KR101554486B1

KR101554486B1 - 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소 시스템 및 그 연소 시스템을 이용한 연소방법

Info

Publication number: KR101554486B1
Application number: KR1020130149234A
Authority: KR
Inventors: 홍성국; 노동순; 이은경
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-09-22
Also published as: KR20150064782A

Abstract

본 발명은 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소 시스템 및 그 연소 시스템을 이용한 연소방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 산소분사부와 연료분사부를 갖는 연소노즐이 일측과 타측 각각에 구비되는 연소실; 상기 연소노즐 각각에 연결되며 축열모드시 연소실에서 발생된 배가스가 유입되어 축열되고, 공급모드시 산소가 유입되어 유입된 산소를 예열하여 예열된 산소를 상기 연소실의 산소분사부로 공급하는 축열실; 상기 연소실에서 발생된 배가스 일부가 유입되어 상기 배가스열을 저장하는 열저장장치 및 상기 열저장장치와 상기 연소실 사이에 구비되어 상기 연소실에서 발생된 배가스 일부를 상기 열저장장치로 공급시키기 위한 바이패스 유로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템에 관한 것이다.

Description

열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소 시스템 및 그 연소 시스템을 이용한 연소방법{Regenerative oxyfuel combustion system with heat storage unit}

본 발명은 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소 시스템 및 그 연소 시스템을 이용한 연소방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 기존의 공기를 산화제로 활용한 축열식 연소시스템과 달리 순산소만을 산화제로 사용시 발생되는 축열시스템의 문제점을 해결하고 에너지 이용효율을 향상시킬 수 있는 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소 시스템 및 그 연소 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, 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 순산소 연소시스템에 적용할 수 있는 축열식 순산소 연소 시스템의 개발이 요구되었다.

대한민국 공개특허 제2012-0066045호 대한민국 등록특허 제01221335호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면 배가스 일부를 바이패스 하기 위한 바이패스 유로와 열저장장치를 적용하여 일부 배가스를 축열실로 지나가지 않도록 하여 설치된 축열실을 통해 배가스와 산소간의 열교환이 효율적으로 일어나고, 연소시 발생되는 배가스열을 최대한 활용할 수 있는 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템 및 연소방법을 제공하게 된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 바이패스된 배가스 열원은 별도의 열저장장치를 통해 열저장 한 후, 이를 다른 시스템에 활용함으로써 에너지 절감을 도모하고, 열저장장치는 응축기 역할이 가능해 통과하는 배가스 온도를 조절함으로써 고농도의 CO₂ 가스만을 배출하여 CO₂ 포집 역시 가능한 열저장장치가 구비된 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; 상기 연소노즐 각각에 연결되며 축열모드시 연소실에서 발생된 배가스가 유입되어 축열되고, 공급모드시 산소가 유입되어 유입된 산소를 예열하여 예열된 산소를 상기 연소실의 산소분사부로 공급하는 축열실; 상기 연소실에서 발생된 배가스 일부가 유입되어 상기 배가스열을 저장하는 열저장장치 및 상기 열저장장치와 상기 연소실 사이에 구비되어 상기 연소실에서 발생된 배가스 일부를 상기 열저장장치로 공급시키기 위한 바이패스 유로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템으로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 열저장장치 후단에 연결되어, 상기 열저장장치에 의해 냉각된 상기 배가스의 CO₂를 포집하는 포집수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 열저장장치는 독립된 형태로 병렬로 나열된 복수의 열저장기기로 구성되어, 각각이 배가스 유입단과 토출단을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

