JP6987117B2 - スロット型導波管を用いたVOCs除去システム - Google Patents

スロット型導波管を用いたVOCs除去システム Download PDF

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Description

本発明は、スロット型導波管を用いたVOCs除去システムに関する。より詳しくは、吸着したVOCsを脱着時に吸着反応器の内部にスロット型導波管を備えてマイクロウエーブを均一に照射することによりマイクロウエーブ効率を極大化し、効率よく吸着反応器を再生できるスロット型導波管を用いたVOCs除去システムに関する。
揮発性有機化合物(VOCs)は蒸気圧が極めて高いため、大気中で蒸発し易いと同時に、窒素酸化物と共存するとき太陽光を受けて光化学反応を引き起こし、オゾン及び光化学酸化性物質を生成して光化学スモッグを誘発する代表的な物質である。このような問題により、現在の国内/国外で厳しい規制が施行されており、至急解決しなければならない最優先的な課題として残っている。
一方、造船所の塗装工場では、揮発性有機化合物(VOCs)の排出規制において例外であったため、工場を大型化する方法としてVOCs除去設備に対する法的規制を満足させてきたが、環境規制が強化されることにより効果的なVOCs除去設備の設置が求められている。従来における蓄熱式の燃焼設備であるRTO(Regenerative Thermal Oxidizer)の場合、高濃縮しない空気を燃焼させることで運転コストが増加して大型化された装備により設置空間が足りないという問題がある。
VOCs除去において、運転コスト及び設置空間を減らす方案として、マイクロウエーブを用いる技術も開発されている。
これ関して、特許文献1は、VOCsガス除去システムに関し、ハニカム型VOCs吸着ローターにマイクロウエーブを直接水平方向に噴射し、吸着ローターを再生するようにする方法を提示している。この場合、マイクロウエーブの漏れを遮断することが難しいためマイクロウエーブの効率が低下し、作業の安定性の恐れがあり、マイクロウエーブが再生領域に均一に照射されず、1つの吸着ローターで処理できる容量に限界がある点から、造船所の塗装工場のような大型事業場で活用し難いという問題がある。また、持続的な吸着ローター駆動による運転コストの上昇、再生空気が再生領域に達する前に一部分散される問題などが挙げられる。
したがって、均一にマイクロウエーブを照射して再生効率を高めながら、別途のマイクロウエーブの遮断施設の負担を減らし、エネルギー効率を最大化できるVOCs除去システムの開発が求められている。
韓国登録特許番号第10−1323108号
本発明の一側面は、マイクロウエーブを均一に照射して効率を極大化し、設備の簡素化及び運転コストの削減を可能にし、大容量のVOCsガスを効率よく処理できるVOCs除去システムを提示することにある。
しかし、本発明が解決しようとする課題は、以上で言及した課題に制限されることなく、言及されない他の課題は、下記の記載によって当業者に明らかに理解できるものである。
上記のような目的を達成するために、本発明の一側面は、吸着剤が充填された固定状態の円筒状の吸着反応器と、前記円筒状の吸着反応器は、中心軸を基準にして放射状に領域が分割され、放射状に分割された領域の境界面に配置されたものであって、前記円筒状の吸着反応器の内部にマイクロウエーブを伝達するスロット型導波管と、前記スロット型導波管の外側部に接して前記円筒状の吸着反応器の周縁に沿って一定間隔に配置された複数のマイクロウエーブモジュールとを含むスロット型導波管を用いたVOCs除去システムを提供する。
本発明によると、マイクロウエーブを均一に照射して再生効率を極大化することができ、吸着反応器とマイクロウエーブモジュールに比べて相対的に軽量であるガス分配板を回転式で備えることにより、設備の簡素化及び運転コストの削減を図ることができ、吸着及び脱着時間の制御が容易であり、同時に、複数の領域で吸着と脱着のプロセスを行うことができるためエネルギー及び設備空間を節約できるため、大容量のVOCsガスを効率よく処理できるVOCs除去システムを提供できる。
