[논문]NaOH를 이용한 배기가스의 습식 스크러빙에서 SO2 농도에 따른 NOx 제거효율

강명수; 황정호

doi:10.5572/kosae.2018.34.5.659

[국내논문] NaOH를 이용한 배기가스의 습식 스크러빙에서 SO2 농도에 따른 NOx 제거효율
Effect of SO2 Concentration on NOx Removal Efficiency in NaOH-Based Wet Scrubbing 원문보기

한국대기환경학회지 = Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, v.34 no.5, 2018년, pp.659 - 667

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$NO_x$ and $SO_2$ are mainly generated in the combustion of fossil fuels, and they cause secondary aerosol formation and acid rain in the atmosphere. Many studies have been conducted on the wet scrubbing process which can simultaneously reduce $NO_x$ and $SO_2$ at relatively low temperature. In this study, we conducted an experimental study on wet scrubbing by using NaOH solution. Especially, this study focuses on $NO_x$ and $SO_2$ removal characteristics by varying $NO_2/NO_x$ ratio and $SO_2$ concentration.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 NaOH 수용액을 이용한 NO_x, SO₂ 습식 스크러빙에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 특히 NO₂/NO_x에 따른 NO_x 저감효율과 SO₂ 농도에 따른 NO_x 저감효율 특성에 대한 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서도 NaOH 수용액을 이용한 NO_x, SO₂ 습식 스크러빙 공정에 대한 실험적 기초 연구를 수행하였으며, 특히 SO₂ 농도에 따른 NO_x 저감효율에 대해 중점적으로 고찰하였다.

가설 설정

혼합 가스가 스크러버 하단에서 투입되어 NaOH 수용액이 흐르는 충전층을 통과하여 스크러버 상단의 출구로 빠져나가도록 하였다. 이 때 스크러버를 통과하는 가스와 흡수 용액의 비(Liquid/gas ratio)는 선행 논문들과 유사한 0.01으로설정하였다(Pillai et al., 2009; Chien and Chu, 2000). 이를 위해 혼합가스의 유량은 3 L/min, 흡수 용액의 유량은 30 mL/min으로 설정하였다.

제안 방법

저감효율을 나타낸 것이다. NO₂/NO_x는 0.6으로 설정하고 SO₂ 농도가 0, 500, 1000 ppm일 때의 3가지 경우에 대하여 실험을 수행하였다. 모든 Case에서 시간이경과할수록 흡수 용액의 pH는 감소하였고, pH가 급격히 감소하는 지점에서 NO_x 저감효율이 급격히 감소하였다.
스크러버 상단에서 새 흡수 용액을 지속적으로 공급하고 사용된 흡수 용액은 스크러버 아래쪽으로 배출되도록 하였다. NaOH 수용액의 농도는 선행 논문(Sun et al., 2017) 및 기초 실험을 통해 용액 농도에 따라 NO_x 스크러빙 효율이 더 이상 증가하지 않는 0.1M으로 설정하였다. 혼합 가스가 스크러버 하단에서 투입되어 NaOH 수용액이 흐르는 충전층을 통과하여 스크러버 상단의 출구로 빠져나가도록 하였다.
Kang and Hwang (2016)은유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge, DBD)을 이용하여 O₃를 발생하여 NO를 산화시키고 NaOH 수용액을 분사하는 스크러버에서 NO_x를 제거하는 공정에 대한 연구를 수행하였다. O₃ 투입 농도를 변화시켜 NO가 산화되는 정도를 조정하고, NO₂/NO_x에 따른 NO_x 스크러빙 효율을 도출하였다. 연구 결과 NO₂/NO_x 비 0.
⑥ 흡수 용액 사용 시간에 따른 NO_x, SO₂ 저감효율 및 pH 변화에 대해 화학양론적 분석을 수행하였다. 실험에서 도출한 수용액의 pH가 7이 되는 시간이 NO_x, SO₂ 저감효율을 이용해 계산한 값과 대체로 유사하게 나타났다.
혼합 가스의 온도 및 압력은 상온, 상압으로(25℃, 1 atm) 설정하였다. 가스 공급부 후단에 습식스크러버를 설치하고 스크러버 후단에 가스 분석기(Testo 350K, NO/NO₂/SO₂ analyzer)를 설치하였다.
NO, NO₂, SO₂,N₂를 실험에 사용하였다. 각각 가스의 유량은 MFC(Mass Flow Controller)를 이용하여 제어하였으며, 이를 통해 혼합가스의 농도를 조절하였다. 혼합가스 농도는 석탄 화력 발전설비에서 일반적으로 발생하는 NO_x, SO₂ 농도를 기준으로 NO_x (NO+NO₂⁾ 300 ppm,SO₂ 0~1000 ppm으로 설정하였다(Nyashina et al.
실험 결과에 대한 정확한 검증을 위하여 화학양론적 분석을 수행하였다. 시간에 따른 NO_x, SO₂ 저감효율을 이용하여 1분 당 소모되는 OH- 이온의 몰 수를 식(15),(16)과 같이 계산할 수 있다.
이 때문에 시간에 따른 흡수용액의 pH 변화 및 이 때의 NO_x, SO₂저감효율 변화를 고려할 필요가 있다. 이를 위해 그림 6과 같은 장치를 구성하여 한정된 양의 흡수 용액을 순환하며 시간에 따른 흡수 용액의 pH 및 NO_x, SO₂ 저감효율을 도출하였다. 스크러빙 효율 및 pH 변화가 충분히 나타나기 위해 필요한 실험 소요시간을 고려하여 스크러버를 순환하는 흡수 용액의 양은 100 mL로 설정하였다.
습식 스크러빙에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 특히 NO₂/NO_x에 따른 NO_x 저감효율과 SO₂ 농도에 따른 NO_x 저감효율 특성에 대한 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1M으로 설정하였다. 혼합 가스가 스크러버 하단에서 투입되어 NaOH 수용액이 흐르는 충전층을 통과하여 스크러버 상단의 출구로 빠져나가도록 하였다. 이 때 스크러버를 통과하는 가스와 흡수 용액의 비(Liquid/gas ratio)는 선행 논문들과 유사한 0.
,2018). 혼합 가스의 온도 및 압력은 상온, 상압으로(25℃, 1 atm) 설정하였다. 가스 공급부 후단에 습식스크러버를 설치하고 스크러버 후단에 가스 분석기(Testo 350K, NO/NO₂/SO₂ analyzer)를 설치하였다.

