J. Odor Indoor Environ. Vol.14, No.4, pp.341-350, December 2015 http://dx.doi.org/10.15250/joie.2015.14.4.341 Journal of Odor and Indoor Environment ISSN 2288-9167 (Print) ISSN 2288-923X (Online) 시흥 안산스마트허브에설치운영중인악취방지시설로서의충전탑식세정탑의설계현황및개선방안 조용준 1 * 김영래 2 최여진 3 1 신안산대학교환경과학과, 2 한국환경기술사회, 3 시흥녹색환경지원센터 Design status and improvement methods of packed bed scrubbers as an odor removal device in Siheung and Ansan smarthubs Yong-Jun Cho 1 * Young-Rea Kim 2 Ye-Jin Choi 3 1 Dept. of Environmental Science, Shinansan University 2 Korea Environmental Professional Engineers Association 3 Siheung Green Environment Center (Received 6 November, 2015; Revised 9 December, 2015; Accepted 17 December, 2015) Abstract This study was carried out in order to evaluate the design suitability of gas scrubbers, which have been operated in Siheung and Ansan Smarthubs, as an odor removal device. Detailed design data of 31 gas scrubbers installed between 2005 to 2014 were investigated. All the scrubbers investigated were found to use a packed bed design, and 30 of them used pall rings as packing materials. In determining the bed diameter of scrubbers, many facilities used incorrect packing parameters, which resulted in inappropriate design values for the bed diameter. In determining of the height of packed bed, the height of transfer unit (HTU) was calculated incorrectly because of the misuse of both the constants of packing materials and Schmidt numbers. In addition, the values of number of transfer unit (NTU) were found to be underestimated due to the low removal efficiency goal. Therefore, the adapted values of packed bed height were quite different from the ones calculated in many facilities. Keywords : Packed bed scrubbers, Bed diameter, Height of packed bed, Height of transfer unit 1. 서론 시흥, 안산지역은거대산업단지 ( 시흥, 안산스마트허브 ) 를배후로하고있으며, 다양한사업장으로부터각종악취물질이배출되어주민들의생활에불편을초래하고있다. 2005 년악취특별관리지역으로지정된이래악취배출업체들은악취방지시설의설치와개선에많은노력을기울이고있으며, 환경부와지자체도각종악취방지시설의설치와효율적운영을위한기술적, 재정적지원을지속해오고있다. 그러나설치운영중인 여러형태의악취방지시설중가장많은수를차지하고있는것으로알려진가스세정탑의경우 (Kil et al., 2006) 부적절한설계와운전관리로인하여악취제거성능이설계목표에미치지못하고있는것으로파악되고있으며 (Choi et al., 2007; Han et al., 2009), 악취제거성능을향상시키기위한설계및운전관리의개선이필요한실정이다 (Cho et al., 2013). 본연구에서는시흥, 안산스마트허브내에악취방지시설로서현재설치운영중인가스세정탑에대하여설계현황을분석하고이를토대로악취제거효율향상을위한설계개선방안을제안하고자한다. *Corresponding author Tel : +82-31-490-6072 E-mail : yjcho@sau.ac.kr 341
