KR100391567B1 - 수재스택에서발생하는증기및황화수소제거방법및장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수재스택에서 발생되는 증기와 황화수소를 제거하여 주변설비의 조기 부식을 방지하고 주변 작업자들의 작업환경을 개선할 수 있도록 하는 수재스택에서 발생하는 증기 및 황화수소 제거방법 및 장치에 관한 것으로, 수재스택에서 발생되는 증기와 황화수소와 공기의 혼합가스 중의 증기를 스프레이 타워에서 상기 증기의 흐름방향의 역방향으로 흐르는 냉각수에 의해 제거하고, 상기 스프레이 타워에 공급되는 냉각수는 사용후에 냉각탑에 의해 냉각되어 순환 사용되고, 상기 증기가 제거된 황화수소와 공기의 혼합가스 중의 황화수소는 블로와에 의해 황화수소 제거 반응기에 유입되어 흐르면서 가성소다 수용액에 의해 중화 제거되는 것을 특징으로 한다.

Description

수재스택에서 발생하는 증기 및 황화수소 제거방법 및 장치{Method and system to eliminate steam and hydrogen sulfide emitted from slag granulation stack}

본 발명은 수재스택에서 발생되는 증기와 황화수소를 제거하여 주변설비의 조기 부식을 방지하고 주변 작업자들의 작업환경을 개선할 수 있도록 하는 수재스택에서 발생하는 증기 및 황화수소 제거방법 및 장치에 관한 것이다.

고로에서 선철이 생산되는 제선공정에서는 부수적으로 슬래그가 발생되고, 이 슬래그를 처리하는 방법은 다음의 두 가지가 있다.

첫 번째는 드라이 피트(dry pit)에서 괴재로 만드는 방법이고, 두 번째는 수재설비에서 슬래그 샌드(slag sand)를 만드는 방법이다.

일반적으로는 슬래그를 괴재로 만드는 방법보다는 수재로 만드는 방법이 경제적이나, 대부분의 경우에 수재 설비의 용량 한계로 인하여 괴재와 수재를 혼합하여 처리하고 있는 실정이다.

수재의 제조공정 및 수재설비에서의 증기 및 황화수소의 발생과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저 고로에서 발생된 고온의 용융상태의 슬래그는 탕도를 통하여 수재설비의 교반조 중간부로 공급되며, 이때 슬래그에 물을 뿌려 냉각, 분쇄 및 응고시켜 수재를 만들게 된다. 수재와 냉각수는 교반조의 하부에서 일정시간 체류한 후, 슬러리 펌프에 의해 분리조로 보내지고, 그 분리조에서 물과 수재를 분리하여 수재는 트럭에 의해 필요한 곳으로 수송되어 재사용되고, 분리된 냉각수는 냉각탑에서 냉각된 후 재순환된다.

이와 같은 슬래그의 냉각, 분쇄 및 응고과정에서는 다량의 증기가 발생되고,이 과정에서 슬래그 내에 포함된 황성분과 물이 반응하여 황화수소가 발생되며, 이처럼 수재설비에서 발생한 증기 및 황화수소는 교반조 상부의 수재스택을 통하여 대기 중으로 방출된다.

방출된 증기와 황화수소의 혼합가스는 부식성이 강하여 주위 설비를 조기에 부식시킬 뿐만 아니라, 황화수소는 계란 썩는 냄새가 나는 전형적인 악취발생물질로 설비 주위에서 악취를 발생시키므로, 발생되는 증기 및 황화수소는 반드시 제거되어야 하고, 증기 및 황화수소를 제거하기 위한 설비를 설계하기 위해서는 그 기준이 되는 발생량의 측정이 필수적이다.

수재설비에서 증기 및 황화수소를 제거하기 위한 종래의 기술로 특허출원 제93-065086호의 용광로 슬래그로부터 슬래그샌드 제조방법 및 장치가 있었다.

