KR20180086159A

KR20180086159A - 연료전지 폐열회수를 위한 이중 배기가스 처리장치

Info

Publication number: KR20180086159A
Application number: KR1020180007712A
Authority: KR
Inventors: 헐버트 군터 크라프트
Original assignee: 베르머뷰로 크라프트 게엠베하
Priority date: 2017-01-20
Filing date: 2018-01-22
Publication date: 2018-07-30

Abstract

본 발명은 연료전지의 배기가스와 보조보일러 또는 산업용 보일러의 열원을 이중 잠열제습기 및 열교환기에 공급하여 외부 습윤재료를 건조하고, 흡수/탈수(absorber/desorber) 과정을 통해 잠열 및 수분을 회수하고, 공급라인을 통해 외부로 공급하는 연료전지 폐열회수 및 이중 배기가스 처리 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

연료전지 폐열회수 및 이중 배기가스 처리장치 {Apparatus for DUO Exhaust Gas Process and Waste Heat of MCFC}

본 발명은 고온 용융 탄산염 연료전지(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell Plants) 설비로부터 발생된 폐열을 회수 및 배기가스 또는 보일러의 배기가스를 이중 잠열 제습을 통해 수분 및 잠열을 회수하고 백연 및 분진 등의 오염물질을 제거하여 배출하는 연료전지 폐열회수 및 이중 배기가스 처리장치에 관한 것이다.

일반적으로 수소연료전지는 수소를 산화시킬 때 발생하는 에너지를 전기로 변환시키는 배터리로 새로운 청정 에너지원으로 다양한 연구가 진행되고 있다.

수소를 에너지원으로 사용 가능한 연료전지는 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell), MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 등이 있다.

여기서, MCFC는 융용 탄산염을 다공 세라믹 매트릭스에 녹인 것을 전해질로 사용하며, 650의 고온의 수소나 일산화탄소를 연료로 사용해야 하며, 압력도 매우 높아야 한다. 이와 같이 고압가스인 수소연료와 CO₂가 관여하기 때문에 위험성이 있어서, 자동차 같이 소형 이동기계의 에너지원으로는 쓸 수 없고, 대용량 발전용으로 적합하다.

또한, 백금 촉매 대신 니켈 촉매를 사용함으로 경제성 높고, 열병합 발전에 유리한 고온의 폐열이 발생된다. 그러나 이산화탄소의 재순환이 필요하고 부식성의 전해질로 인하여 수명이 짧은 단점이 있다.

최근 MCFC 시스템 및 종류에 따라 연료전지 제조시 연료전지 출구에서의 배기가스 배압을 일정하게 유지하는 것은 불가능한 것으로 알려져 있다. 그 이유는 설치된 부품들, 예를 들어 열회수 유닛, 차단 댐퍼들, 파이프 루트들, 엘보우들 등(파이프 라우팅 단일 저항들)과, 강풍, 돌풍, 폭풍 등의 지속적인 기상변화들과, 여름, 겨울 들의 외부 온도의 큰 변동들이다.

아와 같이 연료전지 출구와 대기로의 출구 사이의 배기가스관 내의 압력 조건들은 부피 변화와 오염에 의해 부정적인 영향을 받는다. 이에 따라, 배압 변동이 발생하고, 이는 배기가스 흐름의 변동들을 야기시킨다.

결과적으로 이러한 문제들로 인하여 종래기술에 따른 MCFC 생산설비는 연료전지의 전력 생산성능이 변동되고, 또한 배기가스 배압의 변동이 심한 경우에는 고장(오류)이 발생하게 되는 문제점이 있었다.

또한, 하나의 연료전지 배기가스를 처리하여 대기중으로 배출함에 있어, 하나의 건조처리시스템일 경우 효율이 낮으며, 다른 분야의 건조기와의 연동이 되지 않아, 별도로 구동함으로 인한 열에너지를 효율적으로 활용하지 못하는 문제점이 있었다.

특허공개 10-2015-0132260 (공개일 2015.101.25) 특허등록 10-1697705 (공고일 2017.01.18)

