KR20100072618A

KR20100072618A - 폐가스에 포함된 수소와 암모니아를 동시에 또는 단독으로 제거하는 가스 스크러버

Info

Publication number: KR20100072618A
Application number: KR1020080131073A
Authority: KR
Inventors: 오수관; 김봉수; 고준호; 이춘성
Original assignee: 주식회사 코캣
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2010-07-01

Abstract

본 발명은 폐가스의 온도를 500 내지 700℃로 예열하는 프리 히터부(2); 및 상기 프리 히터부(2)에 연결설치되어 프리 히터부(2)로부터 유입된 폐가스를 950 내지 1,150℃로 가열하여 폐가스를 열분해하는 열분해 반응부(4)를 포함하는 가스 스크러버에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 폐가스에 포함된 수소 또는/및 암모니아를 폐수 발생 없이 열분해 처리할 수 있는 효과가 있다.

스크러버, 폐가스, 수소, 암모니아, 동시제거, 열분해, 열교환, 냉각

Description

폐가스에 포함된 수소와 암모니아를 동시에 또는 단독으로 제거하는 가스 스크러버{A Gas Scrubber for Simultaneously Removing Hydrogen or/and Ammonia from Exhausted Gas}

본 발명은 가스 스크러버에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체, LED, LCD 또는/및 태양전지 제조공정시 발생하는 수소, 암모니아, 모노실란 등을 포함하는 폐가스를 열분해 또는/및 습식방식으로 완전히 처리하여 폐수의 발생 없이 무해가스를 대기로 배출시킬 수 있도록 하는 가스 스크러버에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체, LED, LCD 또는/및 태양전지 등은 수소(H₂)기 등의 가스와 모노실란, 디실란 등의 실란(SiH₄)계 가스 및 암모니아(NH₃) 등을 이용하여 고온에서 제조되는 것으로, 이러한 제조공정시 수소기, 실란계 가스 및 암모니아 등이 연소되면서 발생되는 발화성가스와 이에 함유된 유독가스(Toxic gas)등의 폐가스가 대기로 여과없이 배출됨에 따라 인체 및 대기오염에 상당한 악영향을 미치는 문제 점이 대두되는 바, 이와 같은 발화성가스 및 유독가스 등의 폐가스를 처리하기 위하여 종래에는 다양한 형태의 처리방법이 제공되었다.

전술한 처리방법으로서 대표적인 것으로서 건식 또는 습식 스크러버 등을 이용하는 방법이 있으며, 필요에 따라 상기 스크러버의 전/후에 별도의 필터 또는 흡착층 등을 구비시켜 처리효율을 증가시킬 수 있다.

특히, 스크러버의 일례로서 가스 스크러버는 통상적으로 프리웨트(pre-wet), 힛터(heater) 또는 버너(Bunner), 및 메인웨트(main wet)으로 구성되어, 상기 프리웨트에서 물에 잘 녹는 암모니아를 용해시켜 제거하고, 암모니아가 제거된 폐가스를 힛터 또는 버너로 공급하여 폐가스에 포함된 수소 및 실란 등을 열분해 처리한다.

그러나 전술한 가스 스크러버의 경우 프리웨트에서 암모니아가 물에 용해되어 처리되므로 2차적인 오염물인 폐수를 처리하기 위한 별도의 장치 또는 공정을 필요로 하는 문제점이 있다.

한편, 폐가스를 처리하기 위한 다른 일례로서, 버닝방식과 흡착방식을 혼합한 가스 스크러버를 구비한 후 인입관을 통해 버닝장치의 버닝챔버 내부로 배기가스를 토출시키는 단계와 고온의 열(500 내지 800 ℃)을 제공하는 히터 사이로 배기가스를 통과시켜 발화성가스를 연소시키는 단계와, 연소되지 않은 유독가스를 흡착장치로 토출시키는 단계 및 유독가스를 흡착장치의 흡착제로 통과시켜 물리 또는 화학흡착으로 정화시키는 방법이 있으나, 이 또한 흡착장치에 흡착된 유독가스 등을 별도로 처리하여야 하는 문제점이 있다.

이러한 일례로서, 대한민국특허공개 특2003-0064157호에는 활성탄과 분자체를 흡착제로 동시에 사용하여 중/저농도, 저유량으로 발생하는 황화수소 및 암모니아를 동시에 제거하는 소규모 가스 스크러버가 개시되어 있고, 대한민국특허공개 제2004-0070753호에는 반도체 생산 장비에서 배출되는 폐가스를 정화시킨 후 대기로 방출하는 공정에서 베이퍼화되는 유해가스가 배출되는 것을 방지한 반도체 공정용 가스세정장치로서 가스 스크러버가 개시되어 있다.

하지만, 전술한 종래 기술은 폐가스에 포함된 암모니아를 제거하기 위해 물 또는 흡착제를 이용하는 것으로서 추가적인 2차 오염원이 발생하는 것을 방지할 수 없는 문제점이 있다.

