주물공장의 Furan 공정에서 발생하는 휘발성 유기 화합물 및 분진의 동시제거 시스템 개발 및 현장설치 연구
박진수·정재학†·이태진 영남대학교디스플레이화학공학부
712-749 경북경산시대동 214-1 (2005년 11월 24일접수, 2006년 1월 13일채택)
Development and Field Installation of a System of Simultaneously Removing Dust and Volatile Organic Compounds from Furan Process in Foundry
Jin Soo Park, Jae Hak Jung† and Tae-Jin Lee
School of Chemical Engineering and Technology, Yeungnam University, 214-1, Daedong Gyeongsan, GyeongBuk712-749, Korea (Received 24 November 2005; accepted 12 January 2006)
요 약
주물공장에서는주철을녹여서다양한기계부품을만든다. 다양한기계부품을만들기위해목형을주물사에넣은후 주입구를만들어녹인주철을투입한다. 주물공장은 furan 공정을포함해많은공정으로이루어지며, 이중 furan 공정
은목형에주물사를부어넣는공정이다. Furan 공정의첫단계는주물사가서로엉겨붙어있게하기위해접착성을
가지는고분자물질인 furan류를주물사에섞게되고녹은주철이목형으로들어가는것이며고온에의해많은유해
VOC류가발생하게된다. 또공정조업에서 furan용모래를목형이든주물형틀에부어넣게되고, 이때도유독가스와
분진이발생하게되며이분진은 furan 물질을포함하고있어조업자의건강에치명적인요소가되며, 이로인해조업
기피현상이심화되어인력수급에문제가되고나아가사업경영에큰걸림돌이되고있다. 본연구는이러한조업기 피의원인을제거하고쾌적한조업환경을제공하기위해유해 VOC류와집진을동시에수행할수있는유해 VOC 및 분진동시제거시스템을최적설계하고나아가현장에적용설치하였다. 그결과설치후포름알데히드의경우 VOC 0 ppm, 분진 4µg/m3으로조업환경이개선되었으며, 조업자들의조업기피요인을해소하였다. 또한, 우리는회사의고 용문제를해결하고, 작업의생산성을향상시킬수있었다.
Abstract −A foundry makes various machinery parts made by iron. For manufacturing machinery parts, they usually uses wooden mold with molding sand and pour the molten iron into wooden mold through inlet. A foundry have many processes including Furan process, In Furan process workers prepares a wooden mold in the molding sand. So they fixes wooden mold in sand housing and then they fill the molding sand in the sand housing. Molding sand should be sticky enough to sustain the shape of wooden mold, so several materials are needed to prepare the suitable molding sand. The first step of Furan process is making the molding sand with molding sand and Voltaic Organic Compounds (VOC) and the second step of Furan process is pour the molding sand into the wooden molding housing. This two step of process generated noxious VOC and various size of dust. So the process is very dirty and dangerous one. Because of these, Workers frequently shrink out of the plant. The company related with foundry usually faced on the difficult situation for engagement and always have shortage of hiring problem. Through this study, we developed a system which removes toxic VOC and dust simultaneously. We design and construct real system and install it at real plant. Before setting up this system, the working surroundings VOC (for formaldehyde) 15 ppm and Dust(for PM10) 8,000µg/m3. After setting up this system, working surroundings is improved by VOC (for formaldehyde) 0 ppm, Dust(for PM10) 4µg/m3, and the work evasion factor is removed. So we contribute to solve hiring problem of this company and increasing the produc- tivity also.
Key words: Voltaic Organic Compounds(VOC), Dust, Removing Technology, Furan
†To whom correspondence should be addressed.
E-mail: [email protected]
1. 서 론
국내주조산업은기계, 자동차, 선박산업의기반산업이나작업환경 이열악하고, 기업규모가영세하여전형적인 3D 업종으로알려져인 력수급과기술개발에한계점을안고있다. 따라서, 주조공정에서발
생하는분진과주조공정에서사용하는주물사의첨가제인유기화합 물에서 발생하는 휘발성 유기화합물(VOC, volatile organic
compounds 이하 VOC류)을동시에제거할수있는설비를개발함으
로써조업자의인체에미치는유독성을제거하고조업조건을쾌적하 게하여인력수급에도움을주며, 또한분진발생량의빈도가일정치 않은공정이대부분인주조산업에서효율적분진제거를위해분진 발생정도에따라자동적으로적당한분진제거성능을갖는자동제 어시스템의개발은중소형주조산업에는필수적인연구라할수있다.
