1.
서 론급속한 산업화가 진행됨에 따라 대기가 오염되고 대기 오염으로 인한 환경파괴가 급속도로 진행되고 있다. 이 로 인해 세계적으로 환경규제를 크게 강화하고 대기오염 물질을 저감시키는데 그 초점을 맞추도록 하고 있다.
Wet Scrubber는 물을 함유하는 세정액에 배기가스를 접촉시키기 위한 장치로서 배기가스 중의 미립자, 수 용성물질, 물로 분해하는 물질 등을 제거한다. 이런 원
리를 이용한 장치는 세정식 집진장치(Wet Scrubber)와 흡습탑(Packed Tower Scrubber)이며 산성 가스를 배출 하는 사업장에서 많이 사용하고 있다.
일반적으로 이 장치에는 용수나 용수에 가성소다 (NaOH)를 함유한 수용액을 사용하고 있다. 이와 같은 Wet Scrubber는 연속운전 되는 환경에서 배출하는 폐액 이 감소되도록 세정액을 순환시켜 사용하는 일도 많다. 세정액을 순환시키는 Wet Scrubber에서는 세정액과의 반응생성물이 시스템 내에 축적하는 것을 방지하면서 연
***한국교통대학교 안전공학과 박사과정 (Department of Safety Engineering, Korea National University of Transportation)
***고용노동부 산재예방보상정책국 산업안전과 전문위원 (Ministry of Employment and Labor)
***한국교통대학교 안전공학과 교수 (Department of Safety Engineering, Korea National University of Transportation)
https://doi.org/10.14346/JKOSOS.2020.35.6.85 http://www.kosos.or.kr/jkosos
리스크 완화를 위한 Wet Scrubber 세정수 pH의 효율적 관리
주동연*⋅서재민**⋅김명철*⋅백종배***†
Efficient Management of the pH of the Wet Scrubber Washing Water for Risk Mitigation
Dong-Yeon Joo*⋅Jae Min Seoe**⋅Myung-Chul Kim*⋅Jong-Bae Baek***†
†Corresponding Author Jong-Bae Baek Tel : +82-43-841-5337 E-mail : [email protected] Received : September 14, 2020 Revised : November 1, 2020 Accepted : December 21, 2020
Abstract : Wet Scrubber reacts the incoming pollutant gas with cleaning water (water + absorbent) to absorb pollutants and release the clean air to the atmosphere. Wet scrubbers and packed tower scrubbers using this principle are widely used in businesses that emit acid gases. In particular, in the etching process using hydrochloric acid (HCl), alkaline washing water (NaOH) having a pH of about 8 to 11 is used to absorb a large amount of acid gas. However, These salts are attached to the injection nozzle (nozzle), filling material (packing), and the demister (Demister), causing air pollution, human damage, and inoperability due to clogging and acid gas discharge.
Therefore, In this study, an improvement plan was proposed to manage the washing water with pH 3~4 acidic washing water. The test method takes samples from the Wet Scrubber flue measurement laboratory twice a month for 1 year. Hydrogen chloride (HCl) concentration (ppm) was measured, and nozzle clogging and scale conditions were measured, compared, and analyzed through a differential pressure gauge and a pressure gauge. As a result of the check, it was visually confirmed that the scale was reduced to 50% or less in the spray nozzle, filler, and demister. In addition, the emission limit of hydrogen chloride in accordance with the Enforcement Regulation of the Air Quality Conservation Act [Annex 8] met 3 ppm or less. Therefore, even if the washing water is operated in an acidic pH range of 3 to 4, it is expected to reduce air pollution and human damage due to clogging of internal parts, and it is expected to reduce maintenance costs such as regular cleaning or replacement of parts.
Key Words : wet scrubber, HCl, ppm, NaOH, pH, washing water, acid gas, scale Copyright@2020 by The Korean Society
of Safety All right reserved.
속운전을 가능하게 하기 위하여 알칼리 세정액에 일정량 의 물을 공급하면서 같은 양의 물을 배출하는 것으로 알 려져 있다.