本発明の一実施形態に係るVOCs除去システムの一部構成図であり、放射状に領域が分割された円筒状の吸着反応器内部にスロット型導波管とその外側部にマイクロウエーブモジュールが配置された構成の断面図である。 本発明の一実施形態に係るVOCs除去システムの再生領域が1つの場合に設けられる上部ガス分配板の概念図である。 本発明の一実施形態に係るVOCs除去システムの再生領域が1つの場合に設けられる下部ガス分配板の概念図である。 本発明の一実施形態に係るVOCs除去システムの再生領域が2つである場合に設けられる上部ガス分配板の概念図である。 本発明の一実施形態に係るVOCs除去システムの再生領域が2つである場合に設けられる下部ガス分配板の概念図である。 本発明の一実施形態に係るVOCs除去システムの再生領域が1つの場合、円筒状の吸着反応器に上下部ガス分配板が備えられた構成の概念図である。 本発明の一実施形態に係るVOCs除去システムの再生領域が2つである場合、円筒状の吸着反応器に上下部ガス分配板が備えられた構成の概念図である。 本発明の一実施形態に係るVOCs除去システムの断面図である。 本発明の一実施形態に係るVOCs除去システムと周辺設備が統合された構成の概念図である。
以下で添付の図面を参照して本願が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように本願の実施形態を詳細に説明する。しかし、本願は様々な異なる形態に具現されてもよく、ここで説明する実施形態に限定されない。そして、図面で本願を明確に説明するために説明と関わってない部分は省略し、明細書の全体に渡って類似の部分については類似の図面符号を付する。
本願明細書の全体において、いずれかの部分がいずれかの構成要素を「含む」とするとき、これは特に反対となる記載がなければ他の構成要素を除外するものではなく、他の構成要素をさらに含むことを意味する。
本明細書において、「構成される」又は「含む」等の用語は、明細書上に記載された様々な構成要素、又は、様々なステップを必ず全て含むものと解釈されることなく、そのうちの一部の構成要素又は一部のステップが含まれないこともあり、又は、追加的な構成要素又はステップをさらに含むものと解釈されなければならない。
以下、添付された図面を参照しながら本発明のVOCs除去システムを詳細に説明する。
本発明は、VOCs除去システムに関し、吸着剤が充填された固定状態の円筒状の吸着反応器110と、前記円筒状の吸着反応器110は中心軸を基準にして放射状に領域が分割され、放射状に分割された領域の境界面に配置されたものであって、前記円筒状の吸着反応器の内部にマイクロウエーブを伝達するスロット型導波管170と、前記スロット型導波管170の外側部に接して前記円筒状の吸着反応器110の周縁に沿って一定間隔に配置された複数のマイクロウエーブモジュール120を含む。
マイクロウエーブを伝達する導波管をスロット型に製造し、これを円筒状の吸着反応器110の内部に一定間隔に配置することで、マイクロウエーブが前記円筒状の吸着反応器110の所望する領域に均一に照射されるようにする。
前記スロット型導波管170は複数のスロットを備え、前記複数のスロットを介してマイクロウエーブが均一に照射されるようにする。
前記円筒状の吸着反応器110には、ガスのうちのVOCs成分が吸着されるよう活性炭やゼオライトなどを含む吸着剤111が充填されている。また、前記円筒状の吸着反応器110の吸着剤111が充填された内部は中心軸を基準にして放射状に領域が分割され、その分割された領域は、外部から供給されたVOCs含有ガスのうちVOCsが吸着される吸着領域、及び高温の再生空気を介して前記吸着領域で吸着されたVOCsを脱着させる再生領域を含む。また、選択的に、前記VOCsが脱着された後に冷却が進行される冷却領域をさらに含んでもよい。
前記マイクロウエーブモジュール120は、前記円筒状の吸着反応器110の周縁に沿って一定の間隔に配置される。好ましくは、前記円筒状の吸着反応器110の放射状に分割された領域の境界面にそれぞれ配置されたスロット型導波管170の外側部に接するよう、マイクロウエーブモジュール120が配置され得る。すなわち、スロット型導波管170に対応するよう、マイクロウエーブモジュール120が配置され得るため、前記スロット型導波管170と同様に、マイクロウエーブモジュール120も複数備えられてもよい。
前記複数のマイクロウエーブモジュール120は、前記円筒状の吸着反応器110の側面を取り囲む形態に製造されたり、前記円筒状の吸着反応器110の側面を取り囲むケース140の一部として含まれる形態に製造されてもよい。これによって、マイクロウエーブモジュール120又はこれを含むケース140が前記円筒状の吸着反応器110の側面からマイクロウエーブの漏れを遮断できる。前記マイクロウエーブモジュール120は、配置された領域が再生するとき電源ON状態になってマイクロウエーブを照射して再生領域を加熱し、再生が完了すれば、電源OFF状態になって作動を中止する。前記再生領域の境界面は、雲母板から構成され、マイクロウエーブが通過できるようにする。
