VOC 방지시설 적용, 기술

악취 및 VOCs방지 시설의 적용 및 운영 기술

   

발표자 : 홍영기 대표이사

   

회사명 : (주)영엔지니어링

악취 및 VOCs 방지 시설이라 함은 종류가 다양하고 적용하는 방법에도 여러 가지의 경우가 있으므로 이를 모두 다루기에는 정해진 지면에서 매우 어렵기 때문에 일반적인 사항은 이미 공포된 환경부 "휘발성 유기 화합 물질 방지 시설 설계 지침"을 참고하기로 하고 여기서는 특별히 석유 화학 공정의 TANK 혹은 공정에서 배출되는 것과 원자재 생산 공장의 건조와 BAKE시 OVEN에서 발생되는 악취 및 VOCs 처리와 관련하여 실제 적용 경험 혹은 설계에 비추어 몇 가지 살피코져 한다.

Ⅰ. 석유 화학 공정 중 TANK나 공정에서 발생되는 악취 및 VOCs 처리 장치.

석유 화학 공정 중 저장 TANK나 생산 공정에서 발생되는 악취 및 VOCs를 처리하기 위해서는 첫째, 이를 포집 및 이송 수집하는 기술과, 둘째로 분해 혹은 흡착, 회수하는 처 리 기술로 대변된다.

원자재 생산 공장의 건조나 BAKE시 OVEN 등에서 발생되는 것과 달리 석유 화학 공장 의 TANK 혹은 공정에서 발생되는 VOCs는 분해 처리하는 기술보다 더 어려운 것이 적 정량을 포집하고 이송하는 기술이 더욱더 어렵다 볼 수 있다. 왜냐하면 안전 및 경제적인 차원에서 발생되는 조건 에 따라 이를 만족하게 설계하기에는 매우 어렵기 때문이다.

현재 연소 분해 설비(RTO, CO 등 연소장치)를 적용하고 있는 석유 화학 공장의 예를 들어 살펴보면 이를 쉽게 알수 있다.

포집량을 너무 크게 잡은 곳은 연료비 등이 과도하게 소모되며 풍량을 적게 잡던가 발생 량에 따라 적절치 못한 운전 방식을 채택한 경우에는 분해 장치의 과열 혹은 폭발 등의 안전 문제가 대두되기 때문이다.

1. TANK VENT GAS 포집시 주안점

(1)SEAL GAS를 불연성(N₂)이 아닌 공기를 사용하는 TANK VENT는 발생 시의 조건 을 정확히 측정할 것.

(2)발생 시 조건에 따라 포집 입구에서 희석 공기 주입이 적절하도록 설계할 것.

(3)BREATHER VALVE 등이 설치되고 LOADING 이나 UNLOADING이 일정치 않아 VENT량의 배출이 간헐적으로 일정치 않을 경우 평상시 (VENT 되지 않을 경우)에는 외부 공기의 흡입이 최소화되고 VENT시에도 VENT GAS가 충분히 희석되어 LEL 25% 이하로 유지 되도록 할 것.

(4)포집 된 가스의 이송은 기온이 낮을 때 등을 대비하여 액상 상태로 체류하는 현상이 발생되지 않도록 설계할 것.

(5)불가피하게 액상 상태와 기상 상태가 존재하고 공기와 같이 이송 할 경우 가능한 이송 속도를 1㎧ 이하로 하여 정전기 등의 발생을 방지할 것.

   

2. 악취 및 VOCs 연소 분해 장비 적용 설계 시 주안점

석유 화학 PLANT의 공정에서 발생되는 GAS 혹은 저장 탱크에서 VENT되는 GAS의 경우 농도가 고농도일 수 있으며 또한 여러 가지 석유 화학 제품 생산에 의해 가스의 발생이 다양함으로 이를 감안하여 안전하고 고효율로 처리되며 제2차 폐기물 등이 발생 되지 않으면서도 경제적으로 사용될 수 있는 장비의 설정은 필연적이다. 여기서는 석유 화학 공장에 적용되는 여러 가지 방식 중 원료로 회수하기 곤란한 합성 가스의 처리를 연소 방식에 의해 처리하는 것에 국한하여 살펴보기로 한다.

종전에는 석유 화학 공정에서 발생되는 대부분의 고농도의 공정 폐 GAS는 회수하여 연료로 사용 하든가 그렇지 않으면 FLARE STACK 에 의해 연소 처리하였다. 그러나 최근에는 이의 연소 효율이 낮고 때로는 연료비가 과다하게 소모되므로 선진국의 경우

FTO(무화염 열 산화)나 RTO(재생 열 산화법)등을 적용하는 경우가 늘어나고 있다. FTO 장치는 SWITCHING 밸브가 없는 RTO라 부르기도 하며 고농도 (10,000 ppmv)의 gas를 1-way로 gas를 흘러가게 하면서 연소열을 축열재에 축적시키고 간접적으로 인 입되는 gas를 가열 연소시키는 방식으로서 석유 화학 공정 중 일부 고농도 폐가스에 적용하기에는 적합하나 TANK VENT 등 농도가 일정치 않고 간헐적으로 발생되는 GAS의 처리로 부적절하다. 요즘 우리나라에서 가장 많이 적용하는 것은 여러 처리 방 법 중 RTO에 의한 방식이므로 이를 적용하기 위한 조건 및 주의점은 살펴보면 다음과 같다.

