저온 플라즈마에서의 NOX 전환율 및 입자 특성 분석

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

김 성 민, 김 동 주, 김 교 선

강원대학교 공과대학 화학공학과

Analysis on NOX Conversion and Particle Characteristics

in Low Temperature Plasmas

Sung-Min Kim, Dong-Joo Kim, Kyo-Seon Kim

Department of Chemical Engineering, Kangwon National University

Chuncheon, Kangwon-Do, Korea

서론

오늘날 세계적으로 당면하고 있는 환경오염은 그 여파가 매우 심각하다. 이에 오염물 저감을 위한 많은 연구가 진행되는 가운데 기존의 NOx 제거 공정들의 제거 효율이 높은 반면 설비의 소형화가 어렵고 처리 과정에서 2차 오염물질이 발생하는 단점을 보완하고자하는 연구가 보다 더 활발히 진행되고 있다.  저온 플라즈마 탈황 탈질 공법은 대기압 조건에서 플라즈마 방전화학을 일으켜 배연가스에 포함된 아황산가스 및 질산화물을 제거하는 기술인데, 최근 들어 세계 각국에서 규제하는 가스의 종류가 SO2를 비롯하여 NOX, VOC(volatile organic compound : 휘발성 유기물), CO2 등으로 확대됨에 따라 하나의 시스템에서 이들 유해가스를 동시에 처리할 수 있어 본 기술의 중요성이 높아지고 있다.  특히 NOx는 SO2와 함께 대기오염 및 산성비의 주된 원인으로 작용하고 있어 배출허용기준이 점점 더 강화되고 있어서 경제성 및 에너지 효율성을 고려한 오염물 제거장치 개발 및 설치가 더더욱 요구되고 있다. 이에 따라 최근에는 탈질 및 탈황 공정으로서 경제적이고 고효율적인 저온 플라즈마를 이용하는 연구가 활발히 진행되고 있다[1-8].

코로나 방전 공정은 저압 플라즈마를 이용한 전기적 방전 공정에 속하는데 다른 전기방전 기술에 비해 대기 유해 가스 처리에 먼저 적용되고 있어 현재 탈질 공정으로 활발한 연구가 진행되고 있다.  코로나 방전 공정은 기존의 공정과는 달리 건식 공정으로서 폐수처리와 같은 2차 처리 공정이 필요가 없고 NOx 제거에 사용될 경우 유안/초안비료와 같은 부산물이 생성되며 설치면적 및 초기 투자비용이 적어 기존 산업설비에 연결설치가 용이하다는 장점을 가지고 있어 실용성이 클 것으로 기대되고 있다.  또한 여러 유해가스의 처리 및 하나의 시스템에서 동시에 처리할 수도 있다는 장점이 있다[1-13].

본 연구에서는 펄스 코로나 방전 공정시 공정 변수 변화에 따른 NOX 제거 효율과 반응기내 플라즈마 화학반응, 입자 생성 및 성장을 고려하여 펄스 코로나 방전에 의해 NOX를 입자상 물질로 제거하기 위한 연구를 실험적으로 수행하였다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

실험 방법 및 내용

펄스 코로나 방전 반응기에서 탈질 연구를 위해서 사용한 실험장치의 개략도는 Fig. 1과 같다.  실험장치는 반응물의 주입 및 제어부, 반응기, 전력공급 및 제어부 그리고 반응 부산물 측정부로 이루어져 있다.  NOX제거 실험시 수분의 영향을 고려하기 위해 일정량의 수분을 bubbler를 사용하여 O2가스에 포화시켜 반응기 내로 공급하였다.  O2가스에 포화된 수분이 반응기내로 공급되기 전에 응축하는 것을 방지하기 위해 heating tape를 사용하여 가스의 온도를 일정하게 유지시켰다.  반응기로 공급되는 NH3가 반응기내로 공급되기 전에 NO와 반응하는 것을 방지하기 위해서 NH3 공급선을 NO공급선과 분리하였다.  반응기로 공급되는 각각의 가스 유량은 MFC(Mass Flow Controller, 미국, Tyran, model FC-280S)를 사용하여 조절하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of experimental set up.

NO 제거를 위해 본 연구에서 사용한 펄스 코로나 방전 반응기는 cylinder-wire형으로써 실린더 내경은 5□이고 길이는 38□이며, 반응기의 재질은 Pyrex이다.  펄스 코로나 발생 전극은 반응기 중간에 설치된 stainless wire이며, 접지극은 반응기 내벽에 설치된 mesh형의 스텐레스 체이고 길이는 30□이다.

결과 및 고찰

펄스 코로나 방전 공정에서 공정변수 변화에 따른 NO 제거율을 알아보기 위해서 체류시간, 공급 전압, frequency, 수분의 농도, 가스 조성, 방전극의 두께등을 변화시켰다.

