KR101123263B1 - 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비 - Google Patents

저온 배기가스 이용 전기 생산 설비 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 연소물질을 연소하는 연소모듈에서 유입되는 고온의 배기가스와 열교환을 통하여 열에너지를 흡수하여 증기를 생성하는 열회수 증기 발생모듈과, 상기 열회수 증기 발생모듈을 거쳐서 온도가 낮아진 저온의 상기 배기가스로부터 오염물질을 제거하는 오염물질 제거모듈과, 상기 오염물질 제거모듈을 거친 상기 배기가스와 열교환을 통하여 열에너지를 흡수하여 상기 흡수된 열에너지를 이용하여 전기를 발생시키며, 열교환된 상기 배기가스를 연돌로 배출시키는 전기 발생 모듈을 포함하는 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비를 제공한다.
따라서, 저온의 배기가스를 이용하여, 전기를 생산하기 때문에, 에너지 이용 효율이 크게 향상된다. 또한, 상기 배기가스의 온도가 상기 전기 발생 모듈을 거치면서 감소되므로, 백연 현상이 감소된다. 더욱이, 예열기를 이용하여, 상기 전기 발생 모듈의 증발기로 유입되는 작동 유체를 예열할 수 있기 때문에, 배기가스의 온도, 유량 등의 변동에 관계없이, 상기 전기 발생 모듈의 안정적인 운전이 가능하고, 높은 효율의 전기 생산이 가능하다. 또한, 상기 전기 발생 모듈의 증발기를 연돌 내부에 설치할 경우, 상기 증발기를 위한 별도의 설치 공간이 불필요하여 공간 활용도가 향상되고, 상기 배기가스에 대한 불필요한 압력 손실이 감소된다. 이로부터, 기 설치된 소각시설 등의 연소설비에 상기 전기 생산 설비가 용이하게 적용될 수 있다.

Description

저온 배기가스 이용 전기 생산 설비{Facility generating electricity using low temperature exhaust gas}
본 발명은 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 오염물질 제거 모듈을 거친 저온의 배기가스를 이용하여 전기를 효율적으로 생산하는 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비에 관한 것이다.
소각로 등의 다양한 연소 설비에서는 배기가스가 외부로 배출된다. 상기 배기가스의 온도가 매우 높아서 외부로 배출할 경우, 에너지의 낭비가 초래되는 문제점이 있다. 더욱이, 상기 배기가스에는 다량의 오염물질이 포함되어 있는 바, 상기 배기가스를 그대로 대기로 배출할 경우, 심각한 대기 오염 문제를 발생시킨다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 열회수 증기 발생기 및 오염물질 제거장치가 설치된다. 열회수 증기 발생기는 고온의 배기가스와 열교환하여 배기열을 회수하여 증기를 생성한다. 생성된 증기는 터빈으로 보내져서, 전기를 발생시킨다. 상기 오염물질 제거장치에는 스크러버, 선택적 촉매 반응기, 집진기 등이 설치되어 있다. 상기 열회수 증기 발생기에 의하여 온도가 낮아진 배기가스는 상기 오염물질 제거장치에서 오염물질이 제거된 후, 대기로 배출된다. 한국등록특허 제10-0316668호의 도 3에는 이러한 구조를 가지는 설비가 도시되어 있다.
하지만, 상기 오염물질 제거장치 중 선택적 촉매 반응기, 집진기 등은 효과적인 작동을 위한 적절한 배기가스의 온도 범위가 존재한다. 이러한 온도 범위는 대개 150℃ 이상을 가지는데, 결국 상기 오염물질 제거장치에서 배출되는 배기가스는 일반적으로 150℃ 내지 200℃의 저온 상태이다.
최근 들어, 에너지 비용이 증가하고, 상기 저온의 배기가스도 대기의 온도보다 크게 높다는 것을 고려하면, 상기 저온의 배기가스를 그대로 외부로 배출함으로써 발생되는 에너지 손실이 매우 큰 문제점이 있다. 더욱이, 상기 저온의 배기가스의 온도와 대기 온도와의 차이가 커서, 상기 저온의 배기가스가 연돌을 통하여 대기로 배출될 때, 백연 현상까지 발생되어 민원이 급증하는 문제점이 있으며, 지구온난화 등의 원인이 된다.
