KR101513998B1 - 배기가스의 처리방법 - Google Patents

배기가스의 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기가스의 처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산성 화합물 및 금속 화합물의 응축성분이 함유된 배기가스를 아미노 실란계 화합물과 접촉시켜, 상기 응축성분을 입자화하는 단계를 포함함으로써, 배기가스 내에 함유된 응축성분의 제거가 용이하고, 배기가스 처리 공정에 사용되는 설비의 변형을 최소화하면서 응축성분이 물리/화학적으로 침착되는 것을 최소화하여 처리 효율을 향상시킬 수 있는 배기가스의 처리방법에 관한 것이다.

Description

배기가스의 처리방법 {THE METHOD OF TREATING EXHAUST GAS}
본 발명은 응축성분이 함유된 배기가스를 처리하는 방법에 관한 것이다.
소각로나 보일러 등의 연소시설에서 배출된 배기가스는 입자 상태의 오염물질 및 탄화수소나 질소산화물 및 유황 산화물과 같은 가스 상태 오염물질과 수증기를 함유한다. 공장 및 빌딩의 연소시설이나 가정 난방시설 등에서 배출되는 아황산가스, 매연과 같은 오염물질은 대기 오염을 일으키며, 장기간 노출 시 인체에도 영향을 미친다.
1990년대 초부터 이러한 문제점을 해결하고자 저공해 연료교체, 배출규제 강화 등 적극적인 환경정책이 추진되었고, 그 결과 일산화탄소, 황산화물, 질소산화물 및 미세먼지 저감을 위한 다양한 기술 연구가 수행되고 있다.
종래 배기가스 정화 기술은 크게 세 가지로 분류될 수 있다.
첫 번째는 필터 방식으로서, 공기가 유동하는 덕트나 관로내에 일정 형태의 필터를 설치한 것이다. 제조된 필터의 모양, 크기, 형태에 따라 다양한 종류가 존재한다. 가장 일반적인 필터용 소재는 유리 섬유이고 셀룰로오즈, 면, 폴리우레탄 및 다른 합성 물질이 사용된다. 필터 방식은 필터의 틈새를 통과하기에는 너무 큰 입자를 공기 유동으로부터 붙잡아 두는 저지 효과, 섬유 표면에 충돌하는 입자를 자연적 접착력으로 붙잡아두는 충돌 효과, 공기 중에 있는 미세 입자를 필터 통과 시에 임의 방향으로 유동시켜 필터 섬유와 더 많은 충돌이 일어나게 하는 확산 효과 등의 원리를 이용하여 공기를 정화한다.
그러나, 상기 필터 방식은 필터에 엉겨 붙는 오염 물질을 주기적으로 청소하거나 필터 그 자체를 교환해야 하는 단점이 있다. 또한, 필터로부터 제거된 오염 물질과 사용 완료된 필터들로부터 또 다른 오염원이 발생할 수 있다.
두 번째는 습식 방식으로서, 공기가 유동하는 덕트나 관로 내에 물 또는 알칼리 용액의 세정액을 분사하는 분무 장치를 설치한 것이다. 분무 방식은 분사되는 미세한 액적에 의해서 공기 중에 유동하는 오염 물질을 포집하는 것으로, 최근에는 고압 펌프를 이용한 초미세 액적 분사로 순간 증발 현상을 일으켜 공기 냉각 효과를 부가적으로 하는 것들도 있다.
그러나 상기 습식 방식은 계속적인 세정액의 분사가 요구되므로 세정액의 소비가 과도하게 이루어지는 단점을 갖는다. 또한, 오염 물질의 포집에 사용된 세정액의 회수 장치와 회수된 폐액을 처리하는 장치가 부가적으로 요구된다.
세 번째로는 전기 집진 방식으로서, 공기가 유동하는 덕트나 관로 내에 정전장 발생 장치를 설치한 것이다. 전기 집진 방식은 공기 중에 유동하는 미세 오염 물질이 통과 시에 가느다란 이온화 선에 의해 정전장(+ 전압)을 형성하여 이들 오염 물질이 (+)로 하전되게 하고, 이후 (-) 전압이 걸린 집진 극판 사이를 통과 시에 전기적 인력으로 흡착하는 원리를 이용한다.
