KR20010097779A

KR20010097779A - 가스상 오염물질 제어용 알씨오 시스템 구성 및 운전방법

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Publication number: KR20010097779A
Application number: KR1020000022153A
Authority: KR
Inventors: 박종수; 윤왕래; 이호태; 정헌; 황영재; 박상호; 박태성
Original assignee: 손재익; 한국에너지기술연구원
Priority date: 2000-04-26
Filing date: 2000-04-26
Publication date: 2001-11-08
Also published as: KR100331034B1

Abstract

본 발명은 다양한 산업공정에서 발생되는 배가스 중의 오염물질을 처리하는 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 2차 대기오염물질을 발생시키지 아니하고 상기의 오염물질을 완전히 정화시키기 위하여 종래의 촉매산화기를 개선한 새로운 타입의 촉매산화 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 작업초기에 연소실내의 초기점화버너에 의해 촉매산화반응에 필요한 열량을 얻어 촉매산화반응을 일으키고, 작업이 진행됨에 따라 연소실내에서는 초기점화버너에 의한 열량공급을 점차적으로 감소시켜 일정시점에서 종결시키는 반면에, 촉매층에서는 공급연료를 직접 산화반응시켜 반응생성열을 얻고, 열교환설비에서는 상기 반응생성열을 배가스처리 덕트로 유입되는 혼합기체에 직접 또는 간접적으로 열교환시킴으로써, 촉매산화반응이 지속적으로 일어나도록 구성된 촉매산화 시스템 및 그 시스템에 의한 배가스 처리방법을 제공한다.

따라서, 본 발명은 정상상태하에서 버너를 사용하지 아니하므로 연소실에서 버너의 연료 연소과정에서 생성되는 화염으로 인해 국부적으로 발생되는 thermal NOx 의 생성을 근원적으로 방지하는데 그 특징이 있다.

Description

가스상 오염물질 제어용 알씨오 시스템 구성 및 운전방법 {Configuration and operating method of RCO system for waste gas purification}

본 발명은 다양한 산업공정에서 발생되는 배가스 중의 오염물질을 처리하는 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 2차 대기오염물질을 발생시키지 아니하고 상기의 오염물질을 완전히 정화시키기 위하여 종래의 촉매산화기를 개선한 새로운 타입의 촉매산화 시스템에 관한 것이다. 축열식 및 열회수식 촉매산화장치는 정화된 배가스가 가지고 있는 열을 회수하여 촉매산화기로 유입되는 처리대상가스를 예열시키므로 오염물질의 산화온도까지 상승시키는데 필요한 보조적인 열에너지를 최소화할 수 있다.

산업공정에서 발생되는 배가스에는 전형적으로 입자상 물질이나 가스상 오염물질이 함께 배출되며, 가스상 오염물질 중 대표적인 것으로 휘발성 유기화합물 (Volatile Organic Compounds; VOCs), 질소산화물 (NOx), 일산화탄소 (CO) 등을 들수 있다. 이 중에서 유류의 저장 및 출하시설, 도장 및 인쇄시설과 다양한 석유화학제품 생산공정에서 발생되고 있는 휘발성 유기화합물은 광화학 반응을 통하여 광화학 스모그의 원인이 되는 오존을 발생시키는 물질일 뿐만 아니라, 고무제품과 섬유류를 조기에 노화시키며, 또한 인체뿐만 아니라 생태계 및 환경피해를 초래하기 때문에, 많은 국가들이 대기질 관리의 주요 정책수단으로 휘발성 유기화합물의 배출을 규제하고 있는 실정이다.

이와 같은 가스상 오염물질 중 연소가능한 휘발성 유기물질을 제거하는 기술로는 흡착법, 직접연소법, 촉매연소법 등을 들 수 있다.

흡착법은 활성탄과 같은 흡착제를 이용하여 오염물질을 흡착, 회수 혹은 제거하는 방법으로서, 25% LEL (Low Explosive Limit) 이상의 농도로 배출되는 VOC 제거에 적용될 수 있다[Chem. Eng. Pro., July, 28(1993)]. 상기의 흡착법은 기존의 직접연소법 및 촉매연소법에 비해 설치비가 적게들고, 활성탄에 흡착된 VOC 물질이 고가일 경우 회수에 의해 연간 운전비를 절감할 수 있는 장점이 있으나, 케톤, 알데히드, 혹은 에스테르류와 같은 VOC 물질은 활성탄 표면에서 중합반응을 일으켜 활성탄의 미세기공을 막아 흡착기능을 저하시키는 경향이 있으며, 흡착을 통하여 발생된 폐기물의 처리 등이 문제점으로 대두되고 있다. 또한, 상기의 흡착법에 의할 경우, 기존의 VOC 물질 처리방법에 비해 처리용량이 작기 때문에, 유량이 큰 프로세스에는 부적합하고 연속공정이 불가능한 한계점이 있다.

직접연소법은 연소가능 오염물질을 700∼1000℃ 온도영역에서 직접 연소시켜 제거하는 방법으로서, 많은 양의 오염물질을 처리할 수 있는 장점을 가지고 있다.그러나, 상기의 직접연소법은 부하변동이 심하거나 농도가 낮고 유량이 적을 경우에는 비경제적이며, 시스템이 비교적 대형이여서 넓은 설치면적이 요구되어 설비확장이 어렵다는 단점이 있다. 또한, 배가스 중에 난분해성 오염물질인 폴리염화바이페닐(PCBs)과 같은 할로겐화 휘발성 유기화합물이 존재할 경우에는 연소반응 온도가 1000℃이상으로 높아져 운전비가 비교적 많이 들게 되며, 반응조건에 따라 질소산화물이나 다이옥신과 같은 2차 대기오염물질이 발생될 수 있다[US 5,021,383; US 5,114,692]. 따라서, 에너지 비용측면이나 2차 오염물질 저감측면에서 직접연소법에 대한 대안으로서 촉매연소법이 각광받고 있다[Fuel Processing Technology, 42, 339-359(1995)].

