KR101903046B1 - 폐가스로부터의 voc 제거 및 악취 개선 장치 - Google Patents

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Abstract

폐가스로부터의 VOC(volatile organic compound) 제거 및 악취 개선 장치가 개시된다. 개시된 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치는 서로 직렬 연결된 열산화 챔버 및 촉매산화 챔버를 구비하고, 상기 열산화 챔버는 연료와 공기의 연소 반응과 함께 VOC의 산화반응이 일어나도록 구성되고, 상기 촉매산화 챔버는 VOC의 산화반응이 일어나도록 구성될 수 있다.

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, 서로 직렬 연결된 열산화 챔버 및 촉매산화 챔버를 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(adsorbent)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 유기물(예를 들어, HMDSO(C2H18OSi2))이 폐가스에 포함되어 유입될 경우, 이 폐가스를 500℃ 이하의 낮은 온도에서 촉매를 사용하여 산화시키게 되면 완전히 분해되지 않고 촉매의 표면에서 비가역 화학흡착이 발생하고, 이에따라 촉매 활성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 반드시 연소온도가 높은 직접열산화 또는 축열식 열산화 단계를 거쳐야 한다.
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), 축열재(heat storage material)(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 축열재(14-1)로 유입된다. 이때, 축열재(14-1)의 열이 상기 폐가스로 전달되어 상기 폐가스 및 연소 영역(13)의 온도는 상승하고, 축열재(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 축열재(14-2)로 유입된다. 이때, 상기 폐가스의 열이 축열재(14-2)로 전달되어 상기 폐가스의 온도는 하강하고, 축열재(14-2)의 온도는 상승한다.
이후, 축열재(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, 축열재(14-1)의 열은 고갈되고, 축열재(14-2)의 열은 포화된다. 이 경우, 유로 변경유닛(18-1, 18-2)에 의해 폐가스의 유로가 변경되어 상기 폐가스는 축열재(14-2)를 거쳐 축열재(14-1)로 유입되는 방향으로 흐른다. 이 경우에는, 축열재(14-2)의 열이 가스 입구(11)를 통해 축열재(14-2)로 유입된 폐가스로 전달되고, 연소 영역(13)을 통과한 폐가스의 열이 축열재(14-1)로 전달된다.
상기와 같이 축열식 열산화 장치(10)는, 폐가스의 유로가 축열재(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, 폐가스를 누출시켜 악취를 발생시키는 문제점이 있다.
또한 반도체공정과 같이 실리콘을 다루는 공정에서 배출된 폐가스에는 각종 유기실리콘 성분이 포함되어 있는데, 이 같은 성분들은 열산화를 거치면서 이산화규소(SiO2)를 형성시킨다. 유기 배기가스의 처리를 위한 열산화의 운전온도가 850℃ 이하라 하더라도, 2,000℃를 넘는 버너 유닛(15)의 불꽃 부분에서, 미세입자의 이산화규소(SiO2)가 용융되었다가 축열식 열산화 장치(10)의 고온부, 특히 축열재(14-1, 14-2)의 상단 부분에 서로 뭉쳐 실리카겔의 형태로 축적되는데, 이렇게 축열재(14-1, 14-2)에 형성된 실리카겔은 유지보수작업으로는 제거가 불가능하므로, 축열재(14-1, 14-2)의 효율과 수명을 현저히 단축시킨다.
축열식 열산화 장치(10)의 운전온도를 낮추면 이러한 이산화규소(SiO2)의 겔화를 감소시킬 수는 있지만, VOC의 산화가 약해지므로, 결과적으로 VOC 제거 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.
도 2는 폐가스 중의 VOC를 고온으로 소각한 후 열교환기를 거쳐 배출하는 종래의 고온 회수식 열산화 장치(recuperative thermal oxidizer)(20)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2에서, 실선으로 표시된 화살표는 VOC 유입배기(즉, 폐가스)의 흐름경로를 의미하고, 점선으로 표시된 화살표는 VOC 처리배기(즉, 처리가스)의 흐름경로를 의미한다.
