KR101497625B1 - 산소 분리막과 산업공정의 폐열 또는 배열을 이용한 산소제조장치 및 산소제조방법 - Google Patents

산소 분리막과 산업공정의 폐열 또는 배열을 이용한 산소제조장치 및 산소제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온전도성 분리막과 산업공정의 폐열 또는 배열을 이용한 산소제조장치 및 산소제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 산소제조장치는, 원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열하기 위한 제1열교환부와; 제2온도범위의 원료공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 제1산소소진공기를 배출하는 적어도 하나의 산소분리모듈을 구비하는 제1모듈그룹과; 상기 제1열교환부를 거친 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 상기 제2온도범위의 원료공기로 가열하여 상기 제1모듈그룹에 공급하고, 상기 제1모듈그룹에서 배출되는 제3온도범위의 제1산소소진공기를 제2온도범위의 산소소진공기로 가열하기 위한 제2열교환부와; 상기 제2열교환부로부터 공급되는 상기 제2온도범위의 산소소진공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 제2산소소진공기를 배출하는 적어도 하나의 산소분리모듈을 구비하는 제2모듈그룹과; 상기 제1모듈그룹 및 상기 제2모듈그룹에서 분리된 산소를 포집하는 포집부를 구비하되, 상기 제2모듈그룹에서 배출되는 상기 제3온도범위의 제2산소소진공기는 상기 제1열교환부로 공급되어 상기 원료공기를 상기 제1온도범위의 원료공기로 가열함을 특징으로 한다.

Description

산소 분리막과 산업공정의 폐열 또는 배열을 이용한 산소제조장치 및 산소제조방법{Apparatus for production of oxygen using Ion Transport Membrane and waste heat of Industrial process and method for production of oxygen}
본 발명은 이온전도성 산소분리막과 산업공정의 폐열 또는 배열을 이용한 산소제조장치 및 산소제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 산업공정에서 발생되어 버려지는 폐열 또는 배열을 이용하여 산소를 제조함에 의해 에너지 절약 및 산소제조단가를 줄일 수 있으며, 산소제조효율을 향상시킬 수 있는 산소분리막과 산업공정의 폐열 또는 배열을 이용한 산소제조장치 및 산소제조방법에 관한 것이다.
전 세계적으로 지구온난화와 자원고갈 문제가 대두되면서 연소공정(가열, 소각, 용융 등)을 사용하는 산업체에서는 이산화탄소 배출을 줄이기 위해 많은 노력을 하고 있다. 이러한 공정에서 발생하는 배열(혹은 폐열)을 효과적으로 활용하기 위한 노력 또한 에너지 효율향상을 위해 병행 되고 있다. 이를 해결하기 위한 기술 중 유력하게 검토되고 있는 것이 공기연소를 순산소 연소로 대체하는 방법이다.
연소공정에서 공기 대신 순산소를 조연제로 사용하면 연소효율이 향상될 뿐 아니라 질소가 없기 때문에 질소산화물이 원천적으로 발생하지 않고 연소후 배가스가 대부분 이산화탄소와 수분으로 이루어져 이산화탄소 분리 회수가 용이하다는 장점이 있으나, 산소비용이 추가되는 단점이 있다.
종래의 산소제조방법으로는 심랭분리법, 흡착법(Pressure Swing Adsorption), 고분자막분리법 (Polymer membrane) 등이 있다. 심랭분리법은 고순도 산소를 대량으로 얻을 수 있지만 초저온 단열장치인 냉각박스(Cold Box)가 필요하고 이에 부수되는 설비가 많아 초기 투자비가 많이 들고 공기를 -190℃ 이하로 초저온 액화시키는 과정에서 에너지 소비가 많은 단점이 있다.
흡착법은 생산된 산소에 아르곤과 질소가 혼입되는 문제로 산소의 순도가 94% 이상으로 요구되는 경우에는 순도를 높이기 위한 추가 설비가 필요한 단점이 있다. 또한 고분자막분리법은 산소농도가 30~40% 정도로 낮은 단점이 있고 고분자막 소재가 고온 내구성이 약하여 고온공정을 위한 추가 설비가 필요한 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 700℃이상 고온에서 산소를 분리하는 세라믹 산소분리막 기술이 활발히 연구되고 있다. 고온의 공기가 유입되면, 이온전도성 분리막 내부에서 전자전달과 이온전달이 동시에 일어나 산소 이온만이 빈공간(Vacancy)을 통해 분리되기 때문에 순산소만 분리된다. 산소분리 공정 구동력은 분리막 사이 산소 분압차이에 의해 분리가 된다.
그러나 산소분리막을 이용하는 방식은 고온·고압(700~1200℃, 1~10 bar) 상태에서 운전하는 이온전도성 세라믹 산소분리막 공정에서 효과적인 열교환망을 구성하는데 한계가 있으며, 효율이 낮고 크기가 큰 튜브 인 튜브(tube-in-tube) 방식의 열교환기를 사용하고 있어 에너지 효율성이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, BSCF형 이온전도성 세라믹 산소분리막의 경우 고온 조건에서 300~500 ppm 수준의 CO2나 미량 SOx, NOx와 같은 대기중 불순물이 표면에서 반응을 일으켜 투과에 영향을 준다. 따라서 대기 공기 중 CO2와 같은 가스를 제거해야 하며 이를 위해 전처리 장치가 추가되어야한다.
이러한 단점을 해결하고자 많은 연구가 진행되어 대한민국 특허출원 제 10-2011-0089922호와, 대한민국 특허출원 제10-2010-0045262호는 불순물에 내성이 강한 LSTF형 산화물로 코팅하여 해결하고 있다.
한편, 산소분리모듈은 반응기 내에 이온전도성 산소분리막이 내장되는 구조를 가지는데, 산소분리막과 금속합금 재질의 반응기 내부의 지지체와 밀봉재를 통해 밀봉되는 구조를 가진다. 하지만, 세라믹 재질의 산소분리막과 금속합금 재질의 지지체는 이종간(세라믹과 금속합금) 재질사이의 열팽창계수가 서로 상이하여 고온·고압하에서 밀봉재가 깨지는 현상이 발생하게 된다.
최근에는 열팽창계수를 이종간 재질 중간 정도에서 조절하는 방식으로 밀봉하는 기술개발이 추진되고 있으나, 순산소를 분리하기 위한 밀봉 기술은 매우 어려워 많은 연구가 진행 중이다.
밀봉재에 대한 종래기술로는 고가의 귀금속과 접합제를 섞어 밀봉하는 기술(미국등록특허 제7153559호)과 세라믹 산소분리막의 한 성분과 합금의 한 성분을 섞어 고온(1200~1400℃)에서 녹여 밀봉하는 기술(미국등록특허 제7094301호 등)이 소개되고 있으나 두 기술 모두 고가의 귀금속을 사용하는 단점이 있고 금속을 고온에서 용융시켜 에너지가 많이 소모되며, 밀봉되는 온도 및 압력 조건이 기술적으로 어려워 현장에서 적용하기 매우 어려운 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 산소분리막과 산업공정의 폐열 또는 배열을 이용한 산소제조장치 및 산소제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 에너지 효율을 높일 수 있으며, 산소제조단가를 낮출 수 있는 산소분리막과 산업공정의 폐열 또는 배열을 이용한 산소제조장치 및 산소제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 산업공정에서 발생되어 버려지는 폐열 또는 배열을 이용하여 산소를 제조할 수 있는 산소제조장치 및 산소제조방법을 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 산소제조장치는, 원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열하기 위한 제1열교환부와; 제2온도범위의 원료공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 제1산소소진공기를 배출하는 적어도 하나의 산소분리모듈을 구비하는 제1모듈그룹과; 상기 제1열교환부를 거친 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 상기 제2온도범위의 원료공기로 가열하여 상기 제1모듈그룹에 공급하고, 상기 제1모듈그룹에서 배출되는 제3온도범위의 제1산소소진공기를 제2온도범위의 산소소진공기로 가열하기 위한 제2열교환부와; 상기 제2열교환부로부터 공급되는 상기 제2온도범위의 산소소진공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 제2산소소진공기를 배출하는 적어도 하나의 산소분리모듈을 구비하는 제2모듈그룹과; 상기 제1모듈그룹 및 상기 제2모듈그룹에서 분리된 산소를 포집하는 포집부를 구비하되, 상기 제2모듈그룹에서 배출되는 상기 제3온도범위의 제2산소소진공기는 상기 제1열교환부로 공급되어 상기 원료공기를 상기 제1온도범위의 원료공기로 가열함을 특징으로 한다.
상기 산소제조장치는, 상기 원료공기를 상기 제1열교환부에 공급하기 위한 원료공급부를 더 구비하며, 상기 원료공급부는, 상기 원료공기를 공정압력인 2~10 bar로 압축하기 위한 압축기와; 상기 압축기를 통해 상기 원료공기의 압축과정에서 발생되는 수분을 제거하기 위한 드라이어와; 상기 드라이어를 통해 수분이 제거된 원료공기를 상기 공정압력으로 일정하게 유지되도록 하는 버퍼탱크를 구비한다.
상기 제1열교환부는 인쇄기판형 열교환기(PCHE)를 구비하여, 상기 제2모듈그룹에서 배출되는 상기 제3온도범위의 제2산소소진공기를 이용하여 상기 원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열할 수 있다.
상기 제2열교환부는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하여, 상기 제1열교환부를 거친 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 상기 제2온도범위의 원료공기로 가열하여 상기 제1모듈그룹에 공급하고, 상기 제1모듈그룹에서 배출되는 제3온도범위의 제1산소소진공기를 제2온도범위의 산소소진공기로 가열하여 상기 제2모듈그룹에 공급할 수 있다.
상기 제2열교환부는 별도의 열교환기 또는 히터를 구비하여 상기 제1온도범위의 원료공기 및 상기 제3온도범위의 제1산소소진공기를 상기 제2온도범위로 가열하거나, 1차적으로는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하고 2차적으로 별도의 열교환기 또는 히터를 이용하여 상기 제1온도범위의 원료공기 및 상기 제3온도범위의 제1산소소진공기를 상기 제2온도범위로 가열할 수 있다.
상기 산소분리모듈은, 상기 제2온도범위의 원료공기 또는 제2온도범위의 산소소진공기가 도입되기 위한 도입구와, 상기 제3온도범위의 제1산소소진공기 또는 상기 제3온도범위의 제2산소소진공기가 도출되기 위한 도출구와, 분리된 산소가 배출되기 위한 산소배출구를 구비하는 금속재질의 반응기와; 상기 반응기의 내부에 구비되며, LSTF 산화물 (La1-xSrxTi1-yFeyO3-δ)로 코팅된 BSCF 산화물 (Ba1-xSrxCo1-yFeyO3-δ)의 조성을 가지는 이온전도성 산소분리막과; 원료공기 또는 산소소진공기가 상기 산소분리막을 통해 분리된 산소와 혼합되는 것을 방지하고 상기 산소분리막을 지지하기 위해, 상기 반응기의 상부에 결합되는 지지체와 상기 산소분리막 사이에 구비되는 밀봉재를 구비할 수 있다.
상기 산소제조장치는, 상기 제2모듈그룹에서 배출되는 제3온도범위의 제2산소소진공기가 상기 제1열교환부에서 열교환되어 제4온도범위의 산소소진공기로 배출되면, 상기 제4온도범위의 산소소진공기를 제5온도범위로 냉각하여 배출하기 위한 제3열교환부를 더 구비하되, 상기 제3열교환부를 통해 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 밀봉재를 냉각시키도록 공급될 수 있다.
상기 제3열교환부는 냉각수를 이용하는 셀 앤 튜브(shell&tube) 타입의 열교환기를 구비할 수 있다.
상기 밀봉재는 상기 제3열교환부를 통해 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기는 통해 1차적으로 냉각되고, 상기 냉각수를 공급하는 냉각수 공급원을 통해 별도로 공급되는 냉각수를 통해 2차적으로 냉각될 수 있다.
상기 포집부는 진공펌프 또는 진공발생기를 이용하여 상기 산소배출구를 통해 산소를 포집할 수 있다.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 산소제조장치는, 원료공기를 압축기를 통해 공정압력으로 압축하고, 드라이어를 통해 수분을 제거하여 제공하는 원료공급부와; 상기 원료공급부에서 공급되는 원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열하기 위한 제1열교환부와; 상기 제1열교환부를 거친 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위의 원료공기로 가열하기 위한 제2열교환부와; 상기 제2열교환부를 통과한 상기 제2온도범위의 원료공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 산소소진공기를 배출하는 적어도 하나의 산소분리모듈과; 상기 적어도 하나의 산소분리모듈에서 분리된 산소를 포집하는 포집부를 구비하되, 상기 적어도 하나의 산소분리모듈에서 배출되는 상기 제3온도범위의 산소소진공기는 상기 제1열교환부로 공급되어 상기 원료공기를 상기 제1온도범위의 원료공기로 가열하고 제4온도범위의 산소소진공기로 배출되고, 상기 제4온도범위의 산소소진공기는 제3열교환부를 통해 제5온도범위로 냉각되어 배출되며, 상기 제3열교환부를 통해 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 압축기로 공급되어 상기 압축기를 구동하는 구동원으로 기능한다.
