KR101746711B1 - 사이클론형 촉매 산화 장치를 이용한 VOCs 제거 시스템 - Google Patents

사이클론형 촉매 산화 장치를 이용한 VOCs 제거 시스템 Download PDF

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Abstract

내벽이 VOCs 산화촉매로 코팅된 사이클론 반응기; 상기 사이클론 반응기에 VOCs 함유 가스를 공급하는 가스 투입구; 상기 사이클론 반응기 내의 상부중심에 배치되며 VOCs 산화촉매가 담지된 허니컴형 가스 토출부; 및 상기 사이클론 반응기의 외부에 배치되어 상기 사이클론 반응기의 내부에 열원을 공급하는 가열부를 포함하는, 사이클론형 촉매 산화 장치 및 이를 이용한 VOCs 제거 시스템이 제공된다.
본 발명에 따르면, VOCs 함유 오염 가스 중의 입자상 물질의 제거와 VOCs의 산화분해 반응을 하나의 반응기 내에서 수행할 수 있어서, 설비부담을 줄일 수 있고, 촉매와 VOCs의 반응 면적을 극대화하여 VOCs로 인한 2차 오염을 최소화할 수 있으며, 흡착물질의 탈착을 에너지효율적으로 용이하게 수행할 수 있다.

Description

사이클론형 촉매 산화 장치를 이용한 VOCs 제거 시스템{SYSTEM FOR REMOVING VOCs USING CYCLONE-TYPE CATALYTIC OXIDATION DEVICE}
본 발명은 사이클론형 촉매 산화 장치를 이용한 VOCs 제거 시스템에 관한 것이다.
휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, 이하 'VOCs'라 함)이 대기 중에 배출되는 경우 질소산화물(NOx) 및 여타 화합물질과 햇빛에 의한 광화학 반응을 통해 광화학 스모그의 주원인인 오존을 발생시키며, 대부분 심한 악취와 환경 및 생물에 유해한 특징을 갖는다. 특히 인체에는 돌연변이, 발암, 호흡기 질환 등 심각한 피해를 끼치는 것으로 알려져 있다. 미국 등의 선진국을 비롯하여 국내에서도 VOCs에 대한 규제를 법제화하여 이에 대한 구체적인 세부작업을 진행하고 있으며, 갈수록 VOCs 배출의 심각성에 대한 우려가 높아지고 있어 VOCs 제거기술 개발의 중요성과 필요성이 점점 더 높아지고 있다.
이러한 VOCs는 주로 연료가 불완전 연소할 때나 석유류 제품의 휘발, 유기용제 및 페인트의 증발로 발생하며 특히, 우리 생활 주변에서 쉽게 발견되는 자동차, 저유소, 주유소, 세탁소, 인쇄 및 출판시설, 각종 도장시설 등과 석유정제 및 석유화학 제조시설 등 대규모 사업장으로 유기용제를 다량으로 사용하는 곳에서 발생된다. 화학공장에서 배출되는 VOCs 물질은 주로 휘발성이 높은 방향족 탄화수소, 지방족 탄화수소, 할로겐 함유 탄화수소, 케톤류, 에스테르류 등 매우 다양하기 때문에 선진국에서는 오래 전부터 VOCs 물질의 종류에 따라 다양한 VOCs 처리기술을 개발하고 상용화되어 있다. 아울러, 발전소, 제철소, 소각로 등의 산업 설비에서 배출되는 배기가스에는 휘발성 유기화합물 등의 가스상 물질 외에도 미세분진, 중금속 등의 입자상 물질을 함유되어 있기 때문에 이들 입자상 물질은 단순 필터링 방식을 사용하거나, 습식기술 또는 전기집진 등의 건식기술을 이용하여 제거하고 있다.
종래의 VOCs 제거를 위한 처리기술은 세정집진법, 촉매산화법, 직접연소법, 흡착처리법, 생물학적 처리법 등이 있으며, 이들의 기술을 보안한 축열식 연소법, 축열식 촉매연소법 등이 있다.
