KR20210046164A - 소화가스 탈황방법 및 장치와 그 촉매재생방법 및 장치 - Google Patents

소화가스 탈황방법 및 장치와 그 촉매재생방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소화가스 탈황방법 및 장치와 그 촉매재생방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 액상산화반응촉매를 활용하여 혐기성 소화조 내의 황화합물을 효율적으로 제거할 수 있도록 한 탈황방법 및 장치와 상기 탈황에 사용된 산화촉매를 연속적으로 재생시켜 촉매소모량을 감소시킬 있는 촉매재생방법 및 장치에 관한 것이다.
즉, 이는 혐기성 소화조의 황화합물을 산화촉매에 의해 제거하되 1차 반응기에서 기 사용되었던 산화촉매를 활용하여 1차로 황화합물을 제거하고 2차 반응기에서 최종적으로 산화촉매에 의해 황화합물을 무해하고 무취한 황으로 전환시켜 황 화합물을 제거할 수 있도록 한 소화가스 탈황방법 및 장치에 의해 탈황효율성을 향상시킨다.
또한, 상기 산화촉매에 사용된 탈황촉매를 산화제에 반응하는 연속적인 재생을 한 다음 1,2차 반응기로 재순환 공급되어 재활용할 수 있도록 한 촉매재생방법 및 장치를 제공하여 촉매사용량을 절감할 수 있게 한 것을 특징으로 한다.

