KR200390792Y1 - 탄산수소나트륨을 이용한 산성 유해가스의 제거장치 - Google Patents

탄산수소나트륨을 이용한 산성 유해가스의 제거장치 Download PDF

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KR200390792Y1
KR200390792Y1 KR20-2005-0009910U KR20050009910U KR200390792Y1 KR 200390792 Y1 KR200390792 Y1 KR 200390792Y1 KR 20050009910 U KR20050009910 U KR 20050009910U KR 200390792 Y1 KR200390792 Y1 KR 200390792Y1
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Abstract

본 고안은 탄산수소나트륨을 이용한 산성 유해가스의 제거장치에 관한 것으로, 소각로 및 백필터(bag filter)를 포함하는 대기오염 방지시설에서 상기 백필터의 전단에 탄산수소나트륨을 투입하여 소각로에서 발생하는 연소가스 중의 산성 유해가스와 중화반응시키는 것을 특징으로 하는 산성 유해가스의 제거방법, 그리고 상기 백필터의 전단에 설치되는 탄산수소나트륨 공급장치 및 활성탄 공급장치를 포함하는 산성 유해가스의 제거장치를 제공한다.
본 고안에 따른 산성 유해가스의 제거장치는 종래의 건식법을 보완한 것으로, 건설비와 운영비가 저렴하고 폐수의 발생이 없으며 설치공간이 많이 필요하지 않고 제어장치가 단순하면서, 산성 유해가스의 제거효율도 우수하다.

Description

탄산수소나트륨을 이용한 산성 유해가스의 제거장치{Apparatus for removing acidic noxious gas using sodium bicarbonate}
본 고안은 대기오염 방지시설에서 발생하는 산성 유해가스의 제거장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대기오염 방지시설에서 기존의 프로세스를 보완하여 탄산수소나트륨를 이용함으로써 연소가스 내에 산성 유해가스인 SOx/HCl를 제거하는 제거장치에 관한 것이다.
발전소, 도시쓰레기 소각로, 폐기물 소각로, 지정폐기물 소각로 등에서 발생하는 산성 유해가스의 일반적인 제거방법은 다음과 같이 건식 흡수법, 반건식 흡수법, 습식 세정법으로 크게 분류할 수 있다.
가. 건식 흡수법(Dry Adsorption Process)
이 시스템은 증발 냉각기(Evaporation Cooler), 중화제 투입설비 및 백필터(Bag Filter) 또는 전기집진기로 구성되어 있다. 소각로 폐열보일러를 통과한 연소 가스는 증발 냉각기를 통과하면서 물이 분사되어 가스온도를 낮추는 동시에 가스의 함수량을 증가시킨다. 이때 연소가스의 온도는 냉각된 상태지만 아직도 단열포화 상태보다는 높은 상태로 유지된다. 이 상태에서 알칼리 성분의 화학물(예: Ca(OH)2)을 미세한 분말상태로 분사시키면, 백필터에 도달하여 백필터 표면에서 고형 필터 케이크(Filter Cake)를 형성하면서 산성 유해가스와 알칼리 분말이 화학반응을 일으켜 중성염을 형성한다. 형성된 반응 중성염은 필터백 세정 메카니즘(Filter Bag Cleaning Mechanism)에 의해 분리되어 하부 호퍼(Hopper)에 포집되어 배출된다. 중화반응은 다음과 같이 일어난다.
CaO + 2HCl → CaCl2 + H2O
CaO + SOx → CaSOx
나. 반건식 흡수법(Semidry Adsorption Process)
알칼리 화학물이 챔버(Chamber) 내에서 분무(Mist)상의 액상으로 증발되어 산성 유해가스와 반응하여 결정상태를 형성하고, 이 고형생성물이 하류의 백필터나 전기집진기에 포집되어 배출되는 시스템이다. 이 때 최종 연소가스 온도는 아직 단열포화보다 높은 상태에 있게 된다.
