KR20030009230A - 저에너지 전기 건조식 자동차 도장 부스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도장과 건조를 한 밀폐된 공간에서 교대로 작업하는 자동차도장부스와 같은 도장시설에 적용하는 시설로 종전에는 단순히 부스와 급기 시설, 배기 시설 및 경유 버너에 의한 건조열 공급 시설만을 갖추고 작업하여 왔다(제 1도).

그러나 최근 도장 작업 및 건조 작업시 페인트에서 증발 배출되는 휘발성 유기 화합물 증기(VOC)에 대한 규제가 강화되면서 VOC 제거 시설로 흡착탑을 설치하여 제거하게 되었다(제 2도).

그런데 흡착탑안에 충진된 활성탄은 VOC를 흡착 제거하는 데 일정량 흡착하게 되면 포화상태가 되어 흡착하지 못하므로 일정기간마다 활성탄을 교체해 줘야하고 이로 인한 과대한 소모비가 발생하는 문제점이 있어 왔다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 별도의 활성탄 재생장치인 탈착 장치를 설치하게 되었고 그중 경제성 있고 효율적인 탈착 장치로 촉매 연소 장치를 설치하여 사용하게 되었다(제 3도).

그러나 기존 자동차 도장부스의 운전 방식 자체가 에너지 손실이 많은 방식으로 되어 있는 데다가 탈착 장치의 가동에도 추가적인 에너지가 필요하여 에너지 공급에 필요한 비용이 적지 않게 소요되고 있다. 즉 에너지 손실은 첫째 버너가 가동하면 연소에 의해 발생한 고온가스가 급기팬에서 불어 주는 공기를 열교환을 하여 가열해 줘 건조해 주게 되며 이 과정에서 버너 연소가스가 열교환후 대기중으로 배출되는 연소가스는 280℃이상의 고온으로 다량의 열을 함유한 상태로 배출되는데 이는 커다란 에너지 손실을 의미한다.

둘째 도장 작업시에도 도장상태의 질적 저하를 방지하기 위해 부스내 온도를 25∼35℃로 유지 시켜 주는 데 동절기에는 외기 온도가 낮아 환기가 이루어지면 부스내 온도를 상기 적정한 온도로 유지시킬 수 없어 버너를 가동해 줘 열을 가해 주게 된다. 그런데 도장 작업 특성상급기된 공기는 전량 배기 되기 때문에 이는 가열해 준 열 모두 대기중으로 배출되는 것을 의미한다.

셋째 탈착에 사용되는 촉매 연소 장치에는 탈착시 발생하는 VOC를 촉매 분해해 주기 위해 히터로 열을 가해 주고 이 과정에서 다량의 VOC 분해열이 발생하여 촉매 연소 장치 출구로 나가는 공기는 300∼500℃의 고온으로 배출되며 열교환기를 통해 일부열을 회수하지만 열교환후 대기중으로 배출되는 온도 역시 200∼400℃로 많은 열을 함유한 채로 배출되는 데 이 역시 에너지 손실을 의미한다.

이에 본 발명은 시스템을 근본적으로 재구성하여 상기 3가지 열손실을 거의 회수하므로써 기존 방식에 비해 75% 정도 에너지를 절감한 시설이다.

본 발명 방식의 특징은 상기 첫째 열손실을 방지하기 위해 청정 에너지인 전기를 사용한 직접 열공급 방식을 사용하고 탈착 VOC의 분해열을 건조열로 모두 사용하여 에너지가 절약되도록 구성되어 있다.

상기 둘째 에너지 소모 요인인 동절기 도장시 에너지 소모를 최소화하기 위해 VOC를 지속적으로 고효율로 제거해 줘서 연돌로 나가는 공기를 리턴 순환 사용되도록 구성되어 있다.

상기 셋째 에너지 손실 요인인 탈착장치인 촉매 연소 장치의 고온 배기가스의 대기중 배출로 인한 에너지 손실을 방지하기 위해 배기 가스를 완전 순환 방식으로 구성되어 있다. 이는 부수적으로 대기중으로 배출되는 VOC를 없애므로써 대기오염방지 효과도 증대시키기도 한다. 이러한 특징을 만족하도록 핵심 개념은 건조열의 공급 열원을 촉매 연소 장치 히터로 하여 히터의 가열과 VOC의 분해열로 출구의 400∼500℃의 고온가스를 건조열과 활성탄 탈착열로 사용되도록 하였다.

여기에 흡착탑 출구 배기공기 리턴 시설과 각종 제어장치를 설치하여 최적의 시스템을 발명하였다.(제 4도)

Description

저에너지 전기 건조식 자동차 도장 부스{Low Energy Electric Heat Drying Type Paint Booth}

본 발명은 부스 안에서 도장과 건조 작업이 이루어지는 자동차 도장부스 시설에 적용한 것으로 고안의 기본 목적은 종래 자동차 도장부스보다 에너지 소모를 획기적으로 개선하고 건조시 증발하는 휘발성 유기 화합물 증기(Volertile Oraganic Compound: 이하 VOC라 명명)를 효과적으로 제거 되도록 발명하였다.

또한 종래에는 도장부스와 VOC 처리시설을 각각 개발 발전 시켜 왔으나 본 고안은 이 두가지 시설을 합쳐 최적 방식을 개발 고안하였다.

본 발명을 향후 효과적으로 설명하고 이해를 쉽게 하기 위해 다음 3가지로 구분하여 설명한다.

(1) 자동차 도장부스 운전 방식

현재 사용하고 있는 자동차 도장부스는 제 1도에 나타낸 구조를 가지고 다음과 같이 운전한다.

도장 작업은 자동차를 부스(1)안에 넣고 작업자가 분사 도장기를 가지고 통상 20∼30분 정도 작업한다.

