KR20030057582A - 초음파를 이용한 유해 배기가스 및 매연 집진장치 - Google Patents

초음파를 이용한 유해 배기가스 및 매연 집진장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 유해 배기가스 및 매연 집진장치에 관한 것으로, 통상의 구조를 갖는 초음파 발생부(4)와, CaO 필터(22)가 내장된 탈황 처리부(20), 상측에는 다수의 배플 플래이트(baffle plate)(14a)(14b)(14c) 사이에 일정한 간격으로 상기 초음파 발생부(4)로부터 받은 초음파 에너지를 유해 배기가스로 출력하는 다수의 초음파 발진부(5a)(5b)(5c)가 배치되어 있고 하측에는 초음파 에너지에 의해 응집되어 낙하하는 분진, CO, HC 및 NOx를 침전 안정조(30)로 운반하기 위한 침전수로(33)가 통과하는 집진 처리부(10), 상기 집진 처리부(10)에서 응집·낙하하여 침전수로(33)를 통해 운반된 분진, CO, HC 및 NOx을 침전 처리하기 위한 침전 안정조(30)로 구성된다.
본 발명에 따른 유해 배기가스 및 매연 집진장치는, CaO 필터를 이용한 탈황 처리와 더불어 초음파 에너지의 특성인자들을 이용하여 초음파 공동현상을 극대화시킴으로써 배기가스 중에 포함된 미세한 분진, CO, HC 및 NOx을 응집, 침전시키는 집진처리를 동시에 수행함으로써 저질유를 사용하는 산업설비에서 배출되는 다양한 대기오염물질을 높은 효율로 일괄 정화처리할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

초음파를 이용한 유해 배기가스 및 매연 집진장치{Exhaust emission gas and soots capturing system in using ultrasonic wave}
본 발명은 초음파를 이용한 유해 배기가스 및 매연 집진장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CaO 필터를 이용한 탈황 처리와 더불어 초음파 에너지의 특성인자들을 이용하여 초음파 공동현상을 극대화시킴으로써 배기가스 중에 포함된 미세한 분진, CO, HC 및 NOx을 응집, 침전시키는 집진처리를 동시에 수행함으로써 저질유를 사용하는 산업설비에서 배출되는 다양한 대기오염물질을 높은 효율로 일괄 정화처리할 수 있는 유해 배기가스 및 매연 집진장치에 관한 것이다.
대기중으로 배출되는 유해 배기가스 중에 포함된 SOx는 연도(燃道)를 지나는 동안 대부분 SO2로 안정되며 CaO 필터는 SO2가 CaO와 반응하여
과 같이 CaSO4로 침적되어 탈황처리되는 원리를 이용하므로 대기중에 방출되는 배기가스 중의 SO2가 현저하게 감소한다.
한편 본 출원인이 기 출원, 등록한 국내특허등록 제 110354호의 "액체 연료의 초음파 무화기" 에서 제공한 초음파 에너지가 가지고 있는 특성인자의 원리를 대기오염물질 처리분야에 적용한 것으로 초음파 에너지의 특성인자에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다.
음의 방사압(放射壓, acoustic radiation pressure)이란 음의 강도가 어느 임계값(큰 진폭)을 넘으면 초음파 진동과 동시에 매질 자체도 이동(진동)하는 현상으로, 이것을 대기오염물질 처리에 이용하면 배기가스 중에 포함된 이물질의 분산(分散), 침전(沈澱), 침강(沈降), 포말 억제(泡沫 抑制), 응집(凝集), 중합(重合) 등이 용이하게 일어난다.
음의 직진류(直進流, straight jet)란 초음파 진동이 생길 때 앞으로 진행하는 액체의 흐름으로 이것에 의해 분산(分散), 침전(沈澱), 중합(重合), 응집(凝集) 등 여러 가지 반응이 촉진된다.
정재파(定在波, 또는 定常波, standing wave)란 도 2와 같이 평면 음파가 넓은 평면 벽의 경계에 직각으로 입사하였을 때 입사파(入射波)와 반사파(反射波)가 겹쳐져 진행하지 않는 음파로, 공진(共振, resonance)이 발생하게 되면 진폭이 최대가 되며 반대로 진폭이 0이 될 때는 압력이 최대가 되는데, 이 작용으로 초음파가 강하게 작용하는 부위에 있는 이물질에는 탈락(脫落), 분산(分散), 요동(搖動) 등이 일어난다.
