석회석을 이용한 습식 배연탈황공정의 운전 특성

백재진, 이성영, 남기일, 민병수, 송석룡

현대중공업(주) 산업기술연구소

Study on the Operation Characteristics of Wet FGD Process Using Limestone

Baek Jea Jin, Lee Sung Young, Nam Ki Il, Min Byung Soo, Song Soeg Ryong

Hyundai Industrial Research Institute, Hyundai Heavy Industry Co. Ltd.

서론

대기오염의 가장 큰 원인이 되고 있는 발전 설비에 있어서 에너지 수급 정책에 따라 유류나 원자력에 비해 비교적 안정된 공급원으로 알려진 석탄을 연료로 하는 발전소의 건설이 주로 계획되고 있는데, 석탄을 연료로 사용하는 경우 다른 공급원에 비해 대기오염을 일으키는 분진, 황산화물(SOX), 질소산화물(NOX)의 배출이 심한 편이다. 특히 황산화물(SOX)은 산성비의 주요 원인이 되어 동식물에 막대한 피해를 입히고 있다. 이러한 아황산가스에 대한 처리 설비는 습식과 건식으로 크게 나눌 수 있는데 건식법은 탈황율이 낮고 분진의 처리 등으로 인하여 습식 탈황법이 가장 많이 실용화되어 있다.

습식법은 물이나 알카리성 용액 및 슬러리를 사용하여 기상의 SO2를 흡수하고 알카리성분과 반응시켜 생성된 슬러지를 폐기하거나 재생공정을 거쳐 시장성 있는 부산물을 생산하는 방법인데 이중 흡수제로서 석회석을 이용한 공정은 국내에 석회석의 매장량이 풍부하고 구입이 용이하며, 국토가 좁기 때문에 폐기물을 매립에 의존할 필요가 없고 부산물로 석고를 생산하여 시멘트 첨가제나 wall board 로 사용할 수 있고 대용량 화력발전소에 설치 실적이 가장 많기 때문에 이 공정을 선택하고 있다.

국내에 있어서 습식 배연탈황 공정의 기본적인 설계 및 운전기술을 포함한 요소기술에 대한 기반이 미약하여 현재 응용 가능한 기술들은 거의 대부분 외국에서 도입되고 있다.

본 연구에서는 석회석을 이용한 습식 FGD 공정에 있어서 SO2 제거효율에 영향을 미치는 설계 및 운전인자인 유입 SO2 농도, 가스유속, 분무높이, L/G비 등의 영향을 고찰하여 성능을 예측할 수 있는 경험적인 모델식을 구하고자 하였다.

이 론

1. 이론적 모델

습식 배연탈황 공정에서 일어나는 SO2 제거는 기상과 액상에서의 물질전달 공정이다.  따라서 two-film mass transfer 이론으로부터 다음과 같은 이론적 모델(1)을 유도하였다.

[eqn: -ln ~({y_out over y_{i n}}) ~=~~ Z over {({1 over {k_g`` a}}+ {H over{ psi ``k_l ^o ``a}}) ~G}]    (1)

식(1)의 좌변 항을 NTU(Number Transfer Unit)라고 하며 제거효율과는 다음과 같은 관계를 가진다.

[eqn: -ln ~({y_out over y_{i n}})~=~NTU ~=-ln ~(1-{eff~% over 100}}) ~]       (2)

2. 경험적 모델

이론적인 구해진 모델식(1)은 광범위하게 적용할 수 있지만, 기상 물질전달계수, kg, 액상의 물리적 물질전달계수, klo, 향상인자, □, 경계면의 면적(a)등의 필요한 정보를 얻기 어려운 제약조건 때문에 실제 공정설계에 적용할 수 없다. 따라서 식(3)과 같이 SO2 유입농도, 분무높이, L/G, gas 유속, 액적크기, 슬러리 pH, Mg+의 농도, Cl-의 농도 등에 관련된 경험적 모델(Empirical model)을 유추해 낼 수밖에 없다.

[eqn: -ln ~({y_out over y_{i n}}) ~=~f``(y_{i n} ,~Z_s ,~L/G, ~D_p ,~ v_g ,~ pH,~Mg^+ ,~Cl^- ~CDOTS~ )]  (3)

실 험

본 연구에 사용된 Pilot 규모의 실험 장치의 흐름도를 [그림 1]에 나타내었다.

Hot generator에서의 LPG 연소 배가스를 흡수탑 및 Stak 전단에 각각 설치된 2개의 유입 송풍기에 의해서 필요한 유량만큼 도입되도록 하였으며, 각 Duct에 온도계와 유량계를 설치하여 실험에 맞는 조건을 설정하였다.

SO2 농도를 조절하기 위하여 봄베에서 SO2를 주입하고 흡수탑 전단 및 후단에 가스 분석기를 설치하여 흡수탑 입구 및 출구의 농도를 분석하였다.

