연도 가스 탈황

Flue-gas desulfurization
연도 가스 탈황설비가 설치되기 전 뉴멕시코주 포 코너스 발전소의 배출가스에는 상당한 양의 아황산가스가 함유되어 있었다.
G. G. G. 앨런 스팀 스테이션 스크러버 (노스캐롤라이나 주)

연도 가스 탈황(FGD)은 화석연료 발전소의 배기가스에서 아황산가스(SO
2)를 제거하고, 폐기물 소각과 같은 다른 황산화물 배출 과정의 배출에서 아황산가스(SO)를 제거하는 데 사용되는 기술이다.

방법들

SO배출량을2 제한하는 엄격한 환경규제가 많은 나라에서 제정되어 왔기 때문에 SO는
2 다양한 방법으로 연도 가스로부터 제거되고 있다. 사용되는 일반적인 방법:

  • 알칼리성 흡착제, 보통 석회석 또는 석회석 또는 가스를 세정하기 위한 바닷물을 사용한 습식 세정
  • 유사한 흡수제 슬러리를 사용한 스프레이 드라이 스크러빙;
  • 상업용 품질의 황산 형태로 황을 회수하는 습식 황산 공정
  • SNOX 연도 가스 탈황은 연도 가스로부터 아황산가스, 질소산화물 및 미립자를 제거한다.
  • 분말 수화 라임(또는 기타 흡수제 재료)을 배기 덕트에 도입하여 프로세스 배출에서 SO2 및 SO3를 제거하는 건조 흡수제 분사 시스템.[1]

일반적인 석탄 화력발전소의 경우 연도 가스 탈황(FGD)은 연도 가스 내 SO의
2 90% 이상을 제거할 수 있다.[2]

역사

보일러와 용광로 배기가스에서 아황산가스를 제거하는 방법은 150년 이상 연구되어 왔다. 1850년경 영국에서 연도 가스 탈황에 대한 초기 아이디어가 수립되었다.

1920년대 영국에서 대규모 발전소가 건설되면서, 단일 부지에서 대량의 SO와
2 관련된 문제들이 대중에게 우려되기 시작했다. SO
2 배출 문제는 1929년 하원이 SO
2 배출로 인한 자신의 토지에 대한 손상에 대해 맨체스터 주식회사의 바톤 전기공사에 대한 토지 소유자의 주장을 지지할 때까지 큰 주목을 받지 못했다. 그 직후, 런던 경계에 발전소를 건설하는 것에 반대하는 언론 운동이 시작되었다. 이 같은 외침은 그러한 모든 발전소에 SO
2 통제력을 부과하는 결과를 가져왔다.[3]

유틸리티의 첫 번째 주요 FGD 장치는 1931년 런던 파워 컴퍼니 소유의 Battersea Power Station에 설치되었다. 1935년에 Battersea에 설치된 것과 유사한 FGD 시스템이 Swansea 발전소에서 사용되기 시작했다. 세 번째 주요 FGD 시스템은 1938년 풀럼 발전소에 설치되었다. 이 세 개의 초기 대규모 FGD 설치는 제2차 세계 대전 동안 중단되었다. 특징적인 흰색 증기 플럼이 적 항공기에 의해 위치를 제공했기 때문이다.[4] Battersea에 있는 FGD 공장은 전쟁 후에 재개되었고, 런던 시 반대편에 있는 Bankside B 발전소의 FGD 공장과 함께 1983년과 1981년에 각각 공장이 문을 닫을 때까지 운영되었다.[5] 대규모 FGD 장치는 1970년대까지 전력회사에 다시 등장하지 않았는데, 이 때 미국과 일본에서 대부분의 설비가 이루어졌다.[3]

