KR101556306B1

KR101556306B1 - 굴뚝 배기가스 폐열회수 및 백연저감 시스템

Info

Publication number: KR101556306B1
Application number: KR1020150051066A
Authority: KR
Inventors: 지철권
Original assignee: 지철권
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2015-10-01

Abstract

본 발명은 상부에서 흡습성염류 용액과 하부에서 제 1라인을 통해 공급되는 배기가스가 상호 접촉시간을 가지도록 하기 위한 접촉층이 구비되며, 상단에 접촉층을 통과한 배기가스가 외부의 굴뚝으로 전달되도록 하는 제 2라인이 구성된 열-수분 교환장치; 상기 열-수분 교환장치와 연결되어 낙하되는 흡습성염류 용액이 유입 및 저장되는 흡습성염류 용액조; 흡습성염류 용액조로부터 상기 열-수분 교환장치 상부를 연결하여 흡습성염류 용액을 순환시키는 제 3라인과 지역난방수가 순환되는 제 4라인이 연결되어 상기 제 3라인에서 공급되는 흡습성염류 용액으로부터 상기 제 4라인에서 공급되는 지역난방수로 열을 전달시키는 제 1열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배기가스 폐열회수 및 백연저감 시스템에 관한 것이다.

Description

굴뚝 배기가스 폐열회수 및 백연저감 시스템{System for waste heat recovery and abatement of white plume of exhaust gas in the chimney}

본 발명은 생활폐기물소각로 굴뚝, 열병합발전소 굴뚝, 연료전지탑 굴뚝 등에서 배출되는 배기가스에 의해 대기로 방출되는 현열, 잠열, 대기 오염물질을 저감시키는 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 질산칼슘을 함유하는 용액을 통해 배기가스에 포함되어 있는 현열, 잠열 및 수분을 회수하여 백연을 저감시키되 오염물질이 제거된 적정 염류농도가 유지된 흡습성염류가 사용되도록 하여 백연저감효율을 높일 수 있는 시스템에 관한 것이다.

생활폐기물소각로 굴뚝, 열병합발전소 굴뚝, 연료전지탑 굴뚝 등에서는 고농도의 오염물질이 포함된 배기가스를 발생시키는데, 배기가스에 포함되어 있는 오염물질을 제거하기 위해 일반적으로 흡수탑 즉, 습식집진장치가 이용된다. 습식집진장치는 고온의 배기가스에 물을 분무하여 배기가스 내의 오염물질을 제거하는 장치이며, 습식집진장치에서 배출되는 배기가스는 고온다습한 상태 즉, 포화상태로 연돌을 통해 대기 중으로 배출된다. 연돌을 통해 배출되는 배기가스는 포화수분을 함유하고 있기 때문에 하얀 연기인 백연의 형태로 띠게 된다. 연돌을 통해 배출되는 백연은 통상, 100∼200℃의 온도를 갖는데, 연돌 외부의 차가운 공기와 접촉하게 되면 백연내의 포화 수분이 응결되어 낙하되는 특성을 갖는다. 백연 내에는 다양한 오염물질이 포함되어 있음에 따라, 응결되어 낙하되는 수분에는 인체에 유해한 물질이 다량 포함되어 있다.

이와 같은 백연을 방지하기 위한 방법으로, 고온의 공기를 혼합시켜 배기가스의 상대습도를 저감시키거나 연돌에 버너를 설치하여 배기가스를 직접 가열하는 방식이 적용되고 있다. 그러나, 전자의 경우 설치비용이 매우 높고 후자의 경우, 연료 소비에 따른 유지비용이 높다는 단점이 있다. 또한, 백연을 저감시키는 방법으로 특허문헌 1(한국등록특허 제10-1200330호), 특허문헌 2(한국등록특허 제10-375555호)를 포함한 다수의 특허문헌이 제시된 바 있다. 그러나, 이러한 특허 기술들은, 전술한 바와 같은 복잡한 설비(습식집진장치) 등을 포함할 뿐만 아니라 백연을 저감시키는데 효율적이지 않다. 특허문헌 3(한국등록특허 제10-949853호)은 열교환기를 통해 백연의 온도를 낮추어 백연을 저감하는 기술을 제시하고 있으나, 백연 내에 포함되어 있는 오염물질을 제거하는데 한계가 있다. 이와 함께, 종래의 기술들은 백연 저감에 초점이 맞추어져 있어 백연에 포함되어 있는 열을 재활용하는데 미흡한 면이 있다.

한편, 습공기선도(Psychometric Chart)를 활용하여 다습한 배기가스의 물리적 특성을 살펴보면, 건구 온도와 절대습도를 좌표로 하는 t-x선도(t: 온도, x: 절대습도)에 따라 0∼60℃ 영역에서는 절대습도의 증가곡선이 완만한 곡선을 이루다가 60∼70℃ 영역에서는 절대습도가 급격한 상승곡선을 따라 증가하고, 70℃ 이상의 온도영역에서는 수직에 가깝게 미세한 온도차에 의해서도 절대습도가 증가되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 생활폐기물 소각장 굴뚝 등에서 배출되는 배기가스의 온도 및 습도를 적정 수준(출구온도 60℃ 이하, 절대습도 40 이하)으로 제어할 필요가 있다.

