KR101504480B1 - 연소 장치의 폐가스를 재활용하는 장치 및 방법 - Google Patents

연소 장치의 폐가스를 재활용하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

공장, 발전소 등 연소장치의 폐가스에서 식물 성장에 필요한 비료기초재를 추출하는 장치 및 방법이 개시된다. 연소장치에서 배출된 폐가스는 가스 수용 장치에서 수용되었다가, 필터를 통해 미세먼지, 유해 중금속등이 제거된다. NOx, SOx는 산화 환원 장치를 통해 물에 수용되어 약산성을 띄게 된다. 상기 약산성의 용액은 접촉 광물질과 접촉하여 상기 광물질에 포함된 Ca, Mg이온 등을 수용하게 된다. 상기 수용액은 정화부를 거쳐 악취등 유해물질이 제거되고, 양액조제부에서 여과재와 반응하여 정화되어 식물 재배 시설로 이송될 수 있는 양액이 생성된다.

Description

연소 장치의 폐가스를 재활용하는 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR RECYCLING WASTE GAS FROM COMBUSTION APPARATUS}
본 발명은 친환경 산업에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 연소장치로부터의 폐가스 또는 배기가스에서 실물 재배에 사용할 수 있는 비료를 추출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
오늘날 인구증가와 생활패턴의 변화로 인류의 에너지(주로 화석 에너지) 소비량은 비약적으로 증가하고 있는 추세이다. 특히, 산업혁명 이후 연소장치(예컨대, 화력발전소 등)에 의한 화석에너지의 연소에 따라 대기중의 온실가스, SOx, NOx농도가 크게 상승하게 되었고, 이것이 지구온난화, 환경파괴, 산성비, 스모그 등과 같은 심각한 지구환경문제를 야기시키는 중요한 원인이 되고 있다.
보다 구체적으로, 산성비란 공기중에 있는 화학 물질이 비와 만나면서 결합하여 산성화된 비를 말한다. 산성비는 식물, 물속 생물, 그리고 건물들에 매우 해로운 효과를 지니고 있다. 산성비는 주로 대기 내에서 반응하는 산성을 생성하는 황산화물(SOx) 및 질산화물(NOx)이 인간에 의한 방출로 유발된다. 근년의 많은 국가들에서의 정부들이 이들의 방출을 감축하는 법률을 도입하고 있다.
산성비라는 용어는 통상 비, 눈, 안개, 이슬 또는 마른 입자의 산성 성분의 누적을 의미하는데 사용되었다. 이러한 산성비라는 용어는 산성 석출로 지칭될 수도 있다.
추가의 산성이 주요 공기 오염원의 반응에서 발생될 수도 있다. 주로 산화 황과 산화 질소가 공기 중에서 수증기와 반응하여 강한 산성을 형성할 수 있다. 황산과 질소와 같은 이들 오염원의 주요 근원은 차량과 산업 공정 그리고 전력 생산이다.
산성비는 화석 연료의 연소에 의해 생기는 황화합물(SOx)이나 질소화합물(NOx) 및 대기중에 생성된 황산·황산염·질산염 등을 함유한 pH(수소 이온 지수) 5.6 미만의 비를 의미한다. 이러한 산성비는, 넓은 의미로는 산성 안개, 산성 눈, 산성 분진(粉塵), 건성 강하물을 포함할 수 있으며, 산성 강하물의 총칭으로 사용될 수도 있다.
또한, 대기 오염의 원인 중 하나로 스모그(smog)가 존재할 수 있다. 스모그는 스모크(smoke)와 포그(fog)가 결합된 말로 원래는 연기와 안개가 섞인 것을 가리키는 말이었지만, 현대에 와서 대기 오염 물질로 하늘이 뿌옇게 보이는 현상을 부르는 말로 쓰이게 되었다. 이러한 스모그는, 자동차 배기 가스나 화력 발전소·공장 등에서 나오는 대기 오염 물질 때문에 발생될 수있다. 일반적으로 이러한 스모그는 대도시에서 많이 생기지만, 바람에 실려가 다른 곳에 피해를 주기도 한다.
전술한 바와 같은 NOx, SOx는 스모그를 유발하는 원인 물질들이다. 즉, 주로 공장 및 빌딩의 연소시설이나 일반 가정난방시설 등에서 배출되는 아황산가스, 매연과 같이 직접 굴뚝에서 나오는 오염물질에 의하여 스모그가 발생될 수 있으며, 이산화황이 공기중의 산소와 반응하여 삼산화황이 되고, 이들이 공기중의 수분과 반응하여 황산을 만들면 스모그가 발생될 수 있다.
대기 중에 유입되는 모든 인공적인 질소산화물의 90%이상은 화석연료의 연소에 의하여 생성된다. 이러한 NOx의 발생의 반은 고정 오염원에 의한 것이고, 나머지 반은 이동 오염원에 의한 것으로 분류될 수 있다. 질소산화물(NOx)은 자연계 질소순환의 주요한 성분이다. 대기 중에서 NO2는 수화되어 질산(HNO3)이 되고 또한 질산염으로써 침강하기도 한다.
전술한 바와 같이, 연소장치에서 배출되는 폐가스는 환경 오염 및 환경 비용을 발생 시키며 경제적인 손실 또한 문제가 될 수 있다.
따라서, 적극적인 방법으로 연소장치에서 배출되는 폐가스 또는 배기가스를 회수 및 재활용하는 방법이 당업계에서 요구된다.
다른 예시로서, 현재 온실 효과에 따라 세계 각지에서의 다양한 기상 이변이 발생하고 있다. 이러한 온실 효과의 주원인은 온실가스의 증가 때문이다. 효과적으로 온실가스의 배출을 저감하기 위해서는 온실가스의 배출량을 먼저 검토해 볼 필요가 있다. 범지구적 온실가스 배출량의 구성을 검토해보면, CO2 (72%), CH4 (18%) 및 N2O (9%)의 구성을 보여주고 있다.
전술한 바와 같이 온실가스의 주된 구성으로 지목되고 있는 이산화탄소(CO2)는 각종 기상(LNG, LPG 등), 액상(휘발유, 경유 등) 및 고상(석탄 등)의 화석연료를 연소시킬 때 주로 발생하게 된다. 현재 인류가 사용하는 열 및 동력원의 90% 정도를 이와 같은 화석연료를 이용한 연소 장치의 연소로부터 얻고 있음을 감안할 때, 이산화탄소 발생에 미치는 화석연료 연소(즉, 연소 장치에 의한 연소)의 영향은 매우 크다고 할 수 있다. 즉, 연소 장치는 온실가스의 주요 구성요소인 CO2의 최대 배출원이며, 이러한 연소 장치에서 배출되는 이산화탄소는 석탄, 경유(또는 BC유) 및 천연가스를 연료로 사용하는 화력발전소 등과 같은 전력 분야에서 대부분 배출되고 있다. 따라서, 연소 장치를 사용하는 분야(예컨대, 전력 분야)에서의 이산화탄소 배출저감은 국가적인 차원에서 초점이 맞추어질 것으로 전망된다. 세계적인 규모에서 이산화탄소 배출량의 규제 등 여러 가지 방법이 검토되고 있지만, 특별한 조치를 취하지 않는다면 현재의 수준을 유지 하기는 매우 어려운 실정이다.
또한, 연소 장치(예컨대, 화력발전소 등)는 배기가스, 온배수 및/또는 송전설비 등으로 인해 주변 환경을 오염시킬 수도 있다. 따라서, 이러한 연소장치를 포함한 시설물(들)의 설치 및 배치하기 위해서는 해당 지역의 주민들로부터의 반발을 해결해야하기 때문에, 연소장치를 포함한 시설물(들)의 설치 및 배치 위치를 선정하는데 어려움 또한 존재할 수 있다.
따라서, 적극적인 방법으로 연소 장치에서 배출되는 이산화탄소를 회수, 고정 및 재활용하는 방법과 연소 장치를 설치하는데 있어서 해당 지역의 주민들로부터의 반발을 효과적으로 해결하기 위한 방법이 당업계에서 요구된다.
본 발명은 전술한 내용을 감안하여 안출된 것으로, 친환경적인 연소 시스템을 제공하기 위함이다.
또한, 본 발명은, 연소 장치에서 배출되는 폐가스를 효과적으로 재처리하여 환경 오염 물질의 배출을 줄이기 위함이다.
나아가, 본 발명은, 연소 장치에서 배출되는 폐가스를 효율적으로 재활용 하기 위함이다.
더불어 본 발명은, 연소 장치에서 배출되는 폐가스를 재활용하여 경제적 효과를 창출하기 위함이다.
전술한 바와 같은 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연소설비로부터의 폐가스에서 식물 재배를 위한 비료 기초재를 추출하는 폐가스 처리 장치가 개시된다. 상기 폐가스 처리 장치는, 연소 설비로부터 발생된 폐가스를 흡입 및 수용하는 가스 수용부; 상기 흡입 및 수용된 폐가스의 열을 회수하기 위한 반응기(reactor);로 구성되며, 여기서, 상기 반응기는, 흡입 및 수용된 폐가스에서 분진 및 유해중금속중 적어도 하나를 필터링하는 필터; 상기 필터링된 폐가스에 함유된 NOx 및 SOx에 촉매반응을 유발시킴으로써 산화환원된 NOx- 및 SOx-를 생성하는 산화환원부; 및 상기 산화환원된 NOx- 및 SOx-를 접촉물질과 접촉시켜 화학반응을 유발함으로써 비료기초재를 추출하는 접촉부를 포함할 수 있다.
더불어, 본 발명의 일 실시예에 따라, 연소설비로부터의 폐가스에서 식물 재배를 위한 비료기초재를 추출하는 폐가스 처리 방법이 개시된다. 상기 방법은 연소설비로부터 발생된 폐가스를 흡입 및 수용하는 단계; 및 흡입 및 수용된 폐가스의 열을 회수하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 열을 회수하는 단계는, 흡입 및 수용된 폐가스에서 분진 및 유해중금속중 적어도 하나를 필터링하는 단계; 상기 필터링된 폐가스에 함유된 NOx 및 SOx에 촉매반응을 유발시킴으로써 산화환원된 NOx- 및 SOx-를 생성하는 단계; 및 상기 산화환원된 NOx- 및 SOx-를 접촉물질과 접촉시켜 화학반응을 유발함으로써 비료기초재를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 양상에 따라, 연소설비에 의해 발생된 폐가스를 처리하는 장치가 개시된다. 상기 장치는, 상기 연소설비로부터 발생된 폐가스를 흡입 및 수용하는 가스 수용부; 상기 흡입 및 수용된 폐가스에서 분진 및 유해중금속 중 적어도 하나를 필터링하는 필터; 상기 필터링된 폐가스의 일부분인 NOx 및 SOx에 촉매반응을 유발시킴으로써 산화환원된 NOx 및 SOx를 생성하는 산화환원부; 및 상기 산화환원된 NOx 및 SOx를 접촉물질과 접촉시켜 비료기초재를 추출하는 접촉부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐가스 처리장치를 통해, 연소장치를 포함한 화력발전소 등에서의 환경악화를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은, 연소장치에서 배출되는 폐가스를 효율적으로 재처리하여 산성비, 스모그 등의 원인 물질의 배출을 줄일 수 있다.
나아가, 본 발명은, 연소 장치에서 배출되는 폐가스를 효율적으로 재활용하여 유익한 비료 등을 생산하여 활용할 수 있다.
더불어, 본 발명은, 연소장치에서 배출되는 폐가스를 재활용하여 비료 등을 생산하여 경제적 효과를 창출 할 수 있다.
도 1은 기존의 순산소 연소 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시설을 포함하는 연소 시스템의 개념도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시설을 포함하는 연소 시스템을 도시한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 연소 장치와 식물 재배 시설 그리고 이들을 연결하기 위한 배관 장치의 컴포넌트들을 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 식물 재배 시설의 컴포넌트들과 연소 장치를 포함하는 연소 시스템을 도시한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 연소 장치로부터의 폐가스를 식물 재배 시설로 이송하기 위한 후처리 장치를 포함하는 시스템을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 연소 장치로부터의 폐가스에서 식물 재배를 위한 비료 기초재를 추출하기 위한 시스템의 컴포터넌트들을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 연소 장치로부터의 폐가스에서 식물 재배를 위한 비료 기초재를 추출하기 위한 방법을 도시한다.
다양한 실시예들 및/또는 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나 이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다.
또한, 다양한 양상들 및 특징들이 다수의 장치들, 컴포넌트들 및/또는 모듈들 등을 포함할 수 있는 시스템에 의하여 제시될 것이다. 다양한 시스템들이, 추가적인 장치들, 컴포넌트들 및/또는 모듈들 등을 포함할 수 있다는 점 그리고/또는 도면들과 관련하여 논의된 장치들, 컴포넌트들, 모듈들 등 전부를 포함하지 않을 수도 있다는 점 또한 이해되고 인식되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "양상", "예시" 등은 기술되는 임의의 양상 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되지 않을 수도 있다.
더불어, 용어 "또는"은 배타적 "또는"이 아니라 내포적 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥상 명확하지 않은 경우에, "X는 A 또는 B를 이용한다"는 자연적인 내포적 치환 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나; X가 B를 이용하거나; 또는 X가 A 및 B 모두를 이용하는 경우, "X는 A 또는 B를 이용한다"가 이들 경우들 어느 것으로도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "및/또는"이라는 용어는 열거된 관련 아이템들 중 하나 이상의 아이템의 가능한 모든 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나 이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 달리 특정되지 않거나 단수 형태를 지시하는 것으로 문맥상 명확하지 않은 경우에, 본 명세서와 청구범위에서 단수는 일반적으로 "하나 또는 그 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
추가적으로, 본 발명에서의 "폐가스"는 일정한 목적을 위해 사용된 이후의 가스를 의미할 수 있으며, 예를 들어, 연소 장치에서의 연소 동작이 완료되어 배출되는 가스를 의미할 수 있다. 본 발명의 추가적인 양상에서, "폐가스" 및 "배기가스"는 서로 교환가능하게 사용될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서의 "배양액" 및 "양액" 또한 서로 교환가능하게 사용될 수도 있다.
