휘발성 유기화합물인 VOCs (Volatile Organic Compounds)는 주로 도색 공정이나 유기용제를 사용하는 업체나 세탁소 등에서 발생된다. 이는 다양한 형태의 탄화수소로 구성되어 있으며 대기 중에 방출되어 희석되므로 그 농도가 낮아 발열량이 크지 않기 때문에 일반 연소기로는 직접 소각처리가 어렵다. 본 연구에서는 이와 같이 저열량 가스인 VOC를 처리하기 위해 새로운 형태의 플라즈마-덤프 연소기를 제안하였다. 이 연소기는 플라즈마 버너와 덤프 연소기 그리고 3D매트릭스 버너의 특성이 조합된 형태로 이루어졌다. 따라서 본 연소기는 안정적인 화염형성과 VOC 분해에 필요한 충분한 분해온도와 체류시간을 확보할 수 있는 구조로 되어있다. 플라즈마-덤프 연소기의 성능특성을 규명하기 위해 모사 VOC를 톨루엔으로 하여 VOC 공급량과 농도 그리고 VOC 인젝터 위치 등에 대해 실험을 수행하였다. VOC 인젝터 위치를 바깥쪽으로 하여 톨루엔의 농도가 3,000 ppm인 VOC를 450 L/min 공급한 경우 VOC 분해효율이 89.64%이고 에너지 효율은 1.227 kg/kWh으로 기존의 연소기에 비해 우수한 성능을 보였다.
휘발성 유기화합물인 VOCs (Volatile Organic Compounds)는 주로 도색 공정이나 유기용제를 사용하는 업체나 세탁소 등에서 발생된다. 이는 다양한 형태의 탄화수소로 구성되어 있으며 대기 중에 방출되어 희석되므로 그 농도가 낮아 발열량이 크지 않기 때문에 일반 연소기로는 직접 소각처리가 어렵다. 본 연구에서는 이와 같이 저열량 가스인 VOC를 처리하기 위해 새로운 형태의 플라즈마-덤프 연소기를 제안하였다. 이 연소기는 플라즈마 버너와 덤프 연소기 그리고 3D 매트릭스 버너의 특성이 조합된 형태로 이루어졌다. 따라서 본 연소기는 안정적인 화염형성과 VOC 분해에 필요한 충분한 분해온도와 체류시간을 확보할 수 있는 구조로 되어있다. 플라즈마-덤프 연소기의 성능특성을 규명하기 위해 모사 VOC를 톨루엔으로 하여 VOC 공급량과 농도 그리고 VOC 인젝터 위치 등에 대해 실험을 수행하였다. VOC 인젝터 위치를 바깥쪽으로 하여 톨루엔의 농도가 3,000 ppm인 VOC를 450 L/min 공급한 경우 VOC 분해효율이 89.64%이고 에너지 효율은 1.227 kg/kWh으로 기존의 연소기에 비해 우수한 성능을 보였다.
VOCs (Volatile Organic Compounds) are generally generated in the painting process, or at the company and laundry where use organic solvents. The VOCs consist of various hydrocarbons and has low calorific value due to its dilution with atmospheric air. Therefore, the VOCs are difficult to burn by a c...
VOCs (Volatile Organic Compounds) are generally generated in the painting process, or at the company and laundry where use organic solvents. The VOCs consist of various hydrocarbons and has low calorific value due to its dilution with atmospheric air. Therefore, the VOCs are difficult to burn by a conventional fuel combustor. In this study, a novel plasma dump combustor was proposed for the treatment of low calorific VOC gases. This combustor was designed a combination of the characteristics in a plasma burner, a dump combustor and a 3D matrix burner. The combustor has good structure for maintaining enough residence time and reaction temperature for stable flame formation and VOC destruction. For investigating the performance characteristics of the plasma dump combustor, an experiment was achieved for VOC feed rate, VOC injector position, etc. Toluene was used as a surrogate of VOC. The novel combustor gave better performance than a conventional combustor, showing that VOC destruction rate and energy efficiency were 89.64% and 12.27 kg/kWh respectively, at feeding rate of 450 L/min of VOC of 3,000 ppm of toluene concentration.
