KR101594798B1 - 동시제거반응을 이용한 배가스 처리장치 - Google Patents

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조성호
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박재현
류호정
배달희
이승용
주지봉
이동호
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Abstract

본 발명은 배가스로부터 NOx와 SOx를 동시에 제거하면서 CO2를 포집하도록 탄산칼슘의 하소반응과, 이로부터 얻어진 산화칼슘의 탄산화 및 황산화반응을 2개의 반응기에서 순환공정으로 구성하는 것과 동시에 탄산화 및 황산화반응시 차르를 통한 질소산화물의 환원공정을 수행하는 배가스 처리방법 및 배가스 처리장치에 관한 것이다.

Description

동시제거반응을 이용한 배가스 처리장치{Exhaust gas treatment device with simultaneous removal reaction}
본 발명은 동시제거반응을 이용한 배가스 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배가스로부터 NOx와 SOx를 동시에 제거하면서 CO2를 포집할 수 있는 배가스 처리장치에 관한 것이다.
온실가스 배출저감을 위한 이산화탄소 회수 및 저장(CO2 Capture and Storage : 이하 'CCS'라 한다.)기술의 개발이 본격화되면서 이산화탄소 포집기술(Carbon Capture) 수준은 상용화 단계에 이르고 있으며 기존의 화력 발전용 설비에 설치되어 운용되고 있다.
특히, 석탄은 화석연료 중 탄소(C)/수소(H)비가 높아서 이산화탄소를 많이 배출한다. 따라서 석탄을 연료로 사용하는 석탄 화력 발전소는 CO2 배출 저감의 주요 목표가 되고 있다.
종래기술에서는 배가스로부터 이산화탄소를 포집하기 위해서, 배가스에 포함된 질소산화물과 황산화물을 각각 탈질공정과 탈황공정을 거친 후에 건식 또는 습식의 이산화탄소 포집공정을 거치고 있다. 즉, 이산화탄소 포집설비에 유입되는 가스에 포함된 오염물질을 적정수준 이하로 유지함으로써 최종적으로 대기 상에 배출되는 배기가스의 오염을 방지하도록 한 것이다.
그러나, 상용화를 위해서는 설치면적, 설치비용, 처리효율 등을 고려해야 하는데, 탈질공정과 탈황공정을 별도로 설치하는 것으로 인하여 공정시간이 길어지고, 탈질장치와 탈황장치를 위한 공간을 마련해야 하며, 또한 탈질공정과 탈황공정에서 탈질반응과 탈황반응을 위하여 별도의 에너지와 반응물질을 사용해야 하는 등의 부담이 있다.
등록특허 제10-1266258호
상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 배가스로부터 NOx와 SOx를 동시에 제거하면서 CO2를 포집하도록 탄산칼슘의 하소반응과, 이로부터 얻어진 산화칼슘의 탄산화 및 황산화반응을 2개의 반응기에서 순환공정으로 구성하는 것과 동시에 탄산화 및 황산화반응시 차르를 통한 질소산화물의 환원공정을 수행하는 배가스 처리장치를 제공하는 데에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 공급되는 배가스를 유동하는 산화칼슘과 접촉시켜 산화칼슘의 황산화반응을 통해 황산화물을 제거하고, 산화칼슘의 탄산화반응을 통해 이산화탄소를 포집하며, 차르와 배가스를 접촉시켜 질산화물을 환원시키는 제1단계; 제1단계에서 발생되는 기체를 분리하고 생성된 황산칼슘과 탄산칼슘을 이동시키는 제2단계; 이동된 탄산칼슘을 연소열에 의하여 유동화시키면서 하소반응으로 산화칼슘으로 전환시키는 제3단계; 및 제3단계에서 발생되는 기체를 분리하고 생성된 산화칼슘을 제1단계로 복귀시키는 제4단계를 포함하고, 제1단계 내지 제4단계는 연속하여 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 동시제거반응을 이용한 배가스 처리방법이다.
제1단계에서 배가스를 차르와 접촉시켜 질산화물을 환원시키는 것을 선행하고, 질산화물이 제거된 배가스를 산화칼슘과 접촉시키는 것을 특징으로 한다.
