KR100767161B1 - 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거장치 - Google Patents

분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특정 입경의 분말형 첨착활성탄을 이용하여 탑 타입이 아닌 필터백 기반의 순환구조를 가짐으로써, 유해가스를 효과적으로 제거할 수 있고, 아울러 제1산화제로서 산소를 주입하고 보조산화제로 제2산화제인 오존을 질소산화물의 부하량에 따라 분사방식으로 주입함으로써, 고농도의 NO 발생시에도 안정적인 효율을 달성할 수 있는, 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신의 제거장치에 관한 것이다. 본 발명은 기존의 값비싼 촉매를 사용하지 아니하고 분말형 첨착활성탄을 이용하며, 탑 타입이 아닌 필터백 기반의 순환구조를 가짐으로써, 재순환하여 첨착활성탄의 소모가 적고, 압력강하도 적게 나타나며, 반응에 충분한 체류시간과 분말형 첨착활성탄 접촉공간을 확보할 수 있어 유해가스를 효과적으로 제거한다. 또한, 효율저하를 보완하기 위하여, 산화제를 주입함으로써, 저온영역에서 운전이 가능하며 고농도의 NO 발생시에도 안정적인 효율의 달성이 가능하다.
질소산화물, 다이옥신, 입경, 분말형 첨착활성탄, 산화제, 산소, 오존, 분사 방식, 필터백

Description

분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거장치{The apparatus for nitrogen oxides and dioxins removal from exhaust gas using powder type impregnated Activated Carbon}
도 1는 기존 첨착활성탄에 의한 탑 방식 탈질공정의 제거 원리를 보여주는 도면이다.
도 2은 본 발명에 의한 분말형 첨착활성탄을 이용한 필터백 방식의 질소산화물 및 다이옥신 제거 원리를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 질소산화물 및 다이옥신 제거장치 및 제거방법의 처리 공정을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1과, 비교예 1 및 2에 의한 질소산화물의 제거효율을 비교분석한 결과도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2 및 3과 비교예 3에 의한 질소산화물의 제거효율을 비교분석한 결과도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 4 내지 실시예 7에 의한 질소산화물의 제거효율을 비교분석한 결과도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 덕트 2 : 산화제 주입라인
3 : 산화제 분사 장치 4 : 산화필터백
5 : 흡착필터백 6 : 흡착제 공급장치
7 : 흡착제 재순환관 8 : 전처리 장치
9 : 흡착제 저장탱크 10 : 오존 발생기
101 : 산화제 공급관 102 : 연결관
103 : 흡착제 공급관 40 : 송풍기
50 : 굴뚝
본 발명은 특정 입경의 분말형 첨착활성탄을 이용하여 탑 방식이 아닌 필터백 기반의 순환구조를 가짐으로써, 유해가스를 효과적으로 제거할 수 있고, 필터백 처리 전에 산화제를 분사방식으로 주입하거나, 활성탄에 개질용 화합물을 첨착시킴으로써, 저온영역에서 운전이 가능하며 고농도의 NO 발생시에도 안정적인 효율을 달성할 수 있는, 질소산화물 및 다이옥신의 제거장치에 관한 것이다.
소각로나 보일러등과 같은 연소시설의 배가스에는 질소산화물(NOX, 즉 NO, NO2, N2O, N2O5 등이며 주로 NO), 황산화물(SOX), 분진, 다이옥신, 중금속, VOCs(Volatile Organic Compounds, 휘발성유기화합물) 등의 유해 오염물질이 포함되어 있는데, 이러한 오염물질들은 대기 중으로 배출되기 전에 규제농도 이하로 처리되어야 한다.
이 분야의 종래 기술은 연소 시설에서 발생된 질소산화물을 제거하기 위하여 연소전 제어와 연소 제어가 있으며, 두 가지 기술만으로는 원하는 수준의 질소산화물 제거와 저비용을 달성하기가 어렵기 때문에, 연소 후 제어기술로서 촉매 사용 유무에 따라 선택적 무촉매환원법(SNCR)과 선택적 촉매환원법(SCR) 기술에 관한 연구와 적용이 이루어지고 있는 실정이다.
종래의 기술 중에 대표적인 탈질공정인 SCR(Selective Catalytic Reduction)은, 일반적으로 백금, 팔라듐 등의 귀금속 또는 바나듐, 철, 코발트 등의 기타 전이 금속물질을 이용하여, 이산화티탄, 산화바나듐, 알루미나, 제올라이트 등에 반응시켜 제조한 촉매를 반응탑에 적재하거나 충진하여 고온으로 가열된 촉매에 환원제를 분사하여 질소산화물만을 선택적으로 환원시켜 질소가스로 바꾸는 기술이다. 그러나, 이 방법의 경우에는 전처리 시설에서 나오는 배가스의 온도를 촉매탑에서 촉매와 반응하기에 적절한 온도영역인 250-350℃로 유지하기 위하여, 별도의 열원을 주입하는 가열시설과 반응탑 설치에 따른 많은 초기 투자비와 고가 촉매 사용에 따른 비용증가요인이 SNCR기술에 비교하여 많다. 그 뿐만 아니라, 반응 공정상에 황산화물이 존재할 시엔 환원제 주입에 따른 산성유안(NH4HSO4) 생성의 문제가 있고, 비산먼지가 다량 존재할 시엔 이에 의한 촉매의 피독 및 잦은 교체 작업이 빈번히 이루어지는 실정이어서 전처리 공정으로 집진 설비나 탈황 설비가 반드시 추가되어야 하는 단점이 있다.