(1)RTO의 경우에는 다른 연소장치와 달리 축열재에 상당량의 열을

함유하고 있으므로 이를 감안하여 운전 조건 등에 대처할 수 있게 설계할 것.

(2)RTO의 경우에는 축열재로 CERAMIC을 사용하기 때문에 특성상 급격한 온도 변화 에 의해 SPALLING 및 SHOCKING 현상이 발생될 수 있으므로 이를 감안하여 인입 농도를 적절하게 유입 되도록 설계할 것. (10g/N㎥)

(3)TANK VENT의 경우 특히 TANK STATION의 저장 탱크의 경우 (울산 지역 J 혹 은 T회사의 경우)와 같이 장시간 고농도의 배출이 예상되는 경우 이를 감안하여

설계할 것.

(4)TANK VENT의 경우에는 TANK LEVEL 및 성상 에 따라 VENT GAS의 농도가 상당히 높을 수 있으므로 이의 조건을 철저히 검토하여 설계에 적용할것.

(5)RTO의 경우 축열된 상태에서 고농도 (LEL 25%)의 VENT GAS의 유입 시 에는 ㅿT가 300～400℃로 크게 되므로 이를 예측하여 운전 모드가 전환되도록 설계 할 것.

(6)고농도 유입 시에는 온도 상승이 순간적(수초 이내)으로 일어날 수 있으므로 이를 방 지 할 수 있는 설계 SYSTEM을 채택할 것.

(7)예측되는 모든 경우를 따져 어떤 경우에도 안전을 확보할 수 있게 설계할 것.

(장비 용량 및 운전 방식 등)

   

3. TANK STATION 설계 예

(1)설계 검토서

1)전체 TANK AREA는 1개의 AREA로 통합하여 각각 VENT되는 VOC FUME를 모아 처리하도록 함.

-TANK 운전은 25℃, BREATHER VALVE인

-25～75 mmAq를 기준으로 하였으며 동일 물질에 대해서는 동시 가동율을 1대로 선정 하였다.

-하루에 입고될 수 있는 TANK 개수는 종류별로 각각 1대이며 최대 6개소로 적용 하였으며 시간당 최대 입고량은 1,500 Nm³/hr(2,070 Nm³/hr 적용)를 적용하였다.

2)발생 농도의 산정은 달톤의 분압 법칙에 의해 산정하였고 이 값의 50 %로 적용함. (∴ 경험상 TANK의 VENT 농도를 측정하면 온도에 의한 분압 계산의 농도보다 훨씬 낮게(10～30% 이하) 발생된다. 그 이유는 TANK 내에 온도가 외부의 온도보다 낮게 유지되고 SOLVENT의 무게가 공기보다 무거워 하부의 농도가 높아지며 이 부분 에서의 분압이 이론치와 같이 되므로 상부의 농도는 상대적으로 낮게 유지되기 때문 이다.)

3)도표 #1(별첨)에 해당되는 TANK들로서 동시 VENT될 수 있는 TANK는 각기 발생물질이 다르고 PUMPING량이 다른 TANK 6개소를 선정하였다. 단, GASOLINE TANK VENT는 VENT시 농도가 상당히 높고 N₂ 봉입 TANK가 있으므로 DILUTION AIR를 넣지 않고 직접 RTO까지 이송, 50% 이상은 RTO BURNER에 주입하여 완전 연 소화시키고 50% 이하는 RTO INLET에 삽입하는 방식을 채택하여 안정적이고 경제 적인 방식을 채택하였다. 이때 RTO의 용량은 24,156 Nm³/hr이나 GASOLINE 연소시

열량이 4,500,000 kcal/hr 정도 발생되므로 이를 안정적으로 운전하기 위해서는 45,000Nm³/hr 정도의 용량이 요구된다. 그러므로 RTO 용량은 여유율을 감안하여 30,000 Nm³/hr를 선정(추후 TANK LORRY 등의 VENT 이송도 가능)하고 MAIN FAN은 45,000 Nm³/hr을 선정하여 MAX. 발생 조건인 GASOLINE이 3,000 ㎘/12hr 정도 LOADING 되더라도 원활한 운전이 가능하도록 하였다.

4)이때 6개소에서 발생될 수 있는 VENT량을 처리 할 수 있도록 하되 개소는 동일 물질을 입고할 수 있는 TANK의 개수가 제일 많은 것 중에서 1개씩 총6개소의 VENT량으로 하고 발생 POINT에서 LEL 25% 희석되어 이송될 수 있도록 하여 안전에 이 상이 없도록 선정함. 단, LEL 25%량이 PUMPING량보다 작을 경우에 PUMPING량에 20% 할증율을 더한 값을 VENT량으로 적용함.

5)상기에서와 같이 6개소의 TANK VENT량과 LOADING되지 않는 TANK의 LEAK 량을 합산한 VENT 풍량 25,256 Nm³/hr에 할증율을 적용하여 30,000 Nm³/hr로 선 정.(당 공장의 하루 최대 PUMPING량은 35,000Nm³/day(1,500 Nm³/hr)이므로 각 TANK별 PUMPING량군을 고려하여 상기와 같이 선정하였을 경우 2,070 Nm³/hr임 - PUMPING량 6개소 TANK 합산치)

* GASOLINE TANK는 LOADING시 GASOLINE VENT량이 너무 많으므로 LEL 25%로 희석하여 RTO까지 이송할 경우에는 DUCT SIZE가 너무 크므로 VENT량 그대로 RTO 근처까지 이송하는 방식을 선택하는 것이 경제적이겠다. 더욱이 이 TANK는 질소 CHARGING이 되어 있으므로 VENT량 그대로 이송하더라도 안전에는 전혀 문제가 없다. 단지 이론 계산대로 GASOLINE이 VENT될 경우 이를 그대로 RTO에 주입할 경우 에는 RTO가 급격히 온도가 상승되므로 이를 방지하기 위해 MAIN BURNER를 통해 직접 연소시키는 방식과 DILUTION AIR를 적당히 혼입하여 RTO에 공급하도록 하여야 한다.

