KR102061411B1

KR102061411B1 - 이산화탄소 순환 연소장치 및 방법

Info

Publication number: KR102061411B1
Application number: KR1020180049448A
Authority: KR
Inventors: 손을택; 손덕순
Original assignee: (주) 나노에스텍수산
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2019-12-31
Also published as: KR20190125115A

Abstract

본 발명은 이산화탄소 순환 재이용에 관한 것으로서, 보일러 연소에 청정연료를 사용하며, 연소에 공기 대신 산소를 사용하여 연료를 완전 연소시켜 이산화탄소와 수증기로 이루어지는 배기를 형성하게 하여 배출배기를 수중으로 순환시켜 혼합시키고 가압하여 나노이산화탄소기포수로 생성시킨 다음 탄화수소수로 생성시켜 연소장치로 순환시켜 연소에 재이용하여 연료를 절감시키고 대기중으로 배기의 배출을 차단하게 된다.

Description

이산화탄소 순환 연소장치 및 방법{COMBUSTION APPARATUS AND METHOD FOR CARBON DIOXIDE CIRCULATION}

본 발명은 이산화탄소 순환 연소장치에 관한 것으로서, 화력발전소 등, 연료를 연소시키는 보일러에서 발생한 이산화탄소를 순환시켜 연소에 재이용하는 이산화탄소 순환 연소장치 및 방법에 관한 것이다.

과학기술의 발달과 함께 산업이 발달하면서 현대 산업은 열에너지와 전기 에너지를 많이 소비하게 되었으며, 에너지의 대부분은 고체연료인 석탄류, 액체형 석유류, 천연가스(LNG) 등의 화석연료에 공기를 사용하여 연소시키면서 에너지를 생성시켜 이용되고 있다.

이로 인해서, 배출배기는 황화합물(SOx), 질소화합물(NOx), 이산화탄소(CO₂), 수증기 등, 여러가지 물질이 혼합되어 대기중으로 배출되어 대기를 오염시키게 된다.

대체로 청정연료라고 하는 천연가스(LNG), 석유가스(LPG) 등의 연료를 사용하여도 공기로서 연소시키므로 공기중에 대량 함유된 질소에 의해서 배출 배기에 이산화탄소(CO₂)와 함께 질소화합물(NOx)이 함유되게 된다.

그리고, 근년에 와서 배기중에 함유된 이산화탄소(CO₂)는 지구를 온난화시키는 물질이라는 것이 밝혀지면서 이산화탄소(CO₂)의 배출량을 저감시키기 위해 세계가 공동으로 노력하고 있다.

따라서, 화석연료의 연소방법을 개선하여 대기중으로 이산화탄소의 배출을 차단시키는 기술과 이산화탄소(CO₂)를 재이용하는 기술개발이 요구되고 있다.

본 발명은 위에서 보는 문제점을 해결하기 위해, 보일러 연소에 청정 연료를 사용하고, 산소를 사용하여 연료를 완전 연소시켜 이산화탄소와 수증기로서 형성되는 배기가 배출되게 하며, 수중에서 배출배기에 함유된 이산화탄소를 나노사이즈로 분해하여 탄화수소수로 생성시켜 보일러 연소장치로 순환시켜 연소에 재이용하도록 하는 장치와 방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 과제해결을 위해, 아래와 같이 장치를 구비한다.

장치는 산소혼합연료라인(a)과 탄소수라인(b)으로 구분되는 별개의 장치를 구비하여 연결관으로 2개의 장치를 서로 연결시켜 이산화탄소 순환 재연소장치를 구성한다.

산소혼합연료라인(a)은 한국등록특허 초미세산소기포 산소혼합연료유 가공장치 및 방법(10-1233045호)의 장치가 이용되며, 장치는 유입장치(2), 가압펌프(5), 가압관(7), 개폐밸브(C), 분사노즐(9)로 순차 연결되어 구성되고, 연료에 산소를 혼합하여 초미세산소기포 혼합연료를 생성시켜 분사노즐(9)을 통해서 연소실에 분사시켜 연소되게 한다.

위에서, 초미세산소기포 혼합연료는 이하에서 편의상 산소혼합연료로 줄여서 사용한다.

