본 연구에서는 주요한 휘발성 유기화합물의 발생원인 도장공장 중에서 중소규모의 공장에 적용 가능한 저온 vacuum swing adsorption (VSA) 기술에 대하여 연구하였다. 저온 VSA 기술이란 기존의 thermal swing adsorption (TSA)의 단점을 보완하기 위하여 저온($60{\sim}90^{\circ}C$)에서 감압하여 흡착질을 탈착하는 방식이다. 국내에서 시판되고 있는 상용 활성탄을 이용하여 대표적인 VOCs인 톨루엔의 흡 탈착 특성을 랩(Lab)규모로 실험하였으며, 이를 바탕으로 $30m^3min^{-1}$ 규모의 VSA 시스템을 설계하여 실제 도장 공장에 적용하여 VSA 시스템의 현장적용 가능성에 대하여 평가하였다. 랩 규모 실험 결과, 2 mm 펠렛형 활성탄은 4 mm 펠렛형 활성탄보다 높은 톨루엔 흡착능을 나타내었으며, 이에 파일럿 규모의 VSA의 충진 활성탄으로 사용되었다. 탈착 실험에서는 $80{\sim}90^{\circ}C$의 온도와 100 torr의 압력이 최적 조건으로 결정되었다. 랩 규모 실험 결과를 바탕으로 파일럿 규모 VSA 시스템을 설계하였으며 실제 도장 공장에 현장 적용하여 95회 흡 탈착 실험을 반복 수행하였다. 수행 결과, 연속 흡 탈착 반복실험 후, 도정공장에서 배출된 VOCs를 98% 이상 효과적으로 제거 가능함을 확인하였으며 VSA 시스템의 안정적인 현장 적용이 가능함을 검증하였다.
본 연구에서는 주요한 휘발성 유기화합물의 발생원인 도장공장 중에서 중소규모의 공장에 적용 가능한 저온 vacuum swing adsorption (VSA) 기술에 대하여 연구하였다. 저온 VSA 기술이란 기존의 thermal swing adsorption (TSA)의 단점을 보완하기 위하여 저온($60{\sim}90^{\circ}C$)에서 감압하여 흡착질을 탈착하는 방식이다. 국내에서 시판되고 있는 상용 활성탄을 이용하여 대표적인 VOCs인 톨루엔의 흡 탈착 특성을 랩(Lab)규모로 실험하였으며, 이를 바탕으로 $30m^3min^{-1}$ 규모의 VSA 시스템을 설계하여 실제 도장 공장에 적용하여 VSA 시스템의 현장적용 가능성에 대하여 평가하였다. 랩 규모 실험 결과, 2 mm 펠렛형 활성탄은 4 mm 펠렛형 활성탄보다 높은 톨루엔 흡착능을 나타내었으며, 이에 파일럿 규모의 VSA의 충진 활성탄으로 사용되었다. 탈착 실험에서는 $80{\sim}90^{\circ}C$의 온도와 100 torr의 압력이 최적 조건으로 결정되었다. 랩 규모 실험 결과를 바탕으로 파일럿 규모 VSA 시스템을 설계하였으며 실제 도장 공장에 현장 적용하여 95회 흡 탈착 실험을 반복 수행하였다. 수행 결과, 연속 흡 탈착 반복실험 후, 도정공장에서 배출된 VOCs를 98% 이상 효과적으로 제거 가능함을 확인하였으며 VSA 시스템의 안정적인 현장 적용이 가능함을 검증하였다.
The objective of this work was to study the low temperature vacuum adsorption technology applicable to small and medium scale painting plants, which is the main emission source of volatile organic compounds. The low-temperature vacuum swing adsorption (VSA) technology is the way that the adsorbates ...
The objective of this work was to study the low temperature vacuum adsorption technology applicable to small and medium scale painting plants, which is the main emission source of volatile organic compounds. The low-temperature vacuum swing adsorption (VSA) technology is the way that the adsorbates are removed by reducing pressure at low temperature ($60{\sim}90^{\circ}C$) to compensate disadvantages of the existing thermal swing adsorption (TSA) technology. Commercial activated carbon was used and the absorption and desorption characteristics of toluene, a representative VOCs, were tested on a lab scale. Also based on the lab scale experimental results, a $30m^3min^{-1}$ VSA system was designed and applied to the actual painting factory to assess the applicability of the VSA system in the field. As a result of lab scale experiments, a 2 mm pellet type activated carbon showed higher toluene adsorption capacity than that of using 4 mm pellet type, and was used in a practical scale VSA system. Optimum conditions for desorption experiments were $80{\sim}90^{\circ}C$ and 100 torr. In the practical scale system, the adsorption/desorption cycles were repeated 95 times. As a result, VOCs discharged from the painting factory can be effectively removed upto 98% or more even after repeated adsorption/desorption cycles when using VSA technology indicating potential field applicabilities.
