KR100483077B1 - 개선된 가스분산판을 이용한 습식 배가스 탈황장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화력발전소에서 배출되는 배가스를 흡수제가 포함된 흡수액과 접촉시켜 배가스 중의 황산화물을 제거하기 위한 것으로, 기-액 접촉을 위한 가스분산판의 구성을 최적화함으로써 배가스 중에 포함되어 있는 SO₂ 가스를 효과적으로 제거하는 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 의하면, 가스분산판의 모양을 주름형태로 하고, 가스분사구멍을 서로 마주보도록 대칭적으로 뚫음으로써 가스 분사시 제트투과거리 이내에서 제트류끼리 서로 충돌하여 미세한 기포를 형성하고, 가스분산판 상부의 기체와 액체의 혼합이 격렬하게 일어나 단위 면적당 기-액 접촉면적을 증가시킬 수 있다.

Description

개선된 가스분산판을 이용한 습식 배가스 탈황장치{wet exhaust gas desulfurization apparatus be utilized an improved gas distribution plate}

본 발명은 가스분산판을 이용한 습식 배가스 탈황장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 화력발전소에서 배출되는 배가스를 흡수제가 포함된 흡수액과 접촉시켜 배가스 중의 황산화물을 제거하는 장치에 관한 것으로, 기-액 접촉을 위한 가스분산판의 구성을 최적화함으로써 배가스 중에 포함되어 있는 SO₂ 가스를 효과적으로 제거하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 석탄이나 유류 등의 화석연료를 연소하는 화력발전소로부터 배출되는 배가스 중에는 먼지, 질소산화물, 황산화물, HCl, 플루오르화물, 미량금속 등의 대기오염물질이 포함되어 있으며, 이를 제거하기 위해 여러 가지 방법들이 고안되어 실용화되고 있다. 이 중에서도 특히 황산화물은 대기 중의 수증기에 흡수되어 산성비를 유발함으로써 산림 및 토양을 황폐화시키는 주 원인이 되고 있다.

따라서, 배가스 중의 황산화물이 대기 중으로 방출되기 전에 황산화물을 제거하는 배연탈황공정이 널리 이용되고 있으며, 그 중에서도 특히 흡수제로서 석회석을 사용하고 부산물로서 석고를 생산하는 습식 석회석-석고법 배연탈황공정이 가장 많이 이용되고 있다.

배연탈황공정은 여러 개의 단위 공정으로 구성되어 있으며, 이중 배가스 중의 황산화물을 기체와 액체의 접촉을 통해 제거 분리하는 가장 중요한 공정은 흡수탑에서 이루어지고 있다. 흡수탑으로는 단탑(spray tower)이 보편적으로 사용되고 있으나, 흡수액에 배가스를 직접 분사하여 기체와 액체의 접촉을 유도하는 가스분사 방식의 흡수탑도 이용되고 있다.

첨부 도면 중 도 1은 습식 석회석-석고법을 이용하는 배연탈황공정의 흐름도를 나타낸 것으로, 도 1의 일반적인 습식 석회석-석고법 배연탈황공정에 있어서 전기집진기(2)를 통과한 비교적 높은 온도를 가지는 배가스(1)는 가압송풍기(booster fan: 3)에서 가압되어 가스덕트와 가스재열기(4)를 거쳐 흡수탑(6)으로 유입된다.

흡수탑으로 유입된 배가스는 단열포화온도로 단열 냉각되고 먼지와 HCl, 플르오르화물의 대부분이 제거됨과 동시에 석회석(5)을 포함하는 슬러리와 기-액 접촉하여 기체와 액체의 접촉을 통해 기상 중에 포함되어 있는 황산화물이 액상으로 이동하고 별도로 공급되는 산화용 공기(7) 중의 산소와 반응하여 황산을 생성한다.

