KR101907396B1 - 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로 및 그의 작동방법 - Google Patents

산소제조기능을 갖는 순산소 가열로 및 그의 작동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로 및 그의 작동방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 내부로 산화제인 산소를 공급받아 투입된 연료가 연소되어 연소배가스를 토출시키는 연소기; 및 상기 공기가 유입되어 상기 공기 내의 산소를 분리하여 상기 연소기에 공급하는 산소분리막 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로에 관한 것이다.

Description

산소제조기능을 갖는 순산소 가열로 및 그의 작동방법{The Oxy­fuel Furnace having oxygen supply function}
본 발명은 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로 및 그의 작동방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 순산소 가열로부터 배출되는 고온의 폐열을 활용하여 세라믹분리막 산소제조기술을 조합한 산소제조 기능을 갖는 순산소 가열로에 관한 것이다.
도 1은 기존 외부에서 별도로 공급받은 순산소를 이용하는 기존 순산소 가열로(1)의 개념도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 버너(11)로 연료가 공급되고, 산소저장부(2)로부터 별도로 산소를 공급받아 순산소를 이용하여 연소후 연소기(10)에서 배출되는 연소배가스(통상 CO2와 H2O만 존재)는 분리기(통상 응축기, 30)를 거쳐 H2O가 제거되어 CO2 포집장치(40)에 저장되게 된다.
종래의 순산소 가열로(1)에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 순산소를 제공하기 위해 타지역에 있는 산소제조시설로부터 산소를 공급받아 산소저장부(2)에 저장하여 이용하였다. 이 경우 산소 소모시 필요한 산소를 다시 산소저장부에 채워야 하는 번거로움이 있다.
산소제조시설은 대규모 시설인 심냉법을 활용하여 산소를 제조하게 되며, 심냉법은 별도의 많은 에너지를 사용하게 되어 산소제조 생산단가가 높다는 단점을 갖고 있다. 선진국에서는 심냉법을 대체할 다양한 기술에 대한 연구들이 이루어지고 있으며 세라믹 분리막을 이용한 기술이 하나의 대안으로 생각되고 있다.
한국등록특허 제1135642호 한국등록특허 제0835363호 한국공개특허 제2002-0006471호 일본공개특허 제2005-134102호
따라서 본 발명은, 상기와 같은 순산소 가열로를 활용하기 위해 외부로부터 높은 제조단가를 갖는 순산소를 공급받아야 하는 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 순산소 가열로부터 배출되는 고온의 폐열을 활용하여 세라믹분리막 산소제조기술을 조합한, 산소제조 기능을 갖는 순산소 가열로를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일실시예 따르면, 또한, 순산소 제조에 활용되어 남겨진 N2-riched air(분리되지 못한 산소를 포함한 공기(잔존공기) 지칭)의 배열을 다시 열저장장치에 활용하여 추가적으로 열을 회수할 수 있게 되고, 이 경우 H2O가 없는 배열을 활용하기에 현열 열저장장치에 있어 내구성을 높일 수 있는 부수적인 장점도 있으며, 한편 N2-riched air의 배열은 열교환기를 이용하여 연료예열에도 활용할 수도 있고, 이는 순산소 가열로에 투입되는 열을 최대한 활용하여 시스템 효율을 극대화할 수 있는 산소제조 기능을 갖는 순산소 가열로를 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 목적은, 순산소 가열로에 있어서, 내부로 산화제인 산소를 공급받아 투입된 연료가 연소되어 연소배가스를 토출시키는 연소기; 및 상기 공기가 유입되어 상기 공기 내의 산소를 분리하여 상기 연소기에 공급하는 산소분리막 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로로서 달성될 수 있다.
