KR20160055754A

KR20160055754A - 활성탄카트리지 연속식 열재생장치 및 운전방법

Info

Publication number: KR20160055754A
Application number: KR1020160053625A
Authority: KR
Inventors: 정동규
Original assignee: 정동규
Priority date: 2016-04-30
Filing date: 2016-04-30
Publication date: 2016-05-18

Abstract

본 발명은 휘발성유기화합물(VOC : Volatile Organic Compound)을 흡착한 활성탄 카트리지를 열재생(thermal regeneration)시켜 재사용하는 공정 장치 기술로서, 활성탄 카트리지는 컨베이어를 타고 제진/제습, 탈착실 및 냉각실 통과하면서 열재생하는데, 이때 가장 큰 문제점인 기밀유지를 해결하기 위해 각 실에 설치되어 있는 도어를 적정 공정마다 열고 닫음으로 써 가능해지도록 하여, 연속적으로 활성탄카트리지를 열재생하는 재생시설에 활용할 수 있는 기대효과가 있다.

Description

활성탄카트리지 연속식 열재생장치 및 운전방법 { The equipment for continuous thermal regeneration of activated carbon cartridge and operation method }

본 발명은 휘발성유기화합물(VOC : Volatile Organic Compound)을 흡착한 활성탄 카트리지를 열재생(thermal regeneration)시켜 재사용할 수 있는 환경 및 폐열에너지 활용분야에 적용될 수 있는 기술로서, 보다 상세하게는 컨베이어로 이동되는 활성탄 카트리지를 저온(150~200℃) 가열공기를 이용하여 제진(de-dust) 및 제습(de-water),탈착(desorption) 과 냉각(cooling)과정을 거쳐 재생하는 열재생장치에 관한 기술이다.

석유류 제조, 도장, 페인트제조, 접착제 등 유기용제를 생산하거나 사용하는 산업현장에서는 활성탄을 이용한 휘발성유기화합물(VOC)의 흡착(adsorption)방식을 많이 적용하고 있다.

이때 흡착방식은 입상(granular type)의 활성탄을 고정층(fixed bed) 및 유동층(fluidizd bed) 흡착탑에 각각 적층 하거나 유동화시키는 방법으로 흡착을 한다. 비교적 소규모 공정에서는 고정층 흡착탑방식을 선호하는데, 이때 입상활성탄을 일괄 적층하고 사용기간 후에 일괄 배출하는 방식과 카트리지 단위로 적층하여 순차대로 교체하는 방식이 있다.

일괄적층 및 배출방식은 상하부의 적층 두께가 커서 차압이 과도하게 걸리거나 자체하중에 의해 입자가 파손되어 분탄에 의해 미세분진이 수분이나 유기물질들과 엉켜 달라붙어 통기도가 나빠지고 편류가 발생하기 쉬운 단점이 있어서, 최근에는 일정 적층 두께의 카트리지에 담아 파과점(break point)이 지나면 카트리지 단위로 교체함으로 써 높은 흡착성능을 일정하게 안정적으로 유지할 수 있는 카트리지 흡착탑방식이 대두하고 있다.

그러나 카트리지에 담긴 활성탄을 탈착 재생하는 경우에는 오히려 고정층이나 유동층방식의 탈착 방식보다 비효율적이고 연속 탈착에 애로사항이 많다. 즉, 카트리지 단위로 탈착해야 하기 때문에 이동식 컨베이어를 이용하여 탈착실을 통과시켜 재생하는 방식을 이용해야 한다.

이때, 문제점은 컨베이어 설치공간이 커지고, 열재생실의 기밀유지가 어려우며, 연속공정이 불가능해질 수 있다.

본 발명은 이러한 활성탄 카트리지를 컨베이어에 실어 연속적으로 열재생하여 VOC를 탈착하는 장치에 관한 기술과 그 운전방법에 관한 발명을 고안하고자 한다.

VOC를 흡착한 활성탄카트리지를 열재생하는 경우에는 카트리지 단위로 컨베이어를 타고 재생실을 통과하면서 탈착을 한다. 이때 가장 큰 문제점은 재생실을 연속적으로 통과할 때 기밀유지가 어렵다는 것이다. 또한, 열재생 전후의 제진/제습실 및 냉각실의 적정 설치가 요구된다.

본 발명기술에서는 연속적으로 열재생 탈착을 하면서 기밀을 유지하고, 열재생 전단에 먼지와 수분을 제거하면서 점진적인 승온을 유지할 수 있는 전처리장치와 열재생 후 서냉을 유지하는 냉각실을 설치하는 방식을 고안하였다.