이 방법은 물 추진 분사류가 수용기로 직접 도입되고, 이와 같이 생기는 증기와 가스는 수용기에서 부분적으로 응축되고 잔류증기와 잔류가스는 물로 분무되어 응축되며, 아직 남아 있는 잔류가스는 분무헤드로 다시 재순환되는 것이 특징이고, 수용기 내에서 부분적으로 응축된 황화수소가스는 슬래그내의 Ca성분과 반응하여 제거된다.

현재 일부 가동되고 있는 슬래그샌드 제조장치에는 물 추진 분사류가 수용기의 상부로 도입되어 발생 증기 및 황화수소가 그대로 배출되고 있음에도 불구하고, 냉각수의 재활용을 위하여 냉각탑에서 냉각시에 냉각수 내에 녹아 있는 황화수소가스의 일부가 대기중으로 재배출되므로 증기 및 황화수소에 의하여 주변설비 부식이 발생되고 있다.

이 현상으로 보아 상기 방법과 같이 추가의 황화수소에 대한 처리과정이 없이 수재설비에서 발생되는 황화수소가스를 수용기 내에서 응축시킬 경우에는 냉각탑 주위에서 발생되는 황화수소량이 증가되어 냉각탑 주위의 오염이 증가되는 단점이 있다.

또한, 상기 방법에서 잔류가스가 분무헤드로 다시 재순환되며, 수재설비는 연속적이 아닌 단속적으로 운전되는 설비이므로, 수재설비의 가동중단 등으로 냉각수 분무가 중단되어 음압이 없어질 경우에는 교반조 및 그 상부에 농축된 잔류가스가 외부로 배출될 우려가 있다.

또한, 슬래그 투입구에는 모래를 이용하여 매 출선마다 보수를 하여야 하나, 외부공기의 유입 차단막을 설치할 경우에는 보수의 어려움이 있다.

더욱이 기존에 슬래그샌드 제조장치가 설치되어 있기 때문에 증기 및 황화수소 제거장치만을 추가로 설치할 경우에 상기 방법을 적용하는 데 다음의 이유로 인하여 어려움이 있다.

먼저 기존 설비에서는 교반조 및 스택에서 필요한 하중을 고려하여 설치되었으며, 상기 방법을 이용할 경우에는 추가장치가 교반조 상부에 설치되어야 하므로 하부 보강공사를 하여야 하나 대부분의 경우 보강공사에 어려움이 많아 적용이 불가능한 경우가 많다.

또한, 상기 방식에서는 물 추진 분사류가 수용기로 직접 도입되어 공급 냉각수가 슬래그의 냉각과 동시에 발생증기의 응축에 이용되어야 하므로, 냉각수의 유량을 기존보다 증가시키거나 공급냉각수의 온도를 낮게 유지시켜야 하므로, 기존의슬래그샌드 제조설비를 위한 추가 냉각탑을 설치하여야 할 뿐만 아니라, 교반조 상부 분사 냉각수용 냉각탑도 신규로 설치하여야 하므로 공사비가 많이 들어 경제성이 떨어진다.

한편, 수재설비에서 증기 및 황화수소를 제거하기 위한 종래의 기술로서, 수재스택 상부에서 배출되는 증기, 황화수소 및 공기의 혼합가스를 일반적으로 공개된 기술인 스프레이 타워(Spray Tower)를 이용하여 증기의 배출방향과 동일 방향으로 냉각수를 분사하여 증기를 제거하는 방법이 알려져 있다.

그러나, 이와 같이 증기의 배출방향과 동일 방향으로 냉각수를 분사할 경우에는 반대 방향으로 냉각수를 분사할 경우보다 증기 제거 효율이 떨어지고, 배출 혼합가스의 온도가 높게 유지될 수 있다.

더욱이 배출되는 황화수소의 제거방법에 대해서는 지금까지 알려져 있지 않다.

