KR102642473B1 - 배기가스 처리를 위한 fgc 시스템 - Google Patents
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Abstract
배기가스 처리를 위한 FGC 시스템이 개시된다. 본 실시 예에 따른 배기가스 처리를 위한 FGC 시스템은 배기가스에 대한 냉각과 응축을 직접 접촉식과 간접 접촉식이 혼합된 하이브리드 형태의 응축 시스템으로 실시하도록 구조를 변경함으로써 수분 제거효율 향상과 함께 열교환 효율이 동시에 향상된다.
Description
본 발명은 소각로에서 발생된 배기가스를 공급받아 처리하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 배기가스 처리를 위한 FGC 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 대기오염물질을 배출하는 시설인 소각로, 금속 용해로, 보일러, 습식 탈황시설 등은 운전 중 고농도 오염물질이 포함된 고온의 배기가스를 대기중으로 배출하게 된다.
상기 배기가스에는 일산화탄소(CO)와, 황산화물(SOx)과, 질소산화물(NOx) 등이 포함되어 대기를 오염시키는 오염원으로 작용하게 된다. 특히 이들 오염물질 중 질소산화물은 불쾌한 냄새와 함께 스모그 현상을 유발할 수 있다.
상기 질소산화물은 토양의 세균에 의해 자연적으로 생성되는 경우에는 저농도로 유지되어 별다른 유해성이 없으나, 화력발전소, 소각로, 산업체 보일러와 같이 고정적으로 오염 물질이 배출될 경우에는 환경오염의 원인으로 대기오염의 주요한 원인으로 문제가 되고 있다.
종래에는 연료가 연소되면서 발생되는 배기가스에 포함된 유해물질을 처리하기 위해 배기가스 처리 장치를 사용하고 있으며, 상기 배기가스 처리 장치는 수용액을 분사하여 유해물질을 제거하기 위한 흡수탑(습식 집진시설)을 설치하여 주로 사용하여 왔다.
상기 습식 집진시설은 배출되는 고온 배기가스에 물을 분무하여 출구에서의 배기가스가 고온 다습(포화)한 상태에서 연돌을 통하여 대기중으로 배출된다. 이때, 배기가스 중에 포함된 수분에는 습식 집진시설에서 미처 제거되지 못한 오염물질과 포화 수분을 포함하게 된다.
상기 연돌에서 배출되는 포화 수분을 함유한 배기가스는 차가운 외부의 대기에 의해 즉시 냉각되면서 응축되어 비중이 증가한 배기가스 내의 포화 수분이 물방울(수적)로 상태 변화하면서 상기 연돌 근처에 집중적으로 낙하됨과 동시에 상기 연돌 주변을 오염시키게 된다.
또한, 비교적 비중이 적은 물방울인 수적들도 확산되지 않고 상기 연돌로부터 일정 거리까지 수증기 띠인 백연을 형성하면서 낙하되고, 낙하된 수적들은 주위 설비를 부식 시키기도 하고, 주민의 민원을 유발시키는 원인으로 작용하였다.
배기가스 배출원으로부터 배출되는 배기가스는 고온의 수증기를 함유하고 있는데 일 예로 60∼200℃에 해당되는 고온의 온도영역을 유지하고 있어 상기 고온 상태가 유지되는 수증기의 잠열을 효율적으로 흡수할 수 있는 집진시설이 필요하게 되었다.
또한 배기가스 배출원으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 효율적으로 회수하면서, 백연 발생을 억제할 수 있는 집진시설이 필요하게 되었다.
본 실시 예들은 배기가스에 포함된 수분 및 각종 유해물질을 안정적으로 회수하기 위해 상기 배기가스에 1차로 냉각수를 직접 공급한 직접 접촉식으로 응축을 실시하고, 2차로 배기가스에 포함된 수분 및 오일을 응축하는 간접 접촉식으로 응축이 이루어지는 하이브리드 방식의 응축 방식이 적용된 배기가스 처리를 위한 FGC 시스템을 제공하고자 한다.
본 실시 예에 의한 배기가스 처리를 위한 FGC 시스템은 배기가스가 유입된 후에 열교환이 이루어지도록 내부에 열교환 영역(S)이 형성된 본체부(100); 상기 열교환 영역(S)의 하측에 위치되고, 상기 배기가스에 포함된 수분이 응축되어 상기 본체부(100)의 하측으로 드레인 되도록 구비된 제1 응축 유닛(200); 상기 열교환 영역(S)으로 냉각수 또는 흡수액을 공급하기 위해 구비된 냉각수 공급부(300); 및 상기 제1 응축 유닛(200)을 경유한 배기가스의 폐열과 상기 냉각수 또는 흡수액의 잠열을 추가로 응축하기 위해 상기 제1 응축 유닛(200)의 상측에 배치된 제2 응축 유닛(400)을 포함한다.
