KR101407559B1 - 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비에 관한 것으로서, 특히 유입되는 가스에 포함된 유기물질과 고형입자를 제거하는 제1데미스터와; 내부에 충진된 제습제로 상기 제1데미스터에서 공급된 가스로부터 수분을 흡수하여 제거하는 흡수식 제습기와; 상기 흡수식 제습기에서 공급된 가스로부터 제습제 분진을 제거하는 제2데미스터와; 내부에 충진된 산화철(Fe₂O₃)로 상기 제2데미스터에서 공급된 가스에 포함되어 있는 황화수소(H₂S)를 제거하는 건식탈황기;를 포함하여 구성되어, 탈황효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 건식 탈황설비의 운전비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비{Dryer Desulfurization Apparatus using Deliquescent Dehydration Unit}
본 발명은 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비에 관한 것으로서, 특히 탈황효율을 향상시키고 설비의 수명을 연장시킬 수 있는 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비에 관한 것이다.
건식탈황설비는 연소가스나 혐기소화가스 등에 포함된 다량의 황화수소를 제거하기 위한 공정에 사용된다.
종래의 건식탈황기는 수증기에 의하여 탈황효율이 저하되거나 사용수명이 단축되는 문제점을 갖고 있었다. 이러한 문제를 일으키는 수증기의 제거를 위하여 종래에는 워터트랩을 사용하고 있으나, 워터트랩은 단순히 응축된 수증기의 방울만을 배출할 뿐 연소가스에 함유되거나 또는 포화상태로 존재하는 수증기를 제거할 수는 없다. 따라서, 포화상태의 수증기는 건식 탈황기 내부에서 산화철에 흡수되고, 흡수된 수증기는 산화철과 황하수소의 반응을 방해하며, 종국에는 산화철의 강도를 약하게 하여 자중에 의한 침착현상을 일으키게 된다.
이러한 문제를 해결하고자 종래 건식탈황기는 냉각제습기를 설치하여 냉각방식에 의한 제습을 통해 수증기를 제거하여 왔다. 냉각방식의 제습에는 불가피하게 열교환기가 사용되는데, 연소가스 및 혐기성 소화가스에 함유되어 있는 황화수소가 열교환기의 튜브에 부식을 발생시켜 열교환기의 수명을 결정적으로 단축시키고 있다.
또한 냉각식 제습설비는 냉동 콤프레샤를 이용한 냉매가스의 순환으로 냉각효과를 얻고 있기 때문에 이 과정에서 상당한 전력소모가 불가피한 문제점이 있다. 그리고, 냉각식 제습설비의 경우 대상가스가 연소성가스일 경우 부득이하게 방폭구조를 갖추어야 하기 때문에 초기 투자비 및 운전유지 보수비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
출원번호 : 10-2006-0086074 (등록번호 : 10-0804241, 발명의 명칭 : 소화가스 중 황화수소 및 휘발성 실록세인의 제거방법)
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 가스에 포함된 수분을 제거하여 산화철과 황화수소의 화학반응이 잘 일어나도록 함으로써 탈황효율을 향상시키고 설비의 수명을 연장시킬 수 있는 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 전기를 사용하지 않고 무동력으로 가스에 포함된 수분을 제거함으로써 전력사용량을 절감할 수 있는 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비는 유입되는 가스에 포함된 유기물질과 고형입자를 제거하는 제1데미스터와; 내부에 충진된 제습제로 상기 제1데미스터에서 공급된 가스로부터 수분을 흡수하여 제거하는 흡수식 제습기와; 상기 흡수식 제습기에서 공급된 가스로부터 제습제 분진을 제거하는 제2데미스터와; 내부에 충진된 산화철(Fe₂O₃)로 상기 제2데미스터에서 공급된 가스에 포함되어 있는 황화수소(H₂S)를 제거하는 건식탈황기;를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 흡수식 제습기는 제1데미스터로부터 가스를 공급받는 주입구가 하부 일측에 설치되고, 제습된 가스가 배출되는 토출구가 상부 일측에 구비된 탱크와; 상기 탱크 내부에 설치되되 탱크의 바닥면으로부터 일정거리 이격되게 설치되고, 복수개의 관통홀이 형성되어 상기 주입구를 통하여 유입된 가스가 통과되는 지지플레이트와; 상기 지지플레이트의 상면에 일정 높이로 충진되는 복수개의 세라믹볼과; 상기 세라믹볼의 상측에 일정 높이로 충진되어 지지플레이트와 세라믹볼을 통과한 가스로부터 수분을 흡수하는 제습제;로 구성된다.