VOC류는인체에유독성을나타내고광화학스모그를발생시키
는매개체로작용하기때문에작업장의환경과작업자의건강에미 치는영향이지대하다. 국외에서는 1991년유럽과북미국가를중심 으로 VOC류배출량삭감을위한조약이체결되어미국, 일본, EU
를비롯한여러국가에서는 VOC류로인한오존생성유발물질과
유해성물질의배출저감을위해여러 VOC류대상물질을정하여 본격적으로규제하여오고있다. 국내에서는지난 1995년대기환경 보전법개정안에 VOC류배출시설및법적규제조항이마련되었으 며, 대기환경규제지역의경우벤젠, 톨루엔같은 VOC류물질을배
출하는사업장은배출량측정시스템(TMS)을갖춰야한다.
분진의경우자연환경하에서태양광선을차단하고시야를흐리게 하여작업환경을매우열악하게만들어조업자의생산성에큰영향 을준다. 분진이다량호흡기내로들어갈경우직업병으로잘알려
진진폐증을일으키고, 호흡곤란, 기관지및폐즉호흡기관련질 환의 1차적요인이되고있다. 다음에한국의대기환경기준연도
별변경사항을 Table 1에, 대기환경보전법입자상물질배출허용
기준을 Table 2에나타내었다. 다음의 Table 1, 2에서보듯이분진
에대한환경기준치는점차까다로워질것으로전망된다[1].
2. VOC 및 분진의 제거 방법 선정 2-1. VOC 제거방법
VOC류처리방법에는물리적, 화학적, 생물학적처리방법이있
다. VOC를처리하기위해지금까지는다른대기오염물질및악취
를방지하기위해활용된기술이제안될수있는데, 이들중흡착,
응축기술이유망하고배출전안전한물질의완전한분해를위한
산화반응기술로는열소각, 촉매산화, plasma 반응, 막분리법등이
제안되고있다.
기존의연구결과인 VOC 처리기술의장단점을나타낸 Table 3과 처리기술별특징을비교한 Table 4에의하면흡착, 흡수, 응축이유
력한 VOC 제거기술이라예측되었으며특히본연구의대상공정
이 VOC 농도가약 10 mg/m3 정도의오염정도를보이고있는데,
이농도에서활성탄단독사용보다는다중흡착제사용의흡착법이
매우유용한것으로나타났다. Fig. 1에는습식 scrubber와화학산
화법이좀더경제적이나습식 scrubber는폐수를유발시키고또다 시폐수를처리해주어야하는부담이생기며, 화학산화법은중소 기업에설치하기에는초기투자가크며, 또한지속적사용을위한유
지관리기술이어려워적합하지않은것으로판명되었다[2-8].
2-2. 분진제거 방법
분진제거를위하여채택될수있는기계적작용에는중력, 원심력,
관성충돌, 직접차단, 확산, 정전기효과등이있는데, 중력침전법은 중력을이용하여침전실에서입자의크기가 50µm 이상이거나침
전속도가 7.5 m/sec 이상인큰입자를제거하기위하여이용된다.
원심분리기는고체혹은액체상태의분진을가스로부터분리시키 기위하여가스를회전시킬때발생되는원심력을이용하는가스정 화기로서더러운가스가하향으로나선운동을함에따라입자는둘 레부분의벽쪽으로이동한다음점차바닥에침전하게된다. 정화 된가스는하향의나선운동을끝마치고상향나선운동을하게되며,
마지막으로중앙의관을통하여흘러나간다.
