KR19990082191A - 배기가스 탈황 시스템 - Google Patents

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토루 타카시나
스스무 오키노
카즈아키 키무라
코이찌로 이와시타
코지 이케다
헤이지 타나가
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마스다 노부유키
미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

길이방향으로 다수개의 노즐을 가지고 있고 한쪽 끝이 막힌 분사관이, 배기가스가 수직으로 통과하는 흡착탑에 수평으로 배치되며, 흡착성 슬러리가 분사관의 다른 쪽 끝으로부터 공급되어 노즐로부터 위쪽으로 분사되며, 이에 따라 흡착탑에서 흡착성 슬러리가 배기가스와 접촉하여 처리가 이루어지며, 분사관의 막힌 한쪽 끝의 유로는 유로 단면적이 막힌 한쪽 끝을 향하여 감소되는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 탈황장치.

Description

배기가스 탈황 시스템
열전기 발전소 등에서 배기가스 처리를 위해 제공되는 종래의 배기가스 탈황 시스템은 일본국 공개실용신안공보 59-53828호에서 공개된 바와 같이 배기가스에서 황산화물을 흡착하기 위해 슬러리를 배기가스와 접촉시켜주는 액체 기둥형 가스-액체 접촉장치로 불리는 것을 사용한다.
이 형태의 탈황 시스템을 위해 사용되는 가스-액체 접촉장치에서, 분사관(spray pipe)이 접촉처리탑 안에 수평으로 설치되며, 접촉처리탑에는 가스가 수직으로 흘러 액체가 분사관의 한쪽 끝으로부터 공급되어 위로 분사되며, 이에 의해 액체와 가스가 접촉되어 처리가 이루어진다.
보통, 전술한 다수개의 분사관은 접촉처리탑을 가로지르는 영역에 걸쳐서 평행하게 배치되어 있고, 이들 분사관의 한쪽 끝과 길이방향의 복수개소에서 연결되며, 다른 쪽 끝은 막혀 있으며, 상기 한쪽 끝으로부터 액체가 공급되는 공급관(supply pipe)이 접촉처리탑 외부에 설치된다. 그것에 의하여 액체는 이 공급관을 경유하여 각 분사관으로 공급된다.
전술한 분사관들과 공급관은 보통 길이방향으로 횡단면이 일정한 관의 형태로 되어 있어 유로(flow passage) 횡단면은 길이방향으로 일정하다.
이 형태의 종래 가스-액체 접촉 장치에서, 도 7에 도시한 바와 같이, 노즐이 설치된 분사관의 막힌 끝에서 몇 개의 노즐로부터 분사되는 액체의 상태는 상당히 방해받고 있어서, 그 분사높이가 다르며 다른 노즐로부터의 액체의 분사높이와 비교하여 평균적으로 두드러지게 감소한다. 상기한 바와 같이 분사상태가 불완전하고 어떤 곳에서는 액체의 분산이 불충분하면, 접촉처리탑을 통하여 지나가는 배기가스의 일부가 탑에서 액체(흡착성의 슬러리)와 거의 접촉하지 못하여, 탈황 시스템의 경우 탈황률이 극도로 감소된다.
강제로 높은 탈황률을 유지하기 위한 방법이 있는데, 이 경우 액체의 전체 공급량이 상당히 증가되어 분산 상태가 충분하게 된다. 그러나, 이 방법에서 나머지 노즐로 공급되는 액체의 양은 불필요하게 증가되어 운전비용이 증가된다.
또한, 종래의 가스-액체 접촉장치에서는 상기 분사관의 분사상태가 불균일할 뿐 아니라 분사높이 역시 불균일하게 된다. 구체적으로, 공급관의 길이방향에 대해서 뿐만 아니라, 공급관의 막힌 한쪽 끝에 가까운 분사관에서의 분사상태도 불안정하고, 따라서 그 분사높이는 다른 분사관과 비교하여 반대로 높게 된다.
베르누이의 정리가 유속(flow velocity) 등의 평균값에 거시적으로 적용된다고 가정하면 분사높이는 대략 정압(static pressure)에 비례한다고 생각된다. 그러므로, 위치가 분사관 또는 공급관의 막힌 한쪽 끝에 더 가까움에 따라, 유속(동압(dynamic pressure))은 감소하고 정압은 증가하는데, 이것에 의해 분사높이가 증가되는 것으로 생각된다.
그러나, 실제로는 이 정리에 반하여 분사관의 길이방향으로 하류쪽의 노즐에서, 분사높이는 상기한 바와 같이 불균일하며 평균적으로 낮다.
또한, 분사관의 막힌 한쪽 끝에서 끝판의 안쪽면은, 일반적으로 도 10에 부호 61a로 나타낸 바와 같이, 분사관의 막힌 끝에 가장 가까운 노즐의 최대 유입 내경(maximum inlet inside diameter)의 위치로부터 멀리 떨어져 있는 외부의 위치에 놓인다.
본 발명은 슬러리(현탁액)를 배기가스와 효율적으로 접촉시켜주는 배기가스 탈황 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예의 배기가스 탈황 시스템의 전체 배치도,
도 2는 도 1에 도시된 시스템의 본체의 사시도,
도 3은 도 1과 도 2에 도시된 시스템에서 분사관의 구조를 보여주고 있는 횡단면도,
도 4는 도 1과 도 2에 도시된 시스템에서 분사관의 구조를 보여주고 있는 부분단면도,
도 5는 도 1과 2에 도시된 시스템의 분사관 구조를 보여주는, 도 3의 ⅩI-ⅩⅠ선에 의한 종단면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따라서 분사관을 사용한 실험의 결과(각 노즐의 분사상태)를 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 비교예에서 분사관을 사용한 실험의 결과(각 노즐의 분사상태)를 나타내는 도면,
도 8은 본 발명의 실시예에 따라서 분사관을 사용한 실험의 결과(각 노즐의 분사상태)를 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 실시예에 따라서 분사관을 사용한 실험의 결과(각 노즐의 분사상태)를 나타내는 도면,
도 10은 본 발명의 비교예의, 분사관 구조를 나타내는 횡단면도,
도 11은 실험 3에서 사용된 장치의 개요를 설명하기 위한 개략도,
도 12는 분사관에서의 스케일 더미의 이동을 설명하기 위한 개략도,
도 13은 오목한 경사판으로 구성되는 경사판(52)의 실시예를 설명하기 위한 종단면도이다.