또한, 상기 산소분리막 모듈은, 세라믹 산소분리막과, 공기가 유입되는 공기 유입부와, 상기 연소기에서 토출된 연소배가스가 유입되는 고온배가스 유입부와, 분리된 산소가 토출되는 산소토출부를 포함하고, 상기 고온배가스 유입부를 통해 유입된 연소배가스의 폐열이 상기 산소분리막에 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 산소분리막 모듈에서 토출되는 배가스가 유입되어 상기 배가스 내의 물을 분리하는 분리기; 및 상기 분리기에서 물이 분리된 배가스의 이산화탄소를 포집하는 CO2 포집장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 연소기 측으로 연료를 공급하는 연료공급수단과, 상기 산소분리막 모듈로 공기를 공급하는 공기공급수단; 및 상기 산소분리막 모듈에서 산소 일부가 분리되어 토출되는 잔존공기의 현열을 저장하는 열저장장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 열저장장치는, 병렬로 나열된 복수의 열저장기기와, 상기 열저장기기 각각에 구비되어 유입되는 잔존공기의 유량을 조절하는 조절밸브를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 연소기의 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도센서와, 상기 산소분리막모듈의 온도를 실시간으로 측정하는 제2온도센서; 및 상기 제1온도센서와 상기 제2온도센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 공기공급수단, 상기 연료공급수단 및 상기 조절밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 산소분리막 모듈로 공기를 공급하는 공기공급수단; 상기 산소분리막 모듈에서 산소 일부가 분리되어 토출되는 잔존공기가 유입되는 열교환장치; 및 상기 열교환장치로 연료를 공급하는 연료공급수단;을 포함하고, 상기 열교환장치에서 잔존공기의 현열이 상기 연료로 공급되어 상기 연료가 예열되며, 예열된 연료가 상기 연소기로 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 연소기의 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도센서와, 상기 산소분리막모듈의 온도를 실시간으로 측정하는 제2온도센서; 및 상기 제1온도센서와 상기 제2온도센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 공기공급수단, 상기 연료공급수단을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 카테고리로서 본 발명의 목적은, 순산소 가열로의 작동방법에 있어서, 산소분리막모듈의 공기유입부로 공기가 유입되어 산소분리막에 의해 상기 공기 내의 산소가 분리되는 단계; 연소기 내부로 상기 산소분리막모듈에서 생산된 산소가 유입되어, 투입된 연료가 연소되어 연소배가스가 토출되는 단계; 및 상기 연소기에서 토출된 연소배가스가 상기 산소분리막 모듈의 고온배가스 유입부를 통해 유입되고, 상기 고온배가스 유입부를 통해 유입된 연소배가스의 폐열이 상기 산소분리막에 공급되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로의 작동방법으로서 달성될 수 있다.
또한, 상기 산소분리막 모듈에서 토출되는 배가스가 분리기에 유입되어 상기 배가스 내의 물이 분리되는 단계; 및 CO2 포집장치가 상기 분리기에서 물이 분리된 배가스의 이산화탄소를 포집하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 산소분리막 모듈에서 산소 일부가 분리된 잔존공기가 토출되어 열저장장치로 유입되는 단계; 및 열저장장치에서 상기 산소분리막 모듈에서 토출된 잔존공기의 현열을 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 열저장장치는 병렬로 나열된 복수의 열저장기기를 포함하고, 복수의 열저장기기가 독립적으로 상기 잔존공기의 현열을 저장하며, 조절밸브에 의해 상기 열저장기기 각각으로 유입되는 잔존공기의 유량이 조절되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 제1온도센서가 상기 연소기의 온도를 실시간으로 측정하고, 제2온도센서가 상기 산소분리막모듈의 온도를 실시간으로 측정하는 단계; 및 제어부가 상기 제1온도센서와 상기 제2온도센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 연소기로 연료를 공급하는 연료공급수단, 상기 산소분리막 모듈로 공기를 공급하는 공기공급수단 및 상기 조절밸브를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 산소분리막 모듈에서 산소 일부가 분리된 잔존공기가 토출되어 열교환장치로 유입되고, 연료공급수단에 의해 연료가 상기 열교환장치로 공급되는 단계; 및 상기 열교환장치에서 잔존공기의 현열이 상기 연료로 공급되어 상기 연료가 예열되며, 예열된 연료가 상기 연소기로 공급되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 제1온도센서가 상기 연소기의 온도를 실시간으로 측정하고, 제2온도센서가 