KR20150081049A - 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시 제거방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시 제거방법에 관한 것으로, 상세하게는 산화제를 질소산화물 가스 및 황산화물 가스를 포함하는 반응기 내로 분무하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 분무된 산화제와 질소산화물 가스 및 황산화물 가스가 반응기 내에서 반응하여 고체상 염 또는 미세 수용액 입자들을 생성하는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2에서 생성된 고체상 염 또는 미세 수용액 입자들을 습식 전기집진기를 통해 집진하는 단계(단계 3);를 포함하는 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시제거방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 질소산화물 및 황산화물 가스에 산화제를 미세화한 후 분무하여 산화, 중화, 흡수반응을 일으켜 고체상 염 또는 미세 수용액 입자들을 생성한 것을 습식 전기집진기를 이용하여 집진하는 공정을 통해 질소산화물 및 황산화물 가스를 동시에 제거할 수 있다. 상온, 상압에서 이루어져 에너지 효율상 경제적이고, 반응 비율을 조절하여 질소산화물 및 황산화물의 제거효율 및 공간속도를 최적화할 수 있다. 또한, 반응비율에서 반응시간을 최적화하여 반응기의 노화를 방지할 수 있고, 최적의 전력을 찾아내어 공정경제상 가장 효율적인 조건으로 질소산화물 및 황산화물을 제거하는 공정을 설계할 수 있다.

Description

습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시 제거방법{Method for simultaneously eliminating of nitrogen oxide and sulfur oxide gas by electric precipitator}
본 발명은 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시 제거방법에 관한 것이다.
질소산화물(NOｘ)은 산성비와 광화학 스모그의 주원인으로, NO, NO2, N2O, N2O2, N2O3, N2O5의 6종이 존재하는 것으로 알려져 있으며, 주로 대기 중에서 검출되는 것은 NO, NO, N2O이고, NO는 무색, 무취의 기체로 그 자체는 문제가 되지 않으나, 대기 중에서 NO2로 산화가 되므로 유독 기체이다. 따라서 일반적으로 환경오염물질로 NOx라 함은 NO와 NO2를 통칭하며, NOx는 25 ~ 10ppm 정도의 농도에서 폐렴 및 심한 기관지염을 유발시킬 뿐만 아니라 심장, 폐, 간, 신장에 해를 끼치는 것으로 알려져 있다.
또한, NOx는 광화학 스모그 발생원인이 되고, 광화학적 산화물과 오존을 생성시키는데, 그 오존은 인체에 천식 및 호흡기 질환을 야기시키며, 광화학 산화물은 기침, 눈과 목의 자극 및 두통 현상을 일으킨다.
새로운 연구결과에 의하면, 미국의 만으로 흘러들어가는 연안지역 하천에 함유된 질소의 15 ~ 30%는 대기 중에서 녹아 들어간 것이라고 한다. 질소와 같은 영향물질은 생태계 건강 측면에서 볼 때 필수적인 물질이지만, 그 양이 과다할 경우 반대로 악영향을 미치게 된다. 수중의 질소농도가 높아질 경우 박테리아, 조류 및 동물성 플랑크톤의 이상 증식과 같은 문제를 발생시키며, 이러한 생물들이 많아질 경우 수중의 용존산소 부족현상이 일어나며, 수중 생태계가 파괴된다.
또한, NOx가 질산과 질산염으로 전환된 산성비의 영향으로 건축구조물, 조형물 등의 부식을 일으키며, 특히 대리석으로 제작된 문화재 미술품 등의 부식으로 인류에 심각한 피해가 예상되며, 계속 파괴현상이 진행되고 있다.
황산화물은 대부분 연료 중에 포함된 황이 연소하여 공기 중의 산소와 결합하여 생성되는데, 이산화황(SO2) 또는 삼산화황(SO3)을 통칭하여 SOx로 표시한다.