본 발명의 목적은 분사관으로부터의 분사상태가 균일하고 안정되어, 높은 가스-액체 접촉효율성(탈황률)이 유지되고, 운전비용이 감소될 수 있는 가스-액체 접촉 장치를 사용하는 배기가스 탈황시스템을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 항목 (1) 내지 (5)에서 설명하는 시스템을 제공한다.
(1) 흡착성 슬러리(absorbent slurry)를 배기가스와 접촉시킴으로써 배기가스에서 황산화물을 흡착하기 위한 배기가스 탈황 시스템에 있어서, 길이방향으로 다수개의 노즐이 설치되며 한쪽 끝이 막힌 분사관이, 배기가스가 수직으로 통과하는 흡착탑에 수평으로 설치되며, 흡착성 슬러리는 분사관의 다른 끝으로부터 공급되어 노즐로부터 상방으로 분사되며, 이로써 흡착성 슬러리가 배기가스와 접촉되어 처리되며, 분사관의 막힌 한쪽 끝의 유로는 막힌 한쪽 끝을 향하여 단면적이 감소하는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
(2) 상기 (1)에서 정의된 배기가스 탈황 시스템에 있어서, 분사관은 일정한 단면적으로 형성되고, 관의 막힌 한쪽 끝을 향하여 노즐 쪽으로 경사진 경사판이 관의 막힌 한쪽 끝 내부에 설치되어, 유로 단면적이 막힌 한쪽 끝을 향하여 감소되는 것을 특징으로 한다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에서 정의된 배기가스 탈황 시스템에 있어서, 분사관의 끝을 밀폐하기 위한 끝판의 안쪽면 위치는, 막힌 한쪽 끝을 향하여 분사관의 막힌 한쪽 끝에 가장 가까운 노즐의 최대 유입 내경으로부터 0.05D(D는 분사관의 내경)만큼 떨어진 위치의 근방 위치나, 이 근방 위치의 안쪽 위치로 규정되는 것을 특징으로 한다.
(4) 상기 (1) 내지 (3)의 어느 하나에서 정의된 배기가스 탈황 시스템에 있어서, 다수개의 분사관이 가로로 평행하게 배치되며, 한쪽 끝은 막혀 있고, 다른 쪽 끝으로부터 흡착성 액체가 공급되며 상기 분사관들의 다른 쪽 끝과 길이방향으로 복수개소에서 연결되는 공급관이 설치되어, 흡착성 슬러리가 공급관을 경유하여 개개의 분사관에 공급되며, 공급관은 유로 단면적이 막힌 한쪽 끝을 향하여 감소하는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
(5) 흡착성 슬러리(액체)를 배기가스와 접촉시키기 위한 수단으로서, 각각에 대해 길이방향으로 다수개의 노즐이 설치되며 한쪽 끝은 막힌 분사관이 접촉처리탑의 하부에 다수개 수평으로 설치되어, 슬러리 덩어리(slurry heaps)를 포함하고 있는 흡착성 슬러리가 분사관의 다른 쪽 끝으로부터 공급되며, 흡착처리를 위해 노즐로부터 흡착성 슬러리와 슬러리 덩어리를 상방으로 분사하여 배기가스와 접촉시키는, 흡착성 슬러리를 배기가스와 접촉시킴으로써 배기가스에서 황산화물을 흡착하기 위한 배기가스 탈황시스템에 있어서, 분사관은 일정한 단면을 가진 관으로 형성되고, 관의 막힌 한쪽 끝을 향하여 노즐 쪽으로 경사진 경사판이 막힌 한쪽 끝에서 관 내부에 설치되며, 경사판은 적절한 위치 관계에 의해 분사관의 한쪽 끝을 밀폐하기 위한 끝판에 연결되며, 끝판의 안쪽면 위치는 분사관의 가장 하류 상에 위치한 노즐의 최대 유입 내경의 위치와 하류쪽에서 전술한 위치로부터 0.05D 떨어진 위치 사이에 놓이며, 경사판은 가장 하류의 노즐로부터 세 번째와 네 번째 노즐의 중간이나 네 번째와 다섯 번째 노즐의 중간에 설치되며, 가장 하류 노즐의 위치에서 상기 경사판 위쪽의 면적이 분사관 단면적의 0.2 내지 0.3배가 되도록 경사진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 분사관의 막힌 한쪽 끝에서 유로는 막힌 끝을 향하여 유로 단면적이 감소되는 형상으로 형성된다. 그러므로, 분사관의 막힌 끝에서 노즐로 흘러 들어가는 유체의 흐름은 안정되어서, 노즐의 분사상태가 방해받고 분사높이가 다른 쪽 끝 노즐의 분사높이보다 낮은 현상이 종래의 장치와 비교하여 뚜렷하게 개선되어 가스-액체 접촉 효율성이 향상된다.
또한, 분사관이 단면적이 일정한 관으로 형성되며, 관의 막힌 끝을 향하여 노즐쪽으로 경사진 경사판이 관의 막힌 끝의 내부에 설치되어 유로 단면적이 막힌 끝을 향하여 감소된다면, 지금까지 사용되고 있는 종래 관에 단지 경사판을 설치함으로써 용이하게 분사관을 제조할 수 있으며 현재의 제조설비도 쉽게 개조할 수 있다.
또한, 분사관의 한쪽 끝을 밀폐하기 위한 끝판의 안쪽면 위치가 분사관의 막힌 끝에서 가장 가까운 노즐의 최대 유입 내경 근방의 위치이거나 최대 입구 직경 근방 위치의 안쪽에 놓인다면, 분사관의 막힌 끝에서 가장 가까이 위치한 노즐의 분사 상태는 특히 적절하고 안정하게 되어 가스-액체 접촉효율이 더욱 증가될 수 있다.
