반건식 배연탈황공정의 운전특성 고찰

최원길, 조항대, 이형근, 채재우

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부, 인하대학교 기계공학과*

Study on the Operation Characteristics of Spray Drying

System for Desulfurization

Choi Won-Kil, Jo Hang-Dae, Lee Hyung-Keun, Chae, Jae-ou

Energy and Environmental Research Department, Korea Institute of Energy Research,

Department of Mechanical Engineering, Inha University

서  론

석탄연소발전소, 도시쓰레기 소각로 등에서 발생한 유해가스를 효율적으로 처리하기 위하여 적용되고 있는 반건식(SDA)공정은 습식법과 건식법의 장점을 갖춘 시스템으로 폐수나 슬러지를 배출하지 않으며, 투자비와 조업비가 적을 뿐 아니라 최근에는 기술적으로 4,000ppm 이상의 SO2도 90% 이상 제거가 가능하기 때문에 각 국가의 유해가스 규제 범위의 확대와 규제농도가 엄격해짐에 따라 이에 대한 관심이 급증하고 있다.

이 공정은 장치내에서의 유체와 액적의 유동, 열전달에 의한 온도 분포, 액적의 증발과 건조, SO2 흡수와 반응과 관련되는 각종 물질전달 과정, 슬러리 액적에서의 흡수제 분말의 용해와 물질전달 및 반응 등 화학공정의 거의 모든 단위 공정들이 복합적으로 적용되고 있어서 단위공정에 대한 해석은 가능하지만 전체공정에 대해서는 해석적인 기법보다는 실무기술이 중요시되는 분야로 판단되고 있다.

본 연구에서는 연소가스를 120 m3/hr까지 처리할 수 있는 mini-pilot 규모의 반건식 실험장치를 설계 제작하였으며, 이를 이용하여 운전시에 SO2 제거효율에 영향을 주는 화학양론비, 접근온도, 유입 SO2 농도 등에 관하여 실험을 수행하였다.

실  험

SDA 실험장치는 흡수반응기, 가스공급장치, 반응제 slurry 미립화장치, 집진용 bag filter, 분석 및 제어장치로 구성되어 있으며, [그림 1]은 실험장치의 흐름도이며, 설계 및 운전기준은 <표 1>과 같다.

실험결과 및 고찰

[그림 2] - [그림 3] 흡수탑 내부의 온도분포 측정 실험 결과를 3차원 도표로 나타낸 것으로 분무기 회전수가 증가할수록 분무초기의 반경방향으로의 온도강하가 크게 나타나고 축방향 온도분포는 오히려 평탄하게 된다. 축방향으로 하방 영역에서는 벽면에서의 냉각이 크게 나타나며, 회전수가 증가하면 SDA 내부의 온도가 저하하고 그에 따라 접근온도도 낮아지므로 SO2의 제거에는 유리한 환경이 조성됨을 보여 준다.

<Table 1> SDA 시스템의 설계 및 운전기준

설계기준	처리 용량	120 m3/hr
	기체 체류시간	14 - 18 sec
	운전 온도	120 - 230℃
	SO2 입구 농도	500 - 4000 ppm
	사용 slurry 농도	5 - 20 wt%

Fig. 1 Flow diagram of experimental SDA system

Fig. 2 3-D temperature profile inside SDA depending on atomizer speed (10000rpm)

Fig. 3 3-D temperature profile inside SDA depending on atomizer speed (16000rpm)

[그림 4]는 국내산 생석회인 BK, FK, RK 시료에 대한 탈황성능 결과로 FK와 RK 생석회는 유사한 성능을 나타내고 있으며 BK 생석회는 접근온도가 높은 경우에는 FK나 RK 생석회에 탈황율면에서 뒤지고 있으나 접근온도가 낮아지면 성능상의 차이를 나타내지 않는다. 그러나 BK 생석회의 경우 접근온도가 낮아지면 bag filter의 분진층에서의 추가적인 탈황율이 향상되어 접근온도가 20℃정도가 bag filter에서의 탈황율이 7-8% 정도에 이르는 것을 알 수 있다.

전체적인 탈황율은 접근온도가 낮아짐에 따라 뚜렷이 증가하고 있다. 접근온도가 45℃에서 20℃ 정도로 낮아질 때 탈황율은 20% 정도 증가하고 있으므로 반건식 탈황공정에서 접근온도가 성능상 매우 중요한 인자임을 알 수 있다.

[그림 5]는 시약용 생석회를 반응제로 사용하여 탈황율을 측정한 것으로 각 반응제간 탈황율의 차이가 크지 않고 특성도 대체로 고른 것으로 나타나고 있다.

[그림 6]에서 Ca/S 몰비가 1.5에서 4.5로 3배 증가시켰을 때 bag filter 출구농도를 기준으로한 탈황율은 70%정도에서 85%로 15% 정도 향상됨을 보여 준다 또한 접근온도가 낮아질수록 전체적인 탈황율이 증가하며, bag filter에서의 탈황율 증가하는 경향을 보이고 있는데 이는 상대습도가 높아져서 SO2의 흡수가 촉진되기 때문인 것으로 보인다. Ca/S 몰비가 낮은 경우(1.5)가 높은 경우(4.5)에 비해 접근온도의 영향이 크게 나타나고 있다.

[그림 7]에서 초기 SO2 농도가 낮은 경우(885 ppm) 접근온도 25℃에서 탈황율이 90%에 이르는 결과를 보이고 있으나 초기 SO2 농도가 1367ppm인 경우에는 접근온도가 21℃인 경우에도 78% 정도에 그치고 있다.

Fig. 4  Effect of reagent types of SO2 removal efficiencies.

Fig. 5 Effects of chemical types as reagents on SO2 removal efficiencies

Fig. 6 Effects of Ca/S mole ratios of SO2 removal efficiencies

Fig. 7 Effects of inlet SO2 concentrations on SO2 removal efficiencies