초음파의 지향성(指向性, directivity)이란 주파수의 고저에 따라 음이 일정 방향으로 강하게 방사되는 성질로서, 주파수가 크고 높은 음은 진동면의 정면 방향에만 집중방사(集中放射)되고, 주파수가 작고 낮은 음은 정면뿐만 아니라 횡방향으로도 방사된다. 주파수가 높을수록 지향성은 날카로워지며, 음원의 크기가 다를 때에는 도 3과 같이 음원의 직경 D나 파장λ와의 비가 클수록 지향성이 예리하게 나타나게 되는데, 이 때 이물질의 응집(凝集), 중합(重合), 침강(沈降) 등이 가속화된다.
초음파 공동현상(超音波 空洞現像, ultrasonic cavitation)이란 매질 입자(媒質 粒子)에 매우 큰 가속도를 줄 수 있는 초음파를 가하면, 액체 중에 용존(溶存)하고 있는 공기 분자(cavitation nuclei, 기포 핵)가 집합(集合), 성장(成長), 발달(發達)에서부터 압괴(押塊)에까지 이르는 현상을 말한다.
액체는 그 종류, 온도 및 압력에 따라 다소 차이는 있으나 기체를 용존하고 있으므로 초음파를 가하면 원자나 분자 크기에 비례하는 크기의 공동(cavity) 또는 기포(air bubble)가 성장하고, 그 때 시작하는 최소의 종자(種子)를 공동현상 핵(cavitation nuclei, 기포 핵)이라고 부른다. 이와 같은 공동현상 분열(cavitation burst)은 도 4의 (A)와 같이 점 또는 구형 음원(球形 音源)의 경우에는 초음파에 의한 매질이 팽창과 압축이 반복되면서 소밀파(疏密波)가 생기게 되고, 이것을 도 4의 (B)에서와 같이 음압 P와 시간 t의 관계로 나타내면 정압P 0 (보통 1기압이다)를 중심으로 음압의 증감(增減)이 일어난다.
도 4의 (A)는 초음파의 출력(음압 진폭, 音壓 振幅)이 작은 경우로서, 과압(過壓)과 부압(負壓)의 크기 차이가 작게 나타나나, 도 4의 (B)는 출력이 큰 경우로서, 과압과 부압의 크기 차이가 매우 크게 나타난다. 이 부압의 크기에 따라 액체가 끌어 당겨지게 되고, 액체 중의 기포 핵이나 액존(液存) 공기 분자가 집합하거나 생장(生長)함에 따라 공동(空洞, 기포)은 2의 상태가 된다. 이후 기포는 더욱이 발달하여 3에서 최대가 된 후 차츰 압축되어 4에서 공동소멸(空洞消滅) 또는 소공동(小空洞, 기포)인 상태에서 단열압축(순간적인 현상이기 때문에, 근사적으로 단열(斷熱)만 한다)되어 5에서 보는 바와 같이 고온고압의 미소 기포(微少 氣泡)가 되고, 6에서 파괴되어 분자 형태로 미세하게 분열된다.
파괴가 일어나는 순간에는 기포에 수백 ℃의 고온과 수십 ㎏/㎠ 압력의 충격파(衝擊波)가 발생하게 되는데, 이러한 작용에 의해 액체 내에 격렬한 잡음이 발생하면서, 액체가 충돌하여 합쳐지거나 파괴되기도 하고, 방사압(放射壓, acoustic radiation pressure)이나 직진류(直進流)가 가해져 액면(液面)이 발달하여 위로 치솟아 올라 유괴(流塊)가 생기면서 고유 주파수의 예리한 분무(噴霧)가 발생하게 되는데, 이 분열 과정은 도 4의 (C)에 나타나 있다. 또한 도 4의 (D)에서와 같이 액면에서 약간 큰 중간 입자로서 파괴된 액적(液滴) a는 그 중의 공동현상 기포(cavitation bubble)의 파괴 b에 의해서 c → d → e 와 같이 미소분무로 재분열(再分裂)되기도 한다.
한편 초음파의 공동현상 효과는 특히 강력 초음파(high-intensity ultrasonics) 응용 분야에서 응집(凝集), 분무(噴霧), 세정(洗淨), 확산속도(擴散速度) 및 반응속도 촉진이나 고분자(高分子)의 핵중합(核重合), 술의 숙성(熟成), 의학 치료나 수술 등에도 유익하게 이용되어 왔다.