상기 제1 응축 유닛(200)은 외형을 이루는 케이싱(202); 상기 케이싱(202)의 하측으로 상기 배기가스가 유입되도록 형성된 배기가스 유입구(204); 상기 케이싱(202)의 상측으로 상기 배기가스가 유출되도록 형성된 배기가스 유출구(206); 상기 케이싱(202)의 내측 하면에서부터 내측 상면까지 상기 케이싱(202)의 원주 방향을 따라 다수회 권취된 응축 튜브(210); 상기 응축 튜브(210)의 외주면을 따라 배치되고, 상기 배기가스와 직접적으로 접촉되어 열교환이 이루어지는 열교환 핀(220); 상기 냉각수 공급부(300)를 통해 공급된 냉각수 또는 흡수액이 상기 케이싱(202)의 내측으로 유입되도록 구비된 냉각수 플랜지(230)를 포함하고, 상기 열교환 핀(220)에는 상기 배기가스의 이동 방향을 가이드 하기 위해 외측을 향해 유선형으로 돌출된 라운드 부(222)가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 열교환 핀(220)은 상기 케이싱(202)의 내측 하면에서부터 내측 상면으로 갈수록 점진적으로 두께가 두꺼워지는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 응축 유닛(400)은 상기 열교환 영역(S)에 다수개가 수직하게 배치되도록 상기 본체부(100)에 구비된 매니폴드 유닛(402); 상기 매니폴드 유닛(402)에 결합되고, 상기 배기가스에 포함된 이물질 입자(particle)들을 코얼레싱(coalescing)하기 위한 필터 유닛(404); 상기 필터 유닛(404)이 상기 열교환 영역(S)에서 이동되지 않도록 위치 고정을 실시하기 위해 구비된 지지 플레이트(406)를 포함한다.
상기 본체부(100)에는 상기 배기가스가 유입되도록 형성된 유입구(102); 상기 배기가스가 상기 열교환 영역(S)에서 열교환이 이루어진 이후에 배출되도록 상기 본체부(100)의 상측에 형성된 유출구(104); 상기 유출구(104)에 결합되어 상기 배기가스에 포함된 수분을 여과하기 위한 수분 필터(106)를 포함한다.
본 실시 예들은 배기가스에 포함된 수분과 잠열에 대한 회수를 최대로 실시할 수 있어 에너지 효율을 향상시키고, 상기 배기가스가 응축되면서 황산화물과 같은 대기오염 물질을 제거함으로써 환경 오염으로 인한 문제점을 예방하고자 한다.
본 실시 예들은 배기가스 처리를 위한 FGC 시스템의 전체적인 크기가 감소되어 불필요하게 공간을 차지하지 않고서도 사용이 가능하여 공간 활용도가 향상되고, 배기가스에 대한 응축 효율 또한 동시에 향상시킬 수 있다.
본 실시 예들은 배기가스가 응축되는 과정에서 회수된 폐열을 별도의 에너지 소스로 공급하여 재사용을 통한 에너지 절감 효과가 향상된다.
본 실시 예들은 배기가스가 대기 중으로 배출되는 경우에도 온도와 습도가 하강된 상태로 배출될 수 있어 백연 발생을 최소화 할 수 있다.
도 1은 본 실시 예에 의한 배기가스 처리를 위한 FGC 시스템의 구성을 도시한 종 단면도.
도 2는 본 실시 예에 의한 제1 응축 유닛을 도시한 도면.
도 3은 본 실시 예에 의한 라운드 부가 형성된 열교환 핀을 도시한 도면.
도 4는 본 실시 예에 의한 제2 응축 유닛의 일부 구성을 도시한 사시도.
도 5는 본 실시 예에 의한 필터 유닛의 작동 원리를 간단히 도시한 도면.
도 2는 본 실시 예에 의한 제1 응축 유닛을 도시한 도면.
도 3은 본 실시 예에 의한 라운드 부가 형성된 열교환 핀을 도시한 도면.
도 4는 본 실시 예에 의한 제2 응축 유닛의 일부 구성을 도시한 사시도.
도 5는 본 실시 예에 의한 필터 유닛의 작동 원리를 간단히 도시한 도면.
본 개시물의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시물은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 개시물의 개시가 완전하도록 하며, 본 개시물이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 개시물의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시물은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
하나의 구성 요소가 다른 구성 요소와 "연결된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)"이라고 지칭되는 것은, 다른 구성 요소와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 구성 요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소와 "직접 연결된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 구성 요소를 개재하지 않은 것을 나타낸다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 개시물을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)." 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
첨부된 도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 실시 예에 의한 배기가스 처리를 위한 FGC 시스템은 배기가스가 유입된 후에 열교환이 이루어지도록 내부에 열교환 영역(S)이 형성된 본체부(100)와, 상기 열교환 영역(S)의 하측에 위치되고, 상기 배기가스에 포함된 수분이 응축되어 상기 본체부(100)의 하측으로 드레인 되도록 구비된 제1 응축 유닛(200)과, 상기 열교환 영역(S)으로 냉각수 또는 흡수액을 공급하기 위해 구비된 냉각수 공급부(300) 및 상기 제1 응축 유닛(200)을 경유한 배기가스의 폐열과 상기 냉각수 또는 흡수액의 잠열을 추가로 응축하기 위해 상기 제1 응축 유닛(200)의 상측에 배치된 제2 응축 유닛(400)을 포함한다.
본 실시 예는 상기 배기가스에 포함된 수분에 대한 응축을 위해 제1 응축 유닛(200)을 통해 배기가스와 직접 접촉식으로 접촉되어 냉각과 황산화물에 대한 흡수가 동시에 이루어지고, 상기 제2 응축 유닛(400)을 통해서는 상기 배기가스에 포함된 수분 및 오일 성분이 표면에 응축되어 제거되는 간접 접촉식이 결합된 하이브리드 형태의 응축 시스템으로 구성되어 직접 접촉식과 간접 접촉식의 장점을 각각 구현하고자 한다.
