섬유 텐터 대기오염물질의 선택적 제거를 위한 싸이클론 및 전기 집진 오일필터의 특성

Characteristics of Cyclone and Electric Dust Collection Oil Filters for Selective Removal of Fiber Tenter Air Pollutants

Abstract

Among the dyeing industries, the tenter process is a process that improves the quality of fibers by drying and ironing (heat treatment) dyed fabrics, and drugs such as water repellents, antistatic agents, and fiber softeners are mainly used in these tenter processes. These drugs are vaporized in the process of treatment by high temperatures (180 ~ 230℃), and are observed in a complex form such as white smoke, oil mist, and fine dust, causing odor. To treat the complex exhaust gas at the rear end of the tenter facility, most companies operate by installing a wet scrubber and an adsorption tower alone or in parallel, but there are many problems. In particular, the insoluble oil mist at the rear end of the tenter has significantly low processing efficiency in the cleaning dust collection facility, and there is a problem in the facility by adsorption due to the occlusion phenomenon caused by the oil mist. In addition, the odor gas at the rear end of the tenter contains a lot of aldehydes, and in order to improve these various problems, a complex exhaust purification device using cyclone and electric support collector was developed. This study examined the applicability of economical and efficient technology by removing complex air pollution at the rear end of the tenter and applying improved technology than the existing technology.

1. 서론

대한민국의 염색산업은 전국적으로 대구, 부산, 안산 및 경기 지역 등에 대규모 공단이 조성되어 있으며, 국내의 섬유산업은 지난 1977년 ~ 2018년 42년 동안 3,088억 달러의 무역수지 흑자를 기록하는 등 우리나라의 경제발전을 견인한 산업이다. 하지만 최근 생산과정에서 발생하는 악취 및 백연 등으로 인해 사회적 문제와 더불어 인근 주민들의 보건 환경을 위협하는 등 지속적으로 문제가 대두되고 있는 실정이다. 염색산업 중에 텐터 공정은 염색한 원단을 건조, 다림질(열처리)하여 섬유의 질을 향상 시키는 공정이며 이러한 텐터 공정에서는 주로 발수제, 대전방지제, 섬유유연제 등의 약품이 사용된다. 이러한 약품들은 고온(180 ~ 230℃)에 의한 처리 과정에서 기화되어 백연 및 오일미스트, 미세먼지 등의 복합적인 형태로 관찰되고 악취를 유발하고 있다¹⁾.

염색 사업장에서는 여과성 먼지(FPM, Filterable particulate matter)와 응축성 먼지(CPM, Condensable particulate matter)가 복합적으로 발생되는데^2,15), 텐터의 고온에 의해 기화된 섬유유연제, 대전방지제, 발수가공제 등의 유기화합물이 외부로 배출되면서 응축되고 이로 인해 응축성 미세먼지(CPM)를 유발하며, 섬유의 낙모 및 비산회로 인해 여과성 미세먼지(FPM)를 유발한다.

우리나라의 경우 최근 환경의 질에 대한 국민의 높은 요구와 대기오염 문제 해결을 위해 대기환경보전법에 의한 규제 뿐만 아니라 최근에 제정된 미세먼지법, 대기관리권역법 등을 통해 대기오염 문제 해결에 힘쓰고 있는 실정이다. 또한 한국판 뉴딜 종합계획에 따른 탄소 의존 경제에서 저탄소 경제로 도약하는 비전을 내세우고 있다. 한국판 뉴딜 정책에는 기후변화 대응 강화, 친환경 경제 구현을 위한 녹색 인프라, 신재생에너지, 녹색산업 육성 등에 집중투자를 진행하는 그린 뉴딜이 포함되며 세부적으로 도시·공간·생활 인프라 녹색 전환, 저탄소·분산형 에너지 확산, 녹색산업 혁신생태계로 나눠진다. 이와 같은 정부의 규제 및 정책으로 대기오염물질 제어를 위한 고도의 기술에 대한 지속적인 수요가 발생할 것으로 파악된다.

앞서 언급한 바와 같이 섬유(염색)업종의 텐터(다림질) 시설에서 발생하는 배출가스는 각종 화학약품 등이 약 180 ~ 230℃ 정도의 고온에서 기화되어 백연, 오일미스트(Oil mist), 미세먼지가 포함된 복합적인 형태로 배출되며 악취를 유발하고 있다³⁾.