본 발명의 목적은, 연소설비에서 배출되는 배기가스가 오염물질 제거 모듈을 거친 저온의 배기가스를 이용하여 전기를 효율적으로 생산하는 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비을 제공하는 데 있다.
본 발명은, 연소설비에서 유입되는 고온의 배기가스와 열교환을 통하여 열에너지를 흡수하여 증기를 생성하는 열회수 증기 발생모듈과, 상기 열회수 증기 발생모듈을 거쳐서 온도가 낮아진 저온의 상기 배기가스로부터 오염물질을 제거하는 오염물질 제거모듈과, 상기 오염물질 제거모듈을 거친 상기 배기가스와 열교환을 통하여 열에너지를 흡수하고 상기 흡수된 열에너지를 이용하여 전기를 발생시키며, 열교환된 상기 배기가스를 연돌로 배출시키는 전기 발생 모듈을 포함하는 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 오염 물질 제거모듈에서는 상기 배기가스의 온도가 제1설정 온도 범위에서 오염물질이 제거되고, 상기 전기 발생 모듈로 유입되는 상기 배기가스는 제2설정 온도 범위를 가질 수 있다. 이 때, 상기 오염 물질 제거모듈은 선택적 촉매 반응기(SCR)을 포함하며, 상기 제1설정 온도 범위는 150℃ 내지 400℃일 수 있으며, 상기 제2설정 온도 범위는 각각 140℃ 내지 250℃일 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 전기 발생 모듈은, 액상의 작동 유체를 가압하는 펌프와, 상기 가압된 작동 유체와 상기 배기가스를 열교환시켜서, 상기 작동 유체를 증발시키는 증발기와, 상기 증발된 작동 유체를 팽창시켜서 전기를 발생시키는 터빈과, 상기 팽창된 작동 유체를 응축시켜서 상기 펌프로 회수시키는 응축기를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비는, 상기 응축기에서 상기 작동 유체와 열교환됨으로써 예열된 후, 상기 배기가스가 생성되는 연소모듈로 산화제로서 공기를 공급되는 공기 공급 모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 증발기는, 상기 연돌 내에 설치되며, 상기 연돌의 내부 공간을 둘러싸도록 배열되는 코일형 열교환기 타입일 수 있다. 또한, 상기 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비는, 상기 열회수 증기 발생기에서 생성된 증기를 이용하여 폐쇄형 증기 발전 사이클을 형성하여 전기를 발생시키는 메인 전기 발생 모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 전기 발생 모듈로 유입되는 상기 배기 가스의 조건이 설정 조건을 만족시키지 못하면, 상기 열회수 증기 발생기로부터 생성된 증기를 유입시켜서, 상기 전기 발생 모듈 내에서 폐쇄형 사이클 구조로 흐르는 작동 유체를 예열시킨 후, 상기 배기 가스와 열교환시키게 할 수 있다. 이 때, 상기 전기 발생 모듈은, 액상의 상기 작동 유체를 가압하는 펌프와, 상기 배기 가스의 설정 조건이 만족되지 못하면, 상기 가압된 작동 유체를 상기 열회수 증기 발생기로부터 유입된 증기를 이용하여 예열시키는 예열기와, 상기 예열기를 거치거나 상기 예열기를 바이패스한 상기 작동 유체와 상기 배기가스를 열교환시켜서, 상기 작동 유체를 증발시키는 증발기와, 상기 증발된 작동 유체를 팽창시켜서 전기를 발생시키는 터빈과, 상기 팽창된 작동 유체를 응축시켜서 상기 펌프로 회수시키는 응축기를 포함할 수 있다. 여기에서, 상기 배기 가스의 설정 조건은, 상기 전기 발생 모듈로 유입되는 배기가스의 온도, 유량 및 열량 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 열회수 증기발생 모듈 및 오염물질 제거모듈을 거쳐 대기 중으로 버려지는 저온의 배기가스가 가진 에너지를 이용하여, 전기를 생산하기 때문에, 에너지 이용 효율이 크게 향상된다.
둘째, 배기가스가 전기 발생 모듈에서 열이 회수되어 온도가 감소됨으로써, 습기가 응축수로서 제거될 수 있으므로, 백연 현상이 감소되고, 대기 방출에너지를 감소시킴으로써 기후변화 대응에 적극 기여한다.
