KR101397427B1 - 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스에 포함되어 있는 잠열 및 수분을 회수하여 백연을 저감함과 함께 배기가스 내에 포함되어 있는 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치는 흡습성염류 용액과 배기가스를 접촉시켜 배기가스의 수분과 잠열을 회수하고 배기가스 내의 오염물질을 흡수하는 열-수분 교환장치와, 배기가스와 접촉된 흡습성염류 용액이 유입되는 흡습성염류 용액조와, 흡습성염류 용액조의 흡습성염류 용액과 순환수를 열교환시켜 순환수를 가열하는 제 1 열교환기 및 흡습성염류 용액조의 흡습성염류 용액에서 분리된 수증기를 이용하여 상기 제 1 열교환기에 의해 가열된 순환수를 가열시키는 제 2 열교환기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치{Apparatus for waste heat recovery and abatement of white plume of exhaust gas}
본 발명은 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기가스에 포함되어 있는 잠열 및 수분을 회수하여 백연을 저감함과 함께 배기가스 내에 포함되어 있는 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치에 관한 것이다.
소각장, 금속 용해로, 보일러, 습식 탈황시설 등은 고농도의 오염물질이 포함된 배기가스를 발생시키는데, 배기가스에 포함되어 있는 오염물질을 제거하기 위해 일반적으로 흡수탑 즉, 습식집진장치가 이용된다. 습식집진장치는 고온의 배기가스에 물을 분무하여 배기가스 내의 오염물질을 제거하는 장치이며, 습식집진장치에서 배출되는 배기가스는 고온다습한 상태 즉, 포화상태로 연돌을 통해 대기 중으로 배출된다.
연돌을 통해 배출되는 배기가스는 포화 수분을 함유하고 있기 때문에 하얀 연기인 백연의 형태로 띠게 된다. 연돌을 통해 배출되는 백연은 통상, 60∼200℃의 온도를 갖는데, 연돌 외부의 차가운 공기와 접촉하게 되면 백연 내의 포화 수분이 응결되어 낙하되는 특성을 갖는다. 백연 내에는 다양한 오염물질이 포함되어 있음에 따라, 응결되어 낙하되는 수분에는 인체에 유해한 물질이 다량 포함되어 있다.
이와 같은 백연을 방지하기 위한 방법으로, 고온의 공기를 혼합시켜 배기가스의 상대습도를 저감시키거나 연돌에 버너를 설치하여 배기가스를 직접 가열하는 방식이 적용되고 있다. 그러나, 전자의 경우 설치비용이 매우 높고 후자의 경우, 연료 소비에 따른 유지비용이 높다는 단점이 있다.
또한, 백연을 저감시키는 방법으로 특허문헌 1(한국등록특허 제10-1200330호), 특허문헌 2(한국등록특허 제10-375555호)를 포함한 다수의 특허문헌이 제시된 바 있다. 그러나, 이러한 특허 기술들은, 전술한 바와 같은 복잡한 설비(습식집진장치) 등을 포함할 뿐만 아니라 백연을 저감시키는데 효율적이지 않다. 특허문헌 3(한국등록특허 제10-949853호)은 열교환기를 통해 백연의 온도를 낮추어 백연을 저감하는 기술을 제시하고 있으나, 백연 내에 포함되어 있는 오염물질을 제거하는데 한계가 있다. 이와 함께, 종래의 기술들은 백연 저감에 초점이 맞추어져 있어 백연에 포함되어 있는 열을 재활용하는데 미흡한 면이 있다.
한편, 습공기선도(Psychometric Chart)를 활용하여 다습한 배기가스의 물리적 특성을 살펴보면, 건구 온도와 절대습도를 좌표로 하는 t-x선도(t: 온도, x: 절대습도)에 따라 0∼60℃ 영역에서는 절대습도의 증가곡선이 완만한 곡선을 이루다가 60∼70℃ 영역에서는 절대습도가 급격한 상승곡선을 따라 증가하고, 70℃ 이상의 온도 영역에서는 수직에 가깝게 미세한 온도차에 의해서도 절대습도가 증가되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 소각로 등에서 배출되는 배기가스의 온도 및 습도를 적정 수준(출구온도 60℃ 이하, 절대습도 40 이하)으로 제어할 필요가 있다.