이처럼 일반적으로 NOx를 제거하기 위해서 상업적으로 적용되고 있는 대부분의 SCR기술은 350℃부근에서 NOx를 N2로 제거하는데 있어 매우 효율적인 기술이기는 하지만, 촉매의 마모, 교환, 피독성으로 인하여 NOx의 전환율을 감소시키거나 제거반응 전에 환원제 산화등의 부반응들을 야기하며 미반응 암모니아(NH3 Slip) 등의 문제점들이 지적되어 왔다.
이런 기술의 대체적인 방안으로 경제적인 면에서 저렴하며 적용이 간단한 SNCR기술이 질소산화물의 제어법으로 연구되어 오고 있으나, SCR에 비해 낮은 효율 및 적정 운전 조건에서의 조작등의 어려움으로 적용이 미비하며 다이옥신을 동시처리하지는 못하는 공정이다. 종래의 탈질 공정 기술 특허는 1) 대부분이 촉매공정(SCR)또는 로내분사(SNCR), 신규기술로는 플라즈마 방전등의 기술이 있으며, 2) 흡착법에 의한 탈질기술들의 대부분이 흡착탑형식의 탑형 반응기를 사용한 기술이 주된 기술이었다.
그런데 이러한 방법들 중 촉매를 이용하지 아니한 탄소를 이용한 흡착법은 경제적이면서 간단한 방법이나, 흡착/재생에 따른 탄소의 소모와 흡착탑에서의 압력강하, 효율저하등을 이유로 상업화되지 못하고 있다.
특히, 기존에 탄소를 이용한 공정 중 금속산화물을 이용한 첨착활성탄 공정은 도 1 에서와 같이 입경 2~4mm 정도의 파쇄형(그레뇰)이나 펠렛형의 조립형 활성탄을 반응탑에 충진하는 흡착탑을 사용하고 있으며 반응이 끝난 활성탄을 교체하기 위하여 탑가동을 중지하거나 별도의 반응기를 설치해야 하는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 첨착활성탄을 이용한 탈질공정을 위해 기존의 흡착탑 반응기 구조가 아닌 도 2에서와 같이 필터백을 기반으로 하고 입경 46~140㎛ 범위의 미세 분말형 첨착활성탄을 처리가스 내에 주입하며 연속 운전이 가능한 순환구조를 가짐으로써, 유해가스를 효과적으로 제거할 수 있고, 제1산화제로서 산소를, 보조산화제로서 오존을 질소산화물의 부하량에 따라 분사방식으로 주입하고, 활성탄을 적절한 화합물로 개질시킴으로써, 고농도의 NO 발생시에도 안정적인 효율을 달성할 수 있으며, 저온 영역에서 운전 가능한, 질소산화물 및 다이옥신의 제거장치 및 제거방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거방법은, 필터백을 기반으로 하고, 연소 배기가스가 흡착제인 분말형 첨착활성탄을 통과하도록 하여 연소 배기가스 중의 질소산화물 및 다이옥신을 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산 화물 및 다이옥신 제거방법에 있어서, 상기 분말형 첨착활성탄은 입경이 46~140㎛ 범위인 것을 특징으로 한다. 분말형 첨착활성탄의 입경이 46㎛ 미만이거나 140㎛ 초과하는 경우, 질소산화물 및 다이옥신을 제거 효율이 떨어지게 된다.
본 발명에 의한 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거방법에 있어서, 상기 배기가스의 필터백 처리전에 배기가스에 산화제를 주입하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거방법에 있어서, 상기 산화제는 분사 방식으로 주입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거방법에 있어서, 상기 분말형 첨착활성탄은 질소산화물 및 다이옥신을 제거하는 화합물로 개질된 것임을 특징으로 한다. 바람직한 활성탄 개질용 화합물은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산나트륨 또는 이들의 혼합물과 같은 알칼리 화합물을 포함한다. 이외에도 질소산화물 및 다이옥신을 제거하는 데 적절한 화합물은 어느 것이든 활성탄 개질용으로 사용가능하다.
발명에 의한 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거방법에 있어서, 상기 연소 배기가스로부터 질소산화물 및 다이옥신 제거를 위한 각 공정은 150~200℃의 온도영역에서 운전되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산 화물 및 다이옥신 제거장치는, 배출가스가 통과하는 덕트(1); 상기 덕트(1)에 연결되어 산화제를 주입하는 산화제 주입라인(2); 상기 산화제 주입라인(2)과 연결되어 연동되고, 상기 덕트(1)의 내부로 산화제를 제공하는 산화제 분사 장치(3); 산화제가 주입된 배기가스가 유입되어 산화처리되는 산화필터백(4); 상기 산화필터백(4)과 연통된 연결관(102)을 통해 공급되는 산화처리 가스로부터 질소산화물 및 다이옥신을 흡착제거하는 흡착필터백(5); 흡착제로서 분말형 첨착활성탄을 상기 흡착필터백(5)에 공급하는 흡착제 공급장치(6); 상기 흡착필터백(5)에 연결되는 송풍기(40); 및 상기 송풍기(50)와 연결되는 굴뚝(50)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거장치에 있어서, 상기 분말형 첨착활성탄은 입경이 46~140㎛ 범위이고, 바람직하게는 질소산화물 및 다이옥신을 제거하는 화합물로 개질시킨 것이다.