이와 같이 직접 접촉식과 간접 접촉식이 융합된 하이브리드 형태의 응축 시스템으로 구성될 경우 배기가스에 포함된 수분과 황상화물을 동시에 처리할 수 있고, 상기 배기가스가 갖는 잠열을 최대로 회수한 후에 재활용할 수 있어 에너지 전환 효율도 동시에 향상시킬 수 있다.
또한 본 실시 예는 배기가스에 포함된 수분이 응축되는 과정에서 황산화물의 감소로 인해 수용성 대기오염 물질을 제거할 수 있어 대기 오염으로 인한 환경 오염을 최소화 할 수 있다.
상기 본체부(100)는 원통 형태로 형성되고, 상기 배기가스가 유입되도록 형성된 유입구(102)와, 상기 배기가스가 상기 열교환 영역(S)에서 열교환이 이루어진 이후에 배출되도록 상기 본체부(100)의 상측에 형성된 유출구(104)와, 상기 유출구(104)에 결합되어 상기 배기가스에 포함된 수분을 여과하기 위한 수분 필터(106)를 포함한다.
상기 본체부(100)는 지면에서 세로 방향으로 세워진 상태로 설치되고, 상기 유입구(102)는 소정의 직경을 갖는 플랜지로 구성되어 있어 별도의 배관을 연결하여 배기가스를 본체부(100)의 내부로 공급 시킬 수 있다.
상기 열교환 영역(S)은 상기 제1,2 응축 유닛(200, 400)이 설치되기 위한 공간을 제공하고, 배기가스와 열교환이 이루어지는 공간에 해당된다.
상기 수분 필터(106)는 상기 유출구(104)를 통해 최종적으로 배출되는 배기가스에 잔존하는 수분을 포집하여 수분 제거효율을 향상시키기 위해 구비된다.
상기 수분필터(106)는 1개가 설치된 것으로 도시하였으나 복수개가 설치되는 것도 가능할 수 있다.
상기 본체부(100)에는 하면이 반구 형태의 응축수 저장부(105)가 형성되어 있어, 상기 제1,2 응축 유닛(200, 400)에 의해 응축된 응축수가 저장될 수 있다.
상기 본체부(100)에는 저장된 수분이 외부로 드레인 되도록 드레인 밸브(DV)가 설치되어 있어 필요에 따라 고여진 수분을 선택적으로 드레인 시킬 수 있다.
상기 본체부(100)에는 상기 드레인 밸브(DV)의 안정적인 작동을 위해 상기 응축수 저장부(105)에 수위 감지 센서(미도시) 또는 플로터(미도시) 중의 어느 하나가 설치되어 드레인 된 응축수량을 감지할 수 있다. 이를 통해 응축수 저장부(105)에 저장된 응축수량에 따라 상기 드레인 밸브(DV)를 자동으로 작동시키는 것도 가능할 수 있다.
상기 제1 응축 유닛(200)은 유입구(102)를 통해 유입된 배기가스와 직접적으로 접촉되어 열교환이 이루어지면서 상기 배기가스에 포함된 수분에 대한 응축이 실시된다.
상기 제1 응축 유닛(200)은 외형을 이루는 케이싱(202)과, 상기 케이싱(202)의 하측으로 상기 배기가스가 유입되도록 형성된 배기가스 유입구(204)와, 상기 케이싱(202)의 상측으로 상기 배기가스가 유출되도록 형성된 배기가스 유출구(206)와, 상기 케이싱(202)의 내측 하면에서부터 내측 상면까지 상기 케이싱(202)의 원주 방향을 따라 다수회 권취된 응축 튜브(210)와, 상기 응축 튜브(210)의 외주면을 따라 배치되고, 상기 배기가스와 직접적으로 접촉되어 열교환이 이루어지는 열교환 핀(220)과, 상기 냉각수 공급부(300)를 통해 공급된 냉각수 또는 흡수액이 상기 케이싱(202)의 내측으로 유입되도록 구비된 냉각수 플랜지(230)를 포함한다.
상기 응축 튜브(210)는 상기 케이싱(202)의 내측에서 링 형태로 다수회 권취되어 연장되고, 상기 열교환 핀(220)이 소정의 간격으로 배치되어 배기가스와 열교환을 통한 응축을 도모한다.
상기 응축 튜브(210)와 열교환 핀(220)은 배기가스와의 열교환을 보다 효율적으로 실시하기 위해 열전도율이 우수한 구리 또는 구리와 유사한 열전도율을 갖는 재질이 사용될 수 있으며 본 실시 예에서는 구리로 한정하여 설명하나 다른 재질이 사용되는 것도 가능함을 밝혀 둔다.
배기가스는 케이싱(202)에 형성된 유입구(204)를 통해 유입된 후에 유출구(206)를 통해 제2 응축 유닛(400)으로 이동된다.
상기 케이싱(202)에는 내측 중앙에 배기가스의 압력에 의해 선택적으로 회전되면서 오픈 또는 클로징이 이루어지는 회전 밸브(208)가 구비되어 있어 배기가스의 유입이 이루어질 경우에 오픈 상태로 회전된다.
상기 회전 밸브(208)는 원판 형태로 형성되고, 중앙을 가로질러 샤프트(미도시)가 구비되어 있어 상기 케이싱(202)의 내측에 회전 가능하게 설치된다. 상기 회전 밸브(208)는 배기가스의 유입이 중지될 경우 케이싱(202)의 내측 영역을 클로즈 시키게 됨으로써 추가적인 배기가스의 이동 및 열교환이 중지된다.