생성된 황산은 흡수제인 석회석과 반응하여 그 결과로서 부산물인 석고를 생성한다. 흡수탑(6) 내에서 생성되는 부산 석고(8)는 일정 속도로 흡수탑으로부터 배출되며, 흡수탑에서 처리된 배가스는 흡수탑 외부로 배출되어 미스트 제거기(9)를 통과하고 가스재열기(4)를 거쳐 굴뚝(10)으로 배출된다. 이 중에서 흡수탑(6)은 기-액 접촉을 통해 물질 전달을 유도함으로써 황산화물을 제거하는 가장 중요한 설비이다.

기체와 액체를 접촉시켜 물질 전달을 유도하는 방법에는 여러 가지가 있으나, 단탑을 이용하는 경우에는 흡수탑의 하부 또는 중간부에 배가스를 불어넣고 탑의 상부에서 펌프를 이용해 흡수제가 포함된 슬러리를 분사하는 방법을 이용하고 있다.

단탑에서 SO₂ 제거율을 높이기 위해서는 흡수탑 내에서 기체와 액체의 접촉면적을 크게 하든가 접촉시간을 늘려야 한다. 기-액 접촉면적을 증가시키기 위한 방법으로는 L/G비(배가스에 대한 슬러리 순환비)를 크게 하여 단위 배가스량에 대한 슬러리의 분사량을 증가시키거나 분사되는 액적의 크기를 작게하는 방법이 있으나 L/G비를 증가시키면 펌프의 동력소모가 증가한다는 단점이 있고, 액적의 크기를 작게하면 미세한 슬러리가 배가스와 함께 동반 월류(carryover)하여 흡수탑 후단에 설치되어 있는 미스트 제거기나 가스재열기에 고착되어 스케일화된다. 이는 탈황설비 배가스 송풍계통의 추가적인 압력손실을 유발하여 탈황설비의 가장 빈번한 운전정지의 원인이 된다.

SO₂ 제거율을 높이기 위한 또 다른 방법은 흡수탑 내에서 슬러리의 체류시간을 증가시켜 기-액 접촉시간을 증가시키는 것으로, 이를 위해서는 흡수탑의 크기가 커져야 하므로 초기 투자비가 증가한다는 단점이 있다.

단탑은 장치의 내부가 비교적 단순하기 때문에 흡수탑 내에서의 압력손실이 적은 장점이 있으며, 고압의 슬러리 분사노즐을 사용하기 때문에 전체 소비 동력 중 슬러리 순환펌프가 차지하는 비율이 높다. 그러나, L/G비가 고정되어 있어 운전 중 배가스량의 변화나 배가스 중의 황산화물 농도의 변화에 대한 적응성이 떨어지며 흡수탑 내에서의 체류시간이 길어 화학반응을 정밀하게 제어하기가 곤란하다는 단점이 있다.

이에 반해 배가스를 슬러리에 직접 분사하는 가스 분사식 흡수탑은 그 장치 특성상 접촉시간이 매우 짧음에도 불구하고 기-액 접촉효율이 높을 뿐만 아니라 흡수탑 차압조절을 통해 운전 중 배가스량의 변화나 배가스 중의 황산화물 농도의 변화에 유연하게 대응할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 기-액 접촉시간이 0.2초 내지 0.5초로 매우 짧기 때문에 정밀하게 화학반응을 제어하기가 용이하다. 이러한 빙식의 흡수탑은 슬러리 순환펌프가 필요치 않은 반면에 전체 소비동력 중 가압송풍기가 차지하는 비율이 매우 높다. 대표적인 공정으로 제트버블링 리액터(미국특허 제4,368,060호)와 가스층 다공판형 배연탈황장치(미국특허 제5,660,616호)가 있다.

가스분사방식의 흡수탑에서 기-액 접촉효율은 가스분사장치의 형태와 종류에 따라 달라질 수 있으며, 최소의 압력손실로 최대의 기-액 접촉면적을 얻는 것이 관건이다.

가스분사방식의 흡수탑에서 황산화물의 제거율은 흡수탑 차압 즉, 압력손실에 의해서 결정되고 흡수탑 차압은 곧 가압송풍기의 소비동력을 의미하므로 흡수탑의 차압을 낮게 유지하면서 높은 황산화물 제거율을 달성하기 위해서는 기-액 접촉효율을 극대화할 수 있도록 가스분사장치의 구성을 최적화하는 것이 필요하다.

