KR102342162B1

KR102342162B1 - 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102342162B1
Application number: KR1020200008713A
Authority: KR
Inventors: 박경태
Original assignee: 숙명여자대학교산학협력단
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2021-12-21
Also published as: KR20210094897A

Abstract

본 발명에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는, 해수와 게스트 물질을 반응시켜 가스 하이드레이트를 생성하는 반응기부, 상기 반응기부에서 배출된 가스 하이드레이트를 해리시켜 담수와 게스트 물질로 분리하는 해리기부, 상기 반응기부와 해리기부에서 배출되는 기상의 게스트 물질을 외부에서 공급되는 저온의 액화 가스와 열교환시켜 상기 액화 가스의 냉열에 의해 상기 게스트 물질을 액화시키는 제1열교환기부, 및 상기 제1열교환기부에서 액화된 게스트 물질을 상기 반응기부와 열교환시켜 상기 가스 하이드레이트의 반응 생성열을 회수하는 반응 생성열 회수부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치 및 방법{Gas Hydrate based Seawater Desalination Apparatus of Waste Heat Recovery type and method thereof}

본 발명은 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 액화 가스의 냉열과 가스 하이드레이트의 반응 생성열을 회수하여 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 공정의 에너지원으로 사용함으로써 해수 담수화 공정에 소요되는 에너지를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 가스 하이드레이트의 생성 효율의 향상으로 인하여 해수 담수화 공정의 효율도 향상시킬 수 있는 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치 및 방법에 관한 것이다.

수처리 기술 중 하나인 해수 담수화 기술은 국내외의 물 수요를 해결하고 대체 수자원 확보기술을 제공함과 동시에 해외시장의 개척과 고부가가치의 창출이 가능한 대표적인 기술분야로서 향후 그 수요가 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.

이러한 해수 담수화 방법으로서 종래에는 크게 증발법과 역삼투법을 적용하였는데, 상기 증발법은 수분 증발에 필요한 에너지의 소비량이 많아 경제성이 떨어지고 대용량의 제반 설비를 필요로 하는 단점이 있기 때문에 근래에는 역삼투법을 이용한 해수 담수화 방법이 주로 사용되고 있다.

그러나, 이러한 역삼투법의 경우에도 복잡한 전처리 공정, 빈번한 역삼투막의 교체, 및 염분의 농도가 높은 해수를 처리하기 위해서는 에너지 소모가 많은 문제점을 가지고 있기 때문에 이를 대체하거나 보완하기 위한 새로운 방식의 해수 담수화 기술이 절실히 요구되고 있다.

이를 위하여 최근에는 해수 담수화를 포함한 수처리에 가스 하이드레이트의 생성 원리를 이용하려는 연구개발이 이루어지고 있는데, 이러한 가스 하이드레이트의 생성 원리를 이용한 해수 담수화 기술에 관한 내용은 하기 [문헌 1]과 [문헌 2] 등에 상세히 개시되어 있다.

그러나, 종래 기술에 따른 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치의 경우에도 증발법이나 역삼투법보다는 에너지 소비량이 적은 장점은 있으나, 아직까지는 가스 하이드레이트의 생성 효율이 낮고 반응가스(게스트 물질)의 회수(액화)와 가스 하이드레이트 생성조건의 유지를 위해 여전히 상당한 에너지를 필요로 하기 때문에 종래 역삼투법을 현실적으로 대체하기 곤란한 문제점이 있다.

[문헌 1] 한국공개특허 제2009-0122811호(2009. 12. 1. 공개)

