KR101496037B1 - 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 방법 및 장치 - Google Patents

배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온의 수증기를 포함하는 배기가스 공급원으로부터 열 및 수분 교환부로 배기가스를 유입하여 상기 배기가스와 흡습성 염류를 함유하는 용액을 접촉시켜 상기 배기가스에 함유된 수증기의 잠열을 회수하여 응축시키며, 처리된 배기가스는 상기 열 및 수분 교환부의 외부로 배출시키는 단계; 및 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액 및 응축수의 혼합물을 상기 열 및 수분 교환부의 하부로 배출시켜 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액을 농축 및 냉각하여 순환시키는 단계를 포함하는 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 방법 및 상기 방법이 용이하게 적용가능한 장치를 제공한다.

Description

배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 방법 및 장치 {Method and apparatus for waste heat recovery and abatement of white plume of exhaust gas}
본 발명은 배기가스의 폐열 회수 및 백연 (白煙) 저감 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 대기오염물질을 배출하는 시설인 소각로, 금속 용해로, 보일러, 습식 탈황시설 등은 운전중 고농도 오염물질이 포함된 고온의 배기가스를 대기중으로 배출함에 따라, 이러한 배기가스 중에 포함된 오염물질을 제거하기 위해 수용액을 분사하여 유해물질을 제거하기 위한 흡수탑 (습식 집진시설)을 설치하여 주로 사용하여 왔다.
이러한 습식 집진시설은 배출되는 고온 배기가스에 물을 분무하게 됨에 따라 출구에서의 배기가스는 고온 다습 (포화)한 상태에서 연돌을 통하여 대기중으로 배출된다. 이때, 배기가스 중에 포함된 수분에는 습식 집진시설에서 미처 제거되지못한 오염물질과 포화 수분을 포함하고 있기 때문에, 연돌에서의 배출시 포화 수분을 함유한 배기가스는 차가운 외부의 대기에 의해 즉시 냉각되면서 응축되어 비중이 증가한 배기가스 내의 포화 수분이 물방울 (수적)로 상태 변화하면서 상기 연돌 근처에 집중적으로 낙하됨과 동시에 상기 연돌 주변을 오염시키게 된다.
또한, 비교적 비중이 적은 물방울인 수적들도 확산되지 않고 상기 연돌로부터 일정 거리까지 수증기 띠인 백연을 형성하면서 낙하되고, 낙하된 수적들은 주위 설비를 부식시키기도 하고, 주민의 민원이 발생되기도 한다.
종래에 오염물질 배출시설에서 발생되는 유해가스를 습식으로 제거하는 경우에 연돌을 통하여 발생되는 백연을 방지하기 위해서는 외부로부터 고온의 공기를 혼합시켜 배기가스의 상대습도를 저감시키거나 연돌에 버너를 설치하여 배기가스를 직접 가열시킴으로서 배기가스 중의 수분을 제거하였던 것으로, 전자는 설치비용이 매우 높은 문제점이 있고, 후자는 연료 소비에 따른 유지비용이 높은 문제점이 있었다.
예를 들어, 이러한 문제를 해결하기 위한 특허문헌들로는 특허문헌 1 및 2 등을 포함하는 다수의 특허문헌들이 있다. 그러나, 이러한 특허 기술들은, 전술한 바와 같이, 복잡한 설비 (습식 집진설비) 등을 포함할 뿐만 아니라 아직도 백연 문제를 적절히 해결하지 못하고 있다. 아울러, 배출되는 배기가스의 폐열을 통상의 열교환 수준에서 교환하는데 머물고 있어 에너지 활용 측면에서도 효율적이지 못한 경향이 있다.
한편, 소각로 등과 같은 발생원 설비에서 배출되는 배기가스는 높은 온도상태에서 포화 수분을 함유하고 있다. 이미 공지된 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 곡선 (서서히 증가)을 이루다가 60∼70℃ 영역에서는 절대습도가 급격한 상승곡선을 따라 증가하고, 70℃ 이상의 온도 영역에서는 수직에 가깝게 미소한 온도 차에 의해서도 절대습도가 증가되는 것으로 알려져 있다.
