[논문]수치해석 기법을 이용한 아크 플라즈마 반응기의 VOCs 분해성능 평가연구

박미정; 조영민

doi:10.5762/kais.2016.17.8.1

수치해석 기법을 이용한 아크 플라즈마 반응기의 VOCs 분해성능 평가연구
Numerical simulation of VOC decomposition in an arc plasma reactor 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.8, 2016년, pp.1 - 7

박미정 (경희대학교 환경응용과학과) , 조영민 (경희대학교 환경응용과학과)

초록
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수도권 대기관리권역 내에서 발생되는 휘발성 유기화합물(VOCs)를 규제하고 있다. VOCs는 산업 활동 및 일상생활에서 많이 쓰이고 있는 유기용제에서 발생되고 있다. 특히 주거지역과 인접하게 위치하고 있는 도장 공정에서는 다량의 유기용제를 사용하고 있으며, 그에 대한 영향이 크게 나타날 것으로 예상된다. 도장 공정에서 배출되는 VOCs을 제거하기 위하여 다양한 기술이 개발되고 있다. 최근 플라즈마를 이용하여 유해 VOCs를 고온에서 분해하는 공정이 제시되었는바, 본 연구에서는 반응기 설계에 앞서 전산유체역학기법을 사용하여 초고온 공정 수치해석을 실시하였다. 수치해석은 질량과 운동량에 대한 보존 방정식과 에너지 보존 방정식을 이용하였다. 원심력 반응기의 내부 유체유동은 내측 벽면을 타고 강한 선회류를 형성하면서 하부로 하강하는 것을 알 수 있었다. 플라즈마에 의한 고온 가스는 반응기 하부까지 영향을 주지만, 방사형 방향(radial direction)의 열전달은 거의 없는 것으로 나타났다. 시험용 VOCs인 톨루엔에 대한 분해효율을 계산한 결과, 반응기 전체에 대하여 67%가 얻어졌으며, 이는 실제 플라즈마를 이용한 실험실 규모의 실험 결과치인 약 70% 와 비교적 유사하게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

A range of techniques have been being developed to remove the volatile organic compounds from paining processes. High temperature decomposition of harmful VOCs using arc plasma has recently been proposed, and this work analyzed the extreme hot process by computer-aided fluid dynamics prior to the reactor design. Numerical simulations utilized the conservation equations of mass and momentum. The simulation showed that the fluid flowed down along the inner surface of the centrifugal reactor by forming intensive spiral trajectories. Although the high temperature gas generated by plasma influences the bottom of the reactor, no heat transfer in radial direction appeared. The decomposition efficiency of a typical VOCs, toluene, was found to be a maximum of 67% across the reactor, which was similar to the value (approximately 70%) for the lab-scale test.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

실제 plasma torch에서 발생하는 수천도의 온도를 직접 측정하기에는 무리가 있으며, 이에 대한 열대류 현상을 명확히 관찰하는 것은 용이하지 않다. 따라서 수치해석을 통해 반응기 내부에서 흐르는 유체에 대한 온도분포를 예측해보고, 고농도 톨루엔의 분해효율을 산출해보고자 한다. 이와 동시에 시험용 반응기를 통한 실험으로부터 유체분위기 조건과 기타 변수에 대하여 측정값과 계산 값을 비교함으로써 scale-up 설계에 대한 사전 검증의 가능성을 제시하였다.
본 연구에서는 전산유체역학 기법을 이용하여 플라즈마 반응기 내에서의 열 분포와 유동 현상을 고찰하였다. 실제 도장 공정에서 발생하는 휘발성 유기화합물의 목표 유량인 3 m³/min의 처리대상 가스가 접선 방향으로 빠른 속도로 유입되면서 강한 선회류를 형성하였으며, 토치에서 고온으로 가열된 공기는 오염가스의 안 쪽에서 하상선회기류를 형성하는 것을 구체화하였다.
본 연구의 목적은 CFD 모델을 이용하여 고온 플라즈마 반응기 내의 유동현상 및 온도 분포 등을 계산하여 열전달량을 예측해보는 것이다. 실제 plasma torch에서 발생하는 수천도의 온도를 직접 측정하기에는 무리가 있으며, 이에 대한 열대류 현상을 명확히 관찰하는 것은 용이하지 않다.
VOCs에 대한 연속분해반응을 유도하기 위하여 상대적으로 혼합효과가 뛰어난 접선유입 반응기 형태를 구성하였다. 이러한 반응기 내에서의 유체흐름 형태를 고찰하기 위하여 각각의 유입구로 유입되는 유체를 공기로 설정하여 단순화시킴으로써 계산의 속도를 높이고, 계산 결과에 대한 재현성과 이로 인한 신뢰성을 향상시키고자 하였다.

