KR101327268B1 - 촉매버너를 이용한 수증기/증류수 제조장치 및 이들의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 실험실, 반도체 산업, 시약제조 및 병원 검사실 등 다양한 분야에서 사용되는 수증기, 증류수 제조장치 및 이들의 제조방법에 관한 것으로서, 자세하게는 증류수를 만드는데 필수적인 수증기의 제조 열원으로 전기 대신에 도시가스 또는 LPG와 같은 연료가스를 촉매버너로 연소하여 발생한 연소열을 사용하는 것을 특징으로 하는 수증기, 증류수 제조장치 및 이들의 제조방법에 대한 것이다.
본 발명에 따른 수증기, 증류수 제조장치 및 제조방법은 촉매버너에서 발생한 원적외선 복사에너지 형태의 열을 수증기 제조에 활용함으로써 매우 높은 에너지 효율을 구현할 수 있다.

Description

촉매버너를 이용한 수증기/증류수 제조장치 및 이들의 제조방법{Distilled Water/Steam Manufacturing System Using Catalytic Burner, And Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 각종 실험실, 반도체 산업, 시약제조 및 병원 검사실 등 다양한 분야에서 사용되는 수증기, 증류수 제조장치 및 이들의 제조방법에 관한 것으로서, 자세하게는 증류수를 만드는데 필수적인 수증기의 제조 열원으로 전기 대신에 도시가스 또는 LPG와 같은 가스연료를 촉매버너로 연소시켜 발생한 연소열을 사용하는 것을 특징으로 하는 수증기, 증류수 제조장치 및 이들의 제조방법에 대한 것이다.

본 발명에 따른 수증기, 증류수 제조장치 및 제조방법은 촉매버너에서 발생한 원적외선 복사에너지 형태의 열을 수증기 제조에 활용함으로써 매우 높은 에너지 효율을 구현할 수 있다.

현재 유통되고 있는 증류수 제조장치는 대부분 전기를 열원으로 사용하여 수증기를 발생시킨 다음, 이를 응축시켜서 증류수를 제조하고 있다. 따라서 기존의 증류수 제조장치는 원수(물)를 가열하는데 있어서 효율적인 전기 공급으로 전기사용량을 줄임으로써 증류수 제조비용을 낮추는데 초점이 맞추어져 있다.

이와 같이 효율 개선을 통하여 증류수 제조비용을 낮추기 위한 노력이 근래에 진행되고 있지만, 전기에너지를 사용한 증류수 제조장치의 에너지 이용 효율 향상에는 한계가 있다. 전기는 편리성을 도모하기 위해 가공 생산된 2차 에너지이기 때문에 전기에너지의 특성상, 전기를 생산하는 발전단계에서 손실을 필연적으로 감내해야 한다. 따라서 탄소배출을 억제하기 위한 에너지 이용효율 관점에서 보면 에너지원을 직접 활용하는 유사기술에 비하여 에너지 이용 효율이 낮을 수밖에 없다.

한편, 국내 전기요금은 국내 산업경쟁력 확보와 원자력 발전 활용 등으로 외국에 비하여 매우 낮은 가격으로 책정되어 있지만, 최근 원자력 발전의 안정성 문제가 제기되고 에너지 고갈에 따른 유가가 급등하면서 전기요금의 현실화가 진행되고 있으며 향후에도 지속적으로 전기요금의 상승이 예상된다.

최근 산업생산 현장에서는 탄소배출권 거래 시행과 관련하여 탄소배출량을 줄이기 위한 노력이 진행되고 있으며, 이를 위하여 에너지 이용효율을 높이기 위한 시도가 많이 되고 있다. 이와 더불어 한 번 가공하여 생산된 2차 에너지를 LNG와 같은 1차 에너지로 전환하여 탄소 배출량을 줄이는 방법이 주목을 받고 있는데, 좋은 대안이라고 생각된다. 석탄 또는 LNG 등으로부터 생산되는 전기에너지는 생산과정에서 발생되는 에너지 손실로 인하여 전체 에너지 이용효율이 40%를 넘지 못하고 있으며, 따라서 전기에너지를 도시가스와 같은 1차 에너지로 대체하여 활용하면 동일한 에너지 이용효율을 갖는 시스템이라도 전체 에너지 변환/이용 효율이 높아지게 된다.