도 1을 참조하면, 기존의 순산소 연소 장치(110)가 도시된다.
본 명세서에서의 연소 장치 또는 연소 설비는 제철소, 소각장, 지역난방, 화력발전소, 보일러 및/또는 버너 등과 같이 특정한 연료들을 연소시키기 위한 다양한 타입의 장치를 의미할 수 있다. 이러한 연소 설비는 대형 또는 소형, 가정용 또는 산업용, 고정식 또는 이동식 등의 다양한 타입이 존재할 수 있다.
최근 에너지 관련 연구 및 개발은 수소연료전지, 풍력, 태양광 발전 등의 신재생에너지 분야가 가장 각광을 받고 있다. 신재생에너지의 활발한 연구 및 개발은 기존의 화석에너지에 따른 자원 고갈이나 환경오염 등의 필연적인 문제들을 해결할 수 있기 때문이다. 그러나, 이러한 신재생에너지 대부분이 기존의 화석연료를 대체하기에는 여전히 해결해야할 기술적 또는 경제적 문제들이 산적해 있다. 따라서, 기존의 화석연료를 사용하면서 지구 온난화를 유발하는 주범으로 인식되고 있는 이산화탄소를 줄이는 기술과 관련하여 많은 기술개발이 진행되고 있다.
이와 관련하여, 순산소 연소기술은, 공기 중의 질소 및 다른 성분을 제거하지 않고 연소 장치에 주입하는 기존의 공기연소 방식과 상이하게, 공기 중에 약 80%를 점하는 질소분을 제거한 순산소를 기존의 연소용 공기 대신 주입하여 연소시킨 후 이산화탄소의 포집을 용이하게 할 수 있다.
즉, 순산소 연소는 석탄화력 발전설비 등에서의 산화제를 공기 대신에 순도 95% 이상의 고농도 산소를 이용하여 미분탄(powdered coal) 등과 같은 연료를 연소시켜 열을 발생시킨다.
따라서, 도 1에서 도시되는 바와 같이, 기존의 순산소 연소 장치(110)는 산소 분리 장치(ASU)(120)를 필요로 한다. 산소 분리 장치(120)에 의해 공기 중에서의 질소와 산소를 분리하여 고순도의 산소를 추출해 낼 수 있다. 추출된 고순도의 산소는 연료(예컨대, 석탄)와 함께 순산소 연소 장치(110)로 인입되어 순산소 연소 장치(110)에 의해 연소될 수 있다.
도 1에서 도시되는 바와 같이, 순산소 연소 장치(110)에 의해 배출되는 배출물들은 이산화탄소와 물(수증기)을 포함할 수 있다. 즉, 순산소 연소를 통해서 발생되는 폐가스의 대부분은 이산화탄소와 수증기로 구성될 수 있다. 따라서, 발생된 폐가스에서 수증기를 응축시키는 경우, 대부분의 이산화탄소를 포집/회수할 수 있다.
전술한 바와 같이, 순산소 연소 장치(110)는, 산화제로 고순도의 산소를 이용하기 때문에 연소 현상에 직접적으로 관여하지 않으면서도 공기 성분의 대략적으로 80% 정도를 차지하는 질소에 의한 현열 손실을 현저하게 줄일 수 있다. 나아가, 이러한 순산소 연소 장치(110)는 폐가스의 현열을 연소 이전에 산소를 고온으로 예열하는 방법으로 회수하여 에너지를 추가적으로 절감할 수 있다. 또한, 이론적으로는 순산소 연소 장치(110)에서는 이산화탄소와 물(수증기)만이 폐가스 중에 포함되어 있으므로, 이산화탄소를 효율적으로 회수함에 따라 이산화탄소의 회수 비용을 줄일 수도 있다. 추가적으로, 순산소 연소 장치(110)는 산소 연소에 의하여 연소시스템을 소형화할 수도 있으며, 나아가 열전달 효율을 극대화할 수도 있다. 게다가, 순산소 연소 장치(110)는 근본적으로 질소가 공급되지 않기 때문에 질산화물(NOx)의 배출을 현저하게 저감시킬 수 있다.
도 1에서 도시되는 바와 같이, 기존의 순산소 연소 공정은, 산소 분리 장치(ASU)(120), (순산소) 연소 장치(Combustor)(110) 및 정제 장치(Purification Apparatus)(130)를 이용한 동작들로 이루어질 수 있다.
다시 말하면, 순산소 발전 플랜트는 크게 산소 분리 장치(120), 순산소 연소 장치(110), 이산화탄소 정제(및 압축) 장치(130)로 구성될 수 있다. 산소 분리 장치를 통해 질소가 분리된 고순도의 산소가 연소 장치로 인입될 수 있다. 연소 장치 내부에서 연료 연소에 필요한 산화제로 고순도의 산소를 이용한다. 폐가스의 주요 조성은 물과 이산화탄소가 대부분이 될 수 있다.
정제 장치(130)는 폐가스에 포함된 물을 응축/제거시킴으로써 순도 높은 이산화탄소를 회수할 수 있다. 따라서, 회수된 이산화탄소를 저장시켜서 연소 장치의 이산화탄소의 배출이 최소화될 수 있다.
그러므로, 이러한 순산소 연소 공정을 통하여, 온실가스의 주요 인자인 이산화탄소를 따로 포집하여 저장/활용할 수 있다. 따라서, 기존의 화석연료를 사용하면서 지구 온난화를 유발하는 주범으로 인식되고 있는 이산화탄소를 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 순산소 연소 시에는 연소 장치(110)의 내부의 화염 온도가 일반적인 공기 연소 시에 비해 급격하게 올라가고 열 흡수량 역시 급격하게 늘어날 수 있다. 따라서, 도시되지는 않았지만, 순산소 연소의 경우 폐가스의 일부가 재순환되어 순산소와 혼합되어 산화제로 사용될 수도 있다. 즉, 순산소 연소의 경우, 기존의 산화제 중 하나인 질소가 이산화탄소와 수증기로 대체될 수 있다.
연소 장치(110) 내의 질소 성분이 이산화탄소로 대체되는 경우 질산화물(NOx)의 농도가 떨어지게 되고, 연소 장치(110) 내부의 탈질 또는 탈황 효율이 높아질 수 있다. 따라서, 기존의 탈질장치 및/또는 탈황장치 등을 최소화시킬 수도 있다.
하지만, 이러한 순산소 연소 방식을 구현하기 위해서는 산소만을 추출/분리해내는 비용이 크게 소요될 수 있다. 따라서, 산소 분리 장치(ASU)(120)를 별도로 제조하는데 있어서의 비용적인 부담이 발생될 수 있다. 게다가, 현재의 산소 분리 장치를 동작시키기 위해서는 다량의 에너지가 소모된다는 단점 또한 존재한다. 나아가, 순산소 연소 이후에 이산화탄소를 고정 및/또는 저장하기 위한 처리 프로세스 또한 비용이 많이 소모된다는 단점이 존재한다.
따라서, 공기중의 산소를 분리하여 연소 장치로 공급해주는 산소 분리 장치(120)의 산소 분리(제조) 원가 등과 같은 경제성 문제로 인해, 종래의 순산소 연소 장치로 일반적인 연소 장치를 대체하기에는 부적절할 수가 있다.
그러므로, 보다 효율적이고 친환경적인 연소 방식을 구현하기 위한 시스템이 당업계에서 요구된다. 이러한 친환경적인 연소 방식을 구현하기 위한 노력의 일환으로서, 광합성 식물과 세균 등에 의한 이산화탄소를 효율적으로 고정하고 산소를 배출하기 위한 생물학적 방법을 강구해볼 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시설(210)을 포함하는 연소 시스템(200)을 개념적으로 도시한다.
식물(plant)은 태양에너지를 이용하여 이산화탄소를 고정하고 인간에게 유익한 각종 유용자원(예컨대, 식품, 의약품 및 화학원료 등)을 제공할 수 있는 효율적인 자원이다.
전술한 바와 같이, 과다하게 배출되는 이산화탄소의 대부분은 화석연료에서 유래한다. 이산화탄소를 식물에 흡수 및 고정시키려는 것은 가장 자연스럽고 환경친화적인 이산화탄소의 고정방법으로 고려해 볼 수 있다. 식물체에 고정되는 탄소는 식량과 연료는 물론 공업원료 및/또는 화학원료로서 재사용 될 수도 있기 때문이다. 이러한 측면에서 식물은 대기중 이산화탄소의 고정은 물론 지구환경문제 해결에 대단히 중요한 역할을 담당할 것이다.
따라서, 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따라, 식물을 이용함으로써, 연소 장치의 폐가스를 처리하고 그리고 순산소 연소를 구현하는 기법에 대하여 설명하도록 한다.
도 2에서 도시되는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 시스템(200)은 연소 장치(110) 및 연소 장치(110)와 연결된 식물 재배 시설(210)을 포함할 수 있다. 여기서의 연소 장치(110)는 일반적인 연소 장치이거나 또는 순산소 연소 장치일 수 있다.
도 2에 따른 연소 시스템(200)은 식물 재배 시설(210)에 의해 생성되어 포집된 산소를 이용할 수 있다. 따라서, 연소 시스템(200)은 도 1과 관련하여 전술한 바와 같은 산소 분리 장치(ASU)를 사용하지 않고서도 고순도의 산소를 포집할 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 양상에 따른 연소 시스템(200)은 도 1과 관련하여 전술한 바와 같은 정제 장치를 사용하지 않고서도 이산화탄소를 활용/저장할 수 있다.
도 2에서 도시되는 바와 같이, 식물 재배 시설(210)은 연소 장치(110)로부터 배출되는 폐가스를 공급받을 수 있다. 연소 장치(110)로부터 배출되는 폐가스는 이산화탄소를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 연소 장치(110) 자체의 탈황 및/또는 탈질 장치 등과 같은 정화 장치를 통해 폐가스 내에서의 질산화물 및/또는 황산화물의 대부분이 사전 필터링될 수도 있다. 본 발명의 일 양상에서, 연소 장치(110)의 순산소 연소 공정으로 인해, 식물 재배 시설(210)로 인입되는 폐가스 내의 질산화물 및/또는 황산화물의 양은 저감될 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 식물 재배 시설(210)은 이산화탄소를 포함하는 폐가스를 연소 장치(110)로부터 공급받을 수 있다. 연소 장치(110)에 의해 배출되는 이산화탄소는 식물 재배 시설(210) 내에 배치된 식물군락에 의해 고정 및 활용될 수 있다. 즉, 식물 재배 시설(210) 내에 포함된 식물군락은, 연소 장치(110)로부터 공급받은 이산화탄소를 이용하여 광합성 작용을 수행할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 양상에 따르면, 도 1과 관련하여 전술한 바와 같은 이산화탄소의 고정 및/또는 저장을 위한 비용소모적인 프로세스 없이도 이산화탄소가 고정 및/또는 활용될 수 있다.
일반적으로 식물군락의 식물체들은 탄수화물의 합성에 사용되는 탄소를 공기로부터 이산화탄소(CO2)의 형태로 획득한다. 대기 중에 있는 유효한 이산화탄소의 양은 공기의 전체 용적의 약 0.03% 로서 매우 낮기 때문에 광합성 작용이 신속하게 진행되면 대기 중의 이산화탄소의 농도가 제한요인이 될 수 있다.
따라서, 식물체의 급속한 생장을 위한 다른 환경조건(예컨대, 수분, 온도 및/또는 광도 등)이 적당할 때 이산화탄소의 공급을 증가시키면 식물의 생장이 증가될 수 있다. 그러므로, 단시간 내에 대량의 작물을 재배하기 위해서는 광합성의 원료가 되는 이산화탄소 가스의 농도를 인위적으로 증가시키는 것이 필수적이다. 예를 들어, 온실, 플라스틱 하우스 및 온상 등의 시설에서는 보온관계로 오랫동안 환기를 하지 못하는 경우, 인위적으로 이산화탄소를 공급해줌으로써 수확량을 증가시킬 수 있게 된다. 또한, 이산화탄소의 농도가 높은 경우에는 인위적으로 이산화탄소의 농도를 낮출 수도 있다. 예를 들어, 이산화탄소의 농도는 식물 재배 시설(210)로 공급되는 이산화탄소를 (응축기 또는 압축기 등에 의해) 물에 녹여서 탄산수의 형태로 보관하거나 또는 (예컨대, 조류 등과 같은 수중 식물로) 공급함으로써 낮출 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 양상에 따라서, 이산화탄소를 인위적으로 공급하기 위한 방법의 일환으로, 연소 장치(110)로부터 배출되는 폐가스에서의 이산화탄소가 식물 재배 시설(210)로 공급될 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 연소 장치(110)의 폐가스가 배출되는 배출부와 식물 재배 시설(210)의 가스 유입 장치는 서로 연결될 수 있어서, 연소 장치(110)로부터의 폐가스의 적어도 일부분이 식물 재배 시설(210)로 이송될 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 연소 장치를 포함하는 화력발전소에서 사용되는 폐가스 배관이 그대로 식물 재배 시설의 가스배관(예컨대, 가스 유입 장치)으로 연결될 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 연소 장치(110)로부터의 폐가스는 연소 장치(110)의 일단에 배치되어 연소 장치(110)와 식물 재배 시설(210)을 연결하는 후처리 장치를 통해 식물 재배 시설(210)로 이송될 수 있다. 후처리 장치에 대한 설명은 도 6과 관련하여 후술하기로 한다.
