KR20080024790A - 연소 배기가스 처리장치 및 방법 - Google Patents

연소 배기가스 처리장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

연소 배기가스에 포함된 이산화탄소 또는 질소 산화물 등의 유해성분을 가압-냉각방식을 통하여 액화 분리토록 구성된 연소 배기가스 처리장치 및 방법이 제공된다.
상기 연소 배기가스 처리장치는, 연소 배기가스를 가압하는 압축기와, 상기 압축기와 연계되고 가압된 연소 배기가스로 부터 냉열을 회수하는 주 열교환기와, 상기 주 열교환기와 연계되면서 냉열이 회수된 연소 배기가스의 유해성분을 액화 분리하는 액화수단 및, 상기 액화수단과 연계되고 유해성분이 분리된 연소 배기가스에 포함된 압력에너지를 동력으로 회수하고 상기 압축기와 축 연결된 터빈을 포함하여 구성되어 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 각종 연소로에서 배출되는 연소 배기가스를 최소한의 에너지를 사용하여 기계적인 압축 액화 과정을 거처 배출할 수 있도록 함으로써 화석연료의 연소에 의한 유행성분의 환경오염물질의 배출을 최대한 억제하도록 하는 개선된 효과를 얻을 수 있다.
연소 배기가스, 유해성분, 가압, 냉각, 액화, 이산화탄소, 질소산화물

Description

연소 배기가스 처리장치 및 방법{Apparatus and Method for Treating Waste Gas}
도 1은 본 발명에 의한 연소 배기가스 처리장치의 구성도
* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *
1.... 연소 배기가스 처리장치 10,10',10",10a,10b.... 연소 배기가스
20.... 압축기 30.... 증발기
40.... 유기랭킨 사이클 장치 42.... 작동유체
44.... 유기매체 터빈 46.... 발전기
48.... 응축기 50.... 주 열교환기
52.... 보조열교환기 60.... 팽창터빈
70.... 액화수단 80.... 동력회수용 터빈
82.... 축
본 발명은 연소 배기가스 처리장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 각종 연소 로에서 배출되는 연소 배기가스를 최소한의 에너지를 사용하여 기계적인 압축 액화 과정을 거처 배출할 수 있도록 함으로써, 화석연료의 연소에 의한 환경 오염물질의 배출을 최대한 억제하고, 이를 통하여 현재 문제가 되고 있는 지구온난화 가스배출문제를 해소하도록 한 연소 배기가스 처리장치 및 방법에 관한 것이다.
인류의 문명(생활)을 유지하는데 필수적으로 요구되는 대부분의 에너지는, 예외적인 경우를 제외하고는 대부분 화석연료의 연소에 의하여 얻어지고 있다.
그런데, 이와 같은 화석연료의 연소시에는 대부분 질소산화물, 이산화탄소 등의 연소 생성물질의 발생이 필수적으로 수반된다.
현재, 이와 같은 연소 생성물질은 대기오염과 지구 온난화의 주요 요인으로 작용하고 있으며 그 심각성이 점차 가속화 되고 있는 실정이다.
특히, 발전 보일러 등 대형 연소로에서 배출되는 이산화 탄소 등의 환경 오염 물질의 발생 양은 상당하기 때문에, 이와 같은 환경오염물질의 처리 기술들에 대한 집중적인 연구가 진행되고 관련 기술들이 제안되고 있다.
예를 들어, 연소 배기가스에 포함된 이산화 탄소 등의 환경 오염 물질을 제거하는 알려진 대표적인 기술은 PSA(pressure swing adsorption) 법 또는 흡수액을 이용한 흡수식 제거 법 등이 있다.
이와 같은 제거 방법에서 질소산화물 등은 주로 활성탄을 이용하는 방법을 통하여 제거된다.
즉, 이와 같은 기술들은 흡착성 물질이나 흡수액 등과 같은 중간 매개 물질을 이용하여 유해한 연소 생성물질을 분리하여 제거하는 공동적인 기술 특성을 이용하는 것이다.
그러나, 이와 같은 알려진 종래의 PSA나 흡수식 제거방법은 실질적으로 유해 연소 생성물질의 제거를 위한 흡수 또는 흡착 물질을 주기적으로 교체하여야 하기 때문에, 실질적으로 비용이 계속 발생된다.
