화학반응열을 이용한 열에너지 회수방법(.)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 공개특허공보(A)
(11) 공개번호 10-2016-0093357
(43) 공개일자 2016년08월08일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
F28D 20/00 (2006.01) B01J 8/00 (2006.01)
(52) CPC특허분류
F28D 20/003 (2013.01)
B01J 8/00 (2013.01)
(21) 출원번호 10-2015-0014248
(22) 출원일자 2015년01월29일
심사청구일자 2015년01월29일
(71) 출원인
조선대학교산학협력단
광주광역시 동구 필문대로 309 (서석동)
(72) 발명자
신대윤
광주광역시 서구 화운로23번길 7-8 ,101동802
호(화정동,금호타운)
최영기
전라남도 순천시 조례1길 60, 105동 1501호 (조례
동,남양휴튼아파트)
(74) 대리인
이재성
전체 청구항 수 : 총 17 항
(54) 발명의 명칭 화학반응열을 이용한 열에너지 회수방법
(57) 요 약
본 발명은 열에너지 회수장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 석회(CaO)의 수화반응 및 수산화칼슘[Ca(OH)2]
과 폐염산(HCl 함량 20%이상)이 반응할 때 발생하는 열을 회수하기 위한 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치
및 그 방법에 관한 것이다.
(뒷면에 계속)
대 표 도 - 도1
공개특허 10-2016-0093357
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이를 위한 본 발명은, 급수되는 물(H2O)과 반응하도록 생석회(CaO)가 수용되고, 생석회(CaO)와 물(H2O)이 반응하
여 생성된 수화반응열을 축열하는 제1반응조와;
제1반응조에서 생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2] 수용액으로 만들어 펌프이송이 적합하도록 하고, 폐염산(HCl)을 투입
하여 반응시키는 제2반응조와;
제1반응조와 제2반응조를 수용하고, 제1반응조 및 제2반응조와 열교환되는 물(H2O)이 투입되는 수용조를 포함하
여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 발명을 지원한 국가연구개발사업
과제고유번호 LINC-2014-21
부처명 교육부
연구관리전문기관 한국연구재단
연구사업명 산학협력선도대학(LINC) 육성사업 산학공동기술개발과제
연구과제명 수산화칼슘 생성열의 회수장치개발 및 활용방안
기 여 율 1/1
주관기관 조선대학교 산학협력단
연구기간 2014.07.01 ~ 2015.01.31
공개특허 10-2016-0093357
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명 세 서
청구범위
청구항 1
급수되는 물(H2O)과 반응하도록 생석회(CaO)가 수용되고, 생석회(CaO)와 물(H2O)이 반응하여 생성된 수화반응열
을 축열하는 제1반응조와;
제1반응조에서 생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2] 수용액으로 만들어 펌프이송이 적합하도록 하고, 폐염산(HCl)을 투
입하여 반응시키는 제2반응조와;
제1반응조와 제2반응조를 수용하고, 제1반응조 및 제2반응조와 열교환되는 물(H2O)이 투입되는 수용조를 포함하
여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치.
청구항 2
제 1항에 있어서,
상기 제1반응조와 제2반응조 사이에는 슬러리펌프가 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학반응열을 이
용한 열에너지 회수장치.
청구항 3
제 1항에 있어서,
상기 제2반응조는 제1반응조보다 하부에 위치하여 제1반응조에서 생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2] 수용액이 압력에
따른 차이로 이송될 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치.
청구항 4
급수되는 물(H2O)과 반응하도록 생석회(CaO)가 수용되고, 생석회(CaO)와 물(H2O)이 반응하여 생성된 수화반응열
을 축열하는 제1반응조와;
제1반응조에서 생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2] 수용액으로 만들어 펌프이송이 적합하도록 하고, 폐염산 (HCl)을 투
입하여 반응시키는 제2반응조와;
제1반응조와 제2반응조를 수용하고, 제1반응조 및 제2반응조와 열교환되는 물(H2O)이 투입되는 수용조와;
수용조에서 생성된 반응열을 축열하여 축열된 온수를 저장하는 축열조;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으
로 하는 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치.
청구항 5
급수되는 물(H2O)과 반응하도록 생석회(CaO)가 수용되고, 생석회(CaO)와 물(H2O)이 반응하여 생성된 수화반응열
을 축열하는 제1반응조와;
제1반응조에서 생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2] 수용액으로 만들어 펌프이송이 적합하도록 하고, 폐염산 (HCl)을 투
입하여 반응시키는 제2반응조와;
제2반응조에서 반응 후 생성되는 염화칼슘(CaCl2) 수용액을 슬러리펌프를 통해 염화칼슘(CaCl2)을 저장하는 저
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장조와;
제1반응조와 제2반응조를 수용하고, 제1반응조 및 제2반응조와 열교환되는 물(H2O)이 투입되는 수용조와;
수용조에서 생성된 반응열을 축열하여 축열된 온수를 저장하는 축열조; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으
로 하는 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치.
