KR20050007488A - 가스층 다공판형 배연 탈황 장치 - Google Patents

가스층 다공판형 배연 탈황 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화력발전소 및 산업시설에서 배출되는 배가스의 기-액 접촉 효율과 탈황율을 최대로 할 수 있는 가스층 다공판형 배연 탈황 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 가스층 다공판형 배연 탈황 장치에 있어서, 흡수탑 중심부에 사이드 엔트리 방식의 교반기 대신에 탑 엔트리 방식의 교반기를 설치함으로써 흡수탑 내 슬러리의 수면을 일정하게 유지하여 흡수탑에 유입되는 배가스가 전체 흡수탑 내 배가스 도입관에 저항이 일정하고 골고루 분산될 수 있도록 하고, 또한, 산화용 공기는 흡수탑 위에서 석회석 슬러리 내로 가지관 형태의 파이프를 꽂아 공급하도록 함으로써 에어 홀의 막힘 현상을 최소화할 수 있는 특징이 있다.

Description

가스층 다공판형 배연 탈황 장치{Apparatus for with a gas layered sieve plate for wet desulfurization from flue gas}
본 발명은 화력 발전소 및 산업 생산 시설에서 배출되는 배가스 중의 황산화물을 제거할 수 있는 가스층 다공판형 배연 탈황 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 탑 엔트리 방식의 교반기와 가지관 형태의 파이프로 이루어진 산화용 공기 분배기를 채택함으로써 배가스의 기-액 접촉 효율과 탈황율을 최대로 할 수 있는 가스층 다공판형 배연 탈황 장치에 관한 것이다.
일반적으로 화석연료를 연소하는 화력발전소 및 산업생산시설에서 배출되는 배가스 중에는 먼지, 질소산화물, 황산화물, 염화수소, 플루오르화물 등의 대기 오염물질이 포함되어 있으며, 이를 그대로 대기 중으로 방출할 경우 심각한 대기오염문제가 발생하게 된다. 이중에서도 특히 황산화물은 대기중의 수증기에 흡수되어 산성비를 유발함으로써 산림 및 토양을 황폐화시키는 주요 원인이 되고 있다.
따라서, 배가스 중의 황산화물이 대기 중으로 방출되기 전에 황산화물을 제거하는 배연 탈황 공정이 널리 이용되고 있으며, 그 중에서도 특히 흡수제로서 석회석을 사용하여 부산물로서 석고를 생산하는 습식 석회석-석고법이 배연 탈황 공정의 주류를 이루고 있다. 배연 탈황 공정은 여러 개의 단위공정으로 구성되어 있으며, 이중 배가스 중의 황산화물을 기체와 액체의 접촉을 통해 제거하는 가장 중요한 공정은 흡수탑에서 이루어지고 있다.
일반적인 습식 석회석-석고법 배연 탈황 공정에 있어서 전기 집진기를 통과한 비교적 높은 온도를 가지는 배가스는 가압팬(Booster Fan)에서 가압되고 가스 덕트와 가스 재열기를 거쳐 흡수탑을 통과하게 된다. 흡수탑으로 유입된 배가스는 흡수탑에서 석회석을 포함하는 흡수액과 기-액 접촉되며 교반기의 운동에 의하여 기체와 액체의 접촉을 통해 기상 중에 포함되어 있는 황산화물이 액상으로 이동하고 별도로 공급되는 산화용 공기 중의 산소와 반응하여 황산을 생성하게 된다.
한편, 흡수탑 내에서 생성되는 부산 석고는 일정속도로 흡수탑으로부터 배출되며 흡수탑에서 처리된 배가스는 흡수탑 외부로 배출되어 습분 분리기를 통과하고 가스 재열기를 거쳐 굴뚝으로 배출된다.
기상 또는 액상중의 물질을 다른 한 상으로 이동시키기 위한 기-액 접촉 장치에는 다양한 방법이 사용되고 있으며, 분사방법에 따라 액 분사방식과 가스 분사방식으로 크게 나눌 수 있다. 액 분사방식은 연속적인 가스 흐름에 알칼리 물질을 포함하는 흡수액을 연속적으로 분무하는 방식으로서 대표적인 공정으로는 단탑(Sprary Tower)이 있다. 이 방식은 장치의 내부가 단순하고 압력손실이 비교적적기 때문에 팬(Fan)의 동력소모가 비교적 적다는 장점이 있다. 단탑에서 SO2의 제거율을 높이기 위해서는 흡수탑 내에서 기체와 액체의 접촉면적을 크게 하든가 접촉시간을 크게 하여야 한다.
