KR100438284B1 - 볼텍스 튜브 이론을 이용한 배기가스 정화장치 - Google Patents

볼텍스 튜브 이론을 이용한 배기가스 정화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 볼텍스 이론을 이용한 배기가스 정화장치에 관한 것으로 특히 폐기물의 소각후 발생되는 유해가스를 원통내에서 고속으로 회전시키고 압축공기를 분사하여 온도를 강하시켜 상변화가 일어나도록 함으로써 미스트(mist)를 형성시키고, 이 미스트가 더스트(dust)에 흡수되어 성장하는 현상이 효과적으로 일어나도록 하여 스모그 현상을 일으키는 것으로 알려진 입자크기가 0.01㎛이하의 질소산화물(NOx)까지도 별도의 화학적인 처리과정 없이 제거할 수 있도록 한 저비용고효율의 배기가스 정화장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 배기가스 정화장치는, 상부가 배기가스 흡입구와 연통되고 하부는 막혀있으며 외측으로 접선에 대하여 25∼35°를 이루는 노즐장공이 형성된 내부원통; 상기 내부 원통의 외부에 설치되어 배기가스가 회전되는 볼텍스 원통; 내주벽에는 상기 노즐장공과 동일방향으로 접선에 대하여 25∼35°를 이루는 압축공기 분사노즐이 구비되고 상기 내부 원통의 하단부위가 위치하도록 상기 볼텍스 원통의 하부에 설치되는 노즐 원통; 상기 노즐 원통의 하부에 설치된 사이클론 챔버; 일측으로 가스가 배출되는 배출구가 형성되고 상기 사이클론 챔버의 하부에 설치된 확개 집진부로 이루어진다.

Description

볼텍스 튜브 이론을 이용한 배기가스 정화장치{An Industrial Waste Incinerator Using Vortex Tube Theory}
본 발명은 볼텍스 튜브 이론을 이용한 배기가스 정화장치에 관한 것으로 특히 폐기물의 소각후 발생되는 배기가스를 고속으로 회전시키는 동시에 압축공기를 분사하여 상변화가 일어나도록 함으로써 미스트(mist)를 형성시키고, 이 미스트가 더스트(dust)에 흡수되어 성장하는 현상이 효과적으로 일어나도록 하여 스모그 현상을 일으키는 것으로 알려진 질소산화물(NOx)까지도 별도의 화학적인 처리과정 없이 제거할 수 있도록 한 것이다.
일반적으로 소각로를 비롯하여 열교환기 및 동력장치나 제련장치와 같이 연소과정을 갖는 설비의 가동시에는 필수적으로 배기가스가 배출되는데 이러한 배기가스는 오염물질이 포함되어 있다.
따라서 이와같은 장치에서 배기가스의 최종 배출경로에는 정화장치를 설치함으로써 배기가스중의 미스트, CO, SOx, CO2등의 오염물질을 제거하고 있다.
특히 이들 오염물질중 문제가 되고 있는 질소산화물로서 NO2는 기체로 역겨운 냄새와 스모그 현상을 유발하는 물질로 알려져 있다.
이러한 배기가스 정화장치로는 멀티크론 백필터, 전기집진기 등이 알려져 있으나 입자크기가 0.1㎛이하인 냄새입자 및 질소산화물은 제거할 수 없었기 때문에 이들 장치에 의해 더스트가 제거된 배기가스를 촉매에 의한 화화적인 처리과정을 거쳐 2차 정화처리할 수 밖에 없었다.
그러나 촉매에 의한 정화처리장치는 초기 시설비 및 운영비용이 과다하게 소요될 뿐만 아니라 처리능력이 제한적인 문제가 있기때문에 경제성을 무시하고 공익성만을 염두에 둔 국가 공공기관 이외의 설비에는 사용되지 못하고 있는 실정이다.
이와같은 점을 감안하여 본원 발명자는 원통 내에서 배기가스를 회전시키게 되면 원심력에 의해 미스트까지도 흐름의 외주변 즉 원통 내벽으로 밀리어 응집되는 현상과 압축 공기를 분사하면 중심부에서 온도 강하 현상이 일어나는 볼텍스 튜브 이론의 적용을 염두에 두게 되었으며, 배기가스에 충분한 회전력과 온도 강하를 이룰 수 있다면 간단한 구조의 정화(집진) 장치를 개발할 수 있을 것이라는 점에 착안 하였다.
