KR20030022950A - 플라즈마를 이용한 배가스 중의 다이옥신 제거방법 - Google Patents

플라즈마를 이용한 배가스 중의 다이옥신 제거방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배가스 중의 대기오염물질을 제거하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 첨가제로 탄화수소를 주입하고 펄스 코로나 방전을 이용한 플라즈마 상태에서 소각로 등의 배가스에 함유되어 배출되는 유해물질인 다이옥신을 제거하는 플라즈마를 이용한 배가스 중의 다이옥신 제거방법에 관한 것이다.
이에 본 발명은, 플라즈마를 이용한 배가스 중의 대기오염물질 제거방법에 있어서, 외부로부터 배가스를 유입하는 단계; 유입된 상기 배가스에 첨가제로 탄화수소를 주입하는 단계; 펄스 고전압을 플라즈마 반응기에 인가하여 코로나 방전을 일으킴으로써, 첨가제가 주입된 상기 배가스를 플라즈마 상태로 만들어 다이옥신을 분해하는 단계; 상기 다이옥신이 분해되고 나온 부산물을 전기 집진기에서 집진하는 단계; 상기 다이옥신이 제거된 배가스를 배출하는 단계를 포함하는 플라즈마를 이용한 배가스 중의 다이옥신 제거방법을 제공한다.

Description

플라즈마를 이용한 배가스 중의 다이옥신 제거방법{METHOD FOR REMOVING DIOXIN IN THE FLUE GAS BY NON-THERMAL PLASMA PROCESS}
본 발명은 배가스 중의 대기오염물질을 제거하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 첨가제로 탄화수소를 주입하고 펄스 코로나 방전을 이용한 플라즈마 상태에서 소각로 등의 배가스에 함유되어 배출되는 유해물질인 다이옥신을 제거하는 플라즈마를 이용한 배가스 중의 다이옥신 제거방법에 관한 것이다.
일반적으로 소각로 등의 배가스 중에 함유된 다이옥신을 제거하기 위하여 여러 가지 방법들이 개발되어 있다.
그 중 대표적인 방법으로는 활성탄과 같은 흡착제로 다이옥신을 흡착하여 제거하는 방법과 촉매에 의한 산화방법에 의하여 다이옥신을 분해하여 제거하는 방법이 있다.
그러나, 활성탄을 이용한 흡착법은 배가스에 함유된 물과 같은 다른 성분들에 의해 흡착능력이 크게 영향을 받으며, 사용 후 다이옥신을 포함하고 있는 흡착제를 처리해야하는 문제점이 있다.
한편, 촉매를 이용한 다이옥신의 완전분해 방법은 다이옥신을 함유한 가스를 촉매층에 흘려보내 폐가스와 같이 존재하는 산소와의 산화반응에 의해 다이옥신을 CO2와 H2O, 그리고 HCl 또는 Cl2로 분해시켜 제거하는 방법이다.
"Chemosphere, Vol.26, No.12, pp.2167-2172, 1993"에서는 NOx 제거에 사용되는 촉매인 V2O5-WO3-TiO2 촉매를 사용하여 200~350℃ 범위에서 다이옥신을 제거할 수 있다고 개시되어 있다. 또한, 일본국 특개평7-75720호에서도 V2O5-WO3-TiO2로 이루어진 촉매를 사용하여 200~250℃ 범위에서 다이옥신을 제거한다고 개시되어 있다.
그러나, 촉매를 이용한 다이옥신 제거방법은 촉매반응에 필요한 온도까지 배가스를 가열하는 것이 필요하고, 촉매수명이 있기 때문에 일정시간이 경과하면 다이옥신 제거효율이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 플라즈마 반응기 내에서 펄스 코로나 방전에 의한 다이옥신 제거효율을 향상시킬 수 있는 다이옥신 제거방법을 제공하는 것이다.
도 1은 플라즈마 반응기의 개략적인 장치도를 도시한 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10: 플라즈마 반응기12: 방전극
14: 접지판16: 펄스 고전압 발생장치
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 플라즈마를 이용한 배가스 중의 대기오염물질 제거방법에 있어서, 외부로부터 배가스를 유입하는 단계; 유입된 상기 배가스에 첨가제로 탄화수소를 주입하는 단계; 펄스 고전압을 플라즈마 반응기에 인가하여 코로나 방전을 일으킴으로써, 첨가제가 주입된 상기 배가스를 플라즈마 상태로 만들어 다이옥신을 분해하는 단계; 상기 다이옥신이 분해되고 나온 부산물을 전기 집진기에서 집진하는 단계; 상기 다이옥신이 제거된 배가스를 배출하는 단계를 포함하는 플라즈마를 이용한 배가스 중의 다이옥신 제거방법을 제공한다.
