KR20130073020A - 액체금속을 이용한 가스 정제 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 액체금속을 이용한 가스 정제 장치는 액체금속이 수용되며, 다단으로 적층되는 복수의 반응 챔버를 포함하는 반응로, 상기 반응로에 연결되는 순환 펌프, 상기 반응로 상부에 배치되며, 상기 순환 펌프로부터 상기 액체금속을 전송받는 버퍼 탱크, 및 상기 버퍼 탱크에 결합되고, 상기 버퍼 탱크 내의 액체금속을 상기 반응로 내부로 분사하는 노즐을 포함한다.
상기 반응로는 상기 버퍼 탱크의 노즐로부터 미립자화된 액체금속이 분사되는 상부 챔버 및 상기 상부 챔버의 하부에 분리판을 통해 구획되는 하부 챔버를 포함하며, 상기 노즐로부터 분사된 상기 액체금속의 입자가 상기 상부 챔버에 유입된 가스와 반응하여 상기 가스를 정제하고, 상기 하부 챔버로 유입되는 스팀은 상기 분리판을 통해 상기 상부 챔버로부터 이동하는 액체금속과 반응하여 열교환이 이루어진다.

Description

액체금속을 이용한 가스 정제 장치{Gas purifying apparatus using molten metal}
본 발명은 액체금속을 이용한 가스 정제 장치에 관한 것으로, 상세하게는 용융 상태의 액체금속을 이용하여 연소로 또는 가스화로의 고효율 열교환과 함께 합성 가스 또는 배기 가스 내에 포함된 입자상 물질과 산성가스 등 오염물질을 제거하는 동시에 정제에 사용된 액체금속에 저온 스팀을 공급하여 액체금속을 재생하고 스팀의 온도를 높여 전체 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 장치에 관한 것이다.
최근 산업이 급격이 발달함에 따라 공장에서 배출되는 배기가스에 의해 대기오염이 가속화되고 있고, 이에 따른 대기오염에 의한 질병 및 환경파괴가 심각한 환경문제로 인식되고 있다. 이에 각국 정부 및 세계기구들은 대기를 오염시키는 배출가스에 대한 규제를 강화하고 있다.
보일러 또는 소각로 등에서 연소에 의하여 발생하는 연소배기가스 중에는 산성가스를 포함한 각종의 유해성분이 함유되어 있다. 연소배기가스 중의 이러한 오염물질 등이 그대로 대기에 방출될 경우에는 각종 환경오염을 유발하게 되므로 이러한 오염물질을 처리할 수 있는 배기가스 처리설비가 필요하게 된다. 특히, 산성가스는 대기오염, 산성비 등의 지구적 환경문제의 주요원인 중의 하나로 이의 배출량이 날로 엄격히 규제되고 있다.
현재 이러한 오염된 유기가스를 정화하기 위한 방안으로서 오존처리, 흡착법 및 액상촉매법 등을 이용한 여러가지 장치들이 제안되어 있다.
상기 흡착법을 이용한 정화장치는 탈취효과는 높지만, 매연이나 분진을 포함한 가스를 정화시키기 위해서는 분진 등을 처리하는 전처리시설이 필요하고, 고농도의 악취물질을 흡착하기에는 흡착능에 한계가 있으므로 흡착제의 빈번한 교체가 필요한 문제점이 존재한다.
또한, 흡착제를 재생하여 사용하는 경우 유지관리 비용이 많이 드는 문제점이 존재한다.
한편, 오존처리법은 오존을 발생시키는 데 많은 비용이 소요되어 다량의 배기물질을 완전히 정화처리하는 데에는 비경제적이라는 단점이 있어, 적용에 제한이 따르는 문제점이 존재한다.
한편, 폐기물용 소각로(보일러)의 경우 연소기 후단에 열교환 장치를 통해 배기물질 온도를 집진기 허용온도인 200℃ 내외로 낮춘 후 배기물질 내 분진을 처리하고 후단의 정제 장치(탈질설비 등) 작동을 위해 배기물질을 다시 300~400℃ 이상으로 재가열하는 장치가 필수적으로 이러한 재가열을 위해 별도의 연소 및 열교환기가 구비되어야 하고 간접 열교환을 통해 가열하므로 에너지 효율이 낮은 문제점이 존재한다.
다른 한편으로, 액상촉매법은 40℃ 이상에서는 사용할 수 없는 문제점이 있고, 특히 염소와 같은 촉매독이 있는 배기가스의 경우 전처리를 거쳐야 하는 문제점이 존재한다.
이러한 문제를 해결하기 위한 한국 공개특허 KR 10-1999-0046864는 도장공장 또는 정유공장에서 발생하는 유독 배출 가스인 유기가스를 정화하는 정화방법과 그 장치에 관한 것으로, 유기가스를 1000? 이상의 고온인 용융금속에 산화제와 함께 투입하여, 일산화탄소와 수소가스 등과 같은 재활용이 가능한 가스로 합성배출되게 하여, 최종 배출되는 가스에는 어떠한 유해물질로 남지 않고 전부 분해되도록 하여 대기오염원이 제거되게 하는 한편, 합성생성된 일산화탄소와 수소가스는 분류포집하여 재활용할 수 있는 발명을 공개하고 있다.
