KR101325095B1 - 고체연료용 매체 순환식 연소기 - Google Patents

고체연료용 매체 순환식 연소기 Download PDF

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Abstract

매체 순환식 연소기가 제공된다. 매체 순환식 연소기의 루프실은 산화 반응기로부터 금속산화물을 이송받고, 환원 반응기는 고체 연료 유입기로부터 유입되는 고체 연료와 루프실로부터 전달되는 금속산화물을 반응시켜 산소공여입자를 환원하고, 환원된 산소공여입자를 산화 반응기로 재순환시키며, 하강관은 루프실의 출구와 연결되어 환원 반응기의 하부까지 설치되며, 고체 연료를 유입받는다. 이로써, 금속산화물을 연소시키기 위해 사용되는 고체 연료를 별도의 하강관을 통해 주입함으로써 고체 연료의 탈 휘발 과정에서 발생하는 휘발분의 손실을 최소화할 수 있다.

Description

고체연료용 매체 순환식 연소기{Chemical-Looping Combustor for Solid Fuels}
본 발명은 매체 순환식 연소기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고체 연료를 별도의 하강관을 통해 주입함으로써 고체 연료의 탈 휘발 과정에서 발생하는 휘발분의 손실을 최소화 할 수 있는 매체 순환식 연소기에 관한 것이다.
매체순환연소기(CLC: Chemical-Looping Combustor) 기술은 별도의 분리설비 없이 이산화탄소를 원천적으로 공정 과정 내에서 분리할 수 있으며, 고가의 기체연료 대신 고체 연료를 직접 연소할 수 있으며, Thermal NOX의 발생이 적고 발전효율이 높은 차세대 저공해-고효율 발전 기술이다.
매체순환연소기는 크게 산화 반응기와 환원 반응기로 구분된다. 산화 반응기에서는 금속형태의 산소공여입자가 공기 중의 산소와 반응하여 금속산화물을 형성한다. 산화반응기는 금속산화물을 환원 반응기로 이송시킨다.
환원 반응기에서는 이송된 금속산화물이 고체 연료와 반응하여 이산화탄소 및 수증기를 생성하고, 금속 형태로 환원된 산소공여입자는 산화 반응기로 순환된다. 이때, 환원 반응기에는 고체 연료의 유동화(Fluidization)를 위해 스팀 또는 이산화탄소가 공급되며, 이러한 유동화 기체에 의해 고체 연료의 가스화가 일어나게 된다.
환원반응기에서 고체 연료와 금속산화물이 접촉하기 위해서는 환원반응기에 고체 연료를 공급해야 하며, 기존에 사용되던 고체 연료 주입방법은 도 1과 같다.
도 1의 A 위치에서 고체연료를 투입하는 경우, 휘발분(Volatile)을 포함한 고체 연료는 루프실(1)로부터 이송관(2)을 따라 환원 반응기(3)로 주입되는 과정에서 고체 연료의 휘발분의 탈 휘발이 일어나게 되며, 이로써 가연성 성분인 휘발분이 환원 반응기(3)의 하부에 존재하는 금속산화물(또는 산소공여입자)과 접촉하지 못하고 사이클론으로 배출되는 경우가 발생하게 된다. 이로써 연료로 사용되어야 할 휘발분의 손실이 일어나며, 사이클론으로 배출된 휘발분이 사이클론 또는 집진기에 응축되어 매체순환연소기의 정상적인 동작을 방해하는 문제를 일으킨다.
또한, 도 1의 B 위치에서와 같이 스크류 피더(미도시) 등을 이용하여 고체 연료를 환원 반응기(3)의 하부로 주입하는 경우, 환원 반응기의 기체가 스크류 피더로 유입되어 결과적으로 고체 연료의 주입이 원활하지 않게 된다. 이러한 경우에는 질소 또는 이산화탄소를 고체 연료 주입관에 불어넣음으로써 문제를 해결하나, 추가 비용이 발생하는 문제가 있다.
