KR100891726B1 - 공기 퍼지장치를 가지는 순산소연소 보일러 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 보일러에 공급되는 산소에 배기가스의 일부를 재순환가스로 혼합하여 사용하거나 순산소를 산화제로 사용하는 순산소연소 보일러에 있어서 점화준비시에 연소실에 체류할 가능성이 있는 가연성 가스를 송풍기를 이용하여 대기 중의 공기를 흡인하여 굴뚝을 통해 보일러 밖으로 밀어내어 가스폭발을 방지할 수 있는 퍼지장치를 가지는 산소연소장치에 관한 것이다.
본 발명의 주요구성은 연료 및 산화제를 연소시키는 보일러와; 상기 보일러에서 배출된 고온의 배기가스와 보일러로 공급되는 물을 서로 열교환시키는 절탄기와; 상기 보일러의 점화준비시에는 대기 중의 공기를 흡입하고, 보일러의 정상운전시에는 배기관으로부터 배기가스의 일부를 재순환배기가스로 흡입하는 송풍기와; 상기 보일러의 정상운전시 상기 송풍기에서 흡입된 재순환배기가스를 고온의 배기가스와 열교환시키는 재순환배기가스열교환기와; 액체산소를 저장하는 액체산소탱크와; 상기 액체산소탱크와 연결되어 액체산소를 기화시키는 액체산소 기화기를 구비하는 통상의 산소연소장치에 있어서, 상기 송풍기로부터 보일러의 점화준비시 대기중의 공기를 제공받아 보일러에 퍼지용으로 공급하고, 보일러의 정상운전시 상기 대기로 배출되는 배기가스의 일부를 제공받은 재순환배기가스와 액체산소 기화기에서 순산소를 제공받아 혼합한 후 보일러에 공급하는 혼합기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure R1020070135379
보일러, 순산소연소, 퍼지, 삼방밸브, 재순환배기가스, 송풍기

Description

공기 퍼지장치를 가지는 순산소연소 보일러{Oxy-fuel combustion boiler having a air purge device for carbon-capture}
본 발명은 순산소 연소버너를 사용하는 경우에 점화준비시에는 대기중의 공기를 제공받아 보일러에 퍼지용으로 공급하여 보일러의 연소실에 잔류하는 산소분위기의 가연성가스를 굴뚝으로 일정시간 동안 배출시킴으로서 점화불꽃에 의한 잔류 가연성 가스의 폭발을 방지할 수 있는 퍼지장치를 가지는 산소연소장치에 관한 것이다.
일반적으로 석탄, 석유 또는 가스 등의 연료를 사용하는 보일러는 대기중의 공기를 산화제로 사용하여 연소시킴으로서 발생되는 열을 온수나 증기의 형태로 각 분야에 활용한다. 그러나 최근 온실가스에 의한 기후변화가 환경에 미치는 영향이 크기 때문에 연소과정에서 발생하는 이산화탄소를 회수하고자하는 노력이 활발하게 진행되고 있다. 연소과정에서 발생하는 이산화탄소를 고농도화하여 회수할 목적으로 연소에 필요한 산화제로서 공기 대신에 순산소를 사용하는 순산소 연소방식을 사용하며, 이러한 산소는 일반적으로 액체산소를 기화시켜 공급하게 된다. 이러한 산소 연소방식은 가열로나 유리용해로와 같은 경우에는 연료와 순산소를 직접 반응시켜서 사용하는 경우가 많지만, 보일러의 경우에는 연소용량이 크고, 연소실 분위기 온도가 낮기 때문에 순산소연소의 경우에는 연료와 산화제의 혼합특성이 나빠져서 미연분이 많이 발생하는 경우도 있으며, 반면 화염중심온도는 너무 높아서 고열에 의한 버너와 보일러의 손상과 질소산화물 발생의 증가를 초래하게 된다. 따라서 배기가스 중의 일부를 재순환시켜 기화된 순산소와 혼합하여 다시 산화제로 활용함으로서 산화제의 산소농도는 낮추고 양을 많게 하여 연료와 산화제의 혼합을 좋게 함으로써 고온화염, 질소산화물의 생성, 불완전 연소 문제 등을 해결할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일본공개특허 평7-305830호(1995.11.21. 공개)의 보일러 장치의 배기가스 처리시스템을 제시하였다. 일본공개특허 평7-305830호는 액체산소제조장치(1)에서 액화된 산소를 저장탱크(2)에 저장된 후에 열교환기(3)를 거쳐 보일러장치에 공급하고, 보일러(4)에서 산소와 연료를 연소시켜 이산화탄소와 수증기를 주성분으로 하는 배기가스를 발생시킨다. 보일러에서 발생된 배기가스는 SOx 및 NOx를 제거하는 처리부(5)에서 처리되고, 처리된 배기가스는 다시 열교환기(3)로 보내져 액화산소를 기화시켜 기상의 산소로 변화시키며 배기가스에 포함된 이산화탄소를 응고시킨다. 또한 배기가스의 일부는 송풍팬(6)을 거쳐 보일러(4)로 보내진다.
