KR101126166B1 - 바이오매스 보일러 가스 분석 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오매스 보일러 가스 분석 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 바이오매스 보일러의 공정 중에 가스 분석기를 설치하여 유해가스의 발생 및 농도를 측정하여 이를 제거하기 위한 약품을 적절하게 투입하게 하기 위한 바이오매스 보일러 가스 분석 시스템에 관한 것이다.

바이오매스, 가스 분석 장치

Description

바이오매스 보일러 가스 분석 시스템{Gas Analyzing System for Biomass Boiler}

본 발명은 바이오매스 보일러 가스 분석 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 바이오매스 보일러의 공정 중에 가스 분석기를 설치하여 유해가스의 발생 및 농도를 측정하여 이를 제거하기 위한 약품을 적절하게 투입하게 하기 위한 바이오매스 보일러 가스 분석 시스템장치에 관한 것이다.

바이오매스란 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의하여 생성되는 식물체, 균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물유기체를 일컫는다.

따라서, 바이오매스 자원은 곡물, 감자류를 포함하는 전분질계의 자원과 초본, 임목과 볏짚, 왕겨와 같은 농부산물을 포함하는 셀룰로스계의 자원과 사탕수수, 사탕무우와 같은 당질계의 자원은 물론이고 가축의 분뇨, 사체와 미생물의 균체를 포함하는 동물 단백질계의 자원까지를 포함하는 다양한 성상을 가지고 있다.

바이오 에너지는 인류가 불을 사용한 이래로 오늘날의 화석연료와 제3의 에 너지라 불리는 원자력이 등장하기 전까지 그야말로 제1의 에너지원의 자리를 지켜온 재생가능하며 환경 친화적인 에너지이다. 현재도 바이오 에너지는 전세계 에너지원의 10% 정도를 공급하고 개발 도상국에서는 자국 에너지 소비의 90% 이상을 이에 의존하고 있는 경우도 있다.

최근에 이르러서는 화석연료의 과다한 사용이 범지구적 환경문제를 야기함에 따라 스웨덴, 프랑스, 덴마크를 포함하는 유럽과 미국, 캐나다 등 북미 선진국들도 바이오 에너지를 공급하여 화석연료 사용을 줄이고 있다.

이와 관련하여 기존의 석탄을 이용하는 보일러와는 다른 바이오매스 고체연료를 이용하는 보일러에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

보통 바이오매스 고체연료는 에너지 전용의 작물과 나무, 농산품과 사료작물, 농장 폐기물과 찌꺼기 등의 폐기물에서 추출된 재생 가능한 에너지이다.

이러한 바이오매스 고체연료를 사용할 경우에 에너지를 자급자족할 수 있을 뿐 아니라 환경오염을 크게 줄일 수 있는 이점이 있다.

바이오매스 고체연료를 이용하기 위한 현재의 보일러 연소 방식은 크게 종래 석탄을 연료로 하기 위해 사용되고 있는 컨베이너 벨트나 체인 구동식의 이동격자화 방식과, 우드펠릿을 주로 연소시키기 위해 사용되고 있는 버너타입, 도가니타입, 접시타입 등으로 구분된다.

이러한 바이오매스 보일러의 경우에는 연소과정에서 여러 유해가스가 발생하게 되며, 이를 제거하기 위해 추가적인 약품을 투입한다. 예를 들어, 파이프의 고온 부식을 방지하기 위해 황성분을 투입하고, NOx 제거를 위해 SNCR 요소를 투입한 다. 또한, SOx, HCl, HF(불화수소)를 제거하기 위해 소석회를 투입하고, 다이옥신, 퓨란을 흡착하기 위해 활성탄을 투입하기도 한다.

따라서 이러한 유해가스의 발생 및 그 농도를 측정하고 이의 피드백을 통해 유해가스를 제거하는 것이 중요하고, 이러한 유해가스를 제거하기 위한 적당한 약품을 선정하여 적정한 용량을 투입하는 것이 매우 중요하다. 이의 경우, 가스의 샘플링 지점(측정 지점)을 적절하게 선택하는 것이 중요하다.

이때, 최종적으로 공기 중으로 배출되는 가스의 성분을 분석하여 투입되는 약품을 조절하는 경우에는 그 반응성이 늦어지게 되어 적절한 약품의 투입 효과를 얻기 어렵게 되는 문제점이 있다. 특히 바이오매스 보일러의 경우에는 복잡한 여러 단계를 거치고, 많은 약품이 투입되기 때문에 가스 분석기의 적정 위치를 선택하는 것은 매우 중요하다.