또한, 가로로 평행하게 배치된 분사관의 다른 쪽 끝이 길이방향의 복수개소에서 연결되며 한쪽 끝이 막혀 있고 다른 쪽 끝에서 흡착성 액체가 공급되는 공급관이, 흡착성 슬러리가 공급관을 경유하여 개개의 분사관에 공급되도록 설치된다면, 유로 단면적이 막힌 한쪽 끝을 향하여 감소하는 형상으로 상기 공급관이 형성될 때, 공급관에서의 유속은 일정하며 흐름은 안정될 수 있다. 그러므로, 분사관으로부터 분사상태는 균일하게 되고 공급관의 막힌 끝쪽에 연결된 분사관으로부터의 분사상태의 방해 등이 제거되어서, 전체적으로 평면적으로 배치된 모든 노즐의 분사상태의 균일성과 안정성이 달성되어, 가스-액체 접촉효율을 보다 증가시키는데 기여한다.
또한, 본 발명의 탈황 시스템에 따르면, 종래의 아래로 향한 분사형태와 달리 액체가 한번 분사되고 떨어지므로 탑에서 액체의 잔류시간이 길어, 분사된 액체는 탑의 중간에서 떨어지는 액체와 충돌하여 농축된 액체 층을 형성하므로 높은 가스-액체 접촉 효율이 얻어질 수 있다. 그 결과 순환하는 슬러리의 양이 감소될 수 있어 운전비용이 감소된다. 즉, 분사상태의 균일성과 안정이 전술한 바와 같이 달성될 수 있고, 가스-액체 접촉이 보다 적은 공급량의 흡착성 슬러리로도 효율적으로 달성될 수 있는 가스-액체 접촉장치가 사용되기 때문에, 흡착성 슬러리 공급량은 감소되면서도 높은 탈황률이 달성될 수 있다.
발명수행의 최선의 방법
본 발명의 한 실시예를 도 1 내지 5를 참조하여 아래에 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 이 예의 배기가스 탈황시스템은 흡착성 슬러리(액체)를 배기가스(기체)와, 또 산화작용을 위해 공기와 접촉시키기 위한 가스-액체 접촉장치로서 도 2에 도시한 바와 같은 가스-액체 접촉장치(1)를 갖는다.
이 가스-액체 접촉장치(1)는 흡착성 슬러리(칼슘을 포함하고 있는 슬러리, 이 경우에는, 석회 슬러리)를 공급하기 위한 탱크(10)와, 탱크(10)의 한쪽부분(도면에서 왼쪽부분)으로부터 위쪽으로 연장되며, 미처리된 배기가스(A)를 도입하기 위해 형성된 배기가스 도입부(21)가 상부 끝으로 뻗어 있는 입구쪽 흡착탑(접촉처리탑)(20)과, 탱크(10)의 다른 쪽 부분(도면에서 오른쪽)으로부터 위쪽으로 연장되며, 처리된 배기가스(B)를 배출하기 위한 배기가스 배출부(31)가 상부에 형성되며, 배기가스가 입구쪽 흡착탑(20)과 탱크(10)의 상부를 통하여 상방으로 유동하는, 출구쪽 흡착탑(30)(접촉처리탑)을 포함한다.
각각의 흡착탑(20)(30)은 각각 분사관(22)(32)을 가지고 있다. 이 각각의 분사관(22)(32)은 액체기둥 형태로 위쪽으로 흡착성 슬러리를 주입하는 다수개의 노즐(23)(33)로 형성된다. 탱크(10) 양쪽에는, 탱크(10)에 흡착성 슬러리를 분사하기 위한 순환펌프(24)(34)가 설치되어, 흡착성 슬러리는 공급관(25)(35)을 경유하여 분사관 안으로 공급되고 노즐(23)(33)을 통하여 분사된다. 또한 이 경우, 미스트를 포집, 제거하기 위해 출구쪽 흡착탑(30)의 상부에 미스트 제거기(mist eliminator)(30a)가 설치된다. 미스트 제거기(30a)에 의해 포집된 미스트는 예를 들면, 출구쪽 흡착탑(30)에 떨어짐으로써 직접 탱크(10)안으로 되돌아온다.
분사관(22)(32)은 도 2에 도시한 바와 같이 흡착탑을 가로질러 서로 평행하게 다수개가 배치되고, 각 분사관의 다른 쪽 끝은 공급관(25)(35)의 길이방향으로 복수개소에 각각 연결된다. 도 2에 도시한 바와 같이 공급관(25)(35)은 유로의 단면적이 감소되도록 분사관(22)(23)이 연결된 범위에서 막힌 한쪽 끝을 향하여 경사진 형상이다. 공급관(25)(35)의 유로 단면적 감소율은 관 내부에서 평균 유속이 길이방향으로 대체로 일정하도록 설정된다.
분사관(22)(32)과 노즐(23)(33)의 상세한 구조는 도 3과 관련하여 후술한다.
이 예에서 공기공급수단(11)은 탱크(10)에 설치된다. 흡착성 슬러리는 분사관(22)(23)으로부터 분사되고 이산화황가스를 흡착하면서 흘러내리는데, 공기공급수단(11)으로부터 탱크(10)로 불어넣어진 공기에 의해 산화되고, 부산물로서 석고(gypsum)가 얻어진다.
이 실시예에서는 암(arm) 회전형으로 되어 있는 공기공급수단(11)은, 탱크(10) 내에서 속이 빈 회전축(12)에 의해 지지되며 미도시된 모터에 의해 수평으로 회전되는 교반봉(13)과, 속이 빈 회전축(12)으로부터 뻗어있고 그것의 열린 끝은 교반봉(13)의 아래쪽으로 뻗어 있는 공기공급관(14)과, 공기공급원에 속이 빈 회전축(12)의 끝 받침을 연결하기 위한 회전조인트(15)를 갖는다. 공기공급수단(11)을 사용함으로써, 공기(C)가 회전조인트(15)로부터 압력을 받아서 공급되는 동안, 속이 빈 회전축(12)이 회전함으로써 공기공급관(14)에 의해 공기(C)가 회전방향에서 교반봉(13)의 후면에서 생기는 가스상(gas phase) 구역으로 공급되는데, 이것에 의해 가스상 구역 단부의 파열현상은 교반봉(13)의 회전에 의하여 생성된 소용돌이의 힘에 의해 야기되어 균일한 미세방울을 상당히 많이 발생시킨다. 그것에 의해, 흡착된 이산화황가스를 가지고 있는 흡착성 슬러리 용액은 효율적으로 탱크(10)에서 공기와 접촉하게 된다.
