활성탄 흡착시설 설계 계산 - 대기오염방지시설, AC TOWER, 흡착제

활성탄 교환주기 계산

 

활성탄의 교환 주기 Calculation Sheet
흡착 방지시설명
e - 흡착효율		일반적으로 0.50~0.80 적용 *물질별 상이함
Q - 처리가스량		[ ㎥/min ] *BLOWER의 최대풍량
M - 피흡착성분의 평균분자량		[ g/mol ]
G - 피흡착성분의 농도		[ ppm ]
S - 활성탄 단위중량당의 흡착량		[ kg/kg-흡착제 ]
W - 활성탄의 총중량		[ kg ]
T - 재생 및 교환주기		[ hr ]

 

🔹 주의사항
• 활성탄 이론 교체주기 보다는 실제 교체 주기를 짧게 가져가야 한다. (환경 점검시 대응)
• 피흡착제의 농도는 직접 측정한 값을 적용한다.
• 혼합가스의 경우 평균분자량을 계산해서 적용한다. 평균분자량 자동 계산기 활용이 가능하다. 
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• 흡착효율은 일반적으로 50~80% 효율을 가진다. 이는 흡착제의 성능과 물질에 따라 차이가 있으므로 실험적 DATA를 반영하는 것이 가장 정확하다. 

흡착탑 설계

 1   방지시설 설계근거

흡착탑 필요단면적(A)	• 공탑속도 : 0.3m/sec 이하로 한다(유기용제 제거의 경우는 0.5m/sec 이하로 한다). • A = 유입가스량/공탑속도 (㎡)
활성탄 비중	g/cc
활성탄 중량대비 흡착능력(비)	(max로)
필요 활성탄 무게(W)	• 체류시간 : 1 sec이상  • W = 활성탄 필요 충진체적(V)
활성탄 흡착층 두께(H)	• H = 공탑속도 × 체류시간(sec)
활성탄 교환주기 (1)	• T=재생 및 교환주기(hr)  • e=흡착효율(70% = 0.7)  • Q=처리가스량(㎥/min)  • M=피흡착성분의 평균분자량(g/mol)  • G=피흡착성분의 농도(ppm)  • S=활성탄 단위중량당의 흡착량(kg/kg-흡착제)  • W=활성탄의 총중량(kg)
활성탄 교환주기 (2)	• T=활성탄 교체주기(min)  • Wc=사용된 카본의 무게(kg)  • a, b=각종 물질등급에 따른 실험계수(표 이용-활성탄 수명계산에 필요한 상수)  • t bp=오염물질의 끓는점(℃)  • C=오염물질의 농도  • M=피흡착물질 분자량  • Q=배출가스량(㎥/min)
흡착탑내 압력손실	• D = 흡착제 두께 (inch)  • V = 공탑속도 (0.5m/sec = 98.4ft/분)  또는 ΔPa : 흡착층 압력손실(mmH2O)  D : 흡착층의 높이(mm)  V : 흡착속도(m/분)
송풍기 선정	• 형식 : turbo fan 등  • 처리풍량 : ㎥/분  • 전압 : mmAq  • 효율 : 65%  • 여유율 : 10∼20% (α)  • 필요동력  [총압력손실(ΔPt)의 계산]  ΔPt = 흡착제에 의한 압력손실(ΔPa) + 동압손실(Vp) + 후드압력손실(Hi) + 직관압력손실(Pi) + 곡관압력손실(Pc) + 합류관 및 기타 압력손실

<활성탄 수명계산에 필요한 상수>

 

 2   방지시설설계 및 검토인자 

형식	횡류형 등
방지시설의 효율	- 연결 배출시설 명칭  - 오염물질 종류 (가스량, 온도포함)  - 인입가스 농도 (가스량, 온도포함)  - 방지효율  - 배출가스 농도 (가스량, 온도포함)  - 배출허용기준
규격 및 재질	- 본체규격  - 재질 : casing, stack, activated carbon
부대시설	- 배기fan (형식, 풍량, 정압, motor, 수량) - 배기damper (size, 재질, 수량)

 3   설계시 참고사항

✓ 처리능력 : 활성탄의 보지력에 따라 가스유형별 처리능력이 다르다.
✓ 활성탄등 흡착제와 가스상 오염물질의 처리가능성 여부 검토
   • 흡착제 종류 : 활성탄, 알루미나, 보오크사이트, 제오라이트, 마그네시아, 실리카겔 등이 있으나, 일반적으로 활성탄, 제오라이트, 실리카겔 등이 많이 사용됨.
   • 흡착제는 가스상 오염물질을 흡착하는데 있어 각 가스별 흡착능력이 있으므로 흡착가능한 가스인지 확인.
✓ 수량 : 흡착제의 충진량은 체류시간 1sec이상
✓ 활성탄의 break point 결정 (수명, 교체주기)
✓ 고온 다습한 경우 처리효율 재검토
✓ 압력손실의 산출 : 통과속도 및 충진제의 입경에 따라 산출