그러나 상기 전기 집진 방식은 공기 중에 유동하는 오염 물질의 처리를 위해 복잡한 전기 장치가 요구되므로, 초기 설비비용이 많이 요구된다는 단점이 있다.
한편, 상기 각각의 배기가스 처리방법은 단독으로 사용되기도 하지만 소각로의 고온 배기가스에 존재하는 다양한 성분의 오염물질을 제거하고 효율적인 공정을 위해 둘 또는 그 이상으로 복합적으로 사용된다. 이 때, 다양한 유해물질에 대한 연속적인 처리 장치를 가동할 때, 고온 소각 배기가스의 후처리를 위하여 배기가스 냉각용 열교환기가 사용되고 있다.
대한민국 등록특허 제870,758호는 연소 배기가스 중에 포함된 각종 유해 오염물질을 제거하기 위한 장치로서, 화석연료 연소 중에 필연적으로 발생하는 질소산화물, 황산화물, 먼지, 중금속 이산화탄소의 처리를 위해 비산회 집진장치(Bag filter)의 앞 공정에 사이클론을 배치하여 비산회(fly ash)를 효과적으로 처리할 수 있는 유동층 보일러시스템의 연소배가스 처리공정을 제안하고 있다.
상기 특허는 사이클론의 앞 공정에 배치된 열교환 시스템에서 파울링 현상으로 인해 열교환기 효율을 현저하게 저하시킬 뿐만 아니라, 필터에 응축성 물질의 침착으로 부식을 발생시킬 우려가 있다.
그러므로 배기가스에 함유된 금속 화합물 및 산성 화합물 등의 응축성 물질을 입자화하고 상기 입자를 제거함으로써, 배기가스를 처리할 수 있고, 배기가스 처리공정 중 열교환 공정 이전에 응축성 물질을 미리 제거하여 열교환 시스템 및 필터 등의 설비에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 배기가스 처리방법의 개발이 필요하다.
이에 본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 착상된 것으로서, 배기가스에 함유된 금속 화합물 및 산성 화합물 등의 응축성 물질을 입자화하고, 이들 입자를 제거하는 방법으로 응축성분이 함유된 배기가스를 처리하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 배기가스 처리 공정 초반에 응축성 물질을 미리 제거하여 종래 배기가스 처리 공정의 열교환 시스템 및 필터 등의 설비에 응축성분이 물리/화학적으로 침착되는 것을 최소화할 수 있는 배기가스의 처리방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 산성 화합물 및 금속 화합물의 응축성분이 함유된 배기가스를 아미노 실란계 화합물과 접촉시켜, 상기 응축성분을 입자화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리 방법을 제공한다.
상기 입자화된 응축성분을 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 아미노 실란계 화합물은 디메틸실릴디메틸아민, N,N-디메틸트리메틸실릴아민, 헥사메틸디실라잔, N,O-비스(트리메틸실릴)트리플루오로아세트아마이드 및 비스(디메틸아미노)디메틸실란로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
바람직하기로는 상기 아미노 실란계 화합물은 헥사메틸디실라잔 또는 비스(디메틸아미노)디메틸실란일 수 있다.
보다 바람직하기로는 상기 아미노 실란계 화합물은 헥사메틸디실라잔일 수 있다.
상기 아미노 실란계 화합물은 끓는점을 고려하여 20 내지 130℃의 온도로 주입되어 응축성분이 함유된 배기가스와 접촉될 수 있다.
상기 아미노 실란계 화합물은 산성 화합물 및 금속 화합물의 응축성분 1부피에 대하여 0.01 내지 4.0부피비로 주입할 수 있다.
상기 입자화된 응축성분은 직경이 0.15㎛ 이상인 입자일 수 있다.
