Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제를 이용하는 Duct Injection 배연탈황공정의 개발

김성수, 김동찬, 조병욱*

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부, 경인가스공업주식회사*

Development of a Duct Injection FGD Process Using Fly Ash/Ca(OH)2 Sorbent

Seong Soo Kim, Dong Chan Kim, Byung Wook Cho*

Korea Institute of Energy Research, Kyung-In Gas Industries, Inc.*

서론

Duct Injection 배연탈황공정은 가습된 배가스가 흐르는 덕트로 소석회와 같은 흡수제를 직접 주입하여 SO2를 제거하는 공정이다. 이 공정에서는 덕트에서 흡수제와 SO2사이의 주반응이 일어나고, 덕트의 끝에 설치된 집진장치에서 포집된 미반응 흡수제와 SO2와의 추가반응이 일어난다. 이 공정은 별도의 반응기를 설치할 필요가 없어 초기설치비가 기존 습식배연탈황공정의 50%이하이며, 건식공정이므로 폐기물 처리의 부담이 적다는 장점이 있다. 따라서, 미국 및 일본 등에서는 이미 10여년전부터 개발에 착수하여 몇몇 공정은 중[eqn: cdot]소 규모 석탄연소시설 및  및 소각시설 용도로 상업화되어 있는 실정이다. 이 공정은 값이 저렴한 소석회를 흡수제로 사용할 경우 SO2제거효율이 다른 공정에 비해서 낮은 단점이 있으나, 흡수제의 반응성 향상을 통해 90%이상의 SO2제거효율과 60%이상의 흡수제이용율이 가능한 것으로 알려져 있다.

흡수제의 반응성을 향상시키는 방법중의 하나가 소석회와 Fly Ash의 포졸란 반응을 이용하여 Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제를 제조하는 것이다. Fly Ash와 Ca(OH)2를 물속에서 포졸란 반응시키면 Calcium Silicate가 생성되고 Fly Ash의 표면에 퇴적되어 층을 형성한다. 이 Calcium Silicate층은 다공성이며 흡습성이 강해, 제조된  Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제는 일반 소석회에 비해서 SO2와의 반응성이 2배이상 우수한 것으로 알려져 있다[1]. 본고는 Semi-Pilot 규모 Duct Injection 배연탈황 실험장치에서 Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제를 사용하여 수행한 공정개발 결과를 요약하고 있다[2].

실험방법

사용된 Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제는 부피 69l의 Bench Scale 가압반응기를 사용하여 제조되었다. 1회의 흡수제를 제조하기 위하여, 소석회 2500 g, Fly Ash 3300 g, 물 8700 g, NaOH 178 g이 투입되었고, 반응온도는 140oC, 반응시간은 2∼6시간이었다. 이 반응기를 사용하여 제조된 흡수제는 Convection Oven에서 18시간동안 70oC에서 건조되어, 수분함량이 30∼45%인 반건조 Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제로 만들어졌고, 반건조 Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제는 추가로 60oC에서 24시간동안 건조되어 건조한 분말상태인 Dry Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제로 만들어지거나, 앞서의 실험에서 발생된 건조한 고체 Waste와 혼합되어 수분함량이 27%로 낮추어진 Moist Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제로 만들어졌다.

Fig. 1은 Semi-Pilot 규모의 Duct Injection 배연탈황실험장치를 보여준다. 이 장치는 전기식 공기가열장치, 가습탑, 덕트, Pulse-jet식 여과포집진장치, Turbo Blower, 흡수제주입장치로 구성되어 있다. Fig. 1의 장치에서는 전기식 공기가열장치에서 250∼290oC로 가열된 공기에  99.9% SO2를 주입하여 만든 모사 배가스를 사용하였다. 가습탑을 사용한 이유는 배가스의 가습을 위하여 주입된 물액적이 증발할 만한 충분한 시간을 확보하기 위한 것이었다. 흡수제 주입장치는 Screw Feeder와 Ejector로 구성되어 있었다.  Fig. 1의 장치에서 덕트의 길이는 약 24 m, 내경은 6.7 cm, 모사 배가스의 유량은 분당 1.8 Nm3이었다.

Fig. 1의 장치를 이용한 실험에서 공정의 성능은 다음과 같이 정의된 SO2제거효율과 흡수제이용율에 의해서 평가되었다.

[eqn: SO_2 제거효율(%)={일정{}시간동안{} 제거된 {}SO_2 {}mole수}over {일정{}시간동안{} 공정에{} 투입된 {}SO_2 {}mole수} times 100]	(1)

[eqn: 흡수제{}이용율 & ={일정{}시간동안{} 제거된 {}SO_2 {}mole수}over {일정{}시간동안{} 공정에{} 투입된 {}Ca(OH)_2 {}mole수} ## &= { SO_2 {} 제거효율(%) } over {Ca/S {} 양론비} times 1 over 100]	(2)

실험결과 및 검토

Fig. 1의 장치에서 Moist Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제, Dry Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제, 소석회를 흡수제로 사용할 때 주요 공정변수인 Pulse-jet식 여과포집진장치에서의 충격기류분사간격, Ca/S 양론비, 배가스의 포화온도접근, 배가스의 SO2농도 등이 공정의 성능에 미치는 영향을 조사하였다.

