KR100273935B1 - 습구온도연속측정장치 - Google Patents

Abstract

온도 및 습도에 따라 증발량이 변화하며 습구온도는 온도계의 측정점에 심지와 같은 증발장치를 부착하여 증발에 따른 기화열로 인한 온도저하를 측정하여 건구온도와 비교함으로써 대기중 또는 유동하는 가스중의 습도를 측정할 수 있다. 습도가 높으면 증발량이 감소하고 따라서 기화열이 적으므로 건구온도와의 차이가 크지 않게 된다. 반면에 습도가 낮으면 증발량이 증가하게되고 기화열도 늘어나므로 건구온도와 습구온도와의 차이가 커진다. 이와 같은 원리를 이용하여 공정의 운전현황을 연속적으로 파악하고 제어하기 위해서는 전기적인 출력이 필요하게 되고 따라서 본 발명에서는 건습구온도계에 안정된 고정밀 열전대를 도입하였으며 전기적 신호의 처리에 의한 연속적인 측정을 위해 다기능 기록계와 컴퓨터를 도입하였다. 또한 측정대상가스와 동일한 온도 및 습도조건을 맞춰주기 위한 항온조의 도입, 습도조건에 따른 습구온도계에서의 증발량을 일정히 유지시켜 주기 위한 수면조절 장치 및 항온조내에서 나선형관을 이용한 공급수의 예열장치 등을 도입하였다.

Description

습구온도 연속 측정장치{Equipment for continuously measuring wet-bulb temperature from moving gas stream}

본 발명은 유동하는 가스중 또는 실내의 습도를 결정하기 위한 습구온도의 연속적인 측정장치에 관한 것이다.

일반적인 생활환경에서의 습도측정은 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있는 건습구 습도계를 비롯한 여러 가지 방법에 의해 이루어 질 수 있으나 이를 공산품의 제조공정이나 농산물 등의 생산 및 저장 등 제어가 요구되는 과정에 응용하기 위해서는 연속적인 측정이 이루어져야 하며 측정치는 전기적인 신호로 변환되어 출력될 수 있어야 하는데 기존의 방법은 수동적인 방법으로 공정의 제어에 활용할 수 없거나 연속적인 측정 방법에 의해 전기적인 신호를 출력할 수 있다 할지라도 설치 환경이 매우 제한적인 경우가 대부분이다. 따라서 범용성이 보장되고 설치환경에 크게 구애받지 않으면서도 구조가 단순하여 설치 및 취급이 간편하면서 경제성도 어느 정도 보장되는 습도 측정방법 또는 장치의 개발이 요구되고 있다.

인간의 생활환경에서 습도나 수분이 차지하는 비율은 때때로 공기 만큼이나 절대적인 것이어서 우리 주변의 많은 환경을 지배하고 또는 생활의 편의를 제공하는 각종 공산품의 제조과정이나 농산물의 생육이나 생산과정에도 습도의 영향은 무시할 수 없는 경우가 많다. 일반적인 생활환경에서의 습도측정은 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있는 건습구 습도계를 비롯한 여러 가지 방법에 의해 이루어 질 수 있으나 이를 공산품의 제조공정이나 농산물 등의 생산 및 저장 등 제어가 요구되는 과정에 응용하기 위해서는 연속적인 측정이 이루어져야 하며 측정치는 전기적인 신호로 변환되어 출력될 수 있어야 하는데 기존의 방법은 수동적인 방법으로 공정의 제어에 활용할 수 없거나 연속적인 측정 방법에 의해 전기적인 신호를 출력할 수 있다 할지라도 설치 환경이 매우 제한적인 경우가 대부분이다. 따라서 범용성이 보장되고 설치환경에 크게 구애받지 않으면서도 구조가 단순하여 설치 및 취급이 간편하면서 경제성도 어느 정도 보장되는 습도 측정방법 또는 장치의 개발이 요구되고 있다.

