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문제 정의
- 본 연구는 충전탑 방식의 스크러버에 적용되는 충진제의 종류에 따른 가스제거효율을 측정하고 이와 동시에 유속별, 액기비별, pH별 및 가스 종류별 제거 특성을 파악하여 충진제 종류에 따른 스크러버 크기의 설계 기준을 도출하고자 하는 것이었다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 그렇지만 습식 충전 탑형 스크러버는 장치의 규모가 크고 내부의 충진제 (Packing)가 막히면서 생기는 여러가지 유지 관리상의 문제점 때문에 사용상에 제약이 있다. 본 연구에서는 스크러버 크기를 줄이면서도 동급이상의 효율을 확보하기 위해 충진제의 종류에 따른 압력손실 및 암모니아, 염산 및 불산 가스의 제거효율을 측정 및 비교해 보았다. 적절한 충진제를 선택하여 스크러버 차압 및 크기를 절약하면 기타 보조장치를 추가적으로 적용할 수 있기 때문에 기존 습식 충전 탑형 스크러버의 단점을 최대한 극복할 수 있을 것으로 생각된다.
제안 방법
- 염기성 기체인 암모니아를 제거하고자 할 때에는 HC1 용액을 이용하여 공급 액체의 pH를 3, 4 및 5로 변화시켰고 산성 기체인 염산과 불산을 사용할 때에는 NaOH 용액을 이용하여 pH를 8, 10 및 11 로 변화시켰다. 가스 제거효율은 충전탑 본체의 상류 측 및 하류측에서의 암모니아, 염산 및 불산 가스의 가스 농도를 교대로 측정하고 그 비를 이용하여 계산하였다. 가스 제거효율 계산식은 다음과 같다.
- 5에서 3.0 L/n?까지의 액기비별로 시험을 수행하였고, 액기비 2.0, 유속 2.0 m/s에 대하여 pH 값 3, 4, 5 또는 8, 10, 11의 조건에서 pH 농도별로 가스 제거효율을 측정하였다. 염기성 기체인 암모니아를 제거하고자 할 때에는 HC1 용액을 이용하여 공급 액체의 pH를 3, 4 및 5로 변화시켰고 산성 기체인 염산과 불산을 사용할 때에는 NaOH 용액을 이용하여 pH를 8, 10 및 11 로 변화시켰다.
- 적절한 충진제를 선택하여 스크러버 차압 및 크기를 절약하면 기타 보조장치를 추가적으로 적용할 수 있기 때문에 기존 습식 충전 탑형 스크러버의 단점을 최대한 극복할 수 있을 것으로 생각된다. 또한, 충진제 종류에 따른 성능 변화와 함께 유속별, 액기비별, pH 농도별 가스 제거 성능을 살펴봄으로써 스크러버의 운전 조건에 따른 성능 특성을 살펴보았다.
- 시험 가스의 특성을 표 2에 나타내었다. 먼저, 시험 가스 공급장치를 이용하여 암모니아 염산 및 불산 가스를 시험 덕트의 상단에서 50~60 ppm 의 농도 범위에서 일정하게 공급하였고 충진제 종류를 변화 시켜 가면서 액기비 2.0, pH 3 (암모니아) 또는 pH11(염산, 불산)에 대하여 1.0에서 3.0m/s 까지 유속별로 시험을 수행하였다. 또한 유속 2.
- 47 이로 고정하였다. 스프레 이 분사 노즐 위치는 2 열로 3개씩 각각 충진제 상단에 6개를 설치하였고, 데미스터는 가스 출구 쪽에 설치하여 미스트가 후단으로 배출되는 것을 방지하도록 하였다. 시험가스는버블러 (bubbler) 내에 시 험가스 수용액을 주입하고 온도를 30~40℃의 범위에서 일정하게 유지시키면서 0.
- 스프레 이 분사 노즐 위치는 2 열로 3개씩 각각 충진제 상단에 6개를 설치하였고, 데미스터는 가스 출구 쪽에 설치하여 미스트가 후단으로 배출되는 것을 방지하도록 하였다. 시험가스는버블러 (bubbler) 내에 시 험가스 수용액을 주입하고 온도를 30~40℃의 범위에서 일정하게 유지시키면서 0.1 ~101pm의 공기를 가스 수용액 내로 일정하게 주입하여 발생시켰다. 충전탑 본체의 배수구는 pH 조절을 위하여 별도의 액체 저장탱크와 연결되도록 구성하였다.
- 충전탑 본체의 배수구는 pH 조절을 위하여 별도의 액체 저장탱크와 연결되도록 구성하였다. 액체 저장 탱크는 순환 펌프와 연결되어 pH가 조절된 수용액을 스프레이 노즐로 공급할 수 있도록 하였고 충전탑 본체의 배수구에도 연결되어 있어 충진제로 공급된 물이 다시 순환하여 액체저장 탱크로 회수되도록 구성하였다. 시험가스인 암모니아, 염산 및 불산의 계측에는 10 m 가스셀을 장착한 FT-IR 장치 (ABB, FILA2000-100)를 사용하였다.