처리 시 발생되는 주요반응은 아래에 설명된 반응식 (1) 내지 (3)으로 표현된다.
(흡착탑)
SO2+ H20 → H++ HSO3 -(1)
(탱크)
H++ HSO3 -+ 1/2 O2→ 2H++ SO4 2-(2)
2H++ SO4 2-+ CaCO3+ H2O
→ CaSO4·2H2O + CO2(3)
탱크(10) 내의 슬러리(흡착제인 소량의 석회와 석고가 분산되어 있거나 녹아 있다)는 슬러리 펌프(2)에 의해 흡입되고 고액분리기(3)로 공급되어, 여과된 후 수분(보통, 약 10%의 수분함량)함량이 적은 석고(F)로서 꺼내진다. 다른 한편, 고액 분리기(3)로부터 여과액이 슬러리 탱크(4)로 보내지는데, 여기에서 석회(E)는 보급수(make-up water)와 섞여, 슬러리 펌프(5)에 의해 탱크(10)로 재공급된다.
도 2에서 부호 16은 회전조인트(15)를 경유하여 공급수단(11)으로 공기를 공급하기 위한 공기 송풍기를 나타낸다.
다음에 도 3 내지 도 5와 관련하여 분사관(22)(32)의 전형적인 구조를 설명한다. 이 경우에 분사관(22)(32)에는 단면(일정한 단면)이 원형인 관(41)의 상부에 일정 간격으로 다수개의 원형구멍이 형성되고, 노즐을 설치하기 위한 원통형부재(42)가 용접 등에 의해 원형구멍 최상면의 둘레에 고정된다. 노즐몸체(4)는 원통형부재(42) 안에 고정되고, 원통형부재(42)의 둘레 바깥의 상부 끝에 설치된 플랜지(44)에 의해 조여짐으로써 노즐(23)(33)이 설치된다.
관(41)으로서, 예를 들면, 약 500㎜의 간격으로 노즐을 가지고 있으며 내경이 약 200∼300㎜인 관이 사용될 수 있다. 이 경우에, 마찰저항 등에 의해 야기된 에너지 손실은 거의 무시될 수 있다. 또한, 예를 들면, 약 10개의 노즐(23)(33)이 하나의 분사관에 설치된다.
관(41)의 한쪽 끝(도 3에서 오른쪽 끝)의 내부에, 끝판(end plate)(51)과 경사판(tilting plate)(52)으로 구성된 끝 구성부재(50)가 설치된다. 이 경우에, 용접 등에 의해 미리 완전하게 제작되어 있는 끝 구성부재(50)는 관(41)의 한쪽 끝으로부터 삽입되며, 관(41)에서 끝판(51)의 바깥 둘레의 바깥면을 예를 들어, 용접으로 고정하여 설치된다. 그것에 의해, 관(41)의 한쪽 끝과 경사판(52)을 막기 위한 끝판(51)이 설치된다.
경사판(52)은 유로 단면적이 막힌 끝을 향하여 감소되는 형상으로 분사관(22)(32)의 막힌 끝쪽에 유로를 형성한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 경사판(52)의 선단 끝은 분사관(22)(32)의 막힌 끝에서부터 세 번째와 네 번째 노즐 사이 거의 중앙부에 배치된다. 선단은 관(41)의 안쪽 바닥과 접촉하고 있고, 용접 등에 의해 끝판에 연결된 끝 받침쪽(막힌 끝쪽)을 향하며 노즐쪽(위쪽)으로 경사져있다. 이 경사판(52)은 양쪽 끝이 관(41)의 내부 표면에 맞붙은 형상으로 형성되어 관(41) 내부를 분할한다.
유로 단면적이 감소하는 구역의 길이는, 비록 분사관의 내경, 노즐의 간격, 슬러리의 분사 압력 등에 의존하여 변화하지만, 분사높이가 방해을 받아 다른 노즐로부터의 슬러리 분사높이 보다 낮은 구역의 길이일 수 있다.
보통, 이러한 변화는 분사관의 끝에서부터 두 번째 내지 세 번째 노즐에서 발생하기 때문에, 경사판은 바람직하게는 가장 하류의 노즐로부터 세 번째와 네 번째 노즐 사이 중간 부분이나 또는 네 번째와 다섯 번째 노즐 사이 중간 부분에 설치된다.
경사판(52)의 경사각은 바람직하게는 분사관(22)(32)의 막힌 끝에서부터 첫 번째 노즐의 중심선 위치에서의 유로 단면적이, 관(41) 자체의 내부 단면적의 대략 20%인 각도이다. 즉, 가장 하류노즐의 위치에서 경사판 위의 유로 단면적은 분사관 단면적의 0.2 내지 0.3배이다.
도 3과 도 5에 도시한 바와 같이, 경사판(52)의 선단 상면에 단면이 Y형인 미리 완성된 홀딩 부재(53)가 용접 등에 의해 설치되는데, 이것에 의해 경사판(52)의 선단은 관(41)의 바닥표면과 접촉하는 것 같은 상태로 유지된다.
막힌 끝에, 끝 구성부재(50)를 삽입하고 용접 등에 의해 상기 끝 구성부재를 고정함으로써, 끝 구성부재(50)에 끝판(51)과 경사판(52)이 설치되는 구조를 갖는다면, 도구(용접토치 등) 삽입이 어려운 관 내부에 경사판을 쉽고도 안정적으로 설치할 수 있다.
끝판(51)의 안쪽면의 위치는 막힌 끝쪽에서 분사관(22)(32)의 막힌 끝으로 가장 가깝게 위치된 노즐의 최대 입구 내경의 위치로부터 떨어져 있는 위치 α = 0.05D(D는 분사관의 내경)이거나, 또는 전술한 위치로부터 안쪽의 위치에 놓인다.