전술한 VOCs 처리 기술 중 직접연소법은 연료 소비량이 많아 운전비용 면에서 문제가 있으며 연소과정에서의 NOx 발생 등의 단점을 가지고 있다. 또한 촉매연소법에 사용되는 촉매에는 촉매독이 되는 물질이 존재하기 때문에 가스 성분을 미리 조사하여야 한다. 흡착처리법은 가스를 흡착제와 접촉시켜 VOCs를 흡착제 표면에 채취, 포집, 체류시키는 방법으로 다른 방법에 비하여 운전하기 용이하고 운전비용이나 설비투자가 적게 들며, 휘발성이 낮고 분자량이 큰 화합물은 거의 완벽하게 제거될 수 있는 장점이 있는 반면에 흡착제를 재생할 경우에 흡착된 오염물질의 탈착이 어려우며, 2차 오염을 유발할 수 있다. 생물학적처리 방법은 설비 규모가 다른 방법에 비해 크고 미생물 증식에 따른 과다한 압력 손실 및 미생물 생식 조건을 맞춰주어야 한다는 단점을 가지고 있다.
특허문헌 1에 개시된 휘발성 유기화합물 제거 시스템에 따르면, 배기 중에 포함된 입자상의 물질 제거를 위하여 별도의 전기집진부를 구비하고 있으며, 휘발성 유기화합물을 흡착, 탈착, 산화하는 흡착-저온산화 촉매가 내부에 구비되는 촉매조를 구비하고 있다. 특허문헌 1의 기술에 따르면, 입자상 물질 제거를 위한 별도의 장치를 설치해야 하므로 설비 부담이 가중되며, 휘발성 유기화합물의 종류에 따른 선택적 흡착이 어렵고, 탈착이 불완전하며, 무엇보다도 촉매와 반응하는 면적이 한정되어 있어 휘발성 유기화합물의 촉매산화에 따른 제거효율도 높지 않다.
한국 등록특허번호 제10-1468634호
본 발명의 일 측면은 입자상의 물질 제거와 휘발성 유기화합물의 촉매산화반응을 하나의 반응기에서 해결하면서도, 촉매와 휘발성 유기화합물의 반응면적을 극대화하여 2차 오염을 줄일 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
또한, 에너지 효율적으로 흡착된 VOCs의 탈착이 용이한 VOCs 제거 시스템을 제시하고자 한다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, 내벽이 VOCs 산화촉매로 코팅된 사이클론 반응기; 상기 사이클론 반응기에 VOCs 함유 가스를 공급하는 가스 투입구; 상기 사이클론 반응기 내의 상부중심에 배치되며 VOCs 산화촉매가 담지된 허니컴형 가스 토출부; 및 상기 사이클론 반응기의 외부에 배치되어 상기 사이클론 반응기의 내부에 열원을 공급하는 가열부를 포함하는, 사이클론형 촉매 산화 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은, 제1 유입구와 제1 배출구를 가지며 내부에 유로가 형성된 제1 반응기; 상기 제1 반응기의 내부에 구비되며, 상기 유로 상에서 유동되는 가스가 상기 제1 유입구로부터 상기 제1 배출구 방향으로 순차로 통과하도록 구비되는 제1 비방향족 물질 흡착필터 및 제1 방향족 물질 흡착필터; 제1 비방향족 물질 흡착필터 및 제1 방향족 물질 흡착필터에 각각 대응되도록 상기 제1 반응기의 측부에 구비되며, 상기 제1 비방향족 물질 흡착필터 및 제1 방향족 물질 흡착필터에 선택적으로 마이크로웨이브를 조사하는 복수의 제1 마그네트론; 및 상기 제1 비방향족 물질 흡착필터 및 제1 방향족 물질 흡착필터에서 탈착되어 상기 제1 배출구로 배출되는 VOCs 함유 가스를 수용하여 산화시키는 상기 사이클론형 촉매 산화 장치를 포함하는, 사이클론형 촉매 산화 장치를 이용한 VOCs 제거 시스템을 제공한다.
