KR100709524B1 - 기체 처리 방법 - Google Patents

Abstract

기체 중의 SO₃ 성분을 중화시키기 위해, SO₃ 성분을 함유하는 60 ℃ 이상의 기체에, 평균 입자 직경이 20 ㎛ 이하인 탄산수소나트륨 분말과 탄산수소나트륨용 고결방지제(anti-caking agent)의 혼합물을, 탄산수소나트륨 분말을 기준으로 하여 0.1 내지 5 중량%의 양으로 첨가하는 것을 포함하여 이루어지는, SO₃ 성분을 함유하는 기체의 처리 방법.

Description

기체 처리 방법{METHOD FOR TREATING A GAS}

도 1은 보일러에서의 연소에 의해 수득한 배기 가스를 처리하기 위한 통상적인 방법을 나타내는 모식도이다.

본 발명은 황 성분을 함유하는 연료의 보일러 등에 의한 연소에 의해 발생한 기체 등에 포함된 SO₃ 성분을 효율적이고 안전하게 중화시키기 위한, 기체 처리 방법에 관한 것이다.

황 성분을 함유하는 연료를 사용할 경우, 배기 가스에 거의 언제나 SO₃가 포함되어 있어서 기기의 부식과 대기 오염을 유발한다. SO₃는 배기 가스에 포함된 수증기와 반응하여 황산 미스트(mist)를 형성하고, 공기 중으로 방출될 경우 이는 백색 스모크나 자색 스모크를 형성한다. 따라서, SO₃를 제거하기 위해, 유기 용매에 분산된 마그네슘 또는 칼슘의 산화물 또는 수산화물 등을 가지는 슬러리를 연료에 미리 첨가하여 SO₃ 형성을 방지하거나, 연소 후에 SO₃를 중화하는 방법이 통상적으로 사용되었다. 그러나, 각 방법에서, 첨가제가 보일러 중의 열교환기에 침착하 기 쉽고, 다량의 첨가제가 침착할 경우, 보일러의 작동이 방해받으므로 다량의 첨가제를 사용하기가 어렵다.

또한, 연도(flue) 내에서 SO₃를 능동적으로 중화하기 위해, 배기 가스가 공기 예열기를 통과한 후 연도에, 수산화칼슘, 산화마그네슘 또는 수산화마그네슘 등의 분말, 또는 물에 분산된 상기 분말을 가지는 슬러리를 주입하는 방법이 사용되었다. 그러나, 분말 자체가 상기 방법에 의해 주입된 경우, 분말이 나선형 공급 장치 등의 수단에 의해 주입되면서, 정량성이 떨어지게 되고, 안정한 효과를 얻기 힘들다. 또한, 슬러리를 주입하는 경우, 슬러리에 포함된 분말이 침착하여 슬러리 주입용 수송 라인을 막는 경향이 있어서, 이 방법은 안정적으로 수행하기 힘들다.

또한, 산화마그네슘 등을 사용하는 경우, 산화마그네슘의 반응 효율이 작으므로, 과량의 산화마그네슘 분말을 첨가할 필요가 있다. 이 경우, 산화마그네슘은 수용해성이 작으므로, 미반응 산화마그네슘이 연도 내에 그대로 남아, 산화마그네슘의 후처리시에 문제를 일으킬 것이다. 또한, 분말의 주입량을 정량하기도 어렵다.

또한, 암모니아를 기화하고 연도 내에 주입하는 방법도 언급할 수 있다. 그러나, 고압 기체 등을 취급하는 데에는 제약이 있고, 작업 온도의 관점에서 문제가 있으며, 산 암모늄 술페이트가 형성되어 새로이 산 강하 매진(dust fall)을 유발할 가능성이 있다. 또한, 연도와 배기 가스 탈황기 사이에서 연소 후에 기체를 급냉할 필요가 있고, 황산 미스트가 SO₃와 대기 중의 수증기로부터 형성될 수 있으며, 배기 가스가 굴뚝을 통해 배기 가스 탈황기로부터 대기로 방출될 경우, 백색 스모크 또는 자색 스모크의 스트리머(자취)가 발생할 수 있다.