본 발명의 일 양상에서, 연소 장치(110)로부터의 폐가스는 식물 재배 시설(210)로 이송될 수 있어서, 연소 시스템(200)의 외부로 배출되는 폐가스의 양은 저감될 수 있다.
본 발명의 추가적인 양상에서, 연소 장치(110)로부터의 폐가스의 전부가 식물 재배 시설(210)로 이송될 수 있어서, 이러한 연소 시스템(200)의 외부로는 폐가스가 배출되지 않을 수도 있다.
도 2에서 도시되는 바와 같이, 본 발명의 일 양상에서, 연소 장치(110) 및 식물 재배 시설(210) 각각은 복수의 층(layer)들로 구성될 수도 있다. 이러한 경우, 연소 장치(110)에 의해 생성되는 폐가스는 연소 장치(110) 내의 복수의 층들을 통해 분할되어 배출될 수 있다. 또한, 식물 재배 시설(210) 내의 복수의 층들 각각은, 상기 연소 장치(110) 내의 복수의 층들을 통해 분할되어 배출되는 폐가스를 분할하여 수용할 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 연소 장치(110)의 복수의 층들과 식물 재배 시설(210)의 복수의 층들을 각각 연결하는 복수의 후처리 장치가 존재할 수 있다. 따라서, 연소 장치(110)로부터의 폐가스는 이러한 후처리 장치에 의해 처리되어 식물 재배 시설(210)로 이송될 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 식물 재배 시설(210)과 연소 장치(110)는 각각 서로 대응되는 층들로 구성될 수도 있다. 이러한 경우, 식물 재배 시설(210)의 복수의 층들 각각은 개별적인 식물군락을 포함할 수도 있다. 또는, 식물 재배 시설(210)의 복수의 층들 각각은 개별적인 조합의 식물체들을 포함할 수 있다. 나아가, 식물 재배 시설(210)의 복수의 층들은 동일한 식물체들의 조합을 포함할 수도 있다.
본 발명의 일 양상에서, 연소 장치(110)는 순산소 연소 장치일 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같은 순산소 연소 공정의 특징에 따라서, 연소 장치(110)로부터 배출되는 가스의 대부분은 이산화탄소와 수증기로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 연소 장치(110) 또는 식물 재배 시설(310)(예컨대, 가스 공급 장치)은 추가적으로 탈황 및/또는 탈질 장치 등과 같은 정화 장치를 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 경우, 정화 장치는 식물 생장을 방해할 수 있는 유해 가스들을 필터링할 수 있다. 추가적으로, 이러한 정화 장치는 연소 장치(110)와 식물 재배 시설(210)을 연결하는 후처리 장치에 포함될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 연소 장치(110)로부터 공급된 이산화탄소(및 수증기)는 식물 재배 시설(210)에서의 식물체들의 생장을 위해 활용될 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 식물 재배 시설(210)은 식물군락 내의 식물체들을 효율적으로 생장시키기 위하여 이산화탄소의 농도, 광도, 온도 및 수분의 양 등을 모니터링하여 이들을 제어하는 제어 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 식물 재배 시설(210) 내의 이산화탄소의 농도가 사전결정된 임계 농도(예컨대, 1200ppm) 이상이 된다고 측정되는 경우, 연소 장치(110)로부터 이송되는 폐가스를 폐가스 저장소(미도시)에 보관할 수 있다. 이러한 경우, 식물 재배 시설(210) 내의 이산화탄소의 농도가 임계 농도 미만이 되는 경우에, 폐가스 저장소에 저장된 연소 장치(110)로부터의 폐가스는 식물 재배 시설(210) 내의 식물 군락으로 이송될 수 있다. 그렇지 않은 경우, 폐가스는 식물 군락으로 이송되지 않고 연소 장치(110) 또는 식물 재배 시설(210) 또는 후처리 장치에 보관될 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 이산화탄소의 사전결정된 임계농도는 식물체 각각의 이산화탄소 포화점에 따라 가변적일 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 이산화탄소의 임계농도는 식물체의 종류, 생육 단계, 광도 및/또는 수분에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 양상에서, 식물 재배 시설(210)은, 식물체의 종류, 생육 단계, 광도 및/또는 수분에 적어도 부분적으로 기초하여 식물군락 내의 이산화탄소의 농도를 효율적으로 제어할 수 있다.
예를 들어, 식물 재배 시설(210)은, 광도가 낮은 경우 이산화탄소 가스의 포화점이 낮아지기 때문에 이산화탄소의 농도를 줄이고, 광도가 높은 경우 이산화탄소의 농도를 늘릴 수 있다. 또한, 식물 재배 시설(210)은 일반적으로 환기가 제한되는 저온기(예컨대, 오전 해가 뜬 후 1시간 이후로부터 2-3시간 동안)에 이산화탄소의 농도를 증대(즉, 탄산시비)시킬 수 있다. 이는 오후가 되면 광합성 효율이 떨어질 뿐만 아니라 기온이 높아져 환기를 해야될 수 있기 때문에 탄산시비의 효과가 잘 나타나지 않기 때문이다.
나아가, 시설 내에서는 일반적으로 바람이 없기 때문에, 기온분포와 마찬가지로 이산화탄소 또한 상하, 좌우 위치에 따라 농도가 달라질 수 있다. 식물체가 생장하여 지상부가 무성한 곳은 이산화탄소 가스의 농도가 낮고, 공기가 움직이는 통로 부근의 이산화탄소 가스의 농도는 비교적 높게 나타날 수 있다. 따라서, 식물 재배 시설(210)은 전술한 인자들을 고려하여 식물 재배 시설(210) 내의 식물군락의 이산화탄소의 농도를 최적화시켜 관리할 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따라, 식물 재배 시설(210)에 의해 생성된 가스(예컨대, 산소 가스)는 (순산소) 연소 장치(110)로 이송될 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 식물 재배 시설(210)의 식물군락은 복수의 식물체들을 포함할 수 있다. 이러한 복수의 식물체들은 공급받은 이산화탄소를 이용하여 광합성 작용을 통해 산소가스를 배출할 수 있다. 식물 재배 시설(210)에 의해 생성된 산소 가스는 순산소 연소가 가능한 고순도의 산소로서 연소 장치(110)로 이송되어, 순산소 연소 공정에서의 산화제가 될 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 식물 재배 시설(210)에 의해 연소 장치(110)로 공급되는 산소 가스는 식물 재배 시설(210) 내의 산소 가스 저장소에 저장될 수 있다. 산소 가스 저장소는 식물 재배 시설(210) 내의 산소 포집 장치와 연결되어 포집된 산소 가스를 저장할 수 있다.
식물 재배 시설(210)은 농도 측정 장치를 더 포함할 수 있다. 상기 농도 측정 장치는, 식물 재배 시설(210) 또는 식물 재배 시설(210)의 산소 가스 저장소 내의 산소 가스의 농도를 측정하여 측정 데이터를 제어 장치로 전송할 수 있다.
식물 재배 시설(210)의 제어 장치는, 측정된 산소 가스의 농도를 포함하는 데이터를 농도 측정 장치로부터 수신하여 측정된 산소 가스의 농도와 사전설정된 임계농도를 비교할 수 있다. 측정된 농도가 사전설정된 임계농도 미만인 경우, 제어 장치는 산소 가스 저장소가 상기 포집된 산소 가스를 저장하도록 제어할 수 있다. 또한, 측정된 농도가 상기 사전설정된 임계농도 이상인 경우, 제어 장치는, 산소 배기 장치가 저장된 산소를 연소 장치(110)로 이송하도록 제어할 수 있다.
따라서, 식물 재배 시설(210)로부터 연소 장치(110)로는 산소가 공급될 수 있으며, 연소 장치(110)로부터 식물 재배 시설(210)로는 이산화탄소와 물이 공급될 수 있다. 이러한 공급은 연소 장치(110)와 식물 재배 시설(210)을 연결하는 후처리 장치를 통해 구현될 수도 있다.
그러므로, 식물 재배 시설(210)과 연소 장치(110) 각각은 서로에게 필요한 자원들을 생성하여 공급할 수 있다. 따라서, 연소 장치(110) 입장에서는 별도의 산소 분리 장치(ASU)를 사용하지 않을 수 있으며, 그리고 식물 재배 시설(210) 입장에서는 식물을 재배하는데 필요한 별도의 이산화탄소 공급 장치를 사용하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 연소 장치(110)로부터 식물 재배 시설(210)로 공급되는 폐가스 내에 포함된 이산화탄소와 물은, 식물 재배 시설(210)에서의 식물군락이 필요로하는 자원들인 물, 이산화탄소 및 온도를 제어하는데 사용될 수 있다.
예를 들어, 폐가스 내에 포함된 이산화탄소는 전술한 바와 같이 식물군락의 생장을 위해 필요한 적절한 농도로 식물군락으로 제공될 수 있다. 또한, 폐가스 내에 포함된 물은 식물군락의 생장을 위해 필요한 적절한 농도로 식물군락의 식물 재배용 배관으로 제공될 수 있다. 나아가, 폐가스 내에 포함된 물은 식물 재배 시설(210)의 냉난방용 배관으로 공급되어, 식물 재배 시설(210) 내의 온도를 최적의 온도로 유지시킬 수 있다. 즉, 폐가스 내에 포함된 물 중 일부는 온도를 낮추어 식물군락으로 직접적으로 제공되고, 다른 일부는 식물군락의 생장을 위한 적절한 실내 온도를 유지시키기 위해 냉난방용으로 사용될 수 있다.
또한, 폐가스 내의 포함된 수증기가 응축되어 물로 변환되는 경우, 폐가스에 포함된 이산화탄소를 물에 녹여 탄산수가 식물군락으로 제공될 수도 있다. 따라서, 식물군락 내에서 공기 중의 이산화탄소의 농도를 적절히 제어할 수 있다. 나아가, 후술될 바와 같이, 식물군락 내에서는 육상식물 뿐만 아니라 수중식물(예컨대, 조류)또한 존재할 수 있다. 따라서, 수중식물로 이산화탄소를 효율적으로 공급하기 위해서는, 이러한 탄산수를 수중식물로 공급하는 것이 바람직할 것이다. 그러므로, 식물 재배 시설(210)로 공급되는 물 중의 일부는 냉난방용으로 사용되고, 일부는 육상식물의 생장을 위해 사용되고, 그리고 나머지 일부는 수중식물의 생장을 위해 탄산수의 형태로 사용될 수 있다.
본 발명의 추가적인 양상에서, 수중식물의 경우 육상식물보다 많은 양의 산소 생성이 가능할 수 있다. 또한, 수중식물의 경우 산소포집을 구현하는데 있어서 용존산소의 포집 또는 수중식물이 배치된 물 상부에서의 산소 포집 등을 통하여 육상식물의 산소포집 구성보다 양호한 산소 포집이 달성될 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 식물 재배 시설(210)은 식물군락으로 빛을 공급하기 위한 광공급 모듈(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 광공급 모듈은 다양한 타입의 모듈들을 포함할 수 있다.
일례로, 식물 재배 시설(210)은 식물군락으로 빛을 공급하기 위하여 식물성장에 필요한 특정파장의 빛을 갖는 LED 모듈을 광공급 모듈로서 이용할 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, LED 모듈은 복수의 LED가 직렬로 연결된 LED 바의 형태를 가질 수 있다. LED는 전력소모가 극히 적기 때문에 그만큼 전기를 빛으로 바꾸는 효율이 뛰어나다. 또한, LED는 각각 다른 특정파장의 빛을 발광하도록 생산되므로 용도에 맞게 선별해서 사용할 수 있어서 편리할뿐만 아니라 필요 없는 빛의 손실을 막아줄 수 있다. 또한, LED는 고속 ON/OFF 특성을 가지고 있어서 아주 빠르게 점멸시킬 수 있다. 더불어, LED는 다른 전기제품들과는 다르게 과도전류현상(Rush Current)이 없어서 아무리 빠르게 점멸해도 전력 손실이 없다는 장점이 있다.
그러므로, 이러한 LED 모듈을 사용하는 경우, 24시간 점등이 가능하므로 식물군락의 성장을 촉진시킬 수 있다. 나아가, LED 모듈은 식물 성장에 필요한 몇가지 파형의 빛을 효과적으로 혼합시킬뿐만 아니라 짧은 시간에 반복적으로 점멸됨으로써 식물성장을 촉진시킬 수 있다. 추가적으로, LED 모듈의 순간 점멸을 통해 식물 재배 시설(210)에서 소비되는 전력 또한 감소될 수 있다. 더불어, LED 모듈에서 발생하는 열은 식물 재배 시설(210)의 추가적인 난방 효과를 제공할 수도 있다.
본 발명의 일 양상에서, LED의 점멸 시간, 개수, 사용전압 및 출력용량 등은 식물군락의 형태 및 크기에 따라서 가변적일 수 있다. 또한, 보다 효율적인 빛의 혼합을 위해서 다른 보조 광원(들)이 사용될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 식물 재배 시설(310)을 포함하는 연소 시스템(300)의 개념도를 도시한다.
도 3에서 도시되는 바와 같이, 식물 재배 시설(310)과 연소 장치(110)의 결합은 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
도 3에서 도시되는 바와 같이, 식물 재배 시설(310)은 연소 장치(110)의 외부를 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다. 또한, 연소 시스템(300)은 복수의 층들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 연소 시스템(300)의 각각의 층들은 각각 연소 장치(110)와 식물 재배 시설(310)을 독립적으로 포함할 수 있다. 따라서, 각각의 층 별로 연소 장치(110)와 식물 재배 시설(310)은 산소와 이산화탄소/물을 서로 교환할 수 있다. 다시 말하면, 각각의 층 별로, 연소 장치(110)로부터의 폐가스는 식물 재배 시설(310)로 이송되고, 식물 재배 시설(310)로부터의 산소는 연소 장치(110)로 이송될 수 있다.
