KR20150042649A - 가스 중의 수분 및 미세입자 제거 장치 및 이를 이용한 가스 중의 수분 및 미세입자 제거방법 - Google Patents

가스 중의 수분 및 미세입자 제거 장치 및 이를 이용한 가스 중의 수분 및 미세입자 제거방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 중의 미세입자 및 수분을 제거하는 장치에 관한 것으로, 상세하게는 미세입자와 수분을 포함하는 가스가 공급되는 가스공급부; 상기 가스공급부로부터 가스가 주입되는 주입구, 상기 가스로부터 미세입자 및 수분을 분리하는 분리막, 상기 분리막에서 미세입자와 수분이 배출되는 배출구, 및 미세입자와 수분이 제거된 가스가 배출되는 투과구를 구비하여 미세입자 및 수분을 제거하는 분리막 모듈이 하나 또는 그 이상 구비된 분리부; 상기 분리막 모듈의 배출구에 연결되되, 상기 분리막 모듈을 투과하는 가스의 압력을 제어하는 배출량 제어부; 및 상기 분리막 모듈의 투과구에 연결되되, 상기 투과구를 통해 고압 또는 저압의 가스를 공급하여 분리막 표면에 증착된 미세입자를 제거하는 역세가스공급부를 포함하는, 가스 중의 미세입자 및 수분 제거장치 및 이를 이용한 미세입자 및 수분 제거방법를 제공한다. 본 발명에 따르면, 산업공정의 배가스에서 배출되는 미세입자(먼지) 및 수분을 제거함에 있어서 종래의 여러 단계의 공정을 하나의 공정으로 함으로써 미세입자(먼지) 및 수분을 더 쉽게 제거할 수 있다.

Description

가스 중의 수분 및 미세입자 제거 장치 및 이를 이용한 가스 중의 수분 및 미세입자 제거방법{Appratus for removing of moisture and particle in gas, and method for removing of moisture and particle in gas}
본 발명은 산업공정에서 배출되는 배가스 등에 포함된 수분 및 미세입자를 제거할 수 있는 장치, 및 이를 이용하여 가스 중의 수분 및 미세입자를 제거하는 방법에 관한 것이다.
바이오가스, LCD, 반도체 공정 등 많은 산업공정에서 배출되는 배가스에는 수분, 미세입자(미세 먼지)등을 포함하는 산업가스 등이 배출되고 있다. 산업가스 등은 온실가스 등에 대하여 1994년 3월 브라질 리우에서 기후변화협약(UNFCC)이 체결되었으며, 세계 각 나라들에 온실가스 배출 저감대책을 수립, 보고, 이행해야 할 의무가 부과되었다. 이에 따라 배가스에 포함된 온실가스 등의 산업가스를 감축하기 위해 농축, 정제 또는 분해하는 처리시설을 의무적으로 설치 및 시행하여야 한다. 배가스에 포함된 온실가스 등의 산업가스를 처리하는 데 있어서 수분 및 미세입자(먼지)는 처리장치에 부하나 고장의 원인으로 발생하기 때문에 배가스에서 존재하는 미세입자(먼지)나 수분은 전처리 장치 및 단계에서 제거하게 된다. 그러나 온실가스의 전처리에만 국한된 것은 아니다.
또한 미세입자(먼지) 및 수분 등은 장치에서의 부식이나 장치의 플러깅(plugging)효과를 가져옴에 따라 장치의 내구성 및 장치 성능의 저하를 발생시킨다. 이를 제거하기 위하여 미세입자(먼지)를 제거하는 방법으로는 흡착제를 이용한 흡착법, 스크러버를 이용한 제거방법(특허문헌 1), 필터(filter)를 이용한 제거방법(특허문헌 2, 3) 등이 있다. 또한 수분을 제거하는 방법으로는 흡착제를 이용한 흡착법, 필터(filter)를 이용한 제거방법, 수분을 액화시켜 제거하는 액화법 등이 있다. 이와 같은 방법 등은 미세입자(먼지)를 제거하거나 또는 수분을 제거 하는 방법으로 2가지의 방법을 연결하여야만 미세입자(먼지) 및 수분을 제거할 수 있다.
이에, 본 발명자들은 수분 및 미세입자(먼지)를 동시에 제거하는 방법을 연구하던 중, 미세입자(먼지)는 크기에 따라 분리막(membrane)의 기공(pore)에 의해 제거를 하며, 이와 함께 분리막의 소재가 낮은 표면에너지를 갖는 고분자 소재로 이루어져 수분이 침투하지 못하는 소수(hydrophobic), 다공(porous)성 분리막이 포함된 장치를 개발하고 본 발명을 완성하였다.
