VOC 처리시설의 선정 및 설계

신병철, 이근후, 강순기, 이조영

삼성엔지니어링, 기술연구소

Selection and Design of VOC Removal System in Industry

Shin Byung Chul, Lee Geun Hoo, Kang Soon Ki, Lee Jo Young

Samsung Ennineering Co., Ltd., R&D Center

서론

산업현장에서 발생하는 VOC는 그 종류의 다양성,  발생시설의 조업상황에 따른 발생농도 및 유량의 수시변동으로 처리시설의 선정 및 설계 조건의 확립에 여러 가지 인자들이 신중하게 고려되어야한다.  국내의 경우 VOC 처리 사업을 하는 환경업체들의 대부분이 중소 영세업체로, 다양한 기술을 보유하고 있지 못하여 특정 기술을 이용한 영업이 대부분이기 때문에 VOC 발생 조건에 따른 최적시설의 선정 및 설계시 유의하여야 할 주요사항들이 간과되어 처리시설의 운전 및 VOC 처리가 비효율적인 경우가 있다.  산업부문에서 발생하는 VOC를 처리하기 위한 시스템의 선정 및 설계시 주의 깊게 고려되어야 할 사항들을 고찰하였다.

1. 시스템 선정의 기본사항

VOC 처리 시스템의 선정 기준은 화학공정의 선정 기준과 크게 다를것이 없다.  기술적인 사항으로 처리효율이 높아야하고, 운전관리가 용이하여야 하며, 안전성이 확보되어야 하고, 경제성면에서는 초기투자비용이 저렴하고 운전조업비용이 저렴하여야 한다.

(1) 현장조사 및 측정분석

산업현장에서 배출되는 VOC 성분의 종류 및 농도는 사업주도 잘 모르는 경우가 매우 많다.  대형 화학공장의 경우는 예외라고 할수 있지만 대부분의 중소규모 VOC 배출 시설들은 세정 및 도장, 물질합성등 여러공정에서 발생한후 한 개의 덕트로 모아져 배출되는 경우가 일반적이다.  또한 이들 각 공정은 연속적으로 운전되기보다는 배치식으로 운전되기 때문에 시간에 따라 오염물의 종류 및 농도가 매우 다르게 나타난다는 사실이다.  또한 많은 경우에 있어서 제조공정에 부가적으로 사용되는 물질에 대하여 상표명은 알려져 있지만 그 조성이 공개되지 않는 경우가 많다.  따라서  VOC 배출시설의 선정 및 설계시 가장 중요하게 고려되어야 할 VOC의 종류 및 농도를 정확하게 측정 및 산정하기 위해서는 세밀한 공정분석 및 현장 조사와 장시간 측정이 수행되어야 한다.

(2) VOC 회수 및 재이용

배출된 VOC 성분의 종류가 적고 농도가 높은 경우 우선적으로 검토되어야 할 기술은 VOC를 회수하여 재이용하는 시스템이다.  이러한 시스템으로는 흡수/정제법, 응축법, 흡착/재생법, 멤브레인을 이용한 분리 시스템등이 고려될수 있다.  그러나 대부분의 VOC 성분들은 비점이 낮고 휘발성이 강하기 때문에 회수 과정에서 상당량의 에너지가 소모된다.  특히 휘발성이 매우 강한 용제 계통의 경우 액체질소를 사용하여 저온에서 응축, 회수하는 시스템은 사용후 냉매를 타공정에 재사용할수 있는 경우에만 전체적인 경제성을 맞출수가 있다.

회수 가치가 없는 VOC 성분의 경우 최종처리시스템이 검토되는데, 가장 일반적인 경우는 직접적인 열소각, 촉매소각, 흡착/폐기, 미생물을 이용한 분해기술등이 고려될수 있다.

