KR101765467B1 - 유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템 - Google Patents

유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템은, 유기연료를 공급하는 유기연료공급부와 화로 사이에서 상기 유기연료에 테라헤르츠(THz) 진동수를 갖는 파장을 발생시켜 연소속도를 증가시키는 공명진동부; 상기 화로에서 상기 유기연료가 연소되어 배출되는 공정가스를 흡수탑으로 공급받아 상기 흡수탑 내부에 흡수액을 분산시켜 상기 공정가스에 포함된 황산화물(SOx)을 제거하는 스크러버; 황산화물이 제거된 공정가스를 회전하는 팬과 필터에 차례로 통과시켜 입자상 물질을 제거하는 입자상 물질 제거부; 입자상 물질이 제거된 공정가스에 일정한 주파수의 파장을 발생시키는 열공명 공정을 통해 질소산화물(NOx)을 제거하는 질소산화물 제거부; 상기 공명진동부, 상기 스크러버, 상기 입자상 물질 제거부, 상기 질소산화물 제거부의 구동을 제어하는 컨트롤러;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템{Heat Resonance System for Brazier that using Degassed Nitrogen Oxide Bio-fuel}
본 발명은 유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템으로서, 보다 상세하게는 유기물을 연소시켜 열을 발생시키는 설비에서 발생하는 배기가스를 정화하여 배출하는 시스템에 있어서, 질소산화물, 황산화물 및 기타 입자상 물질을 동시에 저감하여 배출시켜 대기오염을 방지할 수 있는 유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템에 관한 것이다.
유기연료는 경유나 LPG등의 연료를 의미하며, 제조공장에서는 화로를 사용하여 이 유기연료를 연소시킴으로서 고온의 열을 얻는 것이 일반적이다. 다만, 유기연료의 문제점은 연소 시 황산화물이나 질소산화물 등의 환경오염물질이 발생하게 되며, 이러한 환경오염물질은 인체와 환경에 매우 해롭기 때문에 과다 발생을 유의하여야 한다. 한국을 비롯한 전 세계적으로 환경오염 문제가 대두되고 있으며 점차 질소산화물이나 황산화물의 배출 규제치가 낮아지게 되면서, 화로를 구비한 시설에서 이러한 대기오염 물질의 저감을 위한 시스템을 구비하고 있는 실정이다. 그러나, 시스템을 구축하기 위한 필요 부지나 필요한 부피가 너무나 크고 시스템의 유지비용이 만만치 않아 규제에 부합하는 오염물질의 저감 성능을 가지면서도 시스템을 구비하는데 보다 부담이 덜한 대기오염물질 저감 시스템을 개발할 필요성이 있다.
이러한 문제 해결을 위해 다음의 기술이 공개되어 있다.
먼저 국내 등록특허 제 0942213호“구조체를 따라 흐르는 흡수액이 구비된 스크러버, 이를 이용한 유해가스의 흡수처리방법, 흡수액 탈거처리방법 및 유해가스 흡수와 탈거처리방법”은 흡수탑에 공급되는 흡수액을 사용하여, 유입되는 휘발성 유기화합물을 포함한 유해가스를 흡수처리하는 스크러버에 있어서, 흡수탑본체(20)의 내부 상부쪽에 설치된 흡수탑 상부다공판(27)에 의해 공간부가 형성되어 흡수액이 저장되고, 저장된 흡수액은 흡수탑 상부다공판(27)에 형성된 구조체 관통구를 통해 공급되도록 구성된 상부흡수액 공급조(25)와; 흡수탑본체(20)의 내부 하부쪽에 설치된 흡수탑 하부다공판(28)에 의해 공간부가 형성되어, 흡수탑 하부다공판(28)에 형성된 구조체 관통구를 통해 오염물 가스 성분을 흡수한 흡수액이 유입되도록 구성된 하부흡수액 포집조(26)와; 상기 흡수탑 상부다공판(27)과 흡수탑 하부다공판(28)의 구조체 관통구간을 연결하여 흡수액이 흐르면서 휘발성 유기화합물을 포함한 유해가스를 흡수토록 구성한 구조체(21);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 스크러버 및 유해가스 흡수처리 장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 휘발성 유기화합물이 발생되는 곳이나 온실가스인 이산화탄소를 흡수 제거하는 공정과 같은 곳에서 흡수액을 일정한 간격과 속도로 공급하도록 내부에 실과 같은 수직의 구조체를 따라 흡수액이 흐르도록 하여 유해가스를 흡수처리함으로써 흡수액과 오염가스의 접촉을 최대로 할 수 있으나, 흡수액 중 입자나 염이 포함되는 경우 막힘이 발생할 수 있다는 단점을 갖는다.