한국등록특허 제10-1200330호 한국등록특허 제10-375555호 한국등록특허 제10-949853호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 배기가스에 포함되어 있는 잠열 및 수분을 회수하여 백연을 저감함과 함께 배기가스 내에 포함되어 있는 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치는 흡습성염류 용액과 배기가스를 접촉시켜 배기가스의 수분과 잠열을 회수하고 배기가스 내의 오염물질을 흡수하는 열-수분 교환장치와, 배기가스와 접촉된 흡습성염류 용액이 유입되는 흡습성염류 용액조와, 흡습성염류 용액조의 흡습성염류 용액과 순환수를 열교환시켜 순환수를 가열하는 제 1 열교환기 및 흡습성염류 용액조의 흡습성염류 용액에서 분리된 수증기를 이용하여 상기 제 1 열교환기에 의해 가열된 순환수를 가열시키는 제 2 열교환기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 열-수분 교환장치의 상단부에 흡습성염류 용액을 공급하는 흡습성염류 용액 공급노즐이 구비된다. 또한, 상기 열-수분 교환장치의 내부에 배기가스와 1차 접촉하여 배기가스 내의 오염물질을 흡착함과 함께 유기물을 분해하는 희토류 볼층이 구비된다. 이와 함께, 상기 열-수분 교환장치의 일측에 저온 고압의 공기를 열-수분 교환장치 내부에 공급하여, 배기가스의 응결을 유도하는 에어 이젝터가 더 구비될 수 있다.
상기 흡습성염류 용액은 흡습성염류가 용해된 수용액이며, 상기 흡습성염류는 질산칼슘수화물이거나, 질산칼슘수화물 이외에 질산암모늄(NH4NO3), 황산암모늄((NH4)2SO3), 과염산바륨(Ba(CIO4)2), 탄산수소칼륨(KHCO3), 질산나트륨(NaNO3), 염소산나트륨(NAClO3), 질산칼륨(KNO3), 질산바륨, 과염소산나트륨, 염화나트륨, 염화칼슘, 개미산칼륨 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 흡습성염류 용액의 농도는 40∼80wt%로 조절될 수 있다.
상기 희토류 볼층은 희토류 볼의 집합체이며, 상기 희토류 볼은 희토류가 함유되어 있는 세라믹 담체이며, 상기 희토류는 상기 세라믹 담체에 0.1∼0.5wt%로 함유된다.
상기 제 1 열교환기에 의해 열을 냉각된 흡습성염류 용액은 상기 열-수분 교환장치의 흡습성염류 용액 공급노즐로 공급된다. 또한, 상분리기가 더 구비되며, 상기 상분리기는 흡습성염류 용액조의 흡습성염류 용액으로부터 수증기를 분리하여 상기 제 2 열교환기에 공급하며, 상기 제 2 열교환기에서 냉각되어 형성된 수증기의 응결수는 증류수조로 이동된다.
상기 흡습성염류 용액조의 흡습성염류 용액에 포함되어 있는 오염물질을 제거하는 볼텍스 필터와, 상기 흡습성염류 용액조의 흡습성염류 용액을 별도의 순환수와 접촉시켜 순환수를 가열함과 함께 냉각된 흡습성염류 용액을 상기 볼텍스 필터로 공급하는 제 3 열교환기가 더 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
질산칼슘과 같은 흡습성염류를 함유하는 용액을 배기가스와 접촉시켜 배기가스 내의 수증기의 수분, 잠열 및 오염물질을 회수할 수 있으며, 회수된 잠열은 열교환을 통해 난방용수 등으로 재활용할 수 있다.
또한, 배기가스의 수분이 흡습성염류 용액조 내에 수분이 지속적으로 공급되더라도 상분리기를 통해 일정 수분이 증류수조로 별도로 분리됨에 따라 흡습성염류의 농도를 일정하게 유지시킬 수 있어 흡습성염류에 의한 잠열, 수분 및 오염물질 회수특성을 최적 상태로 유지시킬 수 있다.
