 이상 초과한다면, 배연내에 존재하는 대부분의 SO3가 (NH4)2SO4를 함유하는 중성 암모늄설페이트 미세 분말로 전환되고, 스케일을 형성하기 쉬운, 부착성이 큰 암모늄설페이트의 생성은 상대적으로 감소된다. 게다가, 쉘-앤-튜브 구조의 에어 교환기 31을 사용하는 본 일례에 의하면, 융스트롬형의 에어 히터를 사용하는 종래의 설비에 비해, 스케일 형성에 기인한 문제가 감소된다. 결과적으로, 산성 암모늄설페이트에 기인한 스케일 형성의 문제는 실질적으로 해결되고, 탈질 장치에 암모니아 분해 촉매를 제공할 필요가 없다.
본 일례에서는, 암모니아를 적극적으로 과량 주입하여, 암모니아 또는 암모늄염 다량이 흡수탑 21a로 주입되는 배연내에 잔류할 수 있도록 한다. 그에 따라, 흡수탑 21a내의 슬러리로 흡수시키는 암모니아의 처리, 및 처리된 배연 D내로 누출되는 암모니아가 문제가 된다. 하지만, 이러한 문제점들은 전기집진기로부터의 분진을 탈황 장치로부터의 배수를 혼합 처리하여 암모니아를 회수 재이용하는 기존의 무배수화기술(no-waste water disposal technique: 소위, AWMT), 또는 본 발명자들에 의해 새롭게 고안된 암모니아 흡수 기술을 이용함으로써 해결될 수 있다
이들 기술 방법의 몇몇 일례를 도3 및 4를 참고하여 설명한다. 도3은 특히, 도2에 나타낸 바와 같은 본 일례의 배연 처리 설비에 사용하기에 적합한 탈황 장치의 상세한 구성예를 나타낸 개략도이며, 도4는 본 일례의 배연 처리 설비에 사용하기 적합한, 대표적인 무배수화 처리 설비의 구성예(오일-연소 보일러의 경우)를 나타낸 개략도이다.
이같은 경우에, 탈황 장치로서의 흡수탑 21a는, 도3에 나타낸 바와 같이, 흡수제(즉, 석회암)가 현탁되어 있는 흡수액 E(이하 흡수제 슬러리 E라 함)를 담기 위한 탱크 41이 기저부에 설치되고, 이 탱크 41의 상부에 기체-액 접촉부가 있어, 배연과 탱크 41 내의 슬러리를 기체-액체 접촉시키는 액체 컬럼형의 흡수탑이다.
이같은 흡수탑 21a는 배연을 도입하는 배연 도입부 42가 그 하부에 형성되어 있으며, 탈황된 배연 A1을 방출시키는 배연 도출부 43이 그의 상단부에 형성되어 있어, 배연이 이 흡수탑의 하부로부터 도입되어 상부로 흐르는, 소위 카운터플로우(counterflow) 흡수탑이다.
배연 도출부 43에는, 연무 제거기 43a가 설치된다. 이같은 연무 제거기 43a는, 기체-액체 접촉에 의해 생성되어 배연에 의해 동반되는 모든 연무를 포집하여, 이산화황, 암모니아 등을 함유하는 다량의 연무가 탈황된 배연 A1과 함께 방출되지 않도록 한다. 본 일례에서, 이 연무 제거기 43a로 포집된 연무는 그의 하단부로부터 아래로 흐르게 되어, 탱크 41로 직접 떨어지게 된다.
또한, 흡수탑 21a에서는, 다수의 스프레이 파이프 44가 평행하게 설치된다. 이같은 스프레이 파이프 44에는, 탱크 41내의 슬러리를 상류 방향으로 액상 컬럼 형태로 주사하는 다수의 노즐(도시하지 않음)이 형성되어 있다.
더욱이, 탱크 41의 외측에는, 탱크 41내의 흡수제 슬러리를 위쪽으로 흡인하는 순환 펌프 45가 설치되어 있다. 이에 따라, 순환 라인 46을 통해 슬러리가 스프레이 파이프 44로 공급된다.
도3에 나타낸 바와 같은 일례에서는, 탱크 41은 탱크 41내에서 슬러리를 교반시키면서 산화용의 공기 F를 미세한 기포로서 불어넣는(blowing) 수단으로 공급된다. 이같은 수단은 교반기 47 및, 교반기 47의 교반날 근처에서 슬러리에 공기 F를 불어넣는 에어 공급 파이프 48로 이루어진다. 따라서, 이산화황이 흡수된 흡수제 슬러리를 탱크 41내의 공기와 효율적으로 접촉시켜, 완전 산화시켜 석고를 형성시킨다.
