직접접촉식 응축기를 통한 가압순산소 연소 배가스 내 SOXI NOx 동시저감 연구

Clcan Tcchno l., Vo l. 25 , No.3 , Scptcmbcr 2019 , pp.245-255

정점에너지기술

직접접촉식 응축기를 통한 가압순산소 연소 배가스 내 SOXI NOx ^{동시저감 연구}

최솔비^l2， 목진성^l， 양 원， 류창국²， ^{초|석천1.*}

l한국생산가술연구우l

31056 충넘 천안시 서꼭-쿠입상떤양대기로간89 :성균관디]한피

16419

‘경 기 도 수원시 장안구 서 부로

2066

(2019년7 윌31일 집수; 2019년 8월26일수정견-접수; 2019년8월28일채¹객〉

Simultaneous Removal of SOx and NOx in Flue Gas of Oxy-fuel Combustion by Di rect Contact Condenser

Solbi Choi

'치

Chinsung Mock' , Won Yang •’ Changkook Ryu"

’ and Seuk-Cheon Choi l.*

J

Korea 1 nstitute of 1 nÙllstria l Technology

89 , ^Y. 'lllgdaegiro-gil , 1pjang-myeon , Seobuk-gu , Cheonan-si Chun

잉

cheongnam-ùo

，

31056 , Repubic oC Korea 2 Sungkyunkwan Cniversity

2066 , Seobu-ro , Jangan-gu , Suwon-si , Gyeonggi-do , 16419 , Republic of Korea

(R

^，

α:erγζd for review JuJy 31 , 2019; Revision receiv

^，

α1 August 26 , 2019 ; Accepted August 28 , 2019)

요 약

가 악순산소 연소는 발선 풍정의 온싣기 스 포집 기술의 하나묘사， C02의 압축 산 단계에 FGC(Fluε

gas

condensor)플 통해 배 가스 내 수분의 집 언윤 ^호1^수하여 효율올 늪익 수 있디 또한 ^FGC는 가스의 용해 R블 이용하여

SO ,

및 ^NO、블 옹시 ⁰

1]

효파작 으로 제꺼한수 있는장점이 있나. 이 연구에서든FGC의 벙식 증 히나로서 직접 접촉식 응축기룹 고안히이

80

_‘<및 NO，의 저 감율을 평가-하였다‘ 득히 기스기-붙어 직전 ^{통꾀-，말} 때 용해를 통한 저감효율을 측정하기 위해 단독기-스와혼합가-스보 ^분긴l 하여 상업셰서

10

har까지의 업-려조건-음변수보싣힘플 진행하있디→ 단독가스선힘갇파

^NO

、는성압에서 저갑윷이 약^20%，

10 b ill'

악혁조건에서 약 76%묘 크게 증가하였디. 또한 S02는 높은 용해노표 산량이 용해하여 초/'1 저깎율에 큰 차이 가 나lõl­

내지 않았

^P

←니， 입 럭이 증가힐수록 최고 지감옵이 유시되는 시간이 증가하았디 통시지감 섣힘 섣과 상입이서 NO，의

^;<-1

감 율은13%이나， 압력이 상송한수룩헨리법직에 의한용해도중기에 따라 20 bar에서 56%로중까히였내. S02논초기에 다량 용해된 후 다시 배출 농노기 증기 하는 폭이 상암에서는

1 , 219 ppm , 20

bill'에 서는

165

ppm으묘 깎소하였다-결콘적으묘

NOx

빚

SO

‘

^{9_부 압력이 늪이-침수록 서감윷이} 증가하있으나， 단독가스 섣힘과 벼쿄하면

^;<-1

감용이 감소함을 화인하있디 이는 혼힘 가스 투입으로 인해 밴옹기 내부에 채운 물의 산성핵-가 빠프게 이루어 졌기 때분이내，

주제어

.

이산화황， 질소산호}불， 배시스 웅꽉시， 순산소연소， 오염물질

Abstract : Prcssurizcd oxy -fucl comhustion is a promising tcchnology for CO2 capturc with a bcncfit of improving powcr plant enïciency compared with a(mospheric oxy- I' uel combuslion. Prior (0 CO 2 compression in (his process , a llue gas condenser (FG C) ís used to remove H20 while

rεcovering

the latent heat. At the s따nε time , the fGC has a pott:ntial for

high-efficiεncy

rcmoval of SOx and NO , hy cxploiting thcir good solubility in watc r. In this study , cxpcrimcnts wcrc carricd out in a lab-scalc , direc( conlac( FGC under di Il erenl pressures varying be(ween 1 and 20 bar (0 evalua(e lhe removal e f1i ciency 0 l' S02 and

NO、

lòr índivídual gases and their mixture

_‘

1n the tests for indívidual gases , 20% and 76% of NO , 、

vas removεd

at 1 bar and 10 bar , respectively

_‘

Even higher removal eftìcienc.ies were achieved tÒT S02 , and also these were maintained tòr longer as the pressure increased. ln the tests for S02 and NO

‘ ^mixture , the removal efficiency ofNO

‘ increased from 13% at 1 bar to 56% at 20 bar

예

T

‘’ ^whO

^lTI

^{cor n: spo}

^l1

^{den ce sh} ‘’ uld he addressed.