한편, 새로운 연소기술로서 최근 많은 주목을 받고 있는 촉매연소 기술은 도시가스 또는 LPG와 같은 가연성 가스를 촉매(연소촉매라고도 함)를 사용하여 화염 연소반응보다 매우 낮은 온도에서 연소시키는 기술이다. 촉매연소에서는 연소반응이 촉매 상에서 일어나기 때문에 활성화에너지가 낮아져 낮은 온도에서도 안정적으로 연소반응이 일어나고, 질소산화물과 같은 공해물질의 배출이 적으며, 발생된 열이 원적외선 복사에너지 형태로 방출되기 때문에 저온의 열을 이용하는 공정에서 발생된 에너지를 효율적으로 활용할 수 있는 연소방식으로 알려져 있다.

촉매연소 기술은 현재 VOC 소각, 자동차 배기가스 처리, 건조장치 등 다양한 분야에서 활용되고 있는데, 활용방식에 따라 촉매연소 장치의 구성이 달라진다. 최근 산업용 건조장치 등에서 활용되고 있는 촉매버너는 뛰어난 전열특성으로 인하여 다양한 형태로 만들어지고 있으며, 연료와 공기의 공급방식에 따라 확산식 연소방식과 예혼합 연소방식으로 나누어진다.

본 발명에서는 다양한 산업, 연구 분야에서 사용되는 수증기 및 증류수를 제조하는데 필요한 열원으로 도시가스 또는 LPG 등을 이용하고 연소장치로 촉매버너를 활용함으로써, 에너지 이용효율을 높이고 저렴한 비용으로 수증기 및 증류수를 제조할 수 있는 새로운 형태의 증류수 제조장치를 개발하였다.

본 발명의 목적은 도시가스, LPG 와 같은 가스연료를 촉매버너를 이용하여 연소시켜 발생하는 원적외선 복사파 형태의 에너지를 이용하여 저렴한 비용으로 수증기 및 증류수를 효율적으로 제조할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상술한 바와 같은 목적 달성을 위하여, 본 발명은 도시가스 또는 LPG와 같은 연료가스를 촉매버너를 이용해 연소시켜서 발생된 연소열을 이용하여 복사전열 방식으로 물을 가열하여 연속적으로 수증기를 발생시키는 수증기 제조장치로서, 상기 촉매버너는 i) 내부 공간이 구비된 버너 몸체, ⅱ) 상기 버너 몸체의 내부에 위치하면서, 공급되는 연료가스를 분사하는 분사노즐, ⅲ) 상기 버너 몸체의 내부의 분사 노즐 하부에 위치하면서, 상기 분사노즐 하부에서 분사된 연료가스를 무화염 상태로 연소시키는 매트 연소촉매, ⅳ) 상기 매트 연소촉매의 상부에 위치하면서, 발생한 연소열을 사용하여 상기 매트 연소촉매의 촉매층 온도를 유지하기 위한 지지체를 포함하고, v) 상기 촉매버너의 기동을 위해 필요한 열을 촉매 층으로 공급하는 전기히터를 추가로 더 포함하며, 상기 촉매버너로부터 일정한 간격을 두고 수조가 설치되는 것을 특징으로 하는 수증기 제조장치를 제공한다.

이때, 수조 내에 들어 있는 물의 표면(수면)과 촉매버너 사이의 간격을 조절하여 수증기 발생량을 제어할 수 있으며, 이를 위하여 수조 내에 수면 높이를 조절할 수 있는 조절장치가 설치될 수 있다. 또한, 수조는 촉매버너로부터 1~20 cm의 일정한 간격을 두고 설치되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 4~10 cm의 일정한 간격을 두고 설치될 수 있다.

그 외에도, 연소촉매에 공급되는 가스 유량을 조절하여 수조로부터의 수증기 발생량을 제어할 수도 있으며, 연소생성물인 이산화탄소가 증류수에 용해되는 것을 방지하기 위하여, 매트 촉매버너와 수조 사이에 유리를 설치할 수도 있다.

한편, 본 발명은 i) 앞에서 설명한 수증기 제조장치, 및 ⅱ) 수증기 제조장치로부터 생성된 수증기를 응축시켜서 기화열을 회수함으로써 수조로 유입되는 물을 가열하는 기능을 갖는 열교환기를 포함하는 증류수 제조장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 i) 상기 촉매버너를 이용하여 가스연료를 무화염 상태로 연소시켜 연소열을 얻는 연소열 생성 단계; 및 ⅱ) 얻어진 연소열을 이용하여 복사전열 방식으로 물을 가열하여 연속적으로 수증기를 만드는 수증기 발생 단계;를 포함하는 수증기 제조 방법을 제공한다.