[대표도]에서는 컨베이어에 실린 활성탄카트리지가 입구대기실, 제진/제습실, 다수개의 탈착실을 거쳐 출구대기실과 냉각실을 통과하여 재생이 완료되는 공정도를 보여준다. 가열공기가 송풍기에 의해 제진/제습실, 일련의 탈착실에 공급되어 수분증발, 먼지배출, VOC탈착을 시켜 연소실로 보내져 연소시킨다. 제진용 압축공기가 활성탄카트리지 내부의 분진을 솎아내도록 노즐에서 고속으로 분사된다. 냉각실에서는 탈착후 가열된 활성탄을 냉각시키도록 냉각공기가 유입되고 예열 된 공기는 다시 재진/제습실로 열회수 되어 유입된다. 입구 및 출구대기실은 별도의 유동이 없는 공간으로서 공정상의 기밀을 유지하기 위해 설치되어 있다.

[도면 1] 에서는 본 발명공정의 구체적인 내용을 설명하기 위한 장치가 배열되어 있다. 컨베이어(9)에 실린 활성탄카트리지(8)가 입구대기실(1)에서 대기하다가, 제진/제습실(1)로 이동하면 압축공기(56)가 블로우파이프(11)을 통해 블로튜브(13)을 거쳐 분사노즐(12)에서 고속으로 분사하여 활성탄카트리지(8)의 상하부를 관통하면서 활성탄 사이의 이 물질(먼지나 수분)을 밖으로 배출시키는 역할을 한다. 이때 가열공기(51)와 예열공기(52)가 댐퍼(31)의 조절을 받아 일정온도(약 150℃)로 혼합되어 제진/제습실(2)로 유입되면 활성탄 표면수분을 증발시키고 활성탄온도를 서서히 예열시켜(약 6℃/분당) 과도한 온도상승에 따른 열충격을 피하도록하여 활성탄의 강도를 유지시키는 역할을 한다.

다음 공정은 탈착실(3),(4),(5)에서 본격적인 열재생 탈착을 하는 것으로 열교환기등을 통해 연소배출가스와 열교환된 가열공기(51)가 압입송풍기(20)에 의해 각각의 유량조절댐퍼(32,33,34)를 통해 지정된 유량으로 각각의 탈착실(3,4,5)로 유입된다. 활성탄 내부의 VOC가 성분별로 다르지만 보통 150~250℃에서 증발되어 탈착되고, 기공내부 수분은 잠열량 이상의 충분한 가열로 인해 증발이 일어난다. 이때 탈착율을 결정하는 주요 인자는 가열공기(51)의 유량, 온도, 체류시간이며, 특히 활성탄의 적층 두께에 따라 압력손실과 과포화로 인한 탈착율 저하 현상이 발생할 수 있다. 또한, 과도한 가열로 인해 활성탄 내부에 고온점(hot spot)이 발생할 수 있으므로 적정한 유량, 온도, 체류시간, 적층두께, 편류현상제거 등의 방안이 요구된다. 탈착실을 통과한 배출 VOC가스는 연소실(53)로 보내져 연소처리하여 공기가열 열원으로 재생된다.

탈착실(5)을 통과한 활성탄카트리지(8)는 출구대기실(6)을 거쳐서 냉각실(7)로 보내져서 댐퍼(39)에 의해 조절된 유량만큼 냉각공기(64)가 유입되어 활성탄을 서냉시킨다. 이때 약 10℃/분당 전후로 냉각율을 유지하도록 한다.

[도면 2] 에서는 제진/제습실(1) 내부에 장착된 제진용 압축공기 분사장치가 상세히 보여 주고 있다. 약 2~3기압으로 유입된 압축공기(56)는 에어헤드(15)에 저장되어 있다가 블로어파이프(14)를 거쳐 일련의 블로우튜브(13)와 노즐(12)을 통해 분사된다. 활성탄카트리지(8) 상하부면으로 분사된 압축공기는 활성탄 사이의 먼지와 수분을 솎아서 배출시키는 기능을 한다. 이렇게 먼지와 수분을 사전에 제거함으로써 통기도를 확보하고 열충격을 감소시킬 수 있다.

[도면 3] 은 컨베이어(9)의 구동롤러(21)와 롤러기어(22), 구동기어(23)와 그 연결 체인(24) 및 구동모타(25)를 보여준다. 일련의 구동롤러(21) 상부면에 놓인 활성탄카트리지(8)는 접촉마찰력에 의해 구동력이 전달되어 이동하고, 정지지점에서 구동모타(25)의 전원이 차단되어 정지한다. 구동롤러(21)만 각 실의 내부에 장착되고 나머지 구동장치들은 모두 장치 외부에 장착되기 때문에 장치 내부의 가혹 조건을 피할 수 있도록 고안되어 있다.

