KR19990075803A - 액화석유가스/휘발성유기가스 겸용 저온 촉매버너와 이것을 사용하는 섬유코팅 건조기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매를 담지한 촉매층에 액화석유가스(LPG)와 휘발성유기가스 (VOC)를 선택공급하여 연소를 행하고 그 연소열을 이용할 수 있도록 한 저온 촉매버너와 이것을 사용한 섬유 코팅 건조기의 제공에 관한 것이다. 촉매층을 통과한 LPG 혹은 VOC는 촉매의 표면에서의 산화반응에 의하여 화염이 형성되지 않으면서도 완전 연소가 이루어지며, 이때 발생된 연소열이 건조시에 열원으로 사용된다.

본 발명은 액화석유가스가 공급되는 LPG 노즐(1)과 톨루엔이 포함된 휘발성 유기가스가 공급되는 VOC 노즐(2)을 함께 설치구비하고, 상기 노즐(1)(2)들을 통해 액화석유가스 또는 휘발성유기가스가 촉매층(7)에 선택공급되며, 공급된 가스가 상기 촉매층(7)의 촉매표면에서의 산화반응에 의해 화염발생이 없는 상태로 연소반응을 일으켜 연소되며, 이때 발생하는 연소열을 이용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 액화석유가스/휘발성유기가스 겸용 저온 촉매버너(13)와 이 촉매버너(13)를 사용한 섬유 코팅 건조기(14)를 제공한다. 섬유 코팅 건조기(14)로부터 발생하는 VOC의 농도를 촉매버너(13)에서 필요한 적정 농도로 공급하기 위하여 건조기(14)에 가변 송풍기로 이루어진 배풍기(16)와 배출되는 VOC의 농도를 감지할 수 있는 감지기(17)를 설치하되, 이 배풍기(16)와 감지기(17)를 콘트롤러로 연결하여 배출되는 VOC 농도를 촉매버너(13)에서 필요한 농도로 조절공급할 수 있다.

Description

액화석유가스/휘발성유기가스 겸용 저온 촉매버너와 이것을 사용하는 섬유 코팅 건조기

본 발명은 촉매를 담지한 세라믹 매트로 이루어진 촉매층을 사용하여 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas; 이하 "LPG"로 약칭함)와 휘발성유기가스(Volatile Organic Compound gas; 이하 "VOC"로 약칭함)를 겸용으로 사용할 수 있도록 한 저온 촉매버너와 이것을 사용한 섬유 코팅 건조기에 관한 것이다.

본 발명에 있어서 버너의 촉매층을 통과한 LPG 혹은 VOC는 촉매의 표면반응에 의하여 화염이 형성되지 않으면서도 완전 연소가 이루어진다. 이와 같이 촉매의 표면반응에 의하여 발생된 열이 섬유 코팅 건조시에 열원으로 사용된다. 본 발명은 이러한 저온 촉매버너를 섬유 코팅 건조기에 사용함으로써 건조기에서 발생하는 유해 톨루엔을 포함하는 VOC를 회수하여 촉매버너에 공급하여 건조기의 연료로 사용이 가능하다.

방수섬유 생산을 위한 섬유 코팅공정에 있어서 섬유를 코팅하기 위한 코팅액으로는 주로 톨루엔에 아크릴 수지를 녹여서 된 용액을 사용하며, 이 공정에 있어서는 먼저 코팅액을 섬유에 도포한 후 이것을 건조기에 통과시켜 톨루엔을 증발 건조시켜 섬유를 코팅하게 된다. 기존의 이러한 섬유 코팅 건조기는 대부분 열풍 건조방식을 사용하고 있으며, 건조과정에서 발생되는 톨루엔 가스는 발암성 물질로서 그 처리가 큰 문제가 되고 있다. 기존설비에서는 톨루엔을 처리하기 위하여 주로 활성탄을 이용하여 회수하고 있지만, 운전비용이 높아서 거의 정상적인 운전이 이루어지지 못하고 있으며, 이 때문에 실제 현장에서는 대부분 톨루엔을 대기중으로 방출하고 있는 실정이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 효과있게 해소할 수 있는 액화석유가스/휘발성유기가스의 저온 촉매버너와 이 촉매버너를 사용한 섬유 코팅 건조기를 제공할 목적으로 연구발명된 것이다.

