KR102497099B1

KR102497099B1 - 소각로의 배기가스 처리방법

Info

Publication number: KR102497099B1
Application number: KR1020210010263A
Authority: KR
Inventors: 오수현; 오경원
Original assignee: (주)청해소재
Priority date: 2021-01-25
Filing date: 2021-01-25
Publication date: 2023-02-07
Also published as: KR20220107530A

Abstract

물에 중탄산나트륨 분말과 분산제를 혼합하여 중탄산나트륨의 농도가 60 내지 70%의 범위가 되는 중탄산나트륨 고농도 슬러리를 준비하는 단계; 소각로로부터 배출되는 배기가스를 반응탑에 인입시키는 단계; 상기 반응탑에 상기 중탄산나트륨 고농도 슬러리를 분사하여 상기 배기가스 중에 포함된 산성가스를 제거하는 단계; 및 집진기에 의하여 폐분진을 포집하는 단계를 포함하는 소각로의 배기가스 처리방법이 개시된다. 본 발명에 따른 소각로의 배기가스 처리방법은 중탄산나트륨의 고농도 슬러리를 소각로의 배기가스에 분사함으로써 기존 설비를 개조하지 않고도 배기가스 중에 포함된 산성가스를 효율적으로 제거할 수 있고, 폐기물의 양을 현저히 감소시키며, 처리중에 배기가스의 온도 저하를 적게 하여 에너지 절감을 달성하고 또한 질소산화물 제거를 위한 적응도를 향상시킬 수 있다.

Description

소각로의 배기가스 처리방법{Method For Treating Flue Gas Of Incinerator}

본 발명은 소각로의 배기가스 처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중탄산나트륨의 고농도 슬러리를 소각로의 배기가스에 분사함으로써 기존 설비를 개조하지 않고도 배기가스 중에 포함된 산성가스를 효율적으로 제거할 수 있고, 폐기물의 양을 현저히 감소시키며, 처리중에 배기가스의 온도 저하를 적게 하여 에너지 절감을 달성하고 또한 질소산화물 제거를 위한 적응도를 향상시킬 수 있는 소각로의 배기가스 처리방법에 관한 것이다.

생활 형태의 변화로 엄청난 양의 가연성 폐기물이 발생하고 있지만 이를 제대로 재활용하기 어려운 점이 많고, 매립지는 줄어들어 소각만이 거의 유일한 대안이 되고 있는 실정이다. 가연성 폐기물을 소각할 경우에는 소각하는 물질의 종류에 따라 HCl, SOx 등 산성가스가 발생할 수 있다. 또한 소각물질 속에 존재하는 질소 성분이나 연소열에 의해 생성되는 NOx 등 유해 가스가 발생하게 된다. 이들 가스들은 초미세먼지의 원인물질로 알려져 있어 이들 가스를 효율적으로 정제하여 배출하는 기술이 더욱 절실한 실정이다.

도 2는 소각로의 폐가스 처리에 관한 개략도이다.

소각로에서 폐기물의 연소에 의해 발생한 열은 폐열 보일러에 의하여 스팀 등의 형태로 전환되는 에너지로 이용할 수 있다. 보일러를 거친 가스는 열교환기를 통해 에너지를 좀 더 회수할 수 있다. 에너지를 회수하는 양은 배출되는 가스의 이슬점과 후처리 공정의 원활한 운영을 위해 제한될 수 있다.

폐가스는 배관을 통해 반응탑으로 유입된다. 이 반응탑은 분사되는 약품과 가스가 잘 혼합될 수 있는 형태로 설계된다. 약품과 물이 혼합된 형태로 분사할 수 있게 제작된 설비는 반건식 반응탑(Semi Dry Reactor SDR)이라 하고, 물을 분사하지 않고 약품 분말을 분사하게 제작된 설비를 건식 반응탑(Dry Reactor DR)이라 한다. 이들 설비는 사용하고자 하는 약품이나 처리 효율 등을 고려하여 설계된다.

