KR102102678B1 - 금속입자 하강형 순환유동층 보일러 및 이의 운전방법 - Google Patents

금속입자 하강형 순환유동층 보일러 및 이의 운전방법 Download PDF

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정수화
방병열
양창원
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Abstract

본 발명은 금속입자 하강형 순환유동층 보일러 및 이의 운전방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수관의 침식 및 부식을 방지하고, 연소 효율을 증대하기 위한 금속입자 하강형 순환유동층 보일러 및 이의 운전방법에 관한 것이다. 본 발명은 내부에 연료 및 산화제가 투입되도록 마련된 보일러부; 상기 보일러부와 연결되며, 상기 보일러부로부터 제공받은 연료 및 금속입자가 하측에서 유입되어 상승하도록 마련되는 라이저부; 및 상기 보일러부의 상측에 마련되어 상기 라이저부를 통과한 금속입자를 상기 보일러부로 제공하는 중계부를 포함하며, 상기 연료는 상기 보일러부의 상측에서 투입되어 하강하며 연소되도록 마련되고, 상기 금속입자는 상기 라이저부를 통과하며 산화되고, 상기 보일러부를 통과하며 환원되도록 마련된 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러를 제공한다.

Description

금속입자 하강형 순환유동층 보일러 및 이의 운전방법{METAL PARTICLES FALLING TYPE CIRCULATING FLUIDIZED BED BOILER HAVING A PLURALITY OF RISER AND ITS OPERATION METHOD}
본 발명은 금속입자 하강형 순환유동층 보일러 및 이의 운전방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수관의 침식 및 부식을 방지하고, 연소 효율을 증대하기 위한 금속입자 하강형 순환유동층 보일러 및 이의 운전방법에 관한 것이다.
최근 이산화탄소 저감 및 신 재생 에너지 확대 정책으로 저급 연료 활용이 가능한 순환유동층 보일러 수요가 증가하고 있으나, 화력발전의 대기오염 규제는 크게 강화되어 황산화물 및 질소산화물 등을 대폭 줄일 수 있는 보일러 기술이 요구되고 있는 추세이다.
또한, 최근에는 변동성이 높은 태양광, 풍력 등의 자연에너지 사용의 증가에 따라 전력 수요에도 탄력적으로 대응할 수 있는 발전 시스템이 요구되고 있는 상황이다.
이러한 배경에서, 순환유동층 보일러는 로 내 탈황이 가능하여 시장의 수요가 커지고 있는 추세이나, 유동사에 의한 마모, 탈황제 사용에 따른 비용증가와 출력을 탄력적으로 제어하기 어렵다는 문제점이 있다.
구체적으로, 종래의 순환유동층 보일러는, 유동사가 지속적으로 순환되기 위해서 라이저(riser) 내 유동사의 유속을 4 내지 5m/s를 유지해야만 했다. 그런데, 종래의 순환유동층 보일러는 라이저 내에 수관이 배치되어, 수관이 빠르게 이송되는 유동사에 의해 부식 및 침식되는 문제가 발생했다.
또한, 종래의 순환유동층 보일러는 유동사가 지속적으로 순환되기 위해 유속이 4 내지 5m/s를 유지하도록 마련되기 때문에 연료, 첨가제 등이 보일러 내에 체류하는 시간이 짧아지게 되고, 결국, 연소 효율, 탈황 효율, 탈질 효율이 저하되는 문제가 있다.
그리고, 순환유동층 보일러는 운전을 위해서 유동사를 순환시키기 위한 최소 필요 기체유량이 존재하는데, 종래의 순환유동층 보일러는 최소 필요 기체유량이 많기 때문에, 보일러의 부하 변동에 따라 탄력적으로 대응하기 어려웠다.
더욱이, 종래의 순환유동층 보일러는 주로 라이저 내부 벽면에 수관을 설치했기 때문에 전체 설비의 규모가 매우 커지게 되어 효율적으로 공간을 사용하기 어려웠다.
따라서, 수관의 침식 및 부식을 방지하면서, 연소 효율이 증대되고, 출력을 탄력적으로 제어할 수 있는 순환유동층 보일러가 필요하다.