이에, 수소 및 암모니아 등을 포함하는 폐가스를 처리하기 위한 방법으로서, 추가적인 별도의 처리공정을 필요로 하지 않는 열분해 방법을 고려할 수 있는바, 이러한 경우 폐가스에 포함된 수소 및 암모니아의 열분해 온도가 중요한 변수가 될 수 있다.

특히, 상기 암모니아의 열분해 온도는 통상 약 1,100 ℃인바, 이러한 열분해온도를 충족시키기 위해 열분해 반응부의 온도는 약 1,100 ℃ 이상으로 유지되어야 한다.

하지만, 현재까지 전술한 바와 같은 고온에서도 견딜 수 있는 반응기를 제조하는 것이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 암모니아와 함께 폐가스에 포함된 수소가 열분해되며 발생하는 고열로 인해 반응기의 온도가 지속적으로 상승하는 경우, 열분해시 발생하는 고온으로 인한 피해 방지할 수 없어 수소와 함께 폐가스에 포함된 암모니아를 직접적으로 열분해처리 하는 것이 적용되지 못하였다.

더욱이, 고열로 유지되는 반응기에서 이루어지는 열분해시 수소로 인하여 급격히 온도가 상승하는 경우, 이를 적절히 제어하지 못하면 장치가 폭발하거나 오작동하여 처리되지 않은 폐가스가 외부로 배출되는 문제를 발생시킬 수 있다.

나아가, 폐가스에 포함된 수소 또는/및 암모니아를 열분해 하는 열분해 반응부의 온도를 암모니아가 열분해 될 수 있는 약 1,100℃ 이상으로 유지시키기 위해서 버너를 사용할 경우, 연소 화염으로부터 발생하는 질소산화물(Thermal NOx) 등이 발생하여 추가적인 대기오염이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 폐가스에 포함된 수소 및 암모니아를 폐수의 발생 없이 동시 또는 단독으로 열분해 처리하고자 하는 것에 해결하고자 하는 과제가 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 폐가스의 온도를 500 내지 700℃로 예열하는 프리 히터부; 및 상기 프리 히터부에 연결설치되어 프리 히터부로부터 유입된 폐가스를 950 내지 1,150℃로 가열하여 폐가스를 열분해하는 열분해 반응부를 포함하는 가스 스크러버를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 하기의 설명은 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 하기 설명에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 가스 스크러버의 구성도, 도 2는 본 발명에 따른 가스 스크러버의 온도조절을 위한 제어장치의 구성도, 도 3은 본 발명에 따른 가스 스크러버의 열분해 반응부를 나타내는 단면도로서 함께 설명한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가스 스크러버는 폐가스의 온도를 500 내지 700℃로 예열하는 프리 히터부(2); 및 상기 프리 히터부(2) 에 연결설치되어 프리 히터부(2)로부터 유입된 폐가스를 950 내지 1,150℃로 가열하여 폐가스를 열분해하는 열분해 반응부(4)로 구성된다.

여기서, 상기 가스 스크러버는 열분해 반응부(4)의 일측에 연결설치되어 열분해 반응부(4)를 통과하며 열분해된 폐가스에 물을 공급하여 폐가스의 온도를 감소시키는 습식 스크러버(6)를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 열분해 반응부(4)의 후단 또는 열분해 반응부(4) 및 습식 스크러버(6) 사이에 폐가스, 바람직하게는 열분해 반응부(4)에서 열분해된 폐가스로부터 열을 회수할 수 있는 열교환수단(18)이 더 구비될 수 있다.

본 발명에 따른 가스 스크러버는 반도체, LED, LCD 또는/및 태양전지 제조공정시 발생하는 수소, 암모니아, 모노실란 등을 포함하는 폐가스를 처리하기 위한 장치라면, 어떠한 장치라도 본 발명의 가스 스크러버에 해당되지만, 바람직하게는 폐가스에 포함된 수소 또는/및 암모니아 등을 각각 단독으로 또는 동시에 열분해하여 처리할 수 있는 장치, 보다 바람직하게는 폐가스에 포함된 수소 또는/및 암모니아 등을 각각 또는 동시에 열분해 처리한 후 습식방식으로 온도를 저감시켜 처리된 가스, 즉 무해한 처리가스를 대기로 배출시킬 수 있도록 구성된 장치를 의미한다.

여기서, 상기 폐가스는 LED, LCD 또는/및 태양전지 제조공정에 따라 수소 또는 암모니아가 단독으로 포함되어 배출되거나 수소 및 암모니아 모두를 포함하는 상태로 배출될 수 있으며, 상기 수소는 열분해 반응부(4)의 열분해시 물로 전환되어 처리되고, 암모니아는 열분해 반응부(4)의 열분해시 공기와 반응하여 물, 질소 및 일부 질산화물로 전환되어 처리된다.