본 발명은 연료전지의 배기가스와 보조보일러의 열원을 이중 잠열제습기 및 열교환기에 공급하여 외부 습윤재료를 건조하고, 흡수/탈수(absorber/desorber) 과정을 통해 잠열 및 수분을 회수하고, 공급라인을 통해 외부로 공급하는 연료전지 폐열회수 및 이중 배기가스 처리 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 보일러의 열원을 이용하여 이중 잠열제습기 및 열교환기에 공급하여 외부 습윤재료를 건조하고, 흡/탈수(absorber/desorber) 과정을 통해 잠열 및 수분을 회수하고, 공급라인을 통해 외부로 공급하는 보일러의 열원을 이용한 이중 배기가스 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 연료전지 폐열회수 및 이중 배기가스 처리장치는 연료전지의 배기가스를 흡수제용액과 접촉시켜 수분이 함유된 묽은 흡수제용액을 회수하고, 냉각 및 응축을 통해 현열 및 잠열을 회수하는 제1잠열제습기; 상기 제1잠열제습기의 출구단에서 상기 연료전지 배기가스의 흐름을 다음 건조공정과 분리하여 상기 연료전지 배기가스의 압력을 유지하는 배기가스분리부; 상기 건조공정 배기가스팬을 통해 흡입된 건조배기가스를 공급된 열원에 의해 열교환하여 상대습도가 낮은 고온 배기가스를 배출하는 제1열교환기; 상기 제1열교환기로부터 공급된 고온 배기가스를 열원으로 하여 습윤재료를 가열 건조하고, 그로 인하여 냉각 및 증기 포화된 건조기배기가스를 발생하는 제1건조기; 상기 제1건조기의 건조기배기가스와 보조열원으로부터 공급된 고온가스가 혼합된 혼합배기가스를 분사된 흡수제용액과 접촉시켜 현열 및 잠열을 회수하며 그에 따른 묽은 흡수제용액을 생성하는 제2잠열제습기; 상기 제2잠열제습기에서 배출된 건조 혼합배기가스를 공급된 열원으로 가열하여 대기로 배출하는 제2건조기; 상기 제1,제2잠열제습기에서 응축된 수분이 포함된 묽은농도의 흡수제 용액을 포집 및 저장하는 용액저장조; 상기 용액저장조에서 고온의 흡수제용액을 공급받아 고온증기와 저온 흡수제용액으로 분리하고, 고온증기는 열원으로 순환 공급 및 회수하고, 저온 흡수제용액은 상기 제1,제2잠열제습기로 공급하는 냉각기 및 응축기; 상기 응축기에서 배출된 고온증기와 디소버에서 공급된 고온수를 열원 공급라인을 통해 상기 제1열교환기, 제2건조기 또는 난방용수로 순환 공급하는 제2열교환기;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 배기가스 분리부는 제1잠열제습기의 출구단에서 배기가스를 외부로 배출하여 상기 연료전지의 배기가스의 압력유지를 위한 배기가스팬; 상기 배기가스팬을 통해 배출된 배기가스와 외부공기를 혼입하는 건조배기가스 후드; 상기 건조배기가스 후드를 통해 흡입된 배기가스 및 외부공기의 흡입을 조절하는 건조공정 배기가스팬;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 용액저장조에서 공급된 흡수제용액을 공급된 열원으로 가열시켜 수증기와 흡수제용액을 분리 배출시키는 디소버; 상기 디소버로부터 공급된 묽은 흡수제용액을 기화시켜 발생된 수증기는 상기 응축기로 공급하고, 분리된 진한용액은 상기 용액저장조로 배출시키는 용액/증기분리기; 및 상기 응축기 및 상기 디소버에서 공급된 고온증기를 상기 제1열교환기, 제2건조기로 순환 공급하는 제2열교환기;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 제2열교환기로부터의 저온수를 순환 공급받아 가열하여 상기 디소버로 순환공급하고, 공기를 가열하여 상기 제2잠열제습기로 보조열원으로 공급하는 보조보일러;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 보일러를 이용한 이중 배기가스처리장치는 보일러의 배기가스를 흡수제용액과 접촉시켜 수분이 함유된 묽은 흡수제용액을 회수하고, 냉각 및 응축을 통해 현열 및 잠열을 회수하는 제1잠열제습기; 상기 제1잠열제습기를 통해 흡입된 건조배기가스를 공급된 열원에 의해 가열하여 상대습도가 낮은 고온 배기가스를 배출하는 제1열교환기; 상기 제1열교환기로부터 공급된 고온 배기가스를 열원으로 하여 습윤재료를 가열 건조하여 건조기배기가스를 발생하는 제1건조기; 상기 제1건조기의 건조기배기가스를 공급된 흡수제용액과 접촉시켜 냉각 및 응축시켜 현열 및 잠열을 회수하며 그에 따른 묽은농도 흡수제용액을 생성하는 제2잠열제습기; 상기 제2잠열제습기에서 배출된 배기가스를 공급된 열원에 의해 가열된 배기가스를 대기로 배출하는 제2건조기; 상기 제1,제2잠열제습기에서 응축된 수분이 포함된 능도가 묽은 흡수제 용액을 포집 및 저장하는 용액저장조; 상기 용액저장조에서 고온의 흡수제용액을 공급받아 고온수와 저온 흡수제용액으로 분리하고, 상기 고온수는 상기 제1열교환기, 제2건조기 및 제3열교환기의 열원으로 순환 공급 및 회수하고, 저온 흡수제용액은 상기 제1,제2잠열제습기로 공급하는 냉각기 및 응축기;를 포함하여 이루진 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 냉각기 및 응축기에 부가하여, 용액저장조에서 공급된 흡수제용액을 공급된 열원으로 가열시켜 수증기와 흡수제용액을 분리 배출시키는 디소버; 상기 디소버로부터 공급된 묽은 흡수제용액을 기화시켜 발생된 수증기는 상기 응축기로 공급하고, 분리된 진한용액은 상기 용액저장조로 배출시키는 용액/증기분리기;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료전지 폐열회수 및 이중 배기가스 처리장치는 배기가스를 잠열 제습기를 이중으로 구성하므로, 연료전지 폐열회수 및 배기가스를 현열 및 잠열을 2단계로 추출할 수 있어 열효율이 증가되며, 탈취 및 분진을 이중으로 제거할 수 있으며, 외부 습윤재료 건조기의 열원으로 활용이 가능할 뿐만 아니라, 외부 습윤재료를 건조함으로 인해 발생된 냄새 및 분진 등 오염된 건조공기를 탈취 및 세척할 수 있는 효과가 있다.

또한 연료전지 배기가스의 열원이 부족할 때, 보조보일러를 활용하여 고온가스 및 고온수를 발생시켜 보조열원으로 사용하므로, 안정되고 효과적인 현열 및 잠열을 회수할 수 있으며, 지연난방 등으로 안정된 열원을 공급할 수 있는 효과가 있다.