Table 1. Modification of ambient air standard by year <Dust generated by a foundry> (unit: µm/m3)
~1993. 12. 31 1994.1.1~2000.8.1 2000. 8. 1~ Measurement
TSP Yearly average: 150µg/m3 150µg/m3 Deletion β ray absorption
Daily average: 300µg/m3 300µg/m3 Deletion β ray absorption
PM 10 Yearly average: 150µg/m3 80µg/m3 70µg/m3 β ray absorption
Daily average: 300µg/m3 150µg/m3 150µg/m3 β ray absorption
TSP: Total Suspended Particle, PM10: Dust below diameter 10µm
Table 2. An Emission standard of particle according to Environmental laws
Facility Standard Permissible standard(mg/m2)
(~1998.12.31) (1999. 1. 1~)
Facility using liquid fuel More than 6000 m3/h 150 100
Less than 6000 m3/h 200 150
Facility using solid fuel More than 6000 m3/h 150 150
Less than 6000 m3/h 200 100
Facility dealing with a metal Arc furnace, Induction furnace 120 120
Melting furnace, Cupola 150 150
Sintering furnace 170 170
Heating furnace 100 100
세정법의경우분진이나가스를접촉에의해서 0.2~10µm 크기 의작은입자를직접액체방울에흡수시켜제거하는것으로접촉은 관성충돌이나중력침전일수도있다.
세정기의장점은분진과가스를동시에제거할수있고, 작은입
자의제거효율이높으며, 한번제거된입자가다시배기가스로흘
러들어가는일이없다는것이다. 그러나습도가높은연기의부력 은약하기때문에연기의상승이중요성을갖는경우에세정기는 부적당하다. 또한, 분진제거에사용된더러운액체를처리하는것도 어려울뿐만아니라수질오염을일으킬수도있다.
여과는분진제거방법으로서가장오래된것이고현재도널리이 용되고있다. 여과에서는가스가여과막의공극을통과할때입자 를붙잡아두는작용이일어난다. 여과에의한제진은직접차단, 관 성충격, 확산, 정전기인력그리고중력침전에의해서일어난다고가
정되고있다. 1µm 이상의큰입자는직접차단, 충돌, 중력등의작
용에의해서제거되나 0.001~5µm 정도의입자는확산과정전기적
인력에의해서제거된다. 각작용에의해서제거되는분진의양은 현재로서는계산할수없는실정이다.
정전집진기는고압방전코로나에의해서 carrier gas를통상 (−)로 이온화시키면이온들은먼지입자에부착하여입자를이온화시킨다.
이온화된입자는접지된집전판혹은집진극으로끌려서제거된다.
집진극에축적된분진은보통진동이나타력에의해서집진극으로 부터제거된다.
앞에서살펴본분진처리기술을바탕으로한산업현장에서널리 사용되는분진제거설비는여러가지가있으나현장의여건및경 제적측면에서여과집진기가가장적합한것으로조사되었다. 여 과집진기는분진흐름을필터로걸러분진을포집하는유형으로 백필터를통과시키는경우가가장많다. 이유형이가장널리사용
Table 3. The Merits and defaults of a treatment technology for VOC
Strength Weakness
Heat Incinerator - Widespread Technology
- Able to use the existing boiler or Incinerator - Complete destruction of VOC
- Suitable for treating a mixing VOC
- The maximum VOC concentration of catalyst incineration is under 10,000 ppm - Decreasing efficiency in case of changing the concentration of VOC - Require the second equipment in case of generating by-products - Unsuitable for treating a material including sulfur of nitrogen Catalyst Incinerator
Flame phlogiston
Adsorption - Simple operation - Able to treat a mixing VOC - Able to recollect VOC
- Generate the secondary pollutant - Increasing cost in high concentration
- Increasing a supply of absorbent In the use of an aplastic absorbent Absorption - Low-priced installation and treatment
- The effective method in case of selecting the suitable solvent - After design an absorption tower, unable to change a composition of VOC - Increasing cost because of an chemical addictive
- Impossible to treat for heterogeneous VOC Condensation - There is no by-product excepting Liquid VOC
- Simple operation
- There is no restrictions as to the feasible range of VOC
- re-boiling VOC to prevent freezing in the condenser - Unable to use under 3,000 ppm
- Unable to use under saturation concentration in a condensing point Biological Treatment - The most effective method of treating VOC under 20 ppm
- Small size
- Low-priced installation and treatment
- Decreasing tradability in the influx of an excess VOC - Lack of a accumulated data
Table 4. Comparison of a treatment technology for VOC
Permitted limit (unit: scfm) Treatable VOC
Thermal oxidation without heat recovery (1-20,000)
Thermal oxidation with heat recovery (20,000-1,000,000) Thermal oxidation: Aliphatic HC, Aromatic HC, Halogen HC, Alcohols, etc. Ketones, etc Catalytic oxidation (1-1,000,000) Catalytic oxidation: Aliphatic HC, Aromatic HC, Alcohols , etc., Ketones, etc
Adsorption (200-1,000,000) Adsorption: Aliphatic HC, Aromatic HC, Halogen HC, Alcohols, etc. Ketones, etc Absorption (1,000-1,000,000) Absorption: Alcohols, etc. Ketones, etc
Condensation (1-2,000) Condensation : Aliphatic HC, Aromatic HC, Alcohols, etc. Ketones, etc Bio-filtration (1-1,000,000) Bio-filtration : Aliphatic HC, Aromatic HC, Alcohols, etc. Ketones, etc
Membrane Technology (1-150) Membrane : Aliphatic HC, Aromatic HC, Halogen HC Alcohols, etc., Ketones, etc.
