KR-20260061398-A - APPARATUS FOR DECOMPOSING AND DETOXIFYING SULFUR HEXAFLUORIDE

Abstract

SF 6 분해 및 무해화 설비는 분해 반응기, 중화기, 전기 집진기, 및 침전조를 포함한다. 분해 반응기는 연료의 연소열을 이용하여 SF 6 을 열분해하는 분해로와, 분해로에서 발생된 분해가스에 중화수를 분사하여 분해가스를 급냉 및 1차 중화하는 급냉기를 포함한다. 중화기는 급냉기에서 배출된 분해가스에 중화수를 분사하여 분해가스를 2차 중화한다. 전기 집진기는 중화기에서 배출된 가스를 무해화 가스로 전환한다. 침전조는 급냉기와 중화기로부터 중화수와 염을 제공받아 저장하며, 염과 분리된 중화수를 급냉기와 중화기로 재공급한다.

Inventors

• 이중원
• 김미영
• 심재구
• 변영환

Assignees

• 한국전력공사

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20260424

Claims (2)

1. 연료의 연소열을 이용하여 SF 6 을 열분해하는 분해로와, 분해로의 후단에 연결되며 분해로에서 발생된 분해가스에 중화수를 분사하여 분해가스를 급냉 및 1차 중화하는 급냉기를 포함하는 분해 반응기; 상기 급냉기와 연결되며, 상기 급냉기에서 배출된 분해가스에 중화수를 분사하여 분해가스를 2차 중화하는 중화기; 상기 중화기와 연결되며, 상기 중화기에서 배출된 가스를 무해화 가스로 전환하는 전기 집진기; 및 상기 급냉기 및 상기 중화기와 연결되고, 상기 급냉기와 상기 중화기로부터 중화수와 염을 제공받아 저장하며, 염과 분리된 중화수를 상기 급냉기와 상기 중화기로 재공급하는 침전조를 포함하고, 상기 분해 반응기는 상기 분해로의 후단에 상기 급냉기가 일체로 조립된 구성으로 이루어지고, 상기 침전조는 상기 급냉기의 하단에 연결 설치되고, 상기 중화기는 상기 급냉기와 거리를 두고 상기 침전조의 상단에 연결 설치되며, 상기 급냉기에서 배출되는 분해가스는 상기 침전조의 내부 공간을 통해 이동 후 상기 중화기로 인입되고, 상기 급냉기 및 상기 중화기와 연결되어 상기 급냉기 및 상기 중화기로 중화수를 공급하는 중화제 공급조 및 보충수 공급조를 더 포함하며, 상기 전기 집진기와 연결되어 무해화 가스를 대기 중으로 배출하는 배출구와, 상기 전기 집진기에서 배출된 무해화 가스의 성분을 분석하는 가스 분석기를 더 포함하고, 상기 침전조는 중화수 순환배관을 통해 상기 급냉기와 상기 중화기로 중화수를 공급하고, 중화수 순환배관에서 폐수 배출관이 분기되어 상기 침전조와 폐수조를 연결하며, 중화수 순환배관에 제1 밸브가 설치되고, 폐수 배출관에 제2 밸브가 설치되는 SF 6 분해 및 무해화 설비.
2. 제1항에 있어서, 상기 분해로는 연료와 SF 6 및 연소공기가 나란히 흐르는 평행류 타입의 반응기이고, 내벽을 따라 과잉공기가 흐르는 구조를 가지며, 연소공기와 과잉공기는 선회 흐름을 가지는 SF 6 분해 및 무해화 설비.