그러나, 상기 인용문헌의 정화방법은 용융금속에 남게되는 불순물을 처리하기 어려운 문제가 남고, 배기가스와 용융금속의 접촉 면적이 효과적이지 못하다는 문제가 존재한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 용융 상태의 액체금속이 하부에 위치하고 가스가 상부에 위치하는 반응로; 상기 반응로의 하부에 연결되어 액체금속을 순환시키는 펌프; 상기 펌프에 연결되며 상기 반응로 상면에 위치하는 노즐 수용부; 상기 노즐 수용부의 하면에 결합되고 상기 노즐 수용부의 액체금속을 반응로 내부로 분사하는 다수의 분사구를 가지는 다수의 노즐; 및 상기 반응로 하부에 연결되어 상기 액체금속을 용융 상태로 유지하는 열원; 정제에 사용된 액체금속과 스팀을 반응시키는 하단 반응기; 상단 반응기와 상기 하단 반응기를 구분하고 상단의 액체금속을 하단으로 이송하는 분리판, 스팀을 액체금속에 투입하기 위한 분산판 및 챔버; 열교환을 통해 배출되는 스팀 내 불순물을 제거할 수 있는 필터;를 포함하여, 상기 액체금속을 상기 노즐을 이용하여 상기 가스에 분사하는 것으로, 상기 가스를 가열하고, 상기 가스에 포함된 불순물을 제거하는 동시에 스팀의 온도를 높이는 것을 특징으로 하는 가스 정제 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 용융상태를 유지하기 위한 열원으로 기존 보일러 시스템 중 고온 영역인 가스 정제 장치 및 백 필터 후단에서 열교환을 통해 얻어진 에너지를 이용하여, 방출되는 에너지를 재사용할 수 있는 가스 정제 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 액체금속을 이용한 직접 열교환을 통해 가스의 온도를 선택적 환원촉매(SCR, selective catalytic reduction)시 필요온도인 섭씨 300도 이상으로 만들고, 가스의 먼지(dust) 및 황화수소(H2S) 등을 제어하여 선택적 환원촉매의 효율 및 수명을 증가시키는 가스 정제 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 정제에 사용된 액체금속을 이용하여 저온의 스팀과 직접 열교환을 통해 액체금속 내에 포함된 미연분을 추가 반응시켜 제거하여 액체금속을 재생하는 동시에 스팀의 온도와 압력을 높여 전체 시스템의 효율을 향상하는 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 액체금속을 이용한 가스 정제 장치는 액체금속이 수용되며, 다단으로 적층되는 복수의 반응 챔버를 포함하는 반응로, 상기 반응로에 연결되는 순환 펌프, 상기 반응로 상부에 배치되며, 상기 순환 펌프로부터 상기 액체금속을 전송받는 버퍼 탱크, 및 상기 버퍼 탱크에 결합되고, 상기 버퍼 탱크 내의 액체금속을 상기 반응로 내부로 분사하는 노즐을 포함한다.
상기 반응로는 상기 버퍼 탱크의 노즐로부터 미립자화된 액체금속이 분사되는 상부 챔버 및 상기 상부 챔버의 하부에 분리판을 통해 구획되는 하부 챔버를 포함하며, 상기 노즐로부터 분사된 상기 액체금속의 입자가 상기 상부 챔버에 유입된 가스와 반응하여 상기 가스를 정제하고, 상기 하부 챔버로 유입되는 스팀은 상기 분리판을 통해 상기 상부 챔버로부터 이동하는 액체금속과 반응하여 열교환이 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.
상기 하부 챔버는 그 하단에 배치되는 분산판을 포함하고, 상기 분산판은 그 하부로 유입되는 스팀을 상기 하부 챔버 내에 액체금속 상으로 분산 공급하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 가스 정제 장치는, 열교환기 내의 스팀사이클인 보일러 스팀 튜브와 상기 하부 챔버 사이에 배치되는 고온 기체 필터를 더 포함하며, 상기 고온 기체 필터는 상기 하부 챔버로부터 토출되는 고온의 스팀을 공급받고, 상기 스팀 중의 미분진 또는 산화물을 제거하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 하부 챔버의 스팀 공급구로 공급되는 스팀은 절탄기(Economizer)에서 생산된 저온 및 저압의 저급 스팀인 것이 바람직할 수 있다.
상기 가스 정제 장치는, 상기 하부 챔버에 결합되는 슬래그 배출구;를 더 포함하며, 상기 슬래그 배출구를 통해 상기 하부 챔버 내의 상기 액체금속에 용융된 슬래그가 상기 하부 챔버의 외부로 배출되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 액체금속은 Sn, Bi 및 Sn 와 Bi의 혼합물로 이루어진 그룹 중 어느 하나를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 가스 정제 장치는, 상기 순환 펌프, 상기 히터 및 상기 슬래그 배출구에 연결되는 제어부;를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 순환 펌프의 펌핑 속도, 상기 히터의 열 공급량 및 상기 슬래그 배출구에서 슬래그의 배출량 중 하나 이상을 조절할 수 있는 것이 바람직할 수 있다.