UV oxidation (2,000-250,000) UV oxidation : Aliphatic HC, Aromatic HC, Halogen HC , Alcohols, etc., Ketones, etc
Fig. 1. Concentration comparison by unit price A) Heat Incineration, B) Catalyst Incineration, C) Activated Carbon-no regeneration, D) Activated Carbon-regeneration, E) Multiple Absorbent, F) Wet Scrubber, G) Chemical Oxidation, H) Biological Pre- cipitator, I) Bio-filter
되고있으나유속, 백필터의제질, 백필터의분진제거방법및빈 도등조업조건에따라연구를수행할필요가있었다. 또한, 집진용
량계산과아울러집진기종류및형식별성능을나타내는자료를
Table 5에나타내었다[9-14].
3. 현장실태조사
A사의경우주물사작업공장내에서의분진의양이많아작업
장내의시야가매우흐렸으며휘발성유기화합물로인한냄새로 마스크가없이는작업장내에진입하기가곤란하였다. A사의주
물사토출 flow mixer 공정은분진뿐만아니라 furan계의화학물
질냄새와고온작업으로인한대기휘발고농도 VOC의영향으로 마스크없이는조업이불가능하였고, 또정상조업을하더라도두 통, 두드러기, 기관지염, 안구질환등의원인을제공하고있음을
알수있었다.
3-1. 현장 환경조사및분석
3-1-1. 분진량측정실험및분석
분진량측정은 PM10과 TSP로나누어 10µm 이하의미세먼지분 진량과총분진량을각각파악하였다. 10~20회에걸친실험을통해 최대오염정도를얻어내었고개발장비설계는최대오염치에준하 여설계하였다. 분진량의실험을위해휴대용미세먼지측정기를사 용하였으며, 현장실험분진측정순서는다음과같다.
①휴대용미세먼지측정기용필터를데시게이터에서충분히건 조시킨다.
②측정직전데시게이터에서필터를꺼내어전자저울로무게를 측정한후휴대용미세먼지측정기에장착한다.
③ TSP와 PM10각각 20분씩측정한직후전자저울에서무게를 측정한다.
작업장내의분진농도는다음 (1)식과같이계산하였다.
작업장내의분진농도[mg/m3] = (포집먼지랑/기체부피)
= (포집량/(유량 × 시간)) (1)
현장측정결과 PM10과 TSP가각각최대 8,000µg/m3, 22,000µg/m3
이도출되었다. 분진발생량은장소마다작업시간마다다르게나타 남이분진측정결과확인되고있다. 분진발생량은 TSP로 2,000µg/m3에 서 125,000µg/m3으로크게변동되고있다. 이러한변동치는작업 장소특히작업시간중또는전후에따라서크게차이가있다. 또한, PM10측정치도 500µg/m3에서 101,000µg/m3으로변동되고있음을
확인하였다.
A사의경우최대분진량은 PM10은 8,000µg/m3, TSP는 22,000µg/
m3이였으며, TSP와 PM10의측정결과를 Fig. 2와 Fig. 3에각각나 타내었으며또한분진들의모양과크기를알아보기위해 300배율의
전자현미경사진을찍었고그결과를 Fig. 4에나타내었다.
