KR101135642B1 - 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치는, 일차 연소 영역(Primary Combustion Zone), 재연소 영역(Reburn Zone) 및 연소 완료 영역(Burnout Zone)으로 구분되며, 중공 형상을 구비하는 연소로; 상기 연소로 내부의 상기 일차 연소 영역 및 상기 재연소 영역으로 연료를 공급할 수 있는 연료 공급 모듈; 상기 연소로 내부의 상기 일차 연소 영역으로 공기를 공급할 수 있는 공기 공급 모듈; 상기 연소로 내부에 존재하며 상기 공기 공급 모듈과 연결되어 상기 공기 공급 모듈로부터 공급되는 공기를 기설정된 온도 범위로 예열하기 위한 열교환기; 및 상기 열교환기와 연결되며 상기 기설정된 온도 범위로 예열된 공기 중에서 산소를 선택적으로 분리할 수 있는 산소 분리 모듈; 을 포함하고 상기 산소 분리 모듈을 지나 산소 분압이 낮아진 질소 과잉 공기는 상기 연소 완료 영역 및 승온이 필요한 특정한 공정 중 어느 하나 이상에 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치{Reburning apparatus including oxygen separation module}
본 발명은 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 별도의 열 공급 수단을 구비할 필요 없이 보일러에서 열교환을 통해 승온된 공기를 산소 분리 모듈에 공급함으로써 산소를 분리할 수 있고, 산소 분리에 사용되고 배출되는 고온의 공기를 재연소 장치의 연소 완료 영역에 공급하여 미연연료(Unreacted fuel) 및 CO를 화염 없이 산화시킬 수 있는 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치에 관한 것이다.
본 재연소 장치는 기존 연소로에 열교환기의 추가 설치만을 통해 고부가가치를 가지는 산소 생산이 가능하며 산소 생산에 이용된 고온 공기를 재연소에 필수적인 연소 완료 영역에 사용하여 재연소 효율을 높이고 현열 손실을 최소화 하는 장치이다.
현재 인류의 주된 에너지원은 탄화수소계열의 화석 연료이다. 그러나 이러한 화석연료의 연소 후 생성물에 의한 환경오염 문제가 심각하게 제기되고 있다. 주된 환경 오염원으로는 질소산화물(NOx), 이산화탄소(CO2) 외에 연료의 불완전 연소로 인해 생기는 일산화탄소(CO)와 매연(Soot) 등이 있다.
상술된 환경 오염원 중에서도 특히, 질소산화물은 광화학 스모그 및 산성비의 원인이 되며 동식물에 심각한 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 오랫동안 많은 연구자들은 NOx를 감소시키는 다양한 방법을 연구하고 있다. 이로 인해 현재 시도되고 있는 NOx를 감소시키기 위한 방법으로는 배기가스 재순환, 물 또는 스팀분사, 공기 및 연료의 다단 연소, 선택적 비촉매 환원반응(SNCR, selective non-catalytic reduction), 선택적 촉매 환원반응(SCR, selective catalytic reduction) 등이 있다. 한편, 최근 선진국에서는 후연소 영역에서 NOx를 제거할 수 있는 재연소 방법이 시도되고 있으며, NOx 저감율이나 경제성에 있어서 효율성이 높다고 알려져 있는 실정이다.
도 1은 종래의 일반적인 재연소 시스템에 대한 개략적인 개념도이다. 이하 도 1을 참조하여 종래의 재연소 시스템에 대해서 설명하기로 한다.
일반적으로 재연소 시스템은 3개의 반응 영역으로 구분된다. 즉, 연료 노즐 선단 아래에서부터 일차 연소 영역(12, Primary Combustion Zone), 재연소 영역(14, Reburn Zone), 연소 완료 영역(16, Burnout Zone)으로 구분된다.
연소로(11) 내부에는 일차 연소 영역(12), 재연소 영역(14), 연소 완료 영역(16)으로 구분되어지는 영역들이 형성된다. 그리고 연소로(11) 외부에는 연료 공급 수단(20)과 공기 공급 수단(30)이 배치되어 연소로(11) 내부로 연료 및 공기를 공급하게 된다.