Description

자외선 차단 스티로품 모자 {external blocking styrofoam cap}
본 발명은 소화가스 탈황방법 및 장치와 그 촉매재생방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 액상산화반응촉매를 활용하여 혐기성 소화조 내의 황화합물을 효율적으로 제거할 수 있도록 한 탈황방법 및 장치와 상기 탈황에 사용된 산화촉매를 연속적으로 재생시켜 촉매소모량을 감소시킬 있는 촉매재생방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 사용되고 있는 혐기성 소화조내의 황 화합물을 제거하기 위한 탈황방법으로는 크게 건식 흡수법과 습식 흡수법으로 나뉘어진다.
상기 건식 흡수법은 산화철(Fe2O3), 활성탄 등과 같은 고체 흡착제와 접촉해서 황화합물을 제거하는 방식으로서 저온 및 저 습도에서 흡착성이 뛰어나지만 고농도의 물질을 처리할 겨우 발열이 심하게 일어나고 가스의 온도가 높은 겨우 흡착성능이 현저히 감소하며 습도가 높은 가스를 처리할 경우 수분에 의한 흡착 방해 또는 채널링(channeling)현상에 의해 흡착 효율이 급격히 저하된다.
습식 흡수법은 기체와 액체(흡수제)가 세정장치를 통해 향류 또는 병류로 접촉해서 황 화합물을 제거하는 기술로서 가성소다법과 액상산화법이 상용화 기술로서 존재한다. 가성소다법은 가장 오래된 기술로서 운전이 용이하고 성능이 뛰어나 과거에는 가장 보편화된 기술 중 하나였으나 사용 후 발생되는 폐가성소다의 처리비용이 고가이며 혐기성 소화조 내이 이산화탄소와의 반응 빼문에 과량의 가성소다가 소모되어 운전비용이 과다하고 과량의 강알칼리 페가성소다 발생으로 비환경친화적 기술로 분류되어 선진국에서는 기술보급이 중지되어 있다.
따라서, 혐기성 소화조내의 황화합물을 환경친화적으로 제거하고 제거효율을 높일 수 있는 탈황수단이 요구되고 있으며, 또한 황화합물을 제거하기 위한 탈황비용이 상당하여 사업화하는데 있어 장애가 되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 혐기성 소화조의 황화합물을 액상산화반응촉매에 의해 제거하되 1차 반응기에서 수용된 황화합물의 산화촉매작용을 활성화시킨다음 2차 반응기에서 산화촉매에 의해 황화합물을 무해하고 무취한 황으로 전환시켜 황화합물을 저감할 수 있도록 한 소화가스 탈황방법 및 장치를 그 목적으로 한다.
또한, 상기 1 또는 2차 반응기에서 사용된 탈황촉매는 재생공정부로 회수되어 산화제에 반응하는 연속적인 재생을 한 다음 1,2차 반응기로 재순환 공급되어 재활용할 수 있도록 한 촉매재생방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 소화가스 탈황방법은, 혐기성 소화조의 황화합물을 액상산화반응촉매에 의해 제거하되, 전처리단계에서 혐기성 소화조내에서 유입된 황화합물을 주 반응기(2차 반응기)에서 사용된 산화촉매로 선(先) 반응시킨 다음 주 탈황단계로 반응가스를 이송하고 주 탈황단계에서는 상기 전처리된 반응가스를 산화촉매에 의해 황화합물을 최종 제거할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 소화가스 탈황장치는, 혐기성 소화조 내의 유입되는 반응가스를 선(先) 반응시키기 위해 주 반응기(2차 반응기)에서 기 사용되고 재생시킨 산화촉매가 유입되고 반응가스를 2차 반응기로 이송하기 위한 구성으로 이루어진 1차 반응기와 상기 1차 반응기에서 유입된 반응가스를 촉매공급부에서 공급되는 산화촉매에 의해 황화합물을 제거하여 탈황이 이루어지고 가스배출부로 탈황된 가스를 배출시키기 위한 구성으로 이루어진 2차 반응기와: 상기 2차 반응기에 촉매와 물을 혼합한 총매용액을 공급하기 위한 촉매공급부로 이루어져 있다.
또, 상기 소화가스 탈황장치를 이용한 촉매재생방법 및 장치는, 상기 1차 또는 2차 반응기부터 회수되는 산화촉매를 산화제에 의해 반응하는 작용으로 촉매재생이 이루어져서 1,2차 반응기로 재순환되어 재활용이 이루어지도록 한 재생방법과 장치로 이루어져 있다.
이와같이 된 본 발명은 혐기성 소화조의 황화합물을 1차 반응기에서 기 사용된 촉매를 활용해 선(先) 탈황시킨 후 2차 반응기에서 산화촉매에 의해 황화합물을 무해하고 무취한 황으로 전환시켜 황화합물을 저감할 수 있게 되어 탈황효율성을 극대화시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 1 또는 2차 반응기에 사용된 탈황촉매를 산화제에 의해 재생한 다음 1,2차 반응기로 재순환 공급되어 재활용할 수 있게 되므로 촉매소모량을 크게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탈황 및 촉매재생장치를 나타낸 구성도
도 2는 본 발명이 1차 반응기가 구비되지 않은 촉매재생장치 구성도
도 3은 본 발명의 촉매재생장치가 구비되지 않은 탈황장치 구성도
도 4는 본 발명의 비교실시예 1에 따른 성능비교 그래프
도 5는 본 발명의 비교실시예 4에 따른 성능비교 그래프
도 6은 본 발명의 탈황공정을 나타낸 블록도
도 7은 본 발명의 촉매재생공정을 나타낸 블록도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 소화조 20 : 1차 반응기
30 : 2차 반응기 40 : 촉매공급부
50 : 재생공정부
본 발명에서 액상산화반응촉매를 활용하여 혐기성 소화조 내의 황화합물을 효율적으로 제거할 수 있도록 한 소화가스 탈황방법은 다음과 같다.
본 발명은 혐기성 소화조내에서 유입된 황화합물을 1차 반응기(10)에 수용하는 황화합물 수용단계(S10)와, 2차 주 반응기에서 기 사용된 촉매를 활용해 선(先) 탈황반응을 시키는 전처리단계(S20)와 상기 전처리된 반응가스를 2차 반응기(30)에 수용시키는 반응가스 수용단계(S30)와 상기 수용된 반응가스를 산화촉매에 의해 황화합물을 제거하는 탈황단계(S40)로 이루어져서 황화합물을 제거할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
상기 전처리단계(S20)에서는 혐기성 소화조 가스 내에서 유입된 황화수소(H2S), 메르캅탄(R-SH)과 같은 황화합물을 주 반응기에서 기 사용된 산화촉매를 활용해 1차로 탈황 후 주 탈황단계로 반응가스 이송을 수행하고 주 탈황단계(S40)에서는 전처리된 반응가스를 산화촉매에 의해 원하는 만큼 황화합물을 제거하게 된다.