3-1-2. VOC 측정실험및분석
많은종류의유해가스 VOC군을 target으로우선사용된경화제
및유기용제의성분을바탕으로주요오염요인을선별하는현장실 험및분석작업을수행하였다. 본실험을조업현장에서 air sampler
를이용하여조업현장의대기를채취하고채취한시료는신속히실 험실로이송하여 FID가장착된 GC를이용하여분석하였다. Table 5. The properties of dust collector
Equipment Mechanism Shape Separable Size(µm) ∆P(Pa) Max Temp.(oC)
Surface Dust collector Gravity sedimentor Gravity Plane >20 150> 1,000
Centrifugal sedimentor Centrifugal force Cylindrical plane >10 2,000> 1,000 Electric precipitator Electrostatic force Plane/Cylindrical plane >0.02 300> 1,000
Crash dust collector Inertial force Plane >1.0 500> 1,000
Target Dust collector Membrane filter Inertia/Diffusion/Blocking Fiber/Particle >0.1~0.01 3,000> 250
Bag house Direct Blocking Fiber >0.01 2,000> 250
Ceramic filter Direct Blocking Particle >0.01 10,000> 1000
Cleaning dust collector Inertia/Diffusion/Blocking Waterdrop >0. 20,000> -
Fig. 2. The result of TSP measurement in company A. Max: 22,000µg/
m3, min: 30,000µg/m3
Fig.3.The result of PM10 measurement. Max: 8,000µg/m3, Min: 800µg/m3
Fig. 5는일반생활공간의대기중공기를 GC로분석한결과이며, Fig. 6은 A사의작업중현장공기를 GC로분석한결과이고, Fig. 7은 시약으로구입한포름알데히드를 0.35％로희석하여 GC로분석한
결과이며, Fig. 8은시약으로구입한에틸알코올을 10％로희석하여
GC로분석한결과이다.
분석결과 Fig. 5에서는나타나지않았던 peak가 Fig. 6에나타났 다. 이것이냄새를유발하는물질이라고판단되고이물질의성분 과양을정밀분석하는실험을수행하였다. 분석결과 retention time 1.004초에나타난 peak는포름알데히드류인것으로판단되고, 1.416
초에생긴 peak는알코올류라고판단되었다.
분석한결과작업중인현장에는포름알데히드류는약 15 ppm,
알코올류는약 87 ppm이발생되고있다.
4. 유해 VOC류 및 분진 동시제거 시스템의 최적 설계 주물사토출공정은분진뿐만아니라 VOC를다량유발시켜밀
Fig. 4. The result of TSP analysis in company A (Size: 0.001µm~
54.429µm).
Fig. 5. The result of GC analysis for air.
폐된작업장전체의대기환경에매우큰악영향을끼치고있다.
또한, 주물사에 furan계화학약품을섞어 flow mixer로주물사를토 출하면서분진과동시에 VOC를대기중으로방출하고또작업시 고온으로인한 VOC가동시에발생하므로초기에는 Fig. 9와같이
flow mixer 토출공정만을밀폐시킬수있는천막이나자바라형태
의닫힌공간을만들면서상부로움직일수있는 duct 시스템을설
치하여작업장으로퍼져나가기전에집진과 VOC를동시에포집 하는시스템을설치하고, 포집된 VOC와분진은적당한기술적처
리방법에의해설계된분진및 VOC 처리시스템으로처리할수
있도록설비를개발하고자하는것이었다. 그러나이방법은조업 자들의조업을방해할수있고또관리적측면에서도난점이많음 을지적받았다. 따라서정확한흡인량계산에의한후드밖으로의
분진및 VOC 배출을차단하고자하였다.
대부분의분진과 VOC가작업장밖으로빠져나오기전에차단하 면서조업에는지장을초래하지않는형태의주물사토출부의새로
운후드설계를수행하였으며이러한형태의후드에의한집진설 비는상업적으로또는연구차원에서개발된것이없어우선본논 문의독창성을나타내는첫번째설계라할수있다. 새로운후드
시스템의설계와그치수를 Fig. 10에나타내었다.
다음에유해 VOC류및분진동시제거시스템의최적설계를위
한용량분석의내용을나타내었다. 분진의 PM10과 TSP 실험결과 와중소기업의산업환경및유지관리보수투자등을고려해볼때
분진은역시기존의집진방식중 bag filter 방식이가장적합한것
으로드러났다. 직포여과집진기는가동비용이적게들고설치투자비
용도적게들지만그성능은매우우수한것으로나타났다[10, 15, 16].
A사의 flow mixer 공정을위한집진여과포설계기준은아래와
같다.