그리고, 상기 제습제는 칼슘(Ca) 0.06~0.10중량%, 칼륨(K) 9.5~10.4중량%, 나트륨(Na) 89.5~90.4중량%, 스트론튬(Sr) 0.03~0.07중량%, 마그네슘(Mg) 0.01~0.02중량%로 구성될 수도 있고, 칼슘(Ca) 8~13중량%, 칼륨(K) 50~55중량%, 나트륨(Na) 17~22중량%, 스트론튬(Sr) 2~4중량%, 마그네슘(Mg) 0.02~0.05중량%, 리튬(Li) 10~15중량%, 아연(Zn) 0.04~0.07중량%로 구성될 수도 있으며, 칼슘(Ca) 13~20중량%, 칼륨(K) 55~65중량%, 나트륨(Na) 10~15중량%, 스트론튬(Sr) 2~5중량%, 마그네슘(Mg) 0.3~0.7중량%, 리튬(Li) 5~7중량%, 아연(Zn) 0.04~0.08중량%로 구성될 수도 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비는 흡수식 제습기로 가스에 포함된 습기를 제거함으로써 산화철의 수명을 연장하고 산화철과 황화수소의 화학반응이 잘 일어나도록 하여 탈황효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 건식 탈황설비의 운전비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
또한, 알칼리 금속족에 속하는 금속이온화합물을 이용하여 제습제를 만들고 이 제습제의 수분 흡착 및 조해성을 이용하여 수분을 제거하므로, 제습제의 보충만으로 수분 제거를 계속 할 수 있어서 전력을 사용하지 않고 무동력으로 수분을 제거할 수 있는 이점이 있다.
또한, 세라믹볼에 의하여 가스가 분산되어 제습제로 유입되므로 제습제의 파손을 최소화할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비의 평면도.
도 2는 본 발명에 의한 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비의 정면도.
도 3은 본 발명에 의한 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비의 측면도.
도 4는 본 발명에 의한 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비의 흡수식 제습기를 보인 단면도.
도 5a는 본 발명에 의한 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비와 냉각식 제습기를 이용한 건식탈황설비로 각각 탈황을 한 후 노점을 측정한 값을 나타낸 그래프.
도 5b는 본 발명에 의한 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비와 냉각식 제습기를 이용한 건식탈황설비로 각각 탈황을 한 후 황화수소의 농도를 특정한 값을 나타낸 그래프.
이하, 본 발명에 의한 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비의 평면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비의 정면도이며, 도 3은 본 발명에 의한 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비의 측면도이다.
그리고, 도 4는 본 발명에 의한 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비의 흡수식 제습기를 보인 단면도이다.
또한, 도 5a는 본 발명에 의한 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비와 냉각식 제습기를 이용한 건식탈황설비로 각각 탈황을 한 후 노점을 측정한 값을 나타낸 그래프이고, 도 5b는 본 발명에 의한 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비와 냉각식 제습기를 이용한 건식탈황설비로 각각 탈황을 한 후 황화수소의 농도를 특정한 값을 나타낸 그래프이다.
본 발명에 의한 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비는 축산분뇨, 음식물 쓰레기 등에서 발생하는 혐기소화가스(바이오가스)에 포함된 황화수소(H₂S)를 효율적으로 제거하기 위한 것으로서, 베이스(100)와, 상기 베이스(100)의 상면에 설치되는 제1데미스터(Demister,200)와, 상기 베이스(100)의 상면에 설치되고 상기 제1데미스터(200)와 배관으로 연결되는 흡수식 제습기(300)와, 상기 베이스(100)의 상면에 설치되고 상기 흡수식 제습기(300)와 배관으로 연결되는 제2데미스터(Demister,400)와, 상기 베이스(100)의 상면에 설치되고 상기 제2데미스터(400)와 배관으로 연결되는 건식탈황기(500)를 포함하여 구성된다.
상기 제1데미스터(200)는 일측에 가스유입구(210)가 구비되고, 타측에 가스배출구(220)가 구비된다. 따라서, 상기 가스유입구(210)를 통해 축산분뇨나 음식물 쓰레기 등에서 발생된 혐기소화가스(바이오가스)가 제1데미스터(200)의 내부로 유입되고, 제1데미스터(200)의 내부에서 이 혐기소화가스에 포함된 유기물질과 고형입자를 필터링하여 제거한 후 상기 가스배출구(220)를 통하여 유기물질과 고형입자가 제거된 혐기소화가스를 제1데미스터(200)의 외부로 배출한다.
