KR102579864B1 - 병렬 파이프식 가스 흡착농축장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흡착법을 이용하여 악취가 나는 유기 오염 폐가스를 농축하는 장치에 관한 것으로, 구체적인 방안은 복수의 병렬식 고정상 흡착기와 순차적으로 복수의 병렬식 고정상 흡착기 중의 적어도 하나와 각각 연결되는 이동식 열풍 탈착장치 한 세트를 구비하여, 이동식 열풍 탈착장치를 통해 모든 병렬식 고정흡착상의 탈착을 각각 완료하는 것이다. 개선된 방안에서, 이동식 열풍 탈착장치는 두 개의 흡착유닛과 연결되고, 열풍 탈착장치의 유출입구 파이프에 축열식 열교환장치가 설치된다. 본 발명은 재생형 고정상 흡착기의 탈착과정을 고출력 에너지 소모가 필요한 집중 탈착방식에서 저출력 에너지 소모의 단계별 탈착방식으로 변환하고, 또한 탈착과정에서 흡착제와 배출되는 탈착가스 중의 열을 회수하는 방식으로 열 에너지를 충분히 활용하여, 가스 흡착농축설비의 부대 에너지원이 공급하는 전력에 대한 수요를 감소시킬 뿐만 아니라, 종합적인 에너지 소비를 감소시킨다.

Description

병렬 파이프식 가스 흡착농축장치
본 발명은 가스 흡착농축장치에 관한 것으로, 나아가 흡착법을 이용하여 악취가 나는 유기 오염 폐가스를 농축하는 장치에 관한 것이다.
흡착법 가스 농축 기술은 대기 중의 휘발성 유기화합물(VOCs) 오염 관리 분야에서 갈수록 폭넓게 응용되고 있다. 통상적인 가스 흡착농축장치는 로터 흡착기와 재생형 고정상 흡착기를 포함한다. 이러한 방법의 목적은 흡착성 오염 물질을 농축하고, 열산화 파괴 장치(TO)와 같은 보조적인 파괴 장치를 사용하여 흡착성 오염 물질을 물, 이산화탄소와 같은 무해한 단순 화합물로 산화시키거나 이러한 흡착성 오염 물질을 더 분리 수집하여 재활용하는 데 있다. 현재 이러한 흡착 농축 기술은 연속 작업 및 소스가스 흐름 농도가 비교적 안정적인 산업 응용 환경에서 자주 사용되며, 일반적으로 장비 제조비용이 높다. 환경보호기준이 높아짐에 따라 이러한 기술은 처리 농도가 비교적 높고 저온 플라즈마 및 광촉매와 같은 기타 처리 방식으로 효과적으로 제거하기 어려운 악취 가스 오염을 관리하는 데 사용되기 시작했다. VOCs의 관리에 비하여, 이러한 오염물질은 농도가 낮고 발열량이 적으며 흡착-탈착 주기가 긴 것에 속하기 때문에 기존의 흡착법 가스 농축 기술을 상용화된 파괴 기술과 연계하여 사용할 경우 이러한 악취가스의 오염을 완전히 제거할 수는 있지만, 고출력, 대량 처리의 고가 장비 및 연계되는 장소, 전원공급, 가스 등 설비는 불필요한 자원낭비이다.
본 발명은 저비용 설비를 사용하여 대유량 및 저농도의 악취 오염 문제를 해결할 수 있는 가스 흡착농축장치를 개시한다.
이러한 가스 흡착농축장치는 상기 악취 오염 상황과 유사한 휘발성 유기 오염물질(VOCs) 폐기 처리에도 이용될 수 있다. 서술의 편의를 위해, 필요에 따라 본 출원에서는 악취가 나는 폐기와 휘발성 유기 오염물질을 흡착성 오염 물질로 통칭한다. 마찬가지로, 농축 처리가 필요한 오염가스를 흡착가스로 칭하고, 흡착상의 탈착 재생에 사용되는 매질가스를 탈착가스로 칭한다.