[문헌 2] 한국공개특허 제2016-0049089호(2016. 5. 9. 공개)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 액화 가스의 냉열과 가스 하이드레이트의 반응 생성열을 회수하여 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 공정의 에너지원으로 사용함으로써 해수 담수화 공정에 소요되는 에너지를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 가스 하이드레이트의 생성 효율의 향상으로 인하여 해수 담수화 공정의 효율도 향상시킬 수 있는 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는, 해수와 게스트 물질을 반응시켜 가스 하이드레이트를 생성하는 반응기부, 상기 반응기부에서 배출된 가스 하이드레이트를 해리시켜 담수와 게스트 물질로 분리하는 해리기부, 상기 반응기부와 해리기부에서 배출되는 기상의 게스트 물질을 외부에서 공급되는 저온의 액화 가스와 열교환시켜 상기 액화 가스의 냉열에 의해 상기 게스트 물질을 액화시키는 제1열교환기부, 및 상기 제1열교환기부에서 액화된 게스트 물질을 상기 반응기부와 열교환시켜 상기 가스 하이드레이트의 반응 생성열을 회수하는 반응 생성열 회수부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응 생성열 회수부에서 회수된 반응 생성열에 의해 기화된 게스트 물질 중 적어도 일부는 상기 반응기부에 반응물질로 공급하고, 나머지는 상기 제1열교환기부로 공급하는 게스트 물질 순환부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회수된 반응 생성열에 의해 기화되어 상기 반응 생성열 회수부에서 배출되는 게스트 물질의 팽창 압력에 의해 전력을 생산하는 익스팬더(expander) 발전기부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 익스팬더 발전기부에서 배출되는 게스트 물질 중 적어도 일부는 상기 반응기부에 반응물질로 공급하고, 나머지는 상기 제1열교환기부로 공급하는 게스트 물질 순환부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1열교환기부를 경유한 액화 가스를 상기 반응기부에 반응물질로 공급되는 해수와 게스트 물질 중 적어도 어느 하나와 열교환시키는 제2열교환기부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응 생성열 회수부에서 배출되는 게스트 물질을 외부에서 공급되는 고온의 폐열원과 열교환시켜 상기 익스팬더 발전기부에 공급하는 폐열 교환기부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응기부는, 내부에서 해수와 게스트 물질을 반응시켜 가스 하이드레이트를 생성하는 반응기와, 상기 반응기에서 배출되는 가스 하이드레이트에 포함된 여액을 제거하는 탈수기를 포함하여 구성되되, 상기 탈수기에서 배출되는 기상의 게스트 물질은 상기 제1열교환기부로 공급되고, 상기 여액이 제거된 가스 하이드레이트는 상기 해리기부로 공급되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응기는 내면과 외면 사이에 냉각재 유동 채널이 형성된 자켓(jacket) 구조로 이루어지고, 상기 반응 생성열 회수부는 상기 제1열교환기부에서 액화된 게스트 물질을 상기 반응기의 냉각재 유동 채널로 유동시키는 펌프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는, 해수와 게스트 물질을 반응시켜 가스 하이드레이트를 생성하는 반응기부, 상기 반응기부에서 배출된 가스 하이드레이트를 해리시켜 담수와 게스트 물질로 분리하는 해리기부, 상기 반응기부와 상기 해리기부에서 배출되는 기상의 게스트 물질을 액화시키는 액화기부, 및 상기 액화기부에서 액화된 게스트 물질을 상기 반응기부와 열교환시켜 상기 가스 하이드레이트의 반응 생성열을 회수하는 반응 생성열 회수부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 익스팬더 발전기부에서 배출되는 게스트 물질 중 적어도 일부는 상기 반응기부에 반응물질로 공급하고, 나머지는 상기 액화기부로 공급하는 게스트 물질 순환부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는, 해수와 게스트 물질을 반응시켜 가스 하이드레이트를 생성하는 반응기부, 상기 반응기부에서 배출된 가스 하이드레이트를 해리시켜 담수와 게스트 물질로 분리하는 해리기부, 상기 반응기부와 상기 해리기부에서 배출되는 기상의 게스트 물질을 액화 가스와 열교환시켜 액화시키는 제1열교환기부, 및 상기 액화된 게스트 물질을 상기 반응기부에 게스트 물질을 공급하는 저장용기로 회수하는 게스트 물질 회수부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1열교환기부를 경유한 액화 가스를 상기 반응기부에 반응물질로 공급되는 해수와 열교환시키는 제2열교환기부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 방법은, 반응기 내부에서 해수와 게스트 물질을 반응시켜 가스 하이드레이트를 생성하는 가스 하이드레이트 생성 단계, 상기 생성된 가스 하이드레이트를 해리시켜 담수와 게스트 물질로 분리하는 해리 단계, 상기 가스 하이드레이트 생성 단계 및 해리 단계에서 배출되는 기상의 게스트 물질을 외부에서 공급되는 저온의 액화 가스와 열교환시켜 상기 액화 가스의 냉열에 의해 상기 게스트 물질을 액화시키는 폐냉열 회수 단계, 및 상기 액화된 게스트 물질을 반응기와 열교환시켜 상기 가스 하이드레이트의 반응 생성열을 회수하는 반응 생성열 회수 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응 생성열 회수 단계에서 회수된 반응 생성열에 의해 기화된 게스트 물질의 팽창 압력을 이용하여 익스팬더 발전기를 이용하여 전력을 생산하는 전력 생산 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 제1열교환기부에서 액화 가스의 폐냉열을 회수하여 반응기부와 해리기부에서 회수된 게스트 물질을 액화시키도록 구성되기 때문에 종래 게스트 물질의 회수를 위해 사용되는 고압 압축기의 구성을 생략함으로써 해수 담수화 공정에 소요되는 에너지를 현저히 저감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 제1열교환기부에서 액화된 게스트 물질을 이용하여 반응기의 가스 하이드레이트 반응 생성열을 회수하도록 구성되기 때문에 종래 가스 하이드레이트 생성 과정에서 반응 조건 유지를 위해 반응기에 공급되는 에너지를 저감함으로써 해수 담수화 공정에 소요되는 에너지를 더욱 현저히 저감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 회수된 반응 생성열에 의하여 기화된 게스트 물질의 팽창 압력을 이용하여 익스팬더 발전기부에서 전력을 생산하도록 구성되기 때문에, 생산된 전력을 해수 담수화 장치의 각종 펌프와 탈수기 등의 구동전력으로 사용함으로써 해수 담수화 공정에 소요되는 에너지를 더욱 저감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 가스 하이드레이트 생성 과정에서 반응 생성열 회수에 의하여 반응기 내부의 온도를 안정적이고 균일하게 유지하여 가스 하이드레이트의 생성 효율을 향상시킴으로써 해수 담수화 공정의 효율도 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치의 전체 구성을 나타낸 도면,
도2는 도1에 도시한 반응기의 상세 구성을 설명하기 위한 도면,
도3은 본 발명의 제2실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치의 전체 구성을 나타낸 도면,
도4는 도3의 장치를 이용한 해수 담수화 공정을 설명하기 위한 블럭도,
도5는 본 발명의 제3실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치의 전체 구성을 나타낸 도면, 및
도6은 본 발명의 제4실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치의 전체 구성을 나타낸 도면이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 이용하여 구체적으로 설명하기로 한다.

