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KR102570464B1 - 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템 - Google Patents

스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템 Download PDF

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KR102570464B1
KR102570464B1 KR1020220060531A KR20220060531A KR102570464B1 KR 102570464 B1 KR102570464 B1 KR 102570464B1 KR 1020220060531 A KR1020220060531 A KR 1020220060531A KR 20220060531 A KR20220060531 A KR 20220060531A KR 102570464 B1 KR102570464 B1 KR 102570464B1
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KR
South Korea
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washing water
exhaust gas
scrubber
gas
radicals
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Active
Application number
KR1020220060531A
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English (en)
Inventor
남정훈
김태원
황재성
Original Assignee
주식회사 제이제이이테크
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

본 발명은 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템에 관한 것으로, OH 라디칼(수산기)을 생성하고 그 OH 라디칼을 스크러버 안으로 투입하여, 스크러버 내에서 세정수에 의해 정화된 가스를 재차 정화하여 배출함으로써 정화효율을 높일 수 있으며, 세정 후 오염된 스크러버 내의 오염세정수를 정화하여 재순환함으로써 세정수 교환이 필요 없어 정화 효율성을 높이고, 폐수처리 비용을 대폭 절감할 수 있다.

Description

스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템{SYSTEM FOR CLEANING DISCHARGE GAS AND POLLUTED CLEANING WATER IN SCRUBBER}
본 발명은 스크러버의 오염세정수와 배출가스를 동시에 정화할 수 있는 정화 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 아크방전과 광촉매(photocatalyst) 자외선(uv)을 이용하여 OH 라디칼(수산기)을 생성하고 그 OH 라디칼을 스크러버(scrubber) 안으로 투입하여, 스크러버 내에서 세정수(cleaning water)에 의해 정화된 가스를 재차 정화하여 배출함으로써 가스 정화 효율을 높일 수 있으며, 세정 후 오염된 스크러버 내의 오염세정수를 정화하여 재순환함으로써 세정수 교환이 필요 없는 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 스크러버는 대기오염 방지를 위해 공정상 발생하는 폐가스 및 배출가스를 처리하기 위한 장치이며, 발생하는 폐가스 및 배출가스의 종류 및 특성에 따라 다양한 종류가 있다.
스크러버의 폐가스 및 배출가스 정화 원리는 세정탑 안으로 인입된 폐가스 및 배출가스에 세정수(세정수+흡수제)를 분사시켜 배출가스와 세정수가 접촉 반응되어 오염 물질을 흡수 제거한 후 청정 공기를 대기 중으로 배출한다.
예를 들어, 반도체 소자를 생산하는 공정 중에는 독성 가스를 배출하는 공정이 많은데, 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 공정, 이온주입(ion implantation) 공정, 식각 공정, 확산 공정 등에 사용되는 SiH4, SiH2, NO, AsH3, PH3, NH3, N2O, SiH2Cl2 등의 가스들이 사용되는데, 공정을 거치고 배출되는 가스는 여러 종류의 독성 물질을 함유하고 있다.
이런 독성 가스는 인체에 해로울 뿐만 아니라 가연성과 부식성도 있어 화재 등의 사고를 유발하기도 한다. 이런 독성 가스가 대기로 방출되면 심각한 환경오염을 유발하므로 가스가 대기 중에 방출되기 전에 스크러버를 통과하여 가스를 정화하는 공정을 거치게 된다. 스크러버는 크게 웨팅(wetting) 방식과 버닝(burning) 방식으로 대별된다.
웨팅 방식 스크러버는 물을 이용하여 배출가스를 세정 및 냉각하는 구조로써, 비교적 간단한 구성을 가지므로 제작이 용이하고 대용량화할 수 있다는 장점은 있으나, 불수용성의 가스는 처리가 불가능하고, 특히 발화성이 강한 수소기를 포함하는 배출가스의 처리에는 부적절한 문제가 있다.
버닝 방식 스크러버는 수소 버너 등의 버너 속을 배기가스가 통과되도록 하여 직접 연소시키거나, 또는 열원을 이용하여 고온의 챔버를 형성하고 그 속으로 배출가스가 통과되도록 하여 간접적으로 연소시키는 구조를 갖는다.
기존의 스크러버는 열분해시 생성되는 고열의 처리가스를 냉각하기 위하여 처리가스에 직접 냉각수를 분사하여 냉각하였으나, 냉각수를 직접 분사함에 따른 비용이 과다하게 소모되고, 처리가스에 냉각수를 분사한 이후 생성되는 폐수의 처리 비용이 크게 발생하는 문제가 있다.