도 1은 본 발명에 적용되는 것으로 보이는 볼텍스 튜브 이론을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1에서 (a)는 실린더 형태의 튜브를 나타내고 압축된 가스는 (b)로부터 도입된다. 압축된 가스는 튜브(a)안에서 회전함으로써 팽창된다.
중심부분에서 가스는 낮은 온도가 되고 출구(c)로부터 흘러나오게 된다.
그리고 높은 온도의 가스는 반대편 출구(d)로부터 흘러나온다.
원추형 물질(e)는 흐름의 양의 분배를 조절하기 위한 조절밸브이다.
이러한 온도차이의 발생에 의한 메카니즘은 아직 명확하지 않으나 그것은 반경방향에서 정온 차이점을 통해서 튜브(a)내에서 회전하는 동안 주변부분에서는 높은 압력으로 압축되어지기때문에 온도가 상승하고 중심부분에서는 압력이 낮아 팽창하기 때문에 온도가 하강하는 것으로 해석되어진다.
본원 발명자는 상술한 볼텍스 튜브 이론이 적용될 수 있는 정화(집진)장치를 개발한다면 볼텍스 튜브 자체의 구조가 간단한 것이기 때문에 낮은 비용으로 미스트와 더스트는 물론 냄새입자,질소산화물을 동시에 제거할 수 있을 것으로 기대하고 개발에 착수하여 소기의 성과를 얻는데 성공하였고 그 결과로 본 발명을 출원하게 되었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 폐기물의 소각후 발생되는 유해가스를 원통내에서 고속으로 회전시키고 압축공기를 분사하여 온도를 강하시켜 상변화가 일어나도록 함으로써 미스트(mist)를 형성시키고, 이 미스트가 더스트(dust)에 흡수되어 성장하는 현상이 효과적으로 일어나도록 하여 스모그 현상을 일으키는 것으로 알려진 입자크기가 0.01㎛이하의 질소산화물(NOx)까지도 별도의 화학적인 처리과정 없이 제거할 수 있도록 한 저비용고효율의 배기가스 정화장치를 제공하기 위한 것이다.
이와같은 본 발명의 기술적 과제는, 상부가 배기가스 흡입구와 연통되고 하부는 막혀있으며 외측으로 접선에 대하여 25∼35°를 이루는 노즐장공이 형성된 내부원통; 상기 내부 원통의 외부에 설치되어 배기가스가 회전되는 볼텍스 원통; 내주벽에는 상기 노즐장공과 동일방향으로 접선에 대하여 25∼35°를 이루는 압축공기 분사노즐이 구비되고 상기 내부 원통의 하단부위가 위치하도록 상기 볼텍스 원통의 하부에 설치되는 노즐 원통; 상기 노즐 원통의 하부에 설치된 사이클론 챔버; 일측으로 가스가 배출되는 배출구가 형성되고 상기 사이클론 챔버의 하부에 설치된 확개 집진부로 이루어진 배기가스 정화장치에 의하여 달성되어진다.
또한 본 발명은 상기 사이클론 챔버에 2차 내부 원통과 2차 볼텍스 원통, 2차 노즐 원통 및 상기 확개 집진부와 연결된 2차 사이클론 챔버를 부가적으로 더 설치하여 배기가스의 회전력 및 온도강하 현상을 배가 시킴으로써 보다 우수한 정화 효과를 얻을 수 있도록 실시할 수 있다.
