초록 ▼

IV. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의

본 과제의 1차년도 연구 내용은 정전분무 사이클론을 이용하여 올인원 스크러버의 전처리부에서 초미세먼지를 높은 효율로 저감시키기 위한 시스템을 개발하는 것과 NO-SO2를 동시저감하기 위한 흡수용액 및 재생기술의 개발로 나눌 수 있다.
보다 구체적으로 에너지절약연구실에서는 1차년도에 PM/NOx/SOx의 동시 저감 스크러버 개발을 위해 전처리부로서 2.5μm 이하의 초미세먼지 (PM2.5) 저감 95% 이상 및 총 미세먼지 배출농도(TSP, Total Solid Partic

IV. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의

본 과제의 1차년도 연구 내용은 정전분무 사이클론을 이용하여 올인원 스크러버의 전처리부에서 초미세먼지를 높은 효율로 저감시키기 위한 시스템을 개발하는 것과 NO-SO2를 동시저감하기 위한 흡수용액 및 재생기술의 개발로 나눌 수 있다.
보다 구체적으로 에너지절약연구실에서는 1차년도에 PM/NOx/SOx의 동시 저감 스크러버 개발을 위해 전처리부로서 2.5μm 이하의 초미세먼지 (PM2.5) 저감 95% 이상 및 총 미세먼지 배출농도(TSP, Total Solid Particles) 3.0 mg/m³ 이하를 목표로 배가스를 수정된 사이클론 바디에 유입시켜 4-5회 선회시키며, 사이클론 내부 본체의 내벽을 향해 고하전 미세 물 액적을 정전분무 분사할 수 있는 정전분무 사이클론을 설계/개발하였다. 이를 위해 정전분무 기술에 관한 이론 정립 및 단일/멀티 노즐을 이용한 정전분무 가시화 실험을 통한 운전조건별 미세액적의 크기 변화에 관해 관찰해 보았으며, 이로 인해 환경 분야의 오염물질 저감에 정전분무 기술을 응용하기 위한 기초 데이터베이스를 확보하였다. 보다 자세히 미세액적의 크기는 용액의 이온전도도가 높을수록, 점성이 높을수록, 표면장력이 높을수록, 노즐 크기가 작을수록, 공급하는 물의 유량이 적을수록, 인가하는 전압이 높을수록 작아지는 것을 알 수 있었으며, 이 중 인가전압과 물의 유량이 용액의 액적 크기에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 이를 활용하여 2차년도는 가시화 연구와 관련하여 현재까지 수집된 데이터베이스를 기반으로 용액의 물성 특성과 다양한 운전 변수가 포함된 실험식을 도출함으로써 향후 다양한 분야로의 응용 및 시스템의 자동 제어 구현에 적용할 예정이다. 한편, 정전분무 사이클론의 경우 노즐팁과 집진판 사이의 전극 거리가 75-80 cm 이며, 분사를 하기 위한 물의 공급량이 0.5-1.0 LPM, 인입 배가스량이 10 CMM, 인가 전압이 50 kV, 인입되는 PM10의 농도가 100-130 mg/m3인 환경에서 PM10, PM2.5, PM1.0 의 저감 효율은 각각 최대 99%, 95%, 91%까지 나타났다. 집진 효율은 향후 물공급 배관, 멀티노즐 파트, 배가스 유입부 등의 재설계를 통해 더욱 높일 수 있을 것으로 판단된다. 한편, 동일한 인가전압 조건에서 물을 공급하지 않았을 경우(핀과 집진극 사이 건식 코로나만을 이용할 경우) PM10, PM2.5, PM1.0의 효율이 각각 93.5%, 75.2%, 51.4%로 측정된 것을 고려해볼 때 정전분무를 통한 이온 액적 분사는 PM2.5 이하의 초미세먼지의 제거에 많은 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 올인원 스크러버에서 NO의 흡수 및 SO2의 변환 시 PM의 영향을 최소화시킬 수 있음을 밝혀냈고, 향후 대기 오염물질의 자원화 기술에 적용할 경우 필수적인 전처리부로 활용될 수 있음을 밝혔다.