상기 제1열교환부는 인쇄기판형 열교환기(PCHE)를 구비하여, 상기 적어도 하나의 산소분리모듈에서 배출되는 상기 제3온도범위의 산소소진공기를 이용하여 상기 원료공기를 제1온도범위로 가열하고, 상기 제2열교환부는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하여, 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열할 수 있다.
상기 제2열교환부는 별도의 열교환기 또는 히터를 구비하여 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열하거나, 1차적으로는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하고 2차적으로 별도의 열교환기 또는 히터를 이용하여 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열할 수 있다.
상기 제2열교환부에서, 상기 제1온도범위의 원료공기가 공급되어 제2온도범위의 원료공기로 배출되는 공기배관은, 상기 폐열 또는 배열이 발생되는 배열로의 외부를 스프링형태로 감싸는 구조, 상기 배열로의 내부에 스프링형태로 배치되는 구조, 상기 배열로의 내부 또는 외부를 'ㄹ'자 형태로 감싸는 구조, 및 상기 배열로의 내부에 'ㄹ'자 형태로 배치되는 구조 중에서 선택된 어느 하나의 배치구조를 가질 수 있다.
상기 제1온도범위는 300~600℃ 이고, 상기 제2온도범위는 750~1200℃이고, 상기 제3온도범위는 650~750℃ 이고, 상기 제4온도범위는 150~250℃ 이고, 상기 제5온도범위는 20~60℃일 수 있다.
상기 제3열교환부는 냉각수를 이용하는 셀 앤 튜브(shell&tube) 타입의 열교환기를 구비할 수 있다.
상기 포집부는 진공펌프 또는 진공발생기를 이용하여 상기 산소배출구를 통해 배출되는 산소를 포집할 수 있다.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 산소제조장치는, 원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열하기 위한 제1열교환부와; 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하여 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위의 원료공기로 가열하는 배열로와; 상기 배열로에 내장되는 형태로 구비되어 상기 제2온도범위의 원료공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 산소소진공기를 배출하는 적어도 하나의 산소분리모듈과; 상기 적어도 하나의 산소분리모듈에서 분리된 산소를 포집하는 포집부를 구비하되, 상기 적어도 하나의 산소분리모듈에서 배출되는 상기 제3온도범위의 산소소진공기는 상기 제1열교환부로 공급되어 상기 원료공기를 상기 제1온도범위의 원료공기로 가열한다.
상기 산소제조장치는, 상기 원료공기를 상기 제1열교환부에 공급하기 위한 원료공급부를 더 구비하며, 상기 원료공급부는, 상기 원료공기를 공정압력인 2~10 bar로 압축하기 위한 압축기와; 상기 압축기를 통해 상기 원료공기의 압축과정에서 발생되는 수분을 제거하기 위한 드라이어와; 상기 드라이어를 통해 수분이 제거된 원료공기를 상기 공정압력으로 일정하게 유지되도록 하는 버퍼탱크를 구비할 수 있다.
상기 제1열교환부는 인쇄기판형 열교환기(PCHE)를 구비하여, 상기 적어도 하나의 산소분리모듈에서 배출되는 상기 제3온도범위의 산소소진공기를 이용하여 상기 원료공기를 제1온도범위로 가열할 수 있다.
상기 산소분리모듈은, 상기 제2온도범위의 원료공기가 도입되기 위한 도입구와, 상기 제3온도범위의 산소소진공기가 도출되기 위한 도출구와, 상기 제2온도범위의 원료공기에서 분리된 산소가 배출되기 위한 산소배출구를 구비하는 금속재질의 반응기와; 상기 반응기의 내부에 구비되며, LSTF 산화물 (La1-xSrxTi1-yFeyO3-δ)로 코팅된 BSCF 산화물 (Ba1-xSrxCo1-yFeyO3-δ)의 조성을 가지는 이온전도성 산소분리막과; 상기 제2온도범위의 원료공기 또는 상기 제3온도범위의 산소소진공기가 상기 산소분리막을 통해 분리된 산소와 혼합되는 것을 방지하고 상기 산소분리막을 지지하기 위해, 상기 반응기의 상부에 결합되는 지지체와 상기 산소분리막 사이에 구비되는 밀봉재를 구비할 수 있다.
상기 산소제조장치는, 상기 적어도 하나의 산소분리모듈에서 배출되는 제3온도범위의 산소소진공기가 상기 제1열교환부에서 열교환되어 제4온도범위의 산소소진공기로 배출되면, 상기 제4온도범위의 산소소진공기를 제5온도범위로 냉각하여 배출하기 위한 제3열교환부를 더 구비하되, 상기 제3열교환부를 통해 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 밀봉재를 냉각시키도록 공급될 수 있다.
상기 제3열교환부는 냉각수를 이용하는 셀 앤 튜브(shell&tube) 타입의 열교환기를 구비할 수 있다.
상기 포집부는 진공펌프 또는 진공발생기를 이용하여 상기 산소배출구를 통해 배출되는 산소를 포집할 수 있다.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 산소제조방법은, 원료공기를 공정압력으로 압축하고 수분을 제거하여 제공하는 제1단계와; 원료공기를 제1차 열교환을 통해 제1온도범위의 원료공기로 가열하는 제2단계와; 상기 제1온도범위의 원료공기를 제2차 열교환을 통해 활성화온도범위인 제3온도범위의 원료공기로 가열하는 제3단계와; 산소분리막을 구비하는 적어도 하나의 산소분리모듈을 이용하여, 상기 제2온도범위의 원료공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 산소소진공기를 배출하는 제4단계와; 상기 제4단계에서 배출되는 상기 제3온도범위의 산소소진공기는, 상기 제2단계의 상기 원료공기를 상기 제1온도범위의 원료공기로 가열하는 제1차 열교환을 위해 이용된 후 제4온도범위의 산소소진공기로 배출되고, 상기 제4온도범위의 산소소진공기는 제3차 열교환을 통해 제5온도범위의 산소소진공기로 냉각되어 배출되는 제5단계를 구비하되, 상기 제5단계를 통해 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 제1단계에서 원료공기의 압축을 위한 압축기의 구동원으로 사용된다.
상기 제3단계의 상기 제2차 열교환은 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하여 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열할 수 있다.
상기 제1온도범위는 300~600℃ 이고, 상기 제2온도범위는 750~1200℃이고, 상기 제3온도범위는 650~750℃ 이고, 상기 제4온도범위는 150~250℃ 이고, 상기 제5온도범위는 20~60℃ 일 수 있다.
상기 제3단계 이후에, 진공펌프 또는 진공발생기를 이용하여 상기 제3단계에서 분리된 산소를 포집하는 포집단계를 더 구비할 수 있다.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 산소제조방법은, 원료공기를 제1차 열교환을 통해 제1온도범위의 원료공기로 가열하는 제1단계와; 적어도 하나의 산소분리모듈을 각각 가지는 제1모듈그룹과 제2모듈그룹을 구비하여, 상기 제1단계를 거친 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 상기 제2온도범위의 원료공기로 가열하여 상기 제1모듈그룹에 공급하여 산소를 분리하고, 상기 제1모듈그룹에서 배출되는 제3온도범위의 제1산소소진공기를 제2온도범위의 산소소진공기로 가열하여 상기 제2모듈그룹에 공급함에 의해, 상기 제2온도범위의 산소소진공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 제2산소소진공기를 배출하는 제2단계와; 상기 제1모듈그룹 및 상기 제2모듈그룹에서 분리된 산소를 포집하는 제3단계를 구비하되, 상기 제2단계에서 배출되는 상기 제3온도범위의 제2산소소진공기는 상기 제1단계의 상기 원료공기를 상기 제1온도범위의 원료공기로 가열하는 제1차 열교환을 위해 이용된다.
상기 제1단계 전에, 상기 원료공기를 공정압력인 2~10 bar로 압축하기 위한 압축단계와; 상기 원료공기의 압축단계에서 발생되는 수분을 제거하기 위한 수분제거단계를 더 구비할 수 있다.
상기 제2단계에서, 상기 제1모듈그룹에 공급되는 상기 제2온도범위의 원료공기 및 상기 제2모듈그룹에 공급되는 상기 제2온도범위의 산소소진공기는, 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용한 열교환을 통해 가열된 것일 수 있다.
상기 제2단계에서, 상기 제1모듈그룹에 공급되는 상기 제2온도범위의 원료공기 및 상기 제2모듈그룹에 공급되는 상기 제2온도범위의 산소소진공기는, 1차적으로는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하고 2차적으로 별도의 열교환기 또는 히터를 이용하여 가열된 것일 수 있다.
상기 제2온도범위의 원료공기 또는 제2온도범위의 산소소진공기가 도입되기 위한 도입구와, 상기 제3온도범위의 제1산소소진공기 또는 상기 제3온도범위의 제2산소소진공기가 도출되기 위한 도출구와, 분리된 산소가 배출되기 위한 산소배출구를 구비하는 금속재질의 반응기와; 상기 반응기의 내부에 구비되며, LSTF 산화물 (La1-xSrxTi1-yFeyO3-δ)로 코팅된 BSCF 산화물 (Ba1-xSrxCo1-yFeyO3-δ)의 조성을 가지는 이온전도성 산소분리막과; 원료공기 또는 산소소진공기가 상기 산소분리막을 통해 분리된 산소와 혼합되는 것을 방지하고 상기 산소분리막을 지지하기 위해, 상기 반응기의 상부에 결합되는 지지체와 상기 산소분리막 사이에 구비되는 밀봉재를 구비할 수 있다.
상기 산소제조방법은, 상기 제2모듈그룹에서 배출되는 제3온도범위의 제2산소소진공기가 상기 제1단계에서 열교환되어 제4온도범위의 산소소진공기로 배출되면, 상기 제4온도범위의 산소소진공기를 제5온도범위의 산소소진공기로 냉각하여 배출하는 열교환 단계와; 상기 제5온도범위의 산소소진공기를 이용하여 상기 밀봉재를 냉각시키는 냉각단계를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가열로, 연소로 등 연소공정 등 산업공정에서 발생하는 고온 폐열 또는 배열을 활용하여 별도의 에너지를 가하지 않으며, 원료공기의 전처리 없이 산소분리모듈에 도입할 수 있는 장점이 있다. 또한 열효율을 극대화하고 장치의 크기도 종래에 비해 1/3 이상 작아질 수 있어 비용이 절감되는 장점이 있다. 또한 산업현장의 배열방식에 따라 적정한 가열방법을 제공함으로써 에너지를 최소화하여 원료공기를 고온으로 가열이 가능하다. 결과적으로, 산업공정에서 배출되는 폐열 또는 배열을 이용하여 원료공기를 가열하고, 산소소진공기를 이용하여 열교환 및 밀봉재 냉각을 수행할 수 있어, 에너지 효율을 높이고, 산소생산이 필요한 제조비용을 최소화할 수 있으며, 장치의 규모를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한 산소가 1차적으로 분리된 산소소진공기를 재사용하여 2차적으로 산소를 분리함에 의해 산소분리효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 산소제조장치의 개략도이고,
도 2는 도 1의 제2열교환부를 구성하는 배열로에 배치되는 공기배관의 구조를 나타낸 것이고,
도 3은 도 1의 산소분리모듈의 개략도이고,
도 4는 도 3의 산소분리모듈의 산소분리막 결합부위의 단면도이고,
도 5는 진공발생기가 체결된 도 3의 산소분리모듈의 단면도이고,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 산소제조장치의 개략도이고,
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 산소제조장치의 개략도이고,
도 8 내지 도 10은 도 3 내지 도 5의 산소분리모듈에 구비되는 밀봉재의 구성비율 및 테스트 결과를 나타낸 표들이고,
도 11은 도 1, 도 6 및 도 7의 장치를 통해 생산된 산소의 순도분석결과를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 산소제조장치의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 산소제조장치(200)는, 제1열교환부(120), 제2열교환부(130), 적어도 하나의 산소분리모듈(142), 포집부(150)를 구비한다. 추가적으로 원료공급부(110) 및 제3열교환부(160)를 더 구비할 수 있다.
상기 원료공급부(110)는, 원료공기를 상기 제1열교환부(120)에 공급하기 위한 것으로, 압축기(112), 드라이어(114) 및 버퍼탱크(116)를 구비할 수 있다.
상기 원료공기는 종래에 사용되는 이산화탄소를 제거하는 전처리 공정없이 바로 압축과정이 수행된다. 이는 산소분리막이 LSTF 산화물 (La1-xSrxTi1-yFeyO3-δ)로 코팅된 BSCF 산화물 (Ba1-xSrxCo1-yFeyO3-δ)의 조성을 가지는 이온전도성 산소분리막이기 때문에 별도의 전처리 공정이 필요하지 않다. 그러나 산소분리막이 LSTF 산화물 (La1-xSrxTi1-yFeyO3-δ)로 코팅되어 있지 않다면 별도의 전처리 공정이 필요할 것이다.
상기 압축기(112)는 산소제조를 위한 공정압력인 2~10 bar로 압축하기 위한 것이고, 상기 드라이어(114)는 상기 압축기(112)를 통한 상기 원료공기의 압축과정에서 발생되는 수분을 제거하기 위한 것이고, 상기 버퍼탱크(116)는 상기 드라이어(114)를 통해 수분이 제거된 원료공기를 상기 공정압력으로 일정하게 유지되도록 한다.
