KR101825825B1 - 질소산화물, 염화불화탄소류, 수소염화불화탄소류, 수소불화탄소류 및 과불화화합물을 포함하는 복합 폐가스의 통합 처리 시스템 - Google Patents

질소산화물, 염화불화탄소류, 수소염화불화탄소류, 수소불화탄소류 및 과불화화합물을 포함하는 복합 폐가스의 통합 처리 시스템 Download PDF

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Abstract

질소산화물(NOx 및 N2O), 염화불화탄소류(CFCs), 수소염화불화탄소류(HCFCs), 수소불화탄소류(HFCs) 및 과불화화합물(PFCs)을 포함하는 복합 폐가스 통합 처리 시스템이 제공된다. 이는 물에 용해되는 가스, SOx, 및 재를 포함하는 분진을 수세 및 흡착 처리하는 제1습식 처리장치와, 제1습식 처리장치에서 처리된 폐가스를 전달받아 질소산화물, 염화불화탄소류, 수소염화불화탄소류, 수소불화탄소류, 및 과불화화합물을 처리하는 분해 반응기와, 분해 반응기에서 처리된 폐가스를 전달받아 수세 및 흡착 처리하는 제2습식 처리장치를 포함한다. 이러한 시스템은 대용량의 복합 폐가스를 효율적으로 처리할 수 있다.

Description

질소산화물, 염화불화탄소류, 수소염화불화탄소류, 수소불화탄소류 및 과불화화합물을 포함하는 복합 폐가스의 통합 처리 시스템{INTEGRATED ABATEMENT SYSTEM FOR COMPLEX WASTE GAS INCLUDING NOx, NITROUS OXIDE, CHLOROFLUOROCARBONS, HYDROCHLOROFLUOROCARBONS, HYDROFLUOROCARBONS, AND PERFLUOROCOMPOUNDS}
본 발명은 복합 폐가스의 통합 처리 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 질소산화물, 염화불화탄소류, 수소염화불화탄소류, 수소불화탄소류, 및 과불화화합물을 포함하는 복합 폐가스를 통합 처리하는 시스템에 관한 것이다.
질소산화물은 질소와 산소의 결합상태에 따라 여러 종류의 화합물이 존재하는데, 연료의 연소에 의해 발생하는 것은 대부분이 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2), 삼산화질소(N2O3), 오산화질소(N2O5)이며 이를 일반적으로 질소산화물(이하 NOx라고 한다)이라고 한다.
보일러 연소설비에서 배출되는 연소가스 중의 NO/NOx의 용량비는 90∼95% 정도이고, 배기가스 중의 NOx는 대부분이 일산화질소(NO)이다. 일산화질소(NO)는 무색, 무취의 기체이고 물에는 거의 녹지 않는다. NO2는 NO가 대기 중에서 산화되어 생성되고, 수분과 결합하여 질산(HNO3)으로 변화된다.
온실가스 중에서 아산화질소(N2O)는 CO2와 메탄(CH4), HFCs, PFCs, SF6 등 6개 종류의 물질을 저감하려는 목표의 온실가스로 지정되었으며, 이 외에 간접 온실가스로서 NOx, SO2 및 비메탄 휘발성 유기화합물(NMVOC), CO 등 성분에 대해서는 온실가스 배출량 추이에 반영하도록 정하였다.
자동차, LCD, 반도체 등의 산업분야에 냉매, 발포, 세정의 목적으로 사용하는 몬트리올 의정서 상의 1차 규제물질인 염화불화탄소류(chlorofluorocarbons, R11_CFCl3 / R12_CF2Cl2), 2013년부터 규제가 시작되어 2030년에 전폐 예정으로 2차 규제물질인 수소염화불화탄소류(hydrochlorofluorocarbons, R22_CHClF2 / R123_C2HCl2F3 / R124_C2HClF4) 그리고 수소염화불화탄소(HCFCs)의 대체재로 개발된 물질로서 오존층 파괴물질은 아니지만 지구온난화 유발 잠재력이 높아 교토의정서상 온실가스로 분류된 수소불화탄소류(HFCs, R134a_CH2FCF3 / R32_CH2F2 / R125_CHF2CF3 / R152a_C2H4F2)를 사용하거나 제조하는 공정 및 작업장에서 배출되는 폐가스에도 포함된다.
과불화화합물(PFCs)은 지방족 탄화수소에서 다량의 플루오르가 치환되어 있는 화합물로서 최근 그에 대한 규제가 강화되고 있다. 이러한 과불화화합물은 지구온난화지수(global warming potential)가 이산화탄소 대비 수천~수만 배로 매우 높아 지구 온난화의 주범으로 지목 받고 있다. 또한 이러한 과불화화합물의 일부는 조리용기나 종이컵의 코팅제나 냉매로도 사용되고 있지만, 뇌, 신경, 간 독성을 유발하고 호르몬을 교란한다고 추정되고 있다.
과불화화합물은 메모리나 LCD와 같은 반도체 디바이스 생산 공정이 주 발생원이다. 이를테면, 식각공정의 에칭제(etchant) 및 화학증착공정(chemical vapor deposition process)의 반응기(chamber) 세정제로 많이 사용되면서 대량으로 배출되고 있고, 대표적으로는 CF4, CHF3, C3F6, CH2F2, C3F4, C2F6, C3F8, C4F10, C5F8, SF6, NF3 등을 들 수 있다.