E-maìl: chsch30@kìtcch.rc.kr; 1 ‘Cl: +82-41-589-8639; lax: -82-41-589-8323 doi

^‘

10.7464iksct.20l9.25J.245 plSSN 1598-9712 elSSN 2288-0690

TI1is is an Opcn-Acccss arliclc dislriblllcd undcr lhc lcrrns orlhc Crcalivc Commons AUribulion Non-Commcrcial I.iccnsc (hUp:νCTcalivcco1l1 mOns .

0T잉

liccnccs!

by-n c/ 3.0) which pcrmils

1111T

cslriclcd non-commcrcialusc , diSlribll(ion , and rcprodllclion in any mcdi 1l1l1, providcd lhc original 씨 ork is propcrly c Ìl cd

245

246

칙슬터1 목진성

·

영: 원 류장국

·

칙석천

bccausc ofhighcr solubility at clcvatcd prcssurcs. S02 in thc mixturc was

initi띠ly

dissolvcd almost complctcly and thcn

incrca~‘cd

by 1,219 ppm a1 1 bar and by 165 ppm a1 20 bar. Overall, the removal e lTi ciency ors02 and ^{NO、 、‘ as} increased a1 elevated pressures , but it was 10\、 εr in thε mixture compared Voi"Ìt h individual gases at identical conditions bεcause of a lowεr pH and associatcd chcmical rcactions in watcr

Keywo여s

: S02, NOx , Fluc gas condcnscr, Oxyfucl

combu찌on，

Po l1 utant

1 서론

최근 온선기스 배출 증기에 따른 기후변화기 근 환경적 문지l ;，c 대두되고 있어 화석연남를 시용하는 반진 및 산염용 연스 선비에서 고효율화 빛 바이오매스 등 재생에너지원의 활용이 요구된다 기존 대형 연소심내에서 온실기스를 직접 저감할 수 있는 기숨적인 대안은 온실기스 으돈짐 저싱r(C02

capture and storage,

CCS) 이다 온실가스 포집가숨은 CO，의 포집 방식에 따리 연소 선 포집， 연소 후 포집， 순산소 연소 등[ 1-3] 이 았으 y-， 공정 특생상 높은 설비 비용 몇 효율 하럭 이 수반된디 r

41

이 중 순산소 연소 기슬은 공시로부터 분랴 되 선소를 재순환된 배가스과 흔합하여 선화지l 로 사용하븐 기슬이마 이들 통해 배가스 내 질소 유입이 최소화하띤사 배 기스 응촉기 (11

ue gas conden‘ or,

FGC)를 이용하여 수분을 응 축/분리하여 최 종 배기스 내

CO,

순도를 높인 후 작점 압축·

액화함으로써 수송과 저장이 용이하다 [5] 그러나 공기분랴 장치 (air

separation

unit)를 통한 산소 생산 과정의 동력 손실 이 매우 크고， 배가스 재순환과

CO,

압축 등에도 추가직인 동력이 소모된대 따라서 정서]생과 효율 측면에서 벨선 등- 대 행 설비에만 척용이 가능하며， 기슬 개발을 통한1 에너지 효율 의 최대화가 요구된다

가압순산소 연소(prcssurizcd

oxyfucl combustion)

기슬은 진지1 공정을 가압 조건에서 문진하는 것 P 로서 기존의 상압 순산f 연!r:어] 비해

1)

FGC 에서 배기스 내 수분의 산인 회수 를 최대화힘으파써 에너지 효율 향싱난6].