본 실시 예에 의한 열교환 핀(220)은 단면 형태가 L자 형태로 형성된 스파이럴 핀이 설치될 수 있으나 다른 형태의 핀이 설치되는 것도 가능할 수 있다.
일 예로 crimped spiral fin이 설치되거나, embedded spiral fin이 설치되거나, serrated spiral fin이 설치되거나, welded spiral fin 중의 어느 하나 또는 적어도 2개 이상의 조합으로 설치될 수 있다. 또한 열교환 효율이 향상되도록 위치에 따라 서로 상이한 열교환 핀이 설치되는 것도 가능할 수 있다.
본 실시 예에 의한 응축 튜브(210)는 원형 형태로 이루어지고, 외주면에 일정 간격으로 다수개의 열교환 핀(220)이 소정의 간격으로 배치되며, 상기 배기가스의 이동 방향과 직교된 상태로 배치된다. 또한 상기 열교환 핀(220)은 배기가스의 이동 방향과 일치된 상태로 배치된다.
이와 같이 응축 튜브(210)와 열교환 핀(220)이 배치될 경우 상기 배기가스와 열교환 핀(220) 사이에서 발생되는 유동 저항이 최소화 되고, 난류 발생으로 인한 열전달 효율의 저하를 최소화 할 수 있다.
상기 열교환 핀(220)은 배기가스의 이동 방향을 기준으로 이동 흐름을 방해하지 않고 불필요한 저항 흐름이 발생되지 않도록 배치되는 것이 바람직하며 전술한 바로 반드시 한정하지 않고 다른 실시 예로 변경되는 것도 가능할 수 있다.
본 실시 예에 의한 열교환 핀(220)은 일정한 두께가 유지되거나, 상기 케이싱(202)의 내측 하면에서부터 내측 상면으로 갈수록 점진적으로 두께가 두꺼워지도록 구성될 수 있다.
일 예로 상기 케이싱(202)의 내측 하면에 설치된 응축 튜브(210)의 열교환 핀(220)에서 상기 케이싱(202)의 내측 상면에 설치된 열교환 핀(220)으로 갈수록 특정 비율로 두께가 점진적으로 증가되도록 구성된다. 이 경우 열교환 핀(220)은 배기가스와 접촉되는 접촉 면적이 증가하게 되고 이로 인해 배기가스에 대한 냉각 효율이 향상되어 보다 많은 양으로 배기가스에 대한 응축이 이루어지게 된다.
냉각수 플랜지(230)에는 냉각수 또는 흡수액이 유입되어 상기 배기가스를 향해 분사되기 위해 구비된다. 상기 냉각수 또는 흡수액이 배기가스로 분사될 경우 상대적으로 고온 상태의 배기가스에 포함된 수분 또는 수증기의 잠열을 회수하여 제2 응축 유닛(400)으로 이동하는 배기가스의 온도를 낮출 수 있다.
또한 상기 배기가스는 온도가 낮아지면서 상대 습도 또한 낮아지면서 과냉각 상태로 제2 응축 유닛(400)을 향해 이동된다.
상기 흡수액은 질산 칼슘, 질산 암모늄, 황산 암모늄, 질산 바륨, 과염소산 바륨, 개미산 칼륨 (potasium formate), 염소산 나트륨 (Sodium chlorate), 질산 나트륨, 질산 칼륨, 염화나트륨, 및 염화칼슘으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된다.
첨부된 도 3을 참조하면, 본 실시 예에 의한 열교환 핀(220)에는 배기가스의 이동을 가이드 하기 위해 외측을 향해 유선형으로 돌출된 라운드 부(222)가 형성된다. 상기 라운드 부(222)는 배기가스가 열교환 핀(220)의 외주면을 따라 이동할 때 최대한 밀착된 상태로 이동할 수 있도록 가이드 함으로써 상기 배기가스가 열교환 핀(220)의 외주면을 따라 이동하면서 발생될 수 있는 박리 현상을 최소화 할 수 있다.
따라서 배기가스에 포함된 수분이 열교환 핀(200)의 외주면과 직접적으로 접촉될 경우 냉각과 함께 응축되어 일부는 전술한 응축수 저장부(105)로 드레인 되고 일부는 비산된 후에 상기 제2 응축 유닛(400)을 통해 추가로 응축될 수 있다.
첨부된 도 1 또는 도 4 내지 도 5를 참조하면, 본 실시 예에 의한 제2 응축 유닛(400)은 상기 열교환 영역(S)에 다수개가 수직하게 배치되도록 상기 본체부(100)에 구비된 매니폴드 유닛(402)과, 상기 매니폴드 유닛(402)에 결합되고, 상기 배기가스에 포함된 이물질 입자(particle)들을 코얼레싱(coalescing)하기 위한 필터 유닛(404)과, 상기 필터 유닛(404)이 상기 열교환 영역(S)에서 이동되지 않도록 위치 고정을 실시하기 위해 구비된 지지 플레이트(406)를 포함한다.
냉각수는 제2 응축 유닛(400)으로 직접적으로 공급되지 않으나 상기 제1 응축 유닛(200)으로 공급된 냉각수 중의 일부가 비산될 수 있으며 전술한 흡수액이 필터 유닛(404)으로 이동되어 이물질 입자에 대한 코얼레싱(coalescing)이 이루어진다.
상기 코얼레싱(coalescing)은 아주 작은 에어로졸 상태의 액체를 서로 합체 시켜 중력의 영향을 받을 수 있도록 큰 액체로 만드는 과정을 의미한다.
