KR100443367B1 - 휘발성 유기화합물을 열원으로 이용한 코팅건조장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휘발성 유기화합물을 열원으로 이용한 코팅장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 열풍에 의해 코팅물에 함입된 용제를 증발시켜 코팅물을 건조시키는 건조기와, 연료를 연소시켜 배기가스를 배출하는 연소기 및 상기 연소기에서 배출된 배기가스에 일정 당량비로 공기를 혼합하여 적정한 온도로 조절한 후에 상기 건조기에서 이용되는 열풍으로 공급하는 혼합기를 포함하는 코팅건조장치에 있어서, 상기 건조기에서 방출되는 증발 기체를 상기 연소기에서 배출되어 상기 혼합기에 진입하기 전의 배기가스와의 열 교환에 의해 가열시킨 후에 상기 연소실에서 이용되는 연료로 공급하는 열교환기를 포함하고, 상기 연소기는 가열된 증발 가스의 연소를 돕는 연소 촉매를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 코팅공정에서 발생된 VOC를 직접 촉매소각 열을 직접 촉매 소각할 수 있고, VOC의 소각열을 공정에 쉽게 공급할 수 있어, 기존 시스템에 비해 장치비와 운전비를 획기적으로 줄이고, 환경오염을 방지하는 효과가 있다.

Description

휘발성 유기화합물을 열원으로 이용한 코팅건조장치 및 방법{COATING DRYER AND DRYING METHOD USING HEAT OF CATALYTIC INCINERATION FOR VOLATILE ORGANIC COMPOUND}

본 발명은 코팅건조장치에 관한 것으로, 특히, 직물 코팅기, 가죽 코팅기, 플라스틱 코팅기 등과 같은 코팅 공정에서 발생되는 휘발성 유기화합물(VOC: volatile organic compound)을 효율적으로 제거하면서 이때 발생되는 열을 건조에 필요한 열원으로 이용하는 촉매연소 방식의 코팅장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 직물코팅, 가죽코팅, 플라스틱 코팅 공정에서는 제품의 특성을 향상시키기 위하여 직물, 가죽, 플라스틱 등에 일정 두께의 수지를 코팅하여 완성 제품으로 내놓는다. 일정 두께의 수지를 코팅하는 방법은 먼저 수지를 용제에 녹이고 수지가 녹아 있는 코팅액을 직물, 가죽, 플라스틱 등에 일정 두께로 바르고, 이것을 건조기에서 건조시켜 수지만 남도록 하는 것이다.

현재 가동되고 있는 대부분의 코팅건조장치는 보일러에서 열 매체를 가열하고, 이 열 매체를 이용하여 오븐기에서 열풍을 발생시켜 건조에 필요한 열을 공급한다. 그런데, 건조과정에서 발생된 휘발성 유기화합물(VOC: 이하 'VOC'라 칭한다) 즉, 기체 상태로 바뀐 용제는 공기에 희석된 상태로 대기로 방출된다. 건조 공정에서 발생한 VOC는 암의 유발과 같이 인체에 상당한 피해를 주며, 태양광선을 받아 질소산화물과 반응하여 광학적 스모그(smog)를 생성하고, 지구온난화와 오존층을 파괴하는 문제점이 있다.

국내에서는 1995년 12월 대기환경보전법을 개정하여 VOC의 관련 근거를 마련하였고, 이에 따라 1999년부터 대기환경보전법 제28조 2규정에 의하여 지정된 대기환경규제지역에 대하여 VOC를 규제하도록 하고 있다.

그러나, 코팅공정에서 발생되는 VOC는 환경오염 물질이지만 자체 열량을 갖고 있으므로 잘 이용하면 아주 훌륭한 연료가 될 수 있다. 이와 관련하여 직물 코팅에서 VOC의 농도가 낮은 경우에 농축하여 촉매연소시키는 방법이 특허로 등록된 특허 공개번호 98-551(제1 종래발명)과, 액화 석유가스(LPG)와 V0C를 겸용으로 사용할 수 있도록 만든 저온 촉매연소버너와 섬유코팅 건조기가 특허로 등록된 특허 공개번호 99-75803(제2 종래발명)이 있다.