[도면 4] 는 각 단위 실(chamber)에 장착된 컨베이어의 구동기어(22)와 모타기어(23)의 구성을 보여준다. 각 실의 도어(10)가 열리면 공정 전단에서 이동된 활성탄카트리지(8)가 접촉센서(49)와 접촉하여 구동모타(25)가 정지할 때까지 이동하여 각 실의 지정위치에 배치된다. 이후에 도어(10)가 닫히면서 정상적인 재생탈착 공정이 진행된다.

[도면 5] 는 각 공정 단계별 활성탄카트리지(8)가 이동하는 중에 기밀이 유지되도록 실별로 도어(10)가 설치되어 있으며, 공정단계별로 도어(8)의 열림(open) 상태와 활성탄카트리지(10)의 이동배치 상태를 나타낸다.

(1)은 정상적인 제진/제습, 열재생 및 냉각이 진행되는 단계로서 각 실의 도어(10)들이 닫혀있는 상태이다. 이후 일정한 공정시간(체류시간 약 15~30분)이 지나면 다음 단계로 진행된다.

(2)는 정상적인 공정시간이 지나 활성탄카트리지의 이동 배출을 위해 먼저 냉각실(7)의 도어(10)가 열림(open)과 동시에 탈착실(3),(4),(5)의 도어(10)도 동시에 열려서 카트리지가 이동한다. 이때 탈착실(5)의 입구도어와 출구대기실(6)의 출구도어가 닫혀있기 때문에 외부와의 기밀이 유지된다.

(3)은 탈착이 끝난 카트리지가 냉각실(7)로 이동하고 동시에 제진/제습이 완료된 카트리지가 탈착실(3)로 진입하는 공정 단계를 나타낸다. 이때에도 외부공기와의 접촉이 차단되도록 해당 실 양쪽의 도어(10)가 닫혀있다.

(4)는 입구대기실(1)에 있던 카트리지가 제진/제습실(2)로 진입한 상태를 보여주고, 탈착실(3,4,5)과 냉각실(7)은 정상운전이 되고 있다.

(5)는 신규 카트리지가 입구대기실(1)로 이동하여 진입한 상태를 나타낸다. 이로써 (1)~(5)의 공정단계를 거치면 기밀을 유지한 상태로 카트리지의 이동과 열재생이 이루어질 수 있게 된다.

상술한 바와 같이 VOC를 함유한 활성탄카트리지의 열재생장치와 그 운전방법을 통해서 기밀유지와 연속공정을 달성할 수 있다. 열 재생효율을 최적화하기 위한 운전조건은 체류시간, 각 실(chamber)에서의 유량과 온도를 조절하여 이론적 혹은 시운전시에 결정할 수 있다. 향후 카트리지 타입의 활성탄 흡탈착 설비에 본 발명의 효과가 나타날 수 있다.

[대표도] 는 활성탄카트리지의 열재생장치의 주요 공정구성을 나타낸 도면이다.
[도면 1] 은 활성탄카트리지의 열재생시스템의 구체적인 공정장치와 송풍기, 댐퍼 및 계측기의 구성과 배치를 나타낸 도면이다.
[도면 2] 는 제진/제습실 내부의 제진용 압축공기 분사장치를 나타낸 도면이다.
[도면 3] 은 카트리지 이동을 위한 컨베이어 장치의 롤러와 기어 및 구동모터의 구성을 나타낸 도면이다.
[도면 4] 는 카트리지의 이동 컨베이어 기어와 체인의 연결과 정지용 접촉센스의 장착 개념을 나타낸 도면이다.

본 발명에서 고안한 VOC가 흡착된 입상활성탄카트리지의 저온 열재생장치의 핵심은 기밀을 유지하면서 연속적으로 탈착할 수 있는 장치 구성과 그 운전방법이다.

한편, 하기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자 하는 예일 뿐이다. 따라서, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

복합 VOC 및 악취 물질이 흡착된 입상활성탄카트리지의 열재생을 위한 탈착장치구성하고 그 운전방법을 실시하는 예로서,

상기 복합 VOC는 MEK, BTX(Benzen, Tollulen, Xilene) 및 아세틸렌등과 주요악취 물질인 NH3, H2S, (CH3)2S, 4(CH3)3N 등과 같은 주요 VOC 성분 및 악취성분이 될 수 있다.

입상활성탄은 야자계 및 석탄계 활성탄으로 입상(granular) 또는 펠렛(pellet)으로 그 형상은 구형, 실린더형등이 될 수 있으며 입경 사이즈는 보통 5~200 mm 정도이고, 다양한 기공과 첨착(chemically treated) 상태가 적용될 수 있다.