상기 1,2차 반응기(20)(30)에서 사용되는 액상산화반응촉매는 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화주석(SrO) 및 산화바륨(BaO)와 같은 고상의 알칼리 토금속 산화물 지지체에 전이 금속인 철, 아연, 몰리브덴, 망간, 구리 및 그 산화물로 구성되는 군(群)으로 부터 선택되는 하나 이상의 성분이 담지되어 있는 것, 알칼리 금속 수산화물 및 철 킬레이트로 이루어지는 군(群)에서 적어도 하나 이상 포함하는 것으로 한다.
상기 전이금속 또는 그 산화물의 담지량은 고상촉매 전체를 기준으로 0.1~50중량% 범위로 사용된다
본 발명에 따른 탈황촉매를 C 라 하고, 수중의 탈황촉매와 소화조 가스 내의 황화합물의 반응은 다음과 같다.
Figure pat00001
상기 반응에서와 같이 탈황촉매를 이용하여 황화수소, 메르캅탄과 같은 황화합물을 무해한 황 원소로 전환시킨다.
위 반응에서 산소는 촉매의 재생에 사용되므로 탈황촉매 슬러리에 산소, 공기, 오존 및 과산화수소와 같은 산화제를 공급하는 촉매재생장치에 적용하므로서 촉매의 황화합물에 의한 성능및 수명을 향상시킨다.
상기 혐기성 소화조 가스에는 황성분 외에도 실록산(Siloxanc) 및 각종 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds)들이 포함되어 있어 이들이 촉매 활성 표면을 덮는 현상에 의한 촉매 비활성화를 가속시킨다. 전자 현미경 관찰에 의하면 실록산과 같은 고분자성 물질이 촉매의 표면을 덮고 있는 현상이 관찰되었다. 따라서 주반응기에서 반응이 완료된 촉매를 재생후 폐촉매로 배출되는 부분의 촉매를 1차 전처리 공정으로 보내어 반응시키므로써 실록산과 같은 고분자 이물질에 의한 촉매 비활성화를 지연시켜주고 1차로 일정량(약 30~50%)의 황화합물을 제거시켜줌으로써 주 반응기에서의 반응 효율을 증대 시키고 촉매 활용을 극대화시켜주므로 촉매 사용량을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
또, 본 발명에 따른 소화가스 탈황장치는, 혐기성 소화조(10)와 연결되어 혐기성 소화조(10)내의 황화합물을 수용하여 탈황하기 위한 황화합물유입관(21)과, 산화촉매의 주입이 이루어지기 위한 촉매주입관(22)과, 1차로 탈황처리된 반응가스를 2차 반응기(30)로 이송하기 위한 가스이송관(23)이 구비되어 전체 반응 효율 및 촉매 수명을 연장시켜주는 1차 반응기(20)와 상기 1차 반응기(20)에서 가스이송관( 23)을 거쳐 유입된 반응가스를 수용하는 구성과, 산화촉매가 주입되어 황화합물을 제거하기 위한 촉매주입관(31)과, 황화합물이 제거된 가스의 배출이 이루어지기 위한 가스배출관(32)이 구비되어 산화촉매에 의해 황화합물을 제거하는 2차 반응기(30)와 상기 2차 반응기(30)와 촉매이송관(41)으로 연결되어 촉매와 물을 혼합한 액체 상태의 촉매용액 등을 공급하기 위한 촉매공급부(40)로 이루어져 있다.
상부 1차 반응기(20)의 일측은 개폐밸브가 구비된 여과이송관(61)이 여과기(60)와 연결되어 여과기(60)를 통해 여과시킨 폐수와 페촉매를 별도로 분리 처리를 하게 된다.
상기에서의 1차 반응기(20)와 2차 반응기(30)는 스크러버, 슬러리반응기, 충진층(packed column) 또는 체판형(seive plate type)반응기와 같은 세정장치 중에서 선택되어 사용된다.
상기와 같은 구성의 탈황장치에서는 1차 반응기(20)에서 기 사용된 촉매를 활용해 선(先) 탈황반응을 수행함으로써 2차 반응기(30)에서의 산화촉매에 의한 황화합물의 제거기능을 극대화시킬 수 있게 된다.
그리고 본 발명의 소화가스 촉매재생방법은, 황화합물 수용단계(S10)와 선(先) 탈황반응의 전처리단계(S20)와 상기 전처리된 반응가스 수용단계(S30)와 상기 수용된 반응가스 탈황단계(S40)와 상기 전처리 및 탈황단계에서 사용된 액체/고상의 탈황촉매를 회수하는 단계(S50)와 상기 탈황촉매를 산화제와 반응시켜 재생이 이루어지도록 하는 탈황촉매 재생 산화단계(S60)와 상기 재생된 탈황촉매를 전처리단계 및 탈황단계에 이송 공급되도록 하는 재순환공급단계(S70)로 촉매의 재활용이 이루어지게 된다.
상기에 사용되는 산화제는 공기,산소,오존, 및 과산화수소 등이 해당된다.
상기 탈황촉매 슬러리는 탈황촉매와 물을 혼합한 것이되, 탈황촉매 슬러리는 처리하고자 하는 황화합물의 농도에 따라 다양한 촉매함량으로 운전이 가능하며 일반적으로 0.2~0.5%의 촉매함량으로 운전된다. 운전조건도 기본적으로는 상온,상압 운전이며 가스의 용해도가 높아야 반응 및 재생효율이 증가하므로 가능한 낮은 온도에서 운전되는 것이 바람직하다.
소화가스 촉매재생장치는, 상기 탈황장치와 같이 1차 반응기(20)와 2차 반응기(30)와 촉매공급부(40)가 동일한 구성요소로 이루어지되 상기 1차(20) 또는 2차 반응기(30)에서 사용된 탈황촉매가 회수되어 수용되도록 하기 위한 재생회수관(51)과, 산화제를 공급하기 위한 산화제공급관(52)과, 재생된 탈황촉매를 1,2차 반응기(20)(30)로 공급하기 위한 재순환공급관(53)이 구비되어 탈황촉매를 재활용할 수 있는 재생공정부(50)로 이루어져 있다.
상기 2차 반응기(30)에서는 분기관(33)을 통해 탈황촉매가 1차 반응기(20) 및 재생공정부(50)로 각각 이송되도록 되어 있다.
상기 구성에 의해 탈황촉매를 재생하여 재활용하게 되므로 촉매사용량을 크게 절감할 수 있게 된다.
이하 본 발명을 비교실시예에 의해 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.
<비교실시예 1>
비교실시예 1에서는, 파우더(Powder) 형상의 6% 철/산화망간(Fe/MgO)촉매를 사용하여 2차 반응기만을 사용한 황화수소(H2S) 탈황 성능과 2차 반응기와 재생공정을 사용한 황화수소 탈황 성능을 비교한 것이다. 가스(N2) 총 유량은 35L/min로 하였으며 황화수소 농도는 1000ppm으로 하였다. 사용되는 촉매량은 0.3%으로 하고 회분식(Batch)으로 하여 황화수소 탈황성능 및 촉매 수명을 측정하였다.
2차 반응기만을 사용한 황화수소 탈황성능은 탈황효율 90% 이상 유지되는 시간이 2.3시간에 불과하였지만 2차 반응기와 재생공정을 사용한 탈황성능은 14hr을 기록하였다. 이 때 재생공정에 사용된 산화제는 공기(Air)였다. 촉매 수명또한 2차 반응기와 재생공정으로 구성되어진 공정이 2차 반응기만을 사용한 공정보다 6.2배가 더 좋은 것으로 확인되었다. 이에 따른 결과는 도 4와 아래 표 1에 나타내었다.
2차반응기와 2차반응기 및 재생공정을 이용한 탈황성능 및 촉매소모량비교