도 2를 참조하면, 고온 회수식 열산화 장치(20)는 원통형의 쉘(21), 쉘(21)의 내부에 배치된 복수개의 튜브로 이루어진 튜브 다발(22), 쉘(21)의 내부에 지그재그방식으로 배치된 격벽(23) 및 버너(24)를 포함한다.
가스 입구(Gi)로 유입된 VOC 배기가스(즉, 폐가스)는 배기팬(F)을 거쳐 쉘(21)의 내부로 공급된 후, 격벽(23)에 의해 지그재그 방식으로 튜브 다발(22)의 외부로 흐른다. 이후, 상기 VOC 배기가스는 버너(24)에서 연소된 후, 튜브 다발(22)을 구성하는 개개의 튜브 내부로 유입된 다음, 쉘(21)의 외부로 배출되어 또 다른 배기팬(F)을 거쳐 스택에 형성된 가스 출구(Go)를 통해 외부로 배출된다.
고온 회수식 열산화 장치(20)는 개개의 튜브 내에서 이산화규소(SiO2)가 겔화되어 실리카겔이 축적되더라도 상기 축적된 실리카겔을 정기적인 유지보수로 제거할 수 있는 구조를 갖추고 있다.
그러나, 고온 회수식 열산화 장치(20)에 구비된 투관형 열교환기(shell and tube heat exchanger)는 적정 열회수 비율이 40~70%로 매우 낮아, 산화온도를 1,400℉(760℃)로 다소 낮게 운전하더라도 여전히 350℃ 부근의 고온 배기가스를 배출하게 된다. 더 높은 열회수를 위해서는 열교환기의 용적이 과대해지는 문제가 생긴다.
본 발명의 일 구현예는 서로 직렬 연결된 열산화 챔버 및 촉매산화 챔버를 포함하는 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면은,
폐가스로부터 VOC(volatile organic compound) 및 악취를 제거하는 장치로서, 서로 직렬 연결된 열산화 챔버 및 촉매산화 챔버를 구비하고,
상기 열산화 챔버는 연료와 공기의 연소 반응과 함께 VOC의 산화반응이 일어나도록 구성되고,
상기 촉매산화 챔버는 VOC의 산화반응이 일어나도록 구성되는 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치를 제공한다.
상기 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치는 상기 열산화 챔버와 상기 촉매산화 챔버 사이에 배치된 적어도 하나의 열교환기를 더 구비하고, 상기 적어도 하나의 열교환기는 상기 열산화 챔버로 공급되기 전의 폐가스와 상기 열산화 챔버에서 배출된 처리가스 사이의 열교환을 일으키도록 구성될 수 있다.
상기 적어도 하나의 열교환기는 서로 직렬 연결된 투관형 열교환기(shell and tube heat exchanger) 및 제1 판형 열교환기를 포함하고, 상기 투관형 열교환기의 전단부는 상기 열산화 챔버의 후단부에 연결되고 상기 제1 판형 열교환기의 후단부는 상기 촉매산화 챔버의 전단부에 연결되며, 상기 투관형 열교환기는 상기 제1 판형 열교환기를 통과한 후 상기 열산화 챔버로 공급되기 전의 폐가스와 상기 열산화 챔버에서 배출된 처리가스 사이의 열교환을 일으키도록 구성되고, 상기 제1 판형 열교환기는 상기 열산화 챔버 및 상기 투관형 열교환기로 공급되기 전의 폐가스와 상기 열산화 챔버에서 배출된 후 상기 투관형 열교환기를 통과한 처리가스 사이의 열교환을 일으키도록 구성될 수 있다.
상기 투관형 열교환기는 550℃ 초과의 고온용 열교환기이고, 상기 제1 판형 열교환기는 550℃ 이하의 중온용 열교환기일 수 있다.