한국등록특허 제10-1200330호 한국등록특허 제10-375555호 한국등록특허 제10-949853호

본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 질산칼슘을 함유하는 용액(50 내지 70wt%)을 통해 배기가스에 포함되어 있는 잠열 및 수분을 회수하여 백연을 저감시키도록 하면서 이러한 백연저감효율을 높이기 위해 오염물질이 제거된 적정염류농도가 유지된 질산칼슘 용액이 적용되도록 하는 시스템을 제공하고자 함이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 굴뚝 배기가스 폐열회수 및 백연저감 시스템은 상부에서 흡습성염류 용액과 하부에서 제 1라인을 통해 공급되는 배기가스가 상호 접촉시간을 가지도록 하기 위한 접촉층이 구비되며, 상단에 접촉층을 통과한 배기가스가 외부의 굴뚝으로 전달되도록 하는 제 2라인이 구성된 열-수분 교환장치; 상기 열-수분 교환장치와 연결되어 낙하되는 흡습성염류 용액이 유입 및 저장되는 흡습성염류 용액조; 흡습성염류 용액조로부터 상기 열-수분 교환장치 상부를 연결하여 흡습성염류 용액을 순환시키는 제 3라인과 지역난방수가 순환되는 제 4라인이 연결되어 상기 제 3라인에서 공급되는 흡습성염류 용액으로부터 상기 제 4라인에서 공급되는 지역난방수로 열을 전달시키는 제 1열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1라인은 생활폐기물소각로 굴뚝, 열병합발전소 굴뚝, 연료전지탑 굴뚝 중 어느 하나의 배기가스원과 연결되어 배기가스원으로부터 유출되는 배기가스가 상기 열-수분 교환장치로 유입되도록 하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 흡습성염류 용액은 질산칼슘 용액인 것을 특징으로 한다.

이에 더하여 본 발명은, 상기 흡습성염류 용액조로부터 흡습성염류 용액을 순환시키는 제 5라인과 소각폐열을 순환시키는 제 6라인이 연결되어 상기 제 6라인에서 순환되는 소각폐열로부터 상기 제 5라인에서 공급되는 흡습성염류 용액에 열을 전달시키는 제 2열교환기; 상기 제 5라인에 연결되어 상기 제 2열교환기로부터 열이 전달된 흡습성염류용액이 유입되며, 유입된 흡습성염류 용액의 상분리를 통해 상단으로 제 7라인을 통해 증기를 배출하고 하단으로 제 8라인을 통해 농축수를 배출하는 상분리기; 상기 제 7라인 및 상기 제 4라인과 연결되어 상기 7라인을 통해 유입된 증기로부터 상기 제 4라인을 통해 공급되는 지역난방수에 열을 전달하는 제 3열교환기; 상기 흡습성염류 용액조에는 흡습성염류 용액을 순환시키는 제 9라인이 형성되며 상기 제 9라인에 형성되어 흡습성염류 용액으로부터 이물질을 제거하는 볼텍스필터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 열-수분 교환장치는 상기 제 3라인과 연통하는 복수의 분사노즐와, 각각의 분사노즐 하부에 복수의 희토류볼이 충진된 접촉층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 열-수분 교환장치는 일측에 염류유로가 형성되며 중앙부에 복수의 가스유로가 형성되도록 타공부가 형성된 복수의 구획판이 염류유로가 지그재그로 배치되도록 상,하로 구성되는 접촉층과, 최상층의 구획판에서 염류유로 반대측에서부터 흡습성염류가 유동하도록 구성되는 상기 제 3라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 더하여 상기 타공부는 상방향으로 직경이 커지는 꼬리와 상기 꼬리보다 직경이 큰 머리로 이루어진 베플이 복수로 구성되되 인접하는 베플의 머리 간에 가스유로를 형성하도록 하며, 흡습성염류의 유동방향과 평행하게 복수의 유도가이드가 돌출되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 열-수분 교환장치에는 상기 제 1라인 하부에 복수의 여재가 충진된 여재층이 구성되되 상기 여재는 클레이 100중량부에 망간산화물 20 내지 40중량부, 물 5 내지 15중량부, 경화제 0.1 내지 0.5중량부를 포함하여 배합됨을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 제 1라인에는 절대습도조절구가 구성되되, 상기 절대습도조절구는, 원통관형의 몸체와, 상기 몸체 중심에서 방사향으로 복수로 형성되며 끝단부가 상기 몸체를 관통하는 방열핀과, 상기 방열핀과 대응하는 위치에서 상기 몸체 하단에 상기 몸체와 연통하는 응결수저장공간으로 구성됨을 특징으로 한다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명은 흡습성염류를 함유하는 용액을 배기가스와 접촉시켜 배기가스 내의 수증기의 수분, 잠열 및 오염물질을 회수할 수 있으며, 회수된 잠열은 열교환을 통해 난방용수 등으로 재활용할 수 있는 장점이 있다.

또한 배기가스와 흡습성염류 용액의 접촉시간을 길게 가져감으로써 백연저감효율을 배가시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 배기가스와 접촉시키도록 순환해서 재이용 되는 흡습성염류 용액은 오염물질이 제거된 상태가 유지됨과 동시에 염류농도를 일정범위로 유지하도록 하여 백연저감효율을 배가시키고 열교환기의 열교환효율을 높이도록 하는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 시스템을 나타내는 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 구성인 열-수분교환장치의 일실시 예로서 작동상태를 나타내는 공정도이고,
도 3은 본 발명의 일 구성인 열-수분교환장치의 다른 실시 예를 나타내는 개략도이고,
도 4는 도 3에 도시된 예에서 접촉층의 상세를 나타내는 작동상태도이고,
도 5는 본 발명의 일 구성인 열-수분교환장치의 또 다른 실시 예를 나타내는 개략도이고,
도 6은 본 발명의 일 구성인 제 2열교환기, 상분리기 및 제 3열교환기의 작동상태를 나타내는 공정도이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시 예로서 절대습도제어구를 나타내는 개략도이다.

아래에서는 본 발명에 따른 양호한 실시 예를 상세히 설명한다.