그러나 세정액 중에 불용물 (Scale)이 축적하는 경우 가 많이 발생한다. 그리고 불용물(수산화철, 탄산칼슘, 플루오르화 칼슘, 염류등)은 기액접촉부, 세정액의 순환 펌프, 배관 등에 부착하여 폐색 등의 트러블을 일으킬 수 있다. 특히 세정액의 공급 수에 배기가스 중의 유해 성분과 반응하여 불용성화합물을 생성하는 이온이 함 유된 경우에 공정 막힘이 발생한다. 예를 들어 세정액 이 중성 또는 알칼리성인 경우에 공급 수에 철 이온이 함유되어 있으면 불용성의 수산화철이 생성되는 경우 가 있다. 또한 세정액의 공급 수에 칼슘이온이 함유된 경우에는 배기가스 중에 불소가스(F2)나 이산화탄소 (CO2)가 함유되어 있을 때에는 세정액 중에 불용성의 플루오르화칼슘 및 탄산칼슘이 생성되는 경우가 있다. 이와 같은 불용성의 생성물이 생기는 시스템은 트러 블 생기고 생산 공정의 환기가 되지 않아 공정을 멈춰 야하는 등 작업자 안전 보건 문제 발생 및 생산 손실이 발생한다. 이런 방지를 위하여 정기적인 세정이나 부 품의 일부 교환이 필요하다. 이 작업에서는 산/알칼리 에 작업자가 노출되는 안전 보건 문제와 부품교환 비 용이 발생하는 등의 문제로 이에 대한 보완이나 대체 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다1).
이 연구에서는 기존 Wet Scrubber를 이용하면서 사업 장에 맞는 세정수의 효율적 관리방법을 위해서 세정수 를 pH 8∼11알칼리(NaOH)세정수로 관리 할 때 발생되 는 Scale형성물질을 제어하는 pH 3∼4산성 세정수로 관 리하는 방안을 제시하고 적용하여 특성을 확인하였다.
2.
연구 방법과 범위pH 8∼11알칼리(NaOH)세정수로 관리 할 때 발생되 는 Scale 형성물질을 제어하는 pH 3∼4 산성 세정수로 관리하는 방안을 제시하고자 하였다.
이를 위해 염산(HCl)을 이용한 에칭공정의 Scrubber 를 사용하는 사업장의 600 ㎥/min 습식세정기에 대해 세정수 pH 변화에 따른 스케일 형성 억제효과를 비교 분석(모니터링)하였다.
실험방법은 Fig. 1과 같이 나타내었으며 설비에 부착 된 pH sensor 및 pH meter를 이용 pH를 3∼4까지 변화 를 주면서 측정하였다. 2회/월 1년간 Wet Scrubber 연 도측정 공에서 샘플을 채취하여 (대기환경보전법 39조 및 시행규칙 52조 규정시료검사) 싸이오시안산제이수 은, 자외선/가시선분광법으로 염화수소(HCl) 농도(ppm)
Fig. 1. Procedures for study.
측정(대기환경 시행규칙[별표8])비교하였고, 노즐 막힘, Scale 상태를 차압계, 압력계를 통해 확인하였다.
3.
선행연구 분석이 연구와 관련된 총 12건의 선행연구를 조사하였고 결과는 다음과 같다. 교타니다카시는 습식배기가스처 리장치내의 Scale 생성방지 방법을 제시하여 물을 함유 하는 세정액에 배기가스를 접촉시키고 세정액이 Scale 생성의 원인이 되는 이온과 반응 하여 수용성의 킬레 이트 화합물을 생성하는 1종 이상의 킬레이트제를 사 용하는 특허를 내었다1). Kill, S., H. Nygaard, and J.E.
