KR20020012379A - 오존을 이용한 배기가스의 탈황, 탈질 처리방법 및 그 장치 - Google Patents

오존을 이용한 배기가스의 탈황, 탈질 처리방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기관을 통하여 배출되는 배기가스를 혼합 반응기에 유입시키는 유입공정과, 상기 혼합 반응기의 내부에서 배기가스에 함유된 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)을 내부로 주입되는 오존(O3)과 반응시켜 황산화물과 질소산화물을 H2SO4와 HNO3로 산화시키는 산화공정과, 상기 혼합 반응기의 내부에서 상기 H2SO4와 HNO3를 내부로 주입되는 암모니아와 반응시켜 H2SO4와 NH4NO3의 중성염으로 중화시키는 중화공정과, 상기 중성염 고형물질을 포집하여 제거하는 포집공정을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 오존을 이용한 배기가스의 탈황, 탈질 처리공법 및 그 장치를 제공한다. 이러한 본 발명은 기존 습식 석회석 석고법 탈황, SCR 탈질과 같은 탈황, 탈질 공정에 비하여 매우 적은 설치면적이 소요되고, 설치비용과 운전비용이 저렴할 뿐 아니라, 높은 탈황, 탈질율(95% 이상)을 달성할 수 있다. 또한저온 플라즈마 기술의 대안기술로서, 건식 공정이므로 2차 폐기물이나 폐수의 발생이 없으며, 기존 펄스코로나 방전공정에 비해 약 1/5의 에너지로 오염물질을 제거할 수 있는 매우 우수한 기술이다.

Description

오존을 이용한 배기가스의 탈황, 탈질 처리방법 및 그 장치{DESULFERRIZATION AND DENITRIDE METHOD OF EXHAUST GAS DEPEND ON OZONE AND THERE OF APPARATUS}
본 발명은 오존을 이용한 배기가스의 탈황, 탈질 처리방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 배기가스에 포함된 황산화물과 질소산화물을 오존과 산화반응시키고, 이 반응의 결과물을 암모니아와 중화 반응시켜 고형물질로 변화시킨 후, 전기집진기와 같은 포집기로 포집하여 제거할 수 있도록 한 새로운 형태의 오존을 이용한 배기가스의 탈황, 탈질 처리방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로 화석연료가 연소된 후 배출되는 배기가스에 포함되어 있는 황산화물과 질소산화물은 중요한 대기오염 물질이다. 따라서, 환경 보존에 대한 인식이 시작된 이래로 오랫동안 이들에 대한 제거 기술이 연구되어 왔고, 다양한 방법이 개발되어 활용되고 있다.
지금까지 상용화된 탈황법에는 습식 탈황, 건식 탈황 등이 있으나 2차 오염 물질인 폐수 또는 폐기물이 발생되거나 제거효율이 높지 않다는 문제점이 있다. 그리고, 탈질법에는 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction)과 선택적 비촉매 환원법(Selective Non Catalyic Reduction)등이 있으나 이 또한 비용 및 효율 측면에서 문제점이 있다. 또한, 기존의 탈황공정과 탈질공정은 별도의 시스템으로 이루어지므로 효과적이고 경제적인 탈황, 탈질 처리 시스템의 개발이 요구되고 있다.
현재 개발중인 탈황, 탈질 동시처리 시스템 중 대표적인 것은 전자빔 조사공정(Electron Beam Irradiation Process)과 펄스코로나 방전공정(Plused Corona Discharge Process)이 있다. 전자빔을 이용한 공정은 2차 오염물질을 발생시키지 않는 장점이 있으나, 전자빔 조사과정에서 X선이 발생되어 이의 차폐기술이 상용화의 장벽으로 작용하고 있다. 펄스코로나 방전공정은 전자빔 공정의 장점을 가지고 있는 기술로 평가되고 있다. 그러나 공정에 비해 설치비나 운전비가 높게 소모되어 기술의 실용화를 위해 운전전력 저감 문제 해결이 선행되어야 한다.
종래의 펄스코로나 방전공정에서 황산화물과 질소산화물을 주로 O-Radical 또는 OH-Radical의 작용으로 제거되는 것으로 알려져 있다. 또한 질소산화물 한 분자를 제거하기 위해서는 약 50eV의 에너지가 소모되고 있으며 이는 발전용량의 약 5%이다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점 및 결함을 해소하기 위하여 창안한 것으로, 본 발명의 목적은 연소 후 발생하는 배기가스에 포함된 유해물질을 분해하는 기능이 있는 오존과 상기 분해된 가스가 고형 상태가 되도록 하는 기능을 가진 암모니아에 의해 배기가스에 포함된 유해물질을 효과적으로 제거할 수 있도록 된 새로운 오존을 이용한 배기가스의 탈황, 탈질 처리장치를 제공하기 위한 것이다.
