KR102226368B1 - 음향 정상파를 포함하는 tdlas 기체 검출 장치 - Google Patents
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Abstract
본원발명은 음향 정상파를 포함하는 TDLAS 기체 검출 장치 및 이를 이용한 기체 검출 방법이다. 구체적으로 시멘트 제조 공정 등의 다량의 분진이 발생하는 공정에 있어서, 음향의 정상파를 이용하여 분진을 일정한 영역에 포집하고 분진이 포집된 공간 이외에 레이저를 조사하여 기체의 농도 및 온도를 측정하는 검출장치 및 이를 이용한 기체 검출 방법에 관한 것이다.
Description
본원발명은 음향 정상파를 포함하는 TDLAS 기체 검출 장치 및 이를 이용한 기체 검출 방법이다. 구체적으로 시멘트 제조 공정 등의 다량의 분진이 발생하는 공정에 있어서, 음향의 정상파를 이용하여 분진을 일정한 영역에 포집하고 분진이 포집된 공간 이외에 레이저를 조사하여 기체의 농도 및 온도를 측정하는 검출장치 및 이를 이용한 기체 검출 방법에 관한 것이다.
시멘트 클링커 제조 플랜트는 클링커 킬른을 포함하며, 클링커 킬른의 출력측 단부가 클링커 냉각기(clinker cooler)에 연결되며, 클링커 킬른의 공급측 단부가 예열기 그리고 선택적으로 하소로에 연결되며, 상기 예열기는 적어도 일렬의 복수 개의 사이클론 서스펜션 유형의 열교환기들을 포함하며, 이 열교환기를 통해 킬른 배가스는 유동 경로를 따라서 연속적으로 유동할 수 있으며, 이 열교환기에서 원료는 단계적으로 예열된다.
이러한 시멘트 클링커 제조시, 원료가 예열되고, 완전 건조되고, 하소되며 클링커로 연소되고, 후속하여 냉각되는 공정을 거친다. 이러한 건조 절차에 따라 작동되는 플랜트들은, 사이클론 서스펜션 유형의 열교환기들에 포함된 예열기, 하소로, 3차 공기 덕트(tertiary air duct), 로터리 킬른(rotary kiln) 및 클링커 냉각기를 포함한다.
로터리 킬른의 배가스들은, 킬른 피드 챔버(kiln feed chamber) 및 그 위에 제공된 유동 감소부(contraction)를 통해 하소로에 유도되며, 이를 통해 유동하며, 하소로에서 제조되며 하소로 연료 및 이산화탄소로부터 스모크 가스(smoke gas)를 구성하는 배가스들과 함께 예열기 내로 배출된다.
이렇게 생산되는 시멘트는 석회석을 주원료로 하여 점토, 산화철 등을 혼합하여 고온에서 하소, 소결의 과정을 거쳐 클링커를 생성하고, 이에 석고를 첨가 미분쇄하여 생산된다.
상기와 같이 시멘트 제조 공정에서는 다양한 기체가 발생하며, 특히 미세먼지의 전구물질인 CO, CO2, NOx 등이 대량 발생한다. 이들 기체의 제거를 위해서는 무엇보다도 이들 기체의 정밀한 계측이 우선되어야 한다.
대기환경오염의 주범인 CO, CO2, NOx, SOx 등 다양한 가스들의 농도를 계측하는데 있어 측정 대상의 가스를 샘플링 하지 않고, 실시간 계측이 가능한 레이저를 이용한 계측 방법이 크게 각광받고 있다. 대기환경에 영향을 미치는 가스 종들은 주로 적외선 영역에서 흡수가 이루어지는데, 여기서 적외선 영역은 근적외선(Near-infrared ray, 0.8㎛ - 1.5㎛), 중적외선(Mid-infrared ray, 1.5㎛ - 5.6㎛), 원적외선(Far-infrared ray, 5.6㎛ - 1000㎛)으로 나눌 수 있다. 중적외선에서는 분자의 흡수를 일으키는 분자의 진동이나 회전운동 모드들이 집중되어 있어, 빛의 파장을 흡수하는 분자의 특성을 이용한 DAS(Direct Absorption Spectroscopy) 계측 기법에 적용되어 측정 대상 가스의 농도나 온도를 계측하는 방법에 탁월한 효과를 나타내고 있다.
