KR100473646B1 - 유해가스의 흡착 농축 연소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유해가스의 흡착과 촉매연소 기능을 동시에 가진 흡착 농축 연소장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화학공장에서 배출되는 휘발성과 독성이 강한 난분해성의 휘발성유기물(VOC)을 정화하기 위하여 배출가스를 정화하는 흡착제가 충전된 2개의 충전탑이 병렬로 연결되어 있고 각 충전탑의 유입구에는 송풍기와 열풍기가 병렬로 연결 설치되어 있으며, 충전탑 상부의 배출구에는 에어벤트와 충전탑에서 탈착된 농축 유해오염물질의 연소장치가 설치되어 있어서, 상기 충전탑에서 유해오염물질의 흡착과 탈착을 반복하도록 선택밸브를 조작하여 충전탑 내의 흡착제에 흡착 농축된 오염물질을 탈착시킨 후에는 상부에 설치된 연소장치에서 오염물질을 연소시켜서 정화하도록 구성된 것으로서, 흡착과 연소가 분리된 종래의 장치와는 달리 오염물질의 흡착과 연소가 동시에 가능하도록 설비구성을 효율적으로 구성함으로써 간단한 설비와 경제적인 운전시스템으로 화학공장에서 발생되는 대기오염 유해가스를 효과적으로 정화 처리할 수 있는 신개념의 유해가스 흡착 농축 연소장치에 관한 것이다.

Description

유해가스의 흡착 농축 연소장치{An apparatus for combustion with adsorption and concentration of volatile organic compound gas}

본 발명은 유해가스의 흡착과 촉매연소 기능을 동시에 가진 흡착 농축 연소장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화학공장에서 배출되는 휘발성과 독성이 강한 난분해성의 휘발성유기물(VOC)을 정화하기 위하여 배출가스를 정화하는 흡착제가 충전된 2개의 충전탑이 병렬로 연결되어 있고 각 충전탑의 유입구에는 송풍기와 열풍기가 병렬로 연결 설치되어 있으며, 충전탑 상부의 배출구에는 에어벤트와 충전탑에서 탈착된 농축 유해오염물질의 연소장치가 설치되어 있어서, 상기 충전탑에서 유해오염물질의 흡착과 탈착을 반복하도록 선택밸브를 조작하여 충전탑 내의 흡착제에 흡착 농축된 오염물질을 탈착시킨 후에는 상부에 설치된 연소장치에서 오염물질을 연소시켜서 정화하도록 구성된 것으로서, 흡착과 연소가 분리된 종래의 장치와는 달리 오염물질의 흡착과 연소가 동시에 가능하도록 설비구성을 효율적으로 구성함으로써 간단한 설비와 경제적인 운전시스템으로 화학공장에서 발생되는 대기오염 유해가스를 효과적으로 정화 처리할 수 있는 신개념의 유해가스 흡착 농축 연소장치에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차 도장공정, 고분자 가공공정, 대부분의 화학공장에서는 휘발성과 독성이 강한 BTX 및 메틸에틸케톤, 아세톤 등의 난분해성 유기물이 최고 1000ppm에 달하는 고농도 가스가 배출된다[Encyclopedia of Chemical Technology, Vol. 13, Third Edition, A Wiley Interscience Pulication, John Wiley ＆ Sons, Inc., New York, NY (1981)]. 이들 성분은 대부분이 강한 발암물질로서 인체에 치명적인 영향을 주는 것으로 알려져 있다[WHO. "Air quality guidelines for Europe", WHO Regional Publications, Europian Series No. 23, World Health Organization, Copenhagen pp. 426 (1987); WHO., "Guidelines for drinking-water quality", Vol. 2, World Health Organization, Geneva pp. 290-292 (1984)].

국내에서도 VOC 규제관리가 강화되면서 탄화수소배출허용기준 설정과 휘발성유기물 규제조항이 신설되면서 VOC를 처리할 수 있는 기술개발이 요구되고 있으며, 그 외에도 일반적인 대기 오염 상태는 유류 및 유기 용제의 사용확대, 산업공정상의 누출 등이 지구온난화 규제 및 오존층파괴의 원인에 기여하고 광화학스모그의 증가를 초래하여 대기오염의 심화가 가속되고 있는 실정이다.

현재, 위와 같은 난분해성의 휘발성유기물질인 유기 오염물질을 정화 처리하는 방법으로서는 활성탄을 이용하여 흡착처리하는 공정과 촉매연소법 가장 널리 쓰이고 있다.