상기 원료공급부(110)를 거친 원료공기는 상기 제1열교환부(120)로 도입된다.
필요에 따라 상기 원료공급부(110)와 상기 제1열교환부(120) 사이의 원료공기의 도입배관 상에 압력조절기(115a), 유량측정기(115b), 온도계(115c), 압력게이지(115d) 등을 선택적으로 설치하는 것이 가능하다.
상기 제1열교환부(120)는, 상기 원료공급부(110)에서 도입되는 원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열하기 위한 것이다.
상기 제1열교환부(120)는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)에서 배출되는 상기 제3온도범위의 산소소진공기(depleted hot air)를 통해 상기 원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열하게 된다. 즉 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)에서 산소가 분리되고 배출되는 상기 제3온도범위의 산소소진공기는 상기 제1열교환부(120)로 공급되어 상기 원료공기와 열교환을 수행하게 된다.
상기 제1열교환부(120)는 인쇄기판형 열교환기(PCHE)를 구비하여, 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)에서 배출되는 상기 제3온도범위의 산소소진공기를 이용하여 상기 원료공기를 제1온도범위로 가열할 수 있다. 상기 인쇄기판형 열교환기(PCHE)는 고온·고압 상태에서 미세유로와 기판 브레이징 접합의 특징을 살려 열전달효율이 낮은 원료공기와 상기 제3온도범위의 산소소진공기가 서로 효과적인 열교환을 수행하게 되며, 사이즈가 작아 산소제조장치의 크기도 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.
상기 제2열교환부(130)는 상기 제1열교환부(120)를 거친 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위의 원료공기로 가열하기 위한 것이다.
상기 제2열교환부(130)는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하여, 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열하게 된다.
다른 실시예로, 상기 제2열교환부(130)는, 별도의 열교환기 또는 히터를 구비하여 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열하는 것도 가능하다.
또한 다른 실시예로, 상기 제2열교환부(130)는 1차적으로는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하고 2차적으로 별도의 열교환기 또는 히터를 이용하여, 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열하도록 구성할 수 있다. 이 경우는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열이 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열하기 부족한 경우에 2차적으로 별도의 열교환기 또는 히터를 사용하여 추가적인 에너지를 공급함에 의해 가열하는 것이 가능하다.
상기 제2열교환부(130)가 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하는 경우, 산소생산에 필요한 에너지 또는 비용을 최소화하는 것이 가능하고 산소제조장치를 소규모로 구성하는 것이 가능하다.
이때 상기 제2열교환부(130)는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열이 공급 또는 발생되는 장소 또는 장비(이하 '배열로'로 통칭함)에 구비되며, 상기 배열로에 상기 제1온도범위의 원료공기가 공급되는 공기배관을 병렬 또는 직렬로 연통하도록 구성함에 의하여 제1온도범위의 원료공기를 가열하여 제2온도범위의 원료공기로 배출되도록 한다.
산업공정상 발생하는 배열(또는 폐열)이나 연소공정에서 발생하는 폐열 또는 배열은 에너지의 형태가 다르기 때문에, 열교환을 위해 상기 제2열교환부(130)에서 상기 제1온도범위의 원료공기가 공급되어 제2온도범위의 원료공기로 가열되어 배출되는 공기배관(134)은 다양한 배열방식을 가질 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제2열교환부(130)에서 상기 제1온도범위의 원료공기가 공급되어 제2온도범위의 원료공기로 가열되어 배출되는 공기배관(134)은, 상기 폐열 또는 배열이 발생되는 배열로(132)의 외부를 스프링형태로 감싸는 구조(도 2의 (a)), 상기 배열로(132)의 내부에 스프링형태로 배치되는 구조(도 2의 (b)), 상기 배열로(132)의 내부 또는 외부를 'ㄹ'자 형태로 감싸거나, 외부에서 내부를 번갈아 관통하도록 배치되는 구조(도 2의 (c)), 및 상기 배열로(132)의 내부에 'ㄹ'자 형태로 배치되는 구조(도 2의 (d)) 중에서 선택된 어느 하나의 배치구조를 가질 수 있다. 이외에 열교환 효율을 높일 수 있는 다양한 배치구조가 가능하다.
상술한 제1온도범위는 300~600℃ 이고, 상기 제2온도범위는 750~1200℃일 수 있다. 또한 상기 제3온도범위는 650~750℃ 일 수 있다.
상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)은 상기 제2열교환부(130)를 통과한 상기 제2온도범위의 원료공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 산소소진공기를 배출하게 된다.
상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)은 하나가 구비될 수도 있고, 복수개가 구비될 수 있다. 복수개의 산소분리모듈(142)이 구비되는 경우에 하나의 모듈그룹(140)을 이루는 형태로 구비되는 것이 가능하다. 본 발명의 제1실시예에서는 복수의 산소분리모듈(142)이 하나의 모듈그룹(140)을 형성하는 경우를 도 1에 도시하고 있다.
상기 복수의 산소분리모듈(142) 각각은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 도입구(144a) 및 도출구(144b)를 가지는 반응기(144), 이온전도성 산소분리막(145), 및 밀봉재(148)를 구비한다.
상기 도입구(144a)는 상기 제2열교환부(130)를 통해 공급되는 상기 제2온도범위의 원료공기가 도입되기 위한 것이다.
상기 도출구(144b)는 상기 산소분리모듈(142)에서 산소가 분리된, 제3온도범위의 산소소진공기가 도출되기 위한 것이다.
상기 반응기(144)는 원통형 형상을 가지며, 상기 도입구(144a)를 통해 도입된 상기 제2온도범위의 원료공기에서 분리된 산소가 배출되기 위한 산소배출구(144c)를 구비하고 있으며, 금속재질을 가진다.
상기 반응기(144)는 하부 측면에 상기 도입구(144a)가 구비되고 상부측면에 상기 도출구(144b)가 구비된다.
또한, 내부는 상기 도입구(144a)를 통해 공급되는 상기 제2온도범위의 원료공기가 일시저장되는 하부공간과 상기 산소분리막(145)이 배치되는 상부공간으로 구분되고, 상기 하부공간과 상기 상부공간 사이에는 상기 도입구(144a)를 통해 공급된 상기 제2온도범위의 원료공기가 상기 도출구(144b)로 직접 빠져나가지 않도록 하고, 상기 제2온도범위의 원료공기를 혼합하여 상기 산소분리막(145)으로 공급하기 위한 링형상의 적어도 하나의 배플(baffle)(146a)이 배치된다. 상기 적어도 하나의 배플(146a)은 하나가 구비될 수도 있고, 복수개가 일정간격으로 배치되는 구조를 가질 수 있다.
상기 적어도 하나의 배플(146a)은 상기 반응기(144)의 내벽을 통해 발산되는 열을 막아주고 상기 제2온도범위의 원료공기를 상기 산소분리막(145)으로 집중하여 도입되도록 한다.
필요에 따라 상기 적어도 하나의 배플(146a)을 지지하기위한 지지대(147a)가 배치될 수 있고, 상기 제2온도범위의 원료공기의 온도를 파악하기위한 온도계(147b)가 배치될 수도 있다.
상기 산소분리막(145)은 상기 반응기(144)의 내부에 구비되며, 페롭스카이트형 세라믹재질을 가질 수 있으며, 구체적으로, LSTF 산화물 (La1-xSrxTi1-yFeyO3-δ)로 코팅된 BSCF 산화물 (Ba1 - xSrxCo1 - yFeyO3 -δ)의 조성을 가질 수 있다. 여기서 0≤x≤1, 0≤y≤1 일 수 있다.
상기 산소분리막(145)은 관(tube) 형상을 가지며, 관의 외부로 상기 제2온도범위의 원료공기가 공급되면 관의 내부를 통해 산소가 분리되는 구조를 가지며, 상기 산소분리막(145)의 외부 상단부는 상기 반응기(144)의 내부에 구비된 지지체(149)와 상기 밀봉재(148)에 의해 밀봉되고, 상기 산소분리막(145)의 내부 상단부는 상기 산소배출구(144c)와 연결되는 구조를 가질 수 있다.
상기 산소분리막(145)은 복수개가 하나의 반응기(144) 내부에 배치되는 구조를 가질 수 있다. 이때, 관 형상의 각각의 산소분리막(145)의 상단부는, 중심부에 관통홀이 형성된 너트모양의 지지체(149)의 상기 관통홀에 삽입되는 구조로 배치되며, 상기 지지체(149)의 관통홀의 내주면과 상기 산소분리막(145)의 상단 외부면 사이에 상기 밀봉재(148)가 구비되어 상기 지지체(149)와 상기 산소분리막(145) 사이를 밀봉하게 된다.
또한 반응기(144)의 미세 누설 방지를 위해 결합되는 나사들 사이 또는 결합부위 등에 고온용 고분자 오링(o-ring)을 구비하여 설치할 수 있다.
상기 밀봉재(148)는 상기 제2온도범위의 원료공기 또는 상기 제3온도범위의 산소소진공기가 상기 산소분리막(145)을 통해 분리된 산소와 혼합되는 것을 방지하고, 상기 산소분리막(145)을 지지하기 위해 구비된다.
상기 지지체(149)는 상기 산소배출구(144c)를 제외하고 반응기(144)의 상부면을 폐쇄하게 되며, 이를 통해, 상기 제2온도범위의 원료공기 또는 상기 제3온도범위의 산소소진공기가 상기 반응기(144)의 외부로 유출되는 것을 방지하게 된다. 또한, 상기 산소분리막(145)의 내부에서 배출되는 분리된 산소가 상기 산소배출구(144c)를 통해서 배출되고 다른 곳으로 유출되지 않도록 한다.
상기 지지체(149)는 금속 또는 금속합금 재질이며, 상기 산소분리막(145)은 세라믹 재질이다. 상기 밀봉재는 2~10 bar, 200℃까지 생산되는 산소의 순도를 99.5%이상 유지하기 위해서 완벽한 밀봉을 유지하도록 구성되어야 한다.
이종간(세라믹과 금속합금) 재질사이의 열팽창계수가 서로 상이하여 고온·고압하에서 밀봉재가 깨지는 현상이 발생되는 것을 방지하기 위해, 상기 밀봉재는 나노복합 접합체로 구성되며, 고온에서 깨지는 현상을 방지하기 위해, 냉각가스나 냉각수를 이용하여 상기 밀봉재(148)가 200℃이하로 유지하도록 구성될 수 있다. 상기 밀봉재(148)의 냉각관련 구성은 후술한다.
상기 밀봉재(148)는 나노미터 크기의 분말과 접착제를 혼합하여 구성할 수 있다. 예를 들어, 나노미터 크기의 분말은 Ni 분말, Al2O3 분말, 카본나노튜브 중에서 적어도 하나를 포함하도록 구성되고, 접착제는 물유리, 세라믹접착제, 폴리머접착제 중에서 적어도 하나를 포함하거나 적어도 두 개를 혼합하여 구성할 수 있다. 상기 밀봉재(148)은 접착제를 근간으로 20~50%의 부피비로 나노미터 크기의 분말을 혼합하여 구성한다. 이는 도 8 내지 도 10을 통해 설명한다.
도 8 내지 도 10은 상기 밀봉재의 구성비율에 따른 온도, 압력변화에 따른 리크(leak) 발생여부를 테스트한 결과를 표로 나타낸 것이다. 도 8 내지 도 10의 표에서 'O' 표시는 리크가 발생되지 않았다는 것을 의미하고, 'X'는 리크가 발생된 경우를 의미한다.
도 8 내지 도 10은 상기 밀봉재(148)의 구성 비율에 대한 리크 발생여부를 나타내고 있으나, 이는 특정온도조건, 특정압력조건, 및 특정 시간조건 하에서의 결과를 나타낸 것으로, 온도조건, 압력조건, 및 시간조건이 변화하거나 달라짐에 따라 상기 밀봉재(148)의 구성비율을 달리 할 수 있는 것이며, 혼합되는 분말 및 접착제의 종류나 혼합비율 또한 달라질 수 있는 것이다.
도 8은 80℃ 의 온도 및 2.0 bar 의 압력하에서 2~10시간 동안 리크(leak) 발생여부를 테스트 한 표이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 물유리1호 내지 제3호, 세라믹 접착제, 폴리머 접착제 각각과 Ni 분말, Al2O3 분말(3㎛), Al2O3 분말(10㎛), 카본나노튜브(CNT)(20nm) 각각을 부피비를 달리하여 혼합하고 이에 대한 리크여부를 테스트하였다.
테스트 결과, 세라믹 접착제 또는 폴리머 접착제와 Ni 분말, Al2O3 분말(3㎛), Al2O3 분말(10㎛), 카본나노튜브(CNT)(20nm)를 혼합한 경우에 리크가 발생되는 않는 경우가 많아 우수한 결과를 가짐을 알 수 있었다. 즉 세라믹 접착제와 폴리머 접착제의 경우 모두 Ni 분말, Al2O3 분말(3㎛), Al2O3 분말(10㎛), 카본나노튜브(CNT)(20nm) 각각을 30%의 부피비로 혼합하여 밀봉재를 제조한 경우에 리크발생이 없었다.
