KR102203665B1 - 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템 - Google Patents

활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 활성탄 자동 재생장치에서 발생하는 폐열의 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 유기랭킨사이클을 이용한 발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 활성탄 재생에 앞서 버큠 펌프의 진공압으로 활성탄이 속해 있는 탱크 내의 물을 신속하게 배출시키고, 재생 처리를 마친 재생탄의 배출 및 이송 시 활성탄 부상을 위한 압축공기는 물론 재생탄 급속 이송을 위한 압송조 등을 이용하여 재생탄을 신속하고 원활하게 배출 및 이송시키는 활성탄 재생 시스템과 유기랭킨사이클을 조합하고, 활성탄 재생 시스템의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클로 전기를 생산하는 새로운 형태의 발전 시스템을 구현함으로써, 활성탄 물기 제거와 재생탄의 배출 및 이송과 관련한 시간과 노력을 줄일 수 있는 등 전체적인 시스템 운용의 효율성 및 경제성을 높일 수 있음은 물론 재생탄의 손실률 또한 줄일 수 있는 한편, 활성탄 재생 시에 발생되는 폐열을 회수함과 더불어 이를 ORC 발전 설비측에 연계시켜서 경제적으로 또 효율적으로 전기를 생산할 수 있는 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템을 제공한다.

Description

활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템{ORGANIC RANKINE CYCLE GENERATING SYSTEM USING WASTE HEAT OF ACTIVTED CARBON REGENERATION EQUIPMENT}
본 발명은 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 활성탄 자동 재생장치에서 발생하는 폐열의 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 유기랭킨사이클을 이용한 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 유기랭킨사이클(Organic Rankine Cycle;ORC) 발전 시스템은 저열원을 이용하여 전력 생산이 가능한 시스템으로서, 내연기관 및 산업 공정 등에서 발생하는 폐열을 활용해 전기를 생산하는 기술이다.
즉, ORC 발전 시스템은 외부의 열원에서 발생하는 열에너지를 통해 유체를 기화시키거나 열에너지를 공급한 후에 이렇게 공급한 열에너지로 터빈을 돌려서 발전하는 시스템이다.
이러한 ORC 발전 시스템은 발전효율을 증대시키기 위하여 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 특히 발전 효율을 증대시키기 위하여 복수 개의 터빈을 배치한 후, 복수 개의 터빈을 순차적으로 작동시킬 수 있다.
때, 복수 개의 터빈은 고압 터빈에서 사용되는 터빈, 저압 터빈에서 사용되는 터빈, 중압 터빈에서 사용되는 터빈 등을 포함할 수 있다.
한편, 오폐수 처리시설(汚廢水處理施設)은 생활하수나 산업폐수 등과 같은 각종 오폐수를 일정 수준으로 정화하여 배출하는 시설이다.
이러한 오폐수 처리시설은 흡착제가 채워져 있는 수처리 탱크에 오폐수를 통과시켜서 오폐수에 포함되어 있는 유해성분을 흡착제로 흡착하여 정수하는 방식으로 운용된다.
보통 수처리 탱크에 채워지는 흡착제로는 대부분 탄소로 구성된 무정형의 물질로 비표면적과 흡착능력이 크고 유해물질 제거능력이 뛰어난 활성탄이 주로 사용된다.
이와 같은 활성탄은 다양한 목적을 위해 흡착제로서 이용되는 다공성 탄소질 물질로 정제, 유해물질 제거, 탈색, 추출 분리 등 화학공업 분야에서 이용될 뿐만 아니라, 대기오염, 폐기물처리, 수질오염 등의 환경공해 방지용인 상수처리, 폐수처리, 배기가스 흡착 및 용제회수 등에 이용되고 있는 등 다양한 산업분야에서 그 수요가 지속적으로 증가하고 있는 추세이다.
이렇게 대부분의 산업용 오폐수 처리시설에서 흡착제로 사용되는 활성탄은 일정 시기가 되면 활성탄의 표면에 형성되어 있는 공극에 유기물질이 채워지면서 정수 처리능력이 급격하게 저하되기 때문에 활성탄을 주기적으로 교체하거나 재생하여 사용하고 있는 실정이다.
통상 대용량의 오폐수를 처리하는 대규모의 시설에서는 비용적인 측면, 또 시설 운용적인 측면 등에서 가장 부담이 되는 부분은 활성탄의 재생과 관련한 부분이며, 폐수처리 운전과 활성탄 재생 운전을 유기적으로 연계하여 전반적으로 시설 운용의 효율성을 확보하는데 많은 노력을 기울이고 있는 추세이다.
현재 활성탄 재생 방식은 500∼700℃ 정도의 과열증기를 활성탄에 분사하여 활성탄 기공 내의 유기물 및 수질오염물질을 제거하는 방식이 대부분이다.
이에 본 발명은 활성탄 재생 처리 후에 버려지던 폐열을 효율적으로 이용하여 전기를 생산하는 유기랭킨사이클 발전 시스템을 그 안출의 대상으로 한다.