본 발명에 의한 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거장치에 있어서, 상기 흡착필터백(5)으로부터 연장된 흡착제 재순환관(7)이, 사용되지 아니한 분말형 첨착활성탄을 상기 흡착제 공급장치(6)로부터 상기 흡착필터백(5)으로 주입되도록 하는 흡착제 공급관(103)에 연결되어, 상기 흡착제 재순환관(7)을 통해 공급되는 상기 흡착필터백(5)으로부터의 이미 사용된 분말형 첨착활성탄과 상기 흡착제 공급관(103)을 통해 공급되는 사용되지 아니한 분말형 첨착활성탄이 소정 비율로 혼합되어 흡착제로서 상기 흡착필터백(5)에 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거장치에 있어서, 상기 흡착필터백(5)으로부터 배출되는 분말형 첨착활성탄을 흡착제로서 재활용하기 위한 전처리 장치(8)가 흡착필터백(5)과 흡착제 재순환관(7) 사이에 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거장치에 있어서, 산화제 주입라인(2)과 산화제 분사 장치(3) 사이에 오존 발생기(10)가 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 기존의 첨착활성탄을 이용한 탑 방식 탈질공정의 운영 원리를 설명하기 위한 개략도이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 기존의 공정에서는 질소산화물과 다이옥신을 함유한 처리전 배출가스가 흡착제 충진층을 통과하면서 충진된 첨착활성탄에 의하여 흡착 제거된 후 충진탑을 빠져 나간다. 충진층에는 일정 공극을 형성해야 하므로 입경 2~4mm 정도의 파쇄형(그레뇰)이나 펠렛형의 조립형의 활성탄을 사용하고 있다.
도 2는 본 발명에 의한 분말형 첨착활성탄을 이용한 필터백 방식의 질소산화물 및 다이옥신의 제거원리를 도시한 개략도이다. 도 2에서 보는 바와 같이, 질소산화물과 다이옥신을 함유한 유해 가스는 필터백 하부로 유입되고 입경 46~140 ㎛(100~300메쉬) 범위의 미세 분말 상태로 주입되는 분말형 첨착활성탄과 혼합되어 반응기에 이동 중 흡착제거하고 추가로 필터백 표면에 누적하여 형성된 케이크를 통과하면서 흡착 제거된다. 이 공정에서 미세 분말형 첨착활성탄은 처리가스 흐름을 따라 필터백의 표면에 도달하여야 하므로 입경이 작은 미립자 형태의 첨착활성탄이 사용된다.
도 3은 본 발명에 의한 질소산화물 및 다이옥신의 제거장치 및 제거방법의 처리 공정을 보여주는 개략도이다. 도 3에서 편의상 덕트(1), 산화제 주입라인(2), 흡착제 재순환관(7), 산화제 공급관(101), 연결관(102), 흡착제 공급관(103) 등의 관, 라인은 화살표로 도시하였다.
연소시설에서 연소 과정을 거친 배출가스는 각종 오염물질이 포함된 상태이다. 이러한 배출가스를 필터백으로 공급하는 과정에 산소 또는 오존의 산화제가 산화제 분사 장치(3)를 통하여 분사 방식으로 주입된다.
본 발명에서는 흡착제로서 사용되는 분말형 첨착활성탄의 안정적인 제거 효율의 확보와 재생공정 없이 재사용하기 위한 방법으로서, 산화제인 산소의 공급원으로서 계장용 공기를 주입하는 방식을 취하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 계장용 공기는 산화제 주입라인(2)을 통하여 항시 주입되는 구성이며, NO가 고농도로 부하되는 경우에는, NO 부하에 따라 산화제 주입라인(2)에 연결되어 연동되는 오존 발생기(10)를 작동시켜, 산화제로서 제1산화제인 산소와 함께 보조산화제인 오존이 동시에 주입되도록 구성되어 있다. 도 3에서 부재번호 101로 표시된 것은 오존 발생기(10)로부터의 오존을 산소와 함께 산화제 분사 장치(3)로 공급하는 산화제 공 급관(101)이다.