흡착시 수분, 먼지 및 기타 이물질들이 포함될 수 있기 때문에 탈착 전에 반드시 제진 및 제습공정이 선행되어야 한다. 본 발명 실시에서는 제진/제습실(2)을 배치하고 내부에 압축공기를 분사하여 카트리지 내부의 활성탄표면에 부착된 먼지와 이물질들을 배출시키도록, [도면 2] 와 같이 압축공기가 에어헤드(15)에서 일정압력(2~3기압)을 유지하고, 블로우파이프(14)를 통해 각 블로우튜브(13)로 균등분배하여 분사노즐(12)을 통해 고속으로 분사하도록 한다. 동시에 [도면 1]과 같이 활성탄 표면의 수분을 제거하고 급격한 온도상승으로 인해 활성탄이 열충격을 받지 않도록 활성탄 온도가 분당 5~6℃ 정도로 서서히 상승하여 일정온도(100~150℃)가 되도록 한다. 이를 위해 가열공기(51)와 예열공기(52)가 혼합되어 일정온도(120~150℃)로 유입되도록 조절댐퍼(47)를 작동한다.

전처리를 통해 제진 및 제습되고 서서히 예열된 활성탄은 본격적인 탈착공정으로 이동되는데, 탈착실(3,4,5)은 적정 체류시간과 균일한 유동을 유지하기 위해서 3개 실로 나눠진다. 용량이 작은 시스템에서는 1~2개 실로 유지할 수 도 있다. 각 탈착실(3,4,5)로 유입되는 유량과 온도는 최적의 탈착반응율을 낼 수 있는 조건을 찾아 설정할 수 있다. 보통 온도를 고정하고 댐퍼(32,33,34)의 조절을 통해 적정 유량을 각 실별로 배분하는 것이 더 유리하다. 이렇게 함으로써 활성탄의 과도한 온도변화와 고온점(hot spot)발생을 줄일 수 있다. 또한, 탈착 시간은 가열공기의 온도와 유량 및 활성탄의 적층 두께에 따라서 다르지만 보통 VOC는 10~20분 이 적절하며, 악취의 경우는 20~30분 정도가 적당하다.

탈착이 끝난 카트리지는 3개가 동시에 이동을 하거나 차례로 하나씩 이동할 수 있는데 출구대기실(6)로 이동된 카트리지 냉각실로 이동하고 동시에 제진/제습이 완료된 카트리지는 탈착실(3)로 신규 진입된다. 이후 정상적인 탈착과 냉각이 진행되고, 연이어 입구대기실의 카트리지는 제진/제습실(2)로 이동하여 전처리공정이 진행된다.

이러한 모든 이동과 정지 및 도어의 개폐는 컨베이어 구동롤러(9)와 롤러기어(22), 구동체인(24), 구동기어(23) 및 구동모터(25)에 의해 작동되고, 그 제어는 별도의 제어반과 접촉센스(49)의 신호처리를 통해 처리된다. 이때, 실시예의 범위내에서 구동기어(22,23)와 구동체인(24)을 각각 구동벨트와 구동풀리로 대체할 수 도 있다. 또한 접촉센스(49)도 레이저센스나 초음파센스 등으로 사용할 수 도 있다.

VOC 및 악취를 흡착한 활성탄카트리지를 열재생하고 폐가스를 연소시켜 온수나 스팀 및 전기를 생산할 수 있는 중대 규모 집단재생시설에 이용할 수 있다.

1: 입구대기실
2: 제진/제습실
3: 탈착실(I)
4: 탈착실(II)
5: 탈착실(III)
6: 출구대기실
7: 냉각실
8: 활성탄카트리지
9: 컨베이어
10: 도어
11: 압축공기라인
12: 분사노즐
13: 블로어튜브
14: 블로어파이프
15: 에어헤드
20: 압입송풍기
21: 유인송풍기
22: 롤러기어
23: 구동기어
24: 구동체인
25: 구동모터
31,32,33,34,35,36,37,38,39 : 댐퍼
41,42,43,44,45,46,47 : 온도전송기
51: 가열공기
52: 예열공기
53: 탈착가스
54: 냉각공기
55: 배출공기