바람직하기로, 상기 입자화된 응축성분은 직경이 0.2㎛ 이상인 입자일 수 있다.
상기 산성 화합물 및 금속 화합물의 응축성분이 함유된 배기가스는 화력발전소, 폐기물 고형연료 제조 및 시멘트 제조의 배출가스; 산 종류를 많이 사용하는 화학공장에서 발생하는 복합 배기가스; 및 중금속을 함유한 배기가스로 이루어진 군에서 선택된 연소공정에서 배출되는 것일 수 있다.
본 발명의 배기가스 처리방법은 배기가스 처리 공정에 사용되는 설비에 응축성분이 물리/화학적으로 침착되는 것을 최소화할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 종래 배기가스 처리 설비의 변형을 최소화하면서 응축성분을 효과적으로 제거할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 배기가스 처리방법은 응축성분의 흡착에 의한 제거뿐만 아니라 흡착된 응축성분을 분리하여 이의 재생이 가능하다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 배기가스 처리방법은 화력발전소의 배출가스, 산 종류를 많이 사용하는 화학공장(스테인리스 산세공정, 귀금속 용해공정)에서 발생하는 복합 배기가스 및 중금속을 함유한 배기가스를 효과적으로 처리할 수 있다.
본 발명은 응축성분이 함유된 배기가스를 처리하는 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 배기가스의 처리 방법은 산성 화합물 및 금속 화합물의 응축성분이 함유된 배기가스를 아미노 실란계 화합물과 접촉시켜, 상기 응축성분을 입자화하는 단계를 포함한다.
본 발명의 배기가스는 산성 화합물 및 금속 화합물의 응축성분이 함유된 것으로 특히 연소공정으로부터 배출되고 산성 화합물 및 금속 화합물의 응축성분이 함유된 배기가스가 바람직하다.
구체적으로 상기 산성 화합물 및 금속 화합물의 응축성분이 함유된 배기가스는 화력발전소, 폐기물 고형연료 제조 및 시멘트 제조의 배출가스; 산 종류를 많이 사용하는 화학공장에서 발생하는 복합 배기가스; 및 중금속을 함유한 배기가스 등이 있다.
바람직하기로는 상기 배기가스 내에 산성 화합물 및 금속 화합물의 응축성분은 그 크기가 약 0.1㎛ 미만 또는 0.3㎛ 이상인 것이 좋다. 상기 0.1㎛ 미만인 경우에는 분자확산에 의한 포집이 이루어질 수 있으며, 0.3㎛ 이상인 경우에는 차단에 의하여 입자제거가 이루어질 수 있다.
본 발명은 응축성분의 크기를 0.15㎛ 이상, 바람직하기로는 0.2㎛ 이상으로 증가시켜 제거하는 데 그 특징이 있다.
아미노 실란계 화합물은 폐가스에 함유된 응축성분의 표면에서 화학적 흡착반응을 수행하여, 상기 응축성분이 필터 등의 차단장치에 의해 제거될 수 있을 정도의 직경을 갖는 입자로 성장시키는 역할을 한다.
일례로, 상기 Cd 금속인 응축성분이 입자화되는 메카니즘을 나타낸 것이다. 폐가스 내에 방출된 Cd 금속은 기상 산화되어 Cd 산화물(Cd(OH)x, CdOy)을 형성한다. 상기 Cd 산화물은 그 표면에서 아미노 실란계 화합물과 화학적인 흡착 반응이 일어나고, 상기 표면에 액상의 실리카계 또는 티타늄계 화합물이 화학흡착된 Cd 산화물들은 서로 응집하여 입자화된 Cd를 형성한다.
Figure 112013120464331-pat00001

이상과 같은 반응 메카니즘으로 얻어진 입자화된 응축성분은 직경이 0.15㎛ 이상, 바람직하기로는 0.2㎛ 이상인 입자일 수 있다.
