연소 소각법에 의한 VOC 처리기술(TO, CO, RCO, RTO)

용어

- 직접연소(TO)

- 촉매연소(CO)

- 축열식촉매연소(RCO)

- 축열연소(RTO)

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VOC THEMRAL OXIDATION

1) VOC Destruciton 필요 조건

: VOC + O2 → CO2 + H2O

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2) Operation parameters for 99% Destruction

- Temperature : 750 ~ 850 ℃ (300~350 ℃ With Catalyst)

- Residence time : 0.5 ~ 1 sec

- Turbulence : Re > 10,000

- O2 농도 : 800 ℃ 에서 12% 이상

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직접연소(TO, Thermal Oxidation)

- 열소각로와 열교환기를 이용하여 고온(700~850℃ )에서 0.3~0.6초 체류시켜 직접 연소하여 탄산가스와 수증기로 분해

- 적절한 연소온도를 유지함으로써 95% 이상의 효율

- 촉매독을 함유한 물질 처리 가능

- 증기, 온수, 열풍 등 폐열회수시트템 구축 가능

- 배기가스의 온도와 처리가스 농도가 높을 때 경제적

- 조작이 간단하며 별도의 인력이 필요없음

- 열적 NOx 발생량이 많으며 온실가스인 CO2 다량 발생

- 처리가스 농도에 따라 연료비가 고가

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적용)

- 고농도 가스(8g/Nm3 이상)

- 압력 및 풍량 변화가 없는 공정(저풍량 가스)

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촉매연소(CO, Catalytic Oxidation)

- 직접연소 온도보다 낮은 온도(200~400℃)로 가열하여 백금, 코발트 등 촉매층을 통과시킴으로서 촉매산화 작용에 의해 탄산가스와 수증기로 분해

- 직접연소에 비해 연소온도가 낮으나 비슷한 효율

- 저온 산화하므로 질소산화물에 의한 2차 오염물질 생성이 적다

- 저온 연소 방식으로 연료의 소모가 적고 고효율의 열교환기를 사용하여 경제성이 높음

- 조작이 간단

- 촉매독으로 인하여 처리대상 가스에 따라 적용범위가 한정

- 촉매의 수명이 한정되어 있어 촉매의 교환이 필요

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적용)

- 중농도가스(4~5g/Nm3)

- 촉매독이 없는 가스

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축열식 촉매 연소(RCO, Regenerative Catalytic Oxidation)

- CO : 낮은 연소온도, 연료 소비량 감소 - 낮은 열화수효율

- VOC를 세라믹 축열제를 이용하여 가열한 후 촉매층을 통과시켜 저온에서 산화시켜 수증기와 이산화탄소로 분해

- 세라믹 축열제에서 95% 이상 열화수하므로 연료비 감소

- 농도가 LEL의 3% 정도일 때는 보조연료 없이 처리가능

- 저온에서 연소하므로 열적 NOx 의 발생이 작다

- 오염물질의 농도 및 성분변화에 따라 영향이 작다

- 촉매에 의한 산화가 가능한 VOC에 한해서 RTO보다 경제적

- 촉매독이 함유된 가스의 처리는 어렵다.

- 촉매 교환빈용이 고가이다.

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축열연소(RTO, Regenerative Thermal Oxidation)

- VOC의 연소열을 열교환용 Ceramic 축열재로 축열시킴

- 축열된 열로 VOC를 승온시켜 연소

- VOC 연소열을 외부로 배출시키지 않고 회수함으로서 대기오염 방지 및 폐열을 이용하는 고효율 에너지 전략 기술

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폐열 회수 극대화 방법

- Regeneration(재생) : Ceramic(압출가스 온도차 40℃)

- Recuperative(열교환) : 열교환기(압출가스 온도차 250℃)

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MECHANISM OF RTO

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2-Bed RTO

- 운전초기 소각로 운전온도로 가열한 후 가스 A=>B로 투입

- A Ceramic을 통과하면서 예열되고 상부 Chamber에서 고온 산화

- B Ceramic에 열을 배출하고 A Ceramic 입구온도보다 약 40℃ 높게 냉각

- 일정시간 후 A Ceramic은 냉각되고 B Ceramic이 가열되면 가스 투입 유로를 B=>A로 바꾸며 일정시간마다 반복하여 에너지 소비 최소화

- Switching 시 Ceramic에 존재하는 미처리가스와 RTO를 bypass한 미처리 가스가 일시에 외부 배출(유기물 처리효율 95%)

