KR101175768B1 - 미분탄 순산소 연소 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미분탄 순산소 연소 시스템을 공개한다. 이 장치는 공기로부터 순산소를 분리하여 배출하는 공기 분리 장치; 보조 연료를 공급받아 상기 분리된 순산소로 연소시켜 제1 및 제2 배가스를 배출하고 상기 제1 배가스의 수분을 제거하는 보조 보일러부; 상기 분리된 순산소를 상기 수분이 제거된 제1 배가스 또는 상기 제2 배가스에 각각 혼합하여 제1 및 제2 혼합 가스를 배출하는 믹싱부; 및 상기 제1 혼합 가스를 흡입받아 가열한 후에 미분탄과 함께 공급되는 제1 산화제와 상기 제2 혼합 가스를 흡입받아 전달되는 제2 산화제로 이용하여 상기 미분탄을 연소시키는 주 보일러부;를 구비하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명에 의할 경우, 한 번에 환경설비 등을 통해 오염물질이 제거되어 굴뚝으로 나가는 관류형 시스템을 구현할 수 있어 배가스 재순환 과정에서 공기 인입에 의한 이산화탄소 순도의 저하 및 보일러 내 부식 속도 가속화를 방지하여 보일러의 운전 장애를 미연에 예방할 수 있다. 또한, 순산소 연소를 통해 배가스의 주 성분을 이산화탄소와 수증기로 만든 뒤 수증기를 응축함으로써 미분탄 이송 덕트의 막힘 현상을 방지하고 이산화탄소를 대량 회수하여 석탄 화력발전소에서의 이산화탄소 배출을 감소시킬 수 있다.

Description

미분탄 순산소 연소 시스템{A pulverized coal pure oxygen burning system}
본 발명은 미분탄 순산소 연소 시스템에 관한 것으로서, 특히 순산소 연소 운전시 배가스 재순환 과정을 제거하여 배가스 재순환으로 인해 발생하는 문제점들을 해결할 수 있는 미분탄 순산소 연소 시스템에 관한 것이다.
미분탄 연소 방식은 200mesh 이하의 입도까지 미분화시킨 석탄을 공기와 함께 버너에서 연소실내로 분사시켜 연소하는 방식으로, 다량의 석탄 연소와 신속한 자동 제어의 필요성 때문에 발전용 대형 보일러에서 가장 많이 채용하고 있으며, 사용하는 석탄의 종류 즉 무연탄과 유연탄에 따라 직접 연소방식과 간접연소방식을 선택하여 사용하고 있다.
일반적으로 석탄 화력발전소에서의 이산화탄소 배출 저감을 위한 여러 방법들이 제시되어 왔지만, 근본적으로 이산화탄소 무배출을 달성하기 위한 방안은 이산화탄소의 포집 및 이의 저장(또는 격리)이라고 할 수 있다.
특히 석탄화력발전소는 대용량의 이산화탄소 점배출원이라는 점에서 이산화탄소 포집 저장을 통해 무배출을 달성해야 하는 가장 시급한 설비라고 할 수 있다.
이산화탄소의 포집 방법으로는 연소 배가스에서 이산화탄소를 분리해내는 연소 후 처리 방법 (Post-combustion capture), 연소 전에 가스화를 하여 이 중 탄소 성분을 부분 산화 및 수성가스 반응(water-gas shift reaction)을 통해 이산화탄소 형태로 분리해내는 연소 전 탈탄소화 처리 방법 (Pre-combustion decarbonization), 그리고 순산소 연소를 통해 배가스의 주 성분을 이산화탄소와 수증기로 만든 뒤 수증기를 응축하여 이산화탄소를 대량 회수하는 순산소 연소(Oxy-fuel combustion) 방법이 있다.
한편, 미분탄 순산소 보일러는 이산화탄소 회수를 위한 순산소 연소 방법에 있어서 핵심적인 설비로서, 통상적으로 사용되는 1세대 미분탄 순산소 화력발전소에서는 보일러 내 온도 및 열전달량 매칭을 위하여 배가스를 재순환하여 여기에 순산소를 혼합한 뒤 미분탄의 이송 및 산화제로 사용하게 된다.