황산화물은 질소산화물과 함께 산성비의 원인이 되고, 호흡기에 유독하며 저항성이 약한 식물에 해를 주어 고사시키는 등 매우 유해한 물질이다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0106020호에 따르면, 습식탈황 집진설비를 구비한 석유코크스 정제분말연소보일러 시스템이 개시되어 있다. 구체적으로는 석유코크스 정제분말을 공급하는 석유코크스 정제분말 공급부(10); 벙커-C유를 공급하는 벙커-C유 공급부(20); 상기 석유코크스 정제분말 공급부(10)로부터 공급된 석유코크스 정제분말과 상기 벙커-C유 공급부(20)로부터 공급된 벙커-C유가 합류되어 혼합공급되며 점화연소되도록 하는 버너(30); 상기 버너(30)의 점화에 의해 석유코크스 정제분말과 벙커-C유가 연소되는 연소기(41)와, 상기 연소기(41)의 연소열로 물을 가열하여 증기를 발생시키는 증기발생부(42)가 구비된 보일러(40); 상기 연소기(41)로부터 배출된 배연가스 중에 함유된 질소산화물을 제거하는 탈질장치(50); 및 상기 탈질장치(50)로부터 질소산화물이 제거된 배연가스에 황산화물 제거제를 분사시켜 배연가스 중에 함유된 황산화물을 제거하고 악취를 제거하는 분사부(61)와, 상기 분사부(61)로부터 제거되지 않은 미세 황산화물과 미세먼지를 포집하는 습식집진부(62)가 일체로 구비된 습식탈황장치(60);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 습식탈황 집진설비를 구비한 석유코크스 정제분말 연소보일러 시스템을 제공하고 있다.
이에 본 발명들은 질소산화물 및 황산화물을 동시에 효율적으로 제거하는 방법에 대해 연구를 수행하던 중, 산화제를 분무하여 염 또는 미세 수용액 입자들을 생성하고, 이를 전기 집진기로 포집함으로써 질소산화물 및 황산화물을 동시에 효율적으로 제거할 수 있는 방법을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은,
질소산화물 및 황산화물의 동시제거방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
산화제를 질소산화물 가스 및 황산화물 가스를 포함하는 반응기 내로 분무하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 분무된 산화제와 질소산화물 가스 및 황산화물 가스가 반응기 내에서 반응하여 고체상 염 또는 미세 수용액 입자들을 생성하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 생성된 고체상 염 또는 미세 수용액 입자들을 습식 전기집진기를 통해 집진하는 단계(단계 3);를 포함하는 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시제거방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 질소산화물 및 황산화물 가스에 산화제를 미세화한 후 분무하여 산화, 중화, 흡수반응을 일으켜 고체상 염 또는 미세 수용액 입자들을 생성한 것을 습식 전기집진기를 이용하여 집진하는 공정을 통해 질소산화물 및 황산화물 가스를 동시에 제거할 수 있다.
이때 상온, 상압의 공정을 통해 질소산화물 및 황산화물을 제거하므로 에너지 효율상 경제적이고, 반응에 투입한 질소산화물 및 황산화물에 대한 산화제의 몰 비인 반응 비율을 조절하여 질소산화물 및 황산화물의 제거효율 및 공간속도를 최적화할 수 있다.
상기 방식에서 설정한 반응비율에서 반응시간을 최적화하여 반응기의 노화를 방지할 수 있고, 상기 반응비율 및 반응시간에서의 최적의 전력을 찾아내어 공정경제상 가장 효율적인 조건으로 질소산화물 및 황산화물을 제거하는 공정을 설계할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기집진기에 의한 질소산화물 및 황산화물 제거실험의 공정도이고;
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1 내지 실시예 12의 반응비율에 대한 질소산화물 제거효율의 그래프이고;
도 3는 본 발명에 따른 실시예 13 내지 실시예 24의 반응비율에 대한 황산화물 제거효율의 그래프이고;
도 4는 본 발명에 따른 실시예 25 내지 29의 반응시간에 대한 질소산화물 및 황산화물 제거효율의 그래프이고;
도 5는 본 발명에 따른 실시예 30 내지 실시예 34의 전력에 대한 미세먼지의 양의 그래프이다.
본 발명은,
산화제를 질소산화물 가스 및 황산화물 가스를 포함하는 반응기 내로 분무하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 분무된 산화제와 질소산화물 가스 및 황산화물 가스가 반응기 내에서 반응하여 고체상 염 또는 미세 수용액 입자들을 생성하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 생성된 고체상 염 또는 미세 수용액 입자들을 습식 전기집진기를 통해 집진하는 단계(단계 3);를 포함하는 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시제거방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시제거방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시제거방법에 있어서 단계 1은 산화제를 질소산화물 가스 및 황산화물 가스를 포함하는 반응기 내로 분무하는 단계이다.