도 4에 도시한 바와 같이, 분사관(22)(23)의 내경이 D, 노즐 몸체(43)의 직경이 d, 노즐몸체(43) 입구의 곡률 반경이 R, 그리고 한쪽 끝에 가장 가깝게 위치한 노즐의 중심선으로부터의 끝판(51) 안쪽면까지의 거리가 L이라면, 거리 L은 다음 식이 적용되도록 설정된다.
L ≤ L0(L0= d/2 + R + α, α = 0.05D) (4)
예를 들면, D = 200㎜일 때 α의 값은 10㎜이고 D = 300㎜일 때 α의 값은 15㎜ 이다.
다음에 상기한 바와 같이 형성된 가스-액체 접촉 처리 장치의 작동을 설명한다.
탱크(10)의 흡착성 슬러리는 순환펌프(24)(34)에 의하여 공급관(25)(35)을 통하여 분사관(22)(32)에 공급된다. 이에 반해서 배기가스는 배기가스 도입부(21)를 통하여 입구쪽 흡착탑(20)안으로 최초로 도입되고, 흡착탑(20)에서 흘러내린다. 분사관(22)에 공급된 흡착성 슬러리는 분사관(22)의 노즐(23)로부터 위쪽으로 분사된다. 위쪽으로 분사된 흡착성 슬러리는 분산되어 떨어진다. 떨어지는 슬러리와 분사된 슬러리는 서로 충돌하여 미세한 입자를 만든다. 미세 입자 슬러리가 계속적으로 만들어져, 미립자로 된 슬러리가 탑에서 분산되고 천천히 떨어지는 형태로 존재한다. 이산화황가스를 포함하고 있는 배기가스가 미립자로 된 슬러리가 존재하는 탑에서 흘러내리기 때문에, 체적당 가스-액체 접촉면적이 증가한다. 또한, 배기가스는 노즐(23)의 부근에서 분사되는 슬러리의 유동으로 효율적으로 얽히게 되어서, 슬러리와 배기가스가 효율적으로 혼합되는데, 이로써 상당량의 이산화황가스가 이 수평유동형(parallel flow type) 흡착탑(20)에서 일차적으로 제거된다.
이때, 흡착탑(20)에서 떨어지는 배기가스는 탱크(10)의 상부에서 수평으로 흐르고 나서, 아래쪽으로부터 흡착탑(30)으로 들어가고 흡착탑(30) 안에서 상승한다. 흡착탑 30에서, 흡착성 슬러리는 분사관(32)의 노즐로부터 위쪽으로 주입된다. 흡착탑 20에서와 같이, 슬러리와 배기가스가 효율적으로 혼합되는데, 이것에 의해 남아 있는 거의 모든 이산화황 배기가스가 이 역류형(counter flow type) 흡착탑(30)에서 최종적으로 제거된다.
탱크(10)에서, 상기한 바와 같이, 공기 송풍기(16)로부터 보내진 공기(C)는 공기공급수단(11)을 사용함으로써 미세한 방울로 슬러리 안으로 불어넣어진다. 흡착탑(20)(30)에서 이산화황가스를 흡착하고 흘러내리는 흡착성 슬러리는 공기와 접촉하고 산화되어 석고를 만든다.
이때, 이 예의 구성에 따르면, 분사관(22)(32)의 노즐(23)(33)로부터 슬러리의 분사는 도 6에 도시한 바와 같이 전체 영역에 걸쳐 균일하고 안정적이다. 그러므로, 배기가스와 흡착성 슬러리 사이의 가스-액체 접촉은 흡착탑의 전체 수평 영역에 걸쳐 균일하게 달성되어서, 효율적인 흡착처리가 수행된다. 그것에 의해, 순환펌프(24)(25)에 의해 공급되는 슬러리의 순환량(공급량)은 필요한 최소량으로 유지되는 반면 높은 탈황률이 유지된다.
이 효과는 아래에 설명한 바와 같이 발명자들에 의해 실행된 실험으로 대부분은 확실하게 되었지만, 그 원리는 다음과 같다고 생각된다.
첫째, 분사관 사이의 상호관계에 있어서(공급관의 길이방향에 대한), 상기한 바와 같이 공급관(25)(35)이 경사진 유로 형상을 갖기 때문에, 공급관의 내부 평균 유속은 일정하여, 공급관을 흐르는 슬러리의 정압은 길이방향으로 거의 일정하다. 또한, 유출 통로는 막힌 관 끝쪽에서 점차로 좁아지기 때문에, 난류(turbulence of flow)가 억제된다. 그러므로, 분사높이가 불균일하게 되거나, 공급관의 막힌 끝쪽에서 분사관으로부터의 분사상태가 분사관들 사이에서(공급관의 길이방향에서) 불안정하게 되는 문제(분사높이와 방향의 변화)가 종래의 장치와 비교하여 상당히 감소된다.
각 분사관에서도, 유로가 경사판(52)에 의해 경사지고 끝판(51)이 노즐입구의 최대 내경으로부터 안쪽에 위치하기 때문에, 도 10에 도시한 바와 같이 후술하는 난류(소용돌이, 변화의 발생)가 제한되어서, 관의 막힌 끝쪽의 흐름은 도 3에 화살표로 나타낸 바와 같이 양호하게 조정된다. 그러므로, 각 분사관, 특히 막힌 끝쪽에서 노즐의 분사상태가 극히 불안정하게 되거나, 또는 평균높이가 다른 노즐과 비교하여 극히 감소되는 문제가 제거된다.
경사판(52)의 또 다른 중요한 기능은, 펌프를 경유하여 산화탱크로부터 분사관 안으로 공급되는 액체에서 혼합되는 스케일 덩어리(heaps of scale)를, 액체 흐름에 의해 경사판(52)을 따라 가장 하류노즐 밑의 위치로 이동시켜, 분사관에 축적됨이 없이 가장 하류노즐로부터 배출하는 것이다.
