KR20230029803A - 액체 내로의 주입을 통한 가스 정화 방법 - Google Patents
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Abstract
흡수 또는 가스 흡수는, 가스 혼합물을 적절한 액체로 세척하거나 스크러빙하여 가스를 분리하기 위해 화학 산업에서 사용되는 유닛 작업이다.
가스 흡수는 일반적으로 수직 역류 컬럼에서 수행된다. 용매는 흡수장치의 상부에서 공급되고, 가스 혼합물은 하부로부터 공급된다. 본 출원인은 높은 수율과 고효율을 얻기 위한 공정을 개발하였다.
가스 흡수는 일반적으로 수직 역류 컬럼에서 수행된다. 용매는 흡수장치의 상부에서 공급되고, 가스 혼합물은 하부로부터 공급된다. 본 출원인은 높은 수율과 고효율을 얻기 위한 공정을 개발하였다.
Description
화학 공학, 흡수 타워(absorption towers) 및 배출 제어
흡수(absortion) 또는 가스 흡수(gas absorption)는, 가스 혼합물을 적절한 액체로 세척하거나 스크러빙(scrubbing)함으로써 가스들을 분리하기 위해 화학 산업에서 사용되는 유닛 작업이다. 가스 혼합물의 성분들 중 하나 이상이 액체에서 용해 또는 흡수되며, 이에 따라 상기 가스 혼합물로부터 제거될 수 있다. 일부 시스템에 있어서, 이러한 가스 성분은 액체 또는 용매와 함께 물리 용액(physical solution)을 형성하고, 다른 경우에 있어서, 상기 가스 성분은 액체와 화학적으로 반응한다. 이러한 스크러빙 작업의 목적은, 가스 정화, 예를 들어 배기 가스로부터의 공기 오염물질의 제거; 생성물 회수; 또는 다양한 목적을 위한 가스 용액의 생산일 수 있다. 가스 흡수는 일반적으로 수직 역류 컬럼(vertical countercurrent column)에서 수행된다. 용매는 흡수장치의 상부에서 공급되고, 가스 혼합물은 하부로부터 공급된다. 흡수된 물질은 용매에 의해 씻겨 나가며, 이 물질은 종종 후속 스트리핑(stripping) 또는 탈착 작업에서 회수된다. 상기 흡수장치는 충전탑(packed column), 플레이트 타워(plate tower) 또는 단순 분무 컬럼 또는 버블 컬럼(bubble column)일 수 있다. 가스 흡수 과정의 기초가 되는 기본적인 물리적 원리는 흡수된 가스의 용해도와 물질 전달 속도이다.
오염과 관련하여, 전력 산업 및 화학 산업의 주요 과제 중 하나는, 생성된 독성 가스 또는 환경에 유해한 가스를 대기 배출 전에 제거하는 것이다. 엄격한 환경 및 오염 물질 배출 제어 규정을 준수하기 위해, 연도 가스로부터의 전술한 오염 물질을 감소시키기 위한 비용 효율적이고 지속 가능한 기술이 오늘날 점점 더 중요해지고 있다.
연소 폐기물에서 나오는 연도 가스에는 미립자 물질, 중금속, 다이옥신, 이산화황 및 질소 산화물이 포함될 수 있다.
수용성 가스는 습식 및 건식 흡수에서 효과적으로 제거되지만, 건식 스크러버는 높은 제거 효율을 위해 과도한 화학 물질을 필요로 한다. 습식 스크러버는 일반적으로 폐수의 특수한 처리를 필요로 한다.
선택적 비촉매 환원(SNCR; Selective Non-Catalytic Reduction) 방법 및 선택적 촉매 환원(SCR) 방법이 질소 산화물(NOx)의 제거에 사용될 수 있다.