이때, 상기 단계 1의 산화제의 분무는 초음파 미세입자분무기(ultrasonic atomizer)를 이용하여 수행될 수 있다.
초음파 미세입자분무기를 이용하면 초음파를 통해 산화제를 수 미크론의 미립자로 분무하여 안개현상으로 만들 수 있다. 이때, 액상인 산화제의 표면적은 미세화된 입자들로 인하여 극대화되고, 이를 통해 산화제와 질소산화물 가스의 화학반응성이 극대화되어 반응시간 및 산화제의 사용량을 최소·최적화하여 반응공정상의 경제성을 향상시킬 수 있다.
상기 단계 1의 산화제로는 아염소산나트륨(NaClO2)을 사용하는 것이 바람직하고, 차아염소산나트륨(NaClO)을 사용할 수 있으나, 상기 산화제가 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같이 강산화제와 질소산화물 및 황산화물을 반응시키면, 화학반응성이 크므로 반응시간이 단축될 수 있다.
이때, 상기 반응을 통해 염화나트륨(NaCl), 질산나트륨(NaNO3), 염소산나트륨(NaClO3) 등의 고체상 염 또는 황산(H2SO4), 질산(HNO3)형태로 흡수된 미세 수용액 입자들이 생성될 수 있다.
상기 단계 1의 산화제는, 질소산화물에 대한 산화제의 몰비로 4 이상이고, 황산화물에 대한 산화제의 몰비로 2.5 이상의 양으로 분무될 수 있으며, 바람직하게는 질소산화물에 대한 산화제의 몰비는 4 내지 6, 황산화물에 대한 산화제의 몰비는 2.5 내지 6일 수 있으며, 이때의 산화제는 아염소산나트륨일 수 있다.
질소산화물 및 황산화물에 대한 산화제의 몰비를 반응비율(R)이라 하며, 하기 수학식 1과 같이 계산된다.
Figure pat00001
(R은 반응비율이고, mc 는 투입한 산화제 몰 유량[mol/min]이고, mw 는 투입한 질소산화물 또는 황산화물 몰 유량[mol/min]이다. )
만약, 질소산화물에 대한 산화제의 몰비가 4 미만이거나 황산화물에 대한 산화제의 몰비가 2.5 미만인 경우에는 질소산화물 및 황산화물의 제거효율이 현저히 떨어진다는 문제점이 있고, 질소산화물에 대한 산화제의 몰비가 6을 초과하거나, 황산화물에 대한 산화제의 몰비가 6을 초과하는 경우에는 산화제의 과잉사용이 되어 반응기 내부가 산화되어 부식될 수 있고, 필요 이상의 산화제가 공급되므로 원료 물질 공급상의 경제성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 상기 산화제로 차아염소산나트륨(NaClO)을 사용할 경우 질소산화물에 대한 산화제의 몰비는 6 이상, 황산화물에 대한 산화제의 몰비는 3 이상이 되도록 분무하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시제거방법에 있어서 단계 2는 상기 단계 1에서 분무된 산화제와 질소산화물 가스 및 황산화물 가스가 반응기 내에서 반응하여 고체상 염 또는 미세 수용액 입자들을 생성하는 단계이다.
상기 단계 2에서 산화제와 질소산화물 및 황산화물 가스가 2.5 초 이상 동안 반응하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 2.5 내지 5초일 수 있다.
산화제와 질소산화물 및 황산화물 가스가 2.5 초 미만 동안 반응하면 산화제와 황산화물 가스와의 반응이 충분히 이루어지지 않아 황산화물의 제거효율이 떨어진다는 문제점이 있고, 5 초를 초과하여 반응하면 반응기 내부에서 산화제가 반응기에 노출되는 시간이 늘어나 반응기를 부식시켜 반응기가 노화될 수 있고, 반응시간이 길어짐에 따라 반응에 필요한 공간이 커져야 하므로 반응기 부피가 커져 공정상 경제성이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 상기 단계 2에서 분무된 산화제 중 미반응 산화제를 상기 초음파 미세입자분무기로 재순환하는 공정을 더 포함할 수 있다.