여기서, 상기 첨가제로 사용되는 탄화수소는 C3H6, C2H4, C4H8, C5H10, C2H6, C3H8, C4H10, C5H12등과 같은 지방족 탄화수소로 이루어지는 군에서 선택되어지는 것을 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
먼저, 외부에서 대기오염물질이 함유된 배가스가 제거장치로 유입되면, 첨가제로 탄화수소를 배가스에 주입한다. 첨가제로서 탄화수소는 산화성 라디칼을 제공하는 역할을 하여 다이옥신의 제거효율을 향상시키는 역할을 한다.
다음으로, 펄스 고전압을 플라즈마 반응기에 인가하여 코로나 방전을 일으킴으로써, 첨가제가 주입된 상기 배가스를 플라즈마 상태로 만들어 다이옥신을 분해하게 된다.
본 발명의 다이옥신 제거방법에 이용되는 플라즈마 반응기(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 양극인 방전극(12)과 음극인 접지판(14)으로 구성되어 있어서, 일반적인 전기 집진기와 유사한 구조로 이루어져 있다. 일례로, (+)의 펄스 고전압이 인가되는 방전극(12)은 직경이 3㎜인 원통형의 탄소강으로 구성되며, 접지판(14)은 각각 2m와 5m의 평판형의 탄소강으로 구성된다.
상기 플라즈마 반응기(10)에서는 펄스 고전압 발생장치(16)를 이용하여 150㎸정도의 고전압 펄스를 반응기의 방전극(12)으로 인가하게 된다. 이 때, 반응기(10)에 인가되는 펄스신호의 폭은 대략 1㎲이하이다.
상기와 같이 반응기(10)의 방전극(12)에 펄스 고전압이 인가되면, 전압은 빠르게 상승하여 반응기(10)에 충전되게 되며, 이러한 펄스 고전압의 충전으로 방전극(12)과 접지판(14) 사이의 전압이 코로나 개시 전압에 도달하면 방전극(12)으로부터 코로나 방전이 시작되게 된다.
코로나 방전으로 인하여 방전극(12)과 접지판(14) 사이로 유입된 배가스의 절연이 파괴되어 플라즈마 상태가 되고, 그에 따라 다량의 산화성 라디칼 및 오존이 발생되어 배가스 내에 포함된 다이옥신을 제거시키게 된다.
플라즈마 상태에서는 배가스 중의 산소, 수분 등이 자유전자들과 충돌하여 O, OH, H2O와 같은 산화성 라디칼과 오존 등이 생성된다.
상기와 같이 생성된 라디칼과 오존 등은 반응성이 매우 크기 때문에 반응식 1과 같이, 다이옥신과 직접 반응하여 다이옥신을 분해하게 된다.
Dioxin + [O, OH, H2O, O3] → CO2+ HCl + H2O
특히, 플라즈마 반응기(10) 내에서 탄화수소는 O, OH, OH2, O3등과 반응하여 알킬(alkyl), 알콕시(alkoxy), 아실(acyl), 알데히드(aldehyde) 등을 생성하며, 이렇게 생성된 라디칼들은 다이옥신과 직접 반응하거나 배가스의 주성분 중의 하나인 산소와 반응하여 산화성 라디칼인 H2O 등을 다시 생성한다. 따라서, 탄화수소 첨가제에 의하여 생성된 라디칼 들에 의하여 다이옥신 제거효율이 증진될 수 있게 된다.
상기 첨가제로 사용되는 탄화수소는 10 ~ 200 ppm 의 범위에서 주입되는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 30 ~ 100 ppm 을 주입하는 것이다.
탄화수소를 10 ppm 미만으로 주입하였을 경우에는 첨가제의 효과가 떨어지는 문제점이 있고, 200 ppm을 초과하여 주입하였을 경우에는 일부 미반응된 탄화수소가 배가스에 함유되어 배출되기 때문에 2차적인 오염물질의 배출될 수 있는 문제점이 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명한다.
[실시예]
플라즈마를 이용한 다이옥신 제거실험은 5,000 Nm3/hr 규모의 배가스를 처리할 수 있는 Pilot 장치에서 실시하였다. 펄스 고전압 발생장치에 인가되는 직류 고전압은 30㎸이었으며, 펄스 반복율(1초당 방전극에 인가된 펄스 횟수)은 200㎐이었다. 배가스의 조성은 대략 산소 15%, 이산화탄소 6%, 수분 8% 및 질소로 구성되어 있었으며, 다이옥신은 약 1ngTEQ/Nm3이하를 포함하고 있었다.
