KR101574675B1 - 저온촉매를 이용한 VOCs 처리장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저온촉매를 이용한 VOCs 처리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, (a) VOCs(Volatile Organic Compounds) 함유 가스가 유입되어 가스 내의 불순물 입자 및 수분이 제거되는 전처리 유닛; (b) 상기 전처리 유닛에서 전처리된 VOCs 함유 가스 내의 유분을 여과하여 제거시키는 여과시키는 필터; (c) 상기 필터에서 여과된 VOCs 함유 가스를 승온시키는 열교환기; (d) 상기 열교환기에서 승온된 VOCs 함유 가스를 저온 촉매 반응온도로 승온시키는 히터; 및 (e) 상기 히터에서 승온된 VOCs 함유 가스와 저온 촉매가 반응하여 VOCs가 제거되는 촉매반응 유닛을 포함하는, 저온 촉매를 이용한 VOCs 처리장치에 관한 것이다.
본 발명의 저온 촉매를 이용한 VOCs 처리장치에 따르면, 제거되는 온도가 상이한 다양한 종류의 VOCs를 저온에서도 효율적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 저온 촉매를 이용한 VOCs 처리장치에 따르면, 제거되는 온도가 상이한 다양한 종류의 VOCs를 저온에서도 효율적으로 제거할 수 있다.
Description
본 발명은 여러 가지 산업분야에서 배출되는 VOCs(Volatile Organic Compounds)를 저온촉매를 이용하여 처리하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 유기용매의 사용이 증가함에 따라 각종 산업공정에서는 다양한 종류의 VOCs이 발생되고 있다.
상기 VOCs를 제거하기 위한 기술로는 물리화학적 방법 및 생물학적 방법들이 사용되고 있는데, 상기 물리화학적 방법은 오염가스의 제거효율은 높지만 시설비 및 재료비와 약품비등 유지관리비가 많이 소요되는 문제점이 있었다. 물리화학적 방법 중 특히 연소법은 분진과 각종 유해가스를 발생시키고, 세정법은 폐수를 발생시키는 2차 오염원을 발생하는 문제점이 있고, 생물학적 방법으로는 상기 VOCs가 물에 잘 용해되지 않기 때문에 처리하는데 한계가 있다.
이에 VOCs를 효과적으로 제거하기 위한 플라즈마-광촉매를 이용하는 방법이 제안되고 있다. 상기 플라즈마-광촉매를 이용하는 방법은 음극과 양극으로 이루어진 전극 사이에 이산화티탄(TiO2)을 주성분으로 하는 광촉매를 삽입하고 광촉매의 양단에 수만 볼트의 전압을 공급하면 코로나방전이 발생하여 전자 및 이온과 라디칼로 구성되는 방전을 발생시킴과 동시에 이 코로나 방전 중의 자외선을 광원으로 광촉매를 여기시켜 자유전자기, 전자공의 쌍을 발생시켜 VOCs와 같은 유기성분, 악취 등과 같은 오염가스를 분해 및 산화시키는 방법이다.
그러나, 상기와 같은 VOCs 제거용 저온 플라즈마 광촉매 장치는 탄화수소 성분이 주성분인 휘발성물질을 제거할 때 광촉매로 사용하는 촉매의 종류에 따라서 탄화수소성분이 완전산화반응을 하여 이산화탄소로 진행하는 것이 아니라 부분산화하여 일산화탄소를 생성하는 문제점과, 플라즈마의 방전으로 인하여 공기 중 산소의 일부를 인체의 호흡기에 치명적인 영향을 주는 오존으로 변화시켜 배출하는 문제점이 있다
이에 반해 촉매법에의한 VOCs 제거법은 다른 방법들에 비해 제거효휼은 우수한 반면, 고온을 요구하는 반응성 때문에 잘 활용되지 못하는 단점이 있어, 저온에서도 반응이 좋은 촉매의 개발과 더불어 이를 적용한는 설비에 대한 기술개발이 요구되고 있다.
다시 말해, 저온에서 반응성이 좋은 저온 촉매를 이용하여 VOCs를 제거할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높아지고 있다.
본 발명은 저온 촉매를 이용하여 VOCs를 효율적으로 제거할 수 있는 저온 촉매를 이용한 VOCs 처리장치를 제공하고자 한다.