계장용 공기는 일반적인 소각공정에서 여러 가지 필요한 공기를 제공하기 위해서 존재하는 것으로 일반적인 공기조성에서 수분을 제거한 공기 제공을 목적으로 만들어진 공기를 지칭한다. 계장용 공기는 N2와 O2가 혼합된 상태이며, 일반적으로 작업현장에서 상황에 따라 조성이 바뀌어지게 된다. 본 발명에서 산소의 주입은 이 계장용 공기에 포함된 O2의 주입으로 달성되는 것으로서, 특별히 O2가 추가로 공급되는 것은 아니다. 이는 O2만 추가로 제공하게 될 경우에 이를 위하여 소요되는 비용을 절감하기 위한 것이다. 본 발명에서 계장용 공기는 공정에 필요한 O2 제공과 O3 발생에 필요한 O2 제공에 목적이 있다.
본 발명에서는 최적의 NO 제거효율과 제거조건을 달성하기 위해서 산화를 촉진시키는 산화제로서 제1산화제인 산소(O2)와 선택적인 보조산화제로서 제2산화제인 오존(O3)이 주입된다. 특히, 오염가스에 존재하는 O2와 함께 추가로 주입된 계장용 공기(수분이 제거된 N2와 O2로 혼합된 공기)에 의하여 분말형 첨착활성탄과 최적 흡착반응을 유지할 수 있는 적절한 O2 농도를 가진 가스 분위기가 조성된다.
산화제로서 주입된 산소(O2)는 하기의 반응식 1에 의하여 분말형 첨착활성탄 표면에 Oads 상태로 흡착하거나, 하기의 반응식 2에 의하여 오염가스 중에 존재하는 NO를 NO2로 산화시키게 되며 반응기 내에서 NO2 형태로 분말형 첨착활성탄에 흡 착되어 NO2ads 가 된다.
O2 ⇒ Oads
NO ⇒ NO2 ⇒ NO2ads
상기의 반응식 1 및 2에 의하여 산화된 NO2는 개질된 활성탄 표면에 NO2ads 상태로 흡착되게 되어, NO의 제거효율이 향상된다. 즉, NO2로 산화된 NO나 표면에 존재하는 Oads는 분말형 첨착활성탄 존재 하에 표면 흡착능이 증가하게 되며, 공정상의 NO 제거 효율은 증가하게 된다.
또한, 보조산화제로서 주입된 오존(O3)은 하기 반응식 3에 의하여 O2의 형태로 제공되거나, NO를 NO2로 산화시킴으로써, 선택적 흡착능을 가지는 분말형 첨착활성탄에 의한 NO제거에 기여하게 된다.
O3 ⇒ O2+O
본 발명에서 산화제의 최적 주입량은 공정여건에 따라 달라진다. 본 발명에서 바람직한 산소(O2) 주입량은 3-21%, 더욱 바람직하게는 6-12%이며, 오존(O3) 주입량은 0.01-0.2ppm 정도이다. 산소 또는 오존의 주입량의 위 범위를 벗어나게 되면 질소산화물 및 다이옥신의 제거효율이 떨어지게 된다.
통상의 경우, 필터백 입구에 존재하는 가스의 일반적인 O2 농도는 8% 이하이다. 본 발명에서는 바람직한 산소(O2)의 농도 6-12%를 맞추어 주기 위하여 모자라는 O2에 대한 추가적인 공급이 계장용 공기 공급에 의하여 달성되게 된다.
본 발명에서는 경우에 따라서 산소 주입만으로도 NO 제거효율을 달성할 수 있다. 산소는 항시 주입되어 고농도 부하의 NO일 경우에도 안정적인 제거효율을 달성할 수 있게 구성된다. 반면, 본 발명에서 오존(O3)의 주입은 항시 주입하거나, 또는 인위적으로 NO 부하에 연동되어 고농도 발생시 많은 양이, 저농도 발생시 적은 양이 주입되도록 구성된다. 오존(O3)의 주입시, 계장용 공기의 일부가 오존 발생기를 거쳐 O3으로 변환되어 공급된다.
본 발명에 사용되는 산화제 분사 장치는, 오존 주입시 오존의 분포 효율을 높여서 전체적인 NO 제거효율을 향상시키기 위한 방법으로서 분사 방식을 이용한다. 일반적으로 오존의 주입시에는 덕트나 반응기내의 혼합(mixing)이 주요변수로 작용하고, 고농도의 오존 주입이 필요하다. 그러나 본 발명에서는 산화제 분사 장치(3)를 통하여 산화제로서 오존을 분사시킴으로써, 적은 농도의 오존 주입으로 고효율의 제거능을 달성하여 더욱 안정적인 운영과 2차 오염이 유발될 수 있는 오존주입의 단점을 극복하였다.
본 발명의 필터백의 구조는 산화필터백(4)과 흡착필터백(5) 두 개의 필터백을 직렬로 연통시키고, 상기 두 필터백 사이에 흡착제를 공급하는 형태이며, 상기 공급된 흡착제를 흡착제 재순환관(7)을 통해 재공급시키는 구조로 이루어진다.