•Type: pulse jet, 기계식, 공기역류식
•여과속도(A/C ratio): 2~5 m/min
•∆Pa: 5~8 cm H2O, ∆Pm: 10~15 cm H2O(20~80 cm H2O 가능)
Fig. 6. The result of GC analysis for working surroundings.
•Duct 유속: 10 m/s
•포 housing 유속: 60 m/min 이하유지
•여과포: Ø100~Ø300, L3000~L10000
•여과포재질: 면, 폴리에스테르등
•여과포코팅: 고어택스등 hard coating
•Stack 높이: Duct Ø × 3~8배
집진용량설계는다음과같이수행되었다.
•집진기의 blower 용량: 200 m3/min
•분진포집속도: 20 mg/m3× 200 m3/min = 4,000 mg/min = 240 g/hr = 5.7 kg/day(MAX)
∴약 6 Kg/day 용량여과포가능길이(현장조사): 2~4 m
•집진포직경(trial & error): 0.15 m→8 × 10개
•0.15 × 3.14 × 80개 = 113.04 m2
하루처리분진용량의집진포포집면적은다음과같이계산되었다.
•집진여과포 housing 면적(현장조사설치가능넓이):
2 m × 2.5 m = 5 m2
•여과포가능길이(현장조사): 2~4 m
•집진포직경(trial & error): 0.15 m→8 × 10개
0.15 × 3.14 × 80개 = 113.04 m2
여과속도는 trial & error에의해다음과같이계산되었다.
•풍량: 200 m3/min
•Dust size: (duct 유속: 10 m/s 이상기준)
■Size: 0.25 × (0.55 m)2 × π = 0.24 m2
■유속: = 14 m/sec
•포 housing 크기(포 housing 유속: 60 m/min 이하기준) = 40 m/
•집진포설계
φ0.15 × L3000 × 80개 = 113.04 m2 (집진포면적)
•여과속도
200 m2⁄min 0.24 m2 ---
200 m3 5.0 m2
--- min 0.83 m/sec≅
Fig. 7. The result of GC analysis for formaldehyde.
= 2 m/
또 VOC 포집실험에의한 VOC 종류와그양에따라흡착법이
가장접합한방법으로드러났고, 흡착제는활성탄, 제올라이트, 알 루미나 3가지에대하여실험을수행하였으며, 그결과각흡착제 1 g
당 total VOC 처리량(emission 양)을얻을수있었다. Fig. 11과
Fig. 12는현장에서검출된 VOC류인알코올류와포름알데히드류에
대한각흡착제 1 g당 total VOC 처리량(emission량)을보여주고있 다. 또한, 3가지흡착제의흡착능력과아울러흡착제의대체적인
가격에대비하여경제성을분석하여 Table 6에나타내었다.
위에서나타난흡착제성능실험결과는경제성측면의활성탄과 흡착능력측면의제올라이트가유력한흡착제로결론내릴수있다.
그래서각온도영역에서의활성탄과제올라이트의흡착능을알아 보기위해온도상승에따른두흡착제의흡착능을알아보는실험 을수행하였다. 그결과를 Fig. 13에나타내었다.
활성탄과제올라이트의탈착곡선에서의두흡착제의탈착온도가 다른온도인것을알수있었으며, 두흡착제가같이사용될경우 흡착가능온도구간이확대될것이며특히주물사 furan 공정은온 도범위가넓어매우우수한흡착성능을보일것이다. 또한, 본연
구의대상공정의 VOC 농도가약 10 mg/m3정도의오염을보임에 따라단일흡착제보다는다중흡착제흡착법이보다효과적인것으
200 m3⁄min 113 m2
--- min 0.03 m/sec≅ Fig. 8. The result of GC analysis for ethanol.
로판단되어활성탄과제올라이트를사용하기로하였고그실험결 과를바탕으로한용량설계는다음과같다.
현장포집공기는포름알데히드 15 ppm, 알코올류 87 ppm의공
기이고사용한공기는활성탄 1 g을사용할때알코올류의경우약
40분, 또포름알데히드경우역시약 40분정도에서 emission이시 작되고있음을보았다. 또제올라이트를사용한경우알코올류, 포 름알데히드모두약 50분부터 emission 방출이시작됨을 Fig. 11과
Fig. 12에서보여주고있다. 우선이들중성능이다소떨어지는활
성탄을기준으로그용량을설계하였다. 40분간 100 ml/min의속도 로포름알데히드 15 ppm과알코올류 87 ppm을 1 g의활성탄이처 리하므로약 4,000 ml의공기를활성탄 1 g이처리함을알수있다.