 4   활성탄 흡착장치(Activated Carbon Adsorber)

✓ 고정층 흡착장치(Fixed bed adsorber)
흡착탑은 보통 원통형 용기를 사용하며, 입상의 흡착제를 충진하고 흡착제 (활성탄)를 유지시키기 위하여 스크린을 설치한다. 흡착조 수직과 수평으로 이용하는 2가지 경우가 있는데 대량의 가스를 처리하는 경우에는 수평 흡착탑을 주로 사용한다. 또한 유입가스를 연속적으로 처리할 경우에는 흡착탑 2기를 병렬로 연결하여 흡착 및 재생을 교대로 실시하고, 보통 단면속도는 9~30m/min, 체류시간은 0.6~6초로 설계한다.
 
✓ 연속 흡착장치(Continuous adsorber, 이동층흡착기)
연속 흡착기의 대표적인 구조는 활성탄상을 회전하는 이중 통으로 되어 있다. 흡착제는 연속적으로 흡착부에서 탈착부로 이동해서 탈착되며, 항상 포화된 흡착제를 탈착부로 이동시킬 수 있고, 단시간에 회전되므로 흡착제(활성탄)의 사용량이 적게 든다. 

✓ 유동층 흡착장치(Fluidizing adsorber)
흡착제의 유동층에서 흡착을 행하는 방식으로 가스의 유속을 위의 2가지 방식 보다 크게 할 수 있고, 상대적으로 압력손실이 적다. 또한 고체와 기체의 접촉도 잘 된다는 장점이 있으나 흡착제 입자의 유동으로 마모가 크다는 단점이 있으며
이황화탄소(CS2)를 회수할 때 이 방식을 사용한다. 회수율은 90~95% 정도이다. 

활성탄(activated carbon)

활성탄(activated carbon)

흡착제와 관련하여 ‘활성’이라는 말은 특수처리공정을 거쳐 향상된 내부 및 외부의 표면적을 의미한다. 모든 탄소함유물질은 활성탄으로 전환시킬 수 있다. 「코코낫」껍데기, 뼈, 나무, 석탄, 석유 「코-크」, 목질소(lignin), 갈탄(lignite), 등 모두가 활성탄의 원료로서 이용될 수 있다. 그러나, 대부분 산업용 활성탄은 역청탄(bituminous coal)에서 만들어진다.
활성탄은 탄소성 원료를 탈수 및 탄화시켜 제조한다. 활성화는 통제된 산화과정에서 완성되는데, 이 산화과정에서 이미 탄화된 물질은 산화성 가스의 존재하에 가열된다. 어떤 탄소에 대해서는, 탈수과정이 화학약품을 사용하여 이루어진다. 이상적인 원료는 균일한 기공분포와 활성화될때 높은 흡착성능을 갖는 다공구조를 가진다. 활성탄은 원료의 선택과 함께 활성화 과정을 제어함으로써 최종 사용에 맞게 제조된다.

활성탄 내부 세공구조(Pore structure)    ※자료: 박성복외 1인, 최신대기제어공학, 성안당, 2003년 1월 초판, 2010년 개정판)

<각종 흡착제의 물리적 성질>

<각종 원료에 대한 활성탄의 성질>

가스에 적용되는 활성탄은 800∼1,200㎡/g의 표면적을 가진다. 기공부피(pore volume)의 대부분을 차지하는 부위는 기공의 직경이 좁은 범위로, 보통 4∼30Å(Å=0.0001㎛)범위에 분포된다. 몇 가지 표준화된 실험이 활성탄의 특성을 밝힐때 사용된다. 사염화탄소의 수(carbon tetrachloride number)는 활성탄 성능검사의 중요 척도로써, 탄소가 CCl4에 포화된후 100g 활성탄당 흡착된 CCl4의 gram수 (g CCl4/100g carbon)로 정의된다. 비슷한 방법으로, 요오드수(iodine number)  (g I2/100g carbon)는 흡착성능을 측정하는 또 다른 방법이다. 표면적은 등온흡착식 및 단일 피흡착물 분자로 채워 평균면적 등으로 계산된다.

 

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