또한, 국내 등록특허 제 0550603호 “건식으로 질소산화물을 제거하는 장치 및 방법”의 경우, 질소산화물 배출원으로 부터 대기 중으로 배출되는 질소산화물을 산화제와 반응시켜서 이산화질소로 산화시키기 위한 산화반응수단과 상기 산화반응수단에서 발생된 이산화질소를 환원제를 이용하여 N2로 환원시키는 환원반응수단과 상기 환원반응수단에서 발생하는 배출가스 중의 황산화물, 염소화합물의 산가스를 중화시키는 중화반응수단을 포함하는 것에 관한 기술이다. 이러한 기술은 산화, 환원, 중화반응이 순간적인 반응이므로 반응속도가 빠르고 질소산화물의 제거효율이 99% 이상이 될 정도로 우수할 뿐만 아니라 그 구조가 간단하고, 자동운전이 가능하며, 초기 투자비 및 운전비가 종래의 선택적 환원촉매법(SCR)이나 선택적 무촉매 환원법(SNCR)에 비하여 월등히 저렴하고, 질소산화물의 저감률을 약품 투입량에 따라 자유롭게 조절할 수 있는 방법이지만, 그 외 황산화물이나 입자상 물질의 배출이나 저감이 어렵다는 문제점을 갖는다.
따라서 유기물을 연소시켜 열을 발생시키는 설비에서 발생하는 배기가스를 정화하여 배출하는 시스템에 있어서, 질소산화물, 황산화물 및 기타 입자상 물질을 동시에 저감하여 배출시켜 대기오염을 방지할 수 있는 유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템을 개발할 필요성이 대두되는 현실이다.
본 발명은 상기 기술의 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로, 유기연료를 사용하는 설비의 화로에서 배출되는 공정가스에 포함된 황산화물, 질소산화물 및 기타 입자상 물질을 하나의 시스템에서 모두 저감시킬 수 있는 시스템을 제공하는 것을 주요 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 이 중 질소산화물의 제거에 있어서, 일정한 주파수의 파장을 가하여 기존 저감장치 대비 낮은 온도에서 질소산화물을 제거할 수 있는 구성을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 질소산화물을 각기 다른 방식의 3단계 제거모듈을 거쳐 제거함으로써 질소산화물의 배출을 최소화하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 화로 내부의 연소 시 테라헤르츠 진동수의 파장을 발생시켜 이에 따른 공명 주파수를 측정하고, 이 공명 주파수에 대한 2차 조화주파수를 갖는 파장을 연료에 발생시켜 연소를 도와 질소산화물의 생성량을 초기부터 감소시키는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템은, 유기연료를 공급하는 유기연료공급부와 화로 사이에서 상기 유기연료에 테라헤르츠(THz) 진동수를 갖는 파장을 발생시켜 연소속도를 증가시키는 공명진동부; 상기 화로에서 상기 유기연료가 연소되어 배출되는 공정가스를 흡수탑으로 공급받아 상기 흡수탑 내부에 흡수액을 분산시켜 상기 공정가스에 포함된 황산화물(SOx)을 제거하는 스크러버; 황산화물이 제거된 공정가스를 회전하는 팬과 필터에 차례로 통과시켜 입자상 물질을 제거하는 입자상 물질 제거부; 입자상 물질이 제거된 공정가스에 일정한 주파수의 파장을 발생시키는 열공명 공정을 통해 질소산화물(NOx)을 제거하는 질소산화물 제거부; 상기 공명진동부, 상기 스크러버, 상기 입자상 물질 제거부, 상기 질소산화물 제거부의 구동을 제어하는 컨트롤러;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 상기 열공명 시스템은, 상기 화로 주위에 위치하는 것으로서, 최초 연소 시 상기 유기연료에 테라헤르츠 진동수를 갖는 파장을 발생시켜 상기 유기연료가 연소하면서 발생하는 연소공명 주파수를 측정하는 공명센서부;를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는, 측정된 상기 연소공명 주파수에 따라 2차 조화주파수(Secondary Harmonic Frequency)를 설정하는 조화주파수설정부와, 상기 공명진동부에서 상기 2차 조화주파수의 파장을 발생시키도록 제어하는 파장생성부를 더 포함하여, 상기 공명진동부에서 상기 2차 조화주파수의 파장을 발생시켜 상기 화로에서의 연소반응을 가속화함으로써 질소산화물의 생성을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