상기 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치는 상기 촉매산화 챔버의 후단부에 연결된 제2 판형 열교환기를 더 구비하고, 상기 제2 판형 열교환기는 상기 열산화 챔버 및 상기 적어도 하나의 열교환기로 공급되기 전의 폐가스와 상기 촉매산화 챔버에서 배출된 처리가스 사이의 열교환을 일으키도록 구성될 수 있다.
상기 제2 판형 열교환기는 550℃ 이하의 중온용 열교환기일 수 있다.
상기 폐가스는 500ppm 내지 3,000ppm(총탄화수소의 부피 기준)의 VOC 농도를 가질 수 있다.
상기 촉매산화 챔버는 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 열산화 챔버는 내부온도가 750℃ 내지 850℃로 유지될 수 있다.
상기 촉매산화 챔버는 내부온도가 350℃ 내지 450℃로 유지될 수 있다.
반도체 공정에서 배출되는 유기 배기가스의 VOC 농도는 총 탄화수소(THC: total hydrocarbon) 기준 100ppm 이하 수준인데, 농축기의 흡착 및 탈착공정을 거쳐 고농도로 농축되어 종래의 고온 축열식 열산화 장치로 유입되는 VOC 농도는 THC 기준 약 1,000~2,000ppm 수준이며, 이때의 악취 희석배수는 3,000배수 이상에 달한다. 종래의 고온 축열식 열산화 장치의 VOC 제거효율(THC 기준)은 일반적으로 90%에서 최대 98%이며, 장치의 배출구에서도 VOC가 20ppm 이상의 양(THC 기준)으로 배출된다. 특히, 이 농도에서도 악취 희석배수는 200~300배수 수준이기 때문에 악취에 민감한 사업장의 경우 악취 처리 용도만으로 별도의 처리장치를 추가로 설치하는 실정이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치를 도입할 경우, 직접 산화 부분에서는 종래의 고온 축열식 열산화 장치에서 누출에 의해 감소하는 효율 2~5%를 개선하여 90% 이상의 VOC 제거효율(THC 기준)을 달성할 수 있으며, 냄새로 감지되는 잔존 VOC는 2차적으로 촉매산화를 거치므로 최종적으로는 99% 이상의 VOC 제거효율(THC 기준)을 달성할 수 있으며 악취 희석배수도 50배수 이하로 유지할 수 있다. 또한 유기 배기가스에 포함된 이산화규소(SiO2)가 실리카겔을 형성하더라도, 이러한 실리카겔은 열산화 챔버와 고온 열교환기(즉, 투관형 열교환기)의 튜브 내부에 형성되므로 장치의 유지보수에 의해 제거될 수 있다.
도 1은 폐가스 중의 VOC를 고온으로 소각하여 제거하는 종래의 고온 축열식 열산화 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 폐가스 중의 VOC를 고온으로 소각한 후 열교환기를 거쳐 배출하는 종래의 고온 회수식 열산화 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 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.
본 명세서에서, "VOC"란 통상적인 실온(20℃~25℃)에서 높은 증기압을 갖는 유기 화학물질을 의미한다.
또한 본 명세서에서, "폐가스(waste gas)'란 반도체 공정 등에서 배출되는 배기가스를 의미한다.
또한 본 명세서에서, "처리가스(treated gas)"란 폐가스가 열산화 공정 및/또는 촉매산화 공정으로 처리되어 정화된 가스를 의미한다.
또한 본 명세서에서, "열산화(thermal oxidation)"란 촉매산화 대비 상대적으로 고온에서 폐가스를 분해시키는 반응으로서, 열 연소(thermal combustion)에 의해 폐가스 중의 탄화수소계 오염물(예를 들어, VOC)을 이산화탄소와 물로 화학적으로 산화시키는 반응을 의미한다.