LPG와 같은 가스연료를 촉매버너로 연소시킬 경우에는 촉매의 표면에 연료와 공기가 흡착되어 고체인 촉매표면에서 산화반응이 일어나게 됨으로써 화염이 형성되지 않는 상태로 연소반응이 완결된다. 촉매연소는 기존의 화염연소에 비하여 가연범위가 매우 넓어서 화염연소로는 연소가 불가능한 희박가스의 연소가 가능하다. 저온 촉매연소는 희박가스를 연소시키거나 또는 연료를 저부하로 연소시켜서 완전 연소가 이루어지도록 하며, 특히 연소가스의 온도가 낮기 때문에 질소산화물이 전혀 발생하지 않는 장점이 있다.

섬유 코팅 건조기에 저온 촉매버너를 사용할 경우에는 섬유 코팅공정에서 발생하는 톨루엔 가스를 회수하여 완전 연소시키는 것이 가능하다. 건조기로부터 발생하는 톨루엔 가스는 초희박 농도이어서 일반 연소에 의한 소각은 어렵다. 그러나, 촉매연소는 초희박 농도에서도 완전 연소가 가능하다.

LPG 연료와 VOC를 겸용으로 사용할 수 있는 촉매버너를 섬유 코팅공정에 적용하면 많은 효과를 얻을 수 있다. 섬유 코팅 건조기의 초기 가동시에는 LPG 연료를 사용하고, 이어서 건조기가 정상 가동되면 건조기로부터 발생하는 톨루엔을 회수하여 촉매버너의 연료로 사용한다. 이렇게 하면 대기중으로 방출하여 공해를 일으키던 톨루엔 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 폐가스로 버려지던 톨루엔을 회수하여 다시 사용함으로써 에너지절약의 이중적인 효과를 얻을 수 있다.

도1 은 본 발명에 따른 액화석유가스/휘발성유기가스(LPG/VOC) 겸용 저온 촉매버너의 구성도,

도2 는 위 촉매버너에 설치된 LPG/VOC 겸용 가스 노즐의 상세 구성도,

도3 은 위 LPG/VOC 겸용 저온 촉매버너를 사용한 섬유 코팅 건조기의 구성개요도.

*도면중 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : LPG 노즐 2 : VOC노즐 3 : VOC 공급관

4 : LPG 공급관 5 : 연소용 공기 공급관 6 : 보온재 매트

7 : 촉매층 8 : 전열선 9 : 열전대

10 : 보호철망 11 : LPG 분출공 12 : VOC 분출공

13 : LPG/VOC 겸용 저온 촉매버너 14 : 섬유 코팅 건조기

15 : 코팅 섬유 16 : 배풍기 17 : 톨루엔 농도 감지기

이하에서, 본 발명을 첨부도면에 예시된 실시예를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 액화석유가스/휘발성유기가스(LPG/VOC) 겸용저온 촉매버너(13)의 구성도이고, 도2는 이 버너에 설치된 LPG/VOC 겸용 가스 노즐의 상세구성도이다. 본 발명의 저온 촉매버너(13)는 도시된 바와 같이 촉매층(7), 보온재 매트(6), 가스 노즐(1)(2)을 포함하는 구성으로 되어 있다. 상기, 가스 노즐은 LPG 노즐(1)과 VOC 노즐(2)이 도시된 양태로 함께 조합되어 촉매버너(13)의 내부에 설치된다. LPG 노즐(1)은 LPG 공급관(4)을 통해 연소용 공기가 혼합되지 않은 LPG만을 공급하므로 관경이 작다. 그러나, VOC 노즐(2)은 VOC 공급관(3)을 통해 희석된 VOC를 공급하므로 관경이 LPG 노즐(1)에 비하여 크다. 관경이 작은 LPG 노즐(1)은 관경이 큰 VOC 노즐(2)의 앞쪽(도면상 아래쪽)에 위치하도록 한다.