이때 작업자의 건강보호와 도장 효율 향상 및 자연 건조를 촉진시키기 위해 건조공기 순환 댐퍼(202)가 닫힌 상태에서 급기팬 입구 댐퍼(201)를 열고 급기팬(2)을 가동하여 부스 상부로 외기를 불어 넣어주고 동시에 배기팬(3)을 가동하여 하단 피트를 통하여 배기 시켜 준다.

이때 비산 배출되는 페인트 미스트는 부스 바닥에 깔려 있는 필터에서 1차 제거하고 배기 닥트 중간에 설치되어 있는 필터(101)에서 2차 제거한 후 외기로 배출된다.

도장 작업이 완료되면 작업자는 부스 밖으로 나오고 상기 상태와 같은 상태로 약 10분간 배기 시키면서 자연 건조 시킨다.

자연 건조가 끝나면 건조 작업을 하게 되며 건조시간은 하절기에는 약 20분 동절기에는 약 40분 정도 건조하여 준다.

건조작업은 배기팬(3)이 멈춘 상태에서 급기팬 입구 댐퍼(201)를 닫고 건조 공기 순환 댐퍼(202)를 열고 급기팬(2)과 버너(4)를 가동하면 버너 연소열에 의해 가열되면서 공기는 부스 상부로부터 부스 아래로 내려와 순환 닥트를 통해 계속 순환하게 된다.

순환하는 건조 공기 온도는 부스내 온도 조절기(102)에 의해 설정한 상한 온도(통상 60∼80℃)에 도달하면 버너(4) 가동이 멈추고 설정한 하한 온도에 도달하면 버너(4)가 가동되어 일정 범위의 건조 공기 온도에서 건조 되도록 구성되어 있다.

건조 작업이 끝나게 되면 냉각 공정으로 들어가는데 냉각은 도장 작업때와 마찬가지로 공기와 배기가 이루어지면서 부스내 가열 된 것을 냉각하게 되며 냉각 시간은 통상 15분간 이루어진다.

이처럼 자동차 도장부스의 작업은 도장, 자연건조, 가열건조, 냉각과정을 거치면서 이루어진다.

그런데 동절기에는 상술한 작업 방법과 다른 것이 한가지 있는데 그것은 작업자가 도장 작업시에도 영하의 외기 온도하에서도 부스내 온도를 15℃이상 유지해 주기 위해 버너(4)를 가동해 주는 것이다.

이처럼 동절기에 도장시 부스내 온도를 유지 시켜주는 이유는 부스내 온도가 낮으면 자동차 도장 표면에 페인트가 밀착되지 않고 부분 부분 흘러 내리는 현상이 발생하여 도장상태가 불량해지기 때문이다.

(2) 자동차 도장부스 배출 VOC 처리 방식

근래까지 자동차 도장부스의 작업은 제 1도에 나타낸 방식으로 설치 가동되어 왔으나 페인트 용제에서 증발 배출되는 휘발성 유기 화합물증기(Volertile Organic Compound: 이하 VOC로 명명)의 배출규제가 실시됨에 따라 VOC 제거장치가 필요하게 되었다.

VOC 제거장치로는 제 2도에 나타난 바와 같이 가장 간단한 방식으로 단순한 용기(5)에 활성탄(501)을 충전한 후 이곳으로 VOC를 통과시켜 흡착 제거하는 방식으로 구조가 간단하고 일반적으로 설비비가 저렴하여 최근까지 가장 많이 사용되어 왔다.

그러나 이 방식은 다음 큰 문제점을 가지고 있는데

탈착 재생장치가 없는 단순한 장치여서 VOC의 계속적인 흡착으로 포화상태가 되면 활성탄을 교체해 줘야하기 때문에 활성탄 교체비용이 과다한 문제점이 있다.

예를 들면 1년에 약 3000kg의 유기 용제가 사용 되어 증발하는 시설일 경우 이 때 소요되는 활성탄양은 8500 ∼ 10000kg이고 이로 인한 교체비용은 8,500,000 ∼ 10,000,000원 정도 소요된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 활성탄을 탈착 재생 방식을 적용하기 시작하였는데 종래에는 스팀으로 열을 가하여 탈착후 냉각기에서 탈착된 VOC와 스팀을 응축하는 방식을 사용하여 왔으나 이 방식은 스팀과 냉각수등 유틸리티가 별도로 필요할 뿐만 아니라 설비재질이 스테인레스등 내식 재질의 사용에 따라 설비비가 매우 비싼 문제점 때문에 사용이 매우 제한적이었다. 그래서 최근에는 제 3도 방식처럼 활성탄 흡착탑(5)이 가동 되지 않는 건조작업을 할 경우나 작업이 끝난 운휴시 별도의 탈착 장치를 설치하여 탈착 재생하여 주는 방식을 사용하기도 하는 데 여기에서 탈착은 열풍을 가해 탈착한 후 탈착된 VOC는 촉매로 백금 또는 파라듐등을 사용한 촉매연소 장치에서 아래 반응식과 같이 연소분해 후 대기중으로 배출하는 방식을 사용하고 있다.

(제 3도 방식은 본 발명의 발명자가 자동차 도장부스 VOC 제거시설인 "1탑형 흡착. 탈착 방식 흡착탑"으로 실용신안을 취득한 상태임)

본 방식은 향후 본 발명의 설명에 있어서 밀접한 관계가 있으므로 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

탈착 방식의 개념은 먼저 히터(701)에 의해 가열 된 공기에 의해 열교환기(8)에서 열교환된 열풍으로 활성탄을 탈착하며 탈착시 발생한 VOC는 촉매 연소 장치(7)에서 촉매 연소 분해 된 후 대기중으로 배출되도록 한 방식이다. 이 때 탈착열풍팬 풍량인 탈착 장치 용량은 탈착 열량과 밀접한 관계가 있는 활성탄양과 탈착 장치의 설비비 및 운전비와 탈착 효과, 탈착 시간, 폭발 방지 등을 고려하여 통상 배기팬(3) 풍량의 5∼10% 정도 선정하여 사용한다.