상기 아미노 실란계 화합물은 디메틸실릴디메틸아민, N,N-디메틸트리메틸실릴아민, 헥사메틸디실라잔, N,O-비스(트리메틸실릴)트리플루오로아세트아마이드 및 비스(디메틸아미노)디메틸실란로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
이중, 가격 경쟁력 및 고온에서의 화학적 안정성을 고려하면, 헥사메틸디실라잔 또는 비스(디메틸아미노)디메틸실란이 바람직하다. 보다 바람직하기로는 헥사메틸디실라잔이 좋다.
상기 헥사메틸디실라잔은 고온에서 안정하고 다른 아미노 실란계 화합물보다 5배 저렴하여 실제 공정에서 용이하게 사용할 수 있는 이점이 있다.
이러한 아미노 실란계 화합물은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 방법으로 주입될 수 있으며, 구체적으로 기포액위계(bubber), 분무기(atomizer) 및 임핀저(impinger) 등의 장치를 이용하여 주입할 수 있다.
상기 아미노 실란계 화합물은 폐가스에 주입되는 온도가 증가할수록 반응속도 및 응축성분의 입경이 증가하는 경향을 보이나, 바람직하기로는 20 내지 130℃의 온도로 주입되는 것이 바람직하다. 상기 온도가 20℃ 미만이면 반응속도가 낮아 응축성분과 아미노 실란계 화합물의 접촉시간이 길어질 수 있으며, 아미노 실란계 화합물의 끓는점 부근의 온도에서는 임핀저 등의 주입장치 바로 위의 벽면이나 이와 연결된 이후의 튜브 벽면에 수분이 응결되어 반응로까지 주입되는 주입량을 감소시킬 수 있는 문제가 있으므로 130℃를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
또한, 상기 아미노 실란계 화합물은 산성 화합물 및 금속 화합물의 응축성분 1부피에 대하여 0.01 내지 4.0부피비, 바람직하기로는 2.5 내지 4.0부피비로 주입할 수 있다. 상기 주입량은 증가할수록 입자가 조대화되나, 아미노 실란계 화합물의 주입량이 0.01부피비 미만이면 입자화 정도가 극히 미미하고, 4.0부피비를 초과하는 경우에는 입자화 정도가 크게 증가하지 않아 경제성이 저하되는 단점이 있을 수 있다.
이후에, 상기 응축성분이 입자화된 배기가스는 제거할 수 있다. 상기 제거는 필터, 흡착제, 광전자의 하전에 의한 포집 제거하는 것이 바람직하다.
상기 필터는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로, HEPA필터, ULPA(Ultra Low Penetration Air)필터, 정전필터, 일렉트랫재, 이온교환필터 등이 사용될 수 있다. 상기 흡착제는 활성탄, 실리카겔, 합성제올라이트, 모레큘러시브, 알루미나 등이 사용될 수 있다. 상기 광전자의 하전에 의한 포집 제거는 광전자 방출재로부터 미립자를 방출시킨 광전자에 의해 하전된 하전 미립자를 이용하여 포집 제거하는 것이다.
상기 응축성분은 배기가스의 처리 공정에 사용되는 다양한 설비, 특히 열교환시스템, 필터 등에 물리/화학적으로 침착되어 이들을 손상시키므로 상기 설비를 이용하는 공정에 투입되기 전에 본 발명의 방법으로 응축성분을 입자화하고, 상기 입자화된 응축성분을 제거하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1
목초액을 연소시켜 발생된 물질들에 SOX, NOX, HCl, Cd, Pb 및 Hg 등이 추가로 주입된 폐가스에, 디메틸실릴디메틸아민을 주입시켜 배기가스 내에 함유된 응축성분을 입자화하였다. 이 때, 목초액 1부피비에 대하여 4.0부피비로 주입하고,주입온도, 반응시간, 주입유량 등을 고려하여 수행하였다.
실시예 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 디메틸실릴디메틸아민 대신에 , N,N-디메틸트리메틸실릴아민을 사용하여 응축성분을 입자화하였다.
실시예 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 디메틸실릴디메틸아민 대신에 헥사메틸디실라잔을 사용하여 응축성분을 입자화하였다.
