활성탄 흡착설비 설치시 고려사항

활성탄 흡착설비란 화학 및 석유화학 산업에서 공정흐름, 가스 차단과 탱크 밴팅에서 발생되는 용매와 그밖에 휘발성 유기화합물(VOC) 등의 화학물질을 대기압 분위기에서 활성탄소를 사용하여 흡착 처리하는 설비를 말한다.

 

 

 

활성탄 흡착설비 설치시 고려사항

 

용어의 정의

(1) “휘발성유기화합물(VOC : Volatile organic compounds)”이란 탄화수소화합물로서 대기 중의 질소산화물(NOx) 및 다른 화학물질과 광화학반응(Photo-chemical reaction)을 통해 광화학 스모그(Photo-chemical smog) 의 원인이 되는 오존(O3)을 발생시키는 물질을 말하며, 지방족 탄화수소류, 방향족 탄화수소류, 비균질 탄화수소류(알데히드, 케톤, 알코올 등) 및 지방족과 비균질 탄화수소류가 혼합되어 있는 물질 중 레이드 증기압이 27.6 kPa 이상인 물질을 말한다. 단, 메탄 및 에탄 등 광화학 반응성이 낮은 물질로서 국가에서 정하여 고시하는 물질은 제외한다. 여기서 레이드 증기압(Reid vapor pressure)이란 37.8 ℃(100 ℉)에서 증기와 액체 부피를 4대 1로 만든 장치를 이용하여 측정한 압력(절대압력으로 환산)을 말한다.

(2) “활성탄(Activated carbon)”이라 함은 목재, 갈탄, 무연탄 및 야자껍질 등을 원료로 제조하는 미세세공이 잘 발달된 무정형의 탄소 집합체로서, 내부에 미세 세공이 잘 형성되어 단위 1그램당 약 950 ㎟ 정도의 큰 내부 표면적을 같은 흡착제를 말한다.

(3) “흡착(Adsorption)”이라 함은, 고체의 표면력에 기인하여 기체, 액체물질을 흡착제 표면에 농축되는 현상으로 분자상호간에 작용하는 인력에 의한 것으로 물리적인 흡착을 말한다.

 

 

탄소흡착탑의 설계

1. 탄소흡착탑의 크기는 작은 카트리지에서부터 수용량이 100,000 m3/hr에 이르는 대형 드럼까지 다양하다.

(1) 사용 후 버릴 수 있는 매우 작은 유닛들은 일반적으로 악취제어에 사용되며, 낮은 농도의 VOC를 제어하는 데에만 사용할 수 있다.

(2) 큰 설비들은 ppm단위에서부터 대략 100 g/m3 농도까지의 VOC를 제거할 수 있다.

2. 흡착탑은 한번 통과하여 폐기하는 시스템 혹은 탄소가 포화되면 용매탈착방법으로 재생하는 방식 두 가지 중에 한가지로 운영된다.

3. 재생 시스템에서, 포화된 탄소는 고온(일반적으로 스팀)이나 진공을 사용하여 VOC를 탈착시켜서 회수한다.

(1) 일반적으로 흡착탑은 세 개나 네 개를 설치하며, 첫 번째와 두 번째 흡착탑이 사용되고 있는 동안 다른 흡착탑은 재생된다.

(2) 흡착탑의 흡착능력을 가장 효과적으로 사용하기 위해서는 가벼운 물질부터 먼저 흡착하여야 한다.

4. 흡착탑의 운전시작 전에는 소량의 용매를 사용하여 탄소를 안정화시키는 작업이 필요하다.

(1) 사용한 적이 없거나 “깨끗한” 탄소의 경우 1,200 ℃까지 온도가 올라가는 흡착발열을 할 수 있다.

(2) 사전 안정화 작업을 통해서 5∼300 ℃ 사이로 온도를 감소시키는 안전상의 장점이 있으므로 안정화 작업이 필요하다. 탈착 시에는 이에 상응하는 흡열반응이 일어난다.

5. 다음을 위하여 흡착탑을 젖은 상태로 운전한다. 그러나 상대습도가 50～60%로 떨어질 때까지 VOC가 흡착되지 않고, 탄소를 습하게 하는 것은 탄소의 수명을 현저하게 떨어뜨리기 때문에 일반적인 권고사항은 아니다.