NO-SO₂ 동시 저감을 위한 흡수 용액의 개발을 목표로 1차년도는 문헌 조사를 통해 총 11가지 킬레이트 리간드 후보 물질을 선정하고, 이들 물질을 대상으로 NO의 흡수 능력에 대한 기초 평가 실험을 수행하였다. NO와 킬레이트 화합물 간의 반응평형상수 측정을 위한 장치를 구축하고 실험을 수행하였으며, 기준 물질인 Fe2+-EDTA 보다 훨씬 큰 NO 흡수능을 갖는 Kier-A 물질을 목표 물질로 선정하였다. 실험적으로 확인된 결과를 이론적으로 검증하기 위해 계산과학을 기반으로 한 모델링을 수행하였으며, 후보 물질들의 NO 흡착에너지 물성을 예측하고 비교하였을 때 실험 결과와 일치하는 경향을 보였다. Kier-A 용액을 이용하여 패킹 컬럼에서 NO의 연속 제거 실험을 수행하였으며, 0.01 M 농도의 용액을 0.08 L/min 유량으로 주입하였을 때 5 vol%의 산소 조건에서 500 ppmv NO 가스에 대해 85.4%의 제거 효율을 보였다. 동일한 패킹 컬럼을 이용하여 0.01 M의 Ca(OH)₂ 용액을 0.02 L/min 유량으로 주입하였을 때, 1000 ppmv SO₂ 가스에 대해 99.1%의 제거 효율을 보였다. 또한, NO를 흡수한 Kier-A 흡수액의 전기화학적 재생 가능성을 평가하였다. 1차년도에는 NO와 SO₂에 대해 각각 저감 실험을 수행하여 높은 제거 효율을 갖는 흡수제를 확보할 수 있었으며, 이를 기반으로 하여 2차년도에는 동시 저감을 위한 흡수제를 개발하여 NO와 SO₂의 혼합 가스에 대해 실험을 수행할 예정이다. 산소에 의해 산화된 킬레이트 화합물과와 NO를 흡수한 킬레이트 화합물의 재생 메커니즘을 규명하고, 분광광도법을 이용한 분석법을 확립하였으며 화학적 또는 전기화학적으로 환원되어 재생됨을 확인할 수 있었다. 연속 공정의 구축을 위해서는 2차년도에 빠른 재생이 가능한 전해질, 전극 물질의 탐색이 필요할 것으로 보인다.

1차년도 실험 결과는 상온 상태에서 화력발전소 후단 백필터에서 포집된 플라이 애쉬를 공급시키며 얻은 실험결과로써 향후 3차년도 실증 연구를 통해 성능 검증 과정을 거쳐 습식전기집진기를 대체할 수 있는 사업화를 앞당길 수 있다고 생각한다. 또한, 기술 이전 대상 기업을 조기에 선정하여 사업화를 위해 대기배출 사업면허 신청, 경제성 평가자료 확보, 시설 및 운영자금 조달 등 제반 사항을 준비할 예정이며, IP R&D 사업 및 컨설팅 등의 프로그램을 통해 기술개발 및 사업화 구현에 모든 역량을 쏟을 예정이다. 본 기술은 사회적 측면으로 초미세먼지 및 산성가스의 실질적인 저감을 통해 주변 주민의 민원해소, 대기환경 오염 방지 및 삶의 질 향상에도 매우 큰 영향을 미칠 것이며, 2015년 이후 실시되고 있는 배출 허용 기준을 충족시킴과 동시에 다가올 PM2.5에 대한 규정에도 선제적으로 대응함으로써 폐, 기관지 질환 등으로부터 국민의 건강권과 삶의 질을 보장할 수 있어 국가의 환경 분야 경쟁력이 강화되며 이에 따른 사회적 비용을 경감할 수 있을 것이다. 또한, 발전소 뿐 아니라 공업로, 제련소, 염색 산업, 해양 선박 등 다양한 사업장의 미세먼지, 산성가스 배출 문제 해결에 따른 대기환경 오염방지에 기여하며, 환경에 대처하는 기술의 국산화를 통해 수입 대체 및 외화절약이 가능하고, 중진국 및 개발도상국에 관련 산업부문 해외 진출이 가능할 것으로 판단된다. 기존의 세 가지 공정을 올인원 시스템으로 대체하게 되면 설치비, 설치부지의 감소 등 중소형 산업체의 부담을 덜어줄 수 있으면서 동시에 전기사용 30% 절감 및 용액 사용량 50% 절감을 이루어 매력적인 운전비용을 어필할 수 있으며, 본 과제를 통해 최소한 기 이상의 올인원 시스템 파일럿 플랜트를 제작, 설치, 운전 최적화함으로써 배가스량 및 오염물질의 농도에 따른 모듈 표준화가 가능하여 생산비용 및 설치비용 저감이 가능할 것으로 판단된다. 끝으로, NOx-SOx 동시 흡착제의 경우 탈질 성능을 높게 유지하면서 재사용이 가능하며, 배기가스 처리 분야 내 자체 기슬 보유로 기술 시장 진입 및 국내 경쟁력 강화 및 탈질공정에서 SCR 위주 독점 시장구조의 타개가 가능할 것으로 기대한다.

