KR101623520B1 - 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치 - Google Patents

마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치 Download PDF

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Abstract

마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치가 개시된다. 본 발명은 마이크로웨이브를 이용하여 가열한 가열재를 통하여 유해가스를 제거할 수 있는 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치는 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스가 유입되는 유입구와 배출구가 구비된 반응 케이스; 상기 케이스 내부에 설치되고 상기 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스에 고온의 열원을 제공하는 실리콘 카바이드(SiC)로 이루어진 고온발열체; 상기 고온발열체에 마이크로웨이브를 조사하여 고온발열체를 발열시키는 복수개의 마그네트론; 상기 반응 케이스 유입구에 설치되어 상기 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스의 유량을 조절하는 블로워; 상기 고온발열체 내부에 구비된 상기 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스의 유통로에 설치되어 그 온도를 센싱하는 제1온도센서; 상기 제1온도센서에 의해 감지된 온도를 매개로 상기 블로워를 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치 {Purifying apparatus for VOCs and industrial waste gas}
본 발명은 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로웨이브를 이용하여 가열한 가열재를 통하여 유해가스를 제거할 수 있는 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치에 관한 것이다.
일반적으로, 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds ; 이하 VOCs)은 지방족화합물(파라핀계, 올레핀계 탄화수소 등)과 방향족 화합물(벤젠, 톨루엔, 크실렌, 탄화수소 등), 암모니아, 알코올, 알데히드, 케톤, 에테르 등의 질소, 산소 원소를 포함하거나 클로로포름(Chloroform), 트리클로로에틸렌(Trichroloethylene) 등의 할로겐원소를 포함하는 화합물 등을 포함한 탄화수소의 총칭이다. VOCs는 대기 중에 배출되어 광화학 반응에 의해 광화학옥시던트를 생성하고 그로 인해 대기오염을 야기시켜 유무형 피해를 가져오는 것으로 알려져 있다.
VOCs를 경제적이고 효과적으로 제어하기 위해서는 적절한 방지기술의 선정이 중요하며, 회수/재사용 및 분해기술이 널리 알려져 있다. 배출되는 VOCs가 단일배출구에서 높은 농도로 배출되고 경제성이 있다면 회수 시설을 설치하는 것이 바람직하고, 단일물질이 아닌 혼합물질이나 유해물질인 경우 또는 회수가치가 없을 때에는 회수시설보다도 분해시설을 설치해야 된다.
VOCs의 회수방법으로는 흡착(adsorption), 세정(scrubbing), 저온응축(cryogenic condensation)이 있고, 분해방법으로는 열 소각(thermal oxidation), 촉매소각(catalytic oxidation), 생물여과(bio filtration) 기술이 있다
일반적인 회수 방법 중 가장 많이 사용되고 있는 흡착법은 오염물질의 제거효율이 높고, 저농도 배출가스 제어가 쉬우며, 공정상 생성물의 회수가 가능하면서 공정변경 시 제어 및 대응이 우수하다는 장점이 있다. 그러나 흡착제 재생에서 발생되는 폐수, 재생횟수 증가에 따른 흡착능력 감소, 운전비 증가, 설치에 필요한 큰 대지 등의 단점을 갖고 있다. 흡착제의 흡착ㆍ재생방식은 온도차에 의한 TSA(thermal swing adsorption)방법을 사용하는데 열매체(steam, hot air)의 가열을 위한 장치를 준비해야 하고, 반응기의 국부적인 온도 편차를 줄이기 위해 고온에서 가열해야 하며, 재생 후 흡착제의 수분을 제거하기 위한 열소비 등 에너지 비용이 크다는 중요한 문제점을 안고 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 마이크로웨이브와 고열발열체를 접목하여 개발한 마이크로웨이브 장치를 이용하여 기존의 대기오염방지시설의 문제점인 과도한 전력사용억제와 장치의 유지보수 체계의 간소화를 동시에 달성시켜 차후 국내의 보급,확대하여 대기오염문제를 개선하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은, 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스가 유입되는 유입구와 배출구가 구비된 반응 케이스; 상기 케이스 내부에 설치되고 상기 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스에 고온의 열원을 제공하는 실리콘 카바이드(SiC)로 이루어진 고온발열체; 상기 고온발열체에 마이크로웨이브를 조사하여 고온발열체를 발열시키는 복수개의 마그네트론; 상기 반응 케이스 유입구에 설치되어 상기 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스의 유량을 조절하는 블로워; 상기 고온발열체 내부에 구비된 상기 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스의 유통로에 설치되어 그 온도를 센싱하는 제1온도센서; 상기 제1온도센서에 의해 감지된 온도를 매개로 상기 블로워를 제어하는 제어부;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 반응 케이스는 상부에는 상기 마그네트론이 위치하고, 하부에는 제어부가 위치한다.
