KR100934751B1 - 재순환배기가스 수분응축 방지용 열교환기를 갖는이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러 - Google Patents

재순환배기가스 수분응축 방지용 열교환기를 갖는이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연소과정에서 발생하는 이산화탄소를 고농도화하여 회수할 목적으로 보일러에 공급되는 산소에 배기가스의 일부를 재순환가스로 혼합하여 사용하거나 순산소를 산화제로 사용하는 순산소연소 보일러에 있어서 순산소에 혼합되는 재순환배기가스를 보일러에서 배출되는 배기가스와 열교환시켜 온도를 상승시킴으로써 재순환배기가스의 냉각에 따른 재순환배기가스 중의 수분응축을 방지하여 응축수로 인한 배기가스 재순환 덕트 및 보일러 버너의 부식 등 손상과 연소장해를 예방할 수 있는 재순환배기가스 수분응축 방지용 열교환기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러에 관한 것이다.
본 발명의 주요구성은 본 발명은 연료 및 산화제를 연소시켜 물을 가열하고, 배기관으로 배기가스를 배출하는 보일러와, 상기 보일러에서 배출되는 배기가스 중의 이산화탄소를 액화시키는 CO2액화기와, 상기 보일러와 CO2액화기 사이에 위치하며 상기 보일러에서 배출된 고온의 배기가스와 보일러로 공급되는 물을 서로 열교환시키는 절탄기와, 액체산소를 공급하는 액체산소탱크와, 상기 액체산소탱크와 연결되어 대기중 공기에 의해 액체산소에 열을 공급하여 기화시키는 대기식 액체산소 기화기를 구비하는 통상의 수분응축 방지용 열교환기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러에 있어서, 상기 보일러와 절탄기 사이에 위치하며 상기 절탄기와 CO2액화기 사이의 배기관으로부터 분기된 재순환관을 따라 송풍기를 통해 배기가스의 일부를 재순환배기가스로 공급받고 상기 보일러에서 배출된 고온의 배기가스와 열교환시켜 재순환배기가스를 가열시키는 재순환배기가스가열기와, 상기 재순환배기가스가열기에서 열교환된 재순환배기가스와 상기 액체산소 기화기에서 기화된 산소를 공급받아 산화제로 사용되도록 혼합하고 보일러로 공급하는 혼합기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
보일러, 순산소연소, 재순환배기가스, 고농도 이산화탄소, 수분응축, 덕트부식

Description

재순환배기가스 수분응축 방지용 열교환기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러{Oxy-fuel combustion boiler having FGR gas heater for prevention of water condensation}
본 발명은 산화제로 사용되는 순산소에 혼합되는 재순환배기가스를 보일러에서 배출되는 배기가스와 열교환시켜 온도를 상승시킴으로써 재순환배기가스의 냉각에 따른 재순환배기가스 중의 수분응축을 방지하여 응축수로 인한 배기가스 재순환 덕트 및 보일러 버너의 부식 등에 의한 손상과 연소장해를 예방할 수 있는 재순환배기가스 수분응축 방지용 열교환기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러에 관한 것이다.
일반적으로 석탄, 석유 또는 가스 등의 연료를 사용하는 보일러는 연소과정에서 발생하는 이산화탄소를 효과적으로 회수하기 위해 산소 연소방식을 사용하며, 이러한 산소는 일반적으로 액체산소를 기화시켜 공급하게 된다. 이러한 산소 연소방식은 배기가스 중의 일부를 재순환시켜 연소에 필요한 양의 기화된 산소와 혼합하여 다시 산화제로 재활용하고 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 송풍기(6)를 거쳐 보일러(4)로 보내진다.
그러나, 보일러에 사용되는 산화제로써 순산소를 사용하는 경우에는 화염온도가 매우 높아서 버너의 재질이나 화염 근처의 보일러의 수명에 미치는 영향이 크고, 고온의 화염에서는 질소산화물의 발생이 급격하게 증가하기 때문에 화염온도를 저하시킬 목적으로 연소에 사용되는 산화제의 산소농도를 낮출 목적으로 배출되는 배기가스를 산소와 섞어서 사용한다. 이때 재순환배기가스에는 상당량의 수분이 포함되어 있는데 배기가스 재순환 덕트를 통과하는 동안에도 온도가 점차 낮아져서 재순환배기가스에 포함된 수분이 응축하여 덕트내에 고이게 된다. 이 수분은 pH가 낮아서 산성을 띄고 있어서 덕트를 부식시킬 뿐만아니라 덕트내의 유동을 불균일하게 하고, 물이 버너로 유입됨으로서 연소장해를 일으키는 문제가 된다.