그러나, 일본공개특허 평7-305830호는 액체산소제조장치에서 생산된 순산소가 보일러로 직접 공급되거나 배기가스를 송풍기에서 재순환시키는 구조이기 때문 에 순산소를 보일러의 잔류가스 퍼지용으로 사용할 수는 있으나 이 경우 많은 비용을 들여서 생산된 순산소가 이용되기 때문에 비경제적일 뿐만아니라 순산소의 특성상 관로의 부식, 폭발 위험 등이 매우 높으며, 배기가스 재순환 송풍기를 사용하는 경우에는 퍼지가 이루어지지 않고 보일러 내부에서 순환만 일어나는 결과를 초래하여 원하는 퍼지의 목적을 달성할 수 없는 구조이다.
본 발명의 목적은 순산소 연소버너를 사용하는 경우에 점화준비시에는 대기중의 공기를 제공받아 보일러에 퍼지용으로 공급하여 보일러의 연소실에 잔류하는 산소분위기의 가연성가스를 굴뚝으로 일정시간 동안 배출시킴으로서 점화불꽃에 의한 잔류 가연성 가스의 폭발을 방지할 수 있는 퍼지장치를 가지는 산소연소장치를 제공함에 있다.
본 발명의 퍼지장치를 가지는 산소연소장치는, 연료 및 산화제를 연소시키는 보일러와; 상기 보일러에서 배출된 고온의 배기가스와 보일러로 공급되는 물을 서로 열교환시키는 절탄기와; 상기 보일러의 점화준비시에는 대기 중의 공기를 흡입하고, 보일러의 정상운전시에는 배기관으로부터 배기가스의 일부를 재순환배기가스로 흡입하는 송풍기와; 상기 보일러의 정상운전시 상기 송풍기에서 흡입된 재순환배기가스를 고온의 배기가스와 열교환시키는 재순환배기가스열교환기와; 액체산소를 저장하는 액체산소탱크와; 상기 액체산소탱크와 연결되어 액체산소를 기화시키는 액체산소 기화기를 구비하는 통상의 산소연소장치에 있어서, 상기 송풍기로부터 보일러의 점화준비시 대기중의 공기를 제공받아 보일러에 퍼지용으로 공급하고, 보일러의 정상운전시 상기 대기로 배출되는 배기가스의 일부를 제공받은 재순환배기가스와 액체산소 기화기에서 순산소를 제공받아 혼합한 후 보일러에 공급하는 혼합기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
삭제
바람직하게, 상기 액체산소탱크에서 저장된 액체산소를 배기가스와 열교환시키켜 기상의 순산소를 생산하는 배기가스식액체산소기화기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 퍼지장치를 가지는 산소연소장치는 연소과정에서 발생하는 이산화탄소를 고농도화하여 회수할 목적으로 연소에 필요한 산화제로서 공기 대신에 순산소를 사용하는 순산소 연소버너를 사용하는 보일러의 경우에 점화준비시 보일러에 남아 있는 가연성 잔류가스를 효과적으로 퍼지하여 점화시 폭발을 방지할 수 있다.
이러한 보일러의 구조상 순산소를 보일러의 잔류가스 퍼지용으로 사용할 수는 있으나 이 경우 많은 비용을 들여서 생산된 순산소가 이용되기 때문에 비경제적일 뿐만아니라 순산소의 특성상 관로의 부식, 폭발 위험 등이 매우 높으며, 배기가스 재순환 송풍기만을 사용하는 경우에는 퍼지가 이루어지지 않고 보일러 내부에서 순환만 일어나는 결과를 초래하여 원하는 퍼지의 목적을 달성할 수 없기 때문에 재순환 송풍기의 흡입구를 분지하여 공기를 흡입할 수 있도록 함으로서 동일한 송풍기를 겸용으로 사용함으로써 저비용으로서 안전하게 보일러 점화준비시 퍼지기능을 달성할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예의 따른 퍼지장치를 가지는 산소연소장치의 개략도이고, 도 3은 본 발명의 제2실시예의 따른 퍼지장치를 가지는 산소연소장치의 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 퍼지장치를 가지는 산소연소장치는 보일러(10), 절탄기(20), 액체산소탱크(40), 대기식액체산소기화기(50), 송풍기(60), 재순환배기가스열교환기(90), 혼합기(70)를 포함한다.
