KR20140137889A - 진공 자외선과 암모니아를 이용한 배가스의 처리 방법 및 장치 - Google Patents

진공 자외선과 암모니아를 이용한 배가스의 처리 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본원은 황화합물 및 질소 화합물을 포함하는 배가스 내에 포함되어있는 분진을 제거하고, 분진이 제거된 상기 가스를 공급하는 1차 집진부; 물을 뿌려 수분을 공급하고 온도를 낮추는 워터스프레이부; 중화물질을 주입하는 중화물질 공급부; 200nm 이하의 자외선을 발생하는 진공 자외선 발생장치, 반응기 쿨링장치 및 마이크로웨이브 발생장치를 구비하는 두 개의 반응조 및 상기 두 개의 반응조 앞단에 설치된 자동 차단변을 포함하는 주 반응기; 상기 주 반응기를 보완하고, 상기 주 반응기에서 생성된 잉여의 활성종을 분해하는, 200nm 이상의 자외선을 발생하는 LED를 구비한 반응통로부; 및 상기 주 반응기 및 상기 반응통로부를 거쳐 생성된 황화합물 및 질소 화합물을 포집하는 2차 집진부로 구성된, 배가스 탈황 및 탈질 장치 본 발명은 황화합물 및 질소 화합물이 포함된 배가스를 탈황, 탈질 할 수 있는 장치 및 방법을 개시한다. 본원에 따른 장치 및 방법은 기존의 장치 및 공정과 비교하여, 공정이 간단하고 처리비가 저렴할 뿐아니라 배가스 내의 황 화합물 및 질소 화합물을 황산암모늄염과 질산암모늄염으로 변화시켜 비료의 원료로 쓸 수 있다.

Description

진공 자외선과 암모니아를 이용한 배가스의 처리 방법 및 장치 {Method and device for processing emission gas using vacuum-ultraviolet radiation and ammonia}
본원은 황 화합물 및 질소 화합물이 함유된 기체 혼합 물질로부터 황 화합물 및 질소 화합물을 제거하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
자외선에 의한 분자의 광분해는 석유화학, 고분자 합성 및 신물질 개발 등의 화학공정 분야에 널리 이용되어 오고 있으나 기존의 환경오염물질 처리기술의 주종을 이루는 소위 기술의 경향이 환경산업 전반을 주도해 오고 있기 때문에 그 응용이 아직 미미하다. 또한 전기분해나 촉매반응 등 기존 기술의 경우 반응의 핵심요소 예를 들면 전극면 또는 촉매표면에서 일어나는 현상 때문에 다량의 오염물을 단시간내에 효율적으로 처리해야 하는 대기환경 분야에서는 상당한 제약을 받고 있는 실정이다.
일반적으로 탈황공정에는 건식 탈황공정과 습식 탈황공정이 있다. 건식 탈황공정은 배연가스를 분말이나 펠릿(pellet) 형태의 촉매층에 통과시켜 탈황 시키는 방법으로, 반응 속도가 느리기 때문에 반응 영역을 넓혀야 하므로 충분한 장치 공간을 확보해야하며, 탈황율이 충분치 않다는 단점이 있어, 건식공정 보다는 습식 공정이 널리 쓰이는 추세이다.
습식 탈황공정은 물, 알칼리 용액 등으로 배연가스를 세정하여 흡수하는 방법으로, 탈황율이 90% 이상으로 건식 방법에 비하여 매우 높고, 반응 속도가 빠르다는 장점이 있어 실제 가장 널리 쓰이는 방법으로 알려져 있다.
대한민국 등록특허 10-0954230호는 황의 습식 제거법에 대해 기술하고 있다. 촉매 활성탑에 다공의 석회석(CaCO3)층을 마련하여 이산화황(SO2)을 산화칼슘(CaO)와 이산화탄소(CO2)로 분해하게 하고, 산화칼슘을 조촉매로 작용하게 하여 주촉매인 철(Fe)의 작용을 활성하게 함과 동시에 상기 석회석층과 이산화황이 결합하여 황산칼슘(CaSO4)으로 만들어 침적시키는 것을 특징으로 한다.
그러나 이러한 습식 제거법은 보통 용수 소모량이 많고, 이에 따른 다량의 폐수를 방출하며, 동력 소모가 많아 에너지 사용이 많고, 알칼리 및 촉매에 의한 부식 및 마모가 심하다는 단점이 있다. 따라서 대규모 산업시설 등의 환경오염원에서 방출되는 다량의 유해물질을 효율적으로 분해시키는 것이 가능하며 특히 대기환경 정화사업에 적합한 새로운 공정이 필요하다.
