KR101661601B1 - 폐가스로부터의 voc 제거 및 악취 개선 장치 - Google Patents

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Abstract

폐가스로부터의 VOC(volatile organic compond) 제거 및 악취 개선 장치가 개시된다. 개시된 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치는 직결 연결된 복수의 촉매산화유닛을 구비한다.

Description

폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치{Apparatus for removing VOC and reducing bad smell from waste gas}
폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치가 개시된다. 보다 상세하게는, 직렬 연결된 복수의 촉매산화유닛을 포함하는 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치가 개시된다.
반도체 공정 등에서 배출되는 배기가스는 일반적으로 폐가스(waste gas)로 지칭된다. 이러한 폐가스는 VOC(volatile organic compound)를 함유하여 인체에 유해하기 때문에 대기로 방출되기 전에 처리되어야 한다.
이와 같이 VOC를 함유하는 폐가스를 처리하는 기술로는, 세정(wet scrubbing), 흡착(adsorption) 및 연소(산화)와 같은 방법이 있다. 그러나, 세정은 대부분의 VOC가 물에 대한 용해도가 높지 않아 높은 성능을 기대할 수 없으며, 흡착은 요구되는 흡착제(adsorbnet)의 양이 많아 설치부지가 크고 교체주기가 짧아 폐기물 처리비용 등의 운영비가 과다하고 운영성이 열악하다. VOC 자체가 가지고 있는 열량을 고려할 때 연소 방법이 효율 및 운영성을 고려할 경우 가장 적절한 방법이다.
연소에 의한 처리방법은 크게 직접 열산화 방식(thermal oxidation, TO), 촉매 열산화 방식(catalyst thermal oxidation, CTO), 축열식 열산화 방식(regenerative thermal oxidation, RTO)으로 구분될 수 있다. 직접 열산화 방식(TO)은 연료의 소모량이 지나치게 크며, 이로 인한 열적 질소산화물(thermal NOx)의 발생량이 크다는 단점이 있고, 촉매 열산화 방식(CTO)은 촉매에 의한 초기 투자비가 크고 주기적으로 촉매를 교체해야 한다는 단점이 있다. 따라서, 근래 실제 산업현장에서는 상대적으로 연료 소모량이 적고 초기 투자비가 낮으면서도 촉매 교체비용이 발생하지 않는 축열식 열산화 방식(RTO)이 선호되고 있다. 특히, 반도체 공정의 특성인 규소(Si)를 포함하는 유기물이 폐가스에 포함되어 유입될 경우, 상기 폐가스를 500℃ 이하의 낮은 온도에서 촉매를 사용하여 산화시키게 되면 상기 촉매의 표면에서 비가역 화학흡착이 발생하고, 이에따라 촉매 활성이 저하되는 문제점이 있다.
도 1은 폐가스 중의 VOC를 고온으로 소각하여 제거하는 종래의 고온 축열식 열산화 장치(RTO: regenerative thermal oxidizer)(10)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 축열식 열산화 장치(10)는 가스 입구(11), 유로 변경유닛(18-1, 18-2), 축열체(heat reservoir)(14-1, 14-2), 연소 구역(13), 버너 유닛(15), 연소공기 공급팬(16), 배기팬(17) 및 가스 출구(12)를 포함한다.
이하, 축열식 열산화 장치(10)의 작용 및 효과를 상세히 설명한다.
먼저, 폐가스(미도시)가 가스 입구(11)로 유입되어 유로 변경유닛(18-1)를 거쳐 축열체(14-1)로 유입된다. 이때, 축열체(14-1)의 열이 상기 폐가스로 전달되어 상기 폐가스 및 연소 영역(13)의 온도는 상승하고, 축열체(14-1)의 온도는 하강한다. 이에 따라, 버너 유닛(15)이 연소 영역(13)에 공급하는 열량이 감소하여 연료(FUEL)의 사용량을 절감할 수 있다.
이후, 연소 영역(13)에서 상기 폐가스 중의 VOC가 산화되어 인체에 무해한 이산화탄소와 물로 전환된다. 상기 연소 영역(13)은, 버너 유닛(15)의 작용에 의해, 버너 유닛(15)에서 공급된 연료와 연소공기 공급팬(16)에서 공급된 공기의 연소 반응이 일어나는 장소이다.
이어서, 연소 영역(13)을 통과한 폐가스가 축열체(14-2)로 유입된다. 이때, 상기 폐가스의 열이 축열체(14-2)로 전달되어 상기 폐가스의 온도는 하강하고, 축열체(14-2)의 온도는 상승한다.
