KR101397942B1 - 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소 시스템 및 그 연소 시스템을 이용한 연소방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 촉매를 활용한 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소 시스템 및 그 연소 시스템을 이용한 연소방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 순산소 연소 시스템에 있어서, 산소분사부와 연료분사부를 갖는 연소노즐이 일측과 타측 각각에 구비되는 연소실; 및 연소노즐 각각에 연결되며 각각이 산소예열용 축열부와 내부에 부분산화용 촉매를 구비한 연료예열용 축열부를 구비하며, 축열모드시 연소실에서 발생된 배가스가 산소예열용 축열부와 연료예열용 축열부에 유입되고, 공급모드시 산소가 산소예열용 축열부로 유입되어 산소를 예열시키고 예열된 산소를 연소실의 산소분사부로 공급하고 연료와 산소가 연료예열용 축열부로 유입되어 연료를 예열시키고, 부분산화용 촉매에 의해 연료를 부분산화시켜 부분산화된 연료를 연소실의 연료분사부로 공급하는 축열실;을 포함하는 것을 특징으로 하는 축열식 순산소 연소시스템에 관한 것이다.

Description

촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소 시스템 및 그 연소 시스템을 이용한 연소방법{Regenerative oxy­fuel combustion system and method with catalysts for partial oxidation}
본 발명은 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소 시스템 및 그 연소 시스템을 이용한 연소방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 종래의 공기를 산화제로 활용한 축열식 시스템과 달리 순산소만을 산화제로 사용하면서도 배가스의 열량을 효율적으로 활용할 수 있고, 연소실 내의 무산화 분위기 조건을 달성하기 위해 일부 개질된 연료가 투입되도록하여 시스템에 사용되는 연료를 최소화하여 효율을 향상시킨 축열식 순산소 연소시스템 및 그 시스템을 이용한 연소방법에 관한 것이다.
통상의 연소시스템은 연료를 공급하기 위한 연료공급부와 산화제를 공급하기 위한 산화제공급부 그리고 산화제와 연료가 분사되는 연소노즐 등을 포함하고 있다. 이러한 연소시스템 중 연소시 발생되는 배가스의 열량을 저장하기 위한 축열실을 갖는 축열식 연소시스템이 존재한다.
종래 이러한 축열식 연소시스템의 경우 산화제로서 공기를 사용하였다. 그리고, 축열식 연소시스템에 구비되는 축열실에 저장되는 열원으로 공급되는 공기를 예열하는데 사용되었다.
또한, 연소효율을 높이고 무산화 분위기를 유지하기 위해, 투입되는 연료의 일부를 연소실 투입 전에 미리 개질(부분 산화)하는 단계가 필요하다. 연료를 개질하기 위한 방법으로 무촉매 부분 산화 반응과 촉매 부분 산화반응이 존재한다. 무촉매 부분 산화반응의 경우, 정상적인 부분산화 반응을 하기 위해서는 매우 높은 온도 및 고압 유지가 필요하다.
또한, 최근 산화제로서 공기가 아닌 순산소를 사용하는 연소시스템이 존재하는데, 산화제로서 순산소를 사용하게 되는 경우 연소효율을 증대시킬 수 있고, 배가스에 NOx 등의 유해물질을 저감시킬 수 있고, 물과 이산화탄소만을 배가스로 배출시키게 되므로 이산화탄소의 포집이 용이하다는 장점을 갖게 된다.
그러나, 이러한 산화제를 순산소로 사용하게 되는 경우 기존의 축열식 연소시스템을 적용하기 힘든 문제가 존재하였다. 즉, 기존의 축열식 연소시스템을 산화제로 산소만을 이용하는 순산소 연소 시스템에 그대로 적용하게 되는 경우, 예열에 필요한 열량에 비해 연소시 발생되는 배가스가 갖고 있는 열량이 상대적으로 크기 때문에 결국 배가스의 열량을 제대로 활용할 수 없고, 전체 시스템의 밸런스를 맞출 수 없게 되는 문제가 존재하게 된다.
따라서 배가스 열량을 제대로 활용할 수 있고, 연료의 부분산화 특성을 갖는 축열식 순산소 연소 시스템의 개발이 요구되었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면 축열실 각각이 산소예열용 축열부와 연료예열용 축열부를 구비하여 일부 배가스의 열원은 산소예열을 위해 사용되고, 나머지 배가스의 열원은 연료 예열을 위해 사용하게 됨으로써 연소시 발생되는 배가스의 현열을 최대한 활용하여 투입되는 연료와 산소를 예열할 수 있고, 연소실 투입전 일부연료를 개질시키기 위해 개질이 용이한 방법인 촉매 부분산화반응을 일으켜 연소실 내에 무산화 분위기 조건을 달성하여 시스템에 사용되는 연료를 최소화하여 효율을 극대화할 수 있는 축열식 순산소 연소시스템 및 연소방법을 제공하게 된다.