셋째, 예열기를 이용하여, 전기 발생 모듈의 증발기로 유입되는 작동 유체를 예열할 수 있기 때문에, 배기가스의 온도, 유량 등의 변동에 관계없이, 상기 전기 발생 모듈의 안정적인 운전이 가능하고, 높은 효율의 전기 생산이 가능하다.
넷째, 상기 전기 발생 모듈의 증발기를 연돌 내부에 설치할 경우, 상기 증발기를 위한 별도의 설치 공간이 불필요하여 공간 활용도가 향상되고, 상기 배기가스에 대한 불필요한 압력 손실이 감소된다. 따라서, 기 설치된 소각시설 등에 상기 전기 생산 설비가 용이하게 적용될 수 있다.
다섯째, 상기 응축기에서 연소모듈로 공급하는 공기를 예열할 경우 에너지의 이용율을 향상시키고, 연소모듈의 연소조건의 안정적인 유지에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비의 개략적인 구성도이다.
도 1에 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비(이하, "전기 생산 설비"라 함)(100)가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 상기 전기 생산 설비(100)는, 연소 모듈(110), 열회수 증기 발생 모듈(120), 메인 전기 발생 모듈(130), 오염물질 제거모듈(140), 전기 발생 모듈(150) 및 공기 공급 모듈(180)을 포함한다.
상기 연소 모듈(110)로는 소각물이 유입되어 연소되고, 이러한 연소 반응에 의하여 고온의 배기가스가 발생된다. 본 실시예에서, 상기 연소 모듈(110)은 소각로의 기능을 수행하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 연소 모듈(110)이 가스화 설비, 제철 설비, 발전 설비 등의 연소가 이루어지는 다양한 설비가 될 수도 있다.
상기 열회수 증기 발생 모듈(120)은 고온의 상기 배기가스와의 열교환을 통하여 열에너지를 흡수함으로써, 증기를 생성한다. 상기 메인 전기 발생 모듈(120)은 상기 생성된 증기를 이용하여 전기를 생산한다. 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 상기 메인 전기 발생 모듈(120)은 터빈(131), 발전기(134), 응축기(132) 및 펌프(133)를 포함한다. 상기 생성된 증기는 상기 터빈(131)을 통과하면서 회전력을 발생시켜서, 상기 발전기(134)에서 전기를 생성한다. 상기 증기는 상기 터빈(134)을 통과하면서 팽창된 후, 상기 응축기(132)에서 유입된 냉각수와 열교환됨으로써 응축되어 물이 된다. 상기 물은 펌프에 의하여 가압된 후, 다시 열회수 증기 발생 모듈(120)로 유입된다. 상기와 같이, 상기 열회수 증기 발생 모듈(120) 및 상기 메인 전기 발생 모듈(130)은 전체적으로 폐쇄형 증기 발전 사이클을 형성한다.
상기에서, 상기 열회수 증기 발생 모듈(120)에서 생성된 증기가 전기를 생성하는데 이용되고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 증기가 공정 증기, 지역 난방 등의 다양한 용도로 이용될 수도 있다.
상기 배기가스는 상기 열회수 증기 발생모듈(120)을 거쳐서 온도가 낮아져서 저온의 배기가스가 된다. 여기에서, 저온의 의미는 상기 연소 모듈(110)로부터 배출되는 고온의 배출가스에 대한 상대적인 의미로서 이용된 것이지, 대기 온도보다 낮은 온도를 한정하는 것은 아니다.
상기 배기가스 중에는 오염물질이 많기 때문에, 상기 배기가스로부터 오염물질이 제거되어야 한다. 상기 오염물질 제거모듈(140)은 이러한 오염물질을 제거하는 기능을 수행한다. 상기 오염물질 제거모듈(140)은 반건식 반응기(SDR), 여과 집진기, 선택적 촉매 반응기(SCR), 전기집진기(EP), 습식세정탑 들 중에서 어느 하나일 수도 있고, 이러한 장치들이 직렬 또는 병렬로 배치되는 구조를 가질 수도 있다.