또한 본 명세서에서, "촉매산화(catalytic oxidation)"란 열산화 대비 상대적으로 저온에서 촉매를 이용하여 폐가스를 분해시키는 공정으로서, 촉매작용에 의해 폐가스 중의 탄화수소계 오염물(예를 들어, VOC)을 이산화탄소와 물로 화학적으로 산화시키는 반응을 의미한다.
본 명세서에서, "전단부"란 처리가스의 흐름방향을 기준으로 상대적으로 역방향에 위치한 부분을 의미하고, "후단부"란 처리가스의 흐름방향을 기준으로 상대적으로 순방향에 위치한 부분을 의미한다.
또한 본 명세서에서, "산화" 및 "산화촉매"란 각각 VOC 및/또는 일산화탄소(CO)를 산화시켜 이산화탄소(CO2)와 물로 전환시키는 반응 및 촉매를 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치(30)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치(30)는 열산화 챔버(31) 및 촉매산화 챔버(34)를 포함한다.
상기 폐가스는 500ppm 내지 3,000ppm(총탄화수소의 부피 기준)의 VOC 농도를 가질 수 있다.
열산화 챔버(31)은 연료와 공기의 연소 반응과 함께 VOC의 산화반응(즉, 열산화반응)이 일어나도록 구성될 수 있다.
열산화 챔버(31)는 가스버너(불꽃으로 표시된 부분)를 구비할 수 있다. 상기 가스버너는 연료 및 공기를 별도로 공급받아, 열산화 챔버(31) 내에서 상기 연료와 공기의 연소 반응을 일으키는 역할을 수행한다. 상기 연료는 액화 천연 가스(LNG)일 수 있다. 상기 연소 반응에 의해 열산화 챔버(31) 내로 유입된 폐가스가 가열되고, 이 과정에서 상기 폐가스에 함유된 VOC 중의 적어도 일부가 1차적으로 산화되어 이산화탄소와 물로 전환된다.
열산화 챔버(31)는 내부온도가 750℃ 내지 850℃로 유지될 수 있다. 열산화 챔버(31)로 공급되기 전에 폐가스는 후술하는 적어도 하나의 열교환기(32, 33, 35)에 의해 210℃ 내지 610℃로 예열됨으로써, 열산화 챔버(31)에서 소모되는 연료의 사용량을 줄여 연료비를 절감할 수 있다.
열산화 챔버(31)는 80%~90%의 VOC 제거효율을 가질 수 있다. VOC 제거효율은 하기 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
[수학식 1]
VOC 제거효율(%) = (유입 VOC 농도 ― 유출 VOC 농도)/(유입 VOC 농도) * 100
또한, 열산화 챔버(31)는 유입 폐가스에 함유되어 있는 일산화탄소(CO)를 이산화탄소(CO2)로 전환시킬 수 있다.
또한, 열산화 챔버(31)는 그 내부에 어떠한 종류의 충전재도 포함하지 않는 단순한 구조를 갖기 때문에, 그 내부에서 유입 폐가스에 포함된 규소(Si)의 산화로 인해 이산화규소(Si02)와 같은 비정질 물질이 형성되고 상기 비정질 물질이 겔화(gelation)되어 실리카겔이 형성되더라도, 상기 실리카겔로 인한 막힘 현상이 발생하지 않는다.
촉매산화 챔버(34)는 VOC의 산화반응(즉, 촉매산화반응)이 일어나도록 구성될 수 있다.
촉매산화 챔버(34)는 적어도 1종의 산화촉매를 포함할 수 있다.
상기 산화촉매는 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 것일 수 있다.
촉매산화 챔버(34)는 내부온도가 350℃ 내지 450℃로 유지될 수 있다.