Johnsson 가스상 물질을 제거하기 위한 부분의 스크러 버는 처리가스의 체류시간이 길고 세정액과의 접촉율 이 큰 습식 세정탑(Packing Tower) 형태를 많이 사용하 고 있다2). 유경훈 등은 철망을 다중겹층으로 제작한 데 미스터를 충진제로 활용하여 이 충진제에 세정액을 분 사시켜 유해가스와 액적의 접촉시간을 증가시키고자 하였다3). 정광륜 등은 싸이클론과 습식 세정탑을 조합 하여 대용량의 가스 및 입자상의 물질을 처리 할 수 있 는 장치를 개발하였다4). 손복남 등은 고압 분무막과 개
별 엘리미네이터(eliminator), 패킹재(packing)를 사용하 여 굴뚝에서 백연이 생기지 않으면서 동시에 산성 가 스를 처리하는 스크러버 시스템을 개발하였다5). 그리 고 김종호 등, 이명화 등과 Jaworek et al., 은 스크러버 에서 정전분무방식을 이용하여 가스상 물질뿐만 아니 라 미세 입자의 집진능력을 향상시키고자 하였다6-8). 고승우 등은 충진 층식 스크러버의 샤워 분사 시스템 에 수치해석을 통해서 액적의 크기, 분포 및 진행 방향 에 따른 집진 효율을 살펴보았다9). 강경훈 등은 산성 가스 처리장치는 밀폐 형성되어 내부에 산성가스가 공 급되며, 고압으로 물을 분사하여 상기 산성가스를 용 해하는 과정을 거쳐 수용액에 산을 농축하여 재활용하 는 방법을 개발하였다10). 남현주는 처리 효율상의 한계 를 보완하고자 Water Tank의 용액론 해석을 통해 불용 물의 생성, 막힘 현상의 원인분석과 방지방안을 제시 하였으며 pH가 높을수록 불용물의 생성이 많아진다는 것을 제시하였다11). 양호동등은 국소배기장치 중의 하 나인 후드의 흡입성능을 개선하고자 가스유도장치라 고 명칭한 새로운 장치를 제시하여 가스유도장치의 성 능평가 최적 형상을 도출하기 위해 다양한 조건에서 수치해석과 실험을 수행한 후 결과를 제시하였다12). 이 들 선행연구들의 대부분은 산성 가스를 제거하기 위해 알칼리 세정수를 사용하고 있다. 또한, 분사노즐, 충진 재, 데미스터(Demister) 막힘으로 인한 문제를 해결하 기 위해 설비의 변경 및 약품을 사용하여 제시하였다.
이 연구에서는 선행연구와 다르게 산성 가스가 발생 하는 에칭공정에서 사용하는 Wet Scrubber의 세정수관 리를 통하여 막힘 문제를 개선하였다.
4.
실험장치 4.1. 실험대상 설비의 개요염산(HCl)을 이용한 에칭공정의 Wet Scrubber를 사 용하는 600 ㎥/min 습식 세정기에 대해 세정수 pH 변 화에 따른 Scale 형성 억제 효과를 비교분석(모니터링) 하였다. Wet Scrubber는 Fig. 2와 같이 본체, 산성 가스 공급라인, 세정수 순환펌프, 송풍기, 약품 공급장치 및 전동밸브, 용수 공급 유량계, 차압계, pH meter, pH 전 극으로 구성되어있다.
4.2. 실험대상 설비의 부분별 기능 및 특징
실험대상 설비의 주요기능 및 특징을 살펴보면, 데 미스터(Demister)는 내부 세정수가 공탑 속도로 인해 비산되는 것을 방지하며 압력손실이 상대적으로 적은 Wire-mesh Type으로 설치되어 있다. 또한, 배관으로
Fig. 2. Wet Scrubber equipment and flow chart.
이송한 세정수를 Packing에 고르게 분사시키는 노즐 기/
액 접촉면적을 증가시켜 효율을 증대시키는 Packing 재 로 구성되어있다. 그리고 Packing하부의 세정수를 배관 을 통하여 상부와 전면부로 펌프를 이용하여 이동시킨다. 이 Wet Scrubber의 pH sensor 값에 따른 pH meter제어를 통해 pH를 일정하게 유지하도록 가성소다 투입량을 제어 한다. 또한 Low Differential Pressure Gauge를 통해 P-1, P-2, P-3차압계의 Scale 생성에 따른 압력손실을 확인한다.
이에 대한 기능 및 특징은 다음과 같다.