1970년 미국 의회는 1970년 공기 청정법(CAA)을 통과시켰다. 이 법은 미국 환경보호국(EPA)에 의해 이후에 발표된 고정(산업)과 모바일 소스의 배출에 관한 미국의 연방 규제 개발을 승인했다. 1977년, 의회는 공기 배출에 대한 더 엄격한 통제를 요구하도록 법을 개정하였다.[6] CAA 요건에 대응하여 1978년 미국기계학회(ASME)가 PTC 40 표준 위원회의 구성을 승인하였다. 본 위원회는 "FGD 시스템의 성능시험을 실시 및 보고하고 그 결과를 (a)배출량 감소, (b) 소모품 및 유틸리티, (c) 폐기물 및 부산물 특성화 및 금액의 관점에서 보고하기 위한 절차"[7]를 개발하기 위한 목적으로 1979년에 처음 소집되었다. 첫 번째 코드 초안은 1990년에 ASME에 의해 승인되었고 1991년에 미국 국립 표준 연구소(ANSI)에 의해 채택되었다. PTC 40-1991 표준은 1990년 공기청정법 개정으로 영향을 받은 장치에 대해 공개적으로 사용할 수 있었다. 2006년에 PTC 40 위원회는 EPA가 2005년에 CAIR(Clean Air Interstate Rule)을 발표한 후 다시 구성되었다.[8] 2017년에는 개정된 PTC 40 표준이 발표되었다. 본 개정 표준(PTC 40-2017)은 건조 및 재생성 FGD 시스템을 다루며 보다 상세한 불확실성 분석 섹션을 제공한다. 이 표준은 현재 전 세계 기업에서 사용되고 있다.

1973년 6월 현재 가동 중인 FGD는 42대, 일본은 36대, 미국은 6대로, 용량은 5MW에서 250MW에 이르며,[9] 1999년과 2000년경에는 27개국에서 FGD가 사용되고 있었으며, 약 229기가와트의 총 발전소 용량으로 가동되고 있는 FGD는 678대였다. FGD 용량의 약 45%는 미국, 24%는 독일, 11%는 일본, 20%는 다른 나라였다. 약 199 기가와트의 용량을 나타내는 약 79%의 유닛이 석회석 또는 석회석 습식 스크러빙을 사용하고 있었다. 약 18%(또는 25기가와트)가 스프레이 건조 스크러버 또는 흡착제 주입 시스템을 활용했다.[10][11][12]

FGD 선상

국제해사기구(IMO)는 MARPOL 부록 6의 황색 규제 준수를 보장하기 위해 배기가스 스크러버(배기가스 세정장치) 선상 선박의 승인, 설치 및 사용에 관한 지침을 채택했다. [13] 플래그 상태에서는 이러한 시스템을 승인해야 하며, 포트 상태는 (항만 상태 제어의 일부로) 해당 시스템이 올바르게 작동하는지 확인할 수 있다. 스크러버 시스템이 작동하지 않는 경우(그리고 그러한 오작동에 대한 IMO 절차를 준수하지 않는 경우), 항만 국가는 선박을 제재할 수 있다. 유엔 해양법협약은 항만국에도 항만과 내해 내에서 개방 루프 스크러버 시스템의 사용을 규제하고 금지할 수 있는 권리를 부여하고 있다.[14]

황산미스트 형성

석탄과 석유와 같은 화석 연료는 상당한 양의 황을 함유할 수 있다. 화석연료를 태우면 황의 약 95% 이상이 일반적으로 이산화황(SO
2)으로 전환된다. 그러한 변환은 연도 가스에 존재하는 산소와 온도의 정상적인 조건에서 발생한다. 그러나, 그러한 반응이 일어나지 않을 수 있는 상황들이 있다.

그래서
2 과잉 산소가 존재하고 가스 온도가 충분히 높을 때 삼산화황(SO
3)으로 더욱 산화시킬 수 있다. 약 800 °C에서는 SO
3 형성이 선호된다. SO가
3 형성될 수 있는 또 다른 방법은 연료의 금속들에 의한 촉매분석을 통해서이다. 그러한 반응은 상당량의 바나듐이 존재하는 중유에 특히 해당된다. SO가
3 어떤 식으로 형성되든 제거하기 매우 어려운 황산(HSO
2
4) 미스트라고 알려진 액체 에어로졸을 형성한다는 점에서
2 SO처럼 행동하지 않는다. 일반적으로 이산화황의 1% 정도가 SO로
3 전환된다. 황산 안개는 종종 연도 가스 플룸이 흩어지면서 자주 나타나는 푸른 안개의 원인이다. 점점 더 이 문제는 습식 정전기 침전기의 사용으로 해결되고 있다.