국내 공개특허 제10-19990-제019033호(공개일: 1999.03.15)
본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위해 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 아크방전과 광촉매 자외선을 이용하여 OH 라디칼(수산기)을 생성하고 그 OH 라디칼을 스크러버 안으로 투입하여, 스크러버 내에서 세정수에 의해 정화된 가스를 재차 정화하여 배출함으로써 가스 정화효율을 높일 수 있으며, 세정 후 오염된 스크러버 내의 오염세정수를 정화하여 재순환함으로써 세정수 교환이 필요 없어 세정수 정화 효율성을 높이고, 폐수처리 비용을 대폭 절감할 수 있는 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템은 OH 라디칼을 생성한 후 그 OH 라디칼을 스크러버 안으로 공급하여 상기 스크러버 내부의 오염세정수와 배출가스를 동시에 정화하는 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템으로서, 수증기를 포함하는 대기중의 공기를 공급하는 공기 공급장치; 상기 공기 공급장치에서 공급하는 공기를 수용하는 플라즈마 반응조를 구비하고, 상기 플라즈마 반응조 내부에서 고압의 플라즈마 아크방전을 실시하여 산화제인 OH 라디칼을 생성하고, 상기 플라즈마 반응조 내부에 광촉매인 이산화티탄(TiO2)이 피복되는 플라즈마 모듈; 상기 이산화티탄(TiO2)에 자외선을 조사하여 산화제인 OH 라디칼을 생성하는 자외선 모듈; 및 OH 라디칼을 상기 스크러버 안으로 공급하는 OH 라디칼 휘산모듈; 을 포함하여 구성된 기술적 특징이 있다.
또한, 상기 자외선 모듈에서 방출된 광에너지가 광촉매인 상기 이산화티탄(TiO2)의 결합에너지보다 같거나 그 이상이 되면 전자가 채워져 있던 상기 이산화티탄에서 전자가 방출되며, 상기 이산화티탄에는 정공이 생성되어 여기된 전자는 광촉매인 상기 이산화티탄의 표면에 흡착되어 있는 전자수용체인 산소기체와 반응하여 높은 산화력을 가진 OH 라디칼을 생성하도록 하는 기술적 특징이 있다.
또한, 상기 플라즈마 반응조는 석영관으로 구성된 기술적 특징이 있다.
또한, 상기 스크러버는,
오염된 배출가스를 흡입하기 위한 사이클론; 내부에 일정량의 세정수를 집수하여 외부로 배출시켜 주는 세정수 집수조; 상기 세정수 집수조의 연통되어 그 상부에 장착되는 배출가스 세정조; 상기 사이클론의 출구측과 연결되어 상기 배출가스 세정조 내부에 끼워져 설치되고, 그 끝단부가 상기 배출가스 세정조의 하방으로 연장되어 배출가스를 분출시켜 주는 배출가스 토출관; 상기 배출가스 세정조의 외주에 등간격으로 배치되어 상기 배출가스 토출관을 향하여 세정수를 분사시켜 주며, 상기 배출가스 토출관의 길이방향을 따라 미리 정해진 간격으로 복수의 수막층을 형성시켜 주는 세정수 분사장치; 상기 세정수 분사장치에 의해 세정된 배출가스를 포집하며, 상기 OH 라디칼 휘산모듈에 의해 공급되는 OH 라디칼을 이용하여 배출가스를 재차 정화하여 배출하기 위한 토출구를 구비하는 가스배출부; 및 상기 세정수 집수조와 상기 세정수 분사장치를 연결하며, 상기 OH 라디칼 휘산모듈에 의해 공급되는 OH 라디칼을 이용하여 세정 후 오염된 세정수를 재차 정화하여 상기 세정수 분사장치로 공급하여 세정수 교환이 필요 없도록 하는 세정수 순환배관; 을 포함하여 구성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 아크방전과 광촉매 자외선을 이용하여 OH 라디칼(수산기)을 생성하고 그 OH 라디칼을 스크러버 안으로 투입하여, 스크러버 내에서 세정수에 의해 정화된 가스를 재차 정화하여 배출함으로써 가스 정화 효율을 높일 수 있으며, 세정 후 오염된 스크러버 내의 오염세정수를 정화하여 재순환함으로써 세정수 교환이 필요 없어 세정수 정화 효율성을 높이고, 폐수처리 비용을 대폭 절감할 수 있다.
둘째, 본 발명의 정화시스템 적용은 스크러버(탈취탑)에 국한되지 않으며, 비료공장이나 하수처리장, 축사, 음식물처리장 등 악취 발생 지역 어느 곳에나 설치 가능하다.
셋째, 산화제, 흡착제, 미생물 같은 약품 투입 없으며, 폐수의 발생이 없으므로 2차 오염이 발생하지 않는다. OH 라디칼 생성시 발생하는 오염가스(예를 들어, 암모니아 가스 등)는 세정수 분무를 통해서 제거할 수 있다.
넷째, 스크러버(탈취탑)의 세정수 세정 효과가 탁월하고 세정수 교체비용을 최소화할 수 있다.
다섯째, 시설 규모의 소형화가 가능하여 설비 비용을 최소화할 수 있고, 처리용량과 농도에 적합하도록 소비자 요구에 따라 분리 및 조립이 가능하다.
