KR102184996B1 - 유체제어 저항을 최소화한 스마트 폐열회수시스템 - Google Patents

유체제어 저항을 최소화한 스마트 폐열회수시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유체제어 저항을 최소화하고, 조해성 수용액을 순환시켜 고온, 다습한 배기가스로부터 다량의 수분과 열을 흡습하여 제거하며, 흡열한 열을 재활용할 수 있는 유체제어 저항을 최소화한 스마트 폐열회수시스템을 개시한다.

Description

유체제어 저항을 최소화한 스마트 폐열회수시스템{Smart waste heat recovery system with minimum fluid control resistance}
본 발명은 유체제어 저항을 최소화한 스마트 폐열회수시스템에 관한 것으로 특히 단순 열교환이나 물을 이용한 응축보다 효과적으로 배기가스 내 폐열 회수 및 수증기 제거가 가능한 스마트 폐열회수시스템에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 생활폐기물 소각장, 열병합 발전소, 집단에너지시설 발전소 등은 DH회수장치를 이용하여 일부 열에너지를 회수하고 나머지를 대기중으로 배출하고 있는 실정이다.
이러한 시설들의 연돌에서 미활용상태로 배출되는 에너지의 양이 총 생산 에너지의 20~30% 이상이며, 국내외 여러 업체가 160~200℃ 이하의 배기가스에 대한 폐열회수 기술을 개발하였으나, 백연, 저온 부식, 잠열 미회수, 배기가스 대기 확산 지장 등을 초래하고 있고, 열을 회수하였다 하더라도 수증기가 제거되지 않은 습윤 상태로 대기 중으로 방출되고 있어서 백연현상으로 인한 다수의 민원을 초래하고 있는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위해 배기가스 내 폐열을 회수하고 수증기를 제거하는 기존 기술 중 대표적인 예로 대한민국 등록특허공보 제10-1040213호(발명의 명칭 : 탄소 및 질소산화물을 저감하는 스크러버를 갖는 콘덴싱 보일러 시스템 ; 이하 '인용발명'이라 함)가 있으며, 인용발명은 탄소 및 질소산화물을 저감하는 스크러버를 갖는 콘덴싱 보일러 시스템에 있어서, 불꽃이 연소되는 연소공간과 상기 연소된 후의 배기가스를 배출하는 배기가스 배출통로와, 입력되는 연료와 연소용 공기의 혼합비에 대응하는 불꽃을 상기 연소공간에 제공하는 버너 및 상기 연소공간을 감싸고 있으며 상기 버너의 불꽃에 의해 내부에 채워진 물을 가열하여 가열된 유체를 토출하는 보일러 동체와;
상기 배기가스 배출통로와 연도 사이에 설치되며 유입관으로 유입되는 유체를 상기 배기가스로 가열하여 상기 보일러 동체의 내부로 공급함과 동시에 상기 유입 유체의 일부를 상기 배기가스에 분사하여 그에 포함된 CO2와 NOx를 용해하는 스크러버를 부착한 이코노마이저와;
유체주입신호에 대응하는 속도로 회전되어 유체탱크에 저장된 유체를 펌핑하여 상기 유입관으로 공급하는 유체펌프와;
송풍제어신호에 대응하는 속도로 회전되어 상기 배기가스 배출통로 상의 배기가스와 외부의 공기를 흡입ㅇ혼합하여 상기 버너의 연소공간으로 공급하는 송풍기와; 상기 보일러 동체내의 워터-셀로 유ㅇ출입되는 유체량를 감지하기 위한 증기유량센서, 유체유량센서와 상기 워터-셀에 채워진 유체레벨을 감지하는 유체레벨센서 및 상기 유체의 온도를 감지하는 온도센서의 출력에 의하여 상기 보일러의 부하를 산출하고, 상기 산출된 보일러 부하에 따른 송풍제어신호와 유체주입신호를 상기 송풍기와 유체펌프로 제공하는 제어유닛을 포함한 탄소 및 질소산화물을 저감하는 스크러버를 갖는 콘덴싱 보일러 시스템이다.
이러한 인용발명은 물을 이용하여 배기가스에 포함된 수분을 응축하는 기술이어서 배기가스 내 수증기 제거가 포화수증기량 이상으로 제거할 수 없으므로 수증기 회수에는 근본적으로 한계가 있는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1040213호
본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하기 위해 유체제어 저항을 최소화하고, 조해성 수용액을 순환시켜 고온, 다습한 배기가스로부터 다량의 수분과 열을 흡습하여 제거하며, 흡열한 열을 재활용할 수 있는 유체제어 저항을 최소화한 스마트 폐열회수시스템을 제공함에 있다.
