NaOH를 이용한 습식배연탈황에서 Na2SO3 폐슬러리의 산화반응특성

이은덕·박영성·김근범·이형근*

대전대학교 환경공학과, 한국에너지기술연구소*

Characteristic of Na2SO3 Waste Slurry in wetted Flow Gas Desulfurization using NaOH Absorbent

Eun-Duk Lee·Yeong-Seong Park·Geun-Bum Kim·Hyung-Keun Lee

Department of Environment Engineering, Tae-Jon University

Korea Institute of Energy Research*

서론

황산화물(SOX)을 포함한 각종 대기오염물질의 배출허용기준이 1995년 1월에 강화되었고, 또 1999년 1월에 재차 강화되는 것으로 대기환경보전법 시행규칙에 명문화 되어 있다. 따라서 일정규모 이상의 SOX 배출시설은 새로운 기준치를 만족시킬 수 있는 배연탈황설비를 갖추어야 한다. 이처럼 보다 엄격해진 기준치에 부응하기 위해 경제적이며 효율적인 습식배연탈황시설이 도입·보급되는 추세이다.

습식배연탈황에 있어서 주목 받고 있는 공정은 NaOH를 탈황제로 이용하는 공정을 들 수 있는데, 이는 탈황장치내 슬러리의 pH조절이 용이하고 장치내부의 scaling억제가 가능하여 공정의 안정성을 높이고 황산화물 제거효율이 크게 개선되기 때문이다. 한편 탈황제로 NaOH를 사용할 때 흡수탑내에서 탈황 및 산화과정을 거치면서 부산물로 Na2SO3, NaHSO3, Na2SO4 성분이 포함된 폐슬러리가 배출되는데 이의 효율적인 처리가 전체 공정의 경제성을 높이는 중요한 변수가 되고 있다.

본 연구는 부산물인 NaSO3의 산화에 초점을 맞추었다. Na2SO3가 Na2SO4로의 전환이 완전히 일어나지 않는다면, 고체의 Na2SO3슬러리에 의해 관로가 막히는 문제점을 갖고 있다. 또한 SO32-는 COD를 유발하기 때문에 공정상·수질오염상적절한 산화조건을 주어 처리를 하여야 한다. 따라서 일반적으로 사용하는 공기에 의한 산화처리를 실험하였다.

실험장치 및 방법

본실험에 사용된 실험장치는 Fig. 1과 같이 시료유입부, 공기주입부, 산화조, 시료채취부로 나누어진다. 산화조는 수조안에 설치하여 처리온도 조절이 가능하도록 하였다. 산화조 유효용량은 3□이며, 직사각형으로 제작하고 밑부분의 dead space를 없애고 시료와 공기 접촉이 용이하도록 하였다. 공기의 공급용으로 air pump와 유량계가 부착되어 있으며, 산화조의 하부에는 다공성 확산석이 배치되어 있다. 산화조내 시료의 주입은 슬러리펌프(Cole Parmer Inc Co. Model)가 사용되며, 시료의 Mixing과 온도조절이 되도록 열교반기(MS 310)를 부착하였다.

시료의 공급은 슬러리펌프의 rpm을 변화시켜 공급량이 조절된다. 용량 3□의 반응조부피를 기준으로 유입량을 변화시킴으로써 서로 다른 수리학적 체류시간(Hydraulic Retention Time, HRT)을 적용하였다. HRT는 1∼3 hr(슬러리 공급속도기준 : 1∼3□/hr)를 적용하였다. 산화처리시 영향을 주는 인자로는 온도, 공기공급량, 농도 등을 들 수 있다. 본 실험에서는 온도를 20∼40℃로, 공기공급량은 30∼90□/hr를 적용하였다. 실험조건을 요약하면 Table. 1과 같다. 여기서 사용한 시료는 증류수에 Na2SO3 시약을 SO32-를 기준으로 1000, 2000, 3000ppm으로 만들어 사용하였다. SO32-이온 분석은 중화법에 의하여 측정하였다.

Fig. 1 Schematic diagram of oxidation test unit.