두 개의 필터백은 각각 목적이 상이한데, 산화필터백(4)은 주입된 계장용 공기와 O3에 의하여 NO가 NO2로 산화되는 공간이며, 이렇게 산화된 NO2는 흡착필터백(5)에서 흡착 후 반응에 의해서 흡착제에 흡착된다. 산화필터백(5)은 일반적인 백 사양과 거의 동일하나, 소각로 조건과 질소산화물 부하에 따라 반응에 필요한 체류시간과 흡착제로 제공되는 분말형 첨착활성탄의 공급량을 추가로 공급할 필요가 있을 경우에 반응기의 형태가 약간 변동될 수도 있다. 산화필터백(4)은 후단의 흡착필터백(5) 전의 충분한 산화공간이 되며, 다이옥신 동시처리에 이용되는 1차적인 분진제거기능을 수행하게 된다. 또한, 흡착필터백(5)은 흡착제의 주입 및 재순환을 통하여 산화필터백(4)에서 미제거된 가스상의 대기오염물질인 질소산화물, 다이옥신, 중금속, VOC를 제거하기 위한 목적으로 사용된다.
일반적으로 소각로 상에 존재하는 대부분의 NOx의 형태는 배출전 90-95%가 NO의 형태로 존재하며, 5-10%가 NO2의 형태로 존재하는데, 본 발명에서는 배출가스 중에 존재하는 NO를 분말형 첨착활성탄을 이용하여 흡착시켜 제거한다. 즉. 본 발명에서는 분말형 첨착활성탄을 이용하여 배출가스 중에 존재하는 NO를 흡착시켜 제거하는 것이다. 본 발명에서 산화필터백(4)과 흡착필터백(5)은 서로 연통되도록 구성되는데, 구체적으로 도 3에 도시된 것처럼, 연결관(102)에 의하여 산화필터백(4)의 가스 배출구와 흡착필터백(5)의 가스 주입구가 서로 연통되도록 구성될 수 있다. 본 발명에서 상기 흡착필터백(5)에는 흡착제로서 분말형 첨착활성탄이 주입되는데, 이를 위하여 도 3에 도시된 실시예에서는 흡착제 공급장치(6)로부터 흡착필터백(5)에 미사용된 분말형 첨착활성탄이 흡착제로서 주입된다. 상기 흡착제 공급장치(6)에는 흡착제 저장탱크(9)가 연결되어 있어, 흡착제로서 아직 사용되지 아니한 미사용 분말형 첨착활성탄을 공급하게 된다.
본 발명에서 사용하는 분말형 첨착활성탄은 활성탄에 질소산화물 및 다이옥신을 제거하기에 적절한 성능을 가진 혼합물을 일정 비율로 첨착시킨 것으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 본 발명에서는 활성탄에 알칼리계 화합물 즉, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산나트륨 또는 이들의 혼합물을 첨착시켜 제조될 수 있다. 이외에도 질소산화물 및 다이옥신을 제거할 수 있는 화합물은 어느 것이든 적절한 함량으로 활성탄에 첨착시켜 사용할 수 있다. 이와 같이 적절한 화합물의 첨착으로 개질된 분말형 첨착활성탄은 NO보다 NO2에 대한 선택적인 흡착능이 월등히 우수하다. 즉, 본 발명은 NO를 NO2로 산화시켜주기 위하여 O2나 O3을 주입하고, 그 결과 산화된 NO2를 개질된 분말형 첨착활성탄 표면에 NO2ads 상태로 흡착시킴으로써, NO의 제거효율을 향상시키게 된다.
분말형 첨착활성탄의 제조방법은 업계에서 통상 알려진 제조방법에 따른다. 대표적인 제조방법을 예시적으로 설명하면, 먼저 활성탄을 100~300메쉬로 체거름한 후에 입경 46~140㎛ 범위의 일정 크기를 가진 균일한 활성탄으로 분류한다. 분류된 활성탄들은 초기에 함유된 불순물을 최대한 제거하기 위하여 함침 처리전에 진공 가열탈착을 통하여 제거한다. 건조된 활성탄은 제조된 질소산화물 제거용 금속산화물 용액(KOH, NaOH, 또는 Na2CO3이 혼합된 용액 등을 포함하는 활성탄 개질용 화합물 용액)에 의하여 첨착되고, 일정 시간동안 교반과정을 거쳐 충분히 혼합한다. 이 후 활성탄의 용매제거와 세척을 통하여 건조함으로써 활성탄의 세공표면에 금속산화물을 잔류시키게 되는데, 이 과정 중에 N2 분위기하에서 잔존용액의 휘발 및 활성탄의 미세기공과 금속산화물을 활성화하였으며, 활성화된 최종 분말형 첨착활성탄은 공기 중 이물질과의 접촉을 방지하여 기능저하에 대비한다.