요컨대, 본 제안 기술은 초미세먼지, NOx, SOx 저감에 관해 세계적인 수준의 성능을 목표로 하고 있으며, 개발에 성공할 경우 1) 연소 후 배가스의 폐열을 기존의 350°C에서 100°C까지 최대한 회수할 수 있으며, 2) 전처리부에서 물의 정전분무로 초미세먼지를 제거 하고, 3) SO₂-NO가 포함된 배가스에 개발 예정인 흡수 용액을 구조가 최적화된 모듈형 스크러버 내부에 정전분무 기술로 분사함으로써 95% 이상 제거 할 수 있으며, 3) 기존의 고온 탈질공정 (SCR), 탈황공정 (FDG), 습식 전기집 진기 (Wet ESP)를 하나의 유닛으로 대체할 수 있어 장소와 운전비용의 제약을 받는 중소사업장과 해양 선박에 적용이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 2020년 본 연구 개발이 완료된 후 시작품, 특허, 기술노하우 등을 적극적으로 이용하여 실제 공업로를 운영 중인 중소규모 사업장 혹은 10,000 kW급 컨테이너선을 보유하고 있는 선사와 MOU를 맺고 실증 운전 과제를 기획을 준비할 예정이다.

(출처 : 요약문 8p)

Abstract ▼

IV. Results and Recommendations

We developed a system to reduce ultrafine particles as a pre-treatment section of an all-in-one scrubber using electrostatic spray cyclones at high efficiency and also developed a system for selectively NO-absorbing solution and regeneration technology for simu

IV. Results and Recommendations

We developed a system to reduce ultrafine particles as a pre-treatment section of an all-in-one scrubber using electrostatic spray cyclones at high efficiency and also developed a system for selectively NO-absorbing solution and regeneration technology for simultaneous reduction of NO-SO₂ in the first year of this project. In more detail, the Energy Saving Technology Laboratory has designed a simultaneous removal scrubber, which has a pre-treatment section with ultrafine dust (PM2.5) collection efficiency of more than 95%, Total Solid Particles (TSP) of less than 3.0 mg/m³. When the flue gas is moving into the modified electro spray cyclone, it circulates 4-5 times inside a cyclone and then is washed by the electrosprayed water droplet. We also have observed and secured a basic database for the variation of the liquid droplet size for the operating conditions with electrostatic spray visualization setup with single- and multi- nozzles. As a result, the spraying droplet size was turned out to be smaller as the ionic conductivity of the solution was higher, the viscosity was higher, the surface tension was higher, the nozzle size was smaller, the flow rate of water supplied was lower and the applied voltage was higher. It was also found that among all operating conditions, the applied voltage and the flow rate of the water dominates the water droplet size. Based on this data, in the second year of this project we will apply to various fields and automatic control of the system by deriving empirical formulas including the properties of the solution and the various operating parameters based on the databases collected so far in relation to the visualization studiesls expected. On the other hand, in the case of the electrostatic spraying cyclone, the electrode distance between the nozzle tip and the dust collecting plate is 75-80 cm, the supply amount of water for spraying is 0.5-1.0 LPM, the inlet exhaust gas amount is 10 CMM, the applied voltage is 50 kV, The reduction efficiencies of PM10, PM2.5 and PM 1.0 were 99%, 95% and 91%, respectively, at the concentration of 100-130 mg / m³. The efficiency of dust collection can be further improved by redesigning water supply piping, multi-nozzle part, and flue gas inflow part. On the other hand, the efficiencies of PM10, PM2.5 and PM1.0 were measured as 93.5%, 75.2% and 51.4%, respectively, when no water was supplied under the same applied voltage condition (only dry corona between the fin and the dust collector was used)Considering that the ionic droplet ejection through electrostatic spraying has a great effect on the removal of ultrafine dust below PM2.5. It is shown that the effect of PM on NO absorption and SO₂ conversion can be minimized in an all-in-one scrubber, and it can be used as an essential pretreatment part when applied to the recycling technology of air pollutants.