(제1실시예)

도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치의 전체 구성을 나타낸 도면이고, 도2는 도1에 도시한 반응기의 상세 구성을 설명하기 위한 도면이다.

본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 해수와 게스트 물질을 반응시켜 가스 하이드레이트를 생성하는 반응기부(10,20), 생성된 가스 하이드레이트를 해리시켜 담수와 게스트 물질로 분리하는 해리기부(30,32), 상기 반응기부(10,20)와 해리기부(30,32)에서 배출되는 게스트 물질을 액화시키는 제1열교환기부(40), 및 액화된 게스트 물질을 이용하여 반응기부(10,20)의 가스 하이드레이트 반응 생성열을 회수하는 반응 생성열 회수부(41,42,43)를 포함하여 구성된다.

본 실시예에서 상기 반응기부(10,20)는, 내부에서 해수와 게스트 물질을 반응시켜 가스 하이드레이트를 생성하는 반응기(10)와, 상기 반응기(10)에서 배출되는 가스 하이드레이트에 포함된 여액을 제거하는 탈수기(20)를 포함하여 구성된다.

상기 반응기(10)는 후술하는 바와 같이 게스트 물질 공급관(11)을 통해 공급되는 게스트 물질과 해수 공급관(15)을 통해 공급되는 호스트 물질인 해수를 반응시켜 가스 하이드레이트를 생성시켜 배출하도록 구성된다.

이를 위하여, 본 실시예에서 상기 반응기(10)는 일예로서 내부에 가스 하이드레이트가 생성되는 반응공간이 형성된 반응기 본체(10a), 상기 반응기 본체(10a)의 내부에 설치된 교반수단(18), 및 상기 반응기 본체(10a)의 외측에 설치되어 상기 교반수단(18)을 구동하는 구동모터(19)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 반응기 본체(10a)는 가스 하이드레이트 생성 반응이 이루어질 수 있는 범위에서 원통형이나 사각통형 등 여러 가지 다양한 형상으로 이루어질 수 있는데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 반응기 본체(10a)가 원통형으로 이루어지는 것으로 구성하였으며, 하부에는 생성된 가스 하이드레이트가 배출되는 배출구(10b)가 형성되도록 구성하였다.

또한, 상기 반응기 본체(10a)의 일측에는 게스트 물질 공급관(11)과 해수 공급관(15)이 연결되는데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 게스트 물질 공급관(11)과 해수 공급관(15)이 반응기 본체(10a)의 상부면 일측에 연결되는 것으로 구성하였다.

이때, 상기 게스트 물질 공급관(11)을 통해 공급되는 게스트 물질은 기상일 경우 CH₄, C₂H₆, C₃H₈, CO₂, H₂, Cl₂, SF₆, CFC계 물질, HCFC계 물질, PFC계 물질 또는 HFC계 물질 중 적어도 어느 하나일 수 있고, 액상일 경우 SF₆, CFC계 물질, HCFC계 물질, PFC계 물질 또는 HFC계 물질 중 적어도 어느 하나일 수 있는데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 게스트 물질로서 프로판(C₃H₈) 가스를 사용하였다.

또한, 상기 게스트 물질 공급관(11)은 배관(2)을 통하여 외부의 게스트 물질 저장용기(1)와 연결되는데, 본 실시예에 따른 해수 담수화 장치의 경우 초기 운전시에는 상기 배관(2)과 게스트 물질 공급관(11)을 통하여 저장용기(1)에 저장된 게스트 물질이 반응기(10)로 공급된다.

이때, 상기 배관(2)의 중도에는 게스트 물질의 공급을 단속하기 위한 게스트 물질 개폐밸브(3)가 더 설치될 수 있다.

또한, 상기 해수 공급관(15)은 외부의 해수 공급원(미도시)에 저장된 해수를 상기 반응기(10)에 공급하게 되는데, 이를 위하여 상기 해수 공급관(15)의 중도에는 펌프(16)가 설치된다.

또한, 상기 반응기 본체(10a)는 내부 반응공간이 가스 하이드레이트가 생성되기 위한 온도 조건과 압력 조건을 유지할 수 있도록 구성되는데, 이를 위하여 상기 반응기 본체(10a)에는 내부의 온도와 압력을 측정하기 위한 온도 센서(미도시)와 압력 센서(미도시)가 설치되고, 상기 센서들의 측정 결과에 따라 반응기 본체(10a) 내부의 온도와 압력을 조절하기 위한 온도 조절장치(미도시)와 압력 조절장치(미도시)가 더 설치될 수 있다.