덧붙여, 상기 스크러버는, 상기 화로로부터 배출되는 공정가스에 냉각수와 아황산나트륨(Na2SO3)을 섞은 수용액을 분사하여 황산화물을 제거하고 상기 공정가스의 온도를 낮추는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질소산화물 제거부는, 테라헤르츠 진동수를 갖는 파장을 발생시켜 상기 공정가스에 조사하는 파장발생기와, 상기 공정가스에서 반사되는 파장의 주파수를 측정하여 상기 공정가스에서 상기 질소산화물이 제거되면서 발생하는 온도를 측정하는 주파수측정기를 포함하는 가스공명모듈로 구성되고, 상기 컨트롤러는, 상기 주파수측정기에서 측정된 온도에 따라 상기 파장의 진동수를 제어하는 파장조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질소산화물 제거부는, 테라헤르츠 진동수를 갖는 파장을 발생시켜 상기 공정가스에 조사하는 파장발생기와, 상기 공정가스에서 반사되는 파장의 주파수를 측정하여 상기 공정가스에서 상기 질소산화물이 제거되면서 발생하는 온도를 측정하는 주파수측정기를 포함하는 가스공명모듈로 구성되고, 상기 컨트롤러는, 상기 주파수측정기에서 측정된 온도에 따라 상기 파장의 진동수를 제어하는 파장조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질소산화물 제거부는, 상기 가스공명모듈을 통과한 상기 공정가스가 흐르는 통로를 따라 질소산화물과 반응성이 높은 탄산바륨(BaCO3), 제올라이트(Al2SiO5) 중 어느 하나를 가스 흡수층으로서 도포하고, 상기 가스 흡수층의 표면에 주기적으로 전류를 흘려 질소산화물을 제거하는 제1 보조 제거모듈과, 상기 제1 보조 제거모듈을 통과한 공정가스가 흐르는 통로를 따라 이산화티탄(TiO2)을 광촉매로서 도포하고 자외선(UV)을 주사하여 질소산화물을 제거하는 제2 보조 제거모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
마지막으로, 상기 제1 보조 제거모듈은, 유입되는 상기 공정가스의 양을 제어할 수 있는 유량제어팬과, 상기 가스 흡수층에 음파를 발생시켜 상기 질소산화물이 반응하면서 반응 양에 따라 변동하는 공명 주파수를 측정하는 음파센서를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는, 기 지정된 기준 주파수와 측정된 상기 공명 주파수를 비교한 차이의 고저에 따라 상기 유량제어팬의 회전수를 제어하는 유량제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템에 의하면,
1) 공정가스에 포함된 황산화물, 질소산화물 및 기타 입자상 물질을 하나의 시스템에서 모두 저감시킬수 있고,
2) 일정한 주파수의 파장을 발생시키는 열공명 공정을 통해 질소산화물을 제거함으로써 기존 저감장치 대비 낮은 온도에서 질소산화물을 제거할 수 있으며,
3) 각기 다른 방식의 3단계 제거모듈을 거쳐 질소산화물을 제거하여 질소산화물의 배출량을 최소화 할 수 있을 뿐 아니라,
4) 테라헤르츠급의 파장을 활용하여 화로의 연소를 도와 발생되는 질소산화물의 양을 최초 연소단계에서부터 저감할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템의 전체 구성을 나타낸 개념도.
도 2는 입자상물질 제거부의 내부 구성을 나타낸 개념도.
도 3은 질소산화물 제거부의 내부 구성을 나타낸 개념도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 첨부된 도면은 축척에 의하여 도시되지 않았으며, 각 도면의 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템의 전체 구성을 나타낸 개념도이고, 도 2는 입자상물질 제거부의 내부 구성을 나타낸 개념도이다.
유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템은, 유기연료를 공급하는 유기연료공급부(110)와 화로(100) 사이에서 상기 유기연료에 테라헤르츠(THz) 진동수를 갖는 파장을 발생시켜 연소속도를 증가시키는 공명진동부(200); 상기 화로(100)에서 상기 유기연료가 연소되어 배출되는 공정가스를 흡수탑으로 공급받아 상기 흡수탑 내부에 흡수액을 분산시켜 상기 공정가스에 포함된 황산화물(SOx)을 제거하는 스크러버(300); 황산화물이 제거된 공정가스를 회전하는 팬(410)과 필터(420)에 차례로 통과시켜 입자상 물질을 제거하는 입자상 물질 제거부(400); 입자상 물질이 제거된 공정가스에 일정한 주파수의 파장을 발생시키는 열공명 공정을 통해 질소산화물(NOx)을 제거하는 질소산화물 제거부(500); 상기 공명진동부(200), 상기 스크러버(300), 상기 입자상 물질 제거부(400), 상기 질소산화물 제거부(500)의 구동을 제어하는 컨트롤러(600);로 구성되는 것을 특징으로 한다.
화로(100)에는 유기연료를 태우면서 발생하는 황산화물, 질소산화물 및 기타 부산물이 포함된 공정가스가 발생하게 된다. 이를 그대로 외부로 내보내게 되면 환경오염물질로서 작용하게 되므로, 제거하거나 다른 물질로서 환원시키는 공정 또는 아예 유기연료를 태우는 시점에서 질소산화물을 감소시키거나 제거하는 공정이 더 필요하다.