또, 제4단계에서 산화칼슘은 질산화물이 제거된 배가스를 향해 이동되는 것을 특징으로 한다.
또, 제1단계는 600~650℃에서 이루어지고, 제3단계는 900~950℃에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또 다른 발명은, 상기 동시제거반응을 이용한 배가스 처리방법을 이용한 배가스 처리장치로써, 상기 배가스 처리장치는, 내부에 차르가 고정되며, 배가스가 유입되어 유동화된 산화칼슘에 접촉되는 동시반응기; 상기 동시반응기에서 생성된 기체와 황산칼슘 및 탄산칼슘을 분리시키는 제1싸이클론; 상기 제1싸이클론으로부터 황산칼슘 및 탄산칼슘을 공급받고, 석탄공급부를 통해 공급되는 석탄을 산소와 접촉시켜 연소시키는 것에 의해 탄산칼슘을 유동화시키면서 산화칼슘로 전환시키는 하소반응기; 및 상기 하소반응기에서 생성된 기체와 산화칼슘을 분리시키고, 분리된 산화칼슘을 상기 동시반응기로 공급하는 제2싸이클론을 포함하는 것을 특징으로 한다.
차르는 상기 동시반응기 내에 장착되는 차르챔버에 위치하고, 상기 차르챔버로 유입되며, 상기 차르챔버의 상부에는 복수의 관통홀을 가지는 분배판이 배치되고, 상기 제2싸이클론로부터의 산화칼슘은 상기 차르챔버의 상측으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 차르챔버는 상기 하소반응기에 탈착가능한 것을 특징으로 한다.
또, 상기 하소반응기에는 탄산칼슘을 추가적으로 공급하는 탄산칼슘공급부가 배치되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 하소반응기의 하부에는 적재되는 고체입자를 배출하는 고체퍼지부가 배치되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 동시반응기에 산소를 공급하는 산소공급관이 추가로 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 통하여, 하나의 설비에서 탈질공정과 탈황공정을 수행하면서 동시에 이산화탄소를 포집할 수 있어서, 설비의 설치면적을 획기적으로 줄일 수 있고, 공정시간을 단축시키며, 운영에 필요한 에너지 및 비용도 절감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배가스 처리장치의 개략적인 도면이다.
도 2는 도 1에 설치되는 차르챔버의 사시도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1에서 도면부호 100은 본 발명의 실시예에 따른 동시제거반응을 이용한 배가스 처리장치를 지시한다. 상기 배가스 처리장치(100)는 크게 2개의 반응기(102,120)와, 2개의 싸이클론(110,130)을 이용하여 탄산칼슘을 순환시키면서 탄산칼슘의 하소반응, 하소반응으로 얻어진 산화칼슘의 탄산화반응과 황산화반응을 이용해 탈질공정과 탈황공정을 수행하면서 동시에 이산화탄소를 포집하는 데에 주요한 특징이 있다.
이러한 상기 배가스 처리장치(100)는, 내부에 차르가 고정되며, 배가스가 유입되어 유동화된 산화칼슘에 접촉되는 동시반응기(102)와, 상기 동시반응기(102)에서 생성된 기체와 황산칼슘 및 탄산칼슘을 분리시키는 제1싸이클론(110)과, 상기 제1싸이클론(110)으로부터 황산칼슘 및 탄산칼슘을 공급받고, 석탄공급부(124)를 통해 공급되는 석탄을 산소와 접촉시켜 연소시키는 것에 의해 탄산칼슘을 유동화시키면서 산화칼슘로 전환시키는 하소반응기(120)와, 상기 하소반응기(120)에서 생성된 기체와 산화칼슘을 분리시키고, 분리된 산화칼슘을 상기 동시반응기(102)로 공급하는 제2싸이클론(130)을 포함하여 이루어진다.