질소산화물 및 황산화물을 산화시키고 남은 미반응 산화제가 발생할 수 있다. 이를 초음파 미세입자분무기로 재순환하는 단계를 더 포함하여 질소산화물 가스와 다시 반응시킴으로써 공정경제상의 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시제거방법에 있어서 단계 3은 상기 단계 2에서 생성된 고체상 염 또는 미세 수용액 입자들을 습식 전기집진기를 통해 집진하는 단계이다.
단계 3에서는 코로나방전에 의하여 생긴 전하가 고체상 염 또는 미세 수용액 입자들에 부착되어 고체상 염은 대전입자로 변하므로 정전기력에 의해 반대 극성의 전극에 끌려 이동하여 집진되므로 질소산화물 및 황산화물을 최종적으로 제거할 수 있다.
상기 단계 3의 전기집진기 내의 반응은 0.65 초 이상의 시간 동안 수행할 수 있다.
만약, 0.65초 미만의 시간 동안 전기집진기 내의 반응이 이루어지는 경우에는 질소산화물과 황산화물이 산화제와 반응하여 발생된 염 또는 미세 수용액 입자들이 충분히 집진기에 끌려가지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 단계 3의 습식 전기집진기는 전력이 70 W 이상일 수 있으며, 바람직하게는 70 내지 80 W일 수 있다. 이때의 전기집진기 내의 체류시간은 0.65초일 수 있다.
만약, 70 W 이하의 전력으로 전기집진기가 가동되는 경우에는 배출되는 가스의 먼지량이 대기 상태보다 훨씬 많이 존재하는 문제점이 발생할 수 있다.
운전 전력이 증가할수록 집진되는 먼지량이 증가하여 미세먼지의 제거효율이 증가하지만, 일정한 전력 소모량을 초과하면 전력에 비하여 미세먼지의 제거효율의 증가량은 미미하므로, 미세먼지 제거효율에 대하여 에너지공정상 최소·최적의 전력을 설정하여 공정을 설계할 수 있다.
상기 단계 3의 전기집진기는 실린더형 전기집진기인 것이 바람직하다.
전기 집진기는 평판형과 실린더형 구조로 나뉘는데, 평판형 전기집진기는 미반응 반응물 및 생성물들이 전기집진기 일측에서 타측으로 수평방향으로 이동하므로 집진기 외부로 빠져나가기 용이하다.
그러나, 실린더형 전기집진기는 산화반응 이후 미반응 질소산화물 및 황산화물 가스, 산화제 및 생성된 고체상 염 및 미세 수용액 입자 등이 실린더형 전기집진기를 통과하는 과정에서 미반응 산화제 및 집진된 고체상 염 및 미세 수용액 입자들은 실린더형 전기집진기 하부에서 배출구를 통해 배출되고, 미반응 질소산화물 및 황산화물 가스 및 집진기에서 집진되지 않은 고체상 염 또는 미세 수용액 입자들은 전기집진기 하단부에서 상단부로 이동해야 하므로 전기집진기를 쉽게 빠져나가는 것을 방지할 수 있으므로 질소산화물 및 황산화물 가스의 제거효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
단계 1: 600 ppm 농도의 질소산화물 가스 및 1200 ppm농도의 황산화물 가스를 질량유량계(MPR-3000S and TSC-220, KITS Co. Ltd., Korea)를 이용하여 유량을 조절하였다.
희석된 혼합 폐가스는 화학반응기(1) 내부로 주입하였으며, 이때 총 가스 유량은 30 m3/hr로 고정하였다. 화학반응기(1)는 플라스틱 배관을 이용하였으며, 화학반응기(1) 내에서의 가스체류시간이 2.5초가 되도록 화학반응기 체적을 설정하였다.