(3) 폐열 회수 시스템

열을 이용하여 VOC를 산화, 분해하는 경우 고온에서 분해반응이 이루어지기 때문에 VOC 농도는 반응열의 공급과 밀접한 관계가 있다.  VOC 물질의 분해에 의한 열발생으로 소각 시스템에 필요한 열량을 자체적으로 공급할수 있는 시스템이 가장 이상적이지만, 열량이 부족한 경우 상당량의 보조 연료가 공급되어야 하므로 운전비용이 크게 증가하게된다.

부족한 열량의 정도에 따라서 소각 온도가 비교적 낮은 촉매 소각방식을 검토할수 있다.  촉매소각의 경우 운전온도가 직접 소각의 50 ∼ 70% 정도로 낮기 때문에 필요한 열량도 상당히 적어진다.  그러나 촉매 소각의 경우 유입되는 성분에 의한 촉매의 피독 가능성, 분진등 점착성 물질의 존재여부, 저온 연소에 의한 처리효율의 저하 문제등 기본적인 사항이 검토되어야 한다.

VOC 물질 자체의 연소열에 의한 열량 공급이 자체 필요 열량을 충족하지 못한다면 처리후 배가스로부터 폐열을 회수하여 유입되는 가스의 예열에 이용하여야 한다.  폐열 회수 시스템은 크게 축열형(Regenerative)과 열교환형(Recuperative)으로 대별할 수가 있다.

축열형에서는 열회수 효율이 95% 이상까지 가능하여 매우 효율적인 시스템이지만  세라믹 재질의 축열재를 사용하기 때문에 VOC 배출공정이 연속적으로 운전되며 처리 용량도 대용량인 경우에 적합하다.   열교환형은 일반적인 쉘-튜브 형태의 열교환 방식이기 때문에 열회수 효율은 70% 정도로 낮지만 정지상태에서 정상 가동까지의 시간이 매우 짧기 때문에 신속한 기동성이 요구되는 공정에 적합하므로 VOC 배출 공정이 주기적으로 조업되는 곳에 적합하다.

(4) 농축 시스템의 적용

VOC를 배출하는 많은 공정에 있어서 악취 발생 강도는 높지만 VOC 농도 자체는 낮은 경우가 있다.  또한 이러한 사례들의 대부분은 여러공정에서 발생한 VOC를 함께 모아서 배출하기 때문에 VOC 성분도 매우 다양하여 소각처리하는 것이 최선인 경우가 많다.  그러나 유입되는 VOC 농도가 매우 낮은 경우에는 처리후 배가스로부터 폐열을 최대한 회수하더라도 필요한 열량을 충분히 공급할 수가 없어 보조연료 사용량이 증가할 수밖에 없다.

필요한 열량이 크게 모자라는 경우 농축식 설비가 부가된 Hybrid 시스템이 고려되어야 한다.  연속적인 흡착/재생 시스템을 부착하여 저농도의 VOC를 농축하여 10배 이상의 고농도, 소량의 가스로 전환하면 후단에 소각처리 시스템을 적용하더라도 보조연료량이 필요하지 않을수 있다.  또한 이러한 Hybrid 시스템에서는 농축 시스템에 대한 초기 투자 비용이 증가하지만 후단의 소각 처리 시스템을 소형으로 할수 있기 때문에 전체적인 시설투자비는 거의 유사하다.

2. 처리시설의 시공 및 운영상의 문제점

VOC 처리의 최적설비 선정에 의한 적정 설계가 수행된 경우라 해도 실제 시공 및 운전단계에서 부적절하게 적용됨으로서 보조연료 사용량의 급증 또는 처리효율이 저하되는 문제가 있다.  화학공학자의 입장에서 보면 비교적 단순한 문제라고 할 수 있지만 실제 현장에서는 매우 심각한 문제로 부각되었던 사례들로  다음과 같은 경우가 있다.

