대기오염물질 방지시설 - '흡수에 의한 시설' 정의 및 공법 비교(원리, 처리 물질 및 효율, 비교)

대기오염물질 방지시설 중 흡수에 의한 시설을 정리해보고자 합니다.

법적 방지시설명 중 하나인 '흡수에 의한 시설'은 주로 기체 상태의 오염물질을 액체 흡수제에 용해시키거나 화학 반응을 통해 제거하는 기술을 사용하는데,
이 공정은 단순한 세정 설비가 아니라 기상과 액상 사이의 물질전달 현상과 유체역학적 거동이 복합적으로 작용하는 시스템이기도 합니다.
주로 흡수 효율은 가스와 액체의 접촉 면적, 체류시간, 유동 상태, 그리고 물질전달 계수에 의해 결정되게 되고, 여러 공법들이 있으니 오늘 한 번 비교해서 정리해보겠습니다.

흡수에 의한 시설의 기본 원리

흡수 공정의 가장 기본적인 메커니즘은 기상 오염물질이 기-액 계면을 통과하여 액상으로 이동하는 현상입니다.
이 과정은 일반적으로 이중막 이론(Two-film theory)으로 설명하기도 합니다.

기상 측과 액상 측에는 각각 얇은 정체층이 존재하며, 오염물질은 농도 구배에 의해 확산됩니다.
총괄 흡수 속도는 다음과 같이 표현됩니다.

N = K_G · a · (C_G − C_G^*)

여기서 N은 단위 부피당 흡수 속도이며, K_G는 총괄 기상 물질전달 계수입니다.
a는 단위 부피당 기-액 접촉 면적이며, C_G는 실제 가스 농도, C_G^*는 평형 농도입니다.

흡수 효율을 향상시키기 위해서는 접촉 면적 증가, 난류 유동 형성, 충분한 체류시간을 확보해줘야 합니다. 

흡수에 의한 시설의 주요 공법

흡수 방식에 따른 대표적인 대기오염물질 방지시설은 다음과 같습니다.

충전식 흡수탑, 분무식 흡수탑, 벤츄리 스크러버, 충돌판식 스크러버, 습식 탈황 설비 등이 있습니다.
이들 공법은 동일한 흡수 원리를 기반으로 하지만, 가스-액체 접촉 방식과 유체역학적 특성에서 차이를 보입니다.

공법별 원리, 처리 물질 및 유체역학적 특성

① 충전식 흡수탑(Packed Tower)

충전식 흡수탑은 탑 내부에 충전물을 채워 가스와 액체의 접촉 면적을 극대화 합니다.
가스는 하부에서 상부로 흐르는 상향류이며, 흡수액은 상부에서 하부로 흐르는 하향류입니다.

충전물 표면에는 얇은 액막이 형성하게 되며, 오염물질은 이 액막을 통해 확산됩니다.
유동 상태는 주로 난류가 형성되며, Reynolds 수는 다음과 같이 정의됩니다.

Re = (ρ · u · d_p) / μ

Reynolds 수가 증가할수록 액막의 교란이 커져 물질전달 계수가 증가합니다.

물질전달 계수가 증가하면 액체에 흡수되는 오염물질이 많은 것 입니다.

충전식 흡수탑은 SO₂, HCl, HF, NH₃ 등 수용성 가스에 대해 90~99%의 높은 처리 효율을 나타냅니다.

② 분무식 흡수탑(Spray Tower)

분무식 흡수탑은 노즐을 이용해 흡수액을 액적으로 분사하는 구조입니다.
충전식 흡수탑과 같이 가스는 액적과 상대 속도를 가지며 통과하면서 오염물질이 흡수되는 원리입니다.

흡수 효율은 액적 직경에 크게 의존하며, 액적의 표면적은 다음과 같이 표현됩니다.

A = 6 / d_d

여기서 d_d는 액적 직경입니다.
액적이 작을수록 접촉 면적은 증가하지만, 압력 손실과 액적 비산 문제가 발생할 수 있습니다.

분무식 흡수탑의 처리 효율은 60~90% 수준이며, 주로 전처리 또는 보조 공정으로 사용됩니다.

③ 벤츄리 스크러버(Venturi Scrubber)

벤츄리 스크러버는 흡수 공법 중 가장 강한 유체역학적 특성을 가지는 설비입니다.
가스는 벤츄리 목 부분에서 급격히 가속되며, 속도는 약 60~120 m/s에 이릅니다.

Bernoulli 방정식에 따라 정압은 감소하고 동압은 증가합니다.
이로 인해 흡수액은 매우 미세한 액적으로 파쇄됩니다.

액적 미세화로 인해 Sherwood 수가 크게 증가하며, 이는 다음과 같이 표현됩니다.

Sh = (k_L · d_d) / D

벤츄리 스크러버는 산성 가스와 미세분진을 동시에 처리할 수 있으며, 처리 효율은 90% 이상입니다.
다만 압력 손실이 매우 커 송풍기 동력이 크게 증가합니다.

④ 충돌판식 스크러버(Plate Scrubber)

충돌판식 스크러버는 가스 흐름 중간에 다수의 충돌판을 설치한 구조입니다.
가스는 충돌판에 의해 방향이 반복적으로 전환됩니다.

이 과정에서 관성력과 원심력이 작용하여 오염물질이 액막과 접촉합니다.
중간 수준의 난류 조건에서 운전되며, 처리 효율은 70~90% 수준입니다.

⑤ 습식 탈황 설비(Wet FGD)

습식 탈황 설비는 흡수와 화학 반응이 동시에 일어나는 대표적인 흡수 공법입니다.
흡수액으로는 석회 또는 석회석 슬러리가 사용됩니다.

SO₂는 액상에서 다음과 같은 반응을 거쳐 안정한 황산염으로 전환됩니다.

SO₂ + CaCO₃ → CaSO₃ → CaSO₄

이 공정은 물질전달 속도와 화학 반응 속도가 동시에 지배하는 시스템입니다.
대용량 배출가스 처리에 적합하며 처리 효율은 95% 이상입니다.

흡수 공법별 비교

구분	충전식 흡수탑	분무식 흡수탑	벤츄리 스크러버	충돌판식	습식 탈황
접촉 방식	액막	액적	고속 충돌	방향 전환	흡수+반응
지배 현상	확산	표면적	난류·관성	관성	반응속도
처리 효율	매우 높음	중	매우 높음	중	매우 높음
압력 손실	낮음	낮음	매우 큼	중	큼
가스 유량 대응	중	큼	큼	중	매우 큼

결론

흡수에 의한 대기오염물질 방지시설은 기-액 물질전달과 유체역학이 결합된 대표적인 화학공정 설비입니다.
공법 선택 시에는 처리 효율뿐만 아니라 압력 손실, 유동 특성, 유지관리 조건을 함께 고려해야 합니다.
수용성 가스의 고효율 처리가 필요한 경우에는 충전식 흡수탑과 습식 탈황 설비가 적합합니다.
가스와 분진을 동시에 처리해야 하는 경우에는 벤츄리 스크러버가 유리합니다.
따라서 흡수 공법은 공정 조건에 기반한 공학적 설계 판단이 필수적입니다.