Description

육불화황 분해 및 무해화 설비{APPARATUS FOR DECOMPOSING AND DETOXIFYING SULFUR HEXAFLUORIDE} 본 발명은 육불화황(SF6) 분해 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대용량 및 고농도의 SF6 분해를 위한 SF6 분해 및 무해화 설비, 이의 운전 방법, 및 육불화황 분해 반응기에 관한 것이다. SF6은 반도체 생산 및 전력기기 분야 등 전기·전자산업에 많이 이용되고 있는 물질로서, 500℃ 이상에서도 분해되지 않는 난연성의 특징을 가지고 있다. 특히 SF6은 불활성으로 화학적 및 열적 안정성이 높고, 우수한 절연특성으로 인해 국내에서 50여년간 배전과 송·변전 설비의 절연체로 이용되고 있다. 그런데 SF6은 대표적인 온실가스이므로 SF6을 대체하는 친환경 절연체가 개발되고 있으며, 이에 따라 대용량의 SF6 폐기가 예상되고 있다.종래에 반도체 생산의 식각 공정 등에 이용 후 폐기되는 소량의 저농도 SF6에 대한 분해기술은 존재하나, 가스절연 개폐장치(GIS)의 절연체와 같이 대용량이면서 순도가 70% 이상인 고농도 SF6의 분해기술은 상용화되지 않았다. 종래의 SF6 분해기술 중 플라즈마를 이용하는 기술과 촉매를 이용하는 기술이 알려져 있다.먼저플라즈마를 이용하는 방법은 플라즈마 생성을 위한 소비전력이 크기 때문에 대량의 SF6을 처리 대상으로 할 때 에너지 손실이 매우 크다. 촉매를 이용하는 방법은 AlPO4와 같은 촉매를 이용하여 SF6의 분해반응 온도를 낮춤으로써 분해에 필요한 에너지 소모량을 줄이고, 설비 크기를 줄이는 장점이 있다. 그러나 촉매로 인해 운전 범위가 한정적이며, 촉매 비용이 지속적으로 발생하므로, 고정적인 운영비가 높아 상용 규모로 이용하기에 어려움이 있다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 SF6 분해 및 무해화 설비의 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시한 SF6 분해 및 무해화 설비 중 분해로의 개략적인 사시도이다. 도 3은 도 2에 도시한 분해로의 단면도이다. 도 4는 도 2에 도시한 분해로의 단면도이다. 도 5는 도 2에 도시한 분해로에서 과잉공기의 흐름을 나타낸 개략도이다. 도 6은 도 1에 도시한 SF6 분해 및 무해화 설비 중 급냉기의 단면도이다. 도 7과 도 8은 도 6에 도시한 수분사 노즐의 다른 실시예를 나타낸 급냉기의 개략도이다. 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 SF6 분해 및 무해화 설비의 구성도이다. 도 10은 도 9에 도시한 SF6 분해 및 무해화 설비 중 분해 반응기의 단면도이다. 도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 SF6 분해 및 무해화 설비의 구성이다. 도 12는 도 11에 도시한 SF6 분해 및 무해화 설비 중 분해 반응기와 침전조 및 중화기의 단면도이다. 도 13은 도 12에 도시한 분해 반응기와 침전조 및 중화기에서 분해가스와 중화수의 흐름 방향을 나타낸 개략도이다. 도 14는 도 1과 도 9 및 도 11에 도시한 SF6 분해 및 무해화 설비 중 침전조와 폐수조를 나타낸 개략도이다. 도 15는 중화수의 전기 전도도와 pH의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 16a와 도 16b 및 도 16c는 도 1과 도 9 및 도 11에 도시한 SF6 분해 및 무해화 설비의 운전 방법을 나타낸 순서도이다. 도 17은 도 1에 도시한 SF6 분해 및 무해화 설비에서 각 라인을 흐르는 물질에 번호를 부여한 도면이다. 여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다. 다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 SF6 분해 및 무해화 설비의 구성도이다. 도 1을 참고하면, 제1 실시예의 SF6 분해 및 무해화 설비는, 고온에 의해 SF6을 열분해하는 분해로(10) 및 분해가스를 급냉하는 급냉기(20)로 구성된 분해 반응기(100A)와, 급냉기(20)에서 배출된 분해가스를 중화하는 중화기(30)와, 중화기(30)에서 배출되는 가스를 대기에 무해한 가스로 전환하는 전기 집진기(40)와, 급냉기(20)와 중화기(30)로부터 중화수와 염을 제공받아 저장하며 급냉기(20)와 중화기(30)로 중화수를 재공급하는 침전조(50)를 포함한다. 분해로(10)는 연료의 연소에 의해 SF6을 열분해하는 직접 연소방식의 반응기이며, 700℃ 이상의 고온에서 운전된다. 