KR101162094B1 - 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치 - Google Patents

마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 본 발명은 마이크로파에 의한 세라믹 가열의 특성을 이용하여 VOC 및 악취물질의 제거효율 및 에너지효율을 극대화시킬 수 있어 VOC 및 악취물질의 제거를 통한 환경오염의 방지를 달성할 수 있는 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치에 관한 것이다. 본 발명은 제1관통공(11)과 제2관통공(13)을 구비하는 챔버(10); 내부로 휘발성 유기화합물과 악취물질을 포함하는 가스가 통과하도록 상기 제1관통공(11)에서 제2관통공(13)으로 연장되어 상기 챔버(10)의 내부에 통로를 형성하는 세라믹 튜브(20); 상기 챔버(10) 내부에 장착되어 상기 세라믹 튜브(20)가 마이크로파에 의해 설정된 온도로 가열되어 상기 가스에 포함된 상기 휘발성 유기화합물과 악취물질이 제거되도록 상기 세라믹 튜브(20)에 마이크로파를 방사하는 마이크로파 발생장치(30); 상기 세라믹 튜브(20)의 일단 및 타단에 배관을 통해 각각 연결되어 외부에서 유입되는 저온의 가스가 상기 세라믹 튜브(20)로부터 유출되는 고온의 가스와 열교환하여 승온된 상태로 상기 세라믹 튜브(20)의 타단으로 유입되게 하는 열교환기(40); 및 외부의 가스가 유입되어 상기 열교환기(40) 및 세라믹 튜브(20)를 경유하는 흐름을 유도하는 순환팬;을 포함하며, 상기 챔버(10)에는 상기 세라믹 튜브(20)로 유입된 가스 중 상기 챔버(10)로 유출되는 가스를 배출하기 위한 배출공(15)이 마련되고, 상기 배출공(15)에는 상기 열교환기(40)로 유입되는 고온의 가스가 통과하는 배관과 연결되는 회수배관(63)이 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치{REMOVAL APPARATUS OF OFFENSIVE ODOR SUBSTANCE AND VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS USING MICROWAVE}
본 발명은 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 마이크로파에 의한 세라믹 가열의 특성을 이용하여 휘발성 유기화합물 및 악취물질의 제거효율 및 에너지효율을 극대화시킬 수 있어 휘발성 유기화합물 및 악취물질의 제거를 통한 환경오염의 방지를 달성할 수 있는 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치에 관한 것이다.
휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, 이하 'VOC'라 칭함)은 휘발성 특성을 가지고 있는 유기성 화합물로 정의할 수 있으며 일반적으로 상온, 상압에서 액체상으로 존재할 수 있으나, 증기압이 높아 대기 중으로 쉽게 증발되어 기체상으로 존재하며 실용적인 정의로 VOC를 25℃에서 2㎜의 수은압(0.27㎪) 보다 큰 기압을 가지고 있는 메탄을 제외한 탄소고리나 탄소링 형태의 화학적 화합물로 정의하고 있다. VOC는 질소산화물(NOx)과 공존 시 태양광의 작용에 의하여 광화학적 반응(photochemical reaction)을 일으키고 독성물질을 만들어 낸다. VOC 자체와 이러한 반응물질은 식물의 성장에 피해를 주며 동물에도 유해한 영향을 줄뿐만 아니라 도심 스모그, 대기오염, 수질오염의 원인이 되며 물질에 따라 심한 악취를 동반하기도 한다. 선진국에서는 ISO 등 국제협약에 의하여 기준치를 이미 설정하고 제어시설의 설치를 의무화하거나 혹은 장기적인 계획에 따라 VOC의 발생량 감소대책을 마련해 놓은 상황이다. 우리나라도 1995년에 관련법률이 제정되었으며 일부 VOC 다량발생 지역 및 업체에 대하여 엄격한 규제를 하고 있으며 이를 확대 적용할 방침이다.
이러한 VOC 배출량은 1999년 이후 꾸준히 증가하는 추세를 보이고 있다. 배출원 분류별 VOC의 배출량 추이를 살펴보면, VOC 배출량의 주요 배출원인 유기용제의 도장시설이 총 VOC 배출량 추이에 따라 2004년까지 증가하다가 2005년 감소 후, 2006년 다시 증가하였다. 유기용제의 도장시설 부문이 전년도에 비해 2006년 배출량이 약 29,000톤 증가한 338,534톤으로 나타났다. 그 외의 공공발전시설의 에너지산업연소 부문 및 식음료 가공의 생산공정 부문은 증가 추세를 보이고 있으며, 도로이동오염원은 2001년 이후 감소 추세를 보인다. 비도로 이동 오염원 부문 및 폐기물처리 부문은 1999년 이후 증가와 감소를 반복하고 있다.