좀더 구체적으로는, 흡수탑 21a내에서 스프레이 파이프 44로부터 분사되는 흡수제 슬러리는, 배연과의 기체-액체 접촉의 결과로서의 이산화황 및 분진, 게다가, 암모니아 기체를 흡수하면서 아래로 흘러내리고, 교반기 47과 에어 공급 파이프 48에 의해 교반되면서 불어넣어지는 다량의 기포와 접촉함으로써 산화시키는 탱크 41로 도입된 후에, 중화 반응이 진행되어 고농도로 석고를 함유한 슬러리가 된다. 이러한 처리 경로중에 발생하는 주요 반응은 상기 반응식 1에 나타내었다.
따라서, 다량의 석고, 소량의 석회암(흡수제로서 사용됨), 및 미량의 분진과 배연으로부터 포집된 암모니아가 탱크 41내의 슬러리에 끊임없이 현탁되거나 용해된다. 본 일례에서는, 탱크 41내에서의 슬러리가 흡인되어 순환 라인 46으로부터 분지된 파이프 라인 46a를 통해 고체-액체 분리기 49로 공급된다. 이 슬러리는 고체-액체 분리기 49에서 여과되어, 저수분 함량의 석고 G를 회수한다. 한편, 고체-액체 분리기 49로부터의 여과액 일부 H1은 흡수제 슬러리 E로 이루어진 물로서 슬러리 조제 탱크 52에 도입되고, 잔여물은 불순물의 축적을 방지하기 위해 탈황 배수 H2로서 배출된다.
배연으로부터 흡수된 암모니아 및 암모늄염(암모늄설페이트 등)은 용해도가 크기 때문에, 대부분이 액상으로 슬러리 E에 함유되고, 최종적으로는 탈황 배수 H2와 함께 배출된다.
본 일례에서는, 작동 동안에 흡수제로서 석회암을 함유한 슬러리가 슬러리 조제 탱크 52로부터 탱크 41에 공급된다. 슬러리 조제 탱크 52에는 교반기 53이 장착되어 있고, 저장고(silo: 도시하지 않음)로부터 도입되는 분말 석회암 I과 상기한 바와 같이 공급되는 여과액 H1을 혼합하고, 이 혼합물을 교반시킴으로써 흡수제 슬러리 E를 생성시킨다. 슬러리 조제 탱크 52 내의 흡수제 슬러리 E는 슬러리 펌프 54에 의해 탱크 41로 적절하게 공급된다. 또한, 흡수탑 21a에서의 증발 등에 기인한 수분의 점진적인 손실을 보충할 수 있도록, 보급수(산업용수 등)를 적절히, 예를 들면, 탱크 41 또는 슬러리 조제 탱크 52에 공급한다.
작동중에는, 탱크 41에 공급되는 상기 보급수의 유속, 파이프 라인 46a를 통해 흡인되는 슬러리의 유속 등을 적절히 제어한다. 그리하여, 탱크 41에는, 소정 농도의 석고와 흡수제를 함유한 슬러리가 항상 일정 범위의 수준내로 축적된 상태를 유지한다.
또한, 작동중에는, 석고의 순도와 탈황률을 고도로 유지하기 위해서, 보일러 부하(즉, 배연 A의 유속), 흡수탑 21a내로 도입되는 배연내의 이산화황 농도, 탱크 41내의 흡수제 슬러리의 석회암 농도 및 pH 등을 센서로 검측한다. 검측 결과를 기초로 하여, 탱크 41로의 석회암의 주입 속도 및 그외의 매개 변수들을 제어기(도시하지 않음)에 의해 적절하게 조정한다. 통상적으로는, 이산화황의 흡수 성능을 고도로 유지하면서, 상기한 바와 같은 산화 반응을 가속화시킴으로써 순도가 높은 석고를 형성시킬 수 있도록, 탱크 41내의 흡수제 슬러리 pH는 대개 약 6.0으로 조정한다.
