KR101946869B1 - 지열, 수열 및 폐열 열교환장치 및 이를 이용한 복합발전시스템 - Google Patents

지열, 수열 및 폐열 열교환장치 및 이를 이용한 복합발전시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의하면, 연소장치로부터 발생된 연소가스가 이동되는 통체 형상의 열교환통; 열교환통의 내부에 구성되어 지열발전용시추부의 시추관으로부터 시추된 지열수가 상기 연소가스에 의해 열교환되어 소정의 온도로 가열된 후 지열발전용유기랭킨부로 공급되어 유기성 유체와 열교환되도록 하는 열교환기; 열교환통의 내부에 구성되어 지열발전용유기랭킨부의 유체이동관으로부터 이동되는 열교환기의 지열수에 의해 열교환되어 소정의 온도를 가지는 유기성 유체가 상기 연소가스에 의해 다시 열교환되어 소정의 온도로 가열되어 지열발전용유기랭킨부로 공급되어 터빈이 동작되도록 하여 발전이 가능하도록 하는 슈퍼히터; 열교환통의 외주면을 감싸면서 구성되고 공기층과 보온재를 통하여 연소가스의 손실을 최소화하는 열교환하우징; 및 열교환통의 상측단과 하측단에 각각 구성되어 연소장치로부터 발생된 연소가스가 열교환통에 출입되도록 하는 출입단을 포함하는 열교환장치가 제공된다.

Description

지열, 수열 및 폐열 열교환장치 및 이를 이용한 복합발전시스템{Heat exchanging apparatus for geothermal, water heat and waste heat and complex power generating system using thereof}
본 발명은 열교환장치 및 이를 이용한 복합발전시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 지열과 수열이 폐열에 의해 열교환된 상태에서 유기성 유체를 1차 열교환시킨 후 다시 유기성 유체가 폐열에 의해 열교환되는 열교환장치를 제공하여 사업성이 저하된 지열 및 수열 발전시스템의 활용을 가능하게 할 수 있는 지열, 수열 및 폐열 열교환장치 및 이를 이용한 복합발전시스템에 관한 것이다.
일반적으로 EGS(Enhanced Geothermal System)을 통해서 생산되는 지열수를 열원으로 이용하는 지열발전(Geothermal Power Generation)은, 최근 석유 및 가스 가격 상승과 공급 불안에 더해 온실 가스 감축 압력이 가중됨에 따라 점점 더 어려워지는 에너지 상황에 대해 아주 유망한 해결책으로 급부상하고 있다.
이러한 지열발전의 지열에너지는 우리나라와 같이 천연자원이 부족한 국가에도 어느 지점에나 지하에 부존돼 있고, 그 규모도 거의 무한에 가까우나, 우리나라의 경우 전 세계에서 펼쳐진 지열발전사업들에 비해 같은 온도의 지열에너지가 부존돼 있는 심도가 보다 깊은 문제점이 있다.
즉, 우리나라의 대부분 지역은 지하 3km 내지 4km에 해당되는 암층부터는 상기와 같은 EGS를 구성하면, 공개특허 10-2011-0016847호와 공개특허 10-2009-0119118호 등에 개시된 바 있는, 건증기방식, 플래시방식 및 바이너리방식 등을 이용한 지열발전을 가능하게 할 수 있는 온도의 지열에너지를 생산해 낼 수 있으나, 상기와 같이 시추가 지하 3km 내지 5km 정도에 그치는 경우 지열에너지 온도가 140℃ 내지 160℃ 정도 밖에 되지 않기 때문에, 180℃ 내지 250℃ 정도에서 터빈을 동작시켜 발전을 하는 것에 비해 그 효율이 현저히 저하된다.
이에, 우리나라의 지열발전은, 대부분 지열에너지 온도가 180℃ 내지 250℃ 정도를 가질 때까지 암반을 시추한 후, 해당 부분의 심부지하저류층의 지열과 수열을 이용하여 발전이 이루어지도록 하고 있다.
그러나 상기와 같이, 지열에너지 온도가 180℃ 내지 250℃ 정도를 가지기 위해서는 우리나라의 경우, 일반적으로 지하 6km 이하까지 암반이 시추되어야 하는 경우가 빈번하며, 이에 해당 위치까지 시추 및 해당 구성부 설비에 많은 시간과 비용이 소요되며, 해당 위치까지 시추 및 구성부가 설비되었음에도 불구하고 지열에너지의 온도가 낮은 경우에는 발전시설 건설에 막대한 비용만 낭비되고 해당 구성부들의 재활용도 불가능한 문제점이 있다.
이에, 상기와 같이, 소정 깊이의 심부지하저류층까지 시추가 이루어진 상태에서 지열에너지의 낮은 온도로 인하여 지열발전이 중단되더라도, 상기 시설물에 대한 재활용이 가능하도록 하고 지열에너지의 온도를 폐열을 통한 열교환을 통해 원하는 온도를 가지도록 하여 발전을 가능하게 할 수 있는 복합발전시스템이 대두되고 있는 실정이다.
