KR101468634B1 - 전기집진기 및 흡착-저온산화촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 및 악취제거 시스템 - Google Patents

전기집진기 및 흡착-저온산화촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 및 악취제거 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오존발생기능이 강화된 전기집진장치 및 흡착-저온산화 촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 및 악취제거 시스템에 관한 것으로, 휘발성 유기화합물 및 악취가 혼합된 배가스가 유입될 때 함께 유입되는 타르(Tar), 미스트(Mist), 더스트(Dust) 등 미세 입자상 물질을 전처리하기 위한 전기집진부 및 휘발성 유기화합물과 악취물질을 오존발생을 통해 산화시키는 오존발생부가 내부에 구비되는 전처리조와, 상기 전처리조를 거친 배가스 중의 잔류 오존의 분해와 휘발성 유기화합물 및 악취를 흡착, 탈착-산화하는 흡착-저온산화 촉매가 내부에 구비되는 촉매조로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 전처리조는 함께 유입되는 촉매독 성분인 타르, 미스트, 더스트 등을 전처리하는 동시에 휘발성 유기화합물 및 악취를 산화시키기 위한 오존발생부를 하나의 장치에 도입함으로써 집진을 통해 촉매를 막힘으로부터 보호하고 오존산화를 통해 촉매의 부하를 줄여주어 촉매의 수명과 처리효율을 상승시키는 장점이 있다. 특히 하나의 전처리조에서 전기집진 및 풍부한 오존발생이 동시에 이루어지므로 배가스 처리를 위한 시스템을 간소화할 수 있는 장점도 있다.

Description

전기집진기 및 흡착-저온산화촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 및 악취제거 시스템 { Removal System of Volatile Organic Compounds and Odor Using Electrostatic Precipitator and adsorptive low temperature catalyst }
본 발명은 불완전 산화물질을 포함하는 배기의 제연(除煙) 및 탈취(脫臭)에 대한 것으로 특히 고온공정 중에 배출될 수 있는 연기 및 악취를 동시에 효율적으로 제거하기 위한 시스템에 대한 것이다.
상기한 고온공정 중으로부터의 배기는 일반적으로 연기 및 악취를 포함하고 있으며 대기오염 및 민원의 유발이라는 문제점을 초래한다.
이렇게 고온공정 중 배출되는 배기 중 악취의 원인물질은 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)이며, 이 휘발성 유기물질들은 일반적으로 '연기(煙氣)'라고 부르는 고비점(高沸點) 물질들의 응축 에어로졸(Aerosol)과 응축되지 않은 기상(氣相)의 저비점(低沸點) 물질들로 구분할 수 있다.
본 발명은 VOC 및 악취물질을 제어하는 시스템에 대한 것으로 좀 더 상세하게는 유입되는 연기 또는 타르(Tar)라고 부르는 응축에어로졸 및 먼지 등 입자상 물질들을 전처리 제거하기 위한 전기집진부와 악취 물질의 산화에 필요한 오존을 발생시키기 위한 오존 발생부를 하나의 장치로 결합하고 후단에 열재생장치가 포함된 흡착-저온산화 촉매를 설치함으로써 운전의 경제성을 확보하면서도 배가스 중의 VOCs 및 악취물질에 대한 산화 및 흡착성능을 반영구적으로 유지하여 연소적으로 높은 탈취효율을 유지할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
최근 국민들의 생활수준이 높아지고 건강에 대한 관심이 높아지면서 고온공정 중 발생되는 연기와 악취문제는 빈번하게 민원의 요인이 되고 있다. 여기서 말하는 고온공정이란 고온을 이용하는 공정에 대한 통칭으로 불 또는 열 등을 이용하여 무었을 굽거나하는 공정들을 말한다. 이러한 공정들은 실제에 있어서 산업계는 물론 일반인들의 일상생활 속에서도 빈번히 이루어지고 있다. 예를 들면 산업계에서는 건조, 소성, 가류 등이 대표적인 고온공정들이며 일상생활 속에서는 구이, 튀김, 오븐 등을 들 수 있다.