도 1 내지 도 5는 본 발명 오존을 이용한 배기가스의 탈황, 탈질 처리장치에 관한 도면으로서,
도 1은 혼합 반응기의 부분 절결 평면도.
도 2는 고형물 포집기에 전기집진기를 채용한 형태를 보인 단면도.
도 3은 고형물 포집기에 백필터를 채용한 형태를 보인 단면도.
도 4는 오존발생기의 개략 구성을 보인 블럭도.
도 5(a)는 전기 집진기에 공급되는 직류 전압 파형도.
도 5(b)는 전기 집진기에 공급되는 펄스 전압 파형도.
도 5(c)는 전기 집진기에 공급되는 직류, 펄스 중첩 전압 파형도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 혼합 반응기 11 : 반응실
12 : 유입구 13 : 배출구
20 : 오존발생기 21 : 오존 노즐
22 : 오존 발생관 30 : 암모니아 공급장치
31 : 암모니아 노즐 40 : 고형물 포집기
50 : 다공판형 혼합조
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 오존을 이용한 배기가스의 탈황, 탈질 처리방법은 배기관을 통하여 배출되는 배기가스를 혼합 반응기에 유입시키는 유입공정과, 상기 혼합 반응기의 내부에서 배기가스에 함유된 SOx와 NOx를 오존과 반응시켜 H2SO4와 HNO3로 산화시키는 산화공정과, 상기 혼합 반응기의 내부에서 상기 H2SO4와 HNO3를 암모니아와 반응시켜 (NH4)2SO4와 NH4NO3의 중성염으로 중화시키는 중화공정과, 상기 중성염 고형물질을 포집하여 제거하는 포집공정을 포함하여 구성된다.
상기 산화공정 및 중화공정에서 오존 및 암모니아의 주입은 혼합 반응기 외부의 오존발생기 및 암모니아 공급장치에서 공급된 오존 및 암모니아를 노즐을 통하여 혼합 반응기의 내부로 분사시켜 주입한다.
이하, 본 발명의 방법을 구현하기 위한 탈황, 탈질 처리장치를 첨부 도면에 실시예를 들어 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3과 같이, 본 발명에 의한 탈황, 탈질 처리장치는 배기가스가 배출되는 배기관에 연결되어 배기가스에 함유된 황산화물과 질소산화물이 오존과 반응하도록 하는 혼합 반응기(10)와, 이 혼합 반응기(10)의 내부에 오존을 공급하는 오존발생기(20)와, 상기 혼합 반응기(10)의 내부에 암모니아를 공급하여 반응물질을 고형 상태로 만드는 암모니아 공급장치(30)와, 상기 생성된 고형물을 포집 제거하는 고형물 포집기(40)로 구성된다.
상기 혼합 반응기(10)는 반응실(11)의 양단부에 유입구(12)와 배출구(13)가 구비되고, 상기 혼합 반응기(10)의 내부에는 상기 오존발생기(20)의 오존 노즐(21)이 입구측에 설치되고, 상기 암모니아 공급장치(30)의 암모니아 노즐(31)이 중간부에 설치되며, 상기 고형물 포집기(40)가 출구측에 설치된다.
그리고, 상기 고형물 포집기에는 전기집진기(EP)나, 백필터(Bag filter)가 이용되고, 상기 혼합 반응기와 일체로 또는 분리되어 설치될 수 있다.
상기 혼합 반응기(10)는 탈황, 탈질 주반응이 일어나는 곳으로 혼합 반응기(10)로 도입되는 황산화물과 질소산화물이 포함된 배기가스는 혼합 반응기(10)의 전단에 설치된 가이드베인(guide vane)이나 분산판에 의해 반응실(11) 내에 골고루 분산된다.
상기 오존발생기(20)의 오존 노즐(21)에는 격자형 노즐이 설치되어 오존발생기(20)에서 생성된 오존을 배기가스에 분산 주입하는 역할을 한다.
오존 노즐(21)과 암모니아 노즐(31)의 사이에는 다수개의 구멍이 천공된 판을 복수개 배치하여 되는 다공판형 혼합조(50)가 설치되어 유입된 오존과 연소가스 중의 SOx와 NOx 성분이 혼합 반응하여 H2SO4및 HNO3가 생성되도록 한다.
다공판형 혼합조(50) 다음에 설치되는 암모니아 노즐(31)은 오존 노즐(21) 처럼 격자형으로 구성되어 반응실(11) 내부에 암모니아를 골고루 분산 유입시키게 된다. 여기서 유입된 암모니아는 앞단에서 오존과 반응하여 생성된 H2SO4및 HNO3과 반응하여 (NH4)2SO4와 NH4NO3의 중성염을 생성한다.
