이 글의 목적은 소규모 도장공장에서 배출되는 휘발성유기화합물(VOC)을 정량적으로 진단하고, 시설 규모와 공정 특성에 맞는 저감 설비를 합리적으로 선택·설치·운영할 수 있도록 실무 기준과 체크리스트를 제공하는 것이다.
1. 첫 단계는 진단이다: 최소 측정 항목과 계산 절차
설비를 고르기 전에 배출 특성을 수치로 확보해야 한다. 아래 항목을 1주 이상, 가능하면 생산 패턴이 바뀌는 기간을 포함해 기록한다.
| 항목 | 권장 방법 | 기록 단위 | 비고 |
|---|
| 배출가스 유량 | 풍량계 또는 덕트 차압+속도환산 | Nm³/h | 표준상태 환산이 필요하다. |
| VOC 농도 | PID/FID 연속측정+주 1회 검교정 | ppmC 또는 mg/m³ | LEL 대비 25% 이하 운영을 원칙으로 한다. |
| 조성 | 주요 용제 성분 물질안전보건자료 확인 | 성분별 wt%/vol% | 톨루엔, MEK, IPA 등 우점 성분을 특정한다. |
| 온도/습도 | 열전대/습도계 | ℃, %RH | 응축·흡착 성능과 안전에 직결된다. |
| 분진/미스트 | 시각관찰+포집 | 질적 평가 | 전처리 필요 여부를 판정한다. |
| 가동 패턴 | 부스·건조로 가동 로그 | h/day, days/week | 부하 변동과 순간 피크를 확인한다. |
기본 환산식은 다음과 같다. 25℃ 기준 1 ppmv의 질량농도는 약 mg/m³ ≈ 분자량(MW) / 24.45이다. 질량배출량은 kg/h = (유량 Nm³/h) × (mg/m³) / 1,000,000으로 계산한다. 폭발하한(LEL)의 25%를 초과하지 않도록 희석 또는 농도 제어를 계획한다.
예시: 유량 10,000 Nm³/h, 톨루엔 300 ppmv 가정 시 mg/m³ ≈ 300 × 92.14 / 24.45 ≈ 1,130 mg/m³이다. 질량배출량은 약 11.3 kg/h이다. 연간 2,000 h 가동 시 약 22.6 t/yr가 된다. 목표 제거효율 90% 적용 시 저감량은 20.3 t/yr 수준이다.
2. 도장공정의 VOC 발생 특성 이해
도장부스는 대량의 희석공기와 함께 저농도·대풍량 형태의 VOC를 배출하는 경향이 있다. 건조로는 온도가 높고 농도 변동이 크다. 수성도료라도 공조 풍량이 크면 총 배출부하는 높게 나타나기 쉽다.
| 주요 용제 | 대표 분자량 | 끓는점(℃) | LEL(vol%) | 흡착 친화도 경향 | 촉매 산화 적합성 |
|---|
| 톨루엔 | 92.14 | 110.6 | 1.2 | 높음 | 양호 |
| MEK | 72.11 | 79.6 | 1.8 | 중간 | 양호 |
| IPA | 60.10 | 82.6 | 2.0 | 중간 | 양호 |
| 에틸아세테이트 | 88.11 | 77.1 | 2.1 | 중간 | 양호 |
| 자일렌 | 106.17 | 138~144 | 1.1 | 높음 | 양호 |
워터커튼 부스의 수막은 먼지와 미스트에는 효과가 있으나 용제형 VOC의 용해도는 낮아 흡수 제거율이 낮다. 따라서 워터커튼은 전처리로 간주하고 VOC 저감은 별도 설비로 계획한다.
