NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 23, No. 5, 2005 … 517
촉매연소촉매연소에서는 가연성 물질 이 촉매표면에서 불균일 촉매 반응에 의해 산화되기 때문에 화염연소와 다른 특성을 갖는 다. 촉매에 의해 연소반응의 활 성화에너지가 낮아지면 화염 연소온도보다 낮은 온도 에서도 안정적인 연소가 가능하고, 화염연소로 연소 가 불가능한 정도로 농도가 아주 낮은 초희박 가연성 가스도 연소시킬 수 있다. 이와 같은 촉매연소기술은 산업공정에서 공해물질의 배출을 억제하거나 시스템 의 열효율을 높이는데 활용되고 있다.
특히, 요즘과 같이 석유의 가격이 높은 경우에 촉매 연소기술을 건조공정에 활용하면 에너지 절약에 따른 운전비 절감 효과가 매우 크다. 건조공정에서는 150℃
내외의 낮은 온도의 열원을 필요로 하기 때문에 기존 시스템에서는 연소열을 직접 활용하지 못하고 열매체 보일러 등을 이용한 간접가열 방식이 이용되고 있다.
그러나 촉매연소기술을 활용하면 화염없이 연소반응 이 진행되기 때문에 건조에 필요한 열을 피가열체와 가까운 거리에서 직접 공급할 수 있다. 이와 같은 촉 매연소 특성을 이용하면 에너지 소비를 현저히 줄일 수 있기 때문에 촉매연소기술이 최근 더 주목을 받고 있다.
건조공정에서 촉매연소기술을 활용하는 방법은 두 가지가 있다. 즉, 공정에서 필요로 하는 열풍을 촉매연 소 의해 발생된 연소가스를 직접 활용하는 방식과 건 조에 필요한 열을 매트형태의 촉매연소기를 이용하여
원적외선 형태로 가열 대상물질에 공급하는 방식이다.
사용되는 촉매연소기의 형태와 시스템의 구성방식은 연소열 이용방식에 따라 다르며, 대상공정에 따라 적 절하게 선정되어야 한다. 현재 두 방식의 촉매연소기 술 모두가 실제 건조공정에 적용되어 국내에서도 가 동되고 있다.
연소가스 직접 활용 방식
일반적으로 연소기로부터 배출되는 연소가스는 온 도가 높을 뿐만 아니라 검댕과 같은 이물질이 들어있 어 대부분의 건조공정에서 직접 사용하지 못하고 간 접 가열방식으로 사용하고 있다. 하지만 촉매연소 방 식을 채택하면 완전연소가 이루어져 이물질이 발생되 지 않을 뿐만 아니라 연료 농도의 조절에 의해 연소가 스의 온도를 쉽게 조절할 수 있기 때문에 건조공정에 연소가스를 직접 활용할 수 있다. 연소가스를 직접 건 조공정에 활용하면 열풍을 만드는 과정(보일러에서 열매체를 가열과 열교환기로 이송)에서 손실되는 열 량을 없앨 수 있기 때문에 효율을 높일 수 있다. 그러 나 연소가스로 만들어진 열풍에는 수증기가 함유되어 있기 때문에 수분을 건조하는 곳에서는 잘 이용되지 않고, 코팅공정과 같이 유기용제를 건조시키는 공정 에서 유용하게 활용되고 있다. 한편, 공정에서 필요로 하는 열풍의 온도가 높아 기존의 열매체 가열방식으 로 고온 열풍을 만들기 어려운 경우에서도 연소가스 직접 활용방식이 채택된다. 즉, 연료의 농도 조절과 촉 매연소기술을 활용하여 필요한 온도의 연소가스를 만 든 다음 공정에 직접 활용하는 것이다.
송 광 섭
한국에너지기술연구원 촉매응용연구센터, [email protected]
518 … NICE, 제23권 제5호, 2005
코팅장치에서는 건조과정에서 유기용제가 기화되 어 대기 중으로 배출되기 때문에 휘발성유기화합물 (VOC, 기체상태로 바뀐 유기용제가 공기에 희석된 상태로 대기로 방출되는 것)이 필연적으로 발생된다.
