KR100779609B1 - 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 폐 스팀을 공급받아 순산소연소를 통해 재가열하는 순산소연소기; 순산소연소기에서 배출된 연소가스와 증기혼합물을 이용하여 터빈을 돌려 기계에너지를 발생시키는 터빈부; 터빈부에서 발생된 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기; 및 지하에 구비되어 지열을 이용하여 터빈부를 통과한 연소가스와 증기혼합물을 응축시키는 복수기를 구비하는 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 폐 스팀을 열원으로 재활용하므로 경제적이고, 순산소연소기를 통해 열효율을 높일 수 있으며, 이산화탄소를 회수할 수 있으며, 지열을 통하여 응축시키므로 다량의 냉각수가 요구되지 않아 비용이 절감된다는 장점이 있다.

폐 스팀, 지열, 순산소연소, 냉각수단

Description

폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트{Thermal power plant having pure oxygen combustor and using waste steam}

본 발명은 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 가열로, 소각로 또는 공장 등에서 나온 폐 스팀을 열원으로 재활용하여 사용하고, 순산소연소기를 구비하여 열효율을 높이고, 다량의 냉각수가 없이도 간단하고 저비용으로 사용된 증기를 응축시킬 수 있는 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트에 관한 것이다.

종래 화력발전플랜트에서는 연료를 연소시켜 발생된 열을 통하여 보일러의 내부에 있는 물을 가열하고, 이를 통하여 고온·고압의 증기를 발생시켰고, 터빈을 돌리는 데 이용된 후의 감압·감온의 증기는 다량의 냉각수를 이용하여 응축시키는 방법을 주로 사용하였다.

종래에 사용되어 오던 냉각수단으로는 주로 다량의 물을 공급받을 수 있는 해수를 냉각수로 이용하여 응축을 시켰고, 따라서 다량의 해수를 공급받기 쉬운 해안 근처에 화력발전플랜트를 설치하여야 한다는 공간적인 제약이 있을 뿐 아니라 해수를 끌어다 사용하는데 별도의 에너지가 요구되어 비용적인 측면에서도 문제점 이 있었다.

이에 별도의 연료를 소모시키지 않고, 사용하고 남은 폐 스팀을 재활용하여 보일러를 가열시킴으로써 비용의 절감과 함께 배출가스의 생성을 줄일 수 있는 환경친화적이고, 경제적이며, 다량의 냉각수를 공급받지 않고도 사용한 증기를 응축시킬 수 있는 냉각수단을 갖춘 화력발전플랜트가 요구되고 있다.

본 발명은 상술한 기술개발의 필요성에 따라 창출된 것으로,

첫째, 소각로 등에서 발생된 폐 스팀을 이용하여 별도의 보일러를 구비하지 않고 에너지를 얻을 수 있는 경제적인 화력발전플랜트를 제공하는데 그 목적이 있다.

둘째, 가열기를 통한 재열시스템과 별도로 순산소연소기를 구비하여 특정부분의 과열을 방지하고 직접가열을 통하여 열효율을 높이고, 이산화탄소의 회수도 가능하게 하는 화력발전플랜트를 제공하는데 그 목적이 있다.

셋째, 다량의 냉각수가 없이도 간단하게 증기를 응축시킬 수 있는 냉각수단을 구비한 화력발전플랜트를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 폐 스팀을 공급받아 순산소연소를 통해 재가열하는 순산소연소기; 상기 순산소연소기에서 배출된 연소가스와 증기혼합물을 이용하여 터빈을 돌려 기계에너지를 발생시키는 터빈부; 상기 터빈부에서 발생된 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기; 및 지하에 구비되어 지열을 이용하여 상기 터빈부를 통과한 연소가스와 증기혼합물을 응축시키는 복수기를 구비하는 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트를 제공한다.

여기서, 상기 순산소연소기는 내부에서 화석연료, 질소가 포함되지 않은 부생가스 또는 공정부산물 중에서 선택된 어느 하나와 순수 산소만을 산화제로 이용 하여 순산소연소하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 순산소연소기는 증기, 산소 및 연료가 주입되는 다수의 노즐이 구비된 입구부; 및 상기 입구부를 통해 주입되는 증기를 제외한 나머지 증기가 측면에 형성된 주입구를 통해 주입되도록 형성된 본체부를 구비하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 복수기로부터 응축된 물과 분리하여 이산화탄소를 회수하는 회수펌프를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명의 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트는,

첫째, 소각로 등의 폐 스팀을 이용하여 에너지를 얻으므로 경제적이고, 환경친화적일 뿐 아니라 경제적인 냉각수단을 이용한다는 장점이 있다.