The objective of this work was to study the low temperature vacuum adsorption technology applicable to small and medium scale painting plants, which is the main emission source of volatile organic compounds. The low-temperature vacuum swing adsorption (VSA) technology is the way that the adsorbates are removed by reducing pressure at low temperature ($60{\sim}90^{\circ}C$) to compensate disadvantages of the existing thermal swing adsorption (TSA) technology. Commercial activated carbon was used and the absorption and desorption characteristics of toluene, a representative VOCs, were tested on a lab scale. Also based on the lab scale experimental results, a $30m^3min^{-1}$ VSA system was designed and applied to the actual painting factory to assess the applicability of the VSA system in the field. As a result of lab scale experiments, a 2 mm pellet type activated carbon showed higher toluene adsorption capacity than that of using 4 mm pellet type, and was used in a practical scale VSA system. Optimum conditions for desorption experiments were $80{\sim}90^{\circ}C$ and 100 torr. In the practical scale system, the adsorption/desorption cycles were repeated 95 times. As a result, VOCs discharged from the painting factory can be effectively removed upto 98% or more even after repeated adsorption/desorption cycles when using VSA technology indicating potential field applicabilities.
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문제 정의
본 연구에서는 VOCs의 배출이 간헐적이며 농도 범위가 넓은 중소형 도장공정에 적합한 자체 흡착재생 순환공정으로서, 상용활성탄을 이용한 저온 VSA 기술에 대하여 실험을 수행하였다.
가설 설정
Figure 9는 연속운전 시 A와 B 반응기에서 하루 동안 공급 및 배출되는 VOCs를 계산하여 나타낸 것으로 발생된 VOCs는 모두 톨루엔으로 배출된다고 가정하였다.
제안 방법
44~46회에는 흡착효율이 92~95% 정도로 다소 낮게 측정되었으나 이는 후단 VOCs 센서의 계측기 오류 때문인 것으로 판단되며, 센서 교정 후 포터블 VOCs 센서(MiniRAE 3000, RAE systems, America)와 VOCs 농도를 비교 평가하여 후단 VOCs 센서의 정상 작동을 확인하였다.
Lab규모 실험 결과를 바탕으로 실용규모 VSA시스템을 제작하였으며, 실 도장공장에 적용하여 현장테스트를 수행하였다.
Lab규모 톨루엔 흡착실험에 사용된 활성탄의 물리적 특성의 확인을 위해 질소 흡⋅탈착 실험을 수행하였으며, Figure 5와 Table 2에 2 mm 및 4 mm 펠렛형 활성탄의 기공 특징을 나타내었다.
Pilot규모 VSA 시스템에서 흡착은 도장공장의 조업시간에 맞춰 진행하였다.
VSA 기술 적용 시 최적의 탈착 조건을 확인하기 위하여 톨루엔이 흡착된 활성탄에 대하여 온도 및 압력에 따라 탈착 실험을 수행하였다.
VSA 기술의 성능 확인과 실용규모 VSA 시스템의 설계인자 확보를 위하여, 고정층 흡탈착 반응기를 제작하였으며, 장치 모식도는 Figure 1에 나타내었다.
도장공장이 가동되는 동안 흡⋅탈착 연속운전을 37회 이상 수행하여 VSA 시스템의 현장적용 가능성에 대하여 평가하였다.
두 개의 반응기(A, B)는 교대로 번갈아가며 운전되었으며, 흡착과 탈착은 각각 하루 동안 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 중소형 도장공정에 적합하고 흡착재생의 순환이 가능하며, 운전비용이 적고, 화재 등의 염려가 낮은 저온(60~90℃)에서 감압하여 탈착하는 방식인 저온 VSA 기술을 활용한 실험을 수행하였다.
상용활성탄을 이용하여 대표적인 VOCs인 톨루엔의 흡⋅탈착 특성을 랩(Lab)규모로 실험하였으며, 이를 바탕으로 30 m3min-1 규모의 VSA 시스템을 설계하여 실제 도장공장에 적용하였다.
실용 규모 VSA 공정 설계에 필요한 인자 확보 및 상용활성탄의 톨루엔 흡착능을 확인하기 위하여 랩규모 실험을 수행하였다.
실용규모 VSA 설비에 대한 현장 적용 안정성을 확인하기 위하여 흡⋅탈착 연속운전을 수행하였다.
