VOC처리설비의 안전 (축열식 소각로) 호남권 중대산업사고예방센터.

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1 VOC처리설비의 안전 (축열식 소각로) 호남권 중대산업사고예방센터

2 목 차 개요 휘발성유기화합물(VOC) 처리기술 연소소각법에 의한 VOC 처리기술 연소소각설비의 안전 PSM 심사사례 사고사례

3 개 요 화학공업의 급속한 발전 대기오염물질의 배출량 증가 대기오염물질 규제 강화
개 요 화학공업의 급속한 발전 대기오염물질의 배출량 증가 대기오염물질 규제 강화 대기오염방지시설 신설 및 기존설비의 교체와 증설 안전성이 확보되지 않은 대기오염방지설비 설치 특히, 최근에 축열식 소각설비(RTO) 화재 및 폭발 사고 발생 저장탱크나 공정설비와 연계되어 중대산업사고로 발전 가능 VOC 처리설비 종류와 특성 연소소각설비의 안전

4 대기오염물질 대기오염 : 바람직하지 못한 물질이 유해한 영향을 끼칠 만큼 대량으로 대기 속에 존재하는 것
대기오염물질 : 질소산화물, 황산화물, 암모니아, 탄화수소 등 52종류(대기환경보전법) 황산화물(SOx) : SO2, SO3 등으로 연료의 연소시 발생 질소산화물(NOx) : NO, NO2 등으로 연료의 연소시 발생 VOC(Volatile Organic Compounds)란 탄화수소화합물로서 대기중의 질소산화물 및 다른 화학물질과 광화학반응을 통해 광화학스모그의 원인이 되는 오존을 발생시키는 물질

5 휘발성유기화합물(VOC) 증기압이 높아 대기 중으로 쉽게 증발되는 액체 또는 기체상 유기화합물의 총칭
대기 중에서 질소산화물과 공존하면 햇빛의 작용으로 광화학반응을 일으켜 오존 및 팬(PAN:퍼옥시아세틸나이트레이트) 등 광화학 산화성 물질을 생성시켜 광화학스모그를 유발하는 물질을 총칭 지방족 탄화수소류, 방향족 탄화수소류, 비균질 탄화수소류(알데이드, 케톤, 알코올 등) 및 지방족과 비균질이 혼합되어 있는 탄화수소중 레이드증기압이 27.6kPa 이상인 물질 레이드증기압 : ASTM D323-90에 의하여 측정된 증기압으로서 순수 단일물질일 경우 37.8℃(100℉)에서의 증기압과 같다 단, 메탄, 에탄, 일산화탄소, 이산화탄소 등 광화학 반응성이 낮은 물질 일부는 제외 현재 우리나라에서는 환경부 고시에 의해 37종이 규제 대상

6 VOC 물질 1 아세트알데히드 14 디에틸아민 27 트리클로로에틸렌 2 아세틸렌 15 디메틸아민 28 휘발유 3
디메틸아민  28 휘발유 3 아세틸렌 디클로로라이드 16 에틸렌 29 납사 4 아크롤레인 17 포름알데히드 30 원유 5 아크릴로니트릴 18 n-헥산 31 아세트산 6 벤젠 19 이소프로필 알코올 32 에틸벤젠 7 1,3-부타티엔 20 메탄올 33 니트로벤젠 8 부탄 21 메틸에틸케톤 34 톨루엔 9 1-부텐, 2-부텐 22 메틸렌클로로라이드 테트라클로로에틸렌 10 사염화탄소 23 엠티비이(MTBE) 36 자이렌 11 클로로포름 24 프로필렌 37 스티렌 12 사이클로헥산 25 프로필렌옥사이드 13 1,2-디클로로에탄 26 1,1,1-트리클로로에탄

7 VOC의 영향 대부분 인체에 유독 : 발암성 등 오존층 파괴 : 염화탄화수소류 지구온난화 광화학스모그 형성
- 눈에 자극, 가시거리 저하 - 오존은 대기중의 SO2를 산화시켜 산성비의 원인 악취 발생 - 자극적이고 불쾌한 냄새 함유 - 낮은 ppm 농도에서도 냄새 감지

8 VOC 처리기술

9 소각(연소)법 CnHm + aO2 → nCO2 + m/2 H2O 공기중의 산소를 이용한 산화반응
유기물질이 발화온도 이상이 되면 연소하여 이산화탄소(탄산가스)와 물(수증기)가 된다. RTO(축열식소각), RCO(축열식촉매소각), TO(직접소각), CO(촉매소각) 등 VOC 배출 특성이나 처리환경에 따라 적절한 방법 선정 에너지 절약형이며 처리효율이 높고 안정된 RTO가 주류 CnHm + aO2 → nCO2 + m/2 H2O

10 흡 착 배출가스와 고형의 흡착제가 접촉하면서 흡착제 표면에 포집 즉, 다공성 고체표면에 VOC가 부착되는 성질 이용
흡 착 배출가스와 고형의 흡착제가 접촉하면서 흡착제 표면에 포집 즉, 다공성 고체표면에 VOC가 부착되는 성질 이용 장치가 간단하고 비교적 용이하게 적용하지만 흡착 능력의 한계 때문에 고농도, 대풍량의 가스처리에는 부적합 흡착제 : 활성탄, 알루미나, 실리카겔, 제오라이트, Molecular Sieve 주의사항 - 습도가 높은 가스는 흡착제의 흡착량 감소 : 상대습도 50% 미만 - 재생과정에서 흡착된 유기물이 고분자를 형성하는 경우 수명 단축 - 고농도의 VOC 흡착시 흡착열이 발생하여 화재 발생 가능 * 안전장치 : 온도계, 살수설비 등 적용분야 - 저농도이며 배출량이 많은 경우 - 고농도이며 배출량이 적은 경우 - 농도범위가 넓은 경우 - 비점이 낮은 경우

11 흡 수 향류 또는 병류로 접촉해서 VOC를 액상흡수제로 포집 물질전달 구동력은 기체와 액체간의 VOC 농도 구배
흡 수 향류 또는 병류로 접촉해서 VOC를 액상흡수제로 포집 물질전달 구동력은 기체와 액체간의 VOC 농도 구배 흡수제 : 물, 가성소다, 암모니아, 고비점 탄화수소 등 온도, 습도, 가스 접촉에 의한 영향이 적으며 근본적인 VOC 처리 불가