본원은 상기 문제점들을 극복하기 위해 안출된 것으로, 건식 공정으로 기존 습식 기술과 달리 폐수 발생이 없고, 이산화황(SO2) 혹은 질소산화물(NOx)로 처리하여 비료 등으로 재활용 할 수 있는 부산물을 배출하고, 설치 공간이 작아 경제적이며, 운전비가 저렴하여 에너지와 비용을 동시에 절약할 수 있으며, 대규모 산업시설 등의 환경오염원에서 방출되는 다량의 유해물질을 효율적으로 분해시키는 것이 가능하며 특히 대기환경 정화사업에 적합한 탈황, 탈질 공정을 제공하고자 한다.
한 양태에서 본원은 황화합물 및 질소 화합물을 포함하는 배가스 내에 포함되어있는 분진을 제거하고, 분진이 제거된 상기 가스를 공급하는 1차 집진부; 물을 뿌려 수분을 공급하고 온도를 낮추는 워터스프레이부; 암모니아 또는 요소수와 같은 중화물질을 공급하는 중화물질 공급부; 200nm 이하의 자외선을 발생하는 진공 자외선 발생장치, 반응기 쿨링장치 및 마이크로웨이브 발생장치를 구비하는 두 개의 제 1 및 제 2 반응조 및 상기 두 개의 반응조 앞단에 설치된 자동 차단변을 포함하는 주 반응기; 상기 주 반응기를 보완하고, 상기 주 반응기에서 생성된 잉여의 활성종을 분해하는, 200nm 이상의 자외선을 발생하는 LED를 구비한 반응통로부; 및 상기 주 반응기 및 상기 반응통로부를 거쳐 생성된 황화합물 및 질소 화합물을 포집하는 2차 집진부로 구성된, 배가스 탈황 및 탈질 장치를 제공한다.
본원에 따른 일 구현예에서, 상기 중화물질 공급부는 상기 배가스의 황화합물 및 질소산화물의 농도를 계산하여 반응 몰비에 따라 중화물질 예를 들면 암모니아 공급량을 결정하는 프로세서를 추가로 포함한다.
본원에 따른 장치는 진공 자외선 발생장치에 의해 상기 주 반응기 내부에서 산소 라디칼, 하이드록실 라디칼, 오존 ,과산화수소, 하이드록실 이온, 하이드로퍼옥실 라디칼, 수소 라디칼, 메틸 라디칼, 메틸퍼옥실 라디칼, NO3 라디칼 및 N2O5 라디칼 중 적어도 하나의 활성종이 생성된다.
본원에 따른 반응조의 상기 반응기 쿨링장치는 고압의 공기를 분사하여 상기 반응조 내부를 30℃ 내지 250℃로 유지된다. 또한 본원의 반응기 쿨링장치는 상기 진공 자외선 발생장치의 외부에 반응물 스케일이 생성된 경우 이를 제거하거나, 또는 상기 고압의 공기와 함께 물을 분사하여 상기 진공 자외선 발생장치의 외부에 반응물 스케일이 생성된 경우 이를 제거할 수 있다.
본원에 따른 반응조의 내부는 돌기가 형성되어, 표면적이 증가되며, 반응에 관여하는 물질 예를 들면 이산화티타늄으로 코팅시 특히 유용하다.
본원의 장치에 포함된 마이크로웨이브 발생장치는 유해물 분해 또는 외부전극형광등을 사용할 때 외부전극형광등의 전원장치로 사용될 수 있는 다기능성이다.
다른 양태에서 본원은 본원의 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 질산암모늄 및 황산암모늄 생성 방법을 제공한다.
본원의 진공 자외선과 암모니아와 같은 중화물질을 이용한 탈황, 탈질 기술은 다량의 폐수를 방출하던 기존의 습식 방식에서 벗어나, 자외선 유발 광분해에 의한 화학 활성종을 이용함으로서 친 환경적으로 처리할 수 있으며, 장기간 대용량의 오염물질을 지속적으로 처리할 수 있는 특징을 가지고 있기 때문에, 특히 대규모 산업시설 등의 환경 오염원에서 방출되는 다량의 유해물질을 효율적으로 분해시키는 것이 가능하다. 또한 정화사업에 매우 적합한 특성을 가지고 있으며, 자외선 발생 장치의 영구적 사용이 가능하여 경제성을 한층 제고시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 구성 및 공정도를 나타내는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 진공 자외선과 암모니아를 이용한 배가스의 탈황, 탈질장치 및 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
한 양태에서 본원은 황화합물 및 질소 화합물을 포함하는 배가스 내에 포함되어있는 분진을 제거하고, 분진이 제거된 상기 가스를 공급하는 1차 집진부; 물을 뿌려 수분을 공급하고 온도를 낮추는 워터스프레이부; 암모니아 또는 요소수를 공급하는 암모니아 공급부와; 200nm 이하의 자외선을 발생하는 진공 자외선 발생장치, 반응기 쿨링장치 및 마이크로웨이브 발생장치를 구비하는 두 개의 반응조 및 상기 두 개의 반응조 앞단에 설치된 자동 차단변을 포함하는 주 반응기와; 상기 주 반응기를 보완하고, 상기 주 반응기에서 생성된 잉여의 활성종을 분해하는, 200nm 이상의 자외선을 발생하는 LED를 구비한 반응통로부; 및 상기 주 반응기 및 상기 반응통로부를 거쳐 생성된 황화합물 및 질소 화합물을 포집하는 2차 집진부로 구성된, 배가스 탈황 및 탈질 장치에 관한 것이다.
