KR20190043942A - Apparatus and method for removing nitrogen oxide and sulfur oxide - Google Patents
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Abstract
Description
전기화학적 방법으로 생성한 염소계 산화제를 통해 배기가스로부터 질소산화물과 황산화물을 연속적으로 동시에 제거할 수 있는 질소산화물 및 황산화물 제거 장치 및 제거 방법이 제공된다.There is provided a nitrogen oxide and sulfur oxide removal device and a removal method capable of continuously and simultaneously removing nitrogen oxides and sulfur oxides from an exhaust gas through a chlorine-based oxidant produced by an electrochemical method.
화석연료 기반 발전시설, 보일러, 소각로 및 자동차 엔진의 배기가스에는 다량의 질소산화물, 황산화물이 포함되어 있다. 여기서, 질소산화물은 태양광선의 조사에 의해 광화학 스모그의 원인이 되고, 눈이나 코를 자극할 수 있으며, 폐충혈, 폐수종, 폐쇄성 기관지염 등을 발생시킬 수 있고, 혈중 헤모글로빈과 결합하여 메트헤모글로빈을 형성함으로써 인체 내에서 산소 전달을 방해할 수 있다. 황산화물은 대기 중의 습도가 높은 경우 물과 반응하여 에어로졸(aerosol)을 생성하여 빛의 분산, 금속 및 재료의 부식, 시야 감소의 원인이 될 수 있고, 급성, 만성 호흡기 질환, 천식 등을 발생시킬 수 있다.Exhaust gases from fossil fuel-based power plants, boilers, incinerators and automobile engines contain large quantities of nitrogen oxides and sulfur oxides. Here, nitrogen oxides cause photochemical smog by irradiation of the sunlight, can stimulate the eyes and nose, can cause pulmonary hyperemia, pulmonary edema, obstructive bronchitis, etc., and bind to blood hemoglobin to form methemoglobin Thereby preventing oxygen transmission in the human body. Sulfuric acid reacts with water in high atmospheric humidity to produce aerosol, which can cause light scattering, corrosion of metals and materials, reduction in visual field, and can cause acute, chronic respiratory disease, asthma .
현재 질소산화물을 제거하기 위한 공정은 건식 탈질 기술과 습식 탈질 기술로 나눌 수 있는데, 건식 탈질 기술로는 촉매 분해법, 선택적 촉매 환원법(SCR, Selective catalytic reduction), 선택적 비촉매 환원법(SNCR, Selective non-catalytic reduction), 비선택적 촉매 환원법, 방사법, 흡착법 등이 있다. 이 중 가장 널리 상용된 탈질 기술은 선택적 촉매 환원법이고, 선택적 촉매 환원법은 높은 탈질 성능을 나타내고, 상대적으로 2차적인 공해 발생이 적은 공정이지만, 에너지 소비량이 상대적으로 크다는 문제점을 가질 수 있다.Currently, the process for removing NOx can be divided into dry denitrification and wet denitrification. Catalytic cracking, selective catalytic reduction (SCR), selective non-catalytic reduction (SNCR) catalytic reduction, non-selective catalytic reduction, spinning, and adsorption. The most widely used denitrification technology is a selective catalytic reduction process. The selective catalytic reduction process exhibits high denitrification performance and relatively low secondary pollution. However, it may have a problem that the energy consumption is relatively large.
습식 탈질 기술로는 흡수-산화법, 흡수-환원법, 산화-흡수법, 산화-흡수-환원법 등이 있다. 습식 탈질 기술은 KMnO4, H2O2, NaClO2, O3 등의 산화제 및 금속 킬레이트(metal chelate)를 첨가한 수용액에 의해 수행될 수 있다. 이러한 습식 탈질 기술은 탈질과 탈황을 동시에 수행할 수는 있으나, 건식 탈질 기술에 비해 상대적으로 설치비가 비싸고, 탈질 효율이 낮을 수 있다.Wet denitrification techniques include absorption-oxidation, absorption-reduction, oxidation-absorption, and oxidation-absorption-reduction. The wet denitrification technique can be performed by an aqueous solution containing an oxidizing agent such as KMnO 4 , H 2 O 2 , NaClO 2 , O 3, etc. and a metal chelate. Such wet denitrification technology can perform denitrification and desulfurization at the same time, but the installation cost is relatively higher than that of the dry denitrification technology and the denitrification efficiency may be low.
현재 황산화물을 제거하기 위한 공정 또한 건식 공정과 습식 공정으로 분류될 수 있다. 발전소 등 대형 연소 시설의 약 90%가 습식 석회석 공정 (배연탈황공정, Flue Gas Desulfurization, FGD)이나 스프레이 드라잉(spray drying) 공정에 의해 황산화물 제거를 수행하고 있다. 이러한 황산화물 제거 공정은 약 90%의 황산화물 제거율을 나타내고 있다. 하지만, 칼슘 최종 생성물로 수거된 황화칼슘은 활용도가 낮으며, 공정 중 사용되는 수은 등의 중금속이 독성을 가지고 있어 2차 환경 오염을 야기할 수 있다.Currently, processes for removing sulfur oxides can also be classified as dry processes and wet processes. Approximately 90% of large combustion facilities such as power plants are performing sulfuric acid removal by wet limestone process (flue gas desulfurization, FGD) or spray drying process. This sulfuric acid removal process shows a sulfuric acid removal rate of about 90%. However, calcium sulfide collected as a calcium end product is low in utilization, and heavy metals such as mercury used in the process have toxicity, which may cause secondary environmental pollution.
질소산화물 및 황산화물은 미세먼지를 야기하는 등 대기오염의 주 원인이고, 인체에 매우 유해하여 이를 저감시킬 필요성이 있지만, 이를 효과적으로 동시에 제거하는 공정은 거의 상용화가 되어 있지 않은 실정이다. 또한, 현재 질소산화물과 황산화물이 각 물질 별로 분리된 복잡한 처리 공정으로 제거되고 있어, 비용이 증가하고 처리 시간이 길어지고 있으므로, 이를 최소화 하기 위한 효율적이고 연속적인 공정이 요구되고 있다. 또한, 배기가스 발생원의 다른 오염 물질 조성과 공간 속도, 배기가스의 유량 등을 고려하여 현장 적용성이 뛰어난 기술 개발이 필요하다.Nitrogen oxides and sulfur oxides are the main cause of air pollution such as causing fine dusts, and it is very harmful to the human body and it is necessary to reduce them. However, the process for effectively removing them simultaneously has not been commercialized. In addition, since the nitrogen oxides and the sulfur oxides are now removed by complicated treatment processes in which the respective substances are separated, the cost and the processing time are increased. Therefore, an efficient and continuous process is required to minimize this. In addition, it is necessary to develop a technology that is highly applicable in the field in consideration of other contaminant composition, space velocity, and exhaust gas flow rate of the exhaust gas generating source.
이산화염소를 이용한 연소 배가스 중의 이산화황과 질소산화물의 제거방법에 관한 한국등록특허(출원번호 10-2005-0034119)의 경우, 이산화염소 만을 산화제로 사용하여 효율적이지 않을 수 있고, pH가 일정 범위 내에 형성되었을 경우에만 제거가 원활이 이루어질 수 있어, pH를 조절하는 별도의 장비가 필수적으로 구비되어야 하므로, 운영 비용이 증가할 수 있다.In the case of the Korean patent (Application No. 10-2005-0034119) concerning the method of removing sulfur dioxide and nitrogen oxide in combustion exhaust gas using chlorine dioxide, chlorine dioxide alone may not be effective as an oxidizing agent, The removal can be smoothly performed, and the operation cost can be increased because separate equipment for adjusting the pH is required.
본 발명의 한 실시예에 따른 질소산화물 및 황산화물 제거 장치 및 제거 방법은 배기가스에 포함된 질소산화물과 황산화물을 동시에 연속적으로 제거하기 위한 것이다.The apparatus and method for removing nitrogen oxides and sulfur oxides according to an embodiment of the present invention are for simultaneously removing nitrogen oxides and sulfur oxides contained in the exhaust gas.
본 발명의 한 실시예에 따른 질소산화물 및 황산화물 제거 장치 및 제거 방법은 공정을 간소화하여 설치 비용 및 운전 비용을 감소시키기 위한 것이다.The apparatus and method for removing nitrogen oxides and sulfur oxides according to an embodiment of the present invention are intended to simplify the process and reduce installation cost and operation cost.
본 발명의 한 실시예에 따른 질소산화물 및 황산화물 제거 장치 및 제거 방법은 회수물을 재활용하기 위한 것이다.The apparatus and method for removing nitrogen oxides and sulfur oxides according to one embodiment of the present invention are for recycling recovered material.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.Embodiments according to the present invention can be used to accomplish other tasks not specifically mentioned other than the above-described tasks.
