KR20240028090A - 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소각로, 제철소 용광로, 산업현장 보일러 등에서 발생하는 배기가스가 가지는 고온의 폐열을 이용해 해수를 끓여 수증기화하고 수증기를 다시 해수를 이용해 응결시켜 담수화할 수 있도록 이루어져 시설이 간단하면서도 유지비용이 적은 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 소각로, 제철소 용광로, 산업현장 보일러와 같이 고온의 배기가스(열원가스)를 생성하는 고온발생장치와, 열교환 담수화장치를 포함하여 구성한다.

Description

폐열을 이용한 담수화 설비 시스템{Desalination plant system using waste heat}

본 발명은 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소각로, 제철소 용광로, 산업현장 보일러 등에서 발생하는 배기가스가 가지는 고온의 폐열을 이용해 해수를 끓여 수증기화하고 수증기를 다시 해수를 이용해 응결시켜 담수화할 수 있도록 이루어져 시설이 간단하면서도 유지비용이 적은 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템에 관한 것이다.

해수담수화 기술은 국내의 물수요를 해결하고 대체수자원 확보기술을 제공함과 동시에 해외시장을 개척하며 고가치 창출이 가능한 대표적인 기술분야이다.

물(Water) 관련 분야에서 세계 최고의 권위를 자랑하는 전문지인 GWI(Global Water Intelligence)의 "Water Reuse Markets 2005-2015: A Global Assessment & Forecast"에 따르면, 해수담수화 시장은 현재 300만 톤/일 규모이며 620만 톤/일 규모로 성장할 것으로 전망되고 있다.

또한, 해수담수화 기술은 국내 물부족 지역에 대한 대체 수자원 제공의 해결책이 되고 있으며, 특히 환경문제의 논란이 야기되고 있는 댐 공사를 통한 수자원 확보 방안을 대체함으로써 비용절감 및 환경적 문제를 개선할 수 있기 때문에 향후에는 국내수요도 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.

통상, 해수담수화 방법으로는 증발법과 역삼투법을 들 수 있는데, 역삼투법이 증발법에 비하여 단위 부피의 물을 생산하기 위한 에너지 필요량이 상대적으로 작기 때문에 최근에는 역삼투법이 널리 사용되고 있다.

그러나, 이러한 종래의 담수화 설비 및 기술은 그 장치 구조가 복잡하고 설치가 어려워 많은 비용이 소요되며 효율이 높지 않았다.

이에 따라, 설치가 간단하면서도 효율이 높은 담수화 설비 시스템이 요구되고 있는 실정이다.

한편, 폐기물 소각시설에서는 소각에 따라 배기가스가 높은 고온의 열을 가지고 있다. 이러한 배기가스가 가지는 폐열을 이용할 수 있는 다양한 방법들이 고안되고 있으며, 본 출원인은 이러한 소각시설에서 발생하는 고온의 폐열을 용이하게 담수화 설비에 적용 이용할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.

한국등록특허공보 제10-2397733호 (2022. 04. 25. 등록) 한국등록특허공보 제10-2398148호 (2022. 05. 11. 등록)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 소각로, 제철소 용광로, 산업현장 보일러 등에서 발생하는 배기가스가 가지는 고온의 폐열을 이용해 해수를 끓여 수증기화하고 수증기를 다시 해수를 이용해 응결시켜 담수화할 수 있도록 이루어져 시설이 간단하면서도 유지비용이 적은 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템은, 소각로, 제철소 용광로, 산업현장 보일러에서 생성되는 고온의 배기가스(열원가스)가 가지는 폐열을 이용하는 구조를 갖는다.

이를 위해 본 발명은 고온발생장치와 열교환 담수화장치를 포함한다.

고안발생장치는, 소각로, 제철소 용광로, 산업현장 보일러일 수 있으며 고온의 열원가스를 생성한다.

열교환 담수화장치는, 상기 고온발생장치에서 생성한 열원가스를 이송하는 가스배관이 관통되게 배치된 n개의 탱크를 연속되게 배치하되; 상기 고온발생장치에서 가장 먼 곳에 위치한 최초 탱크에 해수를 설정에 따른 유량과 속도로 주입하면 n개의 탱크가 순차적으로 설정의 높이까지 해수를 채우는 유체의 흐름을 갖고, 열원가스에 의해 가열된 가스배관의 높은 온도에 의해 탱크 내의 해수는 가열되어 일부가 수증기화되고, 상기 수증기를 포집하여 이송하는 열교환관을 해수가 채워진 n개의 탱크에 통과시키면서 해수의 온도차를 이용해 수증기를 응결시켜 담수화시키고 청수로 배출하는 구조를 갖는다.

