이 글의 목적은 사업장 대기오염방지시설의 주요 종류와 원리를 공정특성에 맞추어 체계적으로 이해하고 설계·운전·유지보수에 바로 적용할 수 있도록 실무 중심의 정보를 제공하는 것이다.
1. 대기오염방지의 기본 개념과 분류
대기오염방지시설은 오염물질의 물리적 성상과 화학적 반응성을 고려하여 포집·분해·전환·흡수·흡착 등으로 배출 농도를 저감하는 장치이다. 입자상 물질은 관성·확산·중력·정전력·여과 매커니즘으로 제거하며, 가스상 물질은 산화·환원·흡수·흡착·응축·생물학적 분해 등으로 저감한다. 단일 장치로 목표를 만족하지 못하면 전처리와 후단처리를 조합한 다단 시스템을 구성한다.
2. 입자상 오염물질 제어 기술
2.1 사이클론 집진기
원심력으로 입자를 외벽 쪽으로 분리하여 하부 더스트박스로 포집하는 장치이다. 기체는 접선 방향으로 유입되어 하강 회전을 거쳐 상부에서 배출된다. 절단입경(d50)은 유입속도, 원통 직경, 콘 각도, 입자 밀도에 의해 결정된다. 일반적으로 5~20 μm 이상의 거친 분진에 유리하며, 전처리로서 백필터·전기집진기 전단에 배치하여 부하를 줄인다. 압력손실은 500~1500 Pa 수준이 일반적이다.
2.2 백필터(여과 집진기)
섬유성 여과포를 통해 기체를 통과시키면서 분진을 포집한다. 집진 메커니즘은 체거름, 관성충돌, 확산, 정전기 흡착이 복합적으로 작용한다. 초기에는 여과포 자체가, 운전 중에는 분진케이크가 주요 여과층으로 작용한다. 분진 탈락은 펄스제트, 역세류, 셰이킹 방식 등을 사용한다. 미세먼지에 대한 제거효율이 높고, 1 mg/Sm³ 이하의 배출농도 달성이 가능하다. 단, 고온·습윤·응축·점착 분진에 대해 여과재 선택과 전처리가 필수이다.
2.3 전기집진기(ESP)
고전압 코로나 방전을 이용해 입자에 전하를 부여하고 집진극판으로 이동시켜 포집한다. 대풍량·저압력손실의 장점이 있으며, 미세입자 제거 효율이 높다. 수식상 집진효율은 Deutsch–Anderson 식 η = 1 − exp(−W·A/Q)로 근사한다. 여기서 W는 유효 이동속도, A는 집진면적, Q는 유량이다. 유입 가스의 전기저항, 습도, 가스 조성은 집진성능과 재비산에 큰 영향을 미친다. 배가스 온도 프로파일과 유도통풍 균일화가 중요하다.
2.4 습식 집진기(벤츄리·스크러빙 집진)
벤츄리 스크러버는 목부에서 고속 가스와 액적의 상대속도를 극대화하여 액적과 입자의 충돌·포획을 유도한다. 초미세입자 포집이 가능하나 압력손실이 크다. 포집된 슬러리는 사이클론 세퍼레이터나 데미스터에서 분리한다. 부유수질과 슬러지 처리가 필수이다.
3. 가스상 오염물질 제어 기술
3.1 흡수탑(습식 스크러버·세정탑)
흡수액과의 기액 접촉을 통해 용해·중화·산화 등의 반응으로 오염가스를 제거한다. 충전탑, 트레이탑, 벤츄리 반응형 등 형식이 다양하다. 산성가스는 알칼리 용액, 염기성 가스는 산성 용액으로 중화한다. 설계는 기액비, 접촉면적, 전이계수, HTU/NTU 개념으로 접근한다. 데미스터를 통해 비말동반을 최소화한다.
3.2 흡착설비(활성탄·제올라이트)
다공성 고체 표면에 휘발성유기화합물(VOCs)을 물리적 흡착으로 제거한다. 등온식은 Langmuir 또는 Freundlich 모델로 근사한다. 탑 형식은 고정층이 일반적이며, 성상에 따라 이동층·회전농축기와 조합한다. 재생은 증기·질소 퍼지·온도순환법(TSA)·압력순환법(PSA)·열산화 재생 등으로 수행한다. 파과 전 감시와 이중탑 스윙 운전으로 연속 처리를 구현한다.