본 발명에 따른 프리 히터부(2)는 수소 또는/및 암모니아를 포함하는 폐가스를 예열, 바람직하게는 500 내지 700℃로 예열하기 위한 것으로서, 이러한 목적을 위해 사용되는 당업계의 통상적인 장치라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 수소 또는/및 암모니아를 포함하는 폐가스의 이동경로를 제공하는 공간을 갖고, 그 일측에 폐가스를 가열할 수 있는 가열수단, 특정적으로 프리히터(14)가 구비되는 것이 좋지만, 추천하기로는 외관을 제공하는 동시에 폐가스가 이동할 수 있는 공간을 제공하는 관로(36); 상기 관로(36)의 일측에 연결설치되어 수소 및 암모니아를 포함하는 폐가스가 유입되는 유입구(10); 및 상기 관로(36)의 내부 중심을 따라 길이방향으로 확장되도록 형성되어 폐가스를 예열하는 프리히터(14)를 포함하도록 구성되는 것이 좋다.

특히, 본 발명에 따른 프리히터(14)는 열분해 반응부(4)의 전단에 연결설치되도록 구성됨으로써, 열분해 반응부(4)에 구비되어 열분해 반응부(4)의 온도를 증가시키는 고온히터(16)의 운전 부하를 감소시켜 주고, 처리대상가스인 폐가스의 유량이 증가한 경우에도 폐가스를 예열시킴으로써 암모니아를 고효율로 제거할 수 있도록 할 수 있다.

더욱이, 본 발명에 따른 프리히터(14)가 구비된 프리 히터부(2)는 열분해 반응부(4)의 전단에 연결설치되어 열분해 반응부(4)로 유입되는 폐가스를 500 내지 700℃로 예열함으로써 폐가스가 프리 히터부(4)를 통과하는 동안 폐가스에 포함된 암모니아의 반응접촉시간을 길게 하여 암모니아의 분해를 용이하게 한다.

이때, 상기 프리 히터부(4)를 통과한 암모니아는 통상적인 암모니아의 열분 해 온도인 1,100 ℃ 보다 낮은 온도, 예를 들면 950 내지 1,150℃의 온도에서도 용이하게 열분해 된다.

본 발명에 따른 열분해 반응부(4)는 수소 또는/및 암모니아를 포함하는 폐가스를 고열, 예를 들면 950℃이상, 바람직하게는 950 내지 1,150℃의 온도로 가열하여 수소 및 암모니아를 별도로 각각 열분해하거나 동시에 열분해하기 위한 것으로서, 이러한 목적을 위한 열분해 반응부라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 상기 프리 히터부(2)에서 예열된 수소 또는/및 암모니아를 포함하는 폐가스가 유입되어 열분해되는 공간을 제공하는 본체(38); 및 상기 본체(38)의 외주면에 연결설치되어 본체(38)에 열을 제공하는 고온히터(16)로 구성된다.

여기서, 상기 본체(38)는 고열, 예를 들면 약 1,150 ℃ 또는 그 이상의 고열에서 견딜 수 있는 재질이라면 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 인코넬 재질을 사용하는 것이 좋다.

또한, 상기 고온히터(16)는 수소 또는/및 암모니아를 열분해 하기 위한 장소를 제공하는 본체(38)의 내부 온도를 950 내지 1,150℃로 가열할 수 있는 당업계의 통상적인 히터라면, 어떠한 것을 사용하여도 무방하다.

한편, 본 발명에 따른 가스 스크러버로 처리하기 위한 폐가스는 반도체, LED, LCD 또는/및 태양전지 제조공정에 따라 불규칙적으로 수소 또는 암모니아가 단독으로 포함될 수도 있지만, 수소와 암모니아가 함께 포함될 수도 있다.

이때, 열분해 반응부(4)로 처리하기 위한 폐가스에 암모니아만이 포함된 경우 열분해 반응부(4)의 온도를 암모니아를 처리할 수 있는 온도 약 1,100℃로 유지 하면 되지만, 상기 암모니아를 처리하기 위해 약 1,100℃로 유지되는 열분해 반응부(4)에 수소를 포함하는 폐가스가 순간적이고 연속적으로 유입될 경우, 수소의 열분해시 발생하는 발열반응에 의해 열분해 반응부(4)의 온도가 1,150℃ 이상으로 급격하게 상승하게 될 수 있다.

그러므로 본 발명은 전술한 문제점을 극복하기 위해 특정 양태로서, 열분해 반응부(4)를 구성하는 본체(38)의 외주면에 상기 본체(38) 내부의 온도가 급격하게 상승하는 것을 방지하기 위해 외주면을 감싸도록 냉각가스관(30) 또는/및 열분해 반응부(4)의 내부에 가스 또는/및 냉각수, 특정적으로 물을 공급할 수 있는 추가적인 냉각장치가 더 구비될 수 있다.

