KR101179473B1 - 화학적 열회수 방법을 이용한 순산소 연소시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄산칼슘과 칼슘산화물을 연소장치의 적절한 위치에 투입해서 전체 시스템의 효율을 향상시킨 화학적 열회수 방법을 이용한 순산소 연소시스템에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 화학적 열회수 방법을 이용한 순산소 연소시스템은 산소를 조연제로 이용하는 순산소 연소장치에 있어서, 연소장치 하부의 산소가 연소되는 산소연소실로 공급되는 산소를 예열하며, 이산화탄소와 반응하여 열을 발생시키는 칼슘산화물이 저장된 예열기를 설치하여 구성되고, 상기 연소장치 상부의 연료가 연소되는 연료연소실이 과열되는 것을 방지하기 위해 연료연소실에 분해과정에서 열을 흡수하는 탄산칼슘이 공급됨을 특징으로 한다.

Description

화학적 열회수 방법을 이용한 순산소 연소시스템{oxy-combustion system using chemical heat recovery}

본 발명은 순산소 연소시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄산칼슘과 칼슘산화물을 연소장치의 적절한 위치에 투입해서 전체 시스템의 효율을 향상시킨 화학적 열회수 방법을 이용한 순산소 연소시스템에 관한 것이다.

즉, 순산소 연소 장치의 저온부에는 CaO와 CO₂를 동시에 공급하여 이들이 반응하여 CaCO₃로 변환 시 발생되는 열에 의해 저온부가 예열되게 하고, 고온부에는 CaCO₃를 공급하여 CaCO₃가 CaO와 CO₂로 분해되는 과정에서 열이 흡수되게 함으로써 고온부가 과열되는 것을 방지할 수 있게 하여 열효율이 상승되게 한 화학적 열회수 방법을 이용한 순산소 연소시스템에 관한 것이다.

일반적으로 석탄, 석유 또는 가스 등의 연료를 사용하는 보일러 등의 연소장치는 대기 중의 공기를 산화제로 사용하여 연소시킴으로서 발생되는 열을 온수나 증기의 형태로 각 분야에 활용하고 있다.

이러한 연소장치의 원료인 화석연료는 연소과정에서 이산화탄소 등 환경 유해 물질이 발생되며, 이렇게 화석연료의 연소과정에서 발생하는 이산화탄소를 회수하고자하는 노력이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 이산화탄소 회수기술로는 연소 전 이산화탄소를 분리하는 기술(Pre-Combustion), 연소 시 이산화탄소를 분리하는 순산소 연소기술(Oxy-Combustion), 그리고 연소 후 배기가스 중 이산화탄소를 분리 포집하는 기술(Post-Combustion) 등이 있다.

이러한 기술 중, 연소 전 이산화탄소를 분리하는 기술(Pre-Combustion)은 이산화탄소 전환 비용이 많이 소요되고, 기술적으로 난이도가 높은 단점이 있고, 연소 후 배기가스 중 이산화탄소를 분리 포집하는 기술(Post-Combustion)은 이산화탄소를 고농도화하여 회수하는데 요구되는 설비 및 에너지의 소비가 큰 단점이 있다.

그러나 연소 시 이산화탄소를 분리하는 순산소 연소기술(Oxy-Combustion)은 배기가스 응축에 의해 고농도의 이산화탄소를 회수할 수 있을 뿐만 아니라 최종적으로 배출되는 비응축성 가스(N₂, Ar, O₂) 중에서 이산화탄소를 회수할 때 비교적 적은 에너지를 소모하는 소규모 장비만으로도 회수가 가능하여 많이 사용되고 있는 방법이다.

이러한 연소 시 이산화탄소를 분리하는 순산소 연소기술에서 사용되는 순산소 연소는 일반 공기 연소와 달리 석탄을 비롯한 연료를 연소시키는 과정에서 고순도의 산소를 주입하여 연료를 연소시킴으로써 연소장치의 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 순산소 연소장치의 경우 배기가스가 고농도의 이산화탄소와 물로 구성되어 있어 물을 응축시킨 후 이산화탄소를 쉽게 분리할 수 있다.

