KR101001227B1

KR101001227B1 - 멤브레인 필터를 이용한 산소부화공기 제조장치

Info

Publication number: KR101001227B1
Application number: KR1020090028585A
Authority: KR
Inventors: 김정호
Original assignee: 주식회사 한국에너지관리
Priority date: 2009-04-02
Filing date: 2009-04-02
Publication date: 2010-12-15
Also published as: KR20100110153A

Abstract

본 발명은 산소부화장치를 이용하여 대기중의 산소를 8~10%정도 증가시킨 고농도의 산소부화공기를 연속적으로 생산하여, 고농도의 산소부화공기를 대량으로 필요로하는 해당산업 현장에 적용할 수 있도록 하는 멤브레인 필터를 이용한 산소부화공기 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기여과기→송풍기→멤브레인 필터→진공펌프기→기수분리기→탈습기→온압탱크→공기예열기→연소장치의 순서로 구성된 장치시스템이 자동제어반에 의하여 자동제어되면서 산소부화공기를 생산함에 있어서, 공기압축기를 이용한 압축공기를 공급하는 방식을 지양하고 일반 송풍기를 이용한 공기공급 방식을 채택하여 공기여과기를 통과한 공기를 멤브레인 필터에 공급하고, 멤브레인 필터의 부화공기 출구부에는 진공펌프를 통한 감압에 의하여 산소가 멤브레인 필터의 고분자막을 용이하게 통과할 수 있도록 하는 방법에 의하여 저동력으로도 대용량의 산소부화공기를 생산할 수 있도록 함으로써, 고농도의 산소부화공기를 대량으로 필요로하는 산업현장에 본 기술을 공급하여 해당산업의 원가를 획기적으로 절감하고 경쟁력을 강화할 수 있는 멤브레인 필터를 이용한 산소부화공기 제조장치에 관한 것이다.

멤브레인, 필터, 산소부화, 부화공기, 송풍기, 진공펌프, 공기분리.

Description

멤브레인 필터를 이용한 산소부화공기 제조장치{OXYGEN ENRICHED AIR GENERATING DEVICE}

본 발명은 산소부화장치를 이용하여 대기중의 공기에 비해 약 8~10%정도 산소의 농도를 증가시킨 고농도의 산소부화공기를 연속적으로 생산하여, 고농도의 산소부화공기가 대량으로 요구되는 해당산업 현장에 적용할 수 있도록 하는 멤브레인 필터를 이용한 산소부화공기 제조장치에 관한 것으로, 질소 약 78%, 산소 약 21%, 기타 1%로 구성되어 있는 대기중의 공기를 롤형 멤브레인 필터를 이용한 막 분리법을 적용하여 산소를 부화시킴으로써, 질소 약 69%, 산소 약 30%, 기타 1%로 구성되어진 산소부화공기를 저동력으로 대량생산할 수 있는 멤브레인 필터를 이용한 산소부화공기 제조장치에 관한 기술분야이다.

본 발명은 산소부화장치를 이용하여 공기에 비해 약 8~10%정도 산소가 증가된 고농도의 산소부화공기를 연속적으로 생산하여, 고농도의 산소부화공기가 대량으로 요구되는 해당산업 현장에 적용할 수 있도록 하는 멤브레인 필터를 이용한 산소부화공기 제조장치에 관한 것으로, 현재까지 개발된 연소기술중 연료절감 및 대기오염 저감장치로써 가장 우수하다고 할 수 있는 연소기술은 에멀젼 방식의 기술 이라고 할 수 있으나, 상기 에멀젼 방식의 연소기술은 기름의 입자를 미세한 균질의 입자로 파쇄시킴과 동시에 기름에 적정량의 물을 혼합하여 유중수핵 형태의 미세입자로 유중에 분산시켜 연소를 시킬 때 미세분산되어 있는 유중의 수핵이 미세폭발을 일으키게 하여 분무입자를 미세 분산시킴으로써 산소공기와의 접촉을 원활하게 하여 연소효율을 높이고 배기중의 미연 탄소를 대폭 감소시킬 수 있는 장점이 있으나, 상기의 에멀젼 연소기술은 액체연료에만 적용이 가능한 것으로 석탄이나 LNG를 연료로 사용하는 연소장치에는 적용이 불가능한 문제점이 있고, 결정성 고체물질인 제올라이트 및 실리카와 같은 화합물의 흡,탈착 원리를 이용하여 질소와 산소를 분리하여 산소를 부화하는 PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식은 압축공기를 공급하기 위한 공기압축기에서 다량의 동력이 소모됨으로써 에너지 효율이 극도로 떨어지는 등의 문제점이 있고, 일본의 PANASONIC사와 미국의 AIR PRODUCT사에서 평판형 멤브레인 방식의 산소부화공기 제조장치를 개발하였으나 장치가 복잡하고 대형이며 고가인 관계로 아직은 상용화되지 못하고 있는 등의 문제점을 배경기술로 하는 멤브레인 필터를 이용한 산소부화공기 제조장치에 관한 것이다.