먼저 공명진동부(200)는, 유기연료를 공급하는 유기연료공급부(110)와 화로(100) 사이에서 상기 유기연료에 테라헤르츠(THz) 진동수를 갖는 파장을 발생시켜 연소속도를 증가시킨다. 초당 진동수가 테라급인 파장은 (0.1 내지 20THz 의 파장을 활용하는 것이 바람직하다.) 유기연료를 포함하는 대부분의 연료에 적용하게 되면 연료 내부의 배열이 쉽게 변경되는 것으로 알려져 있다. 이러한 배열의 변화에 따라 열이 쉽게 연료 내부로 전달될 수 있어 연료의 반응성을 높이게 된다. 따라서 자연스럽게 연소속도가 증가하게 되는데, 충분한 열을 가한 상태에서 연소속도가 증가하게 되면 질소산화물 또는 황산화물의 발생량을 줄일 수 있게 된다.
다음으로, 스크러버(300)는 황산화물을 제거하는 역할을 하는 것이다. 스크러버(300)는 화로(100) 바로 다음에 위치하여 화로(100)에서 배출되는 공정가스를 처리한다. 보통 스크러버(300)라 하면 액체를 이용하여 가스 속에 부유하는 고체 또는 액체 입자상 물질을 포집하는 장치를 의미한다. 본 발명의 스크러버(300)는 황산화물을 제거하는 데에 초점이 맞추어져 있는데, 이러한 구성을 더욱 상세하게 살펴보면, 화로(100)로부터 배출되는 공정가스에 냉각수와 아황산나트륨(Na2SO3)을 섞은 수용액을 분사하여 황산화물을 제거하고 공정가스의 온도를 낮추는 역할을 한다.
스크러버(300)는 냉각수에 아황산나트륨(Na2SO3)을 섞은 수용액을 화로(100)로부터 배출되어 이동된 공정가스에 분사하게 되는데, 여기에서 아황산나트륨(Na2SO3)은 공정가스에 포함된 황산화물 SO2와 물(H2O)과 함께 반응하여 2NaHSO3가 된다. 다만, 이 반응에서 일부는 산소에 의해 Na2SO3 + 1/2 O2 > 황산염(Na2SO4)로 산화될 수도 있으며, 아황산나트륨(Na2SO3)이 SO3와 반응하는 경우에는 2Na2SO3 + SO3 + H2O > Na2SO4 + 2NAHSO3가 도출된다.
이 반응에서 황산염의 경우, 더 이상 SO2를 흡수할 수 없기 때문에 흡수탑 하부에 축적되므로 빠르게 제거되어야 하는데, 이 때, 상대적으로 온도가 낮은 냉각수가 지속적으로 투입되면 이 냉각수를 통해 냉각되어 Na2SO4결정이 형성되며, 이 Na2SO4결정을 버리는 것으로 해결 가능하다. 또, 흡수탑 하부에 별도의 원심분리장치를 설치하는 경우라면, 원심분리공정을 통해 2NaHSO3를 아황산나트륨(Na2SO3) + SO2 + H2O로 분리하여 재생시킬 수 있으며, 이에 따라 아황산나트륨(Na2SO3)이 Na2SO4로 산화되지 않는 한 지속적으로 재활용될 수 있다.
이러한 스크러버(300)에서의 과정이 종료되면 황산화물의 함유량은 매우 낮아지게 된다. 도 2를 참고하여 설명하면, 다음단계로서 입자상 물질 제거부(400)는, 황산화물이 제거된 공정가스를 회전하는 팬(410)과 필터(420)에 차례로 통과시켜 입자상 물질을 제거하는 역할을 한다. 입자상 물질은 황산화물과 질소산화물을 포함하는 것이되, 스크러버(300) 및 질소산화물 제거부(500)에서 제거하지 못하는 물질 또는 공정가스에 포함된 기타 환경오염물질이나 불순물을 의미한다.
입자상 물질 제거부(400)는 크게 팬(410)과 필터(420)로 구성되는데, 팬(410)은 원심력을 이용하여 팬(410)을 통과하여 흐르는 공정가스에 포함된 입자상 물질을 1차로 제거한다. 필터(420)는 팬(410)에서 제거되지 않고 팬(410)을 경유한 입자상 물질을 2차로 제거한다. 즉, 필터(420)는 팬(410)보다 미세한 입자상 물질을 제거할 수 있는 것이다.
다음으로 질소산화물 제거부(500)는 입자상 물질이 제거된 공정가스에 일정한 주파수의 파장을 발생시키는 열공명 공정을 통해 질소산화물(NOx)을 제거하는 것이다. 여기서 질소산화물을 제거하는 데에는 기본적으로 선택적 환원 촉매 (SCR : Selective Catalytic Reduction)방법이 활용될 수 있다. 선택적 환원 촉매방법은 공정가스에 포함된 질소산화물과 반응하는 환원 촉매를 통해 질소산화물을 무해한 질소(N2)와 물(H2O)로 전환시키는 것이다. 이 때, 환원 촉매는 일반적으로 요소, 암모니아(NH3), 수소(H2), 탄화수소(HC) 등이 환원제로서 활용될 수 있다.
본 발명의 질소산화물 제거부(500)는 상기한 방법이 사용될 수 있되, 공정가스에 일정한 주파수의 파장을 추가로 가하여 질소산화물(NOx)을 제거하는데 있어 반응성을 높이도록 한 것을 특징으로 한다.
