발전소 탈황용 탄화규소 FGD 노즐

배기가스 탈황(FGD) 흡수 노즐
습식 석회석 슬러리와 같은 알칼리 시약을 사용하여 배기가스에서 황산화물(SOx)을 제거합니다.

화석 연료를 연소시켜 보일러, 용광로 또는 기타 장비를 가동할 때 배기가스를 통해 SO2 또는 SO3와 같은 황산화물이 배출될 수 있습니다. 이러한 황산화물은 다른 원소와 쉽게 반응하여 황산과 같은 유해 화합물을 형성하며, 인체 건강과 환경에 악영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 석탄 화력 발전소 및 기타 산업 시설에서 배기가스 중 SO2 또는 SO3 배출량을 제어하는 ​​것은 매우 중요합니다.

침식, 막힘 및 축적 문제로 인해 이러한 배출물을 제어하는 ​​가장 신뢰할 수 있는 시스템 중 하나는 석회석, 수산화칼슘, 해수 또는 기타 알칼리 용액을 사용하는 개방형 습식 배기가스 탈황(FGD) 공정입니다. 분무 노즐은 이러한 슬러리를 흡수탑에 효과적이고 안정적으로 분사할 수 있습니다. 적절한 크기의 미세 입자를 균일하게 분사함으로써, 이 노즐은 적절한 흡수에 필요한 표면적을 효과적으로 확보하는 동시에 탈황 용액이 배기가스에 혼입되는 것을 최소화합니다.

FGD 흡수 노즐 선택:
고려해야 할 중요한 요소:

세척 매체의 밀도 및 점도
필요한 물방울 크기
적절한 흡수율을 확보하려면 물방울의 크기가 필수적입니다.
노즐 재질
연소 가스는 부식성이 강한 경우가 많고, 세정액은 고형분 함량이 높고 마모성이 강한 슬러리 형태인 경우가 많으므로 적절한 내식성 및 내마모성 재료를 선택하는 것이 중요합니다.
노즐 막힘 방지
세정액은 고형분 함량이 높은 슬러리 형태인 경우가 많으므로 막힘 방지 성능을 고려한 노즐 선택이 중요합니다.
노즐 분사 패턴 및 위치
적절한 흡수를 위해서는 기체 흐름 전체를 우회 없이 완전히 덮고 충분한 체류 시간을 확보하는 것이 중요합니다.
노즐 연결 크기 및 유형
필요한 세정액 유량
노즐 양단의 유효 압력 강하(∆P)
∆P = 노즐 입구의 공급 압력 – 노즐 외부의 공정 압력
당사의 숙련된 엔지니어는 설계 세부 사항에 따라 필요한 성능을 발휘하는 노즐을 결정하는 데 도움을 드릴 수 있습니다.
일반적인 FGD 흡수 노즐의 용도 및 산업 분야:
석탄 및 기타 화석 연료 발전소
석유 정제소
도시 폐기물 소각로
시멘트 가마
금속 제련소

SiC 소재 데이터시트

석회/석회석의 단점

그림 1에서 보는 바와 같이, 석회/석회석 강제 산화(LSFO)를 사용하는 FGD 시스템은 세 가지 주요 하위 시스템으로 구성됩니다.

• 시약의 준비, 취급 및 보관
• 흡수 용기
• 폐기물 및 부산물 처리

시약 준비는 분쇄된 탄산칼슘(CaCO3)을 저장 사일로에서 교반식 공급 탱크로 이송하는 것으로 시작됩니다. 이렇게 생성된 석회석 슬러리는 보일러 배기가스 및 산화 공기와 함께 흡수 용기로 펌핑됩니다. 분무 노즐을 통해 미세한 시약 입자가 분사되며, 이 입자는 유입되는 배기가스와 역방향으로 흐릅니다. 배기가스 내의 이산화황(SO2)은 칼슘이 풍부한 시약과 반응하여 아황산칼슘(CaSO3)과 이산화탄소(CO2)를 생성합니다. 흡수 용기에 주입된 공기는 CaSO3를 산화시켜 황산칼슘(CaSO4, 이수화물 형태)을 생성합니다.

LSFO의 기본 반응은 다음과 같습니다.