따라서 본 발명의 목적은 폐기물의 소각을 통한 폐열과 열교환된 심부지하저류층의 지열과 수열에 의하여 유기성 유체가 1차 열교환되도록 한 후 폐열에 의해 유기성 유체가 다시 2차 열교환되도록 하는 열교환장치를 제공하고 이를 이용하여 유기성 유체를 통한 발전을 가능하게 할 수 있는 지열, 수열 및 폐열 열교환장치 및 이를 이용한 복합발전시스템을 제공하는 것이다.
한편, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이를 위하여, 연소장치로부터 발생된 연소가스가 이동되는 통체 형상의 열교환통; 열교환통의 내부에 구성되어 지열발전용시추부의 시추관으로부터 시추된 지열수가 상기 연소가스에 의해 열교환되어 소정의 온도로 가열된 후 지열발전용유기랭킨부로 공급되어 유기성 유체와 열교환되도록 하는 열교환기; 열교환통의 내부에 구성되어 지열발전용유기랭킨부의 유체이동관으로부터 이동되는 열교환기의 지열수에 의해 열교환되어 소정의 온도를 가지는 유기성 유체가 상기 연소가스에 의해 다시 열교환되어 소정의 온도로 가열되어 지열발전용유기랭킨부로 공급되어 터빈이 동작되도록 하여 발전이 가능하도록 하는 슈퍼히터; 열교환통의 외주면을 감싸면서 구성되고 공기층과 보온재를 통하여 연소가스의 손실을 최소화하는 열교환하우징; 및 열교환통의 상측단과 하측단에 각각 구성되어 연소장치로부터 발생된 연소가스가 열교환통에 출입되도록 하는 출입단을 포함하는 열교환장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기와 같이, 지열과 수열이 폐열에 의해 열교환된 상태에서 유기성 유체를 1차 열교환시킨 후 다시 유기성 유체가 폐열에 의해 열교환되도록 하는 열교환장치; 폐기물을 공급받아 연소시키고 연소에 따른 고온의 연소가스를 열교환장치에 공급하는 연소장치; 지하 3km 내지 5km 정도에 그치는 심부지하저류층으로부터 온도가 140℃ 내지 160℃ 정도의 온도를 가지는 지열수를 시추하고 시추관을 통하여 열교환장치에 공급시키는 지열발전용시추부; 및 유기성 유체를 열교환장치에 의해 열교환된 지열수와 1차 열교환시킨 후 다시 유기성 유체가 열교환장치에 의해 2차 열교환시켜 터빈의 동작을 통한 발전을 가능하게 하고 열교환시 생성된 물을 지열발전용시추부로 공급하여 주입관을 통해 심부지하저류층으로 주입되도록 하는 지열발전용유기랭킨부를 포함하는 복합발전시스템이 제공된다.
따라서 본 발명에 의하면, 지열 발전을 하기에는 충분하지 않은 온도를 가지는 지열과 수열을 이용한 지열발전 시설에 적용되는 열교환장치를 통하여 사업성이 저하된 지열 및 수열 발전시스템의 활용을 가능하게 하여 발전시설 건설에 소요되는 막대한 비용만 낭비되지 않도록 하고 해당 구성부들의 재활용도 가능하게 할 수 있다.
한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지열, 수열 및 폐열 열교환장치의 구성을 나타낸 도면;
도 2는 도 1의 열교환장치에 있어서 열교환기와 슈퍼히터의 튜브의 구성을 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지열, 수열 및 폐열 열교환장치를 이용한 복합발전시스템의 구성을 나타낸 도면; 및
도 4는 도 3의 복합발전시스템에 있어서 연소장치의 구성을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지열, 수열 및 폐열 열교환장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 열교환장치에 있어서 열교환기와 슈퍼히터의 튜브의 구성을 나타낸 도면이다. 또한, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지열, 수열 및 폐열 열교환장치를 이용한 복합발전시스템의 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 복합발전시스템에 있어서 연소장치의 구성을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지열, 수열 및 폐열이 열교환되도록 하는 열교환장치(100)는, 지열과 수열이 폐열에 의해 열교환된 상태에서 유기성 유체를 1차 열교환시킨 후 다시 유기성 유체가 폐열에 의해 열교환되도록 하는 장치로서, 연소장치(200)로부터 발생된 연소가스가 이동되는 통체 형상의 열교환통(110), 열교환통(110)의 내부에 구성되어 지열발전용시추부(300)의 시추관으로부터 시추된 지열수가 상기 연소가스에 의해 열교환되어 소정의 온도로 가열된 후 지열발전용유기랭킨부(400)로 공급되어 유기성 유체와 열교환되도록 하는 열교환기(120), 열교환통(110)의 내부에 구성되어 지열발전용유기랭킨부(400)의 유체이동관으로부터 이동되는 열교환기(120)의 지열수에 의해 열교환되어 소정의 온도를 가지는 유기성 유체가 상기 연소가스에 의해 다시 열교환되어 소정의 온도로 가열되어 지열발전용유기랭킨부(400)로 공급되어 터빈(420)이 동작되도록 하여 발전이 가능하도록 하는 슈퍼히터(130), 열교환통(110)의 외주면을 감싸면서 구성되고 공기층과 보온재를 통하여 연소가스의 손실을 최소화하는 열교환하우징(140) 및 열교환통(110)의 상측단과 하측단에 각각 구성되어 연소장치(200)로부터 발생된 연소가스가 열교환통(110)에 출입되도록 하는 출입단(150) 등을 포함한다.