이와 같이 고체 연료의 주입을 위해 질소 또는 이산화탄소를 추가적으로 주입하게 되면, 별도의 기체 주입을 위한 유량계와 주입 설비를 더 필요로 하게 되며, 주입된 기체들이 환원 반응기에서의 반응에 의해 생성된 기체와 혼합되므로 반응성 저하 및 배출기체 처리량 증가 등이 문제점이 더 발생하게 된다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 금속산화물을 연소시키기 위해 사용되는 고체 연료를 별도의 하강관을 통해 주입함으로써 고체 연료의 탈 휘발 과정에서 발생하는 휘발분의 손실을 최소화할 수 있는 매체 순환식 연소기를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 산화 반응기; 상기 산화 반응기로부터 금속산화물을 이송받는 루프실; 고체 연료 유입기로부터 유입되는 고체 연료와 상기 루프실로부터 전달되는 상기 금속산화물을 반응시켜 산소공여입자를 환원하고, 상기 환원된 산소공여입자를 상기 산화 반응기로 재순환시키는 환원 반응기; 및 상기 루프실의 출구와 연결되어 상기 환원 반응기의 하부까지 설치되며, 상기 고체 연료를 유입받는 하강관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 매체 순환식 연소기가 제공된다.
상기 고체 연료는 상기 하강관의 중간부분에서 유입될 수 있다.
상기 환원 반응기의 하부에는 상기 루프실로부터 전달되는 상기 금속산화물이 적재되는 고체층이 형성되며, 상기 고체층의 높이는 상기 루프실 내의 고체층의 높이보다 낮게 유지된다.
상기 유입되는 고체 연료는 상기 하강관을 통해 상기 고체층으로 하강하여 상기 고체층에서 상기 금속산화물과 반응하면서 상기 환원 반응기의 상부로 상승할 수 있다.
상기 루프실의 출구는 상기 환원 반응기에 마련된 홀에 연결되며, 상기 하강관은 상기 환원 반응기의 내부 측벽에 고정되도록 설치될 수 있다.
또는, 상기 루프실의 출구는 상기 환원 반응기의 내부에 마련되며, 상기 하강관은 상기 환원 반응기의 내면과 이격되어 설치될 수 있다.
또는, 상기 루프실의 출구는 상기 환원 반응기의 외부에 마련되며, 상기 하강관은 상기 환원 반응기의 외부 측벽에 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 금속산화물을 연소시키기 위해 사용되는 고체 연료를 별도의 하강관을 통해 환원 반응기로 주입함으로써 고체 연료의 탈 휘발 과정에서 발생하는 휘발분의 손실을 최소화하고, 고체 체류시간을 증대시켜, 주입되는 연료의 이용률(즉, 연소효율)을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 루프실에 존재하는 고체층이 환원 반응기에 존재하는 고체층보다 높도록 유지함으로써, 고체 연료의 탈 휘발분 중 루프실로 이송되는 탈 휘발분의 양을 줄이고, 탈 휘발분의 대부분이 환원 반응기로 이송되도록 할 수 있다.
도 1은 기존에 사용되던 고체 연료 주입방법을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 연료를 이용한 매체순환 연소기의 기본 동작을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하강관을 구비한 매체순환 연소기를 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 도 3에 도시된 루프실, 하강관 및 환원 반응기의 연결 관계를 설명하기 위한 개략도, 그리고,
도 5, 도 6 및 도 7은 본 발명의 다양한 다른 실시예에 따른 하강관을 구비한 매체순환 연소기 중 루프실, 하강관 및 환원 반응기의 연결 관계를 설명하기 위한 개략도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(Comprises)' 및/또는 '포함하는(Comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고체 연료를 이용한 매체순환 연소기의 기본 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 매체순환 연소기는 기본적으로 산화 반응기(Air Reactor 또는 Oxidizer)와 환원 반응기(Fuel Reactor 또는 Reducer)를 포함한다.
산화 반응기로는 금속형태의 고체입자, 즉, 산소공여입자(M)를 유동시키기 위한 공기가 유입된다. 산화 반응기에서는 산소공여입자(M)가 다음과 같이 공기 중의 산소(O)와 반응하여 금속산화물(MO)을 형성한다.
M + 0.5O2 ⇒ MO
위 식과 같이 형성된 금속산화물(MO)은 환원 반응기로 이송된다.
