KR102011173B1 - 백연 저감을 위한 배기가스의 처리시스템 - Google Patents

백연 저감을 위한 배기가스의 처리시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기가스의 처리시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온의 연소가스를 발생시키는 연소기; 상기 연소기로부터 배출되는 연소가스 중의 산성가스를 처리하기 위한 SCR/SDR설비; 상기 SCR/SDR설비로부터 배출되는 연소가스 중 조대 분진을 제거하는 사이클론; 상기 사이클론으로부터 배출되는 연소가스 중 사이클론으로 제거하지 못한 미세 분진을 조대화하기 위한 응집조; 상기 응집조로부터 배출되는 연소가스 중 조대화된 분진을 제거하기 위한 세라믹 필터; 상기 세라믹 필터로부터 배출되는 산화된 연소가스의 폐열을 회수하기 위한 열교환기; 상기 열교환기로부터 배출되는 연소가스로부터 2차적으로 열을 회수하는 공기예열기; 상기 공기예열기로부터 배출되는 연소가스 중 미세 분진을 제거하기 위한 전기집진기; 및 상기 전기집진기로부터 배출되는 연소가스 중 수분을 제거하기 위한 실리카겔탑을 포함함으로써, 백연(white smoke) 저감 뿐만 아니라 연소가스 중 미세 분진에 의한 열교환기 등의 파울링 발생을 저감할 수 있는 배기가스의 처리시스템에 관한 것이다.

Description

백연 저감을 위한 배기가스의 처리시스템 {EXHAUST GAS TREATMENT SYSTEM FOR ABATEMENT OF WHITE PLUME}
본 발명은 백연을 저감할 수 있는 배기가스의 처리시스템에 관한 것이다.
전체적으로 석탄이나 오일 연료로 사용되는 수만은 화력발전소가 가동되고 있고, 환경오염에 대한 규제가 강화되면서, 발전시스템 중 에너지 이용 효율이 높은 복합화력 발전설비의 보급이 급속하게 증가하였고 이러한 추세는 세일가스 보급으로 더욱 가속화될 것으로 예상된다. 그리고 수많은 산업용 보일러의 가동 및 매립하던 쓰레기 등을 이용한 소각로 연소설비가 확대되고 있다.
이러한 연소설비의 연소가스에 포함된 많은 폐열, 수분 및 이산화탄소의 회수/이용 기술 개발과 함께, 연소 시 발생되는 수증기에 의한 백연의 제거에 대한 기술 개발이 다양하게 진행되고 있다.
통상 복합화력 발전설비의 연소가스에는 수분이 6-16% 정도 포함되어 있어 굴뚝으로 배출 시 백연이 발생하는데 주위 온도가 낮은 겨울철에 백연 현상이 증가된다. 이들 백연은 비교적 인체에 무해하나 시각적인 공해를 유발하고 겨울철에 주변 도로의 결빙 현상과 농작물에 냉해를 발생시키고 있어 제거가 필요하다.
백연을 제거하기 위하여 다수의 기술(한국특허등록 제1,126,022호)이 개발되었으나, 많은 비용이 소요되어 실제 적용하여 설치하기에는 어려움이 있다.
이외에 효과적으로 백연을 제거하기 위해서는 연소가스 온도를 이슬점 온도 이하로 낮추어야 하나 온도가 낮아진 연소가스는 자체적으로 굴뚝으로 상승하여 배출되지 못하므로 송풍기로 강제 배출해야 한다. 즉 추가적인 에너지를 필요로 함으로 많은 비용 지출이 불가피한 상황이다.