악취는 육체적 유해성뿐만 아니라 정신적 스트레스를 발생시키는 물질로써 대기환경보전법에서 악취란 황화수소, 메르캅탄류, 아민류 및 기타 자극성 있는 기체상 물질이 사람의 후각을 자극하여 불쾌감과 혐오감을 주는 냄새라고 규정하고 있다. 악취는 한 가지 물질의 냄새라기보다는 여러 물질이 섞여 나는 냄새인 경우가 대부분이다. 2010년도에 의결된 악취방지법시행규칙에 지정된 악취물질은 총 22가지로 [표 1] 내지 [표 3]과 같다. 여기서 [표 1]은 2005년 2월 10일부터 적용된 악취물질에 관한 것이고, [표 2]는 2008년 1월 1일부터 적용된 악취물질에 관한 것이며, [표 3]은 2010년 1월 1일부터 적용된 악취물질에 관한 것이다.

구분
 배출허용기준(ppm) 엄격한 배출허용 기준의 범위(ppm)
공업지역 기타지역 공업지역
1 암모니아 2이하 1이하 1~2
2 메틸머캅탄 0.004이하 0.002이하 0.002~0.004
3 황화수소 0.06이하 0.02이하 0.02~0.06
4 다이메틸설파이드 0.05이하 0.01이하 0.01~0.05
5 다이메틸다이설파이드 0.03이하 0.009이하 0.009~0.03
6 트라이메틸아민 0.02이하 0.005이하 0.005~0.02
7 아세트알데하이드 0.1이하 0.05이하 0.05~0.1
8 스타이렌 0.8이하 0.4이하 0.4~0.8
9 프로피온알데하이드 0.1이하 0.05이하 0.05~0.1
10 뷰티르알데하이드 0.1이하 0.029이하 0.029~0.1
11 n-발레르알데하이드 0.02이하 0.009이하 0.009~0.02
12 i-발레르알데하이드 0.006이하 0.003이하 0.003~0.006

구분
 배출허용기준(ppm) 엄격한 배출허용 기준의 범위(ppm)
공업지역 기타지역 공업지역
1 톨루엔 30이하 10이하 10~30
2 자일렌 2이하 1이하 1~2
3 메틸에틸케톤 35이하 13이하 13~35
4 메틸아이소뷰티르케톤 3이하 1이하 1~3
5 뷰티르아세테이트 4이하 1이하 1~4

구분
 배출허용기준(ppm) 엄격한 배출허용 기준의 범위(ppm)
공업지역 기타지역 공업지역
1 프로피온산 0.07이하 0.03이하 0.03~0.07
2 n-뷰티르산 0.002이하 0.001이하 0.001~0.002
3 n-발레르산 0.002이하 0.0009이하 0.0009~0.002
4 i-발레르산 0.004이하 0.001이하 0.001~0.004
5 i-뷰티르알코올 4.0이하 0.9이하 0.9~4.0
이러한 VOC 및 악취물질의 처리 및 회수를 위한 기술은 직접소각, 촉매소각, 생물여과, 응축, 흡수, 흡착, 막분리와 같은 전통적인 제어기술과 이온처리법, 에어로졸 입자처리법, 플라즈마(Plasma) 산화법, 전자빔 처리법과 같은 최신 제어기술로 나뉜다. 근래에 와서 VOC 제어기술은 직접소각방법과 저농도 악취제거를 위한 생물막방법이 증가하는 추세에 있으며 대부분의 VOC 처리를 위한 장치는 대기오염방지법에 의거하는 VOC 규제가 대기로의 배출량을 연간 50톤 이상으로 한정하고 있기 때문에 대형설비가 주를 이룬다.
700~980℃의 고온에서 VOC를 연소시키는 직접소각 혹은 열소각은 CO2와 수증기로 완전히 산화시키는 기술로 발연 소각로(fume incinerator), 단순 플레어, 재연소장치(afterburner) 등으로 알려져 있다. 직접소각 방법은 보통 체류시간이 0.5~1초이고 VOC 제거효율이 95~99%이며 발열 과정에서 발생하는 열에너지와 같은 추가적인 에너지 회수가 가능한 방법이다. 직접소각은 VOC 농도가 100~200㎎/L 수준이어야 하며 VOC 농도가 매우 높아 폭발하한선(Lower explosive limit, LEL)의 25%를 넘어서면 폭발방지를 위해 오히려 희석공기가 필요하다. 연소 생성물로는 할로겐화 VOC 등이 있으며, 이차 부산물 등을 처리할 추가 공정을 필요로 한다.
