KR100199410B1 - 유기물질의 가열/건조 및 이것으로 부터 발생되는 폐가스 처리 방법 및 장치 - Google Patents

유기물질의 가열/건조 및 이것으로 부터 발생되는 폐가스 처리 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본원에서는 유기물질의 가열/건조 및 이것으로 부터 발생되는 폐가스 처리 방법 및 장치를 개시하고 있다. 개시된 방법은 젖은 유기물질을 가열/건조기에 도입하고 연료가스 및 연소용 공기를 서로 분리된 흐름으로 가열/건조기에 도입 및 혼합하여 유기물질을 가열/건조시키는 단계와, 상기 가열 건조 공정으로부터 발생되는 휘발성 폐가스(VOC)함유 연소 가스중에 포함된 분진, 오일 및 촉매독 성분을 제거하는 단계와, 상기의 (나)단계로 부터 배출되는 VOC함유 연소가스의 온도를 상기 가열/건조기를 향한 연소용 공기 흐름과의 열교환에 의해 저하시킨 후, 상기 연소가스중 희박 VOC성분을 농축하여 흡착제에 의한 흡착으로 상기 연소 가스로 부터 제거하여 정제된 가스를 대기로 배출하는 단계와, 상기 흡착된 VOC성분을 더운 공기와의 접촉에 의해 탈착시켜서 그 탈착 가스중의 일부분을 상기 가열/건조 단계에 재순환시키는 한편 나머지 일부분을 소각장치에 보내 소각시켜서 대기로 배출하는 단계를 포함한다.

Description

유기물질의 가열/건조 및 이것으로 부터 발생되는 폐가스 처리 방법 및 장치
제1도는 본 발명의 일실시예에 따른 촉매 연소식에 의한 가열/건조 및 이것으로 부터 발생되는 폐가스를 동시적으로 처리하기 위한 시스템을 보여주는 개략도.
제2도는 제1도의 시스템에서의 회전식 흡수 장치에서 사용되는 활성탄 흡착재의 톨루엔 흡착 특성을 나타낸 도표.
제3도는 제1도의 시스템에서 탈착 농축가스의 농도와 량에 따른 최적 처리속도를 나타낸 도표.
제4도는 제1도의 시스템에 구비되는 전기 직접 가열 촉매 연소장치의 VOC 소각 효율을 나타낸 도표이다.
본 발명은 유기화합물질의 저온 가열/건조 또는 어닐링 처리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기화합 물질을 건조장치에서 저온가열, 건조 또는 어닐링 처리할때 발생되는 휘발성 폐가스(일명 VOC라고도 칭함)을 일부 회수하여 연료로 제사용하고 나머지는 촉매 소각시키어 무공해 배출하는 과정이 동시적으로 수행되는 유기화합물질의 가열/건조 방법 및 이를 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
종래 유기화합물을 가열/건조 처리하는 경우에는 건조기에서 이를 가열건조하고 이때 발생하는 폐가스를 별도의 장치로 포집하여 소각하는 방식이 이용되어 왔다.
즉, 유기화합물을 가열/건조 처리하는 경우에는 건조기에서 이를 가열건조하고 이때 발생하는 폐가스를 별도의 장치로 포집하여 소각하는 방식이 이용되어 왔다.
즉, 유기화합물은 건조기에서 전기히터 또는 원적외선의 가스버너에 의한 1차에너지 직접 가열방식으로 가열되거나 수증기나 열매체로 전환한 간접 가열방식으로 가열되어 건조되었고 이때 발생되는 폐가스는 건식법, 습식법, 화학적 처리법, 물리적 처리법 및/또는 생물학적 처리법 등에 의해 처리되어져 왔다.
그러나 상기 전기히터로 가열하는 방식은 가장 청정하고 설치비도 저렴하지만 전력비가 고가이고 전열선을 자주 교체하게 되어 비경제적이다.
그리고 상기 원적외선의 가스버너에 의한 직접 가열은 고온의 높은 화염을 저온의 공정에 적용해야하므로 연소효율이 떨어지거나 끄름 등이 발생되어 제품에 얼룩을 입히기 쉬울뿐만 아니라, 피가열체를 원거리에서 가열시킴으로서 불필요한 공간까지도 가열하게 되어 비경제적이거나 제품의 질을 저하시키게 된다.
상기 수증기나 열매체로 전환한 2차 에너지 가열 방식의 간접 가열방식은 전체에너지 이용효율이 90% 이상을 초과하기가 어렵고 연소된 배가스의 집진이나 정제같은 환경 후처리 시스템이 필요하게 된다. 그리고 1차 연소가스를 원적외선 튜브에 통과시키어 간접 가열하는 방식은 청정한 가스연료를 사용하여야 하고 직선의 튜브만을 사용하여야 하므로 사용이 제한적이고 잦은 공정 변화 등에 적용성이 떨어진다.