이후, 축열체(14-2)에서 배출된 폐가스는 유로 변경유닛(18-2)과 배기팬(17)을 거쳐 가스 출구(12)를 통해 외부로 배출된다.
상기와 같은 방식으로 축열식 열산화 장치(10)가 장시간 운전될 경우, 축열체(14-1)의 열은 고갈되고, 축열체(14-2)의 열은 포화된다. 이 경우, 유로 변경유닛(18-1, 18-2)에 의해 폐가스의 유로가 변경되어 상기 폐가스는 축열체(14-2)를 거쳐 축열체(14-1)로 유입되는 방향으로 흐른다. 이 경우에는, 축열체(14-2)의 열이 가스 입구(11)를 통해 축열체(14-2)로 유입된 폐가스로 전달되고, 연소 영역(13)을 통과한 폐가스의 열이 축열체(14-1)로 전달된다.
상기와 같이 축열식 열산화 장치(10)는, 폐가스의 유로가 축열체(14-1, 14-12)의 축열 상태에 따라 유로 변경유닛(18-1, 18-2)의 작용으로 교대로 변경되는 방식으로 운전된다. 이러한 유로 변경유닛(18-1, 18-2)으로는 댐퍼 또는 로터리 디버터 밸브가 사용될 수 있다.
그러나, 유로 변경유닛(18-1, 18-2)은 잦은 유로 변경 조작으로 인해 내구성이 약해져서 수명이 짧아지거나, 작동시 폐가스를 누출시켜 악취를 발생시키는 문제점이 있다. 또한, VOC의 완전한 산화를 위해서는 연소 영역(13)의 온도를 800~850℃로 유지할 필요가 있는데, 이때 공기 중의 질소와 산소가 반응하여 열적 질소산화물을 생성시켜 2차 대기오염을 야기하고, 또한 그 자체가 악취 유발 물질인 질소산화물(NOx)에 의해 추가로 악취가 발생하는 문제점이 있다. 특히, 반도체 공정 등에서 배출되는 폐가스에는 규소(Si)가 포함된 VOC류가 다량 포함되어 있어, 상기 규소가 고온에서 이산화규소(SiO2) 등의 고형(solid) 물질로 산화된다. 상기 고형 물질은 축열체의 상부에 침적되어 상기 축열체의 기공을 막아 설비의 원활한 흐름을 방해한다. 이때, 이산화규소(SiO2)와 같은 비정질 물질(amorphous substance)은 그 고유의 특성으로 인하여 고체 상태에서 액체 상태로 완전히 융해되는 과정에서 온도가 상승함에 따라 서서히 겔화(gelation)되어 유리와 같은 형태로 바뀌게 되는데 이 물질이 축열체를 통과하지 못하고 침적된다. 이로 인해, 설비간 압력 손실이 증가하여 폐가스의 배기불량과 관련된 문제를 일으킬 수 있으며, 주기적인 내부 보수 및 청소가 필요하게 되며, 특히 상부에 설치된 축열체로 유입되는 규소(Si) 화합물의 농도에 따라 상기 축열체를 0.5년 내지 2년 주기로 교체하여야 하는 문제점이 있다.
본 발명의 일 구현예는 직렬 연결된 복수의 촉매산화유닛을 포함하는 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면은,
폐가스로부터 VOC(volatile organic compond) 및 악취를 제거하는 장치로서, 직결 연결된 복수의 촉매산화유닛을 구비하는 장치를 제공한다.
상기 장치는 연료와 공기의 연소 반응 및 VOC의 산화반응이 일어나는 제1 촉매산화유닛, VOC의 산화반응이 일어나는 제2 촉매산화유닛 및 이들 사이에 배치된 열교환기를 구비할 수 있다.
상기 장치는 상기 제2 촉매산화유닛으로부터 폐가스를 흡입하여 외부로 배출하는 배기팬, 및 상기 제2 촉매산화유닛과 상기 배기팬 사이에 배치된 추가 열교환기를 더 구비할 수 있다.
상기 추가 열교환기는 외부로부터 저온 폐가스를 공급받고, 상기 제2 촉매산화유닛으로부터 고온 폐가스를 공급받아, 상기 저온 폐가스와 상기 고온 폐가스 간에 열교환을 실시한 후, 상기 열교환된 저온 폐가스는 상기 열교환기로 공급하고, 상기 열교환된 고온 폐가스는 상기 배기팬으로 공급할 수 있다.