SDR 형태의 반응기나 DR 형태의 반응기 모두 산성 가스는 주로 백필터(Bag Filter) 표면에서 형성되는 약품 코팅층에서 포집된다. 액상 소석회가 SDR에서 분사되면 고온의 배기가스에 의해 SDR 반응기 안에서 수분은 증발되고, 건조해진 소석회가 백필터에 포집되면서 약품층을 형성하게 된다. 이 때 배기가스에 포함된 산성가스가 이 소석회 약품층을 통과하면서 포집되게 된다. 약품의 포집 효율은 소석회의 비표면적에 의해 결정되는데 입자의 모양이 불규칙하고 다공성이 좋을수록 가스의 포집 효율이 향상된다.

일반적으로 산성가스를 제거하는데 사용된 약품은 소석회(Ca(OH)₂)를 물에 풀어 슬러리로 만든 액상 소석회가 저렴한 가격과 약품 취급 과정에서 분진이 발생하지 않는 편리함으로 인해 널리 사용되고 있었다. 하지만 액상 소석회는 물에 용해가 가능한 물질이며, 슬러리 상으로 존재하기 때문에 상대적으로 입자가 불규칙하게 만들어져 있어도 운송, 저장 과정에서 교반에 의해 날카로운 부분이 마모되고, 공극은 메워져서 상대적으로 구형에 가까운 입자가 된다. 구형에 가까워질수록 비표면적이 줄어들기 때문에 반응성이 좋지 못하여 액상소석회는 이론적인 약품 반응비에 비해 과량으로 사용해야 하는 문제가 있다.

최근 지속적으로 강화되는 환경 규제로 인해 배출되는 가스의 배출농도를 낮추어야 하는 문제와 폐기물 매립지 감소로 인해 증가하는 폐기물 처리비용으로 인해 액상 소석회를 사용하는 것이 경제적이지 못하게 되어 효율적인 약품으로 대체해야 할 필요성이 증가하고 있다.

액상 소석회를 대체할 수 있는 약품으로는 고반응 소석회나 중탄산소다(NaHCO₃)가 있다. 고반응 소석회는 입자의 다공성을 높여 반응성을 개선한 소석회 제품으로 분말 형태로 공급되어 사용되고, 약품의 사용량이 액상 소석회를 사용할 때에 비해 30~50% 정도 줄일 수 있다고 알려져 있다. 중탄산소다는 50℃ 이상에서 분해되어 Na₂CO₃와 H₂O, CO₂를 형성하는 화합물이다. 중탄산소다가 고온의 배기가스 중에 노출되면 폭발적인 분해작용이 일어나고 생성되는 탄산소다(Na₂CO₃)는 입자의 모양이 불규칙하고 다공성이 강하여 분말 상태에서 반응하여도 높은 반응 효율을 보이는 것으로 알려져 있다(중탄산나트륨을 이용한 생활쓰레기 소각공정의 산성가스제거 효율평가 2006. 12. 이영만, 한양대학교 공과대학 석사학위 논문).

이들 고효율 약품을 사용하기 위해서는 건식 반응탑을 적용하여야 하므로 반건식 반응탑으로부터 설비를 교체해야 할 필요가 있다. 하지만 대개의 사업장의 경우 설비가 촘촘히 들어서 있어 별도의 설비를 설치할 공간이 부족한 문제가 있으며, 설비를 교체할 시간적 문제도 있어 기존 설비를 이용하여 효율적으로 산성가스를 제거할 수 있는 대체 약품 개발이 필요한 실정이다.

특허등록 제10-2019972호(2019. 09. 03. 등록) 특허출원공개 제10-2020-0107641호(2020. 09. 16. 공개)

소각로의 산성가스의 제거율을 높여 강화되는 환경법규를 만족하면서도 폐기물의 발생량을 줄이려는 목적을 달성하기 위해 중탄산소다를 소석회처럼 물에 혼합하여 제조한 40 ~ 50% 농도의 중탄산소다 슬러리로 가스를 포집함으로써 폐기물의 발생량을 줄이고자 하는 시도가 있었다.