한편, 가스 하이드레이트의 생성 반응은 발열반응이기 때문에 상기 온도 조절장치(미도시)와 압력 조절부장치(미도시)에 의하여 반응기 본체(10a) 내부를 가스 하이드레이트 생성에 적합한 온도와 압력으로 유지하는 경우에도 가스 하이드레이트의 생성이 진행됨에 따라 반응기 본체(10a)의 내부 온도가 상승하게 된다.

따라서, 본 실시예에서는 상기 반응기 본체(10a)를 벽면 내부, 즉 내면과 외면 사이에 냉각재 유동 채널(10c)이 형성된 자켓(jacket) 구조로 구성하였는데, 후술하는 바와 같이 상기 냉각재 유동 채널(10c)에 냉각재를 유동시킴으로써 상기 가스 하이드레이트의 생성열(또는 반응열)을 신속히 제거하도록 구성된다.

상기와 같은 구성에 의하여 상기 반응기 본체(10a)의 내부에서는 게스트 물질과 해수의 반응에 의하여 슬러리 형태의 가스 하이드레이트가 생성되는데, 상기 가스 하이드레이트의 생성 반응에 관한 내용은 공지기술이기 때문에 여기에서는 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

또한, 상술한 바와 같이 생성된 슬러리 형태의 가스 하이드레이트는 반응기(10)의 배출구(10b)와 연결된 가스 하이드레이트 배출관(17)을 통하여 여액(즉, 게스트 물질과 반응하지 않고 잔류하는 해수) 및 미반응된 게스트 물질과 함께 탈수기(20)로 공급된다.

또한, 상기 탈수기(20)는 슬러리 형태의 가스 하이드레이트로부터 여액을 제거하는 기능을 수행하는데, 통상의 원심식 탈수장치 또는 스크류식 탈수장치 등을 이용하여 바람직하게 구현될 수 있다.

또한, 상기 탈수기(20)에서 여액과 분리된 고형의 가스 하이드레이트는 가스 하이드레이트 이송관(22)을 통하여 해리기부(30,32)로 이송되고, 분리된 여액은 여액 배출관(21)을 통하여 외부로 배출된다.

또한, 상기 반응기(10)로부터 탈수기(20)로 배출된 미반응 게스트 물질은 배관(23)을 통하여 상기 제1열교환기부(40)로 공급된다.

또한, 상기 해리기부(30,32)는 상기 반응기부(10,20)에서 배출된 가스 하이드레이트, 구체적으로는 상기 탈수기(20)에서 배출되는 여액이 제거된 가스 하이드레이트를 고온, 저압 상태에서 해리시켜 담수와 게스트 물질을 분리하는 기능을 수행하게 된다.

이를 위하여, 본 실시예의 경우 상기 해리기부(30,32)는 상술한 여액이 제거된 가스 하이드레이트가 공급되는 반응기 형태의 해리기(30)와, 배관(31)을 통하여 상대적으로 고온인 해수를 상기 해리기(30)의 내부로 유동시키는 펌프(32)를 포함하여 구성된다.

상술한 바와 같이 해리기(30)의 내부로 공급된 해수는 상대적으로 저온인 가스 하이드레이트와 열교환함으로써 상기 가스 하이드레이트가 담수와 게스트 물질로 분리되는데, 상기 해리기(30)의 구성, 해리 방식, 해리를 위한 온도 및 압력 조건 등은 공지기술이기 때문에 여기에서는 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 실시예에서는 상기 해리기부(30,32)에서 고온 열원으로서 해수를 이용하는 경우를 일예로서 설명하였으나 이에 한정되지 아니하며, 필요에 따라서는 통상의 히터 등의 다른 열원을 이용할 수도 있음은 물론이다.

이와 같이 상기 해리기(30)의 내부에서 분리된 담수는 담수 배출관(34)을 통하여 외부로 배출되고, 게스트 물질은 배관(33)을 통하여 상기 제1열교환기부(40)로 공급된다.

또한, 상기 제1열교환기부(40)는 상기 반응기부(10,20)와 해리기부(30,32)에서 배출되는 기상의 게스트 물질을 외부에서 공급되는 저온의 액화 가스와 열교환시켜 상기 액화 가스의 냉열에 의해 상기 게스트 물질을 액화시키는 기능을 수행하게 되는데, 이는 온도가 다른 복수의 유체가 분리 유동되는 통상의 격벽식 간접 열교환기 등을 이용하여 바람직하게 구현될 수 있다.

이때, 상기 액화 가스는 임계 온도가 매우 낮은 액화 천연가스(LNG), 액화 수소, 액화 질소 등이 될 수 있는데, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 상기 액화 가스가 LNG인 경우를 일예로서 설명한다.

일반적으로 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치의 경우 반응기의 미반응 게스트 물질과 해리기에서 담수와 분리된 게스트 물질은 공정비용의 저감을 위하여 회수하여 반응물질로 재사용하게 되는데, 이때 게스트 물질의 회수 효율을 향상시키기 위하여 기상의 게스트 물질을 저온/고압 조건에서 액화시켜 회수하게 된다.

이 경우, 게스트 물질을 액화시키는 회수기(또는 액화기)에서 저온 조건을 형성하는데는 어느 정도 한계가 있기 때문에 압축기 등을 이용하여 게스트 물질을 고압으로 압축하게 되는데, 이 과정에서 많은 에너지를 필요로 하게 된다.