따라서, 소각로, 보일러 등과 같은 배기가스 배출원으로부터 배출되는 온도, 즉 60℃ 이상의 온도 영역의 배기가스를 경제성이 있는 온도 및 습도 (출구온도 60℃ 이하, 절대습도 40℃ 이하)로 낮출 수 있다면, 과냉각 상태로 대기중으로 배출되게 되면 배기가스로부터 발생되는 백연은 대부분이 저감될 수 있다.
특허문헌 1: 한국 등록특허 제10-1200330호
특허문헌 2: 한국 등록특허 제10-0375555호
이에 본 발명에서는 소각로, 보일러 등과 같은 배기가스 배출원으로부터 배출되는 고온의 수증기를 함유하는 60∼200℃ 온도영역의 배기가스를 상기 수증기의 잠열을 효율적으로 흡수할 수 있는 흡습성 염류를 함유하는 용액을 이용하여 경제성이 있는 온도 및 습도 (출구온도 60℃ 이하, 절대습도 40℃ 이하)까지 효율적으로 낮출 수 있었고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.
따라서, 본 발명의 제1 관점은 소각로, 보일러 등과 같은 배기가스 배출원으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 효율적으로 회수하면서, 백연 발생을 억제하고, 연돌 주변에서의 수적 낙하에 따른 오염문제를 해결하며, 가시적인 공해요인을 해소하는 한편, 유지관리 비용이 적은 이상적인 백연 저감 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제2 관점은 상기 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 방법에 사용되는 적합한 장치를 제공하는 데 있다.
[1] 본 발명의 제1 관점을 달성하기 위한 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 방법은: 고온의 수증기를 포함하는 배기가스 공급원으로부터 열 및 수분 교환부로 배기가스를 유입하여 상기 배기가스와 흡습성 염류를 함유하는 용액을 접촉시켜 상기 배기가스에 함유된 수증기의 잠열을 회수하여 응축시키며, 처리된 배기가스는 상기 열 및 수분 교환부의 외부로 배출시키는 단계; 및 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액 및 응축수의 혼합물을 상기 열 및 수분 교환부의 하부로 배출시켜 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액을 농축 및 냉각하여 순환시키는 단계를 포함한다.
[2] 상기 [1]에 있어서, 상기 흡습성 염류는 질산 칼슘, 질산 암모늄, 황산 암모늄, 질산 바륨, 과염소산 바륨, 개미산 칼륨 (potasium formate), 염소산 나트륨 (Sodium chlorate), 질산 나트륨, 질산 칼륨, 염화나트륨, 및 염화칼슘으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된다.
[3] 상기 [1]에 있어서, 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액에서 상기 흡습성 염류의 농도는 40∼80중량%로 유지된다.
[4] 상기 [1]에 있어서, 상기 배기가스는 상기 열 및 수분 교환부의 하부로부터 공급되고, 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액은 상기 열 및 수분 교환부의 상부에서 제공되어, 상기 배기가스와 흡습성 염류를 함유하는 용액의 접촉비가 중량비로 1 : 2∼10이고, 접촉시간은 적어도 5초 이상이다.
[5] 상기 [1]에 있어서, 상기 순환시키는 단계는: 상기 열 및 수분 교환부의 하부로 배출된 흡습성 염류를 함유하는 용액을 상기 열 및 수분 교환부의 상부에 공급하기 위한 펌핑 단계; 상기 열 및 수분 교환부로부터 흡습성 염류를 함유하는 용액의 일부가 유입되고, 유입된 흡습성 염류를 함유하는 용액을 가열 및 농축시키며, 농축된 흡습성 염류를 함유하는 용액을 상기 열 및 수분 교환부로 공급시키는 단계; 및 상기 열 및 수분 교환부로부터 흡습성 염류를 함유하는 용액이 유입되고, 유입된 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액을 열교환시키는 열교환 단계를 포함한다.
[6] 상기 [5]에 있어서, 상기 방법은 상기 펌프 단계 이후에 외부로부터 도입되는 오염물질을 제거할 수 있는 여과 단계를 더욱 포함한다.
