KR200203926Y1 - 플랜트에 적용가능한 브라운가스 발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 플랜트에 적용가능한 브라운가스 발생장치에 관한 것으로서, 구체적으로 (a) 전해조, 불순물제거여과기, 자동급수펌프를 포함하는 에너지발생부와, (b) 정류기와 변압기, 안전밸브, 가스조정기 및 전극교대타이머를 포함하는 전력공급부 또한 (c) 가스건조기, 가스믹서기, 가스분배기를 포함하는 에너지제어부로 구성된 브라운가스 발생장치를 제공하는 것에 관계한다.

Description

플랜트에 적용가능한 브라운가스 발생장치{HYDRATION ENERGY GENERATOR APPLICABLE TO PLANT}
본 고안은 대용량의 브라운가스를 발생할 수 있는 장치에 관한 것으로서, 더 구체적으로는, 전해조에서 발생하는 산소 및 수소의 혼합가스 즉, 브라운가스로부터 불순물을 제거할 수 있는 여과기와, 또한 다량의 가스발생을 유도할 수 있도록 다수개의 직립형원통을 구비한 전해조, 또한 장치의 수명을 연장하기 위해 전해조의 양극(+)/음극(-) 교대를 유도할 수 있는 전극교대타이머 등을 장착한 새로운 형태의 브라운가스 발생장치에 관계한다.
보일러, 소각로 등의 플랜트에 사용되는 열원으로서는 통상 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료를 사용하며 연료를 연소시키기 위해 외부에서 공기가 주입된다.
그러나, 화석연료는 연소생성물로서 이산화탄소를 발생시키며 그을음, 회분, 기타 불순물이 부산물로 생성되어 공해를 유발한다. 따라서, 물의 전기분해로 얻어진 수소가스 등 대체에너지원에 대한 연구가 활발히 진행중이며 브라운가스도 이러한 대체에너지원의 하나로 고려되고 있다.
브라운가스는 물의 전기분해에 의해 얻어지는 기체로서, 수소와 산소의 함량비가 정확히 2:1인 혼합기체이다. 통상 물을 전기분해하면 음극에서는 수소가 얻어지고 양극에서는 산소가 얻어지는데, 이들 가스를 분리채집하지않고 한꺼번에 포집한 것이 브라운가스이다 (Robert Card, Extraordinary Science, 1990, Oct/Nov/Dec. P17).
브라운가스는 일반적인 기체와 달리 연소시 응폭(implosion)현상을 유발하는 독특한 성질을 갖는다. 즉, 연소시 폭발현상(explosion)현상을 나타내지않으며 오히려 불꽃이 내부로 모여들면서 초점을 형성하고 주변을 진공화한다. 그결과, 브라운가스를 연소시키면 융점이 가장 높다는 텅스텐(융점: 3,410℃, 비점: 5,660℃)도 승화시킬 수 있을 정도의 초고온을 얻을 수 있다 (Yull Brown, Extraordinary Science 1993, Jul/Aug/Sep. pp19-28; Yull Brown US 4,014,777; Yull Brown US4,081,656). 또한 열선이 외부로 방출되지않아 복사열로 인한 에너지손실이 없으므로 우수한 에너지효율을 가지며 그 자체에 산소를 포함하고 있으므로 연소시 별도의 산소공급이 불필요하다. 또한, 연소생성물로서 물(H2O)만을 생성하므로 공해오염문제가 없다.
현재 공지된 Dr. Yull Brown이론에 근거하면 물의 전기분해장치인 평면구조형 전해조 극관(electrode tube)을 이용한 브라운가스(수소:산소의 함량비=2:1) 생성장치는 아직 실용화되지 못하였다. 그 이유는 생성가스속에 전해액성분과 수분이 충분히 여과되지않은 상태로 존재하기 때문이며 더 큰 이유는 대용량의 가스를 발생시키지 못했기 때문이다. 본 출원인은 이러한 문제점을 개선하기 위하여 새로운 형태의 브라운가스 발생장치를 고안하였다.
통상적으로 물을 전기분해하면 수소 및 산소가스가 발생한다. 전기분해 혹은 전해란 전해질용액이나 융해전해질 등의 이온전도체에 전류를 통과시켜 화학변화를 일으키는 것을 말한다.