또한 상기 폐가스 처리 방법중 화학적 건식처리 방법이 일반적으로 사용되고 있는데 화학적 건식처리 방법으로는 직화연소법, 촉매연소법 및 오존산화법이 있으며 이중 오존산화법은 대형화시 문제점이 많고 비경제적이라 소형의 특수목적에서만 활용되고 있다.
직화 연소법은 희박한 VOC를 연소용 공기와 혼합 주입하여 연료와 예혼합한 상태로 연소시키는 방법을 말하는데, 특히 촉매독 성분이 많이 포함된 경우에 유용하게 된다.
이 방법은 보통 희박한 VOC는 잘 연소되지 않아 온도를 800℃이상 높여야 비로서 연소됨으로 연료비가 많이 들어 비경제적이며 이때 연소에 의한 검땡이나 NOx등의 공해물질이 배출되어 후처리 시설이 필요하게 된다. 따라서 VOC의 농도가 100ppm이하거나, 배출량이 1000Nm3/m 이상인 경우는 다른 방식들이 적합하다.
촉매연소법은 일반적으로 화염연소로서는 도저히 연소될 수 없는 농도에서도 유용하게 연소되며, 직화연소법에 의해서는 비경제적일 수 있는 희박한 농도의 것이나 대용량의 것에도 유용하게 사용될 수 있다. 그러나 지나치게 희박하거나 공정이 불연속적으로 진행되는 경우는 별도의 농출조절 시스템이 필요하다.
또한 촉매연소 시스템은 대체적으로 촉매로서 귀금속을 많이 사용하기 때문에 시설비가 많이 소요되고, VOC중에 극소량의 유기 실리콘, 유기인 및 주석 또는 납과 같은 촉매독 휘발성분에 의해 활성이 크게 저하되어 전처리제 등이 필요하게 된다.
기존의 직화식 연소가열 및 폐가스 처리 시스템에서는 연소중에 발생되는 불완전 연소가스, 불완전의 끄름 또는 유적 및 질소산화물 생성으로 인하여 집진기, 세정 스크러브(Scrubber)또는 SCR촉매 환원탑 등의 후처리 시스템이 필요하다.
따라서 이들 후처리 시스템의 설치운전은 근래 환경규제가 강화되어 필수화 되고 있어 기존의 설비에서는 설치/운전비가 가중되게 되는 문제점이 있다.
본발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로 건조시 발생되는 폐가스를 포집하여 별도로 처리하는 것이 아니라 건조시 발생되는 폐가스를 포집하여 일부는 소각하여 무공해 가스로 배출하고 나머지는 다시 건조기로 재순환하여 연료로 재사용하므로써 건조와 폐가스 처리를 동시에 행하고 에너지를 절약함과 동시에 환경공해를 최소하하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 제1측면에 있어서, 젖은 유기물질을 가열/건조기에 도입하고 연료가스 및 연소용 공기를 서로 분리된 흐름으로 가열/건조기에 도입 및 혼합하여 유기물질을 가열/건조시키는 단계와, 상기 가열/건조 단계로 부터 발생되는 휘발성 폐가스(VCO)함유 연소 가스중에 포함된 분진, 오일 및 촉매독 성분을 제거하는 단계와, 상기 제거단계로 부터 배출되는 VOC함유 연소가스의 온도를 상기 가열/건조기를 향한 연소용 공기 흐름과의 열교환에 의해 저하시킨 후, 상기 연소가스중 희박 VOC 성분을 농축하여 흡착제에 의한 흡착으로 상기 연소 가스로부터 제거하여 정제된 가스를 대기로 배출하는 단계와, 상기 흡착된 VOC 성분을 더운공기와 접촉에 의해 농후한 상태로 탈착시켜서 그 탈착된 농후 가스중의 일부분을 상기 가열/건조 단계에 연료 사용 목적으로 재순환시키는 한편 나머지 일부분을 소각장치에 보내 소각시켜서 대기로 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 유기물질의 가열/건조 및 이것으로 부터 발생되는 폐가스 처리 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 제2측면에 있어서, 젖은 유기 물질이 도입되어 가열/건조되며 연료 가스 흐름과 연소용 공기 흐름이 분리된 지점으로 부터 도입되고 혼합되는, 촉매 버너를 갖는 가열/건조기와, 상기 가열/건조기에서 발생된 연소 가스중에 함유된 분진, 오일, 촉매독을 제거하기 위한 필터/진처리 장치와, 상기 필터/전처리 장치를 통과한 연소가스의 온도를 저하시키는 제1열교환기와, 상기 제1열교환기에 통과된 연소가스중의 VOC성분을 농축/탈착시키는 회전식 흡수 장치와, 상기 연소용 공기 흐름으로 부터 분리되어 상기 회전식 흡수장치에 전달되는 차가운 공기흐름을 열교환에 의해 뜨겁게 하는 제2열교환기와, 상기 회전식 흡수 장치로부터 탈착되어 배출되어 VOC성분을 소각하기 위한 전기 직접 가열식 촉매 소각 장치와, 상기 회전식 흡수장치로 부터 배출되어 소각을 위해 상기 소각 장치로 향하는 VOC가스 흐름을 상기 소각 장치로 부터의 가스 흐름과의 열교환에 의해 승온시키기 위한 제3열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 물질의 가열/건조 및 이것으로 부터 발생되는 폐가스 처리장치를 제공한다.