청구항 6
제 1항 내지 제 5항에 있어서,
상기 수용조에는 열교환기가 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치.
청구항 7
제 1항 또는 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1반응조와 제2반응조의 내부로는 교반기가 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학반응열을 이용
한 열에너지 회수장치.
청구항 8
급수되는 물(H2O)과 반응하도록 생석회(CaO)가 수용되고, 생석회(CaO)와 물(H2O)이 반응하여 생성된 수화반응열
을 축열하고, 5 kgf/㎠ 이상의 압력을 버틸 수 있는 제1반응조와;
제1반응조에서 생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2] 수용액으로 만들어 펌프이송이 적합하도록 하고, 폐염산 (HCl)을 투
입하여 반응하고, 5 kgf/㎠ 이상의 압력을 버틸 수 있는 제2반응조와;
제2반응조에서 반응 후 생성되는 염화칼슘(CaCl2) 수용액을 슬러리 펌프를 통해 염화칼슘(CaCl2)을 저장하는 저
장조와;
제1반응조와 제2반응조를 수용하고, 제1반응조 및 제2반응조와 열교환되는 물(H2O)이 투입되는 수용조와;
수용조에서 생성된 반응열을 축열하여 축열된 온수를 저장하는 축열조; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으
로 하는 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치.
청구항 9
제 8항에 있어서,
상기 제2반응조와 저장조 사이에는 슬러리펌프가 더 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학반응열을 이
용한 열에너지 회수장치.
청구항 10
급수되는 물(H2O)과 반응하도록 생석회(CaO)가 수용되고, 생석회(CaO)와 물(H2O)이 반응하여 생성된 수화반응열
을 축열하고, 5 kgf/㎠ 이상의 압력을 버틸 수 있는 제1반응조와;
제1반응조에서 생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2] 수용액으로 만들어 펌프이송이 적합하도록 하고, 폐염산 (HCl)을 투
입하여 반응하고, 5 kgf/㎠ 이상의 압력을 버틸 수 있는 제2반응조와;
제2반응조에서 반응 후 생성되는 염화칼슘(CaCl2) 수용액을 슬러리 펌프를 통해 염화칼슘(CaCl2)을 저장하는 저
장조와;
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제1반응조와 제2반응조를 수용하고, 제1반응조 및 제2반응조와 열교환되는 물(H2O)이 투입되며, 열손실을 줄이기
위해서는 단열재가 설치된 수용조와;
수용조에서 생성된 반응열을 축열하여 축열된 온수를 저장하는 축열조; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으
로 하는 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치.
청구항 11
제10항에 있어서,
상기 제1반응조와 제2반응조에는 온도계와 압력계가 더 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학반응열을
이용한 열에너지 회수장치.
청구항 12
생석회(CaO)와 물(H2O)이 반응하여 발생하고, 수산화칼슘[Ca(OH)2]이 생성되는 제1 열에너지 회수단계;
생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2]과 반응하는 폐염산(HCl)을 투입하여 반응 후 생성된 염화칼슘(CaCl2)를 이송 및 저
장하는 제2열에너지 회수단계;펌프 이송 및 저장단계;
제1 및 제2 열에너지 회수단계를 통해 발생한 반응열을 이용하여 열교환기를 통해 온수를 생산하고 저장하는 단
계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학반응열을 이용한 열에너지 회수방법.
청구항 13
제12항에 있어서,
상기 제1 열에너지 회수단계에 적용된 생석회(CaO)는 열교환 효율성을 고려하여 함량 95% 이상의 편차가 없는
생석회(CaO)가 적용되는 것을 특징으로 하는 화학반응열을 이용한 열에너지 회수방법.
청구항 14
제12항에 있어서,
상기 생석회(CaO)는 이송이나 보관에 있어 외부와의 수분접촉을 차단된 상태로 공급되는 것을 특징으로 하는 화
학반응열을 이용한 열에너지 회수방법.
청구항 15
제12항에 있어서,
상기 생석회(CaO)와 물(H2O)은 1:3의 비율로 혼합 반응되는 것을 특징으로 하는 화학반응열을 이용한 열에너지
회수방법.