상기 동시반응기(102)는 내부에서 산화칼슘이 유동화하는 유동반응기이다. 상기 동시반응기(102)로는 공지의 유동층 반응기를 사용할 수 있으며, 상기 동시반응기(102)의 하측으로 배가스가 공급되는 배가스 공급관(104)이 배치된다. 또, 상기 동시반응기(102) 내에는 차르가 고정되어 유동하는 배가스와 접촉하게 된다. 이 때, 상기 차르를 고정하는 방법은 상기 동시반응기(102)에 형성되는 분배판의 상측에 바로 덩어리 형태의 차르를 배치할 수 있다. 그러나, 이 경우 차르가 산화하면서 회분이 비산하기 용이하므로, 본 발명의 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이 차르챔버(106)를 상기 동시반응기(102)에 설치하고 있다.
상기 차르챔버(106)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 동시반응기(102) 내에 착탈이 가능하도록 카트리지 형태를 가진다. 상기 차르챔버(106)에는 상부와 하부에 복수의 관통홀(142,144)이 형성된다. 따라서, 상기 차르챔버(106) 내부로 배가스의 유입이 원활할 뿐만 아니라, 상부의 관통홀(144)은 분배판의 역할을 수행할 수 있다.
상기 동시반응기(102)의 벽체에는 도어(136)가 설치되고, 상기 동시반응기(102)의 내부에 상기 도어(136)의 주위로 설치프레임(138,140)이 설치되어, 상기 차르챔버(106)를 상기 동시반응기(102) 내에 장착하거나, 이탈시키는 것이 가능하다.
상기 차르챔버(106)의 상측으로 상기 하소반응기(132)으로부터 산화칼슘(132)이 공급되는 제2고체배출관이 연결된다. 따라서, 상기 차르챔버(106)의 상측으로 상기 산화칼슘(132)이 유동하면서, 상기 차르챔버(106)를 통과하면서 이미 차르(10)와 접촉하여 질소산화물이 제거된 상태의 배가스가 산화칼슘과 접촉할 수 있다.
또, 상기 산화칼슘이 황산화물과 접촉하여 황산칼륨을 형성할 때, 일정량의 산소가 필요하다. 이 때, 배가스에 혼합된 산소를 사용하는 것도 가능하지만, 별도로 산소공급부(118)을 상기 동시반응기(102)에 설치할 수 있다.
상기 산화칼슘은 배가스와 접촉하면서 황산화반응과 탄산화반응을 통해 황산칼슘 및 탄산칼슘으로 변경되고, 잔여기체와 황산칼슘 및 탄산칼슘의 혼합물은 동시반응기배출관(108)을 통해 상기 제1싸이클론(110)으로 이동된다. 상기 제1싸이클로(110)에서는 황산칼슘 및 탄산칼슘은 제1고체배출관(114)으로 이동되고, 잔여기체는 제1기체배출관(112)로 배출된다. 상기 제1기체배출관(112)에는 질소(N2), 이산화탄소(CO2) 등이 배출된다.
상기 하소반응기(120)는 내부에서 탄산칼슘이 유동화하는 유동반응기이다. 상기 하소반응기(120)로는 공지의 유동층 반응기를 사용할 수 있으며, 상기 하소반응기(120)의 하측으로 산소가 공그되는 산소급관(122)이 배치된다. 또, 상기 하소반응기(120) 내에서 연소반응의 연료가 되는 석탄을 공급하는 석탄공급부(118)가 상기 하소반응기(120)에 연결된다. 상기 석탄공급부(118)에는 이송스크류와 같은 이송수단이 구비되어 고체상태의 석탄을 강제로 상기 하소반응기(120) 내부로 공급한다.
그리고, 상기 하소반응기(120)에는 탄산칼슘의 부족분을 보충하기 위해 탄산칼슘공급부(126)가 연결된다. 상기 탄산칼슘공급부(126)에는 이송스크류와 같은 이송수단이 구비되어 고체상태의 탄산칼슘을 강제로 상기 하소반응기(120) 내부로 공급한다.
또, 상기 하소반응기(120) 내부에는 황산칼슘과, 석탄의 연소에 따른 회재가 쌓이게 된다. 따라서, 상기 하소반응기(120)의 하부에는 적재되는 고체입자를 배출하는 고체퍼지부(124)가 배치된다. 상기 고체퍼지부(124)에는 이송스크류와 같은 이송수단이 배치되어 고체상태의 입자를 강제로 외부로 배출할 수 있다.