12 냉각응축 냉각에 의해 비응축성가스로부터 VOC 분리 일정한 압력에서 온도 감소, 일정한 온도에서 압력 증가
직접응축 : 응축기체와 냉매의 직접 접촉 간접응축 : 다관식 열교환기 형태 냉매 : 냉수, 브라인, 염화불화탄소, 저온유체

13 생물학적 처리 미생물을 이용하여 배출가스 중 함유된 각종 성분 제거
VOC가 공기(산소)와 함께 미생물막을 통과하면서 확산되고 미생물에 의해 물과 이산화탄소로 분해 미생물은 VOC를 에너지원인 탄소원으로 이용. 즉, 먹이로 이용 제거한다 바이오필터, 바이오스크러버, 바이오트리쿨링 및 토양탈취법 등 바이오필터 - 미생물을 포함하고 있는 흙이나 퇴비를 충진재 - 전처리 : 먼지를 제거하고 냉각과 가습. 먼지는 공극을 막아 VOC 분해효율 감소, 가습은 균열 및 미반응 VOC가 대기중 누출 방지

14 분리막기술 반투과성막을 이용하여 VOC를 선택적으로 분리 염소계 탄화수소나 염화불화탄소 등 과거에 회수하기 어려웠던 물질 회수
반투과성막은 합성고분자로 만들며 분리시 구동력은 압력차 진공펌프를 이용하여 막모듈내의 압력을 낮게 유지 VOC 함유 기체중 VOC만 막을 통과하고 청정가스는 통과하지 못함

15 용제회수 흡착제로 VOC를 흡착시키고 청정가스는 대기 방출 VOC를 스팀으로 탈착시킨 후 응축기에서 액화시켜 회수
운전비가 낮고 에너지 효율이 높다 재생 횟수 증가에 따라 흡착능력 감소 입자상 물질의 전 처리가 필요

16 주요 VOC 처리설비 특성 비교 저감기술 농도범위 (ppm) 용량 (cfm) 저감효율 (%) 특징 고온소각 100~2,000
1,000~500,000 95~99 축열식은 95% 이상의 에너지 회수 촉매소각 1,000~100,000 90~95 70% 이상의 에너지회수, 저NOx 응축분리 (회수) >5,000 100~20,000 50~90 운전비용 절감 흡착분리 20~5,000 100~60,000 90~98 순환시스템 흡수분리 500~5,000 2,000~100,000 95~98 회수비용 절감

17 주요 VOC 처리기술의 장단점 처리기술 장 점 단 점 소각 입증된 처리기술로 다양한 적용 기존 보일러, 소각로 등의 설비 사용
장 점 단 점 소각 입증된 처리기술로 다양한 적용 기존 보일러, 소각로 등의 설비 사용 유속 및 농도에 따른 다양한 설계 모든 VOC 완전 파괴 혼합 VOC 처리 적합 -촉매소각의 경우 10,000ppmv이상 불가 -유속,농도 등 변동시 처리효율 변화 -소각산물 생성시 2차적 처리설비 요구 -황 및 질소산화물 처리에 부적합 흡착 -다양한 사용 예에 대한 자료가 많음 -운전이 간단 -다양한 VOC 처리 가능 -필요시 VOC 회수 가능 -초기 고정투자비 저렴 -2차 오염물질의 발생 및 관련 처리설비 -고농도시 운전비용 급상승 -흡착제 폐기비용 -일부 탄화수소에 적용 불가 -수분함량이 높거나 온도가 높을 경우 낮은 효율 흡수 -다양한 사용 예에 다한 자료가 많음 -적합한 용매 선정시 높은 처리효율 -초기 투자비 및 운전비 저렴 -기존 세정기 재사용 가능 -용매가 물인 경우 기존 폐수처리장에서 처리 가능 -가스의 조성, 농도 변화시 처리불가 -여러 종류의 VOC 처리시 부적합 -가스 도입조건에 따라 처리효율 변화 -가스 특성에 따라 배출허용기준 이하 처리 불가능 -VOC 회부 불가능 응축 -VOC 회수 가능 -2차 오염물질 발생 없음 -운전, 유지 및 보수 간단 -거의 모든 VOC에 적용 -응축기 동결방지를 위해 가스 전처리 -농도 3,000ppmv이하 부적합 -유속, 종류 및 농도 변화시 처리효율 저하 -낮은 온도의 냉매 필요 -응축온도에서 포화농도 이하 처리 불가능

18 연소소각법에 의한 VOC처리기술 직접연소(TO) 촉매연소(CO) 축열식촉매연소(RCO) 축열연소(RTO) 비교

19 VOC THERMAL OXIDATION VOC Destruction 필요조건
VOC O CO H2O Operating parameters for 99% Destruction Temperature : 750 ~ 850 ℃ ( 300 ~ 350 ℃. With Catalyst) Residence time : 0.5 ~ 1 sec Turbulence : Re > 10,000 O2 농도 : 800℃에서 12% 이상

20 직접연소(TO, Thermal Oxidation)
열소각로와 열교환기를 이용하여 고온(700~850℃)에서 0.3~0.6초 체류시켜 직접 연소하여 탄산가스와 수증기로 분해

21 직접연소(TO, Thermal Oxidation)
적절한 연소온도를 유지함으로써 95% 이상의 효율 촉매독을 함유한 물질 처리 가능 증기, 온수, 열풍 등 폐열회수시스템 구축 가능 배기가스의 온도와 처리가스 농도가 높을 때 경제적 조작이 간단하며 별도의 인력이 필요없음 열적 NOx 발생량이 많으며 온실가스인 CO2 다량 발생 처리가스 농도에 따라 연료비가 고가 적용 - 고농도 가스(8g/Nm3 이상) - 압력 및 풍량 변화가 없는 공정(저풍량 가스)

22 촉매연소(CO, Catalytic Oxidation)
직접연소 온도보다 낮은 온도(200~400℃)로 가열하여 백금, 코발트 등 촉매층을 통과시킴으로서 촉매산화 작용에 의해 탄산가스와 수증기로 분해

