KR100721116B1 - 산업공정에서 발생하는 산성가스 및 백연의 처리 방법과장치 - Google Patents

산업공정에서 발생하는 산성가스 및 백연의 처리 방법과장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업공정에서 발생하는 산성가스와 백연을 동시에 처리하게 하는 방법과 장치를 제공하기 위한 것으로, 산업공정에서 나오는 초기의 고온 가스로부터 산성물질을 제거하는 공정에서 배가스의 온도를 낮추어 저온에서 산성가스를 제거함으로써 산성가스의 제거효율을 향상시키면서, 부반응을 억제하여 다른 오염물질을 발생시키지 않도록 하는 동시에 배출되는 가스의 포화 수증기 양을 낮추며, 낮은 온도의 배가스를 다시 가열하여 배가스가 불포화 상태에 이르게 하되, 낮은 온도의 배가스를 위 초기의 고온가스로 가열되게 하여 에너지를 절약함과 동시에, 배가스가 대기 중에 배출되더라도 고온으로 인하여 급격히 상승되고 상승되는 배가스는 수증기가 불포화 상태에 있어 백연이 발생하지 아니하게 한 것임,

Description

산업공정에서 발생하는 산성가스 및 백연의 처리 방법과 장치{Acid gas and white smog removal method and equipment}
도 1 은 본 발명의 일 실시예의 공정도
<도면의 주요부분에 대한 간단한 설명>
1 ......... 배가스 가열장치
2 ......... 분사탑
21 .....냉각수노즐 22 ..... 공정수노즐 23 ....냉각수 저장조
3 ......... 열교환기
4 ......... 냉각기
5 ......... 반응탑
53, 55 ... 데미스터 세척노즐
54 ....... 데미스터
56 ....... 반응제 분사노즐
57 ....... 충전재탱크
58 ....... 반응제 저장조
59 ....... 알카리 반응제 공급조
6 ......... 미스트 제거기
7 ......... 가열장치
8 ......... 연돌
본 발명은 산업공정에서 발생하는 산성가스 및 백연을 처리하는 방법과 장치를 제공하기 위한 것이다.
종래의 기술에서는 산성가스 처리기술과 백연 제거기술이 별도의 설비로 설계하여 운영하고 있다. 산성가스를 처리하는 공정은 흡수제를 이용한 습식공정과 Ca(OH)2, CaCO3 등을 이용하는 반건식공정이 있으며, 백연방지기술로는 (주)경인기계에서 특허출원한 직교류형 백연방지 냉각탑용 충전재 및 냉각방법(등록번호 : 10-0326722), 씨이테크에서 실용신안특허로 출원한 굴뚝 일체형 백연방지 시스템(출원번호 : 20-2002- 0019409, 2002. 6. 27) 등 다양한 기술이 있다. 이와 같이 종래에는 산성가스 처리와 백연방지기술이 각각 별도의 공정으로 분리되어 사용되고 있으며, 산성가스와 백연을 동시에 처리하는 기술은 아직 사용되지 않고 있다.
본 발명과 유사한 기술로는 다이옥신의 생성을 억제하면서 백연을 방지하는 "배기가스의 처리방법 및 설비" 기술과 유해가스가 제거된 배가스를 정화하는 "백연 및 미스트 방지용 세정장치 및 그 세정방법"이 있다. "배기가스의 처리방법 및 설비" 기술은 일본의 히다치 조센 가부시키가이샤에 의하여 2001년 8월 3일 출원번호 10-2001-0046977호로 특허출원되었으나, 출원된 기술은 다이옥신의 배출을 억제하기 위하여 소각로의 소각방법을 개선하면서 고온의 소각가스를 조절하는 방법으 로 백연형성을 방지하는 기술로 일반적인 공정에서는 적용이 어렵다.
"백연 및 미스트 방지용 세정장치 및 그 세정방법"에 관한 기술은 (주)시원기업에서 개발하여 2005년 2월 3일 특허등록번호 10-0471923로 등록이 완료된 기술로 유해가스가 제거된 배가스에 세정수를 분사하여 배가스의 온도를 낮추면서, 동시에 잔류하는 유해가스를 제거하여, 배가스의 포화수증기의 온도를 낮추고, 다시 고온의 연소가스와 열교환하여 배출되는 배가스의 상대습도를 낮추어 백연을 방지하는 기술이다. 그러나 HCl과 같은 물질은 분사하는 물의 온도가 조절되지 않으면, HClO와 같은 유해가스로 변화하고, 물의 분사와 열교환이 하나의 챔버에서 이루어지므로 장시간 사용하는 경우 분사에 의한 상대습도의 감소율이 저하되는 문제를 갖고 있다.