또한, 과량 주입된 암모니아가 탈황 처리된 배연 A1내에 잔류하지 않도록 하는 수단으로서는, 스프레이 파이프 44의 상부에 스프레이 파이프 55를 설치한다. 이같은 스프레이 파이프 55는 탱크 41내의 슬러리보다 pH가 작은 액체 J(슬러리로도 가능함)를 흡수탑 21a에 분사하여, 흡수탑 21a의 상부에 암모니아를 기체상으로 쉽게 방출되지 못하도록 하는 영역을 형성한다.
스프레이 파이프 55로부터 분사되는 액체 J는, 예를 들면, 묽은 황산 용액으로 이루어지며, 그의 pH는 암모니아가 배연내로 쉽게 방출되지 못하도록 하는 값(예컨대, 4.0 내지 5.0)으로 조정된다.
이상과 같은 구성이라면, 배연 도입부 42로부터 흡수탑 21a로 도입되는 배연은 먼저 액상 컬럼 형태로 스프레이 파이프 44로부터 분사되는 슬러리와 기체-액체 접촉한 후에, 스프레이 파이프 55로부터 분사되는 액체와 기체-액체 접촉한다. 그리하여, 이산화황과 함께 분진 및 암모니아를 흡수 또는 포집한다.
이러한 공정 중에는, 흡수탑 21a의 출구부(또는 상단부)에서의 스프레이 파이프 55로부터 분사되는 액체가 암모니아가 배연내로 쉽게 방출되지 못하도록 하는 pH 값으로 조정된다. 이 때문에, 흡수탑 21a의 상부에서는 암모니아의 부분압이 억제되어, 슬러리의 액체상에 일단 용해된 암모니아가 역으로 이 흡수탑 상부에서 배연내로 방출되는 현상을 방지된다.
그리하여, 최종적으로는, 이산화황, 분진 및 암모니아의 농도가 매우 작은 탈황 처리된 배연 A1이 흡수탑 21a의 상단부에 형성된 배연 도출부 43으로부터 배출된다. 이러한 경우, 본 발명자들에 의해 수행된 계산에 따르면, 암모니아의 제거율이 약 90% 정도임이 밝혀졌다. 따라서, 과량의 암모니아를 적극적으로 분사하는 구성임에도 불구하고, 처리된 배연 D(도2)에는 암모니아가 거의 함유되지 않고, 대기중으로의 암모니아 방출에 기인한 문제가 발생하지 않는다.
하지만, 대기 오염 방지 측면에서, 대기중으로 방출되는 처리된 배연 D내의 암모니아 농도를 최소화하는 것이 바람직하다. 따라서, 고도의 탈황률 및 설비의 소형화를 달성할 수 있으며, 또한, 방출되는 암모니아의 양을 최소화할 수 있는 배연 처리 기술이 요구된다.
다음에 도4에 도시된 대표적인 무배수 처리 설비의 구성예를 후술한다. 이는 오일 연소 보일러로부터의 배연 처리에 관한 예이다. 이러한 경우에, 도2와 3에 도시된 건식 전기집진기 5에 의해 배연으로부터 포집된 분진 K 중에는, 주성분인 불연소 카본에 더하여 바나듐(중금속임)과 마그네슘, 주입된 암모니아와 배연내 존재하는 SO3로부터 형성된 암모늄설페이트 등이 포함된다.
이러한 설비에서는, 도4에 도시한 바와 같이, 도3에 도시한 탈황 배수 H2가 먼저 혼합 탱크 61에 주입되어, 교반되고 건식 전기집진기 5로부터 공급되는 분진 K와 혼합되어 혼합 슬러리 S1을 형성한다. 본 단계에서는, 분진 K를 함유하는 암모니아와 암모늄설페이트가 액상 슬러리 S1에 용해되어, 배수 H2에 함유된 것과 마찬가지로, 그 중에 대부분이 설페이트 이온이나 암모늄 이온으로 존재한다. 그 후에, 혼합 슬러리 S1을 pH 조정/환원 탱크 62로 옮겨, 산 L [예컨대, 황산(H2SO4)]을 첨가한다. 그리고나서, 혼합 슬러리 S1을 바나듐을 환원시킬 수 있는 pH 값(약 2 이하)으로 조정한다. 또한, 환원제 M [예컨대, 아황산나트륨(Na2SO3)]을 첨가하고 슬러리와 혼합한다. 그리하여, 다음 반응식 3에 따라, 슬러리에 존재하는 5가의 바나듐을 4가 상태로 환원시켜, 바나듐을 액상에 용해시킨다.