특히 이 때 RTO는 FAN이 MAX.(45,000 Nm³/hr)으로 운전되어 1차적으로 안전 운전을 하게 되고 그래도 온도가 높아질 경우에는 HOT BY PASS 및 QUENCHING AIR 공급등이 작동하여 운전하도록 설계, 적용되었다. 또한 DETAIL 설계시보다 면밀히 검토하여 QUENCHING AIR 공급량을 적절하게 채택하는 것이 바람직하겠다.

6)FAN 용량은 RTO 용량보다 훨씬 많은 여유율을 적용하여 45,000 Nm³/hr의 용량을 선정하여 보다 많은 양이 동시에 배출될 때를 고려하여 처리할 수 있도록 선정함.

단, 질소 봉입된 GASOLINE VENT GAS는 별도의 FAN을 사용하여 RTO BURNER에 직접 공급하는 방식을 병행하여 채택함.

(2)경제성 검토

1) 운전 방식 채택

① MANUAL ON-OFF SYSTEM

MANUAL 운전방식은 각 TANK의 VENT DUCT를 DAMPER를 설치하여 LOADING에 따라 ON-OFF 방식으로 LOADING이 이루어지지 않을 경우에는 LEAK되는 양을 흡입할 수 있는 최소 용량 50 Nm³/hr만을 흡입 처리하고 LOADING시에는 발생량에 희석 공기를 주입 LEL 25%량으로 하고 이를 처리할 수 있는 양으로 VENT되게 하여 VOC FUME이 함유되어 있지 않는 일반 공기의 혼입을 최대로 억제토록 설계함.

이것은 TANK STATION의 경우 일반 생산 공장의 TANK와 달리 LOADING과 UNLOADING이 계속적으로 일어나지 않고 단속적으로 일어나기 때문에 일반 공장 과 같이 항상 일정량의 VENT량을 흡입하여 연소 장치로 처리할 경우에는 연료비가 너무 상승하기 때문이다.

② AUTO ON-OFF SYSTEM

AUTO ON-OFF SYSTEM은 DAMPER를 MANUAL로 ON-OFF 하지 않고 LOADING 및 BREATH VALVE OPEN시 자동으로 DAMPER를 OPEN하는 방식이 다. BREATH VALVE의 VENT는 TANK에 따라 다르지만 일정압 (예 100mmAq) 이상이 되면 OPEN되고 일정압 (예 50mmAq) 이하가 되면 CLOSE되는데 이 조건 을 이용 TANK BREATH VALVE INLET에 방폭형 PRESSURE S/W를 부착하여 BREATH VALVE가 OPEN되는 압력에서는 DAMPER를 자동으로 OPEN시키고 CLOSE되는 압력에서는 DAMPER를 자동으로 CLOSE시키는 SYSTEM이다.

이때 OPEN시에는 LEL 25%로 VENT GAS를 희석하여 이송시키고 CLOSE시에는 최소의 공기를 이송(자연 LEAK량)시킴으로써 아주 경제적이고 안정적인 운전이 가능한 장치이다.

또한 운전실에서 DAMPER의 OPEN-CLOSE 상태를 관찰할 수 있어 안전 운전에 바 람직하다. 초기 설치비가 많이 소요되는 것이 단점이다.

2) LOADING 운전 중 연료비 소모량 추정

RTO의 무연료 운전 조건은 도표 #3(별첨) FLOW HEAT BALANCE 에서와 같이 VOC 연소시 54,896 kcal/hr의 열량이 발생되며 BURNER의 열량이 필요치 않다. 즉 도표 #1(별첨)에서 보면 LOADING시 VOC 연소열이54,896kcal/hr 이하가 되는 TANK 는 초산 TANK에만 해당되므로 이외의 TANK는 1개소만 LOADING하더라도 무연료 운전이 가능하다.

3) LOADING이 전혀 없을 경우 운전 연료 소모량 추정 LOADING이 전혀 없을 경우에 는 모든 TANK의 VENT SOURCE는 DAMPER가 OFF가 되고 이 때는 최소의 풍량만

INVERTER FAN 및 DAMPER에 의해 처리되게 된다.

-최소 운전 풍량은 27개소 x 50 Nm³/hr =1,350Nm³/hr 이다.

LEAK량을 포함하여 장비 용량의 10% 풍량인 3,000 Nm³/hr로 운전된다고 하면 이 때 운전에 필요한 열량은 연소실 운전 온도를 유지하기 위한 열량 + 방열 손실 열량이므 로 FLOW HEAT BALANCE (도표 #3[별첨])과 같이

3,000 Nm³/hr x 24℃ x 0.32 kcal/Nm³․℃ + 30,000 kcal/hr = 53,040 kcal/hr 이다.

이 때 COMBUSTION AIR 손실 열량이 추가되므로 총 필요열량은 54,896 kcal/hr이다.