본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 목적은 순산소 연소 시스템에 있어서, 산소분사부와 연료분사부를 갖는 연소노즐이 일측과 타측 각각에 구비되는 연소실; 및 연소노즐 각각에 연결되며 각각이 산소예열용 축열부와 내부에 부분산화용 촉매를 구비한 연료예열용 축열부를 구비하며, 축열모드시 연소실에서 발생된 배가스가 산소예열용 축열부와 연료예열용 축열부에 유입되고, 공급모드시 산소가 산소예열용 축열부로 유입되어 산소를 예열시키고 예열된 산소를 연소실의 산소분사부로 공급하고 연료와 산소가 연료예열용 축열부로 유입되어 연료를 예열시키고, 부분산화용 촉매에 의해 연료를 부분산화시켜 부분산화된 연료를 연소실의 연료분사부로 공급하는 축열실;을 포함하는 것을 특징으로 하는 축열식 순산소 연소시스템으로서 달성될 수 있다.
연료예열용 축열부는 내면 일측에 부분산화용 촉매가 코팅된 코팅층을 구비하거나 내부 일측에 부분산화용 촉매로 코팅된 매체가 충진된 것을 특징으로 할 수 있다.
연료예열용 축열부는 연료가 유입되는 측에 구비된 제1연료예열용 축열부와 제1연료예열용 축열부의 토출부 측에 연결된 제2연료예열용 축열부를 포함하고, 제1연료예열용 축열부는 내면 일측에 부분산화용 촉매가 코팅된 코팅층을 구비하거나 내부 일측에 부분산화용 촉매로 코팅된 매체가 충진된 것을 특징으로 할 수 있다.
축열실은 연소실 일측에 연결된 제1축열실과 연소실 타측에 연결된 제2축열실을 포함하고, 제1축열실이 공급모드인 경우 제2축열실은 축열모드로 작동하고, 제1축열실이 축열모드인 경우 제2축열실은 공급모드로 작동되는 것을 특징으로 할 수 있다.
공급모드인 축열실의 산소예열용 축열부로 산소를 공급시키는 제1산소공급수단; 공급모드인 연료예열용 축열부로 산소를 공급시키는 제2산소공급수단; 및 공급모드인 축열실의 연료예열용 축열부로 연료를 공급시키기 위한 연료공급수단을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
제1축열실의 연료예열용 축열부와 제2축열실의 연료예열용 축열부 사이에 구비되어 모드를 변경시키는 제1절환밸브를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
제1축열실의 산소예열용 축열부와 제2축열실의 산소예열용 축열부 사이에 구비되어 모드를 변경시키는 제2절환밸브를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
제1절환밸브는 축열모드인 연료예열용 축열부에서 토출되는 배가스를 공급모드인 연료예열용 축열부로 유입되지 않고 외부로 배출시키도록 구성되며, 제2절환밸브는 축열모드인 산소예열용 축열부에서 토출되는 배가스를 공급모드인 산소예열용 축열부로 유입되지 않고 외부로 배출시키도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
연료공급수단과 연료예열용 축열부 사이에 구비되어 공급모드인 축열실의 연료예열용 축열부로 연료를 공급하도록 유도하는 제1스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
산소공급수단과 산소예열용 축열부 사이에 구비되어 공급모드인 축열실의 산소예열용 축열부로 산소를 공급하도록 유도하는 제2스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
연소실과 축열실 사이에 구비되어 연료예열용 축열부로 유입되는 배가스의 유량을 조절하는 유량조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
축열실의 내부온도를 실시간으로 측정하는 제1온도측정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
연소실의 내부온도를 실시간으로 측정하는 제2온도측정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
제1온도측정수단과 제2온도측정수단에서 측정된 데이터를 기반으로 제1절환밸브, 제2절환밸브, 제1스위치, 제2스위치, 유량조절부, 연료공급수단, 제1산소공급수단 및 제2산소공급수단 중 적어도 어느 하나를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 카테고리에 의한 본 발명의 목적은 제1산소공급수단에 의해 산소가 공급모드인 축열실의 산소예열용 축열부를 통과하며 예열되고, 연료공급수단에 의해 연료가 공급모드인 축열실의 연료예열용 축열부를 통과하며 예열되고, 연료예열용 축열부에 구비된 부분산화용 촉매와 제2산소공급수단에 의해 공급된 산소에 의해 부분산화 단계; 예열된 산소가 공급모드인 연소노즐의 산소분사부로 공급되고, 부분산화된 연료가 공급모드인 연소노즐의 연료분사부로 공급되는 단계; 연소실에서 산소와 연료가 연소되는 단계; 및 연소실에서 발생된 일부 배가스는 축열모드인 축열실의 산소예열용 축열부를 통과하고, 나머지 배가스는 축열모드인 축열실의 연료예열용 축열부를 통과하여 축열모드인 축열실을 가열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축열식 순산소 연소방법으로서 달성될 수 있다.
부분산화되는 단계는 연료예열용 축열부는 제1연료예열용 축열부와 제2연료예열용 축열부를 포함하여, 제1연료예열용 축열부로 유입된 연료가 예열되는 단계 및 제1연료예열용 축열부에서 토출된 연료가 제2연료예열용 축열부로 유입되어 부분산화용 촉매에 의해 부분산화되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
공급모드인 축열실의 연료예열용 축열부와 축열모드인 축열실의 연료예열용 축열부 사이에 구비된 제1절환밸브 및 공급모드인 축열실의 산소예열용 축열부와 축열모드인 축열실의 산소예열용 축열부 사이에 구비된 제2절환밸브에 의해 축열실의 모드가 변경되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
부분산화되는 단계는, 연료공급수단과 연료예열용 축열부 사이에 구비된 제1스위치에 의해 공급모드인 축열실의 연료예열용 축열부로 연료를 공급하도록 유도하는 것을 특징으로 할 수 있다.
