KR101950950B1 - 삼중열병합발전 시스템 - Google Patents

삼중열병합발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 원동기에서 발생된 배기가스의 폐열을 이용함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 삼중열병합발전 시스템이 개시된다.
일 예로, 전력을 발생시키는 원동기; 상기 원동기로부터 발생된 배기가스를 공급받아 연료 및 공기와 함께 연소시키는 연소기; 상기 연소기로부터 발생된 연소가스를 촉매와의 반응에 의하여 정화시키는 정화부; 및 상기 정화부로부터 배출된 정화가스를 열교환시켜 냉수 또는 온수를 발생시키는 냉온수기를 포함하는 삼중열병합발전 시스템이 개시된다.

Description

삼중열병합발전 시스템 {Tri-generation system}
본 발명은 삼중열병합발전 시스템에 관한 것이다.
열병합발전(CHP, Cogeneration or Combined Heat and Power) 시스템은 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 생산하는 시스템으로 종합에너지 시스템(Total Energy System)이라 부른다. 근래에는 이러한 열병합 발전 시스템에 냉방까지 함께 조화시키는 삼중열병합발전(CCHP, Tri-generation or Combined Cooling, Heat and Power) 시스템에 대한 요구가 증대되고 있다. 즉, 삼중열병합발전은 건물에 전력, 난방, 냉방을 일괄 제공할 수 있어 관심이 높아지고 있다.
도 1은 종래 방식에 따른 삼중열병합발전 시스템의 개념도이다. 도 1을 참조하면, 삼중열병합발전 시스템은 가스 엔진, 보일러, 냉동기 및 수요처로 구성될 수 있다.
종래에 따르면, 가스 엔진에 의하여 발전이 이루어져 수요처에 전력을 공급할 수 있다. 이 때, 가스 엔진에서 발생된 배기 가스는 외부로 배출될 수 있다. 또한, 보일러를 통해 온수를 생성하여 수요처 및 냉동기에 공급할 수 있다. 그리고 냉동기는 보일러로부터 온수 또는 증기를 공급받아 열교환에 의하여 냉수를 생성하고, 이를 수요처에 공급할 수 있다. 이로부터 수요처는 전력, 온수, 냉수를 공급받을 수 있었다.
한편, 냉동기의 효율은 공급되는 열에너지의 준위에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 냉동기에 온수(약 90℃ 이상)나 증기(약 100 내지 150℃)를 공급하는 대신 가스 엔진의 배기가스 열에너지(약 250℃ 이상)를 이용할 수 있다면, 냉동기의 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 배기가스의 폐열을 냉동기에 이용할 수 있다면 삼중열병합발전 시스템의 전체적인 기관 효율 및 운영 효율이 상당히 상승될 것으로 예상된다. 따라서, 가스 엔진의 배기가스의 폐열을 활용하기 위한 논의가 이루어지고 있다.
본 발명은 원동기에서 발생된 배기가스의 폐열을 이용함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 삼중열병합발전 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 삼중열병합발전 시스템은 전력을 발생시키는 원동기; 상기 원동기로부터 발생된 배기가스를 공급받아 연료 및 공기와 함께 연소시키는 연소기; 상기 연소기로부터 발생된 연소가스를 촉매와의 반응에 의하여 정화시키는 정화부; 및 상기 정화부로부터 배출된 정화가스를 열교환시켜 냉수 또는 온수를 발생시키는 냉온수기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 연소기로 연료 및 공기를 투입하는 공급부를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 연소기 및 정화부와 연결되는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 연소기 내의 온도 및 가스 조성을 측정하고, 상기 연소기로 투입되는 연료 및 공기의 종류와 양을 제어하며, 상기 정화부로 투입되는 촉매의 종류를 결정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 결정된 상기 촉매의 반응 온도 및 반응 가스 조성에 대응되는 연소가스를 생성하기 위하여, 상기 연소기 내의 온도 및 가스 조성을 측정하고 상기 연소기로 투입되는 연료 및 공기의 종류와 양을 제어할 수 있다.