본 발명의 한 실시예에 따른 질소산화물 및 황산화물 제거 장치는, 제1 염소계 산화제 및 수산화이온(OH-)이 생성되는 전기화학 셀, 전기화학 셀로부터 도입된 염소계 산화제와 수산화이온이 혼합된 후 산도(pH)가 조절되어 생성된 제2 염소계 산화제를 포함하는 산도 조절부, 외부에서 도입되고 질소산화물 및 황산화물을 포함하는 배기가스와 산도 조절부로부터 도입된 제2 염소계 산화제가 접촉되고, 질소산화물이 산화되어 생성된 질산 이온, 그리고 황산화물이 산화되거나 물에 용해되어 생성된 황산 이온을 포함하는 접촉부, 그리고 전기화학 셀에 연결되어 있고, 접촉부로부터 전기화학 셀에 도입된 질산 이온 및 황산 이온 각각이 암모늄 이온과 결합하여 생성된 암모늄 염을 회수하여 제거하는 회수부를 포함한다.An apparatus for removing nitrogen oxides and sulfur oxides according to an embodiment of the present invention includes an electrochemical cell in which a first chlorine-based oxidizing agent and a hydroxide ion (OH - ) are generated, a chlorine-based oxidizing agent introduced from an electrochemical cell, An acidity control unit comprising a second chlorine-based oxidant produced by adjusting pH, an exhaust gas introduced from outside and containing nitrogen oxide and sulfur oxide, and a second chlorine-based oxidizer introduced from the acidity control unit, A contact portion including nitrate ions generated by oxidation of oxides and sulfuric acid ions generated by oxidizing sulfur oxides or dissolved in water, and a contact portion connected to the electrochemical cell, wherein nitrate ions and sulfate ions And a recovery unit for recovering and removing the ammonium salt, which is formed by combining with the ammonium ion, respectively.
전기화학 셀은 서로 이격되어 대향하고 있는 제1 영역과 제2 영역, 제1 영역에 위치하고 전압이 인가되는 제1 전극, 제2 영역에 위치하고 전압이 인가되는 제2 전극, 제1 영역과 제2 영역 사이에 위치하고 제1 영역에 인접하는 제1 이온교환막, 제1 영역과 제2 영역 사이에 위치하고 제2 영역에 인접하는 제2 이온교환막, 그리고 제1 이온교환막과 제2 이온교환막 사이에 위치하는 중간 영역을 포함하고, 전해질이 전기화학 셀 전체에 포함되어 있을 수 있다.The electrochemical cell includes a first region and a second region facing each other and spaced apart from each other, a first electrode positioned in the first region and a voltage applied thereto, a second electrode positioned in the second region and applied with a voltage, A second ion exchange membrane located between the first ion exchange membrane and the second ion exchange membrane, the first ion exchange membrane being located between the first ion exchange membrane and the first ion exchange membrane, the second ion exchange membrane being located between the first and second regions, An intermediate region, and an electrolyte may be contained throughout the electrochemical cell.
제1 염소계 산화제는 Cl2 를 포함하고, 제1 염소계 산화제는 중간 영역에 위치하는 염소 이온(Cl-)이 제1 이온교환막을 통과하여 제1 전극에서 산화되어 생성되며, 염소 이온의 적어도 일부가 접촉부에서 생성되어 중간 영역에 도입될 수 있다.The first chlorine-based oxidizing agent includes Cl 2 , and the first chlorine-based oxidizing agent is generated by chlorine ions (Cl - ) located in the middle region passing through the first ion exchange membrane and oxidized at the first electrode, Can be generated at the contact portion and introduced into the intermediate region.
염소 이온이 접촉부에서 제2 염소계 산화제가 환원되어 생성될 수 있다.Chlorine ions can be generated by reducing the second chlorine-based oxidant at the contact portion.
수산화이온은 전해질에 포함되어 있는 물이 제2 전극에서 환원되어 생성되고, 수산화이온이 제2 이온교환막을 통과하여 중간 영역에 할 수 있다.The hydroxide ion may be generated by reducing water contained in the electrolyte at the second electrode, and the hydroxide ion may pass through the second ion exchange membrane to the intermediate region.
제2 염소계 산화제는 Cl2, HClO, ClO-, 또는 ClO2 - 중 하나 이상을 포함할 수 있다.A second chlorine based oxidizing agent is Cl 2, HClO, ClO - may include one or more of -, or ClO 2.
산도 조절부에서, 산도가 3 미만으로 조절되는 경우 제2 염소계 산화제는 Cl2 를 주종으로 포함할 수 있고, 산도가 3 내지 6으로 조절되는 경우 제2 염소계 산화제는 HClO 및 Cl2 를 주종으로 포함할 수 있으며, 산도가 7 내지 9로 조절되는 경우 제2 염소계 산화제는 HClO, OCl- 및 ClO2 - 를 주종으로 포함할 수 있고, 산도가 9 초과로 조절되는 경우 제2 염소계 산화제는 OCl- 를 주종으로 포함할 수 있다.In the acidity control part, when the acidity is adjusted to less than 3, the second chlorine-based oxidizing agent may include Cl 2 as a main species, and when the acidity is controlled to 3 to 6, the second chlorine- based oxidizing agent contains HClO and Cl 2 as the main species If the acidity is controlled to 7 to 9, the second chlorinated oxidizing agent may include HClO, OCl - and ClO 2 - as the main species, and when the acidity is adjusted to more than 9, the second chlorinated oxidizing agent may include OCl - It can be included as a main species.
접촉부에서, 제2 염소계 산화제가 분무탑, 충전탑, 싸이클론 스크러버, 벤츄리 스크러버, 제트 스크러버, 단탑, 기포탑, 다공판탑, 또는 포종탑 중 하나의 장치에 의해 배기가스와 접촉될 수 있다.At the contact, the second chlorine-based oxidizing agent can be contacted with the exhaust gas by means of one of the spray tower, packed tower, cyclone scrubber, venturi scrubber, jet scrubber, monopole, bubble column, perforated plate tower or bubble tower.
접촉부에서 생성된 질산 이온은 NO2 - 또는 NO3 - 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 접촉부에서 생성된 황산 이온은 SO3 2-, SO4 2-, HSO3 -, 또는 HOSO2 - 중 하나 이상을 포함할 수 있다.The nitrate ion produced at the contact may contain at least one of NO 2 - or NO 3 - and the sulfate ion produced at the contact may be one of SO 3 2- , SO 4 2- , HSO 3 - , or HOSO 2 - Or more.
전기화학 셀에 연결되어 있고, 제1 영역으로 암모니아를 공급하는 암모니아 공급부를 포함할 수 있다.And an ammonia supply unit connected to the electrochemical cell and supplying ammonia to the first region.
전해질에 포함되어 있는 물이 제1 전극에서 산화되어 생성된 양성자(H+)와 암모니아가 결합하여 암모늄 이온이 생성될 수 있다.Water contained in the electrolyte is oxidized at the first electrode, and the protons (H + ) generated by the first electrode are combined with ammonia to generate ammonium ions.
접촉부로부터 중간 영역으로 도입된 질산 이온 및 황산 이온이 제1 이온교환막을 통과하여 제1 영역에서 암모늄 이온과 결합할 수 있다.Nitrate ions and sulfate ions introduced into the intermediate region from the contact portion can pass through the first ion exchange membrane and combine with ammonium ions in the first region.
암모늄 염은 NH4NO2, NH4NO3, (NH4)2SO3, 또는 (NH4)2SO4 중 하나 이상을 포함할 수 있다.The ammonium salt may comprise at least one of NH 4 NO 2 , NH 4 NO 3 , (NH 4 ) 2 SO 3 , or (NH 4 ) 2 SO 4 .
본 발명의 한 실시예에 따른 질소산화물 및 황산화물 제거 방법은, 전기화학 셀에 전압을 인가하여 제1 염소계 산화제 및 수산화이온을 생성하는 단계, 제1 염소계 산화제와 수산화이온의 혼합을 통해 산도(pH)를 조절하여 제2 염소계 산화제를 생성하는 산도 조절 단계, 질소산화물 및 황산화물을 포함하는 배기가스를 외부에서 도입하여 제2 염소계 산화제와 접촉시킴으로써 질소산화물을 산화시켜 질산 이온을 생성하고, 황산화물을 산화시키거나 물에 용해시켜 황산 이온을 생성하는 접촉 단계, 그리고 접촉 단계에서 생성된 질산 이온 및 황산 이온을 전기화학 셀에 도입한 후 암모늄 이온과 결합시켜 암모늄 염을 생성하여 제거하는 회수 단계를 포함한다.The method of removing nitrogen oxides and sulfur oxides according to an embodiment of the present invention includes the steps of generating a first chlorine-based oxidizing agent and hydroxide ions by applying a voltage to an electrochemical cell, mixing the chlorine-based oxidizing agent with a hydroxide ion pH is controlled to adjust the acidity to produce a second chlorine-based oxidizing agent, an exhaust gas containing nitrogen oxide and sulfur oxide is externally introduced and brought into contact with the second chlorine-based oxidizing agent to oxidize the nitrogen oxide to generate nitrate ions, A contact step of oxidizing cargo or dissolving in water to produce sulfate ion, and a step of introducing nitrate ion and sulfate ion generated in the contact step into an electrochemical cell and then combining with ammonium ion to generate and remove ammonium salt .
