공정관리
처리기술
화학물질을 처리하는 방법은 크게 연소기술, 흡착기술, 흡수기술, 생물학적 처리기술로 구분할 수 있다. 연소처리기술에는 고온 산화법 (열소각법, Thermal Oxiadation; TO), 촉매 산화법 (촉매연소법, Catalytic Oxidation; CO), 축열식 열소각기술 (Regenerative Thermal Oxiadation; RTO), 축열식 촉매산화기술 (Regenerative Catalytic Oxidation; RCO), 무화염 열 산화법 (Flameless Thermal Oxidation; FTO), 흡탈착 촉매산화법 (Concentration Catalystic Oxidation; CCO) 등이 있다.
VOC 처리기술별 VOC 농도와 유입 유량의 적용 범위
생물학적 방법은 적용 유량의 범위는 넓지만 적용 가능한 농도는 상대적으로 낮고 협소하며 반면 소각은 적용 농노 범위는 넓지만 적용 가능한 유량 범위는 넓지 않고 비교적 큰 유량이 필요하다.
VOC 처리기술의 VOC유입농도 대비 처리효율
열소각장치나 촉매소각 장치는 상대적으로 넓은 농도 범위에서 95%이상의 효율을 보인 반면 활성탄이나 응축시설은 상대적으로 높은 농도인 500ppm 이상에서 95%정도의 효율을 보여준다.
대상물질의 배출특성에 따른 방지기술의 선택 기준
1차적으로 대상물질의 유입농도와 유량정보를 활용하여 기술적으로 적합한 대상물질의 처리기술을 선정하고, 다음으로 저감목표, 경제성, 설치 부지 등 현장 조건, 혼합물 종류, 온도와 압력 등을 종합적으로 고려하여 처리기술을 최종적으로 선정함.
1) 연소 처리기술
가) 고온산화 (열소각) 기술
벤젠 함유 배출가스와 예열 공기를 잘 혼합한 후 고온에서 연소시켜 VOC를 CO2와 물로 전환하며 효율은 소각온도, 체류시간, 벤젠 유입농도 및 배출 가스의 균질성 등에 의존함.
적용 조건
VOC 소각온도는 700~800도이며 벤젠의 소각온도는 764도이고 체류시간 1초에서 99.99% 처리효율을 보인다. 벤젠 이외의 물질이 포함된 경우는 온도나 체류시간이 달라질 수 있다.
산소농도는 벤젠의 LEL, UEL을 고려하되 일반적으로 LEL의 25%이하로 유지하면서 소각에 필요한 양론
값보다 1.2배 정도 높게 공급한다.
다만 할로겐과 황이 배출가스에 포함될 경우 연소과정에서 HCl, SO2등 강산 가스를 생산하여 부식을 야기하므로 강산 가스 생산량을 감안하여 적용 여부를 결정한다.
장단점 및 평가
나) 촉매 산화 (촉매 연소) 기술
연소기 내부에 충진되어 있는 촉매가 연소에 필요한 활성화 에너지를 낮춤으로서 350~500도 정도의 비교적 저온에서 연소가 가능하며 벤젠의 경우 백금, 팔라듐 합금 촉매를 적용하며 다만, 백금촉매는 HCl에 의해 비활성화가 빨리 일어나므로 염소계 VOC 촉매산화를 위해서는 산화 코발트, 산화구리/산화망간 등의 산화 금속 촉매가 사용되고 있다.
적용조건
배출가스 특성
벤젠농도가 매우 낮아도 처리가능하고, 유입온도 조건이 꽤 높아서 예열이 필요하다. 촉매 반응기 출구온도 상한선은 540~675도가 되도록 하며 고온일수록 촉매 수명이 짧아진다.
촉매 비활성화를 야기하는 피독 현상의 주요 원인으로는 미세먼지나 타르 물질이 촉매 표면에 물리적으로 흡착하여 활성을 저하하거나 염소나 불소등에 의한 화학적 피독 발생 혹은 황이나 규소, 중금속이 촉매 표면에 있는 공극을 폐쇄하여 표면적을 감소하여 발생할 수 있다. 아울러 도장 도료 중에 유기실리콘 화합물이 포함되어 있는 경우가 많은데 이것이 연소되면서 무기 규소 화합물로 전환되어 공극을 폐쇄하여 촉매 효과를 저하시킨다. 따라서 촉매 수명을 연장하기 위해서는 미세먼지나 타르, 촉매 피독 원인물질을 촉매소각장치 유입전에 미리 제거할 수 있다.