일 실시예로, 상기 열교환 담수화장치는 n개의 탱크를 수직으로 연속되게 배치하여, 최상부 탱크에 해수를 설정에 따른 유량과 속도로 주입하면 해수는 하방에 위치한 탱크로 유입되어 최하부 탱크부터 순차적으로 설정의 높이까지 해수를 채우게 되는 유체의 흐름을 갖는다.

그리고, 상기 열교환 담수화장치의 탱크는, 상부에서 유입된 해수를 하방으로 통과시키는 해수공급통로와, 상기 해수공급통로의 개방유무를 결정하는 볼 형상 체크 밸브를 포함하되, 상기 볼 형상 체크 밸브는 각 탱크에 저장된 해수의 부력에 따라 상기 해수공급통로의 개방여부를 결정한다.

이때, 수직형 열교환 담수화장치에서 최상부 탱크는, 상부 일측에 해수공급탱크에서 해수공급라인을 통해 해수가 유입되고, 설정 높이 이상으로 채워지는 해수는 회수관을 통해 해수공급탱크로 회수되게 하여 연속적인 해수공급이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

한편, 수직형 열교환 담수화장치에서 최하부 탱크는, 연소 시 발생하는 상승 연기를 측방으로 유도하여 재차 고온발생장치 내부로 유입되게 하여 완전연소를 유도하는 오목면을 형성한 것을 특징으로 한다.

그리고, 바람직한 실시예로, 상술의 열교환관은 탱크 상부측 에어공간과 연통된 관 형태로, 상방으로 연장되어 n개의 탱크의 해수층을 관통하도록 각각의 탱크에 구비되는데, 다수개의 열교환관은 최상부 탱크 측에서 합류되어 담수이송라인과 연결된다.

한편, 상술의 열교환관은 각각의 탱크 일측에서 분기되어 담수이송라인에 합류하는 분기관을 더 포함한다. 이때, 분기관을 형성하는 구역의 열교환관은 이중관 구조를 가져, 수증기가 내부관을 타고 상승하는 도중에 응결된 응결수는 내부관의 단부 외측으로 떨어져 분기관을 통해 담수이송라인으로 유입되어 모이는 것을 특징으로 한다.

한편, 다른 실시예로, 열교환 담수화장치는 n개의 탱크를 수평으로 연속 배치하는 구조를 갖는다.

이때, 열교환 담수화장치는, 상기 고온의 열원가스가 통과하는 가스배관에 의해 채워진 해수의 일부를 증발시켜 수증기화하고, 상부측 에어공간에 모인 수증기를 수증기포집관을 통해 포집하는 증발탱크부와; 증발탱크부와 이웃하여 연속되게 배치되고, 상기 수증기포집관과 연통되면서 n개의 탱크의 해수층을 관통하도록 연결된 설정 길이를 갖는 열교환관과, 일측에서 유입된 해수를 이웃하는 탱크로 유입시키는 해수이송관을 포함하는 열교환 탱크부를 포함하여 구성한다.

한편, 열교환 탱크부는, 적어도 2개 이상의 탱크로 이루어진 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 따른 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템은, n개의 탱크를 관통한 가스배관의 단부측과 연결되어 가스배관을 통과한 배기가스를 정화하는 연돌장치와; 연돌장치의 상부와 연결되어 정화되어 배출되는 공기(가스) 중 포함된 이산화탄소(CO₂)를 포집하여 처리하는 이산화탄소 처리장치;를 더 포함하여 구성할 수 있다.

이때, 일 실시예로, 상기 연돌장치는 가스배관과 연통되고 설정 높이를 갖는 원통형의 타워로, 상부에 하방으로 공급된 물을 분사하는 분사노즐부와, 판형상으로 상기 분사노즐부의 하부에 배치되되, 다단 구조로 오염물질을 함유한 가스의 상승을 제지하는 가스배출조절부를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