기- 액 접촉면적을 증가시키기 위하여 대용량의 순환펌프를 사용하는 경우에는 배가스에 대한 슬러리의 비(L/G비)를 크게 하여야 하기 때문에 펌프의 동력소모가 증가하며 기-액 접촉시간을 증가시키기 위하여 배가스의 체류시간을 증가시키고 흡수탑의 높이가 커져야 한다는 단점이 있다.
가스 분사 방식은 흡수액에 배가스를 연속적으로 분사하는 방식으로 대표적인 공정으로는 제트버블링 리액터(미국특허 제 4,368,060호)와 가스층 다공판형 배연 탈황 장치(미국특허 제 5,660,616호)가 있다. 이러한 방식은 그 장치 특성상 기-액 접촉면적이 크기 때문에 기-액 접촉효율은 매우 높으나 접촉시간이 짧다는 단점이 있다. 따라서, 기-액 접촉효율을 높이기 위해서는 접촉시간을 증가시켜야 하는데 그러기 위해서는 흡수탑의 압력손실이 커지므로 가압 송풍기(Booster Fan)의 동력소모가 크다는 단점이 있다.
배연 탈황 공정에서 황산화물의 제거율은 장치의 특성에 따라 달라지며, 장치 내에서 발생할 수 있는 문제점들을 최소화하면서 기체와 액체의 접촉을 어떻게 효율적으로 유지하느냐에 달려있다.
종래 개발된 가스층 다공판형 배연 탈황 장치 및 방법(대한민국 특허 제 130,410호, 미국특허 제 5,660,616호)과 배기 가스 처리를 위한 기-액 접촉 장치(대한민국 특허 제219,728호)에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 다수의 가스 분출공(11)이 천공된 단일단의 가스 분산판(12)을 사용하여 가스 분산판(12) 하부에 화살표 방향으로 도입되는 배가스의 압력에 의하여 가스 분산판(12) 하부에 가스층(13)이 형성되고, 가스 분출공(11)을 통해서 가스가 분출되도록 함으로써 가스 분산판(12) 위에 미세 기포로 이루어진 기포층(14)이 형성되도록 하였다.
그리고, 흡수탑(10) 내에는 도 2에 나타낸 바와 같이, 다수의 가스층 다공판형과 각 분사면별로 흡수탑 내 총 4대의 사이드 엔트리(Side Entry) 방식의 교반기(15)를 설치하였고, 산화용 공기 분배기(16)는 랜스 파이프(lance pipe)를 사용하여 혼합과 물질전달을 촉진할 수 있도록 하였다.
그러나, 이러한 방식의 흡수탑을 실제 적용하여 운전해 본 결과 흡수탑(10)의 중심부에 4대의 사이드 엔트리(Side Entry) 방식의 교반기(15) 추진력에 의해 일정한 방향으로 슬러리가 유동하면서 흡수탑 중심부에 슬러리가 집중되어 수면이 높아져 이 지역에 분포하는 가스 도입관(17)의 저항이 증가하여 배가스가 유입되지 않아 흡수탑 전체의 기-액 접촉면적이 줄어들어 탈황율이 저하되는 문제점이 발생하였다.
또한, 산화용 공기 분배기는 흡수탑 슬러리 내에 흡수된 SO2가스가 물과 반응하여 생성된 HSO3 -이온이나 SO3 2-이온을 용액 내에서 SO2분압을 가지지 않는 SO4 2-이온으로 산화시켜 흡수제인 석회석과 반응하여 최종적으로 석고를 생성할 수있도록 하기 위하여 산소를 제공하기 위한 장치로서 단탑과 같은 경우에는 흡수탑내의 슬러리의 수면 분포가 탈황율에 거의 영향을 미치지 않으나, 가스 분사형 흡수탑의 경우에는 흡수탑 내의 수면 분포가 탈황율에 매우 큰 영향을 미친다.
대부분의 산화용공기 분배관은 흡수탑 내로 분사되는 산화용 공기가 교반기의 추진력에 의해 슬러리와 혼합, 분쇄되어 미세한 기포를 형성하여 슬러리와 함께 유동하면서 일정시간 이상의 체류시간 및 흡수 효율 향상을 위하여 수평방향으로 설치 운용하고 있으나, 산화용 공기 분사노즐이 습식상태와 건식상태가 반복되거나 또는 기체와 액체상의 계면에서 발생하는 화학반응에 의한 경질의 석고스케일에 의해 플러깅(plugging)이 발생됨으로써 에어 홀의 막힘 현상이 발생하고, 부력이 더 크게 작용하기 때문에 분사노즐 설치 위치 상부 수면에서 폭기 현상이 발생하며, 이러한 폭기 현상 발생으로 특정 지역의 슬러리의 수면이 높아질 경우 이 지역에 분포하는 가스 도입관의 저항이 증가하여 배가스가 유입되지 않아 전체 반응기 단면 중 반응에 소요될 유효 면적을 감소시키게 되며 배가스가 유입되지 않는 가스배관의 수가 증가할수록 나머지 가스배관에서 처리해야 하는 가스 유량이 증가함으로써 탈황율 저하는 물론 소요동력의 증가를 초래하게 된다.
