KR101672881B1 - So3 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스 처리장치에 관한 것이다.
자세하게는 본 발명은 황을 포함한 연료를 연소시키는 소각로에 결합되어, 상기 소각로로부터 배출된 배기가스의 온도를 기설정된 온도로 조절하는 1차 열교환기; 상기 1차 열교환기에 결합되어, 상기 1차 열교환기를 통과한 배기가스 중 질소산화물을 환원하는 선택적 촉매환원기; 상기 선택적 촉매환원기에 결합되어, 상기 선택적 촉매환원기를 통과한 배기가스의 온도를 기설정된 온도로 조절하는 2차 열교환기; 상기 2차 열교환기에 결합되어, 상기 2차 열교환기를 통과한 배기가스 중 SO3를 제거하는 SO3 제거기; 및 상기 SO3 제거기에 결합되어, 상기 SO3 제거기를 통과한 배기가스 중 황산화물을 제거하는 배연탈황기(FGD:Flue Gas Desulferlizer)를 포함하는 것을 특징으로 하는, SO3 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치가 제공된다.

Description

SO3 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치{EXHAUST GAS TREATING APPARATUS IMPROVED REMOVAL EFFICIENSY OF SO3}
본 발명은 황을 포함한 연료를 사용하는 산업공정에서의 배기가스 처리장치에 관한 것으로서, 특히 SO3 제거효율을 향상시킨 배기가스 처리장치에 관한것이다.
배연탈황이란 매연, 배기가스 속에 함유된 황산화물을 제거하는 방법을 말한다. 배기가스 탈황이라고도 한다. 공장, 화력발전소의 매연 속에 함유된 황산화물은 대기오염의 원인이 되므로 환경오염의 방지와 황자원의 유효한 이용이란 관점에서, 매연으로부터의 탈황은 세계적으로 중요한 과제가 되어, 각국에서 많은 방식이 연구된다.
현재의 배연탈황공정은 SO2를 90%까지 제거할 수 있으나, SO3는 대부분 처리되지 못하고 배출되게 되어 새로운 환경 문제를 야기할 수 있는 한계점이 있다. 국내의 경우, 대기환경보전법상 황산화물의 배출규제는 SO2와 SO3를 포함한 황산화물의 총량으로 규제하고 있으나, 이들 지표는 SO2를 기준으로 하며, SO2를 지표로 하는 황산화물(SOx) 저감에 대한 연구만이 진행되어 왔다. 따라서 SO3에 대해서는 그 측정방법조차 제대로 정해져 있지 않은 실정이다.
그러나, SO3 는 대기오염문제와 산성비의 피해를 유발하고 토양오염 심화 및 농작물 수확량의 감소 등의 민원유발뿐만 아닌 건강상의 문제가 야기될 수 있으며, 또한, 각종 설비의 부식을 일으킬 수 있다.
석유코크스 연소 시에 발생된 SO3 일부는 가스 속의 수분과 결합되어 황산(H2SO4) 미스트로 전환이 되어 가스 속에 존재하며, 일반적으로 가스 속에 포함된 SO2, SO3 및 H2SO4 미스트 등은 탈황장치(FGD: Flue Gas Desulferlizer)를 통해 제거할 수 있다. 하지만 탈황장치에서 제거되지 못한 황산(H2SO4)은 대량의 미스트 상태로 연돌을 통하여 배출되며, 미스트를 제거하기 위하여 기존에 미스트 제거장치(Mist Eliminator)가 설치되어 있으나, 이러한 장치는 황산에 의한 부식이 쉽게 발생하는 문제점이 있다.
