KR101211431B1

KR101211431B1 - 배기 가스의 수분 제거 장치

Info

Publication number: KR101211431B1
Application number: KR1020120090044A
Authority: KR
Inventors: 도동규; 심민환
Original assignee: 주식회사 등주인스트루먼트
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2012-12-12

Abstract

본 발명은 배기 가스 중에 포함된 수분을 효과적으로 제거하기 위한 것을 목적으로 하며, 이를 해결하기 위해서 본 발명에서는 볼텍스 튜브(vortex tube)를 사용하는 배기 가스의 수분 제거 장치를 개시하였다.
본 발명에 따르면 수분이 포함된 배기 가스는 볼텍스 튜브를 통과하면서 수분이 제거되며, 이 수분이 제거된 건조한 배기 가스를 성분 분석에 효과적으로 이용할 수 있는 효과가 있다.

Description

배기 가스의 수분 제거 장치{APPARATUS FOR REMOVING WATER IN THE EXHAUST GAS}

본 발명은 배기 가스 중에 포함된 수분을, 특히 볼텍스 튜브(vortex tube)를 사용하여 효과적으로 제거하는 배기 가스의 수분 제거 장치에 관한 것이다.

일반적으로 화석 연료를 연소시켜 발전하는 발전소나 공장의 보일러, 또는 자원 회수 시설 등에서의 여러 가지 종류의 쓰레기의 소각 처리시에는 다양한 종류의 인체에 해로운 물질들이 연소 과정에서 발생하여 배기 가스로 배출된다.

이와 같은 인체에 해로운 배기 가스에는 황 산화물이나 질소 산화물, 이산화탄소, 아황산 가스, 암모니아, CO 가스 등이 있다. 이와 같은 배기 가스들은 인체에 해롭기 때문에 대기 환경 보전법 등에 의거하여 법적/행정적 규제를 받고 있는 실정이다.

따라서, 발전소나 보일러, 자원 회수 시설 등지에서는 상기 배기 가스 중의 각종 성분을 상시적으로 엄격하게 분석하고 있다.

대부분의 경우, 배기 가스 중의 샘플 가스로 추출된 배기 가스는 100 ℃ 내지 60 ℃ 정도의 온도로 배출되며, 이 중에는 10 % 내지 15 %의 수분이 포함되어 있었다.

특히, 환경 규제를 받고 있는 배기 가스 성분 중의 NOx, SO₂, CO 가스 등을 측정하기 위해서 배기 가스 중의 일부를 샘플 가스로 추출할 때, 수분이 가급적 존재하지 않는 것이 바람직하다.

종래, 볼텍스 튜브(vortex tube, 또는 볼텍스 쿨러(vortex cooler))를 사용한 구성에 대해서 검색해 본 결과, 다음과 같은 다수의 관련 특허 문헌들이 검색되었다.

(특허문헌 1) 대한민국 등록특허 0361667호(2002.11.07 등록)
(특허문헌 2) 대한민국 등록특허 0417651호(2004.01.27 등록)
(특허문헌 3) 대한민국 등록특허 0901741호(2009.06.02 등록)
(특허문헌 4) 대한민국 등록특허 0925186호(2009.10.29 등록)

여기서, 특허문헌 1은 볼텍스 튜브의 구성(534, 도면 5 참조)을 이용하고는 있으나, 폐가스를 정제할 때 별도로 물을 분사하는 구성(물분사 노즐(524), 도면 4 및 5 참조)을 개시하고 있어, 불필요하게 물을 분사해야 하는 단점이 있었다.
한편, 특허문헌 2는 볼텍스 튜브의 냉기를 이용하여 연삭 휠(701, 도면 1 참조)에서의 발열을 냉각하는 구성을 개시하고 있으므로, 배기 가스에서의 수분 제거 장치 및/또는 방법과는 거리가 있었다.
또한, 특허문헌 3은 압축 공기를 공기 건조 챔버(100, 도면 1 참조)에 불어넣고 코안다 효과에 의해 수분이 일부 제거된 공기를 다시 볼텍스 튜브로 피드백시켜서 이 볼텍스 튜브로부터의 냉기(cold air)를 에바 튜브(120) 내로 이동시키고, 이 냉기가 다시 압축 공기를 냉각하도록 하여 건조한 공기를 생성하는 구성을 개시하고 있다. 즉, 특허문헌 3에 개시된 구성은 냉기를 유동시키는데 매우 복잡한 구성을 취하고 있었고, 상술한 바와 같이, 냉기가 에바 튜브(120) 내로만 유동하는 구성이기 때문에 후술하는 본 발명의 구성과는 상이한 구성을 개시하고 있었다.
마지막으로, 특허문헌 4는 반도체 공정 등에서 볼텍스 튜브를 부가 설치하여 폐가스 중의 수분을 제거하는 구성을 개시하고 있으나, 폐가스의 수분을 제거하기 전에 습식 처리 유닛에서 폐가스에 먼저 물을 분사하여 수용성 가스를 물에 용해시켜 분리하는 구성이기 때문에 특허문헌 1과 마찬가지로, 물을 분사해야 하는 공정이 추가되어 있다는 단점이 있었다.