Claims

VOC 및 악취를 흡착한 활성탄카트리지를 열재생하는 방식에 있어서;
활성탄카트리지를 이송하는 일련의 컨베이어;
활성탄카트리지를 대기시키는 입구대기실;
활성탄카트리지의 제진 및 제습과 예비가열을 시키는 제진/제습실;
활성탄카트리지를 열재생하여 VOC 또는 악취물질을 탈착하는 일련의 탈착실;
탈착된 활성탄카트리지를 냉각 전에 대기시키는 출구대기실;
탈착된 활성탄카트리지를 냉각시키는 냉각실;
로 구성되는 활성탄카트리지 연속 열재생장치와 그 운전방법
제 1 항에 있어서,
상기 컨베이어는 상기 입구대기실, 제진/제습실, 일련의 탈착실, 출구대기실, 냉각실에 각각 독립적으로 설치되며, 구동롤러와 구동기어, 구동체인, 구동모터로 구성됨을 특징으로 하고, 상기 활성탄카트리지를 이동시키며, 정지지점에서 접촉센스의 신호를 받고 정지하도록 고안된 활성탄카트리지 연속 열재생장치와 그 운전방법
제 1 항에 있어서,
상기 제진/제습실은 에어헤드, 일련의 블로어파이프, 블로어튜브 및 노즐이 장착되어 압축공기로 활성탄 사이의 수분, 먼지 및 이물질을 세척하도록 구성됨을 특징으로 되어 있으며, 가열공기와 예열공기가 적절한 비율로 혼합되어 일정한 온도로 유입되도록 하는 조절댐퍼가 장착되어 있고, 활성탄의 수분을 증발시키고 일정온도로 예열시키는 기능을 하도록 고안된 활성탄카트리지 연속 열재생장치와 그 운전방법
제 1 항에 있어서,
상기 탈착실은 2~3개로 구성되고, 압입송풍기에 의해 유입되는 가열공기는 각 탈착실 입구에 장착된 조절댐퍼에 의해 유량이 조절되어 각각의 탈착공정이 요구하는 유량이 공급되도록 고안된 활성탄카트리지 연속 열재생장치와 그 운전방법
제 1 항에 있어서,
상기 입구대기실과 출구대기실은 별도의 유입 유출 유동이 없이 밀폐공간으로 되어 있으며, 상기 입구대기실은 상기 제진/제습실로 카트리지를 이동시키는 동안 기밀을 유지하도록 고안되었으며, 상기 출구대기실은 상기 탈착실과 상기 냉각실 사이에 탈착된 카트리지를 임시로 대기시켜 놓고, 상기 냉각실로 이동시키는 동안 기밀을 유지하도록 고안된 활성탄카트리지 연속 열재생장치와 그 운전방법
제 1 항에 있어서,
상기 냉각실은 탈착과정에서 가열된 활성탄을 냉각시키기 위해 유인송풍기에 의해 유입되는 냉각공기가 조절댐퍼의 조정된 유량만큼 유입되도록 고안된 활성탄카트리지 연속 열재생장치와 그 운전방법
제 1 항에 있어서,
상기 입구대기실, 상기 제진/제습실, 상기 일련의 탈착실, 상기 출구대기실 및 상기 냉각실은 각각 실 사이에 도어가 장착됨을 특징으로 하고, 특정 신호에 의해 열리고 닫힐 수 있도록 하여 상기 활성탄카트리지가 이동하는 동안 기밀을 유지할 수 있도록 함을 특징으로 하고, 상기 입구대기실, 상기 제진/제습실, 상기 일련의 탈착실, 상기 출구대기실 및 상기 냉각실 사이를 상기 활성탄카트리지가 이동하는 동안 상기 도어의 열림과 닫힘을 공정단계별로 설정함에 있어;
(1) 단계 : 정상적인 제진/제습, 탈착 및 냉각 공정이 진행되는 단계에는 모든 도어가 닫혀 있으며,
(2) 단계 : 설정된 체류시간, 즉 탈착시간이 경과되면 먼저 상기 냉각실의 출구도어가 열려 냉각이 완료된 카트리지를 이동시켜 내보내고, 동시에 상기 탈착실들의 출구도어들이 모두 열리면서 카트리지가 한 칸씩 이동하며,
(3) 단계 : 탈착이 완료되어 출구대기실에 대기하던 카트리지는 상기 냉각실로 이동되고, 동시에 제진/제습이 완료된 카트리지는 첫 번째 상기 탈착실로 신규 진입이동하며,
(4) 단계 : 상기 입구대기실에 대기하던 카트리지는 상기 제진/제습실로 이동하며, 이 단계에서는 탈착과 냉각이 정상적으로 진행되며,
(5) 단계 : 외부에 있던 카트리지가 상기 입구대기실로 이동하여,
제진/제습, 탈착, 냉각의 연속공정 싸이클을 완료하게 되도록 고안된 활성탄카트리지 연속 열재생장치와 그 운전방법