상기 오염물질 제거모듈(140)에서는 반응기의 반응 효율을 높이기 위하여 제1설정 온도 범위에서 반응한다. 따라서, 상기 배기가스의 온도가 상기 반응기의 제1설정 온도 범위 내에 있도록 상기 오염물질 제거모듈(140)로 유입되어야 한다. 예를 들면, 선택적 촉매 반응기에서의 작동 온도는 약 190℃내지 400℃이고, 여과집진기에서의 작동 온도는 150℃내지 190℃이다. 따라서, 상기 열회수 증기 발생모듈(120)에서 상기 배기가스로부터 회수되는 열량을 높이는 것이 바람직하지만, 상기 열회수량이 지나치게 증가하여 상기 배기가스의 온도가 상기 작동 온도 이하가 될 경우, 상기 오염물질 제거모듈(140)에서 오염물질의 제거 효율이 급격하게 하락하는 문제점이 있다. 따라서, 상기 열회수 증기 발생 모듈(140)로부터 유출되는 상기 배기가스의 온도는 상기 오염물질 제거 모듈(140)의 제1설정 온도에 해당되도록, 상기 열회수 증기 발생 모듈(120)이 설계 및 운전되어야 한다.
전술한 바와 같이, 상기 오염물질 제거모듈(140)의 반응기마다 작동 온도가 다양하게 선택될 수 있으나, 대략적으로 150℃ 내지 400℃이다.
상기 오염물질 제거모듈(140)에서 오염물질이 제거된 상기 배기가스는 상기 전기 발생 모듈(150)로 유입된다. 상기 전기 발생 모듈(150)은 펌프(151), 증발기(152), 터빈(153), 발전기(154) 및 응축기(155)를 포함한다. 상기 펌프(151)는 액상의 작동 유체를 가압한다. 상기 펌프(151)에 의하여 가압된 작동 유체는 상기 증발기(152)에서 상기 배기가스와 열교환하여 포화 증기 또는 과열 증기 상태로 증발된다. 본 실시예에서, 상기 증발기(152)는 다양한 형태가 이용될 수 있지만, 상기 작동 유체와 상기 배기가스 사이의 온도차가 높지 않을 것을 고려하여, 열전달 성능이 우수한 판형 열교환기가 이용된다.
상기 작동 유체는 다양한 유체가 이용될 수 있지만, 상기 증발기에서의 열교환하는 상기 배기가스의 유입 온도(제2설정 온도 범위)가 140℃ 내지 250℃인 것을 고려하면, 암모니아, R134a 등이 이용될 수 있다.
상기 증발된 작동 유체는 상기 터빈(153)으로 유입되어, 상기 터빈(153)에서 팽창되면서 회전력을 발생시킨다. 상기 회전력에 의하여 상기 발전기(154)가 전기를 생산한다. 상기 터빈(153)을 통과한 작동 유체는 상기 응축기(155)에서 냉각수에 의하여 응축된 후, 상기 펌프(151)로 회수된다. 상기 증발기(152), 상기 터빈(153), 상기 응축기(155) 및 상기 펌프(151)는 폐쇄형 증기 압축식 발전 사이클을 형성한다. 다만, 이론과는 달리, 상기 전기 발생 모듈(150) 내의 작동 유체가 다양한 원인에 의하여 외부로 누설될 수 있으므로, 이를 위하여 작동 유체를 상기 증발기(152) 내의 작동 유체 배관 내로 연결하는 유체 주입관(157)이 배치되며, 유량 제어 밸브(158)가 상기 유체 주입관(157) 상에 설치된다.
상기와 같이, 상기 열회수 증기 발생모듈(120) 및 상기 오염물질 제거모듈(130)을 거친 저온의 배기가스를 열원으로 하여, 상기 전기 발생 모듈(150)이 전기를 생산하는 바, 전기의 이용효율이 크게 향상된다. 또한, 상기 배기가스의 온도가 낮아져서 상기 배기가스 내의 수분이 응축되어 제거될 수 있기 때문에, 상기 배기가스의 백연 현상이 크게 감소될 수 있다.
상기 배기가스에서 상기 증발기(152)를 거치면서 발생된 응축수는, 응축수 트랩(160)을 통하여 외부로 배출되어 폐수처리된다. 그 후, 상기 배기가스는 연돌(170)을 통해서 대기로 배출된다.