현장의집진설비가동시간즉 flow mixer의가동평균조업시간
은약 1일 4시간이며매일가동한다고가정하고 6개월(약 180일) 가 동시까지사용할수있는흡착제의양을계산하였다.즉, 4시
간 × 60분 × 180일 = 43,200분이므로 43,200분간흡착제를사용
한다고볼수있다.
현장의집진기 blower는 200 m3/min 이므로 200,000l/min의유 량이나안정된현장주변의공기가포름알데히드 15 ppm, 알코올류
87 ppm이며 200 m3/min으로빨아들이는풍량의경우는주변대기
공기가다량흡입된다고보아야한다. 공기유입은약 500~1,000배 정도희석된다고볼수있고이때 200,000 = 200 즉약 200l/min의
Fig. 9. The example of hood system desired for installing in the field.
Fig. 10. The schematic diagram of flow mixer’s hood.
Fig. 11. The total emission amount of an absorbent 1 g for alcohols.
Total Emission Amount(µl): Σ[5min×100ml/min×Concentration (ppm) × 1000µl/ml]
Fig. 12. The total emission amount of an absorbent 1 g for formalde- hyde. Total Emission Amount(µl): Σ[5 min × 100 ml/min × Concentration(ppm) × 1000µl/ml].
Table 6. The treatment amount and economic efficiency of absorbents
Absorbent Quantity Price Total
Activated carbon 3.5~4l/g inexpensive good
Zeolite NaX 4.5~5 expensive moderate
γ-Alumina 2~2.5 expensive bad
포름알데히드 15 ppm, 알코올류 87 ppm의오염된공기를처리한다 고볼수있다. 총 6개월간 처리 오염 공기량은 200 × 43,200l
= 8,640,000l의처리량이된다. 1 g 활성탄의오염공기처리능력은
4l 이므로 2,160,000 g의활성탄이 6개월간공정에서재생없이사
용하기위해약 2.1 tone 정도의양이필요하다는결과가도출된다.
약 2.1 tone의활성탄의부피를계산해보면다음과같다. 이때활성
탄의밀도는 0.56 kg/l 이다. 즉 3,750l이상의활성탄 chamber가필 요한결과가도출된다.
위계산방식에의해활성탄 chamber의크기를 5,000l로산정하
였고또제올라이트는부가적으로별도의 chamber를두어설계하
였다. 또흡착제를재생하기위해흡착 chamber를열선으로감아
열을가해줌으로써흡착된 VOC류를탈착시키는시스템을보강하 였다. 활성탄과제올라이트의탈착온도가서로다르므로두흡착제
chamber가별도로설계되었고열선에서의최고온도도각각제올라
이트 120~130oC, 활성탄은약 200oC로조절할수있게하였다. 결
과적으로도출된흡착탑의설계도를 Fig. 14에나타내었고또이설
계를이용하여흡착제교체주기를더욱길게즉흡착제의수명을
6개월이상으로사용할수있게된다.
5. 현장 설치 및 결과 분석 5-1. 현장설치
Fig. 15에서는집진후드가설치되기전의모습과설치후의모습
을보여주고있다. Fig. 15에서보듯조업자들은과거에비해조업
을매우안정적으로쉽게수행하고있고특히발생분진과 VOC가 거의없어마스크착용없이도현장조업을수행할수있을정도로
(작업규정상마스크를착용하도록지시감독하고있음) 원활한조 업수행을볼수있다. 또한, 분진과 VOC를동시에제거하는최종
목표물설비는작업장외부에설치되어있고 Fig. 16은현장에설
치된설비모습을보여주고있다. 이설비는우측에특수설계된
bag filter에의한여과포집진방식의집진기와좌측의활성탄및제
올라이트층의흡착제충진탑을가지고있다. Fig. 13. The desorbed amount of absorbent according to temperature.
Fig. 14. The schematic diagram of absorption tower. Fig. 15. Comparison of work surroundings for Flow Mixer’s Process.