342 조용준 김영래 최여진 2. 연구방법 시흥, 안산스마트허브내에운전중인악취방지시설로서의가스세정탑의설계현황을조사하기위해가스세정탑의설치시에설계및제작업체에서설치대상업체에제공하는설계내역서에기재되어있는설계자료를분석하였다. 조사한설계자료는 2005 년부터 2014 년까지설계, 시공되어현재까지시흥, 안산스마트허브내에서운전중인가스세정탑시설을대상으로하였으며, 가스세정탑이많이설치되어있는업종을중심으로섬유 염색업종의시설 11 기, 인쇄회로기판 (PCB) 제조업에설치운영중인시설 4 기, 금속열처리및도금업종의 4 기, 피혁업종의 2 기등총 31 기의시설에대한설계자료를분석하였다. Table 1 에는설계자료를분석한가스세정탑시설의업종별설치업체, 설계및시공업체및설치용량등을정리하여나타내었다. 3. 결과및고찰 3.1 가스세정탑의설치현황악취방지시설로서운용중인가스세정탑의 31 기에대한설계자료를분석한결과, 가스세정탑은모두충전탑 (packed bed) 형식을사용하고있었으며, 충전물로는 1 개의시설 ( 설치업체 : DAS) 이 raschig ring( 크기 : 2 인치, 재질 : 금속 ) 을사용하고있는것을제외하고는 30 개의시설이모두 pall ring( 크기 : 2 인치, 재질 : 플라스틱 ) 을사용하고있었다. Table 1 에서보듯이 31 개설계자료분석대상시설에대해 15 개업체가설계및시공을한것으로확인되었으며, 설치용량은처리가스량기준으로 60-1400 m 3 /min 에이르기까지다양한용량의것이설치되어운영중이었다. 3.2 가스처리용량및충전탑직경설계현황 Table 1 에는설계자료분석을실시한 31 개충전탑식세정탑의설계조건및적용설계변수값, 계산된충전탑의직경 (D c ), 그리고실제적용된충전탑의직경 (D a ) 을정리하여나타내었다. 모든설계업체에서충전탑의직경을설계하는방법은주어진설계조건에대해적절한액기비 (L/G [L/m 3 ]) 를선정한후결정된세정액주입량에대해 Eckert (1961) 이제시한방법에따라충전탑내의범람속도 (flooding velocity) 를결정하고, 층내의기상유속을범람속도의 40-70% 범위에서적정한수준으로유지하는것을기준으로결정하는방법을사용하고있었다. Table 1 에서보듯이대부분의업체 에서액기비는 2.0-3.5 범위로결정하고있었으며, 최대 6.0 을적용하는사례가있었다. Eckert (1961) 이제시한그래프를이용하여범람 (flooding) 이발생하는탑내의기상질량플럭스 (G') 를결정하는데에는처리가스와세정액의질량유속및밀도에따른 x 축의값 ---- L ρ G ----- 0.5 으로부터식 (1) 과같은 y축값을구하게 V 된다. ρ L ( G ) 2 0.2 F p μ --------------------------- L g c ρ G ρ L 여기에서 G 는범람 (flooding) 조건에서의기상질량플럭스, F p 는충전계수 (packing factor), μ L 은세정액의점도, g c 는중력가속도이다. 주어진조업조건에서결정된 y축값으로부터식 (1) 을이용하여 G 값을결정함에있어서사용한충전물의종류에따른충전계수 (packing factor, F p ) 값을적용하여야하는데, pall ring ( 플라스틱, 2인치 ) 의경우해당하는충전계수값은 25[ft 1 ] 또는 82[m 1 ] 이며, raschig ring( 금속, 2인치 ) 의충전계수값은 57[ft 1 ] 또는 187[m 1 ] 이다 (Towler and Sinnott, 2008). Table 1에서보듯이사용한충전계수값은 raschig ring을사용한 DAS 업체의경우에 187 [m 1 ] 을사용한것을제외하고는모든업체에서 pall ring( 플라스틱, 2인치 ) 을사용하고있으므로범람속도계산과정에 SI 단위계를사용하는경우에는 82[m 1 ] 를사용하여야하나사용한충전물과는관계없는 66, 73, 135, 213, 450 등의값을잘못적용하고있는것을확인할수있었다. 또한범람속도계산에 fps 단위계를사용하는경우 ( 시설용량에 * 표시 ) 에는충전계수값 25[ft 1 ] 를사용하여야하나 73, 75, 82 등의값을잘못적용하고있는것을확인할수있었다. 즉, 충전계수값의적용에적정값보다큰값을적용하는경우에는적정값대비최대 1.5-5배에이르는큰값을사용함에따라범람속도는상대적으로낮은값으로추정되어지고이로인해계산결과구해진탑의직경은범람의발생에대한우려가커지게되며, 안정적인조업이불가능하게된다. 이와같이탑직경의설계에오류가발생한시설은 31개의시설중 18개에이르고있으며, 설계업체를기준으로는총 15개업체중 11개의업체가설계상오류를범하고있는것을확인하였다. 한편, 탑직경을결정하기위한탑내의기상유속을결정하기위한범람속도대비기상유속의비율 (f) 의값은 0.3-0.7 범위의값을적용하고있었으며, 적정범위인 0.4-0.7 범위의수준에있는것으로확인하였다. (1) J. Odor Indoor Environ. Vol. 14, No. 4 (December 2015)
시흥 안산스마트허브에설치운영중인악취방지시설로서의충전탑식세정탑의설계현황및개선방안 343 Table 1. Design results of bed diameters of scrubbers with the used values of design parameters Group Corp. KSIC a Design Corp. Capacities [m 3 /min] Liquid -gas ratio [L/m 3 ] Packing factor (F p ) f [-] D c [m] SHY 13401 JIE 680 3.5 213 0.6 3.10 3.2 SRS 13402 YTC 620 2.0 450 0.6 3.48 3.5 DAS 13402 SBC 650 2.0 187 0.7 2.96 3.2 SWS 13402 SWN 400 * 2.0 82 0.45 3.22 3.0 SHS 13402 HSE 350 2.5 82 0.5 1.94 2.3 A WSY 13402 JIE 640 3.5 213 0.52 3.18 3.2 BMS 13403 SBC 250 6.0 82 0.5 1.70 2.5 DCN 13403 SBC 500 * 3.0 82 0.5 