본 발명은 증기제거 방법에 있어서 효율적이고, 황화수소제거 방법에 대하여 구체적인 방안을 포함한 수재설비에서 수재를 제조하는 과정에서 발생되는 증기 및 황화수소를 제거하는 개선된 장치 및 방법에 대한 것으로, 기존에 사용되고 있는 슬래그샌드 제조설비에서 배출되는 부식성이 강하면서 악취의 발생 원인이 되는 증기 및 황화수소를 제거함으로써, 주변 설비의 조기 부식을 방지하고, 설비 주변 작업자들의 작업환경을 개선할 수 있는 수재스택에서 발생하는 증기 및 황화수소 제거방법 및 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 상술한 공지기술에 있어서의 장치 또는 방법에서 발생될 수 있는 문제점인 냉각탑 주위에서의 황화수소 발생량 증가, 수재설비 중단시 농축된 잔류가스의 외부 배출, 기존 슬래그샌드 제조설비에 제거장치를 추가 설치할 경우에 발생되는 냉각탑의 이중설치 필요성, 슬래그 투입구의 보수의 어려움, 하중 증가에 따른 하부 보강공사의 어려움, 비효율적인 증기제거능력, 황화수소 제거방안에 대한 불명확성 등을 개선함으로서 보다 효과적인 증기 및 황화수소제거 장치 및 방법을 제공함에 또다른 목적이 있다.

도 1은 증기 및 황화수소 제거장치를 나타낸 개략도,

도 2는 시간에 따른 혼합가스의 배출온도 변화의 일례를 나타낸 그래프,

도 3은 두가지 농도의 가성소다 수용액이 반응기에서 사용되었을 때 반응기 출구에서의 황화수소 농도변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 교반조 2 : 수재스택

3 : 버터플라이 밸브 4 : 스프레이 타워

5 : 온수저장조 6 : 냉각탑

7 : 냉수저장조 8 : 급수펌프

9 : 오토 스트레이너 10 : 미스트 제거기

11 : 블로와 12 : 황화수소 제거 반응기

13 : 가성소다 저장조 14 : 공기 배출스택

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수재스택에서 발생하는 증기 및 황화수소 제거방법은, 수재스택에서 발생되는 증기와 황화수소와 공기의 혼합가스 중의 증기를 스프레이 타워에서 상기 증기의 흐름방향의 역방향으로 흐르는 냉각수에 의해 제거하고, 상기 스프레이 타워에 공급되는 냉각수는 사용후에 냉각탑에 의해 냉각되어 순환 사용되고, 상기 증기가 제거된 황화수소와 공기의 혼합가스 중의 황화수소는 블로와에 의해 황화수소 제거 반응기에 유입되어 흐르면서 가성소다 수용액에 의해 중화 제거되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 가성소다 수용액이 9.5 이상으로 pH가 유지됨을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 수재스택에서 발생하는 증기 및 황화수소 제거장치는, 수재스택(2)에 연결되어 증기를 제거하는 스프레이 타워(4)와, 상기 스프레이 타워(4)에 냉각수를 공급하기 위하여 냉각탑(6)이 설치된 냉수저장조(7)에 연결되어 있는급수펌프(8)와, 상기 수재스택(2)에서 발생되는 증기와 황화수소의 혼합가스를 흡입하기 위하여 상기 스프레이 타워(4)의 후단에 설치된 블로와(11)와, 상기 불로와(11)로부터 유입되는 황화수소를 제거하기 위한 가성소다 수용액이 담겨진 황화수소 제거 반응기(12)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이하에서 첨부도면을 참조하여 본 발명 수재스택에서 발생하는 증기 및 황화수소 제거방법 및 장치에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 수재스택에서 발생하는 증기 및 황화수소 제거장치의 개략도이다.

