KR101907622B1 - 능동적인 농축률 제어수단을 구비한 농축 촉매 연소 시스템 - Google Patents

능동적인 농축률 제어수단을 구비한 농축 촉매 연소 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 능동적인 농축률 제어수단을 구비한 농축 촉매 연소 시스템에 관한 것이다. 이러한 능동적인 농축률 제어수단을 구비한 농축 촉매 연소 시스템은, 휘발성 유기화합물(VOC)이 포함된 배출가스를 흡입하는 흡입송풍기; 상기 흡입송풍기를 경유한 상기 배출가스가 유입되며, 상기 휘발성 유기화합물의 흡착 및 탈착이 수행되는 VOC 농축기; 상기 VOC 농축기에 유입되는 배출가스 중 일부를 상기 휘발성 유기화합물이 탈착되는 방향으로 흡입하는 유량조절송풍기; 상기 VOC 농축기와 상기 유량조절송풍기 사이에 배치되어, 상기 휘발성 유기화합물의 탈착 후 농도를 계측하는 농도측정기; 상기 유량조절송풍기로부터 공급되는 농축된 휘발성 유기화합물을 연소시키는 촉매연소기; 및 상기 농도측정기에 의해 측정되는 상기 휘발성 유기화합물의 농도가 소정의 범위를 유지하도록, 상기 유량조절송풍기가 상기 VOC 농축기로부터 흡입하는 유량을 조절하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

능동적인 농축률 제어수단을 구비한 농축 촉매 연소 시스템{Concentrate catalytic combustion system with active concentration rate control means}
본 발명은 능동적인 농축률 제어수단을 구비한 농축 촉매 연소 시스템에 관한 것으로, 특히 배출가스에 포함된 휘발성 유기화합물의 농축농도를 능동적으로 조절하여 보조연료의 사용 없이 상기 휘발성 유기화합물을 연소시킬 수 있도록 한 농축 촉매 연소 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 배출가스에 포함된 휘발성 유기화합물을 포집하여 상기 휘발성 유기화합물을 연소 가능한 농도로 농축한 후 연소시켜 정화하는 대기오염방지 기술에 관한 것이다.
인쇄 또는 도장 등 이와 유사한 작업을 하는 작업장에서 배출되는 휘발성 유기화합물은 악취를 발생시킬 뿐만 아니라 대기를 오염시키고 인체에 심각한 영향을 주기 때문에 배출가스에서 분리시켜 회수하거나 연소시키는 기술을 권장하고 있다. 상기 문제를 해결하기 위한 최적의 기술은 연소기술이다. 그러나 배출가스에 포함된 휘발성 유기화합물의 농도가 낮은 경우 연소 가능한 온도로 올리기 위해 보조연료를 사용해야 하므로, 추가적 비용이 발생하는 문제가 있다.
이에, 보조연료를 사용해야 하는 문제를 해결하기 위해서 휘발성 유기화합물의 농도를 연소가능한 농도로 높이는 농축 연소 기술이 개발되었다. 종래 한국등록특허 제10-1719540호(이하, '선행문헌'이라 함)는 휘발성 유기화합물을 농축시키는 것과 관련된다.
구체적으로, 도1을 참조하면, 상기 선행문헌에 의한 연소장치는, VOC 가스포집부(1)(VOC: volatile organic compound), 제올라이트 농축기부(2), 메인송풍기(3), 탈착송풍기(4), 및 세라믹촉매산화설비(5)를 포함한다.
상기 VOC 가스포집부(1)는 배기가스를 포집하고, 상기 제올라이트 농축기부(2)는 상기 VOC 가스포집부(1)의 후단에 배치되어 휘발성 물질을 흡착하는 방식으로 필터링한다. 상기 메인송풍기(3)는 상기 제올라이트 농축기부(2)에서 휘발성 물질이 제거된 가스를 실내로 배기한다. 또한, 상기 탈착송풍기(4)는 세라믹촉매산화설비(4)로부터의 고온의 에어를 일정 온도까지 냉각시켜 공급받아 제올라이트 농축부(2)의 흡착존에 있는 휘발성 물질을 탈착 제거한다. 상기 탈착송풍기(4)를 거치면서 제거된 휘발성 물질은 상기 세라믹촉매산화설비(5)로 이동하여 연소된다.
이러한 구성에 의한 상기 선행문헌에 따르면, 휘발성 유기화합물의 농도는 상기 제올라이트 농축기부(2)에서 흡착 및 탈착되는 과정에서 높아진다. 그러나, 상기 선행문헌은 다음과 같은 문제점을 갖는다.
휘발성 유기화합물의 배출 농도가 심하게 변하는 경우에, 배출가스가 상기 제올라이트 농축부(2)를 통과하더라고 휘발성 유기화합물의 농축농도가 일정하게 유지되기 어렵다. 상기 선행문헌은 상기 메인송풍기(3)가 흡입하는 배출가스의 유량과 상기 탈착송풍기(4)가 흡입하는 배출가스의 유량이 일정하게 유지되므로, 상기 농축기부(2)로 유입되는 배출가스에 포함된 휘발성 유기화합물의 농도에 따라서 탈착 후의 농축농도가 일정수준으로 유지되기 어렵다. 따라서, 농축농도가 일정수준 이하로 떨어지면 여전히 휘발성 유기화합물을 연소시키기 위해서 보조연료가 필요하며, 농축농도가 일정수준 이상으로 상승하면 연소장치의 과열을 유발하여 폭발위험성이 높아진다.