한편, 본 발명에 따른 배출가스 처리장치에서는 비용절감을 위하여 상기 분말형 첨착활성탄을 재순환시켜 다시 사용함으로써 그 사용도를 최대로 높인다. 분말형 첨착활성탄의 재순환에 의한 재활용을 위하여, 본 발명에서는 흡착제 공급장치(6)로부터 새롭게 공급받는 미사용 분말형 첨착활성탄을 흡착필터백(5)에 주입하는 것에 더하여, 흡착필터백(5)의 하부에 모인 분말형 첨착활성탄을 흡착제 재순환관(7)을 통하여 상기 흡착필터백(5)으로 주입함으로써 이미 사용된 분말형 첨착활 성탄을 재활용하게 되는 것이다. 이 때, 도 3에 도시된 것처럼, 흡착제 재순환관(7)을 상기 흡착제 공급관(103)에 연결하여 흡착제 공급장치(6)로부터 공급되는 아직 사용하지 않은 분말형 첨착활성탄과 재활용되는 이미 사용된 분말형 첨착활성탄을 소정 비율로 혼합하여 흡착필터백(50으로 주입할 수도 있다. 산화필터백(4)과 흡착필터백(5)은 서로 연통되도록 구성되어 있는데, 도면에 도시된 것처럼 연결관(102)에 의하여 산화필터백(4)의 가스 배출구와 흡착필터백(5)의 가스 주입구가 연통되도록 구성될 수 있다. 도 1에서 부재번호 8은 흡착필터백(5)으로부터 배출되는 이미 사용된 분말형 첨착활성탄을 재사용할 수 있도록 전처리하는 전처리 장치(8)이다.
이와 같이 본 발명에서는 사용되지 않은 신선한 분말형 첨착활성탄만을 흡착필터백(5)에 공급할 수도 있지만, 이미 사용하였던 분말형 첨착활성탄을 재순환시켜, 새로 공급되는 사용되지 않은 새로운 분말형 첨착활성탄과 혼합하여 흡착필터백(5)에 주입함으로써, 이미 사용된 분말형 첨착활성탄을 재활용하는 것도 가능하다.
배기가스에 계장용 공기 및 산화제가 혼합된 가스가 산화필터백(4) 및 흡착필터백(5)을 통과하면서, 질소산화물 및 다이옥신, 이외에도 중금속 및 VOC류가 흡착 제거되게 된다.
흡착필터백(5)에서 미처리된 배기가스와 산화제 등의 혼합가스는 덕트로 다시 반송시켜 필터백 공정을 재순환하도록 할 수 있다.
흡착필터백(5)을 통과한 최종 처리 가스는 송풍기(40)를 통과한 후, 정화된 상태로 굴뚝(50)을 통하여 외기로 배출된다.
기존의 탑 방식의 질소산화물 제거 시스템인 SCR의 제거 메커니즘을 예로 들면, 하기 반응식 4와 같다(환원제가 암모니아인 경우).
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O (촉매, 250-460℃)
기존 공정의 경우 SCR 탑 입구의 오염가스의 온도가 일반적으로 150-200℃이므로, 반응에 충분한 온도영역에 도달하기 위해서 재가열 시스템이 필요하다. 이에 반하여 본 발명은 필터백 방식으로 운영되는데, 일반적인 백의 온도는 150℃-180℃정도이다. 이렇게 낮은 온도에서 NO의 제거가 가능한 이유는 제거 메커니즘이 SCR의 경우에는 환원제를 주입한 NO의 환원인데 비하여, 본 발명은 특정 입경의 분말형 첨착활성탄을 필터백 방식으로 운영하면서, 아울러 산화제를 이용한 NO의 NO2로의 산화, 그리고 알칼리 화합물 등에 의하여 개질된 분말형 첨착활성탄에서의 NO2 흡착을 이용함으로써, NO 및 다이옥신의 제거가 용이하게 달성되기 때문이다. 즉, SCR에서는 환원반응이 이루어지기 위해서 활성화에너지를 포함한 열원이 제공되어야 하나, 본 발명에서는 제공된 산소나 오존의 산화력만으로 NO를 NO2로 산화시켜주기에 충분한 에너지가 공급되므로, 저온영역(150-200℃)에서 NO의 제거가 가능하게 되는 것이다.
다음에서는 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며 본 발명이 이에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1, 비교예 1~2>
본 실험에서는, 기존 활성탄(AC)(비교예 1)과 베이스 활성탄(비교예 2), 및 KOH 1M로 첨착한 후에 개질된 분말형 첨착활성탄(실시예 1)을 사용하여 활성탄의 차이에 따른 NO의 제거효율을 살펴본 것이다.
본 실험에서 유량은 7780ml/min, 선속도는 0.8m/min, 온도는 160℃, 활성탄 첨가량은 5g, 체류시간은 0.5s이었다.
본 실험에 따른 NO의 제거효율은 도 5에 나타내었다. 도 5에서 보는 바와 같이, 초기 120ppm의 NO농도 주입시에 질소산화물 흡착능은, 실시예 1 > 비교예 1> 비교예　２의 순으로서, 알칼리 화합물로 개질된 분말형 첨착활성탄에 의한 흡착능이 가장 뛰어났다. 기존 활성탄(비교예 1) 및 베이스 활성탄(비교예 2)은 NO 주입 후 파과시간이 비교적 빠른 반면에, 개질된 분말형 첨착활성탄(실시예 1)은 10.8min까지 5ppm 미만의 출구 농도를 유지하고, 파과점을 지나면서 s 곡선을 유지하여 33min 근처에서 80%의 파과율을 나타내었다. 즉, 비교예 1 및 2는 거의 흡착능을 나타내지 않고 있는 반면에, 실시예 1은 일정 시간동안 NO의 출구농도가 5ppm 미만으로 유지됨을 알 수가 있다. 본 실험의 결과로부터, 특히 특정 화합물의 첨착으로 개질된 분말형 첨착활성탄의 경우, NO 흡착능이 2배 이상 향상됨을 알 수 있다.