일본등록특허 제2657854호
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 수관의 침식 및 부식을 방지하고, 연소 효율을 증대하기 위한 금속입자 하강형 순환유동층 보일러 및 이의 운전방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 내부에 연료 및 산화제가 투입되도록 마련된 보일러부; 상기 보일러부와 연결되며, 상기 보일러부로부터 제공받은 연료 및 금속입자가 하측에서 유입되어 상승하도록 마련되는 라이저부; 및 상기 보일러부의 상측에 마련되어 상기 라이저부를 통과한 금속입자를 상기 보일러부로 제공하는 중계부를 포함하며, 상기 연료는 상기 보일러부의 상측에서 투입되어 하강하며 연소되도록 마련되고, 상기 금속입자는 상기 라이저부를 통과하며 산화되고, 상기 보일러부를 통과하며 환원되도록 마련된 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 금속입자는 산화 및 환원이 가능한 금속 중 어느 하나 이상으로 마련되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 금속입자는, 산화된 상태로 상기 보일러부 내에서 하강하도록 마련되며, 산화된 상기 금속입자는 상기 연료와 반응하여 환원됨에 따라 상기 보일러부 내에 산소를 공급하도록 마련되며, 환원된 상기 금속입자는 상기 보일러부의 하단 및 상기 라이저부 내에서 산화되도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 보일러부의 내부에 마련되되, 상기 보일러부의 높이 방향으로 연장되어 복수로 마련되는 수관부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 보일러부의 높이 방향으로 상호 이격되어 마련되며, 상기 라이저부의 하부에 더 마련되는 복수의 산화제주입부를 더 포함하며, 상기 산화제주입부는, 개별적으로 출력이 제어되어 상기 금속입자와 연료의 하강속도 와 산화 환원 반응을 제어하도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 보일러부의 상부 일측에 마련되어 상기 보일러부에 연료를 투입하는 제1 연료투입부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 라이저부의 하부 일측에 마련되어 상기 라이저부에 상기 보일러부 내로 공급되는 연료에 비해 연소 속도가 빠른 연료를 투입하는 제2 연료투입부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 라이저부는, 상기 보일러부의 둘레를 따라 또는 상기 보일러부의 내부에 복수로 마련되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 보일러부 벽면 및 내부에 마련되며, 연료가 연소됨에 따라 생성되는 연소가스를 이용하여 열교환을 수행하도록 마련된 열교환부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 라이저부와 상기 중계부 사이에 마련되는 제1 사이클론부를 더 포함하며, 상기 제1 사이클론부는, 상기 라이저부를 통과하면서 가열된 연소가스를 상기 열교환부의 재열기로 이송하도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 보일러부의 상부와 연결되도록 마련되는 제2 사이클론부를 더 포함하며, 상기 제2 사이클론부는 상기 보일러부에서 생성된 연소가스를 열교환부의 대류열교환기로 이송하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 금속입자 하강형 순환유동층 보일러의 운전방법에 있어서, a) 복수의 상기 라이저부 각각의 운전모드 및 운전여부를 결정하는 단계; b) 상기 보일러부에 연료 및 산화제를 투입하여 상기 연료를 연소시키는 단계; c) 상기 라이저부가 상기 보일러부로부터 상기 연료 및 상기 금속입자를 제공받아 제1 사이클론부를 향해 이송시키는 단계; d) 상기 제1 사이클론부로 이송되며 가열된 연소가스를 열교환기의 재열기로 이송시키고, 상기 금속입자는 중계부로 이송시키는 단계; 및 e) 상기 중계부로 이송된 상기 금속입자를 상기 보일러부에서 재공급하는 단계를 포함하며, 상기 보일러부에서 상기 연료는 하강하며 연소되고, 상기 라이저부에서 상기 연료는 상승하며 연소되도록 마련되고, 상기 금속입자는 상기 라이저부를 통과하며 산화되고, 상기 보일러부를 통과하며 환원되도록 마련된 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러의 운전방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 b) 단계에서, 상기 보일러부 내에서 상기 연료가 연소됨에 따라 생성된 연소가스는, 제2 사이클론부를 통과하여 열교환부의 대류열교환기로 이송되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 b) 단계에서, 상기 보일러부 내에 산화제를 주입하는 복수의 산화제주입부는, 개별적으로 출력이 제어되어 상기 금속입자 및 연료의 하강속도 및 연소를 제어하도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 c) 단계에서, 상기 라이저부에는 상기 보일러부 내로 공급되는 연료에 비해 연소 속도가 빠른 연료가 더 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 c) 단계에서, 상기 라이저부에서 생성된 연소가스는 상기 보일러부에서 생성된 연소가스에 비해 온도가 높아 재열기로 공급되어 스팀의 온도 및 압력을 보다 높이도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 a) 단계에서, 상기 운전모드는, 순산소 연소모드 및 공기연소 모드인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 금속입자 하강형 순환유동층 보일러를 이용한 발전설비를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 금속입자 하강형 순환유동층 보일러의 운전방법을 이용한 순산소 화력발전용 발전시스템을 제공한다.
상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 수관부의 침식 및 부식을 방지할 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 금속입자가 보일러부 내에서 하강하도록 마련되며, 종래에 주로 라이저부 벽면에만 배치되던 수관부가 보일러부 벽면 및 내부에 배치되도록 마련된다. 따라서, 본 발명의 보일러부는 금속입자를 순환시키기 위해 4 내지 5m/s의 빠른 유속을 유지할 필요가 없어 금속입자가 수관부를 침식시키거나 부식시키지 않을 수 있다.
더욱이, 본 발명의 보일러부 내 유속은 다단 형태로 이루어진 산화제주입부에 주입 산화제량에 따라 제어가 가능하며, 작은 입도를 가지는 금속입자나 탈황제의 사용이 가능하고, 입자의 하강속도가 낮은 특징에 의해 수관의 침식 및 부식이 발생하지 않도록 할 수 있다.