대부분의 대형 발전소에 설치된 탈황설비 후단에 존재하는 황산미스트는 탈황설비에서 제거되지 않고 배출됨으로 인하여 후단에 설치된 설비를 부식시킨다. 다시 말해, 배연이 탈황설비 시스템 내의 액체 분무로 급속히 냉각되면서 증기성 황산은 급작스런 농축과정을 거쳐 대단히 미세한 황산에어로졸 입자로 형성된다. 이들 에어로졸 입자는 대부분의 경우 그 크기가 너무나 작아 탈황설비 시스템에서 효과적으로 포착하기가 어려워 황산연무로 대기 중에 방출되는 것이다. 특히 최근 발전소들이 촉매환원장치(SCR)를 이코노마이저(Economizer) 후단에 설치하는 추세이여서 추가적인 SO2의 SO3 전환으로 인하여 탈황설비의 후단에서의 부식과 트러블(trouble) 발생이 증가하고 있다.
본 발명의 발명가들은 이러한 문제점을 효과적으로 해결하기 위하여 오랫동안 연구노력한 끝에 본 발명을 완성하게 되었다.
관련한 기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-0517175호(2005.09.16 등록, 습식 배연탈황방법)가 있다.
본 발명의 목적은 황을 포함한 연료의 연소시 발생하는 배기가스 중 SO3의 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치를 제공하는 것이다.
우선, 배기가스 중 SO3의 제거 효율을 향상시키기 위하여 습식 스크러버를 포함하는 SO3 제거기를 추가로 설치한다. 2차 열교환기 후단에 습식 스크러버를 설치하고, 2차 열교환기를 거쳐 나온 고온의 열을 이용하여 습식 스크러버에 사용되는 용액과 SO3입자와의 흡착 효율을 증가시킬 수 있는 배기가스 처리장치를 제공하는 것이다.
또한, SO3 제거기를 통과하고 남은 잔여 SO3가 전기 집진기로 유입되어 전기 집진기 내 분진의 전기저항치를 감소시켜 집진 효율을 증가시킬 수 있도록 SO3 제거기 후단에 전기 집진기가 설치된 배기가스 처리장치를 제공하는 것이다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면 황을 포함한 연료를 연소시키는 소각로에 결합되어, 상기 소각로로부터 배출된 배기가스의 온도를 기설정된 온도로 조절하는 1차 열교환기; 상기 1차 열교환기에 결합되어, 상기 1차 열교환기를 통과한 배기가스 중 질소산화물을 환원하는 선택적 촉매환원기; 상기 선택적 촉매환원기에 결합되어, 상기 선택적 촉매환원기를 통과한 배기가스의 온도를 기설정된 온도로 조절하는 2차 열교환기; 상기 2차 열교환기에 결합되어, 상기 2차 열교환기를 통과한 배기가스 중 SO3를 제거하는 SO3 제거기; 및 상기 SO3 제거기에 결합되어, 상기 SO3 제거기를 통과한 배기가스 중 황산화물을 제거하는 배연탈황기(FGD: Flue Gas Desulferlizer)를 포함하는 것을 특징으로 하는, SO3 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치가 제공된다.
이때, 상기 SO3 제거기는, 습식 스크러버를 포함하고, 상기 SO3와 흡착될 수 있는 용액을 분사하여 상기 배기가스 중 SO3를 흡착시켜 제거하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 습식 스크러버에 결합되어, 상기 용액의 분사량을 조절할 수 있는 분사량 조절기를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 SO3 제거기와 상기 배연탈황기 사이에 설치되어 분진을 제거하는 더 전기집진기를 포함하고, 상기 분진과 결합하여 상기 전기집진기의 분진 포집 효율을 증가시키기 위하여 상기 SO3 제거기를 통과한 배기가스 중 잔여 SO3가 이용될 수 있다.
이때, 상기 2차 열교환기는 상기 배기가스의 온도를 350~400 ℃℃로 유지될 수 있다.
상기 용액은 라임(lime), 라임석회(limestone), 산화마그네슘(MgO), 수산화나트륨(NaOH), 탄산나트륨(Na2CO3) 용액 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 습식 스크러버에 결합되어 SO3와의 흡착에 사용되지 않은 용액을 회수하여 재분사할 수 있는 재분사기를 더 포함할 수 있다.
