활성탄 흡착시설의 설계기준

활성탄 흡착시설은 VOC 배출 억제에 많이 사용되는 시설로, 통상 400ppm 에서 2,000ppm의 VOC물질을 50ppm이하로 처리하여 내보낼 수 있다. 최근 개발된 흡착기술은 처리전의 VOC 농도가 20ppm부터 최저폭발한계 (LEL)의 1/4 농도까지 처리할 수 있도록 발전하였다. 이 범위 이하의 저농도 부분은 다른 처리기술이나 다른 흡착방법에 비해서 처리가 어려울 뿐만 아니라 비경제적이다.

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VOC 농도가 흡착시설의 처리상한선을 초과하는 경우 소각시설이나 막분리 또는 응축시설을 사용하는 것이 더 경제적일 수 있다. 한편, 흡착시설은 VOC의 회수가 가능하며 재사용이 가능하거나 값비싼 VOC의 회수시 처리비용을 상당히 줄일 수 있다. 또한 흡착시설에서 VOC를 농축시킨 후 소각시설에서 소각하거나 막분리 또는 응축시설을 이용하여 경제적으로 회수할 수도 있다.

활성탄흡착시설 공정도

 

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가. 기본설계기준

 

VOC가 흡착제의 표면에 흡착할 수 있는 한계까지 거의 흡착되었을 때 VOC를 흡착제로부터 탈착시키고 탈착된 고농도의 VOC는 이를 회수하거나 소각시켜야 한다.

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실제 VOC의 농도는 흡착시설을 사용할 수 있는지의 여부를 판가름하는 열쇠이다. 흡착제는 효율적인 흡착이 되지 않을 만큼 VOC의 농도가 너무 낮은 경우에는 사용이 불가능하며, VOC가 고농도인 경우에는 회수가 가능하다. 또, 안전 문제 때문에 최저폭발한계(LEL)의 1/4 이하농도에서 운전한 것이 바람직하며, 최저폭발한계 1/4 농도 이상일 경우에는 소각시설이나 막분리법 또는 응축시설로 회수하는 것이 더 경제적이다.

 

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- 탈 착：

탈착은 온도나 압력을 이용한다. 열은 분자의 운동에너지를 증가시키기 때문에 가열된 분자는 흡착제의 표면에서 떨어져 나오게 된다. 열원으로는 스팀이나 가열된 질소 또는 마이크로웨이브를 이용하며, 진공을 이용하여 탈착할 수도 있다. 이렇게 분자의 운동에너지를 조절하여 탈착을 시키는 것이 흡착제 재생과정이다. 흡착물질을 탈착시키고 난 후에는 활성탄을 건조시키고 냉각시켜 다시 사용할 수 있도록 한다.

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- 흡착제 선택 :

흡착제에는 여러 종류의 고분자 흡착제, 활성탄 흡착제 및 제오라이트 흡착제가 있다. 먼저 고려해야할 것은 흡착물질의 최대크기와 흡착제의 입경크기이다.

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- 설계순서

① 규모 결정

규모 결정을 위해 다음과 같은 4가지 사항을 먼저 검토해야 한다.

▸흡착제를 통과하는 총 가스의 유량

▸흡착장치 입구와 출구의 VOC의 함량

▸흡착시간 (흡착제의 사용시간)

▸흡착제의 량

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이외에도 먼지, 수분, 부식성물질 등이 존재할 경우에는 가스를 흡착시설에 유입하기 전에 이들을 전처리시설에서 제거하여야 하므로 이들 물질의 존재 여부를 파악하여야 한다. 방지시설의 규모와 관련된 덕트의 내경, 가스 이송을 위한 모터나 송풍기의 크기, 흡착제를 충전하는 용기의 크기는 공기의 흐름인 유량에 따라 결정된다.

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또한 중요한 것은 입구와 출구의 VOC농도, 흡착시간, 활성탄의 처리용량(capacity)이다. 활성탄 사용량에 따라 장치의 크기가 결정되고 보조시설(냉각/ 건조용 팬)의 크기도 달라지게 된다. 처리가스의 유량이 많을수록 방지시설의 규모가 커지게 되며, 처리가스가 고농도일수록 활성탄의 소요량이 많아지게 되므로 용량이 커지게 된다.