한국 공개특허 제10-2016-0091078호 한국 등록특허 제10-1158898호 한국 등록특허 제10-1275502호 한국 등록특허 제10-1326044호
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 활성탄 재생에 앞서 버큠 펌프의 진공압으로 활성탄이 속해 있는 탱크 내의 물을 신속하게 배출시키고, 재생 처리를 마친 재생탄의 배출 및 이송 시 활성탄 부상을 위한 압축공기는 물론 재생탄 급속 이송을 위한 압송조 등을 이용하여 재생탄을 신속하고 원활하게 배출 및 이송시키는 활성탄 재생 시스템과 유기랭킨사이클을 조합하고, 활성탄 재생 시스템의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클로 전기를 생산하는 새로운 형태의 발전 시스템을 구현함으로써, 활성탄 물기 제거와 재생탄의 배출 및 이송과 관련한 시간과 노력을 줄일 수 있는 등 전체적인 시스템 운용의 효율성 및 경제성을 높일 수 있음은 물론 재생탄의 손실률 또한 줄일 수 있는 한편, 활성탄 재생 시에 발생되는 폐열을 회수함과 더불어 이를 ORC 발전 설비측에 연계시켜서 경제적으로 또 효율적으로 전기를 생산할 수 있는 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템은 다음과 같은 특징이 있다.
상기 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템은 상단부의 활성탄 투입을 위한 호퍼 및 하단부의 활성탄 배출을 위한 드레인장치를 가지면서 내부에는 활성탄에 과열증기를 분사할 수 있는 과열증기 분사관을 갖추어 활성탄을 재생하는 활성탄 재생탱크와, 상기 활성탄 재생탱크에 설치되어 있는 과열증기 분사관에 과열증기를 공급하는 과열증기 공급원 및 과열증기 공급라인과, 상기 활성탄 재생탱크의 상단부 일측에 설치되는 밴트 밸브와, 상기 활성탄 재생탱크의 내부 아래쪽과 통하는 버큠 포트, 상기 버큠 포트에서 연장되는 버큠 라인 및 상기 버큠 라인에 연결되어 진공압을 발생시키는 버큠 펌프로 구성되며, 활성탄 재생탱크의 내부에서 활성탄을 재생하기에 앞서 수분을 제거할 때, 버큠 시스템을 가동시켜 활성탄 재생탱크의 내부에 진공 환경을 조성한 상태에서 수분의 배출이 이루어지도록 하는 버큠 시스템과, 상기 활성탄 재생탱크에서 연장되는 폐열 순환라인측과 연결되어 폐열과 작동유체 간의 열교환이 이루어지도록 하는 이베퍼레이터와, 상기 이베퍼레이터에서 배출되는 작동유체를 동력원으로 하여 전기를 만들어내는 터빈 및 제너레이터와, 냉각수 순환라인측과 연결되어 터빈에서 배출되는 기체를 액체로 전환시켜주는 콘덴서와, 작동유체의 순환을 위한 동력을 제공하는 펌프로 구성되어, 활성탄 재생탱크측에서 제공되는 폐열을 이용하여 전기를 생산하는 유기랭킨사이클을 포함하는 구조로 이루어진다.
바람직한 실시예로서, 상기 활성탄 자동 재생장치는 활성탄 재생탱크의 내부에 들어 있는 활성탄을 부상시키기 위한 수단으로 활성탄 재생탱크의 내부에 공기와 부상부를 공급하는 활성탄 부상 송풍기와 부상수 공급 펌프, 그리고 공기/부상수 공급라인을 더 포함할 수 있다.
바람직한 실시예로서, 상기 활성탄 자동 재생장치는 활성탄 재생탱크에서 배출되는 재생탄을 재생탄 저장조로 강제 이송시키기 위한 수단으로 압송조와 고압수 공급펌프를 더 포함할 수 있다.
이때의 상기 압송조측과 활성탄 재생탱크측과는 재생탄 배출라인으로 연결되는 동시에 고압수 공급펌프측과는 고압수 공급라인으로 연결되고, 상기 압송조측과 재생탄 저장조측과는 재생탄 이송라인으로 연결됨으로써, 재생탄 배출 및 이송 시 부상수 및 공기로 활성탄을 부상시킨 후, 고압수와 함께 강제 이송시키는 방식으로 재생탄의 이송효율을 높일 수 있다.
여기서, 상기 활성탄 자동 재생장치는 고압수 공급라인에서 분기된 후에 압송조를 우회하여 재생탄 배출라인으로 연결되는 고압수 바이패스라인을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 활성탄 재생탱크는 냉각수 공급원으로부터 냉각수를 공급받아 탱크 내의 온도를 낮추는 수단으로 탱크 외벽을 따라 설치되는 워터 재킷 및/또는 탱크 내벽을 따라 설치되는 쿨링 코일과 미스트 스프레이 노즐을 포함할 수 있다.
바람직한 실시예로서, 상기 과열증기 공급원 및 과열증기 공급라인에서 활성탄 탱크의 내부로 공급되는 과열증기는 400∼800℃의 온도를 가지도록 할 수 있다.
본 발명에서 제공하는 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
1)활성탄 자동 재생장치와 유기랭킨사이클 발전 설비를 연계하여 활성탄 재생 시에 배출되는 폐열로 전기를 생산하는 새로운 발전 시스템을 제공함으로써, 폐열의 효율적인 활용을 통해 경제적으로 전기를 생산할 수 있는 효과가 있다.
2) 환경오염의 요인이었던 폐열을 재활용함으로써, 온실가스(CO2) 저감에 따른 지구 온난화 개선에 기여할 수 있는 효과가 있다.
3) 중ㆍ저온(200℃ 이하)의 폐열을 이용한 ORC 발전 시스템의 상용화 및 활성화를 도모할 수 있는 등 신ㆍ재생에너지 공급의무화제도(RPS) 시행에 적극 대처할 수 있는 효과가 있다.