둘째, 폐 스팀을 순산소연소를 통해 직접 재가열하여 열효율이 높은 화력발전플랜트를 제공하며, 동시에 고농도의 이산화탄소를 회수할 수 있다는 장점이 있다.

셋째, 연소기 내부로 증기를 분기하여 주입할 수 있도록 형성되어 순산소연소가 일어나는 특정 부분이 과열되는 것을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사 전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도 1 내지 도 4를 참고하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트를 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트(100)를 나타낸 개략도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트(100)는 순산소연소기(110), 터빈부(120), 발전기(130), 복수기(140), 회수펌프(150)를 포함한다.

상기 순산소연소기(110)는 소각로 등으로부터 폐 스팀을 공급받아 재가열하여 보다 높은 에너지를 보유한 증기를 상기 터빈부(120)로 공급한다.

이 때, 상기 순산소연소기(110)는 내부에서 연료와 순수 산소만을 산화제로 이용하는 순산소연소가 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 연료로는 일반적인 고체, 액체, 기체 형태의 화석연료뿐만 아니라 질소가 포함되어 있지 않은 부생가스 또는 소화조가스등의 공정부산물도 사용할 수 있다.

여기서, 폐 스팀을 공급하는 설비는 상기 소각로에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 목적에 따라 폐 스팀을 공급할 수 있는 가열로, 공장, 화력발전플랜트 등과 같은 모든 설비가 포함될 수 있다.

도 2는 도 1에 나타낸 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트에서 메탄을 공급하여 순산소연소가 일어나는 경우의 반응식을 나타낸 것이다.

도 2를 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트에서 순산소연소기(110)의 내부에는 산소와 메탄이 공급되고, 상기 산소와 메탄간의 순산소 연소반응을 통한 연소가스 중에는 이산화탄소와 수증기만 존재하므로 상기 연소가스 중의 수증기가 상기 복수기(140)에서 응축되면 상기 회수펌프(150)를 통해 응축된 물과 분리하여 고농도의 이산화탄소를 얻을 수 있다.

이와 같이 연소가스를 직접 스팀과 혼합하는 방식이 열손실을 줄일 수 있어 열효율 측면에서 유리하다.

또한, 공기를 사용하는 연소기를 설치하여 연소가스를 스팀과 혼합하는 경우 공기 중의 질소가 다량으로 유입되어 이산화탄소의 회수가 불가능하며 터빈출구에서 배출시켜야하는 불 응축가스의 양이 많아져 시스템에 불리하다는 단점이 있는 반면에, 상기와 같은 순산소연소기를 설치하는 경우 터빈후단에서 배출시켜야하는 불 응축가스가 이산화탄소뿐이어서 배출시켜야 하는 양도 작고, 고농도의 이산화탄소이기 때문에 이산화탄소의 회수가 가능하다.

도 3은 도 1에 나타낸 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트의 순산소연소기를 나타낸 개략도이다.

도 3을 참고하면, 상기 순산소연소기(110)는 증기, 산소 및 화석연료가 주입되는 다수의 노즐이 구비된 입구부(111); 상기 입구부(111)를 통해 주입되는 증기를 제외한 나머지 증기가 측면에 형성된 주입구(113)를 통해 주입되도록 형성된 본체부(115)를 구비한다.

상기 입구부(111)에 구비된 다수의 노즐을 통하여 연료, 산소 및 수증기의 일부가 주입되고, 주입된 산소와 연료 간에 순산소 연소반응이 이루어져 고온의 연소가스를 얻을 수 있다. 상기 고온의 연소가스와 상기 입구부(111)를 통해 주입된 증기가 혼합되어 원하는 온도의 연소가스를 얻을 수 있다.

즉, 상기 입구부(111)에 구비된 다수의 노즐을 통하여 증기 중 일부가 산소 및 화석연료와 함께 상기 순산소연소기(110)의 내부로 주입되기 때문에 산소와 화석연료 간의 순산소 연소반응으로 인한 상기 입구부(111)의 과열현상을 방지할 수 있게 되며, 과열로 인한 질소산화물(NOx)의 생성도 방지할 수 있다.

또한, 다른 열교환기를 이용한 가열과는 다르게 증기가 상기 순산소연소기(110)로 직접 주입이 되어 상기 순산소연소기(110) 내에서 순산소 연소반응을 통하여 직접 가열이 되므로 열전달이 더 잘 이루어져 열효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.

상기 순산소 연소반응에 의해 생성된 연소가스와 증기혼합물은 상기 터빈부(120)로 공급되어 기계에너지를 발생시키고, 상기 터빈부(120)를 통과한 상기 연 소가스와 증기혼합물은 상기 복수기(140)를 지나며, 이때 수증기는 응축되어 물이 되어 배출되고, 상기 복수기(140)에서 응축되지 않은 이산화탄소는 상기 회수펌프(150)를 통해 외부로 배출되어 회수하게 된다.