이 반건식 흡수법은 순수 건식 흡수법에 비해서 고효율 처리가 가능하여 중화제 소모량이 적고, 통상의 습식 세정법에 비해서는 적은 투자비와 중화처리 등의 설비가 없어 낮은 운전비로 처리할 수 있다. 분진제거로서는 백필터 또는 전기집진기를 사용할 수 있다. 중화반응은 다음과 같이 일어난다.
Ca(OH)2 + 2HCl → CaCl2 + 2H2O
Ca(OH)2 + SOx → CaSO4 + H2O
다. 습식 세정법 공정(Wet Scrubbing Process)
일반적으로 가성소다(NaOH) 등과 같은 용액을 이용하여 유해가스 처리를 극대화하기 위해 적용한다. 연소가스는 노점(Dew Point) 이하로 냉각되며 수분이 포화된 상태로 스쿠러버(Scrubber)를 통과하게 된다. 이 시스템의 성능은 스쿠러버에서의 액적(Droplet) 포집방법 및 연돌(Stack)로 배출전의 배가스를 재열(Re-Heat)하는 설계의 최적화에 달려있다.
그러나, 상기 제거방법들은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
가. 건식 흡수법(Dry Adsorption Process)
건식법은 건설비와 운영비가 저렴하고 폐수의 발생이 없으며 설치공간이 많이 필요하지 않고 제어장치가 단순하나, 제거효율이 최대 50% 정도로 낮은 것이 단점이다.
도시쓰레기 소각설비, 산업폐기물 소각설비의 황산화물 및 염화수소 처리설비를 단독 사용하여 배출허용 기준치 이하로 제거하는 것이 어려워 보조적인 제거설비로 사용되었다.
나. 반건식 흡수법(Semidry Adsorption Process)
반건식법은 저감효율이 최대 98% 정도로 높고 폐수처리가 필요없으며, 건설비가 건식법보다는 비싸지만 습식법 보다는 저렴하다.
소석회를 슬러리 형태로 공급하여야 하므로 슬러리 공급시설이 필요하고, 유지 및 보수를 위해서는 숙련된 운전요원이 필요하다.
최근에 도시쓰레기 소각로에서의 황산화물 및 염화수소 제거를 위하여 이 방법이 많이 사용되고 있다.
다. 습식 세정법 공정(Wet Scrubbing Process)
습식법은 저감효율이 최대 98% 정도로 아주 높지만, 건설비와 운영비가 많이 들며, 별도의 폐수처리시설이 필요한 것이 단점이다.
본 고안은 연소가스 내의 산성 유해가스를 제거하기 위해 사용되는 상기 방법들 중, 건식법이 건설비와 운영비가 저렴하고 폐수의 발생이 없고 설치공간이 많이 필요하지 않으며 제어장치가 단순한 특징을 갖고 있으나, 제거효율이 좋지 않아 상용화되지 못하는 문제점을 보완하고자 제시된 것으로,
따라서, 본 고안의 목적은 건설비와 운영비가 저렴하고 폐수의 발생이 없으며 설치공간이 많이 필요하지 않고 제어장치가 단순하면서, 산성 유해가스의 제거효율도 우수한 산성 유해가스의 제거장치를 제공하는데 있다.
본 고안은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 소각로 및 백필터(bag filter)를 포함하는 대기오염 방지시설에서 상기 백필터의 전단에 탄산수소나트륨을 투입하여 소각로에서 발생하는 연소가스 중의 산성 유해가스와 중화반응시키는 것을 특징으로 하는 산성 유해가스의 제거방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 제거방법은 상기 백필터의 전단에 활성탄을 함께 투입하는 것을 특징으로 한다.
