반건식 흡수장치

왜 배우는가: 폐기물 소각시설과 산업 연소설비의 산성가스 방지시설을 다루는 문제에서 기본이 되는 개념이다. 1교시 용어 문제와 2~4교시 설계·운전 문제에 함께 쓰이므로 원리와 설계인자를 같이 익혀야 한다.

출제 이력: 제111회 1교시 12번, 제102회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

반건식 흡수장치는 알칼리성 흡수제를 배가스에 분무·투입하여 산성가스를 흡수·반응시켜 제거하는 설비이다.

반건식 흡수장치는 배가스를 수분으로 포화시키지 않거나, 증발할 수 있는 양의 수분만 더하는 방식이다. 그래서 습식 흡수장치와 달리 굴뚝에 백연이 생기지 않고 폐수 처리 설비도 필요하지 않다. 제거 대상은 주로 SO2와 HCl 같은 산성가스이며, 시스템에 따라 HF와 SO3도 함께 처리한다. 폐기물 소각시설의 방지시설 공정에도 이 방식이 적용된다.

답안을 쓸 때는 정의 뒤에 대상 가스, 흡수제, 생성물 순서로 연결하면 논리가 분명해진다. 대상 가스는 산성가스이고, 흡수제는 알칼리성 물질이며, 생성물은 고형 염이라는 순서다.

핵심 키워드

• 반건식 흡수장치
• 반건식 반응기
• 분무건조흡수탑(SDA)
• 알칼리성 흡수제
• 소석회
• 체류시간

2. 개념 풀이

반건식 흡수장치는 배가스 중의 산성가스를 알칼리성 흡수제와 반응시켜 고형 염으로 바꾸고, 이를 집진장치로 함께 포집하는 건식 계열 설비이다. 흡수제 용액을 미세한 액적으로 분무하고 액적이 배가스 열을 받아 모두 증발하도록 설계하므로, 배가스는 수분이 포화되지 않은 상태로 배출된다. 이 점에서 배가스를 물에 통과시키는 습식 흡수장치와 구분된다.

원리는 증발과 흡수가 같은 공간에서 동시에 일어나는 데 있다. 액적 표면에서 산성가스가 흡수액에 녹아 알칼리 성분과 중화반응하고, 액적 속 수분이 증발하면서 반응생성물은 고체 입자로 남는다. 증발에 필요한 열은 배가스의 현열에서 얻으므로 배가스 온도는 떨어지고, 이 온도 강하가 수분 증발의 한계를 정한다. 따라서 배가스 출구 온도는 수분이 응축하지 않는 범위로 관리해야 한다.

대표 반응식은 다음과 같다.

$Ca(OH)_2 + SO_2 \to CaSO_3 + H_2O$

$Ca(OH)_2 + 2HCl \to CaCl_2 + 2H_2O$

생성물의 주성분은 아황산칼슘(CaSO3)이고 황산칼슘(CaSO4)이 소량 섞인다. 산성가스 종류에 따라 필요한 흡수제의 양론비가 다르므로, 흡수제 공급량은 가스 성분에 맞춰 정한다.

반건식 반응기는 흡수제 슬러리를 분무하는 노즐과 증발·반응이 일어나는 탑체로 구성된 반응기이다. 노즐의 종류와 배가스 유입 방향에 따라 액적의 분포와 체류 조건이 달라진다.

분무건조흡수탑(SDA)은 반건식 반응기의 대표 형식으로, 흡수액을 미세하게 분무해 건조시키는 탑이다. 회전식 분무기를 갖춘 것이 많으며, 탑 안의 흐름과 배가스 분포를 조절해 스케일 발생을 줄이는 설계가 연구되고 있다.

알칼리성 흡수제는 산성가스와 중화반응하는 물질로, 소석회와 소다회(탄산나트륨)가 대표적이다. 소석회는 수산화칼슘(Ca(OH)2)이며 수화석회라고도 부른다.

체류시간은 배가스가 반응탑 안에 머무는 시간으로, 흡수제와 가스의 접촉 시간을 정하는 설계인자이다. 체류시간이 짧으면 미반응 흡수제가 많아지고, 길면 설비가 커지므로 균형을 맞춰야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

석탄과 폐기물을 연소하는 배가스에는 SO2와 HCl이 포함되어 있으며, 이들은 산성비와 2차 미세먼지의 원인이 된다. 이를 줄이기 위해 습식 흡수장치가 먼저 널리 쓰였다. 습식 방식은 높은 제거효율을 얻는 대신 폐수 처리 설비와 굴뚝 백연 문제를 함께 안고 있다.

이 부담을 줄이려고 물 사용량이 적고 건조한 고형 부산물을 얻을 수 있는 건식·반건식 방식이 등장했다. 초기 건식 설비는 제거효율이 80% 미만이었으나, 설계가 발전하면서 최신 설계는 약 90% 수준까지 높아졌다. 분무건조흡수탑은 80% 이상의 산성가스 제거효율을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.

반건식 방식은 연료의 황 함량에 민감하다. 황 함량이 높은 석탄을 쓰면 제거효율이 떨어지므로, 연료 조건이 허용하는 범위에서 적용하는 것이 일반적이다. 또한 반응생성물과 미반응 흡수제가 집진장치에서 함께 포집되므로, 반응탑과 집진장치를 하나의 설비로 보고 설계해야 한다.

배출허용기준이 강화되면서 산성가스 제거효율에 대한 요구도 높아지는 추세다. 이에 따라 물 사용과 폐수 부담을 줄이면서도 높은 효율을 얻는 설계 방향이 주목받고 있다.