대상 데이터

실험장치는 크게 가스 공급부, 습식 스크러버, 가스 분석 시스템으로 구성되어 있다. NO, NO₂, SO₂,N₂를 실험에 사용하였다. 각각 가스의 유량은 MFC(Mass Flow Controller)를 이용하여 제어하였으며, 이를 통해 혼합가스의 농도를 조절하였다.
본 연구에서 구성한 습식 스크러버는 충전층(Packed-bed) 타입 스크러버이다. 스크러버의 직경은60 mm로 하고 내부에 400 mm 높이로 라시히 링(Raschig Ring, Pyrex Glass, 9×9 mm) 충전층을 배치하였다.
본 연구에서 사용한 실험 장치 구성은 그림 1과 같다. 실험장치는 크게 가스 공급부, 습식 스크러버, 가스 분석 시스템으로 구성되어 있다. NO, NO₂, SO₂,N₂를 실험에 사용하였다.

성능/효과

이때의 SO₂와 NO_x 각각의 OH^- 이온 소모량은 표 1과같이 계산되었다. SO₂ 농도가 500 ppm인 경우 SO₂가 NO_x 보다 5.12배 더 많은 OH^- 이온을 소모하고, SO₂ 농도가 1000 ppm인 경우 SO₂가 NO_x 보다 9.26배 더 많은 OH^-이온을 소모하는 것으로 나타났다. 이를 통해 NO_x에 의한 수용액 내의 OH^- 이온 소모량은 상대적으로 미미하고 주로 SO₂에 수용액 내의 OH^- 이온이 소모되고 있는 것을 알 수 있다.
모든 Case에서 시간이경과할수록 흡수 용액의 pH는 감소하였고, pH가 급격히 감소하는 지점에서 NO_x 저감효율이 급격히 감소하였다. SO₂의 경우 pH가 급격히 감소한 이후에도 일정 시간 높은 저감효율을 유지하다가 점차 효율이 감소하는 경향을 보였다. NO_x 저감에 의해 생성되는 HNO₂는 수용액 내에 중화반응을 일으킬 OH^- 이온이 없을 경우 식(9)에 의해 분해되어 NO를 생성한다.
③ SO₂ 농도가 0 ppm, 500 ppm, 1000 ppm으로 증가할수록 최대 NO_x 저감효율이 점차 증가하고, 최대 NO_x 저감효율이 나타나는 NO₂/NO_x가 0.6, 0.7, 0.8으로 증가하는 현상을 보였다. 이는 Na₂SO₃에 의한 NO₂ 저감으로 설명할 수 있다.
④ NaOH 수용액을 이용한 습식 스크러빙에서 SO₂가 NO_x 스크러빙 효율을 향상시키는 효과가 있음을 확인하였고, 그 원인은 Na₂SO₃에 의한 NO₂ 저감 반응이 NaOH에 의한 NO_x 저감반응 외에 추가로 일어나기 때문인 것으로 판단된다.
또한 그림 3에서 SO₂ 농도가 0ppm, 500 ppm, 1000 ppm으로 증가할수록 최대 NO_x 저감효율이 점차 증가하는 경향을 나타내었다. 그리고 SO₂ 농도가 0 ppm, 500 ppm, 1000 ppm으로 증가함에 따라 최대 NO_x 저감효율이 나타나는 NO₂/NO_x가 0.6, 0.7, 0.8으로 증가하고 이 때의 NO_x 저감효율은 각각 59.5%, 66.4%, 71.8%로 나타났다.
6으로 설정하고 SO₂ 농도가 0, 500, 1000 ppm일 때의 3가지 경우에 대하여 실험을 수행하였다. 모든 Case에서 시간이경과할수록 흡수 용액의 pH는 감소하였고, pH가 급격히 감소하는 지점에서 NO_x 저감효율이 급격히 감소하였다. SO₂의 경우 pH가 급격히 감소한 이후에도 일정 시간 높은 저감효율을 유지하다가 점차 효율이 감소하는 경향을 보였다.