따라서, 상기의 문제를 해결하기 위해 바이오매스 보일러의 전체 공정 중에서 적절한 위치에 가스 분석기를 설치하여 바이오매스 보일러에서 발생하는 유해가스를 분석하여, 이를 제거하기 위한 약품을 적절하게 투입하는 것을 목적으로 한다.

특히, 가스 분석기의 설치 위치 및 그 구조를 바이오매스 보일러 공정에 최적으로 함으로서, 그 운용의 효율성을 극대화하는 것을 목적으로 한다.

또한, 가스 내에 포함되어 있는 분진을 제거하는 여과 집진 장치 전에 가스 분석기를 설치하는 경우 발생할 수 있는 가스 분석기 내로의 분진 등 이물질의 유입을 방지하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 바이오매스 가스 분석 시스템은 다음과 같은 과제 해결 수단을 제공한다.

바이오매스 연료를 연소하여 고온의 가스를 발생시키는 가열부(100)와, 가스의 열을 흡수하는 열교환기(111)가 제공되는 열교환부(110)와, 상기 열교환기(110)를 통과한 가스의 분진을 제거하는 여과 집진 장치(Bag Filter)(140)와, 가스를 대기 중으로 배출하는 굴뚝(150)과, 상기 열교환부(110)와 상기 여과 집진 장치(140)의 사이에 제공되는 가스 분석 장치(10)를 포함하는 바이오매스 보일러 가스 분석 시스템에 있어서, 상기 가스 분석 장치(10)는, 가스가 유입되고, 중력이 작용하는 방향으로 개구부가 형성된 적어도 하나 이상의 가스 유입구(23)가 제공되는 가스 유입부(20)와, 상기 가스 유입부(20)의 하류측에 제공되고, 유입된 가스의 성분을 분석하기 위한 가스 분석 모듈(50)이 제공되는 가스 분석 공간(40)과, 상기 가스 분석 공간(40)의 하류측에 제공되고, 상기 가스를 상기 열교환부(110)의 하류측으로 배출하는 가스 배출부(30)와, 상기 가스 유입부(20)와 상기 가스 분석 공간(40) 사이에 제공되고, 유입되는 가스량을 조절하는 제1 밸브(21)와, 상기 가스 분석 공간(40)과 상기 가스 배출부(30) 사이에 제공되고, 배출되는 가스량을 조절하는 제2 밸브(31)를 포함한다.

또한, 상기 가스 분석 장치(10)와 상기 여과 집진 장치(140) 사이에 소석회 투입부(131) 및 활성탄 투입부(132)를 더 포함한다.

또한, 상기 가스 유입구(23)에는 가스의 분진을 제거하는 필터가 제공된다.

본 발명은 상기의 과제 해결 수단을 통해 바이오매스 보일러의 전체 공정 중에서 적절한 위치에 가스 분석기를 설치하여 바이오매스 보일러에서 발생하는 유해가스를 분석하여, 이를 제거하기 위한 약품을 적절하게 투입하게 하는 효과를 제공한다.

특히, 가스 분석기의 설치 위치 및 그 구조를 바이오매스 보일러 공정에 최적으로 함으로서, 그 운용의 효율성을 극대화하는 효과가 있다.

또한, 가스 내에 포함되어 있는 분진을 제거하는 여과 집진 장치 전에 가스 분석기를 설치하는 경우 발생할 수 있는 가스 분석기 내로의 분진 등 이물질의 유입을 방지하는 효과가 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1은 바이오매스 보일러 시스템의 전체 공정 구성도이다. 바이오매스 연료는 가열부(100) 내에서 가열되어 연소된다. 이때 열교환기(111)를 구성하는 파이프의 부식을 방지하기 위해 황을 투입한다. 또한, 바이오매스 연료의 연소 시에 발생하는 NOx 성분을 제거하기 위해 SNCR 요소 성분을 투입부(101)를 통하여 액체상태로 투입한다.

가열부(100)를 통과한 가스는 고온의 가스이다. 이러한 고온의 가스는 가열부(100)와 연결되어 있고, 열교환기(111)를 포함한 열교환부(110)를 통과하면서, 열에너지를 제공한다. 일반적인 열교환기(111)의 구조는 액체가 흐르는 파이프로 되어 있고, 고온의 가스의 열에너지를 파이프 내의 액체로 공급하여 열에너지의 교환이 이루어지는 구조이다.

열교환부(110)를 통과한 가스는 열교환부 하부(120)에 위치하게 되고, 열교환부 하부(120)에는 가스 분석 장치(10)가 제공된다.