본원에 따른 장치는 자외선을 이용한 광분해에 의해 생성된 활성종의 생성과 이를 이용한 연속적 분해반응에 근거한 순수한 기체상 반응원리에 기초하고 있기 때문에 기존의 환경오염물질 처리기술이 가지고 있던 응축계에서의 제한점들을 극복할 수 있는 획기적 방법이다. 본 발명은 이 기술은 장기간에 걸쳐 대용량의 오염물질을 지속적으로 처리할 수 있는 특징을 가지고 있기 때문에 대규모 산업시설 등의 환경오염원에서 방출되는 다량의 유해물질을 효율적으로 분해시키는 것이 가능하며 특히 대기환경 정화사업에 매우 적합한 특성을 가지고 있다. 또한 자외선 발생 장치의 반영구적 사용으로 경제성을 한층 제고시킬 수 있게 되었다
본원에 포함된 1차 집진부는 황화합물, 질소화합물 및 기타 첨가물질 등을 반응기에 주입하기 전 분진을 제거하기 위한 것으로, 본원에 따른 장치의 전단에 설치한다.
본원의 장치에 포함된 워터스프레이(water spray)는 상기 집진기 내부에 설치될 수 있으며, 배가스의 온도를 낮추고 수분을 공급하기 위한 장치이다. 배가스의 이산화황, 질소산화물 및 수분을 측정하여 부식방지를 위한 CVD (Chemical Vapor Deposition) 코팅 처리된 스프레이장치가 사용될 수 있으며 프로세서에서 계산된 반응에 필요한 수분을 분사하여 배가스의 온도를 낮추게 된다.
본원의 장치에 포함된 중화물질 공급부는 암모니아수 및 기타첨가물질들을 주입하며, 황화합물 및 질소산화물의 농도를 계산하여 반응 몰비에 따라 암모니아와 같은 중화물질의 공급량을 결정하는 프로세서를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 프로세서에 의해 1차 집진기의 종말지점에서 황산화물과 질소산화물의 농도를 실시간으로 모니터링 하여 주 반응기로의 진입 직전에 프로세서를 통해 화학반응에 필요한 적량의 암모니아를 자동으로 분사 노즐을 통해 공급한다. 분사노즐은 황산화물과 질소산화물에 의한 부식을 방지하기 위해 CVD 코팅처리 등의 내식 처리될 수 있다. 본원에서 사용되는 암모니아 가스는 직접 주입되거나 또는 취급 및 사용에 보다 안전한 요소수 를 사용하여 가수분해반응을 하여 생성된 암모니아 가스로도 주입이 가능하다. 요소수 이외에 중화반응을 위한 염기성물질 예를 들면 수산화나트륨 용액을 스프레이 하는 것도 가능하다.
암모니아 등 염기성물질을 첨가하여 중화반응을 시켜 황산염으로 변환시킬 때, 암모니아는 반응기 전단은 물론, 반응기 후단에서도 스프레이를 해줄 수 있다. 전단에서 스프레이할 경우 반응기 내부에 황산염이 쌓일 수가 있는데, 후단에서 스프레이를 할 경우에는 반응기 내부에 황산염이 쌓이는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한 필요에 따라 염기성물질을 첨가하지 않고 반응기 전단에서 물만 첨가하여 황산으로 회수도 가능하다.