[7] 본 발명의 제2 관점을 달성하기 위한 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 장치는: 고온의 수증기를 포함하는 배기가스 공급원; 상기 배기가스 공급원에 연결되어 고온의 배기가스 및 수증기가 유입되고, 흡습성 염류를 함유하는 용액이 공급되는 열 및 수분 교환부; 상기 열 및 수분 교환부에 연결되어 냉각된 배기가스가 배출되는 배기가스 배출부; 및 상기 열 및 수분 교환부에 연결되고, 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액을 농축 및 냉각하여 순환시키는 순환 공급부를 포함한다.
[8] 상기 [7]에 있어서, 상기 배기가스 공급원은 상기 열 및 수분 교환부의 하부에 연결되고, 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액은 상기 열 및 수분 교환부의 상부에서 제공된다.
[9] 상기 [7]에 있어서, 상기 열 및 수분 교환부는 고온의 배기가스 및 수증기와 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액의 접촉면적을 증가시키기 위한 비드를 포함한다.
[10] 상기 [7]에 있어서, 상기 순환 공급부는: 상기 열 및 수분 교환부로부터 흡습성 염류를 함유하는 용액이 유입되고 열 및 수분 교환부의 상부에 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액을 공급하기 위한 펌프; 상기 열 및 수분 교환부로부터 흡습성 염류를 함유하는 용액의 일부가 유입되고, 유입된 흡습성 염류를 함유하는 용액을 가열 및 농축시키며, 농축된 흡습성 염류를 함유하는 용액을 상기 열 및 수분 교환부로 공급시키는 가열 농축부; 및 상기 열 및 수분 교환부로부터 흡습성 염류를 함유하는 용액이 유입되고, 유입된 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액을 열교환시키는 열교환부를 포함한다.
[11] 상기 [7]에 있어서, 상기 열 및 수분 교환부는 상기 교환부 하부로 하강되는 흡습성 염류를 함유하는 용액과 가열 농축부에서 농축된 흡습성 염류를 함유하는 용액을 혼합시키는 교반 설비를 갖는 저장시설을 포함한다.
[12] 상기 [10]에 있어서, 상기 장치는 펌프 후단에 위치되어 외부로부터 도입되는 오염물질을 제거할 수 있는 필터를 더욱 포함한다.
[13] 상기 [7]에 있어서, 상기 흡습성 염류는 질산 칼슘, 질산 암모늄, 황산 암모늄, 질산 바륨, 과염소산 바륨, 개미산 칼륨 (potasium formate), 염소산 나트륨 (Sodium chlorate), 질산 나트륨, 질산 칼륨, 염화나트륨, 및 염화칼슘으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 배기가스와 흡습성 염류를 함유하는 용액을 접촉시켜 수분 및 잠열을 회수하게 하고, 연돌을 통하여 배출되는 백연을 억제하여 연돌 주변에서의 수적 낙하에 따른 오염문제를 해결하며, 가시적인 공해요인을 해소하는 한편, 유지관리 비용이 적을 뿐만 아니라 폐열을 효율적으로 회수함으로써, 경제성을 높이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현 예에 따라 보일러로부터 발생된 배기가스의 폐열을 화학적으로 회수하면서, 백연을 저감시키는 전체적인 공정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하기 전에, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니되며, 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 함을 밝혀둔다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예의 구성은 본 발명의 바람직한 하나의 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 소각로, 보일러 등과 같은 배기가스 배출원으로부터 배출되는 배기가스 중의 수분으로 인해 발생되는 백연을 제거하고, 폐열을 회수하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 좀더 상세하게는 환경공학 분야 중 대기오염제어 분야로서 세부분야는 배기가스 중의 수분으로 인해 발생되는 백연 (수증기)의 처리에 해당하는 것으로, 수분이 과포화된 배기가스를 흡습성 염류를 함유하는 용액을 사용하여 배기가스 중의 수분을 흡수함과 동시에 잠열을 회수하고, 이때 배기가스중 수분은 냉각 및 응축되어 절대습도 (Absolute Humidity)가 저하됨으로서, 대기 중으로 배출되는 혼합가스가 백연 현상이 나타나지 않고, 응축수분으로 인한 비중증가현상을 억제하여 대기중으로의 확산효과를 높임으로써, 연돌 주변에 응축 수분과 오염물질의 낙하 (낙진) 현상을 배제시킬 수 있는 백연 저감 방법 및 장치에 관한 것이다.