탄소수라인(b)은 외부로 연결되는 유입관(19)에 연결되고, 보충수 공급관(15)이 부설된 보충수 공급탱크(F)와; 보충수 공급관(15) 및 이산화탄소 공급관(16)에 각각 연결되고, 토출관(14)이 부설된 미세기포발생장치(E)와; 개폐밸브(17)를 통해서 공급관(16)에 연결되고, 배기흡인관(18)이 부설된 기체압축장치(G)와; 토출관(14)에 연결되고, 개폐밸브(12)를 통해서 보충수 공급관(15)으로 순환관(13)이 연결되며, 개폐밸브(11)을 통해 산소혼합연료라인(a)의 개폐밸브(C)에 연결되는 연결관(10)이 부설되는 탄소수탱크(D);가 순차로 연결되어 구성된다.

위와같이 구성된 탄소수라인(b)은 탄화수소수를 생성시켜 산소혼합연료라인(a)의 개폐밸브(C)에 공급하여 산소혼합연료에 탄화수소수를 혼합시켜 분사노즐(9)을 통해 연소실에 분사시켜 연소시키며, 산소혼합연료에 탄화수소수의 혼합량은 조절하여 증감시키게 된다.

위에서, 미세기포발생장치(E)는 한국등록특허 극미세기포발생장치(특허제10-1022612)가 이용되며, 장치는 마이크로 나노기포수를 생성시켜 토출하게 된다.

위에서, 연소에서, 청정연료와 산소를 사용하여 연소시킴으로, 배출배기는 이산화탄소와 수증기가 주물질이 되어 배기를 형성시키게 되는 것이 특징이다.

본 발명에서 이산화탄소는 이하와 같은 단계를 거치면서 순환되어 연소된다.

장치가 작동하면, 산소혼합연료라인(a)의 분사노즐(9)을 통해 초미세산소기포 혼합연료가 연소실에 분사되어 연소되는 한편, 탄소수라인(b)의 미세기포발생장치(E)에 보충수가 용수로 공급되어 혼합되고 가압되는 단계;

기체압축장치(G)에서 연소실에서 배출된 이산화탄소 함유 배기를 압축시켜 미세기포발생장치(E)로 공급되는 단계;

미세기포발생장치(E)에서 가압수에 이산화탄소 함유 배기를 혼합하고 가압하여 나노이산화탄소기포수를 생성시켜 탄소수탱크(D)로 토출되는 단계;

탄소수탱크(D)에서 나노이산화탄소기포수중의 나노이산화탄소기포는 자기가압(自己加壓)에 의해서 축소 파열되면서 경계면에 형성되는 극한반응장(Hotspots)에서 나노이산화탄소와 물이 탄소, 산소, 수소 원소로 분해되었다가 탄화수소와 물로 재결합되어 탄화수소수로 이루어져 산소혼합연료라인(a)의 개폐밸브(C)로 공급되는 단계;

개폐밸브(C)에서 탄화수소수는 초미세산소기포 혼합연료에 혼합되면서 분사노즐(9)에서 분사되어 연소되는 단계; 를 연속적으로 반복하면서 이산화탄소는 재연소된다.

연료 연소에 질소를 다량 함유한 공기 대신 산소를 연소에 사용함으로서 이산화탄소와 수증기가 주물질이 되어 배기를 형성하게 되어 이산화탄소의 처리 및 이용이 편리하게 되고, 이산화탄소를 순환시켜 재연소함으로써 대기중으로 이산화탄소의 배출이 차단되어 지구온난화 예방에 기여하게 되며, 또한 대기중으로 미세먼지의 배출이 차단되어 미세먼지에 의한 질병 예방에 기여하게 되고, 이산화탄소를 순환시켜 재연소시킴으로서 연료비를 절감시키게 된다.

도 1은 본 발명의 구성도 이다.

이하 본 발명의 구성 및 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 구성도이며, 도면상에서 장치는 산소혼합연료라인(a)과 탄소수라인(b)으로 구별되어 있고, 연결관(10)이 개폐밸브(C)에 연결되어 양측 라인은 서로 연결되어 있다.