본 발명은 이러한 초음파 에너지의 특성인자를 응용한 유해 배기가스 및 매연 집진장치에 관한 것으로 보다 상세하게는, CaO 필터를 내장한 탈황 처리부와 다수의 초음파 발진 장치에서 출력되는 초음파 에너지의 특성인자를 이용해 유해 배기가스 중의 미세한 분진, CO, HC 및 NOx을 분산(分散), 침전(沈澱), 침강(沈降), 포말 억제(泡沫 抑制), 응집(凝集), 중합(重合)하여 정화시킬 수 있는 집진 처리부를 결합함으로써 다양한 대기오염물질을 높은 효율로 일괄 정화처리할 수 있는 유해 배기가스 및 매연 집진장치에 관한 것이다.
현재 대기오염을 줄이기 위한 기술로는 연소과정 전에 연료를 처리하여 배기가스 중의 유해물질을 저감시키는 전처리 방식과 본 발명과 같이 연소과정 후에 배기가스 중의 유해물질을 저감시키는 후처리 방식이 다양하게 사용되고 있다. 이 중 대표적인 후처리 방식인 전기집진장치(EP)의 경우 다양한 배출물질들을 제거 또는 감소시키지 못해 실제 이용이 매우 미미한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, CaO 필터를 이용한 탈황 처리방식과 본 발명자에 의해 기 출원, 등록된 특허 제 110354호 "액체 연료의 초음파 무화기"의 원리를 이용하여 초음파 에너지의 특성인자인 방사압, 직진류, 정재파, 지향성 등을 적절하게 이용함으로써 초음파 공동현상(超音波 空洞現像, ultrasonic cavitation)을 극대화시켜 배기가스 중에 포함된 미세한 분진, CO, HC 및 NOx을 침전(precipitation), 침강(flocculation), 포말 억제(foam control),응집(agglutination), 분산작용(dispersion)을 촉진함으로써 다양한 대기오염물질을 높은 효율로 일괄 정화처리할 수 있는 유해 배기가스 및 매연 집진장치 제공하는 데 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 통상의 구조를 갖는 초음파 발생부와, CaO 필터가 내장된 탈황 처리부, 상측에는 다수의 배플 플래이트(baffle plate) 사이에 일정한 간격으로 상기 초음파 발생부로부터 받은 초음파 에너지를 유해 배기가스로 출력하는 다수의 초음파 발진부가 배치되어 있고 하측에는 초음파 에너지에 의해 응집되어 낙하하는 분진, CO, HC 및 NOx를 침전 안정조로 운반하기 위한 침전수로가 통과하는 집진 처리부, 상기 집진 처리부에서 응집·낙하하여 침전수로를 통해 운반된 분진, CO, HC 및 NOx을 침전 처리하기 위한 침전 안정조로 구성된 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 유해 배기가스 및 매연 집진장치의 구성 요소들을 도시한 개략도
도 2는 반사파에 의한 정재파의 진폭과 압력 분포를 나타내는 모델
도 3은 음원의 직경(D)과 음파(λ)의 파장에 따른 지향성의 변화를 나타내는 모델
도 4는 초음파 공동현상 분열을 나타내는 모델
도 5는 초음파 발생·발진장치의 작동원리를 도시한 흐름도
도 6는 탈황 처리부의 분해사시도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 정전압기2 : 전력 입력 조절기
3 : 초음파 발생장치4 : 초음파 발생부
5a, 5b, 5c : 초음파 발진부6 : 초음파 진동자
7a, 7b, 7c : 초음파 혼8 : 연도(煙道)
9 : 배기가스 배출유도통로
10 : 집진 처리부
11a : + 극측 전선11b : - 극측 전선
12 : 집진장치 입구측 댐퍼 밸브13 : 집진장치 출구측 댐퍼 밸브
14a, 14b, 14c : 배플 플래이트(baffle plate)
20 : 탈황 처리부
21 : CaO 입자22 : CaO 필터
23a, 23b : 와이어 매쉬24a, 24b : 플랜지(flange)
25 : 볼트
30 : 침전 안정조31a, 31b : 침전수 공급 파이프
32 : 펌프33 : 침전수로
34 : 침전수 배출 파이프35 : 보충수 밸브
36 : 보충수 공급 파이프37 : 침전물 배출 밸브
38 : 침전물 배출 파이프
이하 본 발명에 따른 초음파를 이용한 유해 배기 가스 및 매연 집진 장치를 첨부한 도면과 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.