- 충전탑 방식의 스크러버에 적용되는 충진제의 종류에 따른 차압 특성과 암모니아, 염산 및 불산의 유속별, 액기비별, pH 농도별 가스 제거효율을 측정하였고 조건별 가스 제거효율의 결과를 표 3에 정리하여 나타내었다.
- 충전탑 본체 전, 후단 사이의 압력손실은 충전탑본체를 시험 덕트에 장착시 켜 액 기비 (L/n?)를 2.0으로 고정시킨 상태에서 충진제 충진부의 통과 유속을 1.0에서 3.0m/s까지 변화시키면서, 충진제 종류별로 측정하였고, 충진제 자체만의 압력손실을 비교하기 위해 충진제가 비어있는 상태의 충전탑 본체에서의 유속별 압력손실을 측정하여 차감시켰다. 시험 가스대상 물질로는 반도체 공정에서 주로 발생하는 암모니아 (NH), 염산 (HC1) 및 불산 (HF)을 사용하였다.
- 1 ~101pm의 공기를 가스 수용액 내로 일정하게 주입하여 발생시켰다. 충전탑 본체의 배수구는 pH 조절을 위하여 별도의 액체 저장탱크와 연결되도록 구성하였다. 액체 저장 탱크는 순환 펌프와 연결되어 pH가 조절된 수용액을 스프레이 노즐로 공급할 수 있도록 하였고 충전탑 본체의 배수구에도 연결되어 있어 충진제로 공급된 물이 다시 순환하여 액체저장 탱크로 회수되도록 구성하였다.
- 본 연구에서는 크기와 비표면적이 다른 4종류의 충진제를 사용하였고 그 물성은 표 1과 같다. 충진제 크기에 따른 영향을 살펴보기 위해 직경 이 2.54, 6.35 및 8.89 mm인 세 종류의 충진제 (P1.0, P2.5A 및 P3.5)을 비교하였고 동일 크기에서 비 표면적에 따른 영향을 살펴보기 위해 충진제 격자가 8개 인 것 (P2.5A)과 12개 (P2.5B)인 것을 비교해보았다. 충진제의 비표면적은 충진제를 제조하기 위한 몰드 (mold)의 3차원 모델로부터 계산을 통해 대략적으로 구하였다.
- 5B)인 것을 비교해보았다. 충진제의 비표면적은 충진제를 제조하기 위한 몰드 (mold)의 3차원 모델로부터 계산을 통해 대략적으로 구하였다. 표 1에서 보는 것과 같이 충진제크기가 커질수록 비표면적과 밀도가 작아지는 것을 알 수 있다.
대상 데이터
- 충진제는 그림 2 에 나타낸 것과 같이 폴리프로필렌 (polyprophylene) 의 재질로 구형의 모양을 갖고 있고 표면적을 넓이기 위해 내, 외부에 격자를 여러 개 형성한 형태를 나타내고 있다. 본 연구에서는 크기와 비표면적이 다른 4종류의 충진제를 사용하였고 그 물성은 표 1과 같다. 충진제 크기에 따른 영향을 살펴보기 위해 직경 이 2.
- 시스템은 충전탑 본체, 시험 덕트, 시험가스 공급장치, 액체 공급 및 순환 장치, 가스 측정 장치, 압력손실 측정 장치 등으로 구성되고 있다. 스크러버는 세정수 방향과 유동방향이 수직 인수 평형 충전탑으로 구성하였다. 충전탑 본체는 충진저), 충진제 지지판, 스프레 이 노즐, 데미스터 (demistor), 배수구 등으로 이루어져 있다.
- 나타내고 있다. 시스템은 충전탑 본체, 시험 덕트, 시험가스 공급장치, 액체 공급 및 순환 장치, 가스 측정 장치, 압력손실 측정 장치 등으로 구성되고 있다. 스크러버는 세정수 방향과 유동방향이 수직 인수 평형 충전탑으로 구성하였다.
- 0m/s까지 변화시키면서, 충진제 종류별로 측정하였고, 충진제 자체만의 압력손실을 비교하기 위해 충진제가 비어있는 상태의 충전탑 본체에서의 유속별 압력손실을 측정하여 차감시켰다. 시험 가스대상 물질로는 반도체 공정에서 주로 발생하는 암모니아 (NH), 염산 (HC1) 및 불산 (HF)을 사용하였다. 시험 가스의 특성을 표 2에 나타내었다.