촉매산화 챔버(34)는 이에 포함된 상기 산화촉매의 작용으로 인해 350℃ 내지 450℃의 비교적 낮은 온도에서 작동되더라도, 열산화 챔버(31)에서 배출된 처리가스에 잔류하는 VOC의 적어도 일부를 추가적으로 산화시킬 수 있다. 촉매산화 챔버(34)의 내부온도(350℃ 내지 450℃)는 열산화 챔버(31)에서 배출된 고온의 처리가스가 후술하는 적어도 하나의 열교환기(32, 33)를 통과하면서 냉각되어 달성될 수 있다.
이와 같이 낮은 촉매산화 챔버(34)의 내부온도(350℃ 내지 450℃)에서는 NOx의 생성량이 적어 NOx로 인한 악취의 발생량이 감소한다.
폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치(30)는, 열산화 챔버(31) 및 촉매산화 챔버(34)의 조합으로 인해, 99% 이상의 VOC 제거효율 및 50배수 이하의 악취 희석배수를 달성할 수 있다. 악취 희석배수는 하기 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.
[수학식 2]
악취 희석배수 = (폐가스의 부피 + 희석 공기의 부피)/(폐가스의 부피)
상기 수학식 2에서, "희석 공기의 부피"는 희석 공기로 폐가스를 희석할 때, 희석된 폐가스에서 악취가 발생하지 않도록 하는 희석 공기의 최소 부피로 정의된다.
또한, 반도체 공정 등에서 유입되는 폐가스에 포함된 규소(Si) 및 VOC 물질이 산화되어 이산화규소(Si02)와 같은 비정질 물질이 부산물로 형성된 후, 상기 비정질 물질이 겔화(gelation)되는 온도가 800℃ 이상이기 때문에, 이산화규소(Si02)와 같은 비정질 물질은 촉매산화 챔버(34)의 내부온도인 350℃ 내지 450℃에서는 겔화되지 않아 상기 산화촉매의 층이 상기 비정질 물질의 겔화물(예를 들어, 실리카겔)에 의해 막히는 현상이 발생하지 않는다.
또한, 촉매산화 챔버(34)는 열산화 챔버(31)에서 연료가 불완전 연소되어 발생하는 일산화탄소(CO)를 이산화탄소(CO2)로 전환시킬 수 있다.
폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치(30)는 열산화 챔버(31)와 촉매산화 챔버(34) 사이에 배치된 적어도 하나의 열교환기(32, 33)를 더 구비할 수 있다.
적어도 하나의 열교환기(32, 33)는 열산화 챔버(31)로 공급되기 전의 폐가스와 열산화 챔버(31)에서 배출된 처리가스 사이의 열교환을 일으키도록 구성될 수 있다.
또한, 적어도 하나의 열교환기(32, 33)는 열산화 챔버(31)에서 형성된 비정질 물질의 겔화물(예를 들어, 실리카겔)에 의해 막히지 않는 구조 및 작동온도를 가질 수 있다.
이를 위해, 적어도 하나의 열교환기(32, 33)는 서로 직렬 연결된 투관형 열교환기(shell and tube heat exchanger)(32) 및 제1 판형 열교환기(plate heat exchanger)(33)를 포함할 수 있다.
투관형 열교환기(32)는 원통형 쉘(미도시) 및 그 내부에 배치된 튜브 다발(미도시)을 포함할 수 있다(https://en.wikipedia.org/wiki/Shell_and_tube_heat_exchanger). 따라서, 열산화 챔버(31) 등에서 이산화규소(SiO2)과 같은 비정질 물질의 겔화물(예를 들어, 실리카겔)이 형성되더라도 상기 겔화물은 상기 튜브 다발에 포함된 개개의 튜브 내부에 축적되어 투관형 열교환기(32)의 유지보수에 의해 쉽게 제거될 수 있다.
투관형 열교환기(32)의 전단부는 열산화 챔버(31)의 후단부에 연결되고, 투관형 열교환기(32)의 후단부는 제1 판형 열교환기(33)에 연결될 수 있다.