파장가변형 다이오드레이저 흡수분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 이하 'TDLAS')는 광원으로 파장가변형 레이저를 사용하는데, 계측 영역을 투과하기 전의 초기 레이저 강도(I0)와 계측 영역을 지나 흡수가 일어난 후의 레이저 강도(I)의 비를 비교하여 농도와 온도를 구하는 방법이다. 이는 Beer-Lambert 법칙을 근거로 한다.
도 1의 식에서 알 수 있듯이 흡수량은 광학적 측정거리(optical path length, L)에 비례하는 것을 알 수 있다. 미세먼지 전구물질을 측정하는 환경에서 각 계측 가스의 농도가 아주 미세하다고 가정하면 계측 향상을 위한 주요 변수 값은 측정거리(L)와 온도(T)가 된다. 온도에 의해서 계측값이 변하기 때문에 온도 자체도 같이 측정하여 보정하는 방법이 사용될 수 있다.
TDLAS 자체는 레이저의 흡수를 기본으로 하고 있는바, 시멘트 제조 공정 내 비산 분체는 레이저를 회절 또는 분산시켜 측정 효율을 급격하게 떨어트린다. 비산 분체를 별도의 수단을 사용하여 제거할 수 있으나, 이는 공정 자체에 직접 영향을 미치게 되므로 적용하기가 곤란하다.
특허문헌 1은 압전 트랜스듀서 어레이를 구비한 음파영동 장치에 관한 것이다. 특허문헌 1의 장치는 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 구비한 유동 챔버를 포함한다. 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서는 유동 챔버의 벽부 상에 위치된다. 트랜스듀서는 적어도 2개의 압전 소자를 갖는 압전 어레이를 포함한다. 압전 어레이는 유동 챔버에서 다차원의 음향 정상파를 만들도록 압전 재료를 포함한다. 반사기는 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서로부터 유동 챔버의 마주한 쪽의 벽부에 위치된다.
특허문헌 1에 반사기를 구비하고 있으며, 음향 정상파를 통해 유체 스트림으로부터 입자를 분리하는 기술에 대해서는 개시되어 있으나, 입자를 분리한 후 레이저 측정 유닛을 이용한 측정 유닛에 대해서는 개시되지 않았으며, 또한 분리된 입자를 다시 원복시키지 않고, 단순히 분리 배출에 관한 것만 기재되어 있다.
특허문헌 2는 입자 분리 및 정렬 장치와, 이를 이용한 입자 분리 및 정렬 방법이다. 특허문헌 2는 유체 내에 섞여 있는 두 종류 이상의 입자를 분리하여 정렬하기 위한 입자 분리 및 정렬 장치에 관한 것으로서, 두 종류 이상의 입자가 포함된 유체를 수용하기 위한 유체 수용 채널, 상기 유체 수용 채널에 제1정상파를 부가하기 위한 제1정상파 부가 수단 및 상기 유체 수용 채널에 제2정상파를 부가하기 위한 제2정상파부가 수단을 포함하되, 상기 제2정상파는 상기 제1정상파의 배수에 해당하는 주파수를 가지고 있다. 또한 제1정상파의 위상을 변위시키는 수단을 추가적으로 포함할 수 있다.
특허문헌 2 또한 특허문헌 1과 같이 유체로부터 입자의 분리에 관한 기술로서 입자의 분리 이후 광학적으로 측정하고 다시 입자를 원복시키는 것에 대해서는 기재되어 있지 않다.