상기 산소분리막모듈의 온도를 실시간으로 측정하는 단계; 및 제어부가 제1온도센서와 상기 제2온도센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 열교환장치로 연료를 공급하는 연료공급수단, 상기 산소분리막 모듈로 공기를 공급하는 공기공급수단을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 순산소 가열로부터 배출되는 고온의 폐열을 활용하여 세라믹분리막 산소제조기술을 조합하여 산소제조에 필요한 열원을 별도의 열원 공급없이 순산소 가열로에서 배출되는 배가스로 대체 가능하기 때문에 산소제조단가를 크게 낮추는 효과를 얻게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예 따르면, 순산소 제조에 활용되어 남겨진 N2-riched air(분리되지 못한 산소를 포함한 공기(잔존공기) 지칭)의 배열을 다시 열저장장치에 활용하여 추가적으로 열을 회수할 수 있고, 이 경우 H2O가 없는 배열을 활용하기에 현열 열저장장치에 있어 내구성을 높일 수 있는 부수적인 장점이 있으며, 한편 N2-riched air의 배열은 열교환기를 이용하여 연료예열에도 활용할 수도 있어 이는 순산소 가열로에 투입되는 열을 최대한 활용하여 시스템 효율을 극대화 할 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 순산소 가열로의 구성도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로의 구성도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로 작동방법의 흐름도,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로의 구성도,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 열저장장치의 구성도,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로 작동방법의 흐름도,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도,
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로의 구성도,
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로 작동방법의 흐름도,
도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로(100)의 구성, 기능 및 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저 본 발명의 제1실시예에 대해 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로(100)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로 작동방법의 흐름도를 도시한 것이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 산소분리막모듈(20)을 포함하여 구성된다. 산소분리막모듈(20)은 공기가 유입되어 공기 내의 산소를 분리하여 버너(11)의 산소공급부(13)로 산소에 공급하게 된다.
연소기(10)는 연료공급부(12)와 산소공급부(13)를 갖는 버너(11)를 포함하여 구성되며, 내부로 산소를 공급받아 투입된 연료가 연소되어 고온배가스토출부(14)를 통해 연소배가스를 토출시키게 된다.
또한, 산소분리막모듈(20)은 세라믹 산소분리막으로 구성되게 되며, 별도의 라인을 통해 연소기(10)에서 토출된 고온배가스가 유입되어 고온배가스의 폐열을 공급받게 된다.
구체적으로 산소분리막모듈(20)은 공기공급수단(4)에 의해 공기가 공급되는 공기유입부(21)와, 분리된 산소가 토출되는 산소토출부(22)와, 연소기(10)에서 토출된 고온배가스가 유입되는 고온배가스유입부(23)와, 산소분리막으로 폐열을 공급한 배가스가 토출되는 배가스토출부(24)와, 산소 일부가 제거된 잔존공기(N2-riched air(분리되지 못한 산소를 포함한 공기 지칭))가 토출되는 잔존공기토출부(25)를 포함하여 구성될 수 있다. 산소토출부(22)를 통해 토출된 산소는 버너(11)의 산소공급부(13)를 통해 연소기(10)로 공급되게 된다.
또한, 분리기(30)는 산소분리막 모듈(20)에서 토출되는 배가스가 유입되어 배가스 내의 물을 분리하게 된다. 반면, CO2 포집장치(40)는, 분리기(30)에서 물이 분리된 배가스의 이산화탄소를 포집하게 된다. 분리기(30)는 산소분리막에서 토출된 배가스가 유입되는 배가스유입부(31)와, 응축된 물이 배출되는 응축수토출부(32)와, CO2가 토출되는 CO2토출부(33)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 제1실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로(100)의 작동방법은 먼저, 공기공급수단(4)에 의해 산소분리막모듈(20)의 공기 유입부로 공기가 유입되어 산소분리막에 의해 공기 내의 산소가 분리되게 된다(S1). 그리고, 버너(11)의 산소공급부(13)를 통해 연소기(10) 내부로 산소분리막모듈(20)에서 생산된 산소가 유입되어, 투입된 연료가 연소되어 연소배가스를 토출시키게 된다(S2).