제1산소공급수단과 산소예열용 축열부 사이에 구비된 제2스위치에 의해 공급모드인 축열실의 산소예열용 축열부로 산소를 공급하도록 유도하는 특징으로 할 수 있다.
축열실을 가열하는 단계는, 유량조절부가 연료예열용 축열부로 유입되는 배가스의 유량을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
제1온도측정수단이 축열실의 내부온도를 실시간으로 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
제2온도측정수단이 연소실의 내부온도를 실시간으로 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
제어부가 제1온도측정수단과 제2온도측정수단에서 측정된 데이터를 기반으로 제1절환밸브, 제2절환밸브 제1스위치, 제2스위치, 유량조절부, 연료공급수단, 제1산소공급수단 및 제2산소공급수단 중 적어도 어느 하나를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 축열실 각각이 산소예열용 축열부와 연료예열용 축열부를 구비하여 일부 배가스의 열원은 산소예열을 위해 사용되고, 나머지 배가스의 열원은 연료 예열을 위해 사용하게 됨으로써 연소시 발생되는 배가스의 현열을 최대한 활용하여 투입되는 연료와 산소를 예열할 수 있고 연소실 투입전 일부연료를 개질시키기 위해 개질이 용이한 방법인 촉매 부분산화반응을 일으켜 연소실 내에 무산화 분위기 조건을 달성하여 시스템에 사용되는 연료를 최소화하여 효율을 극대화할 수 있는 효과를 갖는다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소시스템의 구성도,
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 부분산화용 촉매 코팅층을 갖는 연료예열용 축열부의 부분 단면도,
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 부분산화용 촉매로 코팅된 매체가 충진된 연료예열용 축열부의 부분 단면도,
도 3a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1연료예열용 축열부와 부분산화용 촉매 코팅층을 갖는 제2연료예열용 축열부를 갖는 연료예열용 축열부의 부분 단면도,
도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1연료예열용 축열부와 부분산화용 촉매로 코팅된 매체가 충진된 제2연료예열용 축열부를 갖는 연료예열용 축열부의 부분 단면도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소방법의 흐름도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제1축열실이 공급모드로 작동되는 상태의 축열식 순산소 연소시스템의 구성도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제2축열실이 공급모드로 작동되는 상태의 축열식 순산소 연소시스템의 구성도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부에 의한 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소시스템의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 기술적 사상은 산화제를 순산소로 하는 축열식 연소시스템을 구성하기 위해 배가스의 일부는 연료를 예열하는데 사용하고, 나머지 배가스의 열원으로는 산소를 예열하는 데 사용하여 전체 시스템의 밸런스를 맞추어 배가스의 열원을 효율적으로 사용하고, 연료를 예열함과 동시에 부분산화용 촉매를 이용하여 연료를 부분산화시켜 연소실(10)에 공급하여 전체 시스템의 효율을 극대화시킨 것 자체에 있는 것으로 이하의 실시예와 도면에 본 발명의 권리범위를 한정하여 해석하여서는 아니될 것이고 이러한 기술적 사상을 그대로 포함하거나 통상의 기술자가 자명하게 변경 치환할 수 있는 범위 내라면 모두 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
먼저, 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 축열식 순산소 연소시스템(100)의 구성을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 축열식 순산소 연소시스템(100)은 2개의 연소노즐(11)을 갖는 연소실(10), 연소노즐(11) 각각에 연결된 2개의 축열실(20)(제1축열실(좌측), 제2축열실(우측))을 갖고 각각의 축열실(20)은 연료가 예열되고 부분산화가 일어나는 연료예열용 축열부(22)와 산소가 예열되는 산소예열용 축열부(21)를 구비하며, 제1산소공급수단(23), 제2산소공급수단(31) 및 연료공급수단(30) 등을 포함하고 있음을 알 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 연소실(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 내부에 산소와 연료가 분사되어 연소가 발생되는 공간으로 일측과 타측 각각에 연소노즐(11)을 구비하고 있음을 알 수 있다. 각각의 연소노즐(11)에는 산소분사부와 연료분사부가 구비되며, 공급모드인 연소노즐(11)에서는 산소분사부와 연료분사부에서 산소와 연료가 연소실(10) 내부로 분사되게 된다. 그리고, 축열모드인 연소노즐(11)은 연소실(10) 내에서 발생된 배가스 일부가 산소분사부와 연료분사부를 통해 축열모드인 축열실(20)로 유입되게 된다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 축열실(20)은 2개가 구비되며 도 1을 기준으로 좌측에 구비된 것을 제1축열실, 우측에 구비된 것을 제2축열실로 지칭할 때, 제1축열실이 공급모드인 경우, 제2축열실은 축열모드가 되고, 제1축열실이 축열모드인 경우, 제2축열실은 공급모드가 되게 된다. 반면, 제2축열실이 공급모드인 경우, 제1축열실은 축열모드가 되고, 제2축열실이 축열모드인 경우, 제1축열실은 공급모드가 되게 된다.