4)활성탄(폐탄)의 재생에 앞서 버큠 펌프로 활성탄 재생탱크의 내부에 진공 환경을 조성하여 활성탄에 물기를 신속하게 제거하고, 활성탄(재생탄)의 배출 및 이송 시에 고압수를 이용한 급속 강제 이송방식으로 재생탄을 이송하는 등 활성탄을 신속하고 원활하게 배출 및 이송시킬 수 있도록 함으로써, 활성탄의 물기 제거는 물론 배출 및 이송과 관련한 시간과 노력을 줄일 수 있는 등 전체적인 시스템 운용의 효율성 및 경제성을 높일 수 있고, 활성탄의 손실률 또한 줄일 수 있는 효과가 있다.
5)활성탄 재생탱크의 내부에 냉각 코일과 미스트 스프레이 노즐을 설치하거나 활성탄 재생탱크의 외부에 워터 재킷을 설치하여 탱크 내부의 온도, 처리수의 온도 등을 적정 온도까지 낮추는데 소요되는 시간을 단축하고 압력 또한 낮출 수 있도록 함으로써, 활성탄 재생 처리와 관련한 에너지 소비를 줄일 수 있는 등 경제적으로 시스템을 운용할 수 있는 효과가 있다.
6)활성탄 재생탱크 내의 재생탄 배출 시, 정압의 공기를 투입하여 활성탄을 부상시킨 후에 고압수와 함께 배출시키는 방식을 적용함으로써, 재생탄 배출 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
7)활성탄 재생탱크에서 배출되는 재생탄 이송 시 고압수의 토출력을 이용한 압송조의 기능을 이용하여 재생탄을 이송시키는 방식을 적용함으로써, 재생탄 이송 효율을 높일 수 있는 동시에 재생탄의 손실률을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템의 레이 아웃을 나타내는 개략도
도 2와 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템에서 활성탄 재생탱크를 나타내는 확대도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템으로 전기를 생산하는 예를 나타내는 개략도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템의 레이 아웃을 나타내는 개략도이고, 도 2와 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템에서 활성탄 재생탱크를 나타내는 확대도이다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템은 활성탄 재생을 위한 설비와 ORC 발전 설비를 연계시킨 후에 활성탄 재생 시에 발생되는 폐열을 활용하여 ORC 발전 설비에서 전기를 생산할 수 있도록 함으로써, ORC 발전 설비의 효율적인 운용은 물론 경제적으로 전기를 생산할 수 있는 시스템으로 이루어지게 된다.
이를 위하여, 상기 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템은 과열증기로 활성탄을 재생하는 수단으로 활성탄 재생탱크(13)를 포함한다.
상기 활성탄 재생탱크(13)는 약 200∼1,000℃ 정도의 온도, 바람직하게는 약 400∼800℃ 정도의 온도, 좀더 바람직하게는 약 500∼700℃ 정도의 온도를 가지는 과열증기를 이용한 무산소 저온열분해 방식으로 활성탄을 재생하는 설비로서, 건조→열분해 탄화→활성화/가스화→배출증기 응축(열교환기) 등의 재생공정으로 운전될 수 있게 된다.
여기서, 상기 활성탄 재생탱크(13)의 활성탄 재생 방식은 한국 등록특허 제10-1326044호에서의 활성탄 재생 방식과 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이러한 활성탄 재생탱크(13)의 상단부에는 활성탄(폐탄)의 투입을 위한 호퍼(10)가 설치되는 동시에 하단부에는 활성탄(재생탄)의 배출을 위한 드레인장치(11)가 설치되며, 이에 따라 활성탄 재생탱크(13)는 호퍼(10)를 통해 투입된 폐탄을 재생하고, 이렇게 재생한 재생탄을 드레인장치(11)로 배출시킬 수 있게 된다.
그리고, 상기 활성탄 재생탱크(13)의 내부 아래쪽에는 활성탄(폐탄)의 지지를 위한 플레이트(29)가 설치되고, 이렇게 설치되는 플레이트(29) 상에는 물 배출을 위한 다수 개의 스트레이너(30)가 설치된다.
이때, 상기 플레이트(29)의 일측, 예를 들면 중심영역에는 개폐 밸브(미도시)가 장착되어 있는 나팔관 형상의 배출관(미도시)이 설치되어 있으며, 드레인장치(11)에 있는 밸브 오픈 시에 재생을 마친 재생탄이 배출관을 빠져나온 후에 드레인장치(11)를 통해 배출될 수 있게 된다.
이와 더불어, 상기 활성탄 재생탱크(13)의 내부에는 활성탄(폐탄)에 과열증기를 분사하는 과열증기 분사관(12)이 설치되고, 이렇게 설치되는 과열증기 분사관(12)에는 과열증기 공급원(14)으로부터 연장되는 과열증기 공급라인(15)이 연결될 수 있게 된다.
이에 따라, 상기 과열증기 공급원(14)에서 만들어진 약 500∼700℃ 정도의 과열증기는 과열증기 공급라인(15)을 따라 과열증기 분사관(12)으로 공급되고, 계속해서 과열증기는 과열증기 분사관(12)을 통해 폐탄에 분사되므로서, 폐탄 기공 내의 유기물 및 수질오염물질 등이 제거될 수 있게 된다.
이때의 과열증기 공급원(14)은 보일러(미도시), 히터(미도시) 등을 포함할 수 있다.
이와 같은 활성탄 재생탱크(13)의 드레인장치(11)는 재생탄 배출라인(23)을 통해 압송조(21)측과 연결되어 활성탄 재생탱크(13) 내의 재생탄이 재생탄 배출라인(23)을 거쳐서 압송조(21)로 보내질 수 있게 된다.