청구항 16
제12항에 있어서,
상기 제2 열에너지 회수단계에 적용된 산단부산물인 폐염산(HCl)은 열교환 효율성을 고려하여 함량 20% 이상의
폐염산이 적용되는 것을 특징으로 하는 화학반응열을 이용한 열에너지 회수방법.
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청구항 17
제12항에 있어서,
상기 제2 열에너지 회수단계에 적용된 산단부산물인 수산화칼슘[Ca(OH)2]과 반응하는 폐염산(HCl)은 2:1의 비율
로 적용되는 것을 특징으로 하는 화학반응열을 이용한 열에너지 회수방법.
발명의 설명
기 술 분 야
본 발명은 열에너지 회수장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 석회(CaO)의 수화반응 및 수산화칼슘[Ca(OH)[0001]
2]과 폐염산(HCl 함량 20%이상)이 반응할 때 발생하는 열을 회수하기 위한 화학반응열을 이용한 열에너지 회수
장치 및 그 방법에 관한 것이다.
배 경 기 술
산업이 고도로 발달하여 에너지 사용량이 늘어나고 석탄, 석유 등 화석에너지 의존율이 높아서 탄산가스 배출량[0002]
이 많은 국내 여건에서 폐열의 재이용과 탄산가스 배출량의 감축은 매우 심각한 과제로 대두되고 있다.
이러한 이유로 에너지 자원이 빈약한 국내 여건과 에너지 유효이용측면에서 축열 시스템의 개발은 매우 중요하[0003]
다.
한편, 폐열 등을 이용하기 위한 축열 방법은 화학축열법, 현열축열법 및 잠열축열법 등 크게 세 가지로 구분된[0004]
다.
현열축열법은 고체 혹은 액체의 현열을 이용하는 방법이고, 특히. 잠열축열법은 용융응고, 결정전이, 승화 등의[0005]
상변화에 수반되는 잠열을 이용하는 방법이며, 대한민국 공개특허 제99-24576호에서는 축열재의 과냉각 및 상분
리현상을 억제하여 안정된 물성을 얻도록 함과 동시에 내구성을 갖는 잠열축열재 및 이의 제조방법을 개시하고
있다.
이러한 상기 특허에서는 탄산염을 주잠열재로 사용하고, 붕사를 조핵제로 이용한다. [0006]
또한, 화학축열법은 흡착, 탈착, 용해, 희석 및 화학반응에서 발생하는 화학열을 이용하는 방법으로 열손실이[0007]
적고 열에너지를 장시간 저장할 수 있으며 축열밀도가 크고, 특히 두 종류 이상의 화학반응을 조합할 경우 비교
적 높은 온도를 얻을 수 있다는 장점이 있다.
그러나, 상변화물질을 이용하는 경우는 반복 사용에 따라 수명이 저하되는 문제점이 있고, 고체축열 방식은 열[0008]
저장재의 현열을 이용한 것으로 열손실에 따르는 열저장 기간이 단축되는 문제점이 있으며, 화학반응을 이용한
기술은 반응 조건이 까다롭다는 문제점이 있다.
선행기술문헌
특허문헌
(특허문헌 0001) 대한민국 공개특허 제99-24576호 [0009]
발명의 내용
해결하려는 과제
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 생석회(CaO)가 수화반응을 일으킬 때 발생하는 수산[0010]
화칼슘[Ca(OH)2]의 수산화칼슘[Ca(OH)2]이 각종 화학공장의 부산물인 폐염산(HCl) 함량 20%이상)과 반응하여 염
공개특허 10-2016-0093357
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화칼슘 (CaCl2)을 생성할 때 발생하는 염화칼슘의 생성열을 회수하여 이를 활용하기 장치 및 그 회수방법을 제
공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 본 발명은 그 반응공정 및 회수방법이 간단하고, 고유가 시대의 대체 보일러시스템으로 농가의 시설[0011]
하우스 난방시스템의 대체시스템으로 적용될 수 있다.
과제의 해결 수단
전술한 목적을 달성하기 위한 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치는, [0012]
급수되는 물(H2O)과 반응하도록 생석회(CaO)가 수용되고, 생석회(CaO)와 물(H2O)이 반응하여 생성된 수화반응열[0013]
을 축열하는 제1반응조와;
제1반응조에서 생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2] 수용액으로 만들어 펌프이송이 적합하도록 하고, 폐염산(HCl)을 투[0014]
입하여 반응시키는 제2반응조와;
제1반응조와 제2반응조를 수용하고, 제1반응조 및 제2반응조와 열교환되는 물(H2O)이 투입되는 수용조를 포함하[0015]
여 이루어져 있다.
