KR102059191B1 - 습식배연 탈황장치 및 이를 포함하는 배연처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탈황장치의 소형화가 가능하며 탈황효율이 향상될 수 있는 습식배연 탈황장치 및 이를 포함하는 배연처리 시스템에 관한 것으로, 탈황반응에 참여하지 않는 불필요한 기체가 탈황장치 내로 유입되지 않도록 하기 위해, 탈황장치로 유입되는 배기가스에서 질소(N2)를 제거하기 위한 질소분리부 및/또는 탈황장치로 유입되는 공기에서 산소(O2)를 분리하여 공급하기 위한 산소분리부가 구비될 수 있다.

Description

습식배연 탈황장치 및 이를 포함하는 배연처리 시스템{WET FLUE GAS DESULFURIZATION APPARATUS AND FLUE GAS TREATMENT SYSTEM INCLUDING THE SAME}

본 발명은 습식배연 탈황장치 및 이를 포함하는 배연처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탈황장치의 소형화가 가능하며 탈황효율이 향상될 수 있는 습식배연 탈황장치 및 이를 포함하는 배연처리 시스템에 관한 것이다.

황을 함유한 연료가 연소될 때, 황은 재에 붙은 것을 제외하고 이산화황(SO2)의 형태로 대기로 방출된다. 이러한 이산화황은 대기오염을 유발하며 지구상에 산성비를 내리게 하여 인체 및 동물 뿐만 아니라 환경에 상당히 해로운 영향을 미친다.

이를 위해, 환경보호 차원에서 대규모의 소각 시설 및 발전소에는 통상적으로 배기가스 탈황장치가 설치되어 왔는데, 그들중 대부분은 습식배연 탈황장치이다.

습식 탈황 공정에 있어서, 배기가스는 석회와 같은 알칼리를 함유한 흡수유체와 기체-액체 접촉(gas-liquid contact)하게되고, 그에 따라 이산화황이 배기가스로부터 흡수되고 제거된다. 이때, 배기가스와 흡수유체의 기액접촉방법에 따라 여러 가지로 분류되지만 분무방식의 접촉방법이 세계적으로 많이 채용되고 있다.

그 결과, 배기가스로부터 흡수된 이산화황은 흡수 유체에 아황산염(Sulfite)을 형성하며, 이러한 아황산염은 통상적으로 공기를 흡수 유체 내로 불어넣는 것에 의해 산화되어 부산물인 석고를 형성하게 된다.

즉, 습식배연 탈황장치는 이른바 산화 탱크의 유형이며, 공기가 탱크 내로 불어넣어지면, 상기 탱크에서 공기는 탱크 내부의 흡수된 이산화황을 갖는 흡수 유체와 접촉하게 된다.

대한민국 공개실용신안공보 제1998-0030926호에 개시된 종래의 습식배연 탈황장치를 살펴보면, 배기가스가 입구덕트를 통해 흡수탑(1)에 유입되고, 상기 흡수탑(1)에서는 순환펌프(3)에 의해 공급되는 탄산칼슘을 함유한 흡수액이 분무노즐(2)에서 분무되어 흡수액과 배기가스의 기액접촉이 이루어지게 된다. 상기 흡수액은 배기가스 중의 이산화황을 선택적으로 흡수하여 아황산칼슘을 생성하고, 공기 흡입관(6)에 의해 흡수탑 순환탱크(4) 내로 공급되는 공기 중의 산소에 의해 상기 흡수액 중의 아황산칼슘(CaSO3)이 산화되어 석고를 생성하게 된다.

이때, 발전소 등에서는 연료 연소를 위해 과잉으로 공기가 공급되는데, 이로 인해 탈황설비의 체적이 증가하게 되며, 소형화에 한계가 있다.

대한민국 공개실용신안공보 제1998-0030926호(1998.08.17 공개)

본 발명은 탈황장치의 소형화가 가능하며 탈황효율이 향상될 수 있는 습식배연 탈황장치 및 이를 포함하는 배연처리 시스템을 제공하는 것에 목적이 있다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해, 탈황반응에 참여하지 않는 불필요한 기체가 탈황장치 내로 유입되지 않도록 한다.