촉매버너(13)의 가장 안쪽에는 보온재 매트(6)를 설치한다. 이것은 촉매층(7)에서 발생한 열이 뒷면으로 방열되는 것을 방지하여 촉매층(7)의 온도가 일정한 온도로 유지되도록 하는 역할을 한다. 전열선(8)이 보온재 매트(6)에 설치되고, 또 열전대(9)가 촉매층(7)과 보온재 매트(6) 사이에 설치된다. 상기 전열선(8)은 촉매버너(13)를 초기에 시동할 때 촉매층(7)을 가열하기 위한 것이다. 열전대(9)는 촉매층(7)의 온도를 감지하여 촉매의 예열상태를 파악하며, 운전중에는 촉매버너(13)의 정상적인 운전상태를 감시한다. 촉매버너(13)의 가장 전면에는 촉매층(7)을 보호하기 위한 보호철망(10)을 설치한다. 연소용 공기 공급관(5)은 LPG를 연료로 사용할 때에 촉매층(7) 전면에 연소용 공기를 강제적으로 공급하여 촉매층(7)에서의 연소를 촉진시키기 위한 것이다. 그러나, VOC 가스를 사용할 경우에는 연소용 공기의 공급이 필요하지 않다. 도2에서, 부호 11은 LPG 분출공, 12 는 VOC 분출공들을 나타낸다.

상기 촉매층(7)에 사용되는 촉매체는 무기질 섬유상 물질에 귀금속 혹은 금속 산화물 촉매를 담지한 것이다. 이러한 촉매의 내열온도는 무기질 섬유상 물질의 비표면적을 높게 유지하고, 섬유상에 담지된 촉매의 휘발이나 신터링이 일어나지 않도록 일반적으로 700℃ 이내가 된다.

상기와 같이 구성된 촉매버너(13)를 운전하기 위해서는 먼저 전열선(8)에 전기를 공급하여 촉매층(7)을 예열한다. 이때, 촉매층(7)의 예열온도는 200-250℃가 되도록 한다. 촉매층(7)이 상기 온도에 도달하면 LPG 공급관(4)을 열어 LPG를 공급한다. 이러한 본 발명의 저온 촉매버너(13)에 적합한 열부하는 예컨대 1.0-2.0kcal/h.cm²이다. 이어서 공기 공급관(5)을 열어 공기가 촉매층(7)의 전면으로 공급되도록 한다. 이 연소용 공기는 촉매층(7)으로 확산되어 촉매층(7)에서 연소가 일어난다. 촉매층(7)에서 연소가 정상적으로 이루어지면 전열선(8)의 전기공급을 차단한다.

한편, LPG 대신에 VOC를 사용하고자 할 경우에는 LPG 공급관(4)과 연소용 공기 공급관(5)을 차단하고 VOC 공급관(3)을 연다. VOC는 일반적으로 폭발 안전도를 감안하여 공급하게 되므로 톨루엔을 포함할 경우에는 그 농도는 약 3000ppm 이하이다. 희박 VOC에는 다량의 공기가 포함되므로 LPG연료를 사용할 때와는 다른 연소방식이 이루어진다. 즉, LPG의 경우에는 촉매층(7)에서 확산 연소가 이루어지고, VOC의 경우에는 예혼합 연소가 이루어진다. VOC의 공급량은 열전대(9)로 촉매층(7)의 온도를 감지하여 그 온도가 700℃ 이내가 되도록 조절한다. VOC의 공급량이 증가할수록 촉매층(7)의 온도는 증가하는 경향이 있다.

도 3 은 본 발명의 LPG/VOC 겸용 저온 촉매버너(13)를 적용한 섬유코팅 건조기(14)의 구성개요도이다. 예컨대, 방수섬유를 제조하기 위해서는 그 섬유표면에 아크릴 수지가 코팅된다. 아크릴 수지는 점도가 높아서 그대로는 섬유 위에 코팅할 수 없기 때문에 아크릴 수지를 톨루엔에 용해시켜 만든 용액을 섬유 위에 도포한다. 이어서, 이 아크릴 용액을 도포한 섬유(15)를 건조기(14)에 통과시켜 건조시킨다. 이러한 용도로 사용되어온 기존의 섬유 코팅 건조기는 대부분 열풍 건조방식으로 되어 있다.

