KR20020006646A - 1탑형 흡착·탈착 방식 흡착탑 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 페인트 도장 및 건조공정시 페인트에서 증발하는 휘발성 유기화합물 증기(VOC)를 고효율로 제거하는데 있어서 경제성이 우수한 시스템을 구성 제안한 것으로 본 발명의 적용은 첫째 도장작업과 건조작업이 한 곳에서 교대로 이루어지는 모든 시설과 둘째 VOC 발생시설이 불연속 작업을 행하는 시설에 적용하며 예를 들면 도장작업만 하는 도장부스가 1일 8시간 작업하거나 1일 24시간 1주 6일 작업 연속 작업후 일요일 쉬는 시설등 불연속 작업을 하는 시설에 적용한다.
상기 시설에서 발생되는 VOC제거 방식은 여러 방식이 있으나 대용량, 저농도에 적합한 흡착방식과 소용량, 고농도에 적합한 촉매연소방식을 적용하되 처리시스템 적용에 있어서 종래 방식의 문제점을 보완하여 경제성 있는 시스템을 고안하였다.
첫째 적용시설인 도장작업과 건조작업을 교대로 하는 시설의 경우 종전 방식으로 가장 많이 사용하고 있는 활성탄 비재생식 흡착방식(제 3도 방식)은 VOC의 지속적인 흡착에 따른 활성탄 소모로 연간 활성탄 교체비가 수천만원씩 소요되어 경제성에서 떨어지는 문제점이 있다.
이를 보완하기 위해 도장작업시에는 흡착방식으로 처리하고 건조작업시에는 소용량, 고농도인 특성을 이용하여 촉매연소방식으로 처리하는 방식(제 4도방식)을 채택하여 제 3도 방식의 가장 큰 문제점인 활성탄 교체비를 1/4정도로 줄이므로써 제 3도 방식보다는 우수한 경제성을 가지고 있다.
그러나 이 방식 역시 활성탄 교체비가 대폭 줄었다고는 하나 여전히 부담스러운 수준으로 가장 경제성 있는 방식으로 볼 수 없다.
이에 흡착ㆍ탈착할 수 있는 방식을 채택하여 활성탄을 매일 재생 사용할 수 있는 시스템을 적용하므로써 활성탄 소모비가 낮은 방식을 적용하였으나 기존 흡착ㆍ탈착방식인 2대를 사용 1대는 흡착시 1대는 탈착하는 방식(제 5도방식)과 회전통을 사용하여 흡착하는 동안 일부 탈착하는 방식(제 6도 방식)은 설비비가 고가여서 활성탄 소모비 절감에 따른 운전비 절감효과를 어느정도 상쇄하여 제 4도 방식에 비해 월등히 우수한 방식으로 볼 수 없다.
그래서 본 발명은 다량의 VOC가 함유되어 있더라도 온도가 150 ℃이상만 되면 활성탄 층에서 전혀 흡착되지 않고 오히려 기흡착되어 있는 VOC를 탈착되는 점을 착안하여 건조시 배기되는 가스를 150 ℃이상 승온시켜 탈착시킨 후 건조시 발생된 VOC와 탈착시 발생된 VOC를 촉매연소장치에서 동시처리하므로써 1대의 일반 흡착탑으로 처리가능한 시스템을 구상하였다. 이로써 설비비를 제 5도, 제 6도 방식보다 대폭 낮추고 운전비는 흡착ㆍ탈착방식의 장점인 활성탄 소모비를 거의 없애므로써 경제성면에서 최소한 30 %이상 절감하고 장치 크기도 줄였으며 유지보수도 간편한 방식을 제안하여 종전 방식의 문제점을 해결하였다.(제 7도 방식)
둘째 제 8도 방식은 일정기간 가동후 멈춘 후 다시 가동하는 시설에 적용하는 방식으로 제 7도방식을 일부 변형하여 운전시에는 흡착하고 운휴시에 탈착하며 탈착시 발생되는 VOC는 촉매연소 처리시설이다.
그러므로 이 방식의 적용은 광범위하게 적용이 가능하다.
예를 들면 도장만 하는 도장부스에서 1일 8시간 작업하는 경우에 적용한다.

Description

1탑형 흡착·탈착 방식 흡착탑{One Tower Adsorb. Desorb Type Adsorption Tower}
페인트 도장 부스 및 건조로 시설, 세탁 시설, 인쇄 시설등 여러 시설에서 배기되는 배기가스 중에는 톨루엔, 자일렌 등과 같은 휘발성 유기화합물가스(Volertile Organic Compound: 이하 VOC로 명명)가 함유된 채로 대기 중에 배출되므로써 대기오염을 야기하고 있다.
이러한 VOC로 인한 대기오염 방지를 위해 여러 방식의 정화시설이 사용되고 있으나 대부분 가장 경제성이 있고 효율이 우수한 활성탄 흡착방식을 사용하고 있다.
그런데 활성탄은 VOC를 일정량 흡착하게 되면 포화상태가 되어 더 이상 흡착할 수 없는 특성 때문에 일정 기간마다 교체해주거나 열풍을 이용하여 탈착 재생 후 다시 흡착 사용하기도 한다.
여기에서 어떠한 제품을 생산할 때 동등한 품질을 생산할 수 있는 생산공정이 여러 방식이 있을 경우 생산 설비비가 저렴하고 생산시 소요되는 운전비가 적게 소요되는 방식을 채택할 것이다. 더욱이 단위기계방식이 종전방식이더라도 새로운 아이디어로 시스템 구성을 재구성하여 종전 시스템에 비해 생산비용을 획기적으로 절감할 수 있다면 매우 바람직한 방식이 될 것이다. 본 고안은 VOC 배출시설중 일부 시설인 자동차 도장부스와 같이 1일 24시간 365일 연속운전 또는 1일 8시간등 부분운전에 관계없이 즉 운전시간에 관계없이 도장과 건조가 한곳에서 이루어지는 모든 시설의 VOC 제거에 대해 적용되는 시설로 지금까지 사용되어온 활성탄 흡착방식 및 촉매연소방식을 이용하여 새로운 아이디어로 시스템을 발명하므로써 VOC 제거효율을 고효율로 유지하면서 저렴한 설비비와 운전비를 가진 경제성 있는 방식(제 7도 방식)을 제안하고자 하며, 제안된 방식을 약간 변형시킨 제 8도 방식은 1일 8시간 작업하는 시설이나 1일 24시간 1주 6일 작업후 일요일에 쉬는 불연속 작업을 모든 VOC 발생시설에 적용가능한 방식으로 예를들면 도장만 하는 도장부스가 불연속 작업을 하는 경우가 이에 해당된다.