2.38 2.9 DCN2 13403 BSE 300 2.0 66 0.4 2.30 2.8 DCT 13403 HSE 300 3.0 82 0.5 0.87 2.3 CIT 13403 HSE 350 2.0 82 0.4 1.90 2.3 B HNL 15110 YTC 240 * 2.0 73 0.6 1.88 2.1 SWL 15110 STK 450 2.0 66 0.5 1.97 2.5 C DYP 17129 BGE 1400 2.0 135 0.5 3.25 3.6 D IJC 20433 APE 60 2.0 82 0.7 0.94 1.0 BHS 20491 CSI 100 2.0 66 0.4 1.00 1.2 E YDS 22221 BSE 500 3.0 82 0.3 1.84 2.1 F HDD 24199 STK 200 2.0 66 0.4 1.47 1.9 HSM 25921 GET 80 3.0 82 0.4 1.03 1.5 G KYM 25922 CSI 500 * 2.0 73 0.6 2.71 2.9 ABS 25922 JTC 500 * 3.0 73 0.7 2.70 3.0 DSM 25923 SWN 320 * 2.0 82 0.45 1.36 1.4 SME 26221 ELE 250 * 2.0 25 0.5 1.95 2.0 H TJT 26221 ELE 150 * 2.0 25 0.5 1.50 1.5 SSE 26221 BSE 200 2.0 82 0.4 1.70 2.1 MCN 26221 BSE 300 2.2 82 0.5 1.70 2.8 I JUP 26299 BSE 100 2.0 82 0.5 1.00 1.5 J HPC 28902 SWN 1000 * 2.0 73 0.7 3.67 3.8 AMF 28902 CSI 650 * 2.0 73 0.6 3.10 3.3 K DSG 30110 ZAE 400 * 2.0 82 0.65 2.40 2.5 L BWL 37012 DHE 500 * 3.0 75 0.4 3.60 4.0 a Korean Standard Industrial Classification, * The cases where fps units were used in caculating D c The meaning of symbols of group are as follows A : Dyeing and Finishing Textiles B : Processing of Raw Hides and Tanning and Dressing of Leather C : Manufacture of Paper and Paperboard D : Manufacture of Other Chemical Products E : Manufacture of Plastic Products for Building F : Manufacture of Other Basic Iron and Steel G : Treatment and Coating of Metals H : Manufacture of Printed Circuit Boards and Loaded Electronic Components onto PCB I : Manufacture of Other Electronic Components, except Semiconductor and Electronic Integrated Circuits J : Manufacture of Other Electrical Equipment K : Manufacture of Engines for Motor Vehicles L : Sewage and Wastewater Treatment Services D a [m] 실내환경및냄새학회지제 14 권제 4 호 (2015 년 12 월 )
344 조용준 김영래 최여진 Fig. 1. Calculated diameters of gas scrubbers with capacities of treatment gas. Fig. 1 은처리가스용량에따라설계계산을통해결정된탑직경값을비교하여나타내었다. 그림에서점선으로표시된것은각각액기비 2.0, 4.0[L/m 3 ] 인경우 pall ring( 플라스틱, 2 인치 ) 으로충전된충전탑에대해충전계수값을적절히적용하였을때계산되어지는직경값을가스처리용량에따라나타낸것이다. 그림에서보듯이처리가스용량에따라탑직경설계값은증가하는경향을보이나동일한용량에대해서도설계업체에따라설계계산된탑직경값에는상당한차이를보이고있다. 처리용량 500 m 3 /min 시설의경우동일한액기비 (L/G=3.0 [L/m 3 ]) 를적용하였음에도불구하고탑직경계산값은 1.84m 에서부터 3.6 m 까지로큰차이를보이는것을확인할수있었다. 이와같이설계계산의중요변수중의하나인충전계수값의적용오류에따라탑직경설계의오류가발생하고있는것을확인할수있었다. Fig. 2 에는설계계산에서결정된탑직경값 (D c ) 과실제시공한탑직경값 (D a ) 을비교하여나타내었다. 그림에서보듯이많은업체에서실제시공하고있는탑직경값은설계계산값에비해크게적용하는것을확인할수있었다. 총 31 기의시설중 11 기의시설이설계계산값의 20% 를초과하여시공하고있었고, 약 50% 를초과하여시공된시설도 5 기에이르며, 최대설계값의 2.6 배를적용하는시설도있는등설계계산결과와는무관하게탑의직경이결정되고있음을확인할수있었다. 탑의직경이처리가스용량대비필요이상으로커지게되면탑의크기가증가함에따라탑구조물 Fig. 2. Comparison of adapted diameters of scrubbers with calculated values. 