촉매연소법은 고정원에서 발생되는 VOC 물질을 촉매를 이용하여 연소시켜 제거하는 방법으로서, 직접연소법에 비해 200∼400℃의 낮은 반응온도에서 VOC물질의 완전연소가 가능하기 때문에 직접 연소에 필요한 700∼1000℃와 비교하면 대폭적인 에너지 절약이 가능하다. 또한, 저온에 의한 촉매와의 접촉산화를 통해 고온 연소시 발생할 수 있는 질소산화물 등의 2차 공해 물질 생성을 현저하게 감축 가능하여 폐가스 처리기술로서 용도가 확대되고 있다.[Catalysis Today, 27, 229-236(1996)]

이와 같이 여러 산업시설에서 배출되는 연소가능한 오염물질을 제거하는 기술중 발생되는 오염가스의 성상과 발생량에 따라 적합한 기술을 선정해야 하나, 가스의 절대량이 많을 뿐 아니라 회수하여 재활용이 어려운 배출가스의 처리법으로는 상기에서 설명한 바와 같이 촉매산화법이 적합한 기술로 추천되고 있다. 참고로 독일에서 촉매산화법과 직접연소법을 사용하여 VOCs 처리시 각각의 경제성 비교자료를 다음 [표 1 : Pilot plant(15,000 m3/hr)에서 직접연소법과 촉매산화법의 경제성 평가.]에 정리하였다[Catl., Today, 17, 383(1993)].

항 목	단 위	직 접 연 소 법	촉 매 산 화 법
조업온도	℃	1,200	350-680
Total off-gas stream	%	100	70
초기투자비	%	100	75-80
운전비	%	100	50
연료소모량	%	100	10
설치면적	%	100	40
스팀생산량	%	100	15
CO2 배출량	%	100	10
NOx formation		다량발생	무시가능
문제점		장치부식	촉매수명(피독)

[표 1]에서 보는 바와 같이 촉매산화법으로 VOCs를 처리할 경우 현저히 낮은 온도에서 조업이 이루어짐을 알 수 있으며, 초기 투자비, 운전비 측면에서 직접 연소법에 비해 각각 75-80%, 50% 정도의 비용으로 가능하며, 특히 운전중에는 10% 정도의 연료만으로도 정상적인 조업이 가능하므로 에너지 사용량에서 상당한 절감이 이루어짐을 알 수 있다. 특히, 조업온도가 낮음으로 인해 thermal NOx 발생이 직접연소법에 비해서 매우 적은 수준인 것을 알 수 있다.

최근에는 기존의 직접연소기와 촉매연소기에서 배출되는 배가스의 열을 회수하여 재이용하고자 하는 에너지 절약형 연소기 [US Patent 6,000,212 및 US Patent 5,589,142]가 개발되어 공표된 바 있다. 상기 US Patent 6,000,212 호는 배가스처리 덕트내에 다수의 버너와 촉매층을 교대로 설치하고, 작업시에는 배가스의 상류층에 있는 버너로부터 하류층에 있는 버너로 차례차례 점화시켜 덕트내의 가스처리온도를 필요이상의 고온으로 상승되지 않도록 조절함으로써, 촉매산화반응의 효율을 높이도록 하고 있다. 이에 반하여, 상기 US Patent 5,589,142 호는 대부분 열용량이 큰 금속이나 세라믹 축열실을 연소실과 인접한 배가스 배출덕트에 2곳 이상 설치하여 가스유로의 방향을 교대로 전환시켜 열효율을 높이는 원리를 이용하고 있으며, NOx를 제어하기 위해 연소실과 VOCs 제거 목적의 산화촉매층 사이에 SCR 촉매층을 추가로 설치하고 있다. 이 공정의 경우, NOx제어를 위해 오염물질인 암모니아의 추가 공급이 불가피하므로, 정상적인 운전이 이루어지지 않을 경우 미반응 암모니아가 대기중으로 배출됨으로써 심각한 문제를 일으킬 소지를 내포하고 있는 단점이 있다.

또한, 종래의 촉매산화법에서는 촉매산화반응에 필요한 열량을 공급하기 위해 연소실내에 연료공급버너를 설치하고 버너 연소 등에서 일반적으로 나타나는 국부적인 고온 연소현상으로 인해 thermal NOx의 발생을 피할 수 없었으며, 화염방향의 주기적인 역전으로 전체 유동장이 영향을 받게 되므로 이의 설계 및 건설에 어려움이 있었다.

본 발명은 다양한 산업공정에서 발생되는 배가스 중의 오염물질을 처리하는데 있어서, 2차 대기오염물질을 발생시키지 아니하고 상기의 오염물질을 완전히 정화시키는 신규한 타입의 촉매산화 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 처리대상 배가스와 기상으로 전환된 공급연료를 혼합하여 배가스처리 덕트내로 함께 공급하고, 촉매층에서 연료의자체산화로 발생되는 열로써 촉매층의 온도를 유지시키며, 그와 동시에 촉매층의 표면에서 오염물질을 산화시켜 제거시키는 시스템으로 구성된다.