<실시예 2-3, 비교예 3>
본 실험은, 산소 주입시 질소산화물 제거능 향상을 알아보기 위한 것이다.
본 실험에서 유량은 7780ml/min, 선속도는 0.8m/min, 온도는 160℃, 활성탄 첨가량은 5g, 체류시간은 0.5s, NO의 초기 농도는 120ppm이었다.
산소를 주입하지 아니한 경우(비교예 3), 21%의 산소를 주입한 경우(실시예 2), 및 21%산소와 함께 0.1ppm의 오존을 주입한 경우(실시예 3)에 대하여 NO 제거효율을 측정하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에서 보는 바와 같이, 기존 질소분위기하의 NO 제거시(비교예 3)보다 산소 21% 존재시(실시예 2)의 NO 제거효율이 월등히 뛰어남을 알 수가 있었으며, 100min 경과시에도 완전 파과가 일어나지 않고 파과가 진행되고 있음을 알 수가 있었다. 또한, 특히 보조산화제로서 오존 0.1ppm이 추가 주입된 조건일 경우(실시예 3)에는 160min 경과시에도 완전 파과가 일어나지 않고 파과가 진행되고 있음을 알 수가 있었다. 즉, 본 실험에서 오존(0.1ppm)+산소(21%) >산소(21%) > N2 분위기 조건의 순으로 질소산화물에 대한 흡착능이 증가하여 전체적인 흡착량이 증대됨을 알 수가 있었다.
본 실험에서, 특히 오존 주입시에는 산소농도에 비하여 미량인 0.1ppm 수준 의 가스 주입에도 뛰어난 산화력으로 인하여 NO를 NO2로 산화시켜 분말형첨착활성탄의 흡착능 향상에 기여함을 알 수가 있었다.
<실시예 4-7>
본 실험에서는, 산소의 농도에 따른 NO의 제거 효율을 알아보았다. 본 실시예 4-7의 실험조건은 실시예 2와 동일하였다.
본 실시예 4-7은 산소 농도를 각각 3%(실시예 4), 6%(실시예 5), 12%(실시예 6), 21%(실시예 7)로 나누어서 단위 g당 활성탄 주입시에 NO의 흡착량을 산정한 것이다.
본 실험의 NO 제거 효율은 도 6에 나타내었다. 도 6에서 보는 바와 같이, 산소 농도 3-12%(실시예 4-6)까지의 NO 흡착능이 21%(실시예 7)에 비하여 뛰어나게 나타났으며, 21%(실시예 7)의 산소주입조건에 비하여 12%(실시예 6) 주입시에는 5배 가까운 흡착능 향상이 일어남을 알 수가 있었으며, 6-12%에서 최적의 NO 흡착능이 달성되었다.
<실시예 8>
본 실시예 8에서는 본 발명의 다이옥시 제거효율을 입증하기 위하여, 최종적으로 다이옥신의 배출 농도를 측정하였다. 최종 점검을 위해 1차 산화필터를 교체하였고, 분말형 첨착활성탄의 주입량은 20 Kg이었다. 여과포는 테프론 코팅 마감 처리가 된 것으로 부식이나 내열에 강한 재질을 사용하였다. 측정당시의 운영 조건은 다음의 표 1과 같다.
유입 (℃) 산화필터백 전단 (℃) 흡착필터백 내부 (℃) 흡착필터백 출구 (℃) 호퍼 (℃) 1st 차압 (mmAq) 2nd 차압 (mmAq) 유량 (m3/h)
213.9 198.2 154.2 131.5 92.6 125.2 64.3 1353.7
각각 2회씩 다이옥신류 농도를 측정한 결과(표 2)를 산소12% 보정하여 계산하고, 그 최종 결과를 아래 표 3에 나타내었다.
SDA입구1 SDA입구2 백출구1 백출구2
산소량(%) 9.42 8.93 13.64 12.9
시료량(Nm3) 1.6665 1.7201 3.6401 3.3744
다이옥신 독성등가 환산 농도(ng-TEQ/Nm3)
SDA입구1 SDA입구2 출구1 출구2
폴리염화디벤조 다이옥신 류 (PCDDs) 0.455 0.352 0.001 0.002
폴리염화 디벤조푸란 류 (PCDFs) 2.514 2.238 0.009 0.008
합 계 2.969 2.590 0.010 0.010
- PCDD: Polychlorinated Dibenzo Dioxin
- PCDF: Polychlorinated Dibenzo Furan
위 표 3에서 보는 바와 같이, 2차 흡착필터백 출구에서의 다이옥신 배출농도는 각각 0.01ng-TEQ/Nm3 과 0.01ng-TEQ/Nm3 로 배출되었고, 이때 산화필터백(SDA: spray dryer absorption) 입구에서의 농도는 각각 2.969ng-TEQ/Nm3 와 2.59ng-TEQ/Nm3 로 유입되었다. 즉, 다이옥신의 제거율[(출구농도/입구농도)ㅧ 100]은 각각 99.66% 와 99.54 %로써 높은 제거효율을 보였다. 이처럼 본 발명은 배출농도가 도시쓰레기 소각로 배출기준인 0.1 ng-TEQ/Nm3 보다 훨씬 낮은 0.01 ng-TEQ/Nm3 로서 아주 우수한 결과를 보였다.