삭제

본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배기 가스 중에 포함된 수분을 별도로 물을 분사하지 않고 또한 비교적 간단한 구성에 의해서, 배기 가스 중에 포함된 수분을 볼텍스 튜브를 사용하여 효과적으로 제거할 수 있는 배기 가스의 수분 제거 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 배기 가스의 수분 제거 장치는,

굴뚝으로 배기되는, 수분이 함유된 배기 가스의 일부를 샘플 가스로서 공급되는 샘플 가스 투입구;

상기 샘플 가스를 하방으로 유동시켰다가 다시 상방으로 유동시키면서 확산시키는 배기 가스 확산실;

상기 배기 가스 확산실의 상측에 위치하는 유동 챔버;

상기 유동 챔버의 내부에 형성되고, 그 내부의 공간을 통해서 상향으로 상기 샘플 가스가 유동되면서 상기 샘플 가스 내의 수분이 응결되어 하방으로 낙하하면서 상기 수분을 제거하는 유동 파이프;

상기 유동 파이프의 상측에 형성되고, 상기 수분이 응결되어 제거된 샘플 가스가 모이는 배기 가스 배출 챔버;

상기 배기 가스 배출 챔버의 일측에 형성되고, 상기 수분이 제거된 샘플 가스를 배출하는 샘플 가스 배출구; 및

상기 유동 챔버의 상단부에 형성되고, 고압의 공기를 이용하여 냉기를 생성해 내고, 이 생성한 냉기를 상기 유동 챔버의 상단부에 형성한 냉기 유입 입구로 투입시키는 볼텍스 튜브(vortex tube);를 포함하며,

상기 볼텍스 튜브에서 상기 유동 챔버 내로 유입된 냉기는 상기 유동 챔버의 상단부에서 하단부로 이동하면서 상기 유동 챔버 내에 형성된 상기 유동 파이프 내부에서 유동하는 상기 샘플 가스를 냉각시킨 뒤에, 상기 유동 챔버의 하단부에 형성한 냉기 배출 출구로 배출되는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 유동 챔버 내의 상기 냉기의 온도를 조절하기 위한 온도 조절부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 배기 가스에서 추출된 물을 배출하는 물 배출부를 더 포함할 수도 있다.

또한, 상기 유동 챔버 내부에서 유동하는 상기 냉기의 온도는 5 ℃ 내지 15 ℃인 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명의 특징적인 구성에 의하면, 배기 가스 중에 포함된 수분을 별도로 물을 분사하지 않고 또한 비교적 간단한 구성에 의해서, 효과적으로 배기 가스 중에 포함된 수분을 볼텍스 튜브를 사용하여 제거할 수 있는 배기 가스의 수분 제거 장치가 제공된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 볼텍스 튜브(볼텍스 쿨러)의 개략 단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 볼텍스 튜브를 사용한 배기 가스의 수분 제거 장치를 개략적으로 나타낸 개략 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 1의 하우징의 A-A'면을 절단하여 도시한 단면도.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

먼저, 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 볼텍스 튜브(볼텍스 쿨러)(15)의 개략 단면도이다.

상기 볼텍스 튜브(15)는, 볼텍스 튜브 본체(12)에 형성한 고압 공기 입구(2)로 고압의 공기 흐름(6)을 유입시키고, 이어서 이 고압의 공기 흐름(6)은 도면의 우측으로 밀려 나가면서 볼텍스 효과를 일으키게 된다.

