KR101467034B1 - 이온 전도성 멤브레인과 이젝터를 이용한 고효율 순산소 연소 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율 순산소 연소 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이온 전도성 멤브레인과 이젝터를 이용한 고효율 순산소 연소 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 연료와 산소를 공급받아서 동력을 발생시키는 연소기(10); 상기 연소기에서 배출되는 배기가스를 이용하여 블로워를 통해서 공급되는 공기를 승온시켜 주는 제 1 열교환기(20); 상기 제 1 열교환기에서 승온된 공기에서 산소를 분리시켜 주는 이온 전도성 멤브레인(30); 구동 유체로 수증기를 사용하기 위해 물을 공급해 주는 물공급부(40); 상기 이온 전도성 멤브레인을 통과하지 못한 공기를 이용하여 상기 물공급부에서 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 2 열교환기(50); 상기 고압의 수증기가 상기 이온 전도성 멤브레인을 통과한 산소를 압력차에 의해 연소기로 보내주는 이젝터(60);를 포함하는 고효율 순산소 연소 시스템을 제공한다. 따라서 본 발명에 의하면 공기 분리기를 사용하지 않고도 이온 전도성 멤브레인을 통해서 산소를 공급할 수 있게 되어 전체 시스템의 효율을 상승시키는 이점이 있다.

Description

이온 전도성 멤브레인과 이젝터를 이용한 고효율 순산소 연소 시스템{THE HIGH EFFICIENCY PURE OXYGEN COMBUSTION SYSTEM USING THE ION TRANSPORT MEMBRANE AND EJECTOR}

본 발명은 고효율 순산소 연소 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이온 전도성 멤브레인과 이젝터를 이용한 고효율 순산소 연소 시스템에 관한 것이다.

순산소 연소기술은 공기 중의 질소 및 다른 성분을 제거하지 않고 연소기에 주입되는 기존의 공기연소 방식에서 공기 중에 약 79%를 점하는 질소분을 제거한 순산소를 기존의 연소용 공기 대신 주입하여 연소시킨 후 이산화탄소의 포집을 쉽게 하는 연소기술이다. 순산소 연소를 채택하여 이산화탄소를 회수하는 기술에서는 산화제를 공기 대신 순도 95% 이상의 고농도 산소를 이용하여 연소시켜 열을 발생시킨다. 순산소 연소를 통해서 발생하는 배기가스의 대부분은 이산화탄소와 수증기로 구성되어 있으며, 발생되는 배기가스의 약 70~80%를 다시 연소실로 재순환시켜 최종적으로 배기가시의 이산화탄소 농도를 80% 이상으로 농축시킬수 있다. 배출되는 배기가스의 주성분 가운데 수증기를 응축시킬 경우, 거의 전량의 이산화탄소를 회수할 수 있으며, 회수된 이산화탄소를 저장시켜서 이산화탄소와 대기오염물질의 무 배출을 구현하는 기술이다.

순산소 연소 시스템은 상기 언급한 바와 같이 고농도의 이산화탄소를 포집하는 시스템이다. 하지만 순산소 연소를 하기 위해서는 고농도의 산소가 필요하며 이 때 공기 분리기(ASU, Air Seperation Unit)를 사용하여 공기 중 산소를 분리하면 많은 에너지가 소모되어 전체 시스템 효율이 낮아지는 단점이 있다.

도 1을 참조하면 크라이어제닉 ASU를 이용한 순산소 연소 시스템은 다음과 같이 구성된다. 공급되는 공기를 공기 분리기에 통과시켜 산소를 추출하여 연소기에 공급하고, 연소기에서 나온 배기가스인 이산화탄소(CO₂)와 수증기(H₂0)를 이용해서 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 이후 터빈을 통과한 배기가스에서 이산화탄소를 포집하고, 분리된 수증기를 다시 순환시켜 연소기로 공급해 주는 구성이다.

이러한 종래 연소 시스템 공정의 문제점을 살펴보면,

첫째, 공기로부터 산소를 얻기 위해 산소 분리기와 같은 공기 분리기를 활용하여 질소와 산소로 분리하는데, 이러한 공기 분리기는 여러 가지 타입이 존재하나 모두 에너지를 많이 소모하는 단점이 있다.

둘째, 공기 분리기에서 산소를 분리하고 분리된 상온의 산소를 연료와 혼합하여 연소시키므로, 산소와 연료의 온도가 상승될 때가지 점화 시간 지연이 발생하고 연소되기 전까지 점화를 위해 열원을 공급해야 하는 단점이 있다.