本発明のVOCs除去システムは、吸着反応器とマイクロウエーブモジュールに比べて相対的に軽量であるガス分配板を回転式で備えることで、設備の簡素化及び運転コストの削減を図ることができる。
そのため、本発明のVOCs除去システムは、前記再生領域に再生空気を供給する供給管を備え、前記円筒状の吸着反応器の上部に配置される回転型上部ガス分配板と、前記再生領域から脱着されたVOCsを含有する再生空気を吐出する吐出管とを備え、前記円筒状の吸着反応器の下部に配置される回転型下部ガス分配板を含むように構成される。また、前記上部ガス分配板及び下部ガス分配板が回転してから前記供給管及び吐出管が前記再生領域の上部及び下部に位置するときに、前記再生領域に再生空気が供給され、同時に前記再生領域の境界面に配置されたスロット型導波管の外側部に接するマイクロウエーブモジュールが作動状態に切り替えられ、前記再生領域を加熱する。
前記回転型ガス分配板は、前記円筒状の吸着反応器110の上部と下部にそれぞれ配置されるように構成する。前記円筒状の吸着反応器110の上部に配置される上部ガス分配板130a、130a'は、前記円筒状の吸着反応器110の再生領域に再生空気を供給する供給管133a、133a'を備えている。再生空気は、再生空気注入口132a、132a'を介して供給管133a、133a'に供給される。一方、前記円筒状の吸着反応器110の下部に配置される下部ガス分配板130b、130b'は、前記円筒状の吸着反応器110の再生領域から脱着されたVOCsを含有している再生空気を吐出する吐出管133b、133b'を備えている。前記吐出管133b、133b'には、再生空気排出口132b、132b'が連結され得る。前記上部ガス分配板130a、130a'の供給管133a、133a'と、前記下部ガス分配板130b、130b'の吐出管133b、133b'は、それぞれ前記円筒状の吸着反応器110の再生領域の真上又は真下で、前記円筒状の吸着反応器110の再生領域が投影された部分に位置する。便宜上、前記円筒状の吸着反応器110の再生領域が上部ガス分配板130a、130a'に投影された領域を上部再生領域131a、131a'と称し、下部ガス分配板130b、130b'に投影された領域を下部再生領域131b、131b'と称する。
前記上部ガス分配板130a、130a'と前記下部ガス分配板130b、130b'は、前記円筒状の吸着反応器110の上部及び下部で同じ回転周期を有し、同じ方向に周期的に回転するよう構成される。
前記上部ガス分配板130a、130a'及び下部ガス分配板130b、130b'が回転して前記上部再生領域131a、131a'と前記下部再生領域131b、131b'が前記円筒状の吸着反応器110の再生領域と垂直線上に位置する場合、すなわち、前記供給管133a、133a'及び吐出管133b、133b'が前記再生領域の上部及び下部に位置するときに、前記供給管133a、133a'を介して前記円筒状の吸着反応器110の再生領域の上部に再生空気が供給される。同時に、前記再生領域の側面に配置されたマイクロウエーブモジュール120が作動停止状態から作動状態に切り替えられ、前記再生領域を加熱することになる。これにより、吸着されていたVOCs成分が脱着される。脱着されたVOCsの含まれた再生空気は、前記再生領域の下部に配置された吐出管133b、133b'を介して吐出される。
回転周期及び再生時間は、タイマー又はプログラムにより予め設定することで調整できる。すなわち、前記上部及び下部ガス分配板130a、130a'、130b、130b'の回転周期及び再生の間の回転停止時間、マイクロウエーブモジュール120が作動する時間をタイマー又はプログラムを用いて予め設定してもよい。これにより、吸着及び脱着時間を容易に制御できる。
又は、センサを備えて前記上部再生領域131a、131a'と前記下部再生領域131b、131b'が円筒状の吸着反応器110の再生領域と垂直線上に位置していることを検出し、上部及び下部ガス分配板130a、130a'、130b、130b'の回転を停止すると同時に、再生空気の注入とマイクロウエーブモジュール120を作動可能にする。
同時に、再生される領域は、1つの分割された再生領域又は一定の間隔に放射状に配置された複数の再生領域であってもよい。図2A、図2B、及び図4は、再生領域が1つである場合であり、図3A、図3B、及び図5は、再生領域が2つである場合の上下部ガス分配板が円筒状の吸着反応器と結合された概念図を示す。
このように円筒状の吸着反応器110に単一又は複数の再生領域を実現するために、前記上部ガス分配板130a、130a'の供給管133a、133a'及び前記下部ガス分配板130b、130b'の吐出管133b、133b'の数を1つ又は一定の間隔に放射状に配置された複数に備えてもよい。ここで、前記複数の供給管133a、133a'及び吐出管133b、133b'は、前記上部及び下部ガス分配板130a、130a'、130b、130b'の回転軸を中心に放射状に一定の間隔に配置される。