각각의 상기 열저장기기의 토출단에 구비되는 on/off 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 공급모드인 상기 축열실로 산소를 공급시키는 산소공급수단; 및 공급모드인 상기 연소노즐의 연료분사부로 연료를 공급시키기 위한 연료공급수단을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 축열모드인 축열실과 공급모드인 축열실 사이에 구비되어 모드를 변경시키는 절환밸브를 포함하고, 상기 절환밸브는 축열모드인 축열실에서 토출되는 배가스를 공급모드인 축열실로 유입되지 않고 외부로 배출시키도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 연료공급수단과 상기 연소실의 일측에 구비된 연소노즐의 연료분사부 사이 및 상기 연료공급수단과 상기 연소실의 타측에 구비된 연소노즐의 연료분사부 사이 각각에 구비되어 공급모드인 연소노즐에 연료를 공급하도록 유도하는 제1스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 산소공급수단과 상기 축열실 사이 각각을 연결하는 관 일측에 구비되어 공급모드인 축열실에 산소를 공급하도록 유도하는 제2스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 연소실과 상기 바이패스 유로 사이에 구비되어 상기 바이패스 유로로 유입되는 배가스의 유량을 조절하는 유량조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 축열실 각각의 내부온도를 실시간으로 측정하는 제1온도측정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 연소실의 내부온도를 실시간으로 측정하는 제2온도측정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 열저장기기와 상기 포집수단 사이를 연결하는 관 일측에 구비되어 상기 열저장기기에서 토출되는 배가스의 온도를 측정하는 제3온도측정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제1온도측정수단과 상기 제2온도측정수단과 상기 제3온도측정수단에서 측정된 데이터를 기반으로 상기 절환밸브, 상기 제1스위치, 상기 제2스위치, 상기 열저장장치, 상기 on/off 밸브 및 유량조절부 중 적어도 어느 하나를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또 다른 카테고리로서, 본 발명의 목적은, 산소공급수단에 의해 산소가 공급모드인 축열실을 통과하며 예열되는 단계; 예열된 산소가 공급모드인 연소노즐의 산소분사부로 공급되고, 연료공급수단에 의해 연료가 공급모드인 연소노즐의 연료분사부로 공급되는 단계; 연소실에서 산소와 연료가 연소되는 단계; 및 연소실에서 발생된 일부 배가스는 축열모드인 축열실을 통과하며 상기 축열모드인 축열실을 가열하고, 나머지 배가스는 바이패스 유로를 통해 열저장장치로 유입되어 배가스열이 저장되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템를 이용한 연소방법으로서 달성될 수 있다.

그리고, 상기 저장되는 단계 후에, 상기 열저장장치 후단에 연결된 포집수단이 상기 열저장장치에 의해 냉각된 상기 배가스의 CO₂를 포집하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 저장되는 단계는, 배가스가 독립된 형태로 병렬로 나열된 복수의 열저장기기 각각의 유입단으로 유입되어 열저장된 후, 토출단을 통해 토출되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 공급모드인 축열실과 상기 축열모드인 축열실 사이에 구비된 절환밸브에 의해 축열실의 모드가 변경되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 공급되는 단계는, 상기 연료공급수단과 상기 연소실의 일측에 구비된 연소노즐의 연료분사부 사이를 연결하는 관 및 상기 연료공급수단과 상기 연소실의 타측에 구비된 연소노즐의 연료분사부 사이를 연결하는 관 일측 각각에 구비된 제1스위치에 의해 공급모드인 연소노즐에 연료를 공급하도록 유도하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 축열실을 통과하여 예열되는 단계는, 상기 산소공급수단과 상기 축열실 사이 각각을 연결하는 관에 구비된 제2스위치에 의해 공급모드인 축열실에 산소를 공급하도록 유도하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 유량조절부가 상기 바이패스 유로로 유입되는 배가스의 유량을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 제1온도측정수단이 상기 축열실의 내부온도를 실시간으로 측정하는 단계; 제2온도측정수단이 상기 연소실의 내부온도를 실시간으로 측정하는 단계; 및 상기 열저장기기와 상기 포집수단 사이를 연결하는 관 일측에 구비된 제3온도측정수단이 상기 열저장기기에서 토출되는 배가스의 온도를 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 제어부가 상기 제1온도측정수단과 상기 제2온도측정수단과 상기 제3온도측정수단에서 측정된 데이터를 기반으로 상기 절환밸브, 상기 제1스위치, 상기 제2스위치, 상기 열저장장치, 상기 추가연료공급부, 유량조절부 및 각각의 상기 열저장기기의 토출단에 구비되는 on/off 밸브 중 적어도 어느 하나를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면 배가스 일부를 바이패스 하기 위한 바이패스 유로와 열저장장치를 적용하여 일부 배가스를 축열실로 지나가지 않도록 하여 설치된 축열실을 통해 배가스와 산소간의 열교환이 효율적으로 일어나고, 연소시 발생되는 배가스열을 효과적으로 활용하여 투입되는 산소를 예열할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 바이패스된 배가스 열원은 별도의 열저장장치를 통해 열저장 한 후, 이를 다른 시스템에 활용함으로써 에너지 절감을 도모하고, 열저장장치는 응축기 역할이 가능해 통과하는 배가스 온도를 조절함으로써 고농도의 CO₂ 가스만을 배출하여 CO₂ 포집 역시 가능한 장점이 있다.

