KR101252236B1 - 순환 작동형 밸브를 구비한 급배기 분배실과 이를 구비한 축열식 연소산화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래 회전 디스크형 축열식 연소순환장치의 회전부분 마모에 의한 누설 문제를 근원적으로 해결하고자 하는 발명으로서,
순환 작동형 밸브를 구비한 급배기 분배실을 구비하고, 축열재가 저장된 축열조를 밸브의 숫자 만큼 구획하여 유해가스를 구획된 축열조를 통해 공급함과 동시에 연소 후 청정가스를 다른 구획의 축열조를 통해 배기하며, 오염물질 제거효율을 높이기 위해 퍼지 공급이 연속적으로 교차·가변되도록 하여 이용효율을 극대화하면서도 처리용 유해가스와 처리후 청정가스가 혼합되는것을 근원적으로 배제한 장치이다.

Description

순환 작동형 밸브를 구비한 급배기 분배실과 이를 구비한 축열식 연소산화장치{Exhaust division that equip circulation moving style valve and regenerative thermal oxidizer}

본 발명은 산업현장에서 발생하는 각종 악취 또는 휘발성유기화합물(VOC) 등이 함유된 유해가스를 연소 및 산화시켜 완벽하게 처리하여 배기하는 장치로서, 축열조를 채용하여 연소용 연료를 95% 이상 절약하고, 더 나아가서 고농도의 휘발성유기화합물(VOC)이 함유된 유해가스를 보조연료를 최소한으로 사용하여 처리하며, 이 때 남는 열량은 생산공정 등에 열원(열품, 열매 보일러 등)으로 활용할 수 있도록 하기 위한 장치이다.

상세히 보면 본 발명은 순환 작동형 밸브를 구비한 급배기 분배실을 구비하고, 축열재가 저장된 축열조를 밸브의 숫자 만큼 구획하여 유해가스를 구획된 축열조를 통해 공급함과 동시에 연소 후 청정가스를 다른 구획의 축열조를 통해 배기하며, 오염물질 제거효율을 높이기 위해 퍼지 공급이 연속적으로 교차·가변(교번)되도록 하여 이용효율을 극대화하면서도 처리용 유해가스와 처리후 청정가스가 혼합되는것을 근원적으로 배제한 장치이다.

산업현장에서는 다양한 오염물질이 함유된 유해가스가 발생되고 있으며,이중에서도 조선소와 같은 대규모 도장 및 코팅 공정이 수반되는 분야에서는 휘발성유기화합물 등이 다량으로 발생하여 대기중에서 빛과 반응하여 오존이나 알데히드 또는 광화합산화물을 생성하므로서, 지구온난화와 같은 환경오염을 유발한다.

휘발성유기화합물을 이루는 물질은 낮은 농도에서도 자극적이며 불쾌한 악취를 유발시키는 한편, 호흡기를 통하여 인체내로 흡수될 경우 신경계 등의 장애를 일으키며, 이중 일부는 발암 성질을 갖고 있어 최근에는 그 배기시설에 대한 엄격한 배출규제가 시행 중이다. 예를 들어 도장시설의 경우 법적 허용 배출기준이 40ppm이하 이나, 조선, 가구 제조 등의 사업장에서 배기되는 농도는 2,500~4,000ppm 정도로 높아 매우 엄격한 처리가 필요한 실정이다.

위와 같은 산업현장에서 발생한 휘발성유기화합물이 포함된 유해가스를 처리하기 위하여 고온연소 및 산화처리장치로서 직접연소장치와 촉매 연소장치 등을 사용하여 왔으며, 최근에는 연료비 절감과 오염물질 제거 효율이 우수한 축열식 연소산화장치(R.T.O)가 대표적으로 사용되고 있다.

상기 종래의 축열식 연소산화장치는 연소실 하단부에 축열재가 충진된 다수의 축열실을 통하여 유해가스가 유입되도록 하고, 이 과정에서 축열재에 축열된 열을 이용하여 처리용 유해가스를 예열시켜 처리용 유해가스가 연소실에 도달할 때 연소 온도에 근접한 온도까지 승온(700℃)되도록 하고, 연소후 처리된 높은 온도 (800℃)의 청정가스를 다시 축열실을 통해 배기시키는 과정에서 열을 회수(축열)하며, 최종적으로 배기되는 청정가스의 온도는 저온상태의 급기가스 온도 보다 30~40℃ 높은 정도를 유지한다. 상기와 같은 종래의 축열식 연소산화장치는 처리용 유해가스의 유입 및 처리후 청정가스의 배기가 분배수단에 의하여 교대로 이루어지도록 되어 있다.

