KR20050049112A - 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법 - Google Patents

연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소각로 또는 발전설비 등의 연소설비 배출가스의 다이옥신, 수은 등의 미량오염물질을 저감하는 방법에 관한 것으로, 이산화티타늄 광촉매 또는 반응성 요오드화 칼륨 입자와 같은 미세 나노입자를 형성하는 전구물질을 연소설비의 공급공기 또는 연료 중에 혼합하여 투입하고, 연소 과정 중에서 나노 크기의 입자가 형성되도록 하여 그 형성된 나노입자가 미량오염물질을 흡착, 분해 또는 고착화함으로써 제거하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 이용하면 나노입자를 통해 연소설비 배출가스 중의 미량오염물질을 효과적으로 저감시킬 수 있다.

Description

연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법{Method for controlling air pollutants from combustion facility}
본 발명은 소각로 또는 발전설비 등 연소설비로부터의 배출가스 중의 다이옥신, 수은 등의 미량오염물질을 저감하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이산화티타늄 광촉매 또는 반응성 요오드화 칼륨 입자와 같은 미세 나노입자를 형성하는 전구물질을 연소설비의 공급공기 또는 연료 중에 혼합하여 투입하고, 연소 과정 중에 나노 크기의 입자가 형성되도록 하여 그 형성된 나노입자가 미량오염물질을 분해하도록 하는 것을 특징으로 하는 연소설비 배출가스의 다이옥신, 수은 등의 미량오염물질 저감방법에 관한 것이다.
일반적으로 폐기물의 처리 방법으로서는 파쇄, 매립, 소각 방법 등이 널리 사용되고 있으며, 이중에서 폐기물을 다른 방법에 비해 상대적으로 완전하게 제거할 수 있는 소각 방법이 널리 사용되고 있으나, 소각 방법을 사용하는 경우 그 독성이 매우 큰 유해물질인 다이옥신(dioxin)과 수은 등의 오염물질이 발생되는 문제점이 있다.
다이옥신이란 2개의 벤젠 고리가 한 개 또는 두 개의 산소 원자로 연결되어 있으며, 고리를 이루는 탄소 원자와 결합되어 있는 수소 원자가 특히 염소 원자로 치환되어 있는 화합물을 말한다.
다이옥신의 생성 메카니즘은 2가지로 요약된다. 첫째는 다이옥신 생성의 전구물질로 불리우는 클로로페놀 또는 클로로벤젠과 같은 유기물질의 반응에 의해서 생성된다. 둘째는 무기탄소 입자들로부터 드노보(de novo) 합성에 의해 생성된다. 다이옥신의 생성을 억제함으로써 다이옥신의 배출을 저감할 수 있는 방법에 관한 기술로 미국특허 제 5,968,467호가 있다. 이 특허에는 다이옥신 생성을 억제할 수 있는 흡착제를 사용하여 다이옥신을 저감할 수 있는 방법에 관하여 개시되어 있다. 상기 특허에 사용된 흡착제는 실리카겔, 활성탄, chromosorb, 제올라이트 등이 사용되었으며, 최대 51%까지 다이옥신이 저감될 수 있음을 개시하고 있으나 미세 입자를 이용하는 방법에 대한 기재는 없다.
다이옥신의 생성을 억제함으로써 다이옥신의 배출을 저감할 수 있는 방법에 관한 한국 내 기술로는 한국특허 공개번호 제2003-0053233호가 있다. 이 특허에는 제철공장의 부산물인 슬래그를 이용하여 소각로 배출가스의 다이옥신을 저감시킬 수 있는 소각로 배출가스의 다이옥신 저감방법에 관하여 개시되어 있다. 그러나 미세 나노입자의 형태로 사용하는 방법에 대한 기재는 없다.
본 발명은 연소설비 배출가스 중의 미량오염물질을 효과적으로 저감시킬 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법은, 상기 연소설비에서 발생하는 미량오염물질 또는 그 전구물질을 미세 나노입자 또는 그 전구물질을 이용하여 제거하는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 의한 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법에 있어서, 상기 미세 나노입자 또는 그 전구물질은, 상기 연소설비에 투입하되, 상기 미량오염물질 또는 그 전구물질이 발생되는 부분에 투입하는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 의한 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법에 있어서, 상기 미세 나노입자의 전구물질은, 상기 상기 연소설비에 투입되어 연소 과정 중에 미세 나노입자로 현장 합성(In situ formation)되는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 의한 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법에 있어서, 상기 미세 나노입자의 전구물질은, 상기 연소설비에 공급되는 공급공기 또는 연료와 함께 투입되는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 의한 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법에 있어서, 상기 미세 나노입자의 전구물질은, 기체 또는 액체 상태로 투입되는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 의한 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법에 있어서, 상기 미세 나노입자의 전구물질은, 상기 연소설비에 구비된 연소실 내로 분사되는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 의한 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법에 있어서, 상기 미세 나노입자는, 이산화티타늄 광촉매 나노입자 또는 반응성 요오드화 칼륨 나노입자인 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 의한 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법에 있어서, 상기 미량오염물질은, 다이옥신 또는 수은, 카드뮴, 비소 등의 중금속인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 바람직한 일실시예는, 연소설비 배출가스에서 다이옥신 등의 미량오염물질을 저감하는 방법에 있어서, 클로로페놀과 클로로벤젠 등 상기 미량오염물질의 전구물질을 현장 합성되는 미세 나노입자로 흡착하여 분해를 촉진하고, 이와 동시에 수은, 카드뮴, 비소 등 중금속을 이 미세 입자에 고착시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명자들은 연소설비 배출가스의 미량오염물질을 저감할 수 있는 방법을 연구하던 중 미세 나노입자를 클로로페놀 등의 미량오염물질의 전구물질과 접촉시켜 클로로페놀을 고착화시킬 경우 매우 효율적으로 연소설비 배출가스의 미량오염물질을 저감할 수 있음을 발견하였다.