이때, 상기 냉각가스관(30)은 그 내부로 냉각가스, 바람직하게는 불활성 가스인 질소로 이루어진 냉각가스가 흐를 수 있도록 구성된다.

다른 특정 양태로서, 본 발명에 따른 열분해 반응부(4)는 그 일측, 바람직하게는 열분해 반응부(4)를 통과하며 수소 또는/및 암모니아가 열분해된 폐가스가 배출되는 경로에 열교환수단(18)을 더 구비시켜 열분해 반응부(4)를 통과하는 폐가스의 고열을 회수할 수 있다.

이때, 상기 열교환수단(18)은 폐가스로부터 열을 회수할 수 있는 장치라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 당업계에서 통상적으로 사용되는 열교환장치를 사용하는 것이 좋다.

또 다른 특정 양태로서, 본 발명에 따른 열분해 반응부(4)는 폐가스에 포함된 수소가 열분해되며 발생하는 반응열로 인하여 열분해 반응부(4) 내부의 온도가 급격히 상승하는 것을 방지하기 위한 냉각장치로서, 상기 열분해 반응부(4)의 상부 일측에 외부의 가스를 주입하기 위한 가스 주입구(22)가 더 구비될 수 있다.

여기서, 상기 가스 주입구(22)로 유입되는 가스는 필요에 따라 두 개의 흐름으로 나뉘어 열분해 반응부(4)의 일측, 바람직하게는 상단 일측으로 공급될 수 있는바, 임의로 외부의 가스가 이동하는 하나의 경로를 제 1 가스경로(24)라 하면, 다른 하나의 경로를 제 2 가스경로(26)라 지칭할 수 있다.

상기 제 1 가스경로(24)는 가스 주입구(22)로부터 유입된 가스가 직접 열분해 반응부(4)로 제공되도록 구성되고, 상기 제 2 가스경로(26)는 가스 주입구(22)로부터 유입된 가스가 열교환수단(18)을 통과하며 예열된 후 열분해 반응부(4)로 제공되도록 구성할 수 있다.

또한, 상기 제 2 가스경로(26)의 일측에는 냉각수로서 물이 이동하는 물 이동경로(28)를 연결설치하여 제 2 가스경로(26)를 따라 이동하는 가스에 물을 함께 공급함으로써 물이 열분해 반응부(4)에서 분사되며 열분해 반응부(4) 내부의 온도를 감소시킬 수 있도록 구성할 수 있다.

상기 가스 주입구(22)로 유입되는 가스는 열분해 반응부(4)로 공급되어 열분해 반응부(4)의 온도를 감소시킬 수 있는 가스라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 공기를 사용하는 것이 좋다.

한편, 전술한 가스 주입구(22), 제 1 가스경로(24), 제 2 가스경로(26) 및 물 이동경로(28)는 궁극적으로 열분해 반응부(4)에서 열분해 되는 수소로 인하여 열분해 반응부(4)의 온도가 소정 온도, 특정적으로 1,150℃ 이상으로 상승, 특정적 으로 급격하게 상승하는 것을 방지하기 위한 것으로서, 이를 통칭하여 본 발명에서는 냉각장치라 지칭할 수 있다.

상기 냉각장치를 구성하는 각각의 구성요소의 연결관계를 보다 용이하게 설명하면, 상기 냉각장치는 외부의 가스, 바람직하게는 공기가 유입되는 가스 주입구(22); 상기 가스 주입구(22) 및 열분해 반응부(4)의 일측에 서로 연결설치되어 유입되는 가스를 열분해 반응부(4)로 공급하는 제 1 가스경로(24); 상기 가스 주입구(22), 열교환수단(18) 및 열분해 반응부(4)에 순차적으로 연결설치되어 가스 주입구(22)로 유입되는 가스가 열교환수단(18)을 통과하며 예열된 후 열분해 반응부(4)로 공급되도록 하는 제 2 가스경로(26); 및 상기 제 2 가스경로(26)의 일측에 연결설치되어 제 2 가스경로(26)를 따라 흐르는 가스에 물을 공급하는 물 이동경로(28)를 포함한다.

여기서, 상기 가스 주입구(22), 제 1 가스경로(24) 및 제 2 가스경로(26)는 제 1 개폐수단(32)이 연결설치되어 가스 주입구(22)로 유입되는 외부의 가스, 특정적으로 공기를 차단하거나 제 1 가스경로(24) 또는 제 2 가스경로(26)로 흐를 수 있도록 조절하고, 상기 물 이동경로(28)의 일측에는 제 2 개폐수단(34)을 구비시켜 물 이동경로(28)를 개폐함으로써 제 2 가스경로(26)에 물을 공급하거나 차단할 수 있다.

이때, 상기 제 1 개폐수단(32) 및 제 2 개폐수단(34)은 가스 또는/및 물의 이동을 조절하도록 개폐 가능한 장치라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 솔레노이드 밸브를 사용하는 것이 좋고, 보다 바람직하게는 제 1 개폐수단(32)으로 서 3방향 솔레노이드 밸브를 사용하고, 제 2 개폐수단(34)으로서 2방향 솔레노이드 밸브를 사용하는 것이 좋다.