본 고안에서 탄산수소나트륨 및 활성탄은 연소가스 중의 산성 유해가스(SOx/HCl)와 반응하고 백필터 내의 필터 표면에 탄산수소나트륨/활성탄의 여과층을 형성시켜 더스트, 중금속, 다이옥신, 퓨란까지 흡착 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 고안에서 산성 유해가스의 제거효율을 높이기 위해서는, 첫째 상기 탄산수소나트륨을 밀(mill)을 이용하여 10 내지 20 ㎛의 입자크기로 분쇄한 후 투입하는 것이 바람직하고, 둘째 상기 탄산수소나트륨을 적어도 2초 동안 산성 유해가스와 접촉 반응시키는 것이 바람직하며, 셋째 상기 연소가스의 온도를 140 내지 200℃로 유지하는 것이 바람직하며, 넷째 상기 탄산수소나트륨/산성 유해가스의 반응 양론비(몰비)가 1 내지 2가 되도록 탄산수소나트륨을 투입하는 것이 바람직하다.
또한, 본 고안은 소각로 및 백필터(bag filter)를 포함하는 통상의 산성 유해가스 제거장치에 있어서, 상기 백필터의 전단에 설치되는 탄산수소나트륨 공급장치 및 활성탄 공급장치를 포함하는 산성 유해가스의 제거장치를 제공한다.
상기 탄산수소나트륨 공급장치는 탄산수소나트륨을 저장하는 사일로와, 상기 사일로의 하단에 설치되어 산성 유해가스의 농도에 따라 탄산수소나트륨의 공급량을 조절하는 정량호퍼 및 정량공급기와, 상기 정량공급기의 하단에 설치되어 탄산수소나트륨을 10 내지 20 ㎛의 입자크기로 미분쇄시키는 밀(mill)과, 상기 밀과 연결되어 미분쇄된 탄산수소나트륨을 백필터의 전단에 공급하는 공급팬을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 고안에 따른 산성 유해가스 제거설비는 발전소, 도시쓰레기 소각로, 폐기물 소각로, 지정폐기물 소각로 등에 적용가능하다.
본 고안은 탄산수소나트륨(NaHCO3)(Sodium Bicarbonate) 분말을 밀을 이용하여 미세한 입자로 만들어 여과집진기(B/F: Bag Filter) 전단에 활성탄과 같이 투입시키는 것을 특징으로 하며, 이에 따라 투입된 탄산수소나트륨과 활성탄이 연소가스 중의 유해물질(SOx/HCl)과 반응하고 백필터 내의 필터 표면에 NaHCO3/활성탄의 여과층을 형성시켜 더스트, 다이옥신까지 흡착 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 고안의 제거방법에 의한 SOx/HCl 제거효율은 95% 이상으로, 종래의 분말소석회을 이용한 건식법(제거율 50%)보다 반응성이 높고 우수하다.
본 고안에 따른 산성 유해가스의 제거 프로세스는 반건식 흡수법과 습식 세정법보다 투자비와 운영비가 적고, 특히 최종 산출물 처리에 적은 돈이 들어가는 장점이 있다.
무엇보다 이 프로세스에서 중요한 점은 180℃ 정도의 고온에 투입되는 탄산수소나트륨이 이산화탄소(CO2)와 수분(H2O)로 기화하여 탄산나트륨(Na2CO3)으로 변화되면서 질량이 25 내지 30% 감소되어, 반건식에서 사용하는 소석회에 비해 배출되는 비산회(flyash)의 배출량이 현저히 감소하므로, 현재 지정폐기물로 지정된 비산회 배출을 줄일 수 있어 환경보호에 기여할 수 있고, 또한 지정폐기물 처리 비용도 절약할 수 있다는 것이다.
반건식 반응탑에서 사용하는 소석회는 10초 이상의 반응시간이 필요하여 별도의 반응탑이 있어야 하나, 본 고안에서 사용하는 탄산수소나트륨은 반응성이 좋아 2초 정도의 반응시간이면 충분하며, 이로 인하여 설비 덕트(duct)에 주입하여 산성 유해가스와 반응시켜도 높은 제거효율을 얻을 수 있으므로, 설비의 설치부지를 최소화할 수 있고, 간단한 개조만으로도 기존에 운영되는 설비를 적용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 탄산수소나트륨은 식용으로도 사용되는 물질이므로 현장에서 운영하는 운전자들도 안전한 조업을 실시할 수 있으며, 장시간 노출되어도 신체에 무해하므로 보건 안전성이 매우 뛰어난 장점도 있다.