CaCO3 + SO2 → CaSO3 + CO2 · 2H2O

산화된 슬러리는 흡수탑 바닥에 모여 새로운 시약과 함께 분무 노즐 헤더로 재순환됩니다. 재순환되는 슬러리의 일부는 폐기물/부산물 처리 시스템으로 보내지는데, 이 시스템은 일반적으로 하이드로사이클론, 드럼 또는 벨트 필터, 그리고 교반식 폐수/액체 저장 탱크로 구성됩니다. 저장 탱크의 폐수는 석회석 시약 공급 탱크로 재순환되거나 하이드로사이클론으로 보내지며, 하이드로사이클론에서 넘치는 슬러리는 유출수로 제거됩니다.

일반적인 석회/석회석 강제 산화 습식 스크러빙 공정 개략도

습식 저탄소 연료유(LSFO) 시스템은 일반적으로 95~97%의 SO2 제거 효율을 달성할 수 있습니다. 그러나 배출 규제 요건을 충족하기 위해 97.5% 이상의 효율을 달성하는 것은 특히 고유황 석탄을 사용하는 발전소에서 어렵습니다. 마그네슘 촉매를 첨가하거나 석회석을 소성하여 반응성이 높은 산화칼슘(CaO)을 얻는 방법이 있지만, 이러한 변경에는 추가적인 설비와 그에 따른 인건비 및 전력 비용이 발생합니다. 예를 들어, 산화칼슘을 얻으려면 별도의 산화칼슘 소성로를 설치해야 합니다. 또한, 산화칼슘은 쉽게 침전되므로 스크러버에 스케일 침전물이 형성될 가능성이 높아집니다.

석회 가마를 이용한 소성 비용을 절감하기 위해 석회석을 보일러 연소로에 직접 주입하는 방법이 있습니다. 이 방식에서는 보일러에서 생성된 석회가 배기가스와 함께 탈황기로 이동합니다. 하지만 이 방식에는 보일러 막힘, 열 전달 방해, 보일러 과열로 인한 석회 불활성화 등의 문제가 발생할 수 있습니다. 또한, 석회는 석탄 연소 보일러에서 용융재의 유동 온도를 낮춰, 그렇지 않았다면 발생하지 않았을 고형 침전물을 생성할 수 있습니다.

저유황 연료유(LSFO) 공정에서 발생하는 액체 폐기물은 일반적으로 발전소의 다른 곳에서 발생하는 액체 폐기물과 함께 안정화 연못으로 보내집니다. 습식 탈황(FGD) 액체 폐수는 아황산염 및 황산염 화합물로 포화될 수 있으며, 환경적 고려 사항으로 인해 일반적으로 강, 하천 또는 기타 수로로의 방류가 제한됩니다. 또한, 폐수/액체를 탈황 장치로 재순환시키면 용해된 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 또는 염화물 염이 축적될 수 있습니다. 이러한 물질들은 용해된 염 농도가 포화 농도 이하로 유지되도록 충분한 배출이 이루어지지 않으면 결국 결정화될 수 있습니다. 또 다른 문제는 폐기물 고형물의 침전 속도가 느리다는 점으로, 이로 인해 대규모의 대용량 안정화 연못이 필요합니다. 일반적인 조건에서 안정화 연못의 침전층은 수개월 동안 저장한 후에도 50% 이상의 액상 성분을 함유할 수 있습니다.

흡수기 재활용 슬러리에서 회수한 황산칼슘에는 미반응 석회석과 아황산칼슘 재가 다량 함유되어 있을 수 있습니다. 이러한 불순물로 인해 황산칼슘은 석고보드, 회반죽, 시멘트 생산에 사용되는 합성 석고로 판매될 수 없습니다. 미반응 석회석은 합성 석고에서 가장 흔하게 발견되는 불순물이며, 천연(채굴) 석고에서도 흔히 발견되는 불순물입니다. 석회석 자체는 석고보드 최종 제품의 특성에 영향을 미치지 않지만, 마모성이 있어 가공 장비의 마모 문제를 야기합니다. 아황산칼슘은 입자가 미세하여 스케일 형성을 비롯한 케이크 세척 및 탈수 등의 가공 문제를 일으키기 때문에 모든 석고 제품에서 바람직하지 않은 불순물입니다.

저유황 연료유(LSFO) 공정에서 발생하는 고형 폐기물이 합성 석고로 상업적으로 판매될 수 없다면, 이는 상당한 폐기물 처리 문제를 야기합니다. 1% 유황 석탄을 사용하는 1000MW 보일러의 경우, 석고 발생량은 하루 약 550톤(부족량)입니다. 동일한 발전소에서 2% 유황 석탄을 사용할 경우, 석고 발생량은 하루 약 1100톤으로 증가합니다. 여기에 비산재 발생량 약 1000톤을 더하면, 총 고형 폐기물 발생량은 1% 유황 석탄 사용 시 약 1550톤/일, 2% 유황 석탄 사용 시 약 2100톤/일에 달합니다.