한편, 본 발명에 따른 가스 스크러버는 프리 히터부(2) 및 열분해 반응부(4)에 온도를 측정할 수 있는 온도측정수단, 예를 들면 써머커플 등의 온도측정수단을 설치하여 전체적인 폐가스 처리 공정의 온도를 조절할 수 있는바, 이러한 구성을 위해 상기 프리 히터부(2) 일측에 연결설치되어 프리 히터부(2)의 온도를 측정하는 제 1 온도측정수단(40); 상기 열분해 반응부(4)의 내부, 바람직하게는 벽면, 보다 바람직하게는 본체(38) 벽면 일측에 연결설치되어 열분해 반응부(4)의 내부, 바람직하게는 본체(38) 벽면의 온도를 측정하는 제 2 온도측정수단(42); 상기 열분해 반응부(4)의 내부 공간 일측에 연결설치되어 열분해 반응부(4)의 내부 온도를 측정하는 제 3 온도측정수단(44); 및 상기 제 1 온도측정수단(40), 제 2 온도측정수단(42), 제 3 온도측정수단(44), 제 1 개폐수단(32) 및 제 2 개폐수단(34)에 각각 연결설치되어 제 1 온도측정수단(40), 제 2 온도측정수단(42), 제 3 온도측정수단(44)에서 측정된 온도정보를 이용하여 제 1 개폐수단(32) 및 제 2 개폐수단(34)의 개폐를 조절하는 제어부(46)를 포함하도록 구성할 수 있다.

여기서, 상기 온도측정수단(40, 42, 44)은 사용자의 선택에 따라 그 측정 위치 및 개수를 변경할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 습식 스크러버(6)는 열분해 반응부(4)를 통과하며 수소 또는/및 암모니아가 동시에 열분해된 폐가스에 물을 공급하여 외부로 배출되는 폐가스의 온도를 감소시키기 위한 것으로서, 이러한 목적을 위한 당업계의 통상적 인 습식 스크러버(6)라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 습식 스크러버(6)의 외관을 제공하는 동시에 열분해 반응부(4)로부터 유입되는 열분해된 폐가스가 이동하는 공간을 제공하는 하우징(48); 상기 하우징(48)의 일측에 연결설치되어 하우징(48)에 물을 제공하여 열분해된 폐가스와 접촉하도록 하는 물 주입구(20); 상기 하우징(38)의 하단 일측에 연결설치되어 열분해된 폐가스와 접촉한 물을 저장하기 위한 저장수단(8); 및 상기 물과 접촉한 처리된 폐가스가 배출되는 배출구(12)로 구성된다.

이때, 상기 저장수단(8)의 일측에 물 이동경로(28)를 연결설치하여 저장수단(8)에 저장된 물을 열분해 반응부(4)로 공급, 바람직하게는 제 2 가스경로(26)의 일측에 연결시켜 열분해 반응부(4)로 공급할 수 있다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 가스 스크러버의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저 반도체, LED, LCD 또는/및 태양전지 제조공정시 발생하는 수소 또는/및 암모니아를 포함하는 폐가스를 프리 히터부(2)의 유입구(10)로 유입시킨다.

그 다음, 상기 유입구(10)로 유입된 폐가스는 프리 히터부(2)를 통과하며 500 내지 700℃로 예열된다.

그 다음, 예열된 수소 또는/및 암모니아를 포함하는 폐가스가 열분해 반응부(4)로 유입되어 950 내지 1,150℃로 가열되며 수소 또는/및 암모니아가 열분해된다.

그 다음, 열분해된 폐가스는 상기 열분해 반응부(4)에 연결설치된 습식 스크러버(6)로 유입된다.

그 다음, 습식 스크러버(6)로 유입된 폐가스는 물과 접촉하며 온도가 감소된 후 배출구(12)를 통하여 외부로 배출되고, 상기 폐가스와 접촉된 물은 습식 스크러버(6)의 하단에 구비된 저장수단(8)으로 이동되어 저장된다.

한편, 상기 열분해 반응부(4)의 열분해 반응에 의해 열분해 반응부(4)의 온도가 증가하면, 상기 열분해 반응부(4)에 구비된 제 2 온도측정수단(42) 또는/및 제 3 온도측정수단(44)에 의해 그 온도가 측정되고, 측정된 온도가 소정 온도, 예를 들면 1,050℃ 이상으로 증가하면 상기 제 2 온도측정수단(42) 및 제 3 온도측정수단(44)에 연결설치된 제어부(46)가 제 1 개폐수단(32) 또는/및 제 2 개폐수단(34)의 개폐를 조절하여 외부의 가스, 특정적으로 공기를 열분해 반응부(4)의 내부로 공급하여 열분해 반응부(4)의 온도를 감소시킨다.