이러한 축열실(20)은 통상의 축열실(20)과 같이 내부는 축열체로 구성되고, 이러한 축열체는 세라믹 재질의 구형체 또는 하니컴 도는 다공체로 충진되어 구성될 수 있다. 이러한 축열실(20)은 축열모드인 경우 연소실(10)에서 발생된 배가스 일부가 축열모드인 연소노즐(11)을 통해 유입되어 배가스의 열원을 받아 가열되게 되고, 공급모드인 경우, 제1산소공급수단(23)에 의해 산소가 유입되어 산소가 예열되게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 축열실(20) 각각은 도 1에 도시된 바와 같이, 공급모드시에 연료공급수단(30)에 의해 연료가 유입되어 연료를 예열시키고 제2산소공급수단(31)에 의해 소량의 산소가 함께 포함된 연료는 내부에 구비된 부분산화용 촉매(1)에 의해 연료를 부분산화하고, 축열모드시 배가스 일부가 유입되어 축열되는 연료예열용 축열부(22)를 구비하고, 또한, 공급모드시 제1산소공급수단(23)에 의해 산소가 유입되어 산소를 예열시키며 축열모드시 나머지 배가스가 유입되어 축열되는 산소예열용 축열부(21)를 구비하고 있음 알 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 부분산화용 촉매(1) 코팅층을 갖는 연료예열용 축열부(22)의 부분 단면도를 도시한 것이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 연료예열용 축열부(22)는 축열체로 구비하며, 외면에 부분산화용 촉매(1)로 구성된 코팅층을 포함하고 있음을 알 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 소량의 산소가 함유된 연료가 연료예열용 축열부(22)를 통과하게 되면 내부에 구비된 부분산화용 촉매(1) 코팅층에 의해, 연료가 부분 산화되게 되고, 예열되게 된다.
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 부분산화용 촉매(1)가 충진된 연료예열용 축열부(22)의 부분 단면도를 도시한 것이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 연료예열용 축열부(22) 내부에 부분산화용 촉매(1)가 충진되는 방식으로 연료예열용 축열부(22)가 구성될 수 있음을 알 수 있다. 따라서 소량의 산소가 함유된 연료가 흐르게 되는 연료예열용 축열부(22) 내부에는 부분산화용 촉매(1)가 충진되어 있어, 연료예열용 축열부(22)를 통과하는 연료가 부분 산화되게 되고 예열되게 된다. 이러한 부분산화용 촉매(1)는 그 구체적인 성분으로 제한되지 않으며 가스 연료를 부분산화할 수 있는 물질이라면 어떠한 물질이라도 가능하다.
도 3a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1연료예열용 축열부(22-1)와 부분산화용 촉매(1) 코팅층을 갖는 제2연료예열용 축열부(22-2)를 갖는 연료예열용 축열부(22)의 부분 단면도를 도시한 것이고, 도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1연료예열용 축열부(22-1)와 부분산화용 촉매(1)가 충진된 제2연료예열용 축열부(22-2)를 갖는 연료예열용 축열부(22)의 부분 단면도를 도시한 것이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료예열용 축열부(22)는 제1연료예열용 축열부(22-1)와 제2연료예열용 축열부(22-2)를 포함하게 되고, 연료가 유입되는 측에 제1연료예열용 축열부(22-1)가 구비되고, 연료가 토출되는 측에 제2연료예열용 축열부(22-2)가 구비되게 된다. 그리고, 제2연료예열용 축열부(22-2)의 내부에만 부분산화용 촉매(1)가 구비되게 된다. 따라서 제1연료예열용 축열부(22-1)를 통과하는 연료는 예열이 되게 되고, 제1연료예열용 축열부(22-1)를 지나 제2연료예열용 축열부(22-2)를 통과하게 될 때, 제2연료예열용 축열부(22-2) 내부에 구비된 부분산화용 촉매(1)에 의해 예열된 연료가 부분산화되게 된다.
그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 제1스위치(60)는 도 1에 도시된 바와 같이, 연료예열용 축열부(22) 각각과 연료공급수단(30)에 구비되어 연료를 공급모드인 축열실(20)의 연료예열용 축열부(22)로 유입시키고 축열모드인 축열실(20)의 연료예열용 축열부(22)로는 공급되지 않도록 한다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 제2스위치(70)는 제1산소공급수단(23)와 산소예열용 축열부(21) 각각을 연결하는 관에 구비되어 산소를 공급모드인 축열실(20)의 산소예열용 축열부(21)로 공급하게 유도하고, 산소를 축열모드인 축열실(20)의 산소예열용 축열부(21)로는 공급되지 않도록 한다.