최근에 환경에 대한 관심이 고조되면서 대기오염을 유발하는 물질을 제거하기 위한 기술로 알칼리 흡수제를 이용하는 처리 공정들이 활발이 도입되거나 개발되고 있으며 이들 흡수공정에 사용하는 알칼리 흡수제의 경우 대부분 흡습성을 보유하고 있어서 수분을 흡수함에 따라 그 흡수 제거 능력이 향상되게 되므로 이러한 흡습특성을 파악하고 제어하기 위해서는 공정내에서 습도를 연속적으로 측정되어야 하는데 이러한 공정내에 유동하는 가스는 고농도의 산성가스, 분진 및 흡수제 입자 등을 함유하고 있고 온도조건도 100℃에 접근하는 수준이므로 일반적인 습도센서는 설치하기 매우 어려운 조건이다. 따라서 이러한 어려운 환경에 적용할 수 있으면서도 범용성을 지니고 있어서 다양한 습도 측정 및 제어 분야에 활용할 수 있는 장치를 개발하는 것이 본 발명의 목적이다.

최근에 환경에 대한 관심이 고조되면서 대기오염을 유발하는 물질을 제거하기 위한 기술로 알칼리 흡수제를 이용하는 처리 공정들이 활발이 도입되거나 개발되고 있으며 이들 흡수공정에 사용하는 알칼리 흡수제의 경우 대부분 흡습성을 보유하고 있어서 수분을 흡수함에 따라 그 흡수 제거 능력이 향상되게 되므로 이러한 흡습특성을 파악하고 제어하기 위해서는 공정내에서 습도를 연속적으로 측정되어야 하는데 이러한 공정내에 유동하는 가스는 고농도의 산성가스, 분진 및 흡수제 입자 등을 함유하고 있고 온도조건도 100℃에 접근하는 수준이므로 일반적인 습도센서는 설치하기 매우 어려운 조건이다. 따라서 이러한 어려운 환경에 적용할 수 있으면서도 범용성을 지니고 있어서 다양한 습도 측정 및 제어 분야에 활용할 수 있는 장치를 개발하는 것이 본 발명의 목적이다.

도 1 은 본 발명의 습구온도 연속 측정장치

도 2 는 분무 흡수식 탈황공정에서의 단열조습선도

도 3 은 흡수제의 종류와 접근온도가 탈황율에 미치는 영향

도 4 는 반건식 탈황장치의 장시간 운전시 온도변화

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1) : 측정 대상 가스 유동관.

(2) : 측정 대상 가스의 건구온도 측정용 열전대.

(3) : 측정 대상 가스 흡입관으로 보온을 요함.

(4) : 측정 대상 가스 흡입용 송풍기.

(5) : 측정 대상 가스와 동일한 온도로 제어되는 항온조.

(6) : 습구온도 측정용 젖은 열전대(심지부착).

(7) : 심지 적심용 물이 공급되는 용기.

(8) : 심지를 적심용 물 공급관으로 용기에 공급되는 물의 온도가 항온조의 온도(측정 대상 가스)와 동일한 상태가 되도록 항온조 내에 코일형태로 설치.

(9) : 항온조 온도 제어용 열전대.

(10) : 항온조 온도 조절기로 측정 대상 가스의 온도와 항온조 내부 온도를 비교하여 동일한 온도가 되도록 항온조를 전기적으로 가열.

(11) : 항온조 외부 물공급관으로 심지에서 증발되는 물을 보충하기 위한 관로.

(12) : 심지에서 증발되는 물을 보충하기 위한 예비물을 저장하는 용기로 하부 요기는 개방된 용기로 7항의 용기와 항상 동일한 수면이 유지되도록 구성되어 있으며 상부용기는 밀폐용기로 하부용기의 수면높이 만큼의 진공이 걸려있어 항상 수면이 일정히 유지된다.

(13) : 운전 초기에 7항과 12항의 용기가 동일수면이 유지되도록 조절하는 장치.

(14) : 측정대상가스의 건구온도와 항온조내에서 측정되는 습구온도를 연속적으로 기록하는 장치.

(15) : 14항에서 기록되는 자료를 받아서 습도나 습도와 관련된 제반 data를 산출하는 컴퓨터이다.

(16) : 항온조내로 유입된 측정대상가스의 배출관로이다.

본 발명에서는 유동하는 가스 또는 정지된 용기 또는 실내 가스중 습도를 결정하거나 제어하기 위한 습구온도의 연속측정이 가능하고 측정된 data를 전산처리하여 습도와 관련된 각종 정보로 변환시킬 수 있는 장치를 개발하였다.