또한, 본 발명은 열효율의 향상으로 인한 연료소모량을 절감할 수 있고, 조업의 간편성을 달성할 수 있으므로, 산업현장에 적용할 수 있는 우수한 촉매산화기를 제공할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시양태인 가스화 연료의 자체 촉매연소열을 이용한 열회수식 촉매산화시스템 (Recuperative Catalytic Oxidizer System)의 개요도이고,

도 2는 본 발명의 또다른 바람직한 실시양태인 가스화 연료의 자체 촉매연소열을 이용한 축열식 촉매산화시스템 (Regenerative Catalytic Oxidizer System)의 개요도이다.

* 주요 도면부호에 대한 설명 *

10, 100 : RCO 12, 110 : 배가스처리 덕트

14 : 열교환기 18, 140 : 온도조절기

22, 24 : 분산판 26, 112 : 연소실

28, 182, 184 : 열전대 32, 126 : 초기구동버너

34, 114, 116 : 촉매베드 42 : 덕트유입구

44, 166 : 배기관 46 : 배가스유입구

48 : 배가스유출구 52, 54, 142 : 연료조절밸브

56, 156 : 초기연료공급관 58, 154, 158 : 공급관,

62 : 쉘(shell) 64 : 튜브

118, 120 : 축열실 122, 124 : 분배실

132, 134, 136, 138 : 가스흐름조절밸브

160, 170 : 유입관 180, 190 : 유출관

본 발명은 처리대상 배가스와 기상으로 전환된 공급연료를 혼합하여 배가스처리 덕트내로 함께 공급하고, 촉매층에서 연료의 자체산화로 발생되는 열로써 촉매층의 온도를 유지시키며, 그와 동시에 촉매층의 표면에서 오염물질을 산화 제거시키는 시스템으로 구성된다.

본 발명에 의한 촉매산화 시스템은 공급연료로서 LPG, LNG, 백등유 또는 액상의 탄화수소 연료를 기상으로 전환시켜 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 의한 촉매산화 시스템은 배가스중에 할로겐화 휘발성 유기화합물 또는 황화 유기화합물이 포함되어 있을 경우 이들 오염물질의 촉매산화반응을 촉진하기 위해 수소공급원의 역할과 함께 보조연료로서 탄화수소성분을 혼합하여 사용하는 것이 바람직스럽다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시양태를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 이때, 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상을 이 기술분야의 통상전문가가 용이하게 실시할 수 있도록 제공하는 것일 뿐, 본 발명의 보호범위가 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아님은 자명하다.

[도 1]은 본 발명에 의한 바람직한 실시양태의 하나로서, 열회수식 촉매산화장치 (Recuperative Catalytic Oxydizer :이하 RCO 10으로 약칭함)를 나타낸다. 본 발명에 의한 RCO 10은 [도 1]에 나타낸 바와 같이 single housing 으로 구성되어 있다. RCO 10은 전체적으로 배가스처리 덕트(12)와 열교환기(14)로 구성된다. 배가스처리 덕트(12)는 가스연료와 처리해야할 오염물질을 덕트내에서 균일하게 혼합시키고 정상흐름형태를 유지시키기 위한 분산판(22)(24)을 구비하고, 그 분산판(22)(24) 사이에는 연소실(26)이 존재하며, 그 연소실의 상류쪽 벽에는 초기구동버너(32)가 설치되어 있다. 이때, 상기의 초기구동버너(32)는 연료공급관(56)을 통해 연료조절밸브(54)에 연결되어 있으며, 버너 대신에 전기히터 등과 같은 다른 열원을 사용하여 구동시킬 수 있다. 또한, 덕트내의 분산판(24) 하류쪽에는 촉매베드(34)가 설치되어 있다. 상기의 촉매베드(34)는 휘발성 유기물질과 일산화탄소 등의 오염물질에 대한 산화활성이 우수한 촉매 지지체(예컨대, 모노리스, 메탈메쉬 등) 에 백금이나 팔라듐 등과 같은 산화활성금속을 코팅시키거나 담지시킨 것을 사용할 수 있다. 촉매베드(34)는 휘발성 유기물질이나 일산화탄소 등의 오염물질을 비교적 저온에서 산화시켜, 공기오염을 방지하도록 해준다. 배가스의 발생원에 따라 배출되는 휘발성 유기물질의 종류가 각각 다르므로, 알루미나에 담지된 백금촉매를 사용할 경우, 각각의 휘발성 유기물질에 대한 조업가능온도를 살펴보면 [표2] 와 같다. 상기 촉매베드(34)의 하류에는 산화처리된 기류의 온도를 측정하기 위한 열전대(28)가 설치되고, 이것은 온도조절기(18)를 거쳐 연료조절밸브(52)에 연결된다.

촉매 : Pt/γ-Al2O3, 촉매 완전연소온도 : 전환율이 99.9%일 경우의 온도임.

한편, 열교환기(14)는 종래의 다양한 형태가 사용될 수 있으나, shell and tube 형태가 바람직하다. 열교환기(14)는 배가스유입구(46) 및 배가스유출구(48)를 가진 쉘(shell)(62)과, 그 안에 다수 존재하는 튜브(64)로 구성되어 있고, 상기의 배가스유입구(46)는 공급관(58)에 연결되어 있는 반면에, 상기의 배가스 유출구(48)는 덕트유입구(42)에 연결되어 있다. 또한, 열교환기(14)는 그 일단이 상기의 배가스처리 덕트(12)에 결합되고, 반대편 일단은 송풍기(blower)에 연결되어 있다. 따라서, 산업공정 중에 발생한 저온의 배가스는 배가스유입구(46)를 통해 들어와 쉘(62)을 지나서 배가스유출구(48)를 통해 덕트유입구(42)로 진행하는 것이고, 촉매산화반응이 완료된 고온의 처리가스는 상기 쉘(62)의 내측에 다수 존재하는 튜브(64)를 지나 대기로 방출되는 과정에서 열교환이 일어나게 된다.