이러한 가스 흡착농축장치의 구체적인 방안은 동시에 작동하는 복수의 병렬식 고정상 흡착기와 순차적으로 복수의 병렬식 고정상 흡착기 중의 적어도 하나와 각각 연결될 수 있는 이동식 열풍 탈착장치 한 세트를 구비하여, 이동식 열풍 탈착장치를 통해 모든 병렬식 고정흡착상의 탈착을 각각 완료한다.
가장 기본적인 구체적인 기술 방안은 하우징, 흡착가스 유입구, 흡착가스 배출구, 복수의 흡착유닛 및 한 세트의 이동식 탈착장치를 포함한다. 상기 흡착유닛은 하나의 소형 고정상 흡착기로서, 흡착가스와 탈착가스를 흡착기에 출입시킬 수 있는 두 개의 헤드엔드를 포함한다. 모든 흡착유닛은 병렬로 배열되고 지지연결구조로 연결되어 하나의 밀폐된 흡착코어를 형성하여, 흡착가스 유입구를 통해 하우징에 유입되는 흡착가스가 흡착코어 상의 흡착유닛을 통과해야지만 흡착가스 배출구에 도달할 수 있도록 한다. 상기 이동식 탈착장치는 열풍 탈착장치와 기계이동장치로 구성된다. 열풍 탈착장치는 고정상 흡착유닛 중의 적어도 하나와 각각 순차적으로 연결될 수 있고, 연성 파이프를 통해 외부에 설치된 탈착가스 공급장치 및 탈착가스 처리장치와 각각 연통되어, 탈착가스 공급장치에서 나온 탈착가스가 흡착유닛을 통해 탈착가스 처리장치에 도달하도록 한다. 상기 탈착가스 통로의 적절한 부위에 가스 가열장치를 설치하여, 흡착유닛 내의 흡착상을 탈착 재생시킬 수 있는 적정 온도에 이를 때까지 탈착가스를 가열한다. 기계이동장치는 열풍 탈착장치를 지지하고 제어된 동력 구동 하에 열풍 탈착장치를 구동하여 각 흡착유닛과의 연결 및 전환을 순차적으로 완료한다.
상술한 가스 흡착농축장치의 개선된 방안은, 두 개의 흡착유닛으로 구성된 흡착유닛 그룹을 탈착과정의 기능유닛으로 한다. 상기 열풍 탈착장치는 연성 파이프를 통해 흡착유닛 그룹 일측의 두 개의 헤드엔드를 각각 탈착가스 공급장치 및 탈착가스 처리장치와 연통시키고, 열풍 탈착장치의 이러한 부분을 IO단이라 칭한다. 가스 가열장치를 포함하는 파이프로 상기 흡착유닛 그룹의 타측의 두 개의 헤드엔드와 연통시키고, 열풍 탈착장치의 이러한 부분을 CA단이라 칭한다.
상술한 가스 흡착농축장치 더 개선된 방안은, 구체적으로 열풍 탈착장치의 IO단에 열교환장치를 설치하는 것이고, 열교환장치는 IO단을 통과하는 두 개의 탈착가스 파이프 사이에서 열교환 작용을 한다.
상기 개선된 구체적인 방안에서, 상기 열교환장치는 축열식 열교환기이다.
상기 개선된 더 구체화된 방안에서, 상기 축열식 열교환기는 축열체 불연속 회전식 열교환기이다.
흡착유닛의 수량과 배열 방식을 최적화 함에 있어, 복수의 병렬식 고정상 흡착유닛은 매트릭스 형태로 배열되고, 인접한 고정상 흡착유닛이 상하좌우 두 방향으로 짝을 이루어 형성하는 궤적이 모든 고정상 흡착유닛을 덮는 하나의 곡선을 형성하도록 어레이를 형성한다.
흡착유닛의 수량과 배열 방식을 더욱 최적화 함에 있어, 상기 곡선은 처음과 끝이 연결된 폐곡선이다.
단일 장치의 흡착가스 처리 능력을 향상시키는데 있어, 구체적인 방안은 흡착코어를 횡방향으로 확장하고 종방향으로 적층 가능한모듈구조로 설치하고, 이동식 탈착장치도 커버 범위를 확장할 수 있는 유연한 확장구조로 설치하는 것이다.
