고층후 소결 조건에서 NO 및 SO2의 발생량 저감을 위한

첨가반응제재에 관한 연구

장석흥, 송호철, 박진원, 함승주, 최응수*

연세대학교 화학공학과 환경공학연구실

포항제철 선강기술연구소

A study on the additive material for reduce emission of NO and SO2 under condition high sintering

Seokheung Chang, Hocheol Song, Jinwon Park, Seungjoo Ham, Eungsoo Choi*

Environmental Eng. Lab., Dept. Chem. Eng., Yonsei University

Technical Research Lab., Pohang Iron & Steel Co., Ltd

서론

일반적인 소결 공장에서의 환경 문제는 대기 오염과 관련된 것이며 SO2, NO 그리고 dust가 그 주된 대상이다. 소결 공정에 대한 환경 문제의 특징은 배가스 풍량과 풍속이 막대하고 오염 물질의 농도는 낮으면서 배출 총량은 많다는 점이다. 현재 SO2와 NO의 배출 총량에 대한 규제에 대처하기 위해 활발히 연구 진행 중에 있다. 본 연구에서는 산소 분압과 고온 조건하에서 코크스에 첨가반응제재를 혼합하여 소결층 내 SO2, NO의 발생량 저감을 위한 소결 조건을 도출하고 연소 거동을 조사하였다.

실험방법

전기로(I.D. 70□, 150cm(h), tube furnace)를 이용해 코크스에 Urea와 NH4HCO3를 각각 10%, 20%, 30%, 40%, 50% 비율로 혼합해 1400℃에서 등온 연소반응을 실험하였다. 반응 온도에 도달한 후 일정 기간 반응 온도를 유지하면서 Air와 O2 Lean Air(O2 15%)를 2L/min 유량으로 주입했다. 가스분석기(Madur 40T Gas Analyzer)로 NO, SO2 가스의 농도를 2분 주기로 분석하였으며 이를 통해 NO, SO2의 전환율을 계산하였다. 균일한 coke 미분말시료를 Urea와 NH4HCO3에 각각 혼합시켜 4g씩을 채취, 직경 20mm 몰드에 장입한 후 200kgf/□로 가압하여 disk 형태의 pellet을 제조하였다.

실험결과

Air와 O2 Lean Air(O2 15%) 사용 시 NH4HCO3의 함량에 따른 NO의 누적 전환율을 Fig.1과 Fig.2에 각각 나타내었다. Air 사용 시와 비교해 Lean Air(O2 15%) 사용 시 전반적으로 NO에 대한 경향성이 없는 것으로 나타났다. 따라서 첨가반응제재로서 사용된 NH4HCO3는 NO에 대한 배출농도 발생 저감효과에 있어  반응성이 없는 것으로 판단된다.

Fig.3과 Fig.4는 Air과 O2 Lean Air(O2 15%) 사용 시 SO2의 누적 전환율을 나타낸 것이다. SO2에 대한 반응의 경향성이 뚜렷이 나타남을 실험 결과 알 수 있었다. 특히, NH4HCO3의 함량이 증가할수록 SO2의 배출농도가 현저히 감소하고 있는 것으로 나타났다. 또한 O2의 공급이 적은 Lean Air(O2 15%)에서도 같은 성향을 보임으로써 결과적으로 SO2에 대해서는 NH4HCO3가 흡착제로서 우수한 반응성을 보이고 있음을 알 수 있었다.

Fig.1 Effect of NH4HCO3 addtive on cumulative        Fig.2 Effect of NH4HCO3 addtive on cumulative

conversion of NO.(1400℃,Air)                         conversion of NO.(1400℃, O2 15）)

Fig.3 Effect of NH4HCO3 additive on cumulative       Fig.4 Effect of NH4HCO3 additive on cumulative

conversion of SO2.(1400℃,Air)                        conversion of SO2.(1400℃, O2 15）)

Air와 O2 Lean Air(O2 15%) 사용 시 Urea의 함량에 따른 NO와 SO2의 전환율에 대하여 Fig.5 와 Fig.6에 그리고 Fig.7과 Fig.8에 각각 나타내었다.

NO는 경향성 측면에서 볼 때 함량 변화에 따라 전환율에 있어 뚜렷한 변별력을 갖지 못한 반면에 SO2는 Urea의 함량 변화에 따라 즉, 함량이 증가할수록 SO2의 배출농도가 감소하고 있음을 실험 결과 알 수 있었다. 특히 Air와 O2 Lean Air(O2 15%)에서는 Urea의 함량이 비교적 많은 40）와 50%에서 SO2의 배출량이 현저히 감소하고 있음을 알 수 있었다. 따라서 Urea는 NO의 배출농도 저감에 대해서는 뚜렷한 경향성을 보이지 못한 반면에 SO2에 대해서는 배출농도 저감 효과가 있는 것으로 나타났다.

Fig.5 Effect of Urea additive on cumulative           Fig.6 Effect of Urea additive on cumulative

conversion of NO.(1400℃, Air)                        conversion of NO.(1400℃, O2 15）)

Fig.7 Effect of Urea additive on cumulative           Fig.8 Effect of Urea additive on cumulative

conversion of SO2.(1400℃, Air)                       conversion of SO2.(1400℃, O2 15）)

결론

고층 후 소결 조건인 1400℃ 이상의 온도 조건에서 NH4HCO3와 Urea의 반응첨가제재 실험을 비교하였을 때 함량에 따른 NO의 배출농도 저감 효과에 대해서는 두 첨가제 모두 경향성이 뚜렷하게 나타나지 않았으나 각각 SO2에 대해서는 함량이 증가할수록 배출농도 저감 효과가 있는 것으로 나타났다. 그리고 두 반응첨가제재를 비교하였을 때 NH4HCO3 보다는 Urea에서 SO2에 대한 배출농도 저감 효과가 더 우수하게 나타났다. 또한 Air와 Lean Air(O2 15%) 사용 시 NO는 전반적으로 배출량이 줄어든 반면 SO2에서는 함량에 따라 다소 감소함을 보였다. 따라서 공급되는 O2의 농도와 첨가제의 함유량에 의해 NO 및 SO2의 저감효과에 영향이 미치는 것을 알 수 있었다.

감사

본 과제는 포항제철 사외 위탁과제로 수행되고 있으며, 포항제철의 많은 지원에 감사를 드립니다.

참고문헌

1. P. Davini, "Investigation into the desulphurization properties of by-products of the manufacture of white mables of Northern Tuscany", Fuel, 79, pp. 1363-1369(2000).

2. Chin-Lu Mo, Cher-Son Teo, Ian Hamilton, John Morrison, "Admixing Hydrocarbons in Raw Mix to Reduce NOx Emission in Iron Ore sintering Process", ISIJ International, Vol. 37, NO. 4, pp. 350-357(1997).

3. M. T. Hepworth, R. Ben-Slimane, S. Zhong, "Thermodynamic Comparison of Several Sorbent Systems for Hot Coal-Derived Fuel-Gas Desulfurization", Energy & Fuels, 7, pp. 602-609(1993).