그러나, 부압 운전이 필수적인 시스템에 공기 인입이 발생하게 되는 경우 공기 내 질소 및 아르곤 성분이 배가스에 섞이게 되어 회수되어야 할 이산화탄소의 순도가 떨어지는 문제점이 발생하고, 보일러 내 부식을 유발하는 황산화물 등이 배가스 재순환에 의해 보일러 내에 축적되어 부식 속도를 가속화할 우려 등이 있어 배가스 재순환을 하지 않거나 최소화하여 보일러를 개조 운영할 필요성이 제기되어 왔다.
본 발명의 목적은 주 보일러 주변에 보조 연료를 사용하는 보조 보일러를 추가적으로 설치하여 순산소 연소를 수행하여 인위적으로 배가스를 생성하여 두 가지 경로로 흐르게 하고, 이를 일부 제습한 후에 순산소와 혼합하여 주 보일러에 공급하는 방식을 통해 배가스 재순환 과정이 불필요한 관류 (once-through)형 시스템을 구현할 수 있는 미분탄 순산소 연소 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미분탄 순산소 연소 시스템은 공기로부터 순산소를 분리하여 배출하는 공기 분리 장치; 보조 연료를 공급받아 상기 분리된 순산소로 연소시켜 제1 및 제2 배가스를 배출하고 상기 제1 배가스의 수분을 제거하는 보조 보일러부; 상기 분리된 순산소를 상기 수분이 제거된 제1 배가스 또는 상기 제2 배가스에 각각 혼합하여 제1 및 제2 혼합 가스를 배출하는 믹싱부; 및 상기 제1 혼합 가스를 흡입받아 가열한 후에 미분탄과 함께 공급되는 제1 산화제와 상기 제2 혼합 가스를 흡입받아 전달되는 제2 산화제로 이용하여 상기 미분탄을 연소시키는 주 보일러부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미분탄 순산소 연소 시스템은 상기 보조 보일러부는 상기 보조 연료 및 상기 분리된 순산소를 공급받아 연소시켜 상기 제1 및 제2 배가스를 배출하는 보조 보일러; 상기 제1 배가스를 흡입받아 상기 수분을 일부 제거하는 제습 장치; 및 상기 보조 연료를 공급하는 보조 연료 공급 장치;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미분탄 순산소 연소 시스템은 상기 보조 보일러는 노(Furnace) 내부의 복사열을 흡수하는 수냉벽; 및 상기 보조 연료의 연소열을 전달받아 내부의 물을 가열 증발시키는 드럼;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미분탄 순산소 연소 시스템은 상기 믹싱부는 상기 분리된 순산소와 상기 수분이 제거된 제1 배가스를 혼합하여 상기 제1 혼합 가스를 배출하는 제1 믹서; 상기 제2 배가스를 흡입받아 상기 분리된 순산소와 혼합하여 상기 제2 혼합 가스를 배출하는 제2 믹서;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미분탄 순산소 연소 시스템은 상기 주 보일러부는 상기 제1 혼합 가스를 흡입받아 소정의 온도까지 가열하는 공기 예열기; 상기 가열된 제1 혼합 가스를 유입받아 상기 미분탄을 분쇄하고 이송하면서 상기 제1 산화제를 공급하는 미분기; 상기 미분탄 및 상기 제1 산화제를 흡입받아 전달하고 상기 제2 혼합 가스를 흡입받아 상기 제2 산화제를 전달하는 윈드 박스; 및 미분탄 버너를 통하여 상기 전달되는 제1 및 제2 산화제 및 상기 미분탄을 흡입받아 착화시켜 상기 미분탄을 연소시키는 주 보일러;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미분탄 순산소 연소 시스템은 상기 보조 연료는 상기 주 보일러 부의 안정적인 작동을 위하여 기체 연료를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 미분탄 순산소 연소 시스템은 한 번에 환경설비 등을 통해 오염물질이 제거되어 굴뚝으로 나가는 관류형 시스템을 구현할 수 있어 배가스 재순환 과정에서 공기 인입에 의한 이산화탄소 순도의 저하 및 보일러 내 부식 속도 가속화를 방지하여 보일러의 운전 장애를 미연에 예방할 수 있다.
