황산화가스 제거용 UV반응기의 CFD설계

이환석, 윤현, 윤도영, 김상용*, 김창국**

광운대학교 대학원 화학공학과, 생산기술연구원*, 건종하이텍(주)**

A CFD Design of UV Reactor for Removing SOx Gases

H.-S. Lee, H. Yoon, D.-Y. Yoon, S.-Y. Kim*, C.K. Kim**

Department of Chemical Engineering, Kwangwoon University, Seoul 139-701

서론

산업의 발전과 더불어 대기오염을 비롯한 환경오염의 문제가 날로 심각해지고 있으며, 지구 환경과 세계경제의 미래를 확보하기 위하여 오염물 배출 및 규제에 대한 강력한 국제적 조치 및 협력체제가 모색되고 있다. 국내의 경우 제조업 중심의 수출전략에 의한 급속한 경제성장으로 에너지 소비가 크게 증가하여 석탄, 석유등 화석에너지 연소 및 쓰레기 소각으로 황산화물(SOx)에 의한 대기오염이 매우 심각한 실정이다.

SOx의 제거기술은 플라즈마 방전법(Plasma Discharge Process), 전자선 가속기(Electobeam Process), 습식 석회석 석고법(Wet Limestone Gypsum) 등이 널리 사용되고 있으나, 본 연구에서는 간단한 장치구성이 가능한 자외선(Ultraviolet light; UV) 반응기를 설계 제작하여, 황산화물의 제거를 도모하는데 목적이 있다.  자외선 광(UV)에 의한 분자의 광화학반응은 석유화학, 고분자합성 및 신물질 개발 등의 화학공정분야에 널리 이용되어 오고 있으나 광화학 기술은 다른 방법에 비해 주어진 반응을 선택적으로 그리고 매우 효율적으로 제어할 수 있는 특징을 갖추고 있음에도 불구하고 이러한 장점들이 가장 잘 구현될 수 있는 환경오염물질 처리 분야에서는 오히려 아직까지 그 응용이 미미한 실정이다. 따라서 본 연구에서 시도하고 있는 자외선 광반응장치는 장시간에 걸쳐 대용량의 오염물질을 지속적으로 처리할 수 있는 특징을 가지고 있기 때문에 대규모 산업시설 등의 환경오염원에서 방출되는 다량의 유해물질을 효율적으로 분해, 소멸시키는 것이 가능하며, 특히 대기환경 정화사업에 매우 적합한 특성을 가지고 있다.  이러한 배경 하에 본 연구에서는 막강한 적응능력을 가지고 있는 상업용 코드인 Fluent(ver.5.01)를 이용하여 UV반응기내의 유동현상을 해석하고, 이를 근거로 UV광화학반응기를 설계제작하여, 성능해석을 위한 실험을 도모하여 모델의 검증과 아울러 최적의 조업조건을 도출하고자 한다.

UV조사 탈황실험

본 연구에서 적용되고 있는 탈황공정의 기본적인 구성은 SOx가 포함된 배연가스에 적당한 농도의 암모니아가스를 투입하고, 여기에 다시 수증기를 투입한 혼합가스를 UV조사 반응기에 투입하여 광화학반응을 진행하도록 되어 있다.  이를 그림으로 나타내면 다음과 같다.

본 연구의 핵심적인 부분으로서 자체제작설계된 UV조사반응기에서는 공기주입장치(fan), 측정대상시료(오염물질) 주입장치, UV처리 챔버 및 배출구를 관으로 연결하고, fan을 통하여 오염되지 않은 깨끗한 공기를 흘린다. UV램프는 254nm 영역파장의 빛을 조사하였으며, 램프의 길이는 90cm이었다.  램프는 1개 또는 부착할 수 있도록 아크릴로 반응기를 제작하였고, 램프의 축방향으로 혼합기체가 주로 유동하도록 장치를 설계하였다.  이때 측정대상시료 주입장치를 통해 측정시료를 일정한 농도로 주입하고, UV처리 챔버에서의 체류시간은 균일하게 유지되도록 공기 흐름을 조정하고, 배출구에서 나오는 공기에 함유된 측정시료의 농도를 측정하였다. 시료 가스 중의 측정대상 시료의 농도는 일본 YOKOHAMA사에서 제작된 디지털식 직독식 검지관인 AMONO Dust Collector (model ; VNA-30, power ; 380V, motor ; 1.5kW)와 가스텍(GASTEC)사에서 시판되는 아날로그식 직독식 검지관 (예를 들어 SO2에 대해서, 모델명5M, 측정범위 20∼3600ppm, 눈금범위 100∼1800ppm, 측정시 흡인회수 1회, 유효기간 3년) 및 GV-100S형 가스채취기의 두 가지를 사용하여 측정하였다. 디지털식 직독식 검지관은 반응물이 분출하는 반응기 출구에 검지관 센서를 대어 액정에 나타난 수치를 읽어냄으로서 간단한 방법으로 시료가스의 농도를 측정하는 검지관이며, 아날로그식 직독식 검지관은 양끝이 밀봉된 유리관으로서 양단의 지정 위치를 절단하여 GV-100S형 가스채취기에 결합하여, 장치의 배출구에서 나오는 시료가스를 지시된 회수만큼 회수하였다. 시료가스 중의 측정대상 시료는 검지관과 바로 반응하여 입구부터 변색하므로, 변색된 높이까지의 눈금을 읽음으로써 농도를 산출하였다.