예를 들면 흡착탑 처리 용량이 300㎥/분 인 경우 탈착장치 용량은 15∼30㎥/분 정도 사용한다.

이처럼 배기팬 풍량의 5∼10%로 선정하여 사용하는 이유는 탈착 장치용량이 과대하게 클 경우에는 탈착 장치 설비비 및 운전비가 비싸지며 과대하게 작을 경우 탈착 효율이 떨어져 탈착 시간이 길어지고 심한 경우에는 탈착열 공급량이 너무 작아 열손실과 상쇄되므로써 탈착이 거의 되지 않기 때문이다.

그러면 본 방식의 운전 방식을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

흡착탑 입. 출구 댐퍼(502,503)가 닫혀 있고 배기팬(3)이 정지 된 상태에서 탈착 장치를 가동하게 되면 탈착열풍 개폐밸브(601)가 열리면서 우선 열풍공급팬(6)과 촉매 연소 장치의 히터(701)가 가동 된다.

가동 초기에는 외기가 열교환기(8)를 거쳐 그대로 흡착탑(5)에 유입 되어 활성탄 층을 통과한 후 나와서 촉매 연소 장치의 히터(701)에 의해 정해진 온도(통상 300℃)로 가열 된 후 촉매층(702)과 열교환기(8)를 거쳐 배기 된다.

물론 이 때에는 활성탄층 유입온도가 낮아 탈착이 전혀 이루어지지 않으며 따라서 촉매층에서 VOC 연소분해가 없기 때문에 300℃ 그대로 열교환기(8)로 들어간다.

그 다음번에는 이미 열교환기(8)로 300℃의 가열 된 공기가 통과해 가므로 열교환기(8)로 들어오는 외기는 약100℃로 높아져 흡착탑(1)으로 들어가게 된다. 이 때에는 활성탄층 유입온도가 100℃로 높아져 있기 때문에 VOC 탈착이 미량이나마 이루어지기 시작하며 미량의 VOC를 함유한 공기는 다시 히터(701)에서 300℃로 가열 되어 촉매(702)층으로 들어가며 여기에서 미량의 VOC가 연소분해 되어 분해열을 발생하게 되어 촉매층(702)을 통과한 공기는 온도가 다소 상승 (350℃)한채로 열교환기(8)를 통해 배출 된다.

이러한 과정이 반복되면 활성탄(101)층에 유입되는 온도가 점차 상승하게 되며 이에 따라 VOC 탈착량도 증가하게 되고 촉매층에서 VOC 분해열이 점차 커져 촉매층을 열교환기를 통과한 공기 온도도 200∼300℃로 높아져 탈착 열풍으로 들어가게 된다.

결과적으로 초기 가동후 일정시간 경과하게 되면 평형상태를 유지한 상태로 운전되며 평형 온도는 제 3도에 나타낸 상태로 운전된다.

여기에서 히터(701)용량은 탈착공기량을 초기 상온에서 촉매연소에 필요한 온도(200∼400℃)까지 상승이 가능한 용량이 필요한데 촉매연소에 필요한 온도 300℃를 기준할 경우 1 N㎥/분당 약 4kw가 필요하며 예를 들어 자동차 도장부스의 배기팬 용량이 300∼400㎥/분이고 활성탄양이 비교적 적음을 감안 할 때 탈착 장치 용량은 최소용량인 배기팬의 5%로 평형온도 150℃에서 15 ㎥/분(10 N㎥/분) 정도가 필요하고 이 경우 약 40kw의 히터가 필요하다.

그러나 히터 용량이 40kw라고 해서 탈착 시간 내내 계속 40kw 열량으로 가동 되는 것이 아니며 히터로 유입 되는 온도가 점차 높아지면 자동 온도 제어(703)에 의한 히팅 열량 제어에 의해 히팅 열량은 점차 줄어든다.

즉 히터 가열은 미리 설정한 촉매 연소 온도 예를 들면 300℃로 설정하면 온도 자동 제어기(703)에 의해 항상 300℃로 유지 되도록 자동 조정하기 때문에 상온으로 유입 된 공기는 40kw의 최대 열량으로 가동되지만 점차 탈착 공기의 온도가 상승하면 열량이 점차 줄어 들어 평형 온도(약 150℃)에 이르르면 약 20kw의 열량으로 가열하면서 가동된다.

여기에서 주목해야 할 점이 있는 데 촉매층에서 VOC가 분해가 되면서 발생되는 열이 탈착에 소요되는 열로 충분히 사용하고도 남는 데 평형상태에서도 20kw의 추가적인 열량이 필요한 이유는 무엇 때문일까?

그것은 촉매층을 통과한 배기 가스가 열교환 후 대기중으로 배출 되는 공기가 다량의 열을 함유한 채로 배출되면서 많은 열손실이 일어나기 때문이다.

(3) 연료 사용량 및 건조열 손실량 산출

상기 (1)항에서 상술한 바와 같이 건조작업시 건조열의 공급은 연료(경유 또는 LNG)를 버너(4)에서 연소하므로써 공급된다.

버너 용량은 통상 150,000 kcal/시를 사용한다.

버너 가동시간은 부스의 보온 상태와 동절기와 하절기 즉 외기 온도에 따라 차이가 나는데 최근 사용되는 비교적 보온이 좋은 부스의 경우 동절기에는 총 건조시간 40분 동안 초기 약 10분 가동된 후 3분 단위로 가동되었다 꺼졌다 하면서 실제 가동 시간은 약 25분 가동하며 하절기에는 총 건조시간 20분 동안 초기 약 6분 가동된 후 3분 단위로 가동되었다 꺼졌다 하면서 실제 가동 시간은 약 14분 가동한다.

여기에서 자동차 1대를 건조할 때 버너용량과 실제 가동 시간으로 소요 열량을 산출하면 동절기에는 약 60,000 kcal , 하절기에는 약 34,000kcal 가 소요되며 이를 경유로 환산할 경우 동절기에는 약 7 L , 하절기에는 약 4 L 소요된다.