또한, 제1잠열제습기와 제1건조기 사이에 배기가스팬, 건조배기가스 후드 및 건조공정 배기가스 팬을 부가하므로 배기가스 흐름을 분리하므로, 연료전지의 배기가스 압력을 일정하게 유지할 뿐만 아니라, 상기 연료전지 배기가스를 상기 제1건조기로 안정되게 공급할 수 있는 효과가 있다.

또한, 응축기 및 디소버를 활용하여 응축수를 생성 및 포집하므로 식수 수준의 깨끗한 유용수로 활용할 수 있다.

또한, 연료전지 배기가스 및 열회수장치 또는 보조보일러를 열원으로 사용하지 않고, 일반적인 소각로, 보일러, 가스터빈 등에서 발생된 열원을 활용하여 이중 배기가스 처리장치를 구현할 경우에도 상기 연료전지 및 보조보일러를 활용한 배기가스 처리장치과 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이와 같이 전체적으로 본 발명은 1차 에너지를 약 70%~80%를 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 그로 인하여 이산화탄소 배출량도 약 70~80%를 절약할 수 있으며, 식수를 대체할 만한 깨끗한 유용수를 85%까지 추출할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 폐열회수 및 이중 배기가스 처리장치의 전체 구성도이고,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 보일러 열원을 이용한 이중 배기가스 처리장치 전체 구성도이고,
도 3은 도 1 및 도 2에서 제1,제2잠열제습기의 원리를 설명하기 위한 구성도이다.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 폐열회수 및 이중 배기가스 처리장치의 구성도로서, 연료전지(101)의 배기가스(13)를 흡수제용액과 접촉시켜 수분이 함유된 묽은 흡수제용액을 회수하고, 냉각 및 응축을 통해 현열 및 잠열을 회수하는 제1잠열제습기(104)와, 상기 제1잠열제습기(104)의 출구단에서 배기가스를 외부로 배출하여 상기 연료전지의 배기가스의 압력유지를 위한 배기가스팬(105)과, 상기 배기가스팬(105)을 통해 배출된 배기가스와 외부공기를 혼입하는 건조배기가스 후드(106)와, 상기 건조배기가스 후드(115)를 통해 흡입된 배기가스 및 외부공기의 흡입을 조절하는 건조공정 배기가스팬(107)과, 상기 건조공정 배기가스팬(107)을 통해 흡입된 건조배기가스(15)를 상기 제2열교환기를 통해 공급된 열원에 의해 열교환하여 상대습도가 낮은 고온 배기가스를 배출하는 제1열교환기(108)와, 상기 제1열교환기(108)로부터 공급된 고온 배기가스(16)를 열원으로 하여 습윤재료(110)를 가열 건조하고, 그로 인하여 냉각 및 증기 포화된 건조기배기가스(17)를 발생하는 제1건조기(109)와, 상기 제1건조기(109)의 건조기배기가스(17)를 다음 건조공정으로 순환하기 위한 순환팬(111)과, 상기 순환팬(111)을 통해 공급된 건조기배기가스(18)과 보조열원으로부터 공급된 고온가스(19)가 혼합한 혼합배기가스(20)를 분사된 흡수제용액과 접촉시켜 혼합배기가스(20)를 냉각 및 응축시켜 현열 및 잠열을 회수하며 그에 따른 묽은 흡수제용액을 생성하는 제2잠열제습기(112)와, 상기 제2잠열제습기(20)에서 배출된 건조 혼합배기가스를 순환시키는 통풍팬(113)과, 상기 통풍팬(113)을 통해 순환된 건조혼합배기가스(21)는 공급라인(31a)을 통해 공급된 온수에 의해 가열된 배기가스(22)를 대기로 배출하는 제2건조기(114)와, 상기 제1,제2잠열제습기(104)(112)에서 응축된 수분이 포함된 능도가 묽은 흡수제 용액을 포집 및 저장하는 용액저장조(120)와, 상기 용액저장조(120)에서 펌프를 통해 공급된 고온의 흡수제용액을 상기 제1열교환기(108), 제2건조기(114), 제3열교환기(115) 또는 난방 회수라인(31b)를 통해 열교환 및 회수된 저온수로 냉각시키고, 상기 제1,제2잠열제습기(104)(112)로 저온 흡수제 용액을 공급하고, 응축기(123)로 저온수를 공급하는 냉각기(124)와, 상기 냉각기(122)로부터 공급된 저온수와 공급된 고온공기에 의해 가열된 고온수를 생성하여 상기 제1열교환기(108), 제2건조기(114), 제3열교환기(115) 또는 난방용수의 열원으로 공급하고, 재활용 가능한 응축수를 생성하는 응축기(123)와, 상기 용액저장조(120)에서 펌프를 통해 공급된 흡수제용액을 상기 연료전지 열회수장치(102) 및 보조보일러(103)로부터 공급된 온수(28)(29)를 이용하여 가열시켜 수증기와 흡수제용액을 분리배출시키는 디소버(121)와, 상기 디소버(121)로부터 공급된 묽은 농도의 흡수제용액을 기화시켜 발생된 수증기는 상기 응축기(123)로 공급하고, 분리된 진한농도의 흡수제용액은 상기 용액저장조(120)로 포집시키는 용액/증기분리기(122)와, 상기 응축기(123) 및 상기 디소버(121)에서 공급된 고온 증기 및 고온수를 열에너지 공급라인(31a)을 통해 상기 제1열교환기, 제2건조기(114) 또는 난방용수로 순환 공급하는 제2열교환기(126)와, 상기 제2열교환기(126)로부터의 저온수를 순환회수 및 가열하여 상기 디소버(121)로 순환공급하고, 공기를 가열하여 상기 제2잠열제습기(112)로 공급하는 보조보일러(103)와, 담수(33)와 응축수(34)를 공급받아 저장하는 정수 처리탱크로부터 공급된 물을 상기 제2열교환기(126)로부터 공급라인(31a)를 통해 열원을 공급받아 가열 한 후 상기 연료전지(101)로 공급하는 제3열교환기(115)로 구성된다.