본 발명의 섬유 코팅 건조기(14)는 상술한 LPG/VOC 겸용 저온 촉매버너(13)를 건조기(14)내에 예컨대 도3과 같이 설치하여 구성된다. 각각의 촉매버너(13)에는 LPG 공급관(4)과 VOC 공급관(3)이 연결설치된다. LPG를 사용할 때 필요한 연소용 공기의 공급관(5)도 함께 설치한다. 촉매버너(13)의 설치대수는 섬유의 건조속도와 관련하여 적절한 대수로 선정한다. 일반적으로 열풍건조를 사용할 경우, 그 섬유 코팅 건조기의 건조속도는 약 10-50m/sec로 된다. 저온 촉매버너를 사용할 경우에는 이보다 더 높은 건조속도를 얻을 수 있다. 건조기내에서 촉매버너(13)와 코팅섬유(15)간의 거리는 가까울수록 전열효율이 증가한다. 그러나, 촉매버너(13)의 표면 온도는 300-400℃에 이르게 되므로 섬유의 이송속도가 적절하지 않은 경우에는 과열로 인하여 섬유가 손상될 수도 있다. 따라서, 섬유 이송속도에 맞추어 촉매버너(13)와 코팅 섬유(15)간의 거리를 적정 거리로 유지하는 것이 필요하다. 일반적으로는, 촉매버너(13)와 섬유(15)간의 거리를 5- 20cm 로 유지하는 것이 적절하다.

섬유 코팅 건조기(14)가 정상적인 운전상태에 도달하면 건조기로부터 톨루엔을 포함하는 VOC 가스가 발생하기 시작한다. 건조기로부터 발생되는 VOC의 톨루엔 농도는 일반적으로 3000ppm 이하이다. 발생되는 톨루엔의 농도가 1500ppm 이상이 되면, 톨루엔을 곧바로 회수하여 본 발명의 LPG/VOC 겸용 저온 촉매버너(13)에 공급하여 연료로 활용한다. 이 경우에는 LPG 공급관(4)을 잠그고 VOC 공급관(3)을 열어 톨루엔을 공급한다. 이때, LPG 연료의 공급과 함께 사용하던 공기 공급관(5)은 잠그는 것이 좋지만 열어 놓은 상태에 운전하여도 촉매버너에 장해는 없다.

한편, 상기의 건조기(14)를 사용한 섬유 코팅공정에서 운전조건에 따라서는 건조기로부터 발생되는 톨루엔의 농도가 1500 ppm 이하의 낮은 농도로 나오는 경우도 있다. 이런 경우에는 건조기로부터 발생되는 톨루엔을 촉매버너로 직접 공급하여 사용하기 어렵다. 따라서, 이때에는 발생된 초희박 톨루엔을 요구수준 이상의 농도로 조정하여 촉매버너로 공급한다.

본 발명은 상술한 LPG/VOC 겸용 저온 촉매버너(13)를 섬유 코팅 건조기(14)에 효과적으로 사용할 수 있는 방안을 고안하였다. 저온 촉매버너(13)에서 추가적인 열원의 공급없이 VOC를 소각시키기 위해서는 촉매버너(13)에 공급되는 톨루엔의 농도가 일정한 값 이상이 되어야 한다. 본 발명의 저온 촉매버너(13)의 경우에는 톨루엔이 약 1500ppm 이상의 농도를 유지하여야 한다. 본 발명에서는 이 조건을 맞추기 위해서 건조기로부터 나오는 톨루엔의 농도를 1500 ppm 이상으로 유지하도록 장치를 고안하였다.

즉, 섬유 코팅 건조기(14)로부터 발생하는 톨루엔의 농도는 동 건조기(14)에 설치된 배풍기(16)의 풍량에 따라서 결정된다. 톨루엔의 주입량과 섬유의 이송 속도가 결저되면 톨루엔의 농도는 전적으로 배풍기(16)의 풍량에 따라서 좌우된다. 본 발명의 건조기에 있어서는 상기 배풍기(16)로서 풍량조절이 가능한 가변 송풍기를 사용한다. 한편, 상기 배풍기(16)의 후방에는 톨루엔의 농도를 감지할 수 있는 감지기(17)를 설치한다. 감지기(17)와 배풍기(16)를 콘트롤러로 연결하여 감지기(17)로부터의 검출값이 1500-3000ppm이 유지되도록 송풍량을 조절한다.