상기 공기 공급 모듈(180)은 상기 연소 모듈(110)에 산화제로서 공기를 공급한다. 상기 공기 공급 모듈(180)은, 송풍팬(미도시), 상기 송풍팬(미도시)과 상기 연소모듈(110)을 연결하는 공기 공급관(181), 및 상기 공기 공급관(181)에서 상기 연돌(170)로 바이패스되는 바이패스 공기관(182)을 포함한다. 상기 공기 공급관(181)의 공기는 상기 응축기(155)에서 상기 작동 유체와 열교환하여 예열된다. 상기 예열된 공기가 상기 연소모듈(110)로 유입되기 때문에, 상기 연소모듈(110)에서 연료의 사용이 감소될 수 있으며, 다양한 연소 특성이 향상된다. 상기 공기 공급관(181)과 상기 바이패스 공기관(182)에는 각각 유량 제어 밸브들(183, 184)이 설치되어 있어서, 상기 공기의 유동을 제어한다.
본 실시예에서는 상기 응축기(155)에서 예열된 공기가 상기 공기 공급관(181)을 통하여, 상기 연소모듈(110)로 공급된다. 하지만, 상기 응축기(155)에서 예열된 공기가 상기 증발기(152)를 거친 배기가스와 혼합될 수도 있다. 상기 배기가스는 상기 증발기(152)를 거치면서 온도가 낮아져서 내부의 수분이 응축되어 상기 응축수 트랩(160)을 통하여 외부로 제거된다. 이 때, 상기 예열된 공기가 상기 응축수가 제거된 배기가스와 혼합될 경우, 상기 혼합된 공기의 상대습도를 더욱 낮춤으로써, 백연 현상이 더욱 감소된다. 이러한 특징을 구현하기 위하여, 예열 공기 모듈(미도이)이 설치될 수 있다. 상기 예열 공기 모듈(미도시)은, 외부로부터 공기를 유입하는 송풍기(미도시)와, 상기 유입된 공기를 상기 응축기(155)에서 예열시킨 후, 상기 응축수 트랩(160)을 통과한 배기가스와 혼합하는 혼합기를 포함한다. 상기 혼합기에서 혼합된 가스는 상기 연돌(170)을 통하여 외부로 배기된다. 이 때, 상기 예열 공기 모듈(미도시)은 상기 혼합기(미도시) 대신에 상기 예열된 공기를 이용하여 상기 응축수 트랩(160)을 통과한 배기가스의 온도를 증가시키는 열교환기(미도시)를 포함할 수도 있다.
또한, 상기에서는 상기 예열 공기 모듈(미도시)이 상기 공기 공급 모듈(180) 대신에 설치되는 것을 설명하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 예열 공기 모듈(미도시)과 상기 공기 공급 모듈(180)이 각각 설치될 수도 있으며, 함께 설치될 수도 있다. 다만, 상기 예열 공기 모듈(미도시)과 상기 공기 공급 모듈(180)이 함께 설치되면, 송풍기를 서로 공유할 수 있는 효과도 있다.
도 2에 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 생산 설비(200)가 도시되어 있다. 도 2에서 도 1과 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 이하에서는, 전술한 실시예와 상이한 점을 중심으로 설명한다.
상기 전기 생산 설비(200)가 전술한 실시예와 상이한 점은, 상기 증발기(252)의 설치 위치 및 형상에 관한 것이다. 상기 연소장치(110), 상기 열회수 증기 발생모듈(120), 상기 오염물질 발생모듈(140) 및 상기 연돌(170)이 기 설치된 후, 상기 전기 발생 모듈(250)을 추가적으로 설치할 경우, 설치 공간에 대한 제약이 발생한다. 상기 전기 발생 모듈(250)에서도 작동 유체가 배기가스와 열교환을 수행하는 상기 증발기(252)의 크기가 클 수밖에 없다. 즉, 응축기(155), 터빈(153), 발전기(154) 및 펌프(151)의 크기는 상대적으로 작게 할 수 있는 반면, 상기 증발기(252)는 크게 된다. 더욱이, 상기 오염물질 제거모듈(140)과 상기 연돌(170) 사이의 거리가 매우 협소할 경우, 상기 증발기(252)를 설치하기 위해서는 상기 배기가스는 상기 증발기가 설치될 수 있는 넓은 공간으로 유입하는 덕트를 설치해야 하는데, 이러한 덕트에 의하여 압력 손실이 증가하여, 상기 연소모듈(110)에서 상기 배기가스를 배출하기 위한 송풍팬(미도시)을 용량이 큰 것으로 교체하여야 한다. 만일, 상기 송풍팬(미도시)을 그대로 둘 경우, 상기 배기가스의 유량이 감소하기 때문이다.