종래의 VOC에 의해 유발되는 악취에 대한 저감기술로는 활성탄 또는 제올라이트 등을 이용하는 흡착법이나 수세, 약액세정, 바이오 필터 등의 흡수법 그리고 열, 오존, 플라즈마 등을 이용하는 산화법 등이 있으며, 실제에 있어 이들 방법들은 단독 또는 복합적으로 이용되고 있다.
하지만 흡착법은 흡착층의 막힘문제와 교체라는 문제점이 있으며, 흡수법은 불수용성 물질에 대해서 많은 한계점을 가지고 있어 그 용도가 제한적이고 산화법은 높은 에너지 비용이 가장 큰 문제점이라고 할 수 있다.
본 발명의 주요대상 공정인 고온공정 배기의 일반적인 특징은 수 ppm의 낮은 VOCs 농도와 연기 즉, 타르(Tar)를 동반한다는 특징이 있다. 결국 낮은 VOCs 농도는 열산화 방법에 있어서 막대한 에너지 비용을 요구하는 측면과 대부분의 성분이 불수용성이라 흡수법의 역할은 미미하다는 측면 그리고 동반되는 타르성분은 심각하게 흡착층의 막힘을 유발한다는 측면은 흡착법의 적용을 어렵게 하고 결국, 종래 개발된 일반적인 방법으로 효율적인 처리가 어렵다는 것을 의미한다.
따라서 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 본 발명은 오존발생기능이 강화된 전기집진장치와 흡착-저온산화 촉매를 하나의 시스템으로 통합함으로써 흡착법의 간편함과 높은 처리효율을 계승하고 비교적 적은 에너지 비용으로 탈착-산화를 통해 촉매를 재생, 반영구적으로 사용함으로써 흡착제 교체라는 번거로움으로부터 해방시키며, 전기집진장치의 우수한 서브마이크론(<1㎛) 입자제거 능력은 촉매를 타르(Tar), 미스트(Mist), 더스트(Dust) 등의 막힘 유발 물질로부터 보호함으로써 안전정인 운전을 보장하며 강화된 오존발생 능력은 VOCs와 악취물질의 산화를 촉진시켜 시스템의 전체적인 탈취능력을 상승시켜주게 된다.
이때 과량 발생될 수 있는 오존(Ozone)은 상온에서도 흡착-저온산화 촉매를 통해 효율적으로 처리되므로 문제가 되지 않는다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은;
타르(Tar), 미스트(Mist), 더스트(Dust) 등의 입자상 물질들을 효율적으로 제거하기 위한 전기집진부(110) 집진부에 비해 상대적으로 높은 전계(Electric Field)에서 운전되며 다량의 에지(Edge)를 가진 방전극이 설치된 오존 발생부를 일체형으로 구비한 전처리조와 후단에 흡착-저온산화촉매 층이 설치되어 VOCs 및 악취물질을 흡착, 제거하며 주기적으로 가열-탈착-산화공정에 의해 재생됨으로써 반영구적으로 사용할 수 있는 시스템을 구성한다.
전처리조에서 가스의 흐름은 전극 하부에서 상부로 이루어지며 흐름의 상류인 전극의 하부는 전기집진부로 흐름의 하류인 전극 상부는 오존발생부로 사용된다. 집진부는 입자상 물질의 농도가 높은 환경에서 운전되는 관계로 스파크(Spark)나 아크(Arc)방전을 억제하기 위해 상대적으로 낮은 전계인 2~6kV/cm의 전계가 인가될 수 있도록 하여 안정된 방전을 유지하는 것이 바람직하며 오존발생부는 많은 양의 오존 발생을 위해 집진부에 비해 상대적으로 많은 수의 에지(Edge)가 구비된 방전극을 설치하며 마찬가지로 집진부에 비해 높은 전계인 6~12kV/cm의 전계가 인가되어 강력한 방전이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
전처리조를 상기와 같이 구비함으로써 배기 중 함께 유입되는 타르, 미스트, 더스트 등 입자상의 물질들을 고효율로 전처리하며 후단에 위치하는 흡착-저온산화 촉매층을 막힘으로부터 보호하고 다량의 오존을 생성시켜 VOCs 및 악취물질들을 산화시킴으로써 시스템의 탈취성능을 높이는데 일조하게 된다.
