반건식 알칼리 흡수탑에서의 SO2 및 HCl 제거 모델링

이선우, 윤창연, 신치범, 이종협*

아주대학교 화학공학과, 서울대학교 응용화학부*

Modeling of Scrubbing SO2 and HCl in Spray Reactor & Cooler

S.W. Lee, C.Y. Yun, C.B. Shin, J.H. Yi*

Dept. of Chem. Eng., Ajou University, School of Chem. Eng., SNU*

서론

도시생활 쓰레기 소각시설에서는 다양한 물질의 연소로 인해 SOx, NOx, HCl, CO2, 다이옥신 등 각종 유해물질들이 생성된다. 따라서 소각시설에는 이러한 유해물질들을 제거하기 위하여 여러 기술이 복합적으로 적용된 시설이 필수이다. 그러한 시설들 중에서 반건식 알칼리 흡수탑(SRC; Spray Reactor & Cooler)은 소각로에서 발생하는 유해물질 중 주로 SOx 및 HCl을 제거하는데 있어 탁월한 성능을 보이는 장치이다. SRC에서는 rotary atomizer에 의하여 분사되는 소석회 슬러리와 소각로에서 발생된 가스를 반응시킴으로써 SOx와 HCl을 제거하게 된다[1].

지금까지 SRC의 SOx와 HCl의 제거 및 소석회 슬러리의 이용효율에 대한 연구는 일정한 크기의 소석회 슬러리 액적을 대상으로 이루어진 것이었다[2-5]. 그러나 실제로 rotary atomizer에 의해 반건식 알칼리 흡수탑에 분사되는 소석회 슬러리 액적은 다양한 크기의 분포를 가지고 있다.

따라서, 본 연구에서는 SRC내로 분사되는 소석회 슬러리 액적의 크기가 표준정규분포를 이루는 경우를 대상으로 shrinking core model[6]을 적용하였다. 적용한 모델을 통하여 얻은 물질 수지식으로부터 소석회 슬러리 액적의 전환율을 구하였다. 여기서 얻은 전환율을 바탕으로 표준정규분포를 이루는 소석회 슬러리 액적에 대하여 직경 및 표준편차의 변화가 SRC출구에서의 HCl과 SO2의 농도와 이용효율 미치는 영향을 고찰하였다. 또한 이 결과를 바탕으로 rotary atomizer의 nozzle 설계의 중요한 자료로 활용될 수 있는 값을 제시하였다.

해석모델

그림 1은 본 연구에서 해석의 대상으로 하는 반건식 알칼리 흡수탑의 개략도이다.

소각로로부터 SRC 반응기로 유입되는 배출가스 중에서 소석회 슬러리에 의해 제거되는 성분으로 HCl과 SO2를 고려하였다. 배출가스에 포함된 다른 성분들과 소석회와의 반응은 고려하지 않았다. 이때, SRC 반응기 내에서 일어나는 주된 화학반응은

Ca(OH)2 + 2HCl → CaCl2□2H2O                                (1)

Ca(OH)2 + SO2 → CaSO3□[eqn: {1}over{2}]H2O + [eqn: {1}over{2}]H2O                     (2)

이다[2].

수학적으로 해석을 용이하게 하기 위하여 도입한 가정들은 다음과 같다.

1. SRC 반응기 내에서 소각로에서 배출된 기체와 소석회 슬러리 액적은 완전 혼합이 이루어져 CSTR (continuous stirred tank reactor)의 유동 양상을 따른다. 따라서, 반응기 내의 기체 농도 및 액적의 전환율은 반응기 출구에서 조건과 동일하다.

2. Rotary atomizer를 통해 SRC 반응기 내부로 분사되는 소석회 슬러리 액적의 직경은 표준정규분포를 이룬다.

3. 액적에서의 반응을 설명하기 위하여 shrinking core model을 적용한다. 이때, 기상의 HCl과 SO2의 제거는 액적의 표면에서부터 형성되어 들어가는 고체 반응물내의 확산과 소석회의 고체 생성물의 계면에서 소석회와의 표면반응의 두 단계를 거쳐 일어난다. 이 경우 기체상으로부터 액적 표면으로의 물질전달 저항은 고체 생성물 내로의 저항에 포함된 것으로 간주한다.

전술한 가정에 근거하여 shrinking core model을 적용하여 SRC 반응기내에서 액적의 물질수지식을 세우면

[eqn: -{1}over{S_{ex}}{dN_{Ca(OH)_{2}}}over{dt}~=~ {{1}over{2}C_{HCl}}over{{R(R-r_{c})}over{r_{c} CDOT D_{eff,HCl}} +{R^{2}}over{r_{c}^{2} CDOT k_{s,HCl}}}~+~ {C_{SO_2}}over{{R(R-r_{c})}over{r_{c} CDOT D_{eff,SO_2}} +{R^{2}}over{r_{c}^{2} CDOT k_{s,SO_2}}}] (3)

와 같다. 여기서 [eqn: N_Ca(OH)_2]는 액적내에서의 Ca(OH)2의 몰수, [eqn: S_ex]는 액적의 표면적, [eqn: C_HCl] 과 [eqn: C_SO_2] 는 각각 SRC 반응기 내에서의 HCl과 SO2의 기상농도, [eqn: r_c]는 미반응 소석회 액적의 반지름, [eqn: R]은 액적의 반지름, [eqn: D_eff,HCl] 과 [eqn: D_eff,SO_2] 는 각각 고체 생성물 내에서의 HCl과 SO2의 유효확산계수, [eqn: k_s,HCl] 과 [eqn: k_s,SO_2] 는 HCl과 SO2의 표면 반응속도상수이다.