장단점 및 평가
다) 축열식 열소각 기술
기본적으로 열소각기술과 VOC처리방법은 동일하나, 축열식 열소각기술은 shell-and-tube 형태의 열교환기를 활용하여 에너지 회수율을 기존의 열소각기술의 50~60%에서 85~95%로 높인 기술이다.
적용조건
배출가스 특성
소각온도 및 체류시간
RTO의 소각온도는 1100도이며 체류시간은 1초 이하임. 벤젠의 소각온도가 764도 및 체류시간 1초에서 99.99% 처리효율을 보이므로 이보다 더 높은 RTO의 소각온도에서 벤젠은 99.99% 이상의 처리 효율을 보일 것으로 보임.
산소농도는 벤젠의 LEL, UEL을 고려하되 일반적으로 LEL의 25%이하로 유지하면서 소각에 필요한 양론값보다 1.2배 정도 높게 공급한다.
다만 할로겐과 황이 배출가스에 포함될 경우 연소과정에서 HCl, SO2등 강산 가스를 생산하여 부식을 야기하므로 강산 가스 생산량을 감안하여 적용 여부를 결정한다.
장단점 및 평가
라) 축열식 촉매산화기술
기본적으로 촉매산화기술과 동일하나 축열식 촉매산화기술은 shell and tube형태의 열교환기를 활용하여 효율을 기존의 50~60%에서 85~95%로 높인 기술이며 촉매관련 사항은 촉매산화기술의 내용과 동일하다.
적용조건
배출가스 특성
소각온도 및 체류시간
RCO의 소각온도는 350~500도이며 체류시간은 1초 이하임.
산소농도는 벤젠의 LEL, UEL을 고려하되 일반적으로 LEL의 25%이하로 유지하면서 소각에 필요한 양론값보다 1.2배 정도 높게 공급한다.
촉매 비활성화를 야기하는 피독 현상의 주요 원인으로는 미세먼지나 타르 물질이 촉매 표면에 물리적으로 흡착하여 활성을 저하하거나 염소나 불소등에 의한 화학적 피독 발생 혹은 황이나 규소, 중금속이 촉매 표면에 있는 공극을 폐쇄하여 표면적을 감소하여 발생할 수 있다.
아울러 도장 도료 중에 유기실리콘 화합물이 포함되어 있는 경우가 많은데 이것이 연소되면서 무기 규소 화합물로 전환되어 공극을 폐쇄하여 촉매 효과를 저하시킨다. 따라서 촉매 수명을 연장하기 위해서는 미세먼지나 타르, 촉매 피독 원인물질을 축열식 촉매소각장치 유입전에 미리 제거할 수 있다.
장단점 및 평가
2) 흡착 처리기술
화학물질을 흡착제 표면에 물리적으로 흡착하여 처리하는 기술로서, 일반적으로 활성탄이 많이 사용되며 두 개의 흡착탑이 병렬로 구성되어 있고, 하나의 흡착탑이 운전되는 동안에 다른 하나는 증기 또는 열에 의해 피흡착물의 탈착이 이루어지는 공정으로 탈착과정에서 농도가 높아진 피흡착물이 배출되며 이를 연소처리기술 등의 후속공정에서 처리한다.
흡착원리
흡착제와 피흡착물 간에 반데르발스 힘이 작용하고 있으며 거리에 따라 위치에너지가 달라지며 위치에너지가 가장 낮은 지점이 형성되고 그 지점에서 흡착이 일어난다.
적용조건
흡착처리 공정 단독으로 운영하기보다는 연소처리기술 전단에 설치하여 처리대상물질의 농도를 적정 수준 이상으로 높여 연소처리기술의 처리성능을 배가시키는 역할을 담당하며, 유입 수분량 상대습도는 50%미만이고 온도는 55도 이하가 적합하다.
활성탄 자체가 고온에서 화재 위험성이 있고 화재 및 폭발 위험성 물질이 농축될 수 있으므로 이런 점을 설계에 유의해야 함.