특허공개공보 제2001-072618호 2)일본 특허공개공보 평1-317520호 3)미국 등록특허 제6,099,808호
본 발명의 목적은 가스 중에 포함된 수분 및 미세입자(먼지)를 제거하는 장치 및 가스 중에 포함된 수분 및 미세입자(먼지)를 제거하는 방법을 제공하는 데 있다
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
미세입자와 수분을 포함하는 가스가 공급되는 가스공급부;
상기 가스공급부로부터 가스가 주입되는 주입구, 상기 가스로부터 미세입자 및 수분을 분리하는 분리막, 상기 분리막에서 미세입자와 수분이 배출되는 배출구, 및 미세입자와 수분이 제거된 가스가 배출되는 투과구를 구비하여 미세입자 및 수분을 제거하는 분리막 모듈이 하나 또는 그 이상 구비된 분리부;
상기 분리막 모듈의 배출구에 연결되되, 상기 분리막 모듈을 투과하는 가스의 압력을 제어하는 배출량 제어부; 및 상기 분리막 모듈의 투과구에 연결되되, 상기 투과구를 통해 고압 또는 저압의 가스를 공급하여 분리막 표면에 증착된 미세입자를 제거하는 역세가스공급부를 포함하는, 가스 중의 미세입자 및 수분 제거장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 상기 미세입자 및 수분 제거장치를 이용하여,
가스공급부로부터 미세입자 및 수분을 포함하는 가스를 공급하는 단계; 및
상기 가스가 주입되는 주입구, 상기 가스로부터 미세입자 및 수분을 분리하는 분리막, 상기 분리막에서 미세입자와 수분이 배출되는 배출구, 및 미세입자와 수분이 제거된 가스가 배출되는 투과구를 구비한 분리막 모듈이 하나 또는 그 이상 구비된 분리부에서 상기 가스 중에 포함된 미세입자 및 수분을 분리하는 단계; 를 포함하는, 가스 중의 미세입자 및 수분을 제거하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 상기 미세입자 및 수분 제거장치를 포함하는 배가스 처리장치를 제공한다.
본 발명에 따른 미세입자(먼지) 및 수분 제거장치 및 이를 이용한 미세입자(먼지) 및 수분 제거방법은, 산업공정의 배가스에서 배출되는 미세입자(먼지) 및 수분을 제거함에 있어서 종래의 여러 단계의 공정을 하나의 공정으로 함으로써 미세입자(먼지) 및 수분을 더 쉽게 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 미세입자(먼지) 및 수분을 제거하는 장치를 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명에 따른 미세입자(먼지) 및 수분을 제거하는 장치의 분리막 모듈의 사진이다.
본 발명은
미세입자와 수분을 포함하는 가스가 공급되는 가스공급부;
상기 가스공급부로부터 가스가 주입되는 주입구, 상기 가스로부터 미세입자 및 수분을 분리하는 분리막, 상기 분리막에서 미세입자와 수분이 배출되는 배출구, 및 미세입자와 수분이 제거된 가스가 배출되는 투과구를 구비하여 미세입자 및 수분을 제거하는 분리막 모듈이 하나 또는 그 이상 구비된 분리부;
상기 분리막 모듈의 배출구에 연결되되, 상기 분리막 모듈을 투과하는 가스의 압력을 제어하는 배출량 제어부; 및
상기 분리막 모듈의 투과구에 연결되되, 상기 투과구를 통해 고압 또는 저압의 가스를 공급하여 분리막 표면에 증착된 미세입자를 제거하는 역세가스공급부를 포함하는, 가스 중의 미세입자 및 수분 제거장치를 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 미세입자(먼지) 및 수분 제거장치를 도면을 참고하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 미세먼지 및 수분을 제거하는 장치에 있어서, 미세먼지 및 수분을 제거하는 일례를 나타낸 도면이며, 도 2는 본 발명에 따른 미세먼지 및 수분을 제거하는 분리막 모듈의 일례의 사진이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 가스 중의 미세먼지 및 수분을 제거하는 장치는 미세먼지 및 수분을 포함하는 산업가스가 공급되는 가스공급부(100), 상기 가스공급부로부터 산업가스가 공급되어 미세먼지 및 수분을 제거하는 분리 막 모듈로 주입되는 주입구(201), 상기 미세먼지 및 수분과 산업가스가 분리되는 분리막(202), 상기 분리 막에서 미세먼지 및 수분으로부터 분리된 산업가스가 배출되는 투과구(203) 및 상기 분리 막에서 미세입자(먼지)와 수분이 배출되는 배출구(204)를 구비하여 미세입자(먼지) 및 수분을 포함하는 가스로부터 미세입자(먼지) 및 수분과 가스를 분리하는 분리막 모듈(200)이 1 또는 그 이상 구비된 미세입자(먼지) 및 수분을 제거하는 분리부, 상기 분리막 모듈의 배출구와 연결되되, 상기 분리막 모듈을 투과하는 가스의 압력을 제어하는 배출량 제어부(300), 상기 분리막 모듈의 투과구와 연결되되, 상기 고압 또는 저압의 가스(air 등)로 분리막 표면의 증착된 입자(먼지)를 제거하는 역세가스공급기(400)를 포함한다.