이를 위해, 탈황장치로 유입되는 배기가스에서 질소(N2)를 제거하기 위한 질소분리부 및/또는 탈황장치로 유입되는 공기에서 산소(O2)를 분리하여 공급하기 위한 산소분리부가 구비될 수 있다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 알칼리성 흡수재를 포함하는 흡수용액이 저장된 흡수탱크와, 상기 흡수탱크의 상부로 연장되는 흡수탑과, 상기 흡수탑의 일측에 구비되는 배기가스 입구덕트와, 상기 흡수탑의 타측에 구비되는 배기가스 출구덕트와, 상기 흡수탑 내에 설치되어 상기 흡수용액을 분사하기 위한 스프레이와, 상기 흡수탱크 내의 흡수용액을 상기 스프레이에 공급하기 위한 순환 펌프와, 상기 흡수탱크에 산소를 공급하는 산소공급관 및 상기 산소공급관의 전단에 구비되어 공기로부터 산소를 분리하는 산소분리부를 포함하는, 습식배연 탈황장치를 제공한다.

상기 산소분리부에 의해 분리된 산소가 상기 산소공급관으로 유입될 수 있다.

상기 산소분리부는 압력 순환식 흡착법(Pressure Swing Adsorption) 또는 진공 순환식 흡착법(Vacuum Swing Adsorption)을 이용할 수 있다.

또는, 상기 산소분리부는 이온 전도성 세라믹 분리막 방식을 이용할 수 있다.

또한, 상기 배기가스 입구덕트의 전단에 구비되어 배기가스로부터 질소를 분리하는 질소분리부를 더 포함할 수 있다.

상기 질소분리부에 의해 질소가 전부 또는 일부 제거된 배기가스가 상기 입구덕트로 유입될 수 있다.

상기 질소분리부는 압력 순환식 흡착법(Pressure Swing Adsorption) 또는 진공 순환식 흡착법(Vacuum Swing Adsorption)을 이용할 수 있다.

또한, 상기 질소분리부로 유입되는 배기가스의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 질소분리부로 유입되는 배기가스의 유량은 배기가스의 전체 유량 및 상기 흡수탑의 체적에 따라 조절될 수 있다.

또는, 상기 질소분리부로 유입되는 배기가스의 유량은 분리되는 질소의 농도에 따라 조절될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 알칼리성 흡수재를 포함하는 흡수용액이 저장된 흡수탱크와, 상기 흡수탱크의 상부로 연장되는 흡수탑과, 상기 흡수탑의 일측에 구비되는 배기가스 입구덕트와, 상기 흡수탑의 타측에 구비되는 배기가스 출구덕트와, 상기 흡수탑 내에 설치되어 상기 흡수용액을 분사하기 위한 스프레이와, 상기 흡수탱크 내의 흡수용액을 상기 스프레이에 공급하기 위한 순환 펌프와, 상기 흡수탱크에 산소를 공급하는 산소공급관 및 상기 배기가스 입구덕트의 전단에 구비되어 배기가스로부터 질소를 분리하는 질소분리부를 포함하는, 습식배연 탈황장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 배기가스의 질소산화물(NOx)을 제거하는 선택적 촉매환원장치(SCR)와, 상기 선택적 촉매환원장치를 통과한 배기가스의 분진을 제거하는 전기집진기(EP: Electrostatic Precipitator) 및 상기 전기집진기를 통과한 배기가스의 황산화물(SOx)을 제거하는 상기의 습식배연 탈황장치(FGD: Flue Gas Desulfurization)를 포함하는, 배연처리 시스템을 제공한다.

또한, 상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 선택적 촉매환원장치(SCR)로 배기가스의 질소산화물(NOx)을 제거하는 단계와, 상기 질소산화물(NOx)을 제거하는 단계를 거친 배기가스에서, 전기집진기(EP)로 분진을 제거하는 단계와, 상기 분진을 제거하는 단계를 거친 배기가스의 전부 또는 일부에서, 질소분리부로 질소(N2)를 분리하는 단계 및 상기 질소(N2)를 분리하는 단계를 거쳐 질소가 전부 또는 일부 분리된 배기가스에서, 습식배연 탈황장치(FGD)로 황산화물(SOx)을 제거하는 단계를 포함하는, 배연처리 방법을 제공한다.

상기 질소(N2)를 분리하는 단계는, 압력 순환식 흡착법 또는 진공 순환식 흡착법에 의해 이루어질 수 있다.

상기 황산화물(SOx)을 제거하는 단계는, 산소분리부에 의해 공기로부터 산소(O2)를 분리하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 산소(O2)를 분리하는 단계는, 압력 순환식 흡착법 또는 진공 순환식 흡착법에 의해 이루어질 수 있다.

