KR20100013181A - 이산화탄소 분리시스템 적용을 위한 볼텍스 튜브 장치 - Google Patents

이산화탄소 분리시스템 적용을 위한 볼텍스 튜브 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 분리시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 볼텍스 튜브 장치를 이용하여 연소가스 내의 이산화탄소 분리효율을 향상시킬 수 있는 이산화탄소 분리시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의한 볼텍스 튜브 장치를 이용한 이산화탄소 분리시스템은, 연소가스를 공급하는 공급관; 상기 공급관의 일측에 설치되어 흡수제를 상기 연소가스에 분사하는 흡수제 분사부; 상기 공급관을 통해 공급되는 연소가스에 볼텍스를 발생시키는 볼텍스 발생부; 상기 볼텍스 발생부의 일단과 소통하고, 그 단부에 고온출구를 가진 제1튜브; 상기 볼텍스 발생부의 타단과 소통하고, 그 단부에 저온출구를 가진 제2튜브; 및 상기 제1튜브의 고온출구에 배치된 이산화탄소 분리부;를 포함한다.
Figure P1020080074737
이산화탄소, 분리, 볼텍스, 튜브, 연소가스

Description

이산화탄소 분리시스템 적용을 위한 볼텍스 튜브 장치 {A VORTEX TUBE APPARATUS FOR SEPARATING SYSTEM OF CARBON DIOXIDE }
본 발명은 이산화탄소 분리시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료의 연소로부터 발생하는 연소가스 내의 이산화탄소를 분리할 수 있는 볼텍스 튜브 장치에 관한 것이다.
널리 주지된 바와 같이, 대기 중 CO2증가에 따른 지구온난화는 인류가 해결해야할 중요한 환경문제 중의 하나이다. 이런 CO2는 화석연료의 연소 시에 대량으로 배출된다. 따라서, 화석연료를 연소함에 따라 발생하는 연소가스 중에서 CO2만을 분리하여 제거하는 기술이 개발되고 있다. 이러한 CO2분리기술로는 흡수법, 흡착법, 심냉법, 막분리법 등이 있다.
그 중에서 흡수법은 CO2를 포함하는 연소가스에 이런 CO2를 흡수할 수 있는 각종 흡수제를 접촉시킴으로써 CO2를 선택적으로 분리하는 방법이다. 한편, 흡수법과 흡착법의 구분은 대상물질이 화학적으로 반응하느냐 아니면 물리적인 힘에 의해 대상물질이 흡착되는냐에 따라 구분된다.
이러한 흡수법을 이용한 이산화탄소 분리시스템은 흡수탑 내로 연소가스를 통과시키면서 아민계의 흡수제를 상부에서 공급하도록 구성된다. 이에 의해, 연소가스와 흡수제가 상호 접촉되어 연소가스 내의 이산화탄소가 흡수제에 흡수반응함으로써 연소가스 중에서 이산화탄소가 분리된다.
이와 같이, 종래의 흡수법에 의한 이산화탄소 분리시스템은 흡수탑의 크기가 크기 때문에 그 설치공간이 많이 요구되고, 또한 이산화탄소의 흡수율을 높이기 위해 흡수제가 과도하게 공급됨에 따라 흡수제를 재생하기 위한 에너지의 소비가 심한 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 이산화탄소 분리시스템에 보다 컴펙트한 사이즈를 가지고, 간단한 형상을 가지는 볼텍스 튜브 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 흡수제의 사용을 최소화함으로써 소요 전력 등과 같은 에너지 낭비를 대폭 감소할 수 있는 이산화탄소 분리시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 분리시스템에 적용될 볼텍스 튜브 장치는,
연소가스를 공급하는 공급관;
상기 공급관의 일측에 설치되어 흡수제를 상기 연소가스에 분사하는 흡수제 분사부;
상기 공급관을 통해 공급되는 연소가스에 볼텍스를 발생시키는 볼텍스 발생부;
상기 볼텍스 발생부의 일단과 소통하고, 그 단부에 고온출구를 가진 제1튜브;
상기 볼텍스 발생부의 타단과 소통하고, 그 단부에 저온출구를 가진 제2튜브; 및
상기 제1튜브의 고온출구에 배치된 이산화탄소 분리부;를 포함한다.
상기 흡수제 분사부는 상기 공급관의 내경면에 하나 이상의 분사노즐이 배치되고, 상기 분사노즐을 통해 흡수제를 연소가스 측에 분사한다.
