KR101985375B1 - 미세먼지 대응 휘발성 유기화합물의 에너지 전환시스템 및 동 시스템을 이용한 에너지 전환방법 - Google Patents

미세먼지 대응 휘발성 유기화합물의 에너지 전환시스템 및 동 시스템을 이용한 에너지 전환방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업현장에서 발생하는 휘발성 유기화합물을 흡탈착하는 VOCs 흡탈착부; 상기 회수된 휘발성 유기화합물을 응축하여 회수하는 VOCs 응축회수부; 상기 회수된 VOCs로부터 화학반응을 거쳐 연료인 합성가스로 생산하는 VOCs 개질부; 및 상기 합성가스를 연료로 하여 열에너지와 전기에너지를 생산하는 열병합발전부를 포함하는 미세먼지 대응 휘발성 유기화합물의 에너지 전환시스템을 제공한다.

Description

미세먼지 대응 휘발성 유기화합물의 에너지 전환시스템 및 동 시스템을 이용한 에너지 전환방법{Energy Conversion System of Volatile Organic Compounds Corresponding Fine Dust and The Energy Conversion Method Using The Same}
본 발명은 미세먼지 대응 휘발성 유기화합물의 에너지 전환시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 휘발성유기화합물 발생 사업장에서 배출되는 VOCs를 에너지화하여 열병합발전을 수행하고, 열병합발전을 통해 생산된 에너지는 다시 휘발성유기화합물 발생 사업장에 공급하여 에너지 자립화를 도모할 수 있는 미세먼지 대응 휘발성 유기화합물의 에너지 전환시스템에 관한 것이다.
휘발성 유기화합물(VOCs)은 상온, 상압에서 액체상이나 고체상으로 존재할 수 있지만 쉽게 증발되어 대기 중에서는 가스상으로 존재하는 모든 유기화합물을 통칭한다. 이들 유기화합물은 20℃에서 1.0~760 mmHg 범위의 증기압을 가진다(10-2 kPa의 증기압).
VOCs는 화학공장에서 배출되는 가장 일반적인 오염물질로서, 대기 중에서 광화학반응을 일으켜 스모그의 원인이 되는 오존 및 광화학 산화성 물질을 만들며 자동차에서 배출되는 연소 배기가스 중의 SOx, NOx와 함께 최근 심각한 대기오염의 주요인이 되는 물질이다.
산업현장에서 주로 발생되는 VOCs는 크게 두 가지로 분류되는데 i) 올레핀계의 방향족 탄화수소(벤젠, 톨루엔, 자일렌 등) 및 파라핀계의 지방족 탄화수소를 일컫는 일반 탄화수소와 ii) 알데하이드 및 케톤류의 비균질 탄화수소로 구분된다. 특히, 방향족 탄화수소인 톨루엔은 인쇄, 세탁, 피혁, 테입 및 페인트 산업 등 산업현장 전반에 걸쳐 사용되는 물질이다.
배출원별 VOCs 배출량은 일반적으로 이동 배출원인 자동차와 유기용제를 다량 사용하는 도장시설 등이 전체 VOCs 배출량의 약 80% 내외를 차지하며, 2005년 이후 유기용제를 사용하는 시설에서 배출되는 VOCs의 발생량이 점차 증가되고 있는 실정이다.
또한, 2000년대 이후 환경규제의 강화로 인하여 유기용제 및 유류를 취급하는 대부분의 사업체는 VOCs 처리설비를 구축하고 규제농도 이하로 관리해야 되는 상황이기 때문에 단순 환경방지설비의 개념보다는 산업기반기술의 구축이라는 측면으로의 접근이 요구되고 있지만, 현재까지 이에 대한 대비책은 마련되어 있지 못하고 있는 실정이다.
이에 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 휘발성유기화합물 발생 사업장에서 배출되는 VOCs를 에너지화하여 열병합발전을 수행하고, 열병합발전을 통해 생산된 에너지는 다시 휘발성유기화합물 발생 사업장에 공급하여 에너지 자립화를 도모할 수 있는 미세먼지 대응 휘발성 유기화합물의 에너지 전환시스템을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제는 다음과 같은 수단에 의해 달성되어진다.