23 촉매연소(CO, Catalytic Oxidation)
직접연소에 비해 연소온도는 낮으나 비슷한 효율 저온 산화하므로 질소산화물에 의한 2차 오염물질 생성이 적다 저온 연소 방식으로 연료의 소모가 적고 고효율의 열교환기를 사용하여 경제성이 높다 조작이 간단 촉매독으로 인하여 처리대상 가스에 따라 적용 범위가 한정 촉매의 수명이 한정되어 있어 촉매의 교환이 필요 적용분야 - 중농도가스(4~5g/Nm3) - 촉매독이 없는 가스

24 축열식 촉매 연소 (RCO, Regenerative Catalytic Oxidation)
VOC를 세라믹 축열제를 이용하여 가열한 후 촉매층을 통과시켜 저온에서 산화시켜 수증기와 이산화탄소로 분해 A-Cooling, B-Heating A-Heating, B-Cooling

25 축열식 촉매 연소 (RCO, Regenerative Catalytic Oxidation)
세라믹 축열제에서 95% 이상 열회수하므로 연료비 감소 농도가 LEL의 3% 정도일 때는 보조연료 없이 처리가능 저온에서 연소하므로 열적 NOx의 발생이 적다 오염물질의 농도 및 성분변화에 따라 영향이 적다 촉매에 의한 산화가 가능한 VOC에 한해서 RTO보다 경제적 촉매독이 함유된 가스의 처리는 어렵다. 촉매 교환비용이 고가이다.

26 축열연소 (RTO, Regenerative Thermal Oxidation)
VOC의 연소열을 열교환용 Ceramic 축열재로 축열시킴 축열된 열로 VOC를 승온시켜 연소 VOC 연소열을 외부로 배출시키지 않고 회수함으로서 대기오염 방지 및 폐열을 이용하는 고효율 에너지 전략 기술 폐열 회수 극대화 방법 - Regeneration(재생) : Ceramic(입출가스 온도차 40℃) - Recuperative(열교환) : 열교환기 (입출가스 온도차 250℃)

27 MECHANISM OF RTO 내화제 A Bed B Bed Bed Bed A A B Ceramic 축열제 온도 B A B
Heat Media Ceramic 축열제 출구가스 온도 Heat Media B 입구가스 Treated gas Exhaust gas Purge Air A B Motor

28 2-Bed RTO 운전초기 소각로 운전온도로 가열한 후 가스 A=>B로 투입
A Ceramic을 통과하면서 예열되고 상부 Chamber에서 고온 산화 B Ceramic에 열을 배출하고 A Ceramic 입구온도보다 약 40℃ 높게 냉각 일정시간후 A Ceramic은 냉각되고 B Ceramic이 가열되면 가스 투입 유로를 B=>A로 바꾸며 일정시간마다 반복하여 에너지 소비 최소화 Switching시 Ceramic에 존재하는 미처리가스와 RTO를 bypass한 미처리가스가 일시에 외부 배출(유기물 처리효율 95%) 미분해가스 대기 방출 방지하기 위한 방법으로 3-Bed, Rotary Wing Type 등 A=Cooling, B=Heating A=Heating, B=Cooling

29 3-Bed RTO 2-Bed는 각 Bed가 Cooling과 Heating을 반복
3-Bed는 별도의 Bed가 Fresh Air로 Purge 3-Bed의 경우 B Bed로 유입되어 A Bed로 유출되지 않고 Purge가 끝난 C Bed로 유출되며 이 기간동안 A Bed는 Fresh Air로 Purge 각 Bed가 Cooling=>Purge=>Heating 반복 Switching시 역류할 수 있는 미연소가스 대신 Fresh Air 대기방출 유기물 처리효율 99% 이상

30 Rotary Wing Type RTO 풍향의 전환을 Damper대신 Rotary Wing의 회전
항상 축열층 절반은 예열되고 반쪽은 열을 회수 복작한 통제방식이 필요없음 미처리가스 문제, 압력변동 및 다수의 Damper작동에 의한 고장 방지 Rotary Wing의 구동주기를 달리하여 열회수효율 조절, 열손실 극소화, 운전용이, 축열온도 및 연소온도 일정 유지

31 주요 운전설명 인입구역 배출구역 : Influent : Effluent : Flushing : Non-Flow Non-Flow
공기의 흐름른 곹바로 통과 : Influent : Effluent F : Flushing : Non-Flow F N Non-Flow Chamber N F F 인입구역 배출구역 N F Flushing Chamber N F N

32 RTO의 변천 1 세대 2 세대 3 세대 밸브전환시 압력변동발생 2 Bed 3 Bed Rotary type System
1 세대 2 세대 3 세대 2 Bed 3 Bed Rotary type System flow Purge Air Motor Purge gas 밸브전환시 미처리가스 대기방출 Problem & Develop- ment Develop 미처리가스를 대기방출하지 않음 밸브전환시 압력변동발생 압력변동 많은 수의 밸브를 설치_고장요소 Develop 한 개의 밸브(Rotary)로 조작하므로 압력변동 없음

33 Damper방식과 Rotary Wing 방식(I)
항목 Damper 방식 Rotary Wing 방식 동작원리 2개 이상의 축열식 VOC의 흐름을 timer로 조절 Batch 운전으로 열교환하는 2Can 이상 필요 VOC의 흐름이 회전식 연속적으로 열교환 수행하는 1can의 일체형 초기투자비 높음 낮음(Damper방식의 70%) 운전비 Damper에 의한 가스 흐름 변화시 불안정한 흐름으로 축열재 온도가 일정하지 않아 다소의 연료 소비 안정적인 가스 흐름으로 축열온도 일정하므로 일정농도 이상이면 무연료 운전 가능하고 저농도에서도 연료의 소모가 적음 제거효율, 연속성 제거 효율이 안정치 못함 2Bed Damper의 변환시 미처리 가스의 문제 높은 효율과 자체적 잔여가스 처리를 위한 퍼지기능이 있어 시스템이 안정적