이러한 전해반응은 전기에너지를 가함으로써 보통 화학반응에서는 일어날 수 없는 자유에너지가 증가하는 반응까지도 일으킬 수 있는 특징이 있다. 일반적으로 전해반응기는 이온전도체중에 한쌍의 전극을 삽입하고 그의 양말단을 적당한 전원에 연결한 형태이다. 이온전도체상의 내부에서는 전류가 이온의 이동이 따라 운반되나 전극과 용액과의 계면에서는 전극반응의 진행에 따라 전하가 이동한다. 양극면에서는 금속의 용해, 산소발생 등의 산화반응이 일어나고 음극면에서는 금속의 석출 및 수소발생 등의 환원반응이 진행한다. (이화학사전 p983, 신일출판, 1980년)
상술한 바와 같이 기존의 전기분해장치는 생성된 가스속에 전해액과 수분이 불순물로 잔류하는 문제점이 있고 또한 대량의 가스발생이 불가능하다는 단점이 있어 아직 실용화되지 못하고 있다.
앞서 말한 공지기술의 문제점을 해결하기 위해 본 고안은 전력공급부와 에너지발생부 및 에너지제어부로 구성된 브라운가스 발생장치를 제안하였다. 구체적으로 각 구성부에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 플랜트에 적용가능한 대용량 브라운가스 발생장치의 외관을 보여주는 개략도.
도 2는 전해조의 구조를 보여주는 전체도 및 부품분해도.
도 3은 발생장치의 공정배치와 흐름을 보여주는 개략적인 공정흐름도.
도 4는 본 고안에 이용되는 전극교대타이머의 회로를 간략히 보여주는 도면.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 고안은 브라운가스 발생장치를 제안하였으며 이 장치를 구성하는 각 주요부분에 대해 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 1은 본 고안의 브라운가스 발생장치의 외관을 도시하며 도 3은 이 장치의 내부구성 즉, 에너지발생부, 전력공급부 및 에너지제어부를 개략적으로 도시한다. 각 부호에 해당하는 구성요소의 명칭 및 그 기능은 하기의 표 1 및 각 도면에 표시된 바와 같다.
먼저, 에너지발생부는 전해조(4), 불순물제거여과기(19) 및 급수펌프(20)를 포함한다.
상기 전해조의 각 구성요소는 도 2에서 보는 바와 같으며, 구체적으로, 외통(320) 내부에 다수개의 내통(320a-320e)이 절연체로 된 상하 고정판(310a, 310b)에 연결고정되고, 내통의 중심부에 위치한 중심봉(330) 역시 상기 직립형원통(320a-320e)과 마찬가지의 방식으로 상기 상하 고정판(310a, 310b)에 고정되어있다. 이때, 내통(320a-320e)은 전극으로 기능하는 것이며, 바람직하게는 연강판표면에 무전해방법으로 니켈도금시켜 제작하고, 원통, 사각원통 또는 다각원통 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 바람직하게는, 내통은 도 2에 도시된 바와 같이 직립형원통(320a-320e)으로 제작되며, 외통도 도 2에 도시된 바와 같이 원통형상으로 제작된 최외각원통 본체(320)가 보다 적합하다.
상기 전해조에 물 및 전해질, 바람직하게는 수산화칼륨(KOH)을 혼합하여 제조한 비중1.25의 전해액을 충진한다. 중심봉(330), 직립형원통(320a-320e)들 및 최외각원통 본체(320)는 상기 절연재질의 상하 고정판(310a, 310b)에 연결되어 있어 서로 절연상태이나 각 구성부재 사이에는 전해액이 충진되어 있으므로 중심봉(330)과 최외각 원통(320)에 전류를 인가하면 상기의 직립형 원통(320a-320e)은 교대로 양극(+)과 음극(-)으로 설정된다. 예를 들어 직립원통 (320a∼320e) 안쪽 면은 양극, 바깥쪽 면은 음극이 설정된다. 이때, 전극교대타이머(350)를 이용하여 일정한 시간간격으로 인가전압의 극성을 바꾸어주면 각 직립형 원통은 반대극성의 전극특성을 띄게된다.
위와 같이 다수의 직립형원통에 교대유도전류가 발생하므로써 다수개의 양극과 음극전원이 동시에 가동되므로 결국 단시간내에 다량의 산소와 수소가 생성되어 브라운가스를 발생한다.