보일러의 작동시에, 작업 효율의 저하를 방지하고 작업을 안전하게 수행하기 위해, 황산화물, 특히 SO₃를 중화시키고 제거하여, 배기 가스의 냉각으로 인한 황산 미스트의 형성을 방지하고, 배기 가스가 방출될 때까지의 단계에서 또는 연도의 옆벽에서 산으로 인한 부식이나 연도의 막힘을 방지할 필요가 있다. 또한, SO₃가 급냉되고 수증기와 반응할 경우, 황산 미스트가 형성될 수 있고, 굴뚝으로부터 방출될 경우 백색 스모크나 자색 스모크의 스트리머를 유발할 수 있다. 또한, 연도 등에 침착된 분진은 하중 변화에 의해 다량의 황산을 함유하는 산 덩어리(smut)로서 방출될 것이고, 따라서 산 강하 매진이 유발될 것이고 환경이 악화될 것이며, 환경 대책의 관점에서 이들을 억제하는 것이 중요하다.

따라서, 화석 연료로부터 나온 연소 배기 가스나, 또는 제거해야할 불순물로서 SO₃를 포함하는 기체를 포함하여, 보일러 등에서 황 성분을 함유하는 연료를 사용하여 발생한 기체와 같은, SO₃를 함유하는 기체로부터, SO₃ 및 황산 미스트를 더욱 효과적이고 안전한 중화 처리로 제거하는 방법이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 기체 중의 SO₃ 및 황산 미스트의 효과적이고 안전한 중화 처리 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은, 기체 중의 SO₃ 성분을 중화시키기 위해, SO₃ 성분을 함유하는 60 ℃ 이상의 기체에, 평균 입자 직경이 20 ㎛ 이하인 탄산수소나트륨 분말과 탄산수소나트륨용 고결방지제(anti-caking agent)의 혼합물을, 전술한 탄산수소나트륨 분말을 기준으로 하여 0.1 내지 5 중량%의 양으로 첨가하는 것을 포함하여 이루어지는, SO₃ 성분을 함유하는 기체의 처리 방법을 제공한다.

이제 바람직한 구현예를 참고로 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에서, 수증기의 존재로 인해, 기체에 포함된 SO₃ 는 황산 미스트로서 기체 내에 존재한다. 그러나, 본 명세서에서, SO₃ 및 황산 미스트는 일반적으로 SO₃ 성분으로 지칭된다.

본 발명에서, 탄산수소나트륨 분말이 분무 등에 의해 60 ℃ 이상의 기체에 첨가되어 그 안에 분산된 경우, 이것이 분해하여 탄산나트륨, 이산화탄소 및 물을 형성하고, 여기서 이산화탄소와 물이 떠난 부분은 다공성이 되고, 높은 다공성과 큰 고유 표면적을 가진 다공성 구조의 탄산나트륨 입자를 수득할 수 있다. 입자가 다공성 구조를 가질 경우, SO₃ 등의 흡수성은 높아지고, SO₃ 성분은 빠른 중화로 제거할 수 있다.

본 발명의 탄산수소나트륨 분말은 평균 입자 직경이 20 ㎛ 이하, 바람직하게는 15 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 이하이다. 평균 입자 직경이 20 ㎛ 이 하인 탄산수소나트륨은 입자 자체의 고유 표면적이 크고, 고온에서 분해시에 형성될 세공의 직경이 클 것이다. 따라서, SO₃ 성분의 확산 속도가 빠르고, 그 결과 반응성이 클 것이다. 탄산수소나트륨 분말의 평균 입자 직경이 작을수록, SO₃ 성분의 확산 속도가 크고, 이것은 바람직하다. 그러나, 분말의 미분화시에 취급 효율성과 실용성의 관점에서는 1 ㎛ 이상이 바람직하다.