본 실시예에서는, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 상기 증발기(252)가 상기 연돌(170) 내에 설치되어 있다. 특히, 상기 연돌(170)의 구조적인 특성을 고려하여, 상기 증발기(252)의 열교환관은 상기 연돌(170)의 내부 공간을 둘러싸도록 배열되어 있다. 즉, 상기 증발기(252)는 코일형 열교환기 타입이 설치된다. 따라서, 상기 증발기(252)에서 열교환 효율이 향상되고, 상기 배기가스에 대한 추가적인 압력 손실이 방지되는 바, 기존의 송풍팬을 그대로 유지해도 되는 장점이 있다.
도 3에 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 생산 설비(300)가 도시되어 있다. 도 3에서 도 1과 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 이하에서는, 전술한 실시예와 상이한 점을 중심으로 설명한다.
상기 전기 생산 설비(300)는 전기 발생 모듈(350)을 포함한다. 상기 전기 발생 모듈(350)은 펌프(351), 예열기(357), 증발기(352), 터빈(353), 발전기(354) 및 응축기(355)를 포함한다. 상기 전기 생산 설비(300)는 상기 전기 발생 모듈(350)로 유입되는 배기가스의 온도 및 유량을 각각 측정하는 온도 센서(324) 및 유량 센서(323)를 포함한다.
상기 연소 모듈(110)의 시동 운전, 정지 운전 또는 소각물의 특성 등의 다양한 원인에 의하여, 상기 전기 발생 모듈(350)로 유입되는 배기가스의 온도가 낮거나 유량이 적을 경우, 상기 증발기(352)에서 상기 펌프(351)에 의하여 가압된 작동 유체가 열전달받는 열량이 감소된다. 즉, 상기 증발기(352) 내에서 유동하는 작동 유체의 유량은 크게 변화되지 않는데, 상기 증발기(352)에서 상기 작동 유체가 얻는 열량이 감소되면, 상기 증발기(352)의 출구단에서 상기 작동 유체가 과열 증기 상태가 되지 못하고 건도가 낮은 포화 습증기 상태가 된다. 이러한, 낮은 건도의 포화 습증기 상태의 작동 유체가 상기 터빈(353)으로 유입될 경우, 상기 터빈(353)의 효율이 크게 감소될 뿐만 아니라, 상기 터빈(353)의 손상 가능성도 증가한다. 더욱이, 이러한 문제점이 상기 응축기(355) 및 상기 펌프(351)에도 영향을 줌으로써, 상기 전기 발생 모듈(350)의 손상 가능성이 존재한다.
본 실시예에서는, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 상기 펌프(351)와 상기 증발기(352) 사이에 상기 예열기(357)가 설치되어 있다. 상기 예열기(357)에서는 상기 열회수 증기 발생기(120)로부터 증기 추기관(321)을 통하여 증기가 유입되어 상기 펌프(351)에서 토출되는 작동 유체를 예열시킨다. 상기 증기의 유입은 정상 운전조건에서는 이루어지지 않고, 상기 배기가스의 온도가 설정 온도보다 낮은 것으로 상기 온도센서(324)에서 감지되거나, 상기 배기가스의 유량이 설정 유량보다 낮은 것으로 상기 유량센서(323)에서 감지될 경우, 유량 제어 밸브(322)가 개방되어 수행된다. 다만, 본 실시예에서 상기 유량 제어 밸브(322)의 작동은 상기 온도센서(324) 및 상기 유량센서(323)와의 연동에 의해서 수행되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 상기 유량 제어 밸브(322)의 작동은 상기 온도센서(324) 및 상기 유량센서(323) 중 어느 하나에 의하여만 조절될 수 있고, 상기 온도센서(324) 및 상기 유량센서(323)로부터 도출되는 상기 배기가스의 열량 정보(예, ㎉/s) 등에 의하여 조절될 수도 있다. 또한, 상기 열량 정보의 측정을 위하여, 별도의 열량 정보 측정 센서가 설치될 수도 있다.
상기에서, 상기 배기가스의 온도, 유량 등이 설정 조건에 미치지 않을 경우, 상기 예열기(357)를 통하여 상기 작동 유체를 예열한다. 이 때, 상기 펌프(351)는 정유량 펌프이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 펌프(351)가 변유량 펌프일 수 있다.
