KR100885203B1 - 부생 가스의 수분 제거 장치 - Google Patents

Abstract

자연 친화적인 자연수를 냉매를 사용하면서 냉각 장치의 구성을 단순화하여 수분 제거 장치의 설치와 유지 보수를 단순화한 부생 가스의 수분 제거 장치에 관한 것으로서, 수분 제거 장치는, 부생 가스가 이동하는 가스 배관에 설치되어 부생 가스를 냉각시키는 냉각용 열교환기와; 냉매로써 저온의 자연수를 인출하는 냉매 수집기와; 냉매 수집기와 냉각용 열교환기를 연결하여 냉매 수집기에 모아진 자연수를 냉각용 열교환기에 공급하는 냉매 공급관 및 펌프와; 부생 가스로부터 응축된 수분을 외부로 인출하는 응축수 배출관을 포함하는 부생 가스의 수분 제거 장치를 제공한다. 또한 수분 제거 장치는 냉매 수집기 대신 저온부와 고온부를 갖는 열전 소자와, 열전 소자의 저온부에 부착되어 냉매를 냉각시키고, 냉매 공급관을 통해 냉매를 냉각용 열교환기에 제공하는 저온측 열교환기를 구비할 수 있다.

부생가스, 수분제거, 열교환기, 자연수, 냉매, 지하수인출공, 해수인출공, 열전소자, 열전반도체

Description

부생 가스의 수분 제거 장치 {WATER ELEMINATOR FOR BY-PRODUCT GASES}

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 부생 가스용 수분 제거 장치의 개략도.

도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 부생 가스용 수분 제거 장치의 개략도.

도 3은 종래 기술에 의한 부생 가스용 수분 제거 장치의 개략도.

본 발명은 제철 및 제강 공정에서 동력 생산용 열원 등으로 사용되는 부생 가스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 부생 가스의 냉각을 통해 부생 가스에 함유된 수분을 응축하여 제거하는 부생 가스의 수분 제거 장치에 관한 것이다.

일반적으로 제철 및 제강 공정에 있어서 석탄이 가지는 에너지의 40% 정도는 고로 공정과 코크스로 공정 및 전로 공정을 거치면서 각각 고로 가스와 코크스로 가스 및 전로 가스의 형태로 변환되며, 이러한 부생 가스는 각 공정에서 요구되는 가열 에너지원이나 압연을 위한 동력 생산용 열원 등으로 사용된다.

이 때, 각각의 공정에서 발생한 고온의 부생 가스는 냉각과 분진 제거 등을 위해 물이 분사되며, 물이 분사되어 냉각되는 시점의 부생 가스 온도에 의해 포화 수증기압과 수분 함유량이 결정된다. 한편, 수분이 함유된 부생 가스가 배관을 통 해 이동하는 과정에서, 외기에 의해 온도가 저하되면, 낮아진 포화 수증기압에 의해 부생 가스 내부에 여분의 수분이 액체 상태로 응축된다.

이와 같이 액체 상태로 응축된 수분은 부생 가스에 존재하는 분진이나 기타 화학 물질과 반응하여 배관 재료의 부식과, 분진 또는 화학 물질의 퇴적에 의한 배관의 막힘 현상을 유발한다. 특히 고도의 표면처리 기술이 요구되는 제품을 부생 가스를 이용해 가열하는 과정에서, 부생 가스에 액적(液滴)이 존재하면, 버너를 통해 부생 가스가 연소되는 과정에서 제품에 표면 결함을 일으킨다.

따라서 부생 가스를 냉각시켜 수분을 응축 제거하는 방법이 적용되고 있으며, 도 3에 도시한 바와 같이 일반적인 수분 제거 장치는 부생 가스가 이동하는 가스 배관(1)에 냉각용 열교환기(3)를 설치하고, 냉동 장치(5)에 의해 발생된 냉매를 냉각용 열교환기(3) 내부로 순환시켜 부생 가스를 냉각시키며, 냉각 과정에서 응축된 수분을 응축수 배출관(7)을 통해 가스 배관 외부로 인출하는 구성으로 이루어진다.

이 때, 가스 배관(1) 내부의 실선 화살표는 수분이 포화 상태로 존재하는 부생 가스의 진행 방향을 의미하고, 점선 화살표는 냉각용 열교환기의 작용에 의해 수분이 제거된 부생 가스의 진행 방향을 의미한다.