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 제1실시예에 따른 축열식 순산소 연소시스템의 구성도,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 축열식 순산소 연소시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 축열식 순산소 연소방법의 흐름도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 제1축열실이 공급모드로 작동되는 상태의 축열식 순산소 연소시스템의 구성도,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 제2축열실이 공급모드로 작동되는 상태의 축열식 순산소 연소시스템의 구성도,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 제1축열실이 공급모드로 작동되는 상태의 축열식 순산소 연소시스템의 구성도,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 제2축열실이 공급모드로 작동되는 상태의 축열식 순산소 연소시스템의 구성도,
도 8은 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 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 기술적 사상은 산화제를 순산소로 하는 축열식 연소시스템(100)을 구성하기 위해 배가스의 일부는 산소를 예열하는데 사용하고, 나머지 미활용되는 배가스를 열저장장치에 저장하여 이를 다른 용도로 활용하여 전체 시스템(100)의 밸런스를 맞추어 배가스열을 효율적으로 사용하여 전체 시스템(100)의 에너지 이용 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 제1실시예에 따른 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템(100)의 구성을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템(100)은 2개의 연소노즐(11)을 갖는 연소실(10), 연소노즐(11) 각각에 연결된 2개의 축열실(20), 배가스열을 저장하는 열저장장치(30), 연소실(10)에서 발생된 배가스 일부를 열저장장치(30)로 유입시키기 위한 바이패스 유로(40), 산소공급수단(21), 연료공급수단(31) 등을 포함하고 있음을 알 수 있다.

본 발명의 제1실시예에 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 산소분사부를 통해 축열모드인 축열실(20)로 유입되게 된다.

또한 본 발명의 제1실시예에 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 또는 다공체로 충진되어 구성될 수 있다. 이러한 축열실(20)은 축열모드인 경우 연소실(10)에서 발생된 배가스 일부가 축열모드인 연소노즐(11)을 통해 유입되어 배가스열을 받아 가열되게 되고, 공급모드인 경우, 산소공급수단(21)에 의해 산소가 유입되어 산소가 예열되게 된다.

본 발명의 제1실시예에 따른 열저장장치(30)는 연소실(10) 내부에서 발생된 배가스 일부가 바이패스 유로(40)를 통해 유입되게 된다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 바이패스 유로(40)에 연결된 열저장장치를 구비하여, 미활용되는 배가스 열을 열저장장치(30)에 저장하여 이를 다른 용도로 활용할 수 있게 됨을 알 수 있다. 따라서, 바이패스 유로(40)와 열저장장치(30)를 구비하여 일부 배가스를 축열실(20)로 지나가지 않도록 하여 설치된 축열실(20)을 통해 배가스와 산소간의 열교환이 효과적으로 이루어지도록 한다.

또한, 바이패스된 배가스 열원은 열저장장치(30)를 통해 저장함으로써 이를 다른 용도에 활용하여 발생되는 배가스 열원을 모두 활용함으로써 에너지 절감을 도모할 수 있게 된다. 그리고, 본 발명의 제1실시예에 따른 열저장장치는 응축기 역할을 통해 통과하는 배가스 온도를 조절함으로써 열저장장치(30) 후단에 연결된 물 포집수단을 통해 고농도 CO₂ 가스만을 배출하여 CO₂ 포집을 용이하게 할 수 있다. 이러한 포집수단은 열저장장치(30) 후단에 연결된 물 분리수단(water trap, 35)을 통해 배가스를 응축시켜 배가스에 함유된 물을 분리하고, CO₂ 저장부(36)를 통해 CO2를 저장하게 된다.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 축열식 순산소 연소시스템의 구성도를 도시한 것이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1실시예와 제2실시예는 열저장장치의 구성 외의 다른 구성은 모두 동일함을 알 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 열저장장치는 다수의 독립된 열저장기기가 병렬로 배열된 구조를 갖고 있음을 알 수 있다. 또한, 이러한 열저장기기 각각은 유입단과 토출단을 구비하며, 각각의 토출단에는 on/off 밸브가 구비되게 된다.