그리고, 연소기(10)에서 토출된 연소배가스는 산소분리막 모듈(20)의 고온배가스 유입부를 통해 유입되고, 고온배가스 유입부를 통해 유입된 연소배가스의 폐열이 산소분리막에 공급되게 된다(S3). 그리고, 산소분리막 모듈(20)에서 토출되는 배가스는 분리기(30)에 유입되어 배가스 내의 물이 분리되고(S4), CO2 포집장치(40)는 분리기(30)에서 물이 분리된 배가스의 이산화탄소를 포집하게 된다(S5).
따라서, 앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에서는, 분리기(30) 이전에 세라믹 산소분리막을 이용한 산소분리막모듈(20)을 설치하여 연소기(10)에서 배출되는 고온 배가스 폐열을 산소제조에 활용한다. 산소분리막모듈(20)에 유입되는 공기는 연소기(10)에서 배출된 고온의 연소배가스로 예열되어 산소분리막을 통과하면서 산소와 잔존공기로 분리되게 된다. 이렇게 얻어진 산소는 순산소 가열로(100)에 필요한 산화제로 공급되게 되며 잔존공기는 외부로 배출되게 된다. 산소분리막모듈(20)에 활용된 배가스는 다시 분리기(30)(통상 응축기)를 거쳐 H2O가 제거되어 CO2 포집장치(40)에 저장되게 된다.
이때 사용되는 산소제조기술은 세라믹 산소분리막을 이용하는 것으로 기존 산소제조장치에 비해 매우 작기 때문에 순산소 가열로(100)의 인접 설치가 가능하다. 또한 산소제조에 필요한 열원을 별도의 열원 공급없이 순산소 가열로(100)에서 배출되는 배가스로 대체 가능하기 때문에 산소제조단가를 크게 낮추는 효과를 얻게 된다.
이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로(100)의 구성, 기능 및 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로(100)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 열저장장치(50)의 구성도를 도시한 것이다. 또한, 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로(100) 작동방법의 흐름도를 도시한 것이다. 그리고, 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 제어부(70)의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로(100)는 앞서 언급한 제1실시예와 같이, 버너(11), 연소기(10), 산소분리막모듈(20), 분리기(30), CO2 포집장치(40)를 포함하여 구성되나, 열저장장치(50)를 더 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 열저장장치(50)는 산소분리막 모듈(20)에서 산소 일부가 분리되어 토출되는 잔존공기의 현열을 저장하게 된다. 또한, 이러한 열저장장치(50)는 도 5에 도시된 바와 같이, 병렬로 나열된 복수의 열저장기기(51)와, 열저장기기(51) 각각에 구비되어 유입되는 잔존공기의 유량을 조절하는 조절밸브(52)를 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.
즉, 산소분리막모듈(20)에서 배출되는 잔존공기의 경우에도 고온의 상태이다. 따라서 제2실시예에서는 이러한 잔존공기의 열을 최대한 활용하기 위해 열저장장치(50)가 설치되게 된다. 열저장장치(50)를 설치시 저장된 열을 필요로하는 다른 공정 및 시스템에 공급할 수 있다. 제2실시예에서 적용하고자 하는 직접열교환이 일어나는 열저장장치(50)에서는 열전달에 따른 H2O응축이 발생함에 따라 열저장장치(50) 재료간 응집 및 내구성 문제가 야기될 수 있다. 하지만 제2실시예에서는 H2O가 포함되지 않은 잔존공기(N2-riched air)가 사용되므로 근본적으로 H2O 응축에 따른 열저장장치(50) 내구성 문제 개선이라는 부수적인 효과도 얻을 수 있다.