이 방식은 운전시 활성탄 흡착처리하고 운휴시 열풍으로 탈착한 후 탈착시 발생 VOC를 촉매연소장치로 촉매 분해 처리하는 방식이다.
이 방식 역시 제 7도방식과 같은 장점을 가지고 있다.
본 발명의 시스템을 설명하기 위해 사전지식으로 활성탄 흡착방식과 촉매연소방식에 대해 설명한다면 다음과 같다.
(1) 활성탄 흡착방식
활성탄은 많은 미세공과 넓은 표면적을 가지고 있어 벤젠, 톨루엔, 자일렌 가스와 같이 분자량이 큰 VOC가 활성탄층을 통과하게 되면 미세공으로 유기가스분자가 반데르발스힘에 의해 유입되며 이 부위에서 포화 증기압이상의 고농도가 유지되므로써 응축된 상태로 흡착된다. 이러한 흡착특성은 VOC가 계속 흡착되어 포화상태가 되면 더 이상 흡착할 수 없는 제한적인 특성을 가지게 됨을 의미하며 이는 흡착탑내 투입된 활성탄이 모두 포화상태가 되면 더 이상 VOC를 제거해 줄 수 없기 때문에 새로운 활성탄으로 교체해주거나 탈착하여 재사용하여야 함을 의미한다.
활성탄의 탈착 재사용을 위한 탈착공정은 100 ℃이상의 열풍이나 스팀을 가하면 되는데 그 이유는 액상으로 활성탄 표면에 흡착되어있는 VOC가 비점이상의 열풍이 가해져 증발 탈착되므로써 활성탄 미세공이 원래 상태로 복구되기 때문이다.
제 1도는 포화상태가 되면 활성탄을 교체해주는 활성탄 비재생식 흡착탑의 흡착개념도 및 흡착효율과의 관계를 제 2도는 흡착ㆍ탈착방식의 흡착탑의 흡착개념도 및 흡착효율과의 관계를 나타내었다.
제 1도에서 흡착 초기에는 Zi층에서 흡착이 이루어지다가 점차 포화상태가 되면서 흡착대가 위로 이동하게 되고 교체주기(통상 3∼6개월)에 도달하면 흡착효율이 저하되기 시작하며 이때 활성탄을 교체해 준다.
제 2도 흡착ㆍ탈착방식에서 흡착주기동안 VOC 흡착에 의해 소요되는 활성탄층(Zo)에 추가적으로 일정효율을 유지할 수 있는 흡착대(Z)가 필요하다.
초기 주로 흡착이 이루어지는 Zi층은 시간이 경과하면서 위로 이동하여 흡착주기(통상 10시간)에 도달하면 Zi층은 Zo까지 이동하고 이 때 탈착공정으로 바뀌게 된다.
(2) 촉매연소방식
촉매는 백금, 파라듐등으로 이루어진 물질로 자기 자신은 직접 반응에 참여하지 않고 다만 반응물질의 활성화 에너지를 낮춰 반응을 촉진시켜 톨루엔, 자일렌과 같은 VOC의 연소산화온도 600 ∼ 800 ℃보다 훨씬 낮은 150 ∼ 350 ℃에서 연소산화가 가능하게 해줘 에너지 절감을 가능하게 하여 주는 물질이다. 촉매연소방식은 이러한 촉매를 사용하는 방식으로 연소분해가 가능한 150 ∼ 350 ℃로 승온시켜 촉매층을 통과시켜 연소분해하여 제거시키는 방식으로 반응식은 아래와 같다.
산화분해효율은 VOC종류, 가스온도, 촉매종류 및 양에 따라 달라지는데 페인트의 주요 VOC인 톨루엔, 자일렌의 경우 150 ℃에서 분해가 시작되어 250℃에 이르면 90 %이상 분해된다.
상기 반응식에서 보듯이 촉매층 유입온도가 180 ℃정도로 통과시키면 VOC 자체 산화열에 의해 가스온도가 상승하며 상승정도는 VOC농도에 비례하는데 톨루엔 + 자일렌 농도가 2000 ppm(C6H6기준, CH4기준으로는 10,000ppm)이면 약 170 ℃정도 추가로 상층하여 350 ℃까지 상층하므로 98 %이상 효율처리가 가능하다.
(3) 운전조건
본 고안과 관계된 한 부스에서 도장과 건조작업을 하는 시설에 대해 처리방안을 선정하고 각 방안별 경제성을 검토하기 위해서는 어떠한 기준이 필요한데 이를 위해 대표적인 시설인 자동차 도장부스 운전조건과 설계기준을 기술한다면 다음과 같다.
자동차 도장부스는 제 3도 나타낸 구조와 같은 밀폐된 도장부스에서 하도, 상도 및 광택(Clear)도장작업과 도장 후 건조작업을 하는데 도장작업은 작업자가 스프레이건을 사용하여 스프레이 방식으로 행해지며 작업장 환경을 고려하여 급기팬(2)과 배기팬(3)을 가동하여 환기가 이루어지도록 구성되어 있다.
이때 배기 가스량은 작업환경 관계로 부스 크기가 클수록 커지나 자동차 도장부스의 경우 400 ㎥/분 정도의 배기가스량이 요구된다.
대기오염물질로는 스프레이 도장시 비산되는 페인트 미스트와 도장작업동안 페인트 용제의 증발로 인한 VOC가 배기가스에 함유되어 배출된다.
도장작업 후 도장된 페인트 건조공정이 이루어지는데 건조온도는 80 ℃에서건조시킨다.