또한, 초음파나 플라즈마를 이용한 기술은 주로 미스트(분진)을 제거하는 데 중점을 두고 있다. 이러한 기술은 먼지가 충분히 제거되어도 수분함량이 많으면 대기 중에 배출될 때 대기중의 먼지와 반응하여 백연이 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 미세분진, 산성물질 및 액적 상태의 수증기에 의해 발생되는 백연(white smoke, 수증기가 하얀 연기처럼 보이는 현상)을 저감할 수 있는 배기가스의 처리시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고온의 연소가스를 발생시키는 연소기; 상기 연소기로부터 배출되는 연소가스 중의 산성가스를 처리하기 위한 SCR/SDR설비; 상기 SCR/SDR설비로부터 배출되는 연소가스 중 조대 분진을 제거하는 사이클론; 상기 사이클론으로부터 배출되는 연소가스 중 사이클론으로 제거하지 못한 미세 분진을 조대화하기 위한 응집조; 상기 응집조로부터 배출되는 연소가스 중 조대화된 분진을 제거하기 위한 세라믹 필터; 상기 세라믹 필터로부터 배출되는 산화된 연소가스의 폐열을 회수하기 위한 열교환기; 상기 열교환기로부터 배출되는 연소가스로부터 2차적으로 열을 회수하는 공기예열기; 상기 공기예열기로부터 배출되는 연소가스 중 미세 분진을 제거하기 위한 전기집진기; 및 상기 전기집진기로부터 배출되는 연소가스 중 수분을 제거하기 위한 실리카겔탑을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리시스템을 제공하고자 한다.
상기 전기집진기로부터 배출되는 연소가스 중 수분을 응축시키기 위한 열교환기; 상기 열교환기로부터 배출되는 연소가스 중 포화수증기량을 증가시키기 위한 재가열기; 및 상기 재가열기로부터 배출되는 연소가스의 수분을 추가로 제거하기 위한 실리카겔탑을 추가로 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 응집조는 사이클론으로부터 배출되는 연소가스를 아미노 실란계 화합물과 접촉시켜 연소가스 중 미세 분진을 응집시킬 수 있다.
상기 아미노 실란계 화합물은 디메틸실릴디메틸아민, N,N-디메틸트리메틸실릴아민, 헥사메틸디실라잔, N,O-비스(트리메틸실릴)트리플루오로아세트아마이드 및 비스(디메틸아미노)디메틸실란으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 세라믹 필터는 500℃ 이상의 내열성을 갖는 소재로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명에 따른 배기가스의 처리시스템은 미세분진, 산성물질 및 액적 상태의 수증기에 의해 발생되는 백연(white smoke)을 저감할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 배기가스의 처리시스템은 연소가스 중 미세 분진에 의한 열교환기 등의 파울링 발생을 저감하여, 열교환기의 성능 저하를 억제함으로써 생산속도를 희생시키는 일없이 장기간 안정운전을 할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스의 처리시스템의 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 본 발명에 따른 배기가스의 처리시스템의 구동시 종래 공정에서 배출된 연소가스와 실리카겔탑에서 배출된 연소가스의 먼지량을 측정한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 본 발명에 따른 배기가스의 처리시스템의 구동시 종래 공정에서 배출된 연소가스와 실리카겔탑에서 배출된 연소가스의 수분량을 측정한 것이다.
본 발명은 백연을 저감할 수 있는 배기가스의 처리시스템에 관한 것이다.
이하 본 발명은 도 1을 참고로 하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 배기가스의 처리시스템은 고온의 연소가스를 발생시키는 연소기(10); 상기 연소기로부터 배출되는 연소가스 중의 산성가스(SOx, NOx 등)를 처리하기 위한 SCR/SDR설비(20); 상기 SCR/SDR설비로부터 배출되는 연소가스 중 조대 분진을 제거하는 사이클론(30); 상기 사이클론으로부터 배출되는 연소가스 중 미세 분진을 조대화하기 위한 응집조(40); 상기 응집조로부터 배출되는 연소가스 중 조대화된 분진을 제거하기 위한 세라믹 필터(50); 상기 세라믹 필터로부터 배출되는 산화된 연소가스의 폐열을 회수하기 위한 열교환기(60); 상기 열교환기로부터 배출되는 연소가스를 예열하는 공기예열기(70); 상기 공기예열기로부터 배출되는 연소가스 중 미세 분진을 제거하기 위한 전기집진기(80); 및 상기 전기집진기로부터 배출되는 연소가스 중 수분을 제거하기 위한 실리카겔탑(90)을 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 배기가스의 처리 시스템은 연소가스 내의 미세분진, 산성물질 및 수분의 제거 효율을 향상시켜 백연 현상의 발생 요인을 감소시킨다. 구체적으로 상기 미세분진은 응축에 의해 조대화시켜 필터하여 제거하고 산성물질은 SCR/SDR설비에 의해 제거되고, 수분은 실리카겔탑에 의해 제거된다.