항 목

2차반응기(단독)

반응기/재생공정
(산화제:Air)

H 2 S
탈황성능
2.3hr
14hr

촉매소모량
6.2
1(기준)
* 90% 제거율 기준<비교실시예 2>
비교실시예 2는, 2차 반응기와 1차·2차 반응기(도3)를 동시 사용 했을시 H2S 탈황성능 및 촉매소모량 비교하였다. 두 실험군에 사용된 반응조건들은 비교실시예 1과 같다. 이 실험은 1차·2차 반응기 공정의 2차 반응기에서 사용후 재생한(일부배출)촉매를 1차 반응기로 이송하여 촉매활성성분을 최대로 이용하기 위한 것이며 그 결과는 아래 표 2와 같다. 표 2에서 보는 바와 같이 반응개시후 2.5시간이 경과한 탈황성능은 1차 전처리 반응기 사용시 제거율이 98%까지 상승하였으며 촉매 수명도 약 50% 증가하였다.
2차 반응기와 1·2차 반응기를 이용한 탈황성능 및 촉매소모량비교
항목
2차반응기(단독)
1·2차반응기
1차반응기 2차반응기
H2S
탈황성능
(2.5시간후
88%
50%
최종 약 98%
촉매소모량
(2.5시간후)
1.5
1(기준)
<비교실시예 3> 비교실시예 3은, 현장에 설치된 2차반응기와 1차·2차 반응기를 사용(연속식)하여 소화조 가스내의 황화수소 탈황 성능을 비교하여 보았다. 처리가스유량은 100m3/hr 이상이며 황화수소 주입농도는 800ppm이었다. 단 현장에서는 재생공정이 없어 2차반응기에서 사용된 촉매가 재생되지 않고 직접 1차 전처리 반응기로 주입되었으며 그 결과는 표 3과 같다. 표에서 보는 바와 같이 성능은 1차·2차 반응기를 사용한 것이 2차반응기만을 사용한 것보다 15%이상 효율이 증가되는 것으로 나타났다. 촉매수명 또한 1차·2차 반응기를 동시 사용한 것이 약 20% 더 월등한 것으로 나타났다.
소화조 현장에서 2차반응기와 1·2차 반응기를 이용한 탈황성능 및 촉매소모량비교