본 발명은 흡습성염류 용액을 통해 배기가스의 오염물질을 흡착함과 함께 배기가스의 수분 및 잠열을 회수하는 기술을 제시하며, 특히 흡습성염류 용액의 농도를 일정하게 유지되도록 하면서 오염물질이 제거된 흡습성염류 용액이 반응에 이용되도록 하여 백연저감효율을 배가시키도록 함에 특징이 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 시스템(1)은 상부에서 흡습성염류 용액과 하부에서 제 1라인(ℓ1)을 통해 공급되는 배기가스가 상호 접촉시간을 가지도록 하기 위한 접촉층이 구비되며, 상단에 접촉층을 통과한 배기가스가 외부의 굴뚝(11)으로 전달되도록 하는 제 2라인(ℓ2)이 구성된 열-수분 교환장치(2); 상기 열-수분 교환장치(2)와 연결되어 낙하되는 흡습성염류 용액이 유입 및 저장되는 흡습성염류 용액조(3); 흡습성염류 용액조(3)로부터 상기 열-수분 교환장치(2) 상부를 연결하여 흡습성염류 용액을 순환시키는 제 3라인(ℓ3)과 지역난방수가 순환되는 제 4라인(ℓ4)이 연결되어 상기 제 3라인(ℓ3)에서 공급되는 흡습성염류 용액으로부터 상기 제 4라인(ℓ4)에서 공급되는 지역난방수로 열을 전달시키는 제 1열교환기(4); 상기 흡습성염류 용액조(3)로부터 흡습성염류 용액을 순환시키는 제 5라인(ℓ5)과 별도의 열원을 순환시키는 제 6라인(ℓ6)이 연결되어 상기 제 6라인(ℓ6)에서 순환되는 열원으로부터 상기 제 5라인(ℓ5)에서 공급되는 흡습성염류 용액에 열을 전달시키는 제 2열교환기(5); 상기 제 5라인(ℓ5)에 연결되어 상기 제 2열교환기(5)로부터 열이 전달된 흡습성염류용액이 유입되며, 유입된 흡습성염류 용액의 상분리를 통해 상단으로 제 7라인(ℓ7)을 통해 증기를 배출하고 하단으로 제 8라인(ℓ8)을 통해 농축수를 배출하는 상분리기(6); 상기 제 7라인(ℓ7) 및 상기 제 4라인(ℓ4)과 연결되어 상기 7라인(ℓ7)을 통해 유입된 증기로부터 상기 제 4라인(ℓ4)을 통해 공급되는 지역난방수에 열을 전달하는 제 3열교환기(7); 상기 흡습성염류 용액조(3)에는 흡습성염류 용액을 순환시키는 제 9라인(ℓ9)이 형성되며 상기 제 9라인(ℓ9)에 형성되어 흡습성염류 용액으로부터 이물질을 제거하는 볼텍스필터(10);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

우선 본 발명은 도 1에서 보는 바와 같이 배기가스원(A)으로부터 굴뚝(11)으로 배기가스를 배출하기 전에 본 시스템(1)으로 배기가스를 유도하도록 하는 것으로 상기 배기가스원(A)은 생활폐기물소각로, 열병합발전소, 연료전지탑을 포함하는 것이다.

상기 제 1라인(ℓ1)은 상기 배기가스원(A)에 연결되어 생활폐기물소각로, 열병합발전소, 연료전지탑 등으로부터 발생되는 배기가스가 상기 열-수분 교환장치(2)로 유입되도록 하는 것이다.

상기 열-수분 교환장치(2)는 배기가스에 포함되어 있는 오염물질, 수분 및 잠열을 회수하는 역할을 한다.

상기 흡습성염류 용액은 흡습성염류를 함유하는 용액으로서 배기가스의 잠열 및 수분을 흡열, 흡수함과 함께 배기가스 내에 포함되어 있는 오염물질을 흡착하는 역할을 한다.

상기 흡습성염류 용액에 용해되는 흡습성염류로는 질산칼슘이 이용될 수 있다. 질산칼슘은 오염물질 흡착특성이 우수하며, 용해도가 큼과 동시에 온도에 따른 용해도 차이가 커 저온 상태에서는 회수가 용이하다. 또한, 질산칼슘은 용해시 흡열반응을 일으켜 배기가스의 잠열 회수특성이 우수하다.

상기 질산칼슘이 흡습성염류로 사용되는 것 이외에, 상기 흡습성염류로 질산암모늄, 황산암모늄, 과염산바륨, 탄산수소칼륨, 질산나트륨, 염소산나트륨, 질산칼륨, 질산바륨, 과염소산나트륨, 염화나트륨, 염화칼슘, 개미산칼륨 중 어느 하나가 사용될 수 있다.

특히 흡습성염류 용액으로 질산칼슘 용액이 사용되는 경우 잠열 회수 및 수분 흡수 특성을 최대화하기 위해 질산칼슘 용액의 농도는 50∼70wt%로 조절되는 것이 바람직하다. 상기 흡습성 염류의 농도가 50wt% 미만이면 수분흡수율이 떨어지고, 상기 흡습성 염류의 농도가 70wt%를 초과하면 흡습성염류가 침전되거나 고화되는 경향이 있다. 이러한 적정의 농도를 유지하기 위해 본 발명에서는 이하에서 설명할 구성들을 구비하게 되는 것이다.

또한, 상기 열-수분 교환장치(2)에서 배기가스와 흡습성염류 용액은 1 : 2∼10의 중량비로 접촉하는 것이 바람직하며, 접촉시간은 적어도 1초 이상 유지되어야 한다. 즉 하강하는 흡습성염류와 상승하는 배기가스가 충분한 접촉시간을 가지도록 함으로써 백연저감효율 등을 높일 수 있게 되는 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 2가지 실시 예의 열-수분 교환장치(2)를 제시한다.

첫 번째 실시 예가 도 2에 도시되고 있는 바, 본 실시 예의 열-수분 교환장치(2)는 상기 제 3라인(ℓ3)과 연통하는 복수의 분사노즐(22)과, 각각의 분사노즐(22) 하부에 복수의 희토류볼이 충진된 접촉층(21)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 도 2에서는 분사노즐(22)이 상,하로 각각 제 3라인(ℓ3)과 연결되며 각각 분사노즐(22) 하부에 접촉층(21)이 구성된 예를 제시하고 있다.

