With the continuous development of industry, air pollution became among the most serious problems that the world faces. To resolve this matter, wet scrubber, which applies absorption method, is widely used in industrial fields. In fact, there still are drawbacks with current scrubber systems, and the technical development has been stagnated worldwide. Therefore, in this study, a novel scrubber system utilizing impeller-based liquid-gas mixing device was developed for the efficient removal for air pollutants.
A sirocco fan-type impeller, a radial impeller, was equipped with mesh sheet for the generation of micro-sized liquid particles. With this particular impeller, liquid particles with about 70 µm of diameter were generated, which can highly enhance the liquid and gas contact efficiency. Modified impeller was then applied in a lab-scale scrubber system for NO gas removal, using ferrous iron ethylenediaminetetraacetate (EDTA), a chelating agent, as an absorbent. With further amendment with an inner impeller, which increases the efficacy of the mesh and impeller blades, 93.6% of the removal efficiency was obtained. Moreover, by increasing retention time via dividing the chamber into two-floor and using two discrete impellers, the efficiency improved to 96.6%. This impeller-based scrubber developed in this study clearly proved to perform exceedingly well in absorbing NO in terms of structural configuration.
After modifying the structures and designs of impeller and the scrubber, parametric studies were carried out to increase the NO gas removal efficiency by applying various experimental conditions. With the increase in rotational speed to 3,000 rpm, higher efficiency was obtained, by generating smaller liquid particles. And, when the liquid-gas ratio and absorbent concentration were raised to 20 $L/m^3$ and 0.15M, we achieved up to 97.0% of removal efficiency. Moreover, by applying these ultimate conditions to the two-floor chamber from the previous chapter, the final removal efficiency increased highly up to about 98.6%.
The impeller-based scrubber was then applied at Korea South-East power plant in pilot scale for simultaneous SOx/NOx removal. The system includes the scrubber system, activated carbon reactor, and electrochemical cell. In the scrubber system, there is a vigorous mixing between the gas and absorbent (Fe(II)EDTA) to maximize the absorption efficiency for SOx and NOx removal. In the activated carbon reactor, oxidized absorbent was regenerated and then circulated for the continuous operation. And in electrochemical cell, hydrolysis occurred for the pH control. When the entire system was operated, 94.4% of NOx and 99.6% of SOx removal efficiency were obtained, maintaining the efficiency for over 9 hours. Comparing these results with other existing methods, this system was proven to be substantially better than other reported technologies for simultaneous SOx/NOx removal.
Impeller-based scrubber system can also be applied in other fields where there includes absorption method of liquid and gas contact. Particularly hydrogen sulfide in biogas, one of serious corrosion-causing compounds, can be treated in the system using Fe(III)EDTA as an oxidant. Using the one-floor scrubber, over 99% removal efficiency of hydrogen sulfide was achieved with 0.05M of the oxidant and 20 $L/m^3$ of liquid-gas ratio. This system can be combined with NOx removal scrubber where Fe(II)EDTA absorbent is oxidized to Fe(III)EDTA in the presence of oxygen, so as for the regeneration process, hydrogen sulfide removal process can be used. By reusing the absorbent after the NOx scrubber as an oxidant of hydrogen sulfide scrubber, 98.1% removal efficiency was obtained, and the solution can be recycled in the NOx scrubber as well. Therefore, a potentially workable integrated system for the removal of both NOx and hydrogen sulfide was proposed with a promising proof of concept results.
산업의 발달에 따라 여러 환경 문제, 그 중에서도 대기오염이 전세계적으로 문제가 되고 있으며, 특히 국내에서는 최근 미세먼지가 사회적으로 큰 이슈가 되고 있다. 이러한 미세먼지 문제를 해결하기 위해 흡수제를 활용한 습식 스크러버가 일반적으로 많이 사용되고 있으나, 낮은 효율, 높은 비용 등의 문제점들이 있으며, 그 기술 개발 또한 세계적으로 정체되어있는 실정이다. 이에 따라, 본 학위논문에서는 대기오염물질을 더욱 효과적으로 처리하기 위해, 기존 기술의 문제점들을 보완한 신개념 임펠러 기반 공기정화 장치를 개발하였다.
메쉬와 소형 임펠러의 장착으로 특수 개발된 임펠러는 회전 시 유체의 흐름에 따라 미스트 형태의 액적을 생성함과 동시에 기체와 액체의 강력한 믹싱을 야기하는데, 이를 스크러버에 적용시켜 유체들 간의 접촉 효율을 극대화 하고자 하였다. 이를 체계적으로 개발하고자, 우선적으로 유체의 흐름을 파악하기 위한 computational fluid dynamics 분석을 진행하였으며, 그에 따라 임펠러와 스크러버의 최적화된 디자인 및 규격을 확보하였다. 그 결과 개발된 스크러버를 사용하여 대표적인 대기오염물질 중 하나인 산화질소를 2가철-에틸렌다이아민테트라아세트산을 흡수제로 사용하여 제거하였는데, 2단 구조로 개조된 스크러버에 특수 임펠러를 구동 시킴을 통해 500 ppm의 초기 산화질소를 96.6%까지 제거할 수 있었다. 또한 회전속도, 액-기비, 흡수제의 농도를 달리하는 매개변수 최적화 연구를 통해, 3,000rpm의 회전속도, 20 $L/m^3$의 액기비, 0.15M의 흡수제 농도 조건 하에서 제거율을 98.6%까지 높이는데 성공하였다.
나아가, 실제 화력발전소 현장에서 발생하는 질소산화물과 황산화물의 동시저감을 위해 임펠러 기반의 스크러버를 파일럿 규모로 설치하여 운전하였다. 전체 시스템은 오염물질의 제거를 위한 스크러버, 흡수제의 재생을 위한 활성탄조, pH의 조절을 위한 전기화학셀, 물질의 자원화를 위한 자원화조로 구성되며, 이를 활용하여 최종적으로 94.4%의 질소산화물 및 99.6%의 황산화물 동시 제거효율을 달성하였다. 이 수치는 기존의 동시저감기술과 비교해 현저히 높은 제거율이며, 에너지 및 설치비용 측면에서도 높은 경제적 이점을 가지고 있다.
또한, 본 연구 기술은 흡수법이 포함되는 다양한 분야로 확장 적용될 수 있는데, 그 중에서도 특히나 바이오 가스 공정시설에서 발생하는 부식성 악취 물질인 황화수소와 연소과정에서 발생하는 질소산화물의 제거에 활용될 수 있다. 임펠러 기반 스크러버 시스템을 통해 3가철-에틸렌다이아민테트라아세트산을 흡수제로 사용하여 99% 이상의 황화수소 제거효율을 달성하였으며, 이 공정은 또한 질소산화물제거용 스크러버의 흡수제 재생공정으로 활용되어 질소산화물과 황화수소를 제거할 수 있는 반영구적 통합시스템의 구축으로 이어질 수 있다. 이를 위해 질소산화물을 제거한 후의 흡수 용액을 황화수소 제거에 재사용하여 98.1%의 제거효율을 달성하였으며, 이 흡수 용액은 또다시 질소산화물 제거의 흡수제로 사용할 수 있다.
본 연구에서 개발한 신개념 특수 기-액 접촉 장치는 저에너지 및 저비용으로 운전할 수 있을 뿐 아니라, 확장 및 축소가 용이하여 기존의 스크러버에 비해 부피 대비 오염물질 제거효율이 높아 현장 적용이 뛰어난 장점을 갖는다. 따라서 지속적인 기술개발을 통해 관련 기술 분야와 시장에 큰 영향을 가져올 수 있을 것으로 기대된다.
