KR200258740Y1 - 열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치에 관한 것으로, 특히 고온의 배연가스가 유입되면 그 배연가스 내의 유해가스를 제거하기 위해 하우징 역할을 하는 저온 플라즈마 반응기(100); 저온 플라즈마 반응기(100)의 전단, 중간단, 후단에 각각 설치되어 고온의 수용액을 전방으로 각각 분사시키는 다수개의 분사 노즐(200); 다수개의 분사 노즐(200)의 전방에 각각 설치되어 분사 노즐(200)로 고온의 수용액을 각각 전달하는 파이프인 다수개의 열교환 배관(300); 코로나 방전을 통해 코로나 방전영역을 형성하여 배연가스내 수분을 O, OH 라디칼로 전환시키고, 그 O, OH 라디칼을 통해 유해가스를 입자상 물질로 변환시키는 다수개의 저온 플라즈마 방전극(400); 및 입자상 물질로 변환된 유해가스를 포집하여 외부로 방출시키는 집진기(500)로 구성된 것을 특징으로 하며, 이러한 본 고안은 알카리성 수용액의 분사를 통해 유해가스 흡수율을 증가시킬 뿐만 아니라 열교환 배관 표면에 생성된 응축수를 알칼리화시킬 수 있으므로 산성인 유해가스와의 반응률을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치{NOXIOUS GAS TREATMENT DEVICE USING SPRAY TYPE HEAT EXCHANGER}

본 고안은 열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저온 플라즈마(Plasma) 반응기 내부의 전단, 중간단, 후단에 열교환형 분사장치를 설치하여 발전소 및 보일러에서 연소 후 배출되는 배연가스 내의 유해가스를 제거해 주는 열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치에 관한 것이다.

주시하다시피, 보통 저온 플라즈마를 이용한 유해가스 처리기술은 기존의 습식 탈황 구조를 포함하는 유해가스 처리구조를 개선할 수 있는 것으로 평가되어 국내외적으로 많은 기술이 개발되어 왔다. 특히, 펄스형태의 고전압을 종래의 집진 전극과 비슷한 형태의 전극에 인가시켜 발생하는 코로나(Corona) 방전를 이용한 저온 플라즈마 법은 최근 전자빔 법과 함께 신기술로 입증되어 이를 이용하여 황산화물(SO₂), 질소산화물(NOx) 등과 같은 유해가스를 처리할 수 있어 응용 범위를 확대하여 적용되고 있으며, 그 뿐만 아니라 저온 플라즈마를 이용한 유해가스 처리공정은 5% 내외의 수분 조건, 100°내외의 배연가스 조건에서 운전될 경우 유해가스를동시에 처리할 수 있는 장점에도 불구하고 고효율의 처리성능을 확보하기 위해 많은 양의 에너지가 소비되는 단점을 가지고 있어 개선 연구가 필수적이다.

따라서, 이와 같은 단점을 개선하기 위해 코로나 방전시에 하이드로카본 (Hydrocarbon)등의 첨가제를 주입하거나 촉매를 병행하여 사용하는 기술이 개발되고 있으며, 다양한 조건별 실험을 통하여 최적의 운전조건을 개발하고 있는 실정이다. 또한, 성능 개선 연구 중에서 배연가스 내의 수분량 증가와 온도 강하는 탈황률 및 유해가스 제거 효율을 증가시킬 수 있는 가장 경제적인 방법이다. 그러나, 구조상의 부식 문제 및 연돌에서의 백연이 발생되는 문제가 있으므로 기술적 보안이 필요하며, 기존에 개발된 방법으로 저온 플라즈마 반응기 내에 수분을 분사시키거나 저온 플라즈마 반응기 내부에 열교환기를 설치하는 방법으로 제작되어서 좀 더 효율적으로 진행할 수 있는 저온 플라즈마를 개발할 필요성이 높아지고 있다.

종래의 유럽특허 '0532841'인 수용액을 분사하는 저온 플라즈마 반응기는 도 1에 도시한 바와 같이, 수용액을 분사하는 다수개의 분사 노즐(11)과 코로나 방전극이 형성되는 저온 플라즈마 전극(12)으로 구성되어 있었다. 상기 저온 플라즈마 반응기(1) 내부에 형성되어 있는 분사 노즐(11)에서 수용액을 분사할 경우, 온도 강화 및 수분량 증가에 효율적이므로 유해가스 처리성능을 증가시킨다.