그런데 동절기에는 상술한 바와 같이 부스내 온도를 유지하기 위해 도장 작업시에도 버너가 가동되므로 도장 작업 시간 30분 동안 가동하는데 추가로 소요되는 열량 75,000 kcal, 경유로 약 8 L소요된다.

통상 자동차 도장 댓수가 평균 월 100대 정도이므로 동절기에는 약 1,500 L, 하절기에는 약 400 L , 춘추절기에는 약 500∼600 L 소요된다.

그러나 건조 작업시 상기 공급되는 건조열 공급열량이 모두 실제 페인트 건조에 사용되는 것이 아니고 약 30%의 열손실이 일어난다.

열손실은 버너 연소가스가 연소실 및 열교환기에서 건조공기를 가열해 준 후 배가스 연돌을 통해 배출되면서 일어난다.

즉 대기중으로 나가는 배기가스 온도는 실측 결과 260∼300℃로 버너 150,000 kcal/시 의 배가스량이 약 400 N㎥/시(과잉 공기비 2 적용) 이므로 배가스가 함유된 열은 다음과 같다.

400 N㎥/시×1.3 kg/N㎥×0.26 kcal/kg-℃×300℃ ≒ 41,000 kcal/시 (41,000 kcal/시) / (150,000 kcal/시) ×100 ≒ 30%

여기에서 이처럼 열손실이 다량 발생함에도 불구하고 간접 열교환 방식을 채택하고 있는 이유는 경유 점화 및 연소시 발생하는 미연소 탄소 등의 분진과 질소산화물과 같은 유해 가스등으로 도장 상태에 영향을 주는 것을 방지하기 위함이다.

본 발명은 다음과 같은 기술적 과제를 고려하였다.

(1) 건조 작업시 연소 배기가스의 열손실을 없애 에너지 효율을 극대화 한다. 이는 건조 공급열 30%에 해당하는 열손실을 줄이는 것이다.

(2) 동절기 도장작업시 부스내 온도유지를 위해 가동하는 열에너지를 순환 회수하여 최대한 에너지 절감을 이룬다. 이는 동절기 건조시 사용되는 열보다 큰 열로 이를 회수 할 경우 에너지 절감 효과가 크다. (3) 열에너지의 사용을 건조열의 공급과 함께 탈착 및 탈착시 발생 VOC의 처리도 등시에 사용하여 VOC의 분해열을 100% 회수 사용하는등 에너지 사용 효율을 높힌다.

이는 종래 방식이 촉매 연소후 열교환기를 거쳐 대기중으로 배출되는 열량 손실이 20kw에 해당되는 매우 큰 열량으로 열손실이 클 뿐만 아니라 25000kcal에 해당하는 큰 VOC 분해열을 50% 정도만 활용되어 효과가 낮은 문제점을 보완한 것이다.

(4) 경유와 전기에너지의 원단위는 경유의 경우 1L당 소비자 가격 680원일 경우 열에너지 1kwh당 65원이고 전기의 경우 1kwh당 65원임을 감안 할 때 단순 비교로 봐서는 거의 같다. 그러나 전기에너지는 크린에너지이고 제어가 용이하며 상기 과제 3개항과 연계한 장점을 고려할 때에는 전기방식으로의 시스템 변경을 고려한다.

특히 정부의 에너지 정책과 관련하여 경유의 가격이 선진국에 비해 낮다. 그래서 향후 수년내 전기에너지 가격도 어느 정도 상승이 예상되지만 경유가격은 현재 휘발유 가격의 50% 수준이 수년내 70∼80% 수준까지 높아질 것이기 때문에 전기보다 경유 상승폭이 훨씬 커서 향후 전기방식이 훨씬 유리해 질 것으로 예상되므로 더욱 열공급 방식의 변경하는 것이 유리하다.

(5) 탈착시 발생 VOC 처리 성능이 고효율 처리가 되도록 한다.

제 1도는 종래 일반적인 자동차 도장 부스 흐름도

제 2도는 단순 활성탄 흡착탑이 부착된 자동차 도장 부스 흐름도

제 3도는 촉매 연소식 탈착형 흡착탑이 부착된 자동차 도장 부스 흐름도

제 4도는 촉매 연소식 탈착형 흡착탑이 부착된 저에너지 전기 건조식 자동차 도장 부스 흐름도

* 도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명

1...도장 부스

101...필터

102...건조온도 자동온도제어기

103...도장온도 자동온도제어기

2...급기팬

201...급기팬 입구 개폐 댐퍼

202...건조공기 순환 개폐 댐퍼

3...배기팬

4...경유버너

5...흡착탑

501...활성탄

502...흡착탑 입구 개폐 댐퍼

503...흡착탑 출구 개폐 댐퍼

504...배출 공기 순환 닥트 개폐 댐퍼

6...열풍 공급팬

7...촉매연소장치

701...히터

702...촉매

703...촉매 유입온도 자동온도제어기

704...촉매층 온도차 자동온도제어기

8...열교환기

9...건조용 고온 열풍 분사기

901...건조용 고온 열풍 유량 조절 밸브

902...건조용 고온 열풍 공급 배관

903...고온 열풍 유량 조절 밸브 차단용 타이머

10...탈착용 고온 열풍 공급 배관

본 발명의 기본시스템은 제 4도에 나타내었다.

기본개념은 기술적 과제를 고려하여 다음과 같이 발명하였다.

(1) 건조열과 활성탄 재생 탈착열을 한 곳에서 전기에너지(히터701)로 공급한다.

(2) 건조시 발생 VOC와 탈착시 발생 VOC는 건조열 및 탈착열을 공급하는 히터(701)의 가열로 촉매에 의해 연소 분해하여 정화시키고 정화된 고온 공기로 건조열 및 탈착열을 공급하는 완전 순환 방식으로 구성한다.