간략히 정리하면, 본 발명은 흡습성 염류를 함유하는 용액을 이용하여 연료 연소시 발생되는 배기가스 중의 수분으로부터 잠열을 회수하고, 배기가스 중에 포함되어 있는 수분을 화학적 열회수 방법을 이용하여 흡수하여 백연을 저감시킨다.
이러한 본 발명의 화학적 열회수 및 백연 저감 방법 및 이를 이용한 장치는 흡습성 염류를 함유하는 용액을 흡수제 및 흡열제로 사용하고, 배기가스의 수증기를 흡수 후, 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액에서 흡습성 염류의 농도가 낮아지면, 다시 일정 농도로 환원시키기 위해 순환액의 일부를 고압의 스팀으로써 가열 및 증발시켜 일정 농도를 유지하며 이때 저압의 스팀을 생산할 수 있다.
본 발명의 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 방법은 고온의 수증기를 포함하는 배기가스 공급원으로부터 열 및 수분 교환부 (예를 들어, 습식 집진설비 등)로 배기가스를 유입하여 상기 배기가스와 흡습성 염류를 함유하는 용액을 접촉시켜 상기 배기가스에 함유된 수증기의 잠열을 회수하여 응축시키며, 처리된 배기가스는 상기 열 및 수분 교환부의 외부로 배출시키는 단계; 및 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액 및 응축수의 혼합물을 상기 열 및 수분 교환부의 하부로 배출시켜 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액을 농축 및 냉각하여 순환시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 사용되는 흡습성 염류는 용해도가 크면서 온도에 따른 용해도 차가 크고, 인체에 유해하지 않을 뿐만 아니라 공해를 유발하지 않으며, 가연성 및/또는 폭발성이 아닌 것이 바람직하고, 더욱이, 용해시 흡열 물질이라면 더욱 바람직하다.
본 발명에 하나의 구현 예에 있어서, 이러한 상기 흡습성 염류로는 질산 칼슘, 질산 암모늄, 황산 암모늄, 질산 바륨, 과염소산 바륨, 개미산 칼륨 (potasium formate), 염소산 나트륨 (Sodium chlorate), 질산 나트륨, 질산 칼륨, 염화나트륨, 및 염화칼슘으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택될 수 있다.
본 발명에 따르면, 소각로, 보일러 등과 같은 배기가스 배출원으로부터 공급되는 배기가스의 온도, 즉 60℃ 이상의 온도 영역의 배기가스를 열 및 수분 교환부 (예를 들어, 습식 집진설비 또는 흡수탑 등)에서 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액과 접촉시키면, 대기로의 배출이 가능한 경제성이 있는 온도 및 습도 (출구온도 60℃ 이하, 절대습도 40℃ 이하)까지 낮출 수 있다. 다시 말하면, 상기 배기가스 중에 포함된 수분은 상기 흡습성 염류에 의해 최대한 흡수되고, 이에 따라 배출되는 배기가스 성상은 공급되는 배기가스로부터 수분이 흡수되어 순환되는 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액의 공급 온도와 근사치의 온도를 갖게 되며, 이 온도에서 과냉각 상태인 절대수분을 함유하고 있게 된다. 과냉각 상태로 대기중으로 배출되게 되면 배기가스로부터 발생되는 백연은 대부분이 저감될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 시설물로부터 배출되는 과포화 상태의 배기가스를 흡습성 염류를 함유하는 용액에 의하여 접촉 냉각시켜, 배기가스에 포함된 수분을 백연 발생 함량 이하까지 제거토록 함으로서 백연 발생을 최소화하고, 동시에 배기가스 중의 수분 잠열을 최대한 회수할 수 있다.