본 발명의 제2실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로(100)의 작동방법을 간략히 설명하면 먼저, 제1실시예와 같이, 공기공급수단(4)에 의해 산소분리막모듈(20)의 공기 유입부로 공기가 유입되어 산소분리막에 의해 공기 내의 산소가 분리되게 된다(S11). 그리고, 버너(11)의 산소공급부(13)를 통해 연소기(10) 내부로 산소분리막모듈(20)에서 생산된 산소가 유입되어, 투입된 연료가 연소되어 연소배가스를 토출시키게 된다(S12).
그리고, 연소기(10)에서 토출된 연소배가스는 산소분리막 모듈(20)의 고온배가스 유입부를 통해 유입되고, 고온배가스 유입부를 통해 유입된 연소배가스의 폐열이 산소분리막에 공급되게 된다(S13). 그리고, 산소분리막 모듈(20)에서 토출되는 배가스는 분리기(30)에 유입되어 배가스 내의 물이 분리되고(S14), CO2 포집장치(40)는 분리기(30)에서 물이 분리된 배가스의 이산화탄소를 포집하게 된다(S15).
반면, 산소분리막 모듈(20)에서 산소 일부가 분리된 잔존공기가 토출되어 열저장장치(50)로 유입되게 된다(S16). 그리고, 열저장장치(50)에서 산소분리막 모듈(20)에서 토출된 잔존공기의 현열을 저장하게 된다(S17).
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2실시예에서는 연소기(10)의 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도센서(71)와, 산소분리막모듈(20)의 온도를 실시간으로 측정하는 제2온도센서(72)를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 제어부(70)는 제1온도센서(71)와 제2온도센서(72)에서 측정된 값을 기반으로 산소분리막모듈(20)로 공기를 공급하는 공기공급수단(4)과, 버너(11)로 연료를 공급하는 연료공급수단(3) 및 조절밸브(52)를 제어할 수 있다. 따라서 연소기(10)와 산소분리막모듈(20)의 온도값을 기반으로 조절밸브(52)를 제어하여 잔존공기의 현열을 저장하게 되는 열저장기기(51)의 개수, 열저장기기(51)로 유입되는 잔존공기의 유량을 조절하여 시스템의 밸런스를 제어할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명의 제3실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로(100)의 구성, 기능 및 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로(100)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고, 도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로(100) 작동방법의 흐름도를 도시한 것이다. 또한, 도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 제어부(70)의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로(100)는 앞서 언급한 제1실시예와 같이, 버너(11), 연소기(10), 산소분리막모듈(20), 분리기(30), CO2 포집장치(40)를 포함하여 구성되나, 열교환장치(60)를 더 포함하여 구성됨을 알 수 있다.
열교환장치(60)는 산소분리막 모듈(20)에서 산소 일부가 분리되어 토출되는 잔존공기가 유입되게 되며, 연료공급수단(3)에 의해 연료가 열교환장치(60)로 공급되게 된다. 따라서, 열교환장치(60)에서 잔존공기의 현열이 연료로 공급되어 연료가 예열되며, 예열된 연료가 연소기(10)로 공급되게 된다. 즉, 열교환장치(60)는 연료와 잔존공기가 열교환되도록 연료공급수단(3)에 의해 연료가 유입되는 연료유입부(61)와 예열된 연료가 토출되는 예열연료토출부(62)를 포함하여 구성되며, 별도의 유로를 통해 산소분리막모듈(20)에서 토출된 잔존공기가 유입되게 된다.
제3실시예에서는 제2실시예에 따른 열저장장치(50) 대신 연료를 예열할 수 있는 열교환장치(60) 설치하여 잔존공기의 배열로 투입연료를 줄이는 효과를 기대할 수도 있다. 결국은 제2, 제3실시예와 같이, 잔존공기의 배열로 적극 활용함으로써 전체 순산소 가열로 시스템에 투입되는 에너지를 최소화함으로써 전체 시스템효율을 극대화할 수 있다.