바람직하게는, 상기 고온발열체는 플레이트 형상의 상하 수평부재와 그 사이에 설치되는 복수개의 수직부재로 구성되어, 상기 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스의 유통로의 단면이 사각형을 이룬다.
바람직하게는, 상기 고온발열체의 외면에는 발생된 열을 저장하는 축열재와, 단열하는 단열재가 더 구비된다.
바람직하게는, 상기 유입구에는 제2온도센서가, 상기 배출구에는 제3온도센서가가 각각 설치되고, 그 온도 측정 결과는 상기 제어부로 수신되어, 상기 제어부가 상기 블로워를 제어한다.
바람직하게는, 상기 고온발열체는 원통형으로 배열되는 복수개의 가지관으로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 고온발열체는 상기 가지관을 통과한 가스가 서로 혼합되는 복수개의 혼합공간을 구비한다.
바람직하게는, 상기 혼합공간에는 팬이 구비된다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 본 발명에 의한 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치는 휘발성유기화합물질 및 산업폐가스 제거에 소요되는 가동 전력을 최소화하여 전력의 사용량을 절감하고, 가스 제거 설비의 유지 및 보수에 소요되는 인적, 물적 자원을 대폭 감소할 수 있다.
(2) 본 발명에 의한 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치는 유지관리비용이 과다 발생되는 축열식연소장치(RTO)의 가스, 촉매산화의 촉매, 흡착탑의 활성탄보다 비용을 절감 할 수 있으며 효율적으로 유해가스의 처리도 가능하다.
(3) 본 발명에 의한 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치는 도장설비, 소각로, 제철설비, 발전소 등 휘발성유기화합물질 및 악취 등이 발생하는 사업장에 활용 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 의한 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 의한 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치의 우측면도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 의한 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치의 좌측면도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 의한 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 의한 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치의 정면도이다.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 반응 케이스(10), 고온 발열체(20), 마그네트론(30), 블로워(50)를 구비한다.
상기 반응 케이스(10)에는 유입관(11)과 배출관(12)이 연결되어 상기 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스가 유입관(11)으로 유입된 다음 고열에 반응하여 제거된 다음 배출관(12)으로 배출된다.
상기 유입관(11)에는 블로워(50)가 연결되어 블로워(50)의 압력에 의해 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스가 유통로(20a)를 이동하게 된다.
상기 블로워(50)에는 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스가 수집되어 이동되는 수집관(11a)에 연결되고, 이를 흡입하여 유입관(11)을 통하여 반응 케이스(10)의 고온 발열체(20) 쪽으로 공급하게 된다.
상기 고온 발열체(20)는 실리콘 카바이드(SiC)로 이루어진다. 상기 고온 발열체(20)는 편편한 플레이트 형상의 상하부 플레이트(21)와 상기 상하부 플레이트(21) 사이에 수직 플레이트(22)가 수직으로 세워져 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스의 유통로(20a)가 형성된다. 따라서 상기 상하부 플레이트(21)와 수직 플레이트(22)에 의해 단면이 직사각형 형태의 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 유통로(20a)가 형성된다. 상기 고온 발열체(20)의 외면에는 보온재(23)가 채워지도록 구비되어 열효율을 극대화시킨다.
본 발명에서 사용된 SiC(Silicon Carbride, SiC)는 고순도의 탄화규소를 주원료로, 고온 재결정을 통하여 만들어진 봉 모양 혹은 관(pipe) 모양의 비금속 전기 발열체이다. 최대 발열체의 표면온도는 1,600 ℃ 까지 사용할 수 있으며, SiC 고온발열체는 참여기관인 ㈜세종플랜트에서 제안하였다. 공업용으로 사용할 경우에는 600 ~ 1500 ℃사이의 로내 분위기에서 사용할 수 있으며, 진공인 경우에는 11,200 ℃(1/1000 Torr)까지 사용 가능하다. 단위면적당 발열량이 니크롬선 등의 금속발열체보다 5 ~ 10배 높으며 화학적으로는 안정되어 있고, 기체나 액체연료에 비해 대기오염, 소음공해가 없는 환경에 좋은 열원이다. 세라믹스의 가열, 범랑제품, 금속열처리, 유리공업의 온도 상승 시, 금속의 용해나 보온 시, 치과기공소와 실험실, 브레이징로에 사용된다.
상기 SiC 고온발열체는 소성시간이 1 ~ 3시간으로 신속성이 있고, 승온, 유지, 냉각이 자유로운 가열패턴이 있다.
또, SiC 고온 발열체는 경량 단열재를 사용했기 때문에 상용온도까지 약 2시간 내에 승온 가능한 급속승온이 가능하고, 밑판이 불필요하고 또한 얇은 두께의 세터를 사용하기 때문에 응답이 좋고 효율적이며 안정된 품질이 얻어지는 고효율을 갖는다.