EADS의 장점

LSFO 스크러빙의 검증된 대안 기술은 SO2 제거 시약으로 석회석 대신 암모니아를 사용합니다. LSFO 시스템에서 사용되는 고체 시약 분쇄, 저장, 취급 및 운송 구성 요소는 수용액 또는 무수 암모니아를 저장하는 간단한 저장 탱크로 대체됩니다. 그림 2는 JET Inc.에서 제공하는 EADS 시스템의 흐름도를 보여줍니다.

암모니아, 연도 가스, 산화 공기 및 공정수는 여러 층의 분무 노즐이 있는 흡수기로 유입됩니다. 노즐은 암모니아 함유 시약의 미세한 액적을 생성하여 다음 반응에 따라 유입되는 연도 가스와 시약이 긴밀하게 접촉하도록 합니다.

(1) SO2 + 2NH3 + H2O → (NH4)2SO3

(2) (NH4)2SO3 + ½O2 → (NH4)2SO4

흡수탑 상단에서 배기가스 내의 SO2는 암모니아와 반응하여 아황산암모늄을 생성합니다. 흡수탑 하단은 산화조 역할을 하며, 공기가 아황산암모늄을 산화시켜 황산암모늄을 생성합니다. 생성된 황산암모늄 용액은 흡수탑 내 여러 층에 설치된 분무 노즐 헤더로 다시 펌핑됩니다. 정화된 배기가스는 흡수탑 상단을 빠져나가기 전에 기포 제거기를 통과하여 혼입된 액체 방울을 응집시키고 미세 입자를 포집합니다.

암모니아와 SO2의 반응 및 아황산염의 황산염 산화 반응은 높은 시약 이용률을 달성합니다. 소모된 암모니아 1파운드당 황산암모늄 4파운드가 생산됩니다.

LSFO 공정과 마찬가지로, 시약/생산물 재순환 흐름의 일부를 추출하여 상업적 부산물을 생산할 수 있습니다. EADS 시스템에서는 추출된 제품 용액을 하이드로사이클론과 원심분리기로 구성된 고형물 회수 시스템으로 펌핑하여 황산암모늄 제품을 건조 및 포장 전에 농축합니다. 모든 액체(하이드로사이클론 오버플로우 및 원심분리기 농축액)는 슬러리 탱크로 되돌려 보낸 후 흡수기 황산암모늄 재순환 흐름에 다시 투입됩니다.

• EADS 시스템은 99% 이상의 높은 SO2 제거 효율을 제공하여 석탄 화력 발전소가 더 저렴하고 유황 함량이 높은 석탄을 혼합하여 사용할 수 있도록 유연성을 높여줍니다.
• LSFO 시스템은 SO2 1톤을 제거할 때마다 0.7톤의 CO2를 배출하는 반면, EADS 공정은 CO2를 전혀 배출하지 않습니다.
• 석회와 석회석은 암모니아에 비해 SO2 제거 반응성이 낮기 때문에 높은 순환율을 달성하려면 더 많은 공정수 소비량과 펌핑 에너지가 필요합니다. 이는 저염 연료유(LSFO) 시스템의 운영 비용 증가로 이어집니다.
• EADS 시스템의 초기 투자 비용은 LSFO 시스템 구축 비용과 유사합니다. 앞서 언급했듯이 EADS 시스템은 황산암모늄 부산물 처리 및 포장 장비가 필요하지만, LSFO와 관련된 시약 준비 시설은 분쇄, 취급 및 운송에 필요하지 않습니다.

EADS의 가장 두드러진 장점은 액체 및 고체 폐기물을 모두 제거한다는 점입니다. EADS 기술은 액체 폐기물 무방류 공정으로, 폐수 처리가 필요 없습니다. 고체 부산물인 황산암모늄은 시장성이 뛰어나며, 전 세계에서 가장 많이 사용되는 비료 및 비료 성분으로, 2030년까지 세계 시장 성장이 예상됩니다. 또한, 황산암모늄 제조에는 원심분리기, 건조기, 컨베이어 및 포장 장비가 필요하지만, 이러한 장비는 특정 기업의 독점품이 아니며 시중에서 구할 수 있습니다. 경제 및 시장 상황에 따라 황산암모늄 비료는 암모니아 기반 배기가스 탈황 비용을 상쇄하고 상당한 수익을 창출할 수 있습니다.

효율적인 암모니아 탈황 공정 개략도

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