상기 열교환기는 상기 추가 열교환기로부터 저온 폐가스를 공급받고, 상기 제1 촉매산화유닛으로부터 고온 폐가스를 공급받아, 상기 저온 폐가스와 상기 고온 폐가스 간에 열교환을 실시한 후, 상기 열교환된 저온 폐가스는 상기 제1 촉매산화유닛으로 공급하고, 상기 열교환된 고온 폐가스는 상기 제2 촉매산화유닛으로 공급할 수 있다.
상기 장치는 상기 제1 촉매산화유닛에 결합된 버너 유닛을 더 구비할 수 있다.
상기 버너 유닛은 상기 제1 촉매산화유닛내에서 연소 반응을 일으킬 수 있다.
상기 장치는 상기 버너 유닛에 공기를 공급하는 연소공기 공급팬을 더 구비할 수 있다.
상기 제1 촉매산화유닛에 결합되어 상기 제1 촉매산화유닛에 열을 공급하는 전기 히터를 더 구비할 수 있다.
상기 폐가스는 500 내지 3,000ppm(총탄화수소의 부피 기준)의 VOC 농도를 가질 수 있다.
상기 제1 촉매산화유닛은 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)으로부터 선택된 적어도 1종의 귀금속; 구리(Cu), 코발트(Co), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 은(Ag) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 전이금속; 이들의 혼합물; 또는 이들의 합금으로부터 제조된 산화촉매를 포함할 수 있다.
상기 제1 촉매산화유닛은 600 내지 800℃ 미만에서 작동될 수 있다.
상기 제2 촉매산화유닛은 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)으로부터 선택된 적어도 1종의 귀금속; 구리(Cu), 코발트(Co), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 은(Ag) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 전이금속; 이들의 혼합물; 또는 이들의 합금으로부터 제조된 산화촉매를 포함할 수 있다.
상기 제2 촉매산화유닛은 300 내지 450℃에서 작동될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치는 폐가스로부터 VOC 및 악취를 고효율로 제거할 수 있다.
도 1은 폐가스 중의 VOC를 고온으로 소각하여 제거하는 종래의 고온 축열식 열산화 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 폐가스로부터의 VOC(volatile organic compound) 및 악취 제거장치를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치(100)는 가스 입구(101), 추가 열교환기(103), 열교환기(104), 제1 촉매산화유닛(105), 제2 촉매산화유닛(106), 버너 유닛(107), 연소공기 공급팬(108), 배기팬(109) 및 가스 출구(102)를 구비한다.
가스 입구(101)는 외부로부터 VOC를 함유하는 폐가스를 유입시키는 통로이다.
추가 열교환기(103)와 열교환기(104)는 저온 폐가스와 고온 폐가스 간의 열교환을 실시하는 역할을 수행한다. 추가 열교환기(103)와 열교환기(104)에 유입되는 저온 폐가스와 고온 폐가스는 서로 상이한데, 이에 대하여는 하기 내용을 참조하기 바란다.
추가 열교환기(103)는 가스 입구(101)를 통해 외부로부터 폐가스(즉, 제1 저온 폐가스)를 공급받고, 제2 촉매산화유닛(106)으로부터 제1 고온 폐가스를 공급받아, 상기 제1 저온 폐가스와 상기 제1 고온 폐가스 간에 열교환을 실시한 후, 상기 열교환된 제1 저온 폐가스(즉, 제2 저온 폐가스)를 열교환기(104)로 공급하고, 상기 열교환된 제1 고온 폐가스(즉, 제2 고온 폐가스)를 배기팬(109)으로 공급하여 가스 출구(102)를 통해 외부로 배출한다.
열교환기(104)는 추가 열교환기(103)로부터 상기 제2 저온 폐가스를 공급받고, 제1 촉매산화유닛(105)으로부터 제3 고온 폐가스를 공급받아, 상기 제2 저온 폐가스와 상기 제3 고온 폐가스 간에 열교환을 실시한 후, 상기 열교환된 제2 저온 폐가스(즉, 제3 저온 폐가스)를 제1 촉매산화유닛(105)으로 공급하고, 상기 열교환된 제3 고온 폐가스(즉, 제4 고온 폐가스)를 제2 촉매산화유닛(106)으로 공급한다.
제1 촉매산화유닛(105)은 연료와 공기의 연소 반응 및 열교환기(104)로부터 공급된 상기 제3 저온 폐가스에 함유된 VOC의 산화반응이 일어나는 장소이다. 상기 연소 반응에 의해 상기 제3 저온 폐가스가 가열되고, 이 과정에서 상기 VOC 중의 적어도 일부가 1차적으로 산화되어 이산화탄소와 물로 전환된다.