또한, 제1절환밸브(51)는 연료예열용 축열부(22) 사이를 연결하는 관에 구비되어 축열실(20)의 모드를 변경시키게 되고, 축열모드인 연료예열용 축열부(22)에서 토출된 배가스를 공급모드인 연료예열용 축열부(22)에 유입시키지 않고 외부로 배출시키도록 유도하게 된다. 그리고, 제2절환밸브(52)는 산소예열용 축열부(21) 사이를 연결하는 관에 구비되어 축열실(20)의 모드를 변경시키게 되고, 축열모드인 산소예열용 축열부(21)에서 토출된 배가스를 공급모드인 산소예열용 축열부(21)에 유입시키지 않고 외부로 배출시키도록 유도하게 된다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 축열식 순산소 연소방법에 대해 설명하도록 한다. 이러한 연소방법은 앞서 언급한 본 발명의 일실시예에 따른 축열식 순산소 연소시스템(100)을 이용한 것이다. 먼저, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 축열식 연소방법의 흐름도를 도시한 것이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제1축열실이 공급모드로 작동되는 상태의 축열식 순산소 연소시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제2축열실이 공급모드로 작동되는 상태의 축열식 순산소 연소시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다.
먼저, 제1산소공급수단(23)에 의해 산소가 제1스위치(60)에 의해 공급모드인 축열실(20)의 산소예열용 축열부(21)를 통과하며 예열되게 된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 예를 들어 제1축열실(도 5를 기준으로 좌측에 구비된 축열실(20))과 제1축열실과 연결된 연소노즐(11)이 공급모드이고, 제2축열실과 제2축열실에 연결된 연소노즐(11)이 축열모드로 작동되는 경우, 2개의 제2스위치(70) 중 좌측(도 5 기준)에 구비된 제2스위치(70)는 개방되게 되고, 우측에 구비된 제2스위치(70)는 닫히게 된다. 따라서 제2스위치(70)에 의해 제1산소공급수단(23)에 의해 공급되는 산소는 제2축열실로 유입되지 않고, 제1축열실의 산소예열용 축열부(21)로 공급되게 된다. 제1축열실의 산소예열용 축열부(21)로 공급된 산소는 제1축열실을 통과하면서, 예열되게 된다.
그리고, 연료공급수단(30)에서 공급되는 연료는 제2산소공급모드에 의해 소량의 산소와 혼합되어, 공급모드인 제1축열실의 연료예열용 축열부(22)로 유입되어 연료가 예열되게 되고, 동시에 앞서 언급한 바와 같이 연료예열용 축열부(22) 내부에 구비된 부분산화용 촉매(1)에 의해 부분산화되게 된다(S1).
제1스위치(60)의 작동에 의해 연료공급수단(30)에서 공급되는 연료는 제1축열실의 연료예열용 축열부(22)로만 유입되고, 제2축열실의 연료예열용 축열부(22)로는 유입되지 않게 된다. 즉, 제1스위치(60)는 도 5에 도시된 바와 같이, 좌측에 위치하는 제1스위치(60)는 개방되며, 우측에 위치하는 제1스위치(60)는 닫히게 되면서, 연료공급수단(30)에서 토출된 연료가 축열모드인 제2축열실의 연료예열용 축열부(22)로 유입되지 않고, 공급모드인 제1축열실의 연료예열용 축열부(22)로 유입되도록 유도되게 된다.
그리고, 예열된 산소와 예열되고 부분산화된 연료는 모두 공급모드인 연소노즐(11)로 공급되게 되고(S2), 연소실(10) 내로 분사된 산소와 연료가 연소되게 된다(S3). 연소실(10) 내에 연소에 의해 발생된 배가스 일부는 축열모드인 연소노즐(11)(우측에 구비된 연소노즐(11))의 연료분사부를 통해 축열모드인 제2축열실의 연료예열용 축열부(22) 유입되고, 나머지 배가스는 축열모드인 연소노즐(11)의 산소분사부를 거쳐 제2축열실의 산소예열용 축열부(21)로 유입되게 된다(S4). 따라서 일부배가스는 제2축열실의 연료예열용 축열부(22)를 통과하면서 연료예열용 축열부(22)를 가열하고 제2축열실의 연료예열용 축열부(22)를 통과한 배가스는 제1절환밸브(51)를 거쳐 외부로 배출되게 된다.
나머지 배가스는 제2축열실의 산소예열용 축열부(21)를 통과하면서 제2축열실의 산소예열용 축열부(21)를 가열하고, 제2축열실의 산소예열용 축열부(21)를 통과한 배가스는 제2절환밸브(52)를 거쳐 외부로 배출되게 된다. 제1절환밸브(51) 및 제2절환밸브(52)는 제2축열실에서 토출된 배가스를 제1축열실로 유입되지 않도록 유도하고 이러한 배가스를 외부로 배출시키게 한다.
이러한 과정에서 제1온도측정수단(81)은 축열실(20) 내부의 온도를 실시간으로 측정하고, 제2온도측정수단(82)이 연소실(10)의 온도를 실시간으로 측정하게 된다(S5). 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(90)에 의한 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제어부(90)는 제1온도측정수단(81)과 제2온도측정수단(82)에서 측정된 데이터를 실시간으로 전송받게 되고, 이러한 측정데이터를 기반으로 하여 시스템(100)을 제어하게 된다. 즉, 측정된 데이터를 기반으로 하여 연료공급수단(30)을 제어하여 연료예열용 축열부(22)로 공급되는 연료의 유량을 조절하고, 제2산소공급수단(31)을 제어하여 연료예열용 축열부(22)로 공급되는 산소의 유량을 조절하게 된다. 또한, 제어부(90)는 측정된 데이터를 기반으로 하여 제1산소공급수단(23)을 제어하여 산소예열용 축열부(21)로 공급되는 산소의 유량을 조절하게 된다.