본 발명은 종래의 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 흡수탑의 상부에 1대의 탑 엔트리(Top Entry) 방식의 교반기를 설치함으로써 흡수탑 내 슬러리의 수면을 일정하게 유지할 수 있어 흡수탑에 유입되는 배가스가 전체 흡수탑 내 가스배관에 저항이 일정하여 골고루 분산될 수 있으며, 또한, 흡수탑 위에서 석회석 슬러리 내로 가지관 형태의 파이프를 꽂아 산화용 공기를 공급하도록 함으로써 산화용 공기 공급관의 막힘 현상을 최소화하고, 그로 인해 흡수액 슬러리로의 산소전달 및 기-액 접촉효율을 최대화 할 수 있는 가스층 다공판형 배연 탈황 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 가스층 다공판형 배연 탈황 장치의 내부구조와 작동상태를 보여주기 위한 단면 개략도이다.
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도이다.
도 3은 본 발명의 가스층 다공판형 배연 탈황 장치의 내부구조와 작동상태를 보여주기 위한 단면 개략도이다.
도 4는 도 3의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
도 5는 도 3의 산화용 공기 분배기의 단면 개략도이다.
도 6은 도 5의 산화용 공기 분배기에서의 분배관의 배치 상태를 보여주기 위한 평면도이다.
-도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명-
10,30 ---- 흡수탑 11,31 ---- 가스 분출공
12,32 --- 가스 분산판 13,37 --- 가스층
14 --- 기포층 15 --- 교반기
16 --- 산화용공기 주입관 33 --- 흡수액
34 --- 월류관 35 --- 액 상승관
36 --- 가스 도입관 38 --- 액 하강부
39 --- 교반기 40 --- 산화용공기 분배기
51 --- 주 분배관 52 --- 제 1분배관
53 --- 제 2분배관 54 --- 조정조
55 --- 원형 슬롯 61 --- 헤더
62 --- 버터플라이 밸브
본 발명은 흡수탑의 내부 중앙부위에 다수의 가스 분출공이 천공되어 있는 편평한 구조의 가스 분산판; 일측이 상기 가스분산판에 연결되어 외부로부터 도입되는 소정 개수의 배가스 도입관; 상기 가스 분산판의 가장자리 둘레에 적정 높이를 갖는 흡수액의 월류를 위한 월류관; 상기 가스 분산판과 각각 연결되어 있으면서 그의 하부에서 소정 간격을 두고 있는 흡수액이 분출될 수 있도록 일정 간격을 두고배치되어 있고, 상기 가스 분산판의 상면과 통하도록 구성된 소정 개수의 흡수액 상승관; 상기 흡수액으로 산화용 공기를 공급하기 위한 산화용 공기 분배기; 상기 산화용 공기와 흡수액을 교반시켜주기 위한 교반기로 구성된 배가스 처리를 위한 가스층 다공판형 배연 탈황 장치에 있어서,
상기 교반기는 배가스가 전체 흡수탑 내 가스 도입관에 저항이 일정하게 분산될 수 있도록 흡수탑의 중심부에 탑 엔트리 방식의 교반기이고, 상기 산화용 공기 분배기는 가지관형의 파이프로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부 도면 중 도 3은 본 발명에 따른 가스층 다공판형 배연 탈황 장치의 내부구조와 작동상태를 보여주기 위한 단면 개략도이고, 도 4는 도 3의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
본 발명의 가스층 다공판형 배연 탈황 장치는 도 3에 예시한 바와 같이, 다수의 가스 분출공(31)이 천공되어 있는 가스 분산판(32)이 편평한 구조로 흡수탑(30)의 내부 중앙 부위에 위치하고 있고, 가스 분산판(32)의 가장자리 둘레에는 적정한 높이를 갖는 석회석을 포함하는 흡수액(33)의 월류를 위한 월류관(34)이 일체로 형성되어 있되 가스 분산판(32)의 하부까지 연장되어 있고, 상기 가스 분산판(32)의 하부에는 일정한 간격을 두고 하부의 흡수액(33)이 가스 분산판(32) 상부로 상승할 수 있도록 액 상승관(35)이 설치되어 있어 가스 분산판(32)의 상면과 통하도록 구성되어 있다.