따라서, 본 발명은 배출가스에 포함된 휘발성 유기화합물의 농도가 가변하더라 도 연소 가능한 수준으로 상기 휘발성 유기화합물을 농축시킬 수 있도록 한 연소 시스템을 제안하고자 한다.
한국등록특허공보 제10-1719540호(등록번호)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 배출가스에 포함된 휘발성 유기화합물의 농도가 가변하더라도 상기 휘발성 유기화합물을 연소 가능한 농도로 농축할 수 있도록 하여 보조연료의 사용 없이 상기 휘발성 유기화합물을 연소시킬 수 있도록 한 능동적인 농축률 제어수단을 구비한 농축 촉매 연소 시스템을 제공함을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 능동적인 농축률 제어수단을 구비한 농축 촉매 연소 시스템은, 휘발성 유기화합물(VOC)이 포함된 배출가스를 흡입하는 흡입송풍기; 상기 흡입송풍기를 경유한 상기 배출가스가 유입되며, 상기 휘발성 유기화합물의 흡착 및 탈착이 수행되는 VOC 농축기; 상기 VOC 농축기에 유입되는 배출가스 중 일부를 상기 휘발성 유기화합물이 탈착되는 방향으로 흡입하는 유량조절송풍기; 상기 VOC 농축기와 상기 유량조절송풍기 사이에 배치되어, 상기 휘발성 유기화합물의 탈착 후 농도를 계측하는 농도측정기; 상기 유량조절송풍기로부터 공급되는 농축된 휘발성 유기화합물을 연소시키는 촉매연소기; 및 상기 농도측정기에 의해 측정되는 상기 휘발성 유기화합물의 농도가 소정의 범위를 유지하도록, 상기 유량조절송풍기가 상기 VOC 농축기로부터 흡입하는 유량을 조절하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 탈착 후 상기 휘발성 유기화합물의 농도에 따른 상승온도를 산출하는 온도상승산출부를 포함하고, 상기 촉매연소기에서 연소가 시작되는 연소개시온도를 A℃, 상기 온도상승산출부에 의해 산출된 상승온도를 B℃, 상기 촉매연소기에서 사용되는 연소용 촉매의 내열 온도를 C℃라 할 때, A + B < C 인 관계가 되도록, 상기 유량조절송풍기가 흡입하는 유량을 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 흡입송풍기와 상기 VOC 농축기를 연결하는 라인으로부터 분기하고, 상기 VOC 농축기와 상기 농도측정기를 연결하는 라인에 연결되며, 상기 흡입송풍기를 경유한 상기 배출가스가 상기 VOC 농축기에 유입되기 전에 우회시키는 제1 우회댐퍼를 포함하는 것이 바람직하다.
삭제
또한, 상기 배출가스 중 일부가 상기 VOC 농축기로부터 빠져나온 후 다시 상기 VOC 농축기로 재유입되는 유로 상에는 열교환기와 전기히터가 순차적으로 마련되고, 상기 VOC 농축기와 상기 열교환기를 연결하는 라인과, 상기 열교환기와 상기 전기히터를 연결하는 라인 사이에는, 상기 VOC 농축기를 경유한 상기 배출가스 중 일부를 상기 전기히터의 전단으로 유입시키는 제2 우회댐퍼가 마련된 것이 바람직하다.
또한, 상기 VOC 농축기와 상기 농도측정기를 연결하는 라인 상에는 희석공기를 주입하는 희석공기주입댐퍼가 마련된 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 능동적인 농축률 제어수단을 구비한 농축 촉매 연소 시스템는, 배출가스에 포함된 휘발성 유기화합물의 농도가 가변하더라도 상기 휘발성 유기화합물을 연소 가능한 농도로 농축할 수 있다.
또한, 휘발성 유기화합물을 농축하여 연소시킴으로써 보조연료의 사용 없이 휘발성 유기화합물을 연소시킬 수 있으며, 휘발성 유기화합물의 연소열은 휘발성 유기화합물의 연소를 위해 회수하여 재활용하는 효과를 제공한다.
도1은 종래 연소장치의 개략도,
도2는 본 발명 실시예에 따른 농축 촉매 연소 시스템의 개략도,
도3은 도2의 요부를 발췌하여 도시한 도면,
도4는 도2의 요부를 구체화하여 도시한 도면,
도5는 휘발성 유기화합물의 농도를 조절하는 구성의 블럭도,
도6은 배출가스 유입농도에 따라, 유량조절송풍기, 제1 우회댐퍼, 및 희석공기주입댐퍼의 작동을 도시한 도면,
도7은 본 발명 실시예에 따른 농축 촉매 연소 시스템의 실험데이터이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도2는 본 발명 실시예에 따른 농축 촉매 연소 시스템의 개략도이다. 도3은 도2의 요부를 발췌하여 도시한 도면이고, 도4는 도2의 요부를 구체화하여 도시한 도면이다. 도5는 휘발성 유기화합물의 농도를 조절하는 구성의 블럭도이고, 도6은 배출가스 유입농도에 따라, 유량조절송풍기, 제1 우회댐퍼, 및 희석공기주입댐퍼의 작동을 도시한 도면이며, 도7은 본 발명 실시예에 따른 농축 촉매 연소 시스템의 실험데이터이다.
