펄스 코로나 방전 공정에서 NOx 제거 효율 및 미립자 성장 분석

박 정 환, 김 동 주, 김 교 선

강원대학교 공과대학 화학공학과

Analysis an NOx Removal Efficiencies and Particle Growth

in Pulsed Corona Discharge Process

Jung-Hwan Park, Dong-Joo Kim and Kyo-Seon Kim

Department of Chemical Engineering, Kangwon National University

Chuncheon, Kangwon-Do, Korea

서론

펄스 코로나 공정을 이용한 탈질 공법은 대기압 조건에서 플라즈마 방전 화학반응을 일으켜 석탄 화력발전소, 자동차, 제철소, 소각로, 제지공장 등에서 다량으로 배출되는 배연가스에 포함된 SO2 및 NOX를 제거하는 기술이다.  최근 환경오염문제가 세계적인 관심사로 대두됨에 따라 오염물 저감에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 특히 NOx는 SO2와 함께 대기오염 및 산성비의 주된 원인으로 작용하고 있어 배출허용기준이 점점 더 강화되고 있다.  따라서 경제성 및 에너지 효율성을 고려한 오염물 제거장치 개발 및 설치가 요구되며 현재 NOx 제거에 사용되고 있는 공정들에는 주로 공기와 연료의 최적 혼합비를 이용하여 연소시키는 방법, 습식 공정인 알칼리 흡수법, 선택적 촉매 환원법과 선택적 비촉매 환원법 등이 있다.  기존의 NOx 제거 공정들은 제거 효율이 높은 반면 설비의 소형화가 어렵고 처리 과정에서 2차 오염물질이 발생하는 단점을 가지고 있어 최근에는 탈질 및 탈황 공정으로서 경제적이고 고효율적인 저온 플라즈마를 이용하는 연구가 활발히 진행되고 있다[1-8].

코로나 방전 공정은 저압 플라즈마를 이용한 전기적 방전 공정에 속하며 전기 집진기에 이미 사용되어온 방법으로서 코로나 방전에 대한 기술이 많이 축적된 상태이며 다른 전기방전 기술에 비해 대기 유해 가스 처리에 먼저 적용되고 있어 현재 탈질 공정으로 활발한 연구가 진행되고 있다.  코로나 방전 공정은 1) 기존의 공정과는 달리 건식 공정으로서 폐수처리와 같은 2차 처리 공정이 필요가 없고 2) NOx 제거에 사용될 경우 유안/초안비료와 같은 부산물이 생성되며 3) 설치면적 및 초기 투자비용이 적어 기존 산업설비에 연결설치가 용이하다는 장점을 가지고 있어 실용성이 클 것으로 기대되고 있다.  또한 탈질 이외에도 휘발성 유기물(VOC), 악취, 다이옥신, 프레온 등의 여러 유해가스의 처리 및 하나의 시스템에서 동시에 처리할 수도 있다는 장점이 있다[1-12].

본 연구에서는 펄스 코로나 방전 공정 시 공정 변수 변화에 따른 NOX제거 효율과 반응기내 플라즈마 화학반응, 입자 생성 및 성장을 고려하여 펄스 코로나 방전에 의해 NOX를 입자상 물질로 제거하기 위한 연구를 이론적/실험적으로 수행하였다.

실험 방법 및 내용

펄스 코로나 방전 반응기에서 탈질 연구를 위해서 사용한 실험장치의 개략도는 Fig. 2와 같다.  실험장치는 반응물의 주입 및 제어부, 반응기, 전력공급 및 제어부 그리고 반응 부산물 측정부로 이루어져 있다. NOX제거 실험 시 수분의 영향을 고려하기 위해 일정량의 수분을 bubbler를 사용하여 O2가스에 포화시켜 반응기 내로 공급하였다.  O2가스에 포화된 수분이 반응기내로 공급되기 전에 응축하는 것을 방지하기 위해 heating tape를 사용하여 가스의 온도를 일정하게 유지시켰다.  반응기로 공급되는 NH3가 반응기내로 공급되기 전에 NO와 반응하는 것을 방지하기 위해서 NH3 공급선을 NO공급선과 분리하였다.  반응기로 공급되는 각각의 가스 유량은 MFC(Mass Flow Controller, 미국, Tyran, model FC-280S)를 사용하여 조절하였다.