셋째, 고온의 배기가스를 재활용하는 수단이 없어서 전체 시스템 효율이 떨어지고, 고온의 배기가스에서 이산화탄소를 바로 포집할 수가 없어서 별도의 냉각장치가 추가로 구성되어야 하는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 연소기에서 배출되는 배기가스를 이용하여 블로워를 통해서 공급되는 공기를 승온시켜 주는 제 1 열교환기와, 제 1 열교환기에서 승온된 공기에서 산소를 분리시켜 주는 이온 전도성 멤브레인와, 구동 유체로 수증기를 사용하기 위해 물을 공급해 주는 물공급부와, 이온 전도성 멤브레인을 통과하지 못한 공기를 이용하여 물공급부에서 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 2 열교환기와, 고압의 수증기가 이온 전도성 멤브레인을 통과한 산소를 압력차에 의해 연소기로 보내주는 이젝터를 포함하는 고효율 순산소 연소 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 연소기에서 배출되는 배기가스 중에서 수증기를 제외한 이산화탄소를 포집하는 포집기를 포함하는 고효율 순산소 연소 시스템을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연료와 산소를 공급받아서 동력을 발생시키는 연소기(10); 상기 연소기에서 배출되는 배기가스를 이용하여 블로워를 통해서 공급되는 공기를 승온시켜 주는 제 1 열교환기(20); 상기 제 1 열교환기에서 승온된 공기에서 산소를 분리시켜 주는 이온 전도성 멤브레인(30); 구동 유체로 수증기를 사용하기 위해 물을 공급해 주는 물공급부(40); 상기 이온 전도성 멤브레인을 통과하지 못한 공기를 이용하여 상기 물공급부에서 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 2 열교환기(50); 상기 고압의 수증기가 상기 이온 전도성 멤브레인을 통과한 산소를 압력차에 의해 연소기로 보내주는 이젝터(60);를 포함하는 고효율 순산소 연소 시스템을 제공한다.

또한, 상기 제 1 열교환기의 전단에 배기가스를 이용하여 터빈(71)을 돌려 전기를 생산할 수 있는 발전기(70)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 열교환기를 통과한 배기가스를 이용하여 터빈(71)을 돌려 전기를 생산할 수 있는 발전기(70)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 열교환기를 통과한 배기가스에서 이산화탄소를 포집하는 포집기(72)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 터빈을 통과한 배기가스에서 이산화탄소를 포집하는 포집기(72)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 2 열교환기로 물을 공급해 주는 물공급부에 유량을 조절할 수 있도록 하는 제 1 밸브(73)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이온 전도성 멤브레인을 통과한 산소가 상기 이젝터에서 요구되는 사양보다 과다압력상승이 이루어지는 경우를 막는 제 2 밸브(74)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이젝터를 통과한 수증기와 산소의 양을 조절해주는 제 3 밸브(75)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 이온 전도성 멤브레인과 이젝터를 이용한 고효율 순산소 연소 시스템에 따르면 기존의 공기 분리기에 비해 상대적으로 적은 에너지가 소모되어 전체 시스템 효율을 상승시키는 효과가 있다.

또한, 이온 전도성 멤브레인에서 나온 고온의 산소를 이용하기 때문에 종래의 시스템과 달리 점화 시간 지연이 발생할 염려가 없고, 연소되기 전까지 점화를 위해 열원을 공급할 필요가 없어 시스템구조가 간단해지는 효과가 있다.

또한, 연소기에서 나오는 고온의 배기가스를 이용하여 전기를 생산할 수 도 있으며, 포집된 이산화탄소를 이용하여 식물의 광합성 과정을 촉진시키거나, 새로운 개질반응을 거쳐 새로운 에너지원으로 재사용할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래의 크라이어제닉 ASU를 이용한 순산소 연소 시스템의 구성도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 순산소 연소 시스템의 구성도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 이젝터의 구체적인 작동원리를 설명해 주는 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 이온 전도성 멤브레인과 이젝터를 이용한 고효율 순산소 연소 시스템의 바람직한 실시예들을 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 종래의 크라이어제닉 ASU를 이용한 순산소 연소 시스템의 구성도를 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, ASU를 이용한 순산소 연소 시스템은 크게, 공기중에 산소를 분리해주는 ASU, 상기 ASU에서 분리된 산소와 연료를 공급받는 연소기, 상기 연소기로부터 배출되는 배기가스를 이용하여 전기를 생산하기 위한 터빈, 상기 터빈을 통과한 배기가스를 이용하여 이산화탄소를 포집하는 포집기로 구성된다.