그러나, 상기와 같은 기존의 활성탄 흡착공정은 활성탄이 연소성이 강하여 흡착도중에 화재가 빈번하고 탈착에 의하여 회수되는 폐액의 처리 등이 큰 단점으로 지적되고 있으며, 또 촉매연소법은 VOC를 처리하는 농도가 1-3% 이상에서 설계되어야 경제성이 있다는 점에서 사용상의 제한이 있을 뿐만 아니라 설령 이를 사용한다고 하더라도 건설비와 운전비가 많이 소모되어 대형 소각장치에만 이용되고 있는 것이 현재의 실정이다[Jones, H.R., "Pollution Control in the Petroleum Industry", Noyes Data Corp., Park Ridge (1973)].

또한, 일반적으로 산업현장의 각종 도장시설 또는 인쇄공정에서 배출되는 가스는 대부분 상온이므로 이를 연소시키기 위하여 500℃ 이상으로 가열한다는 것은 현실적으로 매우 어려운 일이다.

그 외에도, 화학공장 등에서 배출되는 배출가스의 유해 대기오염물질을 정화처리하는 종래의 기술로는 최근까지 개발된 고에너지 전자빔 가속기, 광촉매 분해, 오존 산화장치 등이 있으나, 이러한 최근의 정화처리 장치들은 처리농도가 수십 ppm 이하에 국한되기 때문에 장기간 사용이나 고농도 처리가 불가능하고, 또 장비가 고가이며 운전비용이 커서 경제적인 측면 때문에 현장에서 상업적으로 적용되지 못하고 있는 실정이다[Cambell, J.M., "Gas conditioning and processing", Vol. 2, Campbell Petrolcum Senes, Norman (1978)].

특히, 일부에서는 도장공정과 고분자 장판인쇄공정(calendering process)에서 발생하는 500-1000ppm의 농도로 500Nm³/min의 고풍량의 배출가스를 처리하기 위한 습식산화 장치를 개발하여 산업체에 적용하여 왔으나, 습식장치의 경우 벤젠과 톨루엔은 물에 대한 용해도가 0.188과 0.067%(23.5℃)이므로 이를 액상에 전달시켜 습식 분해로 수 ppm은 분해시키는 것이 가능하나 크실렌은 물에 대한 용해도가 거의 0 이므로 이를 물에 용해시켜 분해하는 것은 불가능하다. 또한, 습식산화에 사용되는 과산화수소의 가격이 상승하여 점차 경제성의 한계에 이르러 이를 극복하기 위한 보다 진보된 기술을 탐색하는 것이 필요하게 되었다.

이와 같이 종래의 유해 배출가스 정화처리 방법의 경우 촉매연소방법은 효율이 비교적 높고 열 회수가 가능하다는 이점은 있으나, 낮은 유해물질 농도에서는 적용이 불가하고 설치와 운전비가 많이 들며, 활성탄 흡착법은 역시 효율이 비교적 높고 설치비가 저렴하지만 폐수가 발생하는 2차 오염이 수반되고 화재 위험이 높고 수명이 1년 이하로 매우 짧은 단점이 있다. 또한, 습식 산화법은 처리물질이 제한적이고 과산화수소를 다량 소비하여 비경제적이며 처리효율도 낮은 문제가 있고, 광촉매 산화법은 유해물질 수 ppm이하에 대하여 처리 효율이 극히 낮으며 전력 소비율이 높고 광촉매 재료비가고가인 단점이 있었다.

따라서, 종래의 유해 배출가스의 정화처리 방법은 다양한 기술의 개발에도 불구하고 개선의 여지가 많았다.

본 발명자는 이에 대한 기술로 1200℃의 고온에서도 안정하며 흡착능이 활성탄의 90%-120%에 달하는 감마알루미나에 산화철 또는 백금 등의 귀금속 촉매를 함침(coprecipitation)시켜서 흡착과 분해를 동시에 수행할 수 있는 재료를 연구하여 왔고 이를 포함한 효율적인 흡착재료를 이용하여 보다 효과적으로 상업화하기 위한 개선된 제조장치의 필요성을 절감하게 되었다.

즉, 흡착농축에 필요한 핵심재료를 일정한 성능으로 연속 생산할 수 있는 기계장치를 개발하여 경제성 있는 휘발성 난분해 유기물질의 처리에 이용하게되면 효과적인 장치와 더불어 개선된 배출가스 정화효과를 얻을 수가 있게되는 것이다.

이를 위하여 현재까지 실험실적으로 재료의 성분과 활성에 대한 기초적인 자료 및 기술을 확보하여 이들 재료의 혼합, 성형, 소성 등이 연속적으로 이루어지는 장치를 설계하고 실제 이를 이용하여 효율적인 정화장치에 적용한다면 바람직할 것으로 생각된다.