이와 같은 질소산화물(NOx 및 N2O), 수소염화불화탄소류(HCFCs), 수소불화탄소(HFCs), 과불화화합물(CF4, SF6, NF3 등을 포함하는 PFCs) 등의 복합가스가 산업현장 등에서 배출되기 때문에 이를 통합 처리하는 것이 매우 중요하고 또한 필수적이라고 할 수 있다.
종래의 유해가스를 분해하는 기술은 선택적 비촉매 환원 공정(SNCR), 선택적 촉매환원 공정(SCR), 광촉매법, 시멘트 킬른(Cement Kiln), 액체주입 소각(Liquid Injection Incineration), 가스/증기 산화(Gaseous/Fume Oxidation), 반응기 분해(Reactor Cracking), 아르곤 플라즈마 아크(Argon Plsma Arc), 마이크로파 플라즈마(Microwave Plasma), 가스상 촉매 할로겐 이탈반응(Gas Phase Catalytic Dehalogenation), 초고온증기반응기(Super-heated Steam Reactor), 촉매분해(Catalytic Destruction), 약액 처리(Chemical Treatment) 그리고 축열 산화(Thermal Oxidizer) 등이 있다.
처리해야 하는 유해가스별 특성이 다르므로 위와 같은 복합가스를 통합 처리하는 기술의 적용이 어려웠을 뿐만 아니라, 그 유지비용과 처리효율 등을 감안했을 때 통합 처리하면서 90% 이상의 제거 성능을 가지는 시스템을 확보하기 어려웠다.
그 동안 특정가스(NOx, N2O, SF6, NF3, HCFCs, HFCs 등)들을 대상으로 분해 제거하는 방법과 그 장치들은 많이 소개되어 있으나, 상술한 종래의 방법들을 적용했을 경우 질소산화물을 포함해서 수소염화불화탄소류, 수소불화탄소류와 과불화화합물이 함께 포함된 유해가스의 용량이 약 5CMM(cubic meter per minute) 이상의 대용량 처리 시에는 고 에너지 비용이 소요되고, 또한 고온 연소에 따른 2차 NOx 발생이 우려되며, 그 처리효율이 낮은 문제점들이 있었다.
한국특허공개 10-2013-0085025
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 감안한 것으로서, 질소산화물, 염화불화탄소류, 수소염화불화탄소류, 수소불화탄소류 및 과불화화합물을 포함하는 복합 폐가스를 통합하여 처리할 수 있는 시스템을 제공한다.
본 발명은 질소산화물(NOx 및 N2O), 염화불화탄소류(Chlorofluorocarbons, CFCs), 수소염화불화탄소류(Hydrochlorofluorocarbons, HCFCs) 수소불화탄소(Hydrofluorocarbons, HFCs), 및 과불화화합물(Perfluorocompounds, PFCs)을 포함하는 복합 폐가스 통합 처리 시스템을 제공하며, 이는: 물에 용해되는 가스, SOx, 및 재를 포함하는 분진을 수세 및 흡착 처리하는 제1습식 처리장치; 상기 제1습식 처리장치에서 처리된 폐가스를 전달받아 질소산화물(NOx 및 N2O), CFCs, HCFCs, HFCs, 및 PFCs를 처리하는 분해 반응기; 및 상기 분해 반응기에서 처리된 폐가스를 전달받아 수세 및 흡착 처리하는 제2습식 처리장치;를 포함한다.
상기 분해 반응기에 대한 하나의 실시 예는, 처리 챔버 내에 하나 이상의 축열체층, CFC, HCFC, HFC 및 PFC의 분해를 위한 하나 이상의 제1촉매층, 연소실, 환원제 분사부, 및 N2O 분해를 위한 제2촉매층 및 NOx 분해를 위한 제3촉매층이 배치된다. 이 경우, 폐가스 인입측으로 부터 축열체층, 제1촉매층, 연소실, 제1촉매층, 환원제 분사부, 제2촉매층, 제3촉매층, 및 축열체층이 순차로 배치된 수평형일 수 있다.
또한, 열교환 장치가 더 구비되어, 상기 상기 제1습식 처리장치로부터 상기 분해 반응기로 전달되는 가스와, 상기 분해 반응기로부터 상기 제2습식 처리장치로 전달되는 가스 사이에 열교환을 수행할 수 있다.
상기 분해 반응기로 유입되는 폐가스를 예열하기 위한 예열기가 더 구비될 수 있다.
분해 반응기의 다른 실시예는, 상기 처리 챔버의 내부가 소정 높이의 격벽으로 분리된 2 이상의 구획 공간과, 상기 구획 공간 상부의 통합공간에 마련되는 연소실을 포함하는 수직형일 수 있다.
이 경우의 분해 반응기는, 상기 2 이상의 구획 공간 각각에는 아래로부터 축열체층, 제3촉매층, 제2촉매층, 환원제 분사부, 및 제1촉매층이 순차로 적층되고, 상기 2 이상의 구획 공간 각각 마다의 하부에는 가스 유입 및 배출구가 구비될 수 있다. 상기 가스 유입 및 배출구 각각은 어느 하나가 가스 유입구로 동작할 때, 나머지 중의 하나가 배출구로 동작할 수 있다.