장단점 및 평가
활성탄을 활용한 흡착 회수 재이용이 보편적으로 적용되고 있으며 25도 3.6l/h, 6000ppm일 경우 벤젠 흡착성능은 27.5mg/g이 예상된다.
3) 흡수 처리기술
혼합기체를 액체에 접촉시켜 기체의 특정 성분을 액체 속에 용해 흡수 처리하는 기술로서 물리적 흡수는 흡수제에 대상 기체를 용해시키는 방법이고, 화학적 흡수는 흡수제 중의 용질 성분과 기체 성분이 화학반응에 의해 흡수되는 방법이다.
VOC 흡수는 물리적 흡수에 이루어지며 VOC를 함유한 가스에서부터 액상 흡수제로 VOC가 물질 전달되는 현상으로 물질 전달 구동력은 가스상과 액상내의 VOC특성에 좌우되며, Henry's Law에 따라 흡수액에 용해되는 양이 결정된다.
Henry's Law
헨리의 법칙은 산소나 질소와 같은 용해도가 작은 기체가 물과 같은 용매에 녹을 경우 기체의 용해도는 그 기체의 분압에 비례하며 암모니아(NH3)나 염화수소(HCl) 등은 용해도가 큰 기체로서 헨리의 법칙이 성립되지 않는다.
VOC 흡수제 종류는 물, 고비점 석유오일, 미네랄 오일 등이 있으며 친수성 VOC는 물을 활용하여 흡수 제거할 수 있는 최적 흡수제이고, 반면 소수성 VOC는 고비점 석유오일을 흡수제로 사용하거나 수용액에 양성 (친수성과 소수성 기능을 동시 보유)을 지닌 공중합체 (Co-polymer)를 투입하여 소수성 VOC의 흡수를 유도한다.
VOC를 흡수제로부터 탈착하여 재생하는 stripping 공정이 있으며 일반적으로 열을 가하거나 진공을 걸어서 VOC를 물리적으로 탈착시키며 응축기와 연결하여 VOC를 회수할 수 있다.
흡수장치 종류로는 packed tower, tray tower, spray tower, venturi scrubber등이 있으며 일반적으로 VOC 처리는 향류로 흐르는 packed tower (충전탑)과 tray tower를 많이 적용한다.
충전탑: 액체는 기체와의 접촉면적을 높이기 위해 탑 상부에서 고르게 분산되며 분산된 액체는 충전물의 표면에 얇은 film을 형성하면서 아래로 흐른다. 폐가스는 탑 하부에서 유입되며 흡수액과 접촉하면서 배출가스 중 VOC 등의 특정 성분이 액상으로 흡수되고 배출가스의 나머지 성분들은 탑 상부로 배출된다. 충전탑은 처리효과가 크고 침전물이 발생하는 가스 처리에도 적합하지만 충전층의 공극이 막힐 수 있고 충전물이 고가라서 초기 설치비용이 크고, 가스 유속이 과다한 경우 범람이 발생할 수 있다.
tray tower (다단탑): 증류공정의 증류탑과 유사하고 접촉시간이 비교적 길고 각 단의 액체에 기체가 고르게 분산될 수 있다는 특징을 가지고 있어 흡수탑으로 많이 사용된다. 충전탑에 비해 부유물이 있는 흡수액에 대해 적응성이 좋고 온도변화가 심한 조건에도 적용이 수월하나, 초기비용이 높고 압력손실이 크다.
분무탑 (spray tower): 충전물을 사용하지 않는 반면 흡수액을 매우 적은 액적으로 만들어 분사함으로서 VOC가 흡수될 면적을 극대화한다. 분무탑의 기체와 액체 접촉시간이 짧아 암모니아나 이산화황과 같은 물에 용해도가 높은 가스 처리에 적합하고, 벤젠과 같은 VOC처리에는 적합하지 않다고 알려져 있다. 충전탑보다 저렴하고 압력손실이 적은 반면 분사 노즐이 잘 막히고, 편류를 일으키기 쉽고 분무액과 기체의 균일한 접촉이 용이하지 않다.