본 발명에 있어서, 배가스는 공급관(58)을 통해서 상기의 쉘측 유입구(46)로 들어가고, 연료는 조절밸브(52)(54)가 설치된 공급관을 통하여 각각의 조건에 따라 연료공급관(56) 또는(58) 로 들어가게 된다.

본 발명에 있어서, 열회수식 RCO (10)은 다음과 같은 순서로 작동되어 배가스 중의 연소가능한 오염물질을 완전하게 처리한다.

먼저, 공급연료는 연료조절밸브(54)에 의해 연료공급관(56)을 통하여 초기 구동버너(32)로 공급된다. 상기의 공급연료는 액화석유가스(LPG), 액화천연가스(LNG), 또는 액상 연료인 백등유, 경유 등을 사용할 수 있으며, 이들을 기상의 형태로 전환시켜 사용하는 것이 바람직스럽다. 본 공정의 초기에, 공급연료는 연소실(26)에서 초기구동버너(32)에 의해 점화되어 배가스처리 덕트(12)의 유입구(42)를 통해 들어온 배가스의 온도를 가열시키고, 이어서 촉매층(34)의 온도를 상승시킨다. 이때, 촉매베드(34)의 상류에 설치되어 있는 분산판(24)은 덕트내에서 방사상의 온도구배를 적게 해주며, 또한 그와 동시에 축열체의 역할을 하게 되므로, 급작스럽게 조업온도가 하강하거나 상승할 경우에 완충작용을 수행하게 된다.

한편, 산업공정 중에 발생된 배가스는 공급관(58)을 거쳐 열교환기(14)의 배가스유입구(46)로 들어가 배가스유출구(48)로 진행하는 동안, 튜브(64)내의 고온 처리가스와 열교환되므로 고온상태의 배가스로 전환된다. 이후, 고온의 배가스는 유입구(42)를 거쳐 배가스처리 덕트(12)로 들어가, 분산판(22)에 의해 균일한 흐름형태를 유지하면서 초기 공급연료의 연소열과 혼합된다. 이어서, 다시 분산판(24)에 의해 배가스와 연소열이 균일하게 혼합되고, 균일한 흐름형태를 유지하면서 촉매베드(34)로 흘러들어간다. 상기의 촉매베드(34)에서는 배가스 중의 휘발성 유기화합물 등이 촉매존재하에 산화반응을 일으키고, 촉매산화반응이 완료된 고온의 처리가스는 열교환기(14)로 흘러들어가 튜브(64)를 통해 열교환된 후, 송풍기(16)에 의해 대기로 방출되어진다.

한편, 촉매층을 통과한 배가스의 온도는 열전대(28)에 의해 측정되고, 온도조절기(18)를 거쳐 연료조절밸브(52)로 통보된다. 이때, 상기의 연료조절밸브(54)는 시간이 경과함에 따라 예열된 배가스가 배가스처리 덕트(12)로 공급되므로 초기 구동버너(32)로 공급되는 연료의 양을 점차적으로 감소시키게 되고, 그 감소된 양만큼의 공급연료는 산업공정에서 발생된 배가스와 함께 혼합되어, 공급관(58)을 통해 덕트(12)로 공급된다. 따라서, 초기 구동버너(32)로 공급되는 연료의 양이 감소한 만큼 연소실(26)의 온도도 점차적으로 감소하게 되고, 연소실(26)내에서 연소되지 않은 연료는 상기의 분산판(24)에 의해 균일하게 혼합되어 촉매베드(34)에서 완전연소되어진다. 결국, 초기 구동버너(32)에서 공급되지 않은 양만큼의 연료는 상기의 연료공급관(58)을 통해 공급되는 것이고, 이 연료는 연소실(26)에서 연소되는 것이 아니라 촉매베드(34)에서 완전연소되는 것이며, 이로써 촉매반응에 필요한 열량을 직접 충당하는 것이다. 이와같은 과정을 통해서 일정시간이 경과하게 되면, 이후에는 초기 구동버너(32)로의 연료공급이 완전히 중단되어지게 되고, 배가스 처리온도를 유지하는데 필요한 공급연료는 전적으로 연료공급관(58)을 통해 공급되어지게 된다.

본 발명에 의한 열회수식 RCO (10)이 정상상태로 조업되는 경우, 배가스는 상온의 연료와 혼합되어 공급관(58)을 통해 열교환기(14)로 들어가고, 이곳에서 예열되어 배가스처리 덕트(12)로 공급되어지며, 분산판(22)(24)에 의하여 균일하게 촉매베드(34)로 공급되어진다. 상기의 배가스는 상기 촉매베드(34)의 표면에서 직접적으로 완전연소되어진 후, 열교환기(14)를 통해 공급연료 및 배가스의 혼합물을 예열시키면서 그 자신은 대기로 방출된다.

본 발명에 의한 또 다른 바람직한 실시양태를 살펴보면 [도 2]와 같다.