본원의 장치에 포함되는 주 반응기는 약 200nm 이하의 자외선을 발생하는 진공 자외선 발생장치, 반응기 쿨링장치 및 마이크로웨이브 발생장치를 구비하는 두 개의 반응조 및 상기 두 개의 반응조 앞단에 설치된 가스 자동차단변을 포함한다. 상기 반응기 쿨링장치는 제 1 및 제 2 반응조가 공동으로 사용될 수도 있다. 두 조의 반응기는, 제 1 반응조에서 처리를 하고 (제1 경로), 제 1 반응조의 온도가 적정온도 이상으로 오르게 되면 반응기 앞부분의 차단변을 조작하여 배가스가 제 2 반응조 (제2 경로)로 들어가도록 사용되며, 이러한 과정이 반복된다. 즉 제 1 반응조의 온도가 50℃ 내지 250℃, 특히 50℃ 내지 80℃ 이상으로 오르게 되면 반응기 앞부분의 차단변을 조작하여 배가스를 제 2 반응조로 유입되게 하는 과정을 반복한다. 각 반응조의 내부는 표면적을 최대한 넓게 하기 위해 내부를 돌기 예를 들면 사각뿔 모양의 돌기로 구성한다.
반응기 쿨링장치에 있어서, 빛을 차단하여 성능을 저하시킬 수 있는 진공자외선장치의 외부에 붙어 있는 반응물 스케일의 제거를 위해 쿨링 시 내부에 고압 스프레이 장치가 작동될 수 있다. 또한 반응물 스케일은 물에 잘 녹는 점을 고려해 고압의 스프레이와 함께 물을 간헐적으로 분사하는 장치를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 작동 모듈은 반응기 내부에 조도계를 내장해 진공자외선장치에서 나오는 빛의 세기를 모니터링하여 일정 세기 이하로 되면 자동으로 반응기를 스위칭하여, 휴지기의 반응기를 쿨링 및 청소할 수 있게 한다. 반응기 하부에 자동밸브가 있어 작업이 끝나면 물을 외부로 배출하게 된다.
주 반응기에서는 광촉매 반응이 발생하는 부분으로, 광촉매 반응에 필요한 광파장은 자외선 발생장치에서 공급되며, 필요한 경우 이산화티타늄의 광촉매반응에 필요한 광파장을 내는 LED를 주 반응기 내부에 설치할 수 있다.
주 반응기의 각 반응조의 내부에 설치된 진공자외선 발생 장치는 합성 쿼츠튜브로 진공상태에서 자외선을 발생한다. 진공상태는 예를 들면 아말감이 사용된 자외선램프를 씌워 밀봉 후 램프와 튜브 사이를 진공상태로 만들거나, 또는 진공자외선을 발생하는 외부전극형광등을 합성 쿼츠 튜브로 진공밀봉하여 사용할 수도 있다. 이 때 외부전극형광등을 외부전극형광등의 전원장치인 인버터 대신 반응기에 설치된 마이크로웨이브장치로 점등시킬 수도 있다. 또는 진공자외선을 발생하는 LED를 합성 쿼츠 평판박스로 진공밀봉하여 사용할 수도 있다.
주 반응기 내부에 온도센서를 추가로 포함할 수 있으며, 이 경우 내부온도를 모니터링하여 미리 계산된 프로세서를 통해 램프의 온도를 산출, 램프가 적정온도를 넘게 되면 자동으로 제 1 반응조는 차단되고, 제 2 반응조로 배가스가 들어가게 한다.
본원에 따른 주 반응기에 포함된 반응조는 적정온도가 넘어 작동을 멈춘 제 1반응조 또는 제2 반응조를 고압공기로 분사하여 예를 들면 상기 반응조 내부를 30℃ 내지 250℃로 유지하는 냉각하는 장치이다.
본원에 따른 마이크로웨이브 발생장치는 제 1 반응조의 자외선발생장치에 보조적으로 유해물분해 또는 외부전극형광등을 사용할 때 외부전극형광등의 전원장치로 사용될 수 있다.
본원에 따른 장치에 포함된 2차 반응의 반응 통로는 주 반응기를 통과한 배가스의 집진기까지의 통로내벽에 약 200 nm 이상의 자외선을 발생하는 LED를 설치하여 주 반응기에서 완결되지 못한 광촉매 반응을 보완하거나 잉여의 오존을 분해할 수 있다.
본원에 따른 장치에 포함된 2차 집진 장치는 주 반응기 및 2차 반응 통로에서 생성된 황산암모늄염과 질산암모늄염을 포집한다. 최종 생성된 부산물을 포집하는 장치로, 백 필터 방식 혹은 전기 집진 방식으로 사용할 수 있다. 생성된 부산물은 황산암모늄염, 질산 암모늄염 등이며, 이는 비료로 사용될 수 있다.
본원의 장치에 사용되는 공정의 예는 다음과 같다.