이러한 모든 반응단계는 혼합 반응기(10)의 내부에서 일어나고, 상기 반응실(11)의 내부에 일체로 결합되거나, 별도로 설치되는 고형물 포집기(40)는 생성된 중성염을 포집하게 된다.
상기 오존발생기(20)는 도 4와 같이, 고압의 교류 전원을 이용하여 공기 또는 산소를 유입시켜 오존을 발생시키는 오존 발생관(22)과, 이 오존 발생관(22)에 0V∼20kV의 고압의 교류 전원을 공급하는 고압 교류 전압발생기(23)와, 고압 교류를 제어하는 교류 전압제어기(24)로 구성된다.
상기 교류 전압발생기(23)는 교류 전압제어기(24)의 제어에 따라 상기 오존 발생관(22)의 전극에 공급되는 전압과 전류 및 주파수를 변화시킬 수 있도록 구성된다. 따라서, 상기 오존 발생관(22)의 전극에 고압의 교류 전압이 인가되면 오존 발생관(22)으로 공급된 공기 또는 산소와 반응하여 오존이 발생된다.
상기 암모니아 공급장치(30)는 도면에 도시되지는 않았으나, 암모니아 저장탱크, 희석용 에어팬, 그리고 각종 밸브 및 유량, 압력 감지기를 포함하여, 산성의 H2SO4와 HNO3를 중성염의 입자상으로 변화시키기 위해 투입되는 암모니아를 안전하고 안정적으로 공급할 수 있도록 구성된다.
상기 고형물 포집기(40)는 혼합 반응기(10)에서 여러 단계의 연속적인 반응을 거쳐 생성된 중성의 입자상 물질인 (NH4)2SO4과 NH4NO3을 전기집진기(41)나 백필터(42)를 이용하여 최종적으로 포집하는 설비이다. 특히 이 고형물 포집기(40)는 혼합 반응기(10)의 후단부에 별도의 단일 설비로 구성할 수 있다.
그리고, 상기 혼합 반응기(10) 내부의 오존에 의한 반응은 매우 빠른 반응으로 이 반응의 영역에서의 가스 체류시간은 0.5∼1초 정도가 요구되고, 암모니아에 의한 중성염의 생성은 비교적 느린 반응이므로 1∼3초 정도의 반응시간이 요구되므로 혼합 반응기(10)는 이 반응시간이 보장될 수 있도록 구성된다.
상기 전기집진기(41)는 예를 들어 관체로 구성된 하우징, 즉 반응실(11)의 내부에 대략 평행하게 소정 간격으로 이격되어 배치되고 (+)전기가 연결되는 대수개의 방전판(43)과, 이 방전판(43)의 사이에 각각 평행하게 배치되고 (-)전기가 연결되는 다수개의 방전극(44)과, 상기 방전판(43) 및 방전극(44)에 연결되어 도 5(a),(b),(c)와 같이, 고압의 직류 및 펄스전압 또는 직류와 펄스가 중첩된 전압을 발생시키는 전압 발생기(45)와 전압을 제어하는 전압 제어기(46)를 포함하여 반응 후 생성된 중성염 입자를 포집 제거하도록 구성된다.
상기 방전극(44)의 상,하단은 반응실(11)의 내부에 양쪽 장착된 방전극 프레임(47)에 결합되어 고정되고 상기 방전극 프레임(47)은 전압 발생기(45)에 연결된다.
상기 전압 발생기(45)는 예를 들어, 상기 방전판(43)과 방전극(44) 사이에 0V∼100kV의 높은 직류 전압이 중첩된 전압을 공급할 수 있도록 된 것이다. 따라서, 상기 전압 발생기(45)를 이용하여 상기 방전판(43)과 방전극(44)에 전원을 인가하면 상기 방전판(43)과 방전극(44) 사이에 방전이 발생되고, 이에 따라 상기 방전판(43)의 주변에 플라즈마가 발생되며, 이 플라즈마에 의해 NOx의 분해를 촉진할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 장치를 연소가스가 배출되는 배기관에 연결한 후, 오존발생기(20)와 암모니아 공급장치(30) 및 고형물 포집기(40)를 작동시키면, 반응실(11)의 내부에서 오존 노즐(21)로 부터 분사되어 주입되는 오존에 의해 배기가스에 포함된 H2SO4와 HNO3가 1차로 반응되고, 상기 1차 반응된 가스는 암모니아 노즐(31)에서 분사되는 암모니아와 2차로 반응되어 배기가스에 포함된 유해물질이 고형화되고, 이 고형물질이 전기집진기(41)나 백필터(42)에 의해 제거된다.