상기 각 건조기, 열교환기, 순환 팬, 펌프, 센서(도면에 미도시) 등 구동 제어가 필요한 각 구성요소에 대한 제어는 제어 프로그램 등이 내장된 PLC(1010)를 포함한 제어장치로 구성하여, 관리자가 필요에 따라 제어프로그램을 통해 제어값을 설정하고, 해당 각부에 제어신호를 발생하여 제어하도록 한다.

상기 건조배기가스 후드(106) 및 건조공정 배기가스팬(107)을 통해 흡입된 배기가스(15)는 필요에 따라 바이패스시켜 상기 제2건조기(114)로 직접 공급하여 외부로 배출시키도록 배이패스관(36)을 구비한다.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 보일러를 이용한 이중 배기가스 처리장치의 구성도로서, 보일러(130)의 배기가스(13)를 흡수제용액과 접촉시켜 수분이 함유된 묽은 흡수제용액을 회수하고, 냉각 및 응축을 통해 현열 및 잠열을 회수하는 제1잠열제습기(104)와, 상기 제1잠열제습기(104)의 출구단에서 배기가스를 순환시키는 건조공정 배기가스팬(105)과, 상기 배기가스팬(105)를 통해 흡입된 건조배기가스(15)를 상기 응축기(123)를 통해 공급된 열원에 의해 열교환하여 상대습도가 낮은 고온 배기가스를 배출하는 제1열교환기(108)와, 상기 제1열교환기(108)로부터 공급된 고온 배기가스(16)를 열원으로 하여 습윤재료(110)를 가열 건조하고, 그로 인하여 건조기배기가스(17)를 발생하는 제1건조기(109)와, 상기 제1건조기(50)의 건조기배기가스(17)를 다음 건조공정으로 순환하기 위한 순환팬(111)과, 상기 순환팬(111)을 통해 공급된 냉각 및 건조기배기가스(18)를 냉각기(124)로부터의 흡수제용액과 접촉시켜 건조기배기가스(18)를 냉각 및 응축시켜 현열 및 잠열을 회수하며 그에 따른 묽은농도 흡수제용액을 생성하는 제2잠열제습기(112)와, 상기 제2잠열제습기(20)에서 배출된 배기가스를 순환시키는 통풍팬(113)과, 상기 통풍팬(113)을 통해 순환된 배기가스(21)는 공급라인(31a)을 통해 공급된 온수에 의해 가열된 배기가스(22)를 대기로 배출하는 제2건조기(114)와, 상기 제1,제2잠열제습기(104,112)에서 응축된 수분이 포함된 능도가 묽은 흡수제 용액을 포집 및 저장하는 용액저장조(120)와, 상기 용액저장조(120)에서 펌프를 통해 공급된 고온의 흡수제용액을 상기 제1열교환기(108), 제2건조기(114) 및 제3열교환기(115)의 순환 회수된 저온수로 냉각시키며, 상기 냉각된 저온 흡수제용액을 상기 제1,제2잠열제습기(104)(112)로 공급하고, 응축기(123)로 저온수를 공급하는 냉각기(124)와, 상기 냉각기(122)로부터 공급된 저온수와 용액/증기분리기로부터의 증기에 의해 고온수를 생성하여 상기 제1열교환기(108), 제2건조기(114) 및 제3열교환기(115)의 열원으로 공급하고, 재활용 가능한 응축수를 생성하는 응축기(123)와, 상기 용액저장조(120)에서 펌프를 통해 공급된 흡수제용액을 상기 보일러(130)로부터 공급된 고온수를 이용하여 가열시켜 수증기와 흡수제용액으로 분리배출시키는 디소버(121)와, 상기 디소버(121)로부터 공급된 묽은 농도의 흡수제용액을 기화시켜 발생된 수증기는 상기 응축기(123)로 공급하고, 분리된 진한농도의 흡수제용액은 상기 용액저장조(120)로 포집시키는 용액/증기분리기(122)와, 담수(33)와 응축수(34)를 공급받아 저장하는 정수 처리탱크로부터 공급된 물을 상기 제2열교환기(126)로부터 공급라인(31a)를 통해 열원을 공급받아 가열 한 후 상기 보일러(130)의 보충수로 공급하도록 구성한다.

상기 각 건조기, 열교환기, 순환 팬, 펌프, 센서(도면에 미도시) 등 구동 제어가 필요한 각 구성요소에 대한 제어는 제어 프로그램 등이 내장된 PLC(140)를 포함한 제어장치로 구성하여, 관리자가 필요에 따라 제어프로그램을 통해 제어값을 설정하고, 해당 각부에 제어신호를 발생하여 제어하도록 한다.

상기 건조배기가스 후드(106) 및 배기가스팬(105)을 통해 흡입된 배기가스(15)는 필요에 따라 바이패스시켜 상기 제2건조기(114)로 직접 공급하여 외부로 배출시키도록 배이패스관(36)을 구비한다.