여섯째, 기존 오염방지 시설과 효율적인 연계가 가능하고, 날씨 및 온도에 관여 받지 않고 가동이 가능하다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템을 스크러버에 연결 설치한 도면
도 2는 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템의 전체 구성도
도 3은 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템을 도시한 블록도
도 4는 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템에서, 스크러버를 도시한 구성도
도 5는 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템과 스크러버를 연결 설치한 도면
도 6은 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템에서, OH 라디칼 발생을 설명하는 도면
도 7은 본 발명의 다른 예에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템과 스크러버를 연결 설치한 도면
도 8은 도 7의 암모니아 가스 제거모듈을 도시한 구성도
도 9는 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템의 설치 사진
도 10의 (a)는 종래 스크러버 내의 세정수 오염도를 보인 것이고, 도 8의 (b)는 본 발명의 스크러버 내의 세정수 오염도를 보인 사진
도 11은 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템을 비료공장에 설치한 사진
도 12는 도 11에서 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템 가동 전 비료공장 내의 복합악취가스 암모니아 황화수소 유기화합물 오염치를 보인 도면
도 13은 도 11에서 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템 가동 후 비료공장 내의 복합악취 가스 암모니아 황화수소 유기화합물 오염치(정화도)를 보인 도면
도 14a 내지 14c는 측정분석결과 기록부를 보인 도면
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려졌고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로, 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시 한다.
또한, 각 구성 요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성 요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
또한, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)") 등과 같은 용어들에 관하여 본원 발명에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템을 스크러버에 연결 설치한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템의 전체 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템에서, 스크러버를 도시한 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템과 스크러버를 연결 설치한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템에서, OH 라디칼 발생을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 예에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템과 스크러버를 연결 설치한 도면이고, 도 8은 도 7의 암모니아 가스 제거모듈을 도시한 구성도이다.
도 9는 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템의 설치 사진이다.
도 10의 (a)는 종래 스크러버 내의 세정수 오염도를 보인 것이고, 도 10의 (b)는 본 발명의 스크러버 내의 세정수 오염도를 보인 사진이다.
우선, 도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템(100)은 아크방전과 광촉매 자외선을 이용하여 OH 라디칼을 생성한 후 그 OH 라디칼을 스크러버(10) 안으로 공급하여 스크러버(10) 내부의 오염세정수와 배출가스를 동시에 정화하는 시스템이다.
본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템(100)에서, 스크러버(10) 내부로 유입되는 배출가스(오염가스)는 일차적으로 세정수에 의해 정화된 후 OH 라디칼에 의해서 재차 정화되어 외부로 배출되어 정화효율을 높일 수 있으며, 배출가스를 세정처리 하여 오염된 오염세정수는 OH 라디칼에 의해서 정화되어 재순환됨으로써, 세정수 교환이 필요 없기 때문에 세정수 정화 효율성을 높이고, 폐수처리 비용을 대폭 절감할 수 있는 기술적 특징이 있다.
본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템(100)은 수증기를 포함하는 대기중의 공기를 공급하는 공기 공급장치(110); 공기 공급장치(110)에서 공급하는 공기를 수용하는 플라즈마 반응조(121)를 구비하고, 플라즈마 반응조(121) 내부에서 고압의 플라즈마 아크방전을 실시하여 산화제인 OH 라디칼을 생성하고, 플라즈마 반응조(121) 내부에 광촉매인 이산화티탄(TiO2)(130)이 피복(코팅)되는 플라즈마 모듈(120); 이산화티탄(130)에 자외선을 조사하여 산화제인 OH 라디칼을 생성하는 자외선 모듈(140); 및 OH 라디칼을 스크러버(10) 안으로 공급하는 OH 라디칼 휘산모듈(150); 을 포함하여 구성된 기술적 특징이 있다.
본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템(100)의 구성요소를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
우선, 도 5에 도시된 바와 같이, 공기 공급장치(110)는 수증기(H2O) 및 산소(O2) 등을 포함하는 대기중의 공기를 송풍팬(111)을 가동하여 공급하도록 한다.
상기 플라즈마 모듈(120)은 공기 공급장치(110)에서 공급하는 공기를 수용하는 플라즈마 반응조(121)를 구비하고, 플라즈마 반응조(121) 내부에서 고압의 플라즈마 아크방전을 실시하여 산화제인 OH 라디칼을 생성하도록 한다. 아울러, 플라즈마 반응조(121) 내부에 광촉매인 이산화티탄(TiO2)(130)이 피복된다.
구체적으로, 상기 플라즈마 모듈(120)은 공급되는 구동 전력의 전기 에너지에 의하여 고압의 플라즈마 아크를 발생하키도록 구성되어 전기 에너지를 열 에너지로 변환시킨다. 즉, 기체 등 절연체(絶緣體)가 강한 전기장 하에서 절연성을 상실하고 전류가 그 속을 흐르는 현상을 방전이라 한다.
특히, 절연체가 기체인 경우를 방전이라고 하며, 이 방전과정을 통해서 생성된 전자, 이온, 중성입자들의 혼합체를 플라즈마라 지칭한다.
통상, 온도를 차차 올려 줌에 따라 물질 상태는 고체에서 액체로, 또 액체에서 기체로 변한다. 이 기체에 계속 열을 가하여 수천 ℃가 되면 기체분자는 원자로 해리되고 또다시 전자와 양전하를 가진 이온으로 전리된다.
이와 같이 고온에서 전자와 이온으로 분리된 기체로서 그 전리도가 남은 중성원자에 비해 상당히 높으면서도 전체적으로는 음과 양의 전하수가 거의 같아서 중성을 띠고 있는 기체를 플라즈마라 부른다.