본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 연돌로 배출되는 배기가스의 흐름을 제어하는 제1댐퍼와,
상기 제1댐퍼 전에서 고온, 다습한 배기가스를 흡입하여 압송시키는 제2댐퍼와 연동된 압송팬과,
상기 압송팬에 의해 고온, 다습한 배기가스가 조해성 수용액이 채워진 반응수조로 강압 투입되어 1차 흡습, 흡열 작용이 이루어지며, 상기 반응수조를 통과한 배기가스가 채워지는 반응탑에 순환된 조해성 수용액을 분사하여 반응탑 내부의 배기가스로부터 2차 흡습, 흡열 작용이 이루어지는 다중반응부와,
상기 다중반응부로부터 흡습, 흡열된 반응액의 일부를 공급받아 반응액으로부터 수분과 열을 분리하는 분리부와,
상기 다중반응부의 반응탑 내부에서 배기가스의 흡습, 흡열 작용 시간을 제어하고 다중반응부에서 수분과 열이 제거된 배기가스의 배출을 제어하는 제3댐퍼가 구성된 유체제어 저항을 최소화한 스마트 폐열회수시스템을 제공한다.
이와 같이 하여 본 발명은 배기가스의 유체제어를 다단계의 댐퍼로 제어하므로 저항을 최소화할 수 있으며, 다중반응부를 통해 다중으로 고온, 다습한 배기가스를 조해성 수용액으로 흡습하므로 배기가스 중 수증기의 80~90% 이상을 회수할 수 있고, 동시에 배기가스 폐열 중 현열뿐만 아니라 다량의 잠열까지도 회수할 수 있어서 에너지효율을 증대시키는 유용한 효과가 있다.
또한 이와 같이 효과적으로 배기가스 중 수증기의 대부분을 회수하므로 백연을 저감하고 배기가스의 초미세먼지제거가 가능하여 대기 환경의 오염을 저감하고 연돌 주변 지역의 민원문제를 해결할 수 있게 되는 것이다.
도1은 본 발명에 의한 유체제어 저항을 최소화한 스마트 폐열회수시스템의 구체적인 실시예의 전체적인 구성을 나타내는 구성도.
도2는 본 발명에 의한 유체제어 저항을 최소화한 스마트 폐열회수시스템의 구체적인 실시예에서 배기가스 유체제어를 위한 개폐장치를 예시한 확대도.
도3은 본 발명에 의한 유체제어 저항을 최소화한 스마트 폐열회수시스템의 구체적인 실시예에서 고온 가스용 댐퍼의 구조를 나타내는 단면도.
이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 유체제어 저항을 최소화한 스마트 폐열회수시스템의 구체적인 실시예의 전체적인 구성을 도 1로 도시하였다.
이에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 유체제어 저항을 최소화한 스마트 폐열회수시스템은 연돌(100)로 배출되는 배기가스의 흐름을 제어하는 제1댐퍼(110)와,
상기 제1댐퍼(110) 전에서 고온, 다습한 배기가스를 흡입하여 압송시키는 제2댐퍼(120)와 연동된 압송팬(121)과,
상기 압송팬(121)에 의해 고온, 다습한 배기가스가 조해성 수용액이 채워진 반응수조(210)로 강압 투입되어 1차 흡습, 흡열 작용이 이루어지며, 상기 반응수조(210)를 통과한 배기가스가 채워지는 반응탑(220)에 순환된 조해성 수용액을 분사하여 반응탑(220) 내부의 배기가스로부터 2차 흡습, 흡열 작용이 이루어지는 다중반응부(200)와,
상기 다중반응부(200)로부터 흡습, 흡열된 반응액의 일부를 공급받아 반응액으로부터 수분과 열을 분리하는 분리부(300)와,
상기 다중반응부(200)의 반응탑(220) 내부에서 배기가스의 흡습, 흡열 작용 시간을 제어하고 다중반응부(200)에서 수분과 열이 제거된 배기가스의 배출을 제어하는 제3댐퍼(130)가 구성될 수 있다.