본 발명의 긍정적인 효과의 실제는 재생형 고정상 흡착기의 탈착과정을 고출력 에너지 소모가 필요한 집중 탈착 방식에서 저출력 에너지 소모의 단계별 탈착 방식으로 변환하고, 또한 탈착과정에서 두 개의 흡착유닛을 직렬 연결하여 흡착제가 흡수한 열을 회수하고 가스 간의 열교환을 이용해 배출되는 탈착가스 중의 열을 회수하는 방식으로 열 에너지를 충분히 활용하여, 가스 흡착농축설비의 부대 에너지원 공급, 예를 들면 급전 전력등에 대한 수요를 감소시킬 뿐만 아니라, 종합적인 에너지 소비를 감소시켜 현저한 경제적 및 사회적 효과와 이익을 갖는다.
도 1는 가스 흡착농축장치의 기본 구조도, 흡착상태이다.
도 2는 도 1의 장치, 탈착상태이다.
도 3는 두 개의 흡착유닛을 흡착유닛 그룹으로 구성하여 탈착과정의 기능유닛으로한다.
도 4는 도 3의 장치, 탈착상태이다.
도 5a-b는 도 3의 장치의 개략도, 탈착과정 중의 열전달을 설명한다.
도 6는 열풍 탈착장치에 파티션식 열교환장치를 설치한다.
도 7는 열풍 탈착장치에 축열체 불연속 회전식 열교환기를 설치한다.
도 8a-d는 축열체 불연속 회전식 열교환기 작동 시의 열전달 과정 설명도이다.
도 9는 두 개의 흡착유닛으로 구성된 흡착유닛 그룹이 짝을 이루어 형성하는 궤적, 하나의 코어, 설명도이다.
도 10는 흡착유닛으로 구성된 흡착유닛 그룹이 짝을 이루어 형성하는 궤적, 두 개의 코어, 수평확장을 나타낸다.
도 11는 흡착유닛 그룹으로 구성된 흡착유닛 그룹이 짝을 이루어 형성하는 궤적, 네 개의 코어, 종방향 적층+수평확장을 나타낸다.
이하 실시예를 결합하여 본 발명에 대해 더 설명한다.
실시예 1
가스 흡착농축장치 가장 기본적인 기술방안은, 도 1을 참조한다.
하우징(1), 흡착가스 유입구(2), 흡착가스 배출구(3), 복수의 흡착유닛(4) 및 한 세트의 이동식 탈착장치(5)를 포함한다. 상기 흡착유닛은 하나의 소형 고정상 흡착기로서, 흡착가스와 탈착가스를 흡착기에 출입시킬 수 있는 두 개의 헤드엔드(41)를 포함하고, 흡착제(42)와 보온재료(43)를 내장한다. 모든 흡착유닛 병렬로 배열되고 지지연결구조로 연결되어 하나의 밀폐된 흡착코어(40)를 형성하여, 흡착가스 유입구(2)를 통해 하우징(1)에 유입되는 흡착가스가 흡착코어(40) 상의 흡착유닛(4)을 통과해야지만 흡착가스 배출구(3)에 도달할 수 있도록 한다. 상기 이동식 탈착장치는 열풍 탈착장치(51)와 기계이동장치(52)로 구성된다. 열풍 탈착장치(51)는 흡착유닛 중의 적어도 하나와 각각 순차적으로 연결될 수 있고, 연성 파이프(511)를 통해 외부에 설치된 탈착가스 공급장치(01) 및 탈착가스 처리장치(02)와 각각 연통되어, 탈착가스 공급장치(01)에서 나온 탈착가스가 흡착유닛(4)을 통과하여 탈착가스 처리장치(02)에 도달하도록 한다. 탈착가스 공급장치(01)와 흡착유닛(4) 사이에 가스 가열장치(512)를 설치한다. 기계이동장치(52)는 열풍 탈착장치(51)를 지지하고 제어된 동력 구동 하에 수평궤적(521)과 수직궤적(522) 상에서 이동하여, 이음부(523)를 신축하여 열풍 탈착장치(51)와 각 흡착유닛(4)의 연결 및 전환을 순차적으로 완료한다.
상기 설비의 작동 시, 흡착과정과 탈착과정의 두 작업 과정을 포함한다.