전기화학 셀은 서로 이격되어 대향하고 있는 제1 영역과 제2 영역, 제1 영역에 위치하고 전압이 인가되는 제1 전극, 제2 영역에 위치하고 전압이 인가되는 제2 전극, 제1 영역과 제2 영역 사이에 위치하고 제1 영역에 인접하는 제1 이온교환막, 제1 영역과 제2 영역 사이에 위치하고 제2 영역에 인접하는 제2 이온교환막, 그리고 제1 이온교환막과 제2 이온교환막 사이에 위치하는 중간 영역을 포함하고, 전해질이 전기화학 셀 전체에 포함되어 있을 수 있다.The electrochemical cell includes a first region and a second region facing each other and spaced apart from each other, a first electrode positioned in the first region and a voltage applied thereto, a second electrode positioned in the second region and applied with a voltage, A second ion exchange membrane located between the first ion exchange membrane and the second ion exchange membrane, the first ion exchange membrane being located between the first ion exchange membrane and the first ion exchange membrane, the second ion exchange membrane being located between the first and second regions, An intermediate region, and an electrolyte may be contained throughout the electrochemical cell.
제1 염소계 산화제 및 수산화이온을 생성하는 단계에서, 제1 염소계 산화제는 Cl2 를 포함하고, 제1 염소계 산화제는 중간 영역에 위치하는 염소 이온(Cl-)이 제1 이온교환막을 통과하여 제1 전극에서 산화되어 생성되며, 염소 이온의 적어도 일부가 접촉 단계에서 제2 염소계 산화제가 환원되어 생성될 수 있다.In the step of producing the first chlorine-based oxidizing agent and the hydroxide ion, the first chlorine-based oxidizing agent contains Cl 2 , and the first chlorine-based oxidizing agent passes chlorine ions (Cl - ) located in the middle region through the first ion- Which is produced by oxidation at the electrode, and at least a part of the chlorine ions can be produced by reducing the second chlorine-based oxidant in the contacting step.
제1 염소계 산화제 및 수산화이온을 생성하는 단계에서, 수산화이온은 전해질에 포함되어 있는 물이 제2 전극에서 환원되어 생성되고, 수산화이온이 제2 이온교환막을 통과하여 중간 영역으로 공급될 수 있다.In the step of producing the first chlorine-based oxidizing agent and the hydroxide ion, the hydroxide ion is generated by reducing the water contained in the electrolyte at the second electrode, and the hydroxide ion can be supplied to the intermediate region through the second ion exchange membrane.
제2 염소계 산화제는 Cl2, HClO, ClO-, 또는 ClO2 - 중 하나 이상을 포함할 수 있다.A second chlorine based oxidizing agent is Cl 2, HClO, ClO - may include one or more of -, or ClO 2.
산도 조절 단계에서, 산도를 3 미만으로 조절하여 Cl2 를 생성하거나, 산도를 3 내지 6으로 조절하여 HClO 및 Cl2 를 생성하거나, 산도를 7 내지 9로 조절하여 HClO, OCl- 및 ClO2 - 를 생성하거나, 산도를 9 초과로 조절하여 OCl- 를 생성할 수 있다.In the pH adjustment step, adjusting the pH to less than 3 to produce a Cl 2, or adjusting the pH to 3 to 6 to generate HClO and Cl 2, or by adjusting the pH to 7 to 9 HClO, OCl -, and ClO 2 - create or adjust the pH to 9 exceeds the OCl - may generate.
접촉 단계에서 생성된 질산 이온은 NO2 - 또는 NO3 - 중 하나 이상을 포함하고, 접촉 단계에서 생성된 황산 이온은 SO3 2-, SO4 2-, HSO3 -, 또는 HOSO2 - 중 하나 이상을 포함할 수 있다.The nitrate ions produced in the contacting step comprise at least one of NO 2 - or NO 3 - , and the sulfate ions generated in the contacting step comprise one of SO 3 2- , SO 4 2- , HSO 3 - , or HOSO 2 - Or more.
회수 단계에서, 전해질에 포함되어 있는 물이 제1 전극에서 산화되어 생성된 양성자(H+)와 암모니아 공급부로부터 공급된 암모니아를 제1 영역에서 반응시켜 암모늄 이온을 생성하고, 접촉 단계에서 생성된 질산 이온 및 황산 이온과 암모늄 이온을 제1 영역에서 반응시켜 암모늄 염을 생성한 후, 암모늄 염을 분리 및 제거할 수 있다.In the recovery step, the protons (H + ) generated by the oxidation of water contained in the electrolyte at the first electrode and the ammonia supplied from the ammonia supply unit are reacted in the first region to generate ammonium ions, and nitric acid Ions and ammonium ions may be reacted in the first region to produce an ammonium salt, and then the ammonium salt may be separated and removed.
본 발명의 한 실시예에 따른 질소산화물 및 황산화물 제거 장치 및 제거 방법은 배기가스에 포함된 질소산화물과 황산화물을 동시에 연속적으로 제거할 수 있고, 공정을 간소화하여 설치 비용 및 운전 비용을 감소시킬 수 있으며, 회수물을 재활용할 수 있다.The nitrogen oxide and sulfur oxide removing device and the removing method according to an embodiment of the present invention can simultaneously remove the nitrogen oxide and the sulfur oxide contained in the exhaust gas continuously and can simplify the process and reduce the installation cost and operation cost And the recovered material can be recycled.
도 1은 실시예에 따른 질소산화물 및 황산화물 제거 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 질소산화물 및 황산화물 제거 장치에서 전기화학 셀을 상세하게 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 질소산화물 및 황산화물 제거 장치에서 산도 조절부와 접촉부를 상세하게 나타낸 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for removing nitrogen oxides and sulfur oxides according to an embodiment. FIG.
FIG. 2 is a detailed view of an electrochemical cell in the apparatus for removing nitrogen oxides and sulfur oxides of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a detailed view of the pH controller and the contact portion in the apparatus for removing nitrogen oxides and sulfur oxides of FIG. 1;
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other features and advantages of the present invention will be more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same reference numerals are used for the same or similar components throughout the specification. In the case of publicly known technologies, a detailed description thereof will be omitted.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness is enlarged to clearly represent the layers and regions. It will be understood that when an element such as a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "on" another portion, it includes not only the element directly over another element, On the other hand, when a part is "directly on" another part, it means that there is no other part in the middle. On the contrary, when a portion such as a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "under" another portion, this includes not only the case where the other portion is "directly underneath" On the other hand, when a part is "directly beneath" another part, it means that there is no other part in the middle.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when an element is referred to as " comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.