위와 같이, 화학공정에서 배출가스에 포함되어 배출되고 있는 유해성 휘발성 유기물 등과 같은 유기 오염물질을 정화 처리하는 기술에 대한 기술적인 한계를 극복하기 위하여, 큰 표면적을 가지면서도 비활성인 무기재료를 이용하여 휘발성유기물을 흡착하고 흡착 후 이를 고온에서 산화시켜 분해하는 새로운 개념의 간단하고도 경제적인 정화장치의 개발이 절실하여 본 발명자는 이러한 새로운 장치의 개발에 오랜 시간 연구한 결과 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 큰 표면적을 가지면서도 비활성인 무기재료를 이용하여 휘발성유기물을 흡착하고 흡착 후 이를 고온에서 산화시켜 분해하는 새로운 개념의 간단하고도 경제적인 배출가스 정화장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 배출가스를 정화하는 흡착제가 충전된 2개의 충전탑과 농축 유해오염물질의 연소장치가 구비되어 있어서, 선택적으로 충전탑 내의 흡착제에 흡착 농축된 오염물질을 탈착시킨 후에는 곧바로 연소장치에서 오염물질을 연소시켜서 정화하도록 흡착과 연소가 동시에 가능하도록 설비구성을 효율적으로 구성함으로써 간단한 설비와 경제적인 운전시스템으로 대기오염 유해 배출가스를 효과적으로 정화 처리할 수 있는 유해가스 흡착 농축 연소장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기 유해가스 흡착 농축 연소장치의 충전탑에 적용할 수 있으며 배출가스의 휘발성 유기물을 흡착하여 농축하고 탈착시킬 수 있는 재질로서 큰 표면적을 가지면서도 비활성인 무기재료로 이루어진 흡착제를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명은 흡착제를 이용한 배출가스 정화장치에 있어서, 배출가스(1)를 정화하는 흡착제(2)가 충전된 제1 충전탑(3a)과 제2 충전탑(3b)이 병렬로 연결되어 있고 각 충전탑(3a, 3b)의 유입구에는 송풍기(4)와 열풍기(5)가 병렬로 연결 설치되어 있으며, 상기 충전탑(3a, 3b) 상부의 배출구에는 좌우 양측으로 정화된 가스를 배출하는 한쌍의 에어벤트(6a, 6b)와 2개의 충전탑(3a, 3b)에서 탈착된 농축 유해오염물질을 연소하기 위한 연소장치(7)가 설치되어 있고, 상기 충전탑(3a, 3b)에서 유해오염물질의 흡착과 탈착을 반복하도록 각 부분의 연결유로에 설치된 선택밸브(8a, 8b, 8c, 8d, 8e)를 조작하여 충전탑(3a, 3b) 내의 흡착제(2)에 흡착 농축된 오염물질을 탈착시킨 후에는 상부에 설치된 연소장치(7)에서 오염물질을 연소시켜서 정화하도록 구성된 것을 그 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명은 첨부도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 유해가스의 흡착 농축 연소장치는 도 1에 도시한 바와 같은 구성을 가지는 것으로서, 1000 ppm 이하의 희박한 휘발성유기물(VOC) 등을 포함하는 유해 배출가스(1)의 유해물질을 흡착제(2)를 이용하여 흡착하고 농축시킨 후 흡착제(2)가 포화된 상태에서 열풍기(5)로 고온의 공기를 유입하여 흡착된 농축 유해물질을 탈착시키면서 탈착된 유해물질을 연소장치(7)에서 연소시킬 수 있도록 흡착수단과 연소수단을 동시에 구비한 장치이다.

본 발명에서 사용되는 흡착제(2)가 가져야 할 조건은 예컨대 VOC를 상온에서 단위 질량당 고농도로 흡착할 수 있어야 하고 흡착된 상태에서 촉매작용으로 흡착물을 이산화탄소 및 물로 완전연소 할 수 있어야 한다. 따라서, 본 발명에서는 흡착과 함께 연소를 통한 정화처리가 가능하게 하는 장치를 설계하는 기술과 여기에 유용한 효과적인 흡착제(2)를 제조하는 것도 중요하다.

본 발명에 다른 흡착 농축 연소장치의 설계는 화학공장 등에서 배출되는 유해가스에 함유된 VOC 등의 유해물질을 일정 시간 흡착하여 농축한 후 이를 탈착시켜서 다시 연소단계에 들어가므로, 특별히 흡착제(2)가 충전된 충전탑((3a, 3b)을 2개 설치하여 제1 충전탑(3a)과 제2 충전탑(3b)으로 구성된 반응기를 교대로 운전하는 교대선택조작(swing operation)의 개념을 도입하여 설계한 것이다.