도 9는 도 8에서 우수한 결과를 나타낸 세라믹 접착제와 고분자 접착제를 사용한 밀봉재의 경우로 한정하여 온도를 상승시키며 테스트한 결과를 나타낸 표이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 부피비 30%를 가지는 Ni 분말, Al2O3 분말(3㎛), Al2O3 분말(10㎛), 카본나노튜브(CNT)(20nm) 각각을 세라믹 접착제 또는 폴리머 접착제와 혼합하여 밀봉재를 제조한 경우, 2.0 bar의 압력하에서 2~10시간 동안 온도를 상승시키면서 리크(leak) 발생여부를 테스트 하였다.
이 경우에는 온도가 80 ℃ 인 경우에는 리크가 전혀 발생되지 않거나 일부 발생되나. 온도가 120℃ 까지 증가하는 경우에는, Ni 분말과 폴리머 접착제 를 혼합한 밀봉재 및 카본나노튜브(CNT)(20nm)와 폴리머 접착제를 혼합한 밀봉재의 경우만 리크가 발생되지 않았으며, 온도가 200℃까지 증가하는 경우에는 카본나노튜브(CNT)(20nm)와 폴리머 접착제를 혼합하여 밀봉재를 제조한 경우만 리크가 발생되지 않음을 알 수 있다.
도 10은 도 9에서 여러 나노 분말 가운데 우수한 결과를 나타낸 Ni 분말과 폴리머 접착제 또는 세라믹 접착제를 혼합한 밀봉재 및 카본나노튜브(CNT)(20nm)와 폴리머 접착제 또는 세라믹 접착제를 혼합한 밀봉재에 대하여 200℃ 온도 하에서 2~10시간 동안 압력을 상승시키면서 리크(leak) 발생여부를 테스트한 결과를 나타낸다.
도 10에 도시된 바와 같이, 폴리머 접착제에 카본나노튜브(CNT)를 30% 의 부피비로 혼합하여 밀봉한 경우 2~10 bar의 압력 및 200℃의 온도까지 리크가 발생되지 않아 우수한 밀봉율을 보임을 알 수 있었다.
상기 밀봉재(148)는 고분자접착제의 접합능력과 나노미터 크기의 분말의 밀봉성을 결합하여 세라믹 재질의 산소분리막(145)과 금속합금재질의 지지체(149)간에 적절한 열팽창계수를 도입 2~10 bar, 200℃까지 완벽한 밀봉을 제공함을 알 수 있다. 따라서 상기 밀봉재(148)를 통한 밀봉부위는 200℃ 이하로 냉각이 필요하며, 냉각을 위해 냉각수 또는 저온 배출가스를 이용한다. 상기 저온 배출가스는 산소소진공기, 원료공기, CO2, 산소부화공기, O2+CO2 혼합가스 또는 O2 가 이용될 수 있다.
상기 포집부(150)는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)에서 분리된 산소를 포집한다. 상기 포집부(150)는 진공펌프 또는 진공발생기를 이용하여 상기 산소배출구(144c)를 통해 배출되는 산소를 포집하게 된다.
상기 산소분리막(145)의 내부에서 산소가 지속적으로 생산되기 위해서는 산소분압이 외부에서 공급되는 상기 제2온도범위의 원료공기보다 작아야 한다. 즉 투과되는 산소가 계속해서 상기 산소분리막(145)에서 생산 포집되기 위해서는 외기의 유입 없이 산소를 빨아들여야 한다.
이를 위해서 진공펌프를 구성하여 포집하는 방법이 있고, 도 5에 도시된 바와 같이, 진공발생기(30)를 구성하는 방법이 있다. 상기 진공발생기(150a)는 진공발생가스가 도입되는 진공도입관(152), 진공을 유도하는 밴츄리관(154), 및 상기 산소배출구(144c)를 통해 배출되는 산소와 함께 혼합되어 생산되는 디퓨저관(156)으로 구성된다. 진공발생가스는 최종 목적물에 맞추어 구성되며 산소소진공기, 원료공기, CO2, 산소부화공기, O2+CO2 혼합가스 또는 O2를 포함할 수 있다. 즉 본 발명에서 진공발생기(150a)는 장치의 구성상 풍부하게 공급되는 산소 소진공기 등의 배출가스를 사용하여 진공을 발생시킬 수 있으며, 노즐(nozzle)과 디퓨져(diffuser)관(156) 및 벤츄리(venturi)관(154) 구조를 이용하여 상기 산소분리막(145) 내부에 산소 분압을 낮게 유지하여 지속적으로 산소가 발생되도록 할 수 있다.
상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)은 본 발명의 제1실시예를 통해 설명한 구성이외에, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술자에게 잘 알려진 구성을 가지는 산소분리모듈이 사용될 수 있다.
상기 제3열교환부(160)는, 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)에서 배출되는 제3온도범위의 산소소진공기가 상기 제1열교환부(120)에서 열교환되어 제4온도범위의 산소소진공기로 배출되면, 상기 제4온도범위의 산소소진공기를 제5온도범위로 냉각하여 배출하기 위한 것이다.
여기서 상기 제4온도범위는 150~250℃ 이고, 상기 제5온도범위는 20~60℃일 수 있다.
상기 제3열교환부(160)는 냉각수를 이용하는 셀 앤 튜브(shell&tube) 타입의 열교환기를 구비할 수 있으며, 냉각수 공급원(180)을 통해 공급되는 냉각수를 이용하여 상기 제4온도범위의 산소소진공기를 열교환을 통해 제5온도범위의 산소소진공기로 냉각하여 배출하게 된다.
상기 제3열교환부(160)를 통해 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 원료공급부(110)를 구성하는 압축기(112)로 공급되어 상기 압축기(112)를 구동하는 구동원으로 기능한다. 그리고 상기 밀봉재(148)는 냉각수 공급원(180)을 통해 별도로 공급되는 냉각수를 통해 냉각되는 구성을 가진다.
상기 압축기(112)는 샤프트(112a)를 통해 팽창기(112b)에 연결되어 있으며, 상기 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 팽창기(112b)에 도입되어 상기 원료공기를 공정압력으로 압축하는 에너지원으로 기능하게 된다. 상기 제5온도범위의 산소소진공기는 공정압력 또는 이보다 약간 낮은 일정압력을 가지고 있기 때문에, 상기 팽창기(112b)의 팬을 구동할 수 있는 에너지를 가지고 있게 된다. 따라서 이를 이용하여 상기 압축기(112)에서 상기 원료공기를 압축하는 에너지원으로 사용하는 것이 가능하다.
상기 압축기(112)에서 압축시 상기 제5온도범위의 산소소진공기를 통해 원료공기를 공정압력으로 압축하는 것이 불가능하다면, 1차적으로는 상기 제5온도범위의 산소소진공기를 통해 압축하고, 2차적으로 별도의 에너지원(전력 등)을 추가로 구성하여 압축하는 것이 가능하다.
상기 제5온도범위의 산소소진공기의 배출배관 상에, 압력조절기(165a), 유량측정기(165b), 온도계(165c) 및 압력게이지(165d) 등을 선택적으로 설치할 수 있다. 또한 압력을 조절하기 위해서 상기 제5온도범위의 산소소진공기의 배출배관 상에, 자동유량조절기(165e)를 설치하여 장치 또는 산소소진공기의 압력이 2~10 bar로 유지되도록 하여 상기 산소 분리막(145)의 산소 투과를 도울 수 있다. 상기 압력조절기(165a), 유량측정기(165b), 온도계(165c) 및 압력게이지(165d) 등은 공압, 유압, 또는 전기적인 신호에 의해 그 작동이 자동으로 이루어지도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 제3열교환부(160)에서 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)에 구비되는 상기 밀봉재(148)를 냉각시키도록 공급되는 구성을 가질 수 있으며, 이때 압축기(112)는 자체 에너지원을 통해 구동가능하다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 산소제조장치(200)는 다음과 같이 동작하여 산소를 제조하게 된다.
우선 상기 원료공기를 상기 원료공급부(110)의 압축기(112)를 이용하여 공정압력인 2~10 bar로 압축한다. 이후 상기 원료공기의 압축으로 인해 발생되는 수분을 상기 드라이어(114)를 통해 제거하여 상기 버퍼탱크(116)에 저장하게 된다.
다음으로, 상기 제1열교환부(120)를 통해, 상기 버퍼탱크(116)에서 공급되는 원료공기를 제1차 열교환을 통해 제1온도범위의 원료공기로 가열하게 된다.
상기 제1열교환부(120)에서는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)에서 배출되는 제3온도범위의 산소소진공기를 이용하여 상기 원료공기를 상기 제1온도범위의 원료공기로 가열하게 된다.
다음으로, 상기 제1열교환부(120)에서 배출되는 상기 제1온도범위의 원료공기를 상기 제2열교환부(130)에서 제2차 열교환을 통해 활성화온도범위인 제2온도범위의 원료공기로 가열하게 된다.
상기 제2온도범위의 원료공기는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)를 이용하여 산소를 분리하고 산소와 산소가 분리된 제3온도범위의 산소소진공기를 배출하게 된다.
상기 산소는 상기 포집부(150)를 통해 포집되고, 상기 제3온도범위의 산소소진공기는 상기 제1열교환부(120)에 공급되어 상기 원료공기를 상기 제1온도범위의 원료공기로 가열하게 된다. 상기 제3온도범위의 산소소진공기는 상기 제1열교환부(120)에서의 열교환을 통해 열교환되어 제4온도범위로 산소소진공기로 배출되게 된다. 상기 제4온도범위의 산소소진공기는 상기 제3열교환부(160)에 공급되어 제3차 열교환을 통해 제5온도범위의 산소소진공기로 냉각되어 배출되게 된다.
상기 제3차 열교환을 통해 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 압축기(112)를 구동하기 위한 구동원으로 이용되게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따르면, 산업공정에서 배출되는 폐열 또는 배열을 이용하여 원료공기를 가열하고, 산소소진공기를 이용하여 열교환 및 밀봉재 냉각을 수행할 수 있어, 에너지 효율을 높이고, 산소생산이 필요한 제조비용을 최소화할 수 있으며, 장치의 규모를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 산소제조장치의 개략도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 산소제조장치(300)는, 제1열교환부(120), 제2열교환부(130), 적어도 하나의 산소분리모듈(142), 포집부(150)를 구비한다. 추가적으로 원료공급부(110) 및 제3열교환부(160)를 더 구비할 수 있다.
상기 원료공급부(110)는, 원료공기를 상기 제1열교환부(120)에 공급하기 위한 것으로, 압축기(112), 드라이어(114) 및 버퍼탱크(116)를 구비할 수 있다.
상기 원료공기는 종래에 사용되는 이산화탄소를 제거하는 전처리 공정없이 바로 압축과정이 수행된다. 이는 산소분리막이 LSTF 산화물 (La1-xSrxTi1-yFeyO3-δ)로 코팅된 BSCF 산화물 (Ba1-xSrxCo1-yFeyO3-δ)의 조성을 가지는 이온전도성 산소분리막이기 때문에 별도의 전처리 공정이 필요하지 않다. 그러나 산소분리막이 LSTF 산화물 (La1-xSrxTi1-yFeyO3-δ)로 코팅되어 있지 않다면 별도의 전처리 공정이 필요할 것이다.
상기 압축기(112)는 산소제조를 위한 공정압력인 2~10 bar로 압축하기 위한 것이고, 상기 드라이어(114)는 상기 압축기(112)를 통한 상기 원료공기의 압축과정에서 발생되는 수분을 제거하기 위한 것이고, 상기 버퍼탱크(116)는 상기 드라이어(114)를 통해 수분이 제거된 원료공기를 상기 공정압력으로 일정하게 유지되도록 한다.
상기 원료공급부(110)를 거친 원료공기는 상기 제1열교환부(120)로 도입된다.
필요에 따라 상기 원료공급부(110)와 상기 제1열교환부(120) 사이의 원료공기의 도입배관 상에 압력조절기(115a), 유량측정기(115b), 온도계(115c), 압력게이지(115d) 등을 선택적으로 설치하는 것이 가능하다.
상기 제1열교환부(120)는, 상기 원료공급부(110)에서 도입되는 원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열하기 위한 것이다.
상기 제1열교환부(120)는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)에서 배출되는 상기 제3온도범위의 산소소진공기(depleted hot air)를 통해 상기 원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열하게 된다. 즉 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)에서 산소가 분리되고 배출되는 상기 제3온도범위의 산소소진공기는 상기 제1열교환부(120)로 공급되어 상기 원료공기와 열교환을 수행하게 된다.
상기 제1열교환부(120)는 인쇄기판형 열교환기(PCHE)를 구비하여, 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)에서 배출되는 상기 제3온도범위의 산소소진공기를 이용하여 상기 원료공기를 제1온도범위로 가열할 수 있다. 상기 인쇄기판형 열교환기(PCHE)는 고온·고압 상태에서 미세유로와 기판 브레이징 접합의 특징을 살려 열전달효율이 낮은 원료공기와 상기 제3온도범위의 산소소진공기가 서로 효과적인 열교환을 수행하게 되며, 사이즈가 작아 산소제조장치의 크기도 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.
상기 제2열교환부(130)는 상기 제1열교환부(120)를 거친 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위의 원료공기로 가열하기 위한 것이다.
상기 제2열교환부(130)는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하여, 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열하게 된다.
다른 실시예로, 상기 제2열교환부(130)는, 별도의 열교환기 또는 히터를 구비하여 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열하는 것도 가능하다.