촉매소각은 연소실 내에 충진되어 있는 촉매가 연소에 필요한 활성화에너지를 낮춤으로써 상대적으로 낮은 온도에서도 연소가 가능한 방식으로 약 370~480℃의 낮은 공정온도의 수준에서 운전이 가능하다. 결과적으로 촉매소각에 소요되는 연료비(Operation cost)는 같은 성능의 열소각공정에 비해 적다. 촉매소각은 90~98%의 제거효율을 기대할 수 있으며, 최대 70%의 에너지 회수가 가능하다. 촉매로는 백금(Platinum), 팔라듐(Paradium), 크롬알루미나(Chrome-Alumina), 코발트산화물(Cobalt Oxide), 구리망간산화물(Copper Oxide-Manganese Oxide) 등의 금속산화물이 포함된다. 촉매의 평균수명은 2~5년이며 방해물질, 분진에 의한 막힘, 열화 등에 의하여 촉매의 수명은 줄어들 수 있다. 촉매소각은 배출가스와 공정조건 등의 특성에 매우 민감하기 때문에 충분한 사전검토를 통해 적용되어야 할 것이다.
흡착이란 가스중의 VOC 분자가 흡착제와 접촉하여 분자간의 약한 인력으로 결합하는 과정으로 물리적?화학적 흡착으로 분류된다. 흡착제에 따라 가장 많이 사용되는 활성탄 흡착에서부터 제올라이트 흡착, 실리카겔 흡착, 알루미나 흡착, 증기 개질 등의 방법이 있으며 운영방식에 따라 다시 다양한 방식으로 나뉠 수 있다. 과거에는 단순악취의 제거를 위하여 활성탄을 사용 후 폐기하는 방식이 일반적이었으나 근래 들어 흡착탑을 두 개 이상을 두어 고농도 유기용제를 회수하는 흡착 재생방식의 사용이 늘어나고 있다. 현재 상용화되어 있는 흡착탑의 형태는 고정층, 캐니스터(Canister), 이동층, 유동층으로 크게 네 가지로 나눌 수 있다.
생물여과란 생물학적 처리형태로 미생물을 사용하여 VOC를 이산화탄소, 물, 광물염으로 전환시키는 방법이다. 이 방법은 악취성 연속 공정을 처리할 때 많이 이용되는 기술로 충진층으로는 토양, 퇴비층, 톱밥, 활성탄 등이 사용되며, 여기에 사용되는 미생물은 제어하려는 VOC의 종류에 따라 다양하다. 생물여과의 VOC 제거효율은 약 60~95% 정도이며 VOC의 종류에 따라 편차가 큰데, 알데히드류(Aldehydes), 케톤류(Ketones), 알콜류(Alcohols), 에테르류(Ethers), 에스테르류(Esters), 유기산(Organic Acids) 등은 빨리 제거되는 반면, 할로겐족 탄화수소류(Halogenated Hydrocarbons)와 고분자상태의 방향족 탄화수소류(Aromatic Hydrocarbons)는 늦게 분해한다. 또한, VOC를 함유한 폐가스는 가스의 상태에 따라 적절히 제진, 냉각, 가습 등 전처리를 실시하는데, 이러한 전처리 요소들은 필터층을 오래도록 유지하는데 매우 중요하다. 생물여과 방법은 할로겐화 화합물에 대하여 느린 공정 시스템이고 수분 조절에 매우 민감한 제약조건이 있지만, 선택적 방법을 통해 효과적인 VOC 제어기술로 활용될 수 있을 것이다.
이 밖에도 전통적인 VOC 제어기술에는 고농도에서 사용되는 응축법과 막기술이 있는데, 응축법은 가스흐름의 온도를 정압상태에서 떨어뜨리거나 정온상태에서 가압하거나 혹은 두 경우를 조합함으로써 비응축성 가스흐름에서 VOC를 제거하는 것을 말한다. 막기술(Membrane)은 반투과성막을 사용하여 VOC를 선택적으로 폐가스로부터 분리하는 기술이다. [표 4]에 전통적인 VOC의 제거효율 및 장단점에 대해 나타내었다.