특히, 본 발명은 산화철과 같은 금속산화물을 상부에서 공급해 하강하는 방식으로 순환시켜 라이저부에 수관을 배치하지 않아 부식의 발생을 방지하고, 보일러의 면적을 감소시키며, 열 효율을 향상시킴으로써 경제적이다.
또한, 본 발명은 산소공여입자 역할을 하는 금속입자를 이용해 연소시 필요한 산소의 일부 또는 전체를 공급할 수 있으므로 순산소 연소 또는 산소부화 연소시 공기분리장치(ASU)의 부하를 줄일 수 있다. 하강형 유동층 보일러는 입자의 하강속도의 제어폭이 넓은 장점이 있으므로 금속산화물을 이용한 화학적 순환 연소(Chemical looping combustion)시에 금속의 환원반응에 필요한 충분한 체류시간을 제공할 수 있다.
그리고, 본 발명은 보일러부 내 유속의 제어를 통해 입자의 체류시간 조절이 가능하므로, 연료, 산화제 및 첨가제의 반응시간을 조절하여 완전 연소가 가능하며, 산화제의 다단공급을 통한 속도제어 과정에서 재연소 기술이 적용되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 작은 입도의 탈황제를 사용하여 긴 시간 동안 반응 시켜 탈황 효과를 극대화 할 수도 있다.
그리고, 본 발명은 보일러부 벽면과 함께 내부 공간에 다수의 수관부가 배치되기 때문에 보일러의 부피가 감소되어 경제적이다.
또한, 본 발명은 복수의 라이저부를 구비하며, 각각의 라이저부가 개별적으로 제어된다. 따라서, 라이저부의 운전 개수에 따라 전체 출력을 용이하게 제어할 수 있다.
그리고, 복수의 라이저를 구비한 금속입자 하강형 순환유동층 보일러의 운전을 시작할 때, 다수의 라이저부에서 전체 보일러 시스템의 빠른 예열이 가능하고, 부분 부하 운전시에도 일부 라이저부를 순차적으로 운전하여 금속입자 순환을 제어해 가동 준비 시간이나 출력의 변화 시간을 종래에 비해 단축할 수 있다. 즉, 본 발명은 콜드 스타트업(cold start up) 방식의 운전과, 웜 스타트업(warm start up) 방식의 운전에서 모두 종래에 비해 효율적이다.
또한, 본 발명은 기존 보일러 대비 입자의 크기가 작은 금속입자, 탈황제, 첨가제 등의 물질의 사용이 가능하다. 구체적으로, 본 발명은 라이저부가 복수로 마련되기 때문에 라이저부와 연결되는 제1 사이클론부의 크기가 크게 줄어들어 입자의 포집효율을 크게 높일 수 있으며, 보다 작은 입자의 사용을 가능하게 할 수 있다. 그리고, 이처럼 금속입자 입자의 크기가 작아지면 순환을 위해 사용되는 팬의 동력이 작아져 발전효율도 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 제1 사이클론부와 제2 사이클론부를 분리하여 구비함으로써, 미세입자(부서진 금속입자 또는 회재)가 재열기 및 후단 환경설비로 넘어가는 것을 방지하여 보일러 및 환경설비의 운전장애를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 다수의 열교환기가 배치된 보일러부 내에서 발생하는 저온 연소가스를 대류 열교환기로, 라이저부에서 상대적으로 고온으로 유지된 연소가스가 각각 분리되어 재열기로 각각 분리되어 이동하도록 마련되어 있어 보다 높은 온도 및 압력을 가지는 스팀을 생산할 수 있도록 한다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 및 도2는 본 발명의 일실시예에 따른 금속입자 하강형 순환유동층 보일러의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 금속입자 하강형 순환유동층 보일러의 운전방법의 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도2는 본 발명의 일실시예에 따른 금속입자 하강형 순환유동층 보일러의 예시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 것처럼, 금속입자 하강형 순환유동층 보일러(100)는 보일러부(110), 중계부(115), 제1 연료투입부(120), 산화제주입부(130), 수관부(140), 라이저부(150), 제2 연료투입부(160), 제1 사이클론부(170), 제2 사이클론부(180) 및 열교환부(190)를 포함한다.
상기 보일러부(110)는 내부에 연료 및 산화제가 투입되도록 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 보일러부(110)는 상기 연료의 연소가 일어나도록 마련된 로(furnace) 형태로 마련될 수 있으며, 상기 보일러부(110) 내에서 금속입자, 연료, 첨가제는 하부를 향해 유동하도록 마련될 수 있다.
상기 중계부(115)는 상기 보일러부(110)의 상측에 마련되며, 상기 라이저부(150)를 통과하여 상기 제1 사이클론부(170)에서 연소가스가 분리된 금속입자를 상기 보일러부(110)로 제공하도록 마련될 수 있다.
더 구체적으로, 상기 중계부(115)는 상기 보일러 내부에 금속입자를 고르게 분배해서 하강시킬 수 있도록 마련될 수 있다.
제1 연료투입부(120)는 상기 보일러부(110)의 상부 일측에 마련되어 상기 보일러부(110)에 연료를 투입하도록 마련될 수 있다.