의시공비용은물론이고, 탑내충전되는충전물량의증가및세정액의고른분무를위한노즐의개수증가등장치비가증가할뿐아니라충전물및노즐의교체비용등장치의유지관리비가증가하기때문에시설의운전효율성을높이기위해서는정확한설계계산에근거한탑직경값을산출하고이에근거하여충전탑을설치할필요가있을것으로판단된다. 3.3 악취제거효율및충전층높이설계현황충전층의필요한높이 (Z) 는모든업체에서식 (2) 와같이기상에서의총괄이동단위높이 (H OG ) 와총괄이동단위수 (N OG ) 의곱으로구하는방법을사용하고있다. Z = N OG H OG (2) 이때, 총괄이동단위높이 (H OG ) 는기상에서의이동단위높이 (H G ) 와액상에서의이동단위높이 (H L ) 의합으로식 (3) 과같이계산되어지며, 기상에서의이동단위높이 (H G ) 와액상에서의이동단위높이 (H L ) 는각각아래의실험식 (4), (5) 를이용하여구하고있다. H OG H G m G m = + ------ H G = α------- G β L γ μ ------- ρd L m 0.5 G H L φ ---- L η μ = ------- ρd μ L HL 0.5 L (3) (4) (5) J. Odor Indoor Environ. Vol. 14, No. 4 (December 2015)
시흥 안산스마트허브에설치운영중인악취방지시설로서의충전탑식세정탑의설계현황및개선방안 345 Table 2. Design results of H G, H L and H OG with the used values of design parameters Group a Corp. α (µ/ρd) G H G [m] φ (µ/ρd) L H L [m] SHY 1.164 0.750 0.42 0.0038 1140 0.87 2.0E-05 0.42 SRS 3.820 0.875 2.06 340.0 381 35.5 1.7E-05 0.64 DAS 3.820 0.940 0.05 0.0125 381 1.89 3.0E-05 0.51 SWS 3.820 0.660 0.48 0.0125 380 0.33 0.75 0.56 SHS 1.164 0.600 0.43 0.0038 1140 1.02 0.75 0.62 A WSY 1.164 0.750 0.40 0.0038 613 1.04 3.0 0.95 BMS 3.820 0.600 0.32 0.0038 381 0.57 1.7E-05 0.32 DCN + 3.820 0.600 0.42 0.0125 1140 1.04 0.75 0.57 DCN2 3.820 0.600 0.50 0.0125 381 0.52 1.7E-03 0.50 DCT 1.164 0.600 0.39 0.0038 1140 1.06 0.75 0.47 CIT 1.164 0.600 0.44 0.0038 1140 0.97 0.75 0.54 B HNL + 3.820 0.180 0.27 0.0125 390 0.33 1.7E-05 0.27 SWL 1.237 0.800 0.61 0.0029 580 0.52 6.0E-06 0.61 C DYP 1.237 0.600 0.54 0.0029 665 0.57 0.75 0.69 D IJC 3.820 0.600 0.55 0.0125 570 0.40 0.75 0.59 BHS 1.237 0.800 0.62 0.0029 580 0.49 6.0E-06 0.62 E YDS2 3.820 0.600 0.40 0.0038 381 0.59 1.7E-07 0.40 F HDD 1.237 0.800 0.62 0.0125 712 0.40 0.75 0.65 HSM 1.164 1.298 0.76 0.0038 570 0.66 2.0E-05 0.76 G KYM + 3.820 0.660 0.56 0.0125 390 0.30 1.7E-05 0.56 ABS + 3.820 0.660 0.47 0.0125 613 0.45 0.75 1.02 DSM + 3.820 0.660 0.57 0.0125 380 0.30 0.75 0.79 SME + 3.820 0.600 0.54 0.0125 712 0.40 0.75 0.65 H TJT + 3.820 0.600 0.54 0.0125 580 0.41 0.75 0.58 SSS 1.164 0.600 0.50 0.0038 381 0.52 1.7E-05 0.56 MCN 1.164 0.875 0.59 0.0038 381 0.63 2.0E-05 0.59 I JUP 1.164 1.693 0.80 0.0038 580 0.60 1.7E-05 0.80 J HPC + 3.820 0.660 0.57 0.0125 380 0.33 0.75 0.66 AMF + 3.820 0.660 0.56 0.0125 390 0.35 1.7E-05 0.68 K DSG + 3.820 0.600 0.53 0.0125 558 0.59 1.7E-05 0.53 L BWL + 3.820 0.660 0.49 0.0125 580 0.40 0.70 0.61 a The meanings of symbols of group are the same as those in table 1 + The cases where fps units were used in caculating H G and H L m H OG [m] 한편식 (3) 에서 m과 L m /G m 은각각평형선 (equilibrium line) 과조작선 (operating line) 의기울기를나타내며, 식 (4), (5) 에서 G, L 는각각처리가스및세정액의질량플럭스 [kg/m 2 s 또는 lb/ft 2 s], μ L 은세정액의점도 [kg/m s 또는 lb/m s], α, β, γ 및 φ, η는충전물에따른상수를나타낸다. 