열교환부 하부(120)를 통과한 기체는 SOx, HCl, HF(불화수소)를 제거하기 위해 SDR 소석회 투입부(130)를 거치게 된다.

이후, 가스는 연속적으로 다이옥신 제거 및 퓨란 흡착을 위해 활성탄 투입부(131)를, 소석회(slurry) 타입의 대체로서 소석회 분말 투입부(132)를 더욱 거치게 된다.

이후, 가스에 함유되어 있는 분진 등의 이물질을 제거하기 위해 여과 집진 장치(Bag filter)(140)를 통과하게 되는데, 가스가 여과 집진 장치를 통과하기 전에 여과 집진 장치를 보호하기 위한 프리코팅(Pre-coating) 약품 투입부(133)를 거치게 된다.

여과 집진 장치(140)를 통과한 기체는 굴뚝(150)을 통과하여 최종적으로 대기중으로 배출하게 된다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 의한 바이오매스 보일러 가스 분석 장치의 구성도이다.

본 발명에 사용되는 가스 분석 장치(10)는 가스가 유입되고, 중력이 작용하는 방향으로 개구부가 형성된 적어도 하나 이상의 가스 유입구(23)가 제공되는 가스 유입부(20)와, 가스 유입부(20)의 하류측에 제공되고, 유입된 가스의 성분을 분석하기 위한 가스 분석 모듈(50)이 제공되는 가스 분석 공간(40)과, 가스 분석 공간(40)의 하류측에 제공되고, 상기 가스를 상기 열교환부(110)의 하류측으로 배출하는 가스 배출부(30)와, 가스 유입부(20)와 가스 분석 공간(40) 사이에 제공되고, 유입되는 가스량을 조절하는 제1 밸브(21)와, 가스 분석 공간(40)과 가스 배출부(30) 사이에 제공되고, 배출되는 가스량을 조절하는 제2 밸브(31)를 포함한다.

가스 분석 장치(10)는 열교환부(110)와 여과 집진 장치(140)의 사이에 제공되는 것이 바람직하다. 일반적으로 가스 분석 장치(10)를 여과 집진 장치(140)를 통과한 후에 설치하게 되면, 여과 집진 장치(140)의 필터에 의해 가스 성분이 걸러지게 되어, 정확한 가스 분석이 어렵게 된다. 따라서 가스가 여과 집진 장치(140)를 통과하기 전, 보일러의 열교환부(110)를 통과한 후에 가스 채취를 하여 분석을 하는 것이 바이오매스 보일러에서 가장 효율적이라 할 수 있다.

다만, 가스 분석 장치(10)가 여과 집진 장치(140)를 통과하기 전의 가스에 대해 샘플링 작업을 수행하기 때문에, 가스 내에 함유된 다량의 분진에 의한 문제가 발생할 수 있다. 따라서 본 발명의 가스 분석 장치(10)는 가스 유입구(23)가 중력이 작용하는 방향으로 개구부가 형성되어 있다. 중력이 작용하는 방향이란 일반적으로 지면쪽의 아래 방향을 의미한다. 가스 내에 함유된 분진 등의 이물질은 일반적으로 위에서 아래 방향으로 중력에 의해 이동하기 때문에, 개구부를 아래방향으로 설치하면 가스 분석 공간(40) 내부로의 분진 등의 이물질의 유입을 방지할 수 있다.

또한, 가스 유입부(20)에 가스를 강제로 흡입할 수 있는 장치를 다는 것도 가능하다. 하지만, 이 경우에는 분진 등이 받는 중력에 의한 힘보다 더 큰 힘이 작용하면 분진 등이 가스 분석 공간(40) 내부로 유입될 수 있으므로 주의하여야 한다.

이를 방지하기 위해 가스 유입구(23)에는 가스의 분진을 제거하는 필터를 제 공하는 것이 바람직하다.

가스 배출부(30)은 가스 유입부(20)보다 아래 쪽에 위치하는 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는 도 3에 도시된 바와 같이, 열교환부 하부(120)의 구조를 J 자형태로 제공하고, 상측에는 가스 유입부(20)를, 하측에는 가스 배출부(30)를 연결하는 것이 바람직하다.

하측에 가스 유입부(20)를 두는 경우에는 중력에 의해 가스의 분진이 열교환부 하부(120)에 집중되어 있으므로 가스 분석 공간(40)으로 분진이 유입될 가능성이 높아, 이를 방지하기 위함이다.

