KR20090067969A - 펄스 코로나 방전을 이용한 배가스중 수은 제거 방법 - Google Patents

펄스 코로나 방전을 이용한 배가스중 수은 제거 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펄스 코로나 방전을 이용한 배가스중 수은 제거 방법에 관한 것으로, 펄스코로나 방전용 플라즈마 발생 기능을 갖는 변형된 전기집진기를 설치하는 단계; 원소 수은이 함유된 배가스를 상기 전기집진기내의 플라즈마 반응기에 통과시키면서 전압을 인가하여 반응시켜 O, O3, Cl, Cl2 및 HOCl을 생성하고 이들은 원소 수은의 산화를 촉진하여 원소 수은으로부터 산화 형태의 수은을 생성하는 단계; 및 상기 배가스로부터 산화 수은을 제거하는 단계를 포함하는 펄스 코로나 방전을 이용한 배가스중 수은 제거 방법이 제공된다.
본 발명의 방법에 따르면, 배가스에 포함된 O2 및 HCl을 펄스코로나 방전용 플라즈마 발생 기능을 갖는 변형된 전기집진기를 이용하여 원소 수은을 효과적으로 산화시킬 수 있는 산화제를 생성함으로써 배가스에 포함된 미량의 수은을 효율적으로 제거할 수 있다.
무성방전, 원소 수은, 산화 수은, 오존, 염화 수소