또는, 상기 산소(O2)를 분리하는 단계는, 이온 전도성 세라믹 분리막 방식에 의해 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 선택적 촉매환원장치(SCR)로 배기가스의 질소산화물(NOx)을 제거하는 단계와, 상기 질소산화물(NOx)을 제거하는 단계를 거친 배기가스에서, 전기집진기(EP)로 분진을 제거하는 단계 및 상기 분진을 제거하는 단계를 거친 배기가스에서, 습식배연 탈황장치(FGD)로 황산화물(SOx)을 제거하는 단계를 포함하며, 상기 황산화물(SOx)을 제거하는 단계는, 산소분리부에 의해 공기로부터 산소(O2)를 분리하는 단계를 포함하는, 배연처리 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 산소분리부에 의해 흡수탱크 내로 아황산염의 산화를 위해 공급되는 공기 중 산소가 분리되어 공급됨에 따라 고순도의 산소를 공급할 수 있어 산화효율이 증가될 수 있으며, 공기 중 불필요한 기체가 유입되지 않아 탈황장치의 체적을 감소시킬 수 있다.

또한, 질소분리부에 의해 탈황장치 내로 유입되는 배기가스의 전부 또는 일부에서 질소가 분리 제거됨에 따라 농축된 황산화물 및 기타 가스가 유입될 수 있어 탈황장치의 체적을 감소시킬 수 있으며, 소형화가 가능하다.

궁극적으로, 탈황효율이 향상되는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 습식배연 탈황장치를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 산소분리부를 도시한 도면.
도 3은 도 1의 산소분리부의 다른 실시 예를 도시한 도면.
도 4는 도 1의 습식배연 탈황장치를 포함하는 배연처리 시스템을 개략적으로 도시한 도면.
도 5 및 6은 도 4의 배연처리 시스템의 다른 실시 예들을 도시한 도면.

이하, 본 발명의 습식배연 탈황장치 및 이를 포함하는 배연처리 시스템에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도 1 내지 6을 참조하여 설명하도록 한다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구 범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명의 습식배연 탈황장치(FGD; 40)는, 특히 보일러 등의 배기 가스로부터 습식 탈황에 의해 황산화물, 대부분 이산화황(SO₂)을 제거하기 위한 것이다.

우선, 도 1 내지 3을 참고하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 습식배연 탈황장치에 관하여 살펴보도록 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 습식배연 탈황장치는 크게, 흡수탱크(100), 흡수탑(200), 배기가스 입구덕트(210), 배기가스 출구덕트(220), 스프레이(230), 순환 펌프(240), 산소공급관(300), 산소분리부(400), 부산물 배출부(500) 및 질소분리부(600)를 포함하여 이루어질 수 있다.

구체적으로 살펴보면, 상기 흡수탱크(100)에는 알칼리성 흡수재를 포함하는 흡수용액이 저장되며, 본 실시 예에서는 알칼리성 흡수재로 석회석(CaCO3)이 사용되고 있다. 상기 흡수탱크(100)는 원형 또는 사각형 등 다양한 단면을 갖도록 형성될 수 있다.

상기 흡수탑(200)은 상기 흡수탱크(100)의 상부로 연장되는 것으로, 상기 흡수탱크(100)와 일체로 형성될 수 있다.

상기 흡수탑(200)의 일측에는 배기가스가 유입되기 위한 배기가스 입구덕트(210)가 구비되며, 상기 흡수탑(200)의 타측에는 정화된 배기가스가 배출되기 위한 배기가스 출구덕트(220)가 구비되고 있다. 상기 출구덕트(220)에는 습분제거기(Mist Eliminator; 222)가 설치되어 흡수용액 상에 존재하는 습분을 제거할 수 있도록 한다.

본 실시 예에서 상기 입구덕트(210)는 도 1을 기준으로 상기 흡수탑(200)의 좌측 하부에 구비되고 있으며, 상기 출구덕트(220)는 상기 흡수탑(200)의 우측 상부에 구비되고 있다.

상기 입구덕트(210)와 출구덕트(220)의 위치는 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 입구덕트(210)를 통해 유입되는 배기가스가 후술할 스프레이(230)에 의해 분사되는 흡수용액과 접촉된 후 상기 출구덕트(220)를 통해 배출될 수 있도록 구비되는 것이 바람직하다.

상기 흡수탑(200) 내에는 상기 흡수용액을 분사하기 위한 스프레이(230)가 설치되며, 상기 순환펌프(240)는 상기 흡수탱크(100) 내의 흡수용액을 회수하여 상기 스프레이(230)로 공급하기 위한 것이다.

본 실시 예에서 상기 스프레이(230)는 상기 입구덕트(210)보다 상측에 구비되어, 상기 입구덕트(210)를 통해 흡수탑(200)으로 유입되는 배기가스가 상기 스프레이(230)를 통과하여 상기 출구덕트(220)로 배출된다.