본 발명의 제3실시예에 따른 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로의 작동방법을 간략히 설명하면 먼저, 제1실시예와 같이, 공기공급수단(4)에 의해 산소분리막모듈(20)의 공기 유입부로 공기가 유입되어 산소분리막에 의해 공기 내의 산소가 분리되게 된다(S21). 그리고, 버너(11)의 산소공급부(13)를 통해 연소기(10) 내부로 산소분리막모듈(20)에서 생산된 산소가 유입되어, 투입된 연료가 연소되어 연소배가스를 토출시키게 된다(S22).
그리고, 연소기(10)에서 토출된 연소배가스는 산소분리막 모듈(20)의 고온배가스 유입부를 통해 유입되고, 고온배가스 유입부를 통해 유입된 연소배가스의 폐열이 산소분리막에 공급되게 된다(S23). 그리고, 산소분리막 모듈(20)에서 토출되는 배가스는 분리기(30)에 유입되어 배가스 내의 물이 분리되고(S24), CO2 포집장치(40)는 분리기(30)에서 물이 분리된 배가스의 이산화탄소를 포집하게 된다(S25).
반면, 산소분리막 모듈(20)에서 산소 일부가 분리된 잔존공기가 토출되어 열교환장치(60)로 유입되고, 연료공급수단(3)에 의해 연료가 열교환장치(60)로 공급되게 된다(S26). 그리고, 열교환장치(60)에서 잔존공기의 현열이 연료로 공급되어 상기 연료가 예열되며, 예열된 연료가 연소기(10)로 공급되게 된다(S27).
또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1온도센서(71)는 연소기(10)의 온도를 실시간으로 측정하게 되고, 제2온도센서(72)는 산소분리막모듈(20)의 온도를 실시간으로 측정하게 된다.
그리고 제어부(70)는 제1온도센서(71)와 제2온도센서(72)에서 측정된 값을 기반으로 상기 열교환장치(60)로 연료를 공급하는 연료공급수단(3), 산소분리막 모듈(20)로 공기를 공급하는 공기공급수단(4)을 제어하게 된다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:종래 순산소가열로
2:산소저장부
3:연료공급수단
4:공기공급수단
10:연소기
11:버너
12:연료공급부
13:산소공급부
14:고온배가스토출부
20:산소분리막모듈
21:공기유입부
22:산소토출부
23:고온배가스유입부
24:배가스토출부
25:잔존공기토출부
30:분리기
31:배가스유입부
32:응축수토출부
33:CO2토출부
40:CO2포집장치
50:열저장장치
51:열저장기기
52:조절밸브
60:열교환장치
61:연료유입부
62:예열연료토출부
70:제어부
71:제1온도센서
72:제2온도센서
100:산소제조기능을 갖는 순산소 가열로

Claims (15)

  1. 순산소 가열로에 있어서,
    내부로 산화제인 산소를 공급받아 투입된 연료가 연소되어 연소배가스를 토출시키는 연소기;
    공기가 유입되어 상기 공기 내의 산소를 분리하여 상기 연소기에 공급하는 산소분리막 모듈;
    상기 산소분리막 모듈에서 토출되는 배가스가 유입되어 상기 배가스 내의 물을 분리하는 분리기; 및
    상기 분리기에서 물이 분리된 배가스의 이산화탄소를 포집하는 CO2 포집장치;
    상기 산소분리막 모듈로 공기를 공급하는 공기공급수단;
    상기 산소분리막 모듈에서 산소 일부가 분리되어 토출되는 잔존공기가 유입되는 열교환장치; 및
    상기 열교환장치로 연료를 공급하는 연료공급수단;을 포함하고,
    상기 산소분리막 모듈은, 세라믹 산소분리막과, 공기가 유입되는 공기 유입부와, 상기 연소기에서 토출된 연소배가스가 유입되는 고온배가스 유입부와, 분리된 산소가 토출되는 산소토출부를 포함하고, 상기 고온배가스 유입부를 통해 유입된 연소배가스의 폐열이 상기 산소분리막에 공급되며,
    상기 열교환장치에서 잔존공기의 현열이 상기 연료로 공급되어 상기 연료가 예열되며, 예열된 연료가 상기 연소기로 공급되는 것을 특징으로 하는 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 연소기 측으로 연료를 공급하는 연료공급수단과, 상기 산소분리막 모듈로 공기를 공급하는 공기공급수단; 및
    상기 산소분리막 모듈에서 산소 일부가 분리되어 토출되는 잔존공기의 현열을 저장하는 열저장장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 열저장장치는,
    병렬로 나열된 복수의 열저장기기와, 상기 열저장기기 각각에 구비되어 유입되는 잔존공기의 유량을 조절하는 조절밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 연소기의 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도센서와, 상기 산소분리막모듈의 온도를 실시간으로 측정하는 제2온도센서; 및
    상기 제1온도센서와 상기 제2온도센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 공기공급수단, 상기 연료공급수단 및 상기 조절밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 연소기의 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도센서와, 상기 산소분리막모듈의 온도를 실시간으로 측정하는 제2온도센서; 및
    상기 제1온도센서와 상기 제2온도센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 공기공급수단, 상기 연료공급수단을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로.