고로에서 발생된 고온의 슬래그는 교반조(1) 투입구에서 냉각수에 의하여 응고, 분쇄, 냉각되면서 증기와 황화수소가 발생된 후 블로와(11)에 의하여 발생되는 음압으로 인하여 교반조 투입구를 통하여 유입되는 공기와 함께 수재스택(2)으로 상승된다.

이 혼합가스는 배관을 통하여 스프레이 타워(4)로 공급되고, 이 스프레이 타워(4)에서 노즐을 통하여 분사되는 냉각수에 의하여 혼합가스 중의 증기는 물로 응축된다.

이 때 혼합가스는 스프레이 타워(4)의 하부에서 상부로 공급되며, 냉각수는 상부에서 하부로 노즐을 통하여 혼합가스의 진행방향의 역방향으로 분사된다.

종래와는 달리 본 발명에서 채택한 증기의 흐름방향과 냉각수의 분사방향을 반대방향으로 하는 경우에는 냉각수량을 감소시켜 냉각수 배출온도가 90℃ 이상에 이를 때까지 증기가 모두 제거되나, 증기의 흐름방향과 냉각수의 분사방향이 동일한 종래의 방법에서는 냉각수 배출온도가 90℃ 보다 훨씬 낮은 온도에서 일부 증기가 스프레이 타워(4)의 후단으로 배출된다. 즉 증기제거를 위한 스프레이 타워(4)에서의 증기와 분사 냉각수의 흐름 방향이 서로 반대의 경우에 증기 제거효과가 뛰어나다는 것을 알 수 있다.

한편, 증기 및 황화수소 제거장치에 이상이 발생하는 등의 비상시 수재 생산 조업의 중단을 방지하기 위하여 수재스택(2)의 최상부에 버터플라이 밸브(3)가 설치되어 있으며, 이와 같은 비상시에는 증기 및 황화수소 제거장치 설치 전과 같은 방법으로 조업이 수행될 수 있다.

상기 스프레이 타워(4)의 하부에 쌓이는 냉각수는 응축된 증기의 엔탈피 변화에 의하여 온도가 상승하게 되며, 이 냉각수는 중력에 의하여 온수저장조(5)로 보내진다.

이때 슬래그 냉각시 발생하는 실모양의 슬래그는 수재스택(2)을 통하여 상승하여 상기 스프레이 타워(4)에서 냉각수에 의하여 포집되어 배출되는 냉각수와 함께 상기 온수저장조(5)로 보내지며, 그 곳에서 침전된다.

이 온수저장조(5)의 바닥에 쌓이는 실모양의 슬래그는 온수저장조(5)의 정기수리시에 처리될 수 있다.

그리고 이 온수저장조(5)에 저장된 온수는 냉각탑(6)에 의하여 냉각된 후 냉수저장조(7)로 보내지고, 이 냉각수는 급수펌프(8)에 의하여 상기 스프레이 타워(4)로 보내지게 되어 계속하여 순환된다.

냉각수가 스프레이 타워(4)로 보내지기 전에, 스프레이 타워(4)에서 노즐에의하여 분무될 때 노즐의 막힘을 방지하기 위하여 냉각수 내에 함유되어 있는 입자상의 물질은 오토 스트레이너(9)에서 제거된다.

이와 같은 과정을 통하여 증기가 제거된 황화수소와 공기의 혼합가스는 상기 스프레이 타워(4)의 상부를 통하여 블로와(11)에 의하여 황화수소 제거 반응기(12)로 공급된다.

증기 및 황화수소 제거장치가 설치되어 있지 않은 종래의 슬래그샌드 제조장치에서는 수재스택(2)의 굴뚝효과에 의하여 외부공기가 슬래그 투입구로 유입되나, 증기 및 황화수소 제거장치가 설치되어 있는 경우에는 굴뚝효과는 더 이상 발생하지 않으므로, 블로와(11)를 설치하지 않을 경우에는 슬래그 투입구로 발생 증기가 역류하여 작업공간으로 다량의 증기가 배출되며, 황화수소 제거 반응기에서 압력손실이 발생하기 때문에, 상기한 압력조건을 유지하기 위하여 블로와(11)의 설치가 필요하다.