본 발명에서 개발된 장치는 측정 대상 가스의 채취부, 측정 대상 가스의 온도측정 및 항온조의 온도조절을 위한 건구온도 측정용 열전대, 습구온도 측정을 위한 심지 부착 열전대, 측정 대상 가스의 건구온도와 동일한 온도로 조절되는 항온조( 습구온도 측정장치부가 내부에 설치), 습구온도 측정장치의 증발용 물을 공급하는 장치, 열전대의 측정치를 기록하고 전산처리 할 수 있는 기록계와 이에 연결된 컴퓨터 등으로 구성되어 있다.

측정 대상 가스의 채취부는 가스의 흡입관과 이를 습구온도가 측정되는 항온조로 공급하기 위한 송풍기로 구성되어 있는데 흡입관의 입구에는 고체입자 등의 유입을 막을 수 있는 여과장치를 설치하는 것이 장기적인 운전에서 정확도를 계속적으로 보장해 주는데 도움을 줄 수 있으며 측정대상가스가 항온조에 도달하는 즉시 항온조의 온도(측정대상가스의 건구온도)와 동일하게 조절될 수 있도록 흡입관은 보온(단열)처리를 하여야 한다.

건구온도 측정용 열전대는 0 - 300℃ 범위를 측정할 수 있는 것이면 어느 종류나 사용 가능 하지만 본 발명에서는 이와 같은 저온 영역에서 직선성과 정확도가 우수한 Pt-100??의 저항식 열전대를 사용하였다. 항온조내에 설치되는 습구온도 측정용 열전대 역시 건구온도 측정용 열전대와 동일한 종류를 사용하였으나 그 끝단에서 물이 증발되도록 심지를 부착하였다. 습구온도 측정용 열전대에 부착된 심지는 외부에서 물이 공급되는 용기에 담겨져 있는데 이 용기내의 물은 항온조의 외부에서 공급관을 통해 공급되며 용기의 상단부는 충분히 축소된 단면을 지니고 있어서 물의 증발이 열전대에 부착된 심지를 통해서만 이루어지도록 제작되어야 한다. 또한 증발용기는 내부의 수면이 확인될 수 있도록 투명한 재질로 제작되어야 한다.

물공급장치의 주요기능은 항온조내에 설치된 증발용기의 수면이 항상 일정히 유지되도록 하는 것이다. 즉, 심지에서 증발된 양만큼만의 물이 공급되도록 하는 장치로 밀폐용기와 개방용기가 결합되어 있는 구조로 고전적인 방법을 응용한 것이며 운전초기의 수면조절을 위해 상하이동 및 고정장치가 부착되어 있다. 밀폐용기내의 진공압과 개방용기 수면에 작용하는 대기압과의 평형을 이용하여 증발용기의 수면을 운전초기 상태와 동일하게 유지할 수 있으며 연속운전 시간에 따른 전체 물의 증발량에 따라 밀폐용기의 크기를 결정하면 된다.

항온조내의 물공급관은 나선형으로 제작하여 항온조내에서 물이 증발용기까지 공급되기 전에 열전달이 충분히 이루어져 항온조내의 온도에 도달할 수 있도록 구성되어 있다. 이와 같이 증발용기에서 수면을 일정히 유지시키고 증발된 물을 보충하는 물공급장치 및 나선형 공급관은 본 발명의 핵심적인 부분이 된다.

건구 및 습구온도 측정용 열전대에서 출력되는 전기적인 신호를 기록하기 위한 기록계는 일반적인 다용도 연속형 기록계로 저항식 열전대를 직접 연결하여 사용할 수 있는 것이면 어느 종류이던지 사용 가능하며 컴퓨터와 정보를 주고 받을 수 있는 연결장치(예를 들면, RS-232C port)가 부착되어 있는 것이 유용하다. 컴퓨터는 시중에 유통되는 16bit급 이상의 개인용 컴퓨터(PC)이면 무난하며 습도계산은 전용 소프트웨어를 사용하거나 단순화된 프로그램을 작성하여 사용할 수도 있다. 또한 개인용 컴퓨터에 데이터획득 및 처리(data acquisition)용 interface card와 전용 소프트웨어를 설치하면 기록계는 생략할 수 있으며 열전대의 전기적 출력신호를 직접 컴퓨터에 연결할 수 있다.