상기 반응로에 유입되는 상기 가스는 황화합물을 포함한 배기가스인 것이 바람직할 수 있다.
상기 가스 정제 장치는 상기 버퍼 탱크에 상기 노즐을 탈착할 수 있어, 상기 노즐의 분사구 크기에 따라 상기 버퍼 탱크에 상기 노즐을 선택적으로 결합할 수 있는 것이 바람직할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명은 액체금속을 노즐을 이용하여 가스에 분사하여, 가스를 가열하고, 가스에 포함된 불순물을 제거할 수 있는 효과가 발생한다.
본 발명은 액체금속을 이용하여 유입된 가스를 정제하는 공정이 상부 챔버에서 수행된 후에, 상기 상부 챔버로부터 하부 챔버로 이송되는 불순물을 함유한 액체금속이 하부 챔버로 유입되는 스팀과 반응하는 과정이 이루어진다. 즉, 하부 챔버에서 액체금속을 이용한 스팀온도 상승은 액체금속이 가진 높은 열용량과 스팀의 버블링을 통한 직접 열교환을 통해 열회수 효과를 극대화 할 수 있는 동시에 가스 정제과정에서 분진, 미연분으로 오염된 액체금속을 정제하며, 미연분의 추가적인 반응을 통해 에너지 효율을 높이는 효과가 있다.
즉, 본 발명은 고온의 액체금속이 상부 챔버에서 가스 정제 과정을 수행한다는 점 및 하부 챔버로 이송된 액체금속이 스팀이 높은 온도 범위에서의 직접 열교환을 통해 스팀 생산에 액체금속을 활용한다는 점에서 장점이 있게 된다.
또한, 가스의 온도를 선택적 환원촉매(SCR, selective catalytic reduction)시 필요온도인 섭씨 300도 이상으로 만들 수 있으며, 먼지(dust) 및 황화수소(H2S) 등이 제어된 상태이기 때문에 선택적 환원촉매의 효율 및 수명이 증가하는 효과가 발생한다.
또한, 본 발명에 사용되는 액체금속은 작동 운전 범위에서 용융되어 액상을 유지하며 끓는점이 높아 증발에 의한 손실이 없는 효과가 발생한다.
또한, 본 발명에 사용되는 액체금속은 기존 열교환에 주로 사용되는 공기 및 물에 비하여 열용량이 크므로, 열 이동량이 높아 열교환에 효과적이고, 점성이 낮아 이동이 편리한 효과가 발생한다.
또한, 본 발명에 사용되는 액체금속은 가열 대상인 가스와 직접 접촉하여 열교환을 하고 액체금속의 분무조건 변경을 통해 열교환율을 쉽게 제어할 수 있는 특징을 지닌다.
또한, 본 발명에 사용되는 액체금속은 배기가스와 직접 접촉할 때 발생할 수 있는 각종 불순물(회재, 미연 연료, 수분)과 비중차이가 크므로 필터 및 비중차에 의한 분리에 효과적이다.
또한, 본 발명에 사용되는 액체금속을 이용하여 가스 내 분진 제거효과를 극대화할 경우 기존 집진기를 대체가 가능하며 이를 통해 공정을 단순화할 뿐만 아니라 열효율을 극대화하는 효과가 발생한다.
또한, 용융상태를 유지하기 위한 열원은 보일러 배기가스의 재가열을 목적으로 할 경우에는 기존 보일러 시스템 중 고온 영역인 보일러 내부에서, 보일러 배기가스나 가스화기 후단의 합성가스 직접 정제의 경우 정제 대상인 고온 가스에서 직접 열교환을 통해 얻어 에너지를 재사용할 수 있는 효과가 발생한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 정제 장치와 주변장치와의 관계를 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 가스 정제 장치를 포함한 가스 유동 시스템의 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 가스 정제 장치의 개념도, 및
도 4는 본 발명에 따른 가스 정제 장치의 작동 단계를 나타낸 순서도이다.
본 발명에서 "가스"는 보일러 또는 고체연료의 가스화 시스템와 같은 열기관에서 배출되는 배기가스 또는 합성가스로 정의한다. 상기 가스에는 H2S 등의 황화합물, 분진 및 미연분 등이 포함된다.
본 발명에 따른 가스 정제 장치(100,200)를 이루는 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용 가능하다.
본 발명에 따른 가스 정제 장치(100,200)의 바람직한 실시예를 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
가스 정제 장치(100)를 포함하는 가스 유동 시스템 설명
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명인 가스 정제 장치(100)를 포함하는 가스 유동 시스템을 설명한다.