환원 반응기 내부로는 금속산화물(MO), 고체 연료 및 고체 연료의 유동화(Fluidization)를 위한 기체가 유입되며, 스팀에 의한 가스화 반응 및 산소공여입자(M)에 의한 연소 반응이 함께 일어날 수 있다. 산화 반응기와 환원 반응기는 600℃~1000℃의 고온에서 반응이 일어난다.
먼저, 가스화 반응에 대해 설명하면, 환원 반응기 내로 유입되는 기체는 스팀 또는 이산화탄소(CO2)일 수 있다. 환원 반응기에서는 유입된 유동화 기체에 의해 고체 연료의 가스화가 일어난다. 고체 연료는 석탄, 코크스, 촤, 바이오매스 등 다양한 연료가 이용될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 석탄을 예로 들어 설명한다.
환원 반응기에서는 다음 식과 같이 석탄에 포함된 탄소가 스팀(또는 CO2)과 반응하여 CO와 H2(또는 CO)를 생성한다.
C + H2O(또는 CO2) ⇒ CO + H2 (또는 CO) : <가스화 반응>
이후, 환원 반응기에서는 연소 반응이 일어난다. 즉, 상술한 가스화 반응에 의해 생성된 CO와 H2(또는 CO)는, 산화 반응기로부터 이송된 금속산화물(MO)과 반응하여 다음 식과 같이 CO2, H2O 및 산소공여입자(M)를 생성한다.
CO(또는 H2) + MO ⇒ CO2(또는 H2O) + M : <연소 반응>
생성되는 산소공여입자(MO)는 산화 반응기로 재순환된다.
따라서, 매체 순환 연소기의 환원 반응기에서 배출되는 기체는 CO2와 H2O뿐이며, 배출되는 H2O를 응축하여 제거하면, 별도의 분리설비를 사용하지 않고도 고농도의 CO2를 원천적으로 분리할 수 있다.
또한, 산화 반응기로 유입되는 공기는 산화 반응기의 유동화, 가스화와 고체 순환을 위해 유입되며, 환원 반응기로 유입되는 스팀 또는 이산화탄소는 환원 반응기의 유동화와 고체 순환을 위해 주입되며, 이로 인해 산화 반응기와 환원 반응기의 고체는 유체와 같은 거동을 하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하강관을 구비한 매체순환 연소기를 개략적으로 도시한 도면, 도 4는 도 3에 도시된 루프실, 하강관 및 환원 반응기의 연결 관계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하강관을 구비한 매체순환 연소기는 산화 반응기(10), 제1사이클론(20), 루프실(Loop Seal)(30), 환원 반응기(40), 하강관(50), 제2사이클론(60) 및 고체 재순환관(70)을 포함한다.
산화 반응기(10)는 산소공여입자와 산화 반응기(10)로 유입되는 공기의 반응을 일으키는 역할과, 반응에 의해 생성된 금속산화물을 산화 반응기(10)의 상부로 쏘아 올려 제1사이클론(20)으로 이송시키는 역할을 함께 한다. 이를 위해, 산화 반응기(10)는 고속 유동층 형태가 많이 사용된다. 산화 반응기(10)로 유입되는 공기와 산소공여입자의 반응에 의해 생성되는 금속산화물은 제1사이클론(20)으로 이송된다.
제1사이클론(20)은 산화 반응기(10)로부터 이송되는 비산된 금속산화물을 포집하고, 포집된 금속산화물을 루프실(30)로 전달한다.
루프실(30)로 이송된 금속산화물은 루프실(30)로 유입되는 유동화 기체에 의해 유동화되며, 유동화된 금속산화물은 중력에 의해 환원 반응기(40)로 이송된다. 루프실(30)로 유입되는 유동화 기체는 이산화탄소 또는 스팀일 수 있다. 루프실(30)에는 루프실(30)로 이송되는 금속산화물에 의해 고체층이 형성되며, 고체층의 높이를 H1이라 한다.