종래의 시스템은 ASU가 존재하여 별도의 에너지를 소모하는 문제점이 있고, ASU에서 산소를 분리하고 분리된 상온의 산소를 연료와 혼합하여 연소시키므로, 산소와 연료의 온도가 상승될 때가지 점화 시간 지연이 발생하고 연소되기 전까지 점화를 위해 열원을 공급해야 하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 도 2는 이온 전도성 멤브레인과 이젝터를 이용한 고효율 순산소 연소 시스템의 구성도를 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 연료와 산소를 공급받아서 동력을 발생시키는 연소기(10)와, 연소기(10)에서 배출되는 배기가스를 이용하여 블로워(21)를 통해서 공급되는 공기를 승온시켜 주는 제 1 열교환기(20)와, 제 1 열교환기(20)에서 승온된 공기에서 산소를 분리시켜 주는 이온 전도성 멤브레인(30)과,구동 유체로 수증기를 사용하기 위해 물을 공급해 주는 물공급부(40)와, 이온 전도성 멤브레인(30)을 통과하지 못한 공기를 이용하여 물공급부(40)에서 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 2 열교환기(50)와, 고압의 수증기가 이온 전도성 멤브레인(30)을 통과한 산소를 압력차에 의해 연소기(10)로 보내주는 이젝터(60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 순산소 연소 시스템을 제공한다.

제안되는 시스템에서는 이온 전도성 멤브레인(ITM, Ion Transfer Membrane)을 이용하여 공기 중 산소를 분리시키며, 이온 전도성 멤브레인(30)에 유입되는 공기는 연소기를 거친 배기가스에 의하여 승온되어 이온 전도성 멤브레인(30)에서의 산소 분리과정을 촉진시킨다. 이온 전도성 멤브레인(30)을 이용하면 기존의 ASU에 비해 상대적으로 적은 에너지가 소모되어 전체 시스템 효율을 상승시키는 효과 있다.

이온 전도성 멤브레인(30)을 통과하지 못한 공기(고농도의 질소, 대략 850℃이상)는 제 2 열교환기(50)를 통하여 물공급부(40)에 의해 고압으로 유입되는 물을 승온시킨다. 통상적으로 물공급부(40)에서 공급되는 물의 온도는 대략 20℃ 정도로 이온 전도성 멤브레인(30)을 통과하지 못한 공기의 온도에 비해서 대단히 낮은 온도를 띄고 있는바, 제 2 열교환기(50)를 통과하게 되면 물공급부(40)에서 공급되는 물은 고압의 수증기 형태로 전환할 수 있다.

제 2 열교환기(50)를 통과한 공기를 이용하여 터빈을 돌려 전기를 생산할 수도 있으며, 다른 용도로 남은 열을 재활용 할 수도 있다. 다만, 본 명세서에서는 구체적인 실시예를 생략한다.

이때 생성된 고압의 수증기는 제 2 열교환기(50)의 후단에 이젝터(60)의 Primary Flow로서 유입되고, 이온 전도성 멤브레인(30)을 통과한 산소가 Secondary Flow에 흡입되어 산소와 수증기의 혼합기체가 연소기(10)로 공급된다.

이젝터(60)를 이용하면 분리된 산소가 흐르는 유로의 압력을 진공상태에 가깝게 낮출 수 있어 공기 유로와의 압력 차이를 가중시켜 이온 전도성 멤브레인(30)을 통한 산소 분리를 가속화시키는 효과도 있다.

또한, 연소기(10)를 거쳐 연소반응을 한 이산화탄소와 수증기 혼합의 배기가스는 제 1 열교환기(20)를 통과한 후에 터빈(71)을 돌려서 발전기(70)에서 전기를 생산할 수 도 있다. 터빈(71)을 돌리고 나온 배기가스는 응축과정을 통하여 고농도의 이산화탄소로 포집하게 되는 포집기(72)를 거치게 된다.

또 다른 실시예로는 제 1 열교환기(20)의 전단에 터빈(71)을 배치하고, 터빈(71)에 연결된 발전기(70)에서 전기를 생산하는 시스템이다. 터빈(71)을 통과한 배기가스는 다시 제 1 열교환기(20)를 거치게 되고, 이온 전도성 멤브레인(30)으로 유입되는 공기를 승온시켜서 산소의 분리과정을 촉진시키게 된다. 이와 같은 시스템은 제 1 열교환기(20)의 후단에 터빈(71)을 배치하는 시스템에 비해 전체 시스템 효율을 상승시키는 효과가 있다.

상기 포집기(72)에서 포집된 이산화탄소는 저장고에 저장시킬 수 있고, 온실에 공급되어 식물의 광합성 과정을 촉진시킬 수 있으며, 또는 개질반응을 거쳐 새로운 에너지원으로 재사용할 수도 있을 것이다.