이에 본 발명은 바람직한 제1 구현예로서, (a) VOCs(Volatile Organic Compounds) 함유 가스가 유입되어 가스 내의 불순물 입자 및 수분이 제거되는 전처리 유닛; (b) 상기 전처리 유닛에서 전처리된 VOCs 함유 가스 내의 유분을 여과하여 제거시키는 여과시키는 필터; (c) 상기 필터에서 여과된 VOCs 함유 가스를 승온시키는 열교환기; (d) 상기 열교환기에서 승온된 VOCs 함유 가스를 저온 촉매 반응온도로 승온시키는 히터; 및 (e) 상기 히터에서 승온된 VOCs 함유 가스와 저온 촉매가 반응하여 VOCs가 제거되는 촉매반응 유닛을 포함하는, 저온 촉매를 이용한 VOCs 처리장치를 제공한다.
상기 구현예에 의한 저온 촉매는 망간 산화물 촉매인 것일 수 있다.
상기 구현예에 의한 저온 촉매는 120~250℃에서 활성화되어 반응하는 것일 수 있다.
상기 구현예에 의한 저온 촉매는 촉매반응 유닛 내부에 수직으로 충진되는 것일 수 있다.
상기 구현예에 의한 촉매반응 유닛은 송풍기 및 히터에 의해 작동이 제어되는 것일 수 있다.
상기 구현예에 의한 열교환기는 촉매반응 유닛에서 저온 촉매반응 후 VOCs가 제거된 가스가 유입되고, 상기 VOCs가 제거된 가스는, 필터에서 여과되어 열교환기로 유입된 VOCs 함유 가스를 승온시키는 것일 수 있다.
본 발명의 저온촉매를 이용한 VOCs 처리장치에 의하면, 제거되는 온도가 상이한 다양한 종류의 VOCs를 저온에서도 효율적으로 제거할 수 있는 저온촉매를 이용한 VOCs 처리장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 저온촉매를 이용한 VOCs 처리장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 저온촉매인 망간 산화물 촉매의 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 저온촉매인 망간 산화물 촉매의 사진을 나타낸 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 저온촉매를 이용한 VOCs 처리장치의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 (a) VOCs(Volatile Organic Compounds) 함유 가스가 유입되어 가스 내의 불순물 입자 및 수분이 제거되는 전처리 유닛(10); (b) 상기 전처리 유닛(10)에서 전처리된 VOCs 함유 가스 내의 유분을 여과시키는 필터(20); (c) 상기 필터(20)에서 여과된 VOCs 함유 가스를 승온시키는 열교환기(30); (d) 상기 열교환기(30)에서 승온된 VOCs 함유 가스를 저온 촉매 반응온도로 승온시키는 히터(40); 및 (e) 상기 히터(40)에서 승온된 VOCs 함유 가스와 저온 촉매가 반응하여 VOCs가 제거되는 촉매반응 유닛(50)을 포함하는, 저온 촉매를 이용한 VOCs 처리장치를 제공한다.
본 발명에 있어서, VOCs 함유 가스란 VOCs를 함유하는 가스 형태의 것을 의미한다.
또한, 본 발명에 있어서, VOCs는 아세트알데히드, 아세틸렌, 아세틸렌 디클로라이드, 아크롤레인 등일 수 있으나, 저온촉매에 반응하여 제거될 수 있는 VOCs 라면 이에 제한되는 것은 아니다.
[전처리 유닛]
전처리 유닛은 VOCs 함유 가스 내에 포함되어 있는 불순물 입자 및 수분을 제거할 수 있다. 상기 VOCs 함유 가스 내에 포함되어 있는 불순물 입자 및 수분은 저온 촉매의 반응효율을 저하시키므로, 전처리 유닛을 통해 제거하는 것이 바람직하다.
상기 전처리 유닛은 그 내부에 메쉬(mesh) 및 절곡판(holed plate)이 설치될 수 있다.
상기 메쉬는 가스유로가 포함된 그물망 형태로서, 관성충돌에 의해 불순물 입자와 수분을 응집 및 응결시킬 수 있다.
또한, 상기 절곡판은 깃이 달려 있는 절곡판일 수 있으며, 상기 메쉬에 의해 응집 및 응결된 불순물 입자와 수분이 가스에 의해 재비산되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 절곡판에 의해 불순물 입자 및 수분제거 효율이 향상될 수 있다.
이와 같이, 상기 전처리 유닛에서 불순물 입자 및 수분이 제거된 VOCs 함유 가스는 필터로 유입된다.