본 발명은 산소부화장치를 이용하여 공기에 비해 약 8~10%정도 산소의 농도가 증가된 고농도의 산소부화공기를 연속적으로 생산하여, 고농도의 산소부화공기가 대량으로 요구되는 해당산업 현장에 적용할 수 있도록 하는 멤브레인 필터를 이용한 산소부화공기 제조장치에 관한 것으로, 저동력으로 대용량의 산소부화공기를 대량으로 생산할 수 있는 산소부화공기 제조장치를 개발하여 연소분야, 수경재배분야, 양식장 분야, 제습 장치분야 등에 적용을 함으로써 고유가 시대에 에너지 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 멤브레인 필터를 이용한 산소부화공기 제조장치를 제공하는 것을 목적과제로 한다.

본 발명은 산소부화장치를 이용하여 공기에 비해 약 8~10%정도 산소의 농도가 증가된 고농도의 산소부화공기를 연속적으로 생산하여, 고농도의 산소부화공기가 대량으로 요구되는 해당산업 현장에 적용할 수 있도록 하는 멤브레인 필터를 이용한 산소부화공기 제조장치에 관한 것으로, 상기와 같은 목적과제를 해결하기 위하여 공기여과기→송풍기→멤브레인 필터→진공펌프기→기수분리기→탈습기→온압탱크→공기예열기→연소장치의 순서로 구성된 장치시스템이 자동제어반에 의하여 자동제어되면서 산소부화공기를 생산함에 있어서, 종래의 PSA 방식에 있어 공기여과기를 통과한 공기를 공기압축기를 이용하여 압축하여 압축공기를 공기필터 모듈 유니트에 공급하는 방식을 지양하고, 일반 송풍기를 이용하여 멤브레인 필터에 공 기를 공급하는 방식을 채택하여 일반 송풍기로 공기를 공급하고, 멤브레인 필터의 반대편 배관에 연결된 부화공기 출구부에는 진공펌프를 통한 감압에 의하여 산소부화공기를 흡입하도록 함으로써, 전 단계에서 산소가 멤브레인 필터의 고분자막을 압력차에 의하여 용이하게 통과할 수 있도록 하는 방법을 개발함으로써 저 동력으로도 대용량의 산소부화공기를 생산할 수 있는 것이다.

본 발명은 산소부화장치를 이용하여 공기에 비해 약 8~10%정도 산소의 농도가 증가된 고농도의 산소부화공기를 연속적으로 생산하여, 고농도의 산소부화공기가 대량으로 요구되는 해당산업 현장에 적용할 수 있도록 하는 멤브레인 필터를 이용한 산소부화공기 제조장치에 관한 것으로, 상기와 같은 멤브레인 필터를 이용한 산소부화공기 제조장치를 직접 산업현장에 적용함으로써 저동력으로도 대량의 부화산소공기를 생산하여 연소장치, 수경재배와 양식장의 산소공급장치, 제습장치 등에 공급할 수 있게 되어 종래의 에멀젼 방식과 PSA 방식 등에 비하여 약 20배에 달하는 에너지 절감효과를 가져올 수 있는 것이다.

본 발명은 산소부화장치를 이용하여 공기에 비해 약 8~10%정도 산소의 농도가 증가된 고농도의 산소부화공기를 연속적으로 생산하여, 고농도의 산소부화공기가 대량으로 요구되는 해당산업 현장에 적용할 수 있도록 하는 멤브레인 필터를 이용한 산소부화공기 제조장치에 관한 것으로, 이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 멤브레인 필터를 이용한 산소부화공기 제조장치의 개략 공정 과정도를 나타낸다.

도 2는 멤브레인 필터의 내부 구조를 도시한 사시도를 나타낸다.

도 3은 멤브레인 필터의 사시도를 나타낸다.