또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 열저장장치와 포집수단을 연결하는 관 일측에는 제3온도측정수단이 설치되어 포집수단으로 유입되는 배가스의 온도를 측정할 수 있다. 따라서 제어부에 의해 on/off 밸브를 제어하게 됨으로써, 저장되는 배열을 조절할 수 있어, 장시간 운전시, 배출구 온도센싱을 통한 밸브 절환에 따른 저장기기의 변경으로 열손실 최소화 및 배열회수의 극대화를 달성할 수 있게 된다.

그리고, 본 발명의 제1,2실시예에 따른 제1스위치(60)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 연료공급수단(31)과 연소실(10) 일측 타측 각각에 구비된 연소노즐(11) 사이를 연결하는 관에 구비되어 연료를 공급모드인 연소노즐(11)로 공급하게 유도하고, 연료를 축열모드인 연소노즐(11)로는 공급되지 않도록 한다. 또한, 본 발명의 제1,2실시예에 따른 제2스위치(70)는 산소공급수단(21)과 축열실(20) 각각을 연결하는 관에 구비되어 산소를 공급모드인 축열실(20)로 공급하게 유도하고, 산소를 축열모드인 축열실(20)로는 공급되지 않도록 한다.

또한, 절환밸브(50)는 2개의 축열실(20)를 연결하는 관에 구비되어 축열실(20)의 모드를 변경시키게 되고, 축열모드인 축열실(20)에서 토출된 배가스를 공급모드인 축열실(20)에 유입시키지 않고 외부로 배출시키도록 유도하게 된다.

이하에서는 본 발명의 제1실시예에 따른 축열식 순산소 연소방법에 대해 설명하도록 한다. 이러한 연소방법은 앞서 언급한 본 발명의 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템(100)을 이용한 것이다. 먼저, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 축열식 연소방법의 흐름도를 도시한 것이다. 그리고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 제1축열실(도 4를 기준으로 좌측에 도시된 축열실)이 공급모드로 작동되는 상태의 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다. 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 제2축열실(도 4를 기준으로 우측에 도시된 축열실)이 공급모드로 작동되는 상태의 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다.

먼저, 산소공급수단(21)에 의해 산소가 제2스위치(70)에 의해 공급모드인 축열실(20)을 통과하며 예열되게 된다(S1). 도 4에 도시된 바와 같이, 예를 들어 제1축열실(도 4를 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 4 기준)에 구비된 제2스위치(70)는 개방되게 되고, 우측에 구비된 제2스위치(70)는 닫히게 된다. 따라서 제2스위치(70)에 의해 산소공급수단(21)에 의해 공급되는 산소는 제2축열실로 유입되지 않고, 제1축열실로 공급되게 된다. 제1축열실로 공급된 산소는 제1축열실을 통과하면서, 예열되게 된다(S1).

그리고, 연료는 제1스위치(60)를 거쳐 공급모드인 연소실(10)로 유입되게 된다. 제1스위치(60)는 도 4에 도시된 바와 같이, 좌측에 위치하는 제1스위치(60)는 개방되며, 우측에 위치하는 제1스위치(60)는 닫히게 되면서, 연료공급수단(31)에서 토출된 연료가 축열모드인 연소노즐(11)에 유입되지 않고, 공급모드인 연소노즐(11)로 유입되도록 유도되게 된다.