그리고, 상기 활성탄 재생탱크(13)의 상단부 일측에는 밴트 밸브(16)가 설치되며, 이때의 밴트 밸브(16)는 제어부(미도시)에 의해 ON/OFF 작동되면서 탱크 내부로 유입되는 공기를 단속하여 탱크 내부가 대기압을 회복할 수 있도록 해주는 역할을 하게 된다.
예를 들면, 후술하는 압송조(21)의 작동에 의해 활성탄 재생탱크(13)의 내부 하단측에 진공압이 작용한 후에 순차적으로 제어부의 출력 제어에 의해 밴트 밸브(16)가 ON 작동(열림)되면, 활성탄 재생탱크(13)의 내부 상단측에 공기가 유입됨과 더불어 대기압이 작용하게 되므로서, 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 채워져 있던 폐탄과 부상수가 배출될 수 있게 된다.
특히, 상기 활성탄 재생탱크(13)의 하단부 일측에는 활성탄 재생 후에 발생하는 폐열, 예를 들면 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 과열증기를 분사하여 폐탄을 재생하는 과정에서 발생되는 폐열의 배출을 위한 폐열 배출구(41)가 형성된다.
이렇게 형성되는 폐열 배출구(41)는 후술하는 유기랭킨사이클(40)의 이베퍼레이터(34)측과 연결되는 폐열 순환라인(33)측과 연결될 수 있게 된다.
이에 따라, 상기 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 과열증기를 공급하여 활성탄을 재생 처리하는 과정에서 폐열이 발생하게 되는데, 이때의 폐열은 폐열 배출구(41)를 통해 활성탄 재생탱크(13)를 빠져나가게 되고, 이렇게 빠져나간 폐열은 폐열 순환라인(33)을 따라 순환하면서 이베퍼레이터(34)를 거친 후에 재차 과열증기 공급원(14)측으로 보내진 다음, 재차 활성탄 재생탱크(13)로 들어올 수 있게 된다.
또한, 상기 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템은 활성탄 재생탱크(13)측에서 제공되는 폐열을 이용하여 전기를 생산하는 수단으로 유기랭킨사이클(40)을 포함한다.
상기 유기랭킹사이클(40)은 물보다 비등점이 낮은 유기 냉매(예를 들면, 프레온 가스 등)를 작동유체로 사용하여 중ㆍ저온(예를 들면, 200℃ 이하)의 열에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 시스템이다.
이를 위하여, 상기 유기랭킹사이클(40)은 폐열과 작동유체 간의 열교환이 이루어지도록 하는 이베퍼레이터(34), 상기 이베퍼레이터(34)에서 배출되는 작동유체를 동력원으로 하여 전기를 만들어내는 터빈(35) 및 제너레이터(36), 냉각수 순환라인(37)측과 연결되어 터빈(35)에서 배출되는 기체를 액체로 전환시켜주는 콘덴서(38), 작동유체의 순환을 위한 동력을 제공하는 펌프(39)를 포함한다.
이러한 유기랭킹사이클(40)의 이베퍼레이터(34), 터빈(35) 및 제너레이터(36), 콘덴서(38), 펌프(39)는 작동유체 순환라인(42)에 의해 폐순환 구조를 이루게 된다.
그리고, 상기 이베퍼레이터(34)는 활성탄 재생탱크(13)측과 과열증기 공급원(14)측 사이의 폐열 순환라인(33)과 연결되며, 이에 따라 작동유체 순환라인(42)을 흐르는 작동유체와 폐열 순환라인(33)을 흐르는 폐열 간의 열교환이 이루어지게 되면서 작동유체의 기화가 이루어지게 된다.
이와 더불어, 상기 콘덴서(38)는 공지의 쿨링 타워측에서 연장되는 냉각수 순환라인(37)과 연결되며, 이에 따라 작동유체 순환라인(42)을 흐르는 작동유체와 냉각수 순환라인(33)을 흐르는 냉각수 간의 열교환이 이루어지게 되면서 작동유체의 액화가 이루어지게 된다.
여기서, 상기 폐열 순환라인(33)은 활성탄 재생탱크(13)측의 폐열 배출구(41)와 과열증기 공급원(14)측의 과열증기 공급라인, 즉 과열증기 공급원(14)측에 속해 있는 보일러(미도시)와 히터(미도시) 사이를 연결하는 라인 사이에 조성되며, 이에 따라 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 있던 폐열은 폐열 배출구(41)를 통해 폐열 순환라인(33)으로 도입되고, 계속해서 이렇게 도입된 폐열은 폐열 순환라인(33)을 흐르면서 작동유체측과 열교환을 하게 되며, 계속해서 열교환을 마친 폐열은 과열증기 공급원(14)측으로 보내져 재가열된 후에 활성탄 재생탱크(13)의 내부로 들어가게 된다.
또한, 상기 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템은 활성탄 재생탱크(13)의 내부를 진공 환경으로 조성해주는 수단으로 버큠 시스템(17)을 포함한다.
상기 버큠 시스템(17)은 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 있는 활성탄의 함수율을 줄이기 위해 탱크 내부에 진공압을 걸어주는 역할을 하게 된다.
이를 위하여, 상기 버큠 시스템(17)은 활성탄 재생탱크(13)의 내부 아래쪽과 통하는 버큠 포트(17a), 상기 버큠 포트(17a)에서 연장되어 버큠 펌프(17c)측으로 연결되는 버큠 라인(17b), 상기 버큠 라인(17b)에 연결되어 진공압을 발생시키는 버큠 펌프(17c)를 포함한다.