VOCs (Volatile Organic Compounds) are generally generated in the painting process, or at the company and laundry where use organic solvents. The VOCs consist of various hydrocarbons and has low calorific value due to its dilution with atmospheric air. Therefore, the VOCs are difficult to burn by a conventional fuel combustor. In this study, a novel plasma dump combustor was proposed for the treatment of low calorific VOC gases. This combustor was designed a combination of the characteristics in a plasma burner, a dump combustor and a 3D matrix burner. The combustor has good structure for maintaining enough residence time and reaction temperature for stable flame formation and VOC destruction. For investigating the performance characteristics of the plasma dump combustor, an experiment was achieved for VOC feed rate, VOC injector position, etc. Toluene was used as a surrogate of VOC. The novel combustor gave better performance than a conventional combustor, showing that VOC destruction rate and energy efficiency were 89.64% and 12.27 kg/kWh respectively, at feeding rate of 450 L/min of VOC of 3,000 ppm of toluene concentration.
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문제 정의
본 연구에서는 이미 언급된 바와 같이 상기 3가지 기술이 융합된 새로운 형태의 일체형 플라즈마-덤프 연소기를 제안하였다. 제안된 연소기의 구조는 중앙 하단부에 플라즈마 버너가 위치해 있는데, 이는 버너 시동과 저발열량 연료의 지속적 연소유지가 가능하도록 하였다.
본 연구의 경우는 플라즈마 연소와 방전 분해, 덤프 캐비티 재순환 연소, 3차원 매트릭스 축열 초단열 연소기술을 융․복합적으로 적용하여 새로운 형태의 저발열량 열적처리 가스연소기를 개발하고자 하였다. 그 각 요소 기술들을 간략히 설명하면 다음과 같다.
제안 방법
모사 VOC의 농도변화에 대한 영향을 파악하기 위해 톨루엔의 농도를 각각 3,000 ppm, 6,000 ppm, 10,000 ppm로 변화시킨 경우에 대해 실험을 수행하였다.
배기 폐열의 회수를 위해 세라믹 재질로 되어 있는 허니컴 형태의 축열 차폐기를 3D 매트릭스 연소기 출구에 설치되어 있는 경우와 없는 경우에 대해 플라즈마-덤프 연소기 성능을 확인하였다.
배기가스 분석은 샘플링 포트에 온라인으로 연결된 두 대의 Micro-GC (CP-4900, Varian, Netherland)와 FID-GC (14B, Shimadzu, Japan)를 사용하였다. Micro-GC TCD는 A컬럼(Molsieve 5 A)으로 CO, O2를 측정하고, B컬럼(PoraPLOT Q,)으로 CO2, C3H8을 측정하였다.
본 실험에 적용된 플라즈마 방전은 고온 열플라즈마(Thermal Plasma)와 저온 플라즈마(Cold Plasma)의 특징을 동시에 가지고 있는 글라이딩 아크 방전(Gliding Arc Discharge)의 형태가 적용되었다. 이는 상압 조건에서 생성될 수 있는 다른 플라즈마와 비교하여 플라즈마 방전 영역과 에너지 밀도가 높은 특징을 가지고 있어 처리효율과 에너지 효율이 높다.
본 연구에서 새로이 제안된 플라즈마-덤프 연소기의 특성 중 하나는 기존의 연소기와 달리 덤프 캐비티 영역이 존재하여 VOC 분해 체류시간을 확보 한다는 것이다. 이는 덤프 연소기 상단 양측에 설치된 VOC 인젝터 주입위치에 따라 덤프 캐비티 내부 재순환 유동패턴이 달라진다.
상기에 언급된 변수의 실험결과를 규명하기 위해 연소 배출가스를 샘플링하고 분석하였다. 연소가스 샘플링은 플라즈마-덤프 연소기 배출구에 설치된 샘플링 포트(sampling port)에 샘플러(sampler)를 설치하여 유리섬유(glass wool)와 냉각기(cooler)에 의해 검뎅(soot)과 수분이 제거된 상태의 가스를 샘플링 하였다.