HC(Hydro Carbon) + O3 → H2O + CO2
여기서 사용하는 흡착-저온산화 촉매로는 메탈-이산화망간(Metal-MnO2) 구성이 바람직하며 가능한 미세기공이 잘 발달되어 흡착성능이 우수한 것이 좋다. 일반적으로 함침되는 메탈로는 Ag, Ce, Co, Cr, Cu 및 Fe 등이 있으며 Cu-MnO2가 일반적이며 성능도 우수한 것으로 보고되고 있다.
일반적으로 저온산화 촉매라고 부르는 촉매들도 상온에서 오존을 제외한 거의 모든 VOCs 및 악취물질에 대한 산화능력은 미미하며 단지 흡착제로서 작용, 흡착기전에 의해 탈취를 행하게 된다. 모든 흡착제가 마찬가지로 각각의 물질에 대해 각각의 농도 및 온도, 압력 등에 따른 고유한 흡착보유량이 존재하며 흡착보유량은 유한하다. 따라서 흡착-저온산화 촉매 또한 일정시간 후 탈착 즉, 재생공정을 필요로 하며, 재생을 위해 주로 승온(昇溫)방법을 이용한다. 촉매를 승온, 일정한 온도에 달하게 되면 그동안 흡착됐던 물질들의 탈착이 일어나기 시작하고 또 온도가 저온산화 촉매의 활성온도 이상으로 되면 탈착되는 VOCs 및 악취물질의 산화가 활발하게 일어나게 되어 탈착과정 중 2차 오염물질의 생성이 억제된다. 이러한 기전(Mechanism)이 활성탄이나 제올라이트 흡착제를 탈착할 때와 다른 점이다. 활성탄이나 제올라이트를 탈착하게 되면 흡착되었던 물질들이 탈착되면서 다시 악취물질이 배출되므로 이를 처리하기 위한 별도의 탈취장치가 필요하게 된다.
일반적으로 흡착-저온산화 촉매의 탈착 및 산화에 필요한 온도는 200~400℃가 적당하며 일정량의 외기를 가열, 촉매층에 보내주거나 촉매층을 전기히터(Heater) 등으로 직접 가열하여 행할 수 있다. 전기 히터를 이용한 촉매층 직접 가열에 의한 재생은 탈착되는 VOCs 및 악취물질의 산화에 필요한 산소를 공급하기 위해 반드시 일정량의 외기를 촉매층에 흘려주어야 한다.
실제에 있어서 설비의 연속운전을 위해 하나의 촉매층이 재생공정에 있을 경우에 대비 여분의 촉매층을 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 오존발생기능이 강화된 전기집진기와 흡착-저온산화촉매를 결합함으로써 고온공정 중에 배출될 수 있는 연기 및 악취를 동시에 효율적으로 제거할 수 있는 시스템을 제공할 수 있다.
전기집진장치의 집진부는 촉매독 성분 중 하나인 타르, 미스트, 더스트 등의 입자상 물질들을 고도 전 처리함으로써 백연을 제거하고 고가(高價)인 촉매의 수명을 늘려주어 안정적인 연속운전과 경제성을 확보해주며 오존발생부에서 풍부하게 발생되는 오존은 별도의 오존발생기의 도입 없이 VOCs 및 악취물질에 대해 산화기전(Oxidation Mechanism)을 통해 흡착-저온산화촉매의 부하를 줄여주어 전체 시스템의 악취 처리 효율을 높여 준다.