이러한 공정은 열공명 공정이라고 할 수 있는데, 이러한 열공명 공정은 특정한 공정가스에 특정 주파수의 파장을 쏘임으로서, 공정가스가 재배열되어 난배열 시 보다 반응성이 좋게 물성을 변경하게 되어 반응시간이 짧아질 뿐만 아니라, 기존의 질소산화물의 제거를 위한 온도(600도씨 이상)보다 낮은 400도씨 정도의 온도에서도 제거 처리가 가능하여 대기오염물질 저감을 위한 시스템의 구축에 있어서 시스템의 부피나 가격 등을 줄일 수 있다는 장점을 갖게된다.
컨트롤러(600)는 상기 스크러버(300), 상기 입자상 물질 제거부(400), 상기 질소산화물 제거부(500)의 구동을 제어하는 것으로서, 더욱 상세한 설명은 후술할 내용에서 다루도록 하겠다.
여기에 더하여 공정가스 배출부(미도시)가 더 포함될 수 있는데, 공정가스 배출부는 황산화물, 입자상 물질, 질소산화물이 모두 제거된 공정가스를 외부로 배출하는 배기시설을 의미한다. 이러한 구성을 통해 선박에서 발생하는 대기오염물질을 용이하게 저감시킬 수 있는 열공명 시스템이 구성되는 것이다.
앞선 구성에서 질소산화물의 반응에 따른 공명 주파수를 측정할 수 있었는데, 이를 활용하는 다음의 방법이 더 추가될 수 있다.
먼저, 열공명 시스템에는, 상기 화로(100) 주위에 위치하는 것으로서, 최초 연소 시 상기 유기연료에 테라헤르츠 진동수를 갖는 파장을 발생시켜 상기 유기연료가 연소하면서 발생하는 연소공명 주파수를 측정하는 공명센서부(120)가 더 포함된다.
다음으로 컨트롤러(600)에는 측정된 상기 연소공명 주파수에 따라 2차 조화주파수(Secondary Harmonic Frequency)를 설정하는 조화주파수설정부(610)와, 상기 공명진동부(200)에서 상기 2차 조화주파수의 파장을 발생시키도록 제어하는 파장생성부(620)가 더 포함된다.
2차 조화주파수란 연소공명 주파수의 주파수를 4배로 증가시킨 것이다. 이렇게 증가된 2차 조화주파수를 갖는 파장을 공명진동부(200)에서 발생시키도록 하는 것이다.
본 구성에 대하여 보다 상세하게 설명하자면, 우선 질소산화물의 발생은 연소시간에 연관되어 있는데, 연소시간이 길어질수록 질소산화물의 발생량이 증가하게 된다. 따라서, 연소시간을 감소시켜 질소산화물의 발생을 감소시키는 것이 가장 좋은 저감방법이 될 수 있다. 단, 연소시간을 감소시키는 방법은 앞서 설명한 바와 같이 파장을 활용하는 방법을 활용할 수 있는데, 먼저 기준이 될 수 있는 연소공명 주파수를 확인하기 위해 약간의 유기연료를 화로(100)에 주입하고 이를 연소시킨다. 이 때, 화로(100) 주위에 위치하는 공명센서부(120)에서 유기연료에 파장을 발생시켜 유기연료가 연소하면서 발생하는 연소공명 주파수를 측정하게 된다. 이렇게 측정된 연소공명 주파수는 컨트롤러(600)의 조화주파수설정부(610)에서 이 연소공명 주파수의 2배의 값을 갖는 2차 조화주파수 값으로 변경된다. 파장생성부(620)에서는 공명진동부(200)에서 이 2차 조화주파수 값을 갖는 파장을 발생시키도록 제어하는 것이다. 즉, 공명진동부(200)에서는 2차 조화주파수 값을 갖는 파장을 유기연료에 발생시키게 되어 최종적으로 유기연료는 2차 조화주파수 값의 파장의 영향을 받는 상태에서 연소하게 된다.
공명주파수에 대하여 1차 조화주파수(공명주파수의 2배의 주파수)를 활용한 파장을 발생시키는 경우, 유기연료의 반응성을 증가시켜 이에 따른 연소효율을 높일 수 있어 연소에 따른 체제 시간을 감소시켜 단순 연료공급 대비 약 10%의 질소산화물의 발생을 줄일 수 있는 것으로 나타났으며, 2차 조화주파수를 활용한 파장을 발생시키는 경우, 약 18%의 질소산화물 발생을 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 따라서, 파장을 유기연료에 발생시킴으로서 유기연료의 반응성이 증가되고, 이에 따라 질소산화물의 발생을 초기에 약 20%가량 저감시킬 수 있게 되는 것이다.
도 3은 질소산화물 제거부의 내부 구성을 나타낸 개념도이다.