3. 기술 옵션 맵과 적용 범위
소규모 도장공장에 주로 고려하는 기술은 활성탄 흡착, 제올라이트 휠 농축+산화, 직접·촉매 열산화(RTO/RCO), 응축, 흡수식 세정이다. 생물학적 처리는 소수성 용제가 많아 일반적으로 부적합하다.
| 기술 | 권장 처리풍량 | 권장 농도 | 일반 제거효율 | 장점 | 주의점 |
|---|
| 활성탄 카트리지(일회용) | ~10,000 Nm³/h | <500 ppm | 70~95% | 초기 투자 낮다. 설치 간단하다. | 교체비용 증가 가능성이 크다. 화재·자발발열 관리가 필요하다. |
| 활성탄 흡착탑(재생식) | 5,000~30,000 | 100~1,000 ppm | 90~99% | 연속운전 가능하다. 농축 회수 가능하다. | 스팀·질소·진공 등 재생설비가 필요하다. |
| 제올라이트 휠+RTO/RCO | 10,000~80,000 | <1,000 ppm(입구) | 95~99%+ | 대풍량 저농도 경제성 우수하다. | 실리콘, 분진, 수분에 민감하다. 휠 화재 관리가 필요하다. |
| RTO(축열식 산화) | ~40,000 | >1,000 ppm 유리 | 95~99%+ | 광범위 적용 가능하다. | 연료비 부담이 있다. 열회수·바이패스 설계가 중요하다. |
| RCO(촉매 산화) | ~30,000 | 200~2,000 ppm | 95~99% | 연료비 낮다. | 촉매 피독 위험이 있다. 실리콘·황·할로겐에 주의한다. |
| 응축 | 소~중 | >2,000 ppm | 60~95% | 회수 가능성이 있다. | 저농도에는 비경제적이다. 결빙·결로 관리가 필요하다. |
| 흡수식 세정 | 중 | 수용성 VOC | 40~80% | 가스+먼지 동시 처리가 가능하다. | 유기용제에는 효과 제한적이다. 폐수처리 비용이 발생한다. |
4. 소규모 사업장 선택 로직
아래 의사결정 흐름을 적용한다.
- 입구 농도가 1,000 ppm 미만이고 풍량이 10,000~50,000 Nm³/h인 부스 위주 현장이라면 제올라이트 휠 농축 후 RCO 또는 소형 RTO를 검토한다. 농축비 5~10 배수 확보 시 연료비가 크게 줄어든다.
- 유량이 3,000~15,000 Nm³/h이고 농도가 100~500 ppm 수준이며 가동시간이 짧다면 일회용 활성탄 카트리지부터 시작한다. 브레이크스루 모니터링과 화재 방지를 전제로 한다.
- 연간 가동시간이 길고 농도 변동이 크지 않다면 재생식 활성탄 흡착탑이 경제적이다. 스팀 또는 진공 재생으로 용제 회수가 가능하다.
- 건조로 등에서 1,000 ppm 이상 안정적으로 형성되고 열 회수가 가능하다면 소형 RTO가 단순하고 신뢰성이 높다. 촉매 피독 우려 물질이 없다면 RCO로 투입가스 온도를 낮춰 연료비를 절감한다.
- 피크 농도가 LEL의 25%를 초과할 소지가 있으면 희석 또는 바이패스와 인터록을 우선 설계한다. 저감 설비 선택보다 안전이 선행된다.
5. 전처리와 안전 설계 포인트
- 미스트·분진 제거: 부스 프리필터, 드레인 가능한 미스트 엘리미네이터를 설치한다. 흡착·촉매의 조기 성능저하를 예방한다.
- 실리콘·오염원 관리: 실리콘 소포제, 광택제는 촉매·제올라이트에 피독을 유발한다. 공정 사용을 통제하거나 전처리를 강화한다.
- 정전기·방폭: 덕트·설비 접지, 방폭 모터·스위치, 스파크 아레스팅을 반영한다.
- LEL 모니터링: 입구·핵심 지점에 LEL 센서를 배치하고 15% 경보, 20% 차단 인터록을 설정한다.
- 온·습도 관리: 응축 결로로 인한 휠·충전층 오염을 방지한다. 고습 시 예열 또는 재열을 검토한다.
6. 비용 구조와 영향 요인
설비 비용은 유량, 농도, 가동시간, 전처리 필요성, 배출허용 기준, 열회수 여부에 의해 결정된다. 초기 투자 대비 연료·교체비의 비중이 큰 편이다.
| 비용 항목 | 세부 내용 | 특징 |
|---|
| CAPEX | 본체, 팬, 전처리, 제어, 기초·배관 | 대풍량일수록 단위풍량당 비용 하락이 완만하다. |
| OPEX-에너지 | 연료, 전력, 스팀 | RTO/RCO는 연료비, 휠 시스템은 재생열이 핵심이다. |
| OPEX-소모품 | 활성탄, 필터, 촉매 | 활성탄은 교체주기가 비용을 좌우한다. |
| 유지관리 | 점검, 세정, 세정수·폐기물 | 운전 인력의 숙련도에 민감하다. |
7. 활성탄 시스템 실무 기준
- 표면속도는 통상 0.1~0.3 m/s 범위로 설계한다. 베드 깊이는 0.5~1.0 m 수준을 기준으로 한다.