위와 같은 본 발명에 따른 SO3의 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치는 2차 열교환기 후단에 습식 스크러버를 설치하여 2차 열교환기의 고온의 열을 SO3와 용액의 흡착에 이용하여 SO3의 제거 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, SO3 제거기 후단에는 전기 집진기가 설치되어, SO3 제거기를 통과하고 남은 잔여 SO3가 전기 집진기 내의 분진의 전기저항치를 감소시켜 전기 집진 효율을 증가시키는데 사용될 수 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SO3 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 SO3 제거기에서의 흡착 매커니즘을 나타낸 도면이다.
도 3은 일정 습도(8%)에서 온도에 따른 SO3의 H2SO4로의 전환율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 SO3 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치를 나타낸 도면이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 SO3의 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
황을 연료로 하는 산업공정에서의 배연탈황공정은 주로 SO2의 제거를 주목적으로 하고 있으며, 현재 대기환경보전법상 황산화물의 배출규제 지표 또한 SO2를 기준으로 정해져 있다. 국내에서 지속적인 황산화물 배출 규제 강화와 연구 개발을 통하여 SO2 배출농도 및 배출량을 약 90% 수준으로 절감하였으나, 미처리된 SO3에 의한 공정 시설의 부식, 청연 발생 및 대기오염 등을 포함한 환경오염 문제가 지속되고 있다. 이에 본 발명에 따른 SO3의 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치는 SO3 제거를 주목적으로 하는 SO3 제거기를 포함하는 배기가스 처리장치를 제공하고자 한다.
황을 포함하는 연료는 석유코크스 등이 있으며, 석유코크스 연료를 사용한 산업공정에서 발생하는 배기가스에는 SO2, SO3 등의 황산화물이 포함된다. 또한, 석유코크스 연소 시에 발생된 SO3 일부는 가스 속의 수분과 결합되어 황산(H2SO4) 미스트로 전환이 되어 가스 속에 존재하게 된다. 일반적으로 가스 속에 포함된 SO2, SO3 및 H2SO4 미스트 등은 탈황설비를 통해 제거될 수 있다. 하지만 탈황설비에서 제거되지 못한 황산(H2SO4)은 대량의 미스트 상태로 연돌을 통하여 배출된다.
다시 말해, 배연이 탈황설비 내의 액체 분무로 급속히 냉각되면서 증기성 황산은 급작스런 농축과정을 거치면서 미세한 황산 에어로졸 입자를 만들어낸다. 이러한 에어로졸 입자는 대부분의 경우 그 크기가 너무나 작아 탈황설비에서 효과적으로 포착하기가 어려워 황산연무로 대기 중에 방출되는 것이다. 특히 최근 발전소들이 촉매환원장치(SCR) 장치를 이코노마이저(Economizer) 후단에 설치하는 추세이여서 추가적인 SO2의 SO3로의 전환이 이루어져 탈황설비의 후단에서의 부식과 여러 관련 문제가 발생하고 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SO3 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치(1000)를 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 SO3의 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치는 1차 열교환기(100), 선택적 촉매환원기(SCR)(200), 2차 열교환기(300), SO3 제거기(400) 및 배연탈황기(FGD)(500)를 포함한다. 석유코크스 등의 황을 포함한 연료가 소각로(I)에서 연소되고, 연소에 의하여 발생한 배기가스는 1차 열교환기(100)로 이동하게 된다. 소각로(I)는 석유코크스 등의 연소를 위한 시설로 고온의 열을 방출하는 곳이다.
1차 열교환기(100)에서는 SCR에 공급되는 배기가스의 온도를 조절하게 된다. 즉, 소각로(I)로부터 배출된 배기가스는 1차 열교환기(100)를 거치며 온도 조절되어 선택적 촉매환원기(200)로 이동하게 된다. 이때, 1차 열교환기(100)는 배기가스의 온도가 약 400도 이하로 조절될 수 있다. 즉, 선택적 촉매환원기(200)에서의 촉매환원법에 의한 환원 공정이 잘 이루어질 수 있도록 배기가스를 적절한 온도로 조절하는 것이다.