또한 다른 실시예로, 상기 제2열교환부(130)는 1차적으로는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하고 2차적으로 별도의 열교환기 또는 히터를 이용하여, 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열하도록 구성할 수 있다. 이 경우는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열이 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열하기 부족한 경우에 2차적으로 별도의 열교환기 또는 히터를 사용하여 추가적인 에너지를 공급함에 의해 가열하는 것이 가능하다.
상기 제2열교환부(130)가 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하는 경우, 산소생산에 필요한 에너지 또는 비용을 최소화하는 것이 가능하고 산소제조장치를 소규모로 구성하는 것이 가능하다.
이때 상기 제2열교환부(130)는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열이 공급 또는 발생되는 장소 또는 장비(이하 '배열로'로 통칭함)에 구비되며, 상기 배열로에 상기 제1온도범위의 원료공기가 공급되는 공기배관을 병렬 또는 직렬로 연통하도록 구성함에 의하여 제1온도범위의 원료공기를 가열하여 제2온도범위의 원료공기로 배출되도록 한다.
산업공정상 발생하는 배열(또는 폐열)이나 연소공정에서 발생하는 폐열 또는 배열은 에너지의 형태가 다르기 때문에, 열교환을 위해 상기 제2열교환부(130)에서 상기 제1온도범위의 원료공기가 공급되어 제2온도범위의 원료공기로 가열되어 배출되는 공기배관(134)은 다양한 배열방식을 가질 수 있다. 이는 도 1 내지 도 5를 통해 설명한 바와 동일하다.
상술한 제1온도범위는 300~600℃ 이고, 상기 제2온도범위는 750~1200℃일 수 있다. 또한 상기 제3온도범위는 650~750℃ 일 수 있다.
상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)은 상기 제2열교환부(130)를 통과한 상기 제2온도범위의 원료공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 산소소진공기를 배출하게 된다.
상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)은 하나가 구비될 수도 있고, 복수개가 구비될 수 있다. 복수개의 산소분리모듈(142)이 구비되는 경우에 하나의 모듈그룹(140)을 이루는 형태로 구비되는 것이 가능하다. 본 발명의 제2실시예에서는 복수의 산소분리모듈(142)이 하나의 모듈그룹(140)을 형성하는 경우를 도 6에 도시하고 있다.
상기 복수의 산소분리모듈(142) 각각은 본 발명의 제1실시예를 통해 설명한 바와 동일한 구성을 가진다.
상기 포집부(150)는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)에서 분리된 산소를 포집한다. 상기 포집부(150)는 진공펌프 또는 진공발생기를 이용하여 상기 산소배출구(144c)를 통해 배출되는 산소를 포집하게 된다.
상기 산소분리막(145)의 내부에서 산소가 지속적으로 생산되기 위해서는 산소분압이 외부에서 공급되는 상기 제2온도범위의 원료공기보다 작아야 한다. 즉 투과되는 산소가 계속해서 상기 산소분리막(145)에서 생산 포집되기 위해서는 외기의 유입 없이 산소를 빨아들여야 한다.
이를 위해서 진공펌프를 구성하여 포집하는 방법이 있고, 도 5에 도시된 바와 같이, 진공발생기(30)를 구성하는 방법이 있다. 상기 진공발생기는(150a)는 진공발생가스가 도입되는 진공도입관(152), 진공을 유도하는 밴츄리관(154), 및 상기 산소배출구(144c)를 통해 배출되는 산소와 함께 혼합되어 생산되는 디퓨저관(156)으로 구성된다. 진공발생가스는 최종 목적물에 맞추어 구성되며 산소소진공기, 원료공기, CO2, 산소부화공기, O2+CO2 혼합가스 또는 O2를 포함할 수 있다. 즉 본 발명에서 진공발생기(150a)는 장치의 구성상 풍부하게 공급되는 산소 소진공기 등의 배출가스를 사용하여 진공을 발생시킬 수 있으며, 노즐(nozzle)과 디퓨져(diffuser)관(156) 및 벤츄리(venturi)관(154) 구조를 이용하여 상기 산소분리막(145) 내부에 산소 분압을 낮게 유지하여 지속적으로 산소가 발생되도록 할 수 있다.
상기 제3열교환부(160)는, 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)에서 배출되는 제3온도범위의 산소소진공기가 상기 제1열교환부(120)에서 열교환되어 제4온도범위의 산소소진공기로 배출되면, 상기 제4온도범위의 산소소진공기를 제5온도범위로 냉각하여 배출하기 위한 것이다. 상기 제3열교환부(160)는 상기 제4온도범위의 산소소진공기를 열교환을 통해 제5온도범위의 산소소진공기로 냉각하여 상기 밀봉재(148)를 냉각하기 위한 냉각가스로 사용하기 위해 구비될 수 있다.
여기서 상기 제4온도범위는 150~250℃ 이고, 상기 제5온도범위는 20~60℃일 수 있다.
상기 제3열교환부(160)는 냉각수를 이용하는 셀 앤 튜브(shell&tube) 타입의 열교환기를 구비할 수 있으며, 냉각수 공급원(180)을 통해 공급되는 냉각수를 이용하여 상기 제4온도범위의 산소소진공기를 열교환을 통해 제5온도범위의 산소소진공기로 냉각하여 배출하게 된다.
상기 제5온도범위의 산소소진공기의 배출배관 상에, 압력조절기(165a), 유량측정기(165b), 온도계(165c) 및 압력게이지(165d) 등을 선택적으로 설치할 수 있다. 또한 압력을 조절하기 위해서 상기 제5온도범위의 산소소진공기의 배출배관 상에, 자동유량조절기(165e)를 설치하여 장치 또는 산소소진공기의 압력이 2~10 bar로 유지되도록 하여 상기 산소 분리막(145)의 산소 투과를 도울 수 있다. 상기 압력조절기(165a), 유량측정기(165b), 온도계(165c) 및 압력게이지(165d) 등은 공압, 유압, 또는 전기적인 신호에 의해 그 작동이 자동으로 이루어지도록 구성될 수 있다.
상기 제3열교환부(160)에서 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)에 구비되는 상기 밀봉재(148)를 냉각시키도록 공급된다. 상기 제5온도범위의 산소소진공기는 배출배관 상에 설치된 밸브(170)를 통해 상기 밀봉재에 공급되어 상기 밀봉재를 냉각시키기 위한 냉각가스로 사용되게 된다.
상기 제5온도범위의 산소소진공기를 냉각가스로 하여 상기 밀봉재 또는 밀봉부위의 온도를 200℃ 이하로 관리하는 것이 불가능하거나 부족할 경우에는 상기 냉각수 공급원(180)에 공급되는 냉각수를 연결하여 냉각하는 것이 가능하다. 즉 상기 밀봉재(148)는 상기 제3열교환부(160)를 통해 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기를 통해 1차적으로 냉각되고, 상기 냉각수 공급원(180)을 통해 별도로 공급되는 냉각수를 통해 2차적으로 냉각되도록 구성될 수 있다.
이를 위해 상기 밸브(170)는 냉각가스의 유입, 냉각수의 유입, 냉각가스나 냉각수의 공급, 냉각가스나 냉각수의 배출 등을 위해 4-웨이(way) 밸브로 구성될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 밀봉재(148)는 상기 냉각수 공급원(180)을 통한 냉각수 만으로 냉각될 수도 있다.
상술한 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)의 구성이 본 발명의 제1실시예를 통해 설명한 구성과 동일함은 이미 설명한 바 있다. 본 발명의 제1실시예의 경우는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)이 장소에 구애됨이 없이 설치될 수 있으냐, 본 발명의 제2실시예의 경우는, 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)이 상기 제2열교환부(130)에 구비된 배열로(132)에 매립되는 형태 또는 내장되는 형태로 구비된다.
즉 본 발명의 제2실시예의 경우는, 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)을 내장할 수 있을 정도의 사이즈를 가지는 배열로(132)가 구비되는 경우에, 상기 배열로(132)는 상기 제2열교환부(132)의 구성을 수행하고, 또한 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)이 내장되는 구조를 가질 수 있다. 다시말해 상기 제2열교환부(130)를 구성하는 배열로(132)에 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)이 내장되는 구조를 가지므로, 상기 제2열교환부(130)에 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)이 내장되는 구조를 가진다고 설명하는 것도 가능하다.
상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)이 상기 배열로(132)에 내장되는 경우에는 상기 제2열교환부(130)에서 가열된 제2온도범위의 원료공기가 공급되는 공기배관 또한 상기 배열로(132)에 내장되는 구조를 가지게 된다. 이에 따라, 공기배관이나 공급과정에서 에너지가 손실됨이 없이, 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)에 제2온도범위의 원료공기가 공급되게 되므로, 산소분리효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 산소제조장치(300)는 다음과 같이 동작하여 산소를 제조하게 된다.
우선 상기 원료공기를 상기 원료공급부(110)의 압축기(112)를 이용하여 공정압력인 2~10 bar로 압축한다. 이후 상기 원료공기의 압축으로 인해 발생되는 수분을 상기 드라이어(114)를 통해 제거하여 상기 버퍼탱크(116)에 저장하게 된다.
다음으로, 상기 제1열교환부(120)를 통해, 상기 버퍼탱크(116)에서 공급되는 원료공기를 제1차 열교환을 통해 제1온도범위의 원료공기로 가열하게 된다.
상기 제1열교환부(120)에서는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)에서 배출되는 제3온도범위의 산소소진공기를 이용하여 상기 원료공기를 상기 제1온도범위의 원료공기로 가열하게 된다.
다음으로, 상기 제1열교환부(120)에서 배출되는 상기 제1온도범위의 원료공기를 상기 제2열교환부(130)에서 제2차 열교환을 통해 활성화온도범위인 제2온도범위의 원료공기로 가열하게 된다.
상기 제2온도범위의 원료공기는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)를 이용하여 산소를 분리하고 산소와 산소가 분리된 제3온도범위의 산소소진공기를 배출하게 된다.
상기 산소는 상기 포집부(150)를 통해 포집되고, 상기 제3온도범위의 산소소진공기는 상기 제1열교환부(120)에 공급되어 상기 원료공기를 상기 제1온도범위의 원료공기로 가열하게 된다. 상기 제3온도범위의 산소소진공기는 상기 제1열교환부(120)에서의 열교환을 통해 열교환되어 제4온도범위로 산소소진공기로 배출되게 된다. 상기 제4온도범위의 산소소진공기는 상기 제3열교환부(160)에 공급되어 제3차 열교환을 통해 제5온도범위의 산소소진공기로 냉각되어 배출되게 된다.
상기 제3차 열교환을 통해 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)의 상기 밀봉재(148)를 냉각시키도록 공급되게 된다. 상기 밀봉재(148)는 상기 제5온도범위의 산소소진공기만을 이용하여 냉각하는 것도 가능하지만, 상기 제5온도범위의 산소소진공기를 통해 1차적으로 냉각되고, 상기 냉각수 공급원(180)을 통해 별도로 공급되는 냉각수를 통해 2차적으로 냉각될 수도 있다. 경우에 따라서는 상기 냉각수만으로 상기 밀봉재(148)의 냉각이 가능할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 산소제조장치의 개략도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 산소제조장치(400)는, 제1열교환부(120), 제2열교환부(130), 제1모듈그룹(140a), 제2모듈그룹(140b), 포집부(150)를 구비한다. 추가적으로 원료공급부(110) 및 제3열교환부(160)를 더 구비할 수 있다.
상기 원료공급부(110)는, 원료공기를 상기 제1열교환부(120)에 공급하기 위한 것으로, 압축기(112), 드라이어(114) 및 버퍼탱크(116)를 구비할 수 있다.
상기 원료공기는 종래에 사용되는 이산화탄소를 제거하는 전처리 공정없이 바로 압축과정이 수행된다. 이는 산소분리막이 LSTF 산화물 (La1-xSrxTi1-yFeyO3-δ)로 코팅된 BSCF 산화물 (Ba1-xSrxCo1-yFeyO3-δ)의 조성을 가지는 이온전도성 산소분리막이기 때문에 별도의 전처리 공정이 필요하지 않다. 그러나 산소분리막이 LSTF 산화물 (La1-xSrxTi1-yFeyO3-δ)로 코팅되어 있지 않다면 별도의 전처리 공정이 필요할 것이다.
상기 압축기(112)는 산소제조를 위한 공정압력인 2~10 bar로 압축하기 위한 것이고, 상기 드라이어(114)는 상기 압축기(112)를 통한 상기 원료공기의 압축과정에서 발생되는 수분을 제거하기 위한 것이고, 상기 버퍼탱크(116)은 상기 드라이어(114)를 통해 수분이 제거된 원료공기를 상기 공정압력으로 일정하게 유지되도록 한다.
상기 원료공급부(110)를 거친 원료공기는 상기 제1열교환부(120)로 도입된다.
필요에 따라 상기 원료공급부(110)와 상기 제1열교환부(120) 사이의 원료공기의 도입배관 상에 압력조절기(115a), 유량측정기(115b), 온도계(115c), 압력게이지(115d) 등을 선택적으로 설치하는 것이 가능하다.
상기 제1열교환부(120)는, 상기 원료공급부(110)에서 도입되는 원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열하기 위한 것이다.