가설 설정

본 연구의 아크플라즈마 반응기에서 톨루엔은 함께 유입되는 충분한 양의 산소 분위기에서 산화·분해되는 것으로 설정하였다. 고온의 열매체에서 산소분자들은 크게 활성화되어 반응성이 매우 높은 상태를 유지하며, 톨루엔 분자와 접촉하여 궁극적으로 이산화탄소와 물 분자를 형성하면서 분해된다고 가정하였다.
본 연구의 아크플라즈마 반응기에서 톨루엔은 함께 유입되는 충분한 양의 산소 분위기에서 산화·분해되는 것으로 설정하였다.

제안 방법

VOCs에 대한 연속분해반응을 유도하기 위하여 상대적으로 혼합효과가 뛰어난 접선유입 반응기 형태를 구성하였다. 이러한 반응기 내에서의 유체흐름 형태를 고찰하기 위하여 각각의 유입구로 유입되는 유체를 공기로 설정하여 단순화시킴으로써 계산의 속도를 높이고, 계산 결과에 대한 재현성과 이로 인한 신뢰성을 향상시키고자 하였다.
k - ε 모델의 3차원 난류흐름과 대상 VOCs인톨루엔의 분해반응을 해석하기 위하여 유입유체의 유속과 압력, 열원에서 방출하는 온도, 유입가스의 농도 등을 변수로 선택하여 계산하였다.
반응기 중앙부에는 유체혼합이 존재하지 않는 현상이 뚜렷이 나타나는 바, 가스의 특성상 중력에 의한 자유낙하 흐름형태가 발생하지 않는 것을 고찰할 수 있다. 그러나 제한된 공간이 주어지는 현장의 도장 공정 후단에 적용하기 위한 필연적인 구조로서 원심력 반응기를 설정하였다. 또한 시험가스로서 휘발성유기화합물 가운데 대표적인 톨루엔의 현장 농도인 300 ppm을 대상으로 분해효율을 계산해 보았다.
계산영역은 3차원으로 Continuity residual 값이 10^-5 이하로 감소하면, 결과 값이 수렴되어 계산이 끝나도록 설정하였다. 또한 계산의 정확성을 향상시키기 위해 모든 변수를 Second order upwind 조건으로 지정하였다.
그러나 제한된 공간이 주어지는 현장의 도장 공정 후단에 적용하기 위한 필연적인 구조로서 원심력 반응기를 설정하였다. 또한 시험가스로서 휘발성유기화합물 가운데 대표적인 톨루엔의 현장 농도인 300 ppm을 대상으로 분해효율을 계산해 보았다.
반응기의 구조해석을 위한 첫 번째 단계로서 시험용 반응기 구조에 대한 유체 유입형태에 따른 내부 유동현 상을 고찰하였다. Fig.
본 연구에서는 전산유체역학 기법을 이용하여 플라즈마 반응기 내에서의 열 분포와 유동 현상을 고찰하였다. 실제 도장 공정에서 발생하는 휘발성 유기화합물의 목표 유량인 3 m³/min의 처리대상 가스가 접선 방향으로 빠른 속도로 유입되면서 강한 선회류를 형성하였으며, 토치에서 고온으로 가열된 공기는 오염가스의 안 쪽에서 하상선회기류를 형성하는 것을 구체화하였다.
상온의 순수공기와 VOCs를 함유한 오염공기의 혼합에 대하여 질량과 운동량에 대한 보존방정식(governing equation)을 사용하였다. 아울러 고온 열원이 있으므로 에너지 방정식을 추가적으로 적용하여 열전달량을 계산하였다. k - ε 모델의 3차원 난류흐름과 대상 VOCs인톨루엔의 분해반응을 해석하기 위하여 유입유체의 유속과 압력, 열원에서 방출하는 온도, 유입가스의 농도 등을 변수로 선택하여 계산하였다.
따라서 수치해석을 통해 반응기 내부에서 흐르는 유체에 대한 온도분포를 예측해보고, 고농도 톨루엔의 분해효율을 산출해보고자 한다. 이와 동시에 시험용 반응기를 통한 실험으로부터 유체분위기 조건과 기타 변수에 대하여 측정값과 계산 값을 비교함으로써 scale-up 설계에 대한 사전 검증의 가능성을 제시하였다.
지정된 농도의 톨루엔 가스 흐름은 상부의 화염이 분출되는 토치 주변으로 유입되면서 고온 분위기 가스흐름을 형성하며 하부 배출구까지 배출될 때까지 분해반응이 일어난다. 토치에서 발생하는 플라즈마 화염의 온도는 3000℃이며, 유입되는 가스 내 톨루엔의 농도는 300 ppm으로 지정하였다. 상부 좌우에서 동시에 진입하는 가스는 3 m³/min의 유량으로 12.
화학적 분해는 산화반응을 기초로 기상반응을 선정하였으며, 반응기 내부 압력은 1 기압을 유지시켰다. 톨루엔이 산소와 결합하면서 일으키는 반응은 발열 과정으로서 CO₂ 와 H₂O로 분해되면서 상당량의 열을 방출하였다. 따라서 반응을 고려한 수치계산에서 반응기 내부 온도분포를 재산정해 보았을 때, Fig.
7은 톨루엔의 분해로부터 발생하는 CO₂와 H₂O의 질량농도 분포도이다. 화학적 분해는 산화반응을 기초로 기상반응을 선정하였으며, 반응기 내부 압력은 1 기압을 유지시켰다. 톨루엔이 산소와 결합하면서 일으키는 반응은 발열 과정으로서 CO₂ 와 H₂O로 분해되면서 상당량의 열을 방출하였다.