투관형 열교환기(32)는 제1 판형 열교환기(33)를 통과한 후 열산화 챔버(31)로 공급되기 전의 폐가스와 열산화 챔버(31)에서 배출된 처리가스 사이의 열교환을 일으키도록 구성될 수 있다.
투관형 열교환기(32)는 550℃ 초과의 고온용 열교환기일 수 있다. 즉, 투관형 열교환기(32)는 550℃ 초과의 고온에서도 견딜 수 있는 열교환기일 수 있다.
제1 판형 열교환기(33)는 복수개의 금속판을 사용하여 2개의 유체들(즉, 폐가스와 처리가스) 간에 열을 전달하는 열교환기일 수 있다(https://en.wikipedia.org/wiki/Plate_heat_exchanger).
제1 판형 열교환기(33)의 전단부는 투관형 열교환기(32)의 후단부에 연결되고, 제1 판형 열교환기(33)의 후단부는 촉매산화 챔버(34)의 전단부에 연결될 수 있다.
제1 판형 열교환기(33)는 열산화 챔버(31) 및 투관형 열교환기(32)로 공급되기 전의 폐가스와 열산화 챔버(31)에서 배출된 후 투관형 열교환기(32)를 통과한 처리가스 사이의 열교환을 일으키도록 구성될 수 있다.
제1 판형 열교환기(33)는 550℃ 이하의 중온용 열교환기일 수 있다. 즉, 제1 판형 열교환기(33)는 550℃ 이하의 저온에서 견딜 수 있는 열교환기일 수 있다. 예를 들어, 제1 판형 열교환기(33)는 용접형 판형 열교환기(brazed plate heat exchanger)일 수 있다. 용접형 판형 열교환기는, 예를 들어, 구리 또는 니켈로 진공용접된(vacuum brazed) 복수개의 스테인레스스틸 판으로 구성될 수 있다.
폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치(30)는 촉매산화 챔버(34)의 후단부에 연결된 제2 판형 열교환기(35)를 더 구비할 수 있다.
제2 판형 열교환기(35)는 열산화 챔버(31) 및 적어도 하나의 열교환기(32, 33)로 공급되기 전의 폐가스와 촉매산화 챔버(34)에서 배출된 처리가스 사이의 열교환을 일으키도록 구성될 수 있다.
제2 판형 열교환기(35)는 제1 판형 열교환기(33)와 동일한 구조 및 기능을 가질 수 있다. 따라서, 제2 판형 열교환기(35)는 제1 판형 열교환기(33)와 마찬가지로 550℃ 이하의 중온용 열교환기일 수 있다.
제1 판형 열교환기(33) 및 제2 판형 열교환기(35)는 부피가 작아 설비(즉, 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치(30))의 용적을 최소화할 수 있다.
또한, 제1 판형 열교환기(33) 및 제2 판형 열교환기(35)는 투관형 열교환기(32)보다 열전달 효율이 더 높다.
또한, 판형 열교환기는 가스킷 판형 열교환기와 용접형 판형 열교환기로 구분될 수 있는데, 가스킷 판형 열교환기는 유지보수가 원활하지만 200℃ 이하의 온도에서만 적용가능하며, 용접형 판형 열교환기는 다소 고온에 적용할 수 있지만 청소 등의 유지보수가 불가능하며, 운전 가능 온도가 580℃로 제한된다.
폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치(30)는 제2 판형 열교환기(35)의 후단부에 연결된 배기팬(F)을 더 포함할 수 있다.
배기팬(F)은 장치들(31, 32, 33, 34, 35) 사이에서 발생하는 압력 손실로 인해 처리가스의 흐름이 약화된 것을 보상하여 처리가스의 흐름을 원활하게 해 주는 역할을 수행한다.