본 발명에 있어서, 제1반응조와 제2반응조 사이에는 슬러리펌프가 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.[0016]
또한, 본 발명에 적용된 제2반응조는 제1반응조보다 하부에 위치하여 제1반응조에서 생성된 수산화칼슘[0017]
[Ca(OH)2] 수용액이 압력에 따른 차이로 이송될 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 급수되는 물(H2O)과 반응하도록 생석회(CaO)가 수용되고, 생석회(CaO)와 물(H2O)이 반응하여 생[0018]
성된 수화반응열을 축열하는 제1반응조와;
제1반응조에서 생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2] 수용액으로 만들어 펌프이송이 적합하도록 하고, 폐염산 (HCl)을 투[0019]
입하여 반응시키는 제2반응조와;
제1반응조와 제2반응조를 수용하고, 제1반응조 및 제2반응조와 열교환되는 물(H2O)이 투입되는 수용조와;[0020]
수용조에서 생성된 반응열을 축열하여 축열된 온수를 저장하는 축열조;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으[0021]
로 한다.
또한, 본 발명은 급수되는 물(H2O)과 반응하도록 생석회(CaO)가 수용되고, 생석회(CaO)와 물(H2O)이 반응하여 생[0022]
성된 수화반응열을 축열하는 제1반응조와;
제1반응조에서 생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2] 수용액으로 만들어 펌프이송이 적합하도록 하고, 폐염산 (HCl)을 투[0023]
입하여 반응시키는 제2반응조와;
제2반응조에서 반응 후 생성되는 염화칼슘(CaCl2) 수용액을 슬러리펌프를 통해 염화칼슘(CaCl2)을 저장하는 저[0024]
장조와;
제1반응조와 제2반응조를 수용하고, 제1반응조 및 제2반응조와 열교환되는 물(H2O)이 투입되는 수용조와;[0025]
수용조에서 생성된 반응열을 축열하여 축열된 온수를 저장하는 축열조; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으[0026]
로 한다.
또한, 본 발명에 적용된 수용조에는 열교환기가 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.[0027]
또한, 본 발명에 따른 제1반응조와 제2반응조의 내부로는 교반기가 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.[0028]
또한, 본 발명에 따른 교반기는 30rpm의 속도로 회전하는 것을 특징으로 한다.[0029]
또한, 본 발명은 급수되는 물(H2O)과 반응하도록 생석회(CaO)가 수용되고, 생석회(CaO)와 물(H2O)이 반응하여 생[0030]
성된 수화반응열을 축열하고, 5 kgf/㎠ 이상의 압력을 버틸 수 있는 제1반응조와;
제1반응조에서 생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2] 수용액으로 만들어 펌프이송이 적합하도록 하고, 폐염산 (HCl)을 투[0031]
입하여 반응하고, 5 kgf/㎠ 이상의 압력을 버틸 수 있는 제2반응조와;
공개특허 10-2016-0093357
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제2반응조에서 반응 후 생성되는 염화칼슘(CaCl2) 수용액을 슬러리 펌프를 통해 염화칼슘(CaCl2)을 저장하는 저[0032]
장조와;
제1반응조와 제2반응조를 수용하고, 제1반응조 및 제2반응조와 열교환되는 물(H2O)이 투입되는 수용조와;[0033]
수용조에서 생성된 반응열을 축열하여 축열된 온수를 저장하는 축열조; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으[0034]
로 한다.
또한, 본 발명에 적용된 제2반응조와 저장조 사이에는 슬러리펌프가 더 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 한[0035]
다.
또한, 본 발명은 급수되는 물(H2O)과 반응하도록 생석회(CaO)가 수용되고, 생석회(CaO)와 물(H2O)이 반응하여 생[0036]
성된 수화반응열을 축열하고, 5 kgf/㎠ 이상의 압력을 버틸 수 있는 제1반응조와;
제1반응조에서 생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2] 수용액으로 만들어 펌프이송이 적합하도록 하고, 폐염산 (HCl)을 투[0037]
입하여 반응하고, 5 kgf/㎠ 이상의 압력을 버틸 수 있는 제2반응조와;
제2반응조에서 반응 후 생성되는 염화칼슘(CaCl2) 수용액을 슬러리 펌프를 통해 염화칼슘(CaCl2)을 저장하는 저[0038]
장조와;
제1반응조와 제2반응조를 수용하고, 제1반응조 및 제2반응조와 열교환되는 물(H2O)이 투입되며, 열손실을 줄이기[0039]
위해서는 단열재가 설치된 수용조와;
수용조에서 생성된 반응열을 축열하여 축열된 온수를 저장하는 축열조; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으[0040]
로 한다.