한편, 최근 들어 청정 에너지원으로 전세계적으로 사용량이 급격히 증가하고 있는 액화 천연가스(LNG)의 경우 저장조에 액상으로 저장하고 있다가 각 수용가에 공급할 경우에는 기화기에서 기상으로 기화시켜 공급하게 되는데, 이 과정에서 액상 LNG의 폐냉열은 고스란히 버려지게 되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 실시예에서는 상기 LNG의 공급 과정(즉, 기화 과정)에서 버려지는 폐냉열을 회수하여 상기 반응기부와 해리기부에서 회수된 기상의 게스트 물질을 액화시키기 위한 에너지로 사용하는 것을 특징으로 한다.

이를 위하여, 상기 제1열교환기부(40)는 상술한 바와 같이 반응기부(10,20)와 해리기부(30,32)에서 배출된 게스트 물질을 외부의 LNG 저장조(미도시)로부터 배관(81)을 통해 공급되는 액상의 LNG와 열교환시켜 상기 게스트 물질을 액화시키게 되는데, 상기 열교환 과정에서 액상 LNG의 폐냉열이 회수되어 게스트 물질의 액화을 위한 에너지원으로 사용된다.

또한, 상기 제1열교환기부(40)를 경유하면서 폐냉열이 회수된 LNG는 기상 또는 기액 혼합상의 형태로 배관(82)를 따라 유동하게 된다.

또한, 상기 반응 생성열 회수부(41,42,43)는 상기 제1열교환기부(40)에서 액화된 게스트 물질을 상기 반응기부(10,20)와 열교환시켜 상기 가스 하이드레이트의 반응 생성열을 회수하는 기능을 수행하게 된다.

이를 위하여, 본 실시예에서는 상기 반응 생성열 회수부(41,42,43)가 상기 제1열교환기부(40)에서 액화된 게스트 물질이 배출되는 배출구(미도시)와 반응기(10)의 냉각재 유동 채널(10c)의 입구를 연결하는 배관(41), 상기 배관(41)의 중도에 설치되어 상기 액화된 게스트 물질을 냉각재 유동 채널(10c)로 공급하는 펌프(42), 및 상기 냉각재 유동 채널(10c)의 출구에 연결되어 상기 회수된 반응 생성열에 의하여 기화된 게스트 물질이 유동하는 배관(43)을 포함하여 구성된다.

이때, 상기 냉각재 유동 채널(10c)을 유동하는 액화된 게스트 물질은 반응기(10)의 내부와 열교환하는 과정에서 가스 하이드레이트 반응 생성열을 회수함으로써 기화가 이루어지게 된다.

또한, 본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 상기 반응 생성열 회수부(41,42,43)에서 기화된 게스트 물질, 즉 배관(43)을 유동하는 게스트 물질 중 적어도 일부는 게스트 물질 공급관(11)을 통해 상기 반응기부(10,20)에 반응물질로 공급하고, 나머지는 배관(13)을 통해 상기 제1열교환기부(40)로 공급하는 게스트 물질 순환부(12)를 더 포함하도록 구성된다.

이 경우, 상기 반응기부(10,20)와 제1열교환기부(40)로 각각 공급되는 게스트 물질의 양은 배관(13)의 중도에 설치된 유량 제어밸브(14)에 의하여 조절될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 게스트 물질 공급관(11)과 해수 공급관(15)을 통해 각각 상기 반응기(10)에 공급되는 게스트 물질과 해수 중 적어도 어느 하나를 상기 배관(82)를 유동하는 기상 또는 기액 혼합상의 LNG와 열교환시키는 제2열교환기부(50)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 실시예에서는 일예로서 상기 제2열교환기부(50)에서 게스트 물질과 해수가 모두 상기 배관(82)를 유동하는 기상 또는 기액 혼합상의 LNG와 열교환하도록 구성하였으나 이에 한정되지 아니하며, 필요에 따라서는 게스트 물질 또는 해수 중 어느 하나만 LNG와 열교환하도록 구성될 수도 있다.

상기 제2열교환기부(50)의 구성에 의하여 상기 반응기(10)에 공급되는 게스트 물질과 해수는 배관(82)를 유동하는 LNG의 잔여 냉열을 회수하여 냉각됨으로써 가스 하이드레이트의 생성 조건(구체적으로는, 생성 온도)을 형성하기 위해 반응기(10)에 공급되는 에너지를 저감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

이때, 상기 제2열교환기부(50)를 경유한 LNG는 완전히 기화된 상태에서 배관(83)을 통하여 각 수용가로 공급되도록 구성된다.

또한, 본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 펌프(16)에 의해 해수 공급관(15)을 통하여 공급되는 해수와 상기 여액 배출관(21)을 통해 배출되는 여액을 열교환시키는 제3열교환기부(60)를 더 포함하도록 구성된다.