연료 공급 수단(20)은 제1 연료 공급관(22) 및 제2 연료 공급관(24)을 통해 각각 일차 연소 영역(12), 재연소 영역(14)으로 연료를 주입하게 된다. 공기 공급 수단(30)은 제1 공기 공급관(32) 및 제2 공기 공급관(36)을 통해 각각 일차 연소 영역(12) 및 연소 완료 영역(16)으로 공기를 주입하게 된다.
일차 연소 영역(12)에는 일반적으로 약간의 과잉 공기 및 연료를 공급하고 화염을 형성한다. 일차 연소 영역(12)으로부터는 일반적으로 질소산화물이 과다하게 발생한다(12a).
일차 연소 영역(12)의 후류에 재연소 영역(14)이 존재하는데, 이곳에는 제2 연료 공급관(24)을 통하여 재연소 연료(Reburn fuel)라고 하는 총 연료의 10~30% 정도의 연료가 주입된다. 이로 인해 재연소 영역(14)은 연료 과농(rich)의 상태를 만들고 여기서 NOx와 탄화수소 연료의 환원 반응을 통하여 NOx를 저감시키게 된다.
이러한 재연소 영역(14)에서의 반응 메카니즘은 아래의 [반응식 1]과 같다.
CH, CH2 + NO → HCN + ... (1)
HCN + O → NCO + H (2)
NCO + H → NH + CO (3)
NH + H → N + H2 (4)
N + NO → N2 + O (5)
[반응식 1]에 기재된 바와 같이, 일차 연소 영역(12)에서 발생한 NO는 재연소 연료(14)로 분사된 탄화수소가 열분해하는 과정에서 발생한 CHi 계열의 라디칼들과 반응하여 HCN를 형성하고, HCN는 (2) ~(5)의 과정을 거쳐 N2로 환원되게 되어, NO를 저감시키게 된다(14a).
그리고 재연소 영역(14) 후류에 존재하는 연소 완료 영역(16)에서는 공기(Burnout air)를 공급되어 재연소 영역(14)으로부터 배출된 미연연료(Unreacted fuel) 및 CO가 완전 연소되도록 한다(16a). 종래의 재연소 시스템은 이러한 3단계 반응 과정을 거쳐 NOx를 저감한다.
한편, 이러한 재연소 시스템의 재연소 영역(14)으로의 재연소 연료 공급량의 증가는 NOx의 N2로의 환원을 주도하는 CHi 계열의 라디칼들의 증가를 유도하여 보다 많은 NOx를 저감시키나, 혼합률이나 반응률의 한계로 인해 일정한 재연소 연료비 이상에서는 그 효과가 포화 상태에 도달하게 되는 문제점이 있다.
또한, 이러한 재연소 시스템에서는 연료 과농 상태에서 CO의 발생량이 급격히 증가할 가능성이 있게 된다. 이러한 CO는 NOx와 더불어 연소 배기 가스에 있어서 환경 규제 대상으로, CO의 발생과 재연소를 통한 NOx 저감율간에 상호 간섭이 있어 재연소 기술의 적극적인 활용에 어려움을 주게 된다. 이를 해결하기 위해, 연소 완료 영역(16)에 추가적인 공기를 공급하는 경우에는 NOx를 다시 발생시킬 수 있어 효과적인 재연소의 구현이 어렵다는 문제점이 있다.
도 2는 재연소 연료 주입량과 투입 위치에 따른 CO의 발생량을 도시한 그래 프이다. 도 2를 참조하면, 재연소 연료의 주입량이 증가할 수록 CO의 발생량이 증가하며, 투입 위치에 따라서도 CO의 발생량이 민감하게 반응하는 것을 알 수 있다.