여기서 보일러(130)는 일반적인 소각로, 가스터빈 등의 산업용 보일러가 가능하다.

이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 폐열회수 및 이중 배기가스 처리장치에 대한 작용에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명은 연료전지의 배기가스와 보조보일러의 배기가스를 열원으로 이용하여 2단계로 구성된 잠열제습기(104)(112)에 공급되고, 배기가스 열교환에도 활용하도록 하며, 흡수제용액을 재순환 활용하며, 2단계로 현열/잠열을 회수하고, 제습, 탈취 및 분진제거가 가능하도록 한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 폐열회수 및 이중 배기가스 처리장치의 구성도로서, 상기 연료전지(101) 열회수장치(102)의 열회수라인28)을 통과한 배기가스(13)는 상기 제1잠열제습기(104)로 공급된다.

상기 제1잠열제습기(104)는 냉각기(124)로부터 공급된 저온의 흡수제용액과 상기 배기가스(13)가 접촉하여 배기가스의 잠열 및 수분을 흡수함과 동시에 배기가스 내에 포함된 오염물질을 흡수하게 된다.

여기서, 상기 흡수제용액은 질산칼슘(Calcium Nitrate)(Ca(NO₃₎₂)을 포함한 흡습성 염류 용액을 사용하며, 오염물질의 흡수성이 우수하고, 수분 용해가 용이하며, 일정 온도가 낮아질 경우 용액의 회수가 용이하며, 용액이 물에 용해될 때 흡열반응을 일으켜 배기가스의 잠열 회수특성이 우수하다.

상기 제1잠열제습기(104)에 의해 배기가스(13)에 포함된 잠열이 회수되고, 수분은 흡수제용액이 용해되어 농도가 묽은 흡수제용액으로 상기 용액저장조(120)로 낙하되어 저장된다.

도 2를 참조하면, 상기 냉각기(124)로부터 공급된 진한 흡수제용액이 제1잠열제습기(104)의 내부 상단에서 분산 공급되면 흡수제용액이 하단으로 흐르면서 상기 공급된 배기가스(13)와 접촉하여, 잠열을 회수함과 아울러 상기 배기가스(13)에 포함된 수분이 흡수제용액에 용해되어 묽은 흡수제용액으로 상기 용액저장조(120)로 배출된다.

상기 제1잠열제습기(104)를 통과한 배기가스는 소량의 수증기가 포함되어 출구단으로 배출되며, 상기 제1잠열제습기(104)의 출구단에는 배기가스팬(105)을 부가하여, 상기 연료전지(101)의 배기가스의 압력유지를 위하여 상기 배기가스의 배출량을 제어한다.

상기 건조배기가스 후드(106) 및 건조공정 배기가스팬(107)을 이용하여 상기 는 상기 배기가스팬(105)를 통해 배출된 배기가스를 흡입하는데, 이때 외부공기와 혼입될 수 있다.

상기 건조공정 배기가스팬(107)은 팬의 회전속도를 제어하여 상기 건조배기가스 후드(106)의 흡입량을 조절하여 흡입한다.

이와 같이 상기 배기가스팬(105), 건조배기가스 후드(106) 및 건조공정 배기가스팬(107)을 이용하여 배기가스의 흐름을 상기 연료전지 배기가스(13)와 분리하므로, 배기가스 건조공정 등으로 인한 압력 변동시에도, 연료전지의 배기가스 압력을 일정하게 유지할 수 있도록 하여 건조공정의 간섭을 방지할 수 있다.

상기 건조공정 배기가스팬(107)을 통해 흡입된 배기가스(15)는 상기 제1열교환기(108)를 통해 가열된 후 상기 제1열교환기(112)를 통해 제1건조기(109)로 공급되거나, 필요에 따라 바이패스관(36)을 통해 상기 제1건조기(109)의 건조과정이나 제2잠열제습기(112)의 잠열회수/제습과정 없이 바로 상기 제2건조기(114)의 건조과정을 통해 대기로 배출시킬 수 있다.

상기 제1열교환기(112)는 상기 건조공정 배기가스팬(107)를 통해 흡입된 저온의 배기가스(15)를 가열시켜 상대습도를 더 감소시킨다.

즉, 상기 저온 배기가스(15)는 상기 제2열교환기(126)의 공급라인(31a)을 통해 공급된 열원과 열교환하므로, 상대습도가 낮은 고온 배기가스(16)가 상기 제1건조기(109)의 건조 열원으로 공급하게 된다.

상기 제1건조기(109)는 상기 제1열교환기(108)로부터 공급된 고온 배기가스(16)를 열원으로 하여 습윤재료(110)를 가열 건조하고, 그로 인하여 건조기배기가스(17)를 발생하게 된다.

상기 습윤재료(110)은 주로 하수도 슬러지, 농산물 등의 수분이 함유된 습윤 물질을 포함한다.

상기 제1건조기(109)를 통해 냉각 및 건조기배기가스(17)는 순환팬(111)의 구동 인해 상기 제2잠열제습기(112)로 공급하며, 이때 상기 보조보일러(103)로부터 가열된 고온공기를 공급하여 상기 건조기배기가스(17)와 혼합한 혼합배기가스(20)를 상기 제2잠열제습기(112)로 공급한다.

상기 제2잠열제습기(112)는 상기 통풍팬(113)의 구동으로 인해 상기 고온의 혼합배기가스(20)가 흡입되고, 상기 냉각기(124)에서 공급된 흡수제용액에 의해 혼합배기가스(20)를 냉각 및 응축시켜 현열 및 잠열을 회수하며, 그에 따라 수분이 용해된 묽은 농도의 흡수제용액을 생성하여 하단으로 배출되어 상기 용액저장조(120)에 저장된다.