이렇게 이루어진 전리기체 플라즈마는 흔한 중성 기체와는 그 전기적 성격으로 인하여 근본적으로 다르며, 이러한 이유로 인해 플라즈마를 "제4의 물질 상태"라고 부른다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 플라즈마 모듈(120)은 공기 공급장치(110)에서 공급하는 수증기를 포함하는 대기중의 공기를 수용하는 플라즈마 반응조(121)를 구비하는 바, 양극(P1)과 음극(P2)이 서로 방전갭(G)을 두고 이격 설치되며, 고압전압부(122)에 의해서 양쪽 전극(P1)(P2)에 고압을 인가하여 아크 방전을 실행하여 산화제인 OH 라디칼을 생성하도록 한다.
고압전압부(122)의 전압은 3,000V∼25,000V의 고압을 인가하도록 구성될 수 있는 고압 트랜스로 구성될 수 있다.
상기 플라즈마 반응조(121)는 석영관으로 구성될 수 있고, 플라즈마 반응조(121) 내부에 광촉매인 이산화티탄(TiO2)(130)이 피복됨으로써, 그 플라즈마 반자외선 모듈(140)이 이산화티탄(130)에 자외선을 조사하여 산화제인 OH 라디칼을 생성하도록 한다.
광촉매의 종류는 아나타제형 이산화티탄, 이산화망간 이외에도 CdS, ZnO계 및 NbO계 등이 있다. 전이금속이 첨가된 Zn0.9Me0.1O의 ZnO계와 K4Nb6O17의 나이오베이트계가 광촉매 정화효과가 있음이 알려져 있다.
OH 라디칼은 기존의 오존을 비롯한 산화제보다 산화력이 수십 배에서 수천 배까지 강력하여, 기존 정수방식으로 처리하기 어려운 다이옥신, 벤젠, 페놀, TCE(Trichloro ethylene), THMs(트리할로메탄) 등과 같은 독성 및 난분해성 유기화합물 등을 산화 분해시킬 수 있다.
OH 라디칼은 강력한 산화제(oxidizing agent)로서, 산화제란 산화와 환원 반응에서 상대를 산화시키고 자신은 환원되는 물질로서 자신의 산화수는 감소하는 전자 수용체이다. 대표적인 산화제는 산소(O2), 오존(O3)과 같은 활성산소 등이 있으며, O2, O3는 각각 H2O, CO2가 되면서 수소를 받거나 산소를 주면서 산화수가 0에서 -2로 감소하면서 환원되어 산화제로 사용된다.
이와 같이 수증기를 포함하는 공기에 높고 강력한 에너지를 가해서 산소분자(O2)와 물분자(H2O)를 깨뜨려 불안정한 분자를 이야기하는데, OH 라디칼은 지구상에서 가장 강력한 살균력, 분해능력을 가지면서도 인체에 무해한 천연물질이다.
OH 라디칼은 플라즈마 모듈(120)의 아크방전을 통해서 높은 고전압을 이용해 발생시키는바, 이러한 OH 라디칼은 오존의 2000배, 태양 자외선보다 180배 빠른 살균능력을 가지며, 공기와 물속의 오염물질을 직접 분해제거하는 특성이 있으나 반응성이 너무 활발해 오래 지속하기가 어려워 계속해서 효과를 얻으려면 계속해서 높은 에너지를 가해주어야 한다.
그리고 OH 라디칼을 발생시키기 위해서 불가피하게 유해 오존이 발생하는 경우, 이산화티탄(TiO2)(130)과 자외선 특정파장을 이용한 광촉매 처리방식, 자외선 특정파장을 이용한 처리방식, OH 라디칼 자체가 수용액 내에서 존재할 수 있게 만든 칼슘 알칼리 방식 등을 사용하여 유해물질을 제거할 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 자외선 모듈(140)에서 방출된 광에너지가 광촉매인 이산화티탄(130)의 결합에너지보다 같거나 그 이상이 되면 전자가 채워져 있던 이산화티탄(130)에서 전자가 방출되며, 이산화티탄(130)에는 정공이 생성되어 여기된 전자는 광촉매인 이산화티탄(130)의 표면에 흡착되어 있는 전자수용체인 산소기체와 반응하여 높은 산화력을 가진 OH 라디칼을 플라즈마 반응조(121) 내부에서 생성하도록 구성될 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 OH 라디칼 휘산모듈(150)은 OH 라디칼을 스크러버(10) 안으로 공급하도록 한다. 이때, 스크러버(10)의 가스배출부(25)와 세정수 집수조(21) 안으로 OH 라디칼을 공급하도록 한다.