그리고, 배기가스의 온도가 과도하게 높은 경우에는 배기가스와 오존의 반응이 잘 일어나지 않으므로 상기 혼합 반응기(10)에 배기가스를 공급하는 배기관에 방열핀을 장착하여 배기가스의 온도를 일정한 온도로 낮추어 배기가스와 오존의 반응을 촉진시키는 방법도 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 오존을 이용한 배기가스의 탈황, 탈질 처리방법 및 그 장치를 배기가스 처리에 적용할 경우 기존 습식 석회석 석고법 탈황, SCR 탈질과 같은 탈황, 탈질 공정에 비하여 매우 적은 설치면적이 소요되고, 설치비용과 운전비용이 저렴할 뿐 아니라, 높은 탈황, 탈질율(95% 이상)을 달성할 수 있다. 또한 저온 플라즈마 기술의 대안기술로서, 건식 공정이므로 2차 폐기물이나 폐수의 발생이 없으며, 기존 펄스코로나 방전공정에 비해 약 1/5의 에너지로 오염물질을 제거할 수 있는 매우 우수한 기술이다.

Claims (8)

  1. 배기관을 통하여 배출되는 배기가스를 혼합 반응기에 유입시키는 유입공정과, 상기 혼합 반응기의 내부에서 배기가스에 함유된 SOx와 NOx를 오존과 반응시켜 H2SO4와 HNO3로 산화시키는 산화공정과, 상기 혼합 반응기의 내부에서 상기 H2SO4와 HNO3를 암모니아와 반응시켜 H2SO4와 NH4NO3의 중성염으로 중화시키는 중화공정과, 상기 중성염 고형물질을 포집하여 제거하는 포집공정을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 오존을 이용한 배기가스의 탈황, 탈질 처리방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 산화공정 및 중화공정에서 오존 및 암모니아의 주입은 혼합 반응기 외부의 오존발생기 및 암모니아 공급장치에서 공급된 오존 및 암모니아를 노즐을 통하여 혼합 반응기의 내부로 분사시켜 주입하는 것임을 된 것을 특징으로 하는 오존을 이용한 배기가스의 탈황, 탈질 처리방법.
  3. 배기가스가 배출되는 배기관에 연결되어 배기가스에 함유된 황산화물과 질소산화물이 오존과 반응하도록 하는 혼합 반응기와, 이 혼합 반응기의 내부에 오존을 공급하는 오존발생기와, 상기 혼합 반응기의 내부에 암모니아를 공급하여 반응물질을 고형 상태로 만드는 암모니아 공급장치와, 상기 생성된 고형물을 포집 제거하는 고형물 포집기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 오존을 이용한 배기가스의탈황, 탈질 처리장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 혼합 반응기는 반응실의 양단부에 유입구와 배출구가 구비되고, 상기 혼합 반응기의 내부에는 상기 오존발생기의 오존 노즐이 입구측에 설치되며, 상기 암모니아 공급장치의 암모니아 노즐이 중간부에 설치되고, 상기 고형물 포집기가 출구측에 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 오존을 이용한 배기가스의 탈황, 탈질 처리장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 혼합 반응기의 내부 상기 오존 노즐과 암모니아 노즐의 사이에는 다공판형 혼합조가 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 오존을 이용한 배기가스의 탈황, 탈질 처리장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 혼합 반응기는 상기 오존 산화영역에서의 가스체류시간이 0.5∼1초 유지되고, 상기 암모니아 중화영역에서의 가스체류시간이 1∼3초 유지되도록 구성된 것을 특징으로 하는 오존을 이용한 배기가스의 탈황, 탈질 처리장치.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 고형물 포집기는 상기 혼합 반응기의 반응실 내부에 설치되는 전기집진기 또는 백필터인 것을 특징으로 하는 오존을 이용한 배기가스의 탈황, 탈질 처리장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 전기집진기는 평행하게 배치되고 (+)전기가 연결되는 대수개의 방전판과, 이 방전판의 사이에 각각 평행하게 배치되고 (-)전기가 연결되는 다수개의 방전극과, 상기 방전판 및 방전극에 연결되어 0V∼100kV의 높은 직류 전압, 펄스폭 100ns∼200us의 펄스 전압, 또는 상기 직류 전압과 펄스 전압이 중첩된 전압을 공급하는 전압 발생기를 포함하여 NOx의 제거 효율을 높일 수 있게 구성된 된 것을 특징으로 하는 오존을 이용한 배기가스의 탈황, 탈질 처리장치.
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