KR100934551B1 - 황산화물 및 이산화탄소 제거 방법 - Google Patents

황산화물 및 이산화탄소 제거 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 석탄 연소시 발생하는 황산화물과 이산화탄소를 제거하는 방법에 관한 것으로, 석탄에 나트륨 화합물을 첨가하여 연소시 배기가스에 함유된 황산화물(SOx)과 이산화탄소(CO2)를 동시에 제거할 수 있는 석탄 연소에 의한 배기가스의 처리 방법을 제공한다.
탈황, 탈탄산가스, 황산화물, 이산화탄소, 수산화나트륨

Description

황산화물 및 이산화탄소 제거 방법{Method for desulfurization and removing carbon dioxide}
본 발명은 석탄 연소시 발생하는 배기가스에 함유된 황산화물과 이산화탄소를 제거하는 방법에 관한 것이다.
황 성분이 포함된 석탄, 중유 또는 코크스와 같은 화석 연료를 연소시키면, 일산화황(SO), 이산화황(SO2) 및 삼산화황(SO3)과 같은 황산화물 및 이산화탄소(CO2) 성분이 다량 함유된 가스가 발생한다. 황산화물이나 이산화탄소는 공기 오염 및 지구 온난화의 주범으로 인식되고 있어 그 배출량을 규제하고 있다. 또한 황산화물의 산성은 장비의 부식 문제를 일으킨다. 따라서 석탄 연료 연소시 발생하는 황산화물 및 이산화탄소를 효과적으로 제거하는 방법에 대한 연구가 계속되고 있는 실정이다.
황산화물을 제거하는 방법으로는 삼산화황을 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 사용하여 제거하는 방법이 공지되어 있다. 수산화칼슘에 의한 탈황 원리는 하기 반응식으로 설명할 수 있다.
Ca(OH)2 + SO3 = CaSO4 + H2O
즉, 연소시 발생하는 가스 중에 함유된 삼산화황이 수산화칼슘과 반응하여 석고로 되어 제거 처리된다.
그러나 수산화칼슘을 사용하는 방법의 경우 삼산화황(SO3) 가스는 잘 처리되나 일산화황(SO)이나 이산화황(SO2) 상태의 가스는 처리가 어렵고 다량의 슬러지가 생성되어, 별개의 집진 장치가 필요하여 관리 비용이 증가한다는 문제가 있다.
이산화탄소는 지구 온난화를 유발하는 주범으로 인식되고 있어, 각국에서 이산화탄소의 배출량을 줄이는 기술에 관한 많은 연구 개발이 진행되고 있으나, 비용과 제거 효율을 모두 만족하는 효과적인 제거 기술은 아직까지 개발되지 않고 있다. 이산화탄소 처리 기술은 화석 연료의 에너지 전환 과정 중 어느 단계에서 포집하여 처리하는가에 따라서 1) 연소 전 포집, 2) 순산소 연소, 3) 연소 후 포집 등으로 구분된다. 가장 널리 개발되고 있는 공정은 연소 후의 이산화탄소 포집에 관한 것으로, 화석연료의 배기가스에서 발생하는 이산화황의 제거하기 위하여 탈황 설비를 설치하는 것과 같이 연소로에서 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 분리하여 제거하는 기술이다. 그러나 배기가스에는 이산화탄소와 황산화물뿐만 아니라 질소, 산소, 증기 등이 포함되어 있어, 비용이 많이 드는 공정으로 인식되고 있어, 그 개발에 어려움이 있다.
본 발명은 석탄 연소시 발생하는 황산화물 뿐만 아니라 이산화탄소까지 제거할 수 있는 방법에 관한 것으로, 간단하게 석탄 연소시에 나트륨 화합물을 첨가하여 황산화물과 이산화탄소를 동시에 제거하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 석탄 연소에 의한 배기가스의 처리 방법에 있어서, 석탄에 나트륨 화합물을 첨가하여 연소시 배기가스에 함유된 황산화물(SOx)과 이산화탄소(CO2)를 동시에 제거할 수 있는 석탄 연소에 의한 배기가스의 처리 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 나트륨 화합물이 수산화나트륨인 것을 특징으로 하는 석탄 연소에 의한 배기가스 처리 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 수산화나트륨과 함께 흡습제로 소다석회를 첨가하는 것을 특징으로 하는 석탄 연소에 의한 배기가스 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 배기가스 처리 방법은 석탄 연소시 나트륨 화합물을 간단하게 첨가하는 것만으로 석탄 연소시 발생하는 배기가스에 함유된 황산화물 뿐만 아니라 이산화탄소까지 제거할 수 있는 우수한 효과가 있다. 또한 본 발명은 석탄 연소시 발생하는 배기가스와 나트륨 화합물과의 반응 생성물로 산소가 생성되어 연소 효율 을 증대된다.
본 발명에서는 나트륨 화합물을 석탄 연료와 혼합하여 황산화물과 이산화탄소를 황산나트륨과 탄산나트륨으로 변환시킴으로써 황산화물과 이산화탄소를 동시에 제거하는 방법을 개시한다.
본 발명에서 바람직하게 사용될 수 있는 나트륨 화합물은 수산화나트륨과 이산화나트륨이다.
수산화나트륨을 석탄 연소시에 첨가하여 황산화물과 이산화탄소를 제거하는 원리는 하기 반응식 1 및 2에 나타내었다. 즉, 삼산화황(아황산)과 이산화황은 반응식 1에 나타낸 바와 같이 각각 수산화나트륨과 반응하여 무수 황산나트륨과 아황산나트륨으로 추출됨으로써 제거된다. 그리고 이산화탄소는 반응식 2와 같이 수산화나트륨과 반응하여 탄산나트륨을 생성함으로써 제거된다. 생성된 탄산나트륨은 여분의 황산화물과 반응하여 황산화물을 제거 효과를 더 증대시킬 수 있고, 아울러 생산되는 이산화탄소는 수산화나트륨에 의하여 제거되게 된다.