Fig. 2. NO removal efficiencies for various residence times as a function of pulse frequency ([NO]0=300ppm, applied voltage=50kV).	Fig. 3. NO removal efficiencies for various initial NO concentrations as a function of applied voltage (pulse frequency= 200Hz. residence time=11.1s).

Fig. 2는 체류시간 변화에 따른 NO 제거율을 반응기로 인가되는 전압의 펄스 주파수 변화에 따라 나타내었다.  펄스 주파수가 증가함에 따라 단위시간당 방전되는 시간이 길어지고 균일하게 방전되는 영역이 증가하여 NO 제거율이 증가하고 있다. 또한 이와 더불어 체류 시간이 증가하게 되면 반응기내에서 NO의 반응 시간이 증가하여 NO 제거 효율이 증가하고 있다.

Fig. 3은 초기 NO 농도 변화에 따른 NO 제거율을 인가되는 전압의 변화에 따라 나타내었다.  인가되는 전압이 증가함에 따라 반응기내 공급되는 에너지가 증가하게 되고 이로 인해서 반응기 내에 형성되는 형성되는 코로나 방전이 강해져서 NO 제거율이 증가하고 있다.  또한 초기 NO 농도가 높으면 반응기 내에서 NO 제거에 요구되는 에너지가 상대적으로 많이 필요하게 되므로 반응기로 공급되는 초기 NO 농도가 증가할수록 NO의 제거율이 감소하고 있다.

Fig. 4. The change of predicted particle size distribution for various applied voltage ([NO]0=300ppm, [H2O]0=1%, residence time=5.3s).	Fig. 5. The change of particle size distribution for various NO concentrations ([H2O]0=2%, residence time=5.3, input voltage=50kV).

Fig. 4는 공급 전압의 변화에 따른 입자크기 분포 특성을 나타내었다.  전압이 낮을 때는 NO의 전환율이 작고, NO의 전환으로 생성되는 HNO3의 양이 작아 반응기로 공급된 NH3와 반응하는 양이 적어지게 된다.  따라서 반응기내에서 입자들의 생성속도가 작아져 입도분포가 unimodal한 형태를 나타내고 있다.  40kv, 50kv의 고전압 일때는 NO의 전환율이 증가하고, 또한 생성되는 HNO3양이 증가하여 공급된 NH3와 반응하는 양이 많아져 입자들의  생성속도가 증가하여 입도분포가 unimodal한 형태를 나타내었다.

Fig. 5는 공급되는 초기 NO 농도와 암모니아의 농도 변화애 따른 입자 크기 분포 특성을 나타내었다.  초기 NO 농도가 700ppm일 때는 입자들의 크기 분포가 unimodal한 형태를 나타냈으며, 입자들의 평균 크기가 0.005□ - 0.1□범위에 존재하는 것으로 나타났고, 1600 또는 2700ppm으로 공급했을 때는 생성되는 입자들의 크기 분포가 bimodal한 형태로 대략적인 크기가 0.002□ - 0.1□범위에 존재하는 것으로 나타났다.  또한 생성된 입자들의 양도 700ppm일때는 105개/cm-3이었던 것이 1600 또는 2700ppm 일때는 107개/cm-3정도로 입자들의 생성량도 증가하였다.  초기 NO 농도와 암모니아의 농도가 700ppm 일때는 입자의 생성 속도와 생성된 입자의 농도는 작고 입자 충돌에 의해서 작은 입자는 소모되어 입도 분포가 unimodal한 형태로 나타나며,  초기 NO 농도와 암모니아의 농도가 1600ppm, 2600ppm 일때는 입자의 생성 속도와 생성된 입자의 농도는 증가하게 되고 큰입자와의 충돌에 의한 작은 입자의 소모속도는 증가하게 되어 입자들의 크기 분포가 bimodal한 형태가 되었다.  반응기로 공급되는 NO와 암모니아 농도가 증가함에 따라 입자들의 크기 분포가 unimodal한 형태에서 bimodal한 형태로 변하였다.

결론

펄스 코로나 반응기를 이용하여 공정 변수 변화에 따른 NO제거 특성을 실험적으로 분석하였고, 암모니아의 첨가에 따른 입자상 물질의 크기 분포의 특성을 분석하였다.  공정 변수의 영향을 알아보기 위해 초기 NO 공급농도, 공급 전압, pulse frequency, 수분의 농도, NH3 첨가 등을 변화시켰다.

초기에 공급된 NO의 농도가 감소함에 따라, NO의 제거율은 증가하였고 NO+N2혼합가스에 O2와 수분을 첨가함에 따라, 초기에 공급된 NO의 제거율은 증가하였다.  펄스 코로나 방전시 생성된 입자들의 크기 분포는 반응기에 공급되는 초기 NO 농도와 암모니아의 농도가 증가할수록 생성된 입자들의 양과 크기 분포도가 증가 하였고, 체류시간이 증가할수록 입자들의 생성량과 크기가 성장하였다.  그리고 인가전압이 증가함에 따라서도 입자의 농도와 크기가 증가하였다.

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