또한, 종래 미세분진에 의해 발생되던 열교환기 등의 부하를 저감하므로, 열교환기의 성능 저하를 억제하고 생산 효율을 향상시키게 된다.
연소기(10)는 물질이 산소와 결합하는 반응을 수행하는 장치로 구체적으로 발전설비, 보일러, 소각로 등에 포함될 수 있다. 상기 연소기로부터 배출되는 연소가스는 일반적으로 공해물질인 NOX, SOX, CO 및 VOCs 등을 함유한다.
상기 연소기 내부에는 완전 연소가 어려운 입자상의 미연분의 배출을지연시켜 완전연소시키기 위해 세라믹 화이버 또는 메탈 화이버 소재로 이루어진 연소 매트가 추가로 구비될 수 있다.
SCR/SDR설비(20)는 상기 연소기로부터 배출되는 연소가스 중 주로 질소산화물(NOX), 황산화물(SOX) 등의 저감에 사용된다.
상기 SCR설비는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으며, 일반적으로 상기 연소기와 연결되는 SCR 리액터를 포함한다. 상기 SCR 리액터에는 선택적 촉매 환원 방식으로 연소가스 중 NOX를 저감하는 촉매 레이어가 내장되어 있고, NOX가 촉매 레이어 상에서 환원제와 반응하여 질소로 환원된다.
또한, 상기 반응 중에 촉매 레이어에 부착된 이물질은 분사 노즐을 통하여 에어가 분사되어 제거될 수 있다.
상기 SDR설비는 소석회(Ca(OH)2) 슬러리를 반건식 반응탑 내에 설치된 노즐을 통하여 수십에서 수백 마이크로미터의 지름을 가진 미립자 형태로 분무하여, 배기가스에 포함되어 있는 오염물질을 소석회 슬러리와의 흡수, 건조, 흡착 현상에 의하여 제거하는 설비이다.
상기 반응탑은 소석회 슬러리와 유해물질과의 반응으로 인하여 생성된 건조생성물과 배기가스 내에 함유되어 잇던 분진들을 제거한다.
사이클론(30)은 상기 SCR/SDR설비로부터 배출되는 연소가스 중 조대 분진(입자상의 물질)을 제거한다.
상기 사이클론은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지 않으나, 내부가 가로벽에 의해 상, 하부실로 구획된 것이 바람직하다. 구체적으로, 하부실에는 가로벽 바로 아래쪽에 연소가스가 유입되는 유입구가 형성되고 유입구가 내주면의 접선방향으로 연결되는 원심분리통이 다수개가 상호연결되어 설치되며, 가로벽에는 각각의 원심분리통 내부 아래로 유도관이 길게 형성되고 가로벽 상측의 상부실 일측에는 연소가스가 유출되는 유출구가 형성된다. 사이클론의 하부는 조대 분진(입자상의 물질)의 수집 및 배출이 용이하도록 하단으로 갈수록 내부가 좁아지는 형상으로 이루어지고 하단에는 원심분리통으로부터 배출된 오염물질의 배출을 위한 배출밸브가 구비된다.
응집조(40)는 상기 사이클론으로부터 배출되는 연소가스 중 사이클론에 의해 제거되지 않은 미세 분진을 조대화한다.
상기 응집조는 사이클론으로부터 배출되는 연소가스와 아미노 실란계 화합물을 접촉시킨다. 아미노 실란계 화합물은 연소가스에 함유된 미세 분진 표면에서 화학적 흡착 반응을 수행하여, 미세 분진을 필터 등의 차단장치에 의해 제거될 수 있을 정도의 직경을 갖는 입자로 조대화한다.