NOx 저감 기술
NOx는 질소 산화물(NO 및 NO2)을 가리키는 데 사용되는 일반적인 용어로서, 이러한 질소 산화물은 공기의 존재 하에서 탄화수소가 연소되는 동안 주로 생성된다. 공기 중의 질소 가스와 산소 가스는 매우 높은 열(2800℉ 초과)에 노출될 때 결합하여 질소 산화물을 형성한다. NOx 가스가 대기로 방출되면, NOx 가스는 자연의 수분에 용해되어 약한 질산 용액(산성비)을 형성한다. NOx가 휘발성 유기 화합물과 혼합되어 햇빛과 반응하면, NOx는 광화학 스모그를 형성한다.
NOx는 낙뢰 시 자연적으로 생성될 수도 있지만, 이러한 가스의 주요한 인위적 발생원은 자동차에서의 휘발유 연소 및 발전 중 화석 연료의 연소이다.
(발전과 관련될 때) NOx 저감 기술은 NOx가 형성되는 수준 미만으로 열을 유지하기 위해 보일러의 온도를 낮추는 것을 목표로 한다. 또한, 이러한 NOx 저감 기술은, NOx의 생성을 제어하기 위해 보일러의 과잉 공기 양(또는 과잉 공기 백분율)을 줄이거나 늘린다.
선택적 촉매 환원(SCR) 또는 선택적 비촉매 환원(SNCR)의 형태로 높은 수준의 NOx를 제거하는 기술이 존재한다. 그러나, 이러한 두가지 기술 모두는 한계가 있다. 이러한 한계에는, 더러운 가스 증기를 처리할 때의 촉매의 잠재적 손상, 공정 중단, 공장 가동 중단 또는 NOx 제거의 낮은 성능이 포함된다.
연도 가스 탈황
화석 연료 발전소에서 배출되는 연도 가스에서는, 연도 가스 탈황(FGD; flue gas desulfurization)이라 불리는 흡수 프로세스에 의해 이산화황이 제어될 수 있다. FGD 시스템에는 습식 스크러빙 또는 건식 스크러빙이 수반될 수 있다. 습식 FGD 시스템에 있어서, 연도 가스는, 액체 물질 또는 고체 물질의 슬러리일 수 있는 흡수제와 접촉하게 된다. 이산화황은 이 흡수제에 용해되거나 흡수제와 반응하고, 해당 흡수제 안에 갇히게 된다. 건식 FGD 시스템에 있어서, 상기 흡수제는 건식 분쇄 석회 또는 석회석이다. 일단 흡수가 이루어지면, 백하우스 필터(baghouse filter)에 의해 고체 입자가 제거된다. 건식 FGD 시스템은, 습식 시스템에 비해, 비용과 에너지가 절약되고 작동이 더 간편하지만, 더 많은 화학 물질 소비를 필요로 하며, 저유황 석탄의 연소로부터 유발되는 연도 가스로 제한된다.
흡수장치의 단점
- 불량한 질량 전달
- 매우 높은 유량 또는 매우 낮은 유량을 취급할 수 없음
- 짧은 가스 체류 시간
연소하는 연료 또는 폐기물 등(하수 슬러지, 도시의 고형 폐기물) 또는 화학 산업, 석유 화학 산업 및 기타 산업에서 나오는 연도 가스에 대한 대기 오염 제어 기술은, 고비용이고 고난도이며, 흡수 프로세스의 약점으로 인해 오염된 가스가 대기로 방출된다.
NOx의 제거
선택적 촉매 환원(SCR) 또는 선택적 비촉매 환원(SNCR)의 형태로 NOx를 높은 수준으로 제거하는 기술이 존재한다. 그러나, 이들 두가지 기술 모두는 한계가 있다. 이러한 한계에는, 더러운 가스 증기를 처리할 때 촉매의 잠재적인 손상, 공정 중단, 공장 가동 중단 또는 NOx 제거의 낮은 성능이 포함된다.
연도 가스 탈황 공정의 경우 단점은 다음과 같다.