그러나 이러한 순산소 연소장치는 산소를 조연제로 사용하므로 연소 시 연소장치가 과열되는 현상이 나타나 화력을 줄이기 위해 배기가스 중의 일부 이산화탄소를 순환시켜 연소장치에 재공급하여 화력을 조절하여야 하며, 이때 배기가스에서 생성된 이산화탄소를 물과 분리하기 위해서는 물의 응축점까지 온도를 낮추어야 하므로 열손실이 발생되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로써, 순산소 연소 장치의 저온부에는 CaO와 CO₂를 동시에 공급하여 이들이 반응하여 CaCO₃로 변환 시 발생되는 열에 의해 저온부가 예열되게 하고, 고온부에는 CaCO₃를 공급하여 CaCO₃가 CaO와 CO₂로 분해되는 과정에서 열이 흡수되게 함으로써 고온부가 과열되는 것을 방지할 수 있게 하여 열효율이 상승되게 한 화학적 열회수 방법을 이용한 순산소 연소시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 본 발명의 화학적 열회수 방법을 이용한 순산소 연소시스템은 산소를 조연제로 이용하는 순산소 연소장치에 있어서, 연소장치 하부의 산소가 연소되는 산소연소실로 공급되는 산소를 예열하며, 이산화탄소와 반응하여 열을 발생시키는 칼슘산화물이 저장된 예열기를 설치하여 구성되고, 상기 연소장치 상부의 연료가 연소되는 연료연소실이 과열되는 것을 방지하기 위해 연료연소실에 분해과정에서 열을 흡수하는 탄산칼슘이 공급됨을 특징으로 한다.

본 발명은 예열기에서 배기가스 중의 이산화탄소와 칼슘산화물이 반응하여 발생되는 열을 이용하여 연소장치에 공급되는 산소를 예열시킴으로써 산소의 연소 효율을 높일 수 있으며, 연료가 연소되는 연료연소실에는 흡열반응을 하는 탄산칼슘을 제공하여 연소실이 과열되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 예열기에서 반응하는 칼슘산화물로 CaO를 사용하고 이 CaO와 CO₂가 반응하여 생성된 탄산칼슘을 연료연소실에 공급하고, 연료연소실에 공급된 탄산칼슘이 열을 흡수하며 분해되어 다시 생성된 CaO를 다시 예열기로 공급되도록 순환시킴으로서 화학적 열회수에 필요한 재료를 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 화학적 열회수 방법을 이용한 순산소 연소시스템의 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 발명에 따른 화학적 열회수 방법을 이용한 순산소 연소시스템을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 화학적 열회수 방법을 이용한 순산소 연소시스템은 연료의 연소과정에서 발생되는 이산화탄소와 반응하는 화학물질 사이의 흡열반응과 발열반을을 이용하여 연소장치의 과열을 방지함을 물론 산소를 예열시킬 수 있게 한 것이 특징이다.

이러한 본 발명의 화학적 열회수 방법을 이용한 순산소 연소시스템은 산소를 조연제로 이용하는 순산소 연소장치에 있어서, 연소장치(1) 하부의 산소가 연소되는 산소연소실(11)로 공급되는 산소를 예열하며, 이산화탄소와 반응하여 열을 발생시키는 칼슘산화물이 저장된 예열기(2)를 설치하여 구성되고, 상기 연소장치(1) 상부의 연료가 연소되는 연료연소실(12)이 과열되는 것을 방지하기 위해 연료연소실(12)에 분해되어 열을 흡수하는 탄산칼슘이 공급되도록 구성된다.

도 1에는 연소장치를 구비한 연소시스템의 일예를 도시한 것으로 이는 연소장치(1)에서 연료의 연소에 의해 발생된 열을 이용하여 물을 가열하여 증기를 발생시키고 발생된 증기를 이용하여 터빈을 구동시켜 전기를 일으키는 발전시스템의 일예를 도시한 것이다.

본 발명의 화학적 열회수 방법을 이용한 순산소 연소시스템의 특징은 상기한 바와 같이, 연소효율을 높이고, 과열을 방지할 수 있게 한 것에 특징이 있은 것으로 이러한 목적을 위한 구성인 예열기(2)와 반응 물질의 공급 방법에 대하여만 상세하게 설명한다.

도시한 바와 같이 연소장치(1)는 두 부분으로 구성되고, 상부의 연료연소실(12)은 석탄 등의 화석연료가 연소되는 공간이고, 하부의 산소연소실(11)은 공급되는 산소가 연소되어 연료의 연소를 돕게 된다.