항온조로 공급된 측정대상 가스는 항온조의 상부를 통해 최초 흡입된 가스 유동관로로 배출되게 되는데 항온조내에서는 습구온도 측정용 열전대의 심지에서 증발된 물이 항온조내의 습도에 영향을 미치지 않도록 충분한 유동이 유지될 수 있도록 가스 채취량이 결정되어야 한다.

실시 예

본 발명에서 개발된 장치의 실시 예를 한가지 설명하고자 한다.

본 발명의 구성은 첨부도면 도 1에 의하여 설명하면 다음과 같다.

측정대상 가스유동관(1)내에 건구온도 측정용 열전대(2)가 설치되고 이것이 온도 조절기(10)와 기록장치(14)에 연결되며 가스 흡입관(3)이 송풍기(4)를 경유 항온조(5)에 유입 배관된 습구온도 연속 측정장치에 있어서, 상기 항온조(5)내에 심지적심용 물이 공급되는 용기(7)를 안치하고 이는 예비물을 저장하는 용기(12)에 배관하여 상기 용기(7)와 동일 수면이 되도록하고 그 하부에서 관로(11)를 배관하여 코일형태의 물공급관(8)을 경유 상기 용기(7)에 배관하며 조절장치(13)를 용기(12)에 설치하여 상기 용기(7)와 용기(12)가 동일 수면이 되도록 조절하게하고 컴퓨터(15)에서 기록장치(14)를 연결하여 측정대상의 열전대(2)와 물적심심지(6)의 열전대에 연결하고 온도조절기(10)는 열전대(9)를 항온조(5)내에 삽입한 구성이다.

도면중 설명부호 (16)은 항온조내로 유입된 측정대상가스의 배출관로이다.

본 발명에서 개발된 습구온도 연속측정장치는 분무건조기(Spray Dryer) 및 이를 응용한 대기오염물질 제거기술중 하나인 반건식 분무건조 탈황장치(Spray Drying Absorber) 또는 duct injection 방식의 탈황장치 등 건조공정의 제어나 흡습성 알칼리 흡수제를 이용하는 탈황공정 등의 제어에 응용할 수 있는데 본 고에서는 반건식 탈황장치에의 실시 예를 설명하고자 한다.

분무건조식 탈황공정(spray dryer absorbtion process, SDA)은 습식 탈황공정과 건식탈황공정의 장점을 고루 갖춘 시스템으로 120 - 200℃ 정도의 흡수조 내에 액체와 고체의 혼합물인 슬러리 상태의 알칼리 흡수제를 분무하여 건조과정에서 황산물을 흡수하고 건조상태의 입자로 배출시켜 집진장치에서 포집하는 공정으로 액상의 흡수제가 공급되어 고상의 폐기물로 처리되므로 반건식 탈황공정(semi-dry process)이라고 한다. 이 공정은 기존의 습식탈황공정에 비해 간단하고 소형이며, 여러 공장에서 배출되는 다양한 종류의 연소가스를 처리할 수 있으며, 폐수나 슬러지를 배출하지 않는 장점이 있다. 또한 기존에 사용하고 있는 연소가스 처리시스템의 보조장치로서의 적용력이 높을 뿐 아니라 투자비와 조업비가 낮으며, 흡수조를 거쳐 baghouse를 통해 나가는 가스의 출구온도가 포화온도 이상이므로 stack plume문제가 없다는 장점 등으로 인해 근래에 이에 대한 관심이 급증하고 있다.

