KR101010727B1 - 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템 및 그의 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 황산화물 및 수소가 공급되고, 상기 수소의 공급량을 조절하여 황화수소와 상기 황산화물을 혼합된 상태로 유지하는 니켈페라이트 반응기; 상기 니켈페라이트 반응기의 상기 황화수소와 상기 황산화물로부터 유황 및 배가스를 생성하는 감마 알루미나 반응기; 상기 감마 알루미나 반응기로부터 상기 유황을 공급받아 저장하는 유황 저장조; 상기 감마 알루미나 반응기로부터 상기 배가스를 공급받는 배가스 저장기; 및 암모니아수를 공급받아, 상기 배가스를 상기 암모니아수와 흡수 반응시켜 제거하는 암모니아 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템을 개시한다. 상기와 같은 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템 및 그의 방법은 황산화물의 제거에 따른 비용을 감소시키고, 효율을 증대시키도록 한다.
니켈페라이트 반응기, 감마 알루미나 반응기, 암모니아수, 배가스, 유황
Description
본 발명은 연소 배가스에 함유된 물질을 제거하는 시스템 및 그의 방법에 관한 것으로서, 특히 연소 배가스에 함유된 이산화황 등과 같은 황산화물의 제거 시스템과 그의 방법에 관한 것이다.
일반적으로 석탄, 천연가스 및 코크스 오븐 가스는 유황화합물을 일부 함유하고 있다. 이로 인해, 이러한 석탄, 천연가스 및 코크스 오븐 가스가 연소될 때, 연소 배가스에는 황산화물이 함유된 상태로 방출된다. 황산화물은 대기 환경의 오염을 유발하고, 대기 중에서 산성비의 원인이다. 따라서, 연소 배가스를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있다.
예를 들어, 소결 공정에서 200℃~500℃의 윈드박스 및 메인덕트에 탈황제로서 탄산수소나트륨을 투입하여, 소결 배가스의 황산화물이 제거되는 방법이 있다. 아울러, 건조된 백운석 슬러지를 탈황제로서 이용하는 방법이다. 발생된 백운석 슬러지를 PH 8 이상의 알칼리 수용액으로 처리한 후 건조한다. 이렇게 처리, 건조된 백운석 슬러지가 황산화물이 함유된 배가스와 접촉됨으로써, 배기하는 동안 황산화 물이 제거되는 화학반응이 발생하게 된다.
하지만, 현재 연구되고 있는 방법은 일반적으로 현장에서 직접 적용하는 데에 어려움이 따른다. 아울러, 설비가 크기 때문에, 오히려 상당한 비용을 필요로 하고 효율의 측면에서 떨어진다는 문제점이 있다.
본 발명은 비용을 절감하고 효율을 증대시킬 수 있는 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템 및 그의 방법을 제공하고자 한다.
아울러, 본 발명은 연소 배가스로부터 폐기물 배출을 감소시킬 수 있는 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템 및 그의 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 현장에서 적용할 수 있는 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템 및 그의 방법을 제공하고자 한다.
황산화물 및 수소가 공급되고, 니켈페라이트 촉매에 의해 황화수소를 생성하는 니켈페라이트 반응기; 상기 니켈페라이트 반응기의 상기 황화수소와 상기 황산화물로부터 유황 및 배가스를 생성하는 감마 알루미나 반응기; 상기 감마 알루미나 반응기로부터 상기 유황을 공급받아 저장하는 유황 저장조; 상기 감마 알루미나 반응기로부터 상기 배가스를 공급받는 배가스 저장기; 및 암모니아수를 공급받아, 상기 배가스를 상기 암모니아수와 흡수 반응시켜 제거하는 암모니아 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템을 개시한다.
아울러, 상기 니켈페라이트 반응기는 상기 수소의 공급량을 조절하여 혼합된 상기 황화수소와 상기 황산화물을 2.0 내지 2.1의 농도비로 유지시키는 것을 특징으로 하는 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템을 개시한다.
또한, 상기 감마 알루미나 반응기는 280℃ 내지 300℃로 설정되는 것을 특징 으로 하는 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템을 개시한다.
또한, 상기 니켈페라이트 반응기의 상기 황화수소와 상기 황산화물은 적어도 2회에 걸쳐 상기 감마 알루미나 반응기를 통하여 상기 유황 및 상기 배가스로 생성되는 것을 특징으로 하는 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템을 개시한다.