In the first year, a total of eleven chelate ligand candidates were selected through a literature review, and basic evaluation experiments were conducted on the absorption capacities of NO and SO₂. We have constructed a device for measuring the equilibrium constant of reaction between NO and chelate compounds and have conducted experiments and selected Kier-A material with NO absorption capacity much higher than the reference material Fe2 -EDTA as the target material. We have constructed a device for measuring the equilibrium constant of reaction between NO and chelate compounds and have conducted experiments and selected Kier-A material with NO absorption capacity much higher than the reference material Fe2 -EDTA as the target material.In order to theoretically verify the experimentally confirmed results, modeling based on computational science was performed. The prediction results of the NO adsorption energy properties of the candidate materials were consistent with the experimental results. The continuous removal of NO from the packing column using Kier-A solution was carried out. When 0.01 M concentration solution was injected at 0.08 L / min flow rate, 85.4% of 500 ppmv NO gas at 5 vol%Removal efficiency.When the 0.01 M Ca (OH)₂ solution was injected at 0.02 L / min flow rate using the same packing column, the removal efficiency was 99.1% for 1000 ppmv SO₂ gas.In addition, the possibility of electrochemical regeneration of the Kier-A absorbing solution absorbing NO was evaluated. In the first year, reduction experiments were carried out for NO and SO₂, respectively, and a sorbent with high removal efficiency was obtained. Based on this, in the second year, a sorbent for simultaneous abatement was developed and a mixed gas of NO and SO₂ We are going to carry out an experiment on. The regeneration mechanism of the chelate compound oxidized by oxygen and the chelate compound absorbed NO was identified, and the spectroscopic method was established and it was confirmed that it was chemically or electrochemically reduced and regenerated. In order to construct a continuous process, it is necessary to search for electrolyte and electrode material that can be regenerated quickly in the second year.

The results of the first year experiment were obtained by supplying the fly ash that was collected at the rear end bag filter of the thermal power plant at the room temperature condition. As a result, it is confirmed that the commercialization of the wet electrostatic precipitator I think I can. In addition, the company will be selected early for technology transfer and will prepare various matters such as applying for license for air emission business, obtaining economic evaluation data, and financing facility and operation for commercialization through IP R&D consulting. This technology will have a great effect on reducing pollution of surrounding residents, prevention of air pollution and improvement of quality of life through the substantial reduction of ultra fine dust and acid gas in social aspect. And cope with the regulations on PM2.5 that will come soon, so that the health rights and quality of life of the people can be guaranteed from the lungs and bronchial diseases, thereby enhancing the competitiveness of the environment in the country and reducing the social cost accordingly It will be possible.

In addition, it contributes to the prevention of air pollution by solving the problem of fine dust and acid gas emission at various business sites such as smelter, dyeing industry and marine vessel as well as power plant, industrial, And it is expected that it will be able to advance into overseas markets in the industrial sectors in the developed and developing countries. By replacing the existing three processes with an all-in-One system, it is possible to reduce the burden on small and medium-sized industries such as installation cost and installation site, while at the same time, it can reduce the electricity use by 30% and reduce the solution usage by 50% Through this project, it is possible to standardize the module according to the concentration of exhaust gas and pollutant, making it possible to reduce the production cost and installation cost by making at least one all-in-One system pilot plant to be manufactured, installed and optimized. Finally, the simultaneous NOx-SOx adsorbent can be reused while maintaining high denitrification performance and possessing proprietary technology in the field of exhaust gas treatment, it is possible to break the structure of proprietary market structure based on SCR in strengthening domestic competitiveness and denitrification process.