상기 제1열교환부(120)는 상기 제2모듈그룹(140b)에서 배출되는 상기 제3온도범위의 제2산소소진공기를 통해 상기 원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열하게 된다. 즉 상기 제2모듈그룹(140b)을 구성하는 적어도 하나의 산소분리모듈(142b)에서 산소가 분리되고 배출되는 상기 제3온도범위의 제2산소소진공기는 상기 제1열교환부(120)로 공급되어 상기 원료공기와 열교환을 수행하게 된다.
상기 제1열교환부(120)는 인쇄기판형 열교환기(PCHE)를 구비하여, 상기 제12모듈그룹(140b)에서 배출되는 상기 제3온도범위의 제2산소소진공기를 이용하여 상기 원료공기를 제1온도범위로 가열할 수 있다. 상기 인쇄기판형 열교환기(PCHE)에서는 고온·고압 상태에서 미세유로와 기판 브레이징 접합의 특징을 살려 열전달효율이 낮은 원료공기와 상기 제3온도범위의 제2산소소진공기가 서로 효과적인 열교환을 수행하게 되며, 사이즈가 작아 산소제조장치의 크기도 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.
상기 제2열교환부(130)는 상기 제1열교환부(120)를 거친 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 상기 제2온도범위의 원료공기로 가열하여 상기 제1모듈그룹(140a)에 공급하고, 상기 제1모듈그룹(140a)에서 배출되는 제3온도범위의 제1산소소진공기를 제2온도범위의 산소소진공기로 가열하여 상기 제2모듈그룹(140b)에 공급하게 된다.
상기 제2열교환부(130)는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하여, 상기 제1온도범위의 원료공기 및 상기 제3온도범위의 제1산소소진공기를 활성화온도범위인 상기 제2온도범위로 가열하게 된다.
다른 실시예로, 상기 제2열교환부(130)는, 별도의 열교환기 또는 히터를 구비하여 상기 제1온도범위의 원료공기 및 상기 제3온도범위의 제1산소소진공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열하는 것도 가능하다.
또한 다른 실시예로, 상기 제2열교환부(130)는 1차적으로는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하고 2차적으로 별도의 열교환기 또는 히터를 이용하여, 상기 제1온도범위의 원료공기 및 상기 제3온도범위의 제1산소소진공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열하도록 구성할 수 있다. 이 경우는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열이 상기 제1온도범위의 원료공기 및 상기 제3온도범위의 제1산소소진공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열하기 부족한 경우에 2차적으로 별도의 열교환기 또는 히터를 사용하여 추가적인 에너지를 공급함에 의해 가열하는 것이 가능하다.
상기 제2열교환부(130)가 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하는 경우, 산소생산에 필요한 에너지 또는 비용을 최소화하는 것이 가능하고 산소제조장치를 소규모로 구성하는 것이 가능하다.
이때 상기 제2열교환부(130)는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열이 공급 또는 발생되는 장소 또는 장비(이하 '배열로'로 통칭함)에 구비되며, 상기 배열로에 상기 제1온도범위의 원료공기 및 상기 제3온도범위의 제1산소소진공기가 각각 공급되는 공기배관들을 병렬 또는 직렬로 연통하도록 구성함에 의하여 제1온도범위의 원료공기 및 상기 제3온도범위의 제1산소소진공기를 가열하여 제2온도범위의 원료공기 및 제2온도범위의 산소소진공기로 각각 배출되도록 한다.
산업공정상 발생하는 배열(또는 폐열)이나 연소공정에서 발생하는 폐열 또는 배열은 에너지의 형태가 다르기 때문에, 열교환을 위해 상기 제2열교환부(130)에서 상기 제1온도범위의 원료공기 및 상기 제3온도범위의 제1산소소진공기가 공급되어 제2온도범위의 원료공기 및 제2온도범위의 산소소진공기로 가열되어 각각 배출되는 공기배관들(134a,134b 이하 통칭하여 '134')은 다양한 배열방식을 가질 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제2열교환부(130)에서 상기 제1온도범위의 원료공기 및 상기 제3온도범위의 제1산소소진공기가 공급되어 제2온도범위로 가열되어 배출되는 공기배관들(134)은, 상기 폐열 또는 배열이 발생되는 배열로(132)의 외부를 스프링형태로 감싸는 구조(도 2의 (a)), 상기 배열로(132)의 내부에 스프링형태로 배치되는 구조(도 2의 (b)), 상기 배열로(132)의 내부 또는 외부를 'ㄹ'자 형태로 감싸거나, 외부에서 내부를 번갈아 관통하도록 배치되는 구조(도 2의 (c)), 및 상기 배열로(132)의 내부에 'ㄹ'자 형태로 배치되는 구조(도 2의 (d)) 중에서 선택된 어느 하나의 배치구조를 가질 수 있다. 이외에 열교환 효율을 높일 수 있는 다양한 배치구조가 가능하다.
상술한 제1온도범위는 300~600℃ 이고, 상기 제2온도범위는 750~1200℃일 수 있다. 또한 상기 제3온도범위는 650~750℃ 일 수 있다.
상기 제1모듈그룹(140a)은 적어도 하나의 산소분리모듈(142a)을 구비하여 상기 제2열교환부(130)를 통해 공급되는 상기 제2온도범위의 원료공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 제1산소소진공기를 배출하게 된다.
상기 제1모듈그룹(140a)에 구비되는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142a)은 하나가 구비될 수도 있고, 복수개가 구비될 수 있다.
상기 제2모듈그룹(140b)은 적어도 하나의 산소분리모듈(142b)을 구비하여 상기 제2열교환부(130)로부터 공급되는 상기 제2온도범위의 산소소진공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 제2산소소진공기를 배출하게 된다.
상기 제2모듈그룹(140b)에 구비되는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142b)은 하나가 구비될 수도 있고, 복수개가 구비될 수 있다.
상기 제1모듈그룹(140a) 및 상기 제2모듈그룹(140b)에 각각 구비되는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142a, 142b)은 본 발명의 제1실시예를 통해 설명한 바와 동일한 구조를 가지므로 설명을 생략한다. 다만 상기 제1모듈그룹(140a)에 구비되는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142a)은 도입구(144a)를 통해 제2온도범위의 원료공기가 도입되고, 도출구(144b)를 통해 제3온도범위의 제1산소소진공기가 배출되고, 상기 제2모듈그룹(140b)에 구비되는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142b)은 도입구(144a)를 통해 제2온도범위의 산소소진공기가 도입되고, 도출구(144b)를 통해 제3온도범위의 제2산소소진공기가 배출되는 점이 다를 뿐이다.
상기 포집부(150)는 상기 제1모듈그룹(140a) 및 상기 제2모듈그룹(140b)에서 분리된 산소를 포집한다. 상기 포집부(150)는 진공펌프 또는 진공발생기를 이용하여 상기 산소배출구(144c)를 통해 배출되는 산소를 포집하게 된다.
상기 포집부(150)의 구성은 본 발명의 제1실시예를 통해 설명한 바와 동일하다.
상기 제3열교환부(160)는, 상기 제2모듈그룹(140b)에서 배출되는 제3온도범위의 제2산소소진공기가 상기 제1열교환부(120)에서 열교환되어 제4온도범위의 산소소진공기로 배출되면, 상기 제4온도범위의 산소소진공기를 제5온도범위로 냉각하여 배출하기 위한 것이다. 상기 제3열교환부(160)는 상기 제4온도범위의 산소소진공기를 열교환을 통해 제5온도범위의 산소소진공기로 냉각하며, 상기 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 밀봉재(148)를 냉각하기 위한 냉각가스로 사용된다.
여기서 상기 제4온도범위는 150~250℃ 이고, 상기 제5온도범위는 20~60℃일 수 있다.
상기 제3열교환부(160)는 냉각수를 이용하는 셀 앤 튜브(shell&tube) 타입의 열교환기를 구비할 수 있으며, 냉각수 공급원(180)을 통해 공급되는 냉각수를 이용하여 상기 제4온도범위의 산소소진공기를 열교환을 통해 제5온도범위의 산소소진공기로 냉각하여 배출하게 된다.
상기 제5온도범위의 산소소진공기의 배출배관 상에, 압력조절기(165a), 유량측정기(165b), 온도계(165c) 및 압력게이지(165d) 등을 선택적으로 설치할 수 있다. 또한 압력을 조절하기 위해서 상기 제5온도범위의 산소소진공기의 배출배관 상에, 자동유량조절기(165e)를 설치하여 장치 또는 산소소진공기의 압력이 2~10 bar로 유지되도록 하여 상기 산소 분리막(145)의 산소 투과를 도울 수 있다. 상기 압력조절기(165a), 유량측정기(165b), 온도계(165c) 및 압력게이지(165d) 등은 공압, 유압, 또는 전기적인 신호에 의해 그 작동이 자동으로 이루어지도록 구성될 수 있다.
상기 제3열교환부(160)에서 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 제1모듈그룹(140a) 및 상기 제2모듈그룹(140b)에 구비되는 산소분리모듈들(142a,142b)에 각각 구비되는 상기 밀봉재(148)를 냉각시키도록 공급된다. 상기 제5온도범위의 산소소진공기는 배출배관 상에 설치된 밸브(170)를 통해 상기 밀봉재에 공급되어 상기 밀봉재를 냉각시키기 위한 냉각가스로 사용되게 된다.
상기 제5온도범위의 산소소진공기를 냉각가스로 하여 상기 밀봉재 또는 밀봉부위의 온도를 200℃ 이하로 관리하는 것이 불가능하거나 부족할 경우에는 상기 냉각수 공급원(180)에 공급되는 냉각수를 연결하여 냉각하는 것이 가능하다. 즉 상기 밀봉재(148)는 상기 제3열교환부(160)를 통해 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기를 통해 1차적으로 냉각되고, 상기 냉각수 공급원(180)을 통해 별도로 공급되는 냉각수를 통해 2차적으로 냉각되도록 구성될 수 있다.
이를 위해 상기 밸브(170)는 냉각가스의 유입, 냉각수의 유입, 냉각가스나 냉각수의 공급, 냉각가스나 냉각수의 배출 등을 위해 4-웨이(way) 밸브로 구성될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 밀봉재(148)는 상기 냉각수 공급원(180)을 통한 냉각수 만으로 냉각될 수도 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 산소제조장치(400)는 다음과 같이 동작하여 산소를 제조하게 된다.
우선 상기 원료공기를 상기 원료공급부(110)의 압축기(112)를 이용하여 공정압력인 2~10 bar로 압축한다. 이후 상기 원료공기의 압축으로 인해 발생되는 수분을 상기 드라이어(114)를 통해 제거하여 상기 버퍼탱크(116)에 저장하게 된다.
다음으로, 상기 제1열교환부(120)를 통해, 상기 버퍼탱크(116)에서 공급되는 원료공기를 제1차 열교환을 통해 제1온도범위의 원료공기로 가열하게 된다.
상기 제1열교환부(120)에서는 상기 제2모듈그룹(140b)에서 배출되는 제3온도범위의 제2산소소진공기를 이용하여 상기 원료공기를 상기 제1온도범위의 원료공기로 가열하게 된다.
다음으로, 상기 제1열교환부(120)에서 배출되는 상기 제1온도범위의 원료공기는 상기 제2열교환부(130)에서 제2차 열교환을 통해 활성화온도범위인 제2온도범위의 원료공기로 가열하게 된다.
상기 제2온도범위의 원료공기는 상기 제1모듈그룹(140a)에 공급되어 산소를 분리하고, 산소가 분리된 제3온도범위의 제1산소소진공기로 배출되게 되고, 분리된 산소는 상기 포집부(150)를 통해 포집된다.
상기 제3온도범위의 제1산소소진공기는 상기 제2열교환부(130)에 공급되어 상기 제2열교환부(130)에 의해 제2온도범위의 산소소진공기로 가열되게 된다.
상기 제2온도범위의 산소소진공기는 상기 제2모듈그룹(140b)에 공급되어 산소를 분리하기 위한 원료공기로 사용된다. 상기 제2모듈그룹(140b)에서는 상기 제2온도범위의 산소소진공기로부터 산소를 분리하고, 분리된 산소와 제3온도범위의 제2산소소진공기를 배출하게 된다.
상기 제2모듈그룹(140b)에서 분리된 산소는 상기 포집부(150)를 통해 포집되고, 상기 제3온도범위의 제2산소소진공기는 상기 제1열교환부(120)로 공급되어 상기 원료공기를 상기 제1온도범위의 원료공기로 가열하게 된다. 이때 상기 제3온도범위의 제2산소소진공기는 상기 제1열교환부(120)에서의 열교환을 통해 열교환되어 제4온도범위로 산소소진공기로 배출되게 된다. 상기 제4온도범위의 산소소진공기는 상기 제3열교환부(160)에 공급되어 제3차 열교환을 통해 제5온도범위의 산소소진공기로 냉각되어 배출되게 된다.