현재 텐터시설 후단의 복합적인 배출가스를 처리하기 위해서 대부분의 업체에서는 세정식 집진시설(Wet scrubber)와 흡착에 의한 시설(Adsorption tower)이 단독 또는 병행 설치되어 운영되고 있지만 많은 문제점이 있다⁴⁾.

세정식 집진시설의 경우 물과 약액을 통해 배출가스 내 오염물질을 제거하는 기술로 비수용성인 오일미스트가 다량 배출되는 텐터시설 후단에 적용하기에는 처리효율이 현저히 낮고, 고온의 배출가스를 세정수로 처리함으로써 백연이 다량 발생하고, 오염물질의 처리를 위한 다량의 용수 사용으로 고농도 폐수가 발생하여 2차 오염을 일으킨다⁵⁾.

흡착에 의한 시설의 경우 배출가스 내 포화수증기에 의해 오염물질의 흡착능이 현저히 떨어지며, 고점성의 오일미스트에 의해 짧은 시간에 폐색 현상이 발생한다. 또한 정상적인 교체 주기에 따라 교체하여 흡착능력을 유지하여야 하지만, 활성탄 교체를 하지 않고 있으며⁹⁾, 특정 업체의 경우 활성탄이 없는 상태에서 운영하는 경우도 있다. 이러한 텐터시설 후단에서 발생하는 복합적인 대기오염물질의 처리를 위해서는 고도의 기술과 사용 및 유지관리가 용이한 기술이 필요한 실정이다.

현재 염색산단에서 가장 대두되는 기술은 전기집진기술을 적용한 기술과 RTO(Regenerative Thermal Oxidizer, 축열식산화) 설비이며, RTO 설비는 휘발성 유기화합물(VOCs)을 800 ~850℃ 온도에서 산화분해하여 오염물질을 처리하는 원리로 높은 처리효율을 가지지만 에너지 사용량이 많고 저농도의 오염물질 유입 시 비효율적이다^6,10). 또한 2차 대기오염물질 및 온실가스가 발생하고 입자상 물질이 있는 경우 회분이 발생하여 폐색 및 오염이 우려된다¹¹⁾.

따라서 본 연구는 텐터 후단의 복합적인 대기오염을 제거하며 기존 기술보다 향상된 기술을 적용함으로써 경제적이고 효율적인 기술의 적용 가능성을 검토하였다. 본 연구에 사용된 복합배기정화장치는 Figure 1과 같다. 본 장치는 싸이클론 스크러버, 응축-승온 열교환 시설, 전기집진시설, 활성탄 필터를 이용하여 분진, 미세먼지, 오일미스트 등의 입자 물질과 VOCs, 악취 등의 가스상 물질이 포함된 텐터시설 후단의 복합적인 대기오염물질을 우수한 효율로 처리할 수 있는 장치이다.

Figure 1. Schematic view of the combined exhaust purification system of cyclone scrubber and electric dust collection oil filter technology.

2. 실험

2.1 복합배기정화장치

2.1.1 Pilot test

텐터 기기 내부는 고온으로 운전이 되고 있어 다양한 형태의 가스가 배출되게 된다¹²⁾. 테스트 대상 사업장은 대구 염색산업단지공단에 있으며 폴리에스터, 나일론 등을 원료로 입고하여 염색, 수세, 가공 등의 공정을 거쳐 폴리에스터, 나일론 염색 가공원단을 생산하는 섬유 염색 및 가공업체이다. 현재 용량 300m³의 텐터시설을 보유하고 있으며 그에 따른 악취, 백연을 꾸준히 발생됨에 따라 본 연구의 적용기술인 복합 배기정화장치 기술을 테스트를 위한 최적의 조건이라 판단하여 선정하였다.

Pilot test 사업장은 총 2개의 사업장으로 선정하였으며 사업장 텐터 사양 및 오염물질 배출 사전조사 결과는 Table 1, Table 2와 같다. 2개의 사업장은 Table 2와 같이 사용 원단은 동일하며 사용약품이 차이나는 것으로 확인되었다.