[반응식 3]
2VO2 ++ SO3 2-+ 2H+→ 2VO2++ + SO4 2-+ H2O
그 후에, 바나듐의 환원이 진행된 혼합 슬러리 S2를 석출 탱크 63에 옮겨, 암모니아 B3(다음에 후술됨)를 첨가하고 슬러리와 혼합한다. 본 단계에서는, 슬러리에 존재하는 바나듐 4 가는 다음 반응식 4에 따라 암모니아와 반응하고, 생성물은 석출된다.
[반응식 4]
VO2++ 2NH4OH → VO(OH)2+ 2NH4 +
바나듐을 석출시키는 처리 후에, 석출 탱크 63으로부터 도출된 혼합 슬러리 S3는 슬러리 펌프 64를 이용하여 응집 침전 장치 및/또는 진공식 벨트 필터로 이루어진 고체-액체 분리기 65로 옮긴다. 그리하여, 고체 물질 K을 슬럿지 또는 케이크 형태로 분리한다. 분리된 고체 물질 N은 주로 분진 K에 존재하는 불연소 카본으로 이루어지며, 부가적으로 침전된 바나듐이 포함된다.
그 후에, 바나듐을 함유한 고체 물질을 제거한 배수액 S4를 중화 탱크 66으로 옮겨, 화학 처리제 0 [예컨대, 소석회(Ca(OH)2] 및 반송 배수액 P(다음에 후술됨)을 첨가하고 교반한다. 따라서, 배수액내에 존재하는 황산 이온 및 암모늄 이온이 석고 또는 수산화암모늄으로 전환된다.
그리고나서, 고체 성분으로서 석고와 수산화암모늄을 함유한, 생성되는 슬러리 S5는 일차 농축기 67에 옮겨, 암모니아 B1을 증발에 의해 분리한다. 석고 및 기타 고체 물질을 고농도로 함유하는, 생성된 슬러리 S6는 슬러리 펌프 68에 의해 배출된다.
일차 농축기 67은 증발기 67a, 히터 67b 및 순환 펌프 67c로 이루어지고, 예컨대, 발전 플랜트의 보일러 등에서 발생하는 고온 증기 W1으로 슬러리를 가열하여, 암모니아를 함유한 수분 B1을 증발시키는 역할을 한다.
석고 이외에, 슬러리 S6에 함유된 고체 물질에는 주로 수산화마그네슘[Mg(OH)2]이 포함된다. 이 수산화마그네슘은 불순물로서 분진 K내에 존재하는 마그네슘과 슬러리에 존재하는 수산화 이온이 배합되어 형성된다.
그 후에, 이 슬러리 S6은 사이클론(cyclone) 또는 침강 원심분리기 등으로 이루어진 고체 분리기 69에 도입되어, 주로 석고(조질의 입자 고체 물질)를 함유하는 슬러리 S7과, 그 외의 미세 입자 고체물질을 함유하는 슬러리 S8(주로, 상기 수산화마그네슘을 포함)로 분리된다. 슬러리 S7은 도3에 도시된 탈황 장치로 이루어진 흡수탑 탱크 41로 반송된다. 한편, 슬러리 S8의 일부는 탈수 장치(또는 이차 농축기) 70내에서 탈수되고, 주로 수산화마그네슘을 함유하는, 생성된 고체 물질은 슬럿지 Q로 방출된다.
슬러리 S8 중에서 탈수 장치 70으로 공급되지 않은 나머지 일부는, 반송 배수액 P로서 중화 탱크 66으로 반송된다.
일차 농축기 67 내에서 증발에 의해 생성된 암모니아수 B1은 냉각되고, 냉매로서 냉각수 W2를 사용하는 냉각기내에서 응축시켜 저장 탱크 72에 저장시킨다.
저장 탱크 72내의 암모니아수 B1은 대개 약 3~6%의 저농도이고, 펌프 73에 의해 암모니아 농축기 74에 공급되어, 농도가 10~20% 정도인 암모니아수를 얻을 수 있도록 농축된다. 이러한 암모니아수의 일부는 기화기 75에서 기화되고, 생성된 암모니아 B2는, 전술한 바와 같은 탈질 장치 2내에 수증기 W3를 함유한 암모니아 B로서 배연내로 주입된다. 암모니아수의 나머지 일부는 암모니아 B3로서 상기 침전 탱크 63에 공급된다.