즉, 본 발명의 열교환장치(100)는, 열교환통(110), 열교환통(110)과 열교환하우징(140) 사이의 공기층 및 열교환하우징(140) 자체의 보온재를 통한 3중 단열 구조를 가질 수 있다.
열교환통(110)은, 연소장치(200)로부터 발생된 연소가스가 이동되도록 하는 공간을 제공하는 수단으로서, 소정 면적의 공간을 제공하는 통체 구조를 가진다.
열교환기(120)는, 열교환통(110)의 내부에 구성되어 지열발전용시추부(300)의 시추관으로부터 140℃ 내지 160℃의 온도를 가지는 지열 및 수열이 상기 연소가스에 의해 열교환되어 180℃ 내지 250℃의 온도로 가열된 후 지열발전용유기랭킨부(400)로 공급되어 유기성 유체와 열교환되도록 하는 열교환수단이다.
여기서, 열교환기(120)는, 상기 지열 및 수열이 열교환통(110)의 내부 공간을 이동하도록 지그재그로 구성되는 열교환튜브(121), 열교환튜브(121)의 외주면에 일정간격으로 용접 접합되어 열교환튜브(121)의 강도 향상과 함께 전열면적의 증가에 따른 열교환 효율 향상을 가능하게 하는 원판 형상의 전열판(122) 및 전열판(122)의 가장자리에 'L'자 형상으로 절곡 형성되어 연소가스의 이동방향에 대한 저항력을 발생시켜 열교환통(110) 내부에 형성된 난류를 통한 연소가스의 높은 열교환을 가능하게 하는 핀(FIN:123)을 포함한다.
이때, 전열판(122)은 열교환튜브(121)의 외주면에 비스듬한 각도를 가지면서 나선 구조로 접합되며, 이를 통하여, 연소가스의 열교환튜브(121) 위치 이동시 와류 등의 난류가 형성되어 열교환튜브(121)와의 접촉 시간이 증가되도록 하는 것이 바람직하다.
따라서 열교환기(120)에 의하면, 지그재그로 구성된 열교환튜브(121)의 외주면에 복수개의 전열판(122)이 접합되고 더불어, 전열판(122)의 가장자리에 핀(123)이 더 형성됨으로써, 시추관으로부터 유입되는 140℃ 내지 160℃의 온도를 가지는 지열 및 수열이 상기 연소가스에 의해 열교환되어 180℃ 내지 250℃의 온도로 가열되도록 할 수 있다.
여기서, 열교환기(120)는, 열교환튜브(121)의 외주면에 전열판(122)이 접합 구성됨에 따라 단순히, 열교환튜브(121)의 전열면적을 향상시키기 위해 무수히 많은 돌기들이 접합되는 것에 비하여, 동일 또는 그 이상의 전열면적을 제공하면서도 접합 작업이 상대적으로 용이하도록 할 수 있으므로, 접합 구조 개선을 통한 작업성 향상 효과도 제공할 수 있다.
슈퍼히터(130)는, 열교환통(110)의 내부에 구성되어 지열발전용유기랭킨부(400)의 유체이동관으로부터 이동되는 열교환기(120)의 지열수에 의해 열교환되어 160℃ 내지 180℃의 온도를 가지는 유기성 유체가 상기 연소가스에 의해 다시 열교환되어 180℃ 내지 250℃의 온도로 가열되어 지열발전용유기랭킨부(400)로 공급되어 터빈(420)이 동작되도록 하여 발전이 가능하도록 하는 열교환수단이다.
여기서, 슈퍼히터(130)는, 상기 유기성 유체가 열교환통(110)의 내부 공간을 이동하도록 지그재그로 구성되는 히팅튜브(131), 히팅튜브(131)의 외주면에 일정간격으로 용접 접합되어 히팅튜브(131)의 강도 향상과 함께 전열면적의 증가에 따른 열교환 효율 향상을 가능하게 하는 원판 형상의 전열판(132) 및 전열판(132)의 가장자리에 'L'자 형상으로 절곡 형성되어 연소가스의 이동방향에 대한 저항력을 발생시켜 열교환통(110) 내부에 형성된 난류를 통한 연소가스의 높은 열교환을 가능하게 하는 핀(FIN:133)을 포함한다.
이때, 전열판(132)은 히팅튜브(131)의 외주면에 비스듬한 각도를 가지면서 나선 구조로 접합되며, 이를 통하여, 연소가스의 히팅튜브(131) 위치 이동시 와류 등의 난류가 형성되어 히팅튜브(131)와의 접촉 시간이 증가되도록 하는 것이 바람직하다.
따라서 슈퍼히터(130)에 의하면, 지그재그로 구성된 히팅튜브(131)의 외주면에 복수개의 전열판(132)이 접합되고 더불어, 전열판(132)의 가장자리에 핀(133)이 더 형성됨으로써, 열교환기(120)의 지열수에 의해 열교환되어 160℃ 내지 180℃의 온도를 가지는 유기성 유체가 상기 연소가스에 의해 다시 열교환되어 180℃ 내지 250℃의 온도로 가열되도록 할 수 있다.