초음파를 이용한 유해 배기 가스 및 매연 집진 장치는 도 1과 같이 정전압기(1)와 전력 입력 조절기(2), 및 초음파 발생장치(3)로 구성된 초음파 발생부(4)와 초음파 진동자(6)와 초음파 혼(7a)(7b)(7c)으로 구성된 초음파발진부(5a)(5b)(5c), CaO 필터(22)가 내장된 탈황 처리부(20), 상측에는 다수의 배플 플래이트(baffle plate)(14a)(14b)(14c) 사이에 일정한 간격으로 상기 초음파 발생부(4)로부터 받은 초음파 에너지를 유해 배기가스로 출력하는 다수의 초음파 발진부(5a)(5b)(5c)가 배치되어 있고 하측에는 초음파 에너지에 의해 응집되어 낙하하는 분진, CO, HC 및 NOx를 침전 안정조(30)로 운반하기 위한 침전수로(33)가 통과하는 집진 처리부(10), 상기 집진 처리부(10)에서 응집·낙하하여 침전수로(33)를 통해 운반된 분진, CO, HC 및 NOx을 침전 처리하기 위한 침전 안정조(30)로 구성된다.
초음파 발생부(4)는 초음파 발생에 필요한 전압을 항상 일정하게 유지시키기 위한 정전압기(1)와 초음파의 강도를 조절하기 위한 전력 입력 조절기(2)를 비롯해 도 5와 같이 진동부와 증폭부 및 주파수 조절부를 갖는 통상의 초음파 발생장치(3)로 구성되어 있다.
연도(煙道)(8)에는 도 1과 같이 탈황 처리부(20)와 집진 처리부(10) 방향으로 배출가스의 흐름을 전환하는 집진장치 입구측 댐퍼 밸브(12)가 설치되고, 탈황·집진처리된 배기가스가 배출되는 배기가스 배출유도통로(9)의 끝단부에는 배출가스가 역류하지 않고 원활하게 배출되도록 하기 위한 집진장치 출구측 댐퍼 밸브(13)가 설치되어 있다.
탈황 처리부(20)는 도 6과 같이 CaO 입자(22)가 균일하게 도포된 CaO 필터(21)와 두 개의 와이어 매쉬(24a)(24b) 및 두 개의 플랜지(flange)(25a)(25b)로 구성되며, 전·후방에서 CaO 필터(22)를 고정하기 위한 두 개의 와이어 매쉬(24a)(24b) 사이에 상기 CaO 필터가 개재되고, 이렇게 결합된 CaO 필터(22)와 와이어 매쉬(24a)(24b)를 다시 플랜지(flange)(25a)(25b) 사이에 개재시켜 볼트(25)로 고정시키는 구조를 갖는 것으로 집진 처리부 전방에 설치된다.
집진 처리부(10)는 도 1과 같이 집진 처리부(10) 상·하측에 교대로 설치된 다수의 배플 플래이트(baffle plate)(14a)(14b)(14c)와 상기 버퍼(14a)(14b)(14c) 사이에 일정 간격으로 배치되어 초음파 진동자(transducer)(6)와 초음파 혼(horn)(7a)(7b)(7c)을 통해 배출가스 내로 초음파 에너지를 출력하는 초음파 발진부(5a)(5b)(5c), 상기 집진 처리부(10)에서 응집·낙하한 미세한 분진, CO, HC 및 NOx을 침전 안정조(30)으로 이송하는 침전수로(33)로 구성되어 있다.
침전 안정조(30)은 도 1과 같이 침전수로(33)로 침전수를 공급하기 위한 침전수 공급 파이프(31a)(31b) 및 펌프(32)와 상기 침전수로(33)에 응집·낙하한 미세한 분진, CO, HC 및 NOx를 상기 침전 안정조(30)로 이송하는 침전수 배출 파이프(34), 침전수를 보충하기 위한 보충수 밸브(35) 및 보충수 공급 파이프(36), 그리고 상기 침전 안정조(30) 하부에 침적된 침전물을 배출하기 위한 침전물 배출 밸브(37) 및 침전물 배출 파이프(38)로 구성되어 있다.