더욱이, 최종 산출물에 포함된 중금속과 유기화합물을 분리할 수 있는데, 이러한 설비를 보완할 경우 최종 산출물을 재활용하여 쓸 수도 있어, 매립지로 버려지는 최종 산출물(flyash)의 양을 더욱 줄일 수 있고 자원 재활용의 취지에도 적합하다.
이하 첨부도면을 참조하여 본 고안을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 고안의 일 실시예에 따른 산성 유해가스 제거장치의 개략도로서, 상기 장치는 소각로(10), 폐열보일러(20), 정전기필터(30), 접촉반응기(40), 백필터(50), 연돌(60), 탄산수소나트륨 사일로(70), 밀(71)로 구성되어 있다.
상기 처리설비에 의한 연소가스의 처리과정은 다음과 같다. 산성 유해가스는 소각로(10)에서 발생하여 폐열보일러(20)와 정전기필터(30)를 거쳐 접촉반응기(40)에 유입된다. 탄산수소나트륨은 저장조인 사일로(70)에 보관되고 밀(71)과 같은 분쇄기에 의해 최적의 미립 입자크기로 분쇄된다. 이 과정을 거친 탄산수소나트륨 분말은 전기집진기인 정전기필터(30)와 여과집진기인 백필터(50) 사이에 설치되는 접촉반응기(40)에 주입된다. 여기서 산성 유해가스의 중화반응이 아래의 반응식 3과 같이 일어나게 되며, 그 최소온도는 140℃ 내지 200℃이다.
HCl + NaHCO3 → NaCl + H2O + CO2 (HCl Removal)
2NaHCO3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O + CO2 (SO3 Plume Removal)
2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O
Na2CO3 + SO2 → (1/2O2) → Na2SO4 + CO2 (SO2 Removal)
중화과정에서 형성된 반응 생성물들은 여과집진기(50)에 흡입되며, 어느 정도의 두께가 되었을 때 반응 생성물들의 침전물들은 필터 백으로부터 탈락되어 여과집진기(50) 하부에 모이게 된다. 백필터(50) 호퍼로 떨어진 비산회는 하부에 설치된 컨베이어와 로타리 밸브를 통해 배출된다. 처리된 연소가스는 연돌(60)을 통하여 대기중으로 배출된다.
도 2는 도 1의 제거장치에 대한 물질수지를 나타낸 것으로, 소각로(10)에서 1 ton의 폐기물을 소각했을 때, 200 내지 300 ㎏의 슬래그(slag)가 발생하며, 폐열보일러(20)를 통과한 연소가스는 HCl 6 내지 7 ㎏, SO2 1 내지 1.5 ㎏ 그리고 중금속과 유기화합물(다이옥신, 퓨란)을 포함하는 비산회(flyash) 20 내지 30 ㎏을 각각 생성한다.
이 산성 연소가스에 25 내지 30 ㎏의 탄산수소나트륨(BICA)과 더불어 0.25 내지 1 ㎏의 활성탄(AC)을 주입시키면, 0.25 내지 1 ㎏의 중금속, 다이옥신, 퓨란을 흡착 제거하고, 18 내지 21 ㎏의 최종 산출물이 여과집진기(50)의 하부에 건조상태로 수집된다. 이 프로세스를 거친 연소가스는 엄격한 배출기준 이하로 대기 방출된다.
이때 중화반응은 별도의 접촉반응기(40)없이 정전기필터(30)와 백필터(50)를 연결하는 덕트에서 이루어질 수 있다.
도 3은 본 고안의 다른 실시예에 따른 산성 유해가스 제거장치의 개략도로서, 상기 장치는 소각로(10), 폐열보일러(20), 백필터(50), 연돌(60), 탄산수소나트륨 사일로(70), 활성탄 사일로(80), 사이클론(90), 냉각탑(100)으로 구성되어 있다.