또한, 본 발명에 있어서 제1반응조와 제2반응조에는 온도계와 압력계가 더 설치되어 이루어지는 것을 특징으로[0041]
한다.
한편, 전술한 다른 목적을 달성하기 위한 화학반응열을 이용한 열에너지 회수방법은, [0042]
생석회 (CaO)와 물(H2O)이 반응하여 발생하고, 수산화칼슘[Ca(OH)2]이 생성되는 제1 열에너지 회수단계;[0043]
생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2]과 반응하는 폐염산(HCl)을 투입하여 반응 후 생성된 염화칼슘(CaCl2)를 이송 및 저[0044]
장하는 제2열에너지 회수단계;펌프 이송 및 저장단계;
제1 및 제2 열에너지 회수단계를 통해 발생한 반응열을 이용하여 열교환기를 통해 온수를 생산하고 저장하는 단[0045]
계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제1 열에너지 회수단계에 적용된 생석회(CaO)는 열교환 효율성을 고려하여 함량 95% 이상의 편[0046]
차가 없는 생석회(CaO)가 적용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 적용된 생석회(CaO)는 이송이나 보관에 있어 외부와의 수분접촉을 차단된 상태로 공급되는 것[0047]
을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 적용된 생석회(CaO)와 물(H2O)은 1:3의 비율로 혼합 반응되는 것을 특징으로 한다.[0048]
또한, 본 발명의 제2 열에너지 회수단계에 적용된 산단부산물인 폐염산(HCl)은 열교환 효율성을 고려하여 함량[0049]
20% 이상의 폐염산이 적용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제2 열에너지 회수단계에 적용된 산단부산물인 수산화칼슘[Ca(OH)2]과 반응하는 폐염산(HCl)은[0050]
2:1의 비율로 적용되는 것을 특징으로 한다.
발명의 효과
본 발명에 따른 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치 및 그 방법에 의하면, 산단부산물인 폐염산(HCl 함량[0051]
20% 이상)을 회수 및 재이용하고, 저렴한 생석회(CaO)나 반응 후 생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2]의 재사용을 통하
여 열에너지를 회수할 수 있어 환경친화적인 시스템일 뿐만 아니라 현대 사회에서 가장 많이 사용되는 화석연료
를 사용하는 보일러의 대안으로, 지구 온난화 물질인 이산화탄소(CO2)의 저감할 수 있는 효과가 발생한다.
공개특허 10-2016-0093357
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도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명에 따른 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치의 개략도이다.[0052]
도 2는 본 발명에 따른 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치의 내부 구조를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 화학반응열을 이용한 열에너지 회수방법의 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제1반응조에서 반응하는 과정을 보여주는 순서도이다.
도 5는 본 발명에 적용된 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치 및 방법에 적용된 제1반응조에서 생석회
(CaO)와 물(H2O)의 혼합비를 각각 달리하여 반응시간에 따른 온도를 나타낸 그래프를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 적용된 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치 및 방법에 적용된 제1반응조에서 생석회
(CaO)와 물(H2O)의 혼합비를 1:3으로 하였을 때 반응시간에 따른 온도와 압력을 나타낸 그래프를 보여주는 도면
이다.
도 7은 본 발명에 적용된 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치 및 방법에 적용된 제2반응조에서 수산화칼슘
[Ca(OH)2]과 폐염산(HCl)의 적합 비율과 그에 따른 생성 반응열을 측정하고 반응 생성물인 염화칼슘 (CaCl2) 수
용액의 펌프이송을 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명에 적용된 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치 및 방법에 적용된 제2반응조에서 수산화칼슘
[Ca(OH)2]과 폐염산(HCl)의 혼합비를 각각 달리하여 반응시간에 따른 온도를 나타낸 그래프를 보여주는 도면이
다.
도 9는 본 발명에 적용된 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치 및 방법에 적용된 제2반응조에서 수산화칼슘
[Ca(OH)2]과 폐염산(HCl)의 혼합비를 2:1로 하였을 때 반응시간에 따른 온도와 압력을 나타낸 그래프를 보여주
는 도면이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
이하, 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 먼저, 도면에 걸쳐 기[0053]
능적으로 동일하거나, 유사한 부분에는 동일한 부호를 부여한다.