종래의 SCR의 경우에는 고효율이나 고비용과 높은 설치비, 적절한 운전조건 확보를 위한 배가스 재가열 비용, 촉매 피독 등의 문제가 있으며, SNCR의 경우에는 저비용이나 운전조작의 미숙함으로 인한 안정적인 운영의 어려움과 고온영역에서의 트러블, 혼합(mixing)에 의한 효율영향이 존재함으로 인해서 항상 고효율이 확보되기 어려운 단점이 있었다. 그러나 본 발명은 필터백 기반의 순환구조를 가지고 흡착제로서 분말형 첨착활성탄을 사용하며, 계장용 공기 및 산화제를 주입함으로써 저온 영역에서 유해가스의 효과적인 제거효율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 안정적인 처리효율을 달성할 수 있다.
비록 상기에서 본 발명은 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 본 발명자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 질소산화물 및 다이옥신의 제거장치 는 기존의 값비싼 촉매를 사용하지 아니하고 분말형 첨착활성탄을 이용하며, 탑 타입이 아닌 필터백 기반의 순환구조를 가짐으로써, 흡착/재생에 따른 탄소의 소모가 적고, 압력강하도 적게 나타나며, 반응에 충분한 체류시간과 분말형 첨착활성탄 공급량을 확보할 수 있어 유해가스를 효과적으로 제거한다. 또한, 효율저하를 보완하기 위하여, 산화제로서 산소나 오존을 주입함으로써, 고농도의 NO 발생시에도 안정적인 효율을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명은 종래의 SNCR과 같이, 환원제 주입이나 고온의 영역이 필요하지 않으며, SCR과 같이 고가의 촉매나 환원제 주입의 운영조건 없이 단순한 산화제의 주입 및 분말형 첨착활성탄을 이용하여 질소산화물 및 다이옥신류의 동시 흡착제거가 가능한 기술로써 150~200℃의 낮은 운전 온도영역으로 인하여 종래기술의 재가열이라고 하는 단점을 극복하였다.
요컨대, 본 발명에 의한 질소산화물 및 다이옥신의 제거장치를 이용하면, 저비용으로 기존 여과공법에서는 수행하기 어려운 저온 운전이 가능하고, 높은 농도부하 및 높은 부하량 적용시에도 안정적인 처리효율을 얻어낼 수 있다.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
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  7. 연소시설의 배출가스 중에 포함된 질소산화물 및 다이옥신을 제거하기 위한 장치로서,
    배출가스가 통과하는 덕트(1);
    상기 덕트(1)에 연결되어 산화제를 주입하는 산화제 주입라인(2);
    상기 산화제 주입라인(2)과 연결되어 연동되고, 상기 덕트(1)의 내부로 산화제를 제공하는 산화제 분사 장치(3);
    산화제가 주입된 배기가스가 유입되어 산화처리되는 산화필터백(4);
    상기 산화필터백(4)과 연통된 연결관(102)을 통해 공급되는 산화처리 가스로부터 질소산화물 및 다이옥신을 흡착제거하는 흡착필터백(5);
    흡착제로서 분말형 첨착활성탄을 상기 흡착필터백(5)에 공급하는 흡착제 공급장치(6);
    상기 흡착필터백(5)에 연결되는 송풍기(40); 및
    상기 송풍기(50)와 연결되는 굴뚝(50)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분말형 첨착활성탄은 입경이 46~140㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 분말형 첨착활성탄은 질소산화물 및 다이옥신을 제거하는 화합물로 개질된 것을 특징으로 하는 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 흡착필터백(5)으로부터 연장된 흡착제 재순환관(7)이, 사용되지 아니한 분말형 첨착활성탄을 상기 흡착제 공급장치(6)로부터 상기 흡착필터백(5)으로 주입되도록 하는 흡착제 공급관(103)에 연결되어,
    상기 흡착제 재순환관(7)을 통해 공급되는 상기 흡착필터백(5)으로부터의 이미 사용된 분말형 첨착활성탄과 상기 흡착제 공급관(103)을 통해 공급되는 사용되지 아니한 분말형 첨착활성탄이 소정 비율로 혼합되어 흡착제로서 상기 흡착필터백(5)에 공급되는 것을 특징으로 하는 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 흡착필터백(5)으로부터 배출되는 분말형 첨착활성탄을 흡착제로서 재활용하기 위한 전처리 장치(8)가 흡착필터백(5)과 흡착제 재순환관(7) 사이에 구비되 어 있는 것을 특징으로 하는 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거장치.
  12. 제7항에 있어서,
    산화제 주입라인(2)과 산화제 분사 장치(3) 사이에 오존 발생기(10)가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 분말형 첨착활성탄을 이용한 연소 배기가스로부터의 질소산화물 및 다이옥신 제거장치.
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