또한, 순산소 연소를 통해 배가스의 주 성분을 이산화탄소와 수증기로 만든 뒤 수증기를 응축함으로써 미분탄 이송 덕트의 막힘 현상을 방지하고 이산화탄소를 대량 회수하여 석탄 화력발전소에서의 이산화탄소 배출을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 미분탄 순산소 연소 시스템의 개략적인 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 미분탄 순산소 연소 시스템을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 미분탄 순산소 연소 시스템의 개략적인 블록도로서, 공기 분리 장치(100), 주 보일러부(200), 보조 보일러부(300), 믹싱부(400)를 구비한다. 주 보일러부(200)는 공기 예열기(210), 미분기(220), 윈드 박스(230), 미분탄 버너(240), 주 보일러(250)를 포함하고, 보조 보일러부(300)는 보조 연료 공급 장치(310), 순산소 버너(320), 보조 보일러(330), 제습 장치(340)를 포함하며, 믹싱부(400)는 제1 믹서(410) 및 제2 믹서(420)를 포함한다. 보조 보일러(330) 내부에는 수냉벽(332) 및 드럼(334)이 장착되어 있다.
도 1을 참조하여 본 발명에 따른 미분탄 순산소 연소 시스템 각 블록들의 기능을 설명하면 다음과 같다.
공기 분리 장치(100)는 흡입되는 공기로부터 순산소를 분리하여 배출한다.
보조 연료 공급 장치(310)는 보조 보일러부(300)에 보조 연료를 공급한다. 여기에서, 보조 연료는 LNG와 같은 기체 연료, 액체 연료, 고체 연료 모두 가능하지만 주 보일러부(200)의 안정적인 운전을 위해서 기체 연료를 사용하는 것이 바람직하다.
보조 보일러(330)는 보조 연료 공급 장치(310)로부터 보조 연료를 공급받아 순산소 버너(320)에서 순산소만으로 보조 연료를 연소시켜 배가스를 배출하는데, 수냉벽(332)에서 노(Furnace) 내부의 복사열을 흡수하고, 드럼(334)에서 상기 연료의 연소열을 전달받아 내부의 물을 가열 증발시킨다. 이때, 배가스는 제1 배가스와 제2 배가스로 분기된다.
제습 장치(340)는 보조 보일러(330)로부터 제1 배가스를 흡입받아 수분을 일부 응축 제거하여 미분탄 이송 덕트의 막힘을 방지한다.
제1 믹서(410)는 공기 분리 장치(100)에서 분리된 순산소와 제습 장치(340)를 통과하여 수분이 일부 제거된 제1 배가스를 혼합하여 공기 예열기(210)로 배출한다.
공기 예열기(210)는 혼합된 순산소와 배가스를 흡입받아 소정의 온도까지 가열한다.
미분기(220)는 공기 예열기(210)로부터 가열된 혼합 가스를 유입 받아 미분탄을 이송시키는 동시에 제1 산화제를 윈드 박스(230)에 전달한다. 이때, 제 1 산화제에는 추가적으로 공기 분리장치(100)에서 분리된 순산소가 혼합될 수도 있다.
제2 믹서(420)는 보조 보일러(330)로부터 제2 배가스를 흡입받아 공기 분리 장치(100)에서 분리된 순산소와 혼합하여 윈드 박스(230)로 배출한다.
윈드 박스(230)는 미분기(220)로부터 이송되는 미분탄 및 제1 산화제를 흡입받아 미분탄 버너(240)로 공급하고 제2 믹서(420)로부터 배출되는 혼합 가스를 흡입받아 제2 산화제를 전달한다.
주 보일러(250)는 미분탄 버너(250)를 통하여 윈드 박스(230)로부터 공급되는 제1 및 제2 산화제 및 미분탄을 흡입받아 착화시켜 미분탄을 연소시킨다.
