Ⅰ. 중화처리설비 일반사항

독성가스는 중화처리설비에 의해 처리하여 허용농도(TWA) 이하로 대기 방출하여야 한다.

제조 및 사용시설의 경우 중화처리를 대상으로 하는 각 설비에 (유사설비로 복수 처리가 가능한 경우를 제외한다.) 가능한 가깝게 설치하며 독성가스를 직접 처리하여야 한다.

저장시설 및 판매시설은 용기 보관실과 가능한 가깝게 설치하고, 독성가스를 직접 처리하여야 한다.

중화처리 방법은 산화·환원·중화·가수분해·흡수·흡착 또는 이들의 조합 또는 그 밖의 동등 이상의 방법에 의해 처리하는 것으로 한다.

Ⅱ. 중화처리방법의 선정

중화처리해야 하는 가스의 종류·농도·유량·압력 등 모든 조건을 고려하여 다음에 열거하는 제독방법 중에서 적절한 방법을 선정하여야 한다.

a) 연소처리에 의한 방법 - Combustion Type

b) 습식처리에 의한 방법 - Wet Type

c) 건식처리에 의한 방법 - Dry Type

d) Thermal Wet Type

e) Burn Wet Type

f) 상기 종류를 조합하여 사용 - 보통은 1차 제거로서 a), c), d) 또는 e) 형태를 사용하고 2차 제거로서 b)를 사용하는 경우가 많다.

각각의 중화처리방법에는 각각의 장․단점이 있으므로 적절한 방법을 조합시켜 제거효율을 증가시키고 투자비를 낮출 수 있는 최선의 조합을 찾아야 한다.

2.1 연소처리 (Combustion)

가연성가스의 연소화재와 함께 연소처리를 하는 방식과 독성가스의 가연성을 이용하여 연소 처리하는 방식으로서 대표적인 예가 플레어스택(Flare Stack) 으로서 정유 플랜트 또는 석유화학 플랜트에 주로 사용이 된다.

플레어스택이라 함은 공장에서 방출하는 폐가스 중의 유해 성분을 연소시켜 무해화하기 위한 소각탑을 말한다. 때때로 녹아웃 드럼 (Knock-out Drum) 다음에 사용되는 플레어의 설치 목적은 가연성, 혹은 독성가스를 연소시켜 독성이나 가연성이 없는 물질로 치환시키는데 있다.

플레어의 지름은 안정된 불꽃을 유지하고 Blowdown(증기속도가 음속의 20%보다 빠를 때 일어남)을 방지하기 위해 적당한 크기로 사용되어야 한다. 플레어의 높이는 화염에서 발생되는 복사열량이 장치와 인간에 미칠 잠재적 손상을 고려하여 결정된다.

그 외에도 소각로(Incinerator)도 이용한다. 소각로라 함은 먼지, 공장의 고체폐기물, 배기가스 또는 배수처리시설의 슬러지·오니(汚泥) 케이크 등을 소각처리하기 위한 장치의 총칭으로서 폐기물의 소각방식별로 분류하면 다음과 같다.

 ① 화격자연소방식(火格子燃燒方式)

 ② 고정상연소방식(固定床燃燒方式)

 ③ 다단로연소방식(多段爐燃燒方式)

 ④ 회전소각로방식(回轉燒却爐方式)

 ⑤ 유동상연소방식(流動床燃燒方式)

 ⑥ 분무연소방식 등이 있다.

이 중 ①과 ②에는 폐기물을 연속하여 소각할 수 있는 연속식연소방식과 연속하여 소각할 수 없는 회분식연소방식 (回分式燃燒方式)이 있는데, 소형의 소각로는 대부분 회분식이다. 이는 소각로에 소각물을 일정량 집어넣고 충분히 소각한 후 재를 회수하는 비연속적 방식이다. 한편 ③∼⑥의 방식은 모두 연속식이다.

2.2 습식처리 - Wet Scrubber

차아염소산과 과망간산염 수용액, 가성소다수용액, 또는 물 등의 탱크에 가스를 보내는 방식과 기액향류접촉(스크러버)에 의한 방식이 있다. 무엇보다도 기·액 접촉에 의한 물리·화학적 반응이다.