이에 따라, 상기 순환 펌프(240)에 의해 상승되어 상기 스프레이(230)를 통해 분무되는 흡수 용액과 상기 입구덕트(210)를 통해 유입되는 배기가스가 기체-액체 접촉하게 되고, 상기 흡수 용액이 배기가스 내에 존재하는 이산화황을 흡수하게 된다.

구체적으로, 흡수탑(200)에서는 아래와 같은 반응이 이루어지게 된다.

(1) SO2 + H2O + CaCO3 → CaSO3 + H2O + CO2

이때, 상기 스프레이(230)는 상기 흡수탑(200)을 통과하는 배기가스가 흡수용액과 접촉되지 않고 지나가는 부분이 생기지 않도록 상기 흡수탑(200)의 단면에 있어서 모든 위치에 균일하게 형성되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 이산화황이 제거된 배기 가스는 상기 출구덕트(220)를 통해 배출되며, 이산화황을 흡수한 흡수 용액은 다시 상기 흡수탱크(100)의 내부로 떨어지게 된다.

상기 흡수탱크(100)에는 산소를 공급하기 위한 산소공급관(300)이 설치된다. 상기 산소공급관(300)은 공기가 저장되는 공기탱크(320)에 연결되되, 상기 산소공급관(300)의 전단에는 공기로부터 산소를 분리하는 산소분리부(400)가 구비된다.

이에 따라, 상기 산소분리부(400)에 의해 분리된 산소가 상기 산소공급관(300)으로 유입되며, 공기의 주성분인 질소는 유입되지 않아 고순도의 산소가 유입될 수 있다.

본 실시 예에서, 상기 산소분리부(400)는 압력 순환식 흡착법(Pressure Swing Adsorption)을 이용하고 있다. 이는, 공기를 구성하는 다수의 공기분자들의 흡착력이 서로 달라 흡착제에 대한 친화력의 차이에 따라 층을 이루어 흡착되는 것에 기인한다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 산소분리부(400)는 압축기(410), 복수의 흡착관(420), 흡입밸브(442), 배출밸브(444), 압력조절밸브(446), 오리피스(430)를 포함한다.

상기 압축기(410)는 공기를 흡입하여 압축하는 수단으로, 상기 압축기(410)에 의해 압축된 공기는 상기 복수의 흡착관(420)으로 보내진다.

상기 복수의 흡착관(420)은 두 개의 흡착관(421, 422)으로 이루어지되, 압축된 공기를 교대로 분배하기 위하여 두 개의 분기라인으로 연결되고 각 분기라인에는 흡입밸브(442)가 설치된다. 상기 흡입밸브(442)는 솔레노이드 밸브로 구성되는 것이 일반적이며 별도의 전기제어장치에 의한 전기적인 신호에 의해 제어될 수 있다.

상기 복수의 흡착관(420)에는 질소에 대한 선택적 흡착 특성을 갖는 질소흡착제, 예를 들어 제올라이트(zeolite)가 충진될 수 있으며, 일정한 시간동안 상기 흡착관(420)에서 질소 등이 흡착되면 분리된 산소가 상기 오리피스(430)를 통하여 배출된다. 상기 오리피스(430)를 통하여 배출되는 산소는 상기 산소공급관(300)으로 유입될 수 있다.

이때, 한 개의 흡착관(421)에서 압축공기가 공급되어 질소의 흡착이 일어나면서 산소를 생산하면, 나머지 다른 한 개의 흡착탑(422)에서는 생산된 저압의 산소를 공급받아 질소의 탈착이 일어나 재생이 되는 공정을 반복하며 산소를 생산하게 된다.

즉, 제1 흡착관(421)에서 상기 오리피스(430)를 통하여 산소가 배출될 때 배출되는 산소의 일정량이 압력조절밸브(446)가 열리면서 제2 흡착관(422)으로 이동된다.

이에 따라, 상기 제2 흡착관(422)에서는 유입된 산소에 의해 흡착되어 있던 질소 등의 기체성분이 흡착제로부터 분리되는 정화과정이 진행되며, 상기 제2 흡착관(422)의 배출밸브(444)가 열리고 분리된 기체가 배출된다.

하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 산소분리부는 진공 순환식 흡착법(Vacuum Swing Adsorption)을 이용할 수도 있다. 즉, 진공 펌프를 사용하여 감압방식에 따라 흡착이 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 도 3을 참고하여 산소분리부의 다른 실시 예를 살펴보면, 상기 산소분리부(1400)는 이온 전도성 세라믹 분리막 방식을 이용할 수 있다.

구체적으로, 상기 산소분리부(1400)는 주입구(1410), 이온 전도성 분리막(1420), 배출구(1430), 산소배출구(1440)를 포함할 수 있다.