또, SiC 고온 발열체는 성형으로부터 소성, 회수에 이르기까지의 자동화 라인의 조립이 쉽고 컴퓨터의 조립에 의해 무인화 가능하여 전자동화가 가능하고, 전력 제어반은 로의 아래쪽에 설치되어 공간을 유효하게 이용할 수 있는 컴팩트한 설계가 가능하며, 로체가 유닛화 되어 증설이나 연장 등이 쉬워 유닛화가 또한 가능하다.
그리고, 전기로에서는 로내 분위기의 각종 조정이 가능하고, 탄화규소(SiC), 무라이트(수축이 적은 마찰 재료) 등이 적재적소에 사용이 가능하다.
상기 마그네트론(30)의 반응 케이스(10) 상부에 설치되어 있다. 통상 복수개의 마그네트론(30)을 설치하되, 용량을 고려하여 설계하면 된다.
상기 마그네트론(30)에 의해 발생되는 마이크로웨이브는 전자 에너지의 일종으로서 파장이 약 1 mm에서 1 m의 단위로 측정되는 전자파의 총칭이다. 주파수로는 300 MHz에서 300 GHz 사이를 마이크로웨이브로 규정하고 있다. 마이크로웨이브는 현재 사용되는 전파 중에서 파장이 짧고, 빛에 가까운 성질을 겸비하고 있다. 이러한 특성을 이용해서 원격탐지, 레이더, 네비게이션, 스펙트로스코피 등에 널리 응용되고 있다. 마이크로웨이브의 특징은 파장이 조사될 때 금속에 닿으면 완전히 반사되어서 영향을 미치지 않는다. 그러나 비금속인 유전체에 마이크로웨이브가 조사되면, 특성에 대응하여 전자파가 유전체의 내부로 침투하고, 고주파 전계와 자계를 가한다. 유전체의 내부는 양이온과 그 근방에 속박된 음이온, 전자가 서로 상쇄되어 있고, 전계가 "0"인 상태로 되어 있다. 내부에 강한 전계를 가하면 이온과 전자의 쌍이 전계의 방향으로 정렬되고, 전계가 역으로 바뀌면, 이온, 전자쌍의 방향도 역의 배열로 변한다. 이와 같이 분자 내에서 쌍극자의 회전이나 진동이 발생하고, 그 내부 마찰로부터 열이 방생하게 되는데 이러한 가열법을 마이크로웨이브 가열이라 한다. 본 발명에서는 이러한 가열 특성을 사용한다.
상기 블로워(50)는 통상의 블로워를 사용하는 바, 오염된 가스인 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스를 흡입하여 상기 유입관(11)으로 유입되도록 압력을 제공하게 된다. 물론 상기 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스는 상기 블로워(50)의 압력에 의해 유통로(20a)를 통과하여 배출관(12)를 통과하여 배출된다.
상기 블로워(50)의 작동은 패널로 장착된 제어부(40)에 의해 제어된다. 즉 제어부(40)의 판단에 따라 블로워(50)의 작동 on/off와 회전속도를 제어하여 유입되는 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스의 양을 조절하게 된다.
한편, 본 발명의 제2실시예에 의한 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스의 제거장치가 도 3 내지 도 6에 도시되어 있다.
상기 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치는 반응 케이스(110)와, 상기 반응 케이스(110) 내부에 설치된 고온 발열체(120)와, 상기 고온 발열체(120)를 발열시키는 마그네트론(130)으로 구성된다.
상기 반응 케이스(10) 내부에는 고온 발열체(120)가 설치된다. 고온 발열체(120)는 제1실시예에서와 같이 그 단면을 직사각형으로 할 수도 있고, 원형으로 할 수도 있다. 여기서는 원형의 모양으로 구성하였다.
상기 고온 발열체(120)는 유통로(120a)를 갖는 원통형 파이프 형태로 구비되고, 그 외부에는 보온재(121)가 역시 원통형으로 설치되어 있다.
도 3을 참고하면, 상기 고온 발열체(120)의 왼쪽에는 유입관(111)이 연결되어 있고, 오른쪽에는 배출관(112)이 연결되어 있다.
상기 유입관(111)은 블로워(150)에 연결되어 있고, 상기 블로워(150)는 제1실시예와 마찬가지로 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스를 이동시키는 압력을 제공하게 된다.
상기 반응 케이스(110) 상부에는 복수개의 마그네트론(130)이 설치되어, 상기 고온 발열체(120)를 마이크로웨이브 가열하게 된다.
특히, 제2실시예에서는 상기 고온 발열체(120)의 유통로(120a)에 제1온도센서(160)가 설치되어 있고, 상기 유입관(111)에 제2온도센서(170)가 설치되며, 상기 배출관(112)에 제3온도센서(180)가 설치되어 있다.
