KR102407755B1

KR102407755B1 - 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102407755B1
Application number: KR1020200020248A
Authority: KR
Inventors: 김학준; 김용진; 한방우
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2022-06-14
Also published as: KR20210106045A

Abstract

본 발명은 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치 및 처리 방법에 관한 것으로, 스크러버를 용매 분사의 개별화가 가능한 2채널로 구성하여, 환원제와 중화제가 서로 혼합되지 않도록 함으로써 NOx제거율을 80%이상으로 유지하기 위하여 환원제의 사용량을 이론 사용량 대비 1.5배 ~ 1.7배만을 사용하면서도 H₂S의 발생량을 현저하게 감소시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

다단 스크러버의 배기가스 처리 장치 및 방법{THE APPARATUS OF MULTI-STAGE SCRUBBER EXHAUST GAS TREATMENT AND THE METHOD THEREOF}

본 발명은 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이산화질소가 포함된 배기가스 처리시 환원제의 사용량을 낮추면서 황화수소 발생을 억제할 수 있는 다단 스크러버 배기가스 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체, LED, LCD 제조공정에서 사용되는 가스는 매우 다양하며, N 성분을 함유한 가스로는 NH3나 NF3와 같은 F-gas 등이 이용되고 있다.

전자산업 분야의 제조공정에서 사용되는 다양한 가스 성분들은 스크러버 장치(열분해, 연소, 플라즈마 방식)에 의해 처리되고 무해한 성분의 가스만 최종 배출된다.

그러나 이러한 방식에 의해서도 완전히 처리되지 못하고 배출될 수 있는 성분이 있는데, 열분해의 경우에는 배기가스 내 산소와 N 성분이 반응한 NOx, 연소에 의한 방식일 경우에는, 산화용 공기 주입으로 인한 NOx, 플라즈마 방식일 경우에는, NH3이나 NF3의 분해에 의한 NOx는 완전히 처리되지 않게 된다.

이러한 NOx를 처리하기 위해 습식 스크러버장치 등을 사용하여 NOx를 처리한다. 기존 습식 스크러버장치를 이용하는 경우, NOx를 제거하기 위하여 환원제를 투입하게 되는데 환원제 투입에 따른 H₂S의 발생이 급격하게 증가하는 문제점이 있었다.

1. 대한민국 등록특허 제10-1300482호 "매개 금속이온 및 환원제를 사용한 대기오염물질 처리 시스템 및 그 처리 방법" 2. 대한민국 등록특허 제10-1890165호 "폐가스에 포함된 n2o 저감용 스크러버 장치"

본 발명의 과제는 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 이산화질소를 포함한 배기가스에 환원제와 중화제를 개별적, 순차적으로 적용하여 황화수소 발생을 억제할 수 있는 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 스크러버의 각각의 채널에 환원제와 중화제를 순차적으로 적용함으로써, 황화수소 발생을 억제하면서도 환원제의 사용량을 현저하게 감소시킬 수 있는 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 환원제와 중화제가 분사되는 각 채널을 횡방향으로 배치하여 각 채널의 용매가 서로 혼합되지 않을 수 있는 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제는, 본 발명에 따라, 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치에 있어서, NOx를 포함한 배기가스가 유입되며, 환원제가 분사되는 제1채널; 및, 상기 제1채널의 측면에 위치하여 상기 제1채널을 통과한 배기가스가 유입되며, 상기 환원제와 혼합되지 않도록 중화제가 분사되는 제2채널;을 포함하는 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 상기 제2채널로부터 외부로 배출되는 배기가스의 NOx 농도와 H₂S의 농도를 측정하는 가스분석기; 상기 제1채널의 하부에 위치하여 상기 환원제가 저장되는 제1저장조; 상기 제1저장조로 상기 환원제를 공급하도록 설치되는 제1수조; 상기 제1저장조에 저장된 상기 환원제의 ORP를 측정하는 ORP센서; 상기 제2채널의 하부에 위치하여 상기 중화제가 저장되는 제2저장조; 상기 제2저장조로 상기 중화제를 공급하도록 설치되는 제2수조; 상기 제2저장조에 저장된 상기 중화제의 pH를 측정하는 pH센서; 및, 상기 가스분석기의 NOx 농도에 따른 상기 ORP센서의 측정치를 토대로 NOx 제거 효율을 계산하며, 상기 pH센서의 측정치를 토대로 H₂S의 농도를 출력하고, 설정된 NOx제거율 기준치 또는 설정된 H₂S 발생 농도의 기준치에 따라 상기 환원제 및 상기 중화제의 투입시기와 투입량을 제어하는 제어부;를 포함하는 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치에 의해 달성될 수 있다.