그리고, 일 실시예로, 상기 이산화탄소 처리장치는, 밀폐된 탱크를 연속되게 배치하되, 물을 설정에 따른 유량과 속도로 최초 탱크에 주입하면 연속되는 탱크가 순차적으로 설정의 높이까지 물을 채우도록 배열되어 유체의 흐름을 갖도록 배열된 탱크부와; 상기 이산화탄소를 포함한 공기(CO₂ + 공기)를 강제 이송하여 탱크의 하부로 강제주입하여 물에 녹아 반응하게 하고, 물을 통과하여 탱크 상부에 모인 가스를 재포집하여 동일 탱크 또는 이웃하는 탱크의 하부로 강제주입하는 가스이송라인과; 연속되게 배치된 탱크 중, 최초 탱크에 물을 주입하고, 마지막 탱크의 일측에서 이산화탄소가 녹은 탄산수를 외부로 배출하는 유체이송라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명에 따른 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템은, 소각로, 제철소 용광로, 산업현장 보일러 등에서 발생하는 배기가스가 가지는 고온의 폐열을 이용해 해수를 끓여 수증기화하고 수증기를 다시 해수를 이용해 응결시켜 담수화할 수 있도록 이루어져 시설이 간단하면서도 유지비용이 적은 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템을 보여주는 개략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템에서 수직 배치된 열교환 담수화장치를 이용한 일 실시예를 보여주는 개략적인 도면이다.
도 3과 도 4는 도 2에 따라 적용한 수직형 열교환 담수화장치를 보다 구체적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 도 2에 따른 실시예에서 볼 형상 체크밸브를 통한 해수 공급을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템에서 수평 배치된 열교환 담수화장치를 이용한 다른 실시예를 보여주는 개략적인 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템에 적용한 이산화탄소처리장치의 일 실시예를 보여주는 도면이다.

이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.

그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 상부 또는 상방은 도면에서 장치가 설치된 바닥면에서 높이를 가지는 부분 또는 그 방향을 가리키는 것으로 하며, 하부 또는 하방은 이와 반대되는 부분 또는 그 방향을 가리키는 것으로 하여 설명하기로 한다.

그리고, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략하기로 한다.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1 및 도 2와 도 6을 참조하면, 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템(1)은, 소각로, 제철소 용광로, 산업현장 보일러에서 생성되는 고온의 배기가스(열원가스, H/G)가 가지는 폐열을 이용하는 것으로, 높은 온도의 폐열을 이용해 해수를 끓여 수증기화하고, 수증기(w/s)를 다시 해수를 이용해 응결시켜 응결수(m/c)로 만들어 담수화 처리할 수 있도록 이루어진다.

이를 위해, 본 발명은 크게 고온발생장치(100)와, 열교환 담수화장치(200)를 포함하여 이루어진다.

먼저, 고온발생장치(100)는 고온의 열원가스(H/G)를 생성하는 것으로, 폐기물을 소각하는 소각로, 제철소 용광로, 산업현장 보일러가 이에 해당할 수 있으며, 선박 등 엔진동력을 사용하는 장치(시설) 또한 이에 해당할 수 있다. 즉, 본 발명에서 고온발생장치(100)는 고온의 배기가스(열원가스)를 생성하는 것이라면 이에 포함된다.

이러한 고온발생장치(100)에서 생성하는 고온의 배기가스(열원가스, H/G)는 해수를 끓여 가열할 수 있을 정도로 높은 온도를 가진다.

이러한 배기가스(열원가스, H/G)의 온도는 800 ~ 1500 ℃ 이상일 수 있다.

또한, 필요에 따라 이러한 고온의 배기가스를 열원가스로 사용하지 않고, 직접 가스버너를 이용해 공기를 고온으로 가열시켜 연소실을 통해 고온의 가스를 생성하고 이를 열원가스(H/G)로 사용할 수 있음은 물론이다.

다시 말해, 후술에서 본원발명의 실시예에서 폐열을 가지는 고온의 배기가스를 이용해 해수를 끓이는 실시예로 설명하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며 통상의 공기를 직접 가열하여 생성하는 고온의 가스를 이용하는 것 또한 본원발명의 기술적 사상에 포함하는 것이다.

그리고, 열교환 담수화장치(200)는 고온발생장치(100)에서 생성한 고온의 열원가스(H/G)를 이용해 직접적으로 해수를 끓여 수증기화하고 이를 다시 응결-냉각시켜 담수화함으로 청수를 얻는 장치이다.

이를 위해, 열교환 담수화장치(200)는, 고온발생장치(100)에서 생성한 열원가스(H/G)를 이송하는 복수개의 가스배관(110)이 관통되게 배치된 다수개, 즉 n개이 탱크를 연속되게 배치한다.

이때, 열교환 담수화장치(200)는 고온발생장치(100)에서 가장 먼 곳에 위치한 최초의 탱크(도2의 201', 도6의 201)에 해수를 해수공급라인(L1)을 통해 설정에 따른 유량과 속도로 주입하면 n개의 탱크가 순차적으로 설정의 높이까지 해수를 채우는 유체의 흐름을 갖는다.