항목

2차반응기(단독)

1·2차 반응기

H 2 S
탈황성능
75%～80%
93%～95%

촉매 소모량

1.2
1(기준)
<비교실시예 4> 비교실시예 4는, 2차반응기 단독으로 처리했을 경우와 1차·2차 반응기 및 재생공정까지 이용하여 처리했을 경우를 비교하였으며 그 결과는 표4와 같다. 가스, 촉매주입, 기타 조건등은 비교실시예 1과 동일하다. 비교실시예 1번과 같이 2차 반응기만을 사용했을시는 성능이 90%이상 유지되는 시간이 2.3시간에 불과하고 촉매소모량 또한 많았다.그렇지만 도 1과 같이 구성한 1차·2차 반응기 및 재생공정은 2차반응기 단독으로 운전되는 것보다도 성능이 월등히 뛰어나 제거성능 90%이상 유지되는 시간이 22시간 이상을 기록하였다. 촉매수명도 9배 이상 증가됨을 알수 있다.
2차 반응기와 1·2차 반응기 및 재생공정을 이용한 제거성능 및 촉매소모량 비교

항목

2차반응기(단독)

반응기/재생공정(도2)
Air 20L/min

H 2 S
탈황성능
2.3hr
22hr

촉매소모량

9.1
1(기준)
이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

Claims (9)

  1. 삭제1
  2. 삭제2
  3. 삭제3
  4. 삭제4
  5. 삭제5
  6. 혐기성 소화조내에서 유입된 황화합물을 1차 반응기에 수용하는 황화합물 수용단계(S10)와
    상기 수용된 황화합물을 선(先) 탈황시키는 전처리단계(S20)와
    상기 전처리된 반응가스를 2차 반응기에 수용시키는 반응가스 수용단계(S30)와
    상기 수용된 반응가스를 산화촉매에 의해 황화합물을 제거하는 탈황단계(S40)와
    상기 전처리 및 탈황단계에서 사용된 액체/고체상의 탈황촉매를 회수하는단계(S50)와
    상기 탈황촉매를 공기,산소,오존, 및 과산화수소 중에서 적어도 하나 이상으로 이루어진 산화제와 반응시켜 재생이 이루어지도록 하는 탈황촉매 재생 산화단계(S60)와
    상기 재생된 탈황촉매를 전처리단계 및 탈황단계에 이송공급되도록 하는 탈황촉매 재순환공급단계(S70)로 이루어진 소화가스 탈황 및 촉매재생방법.
  7. 삭제7
  8. 삭제8
  9. 혐기성 소화조(10)와 연결되어 혐기성 소화조(10)내의 황화합물을 수용하여 탈황하기위한 황화합물유입관(21)과, 산화촉매의 주입이 이루어지기 위한 촉매주입관(22)과, 선(先) 탈황반응 시킨 반응가스를 2차 반응기(30)로 이송하기 위한 가스이송관(23)이 구비된 1차 반응기(20)와
    상기 1차 반응기에서 가스이송관(23)을 거쳐 유입된 반응가스를 수용하는 구성과, 산화촉매가 주입되어 황화합물을 제거하기 위한 촉매주입관(31)과, 황화합물이 제거된 가스의 배출이 이루어지기 위한 가스배출관(32)이 구비되어 산화촉매에 의해 황화합물을 제거하는 2차 반응기(30)와
    상기 2차 반응기(30)와 촉매이송관(41)으로 연결되어 촉매와 물을 혼합한 액체 상태의 촉매용액 등을 공급하기 위한 촉매공급부(40)와
    상기 1차(20) 또는 2차 반응기(30)에서 사용된 탈황촉매가 회수되어 수용되도록 하기 위한 재생회수관(51)과, 산화제를 공급하기 위한 산화제공급관(52)과, 재생된 탈황촉매를 1,2차 반응기(20)(30)로 공급하기 위한 재순환공급관(53)이 구비되어 탈황촉매를 재활용할 수 있는 재생공정부(50),로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 소화가스 탈황 및 촉매재생장치.
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