또한, 상기 제어부는 설정된 NOx 제거율보다 계산된 NOx 제거율이 작아지는 경우, 상기 설정된 NOx 제거율보다 크거나 같아지기 위하여 상기 제1수조의 환원제를 상기 제1채널로 공급하도록 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어부는 설정된 H₂S의 농도보다 측정된 H₂S의 농도가 커지는 경우, 상기 설정된 H₂S의 농도보다 작거나 같아지기 위하여 상기 제2수조의 중화제를 상기 제2채널로 공급하도록 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 방전부와 집진부를 포함하여 상기 제2채널의 후단에 상기 제2채널에서 처리된 배기가스를 제공받도록 설치되는 전기집진부를 더 포함하며, 상기 집진부는 상기 중화제를 이용한 수막으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 환원제는 일대일의 비율로 혼합된 티오황산나트륨(Na₂S₂O₃)과 아황산나트륨(Na₂SO₃)이고, 상기 중화제는 NaOH일 수 있다.

또한, 상기 환원제는 Na₂S이고, 상기 중화제는 NaOH일 수 있다.

상기 다단 스크러버 배기가스 처리장치를 이용한 배기가스 처리 방법은, 제1채널로 유입되는 이산화질소를 포함한 배기가스에 환원제를 분사하여 질소산화물을 제거하는 단계; 및, 상기 제1채널을 통과하여 제2채널로 유입되는 배기가스에 중화제를 분사하여 질소산화물을 제거하는 단계;를 포함하고, 상기 환원제는 설정된 NOx제거율 기준치에 따라 투입시기 및 투입량을 제어하고, 상기 중화제는 설정된 H₂S 발생 농도의 기준치에 따라 투입시기 및 투입량을 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 이산화질소를 포함한 배기가스에 환원제와 중화제를 개별적, 순차적으로 적용하여 황화수소가 현저하게 저감될 수 있는 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치 및 방법이 제공된다.

또한, 스크러버의 각각의 채널에 환원제와 중화제를 순차적으로 적용함으로써, 황화수소 발생량을 저감시키면서도 환원제의 사용량을 현저하게 감소시킬 수 있는 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치 및 방법이 제공된다.

또한, 환원제와 중화제가 분사되는 각 채널을 횡방향으로 배치하여 각 채널의 용매가 서로 혼합되지 않을 수 있는 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치 및 방법이 제공된다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치의 개략도,
도 2는 분당 환원제 총 사용량과 환원제의 혼합비의 관계를 나타낸 그래프이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치는 오존발생기(10), 제1채널(20)과 제2채널(30)을 포함하는 다단 스크러버, 전기집진부(40), 가스분석기(50) 및 제어부(미도시)를 포함하여 구성된다.

상기 오존발생기(10)는 유전체 장벽 방전 등을 이용하여 오존(O₃)을 발생시키며, 발생된 오존(O₃)은 다단 스크러버로 유입되는 배기가스에 주입된다. 오존(O₃)을 배기가스에 주입하면 NOX의 주성분인 NO는 아래 화학식과 같이 NO₂로 산화된다.

(화학식 1) NO + O₃ -----> NO₂ + O₂

즉, 배기가스는 이산화질소(NO₂)를 포함하여 다단 스크러버로 유입된다.

상기 다단 스크러버는 횡방향으로 배치되는 제1채널(20)과 제2채널(30)을 포함하여 구성된다. 각 채널은 일 방향으로 긴 박스 형태로 형성되고, 각각의 내부 상측에는 스프레이 노즐(22 ,32)이 설치되어 있다.

상기 다단 스크러버는 제1채널(20)과 제2채널(30)을 포함하여 구성된다. 먼저, 상기 제1채널(20)은 측면으로부터 이산화질소를 포함한 배기가스가 유입되는 유입구가 형성되고, 상측에는 제2채널(30)로 배기가스가 배출되는 배출구가 형성된다.