상기 제1 및 제2 습식 처리 장치는 내부에 2 이상의 필터층 또는 패킹층, 상기 2 이상의 필터층 또는 패킹층에 각각 세정수를 분사하도록 배치되는 세정수 분사부 및 2 이상의 흡착층을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 질소산화물(NOx 및 N2O), 염화불화탄소류(CFCs), 수소염화불화탄소류(HCFCs), 수소불화탄소류(HFCs), 과불화화합물(PFCs) 등의 복합 폐가스를 통합 처리하는 시스템이 제공된다. 이는 복합 폐가스의 각각의 가스들에 대하여 그 특성에 맞도록 개별 선택된 분해장치들을 이용하여 개별적으로 처리하는 대신, 통합하여 처리함으로써 매우 효율적이다. 이러한 구성은 설비의 설치에 있어서 집약적인 설계와 배치가 가능하고 대용량의 유해가스의 처리도 가능하게 된다. 이를테면, 유해가스의 유입용량이 약 5CMM(cubic meter per minute) 이상의 대용량도 통합 처리가 가능하고, 그러한 대용량 유해가스를 낮은 에너지 비용으로 처리할 수 있게 된다. 따라서, 2차 NOx발생이 없을 뿐만 아니라 약 90% 이상의 제거 성능을 가진다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합 폐가스 통합 처리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 제1실시예의 시스템에 포함되는 열교환기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 복합 폐가스 통합 처리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 복합 폐가스 통합 처리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 시스템에 시간대비 적용가능한 흡착제의 종류에 따른 흡착 성능을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 시스템의 분해 반응기에서 온도대비 유해성분별 제거 효율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 시스템에서 온도대비 N2O 및 NO의 분해 효율을 나타내는 그래프이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 복합 폐가스를 통합하여 처리할 수 있는 복합 폐가스 통합 처리 시스템을 제공한다. 통합 처리되는 복합 폐가스는 질소산화물(NOx 및 N2O), 염화불화탄소류(Chlorofluorocarbons, CFCs), 수소염화불화탄소류(Hydrochlorofluorocarbons, HCFCs), 수소불화탄소(Hydrofluorocarbons, HFCs), 및 과불화화합물(Perfluorocompounds, PFCs)을 포함할 수 있다. 여기서 과불화화합물(Perfluorocompounds, PFCs)은 사불화탄소(Carbon tetrafluoride, CF4), 육불화황(Sulfur hexafluoride, SF6), 삼불화질소(Nitrogen trifluoride, NF3) 등을 포함할 수 있다.
본 발명은 복합 폐가스 통합 처리 시스템은 제1습식 처리장치(11, 21, 31), 분해 반응기(12, 22, 32), 및 제2습식 처리장치(13, 23, 33)를 포함한다. 본 발명의 복합 폐가스 통합 처리 시스템은 상술한 복합 폐가스를 통합 처리하는 시스템으로서, 아래에서 상세하게 설명되는 바와 같이 제1 내지 제3실시예로 구현될 수 있다.
제1습식 처리장치(11, 21, 31)는 물에 용해되는 가스, SOx, 및 재를 포함하는 분진을 수세 및 흡착 처리한다.
분해 반응기(12, 22, 32)는 제1습식 처리장치(11, 21, 31)로부터 폐가스를 전달받아 질소산화물(NOx 및 N2O), CFCs, HCFCs, HFCs, 및 PFCs를 분해한다.
제2습식 처리장치(13, 23, 33)는 분해 반응기(12, 22, 32)에서 분해된 폐가스를 전달받아 수세 및 흡착 처리한다.
본 발명의 복합 폐가스 통합 처리 시스템에 채용되는 제1습식 처리장치(11, 21, 31), 분해 반응기(12, 22, 32), 및 제2습식 처리장치(13, 23, 33)는 각각 처리 공간 또는 처리 챔버를 가지는 장치 또는 설비로 이루어지고 이들은 서로 배관 등과 같은 가스 이송 또는 전달 수단에 의해 연결될 수 있다. 따라서, 제1습식 처리장치(11, 21, 31), 분해 반응기(12, 22, 32), 및 제2습식 처리장치(13, 23, 33)는 폐가스의 흐름 방향으로 순차 배치되어 정해진 처리 동작을 수행한다.
본 발명의 복합 폐가스 통합 처리 시스템에 채용되는 분해 반응기(12, 22, 32) 는 질소산화물(NOx 및 N2O), CFCs, HCFCs, HFCs, 및 PFCs를 처리할 수 있는 구성을 구비한다. 이를테면, 분해 반응기(12, 22, 32)는 하나 이상의 축열체층(121, 221, 321), CFCs, HCFCs, HFCs, 및 PFCs의 분해를 위한 하나 이상의 제1촉매층(122, 222, 322), 연소실(123, 223, 323), 환원제 분사부(124, 224, 324), N2O 분해를 위한 제2촉매층(125, 225, 325) 및 NOx 분해를 위한 제3촉매층(126, 226, 326)을 처리 공간 또는 처리 챔버 내에 구비함으로써 질소산화물(NOx 및 N2O), CFCs, HCFCs, HFCs, 및 PFCs를 포함하는 복합 폐가스를 통합하여 효율적으로 처리할 수 있게 된다.