본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액에서 상기 흡습성 염류의 농도는 40∼80 중량%로 유지시키는 것이 상기 흡습성 염류가 배기가스의 수증기를 최대한 흡수하여 상기 수증기의 잠열을 회수하면서, 수증기를 효율적으로 응축시킬 수 있다. 이 경우, 상기 흡습성 염류의 농도가 40중량% 미만이면 상기 흡수율이 떨어지고, 상기 흡습성 염류의 농도가 80중량%를 초과하면 상기 염류가 침전되거나 고화되는 경향이 있다. 상기 범위 내에서 상기 흡습성 염류의 농도는 각 흡습성 염류마다 흡수율이 다르므로 적합한 흡수율을 유지하도록 열 및 수분 교환부를 설계 및 설치를 하여야 하는데, 이러한 설계 및 설치구조는 당업자에 의해 용이하게 안출될 수 있다.
본 발명의 다른 구현 예에 있어서, 상기 배기가스는 일반적으로 상기 열 및 수분 교환부의 하부로부터 공급되어 상부를 이동하고, 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액은 상기 열 및 수분 교환부의 상부에서 제공되어, 상기 열 및 수분 교환부의 중간 부분에서 직접 접촉되다. 이때, 고온의 배기가스와 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액의 접촉면적을 증가시키기 위하여, 상기 열 및 수분 교환부는 이의 중간 부분에 비드 (또는 충진제)를 포함하는 접촉 고정층을 설치할 수 있다. 한편, 상기 배기가스와 흡습성 염류를 함유하는 용액의 접촉비는 중량비로 상기 배기가스가 1인 경우, 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액은 2∼10인 것이 반응효율 면에서 효과적이며, 또한 접촉시간은 적어도 5초 이상, 바람직하게는 약 10-30초 정도가 배기가스의 수증기를 효율적 및 경제적으로 응축시킬 수 있다. 이 또한, 상기 범위 내에서 배기가스와 흡습성 염류를 함유하는 용액의 접촉비는 각 염류물질별로 차이가 나는데 이러한 배기가스의 수증기를 효율적으로 응축시키는 열 및 수분 교환부의 설계 및 설치구조는 당업자에 의해 용이하게 안출될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 열 및 수분 교환부의 하부로 배출된 흡습성 염류를 함유하는 용액은 상기 열 및 수분 교환부의 상부에 공급하기 위하여 펌프와 같은 장치를 이용하여 순환시킬 수 있다. 더욱이, 선택적으로, 배기가스와 접촉된 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액은 외부로부터 도입되는 오염물질을 포함할 수 있으므로 이를 필터와 같은 수단을 이용하여 여과 및 제거할 수 있다.
아울러, 이렇게 순환되는 흡습성 염류를 함유하는 용액의 일부는 가열 농축 수단에 의해 가열 및 농축되며, 농축된 흡습성 염류를 함유하는 용액은 승온된 상태로 상기 열 및 수분 교환부의 하부로 공급된다. 이렇게 하여, 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액에서 상기 흡습성 염류의 농도를 40∼80중량%의 범위로 유지시킬 수 있다. 상기 농도 범위로 유지될 수 있도록, 상기 농도는 본 발명에 따른 장치의 적어도 하나의 위치에 설치된 농도 측정 센서를 통하여 측정되며, 이러한 측정 결과를 이용하는 자동 모니터링 시스템에 의해 상기 가열 농축 수단에 유입시킬 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액의 양이 결정된다. 이와 같이, 상기 교환부 하부로 공급되는 승온된 상태의 흡습성 염류를 함유하는 용액은 상기 교환부의 상부로부터 하부로 하강되는 흡습성 염류를 함유하는 용액과 혼합되어 상기 농도 범위를 유지할 뿐만 아니라 상기 열 및 수분 교환부의 저장시설에 저장된 흡습성 염류를 함유하는 용액의 온도를 상승시킨다.
한편, 상기 열 및 수분 교환부로부터 순환되는 흡습성 염류를 함유하는 용액은 열교환기와 같은 장치를 이용하여 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액의 폐열을 회수한다. 본 발명에 따르면, 이렇게 회수되 폐열의 열량은 배기가스 배출원으로부터 공급되는 배기가스를 직접 열교환시킨 경우보다 큰데, 이는 배기가스에 함유된 수증기의 잠열을 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액이 최대한 흡수하였기 때문이다.