상술한 바와 같이 본 발명이 적용된 섬유 코팅 건조기는 기존의 열풍 건조기와 비교하여 여러가지의 장점을 제공한다. 첫째는, 건조기의 구성이 간단해진다. 이는 즉, 기존의 설비에서는 열풍을 공급하기 위하여 보일러 설비와 함께 열교환기를 설치하게 되므로 설비가 크고 복잡하게 되지만, 본 발명에서 제안하는 바와 같은 저온 촉매버너를 사용하게 되면 단지 LPG/VOC 배관만이 필요하게 되어 장치가 크게 간소 효율화되는 것이다. 둘째는, 건조기로부터 발생하는 톨루엔을 처리하기 위한 추가의 설비가 필요하지 않고 발생 톨루엔을 곧바로 회수하여 저온 촉매버너에서 연료로 사용함으로써 환경공해를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 에너지 절약효과도 가져올 수 있는 것이다.

여기에서는 본 발명이 섬유 코팅 건조기에 적용되는 것으로 예시되었으나, 본 발명은 이러한 섬유 코팅 건조기 뿐만 아니라 전기히터나 가스버너를 이용한 기존의 다른 종류의 건조기나 가열기에도 적용이 가능하다. 이 경우 LPG 연료만을 공급하여 운전하는 것이 가능하고, 또 만약 건조나 가열과정에서 VOC가 발생하는 곳에 적용되는 경우에 있어서는 LPG 와 VOC를 겸용으로 사용할 수도 있다.

Claims (6)

1. 액화석유가스가 공급되는 LPG 노즐(1)과 톨루엔이 포함된 휘발성유기가스가 공급되는 VOC 노즐(2)을 함께 설치구비하고, 상기 노즐(1)(2)들을 통해 액화석유가스 또는 휘발성유기가스가 촉매층(7)에 선택공급되며, 공급된 가스가 상기 촉매층(7)의 촉매표면에서의 산화반응에 의해 화염발생이 없는 상태로 연소반응을 일으켜 연소되며, 이때 발생하는 연소열을 이용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 액화석유가스/휘발성유기가스 겸용 저온 촉매버너.
2. 제1항에 있어서, 상기 촉매층(7)이 무기질 섬유상 물질에 귀금속 혹은 금속산화물 촉매를 담지한 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 액화석유가스/휘발성유기가스 겸용 저온 촉매버너.
3. 제1항에 있어서, 상기 촉매버너가 LPG를 연료로 사용할 때에 그 촉매층(7)에서의 촉매연소를 촉진시키기 위하여 촉매층(7)표면에 연소용 공기를 강제적으로 공급하는 연소용 공기 공급관(5)을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 액화석유가스/휘발성유기가스 겸용 저온 촉매버너.
4. 제1항에 있어서, 상기 LPG 노즐(1)을 통해 공급되는 LPG를 연료로 사용할 때에는 확산 연소방식의 연소가 일어나고, 상기 VOC 노즐(2)을 통해 공급되는 VOC를 연료로 사용할 때에는 예혼합 연소방식의 연소가 일어나도록 구성된 것을 특징으로 하는 액화석유가스/휘발성유기가스 겸용 저온 촉매버너.
5. 액화석유가스가 공급되는 LPG 노즐(1)과 톨루엔이 포함된 휘발성유기가스가 공급되는 VOC 노즐(2) 및 상기 노즐(1)(2)들을 통한 액화석유가스 또는 휘발성유기가스가 선택공급되어 저온 촉매연소되는 촉매층(7)을 포함하는 저온 촉매버너(13)를 내부에 설치구비하고, 그 가동초기에는 상기 촉매버너(13)에 LPG를 공급하여 연소시키고 가동개시후 정상 운전중에는 그때 발생하는 휘발성유기가스를 상기 촉매버너(13)로 회수공급하여 연소시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 액화석유가스/휘발성유기가스 겸용 저온 촉매버너를 사용하는 섬유 코팅 건조기.
6. 제 5항에 있어서, 상기 촉매버너(13)로 회수공급되는 휘발성유기가스를 촉매버너(13)에서의 연소에 필요한 농도로 조절하여 공급하기 위한 배풍기(16)와 휘발성유기가스 농도 감지기(17)를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 엘피지/브이오시 겸용 저온 촉매버너를 사용하는 섬유 코팅 건조기.