KR100953535B1 - 염소계 화합물을 이용한 배가스 내 수은 제거 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원소 수은 및 NOx를 포함하는 배가스에 NaClO2를 주입하는 NaClO2 주입 단계, 상기 NaClO2와 상기 NOx가 산화제를 형성하여 원소 수은을 산화 수은으로 전화하는 전환단계 및 상기 배가스로부터 산화 수은을 제거하는 산화 수은 제거 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수은 제거 방법을 제공한다.
본 발명의 방법에 따르면, 배가스에 NaClO2를 주입하여 원소 수은을 효과적으로 산화시킬 수 있는 산화제를 생성함으로써 배가스에 포함된 미량의 수은을 적은 비용으로 효율적으로 제거할 수 있다.
원소 수은(elemental mercury), 산화 수은(oxidized mercury), NaClO2(sodium chlorite), NOx(nitrogen oxides)

Description

염소계 화합물을 이용한 배가스 내 수은 제거 방법 {Removing Method of Elemental Mercury Contained in Emission Gas by Using Chlorinated Chemicals}
본 발명은 염소계 화합물을 이용한 배가스 중 원소 수은을 효율적으로 제거할 수 있는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배가스에 포함된 NOx와 외부에서 주입한 NaClO2가 반응하여 발생하는 OClO, ClO, ClOO, Cl, Cl2 및 transient Cl species와 같은 강력한 산화제를 이용하여 기존 방법으로 제거하기 어려운 원소 수은을 보다 제거하기 쉬운 형태인 산화 수은으로 전환시킨 후, 배가스에 포함된 수은을 제거하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 수은은 자연계에서 다른 금속과의 합금(아말감)상태 또는 황과 반응한 HgS의 형태로 존재하여 환경적으로나 인체에 무해하다. 그러나, 각종 연소 과정, 예를 들어 제강공정, 소결공정, 석탄화력발전, 소각공정 등에서 고온에 의해 원소 수은으로 환원되고 배가스로 방출되는 경우에는 상황이 달라진다. 배가스에 포함된 여러 화학종과 반응한 수은은 원소 수은, 산화 수은 및 입자상 수은과 같은 유독한 형태로 공기 중에 배출된다.
특히 연소과정을 거쳐 생성된 배가스에 포함된 수은화합물의 조성비는 원료에 포함된 염소, 황 조성, 연소 온도 등에 따라 변하는데, 일반적으로 원료에 포함된 할로겐 화합물 및 황 성분이 많이 포함된 경우에 산화 수은의 비율이 증가하게 된다. 하지만, 이렇게 연소 후 생성된 수은 화합물 중, 원소 수은은 산화 수은 또는 입자수은에 비해 거의 반응성이 없어 제거하기가 매우 어렵다. 따라서, 기존 대기오염방지설비로 제거하기 어려운 원소 수은을 산화 수은으로 산화시켜 제거하는 시도가 종래에 연구된 바 있다.
원소 수은을 산화 수은으로 전환시키는 방법 중에서 쉽게 적용될 수 있는 것은 고온의 배가스에 원소 수은을 산화시킬 수 있는 화학물질을 주입하는 것이다. 미국특허 US 2005/0255022, US 2008/0060520, 한국공개특허 2007-0040752호에서는 과산화수소수를 이용하여 원소 수은을 제거하는 방법을 개시하고 있다. 또한, 미국특허 US 2003/0161771에서는 할로겐 분자 또는 열분해 방식을 도입하여 할로겐 분자를 발생시키는 전구물질(thermolabile molecular halogen precursor)을 배가스에 주입하고 원소 수은을 산화시키는데 Ca(OCl)2, MgBr2, KI3와 같은 화합물을 사용하였다. 미국특허 US 2005/0147549, 일본 공개특허 2005-230810에서는 연소실 후단의 고온 배가스에 NH4Cl, NH4Br, NH4I와 같은 암모늄염을 주입하는 방법을 사용하였고, 미국특허 US 2007/0202020과 같이 NH4Cl, HCl, Cl2를 배가스에 주입하여 원소 수은을 산화시키려는 시도도 나타난 바 있다.
나아가 미국특허 US 6,294,139, 한국특허 0367140호에서는 습식 스크러버에서 원소 수은을 산화시키는 공정으로서 스크러빙 용액에 포함된 NaClO2와 HCl을 반응시켜 원소 수은을 산화시킬 수 있는 물질을 발생시키는 방법을 제시하였으며, 이와 유사하게 미국특허 US 2002/0068030과 한국특허 2002-0044537호도 습식 스크러버를 사용하여 원소 수은을 산화시키는 공정으로서 사용된 염소계 산(an aqueous solution of oxi-acids of chlorine)으로 HClOx (x=1,2,3,4) 및 염을 사용하였다.