※ TANK LOADING이 거의 없는 시간을 연간 평균 40%로 적용하면 연중 필요 열량은

54,896 kcal/hr x 24 hr/day x 365 day/year x 40% = 192,355 Mcal/year이며

경유 650 원/ℓ을 적용할 경우

192,355 Mcal/year ÷ 8,600 kcal/ℓ x 650 원/ℓ ≒ 14,538,000 원/year 이다.

운전조건 변화․시간 등의 변화를 고려하더라도 연간 30,000,000원 정도의 연료비로 충분 히 운전될 것으로 예측된다.

(3)안전성 검토

1) 연소장치(RTO)를 안정적으로 운전하기 위해서는 크게 2가지 차원에서 생각할 수 있다.

∙고농도 유입으로부터의 폭발 및 역화방지

∙고농도 유입시 장비의 파손 등

첫째 고농도 유입으로부터의 폭발 및 역화방지 대책으로서는

①어떤 경우에도 LEL 이상의 GAS가 흡입되지 않도록 하여야 한다. 이를 위해서는 적절한 설계 적용과 운전이 필수적으로 요구된다. 이를 위해 VENT량을 공기로 희석, LEL 25%가 흡입되게 설계하고 운전 적용시에는 반드시 LOADING VALVE를 OPEN하기 전에 VENT DAMPER를 OPEN하여 설계 풍량으로 공기와 희석시켜 DUCT 내로 유입되도록 하여 한다.

②만약의 경우를 대비하여 안전 장치로 DUCT 내에 FRAME ARRESTER를 삽입하였 고 또한 RTO로 유입되기 훨씬 전에 MAIN DUCT에 LEL DETECTOR를 삽입하여 RTO로 처리하기에 부적절한 농도 혹은 안전 농도 LEL 25% 이상의 농도가 유입될 경 우 이를 적절히 대처할 수 있도록 설계되어야 한다.

둘째 고농도 유입시 장비의 보호 문제는 고농도를 미리 LEL DETECTOR(VOC ANALYZER)로 감지하여 RTO 흡입 전에 희석 공기를 주입할 수 있는SYSTEM을 채 택하고 또한 미리 RTO CHAMBER내의 열을 외부로 방출할 수 있는 HOT BY PASS DAMPER 및 QUENCHING AIR 공급 장치 등을 채택되어야 한다. 또한 고농도시 문 제가 될 수 있는 RCO나 BIO FILTER 등을 절대로 사용치 않고 이를 대처할 수 있는 CERAMIC을 삽입한 RTO를 적용 채택함이 바람직하겠다.(TOLUENE BASE로 RCO 의 경우 1,500 ppm 이하 BIO FILTER의 경우 500 ppm 이하가 적당함. 환경부 설계 지침서 참조)

Ⅱ. BAKE or OVEN의 EXHAUST GAS 처리

OVEN에서 발생되고 EXHAUST GAS의 처리는 생산 제품에 따라 발생량을 예측할 수 있고 생산 제품에 따라 거의 일정하게 배출되기 때문에 석유 화학 공장에서 발생되는 것 보다는 적용이 보다 안정적이고 경제적일 수 있으나 이의 적용 설계는 생산 제품에 따라 상당히 중요하기 때문에 석유 화학 공장에 적용하는 것 이상으로 면밀한 검토가 요구된다.

1. EXHAUST GAS량의 산정

TANK VENT의 경우에는 LEL 25% 등을 맞추어 설계하면 되지만 생산 OVEN에서 발 생되는 GAS의 배기량은 다음 3가지 조건에 의해서 결정된다.

(1)OVEN 내의 온도가 고온 (발화온도 이상) 이기 때문에 LEL 25% 이하로 배출될 수 있 게 안전 풍량으로 설계할 것.

특히 OVEN내 설계가 배출되는 SOLVENT를 적절히 배기 될 수 있는 SYSTEM으로 설계할 것.(정체 현상이 없도록 설계)

(2)제품의 질을 유지할 수 있는 최적의 풍량으로 설계할 것.

(내부 TAR 정체 등에 의한 품질 저하 방지 등)

(3)OVEN의 개구부를 통해 실내로 OVEN내의 GAS가 확산되지 않도록 배기 풍량을 결정 할 것.

이상과 같이 생산 OVEN의 경우에는 3가지 조건에 의해 만족할 수 있는 풍량으로 결정 하면 되지만 LEL 25%에 가까운 고농도의 SOLVENT가 배출될 경우 연소 처리할 경우에는 연소 장비의 선택에 따라 이에 맞게 적절한 풍량을 재산정하여 적용할 필요가 있다. 즉 종전에 가장 많이 적용한 TO(열산화법)의 경우에는 농도를 LEL 25%이하로 유입하면 문제없으나 CO(촉매 소각)나 RTO(재생 열 산화법)의 경우에는 장치의 특성상 연소시 상승 온도에 의한 농도를 감안하지 않으면 장치를 사용할 수 없기 때문이다.

2. OVEN의 배가스 처리 연소 장치의 선택

종전의 경우 OVEN에서 배기되는 배가스의 연소 처리 장치로 유럽이나 미국의 경우에 는 TO가 가장 만이 적용되었고 가까운 일본의 경우에는 CO가 가장 많이 적용한 것으로 되어있다. 그러나 우리나라에서는 연소법에 의한 방식의 적용이 늦어져 대부분 OVEN에 서 발생되는 GAS를 냉각한 후 흡착탑으로 흡착 처리하는 비효율적이고 비경제적인 방식 을 적용하여 왔다.