상기 제2채널(30)은 상측에 제1채널(20)의 배출구와 연통되는 연통구가 형성되고, 하측에는 전기집진부(40)와 연통되는 배출구가 형성된다.

상기 유입구, 배출구 및 연통구는 채널의 형상에 따라 그 위치가 변경할 수 있다.

상기 제1채널(20)의 하측에는 환원제가 저장되는 제1저장조(21)가 마련되고, 제1스프레이 노즐(31)은 제1저장조(21)에 저장된 중화제를 분사하도록 연결된다. 제2채널(30)에서도 같은 구조로, 제2채널(30)의 하측에는 중화제가 저장되는 제2저장조(31)가 마련되고, 제2스프레이 노즐(32)은 제2저장조(31)에 저장된 중화제를 분사하도록 연결된다.

제1저장조(21)와 제2저장조(31)는 별도로 마련된 제1수조(23)와 제2수조(33)에 연결되어 용액을 공급받도록 설치된다.

상기 제1수조(23)에는 환원제인 Na₂S가 저장되고, 상기 제2수조(33)에는 중화제인 NaOH가 저장된다.

또한, 제1저장조(21)에는 환원제의 ORP(Oxidation-Reduction Potential)를 측정하는 ORP센서(23)가 설치되고, 제2저장조(31)에는 중화제의 pH를 측정하는 pH센서(24) 등이 설치된다.

상기 ORP센서(23)는 산화환원전위를 센싱하는 장치이고, pH센서(24)는 H₂S의 농도를 측정하는 장치이다. 또한, ORP센서(23)와 pH센서(24)의 측정치는 제어부로 전송하도록 설치된다.

상기 제1노즐(22)과 제2노즐(32)은 각각의 채널 내부의 상측에 위치하여 제공되는 환원제 및 중화제를 분사하도록 설치된다. 환원제와 중화제는 펌프를 통해각각의 노즐과 저장조 사이에서 순환되며, 배기가스와 반응을 통해 점차 그 양이 감소하므로 해당 수조를 통해 후술하는 제어부에 의해 일정량이 주기적으로 공급될 수 있다.

상기 가스분석기(50)는 후술하는 전기집진부(40)를 통과한 배기가스의 NOx 농도와 H₂S의 농도를 측정하며, 측정된 측정치는 제어부로 전송하도록 설치된다.

상기 제어부(미도시)는 NOx 농도를 제공받아 NOx 제거율을 계산하도록 마련되며, 가스분석기(50)로부터 제공되는 H₂S의 농도, pH센서(34) 및 ORP센서(24)로부터 제공되는 각각의 측정치를 제공받고, 사전에 설정된 NOx제거율 기준치 또는 사전에 설정된 H₂S 발생 농도의 기준치에 따라 각 수조에 저장된 환원제 또는 중화제의 투입시기 및 투입량을 제어할 수 있다.

가령, 제어부는 설정된 NOx 제거율보다 계산된 NOx 제거율이 작아지는 경우, 설정된 NOx 제거율보다 크거나 같아지기 위하여 제1수조(23)의 환원제를 제1채널(20)로 공급하도록 제어한다.

또한, 제어부는 설정된 H₂S의 농도보다 측정된 H₂S의 농도가 커지는 경우, 설정된 H₂S의 농도보다 작거나 같아지기 위하여 제2수조(33)의 중화제를 제2채널(30)로 공급하도록 제어한다.

한편, 제어부는 ORP센서(24)의 측정치를 통해 NOx 제거율을 계산하며, pH센서(34)의 측정치를 통해 H₂S의 농도를 측정하도록 마련된다.

상기 전기집진부(40)는 메인 챔버(20)에서 NOx가 제거된 배기가스를 공급받고, 배출하도록 마련되는 집진부 챔버(41)와, 고전압 방전에 의해 방전하는 방전부(42) 및 방전된 입자를 포집하는 집진부(43)를 포함하여 구성된다.

여기서, 집진부(43)는 펌프에 의해 순환되는 중화제에 의해 집진부 챔버(41) 벽 내부에 수막을 형성하는 수막형으로 마련된다. 수막형 집진부의 구체적인 구성은 본 출원인이 출원하여 등록된 등록특허 제10-1173496호 또는 등록특허 제1967985호에 개시된 형태로 마련될 수 있다.