휘발성유기화합물은 낮은 농도에서도 인체에 암을 유 발시키고, 태양광선을 받아 질소산화물과 반응하여 광학적 스모그를 생성하고, 오존층을 파괴하여 지구 온난화를 초래하기 때문에 국제적인 환경공해 물질로 인식된지 오래되었으며, 국내에서도 배출규제가 강화 되고 있다.
코팅장치에서 배출되는 VOC는 탄화수소로 이루어 진 공해물질이므로 잘 활용하면 아주 좋은 에너지원 이 된다. 휘발성유기화합물을 소각처리하면서 소각과 정에서 발생된 열을 공정에 활용할 수 있도록 하기 위 해 촉매연소기술이 도입되었다. 현재 국내에서는 촉 매연소기술이 에나멜 코팅장치와 직물코팅장치에 접 목되어 새로운 형태의 코팅장치가 개발되어 보급되고 있다.
최근 한국에너지기술연구원 촉매응용연구센터와 상훈기계가 공동으로 촉매연소기술과 배기가스 순환 방식을 도입하여 새로 개발된 에나멜코팅장치는 기존 에나멜 코팅장치에 비해 생산속도가 5배 정도 빠르고, 에너지 소비가 적으며, VOC를 거의 배출하지 않는다.
개발된 에나멜 코팅장치의 구성과 특징은 다음과 같다.
에나멜 코팅장치는 동선에 코팅용액(수지가 용제에 녹아 있는 것)을 일정한 두께로 도포하고 오븐에서 용제를 제거하여 동선에 수지(폴리에스텔, 폴리우레 탄, 폴리에스텔이미드 등)가 피복되도록 하여 절연특 성을 갖도록 하는 것이다. 기존의 에나멜 코팅장치에 설치된 건조오븐은 전기 가열방식이 사용되고 있는데, 전기 가열방식은 생산속도가 낮으며 건조과정에서 발 생되는 VOC를 처리하기 위한 별도의 처리설비가 필 요하며, 과다한 전기 소모로 인하여 운전비가 많이 든 다. 이런 문제점을 해결하기 위해 개발된 장치는 촉매 연소기술을 도입하여 건조과정에서 배출되는 VOC를 촉매소각하고 발생된 소각열을 오븐에서 활용할 수
있도록 건조오븐을 구성하였다. 건조오븐 내부에 순 환루프를 만들어 전기히터와 촉매층을 설치하였고, 연소가스의 일부분이 항상 대기로 배출되도록 되어있 다. 전기히터는 코팅장치의 운전초기 오븐에 열을 공 급할 목적과 연속작업에서 발생 열량(VOC 소각열) 의 부족으로 오븐의 온도 유지가 어려울 때 필요한 열 량을 공급하기 위해 설치되어 있다. 건조오븐 내부에 서 발생된 VOC는 순환팬에 의해 강제로 순환되면서 촉매층에서 소각된다.
개발된 에나멜코팅장치에서는 촉매연소기술과 전 기가열방식의 결합으로 오븐의 온도가 높아지고, 내 부에서 순환되는 가스양이 많아짐에 따라 생산속도가 기존장치에 비해 5배 정도 빨라졌다. 생산속도가 빨라 짐에 따라 에나멜 코팅장치의 주변설비인 아닐러와 신선 장치도 생산속도에 맞추어 동선을 공급할 수 있 도록 새로 개발했으며, 코팅된 동선을 감는 권취장치 도 자동화를 달성하여 사람이 없어도 자동으로 보빈 을 교체하면서 동선을 감을 수 있도록 하였다.
한편, 직물코팅장치에 촉매연소기술을 적용하여 VOC를 소각처리 하면서 운전에너지를 획기적으로 줄인 촉매연소 열교환방식의 직물코팅장치는 촉매응 용연구센터가 연합기계(주), 디에스엔지니어링과 공 동으로 개발하였다.