특히, 설비의 가동 중단없이 연속적으로 배기가스를 처리해야 하는 가동환경에서는 적용이 불리한 문제가 있었다.
따라서, 실제 산업 공정에서는 분리를 위한 중간 매개물질의 필요 없이 기계적인 장치의 구성만으로 배기가스 중 유해물질을 분리할 수 있는 방법이 가장 바람직한 것이다.
이에 따라, 본 발명에서는 압축-냉각에 의한 액화의 원리를 적용하여 흡수 물질 등의 중간 매개 물질의 사용없이 기계적인 장치 구성만으로 가동 중단없이 연속적으로 배기가스를 효과적으로 처리하는 배기가스 처리장치를 제안하고, 이와 같은 장치가 요구되어 왔다.
본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 그 목적은, 각종 연소로에서 배출되는 연소 배기가스를 최소한의 에너지를 사용하여 기계적인 압축-액화 과정을 거쳐 배출하도록 함으로써, 화석연료의 연소에 의한 환경오염 물질 배출을 최대한 억제하고, 이에 따라 지구온난화의 원인이 되는 가스 배출을 방지하도록 한 연소 배기가스 처리장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 측면으로서 본 발명은, 연소 배기가스를 가압하는 압축기;
상기 압축기와 연계되고 가압된 연소 배기가스로 부터 냉열을 회수하는 주 열교환기;
상기 주 열교환기와 연계되면서 냉열이 회수된 연소 배기가스의 유해성분을 액화 분리하는 액화수단; 및,
상기 액화수단과 연계되고 유해성분이 분리된 연소 배기가스에 포함된 압력에너지를 동력으로 회수하고 상기 압축기와 축 연결된 동력회수용 터빈;
을 포함하여 연소 배기가스의 유해성분을 액화 분리토록 구성된 연소 배기가스 처리장치를 제공한다.
이때, 상기 압축기와 주 열교환기사이에 증발기를 매개로 유기 랭킨 사이클 장치가 연계 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 유기 랭킨 사이클 장치는, 증발기를 통하여 열을 전달받는 작동유체가 고온의 연소 배기가스에 의하여 기화되도록 구성되면서, 이 작동유체를 통하여 구동하는 유기매체 터빈과 발전기 및, 유기매체 터빈에서 팽창된 작동 유체를 액화하는 응축기를 포함하고 증발기와는 사이클형태로 연계 구성될 수 있다.
또한, 상기 주 열교환기와 액화수단사이에는 보조 열교환기가 배치되고, 상기 보조 열교환기에는 압축기와 연계되어 연소 배기가스를 팽창을 통하여 액화 온도까지 냉각하는 팽창터빈이 더 연계되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 액화수단은, 상기 주 열교환기와 팽창터빈중 적어도 하나와 보조 열교환기를 통과하면서 액화 가능 온도까지 냉각된 연소 배기가스중에 포함된 이산화탄소 및 질소산화물의 유해성분을 액화 분리시키는 분리통으로 제공되는 것이 가능하다.
또한, 기술적인 다른 측면으로서 본 발명은, 연소 배기가스를 압축기에서 압축하여 발생되는 압축 열을 유기랭킨 사이클 장치의 작동 열원으로 하여 축 동력으로 회수하고,
압축된 연소 배기가스를 주 열교환기를 이용하여 냉열을 회수하고, 연소 배기가스에 포함된 유해성분을 액화수단에서 액화시키며,
유해성분이 액화된 연소 배기가스에 포함된 압력에너지를 상기 압축기와 축 직결된 터빈의 동력용으로 회수하여 최소 에너지만으로 연소 배기가스에 포함된 유해성분을 액화 분리하는 연소 배기가스 처리방법을 제공한다.
이때, 압축기에서 가압되어 온도 상승된 연소 배기가스는 압축기와 유기 랭킨 사이클 장치사이에 매개된 증발기에서 상기 유기 랭킨 사이클 장치의 작동유체에 열 전달하고, 상기 주 열교환기를 통과하면서 액화 가능 온도로 냉각되면서 이 산화탄소 및 질소산화물의 유해성분이 액화수단에서 분리되어 외부 배출되는 것이 바람직하다.
