KR930009718B1 - 배기가스 및 연도가스의 미립자 제거장치 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

배기가스 및 연도가스의 미립자 제거장치
제 1 도는 본 발명에 따른 장치의 한 실시예의 단면도.
제 2 도는 배기가스 및 연도가스장치로부터 분리될 수 있는 미립자 제거장치의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 배기가스관 2 : 도체(conductor)
3, 4, 8 : 절연체 5 : 외부가열기
6, 9 : 도관 7 : 침적물(deposite)
10 : 스파트 또는 글로우플러그(spark-or glow-plug)
11 : 메인파이프 12 : 연결부
본 발명은 화석연료의 연소에 의해 생성되는 배기가스 및 연도가스로부터 미립자들을 제거하기 위한 장치에 관한 것으로서, 특히 디이젤기관 배기가스로부터 또는 경유나 중유, 방향족 화합물과의 혼합물(난방설비, 휴대용 발전기, 대규모 발전소등)에서이나 석탄을 연소시킬때 관련된 모든 응용장치들로부터 나오는 연도가스로부터 미립자들을 제거하거나 또는 최소한 미립자들의 방출을 감소시키기 위한 장치에 관한 것이다.
간단하게 하기 위하여, 비록 하기에서는 주로 디이젤기관에 참조로 인용되었지만, 다른 장치들에도 참조로 인용되어 동등하게 적용된다.
탄화수소의 연소는, 약 10개의 탄소원자를 가진 분자들 또는 간단한 방향성분자들로부터 생기므로, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)과 같은 통상의 연소생성물을 생기게 할뿐 아니라, 불연소 유기화합물, 매연 및 질소산화물과 같은 생성물을 생기게 한다.
연소에 사용된 공기량에 따라 배기가스의 조성은 상당히 다양하지만 우수한 공정수율(예를들면 충분한 동력을 얻는 것)을 위하여, 공연비(air-fuel ratio)가 미립자들의 방출을 피하기 어려운 어떤 값에 고정된다.
이런 현상은 특히 자동차 디이젤기관에서 현저하게 나타나는데, 이는 심한 오염문제 및 공중건강을 심각하게 해치는 문제를 야기시킨다.
일반적으로 말하면, 이러한 비난은 근거가 없는 것이다. 사실, 가솔린 기관과 비교하면, 디이젤기관은 4 내지 6배 적은 일산화탄소(일산화탄소는 혈액-산소 교환작용을 방해하므로 매우 유독하다). 약 절반의 불연소 탄화수소(이는 매우 발암성이 높다) 및 약 절반의 질소산화물(이들 중에는 산성비의 원인이 되는 것이 있다)을 방출한다. 그렇지만, 디이젤기관은 유황이산화물(이는 가솔린을 가지고 사용될 때와 같이 산성비의 원인이 되지만, 디이젤연료가 탈황된다면 제거될 수 있다)뿐 아니라, 약 40배 이상의 탄소입자들(오랜기간 동안 이들은 기관지염 및 다른 폐질환을 일으킬 수 있다)을 방출한다.
또한 매연은 불연소 탄화수소를 흡수하여서 이들 발암성물질을 위한 매개체로서 작용한다는 것이 주목되어야 한다.
즉, 경유, 연료유등등의 연소에 의해 방출되는 매연은 매우 불유쾌하고, 그러한 방출물들은 제거되거나 또는 최소한 크게 감소되어야 한다는 것은 의심할 바 없다.
전자장치에 의해 연소를 조절함으로써 탄화수소의 연소에 의해 발생되는 미립자량이 약간 감소될 수 있다. 그렇지만, 이러한 조절은 단지 약 20%정도 매연을 감소시키지만, 이는 많은 장치에 대하여 불충분한 것이어서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 많은 노력들이 경주되어 오고 있다.
다수의 특허들(예를 들면 J63-232817, EP283240 및 114696, US 4622810, 4604868 및 4571938 등)에서는 예를 들면 특수연소기 또는 예열 공기의 흐름에 의해서 생성되는 고온의 가스를 이용해서 연소시키므로서, 기계적으로 미립자들을 트랩시키고 그리고 주기적으로 재생시키는 다양한 종류의 세라믹 여과기들이 사용되고 있다. 이 여과기는 종종 연소를 용이하게 하기 위하여 백금과 같은 촉매로 함침되어 있다. 이러한 방법으로 미립자량이 크게 감소되었지만, 현재까지 채택된 해결방안들의 복잡성, 세라믹 여과기의 비용 및 취약성, 그리고 촉매의 비용 및 가치 감손(예를 들면 유독성으로 인한)으로 지금까지 그러한 세라믹 여과기의 사용이 비경제적이었으며, 특히 차량에 대하여 그러하였다.