이하, 도 1 및 도 4를 참조하여, 상기 스크러버(10)의 구성을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
상기 스크러버(10)는, 오염된 배출가스를 흡입하기 위한 사이클론(11); 내부에 일정량의 세정수를 집수하여 외부로 배출시켜 주는 세정수 집수조(21); 상기 세정수 집수조(21)의 연통되어 그 상부에 장착되는 배출가스 세정조(22); 상기 사이클론(11)의 출구측과 연결되어 상기 배출가스 세정조(22) 내부에 끼워져 설치되고, 그 끝단부가 상기 배출가스 세정조(22)의 하방으로 연장되어 배출가스를 분출시켜 주는 배출가스 토출관(23); 상기 배출가스 세정조(22)의 외주에 등간격으로 배치되어 상기 배출가스 토출관(23)을 향하여 세정수를 분사시켜 주며, 상기 배출가스 토출관(23)의 길이방향을 따라 미리 정해진 간격으로 복수의 수막층을 형성시켜 주는 세정수 분사장치(24); 상기 세정수 분사장치(24)에 의해 세정된 배출가스를 포집하며, 상기 OH 라디칼 휘산모듈(150: 도 5에 도시)에 의해 공급되는 OH 라디칼을 이용하여 배출가스를 재차 정화하여 배출하기 위한 토출구(25a)를 구비하는 가스배출부(25); 및 상기 세정수 집수조(21)와 상기 세정수 분사장치(24)를 연결하며, 상기 OH 라디칼 휘산모듈(150)에 의해 공급되는 OH 라디칼을 이용하여 세정 후 오염된 세정수를 재차 정화하여 세정수 분사장치(24)로 공급하여 세정수 교환이 필요 없도록 하는 세정수 순환배관(26); 을 구비한다.
상기 세정수 집수조(21) 및 가스배출부(25)에는 송풍팬(F)이 설치되어 OH 라디칼 공급을 원활하게 하고, 필터(P)를 설치하여 OH 라디칼 안에 포함된 이물질을 걸러내고 OH 라디칼이 역류하지 못하도록 할 수도 있다.
상기 물분사장치(24)는 세정수 집수조(21) 안으로 세정수를 분사하여 그 내부에 수막층을 형성시켜 주기 위한 장치로서, 세정수 집수조(21)의 외부에 외주면을 따라 그 원호 상에 미리 정해진 간격으로 배치된 복수의 분사노즐(24a)을 포함하여 구성된다. 이들 분사노즐(24a)은 하나의 수막층에 대하여 약 8개가 등간격으로 배치된 예를 보여주고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
분사노즐(24a)은 배출가스 세정조(22)의 내벽으로부터 배출가스 토출관(23)의 외벽 사이로 물입자를 분사할 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있으나, 이웃한 분사노즐(24a)과의 분사 영역이 거의 중첩되거나 약간 중첩되게 하여 수막층을 형성함으로써, 이 수막층을 통과하는 가스와의 접촉효율을 최대한 높일 수 있게 하는 것이 바람직하다.
또한, 분사노즐(24a)은 이처럼 하나의 수막층을 형성함에 있어서, 분사영역에 따라서 설치되는 갯수를 조절하여 사용한다.
상기 물분사장치(24)는 상술한 바와 같이 수막층을 형성함에 있어서, 배출가스 세정조(22)의 길이방향에 미리 정해진 간격으로 복수층을 갖도록 구성하게 된다. 이는 가스가 복수의 수막층을 순차적으로 통과하면서 정화 작용이 이루어지도록 하기 위한 것이다.
이때, 복수의 수막층은 이웃한 수막층과 서로 엇갈리게 위치하도록 배치함으로써, 배출가스가 배출가스 세정조(22)와 배출가스 토출관(23) 사이에서 원형 형태의 수막층을 통과하면서 충돌 효과를 높여 줄 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 이루어진 스크러버(10)는, 사이클론(11)에서 1차적으로 정화된 가스가 스크러버(10)로 공급된다. 이때, 스크러버(10)는 배출가스가 배출가스 세정조(22)와 배출가스 토출관(23) 사이의 좁은 공간을 밑에서 위로 통과하면서 압력 상승이 이루어지게 되고, 이로 인하여 수막층과의 충돌력이 커지면서 정화 효율이 높아지도록 하는 것이다.
더 나아가, 상기 세정수 집수조(21)의 세정수 순환배관(26)에는 상기 배출가스 가이드관(11a)을 지지하고 상기 배출가스 가이드관(11a) 안으로 세정수를 분사하기 위한 복수의 분사노즐(24b)이 설치될 수 있다.
또한, 상기 사이클론 형식은 가스유입 방법에 따라 접선 유입식과 축류식으로 분류될 수 있다.
접선 유입식은 원통에 접한 유입구에서 나선형을 따라 돌면서 내부에 진입하고, 입구 가스속도는 7~15 m/s 이며, 대용량의 가스를 처리하는데에 많이 활용된다.
축류식은 날개의 방향에 의해 축을 따라가며 내부로 유입되고, 입구 가스속도는 10 m/s 전후이며, 접선 유입식에 비하여 압력손실이 작아서 동일 압력손실로 약 3배의 가스 량을 처리하며 가스의 균일한 분배가 용이하다.
한편, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 예에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템에서는 상기 자외선 모듈(140)과 상기 OH 라디칼 휘산모듈(150) 사이에 암모니아 가스 제거모듈(160)이 설치되어 OH 라디칼 생성과정에서 발생하는 유해가스, 예를 들어 암모니아 가스를 제거함으로써, 유해가스를 효과적으로 제거할 수 있다.