상기 필터 유닛(404)은 파이버(fiber)로 이루어져 있어 전술한 코얼레싱 기능이 구현될 수 있다. 상기 배기가스에는 수분과 오일이 포함되어 있어 직접적으로 분리하기 어려우므로 상기 필터 유닛(404)을 경유할 경우 수분 또는 오일이 표면에 응집된다.
상기 수분 또는 오일이 응집될 경우 시간이 경과되면서 자체 적인 무게에 의해 하측으로 드레인 되고, 수분과 이물질이 제거된 배기가스만을 유출구(104)를 통해 이동된다.
이와 같이 배기가스가 응축될 경우 황산화물과 같은 대기오염 물질이 제거된 상태로 연돌을 통해 대기중으로 배출됨으로써 환경 오염으로 인한 문제점을 예방할 수 있다.
상기 제2 응축 유닛(400)은 상기 배기가스의 폐열 및 수분에 포함된 잠열이 회수하여 상기 폐열을 에너지 원으로 사용하는 별도의 에너지 소스로 공급하는 것도 가능할 수 있다.
상기 본체부(100)에는 필터 유닛(404)의 사용에 따른 막힘이 발생될 경우 압력 증가에 따른 이상 유무가 감지될 수 있다. 이 경우 작업자는 필터 유닛(404)에 대한 교체를 실시하여 지속적인 작동을 가능하게 할 수 있다.
상기 매니폴드 유닛(402)은 상기 필터 유닛(404)의 하측에서 복수개의 필터 유닛(404)을 안정적으로 고정하기 위해 구비되고, 상기 지지 플레이트(406)는 상기 필터 유닛(404)의 상측에서 이동 및 쓰러짐을 방지하기 위해 설치된다. 이 경우 필터 유닛(404)은 배기가스의 압력 변동에 의해 일측으로 쓰러지거나 위치 이동이 발생되지 않고 정위치에서 안정적으로 고정된 상태로 작동된다.
상기 흡수액은 한 번 사용하고 폐기 되지 않고 회수한 이후에 재생하여 재사용이 가능하므로 사용에 따른 운전비용을 절감할 수 있다.
본 실시 예는 배기가스에 포함된 수분 제거 효율이 향상될 수 있어 기존의 흡수탑을 사용하는 방식에 비해 설치 면적을 감소시킬 수 있으며 열교환에 따른 폐열을 스팀으로 재사용 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리를 위한 FGC 시스템(1)은 운영되는 과정에서 고농도 오염물질에 항상 직, 간접적으로 노출되고, 수분등에 의해 내구성이 저하된다. 따라서, 배기가스 처리를 위한 FGC 시스템(1)은 작업자의 위생을 도모하고 장비의 내구성과 안전성을 도모할 필요가 있다.
따라서, 배기가스 처리를 위한 FGC 시스템(1)에 항균 코팅 조성물 코팅을 진행하여 작업자에게 유해균에 노출되는 것을 방지하기 위한 항균성을 향상시키고, 배기가스 처리를 위한 FGC 시스템(1)의 물성을 강화시켜 배기가스 처리를 위한 FGC 시스템(1)의 내구성을 향상시키는 것이 필요하다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리를 위한 FGC 시스템(1)는 본체부(100) 및/또는 제1 응축유닛(200)의 케이싱(202)의 내부와 외측면에 인체에 무해한 향균 코팅 조성물로 코팅할 수 있다.
본 발명의 항균(Anti-bacterial)은 향균으로 기재되는 경우를 포함하는 것으로, 천식, 습진, 비염의 원인인 세균, 박테리아, 진드기 같은 미생물의 번식을 차단하고 억제하는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 항균 코팅 조성물은 하기 화학식 1로 표시되는 카바졸계 화합물; 바인더 수지: 유기 용매; 무기 입자 및 천연 오일을 포함할 수 있다. :
[화학식 1]
(여기서, n은 2 내지 100의 정수이며, R1은 탄소수 1 내지 5의 알킬기, 탄소수 2 내지 5의 알케닐기 및 탄소수 2 내지 5의 알키닐기로 이루어진 군으로부터 선택되며, R2는 수소, -OH, 할로겐기 및 -NH2로 이루어진 군으로부터 선택된다.)
바람직하게는, 상기 화학식 1로 표시되는 카바졸계 화물은 구체적으로 하기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표시되는 화합물이다:
[화학식 2]
[화학식 3]
(여기서, n 및 R1은 화학식 1과 같다.)
상기의 R1은 탄소수 1 내지 5의 알킬기, 탄소수 2 내지 5의 알케닐기 및 탄소수 2 내지 5의 알키닐기로 이루어진 군으로부터 선택되며, 바람직하게는 에틸렌기 또는 프로필렌기로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 카바졸계 화합물은 바람직하게는 수평균분자량(Mn)이 2,000 내지 5,000이지만, 예시에 국한되지 않는다.
항균 코팅 조성물은 본체부(100) 및/또는 제1 응축유닛(200)의 케이싱(202)의 내부와 외측면에에 코팅층을 형성하기 위한 것으로, 전체 조성물 중량 대비 바인더 수지 100 중량부; 카바졸계 화합물 10 내지 15 중량부; 유기 용매 15 내지 40 중량부; 무기 입자 2 내지 5 중량부; 및 천연 오일 1 내지 3 중량부를 포함할 수 있다. 바람직하게는 전체 조성물 중량 대비 바인더 수지 100 중량부; 카바졸계 화합물 12 중량부; 유기 용매 24 중량부; 무기 입자 5 중량부; 및 천연 오일 2.5 중량부를 포함할 수 있다.