상기 집진부(43)는 중화제에 의해 형성되는 수막으로 구성되므로, 유입된 배기가스 입자 중 산성물질을 포집하여 처리한다.

지금부터는 상술한 배기가스의 질소산화물 제거 장치를 이용한 배기가스의 질소산화물 제거 방법에 대하여 설명한다.

도 2는 도 1의 장치를 이용한 배기가스의 질소산화물 제거 방법의 순서도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배기가스의 질소산화물 제거 방법은, 먼저 반도체 등의 공정으로부터 배출되는 배기가스가 제1채널(20) 내로 유입되기 이전에 오존발생기(10)로부터 발생시킨 오존을 배기가스에 주입한다(S10).

주입된 오존은 상기 (화학식 1)과 같이 배기가스 내부에 포함된 일산화질소와 반응하여 이산화질소로 생성된다.

그리고, 이산화질소를 포함한 배기가스를 제1채널(20) 내로 유입시키고, 제1채널(20)에 설치된 제1노즐(22)에서는 환원제인 Na₂S를 분사하면(S20), 분사된 Na₂S는 아래 화학식에 따라 각각 배기가스의 이산화질소와 반응한다.

(화학식 2) 2NO₂ + Na₂S -----> N₂ + Na₂SO₄

이때, 환원제인 Na₂S가 대부분 소모되면, NO₂가 N₂로 환원되지 못하고 아래 반응에 의해 질산(HNO₃)을 생성한다.

(화학식 3) NO₂ + H₂O -----> HNO₃ + NO

여기서, 제1채널(20)로 유입되는 이산화질소를 포함하는 배기가스는 Na₂S만 반응하게 되며, Na₂S와 반응이 끝난 상태의 배기가스는 HNO₃를 포함한 상태로 제2채널(30)로 유입된다

제2채널(30)에서는 제1채널(20)로부터 유입된 배기가스에 제2노즐(32)을 통해 중화제인 NaOH를 분사한다(S30)

중화제인 NaOH는 배기가스의 HNO₃와 아래 화학식에 따라 반응하여 HNO₃를 중화시킨다.

(화학식 4) HNO₃ + NaOH -----> NaNO₃ + H₂O

상기와 같은 방법으로 제1채널(20)에서는 NO₂를 제거하여 NOx제거율을 높이고, 제2채널(30)에서는 HNO₃를 제거하여 pH를 제어할 수 있다.

이어, 제2채널(30)로부터 배출된 배기가스는 전기집진부(40)로 이동하여 산성물질이 처리된다(S40). 구체적으로, 전기집진부(40)의 집진부 챔버(41) 내부로 유입되는 배기가스 입자는 방전부(41)의 고전압 방전에 의해 방전되며, 방전된 입자 중 산성물질 입자가 중화제에 의해 형성되는 수막형 집진부(42)에 포집된다.

그리고, 산성물질이 제거된 배기가스는 장치 외부로 배출되며, 이때 가스분석기(50)를 통해 배출되는 배기가스의 NOx 농도 및 pH 농도 등을 측정한다.

한편, 제어부에서는 가스분석기(50)로부터 NOx 농도를 제공받아 NOx 제거율을 계산하며, 사전에 설정된 NOx제거율 기준치 또는 사전에 설정된 H₂S 발생 농도의 기준치에 따라 환원제 및 중화제의 투입시기 및 투입량을 제어할 수 있다.

이때, NOx 제거율은 ORP센서(24)로부터 전송받은 ORP 측정치로부터 계산하며, H₂S 발생 농도는 pH센서(34)로부터 전송받은 pH 측정치로부터 측정할 수 있다.

상기 방법을 이용하면, 개별적, 순차적 화학반응을 하여 NOx제거율과 황화수소(H₂S)의 발생을 현저하게 감소시킴과 동시에 환원제의 사용량을 현저하게 감소시킬 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제2실시예에 따른 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치 및 방법에 대하여 설명한다.

제2실시예에서는 제1채널(20)에서는 환원제로 일대일의 비율로 혼합된 티오황산나트륨(Na₂S₂O₃)과 아황산나트륨(Na₂SO₃)이 분사되고, 제2채널(30)에서는 중화제로 NaOH가 분사된다. 이외, 전체 장치는 상술한 제1실시예와 동일하므로 장치에 대한 설명은 생략한다.