이러한 재연소 시스템에서는 일차 연소 영역, 재연소 영역, 연소 완료 영역으로 구간별 연소 상태 제어를 통해 NOx와 CO를 저감할 수 있는 최적의 연소 조건을 찾을 수 있으나, 실제 상용 연소로에서는 이러한 연소 영역을 효과적으로 제어할 수 없다는 문제점이 있으며, 특히 가스, 액체, 고체 연료 순으로 연료 영역의 제어가 어렵고 더욱이 연소로 내에서의 전체 연소 부하를 조정해야 하는 경우에는 현실적으로 재연소 기술의 적용이 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 재연소 장치에서 발생하는 열을 이용하여 산소 분리 모듈에 고온의 공기를 공급함으로써 산소를 분리할 수 있고, 고온의 공기를 재연소 장치의 연소 완료 영역에 공급하여 미연연료 및 CO를 화염 없이 산화시킬 수 있는 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 고온의 공기를 재연소 장치의 연소 완료 영역에 공급하여 미연연료 및 CO의 독립적인 제어 및 처리를 수행함으로써, 연소 완료 영역에서의 미연연료 및 CO의 처리에 상관없이 재연소 영역에서 NOx의 저감 효율을 극대화하기 위한 연소 조건을 설정할 수 있는 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 열수지상 현열의 손실이 없이 재연소 효율을 높여 친환경 연소 조건을 구현하는 동시에 높은 부가가치를 가지는 산소의 생산이 가능한 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치는, 일차 연소 영역(Primary Combustion Zone), 재연소 영역(Reburn Zone) 및 연소 완료 영역(Burnout Zone)으로 구분되며, 중공 형상을 구비하는 연소로; 상기 연소로 내부 의 상기 일차 연소 영역 및 상기 재연소 영역으로 연료를 공급할 수 있는 연료 공급 모듈; 상기 연소로 내부의 상기 일차 연소 영역으로 공기를 공급할 수 있는 공기 공급 모듈; 상기 연소로 내부에 존재하며 상기 공기 공급 모듈과 연결되어 상기 공기 공급 모듈로부터 공급되는 공기를 기설정된 온도 범위로 예열하기 위한 열교환기; 및 상기 열교환기와 연결되며 상기 기설정된 온도 범위로 예열된 공기 중에서 산소를 선택적으로 분리할 수 있는 산소 분리 모듈; 을 포함하고 상기 산소 분리 모듈을 지나 산소 분압이 낮아진 질소 과잉 공기는 상기 연소 완료 영역 및 승온이 필요한 특정한 공정 중 어느 하나 이상에 공급되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 산소 분리 모듈은 공기 중의 산소를 선택적으로 분리할 수 있고 그 내부에 공간을 형성하도록 구성되는 산소 분리막; 및 상기 산소 분리막을 수용할 수 있는 하우징;을 포함하며, 상기 산소 분리막 내부로 상기 기설정된 온도 범위로 예열된 공기가 유입되고, 유입된 상기 공기 중의 산소는 상기 산소 분리막과 상기 하우징 사이로 분리되어 외부로 배출되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 산소가 선택적으로 분리된 상태의 공기는 상기 연소 완료 영역으로 유입되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 산소가 선택적으로 분리된 상태의 공기는 승온이 필요한 특정한 공정으로 유입되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 기설정된 온도 범위는 약 850℃ 내지 1000℃이며, 상기 산소 분리막에 의해 선택적으로 분리되는 상기 산소의 투과도는 1.2cc/cm2?min 내 지 5cc/cm2?min 범위인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 열교환기는 상기 일차 연소 영역과 상기 재연소 영역 사이에 존재하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 산소 분리막은 복합 세라믹으로 이루어지며, 상기 산소 분리막의 온도가 증가함에 따라 상기 투과도는 증가하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 산소 분리막은 복합 세라믹으로 이루어지며, 상기 산소 분리막의 두께가 감소함에 따라 상기 투과도는 증가하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 하우징은 상기 열교환기로부터 예열된 공기가 유입될 수 있도록 상기 열교환기와 연통하는 유입 포트; 및 상기 산소가 선택적으로 분리된 상태의 공기가 상기 연소로로 배출될 수 있도록 상기 연소로와 연통하는 배출 포트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 재연소 장치에서 발생하는 열을 이용하여 산소 분리 모듈에 고온의 공기를 공급함으로써 산소를 분리할 수 있고, 고온의 공기를 재연소 장치의 연소 완료 영역에 공급하여 미연연료 및 CO를 화염 없이 산화시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 고온의 공기를 재연소 장치의 연소 완료 영역에 공급하여 미연연료 및 CO의 독립적인 제어 및 처리를 수행함으로써, 연소 완료 영역 에서의 미연연료 및 CO의 처리에 상관없이 재연소 영역에서 NOx의 저감 효율을 극대화하기 위한 연소 조건을 설정할 수 있다는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 열수지상 현열의 손실이 없이 재연소 효율을 높여 친환경 연소 조건을 구현할 수 있으며, 동시에 높은 부가가치를 가지는 산소의 생산이 가능하다는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 기존 연소기를 대상으로 간단한 개조만으로도 본 발명이 구현이 가능하며 가스화기 등 유사한 시스템에도 확대 적용이 가능하다는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
<실시예>
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장 치(100)의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치(100)는 연소로(110), 연료 공급 모듈(120), 공기 공급 모듈(130), 열교환기(140) 및 산소 분리 모듈(150)을 포함할 수 있다.