환원 반응기(40)로는 루프실(30)로부터 금속산화물이 이송되고, 금속산화물은 고체 연료와 반응한 후 고체 재순환관(70)을 통해 산화 반응기(10)로 재순환된다. 환원 반응기(40)는 고체 연료 유입기(미도시)로부터 유입되는 고체 연료와 루프실(30)로부터 전달되는 금속산화물을 반응시켜 산소공여입자를 환원하고, 환원된 산소공여입자를 산화 반응기(10)로 재순환시킨다.
자세히 설명하면, 환원 반응기(40)의 하부에는 루프실(30)로부터 이송되는 금속산화물이 쌓여서 고체층이 형성되고, 고체층의 높이는 H2이다. 환원 반응기(40) 내의 고체층의 높이(H2)는 루프실(30) 내의 고체층의 높이(H1) 보다 낮도록 유지된다. 이와 같은 조건에 의해, 주입된 석탄으로부터 탈 휘발된 휘발분과 고체 연료는 압력이 높은 H1 보다는 압력이 낮은 H2 쪽으로 이동하기 쉬우므로 최대한 환원 반응기(40) 쪽으로 이동된다.
또한, 환원 반응기(40) 내의 고체층의 하부로는 스팀 또는 이산화탄소가 유입된다. 스팀 또는 이산화탄소는 하강관(50)을 통해 주입되는 고체 연료를 유동화시키기 위한 유동화 기체이다.
하강관(50)은 루프실(30)의 출구와 연결되어 환원 반응기(40)의 하부까지 설치되어 하강관(50)의 하단은 환원 반응기(40)의 고체층에 잠기게 된다. 다만, 하강관(50)의 하단은 환원 반응기(40)의 바닥으로부터 사전에 설정된 간격만큼 이격된다.
루프실(30)의 출구는 환원 반응기(40)에 마련된 홀에 연결되어 금속산화물의 이동 경로를 제공하며, 하강관(50)은 환원 반응기(40)의 내부 측벽에 고정되도록 설치될 수 있다.
하강관(50)은 루프실(30)로부터 이송되는 금속산화물을 고체층으로 전달하며, 이로써 환원 반응기(40)의 하부에는 고체층이 형성된다.
또한, 하강관(50)의 중간 부분에는 고체 연료가 주입되는 주입구(51)가 형성된다. 고체 연료는 석탄, 코크스, 촤, 바이오매스 등 다양한 종류가 있다. 주입구(51)로 유입되는 고체 연료는 하강관(50)을 통해 환원 반응기(40)의 고체층으로 하강하여 고체층에서 금속산화물과 반응하면서 환원 반응기(40)의 상부로 상승한다.
자세히 설명하면, 루프실(30)로부터 금속산화물이 루프실(30)의 출구 및 하강관(50)을 통해 고체층으로 이송되는 동안, 주입구(51)를 통해 고체 연료가 주입되면, 고체 연료는 중력에 의해 하강관(50)의 하부로 낙하한다.
고체 연료가 주입구(51)로 투입되는 동안 고체 연료의 일부는 탈 휘발되며, 탈휘발된 고체 연료는 도시된 ① 방향 또는 ② 방향으로 이동될 수 있다. 탈 휘발된 고체 연료가 ① 방향과 ② 방향으로 이동하는 경우를 비교하면, H1 > H2이므로, 탈 휘발된 고체 연료는 고체층의 높이가 더 낮은 쪽, 즉, 압력강하가 적은 환원 반응기(40)의 고체층으로 이동하게 된다. 또한, 루프실(30)에서 공급되는 금속산화물(또는 산소공여입자)의 하강 흐름에 의해, ① 방향으로의 기체 흐름보다 ② 방향으로의 기체 흐름이 더 활성화된다. 따라서, 탈 휘발된 고체 연료는 루프실(30)을 향하는 ① 방향보다 환원 반응기(40)를 향하는 ② 방향으로 더 이동한다.
또한, 하강관(50)을 통해 환원 반응기(40) 내의 고체층으로 하강한 고체 연료는 고체층을 통과하면서 스팀 또는 이산화탄소와 가스화 반응을 일으켜 일산화탄소 또는 수소(H2)(또는, 일산화탄소)를 생성한 후 다시 환원 반응기(40)의 상부로 상승한다. 환원 반응기(40)의 고체층으로 이송된 금속산화물은 가스화 반응에 의해 생성된 일산화탄소 또는 수소(H2)(또는, 일산화탄소)와 연소 반응을 일으켜, 이산화탄소(또는 H2O)를 생성하면서, 환원 반응기(40)의 상부로 상승한다.