반도체 공정 또는 LCD 제조공정에서 배가스로 배출되는 산업가스는 일반적으로 미세입자(먼지)는 약 100 mg/Nm, 수분은 약 10 % 이상 포함하여 배출된다. 이를 처리하기 위하여 종래의 배가스 전처리 장치로는 흡착장치나 필터를 통해 수분을 제거한 후 흡착장치 및 스크러버 등을 이용하여 미세입자(먼지)를 제거하는 2단계의 전처리장치로 처리하였으나, 이에는 대규모 장치 및 시설이 요구되는 단점이 있다. 이에 비해, 본 발명에 따른 상기 미세입자(먼지) 및 수분을 제거하는 분리막 모듈 장치는 그와 같은 대규모 장치 및 시설이 요구되지 않으며, 2개의 단계의 공정에서 단일의 공정을 통해 조작이 용이하게 배가스로부터 미세입자(먼지) 및 수분을 제거할 수 있다.
분리 공정은 구체적으로는, 상기 가스공급부(100)로부터 미세입자(먼지) 및 수분이 포함된 가스가 공급되고, 분리막 모듈(200)에서 미세입자(먼지) 및 수분과 가스의 분리가 진행된다. 상기 분리막 모듈(200)은 상기 가스공급부(100)로부터 미세입자(먼지) 및 수분을 포함하는 가스가 공급되는 주입구(201), 미세입자(먼지) 및 수분과 가스가 분리되는 분리막(202), 미세입자(먼지) 및 수분으로부터 분리된 가스가 배출되는 투과구(203) 및 분리된 미세입자(먼지)와 수분이 배출되는 배출구(204)를 구비하여 미세입자(먼지) 및 수분을 포함하고 있는 가스로부터 미세입자(먼지) 및 수분과 가스를 분리할 수 있다. 상기 분리막 모듈(200)은 1 또는 그 이상의 분리막 모듈로 이루어질 수 있다.
대량의 가스를 분리하기 위하여, 상기 분리막 모듈은 1 또는 그 이상이 병렬 연결되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 분리막의 형태는 평막(flat membrane) 또는 중공사형 분리막(hollow fiber membrane)인 것이 바람직하다. 중공사형 분리막은 평막에 비하여 상대적으로 큰 막 면적으로 인해 단위 부피당 분리성능이 우수하며 따라서 소규모의 집적형의 모듈로 제조가 용이하여 우수한 제거효율을 나타낼 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 분리막은 표면장력이 30 dyne/cm보다 낮으며 소수성인 고분자 소재의 분리막인 것이 바람직하다. 상기 분리막 모듈(200)에서 수분을 제거하는 것은, 30 dyne/cm의 낮은 표면에너지를 가지며 소수성인 분리막을 사용함으로써 큰 기공크기를 갖는 분리막 임에 불구하고 수분은 투과되지 않는다.
상기 분리막으로 예를 들면, 가스 등에 내화학성이 우수한 폴리테트라플로로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride, PVDF), 폴리프로필렌(polypropylene, PP)등의 재질인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 분리막 모듈(200)에서 미세입자(먼지)를 제거하는 것은 분리막의 기공크기 차이를 통해 분리가 가능하다. 상기 분리막은 기공크기가 0.05 ~ 0.5 ㎛인 분리막인 것이 바람직하다. 이와 같은 기공 크기를 가짐으로써 0.05 ~ 0.5 ㎛ 이상 크기의 미세입자(먼지)를 가스로부터 효과적으로 분리할 수 있다.