본 발명에 의하면, VOCs 함유 오염 가스 중의 입자상 물질의 제거와 VOCs의 산화분해 반응을 하나의 반응기 내에서 수행할 수 있어서, 설비부담을 줄일 수 있고, 촉매와 VOCs의 반응 면적을 극대화하여 VOCs로 인한 2차 오염을 최소화할 수 있으며, 흡착물질의 탈착을 에너지효율적으로 용이하게 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 사이클론형 촉매 산화 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 사이클론형 촉매 산화 장치의 또 다른 구성도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 사이클론 촉매 산화장치를 이용한 VOCs 제거 시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 사이클론 촉매 산화장치를 이용한 VOCs 제거 시스템에서 발생하는 청정공기를 흡착필터의 재생시 퍼지 가스로 공급하는 과정을 나타내는 모식도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 명세서에서 "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 발명은 VOCs 함유 가스 중에 포함된 VOCs 물질들을 촉매산화시킬 수 있는 장치에 관한 것으로, 특히, 촉매와 VOCs 물질들의 반응접촉 면적을 극대화하기 위하여 사이클론형 반응기를 도입하였다.
사이클론형 반응기 내부에 유입된 처리가스는 회전하면서 입자상 물질이 중력과 원심력에 의하여 하방으로 분리되며, 처리가스가 사이클론 형태로 유동하기 때문에 반응기 내부의 구조물에 처리가스가 접촉하는 빈도 및 면적이 상승하게 된다.
본 발명에서는 이러한 사이클론의 원리를 촉매의 반응 극대화에 활용하고자 한다. 이를 위하여, 본 발명은 내벽이 VOCs 산화촉매로 코팅된 사이클론 반응기; 상기 사이클론 반응기에 VOCs 함유 가스를 공급하는 가스 투입구; 상기 사이클론 반응기 내의 상부중심에 배치되며 VOCs 산화촉매가 담지된 허니컴형 가스 토출부; 및 상기 사이클론 반응기의 외부에 배치되어 상기 사이클론 반응기의 내부에 열원을 공급하는 가열부를 포함하는, 사이클론형 촉매 산화 장치를 제공한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 사이클론형 반응기(8)는 VOCs 함유 공기 투입구(20)를 구비하며, 내벽에 VOCs 산화촉매(24a)가 코팅되어 있고, 반응기 내의 상부중심에는 원통형태의 허니컴형 가스 토출부(21)가 구비되어 있다. 상기 허니컴형 가스 토출부(21)는 VOCs 산화촉매(25)를 담지하고 있다. 처리가스가 사이클론형 반응기(8) 내에서 회전하면서 내벽에 충돌하고 이때 내벽에 코팅된 산화촉매(24b)에 의하여 1차적으로 VOCs가 산화 분해된다. 이어서, 허니컴형 가스 토출부(21)를 통해 외기로 배출되면서 토출부의 후단에 담지된 VOCs 산화촉매(25)에 의하여 2차적으로 VOCs가 산화 분해된다. 이를 통해, 보다 완벽하게 VOCs를 제거하여 청정공기를 외기로 배출할 수 있다.
상기 사이클론형 반응기(8)는 처리가스가 내부에서 회전될 수 있도록 원통 형태로 형성되어 있으며, 상기 사이클론형 반응기(8)의 상방에서 공급된 VOCs 함유 가스(또는 처리가스)는 회전하면서 상부에서 하부로, 주위에서 중심 방향으로 이동한다. 처리가스에 포함된 입자상 물질들이 반응기 내의 사이클론 운동에 의하여 원심력과 중력을 받으면서 반응기의 바닥으로 모일 수 있게 구성되어 있다. 상기 허니컴형 가스 토출부(21)는 연직방향을 향하도록 세워진 형태로 형성됨으로써, 고체 입자상 물질이 용이하게 사이클론형 반응기의 바닥으로 먼저 침적시킬 수 있다. 이와 같은 구성에 의하여, 고체 입자상 물질의 상기 허니컴형 가스 토출부(21)에의 부착 및 그에 따른 막힘 현상을 최소화시킨다. 이러한 입자상 물질을 외부로 배출하기 위하여, 상기 사이클론형 반응기의 하부에 입자상 물질을 하방으로 배출하는 입자상 물질 배출구(22)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 사이클론형 반응기 내의 산화촉매의 반응온도로 상승시켜 반응성을 향상시키기 위하여 반응기의 내부에 열원을 공급하는 가열부(23)를 상기 사이클론형 반응기의 외부에 배치한다. 상기 가열부(23)의 동작은 주기적으로 이루어질 수 있다, 상기 가열부(23)는 코일, 전기히터, 또는 버너를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 의하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 사이클론 반응기의 내벽에 복수의 수직막대형 VOCs 산화촉매 모듈(24b)이 추가로 구비하여, 유동하는 가스 중의 VOCs 물질이 산화촉매와 반응할 수 있는 접촉면적 및 반응시간을 증대시킬 수 있다.