상기와 같은 구성에 의하여 상기 반응기(10)에 공급되는 해수는 제3열교환기부(60)에서 상대적으로 저온인 여액의 냉열을 회수하여 1차적으로 냉각된 후 제2열교환기부(50)에서 LNG의 잔여 냉열을 회수하여 2차적으로 냉각되도록 구성되기 때문에 가스 하이드레이트의 생성 조건(구체적으로는, 생성 온도)을 형성하기 위해 반응기(10)에 공급되는 에너지를 더욱 저감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 제1열교환기부(40)에서 액화 가스의 폐냉열을 회수하여 반응기부와 해리기부에서 회수된 게스트 물질을 액화시키도록 구성되기 때문에 종래 게스트 물질의 회수를 위해 사용되는 고압 압축기의 구성을 생략함으로써 해수 담수화 공정에 소요되는 에너지를 현저히 저감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 제1열교환기부(40)에서 액화된 게스트 물질을 이용하여 반응기(10)의 가스 하이드레이트 반응 생성열을 회수하도록 구성되기 때문에 종래 가스 하이드레이트 생성 과정에서 반응 조건 유지를 위해 반응기(10)에 공급되는 에너지를 저감함으로써 해수 담수화 공정에 소요되는 에너지를 더욱 현저히 저감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 가스 하이드레이트 생성 과정에서 반응 생성열 회수에 의하여 반응기(10) 내부의 온도를 안정적이고 균일하게 유지하여 가스 하이드레이트의 생성 효율을 향상시킴으로써 해수 담수화 공정의 효율도 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

(제2실시예)

도3은 본 발명의 제2실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치의 전체 구성을 나타낸 도면이고, 도4는 도3의 장치를 이용한 해수 담수화 공정을 설명하기 위한 블럭도이다.

본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 제1실시예에서 설명한 장치 구성에 일부 구성을 추가 또는 변경한 것이기 때문에 앞서 설명한 제1실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하고 중복된 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 상기 반응 생성열 회수부(41,42,43)에서 회수된 반응 생성열에 의해 기화되어 상기 배관(43)을 통해 배출되는 게스트 물질의 팽창 압력에 의해 전력을 생산하는 익스팬더(expander) 발전기부(150)를 더 포함하도록 구성된다.

이때, 상기 익스팬더 발전기부(150)는 고압의 유체를 저압으로 감압할 때 낭비되는 에너지를 회수하여 발전을 하는 장치로서 고압의 유체를 감압하는 과정에서 유체의 팽창력을 이용하여 터빈을 회전시켜 발전이 이루어지도록 구성되는데, 이러한 익스팬더 발전기의 구성 및 동작원리는 한국등록특허 제1198032호, 한국공개특허 제2016-0139674호 등에 개시된 공지기술이기 때문에 여기에서는 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 실시예에서는 일예로서 상기 익스팬더 발전기부(150)가 배관(43)의 중도에 설치되는 것으로 구성하였으며, 상기 익스팬더 발전기부(150)를 경유하여 배관(43)을 유동하는 게스트 물질은 앞서 제1실시예에서 설명한 바와 같이 게스트 물질 순환부(12)에 의하여 상기 반응기부(10,20)와 제1열교환기부(40)에 공급된다.

또한, 본 발명에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 상기 반응 생성열 회수부(41,42,43)에서 배출되는 게스트 물질을 외부에서 공급되는 고온의 폐열원과 열교환시켜 상기 익스팬더 발전기부(150)에 공급하는 폐열 교환기부(170)를 더 포함하도록 구성될 수도 있다.

이때, 상기 고온의 폐열원은 배관(91)을 통해 상기 폐열 교환기부(170)를 경유한 후 외부로 배출되는데, 상기 고온의 폐열원은 일예로서 각종 발전소, 제철소, 산업용 보일러 등에서 배출되는 고온의 배가스 또는 배수일 수 있다.

상기와 같은 폐열 교환기부(170)의 구성에 의하여 배관(43)을 유동하는 게스트 물질의 팽창압을 더욱 증가시킴으로써 상기 익스팬더 발전기부(150)의 발전량을 더욱 증가시킬 수 있게 된다.

다음으로, 도3에 도시한 장치를 이용한 해수 담수화 공정은 도4에 도시한 바와 같이, 먼저 반응기(10) 내부에서 해수와 게스트 물질을 반응시켜 가스 하이드레이트를 생성하는 가스 하이드레이트 생성 단계(S10)를 수행한다.

또한, 상기 S10 단계에서 가스 하이드레이트가 생성되면, 탈수기(20)를 거쳐 해리기(30)에 공급된 상기 가스 하이드레이트를 해리시켜 담수와 게스트 물질로 분리하는 해리 단계(S20)를 수행하게 된다.

또한, 상기 S20 단계에서 담수와 게스트 물질이 분리되면, 제1열교환기부(40)에서 상기 가스 하이드레이트 생성 단계 및 해리 단계에서 배출되는 기상의 게스트 물질을 외부에서 공급되는 저온의 액화 가스와 열교환시켜 상기 액화 가스의 냉열에 의해 상기 게스트 물질을 액화시키는 폐냉열 회수 단계(S30)를 수행하게 된다.

또한, S30 단계에서 회수된 게스트 물질의 액화가 이루어지면, 상기 액화된 게스트 물질을 반응기(10)와 열교환시켜 상기 가스 하이드레이트의 반응 생성열을 회수하는 반응 생성열 회수 단계(S40)를 수행한다.