미합중국 특허 제 4741746 호에서는 디이젤 기관 배기가스로부터 탄소입자를 침전시키기 위하여 코로나효과(corona effect)를 가진 정전 침전기의 사용을 제안하고 있다.
미합중국 특허 제 4587808 호는 디이젤 기관에 관한 것으로서, 분자 해리기의 사용을 제공하고 있은데, 이 분자해리기는 150KV까지의 충전용량을 가지며, 일산화탄소, 이산화탄소, 질소산화물분자 및 불연소 탄화수소를 그 구성성분인 화학연소로 해리시키고, 그 다음에 정전침전기 및 사이클론에 의해 배기가스내에 존재하고 있던 탄소 분자들뿐 아니라 상기와 같이 생성된 탄소 분자들이 제거된다.
그렇지만, 1987년에 수송수단에 의해 야기되는 대기오염 문제에 관한 파리회의에서 보고된 바에 의하면, 산업화된 상기 장치가 차에 설치되었을때, 그 장치들의 효율이 의심스럽거나(사이클론의 경우) 또는 그 장치들의 크기가 과도하게 크고 그 장치들이 매우 복잡하다고(정전분리기의 경우) 보고되었다(참조 : Pollution Atmospherique. Special Number, December, 1987, 페이지 268-285).
상기로부터, 제한된 크기의 장치(자동차 디이젤 기관 또는 가정용 난방설비와 같은)경우에 있어서, 탄화수소의 연소로부터 발생되는 가스중의 매연 감소와 밀접한 관련이 있는 기술적, 경제적 문제들이 전혀 해결되지 않는다는 것은 분명하다.
본 발명의 목적은, 분리된 매연을 제거하기 위하여, 하기 시스템과 함께 작동하는 간단한 장치뿐 아니라, 탄화수소의 연소로부터 발생되는 배기가스에서의 미립자방출을 현저하게 감소시키는 것을 보증하는 간단하고 값이 싸고 소형인 장치를 제공함으로써 이들 결점들을 제거하는 것이다.
본 발명에 따르면, 고전압발생기, 매연의 정전분리장치 및 집중된 매연을 제거하기 위한 제거장치로 이루어지며, 화석연료를 연소하는 연소장치의 배기가스관 또는 연도가스관에 도입되는 미립자 제거장치를 특징으로한다.
상기 매연의 정전분리장치에서는 배기가스 또는 연도가스가 통과하는 적어도 한쌍의 도체가 포함되며, 각 도체는 적당하게 상기 고전압발생기의 단자들중의 하나에 연결되며, 상기 도체의 한쪽은 다른쪽의 도체와 반대극성의 전하를 가지고 있다.
선택적으로, 상기 도체들은 최소한 다른쪽 도체쪽을 향하는 한점을 가지는 한쪽도체로 이루어질 수 있는데, 한쪽 도체는 다른쪽 도체로부터 적당하게 절연되어 있다.
그러나 다른 실시예에 있어서, 상기 도체들중의 한쪽 도체가 도관의 안쪽의 표면으로 이루어지며, 다른쪽도체는 한쪽 도체로부터 적당히 절연되고 상기 도관의 축을 따라 놓여진다. 집속된 매연을 제거하는 상기 장치는 미립자들의 온도를 상승시키고 그리고 배기가스자체 또는 또는 공기의 영향에 의해 미립자들을 연소시키는 장치로 이루어져 있다. 접속된 매연은 또한 상기 장치로부터 장탈되어 청소되는 호환성 및 교환성이 있는 장치를 사용함으로써, 제거될 수 있으며, 반면에 공지된 장치가 어떤 응용장치를 위해 채택될 수 있다.
집속된 미립자들의 온도를 상승시키기 위한 상기 장치는 다음 장치로 이루어질 수 있다.
- 물질을 산화시킬때 발생하는 풍부한 고온의 가스를 미립자들로 보내는 소형보조연소기 :
- 배기가스, 공기 또는 공기와 배기가스의 혼합물에 존재하는 미립자들을 가열시키는 전기가열기.
