상온 펄스 코로나 방전 공정에 의한 효율적인 탈황 탈질 공정 연구

김 성 민, 김 동 주, 김 교 선*

강원대학교 공과대학 화학공학과

kkyoseon@kangwon.ac.kr

A Study on Efficient Desulfurization and Denitrification Process

by The Normal Temperature Pulsed Corona Discharge Process

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

Department of Chemical Engineering, Kangwon National University

kkyoseon@kangwon.ac.kr

서론

NOx와 SO2는 CO2 및 부유분진 등과 함께 대기 오염물질로서 주로 석탄 화력발전소, 자동차, 제철소, 소각로, 제지공장 등에서 다량으로 배출되어 산성비, 지구온난화, 오존층 파괴와 같은 환경 오염 문제를 일으키고 있다.  이에 NOx와 SO2는 전세계적으로 배출허용 기준이 강화되고 있다.  NOx와 SOx를 경제적이고 고효율적으로 제거하기 위한 공정으로 저온 플라즈마를 이용하는 연구가 활발히 진행되고 있다[1-8].

저온 플라즈마를 이용하는 공정에는 크게 전기적 방전 공정과 전자 빔 공정 등이 있으며 전기적 방전 공정은 펄스 코로나 방전, 유전체 방벽방전, 표면방전 등으로 나뉘어 진다. 전기적 방전 중 코로나 방전 공정은 전기 집진기에 이미 사용되어온 방법으로서 코로나 방전에 대한 기술이 많이 축적된 상태이며 다른 전기방전 기술에 비해 대기 유해가스 처리에 먼저 적용되고 있어 현재 탈질 및 탈황 공정으로 활발한 연구가 진행되고 있다[1-4].

펄스 코로나 방전 공정은 배연가스중에 포함된 유해물질인 NOx와 SO2를 제거하는 기술로서 공정원리는 두 가지 단계로 나누어지는데 먼저 첫 단계는 대기압 조건에서 발생되는 플라즈마 방전화학과정으로 고전압 펄스가 인가되는 전극봉에 코로나 방전을 발생시키면, 배가스내의 산소, 질소, 수분 및 주입된 암모니아 등은 O, OH, N, NH2 등의 래디칼을 생성하고 이때 발생된 래디칼은 배가스내의 아황산가스(SO2) 및 일산화질소 (NO)를 황산(H2SO4), 질산(HNO3) 등으로 바꾸게 된다.  황산과 질산은 알칼리성 물질에 의해 중화되어 최종적으로 고체상의 작은 입자형태인 (NH4)2SO4, NH4NO3으로 바뀌게 된다.  그리고 배출되는 고체상물질을 백필터나 전기집진기 등을 이용하여 쉽게 제거하는 일련의 탈황탈질으로 적용될 수 있다.  펄스 코로나 방전 공정을 이용하여 효율적으로 오염물질을 제거하기 위해 반응에 필요한 전력 소모량을 절감하는 방법이 요구된다.  이런 방법으로 첨가물질을 도입하는 기법이 개발되고 있는데 첨가제로는 암모니아(NH3), 탄화수소류(CH4, C2H4, n-Octane), H2O2 그리고 수분을 이용하여 OH 래디칼을 대량으로 생산시키거나 전력소모량을 줄이는 화학물 첨가기술이 개발되고 있다[1-13].

본 연구에서는 첨가제의 영향을 고려하여 펄스 코로나 방전에 의해 NOx 및 SO2를 제거하기 위한 연구를 공정 변수 변화에 따라 실험적으로 수행하였다.

실험방법

탈황 및 탈질 연구를 위해 사용한 실험장치의 개략도는 Fig. 1과 같다.  실험장치는 반응물질의 주입 및 제어부, 반응기, 전력공급 및 제어부 그리고 반응 부산물 측정부로 이루어져 있다.  탈황 및 탈질 실험에 수분의 영향을 고려하기 위해 일정량의 수분을 bubbler를 사용하여 질소가스에 포화시켜 반응기 내로 공급하였다.  질소가스에 포화된 수분이 반응기내로 공급되기 전에 응축되는 것을 방지하기 위해 heating tape를 사용하여 가스의 온도를 일정하게 유지시켰다.  NH3가 반응기내로 공급되기 전에 NO나 SO2와 반응하는 것을 막기 위해 NH3 공급선을 NO, SO2 공급선과 분리하였다. 반응기로 공급되는 각각의 가스 유량은 MFC(Mass Flow Controller, 미국, MKS, Type 1179 )를 사용하여 조절하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of experimental set up.

NO, SO2 제거를 위해 본 연구에서 사용한 펄스 코로나 방전 반응기는 Fig. 2에서와 같이 cylinder-wire 형으로서 실린더 내경은 5cm이고 길이는 38cm이며 재질은 Pyrex이다[6,7].  코로나 발생 전극은 반응기 중간에 설치된 스텐레스 와이어(직경 0.5□)이며, 접지극은 반응기 내벽에 스텐레스로 체(sieve)와 같은 형태로 설치하였다.  접지전극은 두께가 1□인 원통이며 길이가 30□이다.

Fig. 2. Schematic of pulsed corona discharge reactor.