상기 암모니아 가스 제거모듈(160)은 일측과 타측에 가스 유입관(V1)과 가스 토출관(V2)이 형성되고 바닥측에 암모니아가 포함된 세정수가 배출되기 위한 배출관(V3)이 형성되는 하우징(161); 상기 하우징(161) 안에 모터(164)에 의해 회전 가능하게 설치되고, 내부로 가스가 유입되는 가스홀(162a)을 갖는 회전 원통(162); 및 상기 회전 원통(162)의 내벽에 설치되고, 세정수를 분무하여 가스에 포함된 암모니아 가스를 녹여 배출하기 위한 분무노즐(163); 을 구비할 수 있다.
가스 유입관(V1)을 통해서 하우징(161) 및 회전 원통(162) 안으로 가스가 유입된 후, 모터(164)에 의해 회전 원통(162)는 회전하고, 회전 원통(162) 안으로 유입된 가스는 분무노즐(163)을 통해서 분무되는 세정수에 의해서 세정 및 녹아서 암모니아가 배출관(V3)을 통해서 배출된 후, 가스 토출관(V2)을 통해서 암모니아가 제거된 가스(OH 라디칼)가 OH 라디칼 휘산모듈(150) 안으로 유입되는 것이다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템(100)의 동작에 대해서 자세히 설명하기로 한다.
상기 플라즈마 반응조(121) 안으로 유입된 공기 내에 포함된 수증기는 플라즈마 반응조(121) 내부에서 고압의 아크방전에 의해 열분해되는데, 이는 하기 반응식 1과 같은 반응기작에 의해 OH 라디칼을 발생한다.
반응식 1
H2O 열분해 → OH(radical) + H
그리고 자외선 모듈(140)이 이산화티탄(130)에 자외선을 조사하여 산화제인 OH 라디칼을 생성한다.
자외선 모듈(140)에서 방출된 광에너지가 광촉매인 이산화티탄(130)의 결합에너지보다 같거나 그 이상이 되면 전자가 채워져 있던 이산화티탄(130)에서 전자가 방출되며, 이산화티탄(130)에는 정공이 생성되어 여기된 전자는 광촉매인 이산화티탄(130)의 표면에 흡착되어 있는 전자수용체인 산소기체와 반응하여 높은 산화력을 가진 OH 라디칼을 생성할 수 있다.
이와 같이 생성된 OH 라디칼을 스크러버(10) 안으로 공급함으로써, 스크러버 내에서 세정수에 의해 정화된 공기를 재차 정화하여 배출함으로써 정화효율을 높일 수 있으며, 세정 후 오염된 스크러버 내의 세정수를 정화함으로써 세정수 교환이 필요 없어 세정수 정화 효율성을 높이고, 폐수처리 비용을 대폭 절감할 수 있다.
이하, OH 라디칼이 스크러버(10) 내의 유해 오염물과 반응하는 기작을 간단히 설명하면 다음과 같다.
OH 라디칼은 유해 오염물과 반응하여 HO2로 변화되는 라디칼 고리반응(chain reaction)에 의해 생성과 소멸을 반복하는데, 이에 대한 반응기작을 식으로 표현하면 하기의 반응식 2와 같다.
반응식 2
CO + OH (+O2) → CO2 + HO2
CH4 + OH (+O2) → CH3O2 + H2O → → → CO2
RH + OH → R + H2O → → CO, CO2, alcohol, aldehyde, ketone, acid, peroxide, aerosols(R is an organic free radical)
HCHO + OH (+O2) → CHO3 + H2O
배출가스 중의 주요 온실기체인 CH4도 대부분 위에 나타난 반응기작에 의해 OH 라디칼과 반응하여 제거된다.
또한, CO2나 유기산의 형태로 산화되는 여러 가지의 휘발성 유기탄소화합물(VOC)의 산화도 역시 OH 라디칼에 의해 시작되고, CFC의 대체물질인 HCFC도 하기 반응식 3에서와 같은 반응기작에 의해 체류기간이 OH 라디칼에 의해 결정된다.
반응식 3
HFC + OH → products
HCFC + OH → products
이와 같이 OH 라디칼은 오염물질을 산화시켜 제거하는 역할을 한다.
도 9는 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템의 설치 사진이며, 도 10의 (a)는 종래 스크러버 내의 세정수 오염도를 보인 것이고, 도 10의 (b)는 본 발명의 스크러버 내의 세정수 오염도를 보인 사진이다.
도면에 도시된 바와같이, 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템을 덕트 등으로 연결하여 설치할 수 있다.
도 10의 (a)에 보인 바와 같이 종래 스크러버 내의 세정수 오염도가 높은 반면에 도 10의 (b)는 본 발명의 스크러버 내의 세정수 오염도가 낮은 것으로 확인되었다.
이와 같이 세정 후 오염된 스크러버 내의 세정수를 정화함으로써 세정수 교환이 필요 없어 세정수 정화 효율성을 높이고, 폐수처리 비용을 대폭 절감할 수 있다.
한편, 도 11은 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템을 비료공장에 실제 설치한 사진이고, 도 12는 도 11에서 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템 가동 전 비료공장 내의 복합악취 가스 암모니아 황화수소 유기화합물 오염치를 보인 도면이며, 도 13은 도 11에서 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템 가동 후 비료공장 내의 복합악취 가스 암모니아 황화수소 유기화합물 오염치(정화도)를 보인 도면이다.