이와 함께, 연돌을 통해 배출되는 배기가스의 온도 및 습도를 최적화함으로써 백연 발생을 억제하고 이에 따라 백연 응결에 의한 오염물질 낙하를 방지할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 이젝터의 구성도.
본 발명은 흡습성염류 용액을 통해 배기가스의 오염물질을 흡착함과 함께 배기가스의 잠열을 회수하는 기술을 제시하며, 흡습성염류 용액의 농도를 일정하게 유지되도록 하여 흡습성염류 용액에 의한 잠열회수 및 오염물질 흡착특성을 최적화함에 특징이 있다. 배기가스의 잠열 및 수분이 회수됨으로 인해 배기가스의 온도 및 습도가 최적화되며, 이에 따라 연돌을 통해 배출되는 배기가스가 백연화되는 것을 억제하고 오염물질 낙하 등의 부작용을 방지할 수 있게 된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치는 열-수분 교환장치(110), 흡습성염류 용액조(120) 및 복수의 열교환기를 포함하여 구성된다.
상기 열-수분 교환장치(110)는 배기가스에 포함되어 있는 오염물질 및 배기가스의 잠열을 회수하는 역할을 한다. 상기 열-수분 교환장치(110)의 상단부에는 흡습성염류 용액을 분사하는 흡습성염류 용액 공급노즐이 구비되고, 상기 열-수분 교환장치(110)의 내부에는 희토류 볼층이 구비된다.
상기 흡습성염류 용액은 흡습성염류를 함유하는 용액으로서 배기가스의 잠열 및 수분을 흡열, 흡수함과 함께 배기가스 내에 포함되어 있는 오염물질을 흡착하는 역할을 한다. 상기 흡습성염류 용액에 용해되는 흡습성염류로는 질산칼슘수화물(Ca(NO3)4·H2O)이 이용될 수 있다. 질산칼슘수화물은 오염물질 흡착특성이 우수하며, 용해도가 큼과 동시에 온도에 따른 용해도 차이가 커 저온 상태에서는 회수가 용이하다. 또한, 질산칼슘수화물은 용해시 흡열반응을 일으켜 배기가스의 잠열 회수특성이 우수하다. 이와 같은 특성을 만족하는 흡습성염류로 상기 질산칼슘수화물 이외에 질산암모늄(NH4NO3), 황산암모늄((NH4)2SO3), 과염산바륨(Ba(CIO4)2), 탄산수소칼륨(KHCO3), 질산나트륨(NaNO3), 염소산나트륨(NAClO3), 질산칼륨(KNO3), 질산바륨, 과염소산나트륨, 염화나트륨, 염화칼슘, 개미산칼륨 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
한편, 흡습성염류 용액으로 질산칼슘수화물 수용액이 사용되는 경우 잠열 회수 및 수분 흡수 특성을 최대화하기 위해 질산칼슘수화물 수용액의 농도는 40∼80wt%로 조절되는 것이 바람직하다. 상기 흡습성 염류의 농도가 40wt% 미만이면 상기 수분흡수율이 떨어지고, 상기 흡습성 염류의 농도가 80wt%를 초과하면 흡습성염류가 침전되거나 고화되는 경향이 있다. 이 때, 흡습성염류의 종류에 따라 흡수율의 차이가 있으며 이를 고려하여 흡습성염류의 농도를 선택적으로 조절할 필요가 있다. 또한, 상기 열-수분 교환장치(110)에서 배기가스와 흡습성염류 용액은 1 : 2∼10의 중량비로 접촉하는 것이 바람직하며, 접촉시간은 적어도 1초 이상 유지되어야 한다.