FGD 화학

기본 원리

대부분의 FGD 시스템은 플라이애쉬 제거와 SO 제거의 두 단계를 채택한다. 다른 하나는 SO
2 제거용이다. 스크러빙 용기의 플라이애쉬와 SO를
2 모두 제거하려는 시도가 있었다. 그러나 이러한 시스템은 심각한 유지보수 문제와 낮은 제거 효율을 경험했다. 습식 스크러빙 시스템에서 연도 가스는 일반적으로 정전기 또는 집진장치인 플라이애쉬 제거 장치를 통해 먼저 통과한 다음 SO 흡수기로 들어간다
2. 그러나 건식주입이나 분무건조 작업에서는 SO가
2 먼저 석회와 반응한 다음 연도 가스가 미립자 제어장치를 통과한다.

습식 FGD 시스템과 관련된 또 다른 중요한 설계 고려사항은 흡수기에서 나오는 연도 가스가 물로 포화되어 있고 여전히 일부 SO를
2 포함하고 있다는 것이다. 이러한 기체는 팬, 덕트, 스택과 같은 하류 장비에 부식성이 매우 높다. 부식을 최소화할 수 있는 두 가지 방법은 (1) 가스를 이슬점 이상으로 재가열하는 방법 또는 (2) 장비가 부식성 조건을 견딜 수 있는 구조 및 설계를 사용하는 방법이다. 두 가지 대안 모두 비용이 많이 든다. 엔지니어는 사이트별로 사용할 방법을 결정한다.

알칼리 고형분 또는 용액으로 문지름

FGD 흡수기의 설계도

SO는
2 산성 기체로서, 따라서 연도
2 가스에서 SO를 제거하기 위해 사용되는 대표적인 흡착제 슬러리나 기타 물질은 알칼리성이다. CaCO
3(limstone) 슬러리를 사용한 습식 스크러빙에서 발생하는 반응은 황산칼슘(CaSO
3)을 생성하며 다음과 같이 단순화된 건조 형태로 표현할 수 있다.

CaCO
3(s) + SO
2(g) → CaSO
3(s) + CO
2(g)

Ca(OH)2 (수화석회) 슬러리로 젖은 스크러빙할 때, 그 반응은 또한 CaSO3(황산칼슘)를 생성하며, 다음과 같이 단순화된 건조 형태로 표현할 수 있다.

Ca(OH)2(s) + SO2(g) → CaSO3(s) + H2O(l)

Mg(OH)2 수산화질소(Magnesium hydroxide) 슬러리(Magnesium sulfite)로 습식 스크러빙할 때 그 반응은 MgSO3(Magnesium sulfite)를 생성하며 다음과 같이 단순화된 건조 형태로 표현할 수 있다.

Mg(OH)2(s) + SO2(g) → MgSO3(s) + H2O(l)

FGD 설치 비용을 부분적으로 상쇄하기 위해 일부 설계, 특히 건조 흡착제 주입 시스템은 CaSO3(황산칼슘)를 더욱 산화시켜 벽보드 및 기타 제품에 사용할 수 있을 만큼 품질이 높은 시장성 CaSO-2HO42(집섬)를 생산한다. 이 합성 석고가 생성되는 과정을 강제 산화라고도 한다.

CaSO3(aq) + 2H2O(l) + ½O2(g) → CaSO4 · 2H2O(s)

SO를2 흡수할 수 있는 천연 알칼리성은 바닷물이다. SO는
2 물에 흡수되며, 산소가 첨가되면 황산염 이온 SO-와4 자유+ H를 형성하기 위해 반응한다. H의+ 잉여량은 CO2
 가스를 방출하기 위해 탄산수 평형을 밀어내는 해수 내 탄산수에 의해 상쇄된다.