제1 촉매산화유닛(105)은 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)으로부터 선택된 적어도 1종의 귀금속; 구리(Cu), 코발트(Co), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 은(Ag) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 전이금속; 이들의 혼합물; 또는 이들의 합금으로부터 제조된 산화촉매(110)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 「산화」 및 「산화촉매」란 각각 VOC 및/또는 일산화탄소(CO)를 산화시켜 이산화탄소(CO2)와 물로 전환시키는 반응 및 촉매를 의미한다.
이와 같이 제1 촉매산화유닛(105)은 이에 포함된 산화촉매(110)의 작용으로 인해 600 내지 800℃ 미만(예를 들어, 600 내지 780℃)의 비교적 낮은 온도에서 작동되더라도, 상기 VOC 중의 일부를 2차적으로 산화시킬 수 있다. 이러한 작동 온도(600 내지 800℃ 미만)는 도 1의 축열식 열산화 장치(10)의 연소 영역(13)의 온도인 800~850℃ 보다 50~250℃ 낮은 것으로, 이와 같이 낮은 온도에서는 NOx의 생성량이 적어 NOx로 인한 악취의 발생량이 감소한다. 또한, 반도체 공정 등에서 유입되는 규소(Si)를 포함하는 VOC 물질이 산화되어 형성된 부산물인 이산화규소(Si02)와 같은 비정질 물질이 겔화(gelation)되는 온도가 800℃ 이상이기 때문에, 도 1의 축열식 열산화 장치(10)의 연소 영역(13)의 온도인 800~850℃에서 겔화되었던 이산화규소(Si02)와 같은 고형 물질이, 도 2의 제1 촉매산화유닛(105)의 온도인 600 내지 800℃ 미만에서는 겔화되지 않아 산화촉매(110)에서 겔화에 의한 막힘이 발생하지 않는다. 이에 따라, 도 2의 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치(100)는 도 1의 축열식 열산화 장치(10)의 문제점인 설비 간 압력 손실이 증가하여 폐가스의 배기 불량과 관련된 문제가 발생하는 것을 방지하고, 설비의 운영을 보다 길게 지속하면서도 고가의 축열체 비용 및 이의 교체 비용을 절감할 수 있다.
제2 촉매산화유닛(106)은 열교환기(104)로부터 공급된 상기 제4 고온 폐가스에 함유된 VOC의 산화반응이 일어나는 장소이다.
제2 촉매산화유닛(106)은 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)으로부터 선택된 적어도 1종의 귀금속; 구리(Cu), 코발트(Co), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 은(Ag) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 전이금속; 이들의 혼합물; 또는 이들의 합금으로부터 제조된 산화촉매(111)를 포함할 수 있다. 이와 같이 제2 촉매산화유닛(106)은 이에 포함된 산화촉매(111)의 작용 온도인 300 내지 450℃의 온도에서 작동되어, 상기 VOC 중의 나머지 일부를 3차적으로 산화시킬 수 있다. 이러한 작동 온도(300 내지 450℃)는 제1 촉매산화유닛(105)에서 배출된 상기 제3 고온 폐가스가 열교환기(104)를 통과하면서 감온되어 달성될 수 있다. 또한, 제2 촉매산화유닛(106)은 제1 촉매산화유닛(105)에서 연료가 불완전 연소되어 발생하는 일산화탄소(CO)를 이산화탄소(CO2)로 전환시킬 수 있다.
버너 유닛(107)은 제1 촉매산화유닛(105)에 결합되어, 상기 제1 촉매산화유닛(105)에 연료(FUEL)를 공급하고, 아울러 제1 촉매산화유닛(105)내에서 상기 연료와 공기의 연소 반응을 일으키는 역할을 수행한다. 상기 연료는 액화 천연 가스(LNG)일 수 있다.
연소공기 공급팬(108)은 버너 유닛(107)에 연소용 공기를 공급하는 역할을 수행한다.
제1 촉매산화유닛(105)에 결합되어 제1 촉매산화유닛(105)에 열을 공급하는 전기 히터(미도시)를 더 구비할 수 있다. 이 경우, 버너 유닛(107) 및 연소공기 공급팬(108)은 생략될 수 있다.
배기팬(109)은 장치(100)의 구성요소들(103, 104, 105, 106 등) 사이에서 발생하는 압력 손실로 인해 폐가스의 흐름이 약화된 것을 보상하여 폐가스의 흐름을 원활하게 해 주는 역할을 수행한다.
가스 출구(102)는 VOC 및 악취가 제거된 폐가스가 외부로 배출되는 통로이다.
이하, 상기 장치(100)의 작용 및 효과를 상세히 설명한다.