구체적으로 미세 분진의 표면에서 아미노 실란계 화합물과 화학적인 흡착 반응이 일어나고, 상기 표면에 아미노 실란계 화합물이 화학 흡착된 미세 분진은 서로 응집하여 미세 분진이 조대화된다. 상기 조대화된 입자는그 직경이 0.3㎛이상, 바람직하기로는 0.5㎛이상을 유지하여 하기의 공정인 세라믹 필터에 의해 제거될 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.
세라믹 필터(50)는 상기 응집조로부터 배출되는 연소가스 중 조대화된 분진을 제거한다. 이때, 상기 세라믹 필터에 의해 제거되는 미세한 입자의 크기는 0.3㎛ 이상이다.
상기 세라믹 필터는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않는다. 세라믹 필터는 500℃ 이상의 내열성을 갖는 소재로, 구체적으로 뮬라이트, SiC, 지르코니아 및 근청석로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다.
세라믹 필터의 형상은 다양하게 사용될 수 있으나, 여과면적이 크고, 압력손실이 적은 하니컴(honey comb)형상이 바람직하며, 필터의 기공 크기는 상기 조대화된 분진의 직경을 고려하여 다양하게 변형시킬 수 있다.
열교환기(60)는 상기 세라믹 필터로부터 배출되는 고온의 산화된 연소가스로부터 열을 회수하기 위한 것이다.
상기 열교환기는 내부공간을 가지는 하우징과 하우징 내에 일정 간격으로 반복 굴절되어 이루어진 열교환관을 포함하여 이루어진다.
내부공간을 갖는 하우징에는 열교환관으로부터 연료관을 위해 공기나 물이 유입되는 유입구와 공기나 물이 배출되는 배출구가 형성되고 하우징 내에 상기 세라믹 필터로부터 유입된 고온의 연소가스를 순환시키는 열교환관을 배치한다. 상기 하우징 내에 공기나 물을 유입시켜 고온의 연소가스가 순환되는 열교환관에서 방출되는 열에 의해 공기나 물을 가열시키고 이렇게 가열된 고온의 온풍, 온수 또는 스팀 등을 원하는 시설에 공급한다.
공기예열기(70)는 상기 열교환기로부터 배출되는 연소가스를 공기로 2차 열교환하여 열을 회수한다. 열교환을 통해 예열된 공기는 연소기의 연소공기 주입 등에 사용된다. 이때, 공기예열기에서 배출되는 연소가스의 온도는 약 140 내지 150℃가 되도록 한다.
전기집진기(80)는 전기의 극성을 이용하는 것으로 고전압을 공급하여 공기 중에 포함된 먼지(dust)를 분리한다. 본 발명은 상기 공기예열기로부터 배출되는 연소가스에 최종적으로 남아 있는 미세 분진 등을 제거한다.
이러한 전기집진기는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않는다. 일례로 내부에 공간부를 갖는 하우징이 있고, 상기 하우징의 일측에는 하우징 내의 공간부로 먼지가 포함된 혼합공기를 흡입하기 위한 흡입구가 고정되어 있으며, 상기 하우징의 타측인 흡입구의 반대쪽에는 하우징내의 공간부에서 먼지가 집진되고 난 청정공기가 배출되는 배출구가 형성된다. 또한, 상기 하우징 내의 공간부에는 공기의 이동방향을 따라 길이를 가지면서 전원을 공급받으면 (+)극성을 띠도록 판상으로 된 복수개의 집진극이 구비되어 있고, 상기 각각의 집진극 사이에는 길이방향으로 나란하게 수직으로 형성되면서 전원을 공급받으면 (-)극성을 띠는 와이어(wire) 형태로 된 복수개의 방전극이 구비된 것을 사용할 수 있다.
이때, 상기 전기집진기에 의해 제거되는 미세한 분진의 크기는 0.3㎛이하이다.
실리카겔탑(90)은 전기집진기로부터 배출되는 연소가스 중 수분을 제거하기 위한 것이다. 상기 탑의 형태는 특별히 한정하지 않으며, 효율적으로 수분을 제거할 수 있는 형태이면 다양하게 변형이 가능하다.