가스 배출부(30)는 도 3에서 도시된 바와 같이, J자형의 열교환부 하부(120)에서 가장 아래쪽에 위치시키는 것 보다는 가스가 가장 아래쪽을 통과하여 다시 위로 상승하는 쪽에 두는 것이 바람직하다.

열교환부 하부(120)의 가장 아래쪽을 통과하면서 분진 등이 많이 가라앉아 있는 상태이고, 가스가 상기 위치를 통과한 후에는 비교적 분진 등이 없는 상태가 되기 때문이다. 따라서 분진 등이 가스 배출부(30)를 통해 가스 분석 공간(40)으로 역유입되는 것을 방지할 수 있다.

가스 분석 공간(40)에는 가스 분석 모듈(50)이 제공된다. 가스 분석 모듈(50)은 가스 채취 프로브(51)가 가스 분석 공간(40) 내에 위치하여 가스의 성분 분석을 수행한다. 복수 성분을 동시에 분석할 수 있도록 제공되는 것이 바람직하다.

가스 분석 장치(10)에서 분석된 유해가스의 성분 및 농도에 따라 이를 제거하기 위한 조치 등이 수행된다. 특히, 가스 분석 장치(10)와 여과 집진 장치(140) 사이에 소석회 투입부(130, 131) 및 활성탄 투입부(132)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 바이오매스 보일러에서 발생하는 유해가스는 SOx, HCL, HF, 다이옥신 등이기 때문에 이를 제거할 수 있는 소석회 및 활성탄을 곧바로 투입하는 것이다.

소석회는 SDR 소석회 투입부(130)와 소석회 분말 투입부(131)를 통해 투입된다.

기존의 보일러에서는 가스 분석 장치(10)를 여과 집진 장치(140)를 통과한 후, 대기로 배출되기 직전 굴뚝(150)에 설치하여 유해가스를 제거하려고 하였기 때문에, 즉각적인 반응이 어려워 그 효율성이 큰 문제가 있었다.

본 발명에 의한 바이오매스 보일러 가스 분석 시스템은 가스 분석 장치(10)를 열교환부(110)와 여과 집진 장치(140)의 사이에 제공하고, 가스 분석 결과에 따라 즉각적으로 약품을 투입하게 하였으며, 특히 여과 집진 장치(140)를 거치기 전의 가스내의 분진이 가스 분석 장치(10) 내로 유입되지 못하도록 설계함으로써, 획기적인 효과를 제공하고 있다.

이상 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대하여 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 그러한 실시예 및/또는 도면에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니되고 후술하는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 결정된다. 그리고 특허청구범위에 기재되어 있는 발명의 당업자에게 자명한 개량, 변경, 수정 등도 본 발명의 권리범위에 포함된다는 점이 명백하게 이해되어야 한다.

도 1은 바이오매스 보일러 공정의 전체 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 바이오매스 보일러 가스 분석 장치의 구성도.

도 3은 본 발명에 의한 바이오매스 보일러 가스 분석 장치의 구성도.

Claims (3)

1. 바이오매스 연료를 연소하여 고온의 가스를 발생시키는 가열부와, 가스의 열을 흡수하는 열교환기가 제공되는 열교환부와, 상기 열교환기를 통과한 가스의 분진을 제거하는 여과 집진 장치(Bag Filter)와, 가스를 대기 중으로 배출하는 굴뚝과, 상기 열교환부와 상기 여과 집진 장치의 사이에 제공되는 가스 분석 장치를 포함하는 바이오매스 보일러 가스 분석 시스템에 있어서,

   상기 가스 분석 장치는,

   가스가 유입되고, 중력이 작용하는 방향으로 개구부가 형성된 적어도 하나 이상의 가스 유입구가 제공되는 가스 유입부와,

   상기 가스 유입부의 하류측에 제공되고, 유입된 가스의 성분을 분석하기 위한 가스 분석 모듈이 제공되는 가스 분석 공간과,

   상기 가스 분석 공간의 하류측에 제공되고, 상기 가스를 상기 열교환부의 하류측으로 배출하는 가스 배출부와,

   상기 가스 유입부와 상기 가스 분석 공간 사이에 제공되고, 유입되는 가스량을 조절하는 제1 밸브와,

   상기 가스 분석 공간과 상기 가스 배출부 사이에 제공되고, 배출되는 가스량을 조절하는 제2 밸브를 포함하고,

   상기 가스 분석 장치와 상기 여과 집진 장치 사이에 소석회 투입부 및 활성탄 투입부를 더 포함하는,

   바이오매스 보일러 가스 분석 시스템.
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3. 삭제

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