KR20150114670A - 보일러의 폐열 및 폐수증기를 활용한 연소용 수소가스 생산 공급장치 - Google Patents

보일러의 폐열 및 폐수증기를 활용한 연소용 수소가스 생산 공급장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보일러의 폐열 및 폐수증기를 활용한 연소용 수소가스 생산 공급장치에 관한 것으로서, 수소를 연소가스로 사용하는 보일러의 구동과정에서 발생되는 폐열 및 폐수증기를 수소가스 발생에 활용하여 연소가스로 공급토록 하기 위한 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명은, 내부에 설치된 수소가스 버너(11)의 고온 가열에 의해 스팀을 발생시키는 보일러(10)와; 상기 보일러(10)에서 발생된 고온의 스팀을 열사용기기(20)로 공급하는 스팀공급관(30)과; 상기 열사용기기(20)에서 열교환이 이루어진 폐수증기가 환수되어지는 수증기 환수관(50)과; 상기 수증기 환수관(50)을 통해 환수되는 폐수증기 및 수소 원소를 가진 연료화합물이 각각 일측에서 유입된 후, 폐수증기와 연료화합물의 열분해가 이루어지는 개질반응기(40)와; 상기 보일러(10)에서 발생되는 폐열을 개질반응기(40)측으로 유도하여 개질반응기(40)를 고온상태로 유도하는 폐열유도관(60)과; 상기 개질반응기(40)에서 열분해를 분해 분리된 수소가스를 보일러(10)의 수소가스 버너(11)에 공급하는 수소 공급관(80)을 포함하는 구성을 이루는 것을 특징으로 한다.

Description

보일러의 폐열 및 폐수증기를 활용한 연소용 수소가스 생산 공급장치{HYDROGEN GAS PRODUCE SYSTEM FOR BURN USING BOILER SCRAP HEAT AND WATER VAPOR}
본 발명은 보일러의 폐열 및 폐수증기를 활용한 연소용 수소가스 생산 공급장치에 관한 것으로서, 산업용 보일러의 구동과정에서 발생되는 폐열 및 폐수증기를 버너 연소를 위한 수소가스 발생에 활용하여 에너지 효율을 향상시키기 위한 것이다.
알려진 바와 같이, 발전소 등에 설치되는 산업용 보일러에서는 고압수증기를 생산하여 발전소 설비 중 열사용기기에 열을 공급하게 되며, 이러한 에너지 공급을 위한 수단으로 연료의 연소 시에 얻어지는 열에 의해 난방수를 가열하여 사용하게 된다.
도 6은 이러한 종래 기술의 일 예에 따른 보일러시스템의 개략 구조를 나타낸 것으로서, 내부에 설치된 버너(1a)의 고온 가열에 의해 스팀을 발생시키는 보일러(1)와, 상기 보일러(1)에서 발생된 고온의 스팀을 스팀발전기 등과 같은 열사용기기(2)로 공급하는 스팀공급관(3)과, 상기 열사용기기(2)에서 열교환이 이루어진 폐수증기를 온도 저감을 위한 응축기(4)로 안내하는 수증기 안내관(5)과, 응축기(4)에서 냉각수와의 열교환에 의해 응축되어진 수증기를 다시 보일러(1)로 환수시키는 환수관(8)으로 구성된다. 미설명 부호 6은 연도이고, 7은 수증기를 강제 순환시키기 위한 순환펌프를 나타낸다.
그러나, 상기한 종래 기술에서는 열사용기기(2)에서 사용 후 환수되어지는 폐수증기의 응축을 위한 다량의 냉각수를 필요로 하며, 보일러(1)에서 연소 후 발생되는 폐열을 연도(6)를 통해 외부로 배출하게 됨으로 에너지효율에 악영향을 미치는 문제점이 있었다.
한편, 최근 큰 관심이 집중되고 있는 수소자동차와 함께 수소에너지를 이용한 난방시스템에 있어서도 물(전해액)을 전기분해하여 수소와 산소를 생성하여 이를 보일러의 수·산소 가스 연소용 버너를 통해 연소시키는 개발이 활발히 이루어지고 있다.
하지만, 이러한 전기분해에 의해 얻어지는 수소가스를 연소시키기 위한 종래의 가스발생 구조는 일반적으로, 물을 전기분해 시킬 때 공급되는 에너지에 비해 얻어지는 수소가스의 양이 많지 않아 비효율적이 됨은 물론, 전기분해를 위해 전극판에 공급하는 전기의 소모가 많아져 원론적으로는 에너지의 절감을 해결했다고 판단하기가 곤란한 것이었다.