도 3에서 화살표로 나타낸 바와 같이, SO2가스가 포함된 배가스가 가압팬(도면에 도시하지 않음)에 의해 가압되어 수 많은 가스 도입관(36) 하부로 도입되면, 가스 분산판(32)의 하부에는 가스층(37)이 형성되고, 가스 분출공(31)을 통해 가스가 분사되게 된다. 분사된 가스는 가스 분산판(32) 상부에서 액체(흡수제를 포함한 흡수액)와의 격렬한 혼합으로 인해 기-액 혼합물인 기포층이 형성되고, 기상의 황산화물은 액상으로의 물질 전달을 통하여 흡수액(33) 중으로 흡수된다. 기포층 형성으로 인해 배가스 도입 전보다 위치에너지가 높아진 기-액 혼합물은 월류관(34)을 넘어 액 하강부(38)를 통해 흡수탑(30)의 하부로 하강하게 된다. 이렇게 되면 월류관(34) 안팎에 수두차가 발생하여 이 수두차가 유지되는 한월류관(34)을 넘어간 양만큼의 흡수액이 액 상승관(35)을 통해 분산판 상부로 상승하게 된다.
이때, 종래와 같이 흡수탑에 4대의 사이드 엔트리 방식의 교반기를 사용할 경우에는 추진력에 의해 흡수탑 중심부에 슬러리가 집중되어 수면이 높아져 이 지역에 분포하는 가스 도입관의 저항이 증가하여 배가스가 유입되지 않아 흡수탑 전체의 기-액 접촉면적이 줄어들어 탈황율이 저하되는 문제점이 있으므로 본 발명에서는 흡수탑(30) 내에 도 3과 4에 나타낸 바와 같이, 1대의 탑 엔트리 방식의 교반기(39)를 설치한다. 이에 따라, 흡수탑(30) 내 흡수액의 수면을 일정하게 유지하여 흡수탑(30)에 유입되는 배가스가 전체 흡수탑(30) 내 가스 도입관(36)에 저항이 일정하여 골고루 분산될 수 있게 된다.
또한, 가스분사방식에서는 배가스가 용존 산소가 포화되어 있는 흡수액 슬러리에 직접 분사되므로 흡수액 슬러리중의 SO2평형분압이 매우 낮게 유지되며 이로 인해 SO2제거율이 비교적 높은 장점이 있으나 기-액 접촉시간이 매우 짧은 특징이 있기 때문에 자연 산화율이 매우 낮아 흡수탑 슬러리내의 용존산소 농도를 항상 포화상태로 유지시켜 주고 충분한 양의 산화용 공기를 공급해 주기 위해 도 4와 5에 예시한 바와 같이 산화용공기 분배기(40)을 흡수탑 상부에서 가스층 다공판형 하부로 가지관형태로 설치함으로써 흡수탑 내에서 전체적으로 고르게 기-액 접촉 및 탈황효율이 최대화 될 수 있게 된다.
도 3에서 미설명부호 41은 열교환기이고, 부호 42는 연돌이다.
첨부 도면 중 도 5는 도 3의 산화용 공기 분배기의 단면 개략도를 나타낸 것이고, 도 6은 도 5의 산화용 공기 분배기에서의 분배관의 배치상태를 보여주기 위한 평면도이다.
도 5에서 본 발명에 따른 가지관 형태의 산화용 공기 분배기(40)은 흡수탑 내 산화용 공기가 골고루 분사될 수 있도록 1개의 분사면에 서로 다른 4개 타입의 분배관으로 구성된 분배 장치로서, 공기 흐름의 압력 손실을 최소화하고 전단면적에 걸쳐 고르게 전달하기 위해 8"의 직경을 갖는 주 분배관(51), 6"의 직경을 갖는 제 1분배관(52), 2"의 직경을 갖는 제 2분배관(53)이 서로 연결된 상태로 구성되어 있다.
예컨대, 도 6에 예시한 바와 같이, 산화용 공기 분배기(40)은 4개 단위(A, B, C, D)의 주 분배관(51)을 가지며, 한 단위의 주 분배관(51)에는 흡수탑 전단면적에 가스가 골고루 분사될 수 있도록 분사면 별로 길이가 다른 4개의 제 1분배관(52)이 연결되어 있고, 각각의 제 1분배관(52)은 조정조(54)를 경유해서 역시 4개의 제 2분배관(53)과 연결되어 있다.