여기서, 슈퍼히터(130)는, 히팅튜브(131)의 외주면에 전열판(132)이 접합 구성됨에 따라 단순히, 히팅튜브(131)의 전열면적을 향상시키기 위해 무수히 많은 돌기들이 접합되는 것에 비하여, 동일 또는 그 이상의 전열면적을 제공하면서도 접합 작업이 상대적으로 용이하도록 할 수 있으므로, 접합 구조 개선을 통한 작업성 향상 효과도 제공할 수 있다.
열교환하우징(140)은, 열교환통(110)의 외주면을 감싸면서 구성되고 공기층과 보온재를 통하여 연소가스의 손실을 최소화하는 보호수단으로서, 열교환통(110) 보다 큰 지름을 가지는 통체 형상을 가지며 공기층과 자체적으로 구성되는 소정 두께의 보호재를 통하여 외부 공기에 의해 연소가스의 온도가 낮아지는 것을 방지할 수 있다.
출입단(150)은, 열교환통(110)의 상측단과 하측단에 각각 구성되어 연소장치(200)로부터 발생된 연소가스가 열교환통(110)에 출입되도록 하는 출입구로서, 연소장치(200)의 소각수단 배출단에 연결되는 연소가스 유입단과, 연소장치(200)의 배출단으로부터 배출되는 연소가스를 정화시키는 정화수단의 유입단에 연결되는 연소가스 배출단을 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지열, 수열 및 폐열 열교환장치(100)의 작용에 대해 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 연소장치(200)로부터 발생된 연소가스가 열교환통(110)의 내부로 유입된다. 여기서, 연소가스는 1200℃ 내지 1500℃ 정도의 온도를 가지는 것이 바람직하다.
이후, 지열발전용시추부(300)의 시추관으로부터 140℃ 내지 160℃의 온도를 가지는 지열 및 수열이 열교환통(110)의 내부에 구성된 열교환기(120)의 열교환튜브(121)를 따라 이동되면서, 상기 연소가스에 의해 열교환되어 180℃ 내지 250℃의 온도로 가열된 후, 지열발전용유기랭킨부(400)로 공급되어 유기성 유체가 열교환되도록 한다.
이후, 상기 열교환기(120)의 지열수에 의해 열교환된 160℃ 내지 180℃의 온도를 가지는 유기성 유체가 열교환통(110)의 내부에 구성된 슈퍼히터(130)의 히팅튜브(121)를 따라 이동되면서, 상기 연소가스에 의해 다시 열교환되어 180℃ 내지 250℃의 온도로 가열된 후, 지열발전용유기랭킨부(400)로 공급되어 터빈(420)이 동작되도록 한다.
따라서 본 발명의 열교환장치(100)에 의하면, 지열발전용시추부(300)와 지열발전용유기랭킨부(400)를 포함하는 지열발전 시설에 적용되어 연소장치(200)로부터 소모되는 고온의 폐열을 이용하여 지열과 수열의 온도를 열교환시킨 후 이를 토대로 유기랭킨시설의 유기성 유체가 예열되도록 한 뒤 다시 연소가스에 의해 유기성 유체가 발전에 충분한 온도로 열교환되도록 함으로써, 지열 발전을 하기에는 충분하지 않은 온도를 가지는 지열과 수열을 시추하는 사업성이 저하된 지열 및 수열 발전시스템의 활용을 가능하게 하여 발전시설 건설에 소요되는 막대한 비용만 낭비되지 않도록 하고 해당 구성부들의 재활용도 가능하게 할 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환장치를 이용한 복합발전시스템은, 크게, 지열과 수열이 폐열에 의해 열교환된 상태에서 유기성 유체를 1차 열교환시킨 후 다시 유기성 유체가 폐열에 의해 열교환되도록 하는 열교환장치(100), 다양한 폐기물을 공급받아 연소시키고 연소에 따른 고온의 연소가스를 열교환장치(100)에 공급하는 연소장치(200), 지하 3km 내지 5km 정도에 그치는 심부지하저류층으로부터 온도가 140℃ 내지 160℃ 정도의 온도를 가지는 지열수를 시추하고 시추관을 통하여 열교환장치(100)에 공급시키는 지열발전용시추부(300) 및 유기성 유체를 열교환장치(100)에 의해 열교환된 지열수와 1차 열교환시킨 후 다시 유기성 유체가 열교환장치(100)에 의해 2차 열교환시켜 터빈(420)의 동작을 통한 발전을 가능하게 하고 열교환시 생성된 물을 지열발전용시추부(300)로 공급하여 주입관을 통해 심부지하저류층으로 주입되도록 하는 지열발전용유기랭킨부(400) 등을 포함한다.
