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연구과제명 HTO를 이용한 VOC 제거기술의 현장 적용 연구
연구책임자 원호식(한양대학교)
사업년도 2006년
사업구분 VOC 제거기술
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제목
HTO를 이용한 VOC 제거기술의 현장 적용 연구
연구의 목적 및 필요성
최근 강화되고 있는 대기환경보존에 관한 규제는 VOCs 가스 배출 산업에 있어서 중대하고 시급한 현안이며 정부는 규제대상 VOCs 확대, 신 용제 개발, 배출·처리기술 개발의 3가지 대기환경 보존 대책을 적극적으로 추진 중이다.
특히, 2005년 상반기부터 악취방지법이 1년간의 공고 기간 후 실제로 시행되었으며, 환경부 단기대책 종료 후, 장기대책이 도입되는 대기환경개선의 원년이 되었다. 이러한 강화된 정부 규제와 사회 요구에 대해 VOCs 배출 산업시설들은 고가의 처리시설을 설치해야하는 부담을 안게 되었다. 특히, VOCs 배출 산업시설은 그 업종의 특성상 중소기업들이 많으며, 공해발생에 따른 들끓는 민원과 인력기피 현상으로 점차 설자리를 잃어가고 있는 상황이다. 단순한 정부 보조금 지원으로는 그 한계가 있으며, 설령 설치가 이루어진다고 가정해도 설치 이후의 운전·유지비용에 따른 부담으로 실질적인 효과를 나타내기 어려울 것으로 보인다.
본 연구기술은 크게 VOCs 배출 처리기술과 열원 활용기술로 구성된다. VOCs가 배출되는 주요 산업시설은 잘 알려진 바와 같이 도장시설(55%), 세정시설, 저장시설(8.7%) 등이며, 여기서 발생하는 VOCs의 처리기술은 성분조건과 생산환경에 따라 다양하다. 일반적으로 가장 많이 쓰이는 방식은 열적 산화방식과 촉매 산화방식이다. 이외에도 생물학적 방식과 활성탄 흡착방식이 있지만, 일반적인 대용량 생산설비에 대해서 활용성이 상대적으로 낮으므로 논외로 한다.
열적 산화방식은 650~800℃의 온도범위에서 에너지 사용량은 상대적으로 많으나, 운전이 전반적으로 안정적이고 제어가 용이하다. 또한 에너지 사용량을 획기적으로 줄이기 위해 축열재를 이용한 축열방식(Regenerative Thermal Oxidation)이 최근 개발되었다. 촉매 산화방식은 130~330℃의 온도범위에서 에너지 사용량은 거의 없으나, VOCs 농도변화에 따라 민감하게 반응하고 제어가 상대적으로 어렵다.
대표적인 두 가지 VOCs 처리방식을 하나로 합친 것이 본 연구에서 제시하는 하이브리드 열적 산화방식 (Hybrid Thermal Oxidation)이다. HTO 방식은 130~500℃의 온도범위를 가지므로, 고온 생성물에서 자유롭고, 축열방식을 채택해 추가적인 에너지가 상대적으로 적으며, 농도변화에 대해 운전이 안정적이고 제어가 용이하다. 즉, HTO 방식은 열적 산화방식과 촉매 산화방식의 장점만을 갖춘 이상적인 처리방식이다.
VOCs을 처리하며 발생한 열량을 생산설비에 활용하는 기술은 직접활용방식과 간접활용방식으로 구분할 수 있다. 이는 이송공정(convey type), Booth type 등 각각의 생산공정 특성에 따라 결정된다. 이 때, 고려할 사항은 최근의 VOCs 발생 유기용제 트랜드 (ex. 유성용제▶수성용제), 유로설계, 열설계 등이다. 특히, 기존 생산설비와 일체화하여, 열손실을 줄이고 소형화하는 시스템 기술이 관건이다. 이러한 시스템 기술은 생산공정의 노하우와 case-by-case의 접근방법이 필요하기 때문에, 그 필요성에 비해 관련기술이 국내에는 거의 전무한 실정이다.
연구의 내용 및 범위
안산반월공단은 수많은 중소기업이 밀집되어 있고 지리적 요소로 인한 발전 잠재력이 무한하나 경기지역 내에서 환경문제가 가장 심각하다는 문제를 안고 있다. 그러나 이 지역산업체들은 대부분 중 소규모의 업체들로 거대한 투자비와 유지비용이 드는 오염방지설비들을 설치하기에는 어려움이 있다. 따라서 다양한 악취물질을 처리하기 위하여 설치 및 운전비용이 저렴하고, 협소한 부지에도 설치 가능하며, 저농도 및 고농도에 모두 적용 가능한 Hybrid-Type의 HTO 기술의 물리화학적 처리기술을 개발이 시급하다.
기존의 대형 환경설비 시스템을 자체 물리/화학적 처리기술을 통한 소형화 및 보급형으로 개발함에 따라 설치비용의 30%, 운전비용의 50% 이상 절감효과를 목표로 하여 반월시화공단 내 악취중점관리 업체를 대상으로 개발한 HTO 환경설비를 적용한다. 또한 시화·반월공단 내 악취중점 관리 산업체에서 발생되는 악취, VOCs 및 각종 유해물질을 경제적이고 효율적으로 처리하는 최적조건을 찾는다.