이중 대표적인 것이 공개특허 특2003-11036호에 개시되어 있는바, 이는 고정회전판(40)의 상부고정판(41)과 하부고정판(42) 사이에 위치하여 회전하며, 유입관통부(51)을 구비한 디스크(50)와 이를 회전 구동하기 위한 구동수단(70) 등을 구비한다. 상기한 종래기술의 수평 회전체인 디스크(50)와 상부고정판(41) 및 하부고정판(42)는 모두 금속재이며, 직경이 3m(용량이 큰 산업용의 경우) 정도에 이르는 대형 구조물이므로 장기간 회전 운전시에 수평 회전체인 디스크(50)와 상하부고정판(41,42) 사이의 마찰면의 마모로 인하여 누설이 빈번하게 발생하고 있다. 이와 같은 운전 중 누설이 발생하여 처리용 유해가스와 처리후 청정가스가 1~2% 정도만 섞이는 현상이 발생하더라도 배기기준을 충족하지 못하는 심각한 문제가 대두되므로 수시로 정비 보수를 하여야 하나, 이는 비용부담은 물론, 생산설비의 가동에 직접적으로 중대한 지장을 초래하는 매우 문제를 유발한다.

실제로 초기 가동시에 오염물질 제거효율 98% 수준을 유지하던 것이 가동시간이 경과함에 따라 디스크(50)와 상하부고정판(41,42) 사이가 급속히 마모되어 불과 수개월내에 오염물질 제거효율이 3%P이상 저하되어 매년 교체· 보수를 해야 하는 문제가 대두되고 있고, 이러한 마모 문제를 해결하기 위하여 디스크와 상하부 고정판의 간격을 여유있게 할 경우 그 자체로 기밀성이 떨어지는 근원적인 한계가 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 근원적으로 해결하고자 하는 것으로, 기계적인 디스크와 구동수단을 완전히 배제하고, 이를 복수개(2n+p)의 처리용 유해가스 급기용 밸브와 같은 수의 처리 후 청정가스 배기용 밸브로 이루어진 급배기 분배실로 대체하여 회전체가 필요 없는 축열식 연소산화장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 종래의 디스크, 다중 디스크, 드럼형에 비하여 기밀성을 향상하고, 고장발생 가능성을 낮추며, 부피가 작은 축열식 연소산화장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 순환 작동형 밸브를 구비한 급배기 분배실을 제공함과 동시에 기존에 가동중인 디스크형을 밸브형으로 간단히 개조하여 사용할 수 있는 축열식 연소산화장치를 제공하고자 한다.

상기한 해결과제를 실현하기 위하여 본 발명은 급기분배실에 복수개(2n+p)n개의 급기용 밸브(방열용)를 구비하되, 이중 n개는 개방하고, 나머지는 폐쇄하며, 폐쇄밸브 중 p개의 밸브는 퍼지한다.

여기서 n은 급기 열림기능을 담당하는 밸브의 수이며 그 수는 퍼지 기능을 담당하는 밸브의 수(p) 보다 같거나 많게 구비된다(n≥p).

이에 대응하여 배기분배실에 같은 수의 배기용 밸브(축열용)를 구비하되, 급기용 밸브와 대향위치에 있는 것들이 조를 이루어 n 또는 n+1개는 개방하고 나머지 n+1 또는 n개는 폐쇄하도록 순차적으로 교번 작동되도록 하여 2n+p개의 영역으로 구획된 축열조의 모든 영역에 있어서 축열과 방열이 고르게 일어나도록 하는 발명이다.

이때 모든 급기밸브는 개방→퍼지(폐쇄)→폐쇄→개방의 순서로 무한 순환하여 순차적으로 작동하고, 배기밸브는 개방→폐쇄→개방 순서로 무한 순환하여 순차적으로 작동한다.

