흡착탑 활성탄 교체주기 계산

H&K Environment, K 작성

 

안녕하세요 K입니다. 요즘 정신없이 바쁘다 보니 포스팅 기간이 길어졌습니다.

(상반기는 항상 바쁜 것 같네요)

대기환경기술인이라면 한번쯤 접했을 시설인 흡착탑의 활성탄 교체주기 관련된 내용을 포스팅 해보았습니다.

많은 참고 부탁드립니다.

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'오염수 방류' 일본은 여론전 나섰는데…한국 정부는 말뿐인 대응 (기사발췌)

일본이 후쿠시마 원전 오염수를 바다에 방류하기 위한 준비가 마무리 단계에 접어들었습니다. 행정적 절차를 마친 데 이어 국제사회를 상대로 여론전까지 추진 중인데요. 하지만 우리 정부는 우려만 나타낼 뿐 방류를 막기 위한 어떤 행동에 나서는 건 주저하고 있습니다.

후쿠시마 원전 오염수는 빠르면 4월부터 방출될 예정입니다.

일본 정부는 국제사회를 대상으로 여론전까지 준비하고 있습니다.

일본 아사히 신문은 "일본 정부가 4월 삿포로에서 열리는 G7 환경장관회의에서 오염수 방류의 투명한 처리방식을 환영한다는 공동성명을 추진"하고 있다고 보도했습니다.

일본원자력규제위원회가 오염수 검사 항목을 64종에서 절반 수준인 30종으로 줄인 걸 승인한 데 이은 조치입니다.

사실상 방류 준비가 마무리됐다는 의미입니다.

하지만 우리 정부는 일본의 이런 결정에도 "우리 영해 내 방사능 조사를 확대하겠다"는 기존 입장만 되풀이했습니다.

일본 정부에 대한 항의는 없었습니다.

정부가 한일관계를 이유로 소극적으로 대응한다는 비판이 나오는 이유입니다.

https://news.nate.com/view/20230223n36640?mid=n1006

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*실무 관련된 내용만 정리했고, 이론은 추후에 재업로드 하도록 하겠습니다.

 

흡착(Adsorption)공정 (활성탄을 이용한)

다공성 고체표면에 가스나 증기가 부착되는 성질을 이용하여, 배출가스로부터 저농도 가스나 증기를 제거하는 것

 

활성탄(Activated Carbon)

1) 활성 : 특수공정을 거쳐 내부 및 외부의 표면적이 증가됨을 의미함

2) 탄 : 탄소성 원료를 탈수/탄화(무산소 가열)로 제조.

원료에 따라서 기공분포 정도, 활성화 시 흡착성능이 상이함

모든 탄소함유물질을 활성탄으로 만들 수 있음 (코코넛 껍데기, 뼈, 나무, 석탄, 석유 코크스, 목질소, 갈탄 등)

* 보통 표면적 800~1200m2/g, 기공직경 4~30A(A=0.0001um)

 

활성탄 교체주기 기준

활성탄이 오염물질을 흡착하는 과정에서 피흡착물 유입으로 활성탄이 포화되어

최종적으로 활성탄의 역할을 잃어버리기 때문에 주기적을 활성탄을 교체해야 함

* 물론 가열방식으로 활성탄을 재생할 수 있도록 공정을 구성할 수 있으나, 경험상으로는 Air Filter용 활성탄에 적합했고, 고농도 대기에서는 재생 시 열/수분으로 인한 활성탄 능력이 저하되어 실제로는 활성탄 교체방식이 효율적이었음

 

아래 그래프를 보면, 시간에 따른 흡착영역(Adsorption Zone)은 증가하하되, 후단에서는 가파른 비약곡선이 확인됨

흡착영역이 최대가 되는 시점에서 활성탄이 흡착 능력을 잃어 교체필요

(추가로, 이 AZ의 길이로 흡착시설의 높이가 결정됨)

The wastewater Blog, Activated Cabron Breakthrough Curve, 2023.03.001, https://www.thewastewaterblog.com/activated-carbon

 

활성탄 교체주기

활성탄 교체주기 공식을 참조하실 수 있는데(환경부 대기방지시설 설계편람), 출처를 찾아보았으나 기사책에도 없고 전공책에도 없습니다.