제1 종래방법은 건조기에서 발생된 낮은 농도의 VOC를 농축하여 사용하는 것이고, 제2 종래 방법은 발생되는 열의 공급을 효율적으로 높이기 위해 직물에 근접하여 가열시킬 수 있는 촉매연소 버너로서 건조 가열 면적을 크게 한 것이다. 그러나, 제1 종래방법은 VOC를 농축하기 위한 장치를 구비하는데 이 장치의 가격이 비싸 경제적인 측면에서의 어려움을 주는 단점이 있고, 제2 종래방법은 촉매소각 방식을 변경하여 연소에서 발생되는 열을 직접 이용하려하면 연소기의 형태도 달라지고 사용되는 촉매의 형태도 달려져야 하는 단점이 있다.

상기한 종래의 문제점을 해소하기 위해, 본 발명은 낮은 비용으로 코팅 공정시 발생되는 농도가 높은 휘발성 유기화합물을 자체 열원으로 이용하여 촉매 소각시키고, 더불어 코팅물의 건조에 이용하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 코팅 공정에서 발생된 휘발성 유기화합물을 열원으로 이용한 코팅장치의 개략도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 오븐 배기가스와 공기를 혼합하는 제1 가변혼합기의 상태도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고온의 촉매 연소 배기가스와 공기를 혼합하는 제2 가변 혼합기의 상태도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 촉매연소기의 입, 출구 온도로부터 휘발성 유기화합물의 농도를 환산한 그래프이다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물을 열원으로 이용한 코팅장치 및 방법은, 공정에서 배출되는 휘발성 유기 화합물(VOC)의 농도가 고농도 즉, 1500ppm 이상 되는 코팅장치에 적용된다. 따라서, 본 발명은 배출되는 VOC를 농축시키기 위한 농축장치를 필요로 하지 않아도 되는 경제적으로 유리한 장점을 가진다. 이를 위해, 본 발명은 농축 장치를 사용하지 않는 대신에 VOC를 직접 촉매 소각시키는 장치를 가진다.

촉매 소각을 위해 본 발명은 VOC를 촉매 반응이 일어나는 온도로 상승시키고 이를 예혼합 형태의 촉매 연소기를 사용하여 촉매 소각시키며, 이때 사용되는 본 발명의 촉매 연소기는 확산식 촉매 연소기보다 반응 면적이 적고, 공기와 연료가 미리 혼합되어 촉매 층의 한쪽 면으로 들어와서 촉매 표면에서 반응된 후에 다른 쪽으로 나가도록 하여 연소 반응에 의해 발생된 열이 반응 가스(연료와 공기의 혼합가스 또는, 휘발성 유기화합물을 포함한 가스)를 가열시키지 못하므로, 별도의 열 교환기를 이용하여 반응가스를 가열시킨다.

본 발명은 촉매 반응이 일어나는 온도까지 VOC의 온도를 상승시키기 위해 열 교환기를 이용하고, 열 교환기에 공급되는 열은 촉매 연소기에 의해 발생된 열을 이용한다. 상기, 촉매 연소기에 의해 발생된 열은 또한 직물, 가죽, 플라스틱 등을 건조시키기 위한 열원으로 사용된다. 따라서, 본 발명은 공정에 필요한 열을 VOC를 이용하여 자체 해결한다. 그리고, 본 발명은 촉매 층의 과열 방지 및 온도 조절을 위해 촉매 층 전단에 공기를 공급하는 가변 혼합장치와, VOC와 같은 가연성 가스의 촉매 소각 열이 공정에 일정한 온도로 공급될 수 있도록 촉매 소각후 배기가스의 분배 장치를 포함한다.

본 발명은 코팅장치의 시동 초기 즉, 공정에 가연성 가스인 VOC가 배출되지 않을 때에 필요한 보조 열 공급장치를 자체적으로 해결할 수 있도록 하기 위하여, 대부분의 코팅공정에서 주요 용제로 사용되는 톨루엔과 촉매연소 특성이 유사한 프로판(LPG:액화석유가스)을 보조 열원으로 공급시킨다.