(1) 산업현장에서 발생하는 휘발성 유기화합물을 흡탈착하는 VOCs 흡탈착부; 상기 회수된 휘발성 유기화합물을 응축하여 회수하는 VOCs 응축회수부; 상기 회수된 VOCs로부터 화학반응을 거쳐 연료인 합성가스로 생산하는 VOCs 개질부; 및 상기 합성가스를 연료로 하여 열에너지와 전기에너지를 생산하는 열병합발전부를 포함하되,
상기 VOCs 흡탈착부는 2,500㎡/g 이상의 비표면적을 갖는 활성탄 혹은 활성탄소섬유를 적용하되, 상기 활성탄 혹은 활성탄소섬유의 탄소 매트릭스에 KOH가 점착되고 탈수 및 산화과정을 통해 상기 KOH가 K2O로 전환되고, 700℃ 이상의 고온 열처리 과정에서 탄소 매트릭스 상의 탄소가 환원제로 작용하여 K2O는 환원된 칼륨금속으로 전환되어 상기 탄소 매트릭스 내부로 삽입되는 과정에서 탄소매트릭스 상의 탄소가 산화되면서 CO2로 전환됨과 동시에 소실되면서 탄소가 소실된 자리에 나노세공이 형성된 것이며,
상기 VOCs 응축회수부는 수봉식 진공펌프가 이용되며, 흡수용매로 에틸렌글리콜을 이용한 저온 냉각응축을 이용하여 탈착된 VOCs의 90% 이상이 농축되어지는 것으로 하며,
상기 VOCs 개질부는 자열개질방식으로 주촉매로는 Ni-Ru과 Ni-Rh, 보조촉매로는 CeO2와 ZrO2가 사용되는 것으로 하고,
상기 열병합발전부는 VOCs 개질부에서 생성된 합성가스를 가스엔진; 합성가스와 공기를 혼합하여 터보차저에 공급하는 혼합기; 상기 가스엔진으로부터 배출된 고온의 배기가스에 의해 상기 혼합기로부터 공급되는 혼합가스를 엔진에 공급하는 터보차저; 상기 터보차저로부터 배출되는 고온의 배기가스와 냉매를 열교환시키는 배기가스열교환기; 상기 배기가스열교환기로부터 열을 공급받은 냉매와 물을 열교환시키는 냉매열교환기; 및 상기 가스엔진에 연결되어 전기를 생산하는 발전기를 포함하되, 가스엔진의 배기밸브는 흡기밸브의 개방시에 동시에 개방이 이루어지도록 제어하고, 동시에 배기밸브는 배기관의 일측을 분기시켜 혼합기로부터 동시에 연료를 공급받을 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 미세먼지 대응 휘발성 유기화합물의 에너지 전환시스템.
(2) 상기 1에 의한 에너지 전환시스템을 이용하여 미세먼지 대응 휘발성 유기화합물의 에너지를 전환하는 방법.
상기와 같이 본 발명에 의하면, 휘발성유기화합물 발생 사업장에서 배출되는 VOCs를 에너지화하여 열병합발전을 수행하고, 열병합발전을 통해 생산된 에너지는 다시 휘발성유기화합물 발생 사업장에 공급하여 에너지 자립화를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 미세먼지 대응 휘발성 유기화합물의 에너지 전환시스템의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가스엔진 열병합 발전시스템의 구성도이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다.
몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, "일(a 또는 an)", "하나(one)", "그(the)" 및 유사 관련어는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서(특히, 이하의 청구항의 문맥에서) 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 살펴보기로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물의 에너지 전환시스템은 도 1에 도시한 바와 같이 VOCs 흡탈착부(100), VOCs 응축회수부(200), VOCs 개질부(300), 및 열병합발전부(400)으로 이루어진다.
상기 VOCs 흡탈착부(100)는 휘발성유기화합물 발생 사업장에서 배출되는 VOCs를 흡탈착하는 구성이다.
상기 VOCs 흡탈착부(100)에서 흡착공정에는 바람직하게는 2,500㎡/g이상의 고비표면적을 갖는 흡착제가 사용된다.