34 Damper방식과 Rotary Wing 방식(II)
항목 Damper 방식 Rotary Wing 방식 운전, 유지관리 Damper의 전기, 기계적인 손상 및 Control 방식에 의한 오작동 등의 우려, 운전 유지 관리가 어려움 시스템이 간단하여 유지관리 및 운전 용이 VOC 농도변화에 따른 운전제어기능 Timer의 Setting에 의한 Damper 전환방식으로 빠른 응답이 어려워 운전온도가 일정하지 않을 수 있음 Rotary wing의 회전 속도를 제어하여 농도변화에 따라 연소실의 운전온도를 일정하게 유지 가능 설치면적 2개 이상의 축열실이 필요하므로 상대적으로 많은 면적 일체형 설비이므로 적은 면적 장점 국내외 많이 설치됨 압력변동 제어 가능(Auto Damper), 미처리가스 완전제어 가능(Purge Fan), 축열실과 Rotary Wing의 밀착화로 누설최소화

35 축열재 세라믹제가 주로 사용 축열용량이 클수록 좋다. 즉, 비열이 클수록, 무게가 무거울수록 좋다
축열용량 = 비열*무게*온도차 열팽창계수(온도에 따른 팽창정도)가 작을수록 좋다 내열충격도가 클수록 좋다 공극율이 적을수록 좋다(VOC가 공극에 잔류했다가 탈착 가능) 단위용적당 표면적이 클것 압력손실이 적을것 타르나 분진 등이 부착 또는 폐색이 어려울 것 불연성재료로 내열성, 내약품성이 높고 열에 의해 열화, 변형, 갈라짐, 크랙 등이 생기기 어려울 것

36 특징 높은 열회수 효율과 연료소비량 절약 가능 - 입출구의 온도차 40~70℃ 안정적인 운전과 장치 수명 장기간 보존 가능
구조가 간단하고 압력손실도 비교적 작음 NOX 발생 낮음 할로겐을 포함하는 VOC 성분 가스에도 대응

37 문제점 타르를 포함함 배가스 - 축열탑 하부의 온도가 비축열 형식보다 낮아 타르가 부착되기 쉽다 산의 응축에 따른 부식
- 황화수소 등의 유황화합물은 연소하여 황산화물을 발생시키고 배가스중 수분과 반응하여 금속 부식 정압파동 - 가스흐름 변경에 의한 쇼크 - 압력손실의 적은 축열재 사용 이상온도 상승 - 공급가스의 농도변화가 클 경우 - 연소실의 온도를 감지하여 열풍을 배기관에 우회

38 RCO와 RTO 구분 RCO RTO 산화방법 촉매층을 사용하여 산화 열회수물질(세라믹)을 사용 연소 운전방법 연속식 보조연료량
중, 대 경제적 효율 초기투자비 저렴 촉매비 고가 초기투자비 고가 유지비 저렴 촉매 수명 약 12~60개월 없음 VOC 제거 효율 약 90%이상 약 95%이상 운전 온도 200~400℃ 750~900℃

39 연소소각법에 의한 VOC처리설비 비교 구분 기본원리 적용분야 장점 RTO
열소각로와 축열재 이용, 750~1,000℃에서 축열산화 -저농도 가스 -대풍량 가스 -높은 처리 효율(99%) -2차 공해 요인이 적음 -높은 열회수율(95%) -장치 수명이 길고 안정 -유기물 부하가 1.5~2g/Nm3 이면 무연료 운전 RCO 촉매와 축열재 이용, 200~400℃에서 촉매산화 -저농도 가스(유기물 부하 1g/Nm3 이하) -대풍량가스 -촉매독이 없는 가스 -높은 열회수율(92% 내외) -2차 공해요인이 적음 -유기물 부하가 1~1.5g/Nm3 이면 무연료 운전 TO 열소각로와 열교환기를 이용, 750℃ 내외에서 열 소각 -고농도 가스( 유기물 부하 8g/Nm3 내외) -압력 및 풍량 변화가 없는 공정(저풍량 가스) -처리 효율이 높음(99% 이상) CO 촉매와 열교환기를 이용, 300~450℃에서 촉매산화 -중농도 가스(유기물 부하 4~5g/Nm3) -저온 촉매소각으로 열소요량이 적음

40 연소소각 방식의 종류와 비교 RTO RCO TO CO 적은 연료 소비 System flow 운전온도 750 ~ 850 ℃
catalyst catalyst Exhaust gas Exhaust gas Exhaust gas Exhaust gas 운전온도 750 ~ 850 ℃ 300 ~ 350 ℃ 750 ~ 850℃ 300 ~ 350℃ 열교환방식 Recuperative Recuperative Regenerative Regenerative 열회수율 40 ~ 70 % 40 ~ 70 % 95 % over 95 % over 적은 연료 소비

41 열량 비교 Direct firing RTO CO RCO 비교 : 전체요구열량 회수열량 VOC 연소열량 Burner 공급열량
90 T1 T1 (750℃ ~ 850℃) 요구열량 (10,000 kcal/H) 연소실온도 VOC 연소열 Direct firing (η : 50%) qre qre (300℃ ~ 350℃) T2 T2 45 qt Outlet Temp. qt to qre qre CO(η : 50%) qVOC qt to qt qVOC 20 qs qVOC to qs qVOC qs to ti RTO(90%) 입구온도 10 RTO(95%) Direct firing RTO CO RCO 직접열산화 촉매산화 500 1000 1500 2000 2500 농도 (ppmv) 비교 : qt 전체요구열량 회수열량 VOC 연소열량 Burner 공급열량 qre qVOC qs

42 운전비용의 비교(Example) (CO) (RTO) (RCO) (Direct firing)
운전비둉 ($/hr) Process Stream 10,000 SCFM % LEL Thermal Recuperative Oxidizer Catalytic Recuperative Oxidizer Regenerative Thermal Oxidizer Regenerative Catalytic Oxidizer 1% LEL $28.37/hr $11.00/hr $5.65/hr $2.50/hr 10% LEL $16.72/hr $3.70/hr (Direct firing) (CO) (RTO) (RCO) 1. 입구측의 온도가 70F 로 공급되는 것으로 가정한다. 2. LEL 1.10%의 열량은 16,720BTU/LB로 가정한다. 3. 전기비용은 $0.06/KWH로 가정한다. 4. 천연가사의 비용은 $4.50/MMBTU로 가정한다. 5. CO의 열화수율은 65%로 가정한다. 6. Thermal Recuperative Oxidizer의 열회수율은 65%로 가정한다. 7. RCO의 열회수율은 95%로 가정한다. 8. RTO의 열회수율은 95%로 가정한다. 9. 농축기의 농축율은 6:1로 가정한다. ※ DATA Source : Anguil VOC Hand Book.