또한 전기분해반응시 양극(+)인 니켈도금철판에서만 산화가 일어나기 때문에, 본 고안에서는 전극교대타이머로 인가전압의 극성을 일정시간 간격으로 바꾸어주면 양극이었던 직립형원통 안쪽면은 음극으로 전환시킬 수 있어 직립형원통(320a-320e) 및 중심봉(330)의 수명이 2배로 연장된다.
한편, 전기분해시 발생하는 산소가 금속과 반응하여 산화부식을 일으켜 가스공급파이프를 막는 현상을 방지하기 위해 전해조(4)에 공급되는 물에 금속성 불순물이 포함되지 않도록 불순물제거여과기(19)를 상기 전해조(4)내에 부착하는 것이 바람직하다.
또한, 상기의 여과기(19)는 전해조(4)내에서 발생되는 여러가지 불순물을 여과하여 가스공급파이프가 막히는 것을 방지하고 또한 전해조내의 전해액을 수거하여 전해질인 수산화칼륨(KOH)을 90% 이상 재생시킬 수 있다.
이밖에도 상기의 에너지발생부는 전해조(4)에 자동으로 물을 공급할 급수펌프(20)를 포함한다.
도 3에서, 전력공급부(Power Supply System)는 전원(1), 회로차단기(16), 변압기(2)와 DC정류기(3)를 포함하며 다음과 같은 다양한 기능을 갖는다.
첫째, 교류전원을 적정전력으로 만들어 안정된 직류전원이 발생장치에 공급되도록 해준다. 즉, 상기의 전력은 전력공급부를 구성하는 요부 중 하나인 회로차단기(16)를 거쳐 변압기(2)를 거쳐 DC정류기(3)를 통과하고 다시 전류제어기를 거친 뒤 발생장치에 공급된다.
둘째, 전해조(4)의 내부압력이 일정압력 이상 예를 들어, 3kgf/cm2가 되면 전해조(4)에 연결된 전원을 차단시키고 전해조(4)의 내부압력이 일정압력 이하 예를 들어, 2kgf/cm2로 떨어지면 다시 전원을 공급한다.
셋째, 전류를 단속하거나 전류량을 증감시켜 브라운가스 발생장치의 압력 점검센서, 전해조의 수위조절센서, 온도측정스위치, 냉각팬, 가스압력조정기, 배출압력계기 등을 제어한다. 그 밖에도, 전해조(4)의 내부압력을 조절하기 위한 안전밸브(5)와 가스조정기(8), 또한 도 2에서 도시한 전극교대타이머(350)가 상기 전력공급부를 구성하는 요소들이다.
<표 1>
도 1에 도시된 발생장치 외부패널에 부착된 각 구성요소의 명칭 및 기능
부호 명 칭 기 능
101 전해조의 마개(cell plug) 전해액주입시 개방함
102 안전밸브(safety relief v/v) 기기내 압력이 3.15kgf/cm2가 되면 작동하여 가스를 외부로 방출함
103 기포조 마개(v/b plug) 기포조에 물을 주입시 개방함
104 주압력계(main pressure gauge) 기기내 발생가스의 압력을 표시(1bar = 1.02kgf/cm2, 1psi = 0.07kgf/cm2)
105 조정압력계(regulated p.gauge) 외부로 배출되는 가스의 압력을 표시
106 가스배출연결구(output nipple) 역화방지기나 소형vapour bottle을 사용할때 혹은 호스연결시 이곳에 연결함
107 압력조정기(gas control regulator) 가스배출량 및 사용압력 조절
108 주전원스위치(main power switch) 전원공급스위치
109 전해조 수위지시램프(cell level indicator lamp) 전해조내 수위를 표시함
110 기포조 수위지시램프(v/b level indicator lamp) 기포조내 수위를 표시함
111 전해조 과열램프(cell high temp. lamp) 전해조온도가 설정온도(90℃)보다 높아지면 램프에 불이 들어오고 동시에 가스생산을 중단시키는 전해조 보호장치
112 변압기 과열램프(t/f high temp. lamp) 변압기온도가 설정온도(110℃)보다 높아지면 램프에 불이 들어오고 동시에 가스생산을 중단시키는 변압기 보호장치
113 압력초과램프(p. high lamp) 기기내 가스압력이 설정압력(2.45kgf/cm2) 보다 높아지면 램프에 불이 들어오고 동시에 가스생산이 중단된다.
114 주전원램프(power on lamp) 기기에 전원이 연결되었음을 나타내는 램프
115 과전류 보호용퓨즈(fuse) 과전류가 흐르면 필라멘트가 녹아 전류를 차단시킨다.