도 1은 실시예에 따른 질소산화물 및 황산화물 제거 장치를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 질소산화물 및 황산화물 제거 장치에서 전기화학 셀을 상세하게 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1의 질소산화물 및 황산화물 제거 장치에서 산도 조절부와 접촉부를 상세하게 나타낸 도면이다.2 is a detailed view of an electrochemical cell in the apparatus for removing nitrogen oxides and sulfur oxides of FIG. 1, and FIG. 3 is a cross- FIG. 3 is a view showing in detail the acidity adjusting unit and the contact portion in the nitrogen oxide and sulfur oxide removing apparatus of FIG.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 질소산화물 및 황산화물 제거 장치(100)는, 전기화학 셀(cell)(110), 산도 조절부(140), 접촉부(160), 그리고 회수부(180)를 포함한다.1 to 3, an
전기화학 셀(110)은, 서로 이격되어 대향하고 있는 제1 영역(112)과 제2 영역(124), 제1 영역(112)에 위치하고 전압이 인가되는 제1 전극(116), 제2 영역(124)에 위치하고 전압이 인가되는 제2 전극(126), 제1 영역(112)과 제2 영역(124) 사이에 위치하고 제1 영역(112)에 인접하는 제1 이온교환막(118), 제1 영역(112)과 제2 영역(124) 사이에 위치하고 제2 영역(124)에 인접하는 제2 이온교환막(122), 그리고 제1 이온교환막(118)과 제2 이온교환막(122) 사이에 위치하는 중간 영역(120)을 포함한다. The
전기화학 셀(110)의 모든 영역(전체)에는 물(H2O) 기반(base)의 전해질이 포함되어 있다. 예를 들어, 제1 영역(112), 제1 이온교환막(118), 중간 영역(120), 제2 이온교환막(122), 그리고 제2 영역(124) 모든 부분에 전해질이 함유되어 있을 수 있다. 다만, 각 영역의 전해질은 서로 다른 물질을 포함할 수 있다.A water (H 2 O) -based electrolyte is contained in all the areas of the
제1 영역(112)은 도면에서 하부에 위치하는 제1 전극(116)과 도면에서 상부에 위치하는 제1 전극(116)이 아닌 영역(114)으로 이루어질 수 있다. 제2 영역(124)은 도면에서 상부에 위치하는 제2 전극(126)과 도면에서 하부에 위치하는 제2 전극(126)이 아닌 영역(128)으로 이루어질 수 있다.The
제1 전극(116)은, 예를 들어, 산화 전극일 수 있고, 명세서에서 아노드(anode) 또는 양극과 동일한 의미로 사용될 수 있다. 제2 전극(126)은, 예를 들어, 환원 전극일 수 있고, 명세서에서 캐소드(cathode) 또는 음극과 동일한 의미로 사용될 수 있다.The
제1 전극(116) 및 제2 전극(126)에는 전기 분해 장치, 수전해 장치, 또는 연료전지 등에 적용되는 다양한 공지된 전극 물질이 사용될 수 있다. 예를 들면, 다양한 종류의 도체가 전극으로 사용되거나, 전극 기재 및 전극 기재에 도포된 촉매를 포함하는 전극이 사용될 수도 있다. 이때, 도체는 티탄(Ti), 스테인리스강, 니켈(Ni), 니켈/크롬(Ni/Cr) 합금, 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 이들의 혼합물, 또는 이들의 산화물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 또한, 전극 기재 및 촉매를 포함하는 전극의 경우, 전극 기재로 카본천(carbon cloth) 등이 사용될 수 있고, 촉매로 백금(Pt), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 탄소(C), 그 외 전이금속, 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 물질이 사용될 수 있다.The
제1 전극(116) 및 제2 전극(126)은 제1 영역(112) 및 제2 영역(124)에 포함된 각종 이온에 전기적 인력을 미칠 수 있도록 적절한 위치에 설치될 수 있다. 제1 전극(116) 및 제2 전극(126)의 형태는 특별히 한정되지 않으며, 다양하게 변형될 수 있다.The
도시되지는 않았지만, 제1 전극(116) 및 제2 전극(126)은 전원 공급 장치와 연결될 수 있다. 전원 공급 장치로는 제1 전극(116) 및 제2 전극(126)에 미리 정해진 범위의 전압을 인가할 수 있는 것이라면, 공지된 전원 공급 장치가 모두 적용될 수 있다.Although not shown, the
제1 전극(116)과 제2 전극(126)에 미리 정해진 전압이 인가되면, 전기화학 셀(110)이 구동되면서 제1 염소계 산화제 및 수산화이온(OH-)이 생성된다.When a predetermined voltage is applied to the
여기서, 제1 염소계 산화제는 Cl2 를 포함한다. 제1 염소계 산화제(Cl2)는 중간 영역(120)에 위치하는 염소 이온(Cl-)이 제1 이온교환막(118)을 통과하여 제1 전극(116)으로 이동한 후, 제1 전극(116)에서 산화되어 생성될 수 있다. 이때, 염소 이온의 적어도 일부는 후술할 접촉부(160)에서 생성되어 중간 영역(120)에 도입될 수 있다. 중간 영역(120)에 도입된 염소 이온은 다시 제1 이온교환막(118)을 거쳐 제1 전극(116)에서 산화되어 제1 염소계 산화제로 변환된다.Here, the first chlorine-based oxidizing agent includes Cl 2 . The first chlorinated oxidizing agent (Cl 2) is a chloride ion which is located in the intermediate region (120) (Cl -) is to move to the first
염기성 물질인 수산화이온은 전해질에 포함되어 있는 물(H2O)이 제2 전극(126)에서 환원되어 생성된다. 생성된 수산화이온은 제2 이온교환막(122)을 통과하여 중간 영역(120)에 공급된다.The hydroxide ion, which is a basic substance, is produced by reducing water (H 2 O) contained in the electrolyte at the
제1 이온교환막(118) 및 제2 이온교환막(122)은 음이온을 선택적으로 투과시키는 음이온 교환막일 수 있고, 전기 분해 장치 또는 연료 전지 등에 적용되는 다양한 종류의 음이온 교환막이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 이온교환막(118) 및 제2 이온교환막(122)은 일본 도쿠야마사의 AMX, AHA, ACS, 일본 셀레미온사의 AAV, APS-4, 및 독일 퓨마-테크사의 FAN-AEM 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The first
제1 이온교환막(118) 및 제2 이온교환막(122)은, 제1 전극(116)과 제2 전극(126)을 분리시킬 수 있고, 전압 인가시 제1 전극(116)에서 생성되는 제1 염소계 산화제와 제2 전극(126)에서 생성되는 수산화 이온의 혼합을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 또한 제1 이온교환막(118) 및 제2 이온교환막(122)은 전해질 내에 잔류할 수 있는 염소계 산화제가 음극인 제2 전극(126)에서 환원되는 것을 방지할 수 있다.The first
제1 이온교환막(118) 및 제2 이온교환막(122) 사이에는 전해질을 포함하는 중간 영역(120)이 위치한다. 중간 영역(120)의 전해질은 제1 염소계 산화제의 안정적인 생산을 위해 약 1.94 질량% 이상의 염소 이온을 포함할 수 있다.An
전기화학 셀(110)에서 생성된 제1 염소계 산화제는 제1 이동관(132)을 통해 제1 영역(112)에서 산도 조절부(140)로 공급되고, 수산화이온은 제2 이동관(134)을 통해 중간 영역(120)에서 산도 조절부(140)로 공급된다.The first chlorine based oxidizing agent generated in the
산도 조절부(140)는 제1 염소계 산화제와 염기성 물질인 수산화이온이 혼합되어 생성된 제2 염소계 산화제를 포함한다. 제2 염소계 산화제는 Cl2, HClO, ClO-, 또는 ClO2 - 중 하나 이상일 수 있다. The
종래의 질소산화물 및 황산화물 제거 장치는 단일 산화제를 사용하지만, 실시예에 따른 질소산화물 및 황산화물 제거 장치(100)는 다양한 염소계 산화제를 사용함으로써 질소산화물 및 황산화물 제거 성능을 향상시킬 수 있다.The conventional nitrogen oxide and sulfur oxide removal apparatus uses a single oxidizer, but the nitrogen oxide and sulfur
산도 조절부(140)에서, 제1 염소계 산화제와 염기성 물질인 수산화이온은 도시되지 않은 제어 장치 등에 의해 설정된 비율로 혼합될 수 있고, 이로 인해 산도(pH)가 조절될 수 있으며, 산도에 따라 생성되는 제2 염소계 산화제의 종류가 상이해질 수 있다. In the
예를 들어, 산도 조절부(140)의 산도가 약 3 미만으로 조절되는 경우, 제2 염소계 산화제는 Cl2 를 주종으로 포함할 수 있고, 산도가 약 3 내지 약 6으로 조절되는 경우 제2 염소계 산화제는 HClO 및 Cl2 를 주종으로 포함할 수 있으며, 산도가 약 7 내지 약 9로 조절되는 경우 제2 염소계 산화제는 HClO, OCl- 및 ClO2 - 를 주종으로 포함할 수 있고, 산도가 약 9 초과로 조절되는 경우 제2 염소계 산화제는 OCl- 를 주종으로 포함할 수 있다. 주종으로 포함한다는 것은 주종 이외에도 다른 제2 염소계 산화제가 소량 포함될 수 있다는 의미이다.For example, if the acidity of the
제1 염소계 산화제와 수산화이온은 산도 조절부(140)로 연속적으로 주입될 수도 있고, 단계적으로 주입될 수도 있다.The first chlorine-based oxidizing agent and the hydroxide ion may be continuously injected into the
산도 조절부(140)에서 생성된 제2 염소계 산화제는 제3 이동관(142)을 통해 산도 조절부(140)에서 접촉부(160)로 공급된다.The second chlorine-based oxidizing agent generated in the
접촉부(160)에서는 외부에서 도입된 배기가스(152)와 산도 조절부(140)에서 도입된 제2 염소계 산화제가 접촉된다. In the
여기서, 배기가스(152)는 각종 발전시설 등 화석연료를 사용하는 배기가스 배출시설(150)에서 배출되어 제4 이동관(154)를 통해 접촉부(160)로 공급되며, 배기가스(152)는 질소산화물 및 황산화물을 포함한다. 배기가스(152)에는, 예를 들어, 약 15 ppm 이상의 질소산화물이 포함되어 있을 수 있고, 약 25 ppm 이상의 황산화물이 포함되어 있을 수 있다. 또한 배기가스(152)에는, 질소산화물 또는 황산화물 이외에도 CO2, HF, HCl, NH3, SiF4, O2, N2, CO, SH2 등의 가스가 소량 존재할 수 있으나, 이 가스들은 반응에 참여하지 않고 별도의 이동관(미도시)을 통해 그대로 제거 장치(100) 외부로 배출될 수 있다.The
배기가스(152)와 제2 염소계 산화제의 접촉 방식은, 예를 들어, 제2 염소계 산화제가 분무탑(spray tower), 충전탑(packed tower), 싸이클론 스크러버(cyclone scrubber), 벤츄리 스크러버(venture scrubber), 제트 스크러버(jet scrubber), 단탑(plate tower), 기포탑(bubble tower), 다공판탑(sieve plate tower), 또는 포종탑(bubble cap tray tower) 중 하나의 장치에 의해 분무 또는 분사되는 방식일 수 있다.The manner in which the
배기가스(152)와 제2 염소계 산화제가 접촉되면, 배기가스(152)에 포함되어 있는 질소산화물이 산화되어 질산 이온이 생성될 수 있고, 배기가스(152)에 포함되어 있는 황산화물이 산화되거나 물에 용해되어 황산 이온이 생성될 수 있다. 이때, 질산 이온은 NO2 - 또는 NO3 - 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 황산 이온은 SO3 2-, SO4 2-, HSO3 -, 또는 HOSO2 - 중 하나 이상을 포함할 수 있다.When the
질소산화물과 제2 염소계 산화제의 접촉에 의해 발생할 수 있는 반응은 하기 반응식 1 내지 13으로 나타낼 수 있다.The reaction that may be caused by the contact between the nitrogen oxide and the second chlorine-based oxidizing agent can be represented by the following Reaction Schemes 1 to 13.