도 1은 본 발명에 따른 전기집진 및 산화 저온촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 및 악취제거 시스템의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 집진극과 방전극을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 전기집진용 방전핀과 오존발생용 방전핀을 비교설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 공간속도와 설비조합에 따른 악취처리 성능을 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명에 따른 오존발생기능이 강화된 전기집진기와 흡착-저온산화 촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 및 악취제거 시스템을 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예들에 의해 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 구현 예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면에서 동일한 참조부호, 특히 십의 자리 및 일의 자리 수, 또는 십의 자리, 일의 자리 및 알파벳이 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 기능을 갖는 부재를 나타내고, 특별한 언급이 없을 경우 도면의 각 참조부호가 지칭하는 부재는 이러한 기준에 준하는 부재로 파악하면 된다.
또 각 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께를 과장되게 크거나(또는 두껍게) 작게(또는 얇게) 표현하거나, 단순화하여 표현하고 있으나 이에 의하여 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 오존발생기능이 강화된 전기집진기와 흡착-저온산화 촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 및 악취제거 시스템을 설명하기 위해 도시한 도면들이다.
이에 의하면, 본 발명에 따른 오존발생기능이 강화된 전기집진기와 흡착-저온산화 촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 및 악취제거 시스템은 고온공정 중 배출되는 배가스를 제어하는 시스템으로, 휘발성 유기화합물 및 악취가 혼합된 배가스가 유입되면 타르, 미스트, 더스트 등 미세 입자상 물질들을 제거하기 위한 전기집진부(110)와 휘발성 유기화합물을 산화시키기 위한 오존(O3)을 발생시키는 오존발생부(120)가 내부에 구비되는 전처리조(100)와, 상기 전처리조(100)를 거친 배가스의 잔류 오존의 분해와 악취를 흡착하는 흡착-저온산화 촉매(210)가 내부에 구비되는 촉매조(200)로 구성된다.
이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.
고온공정 중 발생되는 배가스는 메인 송풍기(1)의 작동에 의해 메인덕트(3)을 통해 강제 배기되며 상기 전처리조(100)로 유입된다.
전처리조(100)로 유입된 배가스는 다공판을 거쳐 정류되며 고전압이 인가되어 코로나 방전이 일어나고 있는 전기집진부(110)로 유입된다. 배가스 중 포함된 타르(Tar), 미스트(Mist), 더스트(Dust) 등의 서브마이크론 입자상의 물질들은 코로나 방전에 의해 하전되며 연속된 전계에서 쿨롱력에 의해 집진극(103) 쪽으로 이동, 집진극에 부착, 제거된다. 이때 전계강도는 스파크 및 아크 등의 이상 방전을 억제할 수 있는 2~6kV/cm의 범위가 적당하다. 입자상 물질들이 제거된 배가스는 전기집진부(110) 상부에 위치한 오존발생부(120)로 유입된다. 오존발생부(120)에 설치되는 방전극의 방전핀(122)은 전기집진부(110)에 설치된 방전핀(112)보다 직경이 크고 많은 에지(Edge, 112a)를 가지고 있어 전기집진부(110)에서보다 강한 전계강도에서 운전되게 되고 방전전류량도 많게 되어 다량의 오존(O3) 발생이 이루어진다.
이렇게 오존발생부(120)에서 발생된 다량의 오존은 휘발성 유기화합물 및 악취성분을 산화, 제거하며 후단에 위치한 흡착-저온촉매의 흡착부하를 줄여준다. 높은 처리효율을 위해 오존발생량은 유입되는 휘발성 유기화합물 또는 악취성분의 당량보다 과량이 필요하며 이런 조작 시 잉여 오존에 의한 또 다른 악취 문제가 유발될 수 있는데 후단에 위치한 망간(Mn) 베이스의 흡착-저온산화 촉매는 상온에서도 오존분해 능력이 우수하여 잉여오존에 의한 악취문제는 발생하지 않는다.
