습식배연탈황공정에서 Wetted-wall column을

이용한 국내산 석회석의 반응특성

서정일, 김인원, 조항대*, 최원길*, 이형근*

건국대학교 화학공학과, 한국에너지기술연구소 에너지환경연구부*

Reactivity of Limestone for Removal of SO2 from Flue gas

using Wetted-wall column

J. I. Suh, I. W. Kim, H. D. Cho*, W. K. Choi, H. K. Lee*

Chemical Engineering Department, Konkuk University,

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

서  론

황산화물과 질소산화물 배출증가에 따른 대기오염 문제로 인해 국내에서도 1990년에 기존보다 더욱 강화된 배출허용기준을 입법 예고하였으며, 1996년 환경부의 입법예고안에 의하면 황함유량 0.5%이하의 연료를 쓰거나 최적오염방지시설을 갖춘 업체를 제외하고는 □대기오염부과요금제□를 시행하기로 결정한 바 있다.  이러한 환경하에서 향후 국내에 배연탈황공정이 설치, 운전될 경우를 대비하여 현재 국내에 약 400억톤이상 매장되어 있는 석회석을 배연탈황공정에 효율적으로 활용하기 위해 여러 산지에서 수집된 국내산 석회석들과 SO2와의 반응성에 관한 연구가 진행되어야 할 필요성을 가지게 되었다.[1,2]

석회석과 SO2와의 반응성은 FGD 시스템의 운전조건 하에서 석회석입자의 크기와 용액의 조성에 의해 영향을 받게되며, 석회석의 용해특성을 이해하는 것은 FGD공정의 설계에 필수적이며, 공정의 원활한 조업을 위해서도 매우 중요한 요소이다. 본 연구에서는 실제 배연탈황공정의 흡수탑에서 일어나는 현상을 모사할 수 있는 실험장치인 Wetted-wall column를 이용하여 탈황공정의 운전시 변수로 작용하는 pH, L/G ratio, 유입 SO2 농도 등의 영향을 정량적으로 측정하였다. 장치를 제작, 설치한 후에 우선 전체공정의 운전을 통하여 장치의 재현성 및 각 unit별 특성을 파악하였으며, baseline 조건에서 운전을 통하여 각 석회석의 반응특성을 비교하고자 하였다.[3,4]

실  험

그림1의 실험장치는 흡수탑 상부에서 모사가스와 석회석 슬러리가 유입되는 병류시스템이며, 다음과 같이 연소가스 공급부분, Wetted-wall column부분, 반응가스 분석부분, 컴퓨터제어 및 데이터측정부분 등 4개의 부분으로 구성되었다.

[Figure 1] Schematic diagram of experimental apparatus

1. 연소가스 공급부분

반응기에 유입되는 가스는 SO2, CO2, O2 및 N2가스로 구성된 모사가스로서 유입총량은 30- 50 L/min이며 MFC (Mass Flow Controller)시스템을 이용하여 공급하였다.

2.Wetted-wall column 부분

Wetted-wall column의 재질은 pyrex 유리이며 내경 1.5cm, 한 단의 높이가 100cm인 5개의 단으로 구성되어 있다. 이 벽탑 내부의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 내경 5.0cm인 아크릴 관을 벽탑 외부에 설치하여 이중관 구조의 water jacket을 형성하였으며 항온조를 이용하여 일정온도의 물을 순환시켰다.

3. 반응가스 분석부분

반응기에서 생성된 SO2, O2, CO2 등의 기체의 성분을 분석하기 위한 전처리과정으로 Sample conditioner를 설치하여 시료기체중의 분진 및 수분을 제거하였다.

4. 컴퓨터제어 및 데이터 측정부분

본 실험장치를 제어하고 계측된 데이터를 연속적으로 저장하기 위하여 컴퓨터 제어시스템을 이용하였다.