 

* T=재생 및 교환주기(hr) * e=흡착효율(70% = 0.7, 흡착제별로 상이하나 평균값 적용) * Q=처리가스량(㎥/분) * M=피흡착성분의 평균분자량(g/mol) * G=피흡착성분의 농도(ppm) * S=활성탄 단위중량당의 흡착량(kg/kg-흡착제) * W=활성탄의 총중량(kg)

 

- 흡착제 교체주기 예시

= 13262 hr = 552 일 이므로 1년 6개월에 1회 교체함

* T : 활성탄 교체주기 * S : 활성탄 흡착량 (0.29kg/kg 흡착탑) * 흡착탑/흡착제 Catalogue * W : 활성탄의 중량 (2,880 kg) * 흡착탑 설계자료 * F : 흡착효율 (70%) * 흡착탑/흡착제 Catalogue * Q : 처리가스량 (111.92 S㎥/min) * Blower 기기 풍량 or 배관별 풍량계산 * M : 피흡착제의 평균분자량 (탄화수소 =16 ) * 다양한 물질이 있겠으나 대표적으로 탄화수소로 지정 (가장 고농도) * G : 피흡착 성분의 농도 (THC 약 26.70 ppm)

 

아래 식도 참조는 하실 수있겠지만 현업에서 잘 쓰이지는 않는 것 같습니다.

오염물질의 끓는점도 고려해야 하고 실험계수에 없는 것은 쓸수가 없기 때문인 것으로 판단되는데,

보통 인허가시에는 위에 식을 적용하고 있습니다.

 

* T=활성탄 교체주기(min) * Wc=사용된 카본의 무게(kg) * a, b=각종 물질등급에 따른 실험계수(표 이용) * t bp=오염물질의 끓는점(℃) * C=오염물질의 농도 * M=피흡착물질 분자량 * Q=배출가스량(㎥/min)

활성탄 수명계산에 필요한 상수

 

 

교체주기를 파과점(Breakthrough Time)으로 이해하면

근거가 있는 자료로는 Odd Busmundrud(1992), Vapour Breakthorugh in Activated Carbon Beds (67회 인용)를 보면

아래 공식을 찾을 수 있습니다.

 

tb= breakthrough time, Cx = exit concentra- tion at breakthrough, Co = inlet concentration, Q = volumetric flow rate, M = weight of adsorbent, pB = bulk density of the packed bed, We = adsorption ca- pacity (mass of adsorbed vapour/mass of adsorbent at concentration C,,), kv = rate constant.

* 다만 kv rate constant가 측정된 값으로써 DMMP(dimethyl-methylphos-phonate), n-amylacetate에 대한 자료가 있다는 점을 참고하셔야 할 것 같습니다.

 

 

법규

1) 방지시설 운영 금지사항

- 배출시설이나 방지시설을 정당한 사유 없이 정상적으로 가동하지 아니하여 배출허용기준을 초과한 오염물질을 배출하는 행위

(대기환경보전법 제31조제1항제5호)

- 위반 시 7년 이하의 징역이나 1억원 이하의 벌금 (대기환경보전법 제97조)

→ 교체주기 위반 자체에 대한 내용은 없음. 하지만, 교체주기 위반이 방지시설을 정상적으로 가동하지 않는 범주에 해당하고,

    이에따라 배출허용기준이 초과할 경우 벌칙 해당 (아래자료 참고)

환경부(2009), 환경관련 법령해설 및 행정실무

 

폐활성탄 폐기처리

폐활성탄에서 흡착하는 물질(지저폐기물 종류 참고)에 따라서 일반폐기물, 지정폐기물(지정폐기물에 함유된 유해물질 참고)로 분류될 수 있어서 분석 후에 폐기물 종에 적합한 폐기처리 진행필요

[별표 1] 지정폐기물의 종류(제3조 관련)(폐기물관리법 시행령).hwp

0.09MB

[별표 1] 지정폐기물에 함유된 유해물질(제2조제1항 관련)(폐기물관리법 시행규칙).hwp

0.11MB

 

 

폐기물 처리절차 참고

https://hk-environment.tistory.com/50

폐기물 위탁처리 기준 및 절차

 

 

[참조문서]

1) C. David Cooper and F.C. Alley(2011), 대기오염제어 설계공학(2018), 김동술 역, 동화기술

2) 대구지방환경관리청(1999), 대기오염방지시설 설계실무편람

3) 환경부(2009), 환경관련 법령해설 및 행정실무

 

 

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