또한, 제어부(90)는 연소실(10) 내부에서 발생된 배가스의 온도와 관련하여 유량조절부(83)를 제어하여 연소실(10)에서 제2축열실의 연료예열용 축열부(22)로 공급되는 배가스의 유량을 조절하게 된다(S6).
또한, 제1온도측정수단(81)에서 측정된 축열실(20)의 온도값을 기반으로 하여 제어부(90)는 모드를 변경할지 여부를 판단하게 되고(S7), 축열실(20)의 모드를 변경하고자 하는 경우 제어부(90)는 제1스위치(60)와 제2스위치(70), 제1절환밸브(51) 및 제2절환밸브(52)를 작동시켜(S8) 축열실(20)과 연소노즐(11)의 모드를 변경하게 된다(S9).
즉, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제1축열실을 축열모드로 전환하고, 제2축열실을 공급모드로 전환하게 되는 경우, 좌측에 구비된 제1스위치(60)가 닫히고 우측에 구비된 제1스위치(60)가 개방되게 되어 연료공급수단(30)에서 토출된 연료가 제2산소공급수단(31)에 의해 공급되는 소량의 산소와 혼합되어 제2축열실의 연료예열용 축열부(22)로 공급되고, 좌측에 구비된 제2스위치(70)가 닫히고, 우측에 구비된 제2스위치(70)가 개방되게 되면서, 제1산소공급수단(23)에 의해 공급되는 산소가 제2축열실의 산소예열용 축열부(21)로 공급되게 된다. 또한, 제1절환밸브(51) 및 제2절환밸브(52)의 방향이 전환되면서, 제1축열실에서 토출된 배가스가 제2축열실로 유입되지 않고 외부로 배출되도록 작동된다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 2개의 제2스위치(70) 중 우측(도 6 기준)에 구비된 제2스위치(70)는 개방되게 되고, 좌측에 구비된 제2스위치(70)는 닫히게 된다. 따라서 제2스위치(70)에 의해 제1산소공급수단(23)에 의해 공급되는 산소는 제1축열실의 산소예열용 축열부(21)로 유입되지 않고, 제2축열실의 산소예열용 축열부로 공급되게 된다. 제2축열실의 산소예열용 축열부로 공급된 산소는 제2축열실의 산소예열용 축열부를 통과하면서, 예열되게 된다.
그리고, 연료공급수단(30)에서 공급되는 연료는 소량의 산소와 혼합되어 공급모드인 제2축열실의 연료예열용 축열부로 유입되어 연료가 예열되고, 연료예열용 축열부 내부에 구비된 부분산화용 촉매(1)에 의해 부분산화되게 된다. 제1스위치(60)의 작동에 의해 연료공급수단(30)에서 공급되는 연료는 제2축열실의 연료예열용 축열부로만 유입되고, 제1축열실의 연료예열용 축열부로는 유입되지 않게 된다. 즉, 제1스위치(60)는 도 6에 도시된 바와 같이, 좌측에 위치하는 제1스위치(60)는 닫히게 되며, 우측에 위치하는 제1스위치(60)는 개방 되면서, 연료공급수단(30)에서 토출된 연료가 축열모드인 제1축열실의 연료예열용 축열부로 유입되지 않고, 공급모드인 제2축열실의 연료예열용 축열부로 유입되도록 유도되게 된다.
그리고, 예열된 산소와 예열된 연료는 모두 공급모드인 연소노즐(11)(제2축열실과 연결된 연소노즐(11))로 공급되게 되고, 연소실(10) 내로 분사된 산소와 연료가 연소되게 된다. 연소실(10) 내에 연소에 의해 발생된 배가스 일부는 축열모드인 연소노즐(11)(도 6에서 좌측에 구비된 연소노즐(11))의 연료분사부를 통해 축열모드인 제1축열실의 연료예열용 축열부(22) 유입되고, 나머지 배가스는 축열모드인 연소노즐(11)의 산소분사부를 거쳐 제1축열실의 산소예열용 축열부(22)로 유입되게 된다. 따라서 일부배가스는 제1축열실의 연료예열용 축열부(22)를 통과하면서 연료예열용 축열부(22)를 가열하고 제1축열실의 연료예열용 축열부(22)를 통과한 배가스는 제1절환밸브(51)를 거쳐 외부로 배출되게 된다.
나머지 배가스는 제1축열실의 산소예열용 축열부(21)를 통과하면서 제1축열실의 산소예열용 축열부(21)를 가열하고, 제1축열실의 산소예열용 축열부(21)를 통과한 배가스는 제2절환밸브(52)를 거쳐 외부로 배출되게 된다. 제1절환밸브(51) 및 제2절환밸브(52)는 제1축열실에서 토출된 배가스를 제2축열실로 유입되지 않도록 유도하고 이러한 배가스를 외부로 배출시키게 한다.
