Ca(OH)2를 이용한 SO2/NOx 동시제거에서 NaClO2 첨가에 따른 영향인자 연구

이정식, 최원길*, 조항대*, 이형근*, 김학성

충북대학교 환경공학과, 한국에너지기술연구소*

A Study on Parameters of Simultaneous Removal of SO2/NO by Ca(OH)2 with NaClO2 as additive

J. S. Lee, W. K. Choi*, H. D. Jo*, H. K. Lee*, H. S. Kim

Department of Environmental Engineering, Chungbuk National University*,

Korea Institute of Energy Research*

서 론

환경문제가 세계적인 관심사로 대두되면서 각종 대기오염물질들에 대한 규제도 점점 강화되고 있다. 산업체 또는 소각로에서 배출되는 배가스에는 다양한 종류의 오염물이 함유되어 있어 단일설비나 단일기술로는 이들을 효과적으로 제어하기가 어렵다. 따라서 외국에서는 SOx, NOx 등 산성가스류와 다이옥신 등을 동시에 처리할 수 있는 흡수제가 개발되고 있다.

NOx제거를 위한 습식공정은 비교적 비활성인 NO의 성상에 의해 제한된다. 이 습식공정은 주로 다음의 3가지 형태의 원리에 기초한다 : NO의 NO2로의 가스상 산화, 액상 산화, metal-chelate system. NO가 NO2로 산화되면 N2O3와 N2O4의 생성으로 인해 NOx의 용해도가 증가한다. 가스상 산화는 O3나 ClO2 같은 강산화제와 함께 이루어진다.

본 연구에서는 중소규모 산업체의 배출시설 또는 소각로의 대기오염물질중 SOx, NOx 등 산성가스를 건식 및 반건식 공정을 이용한 경제적인 동시처리 공정에 응용할 수 있는 흡수제의 개발을 위한 기본 연구 단계로서 탈황공정에 많이이용되는 Ca(OH)2에 산화제로 NaClO2를 섞어 NO의 제거량을 증가시킬 수 있도록 하여 SO2와 NO의 동시제거 실험을 수행하였다. 반응온도, 수분, SO2/NO 유입농도 등을 실험변수로 동시제거시 반응의 특성을 실험적으로 규명하고자 하였다.

실 험

[그림 1]은 본 실험 장치의 구성 및 흐름도로서 모사가스 공급부분, 반응기 부분, 반응가스 분석 및 데이터 측정 부분 등으로 구성되어 있다. 반응기에 유입되는 가스는 SO2, NO, Air, N2로 구성된 모사가스로서 유입총량은 3.0 l/min으로 유지하였고 각 성분가스의 유량은 MFC(Mass Flow Controller, Sierra Ins.)를 이용하여 조절하였다. 또한 반응가스중의 설정된 습도를 일정하게 유지하기 위하여 정밀한 Syringe Pump를 이용하여 물을 공급하고 이를 전기 가열식 증발기에서 250℃로 가열하여 완전한 증기 상태로 반응가스와 함께 반응기내로 공급하였다.

반응기는 내경 25mm, 높이 250mm인 stainless steel관으로서, 하부로부터 150mm 지점에 소결금속제의 필터를 설치하여 이 필터위에 시료를 충전하였다.

반응기의 온도를 일정하게 유지하기위해 온도조절기와 전기가열기에 의해 0 ∼300℃ 범위에서 ±1℃로 조절 가능한 air bath 내부에 반응기를 설치하였다.

[Fig. ] Schematic diagram of experimental apparatus.

반응기에 흡수제를 충전시에 반응가스의 흐름을 균일하게 하고 시료의 압축 현상을 방지하기 위하여 흡수제 1g과 quartz sand(Aldrich사, 50∼70 mesh) 19g을 충분히 혼합하여 충전하였다.

반응에 미치는 각 반응변수들의 영향을 고찰하고자 반응온도, 반응가스내의 수분함량, 반응가스의 조성(SO2,  NO, O2의 농도) 등을 변화시키며 실험을 수행하였으며 반응전후의 각 성분가스의 농도를 측정하였고 반응후 생성물의 분석을 통하여 반응특성 및 반응경로를 밝히고자 하였다. <표 1>에 본 실험의 조건을 요약하였다.

<Table > Experimental conditions for SO2, NO removal

Gas Flow rate(L/min)	3
NO input conc.(ppm)	0 ∼ 350
SO2 input conc.(ppm)	0 ∼ 2,400
수분농도(vol%)	0 ∼ 40
산소농도(%)	0 ∼ 9
반응기 온도(℃)	105 ∼ 210

결과 및 고찰

먼저 NaClO2의 첨가효과를 보기 위한 실험에서 Ca(OH)2에 NaClO2를 첨가하면 SO2의 제거량은 변화가 없지만 NO의 제거량이 NaClO2를 20% 첨가시 약 2배정도 증가함을 보였다. 여기서 SO2는 Ca(OH)2와 반응하고 NaClO2와는 무관함을 알 수 있었다.

그림 2,3에 나타난 바와 같이 동시제거시 제거량에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 반응온도였다. SO2와 NO 모두 온도가 증가함에 따라서 제거량이 증가함을 알 수 있다. 수분에 의한 영향도 SO2와 NO 모두 수분이 증가함에 따라 제거량도 증가하였다.

그림 2에서 NO 유입농도가 SO2 흡수반응에 미치는 영향은 NO의 유입농도가 증가할수록 SO2의 제거량이 감소함을 알 수 있다.

본 연구에서 NO가 흡수제와 반응할 때 NO가 NO2로 산화된 후 흡수되어 알칼리제와 반응하여 제거되는 이외에 N2O가 생성되는 것을 발견하였다. 반응이 시작되면 NO2가 생기기 시작하고 NO2 생성량이 감소하기 시작하면 N2O가 생성되기 시작함을 알 수 있었다. 그러나 아직 N2O가 어떤 경로로 생성되는지를 알 수가 없었다. 이러한 N2O가 SO2/NO의 동시제거시 어떠한 영향을 미칠 수 있는지에 대한 연구를 계속진행 할 예정이다.

참고문헌

1. Charlotte Brogren, Hans T. Karlsson, and Ingemar Bjerle, "Absorption of NO in an Aqueous Solution of NaClO2", Chem. Eng. Technol., 21, 61-70(1988)

[Fig. ] Ca계 흡수제에 NaClO2 첨가시 기준실험조건에서 각 인자가 SO2 흡수량에 미치는 영향.

[Fig. ] Ca계 흡수제에 NaClO2 첨가시 기준실험조건에서 각 인자가 NO 흡수량에 미치는 영향.