이러한 폐가스 및 산소의 이송 프로세스는, 연소 시스템(300) 내의 연소 장치(110)와 식물 재배 시설(310)을 연결하는 후처리 장치 및/또는 배관 장치에 의해 구현될 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 후처리 장치 및/또는 배관 장치는 송풍 장치를 포함할 수 있어서, 송풍 장치에 의해 이송 프로세스가 구현될 수 있다. 본 발명의 다른 양상에서, 이러한 이송 프로세스는, 압력차에 의한 이송 또는 밀도차에 의한 이송 등을 통해 구현될 수도 있다.
전술한 도 3과 같은 연소 시스템(300)의 구조를 통해, 하나의 연소 시스템 내부에 식물 재배 시설(310)과 연소 장치(110)가 포함될 수 있다. 따라서, 이러한 경우 연소 시스템(300) 외부로의 폐가스의 배출 또한 저감될 수 있다.
본 발명의 추가적인 양상에서, 연소 시스템(300)의 각각의 층들은 서로 연결될 수도 있다. 즉, 연소 시스템(300)은 상이한 층에서의 식물 재배 시설들, 연소 장치들, 또는 식물 재배 시설과 연소 장치를 서로 연결시키기 위한 후처리 장치 및/또는 배관 장치를 추가로 포함할 수도 있다. 따라서, 식물 재배 시설(310)의 특정한 층에서 잉여 산소가 존재하는 경우, 이러한 잉여 산소를 필요로 하는 특정한 층에서의 연소 장치(110)로 잉여 산소가 이송될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 연소 장치(110)와 식물 재배 시설(410) 그리고 이들을 연결하기 위한 배관 장치(420)의 컴포넌트들을 도시한다.
도 4에서 도시되는 바와 같이, 본 발명의 일 양상에 따른 시스템(400)은 연소 장치(110), 식물 재배 시설(410) 및 연소 장치와 식물 재배 시설을 연결하기 위한 배관 장치(420)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 양상에 따라서, 본 명세서에서 사용되는 용어 배관 장치는 후처리 장치와 상호 교환가능하게 사용될 수도 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 연소 장치(110)로부터 배출되는 폐가스는 배관 장치(420)를 통하여 식물 재배 시설(410)로 이송될 수 있다. 또한, 식물 재배 시설(410)로부터 배출되는 산소 가스는 이송관(495)을 통하여 연소 장치(110)로 이송될 수 있다. 즉, 배관 장치(420)는 연소 장치(110)의 배기부로부터 발생되는 폐가스를 수용할 수 있도록, 연소 장치(110)와 식물 재배 시설(410) 사이에 배치되어 연소 장치(110)와 식물 재배 시설(410)을 연결할 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 이송관(495)은 관(pipe)의 형태뿐만 아니라, 배관 장치(420)와 같은 별개의 독립적인 장치로 구성될 수도 있다. 또는, 이송관(495)은 배관 장치(420) 내에 포함되어, 배관 장치(420)의 내부 컴포넌트로서 동작할 수도 있다.
도 4에서 도시되는 바와 같이, 배관 장치(420)는 가스 유입 장치(430), 송풍 장치(440), 응축 장치(450), 배출장치(460), 센서(470), 제어 장치(480), 정화 장치(490), 열교환 장치(491) 및 저장소(492)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 배관 장치(420)는 전술한 컴포넌트들의 일부로 구성될 수 있거나 또는 전술한 컴포넌트들 이외의 다른 컴포넌트들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 배관 장치(420)는 식물 재배 시설(410)의 냉난방용 배관(493) 및/또는 식물 재배용 배관(494)을 포함할 수도 있다. 또는, 배관 장치(420)는 식물 재배 시설(410)로부터 연소 장치(110)로 산소를 공급하기 위한 이송관(495)을 더 포함할 수도 있다.
또한, 도 4에서 도시되는 배관 장치(420)의 컴포넌트들의 배치는 예시적인 것일 뿐이며, 다양한 조합의 순서로 배관 장치(420)의 컴포넌트들이 배치될 수도 있다.
본 발명의 일 양상에서, 가스 유입 장치(430)는 연소 장치(110)로부터 발생되는 폐가스를 수용할 수 있다. 따라서, 연소 장치(110)로부터 발생되는 폐가스는 가스 유입 장치(430)에 의해 직접적으로 혹은 간접적으로 수용될 수 있다.
여기서 폐가스는 연소 장치에 의해 배출되는 이산화탄소, 수증기(물), 미세먼지, 황산화물 및/또는 질산화물 등을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 연소 장치(110)는 탈황 및 탈질 프로세스를 구현하는 정화 장치를 더 포함할 수 있다. 따라서, 연소 장치(110)로부터 배출되는 폐가스에서의 황산화물 및 질산화물의 농도는 저감될 수도 있다.
도 4에서 도시된 바와 같이, 가스 유입 장치(430)는 송풍 장치(440)을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 송풍 장치(440)는 가스 유입 장치(430) 외부에 위치하여 독립적으로 동작할 수도 있다. 따라서, 송풍 장치(440)는 상기 수용된 폐가스를 응축 장치(450)로 이송시킬 수 있다. 송풍 장치(440)는 다양한 타입의 디바이스들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 송풍 장치(440)는 프로펠러 등을 회전시켜 공기를 빨아내거나 또는 송풍할 수 있다. 이 경우, 송풍 장치(440)는 원심형 팬, 축류형 팬 및/또는 용적형 팬 등을 포함할 수 있다. 다른 예시로, 송풍 장치(440)는 기체의 밀도 차이를 이용하여 폐가스를 이송시킬 수도 있다.
가스 유입 장치(430)로 수용된 폐가스는 송풍 장치(440)에 의해 응축 장치(450)로 이송될 수 있다. 응축 장치(450)는 수용된 폐가스에 포함된 수증기를 응축시킬 수 있다. 따라서, 응축 장치(450)에 의해 폐가스 내에 포함된 수증기가 물로 응축될 수 있다. 물과 이산화탄소의 응축되는 온도의 차이를 이용하여, 특정 온도(예컨대, 90℃) 하에서는 이산화탄소는 응축되지 않고 수증기가 물로 상태 변화를 일으킬 수 있다.
따라서, 응축 장치(450)는 수증기 응축을 통해, 폐가스 내의 물과 이산화탄소를 물리적으로 분리시킬 수 있다. 본 발명의 다른 양상에 따라서, 물과 이산화탄소의 분리는 배출 장치(460)에 의해 구현될 수도 있다. 이러한 경우, 배출 장치(460)는 액체 상태의 수증기와 기체 상태의 이산화탄소를 분류하여 냉난방용 배관(492) 및/또는 식물 재배용 배관(494)으로 이송할 수 있다.
응축 장치(450)는 증기를 냉각해 열을 빼앗아서 응축 변화시키는 장치를 의미할 수 있다. 예를 들어, 응축 장치(450)는 압축기로 고압 고온으로 압축된 냉매를 이용하여 증기를 냉각하고 응축열을 제거함으로써 증기를 액화시킬 수 있다. 또한, 응축 장치(450)는 열 교환장치를 포함할 수도 있다.
본 발명의 일 양상에서, 응축 장치(450)는 다양한 타입의 응축 방법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 이러한 응축 방법에는 수냉, 공냉 및/또는 증발식 등이 있다. 또한, 응축 장치(450)는 파이프벽을 사이에 두고 증기와 냉각액이 간접적으로 접촉하는 표면 응축 방법 또는 양자를 직접 접촉시키는 접촉 응축 방법을 이용할 수도 있다.
본 발명의 일 양상에서, 폐가스 내의 포함된 수증기가 응축되어 물로 변환되는 경우, 응축 장치(450)는 폐가스에 포함된 이산화탄소 가스를 물에 용해시킬 수 있다. 이러한 경우, 이산화탄소 가스가 용해된 물이 식물군락으로 이송될 수 있다. 또한, 응축 장치(450)는 폐가스 및/또는 수증기의 압력을 제어할 수 있어서, 이산화탄소 가스의 용해 정도를 제어할 수 있다.
따라서, 이산화가스를 물에 용해시킴으로써 식물군락 내에서 공기 중의 이산화탄소의 농도를 적절히 제어할 수 있다. 식물군락 내에서는 육상식물 뿐만 아니라 수중식물(예컨대, 조류)또한 존재할 수 있기 때문에, 수중식물로 이산화탄소를 효율적으로 공급하기 위해서는, 이러한 탄산수를 수중식물로 공급하는 것이 바람직할 것이다. 그러므로, 식물 재배 시설(210)로 공급되는 물 중의 일부는 냉난방용으로 사용되고, 일부는 육상식물의 생장을 위해 사용되고, 그리고 나머지 일부는 수중식물의 생장을 위해 탄산수의 형태로 사용될 수 있다.
배출 장치(460)는, 응축 장치(450)에 의해 수증기로부터 변화된 물과 폐가스로부터 포집된 이산화탄소 가스를 분리하여 배출할 수 있다. 즉, 배출 장치(460)는 물 및 이산화탄소 가스 중 적어도 하나를 분류하여 식물 재배 시설(410)로 공급할 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 배출 장치(460)는 물 중 일부를 식물 재배 시설(410)의 냉난방용 배관(493)으로 공급하고, 그리고 나머지 일부를 상기 식물 재배 시설(410)의 식물 재배용 배관(494)으로 공급할 수 있다. 본 발명의 다른 양상에서, 배출 장치(460)는, 물 중 일부를 식물 재배 시설(410)의 냉난방을 위한 열교환 장치로 공급하고, 그리고 나머지 일부를 식물 재배 시설(410)의 식물 재배용 배관(494)으로 공급할 수 있다.
도 4에서 도시되는 바와 같이, 배출 장치(460)는 센서(470), 제어 장치(480), 정화 장치(490), 열교환 장치(491) 및 저장소(492)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 배출 장치(460)는 전술한 컴포넌트들 이외의 다른 컴포넌트들을 포함할 수 있거나 또는 전술한 컴포넌트들의 일부만을 포함할 수도 있다.
일례로, 배출 장치(460)는, 수용된 폐가스 내의 황산화물 및 질산화물 중 적어도 하나의 농도를 검출하는 센서(470), 황산화물 및 질산화물 중 적어도 하나의 농도가 임계농도 이상인지 여부를 결정하는 제어 장치(480), 및 임계농도 이상이라고 결정되는 경우, 결정된 황산화물 및 질산화물 중 적어도 하나의 농도에 기반하여 탈질 및 탈황 처리 중 적어도 하나를 추가로 수행하는 정화 장치(490)를 포함할 수 있다.
정화 장치(490)는, 탈황기, 탈질기 등과 같이, 식물의 생장을 방해하는 폐가스의 필터링을 수행할 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 정화 장치(490)는 정화 기능을 갖는 식물체들로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 이러한 식물체들은, 정화 능력이 탁월한, 피닉스야자, 네프롤레피스, 보스턴고사리, 행운목, 아이비, 인도고무나무, 산세베리아, 싱고니움, 벤자민고무나무, 스파티필럼, 산세베리아, 파키라, 국화, 관음죽, 벤자민 및/또는 맥문동 등을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 양상에서, 전술한 식물체들 이외의 다른 식물체들이 정화 장치(490)를 구성할 수도 있다.
예를 들어, 전술한 바와 같은 정화 능력을 가진 식물들은 미세 먼지 또한 제거할 수 있다. 미세 먼지는 입자의 직경에 따라 2.5㎛ 미만의 미세입자와 2.5㎛이상의 거대입자로 분류할 수 있다. 미세먼지는 약 20-30㎛ 정도 크기의 식물기공에 의해 직접 흡수 되거나, 잎 표면에 있는 털 등에 흡착되어 제거 된다. 또한, 일반적으로 플러스(+)로 대전되어 있는 미세먼지는 식물에서 발생한 음이온에 의해 제거될 수도 있다.
본 발명의 일 양상에서, 배출 장치(460)는 연소 장치(110) 또는 식물 재배 시설(410)과 신호를 송수신하기 위한 통신 장치(미도시) 및 물 및 이산화탄소 가스의 공급을 제어하기 위한 제어 장치(480)를 포함할 수도 있다. 여기서, 제어 장치(480)는, 식물 재배 시설(410)로부터 수신된 신호를 기초로 하여 물 및 이산화탄소 가스 중 적어도 하나를 식물 재배 시설(410)로 공급하도록 배출 장치(460)를 제어할 수 있다. 여기서, 수신된 신호는 식물 재배 시설(410) 내에서의 물 및 이산화탄소 중 적어도 하나에 대한 농도값을 포함할 수 있다. 또한, 통신 장치(미도시)는 배관 장치(420)의 내부 컴포넌트들 사이에서 신호를 송수신할 수 있도록 구성될 수도 있다.
또한, 저장소(492)는 식물 재배 시설(410)로부터 수신된 신호를 기초로 하여 물 및 이산화탄소 가스 중 적어도 하나를 식물 재배 시설(410)로 공급하기 전까지 이들을 보관할 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 저장소(492)는 배출장치(460)의 외부에 독립적으로 위치할 수도 있다. 또는, 저장소(492)는 배관 장치(420)의 외부에서 독립적으로 위치할 수도 있다. 이러한 경우, 저장소(492)와 배관 장치(420) 사이에 배치된 통로부를 서로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 고온의 이산화탄소와 물은 열교환장치(491)를 통하여 식물 재배 및 냉난방에 적합한 온도로 변환될 수 있다.