이러한 과정에서도 제1온도측정수단(81)은 축열실(20) 내부의 온도를 실시간으로 측정하고, 제2온도측정수단(82)이 연소실(10)의 온도를 실시간으로 측정하게 된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제어부(90)는 제1온도측정수단(81)과 제2온도측정수단(82)에서 측정된 데이터를 실시간으로 전송받게 되고, 이러한 측정데이터를 기반으로 하여 시스템(100)을 제어하게 된다. 즉, 측정된 데이터를 기반으로 하여 연료공급수단(30)을 제어하여 연료예열용 축열부(22)로 공급되는 연료의 유량을 조절하고, 제2산소공급수단(31)을 제어하여 연료예열용 축열부(22)로 유입되는 산소의 양을 조절하게 된다. 그리고 제어부(90)는 측정된 데이터를 기반으로 하여 제1산소공급수단(23)을 제어하여 산소예열용 축열부(21)로 공급되는 산소의 유량을 조절하게 된다.
또한, 제어부(90)는 연소실(10) 내부에서 발생된 배가스의 온도와 관련하여 유량조절부(83)를 제어하여 연소실(10)에서 제2축열실의 연료예열용 축열부(22)로 공급되는 배가스의 유량을 조절하게 된다. 또한, 제1온도측정수단(81)에서 측정된 축열실(20)의 온도값을 기반으로 하여 제어부(90)는 모드를 변경할지 여부를 판단하게 되고, 축열실(20)의 모드를 변경하고자 하는 경우 제어부(90)는 제1스위치(60)와 제2스위치(70), 제1절환밸브(51) 및 제2절환밸브(52)를 작동시켜 축열실(20)과 연소노즐(11)의 모드를 변경하게 된다.
1:부분산화용 촉매 코팅층
2:부분산화용 촉매가 코팅된 매체
10:연소실
11:연소노즐
20:축열실
21:산소예열용 축열부
22:연료예열용 축열부
22-1:제1연료예열용 축열부
22-2:제2연료예열용 축열부
23:제1산소공급수단
30:연료공급수단
31:제2산소공급수단
51:제1절환밸브
52:제2절환밸브
60:제1스위치
70:제2스위치
81:제1온도측정수단
82:제2온도측정수단
83:유량조절부
90:제어부
100:축열식 순산소 연소시스템

Claims (23)

  1. 순산소 연소 시스템에 있어서,
    산소분사부와 연료분사부를 갖는 연소노즐이 일측과 타측 각각에 구비되는 연소실; 및
    상기 연소노즐 각각에 연결되며 각각이 산소예열용 축열부와 내부에 부분산화용 촉매를 구비한 연료예열용 축열부를 구비하며, 축열모드시 연소실에서 발생된 배가스가 상기 산소예열용 축열부와 상기 연료예열용 축열부에 유입되고, 공급모드시 산소가 상기 산소예열용 축열부로 유입되어 산소를 예열시키고 예열된 산소를 상기 연소실의 산소분사부로 공급하고 연료와 산소가 상기 연료예열용 축열부로 유입되어 상기 연료를 예열시키고, 부분산화용 촉매에 의해 연료를 부분산화시켜 부분산화된 연료를 상기 연소실의 연료분사부로 공급하는 축열실;을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료예열용 축열부는 내면 일측에 부분산화용 촉매가 코팅된 코팅층을 구비하거나 내부 일측에 부분산화용 촉매가 코팅된 매체가 충진된 것을 특징으로 하는 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연료예열용 축열부는
    연료가 유입되는 측에 구비된 제1연료예열용 축열부와 상기 제1연료예열용 축열부의 토출부 측에 연결된 제2연료예열용 축열부를 포함하고,
    상기 제1연료예열용 축열부는 내면 일측에 부분산화용 촉매가 코팅된 코팅층을 구비하거나 내부 일측에 부분산화용 촉매가 코팅된 매체가 충진된 것을 특징으로 하는 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 축열실은 상기 연소실 일측에 연결된 제1축열실과 상기 연소실 타측에 연결된 제2축열실을 포함하고, 제1축열실이 공급모드인 경우 제2축열실은 축열모드로 작동하고, 제1축열실이 축열모드인 경우 제2축열실은 공급모드로 작동되는 것을 특징으로 하는 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    공급모드인 상기 축열실의 산소예열용 축열부로 산소를 공급시키는 제1산소공급수단;
    공급모드인 상기 연료예열용 축열부로 산소를 공급시키는 제2산소공급수단; 및
    공급모드인 상기 축열실의 연료예열용 축열부로 연료를 공급시키기 위한 연료공급수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1축열실의 연료예열용 축열부와 상기 제2축열실의 연료예열용 축열부 사이를 연결하는 관에 구비되어 모드를 변경시키는 제1절환밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1축열실의 산소예열용 축열부와 상기 제2축열실의 산소예열용 축열부 사이를 연결하는 관에 구비되어 모드를 변경시키는 제2절환밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1절환밸브는 축열모드인 연료예열용 축열부에서 토출되는 배가스를 공급모드인 연료예열용 축열부로 유입되지 않고 외부로 배출시키도록 구성되며,