종류 제거효율
(%)		 장점 단점
직접소각
(Thermal oxidation)		 95~99 에너지 회수가능(최대 85%) 할로겐물질과 다른 산화화합물에 추가적인 후속제어장치 필요
촉매소각
(Catalytic cxidation)		 90~98 에너지 회수가능(최대 70%) 공정조건에 효율이 민감하게 작용

생물여과
(Biofiltration)		 60~95 초기투자비용이 낮음 느리고 선택적인 미생물이 선택적 유기물을 분해하며 유지가 어려운 미생물 혼합배양이 요구됨

응축(Condensation)		 70~85 생산물 회수로 인한 연간 공정 비용과의 상쇄가능 정확한 조건유지 필요

흡수(Absorption)		 90~98 폐수 생산물 회수로 인한 연간 공정비용과의 상쇄가능 정확한 조건유지 필요

흡착
 Activated carbon 80~90 공정비용과의 상쇄가 가능한 화합물의 회수 수분에 민감
Zeolite 90~96 90% RH 이상으로 효과적임 제올라이트의 높은 비용
막분리
(Membrane seperation)		 90~99 추가처리 불필요 높은 막 비용
최근 들어 VOC를 제거하기 위한 통합적 접근방법이 제시되고 있으며 높은 제거효율을 달성하기 위해 다양한 공정과 장치의 도입이 이루어지고 있다. 특히, 특정 흡착제와 메조포러스 물질의 제거효율이 높은 것으로 나타나고 있다. VOC를 제거하기 위한 신 제어기술로 플라즈마, 고에너지 전자 충격, 광촉매 등이 발전하고 있다. 여기서, 전자빔은 본 발명에 따른 마이크로파와 유사한 것으로 보이나, 전자빔(electron beam)은 전자총에서 나오는 속도가 거의 균일한 전자의 연속적 흐름을 말하며 전자선이라고 한다. 파장이 극히 짧으므로 진공 또는 전기장?자기장이 없을 경우에 직선으로 전파된다고 보아도 된다. 보통 사용되는 전자빔의 파장은 0.1~0.005㎚이며 X선의 파장범위와 비슷하다. 또한, 전자빔 발생장치의 경우 마이크로파 발생장치보다 훨씬 고가이며 구성이 상대적으로 복잡하다.
[표 5]는 다양한 신기술의 VOC 제거효율과 장단점을 나타낸 것이다.
종류 제거효율
(%)		 장점 단점
전자빔 30~66 저농도의 VOC에 유리하며 에너지 절감과 다이옥신이 발생하지 않음. 고농도에서는 낮은 제거 효율을 가지며 부산물이 발생.
플라즈마 처리 90 저농도의 VOC에 유리하며 에너지 절감과 다이옥신이 발생하지 않음. 일반적으로 전기에너지가 많이 필요하며 재이용을 위한 용매 회수가 불가능.
광촉매 90~100 촉매 활성화에 태양광을 사용하여 저비용이며 스케일업이 쉽고 활용범위가 큼. 가격경잭력 확보를 위해 현재에 비해 10~100배의 반응속도 증가가 필요.
흡착: 메조포러스 산화 크로뮴 90~100 실온 조건 하에서 VOC 흡착성이 우수한 물질이며 직접적으로 분해할 수 있어서 VOC회수가 불필요. 분말 시스템 내에서 과다한 압력강하가 발생.
실리카 섬유상 회전공정을 통해 새로운 흡착 사이트 생성이 가능.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 마이크로파에 의한 세라믹 가열의 특성을 이용하여 VOC 및 악취물질의 제거효율 및 에너지효율을 극대화시킬 수 있는 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, VOC 및 악취물질의 제거효율 및 에너지효율과 같은 장치효율뿐만 아니라 투자비 및 유지비도 현저히 절감할 수 있고, 기존의 열소각방식에 비해 장치의 크기가 상대적으로 매우 작은 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 마이크로파에 의한 세라믹 가열의 특성에 추가하여 촉매를 통한 낮은 공정온도에서 VOC 및 악취물질을 제거함으로써 에너지효율을 보다 향상시킬 수 있는 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치를 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은, 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치에 관한 것으로, 제1관통공과 제2관통공을 구비하는 챔버; 내부로 휘발성 유기화합물과 악취물질을 포함하는 가스가 통과하도록 상기 제1관통공에서 제2관통공으로 연장되어 상기 챔버의 내부에 통로를 형성하는 세라믹 튜브; 상기 챔버 내부에 장착되어 상기 세라믹 튜브가 마이크로파에 의해 설정된 온도로 가열되어 상기 가스에 포함된 상기 휘발성 유기화합물과 악취물질이 제거되도록 상기 세라믹 튜브에 마이크로파를 방사하는 마이크로파 발생장치; 상기 세라믹 튜브의 일단 및 타단에 배관을 통해 각각 연결되어 외부에서 유입되는 저온의 가스가 상기 세라믹 튜브로부터 유출되는 고온의 가스와 열교환하여 승온된 상태로 상기 세라믹 튜브의 타단으로 유입되게 하는 열교환기; 및 외부의 가스가 유입되어 상기 열교환기 및 세라믹 튜브를 경유하는 흐름을 유도하는 순환팬;을 포함하며, 상기 챔버에는 상기 세라믹 튜브로 유입된 가스 중 상기 챔버로 유출되는 가스를 배출하기 위한 배출공이 마련되고, 상기 배출공(15)에는 상기 열교환기로 유입되는 고온의 가스가 통과하는 배관과 연결되는 회수배관이 설치되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 마이크로파 발생장치는 상기 세라믹 튜브가 700~980℃의 범위로 되도록 가열하고, 상기 순환팬은 상기 세라믹 튜브로 유입된 가스가 세라믹 튜브에서 0.5~3초 동안 머물 수 있는 가스의 흐름을 유도한다.
그리고 상기 세라믹 튜브에는 세라믹 알갱이가 채워질 수 있다.