이를 각 구성요소별로 더욱 상세하게 설명하면, 본 발명은 고온, 다습한 배기가스의 유체제어를 다단계의 댐퍼로 제어할 수 있도록 상기 제3댐퍼(130)의 출력이 제1댐퍼(110)의 입력과 압송팬(121)의 입력 사이에 연결되고, 상기 제1댐퍼(110)의 개방 정도에 따라 제3댐퍼(130)의 출력 중 일부가 다중반응부(200)로 순환되도록 압송팬(121)이 제어될 수 있으며, 상기 제3댐퍼(130)의 출력과 압송팬(121)의 입력 사이에는 고온, 다습한 배기가스가 제1댐퍼(110)로 유입되는 것은 차단하면서 제3댐퍼(130)로부터 출력되는 수분과 열이 제거된 배기가스는 통과시켜 순환시키는 개폐장치(140)가 구성될 수 있다.
여기에서 상기 댐퍼는 고온 가스 유체의 제어 시 저항을 최소화하고 신속한 제어가 가능하도록 댐퍼의 셔터가 블레이드모듈(111)의 병렬조합으로 구성될 수 있으며, 상기 블레이드모듈(111)에 구성된 블레이드(112)는 열변형을 최소화할 수 있는 것이다. 이를 위해 댐퍼의 셔터를 구성하는 블레이드모듈(111)은 내부에 통기로가 구비된 이겹 블레이드(112)의 조합으로 구성될 수 있고, 상기 이겹 블레이드(112) 내부의 통기로에는 신축률 편차를 균등화할 수 있도록 삼각형 격자구조로 된 구조체(113)가 구비될 수 있다.
또한 상기 다중반응부(200)는 조해성 수용액이 채워진 반응수조(210)와, 상기 반응수조(210)를 통과한 배기가스가 채워지는 반응탑(220)이 구성될 수 있으며, 상기 반응수조(210)는 액상의 용매와 조해성 용질을 공급받아 용매에 용질을 용해시켜서 된 조해성 수용액을 일정량 일정비율로 채우고 있는 것이고, 이러한 반응수조(210)는 조해성 수용액의 용해율을 높이면서 투입된 배기가스와 조해성 수용액 간에 열과 수분의 교환율을 높이도록 반응수조(210) 내에서 조해성 수용액의 수류(水流)를 발생시키는 터빈(211)이 내장될 수 있으며, 조해성 수용액의 농도, 수량 등을 측정하는 센서(212)가 내장될 수 있고, 배기가스로부터 수분과 열을 흡수한 반응액을 분리부(300)로 공급하는 펌프(213)가 구비될 수 있다.
또한 상기 반응탑(220)은 반응수조(210)의 상부에 연결되며, 상기 반응수조(210)로부터 조해성 수용액과 반응하여 1차적으로 수분과 열이 줄어든 배기가스를 수집하고, 반응탑(220)의 내부에 수집된 배기가스를 향하여 조해성 수용액을 분사하도록 벌집 형태로 배관되고 벌집 형태의 모서리마다 노즐이 배열된 분사부(221)가 구성되어 상기 반응수조(210)를 통과한 배기가스에 조해성 수용액을 미세화하여 분사하므로 2차적으로 수분과 열을 제거하며, 이와 같이 다중으로 흡습, 흡열 작용 된 배기가스를 제3댐퍼(130)에 의해 배출제어가 되는 것이다.
여기에서 상기 조해성 수용액은 수산화 나트륨 등과 같은 흡습성 염류의 수용액일 수 있고, 배기가스로부터 흡습 및 흡열한 조해성 수용액을 반응액이라 구분하며, 분리부(300)에서 수분과 열이 분리된 반응액은 다시 조해성 수용액이라 한다.
아울러 상기 다중반응부(200)의 반응수조(210)는 분리부(300)와 연결되어 반응수조(210)에서 배기가스로부터 수분과 열을 흡수한 반응액을 분리부(300)에 공급할 수 있으며, 상기 분리부(300)는 공급된 반응액으로부터 수분과 열을 분리하고, 이처럼 수분과 열이 분리된 조해성 수용액을 다중반응부(200)의 반응탑(220)으로 순환하여 공급하는 것일 수 있다.