본 발명에 의한 축열식 RCO 시스템은 도면부호 100으로 도시된다. 축열식RCO 시스템(100)은 공정주기에 따라 배가스의 흐름이 교대로 바뀌어질 수 있는 배가스처리 덕트(110)와, 다수의 공급관으로 이루어진 공급수단으로 구성된다. 상기의 배가스처리 덕트(110)는 그 중앙에 연소실(112)이 있고, 초기구동버너(126)가 설치되어 있다. 상기의 연소실(112)은 작업초기에 배가스의 온도를 촉매반응온도까지 높여주기 위해 초기 구동버너(126)에서 공급된 연료를 연소시키는 기능을 수행한다. 상기 연소실(112)의 좌.우측에는 각각 촉매베드(114)(116)가 설치되어 있다. 촉매베드(114)(116)는 모노리스 메탈메쉬 등과 같은 지지체에 휘발성 유기물질의 산화활성이 우수한 백금이나 팔라듐 촉매를 코팅하거나 담지한 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 촉매베드(114)(116)의 바깥쪽에는 각각 축열실(118)(120)이 설치되어 있다. 상기의 축열실(118)(120)은 촉매산화반응 후 발생한 열을 흡수하였다가, 그곳을 지나가는 공급연료 및 배가스의 혼합기체에 상기의 흡수열을 직접 공급하는 기능을 수행한다. 따라서, 상기의 축열실(118)(120)은 열교환매체로서 열효율을 최대한 높일 수 있는 물질을 사용하며, 금속이나 세라믹 재질의 하니콤 축열체를 사용하는 것이 바림직스럽다. 상기 축열실(118)(120)의 바깥쪽에는 다시 각각 분배실(distribution plenum)(122)(124)이 설치되어 있다. 상기의 분배실(122)(124)은 배가스처리 덕트(110)에 들어오는 공급연료 및 배가스의 혼합기체를 균일하게 분산공급하거나, 촉매산화반응이 완료된 처리가스의 온도변화를 균일하게 측정할 수 있도록 해준다. 이를 위하여, 상기의 분배실(122)(124)에는 각각 열전대(182)(184)가 설치되어 있다. 상기의 열전대(182)(184)는 온도조절기(140)를 통하여 연료조절밸브(142)에 연결되어 있다.

한편, 공급연료는 연료조절밸브(142)에 의해 조절되고, 작업초기에 초기공급관(156)을 통하여 초기 구동버너(126)에 공급되거나, 작업이 진행됨에 따라 점차 공급관(154)을 거쳐 배가스와 혼합되어 공급관(158)으로 공급되어진다.

한편, 산업공정에서 발생한 배가스는 공급관(158)으로 공급되고, 작업초기에는 순수한 배가스만 공급되어지다가, 작업이 진행됨에 따라 점차 공급관(154)으로부터 공급된 공급연료와 혼합된 후, 상기의 배가스처리 덕트(110)에 교대로 방향을 바꾸어 유입되어진다. 배가스의 공급방향은 상기 배가스처리 덕트(110)에 연결된 유입관(160)(170)과 유출관(180)(190)의 조건에 따라 결정되어진다. 상기의 유입관(160)(170)은 그 위에 각각 가스흐름조절밸브(132)(134)가 설치되어 그 일면이 상기의 공급관(158)에 연결되고, 그 타면은 배가스처리 덕트의 분배실(122)(124)에 연결되어진다. 한편, 상기의 유출관(180)(190)은 그 위에 각각 가스흐름조절밸브(136)(138)가 설치되어 그 일면이 상기의 분배실(122)(124)에 연결되고, 그 타면이 배기관(166)에 연결되어지며, 상기 배기관(166)은 송풍기(128)에 연결되어 있다.

본 발명에 있어서, 축열식 RCO (100)는 다음과 같은 순서로 작동되어 배가스 중의 연소가능한 오염물질을 완전하게 처리한다.

먼저, 산업공정에서 발생한 배가스는 공급관(158)을 거쳐서 배가스처리 덕트(110)로 유입된다. 이때, 가스의 흐름방향을 화살표방향(60)으로 할 경우, 가스흐름조절밸브(132)(138)은 열린 상태가 되는 반면에,가스흐름조절밸브(134)(136)은 닫힌 상태가 된다. 따라서, 이 경우 기체흐름은 유입관(160)을 통해 배가스처리 덕트(110)로 유입되고, 유출관(190)과 배기관(166)을 통해 대기로 방출되므로, 기체흐름에 대한 상류쪽 축열실(118)은 공급베드가 되는 반면에, 그 하류쪽 축열실(120)은 배출베드의 역할을 수행하게 된다.

한편, 공급연료는 연료조절밸브(142)에 의해 초기공급관(156)을 통하여 연소실(112)로 유입되고, 이곳에서 초기 구동버너(126)에 의해 점화되어 연소된다. 상기 공급연료는 액화석유가스(LPG), 액화천연가스(LNG), 또는 액상 연료인 백등유, 경유 등을 사용할 수 있으며, 이들을 기상의 형태로 전환시켜 사용하는 것이 바람직스럽다. 작업 초기에, 상기의 공급연료는 연소실(112)내에서 초기구동버너(126)에 의해 연소되어, 배가스처리 덕트(110)의 유입관(160)을 통해 들어온 배가스의 온도를 가열시키고, 이어서 촉매층(116)의 온도를 상승시킨다. 이때, 산업공정 중에 발생한 배가스는 상류쪽 축열실(118)을 거쳐 연소실(112)로 유입되고, 이곳에서 발생한 연소열과 혼합되어 하류쪽 촉매베드(116)로 유입된다. 하류쪽 촉매베드(116)의 표면에서는 완전연소가 일어나고, 이때 발생한 열량은 축열실(120)의 축열체에 축적되어지면서, 정화된 처리가스가 유출관(190)과 배기관(166)을 거쳐 송풍기(128)에 의해 대기로 방출된다.