이때, 상기 분리막(1420)은 산소를 선택적으로 분리하는 기능이 우수한 페롭스카이트 계열의 소재를 이용하여 제조되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 상기 주입구(1410)을 통해 높은 산소분압을 유지하는 공간(1402)에 유입된 공기 중 산소는 압력에 의해 상기 분리막의 제1 분리막 표면(1422)으로 이동하여 흡착되며, 흡착된 산소는 상기 분리막의 내부(1424)에서 전도된 전자를 받아 전하전달을 통해 이온화되어 산소 음이온으로 분리된다.

이후, 산소이온은 상기 분리막 내부(1424)의 산소 공극(vacancy)을 통해 산소 압력이 낮은 쪽으로 이동하며, 반대편의 제2 분리막 표면(1426)에 도달한 산소이온은 서로 결합되면서 전자를 내놓고 산소분자를 형성한다.

이와 같이, 전하 전달에 의해 생성된 전자는 상기 제2 분리막 표면(1426)으로부터 분리막 내부(1424)를 통해 상기 제1 분리막 표면(1422)으로 이동하며, 상기 제1 분리막 표면(1422)에 도달한 전자는 다시 흡착된 산소에 전자를 공급하게 된다.

한편, 전하 전달 후 결합된 산소분자는 상기 제2 분리막 표면(1426)에서 탈착되어 산소분압이 낮은 공간(1404)으로 분리되며, 분리된 산소는 진공 펌프 등에 의해 상기 산소배출구(1440)를 통해 배출되고, 상기 주입구(1410)를 통해 유입되어 산소분압이 높은 공간(1402)을 지나면서 이온화된 산소가 분리된 가스는 배출구(1430)를 통해 배출된다.

이에 따라, 상기 산소배출구(1440)를 통해 배출되는 고순도의 산소가 상기 산소공급관(300)으로 유입될 수 있다.

이러한 산소 분리 공정에서 산소 분리의 구동력은 상기 분리막(1420) 양단의 두 가스 공간, 즉 혼합가스(공기)가 존재하는 공간(1402)과 분리된 산소가 생산되는 공간(1404) 사이의 산소 분압차이며 이에 따른 산소의 화학 포텐셜 차이에 의해 산소가 분리된다.

하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 분리막은 질소는 통과할 수 없으나 산소는 통과할 수 있는 크기의 홀들을 갖는 중공사막 등으로 형성될 수도 있다.

상기 산소공급관(300)에 의해 흡수탱크(100)의 흡수용액 내로 고순도의 산소가 공급됨에 따라 상기 흡수탱크(100) 내에서는 아황산염, 본 실시 예에서는 CaSO3의 산화 반응이 이루어지게 되며, 이에 따라 부산물로서 석고(CaSO4·2H2O)가 형성된다. 이와 같이 형성된 석고는 상기 흡수용액 내에서 부유되며 상기 흡수 탱크(100)의 하측으로 가라앉게 된다.

이하, 상기 흡수탱크(100)에서는 아래와 같은 반응이 이루어지게 된다.

(2) CaSO3 + 2H2O + 1/2 O2 -> CaSO4·2H2O

상기 흡수탱크(100)의 하부에는 상기와 같이 생성된 석고가 배출되기 위한 부산물 배출부(500)가 구비된다. 상기 부산물 배출부(500)는 배출펌프(520)와 고-액분리기(540)를 포함하여, 석고를 함유하는 흡수 용액이 상기 배출펌프(520)에 의해 회수되어 상기 고-액분리기(540)로 도입될 수 있으며, 이에 따라 고체물질인 석고와 여과액으로 분리됨으로써 흡수된 이산화황이 완전하게 제거될 수 있다.

더욱이, 상기 여과액은 여과탱크(미도시)로 전달되어 석회와 혼합된 뒤 다시 상기 흡수탱크(100)로 복귀될 수 있다.

또한, 본 발명의 습식배연 탈황장치는 탈황반응에 참여하지 않는 불필요한 기체가 탈황장치 내로 유입되지 않도록 하기 위해, 상기 입구덕트(210)를 통해 탈황장치 내로 유입되는 배기가스에서 질소(N2)를 제거하기 위한 질소분리부(600)를 더 포함할 수 있다.

보일러에서 연료(석탄) 1kg 연소로 생성된 배기가스의 조성(20% excess air 조건)을 간략히 살펴보면, 질소(N2)가 전체 부피의 약 74%를 차지하며, 이산화탄소(CO2)가 약 14%, 수분(H2O)이 약 8%, 산소(O2)가 약 3%, 이외의 다른 가스들이 나머지 부피를 차지하고 있음을 알 수 있다.