Description

펄스 코로나 방전을 이용한 배가스중 수은 제거 방법{Removal method of mercury contained in emission gas by pulse corona discharge}
본 발명은 무성방전을 이용한 배가스중 수은 제거 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기집진기에 펄스코로나 방전용 플라즈마 반응기를 설치하여 원소 수은을 수용성인 산화 수은으로 효과적으로 산화시킬 수 있는 산화제를 생성함으로써 배가스에 포함된 수은을 제거하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 수은은 자연계에서 다른 금속과 합금(아말감) 형태로 존재하거나 황과 반응한 형태인 HgS로 존재하여 무해하다. 그러나, 각종 연소 과정-제강공정, 소결공정, 석탄화력발전, 소각공정-에서 고온에 의해 원소 수은으로 환원된다. 원료에 포함된 염소와 황 조성, 그리고 연소 온도에 따라 수은의 형태는 원소 수은, 산화 수은, 입자 수은으로 존재한다. 이 중에서 원소수은은 산화 수은 또는 입자수은에 비해 거의 반응성이 없어서 제거하기가 매우 어렵다.
종래 미국특허 제 6,576,092 B2는 254nm 파장의 자외선을 직접 수은을 포함 하고 있는 배가스에 조사하여 원소 수은을 HgO로 산화시켜 제거하는 공정이다. 아래와 같이 수은은 253.7nm의 자외선을 흡수하면 수은의 최외각 전자가 여기된다. 이렇게 생성된 여기 수은은 주위의 산소와 반응하여 오존을 생성한다. 생성된 오존은 수은과 반응하여 산화수은을 생성시킨다.
Hg 6(1S0) + hv (253.7 nm) → Hg 6(3P1) (1)
Hg 6(3P1) + O2 → Hg 6(3S0) + O2* (2)
O2* + O2 → O3 + O (3)
Hg 6(1S0) + O3 → HgO + O2 (4)
2HgO (gas) + Ash (or SO2) → Ash-HgO or HgSO4 (5)
즉, 종래의 특허에서는 원소수은을 산화시키기 위하여 254nm 파장을 이용하여 O3를 생성시키는 것이 핵심이다. 또한 배가스 중에 존재하는 수분, HCl, SOx, NOx와 반응하여 HgO, Hg2SO4, HgSO4, HgCl2, Hg2Cl2, HgCl23HgO와 같은 성분들로 전환 시키고 후단에 집진기를 설치하여 생성된 수은 산화물을 제거한다. 그러나 배가스는 많은 분진과 여러 가지 화합물들을 포함하고 있으며 반면에 수은은 극히 미량(1ppm 이하)으로 존재하므로 254nm파장을 흡수하기가 어렵다. 또한 254nm를 발 생시키기 위해 사용되는 전력은 발전량의 1%이하가 사용된다고는 하나 전력비용 또한 만만치 않다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 연소과정에서 생성된 분진을 제거하는 목적으로 설치되어 있는 전기집진기에 펄스코로나 방전용 플라즈마 반응기를 설치하여 배가스내 원소 수은을 효과적으로 산화시킬 수 있는 산화제를 생성함으로써 배가스에 포함된 미량의 수은을 경제적으로 제거하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 견지에 의하면, 펄스코로나 방전용 플라즈마 발생 기능을 갖는 변형된 전기집진기를 설치하는 단계; 원소 수은이 함유된 배가스를 상기 전기집진기내의 플라즈마 반응기에 통과시키면서 전압을 인가하여 반응시켜 O, O3, Cl, Cl2 및 HOCl을 생성하고 이들은 원소 수은의 산화를 촉진하여 원소 수은으로부터 산화 형태의 수은을 생성하는 단계; 및 상기 배가스로부터 산화 수은을 제거하는 단계를 포함하는 펄스 코로나 방전을 이용한 배가스중 수은 제거 방법이 제공된다.
본 발명의 방법에 따르면, 배가스에 포함된 O2 및 HCl을 펄스코로나 방전용 플라즈마 발생 기능을 갖는 변형된 전기집진기를 이용하여 원소 수은을 효과적으로 산화시킬 수 있는 산화제를 생성함으로써 배가스에 포함된 미량의 수은을 효율적으로 제거할 수 있다.
본 발명자는 반응성이 매우 낮아 제거하기 어려운 각종 산업에서 발생되는 원소 수은을 효율적으로 제거하기 위해, 펄스코로나 방전용 플라즈마 발생 기능을 갖는 변형된 전기집진기로 원소수은을 산화수은으로 산화시키는 방법을 적용한 결과, 배가스에 포함된 미량의 수은을 효율적으로 제거할 수 있음을 예기치 않게 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
상기와 같은 제반 문제점을 감안하여 이를 해소하고자 펄스코로나 방전용 플라즈마 발생 기능을 갖는 변형된 전기집진기로 원소수은을 산화수은으로 산화시키는 방법이 적용된다. 특히, 배가스에 HCl와 O2가 존재하는 경우에 O3 뿐만 아니라 더욱더 효과적으로 원소수은을 산화시킬 수 있는 Cl, Cl2, HOCl 및 O가 충분히 생성되므로 종래의 기술에 비해 효과적으로 원소수은을 산화수은으로 전환시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 원소수은이 산화수은으로 전환되면 용해도가 하기 표 1과 같이 매우 증가되므로 원소 수은을 보다 경제적으로 제거할 수 있다.
[표 1] 원소 수은 및 산화 수은의 용해도
특성 Hg HgO HgCl2
수용해도(㎍/l) @ 20℃, 1atm 20 69,000,000 53,000 @ 25℃
배가스에 함유된 원소 수은을 산화 수은으로 산화시킬 수 있는 강력한 산화제를 생성시키기 위해 배가스를 펄스코로나 방전용 플라즈마 발생 기능을 갖는 변형된 전기집진기에 통과시키면서 교류 고전압을 인가한다. 도 1에 본 발명에 따라 펄스코로나 방전용 플라즈마 발생 기능을 갖는 변형된 전기집진기를 이용한 배가스의 원소 수은을 제거하는 장치의 적용예를 보여주는 개략도를 나타내었다. 여기에 사용되는 교류 고전압은 일반적으로 공급되는 주파수인 60Hz에서 부터 KHz, MHz 및 GHz까지 모든 주파수를 사용할 수 있다. 펄스코로나 방전용 플라즈마 발생 기능을 갖는 변형된 전기집진기를 통과시키면서 교류 고전압을 인가하면 원소수은을 산화시킬 수 있는 강력한 산화제인 O, O3, Cl, Cl2 및 HOCl이 생성된다. 이렇게 생성된 산화제는 원소수은과 반응하여 HgO 및 HgCl2를 생성시킨다. 다음은 여기에서 일어나는 반응을 반응식으로 나타내었다.