진공벽을 갖는 이중 튜브 램프에서 발생되는 자외선에 의해 산소 분자는 200nm 이하의 UV 파장에서 광분해를 하는데 (O2 -> 2O) 이러한 산소의 광분해를 통해 만들어진 O 라디칼은 그 자체로서도 매우 강력한 산화제일뿐만 아니라 활발한 기체상 반응을 일으키기도 하는 동시에 분해되지 않은 산소 분자와 반응하여 오존을 생성시킨다. 충돌 물질이 없는 한 O + O 는 O2를 만들지 못하기 때문에 이 단계에서 만들어진 모든 O 라디칼은 직접 분해 반응에 참여하든지 또는 오존의 형태로 다음 단계로 넘어 가게 된다.
이어 오존의 광분해 단계로, 앞 단계에서 만들어진 오존을 200nm 이하의 자외선을 이용 O3 -> O2 + O 과 같은 광분해를 통하여 산소 라디칼을 재생성함으로써 다음 단계에서 보게 될 OH 라디칼 등과 같은 추가적인 활성 화학종들을 만들게 된다.
이어 2 차적인 O 및 OH 라디칼의 생성 단계로 위의 과정에서 다시 만들어진 O 라디칼은 O + H2O -> 2OH 와 같은 반응을 하여 또 다른 강력한 활성 화학종인 OH 라디칼을 생성하기 때문에 이에 의한 추가적인 분해반응 경로를 알 수 있게 된다. 또한 반응기 내벽에 코팅된 이산화티타늄과 자외선 램프에서 나오는 385nm의 파장의 광촉매반응으로 OH 라디칼이 생성되어 분해반응을 촉진시킨다. 별도의 LED(CVD 코팅처리)를 반응기 내부에 설치하여 이산화티타늄의 광촉매반응을 더욱 활성화시킬 수도 있다.
처리하고자 하는 오염물질, 특히 SOX(황산화물) 와 NOX(질소산화물)의 경우에는 염기성 물질을 사용함으로써 유안비료 (NH4)SO4 및 초안비료(NH4NO3) 생성될 수 있으며, 이를 확인하였다.
본원에 따른 장치 작동 방법의 일 실시예는 다음과 같다.
1차 집진부에서 분진이 제거된 특정량의 황화합물, 질소화합을 포함하는 배가스가 주입부를 통하여 주입되고, 워터스프레이부에서 물을 뿌려 배가스의 온도를 낮추며 수분을 공급한다. 또한 중화물질 공급부를 통해 암모니아 및 기타 첨가 물질이 주입된다. 배가스에 포함되는 황화합물의 예로는 이산화황 (SO2), 삼산화황 (SO3), 아황산 (H2SO3), 황산 (H2SO4), H2S 또는 탄소를 포함하는 황화합물 (CS2 , OCS, CH3SCH3 , CH3S2CH3 ) 등이 있으며, 질소화합물의 예로는 이산화질소(NO2), 일산화질소(NO), 이산화질소(N2O), 삼산화이질소(N2O3), 사산화이질소(N2O4), 오산화이질소(N2O5) 등이 있다. 이 때 상기 물질들의 일부는 아황산염 및 아질산염의 구조를 갖는 질소-황화합물과 같은 중간생성 물질로 변환되어 상기 물질들의 미반응 잔여분과 혼합물을 이룰 수 있으며, 황산염, 질산염의 구조를 갖는 질소-황화합물과 같은 최종 생성 물질을 미량 함유할 수도 있다. 상기 물질들의 잔여분, 중간 생성 물질 또는 최종 생성 물질 등을 포함하는 혼합물은 주 반응기 내부로 주입된 후, 진공 자외선 생성기의 자외선에 조사된다. 자외선은 그 파장 영역에 따라 대략 UV-A 라인 (365 nm 이상), UV-B 라인 (280에서 365 nm) 및 UV-C 라인 (280 nm 이하) 등으로 나누어진다. 자외선이 조사되는 상기 물질 또는 상기 혼합물은 자외선의 에너지를 흡수하여 활성화되며, 충분한 에너지가 공급될 경우 특정 분자 결합이 변형 또는 파괴되거나, 산화성 활성종을 생성할 수도 있다. 일반적으로 자외선 에너지는 그 파장에 대략 반비례하므로, 상기 UV 라인의 에너지는 UV-A 라인, UV-B 라인, UV-C라인의 순서로 증가된다. 따라서, UV-A 라인 및 UV-B 라인이 조사되는 상기 물질 또는 상기 혼합물은 주로 활성화될 수 있으며, 일부는 특정 결합이 파괴되거나 다른 물질과 결합하여 활성종을 생성할 수 있다. 파장이 가장 짧은 UVC라인이 조사되는 상기 물질 또는 상기 혼합물은 주로 특정 결합이 파괴되거나 다른 물질과 결합하여 활성종을 생성할수 있으며, 일부는 활성화될 수도 있다. 본원에 따른 일 구현예에서는 내장된 자외선발생장치를 통해 200 nm 이하의 진공자외선을 조사하여 산소분자를 산소라디칼로 광분해한다.