상기 제2잠열제습기(112)의 구체적인 작용은 제1잠열제습기(104)의 구성 및 작용이 동일하며, 이에 대한 상기 도 3에 대한 설명을 참조한다.

상기 통풍팬(113)을 통해 배출된 배기가스(21)는 상기 제2건조기(114)로 공급되고, 상기 제2건조기(114)는 상기 통풍팬(113)을 통해 배출된 상기 제2잠열제습기(112)의 건조 혼합배기가스를 상기 제2열교환기(126)로부터 공급된 열원과 열교환하여 상대습도가 낮은 배기가스(22)를 대기로 배출하게 된다.

상기 연료전지(101)의 배출된 배기가스(13)를 포함한 각 배기가스 처리공정을 통해 공급되는 배기가스(14,15,16,17,20)의 폐열회수의 약 3%까지 상기 제2건조기(114)로 공급되므로, 대기로 배출되는 배기가스(22)의 이슬점은 약 20K까지 낮춰지게 되고, 약 -20℃까지 백연 현상을 제거하게 된다.

다음은 상기 용액저장조(120)에 저장된 상기 제1,제2잠열제습기(104)(112)로부터 포집된 묽은 농도의 흡수제용액을 다시 상기 순환 공급하도록 하는 과정과 폐열회수장치(102)의 열원과 및 보조보일러(103)의 보조열원의 순환과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 냉각기(124)는 열에너지 회수라인(31b)을 통해 저온수를 공급받고, 상기 용액저장조(120)로부터 고온 흡수제용액을 펌프를 통해 공급받아 저온 흡수제용액과 저온수로 분리하여, 상기 저온 흡수제용액은 상기 제1,제2잠열제습기(104)(112)로 공급하고, 저온수는 상기 응축기(123)로 공급한다.

상기 응축기(123)는 상기 용액/증기분리기(122)를 통해 공급받은 고온증기를 응축하며, 상기 냉각기(124)로부터 공급된 저온수를 2차 가열하여 고온수를 생성하여 상기 제2열교환기(126)로 공급한다.

또한, 응축된 저온 유용수는 유용수탱크(125)에 저장하여 일부는 상기 용액저장조(120)에 공급하여 용액의 농도를 낮추는데 사용되며, 나머지 유용수는 식수, 산업공정수, 연료전지 공급수, 정원수, 농업용수, 수영장 등 다양한 유용수로 사용이 가능하다.

상기 디소버(121)는 상기 용액저장조(120)에서 펌프를 통해 공급된 흡수제용액을 상기 연료전지 열회수장치(102) 및/또는 보조보일러(103)로부터 공급받은 열원(28)(29)을 이용하여 가열시켜 수증기와 묽은 농도의 흡수제용액을 분리 배출시킨다. 상기 묽은 농도의 흡수제용액은 상기 용액/증기분리기(122)로 공급하고, 고온 수증기는 상기 제2열교환기(126)로 배출한다.

상기 용액/증기분리기(122)는 상기 디소버(121)로부터 공급된 묽은 흡수제용액을 기화시켜 발생된 수증기는 상기 응축기(123)로 공급하고, 분리된 진한 농도의 흡수제용액은 상기 용액저장조(120)로 배출시킨다.

상기 제2열교환기(126)는 상기 응축기(123) 및 상기 디소버(121)에서 공급된 고온 증기 및 고온수를 열에너지 공급라인(31a)을 통해 상기 제1열교환기, 제2건조기(114), 제3열교환기(115) 또는 난방용수 공급라인(8)으로 순환 공급한다.

여기서, 난방용수 공급라인(8)은 지역난방, 흡수식 냉각기 등 열 에너지 응용분야에서 활용이 가능하도록 온수를 공급한다.

상기 난방용수 공급라인(8)을 통해 공급된 열에너지는 리턴라인(10)을 통해 회수되며, 회수된 저온난방용수는 상기 제1열교환기(108), 제2건조기(114) 및 제3열교환기(115)로부터 열교환 후 순환 회수된 저온수와 함께 회수라인(31b)을 통해 회수되어 상기 냉각기(124), 응축기(123), 제2열교환기(126)를 통해 상기 열회수장치(102) 및/또는 보조보일러(103)로 순환회수 된다.

상기 보조보일러(103)는 고온수 공급라인(29a)를 통해 상기 열회수장치(102)로부터의 고온수와 함께 열원으로 상기 디소버(121) 및 제2열교환기(126)로 공급한다.

이와 같은 보조보일러(103)를 이중 잠열제습기(104)(112)에 활용하므로, 일반적인 건조공정기술보다 약 70~80%까지 열효율을 증가시킬 수 있다.

상기 제3열교환기(115)는 담수(33)와 응축수(34)를 공급받아 저장하는 정수 처리탱크(116)로부터 공급된 물을 상기 제2열교환기(126)로부터 공급라인(31a)를 통해 열원을 공급받아 가열 한 후 상기 연료전지(101)로 공급한다.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 보일러를 이용한 이중 배기가스 처리장치의 구성도로서, 이를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 보일러(130)에서 배출되는 배기가스(13)는 상기 제1잠열제습기(104)로 공급되며, 상기 제1잠열제습기(104)는 냉각기(124)로부터 공급된 저온의 흡수제용액과 상기 배기가스(13)가 접촉하여 배기가스의 잠열 및 수분을 흡수함과 동시에 배기가스 내에 포함된 오염물질을 흡수하게 된다.