도 1은 본 발명의 일 구현 예에 따라 보일러로부터 발생된 배기가스의 폐열을 화학적으로 회수하면서, 백연을 저감시키는 전체적인 공정을 개략적으로 나타낸 공정도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 방법이 적용 가능한 장치는 배기가스 공급원 (20), 열 및 수분 교환부 (30), 배기가스 배출부 (31), 및 순환 공급부 (32)를 포함한다.
본 발명의 어떤 구현 예에 따르면, 상기 배기가스 공급원 (20)은 60℃ 이상의 고온의 수증기를 포함하며, 상기 열 및 수분 교환부 (30)는 상기 배기가스 공급원에 연결된 배관 (21)으로부터 고온의 배기가스 및 수증기가 상기 교환부 (30)의 하부로 유입되며, 흡습성 염류를 함유하는 용액 (34)은 상기 교환부 (30)의 상부와 연결된 배관 (51)을 통하여 공급된다. 이러한 배기가스 공급원 (20)은 배기가스를 흡입하여 열 및 수분 교환부 (30)의 내부로 유입시키는 송풍팬 및/또는 닥트 (미도시)를 구비할 수 있다. 상기 배관 (51)은 그 전단에 분사 장치가 부착될 수 있다. 한편, 상기 배기가스 배출부 (31)는 상기 열 및 수분 교환부 (30)의 상부와 연결되고, 이를 통하여 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액 (34)으로 처리되어 냉각된 배기가스가 배출되며, 배출된 배기가스는 연돌 (70)을 통하여 대기로 방출된다. 상기 순환 공급부 (32)는 상기 열 및 수분 교환부 (30)의 하부에 연결되고, 배관 (51)을 통하여 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액을 상기 열 및 수분 교환부 (30)의 상부에 순환시킨다.
본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 열 및 수분 교환부 (30)는 일반적으로 고온의 배기가스 및 수증기와 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액의 접촉면적을 증가시키기 위한 비드 (33)를 포함할 수 있다. 이러한 비드 및 설치 구조는 당업자에게는 잘 알려져 있다.
본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 상기 순환 공급부 (32)는 펌프, 가열 농축부 (40), 및 열교환부 (50)를 포함한다. 상기 펌프는 상기 열 및 수분 교환부 (30)로부터 흡습성 염류를 함유하는 용액 (34)을 순환시켜 상기 열 및 수분 교환부 (30)의 상부에 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액을 공급한다. 상기 가열 농축부 (40)는 상기 열 및 수분 교환부 (30)의 하부로부터 순환되는 흡습성 염류를 함유하는 용액의 일부가 유입된다. 이렇게 유입된 흡습성 염류를 함유하는 용액은, 예를 들어, 고압의 스팀으로 가열 및 농축시킨다. 농축된 흡습성 염류를 함유하는 용액은 다시 상승된 온도로 배관 (41)을 통하여 상기 열 및 수분 교환부 (30)의 하부로 공급된다. 이때 상기 열 및 수분 교환부 (30)에서 흡습성 염류를 함유하는 용액으로 응축된 응축수는 회수되고, 상기 가열 농축부 (40)의 상부로는 저압 스팀을 발생시켜 폐열이 회수된다. 한편, 상기 열교환부 (50)는 상기 열 및 수분 교환부 (30)의 하부로부터 펌프에 의해 순환되는 흡습성 염류를 함유하는 용액으로부터 열교환하여 온수를 얻는다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 열 및 수분 교환부 (30)의 하부는 흡습성 염류를 함유하는 용액을 저장할 수 있는 저장시설을 포함하고, 상기 저장시설은 상기 교환부 하부로 하강되는 흡습성 염류를 함유하는 용액 (34)과 가열 농축부에서 배관 (41)을 통하여 공급되는 농축된 흡습성 염류를 함유하는 용액을 혼합시키는 교반 설비를 포함할 수 있다. 상기 저장설비는 20분 이상의 운전시간 동안에 순환되는 흡습성 염류를 함유하는 용액을 저장할 수 있는 정도의 용량을 가질 수 있다. 선택적으로, 본 발명의 장치는 펌프 후단에 위치되어 외부로부터 도입되는 오염물질을 제거할 수 있는 필터 (60)를 더욱 포함할 수 있다. 상기 필터 (60)는 공급되는 배기가스로부터의 불순물로 인한 설비의 막힘을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 장치는 내부의 유지 및/또는 보수시 개방되는 개폐 부재 (미도시)를 더욱 구비할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 연돌에서의 혼합가스의 습도가 낮은 상태 유지가 되므로, 배기가스를 배출하는 시설에서 포화 수분에 의해 생성되는 백연 발생현상을 근본적으로 억제하거나 고효율로 처리할 수 있기 때문에, 소각로, 탈황시설, 비철금속용해로, 화학제품 제조시설 등의 습식 대기오염물질제거 과정 중 발생되는 백연과 각종 산업용 세정기시설에서 발생되는 수증기를 효과적으로 제거할 수 있다.