본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템은 스크러버 정화에 국한되지 않으며, 도 11의 비료공장이나 축사 등에도 동일하게 적용할 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템 가동 전에는 비료공장 내의 배출가스들의 오염수치는 다음과 같이 측정되었다(공기희석관능법 적용함, 단위 ppm).
복합악취 가스(수치 361), 암모니아(수치 312), 황화수소(수치 327), 유기화합물(수치 85) 이었다.
그러나 본 발명에 따른 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템 가동 후 비료공장 내의 배출가스들의 수치는 다음과 같이 측정되었다.
복합악취 가스(수치 9) 암모니아(수치 7.9) 황화수소(수치 82) 유기화합물(수치 3.9)로 현저히 오염도가 줄어 정화되었을 확인하였다.
한편, 도 14a 내지 14c는 측정분석결과 기록부를 보인 도면이다.
도 14a 내지 14c의 측정분석결과 기록부에서 확인되는 바와 같이, 본 출원인 (주)HK 플랜트의 요청에 의해서, 천년바이오농업회사법인(의뢰인)이 보성환경이엔텍(주)에 위탁 의뢰하여 복합악취에 대하여 본 발명의 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템을 적용하여 배출 가스(시료)에 대하여 측정분석을 한 것이다.
상기 측정분석결과 기록부에 따르면, 2022.01.27 2차례, 2022.02.28 1차례 총 3차례에 걸쳐서 본 발명의 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템을 거친 가스(시료)를 채취하여 공기희석관능법을 적용하였다.
참고로, 악취방지법 시행규칙 제8조 제1항 관련하여, 배출허용기준 기타지역에서 500배 이하로 규정되어 있는바, 본 발명이 적용된 가스를 측정분석한 결과, 100배 이하로 측정되었다.
이는, 본 발명의 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템을 통해서 배출되는 가스(정화가스)는 악취방지법 시행규칙(500배 이하)을 준수하는 것으로 확인되었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, OH 라디칼(수산기)을 생성하고 그 OH 라디칼을 스크러버 안으로 투입하여, 스크러버 내에서 세정수에 의해 정화된 공기를 재차 정화하여 배출함으로써 가스 정화효율을 높일 수 있으며, 세정 후 오염된 스크러버 내의 오염세정수를 정화하여 재순환함으로써 세정수 교환이 필요 없어 세정수 정화 효율성을 높이고, 폐수처리 비용을 대폭 절감할 수 있다.
둘째, 본 발명의 정화시스템 적용은 스크러버(탈취탑)에 국한되지 않으며, 비료공장이나 하수처리장, 축사, 음식물처리장 등 악취 발생 지역 어느 곳에나 설치 가능하다.
셋째, 산화제, 흡착제, 미생물 같은 약품 투입 없으며, 폐수의 발생이 없으므로 2차 오염이 발생하지 않는다.
넷째, 스크러버(탈취탑)의 세정수 세정 효과가 탁월하고 세정수 교체비용을 최소화할 수 있다.
다섯째, 시설 규모의 소형화가 가능하여 설비 비용을 최소화할 수 있고, 처리용량과 농도에 적합하도록 소비자요구에 따라 분리 및 조립이 가능하다.
여섯째, 기존 오염방지 시설과 효율적인 연계가 가능하고, 날씨 및 온도에 관여 받지 않고 가동이 가능하다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있다. 하지만, 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형 물과 균등물 및 대체 물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10: 스크러버
11: 사이클론
21: 세정수 집수조
22: 배출가스 세정조
23: 배출가스 토출관
24: 세정수 분사장치
25: 가스배출부
25a: 토출구
26: 세정수 순환배관
100: 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템
110: 공기 공급장치
120: 플라즈마 모듈
121: 플라즈마 반응조
122: 고압전압부
130: 이산화티탄(TiO2)
140: 자외선 모듈
150: OH 라디칼 휘산모듈
160: 암모니아 가스 제거모듈
161: 하우징
162: 회전 원통
162a: 가스홀
163: 분무노즐
164: 모터
G: 방전갭
P1: 양극
P2: 음극
V1: 가스 유입관
V2: 가스 토출관
V3: 배출관

Claims (6)

  1. OH 라디칼을 생성한 후 그 OH 라디칼을 스크러버(10) 안으로 공급하여 상기 스크러버(10) 내부의 오염세정수와 배출가스를 동시에 정화하는 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템으로서,