상기한 본 발명은 회전 디스를 구비하지 않음으로 인하여 회전부분에서 발생하는 마모와 이로 인한 누설 문제가 근원적으로 해소되어, 장치의 내구성이 현저하게 증대되고, 배기기준을 위반할 가능성이 크게 줄어든다.

또한, 회전 디스크 및 이의 구동수단을 배제하여 장치가 단순해 지고, 구동력을 얻는데 필요한 에너지 사용을 절감하는 효과가 기대된다.

운전기간의 경과에도 불구하고 운전초기 오염물질 제거효율(99% 수준)이 지속적으로 유지되는 효과가 기대된다.

기존에 설치 운전중인 회전 디스크형 장치의 급배기 분배실을 본 발명의 밸브를 채용한 급배기 분배실로 개조하는 방법으로 용이하게 설비를 개량할 수 있는 효과가 있다.

도1. 종래기술의 구성도
도2. 종래기술의 가변부의 분해사시도
도3. 본 발명에 따른 시스템 분해 구성도
도4. 본 발명에 따른 밸브 배치 평면도
도5. 본 발명에 따른 밸브 배치 사시도와 밸브 작동 순서 설명도
도6. 본 발명의 급기 및 배기 상태도 1
도7. 본 발명의 급기 및 배기 상태도 2
*도면의 주요부문에 대한 부호 설명
3 연소실, 4 급배기 분배실, 5 축열조
7 유입닥트 8 배기닥트 10 바이패스관 11 퍼지 밸브
51,52,53,54,55 급기밸브 61,62,63,64,65 배기밸브

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구체적인 실시예로서 첨부도면을 통해 상세하게 설명한다.

도3에 의하면, 본 발명의 순환 작동형 밸브를 구비한 축열식 연소산화장치는 원통형으로 이루어진 상부의 연소실과 그 하부에 구비되며 중심축으로부터 방사방향으로 원주까지 연장된 격벽에 의해 2n+p개의 영역으로 구획된 축열조와 상기 축열조 하부에 구비되며, 축열조를 통해 연소실로 유해가스를 공급하기 위하여 상기 구획된 축열조와 대응하는 2n+p개의 급기밸브(50)를 포함하는 급기분배실과 상기 연소실로부터 축열조를 통해 처리된 청정가스를 배출하기 위한 같은 수의 배기 밸브(60)를 포함하는 배기분배실로 이루어진 급배기 분배실(4)를 포함한다.

이로서 구획된 축열조의 개별 영역 마다 하나의 급기밸브와 하나의 배기밸브가 짝을 이루어 축열조, 급기밸브, 배기밸브 각각이 2n+p개의 수 만큼 구비되는 것이 바람직하다.

축열조 구획 수, 급기밸브와 배기밸브는 처리용량과 정밀도를 고려하여 그 수량을 정하되, 이들 3종류의 구성요소는 공히 5개, 7개, 9개(p=1 기준) 등 같은 수량을 구비하는 것이 설비 최적화면에서 바람직하지다. 다만, 이들 3종류의 구성요소가 반드시 같은 수를 갖는 것으로 한정될 필요는 없고, 축열조의 온도를 균일하게 유지하기 위해 상호 일정한 배수 관계를 유지하는 것은 필요하다.

도4에 도시된 바와 같이, 급기분배실과 배기분배실에 구비된 급기밸브와 배기밸브가 각각 5개(n=2, p=1)인 경우를 들어 일실시예로서 동작과정을 설명한다.

이 경우 축열조는 동축 방사상으로 연장된 격벽에 의해 5개 영역으로 구획된다. 다만, 축열조를 구획하는 격벽은 동심원 형상으로 구분할 수도 있고, 설비의 크기와 설치 공간의 최소화를 위해 필요에 따라 사각형 형상 등 다양한 형상을 가지도록 구비할 수 있다.

도4와 같이 본 발명은 외측 급기분배실에 중심축으로부터 원주방향으로 같은 거리를 따라서 동일한 간격으로 5개의 급기밸브(51~55)가 구비되고, 내측 배기분배실에는 5개의 배기밸브(61~65)가 구비된다. 상기 급기밸브(51~55)가 구비된 급기분배실은 유입닥트(7)와 연통되어 처리용 유해가스를 공급받아 축열조를 통해 연소실로 공급하고, 상기 배기밸브(61~65)가 구비된 배기분배실은 배기닥트(8)와 연통하여 처리된 청정가스를 대기중으로 배기한다. 상기 급기분배실과 배기분배실은 동심원 형상의 격벽을 갖는 하우징에 의해 공간이 분할되어 있으며, 이는 상기 종래기술 제7도에서 보는 바와 같이 공지기술이므로 더 이상의 구체적인 설명은 생략한다.