도 1 내지 도 3을 다함께 참조하면 먼저, 도 1의 산소부화공기 제조장치의 개략 공정 과정도에서는 공기여과기(10)를 통하여 공기 중의 먼지 및 각종 이물질 들이 여과되어 걸러지고, 여과된 공기는 송풍기(11)에 의하여 송풍관(11a)을 통하여 멤브레인 유닛(12)으로 보내어 지는바, 상기의 멤브레인 유닛(12)으로의 송풍단계에서 기존의 PSA 방식에서는 일반 대기공기의 송풍방식이 아닌 압축공기를 공급하였던 것으로 상기 압축공기를 공급하기 위한 압축기의 가동에 있어서 본 발명의 송풍방식에 비하여 20배 정도의 상당한 량의 동력이 소모되면서도 대용량의 산소부화공기의 생산은 가능하지 않았으나, 본 발명은 압축공기 대신에 여과된 일반 공기 즉, 질소 약 78%, 산소 약 21%, 기타 약 1%의 성분비율로 구성된 공기를 송풍기(11)를 이용하여 저동력으로 멤브레인 유닛(12)에 대량공급하여 대용량의 산소부화공기를 생산하는 장치시스템이므로 먼저, 동력 소모적인 측면에서는 기존의 약 1/20수준에 해당하는 에너지만 소요됨으로써 에너지 효율이 극대화되었음을 알 수 있는 것이다.

상기와 같은 방식으로 멤브레인 유닛(12) 내부의 다수의 멤브레인 필터(12a)에 의하여 질소 약 69%, 산소 약 30%, 기타 약 1%의 비율로 부화된 대용량의 산소부화공기가 진공펌프(13)에 의하여 부화산소관(12c)을 경유하여 부화공기 토출 관(13a)을 통하여 기수분리기(14)로 연속적으로 토출이 되는바, 상기의 내용을 도 2를 참조하여 더욱 구체적으로 살펴보면, 먼저 도 1에서 멤브레인 유닛(12)의 내부로 공급된 공기를 멤브레인 필터(12a)에서 질소와 산소를 용이하게 분리하기 위하여 도 2에서와 같이 멤브레인 필터(12a)의 진공배출구(23c)와 부화산소 관(12c)에 의하여 연통되어 있는 진공펌프(13)를 작동시켜 멤브레인 필터(12a)의 중심관(23a) 내부를 항상 -0.07~-0.08MPa의 상태로 진공을 걸어줌으로써, 멤브레인 필터(12a)의 제 1멤브레인 막(20a)과 필터 외 막(30) 내부의 제 2멤브레인 막(20b)의 사이 공간의 흡입된 대기공기가 압력차에 의하여 가장자리 부의 제 2멤브레인 막(20b)과 제 2스페이스 막(21b) 및 중심관(23a)부의 제 1멤브레인막(20a)과 제 1스페이스 막(21a)을 산소가 질소보다 두세배의 빠른 속도로 통과하여 중심관(23a)의 수십 공의 진공흡입구(23b)를 통하여 중심관(23a) 내부로 흡입되어 제 1밀봉링(22a)측 진공배출구(23c)를 통하여 부화산소관(12c)으로 부화산소공기가 배출되어 진공펌프(13)의 부화공기 토출관(13a)을 경유하여 기수분리기(14)로 연속적으로 토출되어 공급되는 것인데, 상기에 있어서 중심관(23a) 내부를 항상-0.07~-0.08MPa의 진공이 걸리도록 유지하는 이유는 상기의 0.08MPa진공 범위를 초과할 경우에는 산소부화 농도가 33%이상이 되어 폭발의 위험성이 있으며, -0.07MPa이하일 경우에는 적정산소부화량 약 8~10%에 미달하기 때문이다.

상기와 같이 작동되는 멤브레인 유닛(12) 내부의 멤브레인 필터(12a)에 의한 일반 공기의 산소부화 과정을 좀더 상세히 살펴보면, 멤브레인 필터(12a)의 제 1밀봉 링(22a)의 밀봉 링 흡입구(22c)를 통하여 멤브레인 필터(12a)의 내부로 공급되 는 공기는 제 2스페이스 막(21b)과 제 2멤브레인 막(20b)을 중심관(23a) 방향으로 진공압력차에 의하여 1차로 통과하고 다시 제 1멤브레인 막(20a)과 제 1스페이스 막(21a)을 2차로 통과하게 되는데 이 과정에서 산소가 두 멤브레인 막(20a)(20b)을 질소보다 두세 배정도 더 빨리 통과하고 산소가 빠져나간 공기는 질소가 두세 배정도 더 부화 되어 제 2밀봉 링(22b)의 배출구와 연통된 질소 배출 부(12b)로 배출이 되는 것으로, 상기의 제 2 밀봉 링(22b)의 중심부에 돌출된 중심관(23a)의 끝단 부는 밀폐차단되어 중심관 차단부(23d)를 형성하게 함으로써 제 1밀봉 링(22a) 쪽으로의 중심관(23a)의 진공 걸림이 용이하도록 하였으며, 흡입공기가 멤브레인 막(20a)(20b)을 용이하게 통과하도록 중심관(23a) 내부를 항상 -0.07~-0.08MPa의 진공이 걸리도록 하여 줌으로써 산소가 상기 멤브레인 막(20a)(20b)을 통과하면 산소량이 부화되어 질소 약 69%, 산소 약 29%, 기타 1%의 부화산소 공기가 생산되는 것이다.