2)

수분 응촉 피정에 서 수용 성안 No.~와 SO、의 통사저1 거가 가능 [7] ，

3)

기압을 동 란 배가스의 부피 감소를 통해 연소문 맺 후지 21 설비의 크기 외 설치 비 용 서감， 4)

CO,

입축 공정의 동력 소모 감소 등의 장점이 았대 특히， FGC 이1 서 NO‘외 SOx의 동시제거 방식은 벨도의 열원이나 촉매， 암모니이의 공급이 필요하지 않으며，

기존의 연소 공정에서 선택척촉매만 g 기 (sclcctivc

catalytic

reaιtor， SCR)와 탈황장치 (tlue

gas desulfurizer , FGD)

능을 설 지하여 각각 재거하는 진통적얀 빙식에 비해 공정의 단순화 기 기능하다 [8] 이파 얀해 암R 니아 승립 (slip) ， SO‘파 인한 측매 고1 목 등 운전싱의 문제심을 차닌할 수 았다 멘면， NOλ 외 SO"의 높은 제거효율을 딜성히기 위해

FGC

내 반응 특성 응 이해하고， 이에 기호하여 열교환기 설계와 운전을 최적회 하는 것이 펀요히다

FGC는 냉각저1 인 불과 배가스의 정측 여부에 따라 직접 접 족식 (dîrect

c011tact condenser)

또는 간접 접측식 응축기

(indircct contad

condcnscr)로 구분된마 FGC에시 매가스 매 수분이 열]고행1 기 표변에 응축하거나， 냉각제와 직접 접측하

거1 되 변 용해도가 높은 NO，로 진훤되 NO 으1 일부와 SO，가 힘깨 용해되어 재거함 수 았나 이매 기암 죠건은 N02^파의 진환을괴 물에 대한 용해도를 증기시켜

50

2

, NO,

저감율음 높인 수 있다

일멘적으표 화석연료 반전소에서 배출하는

NO,

증

90%

이 성이 NO 이며 1 굴뚝에서 보출펀 NO는 산소와 결합하여

NO,

문 전환되시만 다소 느린 반응속도를 가진다 일빈적으문

NO

는 블에 녹지 않는 생질음 가지고 었어 상양조전에서 운전히 는 스크려버 등으로 지간시킬 수 없다 따려서 가압을 통해 NO를 N02로 전환시켜 블로 지감하는 과정이 펄요하마 이 때 주요 반 응은 마음파 같마 [9]

NO + (112)0 , • NO ,

NO, +

S。그 +H그0

•• NO + H, S04 2NO, + 11, 0 -’ IIN02 + 1 lN0 , 3HN02

^'(---)0

HN03 + 2NO + H20

SO, + H, O • _{H 2SO} ,

(1 ) (2) (3)

(4) (5)

반응

(

1)은

NO,

진환 반응으노 저암에서 반응속도기 느균1 지만 고앙에서는 반응속도기 증기한다[9] 반응 (2)는

N0

2

,

SO，의 용해 반응으로

NO

및 H，S04가 생성되며 매우 빠프가1 진행된다 빈응(3)과 (4) 에서는 산성 묻진인 HNOμ HNOρ1 생성관다 반응-(2) 빛 반응(4)에서 형성펀 NO는 빈옹(1 )이1 의 해 NO，호 재전환 권다 빈옹(5)는 S02 가 붙과 빈응히←는 과정 음 니타낸다 [10] 배가스는 불과 접측하여 상기 반응들과 김 이 복잡힌 과정을 끼치므로

NO‘

맞 S02 의 지감 메까니즘을 정량적으로 분식하시 어렵다

본 연구에서는 기포반응기 형식의 실험실 규R 직접접촉석 응축기를 제작하여， N02와 SO~릉 내부의 울에 통파시킨 후 저김 특성응 평기하였나 이 때 선험 인자피서 상암조건 및 기압조간에서 저감 특성 차이를 분석하고1 두 기스간의 화혁 빈응을 제한한 단일가스，

NO

빛 s。그를 포함란 혼합 가스를 투엽히여 동시저감 특성을 분석하였다

2

실험방법

2 •

실험장치

_Figure

1 은

NO‘

빛

SO‘

제가 시휘음 위해 구성한 실휘실 규모 정 지의 개략도로시 특수가스를 흔합 및 공급하는 공급 정치， 흔합가스의 온도틀 상승시기기 위한 히터정치， 열 ]고훤

직 접 접촉식 용축기툴 롱한 가압순산소 연소 배가스 내 SO서

NO,

동시저감 연구

247

Figure 1. Schematic diagram of a lab-scale bubble reactor

및 배가스 용해가 이루어지는 기포반응기， 반응기의 입력을 조절하는 압력 조절장치， 배기스 저감율을 측정하기 위한 분 석 장치로 구성된다.

직접집촉식 FGC를 모사하는 기포반웅기는 수직분류헝 반 응기

(vertical bubble

columns)으로서 배 가스가 하부로 공급되 어 다공판윤 통해 기포륜 형 성힌 뒤 상송하변서 냉각적 인 물 과 직접 접촉하는 방식이

다

반응기의 직경은 약

114 mm,

놈 이는

750

mm 이며， 가시창을 설치하여 기제 흐름 및 수위를 확인히였다.