연속운전 전 제작된 실용규모 VSA 실험장비의 성능을 알아보기 위하여 Lab규모 실험 결과에서 도출된 조건을 적용 후 흡⋅탈착 실험을 수행하였다.
이러한 분석결과를 활용하여 실용규모의 VSA 시스템 설계 시 최소 유입농도 수준을 톨루엔 기준 100 ppm으로 설정하여 제작하였다.
이와 같은 결과를 토대로 VSA 기술의 현장적용 시, 흡⋅탈착 연속운전에 따른 흡⋅탈착 성능을 높이기 위하여 최적의 탈착 압력은 100 torr로 선정하였다.
장치는 크게 흡착가스 공급부, 흡⋅탈착탑, 흡착후 배기부, 탈착가스 공급부, 탈착 후 배기부로 구성하였다.
처리용량은 기존 S사 도장 공장이 보유한 흡착탑 처리용량(280 m3min-1)의 10% 수준인 30 m3min-1으로 결정하였으며, 이에 따라 흡착탑의 크기 및 충진 활성탄의 양 등을 설계하였다.
탈착 시 설정된 온도를 유지하기 위하여 반응기 외부에 히팅자켓을 설치하였으며, 반응기의 내부의 온도 확인을 위한 K-타입 열전대를 설치하였고, 내부 압력 측정을 위한 압력센서 및 진공게이지를 설치하였다.
탈착가스 공급부는 유속계 및 컨트롤 밸브를 설치하였으며, 탈착 온도를 유지하기 위하여 최대 250 ℃까지 승온시킬 수 있는 Pre-heater를 두었다.
활성탄의 비표면적, 기공부피 등 물리적 특성을 확인하기 위하여 300 ℃ 진공분위기에서 전처리한 활성탄 시료에 대해 -196 ℃에서 질소 흡⋅탈착량을 질소 흡탈착 장치(ASAP2020, Micromeritics, USA)를 이용하여 측정하였다.
활성탄의 특성 분석, 활성탄 크기에 따른 톨루엔 흡착능, 온도 및 압력에 따른 탈착능 등에 대한 Lab규모 실험을 수행하여 pilot규모의 VSA 시스템 설계인자 및 실험 조건을 도출하였으며, 실제 도장공정에 VSA 시스템을 적용하여 연속운전을 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
흡⋅탈착 연속운전은 반응기 A의 경우 46회, 반응기 B의 경우 49회까지 수행되어 총 95회까지 진행되었다.
흡⋅탈착탑과 흡착 후 배기부 연결배관 사이에는 흡착 시 40 m3min-1의 유량 흡입이 가능한 송풍기를 설치하여 안정적으로 30 m3min-1 이상 운전 가능하도록 하였다.
흡⋅탈착탑은 가동 효율성을 고려하여 설계하였으며 예비조를 포함하여 흡⋅탈착을 동시에 가능하도록 세 개의 반응기로 제작하였다.
흡착 후 배출가스는 valve system을 이용하여 250 µL씩 GC/FID (GC 2010 Plus, Shimazu, Japan)로 주입하여 분석하였으며, 배출가스의 톨루엔 농도가 공급된 농도와 유사한 300 ppm에 다다랐을 때 흡착 실험을 종료하였다.
흡착가스 공급부에는 공급되는 가스의 유량을 확인하기 위한 유량계(CP 210, KIMO, France)와 VOCs 농도를 측정하기 위한 VOCs 측정기(RAE Guard 2 PID, RAE systems, America)를 설치하였고 유체 공장에서 발생되는 페인트 미스트의 유입을 방지하기 위하여 배관라인에 Pre-filter로 부직포형 섬유 필터를 장착하였다.
흡착실험이 종료된 후 반응기 외부의 히팅자켓을 이용하여 반응기 내부 온도를 탈착 온도로 증가시키면서 건조공기를 0.5 Lmin-1의 유량으로 공급하며 탈착 실험을 수행하였다.
대상 데이터
가동 개시 후 초기 40회까지는 VSA 장비의 시운전 및 안정화 운전을 진행하여 실험 데이터를 수집하지 않았고, 77회부터 87회까지는 도장공장의 정전으로 인해 수집된 데이터가 손실되었으며, 이러한 사항들은 Figure 9에 표시하였다.
내부에 충진된 활성탄은 4 mm 펠렛형 국내 S사의 상용활성탄을 사용하여 20% 여유율을 두고 47.6 L 충진하였고 반응기의 단면적과 충진높이는 각각 0.33 m2, 0.17 m, 접촉시간은 0.11 s로 설정하였다.