한편, 보일러(10)는 정상운전시에는 석탄, 석유 또는 가스 등의 연료와 연료를 산화시키는 순산소를 산화제를 함께 공급받아 이들을 연소시켜 보일러(10)의 연소실을 둘러싸고 있는 보일러수실(11)의 물을 가열시키고, 연소반응 후의 이산화탄소와 수증기를 주성분으로 하는 배기가스를 배기관으로 배출시킨다. 또한 점화준비시에는 공기를 제공받아 보일러에 남아 있는 가연성 잔류가스를 효과적으로 퍼지하여 점화시 폭발이 생기지 않도록 방지한다.
절탄기(20)는 보일러에서 배출된 고온의 배기가스와 급수부를 통해 공급되는 물을 서로 열교환시킨다. 급수부(30)로 공급되는 물의 량은 제1유량조절밸브(31)에 의해 조절된다. 절탄기(20)에서 열교환된 물은 보일러수실로 공급되어 보일러(10)로부터 흡수하는 열량을 줄여 연료의 소비를 줄일 수 있다.
액체산소탱크(40)는 보일러에서 사용되는 액체산소를 저장하고, 대기식액체산소기화기(50)는 액체산소탱크로부터 액체산소를 제공받아 기상의 순산소로 기화시킨다.
송풍기(60)는 보일러의 점화준비시 대기 중의 공기를 흡입하는 공기유동관(83)을 통해 대기중의 공기를 흡입하고, 보일러의 정상운전시에는 배기관으로부터 분기된 재순환관(81)을 통해 배기가스의 일부를 재순환배기가스로 흡입한다. 이때, 송풍기(60)의 전단에 형성된 3방밸브(80)에 의해 재순환배기가스 또는 대기 중의 공기가 선택적으로 송풍기로 흡입되도록 제어되며, 3방밸브(80)로 유입되는 재순환배기가스와 공기의 공급은 제2유량차단밸브(82) 및 제3유량차단밸브(84)에 의해서 차단 또는 선택되고, 각각의 유량은 제4유량조절밸브(61)에 의해서 최종 조절된다. 이때, 송풍기(60)는 인버터용 송풍기를 사용하면 회전속도를 가변시켜서 재순환배기가스 또는 공기의 송풍량이 조절하여 덕트의 누설에 의한 외부 공기의 유입을 방지하는 것이 바람직하다.
배기가스 덕트에 설치된 재순환배기가스열교환기(90)는 보일러(10)와 절탄기(20) 사이의 배기관에 형성되며, 정상운전시 송풍기(60)기에서 흡입된 재순환배기가스를 고온의 배기가스와 열교환시킨다. 이때, 점화준비시에도 송풍기로 흡입된 공기가 재순환배기가스열교환기(90)에 유입되지만 고온의 배기가스가 없기 때문에 가열되지는 않는다.