그리고, 본 발명은 i) 상기 촉매버너를 이용하여 연료가스를 무화염 상태로 연소하여 연소열을 얻는 연소열 생성 단계; ⅱ) 얻어진 연소열을 이용하여 복사전열 방식으로 물을 가열하여 연속적으로 수증기를 만드는 수증기 발생 단계; 및 ⅲ) 만들어진 수증기를 응축시키는 응축 단계;를 포함하는 증류수 제조 방법을 제공하며, 이때 응축 단계에서 회수되는 기화열이 상기 수증기 발생 단계의 물을 가열하는데 사용되는 것이 바람직하다.

본 발명의 수증기 및 증류수 제조장치는 매트 촉매버너를 사용하여 얻을 수 있는 복사전열 방식의 연소열을 이용하여 수증기를 제조함으로써, 수증기 제조에 필요한 에너지를 저렴한 비용으로 제공하면서도 높은 에너지 이용효율을 얻을 수 있다. 또한, 전기에너지를 도시가스와 같은 1차 연료로 대체하면 전기에너지 가공 과정에서 발생하는 에너지 손실을 줄일 수 있으므로, 탄소배출 총량제도 아래에서 탄소배출량을 줄이는 효과를 얻을 수 있어 최근 생산현장에서 현안으로 떠오르는 탄소배출 종량제 제도에 능동적으로 대처할 수 있다.

도 1은 촉매버너를 이용한 증류수 제조장치 개념도이다.
도 2는 수조 내의 수면 높이에 따른 물의 온도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 매트 촉매버너에 의한 수증기 제조에서 가열시간에 따른 에너지 이용효율을 나타낸 그래프이다.

본 발명에서 제시한 촉매버너를 이용한 수증기/증류수 제조장치 및 이들의 제조방법에 대하여 도면을 참조하여 이하 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 매트 촉매버너를 이용한 수증기 발생장치는 도 1에 도시한 바와 같이, i) 내부 공간이 구비된 버너 몸체, ⅱ) 상기 버너 몸체의 내부에 위치하면서, 공급되는 연료가스를 분사하는 분사노즐, ⅲ) 상기 버너 몸체의 내부의 분사 노즐 하부에 위치하면서, 상기 분사노즐 하부에서 분사된 연료가스를 무화염 상태로 연소시키는 매트 연소촉매, ⅳ) 상기 매트 연소촉매의 상부에 위치하면서, 발생한 연소열을 사용하여 상기 매트 연소촉매의 촉매층 온도를 유지하기 위한 지지체를 포함하고, v) 상기 촉매버너의 기동을 위해 필요한 열을 촉매 층으로 공급하는 전기히터를 추가로 더 포함하며, 상기 촉매버너로부터 일정한 간격을 두고 수조가 설치되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 촉매버너는 버너몸체 내부로 가스를 공급하는 가스관과 촉매 층의 온도를 측정하기 위한 열전대를 추가로 포함할 수 있다.

이때, 수조 내 수면과 촉매버너 사이의 간격을 조절하여 수조로부터의 수증기 발생량을 제어할 수 있으며, 이를 위하여 수조 내의 수면 높이를 조절할 수 있는 조절장치가 설치될 수 있다. 그 외에도, 매트 촉매버너에 공급되는 가스 유량을 조절하여 수조로부터의 수증기 발생량을 제어할 수도 있다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 수증기 발생장치는 가스연료를 저온에서 촉매 연소하여 원적외선 복사에너지 형태로 연소열을 방출하게 되며, 이 연소열은 수조 내 수면에 복사 전열된다. 따라서 수면에 있는 물의 온도가 하부에 있는 물보다 빨리 상승하고 온도가 상승한 상부의 물은 비중이 낮아지게 된다. 이로 인해 고온의 상부와 저온의 하부 사이에 대류가 일어나지 않고, 적은 에너지만 전도에 의해서 수조 하부에 있는 물로 전달되기 때문에 수조 하부 물의 온도는 천천히 상승하게 된다.

도 2는 매트 촉매버너를 이용하여 수증기를 연속적으로 발생시킬 때, 수조에 들어 있는 물의 높이에 따른 온도변화를 측정하여 나타낸 것이다. 여기서 매트 촉매버너는 수면으로부터 100mm 정도 간격을 두고 설치되었으며, 연소부하는 1.0 kcal/h.cm²로 유지시켰다. 수조 표면에서 계속 수증기가 발생하고 있는 상황에서도 도 2에서 보인 바와 같이 물속으로 10mm 정도만 들어가며 수온이 80℃ 정도로 낮아져서 표면에 있는 물과 대략 20℃ 정도 온도 차이가 나며, 표면에서부터 50 mm 정도 들어가면 물의 온도가 40℃ 정도밖에 되지 않아 열전달이 매우 작다는 것을 알 수 있었다.

