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학위논문 상세정보

병류식 건식반응기에서 소석회와 활성탄에 의한 산성가스 및 다이옥신 제거에 관한 연구 원문보기
(A) study on the removal of acid gases and dioxin with lime and activated carbon in parallel-flow dry absorber

  • 저자

    박준하

  • 학위수여기관

    창원대학교 대학원

  • 학위구분

    국내박사

  • 학과

    환경공학과

  • 지도교수

  • 발행년도

    2003

  • 총페이지

    xviii, 169p.

  • 키워드

    건식반응기 이산화황 염화수소 다이옥신 소각 소석회 활성탄반응제재순환;

  • 언어

    kor

  • 원문 URL

    http://www.riss.kr/link?id=T9168117&outLink=K  

  • 초록

    본 연구에서는 기존 소각 배가스 처리방법인 습식 및 반건식 처리방법에서 발생하는 미 반응제에 의한 과다한 폐기물 처리, 폐수의 발생, 장치의 부식 등의 문제점을 보완하고, 건식법의 최대 단점인 낮은 제거효율을 개선하여 새로운 건식 방지시설 시스템을 개발 하고자 하였다. 본 연구를 수행하기 위하여 실험실 규모의 건식 반응장치를 이용하여 소석회와 활성탄이 산성가스 제거효율에 미치는 다양한 인자를 실험적으로 고찰하고, Pilot plant 규모의 건식 반응기에서 산성가스 및 다이옥신(PCDDs/PCDFs) 제거특성에 영향을 주는 인자에 대하여 실증적으로 검증하여, 기존 기술과의 오염물질 제거특성 및 경제성 평가를 실시하였다. 본 연구에 대한 연구방법과 주요 결과는 다음과 같다. 1. 건식반응기를 이용한 SO_2 및 HCl 제거특성 소각로에서 배출되는 산성가스중 대표적인 SO_2 및 HCl 제거하기 위하여 실험실 규모의 건식반응 장치를 이용하여 반응기 공급유량, 반응시간, 산성가스 농도, 온도 및 활성탄 혼합 비율 등을 변화시켜 실험적으로 고찰하였다. 본 실험의 경우 산성가스를 효과적으로 제거하기 위해서는 반응기내 공급유량 30ℓ/min, SO_2 200ppm 또는 HCl 600ppm, 190℃ 및 활성탄 혼합비율을 약 5%로 하는 것이 가장 높은 제거효율을 보였다. 각 실험인자에 의한 산성가스 제거율에 대하여 좀 더 자세히 살펴보면, 화학양론비가 3까지 증가할수록 산성가스 제거율이 향상되나, 그 증가폭은 다소 감소하였다. 주입되는 산성가스의 농도가 증가할수록 제거율이 향상되는 양상을 나타내었고, 이는 흡수제와의 접촉빈도가 고농도일수록 증대되기 때문인 것으로 나타났다. 또한, 반응기내 온도가 증가할수록 소석회에 의한 산성가스 제거효율이 증가하였으나, 활성탄의 경우 반응온도가 증가할수록 제거효율이 낮아짐을 알 수 있었으며, 산성가스 제거 및 다이옥신 등을 제거하기 위하여 소량의 활성탄 첨가가 필요할 것으로 나타났다. 실험실 규모 건식 반응장치의 실험인자 중에서 산성가스 제거효율에 가장 큰 영향을 주는 것은 화학양론비과 온도 등인 것으로 나타났다. 산성가스와 반응제의 반응속도론적 고찰을 한 결과 SO_2 50ppm에서 화학양론비 1~3에 따른 활성화 에너지는 10.238~14.707J/mol· K로 나타났으며, 농도 변화나 활성탄 주입에 따른 변화는 미미한 것으로 나타났으며, HCl과 소석회의 반응은 SO_2에 비하여 온도에 다소 민감한 반응으로 나타났다. 2. 건식반응기를 이용한 혼합 산성가스의 제거특성 산성가스 혼합에 따른 영향을 살펴보고자, 동일한 장치를 이용하여 산성가스 혼합비율 및 반응온도 등을 변화시키면서 실험적으로 고찰하였다. 또한, SEM 및 입도분석을 통하여 반응전후의 소석회 입경 및 비표면적을 관찰하였다. 