벤츄리 스크러버: 벤츄리 노즐에서 배출가스와 흡수액을 강제로 접촉시켜 배출가스 중의 특정 성분을 흡수 처리하는 설비로서 흡수액과 배출가스의 접촉시간이 매우 짧아 대부분의 VOC보다는 용해도가 높은 가스 제거에 적합하다. 벤츄리 스크러버는 소형으로 대용량 가스 처리가 가능하고 흡수효율이 탁월한 장점이 있는 반면 가스 압력손실이 커서 동력비가 높은 단점이 있다.
적용조건 (충전탑 기준)
배출가스 특성
장단점 및 평가
4) 생물학적 처리기술
호기성 미생물을 활용하여 VOC를 산화 분해하는 기술로서 생물학적 처리기술의 종류는 바이오 필터, 바이오 스크러버, 바이오 트리클링 필터가 있다.
바이오 필터 충전제는 활성탄이나 퇴비와 같은 미생물 서식에 최적 조건을 제공할 수 있는 물질로 구성되어 있어 미생물 농도는 토양 사용시 보다 최고 140배까지 높일 수 있다. 바이오 필터의 충전제는 오염물질을 1차적으로 흡수한 후 충전제 속의 미생물이 오염물질을 처리하도록 되어 있으며 연속적 충전제의 재생이 가능한 시스템으로 한번 설치하면 2~7년 정도 충전제 교체없이 운전이 가능하다.
배출가스를 세정탑에 통과시켜 오염물질을 물에 흡수시킨 후 이를 폭기조에서 미생물 활동에 의해 제거하는 것으로 바이오 스크러버에 적용 가능한 물질은 물에 잘 용해되어야 하므로 벤젠 등 대부분 VOC는 적합하지 않다.
바이오 트리클링 필터는 바이오 필터와 바이오 스크러버가 혼합된 형태로서 미생물을 불활성 담체에 배양 충진시키고 오염된 물을 상부에서 미생물이 충진된 담체에 분무하여 처리하는 시스템이며 적용 가능한 물질은 물에 잘 용해되어야 하므로 벤젠 등 대부분 VOC 적용에는 적합하지 않다.
적용조건
생물학적 처리방법은 일반적으로 저농도 VOC를 포함한 상온의 배출가스 처리에 적합하며 VOC농도, 온도, 배출가스 유량, 기타 미생물에 치명적인 성분등을 고려하여 적용성을 검토해야 한다.
운전인자
생물학적 처리방법에서 가장 중요한 인자는 수분함량으로 특히 바이오필터는 수분 조절이 어려워 실패하는 사례도 있다.
미생물의 활동도는 온도 증가에 따라 증가하나 온도가 한계치 이상 오르면 미생물이 오히려 폐사하므로 최고 활성이 일어나는 온도를 파악하고 그 이상이 되지 않도록 주의해야 한다.
각각 미생물은 고유의 최적 pH를 가지고 있어 일정 범위의 pH조건에서 활성이 좋으며 이 범위를 벗어나면 활성이 떨어지거나 폐사하게 된다.
미생물은 에너지와 탄소원을 얻기 위해 오염물질을 분해하나 질소, 인, 황, 칼륨, 나트륨, 칼슘, 철 및 수많은 다른 성분의 미네랄도 필요하므로 미생물의 활성도를 왕성하게 유지하기 위해서는 이런 성분들을 충분히 공급해야 한다.
단위시간당 단위부피당 생물학적 처리공정에 들어가는 오염물질의 총량을 농도 부하로 정의하고 있으며 생물학적 처리공정 설계 및 운전에 중요한 인자이다.
VOC처리에 필요한 산소의 화학양론비적 양이 평형상태에서 용해되는 산소량보다 적으면 산소 소진이 일어나므로 산소 농도를 적정 수준에서 유지할 수 있도록 생물학적 처리공정 설계 및 운전이 필요하다.
장단점 및 평가
#연소처리긱술#흡수처리기술#흡착처리기술#생물학적처리기술#RTO#RCO#피독#반데르발스힘#물리적흡수#화학적흡수#henry#용해도#헨리의법칙#stripping#범람#충전탑#미생물
'환경관련' 카테고리의 다른 글
| 비가 몰고 오는 불청객 "비점오염" - 국가물관리위원회 자료 (0) | 2025.02.16 |
|---|