즉, 상기 연료는 상기 보일러부(110)의 상측에서 투입되어 하강하며 연소되도록 마련될 수 있다.
상기 산화제주입부(130)는, 상기 보일러부(110)의 높이 방향으로 상호 이격되어 다단 형태로 마련될 수 있으며, 상기 라이저부(150)의 하부에 더 마련될 수도 있다.
상기 산화제주입부(130)는, 개별적으로 출력이 제어되어 상기 금속입자와 연료의 하강속도 및 산화 환원 반응을 제어하도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
일 예로, 상기 산화제주입부(130)는 상기 보일러부(110)의 상부에서부터 하부를 향해 순차적으로 마련된 제1 노즐(131), 제2 노즐(132), 제3 노즐(133) 및 제4 노즐(134)을 포함할 수 잇다.
그리고, 상기 보일러부(110)의 내부에서 상기 제2 노즐(132)과 대응되는 위치의 유량을 변화시켜야 할 경우, 상기 제2 노즐(132)의 산화제 주입량을 제어할 수 있다. 즉, 상기 제2 노즐(132)과 대응되는 위치의 유량을 증가시켜야 할 경우, 상기 제2 노즐(132)의 산화제 주입량을 증가시켜 대응되는 위치의 유량 및 유속을 증가시킬 수 있다.
상기 수관부(140)는, 상기 보일러부(110)의 외벽과 내부 공간에 마련되되, 상기 보일러부(110)의 높이 방향으로 연장되어 복수로 마련될 수 있다.
이처럼 마련된, 상기 수관부(140)는 침식 및 부식이 발생하지 않을 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 금속입자가 보일러부(110) 내에서 하강하도록 마련되며, 종래에 라이저부(150) 내에 배치되던 수관부(140)가 보일러부(110) 내에 배치되도록 마련된다. 따라서, 본 발명의 보일러부(110)는 금속입자를 순환시키기 위해 4 내지 5m/s의 빠른 유속을 유지할 필요가 없어 금속입자가 수관부(140)를 침식시키거나 부식시키지 않을 수 있다.
더욱이, 본 발명의 보일러부(110) 내 유속은 다단 형태로 이루어진 산화제주입부(130)에 주입 산화제량에 따라 제어가 가능하여 금속입자와 연료가 낮은 속도로 하강하기 때문에 수관의 침식 및 부식이 발생하지 않도록 할 수 있다.
그리고, 본 발명은 보일러부(110) 내 유속의 제어를 통해 입자의 체류시간 조절이 가능하므로, 연료와 산화제의 반응시간을 조절하여 완전 연소가 가능하며, 산화제의 다단공급을 통한 속도제어 과정에서 재연소 기술이 적용되는 효과가 있다.
또한, 도시하지는 않았으나, 상기 보일러부(110)의 내부에는 탈황제, 탈질제 등의 첨가제가 더 투입되도록 마련될 수 있으며 보다 작은 입도를 가지는 첨가제 사용을 통해 반응성을 높일 수 있다. 이처럼 상기 보일러부(110)에 투입되는 첨가제는 종래보다 유속이 느린 상기 보일러부(110) 내에서 긴 시간 동안 반응하면서 효과를 극대화 할 수 있다.
그리고, 본 발명은 보일러부(110) 외벽뿐만 아니라 내부 공간에 다수의 수관부(140)가 배치되기 때문에 금속입자 하강형 순환유동층 보일러(100)의 부피가 감소되어 경제적이다.
상기 라이저부(150)는 상기 보일러부(110)와 연결되며, 상기 보일러부(110)로부터 제공받은 연료 및 금속입자가 하측에서 유입되어 상승하도록 마련될 수 있다.
그리고, 상기 라이저부(150)의 하부에는 상기 산화제주입부(130)인 제5 노즐(135)이 더 마련될 수 있다. 이처럼 마련된 상기 제5 노즐(135)은 상기 라이저부(150) 내 유량 및 유속이 많을 경우, 산화제 주입량을 감소시키고, 상기 라이저부(150) 내 유량 및 유속이 적을 경우, 산화제 주입량을 증가시키도록 마련될 수 있다.
상기 제2 연료투입부(160)는 상기 라이저부(150)의 하부 일측에 마련되어 상기 라이저부(150)에 연료를 투입하도록 마련될 수 있다. 이처럼 마련된 상기 제2 연료투입부(160)는 상기 라이저부(150)내 연료량의 증가가 필요할 때, 연료를 추가로 더 투입할 수 있다.
특히, 상기 제2 연료투입부(160)는 상기 보일러부(110) 내에 공급되는 연료에 비해 연소 속도가 빠른 연료를 투입하도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 라이저부(150)는 상기 보일러부(110)에 비해 직경이 작은 관 형태로 마련될 수 있다.
이처럼 마련된 상기 라이저부(150)는 상기 보일러부(110)에 비해 작은 직경을 가지며 제1 사이클론부(170)도 기존 보일러 대비 매우 작은 크기를 가진다.
또한, 상기 라이저부(150)는, 도시된 바와 같이, 상기 보일러부(110)의 내부 또는 상기 보일러부(110)의 둘레를 따라 복수로 마련될 수 있다.
