KR20090057494A

KR20090057494A - 배기가스의 처리방법 및 장치

Info

Publication number: KR20090057494A
Application number: KR1020070124095A
Authority: KR
Inventors: 진강석; 최방기; 강기현; 전양석; 이동휘; 권계현
Original assignee: 진강석
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2009-06-08

Abstract

본 발명은 폐기물 소각로, 화력발전소 보일러, 스테인리스 산세공정, 귀금속 용해공정 및 기타 질산, 황산, 염산 등을 사용하는 화학공정 등에서 발생하는 NO_x, SO_x, Cl₂ 및 중금속 등을 효과적으로 제거하기 위한 방법과 그 처리장치에 관한 것이다.

복합배기가스의 정화처리방법은 요소 수를 이용한 암모니아(NH₃)에 의한 NO_x의 환원반응과 염소가스(Cl₂)와의 화학반응에 의한 염화암모늄과 같은 안정한 화합물의 생성 등으로 NO_x, 염소가스(Cl₂)를 제거하고 SO_x 및 중금속 등은 활성탄을 사용하여 흡착제거하는 방법을 채택하였다. 제거장치로는 원통형의 반응탑을 사용하여 원통내부에 폴리에틸렌(PE)이나 폴리프로필렌(PP) 등으로 제조한 튜브형태의 충전재와 입상의 활성탄을 채우고 반응탑의 하부로부터 배기가스를 도입하여 충전재와 활성탄 층을 통과하여 상부로 배출되도록 하며 상부로부터는 요소 수를 노즐을 통하여 미세하게 분사시켜 하부로 흐르게 하여 배출 수는 다시 정제 또는 농도조정 등을 통하여 재순환시키는 시스템으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하였다.

복합배기가스, 요소 수, 입상 활성탄, 충전재, SCR(Selective Catalytic Reduction)

Description

배기가스의 처리방법 및 장치{Method and apparatus for treatment of flue gas}

본 발명은 폐기물 소각로, 화력발전소 보일러, 스테인리스 산세공정, 귀금속 용해공정 및 기타 질산, 황산, 염산 등을 사용하는 화학공정 등에서 발생하는 NO_x, SO_x, 염소가스(Cl₂) 및 중금속 등을 효과적으로 제거하기 위한 방법과 그 처리장치에 관한 것이다.

종래의 배기가스 중에 함유되는 질소산화물을 제거하기 위한 방법으로는 과산화수소를 사용하는 방법[문헌 1], 가성소다를 사용하는 방법[문헌 2], 아황산소다(sulfite, bisulfite)를 사용하는 방법[문헌 3], 과산화수소와 가성소다를 병용하는 방법[문헌 4], 질소산화물을 선택적으로 환원시켜 제거하는 SCR(Selective Catalytic Reduction)법에서 환원제로 암모니아를 사용하는 방법[문헌 5] 등 여러 가지 방법과 장치가 개발되어 왔다. 그러나 과산화수소나 가성소다, 아황산소다 등을 사용하는 방법은 약품 비용 및 폐수처리 비용이 과다하게 소요되며 시설 및 운영비용이 높은 단점이 있다. SCR법에서 암모니아를 사용하는 방법이 효과적이기는 하나 암모니아의 취급이 용이하지 않아 최근에는 요소를 물에 용해하여 암모니아를 발생시켜 사용하는 방법도 알려져 있다.[문헌 5] 이 방법에 있어서도 요소 수의 가수분해 반응의 효율 향상을 위해서는 기화기 내의 온도를 90∼100℃로 유지하여야 하는 단점이 있다. 또한 요소 수만으로는 복합가스 및 중금속 등을 처리하기 어려우므로 경제적이고 효율적인 배기가스의 처리방법 및 시스템 개발이 필요하다.

[문헌 1] WO2005/113116

[문헌 2] WO2007/075485

[문헌 3] US 6,126,910

[문헌 4] US 5,637,282

[문헌 5] JP 2002-295245

따라서 본 발명에서는 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 화력발전소의 배출가스 혹은 산 종류를 많이 사용하는 화학공장(스테인리스 산세공정, 귀금속 용해공정)에서 발생하는 복합 배기가스(NO_x, SO_x, Cl₂ 등) 및 중금속 등을 효과적으로 제거하는 방법과 그 장치를 개발하고자 시도한 것이다.