40 ~ 50% 농도의 중탄산소다 슬러리로 가스를 포집함으로써 폐기물의 발생량을 줄이고자 하는 기술에서, 문제는 농도가 낮은 제품을 운송하게 됨으로 운송량 증가로 인해 운송비가 증가하는 점에 있다. 또 다른 문제는 NOx(질소산화물) 배출 규제가 강화됨으로 인해 기존에 사용되던 NOx 제거법인 SNCR(Selective Non Catalytic Reduction: 연소로 후단에 요소수 등을 분사하는 방법)만으로는 질소산화물을 제대로 제거하기 어려워 SCR(Selective Catalytic Reduction)을 도입해야 하는 경우에 있다. SCR은 촉매층에 가스와 함께 암모니아 또는 요소수 등을 분사하여 질소산화물을 제거하는 방법이다. 저온 촉매로 개발된 촉매의 작용 온도 범위가 160~300 ℃로 알려져 있어 40% 슬러리 농도의 중탄산소다를 사용해도 소각로 설비를 운전은 할 수 있다. 하지만 다량의 물을 분사하게 되면 물의 증발 잠열에 의해 가스의 온도가 낮아지게 되므로 SCR 온도를 유지하기 위해 회수하는 열량을 낮출 수 밖에 없어 산성가스 포집설비로 공급되는 온도를 높이는 방법으로 운전할 수 밖에 없다.

이에, 본 발명의 목적은 반응탑에 액상 소석회를 분사하여 배기가스 중에 포함된 산성가스를 제거하고, 집진기에 의하여 폐분진을 포집하는 기존 설비를 개조하지 않고 그대로 사용하고도 배기가스 중에 포함된 산성가스를 효율적으로 제거할 수 있고, 폐기물의 양을 현저히 감소시키며, 처리중에 배기가스의 온도 저하를 적게 하여 에너지 절감을 달성하고 또한 질소산화물 제거를 위한 적응도를 향상시킬 수 있는 소각로의 배기가스 처리방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 소각로의 배기가스 처리방법은 물에 중탄산나트륨 분말과 분산제를 혼합하여 중탄산나트륨의 농도가 60 내지 70%의 범위가 되는 중탄산나트륨 고농도 슬러리를 준비하는 단계; 소각로로부터 배출되는 배기가스를 반응탑에 인입시키는 단계; 상기 반응탑에 상기 중탄산나트륨 고농도 슬러리를 분사하여 상기 배기가스 중에 포함된 산성가스를 제거하는 단계; 및 집진기에 의하여 폐분진을 포집하는 단계를 포함한다.

상기 분산제는 폴리아크릴계 분산제이고, 상기 분산제의 첨가량은 상기 물, 상기 중탄산나트륨 분말 및 상기 분산제 전체 중량에 대하여 0.1 내지 0.5 중량%의 범위인 것이 바람직하다.

상기 소각로의 배기가스 처리방법은 상기 반응탑에 액상 소석회를 분사하여 상기 배기가스 중에 포함된 산성가스를 제거하고, 상기 집진기에 의하여 폐분진을 포집하는 기존 설비를 그대로 사용하고, 상기 액상 소석회를 분사하는 대신에 상기 중탄산나트륨 고농도 슬러리를 분사함으로써 구현되는 것일 수 있다.

상기 집진기 후단에는 촉매층을 포함하는 선택적 촉매 환원 반응탑이 설치되어 있고, 상기 집진기를 통과한 상기 배기가스는 암모니아 또는 요소수가 분사되는 상기 선택적 촉매 환원 반응탑을 통과하고, 상기 배기가스 중에 포함된 질소산화물은 상기 선택적 촉매 환원 반응탑에서 제거될 수 있다.