흡착과정： 중공의 화살표로 도시된 바와 같이 오염가스(또는 혼합가스) 수집장치(03)로부터 운반된 오염공기가 흡착가스 유입구(2)로부터 하우징(1)과 흡착코어(40)로 구성되는 가스 유입 정압 케이스(11)로 유입된 후, 각각의 흡착유닛(4)으로 유입되고, 흡착유닛 내의 흡착제(42)는 오염공기 내의 흡착성 오염 물질을 흡착하여 잔류시켜, 깨끗한 공기가 흡착유닛(4)의 타단으로부터 유출되고, 하우징(1)과 흡착코어(40)로 구성되는 배기수집 케이스(12)에 유입된 다음, 마지막으로, 깨끗한 공기가 흡착가스 배출구(3)로부터 배출되어, 파이프와 연통(04)을 지나 대기로 방출된다.
탈착과정： 도 2를 참조하면, 흡착유닛(4) 내의 흡착제(42)가 일정량의 오염물질을 흡착한 후 흡착능력이 저하되어 오염공기를 효과적으로 처리하지 못하는 추세가 되면, 흡착과정이 종료된다. 이동식 탈착장치(5)의 열풍 탈착장치(51)는 흡착유닛(4)의 두 개의 헤드엔드(41)와 도킹되고, 탈착가스 제공장치에 의해 운반되는 탈착가스는, 가는선 화살표로 표시된 것처럼, 가스 가열장치(512)를 지나며 소정의 탈착 온도에 도달할 때까지 가열된 후 흡착유닛에 유입되고, 흡착유닛(4) 내의 흡착제(42)를 가열함과 동시에 흡착제 내에서 넘친 오염물질을 가지고 와서 흡착유닛(4)의 다른 헤드엔드(41)로부터 배출되어 연성 파이프(511)를 거쳐 흡착가스 처리장치(02)로 운반되고(여기서는 열산화 파괴 장치(TO)임), 연통으로도 배출된다.
하나의 흡착유닛이 탈착 재생을 완료한 후, 열풍 흡착장치는 상기 흡착유닛에서 분리되어 기계이동장치의 구동 하에 다음 흡착유닛으로 이동하고, 다음 흡착유닛과 결합하여 상기 탈착과정을 반복한다.
여기서 외부에 설치된 탈착가스 공급장치(01)와 탈착가스 처리장치는 필수적인 장치는 아니며, 탈착가스가 처리될 필요 없는 일반 공기이거나 또는 탈착 배출되는 탈착가스가 처리될 필요 없이 대기에 방출될 수 있는 경우, 연성 파이프(511)는 가스 흡착농축장치 하우징(1) 외부의 공간에 직접 연통될 수 있다.
실시예 2
두 개의 흡착유닛은 탈착과정의 기능유닛으로서 흡착유닛 그룹(43)을 형성하며, 도 3을 참조한다.
실시예 1을 토대로, 두 개의 흡착유닛(4-1, 4-2)이 구성하는 흡착유닛 그룹(43)은 탈착과정의 기능유닛으로 작용한다. 상기 열풍 탈착장치(51)는 연성 파이프(511)를 통해 흡착유닛 그룹 일측의 두 개의 헤드엔드(411, 412)를 각각 탈착가스 공급장치(01) 및 탈착가스 처리장치(02)와 연통시킬 수 있으며, 열풍 탈착장치의 이러한 부분을 IO단이라 칭한다. 가스 가열장치(512)를 포함하는 연결파이프(5110)로 상기 흡착유닛 그룹의 타측의 두 개의 헤드엔드(413, 414)와 연통시키고, 열풍 탈착장치의 이러한 부분을 CA단이라 칭한다.
장치가 작동할 때, 흡착과정은 실시예 1과 동일하다.