상기한 화력발전소의 배출가스 혹은 산 종류를 많이 사용하는 화학공장(스테인리스 산세공정, 귀금속 용해공정)에서 발생하는 가스는 그 발생량이 비교적 많은 량으로 디젤엔진의 배출가스 중의 NO_x, SO_x 등을 제거하기 위한 촉매처리 반응만으로는 충분한 효과를 기대할 수 없어 별도의 화학반응을 수반하는 배출가스 처리공정이 필요하다. 따라서 본 발명에서는 암모니아에 의한 NO_x의 환원반응과 염소가스(Cl₂)와의 화학반응에 의한 염화암모늄과 같은 안정한 화합물의 생성 등으로 NO_x, 염소가스(Cl₂)를 제거하고 SO_x 및 중금속 등은 활성탄을 사용하여 흡착제거하는 방법을 채택하였다. 제거장치로는 원통형의 반응탑을 사용하여 원통내부에 폴리에틸렌(PE)이나 폴리프로필렌(PP) 등으로 제조한 튜브형태의 충전재와 입상의 활성탄을 채우고, 반응탑의 하부로부터 배기가스를 도입하여 충전재와 활성탄 층을 통과, 상부로 배출되도록 한다. 그리고 상부로부터는 요소 수를 노즐을 통하여 미세하게 분 사시켜 하부로 흐르게 하여 표면적이 큰 충전재에 접촉시켜서 충분히 젖도록 한다. 하부로부터 유입되는 NO_x나 염소가스(Cl₂)는 충전재 표면에 묻은 요소 수, 즉 요소와 물이 반응하여 생성된 암모니아가스(NH₃)와 반응을 하여 질소가스로 환원되어서 상부로 배출되고, 염소가스(Cl₂)는 암모니아수와 반응하여 염화암모늄염이 생성되어 하부로 흘러내려 저장탱크에 저장된다.

예를 들어 왕수(질산+염산)를 사용하여 귀금속을 용해하는 공정에서 발생하는 가스는 다음식과 같이 염소가스(Cl₂)와 NO_x 가스가 발생한다.

HNO₃ + 2HCl → HNO₂ + Cl₂ + H₂O (1)

2HNO₂ → NO + NO₂ + H₂O (2)

따라서 요소 수에 의한 NO_x와 염소가스(Cl₂)와의 반응은 다음의 가수분해 반응식과 암모니아 가스에 의한 질소산화물(NO_x)의 환원 및 염소가스(Cl₂)의 중화 반응식은 다음과 같다.

(NH₂)₂CO + H₂O → 2NH₃ + CO₂↑ (3)

NO + NO₂ + 2NH₃ → 2N₂↑ + 3H₂O (4)

Cl₂ + 2NH₄OH → 2NH₄Cl + H₂O₂ (5)

한편 저장 탱크내의 배출수 중의 염화암모늄염은 농축, 침전시켜 제거하고 요소 수의 농도를 다시 조절하고 재순환시키는 공정을 반복하여 상기한 배출가스를 정화하는 것을 특징으로 하는 가스정화방법과 그 장치를 개발하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.

본 발명은 요소 수의 사용에 있어서 발생하는 암모니아 가스를 NO_x의 환원반응 및 염소가스(Cl₂)의 중화반응에 이용함으로써 귀금속 용해에 사용되는 왕수의 증발 등에서 발생하는 NO_x와 염소가스(Cl₂)를 동시에 제거할 수 있는 장점이 있고, 반응탑 내의 충전재는 내산 및 내알칼리성 재료인 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등을 이용함으로써 사용수명을 연장할 수 있으며, 한편 입상 활성탄은 SO_x 및 중금속을 효과적으로 흡착제거함으로써 복합 배출가스를 발생하는 공정에 효과적인 활용이 가능하다.

본 발명의 구체적인 내용을 도 1을 참조하여 설명하고자 한다. 도 1은 본 발명의 복합배기가스 처리장치의 구조를 나타낸 것으로 내산 및 내열성이 강한 플라스틱 제품의 원통형의 반응탑을 직경에 대한 높이 비율이 1 : 10∼20되게 구성하고 반응 탑(①) 내에는 두 구획으로 구분하여 상부에 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 수지 제품의 튜브 충전재(④)를 하부에 입상 활성탄(⑤)을 채우고 충전재 상부에 용액을 분사할 수 있는 노즐(⑨)을 장착하고 하부에는 배기가스의 송입구(⑥)와 배출수의 배출구(⑦)를 별도로 설치한다. 배출 수는 일차 저장탱크(②)에 저장한 후 침전물 등의 고형분을 여과하여 2차 저장탱크(③)로 보내어 이곳에서 다시 농도 조정 등을 통하여 반응 탑 상부의 분사 노즐로 펌핑하는 시스템으로 구성되어 있다. 복합배기가스의 처리공정을 살펴보면 다음과 같다.