특허문헌 3은 표면탄성파의 연속적인 위상 변조를 통한 마이크로 입자의 분리 및 조작 방법에 관한 것이다. 특허문헌 3은 분리하고자 하는 입자가 포함된 유체에 정상파를 인가하되 양측에서 발생되는 파들 중 일측 파의 주파수를 가변시켜가면서, 상기 분리하고자 하는 입자가 일측으로 이동되도록 하는 양측 파의 주파수 차이인 f를 찾는 단계(S100); 및 상기 분리하고자 하는 입자를 포함한 두 종류 이상의 입자들이 혼합되어 포함되어 있는 유체가 채널 내부에 수용되어 있는 상태에서, 상기 채널의 양측에서 표면 탄성파를 발생시켜 채널에 정상 표면 탄성파를 인가하되 상기 양측 표면 탄성파의 주파수 차이가 f가 되도록 하여 정상 표면 탄성파를 인가하여, 상기 혼합된 두 종류 이상의 입자들에서 분리하고자 하는 입자가 채널의 일측으로 이동되도록 하는 단계(S200);를 포함하여 이루어져, 대규모로 입자를 분리하거나 조작할 수 있으며, 입자의 이동 속도를 조절할 수 있어 다양한 형태로 입자를 분리 및 조작할 수 있는 표면탄성파의 연속적인 위상 변조를 통한 마이크로 입자의 분리 및 조작 방법에 관한 것이다.
특허문헌 3은 표면탄성파를 이용하고 있지만, 결국은 정상파를 인가하여 입자를 분리하는 방법에 관한 것이다. 특허문헌 3 또한 본원발명의 필수 구성 요소인 광학적 측정인 TDLAS에 대해서는 전혀 기재되어 있지 않으며, 이에 대해서 암시 조차하고 있지 않다.
특허문헌 4는 원료 공급량 제어 장치 및 보정 원료 공급량 제어 장치 및 이들을 이용한 시멘트 제조 설비에 관한 것으로서, 시멘트 제조를 위한 혼합 원료에 레이저광을 조사해 플라즈마광을 분광하여 조성을 분석하여 원료 공급량을 제어하고 있다.
특허문헌 4는 입자로 공급되는 원료의 조성을 분석하고자 하는 것이나, 1) 조사된 레이저에 의해서 원료가 플라즈마광을 분광할 수 있을 만큼 매우 강력한 레이저를 조사해야 한다. 이러한 강력한 레이저를 계속 조사하는 것은 과도한 에너지의 소비가 요구되고, 장비의 안전성에도 문제가 있기 때문에 특허문헌 4는 레이저를 펄스로 짧은 순간에만 조사하고 있다. 2) 특허문헌 2는 고상 입자에 대한 성분을 분석하는 것으로서 펄스로서 짧은 순간에 조사하여 이에 대한 플라즈마광을 분석하고 있다. 특허문헌 4에 의한 방법으로는 본원발명에서 목적하는 기체 상의 물질의 농도를 분석할 수 없다. 3) 또한 특허문헌 3은 반응 전이므로 비산 분체에 의한 문제가 아직 대두되기 전이라는 점에서 본원발명에서 해결하고자 하는 문제점을 인식하지 못하고 있다.
특허문헌 5는 레이저에 의한 시멘트 소성 설비의 상태량 계측 방법 및 장치에 관한 것으로서, 시멘트 소성 설비에 두고, (A) 설비내의 버너 화염에 레이저광을 조사함으로써 형광을 발생시키고(B) 발생한 형광을 광학적으로 측정하고(C) 측정한 형광을 분광 분석하고(D) 상기 분광 분석에 의해 화염 중의 가스 및 시멘트 원료의 온도를 검출하고 있다.
특허문헌 5는 레이저광을 조사한다는 점에서만 공통점이 있을 뿐 1) 버너 화면에 레이저를 조사하고 있어, 반응물(기체)에 조사하는 본원발명과 측정하는 대상이 다르고, 2) 측정하고자 하는 대상이 기체의 농도가 아닌 화염 중의 가스 및 시멘트 원료의 온도라는 점에서도 차이가 있다. 3) 또한 특허문헌 5는 특허문헌 4와 동일하게 레이저 광을 조사하여 시멘트 원료를 플라즈마 시키기 때문에 특허문헌 4와 동일하게 매우 강력한 레이저를 사용하는 점에서 본원발명과는 그 구성에서 큰 차이가 있다. TDLAS를 레이저를 조사하여 기체 분자의 진동에 의해서 레이저가 흡수되는 정도를 파악하는 것이며, 레이저는 상시로 조사하며, 강도 또한 높지 않고, 반응 자체에 영향을 미치지 않는다. 또한, 4) 본원발명에서도 기체의 농도를 측정하기 위해서 레이저를 조사한 후 온도를 측정하고 있으나, 이는 농도의 측정을 위해서 보정을 위한 것이며, 측정하고자 하는 대상은 기체의 농도라는 점에서 특허문헌 5와는 그 대상 목적이 상이하다.