1 - 높은 자본 비용 및 운영 비용
2 - 흡수장치 및 하류 장비에서의 습한 고체의 스케일링(scaling) 및 퇴적
3 - 습식 시스템은 습한 폐기물을 생성하고 눈에 보이는 연기(plume)를 유발할 수 있음
4 - 폐가스 SO2 농도가 2,000 ppm을 초과하는 경우 사용할 수 없음
5 - 폐기물의 폐기는 운영 및 유지보수를 크게 증가시킴
건식 FGD 시스템은, 습식 시스템에 비해, 비용과 에너지를 절감시키고 작동이 더 간편하지만, 더 많은 화학 물질 소비를 필요로 하며, 저유황 석탄의 연소에서 유발되는 연도 가스로 제한된다.
아래 도면에 제시된 바와 같이 벤투리 시스템을 사용하여 액체에 가스를 주입함으로써 다양한 산업에서의 흡수 유닛을 교체한다.
화학 산업, 비료 산업, 오염 제어 산업(연도 가스용 벤투리 시스템 사용), 석유화학 산업 및 비료 산업과 기타 응용 분야에서 흡수장치 대신 벤투리 시스템을 사용할 수 있다.
흡입력이 최적화되도록 제어하여, 공정에 영향을 미치지 않으면서 가스를 빼낼 수 있도록 수압을 제어한다.
이러한 방법을 통해, 산업용 흡수 유닛을 개발할 수 있고, 높은 질량 전달, 높은 가스 체류 시간 및 큰 유량을 처리할 수 있는 방법을 행할 수 있으며, 이는, 다양한 산업에서 수율과 효율을 높이는 데 도움을 주고 공기 오염 제어에 있어서 큰 효과를 발휘할 수 있는데, 왜냐하면 이러한 방법을 사용함으로써 더 많은 유해 가스가 환경으로 방출되는 것을 방지할 수 있기 때문이다.
연도 가스에 있어서, 전술한 처리 후 CO2를 수집하고, 이를 시멘트 산업, 에너지 산업, 폐기물 소각 산업과 같은 산업에서 파이프라인을 통해 온실에 연결하면, 기후 변화에 영향을 미치게 될 것이다.
가스 흡수는 일반적으로 수직 역류 컬럼에서 수행된다. 용매는 흡수장치의 상부에서 공급되고, 가스 혼합물은 하부로부터 공급된다. 이러한 유닛은 질량 전달이 불량하고, 매우 높거나 또는 매우 낮은 유량을 처리할 수 없으며, 가스 체류 시간이 짧다는 단점이 있으므로, 본 출원인은 고효율을 얻는 방법을 제시한다.
방법
아래의 도면에 제시된 바와 같이 벤투리 시스템을 사용하여 액체에 가스를 주입함으로써, 다양한 산업 분야의 흡수 유닛을 교체한다.
화학 산업, 비료 산업, 오염 제어 산업(연도 가스용 벤투리 시스템 사용), 석유화학 산업 및 비료 산업과 기타 응용 분야에서 흡수장치 대신 벤투리 시스템을 사용할 수 있다.
벤투리 시스템에 있어서, 액체 압력을 제어하여 흡입력이 최적화되도록 제어함으로써 공정에 영향을 주지 않으면서 가스를 빼낼 수 있도록 한다.
이러한 방법을 통해, 산업계에서 흡수 유닛을 개발할 수 있고, 높은 질량 전달, 높은 가스 체류 시간 및 큰 유량을 처리할 수 있는 방법을 수행할 수 있으며, 이는, 다양한 산업에서 수율 및 효율성을 높이는 데 도움을 주고, 공기 오염 제어에 있어서 높은 효과를 발휘할 수 있는데, 왜냐하면 이러한 방법을 사용하면 더 많은 유해 가스가 환경으로 배출되는 것을 방지할 수 있기 때문이다.