질소산화물과 산화제의 반응비율이 1 및 황산화물과 산화제의 반응비율이 0.5가 되도록 아염소산나트륨 0.1 mol/L을 물에 희석하여 초음파 미세입자 분무기(2)를 이용해 화학반응기 내부로 주입하였고, 화학반응기(1) 내부로 투입되는 산화제 수용액의 유량은 0.1 L/min으로 고정하였다. 초음파 미세입자 분무기(2)를 이용해 투입된 산화제 수용액에 입자 크기는 1~5 μm였으며, 미세입자 형태로 주입하여 폐가스와 자발적인 기액반응이 진행되도록 하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 분무된 아염소산나트륨(NaClO2)과 질소산화물 및 황산화물 가스가 2.5 초간 반응공간 내에서 반응하여 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 염화나트륨(NaCl), 질산나트륨(NaNO3) 및 염소산나트륨(NaClO3)의 고체상 염 및 미세 수용액 입자들을 생성하였고, 미반응 산화제는 액상 폐기물 배출구를 통하여 배출되었다. 이때, 전체 공기의 유량은 500 L/min으로 장치 후단의 송풍기를 사용하여 조절하였다.
단계 3: 길이 0.35 m이고, 0.308 m3의 면적의 집진판에 256개의 핀 전극이 0.024 m의 간격으로 구성된 핀-실린더형 습식 전기집진기(3)를 이용하여 상기 단계 2에서 생성된 고체상 염 또는 미세 수용액 입자들을 집진하였고, 집진된 고체상 염은 액상 폐기물 배출구를 통해 배출되어 질소산화물 및 황산화물이 최종적으로 제거되었다. 이때, 습식 전기집진기(3) 내에서의 가스 체류시간은 0.65초이고, 습식 전기집진기(3)의 입력 전력은 70 W이었다.
상기 실시예 1의 단계들은 하기 도 1에 도시된 장치들을 이용하여 수행되었다.
<실시예 2-6>
실시예 1의 단계 1에서 하기 표 1과 같은 농도 및 유량의 아염소산나트륨(NaClO2)을 반응공간에 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질소산화물 및 황산화물을 제거하였다.
산화제 몰 농도(mol/L) 투입된 산화제 몰유량(mol/min) 질소산화물에 대한 산화제의
반응비율(R)
실시예 2 0.2 0.02 2
실시예 3 0.3 0.03 3
실시예 4 0.4 0.04 4
실시예 5 0.5 0.05 5
실시예 6 0.6 0.06 6
<실시예 7-12>
실시예 1의 단계 1에서 하기 표 2와 같은 농도 및 유량의 차아염소산나트륨(NaClO)을 반응공간에 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질소산화물 및 황산화물을 제거하였다.
산화제 몰 농도(mol/L) 투입된 산화제 몰유량(mol/min) 질소산화물에 대한 산화제의
반응비율(R)
실시예 7 0.1 0.01 1
실시예 8 0.2 0.02 2
실시예 9 0.3 0.03 3
실시예 10 0.4 0.04 4
실시예 11 0.5 0.05 5
실시예 12 0.6 0.06 6
<실시예 13-18>
실시예 1의 단계 1에서 하기 표 3과 같은 농도 및 유량의 아염소산나트륨(NaClO2)을 반응공간에 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질소산화물 및 황산화물을 제거하였다.
산화제 몰 농도(mol/L) 투입된 산화제 몰유량(mol/min) 황산화물에 대한 산화제의
반응비율(R)
실시예 13 0.1 0.01 0.5
실시예 14 0.2 0.02 1.0
실시예 15 0.3 0.03 1.5
실시예 16 0.4 0.04 2.0
실시예 17 0.5 0.05 2.5
실시예 18 0.6 0.06 3.0
<실시예 19-24>
실시예 1의 단계 1에서 하기 표 4와 같은 농도 및 유량의 차아염소산나트륨(NaClO)을 반응공간에 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질소산화물 및 황산화물을 제거하였다.
산화제 몰 농도(mol/L) 투입된 산화제 몰유량(mol/min) 황산화물에 대한 산화제의
반응비율(R)
실시예 19 0.1 0.01 0.5
실시예 20 0.2 0.02 1.0
실시예 21 0.3 0.03 1.5
실시예 22 0.4 0.04 2.0
실시예 23 0.5 0.05 2.5
실시예 24 0.6 0.06 3.0
<실시예 25-29>
실시예 5의 단계 1에서 황산화물에 대한 산화제의 반응비율 2.5이며, 단계 2에서 하기 표 5과 같은 반응시간으로 반응시킨 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 질소산화물 및 황산화물을 제거하였다.