이러한 분해 반응기(12, 22, 32)는 다양한 실시 예로 구현될 수 있으며, 이는 아래에서 상세하게 후술된다.
[제1실시예]
도 1은 본 발명의 복합 폐가스 통합 처리 시스템의 제1실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 복합 폐가스 통합 처리 시스템의 제1실시예는 제1습식 처리장치(11), 분해 반응기(12), 및 제2습식 처리장치(13)를 포함한다. 또한, 제1실시예의 복합 폐가스 통합 처리 시스템은 열교환장치(14)와 예열기(15)를 더 포함할 수 있다.
제1습식 처리장치(11)
제1습식 처리장치(11)는 복합 폐가스를 세정 및 흡착하는 전처리 세정흡착 장치이다. 이러한 제1습식 처리장치(11)는 그 처리 챔버 내에 물로 세정할 수 있는 2단 이상의 필터 또는 패킹층(112)과 필터 또는 패킹층(112) 각각에 물을 분사할 수 있는 세정수 분사부(111)를 포함한다. 또한 제1습식 처리장치(11)는 제1흡착층(113)과 제2흡착층(114)를 포함한다. 이러한 제1습식 처리장치(11)는 인입된 복합 폐가스가 횡방향으로 흐르는 수평형일 수 있다.
2단 이상의 필터 또는 패킹층(112)은 복합 폐가스 중에서 물에 용해되는 가스와 황(S)이 포함된 화석연료 연소과정에 의하여 생기는 SOx 및 재(Ash)를 포함한 분진을 물로 수세하는 데 이용된다. 유입가스와 세정수의 접촉을 넓히기 위한 필터 형태 또는 패킹층이며, 수평으로 흐르는 유입 복합 폐가스에 대하여 세정수 분사부(111)는 세정수가 상부에서 하부로 흘러 유입가스를 교차 수세할 수 있도록 배치되는 분사 노즐을 포함한다. 필터와 패킹층 그리고 분사 노즐 재료는 실리카 성분이 함유된 염, 중황산 암모늄, 황산암모늄, 그리고 실란과 같이 물과 접촉 후 응집성 유발 물질 등에 쉽게 달라붙지 않는 PE, PP, PTFE, PFA, ETFE 등과 같은 재질로 구성할 수 있다.
제1 및 제2흡착층(113, 114)은 유입된 복합 폐가스 중에 촉매분해 성능을 저하시킬 수 있는 할로겐화합물(HF, HCl, BCl3, CCl4 등), 산성가스 중화처리과정에서 생성되는 염, 그리고 황(S)이 포함된 화석연료 연소과정과 그 이후에 생성되는 부산물을 제거하는데 이용된다. 황(S)이 포함된 화석연료 연소과정에서 SOx가 생성되는데, 처음에는 가스모양의 이산화황(SO2) 이어서 중에서 해 극히 미세한 에어로졸 상태가 되는 삼산화황(SO3)이 되고, 더 많은 수분을 함유하면 입자상 또는 안개상태로 부유되는 황산(H2SO4) 등의 부산물이 생성된다.
제1 및 제2흡착층(113, 114)에 적용될 수 있는 흡착제 소재는 보크사이트, 활성 산화마그네슘, 제올라이트, 활성 알루미나, 활성탄소, 실리카겔, 골탄, 분자체탄소, 이온교환성 카본, MR형 이온교환수지, 활성백토 등을 포함할 수 있고, 소재들마다 그 구조적 특성에 따라서 무기화합물 등 어느 한가지 이상을 혼합하여 피흡착 물질의 특성에 맞도록 구성될 수 있다.
분해 반응기(12)
제1실시예에 채용되는 분해 반응기(12)는 수평형 반응기로서, 유입된 복합 폐가스가 횡방향으로 흐르면서 처리 공간 또는 처리 챔버 내에서 질소산화물(NOx 및 N2O), CFCs, HCFCs, HFCs, 및 PFCs이 분해 처리된다.
이러한 제1실시예의 분해 반응기(12)는 처리 챔버 내에 전단과 후단에 배치되는 축열체층(121), CFC, HCFC, HFC 및 PFC의 분해를 위한 제1촉매층(122), 연소실(123), 환원제 분사부(124), N2O 분해를 위한 제2촉매층(125) 및 NOx 분해를 위한 제3촉매층(126)이 배치된다.
축열체층(121)은 열 손실 방지의 목적으로 처리 챔버의 전단과 후단에 각각 세라믹 축열체로 배치된다.
전단의 축열체층(121) 다음으로는 CFCs, HCFCs, HFCs, 및 PFCs의 분해를 위한 제1촉매층(122)가 배치된다. 이러한 제1촉매층(122)은 제1실시예의 도면에서와 같이 연소실(123)의 전후로 배치될 수 있다.