상기 촉매베드(116)의 표면온도가 촉매산화반응에 필요한 온도 이상으로 충분히 상승된 경우에는, 하류측의 축열실(124)에 설치된 열전대(184)로부터 측정된 온도변화에 대응하여 연료조절밸브(142)가 작동함으로써, 버너(126)로 공급되는 공급연료의 양을 점차적으로 감소시킨다. 이때, 버너를 통한 공급연료의 감소량만큼의 공급연료는 공급관(154)(158)을 통하여 배가스와 혼합되어 유입관(160)을 거쳐 배가스처리 덕트(112)로 유입된다. 이때, 버너(126)로 공급되는 공급연료의 양이 감소한 만큼, 연소실(112)의 온도 역시 감소하게 되지만, 상기 공급관(154)(158)을 통해 유입된 공급연료가 촉매베드(116)에서 완전연소됨으로써 그 감소량만큼의 열량을 상기의 촉매베드(116)에서 충당시키게 된다. 결국, 초기 구동버너(126)에서 공급되지 않은 양만큼의 연료는 상기의 연료공급관(158) 및 유입관(160)을 통해 공급되는 것이고, 이 연료는 연소실(112)에서 연소되는 것이 아니라 촉매베드(116)에서 완전연소되는 것이며, 이로써 촉매반응에 필요한 열량을 직접 충당하는 것이다.

이와같은 과정을 통해서, 일정시간이 경과할 경우, 초기 구동버너(126)로의 연료공급이 완전히 중단되어지고, 촉매층에서 산화반응을 일으키는데 필요한 열량은 전적으로 공급관(158) 및 유입관(160)을 통하여 처리대상 배가스와 함께 혼합되어 공급되어지게 된다.

한편, 촉매베드(116)를 통과하여 정화처리된 배가스는 축열실(120)을 지나면서 축열체와 열교환이 일어나 축열체의 온도가 상승하게 되며, 축열실(120) 하류에 설치된 열전대(184)로부터 조업중에 통과하는 배가스의 온도가 측정되어진다. 축열실(120)의 축열체 온도가 상승함에 따라 배가스와 축열체 사이의 열교환율이 점차 낮아지게 되고, 그 결과 배가스의 온도는 점차적으로 다시 상승하게 된다. 이러한 과정에서 상기 축열실(120)의 축열체는 점점 배가스 및 공급연료의 혼합기체를 촉매산화반응시키는데 충분할 정도로 가열되어지고, 상기 축열체(120)의 온도가 상기 혼합기체의 촉매산화반응에 충분한 온도에 도달하였을 때, 연료공급관(158)을통해 유입되는 혼합기체의 흐름을 반대방향으로 전환시킨다.

이 경우, 유입관(160)의 가스흐름조절밸브(132)와 유출관(190)의 가스흐름조절밸브(138)가 닫히고, 새롭게 유입관(170)의 가스흐름조절밸브(134)와 유출관(180)의 가스흐름조절밸브(136)가 열려지게 된다. 따라서, 배가스 및 공급연료의 혼합기체는 공급관(158)과 유입관(170)을 통해 덕트의 분배실(124)로 유입되고, 상기의 축열실(120)을 지나면서 고온의 축열체로부터 열을 공급받아 촉매산화반응을 일으킬 정도로까지 예열되어진 후, 촉매베드(116)로 유입된다. 이곳 촉매실(116)에서 상기의 혼합기체는 촉매존재하에 완전산화반응을 일으켜서 정화처리되고, 연소실(112)과 촉매실(114)을 거쳐 축열실(118)로 유입되어진다. 상기 축열실(118)에서는 고온의 정화처리가스로부터 축열체로 열교환이 일어나고, 정화처리된 배가스는 유출관(180)과 배기덕트(166)를 통해 대기로 방출되어진다.

본 발명에 의한 축열식 RCO 시스템(100)은 과정에서도 상기와 같이 동일한 과정을 반복 수행한다. 따라서, 촉매베드(114)를 통과하여 정화처리된 배가스는 축열실(118)을 지나면서 축열체와 열교환이 일어나 축열체의 온도가 상승하게 되며, 축열실(118) 하류에 설치된 열전대(182)로부터 조업중에 통과하는 배가스의 온도가 측정되어진다. 축열실(118)의 축열체 온도가 상승함에 따라 배가스와 축열체 사이의 열교환율이 점차 낮아지게 되고, 그 결과 배가스의 온도는 점차적으로 다시 상승하게 된다. 이러한 과정에서 상기 축열실(118)의 축열체는 점점 배가스 및 공급연료의 혼합기체를 촉매산화반응시키는데 충분할 정도로 가열되어지고, 상기 축열실(118)의 온도가 상기 혼합기체의 촉매산화반응에 충분한 온도에 도달하였을 때(이 경우, 혼합기체의 유입구 방향의 축열실(120)은 유입되는 혼합기체와의 열교환으로 인하여 상당량의 열량을 소모한 상태이다.), 연료공급관(158)을 통해 유입되는 혼합기체의 흐름을 다시 반대방향으로 전환시킨다.