반응시간(초)
실시예 25 0.5
실시예 26 1.0
실시예 27 1.5
실시예 28 2.0
실시예 29 2.5
<실시예 30-34>
실시예 29의 단계 3에서 전기 집진기를 0.65초의 집진기 내부체류시간으로 하기 표 6와 같은 조건으로 운전한 것을 제외하고는 실시예 29와 동일한 방법으로 질소산화물 및 황산화물을 제거하였다.
입력전력(W)
실시예 30 1.2
실시예 31 10.7
실시예 32 29.8
실시예 33 49.5
실시예 34 70.7
<실험예 1> 반응비율에 따른 질소산화물 및 황산화물의 제거효율
상기 실시예 1 내지 24에서의 질소산화물 및 황산화물 제거율을 알아보기 위하여 장치 후단에서 튜브로 가스 분석기(6)(Flue gas analyzer, MK 9000, RBR Co. Ltd., Germany 및 FT-IR spectroscopy, IG-2000, Otsuka Electronics Co. Ltd., Japan)와 연결하여 질소산화물 및 황산화물의 배출농도를 측정하였고, 하기 [수학식 2]에 따라 질소산화물 및 황산화물의 제거율을 계산하였다. 그 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다.
[수학식 2]
Figure pat00002
(η는 질소산화물 또는 황산화물 제거효율이고, Ci 는 초기의 질소산화물 또는 황산화물 농도[ppm]이고, Co 배출된 질소산화물 또는 황산화물 농도[ppm]이다.)
도 2에 나타낸 바와 같이, NaClO2와 NaClO를 이용한 질소산화물 및 황산화물의 제거효율은 반응비율이 증가될수록 증가된다. 또한 NaClO2을 사용한 실시예 1 내지 6의 경우가 NaClO를 사용한 실시예 7 내지 12의 경우보다 질소산화물을 제거하는데 훨씬 효과적인 것을 확인할 수 있다. NaClO2에 경우 반응비율이 4인 실시예 4에서 질소산화물에 제거효율이 거의 100%에 도달하였으며, 그 이상에 반응비율 조건에서는 질소산화물 제거효율이 100%를 유지하였다.
반면에, NaClO에 경우에는 반응비율이 6인 실시예 12의 경우에도 질소산화물의 제거효율이 45 %정도에 효율을 보였다. 따라서 질소산화물을 제거하는데 NaClO2가 NaClO보다 훨씬 효과적인 것을 확인할 수 있으며, 최적 운전조건으로는 NaClO2를 사용하였을 때 반응비율이 4인 것을 확인할 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, NaClO2와 NaClO 모두 반응비율이 증가될수록 황산화물 제거효율이 증가되었으며, 마찬가지로 NaClO2를 사용한 실시예 13 내지 18의 경우가 NaClO을 사용한 실시예 19 내지 24보다 효과적인 것을 확인할 수 있다. NaClO2에 경우에는 반응비율이 2.5인 실시예 17에서 황산화물 제거효율이 100%을 달성하였으며, NaClO를 사용한 경우에는 반응비율이 3인 실시예 24에서 황산화물 제거효율이 100%를 달성하였다. 따라서 황산화물 제거효율에서도 NaClO2가 NaClO보다 더 효과적임을 확인하였으며, 질소산화물과 황산화물을 동시에 제거하기 위해서는 NaClO2를 사용하는 것이 더 효과적임을 확인하였다.
<실험예 2> 반응공간 내에의 가스 체류시간에 따른 질소산화물 및 황산화물 제거효율
상기 실시예 25 내지 29에서의 반응시간 변화에 따른 질소산화물 및 황산화물 제거율을 알아보기 위하여 장치 후단에서 튜브로 가스 분석기(6)(Flue gas analyzer, MK 9000, RBR Co. Ltd., Germany 및 FT-IR spectroscopy, IG-2000, Otsuka Electronics Co. Ltd., Japan)와 연결하여 질소산화물 및 황산화물의 배출농도를 측정하였고, 질소산화물 및 황산화물의 제거율을 계산하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 화학반응기 내에서의 가스 체류시간이 감소할수록 황산화물에 제거효율은 급격히 감소되는 것을 확인할 수 있으나, 질소산화물에 경우에는 체류시간이 0.5초인 실시예 25의 경우에서도 제거효율이 95%이상을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 황산화물의 경우에는 체류시간이 2.5초 이전인 실시예 25 내지 실시예 28의 경우에는 제거효율이 90 % 이하로 나타났다.