열교환장치(100)는, 지열과 수열이 폐열에 의해 열교환된 상태에서 유기성 유체를 1차 열교환시킨 후 다시 유기성 유체가 폐열에 의해 열교환되도록 하는 장치로서, 연소장치(200)로부터 발생된 연소가스가 이동되는 통체 형상의 열교환통(110), 열교환통(110)의 내부에 구성되어 지열발전용시추부(300)의 시추관으로부터 시추된 지열수가 상기 연소가스에 의해 열교환되어 소정의 온도로 가열된 후 지열발전용유기랭킨부(400)로 공급되어 유기성 유체와 열교환되도록 하는 열교환기(120), 열교환통(110)의 내부에 구성되어 지열발전용유기랭킨부(400)의 유체이동관으로부터 이동되는 열교환기(120)의 지열수에 의해 열교환되어 소정의 온도를 가지는 유기성 유체가 상기 연소가스에 의해 다시 열교환되어 소정의 온도로 가열되어 지열발전용유기랭킨부(400)로 공급되어 터빈(420)이 동작되도록 하여 발전이 가능하도록 하는 슈퍼히터(130), 열교환통(110)의 외주면을 감싸면서 구성되고 공기층과 보온재를 통하여 연소가스의 손실을 최소화하는 열교환하우징(140) 및 열교환통(110)의 상측단과 하측단에 각각 구성되어 연소장치(200)로부터 발생된 연소가스가 열교환통(110)에 출입되도록 하는 출입단(150) 등을 포함한다.
여기서, 열교환장치(100)는, 상기와 같은 구성을 가지므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
연소장치(200)는, 건조된 슬러지나 폐기물 공급수단으로부터 다양한 폐기물을 공급받아 연소시키고 연소에 따른 고온의 연소가스를 열교환장치(100)에 공급하는 장치로서, 고온의 열을 발생시키는 버너(210)를 통하여 건조된 슬러지나 폐기물을 투입수단(220)을 통해 공급받아 연소로에서 연소시키는 연소실(230), 연소실(230)의 상측에 연통 구성되며 연소실(230)에서 연소된 연소가스 중 유해물질이 흡착 또는 환원반응을 통해 저감되도록 하는 반응공간을 제공하는 반응실(240), 반응실(240)의 상측부에 구성되어 반응실(240)의 내부 공간에 소석회를 분사하여 연소가스 중 염소물질을 제거하는 소석회분사수단(250), 반응실(240)의 상측부에 구성되어 반응실(240)의 내부 공간에 요소수를 분사하여 연소가스 중 질산화물질을 제거하는 SNCR분사수단(260), 반응실(240)의 중간부에 구성되어 반응실(240)의 내부 공간에 나선형으로 에어를 주입하여 반응실(240)을 따라 이동하는 연소가스가 나선형으로 회전하도록 하여 반응실(240) 내에서의 이동시 체류시간이 길어지도록 함과 동시에 반응실(240)의 전면적에 고르게 분포되어 소석회나 요소수와의 접촉면적이 증대되도록 하여 흡착 또는 환원반응을 통한 유해물질 제거효율이 향상되도록 하는 나선형에어공급수단(270) 및 연소실(230)에 구성되어 연소시 발생되는 재를 외부로 배출시키는 드레인(280) 등을 포함한다.
버너(210)는, 연소실(230)의 연소로에 고온의 열을 발생시키는 수단으로서, 공지의 화염발생수단이 사용될 수 있으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
투입수단(220)은, 슬러지나 폐기물을 연소실(230)의 연소로에 투입시키는 수단으로서, 건조된 슬러지를 공급받거나 또는 연소 가능한 폐기물을 공급받아 연소실(230)의 투입구에 투입시키기 위한 투입콘베이어나 정량공급기 등과 같은 공지의 구성을 가질 수 있으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
연소실(230)은, 슬러지나 폐기물이 연소로에서 고온의 열에 의해 연소되면서 폐기 처리되도록 하는 수단으로서, 소정면적의 연소공간을 제공한다.
반응실(240)은, 연소실(230)의 상측에 연통 구성되며 연소실(230)에서 연소된 연소가스 중 유해물질이 흡착 또는 환원반응을 통해 저감되도록 하는 반응공간을 제공하는 수단으로서, 일예로, 원통체 형상을 가지는 소정면적의 반응공간을 제공한다.
소석회분사수단(250)은, 반응실(240)의 상측부에 구성되어 반응실(240)의 내부 공간에 소석회를 분사하여 연소가스 중 염소물질을 흡착 또는 환원반응을 통해 제거하는 수단으로서, 반응실(240)의 상측부에 설치되어 소석회를 반응실(240)의 상측부에 분사하는 분사노즐(251)과, 소석회가 저장되며 분사노즐(251)에 소석회를 공급하는 소석회저장사일로(252) 등을 포함한다.
따라서 소석회분사수단(250)에 의하면, 반응실(240)의 상측부로부터 하측부를 향하여 소석회가 분사되고 이에, 연소실(230)에서 발생되어 수직 상승하는 연소가스가 소석회와 접촉에 따른 흡착 및 환원반응됨에 따라 연소가스 중 염소물질이 제거되도록 할 수 있다.
SNCR분사수단(260)은, 반응실(240)의 상측부에 구성되어 반응실(240)의 내부 공간에 요소수를 분사하여 연소가스 중 질산화물질을 흡착 또는 환원반응을 통해 제거하는 수단으로서, 반응실(240)의 상측부에 설치되어 요소수를 반응실(240)의 상측부에 분사하는 분사노즐(261)과, 요소수가 저장되며 분사노즐(261)에 요소수를 공급하는 요소수저장탱크(262) 등을 포함한다.