그리고, 예열된 산소와 연료는 모두 공급모드인 연소노즐(11)로 공급되게 되고, 연소실(10) 내로 분사된 산소와 연료가 연소되게 된다(S2, S3). 연소실(10) 내에 연소에 의해 발생된 배가스 일부는 바이패스 유로(40)를 통해 열저장장치(30)로 유입되고(S4), 나머지 배가스는 축열모드인 연소노즐(11)(도 4에 도시된 것을 기준으로 우측에 구비된 연소노즐(11))을 거쳐 제2축열실로 유입되게 된다(S4). 따라서 나머지 배가스는 제2축열실을 통과하면서 제2축열실을 가열하고, 제2축열실을 통과한 배가스는 절환밸브(50)를 거쳐 외부로 배출되게 된다. 절환밸브(50)는 제2축열실에서 토출된 배가스를 제1축열실로 유입되지 않도록 유도하고 이러한 배가스를 외부로 배출시키게 한다.

또한, 바이패스 유로(40)로 유입된 일부 배가스는 열저장장치(30)로 공급되게 된다. 이러한 과정에서 도 4에 도시된 바와 같이, 바이패스 유로(40)에 연결된 열저장장치를 구비하여, 미활용되는 배가스를 열저장장치(30)에 저장하여(S5) 이를 다른 용도로 활용할 수 있게 됨을 알 수 있다. 따라서, 바이패스 유로(40)와 열저장장치(30)를 구비하여 일부 배가스를 축열실(20)로 지나가지 않도록 하여 설치된 축열실(20)을 통해 배가스와 산소간의 열교환이 효과적으로 이루어지도록 한다.

또한, 바이패스된 배가스 열원은 열저장장치(30)를 통해 저장함으로써 이를 다른 용도에 활용하여 발생되는 배가스 열원을 모두 활용함으로써 에너지 절감을 도모할 수 있게 된다. 그리고, 본 발명의 제1실시예에 따른 열저장장치는 응축기 역할을 통해 통과하는 배가스 온도를 조절함으로써 열저장장치(30) 후단에 연결된 물 포집수단을 통해 고농도 CO₂ 가스만을 배출하여 CO₂ 포집을 용이하게 할 수 있다(S6). 이러한 포집수단은 열저장장치(30) 후단에 연결된 물 분리수단(water trap, 35)을 통해 배가스를 응축시켜 배가스에 함유된 물을 분리하고, CO₂ 저장부(36)를 통해 CO2를 저장하게 된다.

이러한 과정에서 제1온도측정수단(81)은 축열실(20) 내부의 온도를 실시간으로 측정하고, 제2온도측정수단(82)이 연소실(10)의 온도를 실시간으로 측정하게 된다(S7). 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(83)에 의한 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 제어부(83)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(31)을 제어하여 공급되는 연료의 유량을 조절하고, 측정된 데이터를 기반으로 하여 산소공급수단(21)을 제어하여 제1축열실로 공급되는 산소의 유량을 조절하게 된다.

또한, 제어부(83)는 연소실(10) 내부에서 발생된 배가스의 온도와 관련하여 유량조절부(83)를 제어하여 연소실(10)에서 바이패스 유로(40)로 공급되는 배가스의 유량을 조절하게 된다(S8).

또한, 제1온도측정수단(81)에서 측정된 축열실(20)의 온도값을 기반으로 하여 제어부(83)는 모드를 변경할지 여부를 판단하게 되고(S9), 축열실(20)의 모드를 변경하고자 하는 경우 제어부(83)는 제1스위치(60)와 제2스위치(70) 및 절환밸브(50)를 작동시켜(S10) 축열실(20)과 연소노즐(11)의 모드를 변경하게 된다(S11).

즉, 도 4 및 도 5에 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(31)에서 토출된 연료가 제2축열실에 연결된 연소노즐(11)로 공급되고, 좌측에 구비된 제2스위치(70)가 닫히고, 우측에 구비된 제2스위치(70)가 개방되게 되면서, 산소공급수단(21)에 의해 공급되는 산소가 제2축열실로 공급되게 된다. 또한, 절환밸브(50)의 방향이 전환되면서, 제1축열실에서 토출된 배가스가 제2축열실로 유입되지 않고 외부로 배출되도록 작동된다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 2개의 제2스위치(70) 중 우측(도 4 기준)에 구비된 제2스위치(70)는 개방되게 되고, 좌측에 구비된 제2스위치(70)는 닫히게 된다. 따라서 제2스위치(70)에 의해 산소공급수단(21)에 의해 공급되는 산소는 제1축열실로 유입되지 않고, 제2축열실로 공급되게 된다. 제2축열실로 공급된 산소는 제2축열실을 통과하면서, 예열되게 된다.