Software는 FIX DMACS, Texas Instruments사의 Simatic-TI PLC를 이용하였다. 실험방법으로 우선 EHT(Effluent Hold Tank)에 증류수 3 liter를 채운 후 교반을 시키면서 반응에 의해 생성되는 석고에 의한 스케일을 방지하기 위해 석고 0.1 mol을 넣는다. 항온조를 작동시켜 column 외부의 순환수를 55℃로 유지시키고, 또한 가스 heater를 작동시켜 유입되는 가스의 온도를 150 ℃정도로 일정하게 유지시킨다.

<Table > Baseline conditions in Wetted-wall column experiments

pH	5.5
L/G(L/Nm3)	14
SO2 input conc.(ppm)	1700
CO2 conc.(%)	12.0
O2 conc.(%)	6.0
Gas flow rate(L/min)	40
Initial gypsum content(mol)	1.0
Forced air flow rate(□/min)	6.0

[Figure 2] Changes of gas concentration and hot gas temp. for wetted-wall column test in the baseline condition

이 조건에서 EHT의 용액의 온도가 50℃가 될 때까지 연동펌프를 이용하여 용액을 순환시킨다. 석회석슬러리의 농도는 1.0wt %로서 제조방법은 공급탱크에 증류수 15 liter를 채우고 여기에 325mesh를 통과한 석회석시료 150gr을 넣고 교반을 시킨다. 모사가스를 준비한 후에 pH 조절기를 작동시키면서 Wetted-wall column 상부로 석회석 슬러리와 모사가스를 주입한다. 이 경우에 모사가스는 탑상부에서는 150℃로 유입되어 탑하부에서는 50℃로 배출되며, EHT 슬러리의 온도는 49-50℃를 유지하게 하였다.

실험결과 및 고찰

본 연구에서의 실험변수로는 L/G, pH, SO2 유입농도 등이 해당되며, 그 외에는 노즐의 변화에 따른 spray drop size,  EHT에서 고체의 체류시간, 흡수탑의 종류, chloride농도 등을 고려했다. 본 연구의 baseline 조건으로 L/G는 14 L/Nm3, SO2 유입농도는 1,700ppm, pH는 5.5이었으며, <표1>에 나타내었다.

[Figure 3] SO2 removal efficiency vs. slurry flow rate for Hyundai C in pH 5.8

[그림 2]는 석회석시료 중 Hyundai C(시료 No. LBC19)를 시료로 하여 L/G 14 L/Nm3, 반응온도 50 ℃인 baseline 조건에서 시간에 따라 gas heater를 통과한 모사가스의 출구온도, 주입가스중의 CO2와 O2농도 및 1740ppm으로 주입된 SO2와가 반응 후 column에서의 농도변화를 보여 주는 것으로 약 6시간 진행되는 동안 안정적인 상태임을 보여 주고 있다.  [그림 3]은 슬러리 유량의 변화에 따른 SO2 제거효율을 나타낸 것으로 슬러리유량이 280 ml/min의 경우에는 약 70-75%, 500 ml/min의 경우에는 약 90%로서 슬러리 유량이 증가함에 따라 SO2 제거효율이 증가함을 보여주고 있다.

참고문헌

1. 이우석, 이형근, 조항대, 김선근, 김인원, □습식 배연탈황공정에서 국내산 석회석의 용해속도 연구,□ HWAHAK KONGHAK, 34, 6, 700-705(1996).

2. Smith, J., and Dalton, S. : FGD Markets and business in an age of retail wheeling, presented at the 1995 SO2 Control Symposium, Miami, FL(Jan. 1995).

3. Gage, C. L., and Rochelle, G. T., "Limestone dissolution in flue gas scrubbing: Effect of sulfite", J. Air Waste Manage. Assoc., 42, 7, 926(July 1992).

4. Ukawa, N., Takashina, T., Shinoda, N., and Shimizu, T., "Effects of particlesize distribution on limestone dissolution in wet FGD process applications Environ. Prog., Vol. 12, No. 3, 238(Aug. 1993).