더 바람직하게는, 증발기에서 주열교환기로 전달되는 연소 배기가스중 일부는 팽창터빈에서 팽창 과정을 통하여 액화에 필요한 온도까지 냉각됨으로서 연계된 액화수단에서 이산화탄소와 질소산화물의 유해성분이 액화 분리되고 외부 배출되도록 하는 것이다.
또는, 주열교환기와 팽창터빈중 적어도 하나를 통과한 연소 배기가스는 주 열교환기와 액화수단사이에 더 배치된 보조 열교환기를 통하여 유해성분의 액화를 더 촉진시키고, 상기 액화수단은 유해성분이 액화 분리되는 분리통일 수 있다.
그리고, 유해성분이 액화 분리된 잔류 연소 배기가스는 주 열교환기에서 다시 주열교환기를 거쳐, 동력회수용 터빈에서 동력이 회수된 후, 대기압 수준으로 감압된 저압상태와 유해성분이 분리된 상태의 가스가 최종 배출된다.
이하, 본 발명을 설명한다.
먼저, 화석연료를 연소시키는 발전소 등의 연소설비에서 발생된 연소 배기가스중에 포함된 대표적인 유해 환경 오염물질인 이산화탄소와 질소산화물 등은 고온 저압에서 액화가 가능하다.
예를 들어, 이산화 탄소의 경우는 임계압력과 온도가 각각 74 bar와 31℃ 이며, 온도가 낮을수록 액화를 가능하게 하는 압력은 낮아진다.
만약, 온도가 약 -50℃ 정도이면, 10기압에서 이산화 탄소는 액화될 수 있 다.
따라서, 본 발명에서는 이와 같은 현상 즉, 이산화탄소의 액화 가능한 것을 이용하여 연소 배기가스를 장치에서 먼저 압축한다.
다음, 압축된 연소 배기가스의 일부를 팽창시켜 냉열을 얻고, 이를 이용하여 연소 배기가스 온도를 저하시켜 이산화 탄소를 비롯한 질소산화물 등 유해 연소 생성물을 액화 분리한다.
이 경우 연소 배기가스의 압력과 온도는 장치의 설치여건에 따라서 최적의 범위를 선택할 수 있음은 물론이다.
또한, 연소 배기가스의 압축을 위하여 필요한 압축 동력과 압축과정에서 발생하는 압축 열은 동력 회수용 터빈과 유기 랭킨 발전 장치를 이용하여 회수 함으로써 최소한의 에너지를 사용하여 연소 배기가스의 압축-액화를 가능하게 한다.
이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 1에서는 본 발명에 따른 연소 배기가스 처리장치(1)의 전체 구성을 도시하고 있다.
즉, 도 1에서 도시한 바와 같이, 화석연료를 연소시키는 발전소 등의 연소설비(미도시)에서 배출되는 연소 배기가스(10)는 통상적으로 200℃ 정도의 온도이고, 이 연소 배기가스(10)는, 압축기(20)를 이용하여 요구되는 압력까지 가압한다.
이때, 미설명 부호인 22는 압축기 가동 모터인데, 이 가동 모터는 압축기 주 동력원이 아니라 다음에 설명하는 동력회수용 터빈(80)과 축(82) 연결되어 압축기 주 동력원이 전달된다.
따라서, 압축기(20)에서 유입된 연소 배기가스(10)를 가압하면 연소 배기가스(10)의 온도가 상승된다.
다음, 상기 압축기(20)에서 가압되어 고온, 고압으로 된 연소 배기가스는 연결된 증발기(30)를 통하여 유기 랭킨 사이클 장치(40)의 작동유체(42)에 열을 전달한다.
그 다음, 증발기(30)에서 전열되어 냉각된 상태의 연소 배기가스(10')는, 주 열교환기(50)를 통과하면서 액화가 가능한 온도까지 더 냉각된다.
이때, 상기 증발기(30)에서는 작동유체(42)가 압축된 고온의 연소 배기가스(10')의 전열에 의하여 기화된다.
따라서, 기화된 작동유체(42)는 사이클을 구현하면서 유기매체 터빈(44)과 발전기(46)를 구동하는 동력원을 발생시킨다.
또한, 유기매체 터빈(44)에서 팽창된 작동유체(42)는 응축기(48)에서 액화된 다음 펌프(P)에서 승압되어, 다시 증발기(30)로 보내어 지는 사이클을 구현한다.