NO, N02

및 S02 농도는 멀티 가스분석기인

Testo

350K들 이용하여 실시간으로 분석하여 저감율을 측정

하였다.

2.2

실럼방법

2 .2 .1 .

기초 용해도

배가스에 포함된 단독 가체 (C02，

N02, NO,

S02)의 물에

대

한 용해도를 측정하였다， 순산소 연소의 주요 가스인 CO2는 고압에서 용해도가 높이진다. 따라서 CO2의 압력에 따른 용해 도 및 화학변화가 발생한다. 화학 반응식은 다음과 같다

[ 11].

CO2 + H2 0 - H2C0 ³ (6)

CO

2

가 블과 반응하여 생성되는

H 2

C03는 산성도가 약

3.6

pKa이기 때문에 용해 이후 불의 pH가 변화한다 따라서 이러 한 산성도 상승은

NOx 맞

S02의 저감율에도 영향을 미친다-

본 기초 용해도 섣험 방법은 다음과 같은 전치-로 진행하였 다 첫째， 반응기에

5

L의 물을 채우고 해당 가스로 퍼지한다.

둘째， 질량 유량 제어가들 이용하여 유량을 토출하고 역압력 레굴레이터로 압력을 유지한다. 유량을 측정하기 위해 챔버 를 통과시 커지 않고 바이패스 라인으로 흘려 배줍시 킨다. 마 지막으로， 기제를 챔버로 통과하여 불과 접촉을 시작한다. 이 시점부터 약

30

min간 역압력 레굴레이터 후만에서 가스 분

---、^、

‘

^l _l

l l l l l l l l

Table 1.

Expe끼mental

conditi on ofsolubility in water Conditions

Amount of water T'emperature off1ue gas

Pressure Test duration

5L 150 "C 1 ~ 10bar

30 min

석윤 시작하고， 동시에 챔버에 설치된 pH센샤륜 통해 산성도 를 측정한다 섣험조건은

Tabl e

1과 갇다 반응기 내로 투입되 는 가스의 온도를

150

"C로 하여 연소공정 후 배출되는 실제 배가스와 유사한 온도(150 "C)를 유지히 였으며，NO 및 S02에 대한 실험에서는 산화 반응에 따른 농도 변화들 방지하기 위 하여 산소를 투입하지 않고 실힘을 진행하였다，

2 .2 .2 . N O x 및 SOx

저감

N Ox 및 SO,

저감 실험은

CO2 , O2 , NO

및

S02

등의 흔합가 스들 질량 유량계로 공급하고 흔합된 배가스는 프리히터들 통과하변서 가열된다 가열된 흔합가스를 버블 반응기에 통 과시 켜

SO‘,

NO

x

^{의 농도(Testo}

350K)

및 pH를 측정 하였다.

실시간으로 물의 산성도를 측정하기 위해 반응기 내부에

pH

측정기를 설치히 여 배가스가 용해되면서 변화하는 pH를 측 정하였다 배압 조절기로 후단에 압력을 유지시킨 후 여l열기 를 통해 가열된 배가스를 라인을 통해 투입한다 버블 반응기 내로 투과시켜 빈一웅기 내의 물에 배가스에 표함된

SO" NOx

등을 용해시켜 저감히였다.

직접 접촉식 응축기플 통한 저김율을 평가하기 위해 실제 순산소 연소로 발생하는 배가스와 유시-한 조성으로 구성한 가­

스를 투입하여 다음과 같은 실힘을 진행하였다. 순산소 조성 가스는

CO 2 (57.7%), O 2 (9.9%),

스팀 (32%)를 포함하며

， NO

및 S02의 농도는 각각

870 ppm, 2,200

ppm이 다[3]. 우선 각각 의

S0

^2, NO플 반응기에 투입하여 각 기스의 지김율을 확인하

248

최솔비

• 목진성 • 양 원 · 류죠댄 ·

최석천

Table 2. Composition

ofOxyfuε1

combustion Gas

CO

2

O

2

Water (gas) S02 NO

Composition rate [%]

57.7 9.9 32 .4 2200 (ppm)

870 (ppm)

Table 3. Experimental variable Pressure [bar]

1~20

Flow rate [lpm]

16

였고， 이후 동시저감을 측정하기 위한 실힘을 진행하였다. 이 는 가스간의 화학반응으로 인하여 발생하는 저감 특성의 차 이점과 반응 메커니즘을 확인하여 반응기내의

NO,

및 SOx의 저감 특성을 평가하기 위함이다.

2.2.3.

기체의 특징

CO2 , N02

및 S02는 물과 반응하여 산성도가 높은 반응물 이 생성되므로 물의 산성도를 상승시킨다.