대상 데이터

본 연구의 고찰대상인 Arc plasma 반응기의 형상은 Fig. 1에 도시한 바와 같이 2개의 유입구가 접선방향으로 장착되어 있는 원통형 사이클론 형태를 가지고 있다. 지정된 농도의 톨루엔 가스 흐름은 상부의 화염이 분출되는 토치 주변으로 유입되면서 고온 분위기 가스흐름을 형성하며 하부 배출구까지 배출될 때까지 분해반응이 일어난다.
수치해석을 위한 반응기 격자모델은 Workbench에 포함된 Geometry와 Mesh를 이용하여 10 mm의 크기로 정렬격자와 비정렬 격자를 혼합하여 약 123,000개의 Node와 약 690,000개 이상의 Element로 생성시켰다. 한편, 사용한 Eddy-dissipation 모델은 반응기 내에서의 화학반응 속도가 난류혼합에 의한 확산속도보다 훨씬 빠르다는 가정 하에 반응율을 계산하게 된다.
4는 톨루엔의 열분해가 시작되는 것으로 알려지는 1,400 K의 온도를 지니고 있는 열원체의 형상을 추출하여 도시한 결과이다[9]. 이 온도범위를 유지하는 열유체 몸체(thermal flow body)는 길이 400 mm, 폭 100 mm의 원추형으로 구성되어 있다. 따라서 이 열체와의 직간접적인 접촉이나 내부를 통과하는 흐름이 구성될 때, 톨루엔 분자는 파괴되기 시작할 것이다.