탈착상태는 도 4를 참조하고, 탈착과정은 도 5a-b을 참조한다. 이동식 탈착장치는 상응하는 흡착유닛 그룹과 결합한 후, 탈착가스 공급장치에 의해 운반되는 탈착가스가 흡착유닛 헤드엔드(411)를 거쳐 흡착유닛(4-1)에 유입된 후, 다른 헤드엔드(413)로부터 연결파이프(5110)에 유입되어, 가스 가열장치(512)를 거치며 소정의 탈착 온도에 도달할 때까지 가열된 후, 흡착유닛 헤드엔드(411)를 지나 흡착유닛(4-2)에 유입되고, 흡착유닛(4-2) 중의 흡착제를 승온 탈착하고, 마지막으로 흡착유닛 헤드엔드(412)와 연성 파이프(511)를 지나 탈착가스 처리장치(02)로 이송된다. 흡착유닛(4-2)이 탈착을 완료한 후, 이동식 탈착장치는 흡착유닛(4-1, 4-2)과 분리되고, 이동된 후 흡착유닛(4-2, 4-3)이 구성하는 새로운 흡착유닛 그룹과 결합하여, 상기 탈착과정을 반복한다.
실시예 1의 상황과 다른 점은, 먼저 흡착유닛(4-2)에 유입된 탈착가스가, 흡착제가 이전 흡착유닛(4-1) 탈착과정에서 흡수한 열을 흡수할 수 있어, 자체의 온도가 상승하고, 가스 가열장치(512)를 지나며 가열될 때 비교적 적은 열을 흡수하고도 소정의 탈착 온도에 도달할 수 있고, 흡착유닛(4-1)의 흡착제가 이러한 과정에서 냉각됨으로써 더 빠르게 흡착과정에 필요한 저온 상태에 들어가게 된다.
총괄적으로, 실시예 1와 비교하여, 실시예 2의 장치의 탈착과정이 더 에너지를 절약할 수 있고, 탈착이 완료된 후 즉시 흡착과정으로 넘어갈 수 있다.
실시예 3
열풍 탈착장치는 열교환장치를 설치하며, 도 6-7, 8a-d를 참조한다.
앞선 두 실시예의 탈착과정에서, 흡착유닛이 탈착을 완료하려고 할 때, 흡착유닛 헤드엔드(41)과 연성 파이프(511)로부터 탈착가스 처리장치(02)로 이송되는 탈착가스는 고온 가스이고, 여기서 가스 중에 운반되는 열은 낭비되는 에너지로, 연성 파이프(511)를 고온 상태로 만들 수 있다. 해결 방안은 열풍 탈착장치의 흡착유닛 헤드엔드(412)로 입출하는 두 개의 연성 파이프(511) 사이에 열교환기를 설치하는 것이고, 비교적 간단한 방안은 도 6과 같이 파티션식 열교환기(5131)를 설치하는 것이다.
열이용률이 더 높은 방안은 축열식 열교환기를 설치하는 것이다. 여기에 밸브 전환식 축열 열교환기 또는 축열체 회전 축열 열교환기를 더 포함하는 것이다. 여기서는 바람직하게 도 7과 같이 축열체 회전 축열 열교환기(5132)를 제시한다.
도 8a-d를 참조한다. 축열체(5132)는 A, B의 두 부분으로 나뉜다. 작동 시에, 하나의 흡착유닛 그룹에 탈착주기 °의 후단이 부착되고, 흡착유닛(4-2)이 배출하는 고온의 탈착가스는 열을 회전 축열 열교환기(5132)의 축열체(5132-A)부에 전달한다. 흡착유닛 그룹의 탈착주기 °이 완료되어 다른 흡착유닛 그룹의 탈착주기 ±로 전환되면, 축열체가 180° 회전된다. 탈착주기 ±시작 단계에서, 축열체(5132-A)부는 흡착유닛(4-2)에 유입된 탈착가스를 가열하여, 열이 재사용되도록 한다. 탈착주기 ±의 후단 구간에서, 흡착유닛(4-3)에서 고온의 탈착가스가 배출되어, 축열체(5132-B)부를 가열한다. 탈착주기 ²동안, 축열체(5132-B)부의 열은 흡착유닛(4-3)으로 회송되어, 탈착주기 ±의 과정을 반복한다.
실시예 4
모듈 구조의 가스 흡착농축장치는 도 9-11을 참조한다.