상기에 언급된 변수의 실험결과를 규명하기 위해 연소 배출가스를 샘플링하고 분석하였다. 연소가스 샘플링은 플라즈마-덤프 연소기 배출구에 설치된 샘플링 포트(sampling port)에 샘플러(sampler)를 설치하여 유리섬유(glass wool)와 냉각기(cooler)에 의해 검뎅(soot)과 수분이 제거된 상태의 가스를 샘플링 하였다.
이와 같이 새로이 제안된 플라즈마-덤프 연소기에 대해 VOC 분해 성능확인과 최적 운전조건을 제시하기 위해 처리가스 유량, VOC 주입위치와 농도, 축열 차폐기 설치여부에 대해 실험을 수행하였다.
플라즈마-덤프 연소기에 대한 VOC 분해특성과 에너지 효율을 파악하기 위해 VOC 공급량, VOC 농도, VOC 주입위치, 축열 차폐기(heat recuperator) 영향에 대한 변수별 실험을 수행하였다. 각각의 변수에 대한 실험조건 및 기준조건은 다음 Table 1과 같다.
플라즈마-덤프 연소기의 유량변화에 대한 VOC 분해특성을 규명하기 위해 덤프 하단에 설치되어 있는 보조 플라즈마 버너로 공급되는 보조연료인 메탄과 공기의 공급이 고정된 상태에서 덤프 양쪽 상부에 위치한 인젝터로 공급되는 모사 VOC의 유량을 변화시켜 가면서 실험이 수행되었다. 모사 VOC는 공기와 톨루엔이 희석 혼합된 것으로 톨루엔 농도가 3,000 ppm이다.
대상 데이터
본 연구의 실험에 사용된 장치는 플라즈마-덤프 연소기, 가스 공급라인, 전원 공급장치, 모니터링 및 분석라인으로 구성되어 있으며 Fig. 1과 같다.
플라즈마-덤프 연소기의 제어 및 모니터링은 Labview (National Instrument-SCXI 1001)를 이용하여 온도측정과 유량제어 그리고 각각의 작동 상태에 대해 모니터링 하였다. 온도측정은 열전대(K-type)를 이용하였으며, 톨루엔과 메탄의 유량은 MFC (Model : M3030 V, Linetech)를 이용하여 공급하였다.
성능/효과
VOC 공급유량이 증가됨에 따라 VOC 분해효율은 89.64%에서 83.35%로 다소 감소되고 에너지 효율은 12.27 kg/kWh에서 20.28 kg/kWh로 증가되었다.
VOC 주입위치는 덤프 캐비티 유동에 큰 영향을 주어 배기가스의 농도에도 영향을 나타내었다. 플라즈마 버너로 공급되는 보조연료의 완전연소를 위해서는 안쪽에서 VOC가 주입되는 것이 더 효과적인 상황이었다.
VOC의 농도 변화에 대한 변수는 농도가 3,000 ppm에서 10,000 ppm까지 증가함에 따라 분해효율은 91.42%에서 93.54%, 에너지효율은 12.44 kg/kWh에서 12.73 kg/kWh로 거의 변화가 없었다.
따라서 VOC 저감을 위해 제안된 플라즈마-덤프 연소기 특성상 분해효율을 만족하는 범위 내에서 최대한 연소기의 온도가 낮은 상태로 운전되고 부하변동에 분해가 잘 유지되어야 하는 특성상 축열 복사 차폐기를 설치하는 것이 효과적이다.
에너지효율 역시 VOC 공급유량과 전력의 변화 없이 상기에 언급된 VOC 분해율이 거의 일정하므로 이와 연동되어 큰 변화가 없다. 따라서 본 연구에서 제안된 플라즈마-덤프 연소기는 VOC 농도가 높은 경우에도 그 처리가 효과적이라는 것을 알 수 있다.