위의 식에서 전환율을 구하기 위해 소석회 슬러리의 초기 농도를 포함한 식으로 변환하면

[eqn: -rho_c{r_c^2}over{R^2}{dr_c}over{dt}={ {1over2`LEFT [ C_HCl`+`1over2{`C_{Ca(OH)_2`,0}}over{R^3}(r_{c}^{3}-R^{3}`) RIGHT ] }over{{R``(R-r_c`)}over{r_{c}``D_eff,HCl} +{R^{2}}over{r_{c}^{2}``k_s,HCl}}}}+ {LEFT [ C_SO_2 `+{C_{Ca(OH)_2`,0}}over{R^3}(r_c^{3}-R^{3}) RIGHT ] }over {{R``(R-r_c`)}over{r_c``D_eff,SO_2}+{R^{2}}over{r_{c}^{2}``k_s,SO_2}}} }] (4)

와 같다.

식 (4)에서 반건식 알칼리 흡수탑의 체류시간동안 고형화가 진행된 액적의 반경을 통해 전환율을 구한다. 이를 이용하여 제거된 SO2와 HCl의 양과 소석회 슬러리의 이용효율을 계산할 수 있다. 소석회 슬러리의 반경과 표준편차의 변화에 따른 양상을 고찰해 봄으로써 배출되는 SO2와 HCl의 농도를 법정 규제치 이하로 유지하기 위한 소석회 슬러리 액적의 최대직경과 표준편차의 값을 도출하였다.

결과

모사에 사용된 기본적인 운전조건은 S시의 소각로 운전에 적용된 값들을 사용하였다. SRC 반응기 입구의 SO2와 HCl의 농도는 각각 150ppm, 800ppm이고 소각로 배출가스의 유량은 기준쓰레기를 소각했을 때 발생하는 56720Nm3/h이며, 소석회의 투입량은 271kg/h이다. 한편, 모사에 사용된 반응속도상수와 물질전달계수의 값은 문헌 [2]에 보고된 값을 참조하였다.

표준편차의 변화가 SO2와 HCl의 제거량과 제거효율에 미치는 영향을 알아보고자 액적의 평균 지름을 고정하고 표준편차를 변화시킨 결과를 그림 2와 3에 나타내었다. 그림 2에서 표준편차가 증가함에 따라 출구에서의 가스 농도는 급격하게 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 액적 크기의 분포가 넓어짐에 따라 액적의 크기가 작은 경우는 반응기 내에서 체류시간 이전에 고형화가 되어버리거나 반대로 액적의 크기가 큰 경우는 체류시간이내에 고형화가 완전히 이루어지지 않은 상태로 반응기를 떠나는 양의 비율이 증가하기 때문이다. 그 결과 그림 3과 같이 소석회 슬러리의 이용 효율이 감소하는 것을 알 수 있었다.

다음으로, 액적의 평균 지름의 변화가 SO2와 HCl의 제거량과 제거효율에 미치는 영향을 알아보고자 액적의 표준편차를 고정시키고 액적의 평균 지름을 변화시킨 결과를 그림 4와 5에 나타내었다. 액적의 지름이 커짐에 따라 반건식 알칼리 흡수탑에서 배출되는 가스의 농도는 완만한 증가를 보였다. 한편 그림 5에 나타낸 바와 같이 액적의 지름이 커짐에 따라 소석회 슬러리의 이용효율은 감소함을 알 수 있었다. 이는 소석회 슬러리 액적의 지름이 커짐으로 해서 고형화되지 않은 채 반응기를 떠나는 액적의 비율이 증가하게 되고 이로 인해 SO2와 HCl의 제거량은 감소하고 그에 따라 제거효율 역시 감소하기 때문이다.

이를 통해서 모사에 사용된 반건식 알칼리 흡수탑의 운전에 최적인 소석회 슬러리의 직경과 표준편차 값을 도출할 수 있다. 배출되는 SO2와 HCl의 농도가 법정 규제치인 10ppm 이하를 유지하기 위한 표준편차의 최대값은 15□이고, 지름의 최대값은 67.7□이다. 이와 같은 결과는 액적을 분사시켜주는 rotary atomizer의 설계에 유용하게 활용될 수 있다.

참고문헌

1. K. Wark, "Air Pollution," pp. 421-427, Addison-Wesley (1998).

2. P. N. Chisholm and G. T. Rochelle, Ind. Eng. Chem. Res., 38, 4068 (1999).

3. B. K. Gullett, W. Jozewicz and L. A. Stefanski, Ind. Eng. Chem. Res., 31, 2473 (1992).

4. W. Wang, Z. Ye, and I. Bjerle, Fuel, 75, 207 (1996).

5. A. M. Fonseca, J. J. Orafao, and R. L. Salcedo, Ind. Eng. Chem. Res., 37, 4570 (1998).

6. O. Levenspiel, "Chemical Reaction Engineering," pp. 566-582, John Wiley & Sons (1999).

그림 1. 반건식 알칼리 흡수탑의 개략도.	그림 2. 일정한 액적평균지름에서 표준편차의 변화에 따른 SRC출구 농도의 변화.

그림 3. 일정한 액적평균지름에서 표준편차의 변화에 따른 소석회 슬러리의 이용효율.	그림 4. 일정한 표준편차에서 액적의 평균지름 변화에 따른 SRC출구 농도의 변화.

그림 5. 일정한 표준편차에서 액적의 평균지름 변화에 따른 소석회 슬러리의 이용효율.