종래 개발된 가스층 다공판형 배연탈황장치 및 방법(대한민국 특허 제130,410호, 미국특허 제5,660,616호)과 배가스 처리를 위한 기-액 접촉장치(대한민국 특허 제219,718호)에서는, 도 2에 예시한 바와 같이 다수의 가스분사구멍(008)이 천공된 단일 단의 가스분산판(007)을 기-액 접촉장치로 사용하여 가스분산판(007) 하부에 도입되는 배가스(001)의 압력에 의해 가스분산판(007) 하부에 가스층(006)이 형성되고, 가스분사구멍(008)을 통해 가스가 분출되도록 함으로써 가스분산판(007) 상부에 미세기포로 이루어진 기포층(003)이 형성되도록 하였다.

기포층(003)의 형성에 따라 높은 위치에너지를 가지게 되는 기체분산판(007) 상부의 기-액 혼합물이 적정 높이로 설치된 다수의 V홈을 가지는 월류관(005)을 넘어 액 하강관(004)으로 월류하면 액 하강관(004)과 기포층(003) 사이에 수두차가 발생하게 되고, 이 수두차가 분산판 상부와 하부의 흡수액이 연속적으로 순환되도록 하는 추진력으로 작용하게 됨으로써, 별도의 순환펌프 없이도 가스분산판(007) 상ㆍ하부의 흡수액이 액 상승관(009)과 액 하강관(004)을 통해 매우 빠른 속도로 순환되도록 되어 있다.

그러나, 이러한 방식의 흡수탑을 실제 적용하여 운전해본 결과 가스도입관의 끝단과 가까운 지점에 위치한 가스분사구멍과 먼 곳에 위치한 가스분사구멍에서의 가스속도에 차이가 발생하며, 이 때문에 기-액 접촉 효율이 저감된다는 것을 확인할 수 있었다. 가스분사구멍(008)에서의 가스속도구배(011)가 발생한 이유는 가스도입관(002)을 통해 가스가 가스분산판(007) 하부로 도입될 때, 도 3에서와 같이 가스분산판(007) 하부의 가스층(006)에 구배가 생기기 때문이다. 물론, 가스도입관(002)의 개수가 증가하면 이 구배는 감소하겠지만, 어떠한 경우에도 가스분사구멍(008)에서 분사되는 가스의 속도는 레이놀즈수 10,000에서 수만 정도의 제트류를 형성하기 때문에 가스분사시 가스분사구멍(008)으로부터 일정 거리의 제트투과거리(jet penetration length)(012)를 경과한 후에야 기포를 형성하게 된다.

따라서, 기-액 접촉 장치로 평평한 분산판을 이용하는 경우에는 분산판에서 제트투과거리 상부까지의 부분에서는 도 3에 나타난 바와 같이 일종의 데드 스페이스(dead space : 013)가 발생하며, 이로 인해 분산판 상부에서의 기-액 접촉효율이 저하될 수 밖에 없으며 분산판 단위면적당 기-액 접촉 면적이 감소하게 된다.

이에 본 발명은 가스분산판의 형상을 조정하여 이러한 문제점을 해결하고, 기-액 접촉효율을 최대화할 수 있는 가스분산판을 갖는 가스분사장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 개선된 가스분산판을 이용한 습식 배가스 탈황장치는 수많은 가스분사구멍이 천공된 가스분산판을 사용하여 배가스가 알칼리 흡수제를 포함하는 흡수액 슬러리에 직접 분사되도록 구성되어 있는 배연탈황 장치로서, 그 개선점은 배가스 도입관과 연결되어 있는 가스분산판의 형상을 주름모양을 가지도록 하고, 상기 가스분사구멍이 서로 마주보도록 천공되어 있음으로써 가스 분사시 가스분사구멍으로부터 분사되는 제트기류에 의해 발생하는 제트류가 제트투과거리 이내에서 서로 충돌하여 미세한 기포를 형성하여 배가스 중의 황산화물을 제거할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부 도면 중 도 4는 본 발명에 따른 가스분산판이 설치된 주위를 개략적으로 나타낸 가스분사장치로서 가스분사구멍(018)이 일렬로 서로 마주보도록 그리고 대칭되도록 가스분산판(017)이 주름진 형태로 제작되어 있음을 알 수 있다.