사용하는 약제는 가스에 따라 다르지만 차아염산염, 과망간산칼륨, 가성소다 등 많은 종류가 있다.

반응 생성물이 수용액으로 배출되므로 세정액의 폐수처리가 필요하다.

습식의 일반 원리는 액적·액막·기포 등에 의해 함진 가스를 세정하여 입자에 부착·입자 상호간의 응집을 촉진시켜 직접 가스의 흐름으로부터 입자를 분리라는 방법이다. 일반적인 제거원리는 다음과 같다.

① 액적에 입자가 충돌하여 부착.

② 미립자 확산에 의한 입자간 응집.

③ 배기가스의 증습에 의한 입자간 응집.

④ 입자를 핵으로 증기의 응결 및 응집성 촉진.

⑤ 액막, 기포에 입자가 접촉하여 부착.

2.3 건식처리 - Dry Scrubber

규조토, 실리카겔, 활성탄에 산화촉매, 산화약제 등을 부착시킨 고체처리제를 충전탑에 충전하고 여기에 가스를 흐르게 하여 가스를 처리한다.

건식처리는 많이 사용된다고 예상되므로 대표적인 모노실란, 알진, 포스핀, 디보레인에 관하여 가스별로 처리원리의 예를 열거한다.

▪모노실란

1) 공기 도입식 접촉산화

 반응식 :

  SiH₄＋O₂ → SiO₂＋2H₂

  2H₂＋O₂ → 2H₂O (SiH₄＋2O₂ → SiO₂＋2H₂O)

이 반응은 효율이 매우 높은 농도로 하지 않으면 모두 SiO₂로 되지 않고 공기+SiH₄가 남을 가능성이 있고, 공기의 도입량 관리가 필요하다. 또한 산화반응 후 발생되는 재 (SiO₂) 가 대기 중으로 확산되는 것을 방지할 수 있는 설비가 필요하다.

2) 과망간산칼륨형 산화흡착제

반응식 :

2SiH₄＋6KMnO₄＋10KOH → 6K₂MnO₄＋2K₂SiO₃＋4H₂O＋5H₂

6SiH₄＋6KMnO₄＋3H₂O →  3Mn₂O₃＋6K₂SiO₃＋15H₂

SiH₄를 산화시킨 후에 H₂가 발생하기 때문에 H₂의 대책이 필요하다.

▪알진, 포스핀

염화제이철형 산화흡착제

반응식 :

AsH₃＋6FeCl₃＋3H₂O → 6FeCl₂＋6HCl＋H₃AsO₃

PH₃＋8FeCl₃＋4H₂O → 8FeCl₂＋8FeCl₂＋8HCl＋H₃PO₄

이차적으로 염산가스를 6~8몰 발생시키기 때문에 염산가스에 대한 대책이 필요하다. 또한, 산화 시 발생되는 발열량을 고려하여 흡착제 또는 관련 설비를 열화로부터 보호할 수 있는 대책이 필요하다. 처리효율은 가스농도에 관계없이 허용농도를 만족한다.

▪금속산화제형 흡착제

반응식 :

AsH₃＋MeO → As₂O₃＋H₂O(H₂)＋Me

PH₃＋MeO → P₂O₅＋H₂O(H₂)＋ Me

H₂O와 H₂가 발생한다. 약제에 물이 흡수되지 않으므로 열화는 적다. 산소가 일정 농도 이상 흐르면 환원․재생된다.

▪디보레인

과망간산알카리산화제형 흡착제

반응식    :

B₂H₆＋6KMnO₄＋12KOH → 6K₂MnO₄＋2K₃BO₃＋6H₂O＋3H₂

2B₂H₆＋6K₂MnO₄＋H₂O → 3Mn₂O₃＋4K₃BO₃＋4H₂O＋5/2H₂

▪흡착 (Adsorption) 과 화학흡착 (Chemisorption) 의 비교

흡착(Adsorption)이란 기체 또는 증기 상태의 대기오염물 분자를 다공질의 고체상태의 흡착제(Adsorbents) 표면에 붙잡아 두는 것으로 오염물질을 제거하는 공정을 말한다. 이러한 흡착은 오염물질의 비등점(Boiling Point)보다 높은 주변온도에서 오염물질이 액적(Liquid Droplet)으로 응축되어서 흡착제에 포집된다. 이런 응축작용은 흡착제의 표면에서의 촉매효과인 “활성장(Active Sites)”에 기인한다.