따라서, 이와 같은 유기랭킨 사이클 장치(40)을 통하여, 연소 배기가스(10)의 압축과정에서 발생되는 손실열은 다시 전력으로 회수 될 수 있게 된다.
특히, 200℃ 수준의 연소 배기가스(10)를 압축하여 승온하는 과정은 히트펌프에서의 승온 과정으로서, 유기랭킨 사이클의 측면에서 보면 연소 또는 다른 방법에 의하여 증발기(30)에서 작동유체(42) 증발열을 얻는 것과 비교할때, 더 효율적 으로 고온으로 가압된 연소 배기가스(10)를 발생시키는 이점을 얻을 수 있다.
다음, 도 1에서 도시한 바와 같이, 증발기(30)를 통하여 전열되면서 냉각된 연소 배기가스의 일부(10")는 주 열교환기(50)의 전에 분기 배치된 팽창터빈(60)에서 팽창 과정을 통하여 액화에 필요한 온도까지 더 냉각된다.
그리고, 주 열교환기(50)를 통과하여 냉각된 연소 배기가스(10')도 액화에 필요한 온도까지 냉각된다.
다음, 도 1에서 도시한 바와 같이, 증발기(30)를 거친 냉각된 연소 배기가스(10')는 주 열교환기(50)를 거쳐 액화수단(70)인 분리통에 전달되기 전에 보조 열교환기(52)를 거치면서 더 냉각되고, 동시에 팽창터빈(60)을 거치면서 냉각된 저온, 고압의 연소 배기가스(10")도 액화수단(70)인 분리통에 도달하기 전에 보조 열교환기(52)를 거치면서 더 냉각된다.
따라서, 냉각된 연소 배기가스(10')(10")에 포함된 이산화탄소와 질소산화물 등의 유해성분은 액화수단(70)인 분리통에서 액화되고, 자체 중력에 의하여 그 하부에 집적된 후 배출파이프(72)를 통하여 외부 배출된다.
다음, 상기 액화수단(70)에서 배출되는 이산화탄소와 질소산화물 등의 유해성분이 액화 분리된 연소 배기가스(10a)는 주 열교환기(50)에서 다시 열 교환을 거쳐, 동력회수용 터빈(80)에서 팽창된다.
그리고, 이 과정에서 동력이 회수된 후, 대기압 수준으로 감압된 저압의 연소 배기가스(이산화탄소 등이 액화 차리된 가스)(10b)가 최종적으로 배출된다.
이때, 상기 동력회수용 터빈(80)의 축(82)은 앞에서 최초 연속배기가스가 유 입 가압되는 압축기(20)와 직결되어 있다.
따라서, 압축기에서 연소 배기가스(10)를 압축하는 데에 필요한 동력을 장치(1)에서 자체적으로 제공될 수 있고, 그만큼 필요 에너지가 최소화되는 것이다.
한편, 상기 압축기(20)에 연결된 모터(22)는, 부가적으로 필요한 경우 압축동력을 발생시키는 보조 동력원으로 제공될 수 있다.
따라서, 본 발명의 연소 배기가스 처리장치(1)의 경우에는 연소 배기가스 (10)의 압축에 필요한 동력을 동력 회수용 터빈(80)을 통하여 회수가 가능하다.
또한, 압축 과정에서 생성되는 손실열은 유기랭킨 사이클을 적용하여 회수하게 되며, 저온의 연소 배기가스가 보유하고 있는 냉열 또한 주 열교환기(50)를 통하여 회수함으로써, 압축-냉각-액화과정에서 발생하는 손실열 만을 보충해도 전체 시스템의 가동을 가능하게 하는 것이다.