가스분산판(017)의 모양을 주름형태로 하고, 가스분사구멍(018)을 서로 대칭되도록 뚫음으로써 가스 분사시 제트투과거리 이내에서 제트류끼리 서로 충돌하여 미세한 기포를 형성하고, 가스분산판(017) 상부의 기체와 액체의 혼합이 격렬하게 일어나 단위 면적당 기-액 접촉면적이 증가할 수 있게 된다.

본 발명에서 가스분산판(017)의 주름 각도(014)는 90도 내지 120도가 적당하다.

본 발명에 따르면, 평평한 분산판에서 가스를 분사할 때 보다 가스의 제트투과거리도 짧아질 뿐 아니라 제트기류끼리 서로 충돌하면서 잘게 부수어져 미세한 기포를 만들기 때문에 동일한 조건하에서 기-액 접촉면적이 대폭적으로 증가하게 된다.

즉, 가스분산판 상부의 수두가 동일한 경우에는 황산화물 제거율이 높아지게 되고, 따라서 일정한 황산화물 제거율을 유지하기 위한 가스분산판 상부의 수두를 낮출 수가 있기 때문에 결과적으로 흡수탑의 압력 손실을 낮추는 것이 가능하게 된다.

이렇게 하면 가압송풍기의 출구압력을 낮게 설계할 수 있으므로 동력 소비를 절감할 수 있다.

도 1은 습식 석회석-석고법을 이용하는 배연탈황공정의 흐름도이다.

도 2는 종래의 단일 단의 가스분산판을 갖는 가스분사장치의 개략도이다.

도 3은 도 2의 가스분산판의 주위를 확대하여 나타낸 개략도이다.

도 4는 본 발명에 따른 가스분산판이 설치된 주위를 나타낸 도면이다.

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명-

1 : 배가스 2 : 전기집진기

3 : 가압송풍기 4 : 가스재열기

5 : 석회석 6 : 흡수탑

7 : 산화용 공기 8 : 부산석고

9 : 습분분리기(미스트 제거기) 10 : 굴뚝

000 : 흡수탑 001 : 배가스

002 : 배가스 도입관 003 : 기포층

004 : 액 하강관 005 : 월류관

006 : 가스층 007,017 : 가스분산판

008,018 : 가스분사구멍 009 ; 액 상승관

010 : 처리가스 011 : 가스속도구배

012 : 제트투과거리 013 : 데드 스페이스

014 : 분산판 주름각

Claims (3)

1. 수많은 가스분사구멍이 천공된 가스분산판을 사용하여 배가스가 알칼리 흡수제를 포함하는 흡수액 슬러리에 직접 분사되도록 구성되어 있는 습식 배가스 탈황장치에 있어서,

   배가스 도입관(002)과 연결되어 있는 가스분산판(017)의 형상을 주름모양을 갖도록 하고, 상기 가스분산판(017)의 가스분사구멍(018)을 서로 마주보도록 천공함으로써 가스 분사시 가스분사구멍(018)으로부터 분사되는 제트기류에 의해 발생하는 제트류가 제트투과거리 이내에서 서로 충돌하여 미세한 기포를 형성하여 배가스 중의 황산화물을 제거할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 개선된 가스분산판을 이용한 습식 배가스 탈황장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 가스분산판(017)은 그 상부에서의 기-액 접촉 효율을 증가시키기 위해 주름진 가스분산판(017)의 각도(014)를 90도 내지 120도로 설정한 것을 특징으로 하는 개선된 가스분산판을 이용한 습식 배가스 탈황장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 가스분산판(017)의 가스분사구멍(018)은 서로 대칭되도록 배치되어 잇는 것을 특징으로 하는 개선된 가스분산판을 이용한 습식 배가스 탈황장치.