상기 질소분리부(600)는 상기 배기가스 입구덕트(210)의 전단에 구비되어 배기가스로부터 질소를 분리할 수 있으며, 상기 질소분리부(600)에 의해 질소가 전부 또는 일부 제거된 배기가스가 상기 입구덕트(210)로 유입될 수 있다.

이에 따라, 배기가스 중 제일 큰 부피를 차지하며 탈황반응에는 참여하지 않는 질소가 분리되어 상기 탈황장치 내로 유입되지 않으므로, 탈황장치의 체적을 크게 감소시킬 수 있다.

상기 질소분리부(600)는 상기 산소분리부(400)와 마찬가지로 압력 순환식 흡착법(Pressure Swing Adsorption) 또는 진공 순환식 흡착법(Vacuum Swing Adsorption)을 이용할 수 있다.

이때, 여러 조건에 따라 상기 탈황장치로 유입되는 배기가스의 전부 또는 일부가 상기 질소분리부(600)를 통해 처리될 수 있다. 즉, 상기 탈황장치 전단의 배기가스는 상기 질소분리부(600)를 통과하여 질소가 분리된 후 유입될 수도 있고, 상기 질소분리부(600)를 바이패스하여 바로 유입될 수도 있다.

이를 위해, 상기 질소분리부(600)로 유입되는 배기가스의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브(620)가 더 구비될 수 있다.

상기 유량조절밸브(620)는 상기 질소분리부(600)의 전단에 구비되어 질소분리부로 유입되는 배기가스의 유량을 조절할 수 있으며, 상기 질소분리부(600)로 유입되는 배기가스의 유량은 배기가스의 전체 유량 및 상기 흡수탑의 체적에 따라 조절될 수 있다.

즉, 상기 배기가스의 전체 유량이 상기 흡수탑(200)의 체적보다 큰 경우에는 배기가스의 전부 또는 일부가 상기 질소분리부(600)로 유입되어 질소 분리를 통해 부피가 감소되어 상기 탈황장치로 유입될 수 있도록 하며, 상기 배기가스의 전체 유량이 상기 흡수탑(200)의 체적보다 작은 경우에는 상기 질소분리부(600)를 바이패스하여 상기 탈황장치로 바로 유입될 수 있도록 하여 소비전력을 감소시킬 수 있다.

또는, 상기 질소분리부(600)로 유입되는 배기가스의 유량은 분리되는 질소의 농도에 따라 조절될 수 있다.

즉, 상기 질소분리부(600)로 유입되는 배기가스의 유량이 증가하면 분리 배출되는 질소의 유량은 증가하되 질소의 농도가 감소하며, 상기 질소분리부(600)로 유입되는 배기가스의 유량이 감소하면 분리 배출되는 질소의 유량은 감소하되 질소의 농도는 증가할 수 있다.

다음으로, 도 4를 참고하여 상기의 습식배연 탈황장치(40)가 적용되는 배연처리 시스템에 관하여 살펴보도록 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 배연처리 시스템은, 보일러(10), 선택적 촉매환원장치(SCR; 20), 전기집진기(EP; 30), 습식배연 탈황장치(FGD; 40), 온도강하장치(DCC; 50), CO2 흡수탑(60) 및 탈거탑(70)으로 이루어질 수 있다.

상기 보일러(10)에서는 석탄(coal) 등의 화석연료와 과잉산소가 포함된 공기(air)가 주입되어 연소가 이루어지고, 연소 결과 석탄회(fly ash), 이산화탄소(CO2), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 일산화탄소(CO), 미연탄소분(HC) 등의 부산물이 열과 함께 발생하고, 반응하지 않은 질소(N2)와 산소(O2)가 잔류하게 된다.

상기 석탄회는 보일러(10)에서 배기가스와 분리되어 직접 배출될 수 있으며, 상기 석탄회가 제거된 배기가스는 상기 선택적 촉매환원장치(20)로 공급된다.

상기 선택적 촉매환원장치(20)는 배기가스 중에 잔류하는 질소산화물(NOx)을 제거한다. 본 실시 예에서, 상기 선택적 촉매환원장치(20)는 촉매층에서 배기가스와 암모니아(NH3) 환원제를 동시에 통과시키면서 배기가스 내의 NOx를 암모니아의 반응에 의해 질소와 수증기로 선택적 환원시킬 수 있다.

상기 선택적 촉매환원장치(20)를 통해 NOx가 제거된 배기가스에 포함된 분진은 상기 전기집진기(30)를 통해 제거된다. 본 실시 예에서, 상기 전기집진기(30)는 정전기력을 이용하여 배기가스 중의 먼지를 장치의 벽면으로 이동시켜 분리할 수 있다.