일예로, 산소나 물분자에 상기 UV 라인들이 조사되면 주 반응기 내부에 산소 라디칼, 하이드록실 라디칼, 오존 ,과산화수소, 하이드록실 이온, 하이드로퍼옥실 라디칼, 수소 라디칼, 메틸 라디칼, 메틸퍼옥실 라디칼이 생성될 수 있으며, NO, NO2 , N2O등의 질소화합물이 존재할 경우 NO3 라디칼 및 N2O5 라디칼의 활성종을 생성할 수도 있다. 광화학 반응, 특히 자외선 영역의 전자기파에 의하여 일어나는 광화학 반응은 콜린바이어드(Colin Baird)저 " 환경화학" (이 동근 외 공역, 시그마프레스 출판), 24-67 쪽에 상세히 설명되어 있다.
상기 UV 라인에 의하여 생성된 상기 활성종 및 상기 UV 라인에 의하여 활성화된 반응기 내부의 물질들은 여러 종류의 화학 반응을 거쳐 중간 생성 물질 및 최종 생성 물질을 생성한다. 중간 생성 물질의 예로는 잔여 황화합물이 질소화합물과 결합하여 생성되는 바이-설파이트 구조 (예를 들면 NH4HSO3 ) 또는 설파이트 구조 (예를 들면 (NH4)2SO3 )를 갖는 질소-황화합물 또는 황산 (H2SO4) 등을 들 수 있다. 일반적으로, 아황산염, 아질산염 구조를 갖는 중간 생성 물질들은 동시에 생성된다. 하지만, 반응 조건 또는 상기 물질들의 농도에 따라 그 생성 비율이 달라질 수도 있다. 상기 중간 생성 물질 및 잔여 황화합물 및 질소화합물들은 상기 UV 라인 등이 조사됨으로써 생성된 활성종과의 반응을 통해 황산염, 질산염의 구조를 갖는 (NH4)2SO4 혹은 NH4NO3 등의 질소-황화합물, 질소-질소화합물로 변환된다. 자외선조사 전 생성된 황산염, 질산염의 구조를 갖는 질소-황화합물, 질소-질소화합물과 같은 최종 생성 물질은 일반적으로 안정된 분자 구조를 가지므로 상기 UV 라인 등이 조사되더라도 분해되지 않는다.
상술한 바와 같이 배가스에 포함된 황화합물을 질소화합물 등과 반응시켜 황산염, 질산염의 구조를 갖는 질소-황화합물, 질소-질소화합물 등의 최종 생성 물질로 변환시키는 것이다. 따라서, 황화합물, 질소화합물, 암모니아수 및 기타 첨가 물질의 양을 적절히 조절하여 가능한 한 많은 양의 황화합물, 질소화합물을 질소-황화합물, 질소-질소화합물로 변환시키는 것이 바람직하다.
워터스프레이부에서 산소, 물 또는 공기 등의 기타 첨가 물질은 상술한 다양한 화학 반응들에 의하여 황산염, 질산염의 구조를 갖는 질소-황화합물, 질소-질소화합물의 생성 반응이 최적 속도로 진행되도록 또는 최대 수율 을 얻을 수 있도록 적절한 양을 첨가해 주는 것이 바람직하다. 따라서 산소, 물 또는 공기 등의 기타 첨가 물질의 첨가량은 일차적으로 배가스에 함유된 황화합물 및 질소화합물의 양 또는 배가스의 유량 및 황화합물, 질소화합물의 농도에 따라 결정된다. 일 예로, 황화합물이 0.2 %(vol.) 정도 함유된 배가스를 처리할 경우, 물은 배가스 유량의 2 내지 40 %(vol.) 정도로 공급하되, 일반적으로 10 %(vol.) 정도가 바람직하며, 산소(또는 공기) 의 경우에는 배가스 유량의 2 내지 50 % (vol.) (공기의 경우 10 내지 250 % (vol.)) 정도로 공급하되 5 % (vol.) 정도 (공기의 경우 25 % (vol.)) 가 바람직하다.