1) Demister
기, 액 접촉과정에서 처리된 가스는 비산 된 액적을 동반하며 배출된다. 방출 가스의 재오염을 방지하기
Fig. 3. Typical impingement separators (a) Jet impactor. (b) Wave plate. (c) Staggered channels. (d) Vane-type mist extractor. (e) Peerless line separator. (f) Strong separator. (g) Karbate line separator. (h) Type Ehorizontal separator. (i) PL separator. (j) Wire-mesh demister.
위해 액적 동반을 최소 95%로 제어해야 한다. 이를 위 해 Fig. 3과 같이 여러 가지 형태의 관성분리장치로 기 액 분리를 하여 순환수의 비산을 막을 수 있다.
2) 압력손실의 측정
Wet Scrubber의 산성 가스 유입구(P-1), 팬 입구(P-2), 배기 굴뚝 (P-3)의 압력변화를 상시 확인하여 충진물과 데미스터의 막힘 여부를 Fig. 4의 차압계를 통하여 알 수 있다.
Fig. 4. Low differential pressure gauge.
4.3. 실험대상 설비의 부분별 측정방법 1) 압력손실의 측정방법
산성 가스 유입구(P-1), 팬 입구(P-2), 배기 굴뚝 (P-3) 의 압력변화를 상시 확인하고 1년 동안의 변화량을 확 인 하였다.
2) 약품공급 및 pH 조절 방법
Wet Scrubber 노즐에 공급하는 세정수를 일정한 pH 로 하기위해 가성소다의 공급량을 제어하도록 제어반 에 부착된 pH meter(천세산업 Mestar-H), pH전극(천세 산업 복합전극 GS-5)을 활용 기존방법으로 제어했을
Fig. 5. NaOH Control method.
때 가성소다 공급량 변동으로 pH 3∼10까지 변화량이 커 제어하는데 어려움이 있었고, 전동밸브 전, 후단 밸 브로 가성소다 유량을 컨트롤 하였을 때 배관 및 밸브 내 결정 형성으로 막힘이 발생 되었다.
pH를 3∼4로 일정하게 제어하기 위해 전동밸브 전, 후단 밸브 유량제어에서 Fig. 5와 같이 공급 장치로 정 량공급 하는 방법으로 개선하였다. 이 공급 장치는 대 상 업체가 30년간 정량약품공급으로 사용하여온 것으 로 소량 약품공급에 신뢰성이 큰 장치이다.
3) 순환수의 공급 및 제어 방법
공급하는 순환수는 일정한 압력으로 샤워할 수 있도 록 되어 있으며 Scale로 인한 배관 및 노즐 막힘 발생 시 압력 변화를 확인할 수 있게 Fig. 6과 같이 압력계 (STICO 0∼4 ㎏/㎠)를 펌프 토출 배관에 설치하여 월별 평균 1년 동안 변화량을 관찰 기록하여 비교하였다.
Fig. 6. Pressure gauge-STICO 0~4 kg/cm2
4) 보급수 제어 및 보급수량 공급 방법
NaCl의 포화를 제어하기 위해 Fig. 7과 같이 KOMETER
Fig. 7. KOMETER glass tube area flow meter (P-1006256-15 10 L/min).
사의 P-1006256-15 10 L/min 유리관 면적 유량계를 사 용하였으며, 공정에서 버려지는 재생수를 재활용하여 공급 수량을 6 L/min으로 일정하게 공급하였다.
4.4. 가스분석방법 1) 대기오염공정시험기준
이 시험기준(싸이오시안산제이수은 자외선/가시선분 광법(Hydrogen Chloride in Flue Gas-Mercury Thiocyanate UV/VIS Spectrometry)은 연소 및 화학반응 등에 따라 굴뚝 등으로 배출되는 배출가스 중의 염화수소를 분석 하는 방법에 대하여 규정한다13).