본 발명은 또한 상기 소각로의 배기가스 처리방법에 적용되는 중탄산나트륨 고농도 슬러리 조성물을 제공한다. 본 발명에 따른 중탄산나트륨 고농도 슬러리 조성물은 물에 중탄산나트륨 분말 및 분산제가 혼합되어 형성되고, 이때 상기 중탄산나트륨의 농도는 60 내지 70%의 범위이고, 상기 분산제는 폴리아크릴계 분산제이며, 상기 분산제의 첨가량은 상기 물, 상기 중탄산나트륨 분말 및 상기 분산제 전체 중량에 대하여 0.1 내지 0.5 중량%의 범위이다.

본 발명에 따른 소각로의 배기가스 처리방법은 중탄산나트륨의 고농도 슬러리를 소각로의 배기가스에 분사함으로써 기존 설비를 개조하지 않고도 배기가스 중에 포함된 산성가스를 효율적으로 제거할 수 있고, 폐기물의 양을 현저히 감소시키며, 처리중에 배기가스의 온도 저하를 적게 하여 에너지 절감을 달성하고 또한 질소산화물 제거를 위한 적응도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 중탄산나트륨 고농도 슬러리 조성물의 제조공정에 관한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 소각로의 배기가스 처리방법에 관한 개략도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 소각로의 배기가스 처리방법은 물에 중탄산나트륨 분말과 분산제를 혼합하여 중탄산나트륨의 농도가 60 내지 70%의 범위가 되는 중탄산나트륨 고농도 슬러리를 준비하는 단계; 소각로로부터 배출되는 배기가스를 반응탑에 인입시키는 단계; 상기 반응탑에 상기 중탄산나트륨 고농도 슬러리를 분사하여 상기 배기가스 중에 포함된 산성가스를 제거하는 단계; 및 집진기에 의하여 폐분진을 포집하는 단계를 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 소각로에서 폐기물의 연소에 의하여 발생한 열은 폐열 보일러에 의하여 재사용된다. 즉, 소각로 배기가스의 높은 온도는 폐열 보일러의 열교환에 의하여 다소 낮아진 상태가 되고, 그런 후에 소각로 배기가스는 반응탑에 인입된다. 반응탑에는 중탄산나트륨 고농도 슬러리가 분사되고, 배기가스 중에 포함된 산성가스는 중탄산나트륨 고농도 슬러리에 포집된 후 제거된다.

좀 더 구체적으로 언급하면, 산성가스를 포함하는 배기가스에 중탄산나트륨 고농도 슬러리가 분사되면 배기가스의 고온에 의하여 중탄산나트륨 고농도 슬러리에 포함된 물은 증발하게 되고, 그 과정 중에 중탄산나트륨은 HCl, H₂SO₄ 등과 같은 산성가스와 반응하여 NaCl, Na₂SO₄, H₂O, CO₂ 등을 형성하게 된다. 이때 형성된 NaCl, Na₂SO₄, 미반응 중탄산나트륨 등은 분진으로 집진기에 의하여 포집된 후 제거되고, 형성된 H₂O, CO₂ 등의 가스는 소각로의 원래 배기가스와 함께 집진기를 통과하게 된다.

본 발명에서 사용되는 중탄산나트륨 고농도 슬러리는 도 1에 도시된 바와 같이, 중탄산소다를 분쇄기에 의하여 분말로 만든 후 물에 분산제와 함께 혼합함으로써 제조된다. 이때, 중탄산나트륨의 농도는 60 내지 70%의 범위이고, 분산제는 폴리아크릴계 분산제이며, 분산제의 첨가량은 물, 중탄산나트륨 분말 및 분산제 전체 중량에 대하여 0.1 내지 0.5 중량%의 범위이다.

본 발명을 종래기술과 비교하면, 가스량 60,000 N㎥/Hr인 설비에서 가스를 포집하기 위해 20% 소석회를 시간당 1,200Kg으로 분사하고 포집하는 설비의 경우 백필터(집진기) 표면 온도를 170 ℃로 유지하기 위해 열교환 후 210 ℃가 되게 반응탑으로 유입하고 있다. 소석회는 반응성이 좋지 않아 이론량에 비해 3~3.5배 과량으로 투입하여야 배출되는 산성가스를 안정적으로 제거할 수 있다. 이론양을 초과하여 투입된 소석회는 그대로 폐기물로 배출되므로 폐기물의 발생량이 많을 수 밖에 없다.