그리고, 연소실(10)에서 발생된 일부 배가스는 바이패스 유로(40)를 통해 열저장장치(30)로 유입되어 배가스열이 저장되고, 응축기 역할을 하는 열저장장치(30)에 의해 토출된 저온의 배가스가 포집수단으로 유입되어 CO₂가 포집되게 된다. 이러한 포집수단은 열저장장치(30) 후단에 연결된 물 분리수단(water trap, 35)을 통해 배가스를 응축시켜 배가스에 함유된 물을 분리하고, CO₂ 저장부(36)를 통해 CO2를 저장하게 된다. 또한, 제1스위치(60)는 도 5에 도시된 바와 같이, 우측에 위치하는 제1스위치(60)는 개방되며, 좌측에 위치하는 제1스위치(60)는 닫히게 되면서, 연료가 축열모드인 연소노즐(11)에 유입되지 않고, 공급모드인 연소노즐(11)로 유입되도록 유도되게 된다.

그리고, 예열된 산소와 연료는 모두 공급모드인 연소노즐(11)로 공급되게 되고, 연소실(10) 내로 분사된 산소와 연료가 연소되게 된다. 연소실(10) 내에 연소에 의해 발생된 배가스 일부는 바이패스 유로(40)를 통해 열저장장치(30)로 유입되고, 나머지 배가스는 축열모드인 연소노즐(11)(도 5에 도시된 것을 기준으로 좌측에 구비된 연소노즐(11))을 거쳐 제1축열실로 유입되게 된다. 따라서 나머지 배가스는 제1축열실을 통과하면서 제1축열실을 가열하고, 제1축열실을 통과한 배가스는 절환밸브(50)를 거쳐 외부로 배출되게 된다. 절환밸브(50)는 제1축열실에서 토출된 배가스를 제2축열실로 유입되지 않도록 유도하고 이러한 배가스를 외부로 배출시키게 한다.

이러한 과정에서 역시 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(83)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(31)을 제어하여 공급되는 연료의 유량을 조절하고, 측정된 데이터를 기반으로 하여 산소공급수단(21)을 제어하여 제2축열실로 공급되는 산소의 유량을 조절하게 된다.

또한, 제어부(83)는 연소실(10) 내부에서 발생된 배가스의 온도와 관련하여 유량조절부(83)를 제어하여 연소실(10)에서 바이패스 유로(40)로 공급되는 배가스의 유량을 조절하게 된다. 또한, 제1온도측정수단(81)에서 측정된 축열실(20)의 온도값을 기반으로 하여 제어부(83)는 모드를 변경할지 여부를 지속적으로 판단하게 되고, 축열실(20)의 모드를 변경하고자 하는 경우 앞서 언급한 바와 같이, 제어부(83)는 제1스위치(60)와 제2스위치(70) 및 절환밸브(50)를 작동시켜 축열실(20)과 연소노즐(11)의 모드를 변경하게 된다.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 제1축열실이 공급모드로 작동되는 상태의 축열식 순산소 연소시스템의 구성도를 도시한 것이고, 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 제2축열실이 공급모드로 작동되는 상태의 축열식 순산소 연소시스템의 구성도를 도시한 것이다. 본 발명의 제2실시예에 따른 연소방법은 제1실시예와 기본적으로 동일하나, 도 6, 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 열저장장치는 다수의 독립된 열저장기기가 병렬로 배열된 구조를 갖고 있음을 알 수 있다. 또한, 이러한 열저장기기 각각은 유입단과 토출단을 구비하며, 각각의 토출단에는 on/off 밸브가 구비되게 된다.