즉, 제1 충전탑(3a)과 제2 충전탑(3b)이 교대로 흡착공정과 흡착 농축된 유해물질을 탈착시켜 연소시키도록 하는 연소공정으로 교대선택조작 되도록 송풍기(4)및 열풍기(5)와 2개의 충전탑(3a, 3b) 및 연소장치(7)를 병렬 연결시킨 유로계를 형성하고 각 유로의 소정 위치에 선택밸브(8a, 8b, 8c, 8d, 8e)를 설치하여 그 선택밸브(8a, 8b, 8c, 8d, 8e)의 선택조작으로 상기 제1 충전탑(3a)과 제2 충전탑(3b)의 흡착공정과 탈착 연소공정이 교대선택 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

따라서, 예컨대 제1 충전탑(3a)이 통상 12시간 운전되도록 설계하고 또 다른 제2 충전탑(3b)이 다시 교대로 흡착공정에 투입되는 동안 먼저 흡착반응을 진행하였던 제1 충전탑(3a)은 흡착 농축된 유해물질을 탈착시켜 연소시키도록 하는 약 3-5시간 동안의 연소공정에 돌입하여 연소장치(7)에서 정화처리하고 이런 과정에서 탈착처리된 제1 충전탑(3a)은 다시 흡착공정을 진행하기 위한 예비상태로 들어간다. 이러한 본 발명에서의 충전탑(3a, 3b)은 기존 흡착제 충전탑이나 흡착탑과 흡수탑 등을 개조하여 사용할 수 있기 때문에 신규 설비의 적용에도 예산을 대폭 절감할 수 있다.

이러한 2개의 충전탑(3a, 3b)을 교대선택조작하는 설계는 송풍기(4)와 열풍기(5) 및 2개의 충전탑(3a, 3b)과 연소장치(7) 등을 효율적으로 병렬 연결시킨 유로계를 형성하고 각 유로의 적당한 위치에 선택밸브(8a, 8b, 8c, 8d, 8e)를 설치하여 그 선택밸브(8a, 8b, 8c, 8d, 8e)의 적절한 조작으로 가능하게 구성되어 있는 것이다.

본 발명에 따르면 이러한 충전탑(3a, 3b,)은 2개 이상을 설치하여 도 1의 경우와 유사한 방법으로 유로를 확장하여 구성하게 되면 다양한 형태로 변형하여 적용할 수 있으며, 본 발명은 이러한 변형된 장치도 동일한 원리를 이용하는 한 모두 포함한다.

본 발명의 연소장치(7)는 다양한 형태로 구성될 수 있는데, 그 내부에는 예컨대 열선이 있으며 탈착 과정에서 배출되는 VOC 등의 농축 유해물질의 연소를 위하여 초기 열원으로 작동하며 일정온도로 상승하면 전원이 차단되도록 하고, 이때의 연소장치(7) 및 충전탑(3a, 3b)의 온도는 별도의 제어부에 의하여 조절되고 온도를 모니터 할 수 있도록 구성할 수 있다.

본 발명의 충전탑(3a, 3b) 내부에는 흡착제(2)로서 예컨대 전형적으로는 활성탄 섬유와 같은 흡착소재가 장착되는데, 이 때 활성탄 섬유는 일정한 공극을 형성하도록 예컨대 철망 등을 함께 말아 충전시켜서 공극을 조절하여 송풍과정에서 충전탑내의 압력이 적절히 이루어지도록 하는 것이 바람직하고, 운용과정에서 유입되는 유입 배출가스의 주입량은 5-20 Nm³/min로 조절하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용하는 흡착제(2)로서는 활성탄 섬유 이외에도 다공화된 다양한 촉매제가 사용될 수 있으며, 예컨대 활성탄 섬유 외에도 레드머드(red mud), 보헤미나이트(boheminite), γ-알루미나 등 다양한 공지의 흡착소재들을 다공화된 실린더 형의 소성형태, 모놀리스(monolith) 형태 등과 같은 적절한 형태로 사용될 수 있다. 본 발명에서 이러한 흡착제(2)의 재질은 이미 알려진 다공질 형태의 정형, 무정형의 흡착소재들이 모두 사용 가능하다.

본 발명에 따른 상기와 같이 구성된 흡착 농축 연소장치의 작동 과정을 도 1로 예시한 하나의 실시예로서 설명하면 다음과 같다.

예컨대, 제1 충전탑(3a)을 흡착공정으로 시작하는 경우 제2 충전탑(3b)은 탈착공정을 수행한다.