이와 같이 본 발명에서 고안한 수증기 발생장치를 사용하면 가스연료의 연소에 의해 발생된 연소열이 수조 표면에 있는 물을 가열하는데 대부분 사용되기 때문에 에너지 이용효율이 매우 높다.

도 3은 본 발명에서 고안된 수증기 발생장치에서 연속적으로 수증기를 발생시킬 때 시간의 경과에 따른 에너지 이용효율을 나타낸 그래프이다. 여기서 에너지 이용효율은 투입되는 에너지를 열량으로 환산하고 물의 감소량을 기준으로 수증기 생성에 활용된 에너지를 계산하여 백분율로 나타낸 것이다. 그래프에서 보인 바와 같이 매트 촉매버너 아래에 물이 공급된 뒤 1분 채 되기 전부터 수증기가 발생하기 시작함을 알 수 있었고, 10분 정도 경과한 후부터 공급된 에너지와 수조에 있는 물의 기화 속도가 평형을 이루어서 일정한 에너지 이용 효율이 얻어짐을 알 수 있다.

복사전열에 의해 물에 전달되는 열량은 열원과 가열시키고자 하는 물체 사이의 거리 증가에 따라 감소하기 때문에 거리가 멀어지면 에너지 이용효율도 낮아진다. 또한 수조에 물이 많으면 많을수록 수조 아래에 있는 물로 계속 열이 전달되어 손실되기 때문에 에너지 이용효율이 낮아진다. 따라서, 매트 촉매버너는 수면으로부터 1~20cm의 일정한 간격을 두고 설치될 수 있으나, 에너지 이용효율 등을 고려할 때 4~10cm의 일정한 간격을 두고 설치되는 것이 바람직하다.

표 1은 매트 촉매버너와 물 사이의 거리 증감에 따라 에너지 이용효율 변화를 측정하여 나타낸 것으로서, 매트 촉매버너가 수면으로부터 멀리 떨어져 설치될수록 수증기 생성에 사용되는 에너지가 적고, 에너지 이용효율이 낮아짐을 알 수 있다. 표에서 볼 수 있듯이, 본 발명에서 고안된 수증기 제조장치를 활용하면 원적외선 복사전열에 의한 뛰어난 열전달 특성으로 인하여 70% 이상 에너지 이용효율을 얻을 수 있다.

물과 촉매버너 사이의 거리	50 mm	75 mm	100 mm	125 mm	150 mm
에너지이용 효율	71.7%	67.1%	62.8%	59.0%	54.3%

한편, 본 발명의 증류수 제조장치는 i) 앞에서 설명한 수증기 제조장치, 및 ⅱ) 수증기 제조장치로부터 생성된 수증기를 응축시켜서 기화열을 회수함으로써 상기 수조로 유입되는 물을 가열하는 역할을 하는 열교환기를 포함하는 구성을 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료로 사용되는 도시가스 또는 LPG 등은 대부분 탄화수소로 구성되어 있는데, 잘 알려진 바와 같이 탄화수소는 탄소와 수소로 되어 있기 때문에 완전 연소되면 이산화탄소와 수증기 밖에 생성되지 않는다. 따라서 연소된 가스를 냉각시키면 수증기가 응축되어 증류수를 얻을 수 있다.

일반적인 화염연소에서는 공기량이 많고 연소가스의 온도가 높아 연소가스를 응축시켜 증류수를 얻는 것은 경제성이 거의 없다. 하지만, 본 발명에서와 같이 매트 촉매버너를 사용하여 수증기를 만들면 연소가스의 온도가 낮아서 연소생성물을 응축시켜서 수증기를 만들 수도 있다. 따라서 본 발병의 증류수 제조장치를 사용하면 수조에 들어있는 물의 증발에 의해서 생성된 수증기와 연소가스 중에 들어 있는 수증기를 모두 응축시켜서 사용하게 되어 증류수들 더 많이 얻을 수 있으며 에너지 이용효율을 더욱 높일 수 있다.

한편, 연소가스 중에 존재하는 이산화탄소가 증류수에 다량으로 용해되면 증류수의 산성도가 증가할 수 있다. 이것을 방지하기 위해서는 매트 촉매버너와 수조사이에 유리를 설치할 수 있다. 매트 촉매버너 아래 유리가 설치되면 복사열의 일부가 유리에 흡수되어 유리의 온도를 높아져서 에너지 이용효율이 일부 떨어질 수 있으나, 유리와 물 사이 간격을 짧게 하면 유리의 온도 상승을 미미한 정도로 제한할 수 있다.