특허문헌 6은 입자 계산 기기에서 레이저 노이즈 검출 및 완화에 관한 것으로서, 입자 광 산란으로부터 생성된 신호를 노이즈의 소스로부터 효과적으로 구별이 가능한 광학 입자 카운터(계수기, counter) 및 방법에 관한 것이다.
특허문헌 6에서 입자에 의한 노이즈 검출 및 완화는 광학적 장치에서 사용되는 범위의 값을 말하는 것으로서 시멘트 제조 공정과 같이 대량의 비산 분체가 존재하는 범위에서는 적용 자체가 불가능하다. 본원발명에서 적용하고자 하는 시멘트 공정 등은 통상의 레이저를 조사할 경우 해당 광원이 배기단 반대쪽에 있는 검출기에도 제대로 도달할 수 없을 만큼 비산 분체가 많다. 조사된 레이저는 분체에 의해서 대부분 산란 및 회절되어 검출기에 검출되는 양이 극히 적다. TDLAS 특성상 누적된 흡수량을 측정하여야 하나, 해당 값이 작기 때문에 농도의 측정은 원천적으로 불가능한 것이 현재의 기술이다.
이와 같이 시멘트 제조 공정과 같이 비산 분체가 대량으로 발생하는 공정에서 공정 자체의 간섭을 최소한으로 하면서 공정 내의 기체 농도를 실시간으로 측정할 수 있는 광학적 방법은 제공된 바가 없다.
본원발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 시멘트 제조 공정과 같이 비산 분체가 대량으로 발생하는 공정에서 공정 자체의 간섭을 최소한으로 하면서 공정 내의 기체 농도 및/또는 온도를 실시간으로 측정할 수 있는 광학적 장치 및 이를 이용한 기체의 농도 및/또는 온도를 실시간으로 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본원발명은 레이저를 조사하는 레이저광원부; 온도 또는 농도 측정을 위한 기체가 배치되며 상기 레이저광원부에서 조사되는 레이저가 통과하는 챔버; 상기 챔버를 통과한 레이저를 집광하는 광검출부; 상기 광검출부에서 검출된 레이저를 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 기체 검출 장치에 있어서, 상기 챔버의 일면에 위치된 적어도 하나의 음파발생부; 상기 적어도 하나의 음파발생부와 대면하는 챔버의 타면에 위치된 적어도 하나의 반사기;를 포함하고, 상기 음파발생부는 상기 챔버에 다차원의 음향 정상파를 만들도록 구동되는 기체 검출 장치를 제공한다.
상기 레이저광원부, 상기 광검출부, 및 상기 프로세서부는 파장가변형 다이오드레이저 흡수분광법((Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)에 의해서 기체의 농도 또는 온도를 분석한다.
상기 챔버는 비산 분체에 의해서 상기 레이저광원부로부터 조사되는 레이저가 50% 이상 산란 또는 회절되며, 구체적인 예로서 상기 챔버는 시멘트 제조 공정 중 배가스가 통과는 챔버일 수 있다.
상기 레이저광원부에서 조사된 레이저를 반사시켜 상기 반사되는 레이저의 궤적이 상기 챔버를 1회 이상 지나갈 수 있게 배치되는 반사부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 챔버에 있어서 상기 기체가 흐르는 방향을 Z축으로 가정할 때, 상기 레이저광원부, 상기 광검출부는 X축 또는 X축과 평행한 축에 배치되며, 상기 음파발생부, 상기 반사기는 Y축 또는 Y축과 평행한 축에 배치된다. 구체적으로 상기 레이저광원부, 상기 광검출부, 상기 음파발생부, 상기 반사기는 모두 동일평면에 배치되는 것이 바람직하다.
상기 레이저광원부 및 상기 광검출부는 상기 음파발생부 및 상기 반사기에 발생하는 음파를 포함하는 진동에 영향이 없도록 별도의 지지대에 고정되며, 상기 레이저광원부 및 상기 광검출부에는 진동을 감쇄할 수 있는 댐퍼가 추가 될 수 있다.