SO2(g) + H2O(l) + ½O2(g) → SO42−(aq) + 2H+
HCO3− + H+ → H2O(l) + CO2(g)

산업에서 가성비(NaOH)는 종종 SO를
2 문질러 황산나트륨을 생성하는데 사용된다.

2NaOH(aq) + SO2(g) → Na2SO3(aq) + H2O(l)[15]

FGD에 사용되는 습식 스크러버의 종류

가스-액체 표면적 및 거주시간을 극대화하기 위해 살수탑, 환기구, 플레이트 타워, 이동식 포장 침대 등 다수의 습식 스크러버 설계가 사용되어 왔다. FGD 신뢰성과 흡수기 효율에 영향을 미치는 스케일 빌드, 플러그, 침식 때문에 보다 복잡한 스크러버 대신 스프레이 타워 등 간단한 스크러버를 사용하는 것이 추세다. 주탑의 구성은 수직 또는 수평일 수 있으며 액체와 관련하여 연도 가스가 동시에, 역류 또는 교차현상일 수 있다. 스프레이 타워의 주된 단점은 다른 흡수기 설계보다 동등한 SO
2 제거에 더 높은 액체 대 가스 비율 요건이 필요하다는 것이다.

FGD 스크러버는 미국 연방 배출 규정을 충족시키기 위해 치료가 필요한 스케일링 폐수를 생산한다.[16] 그러나 이온교환막과 전기투석 시스템의 기술 발전으로 FGD 폐수의 고효율 처리가 최근의 EPA 배출 한계에 부합할 수 있게 되었다.[17] 처리 접근방식은 다른 고도로 규모가 큰 산업 폐기물 처리기와 유사하다.

벤투리 로드 스크러버
주요기사:벤투리 스크러버

벤투리 스크러버는 덕트의 수렴/배출 구간이다. 수렴 구간은 가스 흐름을 고속으로 가속한다. 최대속도의 지점인 목구멍에 액체류를 주입하면 높은 기체속도에 의한 난류가 액체를 작은 물방울로 분자화시켜 대량 전달에 필요한 표면적을 만들어 낸다. 벤투리의 압력 강하가 높을수록 물방울은 작아지고 표면적은 높아진다. 벌칙은 전력 소비량이다.

SO와
2 플라이애시를 동시에 제거하기 위해서는 벤투리 스크러버를 사용할 수 있다. 실제로 산업용 나트륨 기반 일회용 시스템 중 상당수는 원래 입자 제거를 위해 고안된 벤투리 스크러버다. 이 유닛들은 나트륨을 이용한 스크러빙 술을 주입하도록 약간 변형되었다. 한 용기에서 입자와 SO를
2 모두 제거하는 것이 경제적일 수 있지만, 고기압이 떨어지고 플라이애쉬의 무거운 하중을 제거하기 위한 스크러빙 매체를 찾는 문제가 반드시 고려되어야 한다. 다만, 기름화력발전소 등 입자농도가 낮은 경우에는 입자와 SO를
2 동시에 제거하는 것이 더 효과적일 수 있다.

포장 침대 스크러버

포장된 스크러버는 내부에 포장재가 있는 탑으로 구성된다. 이 포장 재료는 안장, 고리 모양 또는 더러운 가스와 액체 사이의 접촉 면적을 극대화하도록 설계된 고도로 전문화된 형태일 수 있다. 포장된 타워는 일반적으로 벤투리 스크러버보다 훨씬 낮은 압력 강하로 작동하므로 작동 비용이 저렴하다. 또한 일반적으로 높은
2 SO 제거 효율성을 제공한다. 단점은 배기 가스 흐름에서 입자가 과도하게 존재할 경우 플러그를 꽂는 경향이 더 크다는 점이다.

살수탑
주요기사 : 살수탑

스프레이 타워는 가장 간단한 형태의 스크러버다. 그것은 노즐을 뿌린 탑으로 구성되어 있는데, 노즐은 표면 접촉을 위한 방울을 생성한다. 스프레이 타워는 일반적으로 슬러리를 회전할 때 사용된다(아래 참조). 벤투리의 빠른 속도는 침식 문제를 야기하는 반면, 포장된 탑은 슬러리를 순환시키려 하면 플러그를 꽂을 것이다.