3.3.1 총괄기상이동단위높이 (H OG ) 의계산현황 Table 2 에는각각식 (4) 와 (5) 를이용하여기상의이 동단위높이 (H G ) 와액상의이동단위높이 (H L ) 를계산하기위해사용한충전물의종류에따른상수값중 α 및 φ 값, 기상과액상의 Schmidt number((μ/ρd) G, (μ/ ρd) L ) 값과계산결과를나타내었다. 또한, 적용한평형선의기울기값 (m) 과계산된총괄이동단위높이 (H OG ) 를정리하여나타내었다. 식 (4) 를이용하여기상의이동단위높이 (H G ) 를계산함에있어서 raschig ring(2 인치 ) 과 pall ring(2 인치 ) 에해당하는충전물상수값 α, β, γ 값으로는해당실험식 실내환경및냄새학회지제 14 권제 4 호 (2015 년 12 월 )
346 조용준 김영래 최여진 (empirical equation) 을유도하는데사용된 fps 단위를적용하여각각 3.82, 0.41, 0.45 를적용하여야하며 (Danielson, 1973), SI 단위계를적용하는경우에는 α, β, γ 값으로 1.164, 0.41, 0.45 를적용하여야한다 (Daegu regional environmental office, 1999). 모든업체에서 β, γ 값으로는 0.41 및 0.45 의값을적절하게적용하고있었으나, Table 2 에서보듯이식 (4) 의계산에 fps 단위계를사용했던 12 기의시설은적절한충전물상수값인 3.82 를적용하고있었으나 SI 단위계를사용했던 19 기의시설중 10 기의시설에서 α 값에적절한값 1.164 대신 3.82 를잘못적용하고있거나, 근거가없는 1.237 이라는값을적용함으로써기상의이동단위높이 (H G ) 의계산값이적정한수준의최대 3 배이상으로산출되는결과를초래하고있었다. 한편, 식 (4) 를이용하여 H G 를계산함에있어서배출가스중의제거대상성분에따라적절한기상의 Schmidt number ((μ/ρd) G ) 를사용하여야하는데, 기상과액상에서의물질의종류에따른 Schmidt number 값을 Table 3 에참고로나타내었다. Table 2 에서섬유염색업종 (Group A) 의경우주요제거대상악취물질은알데하이드류의물질이므로 (Park et al., 2009), Schmidt number 값은 1.16 을사용하는것이적절한것으로판단되나, 총 11 기의시설중 6 기의시설에서수증기의 Schmidt number 값 (0.6) 을적용하고있었으며, 5 기의시설도배출성분과는무관한암모니아, 이산화탄소, 염화수소성분등에해당하는 Schmidt number 값을적용함으로써식 (4) 에의해계산된 H G 값은제거대상악취성분을제거하기에충분한충전층높이를확보하지못하는것으로판단된다. 피혁업종 (Group B) 의경우에도주요악취성분은황화수소, 암모니아등으로알려져있으며 (Jung et al, 2013), Schmidt number 값은 1.693 을사용하는것이적절한것으로판단되나, 실제적용하고있는 Schmidt number 값은해당사업장의배출성분과는무관한값 0.18 및 0.8 을적용하고있었으며필요한충전층높이대비과소계산되고있었다. PCB 제조업 (Group H) 의경우에도제거대상성분인염화수소의 Schmidt number 값 0.875 를적용하는시설은 1 기이며, 3 기의시설에서는해당업종의악취배출성분과는무관한수증기에해당하는값 (0.6) 을적용하는등거의모든시설에서제거대상악취물질과는무관한물질의 Schmidt number 를적용하고있는것으로확인되었고, 이로인해해당업종에서배출되는악취성분의제거에필요한충분한충전층의높이를확보하고있지못하는것으로확인되었다. Table 2 에는액상에서의이동단위높이 (H L ) 계산을위하여사용한충전물상수값중 φ, η 값및액상에서의 Schmidt number 값 ((μ/ρd) L ) 과계산된 H L 값도함께보여주고있는데, 모든시설에서충전물상수 φ, η 의값으로는 raschig ring 과 pall ring (2 인치 ) 에해당하는값으로 fps 단위를적용하는경우에는각각 0.0125, 0.22 를적용하여야하며 (Danielson, 1973), SI 단위계를적용하는경우에는 φ, η 값으로 0.0038, 0.22 를적용하여야한다 (Daegu regional environmental office, 1999). 모든시설에서 η 값으로는 0.22 의값을적절하게적용하고있었으나, Table 2 에서보듯이 SI 단위계를사용했던 19 기의시설중에서 φ 값에 0.0125 를잘못적용하고있거나, 근거가없는 340 이라는값을적용하여설계계산에오류가발생하고있는시설이 8 기에이르는것을확인할수있었다. 따라서정확한설계를위해서는사용한충전물에맞는상수값의적용이필요한것으로판단된다. 한편, H L 을계산하는과정에사용한액상의 Schmidt number ((μ/ρd) L ) 는배출가스중의제 Table 3. Schmidt numbers in gas phase and liquid phases (Daegu regional environmental office, 1999; Kim, 2006) Schmidt Number in gas phase, Schmidt Number in liquid phase, Substance ------- μ ρd Ammonia 0.66 570 Methanol 0.97 785 Ethanol 1.30 1005 Acetic acid 1.16 1140 Acetaldehyde 1.16 660 Hydrogen sulfide 1.693 712 Hydrogen chloride 0.875 381 a at the condition of 25 o C and 1atm, b liquid is water G a ------- μ ρd L b J. Odor Indoor Environ. Vol. 14, No. 4 (December 2015)