연소로(110)는 연료를 연소시키는 데 사용되는 일반적인 중공 형상의 노(furnace)이며, 연소로(110) 내부는 연소 영역(Primary Combustion Zone), 재연소 영역(Reburn Zone) 및 연소 완료 영역(Burnout Zone)으로 구분될 수 있다. 연소로(110) 내부의 각 영역 및 각 영역에서 일어나는 반응에 대해서는 후술하기로 한다. 한편, 연소로(110)는 연소가 이루어질 수 있는 모든 형태의 시스템을 포함하는 개념으로서, 반드시 그 명칭에 한정되는 것이 아니며 가열로, 보일러 등의 모든 연소 장치 및 가스화기를 포함하는 포괄적인 의미임을 유의한다.
연료 공급 모듈(120)은 연소로(110) 내부의 일차 연소 영역 및 재연소 영역으로 연료를 공급하는 역할을 한다. 이러한 연료로는 주로 기체 탄화수소 연료(LNG, LPG, Methane, Propane, Butane)가 사용될 수 있으며, 액체 연료 및 고체 연료가 사용될 수도 있다.
또한, 연료 공급 모듈(120)에서 공급되는 연료로서 상술된 기체, 액체 및 고체 연료 외에 목질계 바이오 매스 연료, 예를 들어 벼나 밀과 같은 곡식류의 겉껍질, 목재 톱밥이나 폐목재 등을 분말 형태로 제조하여 함께 또는 단독으로 사용 수 도 있으며 연료의 종류는 제한되지 않음을 유의한다.
공기 공급 모듈(130)은 연소로(110) 내부의 일차 연소 영역 및 후술되는 열 교환기(140)에 공기를 공급하는 역할을 한다. 종래의 재연소 시스템에서는, 공기 공급 모듈(130)이 공기를 연소 완료 영역에 직접 공급하는데 반하여, 본 발명에 따른 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치(100)에 의하면 공기 공급 모듈(130)이 연소 완료 연역에 공기를 직접 공급하지 않는 구성을 가진다.
한편, 연료 공급 모듈(120) 및 공기 공급 모듈(130)이 연소로(110) 내부 그리고 후술되는 열교환기(140)에 연료 및 공기를 공급하는 방식은 일반적으로 공지된 방법을 사용하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
열교환기(140)는 연소로(110) 내부에 존재하며, 공기 공급 모듈(130) 및 후술되는 산소 분리 모듈(150)과 연결관을 통해 각각 연결된다. 이러한 열교환기(140)는 공기 공급 모듈(130)로부터 공급되는 공기를 기설정된 온도 범위로 예열하며, 예열된 공기를 산소 분리 모듈(150)로 공급하는 역할을 한다.
이때 기설정된 온도 범위는 약 850℃ 내지 1000℃이며, 이러한 이유는 산소 분리 모듈(150)로 공급되는 공기의 온도가 약 850℃ 내지 1000℃의 온도 범위로 유지됨으로써, 산소 분리 모듈(150)에 존재하는 산소 분리막이 공기 중의 산소를 보다 효과적으로 분리할 수 있기 때문이다.
한편, 본 발명의 일실시예에서, 열교환기(140)는 연소로(110)의 일차 연소 영역과 재연소 영역 사이에 존재한다. 이러한 이유는 열교환기(140)가 일차 연소 영역과 재연소 영역 사이의 부분에 존재함으로써 산소 분리 모듈(150)로 공급되는 공기의 온도를 상기 온도 범위로 유지하는 데 효과적이기 때문이다. 그러나 열교환기(140)의 위치가 반드시 상술된 영역으로 제한되지는 않으며, 산소 분리 모 듈(150)로 공급되는 공기의 온도를 상기 온도 범위로 유지할 수 있는한 다른 영역에도 존재할 수 있음을 유의한다.