건조 작업시에는 실내 온도가 높게 유지되어야 하므로 열손실을 감안하여 배기량은 최소화하되 실내 VOC 농도가 높아 건조 효과가 떨어지지 않을 정도로 배기시켜 주는데 배기량은 실내 시간당 환기 횟수 약 5회 정도(도장부스용적 약 100 ㎥)로 10 ㎥/min 정도 유지시켜 주는 것이 보통이다.
건조시 가동방식은 제 3도에서 버너 가동에 의한 열을 건조열 공급 배관(13)으로 열을 공급하면서 건조시 순환개폐댐퍼(24)를 완전히 열고 급기팬 입구 개폐댐퍼(22)를 닫은 상태하에서 배기팬(3)의 가동을 멈춘 상태에서 급기팬(2)은 가동하면 실내 공기가 순환되면서 건조되도록 구성되어 있다.
건조시 대기오염물질로는 건조시 증발되는 VOC가 배기가스에 함유되어 배출된다.
도장시 발생하는 페인트 미스트는 페인트 부스 바닥 배기구에 설치된 필터(11)와 배기팬(3)후단의 필터(12)로 제거해 주고 있다.
현재에는 대부분 VOC 제거 시설이 설치되어 있지 않으며 VOC 제거시설의 설치에 있어서 종전 방식에 의한 시스템별 설비비, 운전비등을 계량화하고 장단점을 구체적으로 검토하기 위해 자동차 상술된 운전조건과 VOC 배출특성을 정리하면 첨부된 표 1과 같다.
(4) VOC 처리방식별 개요
본 VOC 배출시설의 처리에 있어서 종전 기술로 처리 가능한 방식을 다음과 같이 나타내었다.
(가) 비탈착식 흡착방식(제 3도 방식)
제 3도에 나타난 바와 같이 가장 간단한 방식으로 단순한 용기에 활성탄을 충전한 후 이곳으로 VOC를 통과시켜 흡착 제거하는 방식으로 구조가 간단하고 일반적으로 설비비가 저렴하여 가장 많이 사용되는 방식이다.
이 방식의 문제점은 활성탄이 계속 소모되기 때문에 활성탄 교체비가 과대한 것이 가장 큰 문제라 할 수 있다.
(나) 작업별 흡착방식 및 촉매연소방식(제 4도 방식)
제 4도에 나타낸 바와 같이 도장 작업시에는 활성탄 흡착방식으로 처리하고건조작업시에는 촉매연소방식으로 처리하는 방식이다.
즉 배출특성별 적정한 처리방식을 선정 별도 처리하는 방식으로 도장작업의 경우 저온, 대용량, 저농도로 배출되므로 이에 적합한 흡착방식으로 처리하고 건조작업의 경우 고온, 소용량, 고농도로 배출되므로 이에 적합한 촉매연소방식으로 처리하는 방식이다.
이 방식은 건조 작업시 별도로 고효율 처리하여 효울면에서는 제 1도 보다 우수하나 도장 작업시에는 제 3도 방식과 마찬가지로 탈착 재생 장치가 없어 활성탄 교체비가 과대한 문제점이 있다.
다만 활성탄 교체비가 도장 작업시 발생 VOC만을 흡착하기 때문에 활성탄 교체비는 제 3도 방식의 40∼60% 정도로 적게 소요된다.
(다) 2 용기형 흡착ㆍ탈착 방식 (제 5도 방식)
제 5도는 종전에 사용되어온 흡착. 탈착 방식으로 2대의 흡착탑을 사용하여 1대가 흡착하는 동안 1대가 탈착하는 방식으로 구성되어 VOC흡착 후 탈착재생하므로써 적은 활성탄으로 지속적인 운전이 가능하도록 한 방식이다. 시스템을 좀 더 구체적으로 설명하면 제 5도에서 도장작업시 1대 흡착탑의 입구 개폐 댐퍼(42)와 출구 개폐 댐퍼(43)를 열어 배기가스가 활성탄 층을 거쳐 연돌(5)로 배기되면서 VOC가 제거되며 이와 동시에 다른 1대는 입구 개폐 댐퍼(42)와 출구 개폐 댐퍼(43)를 닫아 놓은 상태에서 탈착시 스팀을 유입입구밸브(44)를 통해 유입시켜 탈착시킨 후 탈착에 의해 배출되는 고농도 VOC는 냉각 응축기(402)에서 응축 제거한 후 유수 분리기(403)에서 응축된 액체를 VOC 응축액과 물로 분리 처리되도록 구성되어 있다.
이 방식은 탈착으로 활성탄 소요비는 적으나 시스템 및 장치의 구조가 복잡하고 스팀의 사용으로 스테인레스등 내식 재질의 사용으로 설비비가 비판단점이 있다. 또한 스팀과 냉각수의 유틸리티가 별도로 필요한 단점도 있다.
이러한 문제점 때문에 아 방식은 발생 VOC가 고농도이고 회수시 경제적가치가 있을 경우에 한해 제한적으로 사용되어 왔다.
(라) 회전통형 흡착ㆍ탈착방식 및 촉매연소방식(제 6도 방식)
본 방식은 제 5도 방식의 단점을 어느 정도 해소하기 위해 최근 외국에서 개발된 방식으로 제 6도에서 도장공정시 8개 칸으로 구분된 활성탄이 채워진 회전통(411)에서 6개 칸은 흡착이 이루어지고 구분된 1개 칸에서 탈착시 배기라인을 통해 열교환된 열풍에 의해 탈착되며 나머지 1개 칸은 외기에 의해 냉각이 이루어지도록 구성되어 있다.
이러한 상태로 가동되다가 일정시간에 도달하면 회전통이 회전하여 탈착 냉각된 칸은 흡착이 이루어지며 마지막 흡착된 칸은 탈착이 이루어지도록 되어 있다.
열풍에 의해 탈착된 고농도 VOC는 탈착시 배기라인을 통해 촉매연소장치에 의해 제거된 후 연돌(10)로 배기되도록 구성되어 있다.