또한, 상기 냉온수기는, 액상의 냉매가 열교환에 의하여 냉매 증기로 변환되는 증발기; 흡수제에 의하여 상기 냉매 증기가 흡수되는 흡수기; 상기 냉매 증기를 흡수한 흡수제를 가열함으로써, 상기 냉매 증기와 흡수제를 분리하는 재생기; 및 상기 재생기에서 분리된 냉매 증기를 응축시켜 액상의 냉매로 변환시키는 응축기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 정화가스는 상기 재생기의 가열원으로 제공될 수 있다.
본 발명에 의한 삼중열병합발전 시스템은 원동기에서 발생된 배기가스의 폐열을 이용함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 방식에 따른 삼중열병합발전 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 삼중열병합발전 시스템의 개념도이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 삼중열병합발전 시스템의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 삼중열병합발전 시스템은 원동기(10), 연소기(20), 정화부(30), 냉온수기(40), 제어부(50) 및 수요처(60)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 삼중열병합발전 시스템은 공급부(25)를 더 포함할 수도 있다.
원동기(10)는 원동력, 구체적으로 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 원동기(10)는 수요처(40)에 전력을 공급할 수 있다. 원동기(10)의 발전에 의하여 생성된 배기가스는 배기가스 공급라인(L1)을 통하여 연소기(20)로 공급될 수 있다. 원동기(10)는 가스엔진, 가스터빈, 스털링엔진 및 디젤엔진 등 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
원동기(10)는 린번(Lean Burn) 방식 또는 리치번(Rich Burn) 방식으로 구동될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 삼중열병합발전 시스템은 린번 방식을 통해 구동될 수 있다.
린번 방식의 경우, 리치번 방식에 비하여 연소 온도가 낮다. 또한, 공기와 연료의 불균형 혼합이 적어 질소산화물, 일산화탄소, 미연탄화수소가 적게 발생한다는 장점이 있다. 그러나, 배기가스 중 산소가 포함되어 있어 값싸고 효율이 높은 삼원촉매(Three-way catalyst)의 사용이 어렵다. 또한, 배기가스의 온도가 낮아(400℃) 고온에서 사용 가능한 값싼 촉매들을 사용하지 못한다는 단점이 있다. 따라서, 배기가스의 정화를 위하여 전환 효율이 비교적 낮고, 가격이 고가인 SCR, Lean-NOx 촉매 등을 사용한다.
반면, 리치번 방식의 경우, 린번 방식에 비하여 연소 온도가 높다. 또한, 공기와 연료의 불균형 혼합으로 질소산화물과 일산화탄소, 미연탄화수소가 많이 발생되나, 삼원촉매를 통하여 확실한 정화가 가능하다는 장점이 있다.
본 발명의 경우, 연소기(20)를 통해 린번 방식을 적용한 원동기(10)의 단점을 극복할 수 있다. 즉, 연소기(20)를 통하여 연소 온도, 공급 온도 및 연소 후 가스의 조성 등을 조절할 수 있어 저렴하고 효율이 좋은 삼원촉매 등의 고온촉매를 사용하여 배기가스의 효과적인 정화가 이루어질 수 있다. 이에 대해서는 후술하도록 한다.
연소기(20)는 배기가스 공급 라인(L1)을 통해 원동기(10)에서 발생한 배기가스를 공급받을 수 있다. 연소기(20)는 추가적인 연소 반응을 일으키고, 이 때 발생한 연소 가스는 연소가스 공급라인(L2)을 통해 정화부(30)에 공급될 수 있다.
연소기(20)에는 공급부(25)가 더 연결될 수 있다. 공급부(25)는 연소기(20)로 연료 또는 공기를 공급할 수 있다. 즉, 연소기(20)는 공급부(25)로부터 연료와 공기를 공급받아, 원동기(10)에서 발생한 배기가스와 함께 연소 반응을 일으킬 수 있다.
연소기(20)에서 연소 반응이 이루어지기 위해서는 기본적으로 연료(가연물), 산소(공기) 및 점화원(열) 등이 필요하다. 연소기(20)는 공급부(25)로부터 연료와 산소를 공급받고, 원동기(10)로부터 열(배기가스의 폐열)을 공급받을 수 있다. 이로부터 연소기(20)에서 연소 반응이 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명에서는 연소기(20)에 투입되는 연료와 공기의 종류 및 양을 제어하여 연소가스(연소기에서 연소 후 배출된 배기가스)의 조성을 조절할 수 있다. 따라서, 사용하고자 하는 촉매의 종류에 대응되도록 연소가스의 조성을 조절할 수 있다.