산소 분리 모듈(150)은 연결관을 통해 열교환기(140)와 연결되며, 열교환기(140)를 통해 공급되는 기설정된 온도 범위로 예열된 공기 중에서 산소를 선택적으로 분리하는 역할을 한다. 이러한 산소 분리 모듈(150)의 구성 및 작용원리에 대해서는 후술하기로 한다.
이때 선택적으로 분리된 산소는 외부로 배출되게 된다. 이러한 산소는 고농도의 산소로서, 고농도의 산소가 필요한 경우에는 기타 다른 장치를 조합하지 않고 직접 고농도의 산소를 사용자에게 공급할 수 있다. 한편, 기타 다른 기계 및 전자 부품들을 조합함으로써 원하는 농도의 산소를 구비하는 공기를 사용자에게 공급할 수도 있음을 유의한다.
또한, 산소가 선택적으로 분리된 상태의 고온의 공기는 연소로(110) 내의 연소 완료 영역으로 유입되게 되며, 후술되는 바와 같이, 미연연료 및 CO를 화염이 없는 상태에서 산화시키게 된다.
이하, 상술된 구성에 따른 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치(100)의 연소로(110) 내부의 각 영역 및 각 영역에서 일어나는 반응에 대해서 설명하기로 한다.
일차 연소 영역에는 연료 공급 모듈(120) 및 공기 공급 모듈(130)으로부터 연료 및 약간의 과잉 공기가 공급되게 된다. 이러한 연료 및 약간의 과잉 공기로부 터 화염이 형성되게 되어 연료가 연소되고, 그로 인해 질소산화물이 과다하게 발생하게 된다.
재연소 영역에는 재연소 연료라고 하는 총 연료의 10~30% 정도의 연료가 주입된다. 이로 인해 재연소 영역은 연료 과농(rich)의 상태를 만들고 여기서 NOx와 탄화수소 연료의 환원 반응을 통하여 NOx를 저감시키게 된다.
이러한 재연소 영역에서의 반응 메카니즘은 상술된 [반응식 1]과 같으며, [반응식 1]에 기재된 바와 같이, 일차 연소 영역에서 발생한 NO는 재연소 연료로 분사된 탄화수소가 열분해하는 과정에서 발생한 CHi 계열의 라디칼들과 반응하여 HCN를 형성하고, HCN는 [반응식 1]의 (2) ~(5)의 과정을 거쳐 N2로 환원되게 되어, NO를 저감시키게 된다.
연소 완료 영역에는, 산소 분리 모듈(150)에서 산소가 선택적으로 분리된 상태의 고온의 공기가 유입되게 되며 재연소 영역에서 발생하는 미연연료 및 CO를 화염이 없는 상태에서 산화시키게 된다.
공기중의 CO의 자연 발화 온도(Autoignition Temperature)는 약 609℃로 알려져 있지만, 재연소 영역 이후의 CO의 농도는 수 ppm 내지 수 % 이하로 매우 낮으며 미연연료 역시 소량으로 연료가 연소 가스에 많이 희석되어 있는 형태이므로, 대략적으로 800℃ 이상에서 화염이 없는 형태로 CO 및 미연연료가 산화되게 된다.
즉, 연소 완료 영역에 약 850℃ 내지 1000℃ 온도 범위의 공기를 공급하는 경우 1800℃ 이상의 화염의 생성없이 CO 및 미연연료를 산화시킬 수 있으며, 그로 인해 일반적인 연소 과정에서 NOx의 주요한 생성 원인인 Thermal NOx의 발생 조건(1600℃ 이상의 고온 영역에서 N2와 O2의 반응을 통해 생성되는 NOx 생성의 주요한 메카니즘)보다 매우 낮은 온도에서 CO 및 미연연료의 산화 반응이 일어나기 때문에 기존에 재연소 시스템에서 존재하던 NOx의 재발생 문제를 해결할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 이러한 구성으로 인하여, 고온의 공기를 이용하여 연소 완료 영역에서 미연연료 및 CO의 독립적인 제어 및 처리가 가능한 경우, 연소 완료 영역에서의 미연연료 및 CO의 처리에 상관없이 재연소 영역에서 NOx의 저감 효율을 극대화하기 위한 연소 조건을 설정할 수 있다는 효과가 있다. 그로 인해, 재연소 시스템의 효율을 보다 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치(200)의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치(200)는 연소로(210), 연료 공급 모듈(220), 공기 공급 모듈(230), 열교환기(240) 및 산소 분리 모듈(250)을 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치(200)는 도 3에 도시된 재연소 장치(100)와 비교했을 때, 산소가 선택적으로 분리된 상태의 고온의 공기가 연소 완료 영역뿐만 아니라 연소로(210) 후단까지 공급된다는 점을 제외하고 는 동일한 구성요소를 가지므로, 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
산소 분리 모듈(250)은 산소를 선택적으로 분리하는 역할을 하며, 산소가 선택적으로 분리된 상태의 고온의 공기는 연소로(210) 내의 연소 완료 영역으로 유입되게 되며 미연연료 및 CO를 화염이 없는 상태에서 산화시키게 된다.