본 발명의 목적은 보일러로 재공급되는 재순환배기가스를 보일러에서 배출되는 배기가스와 열교환시켜 배기가스의 온도를 수분포화온도 이상으로 상승시킴으로써 재순환배기가스 중 수분의 응축을 방지하여 응축수로 인한 배기가스 재순환 덕트와 버너의 손상 및 연소장해를 예방할 수 있는 재순환배기가스 수분응축 방지용 열교환기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러를 제공함에 있다.
본 발명은 연료 및 산화제를 연소시켜 물을 가열하고, 배기관으로 배기가스를 배출하는 보일러와, 상기 보일러에서 배출되는 배기가스 중의 이산화탄소를 액화시키는 CO2액화기와, 상기 보일러와 CO2액화기 사이에 위치하며 상기 보일러에서 배출된 고온의 배기가스와 보일러로 공급되는 물을 서로 열교환시키는 절탄기와, 액체산소를 공급하는 액체산소탱크와, 상기 액체산소탱크와 연결되어 대기중 공기에 의해 액체산소에 열을 공급하여 기화시키는 대기식 액체산소 기화기를 구비하는 통상의 수분응축 방지용 열교환기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러에 있어서, 상기 보일러와 절탄기 사이에 위치하며 상기 절탄기와 CO2액화기 사이의 배기관으로부터 분기된 재순환관을 따라 송풍기를 통해 배기가스의 일부를 재순환배기가스로 공급받고 상기 보일러에서 배출된 고온의 배기가스와 열교환시켜 재순환배기가스를 가열시키는 재순환배기가스가열기와, 상기 재순환배기가스가열기에서 열교환된 재순환배기가스와 상기 액체산소 기화기에서 기화된 산소를 공급받아 산화제로 사용되도록 혼합하고 보일러로 공급하는 혼합기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 수분응축 방지용 열교환기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러는 산화제에 포함되는 재순환배기가스의 온도를 수분의 포화온도 이상으로 상승시켜 버너에 공급하기 위해 이용되면 재순환배기가스에 포함된 수분의 응축으로 인해 발생하는 배기가스재순환덕트와 버너의 손상 및 연소장해를 예방할 수 있다.
또한, 액체산소탱크에서 배출되는 액체산소를 CO2액화기로 유입되는 배기가스와 열교환시켜 기상의 순산소를 생성하여 별도의 대기식 액체산소 기화기 대신에 배기가스를 이용한 배기가스식 액체산소기화기를 사용함으로써 배기가스의 온도를 대폭 낮출 수 있어서 CO2액화기에서 CO2를 액화시키는데 필요한 냉각용 에너지를 절약할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 재순환배기가스 수분응축 방지용 열교환 기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러의 개략도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수분응축 방지용 열교환기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러의 개략도이다.
도 2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 재순환배기가스 수분응축 방지용 열교환기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러를 자세히 살펴본다.
도시된 바와 같이, 석탄, 석유 또는 가스 등의 연료와 연료를 산화시키는 산화제를 함께 공급받은 보일러(10)는 이들을 연소시켜 보일러(10) 연소실을 둘러싸고 있는 보일러수실(11)의 물을 가열시키고, 연소후의 이산화탄소와 수증기를 주성분으로 하는 배기가스를 배기관(12)으로 배출시킨다. 이때, 보일러수실(11)에서 가열된 물은 증기 또는 온수의 형태로 난방, 발전이나 산업공정 등과 같은 용도로 활용된다. 또한, 산화제로 사용되는 산소는 후술된 바와 같이 액체산소를 기화시킨 순산소가 사용된다.
보일러(10)에서 연소된 고온의 배기가스는 배기관(12)을 통하여 절탄기(20)로 공급되고, 절탄기(20)에서 보일러수실(11)로 공급되는 급수부(70)에서 공급되는 물과 서로 열교환된다. 절탄기(20)로 공급되는 물은 외부의 급수부(70)에 연결된 급수관(71)을 따라 이동하며, 물의 공급량은 급수관(71)의 일측에 형성된 제1유량조절밸브(72)에 의해 조절된다. 따라서, 보일러수실(11)로 공급된 예열된 물은 굴뚝으로 폐기되는 배기가스에 의해서 예열되기 때문에 보일러(10)에서의 연료의 소비를 절감할 수 있다.