이와 같이 본 발명인 연소 배기가스 처리장치 및 방법에 의하면, 각종 연소로에서 배출되는 연소 배기가스를 최소한의 에너지를 사용하여 기계적인 압축-액화 과정을 거쳐 배출하도록 함으로써, 화석연료의 연소에 의한 환경오염 물질 배출을 최대한 억제하고, 이에 따라 지구온난화의 원인이 되는 가스 배출을 방지하도록 한 연소 배기가스 처리장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명은 지금까지 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하 의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (10)

  1. 연소 배기가스를 가압하는 압축기;
    상기 압축기와 연계되고 가압된 연소 배기가스로 부터 냉열을 회수하는 주 열교환기;
    상기 주 열교환기와 연계되면서 냉열이 회수된 연소 배기가스의 유해성분을 액화 분리하는 액화수단; 및,
    상기 액화수단과 연계되고 유해성분이 분리된 연소 배기가스에 포함된 압력에너지를 동력으로 회수하고 상기 압축기와 축 연결된 동력회수용 터빈;
    을 포함하여 연소 배기가스의 유해성분을 액화 분리토록 구성된 연소 배기가스 처리장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 압축기와 주 열교환기사이에 증발기를 매개로 유기 랭킨 사이클 장치가 연계 구성된 것을 특징으로 하는 연소 배기가스 처리장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 유기 랭킨 사이클 장치는, 증발기를 통하여 열을 전달받는 작동유체가 고온의 연소 배기가스에 의하여 기화되도록 구성되면서, 이 작동유체를 통하여 구동하는 유기매체 터빈과 발전기 및, 유기매체 터빈에서 팽창된 작동유체를 액화하는 응축기를 포함하고 증발기와는 사이클형태로 연계 구성된 것을 특징으로 하는 연소 배기가스 처리장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 주 열교환기와 액화수단사이에는 보조 열교환기가 배치되고, 상기 보조 열교환기에는 압축기와 연계되어 연소 배기가스를 팽창을 통하여 액화 온도까지 냉각하는 팽창터빈이 더 연계되는 것을 특징으로 하는 연소 배기가스 처리장치.
  5. 제 1 항 또는 제 4항에 있어서, 상기 액화수단은, 상기 주 열교환기와 팽창터빈중 적어도 하나와 보조 열교환기를 통과하면서 액화 가능 온도까지 냉각된 연소 배기가스중에 포함된 이산화탄소 및 질소산화물의 유해성분을 액화 분리시키는 분리통으로 구성된 것을 특징으로 하는 연소 배기가스 처리장치.
  6. 연소 배기가스를 압축기에서 압축하여 발생되는 압축 열을 유기랭킨 사이클 장치의 작동 열원으로 하여 축 동력으로 회수하고,
    압축된 연소 배기가스를 주 열교환기를 이용하여 냉열을 회수하고, 연소 배기가스에 포함된 유해성분을 액화수단에서 액화시키며,
    유해성분이 액화된 연소 배기가스에 포함된 압력에너지를 상기 압축기와 축 직결된 터빈의 동력용으로 회수하여 최소 에너지만으로 연소 배기가스에 포함된 유해성분을 액화 분리하는 연소 배기가스 처리방법.
  7. 제 6항에 있어서, 압축기에서 가압되어 온도 상승된 연소 배기가스는 압축기와 유기 랭킨 사이클 장치사이에 매개된 증발기에서 상기 유기 랭킨 사이클 장치의 작동유체에 열 전달하고, 상기 주 열교환기를 통과하면서 액화 가능 온도로 냉각되면서 이산화탄소 및 질소산화물의 유해성분이 액화수단에서 분리되어 외부 배출되는 것을 특징으로 하는 연소 배기가스 처리방법.
  8. 제 7항에 있어서, 증발기에서 주열교환기로 전달되는 연소 배기가스중 일부는 팽창터빈에서 팽창 과정을 통하여 액화에 필요한 온도까지 냉각됨으로서 연계된 액화수단에서 이산화탄소와 질소산화물의 유해성분이 액화 분리되고 외부 배출되는 것을 특징으로 하는 연소 배기가스 처리방법.
  9. 제 8항에 있어서, 주열교환기와 팽창터빈중 적어도 하나를 통과한 연소 배기가스는 주 열교환기와 액화수단사이에 더 배치된 보조 열교환기를 통하여 유해성분 의 액화를 더 촉진시키고,
    상기 액화수단은 유해성분이 액화 분리되는 분리통인 것을 특징으로 하는 연소 배기가스 처리방법.
  10. 제 8항에 있어서, 유해성분이 액화 분리된 잔류 연소 배기가스는 주 열교환기에서 다시 주열교환기를 거쳐, 동력회수용 터빈에서 동력이 회수된 후, 대기압 수준으로 감압된 저압상태와 유해성분이 분리된 상태의 가스가 최종 배출되는 것을 특징으로 하는 연소 배기가스 처리방법.
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