여기서, 상기 버큠 포트(17a)는 활성탄 재생탱크(13)의 하단부 측면 일측에 연결 설치되고, 이렇게 설치되는 버큠 포트(17a)는 활성탄 재생탱크(13)의 내부 아래쪽 공간, 예를 들면 다수 개의 스트레이너(30)가 설치되어 있는 플레이트(29)와 드레인장치(11)가 설치되어 있는 탱크 바닥 사이에 조성되는 공간과 연통될 수 있게 되며, 따라서 상기 버큠 포트(17a)로는 활성탄을 제외한 물만 빠져나갈 수 있게 된다.
그리고, 상기 버큠 펌프(17c)는 병렬로 조합되는 듀얼 타입을 적용하는 것이 바람직하며, 이때의 버큠 펌프(17c)의 흡입측은 버큠 라인(17b)이 연결되는 동시에 배출측은 별도의 라인을 통해 배수라인(31)으로 연결된다.
이에 따라, 상기 활성탄 재생탱크(13)의 내부에서 활성탄에 대한 재생 전(前), 버큠 시스템(17)의 버큠 펌프(17c)를 작동시키게 되면, 활성탄 재생탱크(13)에 들어 있던 물이 빠져나가면서 탱크 내부는 진공압이 조성되므로서, 탱크 내의 잔존 물기나 습기, 예를 들면 활성탄(폐탄)이 함유되어 있던 물기나 습기 등이 신속하게 배출될 수 있게 된다.
이렇게 버큠 시스템(17)을 통해 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 진공 환경을 적절히 조성하면서 물기와 습기 등의 신속한 배출이 이루어지도록 함으로써, 활성탄 재생 전의 수분 제거와 관련한 시간과 노력을 줄일 수 있는 등 활성탄 재생 효율을 한층 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템은 활성탄 재생탱크(13)에 채워져 있는 활성탄(실질적으로는 재생이 완료된 재생탄)의 원활한 배출을 위해 부상수와 정압의 공기를 제공하는 수단으로 부상수 공급펌프(33) 및 부상수 공급라인(35)과 활성탄 부상 송풍기(18) 및 공기/부상수 공급라인(19)을 포함한다.
상기 부상수 공급펌프(33)는 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 분사되는 부상수를 제공하는 역할을 하게 된다.
이러한 부상수 공급펌프(33)는 부상수 공급라인(19)을 통해 공기/부상수 공급라인(19)측으로 연결될 수 있게 되며, 부상수 공급펌프(33)의 흡입측에 연결되어 있는 부상수 저장조(34)로부터 부상수를 제공받을 수 있게 된다.
상기 활성탄 부상 송풍기(18)는 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 분사되는 정압의 부상공기를 제공하는 역할을 하게 되며, 이때의 활성탄 부상 송풍기(18)는 반드시 분탄이 발생되지 않는 정압의 부상공기를 공급할 수 있는 규격의 장치를 적용하는 것이 바람직하다.
이러한 활성탄 부상 송풍기(18)는 복수 대, 예를 들면 2대가 운용될 수 있게 되며, 2대의 활성탄 부상 송풍기(18)는 동시에 운용되거나, 또는 교대로 운용될 수 있게 된다.
상기 공기/부상수 공급라인(19)은 활성탄 부상 송풍기(18)의 토출측과 활성탄 재생탱크(13)의 하단부 일측 사이에 연결 설치된다.
이에 따라, 활성탄 재생 후, 활성탄 부상 송풍기(18)의 작동 시 정압의 부상공기는 공기/부상수 공급라인(19)을 따라 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 공급되고, 그 결과 활성탄 재생탱크(13)에 충전되어 있는 활성탄은 정압의 부상공기에 의해 부상하게 되고, 결국 활성탄이 활성탄 재생탱크(13) 내에서 부상수와 함께 활발하게 유동되는 과정에서 효과적으로 배출될 수 있게 된다.
즉, 활성탄 재생탱크(13) 내의 활성탄을 재생한 후에 부상수와 정압의 부상공기를 불어넣어서 활성탄을 부상시키고, 이렇게 활성탄을 부상시킨 상태에서 활성탄을 배출시킴으로써, 잔존하는 활성탄없이 전량의 활성탄이 배출될 수 있게 된다.
또한, 상기 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템은 활성탄 재생탱크(13)에서 배출되는 재생탄을 전량 재생탄 저장조(20)으로 신속하게 강제 이송시키기 위한 수단으로 압송조(21)와 고압수 공급펌프(22)를 포함한다.
상기 압송조(21)는 고압수 공급펌프(22)에서 제공되는 고압수의 압력을 이용하여 재생탄을 강제 송출하는 역할을 하게 되며, 이러한 압송조(21)의 상단부 측면 일측에는 활성탄 재생탱크(13)측에서 연장되는 재생탄 배출라인(23)이 연결되는 동시에 상단부 측면 다른 일측은 재생탄 이송라인(25)에 의해 재생탄 저장조(20)측과 연결되고, 압송조(21)의 하단부 측면 일측에는 고압수 공급펌프(22)측에서 연장되는 고압수 공급라인(24)이 연결된다.
이에 따라, 상기 재생탄 배출라인(23)을 통해 활성탄 재생탱크(13) 내의 재생탄이 압송조(21)의 내부로 유입되고, 이와 동시에 고압수 공급펌프(22)에서 공급되는 고압수가 고압수 공급라인(24)을 통해 압송조(21)의 내부로 유입되며, 이때의 고압수가 발휘하는 수압에 의해 물과 재생탄은 압송조(21)에서 토출됨과 동시에 재생탄 이송라인(25)을 따라 강제 이송되어 재생탄 저장조(20)로 보내질 수 있게 된다.