예를 들어, 산소가 존재하는 가스 분위기에서 반응하지 않는 삼원촉매를 사용할 경우, 연소가스를 산소가 존재하지 않는 분위기로 만들 필요가 있다. 하지만, 원동기(10)의 린번 방식에 의하여 발생되는 배기가스에는 다량(대략 3% 이상)의 산소가 포함되어 있을 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 연소기(20)에 적정량의 연료와 공기를 투입하여 연소 반응을 일으킴으로써, 배기가스 내의 산소를 모두 소비하도록 할 수 있다. 따라서, 연소기(20)는 산소가 존재하지 않는 분위기의 연소가스를 배출할 수 있다. 이러한 연소가스는 정화부(30)에 삼원촉매를 투입함으로써 정화되어 외부로 배출될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 연소기(20)에 투입되는 연료와 공기의 종류 및 양을 조절하여 연소 후 배출되는 연소가스의 온도를 제어할 수 있다. 따라서, 사용하고자 하는 촉매의 종류에 대응되도록 연소가스의 온도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 발열반응을 보다 많이 일으키는 연료를 투입시키거나, 연소 반응이 보다 많이 이루어지도록 하여 연소가스의 온도를 상승시킬 수 있다.
특히, 연소가스의 온도가 높아질수록 연소가스의 정화를 위한 촉매와의 반응이 활발하게 이루어질 수 있다. 따라서, 연료 및 공기의 제어를 통해 연소가스의 온도를 높일수록 연소가스의 정화가 효과적으로 이루어질 수 있다.
또한, 고온에서 반응이 이루어지는 고온 촉매를 이용할 경우, 배출되는 연소가스가 높은 열에너지(고온)를 갖도록 해야 한다. 만약, 고온 촉매 중 하나인 삼원 촉매를 이용할 경우, 삼원 촉매가 대략 450℃ 이상에서 반응을 일으키므로 이 이상의 온도 분위기를 만들어줄 필요가 있다. 일반적인 린번 방식의 원동기에서 발생되는 배기가스의 온도는 대략 350 내지 450℃이고, 리치번 방식의 원동기에서 발생되는 배기가스의 온도는 대략 500 내지 550℃일 수 있다. 따라서, 리치번 방식의 배기가스는 삼원 촉매의 적용이 가능하나, 린번 방식의 배기가스는 삼원촉매의 이용이 어려울 수 있다.
본 발명의 연소기(20)는 연료 및 공기의 제어를 통해 연소가스의 온도를 높일 수 있다. 따라서, 린번 방식의 배기가스를 이용하더라도, 연소기(20)에서 연소 반응을 보다 많이 일으켜 연소가스의 온도를 450℃ 이상으로 상승시킬 수 있다. 이러한 경우, 리치번 방식에 의한 배기가스에서만 사용될 수 있었던 고온 촉매(예를 들면, 삼원촉매)들의 사용이 가능해질 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 삼중열병합발전 시스템은 연소기(20)를 추가함으로써, 연소가스의 조성 및 온도를 제어할 수 있다. 따라서, 촉매 선택의 폭이 넓어지고, 비용 절감이 가능하다. 특히, 전환 효율이 좋은 고온 촉매의 사용이 가능하여 연소가스의 효과적인 정화 반응이 이루어질 수 있다. 더불어, 동일한 촉매를 사용하더라도, 보다 높은 온도에서 정화 반응이 이루어지도록 함으로써 정화 효율이 상승될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 삼중열병합발전 시스템은 연소기(20)에 투입되는 연료 및 공기를 조절함으로써 냉난방 부하에 효과적으로 대처할 수 있다. 즉, 기존 방식에서는 온/오프 동작만을 수행하여 냉방 및 난방의 부하를 자유롭게 변화시키지 못한다는 단점이 있었다. 따라서, 냉방과 난방의 수요가 변할 때 대수제어 등과 같은 소극적인 제어를 통하여 대응할 수 있었다. 그러나, 본 발명의 경우, 냉방과 난방의 실부하에 직접 대응하여 연료와 공기의 공급량만을 조절함으로써 비례제어가 가능해질 수 있다.