각각 실험되어진 SO_2 및 HCl의 제거율을 비교하면, 두 산성가스 모두 화학양론비 증가에 따라 제거효율이 증가하였으며, HCl 보다 SO_2의 제거율이 높은 것으로 나타났다. 또한, 혼합 산성가스에 의한 제거율 특성을 살펴보기 위하여 HCl 300ppm 조건에서 SO_2 농도를 50~200ppm으로 변경시킨 결과, SO_2 농도에 따른 HCl의 제거효율 변화는 없었으나, HCl에 의하여 SO_2 제거효율은 약 10~15% 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 SO_2 반응에서 생성된 반응물질인 CaSO4는 소석회 표면에서 pore plugging 현상이 발생하여 반응을 저해하지만, HCl 존재시 소석회 입자와 HCl 반응에서 생성된 반응물질인 CaCl2의 표면에서, Cl- 이온의 확산현상에 의해 SO_2 제거효율이 증가하는 것으로 나타났다. 입도분석 결과, SO_2 200ppm에 대한 반응전· 후의 소석회 입자크기는 약 33% 정도 증가되어졌으며, 반응제의 비표면적은 22% 정도 감소하는 것으로 나타나, CaSO4 및 CaCl2와 같은 반응생성물에 의한 영향인 것으로 나타났다. 3. 건식반응기를 이용한 다이옥신 저감특성 실험실 규모의 건식 반응장치에서 얻어진 결과를 토대로 하여, 1일 처리량 70톤 규모의 연속식 산업폐기물 소각로 후단에 Pilot plant를 설치하였다. 실험에 이용되어진 반응가스는, 실제 소각로 배출가스 중 약 10%(50S㎥/min)를 유입시켜 화학양론비, 활성탄 혼합비, 반응제 재순환율 등을 변화시키면서, 폐열보일러 후단 및 백필터 후단에서의 PCDD/Fs 발생 및 제거에 대한 실험을 하였다. Pilot plant의 주요 실험 결과로서는 화학양론비 2에서 활성탄 주입량을 68㎎/N㎥~213㎎/N㎥로 증가시킨 경우, PCDD/Fs의 제거율이 증가되어졌으며, 재순환율을 100~300%을 각각 변화시킨 결과, 반응제 재순환율 증가에 따라 PCDD/Fs의 제거율도 증가함을 알 수 있었다. 또한, 반응제 재순환율을 300%로 하였을 경우 입구 농도가 14.105ng-TEQ/N㎥인 것을 0.184ng-TEQ/N㎥까지 제거되어져 반응제 재순환에 대한 효과가 높음을 알 수 있었다. 다이옥신류의 이성질체 발생 및 제거특성을 살펴보면 폐열보일러 후단에서 측정되어진 PCDD/Fs의 구성비가 1:9~2:8 정도였으며, 백필터 후단에서는 PCDFs의 발생비율이 다소 감소하는 것으로 나타났다. 4. 현장적용 및 경제성 평가 Pilot plant에서 실험되어진 다양한 최적의 운전 조건에서의 제거 특성을 살펴보았으며, 기존 기술과의 제거성능 및 결과를 이용하여 산성가스 및 다이옥신을 제거하기 위한 경제성 검토를 실시하여 본 기술의 장단점을 평가하였다. 건식 Pilot plant의 최적 운전조건인 화학양론비 SR 2, 반응제 재순환율 300%, 활성탄 주입량 약 200㎎/N㎥에서 장시간 연속 운전한 결과, 건식 반응기 전 단의 다이옥신 평균 유입농도는 101.5ng-TEQ/N㎥인 경우, 평균 배출농도는 0.05ng-TEQ/N㎥로서 99.95%의 높은 제거효율을 얻을 수 있었다. 폐열보일러 후단과 Pilot plant의 건식 반응기 입구의 다이옥신 측정결과 memory effect에 의하여 다이옥신 농도가 5~10배로 증가하였으며, 이에 따라 일반적으로 주입되는 활성탄 주입양 보다 많은 양을 주입하였으며, 유입되는 다이옥신의 농도가 101.5ng-TEQ/N㎥인 점을 감안한다면, 오히려 소량의 반응제로서도 제어가 가능하였음을 알 수 있었다. 반응제 재순환 장치가 장착된 본 건식 기술과 재순환 장치가 없는 건식기술 및 반건식 기술에 대한 다이옥신 및 대기오염물질 제거율을 비교한 결과, 우수한 것으로 나타났으며, 본 기술을 scale up하여 예측한 결과 경제성도 우수한 것으로 평가되어졌다.