연도 가스에 있어서 전술한 처리 후 CO2를 수집하고 이를 시멘트 산업, 에너지 산업, 폐기물 소각 산업과 같은 산업에서 파이프라인을 통해 온실에 연결하면 기후 변화에 영향을 미치게 될 수 있다.
시스템에 의한 처리 후 소각장에서 배출되는 연도 가스를 분석하면 시스템의 높은 효율성을 보여준다.
표(17): 보일러 내부에 대한 다양한 스택(stack) 배출 농도(mg/m
3
)
회사명 : 이엔지. 모하메드 하산
측정 일자 : 2021년 1월
샘플링 포인트 : 소각장의 스택
발명의 용례
전술한 방법은, 화학 산업, 비료 산업, 오염 제어 유닛, 석유 화학 산업 및 기타 용례와 같은 다양한 산업에서 사용될 수 있다.
흡수 유닛을 사용하는 용례
* 암모니아 플랜트 CO2 제거 흡수 프로세스 : 이 시스템은 용매 재순환의 15-20%를 절약할 수 있고, 스트리퍼 에너지의 15-20%를 절약할 수 있고, 팩킹 비용(packing cost)을 절약할 수 있고, 촉진제 비용을 절약할 수 있고, 플랜트의 용량을 5-10% 증가시킬 수 있다.
* 천연 가스의 탈수 및 스위트니스(sweetness) : 이 시스템은 용매 재순환의 15-20%를 절약할 수 있고, 스트리퍼 에너지의 15-20%를 절약할 수 있고, 팩킹 비용을 절약할 수 있고, 가스 처리 용량을 증가시킬 수 있다.
* 배출 제어 : 이 시스템은, 자본 비용과 운영 비용을 적게 사용하여 고효율을 제공하고 환경을 보호하며 기후 변화에 대처할 수 있다.
도 1에서는, 흡수장치의 기본 설계는 벤투리 효과로 인한 가스의 흡입을 나타낸다.
도 2에서는, 흡수 및 스트리핑 시스템에서의 흡수장치의 사용을 도시한다.
도 3에서는, 연도 가스 처리 및 오염 제어에서의 흡수장치의 사용을 도시한다.
도 2에서는, 흡수 및 스트리핑 시스템에서의 흡수장치의 사용을 도시한다.
도 3에서는, 연도 가스 처리 및 오염 제어에서의 흡수장치의 사용을 도시한다.
Claims (4)
- 화학 산업, 비료 산업, 오염 제어 유닛, 석유 화학 산업과 같은 다양한 산업에서 흡수 유닛을 대체하는 방법으로서,
벤투리 시스템을 이용하여 물에 연도 가스를 주입하는 단계;
첨부된 도면에 제시된 바와 같이 벤투리 시스템을 이용하여 액체 내에 가스를 주입하는 여타 적용 단계
를 포함하며,
벤투리 시스템을 이용하여 액체 내에 가스를 주입하는 단계는 장점을 갖는 것인 방법. - 산업에서의 흡수 유닛을 개발하고 해당 방법이 높은 질량 전달, 긴 가스 잔류 시간을 갖게 하고 큰 유량을 처리할 수 있도록 하는 것으로서,
- 다양한 산업에서 수율 및 효율을 증가시키고,
- 이러한 방법을 사용함으로써 더 많은 유해 가스가 환경으로 방출되는 것을 방지할 수 있게 되어 공기 오염 제어에서의 높은 효과를 달성하는 것. - 이러한 처리 후에 CO2를 수집하고, 이를 시멘트 산업, 에너지 생성 산업, 폐기물 소각 산업과 같은 산업에서 파이프라인을 통해 온실에 연결하는 것으로서, 기후 변화에 영향을 주게 되는 것.
- (벤투리 시스템에 있어서) 액체 압력을 제어하여 흡입력이 최적화되도록 제어함으로써 공정에 영향을 주지 않으면서 가스를 배출시킬 수 있는 것.
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