따라서, 본 발명의 코팅장치는, 열풍에 의해 코팅물에 함입된 용제를 증발시켜 코팅물을 건조시키는 건조기와, 연료를 연소시켜 배기가스를 배출하는 연소기 및 상기 연소기에서 배출된 배기가스에 일정 당량비로 공기를 혼합하여 적정한 온도로 조절한 후에 상기 건조기에서 이용되는 열풍으로 공급하는 혼합기를 포함하는 코팅건조장치에 있어서, 상기 건조기에서 방출되는 증발 기체를 상기 연소기에서 배출되어 상기 혼합기에 진입하기 전의 배기가스와의 열 교환에 의해 가열시킨 후에 상기 연소실에서 이용되는 연료로 공급하는 열교환기를 포함하고, 상기 연소기는 가열된 증발 가스의 연소를 돕는 연소 촉매를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명의 코팅장치는 기존의 열매체를 이용하여 열풍으로 직물, 가죽, 플라스틱 등을 건조시키는 코팅장치에 적용된 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 따른 코팅공정에서 발생된 휘발성 유기화합물을 열원으로 이용한 코팅장치를 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 코팅 공정에서 발생된 휘발성 유기화합물을 열원으로 이용한 코팅장치의 개략도이다. 도 1에 도시되어 있듯이, 본 발명의 코팅장치는 건조기(100), 제1 가변 혼합기(200), 열교환기(300), 촉매 연소기(400), 가변 분배기(500), 제2 가변 혼합기(600) 및 다수의 송풍기(710, 720, 730, 740)로 이루어진다.

본 발명은 코팅장치의 시동 초기 즉, 코팅물로부터 VOC가 발생되기 전에 프로판(Pg)과 공기(A1)를 혼합기(800)로 혼합시켜 혼합 가스(g1)를 만들고, 이 혼합 가스(g1)를 송풍기(720)를 통해 제1 가변 혼합기(200)에 공급한다.

그러면, 제1 가변 혼합기(200)에 공급된 혼합 공기는 전기 예열 또는 열 교환기(300)에 의해 촉매연소 반응온도까지 가열된 다음, 촉매 연소기(400)로 전달되어 연소되고, 이에 따라 건조기(100)에 필요한 열로 공급된다.

상기에 의해 초기 열이 발생하여 건조기(100)에 열이 공급된다.

건조기(100)에 열이 공급되면, 건조기(100)내의 직물, 가죽, 플라스틱 등이 건조됨에 따라 코팅액에 함유된 유기용제가 휘발되어 송풍기(710)에 의해 열풍 오븐기(100) 밖으로 배출된다.

건조기(100)에서 배출된 휘발성 유기용제가 함유된 배기 가스(g2)는 VOC로서, 촉매 층의 온도조절과 완전 연소를 위해 제1 가변 혼합기(200)에 보내진다. 제1 가변 혼합기(200)는 VOC에 송풍기(720)로부터 공급되는 공기를 적절한 당량비로 혼합시키고 이 혼합 가스(g3)를 열 교환기(300)로 보낸다.

보다 상세히는, 도 2에 도시되어 있듯이 제1 가변 혼합기(200)는 송풍기(710)로부터 입력하는 VOC(g1)과, 송풍기(720)로부터 입력하는 공기(g2)를 혼합한 혼합 가스(g3)를 열 교환기(300)에 공급한다. 이때, 제1 가변 혼합기(200)는 코팅건조장치 시동 초기에는 프로판(Pg)과 공기(A1)의 혼합 가스(g1)만 공급되다가, 코팅장치에서 건조되기 시작하여 VOC가 발생되면 배기가스의 온도와 당량비에 따라 공기를 공급하여 조절할 수 있도록 한다.

그러면, 열 교환기(300)는 촉매연소 배기가스(g8)로부터 열을 공급받아 혼합 가스(g3)와 열교환시켜 혼합 가스(g3)의 온도를 상승시킨 후 고온으로 된 촉매연소 배기가스(g4)를 촉매소각 장치인 촉매 연소기(400)에 전달한다. 이때, 열교환기(300)에 공급된 촉매연소 배기가스(g8)중 열교환에 의해 온도가 낮아진 배기가스는 외부로 배출되며, 이때 배출되는 가스는 VOC가 완전 소각되어진 것이므로 대기 환경에 영향을 끼치지 않는다.