전체적인 가스 유동 시스템은 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 보일러(500)에 투입된 고체 연료가 연소되는 과정에서 발생하는 고온의 배기가스가 배출되고, 가열된 상기 가스는 열교환기(300)를 통해 열을 공급하고자 하는 대상 물체에 열을 공급한다. 그 후, 가스는 백 필터(Bag filter, 400)와 선택적 환원촉매(Selective Catalytic Reduction, 600)를 통해 정화되어 대기 중으로 배출된다.
보일러(500)는 화력발전 및 선박 등의 동력장치로서 사용되고 있는 증기터빈에 고온고압의 증기를 공급하는 용도, 각종 공장의 작업 용도, 또는 일반의 난방용 등에 증기를 공급하는 용도 등으로 사용되는 장치이다.
열교환기(300)는 일 예로서 온도가 높은 유체로부터 전열벽을 통해서 온도가 낮은 유체에 열을 전달하는 장치이다.
백 필터(Bag Filter, 400)는 일 예로서 필터 천에 분진을 함유한 기류를 통과시켜 분진을 포착하는 원리에 입각한 집진장치를 말한다. 필터는 용도에 따라 글라스 섬유, 솜, 양모, 합성 섬유 및 석면 등의 재료로 만들어지고 있다.
선택적 환원촉매(Selective Catalytic Reduction, 600)는 화석연료의 사용에 따라 발생하는 질소산화물이 대기 중으로 배출되기 전에 질소 산화물을 N2와 O2 등 유해하지 않은 물질로 전환시키는 환경설비다.
선택적 환원촉매(Selective Catalytic Reduction, 600)가 효과적으로 일어나기 위해 대상 가스는 특정 온도 이상 가열되어 있을 것이 요구된다. 따라서 종래의 보일러 가스 배출 시스템에는 백 필터(Bag Filter, 400)와 선택적 환원촉매(Selective Catalytic Reduction, 600)단계의 사이에 가스를 별도로 가열시키는 단계가 존재한다.
본 발명에 의한 가스 정제 장치(100)는 도 1 및 도 2의 가스 유동 시스템의 단계 중 백 필터(Bag Filter, 400)와 선택적 환원촉매(Selective Catalytic Reduction, 600)단계 사이에 배치된다. 열교환기(300)에서의 폐열은 가스 정제 장치(100)로 공급되어 재활용된다.
보일러(500), 열교환기(300), 및 백 필터(400)에는 각각 연료가 반응하는 과정에서 발생하는 불순물(ash)를 저장하는 불순물 저장조(310,410,510) 각각 하단부에 배치된다.
한편, 가스 유동 시스템의 다른 실시예로서 가스 정제 장치(100)가 백 필터(400)의 기능을 포함하도록 함으로써 시스템 상에서 백 필터(400)가 차지하는 부분을 제거할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 정제 장치(100)의 구성 설명
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 정제 장치(100)의 구성을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 정제 장치(100)는 용융 상태의 액체금속(11)이 하부에 위치하고 가스(12)가 상부에 위치하는 반응로(10); 상기 반응로(10)의 하부에 연결되어 액체금속(11)을 순환시키는 순환 펌프(20); 상기 순환 펌프(20)에 연결되며 상기 반응로(10) 상면에 위치하는 버퍼 탱크(30); 상기 버퍼 탱크(30)의 하면에 결합되고 상기 버퍼 탱크(30)의 액체금속(11)을 반응로(10) 내부로 분사하는 다수의 분사구를 가지는 다수의 노즐(31); 및 상기 반응로(10) 하부에 연결되어 상기 액체금속(11)을 용융 상태로 유지하는 히터(40);를 포함한다.
반응로(10)는 용융 상태의 액체금속(11)과 정화 대상인 가스(12)가 위치하는 곳으로, 히터(40)를 통해 액체금속(11)이 용융 상태로 유지되며, 노즐(31)을 통해 액체금속(11)이 분사되어 유입되는 가스(12)가 정화 및 가열된다. 반응로(10)내의 액체금속(11)과 가스(12)는 그 비중 차이에 의해 상하로 분리된다. 구체적으로 액체금속(11)은 반응로(10)내의 하부에 위치하고, 가스(12)는 반응로(10) 내에서 액체금속(11)의 상부에 위치한다.
반응로(10)의 상부에는 노즐(31)이 위치한다. 액체금속(11)은 노즐(31)에 의해 가스(12) 사이로 액체금속 입자(13)의 형태로 분사된다. 가스(12) 중에 분사된 액체금속 입자(13)는 가스(12)에 포함된 H2S 등의 불순물을 액체금속 입자(13) 내로 용융시킨다. 분사된 액체금속 입자(13)와 불순물은 결합된 상태로 반응로(10) 하부로 낙하하게되어 반응로(10) 하부에 위치하는 액체금속(11)과 함께 모이게 된다.
반응로(10)는 상기 가스(12)가 유입되는 입구부(15)와 상기 가스(12)가 배출되는 출구부(16)를 다수 포함한다. 보일러 등으로부터 반응로(10) 내부로 유입되는 가스(12)는 반응로(10)를 통해 재가열 및 정화되어 외부로 배출될 수 있다. 즉, 분사된 액체금속의 열이 가스 중으로 이동하여 열교환이 이루어짐으로서 배출되는 가스의 온도가 증가하게 된다.