본 발명의 사이클론형 촉매 산화 장치에 사용되는 촉매는 VOCs를 CO2 및 H2O로 산화 분해하기 위한 것이다.
VOCs 완전산화를 위한 촉매는 귀금속계와 비귀금속계로 크게 구분할 수 있다. 그 중에서 저온촉매활성이 우수한 백금 담지촉매가 가장 많이 사용되며, 할로겐화합물 분해촉매로는 크롬, 구리, 바나듐 등의 전이금속산화물들이 효과가 있다. 또한, 금 또는 백금 등의 귀금속을 여러 종류의 금속산화물 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 귀금속 담지촉매의 담체로는 γ-Al2O3을 사용할 수 있다. 그 밖의 VOCs 제거촉매로서 MnO2, CuO, Cr2O3, Co3O4 등의 혼합물로 이루어진 비귀금속계 촉매를 사용할 수 있다.
상술한 본 발명의 사이클론형 촉매 산화 장치는 단독으로 VOCs 제거에 활용될 수 있다. 즉, 오염가스를 바로 사이클론형 촉매 산화 장치에 유입시켜, 사이클론에 의하여 회전하면서 산화시키거나 입자상 물질을 추가로 제거할 수 있다.
또는, 상기 사이클론형 촉매 산화 장치의 전단에 VOCs 흡착/탈착 시스템을 추가로 구비하고, 이러한 VOCs 흡착/탈착 시스템으로부터 탈착되어 나오는 VOCs 함유 가스를 수용하여 촉매 산화시킬 수도 있다. 즉, 상기 VOCs 흡착/탈착 시스템에 오염가스를 유입시켜 상기 VOCs 흡착/탈착 시스템에 구비된 흡착제로 상기 오염가스 중의 VOCs를 흡착하고 신선한 공기를 1차적으로 외부에 배출하며, 흡착된 VOCs를 탈착시킨 뒤 이를 상기 사이클론형 촉매 산화 장치에 다시 유입시켜 2차적으로 처리하는 시스템을 제안한다.
이하에서는 전단에 VOCs 흡착/탈착 시스템을 추가로 구비하는 경우의 일례로써, 상기 사이클론형 촉매 산화 장치를 이용한 VOCs 제거 시스템에 대하여 간략히 설명하고자 한다.
도 3 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 VOCs 제거 시스템은 흡착소재를 포함하는 흡착필터가 배치되는 반응기, 마이크로웨이브 열원공급 모듈, 및 사이클론형 촉매 산화 장치를 포함한다.
구체적으로, 본 발명에서는 제1 유입구(11a)와 제1 배출구(12a)를 가지며 내부에 유로가 형성된 제1 반응기(4a); 상기 제1 반응기(4a)의 내부에 구비되며, 상기 유로 상에서 유동되는 가스가 상기 제1 유입구(11a)로부터 상기 제1 배출구(12a) 방향으로 순차로 통과하도록 구비되는 제1 비방향족 물질 흡착필터(5a) 및 제1 방향족 물질 흡착필터(6a); 상기 제1 비방향족 물질 흡착필터(5a) 및 제1 방향족 물질 흡착필터(6a)에 각각 대응되도록 상기 제1 반응기(4a)의 측부에 구비되며, 상기 제1 비방향족 물질 흡착필터(5a) 및 제1 방향족 물질 흡착필터(6a)에 선택적으로 마이크로웨이브를 조사하는 복수의 제1 마그네트론(7a); 및 상기 제1 비방향족 물질 흡착필터(5a) 및 제1 방향족 물질 흡착필터(6a)에서 탈착되어 상기 제1 배출구(12a)로 배출되는 VOCs 함유 가스를 수용하여 산화시키는 사이클론형 촉매 산화 장치(8)를 포함하는, 사이클론형 촉매 산화 장치를 이용한 VOCs 제거 시스템을 제시한다.