이러한 본 발명에 사용되는 흡착제의 예로는 나노세공이 형성된 활성탄 혹은 활성탄소섬유를 들 수 있다. 이러한 나노세공은 활성탄 혹은 활성탄소섬유의 탄소 매트릭스에 KOH를 점착시켜 탈수 및 산화과정을 통해 KOH를 K2O로 전환시키고, 700℃ 이상의 고온 열처리 과정에서 탄소 매트릭스 상의 탄소가 환원제로 작용하여 상기 K2O는 환원된 칼륨금속으로 전환되어 상기 탄소 매트릭스 내부로 삽입되는 과정에서 탄소매트릭스 상의 탄소가 산화되면서 CO2로 전환됨과 동시에 소실되면서 탄소가 소실된 자리에 나노세공이 형성되어진다.
상기 VOCs 흡탈착부(100)에서의 VOCs의 탈착은 바람직하게는 반복 흡탈착이 가능한 감압탈착기가 이용된다.
본 발명에서 상기 VOCs 응축회수부(200)는 VOCs 흡탈착부(100)로부터 탈착된 VOCs를 응축하여 회수하는 구성으로, 바람직하게는 용매흡수 방식이 이용된다.
바람직하게는 흡수용매로 에틸렌글리콜을 이용한 저온 냉각응축을 이용하여 VOCs 흡탈착부(100)로부터 탈착된 VOCs의 90% 이상이 농축되어지도록 한다. 상기 VOCs 응축회수부(200)에 바람직하게는 수봉식 진공펌프(Liquid Ring Vacuum Pump)가 이용될 수 있다.
VOCs 개질부(300)는 VOCs 응축회수부(200)로부터 응축회수된 VOCs를 반응물로 하여 주성분이 수소인 합성가스를 생산하는 구성으로, 바람직하게는 자열개질방식(ATR)이 이용된다.
본 발명에서 상기 VOCs 개질부(300)는 회수된 VOCs를 유입받고 산소를 공급받아 연소공간에서 연소반응이 일어나고, 연소된 결과물은 하부의 촉매층을 통과하여 촉매반응을 통해 합성가스(CO, CO2 및 H2)로 생산된다.
바람직하게는 상기 촉매층은 주촉매로 Ni-Ru과 Ni-Rh, 보조촉매로 CeO2와 ZrO2을 포함한다.
열병합발전부(400)는 도 2에 도시한 바와 같이, VOCs 개질부(300)로부터 공급되는 합성가스를 원료로 하여 열에너지와 전기에너지를 생산하는 열병합발전을 수행하는 구성이다.
바람직하게는 VOCs 개질부(300)에서 생성된 합성가스를 흡입하여 폭발행정을 통해 배기가스로 배출하는 가스엔진(10), 합성가스와 공기를 혼합하여 터보차저에 공급하는 혼합기(20), 상기 가스엔진으로부터 배출된 고온의 배기가스에 의해 상기 혼합기로부터 공급되는 혼합가스를 엔진에 공급하는 터보차저(30), 상기 터보차저로부터 배출되는 고온의 배기가스와 냉매를 열교환시키는 배기가스열교환기(40), 상기 배열가스교환기로부터 열을 공급받은 냉매와 물을 열교환시키는 냉매열교환기(50), 및 상기 가스엔진에 연결되어 전기를 생산하는 발전기(60)를 포함한다.
상기 본 발명에 따른 가스엔진(10)의 전단에는 합성가스를 혼합기(20)에 공급하기 전에 수소의 농도를 체크하고, 수소의 농도가 저농도일 경우 수소를 추가로 보충받을 수 있는 수소공급부(미도시)가 더 구비될 수 있다. 이러한 수소공급부는 수소를 생산하는 수소연료전지일 수 있으며, VOCs 개질부(300)에서 공급받는 합성가스내 수소의 농도가 충분할 경우에는 작동하지 않고, 일정 수준 이하로 농도가 떨어질 경우 작동을 시작하여 수소의 농도를 올리게 된다. 수소공급부의 제어는 ECU(미도시)에 의해 제어될 수 있다.
따라서, 가스엔진(10)은 항시 균일한 농도의 수소를 공급받을 수 있게 되고, ECU는 또한 공연비 조절부를 구비하여 수소의 공연비를 제어하여 수소의 공연비가 정상보다 높을 경우 수소분사노즐(미도시)의 인젝터를 제어하여 인젝션 타임을 지연시켜 엔진의 역화를 방지할 수 있도록 한다. 또한, ECU는 실시간으로 연료온도를 측정하여 연료의 온도가 낮을 경우에는 수소의 공연비를 올리도록 제어한다.
