KR100694492B1 - 자체 폐열을 이용한 백연방지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자체 폐열을 이용한 백연방지장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배출가스 자체의 열을 이용하여 응축된 배출가스를 가열함으로써 별도의 열원 없이도 효과적으로 배출가스의 온도를 상승시켜 백연현상을 방지할 수 있도록 하는 자체 폐열을 이용한 백연방지장치에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 별도의 열원이나 연돌의 구조 변경이 없이도 효율적으로 배출가스의 백연현상을 제거할 수 있으며, 배출가스와 냉각수가 직접 접촉하지 않음으로써 냉각수측 설비의 재질을 통상적인 재질로 사용할 수 있는 효과가 있다.

배출가스, 백연, 응축기, 가열기, 예열기, 감습

Description

자체 폐열을 이용한 백연방지장치{DEVICE FOR PREVENTING WHITE PLUME PHENOMENON WITH SELF HEATING}

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 백연방지장치의 구성을 나타낸 구성도.

도 2는 배출가스가 과열증기인 경우의 온습도 곡선.

도 3은 응축기의 구조를 나타낸 구조도.

도 4는 배출가스 가열기의 구조를 나타낸 구조도.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 백연방지장치의 구성을 나타낸 구성도.

도 6은 배출가스가 포화증기에 가까운 경우의 온습도 곡선.

도 7은 공기 예열기의 구조를 나타낸 구조도.

도 8은 배출가스 재가열기의 구조를 나타낸 구조도.

**도면의 주요부분에 대한 부호설명**

10 : 배출가스 발생시설 12 : 배출가스 유입관 20 : 연돌

100, 100' : 백연방지장치 110 : 배출가스 가열기 112 : 핫 라인

114 : 콜드 라인 120 : 가스 이동관 130 : 응축기

132 : 배출가스 응축관 134 : 냉각튜브 136 : 응축수 유도관

138 : 밸브 140 : 냉각탑 142 : 냉각핀

150 : 배출가스 방출관 160 : 유인송풍기 170 : 급기팬

180 : 공기예열기 190 : 배출가스 재가열기

본 발명은 자체 폐열을 이용한 백연방지장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배출가스 자체의 열을 이용하여 응축된 배출가스를 가열함으로써 별도의 열원 없이도 효과적으로 배출가스의 온도를 상승시켜 백연현상을 방지할 수 있도록 하는 자체 폐열을 이용한 백연방지장치에 관한 것이다.

일반적으로, 습식집진시설과 산업용 건조시설 등에서 배출되는 백연은 가시적 공해뿐만 아니라 배출구 주변에 오염물질을 함유한 응축수분이 낙하되어 많은 민원을 야기한다.

백연현상(white plume phenomenon)이란 수분을 함유하고 있는 배출가스가 연돌에서 배출되어 대기와 혼합, 확산될 때 온도가 내려가 배출가스 중의 수증기가 노점 이하로 되면서 결로하여 미세한 액적 상태로 되어 흰 연기와 같이 보이는 현상을 말한다.

습식 백연탈황설비나 배출가스 처리설비로 웨트 스크러버(wet scrubber), 워터 켄처(water quencher) 등을 사용하는 쓰레기 소각설비, 발전설비 등에서는 배출가스 중에 수분이 다량으로 포함되어 있기 때문에, 상기와 같은 백연 현상이 빈번 하게 나타나게 되며, 일반 보일러의 경우는 습도가 낮아 그 심각도는 적으나, 백연현상은 동일하다.

백연현상에 대해서 법적 규제는 없으나, 일반적으로 이 백연현상을 제거하려고 하는 이유는 배출가스 내의 수분과 산화물이 반응하여 굴뚝 내부를 부식시키는 것을 방지하고, 배출가스 온도를 높여 배출가스의 통풍력을 향상시켜 배출가스의 대기 확산을 용이하게 하기 위한 것이다. 또, 비행장 근처에서 항공기 이착륙시 시계를 확보하고, 도시, 관광지에서의 미관을 해치는 것을 방지하기 위해서도 백연현상을 제거할 필요가 있다.

웨트 스크러버에서 배출되는 백연의 경우 완전히 기화되지 못한 산성물질과 중화반응 부산물인 액적 상태의 수증기가 확산되지 못하고 굴뚝 아래로 낙하하여 주위의 차량, 건물, 인체 등에 접촉하여 약영향을 미칠 수 있는데, 이를 방지하기 위해서도 백연 제거장치가 필요하다.