再生領域と同様に、吸着領域も同時に複数の領域に構成できる。このように、同時に複数の領域で吸着及び脱着のプロセスを行うことができ、エネルギー及び設備空間を節約することができる。
図6に示すように、本発明のVOCs除去システムは、前記上部ガス分配板130a、130a'及び下部ガス分配板130b、130b'と前記マイクロウエーブモジュール120を取り囲む追加的なケース150を備え、前記追加的なケース150に備えられた圧縮空気注入口160をさらに含んでもよい。前記圧縮空気注入口160を介して圧縮空気を注入又は排出することで、前記上部ガス分配板130a、130a'及び下部ガス分配板130b、130b'と前記円筒状の吸着反応器110の密着程度を調整し得る。
すなわち、前記再生領域に再生空気が供給されて前記マイクロウエーブモジュール120が作動状態を保持する間、前記上部ガス分配板130a、130a'及び下部ガス分配板130b、130b'は、前記円筒状の吸着反応器110に密着し、前記再生領域に再生空気の供給が中断されてマイクロウエーブモジュール120が作動状態を停止すれば、前記上部ガス分配板130a、130a'及び下部ガス分配板130b、130b'は、前記円筒状の吸着反応器110から遠ざかるように構成し得る。このように圧縮空気を注入し取り出すことによって、上下部ガス分配板130b、130b'と円筒状の吸着反応器110の密着程度を調整し得る。このような構成により、供給される再生空気が隣接する吸着領域又は冷却領域に分散されることを防止し、供給された再生空気が完全に再生作業に活用されるようにする。
より効果を高めるためには、前記上部ガス分配板130a、130a'と前記下部ガス分配板130b、130b'の断面積を前記円筒状の吸着反応器110の断面積と一致するように構成することが好ましい。
図7は、本発明の円筒状の吸着反応器110と触媒システム、熱交換器が統合された構成の概念図である。
前記吸着領域には外部からVOCs含有ガスが供給され、前記VOCs含有ガスのうちVOCsが吸着される。VOCsが吸着除去された新鮮な空気は外気に排出される。
再生領域から吐出されたVOCs含有再生空気は、触媒反応器を経て再生領域で脱着されたVOCsを二酸化炭素と水に酸化分解される。すなわち、前記触媒反応器では、概略200〜350℃の加温条件下でVOCsを二酸化炭素(CO)及び水(HO)に酸化させることで、酸化触媒として、Pd触媒、Pt触媒、Ru触媒、又はRh触媒などを用いてもよい。
本発明の触媒反応器は、別途のマイクロウエーブモジュールをさらに備えて熱源として活用してもよい。反応器本体の内部に脱着されたVOCs含有の熱いガスが流入され、マイクロウエーブを吸収して熱源として使用し、VOCsの分解を促進して除去及び処理する。
前記触媒反応器を通過したCO/HO含有の熱い空気は、廃熱が熱交換器で熱交換されて再生空気に供給され、再生領域の脱着反応のためのエネルギーとしてリサイクルされ得る。
本発明の吸着反応器が選択的に冷却領域を備えている場合、前記冷却領域で前記VOCsが脱着された後マイクロウエーブによって表面温度が高まった吸着反応器の冷却が行われるが、このとき、冷却領域に冷却空気を供給して常温まで冷却させることができる。前記注入された冷却空気は、冷却領域を通過しながら約50〜100℃程度の熱風に転換され、触媒反応器を通過したCO/HO含有の熱い空気と類似に、前記冷却領域を通過した熱い空気の廃熱も熱交換器で熱交換され、前記再生空気に供給されて再生領域の脱着反応のためのエネルギーとしてリサイクルされ得る。
一方、熱交換器を通過しながら冷却された空気とCO/HOは、外気に排出される。
以上、詳説したように、本発明では、スロット型導波管を吸着反応器の内部に配置することで、マイクロウエーブを均一に照射して再生効率を高めるようにした。また、VOCs除去システムで体積及び重量の面で大きい部分を占めている吸着反応器及びマイクロウエーブモジュールを固定させ、相対的に軽量のガス分配板を回転式で備えることで、設備の簡素化及び運転コストの削減を図ることができ、吸着及び脱着時間を容易に制御でき、同時に複数の領域で吸着及び脱着のプロセスを進行できるようにすることで、1つの吸着反応器で吸着反応器の数台の効果を達成できる。また、構造上、マイクロウエーブモジュールが吸着反応器に取付けられて固定されている状態であるため、吸着反応器の側面におけるマイクロウエーブの漏れを防止でき、さらに、上下部ガス分配板130b、130b'が、マイクロウエーブが照射される間に吸着反応器に密着する構成であるため、吸着反応器の上下領域でもマイクロウエーブの漏れを遮断することでマイクロウエーブの効率を最大化し、再生ガスが隣接している吸着領域や冷却領域に分散されることを防止し、再生効率も高めることができる。