이렇게 압송조(21)에서 발휘하는 강력한 토출력에 의존하여 재생탄을 강제 이송시킴으로써, 활성탄 재생 과정 시의 재생탄 이송과 관련하여 시간을 단축할 수 있는 등 전체적인 이송 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 활성탄 손실률을 낮출 수 있게 된다.
여기서, 상기 압송조(21)는 베르누이 원리를 이용한 벤츄리 인젝터를 응용한 구조로 고압수를 이용하여 물과 재생탄을 효과적으로 이송시킬 수 있게 된다.
상기 고압수 공급펌프(22)는 고압수 공급조(미도시)에 저장되어 있는 물을 고압으로 송출하는 역할을 하는 것으로서, 이러한 고압수 공급펌프(22)의 토출측과 압송조(21)의 유입측 사이에는 고압수 공급라인(24)이 연결된다.
이에 따라, 상기 고압수 공급펌프(22)의 작동 시 고압수 공급라인(24)을 통해 고압의 물이 압송조(21)의 내부에 제공될 수 있게 된다.
그리고, 상기 압송조(21)에는 고압수 공급펌프(22)에서 공급되는 고압수를 바이패스시키는 수단으로 고압수 바이패스라인(26)이 구비된다.
이러한 고압수 바이패스라인(26)은 고압수 공급라인(24)에서 분기된 후, 압송조(21)를 우회하여 재생탄 이송라인(25)으로 이어지는 구조로 연결된다.
이에 따라, 상기 고압수 공급펌프(22)에서 공급되는 고압수를 압송조(21)로 보내지 않고 고압수 바이패스라인(26)을 통해 바이패스시킴으로써, 압송조 후단 이송라인에 남을 수 있는 잔여 활성탄을 원활히 폐탄 저장 탱크로 이송시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템은 활성탄 재생 시에 상승한 온도(탱크 내 온도, 활성탄 온도 등)를 신속하게 낮춰주는 수단으로 워터 재킷(27) 및/또는 쿨링 코일(28), 그리고 미스트 스프레이 노즐(미도시)을 포함한다.
보통 활성탄 재생 시 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 들어 있는 활성탄은 약 500∼700℃ 정도의 온도를 갖는 과열증기의 분사로 인해 대략 400∼450℃ 정도의 온도로 과열되어 있는 상태이며, 이렇게 과열되어 있는 활성탄을 곧바로 물과 함께 배출 및 이송시키게 되면, 라인(배관) 압력이 상승하게 되고 또 물이 튈 수 있으며 다량의 수증기 발생으로 백연의 원인이 되기도 한다.
따라서, 활성탄 재생과정에서 온도가 많이 올라가 있는 활성탄의 온도가 일정온도 수준으로 떨어질 때까지 기다린 후에 배출 및 이송시켜야 하고, 그 결과 전체적인 재생 처리와 관련한 시간이 많이 소요되는 불리한 점이 있다.
이러한 점을 고려하여 본 발명에서는 활성탄 온도를 신속하게 낮출 수 있는 수단으로 워터 재킷(27) 및/또는 쿨링 코일(28)과 미스트 스프레이 노즐을 제공한다.
상기 워터 재킷(27)은 활성탄 재생탱크(13)의 외벽 둘레에 걸쳐 설치될 수 있게 되고, 상기 쿨링 코일(28)과 미스트 스프레이 노즐은 활성탄 재생탱크(13)의 내벽 둘레를 따라 설치될 수 있게 된다.
이에 따라, 공지의 냉각수/냉매 공급원(32)으로부터 제공되는 냉각수나 냉매가 워터 재킷(27)이나 쿨링 코일(28)의 상단 일측(또는 하단 일측)으로 유입되어 탱크 표면을 전체적으로 거친 후 하단 일측(또는 상단 일측)으로 빠져나가게 되고, 이러한 워터 재킷(27)이나 쿨링 코일(28)의 내부를 흐르는 냉각수나 냉매가 발휘하는 열교환 작용에 의해 활성탄 재생탱크(13)의 온도, 즉 활성탄의 온도가 빠르게 떨어질 수 있게 되며, 결국 활성탄 재생과정에서 온도가 올라간 활성탄을 적정온도까지 신속하게 낮출 수 있게 된다.
여기서, 상기 활성탄 재생탱크(13)에는 외벽 둘레에 걸쳐 워터 재킷(27)이 설치될 수 있거나, 내벽 둘레를 따라 쿨링 코일(28)과 미스트 스프레이 노즐이 설치될 수 있거나, 외벽 둘레와 내벽 둘레에 워터 재킷(27)과 쿨링 코일(28), 그리고 미스트 스프레이 노즐이 설치될 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템으로 전기를 생산하는 예를 나타내는 개략도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 먼저 활성탄 재생탱크(13)에 들어 있는 활성탄, 예를 들면 거의 흡착능력을 잃은 활성탄을 재생하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 폐탄 공급원에서 공급되는 폐탄을 물과 함께 활성탄 재생탱크(13)에 투입한다.
다음, 버큠 시스템(17)의 버큠 펌프(17c)를 작동시켜서 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 채워져 있는 물을 밖으로 빼냄으로써, 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 진공압이 걸리도록 한다.
이렇게 상기 활성탄 재생탱크(13)의 내부가 진공환경으로 조성됨에 따라 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 잔존하는 물은 물론 폐탄이 함유하고 있는 수분이 급속하게 빠져나가도록 한다.