그러나, 상술한 종래 유럽특허 '0532841'은 처리해야 할 유해가스 용량이 증가할 경우 상기 분사 노즐의 설치가 복잡해져 분사된 수용액이 균일하지 않게 분포될 수 있어, 저온 플라즈마 방전극에 부착되어 전극 부식을 유발할 수 있으며, 또한 상온의 수용액을 분출할 경우 증발에 필요한 분사영역이 커져서 공간을 크게 차지하는 문제점이 있었다.

또한, 종래 국내특허 '10-213812'인 열교환 배관이 설치된 저온 플라즈마 반응기는 도 2에 도시한 바와 같이, 코로나 방전극이 형성되는 저온 플라즈마 전극(21)과 수용액을 순환시켜 응축수를 생성하는 열교환 배관(22)으로 구성되어 있었다.

하지만, 상술한 국내특허 '10-213812'의 저온 플라즈마 반응기 내부에 형성되어 있는 열교환 배관은 저온 플라즈마 반응기 내부로 흡입된 배연가스의 국부적인 온도 하강 효과 및 열교환 배관 표면에 응축수 생성으로 인한 기체, 액체 반응 효과로 유해가스 처리성능을 향상시킬 수 있으며, 이 때 유해가스 처리성능을 향상시키기 위해 열교환 배관 표면의 응축수의 생성으로 인해 배연가스 내의 수분량이 감소되고, 따라서 코로나 방전시 수분량 감소로 인한 라디칼 생성량이 감소하여 유해가스 처리 성능이 낮아지는 문제점이 있었다.

따라서, 본 고안은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 고안의 목적은 저온 플라즈마 반응기 내부에 열교환형 분사장치인 분사 노즐과 열교환 배관을 서로 연결시킴과 동시에 후단으로 저온 플라즈마 전극을 형성하여 상기 저온 플라즈마 반응기 내부로 유입되는 배연가스 내의 유해가스를 보다 효율적으로 제거시키기 위한 열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치를 제공하는 데 있다.

본 고안 열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치는 배연가스 내의 유해가스를 제거시키는 유해가스 제거장치에 있어서,

유해가스와 반응을 일으키는 첨가제가 주입되어 있으며, 고온의 배연가스가 유입되면 그 배연가스 내의 유해가스를 제거하기 위해 일시적으로 담아두는 하우징 역할을 하는 저온 플라즈마 반응기;

상기 저온 플라즈마 반응기의 배연가스 인입부로부터 일정 간격 떨어진 상태로 전단, 중간단, 후단에 각각 설치되어 고온의 수용액을 전방으로 각각 분사시키는 다수개의 분사 노즐;

상기 다수개의 분사 노즐의 전방에 각각 설치되어 자신과 한쌍을 이루는 상기 분사 노즐로 고온의 수용액을 각각 전달하고, 상기 분사 노즐에서 분사된 수용액이 표면에 응축되는 파이프인 다수개의 열교환 배관;

상기 다수개의 열교환 배관으로부터 각각 일정 거리 떨어진 지점에 설치되어, 코로나 방전을 통해 코로나 방전영역을 형성하여 배연가스내 수분을 O, OH 라디칼로 전환시키고, 그 O, OH 라디칼을 통해 유해가스를 입자상 물질로 변환시키는 다수개의 저온 플라즈마 방전극; 및

상기 저온 플라즈마 반응기의 배연가스 인입부 타측에 연결되어, 입자상 물질로 변환된 유해가스를 포집하여 외부로 방출시키는 집진기로 구성된 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래 분사 노즐 장치가 설치된 저온 플라즈마 반응기의 모습을 나타낸 단면도,

도 2는 종래 열교환 장치가 설치된 저온 플라즈마 반응기의 모습을 나타낸 단면도,

도 3은 본 고안의 일 실시예에 따른 열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치의 모습을 나타낸 단면도,