먼저, 도2를 참조하면, 본 발명 실시예에 따른 능동적인 농축률 제어수단을 구비한 농축 촉매 연소 시스템은, 흡입송풍기(10), VOC 농축기(20), 유량조절송풍기(30), 농도측정기(40), 촉매연소기(50), 및 제어부(60)를 포함한다.
상기 흡입송풍기(10)는 휘발성 유기화합물(VOC; volatile organic compound)이 포함된 배출가스를 흡입한다. 본 발명은 인쇄 또는 도장 등의 유사한 작업을 하는 시설에서 발생하는 상기 휘발성 유기화합물은 처리하기 위해서 마련된 것으로, 휘발성 유기화합물이 포함된 상기 배출가스는 상기 흡입송풍기(10)에 의해 흡입된다.
상기 흡입송풍기(10)의 출력은 인버터(11)에 의해 조절될 수 있다. 또한, 본 발명실시예에 따르면, 상기 흡입송풍기(10)의 전단에는 전처리필터(120)가 배치되어 상기 배출가스에 포함된 입자성 물질을 1차적으로 필터링한다. 상기 흡입송풍기(10)와 후술하는 VOC 농축기(20)는 유입덕트(12)에 의해 연결된다.
상기 VOC 농축기(20)는 휘발성 유기화합물의 흡착 및 탈착을 위해 마련된다. 상기 흡입송풍기(10)를 경유한 상기 배출가스는 상기 VOC 농축기(20)로 유입된다. 도3을 참조하면, 본 발명 실시예에 채용된 상기 VOC 농축기(20)는, 회전부재(21), 전면커버부(22), 및 후면커버부(23)를 포함한다.
상기 회전부재(21)는 원통형으로 이루어지며, 내부에 상기 휘발성 유기화합물을 흡착하는 흡착제가 마련된다. 구체적으로, 회전부재(21)의 내부는 벌집 모양으로 이루어지고, 각 격실(211)에는 제올라이트 같은 흡착제를 코팅한 세라믹 시트가 채워진다.
상기 회전부재(21)의 외주면에는 밸트(212)가 결합되고, 상기 밸트(212)는 모터(213)에 의해 상기 밸트(212)에 걸린 회전부재(21)를 회전시킨다. 상기 흡입송풍기(10)를 통과하여 상기 VOC 농축기(20)로 들어온 상기 배출가스의 휘발성 유기화합물은 상기 회전부재(21) 내부에서 흡착된다. 한편, 상기 배출가스의 일부가 상기 VCO 농축기(20)를 통과한 후에 다시 회귀하여 들어올 때, 상기 회전부재(21)에 흡착된 휘발성 유기화합물은 탈착된다.
상기 전면커버부(22)는 상기 회전부재(21)의 전면에 결합되는 부분이다. 상기 전면커버부(22)는 상기 배출가스가 유입되는 제1 유입구(221)와, 탈착을 위해서 상기 VOC 농축기(20)의 후면 측으로부터 다시 불어 들어오는 배출가스가 배출되는 제1 배출구(222)가 마련된다.
상기 전면커버부(22)는 3개의 영역으로 구분된다. 상기 3 개의 영역으로 구분하기 위해서, 상기 전면커버부(22)에는 3개의 격벽(26,25,24)이 마련된다. 도3에 도시된 바와 같이, 상기 제1,2,3 격벽(26,25,24)이 순차적으로 배치될 때, 상기 제1 격벽(26)과, 제3 격벽(24) 사이 영역은 제1 영역(R1), 제1 격벽(26)과 제2 격벽(25)의 사이 영역은 제2 영역(R2), 그리고, 상기 제2 격벽(25)과 상기 제3 격벽(24) 사이는 제3 영역(R3)을 형성한다. 상기 제1,2,3 영역(R1,R2,R3)의 비율은 대략적으로, 8:1:1 정도로 형성된다.
상기 전면커버부(22)의 제1 유입구(221)는 제1 영역(R1)에 배치되고, 상기 제1 배출구(222)는 제3 영역(R3)에 배치된다. 상기 제1 유입구(221)를 통해 들어온 배출가스의 대부분은 상기 회전부재(21)를 통과하면서 휘발성 유기화합물이 흡착되고 정화된 후 상기 회전부재(21)의 후측에 결합되는 후면커버부(23)의 제2 배출구(231)를 통해 배출된다. 상기 제1 격벽(26)에는 관통공(27)이 형성된다. 상기 관통공(27)은 상기 제1 유입구(221)를 통해 유입된 배출가스의 일부를 제2 영역(R2)으로 유도한다.
상기 후면커버부(23)는 상기 회전부(21)의 후면에 결합되는 부분이다. 상기 후면커버부(23)는 상기 전면커버부(22)와 마찬가지로 3개의 영역으로 구분된다. 상기 전면커버부(22)와 마찬가지로, 상기 후면커버부(23)에도 3개의 격벽(26,25,24)이 마련되고, 제1,2,3 영역(R1,R2,R3)으로 구획된다. 상기 후면커버부(23)에 배치된 격벽(26,25,24) 및 각 영역(R1,R2,R3)의 위치는 상기 전면커버부(22)에서의 격벽(26,25,24) 및 영역(R1,R2,R3)의 위치가 동일하다.
상기 후면커버부(23)의 후면 측에는 제2 배출구(231), 제3 배출구(232), 및 제2 유입구(233)가 마련된다.