또한, 끝판(51)은 가장 하류노즐로부터 액체 기둥의 고도 변화를 억제하는 중요한 기능을 수행한다. 즉, 끝판(51)은 분사관의 막힌 끝 포켓부에서 발생하는 소용돌이의 발달을 방지한다.
경우에 따라, 경사판(52)을 설치하는 것만으로 가장 하류 노즐로부터의 액체기둥의 고도 변화를 항상 충분히 방지할 수 있는 것은 아니며, 끝판(51)을 설치하여 액체기둥 레벨을 조절할 수 있다.
상기한 바와 같이, 끝판(51)은 끝 포켓부에서 발생하는 소용돌이의 발달을 방지하고 가장 하류 노즐로부터 액체기둥의 고도 변화를 억제한다. 게다가, 약간 남아 있는 소용돌이를 이용함으로써 가장 하류 노즐 밑의 위치로 이동된 스케일 덩어리를 상승시키고 배출시키는 기능을 갖고 있다.
따라서, 경사판(52)과 끝판(51) 사이의 위치 관계를 적절하게 조절함으로써, 분사관 안으로 공급된 액체의 스케일 덩어리가 분사관으로부터 배출되는 연속 작업과 액체 기둥의 분사를 안정적으로 달성할 수 있다.
상기한 바와 같이, 실시예의 가스-액체 접촉처리 장치(1)를 가지고 있는 탈황 시스템에 따르면, 노즐로부터 슬러리(액체)의 분사상태가 탑 전체 영역에 걸쳐 균일하고 안정적으로 될 수 있다. 따라서, 일부에서의 불완전한 분사상태에 기인하는 슬러리 순환 유속의 낭비적인 증가 없이 가스-액체 접촉 처리를 달성할 수 있으며, 이 처리는 탈황률 개선과 운전비용 감소에 크게 기여한다.
또한, 유로 단면적이 하류 흐름을 향하여 감소되도록 공급관(25)(35)과 분사관(22)(32)이 형성되기 때문에, 하류 흐름을 향한 유속의 감소가 억제된다(특히, 공급관에서 유속이 거의 일정하다). 그러므로, 슬러리의 고체물질이 유속의 감소에 의하여 침전되고 관 바닥에 부착되어 스케일이 되는 현상이 방지될 수 있다.
상기 예에서, 두 개의 흡착탑이 하나의 탱크를 위해 제공되기 때문에 가스-액체 접촉(이산화황가스의 흡착)은 2단계로 이루어질 수 있다. 이 때문에, 각 접촉처리탑(흡착탑)의 높이와 슬러리의 순환유속이 종래 장치에 비하여 같거나 작아도, 종래 장치에 비하여 높은 가스-액체 접촉효율(탈황률)이 얻어질 수 있다. 더욱이, 평행유동형보다 접촉효율이 높은, 이른바 역류형 가스-액체 접촉이 출구쪽 접촉처리탑(출구쪽 흡착탑)에서 이루어지기 때문에, 단지 두 개의 평행유동형 가스-액체 접촉장치가 연속하여 연결되어 있는 경우와 비교하여 가스-액체 접촉효율이 더욱 증가될 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들면, 분사관은 관 몸체부(예를 들어, 전술된 관(41)) 자체가 막힌 끝을 향하여 점점 작아지는 형상으로 구성될 수 있다.
또한, 하나의 탱크에 대한 흡착탑(접촉처리탑)이 하나여도 된다. 이 경우에, 하나의 흡착탑을 사용하여 일정한 탈황률을 달성하기 위해 분사높이는 증가되어야 한다. 그러므로, 본 발명의 작동은 더욱 주목할 만한 것이 되어서, 더 큰 효과가 달성될 수 있다.
또한, 본 발명의 탈황 시스템은 상기 실시예에서 설명한 바와 같은 탱크 산화 시스템에 제한되지 않으며, 예를 들어 별도로 산화탑을 설치하여도 된다. 게다가, 본 발명의 가스-액체 접촉 장치는 상기한 바와 같이 배기가스 탈황 시스템의 흡착공정을 위한 설비로서 사용되는 경우에 제한되지 않고, 가스와 액체의 효율적인 접촉이 요구되는 공정이라면, 다양한 분야에서 사용될 수 있다.
분사관의 구조와 관련하여 본 발명의 작동을 나타내기 위한 작업예와 비교예(실험결과)를 도 6 내지 도 10을 참조하여 이하 설명한다.
(a) 실험 1
도 10에 도시한 바와 같이 비교예인 실험 1에서는, 경사판이 설치되지 않고 끝판(61a)이 막힌 끝에서 가장 가까운 노즐의 입구로부터 바깥쪽으로 멀리 떨어진 위치에 있는 분사관(61)(7개의 노즐을 갖고 있는)이 사용되었으며, 전체 분사높이(분사 상태가 안정적인 막힌 끝으로부터 떨어진 위치에서의 노즐의 분사높이)는 3m에서부터 9m까지 변화되었고, 각 노즐의 분사상태는 시각적인 관찰과 사진 등으로 확인되었다.
이 예에서, 도 4에 나타난 바와 같이 D = 204.6㎜(200A 관이 사용된다), d = 40㎜, 그리고 R = 40㎜, 그러므로 L = L0+ 40이다.
막힌 끝쪽의 세 노즐은, 분사상태가 불안정하였고 평균 분사높이도 다른 노즐보다 낮은 결과가 나왔다. 특히, 전체 분사높이가 더 높을수록 이 현상이 더욱 뚜렷하였다. 예를 들면, 도 7에 도시한 바와 같이 막힌 끝쪽 세 노즐의 분사높이는 극히 낮았고, 분사상태는 불안정하였다. 도 7은 실험동안에 촬영된 사진에 기초를 두고 그려진 것이다.
이러한 현상의 발생 원인은 다음과 같다고 생각된다: 분사관의 유로가 도 10에 도시한 바와 같이 일정한 단면을 갖고, 끝판(61a)이 노즐 입구로부터 먼 바깥쪽에 배치될 때, 액체는 끝판(61a)에 의해 반발되고 반대방향 흐름이 만들어져 소용돌이가 발생된다. 발생된 소용돌이는 전후방향으로 불안정한 회전을 반복한다. 이 때문에, 막힌 끝 부근에서 노즐 안으로의 액체의 흐름은 불균일하고, 액체기둥의 높이는 크게 변화한다. 이러한 난류에 의해 막힌 끝 부근 노즐 입구 근처의 평균 정압은 감소되고, 평균 분사높이는 다른 노즐들과 비교하여 극히 낮아지게 된다.
