Dry Sorbent Injection에 의한 배가스 처리를 위한 흡착제 개발

강 승완, 이 영수, 김 희택, 류 경옥, 함 성원*, 이 용국*

한양대학교 화학공학과

포항제철 기술연구소 환경·에너지연구팀*

Development of Adsorbent for Emission Control of Flue Gas

by Dry Sorbent Injection

Seung-Wan Kang, Young-Soo Lee, Hee-Taik Kim, Kyong-Ok Yoo,

Sung-Won Ham* and Yong-Kook Lee*

Dept. of Chem. Eng., Hanyang University, Seoul, 133-791, Korea

Environment & Energy Research Team, Technical Research Lab., POSCO*

1. 서론

전 세계적으로 지구의 환경보전 및 오염규제가 강화되고 있고 우리 나라에

서도 소각로 및 연소로의 열원을 청정 에너지원으로 대체하고 있고 기존의    소각로, 연소로에 추가적인 배연탈황장치(Flue Gas Desulfurization)가 요구    되어지고 있다.

본 연구에서는 SO2를 포함한 Acid Gas의 처리를 위한 배연탈황장치(FGD)    중 하나인 Dry Sorbent Injection (DSI) 공정에서 중요한 변수인 금속산화    물 흡착제의 종류, 반응온도 및 SO2의 농도에 따른 흡착제의 탈황거동을 살    펴보았다.

2. 이론

FGD 공정중의 하나인 Dry Sorbent Injection(DSI) 공정은 습식 FGD에 비

해 SO2 제거효율이 낮은 단점은 있지만 기존 설비에 쉽게 적용할 수 있으    며, 반응생성물이 고체이기 때문에 생성물 처리가 용이하며 설치면적을 별    도로 요구하지 않기 때문에 가격이 저렴하다는 장점을 가지고 있다.

DSI 공정은 흡착제를 투입하는 위치에 따라 FDSI(Furnace Dry Sorbent      Injection)과 PFDSI(Post-Furnace Dry Sorbent Injection)로 나누어지며      FDSI는 흡착제를 연소로나 소각로에 직접 투입하여 반응을 시키는 방법이    며 PFDSI는 flue gas가 배출되는 duct와 같은 furnace 이후의 부분에 흡착    제를 투입하는 방법이다. 투입된 흡착제는 SO2와 반응하여 고체생성물을 생    성하고 이 생성물은 공정의 끝부분에 있는 전기집진기(ElectroStatic Precipi    -tator)나 bag filter에서 제거되어진다.

DSI 공정에 의한 SO2 제거는 여러 변수들에 의해 영향을 받으며  중요한     순서부터 나열하면 다음과 같다.

흡착제의 종류와 형태 > 흡착제의 투입량 > 투입지점의 온도 > 온도-시간    관계 > 소성된 흡착제의 표면적 > 흡착제의 입경 > 초기 SO2 농도

현재 가장 널리 사용되어지고 있는 흡착제는 Ca-based material이다. 이 흡    착제가 furnace에 투입되면 다음과 같은 반응이 이루어진다.

CaCO3 → CaO + CO2

Ca(OH)2 → CaO + H2O

탈탄산반응과 탈수반응 후 생성된 CaO가 SO2와 다음과 같이 황화반응을 일    으킨다.

CaO + SO2 + ½O2 → CaSO4

위 반응후에 생성된 생성물은 CaO보다 molar volume이 커서 CaO의 기공    을 막아버리는 현상이 발생하여 투입된 흡착제의 SO2 제거능력을 저하시킨    다. 그러므로 Ca-based material이외의 저렴하고 탈황능력이 뛰어난 다른     흡착제의 개발이 필요하다고 보고되어지고 있다.

따라서 본 연구에서는 흡착제의 종류, 반응온도, SO2 농도들의 변화에 따른    흡착제의 탈황능력을 비교해보고자 한다.

3. 실험

3.1 시료

Ca-based material은 현재 광양제철소에서 배연탈황장치에 사용되는 시료를    사용하였으며 다른 금속산화물은 실험실에서 제조하여 사용하였다.

황화반응 실험 후 흡착제의 전화율을 계산하기 위해서 광양시료(Ca-based)    는 precalcination을 시킨 후 황화반응을 수행하였다.

3.2 황화반응

금속 산화물 흡착제의 황화반응은 TGA(Shimadzu TA-50)를 이용하여 수행    하였으며 실험조건은 다음의 표에 나타내었다.

변수	조건
흡착제	광양시료(Ca-based), ZnO, TiO2, Fe2O3, CuO
반응온도	250 ∼ 1,050 ℃
SO2 농도	500, 1000, 3000 ppm
흡착제의 양	4 □
SO2 유속	20 □/min

3.3 흡착제의 특성분석

흡착제를 다음과 같은 분석법을 이용하여 특성을 분석하였다.

① 비표면적, 기공크기, 기공부피 등을 측정하기 위하여 BET 분석

② 고체 반응물과 생성물의 확인과 결정상태를 측정하기 위하여 XRD 분석

③ 온도변화에 따른 흡착제의 열적 거동을 측정하기 위하여 TG/DTA 분석

④ 반응전·후의 흡착제 표면형상변화와 흡착제내의 원소함량을 측정하기

위하여 SEM/EDS 분석

4. 결과 및 토론

Table 1은 각 금속산화물들이 SO2 와 반응을 시작하는 온도를 보인 것이다.    CaO 와 CuO 가 다소 낮은 온도부터 반응을 시작하는 것을 알수 있다.

Fig. 1은 Ca-based material인 광양시료를 900℃에서 precalcination 시킨 후    SO2 농도 3,000ppm에서 250℃ ∼ 1,050℃ 온도범위에서 황화반응을 시킨 결    과를 반응시간에 따른 전화율로 도시한 결과이다. SO2의 농도를 고정시킨     후 온도를 변화시키면서 흡착제의 SO2 와의 반응수행능력을 확인하여        본 결과 온도가 증가함에 따라 흡착제의 전화율이 증가함을 알수 있었고      450℃이하의 온도에서는 전화율이 10%미만임을 알 수 있었다.

여기서 전환율은 다음의 수식을 이용하여 구하였다.

[eqn: rmX(t)= {W(t) - W_CaO} over {W_CaSO_4 - W_CaO} × 100]

Fig.2.는 고정된 온도에서 SO2 농도변화가 흡착제전화율에 미치는 영향을     나타낸 것으로 모든 온도에서 농도가 높을수록 흡착제의 전화율이 증가하는    것을 확인할 수 있었다.

Fig.3.은 금속산화물 흡착제의 황화반응시 Weight Gain을 알아보았다.

Table 1. Reaction Start Temperature of Sorbents

Sorbent	Reaction Start Temperature
CaO	250℃
ZnO	390℃
Fe2O3	500℃
TiO2	370℃
CuO	280℃

5. 참고문헌

1. 이 영수, 박 도현, 김 희택, 류 경옥: 한국화학공학회지, 32(4), 572 (1994)

2. 이 영수, 박 도현, 김 희택, 류 경옥: KJChE, 12(1), 22 (1995)

3. Young-Soo Lee, Hee-Taik Kim, and Kyong-Ok Yoo : Ind. Eng.            Chem. Res., 34(4), 1181 ∼ 1188 (1995)

4. Toshinori Kojima, Kentaro Take, Daizo Kunii and TakehikoFurusawa:

J. of Chem. Eng. of Japan, 18(5), 432 ∼ 438 (1985)