본 발명의 증류수 제조장치에서, 생성된 수증기는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 열교환기에서 응축되어 증류수가 된다. 수증기는 응축과정에서 기화열과 동일한 양의 잠열을 내놓기 때문에, 열교환기를 통하여 수조에 공급되는 물의 온도가 상승하게 된다. 이와 같이 증류수 제조장치에 열교환기를 추가하면 수증기 제조에서의 에너지 이용효율을 더욱 높일 수 있다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서 제시한 수증기 제조 및 이를 이용한 증류수 제조장치는 도시가스 또는 LPG를 연료로 사용하고, 매트 촉매버너를 사용하여 연소열을 원적외선 복사에너지 형태로 발생시켜서 물을 가열시키는데 사용함으로써, 수증기 제조에서 매우 높은 에너지 이용효율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 열교환기를 설치하여 수증기를 응축시킴으로써 더욱 경제적으로 증류수를 얻을 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 실시 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

Claims (10)

1. 도시가스 또는 LPG를 포함하는 연료가스를 촉매버너를 이용해 연소시켜서 발생된 연소열을 이용하여 복사전열 방식으로 물을 가열하여 연속적으로 수증기를 발생시키는 수증기 제조장치로서,
   상기 촉매버너는 i) 내부 공간이 구비된 버너 몸체, ⅱ) 상기 버너 몸체의 내부에 위치하면서, 공급되는 연료가스를 분사하는 분사노즐, ⅲ) 상기 버너 몸체의 내부의 분사 노즐 하부에 위치하면서, 상기 분사노즐 하부에서 분사된 연료가스를 무화염 상태로 연소시키는 매트 연소촉매, ⅳ) 상기 매트 연소촉매의 상부에 위치하면서, 발생한 연소열을 사용하여 상기 매트 연소촉매의 촉매층 온도를 유지하기 위한 지지체를 포함하고, v) 상기 촉매버너의 기동을 위해 필요한 열을 촉매 층으로 공급하는 전기히터를 추가로 더 포함하며,
   상기 촉매버너로부터 일정한 간격을 두고 수조가 설치되는 것을 특징으로 하는 수증기 제조장치.
2. 제1항에 있어서,
   수조 위에 설치된 촉매버너와 수면 사이의 간격을 조절하여 수조로부터의 수증기 발생량을 제어하는 것을 특징으로 하는 수증기 제조장치.
3. 제1항에 있어서,
   수조의 수면 높이를 조절할 수 있는 조절장치가 설치된 것을 특징으로 하는 수증기 제조장치.
4. 제1항에 있어서,
   촉매버너가 수조의 수면과 1~20 cm의 일정한 간격을 두고 설치되는 것을 특징으로 하는 수증기 제조장치.
5. 제1항에 있어서,
   촉매버너에 공급되는 가스 유량을 조절하여 수조로부터의 수증기 발생량을 제어하는 것을 특징으로 하는 수증기 제조장치.
6. 제1항에 있어서,
   연소생성물인 이산화탄소가 증류수에 용해되는 것을 방지하기 위하여, 매트 촉매버너와 수조 사이에 유리가 설치된 것을 특징으로 하는 수증기 제조장치.
7. i) 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 수증기 제조장치, 및 ⅱ) 수증기 제조장치로부터 생성된 수증기를 응축시켜서 기화열을 회수하여 수조로 유입되는 물을 가열하는 역할을 하는 열교환기를 포함하는 증류수 제조장치.
8. i) 제1항에 기재된 촉매버너를 사용하여 가스연료를 무화염 상태로 연소시켜 연소열을 얻는 연소열 생성 단계; 및 ⅱ) 얻어진 연소열을 이용하여 복사전열 방식으로 물을 가열하여 연속적으로 수증기를 만드는 수증기 발생 단계;를 포함하는 수증기 제조 방법.
9. i) 제1항에 기재된 촉매버너를 사용하여 가스연료를 무화염 상태로 연소시켜 연소열을 얻는 연소열 생성 단계; ⅱ) 얻어진 연소열을 이용하여 복사전열 방식으로 물을 가열하여 연속적으로 수증기를 만드는 수증기 발생 단계; 및 ⅲ) 만들어진 수증기를 응축시키는 응축 단계;를 추가로 더 포함하는 증류수 제조 방법.
10. 제9항에 있어서,
    응축 단계에서 회수되는 기화열이 상기 수증기 발생 단계의 물을 가열하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 증류수 제조 방법.
    
    
    
    

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