굴뚝, 공장굴뚝 및 상업용 차량의 배기관의 경우에 있어서와 같이 배기가스관 또는 연도가스관이 수직으로 설치되는 장치에서, 미립자를 제거시키기 위한 상기 미립자 제거장치는 가장 낮은 부분에 설치되는 집속트랩과 가스가 수직으로 들어와서 흐르는 포인트로 이루어질 수 있다. 트랩에서의 미립자들의 집속은 연소과정 또는 가스흐름이 중단되는 동안 작동되는 진동기와 같은 적당한 장치를 사용하는 것에 의해 용이하게 될 수 있다. 그러나 다른 실시예는 매연용기로서 작용을 하고 배기/연도관으로부터 분리될 수 있어서 자주 장탈되어서 청소될 수 있고 그 다음에 교체 및 재사용될 수 있는 적당한 크기의 미립자 제거장치의 사용을 제공하고 있다. 본 발명은 첨부도면을 참조로하여 훨씬 더 상세하게 기술되는데, 도면은 단순히 본 발명을 예시로서 도시하는 것이지 본 발명의 목적 및 범위를 제한하는 것은 아니다. 제 1 도에서 강철제의(바람직하게는 스테인레스강) 연도가스관 또는 배기가스관(1)은 또한 미립자 제거장치의 도체중의 하나이며, 고전압발생기(도면에는 도시되지 않았음)의 양(+)극에 연결된다.
배기가스는 도관(9)을 경유하며, 고전압발생기의 다른 극에 연결되는 다른 도체는 절연제(8)를 통하여 연도가스관 또는 배기가스관(1)으로 들어와서 어느정도 거리까지 상기관의 축을 따라 뻗어 있으며 절연체(3)에 의해 부분적으로 절연되어 있다. 도체(2)의 자유단은 적합한 절연체(4)에 의해 지지되어 있으며, 소형의 경우에는 간격이 띄워진 바들이 배기가스관(1)과 도체(2)사이에 놓인다.배기가스관(1)은 또한 외부가열기(5), 도관(9) 및 스파크 또는 글로우플러그(10)를 가지고 있다.
작동중에, 배기가스는 도관(9)에 의해 배기가스관(1)으로 보내져서 배기가스관을 우측으로부터 좌측으로 가로지른다. 전압발생기의 단자에 연결되어 있는 도체(2)와 배기가스관(1) 사이의 공간(8)에서, 탄소입자들은 전기적으로 충전되고 배기가스관(1)의 안쪽벽으로 향하여 끌려져서 거기에서 탄소입자들은 방전되며 그리고 침적되어서 침적물(7)을 형성하게 된다.
이 침적물이 어떤 두께를 가질때, 또는 전체 도체의 역할을 하는 배기가스관(1)의 내부의 탄소축적이 도체역할을 하는 배기가스관(1)과 도체(2)가 서로 완전히 절연될 수 없는 단계에 도달되었을때, 도체들 사이의 전압은 감소되며 어떤 경우에는 매우 심하게 감소된다.
이때에, 전기저항장치로 이루어지는 가열기(5)는 작동상태에 놓여지며 또는 글로우 또는 스파크플러그(10)는 스위치를 온시키거나 또는 보조연소기로부터 들어오는 매우 고온의 가스 또는 공기를 들여보낸다. 이들 작동들은 개개로 동작하거나 또는 최소한 다른 동작의 하나와 결합하게 되며, 또 이들 작동들은 탄소 침적물(7)의 온도를 일반적으로 400℃에서 550℃ 사이로 상승시켜서, 탄소를 연소시킨다.
이 작동을 용이하게 하기 위해서, 최소한 상기 배기가스관(1)의 2개가 평행으로 놓여서, 매연이 최소한 그들중 하나에서 배기가스로부터 제거되는 반면에, 이전에 침적된 미립자는 최소한 나머지중의 하나에서 제거된다.
이런 방식으로, 각 배기가스관들은 교대로 매연분리기 및 매연제거기로써 작용한다. 요구되는 기능의 선택 및 배기가스를 한쪽 배기가스관으로부터 다른쪽 배기가스관으로 전환시키는 밸브작동의 선택은 편리하게 특수프로브로부터 정보를 받는 타이머 또는 마이크로프로세서에 의해 자동적으로 조절된다. 제 2 도에서는 동일한 번호들이 제 1 도에서와 동일한 부품들을 지시하며, 배기가스관(1)은 연결부(12)에 의해 연결되는 메인파이프(11)로 이루어질 수 있는데, 예를 들면 베이어니트피팅(bayonet fitting)으로 이루어질 수 있다.
매연분리에 관해서 이 장치가 작동하는 방식은 제 1 도에서 기술된 실시예와 꼭같은 방식이다. 여기에서도 역시 최소한 2개의 배기가스관을 평행으로 설치하는 것이 가능하고, 매연제거작용을 위해서 배기가스가 단지 상기 배기가스관들중 하나로 통하여 교대로 또는, 2개 이상의 배기가스관이 있다면 이들중 일부만으로 통하여 통과된다.