상기 희토류 볼층은 희토류 볼의 집합체로서 배기가스 투과시 배기가스 내의 오염물질을 흡착함과 함께 음이온을 발생시켜 배기가스 내에 포함되어 있는 유기물을 분해하는 역할을 한다. 상기 희토류 볼은 희토류가 함유되어 있는 세라믹 담체로서, 상기 희토류로는 란탄(lanthanum), 세륨(cerium), 프라세오디움(praseodymium), 네오다늄(neodymium), 프로메튬(promethium), 사마륨(samarium), 유로퓸(europium), 가돌리늄(gadolinim), 테르븀(terbium), 디스프로슘(dysprosium), 홀뮴(holmium), 에르븀(erbium), 툴륨(thulium), 이테르븀(ytterbium), 루테튬(lutetium), 스칸듐(scandium), 이트륨(yttrium) 중 어느 하나 또는 복수가 포함될 수 있으며, 상기 희토류가 함유되는 세라믹 담체로는 실리콘 산화물(SiO2)이 이용될 수 있다. 상기 희토류는 상기 세라믹 담체에 0.1∼0.5wt%로 함유될 수 있다.
이와 같은 구성 하에, 배기가스가 열-수분 교환장치(110) 하부를 통해 공급되면 배기가스는 상기 희토류 볼층과 접촉하며, 희토류 볼층과의 접촉에 의해 배기가스 내의 오염물질이 1차적으로 제거됨과 함께 유기물이 희토류 볼층에 의해 분해된다. 희토류 볼층을 거친 배기가스는 상기 흡습성염류 용액 분사노즐로부터 분사되는 흡습성염류 용액과 접촉되며, 배기가스 내의 오염물질 및 배기가스의 잠열은 흡습성염류 용액에 흡수되며, 해당 흡습성염류 용액은 낙하하여 상기 열-수분 교환장치(110) 일측과 연결된 흡습성염류 용액조(120)로 이동된다. 또한, 잠열과 오염물질이 제거된 배기가스는 연돌(40)로 이동되어 외부로 배출된다. 흡습성염류 용액과 배기가스의 접촉 효율을 높이기 위해 상기 흡습성염류 용액 분사노즐은 흡습성염류 용액을 와류 형태로 분사하도록 설계할 수 있다.
한편, 배기가스의 잠열 회수를 배가하기 위해 상기 열-수분 교환장치(110)의 일측에 에어 이젝터(air ejector)가 더 구비될 수 있다(도 2 참조). 상기 에어 이젝터는 상기 흡습성염류 용액 공급노즐과 희토류 볼층의 사이 또는 희토류 볼층의 하부에 구비되어, 상기 열-수분 교환장치(110) 내부에 저온 고압의 공기를 분사하여 배기가스를 저온의 공기와 접촉시켜 배기가스의 응결을 가속화하는 역할을 한다.
상기 흡습성염류 용액조(120)는 흡습성염류 용액의 저장조이며, 상기 흡습성염류 용액조(120)에는 상기 열-수분 교환장치(110) 내부에서 낙하되는 흡습성염류 용액이 유입된다. 열-수분 교환장치(110)로부터 유입되는 흡습성염류 용액은 배기가스의 잠열을 흡수한 상태임에 따라, 흡습성염류 용액조(120) 내의 온도는 고온 상태를 유지한다. 또한, 열-수분 교환장치(110)로부터 유입되는 흡습성염류 용액 내에 오염물질이 흡착되어 있음에 따라, 상기 흡습성염류 용액조(120) 내에는 분진 등의 오염물질이 포함되어 있으며, 해당 오염물질은 흡습성염류 용액조(120) 하부로 자연침강되며 일부는 부유 상태를 이룬다.
흡습성염류 용액조(120) 내의 고온의 흡습성염류 용액은 열교환에 이용됨과 함께 열-수분 교환장치(110)에 재공급되며, 이를 위해 제 1 열교환기 내지 제 3 열교환기(130)(140)(150)가 구비된다.