따라서, 연소 장치(110)로부터의 폐가스 중 물과 이산화탄소는 서로 분리될 수 있으며, 여기서 이산화탄소는 식물 재배용 배관으로 그리고 물은 냉난방용 배관과 식물 재배용 배관으로 분리되어 공급될 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 양상에서, 식물재배용 배관(494)은 적어도 두개의 독립적인 배관들로 구성될 수 있다. 따라서, 식물 재배 시설(410)로부터의 피드백 데이터를 기초로 하여, 적절한 양의 물과 이산화탄소가 독립적으로 제어되어 공급될 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 냉난방용 배관은 열교환 장치를 포함할 수도 있다. 이러한 경우, 예를 들어, 열교환 장치는 환형, 원형 및 판형 등의 다양한 구조를 가질 수 있다. 또한, 이러한 열교환 장치는 유체가 직접 접촉하여 열교환하는 직접 접촉식, 열교환되는 유차 사이에 격벽(즉, 전열면)을 통해 간접적으로 열교환하는 격벽식, 및 고체의 축열(heat storage)제를 고온의 유체에 접촉시켜 고온 유체의 열을 흡수한 다음 저온 유체와 접속하여 저 유체에 열을 전달하는 축열식 등과 같은 다양한 원리로 동작될 수 있다.
식물 재배 시설(410)로 공급되는 폐가스는 물과 이산화탄소를 포함할 수 있다. 추가적으로, 물과 이산화탄소 이외의 폐가스(예컨대, 미세 먼지, 황산화물 및/또는 질산화물)는 식물 재배 시설(410) 내부의 정화장치를 통하여 추가로 필터링될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시설(505)의 컴포넌트들과 연소 장치(110)를 도시한다.
본 발명의 일 양상에서, 도 5에서 컴포넌트들을 연결하는 관(pipe)은 폐가스, 산소 및 물 등이 이동하는 통로를 의미할 수 있다. 또한, 도 5에서 컴포넌트들을 연결하는 장선은 데이터 등과 같은 신호가 이동하는 것을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 식물 재배 시설(505)은, 연소 장치(110)로부터 공급받은 가스 및 물을 이용하여 광합성 작용을 통해 산소 가스를 배출하는 식물들이 배치된 식물군락(510), 식물군락(510)으로부터 배출된 산소 가스를 포집하는 산소 포집 장치(520), 및 산소 포집 장치(520)에 의해 포집된 산소 가스를 연소 장치(110)로 이송하는 산소 배기 장치(530)를 포함할 수 있다.
추가적으로, 식물 재배 시설(505) 또는 식물 재배 시설(505)의 산소 포집 장치(520)는 산소 분리 장치(550), 산소가스 저장소(560) 및/또는 농도측정장치(570)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 도 5에서 도시되는 바와 같이, 연소 장치(110)로부터 배출되는 이산화탄소 및 수증기(물) 등을 포함하는 폐가스는 후처리 장치 (또는 배관 장치)(580)를 통해 식물 군락(510) 또는 식물 재배 시설(505)로 인입될 수 있다.
본 발명의 추가적인 양상에서, 후처리 장치(또는 배관 장치)(580)는 식물군락(510) 이외의 식물 재배 시설(505)의 다른 컴포넌트들로 연결될 수도 있다. 이러한 경우, 식물군락(510)은 식물 재배 시설(505)의 다른 컴포넌트들로부터 이산화탄소 및/또는 물을 공급받을 수 있다.
본 발명의 다른 양상에서, 도시되지는 않았지만, 후처리 장치(또는 배관 장치)(580)는 도 4에서 설명한 컴포넌트들 이외에 추가적인 컴포넌트들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 후처리 장치(또는 배관 장치)(580)는 유입된 폐가스를 사전결정된 타겟(target) 온도로 승온시키기 위한 가열 장치를 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 가열 장치에 의한 승온 프로세스에 의해, 유입된 폐가스의 상태(phase)가 변경되지 않고서 목적지(예컨대, 식물 재배 시설(505))까지 폐가스가 적절한 속도로 도달할 수 있다.
이러한 경우, 연소 장치(110)로부터의 폐가스는 상태 변화가 없도록 승온되기 때문에, 식물 재배 시설(505)까지 응축 현상 없이 이송될 수도 있다. 따라서, 수증기 유실 및 후처리 장치(또는 배관 장치)(580)의 부식 현상이 방지될 수 있다. 이러한 경우, 수증기의 응축은 식물 재배 시설(505) 내에서 구현될 수도 있다.
본 발명의 일 양상에서, 폐가스를 승온시킬 타겟 온도는 연소 장치(110)와 식물 재배 시설(505) 간의 거리를 기초로 하여 사전결정될 수 있다.
추가적으로, 폐가스의 최적의 속도를 달성하기 위하여, 연소 장치(110)의 평균 폐가스 배출량 및 연소 장치(110)와 식물 재배 시설(505)까지의 거리 중 적어도 하나를 기초로 하여 후처리 장치(또는 배관 장치)(580)의 단면적이 결정 및 조절될 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 후처리 장치(또는 배관 장치)(580) 내의 또는 후처리 장치(또는 배관 장치)(580)와 연결된 정화 장치는 연소 장치(110)로부터 배출된 폐가스 내의 포함된 황산화물(SOx), 질산화물(NOx) 및/또는 미세 먼지 등을 추가적으로 제거/정화시킬 수도 있다. 이러한 정화 장치는 탈질/탈황 장치일 수 있거나 또는 도 4와 관련하여 앞서 설명된 정화식물들을 포함할 수도 있다.
이러한 후처리 장치(또는 배관 장치)에 관한 세부적인 특징들은 도 6과 관련하여 구체적으로 후술하기로 한다.
식물 재배 시설(505)의 식물군락(510)은 도 3과 관련하여 전술한 바와 같이, 식물체들을 재배하기 위한 최적의 환경 조건(예컨대, 온도, 물, 이산화탄소 및 광도)을 유지시킬 수 있다. 또는, 이러한 동작은 식물 재배 시설(505)의 제어 장치(540)에 의해 구현될 수도 있다. 추가적으로, 식물 재배 시설(505) 또는 식물 군락(510)은 밀폐된 구조로 이루어질 수 있어서, 양호한 단열성으로 인해 냉/난방의 손실을 줄일 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 식물 재배 시설(505)은 식물군락(510) 내의 식물체들의 생장에 필요한 원소들을 포함하는 크놉액(수소, 산소, 질소, 황, 인, 철, 마그네슘, 칼륨 및 칼슘) 등을 공급할 수 있다.
식물군락(510)은 다양한 타입의 식물체들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 공기 정화 능력이 탁월한, 피닉스야자, 네프롤레피스, 보스턴고사리, 행운목, 아이비, 인도고무나무, 산세베리아, 싱고니움, 벤자민고무나무, 스파티필럼, 산세베리아, 파키라, 국화, 관음죽, 벤자민 및/또는 맥문동 등의 식물체들이 식물군락(510)을 구성할 수 있다. 본 발명의 다른 양상에서, 전술한 식물체들 이외의 다른 식물체들이 식물 군락(510)을 구성할 수도 있다.
본 발명의 일 양상에서, 식물군락(510)은 하나의 종의 식물체들로 구성될 수 있거나 또는 복수의 종들의 식물체들의 조합으로 구성될 수도 있다. 추가적으로, 식물군락(510) 대신에 인공 광합성 및/또는 광합성 가능 미생물에 의한 광합성 등이 본 발명의 일 양상에 따라 이용될 수도 있다.
본 발명의 일 양상에서, 수경재배 및/또는 토경재배 등의 재배 방식에 의해 식물군락(510) 내의 식물체들이 재배될 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 일정한 공간 하에서의 효율적인 재배를 위해, 바람직하게는 수경재배에 의해 식물군락(510) 내의 식물체들이 재배될 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 식물군락(510)은 일반적인 육상 식물 및/또는 조류(algae)와 같은 수중 식물로 구성될 수 있다. 따라서, 육상 식물의 경우 이산화탄소 가스를 공급받아 광합성을 수행할 수 있으며, 수중 식물의 경우 물에 용해된 이산화탄소를 공급받아 광합성을 수행할 수 있다. 그러므로, 식물 재배 시설의 내부 공간의 형상 및 사용자 설정 등에 따라서, 이러한 식물군락(510)은 육상 식물과 수중 식물의 다양한 조합으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 수중 식물의 경우, 조류와 같은 바이오메스들을 경작하기 위한 예컨대, 바이오리액터(bioreactor)와 같은 광원이 식물군락(510)에 포함될 수 있다. 미세조류의 경우 육상식물보다 수배 내지 수십배 정도의 높은 광합성 효율을 가질 수도 있다. 따라서, 미세조류의 높은 탄소 고정률을 이용함으로써, 효율적인 이산화탄소의 고정을 달성할 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 미세 조류의 예시로, 남조류(스피룰리나,Spirulina) 또는 헤마토코쿠스(헤마토코쿠스 플루비알리스,Haematococcus Pluvialis Flotow) 등과 같은 조류는, 풍부한 단백질, 광물질, 비타민과 효소, 항산화제, 아스타잔틴 등 인체에 이로운 많은 종류의 영양 성분을 함유하고 있다. 심지어 이러한 미세 조류로부터 바이오 디젤이 추출될 수 있어서 종국적으로 에너지원으로도 사용될 수 있다. 미세 조류에 의한 광합성을 유도하기 위해서는 배양액이 요구될 수 있다. 조류의 배양액은 광합성 시스템을 통해 광합작용을 충족시키고, 조류 세포가 필요로 하는 양분을 만족시키며, 배양액 중에 생겨나는 산소를 배출하고, 조류가 대량으로 생장 번식할 수 있도록 할 수 있다. 따라서, 식물군락(510)은 이러한 미세 조류의 생장 및 번식을 위한 배양액을 공급할 수도 있다.
본 발명의 추가적인 양상에서, 수중 식물은 물에 용해된 이산화탄소를 흡수하기 때문에, 이산화탄소 가스는 육상식물로 공급되고 이산화탄소가 용해된 물은 수중식물로 공급되는 방식을 통해, 식물군락(510) 내의 이산화탄소 가스의 농도를 제어할 수 있다. 따라서, 이를 통해, 이산화탄소 가스의 농도가 지나치게 높아져 식물군락(510) 내의 예컨대, 육상식물의 생장이 억제되는 것을 방지할 수 있다.
식물군락(510)에 의해 생성된 산소 가스는 산소 포집 장치(520)로 이송될 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 산소 포집 장치(520)는 이산화탄소와 산소를 분리하기 위한 산소 분리 장치(550)를 포함할 수 있다. 따라서, 이산화탄소와 산소의 분리를 보다 용이하게 하기 위해 산소 포집 장치(520)는, 식물 재배 시설(505)의 상부에 배치될 수 있다. 즉, 이산화탄소의 분자량이 산소의 분자량보다 크기 때문에, 산소의 포집을 보다 용이하게 하기 위해 산소 포집 장치(520)는 식물 재배 시설(505)의 상부에 위치하는 것이 바람직 할 수 있다.
본 발명의 추가적인 양상에서, 산소 포집 장치(520)는 식물 재배 시설(310)에서의 다양한 위치에 배치될 수도 있다. 또는, 산소 포집 장치(520)는 식물 재배 시설(310)의 외부에서 독립적으로 배치될 수도 있다.
본 발명의 추가적인 양상에서, 산소 포집 장치(520)는 식물 재배 시설(310)의 식물군락(510)을 구성하는 식물의 종류에 따라 가변적인 형상 또는 구조를 가질 수도 있다.
예를 들어, 식물군락(510)이 조류와 같은 수중식물을 포함하는 경우, 조류가 배출하는 산소 가스는 조류 식물군락의 상층에 있는 질소 가스 보다 하부에 존재할 가능성이 높다. 따라서, 산소 포집 장치(520)는 상층의 질소 가스를 우선적으로 강제 배출시킨 후에 조류가 배출하는 산소 가스를 식물군락의 상층부로 이동시킨 후 산소 가스를 포집할 수 있다. 이러한 경우, 산소 포집 장치(520)는 별도의 센서를 포함하고 있어서, 질소 가스의 농도를 검출하여 질소 가스를 강제로 배출하는 것을 제어할 수 있다. 전술한 방식의 산소 포집 방식의 경우, 새로운 공기가 유입되지 않는 한, 질소 가스의 배출로 인하여 연속적인 산소 가스의 포집이 가능할 수 있다.
예를 들어, 식물군락(510)이 육상식물을 포함하는 경우, 이산화탄소 가스와 산소 가스를 분리를 용이하게 하기 위해서, 산소 포집 장치(520)는 공기의 흐름을 안정화시킬 수 있는 안정화 장치(미도시)를 추가로 포함할 수도 있다. 또는, 산소 포집 장치(520)는 식물 재배 시설(310)의 공기의 흐름을 안정화시킬 수 있는 별도의 공간에서 산소 가스와 이산화탄소 가스를 분리(즉, 산소 가스를 포집)할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 산소 포집 장치(520)는 이산화탄소 가스와 산소 가스를 분리할 수 있거나 또는 폐가스 내에서 산소 가스를 포집할 수 있다. 이러한 동작들은 산소 포집 장치(520) 내의 산소 분리 장치(550)에 의해 구현될 수도 있다. 따라서, 산소 분리 장치(550)는 식물 재배 시설(310) 내에서 존재하는 가스에서 산소 가스를 분리해낼 수 있다. 또는, 산소 분리 장치(550)는 식물 재배 시설(310) 내에서 존재하는 이산화탄소, 수증기 및 산소 중에서 이산화탄소의 적어도 일부를 분리할 수 있다. 본 발명의 추가적인 양상에서, 산소 분리 장치(550)는 식물 재배 시설(310) 내에서 존재하는 이산화탄소와 산소를 분리시킬 수 있다. 본 발명의 추가적인 양상에서, 산소 분리 장치(550)는 이산화탄소 흡수제를 침착시킨 필터(들)를 포함할 수 있어서, 이러한 필터에 의해 이산화탄소가 필터링될 수도 있다.