따라서 열사용 효율을 극대화하고 건조시 증발 VOC는 계속 순환하면서 지속적으로 제거하며 탈착시 발생 VOC는 고효율 제거후 외부 배출이 없는 순환 방식으로 처리하므로써 VOC 제거 성능에 있어서도 완벽에 가까운 고효율 제거가 가능하도록 한다.

특히 이 과정에서VOC 분해열이 매우 큰 데 본 시스템은 분해열 모두를 순환 회수하여 건조열과 탈착열로 사용하기 때문에 에너지 절감 효과가 매우 크다.

(3) VOC의 규제에 대응하고 동절기 배출 공기의 순환 사용이 가능하도록 건조작업시 활성탄의 지속적인 활성탄의 탈착 재생으로 도장시 발생 VOC를 활성탄 흡착탑에서 항시 90%이상 제거가 가능케 한다.

(4) 동절기 도장작업시 원활한 도장을 위해 부스내 온도 유지를 위해 가열하는 에너지 공급에 있어서 종전에 전량 배기 시키던 것을 활성탄을 통과한 배기공기를 약80∼90%정도 순환하여 다시 부스로 넣어 줌으로써 가열 열량의 대부분을 회수하여 에너지를 획기적으로 절감한다. 그러나 본 에너지 절감은 도장시 발생 VOC를 지속적으로 고효율제거가 전제 되어야하며 VOC 제거가 미흡한 경우에는 순환 공기 안에 다량의 VOC가 함유되어 종전보다 작업장 환경이 악화 될 수 있다.

하지만 본 발명은 효과적인 탈착 방식에 의한 지속적인 고효율 활성탄 흡착 제거가 가능한 방식으로 구성되어 있기 때문에 이러한 에너지 절감 방식의 적용이 가능하다.

(5) 건조열 공급 방식에 있어서 자동 제어방식을 적용하는 등 모든 시스템을 자동 제어 방식으로 구성하여 에너지 사용 효율을 극대화한다.

이상 시스템 구성 기본 개념에 의해 구성한 제 4도의 가동 방식은 다음과 같다.

도장 작업시에는 건조공기 순환 댐퍼(202)가 닫힌 상태에서 급기팬 입구 댐퍼(201)를 열고 급기팬(2)을 가동하여 부스 상부로 외기를 불어 넣어주고 동시에 배기팬(3)을 가동하여 하단 피트를 통하여 배기 시켜 준다.

이때 비산 배출되는 페인트 미스트는 부스 바닥에 깔려 있는 필터에서 1차 제거하고 배기 닥트 중간에 설치되어 있는 필터(101)에서 2차제거한 후 도장시 배출되는 VOC는 활성한 흡착탑(5)에서 제거한 후 외기로 배출된다.

여기에서 동절기에는 부스내 온도 유지를 위해 공급되는 에너지의 절감을 위해 배출 공기 순환 닥트와 개폐댐퍼(504)를 갖춰 히터(701)의 가동과 동시에 흡착탑 출구 개폐 댐퍼(503)를 닫고 동시에 연돌로 배출되는 공기 순환 닥트에 설치된 배출 공기 순환 개폐 댐퍼(504)를 열어 배출공기의 대부분을 급기팬 챔버로 다시 유입시키고 일부는 가지관을 통해 대기중으로 배출된다. 이때 히터는 계속 가동되는 것이 아니고 부스(1)내 설치된 온도 제어기(103)에 의해 가동되었다 꺼졌다 하면서 가동하여 효율을 극대화한다.

건조작업시에는 건조열의 공급과 활성탄 탈착을 수행하기 위해 촉매연소장치(7)와 열풍공급팬(6) 및 연결배관을 갖추며 가동은 배기팬(3)이 멈춘 상태에서 급기팬 입구 댐퍼(201)를 닫고 건조 공기 순환 댐퍼(202)를 열고 급기팬(2)과 촉매연소장치(7)에 설치된 히터(701)와 열풍공급팬(6)을 가동하면 히터열에 의해 300℃이상 가열되면서 가열된 공기는 건조용 고온 열풍 공급 배관(902)을 거쳐 고온 열풍 분사기(9)를 통해 불어 주게 되며 급기팬에서 불어주는 순환 공기와 합쳐져 부스 상부로 넣어 주므로써 건조열풍을 공급해 주며 불어준 건조열풍은 자동차에 도장된 페인트를 건조후 부스 아래로 내려와 순환 닥트의 열려진 댐퍼(202)를 통해 급기팬(2)으로 들어가는 순환방식으로 가동 된다.

순환하는 건조 열풍에 의해 공급되는 열량은 가동초기 타이머(903)에 설정된 알정시간(약 3분) 동안은 건조용 고온 열풍 유량 조절 밸브(901)를 닫아줘 대부분의 고온 열풍이 탈착용으르 사용하여 탈착 VOC를 발생케하여 다량의 분해열을 만든 후 부스내 자동 온도 제어기(102)에 의해 설정한 온도(통상 80℃)에 의해 조정 되도록 구성하는데 건조 온도 자동 온도 제어기(102)에서 보내는 신호에 의해 건조용고온 열풍유량 조절 밸브(901)가 설정한 온도에서 건조 되도록 유량을 조정한다. 그러므로 가동 초기 3분 경과후부터는 부스내로 유입되는 온도가 설정한 온도보다 낮기 때문에 밸브가 완전히 열려 대부분의 고온 열풍이 건조열량으로 사용되어 충분한 열량이 공급되며 온도 차이가 점차 줄어들어 근접하게 되면 밸브(901)가 점차 닫혀 유량을 점차 줄여 공급열량 조절이 이루어지도록 하며 설정온도에 도달하면 항시 일정한 온도가 유지 되도록 밸브가 미세 조정되는 비례미분적분 제어방식으로 가동되도록 구성한다.

여기에서 가동초기 수분간 고온 열풍을 탈착열로 사용하는 이유는 탈착 효율을 높이고 건조열을 다량의 탈착 VOC 분해열과 함께 넣어 주므로써 상대적으로 히터(701) 공급열량을 낮춰 히터 용량을 낮추기 위해서이다.