흡착은 대부분 흡착제의 내부다공면적에서 일어난다. 따라서 흡착제의 내부유효다공면적은 외부표면적의 수배가 되어야한다. 흡착은 화학반응이 없으므로 가역적이다. 응축된 오염물질을 가열하여 기화시키면 고농도가 방출되고 이것을 다시 냉각시키면 회수가 가능하다. 또한 이 때 흡착제는 재생된다. 흡착제로써는 활성탄(Activated Carbon) 이 주로 사용된다.

화학흡착(Chemisorption)이란 화학적 흡착(Chemical Adsorption)을 줄인 말로써 활성탄대신 활성화된 산화알루미늄(Al₂O₃) 에 중화용 화학물질을 잉태시킨 흡착제를 사용하여 흡착(Adsorption)과 동시에 흡수(Absorption) 및 화학적 중화반응을 일으키므로 써 오염물질을 제거하는 공정을 말한다. 오염물질은 화학적인 반응을 통해 제3의 물질로 변환되므로 더 이상 존재하지 않는다. 따라서 화흡은 비가역이며 오염물질회수나 흡착제의 재생이 불가능하고 흡착제에는 더 이상 냄새가 나지 않는다. 오염물질의 종류에 따라서 다양한 흡착제를 선택하여 사용한다. 흡착제로는 주로 KMnO₄가 사용된다.

(3) Thermal Wet Type Scrubber 

주로 반도체 분야에서 사용하고 있으며, Gas와 Air를 같이 주입 후 전기 Heater를 통해 발화점이상으로 충분히 가열하여 산화시킴으로써 Hydride 계열의 Gas (SiH₄, PH₃, AsH₃ 등) 를 처리 및 수용성 가스를 처리하고, 후단의 WET Scrubber를 거쳐 수용성 Gas 처리한다. 처리가능 가스로는

-가연성 가스 : SiH₄, PH₃, TEOS, H₂, DCS, 등

-수용성 가스 : Cl₂, HCl, HF, NH₃, 등

Hydride 계열 및 수용성 Gas에 대한 처리는 가능하나, 충분히 높은 온도를 내지 못하는 전기 Heater의 한계로 인해 PFC의 처리가 불가능 하다.

(4) Burn Wet Type Scrubber 

주로 반도체 분야에서 사용하고 있으며, 연료로서 LNG, LPG 또는 수소 등을 사용하고 공기를 주입하여 Gas를 태움으로써 충분히 높은 온도(1200℃)를 유지하여 Hydride 계열의 Gas 및 PFC를 처리하고, 후단의 Wet Scrubbing을 거쳐 수용성 Gas를 처리한다. 처리가능 가스로는

-가연성 가스 : SiH₄, PH₃, TEOS, H₂, DCS, 등

-수용성 가스 : Cl₂, HCl, HF, NH₃, 등

-PFC 가스 : NF₃, S₂F₆, SF₆, CF₄, C₃F₈, 등

(5) 조합형 

보통 한가지의 중화처리설비 만으로도 충분히 독성 또는 가연성 가스의 제가 가능하나 그렇지 않은 경우도 종종 발생한다. 예를 들어 1차 Scrubber에서 처리되는 물질이 있고 여기서 처리되지 않은 물질은 후단의 2차 Scrubber로 이송하여 제거하기도 한다.