분사노즐(22)과 접촉층(21)을 각각 대향되도록 복수로 구성하는 이유는 각 접촉층(21)에서 흡수성염류 용액과 배기가스의 접촉시간을 길게 가져가기 위한 것이며, 각 분사노즐(22)을 통한 흡수성염류 용액의 분사에 의해 접촉층(21)을 구성하는 희토류볼의 세척도 가능하도록 하기 위한 것이다.

상기 접촉층(21)은 배기가스 투과시 배기가스 내의 오염물질을 흡착함과 함께 음이온을 발생시켜 배기가스 내에 포함되어 있는 유기물을 분해하는 역할을 하며 특히 각 희토류볼에 낙하하는 흡습성염류 용액이 일시 함유되면서 상승하는 배기가스와 충분한 접촉시간을 가져가도록 하는 것이다.

상기 희토류볼은 희토류가 함유되어 있는 세라믹 담체로서, 상기 희토류로는 란탄(ℓanthanum), 세륨(cerium), 프라세오디움(praseodymium), 네오다늄(neodymium), 프로메튬(promethium), 사마륨(samarium), 유로퓸(europium), 가돌리늄(gadoℓinim), 테르븀(terbium), 디스프로슘(dysprosium), 홀뮴(hoℓmium), 에르븀(erbium), 툴륨(thuℓium), 이테르븀(ytterbium), 루테튬(ℓutetium), 스칸듐(scandium), 이트륨(yttrium) 중 어느 하나 또는 복수가 포함될 수 있다.

또한 도 2에서는 상기 흡습성염류 용액조(3)에 pH조정조(p)가 더 구성된 예를 제시하고 있으며, 상기 pH조정조(p)는 현장제어반(m)에 의해 자동으로 제어되도록 하여 상기 흡습성염류 용액조(3)의 pH가 조정되도록 한다. 이러한 pH의 조정은 공지기술로서 그 설명은 생략한다.

또한 도 2에서는 상기 열-수분 교환장치(2) 내부에 상기 제 1라인(ℓ1)과 연통하는 곡관(25)이 구성되도록 하는 바, 이렇게 곡관(25)을 구성하는 이유는 제 1라인(ℓ1)을 통해 유입된 배기가스(g)가 상기 곡관(25)에 의해 열-수분 교환장치(2) 내에서 와류를 형성하며 상승토록 하는 것이다. 이렇게 배기가스에 와류가 형성되도록 하는 이유는 상부로부터 하강하는 흡습성염류 용액과 접촉시간을 길게 가져가기 위한 것이다. 이러한 곡관(25)은 이하에서 설명할 도 3에 도시된 열-수분 교환장치(2)에는 도면에 도시된 바는 없으나 구성되도록 하는 것이 타당하다.

또한 다른 실시 예의 열-수분 교환장치(2)가 도 3 및 도 4에 도시되고 있다. 본 실시 예의 열-수분 교환장치(2)는 일측에 염류유로(232)가 형성되며 중앙부에 복수의 가스유로가 형성되도록 타공부(233)가 형성된 복수의 구획판(231)이 염류유로(232)가 지그재그로 배치되도록 상,하로 구성되는 접촉층(23)과, 최상층의 구획판(231)에서 염류유로(232) 반대측에서부터 흡습성염류가 유동하도록 구성되는 상기 제 3라인(ℓ3)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 구획판(231)은 열-수분 교환장치(2)를 상,하로 구획하도록 하면서 일측에 염류유로(232)가 형성되도록 하되, 복수의 구획판(231)이 각각 염류유로(232)가 지그재그로 배치되도록 상,하로 유격을 형성하여 제 3라인(ℓ3)을 통해 최상에 위치한 구획판(231)으로 유입된 흡습성염류 용액은 각각 구획판(231)을 타고 유동하면서 염류유로(232)를 통해 하방향으로 낙하되도록 하여 유입된 흡습성염류 용액은 지그재그로 유동을 하도록 하는 것이다.

이와 같이 배치하는 이유는 흡습성염류 용액의 유동을 길게 가져감으로써 배기가스와 접촉시간을 길게 가져가도록 하기 위한 것이다.상기 구획판(231)에는 상기 타공부(233) 주변부에 턱을 형성하는 적층판(237)이 더 구성되도록 하여 구획판(231)으로 유도된 흡습성염류 용액의 유동을 타공부(233)로 유도토록 하여 흡습성염류 용액과 배기가스의 접촉면적을 크게 가져가도록 하는 것이 바람직하다.

상기 타공부(233)는 도 4에서 보는 바와 같이 상방향으로 직경이 커지는 꼬리(236-1)와 상기 꼬리(236-1)보다 직경이 큰 머리(236-2)로 이루어진 베플(236)이 복수로 구성되되 인접하는 베플(236)의 머리(236-2) 간에 가스유로(235)를 형성하도록 함에 특징이 있다.

즉 타공부(233)는 복수의 베플(236)에 의해 형성되며 베플(236)의 머리(236-2) 간의 간극에 의해 가스유로(235)가 형성되어 상방향으로 유동하는 배기가스가 가스유로(235)를 통해 구획판(231)을 관통하여 구획판(231) 상부에서 유동하는 흡습성염류 용액과 접촉이 되도록 하는 것이다.

특히 상방향으로 유동하는 배기가스는 상기 꼬리(236-1)에 의해 분산되도록 하면서 베플(236) 간 꼬리(236-1) 형상에 의해 가스유로(235)로 분산된 배기가스가 모이면서 구획판(231)을 상방향으로 관통하도록 하여 상방향의 배기가스가 균일하게 분산되어 흡습성염류 용액과 접촉이 되도록 하는 것으로 전체 배기가스가 흡습성염류 용액에 노출이 되어 균일한 수분, 잠열 및 오염물질의 회수가 이루어지도록 하기 위한 것이다.