본 발명은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 보일러의 구동과정에서 발생되는 폐열과 폐수증기를 활용하여 수소가스를 생산 공급할 수 있는 연소용 수소가스 공급장치를 제공함으로서 보일러의 에너지 효율을 향상시키도록 하는데 목적이 있다.
상기 목적을 이루기 위한 본 발명은, 내부에 설치된 수소가스 버너의 고온 가열에 의해 스팀을 발생시키는 보일러와; 상기 보일러에서 발생된 고온의 스팀을 열사용기기로 공급하는 스팀공급관과; 상기 열사용기기에서 열교환이 이루어진 폐수증기가 환수되어지는 수증기 환수관과; 상기 수증기 환수관을 통해 환수되는 폐수증기 및 수소 원소를 가진 연료화합물이 각각 일측에서 유입된 후, 폐수증기와 연료화합물의 열분해가 이루어지는 개질반응기와; 상기 보일러에서 발생되는 폐열을 개질반응기측으로 유도하여 개질반응기를 고온상태로 유도하는 폐열유도관과; 상기 개질반응기에서 열분해를 분해 분리된 수소가스를 보일러의 수소가스 버너에 공급하는 수소 공급관을 포함하는 구성을 이루는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명은, 수소를 연소가스로 사용하는 보일러의 구동과정에서 발생되는 폐열 및 폐수증기를 수소가스 발생에 활용하여 연소가스로 공급시킴으로서 수소가스 보일러의 에너지 효율을 증대시키는 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소가스 공급장치가 구비된 보일러 개략 구조도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 개질반응기 단면 구조도.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수소가스 공급장치가 구비된 보일러 개략 구조도.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 개질반응기 구조도.
도 5는 도 4의 개질반응기 요부 상세도.
도 6은 종래 기술에 따른 보일러 개략 구조도.
이하, 본 발명의 구체적인 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 살펴보기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소가스 공급장치가 구비된 보일러의 구성을 도 1을 통해 살펴보면, 보일러(10)의 내부에는 일정수위로 보일러수가 저장되어 하부에 설치된 수소가스 버너(11)의 고온 가열에 의해 스팀이 발생되어지며, 이러한 보일러(10)에는 고온의 스팀을 실내 또는 비닐하우스 등과 같은 열사용기기(20)로 공급하기 위한 스팀 공급관(30)이 연결되며, 외부로부터 수소 원소를 가진 연료화합물(메탄, LNG, LPG 등)을 주입, 열분해하여 수소를 연속적으로 제조하는 개질반응기(40)에는 상기 열사용기기(20)에서 열교환이 이루어진 폐수증기를 공급하기 위한 수증기 환수관(50)이 연결 구성된다.
한편, 본 발명에서의 개질반응기(40)는 내부에서 고온의 플라즈마 제트(P)를 형성시키게 되는데, 개질반응기(40) 선단부에는 플라즈마 제트(P)에 의해 폐수증기 및 연료화합물의 열분해가 이루어지도록 고온상태가 유지되는 고온유지부(47)가 구성되고, 고온유지부(47) 일측에는 보일러(10)에서 발생되는 폐열을 유도하여 개질반응기(40)를 고온상태로 유도하기 위한 폐열유도관(60)과이 구성되며, 이러한 개질반응기(40)에는 플라즈마 제트(P)에 의한 열분해 과정에서 발생되는 가스상 물질 중 수소와 나머지 가스를 분리하는 PSA(70;Pressure Swing Absorption)가 구성되고, PSA(70)에서 분리된 수소가스를 보일러(10)의 수소가스 버너(11)에 공급하는 수소 공급관(80)이 구성된 것을 확인할 수 있다.
특히, 본 발명에서의 개질반응기(40)는 도 2에서 단면도로 나타내어지는 바와 같이 전원 공급이 이루어지는 제1전극부(41)와, 상기 제1전극부(41)의 선단부에 동축상으로 구성되며 내부에는 방전공간(43)이 형성되는 제2전극부(42)와, 상기 제1전극부(41) 및 제2전극부(42)를 지지하는 절연부(44)와, 상기 제1전극부(41)의 일측에서 연료화합물의 공급이 이루어지는 연료공급부(45)와, 상기 제1전극부(41)의 타측에서 수증기 환수관(50)을 통해 환수된 폐수증기가 공급되는 수증기공급부(46)로 구성된 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 구성을 이루는 본 발명 보일러의 폐열 및 폐수증기를 활용한 연소용 수소가스 공급장치의 구동에 따른 작용효과를 살펴보기로 한다.
