반건식 반응기

왜 배우는가: 소각시설은 산성 가스 배출이 많아 방지시설의 설계와 운전이 시험에서 반복해 출제된다. 반건식 반응기는 흡수, 건조, 집진이 한 공정으로 연결된 방식이라 1교시 용어 문제와 2~4교시 공정 문제에 모두 등장한다.

출제 이력: 제114회 1교시 11번, 제89회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

반건식 반응기는 알칼리 흡수제 슬러리를 미세하게 분무해 산성 가스를 흡수시키고, 생성된 고형염을 후단 집진장치에서 제거하는 반응탑이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 반건식 반응기: 배기가스 열로 수분을 모두 증발시켜 건조 상태의 생성물을 얻는 반응탑이다.
• 산성 가스: 소각 배출가스 중 HCl과 SOx를 말하며 흡수 대상이 된다.
• 소석회 슬러리: 흡수제인 수산화칼슘 현탁액이다.
• 미립화 분무: 슬러리를 작은 액적으로 만들어 가스와의 접촉 면적을 넓히는 과정이다.
• 수분 증발: 액적이 배기가스 열로 건조되어 입자로 남는 현상이다.
• 고형염: 산성 가스와 흡수제가 반응해 생성되는 염 입자이다.
• 후단 집진장치: 건조된 고형염을 여과포 등으로 포집하는 설비이다.
• SO2 제거효율: 입구 대비 제거된 SO2의 비율이다.

2. 개념 풀이

반건식 반응기는 배기가스 속 산성 가스를 알칼리 흡수제와 반응시켜 제거하는 공정으로, 건식 흡수법과 습식 세정법의 중간 형태이다. 흡수제는 물을 포함한 슬러리 상태로 반응탑 상부에서 미세한 액적으로 분사되고, 분사된 액적은 고온 배기가스의 열로 증발하면서 건조된 입자로 바뀐다. 세정수를 다량으로 쓰지 않으면서도 산성 가스를 흡수할 수 있다는 점에서 두 방식의 장점을 취한 것이다.

원리는 액적 표면의 반응에 있다. 배기가스는 고온이므로 분무된 액적은 빠르게 증발하며, 액적이 남아 있는 짧은 시간 동안 SO2와 HCl이 흡수제와 반응해 고형염을 만든다. 주요 반응은 다음과 같다.

$SO_2 + Ca(OH)_2 → CaSO_3 + H_2O$

$2HCl + Ca(OH)_2 → CaCl_2 + 2H_2O$

흡수제로는 소석회가 가장 널리 쓰이며, 소다회나 중탄산나트륨을 쓰는 경우도 있다. 반응은 액적 표면에서 일어나므로 액적 크기와 분무 균일도가 제거효율을 좌우한다. 액적이 지나치게 크면 증발이 늦어 젖은 입자가 벽면에 쌓일 수 있다.

수분 증발이 끝난 뒤 배출가스 온도는 노점(이슬점)보다 높게 유지되어야 한다. 노점 이하로 내려가면 입자가 젖어 벽면에 달라붙을 수 있기 때문이다. 제거된 고형염은 배기가스와 함께 후단 집진장치로 이동하므로 반응기 단독으로 처리가 끝나지 않는다.

반건식 반응기의 핵심은 흡수제 액적을 배기가스 열로 증발시켜 건조 생성물을 얻는 데 있다.

반건식 방식의 SO2 제거효율은 80% 이상으로 알려져 있다. 같은 반응탑이라도 흡수제의 분무 상태와 배출가스 온도에 따라 제거율이 달라지므로, 답안에서는 효율 수치와 함께 운전 조건을 함께 적는 것이 바람직한 서술이다.

3. 등장 배경과 필요성

소각시설은 폐기물에 함유된 염소와 황 성분 때문에 HCl과 SOx를 배출한다. 이들 가스는 대기 오염과 설비 부식을 일으키므로 방지시설 설치가 필수가 되었다. 배출 기준이 강화되면서 방지시설의 제거효율 요구도 함께 높아졌다.

기존 방식에는 각각 한계가 있었다. 습식 세정은 높은 제거율을 얻지만 폐수가 발생하고 배기가스를 다시 가열해야 하는 부담이 있다. 건식 흡수는 설비가 단순하지만 흡수제의 반응 효율이 낮아 제거율이 제한된다. 반건식 반응기는 이 두 한계를 절충한 방식으로 등장했다.

반건식 반응기가 필요한 이유는 세 가지로 정리된다.

• 폐수 발생을 최소화한다: 반응 생성물이 고형물로 배출되므로 폐수 처리설비의 부담이 줄어든다.
• 높은 제거효율을 확보한다: 미립화된 흡수제가 넓은 접촉면적을 제공해 산성 가스와 충분히 반응한다.
• 기존 집진설비와 연계한다: 건조된 생성물을 여과집진기로 포집하므로 별도의 고형물 처리 설비를 줄일 수 있다.

분무기는 회전원판식이나 고압 단일유체 분무노즐이 널리 쓰인다. 이때 액적 크기는 일반적으로 10~500μm 범위에서 선택된다. 실제 적용 사례로는 의료폐기물 소각로와 일부 생활폐기물 소각로가 있다. 따라서 반건식 반응기는 중소형 소각시설의 산성 가스 방지공정으로 이해하는 것이 답안 작성에 유리하다.