이러한 설비에 반응성이 좋은 중탄산소다를 사용할 경우 이론량에 비해 1.1배 정도만 과량으로 투입하여도 산성가스를 안정적으로 처리할 수 있다. 이론양 대비 적은 약품 사용량은 불필요하게 발생하는 폐기물을 줄일 수 있어 효율적인 산성가스 처리가 가능하다.

중탄산소다를 슬러리 농도 40%로 할 경우, 시간당 460 Kg(물 294Kg)을 사용하면 되고, 슬러리 농도 65%일 경우는 시간당 283 Kg(물 106Kg)의 약품을 사용하면 된다. 가스량 60,000 N㎥/Hr로 210 ℃가 되게 반응탑으로 유입하고 가스의 열 용량을 7.34 Kcal/Kmol 이라고 했을 때, 슬러리 농도 40% 일 경우 증발 잠열로 계산하면 백필터에서의 운전온도는 193 ℃가 되고, 슬러리 농도 65%일 경우는 198 ℃가 된다.

즉, 슬러리 농도를 40%에서 65%로 높일 경우 운송물량은 38% 줄일 수 있으며, 가스량 60,000 N㎥/Hr인 설비인 경우 하루 약 4.5 톤 정도의 스팀에 해당하는 열량을 회수할 수 있게 된다.

본 발명을 완성하기 위해 본 발명자들은 고농도 슬러리가 장기적인 안정성을 가지고 유동성이 유지될 수 있는 방법을 찾기 위해 각종 증점제, 분산제 등을 농도별로 실험하여 폴리아크릴계 분산제가 장기적인 안정성이 있고 저온에서도 분산성이 유지되는 것을 확인하고, 실제 공정에 적용하여 본 발명을 완성하게 되었다. 이를 실시예에 정리해 두었다. 다만 실시예는 본 발명의 예에 불과할 뿐이므로, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 된다.

<실시예 1> 중탄산소다 슬러리 제조

300 메쉬로 분쇄한 중탄산소다 1,300g을 준비한다. 폴리아크릴계 분산제 4.2g을 물 700g에 녹인 후 서서히 교반한다. 서서히 교반하면서 준비된 중탄산나트륨을 투입한다. 이 슬러리의 점도를 B형 점도계로 측정하니 210 cp 였다.

따로 중탄산소다 1,400g을 준비한 다음 폴리아크릴계 분산제 4.4g을 물 600g에 녹인 후 서서히 교반한다. 서서히 교반하면서 준비된 중탄산나트륨을 투입하였다. 이 슬러리의 점도를 B형 점도계로 측정하니 540 cp 였다.

이 시료를 상온에서 5일 방치 후 다시 점도를 측정하였다. 측정 결과는 표 1에 표시하여 두었다.

<비교예 1>

300 메쉬로 분쇄한 중탄산소다 800g을 준비한다. 물 1,200g을 준비하여 서서히 교반하면서 준비된 중탄산나트륨을 투입한다. 이 슬러리의 점도를 B형 점도계로 측정하니 120 cp 였다.

따로 중탄산소다 1,200g을 준비한 다음 물 800g을 서서히 교반하면서 투입하였다. 이 슬러리의 점도를 B형 점도계로 측정하니 350 cp 였다.

<비교예 2>

가스량 60,000N㎥/Hr인 소각로의 산성가스를 제거하는 설비는 SDR과 백필터로 구성되어 있다. 이 설비는 월 645톤의 20% 소석회를 사용하고 있었다. 이 설비의 폐기물 발생량은 월 252톤이었다. 폐기물 발생량은 시간당 350Kg이었다. 이 설비에서 SDR로 유입되는 가스의 온도는 평균 200 ℃ 였고, 백필터의 출구 온도는 161 ℃였다. 백필터 하단에서 채취한 분진을 분석한 결과는 표 2와 같다.