더욱이, 소각 설비 등에서 상기 배기가스의 온도, 유량 등의 조건들의 변동이 심한 것을 고려하여, 상기 예열기(357)를 설치할 필요 없이, 상기 펌프(351)를 인버터로 조작되는 변유량 펌프로 설치하여 이러한 문제를 해결할 수도 있다. 즉, 상기 배기가스의 온도가 낮거나 유량이 적어서 전체적인 열량이 낮을 경우, 상기 펌프(351)의 인버터를 조절하여 상기 펌프로부터 토출되는 양을 감소시킨다. 반대로, 상기 배기가스의 온도가 높거나 유량이 많아서 전체적인 열량이 높을 경우, 상기 인버터를 조절하여 상기 펌프(351)로부터 토출되는 양을 증가시킬 수도 있다. 즉, 상기 펌프(351)의 토출 유량을 상기 배기가스의 조건에 연동하여 조절할 경우, 상기 전기 생산 설비(300)의 작동 유체의 사이클 특성의 변화가 거의 없기 때문에, 고효율의 전기 생산이 가능해진다.
상기에서, 상기 증발기(352)의 구조는 도 2에 도시된 증발기(252)의 구조를 가지도록 상기 연돌(170) 내에 설치될 수도 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100, 200, 300: 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비
110: 연소모듈 120: 열회수 증기 발생 모듈
130: 메인 전기 발생 모듈 140: 오염물질 제거모듈
150, 250, 350: 전기 발생 모듈 160: 응축수 트랩
170: 연돌 180: 공기 공급 모듈

Claims (14)

  1. 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비에 있어서,
    유입되는 고온의 배기가스와 열교환을 통하여 열에너지를 흡수하여 증기를 생성하는 열회수 증기 발생모듈;
    상기 열회수 증기 발생모듈을 거쳐서 온도가 낮아진 저온의 상기 배기가스로부터 오염물질을 제거하는 오염물질 제거모듈; 및
    상기 오염물질 제거모듈을 거친 상기 배기가스와 열교환을 통하여 열에너지를 흡수하고 상기 흡수된 열에너지를 이용하여 전기를 발생시키며, 열교환된 상기 배기가스를 연돌로 배출시키는 전기 발생 모듈을 포함하고,
    상기 전기 발생 모듈은,
    액상의 작동 유체를 가압하는 펌프;
    상기 가압된 작동 유체와 상기 배기가스를 열교환시켜서, 상기 작동 유체를 증발시키는 증발기;
    상기 증발된 작동 유체를 팽창시켜서 전기를 발생시키게 하는 터빈; 및
    상기 팽창된 작동 유체를 응축시켜서 상기 펌프로 회수시키는 응축기를 구비하고,
    상기 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비는,
    상기 응축기에서 상기 작동 유체와 열교환됨으로써 예열된 공기를, 상기 배기가스가 생성되는 연소모듈로 산화제로서 공급하는 공기 공급 모듈을 더 포함하는 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비.
  2. 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비에 있어서,
    유입되는 고온의 배기가스와 열교환을 통하여 열에너지를 흡수하여 증기를 생성하는 열회수 증기 발생모듈;
    상기 열회수 증기 발생모듈을 거쳐서 온도가 낮아진 저온의 상기 배기가스로부터 오염물질을 제거하는 오염물질 제거모듈; 및
    상기 오염물질 제거모듈을 거친 상기 배기가스와 열교환을 통하여 열에너지를 흡수하고 상기 흡수된 열에너지를 이용하여 전기를 발생시키며, 열교환된 상기 배기가스를 연돌로 배출시키는 전기 발생 모듈을 포함하고,
    상기 전기 발생 모듈은,
    액상의 작동 유체를 가압하는 펌프;
    상기 가압된 작동 유체와 상기 배기가스를 열교환시켜서, 상기 작동 유체를 증발시키는 증발기;
    상기 증발된 작동 유체를 팽창시켜서 전기를 발생시키게 하는 터빈; 및
    상기 팽창된 작동 유체를 응축시켜서 상기 펌프로 회수시키는 응축기를 구비하고,
    상기 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비는,
    상기 응축기에서 상기 작동 유체와 열교환됨으로써 예열된 공기를, 상기 증발기를 거치면서 수분이 응축되어 제거된 배기가스에 혼합하여 상대습도를 더욱 낮춤으로써 백연발생을 저감하는 예열 공기 모듈을 더 포함하는 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비.