상이한 흡착가스 처리능력의 기능 요구에 직면하였을 때, 상이한 흡착유닛의 흡착코어에 대응되는 커버 범위는 다르게 설정되지만 열풍 탈착장치 등 주요 배치는 동일한 이동식 탈착 시스템을 채용할 수 있다. 제품 생산비용 절감 측면에서, 만약 코어(40)에 모듈식 구조를 채용하고, 이동식 탈착장치의 이동 궤적도 이음확장이 용이한 구조를 채용하면, 적은 수의 규격 심지어 단일 규격의 흡착코어모듈(401)과 단일 이동식 탈착장치의 코어부재를 가지고도 다양한 처리능력의 가스 흡착농축장치로 유연하게 조합할 수 있다.
도 9-11는 코어모듈의 상이한 조합방식이 형성하는 세 가지 규격의 조합식 코어를 도시하였다. 도면에서는 흡착유닛(4)의 정면 외관 및 이동식 탈착장치에서 흡착유닛 헤드엔드(41)와 연결된 회전 이음부(523) 및 이음부가 상이한 위치로 이동하여 형성한 궤적(524)만 도시하였다.

Claims (5)

  1. 하우징, 흡착가스 유입구, 흡착가스 배출구, 복수의 흡착유닛 및 한 세트의 이동식 탈착장치를 포함하는 가스 흡착농축장치로서,
    상기 흡착유닛은 하나의 소형 고정상 흡착기이며, 모든 흡착유닛은 병렬로 배열되고 지지연결구조로 연결되어 하나의 밀폐된 흡착코어를 형성하여, 흡착가스 유입구를 통해 하우징에 유입되는 흡착가스가 흡착코어 상의 흡착유닛을 통과해야지만 흡착가스 배출구에 도달할 수 있도록 하고,
    상기 이동식 탈착장치는 열풍 탈착장치와 기계이동장치로 구성되고,
    상기 열풍 탈착장치는 연성 파이프를 통해 두 개의 흡착유닛으로 구성된 흡착유닛 그룹의 일측 헤드엔드를 탈착가스 공급장치 및 탈착가스 처리장치와 각각 연통시키고, 열풍 탈착장치의 이러한 부분을 IO단이라 칭하며, 가스 가열장치를 포함하는 파이프로 상기 흡착유닛 그룹의 타측의 두 개의 헤드엔드와 연통시키며,
    탈착가스 공급장치에서 나온 탈착가스는 상기 흡착유닛 그룹의 두 개의 흡착유닛을 순차적으로 통과하여 탈착가스 처리장치에 도달하고,
    이러한 과정에서 탈착가스가 그 중 하나의 흡착유닛의 흡착제에 대한 가열 탈착 재생을 완료하고, 동시에 다른 흡착유닛의 흡착제가 탈착과정에서 흡수한 열을 회수하고 상기 흡착유닛을 냉각시키며,
    기계이동장치는 열풍 탈착장치를 지지하고 제어된 동력 구동 하에 열풍 탈착장치와 각 흡착유닛 그룹의 연결 및 전환을 순차적으로 완료하는,
    가스 흡착농축장치.
  2. 제1항에 있어서,
    열풍 탈착장치의 IO단에 열교환장치가 설치되고, 열교환장치는 IO단을 통과하는 두 개의 탈착가스 파이프 사이에서 열교환 작용을 하는 것을 특징으로 하는,
    가스 흡착농축장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열교환장치는 축열체 불연속 회전식 열교환기인 것을 특징으로 하는,
    가스 흡착농축장치.
  4. 제1항에 있어서,
    인접한 고정상 흡착유닛이 상하좌우 두 방향으로 둘 씩 짝을 이루어 형성하는 궤적이 정확하게 모든 고정상 흡착유닛을 덮는 처음과 끝이 연결된 하나의 폐곡선을 형성할 수 있도록, 복수의 흡착유닛이 매트릭스 배열로 고정상 흡착유닛을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    가스 흡착농축장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 흡착코어는 횡방향으로 확장하고 종방향으로 적층 가능한모듈구조로 설치되고, 이동식 탈착장치도 커버 범위를 확장할 수 있는 유연한 확장구조로 설치되는 것을 특징으로 하는,
    가스 흡착농축장치.
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