본 발명의 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법은 배출가스 미량오염물질의 전구물질인 클로로페놀과 원소 수은 등을 미세 나노입자를 이용하여 흡착, 분해 촉진, 고착화시킨다.
또한 클로로페놀 등 전구물질을 고착화 시키는 것은 상기 미세 나노입자를 미량오염물질 또는 그 전구물질의 생성이 이루어지는 곳에 투입함으로써 이루어지며, 상기 미세 나노입자는 투입 전에 미리 생산한 미세 나노입자 분말이거나, 더욱 바람직하게는 미세 나노입자를 형성하는 전구물질 (precursor)을 액체 또는 기체 상태로 연소설비에 투입하여 연소설비 내에서 미세 나노입자가 합성되도록 하는 현장 합성(In situ formation)을 통해 제조된 나노입자를 사용한다. 투입 위치는 연소 공정의 공기공급부 또는 연료공급부에 투입하는 것이 바람직하다.
도 1은 나노입자가 오염물질을 흡착하여 제거하는 과정을 설명하는 개략도이다. 오염물질이 나노입자 전구체와 함께 존재하다가 나노입자 전구체가 연소설비 내에서 나노입자로 변환되면 그 나노입자가 오염물질을 흡착시키고 입자가 성장하면서 오염물질이 분해되거나 무해화된다.
이하 본 발명의 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
<실시예1>
도 2는 본 발명에 의한 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법을 실시하기 위한 연소설비의 일실시예를 나타내는 개략도이다.
본 실시예에서 사용된 연소설비는, 소각로 화격자(2), 폐기물 투입구(3), 폐열 보일러(4), 소각로 연소실(5), 산성가스 세정설비(9), 백 필터(10), 연돌(11) 등으로 구성된다. 상기 연소설비 배출가스 중의 다이옥신, 수은 등 미량오염물질의 배출을 억제하기 위하여, 액상 또는 기상의 나노입자 전구물질을 주입구(1)를 통하여 소각로의 2차연소실(7) 내로 분사하여, 2차연소실(7)의 고온 분위기 내에서 나노입자를 형성하도록 하고, 이와 같이 형성된 나노입자들이 폐열 보일러(4), 산성가스 세정설비(9) 등 배출가스 처리 설비를 통과하는 동안 다이옥신, 수은 등 미량오염물질의 생성을 억제하는 동시에, 이미 생성된 미량오염물질의 산화 분해 반응을 촉진하여 제거하거나, 나노입자 내에 흡착하여 고착하고, 입자를 성장하도록 하여 백 필터(10)로 분리함으로써 연돌(11)로부터의 배출가스 중의 다이옥신, 수은 등 미량오염물질의 배출을 경제적인 방법으로 억제할 수 있다. 이와 동시에 소각설비로부터의 2차 잔류물의 오염을 방지하여, 바닥재 배출구(6)로부터 배출되는 비산재로부터의 유해물질의 용출을 규제치 이내로 억제할 수 있다.
<실시예2>
본 발명자들은 미세 나노입자의 현장 합성(In situ formation)에 의한 오염물질 제거 효과를 입증하기 위하여, 다음과 같이 실험하였다.
도 3은 나노입자의 현장 합성(In situ formation)에 의한 원소 수은 제거 실험을 위한 장치로, 튜브 로(tube furnace)와 석영 반응기(quartz reactor)로 구성된 고온 반응기(70)를 이용하여 티타늄 전구체(티타늄 이소프로폭시드, titanium isopropoxide)(30)로부터 직접 나노입자를 제조하여 이를 수은 제거에 사용하였다. 전구물질로는 97% Titanium(IV) Isopropoxide(TTIP), (Ti[OCH(CH3)2]4) 를 사용하였다. 일정한 유량으로 조절된 아르곤 가스(pre-purified, 99.99%)(40)를 전구물질 용액(30)이 담겨진 용기를 통과시켜서, 기화된 티타늄 전구물질을 고온 반응기(70)로 운반하였다. 고온 반응기(70)에서는 기체 상태의 티타늄 전구물질이 순간적으로 TiO2로 산화되고, 기체 상태 TiO2가 온도가 낮아지면서 응축되어 고체 상태의 나노 TiO2 입자가 생성된다. 이때 생성되는 TiO2 입자는 고온에서 생성되므로 90% 이상 광촉매의 특성을 가지는 아나타제(anatase)이다. 수은 광반응기(110)는 자외선이 투과되는 유리(quartz 또는 boro silica)로 제조된 것이다. 수은 광 반응기(110)의 상부에는 자외선 광원으로 쓰일 UV 램프(100)를 설치하였다. 액체 상태의 원소 수은(80)을 입자가 없는 청정한 공기(carrier gas)(90)로 기화시켜 반응기(110)로 보냈다. 수은(80)의 기체 상태 농도는 운반 기체(carrier gas)의 유량을 조절하여 변화시켰다. 광반응기(110) 입구와 출구의 수은의 농도 변화를 온라인 수은 분석기(130)(on-line mercury analyzer)를 이용해서 측정하였다. 그 결과는 하기 표에 나타내었다.
오일 배쓰(℃) Air 유량(sL/mim) N2 유량(TTIP)sCC/min Ar 유량(Hg)sCC/min Total 유량sL/min UVon 농도(㎍/m3) UVoff 농도(㎍/m3) 제거효율(%) Retention Time(s)Furnace2
1 60 1.5 200 15 1.715 69 40 46 47
2 80 1.5 200 10 1.71 35 14 67 47
3 80 1.5 200 15 1.715 71 40 43 47
4 80 1.5 300 15 1.815 64 25 61 45
5 80 1.1 400 15 1.515 77 34 57 58
6 90 1.5 500 30 2.03 82 3 97 39
7 110 1.5 200 50 2.05 60 0 100 47
8 90 2 200 45 2.545 64 1 98.4 33
상기 표에 나타난 바와 같이, 현장 합성된 나노입자에 의한 수은의 제거효율이 100%에 달하는 경우가 있을 정도로, 우수한 제거효율을 나타냄을 알 수 있었다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 연소설비 배출가스의 미량오염물질을 저감하는 방법은 현재 사용 중인 활성탄과 같은 고가의 흡착제를 대량 사용하는 방법을 대신하여 미세 나노입자를 활용하여 다이옥신 등 미량오염물질의 배출을 효율적으로 저감시킬 수 있다.
도 1은 나노입자가 오염물질을 흡착하여 제거하는 과정을 설명하는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의한 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법의 일실시예로서, 상기 방법을 수행하는 장치를 나타내는 개략도이다.
도 3은 나노입자의 현장 합성(In situ formation)에 의한 원소 수은 제거 실험을 위한 장치의 개략도이다.
*도면의 주요부분의 부호의 설명*
1: 나노입자 전구물질 주입구 2: 소각로 화격자
3: 폐기물 투입구 4: 폐열 보일러
5: 소각로 연소실 6: 바닥재 배출구
7: 2차연소실 8: 소석회 투입
9: 산성가스 세정설비 10: 백 필터
11: 연돌
20: 오일 배쓰 30: Ti 전구체
40: 전-정제된 Ar 50: 온도 조절기
60: 건조 공기 70: 고온 반응기
80: Hg 90: 쉬스 에어(sheath air)
100: UV 램프 110: 수은 광반응기
120: 필터 130: 온라인 수은 분석기