상기한 바와 같은 무배수 처리 설비에서는, 탈황 처리로 생성된 탈황 배수 H2와 제거된 분진 K를 혼합함으로써 처리하여, 취급성의 향상을 달성한다. 생성된 혼합 슬러리는 함유된 바나듐의 환원, 석출 및 고체-액체 분리에 대한 일련의 처리를 수행하고 분리된 바나듐을 슬럿지로서 방출한다. 또한, 혼합 슬러리를 농축시키고, 슬러리내의 석고, 물 및 암모니아를 최종적으로 배연내로, 또는 이 설비의 상류부(예컨대, 탈황 장치로 구성된 흡수탑)에 반송하는 방식으로 처리한다. 따라서, 암모니아를 순환식으로 사용하는 가능하게 되고, 방류되는 배수가 생성되지 않는 소위 무배수 차단 설비가 실현 가능하게 된다. 이는 방류되기 이전의 배수 처리가 불필요하게 되고, 암모니아의 효과적인 이용이 가능하게 된다.
[실시예]
다음에, 본 발명자들에 의해 수행된 몇몇 실시예를 후술한다. 이러한 실시예의 목적은, 본 발명의 일 특징에 따라 과량의 암모니아를 주입하고, 열회수 단계의 열교환기로서 쉘-앤-튜브 구조의 비-누출형 열교환기를 사용할 경우에, 산성 암모늄설페이트에 기인한 열교환기 내부 표면(예컨대, 전열면)에서의 스케일 발생이 억제되는 것을 실증하고자 하는 것이다.
우선, 도6에 도시된 실험 장치를 사용하였다. 특히, 에어 히터 82와 냉각기 83은 연소로 81의 하류부에 설치하였다. 또한, 그의 하류부에 불연소 카본 등의 분진을 분리 및 제거하기 위해 사이클론 84를 설치하였다. 이같은 사이클론 84로부터 배출된 배연은 쉘-앤-튜브 구조의 비-누출형 열교환기 85에 주입하였다. 이 경우에, 배연은 열교환기의 쉘부(즉, 가열 튜브의 외부)를 경유하는데, 가열 매질의 열교환기 85의 가열 튜브를 경유하였다. 열교환기 85내의 배연의 열에 의해 가열되는 가열 매질을 냉각시키고, 냉각수를 이용하여 냉각기 86내에서 재생시켰다.
배연내 SO3농도는, 에어 히터 82의 하류부이며 냉각기 83의 상류부인 위치에서 배연내로 SO3를 주입함으로써 조정하였다. 또한, 배연내 암모니아 농도는 사이클론 84의 하류부이며 열교환기의 상류부인 위치에서 배연내로 암모니아(NH3)를 주입함으로써 조정하였다. 열교환기 85는 그의 쉘부에 스틸볼을 연속적으로 산포시킴으로써 소위 스틸볼 클리닝을 수행할 수 있으며, 경우에 따라 스틸볼 클리닝 테스트를 실시하였다.
그 외의 실험 조건들은 다음과 같다.
(연료)
종류: 연료 오일 A.
연소 속도: 15 L/hr.
(배연)
유속: 200 m3N/h.
SO3농도: 25 ppm
NH3농도: 63 ppm
사이클론 도출부에서의 온도: 17 ℃
열교환기의 도입부/도출부에서의 온도: 130/90 ℃
(가열 매질)
주입 온도: 75 ℃
(스틸볼)
산포 속도: 2280 kg/㎡·h.
이 경우에, 배연내의 암모니아 농도는 SO3와의 반응 결과로서의 암모늄설페이트[(NH4)2SO4]에 생성시키기 위해 필요한 당량에 대하여 13ppm 정도를 초과하도록 63(= 50+13) ppm으로 결정되었다. 상기 필요 당량은 SO3의 몰수에 두 배가 되고, 이 경우에는 50(= 25×2) ppm에 해당하는 것이었다.
상기한 바와 같은 조건 하에서, 실험 장치를 스틸볼 클리닝없이 83시간 동안 연속 가동시켰다. 그 이후에, 스틸볼 클리닝을 2시간 동안 수행하였다.
도7은 열교환기 85내에서 기압 손실의 변화를 실측한 결과를 나타낸 것이고, 도8은 전열 성능의 지표가 되는 열교환기 85의 총괄 전열 계수의 변화를 실측한 결과를 나타낸 것이다.