그러나 이 방식 즉 OVEN에서 발생되는 VENT GAS를 물로 직접 냉각시킨 후 흡착이 나 흡수 방식에 의해서 처리하는 방식은 철저히 근절되어야 한다. 왜냐하면 아주 비효율 적이고 비경제적이며 제2차 오염 물질 (폐수 혹은 폐기물)의 발생이 유발되기 때문이다.

OVEN에서 발생되는 SOLVENT의 처리 장치의 선정은 생산 조건 즉 생산 시간, 배가스 성상, 농도, 온도 가스량에 의해 대체적으로 다음과 같다.

(1)TO 설비의 적용

-TANK 및 분진 등이 함유되고 농도가 비교적 높을 경우

(분진이 많이 함유 되었을 경우에는 별도 처리 필요)

(2)RTO 설비의 적용

-농도가 비교적 낮고 풍량이 클 경우

(3)CO 설비의 적용

-농도가 비교적 높고 풍량이 적을 경우

-촉매독이 함유되지 않은 경우

(4)RCO츼 경우

-농도가 낮고 풍량이 클 경우 촉매독이 포함되지 않은 경우

※상기의 설비는 열회수 장치 (열매체유 혹은 HOT AIR 등)와 겸용하여 선택되면 아주

경제적임

3. BAKE & DRY OVEN 배가스 연소장치 적용 설계 예

(1)GENERAL

1)일반사항

본 기술사양서는 COATING OVEN에서 발생되는 휘발성 유기용제 및 악취물질을 함유한 VOC FUME을 법적허용 기준치 이내로 정화 처리하여 배출하므로써 주변환경 을 쾌적하게 개선하기 위해서 경제적이며 정화효율 및 에너지 효율이 우수한 축열식

연소설비 (RTO)를 시설하는 것이다.

설비의 개략적인 내역은 에너지 효율이 우수한 축열식 연소설비를 설치하여 배기 가 스를 연소 정화시키면서 연소열을 축열재에 축열 재이용하므로써 거의 무연료 운전 이 가능하게 하였으며, 축열식 연소 설비에서 배출되는 배기 가스중 일부를 열매 H/E 를 이용하여 에너지 이용 합리화를 극대화시킨 SYSTEM이다.

2)DESIGN BASIS

2-1)DESIGN CONDITION

①배출시설 : COATING OVEN 5기

②배기가스 발생조건 : 24,000 Nm³/hr @ 150℃(400 Nm³/min)

③유기용제 발생량 : 유기용제 발생량 및 풍량산출참조

④작업시간 : 20 hr/일, 300 일/년

⑤설치위치 : 실내/실외

⑥방폭구분 : 비방폭 기준

⑦UTILITY : 각사 UTILITY 조건 명시

2-2)DESIGN BASIS

①방지시설 운영 : 24,000 Nm³/hr

②배출가스 온도 : 150℃

③유기용제 발생량 : 225 Kg/hr

④유기용제 발열량 : 1,907,665 Kcal/hr

⑤ΔT (상승온도) : 248℃

⑥외기온도 : 20℃

⑦처리효율 : 95%

⑧THERMAL EFFICIENCY: 95%

⑨방지시설 SYSTEM : 2-BED RTO SYSTEM

2-3)GUARANTEE CONDITION

①처리효율 : 평균 95% 이상

②THERMAL EFFICIENCY: 95 %

③CO : 평균 50ppm 이하

④THERMAL NOx : 평균 50ppm 이하

* 현행법규 및 DESIGN 조건

   

분류	현행법규	DESIGN	GUARANTEE	비고
CO	600 ppm	30 ppm	50 ppm
NOx	200 ppm	30 ppm	50 ppm	THERMAL NOx에 한함.
THC	처리효율 90%	처리효율 98%	처리효율 95%
악취	2도	1도	1도

(2)SYSTEM CALCULATION

1)VOC QUANTITY & HEAT VALUE

①VOC QUANTITY

- 발생량 : 225 kg/hr

- 발생열량 : 1,907,665 kcal/hr

②VOC 산화에 의한 온도상승 : 248℃

2)REACTOR RESIDENCE TIME

①DESIGN PARAMETER

㉠EXHAUST AIR ANALYSIS

-EXHAUST AIR FLOW : 24,000 Nm³/hr

- COMBUSTION AIR : 3,000 Nm³/hr

㉡OPERATING TEMPERATURE : 850℃

㉢RESIDENCE TIME : 1 sec

②ACTUAL FLOW

:(24,000 Nm³/hr ÷ 60 min/hr) x (273 + 850) /273 ≒ 1,645 m³/min

③INSIDE VOLUME REQUIRED

: 1,645 m³/min ÷ 60 sec/min x 1sec ≒ 27.4 m³

④INSIDE VOLUME : 28 m³ 이상

⑤RESIDENCE TIME : 1.0 sec

3)FORCED DRAFT FAN

①PRESSURE DROP

OVEN EXHAUST DUCT 50 mmAq

RTO 350 mmAq

STACK 50 mmAq

FILTER BOX 50 mmAq

OVEN SUPPLY DUCT 150 mmAq

OTHERS 50 mmAq

   

I.D FAN -300 mmAq

TOTAL 400 mmAq

②FLOW RATE 500 Nm³/min (FAN 선정)