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
NO(g) ↔ NO(aq) NO (g) ↔ NO (aq)
[반응식 2][Reaction Scheme 2]
NO(aq) + Cl2(aq) + H2O ↔ NO2(aq) + 2H+ + 2Cl- NO (aq) + Cl 2 ( aq) + H 2 O ↔ NO 2 (aq) + 2H + + 2Cl -
[반응식 3][Reaction Scheme 3]
3NO2(aq) + HOCl ↔ NO2(aq) + H+ + Cl- 3NO 2 (aq) + HOCl ↔ NO 2 (aq) + H + + Cl -
[반응식 4][Reaction Scheme 4]
3NO2(aq) + H2O ↔ 2H+ + 2NO3 - + NO(aq)3NO 2 (aq) + H 2 O ↔ 2H + + 2NO 3 - + NO (aq)
[반응식 5][Reaction Scheme 5]
2NO2(aq) + H2O ↔ HNO2 + H+ + NO3 - 2NO 2 (aq) + H 2 O ↔ HNO 2 + H + + NO 3 -
[반응식 6][Reaction Scheme 6]
NO2 - + HOCl → NO3 - + H+ + Cl- NO 2 - + HOCl - > NO 3 - + H + + Cl -
[반응식 7][Reaction Scheme 7]
HNO2 ↔ H+ + NO2 - HNO 2 ↔ H + + NO 2 -
[반응식 8][Reaction Scheme 8]
3HNO2 ↔ H+ + NO3 - + 2NO(aq) + H2O3HNO 2 ↔ H + + NO 3 - + 2NO (aq) + H 2 O
[반응식 9][Reaction Scheme 9]
NO2(aq) ↔ NO2(g)NO 2 (aq) ↔ NO 2 (g)
[반응식 10][Reaction Scheme 10]
2NO(g) + Cl2(g) → 2NOCl(g) 2NO (g) + Cl 2 ( g) → 2NOCl (g)
[반응식 11][Reaction Scheme 11]
NOCl(g) + H2O → H+ + Cl- + HNO2 NOCl (g) + H 2 O → H + + Cl - +
[반응식 12][Reaction Scheme 12]
NO(aq) + OCl- ↔ NO2(aq) + Cl- NO (aq) + OCl - ↔ NO 2 (aq) + Cl -
[반응식 13][Reaction Scheme 13]
NO2 - + OCl- → NO3 - + Cl- NO 2 - + OCl - - > NO 3 - + Cl -
반응식 1 내지 13을 참조하면, 질소산화물과 제2 염소계 산화제의 접촉에 따른 산화 반응에 의해 NO2 - 또는 NO3 - 가 생성될 수 있고, 이외에도 NO 또는 NO2 가 잔류할 수 있다.Referring to equations (1) to (13), NO 2 - or NO 3 - can be generated by an oxidation reaction caused by the contact between the nitrogen oxide and the second chlorine-based oxidizer, and NO or NO 2 may remain.
황산화물과 제2 염소계 산화제의 접촉에 의해 발생할 수 있는 반응은 하기 반응식 14 내지 19로 나타낼 수 있다.The reaction that may occur by the contact of the sulfur oxide and the second chlorine-based oxidizing agent can be represented by the following reaction formulas 14 to 19.
[반응식 14][Reaction Scheme 14]
SO2(g) ↔ SO2(aq)SO 2 (g) ↔ SO 2 (aq)
[반응식 15][Reaction Scheme 15]
SO2(aq) + H2O ↔ HOSO2 - SO 2 (aq) + H 2 O ↔ HOSO 2 -
[반응식 16][Reaction Scheme 16]
HOSO2 - ↔ SO3 2- HOSO 2 - ↔ SO 3 2-
[반응식 17][Reaction Scheme 17]
HOSO2 - ↔ H+ + SO3 - HOSO 2 - ↔ H + + SO 3 -
[반응식 18][Reaction Scheme 18]
SO3 2- + H2O → SO4 2- + 2H+ SO 3 2- + H 2 O → SO 4 2- + 2H +
[반응식 19][Reaction Scheme 19]
SO3 2- + 2OH- → SO4 2- + H2OSO 3 2- + 2OH - - SO 4 2- + H 2 O
반응식 14 내지 19를 참조하면, 황산화물과 제2 염소계 산화제의 접촉에 따른 산화 반응 또는 물에 용해되는 반응에 의해 HSO3 -(바이설파이트 이온), SO3 2-, HOSO2 -(하이드록실 술포닐 이온), SO4 2- 가 생성될 수 있고, 이외에도 SO2 가 잔류할 수 있다. 이러한 황산 이온들은 제2 염소계 산화제에 의한 산화 반응으로 생성될 수도 있고, 물에 용해되면서 생성될 수도 있다.Referring to Reaction Scheme 14 to 19, HSO by a reaction which is soluble in water or oxidation of the contact of the sulfur oxides and a second chlorine-based oxidizing agent 3 - (bisulfite ion), SO 3 2-, HOSO 2 - ( hydroxyl sulfonyl ion), and SO 4 2- can be generated, in addition to the SO 2 can be retained. These sulfate ions may be generated by an oxidation reaction with a second chlorine-based oxidizing agent, or they may be generated by dissolving in water.