상기 흡수식 제습기(300)는 내부에 충진된 제습제(340)로 상기 제1데미스터(200)에서 공급된 가스로부터 수분을 흡수하여 제거하기 위한 장치이다. 이러한 흡수식 제습기(300)는 탱크(310)와, 상기 탱크(310) 내부에 설치되는 지지플레이트(320)와, 상기 지지플레이트(320)의 상면에 일정 높이로 충진되는 세라믹볼(330)과, 상기 세라믹볼(330)의 상면에 일정 높이로 충진되는 제습제(340)로 구성된다.
상기 탱크(310)는 상단과 하단이 둥글게 형성됨과 아울러 상단과 하단 사이는 상측에서 하측으로 직선 형태를 이루며 길게 형성된 원통형과 유사한 형태로 제조된다. 그리고, 탱크(310)의 상단 일부분은 개폐가능하게 구성하여 상기 세라믹볼(330)이나 제습제(340) 등을 탱크(310) 내부에 채울 때 용이하게 할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이러한 탱크(310)는 하부 일측에 주입구(311)가 설치되고, 상부 일측에 토출구(312)가 구비되며, 하단에 응축수 배출구(313)가 구비된다.
상기 주입구(311)는 상기 제1데미스터(200)의 가스배출구(220)와 배관으로 연결되어 제1데미스터(200)로부터 유기물질과 고형입자가 제거된 혐기소화가스를 공급받는다.
상기 토출구(312)는 상기 제습제(340)에 의하여 수분이 제거된 혐기소화가스를 탱크(310) 외부로 배출한다.
상기 응축수 배출구(313)는 상기 탱크(310)의 바닥면에 설치되어 제습과정 중에 발생되는 응축수를 외부로 배출한다. 상기 탱크(310) 내부에 충진된 제습제(340)와 혐기소화가스(바이오가스)에 함유된 수분이 반응하면 다량의 응축수가 탱크(310) 하부에 모이게 되는데, 이 응축수를 주기적으로 배출하는 것이 필요하고, 이 필요에 의하여 상기 응축수 배출구(313)를 구비하였다.
상기 지지플레이트(320)는 상기 탱크(310) 내부에 설치되는 것으로서, 탱크(310)의 바닥면으로부터 일정거리 이격되게 설치된다. 이러한 지지플레이트(320)에는 복수개의 관통홀(321)이 형성되어 상기 탱크(310)의 주입구(311)를 통하여 유입된 혐기소화가스가 통과된다.
좀 더 자세히 설명하면, 상기 지지플레이트(320)는 상기 탱크(310)의 내부에 설치되되 그 설치높이는 상기 주입구(311)보다 높은 위치에 설치된다. 그리고, 지지플레이트(320)에 형성되는 관통홀(321)은 상기 주입구(311)를 통하여 탱크(310) 내부로 유입된 혐기소화가스(바이오가스)가 탱크(310) 내부의 하측에서 탱크(310) 내부의 상측으로 가는 통로이기도 하면서 동시에 제습과정 중에 발생되는 응축수가 낙하되는 통로이기도 하다.
상기 세라믹볼(330)은 구 형태로 제조되는 것으로서, 상기 지지플레이트(320)와 제습제(340) 사이에 일정 높이로 복수개가 충진된다.
고압의 혐기소화가스가 탱크(310) 내부로 유입되어 직접 제습제(340)에 부딪히면 헤머링 현상에 의해 제습제(340)의 파손이 우려되므로, 1차로 세라믹볼(330)을 통과하도록 하여 고압의 혐기소화가스가 분산되도록 함으로써 압력을 분산하고 유속을 분산하고자 하는 목적으로 탱크(310) 내부에 세라믹볼(330)이 설치된다.