이를 위해 일 실시예로, n개의 탱크가 수직형으로 배열 배치된 실시예에서는 상부에서 유입된 해수를 하방으로 통과시키는 해수공급통로(A)와, 해수공급통로(A)의 개방유무를 결정하는 볼 형상 체크 밸브(B1)를 포함하는 구조를 가질 수 있다(도 3 및 도 5 참조).

그리고, n개의 탱크가 수평형으로 배열 배치된 실시예에서는 일측에서 유입된 해수를 이웃하는 탱크로 유입시키는 해수이송관(230)를 구비할 수 있다(도1 및 도6 참조).

한편, 열교환 담수화장치(200)는 가스배관(110)을 통과하는 고온의 열원가스(H/G)가 탱크를 통과하면서 가스배관(110)의 높은 온도에 의해 탱크 내의 해수는 가열되어 일부가 수증기화(w/s)되어 상부 에어공간(S, 도1)에 모이게 되고, 이러한 수증기는 포집되어 이를 이송하는 열교환관(220)이 해수가 채워진 n개의 탱크를 통과하면서 연속되게 배열된 탱크 내의 해수 온도차에 의해 열교환관(220) 내의 수증기는 탱크를 통과하면서 응결되고 담수화된다.

그리고 이러한 담수화로서의 청수는 별도의 담수이송라인(L2)을 통해 배출되는 구조를 갖는다. 그리고 담수이송라인(L2)을 통해 모여진 청수는 별도의 담수저류탱크(500)에 모아진다.

이와 같이, 본 발명에 따른 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템(1)은, 해수를 끓여 수증기화하고 이를 다시 해수를 이용해 응결시켜 담수화할 수 있도록 이루어져 시설이 간단하면서도 유지비용이 적은 효과를 가진다.

한편, 도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템(1)은, 바람직한 일 실시예로, n개의 탱크를 수직으로 연속되게 배치하는 열교환 담수화장치(200)를 적용할 수 있다.

이때, 수직으로 배치된 열교환 담수화장치(200)는, 최상부 탱크(201')에 해수를 해수이송라인(L1)을 통해 설정의 유량과 속도로 주입하면 해수는 하방에 위치한 탱크로 유입되어 최하부 탱크(204')부터 순차적으로 설정의 높이까지 해수를 채우게 되는 유체의 흐름을 갖는다.

한편, 수직으로 배치된 열교환 담수화장치(200)를 구성하는 각각의 탱크는, 해수의 안정적인 흐름을 위한 구조를 갖는다.

일예로, 열교환 담수화장치(200)의 최상부 탱크(201')는 상부 일측에 해수공급탱크(400)에서 해수공급라인(L1)을 통해 해수가 유입되는데, 설정 높이 이상으로 채워지는 해수는 회수관(270)을 통해 재차 해수공급탱크(400)로 회수되게 하여 연속적인 해수공급이 이루어질 수 있게 한다.

또한, 열교환 담수화장치(200)를 구성하는 탱크는 해수의 안정적인 흐름을 위해 상부 일측으로 볼 형상 체크밸브(B1)를 구비한다.

구체적인 실시예로, 도 3 및 도 5를 참조하면, 열교환 담수화장치(200)의 각각의 탱크는, 상부에서 유입된 해수를 하방으로 통과시키는 해수공급통로(A)와, 해수공급통로(A)의 개방여부를 결정하는 볼 형상 체크 밸브(B1)를 포함한다. 이때, 볼 형상 체크 밸브(B1)는 각 탱크에 저장된 해수의 부력에 따라 해수공급통로(A)의 개방여부를 결정한다.

다시 말해, 탱크에 해수가 미리 결정된 높이만큼 채워지면 부력에 의해 떠올라 해수공급통로(A)를 막아 해수 공급을 차단하고, 탱크에 저장된 해수가 미리 결정된 높이만큼 채워지지 않으면 해수공급통로(A)에서 떨어져 통로를 개방시켜 상부의 탱크에서 하방으로 해수가 공급되도록 한다.

도 5의 (B) 도면에서와 같이, 탱크에 미리 결정된 높이만큼 해수가 채워지면 볼 형상 체크밸브(B1)는 부력으로 떠올라 해수공급통로(A)를 막아 해수공급을 차단한다.

그리고, 고온의 가스배관(110)이 통과하여 해수가 끓어 일부가 수증기화 되면, 도 5의 (A) 도면에서와 같이, 탱크에 저장된 해수의 높이가 낮아지게 되고 볼 형상 체크밸브(B1)은 하강하게 된다. 이때, 해수공급통로(A)가 개방되어 상부에서 모자란 해수가 공급되는 것이다. 도 5에서 'a'는 해수의 수증기화 발생으로 인해 발생한 탱크에 저장된 해수의 양의 변화를 보여준다.