상기 고압 공기 입구(2)의 전단에는 고압의 압축 공기를 형성할 수 있는 적절한 가압 수단(예를 들면, 펌프(미도시))이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

여기서, 도 1에서는 상기 고압의 공기 흐름(6)이 우측으로 밀려 나가는 것으로 상정했지만, 본 발명의 도 2의 배기 가스(샘플 가스)의 수분 제거 장치(500)에서는 우측 방향이 아니라 좌측 방향으로 밀려 나간다는 것을 이해해야 한다.

일반적으로, 볼텍스 튜브(15)는 어떤 축을 중심으로 해서 유체(공기 포함)를 회전시킬 때 발생하는 볼텍스(vortex) 효과를 이용한다.

볼텍스 튜브(15)는 냉기(cold air)와 열기(hot air)를 생성할 수 있는데, 이는 도면 우측 끝부분의 조절 밸브(3) 방향으로 가압된 공기(7)를 이동시키면서 볼텍스 튜브 챔버(16) 내의 벽을 따라서 고회전(약 1,000,000 RPM)으로 공기를 원심 운동시키면, 일부의 고온 상태의 공기는 조절 밸브(3)를 통과하여 볼텍스 튜브(15)의 고온측(5)으로 열기(8)로서 배출되며, 나머지 공기는 속도가 느려진 상태로 고온 상태의 공기의 중심에서 반대 방향으로 이동하면서 열을 잃고, 냉기(9) 상태로 볼텍스 튜브(15)의 반대쪽 저온측(4)으로 냉기(11)로서 빠져 나간다.

이 때의 냉기는, 바람직하게는, 5 ℃ 내지 15 ℃의 온도일 수 있다.

여기서, 상기 볼텍스 쿨러(15)의 냉기가 배출되는 저온측(4)은 본 발명의 배기 가스의 수분 제거 장치(500)의 유동 챔버(10)의 냉기 유입 입구(110, 도 2 참조)에 결합되므로 이들은 사실상 동일한 유출입구를 형성함을 알아야 한다.

본 발명에서 샘플 가스라고 언급한 것은 배기 가스의 일부를 지칭하는 것이기 때문에, 샘플 가스라고 하더라도 이는 곧 배기 가스를 언급하는 것으로 이해하여야 하며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.

이제 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배기 가스의 수분 제거 장치(500)에 대해서 개략 단면도로 나타낸 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.

굴뚝 등으로부터 배출되는 배기 가스는 적절한 배기 가스 수집 장치(미도시)에서 그 일부가 샘플 가스로서 수집되며, 이 수집된 샘플 가스는 상기 배기 가스의 수분 제거 장치(500)의 좌하단에 위치한 샘플 가스 투입구(100)로 투입되어 배기 가스 투입관(90)을 따라서 하방으로 유동된다.

배기 가스 확산실(40) 내로 유동된 배기 가스(200)는 배기 가스 확산실(40)의 저부에서 이 배기 가스 확산실(40)의 상부를 향해서 상향 유동된다.

이때, 상기 배기 가스 투입구(100)의 전단에는 강제 배기 수단(미도시)이 부가되어 배기 가스를 강제로 공급하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 배기 가스 투입구(100)의 배기 가스 유입측에는 배기 가스의 투입을 용이하게 하기 위한 커플러(coupler, 미도시)가 설치되어 있을 수 있다.

이어서, 배기 가스 확산실(40) 내로 유동된 배기 가스(200)는 유동 챔버(10) 내에 다수개가 설치된 유동 파이프(20, 30)의 내부 공간을 통해서 상향으로 이동한다.

상기 유동 파이프(20, 30)는 배기 가스(200)가 상향으로 유동되는 공간(210, 220)을 가지고 있으며, 이때 배기 가스는 상기 공간(210, 220)을 통과한다.

이때, 볼텍스 튜브(15, 도 1 참조)로부터의, 바람직하게는 5 ℃ 내지 15 ℃ 정도의 저온의 냉기로 인한 냉각 효과 때문에, 배기 가스 내의 수분은 상기 유동 파이프(20, 30)의 아랫쪽으로 응결/응축되어 물방울(250)이 되어 배기 가스 확산실(40)의 하부로 낙하하게 된다.

상기 배기 가스 확산실(40)의 하단에는, 상술한 수분의 응결/응축으로 인한 물/물방울(250)을 모아두는 리저버(50)가 설치되어 있다.