탄산수소나트륨 분말은 기체 중에 포함된 SO₃ 성분을 기준으로, 바람직하게는 0.5 내지 5 당량, 특히 바람직하게는 1 내지 4 당량의 양으로 첨가된다. 0.5 당량 미만이면, SO₃ 성분은 적절히 제거될 수 없다. 그러나, 본 발명의 탄산수소나트륨은 예를 들어 산화마그네슘과 비교하여 반응 효율이 높고, 따라서 약 5 당량의 탄산수소나트륨이 SO₃ 성분을 거의 완벽하게 제거할 수 있다.

본 발명에서, 약알칼리성 탄산수소나트륨이 SO₃ 성분 제거용 중화제로서 사용된다. 따라서, 작업자는, 독성 물질이고 취급이 제약되는 고압 기체로서의 암모니아 및 유해 물질인 수산화나트륨과 비교하여 이를 안전하게 취급할 수 있다.

본 발명에서, 기체 중의 SO₃ 성분을 제거하기 위해, 탄산수소나트륨용 고결방지제를 탄산수소나트륨과 함께 기체에 첨가할 수 있다. 탄산수소나트륨 입자는 미량의 습기로 인해 응결하기 쉽고, 따라서 유동성이 저하된다. 그러나, 본 발명에서는 탄산수소나트륨의 응결이 고결방지제의 존재로 인해 억제되므로, 탄산수소나트륨의 유동성이 향상되고, 탄산수소나트륨은 기체 중에 잘 분산된다. 그 결 과, 높은 반응 효율성을 유지할 수 있다.

고결방지제는 바람직하게는 평균 입자 직경이 0.005 내지 0.1 ㎛인 미립자이다. 전술한 입자 직경 범위를 가지는 미립자가 고결방지제로서 첨가될 경우, 상기 미립자는 탄산수소나트륨 입자의 표면에 부착하고, 따라서 탄산수소나트륨 입자가 다른 입자로 응결하는 것을 방지할 수 있다.

고결방지제로서, 구체적으로 실리카가 바람직하며, 실리카를 사용할 경우, 수중 분산성이 양호한 친수성 실리카가 바람직하다. 소수성 실리카가 탄산수소나트륨의 유동성 향상에 큰 효과를 가지지만, 보일러 중의 배기 가스 탈황기의 습식 흡수탑에서는, 예를 들어 소수성 실리카가 물 위에 응결하여 층을 형성할 수 있고, 이 층은 거품을 유발할 수 있다. 실리카를 소수성 처리 하지 않은 경우, 실리카가 친수성을 가지기 때문에, 소수성 처리를 실시하지 않은 것은 본 발명에서 고결방지제로서 적합하게 사용할 수 있다.

본 발명에서, 고결방지제는 탄산수소나트륨을 기준으로 0.1 내지 5.0 중량%, 바람직하게는 0.3 내지 2.0 중량%의 양으로 첨가된다. 0.1 중량% 미만이면, 탄산수소나트륨의 유동성을 향상시키는 효과는 작아지는 경향이 있다. 5.0 중량% 를 초과하면, 고결방지제의 양이 너무 많을 것이고, 탄산수소나트륨의 유동성은 적절히 개선되지 않고, 고비용이 될 것이다.

본 발명에서, 탄산수소나트륨 분말이 고결방지제와 함께 기체에 첨가되기 때문에, 분말은 슬러리와는 달리 침전하지 않는다. 또한, 유동성이 뛰어나므로, 장치에서 막힘이 일어나지 않을 것이고, 작업이 건식으로 수행되므로, 장치와 작업은 쉽게 조절할 수 있고, 안정한 작업을 수행할 수 있다. 또한, 탄산수소나트륨 분말에 우수한 유동성이 부여되므로, 탄산수소나트륨을 정량적으로 주입할 수 있고, SO₃ 등은 중화에 의해 안전하고 확실하게 제거할 수 있다.