먼저, 폐가스(즉, 제1 저온 폐가스)가 가스 입구(101)를 통해 외부로부터 추가 열교환기(103)로 유입되어 승온된다. 추가 열교환기(103)에서 배출된 폐가스(즉, 상기 제2 저온 폐가스)는 열교환기(104)로 유입된다.
다음에, 추가 열교환기(103)로부터 열교환기(104)로 유입된 상기 제2 저온 폐가스는 열교환기(104)에서 다시 승온된다. 열교환기(104)에서 배출된 폐가스(즉, 제3 저온 폐가스)는 제1 촉매산화유닛(105)으로 유입된다.
이후, 열교환기(104)로부터 제1 촉매산화유닛(105)으로 유입된 상기 제3 저온 폐가스에 함유된 VOC 중의 적어도 일부와 일산화탄소(CO)는 제1 촉매산화유닛(105)에서 산화된다. 제1 촉매산화유닛(105)에서 배출된 폐가스(즉, 상기 제3 고온 폐가스)는 열교환기(104)로 유입된다.
이후, 제1 촉매산화유닛(105)으로부터 열교환기(104)로 유입된 상기 제3 고온 폐가스는 열교환기(104)에서 산화촉매(111)가 필요로 하는 온도로 감온된다. 열교환기(104)에서 배출된 폐가스(즉, 상기 제4 고온 폐가스)는 제2 촉매산화유닛(106)으로 유입된다.
이후, 열교환기(104)로부터 제2 촉매산화유닛(106)으로 유입된 상기 제4 고온 폐가스에 함유된 VOC 중의 나머지 일부와 일산화탄소(CO)는 제2 촉매산화유닛(106)에서 산화된다. 제2 촉매산화유닛(106)에서 배출된 폐가스(즉, 상기 제1 고온 폐가스)는 추가 열교환 장치(103)로 유입된다.
이후, 제2 촉매산화유닛(106)로부터 추가 열교환 장치(103)로 유입된 상기 제1 고온 폐가스는 추가 열교환 장치(103)에서 감온된다. 추가 열교환 장치(103)에서 배출된 폐가스(즉, 상기 제2 고온 폐가스)는 배기팬(109)으로 흡입되어 가스 출구(102)를 통해 외부로 배출된다.
상기와 같은 구성을 갖는 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치(100)는 도 1의 축열식 열산화 장치(10)에 비해 저온에서 작동되어 악취의 원인이 되는 NOx의 발생량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 폐가스가 일방향으로 흐르는 단일 유로 방식이어서 도 1의 축열식 열산화 장치(10)에서와 같은 유로 변경유닛(18-1, 18-2)이 불필요하여 폐가스의 누출이 발생하지 않아 악취가 개선된다. 또한, 상기 장치(100)는 도 1의 축열식 열산화 장치(10)에 비해 낮은 온도에서 작동됨에도 불구하고, VOC 제거효율이 높고, 이산화규소(SiO2)와 같은 고형 물질이 겔화(gelation)되어 축열체 또는 촉매의 기공을 막아 압력 손실이 급격히 상승하는 문제가 발생하지 않는다.
이하, 실시예들을 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이러한 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
실시예
제조예 1: Pilot Plant 의 선택
도 1의 축열식 열산화 장치(10)와 유사한 구성을 갖는 삼성엔지니어링㈜에서 실제 운영중인 Pilot Plant를 비교예로 선정하였다. 상기 Pilot Plant의 처리용량은 9,000m3/hr이었으며, 구체적인 구성은 하기 표 1과 같았다.
제조예 1: 축열식 열산화 장치
구성요소 용량 또는 모델 재질
연소 영역 - 부피: 7,200L
- 직경: 3.2m		 연소 영역과 축열체는 스테인레스스틸 재질의 용기와 내부 보온재의 내부에 위치함.
축열체 - 개수: 2,160개
- 제조사: CERAM
- 상품명: NTS
- 각 축열체의 부피: 6.75L
- 각 축열체의 규격: 0.15m x 0.3m
버너 유닛 - 제조사: MAXON
- 모델명: KINEMAX 6" LONG BLOCK
- 사용 연료: 액화 천연 가스(LNG)		 -
연소공기 공급팬 - 제조사: ELEKTROR
- 용량: 12m3/min		 -
배기팬 - 제조사: 삼원 E&B
- 용량: 300m3/min		 -
유로 변경유닛 - 개수: 2개
- 직경: 1.5m		 로터리 디버터 밸브
-
제조예 2: Pilot Plant 의 제작
도 2의 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치(100)와 유사한 구성을 갖는 Pilot Plant를 제작하였다. 제작된 Pilot Plant의 처리용량은 60m3/hr이었으며, 구체적인 구성은 하기 표 2와 같았다.