제 2 도의 장치에서 일단침적된 매연층이 미리 맞추어진 수준에 도달하게 되면, 단자역할을 하는 배기가스관(1)은 메인파이프(11)로부터 분리되어, 따로따로 청소되며 다른 깨끗한 단자와 교환될 수 있다.
실험에 의하면 배기-연도가스의 미립자 함량이 용이하게 최소한 50%정도 감소될 수 있다는 것이 밝혀졌다.
선택적인 실시예로서 공기가 배기가스의 흐름을 방해하지 않고 배기가스관(1)으로 보내질 수 있다는 것이 알려졌다.
이런 방식에서는 평행으로 하나 이상의 도관을 설치하는데 있어서의 복잡성을 피하고, 진동, 충격 또는 유사한 현상으로 인하여 배기관으로부터 덩어리로 나올 수 있는 매연의 축적을 피하는 것이 가능하다.
본 발명은 3866cc 기관 및 40KW/1500rpm의 전압발생기를 갖춘 디이젤-전기 세트의 배기시스템에서 시험되었다. 이 기관은 시험기간동안 1300과 1480rpm 사이에서 운전되었다.
이 매연 제거장치는 직경 15mm의 축방향 강철 바아세트를 갖춘 하나 또는 2개의 1000mm 길이, 150mm내경의 강철제 실린더들(평행하게 설치되며 함께 또는 교대로 작동한다)로 이루어져 있다.
0.5mA에서 30KV의 전압이 바깥쪽 실린더와 축방향 로드사이에 적용되며, 각 시험은 1시간 동안 운전되며, 500 리터의 연속시료가 이 장치를 통하여 통과하는 가스로부터 채취되었다. 이 시료는 다공성여과기로 보내져서 이 방식으로 집속된 미립자들의 무게가 측정되었다. 시험결과는 다음 표에 주어진다.
[표]
Figure kpo00001
490℃의공기흐름이 분리도관으로 통과될때, 침적된 매연은 빠르게 연소되어 버렸다.
배기가스가 공기로 농축되었을때, 배기가스는 분리공정중에 연소되었으며, 미립자 제거율은 12%에서 13%로 향상되었다.

Claims (10)

  1. 화석연료를 연소시키므로써 생성되는 배기가스 및 연료가스의 미립자를 제거하는 장치에 있어서, 고전압발생기, 미립자를 정전분리하는 정전분리장치 및 집속된 미립자를 제거하는 제거장치로 구성되며, 상기 고전압발생기, 정전분리장치 및 제거장치의 조합이 배기가스 또는 연도가스를 통과시키는 배기가스관에 도입되며, 상기 정전분리장치는 배기가스 및 연료가스를 통과시키는 적어도 한쌍의 도체(1, 2)로 구성되어 있고, 각 도체는 상기 고전압발생기의 단자중 하나에 연결되는 것을 특징으로 하는 배기가스 및 연도가스의 미립자 제거장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 한쌍의 도체(1, 2)가 도관내에 있는 2개의 마주하는 벽들로 이루어지며, 서로 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 한쌍의 도체중의 한쪽 도체(1)가 다른쪽 도체(2)의 앞면으로부터 적어도 연장되는 벽으로 이루어지고, 또 상기 다른쪽 도체쪽을 향하는 한점을 가지며, 상기 한쪽 도체가 다른쪽 도체와 전기적으로 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 한쌍의 도체중의 한쪽 도체(1)가 도관의 안쪽의 표면으로 이루어지고, 다른쪽 도체(2)는 한쪽 도체로부터 전기적으로 절연되며, 또 상기 도관의축을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 집속된 미립자를 제거하는 제거장치가 미립자의 온도를 상승시키는 장치와, 공기를 풍부하게 가진 배기가스자체 또는 공기로 미립자를 연소시키는 장치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제거장치가 청소를 위하여 장탈될 수 있고 그리고 이미 정소가 된 다른 유사한 장치에 의해 교환될 수 있는 장탈성이 있고 호환성이 있는 장치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 미립자의 온도를 상승시키는 장치가 물질을 산회시킬 때 발생하는 풍부한 고온가스를 상기 미립자로 보내는 보조연소기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 미립자의 온도를 상승시키는 장치가 배기가스, 공기 또는 공기와 배기가스의 혼합물에 존재하는 미립자를 가열하는 전기가열기(5)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전기가열기가 적어도 하나의 스파크 또는 글로우플러그(10)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 배기가스가 미립자 침전공정중에 공기를 풍부하게 갖게 되어서 적어도 미립자들의 일부를 연소시키는 것을 특징으로 하는 장치.
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