또한, 본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 방법은 S40 단계에서 회수된 반응 생성열에 의하여 기화된 게스트 물질의 팽창 압력을 이용하여 익스팬더 발전기부(150)를 이용하여 전력을 생산하는 전력 생산 단계(S50)를 더 포함하도록 구성된다.

상술한 바와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 익스팬더 발전기부(150)에서 생성된 전력을 해수 담수화 장치의 각종 펌프(16,32,42), 탈수기(20) 등의 구동전력으로 사용함으로써 앞서 설명한 제1실시예의 경우보다 해수 담수화 공정에 소요되는 에너지를 더욱 저감할 수 있는 장점이 있다.

(제3실시예)

도5는 본 발명의 제3실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치의 전체 구성을 나타낸 도면이다.

본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 제1,2실시예에서 설명한 장치 구성에 일부 구성을 추가 또는 변경한 것이기 때문에 앞서 설명한 제1,2실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하고 중복된 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 앞서 설명한 제1실시예와 비교할 때 LNG의 폐냉열을 이용하여 회수된 게스트 물질을 액화하는 대신, 종래 기술과 마찬가지로 고압의 압축기 및/또는 냉각기 등을 이용하여 고압,저온의 조건에서 회수된 게스트 물질을 액화시키는 액화기부(140)를 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 액화기부(140)를 경유한 액상의 게스트 물질은 앞서 설명한 제1실시예와 마찬가지로 반응 생성열 회수부(141,142,143)에 의하여 반응기(10)의 반응 생성열을 회수하여 기화하게 된다.

또한, 상기 기화된 게스트 물질은 앞서 설명한 제2실시예와 마찬가지로 익스팬더 발전기부(150)을 경유하면서 전력을 생산한 후, 게스트 물질 순환부(12)에 의하여 상기 반응기부(10,20)와 액화기부(140)에 공급된다.

상술한 바와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 LNG 공급관이 경유하지 않는 위치에 설치될 수 있으며, 반응기(10)에서 반응 생성열의 회수와 회수된 반응 생성열에 의해 기화된 게스트 물질의 팽창압을 이용한 발전이 가능하기 때문에 종래 기술에 따른 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치와 대비할 때 해수 담수화 공정에 소요되는 에너지를 현저히 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 해수 담수화 공정 효율도 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

(제4실시예)

도6은 본 발명의 제4실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치의 전체 구성을 나타낸 도면이다.

본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 앞서 설명한 제1,2실시예와 대비할 때, LNG를 이용하여 회수된 게스트 물질을 액화시키는 것은 동일하나 액화된 게스트 물질을 반응 생성열 회수에 사용하지 않고 게스트 물질 저장용기(1)에 저장하는 것을 특징으로 한다.

이를 위하여, 본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치는 제1열교환기부(40)에서 액화된 게스트 물질을 상기 반응기부(10,20)에 게스트 물질을 공급하는 저장용기(1)로 회수하는 게스트 물질 회수부(241,242)를 포함하도록 구성된다.

본 실시예의 경우 상기 게스트 물질 회수부(241,242)는 제1열교환기부(40)의 게스트 물질측 배출구와 저장용기(1)를 연결하는 배관(241)과, 상기 배관(241)의 중도에 설치된 게스트 물질 회수펌프(242)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 제1열교환기부(40)는 탈수기(20)와 해리기(30)에서 배출된 게스트 물질과 LNG 사이에 열교환이 이루어지도록 하는 점에서 앞서 설명한 제1,2실시예와 약간의 차이가 있다.

또한, 제2열교환기부(50)의 경우에도 배관(15)를 통해 유동하는 해수와 베관(82)를 유동하는 기상 또는 기액 혼합상의 LNG를 열교환시키도록 구성된 점에서 앞서 설명한 제1,2실시예와 약간의 차이가 있다.

상술한 바와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치의 경우 제1열교환기부(40)에서 액화 가스의 폐냉열을 회수하여 반응기부와 해리기부에서 회수된 게스트 물질을 액화시키도록 구성되기 때문에 종래 게스트 물질의 회수를 위해 사용되는 고압 압축기의 구성을 생략함으로써 해수 담수화 공정에 소요되는 에너지를 현저히 저감할 수 있는 장점이 있다.

10 : 반응기 12 : 게스트 물질 순환부
20 : 탈수기 30 : 해리기
40 : 제1열교환기부 50 : 제2열교환기부
150 : 익스팬더 발전기부 170 : 폐열 열교환기부