제조예 2: 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치
구성요소 용량 또는 모델 재질
열교환기 - 개수: 2개
- 효율: 60%, 55%		 스테인레스스틸
제1 촉매산화유닛 - 자체 제작
- 부피: 60L
- 직경: 0.3m
- 충진된 산화촉매의 종류: Pt·Pd/TiO2-SiO2
- 충진된 산화촉매의 양: 1,790g		 스테인레스스틸
제2 촉매산화유닛 - 자체 제작
- 부피: 15L
- 직경: 0.3m
- 충진된 산화촉매의 종류: Pt/TiO2-SiO2
- 충진된 산화촉매의 양: 1,840g		 스테인레스스틸
버너 유닛 - 제조사: 한양인더스트리
- 모델명: SVG110-HS
- 사용 연료: 액화 천연 가스(LNG)		 -
연소공기 공급팬 - 제조사: DONG BU RING BLOWER
- 모델명: DBR-002
- 사양: 60Hz, 0.5KW, 220V, 3300L/min		 -
배기팬 - 제조사: DONG BU RING BLOWER
- 모델명: DBR-002
- 사양: 60Hz, 0.5KW, 220V, 3300L/min		 -
실시예 1~2 및 비교예 1: Pilot Plant 를 이용한 처리
상기 제조예 1~2에서 제조된 각 Pilot Plant를 이용하여 폐가스를 처리하였다. 처리조건은 하기 표 3에 기재된 것과 같았다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1
사용된 pilot plant 제조예 2 제조예 2 제조예 1
작동 온도 - 제1 촉매산화 유닛: 650℃
- 제2 촉매산화 유닛: 350℃		 - 제1 촉매산화 유닛: 700℃
- 제2 촉매산화 유닛: 450℃		 - 연소 영역: 850℃
폐가스 중의 VOC 농도(총탄화수소의 부피 기준) 687ppm 692ppm 764ppm
폐가스의 공급량 60m3/hr 60m3/hr 9,000m3/hr
버너 유닛의 연료 공급량 0.36m3/hr 0.38m3/hr 47m3/hr
연소공기의 공급량 4.3m3/hr 4.6m3/hr 570m3/hr
배기팬의 배기량 129m3/hr 132m3/hr 16,650m3/hr
유로 변경 주기 - - 45 sec
평가예
평가예 1: 장치의 성능 평가
상기 실시예 1~2 및 비교예 1의 각 조건으로 상기 각 Pilot Plant를 14일간 운전한 후, 하기 표 3에 나타낸 각 채취 지점에서 매일 1회씩 시료를 채취하여 THC 분석기(FID 방식, THC550, 옥황사이언스) 및 연소가스분석기(Greenline MK2, Eurotron)로 상기 각 시료 중의 VOC 및 NOx의 농도를 각각 측정하여, 각각의 평균치를 하기 표 3에 나타내었다. 이어서, 하기 수학식 1~3을 이용하여 VOC 제거효율, 악취 희석배수 및 악취 제거효율을 각각 계산하여, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
[수학식 1]
VOC 제거효율(%) = (유입 VOC 농도 - 유출 VOC 농도)/(유입 VOC 농도) * 100
[수학식 2]
악취 희석배수 = (폐가스의 부피 + 희석 공기의 부피)/(폐가스의 부피)
[수학식 3]
악취 제거효율(%) = (유입 폐가스의 악취 희석배수 - 유출 폐가스의 악취 희석배수)/(유입 폐가스의 악취 희석배수) * 100
실시예 1 실시예 2 비교예 1
VOC의 농도
(총탄화수소의 부피 기준)		 - 가스 입구: 687ppm
- 가스 출구: 6ppm		 - 가스 입구: 692ppm
- 가스 출구: 1ppm		 - 가스 입구: 764ppm
- 가스 출구: 93ppm
NOx의 농도(부피 기준) - 가스 입구: 0ppm
- 가스 출구: 3ppm		 - 가스 입구: 0ppm
- 가스 출구: 8ppm		 - 가스 입구: 0ppm
- 가스 출구: 56ppm
VOC 제거효율 99.1% 99.8% 87.8%
악취 희석배수 - 가스 입구: 2,080
- 가스 출구: 44		 - 가스 입구: 2,080
- 가스 출구: 30		 - 가스 입구: 2,474
- 가스 출구: 811
악취 제거효율 98% 99% 67%
상기 표 4를 참조하면, 실시예 1~2의 폐가스 처리의 경우가 비교예 1의 폐가스 처리의 경우에 비해 VOC 제거효율 및 악취 제거효율이 높은 것으로 나타났다.