③TEMPERATURE 150℃

④FORCED DRAFT FAN

- MOTOR POWER (INVERTER MOTOR)

(500 x 400) ÷ (6,120 x 0.65) x 1.2 x (273 + 150) ÷ 293 ≒ 87 KW (120 HP)

4)INDUCED DRAFT FAN

①FLOW RATE 500 Nm³/min (FAN 선정)

②TEMPERATURE 200℃

③INDUCED DRAFT FAN - MOTOR POWER

(500 x 300) ÷ (6,120 x 0.65) x 1.2 x (273 + 200) ÷ 293 ≒ 73 KW (100 HP)

(3)SYSTEM DESCRIPTION

1)일반사항

RTO 장비는 고효율의 축열방식 열교환기를 이용하여 폐가스를 높은 열에 의하여 산화시키는 시스템이다. 작동원리는 다음의 그림에서 나타난 바와 같다.

   

각각의 축열 CHAMBER에는 CERAMIC MEDIA BED가 있어서 열을 축적하는 역할 을 하며, 이것은 폐가스가 통과하는 방향에 따라서 열을 축적하기도 하고 방산하기도 한다.

포집되어 이송되는 낮은 온도의 폐가스는 CHAMBER A에 도달하여 CERAMIC

MEDIA BED를 수직으로 통과하게 되며 이때 이 폐가스는 축열된 CERAMIC BED에 의해서 가열된다. (CERAMIC BED는 이미 전단계에서 상당히 가열되어 있다.) 가열은 산화에 필요한 온도 (오염물질 종류에 따라 다소 차이가 있으나, 약 850℃) 에 근접하 게 이루어지며, 결과적으로 동 CHAMBER A CERAMIC BED의 온도는 열교환 원리 에 의하여 상당히 하강하게 된다.

산화에 필요한 온도는 보조연료를 사용하거나 혹은 폐가스에 함유된 VOC가 충분한 발열량을 가지고 있을 경우 동 폐가스 중에 포함된 VOC의 자체 연소에 의해서 이루 어진다.

산화에 필요한 폐가스의 평균 체류시간(RETENTION TIME)은 약 1초이다.

산화된 폐가스가 CHAMBER A를 떠나서 CHAMBER B의 CERAMIC BED를 수직 하향 방향으로 통과하게 되며 이때 CERAMIC BED (전단계에서 이미 COOLING 상태 에 있음.)는 축적되어서 다음 SEQUENCE에 폐가스를 받아들일 수 있는 상태에 있게 된다.

이때 SYSTEM 은 SWITCHING 되어 CHAMBER B로 폐가스가 유입되고 CHAMBER A로 유출되는 과정을 반복하게 된다.

시스템의 ONE CYCLE은 오염물질의 양과 성질과 같은 구체적인 공정조건에 따라서 차이가 있으나 일반적으로 약 90～180초 정도 걸린다.

RTO SYSTEM의 설계는 다음과 같은 사항을 고려하여 선택되어 지는 것이 바람직 하겠다.

- 폐가스의 량과 VOC 농도의 변화에 따른 시스템의 적응성

(FLEXIBILITY) ; 전열면적이 넓은 HONEYCOMB TYPE의 축열재를 사용하여 이 러한 변화에 용이하게 적응할 것.

- 재생된 열을 사용하여 폐가스를 VOC 산화온도에 근접하게 예열시키므로 보조연료 가 최소로 될 것. (VOC FUME 정상 발생조건하의 운전시에는 보조연료가 전혀 필 요없음)

- 보조연료가 거의 필요없으므로 2차 오염물질 (예: NOx, CO₂) 의 발생이 매우 낮을 것.

- 축열재를 BY-PASS 시켜 산화온도를 조절하므로써 운전조건이 변화하더라도 시스 템을 안정화시킬 수 있도록 하고 VOC 제거효율이 아주 높을 것.

- 설비의 설계와 운전조건을 단순화하고 보수 유지비용이 저렴하고 장비의 수명이 길 어야 한다..

2) FACILITY DESCRIPTION

본 설비의 RTO SYSTEM은 이 분야에 많은 경험을 축적하고 있는 선진국의 기술을 바탕으로 하여 설계 적용되어야 한다. 본 SYSTE은 그동안 가장 많이 적용된 2 CHAMBER TYPE을 적용하였으며, VOC 농도변화에 완벽하게 적응할 수 있는 설계로 되어 있다.

축열식 연소설비는 2개의 CERAMIC MEDIA CHAMBER, COMBUSTION CHAMBER 1개, BURNER SYSTEM SWITCHING VALVES & IN/OUT MANIFOLD으로 구성되어있다.

본 설비 의 VOC 정화효율은 95% 이상이다.

COMBUSTION CHAMBER

COMBUSTION CHAMBER는 폐가스 기밀상태를 완벽하게 유지하도록 철판 용접구 조로 되어 있으며 철구조물 위에 설치되고 각각의 열교환용 CERAMIC CHAMBER 들은 FLANGE 연결 구조이며 모든 부분품들은 운송사정이 허락하는 한 최대한 사전 조립되어 현장으로 이송된다. COMBUSTION CHAMBER의 운전온도는 850℃ 이며 최대 설계온도는 1,100℃로 되어 있으며 체류시간은 운전온도인 850℃에서 최소 1초 이상이 되게 하였다.