116 시동스위치(start switch) 가스생산 시작스위치
117 기포조 배출밸브(v/b drain valve) 기포조의 물이나 침전물을 배출할 때 사용
118 전해조 배출밸브(cell drain valve) 전해조의 전해액이나 침전물을 배출할 때 사용
119 급수장치 램프(auto-fill sys. lamp) 급수펌프의 동작여부 표시
120 급수용밸브(auto-fill sys. inner v/v) 급수펌프에 직수연결 라인밸브
121 운전램프(pilot lamp) 가스생산공정 작동시 점등
본 고안에 따른 전극교대타이머(350)는 일정시간 간격으로 인가전압의 극성을 바꾸어 양극이었던 직립형원통을 음극으로 전환시키기 위한 것이므로, 그 종류를 특별히 한정하지 않으며 일반적인 타이머회로의 원리에 따른 시판제품을 이용한다. 본 고안에 이용되는 일반적인 전극교대타이머의 회로를 도 4에서 간략히 나타내었다. 타이머 작동에 의해 전해조(4)내의 중심봉(330)과 최외각원통(320) 및 직립형원통(320a-320e)의 수명이 2배로 연장될 수 있다.
한편, 본 고안의 브라운가스 발생장치에 있어서 또다른 구성부인 에너지제어부(energy control system)는 가스건조기, 가스믹서기, 가스분배기 등을 포함하며 다음과 같이 구성된다.
전해조(4) 상부의 가스압력이 일정한 값(3kgf/cm2) 이상이 될 경우 안전밸브(5)를 통해 가스가 방출되도록 조절하고 전해조(4) 외측에 수위감지기와 온도감지기를 부착했다.
또한 전해조(4)에서 생성된 브라운가스에 포함된 수증기 및 수산화칼륨 등을 여과분리시키는 가스여과기인 디미스터(6)를 연결한다. 계속해서, 브라운가스의 분출압력을 일정한 값, 바람직하게는 2kgf/cm2으로 유지시켜주면서 가스사용시 역화(flash back)현상이 일어날 경우 그 불꽃을 차단시켜줄 역화방지통(7)을 연결하고, 또한 분출되는 가스량을 조절할 가스조정기(8)를 부착하였다.
그 밖에도, 생성된 브라운가스를 잘 혼합하여 안정화시켜 브라운가스의 순도와 품질을 향상시키기 위한 가스믹서기(12)와 또한 안전한 작업을 위한 가스체크밸브(13)를 추가로 장착한다. 최종처리된 가스는 팁(15)을 통해 공급된다.
또다른 바람직한 구현으로서, 다수대의 브라운가스 발생장치를 연결하여 플랜트에 필요한 대량의 에너지를 일시에 공급하고 가스취합기를 이용하여 역화방지층을 경유, 가스분배기(14)를 통과시킨 뒤 다수개의 팁(15)을 통해 공급할 수도 있다.
본 고안이 에너지제어부는 에너지발생부에서 생성된 브라운가스에 섞여있는 습기를 제거하여 고순도의 브라운가스를 생성하기 위해 건조기(11)를 포함하기도 한다.
이하, 본 고안에 따른 바람직한 브라운가스 발생장치의 구조 및 작동원리를 도 3을 참고하여 설명한다.
전원을 켜 가스생산공정을 개시한다. 물과 전해질, 바람직하게는 수산화칼륨을 첨가하여 제조한 전해액을 전해조(4)에 충진하고 전해조에 전류를 공급한다. 중심봉(330)과 최외각원통(320)에 전류를 인가하면 상기의 직립형원통(320a-320e) 양쪽면이 양극(+)과 음극(-)이 교대로 유도된다.
이에 따라 다수개의 양극 및 음극전원이 동시발생하고 다량의 산소 및 수소의 혼합가스 즉 브라운가스가 생성된다.
전극교대타이머(350)가 작동하여 일정한 시간간격으로 전극을 교대시킴으로써 양극과 음극이 교대로 유도되어 직립형원통(320a-320e) 및 중심봉의 수명을 2배로 연장시킬 수 있게 된다.
반응후의 전해액은 가동중지한 상태에서 3시간정도 유지시켜 전해액에 포함된 불순물이 침전되도록 한다. 그 뒤 불순물제거여과기(19)에 부착된 전해액 배수밸브(360)를 열어 부패된 불순물을 함유하는 전해액만 수거하고 전해조 수위표시램프(109)을 확인하여 부족량의 전해액을 보충한다.