상기와 같은 구성을 갖는 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치(30)는 다음과 같은 이점을 갖는다: 즉, 이산화규소(SiO2)과 같은 비정질 물질의 겔화물(예를 들어, 실리카겔)이 형성될 수 있는 고온 조건에서 운전되는 열산화 챔버(31) 및 투관형 열교환기(32)는 상기 겔화물에 의해 잘 막히지 않을 뿐만 아니라, 유지보수에 의해 상기 겔화물을 쉽게 제거할 수 있기 때문에, 도 1의 종래의 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 축열재 비용 및 이의 교체 비용을 절감할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치(30)의 작용 및 효과를 상세히 설명한다.
도 3에서, 실선으로 표시된 화살표는 VOC 유입배기(즉, 폐가스)의 흐름경로를 의미하고, 점선으로 표시된 화살표는 VOC 처리배기(즉, 처리가스)의 흐름경로를 의미한다.
먼저, 외부로부터 T1(예를 들어, 70℃)의 온도를 갖는 폐가스가 가스 입구(Gi) 및 라인(L1)을 차례로 통과하여 제2 판형 열교환기(35)로 유입되어 T2(예를 들어, 210℃)로 가열된다. 제2 판형 열교환기(35)를 통과한 폐가스는 라인(L2)을 통해 제1 판형 열교환기(33)로 유입된다.
다음에, 제1 판형 열교환기(33)로 유입된 폐가스는 제1 판형 열교환기(33)에서 다시 T3(예를 들어, 410℃)로 가열된다. 제1 판형 열교환기(33)를 통과한 폐가스는 라인(L3)을 통해 투관형 열교환기(32)로 유입된다.
이후, 투관형 열교환기(32)로 유입된 폐가스는 투관형 열교환기(32)에서 다시 T4(예를 들어, 610℃)로 가열된다. 투관형 열교환기(32)를 통과한 폐가스는 라인(L4)을 통해 열산화 챔버(31)로 유입된다.
다음에, 열산화 챔버(31)로 유입된 폐가스에 함유된 VOC 중의 적어도 일부와 일산화탄소(CO)는 열산화 챔버(31)에서 1차적으로 산화된다. 열산화 챔버(31)에서 배출된 처리가스는 T5(예를 들어, 750℃)의 온도를 가지며 라인(L5)을 통해 투관형 열교환기(32)로 유입된다.
이후, 투관형 열교환기(32)로 유입된 처리가스는 투관형 열교환기(32)에서 T6(예를 들어, 550℃)로 냉각된다. 투관형 열교환기(32)에서 배출된 처리가스는 라인(L6)을 통해 제1 판형 열교환기(33)로 유입된다.
다음에, 제1 판형 열교환기(33)로 유입된 처리가스는 제1 판형 열교환기(33)에서 다시 T7(예를 들어, 350℃)으로 냉각된다. 제1 판형 열교환기(33)에서 배출된 처리가스는 라인(L7)을 통해 촉매산화 챔버(34)로 유입된다.
이후, 촉매산화 챔버(34)로 유입된 처리가스에 함유된 VOC 중의 나머지 일부와 일산화탄소(CO)는 촉매산화 챔버(34)에서 2차적으로 산화된다. 촉매산화 챔버(34)에서 배출된 처리가스는 T8(예를 들어, 350℃)의 온도를 가지며 라인(L8)을 통해 제2 판형 열교환기(35)로 유입된다.
이후, 제2 판형 열교환기(35)로 유입된 처리가스는 제2 판형 열교환기(35)에서 다시 T9(예를 들어, 210℃)으로 냉각된다. 제2 판형 열교환기(35)에서 배출된 처리가스는 라인(L9)을 통해 배기팬(F)으로 흡입된 후, 라인(L10)을 통해 스택(stack)으로 유입된 다음, 상기 스택에 형성된 가스 출구(Go)를 통해 외부로 배출된다.
도 3에서, 각 부분의 온도들 사이의 관계는 다음과 같다: 즉, T1 < T2 < T3 < T4 < T5, T9 < T8(=T7) < T6 < T5, 및 T8(=T7) < T3.