이러한 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 83시간 동안의 연속 가동 후에도 기압 손실 및 총괄 전열 계수의 변화가 비교적 적었다. 또한, 이들은 스틸볼 클리닝에 의해 초기 상태로 완전히 회복될 수 있다.
또한, 83시간 동안의 연속 가동 후에 열교환기 85의 가열 튜브의 표면을 촬영하고, 육안으로 관찰하고, 석출물이 경미하게 되었다. 분석 결과에 의하면, 이 석출물은 NH4/SO4의 몰비가 1.5 내지 1.9인 암모늄설페이트형 화합물이 주로 포함된 것이다.
따라서, SO3농도에 대하여 13ppm 이상을 초과하는 양으로 암모니아를 주입하면, 산성 암모늄설페이트의 생성이 억제되고, 이는 석출물 제거 작업도 매우 용이하게 된다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 일례에 국한되는 것이 아니며, 다양한 방법으로 실시될 수도 있다는 것으로 해석되어야 할 것이다.
예를 들면, 암모니아의 주입은 탈질 장치(또는, 탈질 단계)에서 뿐만 아니라, 탈질 장치의 하류부와 흡수탑 상류부 어느 지점에서도 수행할 수 있다. 예로서는, 도2의 설비에서의 연도 4에서, SO3를 포집하고 탈황 성능을 향상시킬 수 있도록 암모니아를 배연내로 주입하거나, 연도 25(건식 전기집진기 5의 하류부)에서 탈황 성능 향상 등을 위해 암모니아를 배연내로 주입할 수도 있다.
이 경우에, 흡수탑의 탈황 성능을 향상시킬 수 있도록, 흡수탑에 주입되는 배연내에 암모니아 또는 암모늄염(예컨대, 암모늄설페이트)이 잔류하도록, 탈질 단계에서의 암모니아 주입량 및/또는 탈질 단계의 하류부 지점에서의 암모니아 주입량을, 탈질 반응에 필요한 당량 또는 SO3에 대한 당량보다도 과량으로 설정할 수도 있다. 또한, 에어 히터 31 및 기체-기체 히터의 열회수부 24에서 SO3에 기인하는 스케일의 생성을 완전히 억제하기 위해서, 이러한 열교환기로 주입되는 배연내에 잔류하는 암모니아의 농도가 이 배연내내의 SO3의 농도에 대하여 13ppm 이상 초과하도록, 탈질 단계에서의 암모니아 주입량 및/또는 탈질 단계의 하류부 지점에서의 암모니아 주입량을 과량으로 설정할 수도 있다.
더욱이, 예컨대, 도2의 전술한 바와 같은 일례에서는, 에어 히터 31 및 기체-기체 히터의 열회수부 24가 별개로 설치되지만, 이들을 단일 유니트로 조합할 수도 있다. 즉, 예컨대, 에어 히터 31(도2)의 위치에 설치된 열교환기에서 회수된 열에 의해 보일러에 주입되는 공기 C를 가열하고, 가열 매질의 일부를 기체-기체 히터의 재가열부 22에 도입하여 처리된 배열 D를 가열하는 데 사용하는 방식으로 설비를 구성할 수도 있다.
에어 히터 및 기체-기체 히터의 열회수부를 별개로 설치할 경우에도, 기체-기체 히터의 열회수부의 위치는 전기집진기 5의 상류부 지점에 설치될 수도 있다.
이와 관련하여, 전기집진기 5의 상류부에서 배연으로부터의 열회수가 완전히 수행되고, 전기집진기 5로 도입되는 배연의 온도가 추가로 저하된다면, 이는 특히 석탄-연소 보일러로부터의 배연의 경우에는, 증가된 저항력을 기준으로 하여 전기집진기 5 내에서의 분진(예컨대, 부유 회분진) 제거율이 현저하게 향상되기 때문에 유리하다.
[발명의 효과]
상기한 바와 같이, 본 발명의 배연 처리 설비 및 배연 처리 방법에 의해 설비의 소형화 및 비용 절감을 달성할 수 있다.