(b) 실험 2
실험 2에서는, 상기 실시예의 분사관(22)(23)의 경사판과 구조(도 3에 도시된 구조)가 동일한 경사판이 설치되며, 표 4와 같이 4개의 다른 끝판 안쪽면 위치 L을 가지는 분사관이 사용되었으며, 전체 분사높이는 3m에서부터 9m까지 변하였으며, 각 노즐의 분사상태는 시각적인 관찰과 사진 등으로 확인되었다. 이 경우에도 실험 1에서와 같이, 200A 관(D = 204.6㎜)이 사용되었고, d는 40㎜, 그리고 R은 40㎜였다.
결과는 표 1에 나타나 있으며, L = L0+ 20㎜인 분사관(63)에 대해서는, 선단 노즐의 분사상태가 방해되었으며, 분사높이는 도 9에 도시한 바와 같이 극히 낮고 불안정하였다. 도 9는 전체 분사높이가 약 7m인 경우의 사진촬영 결과를 보여준다.
작업번호 끝판위치 분사상태 종합평가
1 L = L0+ 20 선단노즐 ×
분사 불충분
2 L = L0+ 10 선단노즐
분사 약간 불충분 ○
3 L = L0± 0 상동 ◎
4 L = L0- 10 좋음 ◎
L = L0- 10㎜인 분사관(60)이 가장 좋았는데, 이때 선단노즐의 분사상태는 가장 안정적이고, 분사 높이는 도 6에 도시한 바와 같이 전체적으로 균일하고 안정적이었다. 도 6은 전체분사높이가 약 7m인 경우에 대한 사진촬영 결과를 나타낸다.
L = L0+ 10㎜와 L = L0± 0㎜의 분사관(62)에서조차도, 선단노즐의 분사상태가 약간 불안정하였지만, 분사상태는 L = L0+ 20㎜의 분사관의 분사상태보다 훨씬 좋았다. 도 8은 전체 분사높이가 약 7m인 경우에 대한 사진촬영 결과를 나타낸다.
분사상태가 우수한 원리는 다음과 같이 생각된다: 분사관의 유로가 도 3에 도시한 바와 같이 경사진 형상이고, 끝판(51)이 노즐의 최대 입구 내경으로부터 안쪽에 배치될 때, 도 3에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 끝판(51)에 의해 반발되어 반대방향으로 흐르는 유동이 만들어지지 않아서, 액체는 양호하게 조절된 형태로 각 노즐의 입구 안으로 안정적으로 흐른다. 그러므로, 분사상태의 방해와 높이의 변화가 일어나지 않아 유속이 균일하게 된다. 그것에 의해, 분사상태에 영향을 미치는 정압도 역시 균일하여 다른 노즐(막힌 끝에서 멀리 떨어진 노즐)의 분사높이가 균일하게 된다.
(c) 실험 3
도 11은 시험장치를 나타낸다. 이 장치는 실제의 장치의 분사관의 끝부분를 시뮬레이션하기 위한 투명 아크릴 모델로서, 배출구 직경이 40㎜인 6개의 액체기둥 노즐(43)(노즐밀도 N = 4㎡)이 500㎜의 간격으로 배치되며, 경사판(52)이 분사관(41)의 막힌 끝부분에 설치되고 스케일 덩어리의 입구는 분사관(41)의 입구 끝부분에 설치된다. 액체기둥 노즐로부터 배출된 액체는 탱크로 되돌아오고 순환되어 재사용된다.
시험방법
시험절차
시험은 정상작동과 단기간의 작동정지 후 재시작의 두 가지 경우를 가정하여 다음과 같은 절차로 수행되었다.
(1) 정상작동에 대한 시험에서, 스케일 덩어리의 거동이 수월하게 관찰될 수 있도록 신선한 물이 순환액으로 사용되었다. 일정한 순환액량이 분사관(41)에 공급된 후, 치수가 거의 같은 12개 정도의 스케일 덩어리가 분사관(41)의 입구 끝으로부터 투입되었고, 분사관(41)에서 스케일 덩어리의 거동과 액체기둥 노즐로부터 스케일 덩어리의 배출상태가 조사되었다.
(2) 재시작에 대한 시험에서, 슬러리 농도 20wt%의 액체가 L' = 200㎥/㎡h의 순환량으로 순환된 후, 10 내지 25㎜의 스케일 덩어리가 분사관(41)의 입구 끝으로부터 투입되었다. 그후 즉시, 순환펌프가 정지되었다. 슬러리가 분사관(41)에 가라앉을 때까지 기다린 후, 분사관(41)의 액체를 제거하여, 단기간 작동 정지상태를 만들고, 슬러리가 멈추도록 하였다. 슬러리가 멈추어 있도록 허용된 시간 동안 탱크의 슬러리액은, 스케일의 거동이 수월하게 관찰될 수 있도록 신선한 물로 대치되었고, 재시작 시험은 스케일 덩어리의 투입 후 1주일간 수행되었다.
시험결과
정상작동에서 스케일 덩어리의 배출
분사관의 입구 끝으로부터 투입된 스케일 덩어리의 배출(축적) 상태는 순환하는 물에 의해 시각적으로 관찰되었다.
분사관에서 스케일 덩어리의 거동
(1) 분사관의 입구 끝으로부터 투입된 스케일 덩어리는 순환액의 유동에 의해 운송되며, 가라앉는 동안 하류쪽으로 흘러가려고 한다. 스케일 덩어리는 분사관 바닥에 도달할 때, 기어가듯이 분사관 바닥에서 이동한다. 스케일 덩어리는 경사판의 접합부 근처에서 정체되는 경향이 있지만, 경사판을 따라 이동하여 마지막 노즐 밑의 위치에 도달한다.