상기 천연 오일을 1 중량부 미만으로 포함할 경우에는 항균 효과가 저하되는 문제가 발생하며, 3 중량부 초과하여 포함할 경우에는 본체부(100) 및/또는 제1 응축유닛(200)의 케이싱(202)의 내부와 외측면과 코팅층 간에 접착력이 떨어지는 문제가 발생한다.
상기 카바졸계 화합물 및 유기 용매는 1:1 내지 1:4의 중량 비율로 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 카바졸계 화합물을 상기 유기 용매와 대비하여, 1:1을 초과하여 포함하는 경우에는 본체부(100) 및/또는 제1 응축유닛(200)의 케이싱(202)의 내부와 외측면에 코팅층을 형성할 때, 황변현상이 발생하는 문제가 발생할 수 있으며, 카바졸계 화합물을 상기 유기 용매와 대비하여, 1:4 미만으로 포함하는 경우에는 항균 효과가 저하되는 문제가 발생한다.
상기 유기 용매는 알코올류 용매, 할로겐 함유 탄화수소류 용매, 케톤류 용매, 셀로솔브류 용매 및 아미이드류 용매로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상세하게는, 테트라하이드로퍼류릴 알코올(Tetrahydrofurfuryl alcohol), 퍼퓨릴 알코올(Furfuryl alcohol) 및 이소프로필리덴글리세롤 (Isopropylideneglycerol)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
보다 구체적으로, 유기 용매는 카바졸계 화합물을 용해시키고, 바인더 수지, 무기 입자 및 천연 오일간의 용해를 돕기 위한 것으로, 상기 예시에 기재된 유기 용매를 모두 사용 가능하나, 바람직하게는 환형 알코올이며, 테트라하이드로퍼류릴 알코올(Tetrahydrofurfuryl alcohol), 퍼퓨릴 알코올(Furfuryl alcohol) 및 이소프로필리덴글리세롤 (Isopropylideneglycerol)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 바인더 수지는 항균 코팅 조성물을 이용하여 본체부(100) 및/또는 제1 응축유닛(200)의 케이싱(202)의 내부와 외측면에 코팅층을 형성할 때, 접착력을 향상시키기 위한 것으로, 구체적으로 폴리올레핀, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리술폰 및 폴리아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상세하게는 폴라아크릴레이트이지만, 상기 예시에 국한되지 않는다.
상기 무기입자는 실리카 입자, 알루미나 입자, 산화지르코늄 입자, 산화티타늄 입자, 산화안티몬 입자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상세하게는 실리카 입자 또는 알루미나 입자이지만 상기 예시에 국한되지 않는다.
상기 무기입자는 바인더 수지와 함께 코팅함으로써 무기입자가 코팅층의 수축율을 억제하는 기능을 부여함에 따라, 본체부(100) 및/또는 제1 응축유닛(200)의 케이싱(202)의 내부와 외측면에 코팅층을 형성할 때, 물성을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 이러한 물성 향상 효과를 극대화하기 위해, 상기 무기 입자의 평균입도 100 내지 200㎛이며, 상세하게는 130 내지 150㎛이며, 상기 예시에 국한되지 않는다. 상기 무기입자는 코팅층의 수축율을 억제하기 위해 첨가되는 것으로, 평균입도가 100㎛ 미만인 경우에는 수축율 억제 효과가 미비하며, 200㎛를 초과하는 경우에는 투명 코팅층의 형성을 방해할 수 있다.
상기 천연 오일은 항균 코팅 조성물의 항균 기능을 더욱 향상시키기 위한 구성으로, 구체적으로 아릴 아이소티오시아네이트(ally isothiocyanate), 신남알데하이드(cinnamaldehyde), 갈릭오일(garlic oil), 로즈마리오일(rosemary oil), 호호바 오일(jojoba oil) 및 당근 씨앗 오일(carrot seed oil)로 이루어진 군으로부터 선택되며, 바람직하게는 호호바 오일(jojoba oil) 또는 당근 씨앗 오일(carrot seed oil)이지만, 상기 예시에 국한되지 않는다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 본체부(100) 및/또는 제1 응축유닛(200)의 케이싱(202)의 내부와 외측면에 형성된 항균 코팅층을 포함하며, 상기 항균 코팅층은 상기에 따른 항균 코팅 조성물을 10 내지 20mm의 두께로 형성된다.
보다 구체적으로, 본체부(100) 및/또는 제1 응축유닛(200)의 케이싱(202)의 내부와 외측면에 형성된 항균 코팅층을 포함하며, 상기 항균 코팅층은 하기 화학식 1로 표시되는 카바졸계 화합물; 바인더 수지; 유기 용매: 무기 입자 및 천연 오일을 포함하는 항균 코팅 조성물로 형성될 수 있다:
[화학식 1]
(여기서, n은 2 내지 100의 정수이며, R1은 탄소수 1 내지 5의 알킬기, 탄소수 2 내지 5의 알케닐기 및 탄소수 2 내지 5의 알키닐기로 이루어진 군으로부터 선택되며, R2는 수소, -OH, 할로겐기 및 -NH2로 이루어진 군으로부터 선택된다.)
상기 화학식 1로 표시되는 카바졸계 화합물은 상세하게는 수평균분자량(Mn)이 2,000 내지 5,000이지만, 예시에 국한되지 않는다.