- 액체 저장 탱크는 순환 펌프와 연결되어 pH가 조절된 수용액을 스프레이 노즐로 공급할 수 있도록 하였고 충전탑 본체의 배수구에도 연결되어 있어 충진제로 공급된 물이 다시 순환하여 액체저장 탱크로 회수되도록 구성하였다. 시험가스인 암모니아, 염산 및 불산의 계측에는 10 m 가스셀을 장착한 FT-IR 장치 (ABB, FILA2000-100)를 사용하였다.
- 충진제별 효율 비교를 위해 충전탑 본체의 충진제함유 부피는 높이 (H) 0.4 m, 폭(W) 0.4 m, 길이 (Z) 0.47 이로 고정하였다. 스프레 이 분사 노즐 위치는 2 열로 3개씩 각각 충진제 상단에 6개를 설치하였고, 데미스터는 가스 출구 쪽에 설치하여 미스트가 후단으로 배출되는 것을 방지하도록 하였다.
성능/효과
- 1) 충진제에서의 차압은 유속이 증가할수록 비례하여 증가하는 경향을 나타내 었고, 충진제 크기가 작을수록 더 큰 차압이 인가되는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 동일한 크기의 P2.
- 2) 충진제 크기가 작을수록 스크러버의 가스 제거효율이 증가하였고 동일한 충진제 크기에서는 표면적이 클수록 가스 제거효율이 우수한 경향을 나타내었다. 기준치의 가스 제거효율을 얻고자 할 때 적용하는충진제 종류에 따라서 약 1.
- 3) 충진제 종류에 관계없이, 액기비를 고정시킬 때 유속이 증가할수록 가스 제거효율은 감소하는 경향을 나타내었고, 유속을 고정시킬 때 액기비를 증가할수록 가스 제거효율은 비례하여 증가하는 경향을 나타내었다. 또한, 암모니아 가스의 경우는 pH를 감소시킬 때, 염산 및 불산 가스의 경우는 pH를 증가시킬 때 가스 제거효율이 증가하는 경향을 나타내었다.
- 4) 가스 제거효율은 유속, 액기비 변화에 관계없이 동일 조건에서 항상 염산, 암모니 아, 불산 순으로 증가하는 것으로 나타났고 이는 가스의 물에 대한 용해도의 순서와도 일치하는 것으로 나타났다.
- 5B 충진제에서의 유속, 액기비 및 pH 농도에 따른 가스 제거효율을 각각 나타내고 있다. 가스 제거효율은 유속 및 액기비에 관계없이 동일 조건에서항상 염산, 암모니아, 불산 순으로 증가하는 것으로 나타났다. 한편, pH가 3 일 때의 암모니 아 제 거효율과 pH가 11일 때의 염산, 불산의 제거효율을 비교해 볼 때에도 역시 염산, 암모니아, 불산 순으로 증가하는 것으로 나타났다.
- 기준치의 가스 제거효율을 얻고자 할 때 적용하는충진제 종류에 따라서 약 1.9배의 충진제 부피 차이를 얻을 수 있었고, 동일 크기의 충진제에서도 표면적 변화를 통해 약 L2배의 부피 차이를 얻을 수 있었다. 즉 적절한 충진제의 적용을 통해서 스크러버의 크기를 상당 수준 줄일 수 있음을 알 수 있었다.
- 5A보다 암모니아 제거효율이 우수한 특성을 나타내었다. 동일한 P2.5B 충진제를 사용할 경우 액기비 1.5인 경우 가액 기비 3.0인 경우보다 HTU값이 약 1.3배 큰 값을 나타내므로 액기비 3.0을 적용할 경우 액기비 1.5를 적용할 경우보다 약 30%의 부피를 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.
- 5A와 거의 유사하거나 오히려 약간 작은 차압 특성을 나타내었다. 따라서 충진제의 차압은 충진제표면적보다는 충진제 크기에 의해 좌우되는 것으로 보아 충진제가 적층될 때 충진제 사이의 공간에 의한 영향이 지배적이며 또한 충진제 내의 빈 공간(void space)도 미소하게 영향을 주는 것으로 판단된다.
- 한편, 충진제 크기가 작아질수록 암모니아 제거효율이 우수해지는 경향을 나타내었다. 또한, P2.5B는 P2.5A와 유사한 차압 특성에도 불구하고 암모니아 제거효율은 P2.5A보다 약 2.4 ~ 3.2% 정도 높은 것으로 나타났다. 즉, 충진제의 표면적이 클수록 암모니아 제거효율이 우수해지는 것으로 나타났고 이는 충진제의 표면적이 높을수록 넓은 면적의 액체막이 형성되어 기체가 액체로확산되는 흡수량이 증가하기 때문으로 생각된다.
- 또한, 암모니아 가스의 경우는 pH를 감소시킬 때, 염산 및 불산 가스의 경우는 pH를 증가시킬 때 가스 제거효율이 증가하는 경향을 나타내었다.