또한, 상기 암모니아 반응기를 거친 상기 배가스 중 일부는 상기 감마 알루미나 반응기로 이동하는 것을 특징으로 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템을 개시한다.
본 발명은 (a) 니켈페라이트 반응기에 황산화물 및 수소를 공급하되, 니켈페라이트 촉매에 의해 황화수소를 생성하는 단계; (b) 감마 알루미나 반응기에서 혼합된 상기 황화수소와 상기 황산화물을 280℃ 내지 300℃로 유지하여 유황 및 배가스를 생성하는 단계; (c) 상기 유황이 유황 저장조로 이동하여 저장되는 단계; 및 (d) 상기 배가스가 암모니아수와 흡수반응하여 제거되는 단계를 포함하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 배가스의 황산화물 제거 방법을 개시한다.
아울러, 상기 (a) 단계에서 상기 황화수소와 황산화물의 농도비는 상기 수소의 공급량 조절에 의해 2.0 내지 2.1로 유지되는 것을 특징으로 하는 연소 배가스의 황산화물 제거 방법을 개시한다.
또한, 상기 연소 배가스의 황산화물 제거 방법은, 상기 배가스 중 일부가 상기 (b) 단계를 거치는 것을 특징으로 하는 연소 배가스의 황산화물 제거 방법을 개시한다.
본 발명에 따른 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템 및 그의 방법은 니켈페라이트 반응기에서 촉매를 이용하여 수소와 황산화물로부터 황화수소를 생성하고, 생성된 황화수소를 감마 알루미나 반응기에서 황산화물과 화학반응시켜 유황을 생성하여 황산화물을 제거한다. 상기와 같은 시스템과 그의 방법을 통해 황산화물은 손쉽게 제거됨에 따라, 황산화물의 제거 비용이 감소되고 황산화물의 제거 효율이 증대된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템(100)을 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템(100)은 니켈페라이트 반응기(101), 감마 알루미나 반응기(102), 유황 저장조(103), 배가스 저장기(104) 및 암모니아 반응기(105)를 포함한다. 아울러, 본 실시예의 이산화황(SO2)은 '황산화물'이라 하기로 한다.
니켈페라이트 반응기(101)는 황산화물 및 수소가 공급된다. 이때, 상기 황산화물 및 상기 수소는 니켈페라이트 촉매에 의해 다음의 반응식 1과 같은 화학 반응 을 일으킨다.
상기의 반응식 1은 수소가 니켈페라이트 촉매에 의해 이산화황과 건식 반응하여, 2 개의 물 분자와 함께 황화수소가 발생하는 것을 나타낸다. 따라서, 니켈페라이트 반응기(101)는 상기 황산화물 및 상기 수소를 화학반응시켜 황화수소를 생성하고, 상기 황화수소를 상기 황산화물과 혼합된 상태로 유지한다. 한편, 상기 수소의 공급량에 따라, 생성되는 황화수소의 양도 조절가능하다. 따라서, 니켈페라이트 반응기(101)는 상기 수소의 공급량을 조절하여, 혼합된 상기 황화수소와 상기 황산화물을 2.0 내지 2.1의 농도비로 유지되도록 한다.
감마 알루미나 반응기(102)는 니켈페라이트 반응기(101)의 상기 황화수소와 상기 황산화물로부터 유황 및 배가스를 생성한다. 아울러, 상기 황화수소와 상기 황산화물은 다음의 반응식 2와 같은 화학반응을 일으킨다.
상기의 반응식 2는 황화수소 2분자가 이산화황 1분자와 반응하여, 원소황 3분자와 수분이 생성되는 것을 나타낸다. 아울러, 일반적으로 원소황의 용융점은 120℃이다. 감마 알루미나 반응기의 온도가 120℃ 이상일 때, 액상의 유황을 획득할 수 있다. 한편, 본 발명의 감마 알루미나 반응기(102)의 온도는 280℃ 내지 300℃이다. 따라서, 감마 알루미나 반응기(102)는 상기 황화수소 및 황산화물을 화학 반응시켜 유황을 생성한다. 즉, 감마 알루미나 반응기(102)는 니켈페라이트 반응기(101)와 연계하여 공급된 상기 황산화물을 상기 유황으로 전환시켜 제거하는 것이다. 아울러, 니켈페라이트 반응기(101)로부터 공급된 상기 황산화물은 감마 알루미나 반응기(102)를 통해 상기 황산화물을 상기 유황으로 전환시키는 과정을 적어도 2회 거치게 된다.