다음으로, 질소산화물 제거부(500)를 더욱 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
질소산화물 제거부(500)는 테라헤르츠(THz) 진동수를 갖는 파장을 발생시켜 상기 공정가스에 조사하는 파장발생기(511)와, 상기 공정가스에서 반사되는 파장의 주파수를 측정하여 상기 공정가스에서 상기 질소산화물이 제거되면서 발생하는 온도를 측정하는 주파수측정기(512)를 포함하는 가스공명모듈(510)로 구성되고, 컨트롤러(600)는 상기 주파수측정기(512)에서 측정된 온도에 따라 상기 파장의 진동수를 제어하는 파장조절부(630)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
먼저, 파장발생기(511)는 테라헤르츠급 이상의 진동수를 갖는 파장을 발생시키고 이 파장을 공정가스에 조사한다. 진동수가 테라헤르츠 급으로 올라가게 되면, 공정가스는 내부에 포함된 원자들의 재배열이 발생하게 된다. 일반적으로 0.1 내지 20THz의 범위는 마이크로파와 광파 사이에 위치하는 원적외선의 파장 범위이며, 이 범위에 위치하는 파장은 1초에 약 1조번을 진동하여 파장이 길고 투과성이 좋다. 이러한 성질은 물체를 투과하여 물체의 내부에까지 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 이런 테라헤르츠급 진동수를 갖는 파장을 발생시킨다면, 일반적인 물질(특히 금속류)에서 발생하는 현상으로서, 원자의 재배열 현상에서 발생하는 전기작용을 통한 발열이 발생할 뿐만 아니라 고유 결정 형상의 재배열이 발생하게 된다. 이러한 원자의 재배열을 통해 열의 전달이 보다 자유로워진다는 특성을 갖게 된다.
즉, 테라헤르츠 급의 진동수를 갖는 파장을 공정가스에 조사함으로서 발생하는 원자의 재배열 현상을 통해 보다 공정가스의 반응성이 높아져 질소산화물이 공정가스로부터 쉽게 이탈되어 상기한 선택적 환원 촉매 방법을 더욱 용이하게 적용할 수 있게 된다.
다음으로 주파수측정기(512)는 공정가스로 조사된 이후 반사되는 파장의 주파수를 측정하여 공정가스에서 질소산화물이 제거되면서 발생하는 온도를 측정할 수 있도록 한 것이다. 즉, 공정가스에서는 질소산화물이 제거되면서 반응열이 발생하게 된다. 이 반응열은 질소산화물의 제거 속도에 비례하여 증감하게 되며, 반응열이 발생하는 것은 다시 말해 에너지를 방출하는 것이다. 이 때, 방출되는 에너지 또한 파장으로 나타날 수 있는데, 이렇게 방출되는 에너지는 반응하는 물질의 종류와 반응중인 물질의 양, 반응중인 속도 등에 의해 각기 다른 에너지를 나타낸다. 즉, 파장발생기(511)를 통해 조사된 파장은 반응이 진행됨에 따라 발생된 에너지를 통해 변화하여 반사되게 되는데, 이러한 반사 주파수를 측정하는 것으로 공정가스에서 질소산화물의 제거에 따라 발생되는 온도를 측정할 수 있게 되는 것이다. 즉, 이 온도를 측정함으로써 현재 질소산화물이 어느 정도의 양이 제거되었는지, 어느 속도로 제거되고 있는지 등을 파악할 수 있게 된다.
다음으로 컨트롤러(600)는 주파수측정기(512)에서 측정된 온도에 따라 파장의 진동수를 제어하는 파장조절부(630)를 더 포함할 수 있다. 즉, 컨트롤러(600)의 파장조절부(630)를 통해 주파수측정기(512)가 측정한 온도의 고저에 따라 파장의 진동수를 제어함으로서, 공정가스에서 질소산화물의 반응 속도 및 반응되는 양을 제어하여 과도한 열의 발생이나 효율에 미치지 못하는 경우를 방지할 수 있게 되는 것이다.
이렇게 테라헤르츠 급의 파장을 활용하여 질소산화물을 낮은 온도에서 신속하게 반응시키는 경우, 대부분의 질소산화물이 해롭지 않은 물질로 환원되거나 결정화되어 사라지게 되지만 최근 환경오염에 대한 시각의 변화로 환경오염을 최소화시키기 위한 노력으로서 매우 낮은 수준의 오염물 배출이 요구되고 있는 실정이다. 특히 질소산화물의 경우 인체에 호흡기를 통해 흡수될 때에 수분과 만나게 되어 폐암 등의 치명적인 부작용을 가져오며, 환경적으로는 산성비나 광화학스모그의 원인으로 알려져 있어 이 질소산화물의 배출을 저감하는 기술이 다양하게 개발되고 있다.
본 기술에서는 질소산화물의 추가 제거를 위해 두 가지의 보조 제거모듈이 더 활용된다.