혼합기(70)는 보일러의 점화준비시 송풍기에 의해서 흡입된 공기를 제공받아 보일러에 퍼지용으로 공급하고, 또한, 보일러의 정상운전시 송풍기로 흡입된 재순환배기가스와 대기식액체산소기화기(50)에서 순산소를 제공받아 혼합한 후 보일러에 공급한다. 이때, 혼합기(70)로 공급되는 재순환배기가스 또는 공기의 량은 제4유량조절밸브(61)에 의해 조절되며, 순산소가 재순환배기가스가 유입될 때에만 혼합기(70)로 유입되도록 제5유량조절밸브(63)에 의해 조절된다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른실시예에 따른 퍼지장치를 가지는 산소연소장치는 절탄기의 후방에 위치하는 배기관에 형성된 배기가스식액체산소기화기(100)를 더 구비한다. 배기가스식액체산소기화기(100)는 액체산소탱크(40)에 저장된 액체산소를 제공받아 절탄기(20)를 통과한 고온의 배기가스와 열교환시켜 액체산소를 기상의 순산소로 기화시키고, 배기가스의 온도를 감소시킨다. 이에 따라 액체산소는 배기가스로부터 대량의 열을 흡수하여 기화되기 때문에 액체산소를 기화시키는 별도의 대기식액체산소기화기(50)가 필요 없으며, 또한, 배기가스는 상기 액체산소에 열량을 빼앗겨 온도가 낮아진 상태이므로 배기가스의 처리하는데 필요한 에너지를 절약할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 퍼지장치를 가지는 산소연소장치의 작동과정을 상세히 설명한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 보일러의 점화준비시에는 대기 중의 공기만이 송풍기(60)로 유입되도록 송풍기(60)의 전단에 설치된 3방밸브(80)를 조절한다. 이때, 유입되는 공기는 공기유입관에 형성된 제3유량차단밸브(84)와 제4유량조절밸브(61)를 완전히 열어서 최대한 많은 량의 공기가 통과될 수 있도록 하고, 송풍기(60)의 회전속도는 최대가 되도록 하여 보일러 내부의 잔류가스가 단시간에 완전하게 배출되도록 조절할 수 있는 제어기능을 가져야 한다.
송풍기(60)로 유입된 공기는 혼합기로 공급된다. 이때, 제5유량조절밸브(63)는 혼합기(70)로 공기가 유입되는 경우에는 순산소의 유입을 차단시킨다.
혼합기(70)로 유입된 공기는 다시 보일러로 공급되어 보일러(10) 내부에 잔존되어 있을 수 있는 가연성 가스 등을 보일러 내부에서 배출시킨다.
따라서, 보일러를 시동하여도 보일러에 남아 있는 가연성 잔류가스가 효과적으로 제거되었기 때문에 점화불꽃에 의해서 가연성 가스가 폭발되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 보일러의 정상운전 시에는 보일러(10)는 석탄, 석유 또는 가스 등의 연료와 연료를 산화시키는 순산소를 산화제로 함께 공급받아 이들을 연소시켜 보일러(10)의 연소실을 둘러싸고 있는 보일러수실(11)의 물을 가열시키고, 연소 생성물인 고농도의 이산화탄소와 수증기를 주성분으로 하는 배기가스를 배기관으로 배출시킨다. 이때, 보일러수실(11)에서 가열된 물 또는 증기는 냉난방, 산업 또는 발전용 등과 같은 여러 가지 다른 용도로 활용된다.
보일러(10)에서 연소된 고온의 배기가스는 절탄기(20)로 공급되고, 절탄기(20)에서 보일러수실로 공급되는 물과 열교환된다. 이때, 급수부(30)에서 공급되는 급수량은 제1유량조절밸브(31)에 의해 조절된다.
한편, 물과 열교환되어 온도가 낮아진 배기가스의 일부는 배기관으로부터 분기된 재순환관(81)을 통해 송풍기(60)로 흡입되어 재순환배기가스로서 혼합기(70)로 공급되어 산소와 혼합된다. 즉, 이러한, 송풍기의 전단에 3방밸브(80)가 설치되어 배기가스 또는 대기 중의 공기를 선택적으로 흡입할 수 있다. 즉, 보일러의 정상운전시에는 재순환배기가스가 유입되도록 3방밸브(80)를 조절하고, 점화준비시에는 대기 중의 공기가 흡입되도록 3방밸브(80)를 조절한다.
한편, 송풍기(60)로 흡입된 재순환배기가스는 보일러(10)와 절탄기(20) 사이로 배기관에 형성된 재순환배기가스열교환기(90)로 공급되어 보일러에서 배출되는 고온의 배기가스와 열교환되어 온도가 상승된 상태로 혼합기(70)로 공급된다. 이와 같이, 재순환배기가스열교환기(90)를 통과하면서 재순환배기가스 또는 공기의 온도가 수증기 포화온도 이상으로 가열되면, 내부에 포함된 수증기 양에도 불구하고 불포화 상태가 유지되어 응축이 일어나지 않게 된다.
재순환배기가스는 혼합기(70)에서 순산소와 일정비율로 혼합된 후에 산화제로서 보일러(10)에 공급한다. 이때, 혼합기(70)에 혼합되는 재순환배기가스의 양은 송풍기(60)의 일측에 형성된 제4유량조절밸브(61)에 의해 조절된다.