또한, 상기 세라믹 튜브에는 백금, 팔라듐, 루테늄, 크롬알루미나, 코발트산화물, 구리망간산화물 중 하나 이상의 금속산화물 또는 활성탄이나 제올라이트로 이루어지는 촉매가 채워지고, 상기 마이크로파 발생장치는 상기 세라믹 튜브가 370~480℃의 범위로 되도록 가열할 수도 있다.
삭제
본 발명에 따른 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치에 의하면, 마이크로파에 의한 세라믹 가열의 특성을 이용하여 VOC 및 악취물질의 제거효율 및 에너지효율을 극대화시킬 수 있어 VOC 및 악취물질의 제거를 통한 환경오염의 방지를 달성할 수 있다.
그리고 본 발명에 의하면, VOC 및 악취물질의 제거효율 및 에너지효율과 같은 장치효율뿐만 아니라 투자비 및 유지비도 현저히 절감할 수 있고, 기존의 열소각방식에 비해 장치의 크기가 상대적으로 매우 작아 VOC 및 악취물질의 제거가 필요한 산업계 다방면에서 폭넓게 활용될 수 있는 장점이 있다.
아울러, 본 발명에 의하면, 마이크로파에 의한 세라믹 가열의 특성에 추가하여 촉매를 통한 낮은 공정온도에서 VOC 및 악취물질을 제거함으로써 에너지효율을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 로그스케일의 전자기장 스펙트럼을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치의 구성을 도시한 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 챔버 내부의 구성을 중심으로 도시한 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 세라믹 튜브에 대한 손실계수와 온도의 관계를 도시한 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치의 제2실시예를 도시한 개념도,
도 6은 본 발명에 따른 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치의 제3실시예를 도시한 개념도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다.
도 1은 로그스케일의 전자기장 스펙트럼을 도시한 도면이다.
마이크로파는 도 1에 도시된 바와 같이, 300㎒~300㎓ 사이의 주파수 영역에 존재하며 길게는 1m에서 작게는 1㎜까지의 파동을 갖는 전자기장파로 정의할 수 있다. 고선명 레이더로 제2차 세계대전 동안 마이크로파 주파수의 개발은 많은 진척이 이루어졌고 뛰어난 효율을 가진 높은 파워의 마이크로파 발생장치인 마그네트론 밸브가 개발되었다. 전쟁 이후 낮은 주파수 영역의 마이크로파는 가열을 목적으로 가정 및 산업에서 이용되기 시작하였으며 현재 산업용 마이크로파 가열 시스템은 음식물 산업, 해동, 진공건조, 저온살균, 소독, 플라스틱 산업, 화학산업 등 많은 분야에서 이용되고 있다.
이러한 마이크로파에 의한 유전체 가열의 주요한 메커니즘은 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 유전체가 DC에서 측정 가능한 유한 고유저항을 가지고 약한 전기전도체와 같이 거동할 때, 마이크로파 전기장 내에서 유전체의 저항에 의해 발생된 줄열이 온도를 상승시키는 유도가열(Induction heating)이다.
그리고 두 번째는 유전가열(Dielectric heating)이다. 많은 유전체에서 분자의 쌍극 성분들은 마이크로파 전기장과 정전기적으로 결합하여 정렬되어 진다. 마이크로파는 교류전류(Alternating current)를 가지고 변하므로 그 쌍극자들은 시간에 따라 다시 반대로 재배치될 것이다. 이러한 마이크로파 주파수에서 기계적인 진동의 일정한 상태가 유지되면 분자 사이의 마찰에 의해 열이 발생하게 된다.
단순히 유전가열 원리에서만 보면, 마이크로파 주파수가 증가할수록 쌍극자의 재배치 횟수증가에 의한 마찰열 발생량이 커지는 것이 맞으나, 실제적으로 마이크로파 영역 내에서 분자들 사이의 기계적 동조(Resonance)가 존재하고 이 결과 주파수 스펙트럼에서 파워 흡수량의 최대점이 발생한다. 물질의 유전적 특성 데이터는 파워밀도로 구성된 예측값을 구하거나 유전 가열방정식에서 나타나는 것처럼 전기장 스트레스 및 물질에 따른 마이크로파 침투 깊이를 구하는데 중요한 자료로 활용된다. 각각의 화학적 화합물은 마이크로파 주파수 영역에서 스펙트럼 응답이 잘 정의되어져 있고 마이크로파 분광학은 이러한 현상을 이용하기 위한 분석적 기술로 잘 알려져 있다.
본 발명은 이러한 마이크로파에 의한 가열원리를 이용한 것으로, 마이크로파를 이용하여 세라믹 튜브를 발열시키는 형태, 세라믹 튜브를 발열시키면서 세라믹 튜브 내에 충진된 세라믹 알갱이를 동시에 발열시키는 형태, 또는 세라믹 튜브를 발열시키면서 입자형태의 촉매를 세라믹 튜브 내부에 충진시켜 상기 촉매를 발열시키는 형태로 휘발성 유기화합물과 악취물질을 제거하는 장치이다.