(1) 저농도 VOC 유입

VOC 발생 시설이 개방형 즉 저장 탱크의 Breather valve와 같이 외부공기가 유입되도록 시공함으로서 처리설비에 유입되는 VOC 농도가 크게 낮아짐

(2) 연소실의 고온운전

고온에서 VOC를 연소시키면 처리효율이 높아지는데, 적정온도 이상의 고온에서 운전함으로서 보조연료가 과도하게 소요됨

(3) 유입가스내 수분 과다

처리가스의 수분제거시설이 생략됨으로서 다량의 수분이 처리시설로 유입됨

(4) Swiching valve 의 개폐시간 과다

유입/처리 가스의 방향전환 밸브의 전환간격이 길어 축열로의 과도한 온도편차로 열회수 효율의 저하

(5) 축열  Chamber 간 축열량의 비대칭

Chamber간 적정한 축열재 양의 부족 또는 불균형에 의한 축열량의 비대칭으로 열교환 효율의 저감

(6) 촉매층의 가스 Bypass

촉매층의 시공시 밀폐 부적합 및 운전중 열팽창 차이에 의한 간격 발생으로 배가스 Bypass에 의한 처리효율 저하

3. 미생물을 이용한 악취 및 VOC 처리 현장적용성 시험

(1) 생물학적 탈취장치 현장실험 방법

본 실험에서는 반도체공정 폐수에서 발생하는 악취 및 유해가스 물질을 처리하기 위하여, 기존의 Biofilter 시스템을 보완하여 그림 1과 같이 biotrickling filter 와 biofilter 로 처리시스템을 구성하였다.  Biotrickling filter 안에는 lava라고 하는 자연 담체에 선택적으로 고정된 미생물에 의해 악취물질중 주로 황화수소(H2S), VSCs(Volatile Sulfur Compounds)를 분해하고, 2차적으로 Biofilter 내에서 나무껍질류와 퇴비 물질을 조합해서 만든 담체에 고정화된 미생물에 의해 잔존하고 있는 악취물질을 처리하였다.  본 실험을 위해 Hyphomicrobium 미생물을 사용하였으며 유량은 처음 한달 동안에는 100 m3hr-1에서 운전하였고 그 이후에는 200 m3hr-1으로 유량을 증가시켰다.

Figure 1. Pilot 장비의 Schematic Diagram

(2) 결과 및 고찰

○ 유입가스의 변화

반도체생산공정에서는 다양한 화학물질을 사용함에 따라 폐수처리장으로부터의 발생되는 off-gas의 성분은 매우 다양하다. 따라서 본 실험에서의 주요 대상물질은 DMS(dimethyl sulfide), ammonia, 그리고 총유기화합물(TOC)의 3가지로 정하였고 현장적용동안에 유입되는 off-gas의 농도는 다음 표와 같다.

표 1. 현장 적용기간동안의 유입가스의 농도변화

항목	유입가스 Flowrate
	at 100 m3hr-1			at 200 m3hr-1
	Min.	Max.	Ave.	Min.	Max.	Ave.
TOC(ppm)	17.1	74.6	46.2	89.5	198.5	148.9
DMS(ppm)	1.0	6.0	2.9	1.0	3.5	2.5
NH3(ppm)	1.0	23.5	8.2	2.0	40.0	20.6

○ 유입가스의 제거

본 실험에서 적용한 2 단계 생물학적처리시스템은 기존 재래식 biofilter 공정에서 발생되는 산성화에 의한 미생물 활성 감소를 방지하여 휘발성유기화합물(VOCs), 휘발성 황화합물(VSCs)제거를 효율적으로 가능하게 하며, 설비의 수명을 연장하였다. 이와같은 설비를 적용하여 폐가스에 존재하는 유해한 무기 및 유기화합물은 미생물에 의해 CO2, 물, 염류 등 무해한 물질로 전환시킬 수 있다.  본 실험에 적용된 DMS, NH3, TOC의 유입가스는 성분의 농도 및 운전조건에 따라 60%에서 100%까지 제거되었다. 다음 그림은 DMS의 제거를 보여주고 있다.

Figure 2. 2-step Biological System에서의 DMS 제거 및 제거효율