본 발명의 일 양상에서, 식물군락이 수중식물들로 구성된 경우에, 수중식물들에 의해 배출된 산소는 물에 용해된 상태로 존재할 수 있다. 따라서, 산소 포집 장치(520)는 물에 용해된 산소를 분리 및/또는 포집하기 위한 개별적인 컴포넌트(들)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 산소 포집 장치(520)는 수중식물이 생성한 산소가 용해되어 있는 물의 일부를 포집하여, 물의 온도를 승온시켜 기체의 용해도를 낮추어 수증기와 이산화탄소 가스를 포집하여 이들을 분리할 수 있다. 또는, 산소 포집 장치(520)는 전기분해를 통해 용존산소에서 산소 가스를 분리할 수도 있다. 또는, 산소 포집 장치(520)는 막접촉기(membrane contactor)와 같은 가스 제거/분리 장치를 이용함으로서 용존 산소 중 산소 가스를 추출할 수도 있다. 이외에도, 산소 포집 장치(520)는 다양한 방식을 통해 물속에 용해된 산소를 포집할 수 있다. 또한, 이러한 동작들은 산소 포집 장치(520) 내의 산소 분리 장치(550)에 의해 수행될 수도 있다.
추가적으로, 산소 포집 장치(520) 또는 식물군락(510)은 용존 산소 센서(미도시)를 포함할 수도 있어서, 수중식물군락 내에서의 용존 산소의 농도를 감지하여, 산소를 포집할 시점 등을 결정할 수도 있다.
본 발명의 일 양상에서, 전술한 바와 같은, 공기 정화 식물(예컨대, 산세베리아)은 이산화탄소 제거 능력 또한 뛰어나기 때문에, 산소 분리 장치(550)는 공기 정화 식물들을 활용하여 이산화탄소를 필터링할 수도 있다.
또한, 공기 정화 식물은 조류와 같은 수중 식물을 포함할 수도 있다. 이러한 경우, 폐가스의 수증기가 응축되면서 물로 변화되었을 때, 물에 용해된 이산화탄소, 황산화물, 질산화물 및/또는 중금속과 같은 불순물에 대한 추가적인 정화 또한 수중 식물에 의해 구현될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 이산화탄소와 산소의 분자량의 차이로 인해, 식물 재배 시설(505)의 상부에 위치한 산소 분리 장치(550)는 효율적으로 산소만을 포집할 수도 있다.
추가적으로, 이산화탄소의 포집 기술은 흡수법 (absorption), 흡착법(adsorption) 및 막분리법(membrane) 등을 포함할 수 있다. 이들 중 흡수법은 기술적 성숙도가 높고, 이산화탄소의 대량 처리가 용이하여 이산화탄소의 회수 및 저장 기술의 상용화에 가장 근접한 포집 기술이라 할 수 있다. 현재 가장 많은 연구가 이루어지고 있는 대표적인 CO2 흡수제인 아민계 흡수제는 높은 재생 온도 (~140℃), 열화 및 부식, 흡수제의 높은 가격 등의 문제점을 가지고 있기 때문에 이를 대체하기 위한 흡수제 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 아민과 함께 CO2 흡수제로 각광을 받고 있는 암모니아 수는 오래전부터 산성가스의 처리를 위해 사용되어 왔으며 저렴한 흡수제 비용, 높은 화학적 안정성, 높은 CO2 포집량, 낮은 재생에너지 등 많은 장점이 존재한다.
본 발명의 추가적인 양상에서, 산소 포집 장치(520)는 순산소 연소가 가능한 순도의 산소를 포집할 수 있거나 또는 일반적인 연소를 위한 순도의 산소를 포집할 수도 있다. 즉, 산소 포집 장치(520)는 산소 포집에 소모되는 비용적 측면을 고려하여, 가변적인 순도의 산소를 포집할 수 있다. 따라서, 산소 포집 장치(520)에 의해 포집된 가스에는 산소 가스 이외의 불순물(예컨대, 이산화탄소, 질소 및/또는 중금속 등)이 포함될 수도 있다.
본 발명의 일 양상에서, 포집된 산소는 산소 가스 저장소(560)에 의해 임시적으로 저장될 수도 있다.
추가적으로, 산소 가스 저장소(560)는 농도 측정 장치(570)를 포함할 수 있어서, 저장된 산소 가스의 농도가 측정될 수 있다. 이러한 경우, 측정된 산소 가스의 농도가 사전결정된 임계 농도 이상인 경우에 한해, 산소 배기 장치(530)를 통해 산소 가스가 연소 장치(110)로 공급될 수 있다. 이러한 산소 가스의 배출을 제어하는 동작들은 제어 장치(540)에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 제어 장치(540)는, 측정된 산소 가스의 농도를 포함하는 데이터를 농도 측정 장치로부터 수신하여 측정된 산소 가스의 농도와 사전설정된 임계농도를 비교할 수 있다. 제어 장치(540)는 측정된 농도가 사전설정된 임계농도 미만인 경우, 산소 가스 저장소(560)가 포집된 산소 가스를 저장하도록 제어하고, 그리고 측정된 농도가 사전설정된 임계농도 이상인 경우, 산소 배기 장치(530)가 저장된 산소를 연소 장치(110)로 이송하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 제어 장치(540)는 식물 재배 시설(505) 내의 컴포넌트들의 전체적인 동작들을 제어할 수도 있다.
본 발명의 일 양상에서, 산소 배기 장치(530)는 식물 재배 시설(505)로부터 생성된 산소 가스를 (순산소) 연소 장치(110)로 공급할 수 있다. 예를 들어, 산소 배기 장치(530)는 산소 가스 이송 장치를 포함하며, 상기 산소 가스 이송장치는, 식물 재배 시설(505)과 연소 장치(110)에서의 산소 가스의 밀도차에 의해 연소 장치(110)로 포집된 산소 가스를 이송하도록 구성될 수 있다. 다른 예시로, 산소 배기 장치(530)는 송풍 장치를 포함하며, 상기 송풍 장치는, 압력 에너지를 가함으로써 상기 포집된 산소 가스를 연소 장치(110)로 이송하도록 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소 연소 시스템은 순산소 연소 장치로 고순도의 산소 가스를 효율적으로 제공할 수 있을뿐만 아니라, 순산소 연소 장치에 의해 발생되는 폐가스 내의 이산화탄소와 물을 효율적으로 활용할 수 있다.
즉, 도 1과 관련하여 상술한 종래의 순산소 연소 장치 및 순산소 연소 공정과는 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소 연소 공정은, 산소 분리 장치(ASU)를 이용하지 않고서도 고순도의 산소 가스를 순산소 연소 장치로 공급할 수 있다. 나아가, 순산소 연소 장치로부터 배출되는 배기 가스를 식물 군락에 필요한 영양소로 활용하기 때문에, 이러한 폐가스를 처리하는데 소모되는 비용을 절약할 수 있다.
더불어, 앞서 설명한 바와 같이, 온실효과의 주 원인인 이산화탄소를 공업화학적인 방법이 아닌 친환경적인 생물학적 방법을 통해 고정하기 때문에, 이산화탄소의 회수 및 저장에 대한 비용의 부담 또한 해소될 수 있다. 다시 말하면, 본 발명의 일 양상에 따른 기법을 통해, 보다 구체적이고 효과적인 온실가스(예컨대, 이산화탄소)의 배출을 저감시킬 수 있다.
나아가, 화력발전소와 같은 연소 장치의 폐가스를 수용할 수 있는 식물 재배 시설을 통해, 연소 장치를 포함한 화력발전소 등이 위치한 거주 환경에서의 환경 악화를 줄일 수 있다. 즉, 식물 재배 시설을 활용하여, 식물 재배 시설에 의해 배출되는 산소 가스 중 일부를 발전소 이외의 주민들의 힐링 시설 등으로 이송시킴으로써, 산소 가스의 사용 효율을 극대화시킬 수 있다. 따라서, 화력발전소와 결합되어 있는 식물 재배 시설을 통해 화력발전소의 설치 위치를 결정하는 것이 보다 용이해질 수 있다.
추가적으로, 화력발전소 등과 같은 연소 장치가 식물 재배 시설과 결합될 수 있기 때문에, 인구밀도가 높은 도심 지역에도 거부감 없이 화력발전소가 설치될 수도 있다. 이로 인해, 화력발전소와 실제로 전력을 사용하는 소비자들 간의 거리가 줄어들 수 있어서, 발전소에서 생산된 전력의 전달 과정에서 손실되는 전력량 또한 최소화될 수 있다.
게다가, 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시설은 자연환경이나 입지조건에 영향을 받지 않고 안정적으로 농작물 등을 생산할 수 있다. 즉, 심각한 기후변화는 기온, 강수량, 일조량 등을 변화시켜 국내 농업 생산성 저하를 초래할 수 있으나, 식물 재배 시설을 통해 태풍 등의 기상 조건 하에서도 안정적인 농작물 생산이 가능해질 수 있다.
더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시설은 실내 또는 지하공간에서의 녹색공간을 창출할 수 있기 때문에, 인구가 밀집되어 있는 지역에서 상용화 되었을 때 도시열섬효과를 감소시키며 발전 시설을 도시로 이동시킴으로써 송전비용 및 송전손실 또한 감소될 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시설은 수경재배를 기반으로 하고 있기 때문에, 특별한 토양관리 및 연작에 따른 토지약화 피해로 인한 문제점이 해결될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시설을 통해 생육기간의 단축뿐만 아니라 단위 면적당 높은 토지 생산성을 통한 연중 안정적인 영농 또한 가능해질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 연소 장치와 식물 재배 시설 사이에 배치되어 연소 장치로부터의 폐가스를 식물 재배 시설로 이송하기 위한 후처리 장치(620)를 포함하는 시스템을 도시한다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 일 양상에 따른 후처리 장치는 배관 장치와 상호 교환가능하게 사용될 수도 있다.
도 6에서 도시되는 바와 같이, 본 발명의 일 양상에 따른 후처리 장치(620)는 연소 장치(110)로부터의 폐가스를 식물 재배 시설(610)로 이송할 수 있다. 본 발명의 일 양상에 따른 후처리 장치(620)는 가스 흡입 장치(630), 가열 장치(640), 제어 장치(650) 및 가스 배출 장치(660)를 포함할 수 있으나, 이들로 한정되지는 않는다. 즉, 후처리 장치(620)는 이들 중 일부의 컴포넌트들로 구성될 수 있거나 또는 이들 이외의 추가적인 컴포넌트들을 포함할 수도 있다.
연소 장치(110)에 의해 배출되는 폐가스는 하나 이상의 배기관(680)을 통하여 가스 흡입 장치(630)로 인입될 수 있다. 가스 흡입 장치(630)는 연소 장치(110)로부터의 폐가스를 수용하여 이를 저장할 수 있다. 가스 흡입 장치(630)는 제어 장치(650)로부터의 명령에 따라서 저장된 폐가스를 가열 장치(640)로 이송할 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따라서, 연소 장치(110)로부터의 폐가스를 수용하는 가스 흡입 장치(630)의 하나 이상의 배관의 총 단면적은 폐가스를 배출하는 연소 장치의 하나 이상의 배관의 총 단면적보다 넓을 수 있다. 본 발명의 일 양상에 따라서, 제어 장치(650)의 명령에 따라서, 가스 흡입 장치(630)는 하나 이상의 배관 중 일부의 분배 배관을 차단함으로써 가스 흡입 장치(630)의 배관에서의 폐가스 압력을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따라서, 후처리 장치(620)는 송풍 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 송풍 장치는, 압력 에너지를 가함으로써 또는 밀도차를 형성함으로써 배기 가스를 식물 재배 시설(610)로 이송하는 것을 보조할 수 있다.
이러한 송풍 장치는 후처리 장치(620) 내부에 존재하거나 또는 외부에 존재하여 후처리 장치(620)와 통신가능할 수도 있다. 또한, 송풍 장치는 후처리 장치(620) 내의 컴포넌트들 내부에 포함될 수도 있다. 본 발명의 일 양상에서, 제어 장치(650)는, 식물 재배 시설(610)의 하나 이상의 배관으로의 폐가스의 유입 속도가 사전결정된 타겟 속도 이하로 유지되도록 그리고/또는 폐가스의 압력이 타겟 압력 이하로 유지되도록 송풍 장치를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 가열 장치(640)는 수용된 폐가스를 가열함으로써 폐가스의 온도를 승온시킬 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따라서, 제어 장치(650)는 연소 장치(110)와 식물 재배 시설(610)과의 거리에 적어도 부분적으로 기초하여, 수용된 폐가스를 승온처리할 타겟 온도를 결정할 수 있다.
또한, 제어장치(650)는, 연소 장치(110)와 식물 재배 시설(610)과의 거리에 기초하여, 식물 재배 시설(610)에 도달하기 전까지 승온된 폐가스의 상태(phase)가 유지되도록, 폐가스를 승온처리할 타겟 온도를 결정할 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 양상에 따라서, 제어 장치(650)에 의해 결정된 타겟 온도는 120℃ 내지 150℃일 수 있다. 또는, 제어 장치(650)는 식물 재배 시설(610)에 도달했을 때의 폐가스의 온도가 100℃ 내지 120℃가 되도록, 폐가스를 승온처리할 타겟 온도를 결정할 수도 있다. 추가적으로, 제어 장치(650)는 이송되는 폐가스의 온도가 사전설정된 임계온도(예컨대, 110℃) 이상으로 유지되도록, 폐가스를 승온처리할 타겟 온도를 결정할 수 있다. 이러한 결정은, 연소 장치(110)와 식물 재배 시설(610) 간의 거리, 연소 장치(110)로부터 배출되는 폐가스의 온도, 종류 및 양, 및 연소 장치(110)와 식물 재배 시설(610) 주변의 환경 정보 등에 기초할 수 있다.