도 4는 도 3에 따른 열교환형 분사장치가 작동되는 모습을 나타낸 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 저온 플라즈마 반응기 200 : 분사 노즐

300 : 열교환 배관 400 : 저온 플라즈마 전극

500 : 집진기 600 : 호퍼

700 : 수용액 저장고 800 : 제 1 펌프

900 : 제 2 펌프 1000 : 부산물 처리 호퍼

이하, 본 고안의 일 실시예에 의한 열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 고안의 일 실시예에 따른 열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치를 도시한 도면으로서, 본 고안의 실시예에 의한 유해가스 제거장치는 저온 플라즈마 반응기(100), 다수개의 분사 노즐(200), 다수개의 열교환 배관(300), 저온 플라즈마 전극(400), 집진기(500), 다수개의 호퍼(600), 수용액 저장고(700), 제 1 펌프(800), 제 2 펌프(900), 및 다수개의 부산물 처리 호퍼(1000)로 구성되어 있다.

상기 저온 플라즈마 반응기(100)는 유해가스와 반응을 일으키는 첨가제가 주입되어 있으며, 고온의 배연가스가 유입되면 배연가스 내의 유해가스를 담아두기 위한 하우징 역할을 한다.

또한, 상기 다수개의 분사 노즐(200)은 상기 저온 플라즈마 반응기(100) 내의 인입부로부터 일정 간격으로 노즐이 전단에 각각 설치되고, 고온의 수용액을 전방에 설치된 상기 열교환 배관(300)의 표면에 각각 분사시키는 역할을 한다.

한편, 상기 다수개의 열교환 배관(300)은 상기 다수개의 분사 노즐(200)과 각각 일정 거리 이격되어 배관이 상기 다수개의 저온 플라즈마 전극(400) 사이 중간단에 각각 설치되어 있고, 상기 다수개의 분사 노즐(200)로 고온의 수용액을 전달하며, 상기 다수개의 분사 노즐(200)에서 분사된 수용액이 상기 다수개의 열교환 배관(300) 표면에 응축되는 파이프 역할을 한다. 이 때, 도 4에 도시한 바와 같이 열교환 배관(300)을 통과한 수용액이 분사 노즐(200)을 통해 분사되며, 상기 분사 노즐(200)과 상기 열교환 배관(300) 사이의 거리(b)는 노즐의 분사거리(a)의 1~3배의 범위일 때 가장 효율적이다.

또한, 후단에 설치된 상기 다수개의 저온 플라즈마 전극(400)은 코로나 방전영역을 형성하여 배연가스내 수분을 O, OH 라디칼로 전환시키고, 생성된 라디칼과 배연가스 내의 유해가스가 서로 반응하여 입자상 물질로 변환시키는 역할을 한다.

한편, 상기 집진기(500)는 상기 저온 플라즈마 반응기(100)의 배연가스 인입부 타측에 연결되며, 상기 O, OH 라디칼의 반응에 의해 변환된 입자상 물질의 유해가스가 인입되면 이를 포집하여 외부로 방출하는 역할을 한다.

또한, 상기 다수개의 호퍼(600)는 상기 저온 플라즈마 반응기(100) 하우징 하부에 형성되어 있으며, 상기 열교환 배관(300) 표면으로부터 흘러내린 유해가스 성분이 포함된 응축수를 수거하는 역할을 한다.

한편, 상기 수용액 저장고(700)는 상기 제 1 펌프(800)와 제 2 펌프(900)의 사이에 형성되어 있으며, 상기 다수개의 호퍼(600)에 의해 수거된 수용액을 저장함과 동시에 그 수용액에서 원액과 유해가스 성분을 분리시키는 역할을 한다.

또한, 상기 제 1 펌프(800)는 상기 다수개의 호퍼(600)의 하부에 연결되어 있는 파이프 타측으로 형성되어 있으며, 상기 다수개의 호퍼(600)에 담겨진 수용액을 상기 수용액 저장고(700)로 이송시키는 역할을 한다.

한편, 상기 제 2 펌프(900)는 상기 수용액 저장고(700)의 타측으로 형성되어 있으며, 상기 수용액 저장고(700)에 저장된 수용액 원액을 다시 상기 다수개의 열교환 배관(300)으로 재순환시키는 역할을 한다.