그리고, 상기 라이저부(150)는 독립적으로 운전이 이루어지도록 마련될 수 있다. 즉, 복수로 마련된 상기 라이저부(150)는 전체가 동시에 운전이 이루어질 수 있고, 일부만 운전이 되도록 마련될 수도 있다.
따라서, 본 발명은 상기 라이저부(150)의 운전 개수에 따라 전체 출력을 용이하게 제어할 수 있다.
또한, 상기 라이저부(150)는 각각의 라이저부(150)가 개별적으로 순산소 연소모드로 운전되거나 공기 연소모드로 운전될 수 있다.
그리고, 본 발명은 상기 금속입자 하강형 순환유동층 보일러(100)의 운전을 시작할 때, 상기 라이저부(150)의 운전을 순차적으로 시작하여 금속입자 순환을 위한 가동 준비 시간이 종래에 비해 크게 단축될 수 있다.
또한, 종래의 순환유동층 보일러의 경우, 출력을 줄이기 위해 투입되는 연료를 감소시키고, 산화제 공급량을 줄일 경우, 전체 금속입자 순환에 필요한 최소 산화제 공급량을 유지해야 하기 때문에, 출력을 줄이는 데 한계가 있었다. 그러나, 본 발명은 상기 라이저부(150)가 복수로 마련되어 상기 금속입자의 순환에 필요한 유량이 적다. 그리고, 본 발명은, 순산소 연소시 산화제 농도 증가에 따라 공급되는 산화제와 이산화탄소의 절대유량이 감소할 때의 제약조건을 해소할 수도 있어, 다양한 산화제 농도에서 운전이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 공기 연소모드로 운전하고 상기 라이저부(150) 전체 또는 일부를 순산소 연소모드로 운전하여 전체 발전 출력을 동일하게 유지하며 일부 라이저부(150)의 배가스에서 순수한 이산화탄소를 분리하여 활용하는 CCS 기술을 구현할 수도 있다.
상기 제1 사이클론부(170)는 상기 보일러부(110) 및 상기 라이저부(150)의 상측에 연결되도록 마련되어 상기 라이저부(150)를 통과한 금속입자를 상기 중계부(115)로 제공하도록 마련될 수 있다.
이처럼 마련된 상기 보일러부(110), 상기 라이저부(150) 및 상기 제1 사이클론부(170), 상기 중계부(115)는 금속입자를 계속적으로 순환시킬 수 있다.
특히, 본 발명에서, 상기 금속입자는 상기 라이저부(150)를 통과하며 산화되고, 상기 보일러부(110)를 통과하며 환원되도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 금속입자는 산화 및 환원이 가능한 금속 중 어느 하나 이상으로 마련되며, 유동사와 함께 사용될 수도 있다.
보다 구체적으로, 상기 금속입자는, 산화된 상태로 상기 보일러부(110) 내에서 하강하도록 마련되며, 산화된 상기 금속입자는 상기 연료와 반응하여 환원됨에 따라 상기 보일러부(110) 내에 필요한 산소를 공급하도록 마련되며, 환원된 상기 금속입자는 상기 보일러부(110)의 하단 및 상기 라이저부(150) 내에서 산화되도록 마련될 수 있다.
이처럼, 본 발명은 산화 및 환원 반응이 일어나는 금속입자를 상기 보일러부(110)의 상부에서 공급해 하강시키고, 상기 라이저부(150)에서 상승시켜 다시 상기 보일러부(110)의 상부에 공급하는 방식으로 순환시키기 때문에, 상기 라이저부(150)에 수관을 배치하지 않도록 함으로써, 수관의 부식 발생을 방지하고, 보일러의 면적을 감소시키며, 열 효율을 향상시킴으로써 경제적이다.
특히, 본 발명은 연료와 입자를 하강시켜 반응시키는 방식으로 이루어져 입자의 하강속도의 제어폭이 넓은 장점이 있으므로 금속입자를 이용한 화학적 순환 연소(Chemical looping combustion)시에 금속의 환원반응에 필요한 충분한 체류시간을 제공하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명은 산소공여입자 역할을 하는 금속입자를 이용해 연소시 필요한 산소의 일부 또는 전체를 공급하는 것이 가능하여 순산소 연소 또는 산소부화 연소시 공기분리장치(ASU)의 부하를 줄일 수 있다.
상기 열교환부(190)는 상기 보일러부(110) 및 상기 라이저부(150)와 연결되도록 마련되며, 연료가 연소됨에 따라 생성되는 연소가스를 이용하여 열교환을 수행하도록 마련된다. 그리고, 상기 열교환부(190)는 재열기(191) 및 대류열교환기(192)를 포함한다.
상기 제1 사이클론부(170)는, 상기 라이저부(150)를 통과하면서 가열된 연소가스를 상기 열교환부(190)의 재열기(191)로 이송하도록 마련될 수 있다. 이때, 상기 중계부(180)가 상기 재열기(191)로 이송시키는 연소가스의 온도는 900도 이상일 수 있다. 여기서, 상기 재열기(191)는 최종 과열기일 수도 있다.