Table 1. Pretest of pollutants

Table 2. Pilot test place tenter specification

2.2 사이클론 스크러버(Cyclone scrubber) 유동해석 분석 방법

사이클론 스크러버(Cyclone scrubber)의 고온 공기 유입구의 형상, 공기 유입구 배관 길이, 배관의 유입 각도, 유입구의 유속 등의 최적 설계 인자 도출을 위한 유동 해석을 진행하였다¹³⁾. 유입구 형상 대비 유입구 형상 구조를 변경하여 스크러버(Scrubber) 내부의 회전 유동(Swirl flow) 현상을 비교분석을 실시하였다. 또한 스크러버(Scrubber)의 효율을 극대화 하고자 유입구의 형태를 2가지로 진행하였으며 Figure 2와 같이 수로 형태와 디퓨저형태로 진행하였다¹⁴⁾.

Figure 2. Flow analysis plan according to inlet shape.

유동 해석을 위해 총 486,000개의 격자로 구분하여 사용하였으며 Figure 3과 Table 3과 같이 Case study 1과 Case study 2 모두 같은 격자 수를 사용하였다.

Figure 3. Grid division within crubber.

Table 3. ANSYS input conditions

2.3 악취물질 측정 및 분석 방법

본 연구는 텐터 후단에 나오는 배가스의 악취 성분을 파악하고자 복합악취 외 지정악취물질 22종 대상으로 분석을 진행하였다. 텐터 공정에 사용되는 약품에 따라 분석을 실시하였으며 약품별 미세먼지, THC, 오일미스트 등 배가스의 대기오염물질을 측정하였다. 복합악취 및 지정악취물질은 공인분석업체에 요청하여 분석을 실시하였으며 미세먼지, 오일미스트, VOCs, TOC 등 배기가스의 대기오염물질을 측정하였다. 측정은 자체 분석과 공인분석을 같이 진행하였다.

자체분석은 Table 4와 같은 기기로 분석을 실시하였으며 선정된 pilot plant 텐터 공정은 Table 5와 같은 조건에서 운전되었다.

Table 4. Measurement items and method

Tble 5. Pilot spot tenter operating condition

2.4 첨착활성탄 사용 전/후 비교 분석

활성탄의 사용에 따른 피독 여부를 분석하였으며 활성탄의 사용 전/후의 표면을 비교하기 위하여 SEM/EDS 분석을 실시하였다. 또한 활성탄의 전/후 중량을 비교분석 하고자 TGA 분석을 실시하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 Scrubber 유동해석 분석 결과

Scrubber의 내벽을 따라 velocity vector를 나타내고 있다. 경과 시간에 따른 유동변화를 추적하기 위해 유동해석 시간을 90분(time = 5400sec)간 변화를 확인 하였으며 다만 1분내의 결과가 시간의 경과에 따라 큰 변화가 없음에 따라 단시간에 유동변화에 안정화가 되는 것으로 확인 되었다. 또한 속도 분포는 공기 유입구의 출구에서 가장 빠른 속도(붉은색)을 나타내고 있으며 벽면을 따라 회전 유동이 잘 형성되고 있다(Figure 4 ~ Figure 5).

Figure 4. Velocity vector in case 1.

Figure 5. Streamline vector in case 1.

가스흐름을 Streamline(유선형태)로 표현한 결과이다. 각 지점의 velocity들을 연속적으로 연결하여 실제 유체(가스)가 흘러가는 모양(궤적)을 나타내었다. 가스의 유입구 위치에서 가장 빠른 속도(붉은색)을 나타내고 있으며 위로 올라 갈수록 벽면을 따라 차즘 느려지는(노란색) 경향을 보여 주고 있다. 기본적으로는 벽면을 따라 회전 유동이 잘 발달 되고 있음을 확인하였다(Figure 6).

Figure 6. Velocity vector in case 2.

Case 2의 유동해석 결과이다. Case 1과 동일하게 velocity vector를 나타내었다. 난류 형성을 방지하기 위해 유입구 형상을 디퓨저 형태로 변화를 주었고 입구는 좁고 출구는 점점 넓어지는 형상으로 가스의 유속이 디퓨저를 통과할 때 감소하는 경향이 확인되었다. 출구 유속의 저하는 싸이클론 스크러버 내에서의 회전력을 감소시키는 요인이 되어 case 1가 비교하였을 경우 상대적으로 낮은 유속이 확인되었다(Figure 7).

Figure 7. Streamline vector in case 2.

Case 2의 Streamline(유선형태)로 표현한 결과이다. Case 1과 동일하게 회전력을 보이고 있다. 다만 각 시간별 유동에서의 좌측 index bar의 유속을 보면 case 1보다 늦은 값이 도출되었다. 이는 출구가 넓어지는 구조로 유속이 저하됨에 따른 결과로 보인다.