상기 음파발생부의 구체적인 예로는 압전 트랜스듀서를 포함한다.
본원발명은 또한 상기 기체 검출 장치에 의해서 챔버 내의 기체의 온도 또는 농도를 측정하는 방법을 제공한다.
본원발명은 상기 열거된 방법 중 제한없이 조합이 가능한 발명을 제공할 수 있다.
본원발명은 시멘트 제조 공정과 같이 비산 분체가 대량으로 발생하는 공정에서 1) 공정 자체의 간섭을 최소한으로 한다. 레이저의 강도가 높지 않기 때문에 이로 인해서 공정 내부의 물질이 변화하지 않으며, 정상파를 일정한 좁은 구역에만 가하기 때문에 정상파의 영역을 지난 후 비산 분체를 포함하는 유체는 종래의 정상적인 흐름으로 다시 복귀된다. 2) 본원발명은 광학적 측정으로서 실시간으로 기체의 농도 및/또는 온도의 정보를 제공할 수 있다. 이를 이용하여 공정의 정확한 제어가 가능하여, 또한 NOx 등의 농도가 높을 경우 분사되는 요수수의 분사량을 조절할 수 있다. 3) 현재까지 비산 분체가 과량으로 함유된 시멘트 제조 공정에 본원발명의 TDLAS를 적용한 기술이 없는바, 본원발명은 비산 분체 등을 포함하는 레이저의 회절 및 분산이 매우 심한 곳에서도 기체만의 농도 및/또는 온도를 측정할 수 있는 신규한 측정 방법을 제공하였다.
도 1은 파장가변형 다이오드레이저 흡수분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 이하 'TDLAS')에서 Beer-Lambert 법칙에 따른 계산식을 보여준다.
도 2는 통상적인 시멘트 제조 공정 시스템 구조도이다.
도 3은 본원발명이 적용될 수 있는 다른 예시의 시멘트 제조 공정의 개념도이다.
도 4는 본원발명의 일 실시예에 따른 기체 검출 장치의 사시도이다.
도 5는 본원발명의 일 실시예에 따른 기체 검출 장치의 작동 전, 후를 나타내는 단면도이다.
도 2는 통상적인 시멘트 제조 공정 시스템 구조도이다.
도 3은 본원발명이 적용될 수 있는 다른 예시의 시멘트 제조 공정의 개념도이다.
도 4는 본원발명의 일 실시예에 따른 기체 검출 장치의 사시도이다.
도 5는 본원발명의 일 실시예에 따른 기체 검출 장치의 작동 전, 후를 나타내는 단면도이다.
이하에서는, 본원 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본원 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본원 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 출원에서 "포함한다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전반에서 입자 또는 비산 분체는 동일한 것을 말하며 기체 상이 아니면서 챔버 내에 유동할 수 있는 크기의 고체상 물질을 말한다.
CO, CO2, NOx, SOx 등 다양한 가스들의 농도를 계측하는데 있어 측정 대상의 가스를 샘플링 하지 않고, 실시간 계측이 가능한 레이저를 이용한 계측 방법이 크게 각광받고 있다. 많은 가스 종들은 주로 적외선 영역에서 흡수가 이루어지는데, 여기서 적외선 영역은 근적외선(Near-infrared ray, 0.8㎛ - 1.5㎛), 중적외선(Mid-infrared ray, 1.5㎛ - 5.6㎛), 원적외선(Far-infrared ray, 5.6㎛ - 1000㎛)으로 나눌 수 있다. 중적외선에서는 분자의 흡수를 일으키는 분자의 진동이나 회전운동 모드들이 집중되어 있어, 빛의 파장을 흡수하는 분자의 특성을 이용한 DAS(Direct Absorption Spectroscopy) 계측 기법에 적용되어 측정 대상 가스의 농도나 온도를 계측하는 방법에 탁월한 효과를 나타내고 있다.
파장가변형 다이오드레이저 흡수분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 이하 'TDLAS')는 광원으로 파장가변형 레이저를 사용하는데, 계측 영역을 투과하기 전의 초기 레이저 강도(I0)와 계측 영역을 지나 흡수가 일어난 후의 레이저 강도(I)의 비를 비교하여 농도와 온도를 구하는 방법이다. 이는 Beer-Lambert 법칙을 근거로 한다.