5-2. 결과 분석
본연구를통해개발된설비를각조업현장에설치하고약 2~3
개월간운전후만족할만한현장조업자들의반응을얻었다. 설치 된장비가얼마나설치전의시스템이포집하지못한분진과 VOC
류를처리해주는가를실험하기위해설치후현장실험을통해그 결과를설치전과비교하여분석해보았다. 첫째, 분진의경우약 20
회에걸친개발된장비가설치되기전의실험에서 TSP 최대치약
22,000µg/m3, 최소치약 3,000µg/m3의결과를얻어내고있고 PM10
의경우로최대치약 8,000µg/m3과최소치약 800µg/m3의결과를 얻어내고있음을앞서제시한대로알수있었다. 개발된설비가장
착되어운전된지약 2개월후부터 10회에걸쳐실험해보았으며
TSP의경우최대 16µg/m3, 최소 10µg/m3의결과가도출되었고
PM10의경우최대약 4µg/m3, 최소 0µg/m3의결과가도출되었다.
이결과들의그래프를 Fig. 17에나타내었다.
TSP의경우최대치조업기준으로볼때즉 99.927％의 TSP 분
진처리결과를보여주고있고 PM10의경우도즉 99.67％의분진
처리능력을보여주고있으며 PM10의경우최소치가전혀배출되 지않았으므로수치상으로는 100％의분진을처리한결과가도출되
었다. 분진을걸러낸후현미경사진에서도확인할수있는것이 TSP의경우설치전의현미경사진은 300배율로촬영하였으나. 설 치후의분진현미경사진은설치전의배율에약 50배율을높여야 만분진입자를확인할수있을정도로미세한분진밖에확인할수
없었다. 설치전에는최대 54.429µm 크기의분진입자가보였으나
설치후에는최대분진입자크기가 0.5µm를넘지못하고있다.
PM10에서는보다미세하여 0.127µm가가장큰입자이고그나마
거의없어현미경으로분진을찾기힘들어현미경촬영이어려울 정도이었다. Fig. 18, Fig. 19에는개발설비설치후조업에서의
TSP와 PM10의현미경촬영사진을나타내었다.
또 VOC 포집실험에서앞서밝힌대로개발장비설치전의 GC
분석 data에의하면포름알데히드 15 ppm 이상그리고알코올류
87 ppm이상, 기타 VOC류가포함된공기로분석되었다. 개발된설
비를장착한후 0.1 ppm 단위까지검출하는 GC 분석기로분석해
본결과포름알데히드류와알코올류모두검출되지않았고 GC 분 석결과그래프역시연구실환경의대기와거의같은공기로나타
남을알수있었다. Fig. 20에는개발설비설치후의조업환경대기
의 GC 분석결과를나타내었다.
본연구는분진및 Fume, 기타휘발유기물을동시에제거할수
있는설비의최초개발로이는국내주조및화석연료분쇄공정등
분진및 VOC 혹은유해유기화합물이동시에발생하는산업에서
의유해분진및 VOC류제거가이루어져소위 3D 업종으로분류 되는이러한업종의조업환경을크게개선하여인력의원활한수 급과작업환경개선으로인한생산성향상및대기오염환경문제의 해결등일석삼조의효과를얻을수있을것이다. 설치된설비는분
진류 99.6％이상 VOC류 99.9％이상의제거효과를나타내고있
Fig. 16. The picture of system for removing simultaneously dust and VOC.
Fig. 17. After setting up a system, the result of measurement for PM10
and TSP.
Fig. 19. After setting up a system, the result of analysis for PM10.
Fig. 20. After setting up a System, the result of GC analysis.
Fig. 18. After setting up a system, the result of analysis for TSP.
어당초계획을상회하는결과를얻은것으로간주될수있다.
기술적측면에서볼때복합적유해대기오염원의동시제거기 술은설비투자비를절감할수있고결과물의응용이매우광범위 한산업으로확대적용될수있을것이다. 산업현장에서분진의시 각적효과와 VOC류에의한냄새로인한후각적효과를동시에직
면하여조업자들의조업의기피성이극대화되고있는실정에서두 가지오염원의동시제거로인해조업환경의쾌적성을직접적으로 느끼게될것이고, 이로인한생산성향상과이직률저하그리고인 력수급의해소등의효과를거둘수있을것으로보인다.
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