그러나 상기 구성의 수분 제거 장치는 기계적인 구동부를 갖는 냉동 장치(5)와 별도의 냉각탑(9)이 요구되므로, 설치를 위한 공간 확보가 필수적이고, 압축기 등과 같은 기계적인 구성품에 대한 정비 문제가 발생하기 쉬우며, 냉동 장치(5)에 주로 사용되는 프레온 계열의 냉매는 환경상의 문제를 야기한다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 부생 가스를 냉각시켜 수분을 제거하는 장치에 있어서, 환경상의 문제를 야기하는 냉매를 사용하지 않으며, 냉각 장치의 구성을 단순화하여 설치와 유지 보수를 단순화한 부생 가스의 수분 제거 장치를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

부생 가스가 이동하는 가스 배관에 설치되어 부생 가스를 냉각시키는 냉각용 열교환기와, 냉매로써 저온의 자연수를 인출하는 냉매 수집기와, 냉매 수집기와 냉각용 열교환기를 연결하여 냉매 수집기에 모아진 자연수를 냉각용 열교환기에 공급하는 냉매 공급관 및 펌프와, 가스 배관에 설치되어 부생 가스로부터 응축된 수분을 외부로 인출하는 응축수 배출관을 포함하는 부생 가스의 수분 제거 장치를 제공한다.

또한 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

부생 가스가 이동하는 가스 배관에 설치되어 부생 가스를 냉각시키는 냉각용 열교환기와, 저온부와 고온부를 갖는 열전 소자와, 열전 소자의 저온부에 부착되어 냉매를 냉각시키는 저온측 열교환기와, 저온측 열교환기와 냉각용 열교환기를 연결하여 저온측 열교환기에서 생성된 냉매를 냉각용 열교환기에 제공하는 냉매 공급관 및 제 1펌프와, 가스 배관에 설치되어 부생 가스로부터 응축된 수분을 외부로 인출하는 응축수 배출관을 포함하는 부생 가스의 수분 제거 장치를 제공한다.

바람직하게, 상기 수분 제거 장치는 열전 소자의 고온부를 냉각시키기 위하여, 가스 배관에서 냉각용 열교환기 다음에 설치되어 온도가 저하된 부생 가스의 냉열로부터 작동 매체를 냉각시키는 냉열 회수용 열교환기와, 열전 소자의 고온부에 설치되는 고온측 열교환기와, 냉열 회수용 열교환기와 고온측 열교환기를 연결하여 냉열 회수용 열교환기에서 냉각된 작동 매체를 고온측 열교환기에 제공하는 작동 매체 공급관 및 제 2펌프를 더욱 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 부생 가스용 수분 제거 장치의 개략도로서, 도면에서 가스 배관(2) 내부의 실선 화살표는 수분이 포화 상태로 존재하는 부생 가스의 진행 방향을 의미하고, 점선 화살표는 냉각용 열교환기(4)의 작용에 의해 수분이 제거된 부생 가스의 진행 방향을 의미한다.

본 실시예에 의한 수분 제거 장치는, 부생 가스가 이동하는 가스 배관(2)에 설치되어 부생 가스를 냉각시키는 냉각용 열교환기(4)와, 냉매로써 저온의 지하수 또는 해수를 모으는 냉매 수집기(6)와, 냉매 수집기(6)에 모아진 자연수(8)를 냉각용 열교환기(4)에 공급하는 냉매 공급관(10) 및 펌프(12)와, 냉각용 열교환기(4) 하단에 설치되어 응축된 수분을 가스 배관(2) 외부로 인출하는 응축수 배출관(14)을 포함한다.

상기 냉매 수집기(6)는 지하수 인출을 위해 지면에 매설되는 지하수 인출공 또는 해수 인출을 위해 해수 중에 고정되는 해수 인출공으로 이루어지며, 바람직하 게 냉매 수집기(6)는 지면 또는 해수면으로부터 대략 25m 이상의 깊이로 설치되어 저온(대략 5℃)의 자연수를 인출한다.

통상적으로 지하 25m 정도에 존재하는 지하수는 그 온도가 4∼10℃이고, 해수의 온도는 3∼8℃로서, 저온의 자연수를 냉각용 열교환기(4)의 냉매로 사용하면, 수분이 포화 상태로 존재하는 부생 가스를 대략 10℃ 정도로 냉각시킬 수 있다.

이와 같이 냉매 수집기(6)에서 저온의 자연수를 모으면, 펌프(12)가 작동하여 냉매 공급관(10)을 통해 저온의 자연수(8)를 냉각용 열교환기(4)에 제공한다. 이로서 자연수(8)가 냉각용 열교환기(4) 내부를 순환하면서 수분이 포화 상태로 존재하는 부생 가스로부터 열을 흡수하며, 냉각에 의해 응축된 수분은 응축수 배출관(14)을 통해 가스 배관(2) 외부로 인출된다.