상기 제 1 열교환기(130)의 일단은 흡습성염류 용액 공급라인(10)과 연결되고, 다른 일단은 순환수 공급라인(20)과 연결된다. 상기 흡습성염류 용액조(120) 내의 흡습성염류 용액은 펌프를 통해 상기 흡습성염류 용액 공급라인(10)으로 공급되며, 상기 순환수 공급라인(20)의 순환수는 난방에 이용된 난방배출수가 해당될 수 있다. 상기 순환수 공급라인(20)은 후술하는 제 2 열교환기(140)를 거쳐 제 2 열교환기(140)의 배출단으로 연장되며, 상기 흡습성염류 용액 공급라인(10)은 상기 제 1 열교환기(130)를 거쳐 상기 흡습성염류 용액 공급노즐까지 연장된 구조를 이룬다.
상기 제 1 열교환기(130) 내에는 흡습성염류 용액 공급라인(10)과 순환수 공급라인(20)이 교차하여 구비되며, 이에 따라 흡습성염류 용액의 열은 순환수에 전달되며 가열된 순환수는 상기 제 1 열교환기(130) 일측을 통해 배출된다. 한편, 순환수에 열을 빼앗긴 흡습성염류 용액은 연장된 흡습성염류 용액 공급라인(10)을 따라 상기 흡습성염류 용액 공급노즐로 전달되어, 배기가스의 잠열 회수 및 배기가스 오염물질 흡착에 재이용된다.
상기 제 2 열교환기(140)는 상기 제 1 열교환기(130)를 거쳐 가열된 순환수를 흡습성염류 용액조(120)의 흡습성염류 용액을 통해 추가적으로 가열하는 역할을 한다. 이를 위해, 상기 제 2 열교환기(140)의 일단은 상기 제 1 열교환기(130)에서 연장된 순환수 공급라인(20)과 연결되고, 제 2 열교환기(140)의 다른 일단은 상분리기(phase separator)(170)의 수증기 배출단과 연결된다. 상기 상분리기(170)는 흡습성염류 용액조(120) 내의 고온 상태의 흡습성염류 용액을 수증기와 액체로 분리하는 역할을 하며, 분리된 수증기는 상기 상분리기(170)의 일측에 구비된 수증기 배출단을 통해 수증기 공급라인을 따라 상기 제 2 열교환기(140) 내부로 유입된다. 이 때, 상기 상분리기(170)는 흡습성염류 용액을 가열하여 흡습성염류 용액을 수증기와 액체로 분리할 수 있다.
상기 제 2 열교환기(140) 내부에 순환수 공급라인(20)과 수증기 공급라인(30)이 교차하여 구비되며, 일정 온도로 가열된 상태인 순환수 공급라인(20)의 순환수는 상기 수증기 공급라인(30)의 수증기에 의해 추가적으로 가열된다. 수증기에 의해 추가적으로 가열된 순환수는 연장된 순환수 공급라인(20)을 따라 이동되어 난방용수 등으로 이용될 수 있다. 또한, 순환수에 열을 빼앗긴 수증기는 응결되며, 응결수는 응결수 배출라인(30)을 따라 증류수조(180)로 이동된다. 참고로, 상기 응결수 배출라인(30)은 상기 수증기 공급라인(30)에서 연장된 것이다.
한편, 전술한 바와 같이 열-수분 교환장치(110)로부터 유입되는 흡습성염류 용액에는 오염물질이 흡착되어 있음에 따라, 시간 경과에 따라 흡습성염류 용액조(120) 내에는 오염물질의 농도가 커진다. 흡습성염류 용액조(120) 내의 오염물질은 자연침강되어 슬러지 형태를 이루며, 슬러지는 슬러지 저류조로 이동되어 인발 등을 통해 처리된다. 슬러지 저류조로의 이동을 위해 흡습성염류 용액조(120) 바닥이 경사된 형태로 구성될 수 있다.
흡습성염류 용액조(120) 내에 부유하는 오염물질의 제거를 위해 볼텍스 필터(160)(vortex filter)가 구비된다. 볼텍스 필터(160)는 볼텍스 필터(160)에 유입되는 흡습성염류 용액에 와류를 형성하여 흡습성염류 용액 내에 포함되어 있는 오염물질을 제거하는 역할을 한다. 이 때, 고온의 흡습성염류 용액이 볼텍스 필터(160)에 곧바로 유입되면 고온으로 인해 볼텍스 필터(160)가 손상될 우려가 있으며, 이를 방지하기 위해 볼텍스 필터(160)의 전단에 제 3 열교환기(150)가 구비된다.