선택적 촉매환원기(200)에서는 배기가스 중 질소산화물을 우선적으로 환원하게 된다. 즉, SCR로 이동된 배기가스 중 질소산화물(NOx)은 400도 이하에서 촉매를 사용하여 물(H2O)와 질소(N2)로 환원된다. 이 과정에서 황산화물 중 SO2는 높은 열에 의해 산화되어 소량의 SO3로 전환된다.
선택적 촉매환원기(200)를 거친 배기가스는 2차 열교환기로 이동하게 된다. 2차 열교환기는 선택적 촉매환원기(200)를 거친 배기가스의 온도를 일정 온도로 조절하기 위한 것이다. 즉, 2차 열교환기를 거친 배가가스는 SO3 제거기(400)로 이동하게 되는데, 이때 SO3 제거기(400)에서 요구되는 온도로 배기가스의 온도를 조정할 수 있다. 이때의 SO3 제거기(400)는 습식 스크러버를 포함할 수 있다. 또한, 이때의 2차 열교환기는 배기가스의 온도를 350도에서 400도로 유지시키도록 설정될 수 있다. 350도에서 400도의 고온의 배기가스가 설정되는 이유는 아래 자세하게 살펴보겠다.
도 2는 SO3 제거기(400)에서의 흡착 매커니즘을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 습식 스크러버는 SO3 제거를 위하여 SO3와 흡착될 수 있는 용액을 하방향으로 분사한다. 이때의 용액은 라임(lime), 라임석회(limestone), 산화마그네슘(MgO), 수산화나트륨(NaOH), 탄산나트륨(Na2CO3) 용액 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 이러한 용액은 SO3 입자와의 흡착 반응이 잘 일어나는 용질을 포함한다. 이렇게 분사된 용액은 고온의 2차 열교환기에서 공급된 고온의 SO3 가스와 접촉하여 용매가 증발하게 된다. 이때 분리된 용질이 SO3와 흡착되어 분진형태로 가라앉고 이를 회수하여 SO3가 제거될 수 있는 것이다.
SO3 제거를 위하여 습식 스크러버로 이동하기 전 2차 열교환기를 거치는 중요한 이유는 SO3가 일반적인 배기가스 온도인 204도 또는 그 이하에서 가스상 황산(H2SO4)으로 전환되며, 황산은 이슬점(약 127~150도) 이하에서 응축되어 에어로졸을 형성하게 되고, 에어로졸 상태의 황산은 제거가 용이하지 않은 특징이 있기 때문이다. 도 3을 통해 알 수 있듯이, 일정 습도(8%)에서 SO3는 고온, 예를 들어 350도 이상인 조건에서 황산으로 전환이 거의 되지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 SO3의 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치는 SO3를 일정 온도 이상으로 유지시켜 SO3가 황산으로 전환되는 것을 방지함으로써, 습식 스크러버 내에서 SO3 제거가 효율적으로 이루어 질 수 있는 것이다.