이하에 본 발명의 일실시예를 도면에 의거 상세히 설명한다.
제1도는 본발명의 일실시예에 따른 촉매 연소식에 의한 가열건조 및 이것으로 부터 발생되는 폐가스의 순환적 동시처리 시스템을 개략적으로 보여주는 도면으로서, 유기용제류를 함유한 물질(10)을 촉매 버너(12)에 의해 가열/건조 하는 건조기(11)와, 가열/건조시에 발생되는 희박한 VOC를 농축하여 탈착시키는 회전식 농축장치(13), 농축 VOC와 연소용 공기 등을 적절하게 순환/배분 조절하는 제어용 팬(14a)(14b)(14c) 및 농축 VOC를 화염없이 소각시키는 전기 직접 가열식 촉매연소 장치(15)등으로 구성되어 있다.
이를 다시 구체적으로 설명하면, 연료 및 연소용 공기는 각각 라이(35) 및 (31)을 통해 건조기(11) 내의 촉매버너(12)에 도입되어 혼합되거나 또는 예혼합된채 도입되어 촉매 버너(12)에 의해 연소된다. 라인(35)을 통한 연료흐름은 압력조정기(21)에 의해 제어된다.
한편, 유기 용제류에 의해 젖은 피가열 물질(10)은 건조기(11)내에 설치되어 있는 촉매 버너(12)의 연소가스에 의해 직접 가열되어 건조되어 건조제품(10A)으로 배출된다. 촉매 버너(12)의 연료로는 LPG나 LNG, 도시가스 또는 부탄가스가 주로 사용되지만 이후에 설명하는 바와같은 농축 회수된 VOC도 연소용 공기측으로 재순환하여 연료화 하므로서 연료를 절감하게 할 수 있다.
촉매 버너(12)의 연소 방식은 예혼합식 또는 강제 확산식이 있는데 연소온도가 특히 낮아야 하는 경우에는 강제 확산식이 주로 사용되며 그 외는 일반적으로 예혼합식을 사용한다.
예혼합식 버너에서는 가스유속, 온도 및 공기/연료 혼합 지점등을 잘 조절하여 폭발이나 역화 현상이 되지 않도록 특수하게 설계 하여야 한다.
건조기(11)에서 연소된 연소가스는 많은 VOC를 함유한 120∼200℃정도의 습가스이므로 응축되지 않도록 배출기(도시하지 않음)로 배출하여 라인(36) 및 (36a)를 통해 필터/전처리 장치(16)로 보낸다.
필터/전처리 장치(16)에서는 분진이나 오일성분등을 제거하며 특히 미량 성분의 촉매독 성분을 제거할 수 있도록 설계되어 있다.
필터/전처리 장치(16)를 통과한 비 응축된 VOC함유 연소 가스는 제1열교환기(17)에서 차가운 연소용 공기 흐름(31)의 분류(31a)와 열교환하여 약 40∼60℃정도로 온도가 감소한후 팬(14a)에 의해 회전식 농축/탈착 장치(13)로 보내진다.
회전식 농축/탈착 장치(13)는 일정 유속으로 회전되면서 일부에서는 낮은 온도의 희박 VOC가스를 흡착하여 극히 낮은 농도까지 VOC를 정제한 상태로서 라인(32)를 통해 대기로 배출시킨다.
회전식 농축/탈착 장치(13)의 주요 재질은 활성탄이나 Zeolite계 섬유상이며, 이장치(13)는 벌집 모양으로 주름되게 하여 가스와의 접촉도 좋고 압력 손실이 적게 설계되어야 한다.