반응로(10)는 슬래그를 외부로 배출하는 슬래그 배출구(14)를 더 포함할 수 있다. 액체금속 입자(13)가 가스(12)를 통과하면서 액체금속 입자(13)에 용융된 불순물인 슬래그는 액체금속(11)이 반응로(10)의 하부에 머무르는 동안 액체금속(11) 과의 비중의 차이로 액체금속(11)의 표면에 떠오르게 된다. 따라서 슬래그 배출구(14)는 액체금속(11)의 상단 인근에 위치하여 슬래그를 외부로 배출할 수 있다.
순환 펌프(20)는 반응로(10) 및 버퍼 탱크(30)와 연결되어 가스 정제 장치(100)에서 액체금속(11)이 순환되도록 한다. 순환 펌프(20)는 슬래그가 적게 함유된 액체금속(11)을 순환시키기 위하여, 반응로(10)의 하부에 연결될 수 있다. 즉, 반응로(10) 내에서 비중이 작은 슬래그가 부유함으로써 상대적으로 액체금속(11)의 하층에는 불순물이 적게 된다.
또한, 순환 펌프(20)는 불순물을 제거하는 필터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 슬래그 배출구(14)가 액체금속(11)에서 불순물을 제거하더라도 분리되지 않은 불순물이 용융되어 있을 수 있기 때문에 필터는 이를 제거하는 기능을 한다.
버퍼 탱크(30)는 순환 펌프(20)에 연결되어 순환 펌프(20)로부터 이동된 액체금속(11)을 노즐(31)을 통하여 반응로(10) 상부에 위치하는 가스(12) 사이에 액체금속 입자(13)의 형태로 분사한다. 노즐(31)은 상기 버퍼 탱크(30)에 탈착된다. 따라서 노즐(31) 분사구의 크기에 따라 버퍼 탱크(30)에 노즐(31)을 선택적으로 결합할 수 있다.
또한 버퍼 탱크(30)는 분사될 액체금속(11)의 일부를 저장할 수 있어, 순환 펌프(20) 및 필터의 작동에 따라 순간적으로 액체금속(11)의 순환량이 변하더라도, 상기 노즐(31)에서 액체금속(11)이 분사되는 양을 일정하게 유지할 수 있다.
노즐(31)은 상술한 바와 같이 버퍼 탱크(30)의 하면에 결합되어 상기 버퍼 탱크(30)로부터 이동된 액체금속(11)을 반응로(10) 내부로 분사한다. 노즐(31)은 버퍼 탱크(30)의 하단에 다수개가 일렬로 배치될 수 있고, 노즐(31)에 형성된 분사구는 방사상으로 형성되어 반응로(10) 상부에 위치하는 가스(12) 사이로 액체금속(11)을 세밀하게 분사할 수 있다.
히터(40)는 반응로(10)에 연결되어 액체금속(11)을 용융 상태로 유지하게 한다. 히터(40)는 가스 정제 장치(100)에서 직접 연료를 사용하여 반응로(10)에 구비될 수 있고, 외부 열 교환기로부터 열 교환을 통해 구비될 수도 있다. 일 실시예로, 용융상태를 유지하기 위한 히터(40)는 도 2에 도시된 바와 같이 기존 보일러 시스템 중 고온 영역인 가스 정제 장치 또는 백 필터 후단에서 열교환을 통해 구비될 수 있다.
본 발명에서 열을 순환시키는 액체금속(11)은 기존 열교환에 주로 사용되는 공기 및 물에 비하여 열용량이 커 적절한 공정 설계가 수반될 경우 열 이동량이 높아 효과적인 열교환에 적절하며 다른 액체금속에 비해 점성이 매우 낮아 이동이 편리하여 상기 공정에 적합하다.
또한 본 발명에서 열을 순환시키는 액체금속(11)은 가스와 직접 접촉할 때 발생할 수 있는 각종 불순물(회재, 미연 연료, 수분)과 비중차이가 크므로 필터 및 비중차에 의한 분리에 효과적이다.
또한, 본 발명에서 열을 순환시키는 액체금속(11)은 주석(Sn), 비스무트(Bi), 또는 주석(Sn) 및 비스무트(Bi)의 혼합물 중 어느 하나가 용융되어 형성되는 것이 바람직하다. 주석(Sn), 비스무트(Bi), 또는 주석(Sn) 및 비스무트(Bi)의 혼합물로 이루어진 액체금속(11)은 본 발명에 따른 가스 정제 장치(100)의 작동에 따라 용융되어 액상을 유지하며, 또한 끓는 점이 높아 본 발명에 따른 가스 정제 장치(100)의 작동 중에도 증발에 의한 손실이 없는 장점이 있다.