상기 제습제(340)는 상기 지지플레이트(320)의 상측, 좀 더 자세히는 상기 세라믹볼(330)의 상측에 일정 높이로 충진되어 지지플레이트(320)와 세라믹볼(330)을 통과한 혐기소화가스로부터 수분을 흡수한다. 따라서, 상기 지지플레이트(320)의 관통홀(321)을 통과한 혐기소화가스는 연이어 상기 세라믹볼(330) 사이를 통과한 후 제습제(340)에 접촉하여 수분이 흡수된다. 이렇게 혐기소화가스로부터 수분을 제거하는 제습제(340)는 여러 가지 금속이온화합물이 혼합되어 제조된다. 제습제(340)가 금속이온화합물의 혼합에 의하여 제조되기 때문에 제습제(340)는 조해성을 갖게 되고, 따라서 제습제(340)에 수분이 접촉되면 제습제(340)와 수분이 반응하여 제습제(340)의 표면이 녹아내리게 되어 응축수 형태로 탱크(310) 내부의 하측으로 낙하된다. 이렇게 낙하된 응축수가 상기 탱크(310)의 응축수 배출구(313)를 통하여 탱크(310) 외부로 배출되는 것이다.
상기와 같은 기능을 하는 제습제(340)는 상기 제습제(340)는 칼슘(Ca) 0.06~0.10중량%, 칼륨(K) 9.5~10.4중량%, 나트륨(Na) 89.5~90.4중량%, 스트론튬(Sr) 0.03~0.07중량%, 마그네슘(Mg) 0.01~0.02중량%로 구성될 수도 있고, 칼슘(Ca) 8~13중량%, 칼륨(K) 50~55중량%, 나트륨(Na) 17~22중량%, 스트론튬(Sr) 2~4중량%, 마그네슘(Mg) 0.02~0.05중량%, 리튬(Li) 10~15중량%, 아연(Zn) 0.04~0.07중량%로 구성될 수도 있으며, 칼슘(Ca) 13~20중량%, 칼륨(K) 55~65중량%, 나트륨(Na) 10~15중량%, 스트론튬(Sr) 2~5중량%, 마그네슘(Mg) 0.3~0.7중량%, 리튬(Li) 5~7중량%, 아연(Zn) 0.04~0.08중량%로 구성될 수도 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 제습제(340)는 다음과 같은 방법으로 제조된다.
제습제(340)를 구성하는 각종 성분들(칼슘, 칼륨, 나트륨, 스트론튬, 마르네슘 또는 칼슘, 칼륨, 나트륨, 스트론튬, 마르네슘, 리튬, 아연)을 반응조에 넣은 후 40~50℃의 물과 혼합하여 수용액을 만든다.
그런 다음 2~3시간동안 반응조에서 혼합을 한 후 5~6시간동안 반응조에 열을 가하여 물을 증발시킴으로써 분말상태로 만든다.
수분이 증발된 분말을 분쇄기를 사용하여 수 마이크론 단위의 미분말로 만든다.
미분말을 분말성형기에 넣고 프레스로 압력을 가하여 일정한 형태로 성형을 함으로써 본 발명의 흡수식 제습기에 사용되는 제습제(340)가 제조된다.
상기 제2데미스터(400)는 일측에 주입구(410)가 구비되고, 타측에 토출구(420)가 구비된다. 따라서, 상기 흡수식 제습기(300)의 토출구(312)를 통하여 배출된 혐기소화가스(바이오가스)는 상기 주입구(410)를 통하여 제2데미스터(400) 내부로 유입되고, 제2데미스터(400)의 내부에서 제습제(340) 분진을 제거한 후 상기 토출구(420)를 통하여 제습제(340) 분진이 제거된 혐기소화가스가 제2데미스터(400)의 외부로 배출된다.
상기 건식탈황기(500)는 내부에 충진된 산화철(Fe₂O₃)로 상기 제2데미스터(400)에서 공급된 가스에 포함되어 있는 황화수소(H₂S)를 제거하는 것으로서, 하부 일측에 상기 제2데미스터(400)의 토출구(420)와 배관으로 연결되는 주입구(510)가 구비되고 상부 일측에 토출구(520)가 구비된다.