Ⅲ. 중화처리설비의 구성

여러 종류의 독성 가스가 정상 상황 시 또는 비상 상황 시 동시에 하나의 중화처리설비로 흘러갈 수 있는 구조로 구성되어 있는 경우에는 서로 다른 가스가 접촉하여 반응 등을 통하여 더 큰 위험에 빠질 수 있으므로 여러 종류의 가스가 같은 중화처리설비에서 제거되도록 구성이 되어 있는 경우에는 각 가스들 간의 반응성을 반드시 미리 검토를 수행하여야 한다.

표 Ⅲ-1은 각 가스별로 반응성을 나타내는 것으로서 여기서 높은 반응성을 나타내는 H 또는 중간 정도의 반응성을 나타내는 M이 있는 가스 간에 서로 만날 수 있는 경우 그 중화처리설비를 별도로 설치하여 2차로 발생할 수 있는 위험을 제거 하여야 한다.

Ⅳ. 중화처리설비의 재질

독성가스는 공기와 접촉해 발화하는 것. 습기․물에 접촉해 강산성 가스를 발생하는 등 화학적으로 불안정하다. 범용가스도 그 자신이 강산성, 강알칼리성인 것도 많고 장치·설비를 부식시킬 가능성이 있다. 이 때문에 설비의 재질은 중화처리제의 성능, 중화처리 대상 가스와 이차적으로 발생할 가스의 성질을 충분히 고려해서 불연성 재료·내식성 재료를 경우에 따라 구분해서 사용하여야 한다.

4.1 중화처리설비 재질선정 시 주의사항

독성가스는 공기에 접촉하여 발화하는 것과 습기·물에 접촉하여 강산성가스를 생성하는 등 화학적으로 불안정하다. 범용가스 (가연성·독성가스, 독성가스) 도 그 자체가 강산성·약알칼리성이며 장치, 설비를 부식시킬 가능성이 있다.

중화처리설비재질은 중화처리하는 독성가스와 중화처리액, 중화처리제와의 화학반응에 따라 2차적으로 발생하는 가스의 성질을 충분히 고려하여 불연성 재료, 내식성재료의 사용에 주의해야 한다. 이것을 게을리 하면 2차 재해로 간주한다.

Ⅴ. 공정용 중화처리설비와 비상용 중화처리설비의 결정

공정용 중화처리설비와 비상용 중화처리설비는 그 사용목적 및 형태에 따라 혼용을 할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 가장 경재적인 방법은 공정용 중화처리설비와 비상용 중화처리설비를 혼용하여 공정 중에 발생하는 독성가스를 포함하여 비상시에 발생되는 독성가스를 하나의 중화처리설비를 이용하여 제거하는 것이다.

그러나 보통 비상용 중화처리설비는 여러 종류의 가스를 취급․저장하는 설비를 한꺼번에 처리하는 경우가 많아 서로 다른 종류의 가스가 서로 만나서 반응하는 경우도 있으므로 아주 신중하게 검토하여 결정하여야 한다.

방출된 가스는 공기와 접촉하여 또 다른 물질을 생성할 수 있으므로 2차 반응 및 다른 가스와의 반응성 등을 철저히 검증하여야 한다.

아래는 공정에서 평상시에 발생되는 독성가스를 비상용 중화처리설비에 함께 사용하기 어려운 상황을 나열하여 보았다.

- 하나의 중화처리제로 여러 가스를 제거할 수 없는 경우.

- 여러 종류의 가스를 하나의 중화처리 설비를 이용하는 경우 각 가스별로 반응을 하여 또 다른 독성, 가연성, 부식성, 폭발성 물질 등을 발생시킬 수 있는 경우. (표 Ⅲ-1 참조)

- 사용되는 가스 중 공기와 반응성이 있는 경우. 예) 자연발화성 물질 등.

- 사용되는 덕트 또는 중화처리설비의 재질이 사용하고자 하는 가스 중에 부식성 등으로 인하여 적합 하지 않는 경우.

- 중화처리설비에 사용되는 용제와 반응성이 있는 경우.

- 중화처리설비에서 발생되는 배압(Back Pressure)이 커서 공정 가스의 이송이 어려운 경우.

- 중화처리설비를 거친 후 대량의 대기 오염 물질 또는 폐수 등이 발생하는 경우.