도 1은 볼텍스 튜브 이론을 설명하기 위한 도면
도 2는 본 발명의 제 1 실시예로서의 배기가스 정화장치를 보인 단면도
도 3은 본 발명의 내부 원통과 볼텍스 원통을 보인 도 2의 A-A선 단면도
도 4는 본 발명의 압축공기 분사노즐을 보인 도 2의 B-B선 단면도
도 5는 본 발명의 제 2 실시예를 보인 단면도
도 6은 본 발명의 제 3 실시예를 보인 도면
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 배기가스 흡입구 20,20a : 내부 원통
21,21a : 노즐 장공 30,30a : 볼텍스 원통
40,40a : 노즐 원통 41,41a : 압축공기 분사노즐
50,50a : 사이클론 챔버 60 : 확개 집진부
61 : 배출구
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 상부가 배기가스 흡입구(10)와 연통되고 하부는 막혀있으며 외측으로 접선에 대하여 25∼35°를 이루는 노즐장공(21)이 세로로 길게 형성된 내부 원통(20); 상기 내부 원통(20)의 외부에 설치되어 노즐장공(21)을 통과한 배기가스가 회전되는 볼텍스 원통(30); 내주벽에는 상기 노즐장공(21)과 동일방향으로 접선에 대하여 25∼35°를 이루는 압축공기 분사노즐(41)이 구비되고 상기 내부 원통(20)의 하단부위가 위치하도록 상기 볼텍스 원통(30)의 하부에 연통되게 설치되는 노즐 원통(40); 상기 노즐 원통(40)의 하부에 연결 설치된 사이클론 챔버(50); 일측으로 가스가 배출되는 배출구(61)가 형성되고 상기 사이클론 챔버(50)의 하부에 설치된 확개 집진부(60)로 이루어진 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
상기 노즐장공(21)은 노즐 원통(40)의 영역에는 형성되어있지 않고 볼텍스 원통(30)의 영역에만 형성되어있다.
상기 노즐 장공(21)과 압축공기 분사노즐(41)이 원통의 접선에 대하여 이루는 각도는 동일하게 형성하는 것이 바람직하다.
도 5는 상기 사이클론 챔버(50)에 2차 내부 원통(20a)과 2차 볼텍스 원통(30a), 2차 노즐 원통(40a) 및 상기 확개 집진부(60)와 연결된 2차 사이클론 챔버(50a)를 부가적으로 더 설치하여 배기가스의 회전력 및 온도 강하 현상을 배가 시킬 수 있도록 한 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것이다.
상기 2차 내부 원통(20a)의 노즐 장공(21a)은 2차 노즐 원통(40a)의 영역에는 형성되어있지 않고 2차 볼텍스 원통(30a)의 영역에만 형성되며, 상기 2차 내부 원통(20a)의 노즐 장공(21a)과 2차 노즐 원통(40a)의 압축공기 분사노즐(41a)이 원통의 접선에 대하여 이루는 각도는 동일한 경우가 바람직하다.
이와같이 된 본 발명은 배기가스의 종류에 따라 입자가 큰 더스트가 노즐장공(21)을 막을 염려가 있기때문에 일반적인 집진장치에 배기가스 흡입구(10)측을 연결하여 사용할 수도 있다.
배기가스 흡입구(10)로부터 내부 원통(20)에 제공되는 배기가스의 온도는 150∼250℃정도이고 유속은 10∼18m/sec정도 이다.
배기가스 흡입구(10)를 통해 하단부가 막혀있는 내부 원통(20)으로 들어온 배기가스는 노즐장공(21)을 통해 볼텍스 원통(30) 내부로 가속된 상태에서 공급되는데, 노즐장공(21)이 내부 원통(20)의 접선방향에 대하여 25∼35°를 이루고 있기 때문에 배기가스는 초기 회전력을 얻게된다.
초기 회전력이 가해진 배기가스는 노즐 원통(40)의 내벽에 동일한 각도로 설치된 압축공기 분사노즐(41)로부터 분사되는 압축공기에 의해 그 회전력이 배가 되는 동시에 분사된 압축공기의 단열팽창에 의해 온도 강하 현상이 일어난다.
실제로 볼텍스 튜브 이론에서와 같이 확개 집진부(60)의 배출구(61)를 통해 외부로 나오는 가스는 30∼70℃정도 온도가 떨어지게되는 현상을 보인다.
노즐 원통(40)의 영역내에서는 노즐 장공(21)이 형성되어있지 않기때문에 내부 원통(20)에 분사되는 압축공기가 일정한 각도로 부딪혀 단열팽창하는 것과 동시에 압축공기가 배기가스의 회전력을 배가시키는 역활을 하게되는 것으로 노즐 원통(40)내에 내부 원통(20)이 없는 경우 압축공기가 회전하는 배기가스를 뚫고 지나감으로서 가속 효과를 기대하기 어렵다.
사이클론 챔버(50) 역시 배기가스의 회전력을 가속시키는 역활을 하게 된다.