한편, 바람직하게 본 발명에 적용한 수직형 열교환 담수화장치(200)의 최하부 탱크(204')는, 고온발생장치(100)의 연소 시 발생하는 상승하는 연기를 측방으로 유도하여 재차 고온발생장치(100) 내부로 유입되게 하여 완전연소를 유도하도록 저면판이 오목면을 형성한 것을 특징으로 한다(도2 및 도3 참조).

한편, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템(1)에 적용한 수직형 열교환 담수화장치(200)는, 가스배관(110)을 통과하는 고온의 폐열에 의해 각각의 탱크에 있는 해수가 끓어 수증기화된 수증기를 열교환관(220)을 통해 n개의 탱크를 통과하는 형태로 응결시켜 담수화된 청수를 얻는다.

이때, 일 실시예로, 열교환관(220)은 탱크 상부측 에어공간(S)과 연통된 관 형태로, 상방으로 연장되어 n개의 탱크의 해수층을 관통하도록 각각의 탱크에 구비된다. 한편, 이와 같이 구비된 다수개의 열교환관(220)은 최상부 탱크(201') 측에서 합류되어 담수이송라인(L2)과 연결된다.

한편, 상술의 열교환관(220)을 타고 수증기(w/s)가 타고 올라가는 도중에 응결되어 하방으로 떨어지는 경우가 발생할 수 있다. 이와 같이 응결수가 떨어져 재차 하방의 탱크 내로 유입될 경우 해수의 온도가 응결수에 의해 떨어질 우려가 있는 바, 바람직하게 열교환관(220)은 각각의 탱크 일측에서 분기되어 담수이송라인(L2)에 합류하는 분기관을 더 포함하는 구조를 갖는다.

그리고, 분기관을 형성하는 구역의 열교환관(220)은 이중관 구조를 갖는 것을 특징으로 한다. 다시 말해, 수증기(w/s)가 내부관(221)을 타고 상승하는 도중에 응결된 응결수(m/c)는 내부관(221)의 단부 외측으로 떨어져 분기관을 통해 담수이송라인(L2)으로 유입되어 모이게 되는 것이다.

한편, 필요에 따라 이러한 열교환 담수화장치(200)는 뜨거운 수증기의 일부를 별도 스팀관을 통해 일부 외부 배출시켜, 뜨거운 수증기를 이용한 전기 생산 등의 목적으로 사용할 수 있음은 물론이다.

한편, 도 1과 도 6을 참조하면, 상술의 본 발명에 적용한 열교환 담수화장치(200)는, 다른 실시예로, n개의 밀폐 탱크를 수평으로 연속 배치한 구조를 갖는다.

이러한 열교환 담수화장치(200)는, 고온의 열원가스가 통과하는 가스배관(110)에 의해 채워진 해수의 일부를 증발시켜 수증기화하고, 상부측 에어공간(S)에 모인 수증기를 수증기포집관(210)을 통해 포집하는 증발탱크부(200b)를 포함한다.

그리고, 열교환 담수화장치(200)는, 증발탱크부(200a)와 이웃하여 연속되게 배치되고, 수증기포집관(210)과 연통되면서 n개의 탱크의 해수층을 관통하도록 연결된 설정 길이를 갖는 열교환관(220)과, 일측에서 유입된 해수를 이웃하는 탱크로 유입시키는 해수이송관(230)을 포함하는 열교환 탱크부(200a)를 포함하여 구성한다.

한편, 이러한 열교환 탱크부(200a)는 바람직하게 적어도 2개 이상의 탱크로 이루어진다. 도 6의 도면에서는 일 실시예로 4개의 탱크로 열교환 탱크부(200a)를 구성하였으나 이에 한정하는 것은 아니다.

한편, 본 발명에 따른 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템(1)는, 상술의 열교환관(220)을 수증기(w/s)가 통과하면서 해수의 온도차에 의해 응결수(m/c)가 되면서 담수화되고 모여진 청수는 담수이송라인(L2)을 통해 이송되어 담수저류탱크(500)에 모아진다.

필요에 따라 담수이송라인(L2)을 통과하는 청수는 최종적으로 사용되는 사용처에 따라 약품처리 또는 필터링 처리가 이루어지기도 한다.