In short, the proposed technology is aiming at world-class performance in ultra-fine dust, NOx, and SOx reduction. If it succeeds in development, 1) it will be able to recover the waste heat of the exhaust gas after the combustion from 350°C to 100℃, 2) removal of ultrafine dust by electrostatic spraying of water in the pretreatment unit, and 3) removal of 95% or more by spraying the absorption solution, which is to be developed in the flue gas containing SO₂-NO into the structure-optimized modular scrubber by electrostatic spray technique. And small and medium-sized businesses and marine vessels that can be replaced by a single unit in the existing high temperature denitrification process (SCR), desulfurization process (FDG) and wet electrostatic precipitator (Wet ESP). After the completion of the research and development by 2020, we will establish an MOU with small and medium-sized enterprises operating a real industrial road or using a 10,000 kW class container ship by actively using prototypes, patents and technical know-how.

(출처 : SUMMARY 16p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 요 약 문 ... 5
• SUMMARY ... 12
• CONTENTS ... 20
• 목차 ... 22
• 그림목차 ... 24
• 표목차 ... 30
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 34
• 제 1 절 연구개발의 배경 및 필요성 ... 34
• 제 2 절 연구개발의 목표 ... 44
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 46
• 제 1 절 정전분무 기술의 리뷰 및 기술 동향 ... 46
• 1. 국내외 기술개발 현황 ... 46
• 제 2 절 초미세먼지(PM) 저감 기술 개요 및 현황 ... 54
• 1. 국내외 기술개발 현황 ... 54
• 제 3 절 NOx-SOx 동시저감 기술 개발 현황 ... 59
• 1. 동시저감 기술 개요 ... 59
• 2. 국내외 동시저감 기술 개발 현황 ... 60
• 3. 동시저감 기술 관련 특허 출원 동향 ... 65
• 제 3 장 연구개발 수행내용 및 결과 ... 73
• 제 1 절 서 론 ... 73
• 제 2 절 정전분무를 이용한 초미세먼지 집진기 설계 및 제작 ... 74
• 1. 정전분무 노즐 설계 ... 74
• 2. 정전분무 집진기 설계 ... 85
• 3. 정전분무 가시화 실험 ... 92
• 4. 초미세먼지 집진 성능 실험 ... 101
• 제 3 절 NOx-SOx 동시저감을 위한 흡수용액 개발 ... 136
• 1. NO 흡수제의 기초 성능 평가 실험 ... 136
• 2. 계산과학 기반의 NO 흡수제 모델링 ... 140
• 3. SO₂와 NO의 연속 저감 실험 ... 143
• 제 4 절 NOx-SOx 동시저감 흡수용액의 재생 기술 개발 ... 149
• 1. NO 흡수액의 재생 공정 ... 149
• 2. 최적의 재생 촉매 선정 ... 150
• 제 5 절 초미세먼지/NOx/SOx 배출 모사시스템 설계 ... 156
• 1. 배기가스 모사시스템 ... 156
• 2. 배기가스 모사시스템 사양 선정 ... 157
• 3. 배기가스 모사시스템 제작 ... 165
• 4. 배기가스 모사시스템 평가 ... 167
• 제 6 절 PM/NOx/SOx 동시저감을 위한 올인원 스크러버 설계 ... 171
• 1. 올인원 스크러버 설계 ... 171
• 2. 올인원 스크러버 유동 패턴 CFD 해석 ... 174
• 3. 올인원 스크러버의 동시저감 성능 실험 ... 178
• 제 4 장 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의 ... 189
• 제 1 절 연구개발 결과 및 활용 건의 ... 189
• 1. 연구개발 결과 요약 ... 189
• 2. 활용에 대한 건의 ... 194
• 참고문헌 ... 196
• 끝페이지 ... 198