 

② 탈착시간 결정(재생주기)

흡․탈착 시간 결정은 흡착상의 형태(직렬상, 병렬상, 다중상)에 따라 달라진다. 가장 단순한 형태인 단일상(single bed)은 VOC의 배출이 간헐적이고, 비교적 배출량이 적을 때 사용하는 흡착시설로서 일일 평균 8시간 정도 사용하고 나머지 16시간 동안은 탈착을 하거나 사용을 중지한 상태로 대기한다. 방지시설의 규모는 가스의 유입농도와 온도, 압력과 유량을 고려하여 8시간 동안 발생되는 VOC를 처리 할 수 있는 활성탄 량을 충전할 수 있는 크기로 하여야 한다. 다중상(multiple bed)은 처리가스량이 많은(일반적으로, 3,000㎥/분 이상) 경우에 채택된다. 24시간 연속 가동하는 시설은 첫번째 흡착시설을 재생하는 동안 다른 흡착시설을 사용할 수 있도록 흡착시설을 추가로 설치해야 한다.

 

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- 활성탄 소요량 계산：

활성탄 소요량 산정은 일반 설계 파라메타(매개변수)처럼 간단치가 않다. 활성탄 소요량 산정시 이용할 수 있는 여러 가지 정보를 종합하여야 하므로 정교한 접근방법이 필요하다. 활성탄 소요량은 흡착상 내부에서 일어나는 여러 가지 비정상 상태의 에너지 및 물질전달 현상을 고려하여야 비교적 정확해지기 때문이다. 현장 경험을 토대로 한 자료가 많이 있으면 실제 설계에 쉽게 적용할 수 있으며 경험식은 개략적이지만 필요한 활성탄 소요량을 산정하는데 크게 도움이 된다. 경험식은 실제 제거능력(VOC kg/활성탄 1kg)을 기초로 한다.

 

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나. 세부설계기준

 

1) 설계에 필요한 데이타

- 표준상태(0℃, 1atm)에서 고정층 활성탄 흡착 시스템 변수:

제거효율, REreported(%)

VOC 농도, VOCe (ppm)

VOC 입구부하율, MVOC (kg/hr)

배출가스 유량, Qe (㎥/min)

활성탄층 실제 처리용량, Wc (kg VOC/kg 탄소)

층의 수 (N)

필요한 활성탄의 량, Creq (kg)

흡착주기, θad (hr)

재생주기, θreg (hr)

탄소층을 통과하는 배출가스의 속도, Ue (m/min)

흡착탑 직경, Dv (m)

흡착탑 길이, Lv (m)

재생에 사용된 증기, Qs (kg/min)

 

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2) 흡착 이론

평형상태에서 활성탄에 흡착되는 가스내의 VOC량은 흡착온도와 압력, 흡착된 화합물질, 활성탄의 특성(예를 들어 기공의 크기와 구조)과 함수관계에 있다. 주어진 일정온도에서 가스흐름 중 VOC의 분압에 대한 흡착제(예：활성탄)의 단위 중량당 홉착물질(예: VOC)의 질량 사이에는 일정한 관계가 존재한다. 이것을 흡착평형(equilibrium adsorptivity)이라고 한다. 등온흡착선은 일반적으로 아래 보이는 바와 같이 거듭 제곱 곡선(power curve)으로 나타낼 수 있다.

We = kPpartialm

단, We = 평형 흡착능(kg흡착물질/kg흡착제)

Ppartial = 배출가스 내의 VOC 분압

k,m = 상수

 

분압은 다음과 같이 계산된다.

Ppartial = (VOCe)×10-6atm

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이 식(즉, “Freundlich” 식)은 단지 대상 흡착물질 분압의 범위에서만 유효하며, 곡선 접합(curve fit)에 의하여 구한 것이다. 평형 흡착능(We)은 주어진 온도와 분압에서 활성탄이 흡착할 수 있는 흡착물질의 최대량이다. 실제 운전상태에서 흡착층 용량은 유효용량으로 불리며 평형값보다 작다. 유효용량 Wc는 보통 평형용량의 50%이거나 그 이하이다. 다른 정보가 없다면 Wc값으로 We의 50%를 기본값으로 사용될 수 있다. We나 Wc에 관한 어떠한 정보도 알 수 없다면 Wc의 0.1을 초기값으로 사용한다. 배출가스가 여러가지 VOC를 포함하는 경우 방지시설의 유효용량은 배출가스내의 가장 낮은 흡착용량을 나타내는 VOC에 좌우된다.

