- 99년 추계화학공학회(10.22-23, 경남, 경남대) -

Mg(OH)2 탈황공정에서 흡수탑의 형태에 따른 물질전달 비교

이형근, 조항대, 박영수*, 최병문*, 김인원**

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부,

*경기화학(주), **건국대학교 화학공학과

Study on the Mass Transfer Effects of the Absorber Types

in the  Mg(OH)2 FGD Process

H. K. Lee, H. D. Cho, Y. S. Park*, B. M. Choi*, I. W. Kim**

Korea Institute of Energy Research

Kyunggi Chemicals, **Dept. of Chemical Engineering, Konkuk University

서   론

Mg(OH)2 슬러리를 이용한 탈황공정에서 연소가스 중의 SO2를 효율적으로 제거하기 위해서는 흡수탑 내에서 기액접촉을 효율적으로 하기 위한 설계와 기상과 액상에서의 SO2 flux를 나타내는 물질전달계수의 특성을 잘 파악해야 한다.

본 연구에서는 Mg(OH)2-탈황공정의 흡수탑을 설계하기 위한 기본자료로서 KIER의 Bench 규모 FGD공정의 흡수탑을 Spray tower, Turbulent contact absorber(TCA), Dual Flow Plate(DFT) 등 세 종류의 물질전달 특성을 비교하고자 하였다. 이를 위하여 각 흡수탑의 기체막 물질전달계수, kga를 구하였으며, pH, L/G ratio 변화에 따른 SO2 제거효율, kga에 대한 액체막 물질전달계수, kLa의 값을 비교하였다.

이론적 배경

흡수탑 내부의 기체-액체 계면을 통과하는 SO2 flux는 다음과 같이 나타낸다.

[eqn: N_SO2 ~=~k_g (P_SO_2 - P_{SO_2} ^{i} ) = k_L ^ o phi (C_A ^i - C_A )~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(1)]

기본적인 가정을 이용하면 SO2 flux는 다음과 같다.

[eqn: N_SO_2 = LEFT ( 1 over k_g + H over {k_L ^0 PHI }RIGHT )^-1 (P_SO_2 - P_{SO_2} ^* )~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(2)]

식(2)에서 pH > 4.7 이상인 조건에서는 PSO2 ≫P*SO2 이며, 흡수탑 내에서 일정 높이, dZ에서 SO2의 흡수속도는 다음과 같이 표현된다.

[eqn: -G over P_T {dP_SO2 } over dz ~=~ LEFT ( 1 over {k_g a} + H over {PHI k_L ^0 a}RIGHT )^-1 P_SO_2 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(3)]

식(3)을 적분하고 정리하면 다음과 같다.

[eqn: -G over { TRIANGLE Z P_T}ln {P_SO2 (Z1) } over {P_SO2 (Z2) }~=~ K_G a ~=~ LEFT ( 1 over {k_g a} + H over {PHI k_L ^0 a}RIGHT )^-1~~~~~~~~~~~~~(4)]

식(4)을 우변항을 정리하면 다음과 같이 표현할 수 있다 .

[eqn: R~=~ {PHI k_L ^0 a} over {H k_g a } ~=~ {K_G a } over { {k_g a} ~-~ {K_G a }}~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(5)]

여기서 총괄물질전달계수, KGa는 실험데이터로부터 구하고, kga 값은 KIER Bench 규모 FGD공정의 각기 흡수탑에서 SO2-NaOH를 이용하여 실험적으로 구하였다.

실  험

1. 실험장치

본 실험에 사용된 장치는 한국에너지기술연구소(KIER)에 설치된 Bench 규모의 실험장치로서 연소가스의 유입량은 250 m3/hr이다. 흡수탑은 내경 15cm, 높이 400cm이다. 흡수탑의 종류는 위에서 언급한 바와 같이 spray, TCA, DFT 이었으며, 실험장치도를 [그림 1]에 나타내었다[1].

2. 실험방법

[Fig. ] Flow diagram of KIER's bench scale FGD system

kGa 값을 구하기 위해 희석된 SO2(□ 2,000ppm)가스를 강알칼리 용액인 NaOH용액(pH > 12.5)을 이용하여 흡수시켰다. 이 경우에 액막물질전달저항은 pH > 11.3에 대해 순간적인 비가역 반응에서 무시할 수 있다[2]

액체 Reynolds number( 900 < ReL < 2,400),  ReL와 기체 Reynolds number( 21,000 < ReG < 32,000), ReG의 범위에서 액체와 기체의 유속을 변화시켰으며, 각각의 흡수탑에서 구한 Gas phase Sherwood number, ShG는 다음과 같다.

Spray Tower	: ShG=2.1744ReL0.9471ScG0.5 ------------------------(6)

TCA	: ShG=0.1005ReG0.6106ReL0.5118ScG0.5 ------------------(7)

DFT	: ShG=0.1178ReG0.7021ReL0.4032ScG0.5 ------------------(6)

각각의 흡수탑에서 pH, L/G ratio 변화에 따른 SO2 제거효율, kga에 대한 액체막 물질전달계수, kLa의 값을 비교하기 위한 실험조건은 <Table 1>과 같다.

<Table > Range of Data for the KIER Bench Scale FGD

Variables	Value
pH	4.0 - 6.0
SO2 input conc.(ppmv)	2,200
Flue gas flow rate(m3/min)	2.4
Slurry flow rate(L/min)	8.0 - 23.0
EHT solid content(%)	5.0
Force air flow rate(□/min)	25

결과 및 고찰

[그림 2]는 L/G ratio 변화에 따라 SO2 제거효율의 변화를 나타 내는 것으로서 흡수탑의 성능은 일정한 L/G ratio에서 DFT가 Spray, TCA에 비해 효과가 우수한 것으로 나타났다. H가 5.5 이상인 경우에는 모두 90% 이상의 높은 제거효율을 보여 주고 있다. [그림 3]은 kga 값에 대한 KGa의 비인 R/(1+R)을 pH에 따라 나타 낸 것으로서 pH가 증가함에 따라 액체막저항이 기체막저항에 비해 감소하고 있는 것을 알 수 있으며, 이것은 슬러리 내에서 alkalinity가 높아짐에 따라 enhncement factor,□가 증가하고 있음을 보여 준다.

[Fig. ] 흡수탑의 종류에 따라 L/G ratio가 SO2 제거효율에 미치는 효과

참고문헌

[Fig. ] pH 변화에 따른 kga 값에 대한 KGa의 비

1. 이형근, 윤혜식, 조항대, 최원길, 최병문, 구정모, "배연탈황공정에서 Mg(OH)2와 SO2의 반응□, 화학공학의 이론과 응용, 2433-2436(10월, 1997년).

2. Nielson, C.H.E., S. Kill, H.W. Thomsen and K. Dam-Johansen, "Mass Transfer in Wetted-wall columns: Correlations at high Reynolds Numbers," CES, 53, 495-503(1998).