10:円筒状の吸着反応器
110:円筒状の吸着反応器
111:吸着剤
120:マイクロウエーブモジュール
130a、130a':上部ガス分配板
130b、130b':下部ガス分配板
131a、131a':上部再生領域
131b、131b':下部再生領域
132a、132a':再生空気注入口
132b、132b':再生空気排出口
133a、133a':再生空気供給管
133b、133b':再生空気吐出管
140:吸着反応器ケース
150:圧縮空気ケース
160:圧縮空気注入口
170:スロット型導波管

Claims (9)

  1. 吸着剤が充填された固定状態の円筒状の吸着反応器と、
    前記円筒状の吸着反応器において中心軸を基準にして放射状に分割された領域の間の境界面に配置されたスロット型導波管であって、前記円筒状の吸着反応器の内部にマイクロウエーブを伝達するスロット型導波管と、
    前記スロット型導波管の外側部に接し、前記円筒状の吸着反応器の周縁に沿って一定間隔に配置された複数のマイクロウエーブモジュールを含
    前記スロット型導波管は、前記円筒状の吸着反応器の内部に向けて開口した複数のスロットを備え、前記複数のスロットを介してマイクロウエーブが均一に照射される、
    スロット型導波管を用いたVOCs除去システム。
  2. 前記放射状に分割された領域に含まれたものであって、VOCsが吸着する吸着領域及び前記吸着領域で吸着されたVOCsを脱着させる再生領域と、
    前記再生領域に再生空気を供給する供給管を備え、前記円筒状の吸着反応器の上部に配置される回転型上部ガス分配板と、
    前記再生領域から脱着されたVOCsを含有する再生空気を吐出する吐出管を備え、前記円筒状の吸着反応器の下部に配置される回転型下部ガス分配板と、
    を含み、
    前記上部ガス分配板及び下部ガス分配板が回転してから前記供給管及び吐出管が前記再生領域の上部及び下部に位置するときに前記再生領域に再生空気が供給され、同時に、前記再生領域の境界面に配置された前記スロット型導波管の外側部に接する前記マイクロウエーブモジュールが作動状態に切り替えられて前記再生領域を加熱することを特徴とする、
    請求項1に記載のスロット型導波管を用いたVOCs除去システム。
  3. 前記円筒状の吸着反応器と前記上部ガス分配板及び下部ガス分配板の断面積が一致する、
    請求項に記載のスロット型導波管を用いたVOCs除去システム。
  4. 前記上部ガス分配板及び下部ガス分配板は周期的に同じ方向に回転し、回転周期が同一である、
    請求項に記載のスロット型導波管を用いたVOCs除去システム。
  5. 前記再生領域に再生空気が供給され、前記マイクロウエーブモジュールが作動状態を保持する間に、前記上部ガス分配板及び下部ガス分配板は前記円筒状の吸着反応器に密着され、
    前記再生領域に再生空気の供給が中断され、前記マイクロウエーブモジュールが作動状態を中止すれば、前記上部ガス分配板及び下部ガス分配板は前記円筒状の吸着反応器から遠ざかるように構成される、
    請求項に記載のスロット型導波管を用いたVOCs除去システム。
  6. 前記上部ガス分配板及び下部ガス分配板、そして、前記マイクロウエーブモジュールを取り囲む追加的なケースと、
    前記追加的なケースに備えられた圧縮空気注入口をさらに含み、
    前記圧縮空気注入口を介して圧縮空気を注入又は排出することで、前記上部ガス分配板及び下部ガス分配板と前記円筒状の吸着反応器の密着程度を調整する、
    請求項に記載のスロット型導波管を用いたVOCs除去システム。
  7. 前記上部及び下部ガス分配板の回転軸を中心に複数の供給管及び吐出管が放射状に一定間隔に配置され、前記円筒状の吸着反応器に複数の再生領域を実現することを特徴とする、
    請求項に記載のスロット型導波管を用いたVOCs除去システム。
  8. 前記再生領域で脱着されたVOCsを酸化させる触媒反応器をさらに備える、
    請求項に記載のスロット型導波管を用いたVOCs除去システム。
  9. 前記触媒反応器で発生する廃熱を熱交換して前記再生空気に供給する熱交換器をさらに備える、
    請求項に記載のスロット型導波管を用いたVOCs除去システム。
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