상기 제3차 열교환을 통해 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 제1모듈그룹(140a) 및 상기 제2모듈그룹(140b)에 구비되는 산소분리모듈(142a,142b)의 각각에 구비된 상기 밀봉재(148)를 냉각시키도록 공급되게 된다. 상기 밀봉재(148)는 상기 제5온도범위의 산소소진공기만을 이용하여 냉각하는 것도 가능하지만, 상기 제5온도범위의 산소소진공기를 통해 1차적으로 냉각되고, 상기 냉각수 공급원(180)을 통해 별도로 공급되는 냉각수를 통해 2차적으로 냉각될 수도 있다. 경우에 따라서는 상기 냉각수만으로 상기 밀봉재(148)의 냉각이 가능할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따르면, 산업공정에서 배출되는 폐열 또는 배열을 이용하여 원료공기를 가열하고, 산소소진공기를 이용하여 열교환 및 밀봉재 냉각을 수행할 수 있어, 에너지 효율을 높이고, 산소생산이 필요한 제조비용을 최소화할 수 있으며, 장치의 규모를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한 산소가 1차적으로 분리된 산소소진공기를 재사용하여 2차적으로 산소를 분리함에 의해 산소분리효율을 높일 수 있다.
이하 상술한 각 실시예들에 대한 실험예를 설명하기로 한다.
<실험예1>
본 실험예1은 본 발명의 제1실시예의 구성을 가지는 산소제조장치(200)를 이용한 것이다.
샤프트(112a)축이 있는 압축기(112)에서 원료공기를 3 bar로 압축하고 드라이어(114)에서 수분을 제거하여 버퍼탱크(116)에 원료공기를 저장한다. 유량은 50 Nm3/h이상 바람직하게는, 70 Nm3/h로 원료공기를 도입한다.
상기 원료공기는 상기 제1열교환부(120)에서 열교환되면, 450~600℃의 온도범위인 제1온도범위의 원료공기로 1차 가열되어 상기 제2열교환부(130)로 도입된다. 조건에 따라 다르지만 상기 제2열교환부(130)에서는 상기 제1온도범위의 원료공기가 2차적으로 가열되어 적어도 750℃ 이상인 제2온도범위의 원료공기로 가열된다. 바람직하게는 950℃이상으로 가열된다.
제2온도범위의 원료공기는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)로 도입되며 산소분리모듈 1기당 14개 이상의 산소분리막 관(tube)이 설치되며 총 42개 이상 장착된다. 상기 산소분리모듈(142) 내부에 설치된 링-배플(146a)로 인하여 원료공기가 산소분리막(145)에 직접적이며 지속적으로 공급된다. 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)에서 도출된 제3온도범위의 산소소진공기는 650~750℃ 범위의 온도로 상기 제1열교환부(120)에 도입되어 원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열한다.
상기 제1열교환부(120)에서 열교환되어 도출되는 제4온도범위의 산소소진공기는 150~250℃이며 상기 제3열교환부(160)에 연결되어 40℃이하로 냉각되어 제5온도범위의 산소소진공기로 도출된다. 상기 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 압축기(112)의 에너지효율을 향상시키기 위해서 상기 팽창기(112b)에 활용된다.
한편 산소 분리막 내부에 투과된 산소는 상기 포집부(150)를 통해 생산되며 산소생산량은 최소 1 Nm3/h 이상 최대 10 Nm3/h 까지 지속적으로 생산된다. 도 11은 순수한 산소표준가스를 측정하고 나서 상기 산소제조장치를 통해 생산된 산소가스를 측정하여 비교하는 방법으로 하여 산소순도를 분석한 것으로, 생산된 산소가스가 99.5% 이상 바람직하게는 99.9%의 순도로 생산됨을 알 수 있다.
<실험예 2>
본 실험예2는 본 발명의 제2실시예의 구성을 가지는 산소제조장치(300)를 이용한 것이다.
상기 압축기(112)에서 원료공기를 3 bar로 압축하고 상기 드라이어(114)에서 수분을 제거하여 버퍼탱크(116)에 원료공기를 저장한다. 유량은 50 Nm3/h이상 바람직하게는, 70 Nm3/h로 원료공기를 도입한다.
상기 원료공기는 상기 제1열교환부(120)에서 열교환되면, 450~600℃의 온도범위인 제1온도범위의 원료공기로 1차 가열되어 상기 제2열교환부(130)로 도입된다. 조건에 따라 다르지만 상기 제2열교환부(130)에서는 상기 제1온도범위의 원료공기가 2차적으로 가열되어 적어도 750℃ 이상인 제2온도범위의 원료공기로 가열된다. 바람직하게는 950℃이상으로 가열된다.
제2온도범위의 원료공기는 상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)로 도입되며 산소분리모듈 1기당 14개 이상의 산소분리막이 관(tube)형상으로 설치되며 총 42개 이상 장착된다. 상기 산소분리모듈(142) 내부에 설치된 링-배플(146a)로 인하여 원료공기가 산소분리막(145)에 직접적이며 지속적으로 공급된다.
상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)은 상기 배열로(132) 내부에 위치하여 전체가 가열이 되므로 열방출이나 열소모가 최소화된다.
상기 적어도 하나의 산소분리모듈(142)에서 도출된 제3온도범위의 산소소진공기는 650~750℃ 범위의 온도로 상기 제1열교환부(120)에 도입되어 원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열한다.
상기 제1열교환부(120)에서 열교환되어 도출되는 제4온도범위의 산소소진공기는 150~250℃이며 냉각가스로 사용되기 위하여 상기 제3열교환부(160)에 연결되어 40℃이하로 냉각되어 제5온도범위의 산소소진공기로 도출된다. 도출된 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 산소분리막(145)의 밀봉부위 즉 상기 밀봉재(148)를 냉각시키는 가스로 활용된다.
한편 산소 분리막 내부에 투과된 산소는 상기 포집부(150)를 통해 생산되며 산소생산량은 최소 1 Nm3/h 이상 최대 10 Nm3/h 까지 지속적으로 생산된다. 도 11은 순수한 산소표준가스를 측정하고 나서 상기 산소제조장치를 통해 생산된 산소가스를 측정하여 비교하는 방법으로 하여 산소순도를 분석한 것으로, 생산된 산소가스가 99.5% 이상 바람직하게는 99.9%의 순도로 생산됨을 알 수 있다. 도 11의 산소순도분석결과 그래프는 실험예1의 경우와 차이가 없어 실험예2의 경우에도 함께 사용되었다.
<실험예3>
본 실험예3은 본 발명의 제3실시예의 구성을 가지는 산소제조장치(400)를 이용한 것이다.
상기 압축기(112)에서 원료공기를 3 bar로 압축하고 상기 드라이어(114)에서 수분을 제거하여 상기 버퍼탱크(116)에 원료공기를 저장한다. 유량은 50 Nm3/h이상 바람직하게는, 70 Nm3/h로 원료공기를 도입한다.
상기 원료공기는 상기 제1열교환부(120)에서 열교환하면 450~600℃의 제1온도범위의 원료공기로 1차 가열상승하며 상기 제2열교환(130)로 도입된다.
상기 제2열교환부(130)는 조건에 따라 다르지만 제1온도범위의 원료공기를 적어도 750℃이상인 제2온도범위의 원료공기로 가열한다. 바람직하게는 950℃이상으로 가열된다.
상기 제2온도범위의 원료공기는 상기 제1모듈그룹(140a) 내의 적어도 하나의 산소분리모듈(142a)로 도입된다. 상기 산소분리모듈(142a)은 산소분리모듈 1기당 14개 이상의 산소분리막이 관(tube)형상으로 설치되며 총 42개 이상 장착된다.
상기 제1모듈그룹(140a)에서 도출된 제3온도범위의 제1산소소진공기는 650~750℃의 온도범위로 도출되고 다시 상기 제2열교환부(130)로 도입되어, 다시 제2온도범위의 산소소진공기로 가열되어 상기 제2모듈그룹(140b)에 도입되어 재순환하여 산소소진공기 내에 남아있는 산소를 투과시켜 산소분리 효율을 향상시킨다.
상기 제2모듈그룹(140b)에서 배출되는 제3온도범위의 제2산소소진공기는 650~750℃의 온도범위로 도출되고 상기 제1열교환부9120)로 도입되어 원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열한다.
상기 제1열교환부(120)에서 열교환되어 도출되는 제4온도범위의 산소소진공기는 150~250℃이며 냉각가스로 사용되기 위하여 상기 제3열교환부(160)에 연결되어 40℃이하로 냉각되어 제5온도범위의 산소소진공기로 도출된다. 도출된 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 산소분리막(145)의 밀봉부위 즉 상기 밀봉재(148)를 냉각시키는 가스로 활용된다.
한편 산소 분리막 내부에 투과된 산소는 상기 포집부(150)를 통해 생산되며 산소생산량은 최소 2 Nm3/h 이상 최대 13 Nm3/h 까지 지속적으로 생산된다. 도 11은 순수한 산소표준가스를 측정하고 나서 상기 산소제조장치를 통해 생산된 산소가스를 측정하여 비교하는 방법으로 하여 산소순도를 분석한 것으로, 생산된 산소가스가 99.5% 이상 바람직하게는 99.9%의 순도로 생산됨을 알 수 있다. 도 11의 산소순도분석결과 그래프는 실험예1 및 실험예2의 경우와 차이가 없어 실험예3의 경우에도 함께 사용되었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 가열로, 연소로 등 연소공정 등 산업공정에서 발생하는 고온 폐열 또는 배열을 활용하여 별도의 에너지를 가하지 않으며, 원료공기의 전처리 없이 산소분리모듈에 도입할 수 있는 장점이 있다. 또한 열효율을 극대화하고 장치의 크기도 종래에 비해 1/3 이상 작아질 수 있어 비용이 절감되는 장점이 있다. 또한 산업현장의 배열방식에 따라 적정한 가열방법을 제공함으로써 에너지를 최소화하여 원료공기를 고온으로 가열이 가능하다. 결과적으로, 산업공정에서 배출되는 폐열 또는 배열을 이용하여 원료공기를 가열하고, 산소소진공기를 이용하여 열교환 및 밀봉재 냉각을 수행할 수 있어, 에너지 효율을 높이고, 산소생산이 필요한 제조비용을 최소화할 수 있으며, 장치의 규모를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한 산소가 1차적으로 분리된 산소소진공기를 재사용하여 2차적으로 산소를 분리함에 의해 산소분리효율을 높일 수 있다.
상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.
110 : 원료공급부 120 : 제1열교환부
130 : 제2열교환부 140a, 140b : 모듈그룹
142 : 산소분리모듈 150 : 포집부
160 : 제3열교환부

Claims (34)

  1. 산소제조장치에 있어서:
    원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열하기 위한 제1열교환부와;
    제2온도범위의 원료공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 제1산소소진공기를 배출하는 적어도 하나의 산소분리모듈을 구비하는 제1모듈그룹과;
    상기 제1열교환부를 거친 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 상기 제2온도범위의 원료공기로 가열하여 상기 제1모듈그룹에 공급하고, 상기 제1모듈그룹에서 배출되는 제3온도범위의 제1산소소진공기를 제2온도범위의 산소소진공기로 가열하기 위한 제2열교환부와;
    상기 제2열교환부로부터 공급되는 상기 제2온도범위의 산소소진공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 제2산소소진공기를 배출하는 적어도 하나의 산소분리모듈을 구비하는 제2모듈그룹과;
    상기 제1모듈그룹 및 상기 제2모듈그룹에서 분리된 산소를 포집하는 포집부를 구비하되,
    상기 제2모듈그룹에서 배출되는 상기 제3온도범위의 제2산소소진공기는 상기 제1열교환부로 공급되어 상기 원료공기를 상기 제1온도범위의 원료공기로 가열함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소제조장치는, 상기 원료공기를 상기 제1열교환부에 공급하기 위한 원료공급부를 더 구비하며,
    상기 원료공급부는,
    상기 원료공기를 공정압력인 2~10 bar로 압축하기 위한 압축기와;
    상기 압축기를 통해 상기 원료공기의 압축과정에서 발생되는 수분을 제거하기 위한 드라이어와;
    상기 드라이어를 통해 수분이 제거된 원료공기를 상기 공정압력으로 일정하게 유지되도록 하는 버퍼탱크를 구비함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1열교환부는 인쇄기판형 열교환기(PCHE)를 구비하여, 상기 제2모듈그룹에서 배출되는 상기 제3온도범위의 제2산소소진공기를 이용하여 상기 원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2열교환부는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하여, 상기 제1열교환부를 거친 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 상기 제2온도범위의 원료공기로 가열하여 상기 제1모듈그룹에 공급하고, 상기 제1모듈그룹에서 배출되는 제3온도범위의 제1산소소진공기를 제2온도범위의 산소소진공기로 가열하여 상기 제2모듈그룹에 공급함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2열교환부는 별도의 열교환기 또는 히터를 구비하여 상기 제1온도범위의 원료공기 및 상기 제3온도범위의 제1산소소진공기를 상기 제2온도범위로 가열하거나,
    1차적으로는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하고 2차적으로 별도의 열교환기 또는 히터를 이용하여 상기 제1온도범위의 원료공기 및 상기 제3온도범위의 제1산소소진공기를 상기 제2온도범위로 가열함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소분리모듈은,
    상기 제2온도범위의 원료공기 또는 제2온도범위의 산소소진공기가 도입되기 위한 도입구와, 상기 제3온도범위의 제1산소소진공기 또는 상기 제3온도범위의 제2산소소진공기가 도출되기 위한 도출구와, 분리된 산소가 배출되기 위한 산소배출구를 구비하는 금속재질의 반응기와;
    상기 반응기의 내부에 구비되는 이온전도성 산소분리막과;
    원료공기 또는 산소소진공기가 상기 산소분리막을 통해 분리된 산소와 혼합되는 것을 방지하고 상기 산소분리막을 지지하기 위해, 상기 반응기의 상부에 결합되는 지지체와 상기 산소분리막 사이에 구비되는 밀봉재를 구비함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 산소제조장치는,
    상기 제2모듈그룹에서 배출되는 제3온도범위의 제2산소소진공기가 상기 제1열교환부에서 열교환되어 제4온도범위의 산소소진공기로 배출되면, 상기 제4온도범위의 산소소진공기를 제5온도범위로 냉각하여 배출하기 위한 제3열교환부를 더 구비하되,
    상기 제3열교환부를 통해 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 밀봉재를 냉각시키도록 공급됨을 특징으로 하는 산소제조장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제3열교환부는 냉각수를 이용하는 셀 앤 튜브(shell&tube) 타입의 열교환기를 구비함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 밀봉재는 상기 제3열교환부를 통해 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기는 통해 1차적으로 냉각되고, 상기 냉각수를 공급하는 냉각수 공급원을 통해 별도로 공급되는 냉각수를 통해 2차적으로 냉각됨을 특징으로 하는 산소제조장치.