본 발명의 반응기의 구성을 개략적으로 설명하면, 반응기(4a, 4b)는 유입구(11a, 11b)와 배출구(12a, 12b)를 가지며 상기 유입구(11a, 11b)와 배출구(12a, 12b)를 연통하는 유로를 가지는 관 형상으로 구비될 수 있다. 상기 관의 단면 형상은 원형, 사각형을 비롯한 다각형 등 어떠한 형상이라도 무방하다. 반응기(4a, 4b) 내에는 비방향족 물질 흡착필터(5a, 5b)와 방향족 물질 흡착필터(6a, 6b)가 유입구(11a, 11b)로부터 배출구(12a, 12b) 방향으로 순차적으로 배치된다.
화학공장에서 배출되는 VOCs 물질은 주로 휘발성이 높은 방향족 탄화수소, 지방족 탄화수소, 할로겐 함유 탄화수소, 케톤류, 에스테르류 등 매우 다양하기 때문에 이들을 효율적으로 흡착할 수 있는 흡착필터를 구성하는 소재도 다양하다. 따라서, 획일적인 흡착필터를 사용하게 되면, 흡착되지 못하는 물질들도 존재하는 바, 다양한 물질을 흡착하기 위하여 흡착필터의 종류를 이원화한다.
즉, 처리대상 가스의 상류측에 비방향족 물질 흡착필터를 배치하여 비방향족 물질을 먼저 선택적으로 흡수하고, 그 하류측에 방향족 물질 흡착필터를 배치하여 오염가스를 선택적으로 흡수할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 반대로 상류측에 방향족 물질 흡착필터를 배치하고, 하류측에 비방향족 물질 흡착필터를 배치하여도 무방하다. 이를 통해 오염가스 중의 물질의 종류별로 각각 효율적으로 흡수할 수 있어 복합 VOCs 가스 처리에 효율적일 것이라 기대된다.
VOCs를 함유한 오염가스(1)가 반응기의 유입구(11a, 11b)를 통하여 유입되면 반응기 내의 유로 상에서 유동하게 되며, 상기 흡착필터들을 순차적으로 통과하면서 비방향족 및 방향족 물질이 흡착된 결과 정화된 청정공기(10)가 배출구(12a, 12b)를 통하여 배출된다.
상기 흡착필터들에 흡착된 비방향족 및 방향족 물질을 탈착하여 필터를 재생하기 위해서는 다량의 고온 공기가 이용되기 때문에 일정한 열원공급이 반드시 요구된다. 종래에는 전기히터 등을 사용하였으나, 본 발명에서는 마이크로웨이브를 열원으로 사용하여 에너지 절감에 기여하고자 한다.
즉, 상기 반응기(4a, 4b)의 측부에는 상기 비방향족 물질 흡착필터(5a, 5b)와 상기 방향족 물질 흡착필터(6a, 6b)에 각각 대응되도록 복수의 마그네트론(7a, 7b)이 구비되어 있으며, 상기 마그네트론(7a, 7b)을 통해 상기 비방향족 물질 흡착필터(5a, 5b)와 상기 방향족 물질 흡착필터(6a, 6b)에 선택적으로 마이크로웨이브를 조사하여 가열함으로써 상기 흡착필터들에 흡착된 물질들을 탈착시켜 상기 흡착필터들을 재생시키게 된다. 각각의 흡착필터에 대응하는 마그네트론(7a, 7b)은 하나 또는 복수일 수 있으며, 이에 따라 마이크로파를 조사하는 방향도 일방향, 쌍방향, 또는 복수 방향일 수 있다.
필요에 따라, 상기 반응기(4a, 4b)의 내부에 배치되어 마이크로웨이브의 교란을 방지하는 차단판을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 마이크로웨이브가 쌍방향 또는 복수 방향에서 조사될 경우, 상기 반응기의 중앙부에 마이크로웨이브의 진행방향과 수직이 되도록 차단판을 설치하여 쌍방향 또는 복수 방향에서 조사되는 마이크로웨이브 사이의 교란을 방지할 수도 있다. 이 외에도, 상기 반응기의 상부, 하부 또는 측부에는 상기 흡착필터들에 흡수되지 못하고 통과한 마이크로웨이브를 흡수할 수 있는 흡수판이 추가로 설치될 수도 있다.