이때, 상기 제 1 개폐수단(32)은 외부로부터 유입되는 공기를 직접 열분해 반응부(4)로 공급하거나, 열분해 반응부(4)의 일측에 연결설치된 열교환수단(18)을 통과시켜 예열한 뒤 열분해 반응부(4)로 공급할 수 있으며, 상기 제 2 개폐수단(34)은 상기 제 1 개폐수단(32)의 조작에 의해 열교환수단(18)을 통과한 공기의 흐름에 물을 제공할 수 있도록 조작된다.

또한, 본 발명에 따른 열분해 반응부(4)의 고열을 냉각시키기 위해 상기 열분해 반응부(4)의 내부 일측에 구비되는 냉각가스관(30)에 질소 등의 냉각가스를 공급하여 지속적으로 열분해 반응부(4)의 온도가 상승되는 것을 방지할 수도 있다.

본 발명은 폐가스에 포함된 수소 또는/및 암모니아를 폐수 발생 없이 열분해 처리할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 수소 및 암모니아의 열분해 시 발생되는 발열로 인해 열분해 반응부의 온도가 급격히 상승하는 것을 제어할 수 있고, 암모니아에 의한 폐수발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.

이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나 하기의 실시예는 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

<실시예 1>

도 1에 도시된 바와 같이, 직경 120mm인 관로의 내부에 프리히터[WATLOW, USA]를 길이방향으로 확장되도록 설치하여 프리 히터부를 구성하였다.

그 다음, 상기 프리 히터부의 후단으로 직경 147mm크기의 인코넬 재질의 본체를 연결설치 한 후 그 외주면에 고온히터[KHANTAL, GERMANY]를 연결설치하여 열분해 반응부를 구성하였다.

그 다음, 상기 열분해 반응부의 후단으로 열교환장치[코캣, 한국]를 설치하 였다.

그 다음, 상기 열분해 반응부에 연결설치된 열교환장치의 후단에 습식 스크러버[KOCAT, 한국]를 연결설치한 후 습식 스크러버의 일측으로 5L 유량의 물을 공급하였다.

그 다음, 상기 프리 히터부의 일측에 구비된 유입구로 20SLM[L/min]의 암모니아 및 50SLM의 질소를 포함하는 폐가스를 주입하였다.

그 다음, 프리히터의 온도를 500℃, 고온히터의 온도를 950℃로 유지하고, 열교환기를 통해 300SLM의 공기를 주입하였고, 열분해 반응부에 반응가스의 혼합 및 양호한 반응조건을 유지하기 위해 80SLM의 질소를 추가로 주입하였다.

그 다음, 유입되는 폐가스에 포함된 암모니아 및 처리된 폐가스에 포함된 암모니아의 농도를 FT-IR 분석기[MIDAC, USA]으로 측정하여 암모니아 농도를 측정하고, 써머커플[WATLOW, USA]을 이용하여 프리 히터부 및 열분해 반응부의 온도를 측정하였다.

그 결과를 표 1로 나타냈다.

<실시예 2>

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 고온히터의 온도를 950℃ 대신 1,100℃로 유지하였다.

그 결과를 표 1로 나타냈다.

<실시예 3>

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 도 2에 도시된 바와 같이 열분해 반응부의 내부에 온도측정수단으로서 써머커플[Watlow, USA]을 설치하여 적정온도로서 1,050℃이상이 되면 프리 히터가 정지되고, 열교환장치를 거치지 않는 300SLM의 공기가 열분해 반응부 내부로 유입되도록 장치를 구성하였다.

그 다음, 상기 프리 히터부의 일측에 구비된 유입구로 40SLM의 수소, 20SLM의 암모니아 및 50SLM의 질소를 포함하는 폐가스를 주입하였다.

그 다음, 고온히터의 온도를 950℃ 대신 1,000℃로 유지하였다.

그 다음, 유입되는 폐가스에 포함된 암모니아 및 처리된 폐가스에 포함된 암모니아의 농도를 FT-IR 분석기[MIDAC, USA], 처리된 폐가스의 수소를 가스측정기 [Gastron, 한국]으로 측정하여 암모니아 및 수소의 농도를 측정하고, 써머커플[WATLOW, USA]을 이용하여 프리 히터부 및 열분해 반응부의 온도를 측정하였다.

그 결과를 표 2로 나타냈다.

<실시예 4>

실시예 3과 동일한 방법으로 실시하되, 열교환장치를 거치지 않는 300SLM의 공기가 열분해 반응부 내부로 유입되는 대신 120sccm의 냉각수가 열분해 반응부의 내부로 주입될 수 있도록 장치를 구성하였다.

그 결과를 표 2로 나타냈다.