여기서, 분사노즐(261)과 요소수저장탱크(262)를 연결하는 연결관에는 고온의 연소가스가 집중되는 스팀드럼으로부터 고온의 스팀이 제공되는 스팀공급수단(STEAM)이 설치되어 요소수가 소정 온도 약 800 ℃ 내지 1000℃ 정도로 열교환된 상태에서 반응실(240)의 내부 공간에 분사되도록 하여, 요소수와 연소가스 중의 질산화물질의 흡착 또는 환원반응이 더 촉진되도록 하는 것이 바람직하다.
따라서 SNCR분사수단(260)에 의하면, 반응실(240)의 상측부로부터 하측부를 향하여 요소수가 분사되고 이에, 연소실(230)에서 발생되어 수직 상승하는 연소가스가 요소수와 접촉에 따른 흡착 및 환원반응됨에 따라 연소가스 중 질산화물질이 제거되도록 할 수 있다.
나선형에어공급수단(270)은, 반응실(240)의 중간부에 구성되어 반응실(240)의 내부 공간에 나선형으로 에어를 주입하여 반응실(240)을 따라 이동하는 연소가스가 나선형으로 회전하도록 하여 반응실(240) 내에서의 이동시 체류시간이 길어지도록 함과 동시에 반응실(240)의 전면적에 고르게 분포되어 소석회나 요소수와의 접촉면적이 증대되도록 하여 흡착 또는 환원반응을 통한 유해물질 제거효율이 향상되도록 하는 수단으로서, 반응실(240)의 중간부에 반응실(240)의 외주면을 감싸면서 설치되는 파이프 구조의 설치고리(271), 설치고리(271)의 외주면에 연통 구성되어 설치고리(271)의 내부에 외부 에어공급수단(미도시)으로부터 에어가 주입되도록 하는 주입관(272) 및 설치고리(271)의 내주면에 일정한 간격을 가지면서 연통된 상태로 반응실(240)의 내부까지 관통 구성되어 에어가 반응실(240) 내부로 분사되도록 하여 연소가스가 수직 상승하지 않고 지체되도록 하는 복수개의 에어분사관(273) 등을 포함한다.
여기서, 복수개의 에어분사관(273)은, 설치고리(271)에 대하여 선택적으로 에어 분사 각도가 조절되도록 구성될 수 있으며, 이를 통하여, 연소가스가 연소실(230)의 화염방향에 따라 반응실(240) 내부에서 나선형으로 회전되도록 하고, 이에, 연소가스가 반응실(240) 내부에서 이동되는 시간이 지체되어 소석회나 요소수와의 접촉시간이 길어지도록 함과 동시에, 연소가스가 반응실(240)의 전면적에 고르게 퍼지게 되어 소석회나 요소수와의 접촉면적이 증대되어 유해물질 제거 효율이 향상되도록 할 수 있다.
따라서 나선형에어공급수단(270)에 의하면, 반응실(240)의 내부 공간에 나선형으로 에어가 주입됨으로써, 반응실(240)을 따라 이동하는 연소가스가 나선형으로 회전하도록 하여 연소가스의 체류시간이 길어지도록 함과 동시에 반응실(240)의 전면적에 고르게 분포되도록 하여 소석회나 요소수를 이용한 유해물질 제거효율이 향상되도록 할 수 있다.
드레인(280)은, 연소실(230)의 하측단에 구성되어 연소시 발생되는 재를 외부로 배출시키는 수단으로서, 공지의 구성이므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소장치(200)의 작용에 대해 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 연소실(230)이 버너(210)에 의해 1200℃ 내지 1500℃의 온도로 가열된 상태에서, 투입수단(220)을 통해 건조된 슬러지나 폐기물이 투입되어 연소가 진행된다.
이후, 연소실(230)에서 연소가 진행됨에 따라 발생되는 연소가스가 반응실(240) 내부로 수직 상승하게 되고, 반응실(240)의 상측부에 구성된 소석회분사수단(250)과 SNCR분사수단(260)에 의해 각각 소석회와 요소수가 분사되어 연소가스와 접촉하면서 연소가스 중의 염소물질과 질산화물질이 흡착 또는 환원반응에 의해 제거되는데, 이때, 반응실(240)의 중간부에 구성된 나선형에어공급수단(270)에 의해 연소실(230)로부터 반응실(240)로 수직 상승된 연소가스가 나선형으로 회전되면서 반응실(240)의 상측부를 향해 지체 이동된다.
따라서 본 발명의 연소장치(200)에 의하면, 연소가스 중의 질산화물질 뿐만 아니라 염소물질까지 제거되도록 할 수 있고, 이때, 연소가스의 반응실(240) 내 이동시간이 최대한 길어지도록 하는 것을 통해 흡착 또는 환원반응 시간이 길어지게 하고 흡착 또는 환원반응 면적이 증대되도록 하여, 연소가스 중의 유해물질 제거 효율이 향상되도록 할 수 있다.