본 발명에 사용되는 액체금속 중 주석은 232도 내지 2600도 범위에서 사용할 수 있으며, 적절한 작동온도 설정을 통해 시스템의 열효율을 최적화할 수 있다.
또한, 가스 정제 장치(100)에는 제어부가 더 포함될 수 있다. 제어부는 순환 펌프(20)의 펌핑 속도를 제어하여 가스 정제 장치(100)에서 액체금속(11)이 순환되는 속도와 순환량을 제어할 수 있고, 히터(40)를 제어하여 반응로(10) 내 액체금속(11)의 온도를 제어하여 액체금속(11)이 용융된 정도 및 액체금속(11)의 점도를 제어할 수 있다. 또한, 제어부는 슬래그 배출구(14)를 제어하여 반응로(10)에서 배출되는 슬래그의 양을 조절할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 정제 장치(200)의 구성 설명
이하, 도 2 및 도 4를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 정제 장치(200)의 구성을 설명하면 다음과 같다. 하기에서는 제1 실시예에 따른 가스 정제 장치(100)와 비교하여 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략하고 차이점을 중심으로 설명한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 정제 장치(200)는 상하 방향을 따라 다단으로 적층되는 복수의 반응 챔버(240,250)를 포함하는 반응로(210), 상기 반응로(210)의 하부에 연결되어 액체금속(243)을 순환시키는 순환 펌프(220), 상기 순환 펌프(220)에 연결되며 상기 반응로(210) 상면에 위치하는 버퍼 탱크(230), 상기 버퍼 탱크(230)의 하면에 결합되고 상기 버퍼 탱크(230)의 액체금속(243)을 반응로(210) 내부로 분사하는 다수의 분사구를 가지는 다수의 노즐(231), 및 상기 반응로(210)에서 토출되는 스팀 중의 불순물을 정제하는 고온 가스 필터(260)를 포함한다. 반응로(210)는 2단의 반응 챔버(240,250)로 설명하였으나 필요에 따라 3단 이상의 반응 챔버로 구성하여 그 효과를 높일 수 있다.
반응로(210)는 버퍼 탱크(230)의 노즐(231)로부터 미립자화된 액체금속이 분사되는 상부 챔버(240) 및 상부 챔버(240)의 직하부에 배치되는 하부 챔버(250)를 포함한다.
상부 챔버(240)는 노즐(231)로부터 분사된 용융 상태의 액체금속(243)과 정화 대상인 가스(212)가 위치하는 곳으로, 액체금속(243)이 분사되어 유입되는 가스(212)가 정화 및 가열된다. 상부 챔버(240) 내의 액체금속(243)과 가스(212)는 그 비중 차이에 의해 상하로 분리된다. 구체적으로 액체금속(243)은 상부 챔버(240) 내의 하부에 위치하고, 가스(212)는 상부 챔버(240) 내에서 액체금속(243)의 상부에 위치한다. 액체금속(243)은 히터, 열교환기(300) 또는 정제 대상인 고온의 가스(212)로부터 공급되는 열에 의해 용융 상태로 유지된다.
상부 챔버(240)는 가스(212)가 유입되는 입구부(245)와 가스(212)가 배출되는 출구부(246)를 다수 포함한다. 보일러 등으로부터 상부 챔버(240) 내부로 유입되는 가스(212)는 재가열 또는 액체금속에 열을 전달하거나 정화되어 외부로 배출될 수 있다. 연소된 배기가스의 정제를 수행하며 이 공정에서 가스(212)에 포함된 회재, 분진, 및 미연분 등을 함께 제거할 수 있다. 이와 동시에, 분사된 액체금속과 배기가스 사이에 열교환이 이루어짐으로서 배출되는 가스의 온도가 증가하거나 감소하게 된다.
상부 챔버(240)의 상부에는 노즐(231)이 위치한다. 액체금속(243)은 노즐(231)에 의해 가스 사이로 액체금속 입자의 형태로 분사된다. 가스 중에 분사된 액체금속 입자는 가스에 포함된 H2S 등의 불순물을 액체금속 입자 내로 용융시킨다. 분사된 액체금속 입자와 불순물은 결합된 상태로 상부 챔버(240) 하부로 낙하하게되어 상부 챔버(240) 하부에 위치하는 액체금속(243)과 함께 모이게 된다.
하부 챔버(250)는 분리판(248)을 통해 상부 챔버(240)와 구획된다. 즉, 분리판(248)은 상부 챔버(240)에서 가스 중의 불순물을 흡착하고 열교환을 수행한 액체금속 만을 하부 챔버(250)로 이동하게 하는 기능을 담당한다. 분리판(248)을 통한 액체금속의 이동 과정에서 가스의 유동은 방지된다.
하부 챔버(250)는 슬래그를 외부로 배출하는 슬래그 배출구(256), 스팀 공급구(253), 및 하부 챔버(250)의 하단부에 배치되는 분산판(258)을 포함한다.