상기 제2 배출구(231)는 상기 제1 유입구(221)로 유입된 배출가스의 대부분을 상기 VOC 농축기(20)의 후단 측으로 배기하기 위해서 마련된다. 상기 제3 배출구(232)는 상기 관통공(27)을 통해 제2 영역(R2)으로 유입된 배출가스를 배기한다. 상기 제2 유입구(233)는 상기 제3 배출구(232)를 통해 상기 VOC 농축기(20)로부터 나온 배출가스를 다시 상기 VOC 농축기(20)의 제3 영역(R3)으로 유입시키기 위해 마련된다. 상기 제3 배출구(232)와 상기 제2 유입구(233)는 회귀덕트(15)에 의해 연결된다.
상기 유량조절송풍기(30)는 상기 VOC 농축기(20)로 유입되는 배출가스 중 일부를 상기 휘발성 유기화합물이 탈착되는 방향으로 흡입하기 위해 마련된다. 구체적으로, VOC 농축기(20)로 유입되는 배출가스 중 일부가 제2 영역(R2)을 통해 VOC 농축기(20)를 빠져나가면, 상기 유량조절송풍기(30)는 상기 배출가스가 VOC 농축기(20)의 제3 영역(R3)을 거치면서 지나갈 수 있도록 상기 배출가스를 흡입한다.
상기 회귀덕트(15)를 지나는 배출가스는 가열되어 제3 영역(R3)을 지나면서 휘발성 유기화합물의 탈착이 수행된다. 상기 유량조절송풍기(30)는 상기 전면커버부(22)의 제1 배출구(222)와 촉매연소기(50)를 연결하는 농축가스유입덕트(13) 상에 마련된다.
상기 농도측정기(40)는 상기 휘발성 유기화합물의 탈착 후의 농도를 계측하기 위해서 마련된다. 상기 농도측정기(40)는 상기 VOC 농축기(20)와 상기 유량조절송풍기(30) 사이에 배치된다. 즉, 상기 농도측정기(40)는 농축가스유입덕트(13) 상에 마련된다.
상기 촉매연소기(50)는 상기 유량조절송풍기(30)로부터 공급되는 농축된 휘발성 유기화합물을 연소시키기 위해서 마련된다. 즉, 배출가스에 포함되는 유해한 휘발성 유기화합물은 상기 촉매연소기(50)에서 연소되어 제거된다. 본 실시예에 따른, 상기 촉매연소기(50)는 예열부(52), 연소촉매부(51), 및 폐열회수부(53)를 포함한다.
상기 촉매연소기(50)는 상기 농축된 휘발성 유기화합물을 공급받고, 연소를 촉진하는 촉매를 이용하여 상기 휘발성 유기화합물을 연소시키는데, 상기 예열부(52)는 상기 촉매연소기(50)에서 연소가 시작되는 개시온도로 연소실의 온도를 상승시키기 위해서 마련된다. 예컨대, 350℃ 정도에서 연소가 시작되는 경우, 상기 예열부(52)는 상기 온도가지 연소실의 온도를 상승시킨다.
상기 연소촉매부(51)는 연소를 촉진하는 촉매를 이용하여 상기 휘발성 유기화합물을 연소시키기 위해서 마련된다.
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상기 폐열회수부(53)는 상기 농축가스가 연소될 때의 열을 회수하기 위해 마련된다. 상기 폐열회수부(53)에는 농축가스유입덕트(13)를 통과한 농축가스가 유입되고, 상기 농축가스는 상기 연소촉매부(51)로부터 발생된 열을 전달받아서 예열된다. 따라서 상기 연소촉매부(51)의 가동 초기에는 상기 예열부(52)를 가열하기 위해서 예열용 보조 연료를 사용하지만, 상기 연소촉매부(51)가 정상 가동되면 상기 폐열회수부(53)에서 열교환을 수행하여 상기 예열용 보조 연료를 사용하지 않거나, 또는 상당히 절감한 양의 연료만으로도 정상 운전을 할 수 있다.
상기 제어부(60)는, 상기 농도측정기(40)에 의해 측정되는 상기 휘발성 유기화합물의 농도가 소정의 범위를 유지하도록, 상기 유량조절송풍기(30)가 상기 VOC 농축기(20)로부터 흡입하는 유량을 조절하기 위해서 마련된다. 상기 제어부(60)는 상기 유량조절송풍기의 인버터(31)를 컨트롤한다.
상기 제어부(60)는, 온도상승산출부(61)를 포함한다.
상기 온도상승산출부(61)는 상기 휘발성 유기화합물이 탈착된 후, 상기 휘발성 유기화합물의 농도에 따라 상기 휘발성 유기화합물이 연소할 때 상승온도를 산출하기 위해서 마련된다. 상기 온도상승산출부(61)는 상기 상승온도를 유기화합물의 발열량에 근거하여 산출할 수 있다. 상기 온도상승산출부(61)는 상기 농도측정기(40)로부터 농축된 상기 휘발성 유기화합물의 농도를 전송받는다.
상기 제어부(60)는, 상기 촉매연소기(50)에서 연소가 시작되는 연소개시온도를 A℃, 상기 온도상승산출부에 의해 산출된 상승온도를 B℃, 상기 촉매연소기(50)에서 사용되는 연소용 촉매의 내열 온도를 C℃ 할 때, A+B<C 인 관계가 되도록, 상기 유량조절송풍기(30)가 흡입하는 유량을 조절한다.