싸이오시안산제이수은 자외선/가시선분광법은 배출 가스에 포함된 가스상의 염화수소를 흡수액을 이용하 여 채집한 후 Fig. 8-9와 같이 자외선/가시선분광법으 로 농도를 산정한다. 이 시험 방법은 이산화황, 기타 할로겐화물, 시안화물 및 황화합물의 영향이 무시되는 경우에 적합하며 2개의 연속된 흡수병에 흡수액 (0.1 mol/L의 수산화소듐 용액)을 각각 50 mL 담은 뒤 40 L
Fig. 8. Ultraviolet/visible ray spectroscopy analysis device.
Fig. 9. UV/Vis Spectrophotometer(Optizen pop) Specifications.
정도의 시료를 채취한다. 다음, 싸이오시안산제이수은 용액과 황산철(Ⅱ)암모늄 용액을 가하여 발색시켜, 파장 460 nm에서 흡광도를 측정한다. 정량범위는 시료기체 를 통과시킨 흡수액을 250 mL로 묽히고 분석용 시료 용액으로 하는 경우 0.4 ppm∼80 ppm이며, 방법검출한 계는 0.13 ppm이다.
2) 연도 측정 공에서의 가스측정과정
설비에 부착된 pH sensor및 pH meter를 이용 세정수 pH를 3∼4 범위 내로 관리하여 2회/월 12개월간 Wet Scrubber 연도측정 공에서 샘플을 채취하여 Fig. 10과 같이 염화수소(HCl) 농도(ppm)를 측정하였고 pH 8∼12 알칼리 세정수 관리하였을 때와 비교 하였다.
Fig. 10. Gas analysis method of flue.
5.
실험결과 5.1. Scale 형성에 따른 압력변화Wet Scrubber의 충진물, 데미스터, 샤워노즐의 막힘 으로 인한 압력 손실값을 P-1, P-2, P-3 차압계를 통해 2014년∼2018년 까지 월별 1년간 측정하여 Fig. 11∼14 압력변화량을 나타내어 실제 Scale로 인한 막힘 현상으 로 정비하였을 때와 비교하였으며 산성 세정수 관리이 후 막힘으로 인한 압력변동이 없음을 확인하였다.
1) P-1 압력변화량 분석
Wet Scrubber의 산성 가스 유입 덕트 내 압력을 측정 한 값으로 2014년∼2017년까지 알칼리 세정수 관리시
Fig. 11. P-1 low differential pressure monthly average change.
데미스터, 충진물 막힘 발생으로 내부 청소 및 부품교 체 정비하였을 때와 산성 세정수 관리 하였을때를 비 교한 그래프를 Fig. 11과 같이 나타냈다. 알칼리 세정 수 관리하였을 때 내부충진물, 데미스터 막힘에 의한 압력 저하가 발생되었고 산성 세정수 관리 이후 변화 가 없음을 확인하였다.
2) P-2 압력변화량 분석
FAN 유입구의 압력변화를 2014년∼2018년까지 측 정한 결과이며 막힘 발생시 압력변동과 비교하여 Fig.
11와 같이 나타냈다. 알칼리 세정수 관리시 충진물, 데 미스터 막힘으로 인해 압력이 상승되는 것을 알 수 있 었으며 2018년 산성 세정수 관리 이후 압력변화가 없 음을 확인하였다.
Fig. 12. P-2 low differential pressure monthly average change.
3) P-3 압력변화량 분석
연도로 나가는 압력변화를 2014년∼2018년까지 측 정하였으며 본체내부 충진물, 데미스터 막힘으로 압력 이 하강하는 것을 Fig. 13과 같이 보여주고 있다. 2014 년도문제발생 시와 2018년 산성세정수로 관리 후 압력 변화가 없음을 확인 하였다.
Fig. 13. P-3 low differential pressure monthly average change.
4) PUMP 토출 압력 변화 분석
PUMP 토출배관의 압력변화를 2014년∼2018년까지 측정 하였으며 노즐의 막힘, 순환 배관의 막힘으로 압 력이 상승되는 것을 Fig. 14와 같이 나타냈으며 4년간 알칼리 세정수 관리할 때와 비교하여 분석한 결과 2018년 산성 세정수 관리하였을 때 압력변동이 없음을 확인하였다.
Fig. 14. Pump pressure monthly average change.