그밖에도, 공냉식냉각팬(17)을 전원(AC 220V)에 연결하고, 또한 급수펌프(20)(15kgf/cm2) 를 전해조에 연결하여 이 펌프의 수위가 일정한계값, 바람직하게는 3kgf/cm2이하로 낮아질 경우 필요한 양의 물을 자동공급할 수 있게 해준다.
본 고안은 전해조내에 다수의 직립형원통을 설치하여 교대유도전류를 발생하시키며 이에따라 다수개의 양극과 음극전원이 동시발생함으로써 단시간내에 다량의 산소와 수소가 생성되어 브라운가스를 발생할 수 있다.
또한, 브라운가스 발생장치에 부착된 전극교대타이머가 일정시간, 바람직하게는 6시간 간격으로 중심봉(330)과 직립형원통(320a-320e)에 양극(+)/음극(-)이 교대로 유도되게하여 상기 장치의 양쪽면에서 교대로 산화반응이 일어나도록 함으로써 장치의 수명을 2배로 연장시킬 수 있다.
또한, 불순물제거여과기(19)를 이용하여 전해조(4)내에서 발생한 불순물을 여과하여 가스공급파이프가 막히는 것을 방지하고 또한 전해조내의 전해액을 수거함으로써 90%이상의 이미 사용된 전해액을 90% 이상 재생 및 이용하고 나머지 부족한 양만큼만 전해액을 보충할 수 있으므로 경제적으로도 유리한 장점을 갖는다.
따라서, 본 고안에 따른 브라운가스 발생장치는 종래기술의 문제점을 해결하고 플랜트에 더욱 효율적으로 응용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 최외각원통(320)의 내부에 탑재된 다수개의 직립형원통(320a-320e)이 상기 원통(320)의 상부 및 하부고정판(310a, 310b)에 연결고정되고 상기 직립형원통의 가장 안쪽 중심부에 중심봉(330)이 구비된 형태의 전해조(4)를 갖춘 에너지발생부를 포함하는 것을 특징으로하는 브라운가스 발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전해조(4)에 전원을 공급하기 위한 전력공급부와, 또한 전해조(4)에서 발생된 브라운가스를 외부로 이송하기 위한 에너지제어부를 더 포함하는 것을 특징으로하는 브라운가스 발생장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    (a) 상기 전해조(4), 불순물제거여과기(19) 및 급수펌프(20)을 포함하는 에너지발생부와,
    (b) 전해조(4)의 내부압력을 조절하기위한 안전밸브(5), 가스조정기(8) 및 전극교대타이머(350)를 포함하는 전력공급부와, 또한
    (c) 가스건조기(11), 가스믹서기(12) 및 가스분배기(14)를 포함하는 에너지제어부로 구성된 것을 특징으로하는 브라운가스 발생장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 에너지발생부의 불순물제거여과기(19)는 전해조(4) 내에서 발생되는 여러가지 불순물을 여과하여 가스공급파이프가 막히는 것을 방지하고 또한 모듈화된전해조(4) 내의 전해액을 수거하여 전해질인 수산화칼륨(KOH)을 90% 이상 재생시키는 기능으로된 것임을 특징으로하는 브라운가스 발생장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 에너지제어부의 가스건조기(11)는 에너지발생부에서 생성된 브라운가스에 섞여있는 습기를 제거하여 고순도의 브라운가스를 제공하는 것임을 특징으로하는 브라운가스 발생장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 에너지제어부의 가스믹서기(12)는 생성된 브라운가스를 잘 혼합하여 안정화시킴으로써 브라운가스의 질적수준을 향상시키는 것임을 특징으로하는 브라운가스 발생장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 에너지제어부의 가스분배기(14)는 생성된 브라운가스를 일시에 대량으로 보일러, 소각로, 건조기 등의 응용장치에 공급할 수 있도록 하는 것임을 특징으로하는 브라운가스 발생장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 전력공급부의 전극교대타이머(350)는 일정한 시간간격으로 중심봉(330)과 내통(320a-320e)에 양극(+)/음극(-)이 교대로 유도되게하여 이 장치의 양쪽면에서 교대로 산화반응이 일어나도록 함으로써 장치의 수명을 2배로 연장시킬 수 있도록 하는 것임을 특징으로하는 브라운가스 발생장치.
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