한편 낮은 온도에서 흡착된 VOC가스는 다시 한편에, 제2열교환기(18)을 통과함에 의해서 120∼150℃이상의 온도로 뜨거워진 공기 흐름(32)과 접촉케 하면 다시 탈착된다. 이와 같은 탈착시의 VOC가스 농도는 보통 2000ppm이상으로 농후하며 팬(14b)에 의해 배출되어 일부분이 라인(34a)를 통해 가열/건조기(11)에 재순환되어 촉매버너(12)에서 연료로 사용되며, 다른 일부분은 라인(34a)을 통해 전기 직접가열식 촉매연소장치(15)에 보내진다. 촉매연소장치(15)에 도입되기에 앞서서, 라인(34a)을 통과하는 흐름은 제3열교환기(19)에서, 촉매 연소장치(15)로 부터 배출되는 흐름(34b)과 열교환함으로써 촉매연소장치(15)에서 충분하게 연소반응을 지속할 수 있는 온도까지 상승된다.
제3열교환기(19)에서 열교환을 수행한 후, 흐름(34b)는 분기된 연소용 공기흐름(31b)과 열교환하여 그 흐름(31b)의 온도를 상승시킨 후 대기중으로 배출된다.
종래의 촉매 소각 공정에서는 희박한 VOC를 소각시킴으로 계속적인 추가 열원이 필요하였으나 본 발명의 공정에서는 농후한 VOC를 소각시킴으로 자체 연소열에 의해 충분하게 연소 반응을 지속 할 수 있다.
따라서 본 발명에서는 처음 촉매 반응 개시온도 까지만 전기에 의해 가열시키거나 자체 연소열 만으로 소각반응이 계속될 수 없는 VOC농도의 경우에는 극히 적은량의 전기를 사용케 한다.
본 발명에 따른 저온 가열 공정은 고온에서 소손되기 쉬운 피가열의 유기 화합물이 촉매연소기에서 방출되는 원적외선 효광에 의해 저온 복사열을 많이 흡수하고 또 저온의 가열체 표면과 근접하게 가열함으로서 1차 에너지 가열 효과를 극대화 한다.
또한 본 발명은 촉매에 의해 연료를 저온 완전 연소 시킴으로 연소 공해가스를 전무하게 하여 연소 후처리 시스템이 불필요하게 한다.
그리고, 유기 화학 제품 제조 등에 첨가하는 적은량의 유해물질(예를 들면 실리콘, 유기 납등)을 전처리 공정에서 제거함으로서 공해 설비 설치 및 운전이 생략되게 된다.
본 발명에 의한 전기 직접 가열식 촉매소각 장치는 기존 장치에 비해 연소 공해 2차처리가 필요없고, 처음 반응 개시 때에만 잠깐 전기를 사용함으로써 장치를 극히 소형화하게 하며 운전비를 절감 할 수 있다.
가열/건조에 대한 효과는 1차 에너지를 직접 가열하는 방식을 대비하면 알 수 있으며, 전기 가열 방식과 본 발명에 따른 촉매연소 가열 방식을 비교한 결과는 표 1과 같다.
이를 연료비로 환산하여 전력 사용비에 대한 연료비 절약 효과를 비교한 결과는표 2와 같다.
표 1에서 보는 바와 같이 사용한 목화 직물과 폴리 프로필렌계 직물 각1종씩을 실험한 결과에서 본 발명에서 채용한 촉매연소 방식은 전기 가열 방식에 의해 열량을 적게 사용하고 건조기(Dryer)의 회전 속도를 빨리 하면서도 특히 유기물질인 염료 건조에 효과가 있음이 입증됐다.
즉, 촉매연소 방식은 전기 방식에 비해 에너지 절약과 생산성 향상 효과가 있다.
이를 에너지 절약 대비하면 열량 절감율은 약 30∼40%정도이며, 연료비로 환산하면 70∼80%에 이른다.
희박한 VOC는 흡착제에 따라 그 흡착 특성이 다르며, 유체의 온도 및 로타의 운전 속도 등에 따라 공해가스 배출이 결정된다. 제2도에서 보는 바와 같이 비교적 많이 이용되고 있는 활성탄 섬유에 대해 톨루엔의 흡착특성이 처음 10분간은 5ppm이하로 낮출수 있게 된다는 것이 확인되었다.
한편, 탈착되는 농축가스의 농도와 량은 흡착측 공기와 탈착측 공기비에 의해 결정된다. 제3도에 나타낸 바와같이, 탈착되는 공기의 온도를 125℃로 하고 흡착측 공기의 1/3의 비율로 할 경우 농축되는 톨루엔 농도는 약 900ppm으로 정확하게 비례됨을 알 수 있다.