 

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3) 설계 매개변수

일반적으로 활성탄 흡착시설 크기(와 구매 비용)는 주로 네 가지 매개변수에 의존한다.

1. VOC를 포함하고 있는 가스의 유량

2. VOC의 부하량

3. 흡착 시간

4. 활성탄의 실제적인 용량

 

VOC의 유량과 부하는 흡착시스템을 설계하고 비용을 산정하는 두 가지 중요한 요소이다. 유량은 도관의 크기, 필요한 송풍기와 모터의 용량, 내부 도관의 직경을 결정한다. 부하량은 활성탄 소요량을 결정한다. 남은 두 개의 매개 변수는 유량과 부하량보다 덜 영향을 미치지만 설계와 비용 산정 절차에 필요하다.

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4) 배출가스의 전처리

- 냉각：VOC의 흡착은 낮은 온도에서 잘 일어난다. 배출가스의 온도가 54℃보다 높으면 열 교환기로 54℃ 이하로 배출가스를 냉각시켜야 한다.

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- 제습：수분은 활성탄 표면의 흡착표면에서 배출가스내의 VOC와 경쟁하기 때문에 습도(상대습도)가 50%를 초과하는 경우 제거효율을 저하시킬 수 있다. 배출가스의 VOC 농도가 1,000 ppm을 초과하는 경우 상대습도 50%까지 가능하지만 VOC 농도가 1,000 ppm이하이면 상대습도를 50%이하로 줄여야 한다.

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제습은 배출가스내의 수증기를 냉각하고 응축함으로써 습기를 제거한다. 쉘-튜브(shell-and-tube) 타입의 열교환기가 이러한 용도로 사용될 수 있다.

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- 높은 VOC 농도：가연성 증기가 VOC와 공기 혼합물인 배출가스 내에 존재한다면 VOC 성분은 보통 안전을 이유로 LEL의 25% 이하로 제한된다. 적절한 감시와 통제장치가 사용된다면 처리대상 VOC 농도를LEL의 40-50%로 증가시킬 수 있다. 그리고 흡착시 방출되는 열로 인해 높은 온도가 발생하기 때문에 높은 VOC 농도를 감소시킬 필요가 있다. 여기서는 VOC 성분이 25%의 LEL이하로 제한하는 것을 가정한다.

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5) 일반적인 운전상의 특징, 문제점, 흡착시설의 유형

정상적으로 운영하는 활성탄 흡착시설에서 VOC 배출농도가 20-25 ppm을 유지하다가 50-150 ppm의 범위로 되는 경향이 있다. 이 농도는 보통 입구부하에 따라 제거효율이 95-99%로 변동되었기 때문이다. 흡착제가 포화되기 시작할 때 배출량이 급속히 증가하므로 이 증가 현상을 파과(breakthrough)라 하고 배출농도가 급속히 높아지게 된다. 흡착층은 포화상태에 도달하기 전에 흡착단계에서 탈착단계(오프라인)로 운전상태가 변경되어야 한다.

 

다음과 같은 여러 가지 운전상의 문제가 VOC 방지효율을 감소시키는 결과를 초래할 수 있다.

▸배출가스 온도 증가

▸배출가스 유량 증가

▸VOC 농도의 증가

▸축적으로 인한 활성탄의 흡착능 감소

▸노후로 인한 활성탄의 열화

▸배출원으로부터의 VOC의 불완전한 포집

 

축적은 재생시 흡착제에서 제거되지 않고 남아 있는 유기화합물질에 의한 것이다. 위에 열거된 처음 5가지 문제점에 의해 흡착시설의 VOC 배출농도가 높아지게 되지만 6번째 문제점은 일반적으로 고농도로 배출되지 않기 때문에 감지하기 더 어렵다. 이러한 포획율 문제점은 사업장 배출구 VOC 농도증가 또는 흡착탑 입구 VOC 농도의 감소에 의해 알 수 있다.

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활성탄 흡착은 여러 산업에서 오염물 처리 또는 용제회수를 위해 사용된다. 흡착장치의 다섯 가지 유형은 (1) 고정상 흡착시설, (2) 비재생 흡착 캐니스터, (3) 이동상 흡착시설, (4) 유동상 흡착시설, (5) 크로마토그래픽 백하우스(baghouse)로 가스를 채집하는데 사용된다. 다섯 가지 유형중에서 처음 두 가지가 가장 많이 사용되고 다음에서 상세하게 설명한다.