이러한 백연을 제거하기 위한 기술로서 다수의 출원이 개시되어 있는데, 크게 분류하면 별도의 연소실을 구비하여 배기가스를 가열하는 가열식, 공냉식 응축기와 냉각공기 송풍기를 이용한 응축희석식, 수냉응축기와 배기가스 재가열기를 구비한 재가열식 등이 있다.

이러한 종래기술을 사용하는 경우에는 별도의 연소시설이나 냉각시설이 설치되어야 하므로, 초기 투자비용이 과다해지는 단점이 있으며, 기존의 연돌이나 굴뚝을 개조하여야 하므로 설치시간과 비용이 커지는 단점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 과열증기 상태의 배출가스가 공급되는 경우, 별도의 가열장치나 연소시설의 부가 없이 배출가스 자체의 폐열을 이용하여 가열작용을 함으로써 연료비를 절감하고 설치비용을 최소화할 수 있도록 하는 자체 폐열을 이용한 백연방지장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 포화증기 상태의 배출가스가 공급되는 경우에도 보조열원 없이 백연방지가 가능하며, 설비투자의 경제성을 따져 스팀이나 히터에 의한 가열기를 이용하여 응축된 상태의 배출가스의 온도를 상승시킴으로써 최소한의 비용으로 백연현상을 제거할 수 있도록 하는 자체 폐열을 이용한 백연방지장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 기존의 연돌의 구조나 위치를 변경하지 않고도 효율적으로 백연현상을 방지할 수 있도록 하는 자체 폐열을 이용한 백연방지장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 백연방지장치를 제공하는데 상기 백연방지장치는

연소가스 배출시설로부터 방출되는 과열증기 상태의 고온의 배출가스가 통과하는 핫 라인과, 내부의 습기가 일정 정도 제거된 배출가스가 통과하는 콜드 라인으로 구성되며, 고온의 핫 라인으로부터 저온의 콜드 라인으로 열전달이 이루어지는 배출가스 가열기와;

냉각수가 흐르는 다수의 냉각튜브로 이루어지며, 상기 핫 라인으로부터 유입된 고온의 배출가스를 응축시켜 습기를 제거한 후, 상기 콜드 라인으로 다시 배출하는 응축기;를 포함하며,

상기 배출가스는

상기 핫 라인을 통과하면서 포화상태까지 냉각되고, 상기 콜드 라인을 통과하면서 백연한계접선보다 아래 영역으로 온도가 상승하게 되며,

상기 콜드 라인을 통과한 배출가스는 연돌을 통해 대기중으로 방출되는 것일 수 있다.

또한, 배출가스 자체의 폐열을 이용하여 백연을 제거하는 장치에 있어서,

연소가스 배출시설로부터 방출되는 포화증기 상태의 고온의 배출가스가 통과하는 핫 라인과, 내부의 습기가 일정 정도 제거된 배출가스가 통과하는 콜드 라인으로 구성되며, 고온의 핫 라인으로부터 저온의 콜드 라인으로 열전달이 이루어지는 배출가스 가열기와;

냉각수가 흐르는 다수의 냉각튜브로 이루어지며, 상기 핫 라인으로부터 유입된 고온의 배출가스를 응축시켜 습기를 제거한 후, 상기 콜드 라인으로 다시 배출하는 응축기와;

외부 공기를 일정 온도로 가열하여 상기 콜드 라인을 통해 배출되는 배출가스와 혼합하는 공기 예열기;를 포함하며,

상기 배출가스는

상기 핫 라인을 통과하면서 포화상태까지 냉각되고, 상기 콜드 라인을 통과하면서 온도가 상승하며, 상기 가열된 외부 공기와 혼합되면서 상기 백연한계접선보다 아래 영역으로 온도가 상승하게 되며,

상기 콜드 라인을 통과한 후 가열된 외부 공기와 혼합된 배출가스는 연돌을 통해 대기중으로 방출되는 것일 수 있다.