한편 활성탄 탈착을 위해 촉매연소장치를 통과한 고온 열풍이 가동 초기 수분간 탈착용 고온 열풍으로 보낸 이후에는 반대로 건조열 공급공기로 보내고 나머지 일부를 활성탄으로 보내는데 가동은 촉매장치에서 나오는 고온공기중 일부가 탈착용 고온 열풍 공급 배관(10)을 통해 흡착탑(5) 입구로 보내지고 건조를 위해 넣어준 열풍량만큼 배출되는 공기와 흡착탑(5) 입구 챔버에서 합쳐져 활성탑(501)을 탈착한 후 탈착된 VOC를 함유한 공기는 열풍공급팬(6)의 흡인에 의해 다시 촉매연소장치(7)로 들어가고 들어온 공기는 히터(701)에 의해 가열된 상태로 촉매층(702)을 통과하면서 촉매연소 분해 제거후 다시 나가는 순환 구조로 구성되어 있다.

여기에서 탈착 열풍량은 초기에는 대부분 탈착열풍으로 사용되기 때문에 상대적으로 적은량이 유입되나 점차 건조열풍량이 감소하면서 반비례하여 탈착열풍량이 증가하게되고 이에따라 활성탄층에서 탈착이 활발하게 일어나게 되어 건조와 탈착 효율을 놓이게 된다.

촉매연소장치에서(7)의 히터(701) 가동은 촉매(702)앞에 설치되어 있는 자동온도제어기(703)에 의해 항시 설정한 온도(통상 300 ℃)로 들어가도록 히터 열량을 제어한다.

촉매층 후단에도 자동온도 장치(704)가 설치되어 있는데 설정 온도(통상 600℃) 이상이 되면 히터를 꺼준다. 이 장치의 역활은 과대한 VOC의 유입에 의한 다량의 연소열에 의해 과열 상태(600℃ 이상)를 막는 역할로 고온에 의한 촉매 손상의 방지와 미리 고농도(VOC 5000ppm 이하) 유입을 차단하여 폭발을 방지하여 주는 역할을 한다.

결론적으로 본 발명은 상기 기본 개념을 달성하기 위해 제 4도 방식에 나타낸 일련의 시스템으로 구성되고 가동되는 장치이다.

본 발명은 종전 방식과 비교하여 다음과 같이 개선되었다.

제 1도에 나타낸 것은 지금까지 사용해온 방식으로 별도의 VOC 처리장치가 없어 최근 VOC 규제에 대처하지 못하고 있을 뿐만 아니라 시스템 자체가 연소 배기가스가 가지고 나가는 열손실 등으로 에너지 손실이 많다.

제 2도는 VOC 제거를 위해 활성탄 흡착탑(5)을 설치한 것으로 VOC규제 문제는 해결이 가능해 졌으나 본 방식은 단순히 흡착탑만 있는 경우로 VOC의 계속적인 흡착에 따라 활성탄 소모에 따른 활성탄 교체에 과대한 운전비(연 약5,000,000∼15,000,000원)가 소요되는 문제점이 있다.

그래서 최근 제 3도에 나타낸 탈착장치를 설치하여 활성탄을 재생하는 방식을 사용하므로써 과대한 활성탄 소모비 문제를 해결하였다.

본 발명은 제 4도 방식으로 VOC의 흡착 및 탈착 방식에 의한 VOC의 완전한 처리와 동시에 건조열 공급 방식을 경유에서 전기로 변경하고 VOC 처리와 건조열 공급을 결합하여 시스템의 단순화와 에너지 절감을 달성하였고 특히 VOC의 분해열을 100% 건조열로 사용하므로써 에너지 소요를 더욱 절감 할 수 있도록 하였다. 또한 동절기 부스내 온도유지를 위해 소요되는 에너지 소모를 VOC의 고효율 제거를 전제로 배기공기를 순환하여 에너지 절감을 도모하였다.

이를 다시 요약하면 한마디로 기존 방식 특히 제 3도 방식에 비해 에너지 절감을 통한 운전비 절감이 본 발명의 목적이라 할 수 있다.

이상 발명의 효과에 대해 기술하였으나 다소 추상적이기 때문에 정량적으로 제시하기 위해 예를 들어 제시코자 한다.

여기에서 제 1도와 제 2도는 적절한 방식이 아니기 때문에 비교 대상에서 제외하고 제 3도와 본 발명 방식인 제 4도 방식을 비교 코져 한다.

[설계 기준]

배출시설 : 자동차 도장부스

1일 자동차 도장 수량 : 평균 4대(월 100대)

운전 시간 : 도장 ; 20∼30분(급기 및 배기)

자연 건조 ; 10분(급기 및 배기)

건조 ; 하절기 , 20분(급기 순환)

춘추절기 ,25∼30분(급기 순환)

동절기 , 40분(급기 순환)

냉각 ; 15분(급기 및 배기)

배기팬 용량 : 350㎥/분

VOC 종류 : 톨루엔, 키실렌등

VOC 배출량 : 10 Kg/일(2.5 kg/대)

VOC 제거 성능 : 90% 이상

(1) 제 3도 방식

(가) 건조열 공급 장치

※ 버너 용량 : 150,000 kcal/시

※ 사용 연료 : 경유

※ 급기팬 풍량 : 350㎥/분

※ 건조열 공급 방식 : 간접 열교환

※ 1대 건조시 공급 열량

- 하절기 : 34,000 kcal

- 춘추절기 : 40,000∼50,000 kcal

- 동절기 , 건조시 : 60,000 kcal

도장시 : 75,000 kcal

※ 1대 건조시 연소 배기 가스가 가지고 나가는 손실열량을 제외한 실제 공급열량 (공급열량의 70%)