직물코팅장치는 직물의 방수, 항균 등의 특성을 향 상시키기 위하여 직물에 수지를 도포하는 장치로서, 신사업 소개
그림 1. 촉매연소 방식의 고속 에나멜 코팅장치.
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 23, No. 5, 2005 … 519
촉매연소를 이용한 건조공정용제에 수지를 녹여 직물에 도포한 다음 용제를 건조 하여 제품을 얻는다. 기존의 직물코팅장치는 열매체 보일러로 열풍을 만든 다음, 직물을 건조시키기 때문 에 직물코팅장치에서 배출되는 VOC는 농도가 비교 적 높으며, 배기가스의 온도도 100℃ 정도로 비교적 높은 편이다. 따라서 직물코팅장치는 촉매연소기술을 도입하기 좋으며, VOC를 열원으로 활용하였을 때 발 생되는 열량도 많다. 하지만, 코팅작업이 계속 이어지 지 않고 단속 작업으로 이루어지기 때문에 촉매연소 장치를 안정적으로 운전하기 쉽지 않다. 이를 극복하 기 위해 우리는 전기히터와 소형 촉매연소기로 구성 된 예열시스템을 도입하였고, 촉매체와 열교환기를 결합시킴으로써 촉매연소반응에 의해 발생된 열이 열 교환기를 통해 연료가스로 전달되도록 하여 연료가스 의 온도가 촉매연소 반응이 일어날 수 있는 온도까지 쉽게 올라갈 수 있도록 해주는‘촉매연소 열교환기’를 개발하였다. 이 ‘촉매연소 열교환기’를 직물코팅장치 와 결합시켜 직물코팅공정에서 발생된 VOC를 소각
처리하고 소각열을 건조공정에 활용할 수 있도록 한 것이다.
촉매연소 열교환기를 직물코팅장치와 결합시켜 휘 발성유기화합물의 소각열을 건조공정에 활용함에 따 라 얻어지는 경제적인 이점을 [표 1]에 나타내었다.
원적외선 복사열 건조 방식
원적외선 복사열 건조방식은 촉매연소를 이용하면 낮은 온도에서 화염없이 연소가 진행되어 근접가열이 가능하다는 특징을 이용하여 연소열을 직접 건조열원 으로 활용하도록 한 것이다. 이 방식에서는 하니컴 형 태의 연소촉매를 사용하는 대부분의 촉매연소장치와 달리 매트형태의 촉매를 사용한다. 매트촉매는 주로 확산식 촉매연소버너에서 사용되고 있는데, 확산식 촉매연소에서는 열부하가 낮고, 촉매연소기의 면적이 넓다. 확산식 촉매연소버너는 매트형태 촉매를 기준 으로 연료가스는 노즐을 통하여 촉매의 후면으로부터 공급되도록 구성된 반면, 공기는 버너의 외부 전면에
그림 2. 직물코팅장치 및 촉매연소 열교환기.
열원 보일러(경유/중유 사용) 촉매연소 장치(VOC/LPG)
용량 100만 kcal/h 50~100만 kcal/h
열풍특성 공기 공기+CO
2+H
2O
연료비 약 7,200만원/년 약 1,000만원/년
설비비 약 7,000만원(후처리 필요) 약 12,000만원(후처리 불필요)
작업환경 환경열악(VOC 배출, 약 5000 ppm) 악취감소(VOC 배출, 100 ppm 이하)
시동시간 15분 정도 1시간 내외
운전안정성 VOC 누적으로 폭발가능성 있음 폭발 가능성 최소화
표 1. 기존 건조 시스템과 촉매연소 열교환기 방식 건조 시스템 비교
기존 보일러방식 촉매연소 열교환기 방식
520 … NICE, 제23권 제5호, 2005
있는 주위 공기의 확산에 의해 공 급되어 촉매연소가 일어나도록 구성된 것을 말한다. 이해를 돕기 위해 구조에 대해 좀더 설명하면 촉매 매트는 버너의 가장 앞쪽에 있고, 촉매 매트의 뒤쪽에는 보온 재 매트가 있으며, 그 내부에는 촉매버너의 점화시 촉매를 활성
화온도(약 250℃)까지 예열하기 위한 전열히터가 설 치되어 있다. 보온재 아래는 가스실로 되어 있고, 여기 에는 연료가스를 균일하게 분산시키기 위한 가스노즐 이 설치되어 있다. 촉매버너의 점화는 먼저 전열히터 에 일정시간 전기를 공급하여 촉매를 예열한 후, 이어 서 가스연료 밸브를 열어 가스를 공급하여 촉매반응 이 일어나도록 한다. 약간의 시간이 지나면 정상적인 촉매연소 반응이 일어나는데, 정상적인 촉매연소 반 응이 일어나면 반응열이 촉매매트를 가열하면서 열이 발산되기 때문에 전기를 공급하지 않아도 반응이 계 속 유지된다. 이 때 연소촉매는 연소 반응열의 일부가 촉매 층의 온도유지에 사용될 수 있도록 축열재 역할 도 한다. 만일 연소반응에서 발생된 열에 의해 촉매 층의 온도가 일정 온도 이상으로 유지되지 못하면 연 소반응이 지속되지 못하기 때문이다.