저감효율 및 pH 변화에 대해 화학양론적 분석을 수행하였다. 실험에서 도출한 수용액의 pH가 7이 되는 시간이 NO_x, SO₂ 저감효율을 이용해 계산한 값과 대체로 유사하게 나타났다.
O₃ 투입 농도를 변화시켜 NO가 산화되는 정도를 조정하고, NO₂/NO_x에 따른 NO_x 스크러빙 효율을 도출하였다. 연구 결과 NO₂/NO_x 비 0.1, 0.5, 1.0에 대하여 NO_x저감효율은 각각 18%, 65%, 54%로 NO_2/NO_x가 0.5일 때 NO_x 저감효율이 가장 높게 나타났다.
저감효율을 도출하였다. 흡수 용액사용시간이 경과할수록 용액의 pH는 감소하였고 이에 따라 NO_x 저감효율 및 SO₂ 저감효율이 감소하였다. SO₂ 저감은 NO_x 저감보다 상대적으로 pH에 둔감한 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	습식 스크러빙은 무엇인가?	습식 스크러빙은 연소가스에 수용액 상의 흡수제를 뿌려 수용성 가스를 제거하는 100~150℃의 비교적 저온에서 가동되는 공정을 의미한다(Haiping etal., 2014).
	선택적 촉매 환원법의 필요조건은 무엇인가?	기존의 NOx 저감에는 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction, SCR)이 주로 활용되어 왔다. SCR의 경우 촉매반응을 일으키기 위해 200~300℃의 고온을 필요로 하므로, 이를 위해 배출되는 연소 가스의 온도를 높게 유지하여야 한다.
	이차 유기 에어로졸의 원인은 무엇인가?	NOx와 SO2는 화력발전소 등에서 화석연료 연소 시에 주로 발생하며 대기 중에서 질산염, 황산염 등을 생성하여 이차 유기 에어로졸(Secondary Organic Aerosol)의 원인이 되고 있다(Choi et al., 2017).

참고문헌 (18)

Chien, T., Chu, H. (2000) Removal of $SO_2$ and NO from flue gas by wet scrubbing using an aqueous $NaClO_2$ solution, Journal of Hazardous Materials, 80(1-3), 43-57.

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Choi, J., Choi, Y., Ahn, J., Park, J., Oh, J., Lee, G., Park, T., Park, G., Jeffery, S.O., Lee, T. (2017) Observation of secondary organic aerosol and new particle formation at a remote site in baengnyeong Island, Korea, Asian Journal of Atmospheric Environment, 11(4), 300-312.