Table

4는 각 가스 가 물에 해라되어 생성된 물질들의 산성도(pKa)를 표시하며，

pKa가 클수록 물의 산성도는 높아진다. pH는 다음과 같이

Henderson-Hasselbalch

방정식을 적용하여 계산할 수 있다[9].

pH二 pk(J

+

log([A 기 /

[HA]) (7)

N02는 물에 해리 되 어 강산성 인 HN03^{와 약산성} 안 HN02^로 전환된다. 반면에 S02는 약산성 인 H2^S03가 생성된다. 경우에 따라 S02가 산화하여 S03로 전환될 경우 물과 반응하여 대표 적인 강산성인 H2^S04가 생성된다.

동일한 온도에서 같은 양의 액체에 용해 될 수 있는 기체의 양은 기체의 부분압과 정비례한다. 특히 용해도가 낮은 기제 는 헨리법착에 적용되며， 다음과 같은 수식으로 표현된다.

c

l1.

=H ^7J xp

ca는 용질의 농도， p는 용액에 있는 기체의 분압， 그리고 Hφ 는 헨리의 상수로

SI

unit은

mol m-3

Pa-¹이다.

Sander

[13] 의

Atmospheric Chemistry and Physics

논문에 따르면

S02 , N02

_‘ NO의 헨리 상수 값은 다음

Table

5와 같다. 압력 이 상승함에

따라

S02,

N02가 해라되면 더 많은 양의 기체가 용해되어 각

각의 산성도는 상암보다 증가한다.

2.2 .4.분석 방법

저감효율 및 산성도의 변화를 나타내는 실험결과는

Figure

2 에 주어진 그래프와 같다. 흔합가스를 일정시간 유지한 후 반응기에 통과시키고， 동일 시점에 가스의 농도와 반응기 내 에 투엄한 물의 pH를 동시에 측정하여 그래프에 나타냈다.

Figure

2 에서 가스의 초기값을 측정하기 위해 가스를 물에

Table 4. Dissociation constant [12]

Chemical compounds pKa

H20 15.7

H2C03 3.6

H2S03 ^1. 9

H2S04 -3.0

HN02 3.29

HN03 -1. 3

Table 5. Henry ’ s law constant [13]

Substance Formula HCP

[m이

m-3 Pa-1]

S02

1. 3

^X

10-2 [14]

1. 2

^X

10-2 [15]

1. 4

X

10-4 [14]

N02 6.9

^X

10-

⁵

[16]

9.9

^X

w-

⁵

[17]

NO 1. 9

X

w-

⁵

[17]

CO2 3.3

^X

10-4 [18]

3 .4 x lO- 4 [19]

800

700 l i

600 -1- l { : \

/S없a따tu띠lU'a따뼈tepOl1l…1

500-rτ、

I

i l

^、

/ pH of water (bubbling reactor)

흠 400 ~ :I~ ‘---~ ---

p.,

I I

300 "

^I

μκ 、

COllcentratioll of gas 200 • " P oint of the gas passing through the water 100

} { ( {

ζ

U

4

3

o 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Time [5]

Figure 2. Example profiles ofwater pH and exit gas concentration in the

condensεr.

(8)

통과시카지 않고 약

5

min 간 유지하였다. 그 후 가스의 양이 급격히 감소하는 부분은 가스가 물을 통과하기 시작하는 시 점이며， 시간에 따른 pH의 변화를 통해 가스에 포함된

NO x

및 SOx가 용해되는지 정성적으로 예상할 수 있다.

3. 결과및고찰

3.1.

용해도 기초실험

3. l.l.

상압조건

본 실험에서는 산화반응에 따른 농도 변화를 방지하기 위 하여 산소를 투입하지 않고 상압조건에서 각 기체의 용해도 를 평가하였다. 단독 기체의 용해도를 분석하기 위해 상압，

상온 조건에서 분당

5

L의 각각의 기 제를(C02，

N02 , S02

및 NO)을

30

min간 버블 반응기 에 통과시켜 유량， 농도 및 pH를

직접접촉식 응축기를통한가입춘잔소 연소 배가스 내

SO" NO

x 동시자감 연구

249

흉 4좌;.;-­

용

3

o ι

--。

}

디

- - Cü ,

- - Air O

o 200 100 600

E어J

1000 1200 1100 1600 1E어〕

Time [sJ (a)

9

8 예

- - - -

^{; -- -}

^{- - - -- -- ---} 공:r\、

5 --co ^,

- - /\ir

4 o 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Time [sl (b) Figure 3. Profiles ofC02 solubility test at 1 bar: (a) flow rate (b) pH ofwater.