본 발명은 노즐 장공(21)이 볼텍스 원통(30)의 내부 영역에서 배기가스에 회전력을 부여하고, 회전력이 부여된 배기가스는 노즐 원통(40)의 영역에서 가속되는 것과 동시에 온도가 강하되는 것으로 전체적으로 볼때 배기가스를 연속적으로 가속시키는 메카니즘을 갖는 볼 수 있을 것이다.
노즐 장공(21)과 압축공기에 의해 회전력이 가속된 배기가스는 사이클론 챔버(50)의 중심축 부근에서 진공영역(Vacuum Zone)이 생성된다.
회전하는 유체장에서 정압은 회전하는 유체장의 축으로부터의 반경방향위치와 함께 증가 한다.
강력한 회전력이 작용하는 경우 입자상물질은 원심력이 우세하고 이러한 입자상물질은 외부로 움직이며, 가스와 같이 가벼운 성분은 압력이 우세하여 흐름의 내부로 밀리게된다.
이는 입자를 함유한 배기가스가 회전시 입자상물질들이 흐름의 주변을 향하여 밖으로 응집되는 이유이다.
본 발명에서와 같이 강력한 회전력이 작용하면 흐름의 주변에서는 배기가스중에 수증기가 응축된 미스트가 형성되고 이 미스트에는 더스트, CO, SOx, NOx, CO2등의 가스 성분이 1차 용해되고 미스트는 더스트에 흡수되면서 다시 더스트끼리는 응집하면서 입도가 큰 더스트는 확개집진부(60)에 집진되는 것이다.
본원 발명자는 충분한 회전력을 부여할 수 있도록 가속되는 본 발명에 있어서 0.01㎛이하의 냄새입자도 제거함으로써 탈취작용까지 수반함을 확인할 수 있었다.
이하에서는 비용이 과다하게 소요되어 사실상 사용하기 어려운 화학적인 방법(촉매장치)에 의해서만 처리 가능한 것으로 알려진 질소산화물의 경우 본 발명에서 처리되는 과정을 설명한다.
질소산화물인 NO2는 기체로 역겨운 냄새를 유발하고, 스모그 현상을 일으키는 것으로 알려져있다.
가벼운 기체상태인 NO2는 원심력보다 압력에 영향을 받아 배기가스 흐름의 중심부에 형성되어 온도가 강하된 진공영역으로 밀리게 된다.
이렇게 진공영역으로 밀린 NO2는 압축 공기의 단열팽창 현상에 의해 냉각되고 아래 반응식과 같은 2분자 결합 반응에 의해 무색 액체인 사산화질소(N2O4)로 변화한다.
2NO2→N2O4+ Q ----- (1)
위 반응식 1은 가역반응이며 발열반응으로서 대기압하에서 17℃일때 NO2의 존재비율은 "0"으로 떨어져 액체 상태인 사산화질소(N2O4)로 완전히 변화되는 것으로 이 반응은 압력이 증가할때도 오른쪽으로 진행된다.
본 발명의 사이클론 챔버(50)에서는 NO2가 N2O4로 변화된 배기 가스에 미스트에 NO2가 흡착되고 이 미스트는 더스트에 흡수되어 제거된다.
또한 염소 화합물의 소각시 발생되는 다이옥신(Dioxin) 역시 압축공기가 단열팽창시 온도가 강하되면서 상변화를 통해 액화되어 미세한 고체 입자인 탄소에 흡착된다.
아래의 표 1은 본 발명과 기존 설비와의 처리 가능한 성분별 비교표이다.
구 분 여과식 집진기 전기식 집진기 세정식 집진기 중력식 집진기 본 발명
입자상 물질 약 90% 약 90% 약 60% 약 50% 99%
가스상 물질 SOx,NOx,다이옥신 제거 못함 다이옥신 제거 못함 다이옥신 제거못함 제거 못함 완전 제거
2차 오염물질 폐수 폐수 폐수 폐수 전혀 없음
도 5에 도시된 바와 같이 사이클론 챔버(50)에 2차 내부 원통(20a)과 2차 볼텍스 원통(30a), 2차 노즐 원통(40a) 및 상기 확개 집진부(60)와 연결된 2차 사이클론 챔버(50a)를 더 설치하면 배기가스의 회전력 및 온도 강하 현상이 배가 됨은 물론이다.
아래의 표 2는 도 5에서와 같은 본 발명을 가동한 상태와 가동하지 않은 상태에서 오염물질의 정화 정도를 측정한 결과이다.