반응기내에 코로나를 발생시키기 위해 고전압발생기를 사용하였다.  실험 동안에 코로나 발생 전극에 공급되는 전압의 크기와 주파수는 오실로스코프(Tektronix TDS 220)를 사용하여 측정하였다.  반응기내 코로나 발생 전극에 가해지는 펄스는 유도코일에 유도되는 펄스를 오실로스코프로 관찰하였다.

코로나 방전 후 NOx 및 SO2의 농도 변화를 측정하기 위해 반응기 배출구에 Electro-Chemical Gas Analyzer(Digitron, GreenLine MKⅡ)을 설치하여 측정하였다.  코로나 방전 반응기 내에서 생성된 입자상 물질은 배출구에 연결된 필터를 설치하여 제거 및 포집하였다.

반응기 내에서 생성된 입자상 물질을 백필터나 전기집진기 등을 사용하여 제거 혹은 회수할 경우 효율성을 극대화하기 위해서는 입자들의 크기 분포에 대한 정보가 필요하다.  반응기 내에서 생성된 입자들의 크기 분포를 측정하기 위해 반응기 배출구에 EAA(Electrical Aerosol size Analyzer, 미국 TSI사, Model 3030)를 설치하였다.

결과 및 토론

펄스 코로나 방전 공정에서 NO 및 SO2의  전환율과 효율적인 공정을 분석하기 위해서 기체의 Residence time, Pulse frequency, Aplied voltage 등을 변화시켰다.

Fig. 3. SO2 removal efficiencies for various Residence time as a function of Aplied voltage ([SO2]0=800ppm, [H2O]0=1%, Pulse frequency=200□).	Fig. 4. SO2 removal efficiencies for various initial SO2 concentrations as a function of Pulse frequency (Aplied voltage=50□, [H2O]0=1%, Residence time=7.2sec).

Fig. 3은 인가 전압 변화에 따른 SO2 전환율을 기체의 체류시간 변화에 따라 나타냈다.  SO2의 초기 농도는 800ppm이고 펄스 주파수는 200□이며 체류시간은 2.94, 5.43, 7.2 sec로 변화시켰다.  인가 전압이 증가함에 따라 반응기내에 공급되는 에너지가 증가하게 되어 반응기내에 형성되는 코로나 방전이 강해지므로 SO2 전환율이 증가하고 있다.  또한 체류 시간이 증가하게 되면 반응기내에서 SO2가 더 오래 머물며 제거되므로 SO2 전환율이 증가하고 있다.

Fig. 4는 펄스 주파수 변화에 따른 SO2 전환율을 SO2의 초기농도 변화에 따라 나타냈다.  기체의 체류시간은 7.2 sec이고 인가 전압은 50□로 공급하였으며 SO2의 초기농도는 800, 1200, 1500 ppm으로 변화시켰다.  펄스 주파수가 증가함에 따라 단위시간당 방전되는 시간이 길어지고 균일하게 방전되는 영역이 증가하여 SO2 제거율이 증가하고 있다.  또한 SO2의 초기농도가 감소함에 따라 SO2 전환에 필요한 에너지가 상대적으로 적게 필요하게 되므로 SO2 전환율이 증가하고 있다.

감사

이 논문은 2002년도 한국학술진흥재단의 지원에 의하여 연구되었음(KRF-2002- 041-D00123).

참고문헌

1. Chang, J. S., Lawless, P. A. and Yamamoto, T. : IEEE Trans. Plasma Sci., 19, 1102 (1991).

2. Masuda, S. and Nakao, H. : IEEE Trans. Ind. Applicat., 26(2), 374 (1990).

3. Masuda, S. and Hosokawa, S. : IEEE Trans. Ind. Applicat., 29, 4 (1993).

4. Penetrante, B. M., Hsiao, M. C., Merrite, B. T., Vogtlin, G. E. and Wallman, P. H. : IEEE Trans. Plasma Sci., 23, 679 (1995).

5. Urashima, K., Chang, J. S. and Ito, T. : IEEE Trans. Ind. Applicat., 33(4), 879 (1997).

6. Urashima, K., Chang, J. S. and Pak, J. Y. : IEEE Trans. Ind. Applicat., 34(5), 934 (1998).

7. Amirov, R. H., Chae, J. O., Dessiaterik, Y. N., Filimonova, E. A. and Zhelezniak, M. B. : Jpn. J. Appl. Phys., 37, 3521 (1998).

8. Lowke, J. J. and Morrow, R. : IEEE Trans. Plasma Sci., 23(4), 661 (1995).

9. Mok, Y. S. and Ham, S. W. : Chem. Engng. Sci., 53(9), 1667 (1998).

10. Mok, Y. S., Ham, S. W. and Nam, I. S. : IEEE Trans. Plasma Sci., 26(5), 1556 (1998).

11. Kim, D.-J., Choi, Y.-R. and Kim, K.-S. ; Plasma Chem. Plasma Process, 21(4), 625(2001).

12. Kim, K.-S. and Kim, D.-J. ; Aerosol Sic. & Technol., in press (March, 2002).

13. Kim, D. J., Kim, K. S. : IEEE Trans. Plasma Sci., submitted (2002).