Table. 1 Condition of Experiment

Item	Condition
Temp.(℃) Air Supply(□/hr) HRT(hr) Conc.(ppm)	20∼40 30∼90 1∼3 1000∼3000

결과 및 고찰

본 실험에서는 수욕조로 실험온도를 설정하고 시료의 농도에 따라 HRT와 공기량을 조절하여 운전하고 나온 시료의 SO32- 이온 농도를 측정하여 농도변화와 효율을 보았다. Fig. 2에서는 40℃에서 공기량을 30□/hr로 주입하여 각 농도에서 HRT에 따른 농도 변화를 보았다. 농도가 낮을수록 필요공기량이 줄어들고, 체류시간이 길수록 필요 공기량이 감소하는 경향을 보여 주었다. 즉 원시료가 1000ppm에서는 HRT가 2∼3hr에서 99%이상의 전환율을 보여 주었고, 2000ppm에서는 HRT에 따라 34∼88%의 전환율을 보여 주었다. 또한 고농도인 3000ppm에서는 28∼68%의 전환율을 보여주면서 더 많은 공기의 주입이 필요함을 알 수 있었다.

Fig. 3은 40℃에서 원시료의 농도가 3000ppm에서 각각의 공기유량에서 HRT에 따른 농도 변화를 보여주고 있다. 공기유량이 많을수록, 체류시간이 길수록 전환율은 높은 경향을 보여주고 있다. 공기유량이 60□/hr일 때 HRT 3hr에서, 또 공기유량이 90□/hr일 때 HRT 2∼3hr에서 99%이상의 처리효율을 나타내고 있다. 그외의 경우는 26∼75%의 전환율을 보여주고 있다.

Na2SO3 산화반응시 90%이상 전환율을 보이는 조건에 대한 슬러리 공급량과 Air 공급량을 각 농도별로 표시하면 Table. 2과 같다. 농도에 따라 Air/Sluuy 공급비율(A/S)은 비례관계를 보이고 있다. 1000∼3000ppm 범위에서 Na2SO3가 변화할 때 A/S는 20∼60□/□을 갖는 것으로 나타났으며 이는 scale-up 설계시 설계자료로 적용이 가능할 것으로 사료된다. 특히 Na2SO3 폐슬러리 시료에 대한 용존산소(DO)농도는 0.1∼0.4mg/□로서 동일한 온도조건(20∼40℃)에서 일반 상수원수의 DO값에 비해 월등히 낮음을 고려할 때 본 실험에 있어서 적절한 Air 공급이 전체 반응을 좌우하는 지배적인 인자에 해당됨을 알 수 있었다.

한편, Fig. 4에서는 온도에 따라서 같은 농도, 같은 공기유량에서 HRT에 따른 약간의 처리효율의 차이를 보여주고 있다. 즉, 온도가 높을수록 산화속도의 증가에 의해서 빠른 농도변화를 나타내고 있다. HRT 1hr에서는 36∼44%정도, HRT 2hr에서 75∼82%의 처리효율을 차이를 보여주고 있다.

이상에서와 같이 농도가 낮을수록 HRT가 길수록 공기유량이 클수록 온도가 높을수록 Na2SO4로의 전환이 더 용이한 것을 알 수 있다. 앞으로는 더 강한 산화제를 사용하여 높은 산화처리 효율을 얻기 위한 실험을 수행할 것이다.

Table. 2 Ratio of the flow rate between air and slurry

Conc. (ppm)	HRT(hr)	Air Supply (□/hr)	Slurry Supply (□/hr)	Air/Slurry ratio (A/S, □/□)
1000	1 2	60 30	3 1.5	20 20
2000	1 2 3	90 60 30	3 1.5 1	30 40 30
3000	2 2 3	90 60 60	1.5 1.5 1	60 40 60

참고문헌

1. 과학 기술처, □89 과학 기술연감□, 1989

2. 정태학, □황산마그네슘이 활성슬러지 처리 공정에 미치는 영향□, 1993

3. 임대명외 5명, □산업폐수처리공학□, 신광문화사, 1996

4. 환경부, □배연탈황·탈질 동시처리기술□, 한국전력공사 전력연구원, 1997. 1

5. 과학기술처, □대기오염 종합관리 신기술 개발□, 한국과학 기술 연구원, 1991. 7

6. 정홍기외 3명, □수산화 마그네슘에 의한 배연탈황에 관한 연구□, 동아대학교,     1995

7. 김동술, □대기오염 방지 공학□, 신광 문화사, 1995