시흥 안산스마트허브에설치운영중인악취방지시설로서의충전탑식세정탑의설계현황및개선방안 347 거대상성분에따라 381-1140 의다양한값들이적용되고있었는데, 섬유염색업종의경우총 11 기의시설에서설계에적용한 Schmidt number 의값은배출성분과는무관한아세트산, 염화수소, 질소에해당하는 1140, 381, 613 등의값을적용하고있는것을확인할수있었다. 또한, 피혁업종의경우에도주요배출악취성분과는무관한질산, 황산에해당하는 Schmidt number 값을적용하고있었으며, PCB 제조업의경우에도배출성분과무관한황화수소에해당하는값을적용하는등많은시설에서기상의이동단위높이 (H G ) 계산에서와마찬가지로제거대상악취물질과는무관한물질의 Schmidt number 값을적용하고있는것으로확인되었으며, 정확한설계를위해서는이에대한보완이필요한것으로판단된다. Table 2 에는총괄기상이동단위높이 (H OG ) 를계산하기위하여계산된기상측이동단위높이 (H G ) 및액상이동단위높이 (H L ) 와사용한평형선의기울기 (m) 값을정리하여나타내었다. 표에서보듯이평형선의기울기 (m) 값으로 WSY 업체의시설에서 3.0 을사용한것을제외하고는 0.75 또는매우작은값 (1.7 10 3-1.7 10 7 ) 을적용하고있는데, 13 기의시설에서적용하고있는 0.75 는물에대한용해도가매우큰암모니아 (NH 3 ) 의평형선의기울기를나타낸다. 한편, 표에서보듯이 16 기의시설에서 0 에가까운매우작은값 (1.7 10 3-1.7 10 7 ) 을사용하고있는것을확인할수있는데, 이것은해당시설의제거대상악취성분이물에용해도가매우크다는것을의미하나, 실제모든업종에서배출되는주요악취성분은암모니아에비해용해도가현저히낮으므로 m 값의적용에큰오류가있는것으로판단된다. Fig. 3 에는식 (3) 을이용하여 H OG 값을구하는데에있어서 H G 값과 m(g m /L m ) H L 값의영향을비교하여나타내었다. 그림에서보듯이 m=3.0 값을적용한 WSY 시설의경우에는상대적으로 m(g m /L m ) 값이커지게되어 H OG 값의계산에 H G 값과 H L 값이모두중요해지지만, m 의값이 0 에가까운작은값을사용한경우에는 H L 값의크기와는관계없이 m(g m /L m ) 값이작아지게되어 H L 값의영향이거의없어지게되고총괄기상이동단위높이 (H OG ) 는거의기상측이동단위높이 (H G ) 값과같아지게된다. 이것은기상에서액상으로의물질전달에있어서용해도가매우큰가스성분은평형선의기울기 m 값이작아서기 - 액계면에서액상경막에서의물질전달의저항이작아지며기체측경막에서의물질전달이지배적이라는의미이다. 그러나표에열거된시설의경우업종에따라배출가스중에포 Fig. 3. Relative contribution of H G and m(g m /L m )*H L to H OG. 함된악취성분은물에대한용해도가높지않기때문에 m 값을실제제거대상성분과는무관하게낮게사용하고있는것으로판단되며, 이로인해최종계산된 H OG 값에큰오류가발생하는것으로판단된다. 따라서가스세정탑의악취제거효율제고를위해서는해당시설에서제거하고자하는악취성분의용해도에적합한적절한평형선의기울기 (m) 값을적용하여적정한 H OG 값을산출하는것이필요한것으로판단된다. 3.3.2 총괄이동단위수 (N OG ) 의계산현황이동단위수는충전층내에서의기상또는액상에서의흡수대상성분의전체농도변화목표를평균적인물질이동에대한추진력 ( 기상과액상에서의농도차이 ) 로나눈값으로흡수되기어려운정도를나타내는척도가되며, 식 (6) 과같이정의된다. N OG = y 1 y 2 dy ------------ y y e (6) 이때, y 및 y e 는각각기상내의흡수대상성분의몰분율과액상과평형상태에서의기상의몰분율을나타내며, y 1 과 y 2 는각각충전탑하부및상부에서의기상내의흡수대상성분의몰분율을나타낸다. 일반적으로이동단위수는기 - 액간의평형곡선과탑내물질수지식에근거한조작선 (operating line) 을이용한도해법을사용하고있으나, 조사된업체의모든시설은식 (6) 에서 y e =0 을가정하고, 해당시설에서제거하고자하는악 실내환경및냄새학회지제 14 권제 4 호 (2015 년 12 월 )
348 조용준 김영래 최여진 Table 4. N OG values with design goal of removal efficiency and comparison of calculated and adapted values of packed bed height Group a Corp. E [%] N OG [-] H OG [m] Z c [m] Z a [m] A SHY 75 1.39 0.42 0.80 1.0 SRS 95 3.00 0.64 1.92 1.0 DAS 90 2.30 0.51 1.17 1.2 SWS 70 1.20 0.54 0.65 0.8 SHS 60 0.92 0.52 0.48 0.5 WSY 60 0.92 0.94 0.86 1.0 BMS 50 0.69 0.32 0.22 1.2 DCN 50 0.69 0.57 0.40 1.2 DCN2 70 1.20 0.50 0.60 1.2 DCT 60 0.92 0.47 0.43 0.8 