  10. 청구항 6 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 포집부는 진공펌프 또는 진공발생기를 이용하여 상기 산소배출구를 통해 산소를 포집함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  11. 산소제조장치에 있어서:
    원료공기를 압축기를 통해 공정압력으로 압축하고, 드라이어를 통해 수분을 제거하여 제공하는 원료공급부와;
    상기 원료공급부에서 공급되는 원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열하기 위한 제1열교환부와;
    상기 제1열교환부를 거친 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위의 원료공기로 가열하기 위한 제2열교환부와;
    상기 제2열교환부를 통과한 상기 제2온도범위의 원료공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 산소소진공기를 배출하는 적어도 하나의 산소분리모듈과;
    상기 적어도 하나의 산소분리모듈에서 분리된 산소를 포집하는 포집부를 구비하되,
    상기 적어도 하나의 산소분리모듈에서 배출되는 상기 제3온도범위의 산소소진공기는 상기 제1열교환부로 공급되어 상기 원료공기를 상기 제1온도범위의 원료공기로 가열하고 제4온도범위의 산소소진공기로 배출되고, 상기 제4온도범위의 산소소진공기는 제3열교환부를 통해 제5온도범위로 냉각되어 배출되며,
    상기 제3열교환부를 통해 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 압축기로 공급되어 상기 압축기를 구동하는 구동원으로 기능함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1열교환부는 인쇄기판형 열교환기(PCHE)를 구비하여, 상기 적어도 하나의 산소분리모듈에서 배출되는 상기 제3온도범위의 산소소진공기를 이용하여 상기 원료공기를 제1온도범위로 가열하고, 상기 제2열교환부는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하여, 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2열교환부는 별도의 열교환기 또는 히터를 구비하여 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열하거나,
    1차적으로는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하고 2차적으로 별도의 열교환기 또는 히터를 이용하여 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  14. 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서,
    상기 제2열교환부에서, 상기 제1온도범위의 원료공기가 공급되어 제2온도범위의 원료공기로 배출되는 공기배관은, 상기 폐열 또는 배열이 발생되는 배열로의 외부를 스프링형태로 감싸는 구조, 상기 배열로의 내부에 스프링형태로 배치되는 구조, 상기 배열로의 내부 또는 외부를 'ㄹ'자 형태로 감싸는 구조, 및 상기 배열로의 내부에 'ㄹ'자 형태로 배치되는 구조 중에서 선택된 어느 하나의 배치구조를 가짐을 특징으로 하는 산소제조장치.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1온도범위는 300~600℃ 이고, 상기 제2온도범위는 750~1200℃이고, 상기 제3온도범위는 650~750℃ 이고, 상기 제4온도범위는 150~250℃ 이고, 상기 제5온도범위는 20~60℃임을 특징으로 하는 산소제조장치.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 제3열교환부는 냉각수를 이용하는 셀 앤 튜브(shell&tube) 타입의 열교환기를 구비함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 포집부는 진공펌프 또는 진공발생기를 이용하여 산소를 포집함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  18. 산소제조장치에 있어서:
    원료공기를 제1온도범위의 원료공기로 가열하기 위한 제1열교환부와;
    산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하여 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위의 원료공기로 가열하는 배열로와;
    상기 배열로에 내장되는 형태로 구비되어 상기 제2온도범위의 원료공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 산소소진공기를 배출하는 적어도 하나의 산소분리모듈과;
    상기 적어도 하나의 산소분리모듈에서 분리된 산소를 포집하는 포집부를 구비하되,
    상기 적어도 하나의 산소분리모듈에서 배출되는 상기 제3온도범위의 산소소진공기는 상기 제1열교환부로 공급되어 상기 원료공기를 상기 제1온도범위의 원료공기로 가열함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 산소제조장치는, 상기 원료공기를 상기 제1열교환부에 공급하기 위한 원료공급부를 더 구비하며,
    상기 원료공급부는,
    상기 원료공기를 공정압력인 2~10 bar로 압축하기 위한 압축기와;
    상기 압축기를 통해 상기 원료공기의 압축과정에서 발생되는 수분을 제거하기 위한 드라이어와;
    상기 드라이어를 통해 수분이 제거된 원료공기를 상기 공정압력으로 일정하게 유지되도록 하는 버퍼탱크를 구비함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 제1열교환부는 인쇄기판형 열교환기(PCHE)를 구비하여, 상기 적어도 하나의 산소분리모듈에서 배출되는 상기 제3온도범위의 산소소진공기를 이용하여 상기 원료공기를 제1온도범위로 가열함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  21. 청구항 18에 있어서,
    상기 산소분리모듈은,
    상기 제2온도범위의 원료공기가 도입되기 위한 도입구와, 상기 제3온도범위의 산소소진공기가 도출되기 위한 도출구와, 상기 제2온도범위의 원료공기에서 분리된 산소가 배출되기 위한 산소배출구를 구비하는 금속재질의 반응기와;
    상기 반응기의 내부에 구비되는 이온전도성 산소분리막과;
    상기 제2온도범위의 원료공기 또는 상기 제3온도범위의 산소소진공기가 상기 산소분리막을 통해 분리된 산소와 혼합되는 것을 방지하고 상기 산소분리막을 지지하기 위해, 상기 반응기의 상부에 결합되는 지지체와 상기 산소분리막 사이에 구비되는 밀봉재를 구비함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 산소제조장치는,
    상기 적어도 하나의 산소분리모듈에서 배출되는 제3온도범위의 산소소진공기가 상기 제1열교환부에서 열교환되어 제4온도범위의 산소소진공기로 배출되면, 상기 제4온도범위의 산소소진공기를 제5온도범위로 냉각하여 배출하기 위한 제3열교환부를 더 구비하되,
    상기 제3열교환부를 통해 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 밀봉재를 냉각시키도록 공급됨을 특징으로 하는 산소제조장치.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 제3열교환부는 냉각수를 이용하는 셀 앤 튜브(shell&tube) 타입의 열교환기를 구비함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  24. 청구항 21에 있어서,
    상기 포집부는 진공펌프 또는 진공발생기를 이용하여 상기 산소배출구를 통해 배출되는 산소를 포집함을 특징으로 하는 산소제조장치.
  25. 산소제조방법에 있어서:
    원료공기를 공정압력으로 압축하고 수분을 제거하여 제공하는 제1단계와;
    원료공기를 제1차 열교환을 통해 제1온도범위의 원료공기로 가열하는 제2단계와;
    상기 제1온도범위의 원료공기를 제2차 열교환을 통해 활성화온도범위인 제2온도범위의 원료공기로 가열하는 제3단계와;
    산소분리막을 구비하는 적어도 하나의 산소분리모듈을 이용하여, 상기 제2온도범위의 원료공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 산소소진공기를 배출하는 제4단계와;
    상기 제4단계에서 배출되는 상기 제3온도범위의 산소소진공기는, 상기 제2단계의 상기 원료공기를 상기 제1온도범위의 원료공기로 가열하는 제1차 열교환을 위해 이용된 후 제4온도범위의 산소소진공기로 배출되고, 상기 제4온도범위의 산소소진공기는 제3차 열교환을 통해 제5온도범위의 산소소진공기로 냉각되어 배출되는 제5단계를 구비하되,
    상기 제5단계를 통해 배출되는 제5온도범위의 산소소진공기는 상기 제1단계에서 원료공기의 압축을 위한 압축기의 구동원으로 사용됨을 특징으로 하는 산소제조방법.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 제3단계의 상기 제2차 열교환은 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하여 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위로 가열함을 특징으로 하는 산소제조방법.
  27. 청구항 25에 있어서,
    상기 제1온도범위는 300~600℃ 이고, 상기 제2온도범위는 750~1200℃이고, 상기 제3온도범위는 650~750℃ 이고, 상기 제4온도범위는 150~250℃ 이고, 상기 제5온도범위는 20~60℃임을 특징으로 하는 산소제조방법.
  28. 청구항 25에 있어서,
    상기 제3단계 이후에, 진공펌프 또는 진공발생기를 이용하여 상기 제3단계에서 분리된 산소를 포집하는 포집단계를 더 구비함을 특징으로 하는 산소제조방법.
  29. 산소제조방법에 있어서:
    원료공기를 제1차 열교환을 통해 제1온도범위의 원료공기로 가열하는 제1단계와;
    적어도 하나의 산소분리모듈을 각각 가지는 제1모듈그룹과 제2모듈그룹을 구비하여, 상기 제1단계를 거친 상기 제1온도범위의 원료공기를 활성화온도범위인 제2온도범위의 원료공기로 가열하여 상기 제1모듈그룹에 공급하여 산소를 분리하고,
    상기 제1모듈그룹에서 배출되는 제3온도범위의 제1산소소진공기를 제2온도범위의 산소소진공기로 가열하여 상기 제2모듈그룹에 공급함에 의해, 상기 제2온도범위의 산소소진공기로부터 산소를 선택적으로 분리하여 산소와 제3온도범위의 제2산소소진공기를 배출하는 제2단계와;
    상기 제1모듈그룹 및 상기 제2모듈그룹에서 분리된 산소를 포집하는 제3단계를 구비하되,
    상기 제2단계에서 배출되는 상기 제3온도범위의 제2산소소진공기는 상기 제1단계의 상기 원료공기를 상기 제1온도범위의 원료공기로 가열하는 제1차 열교환을 위해 이용됨을 특징으로 하는 산소제조방법.
  30. 청구항 29에 있어서, 상기 제1단계 전에,
    상기 원료공기를 공정압력인 2~10 bar로 압축하기 위한 압축단계와;
    상기 원료공기의 압축단계에서 발생되는 수분을 제거하기 위한 수분제거단계를 더 구비함을 특징으로 하는 산소제조방법.
  31. 청구항 29에 있어서,
    상기 제2단계에서, 상기 제1모듈그룹에 공급되는 상기 제2온도범위의 원료공기 및 상기 제2모듈그룹에 공급되는 상기 제2온도범위의 산소소진공기는, 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용한 열교환을 통해 가열된 것임을 특징으로 하는 산소제조방법.
  32. 청구항 29에 있어서,
    상기 제2단계에서, 상기 제1모듈그룹에 공급되는 상기 제2온도범위의 원료공기 및 상기 제2모듈그룹에 공급되는 상기 제2온도범위의 산소소진공기는, 1차적으로는 산업공정에서 발생되는 폐열 또는 배열을 이용하고 2차적으로 별도의 열교환기 또는 히터를 이용하여 가열된 것임을 특징으로 하는 산소제조방법.
  33. 청구항 29에 있어서,
    상기 적어도 하나의 산소분리모듈은,
    상기 제2온도범위의 원료공기 또는 제2온도범위의 산소소진공기가 도입되기 위한 도입구와, 상기 제3온도범위의 제1산소소진공기 또는 상기 제3온도범위의 제2산소소진공기가 도출되기 위한 도출구와, 분리된 산소가 배출되기 위한 산소배출구를 구비하는 금속재질의 반응기와;
    상기 반응기의 내부에 구비되는 이온전도성 산소분리막과;
    원료공기 또는 산소소진공기가 상기 산소분리막을 통해 분리된 산소와 혼합되는 것을 방지하고 상기 산소분리막을 지지하기 위해, 상기 반응기의 상부에 결합되는 지지체와 상기 산소분리막 사이에 구비되는 밀봉재를 구비함을 특징으로 하는 산소제조방법.
  34. 청구항 33에 있어서,
    상기 산소제조방법은,
    상기 제2모듈그룹에서 배출되는 제3온도범위의 제2산소소진공기가 상기 제1단계에서 열교환되어 제4온도범위의 산소소진공기로 배출되면, 상기 제4온도범위의 산소소진공기를 제5온도범위의 산소소진공기로 냉각하여 배출하는 열교환 단계와;
    상기 제5온도범위의 산소소진공기를 이용하여 상기 밀봉재를 냉각시키는 냉각단계를 더 구비함을 특징으로 하는 산소제조방법.
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EP0658367A2 (en) * 1993-12-17 1995-06-21 Air Products And Chemicals, Inc. Integrated high temperature method for oxygen production
JP2008110325A (ja) * 2006-10-31 2008-05-15 Nippon Steel Corp 酸素分離装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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