저공해 연소를 위한 고발열 장치 기반의 스마트 재생 열산화 장치 구현|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to design and implement a 100 CMM (cubic meters per minute) Regenerative Thermal Oxidizer (RTO) to achieve low-emission combustion. The existing RTO system utilizes a cylindrical drum structure with a rotary disc to periodically introduce and exhaust VOCs (Volatile Organic Compounds) gases, achieving high energy efficiency with a thermal recovery rate of over 95 %.
However, this system faced structural limitations, including wear due to the load on the combustion chamber's lower drive shaft, channeling phenomena between the combustion chamber and the drive shaft, and the emission of untreated gases. Additionally, operating at temperatures above 800 ℃ for extended periods led to performance degradation and instability, caused by issues such as rotation stoppages or explosions due to contaminants, dust accumulation, and thermal expansion of the chamber.
To address these problems, this study presents an improved RTO design. First, a combustion chamber combining a high-heat element and a burner was designed to accommodate temperature rises of up to 920 ℃ during high-concentration VOCs treatment. The burner diameter was set to 125 mm, and the Hot By-Pass Damper outlet dimensions were 650 mm × 650 mm. The combustion chamber was lined with 200 t ceramic insulation to effectively discharge high-temperature waste heat. Second, to distribute the load on the rotary disc distributor, the position of the rotary shaft was modified, and an optimized shaft structure was implemented based on flow analysis. The insulation for the combustion chamber consisted of 200 t thick ceramic blocks, with the chamber's outer diameter and height set to 2,530 mm and 1,875 mm, respectively, optimizing the gas residence time and insulation thickness. Third, a trip control algorithm based on PLC (Programmable Logic Controller) and an intelligent predictive control system based on Edge-IoT were applied to enable fault prediction and ensure safe operation.
After the design and implementation, a demonstration experiment was conducted. The results showed that the proposed 100 CMM RTO achieved a VOCs removal efficiency of 98.2 %, a waste heat recovery rate of 95.78 %, a fuel consumption rate of 21.95 %, and a nitrogen oxide (NOx) emission concentration of 3.9 ppm. The performance of the 100 CMM RTO was verified over a total of 177 hours of operation. These results confirm that the proposed system simultaneously achieves high-efficiency VOCs removal, energy savings, and low-emission performance.
Furthermore, this study implemented remote monitoring of the RTO system by integrating a PLC controller with an IoT application. Data collection and management were handled at the edge, and data storage and analysis were performed in the cloud, enabling real-time monitoring and alarm functionalities. The system provides continuous analysis of temperature, pressure, and VOCs concentration, ensuring that the system remains in normal operating conditions. The predictive capabilities allow for the early detection of abnormalities and contribute to accident prevention and equipment predictive maintenance.
This study presents a technological approach to overcome the limitations of existing RTO systems, achieving high-efficiency, low-emission combustion. Additionally, by integrating IoT-based remote monitoring and fault prediction, it highlights the importance of real-time data analysis and predictive maintenance, enhancing the practicality and applicability of the system in industrial settings.

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국문 초록 (Abstract)

본 연구는 저공해 연소를 구현하기 위한 100 CMM (㎥/min) 축열식연소산화장치(Regenerative Thermal Oxidizer, RTO)의 설계 및 구현을 목표로 한다. 기존의 RTO 시스템은 원통형 드럼 구조의 회전 디스크를 이용하여 VOCs(휘발성 유기 화합물) 가스를 주기적으로 유입·배출하며, 95 % 이상의 열 회수율로 높은 에너지 효율을 달성하였다. 그러나 이러한 시스템은 연소실 하부 구동축의 하중에 의한 마모, 연소실과 구동축 사이에서 발생하는 채널링(Channeling) 현상, 미처리 가스의 배출 등 구조적인 한계가 있었다. 또한, 800 ℃ 이상의 고온에서 장시간 운전 시 발생할 수 있는 오염물질에 의한 회전 정지·폭발, 먼지 축적, 챔버 열팽창 등으로 인해 시스템의 안정성과 성능이 저하되는 문제점이 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 다음과 같은 개선된 RTO 설계를 제시하였다. 첫째, 고발열체와 버너를 결합하여 VOCs 처리 과정에서 최대 920 ℃ 이상의 온도 상승을 고려한 연소실을 설계하였다. 버너 직경을 125 mm, Hot By-Pass Damper 출구 치수를 650 mm × 650 mm로 설정하고, 연소실 내부는 200t 세라믹 단열재로 시공하여 고온 폐열을 효과적으로 배출하도록 하였다. 둘째, 로터리 회전판 분배기의 하중 분산을 위해 회전축 위치를 변경하고 유동 해석을 통해 최적화된 회전축 구조를 설계하였다. 연소실의 단열재는 두께 200 t의 세라믹 블록을 사용하고, 연소실 외경 2,530 mm, 높이 1,875 mm로 설계하여 가스 체류시간과 단열 두께를 최적화하였다. 셋째, PLC 기반 트립 제어 알고리즘과 Edge-IoT 기반의 지능형 예측제어 시스템을 적용하여 고장 예측 및 안전 운전 기능을 구현하였다.
설계와 구현을 거쳐 실증 실험을 진행한 결과, 본 연구에서 제안한 100 CMM RTO는 VOCs 제거 효율 98.2 %, 폐열 회수율 95.78 %, 연료 소비율 21.95 %, 질소산화물 배출 농도 3.9 ppm을 달성하며, 우수한 성능을 입증하였다. 실험은 총 177시간 동안 진행되었으며, 이를 통해 제안된 시스템이 고효율 VOCs 제거와 에너지 절감, 저공해 배출 성능을 동시에 달성할 수 있음을 확인하였다.
또한, 본 연구는 IoT 기술을 활용하여 RTO 시스템의 원거리 모니터링 기능을 구현하였다. PLC 제어기와 사물인터넷(IoT) 애플리케이션을 연동하여, 에지(Edge)에서 데이터를 수집하고 클라우드(Cloud)에서 이를 저장 및 분석하는 시스템을 구축하였다. 이를 통해 실시간 모니터링과 알람 기능을 제공하고, 고장 예측 및 장비 예지보전 기능을 통해 사고 예방 및 장기적인 설비 안정성 확보가 가능하다. 특히, 시스템 상태(온도, 압력, VOCs 농도 등)를 실시간으로 분석하여 정상 상태를 확인하고, 이상 징후가 감지되면 즉시 대응할 수 있도록 하여 효율적이고 안전한 운영을 가능하게 한다.
본 연구는 기존 RTO 시스템의 한계를 개선하고, 고효율, 저공해 연소를 달성하기 위한 기술적 접근을 제시하였다. 또한, IoT 기반의 원거리 모니터링과 고장 예측 시스템을 통해 실시간 데이터 분석과 사고 예방, 예지보전의 중요성을 강조하며, 향후 산업 현장에서의 적용 가능성과 실용성을 높였다.

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본 연구는 저공해 연소를 구현하기 위한 100 CMM (㎥/min) 축열식연소산화장치(Regenerative Thermal Oxidizer, RTO)의 설계 및 구현을 목표로 한다. 기존의 RTO 시스템은 원통형 드럼 구조의 회전 디스크를...

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