상기 분리막 모듈(200)은 분리된 미세입자(먼지) 및 수분을 배출하는 배출구(204)를 포함하며, 상기 배출구 및 투과구에는 미세입자(먼지)를 측정하는 미세입자(먼지) 측정기 및 수분을 측정하는 수분측정기가 연결될 수 있다.
상기 배출량 제어부(300)은 분리막 모듈(200)을 투과하는 가스의 압력을 제어하는 역할을 수행하고, 바람직하게는 질량 유량 제어기(mass flow controller, MFC)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 배출량 제어부(300)를 통해 분리막을 투과하는 압력을 조절할 수 있다. 일반적으로, 분리막을 통해 미세입자(먼지) 및 수분의 분리를 수행하는 경우, 압력이 높을수록 분리막을 투과하는 가스의 투과량도 증가할 수 있으나, 미세입자(먼지) 및 수분이 분리막을 투과하거나 미세입자(먼지) 등이 분리막 표면에 증착되어 분리막의 성능을 저하시킬 수 있다. 따라서, 상기 배출량 제어부(300)를 적절히 분리막 모듈의 압력을 제어하면 미세입자(먼지) 및 수분을 제거하고, 가스만 투과 시킬 수 있다.
또한 상기 분리막의 성능이 저하되는 것은 미세입자(먼지) 및 수분의 흐름을 분리막의 표면과 평행한 흐름으로 진행함으로써 분리막 표면에 미세입자(먼지)의 증착이 되는 현상을 감소시킬 수 있으며, 역세가스공급기(400)로부터 분리막의 투과 반대방향으로 고압으로 가스를 주입함으로써 분리막 표면에 증착된 미세먼지를 배출구 방향으로 제거할 수 있다. 상기 역세가스공급기를 통해 사용되는 가스는 바람직하게는 공기(Air)가 적절하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 미세입자(먼지) 및 수분 제거장치는 상기 가스공급부(100)로부터 공급되는 가스의 유량을 제어하기 위한 유량제어장치를 더 포함할 수 있으며, 또한 상기 유량제어장치 및 배출량 제어부는 질량 유량 제어기(mass flow controller, MFC)인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 미세입자(먼지) 및 수분 제거장치는 분리막 모듈의 투과구와 연결되되, 상기 분리막 투과구 내부를 감압시키는 감압부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 감압부는 상기 분리막 모듈의 투과구(203) 내부를 감압시켜 분리막 모듈의 분리막 내부로 미세입자(먼지) 및 수분을 포함하는 가스를 분리하는 분리막의 구동력을 발생시키며, 이를 통해 가스공급부의 전단에 가압장치를 이용하였던 종래의 분리막 공정보다 더욱 미세입자(먼지) 및 수분을 제거하는 데 용이하게 분리할 수 있다. 이때, 상기 감압부는 진공펌프(Vacuum pump)를 포함하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니며 상기 분리막 모듈의 투과구(203) 내부를 감압할 수 있는 수단을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 미세입자(먼지) 및 수분을 포함하는 가스를 상기 본 발명에 따른 미세입자 및 수분 제거장치를 이용하여 미세입자(먼지) 및 수분을 제거하는 방법을 제공한다.
구체적으로는 상기 본원 발명에 따른 가스 중의 미세입자(먼지) 및 수분 제거장치를 이용하여,
가스공급부로부터 미세입자 및 수분을 포함하는 가스를 공급하는 단계; 및
상기 가스가 주입되는 주입구, 상기 가스로부터 미세입자 및 수분을 분리하는 분리막, 상기 분리막에서 미세입자와 수분이 배출되는 배출구, 및 미세입자와 수분이 제거된 가스가 배출되는 투과구를 구비한 분리막 모듈이 하나 또는 그 이상 구비된 분리부에서 상기 가스 중에 포함된 미세입자 및 수분을 분리하는 단계; 를 포함하는, 가스 중의 미세입자(먼지) 및 수분을 제거하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 상기 미세입자(먼지) 및 수분을 제거하는 장치 및 방법은, 산업공정에서 배출되는 배가스의 처리 공정에서 수분 및 미세입자(먼지)를 제거하는 전처리공정에서 유용하게 적용될 수 있다.