Claims

해수와 게스트 물질을 반응시켜 가스 하이드레이트를 생성하고, 내면과 외면 사이에 냉각제 유동 채널이 형성된 반응기부;
상기 반응기부에서 배출된 가스 하이드레이트를 해리시켜 담수와 게스트 물질로 분리하는 해리기부;
상기 반응기부와 해리기부에서 배출되는 기상의 게스트 물질을 외부에서 공급되는 저온의 액화 가스와 열교환시켜 상기 액화 가스의 냉열에 의해 상기 게스트 물질을 액화시키는 제1열교환기부; 및
상기 제1열교환기부에서 액화된 게스트 물질을 상기 냉각제 유동 채널에 유동시킴으로써 열교환시켜 상기 반응기부의 상기 가스 하이드레이트의 반응 생성열을 회수하는 반응 생성열 회수부를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치.
제1항에 있어서,
상기 반응 생성열 회수부에서 회수된 반응 생성열에 의해 기화된 게스트 물질 중 적어도 일부는 상기 반응기부에 반응물질로 공급하고, 나머지는 상기 제1열교환기부로 공급하는 게스트 물질 순환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치.
제1항에 있어서,
상기 회수된 반응 생성열에 의해 기화되어 상기 반응 생성열 회수부에서 배출되는 게스트 물질의 팽창 압력에 의해 전력을 생산하는 익스팬더(expander) 발전기부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치.
제3항에 있어서,
상기 익스팬더 발전기부에서 배출되는 게스트 물질 중 적어도 일부는 상기 반응기부에 반응물질로 공급하고, 나머지는 상기 제1열교환기부로 공급하는 게스트 물질 순환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1열교환기부를 경유한 액화 가스를 상기 반응기부에 반응물질로 공급되는 해수와 게스트 물질 중 적어도 어느 하나와 열교환시키는 제2열교환기부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치.
제4항에 있어서,
상기 반응 생성열 회수부에서 배출되는 게스트 물질을 외부에서 공급되는 고온의 폐열원과 열교환시켜 상기 익스팬더 발전기부에 공급하는 폐열 교환기부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 반응기부는,
내부에서 해수와 게스트 물질을 반응시켜 가스 하이드레이트를 생성하는 반응기와, 상기 반응기에서 배출되는 가스 하이드레이트에 포함된 여액을 제거하는 탈수기를 포함하여 구성되되,
상기 탈수기에서 배출되는 기상의 게스트 물질은 상기 제1열교환기부로 공급되고, 상기 여액이 제거된 가스 하이드레이트는 상기 해리기부로 공급되는 것을 특징으로 하는 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치.
제7항에 있어서,
상기 반응 생성열 회수부는 상기 제1열교환기부에서 액화된 게스트 물질을 상기 반응기의 냉각재 유동 채널로 유동시키는 펌프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치.
해수와 게스트 물질을 반응시켜 가스 하이드레이트를 생성하고, 내면과 외면 사이에 냉각제 유동 채널이 형성된 반응기부;
상기 반응기부에서 배출된 가스 하이드레이트를 해리시켜 담수와 게스트 물질로 분리하는 해리기부;
상기 반응기부와 상기 해리기부에서 배출되는 기상의 게스트 물질을 액화시키는 액화기부; 및
상기 액화기부에서 액화된 게스트 물질을 상기 냉각제 유동 채널에 유동시킴으로써 열교환시켜 상기 반응기부의 상기 가스 하이드레이트의 반응 생성열을 회수하는 반응 생성열 회수부를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치.
제9항에 있어서,
상기 회수된 반응 생성열에 의해 기화되어 상기 반응 생성열 회수부에서 배출되는 게스트 물질의 팽창 압력에 의해 전력을 생산하는 익스팬더(expander) 발전기부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치.
제10항에 있어서,
상기 익스팬더 발전기부에서 배출되는 게스트 물질 중 적어도 일부는 상기 반응기부에 반응물질로 공급하고, 나머지는 상기 액화기부로 공급하는 게스트 물질 순환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치.
해수와 게스트 물질을 반응시켜 가스 하이드레이트를 생성하는 반응기부;
상기 반응기부에서 배출된 가스 하이드레이트를 해리시켜 담수와 게스트 물질로 분리하는 해리기부;
상기 반응기부와 상기 해리기부에서 배출되는 기상의 게스트 물질을 액화 가스와 열교환시켜 액화시키는 제1열교환기부;
상기 액화된 게스트 물질을 상기 반응기부에 게스트 물질을 공급하는 저장용기로 회수하는 게스트 물질 회수부; 및
상기 제1열교환기부를 경유한 액화 가스를 상기 반응기부에 반응물질로 공급되는 해수와 열교환시키는 제2열교환기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 장치.
삭제
반응기 내부에서 해수와 게스트 물질을 반응시켜 가스 하이드레이트를 생성하는 가스 하이드레이트 생성 단계;
상기 생성된 가스 하이드레이트를 해리시켜 담수와 게스트 물질로 분리하는 해리 단계;
상기 가스 하이드레이트 생성 단계 및 해리 단계에서 배출되는 기상의 게스트 물질을 외부에서 공급되는 저온의 액화 가스와 열교환시켜 상기 액화 가스의 냉열에 의해 상기 게스트 물질을 액화시키는 폐냉열 회수 단계; 및
상기 액화된 게스트 물질을 반응기의 냉각제 유동 채널에 유동시킴으로써 열교환시켜 반응기의 상기 가스 하이드레이트의 반응 생성열을 회수하는 반응 생성열 회수 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 방법.
제14항에 있어서,
상기 반응 생성열 회수 단계에서 회수된 반응 생성열에 의해 기화된 게스트 물질의 팽창 압력을 이용하여 익스팬더 발전기를 이용하여 전력을 생산하는 전력 생산 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수형 가스 하이드레이트 기반의 해수 담수화 방법.