Claims (7)

  1. 배연을 흡수액과 기체-액체 접촉시켜 흡수액에 흡수시킴으로써 배연으로부터 적어도 이산화황을 제거하는 흡수탑,
    상기 흡수탑으로부터 배출된 배연을 가열하는 재가열부를 포함하는 가열 매질 순환식 기체-기체 히터, 단 여기서 상기 재가열부는 쉘-앤-튜브 구조의 비-누출형 열교환기로 이루어짐,
    상기 흡수탑 및 재가열부를 포함한 배연 유동 경로에 의해 야기되는 압력 손실을 상쇄시킬 수 있도록 배연을 압송하는 팬을 구비하고,
    상기 흡수탑, 상기 재가열부 및 상기 팬은 수직축선상에 일직선으로 배열됨으로써, 처리된 배연을 대기중에 방출하기 위한 굴뚝의 일부로서의 역할을 수행하도록 하는 배연 처리 설비.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 탈질 단계로부터 배출되는 배연내에 잔류하는 암모니아의 농도가 30 ppm 이상이 되도록, 상기 탈질 단계에서의 암모니아 주입량을 설정하는 배연 처리 방법
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 탈질 단계로부터 배출된 배연을 상기 흡수탑의 상류부에 있는 열교환기로 도입하여, 상기 배연으로부터 열을 회수하는 열회수 단계를 추가로 포함하고, 상기 열교환기로서 쉘-앤-튜브 구조의 비-누출형 열교환기를 이용하는 배연 처리 방법.
  4. 제 1 항 또는 3 항에 있어서, 상기 탈질 단계로부터 배출된 배연을 상기 흡수탑의 상류부에 있는 열교환기로 도입하여, 상기 배연으로부터 열을 회수하는 열회수 단계를 추가로 포함하고, 상기 열교환기에 주입되는 배연내에 잔류하는 암모니아의 농도가 이 배연내의 SO3농도에 대하여 13 ppm 이상 초과하도록 상기 탈질 단계에서의 암모니아 주입량 또는 상기 탈질단계의 하류부 지점에서의 암모니아 주입량을 설정하는 배연 처리 방법.
  5. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배연을 흡수액과 기체-액체 접속 시키는 상기 흡수탑의 영역의 하류부에 암모니아가 쉽게 기체상으로 방출되지 못하도록 상기 흡수액보다 산성도가 큰 액체를 스프레이하는 영역을 형성하여, 상기 탈황 단계로 도입된 배연내에 잔류하는 암모니아를 상기 흡수탑으로부터 배출되는 배연 내에 잔류시킴 없이 상기 흡수탑에 흡수시키는 배연 처리 방법.
  6. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡수탑의 상류부에서 배연을 건식 전기 집진기로 도입하여 배연내에 존재하는 분진을 제거하는 제 1 분진 제거 단계와, 상기 흡수탑의 하류부에서 배연을 습식 전기집진기로 도입하여 배연내에 잔류하는 분진을 제거하는 제 2 분진 제거 단계를 추가로 포함하는 배연 처리 방법.
  7. 암모니아를 배연내로 주입하여 함유되어 있는 이산화질소를 분해하는 탈질 장치, 상기 탈질 장치로부터 배출된 배연으로부터 열을 회수하는 열교환기, 상기 열교환기로부터 배출된 배연을 흡수액과 기체-액체 접속시켜 상기 배연으로부터 적어도 이산화황을 상기 흡수액으로 흡수시킴으로써 제거하는 흡수탑, 상기 흡수탑으로부터 배출된 배연을 상기 열교환기에서 회수된열의 적어도 일부를 사용하여 대기중으로 방출하기 적합한 온도로 가열하는 재가열부, 및 상기 흡수탑과 재가열부를 포함한 배연 유동 경로에 기인한 압력 손실을 상쇄시킬 수 있도록 상기 배연을 압송하는 팬을 구비하고,
    상기 흡수탑, 재가열부 및 팬이, 처리된 배연을 대기중으로 방출시키는 굴뚝의 적어도 일부로서의 역할을 수행할 수 있도록 수직축선상에 일직선으로 배열되어 있는, 배연 처리 설비를 사용하여 적어도 이산화질소 및 이산화황을 함유하는 배연을 정화하는 배연 처리 방법으로서,
    상기 탈질 장치의 하류부 지점에서 필요에 따라 배연내로 암모니아를 주입하고 상기 흡수탑에 주입되는 배연내에 암모니아 또는 암모늄염이 잔류하도록 상기 탈질 장치에서의 암모니아 주입량 또는 상기 탈질 장치의 하류부 지점에서의 암모니아 주입량을 탈질 반응에 필요한 당량에 대한 초과량으로 설정하는 방법.
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