분적히-었다. CO2는 순산소 연소 배가스의 대부분(약 60%)을 차지하는 기제이기 때문에 농도 내신 반응기 후단에 적산 유 량계블 섣지히여 유량블 측정하였다.

상압에 서 CO2의 용해노 실 험 절과는

Figllrc

3 과 같다

Figure

3(a)끈 녁F응기 내부에 섞-입되는

C02

떳 공기의 시간에 띠븐 유-량의 변화량을 보여주든 그래프이마 실험결과 초기 유량은 약 51pm 이었으며， 불윤 통고l 후 즉시 유량이 김소하 였다. 이후 유량저감 폭이 침차 감소하연서

13 min

후 호기 유량괴 통일하거| 유지하였다. 이는 일정 시간 후 CO2^{의 용-해} 가 냄춘 짓을-의 \1]한다.pH 분석결꼬'}(F

igllre 3

(b))에서도 유사 힌 정향성음 보인다 블에 투압휩과 동시에

112C0 3

불질이 생 성하면서 산화가 진행되었고， 이후 용해도가 간소하띤서 산성 노의 감소꽉이 점치 감소하였다 이에 반해 공끼는 유량감소율 변동이 매우 미비하나 OH'의 싱l 성 o 로 물의 pH가 증가했다.

띠-마시 공기든 울에 대한 용해도가 없음을 의미한다

Figure

4얀 C02 의 용해도 및 저감효괴에 대한 실험결괴를

공기의 용해도선힘견괴와 비ji1_한 그래프든이다. CO

2

논 물에 용 해되어 반응키륜 통파 후 토륜되는 양이 전자 김소한 반면 공기는 죠기와 빈응이 문나는 시침까지 저감이내 용해가 이 루이지지 않았다.

Figure

5은 성 엽 애 서 S02의 농도 및 pH의 변회 령=을- 나타내 였다 산소블 제외하고 N2블 밸런스 가스로 히여 S02블 표함 하여 상온의 가스를 블에 통과시겼다→. 블에 통파한 후 즉시 용해되어

10%

저감됨을 확인하였디- 블과 반응하여 약산생 얀 H2^SO，로 잔훤되어 pH는 소-폭 김소하였으나， 약

35 min

이후 잔차

S02 7 ]'

용해되지 않고 토출됨에 따라

pH

변화량이

전 접 김「소하였다- 이륜 통해 다음파 견고l륜 얻었마- 첫째，

S02

는 싱압조건에서도 품에 대한 용해도가 높다. 풀쩌， ppm딘뛰 료 용해되기 때문에 CO2^가 pH이l 영향을 미치는 정우에 비해

영향이 tJ~우 작다. 셋째， S02는 약

35 min

이후 약

pH

4 가 되는 시적에서 s。그의 보쏟이 시작되며， 이푸 증가 폭이 상승 힌-디. 컬과적으로 이 라한 도출시적 및 도출 증가꽉을 늦추기 뷔한 운전 조건이 필요하며， 해결책으로 가양과 투압해주는 블의 온도를 낮추는 방법 등이 었다.

능일한 방법으로 NOι NO의 용해도 실형을 진행하였다 이 때 질소는 불파 반응하지 않기 때분에 약 60%의

초고순도

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Figure 4. Removal

efficienιy

and solubility ofC02 at 1 bar

,

진소름 표힘하여 각각의

N02 ,

NO욕 혼합하여 반응기에 부임 하였다

Figure

5(b)은 상암에서 NOz^{의 용해도 선험 견괴이마} 뭄에 반응하는 시점에서 N02^(약

600

ppm)가 용 해되어

HN02

빛

HN0 3

둥의 산성 화힘불을 생성하여

pH

값이 5까지 하강 한다. N02는 S02에 Iq 해 용-해도가 낮아 싱-압조건에는 약 25%민- 제 거 되 었다

Figure

6(c)은 싱 엽 에서 NO의 -용해도 실 휘 질과이다. NO는 불은 통과한 후 직 시 농도가 상승했지만，

이후 초기 농도블 유지하였다. 이는 NO 가 블에 용해되지 않 고 토출됨을 냐타댄디. 이때 블 투입 시점에사 잠시 농노사 상숭한 이유는 반응기 상얀어l 기체가 존재하기 때분에 흔합 하뉴 파정어l 사 발생한 분제로 예상한다

3.1.2.

가압￡건

성압실험과 통일한 조건에서 끽킥-의

CO2 , N02 ,

빛 S02 의 기체에

1 - 10

bar의 압력을 기하여 불의 의한 변화윷을 분석 히→였다 CO2의 싱입과 가입쏘건의 -용해도 실험결과륜 비교하 여

figure

6애 나타냈마.