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Haiping, X., Lin, D., Gaoyan, H., Xiang, N. (2014) Influence of Gas-Gas Heater on wet flue gas desulfuration, Advanced Materials Research, 92-96.
Hao, R., Yang, S., Zhao, Y., Zhang, Y., Yuan, B., Mao, X. (2017) Follow-up research of ultraviolet catalyzing vaporized $H_2O_2$ for simultaneous removal of $SO_2$ and NO : Absorption of $NO_2$ and NO by Na-based WFGD byproduct ( $Na_2SO_3$ ), Fuel Processing Technology, 160, 64-69.

상세보기
Kang, M.S., Hwang, J. (2016) $NO_x$ removal with dielectric barrier discharge and wet absorption, 15th High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry Symposium, Czech Republic, Sept 11-16.
Kazanc, F., Khatami, R., Crnkovic, P.M., Levendis, Y.A. (2011) Emission of $NO_x$ and $SO_2$ from coals of various ranks, bagasse, and coal-bagasse blends burning in $O_2$ / $N_2$ and $O_2$ / $CO_2$ environments, Energy Fuels, 25(7), 2850-2861.

상세보기
Nyashina, G.S., Vershinina, K.Y., Dmitrienko, M.A., Strizhak, P.A. (2018) Environmental benefits and drawbacks of composite fuels based on industrial wastes and different ranks of coal, Journal of Hazardous Materials, 347, 359-370.

상세보기
Obras-Loscertales, M., Diego, L.F., Garcia-Labiano, F., Rufas, A., Abad, A., Gayan, P., Adanez, J. (2014) Sulfur retention in an oxy-fuel bubbling fluidized bed combustor: effect of coal rank, type of sorbent and $O_2$ / $CO_2$ ratio, Fuel, 137, 384-392.

상세보기
Pillai, K.C., Chung, S.J., Raju, T., Moon, I. (2009) Experimental aspects of combined $NO_x$ and $SO_2$ removal from flue-gas mixture in an integrated wet scrubberelectrochemical cell system, Chemosphere, 76(5), 657-664.

상세보기
Sun, B., Sheng, M., Gao, W., Zhang, L., Arowo, M., Liang, Y., Shao, L., Chu, G., Zou, H., Chen, J. (2017) Absorption of nitrogen oxides into sodium hydroxide solution in a rotating packed bed with preoxidation by ozone, Energy Fuels, 31(10), 11019-11025.

상세보기
Thomas, D., Vanderschuren, J. (2000) Nitrogen oxides scrubbing with Alkaline Solutions, Chemical Engineering Technology, 23(5), 449-455.

상세보기
Yamamoto, Y., Ymamoto, H., Takada, D., Kuroki, T., Fujishima, H., Okubo, M. (2016) Simultaneous removal of $NO_x$ and $SO_x$ from flue gas of a glass melting furnace using a combined ozone injection and semi-dry chemical process, Ozone: Science Engineering, 38(3), 211-218.

상세보기
Yamamoto, H., Kuroki, T., Fujishima, H., Yamamoto, Y., Yoshida, K., Okubo, M. (2017) Pilot-scale exhaust gas treatment for a glass manufacturing system using a plasma combined semi-dry chemical process, IEEE Transactions on Industry Applications, 53(2), 1416-1423.

상세보기
Yoon, H.J., Park, H., Park, D. (2016) Simultaneous oxidation and absorption of $NO_x$ and $SO_2$ in an integrated $O_3$ oxidation/wet atomizing system, Energy Fuels, 30(4), 3289-3297.

상세보기
Zhao, Y., Hao, R., Zhang, P., Zhou, S. (2014) Integrative Process for simultaneous removal of $SO_2$ and NO utilizing a vaporized $H_2O_2$ / $Na_2S_2O_8$ , Energy Fuels, 28(10), 6502-6510.

상세보기
Zhao, Y., Hao, R., Wang, T., Yang, C. (2015) Follow-up research for integrative process of pre-oxidation and postabsorption cleaning flue gas: Absorption of $NO_2$ , NO and $SO_2$ , Chemical Engineering Journal, 273, 55-65.

상세보기
Zhao, Y., Hao, R., Yuan, B., Jiang, J. (2016) Simultanoues removal of $SO_2$ , NO and Hg0 through an integrative process utilizing a cost-effective complex oxidant, Journal of Hazardous Materials, 301, 74-83.

상세보기
Zheng, C., Xu, C., Zhang, Y., Zhang, J., Gao, X., Luo, Z., Cen, K. (2014) Nitrogen oxide absorption and nitrite/nitrate formation in limestone slurry for WFGD system, Applied Energy, 129, 187-194.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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