43 연소소각설비의 안전 인입배관 조절밸브 가연성가스 농도 측정 및 제어 배기팬(Exhaust Fan) 파열판 및 폭발방산구
화염방지기(Flame Arrestor) 배관 및 닥트의 차단밸브 설치 연료공급설비 연소장치(Burner) 자동제어밸브 가연물 축적방지 및 온도감지 통기관 등 설계기준 및 공정안전자료 관리 기타

44 인입배관의 조절밸브 가연성가스와 희석용 공기 인입 배관의 조절밸브는 단계적으로 개폐가 가능한 구조로 하고
안전운전절차서에 희석용 공기를 먼저 주입하고 가연성가스 조절밸브는 단계적으로 개방하도록 명기 - 초기 가동시 인입 배관내 고농도의 가연성가스가 일시적으로 유입시 화재나 폭발이 발생할 수 있음

45 가연성가스 농도 측정 및 제어 VOC 등이 순간적으로 RTO로 유입될 경우 화재 및 폭발
인입측에 가연성가스의 농도를 측정하는 감지기를 설치하여 LEL의 25%를 초과하지 않도록 차단과 동시에 퍼지 또는 냉각시키고 고농도의 가스를 비상배출관을 통하여 배출시키거나 인입측에 질소 또는 희석용 공기 주입

46 배기 팬(Exhaust Fan) 처리해야 할 배출량을 만족하는 충분한 용량
소각설비가 상시 가동되어야 하는 경우에는 배기팬은 복수로 설치하여 가동정지시 자동으로 예비팬이 가동되도록 연동 및 경보 부식이 우려되거나 스파크 등의 점화원으로 작용할 우려가 있는 경우 소각설비 출구측에 설치 다만, 블레이드 및 케이싱을 내식성 재질로 하거나 비점화성 재질 또는 가연성가스의 농도가 LEL 이하로 유지되도록 한 경우 입구측에 설치 가능 진동의 영향을 감소시키기 위해 신측이음 설치

47 파열판 및 폭발방산구 RTO 또는 연결 닥트 내부에서 폭발이 발생할 경우 폭발압력을 배출할 수 없으면 전체 공정설비의 파손 등 대형사고로 발전 가능 설비 규모 및 폭발 발생 위치에 따른 배출량에 따라 파열판 또는 폭발방산구의 형식과 크기 결정 - 비정상상태가 되어 가연성가스 농도가 높아지면 폭발이 발생할 수 있는 닥트 중 굴곡지점 또는 응축물 분리기 등 부속설비가 설치된 곳과 RTO 전단 - 보조연료 버너가 설치된 연소실 등

48 화염방지기 VOC 등을 공급하는 배관에는 RTO 내부 등에서 화재나 폭발이 발생할 경우 화염이 역화되지 않도록 화염방지기 설치
주 배관과 연결되는 가지관은 가능한 한 구획되도록 가지관마다 화염방지기 설치 배관이 길게 연결될 경우에는 폭연(Deflagration)이 폭굉(Detonation)으로 전이될 수 있으므로 폭굉용 설치 또는 폭발압력을 사전에 배출하기 위한 파열판 등 설치

49 연소와 폭발의 관계 공통점 : 가연물과 산소가 반응하는 산화반응 분류기준 : 반응속도 - 연소 : 0.03~10m/s
- 폭발 : 폭 연 : 연소에 의한 폭발충격파가 미반응 매질속에서 음속 이하 폭 굉 : 연소에 의한 폭발충격파가 미반응 매질속에서 음속 초과 (1,000~3,500m/s 이상) 화염방지기 - 관말단 화염방지기 - 관내 화염방지기 - 관내 폭굉방지기

50 가스폭발시의 압력변화(내부)

51 폭 연 과 폭 굉(배관 내)

52 ※ 폭 굉 의 생 성 과 정 ① 최초의 압축파가 주위에 전달
※ 폭 굉 의 생 성 과 정 ① 최초의 압축파가 주위에 전달 ② 압축파 내부에서 단열압축 → 온도상승 → 속도증가 → 후단부 전파속도 ≫ 전단부 전파속도 ③ 후방의 압축파가 전방으로 추격 → 강성충격파 생성 (충격파는 음속을 초과함)

53 Dow Chemical의 실험결과 최고 100atm 이상

54 폭 연 차 단

55 폭 굉 차 단

56 폭굉용 화염방지기

57 화염방지기 후단 취약부위 Rupture Disk Flange Type

58 연료 공급설비 VOC 등의 양에 따라 연료를 자동으로 공급하는 설비 설치 연소용 공기는 연료의 양과 연동
2개의 긴급차단밸브를 최단거리로 설치하고 사이에 비상배출밸브 설치(비상배출밸브 전단에 수동밸브를 설치할 경우에는 열린 상태로 관리하고 안전한 지역으로 배출) 긴급차단밸브와 별도로 화재 등 비상시에 연료를 차단할 수 있도록 접근이 용이한 장소에 수동 차단밸브 설치 누출 가능한 위치에 가연성가스감지경보기 설치

59 연소장치(Burner) 모든 버너의 불꽃은 화염감지기에 의해 감시되고 버너 불꽃이 꺼질 경우 버너가 정지되도록 연동
UV(Ultraviolet) 감지기는 가스 버너에는 적합하나 석유류 버너에는 적합하지 않음(석유류 연소시 미량의 자외선 방출) 석유류 버너 또는 가스와 석유류를 동시에 사용하는 버너에는 IR(Infrared) 감지기 또는 UV/IR 조합형 감지기 사용 연소용 공기가 연료보다 먼저 공급되는 구조이어야 하며 공기 공급이 중단된 경우 연료는 자동으로 차단 연소실 내부가 설정된 온도 범위내에서 운전되도록 조절 연소실과 축열내의 온도가 설정치 이상에서 연료공급 중지 및 버너 정지 => 축열재를 통과하지 않고 스택으로 우회