(1) 탑에 탄소를 충전할 때 먼지구름 형성을 막고, 먼지로 인하여 가연성물질의 발생과 작업위생 위험을 최소화하기 위하여

(2) 운전시작 시 발열반응의 활성을 막기 위해서

6. 가연성 가스가 배관 내에 체류하지 못하도록 공기나 질소를 첨가하여 들어 오는 기류(필요하다면 배출구 기류도)의 가스농도를 폭발하한계(LFL)의 최대 25%로 제한하여야 한다. 만약 배출기류 온도가 올라가면, LFL 값이 낮아 지므로 계산을 통하여 판단하여야 한다.

7. 탄소흡착탑에서 고온 탄소 미립자가 형성되고 탄소흡착탑에서 잠재적 발화원으로 번질 수 있는 상류흐름과 하류흐름에 대한 면밀한 위험성 평가가 고려되어야 한다.

8. 흡착탑에서 공기가 빠져나가는 것을 막기 위하서는 배출구 라인에 적정한 통기밸브(Pressure/vacuum breather)를 사용하는 것이 바람직하다.

9. 탄소 흡착탑에서 분진폭발이 발생한 사례는 없지만, 가연성 분진운 형성 가능성을 위험성 평가의 일환으로서 고려하는 것이 바람직하다.

 

 

국소과열점(Hot spot) 생성원인

국소과열점이 형성되면, 공기 유입구 가까이, 보통 층 바닥에 생성되기 쉽다. 국소과열점을 오랜 시간동안 방치할 경우 연기가 발생되어 흡착기 안으로 들어갈 수 있으므로 주의하여야 한다.

1. 탄소 전-처리(Pre-conditioning) 불량

(1) 새로운 탄소의 안정화 처리 미흡은 국소과열점 형성의 원인이 될 수 있으므로 충분하고 적절한 안정화 처리가 필요하다.

(2) 순수한 활성탄소는 매우 큰 흡착능력을 가지고 있다. 만약 탄소의 안정화가 부적절하면 탄소 흡착능력이 충분하게 감소되지 않아 더 많은 열이 발생할 수 있으므로 주의하여야 한다.

(3) 일반적으로 질소가 탄소 안정화 공정에 사용된다.

(4) 탄소 안정화 공정은 다음을 고려하는 것이 바람직하다.

(가) 활성탄 공급자는 비상대응계획을 포함하여 탄소 안정화 진행을 위한 문서화된 절차를 제공하여야 한다.

(나) 문서화된 절차가 철저하게 지켜지도록 감독하여야 한다.

(다) 탄소 안정화과정이 충분하게 수행되었는지 흡착탑의 온도-시간 변화 추이를 면밀하게 확인하여 기록하여야 한다.

(5) 탈착 시 과도한 고온의 스팀이 사용될 때, 너무 많은 탈착은 탄소 안정화를 부분적으로 손상시킬 수 있으므로 주의하여야 한다.

 

2. 탄소물질 문제

(1) 화학적으로 활성화되거나 금속염이 주입된 탄소는 스팀으로 활성화된 탄소보다 열적안정도가 떨어질 수 있다.

(2) 탄소층의 열적안정도는 과일이나 목재같은 탄소의 원료에 따라 물리적 특성에 영향을 받을 수 있다.

(3) 알데하이드, 케톤, 아민, 황화물, 일부 모노머와 일부 유기산과 같은 특정 흡착제들은 탑 내부에서 산화하면서 상당한 양의 열을 발생시킨다. 또한, 상대적으로 열적 안정도가 낮은 어떤 물질이 흡착되는 동안 비슷한 효과를 낸다. 포화 탄소층에서의 발열반응 온도는 특정 화학물질의 경우는 25℃ 이하로 낮다.

 

 

3. 용매증기부하

(1) 용매증기에 재생하지 않은 탄소를 장기간 노출시키면 국소과열점이 형성될 수 있으므로 주의하여야 한다.

(2) 국소과열점은 시스템에 용매의 과부하, 층의 흡착 사이클이 완료되지 않는 것과 같이, 흡착탑의 잘못된 조작 혹은 긴급 상황에서 시스템의 정지에 의해서도 발생할 수 있다.