물공급부(40)의 일단에 제 1 밸브(73)를 달아서 유량을 조절 할 수도 있다. 제 1 밸브(73)는 물공급부(40)와 이젝터(60)사이에 배치되어 유량 조절을 통해서 본 시스템의 효율을 조절할 수 있는 기능이 있다.

이온 전도성 멤브레인(30)과 이젝터(60)사이에는 제 2 밸브(74)가 존재할 수도 있다. 상기 제 2 밸브(74)는 체크밸브기능을 구비하도록 형성됨으로써 이온 전도성 멤브레인(30)을 통과한 산소가 역류하지 않도록 하는 기능을 한다.

또한, 제 3 밸브(75)는 이젝터(60)를 통과한 산소와 수증기의 유량을 조절하여 본 시스템의 효율을 조절하는 기능도 수행할 수 있다.

도 3은 이젝터의 구체적인 작동원리를 설명해 주는 도면이다.

이젝터(60)에는 도 3에 도시된 바와 같이, 오목하게 함몰된 부분이 형성된다. 제 2 열교환기(50)를 통과한 고압의 수증기가 이젝터(60)로 공급되어 함몰된 부분을 지나가게 되면 단면적이 좁아지면서 수증기의 속도가 증가하게 되고, 수증기의 속도가 증가하면 베르누이의 법칙에 의해 증기의 압력은 감소하게 된다. 증기의 압력이 낮아지면 이온 전도성 멤브레인(30)에서 분리되는 산소가 이젝터(60) 내부로 유입되고, 산소는 이러한 고압의 수증기와 혼합되면서 연소기(10)로 공급된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 연소기 20: 제 1 열교환기
21: 블로워 30: 이온 전도성 멤브레인
40: 물공급부 50: 제 2 열교환기
60: 이젝터 70: 발전기
71: 터빈 72: 포집기
73: 제 1 밸브 74: 제 2 밸브
75: 제 3 밸브

Claims (8)

1. 연료와 산소를 공급받아 연소시키는 연소기(10);
   상기 연소기(10) 내에서 연료와 산소가 혼합되어 연소된 후 배출되는 배기가스를 이용하여 블로워(21)를 통해서 공급되는 공기를 열교환 작용을 통해 승온시켜 주는 제 1 열교환기(20);
   상기 제 1 열교환기(20)를 거쳐 승온된 공기가 통과되며, 상기 승온된 공기 중에 포함된 산소를 분리시켜 주는 이온 전도성 멤브레인(30);
   구동 유체로 수증기를 사용하기 위해 물을 공급해 주는 물공급부(40);
   상기 이온 전도성 멤브레인(30)을 통과되는 공기 중 산소가 분리되고 남은 공기를 이용하여 상기 물공급부(40)에서 공급되는 물을 열교환시켜 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 2 열교환기(50);
   상기 제 2 열교환기(50)를 거쳐 생성된 고압의 수증기와 상기 이온 전도성 멤브레인(30)을 통과하여 분리된 산소가 각각 유입되며, 상기 유입된 고압의 수증기와 산소와의 혼합기체를 상기 연소기(10)에 공급하는 이젝터(60);를 포함하는 고효율 순산소 연소 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 열교환기(20)와 연결되며, 상기 연소기(10)에서 배출되는 배기가스가 상기 제1 열교환기(20)를 거쳐 공급되는 터빈(71)과;
   상기 터빈(71)과 연결되며, 상기 터빈(71)의 구동에 의해 전기를 생산하는 발전기(70);가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 고효율 순산소 연소 시스템.
3. 삭제
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 터빈(71)과 연결되며, 상기 터빈(71)을 구동시킨 후 배출되는 배기가스를 응축시켜 이산화탄소를 포집하는 포집기(72)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 고효율 순산소 연소 시스템.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 물공급부(40)와 상기 제 2 열교환기(50) 사이에는 상기 제 2 열교환기(50)로 공급되는 물의 유량을 조절할 수 있도록 하는 제 1 밸브(73)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 고효율 순산소 연소 시스템.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 이온 전도성 멤브레인(30)과 상기 이젝터(60) 사이에는, 상기 이온 전도성 멤브레인(30)을 통과하여 분리된 후 상기 이젝터(60)로 공급되는 산소의 유량을 조절할 수 있도록 제 2 밸브(74)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 고효율 순산소 연소 시스템
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 이젝터(60)와 상기 연소기(10)의 사이에는 상기 이젝터(60)를 통과하여 상기 연소기(10)로 제공되는 산소와 수증기의 유량을 조절할 수 있도록 하는 제 3 밸브(75)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 고효율 순산소 연소 시스템.
   

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