상기 제2 사이클론부(180)는 상기 보일러부(110)의 상부와 연결되도록 마련되며, 상기 제2 사이클론부(180)는 상기 보일러부(110)에서 생성된 연소가스를 열교환부(190)의 대류열교환기(192)로 이송하도록 마련된다. 이때, 상기 제2 사이클론부(180)가 상기 대류열교환기(192)로 이송시키는 연소가스의 온도는 800도 이상 900도 미만일 수 있다.
이처럼, 본 발명은 보일러부(110) 내에서 발생하는 연소가스와 라이저부(150)를 통과하며 상기 보일러부(110) 내에서 발생한 연소가스에 비해 상대적으로 고온이 된 연소가스가 각각 분리되어 대류열교환기(192)와 재열기(191)로 이동하도록 마련된다. 따라서, 상기 열교환부(190)는 종래보다 높은 온도 및 압력을 가지는 스팀을 생산할 수 있다. 즉, 본 발명의 상기 열교환부(190)는 열효율이 더욱 향상될 수 있다.
또한, 본 발명은 기존 보일러 대비 입자의 크기가 작은 금속입자, 탈황제, 첨가제 등의 물질의 사용이 가능하다. 구체적으로, 본 발명은 라이저부(150)가 복수로 마련되기 때문에 라이저부(150)와 연결되는 제1 사이클론부(170)의 크기가 크게 줄어들어 입자의 포집효율을 크게 높일 수 있으며, 보다 작은 입자의 사용을 가능하게 할 수 있다. 그리고, 이처럼 금속입자 입자의 크기가 작아지면 순환을 위해 사용되는 상기 라이저부(150)의 팬(미도시)의 동력이 작아져 발전효율도 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 금속입자 하강형 순환유동층 보일러의 운전방법의 순서도이다.
도 3을 더 참조하면, 금속입자 하강형 순환유동층 보일러(100)의 운전방법은, 먼저, 복수의 라이저부 각각의 운전모드 및 운전여부를 결정하는 단계(S210)를 수행할 수 있다.
복수의 라이저부 각각의 운전모드 및 운전여부를 결정하는 단계(S210)에서, 상기 운전모드는 순산소 연소모드 및 공기 연소모드를 지칭할 수 있다. 즉, 복수의 라이저부 각각의 운전모드 및 운전여부를 결정하는 단계(S210)에서는 각각의 상기 라이저부(150)가 순산소 연소모드로 운전될지 공기 연소모드로 운전될지 결정될 수 있으며, 또한, 각 상기 라이저부(150)의 운전 여부도 결정될 수 있다.
복수의 라이저부 각각의 운전모드 및 운전여부를 결정하는 단계(S210) 이후에는, 상기 보일러부(110)에 연료 및 산화제를 투입하여 연료를 연소시키는 단계(S220)를 수행할 수 있다.
상기 보일러부(110)에 연료 및 산화제를 투입하여 연료를 연소시키는 단계(S220)에서, 연료, 금속입자 및 첨가제가 상기 보일러부(110)의 상부측에서 투입될 수 있다. 그리고, 상기 연료는 상기 보일러부(110) 내에서 하강하면서 연소가 이루어질 수 있으며, 상기 첨가제는 상기 연료 및 상기 연료가 연소되면서 생성된 연소가스에서 탈질, 탈황 반응을 유도할 수 있다. 이때, 상기 보일러부(110) 내에 마련된 복수의 상기 수관부(140)에는 유체가 유동하도록 마련되어 열교환이 이루어질 수 있다.
또한, 상기 보일러부(110) 내에서 상기 연료가 연소됨에 따라 생성된 연소가스는, 상기 제2 사이클론부(180)를 통과하여 상기 열교환부(190)의 상기 대류열교환기(192)로 이송될 수 있다.
상기 보일러부(110)에 연료 및 산화제를 투입하여 연료를 연소시키는 단계(S220)에서, 상기 보일러부(110) 내에 산화제를 주입하는 복수의 산화제주입부(130)는, 개별적으로 출력이 제어되어 상기 금속입자 및 연료의 하강속도 및 연소를 제어하도록 마련될 수 있다.
즉, 상기 산화제주입부(130)는 산화제 주입량을 제어함으로써, 상기 보일러부(110) 내에서, 유량 및 유속을 위치별로 제어할 수 있다.
또한, 상기 금속입자는 상기 보일러부(110) 내에 산화된 상태로 투입되어 환원되도록 마련될 수 있다. 즉, 산화된 상기 금속입자가 상기 보일러부(110) 내에서 환원됨에 따라 상기 연소에 필요한 산소가 제공될 수 있다.
상기 보일러부(110)에 연료 및 산화제를 투입하여 연료를 연소시키는 단계(S220) 이후에는, 라이저부가 보일러부로부터 연료 및 금속입자를 제공받아 제1 사이클론부를 향해 이송시키는 단계(S230)를 수행할 수 있다.