또한, 마그네트론(7a, 7b)으로부터 발생한 마이크로파의 경로 상에 마이크로파 분산기를 배치하여 좀더 균일한 조사가 이뤄질 수 있도록 할 수 있다.
또한, 반응기(4a, 4b)의 내벽에 단열재를 구비하도록 하여 외부로 열손실이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
상기 비방향족 물질 흡착필터(5a, 5b) 및 방향족 물질 흡착필터(6a, 6b)에서 탈착되어 상기 배출구로 배출되는 VOCs 함유 더운 공기는 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 상술한 사이클론형 촉매 산화 장치(8)에 수용되어 VOCs 물질이 산화되고 토출부(21)를 통해 청정공기가 배출된다. 이와 같이 탈착된 VOCs 물질을 별도로 농축, 저장 또는 제거하기 위하여 별도의 설비를 구비할 필요가 없어서, 공정단순화에 기여할 것으로 기대된다.
상기 제2 반응기(4b)는 제2 유입구(11b)와 제2 배출구(12b)를 가지며 내부에 유로가 형성된 제2 반응기(4b); 상기 제2 반응기(4b)의 내부에 구비되며, 상기 유로 상에서 유동되는 가스가 상기 제2 유입구(11b)로부터 상기 제2 배출구(12b) 방향으로 순차로 통과하도록 구비되는 제2 비방향족 물질 흡착필터(5b) 및 제2 방향족 물질 흡착필터(6b); 및 상기 제2 비방향족 물질 흡착필터(5b) 및 제2 방향족 물질 흡착필터(6b)에 각각 대응되도록 상기 제2 반응기(4b)의 측부에 구비되며, 상기 제2 비방향족 물질 흡착필터(5b) 및 제2 방향족 물질 흡착필터(6b)에 선택적으로 마이크로웨이브를 조사하는 복수의 제2 마그네트론(7b)을 포함하며, 상기 사이클론 촉매 산화 장치(8)는 상기 제2 비방향족 물질 흡착필터 및 제2 방향족 물질 흡착필터에서 탈착되어 상기 제2 배출구로 배출되는 VOCs 함유 가스를 수용하여 산화시킨다. 이어서 토출부(21)를 통해 청정공기가 배출된다.
즉, 본 발명의 흡착필터들을 구비한 반응기를 2개 병렬로 연결한 2탑식으로 시스템을 구성하여 흡착공정과 탈착공정을 번갈아 가면서 반복 실시할 수도 있다. 본 발명에서의 처리대상 가스는 VOCs 함유 오염가스이며, 흡착공정이 진행되는 반응기에는 상기 처리대상 가스가 공급되도록 제어하고, 탈착공정이 진행되는 반응기에는 상기 처리대상 가스가 공급되지 않도록 제어할 수 있다. 이와 같이 반응기에 유입되는 가스의 공급을 선택적으로 제어하는 것은 밸브 유닛(3a, 3b)을 가지는 공급배관을 통해 가능하며, 이는 상기 제1 유입구(11a)와 상기 제2 유입구(11b)에 연통되도록 구비될 수 있다. 또한, 펌프(2a, 2b)를 통해 처리대상 가스를 반응기 내로 불어넣을 수도 있다.
도 3을 참조하면, 흡착공정은 제1 반응기(4a)에서 수행되며, 상기 흡착공정은 다음과 같은 프로세스로 진행될 수 있다.
제1 유입구(11a)와 제1 배출구(12a)를 가지며, 내부에 제1 비방향족 물질 흡착필터(5a) 및 제1 방향족 물질 흡착필터(6a)를 순차적으로 구비한 제1 반응기(4a)의 제1 유입구에 위치한 개폐밸브(3a)를 열고 VOCs 함유 오염가스를 제1 반응기(4a) 내로 유입시킨다. 상기 유입된 가스가 제1 비방향족 물질 흡착필터(5a) 및 제1 방향족 물질 흡착필터(6a)를 통과하면서 비방향족 물질 및 방향족 물질이 상기 흡착필터들(5a, 6a)에 흡착되고 제1 배출구(12a)에 위치한 개폐밸브(3c)가 열린 상태에서 정화된 청정공기(10)가 배출된다. 상기 정화된 청정공기(10)는 사이클론형 촉매 산화 장치(8)로 유입되지 않도록 개폐밸브(3g)를 이용하여 조절한다.