도 1을 참조하여 본 발명에 따른 미분탄 순산소 연소 시스템(100)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 미분탄 순산소 연소 시스템은 종래의 미분탄 보일러인 주 보일러(250) 주변에 보조 연료를 사용하는 보조 보일러(330)를 추가적으로 설치하여 순산소 연소를 수행하는 방식을 통해 인위적으로 배가스를 만들어내고, 이를 일부 제습한 후에 순산소와 혼합하여 주 보일러(250)에 공급하는 방식을 통해 가스 흐름에 대하여 관류형 시스템을 구현한다.
즉, 공기 분리 장치(100)가 흡입되는 공기로부터 순산소를 분리하여 배출하고, 보조 연료 공급 장치(310)는 보조 보일러부(300)에 보조 연료를 공급한다.
보조 보일러(330)는 종래의 방식과는 달리 배가스 재순환 없이 보조 연료 공급 장치(310)로부터 보조 연료를 공급받아 순산소 버너(320)에서 순산소만으로 보조 연료를 연소시켜 제1 및 제2 배가스를 배출한다.
이때, 보조 보일러(330) 내에 설치되는 드럼(334)은 보조 보일러(330) 연소실에서 발생한 연료의 연소열을 받아 내부의 물을 가열 증발시키고, 수냉벽(332)은 보조 보일러(330) 노(Furnace) 내부의 복사열을 흡수하며, 과열기는 드럼(334)에서 분리된 포화증기를 가열하여 온도가 높은 과열 증기로 만든다.
여기에서, 보조 보일러(330)에서 배출되는 배가스는 성분이 대부분 CO2 와 H2O 로 이루어지는데, 주 보일러 버너인 미분탄 버너(250)의 제1 산화제와 미분탄 이송을 동시에 수행하는 제1 배가스와 미분탄 버너(250)의 제2 산화제 역할을 하는 제2 배가스로 나뉘어지게 된다.
제습 장치(340)는 보조 보일러(330)로부터 제1 배가스를 흡입받아 수분을 일부 응축 제거하는데, 이는 수분을 함유한 미분탄이 이송 덕트 내에 퇴적됨으로 인한 이송 덕트의 막힘 현상(Plugging)을 방지하기 위함이다.
제습 장치(340)를 통과하여 수분이 일부 제거된 제1 배가스는 제1 믹서(410)에서 공기 분리 장치(100)로부터 분리된 순산소와 혼합되어 배출되면 공기 예열기(210)에서 이를 흡입받아 소정의 온도까지 가열한다.
미분기(220)는 가열된 혼합 가스를 유입받아 적절한 미분도, 예를 들어 200mesh 이하의 입도까지 분쇄시킨 석탄인 미분탄을 이송시키는 동시에 제1 산화제를 공급한다.
한편, 보조 보일러(330)로부터 배출된 제2 배가스는 제2 믹서(420)에 흡입되어 공기 분리 장치(100)에서 분리된 순산소와 혼합되어 배출된다.
윈드 박스(230)가 미분기(220)로부터 이송되는 미분탄 및 제1 산화제를 흡입 받고 제2 믹서(420)로부터 배출되는 제2 산화제용 혼합 가스를 흡입받아 주 보일러에 전달하면 주 보일러에 장착된 미분탄 버너(250)는 제1 및 제2 산화제 및 미분탄을 흡입받아 제1 및 제2 산화제를 이용하여 착화시켜 미분탄을 연소시킨다.
이때, 제1 및 제2 산화제가 미분탄 버너(250)에 산화제로서 흡입되기 위해서는 미분탄 버너(250)에서 발생하는 압력 손실을 이길 수 있어야 하는데, 이를 위해 필요한 압력, 예를 들어 500 mmAq 이상의 압력 조건에서 보조 보일러(330)의 작동이 이루어져야 한다.