또한, 연소가스 배출시설로부터 방출되는 포화증기 상태의 고온의 배출가스가 통과하는 핫 라인과, 내부의 습기가 일정 정도 제거된 배출가스가 통과하는 콜드 라인으로 구성되며, 고온의 핫 라인으로부터 저온의 콜드 라인으로 열전달이 이루어지는 배출가스 가열기와;

냉각수가 흐르는 다수의 냉각튜브로 이루어지며, 상기 핫 라인으로부터 유입된 고온의 배출가스를 응축시켜 습기를 제거한 후, 상기 콜드 라인으로 다시 배출하는 응축기와;

상기 콜드 라인을 통해 배출된 배출가스를 일정 온도로 가열하여 배출하는 배출가스 재가열기;를 포함하며,

상기 배출가스는

상기 핫 라인을 통과하면서 포화상태까지 냉각되고, 상기 콜드 라인을 통과하면서 온도가 상승하며, 상기 배출가스 재가열기를 통과하면서 상기 백연한계접선보다 아래 영역으로 온도가 상승하게 되며,

상기 재가열기를 통해 배출된 배출가스는 연돌을 통해 대기중으로 방출되는 것일 수 있다.

상기 응축기의 저부에는 상기 배출가스의 응축에 의하여 발생한 응축수가 저장되며, 밸브가 구비된 응축수 유도관을 통해 외부로 방출되는 것일 수 있다.

상기 공기 예열기는 별도의 스팀 또는 히터를 열원으로 사용하는 것일 수 있다.

상기 배출가스 재가열기는 별도의 스팀 또는 히터를 열원으로 사용하는 것일 수 있다.

배가스 가열기와 응축기의 TUBE 내부 혹은 외부에 사카펜 코팅(SAEKAPHEN COATING) 을 한것일 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 자체 폐열을 이용한 백연방지장치(이하, '백연방지장치'라 함)를 설명한다.

제1실시예

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 백연방지장치의 구성을 나타낸 구성도이며, 도 2는 배출가스가 과열증기인 경우의 온습도 곡선, 도 3은 응축기의 구조를 나타낸 구조도, 도 4는 배출가스 가열기의 구조를 나타낸 구조도이다.

제1실시예에 따른 백연방지장치(100)는 배출가스 발생시설(10)로부터 방출된 배출가스의 절대습도를 낮추고, 온도를 백연한계접선보다 아래 영역으로 상승시켜 습기의 결로를 방지함으로써 연돌(20)을 통해 대기중으로 방출시켰을 때 백연현상이 발생하지 않도록 하는 장치이다.

제1실시예에 따른 백연방지장치(100)는 배출가스 발생시설로부터 방출된 배출가스가 과열증기 상태(배출가스가 100℃ 내지 200℃ 정도)일 때 적용되는 시스템이다.

과열증기 상태의 배출가스는 도 2의 온습도 곡선에서 A₀ 점에 위치한다. 이러한 과열증기 상태의 배출가스가 유입될 때에는 배출가스 자체의 열원만으로도 완벽한 백연방지효과가 발생한다.

먼저 배출가스 유입관(12)을 통해 유입된 배출가스 A₀ 점에서의 온도를 Tg₁ 이라고 하면, 응축기(130)를 통해 감온, 응축된 배출가스 A₁ 점에서의 온도 Tg₃ 을 결정한다. 즉, 배출가스 가열기(110)의 핫 라인(112)을 통과하면서 일정 온도만큼 냉각되고, 가스 이동관(120a)을 통해 응축기(130) 내부의 배출가스 응축관(132)으로 유입된 배출가스가 냉각튜브(134)에 의하여 냉각 및 응축되면서 습기가 제거된다.

이때 배출가스로부터 추출된 응축수는 응축기(130)의 저부에 저장되었다가 밸브(138)가 구비된 응축수 유도관(136)을 통해 외부로 나와서 폐기처리된다.

한편, 배출가스는 배출가스 응축관(132)을 통과하면서 온도와 절대습도가 낮아지는데, 포화곡선을 따라 A₁ 점으로 이동하게 된다. Tg₃ 의 온도를 알면 그 온도에서의 포화습도가 배출가스의 습도가 된다.

A₁ 점은 백연한계접선보다 위쪽 영역에 위치하고 있으므로, 이 상태로 대기중으로 방출될 경우 백연현상이 일어나게 된다. 이를 방지하기 위하여 백연한계접선보다 아래쪽 영역으로 이동할 때까지 응축된 배출가스를 가열하게 된다. 따라서 백연한계접선보다 아래쪽 영역에 있는 A₂ 점의 위치와 온도 Tg₄ 를 결정하게 된다.