도5는 본 발명의 밸브가 작동되는 순서를 구체적으로 설명한다. 도5는 급기밸브와 배기밸브가 각각 5개(n=2, p=1)인 경우로서, 다음과 같은 순서에 따라 작동한다.

<배기밸브의 열림 숫자가 닫힘 숫자 보다 많은 경우>

단계	열림(급기/배기)	퍼지(급기)	닫힘(급기/배기)
1	51,52/61,62	55	53,54/63,64,65
2	52,53/62,63	51	54,55/64,65,61
3	53,54/63/64	52	55,51/65,61,62
4	54,55/64,65	53	51,52/61,62,63
5	55,51/65,61	54	52,53/62,63,64

위와 같은 단계별 작동 순서에 따라 5개로 구획된 축열조가 순차적으로 방열과 축열을 반복하여 모든 영역에서 균일하게 온도가 유지되도록 작동하는 것이다. 이를 위해 본 발명은 위와 같은 작동순서에 따라 급기밸브와 배기밸브를 작동시키기 위한 제어수단(미도시)이 구비되며, 구비되는 밸브들은 전기신호에 따라 동작하는 전자식 밸브로 구비함이 바람직하다. 상기 실시예는 급배기 각 n개씩 열리고, 급기 n개와 배기 n+1개가 닫히며, 급기 1개는 퍼지 동작을 하도록 모든 밸브가 순차적으로 교번 작동하는 것을 설명한다. 이때 퍼지는 열렸다가 최초로 닫히는 급기밸브와 연결된 축열조 구획에서 연소실로 공급되지 못하고 잔류된 가스가 배기측으로 바로 배출되지 못하도록 하고 이를 퍼지동작을 하는 급기밸브를 이용하여 연소실 다시 보내는 동작인바, 편의상 급기밸브를 중심으로 퍼지 동작을 설명하고자 한다.

만약에 밸브가 7개(n=3, p=1)인 경우라면, 급배기 각 3(n)개씩 열리고, 급기 3(n)개와 배기 4(n+1)개가 닫히며, 급기 1개는 퍼지 동작을 하도록 모든 밸브가 순차적으로 교번하여 무한 순환 작동하도록 구비된다.

이때 퍼지를 담당하는 밸브를 2개 이상으로 하는 것도 가능하지만, 축열 기능의 최대한 발휘를 위해 퍼지를 담당하는 밸브는 그 수를 최소로 하는 것이 바람직하며, 어떤 경우에도 퍼지를 담당하는 급기밸브의 수(p)는 열림 밸브의 수(n) 보다많게 구성해서는 아니된다.

다른 실시예로서, 급기밸브의 작동방식은 상기와 동일하되, 배기밸브의 열림(n)과 닫힘(n+p) 숫자를 반대로 적용할 수도 있다. 즉, 급배기 밸브가 각 5(n=2, P=1)개인 경우를 상정할 배기밸브 3(n+p)개가 열리고, 2(n)개가 닫히는 방식으로 아래와 같은 순서로 작동되도록 할 수 있다.

<배기밸브의 열림 숫자가 닫힘 숫자 보다 적은 경우>

단계	열림(급기/배기)	퍼지(급기)	닫힘(급기/배기)
1	51,52/61,62,63	55	53,54/64,65
2	52,53/62,63,64	51	54,55/65,61
3	53,54/63,64,65	52	55,51/61,62
4	54,55/64,65,61	53	51,52/62,63
5	55,51/65,61,62	54	52,53/63,64

도6은 1단계 밸브 작동에 따라 좌측에 배열된 축열조 구획을 따라 처리용 유해가스가 급기되면서 예열과 해당 축열조의 냉각이 진행되고, 동시적으로 우측에 배열된 축열조 구획을 따라 처리후 가열된 청정가스가 배기되면서 축열조의 열 축적과 배기가스의 냉각이 이루어지는 과정을 나타내고 있다.