따라서, 화학반응기에서 최적 운전조건으로는 NaClO2를 사용하였을 경우 질소산화물에 반응비율은 4 이상을 유지하는 것과 황산화물에 반응비율은 2.5 이상을 유지하는 것이 바람직하며, 화학반응기 내에서의 체류시간은 2.5초 이상을 유지하는 것이 바람직하다. 다음과 같은 조건에서 600 ppm 질소산화물과 1200 ppm 황산화물의 제거효율은 두 가지 모두 100%를 달성하였다.
<실험예 3> 전력변화에 따른 집진효율
상기 실시예 30 내지 실시예 34에서의 전력 변화에 따른 집진효율을 알아보기 위해, 반응기 후단의 입자 분석기(7)(KANOMAX Inc., JAPAN)를 이용하여 미세먼지의 양을 측정하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 전기집진기에 입력전력이 증가함에 따라 배출가스의 먼지량이 급격히 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 점선으로 표시한 부분은 대기상태에서의 먼지량을 표시한 것이며, 입력전력이 70.7 W인 실시예 34에서 배출가스의 먼지량은 150μg/m3으로 대기상태 수준과 거의 비슷한 먼지량을 나타낸다. 입력전력이 1.2 W인 실시예 30의 배출가스의 먼지량은 약 2,480 μg/m3으로 대기상태와 비교하였을 때 상당히 많은 량이 배출되는 것을 알 수 있다.
따라서, 전기집진기에 최적 운전조건으로는 전기집진기 내에 체류시간이 0.65초일 때 입력전력을 70 W이상 유지하는 것이 바람직하다.
상기 실시예들을 종합해보면, 질소산화물 및 황산화물을 제거할 경우 산화제로 차아염소산나트륨(NaClO) 및 아염소산나트륨(NaClO2)이 사용 가능하지만, 아염소산나트륨(NaClO2)을 사용한 경우가 더 높은 제거효율을 나타낸다. 또한, 질소산화물 및 황산화물 가스에 대한 산화제로 아염소산나트륨(NaClO2)을 사용한 경우 4 이상의 질소산화물의 반응비율 및 2.5 이상의 황산화물 반응비율과 2.5초 이상의 반응기 내부의 반응시간에서 효율이 가장 좋다는 것을 알 수 있었으며, 0.65초의 집진기 내부 체류시간을 가질 경우 70W이상의 집진기 입력전력을 유지하는 것이 바람직하다. 하지만, 상기의 조건들로 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
1: 화학반응기
2: 초음파 미세입자 분무기
3: 전기 집진기
4: 전력 공급원
5: 블로워
6: 가스 분석기
7: 입자 분석기

Claims (9)

  1. 산화제를 질소산화물 가스 및 황산화물 가스를 포함하는 반응기 내로 분무하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 분무된 산화제와 질소산화물 가스 및 황산화물 가스가 반응기 내에서 반응하여 고체상 염 또는 미세 수용액 입자들을 생성하는 단계(단계 2); 및
    상기 단계 2에서 생성된 고체상 염 또는 미세 수용액 입자들을 습식 전기집진기를 통해 집진하는 단계(단계 3);를 포함하는 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시제거방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 산화제의 분무는 초음파 미세입자분무기(ultrasonic atomizer)를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시제거방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 산화제는 아염소산나트륨(NaClO2)인 것을 특징으로 하는 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시제거방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 산화제는, 질소산화물에 대한 산화제의 몰비로 4 이상이고, 황산화물에 대한 산화제의 몰비로 2.5 이상의 양으로 분무되는 것을 특징으로 하는 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시제거방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2의 반응은 2.5 초 이상의 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시제거방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3의 전기집진기 내의 반응은 0.65 초 이상의 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시제거방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3의 전기집진기 내의 입력전력은 70 W 이상인 것을 특징으로 하는 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시제거방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3의 습식 전기집진기는 실린더형 집진기인 것을 특징으로 하는 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시제거방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2를 거친 미반응 산화제를 상기 단계 1로 재순환하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습식 전기집진 방식에 의한 질소산화물 및 황산화물의 동시제거방법.
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