COMBUSTION CHAMBER는 내부에 CERAMIC Y-MODULE (PYRO-BLOC) 200t INSULATION 구조로 되어있다. 이러한 내부 표면의 단열은 다음과 같은 장점이

있다.

- 총 장비 중량의 감소

- THERMAL SHOCK에 강함.

- 온도차이에 덜 민감하므로 가열시간이 단축됨.

- 연소실에서 온도를 제어하기가 용이함.

- 손상될 경우 수리가 용이함.

CERAMIC MEDIA CHAMBER (CERAMIC HEAT EXCHANGER)

본 시스템에 적용되는 열회수용 축열재는 95% 열효율을 갖는 축열 성능이 우수하고 압력손실이 최소가 되는 HONEYCOMB TYPE CERAMIC MEDIA를 선정하였다.

BURNER SYSTEM

RTO 설비의 BURNER SYSTEM은 GAS TRAIN과 BURNER CONTRO SYSTEM 을 갖는 1개의 BURNER로 구성된다. BURNER는 신뢰성이 가장 높은 ECLIPSE 社 혹은 동등이상 제품을 사용하였으며 설비의 특성을 고려하여 20:1의 TURNDOWN RATIO를 갖도록 하였다.

GAS TRAIN은 NFPA의 승인된 제품을 사용하였다.

VALVE

INLET, OUTLET VALVE는 POPPET TYPE으로 100% 밀폐가 가능한 특수 구조이 며 450℃, 500 mmAq까지 견딜 수 있으며 공압 실린더에 의하여 작동된다.

FORCED DRAFT FAN & INDUCED DRAFT FAN

설비의 특성상 안정성 및 동력을 고려하여 INVERTER 압입 송풍 방식와 유입 송풍 방식의 TURBO TYPE의 송풍기를 선정하였다.

또한, FORCED DRAFT FAN INVERTER를 적용하여 운전조건에 따라 MOTOR의 회전수를 조절할 수 있어 동력비를 절약할 수 있음.

CONTROL PANEL

NEMA-4 CONTROL PANEL로서 CONTROL SWITCH, TEMPERATURE CONTROLLER / RECORDER, HIGH LIMIT, FUSES, PUSH BUTTON, INDICATING LIGHT, CONTROL TRANSFORMER, PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER 및 BURNER MANAGEMENT SYSTEM으로 구성된다.

PANEL은 NEC STANDARD로 구성되며 REMOTE 운전이 가능하도록 하였다.

PLC는 ALLEN BRADLEY SLC 500을 사용하였다.

INSTRUMENTS

RTO에 필요한 INSTRUMENTS는 사양에 맞게 공급 (PNEUMATIC 혹은 CYLINDER TYPE) 한다.

연돌 및 점검구 설치

연돌은 대기배출이 잘 되는 타입으로 제작하고 점검구와 점검사다리 및 안전대가 설 치되어야 한다.

OTHERS -INSULATION

모든 설비의 표면온도는 외부온도 +50℃가 넘지 않도록 보온한다.

3)폐열회수설비 (풍량 배기조건 및 열매유 공급조건)

3-1)열매 H/E

축열 연소설비에서 생성된 고온의 폐가스를 BY-PASS 시켜 이를 열매체 H/E을 통 과시키므로서 열매유를 적정열량까지 HEATING 시키고, 이를 OVEN에 공급함으로서 에너지 합리화를 극대화시키는 장치이다. 즉, 일정량의 VOC FUME이 발생되면 자 체열에 의해 VOC FUME을 완전연소화 시키고 공정에서 필요한 열량만큼을 BY-PASS 시켜 열매유를 가열시키는 SYSTEM이다. 이때 열매유가 OVEN에 필요로 하는 적정한 온도를 공급하게 된다.

3-2) 배기풍량 배기조건

VOC FUME의 연소설비가 1대이고, 배기되는 가동 조건에 따라 RTO의 부하가 신속 하게 또한, 정확하게 대처하여 처리하여 주지 않으면 안된다. 이를 위해서는 OVEN 배 기 FAN 각각에 신속하게 대처할 수 있는 DAMPER CONTROLLER를 삽입하고 MAIN FAN은 INVERTER를 사용하여 어떤 경우에도 각각의 OVEN 배기가스량이 적정량 을 배출하는 것은 물론, 운전 중인 OVEN의 배기가스량이 흔들림이 없도록 설계하였다.

3-3) 열매유 공급조건

배기량의 BALANCE 못지않게 중요한 것이 열매유 공급조건이다. 이는 850℃의 HOT GAS를 직접 열매를 통과시켜 열을 회수할 경우 경우에 따라서는 열매유의 탄화 등에 의해 손상 될 수 있기 때문에 순환 FAN을 삽입하여 적정 온도로 냉각하여 줌으로서 안전을 유지하고 열 교환 효율을 극대화 시켰으며 이 장치는 열매유 순환 계통이 고장 났을 경우 특히 보완 장치로 사용 될 수 있다. 또한 OVEN의 부하변동에 따라 온도 SENSOR의 값을 PLC에 의해 적산 열매 H/E의 부하를 조절해 줌으로서 어떤 경우에든 지 일정온도의 열매유를 공급하므로서 공정에 지장이 없도록 하였다. 이를 위해 공급온도 및 회수온도의 조건을 감지하고, 이를 합산 적용하여 제어하는

2 STAGE 2 POSITION 제어방식을 채택하였다.

(특허 제 0314112호)

VOC GAS 처리방법

   