3.3 열산화 및 촉매산화
RTO(축열식 열산화)는 세라믹 충전체에 열을 저장했다가 교번 밸브로 배가스를 통과시켜 95% 이상 열회수를 달성한다. 산화온도 760~850℃ 범위가 일반적이며, 체류시간 0.8~1.2 s를 확보한다. DRE(파괴·제거효율)는 주로 반응온도·체류시간·혼합 균일도에 좌우된다. 촉매산화기는 귀금속·전이금속 촉매로 활성화에너지를 낮추어 250~450℃의 저온에서 VOCs를 CO₂와 H₂O로 전환한다. 황·할로겐·실리콘 성분은 촉매 독으로 작용하므로 전처리가 필요하다.
3.4 응축 설비
냉각·압축을 통해 포화분압 이하로 낮춰 응축시켜 제거한다. 고농도·고비점 또는 회수가치가 큰 용매에 효과적이다. 전처리로 미스트 엘리미네이터를 두어 액적 비산을 방지한다. 재응축수의 회수와 방폭 등급 설계가 필수이다.
3.5 생물학적 처리(바이오필터·바이오트릭클링)
미생물이 담체 표면 생물막에서 VOCs나 악취물질을 생분해한다. 운영 변수는 담체 수분, 영양염, pH, 가스 체류시간, 온도이다. 저농도·대풍량 악취에 적합하며, 충격부하에 대한 완충능이 제한적이므로 균일한 부하가 유리하다.
4. 산성가스·황산화물·질소산화물 전용 기술
4.1 탈황(FGD)
습식 석회석-석고법은 황산화물을 석회석 슬러리와 반응시켜 석고로 전환한다. 산화공기를 주입하여 황아황산칼슘을 황산칼슘 이수염으로 산화시킨다. 흡수반응 효율은 액체 pH, 슬러리 농도, 접촉면적, 산화공급량, 탑내 기체 유동 균일성에 좌우된다. 건식·반건식 방식은 반응제 분사 후 백필터에서 포집한다.
4.2 탈질(SCR·SNCR)
SNOx 저감을 위해 SCR은 암모니아를 환원제로 주입하여 촉매층에서 NOx를 N₂와 H₂O로 환원한다. 최적 온도는 촉매에 따라 보통 300~380℃이다. NH₃/NOx 몰비, 가스 균일도, 촉매 활성, 황산암모늄 생성 억제가 핵심이다. SNCR은 850~1100℃ 영역에서 암모니아 또는 요소를 무촉매로 분사하여 환원한다. 반응 온도윈도우 확보와 혼합이 성패를 좌우한다.
5. 악취저감 기술
복합악취는 황화합물, 아민류, 휘발성 지방산 등이 혼합된 경우가 많다. 저농도·대풍량은 바이오필터 또는 세정탑, 중농도는 흡착·세정 조합, 고농도·가연성은 산화계열(RTO·촉매)로 접근한다. 전구물질 차단과 밀폐·국소배기 설계가 같은 수준으로 중요하다.
6. 장치 선택 매트릭스
| 오염물질 유형 | 특성 | 권장 기술 | 비고 |
|---|---|---|---|
| 거친 분진 >10 μm | 내마모 요구 | 사이클론 | 전처리로 적합하다. |
| 미세분진 <5 μm | 대풍량 | 백필터, ESP | ESP는 저압손, 백필터는 고효율이다. |
| 산성가스(HCl, SO₂) | 수용성 | 흡수탑 | 데미스터 필수이다. |
| VOCs | 가연성·회수가치 | 흡착, 응축 | 농축+RTO 조합이 유리하다. |
| 저농도 VOCs | 대풍량 | RTO, 촉매산화 | 실리콘·황 성분 주의가 필요하다. |
| NOx | 연소 후처리 | SCR, SNCR | NH₃ 슬립 관리가 핵심이다. |
| 악취 | 생분해성 | 바이오필터 | 부하변동 완충이 필요하다. |
7. 핵심 원리와 설계 포인트 요약
7.1 유체역학과 압력손실
모든 방지시설은 기체의 체류시간, 난류강도, 접촉면적, 균일한 유동 확보가 기본이다. 덕트·탑·플레넘의 유속은 재비산과 손실 사이의 균형으로 설정한다. 여과·충전층은 Ergun 식으로 압력손실을 추정한다. 굴곡부·밸브·계장부의 손실계수를 합산하여 송풍기 정압을 선정한다. 방폭 등급과 누설경로 차단을 위한 밀폐도가 필요하다.