모델링 및 CFD 해석

UV 조사반응기 내부에서의 유동해석은 대표적인 상업용 CFD 코드인 Fluent(ver5.01)를 이용하여 모사하였다. Fluent는 유한 체적법(Finite Volume Method)에 기초하며, GUI(Graphical User Interface)방식으로 유체의 이동현상을 해석하는데 있어서 널리 사용된다. 반응기의 형태는 그림1에 보이는바와 같이 2차원의 구조로 가정하였다. 반응기의 축방향으로는 UV 램프가 부착되어 있으며, Weir를 설치하여 혼합기체의 체류시간을 연장하도록 되어 있다.  이와같은 구조하에 반응은 정상상태로 진행되며, 반응기 내부에서의 물질의 밀도는 압력 및 온도가 이상기체 방정식에 따른다는 가정하여 계산을 진행하였다.  위의 조건하에서 반응기 내부의 열, 물질, 운동량 등을 해석하기 위해 일반적인 지배방정식들이 사용된다. 본 연구에서는 혼합기체로서 일정조성의 아황산가스가이 반응기 안에서 일정한 속도로 유입되어 중심부의 UV조사에 의하여 진행되는 광화학반응 바탕으로 전산 모사를 실시하였다. 반응기에서는 혼합기체의 체류시간이 규칙적으로 분포되며, 혼합기체들은 본질적으로 유동화 된 기체의 출구 온도까지 가열된다.  본 연구에서 적용된 경계조건들은 아래의 표와 같다.

	Temperature(K)	Velocity Magnitude (m/s)
Inlet Condition	322	3.5
Outlet Condition	319	-
wall Condition	298	-

결과 및 검토

그림 1과 2에는 반응기내에서의 유동현상이 Fluent에 의해 해석되어 그 유동장과 농도분포가 나타나 있다.  그림에서 혼합기체의 유입은 하부에서 이루어지고 있으며, 이 흐름은 첫 번째 챔버에서 강한 소용돌이 현상을 보인후 점차 램프의 축방향을 따라 상부로 이동하고 있음을 볼 수 있다.  따라서 혼합기체의 속도는 램프주변에서 강하게 나타나고 있었으며, 이는 설계 및 제작에서 의도하였던 체류시간의 연장을 쉽게 조절하기에 다소  어려움이 있음을 보여준다고 말할 수 있다.  즉, 칸막이(weir)로 구분되어 있는 각각의 챔버안에서 기체의 체류기간중의 마찰에 의한 손실로 기인하여 흐름이 주로 램프의 축방향을 따라 이동하였기 때문일 것이다.  그러나 본 광화학반응은 0차의 반응으로 가정되고 있으며, 반응속도상수가 비교적 빠르기 때문에 반응기간, 즉 반응기길이의 최적조건의 결정에 있어 두가지 요인들은 밀접한 관계를 갖고 있었다.  대표적인 결과로 그림 2에 보이는 결과는 반응기의 길이를 90cm 로 가정하여 위의 조건에 의한 농도분포이다.  그림에서 보이듯이, 입구쪽의 농도를 1로 가정하였을 경우 출구에서 농도 값은 거의 0.01에 해당되는 값을 보여주고 있다.  즉 99%의 제거를 목표로 하여 반응기의 설계 및 유동조건들을 결정할 수 있었다.

그림1. 속도분포                    그림2. 농도분포

CFD해석에 기반한 반응기의 설계조건을 기초로 하여, 반응기의 벌크크기는 11.5L, 70L 와 105L로 구분되어 제작되어 있다.  즉, 반응기내에서의 유동 및 농도분포들은 Fluent에 의해 계산된 수치들을 기초로 하여 Scale-up의 기초자료로 설정하였다.  실험에 결과들은 다음의 그림 3-5에 나타내었다.  이들은 각기 다른 반응기와 램프의 개수, SO2의 유량과 NH3의 일정한 양론비로 탈황이 진행되어지는 것을 그래프로 나타낸 그림이다. 그림3의 경우에는 일정한 유량으로 주입되어지는 황화합물(SOx)에 NH3, H2O(steam), UV를 점차적으로 가하였을 경우 95%의 이상의 탈황률을 도시화하고 있으며, 그림4와 5는 각기 다른 반응기와 램프의 개수에 따른 탈황률을 나타내고 있다.  이를 종합한 그림6에 보이는 바와 같이 900ppm 정도로 주입되는 SO2기체가 전반적으로 50ppm 이내로 감소되어 배출되고 있음을 확인할 수 있다.  본 연구에서는 CFD 설계에 의해 제작된 UV광화학반응장치의 운영을 통하여, UV를 활용한 장치는 비교적 다양한 농도범위의 황산화물의 처리에 효과적으로 활용될 수 있음을 알 수 있었다.  즉, 엄밀한 기초설계에 의한 본 장치는 광화학반응에 의하여 신속하고 간편한 방식으로 유해물질을 처리할 수 있으므로, 본 연구의 결과들은 황산화물은 물론 질소산화물 및 휘발성 유기 화합물(VOC)의 처리에 다각적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

그림3 11.5L 반응기                 그림4 70L 반응기

그림5 105L 반응기               그림6 UV 반응기의 황산화물처리능