흡수탑은 향류식 분무탑(Counter-Current Spray Tower)으로 직경이 450mm, 높이가 5m에 5단의 분무노즐이 설치되어 있다.

석회석 슬러리는 Silo에 저장된 석회석(CaCO3)을 Slacking tank에서 실험조건에 맞는 농도로 물과 혼합한 후 Storage tank에 저장하다가 필요시마다 흡수탑으로 이송하여 사용하였다. 슬러리는 펌프에 의해 흡수탑에 분무되며 유량계를 설치하여 분무량을 측정하였다. 반응기 하부의 슬러리 유출부에 pH meter를 설치하여 슬러리의 pH를 측정하였다.

반응이 완료된 반응기내의 슬러리는 thickener로 이송된 후 농축되고 다시 Filter press에서 수분을 완전히 제거하여 고형분의 석고(Gypsum)를 회수하였다.

모든 실험은 실제 공정과 비슷한 조건에서 수행하였는데, 배가스온도는 25℃, SO2 유입농도는 100∼2500ppm, 석회석 슬러리 농도는 0.5 wt%, 배가스 유속은 1.0∼3.5 m/s, 슬러리 분무 유량은 1∼10 m3/h로 변화시키면서 실험을 행하였다.

실험결과의 해석을 쉽게 하기 위해 SO2 유입농도를 1000 ppm, 슬러리 농도는 0.5 wt%, 배가스 유속은 1.75 m/s, 온도는 상온에서 해당 실험변수만 변화시키면서 실험을 행하였다. 이상에서 설명한 실험변수와 범위를 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Pilot Test 실험변수 및 범위

실 험 변 수	기 준 범 위	Pilot 실험범위	실공정 운전범위
SO2 농도	1000 ppm	100∼2000 ppm	300∼1500 ppm
슬러리 농도	0.1 wt%	0.15 wt%	10∼30 wt%
배가스 속도	1.75 m/s	1.22∼3.5 m/s	1.5∼4.0 m/s
L/G 비	1∼10 □/m3	1∼10 □/m3	5∼20□/m3
pH	5.5	4∼7.8	5∼6
온도	상온	20∼60 ℃	50∼60 ℃

실험결과 및 고찰

[그림 2]는 슬러리 농도, 0.5wt%, 가스유속, 1.75m/s, 분무높이, 1 m로 고정시킨 후 L/G비가 각각 1.3, 2.9, 3.4, 5.4□/m3 인 경우 SO2농도변화에 따른 NTU의 변화를 나타낸 것으로 NTU는 유입되는 SO2의 농도가 증가할수록 감소하였다. 이는 SO2 농도가 높을수록 슬러리에 더 많은 양의 SO2가 흡수되어 슬러리의 부하(Loading)가 증가하기 때문이다.

[그림 3]은 L/G비를 일정하게 유지하면서 가스유속을 증가시킨 실험 결과를 나타내었는데 가스유속이 증가하면 기-액접촉시간이 감소하기 때문에 NTU가 감소하여야 하지만, L/G비를 일정하게 유지하기 때문에 가스유속이 증가한 만큼 분무유량도 증가하여 NTU가 증가하는 것으로 나타났다.

[그림 4]는 가스 유속을 각각 1.0, 1.75, 2.6, 3.5 m/s 일 때  분무높이를 변화시킨 결과를 나타낸 것으로 NTU는 분무높이 1m이내에서는 급격히 증가하다가 이후에는 서서히 증가하는데, 이를 통해 기-액 접촉시간보다는 기-액 계면의 저항(슬러리의 pH, 접촉 면적)에 더 큰 영향을 받음을 알 수 있다.

[그림 5]는 L/G비를 변화시킬 때의 결과를 나타낸 것으로 NTU는 L/G비에 대해서 선형적으로 비례관계를 가짐을 알 수 있다.

이상의 실험결과를 비선형 회귀 분석법 (Non-linear regress method)을 사용하여  Limestone  FGD 공정의 최종적인 경험모델식(4)를 도출하였다.

[eqn: -ln ({y_out over y_{i n}})~=``k_t~ (SO_{2 ``Conc.})^-0.4 `(v_g )^0.47 `(Z_s )^0.35 ` (L/G) ^1.0~]  (4) (R2 = 0.97)

참고문헌

1. Leivo, c. c., "Flue gas desulfurization systems : Design and operating considerations, Volume II. Technical Report", EPA-600/7-78-030b

2. Borio, D. C., Borsare, D. C., Gogineni, M. R. and Hanson, R. W., "Design of spray tower absorbers for lime/Limestone Wet scrubbers", presented at The 1979 ASME Winter Annual Meeting

Fig. 3. The effect of gas velocity

on NTU.

Fig. 2. The effect of inlet SO2

concentration on NTU.

Fig. 4. The effect of Spray height

on NTU.

Fig. 5. The effect of L/G ratio

on NTU.