상기 리저버(50)는 물/물방울을 계속 모아두는 것이 아니라, 적절한 순간에 외부로, 즉 배출 튜브(미도시)를 통해서 외부로 배출할 수 있도록 리저브(50)의 하부에 물 배출부(70)를 포함하고 있다.

상기 물 배출부(70)는 리저버(50)의 내부 공간(60)에 축적된 물을 배출시킬 수 있는 구성, 예를 들어, 전기 펌프, 진공 펌프, 솔레노이드로 동작하는 펌프, 또는 부이(buoy) 방식으로 동작하는 오토 드레이너와 같은 적절한 배출 수단이기만 하면 된다.

상기 물 배출부(70)가 동작하는 시점을 특정하기 위해서, 필요하다면 수위 센서(미도시)나 수압 센서(미도시)를 설치하여 상기 물 배출부(70)를 동작시킬 수도 있다.

이때, 상기 배기 가스 확산실(40)과 상기 리저버(50) 사이의 연결부에는 일방향으로 수분을 확산시킬 수 있는 막(52)이 설치되어 있는 것이 바람직하다.

상기 막(52)은 배기 가스 확산실(40)에서 리저버(50)로 배출된 수분/물이 배기 가스 확산실(40)로 역류하는 것을 방지하기 위한 구성이다.

수분이 제거된 배기 가스는 계속 상향으로 유동하여 유동 챔버(10)이 상단에 형성한 배기 가스 배출 챔버(120)에 도달한 다음 화살표 방향으로 유동하면서 배기 가스 유출구(140)로 배출된다.

상기 배기 가스 유출구(140)에는 배기 가스 유입구(100)와 마찬가지로 배기 가스의 유입/유출을 용이하게 하기 위한 커플러(coupler, 미도시)가 장착되어 있을 수 있다.

여기서, 상기 유동 파이프(20, 30)의 설치 갯수는, 도면에서는 도시의 편의를 위해서 두 개가 도시되어 있으나, 적절하게는 네 개 또는 여섯 개 정도 설치되는 것이 바람직하다.

상기 유동 파이프(20, 30)의 설치 갯수가 적으면 배기 가스의 냉각 효과는 강하지만 단위 시간당 처리할 수 있는 배기 가스의 유량이 만족스럽지 못하고, 상기 유동 파이프(20, 30)의 설치 갯수가 많으면 유동 챔버(10) 내에 이들 파이프를 설치하기 곤란하다는 문제가 있다.

상기 유동 챔버(10)의 냉기 유입 입구(110)를 통과한 냉기는 유동 챔버(10)의 상단에서 하단으로 내려가면서 유동 챔버(10) 내에 설치된 유동 파이프(20, 30) 외부의 빈 공간(230)을 냉각시킬 수 있다.

이 때의 냉기는 유동 챔버(10) 내의 빈 공간(230)을 통해서, 하향으로 이동하면서, 유동 챔버(10) 내에 설치된 유동 파이프(20, 30)의 외부 공간을 냉각시키면서 도면의 우측 하단에 형성한 냉기 배출 출구(160)로 배출된다.

이때, 상기 배기 가스 투입구(100)의 전단측에 설치한 것과 동일하게 상기 냉기 배출 출구(160)의 후단측에는 강제 배기시키는 수단(미도시)이 설치되어 있는 것이 바람직하다.

이상의 구성에서 알 수 있는 바와 같이, 배기 가스(샘플 가스)는 도 2의 배기 가스의 수분 제거 장치(500)의 하단에 설치한 배기 가스 확산실(40)로부터 상단의 유동 챔버(10)를 상행으로 통과하면서 냉각된다.

이 때, 냉각 수준을 제어하기 위해서는, 유동 챔버(10)의 상단에 온도 조절부(300)를 추가하는 구성이 바람직하다.

이 온도 조절부(300)는 상기 유동 챔버(10) 내의 온도를 측정하여 배기 가스 중의 수분을 충분히 응축시킬 수 있는 온도가 되도록 조절하는 기능을 수행하며, 이를 위해서 적절한 온도 측정 장치(미도시)가 부가될 수도 있다.

상기 온도 조절부(300)의 온도 제어 범위는, 상술한 바와 같이, 배기 가스 내의 수분이 충분히 응결될 수 있도록 5 ℃ 내지 15 ℃ 정도의 범위가 적당하다.