라이저부가 보일러부로부터 연료 및 금속입자를 제공받아 제1 사이클론부를 향해 이송시키는 단계(S230)에서는, 상기 보일러부(110)를 통과한 연료, 금속입자, 첨가제 등이 상기 라이저부(150)의 하부측으로 유입될 수 있으며, 유입된 연료, 금속입자, 첨가제는 상부에 연결된 상기 제1 사이클론부(170)를 향해 이동할 수 있다. 이때, 상기 연료는 이동되면서 연소가 이루어질 수 있다.
이처럼, 상기 보일러부(110)에서 상기 연료는 하강하며 연소되도록 마련되고, 상기 라이저부(150)에서 상기 연료는 상승하며 연소되도록 마련될 수 있다.
그리고, 상기 라이저부(150)를 따라 상승하는 연료는 연소되어 연소가스가 생성된다. 이때 생성되는 연소가스는 상기 보일러부(110)에서 생성되는 연소가스에 비해 고온이다.
또한, 라이저부가 보일러부로부터 연료 및 금속입자를 제공받아 제1 사이클론부를 향해 이송시키는 단계(S230)에서, 상기 라이저부(150)에는 연료 및 산화제가 더 공급될 수 있으며, 이때 공급되는 연료는 상기 보일러부(110)에 공급되는 연료에 비해 연소 속도가 빠른 연료인 것을 특징으로 할 수 있다.
특히, 상기 보일러부(110)를 통과하면서 환원된 상기 금속입자는 상기 라이저부(150)를 통과하면서 산화되도록 마련될 수 있다.
라이저부가 보일러부로부터 연료 및 금속입자를 제공받아 제1 사이클론부를 향해 이송시키는 단계(S230) 이후에는, 제1 사이클론부로 이송되며 가열된 연소가스를 열교환기의 재열기로 이송시키고, 금속입자는 중계부로 이송시키는 단계(S240)를 수행할 수 있다.
제1 사이클론부로 이송되며 가열된 연소가스를 열교환기의 재열기로 이송시키고, 금속입자는 중계부로 이송시키는 단계(S240)에서, 상기 제1 사이클론부(170)는, 상기 라이저부(150)를 통과하면서 생성된 연소가스를 열교환부(190)의 재열기(191)로 이송시키고, 산화된 금속입자는 상기 보일러부(110)의 상측에 형성된 중계부(115)로 이동시켜 순환시킬 수 있다.
즉, 상기 보일러부(110)에서 생성된 연소가스와 상기 라이저부(150)를 통과하면서 생성된 연소가스는 각각에 연결된 사이클론부로 이송됨으로써 상호 분리되 열교환부(190)로 이송될 수 있다. 즉, 본 발명은 제1 사이클론부(170)와 제2 사이클론부(180)를 분리하여 구비함으로써, 미세입자(부서진 금속입자 또는 회재)가 재열기 및 후단 환경설비로 넘어가는 것을 방지하여 보일러 및 환경설비의 운전장애를 줄일 수 있다.
제1 사이클론부로 이송되며 가열된 연소가스를 열교환기의 재열기로 이송시키고, 금속입자는 중계부로 이송시키는 단계(S240) 이후에는, 중계부로 이송된 금속입자를 보일러부에서 재공급하는 단계(S250)를 수행할 수 있다.
중계부로 이송된 금속입자를 보일러부에서 재공급하는 단계(S250)에서, 상기 중계부(115)는 상기 제1 사이클론부(170)로부터 제공받은 산화된 금속입자를 상기 보일러부(110)의 상측에서 하강시켜 상기 금속입자를 재순환시킬 수 있다.
그리고, 상기 중계부(115)는 상기 금속입자를 상기 보일러부(110) 내에서 하강시킬 때, 고르게 분배하여 하강시킴으로써, 연소 및 열 전달 효율을 향상시키도록 마련될 수 있다. 전술한 바와 같이 마련된 금속입자 하강형 순환유동층 보일러(100) 및 이의 운전방법은 각각 발전설비 발전시스템에 적용될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 금속입자 하강형 순환유동층 보일러
110: 보일러부 115: 중계부
120: 제1 연료투입 130: 산화제주입부
131: 제1 노즐 132: 제2 노즐
133: 제3 노즐 134: 제4 노즐
135: 제5 노즐 140: 수관부
150: 라이저부 160: 제2 연료투입부
170: 제1 사이클론부 180: 제2 사이클론부
190: 열교환부 191: 재열기
192: 대류열교환기

Claims (18)

  1. 내부에 연료 및 산화제가 투입되도록 마련된 보일러부;
    상기 보일러부와 연결되며, 상기 보일러부로부터 제공받은 연료 및 금속입자가 하측에서 유입되어 상승하도록 마련되는 라이저부;
    침식 및 부식을 방지하도록 상기 보일러부의 외벽 및 내부공간에 마련되되, 상기 보일러부의 전체 높이에 대응되도록 상기 보일러부의 높이 방향으로 수직으로 연장되어 복수로 마련되며, 보일러 수관으로 이루어진 수관부;
    상기 보일러부의 높이 방향으로 상호 이격되어 마련되며, 상기 라이저부의 하부에 더 마련되는 복수의 산화제주입부; 및
    상기 보일러부의 상측에 마련되어 상기 라이저부를 통과한 금속입자를 상기 보일러부로 제공하는 중계부를 포함하며,
    상기 연료는 상기 보일러부의 상측에서 투입되어 하강하며 연소되도록 마련되고,
    상기 금속입자는 상기 라이저부를 통과하며 산화되고, 상기 보일러부를 통과하며 환원되도록 마련되고,