또한, 상기 부산물 처리 호퍼(1000)는 상기 저온 플라즈마 전극(400)의 하부에 형성되어 있으며, 코로나 방전 영역에서 라디칼 반응에 의해 변환된 일부의 입자상 물질이 상기 저온 플라즈마 전극(400) 하부로 떨어져 쌓이게 되는데 이때, 입자상 물질을 수거하는 역할을 한다.

그러면, 상기와 같은 구성을 가지는 본 고안의 일 실시예에 의한 열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치의 동작 과정에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

먼저, 상기 저온 플라즈마 반응기(100)의 내부로 80℃ 이상의 배연가스가 유입되면, 상기 다수개의 열교환 배관(300) 내부에 존재하는 수용액의 온도는 그 배연가스에 의해 상승한다.

또한, 상기 다수개의 분사 노즐(200)은 상기 열교환 배관(300)을 통해 이송된 수용액을 상기 열교환 배관(300)의 표면과 그 사이로 분사시킨다.

이 때, 상기 열교환 배관(300)에서 분사된 수용액은 상기 다수개의 열교환 배관(300)을 통과하면서 온도가 상승하였으므로 분사된 후 보다 쉽게 증기(Vapor)로 전환될 수 있다. 또한, 상기 다수개의 호퍼(600)는 상기 다수개의 열교환 배관(300) 표면에 흘러내리는 응축수를 수거하고, 상기 제 1 펌프(800)는 상기 다수개의 호퍼(600)에 수거된 수용액을 상기 수용액 저장고(700)까지 이송한다. 한편, 상기 수용액 저장고(700)까지 이송된 수용액은 다시 상기 제 2 펌프(900)에 의해 상기 다수개의 열교환 배관(300)까지 이송되고, 상기 다수개의 열교환 배관(300)까지 이송된 수용액은 상기 다수개의 분사 노즐(200)로 이송된다.

또한, 상기 다수개의 분사 노즐(200)에서 분사된 증기상태로 전환된 수용액은 상기 다수개의 열교환 배관(300) 사이를 통과하여 상기 다수개의 저온 플라즈마 전극(400)까지 유입된다. 여기서, 상기 다수개의 분사 노즐(200)을 통해 분사되는 수용액은 중성 또는 수산화 나트륨(NaOH), 암모니아(NH₃)를 포함하는 알칼리성 수용액이고, 이는 물과 비교하여 기체, 액체 반응시 흡수 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 다수개의 분사 노즐(200)에 의해 분사되어 상기 열교환 배관(300)의 표면에 응축된 수용액은 황산화물(SO₂)을 포함하는 수용성 유해가스를 흡수할 수 있는 기체, 액체 반응영역을 제공하며, 황산화물(SO₂)의 유해가스를 흡수시킨 후, 상기 다수개의 열교환 배관(300)의 외부 표면을 따라 하강하여 상기 다수개의 호퍼(600)로 수거된다. 한편, 상기 다수개의 분사 노즐(200)과 상기 다수개의 열교환 배관(300)을 통과하는 유해가스의 습도는 5~10% 범위를 유지한다. 따라서, 상기 다수개의 저온 플라즈마 전극(400)은 코로나 방전 에너지에 의해 배연가스 내의 수분중 일부를 O, OH 라디칼로 전환한다. 또한, O, OH 라디칼은 강한 반응성을 가지고 있기 때문에 황산화물질(SO₂), 질소산화물질(NOx) 등의 유해가스와반응하고, 이로 인해 배연가스는 반복적으로 상기 열교환형 분사장치를 거치면서 배연가스 내의 유해가스를 산화 또는 환원시켜서 제거하게 된다.

한편, 상기 다수개의 저온 플라즈마 전극(400)에서 흘러나오는 유해가스의 부산물은 상기 다수개의 부산물 처리 호퍼(1000)에 수거된다.

그리고, 상기 저온 플라즈마 반응기(100) 내에 유입된 유해가스는 첨가제와 반응하여 최종적으로 입자상 물질로 전환되어 상기 집진기(500)로 유입된다.