연소에 의해 발생된 일부 배가스는 바이패스 유로(40)를 통해 열저장장치로 유입되며, 제2실시예에 따른 열저장장치(30)를 구성하는 다수의 열저장기기(32) 중 적어도 하나 이상으로 유입되어 배가스열이 열저장기기(32)에 저장되게 된다. 제어부(90)는 다수의 열저장기기(32) 토출단 각각에 구비된 on/off 밸브를 제어하여, 배가스가 유입된 열저장기기(32)를 선택할 수 있게 된다. 선택의 기준은 열저장장치(30)와 CO₂ 포집수단 사이를 연결하는 관 일측에 구비된 제3온도측정수단(34)에서 측정된 배가스 온도를 기반으로 하게 된다. 그리고, 응축기 역할을 수행하는 열저장기기(32)에서 토출된 저온의 배가스는 포집수단을 통해 고농도 CO₂ 포집하게 된다. 구체적으로 이러한 포집수단은 열저장장치(30) 후단에 연결된 물 분리수단(water trap, 35)을 통해 배가스를 응축시켜 배가스에 함유된 물을 분리하고, CO₂ 저장부(36)를 통해 CO2를 저장하게 된다.

이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연한것으로, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

10:연소실
11:연소노즐
20:축열실
21:산소공급수단
30:열저장장치
31:연료공급수단
32:열저장기기
33:on/off 밸브
34:제3온도측정수단
35:물 분리수단
36:CO₂ 저장부
40:바이패스 유로
50:절환밸브
60:제1스위치
70:제2스위치
81:제1온도측정수단
82:제2온도측정수단
83:유량조절부
90:제어부
100:열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템