연소실(123)은 촉매 반응기의 운전 온도(350 ~ 800℃)를 유지시켜주는 열원이 배치된다. 열원의 수단으로서는 LPG 또는 LNG와 연소용 공기로 연소가 가능한 버너, 아르곤 플라즈마 아크(Argon Plasma Arc), 유도결합 무선주파수 플라즈마(Inductively-Coupled Radio-Frequency Plasma), 질소 플라즈마 아크(Nitrogen Plasma Arc), 마이크로웨이브 플라즈마(Microwave Plasma) 등을 이용할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
환원제 분사부(124)는 촉매 반응 후의 가스에 암모니아, 요소, 탄화수소 등을 분사하도록 배치된다.
환원제 분사부(124)의 다음에는 N2O 분해를 위한 제2촉매층(125)과 촉매 및 NOx 분해를 위한 제3촉매층(126)을 순차로 배치한다.
이와 같이 구성 요소들을 수평으로 배열하여 유해가스 분해과정에서 분해 반응기를 포함한 통합처리 시스템의 설비 차압(Pressure Drop)을 낮추게 된다.
바람직하게는 촉매층들, 축열체층, 연소실 등의 구성요소들을 개별 모듈로 구성하여 부분적, 개별적인 교체가 가능하도록 하거나 반응기 전체를 교체하도록 할 수 있다. 또한 상술한 촉매층들의 촉매들은 구형, 펠렛형, 중공실린더형, 하니컴형 등과 같은 형상을 가질 수 있고, 그 형상에 따라서 일체형 또는 벌크(Bulk) 방식으로 교체가 가능하도록 구성할 수 있다.
아래는 분해 반응기(12)에서의 각 성분에 대한 분해 반응식의 예를 나타낸다.
- NOx와 N2O 분해반응식
2N2O → 2N2 + O2
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O
- CFCs 분해반응식
CFCl3 + 2H2O → CO2 + 3HCl + HF
- HCFCs 분해반응식
CHClF2 + H2O + 1/2O2 → 2HF + HCl + CO2
- HFCs 분해반응식
CHF3 + H2O → CO + 3HF
- PFCs 분해반응식
CF4 + 2H2O → CO2 + 4HF
SF6 + 3H2O → SOx + 6HF
NF3 + 3H2O → NO + NO2 + 6HF
NF3 + 3H2O → N2O + O2 + 6HF
제2습식 처리장치(13)
제1실시예에 따른 복합 폐가스 통합 처리 시스템에 채용된 제2습식 처리장치(13)는 분해 반응기(12) 처리 이후, HF, HCl, 미반응 암모니아 등과 같은 가스, 일부 반응하지 않은 미처리 불소(F) 함유 가스, 황산암모늄염 및 중화처리 과정에서 생성될 수 있는 염들을 제거하기 위한 처리장치이다.
이러한 제2습식 처리장치(13)는 그 처리 챔버 내에 물로 세정할 수 있는 2단 이상의 필터 또는 패킹층(132)과 필터 또는 패킹층(132) 각각에 물을 분사할 수 있는 세정수 분사부(131)를 포함한다. 또한 제2습식 처리장치(13)는 제1흡착층(133)과 제2흡착층(134)를 포함한다. 이러한 제1습식 처리장치(13)는 인입된 복합 폐가스가 횡방향으로 흐르는 수평형일 수 있다.
2단 이상의 필터 또는 패킹층(132)은 복합 폐가스 중에서 또한 물에 용해되는 가스와 암모니아, 암모늄염, 및 재(Ash)를 포함한 분진을 물로 수세하는 데 이용된다. 유입가스와 세정수의 접촉을 넓히기 위한 필터 형태 또는 패킹층이며, 수평으로 흐르는 유입 복합 폐가스에 대하여 세정수 분사부(131)는 세정수가 상부에서 하부로 흘러 유입가스를 교차 수세할 수 있도록 배치되는 분사 노즐을 포함한다. 필터와 패킹층 그리고 분사 노즐 재료는 실리카 성분이 함유된 염, 중황산 암모늄, 황산암모늄, 그리고 실란과 같이 물과 접촉 후 응집성 유발 물질 등에 쉽게 달라붙지 않는 PE, PP, PTFE, PFA, ETFE 등과 같은 재질로 구성할 수 있다.
제3 및 제4흡착층(133, 134)은 일부 미처리 가스(CF4, CHF3, C3F6, CH2F2, C3F4, C2F6, C3F8, C4F10, C5F8, SF6, NF3, CHClF2 등)들 중 어느 하나 이상의 가스들을 추가 흡착할 수 있는 성능을 가진 흡착제를 포함한다.
제3 및 제4흡착층(133, 134)에 적용될 수 있는 흡착제 소재는 보크사이트, 활성 산화마그네슘, 제올라이트, 활성 알루미나, 활성탄소, 실리카겔, 골탄, 분자체탄소, 이온교환성 카본, MR형 이온교환수지, 활성백토 등을 포함할 수 있고, 소재들마다 그 구조적 특성에 따라서 무기화합물 등 어느 한가지 이상을 혼합하여 피흡착 물질의 특성에 맞도록 구성될 수 있다.
열교환장치(14)
제1실시예에 채용되는 열교환장치(14)는 제1습식 처리장치(11)로부터의 가스와 분해 반응기(12)로부터의 가스 간에 열교환이 이루어지도록 한다. 열교환장치(14)는 제1습식 처리장치(11)의 배출측에서 분해 반응기(12)의 입구측으로 연결되는 배관과, 분해 반응기(12)의 배출측에서 제2습식 처리장치(13)의 입구측으로 연결되는 배관을 교차하도록 배치하고, 그 교차지점에 열교환장치(14)를 배치하는 예가 적용될 수 있다.