(2) 소용돌이는 분사관 바닥과 경사판에서 스케일 덩어리의 하류쪽에 생성된다. 만약 많은 스케일 덩어리가(41b)가 도 12에 도시한 바와 같이 산 모양으로 쌓인다면, 상류쪽 스케일 덩어리(41b)는 연속적으로 산을 넘어서 하류쪽에 위치하게 된다: 따라서 분산된 스케일 덩어리는 미끄러지듯이 이동한다.
(3) 마지막 노즐 전 노즐의 아래를 지난 경사판 위의 스케일 덩어리 중, 경사판(52)의 양쪽의 스케일 덩어리는 정지하려는 경향을 가지고 천천히 이동한다. 그러므로, 경사판(52)은 바람직하게는 도 13에 도시한 바와 같이 오목한 형태로 되어야 한다.
액체기둥노즐로부터 스케일 덩어리의 배출
(1) 이 시험에 사용된 3 내지 35㎜의 범위의 스케일 덩어리는 모두 하류쪽의 마지막 노즐(배출구 지름 40mm)에서 배출되었고, 마지막 노즐 이외에 상류 노즐로부터의 스케일 덩어리 배출은 관찰되지 않았다.
(2) 스케일 덩어리가 마지막 노즐로부터 배출될 때, 마지막 노즐 밑의 경사판(52) 위에 도달한 스케일 덩어리는 노즐을 향하여 이동되는 약한 순환액 소용돌이에 의해 상승되고 배출된다. 약 20㎜ 보다 더 큰 스케일 덩어리는 적합한 소용돌이의 발생을 기다려 상기의 방법으로 배출되고, 여러 개의 스케일 덩어리까지도 연속적으로 배출된다. 스케일 덩어리를 배출하기 위해, 순환액의 양은 200㎥/㎡h 또는 그 이상, 바람직하게는 240㎥/㎡h 또는 그 이상이어야 한다.
본 발명에 의한 배기가스 탈황시스템의 흡착탑에서, 분사관으로부터의 분사상태는 균일하고 안정적이어서 높은 탈황률을 얻을 수 있다. 더군다나, 본 발명은 운전비용 감소를 달성한다. 그러므로 본 발명의 산업상의 적용성은 높다.

Claims (5)

  1. 흡착성 슬러리를 배기가스와 접촉시킴으로써 배기가스의 이산화황을 흡착하기 위한 배기가스 탈황 시스템에 있어서, 길이방향으로 다수개의 노즐을 가지고 있으며 한쪽 끝이 막힌 분사관이 배기가스가 수직으로 통과하는 흡착탑에 수평으로 배치되며, 흡착성 슬러리가 상기 분사관의 다른 쪽 끝으로부터 공급되어 상기 노즐로부터 위쪽으로 분사되며, 이에 의해 흡착성 슬러리와 배기가스와 접촉하여 처리가 이루어지며, 상기 분사관의 막힌 한쪽 끝의 유로는 유로 단면적이 막힌 끝을 향하여 감소하는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 탈황 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분사관은 단면적이 일정한 관으로 형성되며, 상기 관의 막힌 끝을 향하여 노즐쪽으로 경사진 경사판이 관 내부의 막힌 한쪽 끝에 설치되어, 유로 단면적이 막힌 끝을 향하여 감소되는 것을 특징으로 하는 배기가스 탈황 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분사관의 끝에서 밀폐하기 위한 끝판의 안쪽면 위치는 막힌 한쪽 끝을 향하여 상기 분사관의 막힌 끝에 가장 가까이 위치된 노즐의 최대입구 내경으로부터 떨어져 있는 가까운 위치 0.05D(D는 상기 분사관의 내경)에 놓여지거나, 또는 상기 가까운 위치의 내부에 놓여지는 것을 특징으로 하는 배기가스 탈황시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수개의 상기 분사관이 가로로 평행하게 배치되며, 한쪽 끝은 막혀 있고, 다른 쪽 끝으로부터 흡착성 액체가 공급되며 상기 분사관들의 다른 쪽 끝과 길이방향으로 복수개소에서 연결되는 공급관이 설치되어, 흡착성 슬러리가 공급관을 경유하여 개개의 분사관에 공급되며, 상기 공급관은 유로 단면적이 막힌 한쪽 끝을 향하여 감소하는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 탈황 시스템.
  5. 흡착 슬러리를 배기가스와 접촉시키기 위한 수단으로서, 각각에 대해 길이방향으로 다수개의 노즐이 설치되며 한쪽 끝은 막힌 분사관이 접촉처리탑의 하부에 다수개 수평으로 설치되어, 슬러리 덩어리(slurry heaps)를 포함하는 흡착성 슬러리가 상기 분사관의 다른 쪽 끝으로부터 공급되며, 흡착처리를 위해 노즐로부터 흡착성 슬러리와 슬러리 덩어리를 상방으로 분사하여 배기가스와 접촉시키는, 흡착성 슬러리를 배기가스와 접촉시킴으로써 배기가스에서 황산화물을 흡착하기 위한 배기가스 탈황시스템에 있어서, 상기 분사관은 일정한 단면을 가진 관으로 형성되며, 상기 관의 막힌 한쪽 끝을 향하여 노즐쪽으로 경사진 경사판이 막힌 한쪽 끝의 관 내부에 설치되며, 경사판은 적절한 위치 관계에 의해 분사관의 한쪽 끝을 밀폐하기 위한 끝판에 연결되며, 상기 끝판의 안쪽면 위치는 분사관의 가장 하류 상에 위치한 노즐의 최대 유입 내경의 위치와 하류쪽으로 상기 위치로부터 0.05D 떨어진 위치 사이에 놓이며, 상기 경사판은 가장 하류의 노즐로부터 세 번째와 네 번째 노즐의 중간이나 네 번째와 다섯 번째 노즐의 중간에 설치되며, 가장 하류 노즐의 위치에서 상기 경사판 위쪽의 면적이 분사관 단면적의 0.2 내지 0.3배가 되도록 경사진 것을 특징으로 하는 배기가스 탈황 시스템.
KR1019980705916A 1996-02-01 1997-01-24 배기가스탈황시스템 KR100300488B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

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