역류 포장탑은 수집된 입자에 의해 막히거나 석회석 스크러빙 슬러리를 사용할 때 크기가 커지는 경향이 있어 자주 사용하지 않는다.

스크러빙 시약

위에서2 설명한 것처럼 알칼리성 흡착제는 SO를 제거하기 위해 연도 가스를 문질러 닦는 데 사용된다. 용도에 따라 가장 중요한 두 가지는 라임과 수산화나트륨(가성소다라고도 한다)이다. 라임은 일반적으로 가성소다보다 훨씬 저렴하기 때문에 발전소에서 볼 수 있는 대형 석탄이나 석유 화력 보일러에 사용된다. 문제는 해결책이 아닌 스크러버를 통해 슬러리가 순환되는 결과를 초래한다는 점이다. 이것은 장비를 더 힘들게 한다. 이 애플리케이션에는 일반적으로 살수탑이 사용된다. 석회를 사용하면 폐기해야 하는 황산칼슘(CaaS3)이 슬러리로 생성된다. 다행히 황산칼슘을 산화시켜 건축제품 산업에서 시장성이 높은 부산물 석고(CaSO42·2HO)를 생산할 수 있다.

가성소다는 석회보다 가격이 비싸 소형 연소기로 한정돼 있지만 슬러리보다는 용액을 형성한다는 장점이 있다. 이렇게 하면 조작이 쉬워진다. 황산나트륨/비황산나트륨(pH에 따라 달라짐) 또는 폐기해야 하는 황산나트륨의 "spent caustic" 용액을 생산한다. 예를 들어, 크래프트 펄프 공장에서는 이것이 회복 주기의 메이크업 화학물질의 원천이 될 수 있는 문제가 아니다.

황산나트륨용액으로 스크럽

이산화황은 차가운 황산나트륨 용액을 사용하여 문질러 닦을 수 있다. 이것은 황산나트륨 용액을 형성한다. 이 용액을 가열하면 이산화황과 황산나트륨 용액이 형성되는 반응을 되돌릴 수 있다. 황산나트륨 용액은 소비되지 않기 때문에 재생 치료라고 한다. 이 반응의 적용은 웰먼-로드 과정이라고도 한다.

어떤 면에서는 이것은 물에서 다른 단계로 화학적 변화를 겪지 않는 제논이나 라돈과 같은 불활성 가스의 가역성 액체-액체 추출과 유사하다고 생각할 수 있다. 기체 혼합물에서 아황산가스를 추출하는 동안 화학적 변화가 일어나는 반면, 화학 시약을 사용하기보다는 온도를 변화시켜 추출 평형을 이동시키는 경우다.

암모니아 반응에 따른 기체상 산화

IAEA는 새롭게 떠오르는 연도 가스 탈황 기술을 설명했다.[18] 가스에 암모니아를 더하는 것과 동시에 강렬한 전자빔이 연도 가스로 발사되는 방사선 기술이다. 중국 첸두 발전소는 1998년 100MW 규모의 이 같은 연도 가스 탈황 장치를 가동했다. 폴란드의 포모르자니 발전소도 2003년에 비슷한 규모의 발전소를 가동했고 그 발전소는 황산화물과 질소산화물을 모두 제거했다. 두 공장은 모두 성공적으로 가동되고 있는 것으로 보고되었다.[19][20] 다만, 산업여건에서의 지속적인 운영을 위해서는 가속기 설계원리와 제조품질 개선이 더욱 필요하다.[21]

그 과정에서 방사능이 필요하거나 생성되지 않는다. 전자빔은 TV의 전자총과 유사한 장치에 의해 생성된다. 이 장치는 액셀러레이터라고 불린다. 방사능의 물리적 효과를 이용해 물질을 처리하는 방사선 화학 공정의[20] 한 예다.