따라서 내부에서의 빠른 가스 회전유속을 얻기 위해서는 case 1의 구조 형태로 제작되는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

3.2 지정악취 분석 결과

3.2.1 A site 지정악취 분석 결과

선정된 pilot plant A, B site를 대상으로 지정악취물질을 측정하였다. A site는 총 3회 분석을 실시하였으며 최초 22종 분석 이후 복합악취, 알데하이드류만 분석을 실시하였다. 분석결과 A site에서 Table 6과 같이 나타났으며 지정악취 22종 대상 분석 결과 알데하이드류가 발생하는 것으로 나타났다.

Table 6. A site analysis results (Designated odor)

3.2.2 B site 지정악취 분석 결과

B site의 경우 사용약품별 악취 분석을 실시하였다. 사용약품은 크게 발수제, 유연제, 대전방지제를 사용하였으며 분석결과 Table 7과 같다. 분석결과 발수제 약품 사용시 타 약품에 비해 악취가 많이 발생하는 것으로 나타났으며 복합악취 외 알데하이드류가 주로 나온 것으로 나타났다.

Table 7. B site analysis results (Designated odor)

3.3 복합악취 분석 결과

3.3.1 A site 복합악취 분석 결과

지정악취와 마찬가지로 복합악취 또한 공인분석을 실시하였다. 분석은 공기희석관능법으로 분석을 실시하였으며 총 3회 실시하였다. 분석결과 Table 8 및 Figure 8와 같이 나타났으며 평균 74.5%의 제거효율을 나타났다.

Table 8. A site analysis results (Complex oder)

Figure 8. A site analysis results (Complex oder).

3.3.2 B site 복합악취 분석 결과

B site의 경우 지정악취와 마찬가지로 복합악취 또한 공인분석을 실시하였다. 분석은 공기희석관능법으로 분석을 실시하였으며 총 3회 실시하였다. 분석결과 Table 9 및 Figure 9와 같이 나타났으며 평균 74.5%의 제거효율을 나타났다.

Table 9. B site analysis results (Complex oder)

Figure 9. B site analysis results (Complex oder).

3.4 배기가스 대기오염물질 분석 결과

3.4.1 A site 대기오염물질 분석 결과

A site의 대기오염물질을 분석하고자 미세먼지, TSP, Oil mist, VOCs 자체분석을 실시하였으며 19회의 평균값을 Figure 10 및 Table 10과 같이 나타냈다. 실험결과 본 연구개발 장비로 THC 제외한 나머지 항목에서 95% 이상의 높은 효율을 나타냈다.

Figure 10. A site analysis results (Air pollution substance).

Table 10. A site analysis results (Air pollution substance)

3.4.2 B site 대기오염물질 분석 결과

B site의 대기오염물질 분석결과 Figure 11 및 Table 11과 같이 A site와 마찬가지로 THC 제외한 나머지 항목에서 95% 이상의 높은 효율을 나타냈다. 특히 미세먼지 및 입자상물질의 경우 99.9%의 제거효율을 나타났으며 입자상 대기물질의 제거 효율은 굉장히 우수한 것으로 나타났다.

Figure 11. B site analysis results (Air pollution substance).

Table 11. B site analysis results (Air pollution substance)

3.5 활성탄 사용 전/후 분석 결과

3.5.1 첨착활성탄 처리효율 비교 분석

본 연구에 사용된 첨착활성탄은 지정악취 물질 중 알데하이드류를 제거하기 위하여 사용되었다. 이러한 첨착활성탄이 일반활성탄에 비해 제거효율이 좋은지 확인하기 위해 실험을 진행하였다. 실험에 사용되는 아세트알데히드 가스는 100ppm 농도의 가스를 사용하였으며 일반활성탄과 첨착활성탄의 제거효율을 비교하였다. 비교결과 일반활성탄, 첨착활성탄 각각 제거효율은 24.3%, 87.7%로 나타났다(Figure 12).

Figure 12. A comparative experiment of activated carbon.

3.5.2 활성탄 사용에 따른 피독 상태 분석 결과

본 연구의 주요 처리대상 오염물질 중 하나인 오일미스트는 사용 가동시간이 누적 될수록 후단의 첨착 활성탄을 피독 시킴으로써 가스상오염물질의 처리효율을 저하시키는 원인이 될 수 있다^7,8).