이때 분해로(10)는 연소공기와 과잉공기가 나누어 공급되는 다단의 공기주입 구조를 가지는데, 분해로(10)의 상세한 구성은 후술한다. SF6은 열분해 과정을 통해 HF, SO2, SO3와 같은 강산성 물질과, 연소 산물인 CO2, H2O, N2를 포함하는 분해가스로 분해된다. 분해가스는 분해로(10)의 후단에 연결된 급냉기(20)로 인입된다. 중화제 공급조(61)와 보충수 공급조(62)는 배관을 통해 급냉기(20) 및 중화기(30)와 연결되어 급냉기(20)와 중화기(30)로 중화수를 공급한다. 급냉기(20)는 분해가스에 중화수를 분사하여 분해가스를 급냉시킴과 동시에 1차로 중화 처리하고, 중화기(30)는 급냉기(20)에서 배출되는 가스를 제공받아 2차로 중화 처리한다. 중화 과정은 HF, SO2, SO3 등의 강산성 물질을 염기 중화제와 반응시켜 무해한 염으로 배출하는 공정을 포함한다. 중화기(30)에서 배출된 가스는 전기 집진기(40)를 거치며 최종적으로 무해화 가스로 전환되며, 무해화 가스는 배출구(63)를 통해 대기 중으로 배출된다. 전기 집진기(40)는 분해가스 중 미세하게 잔존하는 산성가스와 산성 미스트를 제거한다. 가스 분석기(64)는 전기 집진기(40)에서 배출되는 무해화 가스를 분석하여 SF6의 분해 효율과 대기오염 물질 배출량 등을 분석한다. 급냉기(20)와 중화기(30)에서 중화 반응의 결과로 중화수와 염(고체염)이 발생하고, 중화수와 염은 배관을 통해 침전조(50)로 이동한다. 침전조(50)에서 염은 침전조(50)의 바닥으로 침전되고, 염과 분리된 중화수는 열교환기(71)와 냉각탑(72)을 거쳐 냉각된 후 급냉기(20)와 중화기(30)로 재공급되어 공정 내를 순환한다. 침전조(50)는 폐수조(73)와 연결되고, 특정 조건에서 침전조(50)의 중화수는 급냉기(20)와 중화기(30)가 아닌 폐수조(73)로 이동한다. 침전조(50)의 중화수 배출 과정에 대해서는 후술한다. 공정에 사용되는 중화제의 종류에 따라 할로겐염(NaF, KF), Na2SO4, K2SO4 등의 다양한 염이 생성될 수 있다. 이 중 할로겐염은 불소로 회수하여 활용될 수 있고, Na2SO4는 유리, 세제, 염색, 염료 등의 원료로 활용될 수 있으며, K2SO4는 화학비료의 원료로 활용되는 등 높은 부가가치를 가진다. 한편, 하부 탱크(41)가 전기 집진기(40)와 연결되어 전기 집진기(40)에서 배출되는 중화수를 저장할 수 있다. 하부 탱크(41)에 모인 중화수는 다시 전기 집진기(40)로 공급되어 순환된다. 이때 하부 탱크(41)의 수위는 침전조(50)의 수위와 연동할 수 있으며, 하부 탱크(41)의 중화수 수위가 설정값을 초과하면 하부 탱크(41)의 중화수가 침전조(50)로 이동할 수 있다. 도 1에서는 하나의 중화기(30)와 하나의 전기 집진기(40)를 도시하였으나, 중화기(30)와 전기 집진기(40)는 공정 조건과 대기환경 규제 조건 등에 따라 다단으로 구성될 수 있다. 도 2는 도 1에 도시한 SF6 분해 및 무해화 설비 중 분해로의 개략적인 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시한 분해로의 단면도이다. 도 2와 도 3을 참고하면, 분해로(10)는 수평 방향과 나란하게 설치될 수 있고, 평행류(co-current flow) 타입으로 연료와 SF6 및 연소공기가 나란히 주입되는 구성일 수 있다. 분해로(10)의 운전 온도는 대략 700℃ 내지 1,200℃ 범위에 속할 수 있다. 분해로(10)는 내부에 연소공간을 구비한 분해로 본체(11)와, 분해로 본체(11)의 입구에 설치되며 연료와 SF6을 분사하는 버너(12)와, 버너(12)의 연소공기 주입 파트에 설치되어 연소공기의 흐름을 와류 또는 선회류로 바꾸는 선회기(13)와, 분해로 본체(11)에 설치된 과잉공기 노즐부(14)를 포함할 수 있다. 분해로(10)는 연료로 액화천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG), 수소 등 가스 형태의 열원을 사용하며, 버너(12)가 분해로 본체(11) 내부로 연료와 SF6을 분사한다. 선회기(13)는 연소공기의 흐름을 와류 또는 선회류로 바꾸며, 선회기(13)에서 분사된 와류 또는 선회류 형태의 연소공기는 버너(12) 끝단에서 연료 및 SF6과 만나 점화하여 화염을 생성한다. 화염 또한 선회기에 의해 와류 또는 선회류의 형태가 될 수 있다. 선회기(13)는 연소공기가 배출되는 파트에 각도를 주어 홀을 내거나 날개 형상을 붙여 연소공기의 흐름을 와류 또는 선회류로 바꾸는 장치로서, 선회기(13)에서 배출되는 연소공기는 회오리 모양을 가지며 방사방향으로 흐를 수 있다.선회기(13) 자체는 공지 기술이므로 자세한 설명은 생략한다. 선회기(13)에 의한 연소공기의 흐름은 반응 체류시간을 줄이면서 분해로 본체(11) 내벽의 고온 부식을 방지하는