    상기 제2절환밸브는 축열모드인 산소예열용 축열부에서 토출되는 배가스를 공급모드인 산소예열용 축열부로 유입되지 않고 외부로 배출시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 연료공급수단과 축열모드인 상기 연료예열용 축열부 사이를 연결하는 관 및 상기 연료공급수단과 공급모드인 상기 연료예열용 축열부 사이를 연결하는 관 각각에 구비되어 공급모드인 축열실의 연료예열용 축열부로 연료를 공급하도록 유도하는 제1스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1산소공급수단과 축열모드인 상기 산소예열용 축열부 사이를 연결하는 관 및 상기 제1산소공급수단과 공급모드인 상기 산소예열용 축열부 사이를 연결하는 관 각각에 구비되어 공급모드인 축열실의 산소예열용 축열부로 산소를 공급하도록 유도하는 제2스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 연소실과 축열모드인 상기 연료예열용 축열부를 연결하는 관에 구비되어 축열모드인 상기 연료예열용 축열부로 유입되는 배가스의 유량을 조절하는 유량조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 축열실의 내부온도를 실시간으로 측정하는 제1온도측정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 연소실의 내부온도를 실시간으로 측정하는 제2온도측정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소시스템.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제1온도측정수단과 상기 제2온도측정수단에서 측정된 데이터를 기반으로 상기 제1절환밸브, 상기 제2절환밸브, 상기 제1스위치, 상기 제2스위치, 유량조절부, 상기 연료공급수단, 상기 제1산소공급수단 및 상기 제2산소공급수단 중 적어도 어느 하나를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소시스템.
  15. 제1산소공급수단에 의해 산소가 공급모드인 축열실의 산소예열용 축열부를 통과하며 예열되고, 연료공급수단에 의해 연료가 공급모드인 축열실의 연료예열용 축열부를 통과하며 예열되고, 연료예열용 축열부에 구비된 부분산화용 촉매와 제2산소공급수단에 의해 공급된 산소에 의해 부분산화 단계;
    예열된 산소가 공급모드인 연소노즐의 산소분사부로 공급되고, 부분산화된 연료가 공급모드인 연소노즐의 연료분사부로 공급되는 단계;
    연소실에서 산소와 연료가 연소되는 단계; 및
    연소실에서 발생된 일부 배가스는 축열모드인 축열실의 산소예열용 축열부를 통과하고, 나머지 배가스는 축열모드인 축열실의 연료예열용 축열부를 통과하여 축열모드인 축열실을 가열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축열식 순산소 연소방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 부분산화되는 단계는
    상기 연료예열용 축열부는 제1연료예열용 축열부와 제2연료예열용 축열부를 포함하여,
    상기 제1연료예열용 축열부로 유입된 연료가 예열되는 단계 및
    상기 제1연료예열용 축열부에서 토출된 연료가 상기 제2연료예열용 축열부로 유입되어 부분산화용 촉매에 의해 부분산화되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매를 활용한 연료 부분 산화 특징을 갖는 축열식 순산소 연소방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 공급모드인 축열실의 연료예열용 축열부와 상기 축열모드인 축열실의 연료예열용 축열부 사이를 연결하는 관에 구비된 제1절환밸브 및 상기 공급모드인 축열실의 산소예열용 축열부와 상기 축열모드인 축열실의 산소예열용 축열부 사이를 연결하는 관에 구비된 제2절환밸브에 의해 축열실의 모드가 변경되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축열식 순산소 연소방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 부분산화되는 단계는,
    상기 연료공급수단과 공급모드인 축열실의 상기 연료예열용 축열부 사이를 연결하는 관 및 상기 연료공급수단과 축열모드인 축열실의 상기 연료예열용 축열부 사이를 연결하는 관 각각에 구비된 제1스위치에 의해 공급모드인 축열실의 연료예열용 축열부로 연료를 공급하도록 유도하는 것을 특징으로 하는 축열식 순산소 연소방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 제1산소공급수단과 공급모드인 축열실의 상기 산소예열용 축열부 사이를 연결하는 관 및 상기 제1산소공급수단과 축열모드인 축열실의 상기 산소예열용 축열부 사이를 연결하는 관 각각에 구비된 제2스위치에 의해 공급모드인 축열실의 산소예열용 축열부로 산소를 공급하도록 유도하는 특징으로 하는 축열식 순산소 연소방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 축열실을 가열하는 단계는,
    유량조절부가 상기 연료예열용 축열부로 유입되는 배가스의 유량을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축열식 순산소 연소방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    제1온도측정수단이 상기 축열실의 내부온도를 실시간으로 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축열식 순산소 연소방법.
  22. 제 21항에 있어서,
    제2온도측정수단이 상기 연소실의 내부온도를 실시간으로 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축열식 순산소 연소방법.
  23. 제 22항에 있어서,
    제어부가 상기 제1온도측정수단과 상기 제2온도측정수단에서 측정된 데이터를 기반으로 상기 제1절환밸브, 상기 제2절환밸브 상기 제1스위치, 상기 제2스위치, 유량조절부, 연료공급수단, 제1산소공급수단 및 제2산소공급수단 중 적어도 어느 하나를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축열식 순산소 연소방법.
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