제1채널(20)에서 분사되는 환원제는 일대일로 혼합된 티오황산나트륨(Na₂S₂O₃)과 아황산나트륨(Na₂SO₃)으로서, 아래 화학식에 따라 각각 배기가스의 이산화질소와 반응한다.

(화학식 5)

2NO₂ + 4Na₂SO₃ →4Na₂SO₄ + N₂

(화학식 6)

2NO₂ + Na₂S₂O₃ + H₂O → Na₂S₂O₄ + 2HNO₂ + S

여기서, NO₂는 Na₂S₂O₄가 생성되면서 제거되고, 부산물로 HNO₂가 발생하게 된다.

그리고, 부산물 HNO₂를 포함하는 배기가스는 제2채널(30)로 이동하여 아래 화학식 7에서와 같이 NaOH와 반응함으로써 제거된다.

(화학식 7)

HNO₂ + NaOH -----> NaNO₂ + H₂O

한편, 제어부에서는, 제1실시예에서와 같이, 가스분석기(50)로부터 NOx 농도를 제공받아 NOx 제거율을 계산하며, 사전에 설정된 NOx제거율 기준치 또는 사전에 설정된 H₂S 발생 농도의 기준치에 따라 환원제 및 중화제의 투입시기 및 투입량을 제어할 수 있다.

실험예

아래 표는 NOx를 포함하는 배기 가스에 적합한 환원제의 사용량을 측정하기 위해 환원제의 종류와 배기가스에 투입되는 물질을 변경하며 실험한 결과표이다.

상기 실험들의 모든 실험 조건은 환원제의 종류와 수산화나트륨(NaOH)의 사용여부 및 배기가스에 포함되는 NOx 및 기타 성분들만 달리하고 배기가스 주입속도 및 농도, 운전시간 등은 동일한 조건으로 실험하였다. 설정된 NOx 제거율(기준치)은 80%, 발생한 H₂S농도(기준치)는 0ppm이다.

실험 1

실험 1은 단일 채널을 가진 스크러버에 NOx를 포함한 배기가스를 유입시키고, 환원제로 Na₂S를 사용하여 평균 NOx제거율은 67.0%, 발생한 H₂S의 농도는 23.7ppm으로 나타났다. 이때, Na₂S의 실사용량은 0.58(g/min)으로서 이론사용량 0.23(g/min)의 2.52배가 사용되었다. 실험 1은 평균 NOx 제거율이 67%로서 설정된 NOx 제거율(80%)에 미치지 못하고, H₂S의 농도(23.7ppm)는 매우 높게 나타났다.

실험 2

실험 2는 실험 1에서 발생한 H₂S를 억제하기 위하여 Na를 가진 NaOH를 Na₂S와 함께 사용하여 평균 NOx제거율은 77.9%, 발생한 H₂S의 농도는 4.0ppm으로 나타났다. 이때, Na₂S의 실사용량은 1.46(g/min)으로서 이론사용량 0.29(g/min)의 5.11배이고, NaOH의 실사용량은 0.12(g/min)으로서 이론사용량 0.26(g/min)의 0.47배가 사용되었다. 실험 2는 실험 1에 비해 평균 NOx제거율이 80%에 근접한 77.9%로 상승하면서 H₂S의 농도(4.0ppm)는 낮아졌으나 환원제인 Na₂S의 사용량이 2배 이상으로 증가하였다. 여전히 평균 NOx제거율 및 H₂S의 농도가 기준치에 미달이며, 환원제 사용량만 증가하였다.

실험 3

실험 3은 단일 채널을 가진 스크러버에 NOx와 HCl을 포함한 배기가스를 유입시키고, 환원제로 Na₂S와 NaOH를 함께 사용하여 평균 NOx제거율 81.0%, 발생한 H₂S의 농도는 1.0ppm으로 나타났다. 이때, Na₂S의 실사용량은 1.88(g/min)으로서 이론사용량 0.30(g/min)의 6.2배이고, NaOH의 실사용량은 0.30(g/min)으로서 이론사용량 0.50(g/min)의 0.60배가 사용되었다. 실험 3은 반도체 공정의 배기가스에 HCl이 포함되어 있는 것을 가정한 것으로서, 실험 2에 비하여 평균 NOx제거율(81.0%)은 H₂S의 농도(1.0ppm)는 낮아졌으나, 여전히 H₂S의 농도는 기준치 보다 높을 뿐만 아니라 환원제인 Na₂S의 사용량이 증가하였다.