한편, 도 3을 참조하면, 탈착공정은 제2 반응기(4b)에서 수행되며, 상기 탈착공정은 다음과 같은 프로세스로 진행될 수 있다.
제2 유입구(11b)와 제2 배출구(12b)를 가진 제2 반응기(4b)의 내부에 순차적으로 배치된 제2 비방향족 물질 흡착필터(5b) 및 제2 방향족 물질 흡착필터(6b)에는 각각 비방향족 물질 및 방향족 물질이 흡착된 상태이다. 상기 흡착필터들(5b, 6b)에 제2 마그네트론(7b)으로부터 마이크로웨이브를 조사하여 온도를 상승시키면서 상기 흡착된 비방향족 물질 및 방향족 물질을 탈착시킨다. 탈착된 비방향족 물질 및 방향족 물질은 더운 공기 또는 가스 형태로 제2 배출구(12b)로 배출되어 사이클론형 촉매 산화 장치(8)에 수용된다. 상기 탈착된 VOCs 함유 더운 공기는 사이클론형 촉매 산화 장치(8)로만 유입되고 외부로 배출되지 않도록 개폐밸브(3h, 3d)를 이용하여 조절한다. 또한, 탈착공정이 진행되는 동안에, 외부의 VOCs 함유 오염가스도 제2 반응기(4b)로 유입되지 않도록 개폐밸브(3b)를 이용하여 조절한다. 상기 사이클론형 촉매 산화 장치(8) 내에서는 상술한 바와 같이 사이클론 운동에 의하여 가스가 회전하면서 촉매 산화 반응이 진행되며, 입자상 물질은 바닥으로 모이고, 청정공기는 토출부(21)를 통해서 외기로 배출된다.
추가적으로, 도 5에 도시한 바와 같이 제1 반응기(4a)에서 흡착공정이 진행될 경우 상기 제1 배출구(12a)로 배출되는 청정공기(10)의 일부를 제2 반응기(4b)의 가열된 마그네크론(7b)을 냉각시키도록 바이패스하여, 탈착공정이 진행되는 제2 반응기(4b)의 흡착필터 재생을 위한 퍼지가스로 공급할 수 있다.
이와 같이 흡착공정과 탈착공정을 2개의 반응기에서 번갈아 가면서 진행하여 흡착필터의 교체 없이 연속적으로 흡착/탈착 공정을 진행할 수 있다. 도 4는 제1 반응기(4a)에서 탈착공정이 수행되고, 제2 반응기(4b)에서 흡착공정이 수행되는 경우의 VOCs 제거 시스템의 구성도이며, 상술한 바와 같이 동일한 방식으로 진행된다.
상기 비방향족 물질 흡착필터는 비방향족 물질을 선택적으로 흡착하는 흡착소재를 포함할 수 있으며, 예를 들어, ZSM5 zeolite를 포함하거나 ZSM5 zeolite와 Beta zeolite의 혼합물을 포함하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 방향족 물질 흡착필터는 방향족 물질을 선택적으로 흡착하는 흡착소재를 포함할 수 있으며, 예를 들어, USY zeolite, Beta zeolite 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 비방향족 물질 흡착필터와 상기 방향족 물질 흡착필터는 SiC, 금속산화물, 기타 금속화합물 등의 마이크로파 흡수물질을 추가적으로 포함하여, 탈착에 소요되는 마이크로파 에너지를 절감할 수 있다.
상기 흡착소재들은 사용 목적에 따라 단독으로 또는 혼합물의 형태로, 또는, 구상, 펠릿상, 허니컴상 등 임의의 형상으로 성형하여 사용할 수 있다. 또한 필요에 따라 여재, 바인더나 기공 부여제 등을 이용할 수도 있다.