건조작업시에는 건조 배기라인을 통해 촉매연소장치에 의해 처리된 후 가열된 가스는 건조열로 사용하고 연돌(11)로 배기되도록 구성되어 있다.
본 방식은 24시간 계속 수개월이상 계속 가동되는 시설에서도 흡착과 동시에 탈착 재생이 가능하여 활성탄 소모비가 저렴한 장점이 있으나 회전통 및 부속시설이 비싸 설비비가 고가인 단점이 있다.
(5) 각 방식별 경제성 검토
(가) 비탈착식 흡착방식(제 3도 방식)
① 설비비
㉮ 흡착탑 본체 및 부대시설
설비비는 크게 제 3도에서 흡착탑 본체(4), 활성탄(41), 흡착탑 배기팬(401)(흡착탑 설치에 따른 압력손실증가로 추가 배기전 필요) 및 팬 가동용 전기판넬 및 전선공사, 기타(외기 유입용팬(6), 연결닥트 및 댐퍼, 기초공사, 일반관리비등)로 구분할 수 있다.
흡착탑 본체는 설계기준 표 1에서 400 ㎥/mim 용량인 경우 약 20,000,000원이고 배기팬(400 ㎥/min ×150 mmAq ×19 kw) 및 전기시설 약 4,000,000원, 기타 약 6,000,000원 정도이다.
㉯ 활성탄값
활성탄은 교체주기에 따라 초기 투입량이 달라지나 3개월 교체기준시
QAC: 초기 활성탄 투입량, kg
qv: 1회 도장작업시 VOC 배출량 + 1회 건조작업시 VOC배출량
표 1에서 1.35 + 3.15 = 4.5 kg/회
n : 1일 작업횟수, 표 1에서 5회/일
N : 교체주기, 3개월 ×25일/월 = 75일
qAC: 활성탄 1 kg당 VOC흡착량, 최대 0.3 kg/kg-AC
CAC: 투입 활성탄값
C : 활성탄 단가, 1,500원/kg
∴ CAC = 5,625 kg ×1,500원/kg
≒ 8,400,000원
② 연간 운전비
연간 운전비는 크게 연간 활성탄 소모비, 동력비, 기타(활성탄 교체인건비 등 )기타로 나눌 수 있다.
㉮ 활성탄 소모비
활성탄 소모량은 ①식에서 교체주기 N대신 연가동일 300일을 적용하면 되므로
여기에서 초기 신탄을 사용하고 3회를 외부업체에 의뢰하여 재생 사용시 활성탄 단가는 다음과 같다.
활성탄 단가 C = 1,500원 ×1/4 + 800원(재생비용) ×3/4
≒ 1,000원/kg
②식에서
CAC= 22,500 kg ×1,000원/kg
= 22,500,000원
㉯ 동력비
도장작업시 배기팬(401) 가동 동력비
19 kw ×100분/일(표 1에서) ×1/60 ×300일/년 ×50원/kwh
≒ 500,000원
건조작업시 건조배기팬(6) 가동 동력비
6 kw ×300분/일(표 1에서) ×1/60 ×300일/년 ×50원/kwh
≒ 500,000원
TOTAL 동력비 = 500,000 + 500,000 = 1,000,000원
㉰ 활성탄 교체비등 기타 1,000,000원
이상 정리한 것을 표 2에 나타내었다.
(나) 작업별 흡착방식 및 촉매연소방식(제 4도 방식)
① 설비비
㉮ 흡착탑 본체
흡착탑 본체는 제 3도 방식에 비해 활성탄양이 줄어 제 3도 방식보다 다소 낮은 18,000,000원
㉯ 활성탄값
초기 활성탄 투입비 : ①식에서 qv는 도장작업시에만 흡착하므로 qv : 1회 도장시 VOC배출량, 표 1에서 1.35 kg/회
다른 계수는 제 3도 방식과 동일하므로(계산과정 생략), QAC= 1,687 kg
②식에서
∴ CAC= 1,687 kg ×1,500원/kg
≒ 2,500,000원
㉰ 흡착탑 배기팬 및 전기시설
제 3도 방식과 대동소이 : 4,000,000원
㉱ 촉매연소탑
촉매연소탑은 10 ㎥/min 용량인 경우 촉매값 7,000,000원 본체등 3,000,000 원으로 약 10,000,000원
㉲ 기타
제 3도 방식과 대동소이함.
② 연간 운전비
㉮ 활성탄 소모비
qv= 1.35 kg/회를 적용하여 제 3도 방식과 동일한 방식으로 산출하면
QAC= 6,750 kg
∴ CAC= 6,750 kg × 1,000원/kg (3회 재생사용)
≒ 6,700,000원
㉯ 동력비
도장작업시 제 3도 방식과 동일 : 500,000원
건조작업시 건조배기팬(6) 1 kw 가동 동력비 : 약 100,000원
TOTAL 600,000원
㉰ 촉매교체비
촉매독이 없으므로 4년 1회 교체기준시 7,000,000원/4년 ≒ 1,700,000원
㉱ 추가연료비
제 9도의 물질ㆍ열수지에서 시스템 가동을 위해 투입되어야 할 열량
h1= 연돌 배기열량" g " - VOC 분해열" d "
= 버너공급열 " b "
= 250 kcal/min
여기에서 VOC 처리시설이 없을 경우에도 보일러를 통해 건조열을 공급해야 하므로 VOC시설 설치에 따른 추가 공급열은 다음과 같다.
h2= h1- 건조열 " f "
= 250 kcal/min - 241 kcal/min
= - 9 kcal/min(무시될 정도)
즉 버너 가동열과 건조열이 거의 같다는 것은 촉매연소장치 가동에 소요되는 열이 건조열로 회수되어 상쇄되므로써 추가 공급열은 없다.
㉲ 기타
활성탄 교체인건비등 기타 비용은 제 3도 방식보다 활성탄 교체량이 적으므로 제 3도 방식의 1/2인 500,000원 소요.
이상 정리한 것을 표 2에 나타내었다.
(다) 2용기형 흡착ㆍ탈착방식 (제 5도 방식)
① 설비비
㉮ 흡착탑 본체
흡착탑 본체는 활성탄 투입량이 작아 본체크기가 작아지므로 1대당 설비비는 제 4도 방식보다 다소 낮아짐.