즉, 활성탄 재생탱크(10)의 내부를 진공 환경으로 조성함으로써, 활성탄에 함유되어 있는 수분을 제거하는 시간을 획기적으로 단축할 수 있게 된다.
다음, 버큠 시스템(17)의 가동을 중단한 후, 과열증기 공급원(14)에서 제공하는 약 500∼700℃ 정도의 온도를 가지는 과열증기를 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 있는 과열증기 분사관(12)을 통해 폐탄에 분사하여 본격적인 재생과정(폐탄 기공 내의 유기물 및 수질오염물질 제거)을 실시한다.
다음, 과열증기 분사를 종료한 후, 활성탄 재생탱크(13)에 갖추어져 있는 워터 재킷(27) 및/또는 쿨링 코일(28)과 미스트 스프레이 노즐에 냉각수나 냉매를 공급하여 활성탄 재생탱크(13) 자체를 급속 냉각시킨다.
그 결과, 워터 재킷(27) 및/또는 쿨링 코일(28)과 미스트 스프레이 노즐의 열교환 작용으로 활성탄 재생탱크(13)의 내부 온도, 즉 활성탄(재생탄)의 온도가 급격하게 떨어지게 되고, 결국 재생 처리 직후에 활성탄(재생탄)의 온도를 적정온도, 예를 들면 100∼200℃ 정도의 온도로 낮추는데 소요되는 시간을 대폭 줄일 수 있게 된다.
다음, 활성탄 냉각 과정을 완료한 후, 부상수 공급펌프(33)를 작동시켜 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 부상수를 공급하고 활성탄 부상 송풍기(18)를 작동시켜서 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 정압의 부상공기를 분사함으로써, 재생탄이 남김없이 전량이 원활하게 급속 배출될 수 있게 되며, 계속해서 재생탄 배출라인(23)을 통해 압송조(21)로 송출된다.
다음, 상기 고압수 공급펌프(22)의 작동과 함께 고압수 공급라인(24)을 통해 공급되는 고압수가 압송조(21)의 내부로 유입되고, 이렇게 유입되는 고압수에 의해 압송조(21)의 내부에 있는 재생탄은 압송조(21)측에서 강력하게 토출된다.
계속해서, 상기 압송조(21)에서 토출되는 재생탄은 재생탄 이송라인(25)을 통해 이송되어 재생탄 저장조(20)에 저장된다.
이렇게 활성탄 재생탱크(13)에서 배출되는 재생탄을 압송조(21)로 보냄과 아울러 압송조(21)로 고압수를 공급하여 재생탄을 강제로 급속 이송시키는 방식을 채택함으로써, 재생탄 배출 및 이송 시간을 단축할 수 있고, 배출 및 이송 시에 재생탄의 손실을 줄일 수 있는 등 전체적인 활성탄(재생탄) 이송 효율을 높일 수 있는 동시에 활성탄 이송에 소요되는 비용이나 인력을 줄일 수 있는 등 경제성 측면에서 유리한 이점이 있다.
한편, 상기 과열증기 공급원(14)에서 제공하는 약 500∼700℃ 정도의 온도를 가지는 과열증기를 폐탄에 분사하여 재생과정을 수행한 다음, 과열증기 분사를 종료한 후, 이때의 재생과정에 사용되었던 과열증기, 즉 폐열은 활성탄 재생탱크(13)를 빠져나가 폐열 순환라인(33)으로 보내지게 된다.
계속해서, 상기 폐열 순환라인(33)을 흐르는 폐열은 이베퍼레이터(34)를 거치면서 작동유체 순환라인(42)을 흐르는 작동유체와 열교환을 하게 되고, 이때의 열교환에 의해 만들어진 유기 증기는 터빈(35)으로 보내져 발전에 쓰이게 된다.
즉, 상기 유기랭킨사이클(40)의 펌프(39)에 의해 압축된 작동유체(유기 액체)는 이베퍼레이터(34)에서 폐열과의 열교환에 의해 증발되고, 계속해서 터빈(35)에 의해 팽창되면서 터빈(35)를 회전시키게 됨과 더불어 이때의 터빈 회전력에 의해 제너레이터(36)에서 전기가 만들어지게 된다.
계속해서, 터빈(35)에서 배출되는 팽창된 유기 증기는 콘덴서(38)로 유입되고, 이때의 콘덴서(38)에서 응축된 유기 액체가 다시 펌프(39)에 의해 펌핑되는 등 결국 이러한 폐쇄 루프를 순환하는 사이클에 의해 전기가 생산될 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에서는 활성탄을 재생하는 과정에서 탱크 내부에 진공 환경을 조성하여 신속한 수분제거를 도모하고, 이와 더불어 부상수와 공기로 활성탄을 부상시켜서 활성탄 배출을 원활하게 하는 동시에 고압수 및 압송조를 이용하여 재생탄을 효과적으로 이송시키는 방식의 새로운 활성탄 자동 재생장치를 채택하는 한편, 특히 이러한 활성탄 자동 재생장치와 유기랭킨사이클을 연계함으로써 활성탄 자동 재생장치측에서 공급되는 폐열을 이용하여 유기랭킨사이클에서 전기를 생산하는 새로운 발전 시스템을 제공함으로써, 활성탄 수분 제거와 재생탄의 배출 및 이송과 관련한 시간과 노력을 줄일 수 있는 등 전체적인 시스템 운용의 효율성 및 경제성을 높일 수 있는 한편, 활성탄 재생 시에 발생되는 폐열을 회수함과 더불어 이를 ORC 발전 설비측에 제공함으로써, 유기랭킨시스템의 효율적은 운용은 물론 매우 경제적으로 전기를 생산할 수 있고, 대기 중으로 방출하던 폐열의 재활용에 따른 환경오염을 줄일 수 있다.