본 발명에 따른 사이클론형 촉매 산화 장치 및 이를 이용한 VOCs 제거 시스템은 촉매의 반응을 위한 접촉횟수 및 접촉면적을 극대화하여 촉매와의 반응시간을 증가시킨 것으로, 외기로 배출되는 VOCs의 양을 최소화하여 2차 오염 문제를 해결하였으며, 마이크로웨이브는 흡착제에 직접 가열하기 때문에 짧은 시간 내에 온도를 올릴 수 있어 탈착효율 증진에도 효과가 있다. 또한, 본 시스템은 마이크로웨이브를 이용하여 소재들을 주기적으로 재생하기 때문에 교체 없이 반영구적으로 사용 가능하다. 아울러, 흡착필터에 선택 흡착되는 VOCs 물질을 다양화하여 복합 VOCs 가스 제거에 효과적일 것으로 기대되고, 입자상 물질의 제거뿐만 아니라 가스상 물질을 CO2와 H2O로 산화 제거할 수 있다.

Claims (6)

  1. 제1 유입구와 제1 배출구를 가지며 내부에 유로가 형성된 제1 반응기;
    상기 제1 반응기의 내부에 구비되며, 상기 유로 상에서 유동되는 가스가 상기 제1 유입구로부터 상기 제1 배출구 방향으로 순차로 통과하도록 구비되는 제1 비방향족 물질 흡착필터 및 제1 방향족 물질 흡착필터;
    제1 비방향족 물질 흡착필터 및 제1 방향족 물질 흡착필터에 각각 대응되도록 상기 제1 반응기의 측부에 구비되며, 상기 제1 비방향족 물질 흡착필터 및 제1 방향족 물질 흡착필터에 선택적으로 마이크로웨이브를 조사하는 복수의 제1 마그네트론; 및
    상기 제1 비방향족 물질 흡착필터 및 제1 방향족 물질 흡착필터에서 탈착되어 상기 제1 배출구로 배출되는 VOCs 함유 가스를 수용하여 산화시키는 사이클론형 촉매 산화 장치를 포함하는, 사이클론형 촉매 산화 장치를 이용한 VOCs 제거 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 반응기와 독립적으로 구비되며, 제2 유입구와 제2 배출구를 가지며 내부에 유로가 형성된 제2 반응기;
    상기 제2 반응기의 내부에 구비되며, 상기 유로 상에서 유동되는 가스가 상기 제2 유입구로부터 상기 제2 배출구 방향으로 순차로 통과하도록 구비되는 제2 비방향족 물질 흡착필터 및 제2 방향족 물질 흡착필터; 및
    상기 제2 비방향족 물질 흡착필터 및 제2 방향족 물질 흡착필터에 각각 대응되도록 상기 제2 반응기의 측부에 구비되며, 상기 제2 비방향족 물질 흡착필터 및 제2 방향족 물질 흡착필터에 선택적으로 마이크로웨이브를 조사하는 복수의 제2 마그네트론을 더 포함하며,
    상기 사이클론형 촉매 산화 장치는 상기 제2 비방향족 물질 흡착필터 및 제2 방향족 물질 흡착필터에서 탈착되어 상기 제2 배출구로 배출되는 VOCs 함유 가스를 수용하여 산화시키는 것인, 사이클론형 촉매 산화 장치를 이용한 VOCs 제거 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 유입구와 상기 제2 유입구에 연통되도록 구비되며, 상기 제1 반응기 및 상기 제2 반응기로 유입되는 가스의 공급을 선택적으로 제어하는 밸브 유닛을 가지는 공급배관을 더 포함하는, 사이클론형 촉매 산화 장치를 이용한 VOCs 제거 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 사이클론형 촉매 산화 장치는
    내벽이 VOCs 산화촉매로 코팅된 사이클론 반응기;
    상기 사이클론 반응기에 VOCs 함유 가스를 공급하는 가스 투입구;
    상기 사이클론 반응기 내의 상부중심에 배치되며 VOCs 산화촉매가 담지된 허니컴형 가스 토출부; 및
    상기 사이클론 반응기의 외부에 배치되어 상기 사이클론 반응기의 내부에 열원을 공급하는 가열부를 포함하는, 사이클론형 촉매 산화 장치를 이용한 VOCs 제거 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 사이클론 반응기의 하부에 배치되어 가스 중의 입자상 물질을 하방으로 배출하는 입자상 물질 배출구를 추가로 포함하는, 사이클론형 촉매 산화 장치를 이용한 VOCs 제거 시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 사이클론 반응기의 내벽에 복수의 수직막대형 VOCs 산화촉매 모듈이 추가로 구비된, 사이클론형 촉매 산화 장치를 이용한 VOCs 제거 시스템.
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