먼저, 도 1은 본 발명에 따른 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치의 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 화[0054]
학반응열을 이용한 열에너지 회수장치의 내부 구조를 보여주는 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따라 적용되는 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치의 설치형태는, 도 1에 도시된 구[0055]
조를 통해 전체적인 형상을 파악할 수 있으며, 도 2 에 도시된 바와 같이, 내부 구조를 구체적으로 파악할 수
있다.
여전히 본 발명은 전술한 예시한 모델의 활용에 한정되지는 않는다.[0056]
다시, 본 발명은 제1, 2반응조(10)(20)을 수용하는 수용조(30)와 수용조(30)에서 열교환된 온수가 저장되는 축[0057]
열조(40)를 포함하고 있다.
제1반응조(10)는 급수되는 물(H2O)과 반응하도록 생석회(CaO)가 수용되고, 생석회(CaO)와 물(H2O)이 반응하여 생[0058]
성된 수화반응열을 축열하는 구조로 이루어져 있다.
제2반응조(20)는 제1반응조(10)에서 생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2]을 수용액으로 만들어 펌프이송이 적합하도록[0059]
하고, 폐염산(HCl)을 투입하여 반응시켜 반응열을 생성시키는 구조로 이루어져 있다.
수용조(30)는 외부에서 물(H2O)이 공급되어 제1반응조(10) 및 제2반응조(30)의 반응열과 열교환되어 온수를 공[0060]
급하는 구조로 이루어져 있다.
본 발명에 적용된 제1반응조(10)에 투입되는 생석회(CaO)와 물(H2O)은 1:3의 비율로 혼합시켜 반응하도록 하며,[0061]
특히 생석회(CaO)는 시중에 판매되고 있는 95%이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다.
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이렇게 투입되는 생석회(CaO)와 물(H2O)은 교반기(40)에 의해서 교반되어 적합한 반응을 수행하게 되며, 바람직[0062]
하게는 교반기(40)는 30rpm 이상으로 교반 반응시키게 된다.
위와 같이 교반 반응된 생석회(CaO)와 물(H2O)은 CaO H2O => Ca(OH)2 열에너지(15.6 kcal/mole)를 생성하게[0063]
된다.
제1반응조(10)에서 생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2] 수용액은 슬러리 펌프(50)를 통해 다음 제2반응조(20)에 투입된[0064]
다.
한편, 제2반응조(20)는 제1반응조(10)보다 하부에 위치하여 제1반응조(10)에서 생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2] 수[0065]
용액이 압력에 따른 차이로 이송될 수 있도록 하여 제1반응조(10)의 장애 등에 의한 정지에도 작동하도록 한다.
제2반응조(20)는 제1반응조(10)를 통해 투입된 수산화칼슘[Ca(OH)2]과 염산 (HCl 함량 20% 이상)의 비율은 2:1[0066]
로 투입하고, 전술한 교반기(40)가 설치되어 30 rpm 이상에서 교반하여 Ca(OH)2 2HCl => CaCl2 H2O 열에
너지(27.4 kcal/mole)를 생성하게 된다.
특히, 투입할 폐염산(HCl)의 함량은 20%이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다.[0067]
한편, 열에너지와 함께 생성되는 염화칼슘(CaCl2)은 슬러리 펌프(50)에 의해서 이송되어 저장조(60)로 저장된[0068]
다.
또한, 본 발명에 적용된 수용조(30)에는 열교환기(70)가 설치되어 있으며, 이 열교환기(70)는 전술한 제1, 2 반[0069]
응조(10)(20)를 통해 발생한 열에너지를 물과 교환시켜 온수로 생성하게 된다.