이러한 분리부(300)는 공급된 반응액으로부터 이물질과 미세먼지 등과 같은 오염물질을 제거하는 여과부(310)와, 난방수를 공급받아 상기 반응액과 열교환시키는 열교환기(320)가 구성될 수 있고,
반응액에 포함된 열과 외부의 소각장 스팀의 남은 열과 예열기(340)를 통과해 순환 반응액의 열을 합하여 증발열을 생성하는 증발기(330)와,
상기 증발기(330)로부터 증발열을 공급받아 반응액으로부터 수분을 함유한 기체를 분리시키는 분리탑(350)과,
상기 분리탑(350)으로부터 수분을 함유한 기체를 공급받아서 응축시켜 물은 응축수로 하여 폐수처리시설로 보내고, 기체는 필터링하여 배출하는 응축기(360)가 구성될 수 있다.
이러한 본 발명은 수분 응축과 폐열회수에 물을 사용하지 않고 물을 흡수하는 조해성 수용액를 활용하여 배기가스 폐열 중 수분에 포함된 잠열까지도 회수할 수 있어서 에너지효율을 증대시킬 수 있는 것이며, 상기 조해성 수용액은 알칼리성을 띠기 때문에 배기가스 중 산성분과 초미세먼지 등을 함께 흡수 제거할 수 있으므로 설비의 부식을 방지하고 대기 오염을 줄일 수 있는 것이다.
또한 상기 배기가스에서 회수한 수분은 분리탑(350)에서 조해성 수용액으로부터 분리되어 수처리를 거처 공정용수, 생활용수, 청소용수 등으로 재활용이 가능하고, 배기가스에서 회수한 열은 집단 에너지의 난방수 승온용으로 활용이 가능하다.
이상에서, 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것이 아니고, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범위를 이탈하지 않는 범위 내에서 치수 및 모양 그리고 구조 등의 다양한 변형 및 모방할 수 있음은 명백한 사실이며 이러한 변형 및 모방은 본 발명의 기술 사상의 범위에 포함된다.
100:연돌 110:제1댐퍼 111:블레이드모듈
112:블레이드 113:구조체 120:제2댐퍼
121:압송팬 130:제3댐퍼 140:개폐장치
200:다중반응부 210:반응수조 211:터빈
212:센서 213:펌프 214:용질저장소
220:반응탑 221:분사부 300:분리부
310:여과부 320:열교환기 330:증발기
340:예열기 350:분리탑 351:유입수조
360:응축기 361:응축수저장수조

Claims (4)

  1. 연돌로 배출되는 배기가스의 흐름을 제어하는 제1댐퍼와,
    상기 제1댐퍼 전에서 고온, 다습한 배기가스를 흡입하여 압송시키는 제2댐퍼와 연동된 압송팬과,
    상기 압송팬에 의해 고온, 다습한 배기가스가 조해성 수용액이 채워진 반응수조로 강압 투입되어 1차 흡습, 흡열 작용이 이루어지며, 상기 반응수조를 통과한 배기가스가 채워지는 반응탑에 순환된 조해성 수용액을 분사하여 반응탑 내부의 배기가스로부터 2차 흡습, 흡열 작용이 이루어지는 다중반응부와,
    상기 다중반응부로부터 흡습, 흡열된 반응액의 일부를 공급받아 반응액으로부터 수분과 열을 분리하는 분리부와,
    상기 다중반응부의 반응탑 내부에서 배기가스의 흡습, 흡열 작용 시간을 제어하고 다중반응부에서 수분과 열이 제거된 배기가스의 배출을 제어하는 제3댐퍼가 구성됨을 특징으로 하는 유체제어 저항을 최소화한 스마트 폐열회수시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3댐퍼의 출력이 제1댐퍼의 입력과 압송팬의 입력 사이에 연결되고,
    상기 제1댐퍼의 개방 정도에 따라 제3댐퍼의 출력 중 일부가 다중반응부로 순환되도록 압송팬이 제어됨을 특징으로 하는 유체제어 저항을 최소화한 스마트 폐열회수시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3댐퍼의 출력과 압송팬의 입력 사이에 설치되어 고온, 다습한 배기가스가 제1댐퍼로 유입되는 것은 차단하고 제3댐퍼로부터 출력되는 수분과 열이 제거된 배기가스는 통과시켜 순환시키는 개폐장치가 구성됨을 특징으로 하는 유체제어 저항을 최소화한 스마트 폐열회수시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2댐퍼는 내부에 통기로가 구비된 이겹 블레이드 다수가 셔터로 구성된 것임을 특징으로 하는 유체제어 저항을 최소화한 스마트 폐열회수시스템.

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