60 자동제어밸브 배관에 설치된 각종 자동제어밸브(On/Off 밸브 포함)의 구동원 실패(Failure)시에는 다음과 같이 작동되는 구조로 설치 - 비상배출시설과 관련된 밸브는 자동 열림(Fail Open) 구조 - 소각설비로 인입되는 VOC 등의 배관상의 밸브는 자동 닫힘(Fail Close) 구조 - 연료공급배관상의 2중의 차단밸브는 Fail Close - 2중의 차단밸브 사이의 배출밸브는 Fail Open 자동조절밸브 사이의 동작상태는 가능한 한 조정실에서 감시할 수 있도록 설치

61 가연물 축적 방지 및 온도감지장치 인입가스의 농도가 설계기준으로 올라가 RTO가 과열되거나 인입닥트, 분배기 및 축열층에 가연물이 축적되어 내부에서 화재 발생 가능 인입가스에 포함된 응축가능물질과 가연성분진 등은 사전에 전처리를 통하여 완전히 제거하거나 응축이 일어나지 않도록 조치 RTO 입구 및 출구온도 등을 지속적으로 감시하고 설정치 이상에서 경보기 작동과 더불어 인입가스 차단, 연료 차단 등과 연동 RTO 하부 청소구를 만들어 정기적으로 점검하고 청소

62 RTO하부에 축적된 가연성물질

63 통기관 등 VOC 등의 포집설비를 직결식으로 연결할 경우 고농도 증기의 유입으로 화재나 폭발이 발생하거나 탱크에 과압이나 진공이 가능하므로 가능하면 포위식 후드 형식으로 설치 만약 플랜지로 직접 연결할 경우에는 처리설비의 운전정지 등에 대비한 과압 및 진공에 대한 조치 직결식으로 연결할 경우 저장탱크 등 VOC 발생원과 RTO 등 처리설비 사이의 배관에 차단밸브 설치 금지 통기관에 설치하는 화염방지기는 폭굉용을 설치하거나 전단에 파열판 등 취약부위를 설치하여 안전하게 압력 방출

64 설계기준 및 공정안전자료 관리 처리대상 물질에 대한 조성을 파악하고 물질안전보건자료를 확보하고 내용이 부실할 경우 보완
설계시 검토 사항 - 각종 탱크의 배출량 계산 - 저장물질의 성상에 따른 통기밸브 및 화염방지기 형식, 후드 및 배관 결정 - 처리물질의 성상 및 조성에 따른 전처리방법 결정 - 혼합물질의 폭발하한계(LEL) 계산 - LEL의 25% 이하가 되도록 송풍기 용량 결정 - LEL의 25% 초과시에 대한 대책 결정 - 배관 또는 닥트의 크기 결정 및 마찰손실 계산 - 마찰손실 및 송풍기 용량을 근거로 모터 용량 계산

65 기타 공정위험성평가 - 관련 자료를 확보하여 분야별 전문가로 평가팀을 구성하여 실시 - 평가 결과를 설계와 제작에 반영
안전운전절차서 - 정상운전, 비상운전, 비상정지방법 및 비상시 대처요령 등이 포함한 절차서 작성 - 작성된 절차서 교육 철저 비상조치계획 - 화재, 폭발 등 비상사태 발생시 조치계획 수립 및 훈련 철저

66 PSM 심사사례(I)

67 고려사항 연소실에 폭발방산구 설치 가연성가스 농도 측정 및 제어 폭굉용 화염방지기 설치
연료공급배관의 긴급방출밸브 전단의 차단밸브 관리 송풍기 설치 위치 VOC 인입 밸브의 작동방식 등

68 Design Basis Storage Tank 및 폐수처리장에서 발생하는 VOC 및 악취 제거
Flowrate : Max. 6,207Nm3/hr(RTO Capa. 9,000Nm3/hr) Temperature : AMB. Performance Guarantee - Heat Recovery Rate : 95% 이상 - 처리효율 : 98% 이상 - NOx : 100ppm 이하 - CO : 100ppm 이하 - SOx : 250ppm 이하 - H2S : 5ppm 이하 등

69 주요기기 사양 R-BT820 : Regenerative Thermal Oxidizer Ceramic : 축열재
R-BF820 : Gas Burner R-GB151C : Boosting Fan R-GB820A/B : RTO Fan R-GB822 : Purge Fan R-GB821A/B : Combustion Air Fan R-BJ820 : Stack R-FA820 : Mist Eliminator

70 공정 Burner 이용 Ceramic층 및 로내 온도를 VOC 산화온도까지 가열
VOC가 첫번째 Ceramic층을 통과하면서 예열되고 로내에서 산화 산화처리된 고온가스는 두번째, 세번째 Ceramic층을 통과하여 배출 두번째, 세번째 Ceramic층은 고온가스로부터 열을 받아 예열 VOC유입 유로가 순차적으로 변경되는데 변경과정을 Switching Operation 이라 하며 이 과정에서 미처리된 가스가 외부로 배출되는 것을 방지하기 위해 네번째 Ceramic층은 Purge 이런 과정을 4개의 Ceramic층에서 순차적으로 반복 다시 말하면 각각의 Ceramic층은 Cooling, Purge, Heating을 반복

71 Valve On-Off Status in Switching Operation(I)
A -> B, C Mode A Bed : In(Cooling) B Bed : Out(Heating) C Bed : Out(Heating) D Bed : Purge B -> C, D Mode A Bed : Purge B Bed : In(Cooling) C Bed : Out(Heating) D Bed : Out(Heating)

72 Valve Of-Off Status in Switching Operation(II)
C -> D, A Mode A Bed : Out(Heating) B Bed : Purge C Bed : In(Cooling) D Bed : Out(Heating) D -> A, B Mode A Bed : Out(Heating) B Bed : Out(Heating) C Bed : Purge D Bed : In(Cooling)