CIT 70 1.20 0.54 0.65 0.9 HNL 95 3.00 0.27 0.81 1.0 B SWL 80 1.61 0.60 0.97 1.0 C DYP 65 1.05 0.69 0.72 1.2 D IJC 50 0.69 0.59 0.41 0.5 BHS 80 1.61 0.62 1.00 1.0 E YDS 70 1.20 0.40 0.48 1.0 F HDD 80 1.61 0.65 1.05 1.0 G HSM 65 1.05 0.76 0.76 1.0 KYM 80 1.61 0.56 1.13 1.2 ABS 70 1.20 1.02 1.23 1.2 DSM 70 1.20 0.79 0.80 0.8 SME 80 1.61 0.65 1.05 1.05 H TJT 80 1.61 0.58 0.93 1.2 SSS 70 1.20 0.56 0.67 1.0 MCN 70 1.60 0.59 0.94 1.0 I JUP 70 1.20 0.80 0.96 1.0 J HPC 70 1.20 0.66 0.66 0.8 AMF 80 1.61 0.68 1.09 1.0 K DSG 70 1.20 0.53 0.63 1.5 L BWL 96 3.22 0.61 1.96 3.0 a The meanings of symbols of group are the same as those in table 1 취성분의제거효율설계목표 (E=((y 1 y 2 )/y 1 100 (%)) 를이용하여계산하는다음의식 (7) 을이용하여계산하고사용하고있었다. 1 N OG = ln ------------------------ 1 E 100 (7) Table 4 에는총괄이동단위수 (N OG ) 를계산하기위하여사용한제거효율설계목표와이에따른 N OG 값을보여주고있다. 표에서보듯이제거효율목표는 50-96% 범위의값을사용하고있으며, 이에따른 N OG 값 의범위는 0.69 에서 1.96 범위에있는것으로확인되었다. 31 기의시설중 4 기의시설만이 90% 이상의제거효율을적용하여 N OG 는 2.3 이상의값을적용하고있었으며, 19 기의시설이 70% 이하의제거효율을설계목표로설정하여 N OG 값은 1.2 이하의낮은값을적용하고있음을확인할수있었다. 따라서악취방지시설로서충전탑식세정탑의악취제거효율을높이기위해서는충분한물질전달면적을제공할수있도록제거효율설계목표를높게설정하여 N OG 값을높게설정하는것이필요할것으로판단된다. 특히, N OG 계산에사용 J. Odor Indoor Environ. Vol. 14, No. 4 (December 2015)
시흥 안산스마트허브에설치운영중인악취방지시설로서의충전탑식세정탑의설계현황및개선방안 349 값과총괄이동단위수 (NO G ) 를낮게설정함으로써계산되어지는충전층의높이 (Z c ) 가지나치게낮아지게됨에따라이에대한보완으로설계값에큰여유를두어충전층의높이 (Z a ) 를적용하고있기때문인것으로판단된다. 4. 결론 Fig. 4. Comparison of adapted heights of packed beds with calculated values. 한식 (7) 은세정액내의용해된악취성분의농도가거의 0 에가까울정도로세정액이충분한경우에적용할수있는식으로세정액이오염되어감에따라세정능력은감소하게되며, 악취성분중에는세정액에잘흡수되지않는경우도있기때문에안정적인제거효율확보를위해서는제거효율의설계목표를 90% 이상으로높게잡는것이바람직할것으로판단된다. 3.4 충전층의높이 (Z) 설계현황 Fig. 4 에는 H OG 와 N OG 의계산결과를토대로계산된충전층의높이 (Z c ) 와실제로설치된충전층의높이 (Z a ) 를비교하여나타내었다. 그림에서보듯이계산된충전층의높이 (Z c ) 는실제설치된충전층의높이 (Z a ) 는큰차이를보이고있는데, 대부분의경우설치높이는계산값보다크게적용되고있으며, 계산값대비오차율이 100% 를초과하는경우도 5 기나되고있는것을확인할수있었다. 즉, 설계계산에근거한충전층의요구높이 (Z c ) 에대한여유를과도하게부여하여실제충전층의높이 (Z a ) 가적용되고있으며, 설치대상사업장에서배출되는제거대상악취물질의종류와는무관하게충전층의높이는 0.8-1.2 m 의범위에서임의적으로결정되고있음을알수있었다. 그이유로는앞에서설명한대로기상의이동단위높이 (H G ) 와액상의이동단위높이 (H L ) 의계산에있어서충전물상수, 기상및액상의 Schmidt number 값을적용할때오류가발생하고있으며, H OG 값의계산에있어서평형선의기울기 시흥 안산스마트허브내에설치운영중인악취방지시설로서의가스세정탑의설계현황을분석하기위하여가스세정탑의설계내역서에기재된상세설계자료를근거로 2005 년부터 2014 년까지설치되어운전중인 31 기의가스세정탑에대한설계적정성을검토하였다. 조사된 31 기의가스세정탑은모두충전탑식세정탑을사용하고있는것으로확인되었으며, 충전물로는 30 기시설에서 pall ring 을사용하고있었으며, 1 기는 raschig ring 을사용하고있는것으로확인되었다. 충전탑의직경설계에있어서는범람속도추정을위한계산과정에서사용한충전물의형태와적용한단위계에따라적절한충전계수값을사용하여야하나, 이의적용에오류가발생하여가스처리용량에필요한탑의직경값을정확히산출하지못하는경우가 31 기의시설중 18 기에이르고있었으며, 이에따라실제제작에사용한직경값은계산값과는큰차이를보이는것을확인할수있었다. 충전층의높이설계에있어서는기상과액상의이동단위높이를계산하는실험식을적용하는데에있어서적용단위계와는다른충전물상수값을사용함으로써충전층의높이계산에오류가발생하고있었으며, 특히기상측과액상측의 Schmidt number 값을배출악취성분과는달리임의로적용함으로써해당업종에서배출되는악취성분의제거에필요한충전층높이를확보하지못하고있는것으로파악되었다. 또한이동단위수를계산함에있어서제거효율설계목표를낮게설정함으로써충분한충전층높이를확보하지못하고있는것으로판단된다. 따라서가스세정탑시설의시설관리의효율성과악취방지시설로서의악취저감효율을향상시키기위해서는요구되는탑직경과충전층의높이의계산에있어서사용한충전물의형태에따른정확한충전계수값및충전물상수값의적용, 해당업종에서배출되는악취성분에적합한정확한설계변수 (Schmidt number, 평형선의기울기등 ) 의적용과함께설계단계부터제거효율목표를높게설정하여필요한충전층높이를결 실내환경및냄새학회지제 14 권제 4 호 (2015 년 12 월 )