NO 제거를 위해 본 연구에서 사용한 펄스 코로나 방전 반응기는 Fig 3에서와 같이 cylinder-wire형으로써 실린더 내경은 5□이고 길이는 38□이며, 반응기의 재질은 Pyrex이다.  펄스 코로나 발생 전극은 반응기 중간에 설치된 stainless wire (직경 0.5□)이며, 접지극은 반응기 내벽에 stainless sieve로 설치하였다.  접지전극은 1□인 원통이며 길이는 30□이다.

Fig. 2. Schematic diagram of experimental set up.

반응기내에 코로나를 발생시키기 위해 고전압 발생기를 사용하였다.  실험 동안에 코로나 발생 전극에 공급되는 전압의 크기와 주파수는 오실로스코프(Tektronix TDS 220)를 사용하여 측정하였다.  코로나 방전 후 NOX의 농도를 측정하기 위해 반응기 배출구에 Electro-Chemical Gas Analyzer(Digitron,

GreenLine MKⅡ)을 설치하여 측정하였다.  펄스 코로나 방전 반응기내에서 생

성된 입자 상 물질은 배출구에 연결된 분석기 입구에 고효율의 필터를 설치하여

완전히 제거하였다.  반응기 내에서 생성된 입자상 물질의 양적 변화와 분포상의

변화는 입자상 물질을 백필터나 전기집진기 등을 사용하여 제거, 혹은 회수할 경

우 효율성을 극대화하기 위해서는 입자들의 크기 분포에 대한 정보가 필요하다.

반응기 내에서 생성된 입자들의 크기 분포를 측정하기 위해 반응기 배출구에

EAA(Electrical Aerosol size Analyzer, 미국 TSI사, model 3030)를 설치하였다.

일반적으로 화학적 반응으로 생성되는 에어로졸을 측정할 경우 측정대상의 에어

로졸의 수 농도가 측정장비의 측정범위를 벗어나게 되어 심한 측정오차를 발생

시키는 원인이 되므로 본 연구에서는 희석장치를 사용하여 문제점을 극복하였다.희석장치에 공급되는 공기량은 MFC를 사용하여 조절하였다.

Fig. 3. The schematic of pulsed corona discharge reactor.

결과 및 고찰

펄스 코로나 방전 공정에서 공정변수 변화에 따른 NO 제거율을 알아보기 위해서 체류시간, 공급 전압, frequency, 수분의 농도, 가스 조성, 방전극의 두께등을 변화시켰다.

Fig. 4. NO removal efficiencies for various gas compositions as a function of residence time([NO]0=200ppm, H2O=1% frequency=200Hz, input voltage=50kv).

Fig. 5. NO removal efficiencies for various initial NO concentrations as a function of input voltage(residence time=5.3s frequency=200Hz).

Fig. 4에서는 반응기로 공급되는 가스의 조성을 변화시켰을 때의 NO 제거율을 알아보았다.  O2와 수분은 반응기내에서의 플라즈마 화학에 의해 O, O3, OH, HO2와 같은 산화성 라디칼들을 생성하게 된다.  이렇게 생성된 강한 활성을 가진 라디칼들은 다른 라디칼이나 분자들과 반응하게 된다.  O2와 수분을 NO+N2혼합가스에 첨가함에 따라, 초기에 공급된 NO의 제거율이 증가하였다.

Fig. 5에서는 초기에 공급하는 NO의 농도변화에 따른 NO의 제거율을알아보았다.  NO는 반응기내에서 Fig. 2에서의 반응 경로 (2)와 (3) 및 (5)에 의해 소모되게되며, 반응경로 (1)에 의해서 생성되기도 한다.  초기에 공급되는 NO의 농도가 감소할수록 반응기내에서의 NO 소모속도가 생성속도보다 빨라 반응기로 공급된 NO의 제거율은 증가하게 된다.

결론

펄스 코로나 반응기를 이용하여 공정 변수 변화에 따른 NO제거 특성을 실험적으로 분석하였다.  공정 변수의 영향을 알아보기 위해 초기 NO 공급농도, 공급 전압, pulse frequency, 수분의 농도, NH3 첨가 등을 변화시켰다.

초기에 공급된 NO의 농도가 감소함에 따라, NO의 제거율은 증가하였고 NO+N2혼합가스에 O2와 수분을 첨가함에 따라, 초기에 공급된 NO의 제거율은 증가하였다.

참고문헌

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