먼저 2차 저장탱크에서 요소 20∼30중량%의 요소 수를 제조하여 송액 펌프로 반응탑의 상부로부터 노즐을 통하여 분사시키고 동시에 배기가스는 불로어로 반응탑의 하부에서 상부를 향하여 송풍한다. 복합배기가스가 하부의 활성탄 층을 통과할 때에는 SO_x와 중금속이 흡착되고 상부의 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)재의 충전층을 통과할 때에는 노즐에서 분사된 요소 수가 충전재의 표면에서 물과 반응하여 생성된 암모니아(NH₃)와 탄산가스(CO₂)가 하부에서 상승하는 NO_x, 염소가스(Cl₂)와 반응하여 질소 혹은 염화암모늄을 생성하여 배기가스를 정화시킨다. 그 반응식은 상기한 반응식 3∼5와 같다.

다음 실시예를 통하여 실제 귀금속 용해공정에서 발생하는 NO_x 및 염소가스(Cl₂)의 처리결과를 살펴보기로 한다.

실시예 1

표 1은 도 1의 반응탑의 크기를 직경 1m, 높이 16m로 제작한 장치를 사용하여 NO_x와 염소가스(Cl₂)의 정화처리 실험을 수행한 결과를 나타낸 것이다. 이 표에서 보고 알 수 있는 바와 같이 NO_x의 경우 배기가스 입구 측의 농도가 750∼300ppm으로 변화시켜 가면서 실험하였을 경우 출구 측의 NO_x농도는 10∼30ppm정도로 그 제거효율이 약 98%정도이고 염소가스(Cl₂)의 경우에는 입구 측의 농도가 120∼400ppm 범위에서 출구 측의 농도는 약 1∼3ppm정도로 그 제거효율이 약 99% 이상임을 알 수 있다.

NO_x, Cl₂ (ppm)				처리효율(%)
입구		출구		처리효율(%)
NO_x	Cl₂	NO_x	Cl₂	NO_x	Cl₂
750	120	10	1.0	98.6	99.1
960	250	15	1.3	98.4	99.5
1200	300	20	1.5	98.3	99.5
2500	350	25	2.0	99.0	99.4
3200	400	30	3.0	99.0	99.2

※ NO_x와 Cl₂가스의 정화처리 실험

본 발명에 의한 복합배기가스의 정화방법 및 장치는 석탄을 연료로 사용하는 화력발전소에서 배출되는 NO_x가스와 산 종류를 사용하는 스텐인레스 산세공정, 귀금속의 산에 의한 용해공정 등에서 발생하는 NO_x, SO_x, Cl₂ 가스 및 중금속 등을 효과적으로 정화하는데 활용이 가능하며 특히 NO_x 및 염소가스(Cl₂ )의 정화에 효과적으로 배기가스에 의한 산성비 등에 의한 환경공해를 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.

본 발명에 따른 반응탑 및 배기가스 처리 시스템을 도시한 도면.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

① 반응탑

② 1차 저장탱크

③ 2차 저장탱크

④ 충전재

⑤ 활성탄

⑥ 배기가스 흡입구

⑦ 가스정화액 배출구

⑧ 히터

⑨ 요소 수 분사노즐

ⓑ 블로어

ⓟ 펌프

Claims

NO_x, SO_x, Cl₂ 가스 및 중금속 등을 함유하는 복합배기가스의 정화처리를 위하여 요소 수와 입상 활성탄을 사용하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리방법.
청구항 1의 요소 수는 요소 함량이 20∼30중량%인 수용액이고 입상 활성탄은 그 입자크기가 2∼10㎜인 입상 활성탄인 것을 특징으로 하는 배기가스 처리방법.
청구항 1의 배기가스처리를 수행하기 위한 장치는 도1과 같은 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리장치.
청구항 3의 처리장치에 있어서 반응탑의 재질은 내산 및 내열성을 가진 플라스틱 제품으로 직경과 높이의 비율이 1 : 10∼20이고 전체길이를 두 구획으로 구분하여 상부에 충전재를 하부에 입상 활성탄을 장입하는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치.
청구항 4의 충전재의 재질은 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리플로피렌(PP) 등의 수지제품으로 직경이 1∼2㎝, 길이가 2∼4㎝인 원통형 튜브이고 그 표면에 2∼5㎜의 구멍이 여러 개 뚫린 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치.