이러한 열교환장치(14)는 수평형 분해 반응기인 제1실시예에서 바람직하게 적용될 수 있으며, 분해 반응 후 배출되는 가스의 열을 이용하여 분해 반응을 위해 제1습식 처리장치(11)로부터 분해 반응기(12)로 유입되는 가스를 예열함과 동시에 분해 반응기(12)로부터 배출되어 제2습식 처리장치(13)로 유입되는 가스를 냉각시키게 된다.
열교환장치(14)에 대한 하나의 예가 도 2에 보여진다. 도시한 예에서와 같이 열교환장치(14)는 분해 반응기(12)로부터의 가스를 횡방향으로 흐르도록 하고, 제1습식 처리장치(11)로부터의 가스를 종방향으로 흐르도록 하여 서로 교차시키는 방식을 채택할 수 있다. 횡방향의 가스 흐름과 종방향의 가스 흐름이 서로 교번적으로 배치되는 슬롯 통로를 형성하여 구현할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
예열기(15)
제1실시예에 따른 복합 폐가스 통합 처리 시스템에 채용된 수평형 분해 반응기(12)의 경우에는 초기 가동 시에 분해 반응기(12)가 상온 상태인 것을 감안하여 분해 반응기로 투입되는 폐가스를 예열하는 예열기가 더 포함될 수 있다. 이러한 예열기(15)는 분해 반응기(12)의 운전 온도에 도달하는 시간을 단축시킬 수 있다. 일단 초기 가동이 이루어지고 나면, 예열기(15)는 동작을 하지 않고, 상술한 열교환장치(14)와 분해 반응기(12) 내부의 축열체층(121)의 온도로 운전 온도가 유지될 수 있다.
예열기(15)의 열원으로는 LPG 또는 LNG와 연소용 공기로 연소가 가능한 버너, 아르곤 플라즈마 아크(Argon Plasma Arc), 유도결합 무선주파수 플라즈마(Inductively-Coupled Radio-Frequency Plasma). 질소 플라즈마 아크(Nitrogen Plasma Arc), 마이크로웨이브 플라즈마(Microwave Plasma) 등을 이용할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
배풍기(16)
제2습식 처리장치(13)에서 처리된 폐가스를 대기 중으로 배출하기 위한 배풍기(16)가 더 포함될 수 있다. 통합 처리 시스템의 전, 후단 설비의 차압(Pressure Drop)에 따라 풍량을 제어 할 수 있도록 제어 로직이 구성된 배풍기가 제공된다.
[제2실시예]
도 3은 본 발명의 복합 폐가스 통합 처리 시스템에 대한 제2실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 복합 폐가스 통합 처리 시스템의 제2실시예는 제1습식 처리장치(21), 분해 반응기(22), 및 제2습식 처리장치(23)를 포함한다. 최후단에는 배풍기(26)가 배치된다.
제2실시예의 분해 반응기(22)는 상술한 제1실시예의 분해 반응기(12)와는 다른 예이며, 제1습식 처리장치(21)와 제2습식 처리장치(23)는 제1실시예의 것과 동일하거나 유사한 장치와 배치가 적용될 수 있다. 따라서 여기에서는 분해 반응기(22)에 대해서 중점적으로 설명한다.
분해 반응기(22)
제2실시예에 따른 시스템의 분해 반응기(22)는 처리 챔버의 내부가 소정 높이의 격벽(229)으로 분리된 2 이상의 구획 공간과, 구획 공간 상부의 통합공간에 마련되는 연소실(223)을 포함하는 수직형일 수 있다. 도시한 실시예에서는 구획 공간이 3개인 형태이다.
이 경우의 분해 반응기(22)는, 2 이상의 구획 공간 각각에는 아래로부터 축열체층(221), NOx 분해를 위한 제3촉매층(226), N2O 분해를 위한 제2촉매층(225), 환원제 분사부(224), 및 CFCs, HCFCs, HFCs, 및 PFCs의 분해를 위한 하나 이상의 제1촉매층(222)이 순차로 적층된다.
2 이상의 구획 공간 각각 마다의 하부에는 가스 유입 및 배출구, 그리고 댐퍼 장치가 구비될 수 있다. 가스 유입 및 배출구 각각은 어느 하나가 가스 유입구로 동작할 때, 나머지 중의 하나가 배출구로 동작할 수 있다.
따라서, 어느 하나의 가스 유입 및 배출구로 복합 폐가스가 유입되면 축열체층(221), NOx 분해를 위한 제3촉매층(226), N2O 분해를 위한 제2촉매층(225), CFCs, HCFCs, HFCs, 및 PFCs의 분해를 위한 하나 이상의 제1촉매층(222)를 통과하여 연소실에서 CFCs, HCFCs, HFCs, 및 PFCs가 분해되고, 나머지 구획공간을 통과하면서 환원제 분사부(224)에 의해 환원되며 제2 및 제3촉매층에 의해 질소산화물이 분해된 후, 해당 구획공간 하부에 있는 가스 유입 및 배출구로 배출된다. 이와 같은 댐퍼에 의해 교번적인 개폐 동작을 수행하면서 분해 반응기(22)에서 가스가 분해된 후 제2습식 처리장치(23)로 가스를 전달한다.