Fig. 2는 배가스의 포화온도접근 또는 배가스의 가습을 위하여 장치로 주입된 물의 양이 공정에서의 SO2제거효율에 미치는 영향을 보여준다. 이 그림에서 주입되는 물의 양이 증가함에 따라 배가스의 온도와 포화온도접근이 같이 감소하여 온도의 영향과 포화온도접근의 영향을 분리할 수 없기 때문에 포화온도접근 대신에 주입되는 물의 양을 변수로 사용하였다. 일반적으로 배가스의 온도가 일정할때 포화온도접근이 작을수록, 배가스의 포화온도접근이 일정할때 온도가 높을수록 SO2제거효율 및 흡수제이용율이 증가한다[1]. 그 이유는 배가스의 온도가 일정할때는 포화온도접근이 클수록, 배가스의 포화온도접근이 일정할때는 온도가 높을수록, 흡수제의 표면에 수분층이 더 많이 형성되기 때문이다[3, 4]. Fig. 2에서 볼 수 있듯이, 물 주입량이 증가함에 따라 SO2제거효율은 크게 증가하였고, Moist Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제와 Dry Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제를 사용한 경우가 Ca(OH)2 흡수제를 사용한 경우보다 더 크게 증가하였다. 그 이유는 Moist Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제와 Dry Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제의 흡습성이 Ca(OH)2 흡수제의 흡습성보다 더 크기 때문으로 보인다. Fig. 2는 또한 Moist Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제를 사용한 경우가 Dry Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제를 사용한 경우보다 SO2제거효율이 더 큰 것을 보여주고 있는데, 이 현상은 다음 두가지 이유로 설명될 수 있다. 첫번째 이유는 재순환되는 미반응 흡수제로 인하여 Moist Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제를 사용할때의 총괄 Ca/S 양론비가 Dry Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제를 사용할때의 총괄 Ca/S 양론비보다 더 높고, 두번째 이유는 Moist Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제는 그 자체가 27%에 달하는 수분을 함유하고 있어서 그 반응성이 Dry Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제의 반응성에 비해서 월등히 우수하기 때문이다.

Fig. 3은 Ca/S 양론비가 SO2제거효율에 미치는 영향을 보여주고 있다. 이 그림에서 볼 수 있듯이, Ca(OH)2 흡수제의 경우,  Ca/S 양론비가 1.65에서 3.27로 증가할 때 SO2제거효율은 11.9%에서 23.0%로 11.1%만이 증가한 반면에, Moist Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제의 경우, Ca/S 양론비가 1.3∼1.5에서 2.2∼2.4로 증가할때에 65.3∼73.0%에서 95.7∼97.1%로 크게 증가하였다. 특히 Moist Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제를 사용할 때, Ca/S 양론비 1.5에서 90%이상의 SO2제거효율이 가능하였다.

충격기류분사간격과 SO2농도는 실험범위 내에서 공정의 성능에 큰 영향을 주지 않았다.

결론

Semi-pilot 규모 Duct Injection 배연탈황실험장치를 이용하여 흡수제의 종류, 배가스의 가습정도, Ca/S 양론비, 충격기류분사간격, 배가스의 SO2농도 등이 공정의 성능에 미치는 영향을 조사한 결과는 다음과 같이 요약될 수 있다.

1.	Ca(OH)2 흡수제를 사용할때보다 Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제를 사용할 때의 공정	의 성능이 더욱 우수하였고, Dry Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제보다 Moist Fly	Ash/Ca(OH)2 흡수제를 사용할때의 공정의 성능이 더욱 우수하였다.

2.	Moist Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제를 사용할 때, Ca/S 양론비 1.5에서 90%의 SO2제	거효율이 가능하였다.

3.	실험범위내에서, 충격기류분사간격과 SO2농도는 공정의 성능에 큰 영향을 주	지 않았다.

참고문헌

1.	김성수, 한국폐기물학회지, 제15권 4호, 309-323(1998).

2.	김성수 외, 건식 In-Duct 흡수제주입식 배연탈황공정의 개발에 관한 최종보고	서, 통상산업부 청정에너지기술개발사업 보고서(1998.2).

3.	Energy and Environmental Research Corporation, DOE Report No. DOE/PC/	88873-T6-Vol.1 (1988).

4.	Stouffer, M. R., Yoon, H., Burke, F. P., Ind. Eng. Chem. Res., 28(1), 20-27	(1989).

감사의 글

본 논문은 통상산업부 시행 청정에너지기술개발사업의 사업수행결과임.

Fig. 1.  Semi-Pilot 규모 Duct Injection 배연탈황실험장치

Fig. 2.  배가스의 가습을 위하여 주입된 물의 양이 SO2제거효율에 미치는 영향	(Ca/S 양론비 1.3∼1.6, 집진장치 입구에서의 배가스 온도 68∼51oC, 집진	장치 입구에서의 포화온도접근 29∼11oC : ● Moist Fly Ash/Ca(OH)2 흡	수제, □ Dry Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제, ○ Ca(OH)2 흡수제)

Fig. 3.  Ca/S 양론비가 SO2제거효율에 미치는 영향	(집진장치 입구에서의 배가스	온도 61∼64oC, 집진장치 입구에서의 포화온도접근 21∼23oC : ● 반응시	간이 6시간인 Moist Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제, ○ 반응시간이 4시간인	Moist Fly Ash/Ca(OH)2 흡수제, □ Ca(OH)2 흡수제)