또한, 종래의 방법에서 백연 제거를 위해 필요하던 다량의 가열용 연료소모와 복잡한 시설장치를 생략하고 안정적이면서 고효율로 백연을 제거할 수 있어, 그간 많은 연돌에서 발생하였던 백연으로 인한 문제점 즉, 연돌 주변에 응축수 낙하와 오염물질의 낙진 현상 등을 크게 저감시키는 효과가 있는 것이다.
아울러, 배기가스에 함유되었던 수증기의 잠열을 회수함으로써 효율적인 에너지 관리 효과가 있다. 따라서, 유지비용의 절감효과가 있고, 설치비용의 절감효과도 기대할 수 있어 종래보다 훨씬 더 경제적인 백연 방지대책의 강구가 가능하여 실용화가 어려웠던 문제점을 해결할 수 있는 것이다.
이하 실시 예 및 비교 예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
실시 예 1
본 실시 예에서는 도 1과 같은 모의 실험장치를 이용하여 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 정도를 확인하였다.
하기 표 1은 도 1과 같은 모의 실험장치에서의 배기가스 또는 흡습성 염류를 함유하는 용액의 각 스트림에 대한 성상 (액상 또는 기상), 온도, 압력, 유속 및 흡습성 염류를 함유하는 용액에서 흡습성 염류의 농도 (이하 "농도"라 한다)를 나타내었다. 상기 흡습성 염류는 질산 칼슘을 사용하였다.
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 -
상기 표 1에서 스트림 ①은 수증기를 약 13.2중량%를 함유하며, 스트림 ②는 약 3.3중량%를 함유하였다.
한편, 배기가스 스트림 ①을 본 발명과 같은 처리없이 일반적인 열교환기 (도 1의 50과 같은 장치)를 이용하여 폐열의 회수 열량을 계산한 결과, 175,200 ㎉/hr이었고, 백연 및 수적 현상이 연돌에서 관찰되었다. 반면에, 실시 예 1에 따라 배기가스 스트림 ①을 처리하고, 회수된 열량 (도 1의 ⑩, ⑫ 및 ⑬에서 회수된 열량의 합)에서 공급된 열량 (도 1의 ⑪에서 공급된 열량)을 제외한 결과, 714,130 ㎉/hr이었다. 결과적으로 단순 열교환기를 이용한 경우보다 약 5배의 폐열 회수 효과가 있었고, 연돌에서 백연 및 수적 현상도 관찰되지 않았다.
이상 본 발명을 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따르는 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 방법 및 장치는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해 질 것이다.