하부 챔버(250)의 스팀 공급구(253)로 공급되는 스팀은 저온, 저압 스팀으로 일반적인 발전시스템의 경우 절탄기(Economizer)에서 생산된 저급 스팀일 수 있다. 상기 저급 스팀은 하부 챔버(250)에 있는 고온의 액체금속에 의해 상대적으로 높은 온도와 압력을 가지는 스팀으로 만들어진다. 상기 하부 챔버(250)에서 발생된 스팀에는 미분진 또는 액체 금속 중의 일부 산화물이 포함되어 있을 수 있으므로 고온 기체 필터(260)를 거쳐 열교환기(300) 내 스팀사이클인 보일러 스팀 튜브(320)로 공급된다.
상기 하부 챔버(250)의 반응 과정에서 하부 챔버(250)에 함께 존재하는 미연분은 스팀과 반응하여 가스화 또는 산화되고 잔류물은 회재 등과 함께 슬래그 배출구(256)로 배출된다. 여기에서, 하부 챔버(250)에서 액체금속을 이용한 스팀온도 상승은 액체금속이 가진 높은 열용량과 스팀의 버블링을 통한 직접 열교환을 통해 열회수 효과를 극대화 할 수 있는 동시에 가스 정제과정에서 분진, 미연분으로 오염된 액체금속을 정제하며, 미연분의 추가적인 반응을 통해 에너지 효율을 높이는 효과가 있다.
하부 챔버(250)의 액체금속은 열교환기(300) 내로 순환하여 보다 높은 온도로 만들 수 있으나, 경우에 따라 열교환기(300)를 통과하지 않고 상부 챔버(240)의 버퍼 탱크(230)로 바로 이송될 수 있다.
본 발명에 따른 가스 정제 장치(200)의 작동방법
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 정제 장치(200)의 작동 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 버퍼 탱크(230) 하부의 노즐(231)이 액체금속 입자(243)를 상부 챔버(240) 내로 공급되는 가스 중으로 분사한다(S10). 버퍼 탱크(230)는 순환 펌프(220)로부터 이동된 액체금속(243)을 일시적으로 수용하여, 노즐(231)을 통해 가스 사이로 분사될 액체금속(243)의 양을 일정하게 유지할 수 있다. 버퍼 탱크(230)로 이동된 액체금속(243)은 노즐(231)을 통하여 상부 챔버(240)에 위치한 가스 사이로 분사된다.
다음으로, 분사된 액체금속 입자(243)와 가스 중의 불순물이 결합하여 상부 챔버(240)에서 낙하되는 단계이다(S20). 가스 사이로 분사된 액체금속 입자(243)는 가스에 열을 전달하며 가스를 가열시키고, 가스 내에 포함된 불순물을 용융하여 가스를 정화한다.
가스 중의 불순물을 흡착한 액체금속(243)은 상부 챔버(240)의 하단에 배치된 분리판(248)을 통해 하부 챔버(250)로 이동한다(S30). 상기 S30 단계에서 분리판(248)을 통해서는 가스의 유동은 방지되는 구조일 수 있다.
하부 챔버(250)로 이동한 액체금속(243)은 스팀 공급구(253)로 공급되는 스팀과 열교환이 이루어진다(S40). 여기에서, 액체금속이 가진 높은 열용량과 스팀의 버블링을 통해 열교환이 활성화되어 열회수 효과를 극대화하여 액체금속을 이용한 스팀온도 상승이 이루어진다.
다음으로, 하부 챔버(250) 내에서 액체금속(243)과 불순물의 비중차이로 분리된 불순물이 슬래그 배출구(256)를 통해 외부로 배출된다(S50). 액체금속(243)에 용융되는 불순물인 슬래그는 비중 차이에 의하여 액체금속(243)의 표면으로 상승하여 액체금속(243)으로부터 분리되고, 분리된 슬래그는 슬래그 배출구(256)를 통하여 외부로 배출된다.
열교환이 이루어진 스팀은 고온 스팀 배출관로(261)를 통해 하부 챔버(250)로부터 배출되어 고온 기체 필터(260)로 이송되고, 스팀 중의 미분진 또는 액체금속중 일부 산화물이 필터링된 후 열교환기(300)의 보일러 스팀 튜브(320)로 이송된다(S60).
이후, 순환 펌프(220)에 의해 액체금속(243)이 하부 챔버(250)에서 버퍼 탱크(230)로 이동된다(S70). 용융된 액체금속(243)은 하부 챔버(250)에 직접 연결되거나 유입 관로(121) 등을 통하여 연결된 순환 펌프(220)로 이동된다. 순환 펌프(220)에는 필터가 구비되어 액체금속(243)에 포함된 불순물을 제거할 수 있다. 순환 펌프(220)는 버퍼 탱크(230)로 액체금속(243)을 이동시킨다.
한편, 반응로(210)에서 유동하는 액체금속(243)은 히터와 같은 별도의 가열수단에 의해 열공급이 이루어질 수 있다. 상기 가열수단은 바람직하게는 도 1에 점선으로 도시된 바와 같이 기존 보일러 시스템 중 고온 영역인 열교환기(300) 또는 보일러(500)에서 열교환을 통해 얻을 수 있다. 백필터(400)를 직접 대체할 경우에는 정제 과정에서 고온 배기가스와의 열교환을 통해 열을 공급받는 것도 가능할 수 있다.