이때, 배출가스(1)가 정화되는 흡착공정의 유로계를 보면, 우선 배출가스(1)가 송풍기(4)를 통해 유입되며, 제2 선택밸브(8b)의 솔레노이드 밸브가 OFF상태가 되어 제1 충전탑(3a)로 보내지고, 이 과정에서 정화된 가스는 제5 선택밸브(8e)의 솔레노이드 밸브가 OFF되어 제1 벤트(6a)를 통해 정화된 가스가 배출된다.

다른 한편의 탈작공정인 흡착제(2) 재생공정의 유로계를 보면, 온도지시와 조절기능을 가진 열교환기를 구비한 열풍기(5)를 통해 열풍이 제1 선택밸브(8a)의 솔레노이드 밸브가 OFF되어 유입되며, 제2 선택밸브(8b)의 솔레노이드 밸브가 ON되어 제2 충전탑(3b)으로 열풍이 유입되고, 이 과정에서 흡착된 유해물질이 탈착된 후에는 유해 농축물질을 함유한 채로 제4 선택밸브(8d)의 솔레노이드 밸브가 OFF되어 연소장치(7)로 보내지며 여기서 완전 연소된 다음 정화된 상태로 배출된다.

또한, 제2 충전탑(3b)을 흡착공정으로 시작하는 경우 제1 충전탑(3a)은 탈착공정을 수행한다.

이때, 배출가스(1)가 정화되는 흡착공정의 유로계를 보면, 우선 배출가스(1)가 송풍기(4)를 통해 유입되며, 제2 선택밸브(8b)의 솔레노이드 밸브가 ON상태가 되어 제2 충전탑(3b)로 보내지고, 이 과정에서 정화된 가스는 제4 선택밸브(8d)의 솔레노이드 밸브가 ON되어 제2 벤트(6b)를 통해 정화된 가스가 배출된다.

다른 한편의 탈작공정인 흡착제(2) 재생공정의 유로계를 보면, 온도지시와 조절기능을 가진 열교환기를 구비한 열풍기(5)를 통해 열풍이 제1 선택밸브(8a)의 솔레노이드 밸브가 ON되어 유입되며, 제3 선택밸브(8c)의 솔레노이드 밸브가 ON되어 제1 충전탑(3a)으로 열풍이 유입되고, 이 과정에서 흡착된 유해물질이 탈착된 후에는 제5 선택밸브(8e)의 솔레노이드 밸브가 ON되어 연소장치(7)로 보내져 연소된 다음 배출된다.

상기와 같이, 본 발명에 따른 흡착 농축 연소장치는 흡착과 연소가 동시에 이루어지기 때문에 간단한 장치를 사용하면서도 정화효율이 매우 우수하고 경제적이며, 또 2개의 충전탑(3a, 3b)을 교대선택조작하므로서 자동화와 연속적인 공정 수행이 가능한시스템이므로 현장에서 매우 효과적으로 이용될 수 있다.

위와 같은 본 발명의 흡착 농축 연소자치를 이용하는 경우 종래의 촉매연소, 활성탄 흡착법, 습식 산화법, 광촉매 산화법 등과 비교하여 설치와 운전비용이 저렴하고 처리효율이 우수하고 매우 경제적인 장점이 있는 바 주요 장점을 정리하면 다음과 같다.

1) 100 ∼ 1000ppm 이상의 농도를 처리할 수 있다.

2) 장치 설치비와 운전비가 저렴하다(설치비 500m3/분, 3-4억, 운전비 연간 1000만원)

3) 처리효율이 99.8% 이상으로 우수하다.

4) 하나의 설비에서 흡착 후 연소공정을 수행하므로 2차 오염물질의 발생이 없다.

5) 연소공정에서 안전하게 연소하므로 화재 위험이 없다.

6) 흡착제의 수명이 3년 이상으로 장기간 사용이 가능하여 경제적이다.

7) 흡착제의 처리효율이 우수하고 설치비가 저렴하다.

8) 처리물질에 제한 없으므로 적용이 용이하다.

9) 유해물질의 흡착과 탈착 공정 수행 중에 첨가약품 없으므로 경제적이다.

10) 직접전력소비가 없고 재료비 저가이므로 경제적이다.

상기와 같이, 본 발명의 장치는 여러 가지 개선효과가 있으므로 현장에서의 활용이 기대되는 바, 대표적으로는 오염 유해물질인 VOC 제거 장치에 바람직하게 활용될 수 있다.