    This study was carried out to develop new dry absorber system which can resolve the problems from wet or semi-dry reactor such as wastes due to un-reacted reactants, waste water and corrosion of equipment and improve the low removal efficiency of conventional dry absorber. Lime and activated carbon influenced on the removal efficiency of acid gases were tested using laboratory scale dry reactor to find out the optimum operating conditions. And these operating factors were tested how to affect the removal characteristics of acid gases and dioxin(PCDDs/PCDFs) in dry type pilot plant. And it was estimated the operating conditions and economic analysis with comparing the conventional wet or semi-dry reactor. 1. Removal efficiency of SO_2 and HCl in dry absorber The removal efficiency characteristics of SO_2 and HCl was tested in laboratory scale dry-reactor with changing the gas flow rate, reaction time, acid gases concentration, temperature, and activated carbon mixed ratio. In this study, the highest removal efficiency was at 30ℓ/min of gas flow, SO_2 200ppm, HCl 600ppm, 190℃, and 5% mixed ratio of activated carbon. The higher stoichiometric ratio was up to 3, the more removal efficiency was increased. But the increase rate was dropped a little. The removal efficiency was improved by increasing the acid gases concentration, which was caused by the frequent contact with reactants at the high concentration. In case of lime, acid gas removal efficiency was increased with the temperature, but activated carbon adsorption rate was decreased. It appeared that activated carbon was needed approximately 5% to remove acid gases and dioxin. In the laboratory scale dry reactor, it was observed that stoichiometric ratio and temperature were the key factors in removal efficiency of acid gases. In terms of reaction rate between acid gas and reactants, the activation energy was 10.238~14.707J/mol·K at the conditions of SO_2 50ppm and 1~3 of stoichiometric ratio. 2. Removal efficiency of mixed acid gases in dry absorber SO_2 and HCl mixed ratio and temperature were tested to study the influence of mixed acid gases. The particle diameter and specific surface area of lime which was raw and reacted were observed by SEM and particle size analysis. When acid gases were separately tested, removal efficiency of SO_2 was higher than that of HCl. The removal efficiency of SO_2 was slightly increased according to the presence of HCl while HCl removal efficiency was not affected by SO_2 addition. As the results of this experiment, it is considered that the formation of chemical product as CaSO4 lead to pore plugging in the absorption of SO_2 gas with lime, but the grains surface was dramatically changed when HCl and SO_2 were simultaneously absorbed. Large voids of grain have been formed in the coarse of simultaneous chlorination and sulphation. Therefore, the voids among aggregates possibly play a role of paths for the diffusion of HCl and SO_2 toward the interior of the lime. Temperature effect on SO_2 removal efficiency was slightly accelerated in the higher temperature. According to the test results, the particle size of reacted lime was about 33% larger than that of raw, and the specific surface area of reactants was reduced by 22%. 3. Removal efficiency of dioxin in dry absorber Based on laboratory scale test results, pilot plant was established industrial wastes incinerator of 70ton/24hr. The flue gases were induced 10%(50S㎥/min) from the incinerator. And then we tested the stoichiometric and reactants re-circulation, and activated carbon mixed ratio. PCDD/Fs concentration was measured at waste heat boiler and bag filter outlet. As results of pilot plant experiment, the removal efficiency of PCDD/Fs was increased, when the injection amount of activated carbon was increased from 68㎎/N㎥ to 213㎎/N㎥ and the reactants re-circulation ratio was increased in the range of 100~300% at the stoichiometric ratio of 2. Also, it was found that the reactants re-circulation ratio had considerable influence on the removal efficiency of dioxin to be reduced from 14.105 to 0.184ng-TEQ/N㎥. In the dioxin isomers profile, PCDDs : PCDFs ratio was 1:9~2:8 at the waste heat boiler outlet and the generation ratio of PCDFs was decreased so much at the bag filter outlet. 4. Optimum operations in dry absorber and economic analysis It was tested the removal efficiency of dioxin at the optimum conditions of pilot plant. And, these results were compared with removal efficiency of wet or semi-dry type system including the economic analysis. The dioxin removal efficiency was as much as 99.95% to be reduced from 101.5ng-TEQ/N㎥ to 0.05ng-TEQ/N㎥. And, the dioxin concentration was higher 5~10 times at the dry reactor inlet than at the waste heat boiler outlet. It is seemed to be "memory effect" at the flue gas duct. Because dry reactor inlet concentration was 101.5ng-TEQ/N㎥, activated carbon injection rate of 200㎎/N㎥ was not high. Consequently, new dry type system was much more effective for the removal of air pollutants and dioxin than conventional wet or semi-dry system, and estimated economical as results of scale up simulation.


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