따라서, 상기 집진기(500)는 변환 입자상 물질의 유해가스가 인입되면, 이를 집진기 방전에 의해 포집시킨 후 외부로 배연가스를 방출시킨다.

상술한 바와 같이 본 고안에 의한 열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치에 의하면, 분사 노즐에서 분사된 수용액이 배연가스 내의 유해가스와 반응하고 열교환 배관 표면에 생성되는 응축수량을 증가시켜 유해가스 제거율을 향상시키며, 따라서 알카리성 수용액을 분사시킬 경우 분사영역에서 유해가스 흡수율을 증가시킬 뿐만 아니라, 열교환 배관 표면에 생성된 응축수를 알칼리화시킬 수 있으므로 산성인 유해가스와의 반응률을 향상시킬 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

본 고안의 다른 효과로는 열교환 배관에 의해 가열된 후 분사 노즐을 통해 분사됨으로 수용액의 기화율을 증가시킬 수 있으며, 분사 노즐에 의해 과포화된 수분은 열교환 배관에 의해 다시 제거되므로 배연가스 내의 수분을 일정하고 균일하게 유지할 수 있다는 것이다.

Claims (6)

1. 배연가스 내의 유해가스를 제거시키는 유해가스 제거장치에 있어서,

   유해가스와 반응을 일으키는 첨가제가 주입되어 있으며, 고온의 배연가스가 유입되면 그 배연가스 내의 유해가스를 제거하기 위해 일시적으로 담아두는 하우징 역할을 하는 저온 플라즈마 반응기;

   상기 저온 플라즈마 반응기의 배연가스 인입부로부터 일정 간격 떨어진 상태로 전단, 중간단, 후단에 각각 설치되어 고온의 수용액을 전방으로 각각 분사시키는 다수개의 분사 노즐;

   상기 다수개의 분사 노즐의 전방에 각각 설치되어 자신과 한쌍을 이루는 상기 분사 노즐로 고온의 수용액을 각각 전달하고, 상기 분사 노즐에서 분사된 수용액이 표면에 응축되는 파이프인 다수개의 열교환 배관;

   상기 다수개의 열교환 배관으로부터 각각 일정 거리 떨어진 지점에 설치되어, 코로나 방전을 통해 코로나 방전영역을 형성하여 배연가스내 수분을 O, OH 라디칼로 전환시키고, 그 O, OH 라디칼을 통해 유해가스를 입자상 물질로 변환시키는 다수개의 저온 플라즈마 방전극; 및

   상기 저온 플라즈마 반응기의 배연가스 인입부 타측에 연결되어, 입자상 물질로 변환된 유해가스를 포집시킨 후 외부로 방출시키는 집진기로 구성된 것을 특징으로 하는 열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 다수개의 열교환 배관 표면에 응축된 응축수는, 유해가스를 흡입할 수 있는 기체, 액체 반응영역을 제공하는 것을 특징으로 하는 열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 장치는, 상기 열교환 배관 표면으로부터 흘러내린 유해가스 성분이 포함된 응축수를 수거하는 다수개의 호퍼;

   상기 다수개의 호퍼에 의해 수거된 수용액을 저장함과 동시에 그 수용액에서 원액과 유해가스 성분을 분리시키는 수용액 저장고;

   상기 다수개의 호퍼에 담겨진 수용액을 상기 수용액 저장고로 이송시키는 제 1 펌프; 및

   상기 수용액 저장고에 저장된 수용액 원액을 다시 상기 다수개의 열교환 배관으로 순환시키는 제 2 펌프가 더 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 장치는, 배연가스의 유해가스의 습도를 5~10% 범위로 유지시키는 것을 특징으로 하는 열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 다수개의 분사 노즐과 상기 다수개의 열교환 배관 사이의 거리는, 상기 분사 노즐의 분사 거리보다 1~3배로 구현하는 것을 특징으로 하는 열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 분사 노즐에서 분사되는 수용액은 중성 또는 수산화 나트륨(NaOH), 암모니아(NH₃)를 포함하는 알칼리성 수용액인 것을 특징으로 하는 열교환형 분사장치를 이용한 유해가스 제거장치.