본 발명은 종래 백필터 대신에 응집조-세라믹필터-전기집진기로 구성된 일련의 시스템을 통하여 연소가스 내의 분진을 충분히 제거하므로 실리카겔탑을 이용한 수분제거가 가능하다. 종래와 같이 백필터 후단에 실리카겔탑으로 이용한 수분 제거는 백필터가 미세먼지를 제거하지 못하여, 이런 먼지가 실리카겔에 달라붙어 충분한 수분 제거가 어려운 단점이 있었다.
또한, 본 발명은 상기 실리카겔탑의 수분 부하를 줄이기 위하여, 상기 전기집진기로부터 배출되는 연소가스 중 수분을 응축시키기 위한 열교환기; 상기 열교환기로부터 배출되는 연소가스 중 포화수증기량을 증가시키기 위한 재가열기; 및 상기 재가열기로부터 배출되는 수분을 제거하기 위한 실리카겔탑을 구성할 수 있다.
하기 도 2와 도 3은 본 발명에 따른 본 발명에 따른 배기가스의 처리시스템의 구동시 종래공정에서 배출되는 연소가스와 실리카겔탑에서 배출된 연소가스의 수분과 먼지량을 측정한 것으로, 종래 연소기-SCR/SDR설비-열교환기-백필터로 구성된 시스템에 비해 배출분진의 농도가 낮고, 수분도 저감된 것을 확인할 수 있었다.
구체적으로 도 2에 나타난 바와 같이, 종래공정에서는 TSP가 9.2 mg/S㎥ 검출되었으나, 본 발명의 공정(사이클론-응집조-세라믹필터-열교환기-공기예열기-전기집진기)에서는 0.8 mg/S㎥가 검출되어 종래에 비해 TSP가 약 91.3% 감소한 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도 3에 나타난 바와 같이, 절대습도를 측정했을 시 가스 1㎥에 종래공정(연소기-SDR-열교환기-백필터)에서는 423g의 수분을 함유하였으나, 실리카충전탑을 통과하는 본 발명의 공정에서는 34g의 수분을 함유하여 종래에 비해 약 92% 감소함을 확인할 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 연소기
20: SCR/SDR설비
30: 사이클론
40: 응집조
50: 세라믹 필터
60: 열교환기
70: 공기예열기
80: 전기집진기
90: 실리카겔탑

Claims (5)

  1. 고온의 연소가스를 발생시키는 연소기;
    상기 연소기로부터 배출되는 연소가스 중의 산성가스를 처리하기 위한 SCR/SDR설비;
    상기 SCR/SDR설비로부터 배출되는 연소가스 중 조대 분진을 제거하는 사이클론;
    상기 사이클론으로부터 배출되는 연소가스를 아미노 실란계 화합물과 접촉시켜 사이클론으로 제거하지 못한 연소가스 중 미세 분진을 응집시켜 조대화하기 위한 응집조;
    상기 응집조로부터 배출되는 연소가스 중 조대화된 분진을 제거하기 위한 세라믹 필터;
    상기 세라믹 필터로부터 배출되는 산화된 연소가스의 폐열을 회수하기 위한 열교환기;
    상기 열교환기로부터 배출되는 연소가스로부터 2차적으로 열을 회수하는 공기예열기;
    상기 공기예열기로부터 배출되는 연소가스 중 미세 분진을 제거하기 위한 전기집진기; 및
    상기 전기집진기로부터 배출되는 연소가스 중 수분을 제거하기 위한 실리카겔탑을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리시스템.
  2. 상기 청구항 1에 있어서, 상기 전기집진기로부터 배출되는 연소가스 중 수분을 응축시키기 위한 열교환기; 상기 열교환기로부터 배출되는 연소가스 중 포화수증기량을 증가시키기 위한 재가열기; 및 상기 재가열기로부터 배출되는 연소가스의 수분을 제거하기 위한 실리카겔탑을 추가로 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 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 처리시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 세라믹 필터는 500℃ 이상의 내열성을 갖는 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리시스템.
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