실험 4

실험 4는 단일 채널을 가진 스크러버에 NOx와 SO₂를 포함한 배기가스를 유입시키고, 환원제로 Na₂S와 NaOH를 함께 사용하여 평균 NOx제거율 82.9%, 발생한 H₂S의 농도는 1.8ppm으로 나타났다. 이때, Na₂S의 실사용량은 2.17(g/min)으로서 이론사용량 0.37(g/min)의 5.84배이고, NaOH의 실사용량은 0.56(g/min)으로서 이론사용량 0.56(g/min)의 0.71배가 사용되었다. 실험 4는 반도체 공정의 배기가스에 SO₂가 포함되어 있는 것을 가정한 것으로서, 실험 3에 비해 평균 NOx제거율(82.9%)은 상승하면서 Na₂S의 사용량은 상대적으로 감소하였으나, 여전히 H₂S의 농도(1.8ppm)는 기준치보다 높았다.

실험 5

실험 5는 단일 채널을 가진 스크러버에 NOx와 HCl 및 SO₂를 포함한 배기가스를 유입시키고, 환원제로 Na₂S와 NaOH를 함께 사용하여 평균 NOx제거율 83.0%, H₂S의 농도는 1.2ppm으로 나타났다. 이때, Na₂S의 실사용량은 2.50(g/min)으로서 이론사용량 0.34(g/min)의 7.25배이고, NaOH의 실사용량은 1.04(g/min)으로서 이론사용량 0.95(g/min)의 1.09배가 사용되었다. 실험 5는 반도체 공정의 배기가스에 HCl 및 SO₂가 포함되어 있는 것을 가정한 것으로서, 실험 4에 비해 평균 NOx제거율(83.0%)은 상승하였으나, H₂S의 농도(1.2ppm)는 여전히 기준치 보다 높고, Na₂S의 사용량은 7.25배로 증가하였다.

실험 6

실험 6은 2채널로 형성된 스크러버에 NOx를 포함한 배기가스를 유입시키고, 제1채널에서만 환원제로 Na₂S를 사용하였다. 이때, 평균 NOx제거율은 84.1%, H₂S의 농도는 12.2ppm으로 나타났고, Na₂S의 실사용량은 0.53(g/min)으로서 이론사용량 0.38(g/min)의 1.40배가 사용되었다. 실험 6은 실험 1에 비해 환원제의 이론 대비 사용량은 낮아지면서 평균 NOx제거율은 84.1%로 적합한 수준으로 상승하였으나, H₂S의 농도는 여전히 12.2ppm으로 높은 수준을 유지하였다.

실험 7

실험 7은 2채널로 형성된 스크러버에 NOx를 포함한 배기가스를 유입시키고, 제1채널에서는 환원제로 Na₂S를 사용하고, 제2채널에서는 중화제인 NaOH를 사용하였다. 이때, 평균 NOx제거율은 82.6%, H₂S의 농도는 1.3ppm으로 나타났고, Na₂S의 실사용량은 0.49(g/min)으로서 이론사용량 0.29(g/min)의 1.67배이고, NaOH의 실사용량은 0.15(g/min)으로서 이론사용량 0.26(g/min)의 0.58배가 사용되었다. 실험 7은 단일 채널에 Na₂S와 NaOH를 함께 사용한 실험 2와 비교하여, 환원제의 이론 대비 사용량을 매우 낮은 수준으로 낮추면서 평균 NOx제거율은 82.6%로 적합한 수준으로 상승하였고, H₂S의 농도도 1.3ppm으로 매우 낮은 수준으로 감소하였다.

즉, 2개의 채널에 각각 분리하여 Na₂S와 NaOH를 사용하는 것이 환원제 사용량을 현저하게 감소시키면서도 H₂S의 농도도 감소시킴을 확인하였다.

실험 8

실험 8은 단일 채널로 형성된 스크러버에 NOx를 포함한 배기가스를 유입시키고, 환원제로 Na₂S₂O₃을 사용하여 평균 NOx제거율은 77.9%, H₂S의 농도는 0ppm으로 나타났다. 이때, Na₂S₂O₃의 실사용량은 80.9(g/min)으로서 이론사용량 1.54(g/min)의 80.9배가 사용되었다. 실험 8은 실험 1~7과 비교하여 H₂S의 농도가 0ppm으로서 H₂S가 발생하지 않아 가장 이상적인 형태이긴 하나 환원제 사용량이 이론 사용량 대비 80.9배로 나타나는 문제점이 있음을 확인하였다.