15,000,000원/대 ×2대 = 30,000,000원
㉯ 활성탄값
제 2도에서 흡착주기동안 VOC흡착에 소요되는 활성탄양(Zo)은
qv: 도장시 VOC 분당 평균 배출량, 표 1에서 0.0675 kg/min
Na : 흡착주기 = 1일 도장시간, 표 1에서 100분
qAC: 활성탄 1 kg당 VOC 흡착량, 최대 0.3 kg/kg-AC
또한 흡착효율에 필요한 흡착대(Z)에 의한다. VOC 90 %에 필요한 흡착대는 경험적으로 체류시간 0.1초가 필요하므로 활성탄양은
Q : 도장시 배기가스량, 표 1에서 400 ㎥/min
v : 활성탄층 통과유속, m/sec
d : 활성탄층 두께, m
to: 활성탄층 체류시간, 0.1초
활성탄 투입량 QAC= QAC-Zo+ QAC-Z= 22 + 350 = 370 kg 그러므로 초기 활성탄 투입비는
CAC= 370 kg ×C
C : 활성탄 1 kg당 단가, 1,500원/kg (3회 재생사용)
∴ CAC = 550,000원 ×2대(흡착탑 2대) = 1,100,000원
㉰ 흡착탑 배기팬 및 전기시설
전기시스템이 복잡하여 비용 상승 : 6,000,000원
㉱ 냉각 응축기 및 유수분리기
재질 스테인레스 기준 : 약20,000,000원
㉲ 기타
각종 배관과 연결닥트등이 많아 기타 설비비 상승 : 10,000,000원
② 연간 운전비
㉮ 활성탄 소모비
흡착ㆍ탈착의 계속적인 반복 사용에 따른 효율 저하시 교체 1년 1회 교체기준시 초기 활성탄 투입비와 동일
CAC= 1,100,000원
㉯ 동력비
제 4도 방식과 대동소이 : 600,000원
㉰ 스팀 및 냉각수 소모비
약 3,000,000원
㉱ 기타
제 4도 방식과 대동소이 : 500,000원
(라) 회전통형 흡착ㆍ탈착방식 및 촉매연소방식(제 6도 방식)
① 설비비
㉮ 흡착탑 본체
회전통등 구조가 까다롭고 회전통 구동장치등으로 본체 설비비는 다소고가임 : 26,000,000원
㉯ 활성탄값
제 5도 방식과 동일 : 1,100,000원/대 ×1대 = 1,100,000원
㉰ 흡착탑 배기팬 및 전기시설
제 5도 방식과 대동소이 : 5,000,000원
㉱ 촉매연소탑
제 5도 방식과 동일 : 10,000,000원
㉲ 기타
8,000,000원
② 연간 운전비
제 5도 방식과 동일
다만 활성탄 교체가 까다로워 활성탄 교체인건비가 제 5도 방식보다 비싸다.
상기 표 2에서 제 3도 방식은 시스템이 간단하기는 하나 도장과 건조시 발생되는 VOC를 모두 흡착탑에서 처리하는데다 비탈착방식이기 때문에 활성탄 소모비가 연 22,500,000원으로 너무 커 경제성이 가장 나쁘다. 제 4도 방식은 도장시 발생하는 VOC만 처리하므로써 제 3도 방식보다 연간 활성탄 소모비가 제 3도 방식의 30 %로 대폭 줄었으나 역시 연6,700,000원으로 부담이 크다.
제 5도, 제 6도 방식은 두 방식 모두 탈착시스템으로 경제성이 비슷하며 활성탄 소모비가 대폭 줄은 장점이 있어 경제성면에서 제 4도 방식보다 다소 유리하다.
그러나 제 5도 방식은 제 6도 방식보다 설비비가 비싸고 2대 시스템으로 되어 있어 설치공간이 크고 시스템이 복잡하여 고장날 가능성이 크다.
제 6도 방식은 1대 방식으로 제 5도 방식보다 장치 크기가 작고 시스템이 비교적 간단하나 국내에는 설치 경험이 없으며 활성탄 교체가 까다롭고 회전통 구동장치 유지등 유지ㆍ보수가 다소 까다롭다.
이상과 같이 방식별 경제성 등을 검토하였는데 물론 여기에서 주의할 점은 상기 경제성은 표 1의 운전조건을 기준으로 산출된 것이기 때문에 운전조건이 달라지면 경제성 또한 달라진다는 점이다.
그럼에도 불구하고 페인트 사용량이나 운전시간이 대폭 줄어 VOC 배출량이 표 1 조건에 비해 1/5이하로 줄지 않는한 제 3도 방식은 활성탄 소모비 관계로 타방식에 비해 불리하다. 또한 표 1 조건보다 페인트 사용량이나 운전시간이 줄어 VOC 배출량이 줄어들 경우에는 제 4도 방식이 제 5도, 제 6도 방식보다 유리해지는 반면 VOC 배출량이 증가할 경우에는 제 5도, 제 6도 방식이 더욱더 유리해짐을 고려할 필요가 있다.
그러나 결론적으로 조건에 따라 경제성에서 어느 정도 방식별 유ㆍ불리가 나타나긴 하겠지만 어느 한 방식이 획기적으로 뚜렷하게 떠오르는 방식이 없다는 것이 문제이다.
다시 말하면 종합적으로 검토할 때 현재 기존 기술로는 타방식에 비해 단연 우수한 방식이 없다는 것을 의미한다.
본 발명은 한 부스에서 도장과 건조작업을 하는 시설의 VOC 처리방식에 있어서 다음과 같은 기술적 과제를 고려하였다.