산소혼합연료라인(a)은 유입장치(2), 가압펌프(5), 가압관(7), 개폐밸브(C), 분사노즐(9)로 구성되며, 연료에 초미세산소기포를 혼합하여 초미세산소기포 혼합연료를 생성시켜서 분사노즐(9)을 통해 연소실로 분사하여 연료를 완전 연소시키게 되고, 연료연소에 공기 대신 산소를 사용하여 연소시키게 되어 배출배기는 크게 감소되어 배출된다.

배출배기의 감소는 연소에 산소를 이용함으로서 공기중에 약 70% 정도를 점하고 있는 질소와 기타 기체가 연소에 동반되지 않기 때문에 배출배기량은 5분의 1 전후로 감소되게 된다.

본 발명은 연소에 공기를 사용하지 않기 때문에 질소화합물(NOx)이 함유되지 않고, 청정연료를 사용함으로 황화합물(SOx)도 함유되지 않는 것이 특징이다.

위에서 청정연료는 탄화수소만으로 형성된 가스형에 준하는 연료를 의미한다.

본 발명은 연소에서, 청정연료와 산소를 사용하여 연소시킴으로, 배출배기는 이산화탄소와 수증기가 주물질이 되어 배기가 형성되는 것이 특징이다.

위에서, 산소혼합연료라인(a)은 한국등록특허 초미세산소기포 산소혼합연료유 가공장치 및 방법(10-1233045호)의 장치가 이용되며, 장치는 산소혼합연료를 생성시켜 노즐을 통해 연소실에 분사시켜 연소되게 한다.

탄소수라인(b)은 보충수 공급탱크(F), 미세기포발생장치(E), 기체압축장치(G), 탄소수탱크(D)가 소요의 연결관으로 연결되어 구성되어 있으며, 이하에서 개별 장치에 대해서 상세히 설명한다.

보충수 공급탱크(F)는 외부로 연결되는 유입관(19)에 연결되고, 공급관(15)이 부설되어 미세기포발생장치(E)에 연결된다.

위에서, 보충수 공급탱크(F)는 유입관(19)을 통해 외부로부터 순수를 공급받고, 배출배기에 함유된 수증기가 이송중에 냉각되어 물로 환원되어 유입되는 물도 함께 저장하면서 미세기포발생장치(E)에 공급하게 된다.

기체압축장치(G)는 개폐밸브(17)를 통해서 공급관(16)이 부설되어 미세기포발생장치(E)에 연결되고, 배기를 흡인하는 배기흡인관(18)이 부설되어 이산화탄소(CO₂)함유 배기를 압축하여 미세기포발생장치(E)에 공급하게 된다.

위에서, 배기흡인관(18) 이후는 도시되지 않았지만 배기 흡인관(18)은 연소실의 배기배출구로 연결되고, 일반적으로 이용되는 열교환장치를 통과시키거나, 냉각수중으로 배기관을 통과시키는 방법으로 냉각시켜 기체압축장치(G)에 흡인되며, 한편, 배기중의 수증기가 물로 환원되면 보충수공급탱크(F)로 유입시키게 된다.

미세기포발생장치(E)는 공급관(15)을 통해 보충수 공급탱크(F)로 연결되며, 이산화탄소 공급관(16)을 통해 기체압축장치(G)에 연결되고, 토출관(14)이 부설되어 탄소수탱크(D)에 연결된다.

미세기포발생장치(E)는 한국등록특허 극미세기포발생장치(특허제10-1022612)가 이용되고, 장치는 가압펌프, 미세가공관, 혼합관, 가압탱크 등이 주가 되어 구성되며, 액체와 기체를 혼합하고 가압하여 미세하게 분해하여 마이크로 나노기포수를 생성시켜 토출하게 된다.

미세기포발생장치(E)는 보충수 공급관(15)을 통해서 용수를 공급받으며, 기체압축장치(G)로부터 압축된 이산화탄소(CO₂) 함유 배기가 공급되어 혼합되고, 내장된 가압펌프의 가압력에 의해서 10기압 이상으로 가압하면서 물과 이산화탄소(CO₂)의 분자집단(Cluster)을 나노사이즈(Nano size)인 소분자단, 또는 단분자로 분해하여 나노이산화탄소기포수를 생성시켜 토출관(14)을 통해서 탄소수탱크(D)에 토출하게 된다.