실험 9

실험 9는 단일 채널로 형성된 스크러버에 NOx를 포함한 배기가스를 유입시키고, 환원제로 Na₂S₂O₃을 사용하여 평균 NOx제거율은 69.0%로 나타났고, H₂S의 농도는 0ppm으로 나타났다. 이때, Na₂S₂O₃의 실사용량은 57.3(g/min)으로서 이론사용량 1.34(g/min)의 42.7배가 사용되었다. 실험 9는 실험 1~7과 비교하여 H₂S의 농도가 0ppm으로서 H₂S가 발생하지 않았고, 실험 8과 비교하여 환원제 사용량도 감소하였으나 여전히 환원제 사용량이 이론 사용량 대비 42.7배로서 높게 나타남을 확인하였다.

혼합비 실험

실험 8과 실험 9의 실험결과를 토대로, 티오황산나트륨(Na₂S₂O₃)과 아황산나트륨(Na₂SO₃)은 H₂S가 발생하지 않는 것을 확인하였다. 이에 따라, 티오황산나트륨(Na₂S₂O₃)과 아황산나트륨(Na₂SO₃)을 혼합하여 환원제로 사용하고, 환원제 사용량을 최소화할 수 있는 최적 혼합비를 찾기 위해 아래와 같은 혼합비 실험을 실시하였다. 실험조건은 배 가스의 유속을 1CMM(m³/min), 일산화질소(NO) 농도 200ppm으로 설정하고, 평균 운전시간 1시간 동안 평균 NOx제거율 90%로 설정하였다.

도 3은 분당 환원제 총 사용량과 환원제의 혼합비의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 3을 참조하면, 분당 환원제 총 사용량(g/min)은 전체적으로 봤을 때 대략 "U"자 형태의 그래프로 나타나며, 1:1일때 가장 낮은 사용량을 나타내어 1:1의 혼합비가 환원제 사용량을 최소화할 수 있는 최적 혼합비임을 확인하였다.

실험 10

실험 10은 단일 채널을 가진 스크러버에 NOx를 포함한 배기가스를 유입시키고, 환원제로 일대일 비율로 혼합된 Na₂SO₃+ Na₂S₂O₃를 사용하여 평균 NOx제거율은 82.0%, H₂S의 농도는 0ppm으로 나타났다. 이때, 일대일 비율로 혼합된 Na₂SO₃+ Na₂S₂O₃의 실사용량은 7.90(g/min)으로서 이론사용량 1.45(g/min)의 5.45배가 사용되었다. 실험 10은 실험 1~7과 비교하여 H₂S의 농도가 0ppm으로서 H₂S가 발생하지 않았고, 실험 8 및 실험 9와 비교하여 환원제 사용량도 1/8 ~ 1/10 수준으로 현저하게 감소하는 것을 확인하였다.

실험 11

실험 11은 2채널로 형성된 스크러버에 NOx를 포함한 배기가스를 유입시키고, 제1채널에서는 환원제로 일대일 비율로 혼합된 Na₂SO₃+ Na₂S₂O₃를 사용하고, 제2채널에서는 중화제인 NaOH를 사용하였다. 실험 11은 실험 5와 같이 반도체 공정의 배기가스에 HCl 및 SO₂가 포함되어 있는 것을 가정하여, 실험 7을 통해 확인한 내용인 2번째 채널에 NaOH를 사용함으로써 H₂S 농도 저감 및 환원제 사용량 감소를 확인하고자 한 것이다.

실험 11의 결과는 평균 NOx제거율 81.0%, H₂S의 농도 0ppm으로 나타났다. 그리고, 일대일 비율로 혼합된 Na₂SO₃+ Na₂S₂O₃의 실사용량은 7.80(g/min)으로서 이론사용량 1.42(g/min)의 5.5배가 사용되었고, 중화제인 NaOH의 실사용량은 0.98(g/min)으로서 이론사용량 0.92(g/min)의 1.06배가 사용되었다. 결과적으로 실제 반도체 공정 환경에서와 같은 조건을 가지더라도 환원제 사용량을 현저하게 낮추면서도 H₂S가 발생되지 않았다.

