석탄 화력 발전소 - 대기 오염 저감 설비 (2) 탈황 설비

석탄, 석유 등의 화석연료를 연소할 때에는 황산화물(SOx)가 발생하며, SOx는 대기 중에서 산성비를 유발하여 환경에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 탈황설비(FGD, Flue Gas Desulfurization)는 이러한 황산화물(SOx)을 제거하기 위한 설비입니다.

이 글에서는 탈황설비(FGD, Flue Gas Desulfurization)의 종류, 구성 설비, 장단점에 대해서 설명하도록 하겠습니다.

탈황설비의 종류

FGD는 습식(Wet)과 건식(Dry) 방식으로 나눌 수 있습니다. 각 방식은 처리 효율과 설치 환경에 따라 선택됩니다.

 

1. 습식 탈황설비 (Wet FGD)

 

습식 FGD은 가장 널리 사용되는 방식으로, 흡수탑(absorber) 내부에서 액체 흡수제를 이용해 SOx를 제거합니다.

• Limestone-Gypsum Process (석회석-석고 공정): 석회석 슬러리를 사용하여 SO2를 흡수하고, 화학 반응을 통해 석고를 생성합니다. 생성된 석고는 건설 자재로 활용될 수 있습니다.
• Seawater Process (해수 공정): 해수를 사용하여 SO2를 제거합니다. 해수의 알칼리성 성질을 이용하여 SO2를 중화시키며, 주로 해안가에 위치한 발전소에서 사용됩니다.
• Magnesium Oxide Process (마그네슘 산화물 공정): MgO를 흡수제로 사용하여 SO2를 제거합니다. 반응 후 생성된 MgSO4는 쉽게 재생될 수 있습니다.

2. 건식 탈황설비 (Dry FGD)

 

건식 FGD 시스템은 흡수제를 분말 형태로 사용하며, 주로 물 사용이 제한된 지역에서 사용됩니다.

• Spray Dryer Absorber (SDA) : 반건식 시스템으로, SO2를 흡수하기 위해 분무된 석회 슬러리를 사용합니다. 흡수 후 생성된 건조된 반응물은 필터로 제거됩니다.
• Circulating Fluidized Bed (CFB) : 석회석 분말을 유동층에서 순환시켜 SO2를 제거합니다. 반응 후 생성된 고체 물질은 쉽게 제거됩니다.

FGD 시스템의 주요 구성 설비

1. 습식 탈황설비 (Wet FGD)

 

습식 탈활설비 중 주로 사용되는 석회석-석고 공정(Limestone-Gypsum Process)의 주요 구성 설비는 아래와 같습니다.

• 흡수탑(Absorber): 흡수탑은 배기가스와 흡수제가 접촉하여 SO2를 흡수하는 반응기입니다. 내부에는 배기가스가 위로 올라가고 흡수제 슬러리가 아래로 떨어지는 구조가 되어 있어, 둘이 접촉하면서 SO2를 흡수합니다.
• 슬러리 준비 시스템(Slurry Preparation System): 석회석 분말과 물을 혼합하여 슬러리를 만드는 설비입니다. 이 슬러리는 흡수탑으로 펌핑되어 SO2와 반응합니다.
• 순환 펌프(Circulation Pumps): 흡수탑 내에서 석회석 슬러리를 순환시키기 위한 펌프입니다. 이 펌프는 슬러리를 흡수탑 상부로 계속해서 공급합니다.
• 산화기(Oxidizer): SO2가 흡수제와 반응하여 생성된 황화물을 황산염(석고)으로 전환하기 위한 장치입니다. 공기를 주입하여 산화 반응을 촉진합니다.
• 탈수기(Dewatering Unit): 생성된 석고 슬러리에서 물을 제거하는 설비입니다. 주로 원심 분리기(Centrifuge) 또는 진공 필터(Vacuum Filter)가 사용됩니다.

2. 건식 탈황설비 (Dry FGD)

 

건식 탈황설비 중 주로 사용되는 Spray Dryer Absorber (SDA)의 구성설비는 아래와 같습니다.

• 반응기(Reactor): 건식 시스템에서는 반응기가 흡수탑 역할을 합니다. 배기가스와 분말 형태의 흡수제가 이곳에서 혼합되어 SO2를 제거합니다.
• 흡수제 공급 시스템(Sorbent Injection System): 석회석 또는 다른 흡수제를 분말 형태로 배기가스 스트림에 주입하는 설비입니다. 주로 분체 주입기(Powder Injector)가 사용됩니다.
• 집진기(Dust Collector): 반응 후 생성된 고체 반응물을 제거하는 장치입니다. 전기 집진기(Electrostatic Precipitator, ESP)나 백필터(Bag Filter)가 주로 사용됩니다.

FGD 시스템의 제거 원리

FGD 시스템의 운영은 다음과 같은 단계로 이루어집니다.

 

1. 흡수 : 배기가스는 흡수탑으로 유입되며, 여기서 SO2가 흡수제와 접촉하여 화학 반응을 통해 제거됩니다.

2. 반응 : 흡수된 SO2는 흡수제와 반응하여 황산염 또는 황화물을 형성합니다. 이 과정에서 생성된 부산물은 석고와 같은 형태로 존재합니다.

3. 제거 : 생성된 고체 부산물은 탈수기 등을 통해 분리되고 처리됩니다. 깨끗해진 배기가스는 청정 배출구를 통해 대기로 방출됩니다.

FGD의 장점과 단점

1. 장점

• 효율적 SOx 제거: FGD 시스템은 높은 SOx 제거 효율을 제공하여 대기 오염을 효과적으로 감소시킵니다.
• 부산물 활용: 습식 시스템에서 생성되는 석고는 건설 자재로 재활용될 수 있어 경제적 이점이 있습니다.
• 다양한 적용 가능성: 다양한 연료와 운영 조건에 맞춰 FGD 시스템을 설계할 수 있습니다.

2. 단점

• 운영 비용 : FGD 시스템은 초기 설치 비용과 운영 비용이 높을 수 있습니다.
• 복잡한 유지보수 : 시스템의 복잡성으로 인해 유지보수에 많은 노력이 필요합니다.

환경 영향 : 슬러리 시스템에서 사용되는 물과 화학물질이 환경에 영향을 미칠 수 있습니다.