먼저 제1 보조 제거모듈(520)로서, 가스공명모듈(510)을 통과한 상기 공정가스가 흐르는 통로를 따라 질소산화물과 반응성이 높은 탄산바륨(BaCO3), 제올라이트(Al2SiO5) 중 어느 하나를 가스 흡수층(522)으로서 도포하고, 상기 가스 흡수층(522)의 표면에 주기적으로 전류를 흘려 질소산화물을 제거한다. 탄산바륨이나 제올라이트는 질소산화물과 반응성이 매우 높은 물질로서, 탄산바륨의 경우 약 500도씨의 온도에서 NOx와 반응하여 초산바륨(Ba(CH3COO)2)을 형성하고 질소(N2) 또는 물(H2O)등의 해롭지 않은 물질만이 배출되도록 한 것이다. 이 때, 질소산화물과 탄산바륨의 반응성을 높이기 위해 탄산바륨의 표면에 주기적으로 전류를 흘려주도록 한다.
제올라이트의 경우에도 질소산화물과의 반응성이 높은 물질이다. 제올라이트는 소다불석, 마름불석, 소다라이트, 포저사이트, 모데나이트 등의 광물 및 이와 유사한 성질을 갖는 광물 중 어느 하나를 의미하는 것으로서, 약 1nm 미만의 두께로 가공되어 가스 흡수층(522)을 형성한 것을 특징으로 한다. 이러한 제올라이트는 천연 물질로서 인체에 가해지는 부작용이 적어 새집증후군을 막기 위한 벽지나 콘크리트 등에 활용될 정도로 독성이 적고 질소산화물의 제거 효과가 뛰어난 것으로 알려져있다. 제올라이트 또한 탄산바륨과 마찬가지로 표면에 주기적으로 전류를 흘려주는 것으로 그 반응성을 높여 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있다.
이렇게 제1 보조 제거모듈(520)을 지난 공정가스는 앞선 가스공명모듈(510)을 지났을 때 보다 더 많은 질소산화물이 제거된다. 다만, 여기에서 끝내지 않고, 한 번 더 질소산화물을 제거하여 질소산화물의 배출을 최소화시키기 위해 제2 보조 제거모듈(530)이 더 포함된다. 제2 보조 제거모듈(530)은 광촉매(531)를 활용한 것으로서, 공정가스가 흐르는 통로를 따라 이산화티탄(TiO2)을 도포하여 이를 광촉매(531)로 활용하는 것이다. 여기서 광촉매(531)의 경우, 이산화티탄 이외에도 산화아연(ZnO), 황화카드뮴(CdS), 산화주석(SnO2), 텅스텐산(WO3)등이 선택적으로 활용될 수 있음은 물론이나 이 중 가장 구하기 쉬운 이산화티탄이 활용되는 것이 일반적이다. 이산화티탄에 자외선을 주사하게 되면, 별도의 외부에너지 소비 없이도 이산화티탄과 자외선의 반응에 의해 이산화티탄에 정공이 형성되며, 이 정공이 표면으로 확산되면서 표면에서 다양한 흡착 물질과 산화, 환원반응을 일으키게 된다. 따라서, 질소산화물은 물론이며 그 외 유해가스 제거, 항균, 살균 등의 효과를 갖게된다.
제1 보조 제거모듈(520)을 보다 상세하게 살펴보면, 유입되는 상기 공정가스의 양을 제어할 수 있는 유량제어팬(521)과, 상기 가스 흡수층(522)에 음파를 발생시켜 상기 질소산화물이 반응하면서 반응 양에 따라 변동하는 공명 주파수를 측정하는 음파센서(523)를 더 포함하여 구성된다. 즉, 질소산화물과 탄산바륨의 반응에 있어서도 반응 시 열이 방출되는데, 음파를 반응지점에 발생시키고 이 음파의 반사파를 측정하여 공명 주파수를 측정하는 것이다. 다만, 이 경우에도 질소산화물과 가스 흡수층(522)간의 반응 양에 따라 방출되는 에너지의 양이 달라져 반사파의 주파수가 계속해서 변동하게 되는데, 이 변동되는 주파수의 공명 주파수를 도출한다면 지속적으로 질소산화물의 반응 양 및 반응 속도를 확인할 수 있게 된다.
덧붙여 컨트롤러(600)는 측정된 공명 주파수의 고저에 따라 유량제어팬(521)의 회전수를 제어하는 유량제어부(640)를 더 구비하게 된다. 이 경우 기준이 될 수 있는 공명 주파수인 기준 주파수가 기 지정되는데, 이 기준 주파수의 경우, 많은 실험을 통해 가스 흡수층(522)의 구성에 따라 가장 적합한 반응이 진행 될 때의 공명 주파수를 지정한 것이다. 따라서, 기준 주파수보다 공명 주파수가 높게 측정된다면 반응이 너무 많이 진행되는 것이므로 유량제어팬(521)의 회전수를 낮추어 유입되는 공정가스의 양을 줄이고, 기준 주파수보다 공명 주파수가 낮게 측정된다면 반응이 너무 적게 진행되는 것이므로 유량제어팬(521)의 회전수를 높여 유입되는 공정가스의 양을 늘리는 것이다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템의 구성 및 작용을 상기 설명 및 도면에 표현하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하여 본 발명의 사상이 상기 설명 및 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.