여기서, 상기 흡수제용액은 질산칼슘(Calcium Nitrate)(Ca(NO3)2)을 포함한 흡습성 염류 용액을 사용하며, 오염물질의 흡수성이 우수하고, 수분 용해가 용이하며, 일정 온도가 낮아질 경우 용액의 회수가 용이하며, 용액이 물에 용해될 때 흡열반응을 일으켜 배기가스의 잠열 회수특성이 우수하다.

상기 제1잠열제습기(104)를 통과한 배기가스는 소량의 수증기가 포함되어 배기가스팬(105)을 통해 흡입된 배기가스(15)는 상기 제1열교환기(108)를 통해 가열된 후 상기 제1열교환기(112)를 통해 제1건조기(109)로 공급되거나, 필요에 따라 바이패스관(36)을 통해 상기 제1건조기(109)의 건조과정이나 제2잠열제습기(112)의 잠열회수/제습과정 없이 바로 상기 제2건조기(114)의 건조과정을 통해 대기로 배출시킬 수 있다.

상기 제1열교환기(112)는 상기 배기가스팬(105)를 통해 흡입된 저온의 배기가스(15)를 가열시켜 상대습도를 더 감소시킨다.

즉, 상기 저온 배기가스(15)는 상기 응축기(123)의 공급라인(31a)을 통해 공급된 열원과 열교환하므로, 상대습도가 낮은 고온 배기가스(16)가 상기 제1건조기(109)의 건조 열원으로 공급하게 된다.

상기 제1건조기(109)는 상기 제1열교환기(108)로부터 공급된 고온 배기가스(16)를 열원으로 하여 습윤재료(110)를 가열 건조하고, 그로 인하여 냉각 및 건조기배기가스(17)를 발생하게 된다.

상기 제1건조기(109)를 통해 냉각 및 건조기배기가스(17)는 순환팬(111)의 구동 인해 상기 제2잠열제습기(112)로 공급하며, 상기 통풍팬(113)의 구동으로 인해 상기 건조기배기가스(18)가 상기 제2잠열제습기(112) 내부로 흡입되고, 상기 냉각기(124)에서 공급된 흡수제용액에 의해 건조기배기가스(18)를 냉각 및 응축시켜 현열 및 잠열을 회수하며, 그에 따라 수분이 용해된 묽은 농도의 흡수제용액을 생성하여 하단으로 배출되어 상기 용액저장조(120)에 저장된다.

상기 제2잠열제습기(112)의 구체적인 작용은 제1잠열제습기(104)의 구성 및 작용이 동일하며, 이에 대한 상기 도 3에 _대한 설명을 참조한다.

다음은 상기 용액저장조(120)에 저장된 상기 제1,제2잠열제습기(104)(112)로부터 포집된 묽은 농도의 흡수제용액을 다시 상기 순환 공급하는 과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 응축기(123)는 상기 용액/증기분리기(122)를 통해 공급받은 고온증기를 응축하며, 상기 냉각기(124)로부터 공급된 저온수를 2차 가열하여 고온수를 생성하여 상기 열원 공급라인(31a)을 통해 상기 각 제1열교환기(108), 제2건조기(114) 및 제3열교환기(115)의 열원으로 공급한다.

상기 디소버(121)는 상기 용액저장조(120)에서 펌프를 통해 공급된 흡수제용액을 상기 보일러(130)로부터 공급받은 온수를 이용하여 가열시켜 묽은 농도의 흡수제용액을 분리한 후 상기 묽은농도 흡수제용액은 상기 용액/증기분리기(122)로 공급한다.

상기 제3열교환기(115)는 담수(33)와 응축수(34)를 공급받아 저장하는 정수 처리탱크(116)로부터 공급된 물을 상기 응축기(123)의 열원 공급라인(31a)를 통해 열원을 공급받아 열교환 후 상기 보일러(130)의 보충수로 공급한다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 연료전지 폐열회수 및 이중 배기가스 처리장치에 대한 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나 이 실시예에 의해 한정되지 않고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

101 : 연료전지 102 : 열회수장치
103 : 보조보일러 104 : 제1잠열제습기
105,107 : 배기가스팬 106 : 건조배기가스 후드
108 : 제1열교환기 109 : 제1건조기
110 : 습윤재료 111 : 순환팬
112 : 제2잠열제습기 113 : 통풍팬
114 : 제2건조기 115 : 제3열교환기
116 : 정수처리 탱크 120 : 용액저장조
121 : 디소버 122 : 용액/증기분리기
123 : 응축기 124 : 냉각기
125 : 유용수탱크 126 : 제2열교환기
130 : 보일러 140 : PLC :