상기와 같은 구성을 갖는 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치(30)는 도 1의 축열식 열산화 장치(10)에 비해 저온에서 작동되어 악취의 원인이 되는 NOx의 발생량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 폐가스 및 처리가스가 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(30)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 축열재 또는 촉매의 기공을 막아 압력 손실이 급격히 상승하는 문제가 발생하지 않는다.
또한, 상기와 같은 구성을 갖는 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치(30)는, 장치 전체의 용적이 동일한 경우, 도 2의 고온 회수식 열산화 장치(10)에 비해 열회수 비율이 매우 높고, 저온(예를 들어, 210℃)의 최종 처리가스를 생성할 수 있다.
이상에서 도면을 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: 축열재 15, 107: 버너 유닛
16, 108: 연소공기 공급팬 17, 109: 배기팬
18-1, 18-2: 유로 변경유닛 20: 고온 회수식 열산화 장치
21: 원통형 쉘 22: 튜브 다발
23: 격벽 24: 버너
30: VOC 제거 및 악취 개선 장치 31: 열산화 챔버
32: 투관형 열교환기 33, 35: 판형 열교환기
34: 촉매산화 챔버

Claims (10)

  1. 폐가스로부터 VOC(volatile organic compound) 및 악취를 제거하는 장치로서, 서로 직렬 연결된 열산화 챔버 및 촉매산화 챔버를 구비하고,
    상기 열산화 챔버는 연료와 공기의 연소 반응과 함께 VOC의 산화반응이 일어나도록 구성되고,
    상기 촉매산화 챔버는 VOC의 산화반응이 일어나도록 구성되고,
    상기 열산화 챔버는 내부온도가 750℃ 내지 850℃로 유지되고,
    상기 촉매산화 챔버는 내부온도가 350℃ 내지 450℃로 유지되고,
    상기 열산화 챔버와 상기 촉매산화 챔버 사이에 배치된 투관형 열교환기(shell and tube heat exchanger)를 더 구비하고,
    상기 투관형 열교환기는 상기 열산화 챔버로 공급되기 전의 폐가스와 상기 열산화 챔버에서 배출된 처리가스 사이의 열교환을 일으키도록 구성되는 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 투관형 열교환기와 직렬 연결된 제1 판형 열교환기를 더 포함하고,
    상기 투관형 열교환기의 전단부는 상기 열산화 챔버의 후단부에 연결되고 상기 제1 판형 열교환기의 후단부는 상기 촉매산화 챔버의 전단부에 연결되며,
    상기 투관형 열교환기는 상기 제1 판형 열교환기를 통과한 후 상기 열산화 챔버로 공급되기 전의 폐가스와 상기 열산화 챔버에서 배출된 처리가스 사이의 열교환을 일으키도록 구성되고,
    상기 제1 판형 열교환기는 상기 열산화 챔버 및 상기 투관형 열교환기로 공급되기 전의 폐가스와 상기 열산화 챔버에서 배출된 후 상기 투관형 열교환기를 통과한 처리가스 사이의 열교환을 일으키도록 구성되는 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 투관형 열교환기는 550℃ 초과의 고온용 열교환기이고, 상기 제1 판형 열교환기는 550℃ 이하의 중온용 열교환기인 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 촉매산화 챔버의 후단부에 연결된 제2 판형 열교환기를 더 구비하고,
    상기 제2 판형 열교환기는 상기 열산화 챔버 및 상기 적어도 하나의 열교환기로 공급되기 전의 폐가스와 상기 촉매산화 챔버에서 배출된 처리가스 사이의 열교환을 일으키도록 구성되는 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 판형 열교환기는 550℃ 이하의 중온용 열교환기인 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 폐가스는 500ppm 내지 3,000ppm(총탄화수소의 부피 기준)의 VOC 농도를 갖는 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 촉매산화 챔버는 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 포함하는 폐가스로부터의 VOC 제거 및 악취 개선 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
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