<비교예 1>

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 프리 히터부 대신 암모니아를 습식으로 제거할 수 있도록 프리 습식 스크러버[코캣, 한국]를 설치하고, 상기 프리 습식 스크러버의 일측에 구비된 유입구로 20SLM의 암모니아 및 50SLM의 질소 포함하는 폐가스를 주입하였다.

또한, 열분해 반응부의 외주면에 구비되는 고온히터[KHANTAL, GERMANY] 대신 일반히터[MAX Heater, 한국]를 사용하여 열분해 반응부를 구성하였다.

이때, 상기 일반히터의 온도는 750℃로 유지되었다.

그 결과를 표 1로 나타내었다.

<비교예 2>

비교예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 프리 습식 스크러버의 사용 없이 750℃로 유지되는 일반히터만을 이용하여 열분해 반응부에서 폐가스를 처리하였다.

그 결과를 표 1로 나타냈다.

<비교예 3>

실시예 3과 동일한 방법으로 실시하되, 열분해 반응부의 내부의 온도가 적정온도로서 1,050℃ 이상이 되더라도 프리히터가 정지되지 않도록 하였다.

그 결과를 표 2로 나타냈다.

암모니아 제거효율 및 고온히터와 열분해 반응부 내부의 온도

	NH₃ 제거효율(%)	고온히터 온도(℃)	열분해 반응부 내부온도(℃)
실시예 1	90	950	920
실시예 2	99	1,000	980
비교예 1	99	750	700
비교예 2	70	750	700

표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 고온히터 설정온도가 950℃일 경우 암모니아의 제거효율은 90%가 되었고, 고온히터 설정온도가 1,000 ℃일 경우 암모니아의 제거효율은 99%가 되었다.

이는 암모니아의 문헌상 열분해 온도는 1,100 ℃이나 그보다 저온에서도 열분해 반응이 수월하게 이루어진 요인은 프리 히터부를 통하는 동안 암모니아의 반응접촉시간이 길어져 분해가 좀 더 용이해진 것과 열분해 반응부 내부 온도측정 위치 및 방법의 차이에 기인한 것으로 사료된다.

아울러, 비교예 1에 나타난 바와 같이, 열분해 반응부의 온도가 암모니아를 열분해하기 용이하지 않은 온도인 750℃로 유지됨에도 불구하고 암모니아의 제거효율은 99%인 것으로 나타났는바, 이는 암모니아가 상기 열분해 반응부의 전단에 구비된 프리 습식 스크러버를 통과하며 수처리된 것을 의미한다.

특히, 상기 비교예 1의 암모니아는 대부분 프리 습식 스크러버에서 제거되므로 암모니아의 제거율이 99%였지만, 질소 함유 폐수가 다량 발생하였다.

비교예 2에 나타난 바와 같이, 프리 습식 스크러버를 가동하지 않은 상태에서 암모니아를 750℃에서 열분해할 경우, 암모니아의 제거율은 70%였다.

반응부의 온도 및 암모니아와 수소의 제거율

항목	온도(℃)		제거율(%)
항목	고온히터	반응기 내부	암모니아	수소
실시예 3	1,000	1,060	99	99
실시예 4	1,000	1,010	99	99
비교예 3	1,000	1,150	99	99

표 2에 나타난 바와 같이, 약 700℃에서 대부분 열분해되는 수소에 의해 발생되는 열량으로 인해 반응기 내부의 온도가 고온히터의 설정온도보다 높아졌다는 것을 나타났다.

하지만, 실시예 3 및 실시에 4에 나타난 바와 같이. 열분해 반응부를 별도로 냉각시키는 장치를 이용하여 열분해 반응부의 온도를 최대 1,060℃에서 안정적으로 운전할 수 있었으며, 폐가스에 포함된 암모니아 및 수소의 제거효율은 99%를 유지하였다.

한편, 반응기 내부온도가 1,050℃에 이르렀을 경우에도 프리 히터부의 정지, 열교환장치의 중지 및 냉각수 주입과 같은 냉각 방식을 사용하지 않은 비교예 3의 경우, 열분해 반응부의 내부 온도는 급격한 속도로 1,150 ℃이상으로 상승하여, 장비의 안전성에 문제를 발생시키는 온도가 되었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모두 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모두 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 가스 스크러버의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 가스 스크러버의 온도조절을 위한 제어장치의 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 가스 스크러버의 열분해 반응부를 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2 : 프리 히터부 4 : 열분해 반응부

6 : 습식 스크러버 8 : 저장수단

10 : 유입구 12 : 배출구

14 : 프리히터 16 : 고온히터

18 : 열교환수단 20 : 물 주입구

22 : 가스 주입구 24 : 제 1 가스경로

26 : 제 2 가스경로 28 : 물 이동경로

30 : 냉각가스관 32 : 제 1 개폐수단

34 : 제 2 개폐수단 36 : 관로

38 : 본체 40 : 제 1 온도측정수단

42 : 제 2 온도측정수단 44 : 제 3 온도측정수단

46 : 제어부 48 : 하우징

Claims

폐가스의 온도를 500 내지 700℃로 예열하는 프리 히터부; 및 상기 프리 히터부에 연결설치되어 프리 히터부로부터 유입된 폐가스를 950 내지 1,150℃로 가열하여 폐가스를 열분해하는 열분해 반응부를 포함하는 가스 스크러버.
제 1항에 있어서,