(1) 처리방식의 설비비와 연간 운전비면에서 획기적으로 낮춰 우수한 경제성을 가지고 있는 방식의 고안
[ 표 2 ] 각 방식별 경제성 비교
(2) 열에너지 이용을 최대한 적용하여 에너지 절감으로 경제적 이익을 최대한 달성 할 수 있는 방식의 고안
(3) 설치공간이 기존 방식보다 50 %이상 작아 제한된 공간에 설치가능한 방식의 고안
(4) 처리시스템이 간단하여 고장날 확률이 작고 활성탄 교체의 용이성등 유지ㆍ보수가 간편한 방식의 고안
(5) 한 부스에서 도장과 건조작업이 교대로 이루어지는 시설외에 불연속 작업을 하는 VOC 제거시설 예를 들면 불연속 작업을 하는 도장작업만 하는 도장부스 시설의 VOC 처리방식도 경제성과 설치면적, 유지ㆍ보수 측면에서 최적 방식의 고안
제 1도는 비탈착식 흡착방식의 흡착개념도 및 흡착효율 관계도
제 2도는 흡착ㆍ탈착 흡착방식의 흡착개념도 및 흡착효율 관계도
제 3도는 비탈착식 흡착방식의 흐름도
제 4도는 작업별 비탈착식 흡착방식 및 촉매연소방식의 흐름도
제 5도는 2탑형 흡착ㆍ탈착방식의 흐름도
제 6도는 회전통형 흡착ㆍ탈착방식 및 촉매연소방식의 흐름도
제 7도는 1탑형 흡착 . 탈착방식의 흐름도(도장과 건조를 교대로하는 부스)
제 8도는 1탑형 흡착 . 탈착방식의 흐름도(일정시간 가동후 멈추는 시설)
제 9도는 건조공정시(제 4도, 제 6도 방식) 물질ㆍ열수지 밸런스
제 10도는 도장공정시(제 5도, 제 6도 방식) 물질ㆍ열수지 밸런스
제 11도는 건조공정시(제 7도 방식) 물질ㆍ열수지 밸런스
* 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명
1 …도장부스 11 …미스트 제거 1차 필터
12 …미스트 제거 2차 필터 13 .... 건조열 공급 배관
2 …부스 급기팬 21 …급기팬 유량 조절 댐퍼
22 …급기팬 입구 개폐 댐퍼 23 …급기팬 입구필터
3 …부스 배기팬 31 …배기팬 입구댐퍼
4 …흡착탑 401 …흡착탑 배기팬
402 .. 냉각 응축기 403 ... 유수분리기
41 …활성탄 411 …회전통
412 …회전통 구동장치 42 …흡착탑 입구개폐댐퍼
43 …흡착탑 출구개폐댐퍼 44 …탈착 열풍 입구개폐밸브
45 …탈착 열풍 출구개폐밸브 5 …흡착탑 연돌
6 …건조가스 배기팬 61 …건조가스 배기팬 입구밸브
(탈착열풍팬) (탈착열풍팬 입구밸브)
7 …촉매연소장치 71 …버너 또는 전기히터
72 …촉매 8 …열교환기
91 …탈착 열풍 공급개폐밸브 92 …촉매연소가스 개폐밸브
100 …촉매연소가스 배기관
본 발명은 활성탄 흡착원리를 이용해 발상의 전환을 이용하여 재구성하였다. 즉 건조공정시 나오는 가스를 탈착열로 이용하는 것이 가능하다면 도장시에는 흡착이 이루어지고 건조시에는 건조와 동시에 활성탄 탈착과정을 같이 하여 처리한다면 처리시스템은 훨씬 간단해진다.
일반적으로 활성탄 흡착은 가스온도가 낮을수록 미세공에서 반데르발스힘에 의해 미세공내로 유입된 VOC가스가 쉽게 과포화 상태로 되어 응축되어 활성탄 표면에 부착된다. 즉 가스온도가 낮을수록 흡착이 잘 이루어진다.
그러나 가스온도가 상승하면 특히 40 ℃를 초과하게 되면 미세공내 VOC 포화증기압이 상승하여 VOC 응축이 잘 이루어지지 않기 때문에 흡착효율이 급격히 저하되기 시작하며 가스온도가 VOC 비점 이상에서는 흡착이 전혀 이루어지지 않을 뿐만아니라 오히려 활성탄층에 기흡착된 VOC가 있는 경우미세공 표면의 VOC가 증발하여 탈착 과정이 이루어진다.
이점을 활용하여 제 7도와 같이 시스템을 구성할 경우 도장부스에서 건조되어 배기되는 다량의 VOC를 함유한 건조가스를 200 ℃까지 승온시켜 활성탄 층을 통과시키면 건조가스에 함유된 VOC는 전혀 흡착되지 않고 오히려 도장시 흡착된 VOC를 탈착시켜 이때 발생된 VOC와 기 건조가스에 함유된 VOC가 함께 연소촉매장치에서 처리하므로써 1대의 흡착탑으로 완벽한 처리가 가능하다.
이하, 첨부된 도면 제 7도 도면을 참조하여 본 고안의 목적을 달성하기 위한 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
제 7도에서 도장작업시에는 건조시 순환닥트(9)의 순환개폐댐퍼(24)를 닫아 순환닥트가 차단된 상태에서 급기팬 입구개폐댐퍼(22), 출구댐퍼(21) 및 흡착탑 입구개폐댐퍼(42)와 출구개폐댐퍼(43)를 열고 건조배기팬 입구댐퍼(61)를 닫은 상태에서 급기팬(2)과 부스 배기팬(3) 및 흡착탑 배기팬(401)을 가동하면 급기팬 필터(23)로 외기가 유입되어 도장부스 실내를 환기시킨 후 흡착탑(4)을 거쳐 연돌(5)로 배기된다.
이때 도장시 발생하는 페인트 미스트는 1차필터(11)과 2차필터(12)에서 제거되며 도장시 발생하는 VOC는 흡착탑(4)에서 제거된다.