  3. 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비에 있어서,
    유입되는 고온의 배기가스와 열교환을 통하여 열에너지를 흡수하여 증기를 생성하는 열회수 증기 발생모듈;
    상기 열회수 증기 발생모듈을 거쳐서 온도가 낮아진 저온의 상기 배기가스로부터 오염물질을 제거하는 오염물질 제거모듈; 및
    상기 오염물질 제거모듈을 거친 상기 배기가스와 열교환을 통하여 열에너지를 흡수하고 상기 흡수된 열에너지를 이용하여 전기를 발생시키며, 열교환된 상기 배기가스를 연돌로 배출시키는 전기 발생 모듈을 포함하고,
    상기 전기 발생 모듈로 유입되는 상기 배기 가스의 조건이 설정 조건을 만족시키지 못하면, 상기 열회수 증기 발생기로부터 생성된 증기를 유입시켜서, 상기 전기 발생 모듈 내에서 폐쇄형 사이클 구조로 흐르는 작동 유체를 예열시킨 후, 상기 배기 가스와 열교환시키게 하되,
    상기 전기 발생 모듈은,
    액상의 상기 작동 유체를 가압하는 펌프;
    상기 배기 가스의 설정 조건이 만족되지 못하면, 상기 가압된 작동 유체를 상기 열회수 증기 발생기로부터 유입된 증기를 이용하여 예열시키는 예열기;
    상기 예열기를 거치거나 상기 예열기를 바이패스한 상기 작동 유체와 상기 배기가스를 열교환시켜서, 상기 작동 유체를 증발시키는 증발기;
    상기 증발된 작동 유체를 팽창시켜서 전기를 발생시키게 하는 터빈; 및
    상기 팽창된 작동 유체를 응축시켜서 상기 펌프로 회수시키는 응축기를 포함하는 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오염 물질 제거모듈에서는 상기 배기가스의 온도가 제1설정 온도 범위에서 오염물질이 제거되고,
    상기 전기 발생 모듈로 유입되는 상기 배기가스는 제2설정 온도 범위를 가지는 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 오염 물질 제거모듈은 선택적 촉매 반응기(SCR)을 포함하며,
    상기 제1설정 온도 범위 및 상기 제2설정 온도 범위는 각각 140℃ 내지 250℃인 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 응축기에서 상기 작동 유체와 열교환됨으로써 예열된 공기를, 상기 배기가스가 생성되는 연소모듈로 산화제로서 공급하는 공기 공급 모듈을 더 포함하는 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 오염 물질 제거모듈에서는 상기 배기가스의 온도가 제1설정 온도 범위에서 오염물질이 제거되고,
    상기 전기 발생 모듈로 유입되는 상기 배기가스는 제2설정 온도 범위를 가지고,
    상기 예열 공기 모듈은,
    상기 응축기에서 상기 작동 유체와 열교환됨으로써 예열된 공기를, 상기 증발기를 거치면서 수분이 응축되어 제거된 배기가스에 혼합하여 상대습도를 더욱 낮춤으로써 백연발생을 저감하는 예열 공기 모듈을 더 포함하는 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증발기는, 상기 연돌 내에 설치되며, 상기 연돌의 내부 공간을 둘러싸도록 배열되는 코일형 열교환기 타입인 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 열회수 증기 발생기에서 생성된 증기를 이용하여 상기 열회수 증기 발생기와 함께 폐쇄형 증기 발전 사이클을 형성하여 전기를 발생시키는 메인 전기 발생 모듈을 더 포함하는 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전기 발생 모듈로 유입되는 상기 배기 가스의 조건이 설정 조건을 만족시키지 못하면, 상기 전기 발생 모듈의 작동 유체를 예열시키는 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 전기 발생 모듈로 유입되는 상기 배기 가스의 조건이 설정 조건을 만족시키지 못하면, 상기 열회수 증기 발생기로부터 생성된 증기를 유입시켜서, 상기 전기 발생 모듈 내에서 폐쇄형 사이클 구조로 흐르는 상기 작동 유체를 예열시킨 후, 상기 배기 가스와 열교환시키게 하는 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비.
  12. 청구항 3에 있어서,
    상기 배기 가스의 설정 조건은,
    상기 전기 발생 모듈로 유입되는 배기가스의 온도, 유량 및 열량 중의 적어도 하나를 포함하는 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비.
  13. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 유체는 암모니아 또는 R134a인 저온 배기가스 이용 전기 생산 설비.
  14. 삭제
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