본 발명은 산업공정에서 발생하는 산성가스와 백연을 동시에 처리하게 하는 방법과 장치를 제공하기 위한 것으로, 산업공정에서 나오는 초기의 고온 가스로부터 산성물질을 제거하는 공정에서 배출가스의 온도를 낮추어 저온에서 산성가스를 제거함으로써 산성가스의 제거효율을 향상시키면서, 부반응을 억제하여 다른 오염물질을 발생시키지 않도록 하는 동시에, 배출되는 가스의 포화 수증기 양을 낮추며, 낮은 온도의 배출 가스를 다시 가열하여 배출가스가 불포화 상태에 이르게 하되, 낮은 온도의 배출가스를 위 초기의 고온가스로 가열되게 하여 에너지를 절약함과 동시에, 배출가스가 대기 중에 배출되더라도 고온으로 인하여 급격히 상승되고 상승되는 배출가스는 수증기가 불포화 상태에 있어 백연이 발생하지 아니하게 한 것이다.
즉, 본 발명은, 산업공정에서 배출되는 배가스에 함유된 산성가스와 수분을 제거하여 대기오염물질의 배출을 방지하는 동시에 수분에 의하여 발생되는 백연을 방지하는 기술에 관한 것이다. 일반적으로 산성가스를 처리하는 공정은 흡수제를 이용한 습식공정과 Ca(OH)2, CaCO3 등을 이용하는 반건식공정이 있으며, 배출가스의 온도가 높은 경우에는 반건식공정을 주로 사용하며, 배가스 온도가 낮거나, mist와 같은 액체상 물질의 농도가 높은 경우에는 습식공정을 이용하지만, 배가스의 온도와 외기의 온도차로 인하여 배가스에 함유된 수분의 응축현상으로 인하여 백연이 발생시키는 단점을 갖고 있다. 백연은 대기환경보전법에서 규정하는 배출허용기준의 적용을 받지 않고 있으나, 지역에 따라 많은 민원을 발생시키는 요인으로 작용하여 기업 이미지에 많은 악영향을 주고 있다.
또한 일반적으로 수분함량이 높거나, 배가스의 온도가 상대적으로 낮은 조건에서는 습식공정으로 산성가스를 제거하는 것이 매우 유리하므로, 본 발명은 유입되는 고온의 가스와 산성가스가 제거된 저온의 배출가스를 열교환하면서 산성가스를 제거하는 습식 산성가스 처리공정을 활용함으로써 경제적으로 백연과 산성가스를 처리하는 기술을 제공한다.
이와 같은 본 발명을 첨부된 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.
습식공정에서 산성가스 제거효율을 향상시키기 위해서는 산성가스의 분압을 최대한 높여야 하고, 산성가스의 분압을 높이기 위해서는 아래의 표에서와 같이 배가스의 온도가 낮을수록 분압이 증가한다.