또한, 물과 열교환되어 온도가 낮아진 배기가스는 CO2액화기(30)에 유입되어 액화되며, 그 중의 일부는 재순환배기가스로서 보일러에 다시 공급된다.
재순환배기가스는 송풍기(80)가 작동하면 배기관(12)으로부터 분기된 재순환관(81)으로 흡입되고, 보일러(10)와 절탄기(20) 사이의 배기관에 형성된 재순환배기가스가열기(90)로 공급되어 보일러에서 배출되는 고온의 배기가스와 다시 열교환된다. 이에 따라, 재순환배기가스는 재순환배기가스가열기(90)를 통과하면서 수증기의 포화온도 이상으로 가열되어 재순환관(81)을 따라 이동하면서 연소용으로 공급되는 순간까지 수분이 응축되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 재순환관(81)은 온도가 낮은 배기가스를 유입할 때 효율이 높기 때문에 CO2액화기(30)의 전방에 위치하는 배기관에 위치하고, 재순환배기가스의 혼합량은 재순환관(81) 및 송풍기(80)의 일측에 형성된 제2유량조절밸브(82)에 의해 조절된다.
이때, 송풍기(80)는 인버터형 송풍기를 사용하면 회전속도를 가변시켜서 재순환배기가스의 송풍량이 조절하여 덕트의 누설에 의한 외부 공기의 유입을 방지할 수 있다.
그 후, 재순환배기가스가열기(90)에서 가열된 재순환배기가스는 혼합기(60)로 공급된다.
한편, 액체산소탱크(40)에서 저장된 액체산소는 액체산소 기화기(50)를 통해 순산소로 기화된 후에 혼합기(60)로 공급된다. 혼합기(60)에서 혼합된 재순환배기가스와 순산소는 일정비율로 혼합되어 보일러에 제공되는 산화제로 사용된다.
도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 수분응축 방지용 열교환기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러를 자세히 살펴본다.
도시된 바와 같이, 일실시예와 동일하게 보일러(10)의 연료와 산화제를 함께 공급받아 연소시켜 이산화탄소와 수증기를 주성분으로 하는 배기가스를 배기관(12)으로 배출시킨다.
보일러(10)에서 연소된 고온의 배기가스는 배기관(12)을 통하여 절탄기(20)로 공급되고, 절탄기(20)에서 보일러수실(11)로 공급되는 급수부(70)에서 공급되는 물과 서로 열교환된다. 물과 열교환되어 온도가 낮아진 배기가스는 CO2액화기(30)에 유입되어 액화된다.
한편, 액체산소탱크(40)에서 저장된 액체산소는 절탄기(20)와 CO2액화기(30) 사이의 배기관(12)에 형성된 배기가스식액체산소기화기(100)로 공급된다.
배기가스식액체산소기화기(100)로 공급된 액체산소는 절탄기(20)를 통과한 저온의 배기가스와 열교환되어 기상의 순산소로 변화되고, 배기가스는 온도가 더욱 낮아져 배기가스에 포함된 H2O를 응축시켜 수분이 제거된 후에 CO2액화기(30)로 공급된다.
이에 따라, 액체산소탱크에서 배출된 액체산소는 큰 잠열에 의해 배기가스식액체산소기화기(100)에서 배기가스로부터 열을 흡수하여 기화되기 때문에 액체산소를 기화시키는 별도의 대기식액체산소기화기(50)를 제거할 수 있다. 또한, 배기가 스는 액체산소에 열량을 빼앗겨 다음단계인 CO2액화기(30)에 입력되는 배기가스 온도가 크게 낮아지게 되어 CO2를 액화시키는데 필요한 에너지를 절약할 수 있다.
혼합기(60)에서 혼합된 재순환배기가스와 순산소는 일정비율로 혼합되어 보일러에 제공되는 산화제로 사용된다.