상기 하소반응기(120)로부터 배출되는 잔여기체와 산화칼슘의 혼합물은 상기 제2싸이클론(130)에 하소반응기배출관(128)을 통하여 배출된다. 상기 제2싸이클론(130)에서 고체상태의 산화칼슘은 제2고체배출관(132)을 통해 상기 동시반응기(102)로 이송시키고, 잔여기체는 제2기체배출관(134)를 통해 배출된다. 상기 제2기체배출관(134)을 통하여 배출되는 기체는 이산화탄소를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 배가스 처리장치(100)는 기본적으로 상술한 바와 같이 구성된다. 이하, 상기 배가스 처리장치(100)를 이용하여 본 발명의 배가스 처리방법에 대해서 설명한다.
먼저, 제1단계는 공급되는 배가스를 유동하는 산화칼슘과 접촉시켜 산화칼슘의 황산화반응(반응식 1 참조)을 통해 황산화물을 제거하고, 산화칼슘의 탄산화반응을 통해 이산화탄소를 포집하며(반응식 2 참조), 차르와 배가스를 접촉시켜 질산화물을 환원시킨다. 제1단계는 상기 동시반응기(102)에서 이루어지며, 배가스는 하부의 배가스 공급관(104)을 통해 공급되고, 산화칼슘은 제2고체배출관(132)을 통해 공급된다.
[반응식 1]
CaO(S) + SO2 + O.5O2 → CaSO4(S)
반응식 1에서 필요한 산소는 배가스에 포함된 산소를 사용하거나, 별도의 산소공급부(118)로부터 공급되는 산소를 이용할 수 있다.
[반응식 2]
CaO(S) + CO2 → CaCO3(S)
그리고, 차르(10)는 상기 차르챔버(106) 내에 장착되어 배가스에 선행하여 접촉하는 것에 의해 배가스 내의 질소산화물을 환원시켜 질소만 분리하게 된다(반응식 3 및 4 참조)
[반응식 3]
2NO + C(s) → CO2 + N2
[반응식 4]
2NO + 2C(s) → 2CO + N2
질소산화물의 환원을 위하여, 상기 동시반응기(102) 내부의 온도는 600~650℃를 유지한다. 이는 배가스의 온도 및 하소반응기(120)에서 공급되는 산화칼슘의 열을 이용할 수 있지만, 별도의 온도조절기를 갖추는 것도 가능하다.
그리고, 제2단계에서는, 제1단계에서 발생되는 잔여기체를 분리하여 제1기체배출관(112)을 통해 배출하고, 생성된 황산칼슘과 탄산칼슘을 하소반응기(120)으로 제1고체배출관(114)을 통해 이동시킨다.
제1단계에서 발생되어 제1기체배출관(112)을 통해 배출되는 잔여기체로는, 질소(N2), 이산화탄소(CO2)를 포함한다.
제3단계에서는, 상기 제1고체배출관(114)을 통해 공급된 탄산칼슘을 연소열에 의하여 유동화시키면서 하소반응으로 산화칼슘으로 전환시킨다(반응식 5 참조)
[반응식 5]
CaCO3(S) → CaO(s) + CO2
그리고, 상기 하소반응에 필요한 연소열은 석탄의 산화에 의해 발생된다(반응식 6 참조). 이를 통해 상기 하소반응기(120) 내부의 온도는 900~950℃를 유지한다.
[반응식 6]
Coal + O2 → CO2 + Ash
제4단계는, 상기 하소반응기(120)에서 발생되는 기체를 상기 제2기체배출관(134)을 통해 분리하고 생성된 산화칼슘을 제2고체배출관(132)을 통해 상기 동시반응기(102)로 복귀시킨다. 이 때, 상술한 바와 같이 상기 차르(10)와 접촉하여 질소산화물이 제거된 배가스를 향해 상기 산화칼슘이 공급된다. 그리고, 상기 제2기체배출관(134)을 통해 배출되는 기체는 CO2를 포함한다.