구 분	축열식 연소장치 (RTO)	비 고
운 전 원 리	축열에 의한 직접 열교환 방식으로 VOC GAS가 연소될 때 발생되는 열량을 CERAMIC 축열재를 이용 축열시키고, 이 축열된 열로 VOC GAS를 승온시켜 VOC GAS를 적정하게 연소시켜 처리하는 장치임. 연소실 운전온도 : 760～850℃
설 비 특 징	- 열회수 효율이 아주 높다. (95% 이상) - VOC GAS 풍량이 클수록 경제적임. - 적용범위가 크다 - VOC GAS 온도가 상온이나, 낮은 경우 유리하다. - VOC 제거효율이 높다. (2-BED 95%이상, 3-BED 99%이상)
장 점	- 열회수 효율이 아주 높다. (95% 이상) - 단일기기로 대용량 처리가 가능. - 같은 조건일 경우, 다른 기기와 비교해 보조연료 사용량을 최소화 할 수 있다. - VOC 처리효율이 높다. - 처리 GAS 성분 중 촉매독 성분에 대한 제한을 받지 않으므로 적용 범위가 크다. - 고온운전이면서 NOx 발생 비율이 낮다. (THERMAL NOx 30 ppm 이하) - 배출 GAS 온도가 낮아 후단 부대 설비 관리가 용이하다. - 설비운전에 운전자 숙달도가 별로 중요하지 않다. - 설비가 단순 간결하므로, 유지관리가 용이하고 고장 발생 빈도가 타기기에 비해 매우 낮다. - 소모품이 거의 필요 없으며, 내구기한이 제일 길다. - 운전중 VOC 농도가 변해도 적응운전이 용이하다.
단 점	- 설비비가 비교적 고가이다. - 동력 (전기) 사용량이 비교적 많이 필요하다. - 설치면적이 비교적 많이 필요하다. - 설비 중량이 크다.

   

구 분	축열식 연소장치 (RTO)	비 고
적용가능 VOC농도	∙TOLUENE 1,139 ppm MEK 1,165ppm DMF 288ppm	solvent 총발생량 225Kg/hr 적용
VOC 처리효율	∙ 2 BED TYPE : 95 % 이상 (3 BED TYPE : 99% 이상)
예상수명	∙ CERAMIC HONEYCOMB : 10년 (운전조건에 따라 다소 차이가 있을 수 있 음)
VOC 발생열량	∙ 400 Nm3/min 기준 ∙ 1,907,665 kcal/hr	620m3/min@150℃ 적용
연료 소모량	∙ 초기가동시 : 2,000,000kcal/hr÷10,500kcal/Nm3×1hr/회× 300회/년≒57,143Nm3/년 ∙정상운전시 : 300,000kcal/hr÷ 10,500kcal/Nm3 ×20hr/day×300일/년 ≒ 171,429Nm3/년 ∙ 총소모량 : 171,429Nm3/년+57,143Nm3/년 = 228,572Nm3/년 (운전조건에 따라 다소 차이가 있을 수 있음)	계산상 정상운전시 소모량은 120,975Kcal/hr 이나 여유율을 감안하여 300,000Kcal/hr을 적용
연료비	∙ 풍 량 : 400 Nm3/min @ 150℃ ∙ 가동시간 : 20 hr/일 x 300 일/년 ∙ 사용연료 : LNG (10,500 kcal/Nm3) ∙ 연 료 비 : 388원/Nm3 228,572Nm3/년×388원/Nm3 = 88,685,936원/년	연료 발열량 및 단가는 대구도시가스에 문의하여 금년도 기준으로 적용
동력비	∙ 풍 량 : 400 Nm3/min @ 150℃ ∙ 가동시간 : 20 hr/일 x 300 일/년 ∙ 전 력 비 : 60원/1Kwh 150Kw×20hr/day×300day/년×60원/Kwh = 54,000,000,원/년	FAN 설치 용량은180Kw 이나 invter 사용시 실제 소모량을 계산 적용

   

구 분	축열식 연소장치 (RTO)	비 고
년 간 총 운 전 비 용 (연료비 및 전력비)	‧ 연료비 + 전력비 ＝ 88,685,936 원/년 + 54,000,000 ＝ 142,685,936 원/년
연 간 이 익 금 액	① 열회수 금액 및 운전비 대비 (1,209,600Kcal/hr+1,350,000Kcal/hr)÷10500Kcal/Nm3 × 20hr/day ×300day/년 × 388원/Nm3 ≒ 567,499,885원/년 ② 개선전 연료소모비 및 개선후 운전비 대비 49,884,000원/월×12월/년-142,685,936원/년 =455,922,064원/년
비 고	∙ 상기 년간 이익차액을 개선전 추정 연료 소모비 - 개선후 이론 연료 소모비로 적용할 경우 49,884,000원/월 × 12월/년 - 142,685,936원/년 = 455,922,064원/년 즉 최소한 4억 정도의 운전비 절감효과가 있을 것으로 계산됨. 더욱이 연료비 상승이 매년 증가하는 것과 환경법 이 강화됨에 따라 환경장비 운전비 상승을 고려할 경우에 더욱더 큰 이익이 될 것으로 예측함

※ 이론적인 계산비교이므로 실제는 다소 차이가 있을 수 있음.

※ 연료비 및 동력비는 현지 사정에 적합하게 조정되어야 함.

※ 연료비는 운전조건 (START-UP 횟수) 등에 따라 다소 차이가 있을 수 있음.