    수증기를 포함하는 대기중의 공기를 공급하는 공기 공급장치(110); 상기 공기 공급장치(110)에서 공급하는 공기를 수용하는 플라즈마 반응조(121)를 구비하고, 상기 플라즈마 반응조(121) 내부에서 고압의 플라즈마 아크방전을 실시하여 산화제인 OH 라디칼을 생성하고, 상기 플라즈마 반응조(121) 내부에 광촉매인 이산화티탄(TiO2)(130)이 피복되는 플라즈마 모듈(120); 상기 이산화티탄(130)에 자외선을 조사하여 산화제인 OH 라디칼을 생성하는 자외선 모듈(140); 및 OH 라디칼을 상기 스크러버(10) 안으로 공급하는 OH 라디칼 휘산모듈(150); 을 포함하며,

    상기 스크러버(10)는,
    오염된 배출가스를 흡입하기 위한 사이클론(11); 내부에 일정량의 세정수를 집수하여 외부로 배출시켜 주는 세정수 집수조(21); 상기 세정수 집수조(21)의 연통되어 그 상부에 장착되는 배출가스 세정조(22); 상기 사이클론(11)의 출구측과 연결되어 상기 배출가스 세정조(22) 내부에 끼워져 설치되고, 그 끝단부가 상기 배출가스 세정조(22)의 하방으로 연장되어 배출가스를 분출시켜 주는 배출가스 토출관(23); 상기 배출가스 세정조(22)의 외주에 등간격으로 배치되어 상기 배출가스 토출관(23)을 향하여 세정수를 분사시켜 주며, 상기 배출가스 토출관(23)의 길이방향을 따라 미리 정해진 간격으로 복수의 수막층을 형성시켜 주는 세정수 분사장치(24); 상기 세정수 분사장치(24)에 의해 세정된 배출가스를 포집하며, 상기 OH 라디칼 휘산모듈(150)에 의해 공급되는 OH 라디칼을 이용하여 배출가스를 재차 정화하여 배출하기 위한 토출구(25a)를 구비하는 가스배출부(25); 및 상기 세정수 집수조(21)와 상기 세정수 분사장치(24)를 연결하며, 상기 OH 라디칼 휘산모듈(150)에 의해 공급되는 OH 라디칼을 이용하여 세정 후 오염된 세정수를 재차 정화하여 상기 세정수 분사장치(24)로 공급하여 세정수 교환이 필요 없도록 하는 세정수 순환배관(26); 을 포함하여 구성되며,

    상기 자외선 모듈(140)과 상기 OH 라디칼 휘산모듈(150) 사이에는 암모니아 가스 제거모듈(160)이 설치되어 OH 라디칼 생성과정에서 발생하는 암모니아 가스를 제거하며,

    상기 암모니아 가스 제거모듈(160)은,
    일측과 타측에 가스 유입관(V1)과 가스 토출관(V2)이 형성되고 바닥측에 암모니아가 포함된 세정수가 배출되기 위한 배출관(V3)이 형성되는 하우징(161); 상기 하우징(161) 안에 모터(164)에 의해 회전 가능하게 설치되고, 내부로 가스가 유입되는 가스홀(162a)을 갖는 회전 원통(162); 및 상기 회전 원통(162)의 내벽에 설치되고, 세정수를 분무하여 가스에 포함된 암모니아 가스를 녹여 배출하기 위한 분무노즐(163); 을 구비하며,
    상기 배출가스 세정조(22)는 상기 세정수 분사장치(24) 안으로 배치되어 서로 일정한 간격을 유지하고, 상기 배출가스 세정조(22)의 하부 끝단부는 상기 세정수 분사장치(24) 바닥면에 접촉되어 지지되며, 상기 세정수 분사장치(24)의 내벽면에는 상기 배출가스 세정조(22)의 위치를 지지하는 복수의 분사노즐(24a)이 설치되고 그 분사노즐(24a)은 상기 배출가스 세정조(22) 안으로 세정수를 분사하여 상기 배출가스 세정조(22) 내부에 수막층을 수막층을 형성함으로써, 이 수막층을 통과하는 배출가스와의 접촉효율을 최대한 높일 수 있으며, 상기 사이클론(11)의 배출가스 가이드관(11a)은 상기 배출가스 세정조(22) 안으로 삽입되어 상기 세정수 집수조(21)를 향하도록 배치되며,
    상기 세정수 집수조(21)의 세정수 순환배관(26)에는 상기 배출가스 가이드관(11a)을 지지하고 상기 배출가스 가이드관(11a) 안으로 세정수를 분사하기 위한 복수의 분사노즐(24b)이 설치되며,

    상기 가스 유입관(V1)을 통해서 하우징(161) 및 회전 원통(162) 안으로 가스가 유입된 후, 모터(164)에 의해 회전 원통(162)는 회전하고, 회전 원통(162) 안으로 유입된 가스는 분무노즐(163)을 통해서 분무되는 세정수에 의해서 세정 및 녹아서 암모니아가 배출관(V3)을 통해서 배출된 후, 가스 토출관(V2)을 통해서 암모니아가 제거된 가스(OH 라디칼)가 OH 라디칼 휘산모듈(150) 안으로 유입되는 것을 특징으로 하는 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자외선 모듈(140)에서 방출된 광에너지가 광촉매인 상기 이산화티탄(130)의 결합 에너지보다 같거나 그 이상이 되면 전자가 채워져 있던 상기 이산화티탄(130)에서 전자가 방출되며, 상기 이산화티탄(130)에는 정공이 생성되어 여기된 전자는 광촉매인 상기 이산화티탄(130)의 표면에 흡착되어 있는 전자수용체인 산소기체와 반응하여 높은 산화력을 가진 OH 라디칼을 생성하는 것을 특징으로 하는 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응조(121)는 석영관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 스크러버의 배출가스 및 오염세정수 정화 시스템.
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