[필터]
필터는 전처리 유닛으로부터 유입된, 불순물 입자 및 수분이 제거된 VOCs 함유 가스를 여과시킬 수 있다. 특히, 상기 필터는 상기 불순물 입자 및 수분이 제거된 VOCs 함유 가스 내에 존재할 수 있는 유분 입자를 여과에 의해 제거할 수 있다. 유분은 장치의 폐색 및 반응효율을 저하시킬 수 있으므로 제거하는 것이 바람직하다.
상기 필터는 미세한 유분을 제거할 수 있도록, 가스와의 접촉면적을 최대화할 수 있는 웨이브 형태일 수 있다.
상기 필터에서 여과된 VOCs 함유 가스는 열교환기로 유입된다.
한편, 상기 전처리 유닛과 필터는 일체화된 것일 수 있다.
[열교환기]
열교환기는 필터로부터 유입된 VOCs 함유 가스 및 촉매반응 유닛으로부터 유입된 VOCs가 제거된 가스의 열교환이 이루어지게 할 수 있다.
이때, 상기 필터로부터 유입된 VOCs 함유 가스는 통상 상온으로, 촉매반응 유닛으로부터 유입된 VOCs가 제거된 가스에 비해 낮은 온도의 상태로 열교환기에 유입되는데, 열교환기에서 상기 촉매반응 유닛으로부터 유입된 VOCs가 제거된 가스와의 열교환에 의해 승온될 수 있다. 예를 들어, 상기 필터로부터 유입된 VOCs 함유 가스는 15~25℃, 구체적으로는, 20℃일 수 있고, 상기 촉매반응 유닛으로부터 유입된 VOCs가 제거된 가스는 120~250℃일 수 있어, 이들이 열교환기에서 열교환될 수 있다.
상기 열교환기에서 열교환 되어 승온된 VOCs 함유 가스는 촉매반응 온도로 다시 승온 시키기 위해 히터로 유입된다. 이때, 상기 히터는 전기히터 및 스팀히터 중 선택되는 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 열교환기는 배기팬(31)과 연결되어, 촉매반응 유닛에서 반응이 끝난 후 유입된 VOCs가 제거된 가스가 열교환 후 온도가 저하되어 배출될 수 있다.
[히터]
히터는 열교환기로부터 유입되는 VOCs 함유 가스를 저온 촉매반응이 가능하도록, 저온 촉매 반응 온도로 승온시키는 설비로서, 이때, 상기 히터는 전기히터 및 스팀히터 중 선택되는 1종 이상일 수 있다.
특히, 촉매반응유닛의 설치면적을 고려하고, 또한, VOCs 함유 가스의 온도를 단시간에 상승시키기 위해 열선 자체로 발열이 가능한 포큐파인(PORCUPINE) 히터를 사용할 수 있다.
또한, 상기 히터는 3개의 히터가 연결된 3단 히터로 제작하여 온도제어가 용이하게 할 수 있다.
[촉매반응 유닛]
저온 촉매가 내장되어 있는 촉매반응 유닛에서는 상기 저온 촉매와 열교환기로부터 유입된 VOCs 함유 가스가 반응하여 VOCs 함유 가스에 포함된 VOCs를 제거하는 반응이 일어날 수 있다.
촉매반응 유닛에는 촉매를 촉매반응 유닛에 충진 및 배출하기 용이하도록, 촉매층을 수직으로 구성하여 촉매를 충진할 수 있으며, 촉매반응 유닛에 촉매를 수직 방향으로 충진함으로써, 촉매층과 VOCs 함유 가스와의 접촉이 이루어지지 않는 데드 존(dead zone)을 최소화할 수 있고, 촉매층에서 가스의 흐름이 편류되지 않게 가스 흐름 유도판을 장착하여, 접촉효율을 최대화할 수 있다.
이때, 상기 저온 촉매는 또한 망간 산화물 촉매일 수 있다. 상기 망간 산화물 촉매는 활성화 에너지가 낮아서 반응성이 뛰어나고, 망간의 산화상태가 다양하여 촉매로서의 적용 용도가 다양할 수 있다. 또한, Octahedral의 3차원 구조로서 촉매반응을 위한 흐름이 우수하고, 표면적이 높으며, 촉매반응 속도가 느려 에너지 소모가 적은 장점이 있다.