- 하절기 : 24,000 kcal

- 춘추절기 : 28,000∼35,000 kcal

- 동절기 , 건조시 : 42,000 kcal

도장시 : 52,000 kcal

※ 경유 사용량

- 하절기 : 4 L ×100 대/월 = 400 L

- 춘추절기 : 5∼6 L ×100 대/월 = 500∼600 L

- 동절기 , 건조시 : 7 L ×100 대/월 = 700 L

도장시 : 8 L ×100 대/월 = 800 L

(나) VOC 제거 시설

※ 처리 방식 :

- 도장시 발생 VOC ; 활성탄 흡착 처리

- 건조시 발생 VOC 및 탈착시 발생 VOC ; 촉매 연소 분해 처리

※ 처리 용량 : 10N㎥/분

※ 히 터 용 량 : 40kw(10N㎥/분의 공기 20℃를 300℃상승)

※ 건조 작업시 촉매연소에 소요되는 열량 (열교환 효율 50% 기준)

- 하절기 : 6,000 kcal (40kw×0.5×20분×60×0.252kcal/kw)

- 춘추절기 : 9,000 kcal (40kw×0.5×30분×60×0.252kcal/kw)

- 동절기 : 12,000 kcal (40kw×0.5×40분×60×0.252kcal/kw)

※ 열풍공급팬 : 15㎥/분@150℃×100mmAq×1.5kw

※ 촉 매 량 : 14L(공간속도 40000/h 기준)

※ 촉매입구은도 : 300℃ 기준

※ 탈착시 발생 VOC 제거효율 : 95% 이상

※ VOC 배출구 배출량 : 2.5kg×(1-0.95) = 0.125kg

(2) 제 4도 방식

(가) 건조열과 탈착열 공급 장치 및 VOC 제거시설

※ 히터 : 60kw

※ 사용 연료 : 전기

※ 급기팬 풍량 : 350㎥/분

※ 건조열 공급 방식 : 전기 가열에 의한 직접 열풍 공급

※ 1대 건조시 공급열량 (제 3도 방식의 실제 공급 열량)

- 하절기 : 24,000 kcal

- 춘추절기 : 28,000∼35,000 kcal

- 동절기 , 건조시 : 42,000 kcal

도장시 : 10,000 kcal (배기 리턴에 의한 열회수 80% 기준)

※ 탈착에 소요되는 열량 (제 3도 방식과 동일열량 적용)

- 하절기 : 6,000 kcal

- 춘추절기 : 9,000 kcal

- 동절기 : 12,000 kcal

※VOC의 촉매연소분해에 의해 발생하는 열량 :

1대 기준시 25,000 kcal ( 2.5kg-VOC ×10,000 kcal/kg )

※ 순수하게 공급해야 할 열량

건조시 공급열량 + 탈착열량 -VOC의 촉매 연소 분해 열량

- 하절기 : 24,000 + 6,000 - 25,000 = 5,000kcal

- 춘추절기 : 32,000 + 9,000 - 25,000 = 16,000 kcal

- 동절기 , 건조시 : 42,000 + 12,000 - 25,000 = 29,000kcal

도장시 : 10,000 kcal (배기 리턴에 의한 열회수 80% 기준)

※ 1대 건조시 평균 공급열량(순수하게 공급열량/건조시간)

- 하절기 : 5,000/20 = 250 kcal/분 (16kw)

- 춘추절기 : 16,000/30 = 530 kcal/분 (34kw)

- 동절기 , 건조시 : 29,000/40 = 725 kcal/분 (48kw)

도장시 : 10,000/20 = 500 kcal/분 (32kw)

※ 처리 방식 :

- 도장시 발생 VOC ; 활성탄 흡착 처리

- 건조열 공급과 동시에 건조시 발생 VOC 및 탈착시 발생 VOC의 촉매 연소 분해 처리

※ 처리 용량 : 15N㎥/분

※ 히 터 용 량 : 60kw(15N㎥/분의 공기 20℃를 300℃상승)

* 여유율 20% 적용

※ 열풍공급팬 : 23㎥/분@150℃×100mmAq×2.2kw

※ 촉 매 량 : 20 L(공간속도 40000/h 기준)

※ 촉매입구온도 : 300℃ 기준

※ 탈착시 발생 VOC 제거효율 : 95% 이상

※ VOC 배출구 배출량 : 2.5kg×(1-0.95) = 0.125kg

<경제성 검토>

(1) 설비비

제 3도 방식에 비해 제 4도 방식의 설비비가 낮아지는 부분은 제 3도 방식에는 있지만 제 4도 방식에는 불필요한 시설로 버너(4) 및 연소실과 열교환 장치와 촉매연소장치 후단에 위치한 열교환기(8)가 없어지므로 인해 설비비가 줄어든다.

이에 반해 제 4도 방식은 촉매 연소 장치의 용량이 제 3도 방식에 비해 2배정도 크고 동절기 가동되는 배기 공기 리턴 닥트 시설이 추가됨으로 인해 설비비가 증가한다.

종합적므로 볼 때 제 4도 방식이 제 3도 방식보다 다소 저렴하지만 차이는 크지 않다.

(2) 연간 운전비

본 발명의 핵심은 에너지 절감에 따른 운전비 절감이다.

배기팬, 급기팬 등의 가동에 따른 동력비는 동일하나 운전비의 차이는 에너지 소모의 차이로 건조열 공급 방식 개선에 따른 에너지 절감과 동절기 배기 공기 리턴을 통한 에너지 회수에 따른 차이다.

(가) 제 3도 방식의 연간 에너지 소요비

제 3도의 에너지 비용은 경유 소요비와 탈착시 전기사용료로 구할 수 있다.