Claims (8)

  1. 연소설비 배출가스의 미량오염물질을 저감하는 방법으로서, 상기 연소설비에서 발생하는 미량오염물질 또는 그 전구물질을 미세 나노입자 또는 그 전구물질을 이용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세 나노입자 또는 그 전구물질은, 상기 연소설비에 투입하되, 상기 미량오염물질 또는 그 전구물질이 발생되는 부분에 투입하는 것을 특징으로 하는 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 미세 나노입자의 전구물질은, 상기 연소설비에 투입되어 연소 과정 중에 미세 나노입자로 현장 합성(In situ formation)되는 것을 특징으로 하는 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 미세 나노입자의 전구물질은, 상기 연소설비에 공급되는 공급공기 또는 연료 와 함께 투입되는 것을 특징으로 하는 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 미세 나노입자의 전구물질은, 기체 또는 액체 상태로 투입되는 것을 특징으로 하는 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 미세 나노입자의 전구물질은, 상기 연소설비에 구비된 연소실 내로 분사되는 것을 특징으로 하는 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세 나노입자는, 이산화티타늄 광촉매 나노입자 또는 반응성 요오드화 칼륨 나노입자인 것을 특징으로 하는 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미량오염물질은, 다이옥신 또는 수은, 카드뮴, 비소 등의 중금속인 것을 특징으로 하는 연소설비 배출가스의 미량오염물질 저감방법.
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