그리고 본 발명은 마이크로파를 통해 가열된 세라믹 튜브 안으로 휘발성 유기화합물을 유입시켜 오염물질을 연속적으로 제거시키는 장치로 중?소형 규모에 적합할 것으로 판단된다.
또한 세라믹 튜브의 내부 충진제로는 입자상의 세라믹을 포함하여 활성탄, 제올라이트와 귀금속류인 백금, 팔라듐, 루테늄 등을 이용할 수 있다.
다음으로 본 발명에 따른 3가지 형태를 3가지 실시예로 구분하여 상세히 설명한다.
<제1실시예>
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치의 구성을 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 챔버 내부의 구성을 중심으로 도시한 개념도이고, 도 4는 본 발명에 따른 세라믹 튜브에 대한 손실계수와 온도의 관계를 도시한 그래프이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치는 챔버(10), 세라믹 튜브(20), 마이크로파 발생장치(30), 열교환기(40) 및 순환팬을 포함하여 구성된다.
상기 챔버(10)는 제1관통공(11)과 제2관통공(13)을 구비하고 그 내부에는 마이크로파 발생장치(30) 및 세라믹 튜브(20)가 설치된다. 이때 도 2 및 도 3에서는 제1관통공(11)과 제2관통공(13)이 챔버(10)의 서로 대면한 면에 형성된 것으로 도시되었으나, 직각 방향으로 배치될 수 있는 등 특별히 도시된 형태에 한정되지 않는다.
또한 챔버(10)에는, 상기 세라믹 튜브(20)로 유입된 가스 중 상기 챔버(10)로 유출되는 가스를 배출하기 위한 배출공(15)이 마련된다. 이러한 배출공(15)은 마이크로파 가열시 챔버(10) 내압의 증가로 인한 챔버의 파열이나 만약에 있을 수 있는 세라믹 튜브 외부로의 가스의 누설을 예방하는 역할을 수행한다.
그리고 상기 배출공(15)에는 열교환기(40)로 유입되는 고온의 가스가 통과하는 유출배관(61)과 연결되는 회수배관(63)이 설치된다.
세라믹 튜브(20)는 상기 챔버(10) 내부에 설치되는 것으로, 상기 제1관통공(11)과 제2관통공(13)을 연결한다. 이때 세라믹 튜브(20)가 각 관통공과의 접촉부위는 세라믹 튜브(20) 내부를 통과하는 가스가 유출되지 않도록 밀폐되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 세라믹 튜브(20)는 세라믹으로 제작되는 것으로 관 형태로 구성되고, 세라믹 튜브(20)의 내경, 길이, 마이크로파의 강도 등을 고려하여 그 두께를 설정할 수 있다.
또한 세라믹 튜브(20)의 일단은 제1관통공(11)을 통해 가스가 유입되는 유입배관(60)과 연결되고, 타단은 제2관통공(13)을 통해 가스가 배출되는 유출배관(61)과 연결된다.
마이크로파 발생장치(30)는, 도시되지 않은 전원에 의해 가동되고 상기 세라믹 튜브(20)에 고르게 마이크로파를 전달할 수 있도록 상기 세라믹 튜브(20)를 둘러 상기 챔버(10) 내면에 장착된다. 이때 마이크로파 발생장치(30)의 장착 개수 및 위치는, 조사되는 마이크로파의 강도, 마이크로파 발생장치(30)와 세라믹 튜브(20) 간의 거리, 세라믹 튜브(20)의 두께 및 길이를 고려하여 결정될 수 있다.
열교환기(40)는 챔버(10)에서 유출되는 고온의 가스와 챔버(10)로 유입되는 저온의 가스 간에 열교환하여 고온의 가스로부터의 에너지를 회수하기 위한 장치이다. 이러한 열교환기(40)는 본 기술분야에 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려진 장치이므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략하고 이러한 이유로 도면에는 그 개략적인 형태만 도시되어 있다.
순환팬은 외부의 가스가 유입되어 상기 열교환기(40) 및 세라믹 튜브(20)를 경유하는 가스의 흐름을 유도하는 역할을 수행한다. 이러한 순환팬은 가스유입관(50)이나 가스배출관(51) 중 하나 이상에 설치될 수 있고, 그 외 다른 위치에 설치될 수도 있으며, 순환팬의 설치 구조 및 메커니즘은 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있으므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
다음으로 본 실시예에 따른 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치의 작용에 대해 설명한다.
