Ca 및 Na계 화합물의 탈황/탈질 반응 특성 고찰

최원길, 이정식*, 조항대, 이형근

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부

충북대학교 환경공학과*

A Study on the Reaction Characteristics of Ca and Na Compounds toward SO2 and NOx

Won-Kil Choi, Jung-Sik Lee*, Hang-Dae Jo, Hyung-Keun Lee

Korea Institute of Energy Research

Dept. of Environmental Engineering, Chungbuk National Univ.*

서  론

지난 10여년간 국내에서도 환경오염에 대한 관심이 집중적으로 고조되어 왔으며 그에 따른 각종 환경오염방지를 위한 구체적인 제도가 수립되었고 그에 대응하기 위한 다양한 기술의 도입 또는 개발이 추진되어 왔으나 국내의 기술 수준은 아직 자생력을 지니지 못한 단계로 판단되고 있다. 이런 가운데 오늘날 환경문제 특히 대기오염문제는 다소 새로운 차원으로 전개되고 있다. 즉, 국내 또는 국지적인 문제가 아닌 주변국간 또는 전 지구적인 차원에서 다루려고 하고 있으며 정치적인 문제 뿐만 아니라 보다 구체적인 경제적 압력과 추궁으로 다가오고 있다.

국내에서도 이러한 국제적인 환경에 부응하기 위한 움직임이 활발해지고 있으며 발전소와 같은 대형 배출시설에 대한 대기오염방지 설비가 건설되고 관련 연구도 진행되고 있다[1]. 그러나 일반 산업체나 소각로와 같이 크지 않은 시설을 위한 대기오염 방지 설비에 대한 연구나 투자는 상대적으로 미흡한 편이며 중소규모의 산업체 배출시설에서 다양한 환경오염물질의 배출저감을 위해 다단설비나 복합설비를 설치하여 처리하기에는 경제적인 부담을 무시할 수 없다. 따라서 공정 또는 설비의 단순 고효율화에 의한 배출가스의 경제적 처리가 요구되고 있으며 이를 위해 한가지의 흡수제로 다종의 오염물질을 처리하는 기술 등 동시처리기술들에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.[2-7]

이와 같은 배경으로 본 연구에서도 건식 및 반건식 공정과 같이 보다 단순하고 경제적인 공정을 이용하여 연소배가스중 SO2 및 NOx 등을 동시에 또는 효율적으로 처리하기 위한 흡수제 제조를 목표로 하고 있으며 이를 위해 SO2 및 NOx에 대해 적절한 반응성을 지닌 흡수제 제조를 위한 기본물질로서 성능이 우수하고 상대적으로 가격이 저렴한 알칼리 흡수제를 선정하기 위하여 실제 배가스 조성을 모사한 제조가스(SO2, NO 함유)를 사용하여 Ca계, Na계 흡수제에 대한 흡수 반응성 실험을 수행하였다.

실  험

[그림 1]은 충전층 반응기를 중심으로한 실험장치의 구성 및 흐름도로서 모사

[Fig 1] Schematic diagram of experimental apparatus.

가스 공급부분, 반응기 부분, 반응가스 분석 및 데이터 acquisition 부분 등으로 구성 되어 있다.

반응기에 유입되는 가스는 실제 배가스를 모사하여 SO2, NO, Air, N2 등의 성분으로 구성되어 있으며 유입총량은 3.0 l/min으로 유지하였고 MFC(Mass Flow Controller, Sierra Ins.)를 이용하여 각 성분가스의 농도 및 유량을 조절하였다. 배가스중의 수분 또는 공정에서의 습도 모사 및 습도가 반응에 미치는 영향을 고찰하기 위한 반응가스중의 습도 조절을 위해 syringe pump를 이용하여 물을 정량 공급하고 이를 전기 가열식 증발기에서 250℃로 가열하여 완전한 증기 상태로 반응가스와 함께 반응기내로 공급하였다.

반응기는 stainless steel제(내경 25mm, 높이 250mm)로서, 내부에 소결금속제의 지지체를 설치하여 시료를 충전하였다. 반응 온도를 일정하게 유지하기위해 PID 제어 방식의 전기가열기에 의해 0 ∼300℃ 범위에서 ±1℃로 조절 가능한 air bath의 내부에 반응기를 설치하였다.

반응기에 흡수제를 충전시에 반응가스의 흐름을 균일하게 하고 시료의 압축  및 뭉침현상을 방지하여 시료입자들이 분산상으로 유지될 수 있도록 흡수제 1g에 quartz sand(Aldrich사, 50∼70 mesh) 19g을 충분히 혼합하여 충전하였다.