대부분 건조공정에서는 대류전열방식으로 건조대 상물에 열을 공급하기 때문에 건조속도를 높이려고 많은 유량의 가스를 흘려보낸다. 비록 유량을 계속 증 가시킨다고 하여도 건조속도가 계속 증가하지 않기 때문에 합리적인 범위에서 열풍을 공급하여 운전되고 있지만 기존 건조공정에서 사용되는 열풍은 유량이 매우 많으며, 이로 인한 열손실이 매우 크다.
하지만, 매트형태의 촉매를 사용하는 확산식 촉매 연소버너에서는 연소열이 복사열 형태로 건조 대상물 에 대부분 전달되기 때문에 전열 속도가 촉매연소 버 너와 건조 대상물의 거리에 따라 의존한다. 복사전열 시스템에서 열 발생장치와 건조 대상물 사이 거리가 증가하면 할수록 전달되는 열량이 감소하고 건조속도
가 느려지므로, 열 발생장치와 건조 대상물 사이 거리 가 가까워야 좋다. 그러나 확산식 촉매연소의 경우, 버 너와 건조 대상물 사이 거리가 너무 가까우면 공기 중 의 산소가 촉매연소 버너로 확산되어 들어오는 것을 어렵게 하며, 또한 건조과정에서 발생되는 수증기가 외부로 빠져나가야 되는데 이것이 공기 중의 산소가 촉매연소기로 확산되어 오는 것을 방해하기 때문에 일정한 거리를 유지하는 것이 바람직하다.
실제 건조공정에서 매트형태 촉매버너를 사용하는 경우, 촉매버너 가격 등으로 인하여 기존의 열매체(또 는 열풍) 보일러 방식에 비해 초기 투자비가 많이 든 다. 하지만, 실제 제품생산에서 많은 비중을 차지하는 연료비가 매우 적게 들기 때문에 전체적인 경제성에 서는 촉매연소 버너를 사용하는 경우가 유리하다. 열 풍건조 설비에서 주로 사용하고 있는 등유나 경유의 열량단가가 대략 0.1원/kcal인 반면, 촉매연소버너에 서 사용하는 도시가스는 약 0.04원/kcal이므로 열량 단가 측면에서도 유리하고, 에너지 이용효율도 좋기 때문에 연료비를 획기적으로 줄일 수 있기 때문이다.
또한 원유 값의 폭등에도 LNG의 가격은 영향을 거의 받지 않기 때문에 매트 형태 촉매버너를 사용하는 건 조공정이 요즘과 같은 고유가 시대에 더욱 좋다고 할 수 있다.
최근 촉매응용연구센터에서 펄프몰드 건조에서 확 산식 촉매연소장치를 설치한 결과, 건조속도의 증가 에 따라 에너지 사용량이 상당히 줄어들고 이로 인해 운전비를 획기적으로 줄일 수 있음을 확인하였다.
신사업 소개