따라서, 흡, 탈착되는 가스량 및 농도 조절에 의해 전체 공정의 조절 성능이 좌우되며, 전기 직접 촉매소각 장치에도 보조열원의 성능 변화가 있는 것으로 확인 되었다.
촉매 소각에 대한 특성은 각 촉매에 따라 VOC성분, 농도, 유속 및 온도에 따라 차이가 있다. 특히, 본 발명에서 채용한 전기 직접 가열 장치는 초기 반응 개기 까지의 온도 조절이 급속하게 이루어 지도록 조절하는 것이 주요하나 이후 반응이 계속되기 위해서는 이들 파라메타의 조절이 중요하게 된다. 제4도는 전기 직접 가열식 Pd-금속 촉매의 이소부틸렌 처리 시험을 한 결과로서 공간속도(SV)가 20,000/h 에서 90%이상 처리 할 수 있음을 보여 주고 있다.
이상에서, 본 발명은 특정의 바람직한 실시예를 기준으로 기술되고 설명되었지만, 동봉한 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변경 및 수정이 가능하다는 것이 당업자에게 명백해질 것이다.

Claims (8)

  1. 젖은 유기물질을 가열/건조기에 도입하고 연료가스 및 연소용 공기를 서로 분리된 흐름으로 가열/건조기에 도입 및 혼합하여 유기물질을 가열/건조 시키는 단계와, 상기 가열/건조 단계로부터 발생되는 휘발성 폐가스(VOC)함유 연소 가스중에 포함된 분진, 오일 및 촉매독 성분을 제거하는 단계와, 상기 제거단계로부터 배출되는 VOC함유 연소가스의 온도를 상기 가열/건조기를 향한 연소용 공기 흐름과의 열교환에 의해 저하시킨 후, 상기 연소가스중 희박 VOC성분을 농축하여 흡착제에 의한 흡착으로 상기 연소 가스로 부터 제거하여 정제된 가스를 대기로 배출하는 단계와, 상기 흡착된 VOC성분을 더운공기와의 접촉에 의해 탈착시켜서 그 탈착 가스중의 일부분을 상기 가열/건조 단계에 재순환시키는 한편 나머지 일부분을 소각 장치에 보내 소각시켜서 대기로 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기물질의 가열/건조 및 이것으로 부터 발생되는 폐가스 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 사용되는 연료 가스는 재순환된 VOC및 LPG, LNG, 도시가스 또는 부탄가스인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 정제가스 배출단계에서 열교환에 의해 저하된 VOC함유 연소가스의 온도가 40∼60℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 정제가스 배출단계에서 사용되는 흡착제는 활성탄 또는 제올라이트인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탈착가스 배출단계에서 사용되는 더운공기는 상기 차가운 연소용 공기 흐름에서 분기된 공기 흐름이 촉매 소각 장치로 부터 대기로 배출되는 가스흐름과 열교환된 것으로서 120-150℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 촉매 소각 장치로 보내지는 탈착된 VOC가스 흐름은 촉매 소각 장치로 부터 대기로 배출되는 가스 흐름과 열교환되어 승온되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 젖은 유기 물질이 도입되어 가열/건조되며 연료 가스 흐름과 연소용 공기 흐름이 분리된 지점으로 부터 도입되고 혼합되는, 촉매 버너를 갖는 가열/건조기와, 상기 가열/건조기에서 발생된 연소 가스중에 함유된 분진, 오일, 촉매독을 제거하기 위한 필터/전처리 장치와, 상기 필터/전처리 장치를 통과한 연소가스의 온도를 저하시키는 제1열교환기와, 상기 제1열교환기에 통과된 연소가스중의 VOC성분을 농축/탈착시키는 회전식 흡수 장치와, 상기 연소용 공기 흐름으로 부터 분기되어 상기 회전식 흡수장치에 전달되는 차가운 공기흐름을 열교환에 의해 뜨겁게 하는 제2열교환기와, 상기 회전식 흡수장치로 부터 탈착되어 배출되는 VOC성분을 소각하기 위한 전기 직접 가열식 촉매 소각 장치와, 상기 회전식 흡수장치로 부터 배출되어 소각을 위해 상기 소각장치로 향하는 VOC가스 흐름을 상기 소각 장치로 부터의 가스 흐름과의 열교환에 의해 승온시키기 위한 제3열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 물질의 가열/건조 및 이것으로 부터 발생되는 폐가스 처리장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 회전식 흡수 장치는 활성탄이나 제올라이트계 섬유상의 재질을 갖으며 벌집모양으로 주름지게 형성된 것을 특징으로 하는 장치.
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