 

4. 공기 유량

(1) 정상운전 중 탄소를 통과하는 공기의 흐름과 증기는 대류에 의한 열 제거에 도움을 준다.

(2) 매우 적은 공기유량은 탄소층에 가연성 증기가 형성되도록 할 수 있는데 이는 국소과열점의 가능성을 증가시키므로 바람직하지 않다. 불충분한 공기유량은 탄소층이 방해물에 의해 “죽은 점”이 있을 때 혹은 탄소에 용제가 흡착된 채로 과도한 기간 동안 시스템이 동작하지 않을 때도 발생할 수 있다.

(3) 공기 유량이 증가하고, 국소과열점이 형성되어 있으면, 화재로 발전 될 수 있다

(4) 많은 양의 공기유량을 이용하여 국소과열점을 냉각하는 방법은 바람직하지 않다.

 

5. 흡착탑의 크기

(1) 국소과열점은 냉각이 필요한 특정표면적의 감소에 기인하여, 큰 층에서 잘 생긴다.

(2) 큰 흡착탑에서 공기유량을 일정하게 공급하는 것이 더 어려우므로 이를 고려하여 흡착탑의 크기를 결정하여야 한다.

 

6. 외기온도

(1) 국소과열점은 대기나 증기의 온도가 높을 때 잘 생긴다.

(2) 대기의 온도가 떨어지면, 흡착탑 내부에 약간의 진공이 형성되어 공기가 시스템 내부로 유입될 수 있어, 야간에 국소과열점이 잘 생성된다.

 

 

흡착탑에서의 화재원인

1. 흡착탑에서 화재가 발생할 경우, 수천도 정도의 온도로 증가할 수 있어, 강철구조가 녹을 수 있다.

 

2. 흡착탑과 가까운 거리에 가연성 혹은 연소성 물질이 있는 경우, 흡착탑에서의 화재는 바람에 의해 쉽게 강력한 발화원이 될 수 있으므로 주의하여야 한다.

 

3. 새로운 설비를 배치할 때 화재의 위험성을 고려하여야 한다.

(1) 탄소층은 되도록 외부에 설치한다.

(2) 온도 모니터링과 국소과열점/화재진압이 쉬워야 한다.

(3) 주위에 포장과 목재 팔레트와 같은 가연물들이 없어야 하고, 가연성이 있거나 다른 위험한 물질들이 없어야 한다.

 

국소과열점 검출 및 완화방안

1. 검출방법

(1) 실제로 탄소흡착탑은 종종 국소과열점 검출을 위한 어떤 수단도 제공하지 않는다. 공급자들은 국소과열점 형성의 위험성이 상당히 낮다고 생각할지도 모른다.

(가) 특정분야에 적용할 때와 그 중에서도 흡착된 VOC의 종류에 대한 위험성 평가를 바탕으로 할 때, 예를 들면, 탄화수소와 알콜은 위험성이 낮다고 여겨지는 경향이 있다. 왜냐하면 그들의 흡착에 의한 발열은 상대적으로 낮고 흡착층에서 산화되지 않는 경향이 있기 때문이다.

(나) 탄소흡착탑의 상세한 위험성평가를 위해서는 국소과열점 검출이 필요하다.

(2) 탐침을 사용하여 입구와 출구의 온도차를 모니터링 하는 것은 국소과열점 형성의 징후를 알려줄 수 있다. 그러나 이러한 층 안의 온도 탐침은 탐침 바로 근처의 층의 상태에 대한 정보만 제공하여 국소과열점을 초기에 검출할 수 있는 확실한 수단은 아니며, 더 나아간 단계인 보다 큰 층에서도 마찬가지 이다.

(3) 최초에 발생되는 국소과열점은 흡착과정이 일반적으로 작은 온도상승을 일으키기 때문에 명확하지 않을 수도 있다. 그러나 기준을 벗어나는 어떠한 경우라도 즉시 조사되어야 한다.

(4) 일산화탄소(CO) 모니터링은 훨씬 더 민감하게 검출할 수 있다.