이렇게 수용조(30)에서 열교환된 온수는 축열조(80)에 저장되어 온수, 난방 등에 사용된다.[0070]
계속하여, 본 발명에 따른 화학반응열을 이용한 열에너지 회수방법을 다음과 같은 도면을 참조하여 구체적으로[0071]
설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 화학반응열을 이용한 열에너지 회수방법의 모식도이고, 도 4는 본 발명에 따른 제1반응[0072]
조에서 반응하는 과정을 보여주는 순서도이며, 도 5는 본 발명에 적용된 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장
치 및 방법에 적용된 제1반응조에서 생석회(CaO)와 물(H2O)의 혼합비를 각각 달리하여 반응시간에 따른 온도를
나타낸 그래프를 보여주는 도면이며, 도 6은 본 발명에 적용된 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치 및 방
법에 적용된 제1반응조에서 생석회(CaO)와 물(H2O)의 혼합비를 1:3으로 하였을 때 반응시간에 따른 온도와 압력
을 나타낸 그래프를 보여주는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명은 생석회 (CaO)와 물(H2O)이 반응하여 발생하고, 수산화칼슘[Ca(OH)2]이 생[0073]
성되는 제1 열에너지 회수단계(s100);
생성된 수산화칼슘[Ca(OH)2]과 반응하는 폐염산(HCl)을 투입하여 반응 후 생성된 염화칼슘(CaCl2)를 이송 및 저[0074]
장하는 제2열에너지 회수단계(s200);
제1 및 제2 열에너지 회수단계를 통해 발생한 반응열을 이용하여 열교환기를 통해 온수를 생산하고 저장하는 단[0075]
계(s300);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 적용된 제1 열에너지 회수단계(s100)에서 생석회(CaO)와 물(H2O)의 비율이 각각 1:1, 1:1.5, 1:2,[0076]
1:2.5, 1:3, 1:3.5, 1:4, 1:4.5로 혼합하였으며, 특히, 1:1, 1:1.5, 1:2의 비율은 고체 상태로 슬러리 펌프의
이송이 불가능하고 1:2.5의 비율은 걸죽한 슬러리 상태로 슬러리펌프의 이송에 어려움이 있으며, 1:3비율의 슬
러리 상태가 펌프이송에 바람직하다.
또한, 1:3.5, 1:4, 1:4.5의 비율은 슬러리 펌프 이송에는 적합하나 염산과 반응하는 제2반응조에서 회수 열량이[0077]
낮아 생석회(CaO)와 물(H2O)의 1:3 비율이 가장 적합하다.또한, 본 발명의 제1 열에너지 회수단계에 적용된 생
석회(CaO)는 열교환 효율성을 고려하여 함량 95% 이상의 편차가 없는 생석회(CaO)가 적용되는 것을 특징으로 한
다.
한편, 본 발명에 적용된 생석회(CaO)는 이송이나 보관에 있어 외부와의 수분접촉을 차단된 상태로 공급되는 것[0078]
을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명에 적용된 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치 및 방법에 적용된 제1반응조에서 생석회[0079]
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(CaO)와 물(H2O)의 혼합비를 각각 달리하여 반응시간에 따른 온도를 나타낸 그래프로서, 생석회 (CaO)와 물
(H2O)을 각 비율 1:1, 1:1.5, 1:2, 1:3, 1:3.5, 1:4, 1:4.5로 반응시켜 경과시간에 따른 발열온도를 측정한 그
래프이다.
도시된 바와 같이, 생석회(CaO)와 물(H2O)의 비율에 관계없이 모두 반응 3분 이내에 최고온도에 도달하고 있음[0080]
을 알 수 있으며, 1:1 비율의 온도는 2분 24초에 최고온도인 181.2 를 나타냈고, 1:1.5 비율의 온도는 2분 24초
에 최고온도인 179.9 를 나타냈으며, 1:2 비율은 3분에 최고온도인 171.8 , 1:3비율은 3분에 최고온도인 151.1
를 나타냈고, 1:3.5비율은 2분 24초에 최고온도 148.2 , 1:4비율은 3분에 121.1 를 나타내고, 1:4.5는 3분에
116.1 를 나타내었다.
이는 전술한 바와 같이, 슬러리 이송 문제로 인하여 1:3 비율이 슬러리 이송효율과 열교환 효율을 고려하였을[0081]
때 가장 적합함을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 적용된 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치 및 방법에 적용된 제1반응조에서 생석회[0082]
(CaO)와 물(H2O)의 혼합비를 1:3으로 하였을 때 반응시간에 따른 온도와 압력을 나타낸 그래프를 보여주는 도면
으로, 생석회(CaO)와 물(H2O)을 1:3의 비율로 반응시켰을 시 시간에 따른 온도와 압력을 나타낸 그래프이다.
생석회(CaO)와 물(H2O)의 반응 3분 이내에 온도가 151.1 로 최고온도였으며, 압력이 3.4 kgf/cm
2
를[0083]
나타내었다.
위와 같은 결과에 따라 제1반응조는 그 구조와 재질이 최소 5kgf/cm
2
의 압력을 견딜 수 있게 설계되어야 한다.[0084]
다음은 본 발명에 적용된 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치 및 방법에 적용된 제2반응조에서의 반응과정[0085]
을 구체적으로 설명한다.
