월간전기

한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 대기청정연구실 전동혁 박사 연구진이 소규모 사업장에서 배출되는 ‘휘발성 유기화합물(VOCs)’을 효율적으로 관리하고, 기존보다 적은 에너지로 재활용하는 기술을 개발했다. 특히 생활권에 위치한 소규모 사업장에 적용될 수 있어, 배출 규제로 인한 부담을 줄이는 데 크게 기여할 것으로 전망된다.

벤젠 등 발암성 물질로 구성된 휘발성 유기화합물(이하 VOCs)은 주로 페인트나 새 가구, 산업공정에서 발생해 미세먼지와 악취를 유발한다. 이를 제거하기 위해 공기정화 효과를 가진 활성탄이 주로 사용된다. 대기오염물질 배출 4종 이하의 소규모 사업장인 경우, 활성탄을 사용해 VOCs 배출을 억제하는 규제가 시행 중이다.

생활권에서 흔히 볼 수 있는 자동차 도장 업체도 121평(400㎡) 이상이면 규제 대상이다. 규제에 따라 필터와 활성탄으로 구성된 방지시설에 측정 센서를 의무적으로 설치하고, 방지시설의 가동 여부를 실시간 관리해야 한다. 하지만 저가 센서로는 활성탄의 교체주기를 정확히 파악할 수 없고, 고성능 센서의 설치도 의무가 아니기 때문에 비용 부담을 느끼는 소규모 사업장에서는 실질적인 조치를 하기 어려운 실정이다.

이에 연구진은 저가의 센서로도 활성탄 교체주기를 확인할 수 있는 기술과 폐활성탄을 재생하는 기술을 개발해 소규모 사업장의 활성탄 교체 비용을 신품의 절반 수준으로 줄이는 데 성공했다.

연구진은 고성능 센서의 VOCs 측정값과 저가 센서의 측정값 차이를 계산하고, 차이가 일어나는 환경 조건을 분석해 저가 센서에서도 정확한 측정을 가능하게 하는 알고리즘을 개발했다. 알고리즘이 적용된 센서의 측정 정확도는 92%까지 올라갔으며, 이를 통해 고성능 센서를 활용하지 않고도 명확한 교체주기를 확인할 수 있었다.

활성탄의 교체에 들어가는 비용은 공기 정화용 활성탄에 적합한 재활용 기술을 통해 해결했다. 활성탄은 수질 정화용과 공기 정화용으로 구분된다. 대체로 고온의 열을 가해 활성탄이 흡수한 물질을 제거하고 재활용하지만, 수질 정화용에는 1,000℃의 열이 필요하고 공기 정화용은 200℃의 환경에서도 가능하다. 하지만 현재까지는 공기 정화용에 특화된 설비가 없어, 가열비용이 높은 수질 정화용 재활용 설비를 활용하고 있다.

연구진은 공기 정화용에 특화된 200℃ 환경의 설비를 구축하고, 기존 공정에 비해 공정 에너지 소모를 70% 이상 줄이는 데 성공했다. 구축된 설비는 컨베이어 벨트처럼 활성탄을 연속 이동시키고, 이동하는 동안 지속적인 증기 공급을 통해 VOCs을 일정하게 제거할 수 있다. 재생된 활성탄은 신품 대비 90%의 성능을 나타내 사업장에서 다시 활용할 수 있다.

VOCs 제거 시에 일정량의 합성가스가 발생하는데, 이를 활용해 발전기를 돌리는 형식으로 전기 생산도 가능하다. 생산된 전기는 다시 공정에 투입돼 재활용에 들이는 비용과 재활용을 의뢰한 사업장이 부담하는 비용을 줄이는 역할을 한다. 연구진은 구축된 설비를 다수의 소규모 사업장이 공동으로 활용하면 활성탄 교체 비용이 신품 대비 절반 가량 줄어들 것으로 예측했다.

해당 기술은 ▶소규모 VOCs 배출 사업장 또는 중소기업 산업단지의 공공관리 ▶대규모 단일 사업장의 이동층 흡탈착 시스템 적용을 통한 활성탄 재생과 VOCs 에너지화 ▶폐 VOCs 가스의 집단관리를 통한 수소생산 등에 적용할 수 있다.

연구진은 이외에도 VOCs을 활용해 친환경 에너지원인 수소를 생산하는 방법을 개발 중이다. 현재 VOCs은 소각해서 없애는 것이 일반적인데, 이 과정에서 온실가스인 이산화탄소가 발생하기 때문이다. 연구진은 VOCs에 포함된 탄소를 개질해 수소로 전환하고, 재활용 전 과정에서 탄소가 발생하지 않는 친환경 공정 개발을 목표로 하고 있다.

연구를 주도한 에너지연 전동혁 박사는 “이번 연구는 소규모 사업장의 VOCs 배출을 효과적으로 관리하고 폐활성탄 재생을 통해 운영비용을 절감하는 한편, 폐가스인 VOCs의 에너지화를 실현했다는 점에서 의미가 크다”고 의의를 전했다. 또 “향후 친환경 공공관리 체계 확산과 탄소중립 실현에 기여할 것”이라고 포부를 밝히기도 했다.

한편, 이번 연구는 환경부 사업장 미세먼지 지능형 최적 저감·관리 기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 지난해 10월 국제 저명 학술지 『Energy Conversion and Management : X』에 온라인 게재된 바 있다.