용해도 분압 (atm)
0℃ 10℃ 20℃ 30℃ 50℃ 80℃ 110℃
78.6 6.71 x 10-1 1.11 　 　 　 　 　
66.7 1.71 x 10-1 3.07 x 10-1 5.25 x 10-1 8.25 x 10-1 　 　 　
56.3 3.82 x 10-2 7.42 x 10-2 1.39 x 10-1 2.47 x 10-1 7.04 x 10-1 　 　
47 7.50 x 10-3 1.55 x 10-2 3.09 x 10-2 5.86 x 10-2 1.86 x 10-1 8.19 x 10-1 　
38.9 1.32 x 10-3 2.99 x 10-3 6.45 x 10-3 1.30 x 10-2 4.70 x 10-2 2.47 x 10-1 1
31.6 2.30 x 10-4 5.66 x 10-4 1.32 x 10-3 2.86 x 10-3 1.17 x 10-2 7.17 x 10-2 3.33 x 10-1
25 4.16 x 10-5 1.11 x 10-4 2.70 x 10-4 6.32 x 10-4 2.91 x 10-3 2.05 x 10-2 1.09 x 10-1
19.05 7.37 x 10-6 2.11 x 10-5 5.63 x 10-5 1.39 x 10-4 7.24 x 10-4 6.13 x 10-3 3.68 x 10-2
13.64 1.30 x 10-6 4.01 x 10-6 1.16 x 10-5 3.08 x 10-5 1.79 x 10-4 1.76 x 10-3 1.22 x 10-2
8.7 1.55 x 10-7 7.67 x 10-7 2.34 x 10-6 6.78 x 10-6 4.53 x 10-5 5.13 x 10-4 4.08 x 10-3
4.17 2.37 x 10-8 9.08 x 10-8 3.10 x 10-7 1.01 x 10-6 8.42 x 10-6 1.25 x 10-4 1.22 x 10-3
2.04 　 1.54 x 10-8 5.79 x 10-8 1.99 x 10-7 1.84 x 10-6 3.22 x 10-5 3.68 x 10-4
따라서 본 발명은 분압을 높이기 위하여 배가스의 온도를 최대한 낮게 유지할 수 있는 시스템을 구성해서, 흡수제에 산성가스를 반응시켜 흡수율을 최대한 향상시키고, 동시에 알카리 용액을 이용하여 중화반응으로 처리되도록 하였다. 또한 배가스에 함유된 미세물방울(mist)을 제거하기 위해서 일반적으로 데미스터(demistor)를 이용하여 액상물질을 제거하는 바, 데미스터(demistor)를 통과하는 미세 물방울에 의하여 백연이 발생되는 점을 고려하여, 미세 물방울을 제거하는 라멜라 미스트 세파레이터(Lamellar Mist Separator)를 이용하여 미스트(mist)의 배출을 최대한 억제하고, 배가스의 수분함량이 산성가스 제거공정에서의 포화수증기가 되므로, 배가스 온도를 최대한 승온시켜 일정시간동안 외기온도에 의하여 수분 이 응결되지 않도록 하는 발명이다.
본 발명은, 도 1 에 도시된 바와 같이, 배가스가열장치(1), 그 출측에 설치되어 배가스를 재 냉각시키는 분사탑(2), 분사탑(2)에 공급되는 용수를 냉각시키는 냉각기(4)와 열교환기(3), 분사탑(2)에 의해 냉각된 배가스로부터 산성물질을 제거하는 반응탑(5), 반응탑(5)의 출측에 설치되어 미세 물방울을 제거하는 미스트 제거기(Lamellar Mist Separator; 6) 및 그 출측에 연결되는 위 배가스가열장치(1)로 구성된 것을 특징으로 한다.
배가스가열장치(1)는 저온의 가스온도를 가열할 고온가스 입구(11)와 고온가스 출구(12), 고온의 가스를 냉각하는 저온가스 입구(13)와 저온가스 출구 및 열교환부(15)로 구성된다. 배가스가열장치(1)는 산업공정에서 나오는 고온(100~300℃)의 가스를 대기 중으로 배출되는 저온(30~40℃)의 가스와 열교환하여 고온가스의 온도를 최대한 낮추고, 저온가스의 온도를 최대한 상승시킨다. 이러한 가스간의 열교환은 별도의 에너지 공급없이 대기 중으로 배출되는 배가스의 온도를 높임으로써, 외기공기에 의한 배가스의 응축현상을 방지하여 백연을 방지하는 효과를 갖게 된다.
백연은 가스가 갖고 있는 포화수증기온도보다 외기의 온도가 낮을 때, 배가스가 함유하고 있는 수분의 응결에 의하여 발생하는 현상으로, 포화수증기의 온도를 낮춰서 함유하는 수분량을 최소화하거나, 포화수증기의 온도보다 배가스의 온도를 높여서 상대습도를 낮게 유지하여야 백연을 방지할 수 있다. 그리하여, 본 발명에서는 배가스의 온도를 낮춰 함유 수증기의 양을 감소시킨 후, 다시 배가스를 가 열하여 배가스의 수증기 함유도를 낮춰 상대습도를 낮게 하되 특히, 본 발명은 이에서 나아가 자체의 열원을 이용하여 배출되는 가스의 온도를 높이는 배가스가열장치(1)를 사용하여 에너지의 사용량을 최소화 하였다.