(가) 연소 초기단계에 연소의 시작을 검출할 수 있다.

(나) 만약 샘플링 지점(“점 검출“이라고 함)에서 CO의 농도를 측정한다면, 일산화탄소 모니터링을 배출구에서 하거나 온도측정법을 입구와 출구 사이에서 하는 것이 필요하다.

(다) 일산화탄소 모니터링은 흡착기 작동 중인 경우 운반가스에 의해 CO가 희석되기 때문에 흡착탑이 정지 상태일 경우에 더 효율적이다.

(5) 적외선 타입 일산화탄소 모니터가 촉매타입보다 더 적합하다.

(가) 촉매 타입은 실리콘, 유기혼합물, 할로겐화탄화수소와 황을 포함한 물질 등에 의해 독성화 될 수도 있다.

(나) 포름산 등 일부 물질은 일산화탄소를 분해사기 때문에 정확히 측정할 수 없는 경우도 있다.

(다) 층이 대기 중에 노출되었다가 닫혔을 경우 공기 중 일산화탄소가 일부 포함될 수 있다.

(라) 산소모니터링과 같은 다른 기법들은, 연기 혹은 이온화 측정이 적합하나, 분자들과 유기물에 의한 간섭을 받기 쉽다.

(6) 일산화탄소와 온도의 모니터링 이외에, 과열 징후를 발견하기 위하여 흡착 설비 외부는 최소한 매일 확인되어야 한다.

(7) 국소과열점을 검출하기 위하여 열화상 카메라 혹은 온도에 민감한 페인트를 활용하는 것이 바람직하다.

 

 

2. 국소과열점의 완화(Mitigation)방안

(1) 물살수 시스템을 사용함으로써 국소과열로 인한 위험을 막을 수 있다.

(2) 활성탄 제조업자들의 운영지침에는 국소과열점 완화 절차와 다양한 조치가 필요한 온도들에 대한 정보를 제공하여야 한다.

(3) 국소과열점을 완화를 위하여 다음의 조치들을 제안한다.

(가) 온도측정의 주기를 증가시키는 것

(나) 공정상에서 입구를 분리시키는 것

(다) 비활성 질소와 물주입 사용

(4) 국소과열점이나 화재가 발생할 경우, 안전이 확보된 상태에서는 탄소 층을 감싸고 있는 단열재를 제거하여 층을 빨리 냉각되도록 하여야 한다. 단, 산소가 유입되어 화재를 더욱 확산시킬 수 있기 때문에 탄소층을 개방하여서는 안 된다.

(5) 탄소층 화재를 방지하기 위해 일반적으로 물을 뿌리거나 질소를 사용한다.

(가) 효율적으로 화재를 막고 열을 제거하기 위해 물을 뿌리는 것이 바람직하다.

(나) 질소는 효과적으로 연소반응을 막을 수 있지만 많은 양의 열을 제거하는 데는 적합하지 못하기 때문에 탄소층이 상대적으로 낮은 온도(100 ℃이하)에서 질소주입을 활용하는 것이 바람직하다.

(6) 물을 뿌리는 것은 단독 혹은 질소 주입으로 온도가 올라가는 것을 잡지 못 했을 경우에 사용될 수 있다.

(가) 활동온도 1,500 ℃가 바람직하다.

(나) 압력상승을 최소화하기 위하여, 층의 저부에 1 ～ 2 cm/min의 속도로 물을 주입하는 것이 좋다.

(다) 용기와 지지대가 물 하중으로 생기는 추가적인 부하를 견딜 수 있는지 주의가 필요하다.

(7) 시스템 내에서 압력의 증가로 인한 잠재적인 손상을 피하기 위하여 다음의 사항을 검토하여야 한다.

(가) 물을 뿌리는 동안 발생하는 증기를 처리하기 위한 충분한 배기능력이 있어야 한다.

(나) 배기구 밸브가 완전개방 되었는지 확실하게 해야 한다.사람이 있을 지도 모르는 장소에 고온의 스팀과 VOC 혼합물이 유입되지 않도록 하기 위해서 밴트의 배출구는 안전한 위치에 있어야 한다.

(다) 물 살포 후 다른 예방방지조치를 취하기 전에 약 24시간 동안 방치하는 것이 바람직하다.