상기 폐가스가 수소, 암모니아 또는 이들 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
제 1항에 있어서,

상기 가스 스크러버가 열분해 반응부의 일측에 연결설치되어 열분해 반응부를 통과하며 열분해된 폐가스에 물을 공급하는 습식 스크러버를 더 구비한 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
제 3항에 있어서,

상기 습식 스크러버가 그 외관을 제공하는 동시에 열분해 반응부로부터 유입되는 열분해된 폐가스가 이동하는 공간을 제공하는 하우징; 상기 하우징의 일측에 연결설치되어 하우징에 물을 제공하여 열분해된 폐가스와 접촉하도록 하는 물 주입구; 상기 하우징의 하단 일측에 연결설치되어 열분해된 폐가스와 접촉한 물을 저장 하기 위한 저장수단; 및 상기 물과 접촉한 처리된 폐가스가 배출되는 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
제 4항에 있어서,

상기 저장수단의 일측에 연결설치되어 저장수단에 저장된 물을 열분해 반응부로 공급하기 위한 물 이동경로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
제 1항에 있어서,

상기 열분해 반응부의 후단에 폐가스로부터 열을 회수할 수 있는 열교환수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
제 6항에 있어서,

상기 열분해 반응부 및 습식 스크러버 사이에 폐가스로부터 열을 회수할 수 있는 열교환수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
제 1항에 있어서,

상기 프리 히터부가 외관을 제공하는 동시에 폐가스가 이동할 수 있는 공간을 제공하는 관로; 상기 관로의 일측에 연결설치되어 수소 및 암모니아를 포함하는 폐가스가 유입되는 유입구; 및 상기 관로의 내부 중심을 따라 길이방향으로 확장되 도록 형성되어 폐가스를 예열하는 프리히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
제 1항에 있어서,

상기 열분해 반응부가 프리 히터부에서 예열된 수소 및 암모니아를 포함하는 폐가스가 유입되어 열분해되는 공간을 제공하는 본체; 상기 본체의 외주면에 연결설치되어 본체에 열을 제공하는 고온히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
제 9항에 있어서,

상기 열분해 반응부는 본체의 외주면을 감싸도록 구비되고, 그 내부로 냉각가스가 흐를 수 있는 경로를 제공하는 냉각가스관이 더 구비된 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
제 1항에 있어서,

상기 열분해 반응부는 그 상부 일측에 외부의 가스를 주입하기 위한 가스 주입구가 더 연결설치되는 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
제 11항에 있어서,

상기 가스 주입구가 가스 주입구 및 열분해 반응부의 일측에 서로 연결설치 되어 유입되는 가스를 열분해 반응부로 공급하는 제 1 가스경로; 상기 가스 주입구, 열교환수단 및 열분해 반응부에 순차적으로 연결설치되어 가스 주입구로 유입되는 가스가 열교환수단을 통과하며 예열된 후 열분해 반응부로 공급되도록 하는 제 2 가스경로; 및 상기 제 2 가스경로의 일측에 연결설치되어 제 2 가스경로를 따라 흐르는 가스에 물을 공급하는 물 이동경로에 연결설치되는 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
제 12항에 있어서,

상기 가스 주입구, 제 1 가스경로 및 제 2 가스경로에 연결설치되어 가스 주입구로 유입되는 외부의 가스를 차단하거나 제 1 가스경로 또는 제 2 가스경로로 흐를 수 있도록 조절하도록 개폐하는 제 1 개폐수단; 및 상기 물 이동경로의 일측에 구비되어 물 이동경로를 개폐하는 제 2 개폐수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
제 13항에 있어서,

상기 가스 스크러버는 프리 히터부 일측에 연결설치되어 프리 히터부의 온도를 측정하는 제 1 온도측정수단; 상기 열분해 반응부의 내부 벽면 일측에 연결설치되어 열분해 반응부의 내부 벽면 온도를 측정하는 제 2 온도측정수단; 상기 열분해 반응부의 내부 공간 일측에 연결설치되어 열분해 반응부의 내부 온도를 측정하는 제 3 온도측정수단; 및 상기 제 1 온도측정수단, 제 2 온도측정수단, 제 3 온도측 정수단, 제 1 개폐수단 및 제 2 개폐수단에 각각 연결설치되어 제 1 온도측정수단, 제 2 온도측정수단, 제 3 온도측정수단에서 측정된 온도정보를 이용하여 제 1 개폐수단 및 제 2 개폐수단의 개폐를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따른 가스 스크러버를 이용하여 폐가스를 열분해하는 방법.