최근 대기환경보전법에서 '휘발성 유기화합물질의 규제'규정을 신설하여 각 해당 업체들은 VOC제거에 관한 방지시설을 설치하여야 하며, 이에 관한 현재의 기술은 흡착탑이나 연소법 등이 있으나, 이들의 시설들은 제2의 오염물질을 발생하거나 유지비가 너무 많이 들어 경제적이지 못하다는 단점이 있었다. 그러나, 본 발명의 장치로 인해 이러한 문제를 완전히 해결하게 된 것이다. 현재 VOC 발생원은 자동차 운행 45%, 유류저장시설 4.6%, 도장시설 40.4%, 인쇄산업 4.0%, 기타 3.3%로 이중 도장산업과 인쇄산업이 VOC 주 규제대상으로 인정되어 여러 가지 정화처리 방법이 제안되어왔으나, 본 발명은 지금까지의 흡착공정에서의 단일흡착기능을 개선하여 흡착과 연소를 병행하여 한 공간에서 VOC를 완전히 처리한다는 점과 소각방법에서의 가스가열공정에서 소비되던 많은 에너지를 흡착된 상태에서 연소함으로써 착화 후 스스로 연소되는 저에너지형 기술이라는 점에서 VOC 제어공정에서 폐기물의 발생을 없애고 에너지의 소비를 극대화할 수가 있는 기대효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 흡착 농축 연소장치와 여기에 사용되는 촉매형 흡착제는 배출유량과 농도에 따라 패키지화하여 제품화하는 경우 기존의 VOC 처리 공정 중에서 비경제성과 비효율성으로 문제가 되고 있는 사업장에 대하여 기술 진보성과 가격 경쟁력에서 매우 우수한 효과를 나타내며, 세계적으로도 저농도 활성탄 흡착시장과 고농도 VOC 촉매소각설비 시장에서도 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 기대된다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

제조예 : 흡착제의 선택과 성능실험

흡착제로서 활성탄 섬유(ACF; Activated Carbon Fiber)를 사용하였는 바, 셀룰로오스계 원료를 탄화시켜 개발한 고성능, 고기능의 섬유상 활성탄으로 제3의 활성탄 이라고 불리우고 있는 제품을 사용하였다[Maddox, R.N., "Gas and liquid sweetening", Campbell Petroleum Series, Norman (1974); Katz, D.L. Ed., "Handbook of natural gas engineering", Mcgraw-Hill, New York (1979)]. 이는 기존 국내에서 사용하는 정수 장치의 입상 활성탄과 비교해 볼 때 비교 면적이 크고, 흡착속도가 빠르고 흡착 용량 또한 크기 때문에 소형화된 ACF로도 고성능을 발휘한다. 이러한 활성탄소섬유는 지금까지 유기용제 회수장치, 촉매담체, 탈취장치, 각종 정화유니트, 보호의(依), 마스크, 인솔 등 그 특성을 유효하게 실린 분야에서 폭 넓게 사용되고 있는 것이다[Daniel W. Rytz and Afons Baiker. "Partial Oxidation of Methane to Methanol in a Flow Reactor at Elevated Pressure." Ind. Eng. Chem. Res. 30:2287-2292, 1991.]

활성탄 섬유는 피흡착 물질의 확산 저항이 작고 흡착에 유효한 미세공이 표면에서부터 배열되어 있어 흡착이 신속하게 이루어질 수 있는 것으로서, 비표면적이 1,500 - 1,800 M²/g 이고, 흡착율은 유체 흡착시 단위 중량당 흡착량이 입상 활성탄에 비해 매우 큰 것으로 단위중량당 흡착량이 45 - 50%이며 일반 입상 활성탄보다 흡착량이 10배인 것을 사용하였다.

이러한 흡착제가 본 발명의 장치에 적합한 흡착제로서의 기능을 가진 것인지를 확인하고 흡착 실험장치 및 분석기기흡착제의 성능곡선을 얻기 위하여 통상의 활성탄섬유를 패킹하여 단위중량당 흡착량을 실험하였다. 실험장치에 대한 설명은 다음과 같다. 피흡착제(adsorbent)는 상기의 물성을 가진 활성탄섬유(ACF)를 사용하였으며 유해물질인 흡착물질은 아세톤(동양화학 GR급)을 사용하였다.

유해가스로서 아세톤은 일반적으로 페인트의 솔벤트로 사용하는 물질이며 대표적인 휘발성유기물이다. 활성탄 섬유는 내경 50mm 길이 150mm의 실린더형 원통에 33g을 원형으로 말아서 채워 넣었다. 아세톤은 실린지 펌프(Cole Palmer, US)에 50mml의 실린지에 채워 넣고 분당 0.2 mmL의 유량으로 주입하였다. 유입구와 유출구에서의 아세톤 농도는 Gas Chromatogrpy(GC: HP 6850, US)를 이용하였으며 사용한 검출기는 불꽃이온검출기(FID)이며 컬럼은 DB-5, 오븐온도는 100℃로 유지하였다. 흡착량은 유입구와 유출구의 농도차이에 의하여 산출하였다. 흡착은 30℃에서 시행하였고 탈착실험은 원형로에 의하여 유입공기를 가열하여 유출온도가 80℃ 유지되도록 하였다.