Hg0 + O → HgO (6)
Hg0 + O3 → HgO + O2 (7)
Hg0 + Cl + M → HgCl + M (8)
HOCl + Hg0 → HgCl + OH (9)
HOCl + Hg0 → HgO + HCl (10)
Hg0 + Cl2 → HgCl + Cl (11)
HgCl + Cl → HgCl2 (12)
HgCl + Cl2 → HgCl2 + Cl (13)
HgCl + HOCl → HgCl2 + OH (14)
상기 배가스중에 O2 및 HCl가 존재하지 않거나 O, O3, Cl, Cl2 및 HOCl이 생성되기에 불충분한 양으로 존재하는 경우에는 상기 무성방전 반응기에 O2 및 HCl을 투입하여 반응시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 사용가능한 펄스코로나 방전용 플라즈마 발생 기능을 갖는 변형된 전기집진기는 이에 한정하는 것은 아니나, 전기집진기의 방전극이 원형의 금속봉으로 이루어지며 방전극에 양극의 고전압이 인가되도록 고전압 발생기가 연결된 것을 포함한다. 도 2에 본 발명에 사용가능한 펄스코로나 방전용 플라즈마 발생 기능을 갖는 변형된 전기집진기의 일 예를 나타내었다. 도 2에 나타낸 변형된 전기집진기 는 기존 방전극과 달리 방전극(36)이 단순한 원형의 금속 봉(wire)이며, 방전극에 양극의 고전압이 인가되며 집진극(34)은 접지이다.
이렇게 산화 형태로 전환된 산화 수은은 집진기, 습식 스크러버 또는 습식 탈황설비로 쉽게 제거될 수 있다. 일 구현으로, 무성방전 반응기 후단에 집진기 또는 습식 스크러버를 설치하여 산화 수은을 제거할 수 있다. 이러한 산화 수은의 제거는 당업자라면 알려진 기술에 의해 쉽게 수행될 수 있을 것이다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
<실시예 1>
도 2에 나타낸 바와 같은 펄스코로나 방전용 플라즈마 발생 기능을 갖는 변형된 전기집진기에 원소 수은 45㎍/㎥, NO 100ppm 및 SO2 200ppm이 함유된 배가스를 주입하고, HCl의 농도를 변화시키면서(0, 20, 80, 120ppm) 가스 온도 90℃의 조건에서 에너지 밀도(energy density)를 변화시키면서 원소 수은 농도 변화를 측정하였다. 에너지 밀도는 하기 식에 의해 계산되었다.
에너지 밀도(J·L-1) = (소비 전력(J·s-1))/(가스 흐름 속도(L·min-1)) × 60(s·min-1)
한편, 본 실험에서 펄스코로나 방전을 발생시키기위해 플라즈마 반응기에 인가된 전류 및 전압 파형을 도 3에 나타내었다.
그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, HCl 120ppm의 조건에서 약 85%의 원소 수은 제거효율을 얻었다.
도 1은 전기집진기 전단에 설치된 펄스 코로나 방전용 플라즈마 반응기와 전기집진기 및 습식스크러버를 이용한 원소 수은 제거 장치의 적용을 보여주는 개략도,
도 2는 전기집진기를 개조한 플라즈마 반응기의 상부 단면도이며
도 3는 본 발명에서 펄스코로나 방전용 플라즈마 반응기에 인가되는 전류 및 전압파형이며,
도 4는 NO 100ppm, SO2 200ppm과 Hg 45m/m3을 함유하고 있는 배가스에 펄스코로나 방전을 인가할 경우 원소수은이 HCl 농도에 어떻게 의존하는지를 보여주는 도면이다.
　　　　　　　　*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
10: 플라즈마 반응기 (plasma reactor)의 고전압 펄스 발생기(high voltage pulse generator)
12: 전기집진기의 고전압 발생기 (high voltage pulse generator)
14: 플라즈마 반응기 (plasma reactor)
16: 전기집진기 (electrostatic precipitator)
18: HCl 가스 주입기 (HCl gas injector)
20: 습식스크러버 (wet scrubber)
30: 플라즈마 반응기 (plasma reactor)
32: 집진극 고정 막대 (Rod for fixing collector)
34: 집진극 (collector)
36: 방전극 (ionizer)
38: 다공판 (porous plate)

Claims (5)

  1. 펄스코로나 방전용 플라즈마 발생 기능을 갖는 변형된 전기집진기를 설치하는 단계;
    원소 수은이 함유된 배가스를 상기 전기집진기내의 플라즈마 반응기에 통과시키면서 전압을 인가하여 반응시켜 O, O3, Cl, Cl2 및 HOCl을 생성하고 이들은 원소 수은의 산화를 촉진하여 원소 수은으로부터 산화 형태의 수은을 생성하는 단계; 및
    상기 배가스로부터 산화 수은을 제거하는 단계
    를 포함하는 펄스 코로나 방전을 이용한 배가스중 수은 제거 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 변형된 전기집진기는 방전극이 원형의 금속봉으로 이루어지며 방전극에 양극의 고전압이 인가되도록 고전압 발생기가 연결된 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 원소 수은 함유 배가스중에 O2 및 HCl가 존재하지 않는 경우 상기 무성방전 반응기에 O2 및 HCl을 투입하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 산화 형태의 수은은 HgO 및 HgCl2를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 산화 수은은 집진기, 습식 스크러버 또는 습식 탈황설비에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
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