73 Heat Purge RTO Blower가 가동상태에서만 자동운전
무연료 운전농도 이상에 잉여열량의 가스를 축열 Ceramic층으로 배출시키지 않고 대기로 bypass Heat Chamber온도가 Heat Purge온도 이상이 되면 작동 Heat Accumulator, Duct, Control Valve(TCV-822)로 구성 Heat Accumulator내부에 Ceramic이 충전되어 있음 대류에 의해 Ceramic이 고온으로 축열되어 Hot Gas를 완전산화시켜 배출

74 정상운전절차 Stand by VOC 인입 차단 Switching Valve Start
RTO Fan 및 Combustion Air Fan Start Purge Fan Start RTO Purge Burner System 작동 RTO Preheating SV-821(Shutoff Valve) Open WWT 지역 VOC 가스 유입 및 VOC 포집 Boosting Fan Start 및 Tank Area VOC 가스 유입 XV-822(Fresh Air Valve) Close RTO 정상운전(배출원 Hood Block Valve Open)

75 Normal Shutdown 절차 VOC 유입 차단 : Fresh Air Valve(XV-822) Open
Boosting Fan(R-GB151C) Stop Shutoff Valve(XV-821) Close RTO Purge : Fresh Air에 의해(충분한 시간) Burner Off RTO Ceramic Bed Cooling RTO Fan(R-GB820A/B) Stop Switching Valve(XV-823A/B/C, XV-824A/B/C, XV-825A/B/C) Stop

76 Interlock(I) No Description Trip Initiator Logic
Trip Action(RTO Shutdown) 01 System High Temperature TI-821(RTO inlet) HH TI-822A/B/C/D(Ceramic) HH TI-823A/B(Furnace) HH TI-824(RTO Outlet) HH OR XV CLOSE XV OPEN R-GB820A/B STOP R-GB821A/B STOP R-GB STOP R-GB151C STOP R-BF OFF XV-826A/B CLOSE XV-826C OPEN XV-827A/B CLOSE XV-828A/B CLOSE TV-823A/B CLOSE XV-823A/B/C/D CLOSE XV-824A/B/C/D OPEN XV OPEN (지정시간) 02 System High Pressure PI-821(RTO Inlet Duct P.) HH 03 RTO Fan Fault R-GB820A/B TRIP 04 Switching V/V Malfunction XV-823A/B/C/D All Close XV-824A/B/C/D All Close 05 Emergency S/D ENG S/D(DCS)

77 Interlock(II) No Description Trip Initiator Logic Trip Action 06
Burner Fail PT-822 (Fuel Gas Inlet) L PT-823 (Fuel Gas Inlet) H BE-821A/B Missfire OR R-BF820(Burner) OFF XV-826A/B(Fuel Gas Cut) Close XV-827A/B(Pilot Fuel Gas Cut) Close XV-826C(Fuel Gas Vent) Open TV-823A/B(Combustion. Air) Close Combustion Air Fail PT-824 (Comb. Air P.) L R-GB821A(Comb. Air Fan) TRIP TV-823A(Combustion. Air) Close PT-824(Comb. Air P.) L R-GB821B(Comb. Air Fan) TV-823B(Combustion. Air) Close

78 RTO 전경 RTO Fan RTO inlet Valve RTO Comb. Air Fan Purge Fan Stack

79 RTO Fan(R-GB820A/B)

80 RTO Inlet Valve(XV-825A/B/C/D)
Open Close

81 Mist Eliminator(R-FA820)

82 PSM 심사사례(II)

83 고려사항 폭굉용 화염방지기 설치 연료공급배관의 긴근차단밸브 사이에 긴급방출밸브 설치
가연성가스(VOC) 공급배관 밸브 Fail Close 송풍기 설치 위치 및 개수 통기관 후단의 차단밸브 제거 or 개폐상태 조정실 인지 VOC 인입 밸브 작동방식 등

84 RTO 전경 Scrubber Stack Main Fan RTO COMB Air Fan LNG COMB Air

85 탱크상부

86 RTO 하부 맨홀

87 사고사례 RTO 폭발 I RTO 폭발 II MEK 저장탱크 지붕 파열

88 RTO 폭발 I 사고개요 - 일시 : 2006년 5월 23일 13:40 - 장소 : 전남 여수 소재 주식회사 OOO
- ABS 및 PS수지 압출공정에서 발생하는 흄 및 악취를 제거하기 위해 설치된 RTO 내부에서 폭발이 발생하여 - 인입닥트 중에 설치된 응축물 수집기(trap)를 포함한 배관설비 일부가 파열되고 공장동 유리창이 파손 - 인적피해는 없음

89 RTO 폭발 I 사고상황 - 주식회사 OOO는 OOOO 주식회사 등에서 생산되는 ABS, PS 등을 후가공 처리하는 사업장으로 2005년 9월부터 운전됨 - 압출공정중에서 발생된 흄 등이 근로자에게 폭로되지 않고 악취가 작업장내에 확산되지 않도록 국소배기장치를 설치하고, 배기가스를 소각처리하기 위해 RTO 설치 - 5월 22일 RTO 내부에서 화재가 발생하여 자체 소화 후 이상이 없는 것을 확인하고 5월 23일 새벽 재가동 - 5월 23일 11:00에 RTO 하부의 화재로 배관 및 설비의 온도가 상승하는 것을 발견하고 버너를 끄고 공급되는 가스의 양을 줄이기 위해 송풍기 속도를 낮춤 - 폭발 직전까지 RTO 하부는 공정에서 발생된 흄의 응축물질이 화재로 가열되면서 발생된 유증기에 의해 폭발분위기를 형성하여 폭발한 것으로 추정됨

90 RTO 폭발 I 사고원인 - RTO의 처리대상물질이 폭발분위기를 형성할 가능성이 없는 것으로 판단하고 RTO를 정상상태만을 고려하여 설계함으로써 내부 화재 등 이상사태에 대한 안전조치 미흡 - 사고 발생 전날 및 사고 발생 3시간 전에 RTO 내부에서 화재가 발생하였으나 이에 대한 원인규명 및 대처 등이 미흡 시험 개요 - RTO로 인입되는 가스의 농도가 가연성가스감지기로 감지되지 않을 정도로 미약하여 인입덕트 중에 생성되는 응축물질을 채취하여 실험 및 분석 - 산업안전보건연구원의 화학물질안전보건센터에서 인화점시험기, 폭발범위 측정장치, 열안전성 시험기 등을 이용하여 측정