지열발전용시추부(300)는, 지하 3km 내지 5km 정도에 그치는 심부지하저류층으로부터 온도가 140℃ 내지 160℃ 정도의 온도를 가지는 지열수를 시추하고 시추관을 통하여 열교환기(120)에 공급시키는 수단으로서, 3km 내지 5km의 길이를 가지며 심부지하저류층으로부터 지열 및 수열을 시추하는 시추관과, 3km 내지 5km의 길이를 가지며 심부지하저류층으로 지하수를 주입하는 주입관 등을 포함하는 공지의 EGS 중 시추부에 해당될 수 있으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
지열발전용유기랭킨부(400)는, 유기성 유체를 열교환장치(100)에 의해 열교환된 지열수와 1차 열교환시킨 후 다시 유기성 유체가 열교환장치(100)에 의해 2차 열교환시켜 터빈(420)의 동작을 통한 발전을 가능하게 하고 열교환시 생성된 물을 지열발전용시추부(300)로 공급하여 주입관을 통해 심부지하저류층으로 주입되도록 하는 수단으로서, 열교환기(120)로부터 연소가스에 의해 열교환된 180℃ 내지 250℃의 온도를 가지는 지열수에 의해 유체이동관을 따라 이동하는 유기성 유체가 열교환되도록 하여 160℃ 내지 180℃의 온도를 가지도록 한 후 슈퍼히터(130)로 이동시켜 연소가스에 의해 다시 열교환되도록 하여 180℃ 내지 250℃의 온도를 가지도록 하며 열교환시 발생되는 지하수를 주입관을 통해 심부지하저류층으로 주입시키는 플래시탱크(410), 슈퍼히터(130)로부터 유체이동관을 따라 이동되는 증기 상태의 유기성 유체에 의해 제네레이터(G)를 동작시켜 발전을 가능하게 하는 터빈(420), 터빈(420)을 경유한 저압의 유기성 유체가 60℃ 정도의 온도를 가지면서 액화되도록 하는 응축기(430) 및 응축기(430)에 의해 응축된 60℃ 정도의 유기성 유체가 플래시탱크(410)로부터 주입관을 통해 심부지하저류층으로 주입되는 지하수에 의해 120℃의 온도로 열교환되도록 하는 가열기(440) 등을 포함한다.
여기서, 지열발전용유기랭킨부(400)는, 플래시탱크(410)로부터 배출되는 유체이동관과 슈퍼히터(130)로부터 배출되는 유체이동관의 사이에는, 플래시탱크(410)로부터 배출되는 유기성 유체의 온도가 180℃ 내지 250℃의 온도를 가지는 경우에 슈퍼히터(130)로 이동되지 않고 곧바로 터빈(420)으로 이동되도록 하는 바이패스밸브(450)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
따라서 지열발전용유기랭킨부(400)에 의하면, 열교환장치(100)에 의해 열교환된 유기성 유체를 이용한 발전을 가능하게 할 수 있다.
한편, 본 발명의 복합발전시스템은, 연소장치(200)의 후단부에 구성되어 고온의 열풍을 이용하여 난방을 가능하게 하는 보일러장치(BO)와, 보일러장치(BO)로부터 열풍을 공급받아 발전을 가능하게 하는 증기터빈발전기(GEN)와, 열교환장치(100)의 후단부에 구성되어 연소가스 중 유해물질이 완전히 제거된 무색/무취의 증기 또는 기체만이 외부로 배출되도록 하는 세정집진장치(SNAS) 등을 더 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환징치를 이용한 복합발전시스템의 발전 방법에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 연소장치(200)로부터 발생된 연소가스가 열교환통(110)의 내부로 유입된다. 여기서, 연소가스는 1200℃ 내지 1500℃ 정도의 온도를 가지는 것이 바람직하다.
이후, 지열발전용시추부(300)의 시추관으로부터 140℃ 내지 160℃의 온도를 가지는 지열 및 수열이 열교환통(110)의 내부에 구성된 열교환기(120)의 열교환튜브(121)를 따라 이동되면서, 상기 연소가스에 의해 열교환되어 180℃ 내지 250℃의 온도로 가열된 후, 지열발전용유기랭킨부(400)의 플래시탱크(410)로 공급된다.
한편, 지열발전용유기랭킨부(400)의 유기성 유체는 플래시탱크(410) 내부에서 열교환기(120)로부터 연소가스에 의해 열교환된 180℃ 내지 250℃의 온도를 가지는 지열수에 의해 열교환되어 160℃ 내지 180℃의 온도로 가열된다. 여기서, 상기 열교환시 발생되는 지하수는 지열발전용시추부(300)의 주입관을 통해 심부지하저류층으로 주입된다.
이후, 상기 유기성 유체는 열교환통(110)의 내부에 구성된 슈퍼히터(130)의 히팅튜브(121)를 따라 이동되면서, 상기 연소가스에 의해 다시 열교환되어 180℃ 내지 250℃의 온도로 가열된 후, 지열발전용유기랭킨부(400)로 공급되어 터빈(420)의 동작을 통한 발전을 가능하게 한다.
따라서 본 발명에 의하면, 지열 발전을 하기에는 충분하지 않은 온도를 가지는 지열과 수열을 이용한 지열발전용시추부(300)와 지열발전용유기랭킨부(400)를 포함하는 지열발전 시설에 적용되는 열교환장치(100)를 통하여, 연소장치(200)로부터 소모되는 고온의 폐열을 이용하여 지열과 수열의 온도를 열교환시킨 후 이를 토대로 유기랭킨시설의 유기성 유체가 예열되도록 한 뒤 다시 연소가스에 의해 유기성 유체가 발전에 충분한 온도로 열교환되도록 할 수 있다.