이러한 결정에 따라서, 가열 장치(640)는 승온처리하도록 결정된 온도에 따라서 폐가스의 온도를 승온시킬 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 가스 배출 장치(660)는, 승온된 폐가스를 식물 재배 시설의 배관으로 배출할 수 있다. 가스 배출 장치(660)는 승온된 폐가스를 상기 식물 재배 시설의 배관으로 분배하여 배출하기 위한 하나 이상의 분배 배관(670)을 포함할 수도 있다. 가스 배출 장치(660)의 하나 이상의 분배 배관은, 식물 재배 시설(610)의 하나 이상의 분배 배관과 대응될 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 상기 분배 배관(670)은 도 4에서의 배관 장치(420)를 의미할 수도 있다.
본 발명의 일 양상에서, 가스 배출 장치(660)는 제어 장치(650)로부터의 명령에 따라서, 식물 재배 시설(610)로 폐가스를 이송할 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 제어 장치(650)는, 연소 장치(110)와 식물 재배 시설(610)과의 거리에 적어도 부분적으로 기초하여 가스 배출 장치(660)의 분배 배관의 총 단면적을 결정 또는 조절할 수 있다. 분배 배관의 총 단면적은, 하나 이상의 분배 배관 중 일부의 분배 배관이 차단됨으로써 조절될 수 있다.
또한, 제어 장치(650)는, 식물 재배 시설(610)의 배관으로의 폐가스의 유입 속도가 사전결정된 타겟 속도 이하로 유지되도록, 분배 배관의 총 단면적을 결정할 수 있다. 이러한 경우에도, 분배 배관의 총 단면적은, 하나 이상의 분배 배관 중 일부의 분배 배관이 차단됨으로써 조절될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제어 장치(650)는 연소 장치와 식물 재배 시설간의 거리, 주변 환경 정보, 식물 재배 시설에서 재배되는 식물체의 종류, 연소 장치로부터 배출되는 폐가스의 종류 및 양 등을 기초로 하여 식물 재배 시설로 이송되는 폐가스의 압력을 결정 및 제어할 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 폐가스를 식물 재배 시설로 배출하는 하나 이상의 후처리 장치 배관 총 단면적은, 폐가스를 하나 이상의 후처리 장치로 배출하는 연소 장치 배관 총 단면적보다 넓을 수 있다. 예를 들어, 후처리 장치에 의해 처리된 폐가스가 식물 재배 시설에 도착하여 각 층 또는 각 식물 군락으로 배분될 때의 각 층 또는 각 재배설 가스 유입속도가 1m/sec이하로 감속될 수 있도록, 식물 재배 시설의 배관의 총 단면적이 후처리 장치의 배관 총 단면적보다 크도록 제어될 수 있다.
예를 들어, 연소 장치를 포함하는 화력 발전소에서 배출되는 폐가스의 압력은 대략적으로 10mmHg일 수 있다. 이러한 경우, 식물 재배 시설로 이송되는 폐가스의 타겟 압력이 예컨대, 5mmHg이하가 되도록 제어될 수도 있다. 식물 군락으로 인입되는 폐가스의 압력 및 속도가 과도하게 높은 경우, 식물의 재배에 있어서 악영향을 미칠 수 있기 때문에, 이러한 타겟 압력의 결정 및 제어는 식물 재배 시설에서 재배되는 식물의 종류에 따라서 가변적일 수 있다. 또한, 이러하 압력의 제어는 하나 이상의 배관 중 특정 배관을 개폐함으로써 또는 송풍 장치를 이용함으로써 수행될 수 있다.
또는, 본 발명의 일 양상에서, 제어 장치(650)는 연소 장치로부터 식물 재배 시설로 이송되는 폐가스의 온도 및 압력을 적절하게 제어할 수 있다. 따라서, 폐가스의 이송 온도의 제어를 통해, 연소 장치로부터의 폐가스는 상태 변화가 없도록 승온되기 때문에, 식물 재배 시설까지 응축 현상 없이 이송될 수 있다. 나아가, 연소 장치로부터 배출되는 폐가스가 식물 재배 시설로 이송될 때 적절한 속도 및 압력을 가질 수 있도록, 후처리 장치는 폐가스의 압력을 제어할 수 있다. 그러므로, 수증기 유실 및 후처리 장치(또는 배관 장치)의 부식 현상이 방지될 수 있으며, 식물 재배 시설에서의 식물 생장이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 가스 배출 장치(660)로부터 식물 재배 시설(610)로의 폐가스의 배출은, 도 4의 배출 장치(460)로부터 식물 재배 시설(410)로의 폐가스의 배출 프로세스를 포함할 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 양상에 따른 후처리 장치(620)는 도 4에서 도시되는 컴포넌트들을 추가로 포함할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐가스 처리 장치의 컴포넌트들을 도시한다.
연소 장치(110)는 화석 연료를 연소하여 이산화탄소, 산화질소(NOx), 산화황(SOx)등을 배기 가스로 배출한다. 일반적으로 본 발명의 일 양사에 따른 연소 장치(110)는 공장, 화력발전소 등이 포함될 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다.
폐가스 처리 장치(700)는 연소 장치에 의해 발생된 폐가스를 흡입 및 수용하는 가스 수용부(또는 가스 수용장치)(710), 흡입 및 수용된 폐가스에서 분진 및 유해중금속 중 적어도 하나를 필터링 하는 필터(720), 필터링된 폐가스에 함유된 NOx 및 SOx에 촉매반응을 유발시킴으로써 산화환원된 NOx 및 SOx를 생성하는 산화환원부(또는 산화환원 장치)(730), 산화환원된 NOx 및 SOx를 접촉물질과 반응시켜 비료기초재를 추출하는 접촉부(740), 추출된 비료기초재를 여과재와 반응시켜 또는 여과재에 통과시켜 식물군락으로 이송할 양액(nutrient solution)을 조제하는 양액조제부(750), 및 생성된 비료를 식물군락으로 이송하는 이송부(760)를 포함 할 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 여과재는, 오폐수 및/또는 악취 등을 제거 또는 정화할 수 있는 임의의 물질을 포함할 수 있다. 추가적으로, 이러한 여과재의 기능은 필터링 동작을 포함할 수 있으며, 이러한 필터링은 물리적 필터링 및/또는 화학적 필터링을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 폐가스 처리 장치(700)의 필터(720), 산화환원부(730) 및 접촉부(740)는 반응기(reactor) 또는 응축기(미도시)에 포함될 수 있다. 본 명세서에서의 반응기는, 필터, 촉매반응, 열회수 등과 같은 다양한 동작 또는 반응을 수행할 수 있는 장치를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 본 명세서에서의 반응기 및 열교환기는 서로 상호교환가능하게 사용될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서의 응축기(또는 응축장치) 및 필터는 서로 상호교환가능하게 사용될 수도 있다. 추가적으로, 본 명세서에서의 필터는 수용된 폐가스를 응축하기 위한 응축장치를 포함할 수도 있다.
따라서, 반응기의 반응 동작(또는 열교환기에서의 열 교환 동작(즉, 열 회수 동작 또는 응축 동작))의 일 부분으로서 또는 반응 동작에 추가하여, 필터링 동작, 산화환원 동작 및 비료기초재 생성 동작이 수행될 수 있다. 예를 들어, 하나의 장치에 의한 열 회수 동작을 통하여, 필터링 동작, 산화환원 동작 및/또는 비료기초재 생성 동작이 구현될 수 있다.
반응기 또는 열교환기 또는 응축기에 대한 설명은, 도 4의 응축장치(450)에 대한 설명으로 대체하기로 한다.
이하 각 컴포넌트 별로 보다 상세히 설명한다.
가스 수용부(710)는 연소장치(110)에 의해 발생된 폐가스를 흡입 및 수용한다. 흡입 및 수용하여 폐가스 처리 장치에서 가스 처리가 보다 용이하게 구현되도록하는 역할을 한다.
필터(720)는 흡입 및 수용된 폐가스에서 본 발명에서 사용되는 유효 성분인 NOx, SOx 등을 제외한 각종 유해 성분 및 분진을 제거한다. 유해 중금속이 제거되지 않고 비료 기초재에 포함되어 버릴 경우 식물에 축적되어 생물 농축 현상에 의해 식물을 이용하는 사람에게 해로운 영향을 줄 수 있다. 또한, 분진 등은 당업계에 익히 알려진 건식 또는 습식 방식으로 공기중에 직접 배출되지 않도록 제거된다.
본 발명의 추가적인 양상에서, 필터(702)에 의해 필터링된 폐가스는, NOx 및 SOx 뿐만 아니라 C, H, O, P, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn, Co, Cl, Mo 및 B 등과 같이 다양한 원소들을 포함할 수도 있다. 즉, 필터(702)에 의해 필터링된 폐가스는, 식물 생장을 위한 필수원소(구조원소)(예컨대, C, H, O), 1차 다량원소(N, P, K), 2차 다량원소(Ca, Mg, S) 및 미량원소(B, Cl, Co, Cu, Fe, Mn, Mo, Zn)중 적어도 일부분을 포함할 수 있다.
예를 들어, 필터링된 폐가스의 일부분은 SOx 및 NOx를 포함할 수 있으며, 나머지 일부분은 무기물질을 포함할 수 있다. 따라서, 폐가스의 일부분을 구성하는 SOx 및 NOx는 후술될 바와 같이 산화환원 반응 등을 통하여 비료기초재를 형성할 수 있으며, 폐가스의 다른 일부분을 구성하는 무기물질 또한 비료기초재와 함께 양액 제조에 활용될 수 있다. 추가적으로, 폐가스의 일부분인 SOx 및 NOx를 이외의 폐가스의 다른 부분은 무기물질로 한정되지는 않으며 임의의 물질을 포함할 수도 있다.
따라서, 이렇게 필터링된 폐가스 내에 포함된 식물생장을 위한 다른 원소들 또한 양액 조제부(750)로 인입되어 접촉부(740)에 의해 생성된 비료기초재와 함께 식물군락으로 이송할 양액을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 산화 환원 장치(730)는 용액 주입부(731), 전자선 반응조(733)을 포함할 수 있다. 산화 환원 장치(730)는 필터(720)를 거친 폐가스에서 산화 환원 반응을 통해 NOx 및 SOx에 따른 질산 및 황산을 생성할 수 있다.
폐가스 중 화학적으로 처리되고 남은 NOx, SOx 등은 안정화되어 있어 물과 반응 하게 하기 위해 고 에너지원인 UV(Ultra Violet) 또는 플라즈마(plasma)와 같은 전자선을 이용하여 활성화될 수 있다. 전자선 반응조(733)에서 NOx, SOx에 UV 또는 플라즈마를 가해 활성화하여 물에 포함된
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이온과 흡수반응을 촉진시킨다. 활성화된 NOx, SOx는 물속에 용존된
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이온과 반응하여 약산성의 물질(질산, 황산)이 될 수 있다.
상기 약산성의 물질을 접촉부(740)에서 접촉물질(745)과 접촉시키게 하면, 광물질에 포함된 Ca, Mg 이온 등이 포함된 비료기초재를 획득할 수 있다. 즉, 산화환원부를 거친 물질들과 접촉물질이 접촉하여 화학반응을 유발시킴으로써 비료기초재가 생성될 수 있다. 상기 비료기초재가 식물군락으로 이송될 (고토)비료의 원 재료가 될 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 접촉물질(745)은 접촉광물질 또는 접촉광물질과 동일한 화학반응을 구현할 수 있는 임의의 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 접촉광물질은, 사문석, 백운석 및 제올라이트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 추가적으로, 접촉물질은 전술한 물질들로 제한되지는 않으며 동일한 기능을 갖는 다른 물질들 또한 접촉물질이 될 수도 있다.
사문석은 단사정계(單斜晶系)에 속하는 함수마그네슘층상규산염광물의 총칭이다. 이러한 사문석은 황록색, 녹색, 암녹색, 갈적색, 갈황색을 띠고 조흔색은 흰색이며, 장식석재, 가용성 인비(燐肥)의 재료로 사용될 수 있다 (화학성분
Figure 112014058517757-pat00003
). 사문석은, 한 종류의 광물이 아니라 여러 가지 변종이 존재할 수도 있으며, 이러한 경우 변종의 집합체일 수 있으며, 일반적으로는 안티고라이트와 온석면·리자다이트 등의 광물 또는 이들의 집합체이다. 보통은 사문석에는 온석면과 안티고라이트가 많을 수 있다. 이들은 결정형을 나타내지 않고, 섬유상·엽편상(葉片狀)의 집합체로 되어 큰 덩어리를 이루기도 한다. 황록색·녹색·암녹색·갈적색·갈황색 등을 나타내며, 반투명 또는 불투명하다. 조흔색은 흰색이며, 지방광택(脂肪光澤)·진주광택·토상광택(土狀光澤) 등을 가질 수 있다.