이러한 실험결과는 다음과 같았다.

- 활성탄 섬유(Activated Carbon Fiber) 장착 질량: 33 g

- 이세톤 주입량: 0.2 ml/분

- 흡착온도: 30 ℃

- 탈착온도: 80 ℃

- 아세톤 흡착량: 42g/ 100g ACF

- 아세톤 탈착량: 33g/ 100g ACF

- 교대선택조작(Swing Adsorption)에 의한 아세톤 회수량 (50℃ 온도창) : 33g/ 100g ACF

참고로, 도 3a은 상기에서 사용된 활성탄 섬유의 주사현미경 사진(SEM, ×10.0K 3.00 ㎛)이며, 도 3b는 활성탄 섬유의 주사전자현미경 사진(SEM, ×100K 300 nm)이고, 도 3c는 사용된 활성탄 섬유의 유해물질 흡착 후 표면을 보여주는 주사현미경 사진이다.

실시예 : 흡착 농축 연소장치의 구성과 성능실험

상업용 농축연소장치의 시제품으로 도 2a의 사진으로 나타낸 바와 같이 내경 250mm 높이 1000mm 두께 1.5mm 의 철강재질의 원통형으로 제작하였으며 흡착과 탈착을 위하여 충전탑은 2기가 장착되었다.

1마력 송풍기가 설치되었으며(도 2b), 유로계는 흡착과 탈착을 반복하기 위하여 선택밸브를 설치하였으며(도 2c), 이들 선택밸브는 일정한 흡착시간 후에 탈착 모드로 전환되는데 사용되며 탈착 모드에서는 열풍기에 의하여 고온의 공기가 유입되어 활성탄소에 흡착된 휘발성 유기물을 탈착시키고 탈착된 물질은 흡착 반응기 상부에 연소장치가 장착된 연소장치(2 KW급)에서 연소되도록 구성하였다(도 2d). 연소장치 내부에는 칸탈선이 세라믹에 코일형태로 감겨져 있으며 탈착과정에서 배출되는 VOC의 연소를 위하여 초기 열원으로 작동하며 일정온도로 상승하면 전원이 차단되도록 구성하였고(도 2e), 연소장치 및 흡탈착 반응기인 충전탑의 온도는 제어부에 의하여 조절되고 온도를 모니터 할 수 있도록 제작하였다(도 2f).

제작된 장치의 충전탑 내부에는 도 2g와 같이 상기 제조에의 활성탄 섬유가 장착되는데 이 때 활성탄 섬유는 일정한 공극을 형성하도록 특별히 제작되었다. 활성탄소섬유와 60메시의 철망을 함께 말아 공극을 조절하도록 하였다. 이 경우 충전탑 내의 압력강하가 크게 발생하여 향후 활성탄 섬유를 길이 50mm, 직경 20mm 크기로 작은 실린더형으로 제조하여 충전하였다.

첨부도면 도 2b는 장치 하부의 송풍기와 열풍기 부분의 확대사진이며, 도 2c는 장치 하부의 가스 유로계를 보여주는 부분확대사진이며, 도 2d는 장치 상부의 부분확대사진이며, 도 2e는 장치 상부의 연소장치를 보여주는 부분확대사진이며, 도 2f는 도 2a의 장치에 대한 제어부의 부분확대사진이며, 도 2g는 장치를 구성하는 충전탑에 내장되는 흡착제인 활성탄섬유의 패킹을 하나의 예로서 예시하여 보여 준 부분확대사진이다.

제조된 장치를 이용하여 정화효과를 실험하기 위하여, 유입가스는 1차적으로 도색공정에서 배출되는 가스를 주입하며 주입량은 5-20 Nm³/min로 한다. 이때 주성분은 아세톤 또는 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등의 휘발성 유기물이다. 또한 엔진 주물공장에서 발생된 페놀 성분에 대해서도 흡착실험을 진행하였다.