백연이 보이지 않게 하는 주요 인자는 습도와 온도이다. 즉 감습하는 과정과 가온하는 과정이 A₀ 과 A₂ 과정에서 이루어지는데, 감습은 A₀ 와 A₁ 과정에서 이루어지며, 이 기능을 하는 설비는 배출가스 가열기(110)에서 일부 감온이 이루어지고, 응축기(130)에서의 응축과정에서도 온도가 조금 떨어진다.

그래프에서처럼 A₀ 에서 A₁ 으로 바로 이동하는 것이 아니라, A₀ 점에서 A₀₁ 점으로 감온이 이루어진 다음, A₀₁ 점에서 A₁ 점으로 포화증기곡선을 따라 감습이 이루어진다. 이때는 온도 저하는 거의 없으나 감습과정에서 많은 수분이 응축된다.

배출가스의 가열은 배출가스 가열기(110)에서 일어나게 되는데, 배출가스 가열기(110) 내부의 핫 라인(112)과 콜드 라인(114)은 대류 또는 전도에 의한 열전달이 가능한 구조로 구성된다. 따라서 핫 라인(112)을 통과하는 고온의 배출가스에 의해 콜드 라인(114) 내부의 저온의 배출가스(절대습도가 낮아진 상태)의 온도가 A₂ 점의 온도(Tg₄)까지 올라가게 된다.

A₂ 점은 백연한계접선보다 아래쪽 영역에 위치하므로 공기 중으로 방출되었을 때 결로현상이 나타나지 않아서 백연이 발생하지 않게 된다.

배출가스 가열기(110)의 온도 효율 및 크기, 가격 등을 종합적으로 고려하여 가장 경제적인 온도를 결정함으로써 효율을 최대화할 수 있다.

제2실시예

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 백연방지장치의 구성을 나타낸 구성도이며, 도 6은 배출가스가 포화증기에 가까운 경우의 온습도 곡선, 도 7은 공기 예열기의 구조를 나타낸 구조도, 도 8은 배출가스 재가열기의 구조를 나타낸 구조도이다.

제2실시예에 따른 백연방지장치(100')는 배출가스 발생시설로부터 방출된 배출가스가 포화증기 상태(배출가스가 100℃ 이하)일 때 적용되는 시스템이다.

이 경우에도 응축후 배출가스 재가열시 자체 열원만으로도 가능하나 배출가스 발생시설(10)에서 배출되는 배출가스의 온도 Tg₁ 이 100℃ 보다 낮아서, 응축 냉각후 재가열 가능한 경제적인 온도(Tg₄)는 75℃ 내지 85℃가 된다.

75℃ 내지 85℃에서의 백연발생한계습도를 찾아보면, Tg₂ 를 30℃ 초반까지 냉각 응축을 시켜야 하므로, 응축기(130)의 온도 효율이 매우 높아야 한다. 따라서 응축기(130)의 크기 및 가격이 매우 커지므로 비경제적일 수 있다.

따라서 경제적인 응축 및 가열점을 찾고, 외부 열원 및 외부 기기를 사용할 것인지를 결정하여야 하는데, 다음과 세 가지로 나누어 검토해볼 수 있다.

1) 보조열원없이 감습 및 가열하는 방법

배출가스가 과열증기일 경우와 같이, A₀ - A₁ - A₄ 의 과정으로 감온 감습 후 배출가스의 열원(Tg₁)으로 Tg₃ 의 온도에서 Tg₄ 의 온도로 승온시켜 백연발생 한계범위를 넘어서는 방법이 있다. 이 경우에는 응축기(130)와 배출가스 재가열기(190)의 온도 효율이 매우 높아야 하고, 열교환기의 전열면적이 너무 커지게 되므로 비경제적일 수 있다.

2) 응축 및 자체 폐열로 가열 후 응축수 배출로 감소한 가스량만큼 외부 공기를 유입시키는 방법

이 방법은 A₀ 에서 A₁ 과정까지의 감온 감습과정은 동일하지만, A₄ 점까지 가열하지 않고 열교환기의 경제적인 크기를 고려하여 배출가스 가열기(110)로 A₂ 점까지만 가열한다.