상기 볼텍스 발생부는,
내부에 중공부를 가지고, 그 일측에 공급관이 설치된 케이싱; 및
상기 케이싱의 중공부에 설치되고, 공급되는 연소가스에 볼텍스를 발생시키는 제너레이터;를 포함한다.
상기 제너레이터는 그 일단에 연소가스가 통과하는 복수의 노즐을 가지고, 그 내부에 볼텍스 챔버를 가지며, 상기 볼텍스 챔버의 일단은 상기 제1튜브와 소통하고, 상기 볼텍스 챔버의 타단에는 디퓨저가 형성되어 있다.
상기 제너레이터의 일단에는 슬리브가 대향 배치되고, 상기 슬리브의 내경면 에는 디퓨저가 형성되어 있다.
상기 제2튜브의 내에는 저온의 연소가스 배출량을 조절하는 조절밸브가 설치된다.
상기 이산화탄소 분리부는,
내부에 중공부를 가지고, 그 상부측에는 고온의 연소가스를 배출하는 제1토출구가 구비되며, 그 하부측에는 이산화탄소를 흡착한 흡수제를 배출하는 제2토출구가 구비된 케이싱; 및
상기 제1튜브의 고온 출구 측에 인접하여 수평방향으로 이동가능하게 설치되고, 액츄에이터에 의해 그 이동이 조절되는 스로틀밸브;를 포함한다.
상기 이산화탄소 분리부의 제2토출구에는 흡수제 재생부가 설치된다.
상기 제2튜브의 저온 출구에서 상기 흡수제 재생부로 이송배관이 설치되고, 상기 이송배관은 저온의 연소가스를 상기 흡수제 재생부로 이송한다.
또한, 본 발명의 대안적인 실시예로서, 2 이상의 볼텍스 튜브 장치를 병렬 연결하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 상기 공급관은 2 이상의 분기라인을 가지고, 상기 각 분기라인에 상기 볼텍스 튜브 장치를 개별적으로 연결함으로써 그 병렬 연결구조를 구현할 수 있다. 이에 의해 연소가스의 처리용량 내지 이산화탄소의 제거효율이 대폭 증대될 수 있다.
그리고, 본 발명의 변형 실시예로서, 2 이상의 볼텍스 튜브 장치는 직렬 연결시킬 수도 있다. 구체적으로, 상류측 볼텍스 튜브 장치의 저온출구측에 하류측 볼텍스 튜브 장치의 공급관을 연결관을 통해 연결함으로써 그 직렬 연결구조를 구 현할 수 있다. 이러한 구성에 의해, 상류측 볼텍스 튜브 장치의 저온출구에서 배출되는 저온의 연소가스를 하나 이상의 하류측 볼텍스 튜브 장치에서 처리함으로써 연소가스 내의 이산화탄소는 다단으로 분리 내지 제거될 수 있다. 이에 의해 이산화탄소 제거효율을 대폭 증대시킬 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 볼텍스 튜브의 원리를 적용함으로써 컴팩트한 크기로 구현할 수 있고, 이에 의해 비교적은 작은 공간에도 용이하게 설치할 수 있다.
그리고, 본 발명은 볼텍스 튜브의 원리에 의해 연소가스 내의 이산화탄소를 분리함으로써 외부 환경에 대해 독립적인 시스템을 구축할 수 있고, 이에 의해 외부 환경의 영향을 받지 않으면서 연소가스 내의 이산화탄소를 효과적으로 분리 내지 제거할 수 있다.
또한, 본 발명은 연소가스 내의 이산화탄소를 제거할 뿐만 아니라 이산화탄소가 제거된 연소가스를 고온의 연소가스와 저온의 연소가스로 분리할 수 있으므로, 이산화탄소가 제거된 연소가스의 용도가 매우 넓어지는 장점이 있다.
특히, 본 발명은 2 이상의 볼텍스 튜브 장치를 병렬로 접속할 경우 비교적 컴팩트한 사이즈를 유지하면서도 연소가스의 처리용량을 대폭 증대시킬 수도 있다.