백운석은 삼방정계의 광물로, 방해석의 돌로마이트화로 형성되며, 방해석과 비슷하다. 굳기는 3.5~4, 비중은 2.8~2.9이고 흰색, 회색 또는 분홍색, 노란색, 갈색, 녹색을 띤다(화학성분은
Figure 112014058517757-pat00004
). 탄산석회와 탄산마그네슘이 1:1로 복탄산염을 이룬다. 단, 마그네슘의 일부는 철이나 망가니즈로 치환되는 경우가 많다. 백운석은 마름모 결정을 나타내며 결정면은 다소 만곡되어 있다. 흔히 안장 모양 또는 장미 봉오리 모양의 집합을 이룬다. 또한, 백운석은 입상(粒狀) 또는 치밀질의 집합체로 된 괴상(塊狀)을 이루는 것도 존재할 수 있다. 백운석의 굳기는 대략적으로 3.5~4, 비중은 대략적으로 2.8~2.9이다. 또한, 백운석은 마름모 방향으로 완전한 쪼개짐이 있을 수 있으며, 흰색·회색이거나 또는 분홍색·노란색·갈색 등을 띠며, 때로 녹색을 나타낼 수 있다.
제올라이트란 알칼리 및 알칼리토금속의 규산알루미늄 수화물인 광물을 총칭하는 단어이다. 제올라이트는 대체로 무색 투명하거나 백색 반투명한 색깔을 포함할 수 있다. 이러한 제올라이트는 비석이라고도 하며 종류는 많으나 함수량이 많은 점, 결정의 성질, 산상 등에 공통성이 있다. 제올라이트의 굳기는 일반적으로 6을 넘지 않으며, 비중은 약 2.2이다. 대개의 제올라이트는 염산에 녹아 흔히 아교 모양이 되지만, 소수의 종류는 염산에 녹지 않는다. 제올라이트의 종류로는 방비석·어안석·캐버자이트·소다비석·휼란다이트·스틸바이트·로몬타이트·이네사이트 등이 있다. 제올라이트는 현무암이나 휘록응회암 등 염기성 화성암의 공동(空洞) 속이나 열극에서 산출될 수도 있으며, 때로는 화강암·편마암 중에 2차광물로서 존재할 수도 있다. 또한, 제올라이트는 금광맥 그 밖의 광맥 중에 산출되는 경우도 있다. 제올라이트는 결정구조적으로 각 원자의 결합이 느슨하여, 그 사이를 채우고 있는 수분을 고열로 방출시켜도 골격은 그대로 있으므로 다른 미립물질을 흡착할 수가 있다. 이 성질을 이용해서 제올라이트는 흡착제로 사용될 수도 있으며, 크기가 다른 미립물질을 분리시키는 분자체[分子篩]로 사용될 수도 있다.
본 발명의 일 양상에서, 산화 환원장치를 통해 NOx, SOx를 포함하는 약산성의 물질은 접촉물질과 접촉하여 중화되고, 광물질의 Ca, Mg 이온을 포함하여 비료가 될 수 있다.
비료기초재를 정화부(747)에서 조류 및 수질 정화용 식물 등을 이용하여 정화하고 악취를 제거하여 식물 성장에 필요한 양액으로 조제할 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 센서부(743)는 접촉부에서 비료기초재의 농도를 측정할 수 있다. 본 발명의 일 양상에 따른 제어부(741)는 측정된 농도에 기초하여 식물재배시설(식물 군락)으로 보낼 비료기초재의 양을 결정할 수 있다. 이렇게 결정된 비료기초재는 이송부(760)을 통해 식물군락 또는 양액조제부(750)으로 이송될 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 양액조제부(750)는 상기 비료기초재에 여과재를 반응시켜 미세먼지, 유해중금속 등의 오염물질을 제거하여 상기 비료기초재를 양액으로 조제할 수 있다. 본 발명의 추가적인 양상에서, 이러한 양액은 전술한 식물생장에 기초가 되는 다른 원소들(예컨대, P 등)이 포함될 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 식물 재배 시설(310)은 수중식물 또는 육상식물을 재배할 수 있다. 상기 식물 재배 시설은 연소장치 근처에 설치될 수 있으며, 연소장치에서 나오는 폐기물 재처리하여 유익하게 활용할 수 있다. 또한 식물 재배 시설에서 발생된 산소는 연소장치의 순산소 연소 공정에 사용될 수 있도록 연소 장치로 전달(791)될 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 화력발전소등과 같은 연소 장치는 폐열을 이용하여 바닷물을 정제하여 소금을 추출할 수 있다. 해수 등에서 소금을 추출하고 남은 모액(즉, 간수)는 염화 마그네슘 등의 결정이다. 따라서, 해수에서 소금을 정재하고 배출되는 간수는 Mg 이온 등이 함유하고 있으며, 이러한 Mg 이온 등은 식물 생장을 촉진시킬 수 있다. 따라서, 폐가스 처리장치(700)는, 용액 주입부(731)로 해수 또는 소금을 정재한 간수를 주입하여 Mg이온 등을 비료에 활용할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 양상에 따른 용액 주입부(731)는 간수를 포함하는 용액을 의미할 수 있다. 따라서, 이러한 용액 주입부(731)를 통하여 본 발명을 이용하여 생산되는 비료에 용액 주입부(731)에서 Mg이온을 추가적으로 제공할 수 있다.
본 발명의 추가적인 양상에서, 용액 주입부(731)는 해수를 직접적으로 수용하여 이를 정제하여 소금을 추출한 간수를 형성하기 위한 소금물 정제부(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
따라서, 본원 발명의 기술적 특징을 통하여, 연소설비에서 발생되는 폐가스 및/또는 해수를 이용하여 식물생장에 도움이 될 수 있는 비료, 이산화탄소, 물(또는 탄산수)를 생성할 수 있기 때문에, 낭비되는 폐자원의 효율적인 활용을 도모할 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 이송부(760)는 양액조제부에서 제조된 양액을 식물 재배 시설(310)으로 이송할 수 있다. 이송된 양액은 식물 재배를 위한 비료로 사용될 수 있다. 또한 이송부(760)는 양액을 보관할 수 있는 비료 형태로 만들어서 보관장소로 이송할 수도 있다. 이송부는 식물 재배 시설로 이송하기 위한 파이프, 기타 이송 수단 등의 이송 장비일 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 전체 반응 공정을 개략적으로 요약하면, 연소장치에서 배출된 폐가스는 가스 수용 장치에서 수용되었다가, 필터를 통해 미세먼지, 유해 중금속등이 제거된다. NOx, SOx는 산화 환원 장치를 통해 물에 수용되어 약산성을 띄게 된다. 상기 약산성의 용액은 접촉물질과 접촉하여 상기 광물질에 포함된 Ca, Mg이온 등을 수용하게 된다. 상기 수용액은 정화부를 거쳐 악취등 유해물질이 제거되고, 양액조제부에서 여과재와 반응하여 정화되어 식물 재배 시설로 이송될 수 있는 양액이 생성된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 연소 장치로부터의 폐가스에서 식물 재배를 위한 비료 기초재를 추출하기 위한 방법을 도시한다.
도 8에서 도시되는 단계들 이외의 추가적인 단계들 또한 본 발명의 권리 범위 내에 포함될 수 있다. 나아가, 도 8에서 도시되는 단계들의 일부분만이 본 발명의 일 양상에 따라 구현될 수도 있다.
도 8을 참조하면, 연소 장치의 폐가스에서 식물 재배를 위한 비료기초재를 추출하기 위한 방법이 개시된다.
상기 방법은 연소장치로부터 발생되는 폐가스를 흡입 및 수용하는 단계(810)을 포함할 수 있다. 즉, 배관 장치는 연소 장치로부터 배출된 이산화탄소, 수증기, SOx 및 NOx 등이 포함된 폐가스를 수용할 수 있다.
그리고나서, 배관 장치는 수용된 폐가스를 필터링하여 분진 및 유해중금속 중 적어도 하나를 필터링할 수 있다(820). 즉 폐가스를 필터링하여 비료기초재에 사용되지 않는 분진 또는 유해중금속을 제거함으로써, 비료기초재가 오염되지 않도록 할 수 있다. 또한 분진 또는 유해중금속이 바로 대기중으로 배출되지 않게 하여 대기 오염을 방지할 수 있다.
배관 장치는 필터링된 폐 가스의 일부분을 구성하는 SOx, NOx를 UV 또는 플라즈마 조건 하에서 물과 반응 시켜 산화 환원 된 SOx, NOx를 생성할 수 있다. 물에 SOx, NOx가 이온 형태로 함유된 경우 약산성 수용액이 될 수 있다.
상기 약산성 수용액을 접촉물질과 반응 시키면 광물질의 Ca, Mg를 이온상태로 수용하여 비료기초재가 추출될 수 있다(840).
또한 본 발명의 추가적인 양상에서, 바닷물에서 소금을 정재한 간수를 상기 수용액에 주입하여 식물의 성장을 위한 추가적인 Mg, Ca를 제공할 수 있다.
상기 비료 기초재는 정화 과정을 거쳐 식물 재배시설로 이송될 수 있다. 식물 재배 시설이 연소 시설 근처에 위치하는 경우 상기 이송은 파이프라인 등을 통한 직접 이송이 될 수 있다. 또한, 본 발명을 통해 생성된 비료기초재를 토대로 비료를 제조하여, 원거리에 있는 식물 재배 시설에 육상 등을 통해 이송 할 수도 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 연소 설비에 의해 발생된 폐가스를 처리하는 장치로서,
    상기 연소 설비로부터 발생된 폐가스를 흡입 및 수용하는 가스 수용부; 및
    상기 흡입 및 수용된 폐가스의 열을 회수하기 위한 반응기(reactor);
    를 포함하며,
    상기 반응기는:
    상기 흡입 및 수용된 폐가스에서 분진 및 유해중금속 중 적어도 하나를 필터링하는 필터;
    상기 필터링된 폐가스의 일부분인 NOx 및 SOx에 촉매반응을 유발시킴으로써 산화환원된 NOx 및 SOx를 생성하는 산화환원부; 및
    상기 산화환원된 NOx 및 SOx를 접촉물질과 접촉시켜 비료기초재를 추출하는 접촉부;
    를 포함하며,
    상기 산화환원부는 전자선 반응조를 더 포함하고, 그리고 상기 전자선 반응조는 상기 필터링된 폐가스에 함유된 NOx 및 SOx에 전자선을 조사하여 촉매반응을 유발시킴으로써 상기 산화환원된 NOx 및 SOx를 생성을 용이하게 하는,
    폐가스 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 접촉부는,
    상기 추출된 비료기초재의 농도를 측정하는 농도 측정 센서; 및
    상기 측정된 농도를 기초로 하여 식물군락(plant community)으로 이송할 비료의 양을 결정하는 제어부;
    를 포함하는,
    폐가스 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 추출된 비료기초재를 여과재에 통과시켜 식물군락으로 이송할 양액(nutrient solution)을 조제하는 양액조제부를 더 포함하는,
    폐가스 처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 생성된 비료를 식물군락으로 이송하는 이송부;
    를 더 포함하는,
    폐가스 처리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 식물군락은,
    육상 식물군락 및 수중 식물군락 중 적어도 하나를 포함하는,
    폐가스 처리 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자선 반응조는,
    자외선 및 플라즈마선 중 적어도 하나를 상기 필터링된 폐가스에 함유된 NOx 및 SOx에 조사하는,
    폐가스 처리 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 비료기초재는,
    황산고토비료기초재 및 석회고토비료기초재 중 적어도 하나를 포함하는,
    폐가스 처리 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 접촉물질은,
    사문석, 백운석 및 제올라이트 중 적어도 하나를 포함하는,
    폐가스 처리 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐가스 처리 장치는,
    상기 연소 설비와 식물 군락 사이에 배치되어 상기 연소 설비와 상기 식물 군락을 연결하는,
    폐가스 처리 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 접촉물질 내의 미생물을 이용하여 상기 추출된 비료기초재의 악취를 제거하도록 구성되는 정화부를 더 포함하는,
    폐가스 처리 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화환원부는,
    상기 필터링된 폐가스에 함유된 NOx 및 SOx에 미리결정된 양의 용액을 주입함으로써 상기 산화환원된 NOx 및 SOx의 생성을 용이하게 하는 용액 주입부를 포함하는,
    폐가스 처리 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터는, 상기 흡입 및 수용된 폐가스를 응축하는 응축장치를 포함하는,
    폐가스 처리 장치.
  14. 연소 설비에 의해 발생된 폐가스를 처리하기 위한 방법으로서,
    상기 연소 설비로부터 발생된 폐가스를 흡입 및 수용하는 단계; 및
    상기 흡입 및 수용된 폐가스의 열을 회수하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 회수하는 단계는:
    상기 흡입 및 수용된 폐가스에서 분진 및 유해중금속 중 적어도 하나를 필터링하는 단계;
    상기 필터링된 폐가스의 일부분인 NOx 및 SOx에 전자선을 조사하여 촉매반응을 유발시킴으로써 산화환원된 NOx 및 SOx를 생성하는 단계; 및
    상기 산화환원된 NOx 및 SOx를 접촉물질과 접촉시켜 비료기초재를 추출하는 단계;
    를 포함하는,
    연소 설비에 의해 발생된 폐가스를 처리하기 위한 방법.
  15. 연소 설비에 의해 발생된 폐가스를 처리하는 장치로서,
    상기 연소 섭리로부터 발생된 폐가스를 흡입 및 수용하는 가스 수용부;
    상기 흡입 및 수용된 폐가스에서 분진 및 유해중금속 중 적어도 하나를 필터링하는 필터;
    상기 필터링된 폐가스의 일부분인 NOx 및 SOx에 전자선을 조사하여 촉매반응을 유발시킴으로써 산화환원된 NOx 및 SOx를 생성하는 산화환원부; 및
    상기 산화환원된 NOx 및 SOx를 접촉물질과 접촉시켜 비료기초재를 추출하는 접촉부;
    를 포함하는,
    폐가스 처리 장치.
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