다음으로, 상기 전기집진기(30)를 통해 분진이 제거된 배기가스는 상기 습식배연 탈황장치(40)로 공급되며, 상기 습식배연 탈황장치(40)를 통해 상기에서 살펴본 바와 같이 배기가스에 포함되어 있는 SOx가 제거된다.

이때, 상기 전기집진기(30)를 통과한 배기가스 중에는 질소가 가장 큰 부피를 차지하고 있으며, 이에 따라 상기 전기집진기(30)를 통과한 배기가스가 상기 탈황장치(40)로 공급되기 전 상기 질소분리부(600)에 의해 질소가 분리되도록 함으로써 배기가스의 부피가 감소되어 상기 탈황장치(40)로 유입되도록 할 수 있다.

또한, 상기 습식배연 탈황장치(40)로, 정확하게는 이의 흡수탱크(100) 내 흡수용액으로 산소를 공급하기 위해, 상기 산소분리부(400)에 의해 공기 중 산소가 분리되어 고순도의 산소가 공급되도록 할 수 있다.

상기 습식배연 탈황장치(40)를 통해 SOx가 제거된 배기가스는 상기 온도강하장치(50)로 공급된다. 상기 온도강하장치(50)는 배기가스에 포함된 이산화탄소가 아민계 흡수제에 흡수될 수 있도록 온도를 낮추어주는 역할을 한다.

상기 온도강하장치(50)에 의해 온도강하된 배기가스 및 흡수제는 상기 CO2 흡수탑(60)으로 공급된다. 본 실시 예에서, 공급된 흡수제가 상기 배기가스 중에 포함된 이산화탄소를 흡수하여 이산화탄소 포화 흡수제를 생성하며, 상기 흡수제와 미반응한 가스 성분은 배출되고, 이산화탄소 포화 흡수제는 열교환기를 통해 예열된 후 상기 탈거탑(70)으로 공급된다. 상기 탈거탑(70)으로 공급된 이산화탄소 포화 흡수제는 탈거탑 하부의 리보일러에서 발생되는 열 에너지에 의해 이산화탄소가 탈거되고 흡수제는 재생되어 다시 흡수탑(60)으로 공급된다.

이와 같이, 본 발명의 배연처리 방법은, 상기 선택적 촉매환원장치(20)로 배기가스의 질소산화물(NOx)을 제거하는 단계와, 상기 질소산화물(NOx)을 제거하는 단계를 거친 배기가스에서, 전기집진기(30)로 분진을 제거하는 단계와, 상기 분진을 제거하는 단계를 거친 배기가스의 전부 또는 일부에서, 질소분리부(600)로 질소(N2)를 분리하는 단계 및 상기 질소(N2)를 분리하는 단계를 거쳐 질소가 전부 또는 일부 분리된 배기가스에서, 습식배연 탈황장치(40)로 황산화물(SOx)을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 황산화물(SOx)을 제거하는 단계는, 산소분리부(400)에 의해 공기로부터 산소(O2)를 분리하는 단계를 포함한다. 즉, 상기 습식배연 탈황장치(40)로 공급되는 공기에서 산소가 분리되어 고순도의 산소가 공급될 수 있도록 한다.

본 발명에 따르면, 산소분리부에 의해 흡수탱크 내로 아황산염의 산화를 위해 공급되는 공기 중 산소가 분리되어 공급됨에 따라 고순도의 산소를 공급할 수 있어 산화효율이 증가될 수 있으며, 공기 중 불필요한 기체가 유입되지 않아 탈황장치의 체적을 감소시킬 수 있다.

또한, 질소분리부에 의해 탈황장치 내로 유입되는 배기가스의 전부 또는 일부에서 질소가 분리 제거됨에 따라 농축된 황산화물 및 기타 가스가 유입될 수 있어 탈황장치의 체적을 감소시킬 수 있으며, 소형화가 가능하다.

궁극적으로, 탈황효율이 향상되는 효과가 있다.

하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 도 5 및 6에 도시된 바와 같이 상기 산소분리부와 질소분리부 중 어느 하나만 구비될 수 있음은 물론이다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

10: 보일러 20: 선택적 촉매환원장치
30: 전기집진기 40: 습식배연 탈황장치
50: 온도강하장치 60: CO2 흡수탑
70: 탈거탑
100: 흡수탱크 200: 흡수탑
210: 입구덕트 220: 출구덕트
222: 습분제거기 230: 스프레이
240: 순환펌프 300: 산소공급관
320: 공기탱크 400: 산소분리부
410: 압축기 420: 복수의 흡착관
430: 오리피스 442: 흡입밸브
444: 배출밸브 446: 압력조절밸브
500: 부산물 배출부 520: 배출펌프
540: 고액분리기 600: 질소분리부
620: 유량조절밸브
1400: 산소분리부 1410: 주입구
1420: 분리막 1430: 배출구
1440: 산소배출구