100: 화로 110: 유기연료공급부
120: 공명센서부 200: 공명진동부
300: 스크러버 400: 입자상 물질 제거부
410: 팬 420: 필터
500: 질소산화물 제거부 510: 가스공명모듈
511: 파장발생기 512: 주파수측정기
520: 제1 보조 제거모듈 521: 유량제어팬
522: 가스 흡수층 523: 음파센서
530: 제2 보조 제거모듈 531: 광촉매
600: 컨트롤러 610: 조화주파수설정부
620: 파장생성부 630: 파장조절부
640: 유량제어부

Claims (6)

  1. 유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템으로서,
    유기연료를 공급하는 유기연료공급부와 화로 사이에서 상기 유기연료에 테라헤르츠(THz) 진동수를 갖는 파장을 발생시켜 연소속도를 증가시키는 공명진동부;
    상기 화로에서 상기 유기연료가 연소되어 배출되는 공정가스를 흡수탑으로 공급받아 상기 흡수탑 내부에 흡수액을 분산시켜 상기 공정가스에 포함된 황산화물(SOx)을 제거하는 스크러버;
    황산화물이 제거된 공정가스를 회전하는 팬과 필터에 차례로 통과시켜 입자상 물질을 제거하는 입자상 물질 제거부;
    입자상 물질이 제거된 공정가스에 일정한 주파수의 파장을 발생시키는 열공명 공정을 통해 질소산화물(NOx)을 제거하는 질소산화물 제거부;
    상기 공명진동부, 상기 스크러버, 상기 입자상 물질 제거부, 상기 질소산화물 제거부의 구동을 제어하는 컨트롤러;로 구성되는 것을 특징으로 하는, 유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열공명 시스템은,
    상기 화로 주위에 위치하는 것으로서, 최초 연소 시 상기 유기연료에 테라헤르츠 진동수를 갖는 파장을 발생시켜 상기 유기연료가 연소하면서 발생하는 연소공명 주파수를 측정하는 공명센서부;를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는,
    측정된 상기 연소공명 주파수에 따라 2차 조화주파수(Secondary Harmonic Frequency)를 설정하는 조화주파수설정부와,
    상기 공명진동부에서 상기 2차 조화주파수의 파장을 발생시키도록 제어하는 파장생성부를 더 포함하여,
    상기 공명진동부에서 상기 2차 조화주파수의 파장을 발생시켜 상기 화로에서의 연소반응을 가속화함으로써 질소산화물의 생성을 감소시키는 것을 특징으로 하는, 유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 스크러버는,
    상기 화로로부터 배출되는 공정가스에 냉각수와 아황산나트륨(Na2SO3)을 섞은 수용액을 분사하여 황산화물을 제거하고 상기 공정가스의 온도를 낮추는 것을 특징으로 하는, 유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 질소산화물 제거부는,
    테라헤르츠 진동수를 갖는 파장을 발생시켜 상기 공정가스에 조사하는 파장발생기와,
    상기 공정가스에서 반사되는 파장의 주파수를 측정하여 상기 공정가스에서 상기 질소산화물이 제거되면서 발생하는 온도를 측정하는 주파수측정기를 포함하는 가스공명모듈로 구성되고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 주파수측정기에서 측정된 온도에 따라 상기 파장의 진동수를 제어하는 파장조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 질소산화물 제거부는,
    상기 가스공명모듈을 통과한 상기 공정가스가 흐르는 통로를 따라 질소산화물과 반응성이 높은 탄산바륨(BaCO3), 제올라이트(Al2SiO5) 중 어느 하나를 가스 흡수층으로서 도포하고, 상기 가스 흡수층의 표면에 주기적으로 전류를 흘려 질소산화물을 제거하는 제1 보조 제거모듈과,
    상기 제1 보조 제거모듈을 통과한 공정가스가 흐르는 통로를 따라 이산화티탄(TiO2)을 광촉매로서 도포하고 자외선(UV)을 주사하여 질소산화물을 제거하는 제2 보조 제거모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1 보조 제거모듈은,
    유입되는 상기 공정가스의 양을 제어할 수 있는 유량제어팬과,
    상기 가스 흡수층에 음파를 발생시켜 상기 질소산화물이 반응하면서 반응 양에 따라 변동하는 공명 주파수를 측정하는 음파센서를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는,
    기 지정된 기준 주파수와 측정된 상기 공명 주파수를 비교한 차이의 고저에 따라 상기 유량제어팬의 회전수를 제어하는 유량제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 유기연료 중 질소산화물을 사전에 제거하는 열공명 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014124590A (ja) 2012-12-26 2014-07-07 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ボイラシステムの運転方法

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