- 브레이크스루 감시를 위해 출구 PID를 설치한다. 경보농도는 목표 제거효율에서 역산해 설정한다.
- 발열 용제 혼입 시 산소 존재하에 발열이 누적될 수 있다. 입구 온도, 베드 온도 차이, ΔT 상승률을 감시한다.
- 일회용 카트리지는 교체·보관·폐기 절차를 표준화한다. 누액·발열은 즉시 격리하고 질식소화제를 준비한다.
- 재생식은 스팀 또는 질소·진공 재생을 사용한다. 응축수·회수용제의 관리와 방폭 펌프를 포함한다.
8. 제올라이트 휠+산화 실무 기준
- 농축비는 통상 5~15로 설계한다. 입구 습도와 실리콘 피독이 농축비를 제한한다.
- 휠 전단에 미스트 엘리미네이터와 프리필터를 배치한다. 수막 부스는 물 안개 동반에 주의한다.
- 재생 존의 화재·과열을 방지하기 위해 온도 인터록과 정전 시 안전정지 시퀀스를 포함한다.
- RCO 선택 시 촉매 허용 성분 범위와 입구 황·염소·실리콘 관리계획을 명확히 한다.
9. RTO/RCO 설계 포인트
- 열교환 효율이 높을수록 보조연료 사용량이 감소한다. 바이패스 밸브는 과열·LEL 상승 시 안전에 필수이다.
- 도장 라인의 부하 변동을 고려한 온도 램프와 purge 시퀀스를 설정한다.
- 냄새 저감 목표가 있으면 체류시간과 산화온도를 보수적으로 설정한다.
10. 규제 대응과 운전기록
- 가동개시 전 성능시험 계획을 수립하고, 입구·출구 농도, 제거효율, 유량을 문서화한다.
- 자가측정 시 대표성 있는 시료 채취 지점을 지정한다. 피크 부하와 정상 부하를 모두 포착한다.
- 고장·정지 시 우회 배출을 최소화하도록 인터록과 비상조치 절차를 명시한다.
- 폐흡착제·폐촉매는 지정폐기물로 분류될 수 있다. 보관 용기와 라벨을 표준화한다.
11. 의사결정 표: 현장 조건에 따른 우선 옵션
| 현장 조건 | 우선 검토 | 대안 | 비고 |
|---|
| 저농도(≤300 ppm), 대풍량(≥20,000 Nm³/h) | 제올라이트 휠+RCO | 제올라이트 휠+RTO | 실리콘 관리가 핵심이다. |
| 중농도(300~1,000 ppm), 중풍량 | 재생식 활성탄 | RCO | 수분·미스트 제거가 필요하다. |
| 저농도, 소풍량, 간헐 가동 | 일회용 활성탄 카트리지 | 소형 RCO | 출구 PID로 교체시점을 관리한다. |
| 고농도(≥1,000 ppm), 열원 확보 | RTO | 응축+RTO | 열회수로 연료비를 절감한다. |
| 수용성 용제 비중 높음 | 흡수식+보조 저감 | 재생식 활성탄 | 폐수처리 비용을 평가한다. |
12. 구매 사양서 체크리스트
- 설계 기초자료: 유량, 농도, 조성, 온·습도, 피크 조건, LEL 한계, 가동시간.
- 성능 보증: 제거효율, 입·출구 기준, 시험방법, 보증 조건, 위반 시 조치.
- 전처리 명세: 필터 등급, 미스트 제거 효율, differential pressure 경보.
- 안전 기능: LEL 센서 수량·위치, 인터록 로직, 비상정지 절차, 방폭 등급.
- 소모품·예비품: 활성탄 규격, 촉매 규격, 휠 사양, 교체 주기, 재생 절차.