VOC 또는 악취물질을 포함하는 가스가 가스유입관(50)으로 유입되면 열교환기(40)를 거쳐 마이크로파 발생 챔버(10)로 유입된다. 그리고 유입된 가스는 세라믹 튜브(20)를 통과한다. 이때 챔버(10) 내에는 마이크로파 발생장치(30)가 마이크로파를 생성하여 세라믹 튜브(20)를 향해 조사한다.
마이크로파를 받은 세라믹 튜브(20)는 도 4에 도시된 바와 같이 반응하며 온도가 상승한다. 보다 상세히 설명하면, 세라믹 튜브(20)는 마이크로파를 받으면 서서히 가열되다가 임계온도(Critical temperature, Tc) 이상의 온도대역에서 폭발적으로 온도가 상승한다. 이는 세라믹 튜브(20)는 임계온도에 도달하면 손실계수(
Figure 112010062899100-pat00001
)가 현저히 상승하기 때문으로, 에너지의 흡수율이 급격히 상승하면서 그에 비례하여 온도가 급증한다는 것을 의미한다. 따라서 본 발명에서 사용하고자 하는 온도대역에서 효율적으로 VOC 및 악취물질을 열분해하는 온도까지 상승시키는데 세라믹 튜브(20)를 사용한 것이다.
한편, VOC 및 악취물질은 700~980℃의 고온에서 0.5~3초 동안 체류하면 CO2와 수증기로 산화되고, 산화에 의한 VOC 제거효율은 95~99%에 이른다. 따라서 본 실시예에서는 마이크로파 발생장치(30)를 통하여 세라믹 튜브(20)의 온도를 700~980℃ 범위로 상승시키게 되고, 세라믹 튜브(20) 내의 체류시간은 순환팬의 제어를 통해 조절하게 된다.
이와 같이 세라믹 튜브(20)를 통과하면서 고온에 의해 VOC와 악취물질이 제거된 가스는 유출배관(61)을 통하여 열교환기(40)로 유입되고 가스배출관(51)을 통해 대기로 배출된다. 이때 세라믹 튜브(20)에서 열교환기(40)로 유입된 가스는 세라믹 튜브(20)에서 가열된 상태이므로 고온의 상태이다. 따라서 이러한 고온의 가스를 대기로 그대로 배출하면 열공해를 유발함과 아울러 에너지 손실을 초래하므로, 열교환기(40)에서는 세라믹 튜브(20)로 유입되는 저온의 가스와 상기 고온의 가스가 서로 열교환하게 함으로서 고온의 가스의 온도를 낮추어 배기하고, 저온의 가스의 온도를 상승시킨 상태로 세라믹 튜브(20)로 유입시킴으로서 세라믹 튜브(20)의 가열에 대한 에너지 효율을 증대시키게 된다.
한편, 세라믹 튜브(20) 내를 통과하는 가스 중 일부는 세라믹 튜브(20)를 빠져나와 챔버(10) 내로 유출된다. 이렇게 유출된 가스는 챔버(10)의 배출공(15)에 연결된 회수배관(63)으로 유입되어 유출배관(61)을 통과하는 가스와 합류하여 배출된다.
이와 같이 챔버(10)에 배출공(15)과 회수배관(63)을 연결하여 상기 가스를 배출하는 이유는, 상기 가스에 의해 챔버(10) 내의 압력이 상승하는 것을 방지하기 위함이다.
이상과 같은 본 실시예에 따른 장치는 구조가 간단하고 마이크로파 가열의 특성상 높은 장치효율을 가지고 있으며 화석연료의 절약과 지구온난화 가스의 배출량 감소를 달성할 수 있다. 이러한 본 실시예에 따른 장치의 투자비, 유지비 및 장치효율을 기존 기술에 따른 방식과 대비하면 다음 [표 6]과 같다.
기술분야 투자비 유지비 장치효율
직접소각 대 대 대
응축방식 대 중 중
생물여과 소 소 중
촉매소각 중 중 대
마이크로파 이용 세라믹 가열 소 소 대
상기 [표 6]에서 알 수 있듯이, 본 실시예에 따른 장치는 투자비와 유지비 면에서 직접소각 방식, 응축방식, 촉매소각 방식에 비해 우수하고, 장치효율 면에서 응축방식, 생물여과방식에 비해 우수하다. 그리고 투자비, 유지비 및 장치효율을 종합적으로 고려하면 본 실시예에 따른 장치가 가장 우수함을 알 수 있다.
또한 본 발명에서는 제1실시예에 따른 장치의 효율을 보다 향상시키기 위하여 제2실시예와 제3실시예와 같은 장치로 구현될 수도 있다. 따라서 이하에서는 본 발명에 따른 제2실시예와 제3실시예에 대해 차례대로 설명한다.