이제 도 1을 참고로, 보일러에서의 연료의 연소에 의해 생성된 배기 가스의 처리를 위한 방법을 참고로 본 발명의 방법을 설명할 것이다. 도 1은 보일러에서의 연소에 의해 수득한 배기 가스의 처리를 위한 통상적인 방법을 나타내는 모식도이다.

보일러 (1)에서 연소된 고온의 배기 가스는 제 1 연도 (6)을 통해 공기 예열기 (2)로 이동되고, 보일러 (1)로 이동된 연소용 공기와 열교환하게 된다. 이어서, 배기 가스는 제 2 연도 (7)을 통해 전기 집진기 (3)으로 이동되고, 배기 가스에 포함된 분진은 정전기로 제거한다. 전기 집진기 (3)은 배기 가스에 포함된 성분에 따라 사용하지 않을 수도 있다. 전기 집진기를 통과한 배기 가스는 제 3 연도 (8)을 통해 탈황기 (4)로 이동되고, SO₂ 등이 수산화마그네슘 슬러리 등에 의해 제거된다. 이어서 배기 가스는 제 4 연도 (9)를 통해 굴뚝 (5)로 이동되고, 굴뚝 (5)로부터 방출된다.

배기 가스가 전술한 바와 같이 방출될 경우, 백색 스모크 또는 자색 스모크의 긴 스트리머가 굴뚝 (5)로부터 나타나는 현상이 나타날 수 있다. 이것은 주로 연도 또는 탈황기 (4)에서 배기 가스에 포함된 SO₃와 대기 중에 포함된 수증기와의 반응에 의해 형성된 황산 미스트에 의한 것으로 여겨진다. 따라서, 백색 스모크 또는 자색 스모크의 발생은, SO₃ 및 황산 미스트를 제거하기 위해 탄산수소나트륨 분말을 배기 가스에 첨가하여 방지할 수 있다.

전술한 과정에서, 탄산수소나트륨 분말은 네 개의 연도 중 하나 이상에 첨가되고, 분말이 첨가되는 연도는 목적에 따라 임의로 선택한다. SO₃ 성분을 제거하는 것이 본 발명의 목적이므로, 탈황기 앞의 연도에 탄산수소나트륨 분말을 첨가하는 것이 바람직하고, 제 3 연도 (8)에 분말을 첨가하는 것이 특히 바람직하다. 연도 내의 기체는 60 ℃ 이상으로 유지될 필요가 있다.

또한, 공기 예열기 (2)와 전기 집진기 (3) 사이의 제 2 연도 (7)에 탄산수소나트륨 분말을 첨가함으로써, 산 강하 매진을 억제할 수 있고, 전기 집진기 (3)의 하전 부족을 억제할 수 있으며, 암모니아를 환원시킬 수 있다. 산 강하 매진을 억제하는 경우, 탄산수소나트륨 분말을 분진 양에 대해 1 내지 10 중량%의 양으로 첨가하는 것이 바람직하다.

이제, 실시예를 참고로 본 발명은 더욱 상세하게 기재할 것이다. 그러나, 본 발명이 상기 특정 예에 한정되는 아니라는 것이 이해되어야 한다.

예 1(실시예)

탄산수소나트륨을 첨가함에 의한 기체 중의 SO₃ 성분의 제거 효과를 확실히 하기 위해, 보일러에서의 연료의 연소에 의해 형성된 배기 가스를 사용하여 시험을 수행하였다. 구체적으로, 배기 가스를 하기 공정에 따라 처리하고, 공기 예열기와 탈황기 사이의 연도에, 표 1에 나타난 바와 같은 당량 비율로, 평균 입자 직경이 9 ㎛인 탄산수소나트륨 분말, 및 탄산수소나트륨 분말을 기준으로 1.0 중량% 양으로 평균 입자 직경이 0.01 ㎛ 인 친수성 훈증 실리카를 함유하는 혼합물을 공기로 교반하여 첨가하였다. 이어서, 굴뚝으로부터 방출된 황산 미스트에 의한 백색 스모크의 스트리머(적색 스모크 포함)를 눈으로 관찰하고, 평가를 수행하였다. 표 1 에 탄산수소나트륨 분말이 첨가되지 않은 비교예가 나타나 있다.