별도의 에너지를 사용하지 않고 배가스 온도를 낮추는 배가스가열장치(1)를 통과한 배가스는 분사탑(2)으로 유입되며, 분사탑(2)은 15℃의 물을 분사하는 냉각수 노즐(21)과 수온상승 및 산성도(pH) 증가를 방지하는 공정수 노즐(22) 및 용수를 저장하는 냉각수 저장조(23)로 구성된다.
분사탑(2)으로 유입된 배가스는 냉각수 노즐(21)에서 분사되는 15℃의 물에 의하여 온도가 25~40℃로 냉각 되며, 분사되는 15℃의 물은 배가스와 열교환이 이루어지면서 25~30℃로 상승하고, 온도가 상승된 물은 열교환기(3)에서 냉각기(4)에 의해 냉각된 물과 열교환을 해서 15℃가 되도록 냉각된다. 산업공정에서 배출되는 배가스는 공정, 온도, 상대습도, 압력 등에 따라 이슬점이 다르지만, 일반적으로 산업공정에서 배출되는 배가스의 이슬점은 45~60℃에서 형성된다. 따라서 배가스에 함유된 수분은 분사탑(2)에서 수분의 응축현상이 발생될 것으로 예상되므로, 응축과정에서 냉각수 저장조(23)의 수온이 급격하게 상승하거나, 산성가스에 의하여 pH가 5 이상으로 낮아질 수 있다는 점을 고려하여, pH의 저하가 발생하면 공정수 노즐(22)을 작동시켜 20℃의 공정수를 주입하여 pH를 안정화시키게 한다.
냉각수노즐(21)로 분사되는 공정수에 의해서도 저장조(23)의 수온이 안정되지 아니하고 30℃ 이상으로 상승하게 되면, 저장조(23)의 냉각수는 열교환기(3)와 냉각기(4)에 의하여 15℃로 냉각된다. 냉각기는(4)는 5℃의 물을 열교환기(3)로 공 급하여 저장조(23)로부터 유입되는 25~30℃ 물을 15℃로 낮추고, 25~30℃에서 15℃로 열교환된 물은 분사탑(2)의 냉각수 노즐(21)을 통하여 배가스로 분사된다.
분사탑(2)에서 온도가 30℃로 떨어진 배가스는 반응탑(5)으로 유입되어 산성가스를 제거하게 된다. 반응탑(5)은, 그 저부의 배가스 유입구(51)와, 상부의 배가스 배출구(52) 사이에 배가스에 함유된 미세물방울을 제거하는 데미스터(Demister; 54)와, 데미스터의 막힘을 방지하도록 청소해 주는 데미스터 세척 노즐(53, 55), 밑에서 올라오는 배가스에 알카리성 반응제를 분사하는 반응제분사노즐(56), 및, 반응제와 배가스의 접촉면적과 시간을 확대시키기 위한 충전재탱크(무수히 많은 구슬을 충전재로 사용함이 바람직하나, 기타 임의 형상의 괴체가 널리 사용될 수 있음)(57), 그리고, 저부의 반응제 저장조(58)로 구성되며, 반응제 저장조(58)에는 알카리 반응제 공급조(59)가 설치되어 있다.
분사탑(2)에서 반응탑(5)으로 유입된 배가스는 2단으로 설치된 충전재탱크(57)를 통과하면서, 반응제분사노즐(56)에서 분사되는 알카리 반응제와 접촉하면서 산성가스가 제거된다. 알카리 반응제 저장조(58)의 pH가 10 이하로 낮아지면, 알카리 반응제 공급조(59)를 통하여 저장조(58)로 알카리 반응제가 공급된다. 이때 반응탑(5)의 가스온도가 40℃ 이하를 유지하는 것이 매우 중요하다. 가스의 반응온도가 40℃를 넘게 되면 아래의 식 1 및 식 2와 같은 부반응이 진행되어 안정된 독성물질이 발생된다.
2H2O + Cl2 → 2HClO + H2 식 1
NaOH + HCl → NaClO + H2 식 2
따라서 본 발명에서는 저장조(58)의 온도가 상승되면 데미스터 세척노즐(53, 55)에서 20℃의 용수를 공급받아 수온이 35℃를 넘지 않도록 하여야 한다. 충전재탱크(57)를 통과한 배가스는 데미스터(54)를 통과하면서 산성가스의 습식제거공정에서 발생한 미세물방울(mist)이 제거된다.