- 미분해가스 대기 방출 방지하기 위한 방법으로 3-Bed, Rotary Wing Type 등

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3-Bed RTO

- 2-Bed는 각 Bed가 Cooling 과 Heating을 반복

- 3-Bed는 별도의 Bed가 Freah Air로 Purge

- 3-Bed의 경우 B Bed로 유입되어 A Bed는 Freash Air 로 Purge

- 각 Bed가 Cooling → Purge → Heating 반복

- Switching 시 역류할 수 있는 미연소가스 대신 Fresh Air 대기방출

- 유기물 처리효율 99% 이상

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Rotary Wing Type RTO

- 풍향의 전환을 Damper 대신 Rotary Wing의 회전

- 항상 축열층 절반은 예열되고 반쪽은 열을 회수

- 복작한 통제방식이 필요없음

- 미처리 가스 문제, 압력변동 및 다수의 Damper 작동에 의한 고장 방지

- Rotary Wing의 구동주기를 달리하여 열화수효율 조절, 열손실 극소화, 운전용이, 축열온도 및 연소온도 일정유지

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주요 운전설명

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RTO의 변천

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Demper 방식과 Rotary Wing 방식(1)

항목	Damper 방식	Rotary Wing 방식
동작원리	2개 이상의 축열식 VOC의 흐름을 timer로 조절 Batch 운전으로 열교환하는 2Can 이상 필요	VOC의 흐름이 회전식 연속적으로 열교환 수행하는 1can의 일체형
초기투자비	높음	낮음(Damper방식의 70%)
운전비	Damper에 의한 가스 흐름 변화시 불안정한 흐름으로 축열재온도가 일정하지 않아 다소의 연료 소비	안정적인 가스 흐름으로 축열온도일정하므로 일정농도 이상이면 무연료 운전 가능하고 저농도에서도연료의 소모가 적음
제거효율, 연속성	제거 효율이 안정치 못함 2Bed Damper의 변환시 미처리 가스의 문제	높은 효율과 자체적 잔여가스 처리를 위한 퍼지기능이 있어 시스템이 안정적

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Demper 방식과 Rotary Wing 방식(2)

항목	Damper 방식	Rotary Wing 방식
운전, 유지관리	Damper의 전기, 기계적인 손상 및 Control 방식에 의한 오작동 등의 우려, 운전 유지 관리가 어려움	시스템이 간단하여 유지관리 및 운전 용이
VOC 농도변화에 따른 운전제어기능	Timer의 Setting에 의한 Damper 전환방식으로 빠른 응답이 어려워 운전온도가 일정하지 않을 수 있음	Rotary wing의 회전 속도를 제어하여 농도변화에 따라 연소실의 운전온도를 일정하게 유지 가능
설치면적	2개 이상의 축열실이필요하므로 상대적으로 많은 면적	일체형 설비이므로 적은 면적
장점	국내외 많이 설치됨	압력변동 제어 가능(Auto Damper), 미처리가스 완전제어 가능(Purge Fan), 축열실과 Rotary Wing의 밀착화로 누설최소화

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연소소각법에 의한 VOC 처리설비 비교

구분	기본원리	적용분야	장점
RTO	열소각로와 축열재 이용, 750~1,000℃ 에서 축열산화	- 저농도 가스 - 대풍량 가스	- 높은 처리 효율(99%) - 2차 공해 요인이 적음 - 높은 열화수율(95%) - 장치 수명이 길고 안정 - 유기물 부하가 1.5~2g/Nm3 이면 무연료 운전
RCO	촉매와 축열재 이용, 200~400℃ 에서 촉매산화	- 저농도 가스(유기물 부하 1g/Nm3 이하) - 대풍량 가스 - 촉매독이 없는 가스	- 높은 열화수율(92% 내외) - 2차 공해요인이 적음 - 유기물 부하가 1~1.5g/Nm3이면 무연료 운전
TO	열소각로와 열교환기를 이용, 750℃ 내외에서 열 소각	- 고농도가스(유기물 부하 8g/Nm3 내외) - 압력 및 풍량 변화가 없는 공정(저풍량 가스)	- 처리 효율이 높음(99% 이상)
CO	촉매와 열교환기를 이용, 300~450℃ 에서 촉매 산화	- 중농도 가스(유기물 부하 4~5g/Nm3) - 촉매독이 없는 가스	- 저온 촉매소각으로 열소요량이 적음

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연소소각 방식의 종류와 비교

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운전비용의 비교(Example)

운전비용($/hr)
Process Stream	Thernal Recuperative Oxidizer	Catalytic Recuperative Oxidizer	Regenerative Thermal Oxidizer	Regenerative Catalytic Oxidizer
10,000 SCFM % LEL	Direct firing	CO	RTO	RCO
1% LEL	$28.37/hr	$11.00/hr	$5.65/hr	$2.50/hr
10% LEL	$16.72/hr	$3.70/hr	0	0

1. 입구측이 온도가 70F 로 공급되는 것으로 가정
2. LEL 1.10%의 열량은 16,720 BTU/LB로 가정
3. 전기비용은 $0.06/KWH로 가정
4. 천연가스의 비용은 $4.50/MMBTU로 가정
5. CO의 열화수율은 65%로 가정
6. Thermal Recyperative Oxidizer의 열화수율은 65%로 가정
7. RCO의 열회수율은 95%로 가정
8. RTO의 열회수율은 95%로 가정
9. 농축기의 농축율은 6:1로 가정

 

연소 소각법에 의한 VOC 처리기술(TO, CO, RCO, RTO)