도 1의 식에서 알 수 있듯이 흡수량은 광학적 측정거리(optical path length, L)에 비례하는 것을 알 수 있다. 누출가스를 측정하는 환경에서 각 누출가스의 농도가 아주 미세하다고 가정하면 계측 향상을 위한 주요 변수 값은 측정거리(L)와 온도(T)가 된다. 본원발명에 따른 가스누출 검출장치는 측정거리(L)은 변하지 않지만 계절, 밤낮 등에 따라 온도 T는 계속 변하게 된다. 이하 TDLAS 자체에 대한 기술적 사항은 특허문헌 7, 8, 9에 기재된바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 2는 통상적인 시멘트 제조 공정 시스템 구조도이다.
장입되는 원료(raw meal)가 클링커 킬른의 고온 배가스들에 대향류로 예열기에서 예열되고 하소로에서 하소되는 시멘트 클링커 제조 시스템이다.
클링커는 클링커 킬른의 후단을 통해서 나가며 클링커 냉각기에서 냉각된다. 냉각된 클링커는 주입되는 냉각용 공기를 통해 냉각된 후 클링커 냉각기 후단을 통해서 나간다.
예열기는 하나 또는 수개의 예열기들을 포함할 수 있다. 예열기의 배치열은 복수 개의 연속적으로 배열된 사이클론 서스펜션-유형의 열교환기들을 포함할 수 있다.
서스펜션 유형의 열교환기는 연속적으로 마지막 서스펜션된 열교환기로 연결되며 중간에 배열된 서스펜션 유형의 열교환기들로 구성될 수 있다.
킬른에 공급되는 공기 송풍기는 하소로 및 연속적으로 배열된 서스펜션 유형의 열교환기들 뿐만 아니라 고온 가스 연도를 통해 클링커 킬른의 고온 원료 공급 측에 나타나는 킬른 배가스를 인출하기 위해 요구되는 음압을 생성할 수 있다.
클링커 킬른의 소결(Sintering) 연료 및 산화제용 공기가 공급될 수 있다. 하소로의 하소 시스템을 위한 연료 공급은 하소로의 일측면에 형성될 수 있다.
클링커 냉각기는 복수 개의 송풍기들을 포함하며, 송풍기들을 통해, 대기가 내부로 송풍된다. 공기는 클링커 냉각기를 통과하며 3차 공기 통기구 및 3차 공기 채널, 3차 공기 채널 개구를 통해 하소로 내로 클링커 냉각기에서 유입될 수 있다.
고온 가스 연도에 추가로, 킬른 배가스는 분기 덕트를 통해 또한 인출될 수 있으며, 분기 지점은, 최상부의 제 1 서스펜션 유형의 열교환기의 배출구 상에 위치된다.
분기 덕트에서 밸브를 구성하는 제어 기구(control organ)가 형성될 수 있으며 이 밸브는 인출되는 킬른 배가스의 양의 조절할 수 있다.
배출되는 킬른 배가스는 혼합 장치, 예컨대 혼합 사이클론에 공급되며, 여기서 전환된 킬른 배가스의 일부가 고온 가스 연도를 통해 배출되고 전체 예열기를 통해 배출된 킬른 배가스 잔류 배가스와 혼합된다. 클링커를 위한 원료는 하소로에서 700 내지 900℃, 특히 850℃의 온도에서 가열되며, 분기 덕트를 통해 인출된 킬른 배가스의 일부에 의해서 약 850℃의 온도를 갖는다.
예열기를 통과한 킬른 배가스의 잔류량은 고온 가스 연도에서 250 내지 350℃, 특히 300℃의 온도를 갖는다. 혼합 장치를 나가는 고온 가스는 배가스 스트림들의 용적비(volume ratio)에 따라 400 내지 550℃의 온도를 갖는다. 이후, 고온 가스는 덕트를 통해 탈진(dedusting) 장치에 공급될 수 있으며, 탈진된 고온 가스는 원료 건조를 위해 투입될 수 있다.
추가로 고온 가스는 덕트를 통해서 소성 시스템을 위한 연료로서 제공된 석탄을 건조하기 위한 분탄기에 공급될 수 있다.