예컨대, 상기 촉매연소기(50)에서의 연소개시온도가 350℃이고, 촉매의 내열온도가 700℃인 경우에, 상기 휘발성 유기화합물의 연소에 의해 대략 350℃ 미만으로 연소실의 온도가 상승될 것이 허용된다. 상기 휘발성 유기화합물의 상승온도는 상기 휘발성 유기화합물의 농도에 의존한다.
예컨대, 흡입송풍기(10)를 경유하여 상기 VOC 농축기(20)로 유입된 배출가스가, 에탄올(Ethanol), 노멀프로필아세테이트(NPAC: Nomal Propyl Acetate), 프로필렌글리콜모노메틸에테르(Propylene glycol mono methyl ether), 에틸아세테이트(Ethyl Acetate) 등의 휘발성 유기화합물이 10.5%, 10,7%, 1.8%, 76.6%의 비율로 구성된 배출가스가 400ppm의 농도로 1분당 420m3 로 배출되는 경우, 이 중 1분당 378m3 는 제1 영역(R1)을 경유하면서 상기 휘발성 유기화합물 중 약 95% 이상 상기 VOC 농축기(20)에 흡착되고, 미량의 휘발성 유기화합물이 포함된 정화된 배기가스는 제2 배출구(231)을 통해 대기 중으로 배기된다. 나머지 42m3 의 배출가스는 제 영역(R2)을 경유하여 회귀덕트(15)를 거친 후 다시 상기 VOC 농축기(20)로 유입된다.
이때, 상기 배출가스는 상기 회귀덕트(15)에 마련된 전기히터(90)에 의해 가열(본 실시예에 있어서, 약 200℃)되어 상기 VOC 농축기(20)의 제3 영역(R3)를 통과하면서 흡착된 상기 휘발성 유기화합물을 탈착시킨다. 이러한 과정에서 대략적인 휘발성 유기화합물의 농도는 3820ppm의 고농도로 농축되어서 상기 촉매연소기(50)로 유입된다. 상기 농축 농도에서 휘발성 유기화합물은 약 239℃의 연소열을 생성하므로, 상기 촉매연소기(50)의 내부 온도는 약 589℃까지 상승하게 된다.
상기 흡입송풍기(10)를 통해 유입되는 휘발성 유기화합물의 농도가 저농도인 경우에는 상기 VOC 농축기(20)에서 탈착되어 나오는 농축가스의 농도를 높이기 위해서, 상기 유량조절송풍기(30)가 흡입하는 유량을 감소시킨다. 반대로, 상기 흡입송풍기(10)를 통해 유입되는 휘발성 유기화합물의 농도가 고농도인 경우에는 상기 농축가스의 농도를 낮추기 위해서, 상기 유량조절송풍기(30)가 흡입하는 유량을 증가시킨다.
따라서, 상기 제어부(60)는, 도5에 도시된 바와 같이, 연소개시온도에 상기 온도상승산출부(61)에 의해 계산된 상승온도를 합한 온도가 촉매의 내열온도를 초과하지 않도록, 상기 유량조절송풍기(30)의 유량을 제어한다. 상술한 바와 같이, 상기 VOC 농축기(20)로 유입되는 배출가스의 양이 일정한 수준으로 유지될 때, 상기 유량조절송풍기(30)의 흡입 유량이 많아지면 농축 농도는 낮아지고, 상기 유량조절송풍기(30)의 흡입 유량이 작아지면 농축 농도는 높아진다.
나아가, 상기 제어부(60)는 상기 유량조절송풍기(30)의 유량을 조절하기 위해서, 상기 농도측정기(40)로부터 상기 휘발성 유기화합물의 탈착 후 농도를 전송받으며, 상기 온도상승산출부(61)는 상기 농도측정기(40)에 의해 측정된 휘발성 유기화합물의 농도에 따른 발열량에 근거하여 상승온도를 계산한다.
상기 발열량은 각 해당 물질의 농도를 개별적으로 산출하고 각 해당물질의 발열량에 근거하는 방식과, 작업 현장에서 적용의 편의를 위해서 미리 실험적으로 주어진 데이터에 근거하여 산출될 수 있다.
예컨대, 휘발성 유기화합물의 농도가 특정범위에 있는 경우, 대략적인 발열량이 반복적인 실험결과에 의해 주어질 수 있다. 실험적으로, 특정범위에 있는 농도에 대한 발열량을 데이터화하고, 상기 온도상승산출부(61)는 상기 농도측정기(40)로부터 휘발성 유기화합물의 농도값이 전송되면 상기 데이터를 기초로 하여 상승온도를 산출할 수 있다.
본 실시예에 따른 농축 촉매 연소 시스템에 의하면, 제1 우회댐퍼(70), 열교환기(80), 전기히터(90), 제2 우회댐퍼(110), 및 희석공기주입댐퍼(100)를 구비한다.
상기 제1 우회댐퍼(70)는, 상기 흡입송풍기(10)를 경유한 상기 배출가스가 상기 VOC 농축기(20)에 유입되기 전에 상기 배출가스를 우회시키기 위해 마련된다. 즉, 상기 제1 우회댐퍼(70)는 배출가스가 상기 VOC 농축기(20)에 유입되기 전에 농도측정기(40) 전단으로 우회하여 직접 촉매연소기(50)로 유입되는 휘발성 유기화합물의 농도를 조절하기 위해 마련된다.