정화부(30)는 연소가스 공급라인(L2)을 통해 연소기로부터 배출된 연소가스를 공급받을 수 있다. 정화부(30)에는 촉매가 투입되어 연소가스의 정화가 이루어질 수 있다. 특히, 연소가스에 유해가스가 포함되어 있을 수 있으므로, 촉매와의 반응을 통해 유해가스를 분해 및 제거할 수 있다.
한편, 정화부(30)는 경우에 따라 생략될 수 있으며, 냉온수기(40)의 후단에 설치될 수도 있다. 만약 냉온수기(40)의 후단에 정화부(30)가 배치될 경우, 연소가스가 바로 냉온수기(40)로 투입되고, 열교환되어 냉온수기(40)에서 배출된 이후 정화 기능이 이루어질 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 삼중열병합발전 시스템은 정화 반응에 사용되는 촉매의 선택의 폭이 넓어질 수 있다. 따라서, 정화 반응의 효율이 상승되고, 비용이 절감될 수 있다. 특히, 촉매는 그 종류에 따라 반응이 이루어지는 온도나 분위기가(가스 조성) 다르다. 본 발명은 연소기(20)를 통해 온도 및 가스 조성을 조절함으로써, 보다 저렴하고 효율이 좋은 촉매를 사용할 수 있다. 또한, 연소기(20)를 통해 온도를 상승시켜 촉매와의 반응이 보다 활발하게 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 일반적으로 촉매의 정화 반응은 발열 반응으로 이루어질 수 있다. 따라서, 정화부(30)에서 고온의 연소가스가 정화되더라도, 정화 가스(연소가스가 정화된 후의 가스)는 냉온수기에 공급할만한 충분한 열에너지를 가질 수 있다.
냉온수기(40)는 정화가스 공급라인(L3)을 통해 정화부(30)로부터 정화가스를 공급받을 수 있다. 냉온수기(40)는 공급받은 정화가스의 폐열을 통해 냉수 또는 온수를 생성할 수 있다. 냉온수기(40)로부터 생성된 냉수 또는 온수는 수요처(50)로 공급될 수 있다. 또한, 열교환된 정화가스는 외부로 배출될 수 있다.
냉온수기(40)는 일반적인 흡수식 냉온수기일 수 있다. 예를 들어, 냉온수기(40)는 통상의 이중 효용 흡수식 냉온수기일 수 있다. 냉온수기(40)는 그 열원으로써 정화가스의 폐열이 이용된다는 것을 제외하면 통상의 구성이 적용될 수 있으므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
냉온수기(40)는 증발기, 흡수기, 재생기, 응축기를 포함할 수 있다. 증발기에서는 냉매가 전열관을 통과하는 물(열교환에 의하여 냉수 또는 온수가 생성됨)과 열교환으로 증발되어 냉매증기가 될 수 있다. 흡수기에서는 흡수제가 냉매증기를 흡수할 수 있다. 재생기에서는 냉매를 흡수한 흡수제를 가열하여 흡수제와 냉매(냉매증기)를 분리할 수 있다. 응축기에서는 재생기에서 생성된 냉매증기를 냉각수로 응축시켜 액상의 냉매를 생성한다. 이러한 냉매는 다시 증발기로 공급될 수 있다. 상기와 같은 사이클에 의하여 냉온수의 생성이 가능하다.
냉수 및 온수는 증발기로 투입된 물이 열교환 반응에 의하여 냉각 또는 가열됨으로써 발생될 수 있다. 그러나, 냉온수기의 기종에 따라 응축기 또는 재생기에서 온수를 발생시킬 수도 있다. 본 발명에서는 상기의 구성으로 냉온수기를 한정하는 것은 아니며, 통상적인 냉수와 온수를 공급하는 장치이면 어떤 것이 적용되어도 무방하다.