이와 같은 화력발전플랜트의 열효율이 어떻게 상승되는지 알 수 있도록 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트(100)에 의한 랭킨사이클을 도 4에 나타내었다.

도 4를 참고하면, 일반적인 폐 스팀을 그대로 이용한 화력발전플랜트의 터빈부(120)는 1-2-3-5-1과 같은 조건의 랭킨사이클로 운전되는 반면에, 순산소연소를 하는 순산소연소기(110)를 적용하여 터빈부(120)의 입구를 재가열하는 경우는 7-1-2-3-4-6-7과 같은 조건의 랭킨사이클로 운전되는 것을 알 수 있다.

일반적인 랭킨사이클에 의한 화력발전플랜트에서의 터빈의 출구에 해당하는 도 4의 5지점은 습증기조건으로 운전되는데, 터빈블레이드의 침식문제를 고려하여 건도를 90%이상으로 유지하는 것이 일반적이다.

그러나 순산소연소를 이용하여 터빈입구를 재열하면 건도를 90%이상으로 유지하면서 더 낮은 터빈출구압력을 나타내는 도 4의 6지점에서 운전이 가능하여 효율을 증가시킬 수 있다.

도 4를 참고하면, 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트(100)를 이용하는 경우 전기효율이 약 2~3% 정도 상승된다는 것을 알 수 있다.

상기 발전기(130)는 상기 터빈부(120)에 의해 발생된 기계에너지를 전기에너 지로 변환한다.

상기 복수기(140)는 지하에 구비되어 상기 터빈부(120)를 통과한 증기를 지열을 이용하여 응축시킨다.

소각로 등과 같이 폐 스팀을 배출하는 설비의 경우 이미 갖추어진 설비이므로 해양지역뿐만 아니라 물을 공급받기 어려운 내륙지역에 위치하는 경우도 많기 때문에 해수 등과 같은 냉각수를 끌어다 사용하기 어려운 경우가 있을 수 있으며, 이런 다량의 냉각수를 사용하는 경우에는 비용이 많이 들 수 있기 때문에 경제적이지 못하다는 문제점이 있었다.

따라서 상기 복수기(140)를 지하에 구비하여 간단하고, 효과적으로 증기를 냉각하여 응축시킬 수 있으며, 별도의 비용을 들이지 않고도 지속적으로 재활용이 가능하다는 장점이 있다.

상기 복수기(140)를 통해 배출된 이산화탄소는 물과 분리되어 상기 회수펌프(150)를 통해 회수되고, 상기 복수기(140)를 통해 응축된 물은 버려지거나 별도의 급수펌프(미도시)를 더 구비하여 재활용할 수도 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트를 나타낸 개략도이고,

도 2는 도 1에 나타낸 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트에서 메탄을 공급하여 순산소연소가 일어나는 경우의 반응식을 나타낸 것이고,

도 3은 도 1에 나타낸 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트의 순산소연소기를 나타낸 개략도이고,

도 4는 도 1에 나타낸 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트에 의한 랭킨사이클이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트

110 : 순산소연소기 111 : 입구부

113 : 주입구 115 : 본체부

120 : 터빈부 130 : 발전기

140 : 복수기 150 : 회수펌프

Claims (4)

1. 폐 스팀을 공급받아 순산소연소를 통해 재가열하는 순산소연소기; 상기 순산소연소기에서 배출된 연소가스와 증기혼합물을 이용하여 터빈을 돌려 기계에너지를 발생시키는 터빈부; 상기 터빈부에서 발생된 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기; 및 지하에 구비되어 지열을 이용하여 상기 터빈부를 통과한 연소가스와 증기혼합물을 응축시키는 복수기를 구비하는 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 순산소연소기는 내부에서 화석연료, 질소가 포함되지 않은 부생가스 또는 공정부산물 중에서 선택된 어느 하나와 순수 산소만을 산화제로 이용하여 순산소연소하는 것을 특징으로 하는 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트.
3. 제 1항에 있어서, 상기 순산소연소기는,

   증기, 산소 및 연료가 주입되는 다수의 노즐이 구비된 입구부; 및 상기 입구부를 통해 주입되는 증기를 제외한 나머지 증기가 측면에 형성된 주입구를 통해 주입되도록 형성된 본체부를 구비하는 것을 특징으로 하는 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 복수기로부터 응축된 물과 분리하여 이산화탄소를 회수하는 회수펌프를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 폐 스팀을 이용하고 순산소연소기를 구비한 화력발전플랜트.

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