이렇게 산소연소실(11)에 공급되는 산소가 보다 효율적으로 연소되게 하기 위해서는 산소가 예열되는 것이 바람직하며, 이렇게 산소를 예열시키기 위해 상기한 예열기(2)가 설치된 것이다.

상기 예열기(2)는 상기한 바와 같이 반응 물질들의 화학 반응시 발생되는 열로 산소를 예열시킨다.

이렇게 예열기(2)에서 반응하여 열을 발생시키는 반응 물질은 상기한 바와 같이 이산화탄소와 칼슘산화물이다.

이산화탄소는 연소장치(1)에서 연료가 연소하는 과정에서 발생된 배기가스 중의 이산화탄소로서, 도시한 바와 같이 순환관(1a)을 통해 예열기(2)로 순환되며, 이렇게 순환되는 이산화탄소와 반응하는 칼슘산화물은 CaO이다.

즉, CaO + CO₂ → CaCO₃

하는 과정에서 열을 발생시키며, 이때 발생되는 열이 산소를 예열시키는 것이다.

이렇게 이산화탄소와 칼슘산화물의 반응 시 발생된 열이 산소에 전달되게 하기 위해 도1에 도시한 바와 같이, 예열기(2)로 순환하는 이산화탄수의 순환관(1a)의 중간에 산소를 공급하고 이 순환관(1a)은 예열기(2)와 연소장치의 산소연소실(11)까지 이어지게 구성하였다.

따라서 이산화탄소와 산소가 동시에 예열기(2)에 공급되고, 이중 이산화탄소는 칼슘산화물과 반응하여 열을 발생시키고, 산소는 이 열에 의해 가열된 상태로 산소열소실(11)로 공급되는 것이다.

상기 연료연소실(12)로 공급되는 탄산칼슘은 도시한 바와 같이 예열기(2)에서 생성된 것이다.

즉, 예열기(2)에서 이산화탄소와 칼슘산화물이 반응할 때 생성된 탄산칼슘을 연료연소실(12)에 공급하고 이렇게 연료연소실(12)에 공급된 탄산칼슘은 열을 흡수하여 분해되어 이산화탄소와 칼슘산화물이 된다.

즉, CaCO₃ → CaO + CO₂

하는 과정에서 열을 흡수하여 연료연소실(12)이 과열되는 것을 방지할 수 있는 것이다.

물론 연료연소실(12)에서 흡열 반응과 함께 분리된 CaO는 예열기(2)로 공급되어 이산화탄소와 반응하게 된다.

이렇게 본 발명은 칼슘산화물과 이산화탄소를 순환시켜 흡열 및 발열 반응을 반복하게 하여 산소의 예열과 연료연소실의 과열을 방지할 수 있는 것이다.

1 : 연소장치
11 : 산소연소실
12 : 연료연소실
2 : 예열기

Claims (5)

1. 산소를 조연제로 이용하는 순산소 연소장치에 있어서,
   연소장치 하부의 산소가 연소되는 산소연소실로 공급되는 산소를 예열하며, 이산화탄소와 반응하여 열을 발생시키는 칼슘산화물이 저장된 예열기를 설치하여 구성되고,
   상기 연소장치 상부의 연료가 연소되는 연료연소실이 과열되는 것을 방지하기 위해 연료연소실에 분해과정에서 열을 흡수하는 탄산칼슘이 공급되되,
   상기 연료연소실에 공급되는 탄산칼슘은 상기 예열기에서 이산화탄소와 칼슘산화물이 반응하여 생성된 것임을 특징으로 하는 화학적 열회수 방법을 이용한 순산소 연소시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 예열기에 저장된 칼슘산화물은 CaO임을 특징으로 하는 화학적 열회수 방법을 이용한 순산소 연소시스템.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 예열기에서 반응하는 이산화탄소는 연소장치로부터 배출되는 배기가스 중의 이산화탄소임을 특징으로 하는 화학적 열회수 방법을 이용한 순산소 연소시스템.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 산소연소실로 공급되는 산소는 이산화탄소와 함께 예열기를 통과하여 공급됨을 특징으로 하는 화학적 열회수 방법을 이용한 순산소 연소시스템.
   
   

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