이에, 사업성이 저하된 지열 및 수열 발전시스템의 활용을 가능하게 하여 발전시설 건설에 소요되는 막대한 비용만 낭비되지 않도록 하고 해당 구성부들의 재활용도 가능하게 할 수 있다.
상술한 본 발명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 청구 범위와 청구 범위의 균등한 것에 의해 정해져야 한다.

Claims (8)

  1. 지열과 수열이 폐열에 의해 열교환된 상태에서 유기성 유체를 1차 열교환시킨 후 다시 유기성 유체가 폐열에 의해 열교환되도록 하는 열교환장치(100);
    폐기물을 공급받아 연소시키고 연소에 따른 고온의 연소가스를 열교환장치(100)에 공급하는 연소장치(200);
    지하 3km 내지 5km 정도에 그치는 심부지하저류층으로부터 온도가 140℃ 내지 160℃의 온도를 가지는 지열수를 시추하고 시추관을 통하여 열교환장치(100)에 공급시키는 지열발전용시추부(300); 및
    유기성 유체를 열교환장치(100)에 의해 열교환된 지열수와 1차 열교환시킨 후 다시 유기성 유체가 열교환장치(100)에 의해 2차 열교환시켜 터빈(420)의 동작을 통한 발전을 가능하게 하고 열교환시 생성된 물을 지열발전용시추부(300)로 공급하여 주입관을 통해 심부지하저류층으로 주입되도록 하는 지열발전용유기랭킨부(400)를 포함하고,
    열교환장치(100)는,
    이동되는 통체 형상의 열교환통(110);
    열교환통(110)의 내부에 구성되어 지열발전용시추부(300)의 시추관으로부터 시추된 지열수가 상기 연소가스에 의해 열교환되어 소정의 온도로 가열된 후 지열발전용유기랭킨부(400)로 공급되어 유기성 유체와 열교환되도록 하는 열교환기(120);
    열교환통(110)의 내부에 구성되어 지열발전용유기랭킨부(400)의 유체이동관으로부터 이동되는 열교환기(120)의 지열수에 의해 열교환되어 소정의 온도를 가지는 유기성 유체가 상기 연소가스에 의해 다시 열교환되어 소정의 온도로 가열되어 지열발전용유기랭킨부(400)로 공급되어 터빈(420)이 동작되도록 하여 발전이 가능하도록 하는 슈퍼히터(130);
    열교환통(110)의 외주면을 감싸면서 구성되고 공기층과 보온재를 통하여 연소가스의 손실을 최소화하는 열교환하우징(140); 및
    열교환통(110)의 상측단과 하측단에 각각 구성되어 연소장치(200)로부터 발생된 연소가스가 열교환통(110)에 출입되도록 하는 출입단(150)을 포함하며,
    열교환기(120)는,
    열교환통(110)의 내부에 지그재그로 구성되는 열교환튜브(121);
    열교환튜브(121)의 외주면에 일정간격으로 구성되는 원판 형상의 전열판(122); 및
    전열판(122)의 가장자리에 'L'자 형상으로 절곡 형성되는 핀(FIN:123)을 포함하고,
    슈퍼히터(130)는,
    열교환통(110)의 내부에 지그재그로 구성되는 히팅튜브(131);
    히팅튜브(131)의 외주면에 일정간격으로 구성되는 전열판(132); 및
    전열판(132)의 가장자리에 'L'자 형상으로 절곡 형성되는 핀(FIN:133)을 포함하며,
    지열발전용유기랭킨부(400)는,
    열교환기(120)로부터 연소가스에 의해 열교환된 180℃ 내지 250℃의 온도를 가지는 지열수에 의해 유체이동관을 따라 이동하는 유기성 유체가 열교환되도록 하여 160℃ 내지 180℃의 온도를 가지도록 한 후 슈퍼히터(130)로 이동시켜 연소가스에 의해 다시 열교환되도록 하여 180℃ 내지 250℃의 온도를 가지도록 하는 플래시탱크(410);
    슈퍼히터(130)로부터 유체이동관을 따라 이동되는 증기 상태의 유기성 유체에 의해 제네레이터(G)를 동작시켜 발전을 가능하게 하는 터빈(420);
    터빈(420)을 경유한 저압의 유기성 유체가 60℃의 온도를 가지면서 액화되도록 하는 응축기(430); 및
    응축기(430)에 의해 응축된 60℃의 유기성 유체가 플래시탱크(410)로부터 주입관을 통해 심부지하저류층으로 주입되는 지하수에 의해 120℃의 온도로 열교환되도록 하는 가열기(440)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환장치를 이용한 복합발전시스템.
  2. 제1항에 있어서, 열교환기(120)는,
    140℃ 내지 160℃의 온도를 가지는 지열수가 연소가스에 의해 열교환되어 180℃ 내지 250℃의 온도로 가열되도록 하는 것을 특징으로 하는 열교환장치를 이용한 복합발전시스템.
  3. 제1항에 있어서, 슈퍼히터(130)는,
    160℃ 내지 180℃의 온도를 가지는 유기성 유체가 연소가스에 의해 열교환되어 180℃ 내지 250℃의 온도로 가열되도록 하는 것을 특징으로 하는 열교환장치를 이용한 복합발전시스템.
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