그러나 A₂ 점에서는 백연이 발생할 수 있으므로, 공기예열기(180)를 이용하여 외기를 Ta₂ 온도까지 상승시킨 후, 배출가스와 혼합한다.(Ta₂ 〉Tg₄)

외기의 온도Ta₂ 는 배출가스와 혼합했을 때 백연방지한계접선 아래쪽 영역에 위치할 수 있을 정도의 온도로 결정한다.

이때 공기예열기(180)를 통과한 공기의 양은 응축기(130)에서 배출되는 응축수의 양과 같도록 하여 기존 연돌(20)의 변경이나 신규설치 없이도 백연방지가 가능하게 한다.

그러나 공기예열기(180)를 통한 외부 공기의 가열은 스팀이나 히터에 의한 별도의 열원이 필요하게 된다.

3) 응축 및 자체 폐열로 가열 후 배출가스를 가열하는 방법

또 하나의 방법은 배출가스 재가열기(190)를 이용하여 배출가스의 온도를 A₂ 점에서 A₄ 점으로 승온시킴으로써 백연방지한계접선 아래쪽 영역으로 이동시키는 방법이다.

이때에도 역시 배출가스 재가열기(190)에는 스팀 또는 히터 등의 외부 열원으로 배출가스를 승온시켜 주어야 한다.

이와 같이 2)와 3)은 배출가스 자체의 폐열을 이용할 뿐만 아니라, 배출가스 배출시설 내부에 여유 열원이 있어서 배출가스 가열기(110)와 응축기(130)를 작은 크기로 설치할 수 있는 경우에 사용된다.

배가스 가열기와 응축기의 TUBE 내부 혹은 외부에 사카펜 코팅(SAEKAPHEN COATING) 을 한것 일 수 있는데 사카펜 코팅은 부식방지를 위하여 관의 내외면에 열처리코팅, 저온처리코팅 적용을 하는 것으로서 본 발명에 이러한 코팅을 사용하게되면 배출가스 자체의 폐열을 사용하기 때문에 더욱 효과적이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 따른 백연방지장치를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이러한 실시예에 제한되지 않으며, 당업자가 용이하게 변형할 수 있는 범위에도 권리가 미친다.

본 발명에 따르면 별도의 열원이나 연돌 구조 변경이 없이도 효율적으로 배출가스의 백연현상을 제거할 수 있으며, 배출가스와 냉각수가 직접 접촉하지 않음으로써 냉각수측 설비의 재질을 통상적인 재질로 사용할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면 외부 열원을 최소한으로 사용하면서 배출가스 자체의 폐열을 최대한 이용할 수 있어서 에너지 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 배출가스 자체의 폐열을 이용하여 백연을 제거하는 장치에 있어서,

   연소가스 배출시설로부터 방출되는 과열증기 상태의 고온의 배출가스가 통과하는 핫 라인과, 내부의 습기가 일정 정도 제거된 배출가스가 통과하는 콜드 라인으로 구성되며, 고온의 핫 라인으로부터 저온의 콜드 라인으로 열전달이 이루어지는 배출가스 가열기와;

   냉각수가 TUBE의 내부혹은 외부로 흐르는 다수의 냉각튜브로 이루어지며, 상기 핫 라인으로부터 유입된 고온의 배출가스를 응축시켜 습기를 제거한 후, 상기 콜드 라인으로 다시 배출하는 응축기;를 포함하며,

   상기 배출가스는

   상기 핫 라인을 통과하면서 목표온도보다 높지만 포화상태를 이루고 있는 포화상태온도까지 냉각되고, 상기 콜드 라인을 통과하면서 백연한계접선보다 아래 영역으로 온도가 상승하게 되며,

   상기 콜드 라인을 통과한 배출가스는 연돌을 통해 대기중으로 방출되며

   상기 응축기의 저부에는 상기 배출가스의 응축에 의하여 발생한 응축수가 저장되며, 밸브가 구비된 응축수 유도관을 통해 외부로 방출되며,

   배출가스 가열기와 응축기의 TUBE 내부 혹은 외부에 사카펜 코팅(SAEKAPHEN COATING) 한것을 특징으로 하는, 백연방지 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제

Images