일반적으로 냉온수기(40)는 냉수와 온수를 발생시키기 위한 사이클에서 열원을 필요로 한다. 예를 들어, 재생기에서 흡수제를 가열할 때 열원이 필요할 수 있다. 본 발명에서는 재생기에 고온의 정화가스를 공급하여 흡수제의 가열에 정화가스의 폐열이 이용될 수 있다. 따라서, 기존에는 별도의 열원이 공급되어 흡수제를 가열시켰으나, 본 발명에서는 이러한 폐열을 이용함으로써 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.
제어부(50)는 연소기(20) 및 공급부(25)와 연결되어 연소기 내의 온도 및 가스 조성을 파악하고, 공급부(25)로부터 공급되는 연료와 공기를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(50)는 연소가스의 분위기(온도, 가스 조성)를 파악하고, 원하는 연소가스 분위기를 만들기 위하여 공급부(25)로부터 공급되는 연료의 공기의 종류 및 양을 조절할 수 있다.
또한, 제어부(50)는 정화부(30)와 연결되어 정화부(30)로 투입되는 촉매를 결정할 수도 있다. 이 때, 제어부(50)에는 촉매 별 반응 온도 및 반응 가스 조성에 대한 정보가 저장되어 있을 수 있다. 또는, 조작에 의하여 이러한 정보를 저장하는 것도 가능하다. 제어부(50)는 선택된 촉매의 반응 조건에 대응되도록 연소기(20) 및 공급부(25)를 제어할 수 있다.
수요처(60)는 원동기(10)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 또한, 수요처(60)는 냉온수기(40)로부터 냉수와 온수를 공급받을 수 있다. 수요처(60)는, 예를 들면, 대단위 주거 단지나 산업체 단지 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 삼중열병합발전 시스템은 전력, 냉수 및 온수를 사용자에게 용이하게 제공할 수 있다. 또한, 전력 발생 시 발생하는 배기가스의 폐열을 재연소시키고, 연소가스(연소 후의 배기가스) 또는 정화가스(연소가스를 정화시킨 가스)를 이용하여 냉온수기를 구동함으로써, 별도의 열에너지 공급부가 불필요하고 에너지 절감이 가능하다. 또한, 고온의 배기가스의 폐열을 사용하여 냉온수기의 에너지 효율을 증가시킬 수 있다. 더불어, 연소기를 통해 연소가스의 온도 및 조성을 제어함으로써, 배기가스의 정화가 보다 저렴하고 효과적으로 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 삼중열병합발전 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10; 원동기 20; 연소기
25; 공급부 30; 정화부
40; 냉온수기 50; 제어부
60; 수요처

Claims (6)

  1. 전력을 발생시키는 원동기;
    상기 원동기로부터 발생된 배기가스를 공급받아 연료 및 공기와 함께 연소시키는 연소기;
    상기 연소기로부터 발생된 연소가스를 촉매와의 반응에 의하여 정화시키는 정화부;
    상기 정화부로부터 배출된 정화가스를 열교환시켜 냉수 또는 온수를 발생시키는 냉온수기; 및
    상기 연소기 및 정화부와 연결되는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 연소기 내의 온도 및 가스 조성을 측정하고, 상기 연소기로 투입되는 연료 및 공기의 종류와 양을 제어하며, 상기 정화부로 투입되는 촉매의 종류를 결정하는 삼중열병합발전 시스템.
  2. ◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 1 항에 있어서,
    상기 연소기로 연료 및 공기를 투입하는 공급부를 더 포함하는 삼중열병합발전 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 결정된 상기 촉매의 반응 온도 및 반응 가스 조성에 대응되는 연소가스를 생성하기 위하여, 상기 연소기 내의 온도 및 가스 조성을 측정하고 상기 연소기로 투입되는 연료 및 공기의 종류와 양을 제어하는 삼중열병합발전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉온수기는,
    액상의 냉매가 열교환에 의하여 냉매 증기로 변환되는 증발기;
    흡수제에 의하여 상기 냉매 증기가 흡수되는 흡수기;
    상기 냉매 증기를 흡수한 흡수제를 가열함으로써, 상기 냉매 증기와 흡수제를 분리하는 재생기; 및
    상기 재생기에서 분리된 냉매 증기를 응축시켜 액상의 냉매로 변환시키는 응축기를 포함하는 삼중열병합발전 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 정화가스는 상기 재생기의 가열원으로 제공되는 삼중열병합발전 시스템.
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