다이옥신의 농도 측정은 대기오염공정 시험법에 따라 배가스를 채집하고, 정제와 농축과정을 거친 후 고분해능 가스 크로마토그래피/질량분석기(GC/MS)를 이용하여 분석하였으며, 공정 시험법에 따른 17종의 다이옥신류에 대한 분석을 실시하여 반응기 전단(유입구)과 후단(배출구)에서 각 물질의 농도를 측정하였다.
먼저, 첨가제인 탄화수소를 주입하지 않고 펄스 고전압만을 인가하여 플라즈마 상태로 변환시켰을 때의 다이옥신 제거율을 측정하였으며, 이를 표 1에 나타내었다.
다이옥신류 다이옥신 농도(ngTEQ/Nm3)
반응기 전단 반응기 후단
2,3,7,8 -TCDF1,2,3,7,8 -PeCDF2,3,4,7,8 -PeCDF1,2,3,4,7,8 -HxCDF1,2,3,6,7,8 -HxCDF2,3,4,6,7,8 -HxCDF1,2,3,7,8,9 -HxCDF1,2,3,4,6,7,8 -HpCDF1,2,3,4,7,8,9 -HpCDFOCDF2,3,7,8 -TCDD1,2,3,7,8 -PeCDD1,2,3,4,7,8 -HxCDD1,2,3,6,7,8 -HxCDD1,2,3,7,8,9 -HxCDD1,2,3,4,6,7,8 -HpCDDOCDD 0.0200.0190.4190.0500.0570.0840.0270.0110.0020.0010.0670.0570.0080.0190.0110.0070.001 0.0340.0220.4480.0470.0540.0810.0250.0100.0020.0000.0020.0200.0020.0050.0020.0060.000
합 계 0.860 0.760
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 첨가제로 탄화수소를 주입하지 않은 경우 플라즈마 반응기에서 다이옥신은 약 12% 정도 제거되는 것으로 나타났다.
다음으로, 상기 실험과 같은 조건하에서 첨가제로 탄화수소 중 일례인 프로필렌(C3H6) 50ppm을 주입하고 다이옥신 제거율을 측정하였으며, 그 측정결과를 표 2에 나타내었다.
다이옥신류 다이옥신 농도(ngTEQ/Nm3)
반응기 전단 반응기 후단
2,3,7,8 -TCDF1,2,3,7,8 -PeCDF2,3,4,7,8 -PeCDF1,2,3,4,7,8 -HxCDF1,2,3,6,7,8 -HxCDF2,3,4,6,7,8 -HxCDF1,2,3,7,8,9 -HxCDF1,2,3,4,6,7,8 -HpCDF1,2,3,4,7,8,9 -HpCDFOCDF2,3,7,8 -TCDD1,2,3,7,8 -PeCDD1,2,3,4,7,8 -HxCDD1,2,3,6,7,8 -HxCDD1,2,3,7,8,9 -HxCDD1,2,3,4,6,7,8 -HpCDDOCDD 0.0300.0400.4070.0720.0670.0840.0130.0140.0030.0000.0180.0520.0100.0200.0140.0070.001 0.0000.0000.0040.0010.0010.0010.0000.0000.0000.0000.0440.0050.0000.0010.0000.0000.000
합 계 0.852 0.057
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 첨가제로 탄화수소인 프로필렌을 주입한 경우 다이옥신은 약 94%가 제거되었는 바, 다이옥신 제거효율이 크게 향상되었음을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 배가스 중의 다이옥신 제거방법에 의하면, 탄화수소 첨가제를 주입함으로써 다이옥신과의 반응성이 매우 큰 산화성 라디칼의 생성을 촉진하여 배가스로부터 다이옥신의 제거효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 플라즈마를 이용한 배가스 중의 대기오염물질 제거방법에 있어서,
    외부로부터 배가스를 유입하는 단계;
    유입된 상기 배가스에 첨가제로 탄화수소를 주입하는 단계;
    펄스 고전압을 플라즈마 반응기에 인가하여 코로나 방전을 일으킴으로써, 첨가제가 주입된 상기 배가스를 플라즈마 상태로 만들어 다이옥신을 분해하는 단계;
    상기 다이옥신이 분해되고 나온 부산물을 전기 집진기에서 집진하는 단계;
    상기 다이옥신이 제거된 배가스를 배출하는 단계;
    를 포함하는 플라즈마를 이용한 배가스 중의 다이옥신 제거방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제로 사용되는 탄화수소는 C3H6, C2H4, C4H8, C5H10, C2H6, C3H8, C4H10, C5H12을 포함하는 지방족 탄화수소로 이루어지는 군에서 선택되어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 배가스 중의 다이옥신 제거방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제로 사용되는 탄화수소는 30 ~ 100 ppm 의 범위에서 주입되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 배가스 중의 다이옥신 제거방법.
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