건조작업시에는 건조시 순환닥트개폐댐퍼(24)를 열고 급기팬 입구개폐댐퍼(22)를 닫고 흡착탑 입구개폐댐퍼(42)와 출구개폐댐퍼(43)를 닫고 건조 배기팬입구댐퍼(61)를 열고(배기팬(3)은 비가동) ,
흡착탑 탈착열풍 입구개폐밸브(44)와 출구개폐밸브(45)를 열은 상태로 급기팬(2), 건조 가스 배기팬(6) 및 촉매연소장치(7)의 버너(71)를 가동시키면 건조열이 함유된 다량의 열풍은 건조시 순환닥트, 급기팬으로 이루어지는 라인으로 순환하고 건조 배기팬(6)의 흡입에 의해 건조 배기팬의 배기량(10 ㎥/min)만큼 유입되어 열교환기(8), 흡착탑 열풍입구밸브(44), 흡착탑내 활성탄(41), 흡착탑 열풍출구밸브(45), 촉매연소장치(7), 부스내 건조열 공급배관, 열교환기(8), 연돌(10) 순으로 배기된다.
이때 초기에는 상온인 공기가 도장부스내 잔류된 VOC를 함유한 채로 건조 배기팬을 거처 흡착탑에 유입되면 이곳에서 흡착된 후 촉매연소장치의 버너 열에 의해 급격히 가스온도가 상승되어 점차 도장부스로 건조열을 공급하기 시작함과 동시에 승온된 가스가 열교환기를 통해 열풍입구밸브(44)로 유입되는 열풍의 온도가 높아져 흡착층에서 탈착이 일어나기 시작한다.
이러한 순환과정이 일정시간 경과하면 부스내 건조로 인해 발생된 VOC와 활성탄 탈착에 의해 발생된 VOC의 분해열로 인해 버너 공급열 없이 건조열과 탈착열을 공급하면서 제 7도에 나타낸 온도상태로 가동하게 된다.
이처럼 처리 FLOW상 도장과 건조가 반복되는 시설은 일정시간 운전 후 쉬는 부분 가동시설은 물론 24시간 365일 연속 가동이 이루어지는 시설등 모든 시설을 처리가능한 시설이다.
여기에서 도장과 건조작업이 구분되지 않는 시설은 시스템상 처리할 수 없기 때문에, 계속 도장만 하는 시설이나 도장과 건조를 반복하는 시설중에 소형시설이여러대 있는 시설등 도장, 건조공정이 구분되지 않는 시설은 제 7도 방식으로 처리할 수가 없다.
그러나 24시간 2주 이상 연속 가동하는 시설에는 적용이 어렵지만 1일 일정시간 가동하는 시설이나 1일 24시간 주 6일 가동하는 부분 가동시설은 제 7도를 약간 변형시킨 제 8도 방식으로 처리할 수 있어 제 7도와 함께 제 8도 방식도 본 고안 방식으로 제시하였다.
제 8도 방식의 핵심은 운전중인 경우에는 흡착과정이 이루어지고 운휴시 탈착과정을 통해 지속적으로 VOC처리가 가능하도록 한 방식으로 제 7도에 비해 열회수율이 떨어지고 도장부스를 가동하지 않는 운휴상태에서 탈착해야 하기 때문에 운전ㆍ유지에 다소 불편함이 따르지만 다른 방식(제 3도, 제 4도, 제 5도, 제 6도)에 비해서는 월등히 유리한 방식이다.
이하, 첨부된 도면 제 8도 도면을 참조하여 본 고안의 목적을 달성하기 위한 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
제 8도에서 부스운전 중에는 흡착탑 입구개폐댐퍼(42)와 출구개폐댐퍼(43)를 열고 탈착열풍 입구개폐밸브(44)와 출구개폐밸브(45)가 닫힌 상태에서 흡착탑 배기팬(402)을 가동하여 부스운전 중 발생 배기되는 VOC를 흡착탑(4)에서 흡착 제거한다.
부스운전이 끝나고 운휴중에 운전 중 활성탄에 흡착된 VOC를 탈착하여 활성탄(41)을 재생하게 되는데 이 때에는 부스 급기팬(2), 배기팬(3), 흡착탑 배기팬(402)이 정지된 상태에서 흡착탑 입구개폐댐퍼(42)와 출구개폐댐퍼(43)를 닫고 탈착열풍 입구개폐밸브(44)와 출구개폐밸브(45)를 열고 탈착라인 관련밸브(91),(92)를 열어놓은 상태에서 탈착열풍 공급팬(6)과 촉매연소장치(7)를 가동하여 탈착시 발생되는 VOC를 촉매연소장치(7)에서 연소분해 제거하고 이 때 발생된 고온 배기가스로 흡착탑(4)내 활성탄(41)을 탈착시키는 순환구조로 이루어진 시설이다.
도장과 건조를 한 곳에서 하는 시설에서 발생하는 VOC를 처리하기 위해 본 고안의 장치(제 7도 방식, 제 8도 방식)를 설치할 경우 기존 방식(제 3도, 제 4도, 제 5도, 제 6도)에 비해 경제성과 장치크기, 유지ㆍ보수 측면에서 월등히 개선되는데
첫째, 경제성 중 연간 운전비 면에서는 흡착ㆍ탈착방식의 장점인 활성탄 소모비가 작아 타방식에 비해 저렴해지며 제 5도, 제 6도 방식에 비해서도 열 회수가 건조열 회수와 탈착열 사용을 동시에 이루어지므로써 열회수로 인한 운전비 절감을 꾀할 수 있다.
둘째, 설비비 면에서도 제 5도 방식의 2대 방식이 1대 방식으로 된 것이기 때문에 대폭 낮아진다.
셋째, 유지ㆍ보수 측면에서도 시스템이 제 5도 방식에 비해 간단해지고 활성탄 교체양이 적을 뿐만 아니라 교체가 쉬운 구조로 되어 있어 타방식에 비해 유리하다.
넷째, 장치 설치공간도 제 5도에 비해서는 1대로 되었기 때문에 1/2로 줄었으며 제 3도, 제 4도 방식에 비해서도 활성탄양이 적어 흡착탑 크기가 작아지기 때문에 가장 적은 공간에 설치가 가능하다.
그러면 제 7도 방식의 경제성이 타방식에 비해 수치적으로 어느 정도 효과가 있는 가를 나타내기 위해 운전 조건 표 1을 기준으로 하여 나타내면 다음과 같다.