또한, 산소가 선택적으로 분리된 상태의 고온의 공기는 연소로(210) 후단의 승온이 필요한 특정한 공정으로 유입될 수도 있다.
본 발명에서 "특정한 공정"이라 함은 예시적으로, 매연(soot), 재(ash), 타르(tar) 등의 입자상 물질(Particulate Matter)의 제거에 필요한 공정이나 또는 연소 가스 내 산성 가스(SO2, H2S, COS 등)나 기타 환경 오염 물질의 저감 공정에서 재가열이 필요한 공정을 의미한다.
한편, 이러한 "특정한 공정"은 상술된 예시적인 공정에 제한되지 않으며 연소로(210) 후단에서 고온의 열이 필요한 공정이면 임의의 공정을 포함할 수 있음을 유의한다.
이하, 산소 분리 모듈(150)의 구성 및 작용원리에 대하여 도 5를 참조하여 설명하기로 한다. 도 5는 본 발명에 따른 산소 분리 모듈(150)을 보다 구체적으로 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 산소 분리 모듈(150)은 산소 분리막(151) 및 하우징(152)을 포함한다.
산소 분리막(151)은 후술되는 하우징(152) 내부에 수용되며 열교환기(140)에서 기설정된 온도 범위로 예열된 공기 중의 산소를 선택적으로 분리하는 역할을 한 다. 산소 분리막(151)은 다양한 조성을 가지는 복합 세라믹으로 이루어지며, 산소 분리막(151)의 재질은 BSCF산화물(Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ)로 이루어지는 것이 특히 바람직하다. 이러한 이유는 BSCF산화물의 경우 산소를 선택적으로 분리하는 성능이 현저하게 우수하기 때문이다. 한편, 산소 분리막(110)의 세부적인 조성은 사용자의 의도에 따라 변경될 수 있으며, 대기중의 산소를 선택적으로 분리할 수 있는 한 그 조성은 특별히 제한되지 않는다.
상술된 바와 같이, 산소 분리막(151)으로 유입되는 공기가 열교환기(140)를 통해 약 850℃ 내지 1000℃의 온도 범위로 유지됨으로써, 보다 효과적으로 공기 중의 산소를 선택적으로 분리할 수 있다.
또한, 산소 분리막(151)은 상기 온도 범위에서 2.11mm 내지 0.37mm의 두께를 가짐으로써, 보다 효과적으로 대기중의 산소를 선택적으로 분리할 수 있다. 이러한 이유는 산소 분리막(151)의 두께가 0.37mm 미만인 경우에는 물리적인 충격에 의해 산소 분리막(151)이 파손될 우려가 있으며, 산소 분리막(151)의 두께가 2.11mm를 초과하는 경우에는 원하는 정도의 산소 투과도를 얻기 위해서는 더 높은 정도의 고온을 필요로 하기 때문에 효율성의 저하를 가져오기 때문이다. 즉, 이러한 온도 범위 및 두께 범위에서 산소 분리막(151)은 1.2cc/cm2?min 내지 5cc/cm2?min 범위로 대기중의 산소를 선택적으로 분리할 수 있다.
표 1은 이러한 산소 분리막(151)의 온도 및 두께에 따라 산소를 선택적으로 분리할 수 있는 정도(본 발명에서는 이를 "산소 투과도"라 지칭함)를 나타낸다.