유황 저장조(103)는 감마 알루미나 반응기(102)로부터 생성된 상기 유황을 공급받아 저장한다. 이로 인해, 생성된 유황은 별도로 저장되고, 다른 공정에 이용될 수 있다.
배가스 저장기(104)는 감마 알루미나 반응기(102)로부터 배가스를 공급받는다. 여기에서, 상기 배가스는 감마 알루미나 반응기(102)에서 상기 유황으로 전환되지 아니한 상기 황산화물을 의미한다.
암모니아 반응기(104)는 암모니아수를 공급받는다. 상기 암모니아수는 상기 배가스와 흡수 반응하여, 상기 배가스를 제거한다. 암모니아 반응기(104)를 통해서도 제거되지 않는 상기 배가스는 다시 감마 알루미나 반응기(102)로 이동한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소 배가스의 황산화물 제거 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소 배가스의 황산화물 제거 방법은 황화수소 생성단계(S101), 유황 생성 단계(S102), 유황의 이동/저장 단계(S103) 및 배가스의 제거 단계(S104)를 포함한다.
황화수소 생성단계(S101)는 니켈페라이트 반응기(101)에 황산화물 및 수소가 공급되고, 상기 황산화물 및 상기 수소가 니켈페라이트 촉매에 의해 건식 반응하여 황화수소를 생성한다. 이때, 상기 황화수소 및 상기 황산화물의 농도비는 상기 수소의 공급량을 조절하여 2.0 내지 2.1로 유지하게 된다.
유황 생성 단계(S102)는 S101 단계 후, 니켈페라이트 반응기(101)로부터 공급된 상기 황화수소 및 상기 황산화물의 화학반응이 감마 알루미나 반응기(102)에서 발생하여 유황을 생성한다. 이때, 감마 알루미나 반응기(102)의 온도는 280℃ 내지 300℃로 설정된다. 일반적으로 상기 황화 수소 및 상기 황산화물의 화학반응에 의해 원소 황이 생성되지만, 원소 황의 용융점이 120℃이다. 따라서, 유황 생성 단계(S102)에서의 원소 황은 액상인 유황으로 생성되는 것이다.
유황의 이동/저장 단계(S103)는 S102 단계 후, 생성된 상기 유황을 유황 저장조(103)로 이동시켜 저장한다.
배가스의 제거 단계(S104)는 암모니아수 반응기(104)로 공급된 암모니아수와 S102 단계를 거친 배가스의 흡수 반응이 일어난다. 이를 통해, 상기 배가스는 제거되고, S104 단계를 통해서 제거되지 않는 배가스는 다시 S102 단계로 이동하게 된다. 한편, S104 단계는 S103 단계에 이어서 이루어질 수 있지만, S103 단계와 동시에 이루어질 수도 있다.
도 3은 H2S와 SO2의 농도비에 따른 유황전환율을 나타내는 그래프이고, 도 4는 감마 알루미나 반응기(102)의 온도에 따른 유황전환율을 나타내는 그래프이다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 유황전환율은 H2S와 SO2의 농도비 및 감마 알루미나 반응기(102)의 온도에 영향을 받는다.
도 3은 H2S와 SO2의 농도비에 따른 유황전환율을 확인하기 위한 실험의 결과이다. 본 실험은 250℃의 니켈페라이트 반응기(101)에서 수소의 공급량에 의해 H2S와 SO2의 농도비를 각각 1.8, 1.9, 2.0, 2.1 및 2.2로 하여 실시되었다. 한편, 유황의 생성은 감마 알루미나 반응기(102)에서 이루어진다. 따라서, 감마 알루미나 반응기(102)에서 후공정이 실시되었다. 아울러, 유황 전환율은 유황전환량으로 측정하기 어렵기에 배출되는 가스의 성분을 측정하여 산출하였다.