20: 배기가스 공급원 21, 41, 51: 배관
30: 열 및 수분 교환부 31: 배기가스 배출부
32: 순환 공급부 33: 비드
34: 흡습성 염류를 함유하는 용액 40: 가열 농축부
50: 열교환부 60: 필터
70: 연돌

Claims (13)

  1. 고온의 수증기를 포함하는 배기가스 공급원으로부터 열 및 수분 교환부로 배기가스를 유입하여 상기 배기가스와 흡습성 염류를 함유하는 용액을 접촉시켜 상기 배기가스에 함유된 수증기의 잠열을 회수하여 응축시키며, 처리된 배기가스는 상기 열 및 수분 교환부의 외부로 배출시키는 단계; 및
    상기 흡습성 염류를 함유하는 용액 및 응축수의 혼합물을 상기 열 및 수분 교환부의 하부로 배출시켜 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액을 농축 및 냉각하여 순환시키는 단계를 포함하고,
    여기서, 상기 순환시키는 단계는:
    상기 열 및 수분 교환부의 하부로 배출된 흡습성 염류를 함유하는 용액을 상기 열 및 수분 교환부의 상부에 공급하기 위한 펌핑 단계;
    상기 열 및 수분 교환부로부터 흡습성 염류를 함유하는 용액의 일부가 유입되고, 유입된 흡습성 염류를 함유하는 용액을 가열 및 농축시키며, 농축된 흡습성 염류를 함유하는 용액을 상기 열 및 수분 교환부로 공급시키는 단계; 및
    상기 열 및 수분 교환부로부터 흡습성 염류를 함유하는 용액이 유입되고, 유입된 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액을 열교환시키는 열교환단계를 포함하는 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 흡습성 염류는 질산 칼슘, 질산 암모늄, 황산 암모늄, 질산 바륨, 과염소산 바륨, 개미산 칼륨, 염소산 나트륨, 질산 나트륨, 질산 칼륨, 염화나트륨, 및 염화칼슘으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 흡습성 염류를 함유하는 용액에서 상기 흡습성 염류의 농도는 40∼80중량%로 유지되는 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기가스는 상기 열 및 수분 교환부의 하부로부터 공급되고, 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액은 상기 열 및 수분 교환부의 상부에서 제공되어, 상기 배기가스와 흡습성 염류를 함유하는 용액의 접촉비가 중량비로 1 : 2∼10이고, 접촉시간은 5초 이상인 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 방법은 상기 펌핑 단계 이후에 외부로부터 도입되는 오염물질을 제거할 수 있는 여과 단계를 더욱 포함하는 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 방법.
  7. 고온의 수증기를 포함하는 배기가스 공급원;
    상기 배기가스 공급원에 연결되어 고온의 배기가스 및 수증기가 유입되고, 흡습성 염류를 함유하는 용액이 공급되는 열 및 수분 교환부;
    상기 열 및 수분 교환부에 연결되어 냉각된 배기가스가 배출되는 배기가스 배출부; 및
    상기 열 및 수분 교환부에 연결되고, 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액을 농축 및 냉각하여 순환시키는 순환 공급부를 포함하고,
    여기서, 상기 순환 공급부는:
    상기 열 및 수분 교환부로부터 흡습성 염류를 함유하는 용액이 유입되고 열 및 수분 교환부의 상부에 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액을 공급하기 위한 펌프;
    상기 열 및 수분 교환부로부터 흡습성 염류를 함유하는 용액의 일부가 유입되고, 유입된 흡습성 염류를 함유하는 용액을 가열 및 농축시키며, 농축된 흡습성 염류를 함유하는 용액을 상기 열 및 수분 교환부로 공급시키는 가열 농축부; 및
    상기 열 및 수분 교환부로부터 흡습성 염류를 함유하는 용액이 유입되고, 유입된 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액을 열교환시키는 열교환부를 포함하는 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 배기가스 공급원은 상기 열 및 수분 교환부의 하부에 연결되고, 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액은 상기 열 및 수분 교환부의 상부에서 제공되는 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 열 및 수분 교환부는 고온의 배기가스 및 수증기와 상기 흡습성 염류를 함유하는 용액의 접촉면적을 증가시키기 위한 비드를 포함하는 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 장치.
  10. 삭제
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 열 및 수분 교환부는 상기 교환부 하부로 하강되는 흡습성 염류를 함유하는 용액과 가열 농축부에서 농축된 흡습성 염류를 함유하는 용액을 혼합시키는 교반 설비를 구비한 저장시설을 포함하는 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 장치.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 장치는 펌프 후단에 위치되어 외부로부터 도입되는 오염물질을 제거할 수 있는 필터를 더욱 포함하는 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 장치.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 흡습성 염류는 질산 칼슘, 질산 암모늄, 황산 암모늄, 질산 바륨, 과염소산 바륨, 개미산 칼륨, 염소산 나트륨, 질산 나트륨, 질산 칼륨, 염화나트륨, 및 염화칼슘으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 배기가스의 폐열 회수 및 백연 저감 장치.
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