또한 복수의 머리(236-2)는 흡습성염류 용액의 유동에 굴곡된 면을 형성하게 됨으로써 균일하게 분산되어 상방향으로 유동하는 배기가스와 접촉효율을 높일 수 있게 되는 것이다. 즉 노출되는 복수의 머리(236-2)에 의해 흡습성염류 용액의 유동에는 와류가 형성되도록 하는 것이다.

또한 상기 타공부(233)에는 흡습성염류의 유동방향과 평행하게 복수의 유도가이드(234)가 돌출되도록 하는데, 이는 상기에서 본 바와 같이 흡습성염류의 유동이 상기 머리(236-2)에 의해 와류를 형성함에 더하여 와류가 상기 유도가이드(234)를 타격함으로써 더 큰 와류가 형성되도록 하여 접촉효율을 배가시킴과 동시에 흡습성염류의 유동을 염류유로(232) 방향으로 가이드 하기 위함이다. 바람직하게는 상기 유도가이드(234)는 알루미늄 등 방열소재로 구성하여 배기가스가 유도가이드(234)와 접하면서 방열이 되어 절대습도를 낮추도록 하는 것이 타당하다.

한편 상기 열-수분 교환장치(2)에는 도 5에서 보는 바와 같이 상기 제 1라인(ℓ1) 하부에 복수의 여재가 충진된 여재층(24)이 구비되도록 하는 예를 제시한다. 도 5는 도 2에 도시된 열-수분 교환장치(2)에 여재층(24)이 구성된 예를 도시하고 있으나, 도 3에 도시된 열-수분 교환장치(2)의 경우도 도면에 도시된 바는 없으나 여재층(24)이 구성될 수 있다.

이와 같이 여재층(24)이 구성되도록 하는 이유는 배기가스와 접촉되어 낙하되는 흡습성염류 용액이 상기 접촉층(21)에서 어느 정도 여과가 이루어진 상태이나 배기가스로부터 오염물질이 흡수된 상태인 것으로 이러한 흡습성염류 용액이 그대로 흡습성염류 용액조(3)로 유입되는 경우 상기에서 언급한 바와 같이 흡습성염류 용액의 적정농도가 유지되지 않게 되는 것이며 상기 제 1열교환기(4) 및 제 2열교환기(5)로 그대로 유입되는 경우 제 1열교환기(4) 및 제 2열교환기(5)에 이물질의 침적에 의해 열교환효율을 저하시키는 요인으로서 작용하게 되는 것이다.

이에 본 발명에서는 낙하되는 흡습성염류 용액이 흡습성염류 용액조(3)로 유입되기 전에 상기 여재층(24)을 거치도록 하여 여과가 이루어지도록 함으로써 흡습성염류 용액조(3)에서 적정의 염류농도가 유지되도록 함과 동시에 각 열교환기의 열교환효율을 저하시키지 않도록 하는 것이다.

더욱 바람직하게 상기 여재는 클레이 100중량부에 망간산화물 20 내지 40중량부, 물 5 내지 15중량부, 경화제 0.1 내지 0.5중량부를 포함하여 배합되도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 클레이는 다공성의 재질을 가짐으로써 오염물질의 흡착 및 미생물의 담체로서 유기물을 분해토록 하는 것이다.

상기 여재의 조성으로 망간산화물이 첨가되는데 이는 낙하되는 흡습성염류 용액에는 배기가스로부터의 중금속 성분이 함유되는데 이러한 중금속 성분은 일반적인 여재로는 그 여과가 용이하지 않아 흡습성염류 용액조(3)로 유입되는 경우에는 적정의 염류농도가 유지되지 않음은 물론 중금속이 흡습성염류 용액의 흡열반응을 방해하여 백연제거효율이 저하시키게 된다. 또한 중금속의 경우도 제 1열교환기(4) 등의 열교환효율을 저하시키는 요인이 되는 것이다.

특히 중금속 성분은 수중에서 입자성 물질에 흡착되어 있는 입자성과 용존성의 두 상태로 존재한다. 입자성 상태의 중금속은 입자를 여과함으로써 제거가 가능하나, 용존성 중금속의 제거는 여과에 의해 제거가 되지 않으며, 특히 플라스틱 재질의 여재는 중금속과 반응성이 없는 문제가 있다. 이에 상기 망간산화물은 pH 6∼8에 음전하를 나타내므로 양전하를 띠는 중금속성분도 흡착하여 제거할 수 있도록 하는 것이다.

상기에서 언급한 열-수분 교환장치(2)에는 상단부에 분리층(a)이 구성되는데 상기 분리층(a)에서는 상승된 배기가스로부터 수분을 제거토록 한다. 이와 같은 분리층(a)의 재질은 다양한 공지의 재질로서 구성될 수 있다.

이하에서는 상기 열-수분 교환장치(2)의 작동관계를 설명한다.

소각도, 발전소 등에서 발생된 배기가스는 굴뚝(11)으로 이동하기 전에 우선 제 1라인(ℓ1)을 통해 열-수분 교환장치(2)로 공급된다. 열-수분교환장치(2) 내부로 공급된 배기가스는 상향되는데 흡습성염류 용액이 낙하함에 따라 상호 접촉을 통해 오염물질, 수분 및 열이 제거되기는 하나 접촉층(21, 23)을 통과하면서 접촉층(21, 23)으로 낙하된 흡습성염류 용액과 접촉시간을 길게 가져가면서 접촉층(21, 23)을 통과한 배기가스는 흡습성염류 용액에 의해 오염물질, 수분 및 잠열 이 제거된 상태가 되고 이러한 배기가스가 제 2라인(ℓ2)을 통해 굴뚝(11)으로 전달되는 것이다.