도 7은 본 발명에 적용된 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치 및 방법에 적용된 제2반응조에서 수산화칼슘[0086]
[Ca(OH)2]과 폐염산(HCl)의 적합 비율과 그에 따른 생성 반응열을 측정하고 반응 생성물인 염화칼슘 (CaCl2) 수
용액의 펌프이송을 나타낸 모식도이고, 도 8은 본 발명에 적용된 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치 및
방법에 적용된 제2반응조에서 수산화칼슘[Ca(OH)2]과 폐염산(HCl)의 혼합비를 각각 달리하여 반응시간에 따른
온도를 나타낸 그래프를 보여주는 도면이며, 도 9는 본 발명에 적용된 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치
및 방법에 적용된 제2반응조에서 수산화칼슘[Ca(OH)2]과 폐염산(HCl)의 혼합비를 2:1로 하였을 때 반응시간에
따른 온도와 압력을 나타낸 그래프를 보여주는 도면이다.
제1반응조에서 반응하는 수산화칼슘[Ca(OH)2]과 폐염산(HCl 함량 20% 이상)의 비율을 각각 4:1, 3:1, 2:1,[0087]
1:1, 1:2의 비율로 선정하여 각 비율별로 반응 시 4:1과 3:1은 반응온도가 상대적으로 낮고 2:1비율의 반응이
염산과의 반응 시 비교적 높은 온도와 슬러리 펌프의 이송 가능성이 가장 좋다.
수산화칼슘[Ca(OH)2]과 폐염산(HCl)이 1:1의 비율은 묽게 변하고, 1:2의 비율은 수산화칼슘이 다 녹아 용액상[0088]
태로 변하여 염화칼슘(CaCl2)의 생성이 어려워 2:1의 비율이 가장 적합하다.
도 8은 본 발명에 적용된 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치 및 방법에 적용된 제2반응조에서 수산화칼슘[0089]
[Ca(OH)2]과 폐염산(HCl)의 혼합비를 각각 달리하여 반응시간에 따른 온도를 나타낸 그래프로서, 수산화칼슘
[Ca(OH)2]과 폐염산(HCl 함량 20%이상)의 각 비율 1:3, 1:2, 1:1, 2:1, 3:1, 4:1로 반응시켜 경과시간에 따른
발열온도를 측정한 그래프이다.
수산화칼슘[Ca(OH)2]과 폐염산(HCl 함량 20%이상)의 비율에 관계없이 모두 반응 5초 이내에 최고온도에 도달하[0090]
며, 1:3 비율의 온도는 5초에 최고온도인 181.2 를 나타냈고, 1:2 비율의 온도는 5초에 최고온도인 170.4 를 나
타냈으며, 1:1 비율은 5초에 최고온도인 151.2 , 2:1의 비율은 5초에 최고온도인 153.6 를 나타냈고, 3:1의 비
율은 5초에 최고온도인 141.5 , 4:1의 비율은 5초에 최고온도인 129.8℃ 를 나타내었다.
따라서, 전술한 바와 같이 슬러리 이송 문제로 인하여 2:1비율이 슬러리 이송효율과 열교환 효율을 고려하였을[0091]
때 가장 적합하다.
도 9는 본 발명에 적용된 화학반응열을 이용한 열에너지 회수장치 및 방법에 적용된 제2반응조에서 수산화칼[0092]
슘[Ca(OH)2]과 폐염산(HCl)의 혼합비를 2:1로 하였을 때 반응시간에 따른 온도와 압력을 나타낸 그래프로서, 수
산화칼슘[Ca(OH)2]과 폐염산(HCl 함량 20%이상)의 비율이 2:1로 반응하였을 때 시간에 따른 온도와 압력을 나타
낸 그래프이다.
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수산화칼슘[Ca(OH)2]과 폐염산(HCl 함량 20%이상)이 반응 5초 이내에 온도가 153.6로 최고온도였으며 압력이[0093]
3.5kgf/cm
2
를 나타내었다.
이 역시도 본 발명의 제2반응조는 구조와 재질이 최소 5kgf/cm
2
의 압력을 견딜 수 있게 설계되어야 함을 알 수[0094]
있다.
본 발명은 그 정신 또는 주요한 특징으로부터 일탈하는 일없이, 다른 여러 가지 형태로 실시할 수 있다. 그 때[0095]
문에, 전술한 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며, 한정적으로 해석해서는 안된다. 본 발명의
범위는 특허청구의 범위에 의해서 나타내는 것으로서, 명세서 본문에 의해서는 아무런 구속도 되지 않는다. 다
시, 특허청구범위의 균등 범위에 속하는 변형이나 변경은, 모두 본 발명의 범위 내의 것이다.
부호의 설명
10: 제1반응조 20: 제2반응조[0096]
30: 수용조 40: 교반기
50: 슬러리 펌프 60: 저장조
70: 열교환기 80: 축열조
도면
도면1
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도면3
도면4
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도면6
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