상술한 다양한 종래 기술들은 모두 고온의 배가스에 원소 수은을 산화시키기 위한 방법에 해당되나, 이러한 종래 기술들은 습식 스크러버와 함께 사용되어야 적용이 가능하거나, 배가스 온도가 낮아지면 생성된 HX (X=Cl, Br, I)가 수은과의 반응성이 낮아져서 미반응 NH3와 다시 반응할 수 있고 이로 인하여 발생하는 염이 배관을 막을 수도 있다는 결함이 존재한다. 또한, 수은 산화제로 주입되는 HX와 X2 (X=Cl, Br, I)는 부식성 가스로 사용 및 취급에 주의가 필요하고 별도의 설비나 비용이 발생한다는 문제점도 있다.
본 발명은 상술한 종래기술들의 문제점을 해결하고 아울러 효율적이고 용이하게 원소 수은을 배가스로부터 제거할 수 있는 방법을 제시하기 위한 것으로 큰 설비 투자비 및 운전비 없이 배가스에 포함된 미량의 수은을 경제적로 제거하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 상술한 목적을 위하여, 원소 수은 및 NOx를 포함하는 배가스에 NaClO2를 주입하는 NaClO2 주입 단계, 상기 NaClO2와 상기 NOx가 산화제를 형성하여 원소 수은을 산화 수은으로 전화하는 전환단계 및 상기 배가스로부터 산화 수은을 제거하는 산화 수은 제거 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수은 제거 방법을 제공한다. 여기에서 상기 NaClO2는 분말, 수용액상 또는 분말 및 수용액상의 혼합상으로 주입할 수 있고, 상기 산화제는 NaClO2와 기상 반응 또는 기상-고상 반응을 통해 형성되는 OClO, ClO, ClOO 및 Cl2로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다. 또한, 상기 산화 수은은 HgO, HgOCl 및 HgCl2로 구성되는 그룹에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다. 그리고, 상기 산화 수은 제거 단계는 전기 집진기, 여과 집진기 및 습식 스크러버 또는 습식 탈황설비로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종 또는 2종의 방법에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 방법에 따르면, 배가스에 NaClO2를 주입하여 원소 수은을 효과적으로 산화시킬 수 있는 산화제를 생성함으로써 배가스에 포함된 미량의 수은을 적은 비용으로 효율적으로 제거할 수 있다.
본 발명에 의하면, 원소 수은이 함유된 배가스에 NaClO2 분말 또는 그 수용액을 주입하면 배가스에 포함된 NOx와 반응하여 원소 수은을 산화시킬 수 있는 OClO, ClO, ClOO, Cl 및 Cl2가 생성되며, 이것을 이용하여 원소 수은의 산화를 촉진하여 원소 수은으로부터 산화 형태의 수은을 생성하는 제1 단계; 및 상기 배가스로부터 산화 수은을 제거하는 제2 단계를 포함하는 NaClO2를 이용한 배가스 중 원소 수은 제거 방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
상술하였듯이 본 발명에서는 기존 대기오염 방지설비로 제거하기 어려운 원소 수은을 효과적으로 제거할 뿐 만 아니라 종래기술들이 가지는 제반 문제점을 감 안하여 이를 해소하고자 배가스에 화학첨가제를 주입함으로써 경제 및 기술 측면에서 효율적으로 원소 수은을 산화 수은으로 산화시키는 방법이 적용된다. 본 발명에 따라 원소 수은이 산화 수은으로 전환되면 그 용해도가 하기 표 1과 같이 매우 증가한다.
원소 수은 및 산화 수은의 용해도
특성 Hg HgO HgCl2
수용해도(㎍/ℓ) @20℃, 1atm 20 69,000,000 53,000 @25℃
산화 수은의 용해도가 증가하면 이를 제거하는 것이 매우 경제적이고 용이해질 수 있다. 특히 상술한 종래 기술들과는 달리 NaClO2 분말 또는 수용액을 배가스에 주입하면 배가스 중에 존재하는 NOx와 화학반응을 하여 효과적으로 원소 수은을 산화시킬 수 있는 OClO, ClO, ClOO, Cl 및 Cl2가 기상(gas phase)에서 충분히 생성되므로 종래의 기술에 비해 효과적으로 원소 수은을 산화 수은으로 전환시킬 수 있으며, 또한 전기집진기, 여과집진기 및 습식 스크러버를 이용하는 방법을 적용해도 산화 수은을 제거할 수 있다.