한편, 본 발명에 따른 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템(1)에서, 소각로, 제철소 용광로, 산업현장 보일러에서 생성되는 고온의 배기가스(열원가스)는 가스배관(110)을 통해 n개의 탱크를 통과하면서 그 온도가 현저히 떨어지게 된다. 예를 들어, 낮아진 온도는 50℃ 이하가 될 수 있으며, 이와 같이 온도가 떨어진 배기가스는 가스배관(110)을 완전히 통과해 배출되면서 대기로 방출되기 전 정화공정을 거친 후 방출되는 구조를 가질 수 있다.

도 2 및 도 6을 참조하면, 이를 위해, 본 발명은, n개의 탱크를 관통한 가스배관(110)의 단부측과 연결되어 가스배관(110)을 통해 공급된 가스(G)를 정화하는 연돌장치(300)와, 연돌장치(300)의 상부와 연결되어 정화되어 배출되는 공기(가스) 중 포함된 이산화탄소(CO₂)를 포집하여 처리하는 이산화탄소 처리장치(600)를 더 포함한다.

이때, 바람직한 실시예로 상술의 연돌장치(300)는, 가스배관(110)을 통해 배출된 가스(G) - n 개의 해수가 담긴 탱크를 순차적으로 통과하면서 열교환되어 가스의 온도는 50℃ 이하로 낮아진 상태의 가스 - 에 포함된 미세먼지 등 불순물을 제거하여 정제된 맑은 공기를 대기 중으로 배출하는 역할을 수행한다.

구체적인 일 실시예로, 연돌장치(300)는 열교환관(220) 및 가스배관(110)이 연통되고 설정 높이를 갖는 원통형의 타워 형태를 갖는다.

이때, 연돌장치(300)의 상부에는 하방으로 세척수탱크(310)를 통해 공급된 물을 원통형 타워 내부, 즉 하방으로 분하사는 분사노즐부(320)를 형성한다. 그리고, 분사노즐부(320)의 하부에는 판 형상으로 배치된 다단 구조로 오염물질을 함유한 가스의 상승을 제지하는 가스배출조절부(330)를 포함하여 구성한다.

가스배출조절부(330)는 원통형 타워 내부에 다수개가 다층 구조로 구성되는데, 상방에서 하방으로 경사진 원형 경사판 구조를 갖는다. 이에 따라 무거운 가스는 가스배출조절부(330)에 막혀 하방으로 가라앉게 되어 가스의 상승 유입을 저지하고 무거운 가스를 주변으로 퍼지게 하여 하강시킨다. 그리고, 상부로 가벼운 맑은 공기만을 통과시킨다.

한편, 연돌장치(300)를 통과한 통과한 공기(가스) 중에는 처리되지 못한 이산화탄소가 포함되어 있으며, 이러한 이산화탄소를 포함한 공기는 이산화탄소 처리장치(600)를 통해 처리하도록 한다.

그리고, 바람직한 일 실시예로, 연돌장치(300)와 이어지는 이산화탄소 처리장치(600)는, 탱크부(610)와 가스이송라인(620)과, 유체이송라인(630)을 포함한 구조를 갖는다.

구체적인 실시예로, 탱크부(610)는, 밀폐된 n개의 탱크를 연속되게 배치하되, 물을 설정에 따른 유량과 속도로 최초 탱크에 주입하면 연속되는 탱크가 순차적으로 설정의 높이까지 물을 채우도록 배열되어 유체의 흐름을 갖도록 배열된다.

가스이송라인(620)는, 이산화탄소를 포함한 공기(CO₂ + 공기)를 강제 이송하여 탱크의 하부로 강제주입하여 물에 녹아 반응하게 하고, 물을 통과하여 탱크 상부에 모인 가스를 재포집하여 동일 탱크 또는 이웃하는 탱크의 하부로 강제주입한다.

유체이송라인(630)은, 연속되게 배치된 탱크 중, 최초 탱크에 물을 주입하고, 마지막 탱크의 일측에서 이산화탄소가 녹은 탄산수를 외부로 배출한다.

이와 같은 구조에 따라, 이산화탄소 처리장치(600)는, 공기(가스) 내 포함되어 있는 이산화탄소(CO₂)를 강제적으로 물 속에서 포집하여 탄산수로 처리할 수 있도록 이루어져 이산화탄소 배출 제로를 실현한다.

CO₂ + H₂O = H₂CO₃ ---- (식1)

이와 같이 (식1)의 반응을 통해 이산화탄소는 물에 녹아 탄산을 생성하고 물은 탄산수가 된다.

이하, 도 2와 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템(1)의 사용상태를 구체적인 일 예로 설명하면 하기와 같다.

먼저, 일 실시예로, 본 발명은 고온발생장치(100)를 가지며, 열교환 담수화장치(200)를 구성하는 n개의 탱크를 수직 또는 수평으로 배열 배치한다.