상기 실시 예에서

※ 경유 사용량

- 하절기 : 4 L ×100 대/월 = 400 L

- 춘추절기 : 5∼6 L ×100 대/월 = 500∼600 L

- 동절기 , 건조시 : 7 L ×100 대/월 = 700 L

도장시 : 8 L ×100 대/월 = 800 L

하절기 소모량 : 400 L ×3개월 = 1,200 L

춘추절기 소모량 : 550 L ×6개월 = 3,300 L

동절기 소모량 : 1,500 L ×3개월 = 4,500 L

연간 경유 사용량 = 1,200 + 3,300 + 4,500 = 9,000 L

연간 경유 소모비 = 9,000 L ×680원/L = 6,120,000원

※ 탈착시 전기 사용료

평균 탈착열 20kw ×연간 총 탈착시간(총 건조시간) ×65원/kwh =20kw×평균30분-건조/대×1시/60분×100대/월×12월/년×65원/kwh ≒ 800,000 원

(나) 제 4도 방식의 연간 에너지 소요비

제 4도의 에너지 비용은 전기 사용료로 구할 수 있다.

상기 실시 예에서

※ 1대 건조시 평균 공급열량(순수하게 공급열량/건조시간)

- 하절기 : 5,000/20 = 250 kcal/분 (16kw)

- 춘추절기 : 16,000/30 = 530 kcal/분 (34kW)

- 동절기 , 건조시 : 29,000/40 = 725 kcal/분 (48kw)

도장시 : 10,000/20 = 500 kcal/분 (32kw)

하절기 전기 사용료 : 16kw ×20분-건조/대 ×1시/60분 ×100대/월 ×3개월 ×65원/kwh = 104,000 원

춘추절기 소모량 : 34kw ×30분-건조/대 ×1시/60분 ×100대/월 ×6개월 ×65원/kwh = 663,000 원

동절기 소모량 , 건조시 : 48kw ×40분-건조/대 ×1시/60분 ×100대/월 ×3개월 ×65원/kwh = 624,000 원

도장시 : 32kw ×20분-도장/대 ×1시/60분 ×100대/월 ×3개월 ×65원/kwh = 208,000 원

연간 전기사용료 = 104,000 + 663,000 + 624,000 + 208,000 ≒ 1,600,000이상 검토한 결과 연간 에너지 소요비는 제 3도 방식은 6,920,000원 제4도 방식은 1,600,000원으로 약 75% 절감 효과가 있다.

결론적으로 에너지 소요비의 차이는 경유나 전기 모두 에너지 1kwh 당 65원으로 같은 데도 불구하고 제 3도 방식의 경우 첫째 버너 연소 배가스로 대기중으로 배출됨으로 인한 열손실 30%, 둘째 촉매연소장치에서 VOC 자체 분해열이 1대당 25,000kcal로 매우 큰 데 이중 50%이상이 열교환 후 대기중으로 배출됨으로 인한 열손실 30%, 셋째 동절기 도장시 배기공기 리턴 장치가 없어서 차이나는 열이 15%정도 차이가 나기 때문이다.

Claims (1)

1. 도장과 건조를 한 밀폐된 공간에서 교대로 작업하는 자동차 도장부스와 같은 도장시설에 적용하는 시설로 1대의 흡착탑(5)과 촉매연소 장치(7)를 구비하고,

   도장 작업시에는 작업자 보호와 도장의 품질 향상을 위해 외기를 넣어주고 배기 시켜 주는 데 그 구성은

   도장 작업중 비산 되는 페인트 입자와 휘발성 유기 화합물 증기를 위에서 아래로 불어 주어 아래로 빠지도록 불어주기 위해 외부의 공기를 유입하여 넣어주는 급기팬(2);

   상기 급기팬을 통해 유입된 공기가 도장부스를 환기시킨 후 상기 흡착탑으로 안내한 후 흡착탑을 통과하여 대기로 배출 되도록 불어 주는 배기팬(3);

   도장시 발생한 페인트 미스트를 제거하기 위해 배기팬 전에 설치한 필터(101);

   동절기 부스내 공기에 함유된 열이 연돌로 배출되는 것을 회수하기 위해 배기 공기 리턴 닥트 및 리턴 닥트 개폐 댐퍼(504)와 히터와 전기적으로 연결되어 동절기 부스내 온도를 일정하게 유지해주는 도장 온도 자동 온도 제어기(103) ;

   건조 작업시에는 건조 공기를 순환 공급하기 위해 급기팬 입구 댐퍼(201)를 닫으며 건조공기 순환 닥트에 위치한 개폐 댐퍼(202)를 열고 급기팬을 가동하는 상태(배기팬은 멈춘 상태)에서 건조 열풍 공기가 순환하면서 작업이 이루어지는 데 이때 건조열의 공급은 가열된 고온 열풍에 의해 이루어지며 그 구성은

   건조시 발생하는 휘발성 유기화합물 증기의 흡인과 촉매연소장치 안에 위치한 히터(701)의 가열된 공기를 건조용 고온 열풍과 탈착용 고온열풍으로 불어 넣어주는 열풍 공급팬(6);

   히터에서 가열된 고온 열풍을 건조 공기 혼합 챔버까지 연결해주는 건조용 고온 열풍 공급 배관(902)과 열풍 분사기(9);

   부스내 건조 공기 온도를 유지해 주기 위해 설치된 건조 온도 자동온도제어기(102)와 이것과 전기적으로 연결되어 고온 열풍 유량을 조절해주는 건조용 고온 열풍 유량 조절 밸브(901);

   활성탄을 탈착 재생시키기 위해 히터에서 가열된 고온 열풍중 일부를 흡착탑까지 보내기 위해 연결된 탈착용 고온 열풍 공급 배관(10);

   가동초기 일정시간 촉매 연소 장치에서 가열 된 고온 열풍을 탈착용으로 사용되도록 건조용 고온 열풍 유량 조절 밸브에 전기적 신호를 보내 밸브를 닫아 주는 고온 열풍 유량 조절 밸브 차단용 타이머(903); 탈착시 열풍 공급원의 흡인시 연돌로부터 외기의 유입을 차단시켜주는 연돌에 위치한 흡착탑 출구 개폐 댑퍼(503);

   를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 저에너지 전기 건조식 자동차 도장 부스.