상기와 같은 흡착농축연소장치를 사용하여 흡착 및 연소실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

- 활성탄 섬유(Activated Carbon Fiber) 장착 질량: 33 g

- 아세톤 주입량: 0.2 ml/분

- 흡착온도: 30 ℃

- 탈착온도: 80 ℃

- 아세톤 흡착량: 42g/ 100g ACF

- 아세톤 탈착량: 33g/ 100g ACF

- 교대선택조작(Swing Adsorption)에 의한 아세톤 회수량 (50℃ 온도창): 33g/ 100g ACF

위 결과로부터, 흡착 농축 연소장치를 사용하는 경우 간단하고 경제적인 장치를 이용하여 효과적인 유해가스 정화효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 종래와는 달리 유해가스의 흡착과 촉매연소 기능을 동시에 가진 흡착 농축 연소장치를 구성하되 효율적인 물성을 가진 흡착제가 충전된 2개의 충전탑과 송풍기, 열풍기 및 연소장치를 특정의 유로계로 연결 설치하여 선택밸브를 교대선택조작하여 충전탑 내의 흡착제에 흡착 농축된 오염물질을 탈착시킨 후에는 상부에 설치된 연소장치에서 오염물질을 연소시켜서 정화하도록 구성함으로서, 흡착과 연소가 분리된 종래의 장치에서 나타난 여러 가지 단점을 일거에 해소하고 폐가스에서 배출되는 오염 유해물질의 흡착과 연소가 동시에 가능하도록 한 간단한 설비와 경제적인 운전시스템으로 화학공장에서 발생되는 대기오염 유해가스를 효과적으로 정화 처리할 수 있는 매우 우수한 효과가 있다.

또한, 2개의 충전탑을 교대로 선택하여 조작할 수 있도록 선택밸브가 장착된 유로계를 구성하고 흡착공정과 탈착 연소공정을 교대로 시행하도록 함으로써, 종래 전혀 제안된 바 없는 매우 효과적인 정화공정을 연속적으로 수행하고 자동화가 가능하도록 할 수 있다는 점에서도 매우 우수한 효과가 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 유해가스의 흡착 농축 연소장치의 구성을 간단하게 도시한 구성도이고,

도 2a는 본 발명에서 실시예로 예시한 본 발명의 장치에 대한 실제 구현예를 보여주는 전체 사진이고,

도 2b는 도 2a의 장치에 대한 하부의 송풍기와 열풍기 부분의 확대사진이며,

도 2c는 도 2a의 장치에 대한 하부의 가스 유로계를 보여주는 부분확대사진이며,

도 2d는 도 2a의 장치에 대한 상부의 부분확대사진이며,

도 2e는 도 2a의 장치에 대한 상부의 연소장치를 보여주는 부분확대사진이며,

도 2f는 도 2a의 장치에 대한 제어부의 부분확대사진이며,

도 2g는 도 2a의 장치를 구성하는 충전탑에 내장된 흡착제인 활성탄섬유의 패킹을 보여주는 부분확대사진이고,

도 3a는 본 발명의 실시예에서 사용된 활성탄 섬유의 주사현미경 사진(SEM, ×10.0K 3.00 ㎛)이며,

도 3b는 본 발명의 실시예에서 사용된 활성탄 섬유의 주사전자현미경 사진(SEM, ×100K 300 nm)이며,

도 3c는 본 발명의 실시예에서 사용된 활성탄 섬유의 유해물질 흡착 후 표면을 보여주는 주사현미경 사진이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 - 배출가스 2 - 흡착제

3a - 제1 충전탑 3b - 제2 충전탑

4 - 송풍기 5 - 열풍기

6a - 제1 에어벤트 6b - 제2 에어벤트

7 - 연소장치 8a, 8b, 8c, 8d, 8e - 선택밸브

Claims (2)

1. 삭제
2. 흡착제를 이용한 유해 배출가스 정화장치에 있어서, 배출가스(1)를 정화하는 흡착제(2)가 충전된 제1 충전탑(3a)과 제2 충전탑(3b)이 병렬로 연결되어 있고 각 충전탑(3a, 3b)의 유입구에는 송풍기(4)와 열풍기(5)가 병렬로 연결 설치되어 있으며, 상기 충전탑(3a, 3b) 상부의 배출구에는 좌우 양측으로 정화된 가스를 배출하는 한쌍의 에어벤트(6a, 6b)와 2개의 충전탑(3a, 3b)에서 탈착된 농축 유해오염물질을 연소하기 위한 연소장치(7)가 연결 설치되어 있고, 제1 충전탑(3a)과 제2 충전탑(3b)이 교대로 흡착공정과 흡착 농축된 유해물질을 탈착시켜 연소시키도록 하는 연소공정으로 교대선택 조작되도록 송풍기(4)및 열풍기(5)와 2개의 충전탑(3a, 3b) 및 연소장치(7)를 병렬 연결시킨 유로계를 형성하고 각 유로의 소정 위치에 선택밸브(8a, 8b, 8c, 8d, 8e)를 설치하여 그 선택밸브(8a, 8b, 8c, 8d, 8e)의 선택조작으로 상기 제1 충전탑(3a)과 제2 충전탑(3b)의 흡착공정과 탈착 연소공정이 교대선택 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 유해가스의 흡착 농축 연소장치.