상기 항균 코팅층은 항균 코팅 조성물에 의해 형성되며, 투명 코팅층으로, 10 내지 20mm의 두께로 형성되며, 상세하게는 13 내지 15mm의 두께로 형성될 수 있다. 코팅층의 두께가 10mm 미만인 경우, 항균 기능이 저하되는 문제가 있고, 20mm를 초과하는 경우에는 경제성이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명에 따른 항균 코팅 조성물은 본체부(100) 및/또는 제1 응축유닛(200)의 케이싱(202)의 내부와 외측면에 코팅층을 형성하여, 세균, 박테리아, 진드기 등과 같은 미생물의 번식을 차단하고 억제할 수 있으며, 1개월 내지 3개월 동안 지속적으로 미생물의 번식을 차단 및 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 항균 코팅 조성물은 본체부(100) 및/또는 제1 응축유닛(200)의 케이싱(202)의 내부와 외측면의 물성을 향상시킬 수 있다.
[제조예 1: 항균 코팅 조성물의 제조]
| 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 실시예 4 | 실시예 5 | |
| 카바졸계 화합물 | 12 | 15 | 10 | 12 | 12 |
| 폴리아크릴레이트 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 테트라하이드로퍼류릴 알코올 | 24 | 15 | 40 | - | 24 |
| 퍼퓨릴 알코올 | - | - | - | 24 | - |
| 실리카 입자 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| 당근 씨앗 오일 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | - |
| 호호바 오일 | - | - | - | - | 2.5 |
| 비교예 1 | 비교예 2 | 비교예 3 | 비교예 4 | |
| 카바졸계 화합물 | 20 | 12 | 12 | 12 |
| 폴리아크릴레이트 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 테트라하이드로퍼류릴 알코올 | 10 | - | 24 | 24 |
| 메탄올 | - | 24 | - | - |
| 실리카 입자 | 5 | 5 | 5 | - |
| 실리카 입자(평균 입도 50㎛) | - | - | - | 5 |
| 당근 씨앗 오일 | 2.5 | 2.5 | - | 2.5 |
| 캐스터 오일 | - | - | 2.5 | - |
(단위: 중량부)상기 표 1 및 표 2의 카바졸계 화합물은 하기 화학식 4로 표시되는 화합물이며, 실리카 입자의 평균 입도는 135㎛이다:
[화학식 4]
(여기서, n은 2 내지 100의 정수이다.)
[제조예 2: 코팅층이 형성된 이중구조의 조리용기의 제조]
폴리에틸렌(PE) 기재의 일면에 상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 4의 코팅 조성물을 이용하여 13mm의 두께로 코팅층을 형성하였다.
[실험예 1: 실시예 및 비교예의 항균 실험]
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 코팅 조성물로 코팅층을 형성한 포장재에 대장균을 접종하고 24시간 경과 후 균의 농도를 측정하였다.
| 초기 농도(CFU/mL) | 24시간 후 농도(CFU/mL) | 항균 활성치(log) | 세균 감소율(%) | |
| 실시예 1 | 1.00ⅹ105 | <2 | 5.82 | 99.99 |
| 비교예 1 | 1.00ⅹ105 | 3.32ⅹ103 | - | - |
| 비교예 2 | 1.00ⅹ105 | 8.10ⅹ102 | - | - |
| 비교예 3 | 1.00ⅹ105 | 5.62ⅹ102 | - | - |
(CFU는 균의 수를 개념적으로 표시한 것이다)상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 1은 24시간 후 대장균의 농도가 감소하여 99.99%의 세균 감소율을 나타낸 반면, 비교예 1 내지 3은 대장균의 농도가 일부 감소하였으나, 항균 효과가 실시예에 비해 떨어짐을 확인하였다.
[실험예 2: 실시예 및 비교예의 물성 실험]
1) 연필 경도
연필경도 측정기를 이용하여 측정 표준 J IS K5400에 따라 750g의 하 중， 45도의 각도로 3회 왕복한 후 홈집이 없는 최대 경도를 확인하였다.
2) 투과율 및 헤이즈
분광광도계 (기기명: COH-400)를 이용하여 투과율 및 헤이즈를 측정하 였다.
3) 굴곡 테스트
코팅층이 형성된 각 본체부(100) 및/또는 제1 응축유닛(200)의 케이싱(202)을 다양한 직경의 원통형 만드렐에 끼워 감은 후 크랙이 발생하지 않는 최소 직경을 측정하였다.
| 연필 경도(750gf) | 투과율(%) | 헤이즈(%) | 굴곡 테스트(Φ, mm) | |
| 실시예 1 | 3H | 93.2 | 0.4 | 6 |
| 실시예 2 | 3H | 90.2 | 0.6 | 6 |
| 실시예 3 | 3H | 91 | 0.7 | 6 |
| 실시예 4 | 3H | 91.4 | 0.5 | 6 |
| 실시예 5 | 3H | 92.3 | 0.5 | 6 |
| 비교예 4 | H | 92.3 | 0.4 | 3 |
상기, 표 4에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시예 1 내지 5는 물성평가 결과가 우수한 것으로 확인되었으나. 비교예 4의 경우에는 경도 및 굴곡 테스트에서 실시예1 내지 5에 비해 떨어짐을 확인하였다.