상술한 제1단계 내지 제4단계를 연속하여 순차적으로 이루어지는 것에 의해 배가스로부터 질소산화물 및 황산화물을 제거하면서 이산화탄소의 포집이 가능하다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 차르 100: 배가스 처리장치
102: 동시반응기 104: 배가스 공급관
106: 차르챔버 108: 동시반응기배출관
110: 제1싸이클론 112: 제1기체배출관
114: 제1고체배출관 116: 석탄공급부
118,122: 산소공급관 120: 하소반응기
124: 고체퍼지부 126: 탄산칼슘공급부
128: 하소반응기배출관 130: 제2싸이클론
132: 제2고체배출관 134: 제2기체배출관
136: 도어 138,140: 설치프레임
142,144: 관통홀

Claims (10)

  1. 공급되는 배가스를 유동하는 산화칼슘과 접촉시켜 산화칼슘의 황산화반응을 통해 황산화물을 제거하고, 산화칼슘의 탄산화반응을 통해 이산화탄소를 포집하며, 차르와 배가스를 접촉시켜 질산화물을 환원시키는 제1단계;
    제1단계에서 발생되는 기체를 분리하고 생성된 황산칼슘과 탄산칼슘을 이동시키는 제2단계;
    이동된 탄산칼슘을 연소열에 의하여 유동화시키면서 하소반응으로 산화칼슘으로 전환시키는 제3단계; 및
    제3단계에서 발생되는 기체를 분리하고 생성된 산화칼슘을 제1단계로 복귀시키는 제4단계를 포함하고,
    제1단계 내지 제4단계는 연속하여 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 동시제거반응을 이용한 배가스 처리방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1단계에서 배가스를 차르와 접촉시켜 질산화물을 환원시키는 것을 선행하고, 질산화물이 제거된 배가스를 산화칼슘과 접촉시키는 것을 특징으로 하는 동시제거반응을 이용한 배가스 처리방법.
  3. 제2항에 있어서, 제4단계에서 산화칼슘은 질산화물이 제거된 배가스를 향해 이동되는 것을 특징으로 하는 동시제거반응을 이용한 배가스 처리방법.
  4. 제1항에 있어서, 제1단계는 600~650℃에서 이루어지고, 제3단계는 900~950℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 동시제거반응을 이용한 배가스 처리방법.
  5. 제1항의 동시제거반응을 이용한 배가스 처리방법을 이용한 배가스 처리장치에 있어서,
    상기 배가스 처리장치는,
    내부에 차르가 고정되며, 배가스가 유입되어 유동화된 산화칼슘에 접촉되는 동시반응기;
    상기 동시반응기에서 생성된 기체와 황산칼슘 및 탄산칼슘을 분리시키는 제1싸이클론;
    상기 제1싸이클론으로부터 황산칼슘 및 탄산칼슘을 공급받고, 석탄공급부를 통해 공급되는 석탄을 산소와 접촉시켜 연소시키는 것에 의해 탄산칼슘을 유동화시키면서 산화칼슘로 전환시키는 하소반응기;
    상기 하소반응기에서 생성된 기체와 산화칼슘을 분리시키고, 분리된 산화칼슘을 상기 동시반응기로 공급하는 제2싸이클론을 포함하는 것을 특징으로 하는 배가스 처리장치.
  6. 제5항에 있어서, 차르는 상기 동시반응기 내에 장착되는 차르챔버에 위치하고, 상기 차르챔버로 유입되며, 상기 차르챔버의 상부에는 복수의 관통홀을 가지는 분배판이 배치되고,
    상기 제2싸이클론로부터의 산화칼슘은 상기 차르챔버의 상측으로 공급되는 것을 특징으로 하는 배가스 처리장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 차르챔버는 상기 하소반응기에 탈착가능한 것을 특징으로 하는 배가스 처리장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 하소반응기에는 탄산칼슘을 추가적으로 공급하는 탄산칼슘공급부가 배치되는 것을 특징으로 하는 배가스 처리장치.
  9. 제5항에 있어서, 상기 하소반응기의 하부에는 적재되는 고체입자를 배출하는 고체퍼지부가 배치되는 것을 특징으로 하는 배가스 처리장치.
  10. 제5항에 있어서, 상기 동시반응기에 산소를 공급하는 산소공급관이 추가로 배치되는 것을 특징으로 하는 배가스 처리장치.
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