구체적으로, 상기 제1 우회댐퍼(70)는 상기 흡입송풍기(10)와 상기 VOC 농축기(20)를 연결하는 라인으로부터 분기하여, 상기 VOC 농축기(20)와 상기 농도측정기(40)를 연결하는 라인에 연결된다.
즉, 도4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 우회댐퍼(70)는, 상기 유입덕트(12)로부터 분기하여 상기 농축가스유입덕트(13)로 연결되는 우회덕트(14)에 마련된다. 상기 우회덕트(14)는 상기 농도측정기(40)의 전단에 연결되어, 상기 우회덕트(14)를 거친 배출가스는 상기 농도측정기(40)를 경유하게 된다.
상기 촉매연소기(50)에 유입되는 농축된 휘발성 유기화합물의 농도는 연소 개시 후에 스스로 연소가능한 농도로 농축되어야 한다. 만약 허용범위를 초과하는 고농도의 휘발성 유기화합물은 폭발의 위험이 있으므로, 농도의 범위는 주의 깊게 조절되어야 한다.
만약 VOC 농축기(20)로 유입되는 휘발성 유기화합물의 농도가 상당히 높은 고농도여서, 상기 VOC 농축기(20)를 통하여 흡착 및 탈착이 수행되었는데도 불구하고 농축가스에 포함된 휘발성 유기화합물의 농도가 적정범위를 초과하는 경우에, 상기 제1 우회댐퍼(70)를 개방하여 상기 배출가스의 일부를 우회시킴으로써 탈착된 가스에 포함된 휘발성 유기화합물의 농도를 낮춘다.
상기 제어부(60)는, 도5에 도시된 바와 같이, 상기 농도측정기(40)에 의해 계측된 휘발성 유기화합물의 농도가 적정범위(즉, 휘발성 유기화합물의 농도는 촉매연소기(50)에서 상승되는 상승온도를 결정하므로, 상기 농도의 적정범위는 적정한 상승온도를 계산하는 것과 직접적으로 관련됨)를 초과하여 벗어나는 경우, 제1 우회댐퍼(70)를 개방하여, 농축가스를 희석시켜서 농도값을 떨어뜨린다. 상기 제어부(60)는, 상기 휘발성 유기화합물의 농도가 적정범위를 많이 초과할수록 상기 제1 우회댐퍼(70)의 개도율을 높인다.
본 실시예에 있어서, 상기 우회덕트(14)로 분배되는 배출가스의 양은 촉매연소기(50)의 설계 용량의 50%를 초과하지 않는다. 50%를 초과하는 경우, 휘발성 유기화합물의 농도가 지나치게 떨어져 촉매연소기(50) 내에서 연소 가능한 농도값을 유지할 수 없다.
이와 같이, 상기 배출가스를 우회시켜 농도값을 조절하는 방법은, 상기 유량조절송풍기(30)의 출력을 최대로 높이더라도 휘발성 유기화합물의 농도를 적정범위로 떨어뜨릴 수 없는 경우에, 제1 우회댐퍼(70)를 이용하여 농도값을 낮출 수 있으므로, 본 발명에 따른 촉매 연소 시스템은 배출가스에 포함된 휘발성 유기화합물의 농도 편차가 심한 작업장에서도 효과적으로 사용할 수 있게 된다.
상기 열교환기(80)는 상기 배출가스 중 일부가 상기 VOC 농축기(20)로부터 빠져나온 후 다시 상기 VOC 농축기(20)로 재유입되는 유로 상에 마련된다. 즉, 상기 열교환기(80)는 회귀덕트(15) 상에 마련된다. 상기 열교환기(80)의 내부로는 상기 촉매연소기(50)를 경유한 고온의 배출가스가 지나가며, 상기 고온의 배출가스는 상기 열교환기(80)에서 상기 VOC 농축기(20)를 빠져나온 배출가스에 열을 전달한 후 굴뚝으로 배기된다.
상기 전기히터(90)는 상기 열교환기(80)와 마찬가지로, 상기 배출가스 중 일부가 상기 VOC 농축기(20)로부터 빠져나온 후 다시 상기 VOC 농축기(20)로 재유입되는 유로 상에 마련된다. 상기 전기히터(90)는 상기 열교환기(80)의 후단에 배치된다. 즉, 상기 제2 영역(R2)을 경유한 배출가스는 회귀덕트(15)를 통해 유동하면서, 상기 열교환기(80) 및 전기히터(90)를 거친다.
상기 전기히터(90)는 상기 배출가스가 상기 VOC 농축기(20) 측으로 재유입될 때, 탈착이 이루어질 수 있는 온도로 상기 배출가스의 온도를 상승시키기 위해 마련된다. 본 실시예에서, 상기 전기히터(90)는 상기 배출가스를 약 200℃ 온도로 상승시킨다. 본 시스템이 정상 동작 중에는 상기 전기히터(90)에 의해 가열된 배출가스가 상기 VOC 농축기(20)의 제3 영역(R3)으로 유입되면서 탈착이 수행되고, 상기 제3 영역(R3)에 인접한 제2 영역(R2)의 온도는 간접 가열되어 약 120℃까지 온도가 상승한다.