좀 더 자세히 설명하면, 혐기소화가스인 바오가스는 메탄, 이산화탄소, 황화수소(H₂S), 암모니아, 질소 등을 포함하고 있는데, 그 중에서 황화수소는 에너지화 설비에 가장 치명적이기 때문에 제거를 해야만 한다. 따라서, 건식탈황기(500) 내부에 산화철(Fe₂O₃)을 충진하여 바이오가스에 포함된 황화수소와 산화철이 화학반응을 하도록 하여 황화수소를 제거한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비로 노점과 황화수소의 농도를 측정하였고, 이에 대한 비교예로서 흡수식 제습기 대신에 냉각식 제습기를 사용한 건식탈황설비로 노점과 황화수소의 농도를 측정하였다. 그리고, 본 발명에서 사용한 흡수식 제습기(300)의 제습제(340)는 칼슘(Ca) 10.89중량%, 칼륨(K) 52.85중량%, 나트륨(Na) 19.85중량%, 스트론튬(Sr) 2.93중량%, 마그네슘(Mg) 0.042중량%, 리튬(Li) 13.38중량%, 아연(Zn) 0.058중량%의 비율로 혼합하여 19~25mm의 펠렛 형태로 제조한 것이고, 이 제습제(340)를 150mm의 두께로 적층된 세라믹볼(30)의 상측에 600mm의 두께로 적층한 다음 노점과 황화수소의 농도를 측정하였다. [도 5a]와 [도 5b]의 그래프에서 X축은 데이터를 측정한 날짜와 시간을 나타낸 것이고, Y축은 노점온도와 황화수소의 농도를 나타낸 것이다. 이러한 그래프에서 알 수 있듯이 본 발명의 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비로 탈황을 할 때에 냉각식 제습기를 이용한 경우보다 노점도 낮고 황화수소의 농도도 더 낮음을 확인할 수 있다.
100: 베이스 200: 제1데미스터
210: 가스유입구 220: 가스배출구
300: 흡수식 제습기 310: 탱크
311: 주입구 312: 토출구
313: 응축수 배출구 320: 지지플레이트
321: 관통홀 330: 세라믹볼
340: 제습제 400: 제2데미스터
410: 주입구 420: 토출구
500: 건식탈황기 510: 주입구
520: 토출구

Claims (6)

  1. 유입되는 가스에 포함된 유기물질과 고형입자를 제거하는 제1데미스터(200)와;
    내부에 충진된 제습제(340)로 상기 제1데미스터(200)에서 공급된 가스로부터 수분을 흡수하여 제거하는 흡수식 제습기(300)와;
    상기 흡수식 제습기(300)에서 공급된 가스로부터 제습제(340) 분진을 제거하는 제2데미스터(400)와;
    내부에 충진된 산화철(Fe₂O₃)로 상기 제2데미스터(400)에서 공급된 가스에 포함되어 있는 황화수소(H₂S)를 제거하는 건식탈황기(500);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 흡수식 제습기(300)는 제1데미스터(200)로부터 가스를 공급받는 주입구(311)가 하부 일측에 설치되고, 제습된 가스가 배출되는 토출구(312)가 상부 일측에 구비된 탱크(310)와;
    상기 탱크(310) 내부에 설치되되 탱크(310)의 바닥면으로부터 일정거리 이격되게 설치되고, 복수개의 관통홀(321)이 형성되어 상기 주입구(311)를 통하여 유입된 가스가 통과되는 지지플레이트(320)와;
    상기 지지플레이트(320)의 상면에 일정 높이로 충진되는 복수개의 세라믹볼(330)과;
    상기 세라믹볼(330)의 상측에 일정 높이로 충진되어 지지플레이트(320)와 세라믹볼(330)을 통과한 가스로부터 수분을 흡수하는 제습제(340);로 구성된 것을 특징으로 하는 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제습제(340)는 칼슘(Ca) 0.06~0.10중량%, 칼륨(K) 9.5~10.4중량%, 나트륨(Na) 89.5~90.4중량%, 스트론튬(Sr) 0.03~0.07중량%, 마그네슘(Mg) 0.01~0.02중량%로 구성된 것을 특징으로 하는 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제습제(340)는 칼슘(Ca) 8~13중량%, 칼륨(K) 50~55중량%, 나트륨(Na) 17~22중량%, 스트론튬(Sr) 2~4중량%, 마그네슘(Mg) 0.02~0.05중량%, 리튬(Li) 10~15중량%, 아연(Zn) 0.04~0.07중량%로 구성된 것을 특징으로 하는 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제습제(340)는 칼슘(Ca) 13~20중량%, 칼륨(K) 55~65중량%, 나트륨(Na) 10~15중량%, 스트론튬(Sr) 2~5중량%, 마그네슘(Mg) 0.3~0.7중량%, 리튬(Li) 5~7중량%, 아연(Zn) 0.04~0.08중량%로 구성된 것을 특징으로 하는 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비.
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