이상 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
S : 열교환 영역
100 : 본체부
102 : 유입구
104 : 유출구
106 : 수분 필터
200 : 제1 응축 유닛
202 : 케이싱
210 : 응축 튜브
220 : 열교환 핀
300 : 냉각수 공급부
400 : 제2 응축 유닛
402 : 매니폴드 유닛
404 : 필터 유닛
406 : 지지 플레이트
100 : 본체부
102 : 유입구
104 : 유출구
106 : 수분 필터
200 : 제1 응축 유닛
202 : 케이싱
210 : 응축 튜브
220 : 열교환 핀
300 : 냉각수 공급부
400 : 제2 응축 유닛
402 : 매니폴드 유닛
404 : 필터 유닛
406 : 지지 플레이트
Claims (5)
- 배기가스가 유입된 후에 열교환이 이루어지도록 내부에 열교환 영역(S)이 형성된 본체부(100);
상기 열교환 영역(S)의 하측에 위치되고, 상기 배기가스에 포함된 수분이 응축되어 상기 본체부(100)의 하측으로 드레인 되도록 구비된 제1 응축 유닛(200);
상기 열교환 영역(S)으로 냉각수 또는 흡수액을 공급하기 위해 구비된 냉각수 공급부(300); 및
상기 제1 응축 유닛(200)을 경유한 배기가스의 폐열과 상기 냉각수 또는 흡수액의 잠열을 추가로 응축하기 위해 상기 제1 응축 유닛(200)의 상측에 배치된 제2 응축 유닛(400);을 포함하고,
상기 제1 응축 유닛(200)은,
외형을 이루는 케이싱(202);
상기 케이싱(202)의 하측으로 상기 배기가스가 유입되도록 형성된 배기가스 유입구(204);
상기 케이싱(202)의 상측으로 상기 배기가스가 유출되도록 형성된 배기가스 유출구(206);
상기 케이싱(202)의 내측 하면에서부터 내측 상면까지 상기 케이싱(202)의 원주 방향을 따라 다수회 권취된 응축 튜브(210);
상기 응축 튜브(210)의 외주면을 따라 배치되고, 상기 배기가스와 직접적으로 접촉되어 열교환이 이루어지는 열교환 핀(220); 및
상기 냉각수 공급부(300)를 통해 공급된 냉각수 또는 흡수액이 상기 케이싱(202)의 내측으로 유입되도록 구비된 냉각수 플랜지(230)를 포함하고,
상기 열교환 핀(220)에는 상기 배기가스가 상기 열교환 핀의 외주면을 따라 이동할 때에 상기 배기가스가 상기 열교환 핀에 밀착된 상태로 이동할 수 있도록 상기 배기가스를 가이드 하여 박리현상을 감소하기 위해 외측을 향해 유선형으로 돌출된 라운드 부(222)가 형성되고,
상기 열교환 핀(220)은 상기 케이싱(202)의 내측 하면에서부터 내측 상면으로 갈수록 점진적으로 두께가 두꺼워지며,
상기 케이싱(202)에는 상기 케이싱의 내측 중앙에 상기 배기가스의 압력에 의해 선택적으로 회전하면서 오픈 또는 클로징이 이루어지도록 원판 형태로 형성되는 회전 밸브(208)가 설치되고,
상기 회전 밸브(208)는 상기 케이싱의 내부로 배기가스의 유입이 중지될 경우 상기 케이싱의 내측 영역을 클로즈시켜 추가적인 배기가스의 이동 및 열교환을 중지시키고,
상기 흡수액은 질산 칼슘, 질산 암모늄, 황산 암모늄, 질산 바륨, 과염소산 바륨, 개미산 칼륨 (potasium formate), 염소산 나트륨 (Sodium chlorate), 질산 나트륨, 질산 칼륨, 염화나트륨, 및 염화칼슘으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되고,
상기 제2 응축 유닛(400)은,
상기 열교환 영역(S)에 다수개가 수직하게 배치되도록 상기 본체부(100)에 구비된 매니폴드 유닛(402);
상기 매니폴드 유닛(402)에 결합되고, 상기 배기가스에 포함된 이물질 입자(particle)들을 코얼레싱(coalescing)하기 위한 필터 유닛(404); 및
상기 필터 유닛(404)이 상기 열교환 영역(S)에서 이동되지 않도록 위치 고정을 실시하기 위해 구비된 지지 플레이트(406);를 포함하고,
상기 본체부(100)는,
상기 배기가스가 유입되도록 형성된 유입구(102);
상기 배기가스가 상기 열교환 영역(S)에서 열교환이 이루어진 이후에 배출되도록 상기 본체부(100)의 상측에 형성된 유출구(104); 및
상기 유출구(104)에 결합되어 상기 배기가스에 포함된 수분을 여과하기 위한 수분 필터(106);를 포함하고,
상기 본체부 및 상기 제1 응축 유닛의 케이싱의 내부와 외측면에는 항균 코팅 조성물을 코팅할 수 있고,
상기 항균 코팅 조성물은 하기 화학식 3으로 표시되는 카바졸계 화합물; 바인더 수지; 유기용매; 무기입자 및 천연오일을 포함하며,
상기 항균 코팅 조성물은 전체 조성물 중량 대비 바인더 수지 100 중량부; 카바졸계 화합물 10 내지 15 중량부; 유기 용매 15 내지 40 중량부; 무기 입자 2 내지 5 중량부; 및 천연 오일 1 내지 3 중량부를 포함하고,
상기 무기 입자의 평균입도 100 내지 200㎛으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리를 위한 FGC 시스템.
[화학식 3]
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