<Table > Control parameters for experiments

Gas Flow rate(L/min)	3
NO input conc.(ppm)	100 - 400
SO2 input conc.(ppm)	1200 - 2400
수분농도(vol%)	0 ∼ 60
산소농도(%)	5
반응기 온도(℃)	90 - 150

결과 및 고찰

충전층 반응기를 이용하여 Ca계, Na계 흡수제의 SO2 및 NOx에 대한 반응성을 평가하기 위하여 반응온도, 각 성분가스의 조성(SO2, NO, O2), 반응가스중 수분함량 등을 변화시키며 반응전후 각 성분 가스(주로 SO2, NOx)의 농도를 연속적으로 측정하여 가스 흡수량을 산정하였고 반응생성물에 대한 물리화학적 분석을 통해 반응경로를 해석하고자 하였다.

[그림 2]는 대표적인 Ca계 알칼리 흡수제인 Ca(OH)2를 시료로 하여 SO2 및 NO에 대한 흡수실험을 수행한 결과중 반응가스내 수분함량 및 반응온도에 따른 SO2의 흡수량 변화를 나타낸 것으로 수분함량이 증가할수록 흡수량도 증가함을 나타내고 있으며 온도가 상승할수록 흡수량은 감소하고 수분함량에 따른 영향도 감소하고 있다. 이는 저온영역에서는 반응제 입자 표면에서 생성물층의 형성되는 속도가 빠르지 않아 상대습도에 증가에 따라 SO2의 흡수반응을 촉진하게 되나 온도가 상승하면 반응제 입자표면에 생성물층이 급속히 형성되어 반응을 방해함으로써 흡수량도 떨어지고 상대습도가 반응에 미치는 영향도 크지 않은 것으로 판단된다.

[그림 3]은 Na계 알칼리 흡수제인 NaHCO3를 시료로 한 SO2 및 NO에 대한 흡수실험 결과중 반응가스내 수분함량 및 반응온도에 따른 SO2의 흡수량 변화를 나타낸 것으로 동일조건에서 Ca(OH)2에 비해 평균적으로 3배 이상의 흡수량을 나타내고 있으며 저온에서의 흡수성능은 특출하다. 수분함량 및 반응온도가 흡수량에 영향을 미치는 있는 것은 Ca(OH)2와 유사하나 저온 영역에서의 수분함량이 미치는 영향이 매우 큰 것으로 나타나고 있다.

References

1. Lee, H. K., et al., □Utilization of Domestic Limestone and Development of Additives in Flue Gas Desulfurization," Report for Korea Ministry of Industry and Resources(former Korea Ministry of Trade, Industry and Energy), Report No.  KIER-973407 (1997).

2. Markussen, J.M. and Livengood, C.D.,"Alternative Flue Gas Treatment Technologies for Integrated SO2 and NOx Control," in the Proceedings of 57th Annual Meeting American Power Conference, Chicago, IL, USA(1995. 4. 18 - 20).

3. Lindbauer, R. L. and Mair, F.,"The 3-S Process : Simultaneous (Acid Gas and NOx) Sodium Based Sorption of Flue Gases," in the Proceedings of 1st Combined FGD Dry SO2 Control Symposium, St. Louis, MO, USA(1988).

4. Str□mberg, A. M. and Karlsson, H. T.,"Spray Dry Absorption-Oxidation of SO2/NOx," in the Proceedings of 1st Combined FGD Dry SO2 Control Symposium, St. Louis, MO, USA(1988).

5. Kind, K. K., and Rochelle, G. T., "Preparation of advacate reagent in a flow reaction", presented at the 1993 SO2 Symposium, Boston, MA(Aug. 1993).

6. Nakamura, H., Ueno, T., Tatani, A., and Kotake, S.,"Pilot-scale test results of simultaneous SO2 and NOx Removal using powdery form of LILAC absorbent", presented at the 1995 SO2 Control Symposium, Miami, FL(Jan. 1995).

7. Mocek, K., Stejskalov , K. Bach, P., Lippert, E., Bastl, Z., Spirovov , I., and Erd s, E., "Study of the reactivity of sodium compounds and Ca(OH)2 towards SO2 and NOx", presented at the 1995 SO2 Control Symposium, Miami, FL(Jan. 1995).

[Fig 2] SO2 gas absorption depending on moisture contents

and reaction temperature for Ca(OH)2.

[Fig 3] SO2 gas absorption depending on moisture contents

and reaction temperature for NaHCO3.