측정 횟수 오염 물질 가스인입농도 측정 결과 소각물
배출구 측정농도 본 발명의 효율
본 발명미 가동시 본 발명가동시
1차 더스트 - 273.3 4.12 - 폐타이어
SOx 217.2 - 불검출 100.0%
NOx 69.0 30.0 불검출 100.0%
CO 200.0 500.0 불검출 100.0%
HCl 35.0 - 불검출 100.0%
2차 더스트 473.7 200.84 6.8 98.6% 폐타이어PVC 파이프
SOx 215.6 125.83 1.6 99.2%
NOx 80.0 24.2 3.5 95.6%
CO 1440.0 1049.7 5.0 99.6%
HCl 235.2 24.78 0.8 99.7%
Cl2 1.8 0.7 0.06 99.7%
페놀 12.4 2.13 0.5 96.0%
도 6은 본 발명의 볼텍스 튜브 이론을 이용한 배기가스 정화장치를 처리용량에 따라 6개 설치한 상태를 보인 예시도이다.
본 발명은 폐기물의 소각후 발생되는 유해가스를 원통내에서 고속으로 회전시키고 압축공기를 분사하여 온도를 강하시켜 상변화가 일어나도록 함으로써 미스트(mist)를 형성시키고, 이 미스트가 더스트(dust)에 흡수되어 성장하는 현상이 효과적으로 일어나도록 하여 스모그 현상을 일으키는 것으로 알려진 입자크기가 0.01㎛이하의 질소산화물(NOx)까지도 별도의 화학적인 처리과정 없이 제거할 수 있도록 한 저비용고효율의 배기가스 정화장치에 관한 것이다.

Claims (7)

  1. 상부가 배기가스 흡입구(10)와 연통되고 하부는 막혀있으며 외측으로 접선에 대하여 25∼35°를 이루는 노즐장공(21)이 세로로 길게 형성된 내부 원통(20); 상기 내부 원통(20)의 외부에 설치되어 노즐장공(21)을 통과한 배기가스가 회전되는 볼텍스 원통(30); 내주벽에는 상기 노즐장공(21)과 동일방향으로 접선에 대하여 25∼35°를 이루는 압축공기 분사노즐(41)이 구비되고 상기 내부 원통(20)의 하단부위가 위치하도록 상기 볼텍스 원통(30)의 하부에 연통되게 설치되는 노즐 원통(40); 상기 노즐 원통(40)의 하부에 연결 설치된 사이클론 챔버(50); 일측으로 가스가 배출되는 배출구(61)가 형성되고 상기 사이클론 챔버(50)의 하부에 설치된 확개 집진부(60)로 이루어진 볼텍스 튜브 이론을 이용한 배기가스 정화장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 노즐 장공(21)은 노즐 원통(40)의 영역에는 형성되어있지 않고 볼텍스 원통(30)의 영역에만 형성되어있는 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브 이론을 이용한 배기가스 정화장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 노즐 장공(21)과 압축공기 분사노즐(41)이 원통의 접선에 대하여 이루는 각도가 동일한 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브 이론을 이용한 배기가스 정화장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 사이클론 챔버(50)에 2차 내부 원통(20a)과 2차 볼텍스 원통(30a), 2차 노즐 원통(40a) 및 상기 확개 집진부(60)와 연결된 2차 사이클론 챔버(50a)를 더 연결 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브 이론을 이용한 배기가스 정화장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 2차 내부 원통(20a)의 노즐 장공(21a)은 2차 노즐 원통(40a)의 영역에는 형성되어있지 않고 2차 볼텍스 원통(30a)의 영역에만 형성되어있는 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브 이론을 이용한 배기가스 정화장치.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 2차 내부 원통(20a)의 노즐 장공(21a)과 2차 노즐 원통(40a)의 압축공기 분사노즐(41a)이 원통의 접선에 대하여 이루는 각도가 동일한 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브 이론을 이용한 배기가스 정화장치.
  7. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서, 상기 배기가스 흡입구(10)가 2개 이상의 내부 원통(20)에 연통되게 설치된 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브 이론을 이용한 배기가스 정화장치.
KR10-2001-0053129A 2001-05-02 2001-08-31 볼텍스 튜브 이론을 이용한 배기가스 정화장치 KR100438284B1 (ko)

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