촉매 연소기(400)는 열 교환기(300)를 통해 배출된 고온의 가스를 촉매 소각시키고, 이때 발생하는 고온의 촉매연소 배기가스(g5)를 가변 분배기(500)에 전달한다.

가변 분배기(500)는 촉매 연소기(400)에 의해 발생된 고온의 촉매연소 배기가스(g5)를 일정 비율로 분배시킨다. 가변 분배기(500)에 의해 분배된 하나의 촉매연소 배기가스(g6)는 열풍 오븐기(100)로 전달되고, 다른 촉매연소 배기가스(g7)는 열 교환기(300)에 전달된다.

열 교환기(300)로 전달되는 촉매연소 배기가스(g7)는 송풍기(730)에 의해 열 교환기로 제공되어, 열 교환기(300)내의 가스를 일정 온도(촉매 반응이 일어나는 온도)로 상승되도록 하고 온도가 낮아진 후 대기로 배출된다.

한편, 열풍 오븐기(100)로 전달되는 고온의 촉매연소 배기가스(g6)는 제2 가변 혼합기(600)에 전달되고 공기(A2)와 혼합되어 건조기(100)에 공급된다. 보다 상세히는, 도 3에 도시된 바와 같이 제2 가변 혼합기(600)는 고온의 촉매연소 배기가스(g6)를 건조에 알맞은 온도로 조절하기 위한 것으로, 건조효율을 높이고, 오븐의 입구 온도를 간편하게 조절하기 위하여 촉매 층 출구 쪽에 배기가스의 온도에 비례하여 흡입되는 공기(A2)의 양이 조절되도록 한다.

상기에서, 촉매 층은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 하니컴 타입, 폼 타입, 파이버 타입 또는 메쉬 타입을 사용하고, 재질은 세라믹 또는 금속을 사용하며, 촉매활성물질은 백금, 팔라듐, 로듐과 같은 귀금속을 사용하거나, 페로브스카이트 형태의 복합 산화물 촉매를 사용한다.

제2 가변 혼합기(600)에 의해 온도 조절된 배기가스(g9)는 송풍기(740)에 의해 건조기(100)에 공급된다. 건조기(100)에 공급된 VOC의 촉매소각 열은 건조기(100)내의 코팅물을 건조시킨다.

상기에서 고온의 촉매연소 배기가스를 일정한 비율로 나누는 것은 공정에서 배출된 배기가스의 온도가 낮아 촉매소각 시킬 수 없기 때문에 촉매연소가 일어날 수 있는 온도까지 가열해 주는 것과, 시스템 전체가 연소 배기가스 순환 방식이므로 일정량의 공기가 공급되면 같은 양의 배기가스가 밖으로 배출되어야 하는데, 이때 공정에서 발생된 열을 최대한 활용하기 위한 것이다.

여기서, 휘발성 유기화합물(VOC)의 촉매소각장치의 온도 및 당량비를 조절하기 위해서는 VOC의 농도를 측정해야 한다. 하지만, 농도 측정장비가 고가이므로 본 발명은 농도 측정장비를 이용한 농도 측정하지 않고 촉매 연소기(400)의 입구온도와, 입구, 출구의 온도 차이(온도 변화)를 이용하여 농도를 근사적으로 환산한 값을 이용한다. 이렇게 계산된 값으로 각 가변 혼합기(200, 600)의 유로의 개구비를 조절하여 당량비를 조절한다.

도 4는 VOC가 톨루엔으로 구성되어 있을 때 촉매 연소기의 입구온도와 입,출구 온도 차이를 이용하여 농도를 환산한 그래프이다.

이하, 본 발명이 제시한 직물코팅장치의 축소모형으로 코팅건조 실험한 예를 설명한다.