슬래그 투입구에서의 증기의 역류를 방지하고 황화수소 제거 반응기에서 발생하는 압력수두 및 혼합가스 배관에서의 압력손실을 이길 수 있는 상기와 같은 블로와(11)의 용량을 결정하기 위해서는 다음을 고려하여야 한다.

블로와(11)의 유량용량은 증기 및 황화수소 제거장치 설치 전 유량의 1/50 정도가 필요하고, 블로와(11)의 압력용량은 총배관 압력손실(수재스택(2)과 공기배출스택(14) 사이 배관에서의 압력손실), 스프레이 타워(4)에서의 압력손실, 미스트 제거기(10)에서의 압력손실, 황화수소 제거기(12)에서의 수두손실의 합에서 공기배출스택(14)에서의 굴뚝효과를 뺀 압력손실을 이길 수 있을 만큼 필요하다.

상기한 블로와(11)의 용량은 설치장소 및 조건에 따라 변하므로 각 경우에 대하여 구체적인 계산을 통하여 결정되어야 한다.

또한, 상기 스프레이 타워(4)에서 배출되는 황화수소와 공기의 혼합가스는 미스트 형태의 소량의 수분이 함유되어 있을 수 있으며, 이 미스트는 미스트 제거기(10)에 의하여 포집된 후 스프레이 타워(4)의 하부로 순환된다.

황화수소 제거 반응기(12)에서는 일정 농도의 가성소다 수용액이 사용되며, 황화수소와 공기의 혼합가스는 이 황화수소 제거 반응기(12)의 내부에서 상승하면서 황화수소가 제거된다.

또한, 가성소다 저장탱크(13)에 일정량의 가성소다 수용액을 보관하여 필요시 반응기 내부의 가성소다 수용액이 황화수소 제거능력이 떨어질 때에 교체할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 황화수소 제거 반응기(12)에서 배출되는 공기에는 미량의 물이 미스트 형태로 존재할 수 있으며, 이 미스트는 상기 황화수소 제거 반응기(12)의 후단에 설치된 미스트 제거기(10)에 의하여 포집되어 순환된다.

이 미스트 제거기(10)를 통과한 공기는 공기배출스택(14)을 통하여 최종적으로 대기 중으로 배출된다.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

증기 및 황화수소 제거장치를 설치하기 전에 수재스택(2)을 통하여 배출되는 증기, 황화수소, 공기의 유량 및 혼합가스의 배출온도를 측정하였고, 이 기간 중 출선 개시 후 93분 경과시의 배출량을 다음의 표 1에 나타내었다.

[표 1]

증기 배출량	질량유량(㎏/s)	7.41
	체적유량(㎥/s)	30.65
공기 배출량	질량유량(㎏/s)	17.29
	체적유량(㎥/s)	17.05
혼합가스 배출온도(℃)	75

1회의 출선시간은 경우에 따라 다르나 대체로 약 2~3시간이 유지되며, 이 기간동안 시간에 따른 혼합가스의 배출온도 변화의 한 예를 도 2에 나타냈다.

다음에는 냉각수 급수펌프(8)의 용량을 결정하기 위한 한 예로, 위의 표 1에 나타낸 바와 같은 배출온도가 75℃인 증기와 공기의 혼합가스가 스프레이 타워(4)로 유입되어 40℃로 냉각되면서 증기가 제거되어 배출되며, 냉각수가 20℃로 유입되어 40℃로 배출될 경우의 필요 냉각수량은 증기 및 냉각수의 엔탈피 밸런스에 의하여 구할 수 있으며, 그 필요냉각수량은 227㎏/s이다.

또한, 40℃에서의 포화증기량에 해당하는 증기량을 제외한 응축증기량에 의한 냉각수 증가량은 5.84㎏/s 이다.