- 0일 때 4종류충진제의 유속에 따른 암모니아 가스 제거효율을 나타내고 있다. 암모니아 제거효율은 액기비를 고정시킬 때 충진제 종류에 관계없이 유속이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다. 액기비를 일정하게 유지하기 위하여 유속을 증가시킬 때 분무 세정액의 양을 비례적으로 증가시켰기 때문에 유속을 증가시킬수록 제거효율이 감소해야 하는 것은 아니지만 결과적으로 유속이 증가할 때 제거효율이 지속적으로감소하는 것으로 나타났다.
- 암모니아 제거효율은 유속 및 pH가 일정할 때충진제 종류에 관계없이 액기비를 증가할수록 비례하여 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 액기비가 증가할수록 충진제 격자면에서의 액체막이 많이 형성되어 기체의 흡수량이 증가하기 때문으로 판단된다.
- 암모니아 제거효율은 유속 및 액기비를 고정시킬 때 충진제종류에 관계없이 pH를 3에서 5로 증가시킬수록 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 암모니아가 세정액 중의 HC1 과 반응하여 붉은 색의 염화암모늄(NHQ) 으로 변환됨으로써 세정액의 내의 암모니아 농도를 줄여주고 가스 흡수율을 지속적으로 유지시켜주기때문이다(Shabunya et al.
- 이는 액기비가 증가할수록 충진제 격자면에서의 액체막이 많이 형성되어 기체의 흡수량이 증가하기 때문으로 판단된다. 액기비 변화에서도 충진제 크기가 작을수록 암모니아 제거 효율이 우수하였고 P2.5B가 P2.5A보다 암모니아 제거효율이 우수한 특성을 나타내었다. 동일한 P2.
- 암모니아 제거효율은 액기비를 고정시킬 때 충진제 종류에 관계없이 유속이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다. 액기비를 일정하게 유지하기 위하여 유속을 증가시킬 때 분무 세정액의 양을 비례적으로 증가시켰기 때문에 유속을 증가시킬수록 제거효율이 감소해야 하는 것은 아니지만 결과적으로 유속이 증가할 때 제거효율이 지속적으로감소하는 것으로 나타났다. 이는 액기비보다는 충진제 내의 가스 체류시간이 스크러버 흡수 과정에서 더욱 중요한 요인임을 말해준다.
- 9배의 충진제 부피 차이를 얻을 수 있었고, 동일 크기의 충진제에서도 표면적 변화를 통해 약 L2배의 부피 차이를 얻을 수 있었다. 즉 적절한 충진제의 적용을 통해서 스크러버의 크기를 상당 수준 줄일 수 있음을 알 수 있었다.
- 이는 표 2의 물에 대한 용해도의 크기와 유사한 경향을 나타내었다. 즉, 물에 대한 용해도가 클수록 스크러버의 가스 제거능력이 우수해지는 것으로 나타났다. 따라서 스크러버에서 기체의 액체로의 흡수과정에는 기체의 액체에 대한 용해도가 매우 중요한 요인임을 확인할 수 있다
- 0일 때의 4종류 충진제의 유속에 따른 차압 변화를 나타내고 있다. 차압은 대략적으로 유속에 대하여 지수적으로 증가하는 경향을 나타내었고 충진제 크기가 증가할 때 거의 선형적으로 차압이 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 한편, P2.
- 한편, pH가 3 일 때의 암모니 아 제 거효율과 pH가 11일 때의 염산, 불산의 제거효율을 비교해 볼 때에도 역시 염산, 암모니아, 불산 순으로 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 암모니아와 불산 제거효율은 크게 차이가 나지 않았지만 염산 제거효율은 다른 두 가스에 비해 상대적으로 낮은 제거성능을 나타내었다. 이는 표 2의 물에 대한 용해도의 크기와 유사한 경향을 나타내었다.
- 가스 제거효율은 유속 및 액기비에 관계없이 동일 조건에서항상 염산, 암모니아, 불산 순으로 증가하는 것으로 나타났다. 한편, pH가 3 일 때의 암모니 아 제 거효율과 pH가 11일 때의 염산, 불산의 제거효율을 비교해 볼 때에도 역시 염산, 암모니아, 불산 순으로 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 암모니아와 불산 제거효율은 크게 차이가 나지 않았지만 염산 제거효율은 다른 두 가스에 비해 상대적으로 낮은 제거성능을 나타내었다.
- 이는 액기비보다는 충진제 내의 가스 체류시간이 스크러버 흡수 과정에서 더욱 중요한 요인임을 말해준다. 한편, 충진제 크기가 작아질수록 암모니아 제거효율이 우수해지는 경향을 나타내었다. 또한, P2.
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