전자빔의 작용은 아황산가스를 아황산화합물로 산화시키는 것이다. 암모니아는 황 화합물과 반응하여 형성된 황산암모늄을 생산하는데, 이것은 질소 비료로 사용될 수 있다. 또 연도 가스의 질소산화물 함량을 낮추는 데도 사용할 수 있다. 이 방법은 이미 공업용 플랜트 규모에 도달했다.[19][22]

사실과 통계

이 섹션의 정보는 미국 EPA가 발행한 자료 시트에서 입수했다.[23]

연소가스 탈황 스크러버는 5MW~1500MW 규모의 석탄과 석유를 연소하는 장치에 적용됐으며 스코틀랜드발전은 용량이 2GW 이상인 롱간넷 발전소에 FGD를 설치하는 데 4억 파운드를 투자하고 있다. 드라이 스크러버와 스프레이 스크러버는 일반적으로 300 MW 이하의 유닛에 적용되었다.

FGD는 바닷물 공정을 이용해 웨일스 남부 애버터쇼 발전소에 RWE n파워로 장착돼 1580MW급 발전소에서 성공적으로 작동하고 있다.

미국에 설치된 연도 가스 탈황 장치의 약 85%는 습식 스크러버, 12%는 분무 건조 시스템, 3%는 건식 주입 시스템이다.

가장
2 높은 SO 제거 효율성(90% 이상)은 습식 스크러버에 의해 달성되며, 건조 스크러버에 의해 최저(80% 미만)가 달성된다. 그러나 드라이 스크러버의 새로운 디자인은 90%의 순서로 효율성을 달성할 수 있다.

분무 건조 및 건식 분사 시스템에서 연도 가스는 우선 단열 포화에서 약 10-20°C로 냉각하여 다운스트림 장비에 습식 고형물이 침적되지 않도록 하고 집진장치를 연결해야 한다.

제거된 SO의
2 단톤당 자본, 운영 및 유지보수 비용(2001년 미국 달러화 기준)은 다음과 같다.

  • 400MW보다 큰 습식 스크러버의 경우 톤당 200~500달러의 비용이 든다.
  • 400MW 미만의 습식 스크러버의 경우 비용은 t당 500~5,000달러.
  • 200MW보다 큰 스프레이 드라이 스크러버의 경우 톤당 150~300달러의 비용이 든다.
  • 200MW 미만의 스프레이 드라이 스크러버의 경우 비용은 톤당 500~4,000달러.

아황산가스 배출을 줄이는 대안적 방법

연소 후 연도 가스에서 황을 제거하는 대안은 연소 전 또는 연소 중에 연료에서 황을 제거하는 것이다. 연료의 하이드로황화는 사용 전 연료 오일을 처리하는데 사용되어 왔다. 유동층 연소는 연소 중에 연료에 석회를 더한다. 석회는 SO와2 반응하여 황산염을 형성하고 재의 일부가 된다.

그리고 나서 이 원소 황은 분리되어 마침내 농산물과 같은 추가적인 사용을 위한 과정이 끝날 때 회수된다. 전체 과정이 대기압과 주변 온도에서 이루어지기 때문에 안전은 이 방법의 가장 큰 장점 중 하나이다. 이 방법은 셸 글로벌솔루션스와 파크의 합작사인 파켈이 개발했다.[24]

참고 항목

참조

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  2. ^ Inc., Compositech Products Manufacturing. "Flue Gas Desulfurization - FGD Wastewater Treatment Compositech Filters Manufacturer". www.compositech-filters.com. Retrieved 30 March 2018.
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  11. ^ Rubin, Edward S.; Yeh, Sonia; Hounshell, David A.; Taylor, Margaret R. (2004). "Experience curves for power plant emission control technologies". International Journal of Energy Technology and Policy. 2 (1–2): 52–69. doi:10.1504/IJETP.2004.004587. Archived from the original on 9 October 2014.
  12. ^ Beychok, Milton R, 고급 재생성 연도 가스 탈황 공정의 비교 경제학, EPRI CS-1381, 전력 연구소, 1980년 3월
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외부 링크