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6) 고정상 재생 흡착시스템

고정상 재생 흡착장치는 약 3,400 a㎥/hr～340,000 a㎥/hr 이상의 유량을 가진 연속적인 VOC 배출공정에 사용된다. 이러한 장치는 효율적으로 낮은 ppm 범위 또는 화합물질의 최저폭발한계(LEL)의 25% 농도 이하에서 운전할 수 있다.

 

대부분의 유기화합물질에 있어서 25%의 LEL은 약 2,500ppm～10,000ppm 사이이다. 이러한 흡착시설은 간헐적 또는 연속적인 방법으로 운전될 수 있는데 간헐적인 방법에서 흡착시설은 배출원에서 VOC가 배출되는 시간동안 VOC를 흡착 제거한다. 공정이 멈춘 후 흡착시설은 탈착작업을 시작한다. 이 작업은 세 가지 단계로 구성되는데 (1) 활성탄의 재생, (2) 건조, (3) 냉각이다. 탈착작업이 끝나면 흡착시설은 공정에서 다시 VOC를 배출할 때까지 대기한다.

 

연속적인 운전에 있어서는 다수의 고정상 흡착시설중 적어도 한 개의 흡착시설이 항상 운전될 수 있도록 설치한다. 이 시스템의 운전은 다음과 같이 설명될 수 있다. VOC를 포함한 가스는 흡착층으로 유입된다. 흡착층이 흡착한계에 접근하면서 파과점에 도달되면 배출되는 VOC 농도는 급속히 증가한다. 이 과정에 두번째 흡착탑은 첫 번째 흡착탑이 포화되기 전에 탈착과정을 밟는다. 재생 시스템에 있어서 오프라인층(탈착층)은 온라인층(흡착층)이 포화되기 전에 사용될 준비(즉, 탈착과 냉각)가 완료되어야 하며, VOC의 방지를 위해 각층의 배출농도(VOCo)를 지속적으로 감시한다.

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이러한 장치는 연속적인 배출원에서 보통 넓은 범위의 유량과 VOC 농도를 제어하는데 사용되고 흔히 예상 정화 기간이 상대적으로 긴 경우에 사용된다. 일반적으로 시스템은 둘 또는 그 이상의 흡착층으로 구성된다. 하나의 흡착탑이 흡착하고 다른 흡착탑은 재생 또는 정지상태에 있어야 하기 때문에 운전중인 흡착탑의 흡착시간은 정지상태의 흡착탑 재생시간(즉, 재생, 건조, 냉각)과 같거나 더 길어야 한다.

 

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7) 고정상 흡착시설 설계

고정상 활성탄 흡착시설 설계는 두 가지 단계의 과정으로 수행될 수 있다. (아래의 과정은 수평층 시스템을 가정한다.) 우선 활성탄 소요량 Creq는 예상 입구 VOC 부하, 흡착시간, 층의 수, 탄소의 실용적인 용량을 기준으로 산정된다. 그 관계는 다음식에서 설명된다.

단, Creq = 총 활성탄 소요량(kg)

MVOC = VOC 입구 부하(kg/hr)

θad = 흡착 시간(hrs)

ND = 탈착층의 수

NA = 흡착층의 수

Wc = 활성탄의 유효용량(kg VOC/kg 탄소)

 

MVOC 값은 다음 식으로부터 얻을 수 있다.

MVOC = VOC 입구 부하(kg VOC/hr)

VOCe = VOC 배출가스 농도(ppm)

Qe = VOC 배출가스 유량(S㎥/hr)

DVOC = VOC 밀도 (kg/㎥)

 

DVOC 다음과 같이 산정할 수 있다.

P = 시스템 압력 (보통 10기압)

M = VOC 분자량 (kg/kg-mole)

R = 기체상수(0.082 ㎥-atm/kg-mole 〫K )

T = 온도 (K )

 

활성탄 요구량을 구한 다음 흡착탑 규격을 결정한다.

단, Dv = 흡착탑의 직경 (m)

Creq = 흡착탑에 필요한 활성탄 량 (kg)

Ue = 배출가스 흡착층 속도, m/min (초기값=25m/min)

Qe,a = 흡착층당 실제배출가스 유량 (a㎥/min)

단, Lv = 흡착탑 원통부의 길이 (m)

 

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다음 식을 사용하여 Qe,a는 Qe와 Te에서 얻어질 수 있다.

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Dv와 Lv가 계산되면 흡착탑 표면 면적, S가 계산된다.