즉 백연이 저감되어 외부에서 오염물질이 응결수와 낙하되는 등의 오염문제가 해소되는 것이다. 유입되는 배기가스는 100∼200℃정도인데 흡습성염류 용액과 접촉을 통해 굴뚝(11)으로 배출되는 배기가스는 60℃ 이하의 온도로 떨어짐과 함께 절대습도도 40(g/m3) 이하로 조절될 수 있도록 하는 것이다.

한편 접촉층(21, 23)을 통과한 흡습성염류 용액(w1)은 배기가스로부터 오염물질, 수분 및 잠열이 흡수된 상태로 도 5에서 보는 바와 같이 여재층(24)을 통과하게 되는데 여재층(24)에서 상기에서 언급한 바와 같이 유기물은 물론 중금속의 경우도 제거된 상태의 흡습성염류 용액(w2)이 되어 흡습성염류 용액조(3)로 유동하게 되는 것이다.

상기 흡습성염류 용액조(3)는 흡습성염류 용액의 저장조이며, 상기 흡습성염류 용액조(3)에는 상기 열-수분교환장치(2) 내부에서 낙하되는 흡습성염류 용액이 유입된다. 열-수분 교환장치(2)로부터 유입되는 흡습성염류 용액은 배기가스의 잠열을 흡수한 상태임에 따라 흡습성염류 용액조(3) 내의 온도는 고온상태를 유지한다. 또한, 열-수분 교환장치(2)로부터 유입되는 흡습성염류 용액 내에는 상기 여재층(24)을 통한 여과가 이루어진 상태이나 오염물질이 완전히 제거된 상태는 아니다.

즉 상기 흡습성염류 용액조(3) 내에는 분진 등의 오염물질이 포함되어 있으며, 해당 오염물질은 흡습성염류 용액조(3) 하부로 자연침강 되며 일부는 부유 상태를 이룬다. 또한 본 발명에서는 상기 흡습성염류 용액조(3)에는 흡습성염류 용액을 순환시키는 제 9라인(ℓ9)이 형성되도록 하며, 상기 제 9라인(ℓ9)에 형성되어 흡습성염류 용액으로부터 이물질을 제거하는 볼텍스필터(10)가 구성되도록 한다.

이와 같이 볼텍스필터(10)를 구성하는 이유는 흡습성염류 용액은 계속적으로 순환되면서 제 1열교환기(4) 등을 순환하게 되는데 흡습성염류 용액에 이물질이 존재하면 상기에서 언급한 바와 같이 열교환효율을 저하시키고, 열-수분 교환장치(2)에서 반응성도 저하시키므로 흡습성염류 용액조(3)에는 흡습성염류 용액을 순환시키는 제 9라인(ℓ9)이 구성되도록 하고 순환되는 흡습성염류 용액은 상기 볼텍스필터(10)에 의해 여과가 이루어진 상태의 흡습성염류 용액이 흡습성염류 용액조(3)로 순환되도록 하는 것이다.

상기 흡습성염류 용액조(3) 일측에는 흡습성염류 용액조(3)에 저류되는 흡습성염류 용액이 일정 수위를 초과하는 경우 이를 오버플로우 등에 의해 유동시켜 저류시키는 보조저장조(9)가 더 구성되는데 보조저장조(9)에는 도면에 도시된 바는 없으나 하기 제 7라인(ℓ7)을 통해 하기 제 4열교환기(8)를 거친 응결수도 저류되도록 할 수 있다.

흡습성염류 용액조(3) 내의 고온의 흡습성염류 용액은 열교환에 이용됨과 함께 열-수분 교환장치(2)에 재공급 되며, 열교환을 위해 제 1 열교환기 내지 제 4 열교환기(4, 5, 7, 8)가 구비된다.

제 1열교환기, 제 3열교환기 및 제 4열교환기(4, 7, 8)는 도 1에서 보는 바와 같이 공히 제 4라인(ℓ4)과 연결되어 지역난방수로 열을 전달하여 폐열을 회수토록 하는 것이다. 여기서 제 4라인(ℓ4)은 지역난방수가 순환되도록 하는 것인데 지역난방수는 난방유입수(50℃정도)로 순환하면서 제 1열교환기, 제 3열교환기 및 제 4열교환기(4, 7, 8)를 각각 거치는 과정에서 난방공급수(80℃정도)로 배출되도록 하는 것이다. 즉 난방유입수 중 일부는 제 4라인(ℓ4)을 타고 제 1열교환기(4)를 거쳐 난방공급수로 유출되도록 하는 것이며, 또한 일부 난방유입수는 제 4라인(ℓ4)을 타고 제 3열교환기(7)를 거쳐 난방공급수로 유출되도록 하는 것이고, 나머지 난방유입수는 제 4열교환기(8)를 거쳐 난방공급수로 유출되도록 하는 것이다.

이와 같이 지역난방수가 제 4라인(ℓ4)을 순환하는 과정에서 각각 제 1열교환기, 제 3열교환기 및 제 4열교환기(4, 7, 8)을 각각 가지라인(도면번호 없음)을 타고 거치도록 하는 이유는 제 1열교환기(4)에서는 흡습성염류 용액조(3)에 저류된 고온의 흡습성염류 용액을 바로 이용하여 지역난방수와 열교환시키도록 하는 것이며, 제 3열교환기 및 제 4열교환기(7, 8)에서는 보조저장조(9)에서 다소 온도가 저하된 흡습성염류 용액을 이용하되 외부열원으로 소각폐열을 이용하여 지역난방수와 열교환시키도록 함으로써 폐열의 회수효율을 높이고 다점에서 열교환에 의해 부하발생을 방지토록 하는 것이다. 이하에서는 이러한 폐열회수과정을 더욱 상세히 설명한다.