온도 조절부(300)에는 온도를 표시하는 디스플레이부(310)와 온도 조절에 필요한 ON/OFF 스위치, 소망하는 온도값을 설정하기 위한 스위치(320) 등이 더 설치될 수 있다.

마지막으로, 도 3은 도 2의 A-A' 선을 따라서 취한 유동 챔버(10)의 절단면도이다.

도 3에 따르면, 유동 챔버(10)의 내부에는 샘플 가스가 유동하는 유동 파이프(20, 30)가 설치되어 있으며, 이 유동 파이프(20, 30)의 내면을 따라서 샘플 가스가 상향(도 3에서는 지면에 대해서 수직인 방향)으로 이동한다.

또한, 볼텍스 튜브(15)로부터의 냉기는 유동 챔버(10) 내의 빈 공간(230)을 통해서 유동한다는 것에 대해서는 이미 설명하였다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 볼텍스 튜브(15)로부터의 냉기와 배기 가스는 구조적으로 서로 섞이지 않는 것이 바람직하다.

최종적으로, 수분이 포함된 샘플 가스는 유동 챔버(10)를 통과하면서 수분이 제거되어 건조한 배기 가스의 형태로 샘플 가스 배출구(140)로 배출되며, 그 과정에서 배기 가스(200)에 포함된 수분을 물방울(250)의 형태로 응결/응축시킨다.

이후에, 적절한 측정/검사 장비(미도시)를 통해서 상기 배출된 수분이 제거된 배기 가스의 성분을 분석할 수 있다.

이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 볼텍스 튜브를 사용한 배기 가스의 수분 제거 장치를 설명하였지만, 이와 같은 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.

2 : 고압 공기 입구 4 : 저온측
5 : 고온측 6 : 고압의 공기 흐름
8 : 열기 9 : 냉기
10 : 유동 챔버 12 : 볼텍스 튜브 본체
15 : 볼텍스 튜브(볼텍스 쿨러) 20, 30 : 유동 파이프
40 : 배기 가스 확산실 50 : 리저버
100 : 샘플 가스 투입구 120 : 배기 가스 배출 챔버
200 : 배기 가스 210, 220 : (배기 가스 유동) 공간
230 : (냉기 유동) 공간 250 : 물방울
300 : 온도 조절부 500 : 배기 가스의 수분 제거 장치

Claims

굴뚝으로 배기되는, 수분이 함유된 배기 가스의 일부를 샘플 가스로서 공급되는 샘플 가스 투입구;
상기 샘플 가스를 하방으로 유동시켰다가 다시 상방으로 유동시키면서 확산시키는 배기 가스 확산실;
상기 배기 가스 확산실의 상측에 위치하는 유동 챔버;
상기 유동 챔버의 내부에 형성되고, 그 내부의 공간을 통해서 상향으로 상기 샘플 가스가 유동되면서 상기 샘플 가스 내의 수분이 응결되어 하방으로 낙하하면서 상기 수분을 제거하는 유동 파이프;
상기 유동 파이프의 상측에 형성되고, 상기 수분이 응결되어 제거된 샘플 가스가 모이는 배기 가스 배출 챔버;
상기 배기 가스 배출 챔버의 일측에 형성되고, 상기 수분이 제거된 샘플 가스를 배출하는 샘플 가스 배출구; 및
상기 유동 챔버의 상단부에 형성되고, 고압의 공기를 이용하여 냉기를 생성해 내고, 이 생성한 냉기를 상기 유동 챔버의 상단부에 형성한 냉기 유입 입구로 투입시키는 볼텍스 튜브(vortex tube);를 포함하며,
상기 볼텍스 튜브에서 상기 유동 챔버 내로 유입된 냉기는 상기 유동 챔버의 상단부에서 하단부로 이동하면서 상기 유동 챔버 내에 형성된 상기 유동 파이프 내부에서 유동하는 상기 샘플 가스를 냉각시킨 뒤에, 상기 유동 챔버의 하단부에 형성한 냉기 배출 출구로 배출되는 것을 특징으로 하는 배기 가스의 수분 제거 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 유동 챔버 내의 상기 냉기의 온도를 조절하기 위한 온도 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스의 수분 제거 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 배기 가스에서 추출된 물을 배출하는 물 배출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스의 수분 제거 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 유동 챔버 내부에서 유동하는 상기 냉기의 온도는 5 ℃ 내지 15 ℃인 것을 특징으로 하는 배기 가스의 수분 제거 장치.