액체산소탱크(40)에서 저장된 액체산소는 대기식액체산소기화기(50)를 통해 순산소로 기화되어 혼합기(70)로 공급된다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 액체산소탱크(40)에서 저장된 액체산소는 대기식액체산소기화기(50)를 거치지 않고 절탄기의 후방에 위치하는 배기관에 형성된 배기가스식액체산소기화기(100)로 공급되어 배기가스로부터 대량의 열량을 흡수하여 기화된다. 이에 따라 도 2에 도시된 액체산소를 기화시키는 대기식액체산소기 화기(50)가 필요 없으며, 또한 배기가스가 상기 액체산소에 열량을 빼앗겨 온도가 낮아진 상태이므로 배기가스 중의 이산화탄소를 액화시키거나 드라이아이스로 고화시키는데 필요한 에너지를 절약할 수 있다.
본 발명은 상술한 바람직한 실시예들에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 간주한다.
도 1은 종래의 산소연소장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 퍼지장치를 가지는 산소연소장치의 개략도.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 퍼지장치를 가지는 산소연소장치의 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 보일러 11 : 보일러수실
20 : 절탄기 30 : 급수부
40 : 액체산소탱크 50 : 대기식액체산소기화기
60 : 송풍기 70 : 혼합기
80 : 3방밸브 90 : 재순환배기가스열교환기
100 : 배기가스식액체산소기화기

Claims (8)

  1. 연료 및 산화제를 연소시키는 보일러와; 상기 보일러에서 배출된 고온의 배기가스와 보일러로 공급되는 물을 서로 열교환시키는 절탄기와; 상기 보일러의 점화준비시에는 대기 중의 공기를 흡입하고, 보일러의 정상운전시에는 배기관으로부터 배기가스의 일부를 재순환배기가스로 흡입하는 송풍기와; 상기 보일러의 정상운전시 상기 송풍기에서 흡입된 재순환배기가스를 고온의 배기가스와 열교환시키는 재순환배기가스열교환기와; 액체산소를 저장하는 액체산소탱크와; 상기 액체산소탱크와 연결되어 액체산소를 기화시키는 액체산소 기화기를 구비하는 통상의 산소연소장치에 있어서,
    상기 송풍기로부터 보일러의 점화준비시 대기중의 공기를 제공받아 보일러에 퍼지용으로 공급하고, 보일러의 정상운전시 상기 대기로 배출되는 배기가스의 일부를 제공받은 재순환배기가스와 액체산소 기화기에서 순산소를 제공받아 혼합한 후 보일러에 공급하는 혼합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 퍼지장치를 가지는 산소연소장치.
  2. 연료 및 산화제를 연소시키는 보일러와; 상기 보일러에서 배출된 고온의 배기가스와 보일러로 공급되는 물을 서로 열교환시키는 절탄기와; 상기 보일러의 점화준비시에는 대기 중의 공기를 흡입하고, 보일러의 정상운전시에는 배기관으로부터 배기가스의 일부를 재순환배기가스로 흡입하는 송풍기와; 상기 보일러의 정상운전시 상기 송풍기에서 흡입된 재순환배기가스를 고온의 배기가스와 열교환시키는 재순환배기가스열교환기와; 상기 액체산소를 저장하는 액체산소탱크를 구비하는 통상의 산소연소장치에 있어서,
    상기 액체산소탱크에서 저장된 액체산소를 제공받아 배기가스와 열교환시키는 배기가스식액체산소기화기와;
    하나의 송풍기로부터 보일러의 점화준비시 대기중의 공기를 제공받아 보일러에 퍼지용으로 공급하고, 보일러의 정상운전시 대기로배출되는 배기가스의 일부를 제공받은 재순환배기가스와 배기가스식액체산소기화기로부터 기상의 순산소를 제공받아 혼합한 후 보일러에 공급하는 혼합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 퍼지장치를 가지는 산소연소장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 혼합기는 점화준비시 상기 순산소의 유입을 방지하는 제5유량차단밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 퍼지장치를 가지는 산소연소장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 배기가스식액체산소기화기는 절탄기의 후방에 위치하 는 배기관에 형성된 것을 특징으로 하는 퍼지장치를 가지는 산소연소장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH07305830A (ja) * 1994-05-16 1995-11-21 Shikoku Sogo Kenkyusho:Kk ボイラ装置の排ガス処理システム
JP2007147162A (ja) * 2005-11-28 2007-06-14 Electric Power Dev Co Ltd 酸素燃焼ボイラの燃焼制御方法及び装置

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