그리고, 본 발명은 볼텍스 튜브의 제너레이터의 성능 또는 볼텍스 튜브의 직렬 연결 등과 같은 다양한 구조 변경을 통해 이산화탄소의 분리효율을 다양하게 조절할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 볼텍스 튜브 장치를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 볼텍스 튜브 장치는 연소가스를 공급하는 공급관(10), 공급관(10)의 내경면에 설치되어 흡수제를 연소가스에 분사하는 흡수제 분사부(20), 공급관(10)을 통해 공급되는 연소가스에 볼텍스를 발생시키는 볼텍스 발생부(30), 볼텍스 발생부(30)의 일단과 소통하는 제1튜브(40), 볼텍스 발생부(40)의 타단과 소통하는 제2튜브(50), 및 제1튜브(40)와 소통하는 이산화탄소 분리부(60)를 포함한다.
공급관(10)은 볼텍스 발생부(30)와 소통되게 설치되고, 이 공급관(10)을 통해 이산화탄소 등과 같은 각종 유해물질이 함유된 고온의 연소가스가 볼텍스 발생부(30)로 공급된다.
흡수제 분사부(20)는 이산화탄소의 흡착성능이 우수한 액체 상태 또는 미세 분말상태의 흡수제를 공급관(10)을 통과하는 연소가스 측에 분사하도록 구성된다. 특히, 도 3에 예시된 바와 같이 흡수제 분사부(20)는 공급관(10) 내경면에 하나 이상의 분사노즐(21)이 배치되고, 이 분사노즐(21)을 통해 액상 또는 미세 분말상태의 흡수제가 연소가스 측에 분사된다.
본 실시예의 볼텍스 발생부(30)는 도 2에 도시된 바와 같이, 케이싱(31), 케 이싱(32) 내에 설치된 제너레이터(32)를 포함한다.
케이싱(31)은 그 내부에 중공부(31a)를 가지고, 그 일측에 관통공(31b)을 가진다. 이 관통공(31b)에는 공급관(10)이 설치되며, 이에 의해 케이싱(31)의 중공부(31a)는 공급관(10)과 소통한다.
제너레이터(32)는 그 일단에 연소가스가 통과하는 복수의 노즐(32a)을 가지고, 그 내부에 볼텍스 챔버(32b)를 가진다. 볼텍스 챔버(32b)의 일단은 제1튜브(40)와 소통하고, 볼텍스 챔버(32b)의 타단에는 디퓨저(32c)가 형성되어 있다.
그리고, 제너레이터(32)의 일단에는 슬리브(33)가 대향 배치되고, 이 슬리브(33)의 내경면에는 디퓨저(33c)가 형성되어 있다.
한편, 볼텍스 발생부(30)는 상술한 구조에 한정하지 않고, 연소가스에 볼텍스를 발생시킬 수 있는 다양한 구조가 적용될 수 있다.
제1튜브(40)는 그 일단이 볼텍스 발생부(30)와 소통하고, 그 타단에는 고온의 연소가스가 배출되는 고온 출구(41)를 가진다.
한편, 흡수제 분사부(20)에서 제1튜브(40)의 고온 출구(41)까지는 연소가스의 이산화탄소와 흡수제가 흡착반응하는 구간(도 2의 점선 C 참조)이 된다. 이에 따라, 연소가스 내의 이산화탄소 제거효율을 향상시키기 위하여 제1튜브(40)의 길이는 다양하게 가변될 수 있다.
제2튜브(50)는 그 일단에 저온의 연소가스가 배출되는 저온 출구(51)를 가지고, 그 타단은 볼텍스 발생부(30)와 소통한다. 제2튜브(50)에는 저온의 연소가스 배출량을 조절하는 조절밸브(52)가 설치될 수 있다.
이산화탄소 분리부(60)는 제1튜브(40)의 고온 출구(41)측에 설치되고, 이산화탄소가 제거된 고온 및 저온의 연소가스와 이산화탄소를 흡착한 흡수제를 분리함으로써 연소가스에서 이산화탄소를 분리하도록 구성된다.
바람직하게는, 이산화탄소 분리부(60)는 케이싱(61) 및 이 케이싱(61) 내에 이동가능하게 설치된 스로틀밸브(62)를 포함한다.
케이싱(61)은 그 내부에 중공부(61a)를 가지고, 그 상부측에는 고온의 연소가스를 배출하는 제1토출구(61b)가 설치되며, 그 하부측에는 이산화탄소를 흡착한 흡수제를 배출하는 제2토출구(62c)가 설치된다.