본 발명의 미세입자 및 수분 제거장치를 배가스 처리장치의 전처리장치로서 사용하는 경우, 산업공정에서 배출되는 저압의 배가스를 가압장치를 이용하지 않고, 수분과 미세입자(먼지)를 따로 제거하는 종래의 전처리 장치 및 방법에 비해 장치를 더 소규모로 구성할 수 있다. 또한 가압부를 포함하지 않음에 따라 미세입자(먼지) 및 수분이 포함된 산업가스가 배출되는 여러 산업공정에 악영향(예를 들어, 압력부하 등)을 주는 문제를 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 도면에 도시된 실시예를 참고하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 형태로 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 가스 공급부
200 : 분리막 모듈
201 : 주입구
202 : 분리막
203 : 투과구
204 : 배출구
300 : 제어부
400 : 역세가스 공급부

Claims (13)

  1. 미세입자와 수분을 포함하는 가스가 공급되는 가스공급부;
    상기 가스공급부로부터 가스가 주입되는 주입구, 상기 가스로부터 미세입자 및 수분을 분리하는 분리막, 상기 분리막에서 미세입자와 수분이 배출되는 배출구, 및 미세입자와 수분이 제거된 가스가 배출되는 투과구를 구비하여 미세입자 및 수분을 제거하는 분리막 모듈이 하나 또는 그 이상 구비된 분리부;
    상기 분리막 모듈의 배출구에 연결되되, 상기 분리막 모듈을 투과하는 가스의 압력을 제어하는 배출량 제어부; 및
    상기 분리막 모듈의 투과구에 연결되되, 상기 투과구를 통해 고압 또는 저압의 가스를 공급하여 분리막 표면에 증착된 미세입자를 제거하는 역세가스공급부를 포함하는, 가스 중의 미세입자 및 수분 제거장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막은 필름형태 평막(flat membrane)인 것을 특징으로 하는 미세입자 및 수분 제거장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막은 중공사형 분리막(hollow fiber membrane)인 것을 특징으로 하는 미세입자 및 수분 제거장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막은 기공크기가 0.05 ~ 0.5 ㎛인 것을 특징으로 하는 미세입자 및 수분 제거장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막은 표면장력이 30dyne/cm 이하인 고분자 분리막인 것을 특징으로 하는 미세입자 및 수분 제거장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 분리막은 폴리테트라플로로에틸렌(polytetrafluoro- ethylene, PTFE), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride, PVDF) 또는 폴리프로필렌(polypropylene, PP)재질인 것을 특징으로 하는 미세입자 및 수분 제거장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막 모듈은 하나 또는 그 이상이 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 미세입자 및 수분 제거장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 미세입자 및 수분 제거 장치는 상기 분리부의 투과구와 연결되되, 상기 분리부 내부를 감압시키는 감압부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세입자 및 수분 제거장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 미세입자 및 수분 제거 장치는 배가스의 전처리장치인 것을 특징으로 하는 미세입자 및 수분 제거장치
  10. 가스공급부로부터 미세입자 및 수분을 포함하는 가스를 공급하는 단계; 및
    상기 가스가 주입되는 주입구, 상기 가스로부터 미세입자 및 수분을 분리하는 분리막, 상기 분리막에서 미세입자와 수분이 배출되는 배출구, 및 미세입자와 수분이 제거된 가스가 배출되는 투과구를 구비한 분리막 모듈이 하나 또는 그 이상 구비된 분리부에서 상기 가스 중에 포함된 미세입자 및 수분을 분리하는 단계; 를 포함하는, 제 1 항에 따른 가스 중의 미세입자 및 수분 제거장치를 이용하여 가스 중의 미세입자 및 수분을 제거하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 미세입자는 0.05 ~ 0.5 ㎛ 이상의 크기인 것을 특징으로 하는 가스 중의 미세입자 및 수분을 제거하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 미세입자 및 수분의 흐름을 분리막의 표면과 평행한 흐름으로 진행시켜 분리막 표면에 미세입자의 증착을 감소시키는 것을 특징으로 하는 미세입자 및 수분을 제거하는 방법.
  13. 제 1 항에 따른 가스 중의 미세입자 및 수분 제거장치를 포함하는 배가스 처리장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20170079733A (ko) * 2015-12-31 2017-07-10 김영준 바이오가스의 수분 제거 장치
KR20180132544A (ko) * 2017-06-02 2018-12-12 서강대학교산학협력단 소수성 멤브레인 및 이를 포함하는 장치
KR102128428B1 (ko) * 2018-12-27 2020-06-30 성신양회 주식회사 시멘트 소성공정 배기가스 내 이산화탄소 포집 장치

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