5) Scale 및 부유물 관찰 결과
1년 동안 관찰한 결과 Fig. 15와 같이 2014년∼2017 년까지 기존 알칼리 세정수로 관리시 충진물, 데미스 터, 관찰창 내부에 Scale이 많이 형성되어 있음을 알 수 있고 산성 세정수로 관리 하였을 때 샤워노즐, 충진 물, 관찰창, 세정수 저장 조 내부에 Scale 및 부유물 등 이 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 나머지 3 대의 스크러버와 비교했을 때 산성 세정수를 관리하고 있는 대상설비의 Scale 및 부유물이 육안확인 결과 많 은 양이 감소되었음을 확인하였다.
Fig. 15. Internal body scale and float observation comparison for 1 year.
5.2. 염화수소 처리특성 비교
대기오염공정시험기준에 의하여 Wet Scrubber 연도 측정 공에서 2회/월 1년간 대기환경측정을 진행하였고 월평균 염화수소 농도를 분석하여 Fig. 16과 같이 나타 내었다.
2014년도 충진물, 데미스터의 막힘으로 인한 염화수 소의 농도 변화로 내부 충진물교체, 데미스터교체, 샤 워노즐 교체하는 계획정비가 이루어졌던 해의 DATA 로 정상운전일 때와 차이점을 보여주고 있다.
2014년∼2017년도 이 실험 설비의 과거 DATA이며 알칼리 세정수(pH 8∼11)로 관리하였을 때와 2018년도 산성 세정수(pH 3∼4)로 관리하였을 때를 비교한 결과 염화수소의 배출허용기준치 이상 검출되지 않음을 알 수 있다. 대기환경보전법 시행규칙[별표8]에 따른 염화 수소(HCl)의 배출허용기준은 3 ppm이하이며, 실험결과 pH 3∼4 모두 염화수소(HCl)농도가 1.5 ppm미만으로 나와 pH값을 산성으로 관리하여도 염화수소가 기준치 이상 검출되지 않음을 확인하였다.
6.
결 론세정수를 pH 8∼11 알칼리(NaOH)세정수로 관리 할 때 발생되는 Scale 형성물질을 제어하는 pH 3∼4 산성 세정수로 관리하는 방안을 제시하고자 하였다. 이를 위해 1년 동안 월평균 염화수소농도를 측정하여 과거 4년 동안의 DATA를 비교하였다.
Wet Scrubber의 분사 노즐, 충진재, 데미스터에 Scale 형성을 관찰하기 위해 실험한 차압계의 압력변화를 비 교분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.
첫째, 확인결과 분사노즐, 충진재, 데미스터에 Scale 이 현저히 저하 되었다. 1년 동안 관찰한 결과 기존 알칼리 세정수로 관리하고 있는 나머지 3대의 스크러 버와 비교했을 때 산성 세정수를 관리하고 있는 대상 설비의 Scale 및 부유물이 과거 4년 동안 알칼리 세정 수로 관리했을 때 보다 많은 양이 감소하였고 압력 변 화가 없음을 확인했다.
둘째, 실험결과 pH 3∼4 모두 염화수소(HCl) 농도가 1.5 ppm 미만으로 나와 pH 값을 산성으로 관리하여도 염화수소가 대기환경보전법 시행규칙[별표 8]에 따른
배출 허용기준(3 ppm 이하)을 충족하는 것을 확인했다.
세정수의 효과적인 관리를 통해 근로자의 안전 보 건, 설비, 생산품질 등을 관리하는 효과를 기대한다.
다만, 이 연구는 염산(HCl)을 이용한 금속표면처리 공정을 대상으로 한 것이므로 혼합가스를 배출 하는 다양한 공정의 추가적 연구가 필요하다고 판단된다.
감사의 글 : 이 연구는 한국교통대학교의 지원을 받 아 수행하였음.
※ 주저자의 석사학위 논문인 “리스크 저감을 위한 Wet Scrubber 세정수 pH의 효율적 관리”(한국교통대학 교, 2020)의 일부 내용을 보완하여 작성하였음.
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