접촉부(160)에서, 제2 염소계 산화제에 의해 배기가스(152) 내에 포함된 질소산화물이 산화되고, 황산화물이 산화/용해되면서, 제2 염소계 산화제는 환원되어 염소 이온(Cl-)이 생성될 수 있다. 이러한 염소 이온(Cl-)은 제5 이동관(162)을 통해 전기화학 셀(110)의 중간 영역(120)으로 공급될 수 있고, 제1 이온교환막을 통과하여 제1 전극에서 산화되어 제1 염소계 산화제로 재생될 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 질소산화물 및 황산화물 제거 장치(100)는 별도의 산화제 공급 없이 연속적으로 구동될 수 있고, 이로 인해 공정 운영 비용이 감소될 수 있다.In the
접촉부(160)에서 생성된 NO, NO2, NO2 -, NO3 -, SO2, SO3 2-, SO4 2-, HSO3 -, HOSO2 -, Cl- 등의 화합물이 제5 이동관(162)을 통해 전기화학 셀(110)의 중간 영역(120)으로 공급될 수 있다. 이러한 각종 화합물들을 포함하는 접촉부(160)의 유출수가 전기화학 셀(110)의 전해질로 사용될 수 있다.Compounds such as NO, NO 2 , NO 2 - , NO 3 - , SO 2 , SO 3 2- , SO 4 2- , HSO 3 - , HOSO 2 - and Cl - And may be supplied to the
전술한 반응식들을 참조하면, 접촉부(160)에서 중간 영역(120)으로 도입된 물질들에서, NO와 NO2 는 물과의 반응을 통해 질산 이온인 NO2 - 또는 NO3 - 으로 변환될 수 있고, SO2, HSO3 - 및 HOSO2 - 는 황산 이온인 SO3 2- 또는 SO4 2- 으로 변환될 수 있다.Referring to the above reaction schemes, in the materials introduced into the
중간 영역(120)으로 도입된 질산 이온 및 황산 이온은 암모늄 염(ammonium salt) 형태로 회수부(180)로 이동하여 제거될 수 있고, 제거 메커니즘은 하기와 같다.The nitrate ions and sulfate ions introduced into the
질산 이온 및 황산 이온은 제1 이온교환막(118)을 통과하여 제1 영역(112)으로 이동한다. The nitrate ions and the sulfate ions pass through the first
한편, 전기화학 셀(110)의 제1 영역(112)에 제6 이동관(192)을 통해 연결되어 있는 암모니아 공급부(190)는, 요소수(urea) 형태 등으로 암모니아(NH3)를 제1 영역에 공급한다. 다음으로, 암모니아(NH3)는 전해질에 포함되어 있는 물(H2O)이 제1 전극(116)에서 산화되어 생성된 양성자(H+)와 결합하여 암모늄 이온을 생성한다.The
생성된 암모늄 이온은 제1 이온교환막(118)을 통과하여 제1 영역(112)으로 이동하는 질산 이온 및 황산 이온과 결합하여 암모늄 염을 형성하고, 이러한 암모늄 염이 회수부(180)로 회수되어 제거될 수 있다. 이때, 암모늄 염은 NH4NO2, NH4NO3, (NH4)2SO3, 또는 (NH4)2SO4 중 하나 이상을 포함할 수 있다.The generated ammonium ions pass through the first
회수부(180)는 암모늄 염의 용해도를 이용한 석출 방식을 통해 암모늄 염을 회수하거나, 용매를 증발시켜 암모늄 염을 회수할 수 있다. 회수된 암모늄 염은 적절한 곳에서 재활용될 수 있다.The
제1 영역(112)에서 발생할 수 있는 반응을 정리하면 하기 반응식 20 내지 23과 같다.The reactions that may occur in the
[반응식 20][Reaction Scheme 20]
2Cl- → Cl2 + 2e- 2Cl - ? Cl 2 + 2e -
[반응식 21][Reaction Scheme 21]
2H2O → O2 + 4H+ + 4e- 2H 2 O - > O 2 + 4H + + 4e -
[반응식 22][Reaction Scheme 22]
SO3 2- + H2O → SO4 2- + 2H+ + 2e- SO 3 2- + H 2 O → SO 4 2- + 2H + + 2e -
[반응식 23][Reaction Scheme 23]
NOx - + NH4 + → NH4NOx NO x - + NH 4 + - > NH 4 NO x
(x = 2 또는 3)(x = 2 or 3)
[반응식 24][Reaction Scheme 24]
SOx - + 2NH4 + → (NH4)2SOx SO x - + 2 NH 4 + - (NH 4) 2 SO x
(x = 3 또는 4)(x = 3 or 4)
반응식 20 내지 24를 참조하면, 제1 영역(112)에서, 염소 이온이 산화되어 제1 염소계 산화제가 생성될 수 있고, 물이 산화되어 양성자가 생성될 수 있으며, 제1 이온교환막을 통과하여 제1 영역(112)에 도달한 황산 이온 중 SO3 2- 가 SO4 2- 로 산화되는 반응이 일어날 수 있고, 질산 이온 및 황산 이온이 암모늄 염 형태로 변환되는 반응이 일어날 수 있다.Referring to equations (20) to (24), in the
한편, 제2 영역(124)에서 발생할 수 있는 반응은 수산화이온의 생성 반응으로, 하기 반응식 24로 나타낼 수 있다.On the other hand, the reaction that can occur in the
[반응식 25][Reaction Scheme 25]
2H2O + 2e- → 2OH- + H2 2H 2 O + 2e - ? 2OH - + H 2
제1 전극(116) 및 제2 전극(126)에는, 예를 들어, 1.00 V 이상의 전압이 인가될 수 있고, 이때 상기 반응식 22와 같은 산화 반응과 반응식 25의 물 환원 반응이 일어날 수 있다. 또한 2.06 V 이상의 전압이 인가되는 경우, 반응식 21과 같은 물 산화 반응과 반응식 25의 물 환원 반응이 일어날 수 있다. 또한 2.19 V 이상의 전압이 인가되는 경우, 반응식 20과 같은 염소 이온 산화 반응과 반응식 25의 물 환원 반응이 일어날 수 있다. For example, a voltage of 1.00 V or more may be applied to the
제1 이동관(132) 내지 제6 이동관(192)은 유체에 의해 부식 및 손상되지 않는 재질로 이루어질 수 있고, 예를 들어, SUS(steel use stainless) 류, 아크릴계 고분자, 테플론, 나일론 등의 물질로 이루어질 수 있다.The first moving
또한, 도시되지는 않았지만, 질소산화물 및 황산화물 제거 장치(100)는 유체 유속 조절 장치, 전기전도도 또는 온도 등을 모니터링 하기 위한 장치를 추가적으로 포함할 수 있다.Further, although not shown, the nitrogen oxides and sulfur
이하에서는, 전술한 구성요소 및 공정에 대한 설명과 중복되는 부분에 대한 상세한 설명이 생략될 수 있다.Hereinafter, the detailed description of the elements overlapping with those of the components and processes described above may be omitted.
실시예에 따른 질소산화물 및 황산화물 제거 방법은, 전기화학 셀(110)에 전압을 인가하여 제1 염소계 산화제 및 수산화이온을 생성하는 단계, 제1 염소계 산화제와 상기 수산화이온의 혼합을 통해 산도(pH)를 조절하여 제2 염소계 산화제를 생성하는 산도 조절 단계, 질소산화물 및 황산화물을 포함하는 배기가스(152)를 외부에서 도입하여 제2 염소계 산화제와 접촉시킴으로써 질소산화물을 산화시켜 질산 이온을 생성하고, 황산화물을 산화시키거나 물에 용해시켜 황산 이온을 생성하는 접촉 단계, 그리고 접촉 단계에서 생성된 질산 이온 및 황산 이온을 전기화학 셀(110)에 도입한 후 암모늄 이온과 결합시켜 암모늄 염을 생성하여 제거하는 회수 단계를 포함한다.The method for removing nitrogen oxides and sulfur oxides according to the embodiment includes the steps of generating a first chlorine-based oxidizing agent and hydroxide ions by applying a voltage to the
우선, 제1 염소계 산화제 및 수산화이온을 생성하는 단계가 수행된다.First, a step of generating a primary chlorine-based oxidizing agent and a hydroxide ion is carried out.
제1 염소계 산화제는 Cl2 를 포함하고, 제1 염소계 산화제는 중간 영역(120)에 위치하는 염소 이온(Cl-)이 제1 이온교환막(118)을 통과하여 제1 전극(116)에서 산화되어 생성되며, 염소 이온의 적어도 일부가 접촉 단계에서 제2 염소계 산화제가 환원되어 생성되었을 수 있다.The first chlorine-based oxidizing agent includes Cl 2 , and the first chlorine based oxidizing agent oxidizes chlorine ions (Cl - ) located in the
수산화이온은 전해질에 포함되어 있는 물(H2O)이 제2 전극(126)에서 환원되어 생성되고, 수산화이온이 제2 이온교환막(122)을 통과하여 중간 영역(120)으로 공급된 후, 산도 조절부(140)로 주입될 수 있다.The hydroxide ion is generated by reducing water (H 2 O) contained in the electrolyte at the
이어서, 산도 조절 단계가 수행된다. Then, an acidity control step is performed.
산도 조절 단계에서 생성되는 제2 염소계 산화제는 Cl2, HClO, ClO-, 또는 ClO2 - 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 산도에 따라 주종이 달라질 수 있다.The second chlorine-based oxidizing agent generated in the acidity controlling step may include at least one of Cl 2 , HClO, ClO - , or ClO 2 - , and the main species may vary depending on the acidity.
다음으로, 접촉 단계, 그리고 회수 단계가 수행된다.Next, a contact step and a recovery step are performed.
회수 단계에서, 전해질에 포함되어 있는 물(H2O)이 제1 전극(116)에서 산화되어 생성된 양성자(H+)와 암모니아 공급부(190)로부터 공급된 암모니아를 제1 영역(112)에서 반응시켜 암모늄 이온을 생성하고, 접촉 단계에서 생성된 질산 이온 및 황산 이온과 암모늄 이온을 제1 영역(112)에서 반응시켜 암모늄 염을 생성한 후, 암모늄 염을 용해도 차에 의한 석출 또는 용매 증발의 방법으로 분리하여 제거한다.(H + ) generated by oxidation of water (H 2 O) contained in the electrolyte in the
실시예들에 따른 질소산화물 및 황산화물 제거 장치 및 제거 방법은, 배기가스(152)에 포함되어 있는 질소산화물과 황산화물을 동시에 연속적으로 제거할 수 있고, 기존의 분리되고 복잡한 제거 공정을 간소화하여 설치 및 유지가 용이할 수 있다. 또한 다양한 염소계 산화제를 사용하여 효율적으로 질소산화물과 황산화물을 제거할 수 있고, 염소계 산화제를 연속적으로 재사용함으로써 경제성이 크게 향상될 수 있다. 또한 질소산화물 및 황산화물 제거 장치는 시스템 규모가 기존에 가장 일반적으로 사용되고 있는 선택적 촉매환원법(SCR) 장치나 습식석회석 공정(FGD) 장치에 비해 규모가 작으므로, 소규모 발전소, 화석연료 배연 시설, 선박 등에 효과적으로 적용 가능할 수 있다.The nitrogen oxide and sulfur oxide removing device and the removing method according to the embodiments can remove the nitrogen oxide and sulfur oxide contained in the
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, Of the right.