또한, 상기 망간 산화물 촉매는 입경이 3~8mm인 펠렛(pellet) 형태일 수 있다. 또한, 상기 망간 산화물 촉매는 도 2에 도시된 바와 같이 50~100nm 크기의 공극이 형성된 침상형 형태일 수 있으며, 이때, 공극에 의해 넓은 표면적을 가진 망간 산화물 촉매를 제조할 수 있어, 촉매 사이에서 VOCs의 이동이 원활하여 촉매반응을 촉진시킬 수 있다.
상기 저온 촉매는 120~250℃에서 촉매반응이 발생할 수 있다. VOCs는 종류에 따라 촉매에 반응하는 온도가 상이하며, 상기 저온 촉매의 촉매반응 온도 범위 내에서 다양한 종류의 VOCs를 제거할 수 있다.
한편, 상기 촉매반응 유닛은 촉매반응의 효율을 최대화하기 위해 연속적인 가스의 유입과 촉매반응온도가 중요하므로, 송풍기 및 인버트를 이용하여 VOCs 함유 가스 처리를 위해 필요한 처리 풍량을 제어할 수 있고, 온도제어를 용이하게 할 수 있다.
또한, 상기 촉매반응 유닛에는 비상 배기 팬(51)이 연결되어 있어, 정전이 되거나, 촉매반응 유닛 내부의 촉매의 온도가 과도하게 높아지거나, 촉매반응 유닛 내에 VOCs가 잔존하여 발생할 수 있는 폭발 및 화재의 위험을 방지할 수 있다. 즉, 상기 비상 배기 팬을 이용하여 촉매반응유닛 내부의 VOCs 함유 가스를 배기시키는 동시에 촉매온도를 하강시켜 안전하게 시스템을 유지할 수 있다.
또한, 상기 촉매반응 유닛에서 촉매반응 후 배출되는, VOCs가 제거된 가스는 열교환기를 통과한 후 온도가 저하되어 배출됨으로써 고온가스에 의한 배기팬의 수명단축을 방지하고, 에너지를 회수하여, 촉매승온을 위한 에너지 비용을 최소화할 수 있다.
전술한 바와 같은, 저온촉매를 이용한 VOCs 처리장치를 이용할 경우, 촉매반응 온도가 상이한 VOCs 를 효율적으로 제거할 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
10: 전처리 유닛
20: 필터
30: 열교환기
31: 배기팬
40: 히터
50: 촉매반응 유닛
51: 비상 배기팬
20: 필터
30: 열교환기
31: 배기팬
40: 히터
50: 촉매반응 유닛
51: 비상 배기팬
Claims (6)
- (a) VOCs(Volatile Organic Compounds) 함유 가스가 유입되어 가스 내의 불순물 입자 및 수분이 제거되는 전처리 유닛;
(b) 상기 전처리 유닛에서 전처리된 VOCs 함유 가스 내의 유분을 여과하여 제거시키는 필터;
(c) 상기 필터에서 여과된 VOCs 함유 가스를 승온시키는 열교환기;
(d) 상기 열교환기에서 승온된 VOCs 함유 가스를 120℃ 이상 150℃ 미만의 온도로 승온시키는 히터; 및
(e) 상기 히터에서 승온된 VOCs 함유 가스와, Octahedral의 3차원 구조이고, 입경이 3~8mm인 펠렛(pellet) 형태이며, 50~100nm 크기의 공극이 형성된 침상형 형태인 망간 산화물 촉매가 반응하여 VOCs가 제거되는 촉매반응 유닛을 포함하고,
상기 망간 산화물 촉매는 촉매반응 유닛 내부에 수직으로 충진되는 것을 특징으로 하는 망간 산화물 촉매를 이용한 VOCs 처리장치.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 촉매반응 유닛은 송풍기 및 히터에 의해 작동이 제어되는 것을 특징으로 하는 망간 산화물 촉매를 이용한 VOCs 처리장치.
- 제1항에 있어서,
상기 열교환기는 촉매반응 유닛에서 촉매반응 후 VOCs가 제거된 가스가 유입되고 상기 VOCs가 제거된 가스는, 필터에서 여과되어 열교환기로 유입된 VOCs 함유 가스를 승온시키는 것을 특징으로 하는 망간 산화물 촉매를 이용한 VOCs 처리장치.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR102099599B1 (ko) | 2019-09-26 | 2020-04-14 | (주)상원기계 | 산업용 하이브리드 방식 모듈형 VOCs 처리장치 |
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