제1습식 처리장치(21), 제2습식 처리장치(23), 및 배풍기(26)는 제1실시예에서 설명된 것과 동일한 구성과 동작을 수행할 수 있으며, 여기서는 그 설명을 생략한다.
[제3실시예]
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 복합 폐가스 통합 처리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 참고적으로 도 4의 중앙 아래 부위의 원형의 그림은 분해 반응기(32)의 평단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
제3실시예에 따른 복합 폐가스 통합 처리 시스템은 제1습식 처리장치(31), 분해 반응기(32), 및 제2습식 처리장치(33)를 포함한다. 최후단에는 배풍기(36)이 배치된다.
제3실시예에 따른 시스템의 분해 반응기(32)는 원통형의 반응기 몸체를 가진다. 이러한 분해 반응기(32)는 처리 챔버의 내부가 소정 높이의 하나 또는 그 이상의 격벽(329)으로 분리된 12개의 구획 공간과, 구획 공간 상부의 통합공간에 마련되는 연소실(323)을 포함한다.
제3실시예에 따른 분해 반응기(32)는, 각 구획 공간 각각에 아래로부터 축열체층(321), NOx 분해를 위한 제3촉매층(326), N2O 분해를 위한 제2촉매층(325), 환원제 분사부(324), 및 CFCs, HCFCs, HFCs, 및 PFCs의 분해를 위한 하나 이상의 제1촉매층(322)이 순차로 적층된다.
반응기 몸체의 하부에는 가스 도어부가 배치되어 회전하면서 각 구획공간을 교번적으로 개폐한다.
따라서, 어느 하나의 구획공간으로 복합 폐가스가 유입되면 축열체층(321), NOx 분해를 위한 제3촉매층(326), N2O 분해를 위한 제2촉매층(325), CFCs, HCFCs, HFCs, 및 PFCs의 분해를 위한 하나 이상의 제1촉매층(322)를 통과하여 연소실(323) 에서 CFCs, HCFCs, HFCs, 및 PFCs가 분해되고, 나머지 구획공간을 통과하면서 환원제 분사부(324)에 의해 환원되며 제2 및 제3촉매층에 의해 질소산화물이 분해된 후, 해당 구획공간 하부를 통해 배출되어 제2습식 처리장치(33)로 가스를 전달한다.
제1습식 처리장치(31), 제2습식 처리장치(33) 및 배풍기(36)는 제1실시예에서 설명된 것과 동일한 구성과 동작을 수행할 수 있으며, 여기서는 그 설명을 생략한다.
또한, 본 발명의 복합 폐가스 통합 처리 시스템은 제1습식 처리장치(11, 21, 31)와 제2습식 처리장치(13, 23, 33)에 대하여 도시한 실시예에서와 같이 유해 가스가 횡방향으로 흐르는 수평형에만 한정되지 않고, 수직형과 같은 다른 유형도 적용될 수 있다.
제1 내지 제3실시예의 구성요소들 중에서 유해가스 또는 처리된 가스가 접촉하는 부위들은 공히 Ni, Cr, 및 Fe을 포함하는 합금강, 또는 Ni, Cr, Mo, 및 Fe을 포함하는 합금강으로 형성될 수 있다.
Ni, Cr, 및 Fe를 포함하는 합금강의 경우에는, Ni은 73 내지 79중량%, Cr은 14 내지 16중량%, Fe는 4 내지 11중량%, 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 Ni, Cr, 및 Fe를 포함하는 합금강은 Ni 76중량%, Cr 15중량%, Fe 8중량%, 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
Ni, Cr, Mo, 및 Fe을 포함하는 합금강의 경우에는, Ni 60 내지 62 중량%, Cr 21 내지 22 중량%, Mo 8 내지 10 중량%, Fe 7 내지 9 중량%, 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다. 이 경우 바람직하게는 Ni 61 중량%, Cr 21.5 중량%, Mo 9 중량%, 및 Fe 8 중량%일 수 있다.
또한, Ni, Cr, Mo, 및 Fe을 포함하는 합금강의 경우에는, Ni 56 내지 58 중량%, Cr 15 내지 17 중량%, Mo 15 내지 17 중량%, Fe 5 내지 6 중량%, 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다. 이 경우 바람직하게는 Ni 57 중량%, Cr 16 중량%, Mo 16 중량%, Fe 5.5 중량%, 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
또한, Ni, Cr, Mo, 및 Fe을 포함하는 합금강의 경우에는, Ni 58 내지 60 중량%, Cr 20 내지 21 중량%, Mo 14.0 내지 14.5 중량%, Fe 2.2 내지 2.4 중량%, 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다. 이 경우 바람직하게는 Ni 59 중량%, Cr 20.5 중량%, Mo 14.2 중량%, Fe 2.3 중량%, 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
또한 바람직하게는 적어도 유해가스 또는 처리된 가스가 접촉되는 부위의 금속 표면에는 내열 또는 내화학성을 가지는 코팅층이 구비될 수 있다. 여기서, 코팅층은 Xylylene 또는 Parylene을 함유한 폴리머 코팅층, 또는 PTFE(polytetrafluoroethylene), PFA(perfluoroalkoxy), FEP(fluorinated ethylene propylene copolymer) 또는 ETFE(ethylene tetrafluoroethylene copolymer)을 함유한 복합수지 코팅층 일 수 있다.