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8) 활성탄 흡착시설 효율

대부분의 다른 VOC 방지기술과 달리 고정층 흡착시설은 적절히 조작되어야 하며 유지관리되어야 하기 때문에 효율이 보장된 장치는 아니지만 일정한 배출농도를 유지하는 것이 주요한 기능이다. 활성탄 흡착시설의 출구농도는 주로 재생 이후 남아 있는 활성탄내의 유기물질 축적과 관계가 있으며, 다양한 입구농도에 대해서 출구농도는 파과(breakthrough)에 이를 때까지 비교적 일정하게 유지된다. 그러므로 적절히 규격화되어 운전되는 활성탄 흡착시설의 제거율은 주로 입구 농도와 활성탄의 재생 (즉, 증기 요구량)에 좌우되기 때문에 재생이 완벽할수록 출구 농도는 낮아진다.

 

공정매개변수에서 활성탄 흡착시설 효율의 정확한 추정은 정밀하고 복잡한 계산을 해야 하므로 주로 컴퓨터를 이용하게 된다. 단순한 활성탄 흡착시설 효율산정 결과는 설명할 수 없는 많은 변수 때문에 다소 부정확하다. 참고로 활성탄 흡착시설 효율의 일반적인 자료를 위해 흡착시간과 증기 재생률을 기준으로 출구 VOC 농도의 개략적인 추정치를 아래에 나타내었다.

 

활성탄 흡착시설 효율변수

VOC 최종 배출농도 (ppm)	흡착주기 θad (시간)	재생주기 θreg (시간)	재생증기 요구량 (kg증기/kg활성탄)
70	2	2	0.3
10～12	2	2	1.0

 

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9) 재생증기 요구량

활성탄은 다양한 방법으로 재생될 수 있다. 가장 일반적으로 사용되는 재생매체는 증기이다. 증기로 하는 재생은 보통 응축이 수반된다. 재생에 필요한 증기량은 원하는 제거효율(또는 출구 농도)과 흡착층에서 흡착되지 않는 물질의 양에 의해 결정된다. 일정량의 증기가 층의 온도를 재생온도로 올리고 탈착(desorption)열을 공급하는데 필요하다. 완전히 탈착 제거하는 것이 반드시 비용 효과적인 것은 아니다. 일반적인 탈착에는 많은 양의 증기를 소비하지 않으며 용매회수 시스템의 경우 0.25～0.35 kg증기/kg활성탄의 증기소요량이 제시되고 있다. VOC 배출허용농도가 상당히 엄격한 경우(예, 악취 방지)에 증기사용 비율은 더 높아진다.

 

0.3 kg 증기/kg 탄소의 비율로 70 ppm의 VOC 출구 농도를 재생 후 얻을 수 있고, 1 kg 증기/kg 탄소의 비율로 10～12 ppm의 VOC 출구 농도를 얻을 수 있다고 한다. 재생 주기 θreg는 층을 재생하고 건조와 냉각시키는데 필요한 시간을 의미한다. 재생에 사용된 유량은 다음 식을 사용하여 결정할 수 있다.

Qs =NA[St(Creq)/ (θreg-θdry-cool)]/60

 

단, Qs = 증기 유량 (kg/min)

Creq = 흡착층 당 활성탄 요구량 (kg)

θdry-cool = 흡착탑을 건조시키고 냉각시키는 주기 (hr)

 

공기로서 층을 냉각시키고 건조시키는 것은 15분 정도 소요될 것이다. 보통 재생 시간은 운전상태가 되기 전에 층의 건조와 냉각시간을 고려해야 한다.

 

흡착층의 증기유량(Qs/Abed)은 일반적으로 층에서 탄소가 유동화되는 것을 예방하기 위해 19.5 kg 증기/min-㎡이하로 제한된다. Qs/Abed가 19.5를 초과하면 재생주기 또는 증기 비율을 수정할 필요가 있다. Abed값은 (Qe,a/NA)를 Ue로 나눠서 구한다.

 

- 활성탄 교체주기

활성탄을 재생하면서 사용할 경우 최대 5년 정도 사용할 수 있다. 그러나 탈착되지 않는 물질을 많이 함유하고 있거나 흡착물질 상호간의 반응으로 고분자물질을 형성하는 경우에는 활성탄의 수명이 절반이하로 줄어든다.

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참고자료: 환경부 휘발성 유기화합물질 방지시설 설계지침

 

 

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