이 때, 하절기에 수분이 포화 상태로 존재하는 부생 가스의 평균 온도를 25℃로 가정하면, 냉각용 열교환기(4)의 작용에 의해 부생 가스의 온도가 15℃ 낮아진 경우, 수분이 포화 상태로 존재하는 부생 가스 1nm³당 0.015 리터(ℓ)의 수분을 제거할 수 있으며, 제거된 수분 함량은 부생 가스가 함유한 전체 수분량의 60%에 해당한다.

이와 같이 본 실시예는 냉매 생성을 위한 별도의 냉각 장치를 필요로 하지 않아 수분 제거 장치의 구성을 단순화하고, 환경 친화적인 자연수를 냉매로 사용함으로써 환경상의 오염을 유발하지 않는 장점을 갖는다.

도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 부생 가스용 수분 제거 장치의 개략도 로서, 수분 제거 장치는 부생 가스 냉각을 위해 가스 배관(20)에 설치되는 냉각용 열교환기(22)와, 저온부(24A)와 고온부(24B)를 갖는 열전 소자(24)와, 열전 소자(24)의 저온부(24A)에 부착되어 냉매를 냉각시키는 저온측 열교환기(26)와, 저온측 열교환기(26)에서 생성된 냉매를 냉각용 열교환기(22)에 제공하는 냉매 공급관(28) 및 제 1펌프(30)와, 냉각용 열교환기(22) 하단에 설치되어 응축된 수분을 가스 배관(20) 외부로 인출하는 응축수 배출관(32)을 포함한다.

본 실시예에서는 물을 기본적인 냉매로 사용할 수 있으며, 냉매의 온도를 0℃ 이하로 설정할 경우에는 알코올이나, 물과 글리세린의 혼합물을 사용할 수 있다.

상기 열전 소자(24)는 일례로 P형 반도체와 N형 반도체를 이용하여 전기적 회로를 구성한 열전 반도체로서, 직류 전류를 통과시키면 반도체 내부의 전자와 홀의 전기적 작용에 의해 저온부(24A)에서 흡열 작용을, 고온부(24B)에서 발열 작용을 한다. 이러한 열전 소자(24)의 저온부(24A)와 고온부(24B)의 온도는 열전 소자(24)에 인가한 전압에 따라 용이하게 제어 가능하며, 저온부(24A)의 온도는 -10∼-5℃가 바람직하다.

그리고 상기 저온측 열교환기(26)는 저온부(24A)의 냉열을 이용하여 냉매를 냉각시키며, 제 1펌프(30)가 저온측 열교환기(26)에서 생성된 냉매를 냉매 공급관(28)을 통해 냉각용 열교환기(22)에 공급한다. 이로서 냉매가 냉각용 열교환기(22) 내부를 순환하면서 부생 가스로부터 열을 흡수하고, 부생 가스의 냉각에 의해 응축된 수분은 응축수 배출관(32)을 통해 가스 배관(20) 외부로 인출된다.

이 때, 저온측 열교환기(26)에 의해 냉각되어지는 냉매의 온도는 -5∼5℃가 바람직하다. 이는 부생 가스와 접촉하는 냉각용 열교환기(22)의 표면 온도를 0℃보다 약간 높게 유지하여, 부생 가스 중의 수분이 냉각용 열교환기(22)의 표면에 빙결되는 현상을 방지하기 위한 것이다.

한편, 열전 소자(24)는 고온부(24B)의 열이 제거되지 못하여 고온부(24B)의 온도가 지속적으로 상승하는 경우, 열전 소자(24)의 저온부(24A)와 고온부(24B) 사이의 온도차 증대에 의해 열전도 현상이 발생하여 저온부(24A)의 냉각 성능이 저하될 수 있으므로, 고온부(24B)에서 발생하는 열을 지속적으로 제거할 필요가 있다.

이로서 열전 소자(24)의 고온부(24B)를 냉각시키기 위해 방열핀과 팬을 설치하는 것이 통상적이나, 본 실시예는 냉각용 열교환기(22)에 의해 온도가 저하된 부생 가스의 냉열을 이용하여 열전 소자(24)의 고온부(24B)를 냉각시키는 열교환 회로를 구성한다.

바람직하게, 상기 열교환 회로는 가스 배관(20)에서 냉각용 열교환기(22) 다음에 설치되는 냉열 회수용 열교환기(34)와, 열전 소자(24)의 고온부(24B)에 설치되는 고온측 열교환기(36)와, 냉열 회수용 열교환기(34)와 고온측 열교환기(36)를 연결하여 작동 매체의 순환 경로를 제공하는 작동 매체 공급관(38)과, 작동 매체 공급관(38)에 설치되는 제 2펌프(40)를 포함한다. 상기 냉열 회수용 열교환기(34)에도 냉각용 열교환기(22)에 사용되는 냉매를 사용할 수 있다.