본 발명은 이와같은 과정을 반복적으로 수행함으로써, 연소실내에서 버너에 의한 불꽃연소를 행할 필요없이 촉매실에서 직접 산화반응을 계속적으로 진행시킬 수 있게 되는 것이다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

[실시예 1]

본 실시예에서는 내경 1.5cm의 실험실 규모의 모노리스 테스트 장치에서 휘발성 유기화합물로서 메틸클로라이드를 제거대상물질로 하고, 공급연료로서는 가격이 비교적 저렴한 액화천연가스(주성분은 메탄)를 사용하였으며, 이들의 혼합기체를 공급하여 실험을 수행하였다. 본 실시예의 목적은 메탄의 자체 연소로 인해 발생되는 연소열로서 촉매층의 온도유지 가능성을 검증함과 동시에 오염물질의 동시제거에 있다. 실험은 공간속도 7,500hr^-1, 반응온도 500℃, 산소농도 17∼23 vol%인 조건에서 수행하였으며, 메탄의 산화반응에 우수한 활성을 보이는 Pt-Pd가 모노리스 리터당 1.8g이 담지된 촉매를 사용하였다.

실험은 메탄의 공급량을 변화시켜가며 반응기에서 배출되는 가스를 GS-Q 컬럼(30m, I.D : 200μm)이 장착된 가스크로마토그라피(HP- 6890)로 연료인 메탄, 제어물질인 메틸클로라이드의 농도를 on-line으로 측정하고, 전환율을 계산하여 메탄의 연소에 의해 발생 가능한 열량을 산출하였으며, 그 결과를 [표 3]에 나타내었다.

[표3]에서 보는 바와 같이 메탄의 공급량이 증가함에 따라 촉매층에서의 메탄 산화반응에 의해서 발생되는 발열량이 증가하고, 본 실시예에서 사용된 촉매의 우수한 메탄산화활성으로 인해 반응기에서 배출되는 반응 후 가스를 분석한 결과, 분석기의 검지한계치에 해당되어 메탄 및 메틸클로라이드는 거의 검출되지 아니하였다. 또한, 상기 반응기의 온도가 500 ℃에 해당하여 NOx 가 발생할 여지는 처음부터 없었으며, 실험결과는 이러한 사실을 현실적으로 확인해 주었다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 RCO 시스템은 처리대상 배가스와 기상으로 전환된 LNG, LPG 또는 액상의 탄화수소 연료를 함께 공급하여 촉매층에서 연료의 촉매산화반응을 일으키므로, 열효율이 매우 높고, 그 자체의 산화열로써 촉매층의 온도를 유지시키며, 그와 동시에 오염물질을 완전산화시켜 제거시킨다. 예컨대, 본 발명의 바람직한 실시양태인 열회수식 또는 축열식 RCO 시스템(10)(100)은 촉매베드의 표면에서 직접적으로 연소가 발생하여 열효율이 우수하므로 장치의 초기 구동에 필요한 연료에 비해 훨씬 작은 양의 연료만으로도 촉매베드의 온도유지가 가능하다.

또한, 본 발명에 의한 RCO 시스템은 정상상태하에서 연소실에서 버너를 사용하지 않으므로 화염생성이 없기 때문에, 유체방향 역전에 따른 불꽃의 영향이 없으며, thermal NOx와 같은 2차적인 오염물질의 생성이 없이 오염물질의 제거가 가능한 장점이 있다.

또한, 종래의 버너가열식의 경우 조업기간 내내 연소실 버너에서 발생되는 화염이 가스흐름 방향이 역전됨에 따라 화염의 유동이 발생되므로 이의 설계 및 운전과정에서 여러가지 문제를 야기하고 있었으며, 장치의 전체크기에서 버너자체가 차지하는 부피를 무시할 수 없었으나, 본 발명에서는 정상상태 조업중에 연소실에서 연료를 직접 연소시키지 않아 화염발생이 없으므로(flameless) 이와 같은 문제점을 근본적으로 해결하여 소형화가 가능한 장점이 있다. 다시말해서, 중요 요소기술 측면에서 살펴볼 때 기존시스템은 촉매산화장치에서 버너설계기술이 상당부분 차지하는데 비해, 본 발명에서는 버너기술이 차지하는 비율이 매우 적고, 적용되는 중저온 산화용 촉매는 이미 확립된 기술이므로 상용성에 있어서 폭 넓은 적용이 기대된다.

특히, 본 발명은 할로겐화 휘발성 유기화합물을 제거하는데 있어서, 촉매층에 공급되는 연료가 HVOCs분해반응을 증진시키는 수소 제공물질로서 작용하므로 부산물의 발생을 현저하게 감소시키고 반응온도를 낮추는 역할을 하기 때문에, 최근 사회문제화 되고 있는 할로겐화 휘발성 유기화합물의 산화제거에 탁월한 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 황화유기화합물(R-SH)이 혼합되어 있는 오염물질을 처리할 경우, 산화반응생성물로서 발생되는 황산화물에 의한 피독이 진행되나 재환원시키는 환원제로 작용하기 때문에, 기존의 촉매산화시스템에서 가장 큰 문제점으로 지적되고 있는 촉매의 내구성문제를 해결할 수 있는 우수한 촉매시스템이다.

특히, 본 발명의 바람직한 실시양태의 하나인 축열식 RCO 시스템(100)이 정상상태로 조업되는 경우, 배가스와 상온의 공급연료의 혼합기체가 흐름방향에 따라 축열실(118)(120)의 축열체와 직접적으로 접촉하므로, 본 발명의 또다른 실시양태의 하나인 열회수식 RCO 시스템(10)보다 열교환이 우수하여 90% 이상의 열효율을 달성할 수 있게 된다.