따라서, 환원 반응기(40) 내에서 고체 연료와 기체가 체류하는 시간이 증가하므로, 반응성이 개선되고, 결과적으로 연료 전환률과 이산화탄소 선택도(Selectivity)가 높아지는 효과를 제공한다.
환원 반응기(40)에서 연소 반응에 의해 생성되는 이산화탄소(또는 H2O)는 환원 반응기(40)의 배출구(41)를 통해 제2사이클론(60)으로 이송되며, 산소공여입자는 산화 반응기(10)로 재순환된다.
제2사이클론(60)은 환원 반응기(40)로부터 이송되는 고체와 기체를 서로 분리할 수 있다. 제2사이클론(60)은 분리되는 기체를 외부로 배출하고, 고체를 환원 반응기(40)로 다시 전달할 수 있다.
도 5, 도 6 및 도 7은 본 발명의 다양한 다른 실시예에 따른 하강관을 구비한 매체순환 연소기 중 루프실, 하강관 및 환원 반응기의 연결 관계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 5를 참조하면, 루프실(30)의 출구는 환원 반응기(40)의 내부에 마련되며, 하강관(50)은 환원 반응기(40)의 내면과 이격되어 환원 반응기(40)의 내부에 설치될 수 있다.
도 6을 참조하면, 루프실(30)의 출구는 환원 반응기(40)의 외부와 접촉되게 마련되며, 하강관(50)은 환원 반응기(40)의 외부 측벽에 설치될 수 있다.
도 7을 참조하면, 루프실(30)의 출구는 환원 반응기(40)의 외부와 이격되어 마련되며, 하강관(50)은 환원 반응기(40)의 외부에서 이격된 거리에서 설치된 후, 환원 반응기(40)의 고체층까지 연결되는 구조를 갖는다.
상기와 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 산화 반응기 20: 제1사이클론
30: 루프실 40: 환원 반응기
41: 배출구 50: 하강관
51: 주입구 60: 제2사이클론
70: 고체 재순환관

Claims (7)

  1. 산화 반응기;
    상기 산화 반응기로부터 금속산화물을 이송받는 루프실;
    고체 연료 유입기로부터 유입되는 고체 연료와 상기 루프실로부터 전달되는 상기 금속산화물을 반응시켜 산소공여입자를 환원하고, 상기 환원된 산소공여입자를 상기 산화 반응기로 재순환시키는 환원 반응기; 및
    상기 루프실의 출구와 연결되어 상기 환원 반응기의 하부까지 설치되며, 상기 고체 연료를 유입받는 하강관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 매체 순환식 연소기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고체 연료는 상기 하강관의 중간부분에서 유입되는 것을 특징으로 하는 매체 순환식 연소기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 환원 반응기의 하부에는 상기 루프실로부터 전달되는 상기 금속산화물이 적재되는 고체층이 형성되며, 상기 고체층의 높이는 상기 루프실 내의 고체층의 높이보다 낮게 유지되는 것을 특징으로 하는 매체 순환식 연소기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유입되는 고체 연료는 상기 하강관을 통해 상기 고체층으로 하강하여 상기 고체층에서 상기 금속산화물과 반응하면서 상기 환원 반응기의 상부로 상승하는 것을 특징으로 하는 매체 순환식 연소기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 루프실의 출구는 상기 환원 반응기에 마련된 홀에 연결되며, 상기 하강관은 상기 환원 반응기의 내부 측벽에 고정되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 매체 순환식 연소기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 루프실의 출구는 상기 환원 반응기의 내부에 마련되며, 상기 하강관은 상기 환원 반응기의 내면과 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 매체 순환식 연소기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 루프실의 출구는 상기 환원 반응기의 외부에 마련되며, 상기 하강관은 상기 환원 반응기의 외부 측벽에 설치되는 것을 특징으로 하는 매체 순환식 연소기.
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