상기 제 1 열교환기(4)는 제 3라인(ℓ3)에 의해 흡습성염류 용액조(3)와 연결됨과 동시에 지역난방수가 순환하는 제 4라인(ℓ4)에도 연결된다. 상기 흡습성염류 용액조(3) 내의 흡습성염류 용액은 펌프를 통해 상기 제 3라인(ℓ3)을 통해 상기 제 1열교환기(4)로 공급되며, 상기 제 4라인(ℓ4)의 지역난방수는 흡습성염류 용액으로부터 열을 전달받아 제 4라인(ℓ4)을 통해 난방공급수로 배출되는 것이다. 상기 제 3라인(ℓ3)은 상기 제 1열교환기(4)를 거쳐 상기 열-수분 교환장치(2)로 연장된 구조를 이룬다.

상기 제 2열교환기(5)는 도 1 및 도 6에서 보는 바와 같이 보조저장조(9)로부터 흡습성염류 용액을 순환시키는 제 5라인(ℓ5)과 소각폐열을 순환시키는 제 6라인(ℓ6)이 연결되어 상기 제 6라인(ℓ6)에서 순환되는 소각폐열로부터 상기 제 5라인(ℓ5)에서 공급되는 흡습성염류 용액에 열을 전달시키는 기능을 하게 된다.

상기 보조저장조(9)에 저장되는 흡습성염류 용액은 상기 흡습성염류 용액조(3)에 저장된 흡습성염류 용액보다 저온으로 이러한 흡습성염류 용액을 바로 지역난방수와 열교환시키기 보다 소각폐열을 통해 상기 보조저장조(9)으로부터의 흡습성염류 용액에 열을 전달함으로써 후단에서 열교환효율을 높이기 위한 것이다. 상기 제 2열교환기(5)를 거친 소각폐열은 제 6라인(ℓ6)을 타고 제 4라인(ℓ4) 즉 지역난방수로 난방공급수로 유입되도록 한다.

이렇게 제 2열교환기(5)를 통해 열이 전달된 흡습성염류 용액은 상기 제 5라인(ℓ5)을 타고 상분리기(6)로 유입되도록 한다. 상기 상분리기(6)에서는 열이 전달된 흡습성염류 용액의 상분리를 통해 상단으로 제 7라인(ℓ7)을 통해 증기를 배출하고 하단으로 제 8라인(ℓ8)을 통해 농축수를 배출토록 하는 것이다.

이러한 농축수는 흡습성염류 용액조(3)로 재유입이 되도록 하여 수분의 계속적 부가에 의해 농도가 낮아지는 흡습성염류 용액의 농도를 유지토록 하기 위함이다. 이러한 상분리기(6)의 기능은 다양한 공지기술이 존재하므로 그 설명은 생략한다.

상기 제 7라인(ℓ7)을 통해 배출되는 고온의 증기는 지역난방수가 순환하는 상기 제 4라인(ℓ4)과 제 3열교환기(7)를 통해 열교환이 이루어지도록 한다. 즉 고온의 증기로부터 지역난방수에 열이 전달되도록 하는 것이다. 상기 제 7라인(ℓ7)은 제 3열교환기(7)를 통과하기 전에는 고온의 증기가 유동하도록 하는 것이며, 제 3열교환기(7)를 통과하면 지역난방수에 열을 빼앗긴 증기는 응결되며, 응결수형태로 제 7라인(ℓ7)을 타고 제 4열교환기(8)로 유입되도록 하는 것이다.

상기 제 4열교환기(8)는 상기 제 4라인(ℓ4)과 상기 제 7라인(ℓ7)에 연결되어 상기 제 7라인(ℓ7)의 응결수로부터 상기 제 4라인(ℓ4)에서 공급되는 지역난방수에 열을 전달시키도록 하는 것이다. 제 7라인(ℓ7)을 통해 상기 제 4열교환기(8)를 거친 응결수는 다양한 용도로 재이용되거나 도면에 도시된 바는 없으나 상기 보조저장조(9)로 유입되도록 할 수 있다.

한편 본 발명에서는 상기 열-수분 교환장치(2)에서 배기가스의 백연저감효율을 높이도록 하는 실시 예를 도 7에서 제시한다.

본 실시 예에서는 상기 제 1라인(ℓ1)에 절대습도조절구(12)가 구성되도록 하는데, 상기 절대습도조절구(12)는 원통관형의 몸체(121)와, 상기 몸체(121) 중심에서 방사향으로 복수로 형성되며 끝단부가 상기 몸체를 관통하는 방열핀(122)과, 상기 방열핀(122)과 대응하는 위치에서 상기 몸체(121) 하단에 상기 몸체와 연통하는 응결수저장공간(123)으로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 몸체(121)는 원통관형상으로 상기 제 1라인(ℓ1)에 장착되어 제 1라인(ℓ1)과 연통하도록 하는 구성에 해당한다.

상기 방열핀(122)은 도 7에서 보는 바와 같이 방사형으로 상기 몸체(121) 외측으로 일단부가 돌출되는 형상으로 구성되는 것으로 몸체(121) 내부의 열을 상기 방열핀(122)을 통해 몸체(121) 외부로 유출시키도록 하는 것이다. 고온의 배기가스가 상기 방열핀(122)을 통과하면서 잠열이 방열핀(122)을 통해 외부로 유출되도록 하며 상기 방열핀(122)에는 배기가스의 수증기가 응결되도록 하여 배기가스의 절대습도를 저하시키도록 하는 것이다.

이러한 방열핀(122)에 응결수는 상기 응결수저장공간(123)으로 유도되어 외부로 용도에 맞게 배출되도록 하는데 일 예로 상기 보조저장조(9)로 유입되도록 할 수 있다. 상기 방열핀(122)의 재질은 열전도율이 높으며 방청성이 우수한 재질이 사용되어야 하는 바, 알루미늄 재질을 사용하는 것이 타당하다.