Claims (20)

1. 알칼리성 흡수재를 포함하는 흡수용액이 저장된 흡수탱크;
   상기 흡수탱크의 상부로 연장되는 흡수탑;
   상기 흡수탑의 일측에 구비되는 배기가스 입구덕트;
   상기 흡수탑의 타측에 구비되는 배기가스 출구덕트;
   상기 흡수탑 내에 설치되어 상기 흡수용액을 분사하기 위한 스프레이;
   상기 흡수탱크 내의 흡수용액을 상기 스프레이에 공급하기 위한 순환 펌프;
   상기 흡수탱크에 산소를 공급하는 산소공급관;
   상기 산소공급관의 전단에 구비되어 공기로부터 산소를 분리하는 산소분리부; 및
   상기 배기가스 입구덕트의 전단에 구비되어 배기가스로부터 질소(N2)를 분리하는 질소분리부;를 포함하며,
   배기가스는 상기 질소분리부를 통과하거나 바이패스하여 상기 배기가스 입구덕트로 유입되되,
   상기 배기가스 입구덕트로 유입되는 전체 배기가스 중 상기 질소분리부를 통과하는 배기가스의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브;를 더 포함하며,
   상기 질소분리부에 의해 질소가 전부 또는 일부 제거된 배기가스가 상기 입구덕트로 유입되는, 습식배연 탈황장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 산소분리부에 의해 분리된 산소가 상기 산소공급관으로 유입되는, 습식배연 탈황장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 산소분리부는 압력 순환식 흡착법(Pressure Swing Adsorption) 또는 진공 순환식 흡착법(Vacuum Swing Adsorption)을 이용하는, 습식배연 탈황장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 산소분리부는 이온 전도성 세라믹 분리막 방식을 이용하는, 습식배연 탈황장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 질소분리부는 압력 순환식 흡착법(Pressure Swing Adsorption) 또는 진공 순환식 흡착법(Vacuum Swing Adsorption)을 이용하는, 습식배연 탈황장치.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 질소분리부로 유입되는 배기가스의 유량은 배기가스의 전체 유량 및 상기 흡수탑의 체적에 따라 조절되는, 습식배연 탈황장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 질소분리부로 유입되는 배기가스의 유량은 분리되는 질소의 농도에 따라 조절되는, 습식배연 탈황장치.
11. 알칼리성 흡수재를 포함하는 흡수용액이 저장된 흡수탱크;
    상기 흡수탱크의 상부로 연장되는 흡수탑;
    상기 흡수탑의 일측에 구비되는 배기가스 입구덕트;
    상기 흡수탑의 타측에 구비되는 배기가스 출구덕트;
    상기 흡수탑 내에 설치되어 상기 흡수용액을 분사하기 위한 스프레이;
    상기 흡수탱크 내의 흡수용액을 상기 스프레이에 공급하기 위한 순환 펌프;
    상기 흡수탱크에 산소를 공급하는 산소공급관; 및
    상기 배기가스 입구덕트의 전단에 구비되어 배기가스로부터 질소(N2)를 분리하는 질소분리부;를 포함하며,
    배기가스는 상기 질소분리부를 통과하거나 바이패스하여 상기 배기가스 입구덕트로 유입되되,
    상기 배기가스 입구덕트로 유입되는 전체 배기가스 중 상기 질소분리부를 통과하는 배기가스의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브;를 더 포함하며,
    상기 질소분리부에 의해 질소가 전부 또는 일부 제거된 배기가스가 상기 입구덕트로 유입되는, 습식배연 탈황장치.
12. 삭제
13. 제11항에 있어서,
    상기 질소분리부는 압력 순환식 흡착법(Pressure Swing Adsorption) 또는 진공 순환식 흡착법(Vacuum Swing Adsorption)을 이용하는, 습식배연 탈황장치.
14. 배기가스의 질소산화물(NOx)을 제거하는 선택적 촉매환원장치(SCR);
    상기 선택적 촉매환원장치를 통과한 배기가스의 분진을 제거하는 전기집진기(EP: Electrostatic Precipitator); 및
    상기 전기집진기를 통과한 배기가스의 황산화물(SOx)을 제거하는 제1항 내지 제4항, 제7항, 제9항 내지 제11항 및 제13항 중 어느 한 항에 따른 습식배연 탈황장치(FGD: Flue Gas Desulfurization);
    를 포함하는, 배연처리 시스템.
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제

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