Figure

6(a)는 압력 변화에 따른

CO 2

의 유량응 나라낸다. ^유랭;이 앙력 값인 51pm보냐 낮게 보품되 었으며， 압력이 높을수록 그 값이 더욱 낮았다‘

Figurc

6(b)는 pH 의 변화율올 비교한 것이다 압력이 높아질수록 CO2^의 용 해가 증가하여 이에 따븐 ^{산성도가 상승하였디→} 시간이 증가 함에 따마 ^l연회폭은 점점 김소하여 포화상태에 이르거l 되다­

븐

견고|륜 통해 인정 암련 이상에서 다량의

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목진성

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양 원

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251

직접접촉식 응축기들통한가압순산소 연소 매가스 내 SO、，

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통시시감 연구

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Figure 8. Solubility test ofS Ü:?_ at 1 , 5 and 10 bar: (a) removal efficiency (b) pll 100

O O

유노하여 지감율을 평가하였다 각각의

NO ‘

맞 SO，의 상호 화학반응을 방지하기 위해

150

"t로 가열되

CO, 12 Ipm, 0 , 2 Ipm, NO ‘

혹은

SO, 2

Ipm틀 버블 반응기에 투입하여 약

30

min간 배가스 저김율파 pH을 핸F율을 측정하였다

NO ‘

저감을- 선험견괴는

Figure

9와 감나

1, 5

및

10 bar

암럭죠건에 서 저감을고1

pH

변호}을-응 나EI 낸다 상암에서 약 37%의

N02

전흔댄「을 보여 NO、 저감율이 높지 않은 멘띤(Figure

9(a)) 5 bar

엽력조긴에서는

NO,

전환율이 약 85%균[ 증가하여 NOλ 저 감융이 64%문 증가하였대Figure

9(b)). 10

bar문 입 력 상승 한 칠과에서는 선환율이 95%에 도달했으며， 지까율은 상양조 건에 비해 약 76%로 증까하였디 (Figllrc

9(c))

또한1 pH 노 상압 조건에 비해

5

bar 에서

4.046, 10

bar 에시 3.826로 감소하였다

(F igure 9(b), (c))

양럭이 증가함에 띠파 반응석 (1 )과 같이

NO

에서 NO，노 전환이 증기하였으며 반응삭 (3) ， (4)에 의해

NO,

기 물에 용해되어

HN0

2 및 HN03를 생생하여 저김효융-이 증 가했다 또한 저감효융의 최고심이 유지되는 기간이 싱숭하였 태^Figure

9(d))

3.2.2.

S02 저감특성

SO, 2,200

ppm블 포함힌 시제를

NO"

지감 실험과 동일하 게 시간에 따븐 지간융과

pH

변화율음 측정하였다 s。그의 경 우 용해노가 높기 매문에 즉각적으로 블에 용해되어 상압파 가압조건에서 초기 저김율의 자이는 크지 양았다

응 시 내부에 투입힌 을 만으로 토출한1 걸과로 대부분 초기 에 CO，가 용해뇌어 저김。] 이우어갔고 이후에은 내부의 물이 포 화상태에 도달하여 용해도어1 자이가 크지 않았디

Figllre 6(d)

끈 양릭에 마븐 평균 저검율과 용해모를 설멍하였다

10 bar

암럭에서 약 20%의

C0271

물어1 용해되어 꺼국 반응기 내부 기스 비을 변화에 영향을 미치기1 된냐 뿐만 아니라 순산f 연소 시스템의 운전 싱매에도 영향을 미치게 되므로 묻어] 용 해펀 CO2를 재순환하기 위한 방안을 마렌해야 한다

Figure

7(a)는 NO，의 농도 서감융을 L내타낸 것이다 N02의

지까융은 블에 통과 ^{후 약 180초에서 가장} 높게 나타났으며，

이후 븐 변호듀투 없이 일정하거1 유지하였다 또한 상압과 비교 하여

10

bm 에서 약

250

ppm 의 NO，가 더 용해미었고 산성도 역시 상승하였P 나s 변호h율은 점점 증어들어

1,600

초어1 시 pH값이 약 4 기 되었다(Figure

7(b))

Figure

8(a)는

SO?

농도 저감율음 그래프파 나타냈 LCr.