스로틀밸브(62, throttle valve)는 제1튜브(40)의 고온 출구(41)측에 인접하여 수평방향으로 이동가능하게 설치되고, 이 스로틀밸브(62)는 액츄에이터(63)에 의해 그 이동이 조절됨으로써 고온 출구(41)의 개도량을 조절할 수 있다.
한편, 이산화탄소 분리부(60)의 케이싱(61)과 볼텍스 발생부(30)의 케이싱(31)은 하나 이상의 지지체(65)를 통해 일정간격으로 이격되어 지지되도록 구성될 수도 있다.
그리고, 이산화탄소 분리부(60)의 제2토출구(62c)에는 흡수제 재생부(70)가 설치되고, 이 흡수제 재생부(70)는 화학적 처리와 더불어 가열에 의해 흡수제 내에 흡착된 이산화탄소를 분리함으로써 흡수제를 재생한다. 그리고, 재생된 흡수제는 냉각되어야 다시 재활용할 수 있으므로, 본 발명은 저온 출구(51)를 통해 배출되는 저온의 연소가스(이산화탄소가 제거된 상태)를 상기 흡수제 재생부(70)로 이송할 수 있는 이송배관(71)을 연결할 수도 있을 것이다. 이에 의해, 고가의 흡수제를 재 활용할 수 있으므로 자원의 낭비를 방지할 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 작동을 다음과 같이 상세히 설명한다.
먼저, 고온의 연소가스가 공급관(10)을 통해 공급되면, 흡수제 분사부(20)에서 흡수제가 이동하는 연소가스 측에 분사되고, 이에 의해 흡수제가 연소가스에 혼합되어 흡착반응을 시작한다.
흡수제가 혼합된 연소가스는 제너레이터(32)의 노즐(32a)을 통과한 후에 볼텍스 챔버(32b) 내로 유입됨으로써 수백만 RPM의 초고속으로 회전하는 1차 볼텍스(HV)로 변환된다.
1차 볼텍스(HV)는 제1튜브(40)를 따라 이송되고, 그 일부는 고온 출구(41)를 통해 배출되고, 나머지는 스로틀밸브(62)의 선단에 걸려 회송되면서 1차 볼텍스(HV) 보다 작은 내경의 2차 볼텍스(LV)로 변환된다. 그리고, 2차 볼텍스(LV)는 1차 볼텍스(HV)의 반대방향으로 이송되고, 제2튜브(50)의 저온 출구(51)를 통해 배출된다.
이때, 1차 볼텍스(HV) 및 2차 볼텍스(LV)는 동일한 회전방향 및 동일한 각속도로 회전하고, 이에 직경이 큰 1차 볼텍스(HV)의 입자가 2차 볼텍스(LV)의 입자에 비해 더 빠른 속도로 운동함으로써 운동속도가 느린 2차 볼텍스(LV)의 입자가 가진 운동에너지는 열에너지로 변환된다. 이렇게 생성된 열에너지는 2차 볼텍스(LV)의 온도를 저하시키고, 1차 볼텍스(HV)의 온도를 상승시킨다. 이에 따라 1차 볼텍스(HV)에 따른 고온의 연소가스는 고온 출구(41)를 통해 배출되고, 2차 볼텍스(LV)에 따른 저온의 연소가스는 저온 출구(51)를 통해 배출된다.
그리고, 스로틀밸브(62)를 통과한 1차 볼텍스(HV)는 제1튜브(40)를 이동하는 동안 흡수제와의 흡착반응에 의해 이산화탄소가 제거된 고온의 연소가스가 되고, 이 고온의 연소가스는 이산화탄소 분리부(60)의 제1토출구(62b)를 통해 배출된다. 그리고, 스로틀밸브(62)에 걸려 제2튜브(50)의 저온 출구(51)로 향하는 2차 볼텍스(LV) 또한 흡수제와의 흡착반응에 의해 이산화탄소가 제거된 저온의 연소가스가 되고, 이 저온의 연소가스는 제2튜브(50)의 저온출구(51)를 통해 배출된다. 그리고, 저온 출구(51)를 통해 배출되는 저온의 연소가스는 조절밸브(52)에 의해 그 배출량이 조절될 수 있다.