상기 제 3 열교환기(150)의 일단은 상술한 흡습성염류 용액 공급라인(10)과 별개인 별도의 흡습성염류 용액 공급라인(11)과 연결되고, 다른 일단은 상술한 순환수 공급라인(20)과 별개인 별도의 순환수 공급라인(21)과 연결되며, 고온의 흡습성염류 용액에 의해 순환수가 가열되며, 열을 빼앗긴 흡습성염류 용액은 상기 볼텍스 필터(160)로 유입된다. 볼텍스 필터(160)는 유입된 흡습성염류 용액에 포함되어 있는 오염물질을 여과하고, 여과된 흡습성염류 용액은 흡습성염류 용액조(120)로 바로 이동되거나 상기 상분리기(170)를 거쳐 흡습성염류 용액조(120)로 이동된다. 상기 볼텍스 필터(160) 내부에는 실리카 여과제가 구비되며, 역세를 통해 세척이 가능하다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치에 대해 설명하였다. 다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치의 동작에 대해 설명하기로 한다.
소각도, 발전소 등에서 발생된 배기가스는 연돌로 이동하기 전에 열-수분 교환장치(110)로 공급된다. 열-수분 교환장치(110) 내부로 공급된 배기가스는 열-수분 교환장치(110) 내부의 희토류 볼층과 접촉하여 1차적으로 오염물질이 제거됨과 함께 유기물이 분해된다. 희토류 볼층을 거친 배기가스는 흡습성염류 용액 공급노즐로부터 분사되는 흡습성염류 용액과 접촉되며, 이에 따라 배기가스의 잠열 및 오염물질은 흡습성염류 용액에 흡수된다. 잠열과 오염물질이 흡수된 흡습성염류 용액은 열-수분 교환장치(110) 하부로 낙하되어 흡습성염류 용액조(120)로 이동된다. 이 때, 배기가스의 잠열 회수를 배가하기 위해 열-수분 교환장치(110) 내부에 저온 고압의 공기를 공급하여 배기가스와 접촉시킬 수 있으며, 저온 공기와 배기가스의 접촉에 의해 응결수가 발생, 낙하된다. 이와 같은 배기가스와 흡습성염류 용액의 접촉에 의해 60∼200℃의 배기가스는 60℃ 이하의 온도로 떨어짐과 함께 절대습도도 40 이하로 조절될 수 있다.
배기가스의 잠열을 흡수한 흡습성염류 용액은 고온 상태를 이루며, 흡습성염류 용액조(120)에 저장된 고온의 흡습성염류 용액은 열교환에 이용된다. 제 1 열교환기(130)에 흡습성염류 용액과 순환수가 별개의 라인(10)(20)을 통해 유입되며, 제 1 열교환기(130) 내에서 순환수는 고온의 흡습성염류 용액에 의해 가열된다. 제 1 열교환기(130)에 의해 냉각된 흡습성염류 용액은 열-수분 교환장치(110)의 흡습성염류 용액 공급노즐로 공급되며, 제 1 열교환기(130)에 의해 가열된 순환수는 제 2 열교환기(140)로 이동되어 추가적으로 가열된다. 제 2 열교환기(140) 내에는 별개의 공급라인을 통해 수증기가 공급되며, 해당 수증기에 의해 제 1 열교환기(130)에 의해 가열된 순환수가 추가적으로 가열된다. 이 때, 상기 제 2 열교환기(140)에 공급되는 수증기는 흡습성염류 용액의 상분리를 통해 형성할 수 있다. 제 2 열교환기(140)에 의해 가열된 순환수는 최종적으로 난방용수 등으로 이용되며, 수증기의 냉각에 의해 발생되는 응축수는 증류수조(180)로 이동된다. 전술한 바에 있어서, 흡습성염류 용액 즉, 질산칼슘수화물 수용액의 농도는 40∼80wt%에서 최적의 오염물질 흡착 특성을 나타냄을 기술하였는데, 배기가스 내의 수분이 흡습성염류 용액조(120)에 지속적으로 공급되더라도 제 2 열교환기(140)에 의해 발생되는 일정량의 응축수가 증류수조(180)로 이동됨에 따라 흡습성염류 용액조(120)의 질산칼슘수화물의 농도는 일정하게 유지될 수 있다.