상기 냉열 회수용 열교환기(34)는 냉각용 열교환기(22)에 의해 온도가 저하된 부생 가스의 냉열을 이용하여 작동 매체를 냉각시키며, 제 2펌프(40)가 작동 매 체 공급관(38)을 통해 냉각된 작동 매체를 고온측 열교환기(36)에 제공한다. 따라서 작동 매체가 고온측 열교환기(36) 내부를 순환하면서 열전 소자(24)의 고온부(24B)를 냉각시킨다.

이와 같이 본 실시예는 열전 소자(24)의 냉각 기능을 이용하여 부생 가스를 냉각시킴에 따라, 부생 가스에 함유된 수분을 효과적으로 제거하며, 부생 가스의 냉열을 이용하여 열전 소자(24)의 고온부(24B)를 냉각시킴으로써 열전 소자(24)의 냉각 효율을 향상시키는 장점을 갖는다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 환경 친화적인 자연수를 냉매로 사용하며, 냉매 생성을 위한 별도의 냉각 장치를 필요로 하지 않아 수분 제거 장치의 구성을 단순화한다. 또한, 열전 소자를 이용하는 경우에는 열전 소자의 냉각 기능을 이용하여 부생 가스에 함유된 수분을 효과적으로 제거하며, 부생 가스의 냉열을 이용하여 열전 소자의 냉각 효율을 향상시킨다.

Claims (8)

1. 수분을 함유한 부생 가스가 이동하는 가스 배관에 설치되어 부생 가스를 냉각시키는 냉각용 열교환기와;

   냉매로서 저온의 자연수를 인출하는 냉매 수집기와;

   상기 냉매 수집기와 상기 냉각용 열교환기를 연결하는 냉매 공급관과;

   상기 냉매 공급관에 설치되어 상기 냉매 수집기에 모아진 자연수를 상기 냉각용 열교환기에 공급하는 펌프; 및

   상기 가스 배관에 설치되어 부생 가스로부터 응축된 수분을 외부로 인출하는 응축수 배출관

   을 포함하며,

   상기 냉매 수집기는 지하수 인출을 위해 지면에 설치되는 지하수 인출공과 해수 인출을 위해 해수 중에 설치되는 해수 인출공 가운데 어느 하나로 이루어지는 부생 가스의 수분 제거 장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 냉매가 4∼10℃의 지하수 또는 해수로 이루어지는 부생 가스의 수분 제거 장치.
4. 수분을 함유한 부생 가스가 이동하는 가스 배관에 설치되어 부생 가스를 냉각시키는 냉각용 열교환기와;

   저온부와 고온부를 갖는 열전 소자와;

   상기 열전 소자의 저온부에 부착되어 냉매를 냉각시키는 저온측 열교환기와;

   상기 저온측 열교환기와 냉각용 열교환기를 연결하는 냉매 공급관과;

   상기 냉매 공급관에 설치되어 저온측 열교환기에서 생성된 냉매를 냉각용 열교환기에 제공하는 제 1펌프; 및

   상기 가스 배관에 설치되어 부생 가스로부터 응축된 수분을 외부로 인출하는 응축수 배출관을 포함하는 부생 가스의 수분 제거 장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 열전 소자가 P형 반도체와 N형 반도체를 이용해 전기적 회로를 구성한 열전 반도체로 이루어지는 부생 가스의 수분 제거 장치.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 열전 소자의 저온부 온도가 -10∼-5℃로 이루어지는 부생 가스의 수분 제거 장치.
7. 제 4항에 있어서,

   상기 저온측 열교환기가 냉매를 0∼5℃ 온도로 냉각시키는 부생 가스의 수분 제거 장치.
8. 제 4항에 있어서,

   상기 가스 배관에서 냉각용 열교환기 다음에 설치되어 온도가 저하된 부생 가스의 냉열로부터 작동 매체를 냉각시키는 냉열 회수용 열교환기와;

   상기 열전 소자의 고온부에 설치되는 고온측 열교환기와;

   상기 냉열 회수용 열교환기와 고온측 열교환기를 연결하는 작동 매체 공급관과;

   상기 작동 매체 공급관에 설치되어 냉열 회수용 열교환기에서 냉각된 작동 매체를 고온측 열교환기에 제공하는 제 2펌프를 더욱 포함하는 부생 가스의 수분 제거 장치.

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