한편, 이때, 재순환관(81)은 온도가 낮은 배기가스를 유입할 때 효율이 높기 때문에 배기가스식액체산소기화기(100)와 CO2액화기(30) 사이의 배기관에 연결되어 송풍기(80)가 작동하면 재순환배기가스를 보일러(10)와 절탄기(20) 사이의 배기관에 형성된 재순환배기가스가열기(90)로 공급되어 보일러에서 배출되는 고온의 배기가스와 다시 열교환된 후 혼합기(60)로 공급된다.
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 보일러 배기가스 처리시스템의 개략도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수분응축 방지용 열교환기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러의 개략도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수분응축 방지용 열교환기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러의 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 보일러 11: 보일러수실
20: 절탄기 30: CO2액화기
40: 액체산소탱크 50: 대기식 액체산소 기화기
60 : 혼합기 70 : 급수부
80 : 재순환관 81 : 송풍기
90 : 재순환배기가스가열기 100 : 배기가스식액체산소기화기

Claims (6)

  1. 연료 및 산화제를 연소시켜 물을 가열하고, 배기관으로 배기가스를 배출하는 보일러와, 상기 보일러에서 배출되는 배기가스 중의 이산화탄소를 액화시키는 CO2액화기와, 상기 보일러와 CO2액화기 사이에 위치하며 상기 보일러에서 배출된 고온의 배기가스와 보일러로 공급되는 물을 서로 열교환시키는 절탄기와, 액체산소를 공급하는 액체산소탱크와, 상기 액체산소탱크와 연결되어 대기중 공기에 의해 액체산소에 열을 공급하여 기화시키는 대기식 액체산소 기화기를 구비하는 통상의 수분응축 방지용 열교환기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러에 있어서,
    상기 보일러와 절탄기 사이에 위치하며 상기 절탄기와 CO2액화기 사이의 배기관으로부터 분기된 재순환관을 따라 송풍기를 통해 배기가스의 일부를 재순환배기가스로 공급받고 상기 보일러에서 배출된 고온의 배기가스와 열교환시켜 재순환배기가스를 가열시키는 재순환배기가스가열기와,
    상기 재순환배기가스가열기에서 열교환된 재순환배기가스와 상기 액체산소 기화기에서 기화된 산소를 공급받아 산화제로 사용되도록 혼합하고 보일러로 공급하는 혼합기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수분응축 방지용 열교환기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러.
  2. 제1항에 있어서, 상기 송풍기는 인버터형 송풍기로서 회전속도를 가변시켜서 재순환배기가스의 송풍량이 조절되는 것을 특징으로 하는 수분응축 방지용 열교환기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러.
  3. 삭제
  4. 연료 및 산화제를 연소시켜 물을 가열하고, 배기관으로 배기가스를 배출하는 보일러와; 상기 보일러에서 배출되는 배기가스 중의 고농도의 이산화탄소를 액화시키는 CO2액화기와; 상기 보일러와 CO2액화기 사이에 위치하며 상기 보일러에서 배출된 고온의 배기가스와 보일러로 공급되는 물을 서로 열교환시키는 절탄기와; 액체산소를 저장하는 액체산소탱크를 구비하는 통상의 수분응축 방지용 열교환기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러에 있어서,
    상기 절탄기와 CO2액화기 사이에 위치하며 상기 액체산소탱크에서 배출된 액체산소를 공급받아 상기 절탄기를 통과한 상기 배기스와 열교환시켜 액화산소를 기화시키는 배기가스식액체산소기화기와;
    상기 보일러와 절탄기 사이에 위치하며 절탄기와 배기가스식액체산소기화기 사이 또는 배기가스식액체산소기화기와 CO2액화기 사이의 배기관으로부터 분기된 재순환관을 따라 배기가스의 일부를 재순환배기가스로 공급받고 상기 보일러에서 배출된 고온의 배기가스와 열교환시켜 재순환배기가스를 가열하는 재순환배기가스가열기와;
    상기 재순환배기가스가열기에서 열교환된 재순환배기가스와 상기 배기가스식액체산소기화기에서 기화된 산소를 공급받아 산화제로 사용되도록 혼합하는 혼합기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수분응축 방지용 열교환기를 갖는 이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러.
  5. 삭제
  6. 삭제
KR1020070135377A 2007-12-21 2007-12-21 재순환배기가스 수분응축 방지용 열교환기를 갖는이산화탄소 고농도화 순산소 연소보일러 KR100934751B1 (ko)

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