한편, 흡습성염류 용액조(120) 내의 오염물질 제거를 위해 볼텍스 필터(160)가 이용되며, 흡습성염류 용액은 볼텍스 필터(160)로 유입되어 오염물질이 제거될 수 있다. 이 때, 흡습성염류 용액의 온도를 저하시키기 위해 제 3 열교환기(150)를 거치게 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 열교환기를 통해 회수되는 열량은 통상의 배기가스를 직접 열교환하는 경우에 대비하여 크며, 그 이유는 배기가스의 잠열을 흡습성염류 용액을 통해 회수하고 흡습성염류 용액을 열교환의 대상으로 하기 때문이다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치에 의한 폐열회수 및 백연발생 특성을 살펴보면 다음과 같다.
아래의 표 1은 모의실험장치에 의해 발생된 배기가스의 성상, 온도, 압력, 유속 및 질산칼슘용액의 농도를 나타낸 것이다. 아래의 표 1에서 스트림은 배출되는 배기가스의 일련번호를 나타낸 것이다. 표 1에서 스트림 ①은 수증기를 13.2wt% 함유하며, 스트림 ②는 3.3wt% 함유하고 있다.
스트림 ①에 대해 종래의 열교환기를 이용하여 폐열을 회수하고 회수된 열량을 계산한 결과, 175,200 kcal/hr 이었고 백연 및 수적 현상이 연돌에서 관찰되었다. 이에 반해, 본 발명의 장치를 통해 스트림 ①을 처리한 결과 714,130 kcal/hr 의 열량이 회수되었고, 백연 및 수적 현상도 거의 관찰되지 않았다. 종래 기술에 대비하여 약 4배 이상의 폐열회수 효과가 있음을 확인할 수 있다.
배기가스의 특성
스트림 No. 성상 온도
(℃)		 압력
(㎏/㎠)		 유속
(㎏/h)		 농도
(중량%)
① 기상 114 - 12,373 -
② 기상 55 - 11,291 -
③ 액상 77 - 62,800 64
④ 액상 130 - 14,100 70
⑤ 액상 86 - 76,900 65
⑥ 액상 86 - 61,700 65
⑦ 액상 53 - 61,700 53
⑧ 액상 86 - 15,200 65
⑨ 액상 49 - 49,800 -
⑩ 액상 72 - 49,800 -
⑪ 기상 140 3.6 1,930 -
⑫ 액상 140 3.6 1,930 -
⑬ 기상 130 2.5 1,090 -
10 : 흡습성염류 용액 공급라인 20 : 순환수 공급라인
30 : 수증기 공급라인 40 : 연돌
110 : 열-수분 교환장치
111 : 희토류 볼층 112 : 흡습성염류 용액 공급노즐
113 : 에어 이젝터 120 : 흡습성염류 용액조
130 : 제 1 열교환기 140 : 제 2 열교환기
150 : 제 3 열교환기 160 : 볼텍스 필터
170 : 상분리기 180 : 증류수조

Claims (11)

  1. 흡습성염류 용액과 배기가스를 접촉시켜 배기가스의 수분과 잠열을 회수하고 배기가스 내의 오염물질을 흡수하는 열-수분 교환장치;
    배기가스와 접촉된 흡습성염류 용액이 유입되는 흡습성염류 용액조;
    흡습성염류 용액조의 흡습성염류 용액과 순환수를 열교환시켜 순환수를 가열하는 제 1 열교환기; 및
    흡습성염류 용액조의 흡습성염류 용액에서 분리된 수증기를 이용하여 상기 제 1 열교환기에 의해 가열된 순환수를 가열시키는 제 2 열교환기를 포함하여 이루어지며,
    상기 제 1 열교환기의 일단은 흡습성염류 용액 공급라인과 연결되고, 다른 일단은 순환수 공급라인과 연결되며, 상기 흡습성염류 용액조 내의 흡습성염류 용액은 상기 흡습성염류 용액 공급라인으로 공급되며,
    상기 제 1 열교환기 내에는 흡습성염류 용액 공급라인과 순환수 공급라인이 교차하여 구비되며, 흡습성염류 용액의 열은 순환수에 전달되며 가열된 순환수는 상기 제 1 열교환기 일측을 통해 배출되며,