반건식 탈황공정은 연소기에서 배출된 고온의 연소가스를 가스분배구를 통해 흡수조로 유입하여 분무기를 통해 분무된 미세입자의 흡수제 슬러리(소석회 슬러리:평균 직경 50㎛)와 반응하게 되며 액적의 체류시간은 10 - 15 초 정도 된다. 반응생성물인 아황산칼슘 또는 황산칼슘은 탑 내부에서 건조되어 일부는 반응탑 하부에서, 기타 나머지는 집진기에서 포집된다. 이 때 얻어진 건조상태의 미세한 분무 입자는 가스분포, 슬러리 유량, 분무입자 크기의 조정에 의해 반응 생성물이 흡수탑 외벽에 닿기 전에 건조되며, 건조된 반응생성물의 일부는 흡수탑 하부로 떨어져 컨베이어로 배출되고 흡수탑에서 처리된 배가스중 잔존하는 분진은 흡수탑 다음에 설치된 집진기에서 포집된다. 집진기에서 포집된 반응생성물(미반응흡수제 포함)의 일부는 흡수율과 슬러리의 증발효과를 높이기 위하여 흡수탑으로 재 순환시켜 다시 활용한다.

이와 같은 반건식 탈황공정의 성능은 분무장치의 특성 등 기본적인 장치의 특성과 사용하는 흡수제의 특성 외에도 화학양론비, 포화온도에의 접근온도, 유입가스온도, 유입 SO2농도, 반응기내 체류시간 등의 운전변수에 의해 크게 좌우된다. 이중 흡수조내의 수분농도 즉, 습도는 탈황반응이 이루어지는 흡수제 입자의 건조시간을 결정하여 전체 탈황성능을 결정짓는 가장 중요한 성능인자중 하나이다.

분무흡수반응기(Spray Drying Absorber)에 유입된 연소가스가 분무된 슬러리 액적과 접촉하게 되면 이 과정에서 연소가스는 짧은 시간 내에 단열조건하에서 조습(humidified)되고 온도는 출구온도까지 떨어지게 된다. 또한 분무된 액적의 온도 상승에 따라 액적내의 수분은 증발되는데 이때 액적의 수분증발속도는 유입가스의 온도와 상대습도, 반응기압력, 접근온도, 고체의 평형습도량 등에 의해 결정된다.

반응기 출구에서 연소가스의 절대습도와 온도는 다음의 습도도표(psychrometric chart)에서 연소가스 유입조건으로부터 단열포화선을 따라 주어진다. 여기서 단열포화온도에의 접근온도(approach temperature to adiabatic saturation, 또는 간단히 접근온도 ; approach temperature) △T는 출구온도(Tout)에서 기체의 단열포화온도(T_saturation)를 뺀 것으로 △T = T_out- T_saturation을 의미하며, 따라서 접근온도 △T는 분무흡수반응기 출구에서 배출가스의 온도와 절대습도를 결정한다.

일반적으로 출구온도는 단열포화온도 근처까지 접근하게 되며, 너무 가깝게 접근하게 되면 반응기 내의 슬러리가 습윤상태가 크게 되므로 가스 중의 SO₂와 슬러리의 액적과의 흡수반응이 지속되어 SO₂제거효율이 증가하게 되지만 완전히 건조되지 않은 고체반응물이 반응기 후단의 분진제거 시스템에 부착되므로 집진기의 부하가 증대되어 운전상의 문제점을 유발하게 된다. 또한 너무 높게 되면 흡수제인 생석회의 이용률과 SO₂제거효율이 저하되므로 적정한 온도범위 존재하게 되며, 분무흡수공정을 운전할 때 출구온도를 적정온도로 일정하게 유지하는 것이 장치의 성능이나 조업상 필요하게 된다. 그러나 배가스를 유출하는 보일러의 부하가 자주 변동되기 때문에 이에 따라 단열포화온도도 변하며 출구온도 또한 변하게 되기 때문에 단열포화온도에 일정하게 접근하기가 어렵게 된다. 일반적으로 단열포화온도는 습구온도를 측정함으로써 알 수 있는데 수동식으로 측정하면 이와 같이 수시로 변화하는 운전조건에 원활히 대응할 수 없으므로 공정의 효율적인 운전이 어렵게 된다. 따라서 본 발명에서 개발된 장치를 이용하여 습구온도를 연속적으로 측정하고 그 값을 기준으로 접근온도를 계산하여 공정의 운전상태 확인 및 제어에 활용할 수 있다. 이 때 본 발명에서 개발된 장치의 설치 위치는 분무흡수식 탈황장치의 출구쪽인 배기가스 관로가 되며 관로가 충분히 넓고 습구온도 측정장치(증발용기 및 나선형 물공급관부)를 충분히 작게 제작할 수 있다면 배기가스 관로내에 직접 설치하면 앞서 설명한 장치에서 항온조부분을 생략할 수 있으므로 본 발명에서 개발된 장치는 크게 단순화하여 설치가 가능하다.

