배연탈황공정에서 Mg(OH)2 슬러리에 대한 SO2의 흡수

윤혜식, 조항대, 박영수*, 최병문*, 김인원**, 이형근,

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부,

*경기화학(주), **건국대학교 화학공학과

Absorption of SO2 into Mg(OH)2 slurry in FGD process

H. S. Yoon, H. D. Jo, Y. S. Park*, B. M. Choi*, I. W. Kim**, H. K. Lee

Korea Institute of Energy Research, *Kyunggi Chemicals,

**Chemical Engineering Department, Konkuk University,

서   론

Wetted-wall column(WWC)에서 기상물질전달속도에 관한 연구는 그 동안 광범위하게 진행되어 왔으며, Gilliland 등의 연구가 가장 알려져 있다.

Dudukovic 등은 기체/액체 물질전달에 대한 이론적 Schmidt number의 지수값인 0.5를 이용하는 것이 기체/고체 물질전달에 대한 이론적 값인 0.33이나 또는 Gilliland등에 의해 발견된 실험값인 0.44보다 상대오차 값이 감소됨을 보였다.

Kafesjian 등은 기상과 액상에서의 Reynolds number, ReG와 ReL 값에 의한 기상에서의 Sherwood number, ShG의 관계식을 구하였다.

산업적으로 이용되는 WWC의 운전영역은 일반적으로 Reynolds number가 매우 높은 난류조건에서 이루어지고 있으며, 최근에 Nielson 등은 pilot규모의 WWC를 이용하여 매우 높은 Reynolds number 영역에서 실험을 실시하였으며, 이러한 실험 데이터를 이용하여 ReG와 ReL, ScG에 대한 ShG 관계식을 구하였다.

본 연구에서는 습식 배연탈황에서 SO2와 Mg(OH)2의 반응시 일어나는 물질전달 및 화학적 반응특성을 고찰하기 위하여 당 연구소에 설치된 WWC에서 배가스와 슬러리의 유속변화에 따라 변화하는 물질전달 계수 등을 구하고자 하였다.

이론적 배경

1. 상관관계식

많은 물질전달 실험데이타를 상관하여 얻은 결과를 통해 Nielson 등(1998)은 식(1)과 같이 잘 알려진 관계식을 얻었다. 물질전달 데이터를 상관하는데 이용될 이 식은 이론적인 근거보다는 경험적인 관계식이라 할 수 있다.

[eqn: rm Sh ~=~ k_1 `Re_G^k2` Re_L^k3`S_c^k4 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(1)]

2. 물질수지식

기상과 액상에서 흡수된 성분에 대한 물질수지식으로부터 구한 식은 각각 식(2)와 (3)과 같다.

[eqn: Q_G over {pi d_i} ln ({C_{G,i n}} over C_G,out )~=~k_G a_C L~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(2)]

[eqn: Q_L over {pi d_i} ln LEFT ( {C_L,i - C_L,out} over{C_L,i - C_{L,i n}} RIGHT ) ~=~ k_L^0 `a_C`L~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(3)]

식(2)에서 계면에서의 면적과 관련된 불확실한 부분들은 kGac로 나타난 항으로 나타낼 수 있다. 수정된 기상물질전달계수, kGac는 WWC의 높이에 따라 측정된 값들을 도시하여 기울기로부터 계산할 수 있다. 또한 이렇게 구한 kGac, kLac 값과 실험데이타로부터 계산된 KG을 이용하여 식(4)로부터 mass transfer enhancement factor, □를 구할 수 있다.

[eqn: #&1 over {(K_C )_G~ rho_G } ~=~ 1 over {(k_C )_G rho_G } ~+~ 1 over {phi (k_L )^* HP}~~~~~~~~~~~~~~(4)]

실  험

본 실험에 사용된 실험장치를 [그림 1]에 나타내었으며, WWC는 내경 1.5cm, 높이 500cm로서 한 단의 높이가 100cm인 5개의 단으로 구성되어 있으며, 각 단 마다 기체와 액체시료 채취구를 설치하였다[1].

kGac 값을 구하기 위해 희석된 SO2(□ 2,000ppm)가스를 강알칼리 용액인 NaOH용액(pH : 11.6 - 13.2)에 흡수시키면서 반응 후 가스의 농도를 측정하였다. 또한 kLac 값을 구할 경우에는 공기를 증류수에 흡수시키면서 흡수된 산소의 농도를 용존산소측정기를 이용하여 측정하였다. 위 두 경우 모두 각 단마다 설치된 시료채취구를 이용하여 높이에 다른 농도변화를 측정하였다.

[Fig. 1] Schematic diagram of wetted-wall column system

또한 WWC에서 SO2와 반응제의 특성을 비교하기 위하여 SO2-Water, SO2- CaCO3, SO2-Mg(OH)2 system에서 각각의 물질전달 및 반응특성을 비교하였다.

결과 및 고찰

WWC에서 SO2-NaOH용액과 O2-Water계에서 구한 kG, kL 값을 포함한 Sherwood number를 correlation하여 구한 결과는 각각 식(5), (6)과 같다. 식(5)에서 ShG는 액체 Reynolds number, ReL의 영향을 받았으나, 식(6)에서 ShL는 기체 Reynolds number, ReG의 영향과는 무관함을 보였다.

□ ShG=0.004ReG0.704ReL0.555ScG0.5 (R2=0.95) ------------------(5)

□ ShL=0.097ReL0.804ScL0.5 (R2=0.93) ------------------------(6)

[그림 2]는 SO2-Water계에서 칼럼 높이에 따라  SO2제거효율, SO3이온농도, pH의 변화를 나타낸 것으로 SO2의 흡수반응이 진행됨에 따라 용액 내에 SO3농도가 증가하면서 pH가 저하되지만 SO2제거효율은 약 60%로 거의 일정함을 보여 주고 있다.

[그림 3]은 WWC의 5단에서 SO2가 Water, CaCO3, Mg(OH)2에 흡수될 경우에 용액 내의 SO3 이온농도 변화를 나타낸 것이다. 유량이 증가 함에 따라 이온 농도는 감소하는 경향을 보여 주고 있으며, 동일조건에서는 Mg(OH)2에 흡수된 SO3 이온농도가 가장 많았으며, 이는 Water, CaCO3에 비해서 반응성이 높음을 의미한다.

[Fig. ] 칼럼높이에 따른 SO2제거효율, SO3농도, pH의 변화

[그림 4]는 [그림 3]의 실험데이타로부터 KG를 구하고 식(5)와 (6)을 이용하여 kGac, kLac 값을 구한 후, 식(4)로부터 mass transfer enhancement factor, □를 구한 값을 각 슬러리 유량 변화에 따라 도시한 것이다. 슬러리의 유량이 0.3 L/min인 경우 □값은 Water, CaCO3, Mg(OH)2 각각의 경우 2 5, 12로서 Mg(OH)2의 경우가 가장 큰 값을 보여 준다.

[Fig. 4] 반응제의 종류에 따른 mass transfer enhancement factor의 변화

참고문헌

[Fig. 3] 반응제의 종류에 따른 SO3농도변화

1. Nielson, C. H., Henrik, S. K., and Dam-Johansen, K., "Mass transfer in wetted-wall columns: Correlations at high Reynolds numbers", Chem. Eng. Sci., 53, 3, 495-503(1998).