상기 장치는 탄산수소나트륨을 적용한 연소가스 처리설비의 실례로서, 산업 폐기물 소각시 발생하는 연소가스 중에 포함되어 있는 황산화물, 질소산화물, 더스트, 다이옥신을 제거하기 위해 설치된 연소가스 처리설비이다.
도 4는 도 3의 제거장치에 대한 공정도로서, 이 처리설비에 의한 연소가스의 처리과정도 도 1의 제거장치를 사용한 경우와 유사하다.
탄산수소나트륨을 사용하기 위해서는 선행되어야 할 운전조건이 있는데, 이는 아래와 같이 5가지로 요약할 수 있다. 즉, 탄산수소나트륨이 연소가스 중 산성 유해가스와 반응하기 위해서는 최적의 입자 사이즈와 반응시간, 온도 등을 고려해야 한다.
첫째, 탄산수소나트륨은 반드시 최적의 입자사이즈로 분쇄되어야 한다. 알맞은 입자크기를 위해서 탄산수소나트륨을 연소가스 처리설비로 주입하기 전에 밀(71)이라는 분쇄기를 통해 분쇄한다. 탄산수소나트륨의 적절한 입자크기는 10 내지 20 ㎛, 바람직하게는 15 ㎛이다. 탄산수소나트륨의 소비량은 성분이나 사용되는 백필터(50)의 유형에 따라 다르나, 산업 쓰레기 1 ton 당 일반적으로 25 내지 30 ㎏이 소비된다.
둘째, 탄산수소나트륨은 적어도 2초 동안 산성 유해가스와 접촉해야 한다. 미세하게 분쇄된 탄산수소나트륨 입자는 여과집진기(50) 전단에서 활성탄과 같이 주입되며, 연소가스 내 산성 유해가스와 반응하기 위해서 최소 2초 동안의 반응시간이 필요하다. 이는 연소가스가 여과집진기(50)에 도달하기 전 덕트 길이를 결정하는 요소가 된다.
셋째, 적합한 중화반응을 위해서는 연소가스 온도가 140℃ 이상이어야 한다. 즉, 중화반응이 일어나는 온도가 140℃ 이상이 되어야 한다. 중화반응을 위한 적절한 온도는 140 내지 200℃이다.
넷째, 최종 탈진은 여과집진기(50)에서 행해져야 한다.
다섯째, 탄산수소나트륨의 주입위치에 활성탄을 주입(㎥당 100 ㎎)하여 중금속, 다이옥신, 퓨란을 제거할 수 있다.
상기와 같은 최적의 반응 및 운전조건이 만족되었을 때, HCl(99%) 뿐만 아니라 SOx(95%)도 높은 제거효율을 얻을 수 있다.
연돌(60)에 설치된 HCl/SOx 분석기(61)를 통해서 배출되는 HCl/SOx의 배출량에 따라 정량호퍼(72) 및 정량공급기(73)를 통해서 탄산수소나트륨의 공급량을 조절하여 최적의 반응성과 설비의 안정성을 만족하도록 설계 반영한다.
상기 정량호퍼(72)는 연돌(60)에서 측정되는 HCl/SOx의 농도에 따라 탄산수소나트륨을 정량하여 정량공급기(73)으로 공급하며, 밀(71)을 통해 최적의 입자크기로 분쇄된 탄산수소나트륨은 공급팬(74)에 의해 백필터(50) 설비로 공급되며, 백필터(50) 전단에서 공급노즐(75)을 통해 연소가스 내로 주입 및 혼합되어 연소가스 내의 유해 산성가스와 반응하게 된다.
도 4의 A 부분과 같이 공급노즐(75)을 통하여 여과집진기(50) 전단 덕트 내에 주입된 탄산수소나트륨과 활성탄은 B 부분과 같이 여과집진기(50)에서 탄산수소나트륨/활성탄 여과층을 만들어 각각 타켓 유해물질 등과 흡착제거 반응을 하며, 이때 생성되는 최종 반응물은 여과집진기 호퍼를 통해 외부로 배출되며, 이는 재활용되어 산업 원자재로도 사용될 수 있다.