상기 제2 우회댐퍼(110)는 상기 VOC 농축기(20)를 경유한 상기 배출가스를 상기 전기히터(90)의 전단으로 유입시키기 위해서 마련된다. 즉, 상기 열교환기(80)를 경유하기 전에 직접 전기히터(90) 측으로 배출가스를 유입시키기 위해 마련된다. 따라서, 상기 제2 우회댐퍼(110)는 상기 VOC 농축기(20)와 상기 열교환기(80)를 연결하는 라인과, 상기 열교환기(80)와 전기히터(90)를 연결하는 라인 상에 마련된다.
본 시스템의 동작 초기에는 상기 열교환기(80)가 충분히 가열되지 못하고, 상기 열교환기(80)가 충분히 가열되기까지는 소정이 시간이 필요하다. 따라서, 본 시스템이 동작을 시작한 초기에는 상기 제2 우회댐퍼(110)를 개방하여 상기 배출가스가 열교환기(80)를 경유하지 않고 바로 전기히터(90)로 유입될 수 있도록 한다.
시스템이 정상 운전에 도달하면, 상기 제2 우회댐퍼(110)는 폐쇄되고 상기 배출가스는 상기 열교환기(80)와 전기히터(90)를 순차적으로 경유한다. 상기 제2 우회댐퍼(110)의 개폐는 상기 제어부(60)에 의해 제어된다. 상기 제어부(60)는 본 시스템이 동작을 시작한 후 소정의 시간 동안 제2 우회댐퍼(110)를 개방하거나, 상기 열교환기(80)가 소정의 온도에 도달하면 상기 제2 우회댐퍼(110)를 폐쇄하도록 구현될 수 있다.
상기 희석공기주입댐퍼(100)는, 상기 VOC 농축기(200와 상기 농도측정기(40)를 연결하는 라인, 즉 농축가스유입덕트(13) 상에 희석용 공기를 주입하기 위해서 마련된다. 상기 희석공기주입댐퍼(100)는, 상기 우회덕트(14)에 마련된 제1 우회댐터(70)를 100% 개방해도 상기 농축된 휘발성 유기화합물의 농도가 적정한 범위를 초과하는 경우에, 신속하게 그 농도값을 떨어뜨리기 위해 마련된다. 상기 제어부(60)는 상기와 같이 응급조치가 필요한 경우, 상기 희석공기주입댐퍼(100)를 개방하도록 제어할 수 있다.
도6은 본 발명 실시예에 따른 농축 촉매 연소 시스템의 작동 과정을 개략적으로 도시한 것이다.
도6에 도시된 바와 같이, 본 시스템의 정상 운전 구간을 살펴보면, 배출가스에 포함된 휘발성 유기화합물의 농도가 낮은 경우에 농축률을 상승시킬 필요가 있다. 이런 경우, 농도측정기(40)에 의해 휘발성 유기화합물의 농도가 낮은 것으로 계측되고, 제어부(60)는 유량조절송풍기(30)의 출력을 저감하여 소량의 배출가스를 흡입함으로써 휘발성 유기화합물의 농도를 증가시킨다.
반대로, 배출가스에 포함된 휘발성 유기화합물의 농도가 높은 경우에 농축률을 떨어뜨릴 필요가 있다. 이런 경우, 상기 제어부(60)는 유량조절송풍기(30)의 출력을 상승시켜 다량의 배출가스를 흡입함으로써 휘발성 유기화합물의 농도를 감소시킨다.
만약, 유량조절송풍기(30)의 출력을 최대로 하여 휘발성 유기화합물의 농도를 저감시키려 하였으나, 그 농도가 여전히 적정 범위를 초과하는 경우에 상기 제어부(60)는 제1 우회댐퍼(70)를 개방하여 농도를 떨어뜨리려고 시도한다.
한편, 상기 유량조절송풍기(30)의 출력을 최대로 하고 상기 제1 우회댐퍼(70)를 최대로 개방했음에도 불구하고 휘발성 유기화합물의 농도가 적정 범위를 초과하는 경우, 상기 제어부(60)는 희석공기를 주입하기 위해 희석공기주입댐퍼(100)를 개방하여 휘발성 유기화합물의 농도를 떨어뜨린다.
도7은 본 발명 실시예에 따른, 능동적인 농축률 제어수단을 구비한 농축 촉매 연소 시스템의 실험데이터를 도시한 것이다.
도7에 도시된 바와 같이, 배출가스에 포함된 휘발성 유기화합물의 농도는 185ppm에서 451ppm까지의 범위에서 흡입송풍기(10)로 유입되었으나(L3), 휘발성 유기화합물의 농축 농도는 L5에서와 같이 큰 폭의 변화 없이 적정 수준에서 유지되고 있다. 촉매연소기(50)에서의 연소개시온도가 약 350℃ 이고(L1), 휘발성 유기화합물이 연소되면서 발생된 연소열에 의해 연소실의 온도가 대략 600 ~ 650 ℃ 정도로 유지되고 있는 모습을 보여준다(L2). 한편, 고농도의 휘발성 유기화합물이 유입된 경우, L4에서와 같이 제1 우회댐퍼(70)가 개방되어 배출가스가 바이패스되는 상태를 보여주고 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 능동적인 농축률 제어수단을 구비하는 농축 촉매 연소 시스템은, 배출가스에 포함된 휘발성 유기화합물의 농도가 가변하더라도 상기 휘발성 유기화합물을 연소 가능한 농도로 농축할 수 있도록 하여 보조연료의 사용 없이 상기 휘발성 유기화합물을 연소시킬 수 있다. 따라서, 에너지를 절감하고, 휘발성 유기화합물의 연소열은 휘발성 유기화합물의 연소를 위해 회수하여 재활용하는 효과를 제공한다.