도 5는 본 발명의 시스템에 시간대비 적용가능한 흡착제의 종류에 따른 흡착 성능을 나타내는 그래프이다. 도 6은 본 발명의 시스템의 분해 반응기에서 온도대비 유해성분별 제거 효율을 나타내는 그래프이다. 도 7은 본 발명의 시스템에서 온도대비 N2O 및 NO의 분해 효율을 나타내는 그래프이다.
이상에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 복합 폐가스 통합 처리 시스템은 복합 폐가스에 대하여 대용량으로 통합 처리가 가능하고, 나아가 각각의 유해 성분에 대하여도 높은 분해 효율을 나타낸다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
11, 21, 31: 제1습식 처리장치 12, 22, 32: 분해 반응기
13, 23, 33: 제2습식 처리장치 14: 열교환장치
15: 예열기 16, 26, 36: 배풍기
111: 세정수 분사부 112: 필터 또는 패킹층
113: 제1흡착층 114: 제2흡착층
121, 221, 321: 축열체층 122, 222, 322: 제1촉매층
123, 223, 323: 연소실 124, 224, 324: 환원제 분사부
125, 225, 325: 제2촉매층 126, 226, 326: 제3촉매층
229, 329: 격벽

Claims (9)

  1. 질소산화물(NOx 및 N2O), 염화불화탄소류(Chlorofluorocarbons, CFCs), 수소염화불화탄소류(Hydrochlorofluorocarbons, HCFCs) 수소불화탄소(Hydrofluorocarbons, HFCs), 및 과불화화합물(Perfluorocompounds, PFCs) 을 포함하는 복합 폐가스의 통합 처리 시스템으로서:
    물에 용해되는 가스, SOx, 및 재를 포함하는 분진을 수세 및 흡착 처리하는 제1습식 처리장치;
    상기 제1습식 처리장치에서 처리된 폐가스를 전달받아 질소산화물(NOx 및 N2O), 염화불화탄소류(CFCs), 수소염화불화탄소류(HCFCs), 수소불화탄소(HFCs), 및 과불화화합물(PFCs)를 처리하는 분해 반응기; 및
    상기 분해 반응기에서 처리된 폐가스를 전달받아 수세 및 흡착 처리하는 제2습식 처리장치;를 포함하고,
    상기 분해 반응기는 처리 챔버 내에 하나 이상의 축열체층, 연소실, CFCs, HCFCs, HFCs, 및 PFCs 의 분해를 위하여 상기 연소실의 전후에 배치되는 하나 이상의 제1촉매층, 환원제 분사부, 및 N2O 분해를 위한 제2촉매층 및 NOx 분해를 위한 제3촉매층이 배치된 것인, 복합 폐가스 통합 처리 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 분해 반응기는,
    폐가스 인입측으로부터 축열체층, 제1촉매층, 연소실, 제1촉매층, 환원제 분사부, 제2촉매층, 제3촉매층, 및 축열체층이 순차로 배치된 수평형인 것인, 복합 폐가스 통합 처리 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    열교환장치가 더 구비되어,
    상기 상기 제1습식 처리장치로부터 상기 분해 반응기로 전달되는 가스와,
    상기 분해 반응기로부터 상기 제2습식 처리장치로 전달되는 가스 사이에 열교환을 수행하는 것인, 복합 폐가스 통합 처리 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 분해 반응기로 유입되는 폐가스를 예열하기 위한 예열기가 더 구비되고,
    운전 온도에 도달한 후에 상기 열교환장치와 상기 분해 반응기 내부의 상기 하나 이상의 축열체층의 온도로 운전 온도가 유지되는 것인, 복합 폐가스 통합 처리 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 분해 반응기는,
    상기 처리 챔버의 내부가 소정 높이의 격벽으로 분리된 2 이상의 구획 공간과, 상기 구획 공간 상부의 통합공간에 마련되는 연소실을 포함하는 수직형인 것인, 복합 폐가스 통합 처리 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 분해 반응기는,
    상기 2 이상의 구획 공간 각각에는 아래로부터 축열체층, 제3촉매층, 제2촉매층, 환원제 분사부, 및 제1촉매층이 순차로 적층되고,
    상기 2 이상의 구획 공간 각각 마다의 하부에는 가스 유입 및 배출구가 구비되는 것인, 복합 폐가스 통합 처리 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 가스 유입 및 배출구 각각은 어느 하나가 가스 유입구로 동작할 때, 나머지 중의 하나가 배출구로 동작하는 것인, 복합 폐가스 통합 처리 시스템.
  9. 청구항 1, 3, 4, 5, 6, 7, 및 8 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제1 및 제2 습식 처리 장치는 내부에 2 이상의 필터층 또는 패킹층, 상기 2 이상의 필터층 또는 패킹층에 각각 세정수를 분사하도록 배치되는 세정수 분사부 및 2 이상의 흡착층을 포함하는 것인, 복합 폐가스 통합 처리 시스템.
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