(8) 스팀 살포도 연소를 막을 수 있으나, 탄소층이 고온상태로 남기 때문에 일부 장기적인 스팀살포로 화재가 재발하기도 하므로 바람직하지 않다.

(9) 수소와 일산화탄소는 화재가 발생할 수 있는 온도에서 스팀과 탄소간의 “물 가스”반응에 의해서 생성될 가능성이 있다.

 

 

제어 및 계기 문제

탄소흡착탑을 운전하는 데 있어서 안전에 영향을 주는 기계적 시스템들은 결함이 없도록 충분히 관리되어야 한다. 기계적 안전 시스템의 기능은 다음과 같다.

(1) 작업 중단, 유량의 제어 및 재가동

(2) 중요한 운전변수의 측정, 안전 조치의 선택, 경보기, 그리고 운전자 정보의 제공

(3) 유입흐름의 선정, 가동 중인 흡착설비의 선택 및 예측되는 유량

(4) 흡착 결과와 변수의 조절

(5) 비정상 상태 감지, 정확한 운전 환경 설정, 송풍기와 댐퍼, 불활성 물질과 일제 살수 시스템

(6) 다른 안전 시스템들과의 공동 작용

 

 

위험성 평가 시 고려할 사항

1. 용제가 인화성이라면, 인화한계 농도 하한(LFL) 이하의 수준으로 제어될 수 있는 유입 기류의 용제 백분율은 얼마인가? (대기의 온도가 상승함에 따라 연소하한계가 넓어진다는 것에 주의하여야 한다)

(1) 어떤 종류의 VOC가 흡착되었으며, 탄소의 열적안정도에 어떤 영향을 미치는가?

(2) 국소과열점의 형성을 막는데 사용되는 탄소의 등급이 얼마나 중요한가? 새로운 등급의 탄소가 사용되면, 열적 안정도에 미치는 영향은 무엇인가? 이를 위해 변경관리 절차를 수행하여야 한다.

(3) 관련설비에서 국소과열점 혹은 화재와 관련한 과거의 사고가 있었는가?

(4) 설비의 외부 점검은 최소한 매일단위로 실시하는가?

(5) 외부에 설치된 설비 중 쉽게 접근할 수 있는 설비에서 인화성 물질과 같은 위험한 물질과 충분히 격리되어 있는가?

(6) 국소과열점 검출을 위하여 어떠한 시스템이 제공되는가? 검출에 적합하도록 그것들이 어떻게 고안되었나? 검열과 유지 제도가 적합하고, 그런 것들이 유효성을 획득하였는가?

(7) 어떤 완화시스템(물주입, 질소투입)이 제공되었으며, 완화시스템을 시작하는 표준은 어떤 것인가?

(8) 과열점 혹은 흡착층 화재를 다루기 위해 운전원들에게 어떤 정보와 훈련을 제공하는가?

(9) 분진폭발에 대한 가능성을 고려하였는가?

(10) 탄소흡착탑에서 형성되는 고온 탄소 입자와 같은 잠재적 발화원에 대한 가능성을 고려하였는가? 탄소흡착탑의 상류와 하류에서 발화원의 전파와 관련된 위험성 그리고 화재 방지장치와 같은 예방과 보호수단을 고려하였는가?

(11) 제어와 기계적 안전성이 충분히 고려되었는가?

(12) 용기가 밀폐될 경우, 산소결핍의 가능성을 고려하였는가?

(13) 사용된 탄소의 저장과 운송 취급에 어떤 시스템이 사용되는가?

 

2. HAZOP 위험성평가 기법을 포함한 상세한 위험성 평가에서는 탄소흡착탑에서 가연성 기체가 하류 혹은 순풍에 존재하는지, 혹은 탄소흡착탑에서 화재가 있을 때 도미노 효과가 어디에서 일어나는지에 대한 검토가 필요하다.

 

3. 폭발위험장소를 적절히 분류하고 여기에 사용되는 전기 설비들은 이 분류에 적합하도록 선정하여야 한다

 

 

Reference : KOSHA GUIDE D - 2 - 2012 활성탄 흡착설비의 안전설치에 관한 기술지침