또한, 산소, 물 또는 공기의 공급양은 배가스내의 잔여 산소 및 습도에 따라 감량될 수도 있다. 예를 들면, 배가스에 함유된 산소 또는 물의 양만으로도 황화합물 변환에 충분할 수도 있는 데, 이 경우에는 산소나 물 등을 첨가할 필요가 없을 수도 있다. 하지만, 반응기 내부에서 자외선에 조사되는 산소의 양이 많을수록 황화합물 변한 효율이 증가되므로, 배가스의 산소 농도를 측정한 후, 이를 기준으로 하여 주어진 양의 추가 산소 공급량을 결정할 수도 있다
질소-황화합물, 질소-질소화합물이 최종 생성 물질인 경우, 암모니아는 황화합물에 비하여 몰 비로 대략 2배 정도가 되도록 첨가함으로써 황화합물, 질소화합물중의 1몰(mole) 의 황 및 질소와 암모니아 중의 2몰(mole) 의 질소가 결합하여 황산염, 질산염 구조를 갖는 질소-황화합물, 질소-질소화합물이 생성되는 반응이 완결되도록 하여 미반응 잔여 물질의 양을 최소화할 수도 있다. 경우에 따라 과량의 암모니아를 첨가하여 암모니아의 농도를 증가시킴으로써 황산염, 질산염의 구조를 갖는 질소-황화합물, 질소-질소화합물의 생성 반응 속도를 증가시킬 수도 있다. 예를 들면 황화합물중의 1 몰의 황에 대하여 암모니아 중의 질소가 2 내지 10 몰 정도 첨가될 수도 있다. 하지만 이 경우에는 반응 조건을 조절, 제어하여 미반응 잔여 암모니아의 배출양을 최소화하는 것이 바람직하다. 또한, 황화합물이 포함된 배가스에 암모니아나 NOx 등과 같은 질소화합물이 미량이상 포함되어 있을 경우에는 상술한 몰 비율보다 적은 양의 암모니아를 첨가하는 것도 가능하다.
또한, 상기 UV 라인들에 의하여 생성된 상기 활성종의 양 (또는 농도) 은 일반적으로 반응기 내부의 잔여 산소, 물 또는 공기의 양에 비례한다. 따라서 산소, 물 또는 공기 등의 기타 첨가 물질의 첨가량은 반응기 내부에 필요한 활성종 농도에 의하여 이차적으로 결정될 수도 있다.
상술한 암모니아 및 기타 첨가 물질의 양 및 그 범위는 여러 변수에 의하여 조절될 수 있다. 예를 들면 배가스의 유량 또는 그 중 황화합물의 농도가 증가하는 경우 이에 따라 상기 암모니아 및 기타 첨가 물질의 양 또한 증가된다. 하지만 배가스의 유량 또는 그 중의 황화합물의 농도가 감소하는 경우에는, 첨가되는 기체상의 상기 암모니아 또는 기타 첨가 물질의 농도를 감소시킴으로써 전체 처리 가스 량을 줄이는 것도 바람직하다. 반응기 내부의 온도, 압력 및 기타 반응조건 또한 본 발명의 목적인 배가스의 황화합물을 암모니아 등과 반응시켜 설페이트 구조를 갖는 질소-황화합물 등의 최종 생성 물질로 변환시키도록 설정된다.
반응 온도는 대략 30℃ 내지 250℃ 정도로 유지하되, 50℃ 내지 80℃ 정도가 바람직하다. 일반적으로 최적 반응 온도는 자외선 생성기의 재질 및 자외선조사 특성에 의하여 결정될 수 있다. 저온의 반응 온도가 바람직한 경우에는 열교환기를 이용하여 배가스의 온도를 적절히 낮추거나, 암모니아수를 사용하여 증발시의 흡열 현상을 이용할 수도 있다. 반응 압력은 일반적으로 대기압이며, 배가스 압력에 따라 결정될 수도 있다. 자외선 생성기의 출력은 황화합물 및 질소화합물의 농도 및 유량, 반응기 구조 및 재질, 각종 물질들의 반응기 내부 체류 시간 등에 의하여 결정된다. 일 예로, 발전소 배가스 (0.2 % 황화합물 함유)의 경우, 적정 자외선 생성기의 출력은 발전소 출력의 0.01 내지 5.0 % 정도이되, 0.5 % 정도가 바람직하다. 반응기 내부 체류 시간 역시 황화합물 및 질소화합물의 농도 및 유량, 반응기 구조 및 재질 또는 자외선 생성기의 출력 등에 의하여 결정되며, 일반적으로 1 내지 100 초 정도가 적당하되, 5 내지 8 초 정도가 특히 바람직하다. 반응기 구조, 자외선 생성기의 구조, 특성 및 출력, 또는 반응기 내부 체류 시간 등은 환경오염 방지 법규 내에서 허용되는 황화합물의 허용 잔류량에 따라 결정될 수도 있다.