상기 제1, 2, 3 온도센서(160,170,180)는 그 감지된 측정 온도 값을 제어부(140)로 송신하고 상기 제어부(140)는 수신된 온도 값들을 연산하여 블로워(150)의 on/off와 회전속도를 제어하게 된다. 이렇게 감지된 온도 값을 따라 블로워(150)를 제어함으로써 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스를 효율적으로 완전하게 제거할 수 있게 된다.
한편, 도 7에는 본 발명의 제3실시예에 의한 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스의 제거장치가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 반응 케이스(210), 마그네트론(230), 블로워(250)의 구성은 전번 실시예와 동일하다. 차이점은 반응 케이스(210) 내부에 설치되는 고온 발열체(220)의 구성에 있다.
상기 고온 발열체(220)는 복수개의 가지관(220a)들이 원통형으로 일정 간격을 두고 배치되는 구성을 가지고, 중앙에는 팬(222)을 설치하기 위하여 가지관이 없는 공간인 중앙공간(220b)이 형성되어 있다.
상기 가지관(220a)을 통과한 가스가 서로 혼합되도록 혼합공간(220c)이 구비되어 있고, 그 다음 다시 가지관(220a)이 원통형 형태로 배열되어 설치되는 것이 반복되는 구조를 갖는다. 즉 가지관(220a)을 통과한 가스가 상기 혼합공간(220c)에서 서로 혼합되어 열 교환이 이루어진 다음, 다시 가지관(220a)을 통과하고, 한 번 더 서로 혼합공간(220c)에서 섞이게 되는 흐름을 반복하도록 구성된 것이다.
이러한 구성에 의해 통과하는 가스의 온도편차가 줄어들어 확실한 제거효율을 보여주게 된다.
더불어, 모터(223)에 의해 구동되는 팬(222)이 혼합공간(220c)마다 설치되어 있기 때문에 더욱 온도편차를 줄여 반응을 진행하게 된다.
또, 상기 가시관(220a)의 외곽에는 단열재(224)가 설치되어 있고, 혼합공간(220c)의 외곽에는 축열재(225)가 설치되어 있다. 이러한 단열재(224)와 축열재(225)의 구성은 서로 교체하거나 병합하여 이중으로 설치할 수도 있음은 물론이다.
상기 유입관(211)과 배출관(212), 그리고 고온 발열체(220) 내부에는 각각의 온도센서(260,270,280)가 설치되는 것은 전술한 실시예와 동일하다.
따라서 블로워(250)에 의해 유입관(211)을 통과한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스는 고온 발열체(220) 내부로 유입된 다음 가지관(220a)과 혼합공간(220c)을 통과하면서 독성이 제거된다. 그 다음 마지막으로 배출관(212)을 통과하여 배출된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10, 110, 210 : 반응 케이스
11, 111, 211 : 유입관 12, 112, 212 : 배출관
20, 120, 220 : 고온 발열체 30, 130, 230 : 마그네트론
40, 140, 240 : 제어부 50, 150, 250 : 블로워

Claims (8)

  1. 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스가 유입되는 유입구와 배출구가 구비된 반응 케이스;
    상기 케이스 내부에 설치되고 상기 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스에 고온의 열원을 제공하는 실리콘 카바이드(SiC)로 이루어진 고온발열체;
    상기 고온발열체에 마이크로웨이브를 조사하여 고온발열체를 발열시키는 복수개의 마그네트론;
    상기 반응 케이스 유입구에 설치되어 상기 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스의 유량을 조절하는 블로워;
    상기 고온발열체 내부에 구비된 상기 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스의 유통로에 설치되어 그 온도를 센싱하는 제1온도센서; 및
    상기 제1온도센서에 의해 감지된 온도를 매개로 상기 블로워를 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 고온발열체는 원통형으로 배열되는 복수개의 가지관으로 이루어지고, 상기 고온발열체는 상기 가지관을 통과한 가스가 서로 혼합되는 복수개의 혼합공간을 구비하며, 상기 혼합공간에는 팬이 구비된 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응 케이스는 상부에는 상기 마그네트론이 위치하고, 하부에는 제어부가 위치한 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고온발열체는 플레이트 형상의 상하 수평부재와 그 사이에 설치되는 복수개의 수직부재로 구성되어, 상기 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스의 유통로의 단면이 사각형을 이루는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고온발열체의 외면에는 발생된 열을 저장하는 축열재와, 단열하는 단열재가 더 구비된 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유입구에는 제2온도센서가, 상기 배출구에는 제3온도센서가가 각각 설치되고, 그 온도 측정 결과는 상기 제어부로 수신되어, 상기 제어부가 상기 블로워를 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물질 및 산업 폐가스 제거장치.
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