표 1에서, 탄산수소나트륨의 첨가량은 탈황기로 이동되기 전에 배기 가스에 포함된 SO₃에 대한 당량비로 표시된다(수증기와 접촉하여 황산 미스트를 형성하기 전에). 공기 예열기와 탈황기 사이의 연도에서 기체의 온도는 158 ℃였다.

공정: 보일러에서 연소된 고온의 배기 가스를 연도를 통해 공기 예열기로 이동시켜 연소용 공기와 열교환시키고, 배기 가스를 다음 연도를 통해 탈황기로 이동시켜 수산화마그네슘 슬러리를 사용하여 SO₂ 등을 제거하고, 배기 가스를 다음 연도를 통해 굴뚝으로 이동시키고 굴뚝으로부터 방출시켰다.

사용할 보일러와 배기 가스의 조성은 다음과 같다.

보일러

모델: 강제 환류 벤슨(benson) 보일러, 증발량: 83t/h, 증기 온도: 520 ℃, 증기압: 140 kg/cm²

배기 가스의 조성

O₂: 4.5%, SO₂: 1,400 ppm, SO₃: 20 ppm

탄산수소나트륨의 당량비	육안 관찰에 의한 백색 스모크의 상태
무첨가	약 300 m의 스트리머
1 당량	탄산수소나트륨이 첨가되지 않은 경우를 기준으로 하여 반 이하의 농도를 가진 백색 스모크 약 150 m의 스트리머
2 당량	주의깊은 관찰로 확인된 약 10 m의 스트리머
4 당량	스트리머 없음

예 2(비교예)

평균 입자 직경이 9 ㎛인 탄산수소나트륨 대신에 평균 입자 직경이 26 ㎛인 탄산수소나트륨을 사용한 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 시험을 실시하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.

탄산수소나트륨의 당량비	육안 관찰에 의한 백색 스모크의 상태
무첨가	약 300 m의 스트리머
1 당량	탄산수소나트륨이 첨가되지 않은 경우를 기준으로 하여 60 내지 70%의 농도를 가진 백색 스모크 약 150 m의 스트리머
4 당량	탄산수소나트륨이 첨가되지 않은 경우를 기준으로 하여 반이하의 농도를 가진 백색 스모크 약 200 m의 스트리머

본 발명에 따르면, 기체 중의 SO₃ 및 이로부터 유래한 황산 미스트를 효과적으로 용이하고 안전하게 제거할 수 있다. 따라서, 보일러 등으로부터 방출된 배기 가스의 백색 스모크 및 자색 스모크의 스트리머를 억제할 수 있다. 또한, 불순물로서 SO₃를 함유하는 기체 중의 SO₃와 배기 가스를 용이하고 안전하게 확실히 제거할 수 있고, 이는 공업적 생산의 관점에서 유용하다.

Claims (4)

1. 기체 중의 SO₃ 성분을 중화시키기 위해, SO₃ 성분을 함유하는 60 ℃ 이상의 기체에, 평균 입자 직경이 20 ㎛ 이하인 탄산수소나트륨 분말 및 상기 탄산수소나트륨 분말을 기준으로 0.1 내지 5 중량%의 탄산수소나트륨용 고결방지제(anti-caking agent)의 혼합물을 첨가하는 것을 포함하는, SO₃ 성분을 함유하는 기체의 처리 방법.
2. 제 1 항에 있어서, SO₃ 성분을 기준으로 하여 0.5 내지 5 당량의 양으로 탄산수소나트륨을 기체에 첨가하는 기체 처리 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 고결방지제가 평균 입자 직경 0.005 내지 0.1 ㎛의 미립자인 기체 처리 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 고결방지제가 실리카인 기체 처리 방법.

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