Claims

산업공정에서 발생한 배가스를 산화처리하는 촉매산화 시스템에 있어서,

작업초기에 연소실내의 초기 점화버너에 의해 촉매산화반응에 필요한 열량을 얻어 촉매산화반응을 일으키고, 작업이 진행됨에 따라 연소실내에서는 초기점화버너에 의한 열량공급을 점차적으로 감소시켜 일정시점에서 종결시키는 반면에, 촉매층에서는 공급연료를 직접 산화반응시켜 반응생성열을 얻고, 열교환설비에서는 상기 반응생성열을 배가스처리 덕트로 유입되는 혼합기체에 직접 또는 간접적으로 열교환시킴으로써, 촉매산화반응이 지속적으로 일어나도록 구성된 것을 특징으로 하는 촉매산화 시스템.
산업공정에서 발생한 배가스를 산화처리하는 배가스처리수단과 열교환수단 및 배가스공급수단으로 구성된 촉매산화 시스템에 있어서,

a) 상기의 배가스처리수단은 배가스 중의 오염물질을 처리하는 덕트(12)와 ;공급연료 및 처리해야 할 오염물질을 덕트(12)내에서 균일하게 혼합시키고 정상흐름형태를 유지시키기 위한 분산판(22)(24)과; 상기 분산판(22)(24) 사이에 설치된 연소실(26)과; 상기 연소실의 상류쪽 벽에 설치된 초기구동버너(32)와; 상기 분산판(24)의 하류쪽에 설치된 촉매베드(34)와; 상기 촉매베드(34)의 하류에 설치된 열전대(28) 로 구성되어 있고,

b) 상기의 열교환수단은 배가스유입구(46) 및 배가스유출구(48)를 가진 쉘(62)과; 그 안에 존재하는 다수의 튜브(64)로 이루어진 열교환기(14) 로 구성되어 있고, 상기 열교환기의 일단은 상기 배가스처리 덕트(12)에 결합되고, 반대편 일단은 송풍기(16)에 연결되어 있으며, 상기의 배가스유입구(46)는 공급관(58)에 연결되어 있는 반면에, 상기의 배가스유출구(48)는 덕트유입구(42)에 연결되어 있으며,

c) 상기의 배가스공급수단은 공급연료가 상기의 초기구동버너(32)로 유입되는 초기공급관(56)과; 배가스, 또는 배가스 및 공급연료의 혼합기체가 상기의 열교환기로 유입되는 공급관(58)과; 상기 열전대(28)의 측정온도에 따라 상기 초기공급관(56)에 유입되는 공급연료의 양을 조절하는 연료조절밸브(52)(54)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 촉매산화 시스템.
산업공정에서 발생한 배가스를 산화처리하는 배가스처리수단과 열교환수단 및 배가스공급수단으로 구성된 촉매산화 시스템에 있어서,

a) 상기의 배가스처리수단은 공정주기에 따라 배가스의 흐름이 교대로 바뀌어질 수 있는 배가스처리 덕트(110)와; 상기 덕트의 중앙에 설치된 연소실(112)과; 상기 연소실의 한쪽 벽에 설치된 초기구동버너(126)와; 상기 연소실의 좌.우측에 각각 설치된 촉매베드(114)(116)와; 상기 촉매베드의 바깥쪽에 각각 설치된 축열실(118)(120)과 그 바깥쪽에 각각 설치된 분배실(122)(124)과; 상기의 분배실에 각각 설치된 열전대(182)(184)로 구성되어 있고,

b) 상기의 열교환수단은 촉매산화반응 후 발생한 열을 흡수하였다가, 그곳을 지나가는 공급연료 및 배가스의 혼합기체에 상기의 흡수열을 직접 공급하는 기능을 수행하기 위해 상기 축열실(118)(120)내에 존재하는 축열체로 구성되고,

c) 상기의 배가스공급수단은 공급연료가 상기의 초기구동버너(126)로 유입되는 초기공급관(156)과; 배가스, 또는 배가스 및 공급연료의 혼합기체가 상기의 배가스처리 덕트(112)로 유입되는 공급관(154)(158) 및 유입관(160)(170)과; 상기의혼합기체 등이 배가스처리 덕트(112)로부터 빠져나가 대기로 방출되는 유출관(180)(190)과; 상기의 혼합기체 등이 교대로 유입되어 상기의 배가스처리 덕트(112)내로 처리되어지도록 기체흐름을 제어하는 가스흐름조절밸브(132)(134) (136)(138)와; 상기 열전대(182)(184)의 측정온도에 따라 상기 초기공급관(156)에 유입되는 공급연료의 양을 조절하는 연료조절밸브(142)(144) 로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 촉매산화 시스템.
산업공정에서 발생한 배가스를 촉매산화 시스템에 의해 산화처리하는 방법에 있어서,

작업초기에 연소실내의 초기점화버너에 의해 촉매산화반응에 필요한 열량을 얻어 촉매산화반응을 일으키고, 작업이 진행됨에 따라 연소실내에서는 초기점화버너에 의한 열량공급을 점차적으로 감소시켜 종결시키는 반면에, 촉매층에서는 공급연료를 직접 산화반응시켜 반응생성열을 얻고, 열교환설비에서는 상기 반응생성열을 배가스처리 덕트로 유입되는 혼합기체에 직접 또는 간접적으로 열교환시키며, 촉매산화반응이 완료되어 정화된 배가스를 대기로 배출시키는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 촉매산화시스템에 의한 배가스 처리방법.
제4항에 있어서,

공급연료는 LPG, LNG, 백등유 또는 액상의 탄화수소 연료를 기상으로 전환시켜 사용하는 방법.
제5항에 있어서,

공급연료는 할로겐화 휘발성 유기화합물 또는 황화 유기화합물이 포함된 가스상 오염물질의 촉매산화반응을 촉진하기 위해 수소공급원의 역할과 함께 보조연료로서 탄화수소성분을 혼합하여 사용하는 방법.