7.2 반응공학과 전환효율
열·촉매산화는 Arrhenius 관계로 온도 의존성을 가진다. DRE는 체류시간과 혼합 균일도가 지배한다. 흡수는 기상·액상 전이 저항 중 우세한 저항을 낮추는 것이 핵심이며, 기액비와 접촉기 구조가 이를 좌우한다. 흡착은 상대습도와 온도, 경쟁성분에 민감하므로 전처리 제습·사이클론·프리필터가 성능을 좌우한다.
7.3 집진·포집 메커니즘
사이클론은 Stokes 수가 클수록 효율이 높아진다. 백필터는 분진케이크 관리가 성능과 압력손실을 좌우한다. ESP는 유입가스 전기저항이 10⁷~10¹⁰ Ω·cm 범위에서 안정적이며, 너무 높으면 역전기장과 재비산이 증가한다.
8. 장치별 상세 가이드
8.1 사이클론 설계·운전
- 설계 풍속을 15~25 m/s 범위에서 검토한다.
- 라인업은 병렬로 풍량을 분산하고 직렬로 효율을 보완한다.
- 내마모 라이닝과 더스트락 방지 구조를 고려한다.
- 하부 에어록으로 외기 유입을 차단한다.
8.2 백필터 설계·운전
- 여과속도(air-to-cloth, A/C)를 원료·분진 특성에 맞춘다.
- 여과재는 아라미드, PPS, P84, PTFE 등으로 선택한다.
- 펄스에어 압력·주기를 최적화하여 과탈락·막힘을 방지한다.
- 비산 미립자 유출을 막기 위해 하류에 헤파 보조필터를 검토한다.
8.3 전기집진기 설계·운전
- 전원은 정류형 고전압 전원으로 전류 제한과 불꽃방전을 제어한다.
- 유입가스 온도·습도를 제어하여 비저항을 적정 범위로 유지한다.
- 래핑(진동 타격) 주기를 최적화해 재비산을 최소화한다.
- 입배플레넘 설계로 속도 분포를 균일화한다.
8.4 흡수탑 설계·운전
- 충전재는 압력손실과 습윤성, 오염 저항을 고려해 선택한다.
- 순환액의 pH·ORP를 실시간 제어한다.
- 데미스터는 2단 이상으로 비말동반을 억제한다.
- 슬러지·스케일 관리 계획을 포함한다.
8.5 RTO·촉매산화 설계·운전
- 베드 교반 밸브 시퀀스로 열손실을 최소화한다.
- VOC 농도 상한을 LEL의 25% 이내에서 운전한다.
- 실리콘·할로겐 성분 전처리로 베드 오염을 방지한다.
- 바이패스와 열회수 보일러 연계를 검토한다.
8.6 흡착설비 설계·운전
- 전처리 제습과 프리필터로 수분·분진을 차단한다.
- 파과곡선 모니터링으로 스윙 전환점을 고정한다.
- 재생 후 냉각·퍼지로 활성을 회복한다.
- 방폭 전기기기와 접지 시스템을 준수한다.
9. 계측·제어와 모니터링
주요 계측은 차압, 유량, 온도, pH, ORP, 전도도, 전압·전류, NH₃ 슬립, 배출농도 등이다. 차압 상승은 막힘 또는 슬러지 축적을, 차압 급강하는 누설 또는 필터 파손을 시사한다. 배출구 연속측정은 트렌드로 이상을 조기 탐지한다. 데이터 기반의 조건기반 정비와 예지보전을 적용하면 가동률과 효율이 안정화된다.