100: 질소산화물 및 황산화물 제거 장치 110: 전기화학 셀
112: 제1 영역 116: 제1 전극
118: 제1 이온교환막 120: 중간 영역
122: 제2 이온교환막 124: 제2 영역
126: 제2 전극 140: 산도 조절부
150: 배기가스 배출시설 152: 배기가스
160: 접촉부 180: 회수부
190: 암모니아 공급부100: nitrogen oxide and sulfur oxide removal device 110: electrochemical cell
112: first region 116: first electrode
118: first ion exchange membrane 120: intermediate region
122: second ion exchange membrane 124: second region
126: second electrode 140:
150: Exhaust gas discharge facility 152: Exhaust gas
160: contact portion 180:
190: Ammonia supply part
Claims (21)
상기 전기화학 셀로부터 도입된 상기 염소계 산화제와 상기 수산화이온이 혼합된 후 산도(pH)가 조절되어 생성된 제2 염소계 산화제를 포함하는 산도 조절부,
외부에서 도입되고 질소산화물 및 황산화물을 포함하는 배기가스와 상기 산도 조절부로부터 도입된 상기 제2 염소계 산화제가 접촉되고, 상기 질소산화물이 산화되어 생성된 질산 이온, 그리고 상기 황산화물이 산화되거나 물에 용해되어 생성된 황산 이온을 포함하는 접촉부, 그리고
상기 전기화학 셀에 연결되어 있고, 상기 접촉부로부터 상기 전기화학 셀에 도입된 상기 질산 이온 및 상기 황산 이온 각각이 암모늄 이온과 결합하여 생성된 암모늄 염(ammonium salt)을 회수하여 제거하는 회수부
를 포함하는 질소산화물 및 황산화물 제거 장치.
An electrochemical cell in which a first chlorine-based oxidant and a hydroxide ion (OH < - & gt ; ) are generated,
A second chlorine-based oxidant formed by mixing the chlorine-based oxidant introduced from the electrochemical cell with the hydroxide ion and adjusting the pH thereof;
A nitrate ion which is introduced from the outside and is brought into contact with an exhaust gas containing nitrogen oxides and sulfur oxides and the second chlorine based oxidizing agent introduced from the acidity regulating portion, the nitrate ions generated by oxidizing the nitrogen oxides, And a contact portion containing sulfate ions generated by dissolving
A recovery unit connected to the electrochemical cell for recovering ammonium nitrate ions and ammonium sulfate ions generated by combining the nitrate ions and the sulfate ions with ammonium ions,
Wherein the nitrogen oxides and sulfur oxides are removed.
상기 전기화학 셀은 서로 이격되어 대향하고 있는 제1 영역과 제2 영역, 상기 제1 영역에 위치하고 전압이 인가되는 제1 전극, 상기 제2 영역에 위치하고 전압이 인가되는 제2 전극, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 위치하고 상기 제1 영역에 인접하는 제1 이온교환막, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 위치하고 상기 제2 영역에 인접하는 제2 이온교환막, 그리고 상기 제1 이온교환막과 상기 제2 이온교환막 사이에 위치하는 중간 영역을 포함하고, 전해질이 상기 전기화학 셀 전체에 포함되어 있는 질소산화물 및 황산화물 제거 장치.
The method of claim 1,
Wherein the electrochemical cell comprises a first region and a second region facing each other and spaced apart from each other, a first electrode positioned in the first region and applied with a voltage, a second electrode positioned in the second region and applied with a voltage, A first ion exchange membrane located between the first region and the second region and adjacent to the first region, a second ion exchange membrane located between the first region and the second region and adjacent to the second region, And an intermediate region located between the exchange membrane and the second ion exchange membrane, wherein an electrolyte is contained in the entire electrochemical cell.
상기 제1 염소계 산화제는 Cl2 를 포함하고, 상기 제1 염소계 산화제는 상기 중간 영역에 위치하는 염소 이온(Cl-)이 상기 제1 이온교환막을 통과하여 상기 제1 전극에서 산화되어 생성되며, 상기 염소 이온의 적어도 일부가 상기 접촉부에서 생성되어 상기 중간 영역에 도입된 질소산화물 및 황산화물 제거 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the first chlorine based oxidizing agent comprises Cl 2 and the first chlorine based oxidizing agent is generated by chlorine ions (Cl - ) located in the middle region passing through the first ion exchange membrane and oxidized at the first electrode, Wherein at least a portion of the chlorine ions are generated at the contact portion and introduced into the intermediate region.
상기 염소 이온이 상기 접촉부에서 상기 제2 염소계 산화제가 환원되어 생성된 질소산화물 및 황산화물 제거 장치.
4. The method of claim 3,
And the chlorine ions are generated by reducing the second chlorine-based oxidizing agent at the contact portion.
상기 수산화이온은 상기 전해질에 포함되어 있는 물(H2O)이 상기 제2 전극에서 환원되어 생성되고, 상기 수산화이온이 상기 제2 이온교환막을 통과하여 상기 중간 영역에 위치하는 질소산화물 및 황산화물 제거 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the hydroxide ion is generated by reducing water (H 2 O) contained in the electrolyte at the second electrode, and the hydroxide ion passes through the second ion exchange membrane to remove nitrogen oxides and sulfur oxides Removal device.
상기 제2 염소계 산화제는 Cl2, HClO, ClO-, 또는 ClO2 - 중 하나 이상을 포함하는 질소산화물 및 황산화물 제거 장치.
4. The method of claim 3,
The second chlorine based oxidizing agent is Cl 2, HClO, ClO -, ClO 2, or - a nitrogen oxide and sulfur oxide removal comprises at least one device.
상기 산도 조절부에서, 산도가 3 미만으로 조절되는 경우 상기 제2 염소계 산화제는 Cl2 를 주종으로 포함하고, 산도가 3 내지 6으로 조절되는 경우 상기 제2 염소계 산화제는 HClO 및 Cl2 를 주종으로 포함하며, 산도가 7 내지 9로 조절되는 경우 상기 제2 염소계 산화제는 HClO, OCl- 및 ClO2 - 를 주종으로 포함하고, 산도가 9 초과로 조절되는 경우 상기 제2 염소계 산화제는 OCl- 를 주종으로 포함하는 질소산화물 및 황산화물 제거 장치.
The method of claim 6,
Wherein the second chlorine-based oxidizing agent contains Cl 2 as a main species when the acidity is controlled to less than 3, and the second chlorine-based oxidizing agent contains HClO and Cl 2 as the main species when the acidity is controlled to 3 to 6 includes, and pH that the second chlorine-based oxidizing agent when adjusted to 7 to 9 HClO, OCl - when including the main and slave, and the pH is adjusted to 9 more than the second chlorine-based oxidizing agent is OCl - -, and ClO 2 predominantly the And the nitrogen oxide and sulfur oxide removal device.
상기 접촉부에서, 상기 제2 염소계 산화제가 분무탑(spray tower), 충전탑(packed tower), 싸이클론 스크러버(cyclone scrubber), 벤츄리 스크러버(venture scrubber), 제트 스크러버(jet scrubber), 단탑(plate tower), 기포탑(bubble tower), 다공판탑(sieve plate tower), 또는 포종탑(bubble cap tray tower) 중 하나의 장치에 의해 상기 배기가스와 접촉되는 질소산화물 및 황산화물 제거 장치.
The method of claim 1,
In the contact portion, the second chlorine-based oxidizing agent is sprayed from a spray tower, a packed tower, a cyclone scrubber, a venture scrubber, a jet scrubber, a plate tower ), A bubble tower, a sieve plate tower, or a bubble cap tray tower, wherein the exhaust gas is in contact with the exhaust gas.
상기 접촉부에서 생성된 질산 이온은 NO2 - 또는 NO3 - 중 하나 이상을 포함하고, 상기 접촉부에서 생성된 황산 이온은 SO3 2-, SO4 2-, HSO3 -, 또는 HOSO2 - 중 하나 이상을 포함하는 질소산화물 및 황산화물 제거 장치.
The method of claim 1,
The nitrate ion generated at the contact portion includes at least one of NO 2 - or NO 3 - , and the sulfate ion generated at the contact portion is one of SO 3 2- , SO 4 2- , HSO 3 - , or HOSO 2 - Wherein the nitrogen oxides and the sulfur oxides are removed.