이하 본 집진장치를 통해 배출가스가 정화처리되는 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
연도(8)를 통해 배출되는 유해 배기 가스는 배기 가스의 유해 정도에 따른 집진장치 입구측 댐퍼 밸브(12)의 개폐유무에 따라 탈황 처리부(20)와 집진 처리부(10) 측으로 유동이 전환된다.
대기중으로 배출되는 배기가스 중에 포함된 SOx는 연도(燃道)(8)를 지나는 동안 대부분 SO2로 안정되며 이 SO2는 탈황 처리부(20)의 CaO 필터(21)에서
과 같은 탈황 과정을 거치면서 CaSO4로 산화·흡착된다.
탈황 처리된 유해 배기 가스는 집진 처리부(10) 상·하측에 교대로 설치된 다수의 배플 플래이트(baffle plate)를 지나면서 유동속도가 감속되어 초음파 에너지를 충분히 조사받을 수 있는 시간적 여유를 확보하고, 상기 배플 플래이트(baffle plate)(14a)(14b)(14c) 사이에 일정간격으로 배치된 초음파 발진부(5a)(5b)(5c)에서 출력되는 초음파 에너지의 특성인자에 의해 배기 가스 중에 포함된 분진, CO, HC 및 NOx가 응집, 침강하게 된다.
힌편 침전안정조(30)로부터 침전수 공급 파이프(31a)(31b)를 통해 펌프(32)로 공급되어 집진 처리부(10) 하측으로 흐르는 침전수는 상기 집진 처리부(10)에서 초음파 에너지의 특성인자에 의해 응집되어 자중에 의해 침강한 분진, CO, HC 및 NOx를 침전수 배출 파이프(34)을 통해 침전안정조(30)로 운반한다. 침전안정조(30)는 보충수 밸브(35)와 보충수 공급 파이프(36)를 구비하고 있으며, 상기 침전처리부(10)로부터 운반되어 온 분진, CO, HC 및 NOx를 침전·고형화하여 침전물 배출 밸브(37) 및 침전물 배출 파이프(38)을 통해 배출한다.
상기한 본 발명에 의해 제작한 유해 배기가스 및 매연 집진장치는, CaO 필터와 초음파 발진장치를 연속으로 결합함으로써 저질유를 사용하는 산업설비에서 배출되는 분진, CO, HC 및 NOx등 다양한 대기오염물질들을 높은 효율로 일괄 처리할 수 있다.

Claims (1)

  1. 유해 배기가스 및 매연 집진장치에 있어서,
    정전압기(1)와 전력 입력 조절기(2), 진동부와 증폭부 및 주파수 조절부를 갖는 초음파 발생장치(3)로 구성된 초음파 발생부(4)와;
    초음파 진동자(6)와 초음파 혼(7a)(7b)(7c)을 통해 상기 초음파 발생부(4)에서 발생한 초음파 에너지를 배출가스 내로 출력하는 초음파 발진부(5a)(5b)(5c)와;
    CaO 입자(22)가 도포된 CaO 필터(21)와 상기 CaO 필터(21) 전 후방에 CaO 필터를 고정하기 위한 와이어 매쉬(24a)(24b)가 최외측의 필터 고정 케이스(25a)(25b) 사이에 게재하는 구조를 갖는 탈황 처리부(20)와;
    상·하측에 교대로 설치된 다수의 배플 플래이트(baffle plate)(14a)(14b)(14c)와 상기 배플 플래이트(baffle plate)(14a)(14b)(14c) 사이에 일정 간격으로 배치되어 초음파 진동자(transducer)(6)와 초음파 혼(horn)(7a)(7b)(7c)을 통해 배출가스 내로 초음파 에너지를 출력하는 초음파 발진부(5a)(5b)(5c), 상기 집진 처리부(10)에서 응집·낙하한 미세한 분진, CO, HC 및 NOx을 침전 안정조(30)으로 이송하는 침전수로(33)로 구성된 집진 처리부(10)와;
    상기 침전수로(33)로 침전수를 공급하는 침전수 공급 파이프(31a)(31b) 및 펌프(32)와 상기 침전수로(33)에 응집·낙하한 미세한 분진, CO, HC 및 NOx를 침전 안정조(30)로 이송하는 침전수 배출 파이프(34), 침전 안정조(30) 하부에 침적된침전물을 배출하기 위한 침전물 배출 밸브(37) 및 침전물 배출 파이프(38)로 구성된 침전 안정조(30)로 구성된 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 유해 배기가스 및 매연 집진장치.
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