가스엔진(10)의 배기밸브는 흡기밸브의 개방시에 동시에 개방이 이루어지도록 제어하고, 동시에 배기밸브는 배기관의 일측을 분기시켜 혼합기(20)로부터 동시에 연료를 공급받을 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해 출력효율을 보다 증진시키는 것이 가능해진다.
VOCs 개질부(300)에서 생산된 합성가스는 혼합기(20)에서 공기와 혼합되어 가스엔진(10) 룸에 공급된다. 상기 혼합기(20)와 가스엔진(10)의 사이에는 터보차저(30)가 구비된다.
따라서, 가스엔진(10)으로부터 배출되는 고온의 배기가스에 의해 터보차저(30)가 구동되어 상기 혼합기(20)에서 공급되는 혼합가스를 압축하여 출력을 높일 수 있다.
고온(대략 490℃)의 배기가스는 배기가스열교환기(40)를 통해 냉매에 열을 공급하고, 열을 공급받은 고온의 냉매는 냉매열교환기(50)을 통해 물에 열을 공급하게 된다.
본 발명의 열병합발전부(400)는 가스엔진 내 장착된 피스톤의 왕복 운동에 의해 발전기(60)가 구동되고 이로부터 전기를 생산하여 열에너지와 전기에너지를 모두 공급할 수 있는 열병합 발전을 수행한다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: VOCs 흡탈착부
200: VOCs 응축회수부
300: VOCs 개질부
400: 열병합발전부

Claims (2)

  1. 산업현장에서 발생하는 휘발성 유기화합물을 흡탈착하는 VOCs 흡탈착부; 회수된 상기 휘발성 유기화합물을 응축하여 회수하는 VOCs 응축회수부; 상기 회수된 VOCs로부터 화학반응을 거쳐 연료인 합성가스로 생산하는 VOCs 개질부; 및 상기 합성가스를 연료로 하여 열에너지와 전기에너지를 생산하는 열병합발전부를 포함하되,
    상기 VOCs 흡탈착부는 2,500㎡/g 이상의 비표면적을 갖는 활성탄 혹은 활성탄소섬유를 적용하되, 상기 활성탄 혹은 활성탄소섬유의 탄소 매트릭스에 KOH가 점착되고 탈수 및 산화과정을 통해 상기 KOH가 K2O로 전환되고, 700℃ 이상의 고온 열처리 과정에서 탄소 매트릭스 상의 탄소가 환원제로 작용하여 K2O는 환원된 칼륨금속으로 전환되어 상기 탄소 매트릭스 내부로 삽입되는 과정에서 탄소매트릭스 상의 탄소가 산화되면서 CO2로 전환됨과 동시에 소실되면서 탄소가 소실된 자리에 나노세공이 형성된 것이며,
    상기 VOCs 응축회수부는 수봉식 진공펌프가 이용되며, 흡수용매로 에틸렌글리콜을 이용한 저온 냉각응축을 이용하여 탈착된 VOCs의 90% 이상이 농축되어지는 것으로 하며,
    상기 VOCs 개질부는 자열개질방식으로 주촉매로는 Ni-Ru과 Ni-Rh, 보조촉매로는 CeO2와 ZrO2가 사용되는 것으로 하고,
    상기 열병합발전부는 VOCs 개질부에서 생성된 합성가스를 가스엔진; 합성가스와 공기를 혼합하여 터보차저에 공급하는 혼합기; 상기 가스엔진으로부터 배출된 고온의 배기가스에 의해 상기 혼합기로부터 공급되는 혼합가스를 엔진에 공급하는 터보차저; 상기 터보차저로부터 배출되는 고온의 배기가스와 냉매를 열교환시키는 배기가스열교환기; 상기 배기가스열교환기로부터 열을 공급받은 냉매와 물을 열교환시키는 냉매열교환기; 및 상기 가스엔진에 연결되어 전기를 생산하는 발전기를 포함하되, 가스엔진의 배기밸브는 흡기밸브의 개방시에 동시에 개방이 이루어지도록 제어하고, 동시에 배기밸브는 배기관의 일측을 분기시켜 혼합기로부터 동시에 연료를 공급받을 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 미세먼지 대응 휘발성 유기화합물의 에너지 전환시스템.
  2. 제 1항의 에너지 전환시스템을 이용하여 미세먼지 대응 휘발성 유기화합물의 에너지를 전환하는 방법.
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