350 조용준 김영래 최여진 정하는것이필요하다고판단된다. 감사의글 본연구는시흥녹색환경지원센터의 2015 년연구개발사업비지원에의해수행되었습니다. References Cho, Y. J., Jung, G. H., Park, H. J., 2013. Improvement of design and operation method for gas scrubber tower installed in Banwol Sihwa industrial complex, in Proceedings of 2013 autumn meeting of the Korean Society of Clean Technology, 46. Choi, Y. J., Jeon, E. C., Kim, K. H., 2007. A study of control efficiency for odorous pollutants in various emission control units in the Banwal industrial complex. Journal of Korean Society for Atmospheric Environment 23(1), 110-124. Daegu regional environmental office, 1999. Design manual for air pollution protection devices, 137-141. Danielson, J. A., 1973. Air pollution engineering manual, Second edition. EPA, 211-232. Eckert, J. S., 1961. Design techniques for sizing packed towers. Chemical Engineering Progress 57(9), 54-58. Han, S. D., Park, G. I., Lee Y. W., 2009. The evaluation of effective management plan and appropriate replacement cycle of activated carbon beds and wet scrubber in Shihwa/ Banwol industrial complex, in Proceedings of 2009 spring meeting of the Korean Society of Odor Research and Engineering, 109-113. Jung, G. H., Choi, J. H., Choi, Y. J., Gil, I. S., Park, H. J., Kim, D. H., 2013. The characteristics of complex odors by industrial classification and deodorizing facilities, in Proceedings of 2013 spring meeting of the Korean Society of Odor Research and Engineering, 76-77. Kil, I. S., Kim, D. H., Park, H. J., Chung, G. H., 2006. Research on odor emission sources in Sihwa and Bawol industrial complex by participation of the residents. Korean J. of Odor Research and Engineering 5(2), 119-124. Kim, M. I., 2006. A study on the improvement of the representative odor removal devices in Ansan area. Ansan Environmental Technology Development Center 2006 Research report, 98-129. Park, C. S., Yu, Y. J., Chae, H. Y., Yu, J. H., Lee, I. J., Ha, J. H., Kim, M. S., 2009. Identification of individual odor characteristic and odor-active compounds from dye company. Korean J. of Odor Research and Engineering 8(3), 144-150. Towler, G., Sinnott, R., 2008. Chemical engineering designprinciples. practice and economics of plant and process design, Elsevier, 743-748. J. Odor Indoor Environ. Vol. 14, No. 4 (December 2015)