본 연구에서 사용한 활성탄은 국내에서 시판되는 상용활성탄인 삼천리카보텍의 펠렛형 활성탄을 사용하였다.
실용규모 VSA 시스템의 설치 장소는 국내 S사의 도장 공장을 선정하였다.
이론/모형
이를 통해 등온 흡⋅탈착 곡선을 얻어 Brunaure-Emmett-Teller (BET)법으로 비표면적을 계산하였으며, 미세기공 부피는 t-plot과 Horvath Kawazoe (HK)법으로, 세공분포도는 Density Functional Theory (DFT)법을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
1) Lab규모 실험 결과, VSA 공정의 최적 탈착 조건은 80~90 ℃, 100 torr로 도출되었으며, 기존의 열탈착에 비해 적은 에너지를 사용하여 활성탄을 재생할 수 있었다.
2 mm 펠렛형 활성탄과 4 mm 펠렛형 활성탄의 비표면적은 각각 928, 882 m2g-1로 큰 차이가 나타나지 않았으나, 2 mm 활성탄이 조금 더 높게 측정되었다.
2) 실제 도장공정에 적용한 pilot 실험 결과, 95회의 연속 운전 시에도 발생되는 VOCs를 99% 이상 흡착할 수 있음을 확인하였다.
Pilot 실험에서 연속적으로 운전되는 동안의 VOCs 흡착 효율을 Figure 10에 나타낸 결과, 시운전 및 장비안정화 기간과 공장 정전으로 인한 데이터 손실을 제외하고 현장 데이터를 수집한 41회부터 95회까지 평균 흡착 효율은 99.17%를 나타내었다.
S사에서 발생하는 VOCs 농도를 확인하고자 PID 방식의 VOCs 측정기(miniRAE 3000, RAE systems, America)를 이용하여 측정한 결과, 조업시간 동안 VOCs 농도는 평균 105.2 ppm으로 측정되었다.
두 타입의 활성탄 모두 미세 기공이 잘 발달된 활성탄의 전형적인 흡착형태인 Type 1 흡착등온선을 보였으며, 비표면적 역시 유사한 값을 나타내었고, 세공은 0~10 nm 사이에서 분포하고 있는 것을 확인하였다.
따라서 VSA 방식의 재생공정을 통하여 흡착성능을 유지할 수 있음을 확인할 수 있었다.
반응기 후단에서는 배출가스 내 VOCs는 검출되지 않았으며, 이에 따라 공급된 VOCs가 전량 반응기 내 활성탄에 흡착되었음을 확인할 수 있었다.
발생되는 VOCs 농도 범위가 넓고 간헐적인 배출이 일어나는 중소형 도장시설의 특징에 따라 pilot 규모의 VSA 설비로 공급된 일별 VOCs량은 매우 많은 차이를 보였다.
발생된 VOCs의 종류를 확인하고자 배출가스를 3회 샘플링하여 GC/FID(2010 Plus, Shimadzu, Japan)를 이용하여 분석한 결과, 미량의 벤젠 및 자일렌을 제외하고 발생된 VOCs는 대부분 톨루엔(약 100 ppm)으로 확인되었다.
본 실험에서는 도장공장의 조업시간에 따라 탈착 시작 후 435 min에 종료하였으며, 분석된 탈착 추세를 살펴볼 때 탈착 시간을 더욱 길게 유지할 경우 탈착량은 더욱 증가할 것으로 판단되었고, 이후 연속운전 가동 시 탈착 시간은 최소 500 min 이상 유지하였다.
이후 연속운전 동안 97~100%의 흡착 효율을 유지하였으며, 현장 적용된 실용규모 VSA 시스템의 안정적인 VOCs 흡착 성능을 확인할 수 있었다.
활성탄이 파과되어 공급한 톨루엔 농도의 30%가 배출되는 시점(R = 30)까지의 질량(g)당 톨루엔 흡착량을 계산하여 보면, 2 mm 펠렛형 활성탄, 4 mm 펠렛형 활성탄이 각각 0.12 0.08 gg-1으로, 2 mm 펠렛형 활성탄이 4 mm 펠렛형 활성탄보다 약 1.5배 정도 상대적으로 우수한 흡착성능을 나타내었다.
후속연구
3) 본 연구를 통하여 VSA 시스템의 안정적인 현장 적용이 가능함을 검증하였으며, VOCs 방지시설의 유지관리가 어려운 중소업체에 적용 가능할 수 있도록 향후 지속적인 연속운전 가동이 필요할 것으로 판단된다
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