10. 안전·방폭·부대설비
VOCs 취급 계통은 폭발하한계 관리, 정전기 접지, 불활성 가스 퍼지, 화재감지·소화 설비를 포함해야 한다. 흡수계는 중화열과 가스-액 반응에 따른 발열·부식에 대비한 재질 선정이 필수이다. 슬러지·폐액 처리는 관련 규정을 준수하여 위탁 또는 자가 처리한다. 동파·결빙, 배관 수격, 역류 방지, 바이패스 밸브 인터록 등도 핵심 관리 항목이다.
11. 공정별 권장 구성 예시
| 산업 공정 | 오염특성 | 권장 시스템 구성 | 주요 주의사항 |
|---|---|---|---|
| 용제 도장 | 저농도 대풍량 VOCs | 프리필터 → 회전농축기 → RTO | LEL 모니터링과 실리콘 성분 관리가 필요하다. |
| 금속 용융 | 미세분진·미스트 | 사이클론 → 백필터 → 미스트 엘리미네이터 | 온도·습도 변화 대응이 필요하다. |
| 반도체 식각 | 산성가스·불화수소 | 다단 흡수탑 + 데미스터 | 내식 재질과 누설감시가 필요하다. |
| 보일러 연소 | SO₂·NOx | FGD + SCR | 암모늄염 생성과 슬러지 처리가 필요하다. |
| 폐수 처리 | 황화수소·악취 | 국소배기 → 바이오필터 | 부하 평준화와 담체 수분 유지가 필요하다. |
12. 성능지표와 계산의 핵심
- 제거효율 η(%) = (Cin − Cout)/Cin × 100으로 평가한다.
- ESP 효율은 η = 1 − exp(−W·A/Q)로 1차 근사한다.
- 흡수탑은 NTU = ∫dY/(Y − Y*)로 설계하고 HTU × NTU = 탑 높이로 환산한다.
- 흡착 파과시간은 질량평형과 선단 이동 속도로 추정한다.
- RTO DRE는 반응온도·체류시간·혼합으로 결정되며, 보통 95~99% 이상을 목표로 한다.
13. 유지보수와 고장진단
| 증상 | 가능 원인 | 조치 |
|---|---|---|
| 백필터 차압 급상승 | 케이크 과적층, 습도 상승, 응축 | 예열·보온, 펄스 최적화, 전처리 강화 |
| ESP 효율 저하 | 전기저항 변화, 불꽃방전 증가 | 온습도 조정, 전원 제어기 점검, 가스 균일화 |
| 스크러버 비말 유출 | 데미스터 포화, 유량 과다 | 세정·교체, 가스·액 유량 재조정 |
| RTO 온도 불균일 | 밸브 누설, 베드 채움 불량 | 시트·실 교체, 베드 재충전 |
| 흡착 파과 조기 발생 | 습도 과다, 경쟁물질 | 제습기 도입, 전처리 필터 강화 |
14. 시운전·검증 체크리스트
- 기본 유량·압력·온도·농도 기준선을 확보한다.
- 장치별 설계점에서 단계별 부하를 인가하여 안정영역을 확인한다.
- 배출농도 측정은 동시 다지점 아이소키네틱으로 수행한다.
- 연속측정 데이터 무결성, 교정 주기, 드리프트를 검증한다.
- 비상정지·바이패스·인터록은 기능시험으로 확인한다.
15. 에너지와 운영비 최적화
압력손실 저감이 송풍동력의 핵심이다. 플레넘 균일화, 충전재 교체주기 최적화, 펄스에어 효율 개선, 열회수 보일러·판형 열교환기 연계로 운영비를 낮춘다. RTO는 열회수율을 95% 이상으로 유지하고, 농축기 조합으로 연료 사용을 최소화한다. 흡수·흡착 순환은 펌프·송풍기 효율등급과 인버터 제어로 전력을 절감한다.