VOC 주입위치는 덤프 캐비티 유동에 큰 영향을 주어 배기가스의 농도에도 영향을 나타내었다. 플라즈마 버너로 공급되는 보조연료의 완전연소를 위해서는 안쪽에서 VOC가 주입되는 것이 더 효과적인 상황이었다. 하지만 본 실험에서는 바깥쪽에서 공급되는 것이 VOC 분해율과 에너지 효율 모두 높게 측정되어 바깥쪽이 본래의 VOC 연소기 목적에는 적합한 조건인 것을 알 수 있었다.
플라즈마 버너로 공급되는 보조연료의 완전연소를 위해서는 안쪽에서 VOC가 주입되는 것이 더 효과적인 상황이었다. 하지만 본 실험에서는 바깥쪽에서 공급되는 것이 VOC 분해율과 에너지 효율 모두 높게 측정되어 바깥쪽이 본래의 VOC 연소기 목적에는 적합한 조건인 것을 알 수 있었다.
후속연구
상기의 변수별 성능실험 결과를 통해 본 연구에서 개발된 플라즈마-덤프 연소기의 경우 VOC의 유량과 농도변화에도 효과적으로 대기오염기준을 만족시키면서 에너지 비용이 절감된 상태에서 VOC를 효과적으로 처리될 것이라 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
휘발성 유기 화합물이란 무엇인가?
산업의 발달과 다양화로 인해 생활환경에 직접적 피해를 주는 대기 오염물 중 하나인 휘발성 유기 화합물(Volatile Organic Compound, VOC)은 여러 다양한 작업공정에서 복합적인 성상의 형태로 배출되고 있다.
VOCs가 발생되는 곳은?
휘발성 유기화합물인 VOCs (Volatile Organic Compounds)는 주로 도색 공정이나 유기용제를 사용하는 업체나 세탁소 등에서 발생된다. 이는 다양한 형태의 탄화수소로 구성되어 있으며 대기 중에 방출되어 희석되므로 그 농도가 낮아 발열량이 크지 않기 때문에 일반 연소기로는 직접 소각처리가 어렵다.
VOC가 대기 중에서 일으키는 오염은 무엇인가?
VOC는 대부분 신경계 마비 등을 유발하는 발암물질이며 악취 등의 직접적인 피해를 주기도 한다. 또한 대기 중에서 NOx와 공존 시 광화학 반응을 하여 오존을 생성하는 2차 오염을 유발하는 물질이기도 하다.1) 대기 중 문제가 되고 있는 VOC는 주로 인위적인 배출에 기인하며 그 배출원은 주로 도색공장이나 유기용제를 사용하는 작업장 그리고 자동차 운행 시 다량 배출된다.
참고문헌 (9)
Lim, C. S., "Ozone forming potential by VOCs exhausted from motor vehicles," Konkuk University doctorate thesis (2002).
Kim, J. C., "Trends and Control Technologies of Volatile Organic Compound," Korean Soc. Atmos. Environ., 22(6), 743-757(2006).
Joung, J. K., "Decomposition of volatile organic compounds (VOCs) using synergistic combination system of non-thermal plasma (NTP) and catalyst," Korea University doctorate thesis (2012).
Yang, D. R., Azhari, C. H., Mohtar, W. H. W. and Lee, H., "Advanced VOCs decomposition method by gliding arc plasma" Chem. Eng. J., 131(1-3), 337-341(2007).
Kim, S. C. and Chun, Y. N., "Decomposition Characterist of Toluene Using a Glidarc Water-jet Plasma," Korean Soc. Atmos. Environ., 24(3), 329-335(2008).
Chun, Y. N., Chae, J. S. and Jung, O. J., "The Development of Hazardous Waste Compact Dump incinerator for Low Emissions," Korean Soc. Atmos. Environ., 16(6), 653-663 (2000).
Lim, M. S. and Chun, Y. N., "The Study of Model Biogas Catalyst Reforming Using 3D IR Matrix Burner," J. Korean Soc. Environ. Eng., 34(12), 840-846(2012).
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