상기 전기화학 셀에 연결되어 있고, 상기 제1 영역으로 암모니아를 공급하는 암모니아 공급부를 포함하는 질소산화물 및 황산화물 제거 장치.
3. The method of claim 2,
And an ammonia supply unit connected to the electrochemical cell and supplying ammonia to the first region.
상기 전해질에 포함되어 있는 물(H2O)이 상기 제1 전극에서 산화되어 생성된 양성자(H+)와 상기 암모니아가 결합하여 상기 암모늄 이온이 생성되는 질소산화물 및 황산화물 제거 장치.
11. The method of claim 10,
Wherein the protons (H + ) generated by oxidation of water (H 2 O) contained in the electrolyte are oxidized at the first electrode and the ammonia are combined to generate the ammonium ion.
상기 접촉부로부터 상기 중간 영역으로 도입된 상기 질산 이온 및 상기 황산 이온이 상기 제1 이온교환막을 통과하여 상기 제1 영역에서 상기 암모늄 이온과 결합하는 질소산화물 및 황산화물 제거 장치.
12. The method of claim 11,
Wherein the nitrate ions and the sulfate ions introduced into the intermediate region from the contact portion pass through the first ion exchange membrane to bond with the ammonium ion in the first region.
상기 암모늄 염은 NH4NO2, NH4NO3, (NH4)2SO3, 또는 (NH4)2SO4 중 하나 이상을 포함하는 질소산화물 및 황산화물 제거 장치.
The method of claim 1,
Wherein the ammonium salt comprises at least one of NH 4 NO 2 , NH 4 NO 3 , (NH 4 ) 2 SO 3 , or (NH 4 ) 2 SO 4 .
상기 제1 염소계 산화제와 상기 수산화이온의 혼합을 통해 산도(pH)를 조절하여 제2 염소계 산화제를 생성하는 산도 조절 단계,
질소산화물 및 황산화물을 포함하는 배기가스를 외부에서 도입하여 상기 제2 염소계 산화제와 접촉시킴으로써 상기 질소산화물을 산화시켜 질산 이온을 생성하고, 상기 황산화물을 산화시키거나 물에 용해시켜 황산 이온을 생성하는 접촉 단계, 그리고
상기 접촉 단계에서 생성된 상기 질산 이온 및 상기 황산 이온을 상기 전기화학 셀에 도입한 후 암모늄 이온과 결합시켜 암모늄 염(ammonium salt)을 생성하여 제거하는 회수 단계
를 포함하는 질소산화물 및 황산화물 제거 방법.
Generating a first chlorine-based oxidizing agent and a hydroxide ion (OH < - & gt ; ) by applying a voltage to an electrochemical cell,
A pH adjusting step of adjusting pH by mixing the first chlorine-based oxidizing agent and the hydroxide ion to produce a second chlorine-based oxidizing agent,
An exhaust gas containing nitrogen oxides and sulfur oxides is introduced from the outside and brought into contact with the second chlorine based oxidizing agent to oxidize the nitrogen oxides to generate nitrate ions and oxidize or dissolve the sulfur oxides to generate sulfate ions Contact step, and
A step of introducing the nitrate ion and the sulfate ion generated in the contacting step into the electrochemical cell and then combining with the ammonium ion to generate and remove an ammonium salt
≪ / RTI >
상기 전기화학 셀은 서로 이격되어 대향하고 있는 제1 영역과 제2 영역, 상기 제1 영역에 위치하고 전압이 인가되는 제1 전극, 상기 제2 영역에 위치하고 전압이 인가되는 제2 전극, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 위치하고 상기 제1 영역에 인접하는 제1 이온교환막, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 위치하고 상기 제2 영역에 인접하는 제2 이온교환막, 그리고 상기 제1 이온교환막과 상기 제2 이온교환막 사이에 위치하는 중간 영역을 포함하고, 전해질이 상기 전기화학 셀 전체에 포함되어 있는 질소산화물 및 황산화물 제거 방법.
The method of claim 14,
Wherein the electrochemical cell comprises a first region and a second region facing each other and spaced apart from each other, a first electrode positioned in the first region and applied with a voltage, a second electrode positioned in the second region and applied with a voltage, A first ion exchange membrane located between the first region and the second region and adjacent to the first region, a second ion exchange membrane located between the first region and the second region and adjacent to the second region, And an intermediate region located between the exchange membrane and the second ion exchange membrane, wherein an electrolyte is included in the entire electrochemical cell.
상기 제1 염소계 산화제 및 수산화이온을 생성하는 단계에서,
상기 제1 염소계 산화제는 Cl2 를 포함하고, 상기 제1 염소계 산화제는 상기 중간 영역에 위치하는 염소 이온(Cl-)이 상기 제1 이온교환막을 통과하여 상기 제1 전극에서 산화되어 생성되며, 상기 염소 이온의 적어도 일부가 상기 접촉 단계에서 상기 제2 염소계 산화제가 환원되어 생성되는 질소산화물 및 황산화물 제거 방법.
16. The method of claim 15,
In the step of producing the first chlorine-based oxidizing agent and the hydroxide ion,
Wherein the first chlorine based oxidizing agent comprises Cl 2 and the first chlorine based oxidizing agent is generated by chlorine ions (Cl - ) located in the middle region passing through the first ion exchange membrane and oxidized at the first electrode, Wherein at least a portion of the chlorine ions are generated by reducing the second chlorine-based oxidizing agent in the contacting step.
상기 제1 염소계 산화제 및 수산화이온을 생성하는 단계에서,
상기 수산화이온은 상기 전해질에 포함되어 있는 물(H2O)이 상기 제2 전극에서 환원되어 생성되고, 상기 수산화이온이 상기 제2 이온교환막을 통과하여 상기 중간 영역으로 공급되는 질소산화물 및 황산화물 제거 방법.
16. The method of claim 15,
In the step of producing the first chlorine-based oxidizing agent and the hydroxide ion,
Wherein the hydroxide ion is generated by reducing water (H 2 O) contained in the electrolyte at the second electrode, and the hydroxide ion passes through the second ion exchange membrane and is supplied to the intermediate region, Removal method.
상기 제2 염소계 산화제는 Cl2, HClO, ClO-, 또는 ClO2 - 중 하나 이상을 포함하는 질소산화물 및 황산화물 제거 방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the second chlorine-based oxidant comprises at least one of Cl 2 , HClO, ClO - , or ClO 2 - .
상기 산도 조절 단계에서,
산도를 3 미만으로 조절하여 Cl2 를 생성하거나, 산도를 3 내지 6으로 조절하여 HClO 및 Cl2 를 생성하거나, 산도를 7 내지 9로 조절하여 HClO, OCl- 및 ClO2 - 를 생성하거나, 산도를 9 초과로 조절하여 OCl- 를 생성하는 질소산화물 및 황산화물 제거 방법.
The method of claim 18,
In the step of adjusting the acidity,
Adjusting the pH to less than 3 to produce a Cl 2, or adjusting the pH to 3 to 6 to generate HClO and Cl 2, or adjusting the pH to 7 to 9 by HClO, OCl -, and ClO 2 - generate, or pH the adjusted to 9 to greater than OCl - a generation method for removing nitrogen oxides and sulfur oxides to.
상기 접촉 단계에서 생성된 질산 이온은 NO2 - 또는 NO3 - 중 하나 이상을 포함하고, 상기 접촉 단계에서 생성된 황산 이온은 SO3 2-, SO4 2-, HSO3 -, 또는 HOSO2 - 중 하나 이상을 포함하는 질소산화물 및 황산화물 제거 방법.
The method of claim 14,
The nitrate ion produced in the contacting step comprises at least one of NO 2 - or NO 3 - , and the sulfate ion generated in the contacting step is SO 3 2- , SO 4 2- , HSO 3 - , or HOSO 2 - ≪ / RTI > wherein at least one of the nitrogen oxides and sulfur oxides is removed.
상기 회수 단계에서,
상기 전해질에 포함되어 있는 물(H2O)이 상기 제1 전극에서 산화되어 생성된 양성자(H+)와 암모니아 공급부로부터 공급된 암모니아를 상기 제1 영역에서 반응시켜 상기 암모늄 이온을 생성하고,
상기 접촉 단계에서 생성된 상기 질산 이온 및 상기 황산 이온과 상기 암모늄 이온을 상기 제1 영역에서 반응시켜 상기 암모늄 염을 생성한 후, 상기 암모늄 염을 분리 및 제거하는 질소산화물 및 황산화물 제거 방법.The method of claim 14,
In the recovering step,
(H + ) generated by oxidation of water (H 2 O) contained in the electrolyte in the first electrode and ammonia supplied from the ammonia supply unit react in the first region to generate the ammonium ion,
Wherein the nitrate ion and the ammonium ion generated in the contacting step are reacted in the first region to produce the ammonium salt, and then the ammonium salt is separated and removed.
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