<제2실시예>
도 5는 본 발명에 따른 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치의 제2실시예를 도시한 개념도이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 제1실시예에서와 달리 세라믹 튜브(20) 내에 세라믹 알갱이(21)가 채워진다. 이러한 세라믹 알갱이(21)는 마이크로파에 의해 세라믹 튜브(20)가 가열되면 그 가열된 열기에 의해 가열되어 VOC 및 악취물질을 제거할 수 있는 온도로 상승한다. 그리고 세라믹 알갱이(21)는 서로간의 공극을 유지하고 있으므로, 그 공극을 통해 가스가 통과하게 된다. 따라서 본 실시예에 따른 세라믹 튜브(20) 내에서는 보다 균일한 온도분포가 가능할 뿐만 아니라, 가열된 세라믹 튜브(20) 및 알갱이와 접촉하는 가스의 양을 증대시켜 결국 가스의 열분해 효율을 증대시키게 된다.
그 외의 구성 및 작용은 제1실시예에서와 동일하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
<제3실시예>
도 6은 본 발명에 따른 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치의 제3실시예를 도시한 개념도이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 세라믹 튜브(20) 내에 촉매(23)가 채워진다. 이러한 촉매(23)로는 백금, 팔라듐, 루테늄, 크롬알루미나, 코발트산화물, 구리망간산화물 중 하나 이상의 금속산화물 또는 활성탄이나 제올라이트가 사용된다. 그리고 촉매(23)의 평균수명은 2~5년이며 배출가스와 공정조건 등의 특성에 매우 민감하게 때문에 충분한 사전검토를 통해 선정되어야 한다.
세라믹 튜브(20)에 촉매(23)가 채워짐으로써 VOC 및 악취물질의 연소에 필요한 활성화에너지를 낮추어 상대적으로 낮은 온도에서도 VOC 및 악취물질의 연소를 가능하게 한다. 일반적으로 촉매(23)를 사용하면 370~480℃의 낮은 공정온도의 수준에서 운전이 가능하며, 마이크로파를 이용한 세라믹 튜브(20)의 가열효율이 다른 방식에 비해 우수하므로, 소요되는 연료비(Operation cost)는 같은 성능의 열분해 공정에 비해 현저히 적어진다.
그 외의 구성 및 작용은 제1실시예에서와 동일하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
10 : 챔버 20 : 세라믹 튜브
21 : 세라믹 알갱이 23 : 촉매
30 : 마이크로파 발생장치 40 : 열교환기
50 : 가스 유입관 51 : 가스 배출관
60 : 유입배관 61 : 유출배관
63 : 회수배관

Claims (5)

  1. 제1관통공(11)과 제2관통공(13)을 구비하는 챔버(10);
    내부로 휘발성 유기화합물과 악취물질을 포함하는 가스가 통과하도록 상기 제1관통공(11)에서 제2관통공(13)으로 연장되어 상기 챔버(10)의 내부에 통로를 형성하는 세라믹 튜브(20);
    상기 챔버(10) 내부에 장착되어 상기 세라믹 튜브(20)가 마이크로파에 의해 설정된 온도로 가열되어 상기 가스에 포함된 상기 휘발성 유기화합물과 악취물질이 제거되도록 상기 세라믹 튜브(20)에 마이크로파를 방사하는 마이크로파 발생장치(30);
    상기 세라믹 튜브(20)의 일단 및 타단에 배관을 통해 각각 연결되어 외부에서 유입되는 저온의 가스가 상기 세라믹 튜브(20)로부터 유출되는 고온의 가스와 열교환하여 승온된 상태로 상기 세라믹 튜브(20)의 타단으로 유입되게 하는 열교환기(40); 및
    외부의 가스가 유입되어 상기 열교환기(40) 및 세라믹 튜브(20)를 경유하는 흐름을 유도하는 순환팬;을 포함하며,
    상기 챔버(10)에는 상기 세라믹 튜브(20)로 유입된 가스 중 상기 챔버(10)로 유출되는 가스를 배출하기 위한 배출공(15)이 마련되고,
    상기 배출공(15)에는 상기 열교환기(40)로 유입되는 고온의 가스가 통과하는 배관과 연결되는 회수배관(63)이 설치되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로파 발생장치(30)는 상기 세라믹 튜브(20)가 700~980℃의 범위로 되도록 가열하고,
    상기 순환팬은 상기 세라믹 튜브(20)로 유입된 가스가 세라믹 튜브(20)에서 0.5~3초 동안 머물 수 있는 가스의 흐름을 유도하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 세라믹 튜브(20)에는 세라믹 알갱이(21)가 채워지는 것을 특징으로 하는 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 튜브(20)에는 백금, 팔라듐, 루테늄, 크롬알루미나, 코발트산화물, 구리망간산화물 중 하나 이상의 금속산화물 또는 활성탄이나 제올라이트로 이루어지는 촉매(23)가 채워지고,
    상기 마이크로파 발생장치(30)는 상기 세라믹 튜브(20)가 370~480℃의 범위로 되도록 가열하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 이용 휘발성 유기화합물 및 악취물질 제거장치.
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