16. 사례 기반 설계 포인트
도장부스 VOCs 처리 사례에서 전처리 프리필터를 추가하고 회전농축기 농축비를 8:1로 설정하여 RTO 연료 사용을 40% 이상 절감한 바 있다. 제철 분진 처리에서 사이클론 병렬 3기와 펄스제트 백필터 조합으로 배출농도 5 mg/Sm³ 이하를 달성하였다. 반도체 공정 산성가스 처리에서 다단 흡수와 데미스터 2단 구성으로 비말 동반을 억제하였다. 각 사례에서 공정부하의 계절 변동과 유지보수 접근성을 반영한 배치가 성능 지속성의 관건이었다.
17. 설계·운전 데이터 시트 예시
| 항목 | 사이클론 | 백필터 | ESP | 흡수탑 | RTO | 흡착탑 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 적합 오염물질 | 거친 분진 | 미세분진 | 미세분진 | 산성·염기성 가스 | 저농도 VOCs | 중저농도 VOCs |
| 평균 효율 | 70~90% | 95~99.9%+ | 90~99%+ | 70~99%+ | 95~99%+ | 70~99% |
| 압력손실 | 중 | 중~고 | 저 | 중 | 중 | 저~중 |
| 핵심 변수 | 유입속도 | A/C, 여과재 | 전압·전류 | 기액비, pH | 온도, 체류시간 | 습도, 파과 |
| 주요 리스크 | 내마모 | 응축·막힘 | 재비산 | 스케일·비말 | LEL | 화재·폭발 |
18. 설비 통합과 배관·덕트 설계
덕트는 균일한 분배와 점검 용이성을 고려해 설계한다. 굴곡 최소화, 점검구 설치, 드레인과 트랩, 팽창이음, 소음기·댐퍼 배치가 기본이다. 고부식 구간은 FRP·합성수지 라이닝, 고온 구간은 내열강을 적용한다. 장치별 유지보수 공간과 크레인 접근, 카트리지·여과포 교체 동선을 고려하여 배치한다.
19. 데이터 기반 운영 최적화 절차
- 기동 시 기준선 데이터를 1분 단위로 로깅한다.
- 차압·온도·유량·농도에 대한 관리상한·하한을 설정한다.
- 이상 탐지 규칙을 설정하고 경보-원인-대응 매트릭스를 만든다.
- 월간 성능검토로 세척·교체주기와 세정약품 보충량을 최적화한다.
- 정지·기동 절차는 인터록과 체크리스트를 표준화한다.
20. 실무 팁
- 벤츄리는 목표 효율과 동력비를 동시에 고려해 목부 속도를 정한다.
- 백필터는 미리코팅으로 초기 침투를 억제한다.
- 흡수탑은 옥외 설비 시 동절기 동파 대비 보온·히팅을 적용한다.
- RTO는 밸런스 밸브 누설률 시험으로 크로스 오버를 점검한다.
- 흡착탑은 수분 센싱과 제습기 바이패스로 파과를 지연한다.
FAQ
사이클론만으로 미세먼지를 기준치 이하로 줄일 수 있나?
일반적으로 5 μm 이하 미세입자는 사이클론 단독으로는 한계가 있다. 후단에 백필터 또는 ESP를 병용하는 것이 안전하다.
RTO와 촉매산화 중 어떤 것이 유리한가?
RTO는 조성 변화에 강하고 연료비는 농축기와 함께 최적화한다. 촉매산화는 저온에서 고효율이나 촉매 독 성분이 있으면 수명이 단축된다. 유입 성분과 농도를 기준으로 결정한다.
흡수탑 pH는 어느 수준으로 관리하나?
산성가스 흡수에는 pH 6.5~8.5 범위가 일반적이나 공정·약품에 따라 최적이 다르다. 온라인 pH 제어와 알칼리 보충으로 안정화한다.
백필터에서 응축을 방지하려면?
노점 이상의 배가스 온도를 유지하고, 흡습성 분진에는 프리히터·보온·미리코팅을 적용한다. 누설 공기 유입도 관리한다.
SCR의 NH₃ 슬립을 줄이는 방법은?
가스·암모니아 혼합 균일도를 높이고, 적정 몰비와 온도 윈도우에서 운전한다. 촉매 활성 저하 시 교체 또는 재생을 수행한다.