본 발명은 도 2에서 알 수 있듯이, 습식 스크러버에 결합되는 재분사기(700)를 더 포함할 수 있다. 재분사기(700)는 습식 스크러버에서 SO3와의 흡착을 위하여 분사되었으나 SO3와의 흡착 반응에 사용되지 않은 용액을 재회수하여 습식 스크러버 내에 재분사할 수 있게 만든다. 따라서, 배출되어 버려지는 용액의 사용을 없애 환경 오염을 방지하고, 용액을 재사용함에 따라 용액의 전체 사용량을 크게 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 분사량 조절기(600)를 더 포함할 수 있다. 분사량 조절기(600)는 습식 스크러버에 결합되어, 용액의 분사량을 조절하는 것이다. 분사되는 용액의 분사량을 조절함으로써, 제거되는 SO3의 양을 제어할 수 있게 된다. 제거되는 SO3의 양을 제어하는 이유 중 하나는 아래와 같다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 SO3 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치를 나타낸 도면이다. 도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 SO3 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치는 SO3 제거기(400) 후단에 전기집진기(450)가 결합될 수 있다. 전기집진기(450)는 배연탈황공정내 발생하는 분진을 전기로 집진하여 제거하는 것이다. 이때, SO3는 수분과 함께 분진의 표면전도효과를 좌우하는 주요인자이며, 수분과 SO3의 양이 많아질수록 분진의 전기저항치는 저하되게 된다. 즉 SO3가 수분과 결합하여 표면전도를 증가시켜 전기저항치를 낮추는 역할을 하게 되며, 이에 따라 전기집진기(450)의 전기 집진 효율은 증가하게 된다. 따라서, SO3 제거기(400)에서 제거되는 SO3 양을 조절하고, 일정 SO3를 전기집진기(450)로 이동시켜 전기집진기(450)의 분진 포집 효율을 증가시키는 데 이용할 수 있다. 즉, 습식 스크러버의 분사량 조절기(600)가 SO3와 흡착에 이용되는 용액의 분사량을 조절하여 SO3의 100%제거보다는 적정량의 SO3를 전기집진기(450)로 이동시켜 전기집진기(450)의 분진 포집 효율을 향상시킬 수 있다.
전기집진기(450)를 거친 배기가스는 배연탈황기(500)를 거쳐 대부분의 SO2를 제거한 다음 배출부(O)로 이동하여 외부로 배출되게 된다. 이렇게 배출되는 배기가스는 SO2뿐만 아니라, SO3 까지도 효과적으로 제거되어 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.
I: 소각로
O: 배출부
100: 1차 열교환기
200: 선택적 촉매환원기
300: 2차 열교환기
400: SO3 제거기
450: 전기 집진기
500: 배연탈황기
600: 분사량 조절기
700: 재분사기
1000: SO3의 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치

Claims (7)

  1. 황을 포함한 연료를 연소시키는 소각로에 결합되어, 상기 소각로로부터 배출된 배기가스의 온도를 400℃ 이하로 조절하는 1차 열교환기;
    상기 1차 열교환기에 결합되어, 상기 1차 열교환기를 통과한 배기가스 중 질소산화물을 환원하는 선택적 촉매환원기;
    상기 선택적 촉매환원기에 결합되어, 상기 선택적 촉매환원기를 통과한 배기가스의 온도를 350~400 ℃로 상승시키는 2차 열교환기;
    상기 2차 열교환기에 결합되어, 상기 2차 열교환기를 통과한 배기가스 중 SO3를 제거하는 SO3 제거기; 및
    상기 SO3 제거기에 결합되어, 상기 SO3 제거기를 통과한 배기가스 중 황산화물을 제거하는 배연탈황기(FGD: Flue Gas Desulferlizer)를 포함하고,
    상기 SO3 제거기는,
    습식 스크러버를 포함하고, 상기 SO3와 흡착될 수 있는 용액을 분사하여 상기 배기가스 중 SO3를 흡착시켜 제거하며,
    상기 습식 스크러버에 결합되어, 상기 용액의 분사량을 조절하여 제거되는 상기 SO3 량을 조절하는 분사량 조절기를 더 포함하며,
    상기 용액은 라임 용액, 산화마그네슘(MgO) 용액 중 어느 하나를 포함하고,
    상기 SO3 제거기와 상기 배연탈황기 사이에 설치되어 분진을 제거하는 전기집진기를 더 포함하고,
    상기 분사량 조절기는 상기 습식 스크러버에 분사되는 상기 용액의 분사량을 감소시켜 상기 전기집진기로 이동하는 SO3의 양을 증가시킴으로써, 상기 분진의 전기저항치를 낮추어 상기 전기집진기의 분진 포집 효율이 증가하는 것을 특징으로 하는,
    SO3 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 습식 스크러버에 결합되어 SO3와의 흡착에 사용되지 않은 용액을 회수하여 재분사할 수 있는 재분사기를 더 포함하는,
    SO3 제거 효율을 향상시킨 배기가스 처리장치.
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