한편, 본 발명은 연소가스의 처리용량을 더욱 증대시키기 위하여 도 4에 도시된 바와 같이, 2 이상의 볼텍스 튜브 장치를 병렬로 연결할 수도 있다. 도시된 바와 같이, 공급관(10)이 볼텍스 튜브 장치의 갯수에 대응하는 갯수로 분기됨에 따라 2 이상의 분가라인(11, 12)이 구비되고, 공급관(10)의 각 분기라인(11, 12)에 각 이산화탄소 분리시스템의 볼텍스 발생부(30)가 연결됨으로써 그 병렬 연결구조가 구현될 수 있다. 이에 의해 연소가스의 처리용량 내지 이산화탄소의 제거효율을 대폭 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 연소가스의 이산화탄소 제거효율을 더욱 증대시키기 위하여 도 5에 도시된 바와 같이, 2 이상의 볼텍스 튜브 장치를 직렬 연결시킬 수도 있다. 도시된 바와 같이, 상류측 볼텍스 튜브 장치의 저온출구(51)측에 하류측 볼텍스 튜브 장치의 공급관(10)을 연결관(15)을 통해 소통가능하게 연결함으로써 그 직렬 연결구조를 구현할 수 있다. 이에 의해, 상류측 볼텍스 튜브 장치의 저온출구(51)에 서 배출되는 저온의 연소가스를 하나 이상의 하류측 볼텍스 튜브 장치에서 처리함으로써 연소가스 내의 이산화탄소는 다단으로 분리 내지 제거될 수 있다. 즉, 이러한 직렬 연결구조는 이산화탄소와 흡수제의 흡착반응 구간을 증가시킬 뿐만 아니라 이산화탄소의 흡수작용이 다단으로 진행되게 함으로써 연소가스의 이산화탄소와 흡수제의 흡착반응 시간을 증대시킬 수 있다. 이에 의해 이산화탄소 제거효율을 대폭 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 분리용 볼텍스 튜브 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 이산화탄소 분리용 볼텍스 튜브 장치를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 A-A선을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *
10: 공급관 20: 흡수제 분사부
30: 볼텍스 발생부 40: 제1튜브
50: 제2튜브 60: 이산화탄소 분리부
70: 흡수제 재생부

Claims (9)

  1. 연소가스를 공급하는 공급관;
    상기 공급관의 일측에 설치되어 흡수제를 상기 연소가스에 분사하는 흡수제 분사부;
    상기 공급관을 통해 공급되는 연소가스에 볼텍스를 발생시키는 볼텍스 발생부;
    상기 볼텍스 발생부의 일단과 소통하고, 그 단부에 고온출구를 가진 제1튜브;
    상기 볼텍스 발생부의 타단과 소통하고, 그 단부에 저온출구를 가진 제2튜브; 및
    상기 제1튜브의 고온출구에 배치된 이산화탄소 분리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡수제 분사부는 상기 공급관의 내경면에 하나 이상의 분사노즐이 배치되고, 상기 분사노즐을 통해 흡수제를 연소가스 측에 분사하는 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 볼텍스 발생부는,
    내부에 중공부를 가지고, 그 일측에 공급관이 설치된 케이싱; 및
    상기 케이싱의 중공부에 설치되고, 공급되는 연소가스에 볼텍스를 발생시키는 제너레이터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리용 볼텍스 튜브 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제너레이터는 그 일단에 연소가스가 통과하는 복수의 노즐을 가지고, 그 내부에 볼텍스 챔버를 가지며, 상기 볼텍스 챔버의 일단은 상기 제1튜브와 소통하고, 상기 볼텍스 챔버의 타단에는 디퓨저가 형성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리용 볼텍스 튜브 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제너레이터의 일단에는 슬리브가 대향 배치되고, 상기 슬리브의 내경면에는 디퓨저가 형성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리용 볼텍스 튜브 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2튜브의 내에는 저온의 연소가스 배출량을 조절하는 조절밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리용 볼텍스 튜브 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 분리부는
    내부에 중공부를 가지고, 그 상부측에는 고온의 연소가스를 배출하는 제1토출구가 구비되며, 그 하부측에는 이산화탄소를 흡착한 흡수제를 배출하는 제2토출구가 구비된 케이싱; 및
    상기 제1튜브의 고온 출구 측에 인접하여 수평방향으로 이동가능하게 설치되고, 액츄에이터에 의해 그 이동이 조절되는 스로틀밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리용 볼텍스 튜브 장치
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이산화탄소 분리부의 제2토출구에는 흡수제 재생부가 설치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리용 볼텍스 튜브 장치
  9. 제1항에 있어서,
    2 이상의 이산화탄소 분리시스템을 병렬 연결하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리용 볼텍스 튜브 장치
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