전처리조(200)를 통과하며 집진, 오존산화된 배가스는 후단의 흡착-저온산화 촉매(210) 층으로 유입된다. 아무리 저온산화 촉매라 할지라도 상온에서 휘발성 유기화합물 또는 악취에 대해 강력한 산화력을 발휘할 수 없으며 실질적으로 유입되는 가스는 단순히 물리적 흡착기전에 의해 흡착된다. 모든 흡착제가 그렇듯이 흡착-저온산화 촉매(210)도 물질에 대한 흡착보유량이 유한하므로 일정 시간 후 포화 상태에 이르게 되고 흡착능력을 상실하게 된다. 이때에는 사전에 준비된 여분의 촉매조(200')로 자동 교체 운전될 수 있도록 하며 포화에 이른 촉매조(200)를 재생하는 공정을 실행한다. 흡착-저온산화 촉매(210)의 재생은 준비된 촉매 재생용 송풍기(300)과 히터(310)를 구동하고 촉매 재생용 자동댐퍼(320)를 조작, 열풍이 해당 촉매층으로 유입될 수 있게 함으로써 이루어진다. 촉매 재생용 송풍기(300)은 메인 송풍기(1)의 용량에 비해 1/20~1/5 정도의 것이 바람하며 히터의 용량은 촉매 층(210)의 및 촉매조(200)의 비열과 피흡착물질의 산화열량 등을 고려하여 결정한다. 이렇게 유입되는 열풍은 촉매 층을 가열하게 되고 촉매 층이 일정온도에 이르게 되면 그동안 흡착되었던 휘발성 유기화합물 또는 악취성분들이 탈착되기 시작하며 동시에 저온산화 촉매의 촉매작용으로 산화된다.
만약 일반 활성탄과 같은 단순 흡착제의 경우에는 재생을 위해 탈착을 행한다면 탈착되는 물질이 고농도의 악취물질이므로 별도의 처리장치를 구비해야 한다.
흡착-저온산화 촉매의 탈착-산화에 필요한 적정온도는 200~400℃이며 대상 물질에 따라 적정한 온도 및 재생시간을 설정할 필요가 있다.
흡착-저온산화 촉매로는 메탈(Metal)이 함침된 다공질의 이산화망간(MnO2)의 조합이 바람직하며 가능한 촉매의 미세기공이 잘 발달되어 흡착성능이 우수한 것이 좋다. 일반적으로 사용되는 함침메탈로는 Ag, Ce, Co, Cr, Cu 및 Fe 등이 있으며 Cu-MnO2가 일반적이며 성능도 우수한 것으로 보고되고 있다.
이렇게 시스템은 2개의 흡착-저온산화촉매 층을 통해 자동으로 교체운전 함으로써 연속으로 운전될 수 있으며 본 발명의 주요 관대 대상인 고온공정에서의 배기와 같이 저농도 성분의 배기에 있어 고온산화 촉매 시스템은 물론 흡착-농축-산화 시스템 등 여타의 시스템에 비해 경제성을 확보할 수 있다.
1: 메인 송풍기 2: 퍼지 에어 송풍기
3: 메인덕트 100: 전처리조
101: 방전봉 102 절연애자
103: 집진극 110: 전기집진부
112: 전기집진용 방전핀 120: 오존발생부
122: 오존발생용 방전핀 200: 촉매조
210: 흡착-저온산화 촉매 220: 메인덕트용 자동댐퍼
300: 촉매 재생용 송풍기 310: 히터
320: 촉매 재생용 자동댐퍼

Claims (3)

  1. 연기(Smoke) 및 휘발성 유기화합물(VOCs), 악취성분이 혼합된 배가스가 유입될 때 함께 유입되는 타르(Tar), 미스트(Mist), 더스트(Dust)를 전처리하기 위한 전기집진부(110) 및 휘발성 유기화합물 및 악취물질을 오존발생을 통해 산화시키는 오존발생부(120)가 내부에 구비되는 전처리조(100)와, 상기 전처리조(100)를 거친 배가스의 잔류 오존의 분해와 휘발성 유기화합물 및 악취를 흡착, 탈착(재생)-산화하는 흡착-저온산화 촉매(210)가 내부에 구비되는 촉매조(200)를 포함하며,
    상기 오존발생부(120)의 방전극의 에지(Edge)가 전기집진부(110)의 방전극의 에지(Edge)의 수보다 최소한 1.5배 이상인 것을 특징으로 하는 오존발생기능이 강화된 전기집진장치 및 흡착-저온산화 촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 및 악취제거 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
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