다음에는 일정 농도의 황화수소 혼합가스가 상기 황화수소 제거 반응기(12)로 공급될 경우, 두가지 농도의 가성소다 수용액이 반응기에서 사용되었을 때 반응기 출구에서의 황화수소 농도변화를 측정한 결과를 도 3에 나타내었다.

가성소다 수용액에 의한 황화수소 제거효율은 98% 이상으로 매우 효과적이며, 일정기간 경과 후 황화수소 배출농도가 급격히 증가한다.

황화수소가스와의 중화에 의하여 가성소다 수용액의 pH는 점점 감소하여, 가성소다 수용액의 pH가 9.5 부근에서 황화수소 제거능력이 떨어져 황화수소 배출농도가 급격히 증가한다.

즉, 가성소다 사용 가능기간은 수용액의 pH에 의하여 결정되며, 가성소다 수용액의 pH가 9.5에 도달하기 전에 새로운 수용액으로 교체되어야 한다.

또한, 가성소다 수용액의 초기농도는 황화수소 제거효율과 무관하며, 단지 가성소다 수용액의 초기농도가 낮을 경우에 황화수소 제거능력 보유기간이 짧아진다.

본 발명은 기존에 사용되고 있는 슬래그샌드 제조장치에서 배출되는 부식성이 강하면서 악취발생 원인이 되는 증기 및 황화수소를 제거함으로써, 주변 설비의 조기 부식을 방지하고, 설비 주변 작업자들의 작업환경을 개선할 수 있다.

또한, 냉각탑 주위에서의 황화수소 발생량 증가, 수재설비 중단시 농축된 잔류가스의 외부 배출, 기존 슬래그샌드 제조장치에 제거장치를 추가 설치할 경우에 발생되는 냉각탑의 이중설치 필요성, 슬래그 투입구의 보수 어려움, 하중 증가에 따른 하부 보강공사의 어려움, 비효율적인 증기제거능력, 불명확한 황화수소 제거방안 등과 같은 기존에 알려진 장치 또는 방법에서 발생될 수 있는 문제점들을 개선할 수 있는 보다 효과적인 증기 및 황화수소 제거방법 및 장치를 제공할 수 있다.

Claims (3)

1. 수재스택에서 발생되는 증기와 황화수소와 공기의 혼합가스 중의 증기를 스프레이 타워에서 상기 증기의 흐름방향의 역방향으로 흐르는 냉각수에 의해 제거하고, 상기 스프레이 타워에 공급되는 냉각수는 사용후에 냉각탑에 의해 냉각되어 순환 사용되고, 상기 증기가 제거된 황화수소와 공기의 혼합가스 중의 황화수소는 블로와에 의해 황화수소 제거 반응기에 유입되어 흐르면서 가성소다 수용액에 의해 중화 제거되는 것을 특징으로 하는 수재스택에서 발생하는 증기 및 황화수소 제거방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 가성소다 수용액은 9.5이상으로 pH가 유지됨을 특징으로 하는 수재스택에서 발생하는 증기 및 황화수소 제거방법.
3. 수재스택에서 발생하는 증기와 황화수소를 제거하기 위한 장치에 있어서, 수재스택(2)에 연결되어 증기를 제거하는 스프레이 타워(4)와, 상기 스프레이 타워(4)에 냉각수를 공급하기 위하여 냉각탑(6)이 설치된 냉수저장조(7)에 연결되어 있는 급수펌프(8)와, 상기 수재스택(2)에서 발생되는 증기와 황화수소의 혼합가스를 흡입하기 위하여 상기 스프레이 타워(4)의 후단에 설치된 블로와(11)와, 상기 불로와(11)로부터 유입되는 황화수소를 제거하기 위한 가성소다 수용액이 담겨진 황화수소 제거 반응기(12)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 수재스택에서 발생하는 증기 및 황화수소 제거장치.