먼저, LPG와 공기로 된 혼합 가스를 제1 가변 혼합기(200)로부터 열 교환기(300)로 전달하여 전기 등으로 반응온도까지 예열하고, 촉매 연소기에서 연소시켜 발생되는 열을 건조기에 공급한다. LPG를 이용하여 장치를 대략 30분 정도 가열하면 오븐의 온도가 건조에 알맞은 온도에 도달되는데, 이 때부터 코팅된 직물을 오븐에 공급하여 건조를 시작한다. 코팅된 직물이 건조되기 시작하면 VOC가 발생한다. 초기 발생되는 VOC는 농도가 낮지만 시간이 지남에 따라 농도가 증가하여 20분 정도 지나면 농도가 일정해진다. 건조 초기에는 같이 공급하지만, 배출되는 VOC의 농도가 1350ppm 이상이 되면 LPG의 공급을 중단하고 공정에서 배출되는 VOC 만으로 공정을 운전한다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

본 발명은 코팅공정에서 발생된 VOC의 촉매소각 열을 직접 촉매 소각할 수 있고, VOC의 소각열을 공정에 직접 공급할 수 있어, 기존 시스템에 비해 장치비와 운전비를 획기적으로 줄이고, 환경오염을 방지하는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 코팅물에 함입된 휘발성 유기화합물(VOC)을 증발시키는 코팅건조장치로서,

   상기 코팅물이 연속적으로 투입되어 코팅물에 함입된 VOC의 건조가 이루어지는 건조기,

   상기 건조기의 배출가스에 포함된 VOC를 촉매 연소시켜 상기 건조기에 고온의 연소가스를 공급하는 촉매연소기,

   상기 건조기에서 배출된 혼합가스와 상기 촉매연소기에서 배출된 일부 연소가스의 열교환이 이루어지는 열교환기,

   상기 촉매연소기에서 연소가 원활하게 이루어질 수 있도록 상기 건조기에서 배출되는 혼합가스에 신선한 공기를 공급해 주는 제1가변혼합기,

   상기 건조기로 유입되는 연소가스의 온도를 조절하여 상기 코팅물의 건조가 보다 신속하게 이루어질 수 있도록 상기 연소가스에 외부공기를 혼합해 주는 제2가변혼합기, 및

   상기 제1가변혼합기로 공급되는 신선한 공기에 LPG를 혼합시키는 혼합기를 포함하고,

   상기 혼합기는 상기 건조기의 초기 구동시에 상기 촉매연소기의 연소반응이 활발하게 이루어질 수 있도록 작동되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물을 열원으로 이용하는 코팅건조장지.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 혼합기는 상기 건조기에서 배출된 가스 내의 VOC 농도가 1500ppm보다 낮을 때 작동되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물을 열원으로 이용하는 코팅건조장지.
4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,

   상기 혼합기를 통해 유입되는 LPG의 공급량은 상기 촉매연소기의 입구온도와 출구온도의 변화를 기준으로 조절되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물을 열원으로 이용하는 코팅건조장치.
5. 건조기, 촉매연소기, 및 열교환기를 구비하여 코팅물에 함입된 휘발성 유기화합물(VOC)을 증발시키는 코팅건조방법으로서,

   a) 신선한 공기와 LPG의 혼합가스를 상기 열교환기를 경유시켜 상기 촉매연소기에 공급하는 단계;

   b) 상기 촉매연소기에 공급된 혼합가스를 연소시키는 단계;

   c) 상기 단계 b)에서 연소된 연소가스 일부를 상기 열교환기로 공급하여 상기 촉매연소기로 공급되는 혼합가스를 예열시키고, 나머지 연소가스를 상기 건조기에 공급하는 단계;

   d) 상기 건조기로 공급되는 연소가스에 외부공기를 혼합시켜 상기 건조기에 안치된 코팅물을 건조시키는 단계; 및

   e) 상기 건조기에 발생된 VOC를 상기 촉매연소기로 공급하는 단계를 포함하고,

   상기 단계 b)에서 상기 단계 e)까지를 반복수행하며 상기 코팅물을 건조시키는 휘발성 유기화합물을 열원으로 이용하는 코팅건조방법.