Claims

순산소 연소 시스템에 있어서,
산소분사부와 연료분사부를 갖는 연소노즐이 일측과 타측 각각에 구비되는 연소실;
상기 연소노즐 각각에 연결되며 축열모드시 연소실에서 발생된 배가스가 유입되어 축열되고, 공급모드시 산소가 유입되어 유입된 산소를 예열하여 예열된 산소를 상기 연소실의 산소분사부로 공급하는 축열실;
상기 연소실에서 발생된 배가스 일부가 유입되어 상기 배가스열을 저장하는 열저장장치;
상기 열저장장치와 상기 연소실 사이에 구비되어 상기 연소실에서 발생된 배가스 일부를 상기 열저장장치로 공급시키기 위한 바이패스 유로;
상기 바이패스 유로로 유입되는 배가스의 유량을 조절하는 유량조절부;
상기 축열실 각각의 내부온도를 실시간으로 측정하는 제1온도측정수단;
상기 연소실의 내부온도를 실시간으로 측정하는 제2온도측정수단;
상기 열저장장치 후단에 연결되어, 상기 열저장장치에 의해 냉각된 상기 배가스의 CO₂를 포집하는 포집수단; 및
상기 열저장장치와 상기 포집수단 사이를 연결하는 관 일측에 구비되어 상기 열저장장치에서 토출되는 배가스의 온도를 측정하는 제3온도측정수단을 포함하고,
상기 열저장장치는 독립된 형태로 병렬로 나열된 복수의 열저장기기로 구성되어, 각각이 배가스 유입단과 토출단을 갖고, 각각의 상기 열저장기기의 토출단에 구비되는 on/off 밸브를 구비하며,
상기 제1온도측정수단과 상기 제2온도측정수단과 상기 제3온도측정수단에서 측정된 데이터를 기반으로 상기 열저장장치, 상기 on/off 밸브 및 유량조절부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템.
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제 1항에 있어서,
공급모드인 상기 축열실로 산소를 공급시키는 산소공급수단; 및
공급모드인 상기 연소노즐의 연료분사부로 연료를 공급시키기 위한 연료공급수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템.
제 5항에 있어서,
축열모드인 축열실과 공급모드인 축열실 사이를 연결하는 관 일측에 구비되어 모드를 변경시키는 절환밸브를 포함하고, 상기 절환밸브는 축열모드인 축열실에서 토출되는 배가스를 공급모드인 축열실로 유입되지 않고 외부로 배출시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템.
제 6항에 있어서,
상기 연료공급수단과 상기 연소실의 일측에 구비된 연소노즐의 연료분사부 사이를 연결하는 관 및 상기 연료공급수단과 상기 연소실의 타측에 구비된 연소노즐의 연료분사부 사이를 연결하는 관 일측 각각에 구비되어 공급모드인 연소노즐에 연료를 공급하도록 유도하는 제1스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템.
제 7항에 있어서,
상기 산소공급수단과 상기 축열실 사이 각각을 연결하는 관 일측에 구비되어 공급모드인 축열실에 산소를 공급하도록 유도하는 제2스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템.
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제 8항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1온도측정수단과 상기 제2온도측정수단과 상기 제3온도측정수단에서 측정된 데이터를 기반으로 상기 절환밸브, 상기 제1스위치, 상기 제2스위치, 상기 열저장장치, 상기 on/off 밸브 및 유량조절부를 제어하는 것을 특징으로 하는 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템.
산소공급수단에 의해 산소가 공급모드인 축열실을 통과하며 예열되는 단계;
예열된 산소가 공급모드인 연소노즐의 산소분사부로 공급되고, 연료공급수단에 의해 연료가 공급모드인 연소노즐의 연료분사부로 공급되는 단계;
연소실에서 산소와 연료가 연소되는 단계; 및
연소실에서 발생된 일부 배가스는 축열모드인 축열실을 통과하며 상기 축열모드인 축열실을 가열하고, 나머지 배가스는 바이패스 유로를 통해 열저장장치로 유입되어 배가스열이 저장되는 단계;를 포함하고,
상기 저장되는 단계 후에,
상기 열저장장치 후단에 연결된 포집수단이 상기 열저장장치에 의해 냉각된 상기 배가스의 CO₂를 포집하는 단계를 포함하며,
상기 저장되는 단계는,
배가스가 독립된 형태로 병렬로 나열된 복수의 열저장기기 각각의 유입단으로 유입되어 열저장된 후, 토출단을 통해 토출되고,
유량조절부가 상기 바이패스 유로로 유입되는 배가스의 유량을 조절하며,
제1온도측정수단이 상기 축열실의 내부온도를 실시간으로 측정하고, 제2온도측정수단이 상기 연소실의 내부온도를 실시간으로 측정하며, 상기 열저장기기와 상기 포집수단 사이를 연결하는 관 일측에 구비된 제3온도측정수단이 상기 열저장기기에서 토출되는 배가스의 온도를 측정하고,
제어부가 상기 제1온도측정수단과 상기 제2온도측정수단과 상기 제3온도측정수단에서 측정된 데이터를 기반으로 상기 열저장장치, 유량조절부 및 각각의 상기 열저장기기의 토출단에 구비되는 on/off 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템을 이용한 연소방법.
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제 14항에 있어서,
상기 공급모드인 축열실과 상기 축열모드인 축열실 사이를 연결하는 관 일측에 구비된 절환밸브에 의해 축열실의 모드가 변경되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템을 이용한 연소방법.
제 17항에 있어서,
상기 공급되는 단계는,
상기 연료공급수단과 상기 연소실의 일측에 구비된 연소노즐의 연료분사부 사이 및 상기 연료공급수단과 상기 연소실의 타측에 구비된 연소노즐의 연료분사부 사이 각각에 구비된 제1스위치에 의해 공급모드인 연소노즐에 연료를 공급하도록 유도하는 것을 특징으로 하는 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템을 이용한 연소방법.
제 18항에 있어서,
상기 축열실을 통과하여 예열되는 단계는,
상기 산소공급수단과 상기 축열실 사이 각각을 연결하는 관에 구비된 제2스위치에 의해 공급모드인 축열실에 산소를 공급하도록 유도하는 것을 특징으로 하는 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템을 이용한 연소방법.
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제 19항에 있어서,
제어부가 상기 제1온도측정수단과 상기 제2온도측정수단과 상기 제3온도측정수단에서 측정된 데이터를 기반으로 상기 절환밸브, 상기 제1스위치, 상기 제2스위치, 상기 열저장장치, 유량조절부 및 각각의 상기 열저장기기의 토출단에 구비되는 on/off 밸브를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 열저장장치가 구비된 축열식 순산소 연소시스템을 이용한 연소방법.