이론/모형

상온의 순수공기와 VOCs를 함유한 오염공기의 혼합에 대하여 질량과 운동량에 대한 보존방정식(governing equation)을 사용하였다. 아울러 고온 열원이 있으므로 에너지 방정식을 추가적으로 적용하여 열전달량을 계산하였다.
전산유체역학 패키지를 이용한 수치해석은 유체흐름과 열 및 물질전달량을 계산함에 있어서 기본적으로 필요한 연속방정식(Continuity equation) 및 운동방정식 (Momentum equation)과 반응기 내부 열전달을 해석하기 위한 에너지방정식(Energy equation)을 전산해석에서 고려하였다. 수치해석은 상용 CFD 패키지인 FLUENT 16.1을 사용하였다. 이러한 상용 전산유체역학 해석 패키지는 층류 및 난류 유동, 열전달 문제 및 화학반응문제, 다상유동 등 다양한 물리적, 화학적 현상 등을 예측할 수 있는 기능을 포함하고 있다[6].
전산유체역학 패키지를 이용한 수치해석은 유체흐름과 열 및 물질전달량을 계산함에 있어서 기본적으로 필요한 연속방정식(Continuity equation) 및 운동방정식 (Momentum equation)과 반응기 내부 열전달을 해석하기 위한 에너지방정식(Energy equation)을 전산해석에서 고려하였다. 수치해석은 상용 CFD 패키지인 FLUENT 16.

성능/효과

또한, 톨루엔은 열체가 집중되어 있는 부분에서 매우 낮은 농도 값을 보이는 바, 계산된 온도분포에 따라 톨루엔이 CO₂와 H₂O로 분해되는 경향이 있음을 확인하였다. 전산유체역학을 통하여 얻어진 이론적인 톨루엔의 분해 효율은 최대 67%까지이었던 것으로 반해, 실제 실험으로부터 나타난 톨루엔의 분해효율은 90% 이상이었다.
원통형 원심력장치에서 흔히 발견되듯이 반응기 내측벽 접촉면에서는 유속이 거의 존재하지 않고, 벽면에 접근하면서 접선속도가 극대화됨으로써 하향류의 추진력을 지니게 된다. 본 반응기에서 상부 토치로부터 유입되는 공기량이 매우 적을지라도 접선 유입 가스는 일반 사이클론 반응기의 vortex finder를 거쳐 상부로 유출되는 현상은 전혀 발견되지 않았다. 따라서 유량의 불균형에 따른 유입가스의 역류나 사영역(dead zone)이 형성되는 것으로 보이지는 않는다.
오염가스와 고온 토치가스흐름에 의해 형성되는 강력한 열대류 현상은 각각의 가스 유량차이로 인하여 약 320 – 350 K의 온도로 처리가스를 배출하는 것을 알 수 있었다.
O로 분해되는 경향이 있음을 확인하였다. 전산유체역학을 통하여 얻어진 이론적인 톨루엔의 분해 효율은 최대 67%까지이었던 것으로 반해, 실제 실험으로부터 나타난 톨루엔의 분해효율은 90% 이상이었다. 따라서 실제 반응기 내부에서 발생하는 유체의 반응 전환율이 훨씬 우수한 것으로 사료된다.
그러나 반응기 하부로 유체흐름이 이동하면서 혼합 및 희석효과가 일어나 미반응되는 톨루엔에 의한 농도 재변화가 발생하였다. 즉, 이론적인 계산은 배출 농도가 평균 100 ppm에 이르는 것으로 나타났으나, 실험실 실험에서는 10 ppm 이하의 매우 낮은 수준을 유지하였다. 이는 실제 반응기 내에 서의 열확산과 유체유동이 훨씬 활발하게 일어나고 있음을 입증해준다.