- 제어·계측: PID/FID 범위, 온도·압력·ΔT 로깅, 원격 알림.
- 시운전·교육: 성능시험 지원, 교육 시간, 매뉴얼, 도면 제출.
13. 유지관리 점검표(예시)
| 점검 항목 | 주기 | 합격 기준 | 조치 |
|---|
| 입구 LEL | 상시 | <15% 경보, <20% 차단 | 공조 조정 또는 바이패스 개방 |
| 활성탄 출구 농도 | 상시 | 경보치 미만 | 카트리지 교체 또는 재생 |
| 휠 ΔP/ΔT | 주간 | 기준범위 | 필터 교체, 휠 세정 |
| RTO 베드 온도차 | 일간 | 설계치 ± 허용 | 버너 조정, 패킹 점검 |
| 미스트 엘리미네이터 배수 | 일간 | 정상 배수 | 슬러지 제거 |
14. 계산 예제로 확인하는 설비 선택
조건: ① 부스 2기 합산 유량 18,000 Nm³/h, ② 평균 250 ppmC, 피크 600 ppmC, ③ 수성도료 40%, 용제형 60%, ④ 연 2,200 h 가동이라 가정한다.
- 연간 배출부하: 18,000 × (250 × 70/24.45 ≈ 716 mg/m³ 가정) ≈ 12.9 kg/h, 연 28.4 t/yr 수준이다.
- 목표 제거효율 95% 적용 시 저감량 27.0 t/yr가 필요하다.
- 선택안 A: 제올라이트 휠 농축비 8로 축소풍량 2,250 Nm³/h, RCO 적용. 연료비 절감이 크다.
- 선택안 B: 재생식 활성탄 2탑 교번 운전. 피크 600 ppm 대응을 위해 베드 깊이와 표면속도를 보수적으로 설계한다.
- 선택안 C: 일회용 활성탄 카트리지. 초기 투자 최소화 장점이 있으나 연간 교체비 추정 후 총비용을 비교한다.
15. 흔한 실패 원인과 예방
- 전처리 부재로 휠·촉매가 오염되어 성능이 급락한다. 프리필터·미스트 제거를 소홀히 하지 않는다.
- 부하 피크를 고려하지 않고 과소 설계한다. LEL 기반 인터록을 반드시 반영한다.
- 활성탄 과열을 감시하지 않는다. 베드 온도 센서를 의무화한다.
- 수성도료에 과신하여 저감 설비를 생략한다. 총 유량이 크면 부하는 여전히 크다.
FAQ
워터커튼만으로 VOC 규제를 만족할 수 있나?
일반적으로 어렵다. 워터커튼은 미스트와 분진 제거에 효과적이나 대부분의 유기용제는 물에 잘 녹지 않는다. 별도 VOC 저감 설비가 필요하다.
일회용 활성탄과 재생식 중 무엇이 유리한가?
가동시간이 짧고 농도가 낮으면 일회용이 유리하다. 가동시간이 길고 농도가 중간 이상이면 재생식이 총비용 측면에서 유리하다.
RTO와 RCO 중 선택 기준은 무엇인가?
RCO는 촉매 허용 범위 내 조성일 때 연료비가 낮다. 실리콘·황·염소계 성분이 있거나 피독 위험이 크면 RTO가 안전하다.
제올라이트 휠은 화재 위험이 큰가?
기본적으로 안전장치가 포함되지만 유기물 적재와 재생온도 상승으로 화재 위험이 존재한다. ΔT 감시, purge, interlock을 포함하면 위험을 관리할 수 있다.
응축은 소규모 현장에서도 쓸 수 있나?
고농도·소풍량이며 회수 가치가 있을 때 검토한다. 저농도·대풍량 조건에서는 전력·냉동비가 비경제적이다.
LEL 기준은 어떻게 운영하나?
일반적으로 LEL 15%에서 경보, 20%에서 차단·우회가동으로 설정한다. 조성 변화가 있으면 보다 보수적으로 운전한다.
수성도료면 저감 설비가 불필요한가?
그렇지 않다. 수성이라도 공조 풍량이 크고 소량의 용제가 포함되면 총 VOC 부하는 여전히 크다.