온도(℃) 두께에 따른 산소 투과도(sccm?cm-2)
2.11mm 1.02mm 0.53mm 0.37mm
1000 1.806 2.94 3.75 4.45
950 1.622 2.48 3.48 3.80
900 1.436 2.25 2.78 3.44
850 1.238 1.96 2.22 2.89
표 1에 도시된 바와 같이, 산소 분리막(151)은 약 850℃ 내지 1000℃의 온도 범위 및 2.11mm 내지 0.37mm의 막 두께 범위에서 1.2cc/cm2?min 내지 5cc/cm2?min 범위의 산소투과도를 가짐을 알 수 있다.
즉, 상기 표 1에 도시된 바와 같이, 산소 분리막(151)은 온도가 증가함에 따라 산소 투과도가 증가하며, 산소 분리막(151)의 두께가 감소함에 따라 산소 투과도가 증가하는 특징을 가짐을 알 수 있다. 또한, 표 1에는 도시되지 않았지만, 산소 분리막(151) 양단의 O2 농도 구배가 증가함에 따라 산소 투과도가 증가하는 특징을 가진다.
하우징(152)은 산소 분리막(151)을 수용하는 역할을 한다. 하우징(152)의 형상은 그 내부에 산소 분리막(151)을 수용할 수 있는 한 특별히 제한되지 않고 다양한 형태를 채택할 수 있음을 유의한다.
예를 들어, 도 5의 (a)를 참조하면, 하우징(152)은 중공형의 다면체로서, 그 일측에는 열교환기(140)로부터 예열된 공기가 유입될 수 있도록 열교환기(140)와 연통하는 유입 포트(153)가 형성되고, 타측에는 산소가 선택적으로 분리된 상태의 공기가 연소로(110)로 배출될 수 있도록 연소로(110)와 연통하는 배출 포트(154)가 형성된다.
이때, 산소 분리막(151)은 유입 포트(153) 및 배출 포트(154)를 둘러싸도록 배치되어 그 내부에 공간을 형성하도록 구성된다. 이러한 구성으로 인해, 예열된 공기가 유입 포트(153)를 통하여 산소 분리막(151) 내부로 유입되고, 유입된 공기 중의 산소는 산소 분리막(151)과 하우징(152) 사이의 공간으로 분리되고 외부로 배출되고 산소가 분리된 공기는 배출 포트(154)를 통하여 외부로 배출되게 된다.
또한, 도 5의 (b)를 참조하면, 하우징(152)은 중공형의 다면체로서, 그 일측에는 열교환기(140)로부터 예열된 공기가 유입될 수 있도록 열교환기(140)와 연통하는 유입 포트(153) 및 산소가 선택적으로 분리된 상태의 공기가 연소로(110)로 배출될 수 있도록 연소로(110)와 연통하는 배출 포트(154)가 형성된다.
이때, 산소 분리막(151)은 그 내부에 공간을 형성하도록 하우징(120) 내부에 배치되며, 산소 분리막(110) 하단의 일부는 상기 유입 포트(153) 및 배출 포트(154)에 상응하도록 형성된다. 이러한 구성으로 인하여, 예열된 공기는 산소 분리막(151)에 의해 형성되는 공간으로 유입될 수 있고, 공기 중의 산소는 산소 분리막(151)과 하우징(152) 사이로 선택적으로 분리되어 외부로 배출되며, 산소가 선택적으로 분리된 상태의 공기는 배출 포트(154)를 통하여 외부로 배출되게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 하우징(152) 및 산소 분리막(151)이 원통형으로 형성되지만, 사각의 다면체로 이루어질 수도 있으며 그 형상은 특별히 제한되지 않음을 유의한다.
이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 재연소 시스템에 대한 개략적인 개념도이며,
도 2는 재연소 연료 주입량과 투입 위치에 따른 CO의 발생량을 도시한 그래프이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치(100)의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이며,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치(200)의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이며,
도 5는 본 발명에 따른 산소 분리 모듈(150)을 보다 구체적으로 도시한 도면이다.