도 3을 살펴보면, 유황전환율은 H2S와 SO2의 농도비가 1.8부터 2.1까지 점차 증가하고, H2S와 SO2의 농도비가 2.1부터 감소하기 시작한다. 아울러, 2.0 내지 2.1의 H2S와 SO2의 농도비에서 유황전환율이 99% 이상인 것으로 나타났다. 따라서, 본 발명은 니켈페라이트 반응기(101)에서 수소의 공급량을 조절하여 H2S와 SO2의 농도비를 2.0 내지 2.1로 유지하는 것이 바람직하다.
도 4는 감마 알루미나 반응기(102)의 온도에 따른 유황전환율을 확인하기 위한 실험의 결과이다. 실험은 250℃의 니켈페라이트 반응기(101)로부터 2.0의 농도 비로 H2S와 SO2가 공급되는 감마 알루미나 반응기(102)의 온도를 270℃ 내지 310℃로 설정하여 실시하였다. 아울러, 유황 전환율은 유황전환량으로 측정하기 어렵기에 배출되는 가스의 성분을 측정하여 산출하였다.
도 4를 살펴보면, 유황전환율은 감마 알루미나 반응기(102)의 온도가 270℃부터 300℃까지 점차 증가하고, 감마 알루미나 반응기(102)의 온도가 300℃부터 감소하기 시작한다. 아울러, 280℃ 내지 300℃의 감마 알루미나 반응기(102)의 온도에서 유황전환율이 99% 이상인 것으로 나타났다. 따라서, 본 발명은 감마 알루미나 반응기(102)의 온도를 280℃ 내지 300℃로 설정하는 것이 바람직하다.
이상, 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소 배가스의 황산화물 제거 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 H2S와 SO2의 농도비에 따른 유황전환율을 나타내는 그래프이다.
도 4는 감마 알루미나 반응기의 온도에 따른 유황전환율을 나타내는 그래프이다.
Claims (8)
- 황산화물 및 수소가 공급되고, 니켈페라이트 촉매에 의해 황화수소를 생성하는 니켈페라이트 반응기;상기 니켈페라이트 반응기의 상기 황화수소와 상기 황산화물로부터 유황 및 배가스를 생성하는 감마 알루미나 반응기;상기 감마 알루미나 반응기로부터 상기 유황을 공급받아 저장하는 유황 저장조;상기 감마 알루미나 반응기로부터 상기 배가스를 공급받는 배가스 저장기; 및암모니아수를 공급받아, 상기 배가스를 상기 암모니아수와 흡수 반응시켜 제거하는 암모니아 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 니켈페라이트 반응기는 상기 수소의 공급량을 조절하여 혼합된 상기 황화수소와 상기 황산화물을 2.0 내지 2.1의 농도비로 유지시키는 것을 특징으로 하는 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 감마 알루미나 반응기는 280℃ 내지 300℃로 설정되는 것을 특징으로 하는 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 니켈페라이트 반응기의 상기 황화수소와 상기 황산화물은 적어도 2회에 걸쳐 상기 감마 알루미나 반응기를 통하여 상기 유황 및 상기 배가스로 생성되는 것을 특징으로 하는 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 암모니아 반응기를 거친 상기 배가스 중 일부는 상기 감마 알루미나 반응기로 이동하는 것을 특징으로 연소 배가스의 황산화물 제거 시스템.
- (a) 니켈페라이트 반응기에 황산화물 및 수소를 공급하되, 니켈페라이트 촉매에 의해 황화수소를 생성하는 단계;(b) 감마 알루미나 반응기에서 혼합된 상기 황화수소와 상기 황산화물을 280 ℃ 내지 300℃로 유지하여 유황 및 배가스를 생성하는 단계;(c) 상기 유황이 유황 저장조로 이동하여 저장되는 단계; 및(d) 상기 배가스가 암모니아수와 흡수반응하여 제거되는 단계를 포함하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 배가스의 황산화물 제거 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 (a) 단계에서 상기 황화수소와 황산화물의 농도비는 상기 수소의 공급량 조절에 의해 2.0 내지 2.1로 유지되는 것을 특징으로 하는 연소 배가스의 황산화물 제거 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 연소 배가스의 황산화물 제거 방법은,상기 배가스 중 일부가 상기 (b) 단계를 거치는 것을 특징으로 하는 연소 배가스의 황산화물 제거 방법.
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