탄소수탱크(D)는 토출관(14)을 통해서 미세기포발생장치(E)에 연결되고, 반대편에 개폐밸브(11)를 통해서 연결관(10)이 부설되어 산소혼합연료라인(a)의 개폐밸브(C)에 연결되며, 측면에서 개폐밸브(12)를 통해서 순환관(13)이 부설되어 보충수 공급관(15)에 연결된다.

탄소수탱크(D)는 토출관(14)을 통해 나노이산화탄소기포수가 토출되고, 나노이산화탄소기포수중의 나노이산화탄소기포는 자기가압에 의해서 축소 파열되며, 파열시에 나노이산화탄소기포 외면을 감싸고 있는 물과의 경계면에는 극한반응장(Hotspots)이 형성되고, 이 극한반응장에서 이산화탄소(CO₂)와 물분자(H₂O)는 원소로 분해되어 이산화탄소(CO₂)는 탄소(C)와 산소(O)로, 물(H₂O)은 수소(H)와 산소(O)로 분해되었다가 탄소(C)는 수소(H)와 결합하여 탄화수소(CxHy)로 결합되며, 수소(2H)와 산소(O)는 결합하여 물(H₂O)로 재결합되어 탄화수소수로 되고, 탄화수소수는 연결관(10)을 통해서 산소혼합연료라인(a)의 개폐밸브(C)에 공급되고, 일부는 순환관(13)을 통해서 미세기포발생장치(E)로 순환되면서 탄소수탱크(D)의 공급압력은 조절된다.

위에서, 탄화수소(CxHx)와 물(H₂O)로 재결합은 청정 연료와 순수를 사용하여 다른 물질이 거의 함유되지 않으므로서 재결합이 용이하게 이루어지게 된다.

극한반응장(Hotspots)형성은 수중에서 나노사이즈(Nano size)크기의 기체는 자기가압에 의해서 축소되어 파열되게 되며, 파열될 때 물과의 경계면에서 순간적으로 초고압과 초고온의 극한반응장(Hotspots)을 형성하게 되고, 이 극한반응장(Hotspots)에 존재하는 물질은 원소로 분해되었다가 재결합이 이루어지면서 나노이산화탄소기포는 탄화수소로 결합된다.

위에서, 자기가압은 나노이산화탄소기포를 감싸고 있는 물의 인장력 및 수압에 의해서 수축되는 것을 의미한다.

극한반응장(Hotspots)형성에 대해서 일본국 통상성 산업기술총합연구소 환경관련기술연구소 타카하시마사요시(高橋正好) 마이크로나노기포(Micro nano bubble)에 관한 논문(1.6항)에서 참고할 수 있다.

개폐밸브(C)는 분사노즐(9)에 연결되고, 공급되는 산소혼합연료와 탄화수소수를 혼합시키면서 분사노즐(9)에 공급하며, 분사노즐(9)은 연소실로 분사하게 된다.

위에서, 산소혼합연료에 탄화수소수의 혼합비율은 탄화수소수가 50% 이상이 되며, 산소혼합연료라인(a)의 개폐밸브(C)와 탄소수라인(b)의 개폐밸브(11)를 조절하여 증감시켜 조정한다.

위에서, 산소혼합연료의 공급량 감소 등으로 인해, 산소공급량이 부족하게 되면 산소혼합연료라인(a)에서 산소의 공급량을 증감시켜서 조정하도록 한다.

이산화탄소 순환 연소는 이하와 같이 이루어진다.