상기와 같은 방법에 의하여 질소 약 69%, 기타 약 1%, 산소가 약 30%까지 부화된 부화산소공기는 진공펌프(13)의 부화공기 토출관(13a)을 통하여 기수분리기(14)로 공급되어 산소부화공기 중의 수분 및 유분이 1차로 분리되고 탈습기(15)로 공급되어 미분의 습기가 완전히 탈습된 후 온압 탱크(16)로 공급되어 연소장치(18)로 분사될 산소부화공기의 분사압력이 연소장치(18)의 종류에 적응되도록 조정이 된 다음 연소장치(18)의 배기관을 우회시켜 폐열을 이용한 열 교환식 예열기(17)로 공급된 후 부화산소 노즐을 통하여 연소장치(18)에 산소부화공기가 분사공급되는 것이다.

상기에 있어서 기수분리기(14c)의 토출 측에 장치된 산소농도 검출장치(14c)를 통과하는 산소부화공기의 산소농도가 설정치보다 낮거나 높을 때는 중앙제어 장치(19)에서 부화산소 관(12c)에 장치된 발라스트 밸브(12d)를 자동 개폐하여 설정된 산소농도가 항상 자동제어되어 유지되도록 되어 있으며, 기수 분리기(14)의 수위가 상승하면 수위센서(14b)가 감지하여 중앙제어 장치(19)에 신호를 보내면 상기 중앙제어 장치(19)가 드레인용 전자 변(14a)을 개폐하여 수위를 자동조절할 수 있는 멤브레인 필터(12a)를 이용한 산소부화공기 제조장치에 관한 것이다.

도 3은 멤브레인 필터의 사시도를 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(10)--공기여과기 (11)--송풍기

(11a)--송풍 관 (12)--멤브레인 유닛

(12a)--멤브레인 필터 (12b)--질소 배출 부

(12c)--부화산소 관 (12d)--발라스트 밸브

(13)--진공 펌프 (13a)--부화공기 토출 관

(14)--기수 분리기 (14a)--드레인용 전자 변

(14b)--수위 레벨 센서 (14c)--산소농도 검출장치

(15)--탈습 기 (16)--온압 탱크

(17)--예열기 (18)--연소장치

(19)--중앙제어반 (20)--분해 멤브레인 필터

(20a)--제 1멤브레인 막 (20b)--제 2멤브레인 막

(21a)--제 1스페이스 막 (21b)--제 2스페이스 막

(22a)--제 1밀봉 링 (22b)--제 2밀봉 링

(22c)--밀봉링 흡입구 (23a)--중심관

(23b)--진공흡입 구 (23c)--진공배출구

(23d)--중심관 차단 부 (30)--필터 외막

Claims

멤브레인 필터를 이용한 산소부화공기제조장치에 있어서,

공기여과기(10)를 통과하여 공기중의 먼지 및 각종 이물질들이 여과되어 걸러지고,

여과된 공기는 송풍기(11)에 의해 송풍관(11a)를 통하여 멤브레인 유닛(12)으로 보내고,

멤브레인 유닛(12)의 내부에 장착된 다수의 원통형의 멤브레인 필터(12a) 내부로 흡입된 공기가 가장자리부의 산소부화용 고분자막인 제 2멤브레인 막(20b)과 지지막인 제 1멤브레인 막(20a)을 통과한 후 진공펌프(13)을 작동시켜,

상기 멤브레인 필터(12a)에서 진공상태가 형성된 중심관(23a)을 통과하여 진공배출구(23c)를 통하여 질소 69%, 산소 30%, 기타 1%의 대용량 산소부화공기가 배출되어,

진공펌프(13)의 부화공기 토출관(13a)을 경유하여 기수분리기(14)로 공급되고,

산소부화공기 중의 수분 및 유분이 1차로 분리되고 탈습기(15)로 공급되어 미분의 습기가 완전히 탈습된 후,

온압탱크(16)로 공급되어 공기예열기(17)를 거쳐 연소장치(18)에 공급되는 순서로 구성된 산소부화 장치시스템이 자동제어반(19)에 의하여 자동제어되고, 멤브레인 필터(12a)를 이용하는 산소부화공기 제조장치.
청구항 1에 있어서,

멤브레인 유닛(12)의 다음 단계에 진공펌프(13)를 설치·가동하여, 멤브레인 유닛(12)의 내부에 장착된 멤브레인 필터(12a)의 중심관(23a)을 -0.075MPa의 진공상태를 유지시켜 산소부화공기의 산소농도는 29%가 되며 일정한 산소농도와 일정한 토출양을 유지 하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 필터(12a)를 이용하는 산소부화공기 제조장치.
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