평가예 2: SiO 2 입자의 겔화 개시 온도 평가
SiO2와 같은 비정질 물질의 겔화 시험을 수행하여 상기 비정질 물질이 촉매 및 축열체를 막고, 특히 촉매 표면의 활성점을 피복하기 시작하는 온도를 평가하였다. 이 실험은 현재 반도체 배기 부분에 도입되어 800℃~850℃로 운전되고 있는 축열식 열산화 방식(RTO) 설비에서 축열체의 막힘 현상을 설명하고, 본 발명의 장치에 구비된 제1 촉매산화유닛의 운전온도 범위를 결정하기 위한 것이다.
(1단계: 700 내지 750℃의 운전온도)
축열식 열산화 방식(RTO) 설비의 축열체 및 본 발명의 장치에 사용되는 촉매와 유사한 특성을 가지는 코디어라이트(cordierite) 재질의 허니콤 표면에 SiO2 분말을 올려 놓고, 상기 SiO2 분말을 가열하여 700℃부터 750℃까지 10℃ 간격으로 1시간씩 유지하면서 상기 SiO2 분말의 상태를 관찰하였다. 실험결과, 전 온도구간에서 SiO2 분말이 허니콤의 표면에서 비교적 쉽게 떨어졌고, 비디오 현미경으로도 상기 SiO2 분말의 겔화가 관찰되지 않았다. 본 실험을 통해 본 실험온도, 즉 700~750℃에서는 상기 SiO2 분말이 단시간 내에 겔화하지 않는다는 사실을 확인하였다.
(2단계: 800 내지 1,000℃의 운전온도)
분말 형태의 SiO2를 디스크 형태로 성형한 후 가열 및 소결하여 800℃부터 1,000℃까지 100℃ 간격으로 3시간씩 유지하면서 소결 전과 후의 부피변화를 측정하였다. 실험은 3.5㎛ 및 7㎛의 SiO2 분말로 각각 0.2mg과 0.1mg의 디스크를 3개씩 제조하여 실시하였다.
실험 후 각 입자 크기별, 유지한 온도별 부피의 변화를 하기 표 4에 나타내었다. 이어서, 하기 수학식 4를 이용하여 SiO2 디스크의 수축율을 계산하여, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
[수학식 4]
부피변화율(%) = (소결전의 부피 - 소결후의 부피)/(소결전의 부피) * 100
　 3.5㎛ SiO2 분말의 디스크 7㎛ SiO2 분말의 디스크
부피(cm3) 부피변화율(%) 부피(cm3) 부피변화율(%)
소결 전 1.1 -　 1.1 -　
800℃ 소결 후 1.0 10% 1.0 8%
900℃ 소결 후 0.8 25% 0.8 31%
1,000℃ 소결 후 0.5 55% 0.2 78%
상기 표 5를 참조하면, 입자의 크기에 따라 부피 변화율의 차이는 있으나, 대략 800℃에서 부피의 수축이 시작하여 점차 그 정도가 커지는 것을 알 수 있다. 이는 입자간 결합이 생성되어 더 단단해지는 겔화(gelation) 현상이라고 지칭된다.
본 시료를 전자현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 관찰한 결과, 고온에서 소결한 시료일수록 표면이 분말의 형태가 아닌, 치밀화(densification)가 일어난 모습을 관찰할 수 있었다.
(3단계: 780℃의 운전온도)
보다 정확한 겔화 온도를 확인하고 장기간 소결온도 유지시의 변화를 관찰하기 위해 상기 1단계의 방법으로 분말 형태의 SiO2를 코디어라이트 허니콤의 표면위에 올려 놓았다. 이후, 상기 2단계에서 부피변화율이 컸던 7㎛의 SiO2 입자로 만든 디스크와 함께 상기 허니콤을 동시에 780℃에서 12시간 동안 유지하였다.
실험결과, 코디어라이트 허니콤의 표면위의 분말의 SiO2는 비교적 쉽게 떨어졌고, 7㎛의 SiO2 입자의 부피변화율도 9%로 측정되었다.
(4단계: 850℃의 운전온도)
축열식 열산화 방식(RTO) 설비의 운전 온도에서 SiO2의 겔화현상을 직접적으로 확인하기 위하여, 상기 1단계의 방법으로 분말의 SiO2를 850℃에서 12시간 동안 유지하고 결과를 관찰하였다. 실험 결과, SiO2 분말이 뭉쳐저 덩어리가 되어 잘 떨어지지 않았고, 코디어라이트 허니콤의 표면에도 붙어서 떨어지지 않았다.