우선, 해수공급탱크(400)에서 해수공급라인(L1)을 통해 고온발생장치에서 가장 먼 곳에 위치한 탱크(201, 201')로 해수를 설정에 따른 유량과 속도로 주입한다.

n개의 탱크가 수직형으로 배열 배치된 실시예에서는, 최상부 탱크(201')로 유입된 해수는 개방된 해수공급통로(A)를 통해 하방으로 이동되고 최하부 탱크(204')를 먼저 설정의 높이까지 채우게 된다. 그리고, 최하부 탱크(204')가 채워지면 볼 형상 체크 밸브(B1)에 의해 최하부 탱크(204')로의 해수 유입은 차단되고 최하부 탱크(204')의 상부에 위치한 탱크(203')에 해수가 채워진다. 이와 같이, 제일 하부의 탱크부터 최상부의 탱크까지 순차적으로 해수가 설정의 높이까지 채워진다(도2 참조).

그리고, n개의 탱크가 수평형으로 배열 배치된 실시예에서는 일측에서 유입된 해수를 이웃하는 탱크로 유입시키는 해수이송관(230)를 더 포함하는 구조를 갖는 바, 고온발생장치(100)에서 가장 먼 곳에 위치한 제1탱크(201)로 공급된 해수는 제1탱크(201)내 미리 결정한 높이까지 채워지고 해수이송관(230)을 통해 이웃하는 제2탱크(202)로 연속적으로 이송된다. 그리고, 제3 내지 제5 탱크까지 순차적으로 미리 결정한 설정의 높이까지 해수가 채워지게 된다(도6참조).

한편, 소각로, 제철소 용광로, 산업현장 보일러와 같은 고온발생장치(100)는 해수를 가열할 수 있을 정도로 높은 온도를 가지는 고온의 배기가스(열원가스, H/G)를 생성하고, 이러한 고온의 열원가스(H/G)는 n개의 탱크를 관통하도록 배열 배치된 다수개의 가스배관(110)을 타고 연돌장치(300) 측으로 이동한다.

이때, 고온발생장치(100)에서 가장 가까운 탱크(도2의 204', 도6의 205)에서부터 탱크 내 채워진 해수의 일부가 끓어 수증기화되고 상부에어공간(S)에 모여진다. 그리고 모여진 수증기는 포집되어 열교환관(220)으로 이송된다.

한편, 열교환관(220)은 상술한 바와 같이, 탱크를 관통하면서 해수층에 포함되게 위치한 관으로, 열교환관(220)을 통과하면서 수증기(w/s)는 응결수(m/c)가 되면서 담수화되어 담수이송라인(L2)을 통해 모아진다.

한편, 탱크 내부에서 수증기화된 해수는 연속적으로 해수공급라인(L1)을 통해 공급되기 때문에 상술의 열교환 담수화장치(200)를 구성하는 탱크 내에는 항상 미리 결정한 설정의 해수가 채워져 있음은 물론이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템(1)은, 해수를 끓여 수증기화하고 이를 다시 해수를 이용해 응결시켜 담수화할 수 있도록 이루어져 시설이 간단하면서도 유지비용이 적은 효과를 가진다.

이상에서 설명한 본 발명은 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

1 : 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템
100 : 고온발생장치
200 : 열교환 담수화장치
210 : 수증기 포집관
220 : 열교환관
300 : 연돌장치
400 : 해수공급탱크
500 : 담수저류탱크
600 : 이산화탄소 처리장치

Claims (12)

1. 소각로, 제철소 용광로, 산업현장 보일러에서 생성되는 고온의 배기가스(열원가스)가 가지는 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템에 있어서,
   상기 고온의 열원가스를 생성하는 고온발생장치와;
   상기 고온발생장치에서 생성한 열원가스를 이송하는 가스배관이 관통되게 배치된 n개의 탱크를 연속되게 배치하되,
   상기 고온발생장치에서 가장 먼 곳에 위치한 최초 탱크에 해수를 설정에 따른 유량과 속도로 주입하면 n개의 탱크가 순차적으로 설정의 높이까지 해수를 채우는 유체의 흐름을 갖고,
   열원가스에 의해 가열된 가스배관의 높은 온도에 의해 탱크 내의 해수는 가열되어 일부가 수증기화되고, 상기 수증기를 포집하여 이송하는 열교환관을 해수가 채워진 n개의 탱크에 통과시키면서 해수의 온도차를 이용해 수증기를 응결시켜 담수화시키고 청수로 배출하는 열교환 담수화장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 열교환 담수화장치는 n개의 탱크를 수직으로 연속되게 배치하여,
   최상부 탱크에 해수를 설정에 따른 유량과 속도로 주입하면 해수는 하방에 위치한 탱크로 유입되어 최하부 탱크부터 순차적으로 설정의 높이까지 해수를 채우게 되는 유체의 흐름을 갖는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 열교환 담수화장치의 탱크는,
   상부에서 유입된 해수를 하방으로 통과시키는 해수공급통로(A)와, 상기 해수공급통로(A)의 개방유무를 결정하는 볼 형상 체크 밸브(B1)를 포함하되,
   상기 볼 형상 체크 밸브(B1)는 각 탱크에 저장된 해수의 부력에 따라 상기 해수공급통로(A)의 개방여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 열교환 담수화장치의 최상부 탱크는,
   상부 일측에 해수공급탱크에서 해수공급라인을 통해 해수가 유입되고, 설정 높이 이상으로 채워지는 해수는 회수관을 통해 해수공급탱크로 회수되게 하여 연속적인 해수공급이 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템.
   