상술한 실시 예에서 본 발명에서 개발된 습구온도 연속측정장치를 반건식 탈황공정에 활용하여 공정의 운전상태 파악 및 제어에 활용할 수 있음을 보였으나 반건식 탈황장치와 유사한 구조와 운전특성을 지닌 분무건조기(Spray Dryer)의 운전에도 적용할 수 있고 기타 습도의 연속측정이 요구되는 거의 모든 분야에 적용할 수 있으며 특히 설치조건이 까다로운 곳에 더욱 유용하다.

본 발명에서 개발된 장치를 이용하여 반건식 탈황공정에서 습구온도를 연속적으로 측정하고 이를 이용하여 단열포화온도에의 접근온도를 산출함으로써 여러 가지 운전변수가 성능에 미치는 영향을 파악할 수 있고 연속운전시 시스템 제어에 유효 적절히 활용할 수 있다. 다음 그림은 탈황용 흡수제의 종류와 접근온도가 반건식 탈황공정에서 탈황율에 미치는 영향을 나타낸 것으로 흡수제의 종류에 따라 탈황효과가 다름을 알 수 있고 접근온도가 감소할수록 즉, 반건식 탈황장치의 운전온도가 단열포화온도에 접근할수록 탈활율이 증가함을 알 수 있다. 여기서 접근온도는 본 발명을 통해 개발된 장치를 사용하여 측정된 값을 사용하였다. 또한 그 다음의 그림은 반건식 탈황장치의 장시간 연속운전시 장치내의 가스온도 및 유량들을 연속적으로 측정한 결과를 나타낸 것으로 습구온도와 출구온도를 연속으로 측정하고 그 차이를 접근온도로 표현함으로써 장시간 접근온도를 연속적으로 분석 추적할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명에서 개발된 습구온도 연속측정장치를 습도조건에 따라 탈황율이 좌우되는 반건식 탈황공정에 활용하여 공정의 운전상태 파악 및 제어에 활용할 수 있으며 반건식 탈황장치와 유사한 구조와 운전특성을 지닌 분무건조기(Spray Dryer)의 운전에도 적용할 수 있다. 또한 기타 가스중 습도의 연속측정이 요구되는 거의 모든 분야에 적용할 수 있고 특히 설치조건이 까다로운 곳에 더욱 유용하다.

이상에서 본 발명의 특징 및 효과를 특정한 실시예를 통해 설명하였으나, 이것은 예시의 목적일 뿐 본 발명의 효력은 이에 한정되는 것은 아니다.

Claims (1)

1. 측정대상 가스유동관(1)내에 건구온도 측정용 열전대(2)가 설치되고 이것이 습구온도 측정의 정밀도를 높일 수 있도록 습구온도측정용 열전대(9)가 설치되는 항온조(5)내의 온도를 측정대상 가스온도와 동일하게 유지하도록 하는 가스 온도 조절기(10)와 기록장치(14)에 연결되며 가스 흡입관(3)이 송풍기(4)를 경유 항온조(5)에 유입 배관된 습구온도 연속 측정장치에 있어서, 상기 항온조(5)내에 심지적심용 물이 공급되는 용기(7)를 안치하고 이는 예비물을 저장하는 용기(12)에 배관하여 상기 용기(7)와 동일 수면이 되도록하고 그 하부에서 관로(11)를 배관하여 코일형태의 물공급관(8)을 경유 상기 용기(7)에 배관하며 조절장치(13)를 용기(12)에 설치하여 상기 용기(7)와 용기(12)가 동일 수면이 되도록 조절하게 하고 측정대상 가스온도 측정용의 열전대(2)와 습구온도를 측정하는 물적심 심지(6)의 열전대와 항온조(5)내에 삽입한 온도조절기(10)용 열전대(9)를 기록장치(14)에 연결하여서 된 것을 특징으로 하는 습구온도 연속 측정장치.