장치가 작동하면, 먼저 산소혼합연료라인(a)에서 산소혼합연료가 분사노즐(9)에서 연소실에 분사되어 연소가 이루어지고, 탄소수라인(b)의 미세기포발생장치(E)에 보충수가 공급되어 10기압 이상으로 가압되며, 기체압축장치(G)로부터 압축배기가 미세기포발생장치(E)에 공급되고, 미세기포발생장치(E)에서 압축된 이산화탄소(CO₂)는 가압수와 혼합되면서 이산화탄소 분자집단은 나노사이즈(Nano size)로 분해되어 나노이산화탄소기포수로 형성되어 탄소수탱크(D)에 토출되며, 탄소수탱크(D)에 토출된 나노이산화탄소기포수중의 나노이산화탄소기포는 자기가압에 의해서 축소 파열되면서 경계면에 극한반응장(Hotspots)을 형성시키고, 이로 인해서, 이산화탄소(CO₂)는 탄소(C)와 산소(O), 물분자(H₂O)는 수소(H)와 산소(O)로 분해되었다가 탄화수소(CxHy)와 물(H₂O)로 재결합되어 탄화수소수로 이루어지고, 탄화수소수는 연결관(10)을 통해서 산소혼합연료라인(a)의 개폐밸브(C)에 공급되며, 개폐밸브(C)에 공급된 탄화수소수는 산소혼합연료와 혼합되면서 분사노즐(9)에서 연소실로 분사되어 연소되게 된다.

이와 같은 작용은 연속적으로 반복되면서 연소배기에 함유된 이산화탄소(CO₂)는 순환되어 재연소되게 된다.

이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)을 원소로 분해하고 재결합하여 반복적으로 이용할 수 있어 외부로부터 공급받아야 하는 연료와 산소는 소량이 됨으로 경제성이 확보되고 배출배기가 차단되어, 화력발전소 및 대용량 보일러를 운영하는 산업체에서 이용이 가능하다.

a : 산소혼합연료라인 b : 탄소수라인
C : 개폐밸브 D : 탄소수탱크
E : 미세기포발생장치 F : 보충수 공급탱크
G : 기체압축장치
10 : 연결관 11·12·17 : 개폐밸브
13 : 순환관 14 : 토출관
15·16 : 공급관 18 : 배기흡인관
19 : 유입관

Claims

외부로 연결되는 유입관(19)에 연결되고, 보충수 공급관(15)이 부설된 보충수 공급탱크(F)와; 보충수 공급관(15) 및 이산화탄소 공급관(16)에 각각 연결되고, 토출관(14)이 부설된 미세기포발생장치(E)와; 개폐밸브(17)를 통해서 이산화탄소 공급관(16)에 연결되고, 배기흡인관(18)이 부설된 기체압축장치(G)와; 토출관(14)에 연결되고, 개폐밸브(12)를 통해서 보충수 공급관(15)으로 순환관(13)이 연결되며, 개폐밸브(11)을 통해 연결관(10)이 부설되는 탄소수탱크(D);로서 구성되는 탄소수라인(b),
이 탄소수라인(b)의 연결관(10)이 산소혼합연료라인(a)의 개폐밸브(C)에 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 순환 연소장치.
삭제
산소혼합연료라인(a)과 탄소수라인(b)이 연결관(10)을 통해서 서로 연결되어 구성된 이산화탄소 순환 연소장치에서,
산소혼합연료라인(a)의 분사노즐(9)을 통해 초미세산소기포 혼합연료가 연소실로 분사되어 연소되는 한편, 탄소수라인(b)의 미세기포발생장치(E)에 보충수가 용수로 공급되어 가압되는 단계;
기체압축장치(G)에서 연소실 배출배기중의 이산화탄소를 압축시켜 미세기포발생장치(E)로 공급되는 단계;
미세기포발생장치(E)에서 가압수에 이산화탄소를 혼합하고 가압하여 나노이산화탄소기포수를 생성시켜 탄소수탱크(D)로 토출되는 단계;
탄소수탱크(D)에서 나노이산화탄소기포수중의 나노이산화탄소기포는 자기가압(自己加壓)에 의해서 축소 파열되면서 경계면에 극한반응장(Hotspots)이 형성되어 나노이산화탄소와 물은 탄소, 산소, 수소 원소로 분해되었다가 탄화수소와 물로 재결합되어 탄화수소수로 이루어져 산소혼합연료라인(a)의 개폐밸브(C)로 공급되는 단계;
개폐밸브(C)에서 탄화수소수는 초미세산소기포 혼합연료에 혼합되면서 분사노즐(9)을 통해 분사되어 연소되는 단계; 를 연속적으로 반복하면서 이산화탄소를 재연소시키는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 순환 연소방법.