도7은 2단계 밸브 작동에 따라 우측에 배열된 축열조 구획을 따라 처리용 유해가스가 급기되면서 예열과 해당 축열조의 냉각이 진행되고, 동시적으로 좌측에 배열된 축열조 구획을 따라 처리후 가열된 청정가스가 배기되면서 축열조의 열 축적과 배기가스의 냉각이 이루어지는 과정을 나타내고 있다. 도6 및 도7에는 퍼지 밸브(11)가 더 구비되어 순차적으로 작동하는 급기밸브(51~55)의 퍼지 작동과 함께 잔류한 유해가스가 배기라인을 따라 대기로 배출되지 않도록 할 수 있다.

이후 3~5단계 밸브 작동은 같은 원리에 따라 순환하면서 급기구역과 배기구역을 순차적으로 전환하므로서 5개로 구획된 축열조의 모든 영역이 균일하게 온도를 유지할 수 있도록 작동된다.

본 발명의 축열식 연소산화장치는 유입닥트(7) 입구측으로 송풍기가 구비되고, 연소실의 고열을 방지하기 위하여 연소실로부터 굴뚝으로 직접 연결된 바이패스관(10)이 더 구비된다.

본 발명의 축열식 연소산화장치는 밸브형 급배기 분배실을 구비한 것을 특징으로 하는바, 종래기술에 의해 기 설치된 축열식 연소산화장치에 있어서, 상하부 고정판(41,42)과 수평회전판(50)으로 이루어진 고정통로(40)을 본 발명의 밸브형 급배기 분배실 구조로 대체하는 방법으로 기존 설비를 용이하게 개조하여 사용할 수 있다. 이때 기존의 구획된 축열조와 연소실 등은 그대로 활용할 수 있다.

3 연소실, 4 급배기 분배실, 5 축열조
7 유입닥트 8 배기닥트 10 바이패스관 11 퍼지 밸브
51,52,53,54,55 급기밸브 61,62,63,64,65 배기밸브

Claims (7)

1. 연소실과 축열조를 구비한 축열식 연소산화장치에 사용되며,
   처리용 유해가스를 공급받아 복수로 구획된 축열조를 거쳐 연소실로 급기하는 급기분배실에 2n+p개의 급기밸브가 구비되고,
   연소실로부터 처리된 청정가스를 복수의 구획된 축열조를 거쳐 공급받아 배기닥트로 배기하는 배기분배실에 같은 수(또는 정수배)의 배기밸브가 구비된 것을 특징으로 하는 축열식 연소산화장치의 급배기용 분배실.
   (여기서 n = 열림 동작하는 급기밸브의 수, p = 퍼지 동작하는 급기밸브의 수)
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 급기밸브 2n+p개 중 n개 열림, n개 닫힘, p개 퍼지 기능을 담당하도록 순차적으로 교번 동작하며,
   상기 배기밸브 2n+p개 중 n개 또는 n+1개 열림, n+1개 또는 n개 닫힘 기능을 담당하도록 순차적으로 교번 동작하는 것을 특징으로 하는 축열식 연소산화장치의 급배기용 분배실.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 p=1인 것을 특징으로 하는 축열식 연소산화장치의 급배기용 분배실.
   
   
4. 연소실과,
   복수의 영역으로 구획된 축열조와,
   급기밸브와 배기밸브를 구비한 급배기 분배실을 포함하되,
   상기 축열조의 구획 수, 급기밸브의 수 및 배기밸브의 수는 각각 2n+p개(또는 그 정수배)이며,
   상기 급기밸브 2n+p개 중 n개 열림, n개 닫힘 및 p개 퍼지 기능을 담당하도록 순차적으로 교번 동작하는 축열식 연소산화장치.
   
5. 삭제
6. 제4항에 있어서,
   상기 축열조를 구획하는 격벽은 방사상 또는 동심원상으로 구획되는 것을 특징으로 하는 축열식 연소산화장치.
   
7. 제4항 또는 제6항에 있어서,
   상기 급기밸브는 개방→퍼지→폐쇄→개방의 순서로 무한 순환하고, 상기 배기밸브는 개방→폐쇄→개방 순서로 무한 순환하는 것을 특징으로 하는 축열식 연소산화장치.

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