SO,

는 높은 용 해도로 인해 묻어1 동과"1-는 즉시 모든 앙이 저감되 었으며， 그에 따라 pH도 급걱히 감소했다 싱압과 메교히여 입력이 증가함에 따라 더 많은 양의 SO，가 저감되이

10

bar에 서 약

pll

4가 되 었다(Figure

8(b))

3.2

직접접촉식 응축기를 동한

NOx

및 SOx저감

3.2.1

NOx저감특성

본 실회에서는 산소블 투입히여 가양조전에서

NO,

선환응

252

칙승터1. 목진성

• 양 원 • 류장국· 칙석천

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Figure 9. Pressure dependency removal

e에ciencyofNO、

(a) exit concentration and pl J at 1 bar (b) at 5 bar (c) at 10 bar (d) removal

e에clency.

Figure

10은

1 bar, 5 bar, 10 bar

압럭조건에 따은 SOo 의 저검율파 용해된 물의 pH를 나다낸마 SO，는 압럭과 관게없 이 높은 용해도로 연해 반응식 (5 )와 같이 H，SO，틀 생성하여 초기에 거의 되는 양이 용해된 후 특정 pH어1 드만 후 나시 상승하였다

먼저 싱압에서 s。그는 높은 용해도로 묻어| 다량 용해되어

14

ppm 끼시 감소한 후 시간에 따라 점차적으문 중가했다

(figure 10(a)). 5

bar 에서

57

ppm까지 용해되어 반응가 내의 pll가 3.7 에 도탈한 후 적차 증가했대(Figure

1 O(b)). 10

bar에 서는

42

ppm까지 감소 후 SO，가 디 시 토출되는 pH 까 3.5 에 도달하였디iFigure

10(c))

압력이 증가함에 미마 초기 용해도 의 자이은 크게 나니나지 양았지만불어] 용해되은 SO，의 양 이 증기하여

S0071

다시 토출되는 특정 pH기 4에서 3.5 피 하 락했으며， S02 의 증가폭이 감소하였다(Figure 1 이d))

3.2.3

동시저감특성

NO x

맺

50};

가스를 통시에 서)가힌 경우 단득 가스 실후1 애

"1 해 pll 가 급걱히 낮아지며， 두 기체긴의 상호 화학만응이 말생힌디 이를 분식하기에 위해 마음과 같이 실힘을 진행하 여 매가스 지감율을 평가하였디 실헌 방법은 이전 실험과 동 일하나

CO, 10

Ipmδ

0 , 2 Ipm,

NOχ

2 Ipm, SO, 2

Ipm을 넉F응

시에 투입하여 진행하였마

SO, (2.200

때111)과

NO (870 ppm)

의 흔합가스틀 상압과 가압(20

bar)

조건에서 저검율을 비교

하였다

Figure

11 은 혼합가스의 저검율파

pH

변호F율을 나나

낸나 상암 견파에서 NO，피 전환을이 높지 않기 때문에 NO、

저감융이 약 13% 로 싱대적으로 낮은 빈면 초기 SO，는 대부 분 용해되어 없야졌다 그라내 NO에 "1 해 SO~의 농도가높아 일정 시간 이후 토즙되이 1

,219

ppm끼시 상승히였다 반응기 블의 pll는 초기 용해된 sc 그로 인해 급격히게 간소하여

3.119

로 측정되였다 가양 결과에서는 NO

,

전환율이 97%로 증가 하여 NO‘의 지감율이 56%로 측정미였디 SO，는 초시에 모두 용해되 후 증가하였으나， 상입 조건파 달이 증가폭이 상대적 으로 낮아 약

165

ppm 까지 상승하였다 pH은 더 망은 양의 배기스 저감안노 상암파 비j]L하여 다소 낮 711 측정되었나 견 과적으로 배가스 동시저감의 정우 성압초간 결과에서 "1 교하 면

SO, 71

묻어| 완전히 용 해된 후 다시 토출되기 시작하는 지 점이 상입에서에 비해 가입싱태에서 지연되였다 또한 SO，가 상승히는 폭도 상대직으군 감소하였다 또한 흔합가스의

20

bar에서 NOx의 지감효율이 56%르 더 높은 압력음 가했음에 도 단득가스의

10

bar의 지까효율인 71%보다 낮았다 이는 흔합가스를 투입하여 반응 기 내에 채워진 블이

^H

르거1 포화 상태가 되어 용해가 더 이상 이부어지지 앙기 때문이마

직접접촉식 응축기들통한가압순산소 연소 매가스 내 so、， NO

x

통시시감 연구

253

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Figure 10. Prcssurc dcpcndcncy in rcmoval cfficicncy

ofS(가

(a) cxit conccntration and pH at 1 bar (b) at 5 bar (c) at 10 bar (d) rcmova[

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Figure 11. Simultaneo l1 s removal of SOx and NO ‘ (a) concentration and pl J at 1 bar (b) exit concentration and pJ J at 20 bar (c) removal

effìciencyat 1 bar (d) removal efficiency at 20 bar.