  9. 순산소 가열로의 작동방법에 있어서,
    산소분리막모듈의 공기유입부로 공기가 유입되어 산소분리막에 의해 상기 공기 내의 산소가 분리되는 단계;
    연소기 내부로 상기 산소분리막모듈에서 생산된 산소가 유입되어, 투입된 연료가 연소되어 연소배가스가 토출되는 단계;
    상기 연소기에서 토출된 연소배가스가 상기 산소분리막 모듈의 고온배가스 유입부를 통해 유입되고, 상기 고온배가스 유입부를 통해 유입된 연소배가스의 폐열이 상기 산소분리막에 공급되는 단계;
    상기 산소분리막 모듈에서 토출되는 배가스가 분리기에 유입되어 상기 배가스 내의 물이 분리되는 단계;
    CO2 포집장치가 상기 분리기에서 물이 분리된 배가스의 이산화탄소를 포집하는 단계;
    상기 산소분리막 모듈에서 산소 일부가 분리된 잔존공기가 토출되어 열교환장치로 유입되고, 연료공급수단에 의해 연료가 상기 열교환장치로 공급되는 단계; 및
    상기 열교환장치에서 잔존공기의 현열이 상기 연료로 공급되어 상기 연료가 예열되며, 예열된 연료가 상기 연소기로 공급되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로의 작동방법.
  10. 삭제
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 산소분리막 모듈에서 산소 일부가 분리된 잔존공기가 토출되어 열저장장치로 유입되는 단계; 및
    열저장장치에서 상기 산소분리막 모듈에서 토출된 잔존공기의 현열을 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로의 작동방법.
  12. ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 11항에 있어서,
    상기 열저장장치는 병렬로 나열된 복수의 열저장기기를 포함하고, 복수의 열저장기기가 독립적으로 상기 잔존공기의 현열을 저장하며, 조절밸브에 의해 상기 열저장기기 각각으로 유입되는 잔존공기의 유량이 조절되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로의 작동방법.
  13. ◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 12항에 있어서,
    제1온도센서가 상기 연소기의 온도를 실시간으로 측정하고, 제2온도센서가 상기 산소분리막모듈의 온도를 실시간으로 측정하는 단계; 및
    제어부가 상기 제1온도센서와 상기 제2온도센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 연소기로 연료를 공급하는 연료공급수단, 상기 산소분리막 모듈로 공기를 공급하는 공기공급수단 및 상기 조절밸브를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로의 작동방법.
  14. 삭제
  15. ◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 9항에 있어서,
    제1온도센서가 상기 연소기의 온도를 실시간으로 측정하고, 제2온도센서가 상기 산소분리막모듈의 온도를 실시간으로 측정하는 단계; 및
    제어부가 제1온도센서와 상기 제2온도센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 열교환장치로 연료를 공급하는 연료공급수단, 상기 산소분리막 모듈로 공기를 공급하는 공기공급수단을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소제조기능을 갖는 순산소 가열로의 작동방법.
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