도 5는 본 고안에 따른 탄산수소나트륨 공급장치의 상세도로서, 상기 공급장치는 탄산수소나트륨을 저장하는 사일로(70)와, 상기 사일로(70)의 하단에 설치되어 산성 유해가스의 농도에 따라 탄산수소나트륨의 공급량을 조절하는 정량호퍼(72) 및 정량공급기(73)와, 상기 정량공급기(73)의 하단에 설치되어 탄산수소나트륨을 10 내지 20 ㎛의 입자크기로 미분쇄시키는 밀(71)과, 상기 밀과 연결되어 미분쇄된 탄산수소나트륨을 백필터의 전단에 공급하는 공급팬(74)으로 구성되어 있다.
상기 탄산수소나트륨 공급장치는 백필터 전단에 설치되는 것이 바람직하지만, ESP(Electrostatic Precipitator), 탈황설비, 사이클론 전단에 설치될 수도 있다.
도 6은 NaHCO3/HCl의 양론비에 따른 HCl의 제거율을 나타낸 그래프이고, 도 7은 NaHCO3/SO2의 양론비에 따른 SO2의 제거율을 나타낸 그래프로서, 탄산수소나트륨/산성 유해가스의 반응 양론비(몰비)가 증가할수록 제거율도 증가함을 알 수 있다. 양론비가 1 정도되면 높은 제거율을 달성할 수 있고, 양론비 1.5에서 각각 최대 제거율인 99% 및 95%에 도달하며, 그 이상에서는 양론비가 증가하여도 제거율은 더이상 증가하지 않는다.
본 고안에 따른 산성 유해가스의 제거장치는 종래의 건식법을 보완한 것으로, 산성 유해가스의 제거효율도 우수할 뿐만 아니라, 설비가 간단하고 페수발생이 없으며 비산회의 배출량도 감소하여 지정폐기물인 비산회 처리비용의 감소에 따라 운영비도 절감된다.
도 1은 본 고안의 일 실시예에 따른 산성 유해가스 제거장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 제거장치에 대한 물질수지를 나타낸 것이다.
도 3은 본 고안의 다른 실시예에 따른 산성 유해가스 제거장치의 개략도이다.
도 4는 도 3의 제거장치에 대한 공정도이다.
도 5는 본 고안에 따른 탄산수소나트륨 공급장치의 상세도이다.
도 6은 NaHCO3/HCl의 양론비에 따른 HCl의 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 NaHCO3/SO2의 양론비에 따른 SO2의 제거율을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 소각로 20: 폐열보일러
30: 정전기필터 40: 접촉반응기
50: 백필터(여과집진기) 60: 연돌
61: HCl/SOx 분석기 70: 탄산수소나트륨 사일로
71: 밀 72: 정량호퍼
73: 정량공급기 74: 공급팬
75: 공급노즐 80: 활성탄 사일로
90: 사이클론 100: 냉각탑

Claims (2)

  1. 소각로 및 백필터(bag filter)를 포함하는 통상의 산성 유해가스 제거장치에 있어서, 상기 백필터의 전단에 설치되는 탄산수소나트륨 공급장치 및 활성탄 공급장치를 포함하는 산성 유해가스의 제거장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄산수소나트륨 공급장치는 탄산수소나트륨을 저장하는 사일로와, 상기 사일로의 하단에 설치되어 산성 유해가스의 농도에 따라 탄산수소나트륨의 공급량을 조절하는 정량호퍼 및 정량공급기와, 상기 정량공급기의 하단에 설치되어 탄산수소나트륨을 10 내지 20 ㎛의 입자크기로 미분쇄시키는 밀(mill)과, 상기 밀과 연결되어 미분쇄된 탄산수소나트륨을 백필터의 전단에 공급하는 공급팬을 구비하는 것을 특징으로 하는 산성 유해가스의 제거장치.
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