상술한 바와 같이 2개의 채널을 가진 다단 스크러버를 마련하고, 제1채널에서는 일대일 비율로 혼합된 Na₂SO₃+ Na₂S₂O₃를 사용하고, 제2채널에서는 NaOH를 사용하면, NOx제거율을 설정값을 만족시키면서도 H₂S가 발생하지 않음과 동시에 환원제 사용량을 현저하게 감소시킬 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
10 : 오존발생기
20 : 제1채널 21 : 제1저장조
22 : 제1스프레이 노즐 23 : 제1수조
24 : ORP센서
30 : 제2채널 31 : 제2저장조
32 : 스프레이 노즐 33 : 제2수조
34 : pH센서
40 : 전기집진부
41 : 집진부 챔버 42 : 방전부
43 : 집진부 50 : 가스분석기

Claims

다단 스크러버의 배기가스 처리 장치에 있어서,
NOx를 포함한 배기가스가 유입되며, 환원제가 분사되는 제1채널; 및,
상기 제1채널의 측면에 위치하여 상기 제1채널을 통과한 배기가스가 유입되며, 상기 환원제와 혼합되지 않도록 중화제가 분사되는 제2채널;을 포함하고,
상기 환원제는 일대일의 비율로 혼합된 티오황산나트륨(Na₂S₂O₃)과 아황산나트륨(Na₂SO₃)인 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2채널로부터 외부로 배출되는 배기가스의 NOx 농도와 H₂S의 농도를 측정하는 가스분석기;
상기 제1채널의 하부에 위치하여 상기 환원제가 저장되는 제1저장조;
상기 제1저장조로 상기 환원제를 공급하도록 설치되는 제1수조;
상기 제1저장조에 저장된 상기 환원제의 ORP를 측정하는 ORP센서;
상기 제2채널의 하부에 위치하여 상기 중화제가 저장되는 제2저장조;
상기 제2저장조로 상기 중화제를 공급하도록 설치되는 제2수조;
상기 제2저장조에 저장된 상기 중화제의 pH를 측정하는 pH센서; 및,
상기 가스분석기의 NOx 농도에 따른 상기 ORP센서의 측정치를 토대로 NOx 제거 효율을 계산하며, 상기 pH센서의 측정치를 토대로 H₂S의 농도를 출력하고, 설정된 NOx제거율 기준치 또는 설정된 H₂S 발생 농도의 기준치에 따라 환원제 및 중화제의 투입시기와 투입량을 제어하는 제어부;를 포함하는 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어부는 설정된 NOx 제거율보다 계산된 NOx 제거율이 작아지는 경우, 상기 설정된 NOx 제거율보다 크거나 같아지기 위하여 상기 제1수조의 환원제를 상기 제1채널로 공급하도록 제어하는 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어부는 설정된 H₂S의 농도보다 측정된 H₂S의 농도가 커지는 경우, 상기 설정된 H₂S의 농도보다 작거나 같아지기 위하여 상기 제2수조의 중화제를 상기 제2채널로 공급하도록 제어하는 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치.
제1항에 있어서,
방전부와 집진부를 포함하여 상기 제2채널의 후단에 상기 제2채널에서 처리된 배기가스를 제공받도록 설치되는 전기집진부를 더 포함하며,
상기 집진부는 상기 중화제를 이용한 수막으로 형성되는 다단 스크러버의 배기가스 처리 장치.
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다단 스크러버의 배기가스 처리 방법에 있어서,
제1채널로 유입되는 이산화질소를 포함한 배기가스에 환원제를 분사하여 질소산화물을 제거하는 단계; 및,
상기 제1채널을 통과하여 제2채널로 유입되는 배기가스에 중화제를 분사하여 질소산화물을 제거하는 단계;를 포함하고,
상기 환원제는 설정된 NOx제거율 기준치에 따라 투입시기 및 투입량을 제어하고, 상기 중화제는 설정된 H₂S 발생 농도의 기준치에 따라 투입시기 및 투입량을 제어하는데,
상기 환원제는 일대일의 비율로 혼합된 티오황산나트륨(Na₂S₂O₃)과 아황산나트륨(Na₂SO₃)인 다단 스크러버의 배기가스 처리 방법.
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