따라서 장기 운전 후 일부의 활성탄을 채취하여 현미경을 통한 표면 피독 상태를 확인하였다. 장기 운전에 따른 잔류 오일 미스트에 의한 피독 현상은 육안상 크게 구별되지 않았으며 이는 텐터 후단에서 발생되는 오일미스트 양이 전단에서 평균 40mg/m³이 발생된 반면에 전단 공정인 싸이클론 스크러버와 전기집진기에서 95% 정도로 오염물질을 제거함에 따라 후단 공정인 활성탄에 유입을 최소화 할 수 있었기 때문인 것으로 판단된다(Figure 13, Figure 14).

Figure 13. Before using impregnated activated carbon.

Figure 14. After using impregnated activated carbon.​​​​​​​

또한 활성탄의 사용 전/후에 따른 표면 분석을 위해 SEM/EDS 분석을 실시하였다(Figure 15, Table 12). 활성탄은 pilot plant 공정에서 장기운전간 사용된 활성탄을 일부 채취하여 분석을 실시하였으며 분석결과 활성탄 전/후의 표면은 사용 후 활성탄 표면의 약간 갈라지는 부분이 있었지만 전체적으로 크게 차이가 없는 것으로 보여졌다. 이는 앞서 말씀드린 바와 같이 활성탄 공정에 들어오는 오염물질의 양이 적기 때문이라 판단된다.

Figure 15. SEM analysis.

Table 12. EDS element analysis

3.5.3 활성탄 TGA 분석

활성탄의 사용 전/후의 중량을 비교분석 하고자 TGA 분석을 실시하였다(Figure 16, Table 13).

Figure 16. TGA analysis.

Table 13. TGA analysis

최종적으로 얻어진 온도 변화에 따른 무게 변화에 대한 정보로 활성탄에 피독된 물질량을 추정 평가하고자 하였다. TGA 분석 결과 100℃까지 중량이 급격히 감소되며 이는 수분에 따른 중량 감소라 판단 되어진다. 이후 240℃까지 활성탄 사용 전/후의 질량 손실률은 8.0%, 11.3%로 나타났으며 3.3% 차이가 나는 것으로 나타났다.

따라서 활성탄 전/후의 질량 손실률은 크게 차이가 나지 않는 것으로 보여지며 활성탄에 흡착 되어있는 입자상 물질에 의해 중량 차이가 미비하게 나타나는 것으로 판단된다.

4. 결론

본 연구를 통해 복합배기정화장치를 사용하여 분석 및 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. Scrubber의 구조에 따른 유동해석 결과 디퓨져형태(case 2)보다 수로형태(case 1)가 내부에서 빠른 가스 회전유속을 효과적으로 얻을 수 있다.

2. 복합배기정화장치를 통해 pilot test 진행 결과 site 별로 각각 복합악취 74.5, 91.5%, 미세먼지 99.9, 99.9%, TSP 99.9, 99.9%, Oil mist 95.7, 96.5%, VOCs 95.7, 95.7%, THC 84.9, 75.0% 평균 제거효율을 보였다. 따라서 본 장치를 사용하여 기존 문제였던 오일미스트 제거 해결을 할 수 있을 것으로 판단된다.

3. 섬유텐터 공정내 지정악취 22종 분석결과 대부분 알데하이드류가 발생하는 것으로 나타났으며 발수제, 유연제, 대전방지제 중 발수제 약품 사용시 더 높은 농도의 악취가 발생하는 것으로 확인되었다.

4. 첨착활성탄을 통해 오일미스트 및 알데하이드 제거에 도움을 주는것으로 보여지며 장기간 운전결과 활성탄 사용 전/후 오염물질의 피독 분석결과 전/후의 차이는 크지 않았다. 이는 활성탄 공정에 유입되는 가스는 scrubber 및 전기집진기에서 대부분의 입자성물질이 제거되기 때문으로 사료된다.

5. 복합배기정화장치의 분석 결과 복합악취, 지정악취, 오일미스트 등 여러 대기오염물질의 제거가 우수하게 되는 것으로 나타났으며 추후 열교환기, 수직형 전기집진기 등을 사용하여 탄소중립 정책에 맞춰 에너지 재사용 연구를 진행하고자 한다.

감사의 글

본 연구는 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT) 연구비 지원으로 수행되었습니다(과제번호: 20014856). 이에 감사드립니다.