* 미반응 Ca(OH)₂나 CaCO₃ 등의 성분도 Ca으로만 분석됨.

<실시예 2>

가스량 60,000 N㎥/Hr인 비교예 2의 소각로의 산성가스를 제거하기 위해 90시간 동안 25톤의 65% 중탄산소다 슬러리를 사용했다. 배출되는 가스 농도는 비교예 2와 같은 환경 규제를 만족하고 있었다. 이 설비의 폐기물 발생량은 17.2톤이었다. 시간당 폐기물 발생량은 190Kg 이었다. 이 설비에서 SDR로 유입되는 가스의 온도는 평균 200 ℃ 였고, 백필터의 출구 온도는 189 ℃였다. 백필터 하단에서 채취한 분진을 분석한 결과는 표 3과 같다. 폐기물 생성량이 약 46% 감소한 것은 산성 가스를 포집한 Ca의 반응효율이 30%에 불과한데 비해 Na의 반응 효율은 90%에 달했기 때문이다.

* 미반응 NaHCO₃나 Na₂CO₃ 등의 성분도 Na로만 분석됨

Claims

물에 중탄산나트륨 분말과 분산제를 혼합하여 중탄산나트륨의 농도가 60 내지 70 중량%의 범위가 되는 중탄산나트륨 고농도 슬러리를 준비하는 단계;
소각로로부터 배출되는 배기가스를 반건식 반응탑에 인입시키는 단계;
상기 반건식 반응탑에 상기 중탄산나트륨 고농도 슬러리를 분사하여 상기 배기가스 중에 포함된 산성가스를 제거하는 단계; 및
집진기에 의하여 폐분진을 포집하는 단계를 포함하고,
상기 분산제는 폴리아크릴계 분산제이고, 상기 분산제의 첨가량은 상기 물, 상기 중탄산나트륨 분말 및 상기 분산제 전체 중량에 대하여 0.1 내지 0.5 중량%의 범위인 것을 특징으로 하는 소각로의 배기가스 처리방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 소각로의 배기가스 처리방법은 상기 반응탑에 액상 소석회를 분사하여 상기 배기가스 중에 포함된 산성가스를 제거하고, 상기 집진기에 의하여 폐분진을 포집하는 기존 설비를 그대로 사용하고, 상기 액상 소석회를 분사하는 대신에 상기 중탄산나트륨 고농도 슬러리를 분사함으로써 구현되는 것임을 특징으로 하는 소각로의 배기가스 처리방법.
제1항 및 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 집진기 후단에는 촉매층을 포함하는 선택적 촉매 환원 반응탑이 설치되어 있고, 상기 집진기를 통과한 상기 배기가스는 암모니아 또는 요소수가 분사되는 상기 선택적 촉매 환원 반응탑을 통과하고, 상기 배기가스 중에 포함된 질소산화물은 상기 선택적 촉매 환원 반응탑에서 제거되는 것을 특징으로 하는 소각로의 배기가스 처리방법.
물에 중탄산나트륨 분말 및 분산제가 혼합되어 형성되는 중탄산나트륨 고농도 슬러리 조성물이고, 이때 상기 중탄산나트륨의 농도는 60 내지 70 중량%의 범위이고, 상기 분산제는 폴리아크릴계 분산제이며, 상기 분산제의 첨가량은 상기 물, 상기 중탄산나트륨 분말 및 상기 분산제 전체 중량에 대하여 0.1 내지 0.5 중량%의 범위이고, 상기 중탄산나트륨 고농도 슬러리 조성물은 소각로로부터 배출되는 배기가스가 반건식 반응탑에 인입될 때 상기 반건식 반응탑에 분사하여 상기 배기가스 중에 포함된 산성가스를 제거하기 위한 용도로 사용되는 것임을 특징으로 하는 중탄산나트륨 고농도 슬러리 조성물.