휘발성 유기 화합물(Volatile Organic Compounds; VOCs)는 대기 중에 존재하고 있는 NO_x 등과 광화학 반응을 일으켜 오존등을 생성하고 스모그를 야기시키는 물질로 정의되는데 이러한 VOCs를 처리하는 공정 중에서 그 효율이 높기 때문에 일반적으로 가장 많이 사용되고 있는 것이 열소각이며 열교환 효율을 높인 축열식 소각로가 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 공기와 예혼합된 VOCs를 소각 처리할 경우, 처리량에 따른 소각 대상 물질의 분해 제거 효율(Destruction and Removal Efficiency, DRE) 변화를 예측하고 배출 가스에 포함되어 있는 CO, NO와 같은 대기 오염 물질 발생량을 정량적으로 예측하기 위하여 전산 유체 역학을 이용한 모사를 수행하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 소각로내에서의 유동 현상, 열전달 현상과 함께 VOCs 연소의 총괄 반응과 NO 생성에 관한 Zeldovich 반응 기구를 도입하였다. 연구 대상 소각로는 가로 1m, 세로 1 m, 높이 2m인 duct가 3개로 구성되어 있으며 각 duct에 두께 0.4m의 세라믹 축열층을 갖는 시스템을 선정하였다. 또, 모델 VOCs로 톨루엔을 사용하여 정상 상태와 비정상 상태에 대한 연구를 수행하였다. 연구 결과, VOC/공기의 예혼합 주입 속도가 0.6 m/s 이하에서 95 % 이상의 DRE를 보였으며 배출 가스의 평균 온도는 약 1,300 K를 나타내었다. 또, 주입 속도가 2 m/s에 접근함에 따라 버너의 불꽃이 꺼져서 소각 처리를 할 수 있는 한계 주입 속도를 초과하였다. VOC/공기의 주입 속도가 0.5 m/s인 비정상 상태 모사 결과에서 duct를 교환한 후 2.5초 후에 정상 상태에 이르는 것으로 나타났으며 시간이 경과함에 따라 온도, DRE 및 CO₂와 NO의 분율이 증가하여 2.5초 후에는 정상 상태 배출값과 같아졌다. 그러나 CO의 경우, 1초 경과 후에 다소 높은 배출 조성을 보였으며 그 값은 1.09 %로, 정상 상태 배출량인 0.71% 에 비하여 높은 것으로 나타났다. 비정상 상태 연구 결과로부터 duct 교환이 이루어진 후, 2.5초까지의 배출 가스는 낮은 DRE와 높은 CO 배출 농도를 보임을 알 수 있다.

Volatile organic compounds(VOCs) are known to generate ozone by the reaction with NO_x in the atmosphere through a photochemical pathway, which causes the smog. One of the popular treatment processes of VOCs is the thermal oxidation since it shows high destruction and removal efficiency(DRE). Regenerative thermal oxidizer(RTO) is commonly used due to the high heat exchange efficiency. Flow field, temperature, pressure and compositions of flue gas in the RTO were simulated by computational fluid dynamics(CFD) for the steady and unsteady state. The objective of the study is to estimate the DRE of VOCs and the pollutant concentrations of CO and NO emitted from the incinerator with the incomplete combustion and Zeldovich's NO formation mechanism. The case system studied was the combustion of toluene by the RTO composed of three ducts packed with ceramic to exchange heat. The dimension of the duct is 1m × 1m × 1m and height of the oxidizer and ceramic bed is 2m and 0.4m, respectively. Results show that more than 95% of DRE is obtained when the premixed flow velocity of VOC/air is less than 0.6m/s and the average temperature of flue gas is 1,300 K at this condition. It was also found that the inlet velocity is too fast to incinerate VOC/air when the velocity approaches 2m/s. From the unsteady state solution, it takes 2.5 seconds to reach the steady state after exchanging the inlet/outlet duct when the inlet VOC/air velocity is 0.5m/s. Temperature, DRE, concentration of CO₂ and NO were increased with the operating time until 2.5 seconds. The concentration of CO, however, shows the highest value of 1.09%, at 1 second after exchanging duct. It was higher than the steady state concentration of 0.71%. The results revealed that the DRE is lower and the CO concentration is higher than that of the steady state during the transient operating period when the ducts are exchanging.

VOCs DRE RTO CFD Unsteady State Zeldovich’s Mechanism

Lee SH, Son YG, Chem. Ind. Technol., 12(2), 128 (1994)
Ruddy EN, Carroll LA, Chem. Eng. Prog., 28 (1993)
Seinfeld JH, "Atmosphere Chemistry and Physics of Air Pollution," John Wiley & Sons, New York (1986)
Carvert JG, "The Chemistry of the Atmosphere-Its Impact on Global Change," Blackwell Scientific Pub., London, 3 (1994)
김한석, 최연석, 최갑석, 김관태, 한국폐기물학회지, 12(4), 421 (1995)
이철태, 안문수, 배성렬, 한국폐기물학회지, 12(3), 353 (1995)
박상일, 경남호, 박영재, 이세균, 한국폐기물학회지, 12(4), 393 (1995)
Flagan RC, Seinfeld JH, "Fundamentals of Air Pollution Engineering," Prentice Hall, New Jersey (1988)
Westbrook CK, Dryer FL, Combust. Sci. Technol., 27, 31 (1981)
Dryer FL, Grassman I, Fourteenth Symposium(International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, 987 (1973)
Warnatz J, "Combustion Chemistry," Gardiner, W.C., Jr., Springer-Verlag, New York, 197 (1984)
Hanson RK, Salimian S, "Combustion Chemistry," Gardiner, W.C., Ed., Springer-Verlag, New York, 361 (1984)