    상기 보일러부 내 다단 형태로 이루어진 상기 산화제주입부는, 상기 보일러부 내 주입 산화제량을 조절하여 상기 보일러부 내 유동사 및 연료의 하강 속도가 상기 수관부의 침식 및 부식이 발생하지 않게 제어하도록 마련된 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속입자는 산화 및 환원이 가능한 금속 중 어느 하나 이상으로 마련되는 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속입자는, 산화된 상태로 상기 보일러부 내에서 하강하도록 마련되며, 산화된 상기 금속입자는 상기 연료와 반응하여 환원됨에 따라 상기 보일러부 내에 산소를 공급하도록 마련되며, 환원된 상기 금속입자는 상기 보일러부의 하단 및 상기 라이저부 내에서 산화되도록 마련된 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보일러부의 외벽 및 내부공간에 마련되되, 상기 보일러부의 높이 방향으로 연장되어 복수로 마련되는 수관부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보일러부의 높이 방향으로 상호 이격되어 마련되며, 상기 라이저부의 하부에 더 마련되는 복수의 산화제주입부를 더 포함하며,
    상기 산화제주입부는, 개별적으로 출력이 제어되어 금속입자 및 연료의 하강속도 및 산화 환원 반응을 제어하도록 마련된 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보일러부의 상부 일측에 마련되어 상기 보일러부에 연료를 투입하는 제1 연료투입부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 라이저부의 하부 일측에 마련되어 상기 라이저부에 상기 보일러부 내로 공급되는 연료에 비해 연소 속도가 빠른 연료를 투입하는 제2 연료투입부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 라이저부는,
    상기 보일러부의 둘레를 따라 또는 상기 보일러부의 내부에 복수로 마련되는 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 보일러부 및 상기 라이저부와 연결되도록 마련되며, 연료가 연소됨에 따라 생성되는 연소가스를 이용하여 열교환을 수행하도록 마련된 열교환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 라이저부와 상기 중계부 사이에 마련되는 제1 사이클론부를 더 포함하며,
    상기 제1 사이클론부는, 상기 라이저부를 통과하면서 가열된 연소가스를 상기 열교환부의 최종 과열기 또는 재열기로 이송하도록 마련된 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 보일러부의 상부와 연결되도록 마련되는 제2 사이클론부를 더 포함하며,
    상기 제2 사이클론부는 상기 보일러부에서 생성된 연소가스를 열교환부의 대류열교환기로 이송하는 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러.
  12. 제 1 항에 따른 금속입자 하강형 순환유동층 보일러의 운전방법에 있어서,
    a) 복수의 상기 라이저부 각각의 운전모드 및 운전여부를 결정하는 단계;
    b) 상기 보일러부에 연료 및 산화제를 투입하여 상기 연료를 연소시키는 단계;
    c) 상기 라이저부가 상기 보일러부로부터 상기 연료 및 상기 금속입자를 제공받아 제1 사이클론부를 향해 이송시키는 단계;
    d) 상기 제1 사이클론부로 이송되며 가열된 연소가스를 열교환기의 재열기로 이송시키고, 상기 금속입자는 중계부로 이송시키는 단계; 및
    e) 상기 중계부로 이송된 상기 금속입자를 상기 보일러부에서 재공급하는 단계를 포함하며,
    상기 보일러부에서 상기 연료는 하강하며 연소되고, 상기 라이저부에서 상기 연료는 상승하며 연소되도록 마련되고,
    상기 금속입자는 상기 라이저부를 통과하며 산화되고, 상기 보일러부를 통과하며 환원되도록 마련된 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러의 운전방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 b) 단계에서,
    상기 보일러부 내에서 상기 연료가 연소됨에 따라 생성된 연소가스는, 제2 사이클론부를 통과하여 열교환부의 대류열교환기로 이송되는 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러의 운전방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 b) 단계에서,
    상기 보일러부 내에 산화제를 주입하는 복수의 산화제주입부는, 개별적으로 출력이 제어되어 상기 금속입자 및 연료의 하강속도 및 연소를 제어하도록 마련된 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러의 운전방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 c) 단계에서,
    상기 라이저부에는 상기 보일러부 내로 공급되는 연료에 비해 연소 속도가 빠른 연료가 더 공급되는 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러의 운전방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 a) 단계에서,
    상기 운전모드는,
    순산소 연소모드 및 공기연소 모드인 것을 특징으로 하는 금속입자 하강형 순환유동층 보일러의 운전방법.
  17. 제 1 항에 따른 금속입자 하강형 순환유동층 보일러를 이용한 발전설비.
  18. 제 1 항에 따른 금속입자 하강형 순환유동층 보일러의 운전방법을 이용한 산화제 화력발전용 발전시스템.
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