먼저, 보일러의 구동은 수소가스 버너(11)의 가열에 의해 보일러(10) 내에 일정 수위로 저장된 난방수가 가열되어짐에 따라 고온의 스팀이 발생되어지게 되고, 이와 같이 발생된 스팀은 펌프(미도시) 구동에 의해 스팀공급관(30)을 통해 난방사용처(20)로 공급되어지게 된다.
한편, 개질반응기(40)에서는 내부의 방전 공간(43)으로 방전 가스를 주입하고, 제2 전극부(42)를 접지시킨 상태에서 제1 전극부(41)에 전원에 연결하면 제1 전극부(41)와 제2 전극부(42)의 전압 차에 의해 방전 공간(43)에 플라즈마 제트(P)가 형성된다.
그리고, 이 플라즈마 제트(P)에 연료공급부(45)를 통해 메탄(CH4) 등과 같은 반응 연료를 주입함과 동시에 수증기 환수관(50)을 통해 환수된 수증기(H2O)가 수증기 공급부(46)를 통해 공급되어지면 반응 연료로부터 플라즈마에 의한 수소 개질이 이루어진다.
이때, 개질반응기(40)에 주입되는 반응 연료는 탄화수소 화합물과 산화제를 포함하는 것으로서, 메탄 외에도 가솔린, 디젤, 천연 가스 및 바이오매스 등이 사용될 수 있다.
또한, 개질반응기(40)에 주입되는 방전 가스는 방전을 유지하기 위한 가스로서, 방전의 안정성을 높이기 위해 He 또는 Ar과 같은 불활성 기체 또는 열용량이 높은 N2 또는 공기 등이 사용될 수 있다.
특히, 개질반응기(40)로 주입된 반응 가스는 방전 공간(43)에 형성된 플라즈마 제트(P)가 고온유지부(47)에서 폐열유도관(60)을 통해 유도된 고온의 폐열 작용에 의해 높은 온도로 유지되어짐으로서 풍부한 활성 종(reactive species)에 의해 분해되고, 분해된 원소들 사이의 화학적인 흡열반응에 의해 H2, CO2 등으로 변환되어지게 된다.
그리고, 이와 같이 분해되어진 기체 중 CO2는 PSA(70)에서 흡수되어지게 되고, 수소(H2) 만이 수소 공급관(80)을 통해 수소가스 버너(11)로 공급되어짐으로서 연소가스로 활용되어질 수 있게 된다.
한편, 도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 개질반응기(40)가 적용된 보일러를 나타낸 것이다.
즉, 도시된 바와 같이 본 실시 예에서의 개질반응기(40)는 수소분리막을 투과하는 속도차를 이용하여 가스를 분리정제하는 통상의 멤브레인 방식 개질반응기가 사용된 것으로서, 열분해를 위한 가열부(48)가 개질반응기(40) 하부에 구성되어져 있으며, 개질반응기(40) 내부에는 수소의 분리를 위한 제올라이트 재질의 수소분리막(49)이 구성된 것을 확인할 수 있다.
이러한 멤브레인 방식 개질반응기(40)는 자체적인 수소가스의 분리가 이루어짐으로 PSA 등과 같은 별도의 수소분리장치를 필요치 않게 되는 특성을 갖는다.
또한, 가열부(48)에는 폐열에 의한 온도 가온이 이루어질 수 있도록 폐열 유도관(60)이 연결 구성된 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 구성을 이루게 되면, 수증기 환수관(50)을 통해 폐수증기와 메탄가스의 유입시 개질반응기(40) 내의 수소분리막(49)에서 수소와 이산화탄소의 분리가 이루어지게 되고, 분리된 수소는 수소 공급관(80)으로 공급이 이루어지게 되는 것으로서, 이러한 멤브레인 방식 개질반응 원리는 공지의 기술이므로 구체적인 동작설명은 생략키로 한다.
한편, 개질반응기(40) 하부에 구성된 가열부(48)에는 폐열 유도관(60)을 통해 폐열이 유입됨으로서 보다 안정적인 고온 가열상태가 유지되어질 수 있게 되며, 필요에 따라서는 가열용 버너가 추가로 설치되어질 수 있게 된다.
또한, 수소분리막(49)에 이산화탄소 성분의 흡수 및 차단하기 위한 카본나노입자(49a)가 혼입되어지게 되면, 일부 이산화탄소 성분이 수소분리막(49)을 통과하는 것을 보다 안정적으로 차단할 수 있게 됨과 함께 수소분리막(49)의 내구성을 증대시켜 변형 발생을 방지하는 이점을 나타낸다.