상기 조정조(54)는 산화용 공기를 흡수탑(30) 전단면적에 걸쳐 고르게 일정한 압력으로 공급되게 해주며, 이 조정조(54)를 통해서 제 1분배관(52)이 4개의 제 2분배관(53)과 연결되며, 공급되는 공기중의 불순물도 제거하게 된다.
산화용 공기의 공급은 도 6에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 각 분사면 별로 8" 헤더(61)에 연결된 주 분배관(51)을 통해 각 분사면 별로 여러개의 제 1분배관(52)을 지난 후 조정조(54)를 거쳐 4개의 제 2분배관(53)을 통과하게 된다.각각의 제 2분배관(53)에는 분배관 끝으로부터 150cm 높이에 산화용 공기 분사에 필요한 공기 주입 기포 크기를 고려하여 도 5에 예시한 바와 같이 직경 25mm의 원형 슬롯(55)이 제 2분배관(53) 당 4개씩 대각으로 배치되어 있다.
흡수탑(30)에 설치된 각각의 산화용 공기 공급 헤더(61)에 동일한 양의 산화용 공기 유입을 달성하기 위하여 각각의 공기 분배관 헤더(61)에는 버터플라이 밸브(62)가 설치되어 있다.
본 발명은 흡수탑 중심부에 1대의 탑 엔트리 방식의 교반기를 설치함으로써 흡수탑내 슬러리의 수면을 일정하게 유지하여 흡수탑에 유입되는 배가스가 전체 흡수탑내 배가스 도입관에 저항이 일정하여 골고루 분산될 수 있도록 함으로써 기-액 접촉효율 및 탈황효율을 최대화 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 산화용 공기 주입방식을 흡수탑 위에서 석회석 슬러리내로 가지관형태의 파이프를 꽂아 산화용공기를 공급하는 방식으로 함으로써 에어 홀의 막힘현상이 최소화 될 수 있도록 한 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 흡수탑의 내부 중앙부위에 다수의 가스 분출공(31)이 천공되어 있는 편평한 구조의 가스 분산판(32); 일측이 상기 가스 분산판(32)에 연결되어 외부로부터 도입되는 소정 개수의 배가스 도입관(36); 상기 가스 분산판(32)의 가장자리 둘레에 적정 높이를 갖는 흡수액(33)의 월류를 위한 월류관(34); 상기 가스 분산판(32)과 각각 연결되어 있으면서 그의 하부에서 소정 간격을 두고 있는 흡수액(33)이 분출될 수 있도록 일정 간격을 두고 배치되어 있고, 상기 가스 분산판(32)의 상면과 통하도록 구성된 소정 개수의 흡수액 상승관(35); 상기 산화용 공기와 흡수액을 교반시켜주기 위한 교반기(39): 및 상기 흡수액으로 산화용 공기를 공급하기 위한 산화용 공기 분배기(40)로 구성된 배가스 처리를 위한 가스층 다공판형 배연 탈황 장치에 있어서,
    상기 교반기(39)는 배가스가 전체 흡수탑 내 가스 도입관(36)에 저항이 일정하게 분산될 수 있도록 흡수탑의 중심부에 탑 엔트리 방식으로 된 교반기이고, 상기 산화용 공기 분배기(40)는 가지관형의 파이프로 구성된 것을 특징으로 하는 가스층 다공판형 배연 탈황 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 산화용 공기 분배기(40)는 흡수탑 내 산화용 공기가 골고루 분사될 수 있도록 1개의 분사면에 서로 다른 4개 타입의 분배관으로 구성된 분배 장치로서, 공기 흐름의 압력 손실을 최소화하고 전단면적에 걸쳐 고르게 전달하기 위해 8"의 직경을 갖는 주 분배관(51), 6"의 직경을 갖는 제 1분배관(52) 및 2"의 직경을 갖는 제 2분배관(53)이 서로 연결된 상태로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스층 다공판형 배연 탈황 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 산화용 공기 분배기(40)는 4개 단위의 주분배관(51), 상기 주 분배관(51)중 한 단위에 연결되어 있는 분사면 별로 길이가 다른 4개의 제 1분배관(52), 상기 제 1분배관(52)에 각각 연결되어 있는 4개의 제 2분배관(53): 및 상기 제 1분배관(52)과 제 2분배관(53)을 서로 연결해주면서 산화용 공기를 일정한 압력으로 공급하고 공기중의 불순물을 제거하게 되는 조정조(54)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스층 다공판형 배연 탈황 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 2분배관(53)의 끝으로부터 일정한 높이에 원형 슬롯(55)이 제 2분배관(53) 당 4개씩 서로 대각으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 가스층 다공판형 배연 탈황 장치.
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