91 RTO 폭발 I 시험 결과 - 인화점 : 190±1.5℃ - 성분 : 아크릴로니트릴, 벤젠 등 - 폭발하한계
* 분자량 100 : 3.62% * 분자량 200 : 1.80% - 발화점 : 385℃ - 열안전성 * 300℃로 가열할 경우 분해열로 자체적으로 발열하지 않음 * 250℃ 이상부터 압력이 급격히 상승하여 300℃에서 6.7bar (화학적 폭발이 아니라도 과도한 온도상승시 물리적 폭발 가능) ※ 시험결과로부터 RTO 내부의 화재로 RTO 하단의 응축물의 온도가 190℃ 이상으로 가열되면서 발생된 가연성가스가 폭발분위기를 형성하여 폭발한 것으로 추정됨

92 RTO 폭발 I 압출기에 설치된 국소배기장치

93 RTO 폭발 I RTO 설치 모습

94 RTO 폭발 I 파열된 트랩

95 RTO 폭발 II 사고개요 - 일시 : 2002년 5월 30일 17:24 - 장소 : OOO 탱크터미널
- 저장탱크의 휘발성 유기화합물(VOCs) 소각설비(RTO)를 설치하고, 시운전과정에서 RTO 본체 하부에서 폭발이 발생하여 - 저장탱크와 RTO사이에 연결된 VOCs 물질을 흡입하는 인입닥트와 연소설비 일부가 파손됨 사고상황 - 13시부터 RTO를 LPG로 가열하여 시운전중이었으며 14:30분부터 벤젠을 탱크로 입고함 - 2시간 30분 정도 입고하였으며 탱크에는 벤젠이 1,121kL 저장됨 - 저장탱크에 입고하는 중에 통기밸브(Breather valve)가 열려 벤젠 증기가 배출되어 RTO로 유입됨에 따라 폭발분위기가 형성되어 정전기 등에 의해 폭발

96 RTO 폭발 II 예방대책 - 닥트 내부에서 폭발이 발생할 경우 설비 보호용 파열판 설치
- 흡입 닥트에 가스농도측정기를 설치하고 농도가 폭발하한계(LEL)의 25% 이상 유입시 희석용 공기 공급 설비 설치 - 예비송풍기를 설치하여 송풍기 고장시 닥트 내부에 가스가 체류하여 농도가 높아지는 것 방지 - 송풍기 고장 등 비상시에 닥트 내부의 가스를 긴급하게 방출할 수 있는 긴급방출밸브 설치 - 송풍기는 소각설비 출구측에 설치(다만, 블레이드 및 케이싱을 점화원으로 작용할 우려가 없는 경우이거나 가연성가스 농도가 LEL의 25% 이하로 유지될 수 있는 경우 예외)

97 RTO 폭발 II 폭발이 발생한 RTO하부

98 RTO 폭발 II 저장탱크 상부의 후드 및 덕트 손상 상태

99 MEK 저장탱크 지붕 파열 사고개요 - 2002년 5월 25일 10:50경 - 인화성물질을 저장 및 판매하는 탱크터미널에
운전현황 - 1984년 12월 : 탱크 준공 - 1991년 12월 : 대기오염방지시설인 흡착탑을 탱크 상부에 설치 - 2002년 2월 27일 : 활성탄 교체 - 2002년 3월 22일 : 활성탄 교체 - 2002년 4월 30일 : MEK 저장 - 2002년 5월 25일 : 저장탱크 지붕 파열

100 MEK 저장탱크 지붕 파열 사고원인 추정 - 활성탄(Activated Carbon)과 MEK의 발열반응으로 발화
- 활성탄은 무정형탄소로서 큰 내부표면적을 갖는 흡착제 - 내부 표면에 존재하는 탄소원자의 관능기가 액체와 기체 흡착 - 내부 불순물이 산화, 중합에 촉매 역할 - 착화온도는 500℃ 정도이나 용제가 흡착될 경우 200℃이하 - MEK, MIBK 등은 표면에서 산화분해가 일어나며 발열 - 발열량이 축적되면 온도가 상승하며 이것이 다시 반응을 촉진하여 착화점에 이른다 - 활성탄 교체 주기(38일)를 넘긴 상태에서 운전 - 활성탄이 착화되어 탱크 상부의 MEK 증기로 전파 MEK의 물리화학적 특성 인화점 발화점 폭발범위 비점 증기밀도 비중 -6.7℃ 516℃ 1.8~10.0% 80℃ 2.5 0.8

101 MEK 저장탱크 지붕 파열 사고예방대책 - 활성탄 흡착탑과 저장탱크 사이의 벤트 배관에 화염방지기 설치
- 저장탱크에 불활성가스 밀봉 시설 - 활성탄 교체주기 준수 - 흡착탑 내부 온도 관리 - VOC 처리설비 개선(RTO, RCO 등 연소처리 방법)

102 MEK 저장탱크 지붕 파열 MEK 저장탱크 외면

103 2008년도 재해발생 현황 ※ 전국적으로 하루에 약 262명이 다치고 7명이 사망
구분 전국 (2007/2008) 증감 전남동부 근로자수 12,528,879/ 13,489,979명 +961,100 222,389/ 240,393명 +18,004 재해자수 90,147/95,806명 +5,659 1,260/1,324명 +64 사망자수 2,406/2,422명 +16 49/38 -11 재해율 0.72/0.71 -0.01 0.57/0.55 -0.02 사망만인율 1.92/1.80 -0.12 2.20/1.58 -0.62 ※ 전국적으로 하루에 약 262명이 다치고 7명이 사망 전남동부지역 하루에 약 4명이 다치고 10일에 1명 사망

104 감사합니다. ☞ 연락처 - 이름 : 임지표 - 소속 : 한국산업안전공단 광주지역본부 호남권 중대산업사고예방센터 기술지원팀
- 전화 : ~6 -