또한, 상기 흡입송풍기(10)는 상기 VOC 농축기(20)의 전단에 배치되고, 상기 우회덕트(14)의 전단에 설치되어, 배출가스를 유량 조절 효과를 향상시킨다. 즉, 상기 흡입송풍기(10)의 압력에 의해 배출가스는 우회덕트(14)를 가압되므로 유량이 용이하게 우회덕트(14)로 유입된다. 종래 선행문헌에서 같이, 흡입송풍기를 농축기의 후단에 설치하여 배출가스를 흡입하면, 농축기의 전단에 배치된 우회덕트로 유입되어야 하는 배출가스가 흡입송풍기의 흡입력에 의해 농축기 측으로 유입되는 문제가 있으며, 본 발명에 따른 실시예는 이러한 문제를 해소한다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위를 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10... 흡입송풍기 11... 흡입송풍기의 인버터
20... VOC 농축기 21... 회전부재
212... 밸트 213... 모터
22... 전면커버부 221... 제1 유입구
222... 제1 배출구 23... 후면커버부
231... 제2 배출구 232... 제3 배출구
233... 제2 유입구 26... 제1 격벽
25... 제2 격벽 24... 제3 격벽
27... 관통공 R1... 제1 영역
R2... 제2 영역 R3... 제 영역
30... 유량조절송풍기 31... 유량조절송풍기의 인버터
40... 농도측정기 50... 촉매연소기
51... 연소촉매부
52... 예열부 53... 폐열회수부
60... 제어부 61... 온도상승산출부
70... 제1 우회댐퍼 80... 열교환기
90... 전기히터 100... 희석공기주입댐퍼
110... 제2 우회댐퍼 120... 전처리필터
12... 유입덕트 13... 농축가스유입덕트
14... 우회덕트 15... 회귀덕트

Claims (6)

  1. 휘발성 유기화합물(VOC)이 포함된 배출가스를 흡입하는 흡입송풍기(10);
    상기 흡입송풍기(10)를 경유한 상기 배출가스가 유입되며, 상기 휘발성 유기화합물의 흡착 및 탈착이 수행되는 VOC 농축기(20);
    상기 VOC 농축기(20)에 유입되는 배출가스 중 일부를 상기 휘발성 유기화합물이 탈착되는 방향으로 흡입하는 유량조절송풍기(30);
    상기 VOC 농축기(20)와 상기 유량조절송풍기(30) 사이에 배치되어, 상기 휘발성 유기화합물의 탈착 후 농도를 계측하는 농도측정기(40);
    상기 유량조절송풍기(30)로부터 공급되는 농축된 휘발성 유기화합물을 연소시키는 촉매연소기(50); 및
    상기 농도측정기(40)에 의해 측정되는 상기 휘발성 유기화합물의 농도가 소정의 범위를 유지하도록, 상기 유량조절송풍기(30)가 상기 VOC 농축기(20)로부터 흡입하는 유량을 조절하는 제어부(60);를 포함하고,
    상기 흡입송풍기(10)와 상기 VOC 농축기(20)를 연결하는 라인으로부터 분기하고, 상기 VOC 농축기(20)와 상기 농도측정기(40)를 연결하는 라인에 연결되며,
    상기 흡입송풍기(10)를 경유한 상기 배출가스가 상기 VOC 농축기(20)에 유입되기 전에 우회시키는 제1 우회댐퍼(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동적인 농축률 제어수단을 구비한 농축 촉매 연소 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부(60)는,
    상기 탈착 후 상기 휘발성 유기화합물의 농도에 따른 상승온도를 산출하는 온도상승산출부(61)를 포함하고,
    상기 촉매연소기(50)에서 연소가 시작되는 연소개시온도를 A℃, 상기 온도상승산출부에 의해 산출된 상승온도를 B℃, 상기 촉매연소기(50)에서 사용되는 연소용 촉매의 내열 온도를 C℃라 할 때, A + B < C 인 관계가 되도록, 상기 유량조절송풍기(30)가 흡입하는 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 능동적인 농축률 제어수단을 구비한 농축 촉매 연소 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배출가스 중 일부가 상기 VOC 농축기(20)로부터 빠져나온 후 다시 상기 VOC 농축기(20)로 재유입되는 유로 상에는 열교환기(80)와 전기히터(90)가 순차적으로 마련되고,
    상기 VOC 농축기(20)와 상기 열교환기(80)를 연결하는 라인과, 상기 열교환기(80)와 상기 전기히터(90)를 연결하는 라인 사이에는, 상기 VOC 농축기(20)를 경유한 상기 배출가스 중 일부를 상기 전기히터(90)의 전단으로 유입시키는 제2 우회댐퍼(110)가 마련된 것을 특징으로 하는 능동적인 농축률 제어수단을 구비한 농축 촉매 연소 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 VOC 농축기(20)와 상기 농도측정기(40)를 연결하는 라인 상에는 희석공기를 주입하는 희석공기주입댐퍼(100)가 마련된 것을 특징으로 하는 능동적인 농축률 제어수단을 구비한 농축 촉매 연소 시스템.
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