상기 1단계 내지 4단계 실험을 통해, SiO2와 같은 비정질 물질은 800℃ 미만에서는 겔화가 급속히 이루어지지 않았으며, 800℃ 이상에서는 겔화가 급속히 이루어져 축열식 열산화 방식(RTO)의 운전온도에서 축열체 막힘의 주 원인이 되는 것으로 나타났.
이상에서 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 고온 축열식 열산화 장치 11, 101: 가스 입구
12, 102: 가스 출구 13: 연소 영역
14-1, 14-2: 축열체 15, 107: 버너 유닛
16, 108: 연소공기 공급팬 17, 109: 배기팬
18-1, 18-2: 유로 변경유닛 100: VOC 제거 및 악취 개선 장치
103, 104: 열교환기 105, 106: 촉매산화유닛
110, 111: VOC 산화촉매

Claims (14)

  1. 폐가스로부터 VOC(volatile organic compond) 및 악취를 제거하는 장치로서, 직결 연결된 복수의 촉매산화유닛을 구비하고,
    상기 복수의 촉매산화유닛은 연료와 공기의 연소 반응 및 VOC의 산화반응이 일어나는 제1 촉매산화유닛, VOC의 산화반응이 일어나는 제2 촉매산화유닛, 상기 제1 촉매산화유닛과 상기 제2 촉매산화유닛 사이에 배치된 열교환기, 상기 제2 촉매산화유닛으로부터 폐가스를 흡입하여 외부로 배출하는 배기팬, 및 상기 제2 촉매산화유닛과 상기 배기팬 사이에 배치된 추가 열교환기를 구비하고,
    상기 추가 열교환기는 외부로부터 제1 저온 폐가스를 공급받고, 상기 제2 촉매산화유닛으로부터 제1 고온 폐가스를 공급받아, 상기 제1 저온 폐가스와 상기 제1 고온 폐가스 간에 열교환을 실시한 후, 상기 열교환된 제1 저온 폐가스(즉, 제2 저온 폐가스)는 상기 열교환기로 공급하고, 상기 열교환된 제1 고온 폐가스(즉, 제2 고온 폐가스)는 상기 배기팬으로 공급하며,
    상기 열교환기는 상기 추가 열교환기로부터 상기 제2 저온 폐가스를 공급받고, 상기 제1 촉매산화유닛으로부터 제3 고온 폐가스를 공급받아, 상기 제2 저온 폐가스와 상기 제3 고온 폐가스 간에 열교환을 실시한 후, 상기 열교환된 제2 저온 폐가스(즉, 제3 저온 폐가스)는 상기 제1 촉매산화유닛으로 공급하고, 상기 열교환된 제3 고온 폐가스(즉, 제4 고온 폐가스)는 상기 제2 촉매산화유닛으로 공급하는 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 촉매산화유닛에 결합된 버너 유닛을 더 구비하는 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 버너 유닛은 상기 제1 촉매산화유닛내에서 연소 반응을 일으키는 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 버너 유닛에 공기를 공급하는 연소공기 공급팬을 더 구비하는 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 촉매산화유닛에 결합되어 상기 제1 촉매산화유닛에 열을 공급하는 전기 히터를 더 구비하는 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 폐가스는 500 내지 3,000ppm(총탄화수소의 부피 기준)의 VOC 농도를 갖는 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 촉매산화유닛은 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)으로부터 선택된 적어도 1종의 귀금속; 구리(Cu), 코발트(Co), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 은(Ag) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 전이금속; 상기 적어도 1종의 귀금속 및 상기 적어도 1종의 전이금속의 혼합물; 또는 상기 적어도 1종의 귀금속 및 상기 적어도 1종의 전이금속의 합금으로부터 제조된 산화촉매를 포함하는 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 촉매산화유닛은 600 내지 800℃ 미만에서 작동되는 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2 촉매산화유닛은 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)으로부터 선택된 적어도 1종의 귀금속; 구리(Cu), 코발트(Co), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 은(Ag) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 전이금속; 상기 적어도 1종의 귀금속 및 상기 적어도 1종의 전이금속의 혼합물; 또는 상기 적어도 1종의 귀금속 및 상기 적어도 1종의 전이금속의 합금으로부터 제조된 산화촉매를 포함하는 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 촉매산화유닛은 300 내지 450℃에서 작동되는 장치.
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