Claims

연료전지의 배기가스를 흡수제용액과 접촉시켜 수분이 함유된 묽은 흡수제용액을 회수하고, 냉각 및 응축을 통해 현열 및 잠열을 회수하는 제1잠열제습기;
상기 제1잠열제습기의 출구단에서 상기 연료전지 배기가스의 흐름을 다음 건조공정과 분리하여 상기 연료전지 배기가스의 압력을 유지하는 배기가스분리부;
상기 건조공정 배기가스팬을 통해 흡입된 건조배기가스를 공급된 열원에 의해 열교환하여 상대습도가 낮은 고온 배기가스를 배출하는 제1열교환기;
상기 제1열교환기로부터 공급된 고온 배기가스를 열원으로 하여 습윤재료를 가열 건조하고, 그로 인하여 냉각 및 증기 포화된 건조기배기가스를 발생하는 제1건조기;
상기 제1건조기의 건조기배기가스와 보조열원으로부터 공급된 고온가스가 혼합된 혼합배기가스를 분사된 흡수제용액과 접촉시켜 현열 및 잠열을 회수하며 그에 따른 묽은 흡수제용액을 생성하는 제2잠열제습기;
상기 제2잠열제습기에서 배출된 건조 혼합배기가스를 공급된 열원으로 가열하여 대기로 배출하는 제2건조기;
상기 제1,제2잠열제습기에서 응축된 수분이 포함된 묽은농도의 흡수제 용액을 포집 및 저장하는 용액저장조;
상기 용액저장조에서 고온의 흡수제용액을 공급받아 고온증기와 저온 흡수제용액으로 분리하고, 고온증기는 열원으로 순환 공급 및 회수하고, 저온 흡수제용액은 상기 제1,제2잠열제습기로 공급하는 냉각기 및 응축기;
상기 응축기에서 배출된 고온증기와 디소버에서 공급된 고온수를 열원 공급라인을 통해 상기 제1열교환기, 제2건조기 또는 난방용수로 순환 공급하는 제2열교환기;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열회수 및 이중 배기가스 처리장치.
제1항에 있어서,
상기 배기가스 분리부는 제1잠열제습기의 출구단에서 배기가스를 외부로 배출하여 상기 연료전지의 배기가스의 압력유지를 위한 배기가스팬;
상기 배기가스팬을 통해 배출된 배기가스와 외부공기를 혼입하는 건조배기가스 후드;
상기 건조배기가스 후드를 통해 흡입된 배기가스 및 외부공기의 흡입을 조절하는 건조공정 배기가스팬;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열회수 및 이중 배기가스 처리장치.
제1항에 있어서,
상기 용액저장조에서 공급된 흡수제용액을 공급된 열원으로 가열시켜 수증기와 흡수제용액을 분리 배출시키는 디소버;
상기 디소버(121)로부터 공급된 묽은 흡수제용액을 기화시켜 발생된 수증기는 상기 응축기로 공급하고, 분리된 진한용액은 상기 용액저장조로 배출시키는 용액/증기분리기; 및
상기 응축기 및 상기 디소버에서 공급된 고온증기를 상기 제1열교환기, 제2건조기(114)로 순환 공급하는 제2열교환기;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열회수 및 이중 배기가스 처리장치.
제3항에 있어서,
상기 제2열교환기로부터의 저온수를 순환 공급받아 가열하여 상기 디소버(121)로 순환공급하고, 공기를 가열하여 상기 제2잠열제습기로 보조열원으로 공급하는 보조보일러;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열회수 및 이중 배기가스 처리장치.
제3항에 있어서,
상기 디소버는 상기 보조보일러(103) 또는 연료전지의 열회수장치로부터 열원을 공급하되, 상기 열회수장치의 열원이 부족할 때 상기 보조보일러로부터 보조 열원을 공급받는 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열회수 및 이중 배기가스 처리장치.
제3항에 있어서,
상기 제2열교환기를 통해 회수된 저온수는 상기 보조보일러 또는 상기 연료전지의 열회수장치로 순환되는 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열회수 및 이중 배기가스 처리장치.
보일러의 배기가스를 흡수제용액과 접촉시켜 수분이 함유된 묽은 흡수제용액을 회수하고, 냉각 및 응축을 통해 현열 및 잠열을 회수하는 제1잠열제습기;
상기 제1잠열제습기를 통해 흡입된 건조배기가스를 공급된 열원에 의해 가열하여 상대습도가 낮은 고온 배기가스를 배출하는 제1열교환기;
상기 제1열교환기로부터 공급된 고온 배기가스를 열원으로 하여 습윤재료를 가열 건조하여 건조기배기가스를 발생하는 제1건조기;
상기 제1건조기의 건조기배기가스를 공급된 흡수제용액과 접촉시켜 냉각 및 응축시켜 현열 및 잠열을 회수하며 그에 따른 묽은농도 흡수제용액을 생성하는 제2잠열제습기;
상기 제2잠열제습기에서 배출된 배기가스를 공급된 열원에 의해 가열된 배기가스를 대기로 배출하는 제2건조기;
상기 제1,제2잠열제습기에서 응축된 수분이 포함된 능도가 묽은 흡수제 용액을 포집 및 저장하는 용액저장조;
상기 용액저장조에서 고온의 흡수제용액을 공급받아 고온수와 저온 흡수제용액으로 분리하고, 상기 고온수는 상기 제1열교환기, 제2건조기 및 제3열교환기의 열원으로 순환 공급 및 회수하고, 저온 흡수제용액은 상기 제1,제2잠열제습기로 공급하는 냉각기 및 응축기;를 포함하여 이루진 것을 특징으로 하는 보일러의 열원을 이용한 배기가스 처리장치.
제7항에 있어서,
상기 냉각기 및 응축기에 부가하여, 용액저장조에서 공급된 흡수제용액을 공급된 열원으로 가열시켜 수증기와 흡수제용액을 분리 배출시키는 디소버;
상기 디소버로부터 공급된 묽은 흡수제용액을 기화시켜 발생된 수증기는 상기 응축기로 공급하고, 분리된 진한용액은 상기 용액저장조로 배출시키는 용액/증기분리기;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 보일러의 열원을 이용한 배기가스 처리장치.