① 설비비
㉮ 흡착탑 본체
제 5도 방식의 1대당 설비비 해당 : 15,000,000원
㉯ 활성탄값
제 5도 방식의 1대에 해당되는 값 : 550,000원
㉰ 배기팬 및 전기시설
약 5,000,000원
㉱ 촉매연소탑
제 5도 방식과 동일 : 10,000,000원
㉲ 기타 : 6,000,000원
② 연간 운전비
㉮ 활성탄 소모비
제 5도 방식과 동일 : 1,100,000원(년 2회 교체)
㉯ 동력비
제 5도 방식과 동일 : 600,000원
㉰ 촉매교체비
제 5도 방식과 동일 : 1,700,000원
㉱ 추가연료비
제 11도 물질수지 그림에서 보듯이 초기 건조 배기가스가 촉매분해에 필요한 온도까지 승온시킬 때까지 열량을 공급해 주면 그 후로는 VOC분해열로 건조열과 탈착열을 동시에 회수 사용하므로 오히려 건조열 회수분 만큼 운전비 절감.
에너지 절감열 = 건조열⑧ ×연간 총 건조시간
= 241 kcal/min ×300 min/day ×300 day/year
= 21,690,000 kcal
㉲ LNG 1 ㎥당 발열량 약 10,000 kcal 적용시
에너지 회수비 = 2,711 ㎥/년 ×400원/㎥ ≒ 1,000,000원
㉳ 기타
제 5도 방식과 동일 : 500,000원
그리고 도장만 하는 시설 또는 도장과 건조공정이 구분이 안되는 시설에 적용하는 제 8도 방식에 대한 경제성도 제 7도 방식과 대동소이하다. 이를 정리하면 다음 표 3과 같다.
결론적으로 표 2와 표 3에서 볼 때 제 7도와 제 8도 방식에 나타낸 본 고안 방식은 기존 타방식(제 3도, 제 4도, 제 5도, 제 6도)에 비해 경제성 면에서 30 ∼ 60 % 절감효과가 있으며 운전조건이 표 1과 다르게 페인트 사용량과 운전시간이 줄어 VOC 배출량이 줄어들 경우나 반대로 VOC 배출량이 늘어날 경우 제 4도 방식 또는 제 5도, 제 6도 방식에 비해 다소 달라지더라도 기존방식에 비해 최소한 30 %이상 절감효과가 있다. 또한 경제성외에 설치공간도 표 2, 표 3에서 볼 때 가장 작으며, 에너지회수 측면에서도 오히려 절감효과가 있고 유지ㆍ보수도 시스템이 간단하고 활성탄 교체도 편리한 구조로 되어 있어 가장 유리하다고 볼 수 있어 본 고안으로 인한 효과가 매우 크다 할 것이다.
[ 표 3 ] 각 방식별 경제성 비교

Claims (2)

  1. 도장과 건조를 한 곳에서 교대로 작업하는 도장시설에서 배출되는 휘발성 유기화합물 증기를 제거하는데 적용하는 시설로 1대의 흡착탑과 촉매연소장치가 구비되고,
    도장 작업시에는 이 도장 작업 중 배출되는 휘발성 유기화합물 증기를 흡착탑에서 흡착 제거하기 위해 외부의 공기를 유입하는 급기팬;
    상기 급기팬을 통해 유입된 공기가 도장부스를 환기시킨 후 상기 흡착탑으로 안내되도록 하는 부스 배기팬;
    상기 부스 배기팬에 의해 안내된 공기가 흡착탑의 활성탄을 거쳐 연돌로 배기되도록 하는 흡착탑 배기팬;
    건조 작업시에는 이 건조 작업 중 배출되는 휘발성 유기화합물 증기를 전단계에서 촉매연소장치의 히터열과 촉매층에서 발생하는 휘발성 유기화합물 분해열에 의해 가열된 열풍으로 열교환하여 건조 작업 중 배출되는 휘발성 유기화합물 증기를 함유한 공기를 가열하여 가열된 공기로 활성탄에 기 흡착된 유기화합물을 탈착 재생시키며 이때 배출되는 휘발성 유기화합물 증기를 건조 작업 중 배출된 유기화합물 증기와 함께 촉매연소장치에서 제거시키기 위해 부스에서 배기공기를 열교환기로 안내하고 활성탄층을 통해 촉매연소장치까지 보내는 건조배기팬;
    상기 열교환기를 통해 가열된 공기가 거쳐 촉매연소장치로 안내되도록 하는 입. 출구밸브; 및
    상기 촉매 연소 후 가열된 공기의 폐열을 이용하기 위해 열풍을 도장부스의 건조열 공급배관으로 순환시키고 나서 다시 열교환기를 통해 연돌로 배기되도록 하는 건조열 공급배관;
    을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 1탑형 흡착. 탈착방식 흡착탑.
  2. 1일 일정시간 작업후 작업을 멈추고 다음날 작업하는 도장만하는 도장부스와 같이 불연속 작업을 하는 휘발성 유기 화합물 증기를 배출하는 시설에 적용하는 시설로 1대의 흡착탑과 촉매연소장치가 구비되고, 작업시에는 작업중 배출되는 휘발성 유기화합물 증기를 흡착탑에서 흡착 제거하기 위해 외부의 공기를 유입하는 급기팬;
    상기 급기팬에 의해 유입된 공기가 부스 작업장을 환기시킨 후 상기 흡착탑으로 안내되도록 하는 부스 배기팬;
    상기 부스 배기팬에 의해 안내된 공기가 흡착탑의 화성탄을 거쳐 연돌로 배기 되도록 하는 흡착탑 배기팬;
    운휴시에는 작업중 활성한 흡착탑에 흡착되었던 유기화합물을 탈착 재생 시키기 위해 촉매연소장치의 히터열과 촉매층에서 발생하는 휘발성 유기화합물 분해열에 의해 가열된 열풍을 활성탄 흡착탑으로 넣어주는 탈착열풍팬;
    탈착 열풍을 흡착탑 활성탄층을 통해 촉매연소장치까지 보내는 입. 출구밸브; 및
    탈착 열풍이 흐르도록 설치된 탈착 열풍 배관;
    을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 1탑형 흡착. 탈착방식 흡착탑.
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