5. 제 2항에 있어서,
   상기 열교환 담수화장치의 최하부 탱크는,
   연소 시 발생하는 상승 연기를 측방으로 유도하여 재차 고온발생장치 내부로 유입되게 하여 완전연소를 유도하는 오목면을 형성한 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템.
   
6. 제 2항에 있어서,
   상기 열교환관은 탱크 상부측 에어공간과 연통된 관 형태로, 상방으로 연장되어 n개의 탱크의 해수층을 관통하도록 각각의 탱크에 구비되고,
   다수개의 열교환관은 최상부 탱크 측에서 합류되어 담수이송라인과 연결되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 열교환관은 각각의 탱크 일측에서 분기되어 담수이송라인에 합류하는 분기관을 더 포함하고,
   상기 분기관을 형성하는 구역의 열교환관은 이중관 구조를 가져, 수증기가 내부관을 타고 상승하는 도중에 응결된 응결수는 내부관의 단부 외측으로 떨어져 분기관을 통해 담수이송라인으로 유입되어 모이는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 열교환 담수화장치는 n개의 탱크를 수평으로 연속 배치하되;
   상기 열교환 담수화장치는,
   상기 고온의 열원가스가 통과하는 가스배관에 의해 채워진 해수의 일부를 증발시켜 수증기화하고, 상부측 에어공간에 모인 수증기를 수증기포집관을 통해 포집하는 증발탱크부와,
   상기 증발탱크부와 이웃하여 연속되게 배치되고, 상기 수증기포집관과 연통되면서 n개의 탱크의 해수층을 관통하도록 연결된 설정 길이를 갖는 열교환관과, 일측에서 유입된 해수를 이웃하는 탱크로 유입시키는 해수이송관을 포함하는 열교환 탱크부를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 열교환 탱크부는, 적어도 2개 이상의 탱크로 이루어진 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템.
   
10. 제 1항에 있어서,
    상기 n개의 탱크를 관통한 가스배관의 단부측과 연결되어 가스배관을 통과한 배기가스를 정화하는 연돌장치와;
    상기 연돌장치의 상부와 연결되어 정화되어 배출되는 공기(가스) 중 포함된 이산화탄소(CO₂)를 포집하여 처리하는 이산화탄소 처리장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템.
    
11. 제 10항에 있어서,
    상기 연돌장치는 가스배관과 연통되고 설정 높이를 갖는 원통형의 타워로,
    상부에 하방으로 공급된 물을 분사하는 분사노즐부와,
    판형상으로 상기 분사노즐부의 하부에 배치되되, 다단 구조로 오염물질을 함유한 가스의 상승을 제지하는 가스배출조절부를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템.
    
12. 제 10항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리장치는,
    밀폐된 탱크를 연속되게 배치하되, 물을 설정에 따른 유량과 속도로 최초 탱크에 주입하면 연속되는 탱크가 순차적으로 설정의 높이까지 물을 채우도록 배열되어 유체의 흐름을 갖도록 배열된 탱크부와;
    상기 이산화탄소를 포함한 공기(CO₂ + 공기)를 강제 이송하여 탱크의 하부로 강제주입하여 물에 녹아 반응하게 하고, 물을 통과하여 탱크 상부에 모인 가스를 재포집하여 동일 탱크 또는 이웃하는 탱크의 하부로 강제주입하는 가스이송라인과;
    연속되게 배치된 탱크 중, 최초 탱크에 물을 주입하고, 마지막 탱크의 일측에서 이산화탄소가 녹은 탄산수를 외부로 배출하는 유체이송라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 담수화 설비 시스템.

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