본원발명의 기체 검출 장치가 적용될 수 있는 챔버의 비제한적인 예로는 킬른 배가스가 통과하는 배관, 분기 덕트, 탈진 장치 이후의 배관, 분탄기에서 배출되는 배가스가 통과하는 배관을 들 수 있다.
도 3은 본원발명이 적용될 수 있는 다른 예시의 시멘트 제조 공정의 개념도이다. 도 3은 NOx 발생을 억제하기 위한 시멘트 제조 시스템에 있어서, 연료를 투입하는 연료투입유닛(100); 상기 연료투입유닛과 연통되어 상기 연료를 예열하여 배출하는 하나 이상의 예열유닛(200); 상기 예열유닛(200)과 연통되어 상기 연료를 하소하여 배출하는 하소유닛(300); 상기 하소유닛(300)과 연통되어 상기 연료를 소결하여 클링커로 배출하는 소결유닛(400); 상기 소결유닛(400)과 연통되어 상기 클링커를 냉각하여 배출하는 냉각유닛(500);을 포함하고, 상기 하소유닛에 형성된 하소연소기(310)는 재연소(Reburning)영역을 포함하며, 상기 하소유닛의 온도가 900 내지 1100℃인 영역에 요소수를 분무하는 하나 이상의 요소수분무기(320)가 형성되며, 상기 요소수분무기(320)가 형성된 영역은 공기 대비 연료비(Air/Fuel ratio)가 1보다 작은 영역이고, 상기 예열유닛(200)과 상기 하소유닛(300) 사이에는 NO, NH3 및 온도를 실시간으로 측정할 수 있는 기체 검출 장치(600);를 포함하는 NOx 발생을 억제하기 위한 시멘트 제조 시스템이다.
도 3에서 제시하는 기체 검출 장치(600)는 하나의 예시로서 본원발명의 기체 검출 장치가 적용될 수 있는 챔버의 비제한적인 예로는 예열유닛(200)의 출구부, 하소유닛(300)의 출구부, 소결유닛(400)의 출구부, 냉각유닛(500)의 출구부, 하소연소기(310)의 출구부를 들 수 있다.
도 4는 본원발명의 일 실시예에 따른 기체 검출 장치의 사시도이며, 5는 본원발명의 일 실시예에 따른 기체 검출 장치의 작동 전, 후를 나타내는 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참고하여 설명하며 본원발명은 레이저를 조사하는 레이저광원부(620); 온도 또는 농도 측정을 위한 기체가 배치되며 상기 레이저광원부(620)에서 조사되는 레이저가 통과하는 챔버(610); 상기 챔버(610)를 통과한 레이저를 집광하는 광검출부(630); 상기 광검출부(630)에서 검출된 레이저를 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부(도면 미도시);를 포함하는 기체 검출 장치(600)에 있어서, 상기 챔버(610)의 일면에 위치된 적어도 하나의 음파발생부(640); 상기 적어도 하나의 음파발생부와 대면하는 챔버의 타면에 위치된 적어도 하나의 반사기(650);를 포함하고, 상기 음파발생부는 상기 챔버에 다차원의 음향 정상파를 만들도록 구동되는 기체 검출 장치(600)를 제공한다.
도 4의 사시도에서 상기 챔버(610)에 있어서 상기 기체가 흐르는 방향을 Z축으로 가정할 때, 상기 음파발생부(640), 상기 반사기(650)는 Y축 또는 Y축과 평행한 축에 배치된다. 도 4에서 음영 부분은 현재 음파발생부(640) 및 반사기(650)에 의해서 정상파가 생성되는 부분이다. 음영 부분의 전단과 후단은 입자가 랜덤으로 배치되어 흐르게 되지만 상기 음영 부분의 경우 정상파가 형성된다. 입자 또는 비산 분체는 정상파 중 진동이 없는 마디에 모이게 된다. 이와 같이 정상파에 의해서 입자가 일정한 간격으로 모이게 되며 빈 부분에 레이저를 조사하여 기체의 온도 및/또는 농도를 검출할 수 있다. 도 4에는 구체적으로 도시되지 않았지만, 상기 레이저광원부, 상기 광검출부는 X축 또는 X축과 평행한 축에 배치된다. 레이저광원부(620), 광검출부(630), 음파발생부(640), 반사기(650)는 모두 동일평면에 배치되는 것이 바람직하다.