후속연구

평판형 전극으로 구성된 유전체 배리어 방전(DBD) 반응기를 이용하여 톨루엔을 최대 46% 저감됨을 확인하였으며 향후 실내 공간, 산업 후처리 사용 등 목표공간의 적용 가능성을 확인하였다[4]. 또한 석유화학공장에서 배출되는 고농도의 BTX를 Sliding Arc Plasma(SAP) 공정을 적용하여 벤젠 약 90%, 톨루엔 약 89%, 자일렌 약 84% 처리됨으로써 아크 플라즈마를 이용한 VOCs 제거에 대한 안정적인 처리와 다양한 기술 개발에 효과가 있을 것으로 기대된다[5].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	VOCs는 어디에서 많이 발생하는가?	하지만, 환경친화형 도료라 하더라도 일정량의 VOCs가 함유되어 있어 대기오염 등의 원인이 되고 있다. VOCs는 특히 산업 활동과 일상생활에서 많이 쓰고 있는 유기용제로부터 많이 발생하며, 그 중 페인트 도장 시설(64.1%), 세정시설(16.5%), 세탁시설(6.4%) 및 기타 유기용제사용(13.0%) 순으로 발생되고 있다[2]. 또한, 자동차 정비 보수도장과정에서 배출되는 VOCs의 배출량은 도장시설 범주 내에 차지하는 비율은 약 2% 밖에 되지 않지만, 주거지역과 인접한 곳에 위치하고 있어 그로 인한 영향이 더욱 크게 나타난다[3]. 따라서 환경부에 서는 2015년 1월 1일부터 대기환경기준에 대표적인 VOCs인 벤젠의 농도를 10 ppm 이하로 지정하고 있다.
	고온 플라즈마 반응기의 열전달량 예측을 위해 CFD 모델을 사용하는 이유는?	본 연구의 목적은 CFD 모델을 이용하여 고온 플라즈마 반응기 내의 유동현상 및 온도 분포 등을 계산하여 열전달량을 예측해보는 것이다. 실제 plasma torch에서 발생하는 수천도의 온도를 직접 측정하기에는 무리가 있으며, 이에 대한 열대류 현상을 명확히 관찰하는 것은 용이하지 않다. 따라서 수치해석을 통해 반응기 내부에서 흐르는 유체에 대한 온도분포를 예측해보고, 고농도 톨루엔의 분해효율을 산출해보고자 한다.
	VOCs 처리 방법은?	도장시설에서 발생되는 VOCs를 처리하는 방법으로 활성탄 흡착 또는 흡착 후 연소 등이 있으나, 활성탄 교체 주기, 재생시설 및 재생주기 등을 예측이 어려움이 있다. 축열식 소각로(Regenerative Thermal Oxidizer, RTO) 또는 재생 촉매 산화제(Regenerative Catalytic Oxidizer, RCO)의 효율은 높으나 설치면적이 넓어서 소형 도장설비에 적합하지 않다는 문제점이 있다.

참고문헌 (10)

The Special Act on Seoul Air Quality Improvement.
Ministry of Environment, "National Air Pollutants Emission", 2005.
Ministry of Environment, "Vehicle Maintenance Facility VOC paint Environmental Management Guidelines", 2004.
J. H. Park, Y. S. Jo, K. Y. Yoon, J. H. Byeon, J. H. Hwang, "Removal of Gaseous Toluene using a Plate-type Dielectric Barrier Discharge Reactor", Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, Vol. 26, No. 6, pp. 641-648, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.5572/KOSAE.2008.24.6.641

원문보기 상세보기
W. T. Kwon, L. S. Kwon, W. S. Lee, "BTX Treatment of a Petrochemical Plant by Sliding Arc Plasma", Transactions of Korean institute of fire science and engineering Vol. 29, No. 6, pp. 65-70, 2015.
Zhongzhong Zhang, "Computational fluid dynamics modeling of a continuous tubular hydrothermal liquefaction reactor", Thesis, University of Illinois at urbana-Champaign, 2013.
H. K. Versteeg, W. Malalasekera, "An Introduction to Computational Fluid Dynamics", The Finite Volume Method (Second Edition). Longman, New York, pp. 1-38, 2007.
C. S. Konig, M. R. Mokhtarzadeh-Dehghan, "Numerical Study of Buoyant Plumes from a Multi-flue Chimney Released into an Atmospheric Boundary Layer", Atmos. Environ, Vol. 36, pp. 3951-3962, 2002. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S1352-2310(02)00310-2

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M. A. Oehlschlaeger, D. F. Davidson, R. K. Hanson, "Thermal decomposition of toluene: Overall rate and branching ratio," Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 31, No. 1, pp. 211-219, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.proci.2006.07.002

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A. N. Trushkin, I. V. Kochetov, "Simulation of toluene decomposition in a pulse periodic discharge operating in a mixture of molecular nitrogen and oxygen", Plasma Physics Report, Vol. 38, No. 5, pp. 407-431, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1134/S1063780X12040083

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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