본 발명에서는, 배가스에 함유된 원소 수은을 산화 수은으로 산화시킬 수 있는 강력한 산화제를 생성시키기 위해 먼저 NaClO2 분말 또는 수용액을 주입한다. NaClO2 수용액을 배가스에 주입하면 고온 배가스로 인해 NaClO2 미스트(mist)에 포함된 수분이 증발되고 수 마이크로 크기의 NaClO2가 배가스에 존재하게 된다. 주입된 NaClO2 입자와 배가스 내에 일반적으로 같이 존재하는 NOx는 기상-고상 화학반응(gas-solid phase reaction)을 일으키고 다음과 같이 원소 수은을 산화시킬 수 있는 강력한 산화제인 OClO, ClO, ClOO, Cl 및 Cl2를 생성한다.
NO + NaClO2 → NO2 + NaCl + NaClO3 (1)
NO2 + NaClO2 + 1/2 O2 → OClO + NaNO3 (2)
OClO + NO → NO2 + ClO (3)
ClO + NO → NO2 + Cl (4)
Cl + OClO → ClO + ClO (5)
Cl + Cl → Cl2 (6)
ClO + ClO → Cl2 + O2 (7)
ClO + ClO → ClOO + Cl (8)
이렇게 생성된 산화제는 원소 수은과 반응하여 HgO, HgOCl 및 HgCl2를 생성시킨다. 다음은 여기에서 일어나는 반응을 반응식으로 나타내었다
Hg0 + OClO → HgO + ClO (9)
Hg0 + ClO → HgO + Cl (10)
Hg0 + ClO + M → HgOCl + M (11)
HgOCl + O2 → HgO + ClOO (12)
Hg0 + ClOO → HgCl + O2 (13)
Hg0 + ClOO → HgO + ClO (14)
Hg0 + Cl + M → HgCl + M (15)
Hg0 + Cl2 → HgCl + Cl (16)
HgCl + Cl → HgCl2 (17)
HgCl + Cl2 → HgCl2 + Cl (18)
Hg0 + Cl2 +M → HgCl2 (19)
이렇게 산화 형태로 전환된 산화 수은은 전기집진기, 여과집진기 및 습식 스크러버 또는 습식 탈황설비로 쉽게 제거될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
<실시예>
배가스 온도 130℃ 조건에서 NO2 150 ppm를 함유하는 2.6 ℓ/m 유량의 배가스를 NaClO2 1.2g의 유동층에 통과시킨 후 그 후단에 원소 수은 농도 260 ㎍/㎥를 포함하고 있는 가스 1 ℓ/m를 주입하여 반응시키면 원소 수은이 전혀 반응하지 않는다. 하지만, NO 200 ppm을 함께 후단에 주입하는 경우, 원소 수은은 100% 산화 수은으로 전환됨을 알 수 있다. 여기에서 다시 NO 주입을 중지하면 원소 수은은 산화가 되지 않게 된다.
즉, 본 실시예에서는 NO2가 NaClO2와 반응하여 OClO를 생성하지만, OClO 단독으로는 수은과의 반응성이 낮아 원소 수은을 산화시키는데 큰 기여를 하지 못하는 반면, NO가 함께 존재하는 경우 생성된 OClO와 NO가 빠르게 반응을 하여 ClO 및 하기 표 2에 언급된 반응을 통하여 원소 수은을 산화시키는데 중요한 역할을 하는 ClO, ClOO, Cl 및 Cl2를 발생시킨다는 사실을 알 수 있다. 이러한 과정에서 NO는 NO2로, 원소 수은은 HgO, HgOCl, HgCl2로 산화된다.
도 1은 NOx와 NaClO2 사이에 일어나는 반응 생성물에 의한 원소 수은 제거 실험 결과를 나타낸 그래프

Claims (5)

  1. 원소 수은 및 NOx를 포함하는 배가스에 NaClO2를 주입하는 NaClO2 주입 단계;
    상기 NaClO2와 상기 NOx가 산화제를 형성하여 원소 수은을 산화 수은으로 전화하는 전환단계; 및
    상기 배가스로부터 산화 수은을 제거하는 산화 수은 제거 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수은 제거 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 NaClO2는 분말, 수용액상 또는 분말 및 수용액상의 혼합상으로 주입하는 것임을 특징으로 하는 수은 제거 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산화제는 NaClO2와 기상 반응 또는 기상-고상 반응을 통해 형성되는 OClO, ClO, ClOO 및 Cl2로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상임을 특징으로 하는 수은 제거 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산화 수은은 HgO, HgOCl 및 HgCl2로 구성되는 그룹에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 수은 제거 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 산화 수은 제거 단계는 전기 집진기, 여과 집진기 및 습식 스크러버 또는 습식 탈황설비로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종 또는 2종의 방법에 의해 이루어지는 것임을 특징으로 하는 수은 제거 방법.
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