도 4 및 도 5에서 음파발생부(640), 반사기(650)는 동일한 모양으로 도식화 되었으며, 좌 우측 위치를 바꾸어도 정상파의 생성 효과는 동일하다.
도 5는 도 4에서 음영부를 XY 평면의 단면을 나타낸 것이다. 도 5의 좌측은 정상파가 적용되기 전이며 도 5의 우측은 정상파가 적용된 상태이다. 정상파가 적용되기 전의 챔버(61) 내의 입자는 랜덤하게 흐르고 있으나, 정상파가 적용될 경우에는 정상파의 마디에 입자가 모이게 된다.
이때 정상파의 배에 해당하는 부분에 레이저를 조사하여 TDLAS를 이용하여 기체의 농도 및/또는 온도를 검출한다.
100 : 연료투입유닛
200 : 예열유닛
300 : 하소유닛
310 : 하소연소기
320 : 요소수분무기
400 : 소결유닛
500 : 냉각유닛
600 : 기체 검출 장치
610 : 챔버
620 : 레이저광원부
630 : 광검출부
640 : 음파발생부
650 : 반사기
660 : 입자
200 : 예열유닛
300 : 하소유닛
310 : 하소연소기
320 : 요소수분무기
400 : 소결유닛
500 : 냉각유닛
600 : 기체 검출 장치
610 : 챔버
620 : 레이저광원부
630 : 광검출부
640 : 음파발생부
650 : 반사기
660 : 입자
Claims (11)
- 레이저를 조사하는 레이저광원부;
온도 또는 농도 측정을 위한 기체가 배치되며 상기 레이저광원부에서 조사되는 레이저가 통과하는 챔버;
상기 챔버를 통과한 레이저를 집광하는 광검출부;
상기 광검출부에서 검출된 레이저를 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 기체 검출 장치에 있어서,
상기 챔버의 일면에 위치된 적어도 하나의 음파발생부;
상기 적어도 하나의 음파발생부와 대면하는 챔버의 타면에 위치된 적어도 하나의 반사기;를 포함하고, 상기 음파발생부는 상기 챔버에 다차원의 음향 정상파를 만들도록 구동되는 기체 검출 장치에 있어서,
상기 챔버에 있어서 상기 기체가 흐르는 방향을 Z축으로 가정할 때,
상기 레이저광원부, 상기 광검출부는 X축 또는 X축과 평행한 축에 배치되며,
상기 음파발생부, 상기 반사기는 Y축 또는 Y축과 평행한 축에 배치되는 기체 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 레이저광원부, 상기 광검출부, 및 상기 프로세서부는 파장가변형 다이오드레이저 흡수분광법((Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)에 의해서 기체의 농도 또는 온도를 분석하는 것인 기체 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 챔버는 비산 분체에 의해서 상기 레이저광원부로부터 조사되는 레이저가 50% 이상 산란 또는 회절되는 챔버인 기체 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 챔버는 시멘트 제조 공정 중 배가스가 통과되는 챔버인 기체 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 레이저광원부에서 조사된 레이저를 반사시켜 상기 반사되는 레이저의 궤적이 상기 챔버를 1회 이상 지나갈 수 있게 배치되는 반사부를 추가로 포함하는 기체 검출 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 레이저광원부, 상기 광검출부, 상기 음파발생부, 상기 반사기는 모두 동일평면에 배치되는 기체 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 레이저광원부 및 상기 광검출부는 상기 음파발생부 및 상기 반사기에 발생하는 음파를 포함하는 진동에 영향이 없도록 별도의 지지대에 고정되는 기체 검출 장치. - 제8항에 있어서,
상기 레이저광원부 및 상기 광검출부에는 진동을 감쇄할 수 있는 댐퍼가 추가된 기체 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 음파발생부는 압전 트랜스듀서를 포함하는 기체 검출 장치. - 제1항 내지 제5항, 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 기체 검출 장치에 의해서 챔버 내의 기체의 온도 또는 농도를 측정하는 방법.
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