따라서, 본 발명은 수소를 연소가스로 사용하는 보일러의 구동과정에서 발생되는 폐열 및 폐수증기를 수소가스 발생에 활용하여 연소가스로 공급시킴으로서 수소가스 보일러의 에너지 효율을 증대시키는 이점을 나타내게 된다.
그리고, 상기에서 본 발명의 특정한 실시 예가 설명 및 도시되었지만 본 발명의 수소가스 생산장치의 구조가 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 수 있음은 자명한 일이다.
예를 들면, 상기 실시 예의 도면에서는 고온유지부(47) 및 가열부(48)로 유입된 폐열의 배출관이 도시되지 않았으나, 타측에는 별도의 폐열 배출관이 구비됨이 바람직하다.
따라서, 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 내에 포함된다 해야 할 것이다.
10 : 보일러 11 : 수소가스 버너
20 : 열사용기기 30 : 스팀공급관
40 : 개질반응기 41 : 제1전극부
42 : 제2전극부 43 : 방전공간
44 : 절연부 45 : 연료공급부
46 : 수증기공급부 47 : 고온유지부
48 : 가열부 49 : 수소분리막
50 : 수증기 환수관 60 : 폐열 유도관
70 : PSA 80 : 수소 공급관

Claims (6)

  1. 내부에 설치된 수소가스 버너(11)의 고온 가열에 의해 스팀을 발생시키는 보일러(10)와;
    상기 보일러(10)에서 발생된 고온의 스팀을 열사용기기(20)로 공급하는 스팀공급관(30)과;
    상기 열사용기기(20)에서 열교환이 이루어진 폐수증기가 환수되어지는 수증기 환수관(50)과;
    상기 수증기 환수관(50)을 통해 환수되는 폐수증기 및 수소 원소를 가진 연료화합물이 각각 일측에서 유입된 후, 폐수증기와 연료화합물의 열분해가 이루어지는 개질반응기(40)와;
    상기 보일러(10)에서 발생되는 폐열을 개질반응기(40)측으로 유도하여 개질반응기(40)를 고온상태로 유도하는 폐열유도관(60)과;
    상기 개질반응기(40)에서 열분해를 분해 분리된 수소가스를 보일러(10)의 수소가스 버너(11)에 공급하는 수소 공급관(80);
    을 포함하는 구성을 이루는 것을 특징으로 하는 보일러의 폐열 및 폐수증기를 활용한 연소용 수소가스 생산 공급장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 개질반응기(40)는 전원 공급이 이루어지는 제1전극부(41)와, 상기 제1전극부(41)의 선단부에 동축상으로 구성되며 내부에는 플라즈마 제트(P)의 발생을 위한 방전공간(43)이 형성되는 제2전극부(42)와, 상기 제1전극부(41) 및 제2전극부(42)를 지지하는 절연부(44)와, 상기 제1전극부(41)의 일측에서 연료화합물의 공급이 이루어지는 연료공급부(45)와, 상기 제1전극부(41)의 타측에서 수증기 환수관(50)을 통해 환수된 폐수증기가 공급되는 수증기공급부(46)로 구성됨을 특징으로 하는 보일러의 폐열 및 폐수증기를 활용한 연소용 수소가스 생산 공급장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 개질반응기(40)의 후단측에는 플라즈마 제트(P)의 고온 유지를 위한 고온유지부(47)가 구성되며, 상기 고온유지부(47)에는 폐열유도관(60)이 연결된 것을 특징으로 하는 보일러의 폐열 및 폐수증기를 활용한 연소용 수소가스 생산 공급장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개질반응기(40)에는 열분해된 수소를 별도로 추출하여 수소공급관(80)으로 배출하기 위한 PSA(70)가 구성된 것을 특징으로 하는 보일러의 폐열 및 폐수증기를 활용한 연소용 수소가스 생산 공급장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 개질반응기(40)는 열분해를 위한 고온의 열이 전달되어질 수 있도록 가열부(48)가 하부에 구성되어져 있으며, 상기 가열부(48)에는 폐열유도관(60)이 연결 구성되고, 개질반응기(40) 내부에는 수소의 분리를 위한 제올라이트 재질의 수소분리막(49)이 구성된 것을 특징으로 하는 보일러의 폐열 및 폐수증기를 활용한 연소용 수소가스 생산 공급장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 수소분리막(49)에는 이산화탄소 성분의 흡수 및 차단하기 위한 카본나노입자(49a)가 혼입되어진 것을 특징으로 하는 보일러의 폐열 및 폐수증기를 활용한 연소용 수소가스 생산 공급장치.
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CN110451455A (zh) * 2019-07-25 2019-11-15 张达积 水分解氢气锅炉

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