본원에 따른 장치의 이점을 요약하면 다음과 같다. 주 반응기를 두 개의 반응조로 구성하여 하여 교차로 사용하여 자외선발생장치의 효율 증가 및 자외선발생장치의 교체기간을 3배-10배로 연장하였다. 또한 자외선발생장치에 진공튜브를 씌워 자외선발생장치의 적정 운전온도를 올릴 수 있어 처리효율을 개선하고, 마이크로웨이브발생장치를 추가하여 주반응기의 반응효율을 향상시키고 자외선발생장치를 외부전극형램프로 적용 시 외부전극형램프의 인버터 겸용으로 사용할 수 있다. 나아가 반응기 내벽표면에 작은 돌기를 도포하여 반응기 내벽의 이산화티타늄 코팅 표면적을 늘려 반응효율 증가시키고 이산화티타늄의 스퍼터링코팅이 가능하다.
본원에 따른 일 구현예에서는 농도 1,800 ppm의 이산화황이 함유된 12 CMM(M/min)의 처리가스를 유속에 관계없이 처리하여 반응기 후단에서 측정한 결과 이산화황 100% 제거되었음을 확인하였다.
본 발명의 장치 및 방법은 배가스를 그 종류에 관계없이 처리할 수 있으며 단독으로 사용될 수 있지만, 경우에 따라서 또는 필요에 따라서 기존의 다른 배가스 처리 장치 및 방법과 조합하여 사용할 수도 있다. 또한 본 발명의 기본 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 장치 및 방법을 변형 또는 변경할 수 있으며, 이들 또한 본 발명의 범주에 속한다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.

Claims (7)

  1. 황 화합물 및 질소 화합물을 포함하는 배가스 내에 포함되어있는 분진을 제거하고, 분진이 제거된 상기 가스를 공급하는 1차 집진부;
    물을 뿌려 수분을 공급하고 온도를 낮추는 워터스프레이부;
    암모니아 또는 요소수를 공급하는 중화물질 공급부;
    200nm 이하의 자외선을 발생하는 진공 자외선 발생장치, 반응기 쿨링장치 및 마이크로웨이브 발생장치를 구비하는 두 개의 제 1 및 제 2 반응조 및 상기 두 개의 반응조 앞단에 설치된 자동차단변을 포함하는 주 반응기;
    상기 주 반응기를 보완하고, 상기 주 반응기에서 생성된 잉여의 활성종을 분해하는, 200nm 이상의 자외선을 발생하는 LED를 구비한 반응통로부; 및
    상기 주 반응기 및 상기 반응통로부를 거쳐 생성된 황화합물 및 질소 화합물을 포집하는 2차 집진부를 포함하는, 배가스 탈황 및 탈질 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중화물질 공급부는 상기 배가스의 황합물 및 질소산화물의 농도를 계산하여 반응 몰비에 따라 암모니아 공급량을 결정하는 프로세서를 추가로 포함하며, 상기 중화물질 대신에 상기 반응기 전단에서 물이 공급되는 것인, 배가스 탈황 및 탈질 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공 자외선 발생장치는 상기 주 반응기 내부에 산소 라디칼, 하이드록실 라디칼, 오존 ,과산화수소, 하이드록실 이온, 하이드로퍼옥실 라디칼, 수소 라디칼, 메틸 라디칼, 메틸퍼옥실 라디칼, NO3 라디칼 및 N2O5 라디칼 중 적어도 하나의 활성종을 생성하는, 배가스의 탈황 및 탈질 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응조의 상기 반응기 쿨링장치는 고압의 공기를 분사하여 상기 반응조 내부의 온도를 30℃ 내지 250℃로 유지하고, 상기 진공 자외선 발생장치의 외부에 반응물 스케일이 생성된 경우 이를 제거하거나,
    또는 상기 고압의 공기와 함께 물을 분사하여 상기 진공 자외선 발생장치의 외부에 반응물 스케일이 생성된 경우 이를 제거하는, 배가스의 탈황 및 탈질 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응조의 내부는 돌기가 형성되고, 이산화티타늄으로 코팅된 것인, 배가스의 탈황 및 탈질 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로웨이브 발생장치는 유해물 분해 또는 외부전극형광등을 사용할 때 외부전극형광등의 전원장치로 사용되는, 배가스의 탈황 및 탈질 장치.
  7. 제 1 항에 내지 제 6 중 어느 한 항의 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 질산암모늄 및 황산암모늄 생성 방법.
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