본 실시 예에서와 같이 제 1라인(ℓ1)에 절대습도저절구(12)가 구성되도록 하여 잠열 및 수증기가 어느 정도 제거된 배기가스가 상기 열-수분 교환장치(2)에 유입되도록 하여 열-수분 교환장치(2)에서의 흡열 및 흡수반응 효율을 높일 수 있으며 부하를 줄일 수 있게 되는 것이다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않음은 물론이며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술적 지식을 가진 자에 의해 상기 기재된 내용으로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 수 있음은 물론이다.

1 : 굴뚝 배기가스 폐열회수 및 백연저감 시스템 2 : 열-수분 교환장치
3 : 흡습성염류 용액조 4 : 제 1열교환기
5 : 제 2열교환기 11 : 굴뚝
ℓ1 : 제 1라인 ℓ2 : 제 2라인
ℓ3 : 제 3라인 ℓ4 : 제 4라인
ℓ5 : 제 5라인 ℓ6 : 제 6라인
21 : 접촉층 24 : 여재층

Claims

상부에서 흡습성염류 용액과 하부에서 제 1라인을 통해 공급되는 배기가스가 상호 접촉시간을 가지도록 하기 위한 접촉층이 구비되며, 상단에 접촉층을 통과한 배기가스가 외부의 굴뚝으로 전달되도록 하는 제 2라인이 구성된 열-수분 교환장치;
상기 열-수분 교환장치와 연결되어 낙하되는 흡습성염류 용액이 유입 및 저장되는 흡습성염류 용액조; 및
흡습성염류 용액조로부터 상기 열-수분 교환장치 상부를 연결하여 흡습성염류 용액을 순환시키는 제 3라인과 지역난방수가 순환되는 제 4라인이 연결되어 상기 제 3라인에서 공급되는 흡습성염류 용액으로부터 상기 제 4라인에서 공급되는 지역난방수로 열을 전달시키는 제 1열교환기;를 포함하되,
상기 열-수분 교환장치는,
일측에 염류유로가 형성되며 중앙부에 복수의 가스유로가 형성되도록 타공부가 형성된 복수의 구획판이 염류유로가 지그재그로 배치되도록 상,하로 구성되는 접촉층과, 최상층의 구획판에서 염류유로 반대측에서부터 흡습성염류가 유동하도록 구성되는 상기 제 3라인을 포함하며,
상기 타공부는 상방향으로 직경이 커지는 꼬리와 상기 꼬리보다 직경이 큰 머리로 이루어진 베플이 복수로 구성되되 인접하는 베플의 머리 간에 가스유로를 형성하도록 하며 복수의 머리가 상기 구획판 상부에 굴곡된 면을 형성하도록 하고, 흡습성염류의 유동방향과 평행하게 복수의 유도가이드가 돌출되는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배기가스 폐열회수 및 백연저감 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제 1라인은 생활폐기물소각로 굴뚝, 열병합발전소 굴뚝, 연료전지탑 굴뚝 중 어느 하나의 배기가스원과 연결되어 배기가스원으로부터 유출되는 배기가스가 상기 열-수분 교환장치로 유입되도록 하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배기가스 폐열회수 및 백연저감 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 흡습성염류 용액은 질산칼슘 용액으로 그 농도가 50 내지 70wt%인 것을 특징으로 하는 굴뚝 배기가스 폐열회수 및 백연저감 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 흡습성염류 용액을 순환시키는 제 5라인과 소각폐열을 순환시키는 제 6라인이 연결되어 상기 제 6라인에서 순환되는 소각폐열로부터 상기 제 5라인에서 공급되는 흡습성염류 용액에 열을 전달시키는 제 2열교환기;
상기 제 5라인에 연결되어 상기 제 2열교환기로부터 열이 전달된 흡습성염류용액이 유입되며, 유입된 흡습성염류 용액의 상분리를 통해 상단으로 제 7라인을 통해 증기를 배출하고 하단으로 제 8라인을 통해 농축수를 배출하는 상분리기;
상기 제 7라인 및 상기 제 4라인과 연결되어 상기 7라인을 통해 유입된 증기로부터 상기 제 4라인을 통해 공급되는 지역난방수에 열을 전달하는 제 3열교환기;
상기 흡습성염류 용액조에는 흡습성염류 용액을 순환시키는 제 9라인이 형성되며 상기 제 9라인에 형성되어 흡습성염류 용액으로부터 이물질을 제거하는 볼텍스필터;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배기가스 폐열회수 및 백연저감 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 열-수분 교환장치는,
상기 제 3라인과 연통하는 복수의 분사노즐와, 각각의 분사노즐 하부에 복수의 희토류볼이 충진된 접촉층을 포함하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배기가스 폐열회수 및 백연저감 시스템.
삭제
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제 1항에 있어서,
상기 열-수분 교환장치에는,
상기 제 1라인 하부에 복수의 여재가 충진된 여재층이 구성되되 상기 여재는 클레이 100중량부에 망간산화물 20 내지 40중량부, 물 5 내지 15중량부, 경화제 0.1 내지 0.5중량부를 포함하여 배합됨을 특징으로 하는 굴뚝 배기가스 폐열회수 및 백연저감 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제 1라인에는 절대습도조절구가 구성되되,
상기 절대습도조절구는,
원통관형의 몸체와, 상기 몸체 중심에서 방사향으로 복수로 형성되며 끝단부가 상기 몸체를 관통하는 방열핀과, 상기 방열핀과 대응하는 위치에서 상기 몸체 하단에 상기 몸체와 연통하는 응결수저장공간으로 구성됨을 특징으로 하는 굴뚝 배기가스 폐열회수 및 백연저감 시스템.