Claims (9)

  1. 일차 연소 영역(Primary Combustion Zone), 재연소 영역(Reburn Zone) 및 연소 완료 영역(Burnout Zone)으로 구분되며, 중공 형상을 구비하는 연소로;
    상기 연소로 내부의 상기 일차 연소 영역 및 상기 재연소 영역으로 연료를 공급할 수 있는 연료 공급 모듈;
    상기 연소로 내부의 상기 일차 연소 영역으로 공기를 공급할 수 있는 공기 공급 모듈;
    상기 연소로 내에 설치되는 열교환기; 및
    상기 열교환기와 연결되며 기설정된 온도 범위로 예열된 공기 중에서 산소를 선택적으로 분리할 수 있는 산소 분리 모듈을 포함하며, 그리고
    상기 산소 분리 모듈은 공기 중의 산소를 선택적으로 분리할 수 있고, 그 내부에 공간을 형성하도록 구성되는 산소 분리막을 포함하며,
    상기 산소 분리막은 BSCF산화물을 포함하는 복합 세라믹으로 이루어져, 상기 산소 분리막의 온도가 증가함에 따라 산소의 투과도는 증가하며,
    상기 산소 분리 모듈을 지나 산소 분압이 낮아진 예열된 질소 과잉 공기는 상기 연소 완료 영역 및 재가열 공정에 공급되고, 상기 연소 완료 영역에 공급된 상기 예열된 질소 과잉 공기는 일산화탄소를 화염이 없는 상태에서 산화시키는 것을 특징으로 하는,
    산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산소 분리 모듈은 상기 산소 분리막을 수용할 수 있는 하우징을 더 포함하며,
    상기 산소 분리막 내부로 상기 기설정된 온도 범위로 예열된 공기가 유입되고, 유입된 상기 공기 중의 산소는 상기 산소 분리막과 상기 하우징 사이로 분리되어 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는,
    산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 산소가 선택적으로 분리된 상태의 공기는 상기 연소 완료 영역으로 유입되는 것을 특징으로 하는,
    산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 산소가 선택적으로 분리된 상태의 공기는 상기 재가열 공정으로 유입되는 것을 특징으로 하는,
    산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기설정된 온도 범위는 850℃ 내지 1000℃이며,
    상기 산소 분리막에 의해 선택적으로 분리되는 상기 산소의 투과도는 1.2cc/cm2?min 내지 5cc/cm2?min 범위인 것을 특징으로 하는,
    산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 일차 연소 영역과 상기 재연소 영역 사이에 존재하는 것을 특징으로 하는,
    산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 산소 분리막의 두께가 감소함에 따라 상기 산소의 투과도는 증가하는 것을 특징으로 하는,
    산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 하우징은
    상기 열교환기로부터 예열된 공기가 유입될 수 있도록 상기 열교환기와 연통하는 유입 포트; 및
    상기 산소가 선택적으로 분리된 상태의 공기가 상기 연소로로 배출될 수 있도록 상기 연소로와 연통하는 배출 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    산소 분리 모듈을 포함하는 재연소 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101497623B1 (ko) * 2013-02-26 2015-03-02 대성산업가스 주식회사 이온전도성 분리막과 산업공정의 폐열 또는 배열을 이용한 산소제조장치 및 산소제조방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050027939A (ko) * 2003-09-16 2005-03-21 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드 동시에 발생되는 산소 및 질소 스트림을 사용하는 낮은ＮＯｘ 연소
KR100608440B1 (ko) * 2000-07-12 2006-08-02 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드 산소를 생성시켜 보일러 내에서의 연소를 보조하기 위한 공기 분리 방법 및 시스템
KR20110068150A (ko) * 2009-12-15 2011-06-22 한국생산기술연구원 산소 분리막을 포함하는 산소 공급 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100608440B1 (ko) * 2000-07-12 2006-08-02 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드 산소를 생성시켜 보일러 내에서의 연소를 보조하기 위한 공기 분리 방법 및 시스템
KR20050027939A (ko) * 2003-09-16 2005-03-21 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드 동시에 발생되는 산소 및 질소 스트림을 사용하는 낮은ＮＯｘ 연소
KR20110068150A (ko) * 2009-12-15 2011-06-22 한국생산기술연구원 산소 분리막을 포함하는 산소 공급 장치

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101555935B1 (ko) 2014-04-07 2015-09-25 고등기술연구원연구조합 산소 분리막을 구비한 가스화 장치 및 가스화 방법
KR20180043880A (ko) 2016-10-20 2018-05-02 한국에너지기술연구원 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로 및 그의 작동방법

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