실시예 4
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 디메틸실릴디메틸아민 대신에 N,O-비스(트리메틸실릴)트리플루오로아세트아마이드을 사용하여 응축성분을 입자화하였다.
실시예 5
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 디메틸실릴디메틸아민 대신에 비스(디메틸아미노)디메틸실란을 사용하여 응축성분을 입자화하였다.
실험예 1
상기 실시예에서 입자화된 응축성분의 입경 분포를 확인하기 위하여, 상기 입자화된 응축성분을 연소하고 냉각하여 입자를 분류하고, 분석하였다.
그 결과, 주입된 SOX, NOX, HCl, Cd, Pb 및 Hg 등은 디메틸실릴디메틸아민, N,N-디메틸트리메틸실릴아민, 헥사메틸디실라잔, N,O-비스(트리메틸실릴)트리플루오로아세트아마이드 및 비스(디메틸아미노)디메틸실란 등의 주입량이 증가할수록 입자가 조대화되어 잔류하는 SOX, NOX, HCl, Cd, Pb 및 Hg 등이 감소하였다.
특히, 아미노 실란계 화합물 중 헥사메틸디실라잔을 주입하는 경우에 보다 용이하고 효율적으로 기하입경평균을 0.25-0.35㎛ 정도로 입자가 조대화됨을 확인할 수 있었다.
또한, 디메틸실릴디메틸아민, N,N-디메틸트리메틸실릴아민, 헥사메틸디실라잔, N,O-비스(트리메틸실릴)트리플루오로아세트아마이드 및 비스(디메틸아미노)디메틸실란 등의 성분은 주입온도, 반응시간 및 주입량이 증가할수록 기하입경평균은 커지고, 입경분포는 좁아짐을 확인할 수 있었다.
구체적으로 온도는 실온 내지 130℃이고, 상기 주입되는 성분은 목초액 1부피비에 대하여 1.5 내지 3.5부피비 범위, 1분 내지 2.5분 범위로 유지할 때, 입자의 조대화 효율이 극대화 되었으며, 이때, 조대화된 입경은 0.25-0.35㎛ 범위를 유지하였다.

Claims (10)

  1. 산성 화합물 및 금속 화합물의 응축성분이 함유된 배기가스를 아미노 실란계 화합물과 접촉시켜, 상기 응축성분을 입자화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 입자화된 응축성분을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리방법.
  3. 청구항 1항에 있어서, 상기 아미노 실란계 화합물은 디메틸실릴디메틸아민, N,N-디메틸트리메틸실릴아민, 헥사메틸디실라잔, N,O-비스(트리메틸실릴)트리플루오로아세트아마이드 및 비스(디메틸아미노)디메틸실란으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 아미노 실란계 화합물은 헥사메틸디실라잔 또는 비스(디메틸아미노)디메틸실란인 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 아미노 실란계 화합물은 헥사메틸디실라잔인 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 아미노 실란계 화합물은 20 내지 130℃의 온도로 주입되어 응축성분이 함유된 배기가스와 접촉되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 아미노 실란계 화합물은 산성 화합물 및 금속 화합물의 응축성분 1부피에 대하여 0.01 내지 4.0부피비로 주입하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 입자화된 응축성분은 직경이 0.15㎛ 이상인 입자인 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 입자화된 응축성분은 직경이 0.2㎛ 이상인 입자인 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 산성 화합물 및 금속 화합물의 응축성분이 함유된 배기가스는 화력발전소, 폐기물 고형연료 제조 및 시멘트 제조의 배출가스; 산 종류를 많이 사용하는 화학공장에서 발생하는 복합 배기가스; 및 중금속을 함유한 배기가스로 이루어진 군에서 선택된 연소공정에서 배출되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20030074044A (ko) * 2002-03-15 2003-09-19 이종협 실란 화합물을 중형기공성 세라믹에 고정시킨 귀금속흡착제의 제조방법
JP2010227750A (ja) * 2009-03-26 2010-10-14 Jfe Engineering Corp 排ガス処理装置

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