반응탑(5)을 통과한 배가스는 라멜라 미스트 세파레이터(Lamellar Mist Separator; 6)를 통과하면서, 반응탑(5)의 데미스터(54)에 의해 제거되지 않은 미세한 미스트를 제거함으로써 대기 속으로 배가스를 배출하는 과정에서 발생할 수 있는 입자상 물질에 의한 백연을 방지한다.
미스트 제거장치(6)를 통과한 배가스는 다시 배가스가열장치(1)로 유입되어 고온가스 유입구(11)로 유입되는 고온의 가스를 냉각시키면서, 저온의 배가스 온도는 상승시키게 된다. 이러한 열교환은 다른 에너지를 사용하지 않으면서 고온의 가스온도를 낮추는 동시에 저온의 가스온도를 높이는 효과를 갖고, 또한 저온에서의 포화수증기온도를 갖는 배가스의 온도를 상승시킴으로 배출되는 배가스를 불포화 수증기로 만들고, 상승된 온도차만큼 배가스의 온도가 떨어지기 전에 배가스가 대기 중으로 확산되면, 백연이 생성되지 않게 된다.
그러나 동절기에는 외기온도가 너무 낮아, 백연발생이 우려되므로 배가스가열장치(1)를 통과한 배가스를 별도의 가열장치(7)를 이용하여 온도를 120℃ 이상으로 상승시켜야 백연을 방지할 수 있다. 가열장치(7)는 고온의 증기를 유통시키는 증기관과 증기관을 감싸고 유통되는 배가스 통로로 구성시키는 것이 바람직하다. 가열장치(7)에 의하여 120℃ 이상으로 승온된 배가스는 연돌(8)을 통하여 대기 속으로 배출된다.
일반적으로 대기오염물질은 가스상물질과 입자상물질을 별도의 처리공정으로 제거하지만, 백연은 현재의 기술로는 처리비용이 높아 미관상 많은 문제가 도출되었지만, 현실적으로 대응할 수 있는 기술개발이 이루어지지 않고 있다.
그러나 본 발명은 산성가스와 백연을 하나의 시스템으로 처리하도록 하고, 에너지 사용으로 인한 처리비용의 증가를 억제하는 설비를 개발함으로써, 반도체 산업, 전자산업과 같이 청정산업으로 분류되면서도, 백연으로 인하여 주변지역에 민원을 야기시키고 있는 사업장 등에서 크게 활용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 산업공정에서 나오는 초기의 고온 가스로부터 산성물질을 제거하는 공정에서 배출가스의 온도를 낮추어 배출되는 가스의 포화수증기량을 낮추며, 낮은 온도의 배가스를 다시 가열하여 배가스가 불포화 상태에 이르게 하되, 낮은 온도의 배가스를 위 초기의 고온 배가스로 가열되게 하여 에너지를 절약함과 동시에, 배가스가 대기 중에 배출되더라도 높은 온도를 갖는 배가스의 부양력으로 인하여 유효고도가 급격히 상승되고 상승되는 배가스의 수증기가 불포화 상태에 있어 백연이 발생하지 아니하게 하는 것을 특징으로 하는 산업공정에서 발생하는 산성가스 및 백연의 처리 방법.
  2. 산업공정에서 나오는 초기의 고온 가스로 배가스를 가열하는 배가스가열장치(1)와, 배가스가열장치(1)에 의해 배가스를 가열함으로서 1차로 냉각된 초기의 고온가스에 냉각수를 분사하여 재 냉각시키는 분사탑(2)과, 분사탑(2)에서 분사되는 냉각수를 냉각시키는 냉각기(4)와, 분사탑(2)에 의하여 냉각된 배가스로부터 산성가스를 제거하는 반응탑(5)과, 반응탑(5)에서 배출되는 배가스로부터 미세 물방울을 제거하는 미스트제거장치(6)와, 미스트제거장치(6)의 출측에 미스트제거장치(6)를 통과한 배가스를 가열하는 위 배기가스가열장치(1)가 설치되는 것을 특징으로 하는 산업공정에서 발생하는 산성가스 및 백연의 처리 장치.
KR1020050101995A 2005-10-27 2005-10-27 산업공정에서 발생하는 산성가스 및 백연의 처리 방법과장치 KR100721116B1 (ko)

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