[반응식 1] 수산화나트륨을 이용한 황산화물의 제거 반응
2NaOH + SO3 = Na2SO4 + H2O
2NaOH + SO2 = Na2SO3 + H2O
[반응식 2] 수산화나트륨을 이용한 이산화탄소의 제거 반응
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O
NaOH + CO2 = NaHCO3
본 발명은 수산화나트륨을 첨가할 때는 흡습제를 혼합 첨가하는 것이 바람직하다. 수산화나트륨은 조해성이 강한 물질이므로 흡습제와 혼합하여 첨가하게 되면 수산화나트륨과 제거하려는 물질과의 반응성을 최대화할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 흡습제의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 건조제로서 뿐만 아니라 이산화탄소를 흡수하는 성질도 지닌 소다석회가 바람직하게 사용될 수 있다. 흡습제는 수산화나트륨에 대하여 0.5~5중량%, 바람직하게는 1~3중량%의 양으로 첨가된다.
본 발명에서 수산화나트륨은 배기가스에 함유된 황산화물 성분 및 이산화탄소 각각의 몰당 1 내지 10몰, 바람직하게는 2 내지 6몰의 양으로 첨가된다. 첨가량이 1몰 미만이면 황산화물 성분 및 이산화탄소를 적절히 제거할 수 없고, 10몰을 초과하여 사용하게 되면 제거 효율 및 비용 면에서 바람직하지 않다.
수산화나트륨은 석탄이 보일러에 투입될 때, 분말 상태로 수분을 함유한 공기와 함께 분무 방식으로 투입된다.
본 발명의 나트륨 화합물로 수산화나트륨 이외에 이산화나트륨이 적절하게 사용될 수 있다. 이산화나트륨(Na2O2)은 강산화제로서 연료와 직접 혼합하여 사용하는 것이 불가능하다. 따라서 본 발명에서는 염화나트륨(NaCl) 수용액에 이산화나트륨을 용해시켜 가열시 수산화나트륨(NaOH)으로 변화되도록 하고, 석탄 연소시 화염 속에서 이산화나트륨(Na2O2)으로 변화되어 아래 반응식 3 및 4와 같은 화학반응에 의하여 배기가스에 함유된 이산화황과 이산화탄소를 제거할 수 있다. 즉, 이산화나 트륨 화합물을 석탄 연료에 혼합하여 사용함으로써 황산화물과 이산화탄소가 무독성의 황산나트륨 화합물과 탄산나트륨으로 추출을 할 수 있다. 그리고 황산화물 성분과 이산화나트륨과의 반응에 의하여 생성되는 산소는 보일러실 내의 연소 효율을 증대시킬 수 있다.
[반응식 3] 이산화나트륨을 이용한 황산화물의 제거 반응
Na2O2 + SO3 = Na2SO4 + O
Na2O2 + SO2 = Na2SO4
Na2O2 + SO = Na2SO3
[반응식 4] 이산화나트륨을 이용한 이산화탄소의 제거 반응
Na2O2 + CO2 = Na2CO3 + O
본 발명에서 이산화나트륨은 배기가스에 함유된 황산화물 성분 및 이산화탄소의 몰당 2 내지 5몰의 양으로 첨가된다. 첨가량이 2몰 미만이면 황산화물 성분 및 이산화탄소를 적절히 제거할 수 없고, 5몰을 초과하여 사용하게 되면 제거 효율 및 비용 면에서 바람직하지 않다.
이산화나트륨은 수산화나트륨의 형태로 투입이 되므로, 수산화나트륨 투입과 같이 분말 상태로 수분을 함유한 공기와 함께 분무 방식으로 투입된다.
아래에서 본 발명이 실시 예와 함께 상세하게 설명이 되지만, 제시된 실시 예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
[실시 예]
석탄이 보일러의 연소실에 투입되기 직전, 수산화나트륨 분말과 소다석회를 수분을 함유한 공기와 함께 석탄 표면에 분무한다. 석탄 연소시 발생하는 황산화물 성분과 이산화탄소는 거의 황산나트륨으로 변환되어 소각된 재에 잔존하게 된다. 고온의 보일러실 내부에서 1 내지 3시간 연소 후 배출되는 배기가스 500ml를 포집하여, 배기가스 성분분석기로 황산화물 성분과 이산화탄소 함량을 측정하였다. 측정 결과 황산화물 성분은 1~3ppm 이하, 이산화탄소는 거의 검출되지 않았다.

Claims (3)

  1. 보일러의 연소실에 투입될 석탄을 준비하는 단계;
    수산화나트륨 분말과 소다석회를 수분을 함유한 공기와 함께 석탄 표면에 분무하는 단계; 및
    석탄을 연소하여 황산화물 성분과 이산화탄소를 황산나트륨 또는 탄산나트륨으로 변환하는 단계를 포함하는 석탄 연소에 의한 배기가스의 처리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 수산화나트륨은 석탄 연소과정에 배출되는 배기가스를 기준으로 황산화물과 이산화탄소 각각의 몰 당 2 내지 6몰이 되도록 첨가되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 소다석회는 수산화나트륨 중량에 대하여 1 내지 3 중량%가 되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리 방법.
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