악취제거 핵심기술인 생물학적 처리기술 및 물리화학적 처리기술 설비를 보급형으로 개발하여 시화ㆍ반월공단의 VOC 및 악취배출업소에 보급함과 적용대상 업체에 대한 전반적인 공정에 대한 악취분석, 환경설비 인자의 도출, 환경시설 업체의 시설개발 및 운전비용 저감을 위한 공정분석, 시설설치 전후의 환경설비에 유입되는 악취 및 처리 후 화학분석을 통하여 처리효율 개선 등을 연구의 목표로 한다.
연구결과
각 업체별 오염물질 배출 현황
지정 업체인 O-케미칼, Y-산업, K-산업을 대상으로 오염물질을 조사한 결과 O-산업의 TVOC는 55098ppbC, 35027ppbC, 64025ppbC, 689325ppbC, 217697ppbC로 검출되었고 Y-산업의 경우 TVOC의 농도가 99581ppbC, 85313ppbC, 35311ppbC, 35830ppbC로 나타났다. K-산업 TVOC값을 보면 840,951ppbC와 123719ppbC로 검출되었다. 포집일자와 시간에 따라 농도에 차이를 보이기는 하지만 전체적으로 많은 양의 VOC 물질이 발생되고 있음을 알 수 있었다.

2. HTO 공정의 효율성 확인
HTO에 오염물질을 주입하여 VOC 물질에 대해 어느 정도의 저감효율이 나타나는지 확인하였다. 1차 분석 결과 인입시 1765211ppbC의 TVOC 농도를 주입하였는데 토출시는 32328ppbC로 98%의 저감능력을 보였고 밸브 전환시에는 65039ppbC로 96%의 저감 능력을 보였다. 2차 분석 결과 인입시 113419ppbC의 TVOC 물질을 주입하였는데 밸브전환 부분에서 10537ppbC로 90%의 저감능력을 보였다.

3. HTO 공정을 현장 적용 시 효율성 확인
앞서 업체별 오염물질 현황을 조사한 업체 중 하나인 K-산업에 HTO를 설치한 후부터 실제적으로 작업장에서 사용되는 HTO의 효율성을 확인하였다. 이 공장에 설치한 HTO는 흡착탑 1bed와 HTO를 설치하였기 때문에 작업이 이루어지는 중에는 흡착탑을 이용하여 오염물질을 제거하고 작업이 이루어지지 않을 때에는 HTO를 가동시켜 흡착탑 내부를 재생한다. 그렇기 때문에 작업 중 일 때와 HTO를 가동할 때 모두 분석을 실시하였다. 그 결과 예열직후 1차 분석시 TVOC의 처리율은 61%로 2차 분석 시 TVOC의 처리율은 79%로 나타났다.
가동 후 3시간이 지난 다음의 1차 분석 때와 2차 분석 때의 TVOC 농도의 처리율은 90%로, 3차 분석 때는 TVOC 농도의 처리율이 93%로 나타났다. 작업 중 일 때의 처리효율은 1주차 일 때 1차, 2차 실험에 대한 결과가 97%, 89%의 처리율을 나타냈고, 2주차에 실시한 3차례의 실험결과 각각 70%, 91%, 84%의 처리율을 나타냈다. 3주차에 실시한 3차례의 실험결과에서는 TVOC의 인입농도와 토출농도를 비교해봤을 때 50%, 53%와 같이 계산되었다.
연구결과의 활용계획
지금까지는 외국으로부터 설비를 들여오거나 혹은 기술도입에 의존하므로, 촉매 소재도 외국의 것을 사용하고 있다. 하이브리드형 소각시스템의 기술이 확보되면, 외국으로부터의 기술도입에 의한 기술료 지급이 절약되며, 또한 국산 촉매 소재의 사용이 활성화 될 것으로 예상된다. 이처럼 국내 기술이 확보되어 자립하게 되면, 기술도입에 따른 비싼 비용이 절감되게 된다. 현재 개발이 진행 중인 HTO의 경우 순수 국내 기술을 바탕으로 개발되어지고 있으며, 이는 위의 언급한 장치의 제작에 필요한 비용외의 불필요한 비용의 절감을 가져올 것이다. 이는 제품의 가격을 안정시키는 요인으로 작용할 것이며, 비싼 비용 때문에 VOC 처리장치 도입을 꺼려 왔던 영세한 중·소기업들의 VOC 처리장치 설치에 많은 도움이 되리라 생각한다. 또한 향후 국내 시장 뿐만 아니라 가장 큰 시장으로 떠오르고 있는 중국 및 인도 시장에서도 한발 앞서 나갈 것으로 기대된다.

국내 VOCs 처리기술 중 현재 가장 널리 보급된 활성탄 흡착 방식은 활성탄의 교체비용 때문에 실질적인 효과가 없다. 따라서 최근에는 축열식 열적산화방식 (RTO) 또는 축열식 촉매산화방식 (RCO)이 보급 확산 중이다. 그러나 본 제안 기술은 RTO 와 RCO의 장점을 살리고, 단점을 보완한 Hybrid-Type 으로써, 기존의 기술과 차별성을 갖는다. Hybrid-Type은 RTO 보다 저에너지 소모이면서, RCO의 불안정성을 동시에 해결할 수 있다. 더 나아가 VOCs 처리시 발생한 열량을 생산시설에 활용하는 기술은 단순 열회수 이외에는 거의 전무하다고 할 수 있다.

Hybrid 방식을 이용한 VOCs 처리와 열원활용 기술은 기존의 단순처리설비에 비해 저렴한 운전비용과 뛰어난 안정성, 그리고 생산비 절감을 동시에 구현할 수 있는 돌파구가 될 수 있을 것으로 기대한다.
   
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