    상기 제 2 열교환기의 일단은 상기 제 1 열교환기에서 연장된 순환수 공급라인과 연결되고, 제 2 열교환기의 다른 일단은 상분리기의 수증기 배출단과 연결되며,
    상기 상분리기는 흡습성염류 용액조 내의 흡습성염류 용액을 수증기와 액체로 분리하고, 분리된 수증기는 상기 상분리기의 일측에 구비된 수증기 배출단을 통해 수증기 공급라인을 따라 상기 제 2 열교환기 내부로 유입되며,
    상기 제 2 열교환기 내부에 순환수 공급라인과 수증기 공급라인이 교차하여 구비되며, 순환수 공급라인의 순환수는 상기 수증기 공급라인의 수증기에 의해 추가적으로 가열되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 열-수분 교환장치의 상단부에 흡습성염류 용액을 공급하는 흡습성염류 용액 공급노즐이 구비되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 열-수분 교환장치의 내부에 배기가스와 1차 접촉하여 배기가스 내의 오염물질을 흡착함과 함께 유기물을 분해하는 희토류 볼층이 구비되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 흡습성염류 용액은 흡습성염류가 용해된 수용액이며, 상기 흡습성염류는 질산칼슘수화물인 것을 특징으로 하는 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 흡습성염류는 질산칼슘수화물 이외에 질산암모늄(NH4NO3), 황산암모늄((NH4)2SO3), 과염산바륨(Ba(CIO4)2), 탄산수소칼륨(KHCO3), 질산나트륨(NaNO3), 염소산나트륨(NAClO3), 질산칼륨(KNO3), 질산바륨, 과염소산나트륨, 염화나트륨, 염화칼슘, 개미산칼륨 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 희토류 볼층은 희토류 볼의 집합체이며, 상기 희토류 볼은 희토류가 함유되어 있는 세라믹 담체이며, 상기 희토류는 상기 세라믹 담체에 0.1∼0.5wt%로 함유된 것을 특징으로 하는 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 흡습성염류 용액의 농도는 40∼80wt%로 조절되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 열-수분 교환장치의 일측에 저온 고압의 공기를 열-수분 교환장치 내부에 공급하여, 배기가스의 응결을 유도하는 에어 이젝터가 더 구비되는 것을 특징으로 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 흡습성염류 용액 공급라인은 상기 제 1 열교환기를 거쳐 상기 흡습성염류 용액 공급노즐까지 연장되며,
    상기 제 1 열교환기에 의해 열을 빼앗긴 흡습성염류 용액은 상기 열-수분 교환장치의 흡습성염류 용액 공급노즐로 공급되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상분리기가 더 구비되며, 상기 상분리기는 흡습성염류 용액조의 흡습성염류 용액으로부터 수증기를 분리하여 상기 제 2 열교환기에 공급하며,
    상기 제 2 열교환기에서 냉각되어 형성된 수증기의 응결수는 증류수조로 이동되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 흡습성염류 용액조의 흡습성염류 용액에 포함되어 있는 오염물질을 제거하는 볼텍스 필터와,
    상기 흡습성염류 용액조의 흡습성염류 용액을 별도의 순환수와 접촉시켜 순환수를 가열함과 함께 냉각된 흡습성염류 용액을 상기 볼텍스 필터로 공급하는 제 3 열교환기가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 폐열회수 및 백연저감 장치.
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