상술한 가스 정제 장치(200)의 작동과정은 제어부(미도시)에 의하여 제어될 수 있다. 제어부는 순환 펌프(220)의 펌핑 속도, 액체금속(11)의 용융 온도 및 슬래그 배출구(256)에서 배출되는 슬래그의 양 등을 제어하여 본 발명에 따른 가스 정제 장치(200)의 전체적인 작동을 제어한다.
이와 같은 과정이 반복적으로 일어남으로써 본 발명에 따른 가스 정제 장치(200)는 액체금속(243)을 노즐(231)을 이용하여 액체금속 입자 상태로 가스에 분사하여, 가스를 가열하고, 가스에 포함된 불순물을 제거할 수 있다. 또한, 이를 통해 가스의 온도를 선택적 환원촉매(Selective Catalytic Reduction, 600)시 필요온도인 섭씨 300도 이상으로 만들 수 있으며, 먼지(dust) 및 황화수소(H2S) 등이 제어된 상태이기 때문에 선택적 환원촉매의 효율 및 수명이 증가한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 반응로
11 : 액체금속
12 : 가스
13 : 액체금속 입자
14 : 슬래그 배출구
15 : 입구부
16 : 출구부
20 : 순환 펌프
21 : 유입 관로
22 : 배출 관로
30 : 버퍼 탱크
31 : 노즐
40 : 히터
50 : 가스화된 연료
100 : 가스 정제 장치
200 : 보일러
300 : 열교환기
400 : 백 필터(Back Filter)
500 : 선택적 환원촉매(Selective Catalytic Reduction)

Claims (9)

  1. 액체금속이 수용되며, 다단으로 적층되는 복수의 반응 챔버를 포함하는 반응로;
    상기 반응로에 연결되는 순환 펌프;
    상기 반응로 상부에 배치되며, 상기 순환 펌프로부터 상기 액체금속을 전송받는 버퍼 탱크; 및
    상기 버퍼 탱크에 결합되고, 상기 버퍼 탱크 내의 액체금속을 상기 반응로 내부로 분사하는 노즐;
    을 포함하며,
    상기 반응로는 상기 버퍼 탱크의 노즐로부터 미립자화된 액체금속이 분사되는 상부 챔버 및 상기 상부 챔버의 하부에 분리판을 통해 구획되는 하부 챔버를 포함하며,
    상기 노즐로부터 분사된 상기 액체금속의 입자가 상기 상부 챔버에 유입된 가스와 반응하여 상기 가스를 정제하고, 상기 하부 챔버로 유입되는 스팀은 상기 분리판을 통해 상기 상부 챔버로부터 이동하는 액체금속과 반응하여 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    액체금속을 이용한 가스 정제 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 챔버는 그 하단에 배치되는 분산판을 포함하고, 상기 분산판은 그 하부로 유입되는 스팀을 상기 하부 챔버 내에 액체금속 상으로 분산 공급하는 것을 특징으로 하는,
    액체금속을 이용한 가스 정제 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 정제 장치는,
    열교환기 내의 스팀사이클인 보일러 스팀 튜브와 상기 하부 챔버 사이에 배치되는 고온 기체 필터를 더 포함하며, 상기 고온 기체 필터는 상기 하부 챔버로부터 토출되는 고온의 스팀을 공급받고, 상기 스팀 중의 미분진 또는 산화물을 제거하는 것을 특징으로 하는,
    액체금속을 이용한 가스 정제 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 챔버의 스팀 공급구로 공급되는 스팀은 절탄기(Economizer)에서 생산된 저온 및 저압의 저급 스팀인 것을 특징으로 하는,
    액체금속을 이용한 가스 정제 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 정제 장치는,
    상기 하부 챔버에 결합되는 슬래그 배출구;를 더 포함하며, 상기 슬래그 배출구를 통해 상기 하부 챔버 내의 상기 액체금속에 용융된 슬래그가 상기 하부 챔버의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는,
    가스 정제 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체금속은 Sn, Bi 및 Sn 와 Bi의 혼합물로 이루어진 그룹 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    가스 정제 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 정제 장치는,
    상기 순환 펌프, 상기 히터 및 상기 슬래그 배출구에 연결되는 제어부;를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 순환 펌프의 펌핑 속도, 상기 히터의 열 공급량 및 상기 슬래그 배출구에서 슬래그의 배출량 중 하나 이상을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    가스 정제 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응로에 유입되는 상기 가스는 황화합물을 포함한 배기가스인 것을 특징으로 하는,
    가스 정제 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 정제 장치는 상기 버퍼 탱크에 상기 노즐을 탈착할 수 있어, 상기 노즐의 분사구 크기에 따라 상기 버퍼 탱크에 상기 노즐을 선택적으로 결합할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    가스 정제 장치.
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