그 이유는 보조 보일러(330)가 500 mmAq 미만의 압력 조건에서 작동하게 되면 버너에서 발생하는 압손을 이기지 못하여 버너에 충분한 유량이 공급되지 못하는 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
이와 같이, 본 발명의 미분탄 순산소 연소 시스템은 주 보일러 주변에 보조 연료를 사용하는 보조 보일러(330)를 추가적으로 설치하여 순산소 연소를 수행하여 인위적으로 배가스를 생성하여 두 가지 경로로 흐르게 하고, 이를 일부 제습한 후에 순산소와 혼합하여 주 보일러에 공급하는 방식을 통해 배가스 재순환 과정이 불필요한 관류형 시스템을 구현함으로써 오염물질이 한 번에 환경설비 등을 통해 제거되어 배가스 재순환 과정에서 공기 인입에 의한 이산화탄소 순도의 저하 및 보일러 내 부식 속도 가속화를 방지하고 보일러의 운전 장애를 미연에 예방할 수 있다.
또한, 순산소 연소를 통해 배가스의 주 성분을 이산화탄소와 수증기로 만든 뒤 수증기를 응축함으로써 미분탄 이송 덕트의 막힘 현상을 방지하고, 이산화탄소를 대량 회수하여 석탄 화력발전소에서의 이산화탄소 배출을 감소시키게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 공기 분리 장치
200: 주 보일러부
210: 공기 예열기
220: 미분기
230: 윈드 박스
250: 주 보일러
300: 보조 보일러부
310: 보조 연료 공급 장치
320: 순산소 버너
330: 보조 보일러
332: 수냉벽
334: 드럼
340: 제습 장치
400: 믹싱부
410: 제1 믹서
420: 제2 믹서

Claims (6)

  1. 공기로부터 순산소를 분리하여 배출하는 공기 분리 장치;
    보조 연료를 공급받아 상기 분리된 순산소로 연소시켜 제1 및 제2 배가스를 배출하고 상기 제1 배가스의 수분을 제거하는 보조 보일러부;
    상기 분리된 순산소를 상기 수분이 제거된 제1 배가스 또는 상기 제2 배가스에 각각 혼합하여 제1 및 제2 혼합 가스를 배출하는 믹싱부; 및
    상기 제1 혼합 가스를 흡입받아 가열한 후에 미분탄과 함께 공급되는 제1 산화제와 상기 제2 혼합 가스를 흡입받아 전달되는 제2 산화제로 이용하여 상기 미분탄을 연소시키는 주 보일러부;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 미분탄 순산소 연소 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 보일러부는
    상기 보조 연료 및 상기 분리된 순산소를 공급받아 연소시켜 상기 제1 및 제2 배가스를 배출하는 보조 보일러;
    상기 제1 배가스를 흡입받아 상기 수분을 일부 제거하는 제습 장치; 및
    상기 보조 연료를 공급하는 보조 연료 공급 장치;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 미분탄 순산소 연소 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 보조 보일러는
    노(Furnace) 내부의 복사열을 흡수하는 수냉벽; 및
    상기 보조 연료의 연소열을 전달받아 내부의 물을 가열 증발시키는 드럼;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 미분탄 순산소 연소 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 믹싱부는
    상기 분리된 순산소와 상기 수분이 제거된 제1 배가스를 혼합하여 상기 제1 혼합 가스를 배출하는 제1 믹서;
    상기 제2 배가스를 흡입받아 상기 분리된 순산소와 혼합하여 상기 제2 혼합 가스를 배출하는 제2 믹서;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 미분탄 순산소 연소 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 주 보일러부는
    상기 제1 혼합 가스를 흡입받아 소정의 온도까지 가열하는 공기 예열기;
    상기 가열된 제1 혼합 가스를 유입받아 상기 미분탄을 분쇄하고 이송하면서 상기 제1 산화제를 공급하는 미분기;
    상기 미분탄 및 상기 제1 산화제를 흡입받아 전달하고 상기 제2 혼합 가스를 흡입받아 상기 제2 산화제를 전달하는 윈드 박스; 및
    미분탄 버너를 통하여 상기 전달되는 제1 및 제2 산화제 및 상기 미분탄을 흡입받아 착화시켜 상기 미분탄을 연소시키는 주 보일러;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 미분탄 순산소 연소 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 연료는
    상기 주 보일러 부의 안정적인 작동을 위하여 기체 연료를 사용하는 것을 특징으로 하는 미분탄 순산소 연소 시스템.


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