그리고, 일정규모(500MW) 이상의 발전설비를 보유한 발전사업장게 총 발전량의 일정비율 이상을 신ㆍ재생에너지를 이용하여 공급하도록 의무화한 신ㆍ재생에너지 공급의무화제도(RPS) 시행에 적극적으로 대처할 수 있다.
10 : 호퍼
11 : 드레인장치
12 : 과열증기 분사관
13 : 활성탄 재생탱크
14 : 과열증기 공급원
15 : 과열증기 공급라인
16 : 밴트 밸브
17 : 버큠 시스템
17a : 버큠 포트
17b : 버큠 라인
17c : 버큠 펌프
18 : 활성탄 부상 송풍기
19 : 공기/부상수 공급라인
20 : 재생탄 저장조
21 : 압송조
22 : 고압수 공급펌프
23 : 재생탄 배출라인
24 : 고압수 공급라인
25 : 재생탄 이송라인
26 : 고압수 바이패스라인
27 : 워터 재킷
28 : 쿨링 코일
29 : 플레이트
30 : 스트레이너
31 : 배수라인
32 : 냉각수/냉매 공급원
33 : 폐열 순환라인
34 : 이베퍼레이터
35 : 터빈
36 : 제너레이터
37 : 냉각수 순환라인
38 : 콘덴서
39 : 펌프
40 : 유기랭킨사이클
41 : 폐열 배출구
42 : 작동유체 순환라인

Claims (7)

  1. 상단부의 활성탄 투입을 위한 호퍼(10) 및 하단부의 활성탄 배출을 위한 드레인장치(11)를 가지면서 내부에는 활성탄에 과열증기를 분사할 수 있는 과열증기 분사관(12)을 갖추어 활성탄을 재생하는 활성탄 재생탱크(13);
    상기 활성탄 재생탱크(13)에 설치되어 있는 과열증기 분사관(12)에 과열증기를 공급하는 과열증기 공급원(14) 및 과열증기 공급라인(15);
    상기 활성탄 재생탱크(13)의 상단부 일측에 설치되는 밴트 밸브(16);
    상기 활성탄 재생탱크(13)의 내부 아래쪽과 통하는 버큠 포트(17a), 상기 버큠 포트(17a)에서 연장되는 버큠 라인(17b) 및 상기 버큠 라인(17b)에 연결되어 진공압을 발생시키는 버큠 펌프(17c)로 구성되며, 활성탄 재생탱크(13)의 내부에서 활성탄을 재생하기에 앞서 수분을 제거할 때, 버큠 시스템(17)을 가동시켜 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 진공 환경을 조성한 상태에서 수분의 배출이 이루어지도록 하는 버큠 시스템(17);
    상기 활성탄 재생탱크(13)에서 연장되는 폐열 순환라인(33)측과 연결되어 폐열과 작동유체 간의 열교환이 이루어지도록 하는 이베퍼레이터(34)와, 상기 이베퍼레이터(34)에서 배출되는 작동유체를 동력원으로 하여 전기를 만들어내는 터빈(35) 및 제너레이터(36)와, 냉각수 순환라인(37)측과 연결되어 터빈(35)에서 배출되는 기체를 액체로 전환시켜주는 콘덴서(38)와, 작동유체의 순환을 위한 동력을 제공하는 펌프(39)로 구성되어, 활성탄 재생탱크(13)측에서 제공되는 폐열을 이용하여 전기를 생산하는 유기랭킨사이클(40);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 들어 있는 활성탄을 부상시키기 위한 수단으로 활성탄 재생탱크(13)의 내부에 공기와 부상부를 공급하는 활성탄 부상 송풍기(18)와 부상수 공급 펌프(33), 그리고 공기/부상수 공급라인(19)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성탄 재생탱크(13)에서 배출되는 재생탄을 재생탄 저장조(20)로 강제 이송시키기 위한 수단으로 압송조(21)와 고압수 공급펌프(22)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 압송조(21)측과 활성탄 재생탱크(13)측과는 재생탄 배출라인(23)으로 연결되는 동시에 고압수 공급펌프(22)측과는 고압수 공급라인(24)으로 연결되고, 상기 압송조(21)측과 재생탄 저장조(20)측과는 재생탄 이송라인(25)으로 연결되어, 재생탄 배출 및 이송 시 부상수 및 공기로 활성탄을 부상시킨 후, 고압수와 함께 강제 이송시키는 방식으로 재생탄의 이송효율을 높일 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 고압수 공급라인(24)에서 분기된 후에 압송조(21)를 우회하여 재생탄 배출라인(23)으로 연결되는 고압수 바이패스라인(26)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성탄 재생탱크(13)는 냉각수 공급원으로부터 냉각수를 공급받아 탱크 내의 온도를 낮추는 수단으로 탱크 외벽을 따라 설치되는 워터 재킷(27)과 미스트 스프레이 노즐 및/또는 탱크 내벽을 따라 설치되는 쿨링 코일(28)을 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 과열증기 공급원(14) 및 과열증기 공급라인(15)에서 활성탄 탱크(13)의 내부로 공급되는 과열증기는 400∼800℃의 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 활성탄 자동 재생장치의 폐열을 이용한 유기랭킨사이클 발전 시스템.
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