KR102232107B1 - 가압 순산소 연소 보일러 - Google Patents

가압 순산소 연소 보일러 Download PDF

Info

Publication number
KR102232107B1
KR102232107B1 KR1020190082774A KR20190082774A KR102232107B1 KR 102232107 B1 KR102232107 B1 KR 102232107B1 KR 1020190082774 A KR1020190082774 A KR 1020190082774A KR 20190082774 A KR20190082774 A KR 20190082774A KR 102232107 B1 KR102232107 B1 KR 102232107B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pure oxygen
syngas
flue gas
burner
gasifier
Prior art date
Application number
KR1020190082774A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210006759A (ko
Inventor
양원
이용운
이영재
채태영
이재욱
Original Assignee
한국생산기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국생산기술연구원 filed Critical 한국생산기술연구원
Priority to KR1020190082774A priority Critical patent/KR102232107B1/ko
Priority to PCT/KR2019/015740 priority patent/WO2021006431A1/ko
Publication of KR20210006759A publication Critical patent/KR20210006759A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102232107B1 publication Critical patent/KR102232107B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/06—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber for completing combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • F23C6/045—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure
    • F23C6/047—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure with fuel supply in stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F23C7/004—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion using vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/32—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid using a mixture of gaseous fuel and pure oxygen or oxygen-enriched air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/007—Supplying oxygen or oxygen-enriched air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2202/00—Fluegas recirculation
    • F23C2202/30—Premixing fluegas with combustion air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/09002—Specific devices inducing or forcing flue gas recirculation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/32—Direct CO2 mitigation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Abstract

본 발명은 가압 순산소 연소 보일러에 관한 것으로, 합성가스를 생성하는 가스화기; 상기 가스화기에서 생성된 합성가스가 주입되며, 합성가스 흐름방향을 따라 복수의 버너와 열교환기가 교대로 다단 설치되고, 상기 버너에 가압 상태로 공급된 산화제로 인해 합성가스가 단계적으로 연소되는 복사챔버; 및 상기 복사챔버에서 발생된 연도가스가 주입되며, 연도가스의 잠열을 회수하는 열교환기가 설치된 대류챔버를 포함한다.
본 발명은, 가스화기에서 생성한 합성가스를 연료로서 공급하기 때문에 연료 핸들링 및 제어 로직이 단순화되는 효과가 있으며, 다단의 버너에 공급되는 산화제의 혼합 비율과 수분 함량 등과 같은 사용자 조절 가능 변수가 늘어나면서 운전 유연성을 확보할 수 있는 효과가 있다. 또한, 복사챔버에서 다단의 버너를 설치하여 합성가스를 순차적으로 연소시키기 때문에, 국부적으로 과도한 연소열이 발생되는 것을 방지하면서도 합성가스를 완전연소시킴으로써 전체 효율은 크게 향상되며, NOx와 SOx의 발생을 억제할 수 있다. 나아가 배가스 처리를 위한 별도의 환경설비를 설치할 필요가 없기 때문에 설비제작과정에서 비용을 줄일 수 있고, 저비용으로 미세먼지와 CO2 배출이 감소된 설비를 구성할 수 있는 효과가 있다.

Description

가압 순산소 연소 보일러{PRESSURIZED OXYFUEL COMBUSTION BOILER}
본 발명은 보일러에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 가압 순산소를 이용한 연소 보일러에 관한 것이다.
일반적으로 연료 연소 시의 열을 사용하는 화력발전소 또는 기력발전소로부터 나오는 연소 배가스는 부피 기준 약 12∼17%의 이산화탄소와 76∼78%의 질소, 그리고 4∼5%의 산소와 그밖에 미량의 수분과 SOx, NOx 화합물을 포함하고 있다. 그 중에서 특히 이산화탄소는 지구 온난화의 주요 원인으로 지목되고 있으므로 이의 배출을 줄이는 것이 국제적인 관심사가 된 상황이다. 일부 선진국들은 이산화탄소 배출량을 일정 시점의 배출량을 기준으로 동결시키고자 노력하고 있으며 이와 관련하여 탄소세의 도입을 주장하고 있는 실정이다. 따라서 이산화탄소의 가장 큰 점배출원 중의 하나인 발전소 배가스로부터 이산화탄소의 포집은 시급히 해결해야 할 중요한 문제라고 할 수 있다.
발전소의 배가스에서 이산화탄소를 포집하기 위한 다양한 기술이 개발되고 있으나, 앞서 살펴본 것과 같이 화석 연료를 사용하는 발전소 배가스에는 SOx, NOx 화합물이 포함되어 있기 때문에 이산화탄소 포집 과정에서 이들을 제거하여야 한다. 또한 이산화탄소 포집에 필요한 에너지 및 추가 설비 비용이 막대하게 들어가기 때문에, 이를 포함한 모든 이산화탄소 포집 공정은 적용되는 기존 발전 시스템의 효율을 현저하게 떨어뜨리는 한편 설비비용을 높이는 원인이 되고 있다.
대한민국 등록특허 10-0324709 대한민국 공개특허 10-2017-0085858
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 합성가스를 사용하면서 효율을 극대화하고, NOx 및 SOx 와 같은 불순물을 용이하게 제거할 수 있는 가압 순산소 연소 보일러를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 가압 순산소 연소 보일러는, 합성가스를 생성하는 가스화기; 상기 가스화기에서 생성된 합성가스가 주입되며, 합성가스 흐름방향을 따라 복수의 버너와 열교환기가 교대로 다단 설치되고, 상기 버너에 가압 상태로 공급된 산화제로 인해 합성가스가 단계적으로 연소되는 복사챔버; 및 상기 복사챔버에서 발생된 연도가스가 주입되며, 연도가스의 잠열을 회수하는 열교환기가 설치된 대류챔버를 포함한다.
순산소와 상기 대류챔버에서 재순환된 연도가스를 혼합한 산화제를 상기 버너에 공급하기 위한 믹서를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 믹서는 다단 설치된 버너의 위치에 따라서 산화제에 포함된 연도가스와 순산소의 혼합비율을 조절하여 공급할 수 있는 것이 바람직하다.
상기 믹서에서 버너로 산화제를 공급하는 산화제 공급라인은 다단 설치된 버너의 위치에 따라서 개별적으로 구비되고, 각 산화제 공급라인에는 제어밸브가 설치될 수 있다.
상기 믹서는, 합성가스 흐름방향을 기준으로, 앞쪽에 위치하는 버너에 공급되는 산화제에 포함된 순산소의 비율이 상대적으로 낮고, 뒤쪽에 위치하는 버너에 공급되는 산화제에 포함된 순산소의 비율이 상대적으로 높게 조절하는 것이 바람직하다.
상기 믹서에 연도가스를 공급하는 연도가스 공급라인은 상기 대류챔버에서 위치가 서로 다른 2곳 이상에 연결되어, 상기 믹서에는 수분함량에서 차이가 있는 2종류 이상의 연도가스가 공급되며, 상기 믹서는 수분함량에서 차이가 있는 2종류 이상의 연도가스를 이용하여 버너에 공급되는 산화제에 포함된 수분의 양을 조절할 수 있는 것이 바람직하다.
상기 산화제는 상기 대류챔버에서 열교환을 통해 가열된 상태로 버너에 공급될 수 있다.
상기 복사챔버의 열교환기와 상기 대류챔버의 열교환기는 나선형 열교환기 인 것이 좋다.
상기 믹서는 순산소 또는 순산소와 연도가스가 혼합된 혼합기체를 상기 가스화기에 공급하는 것이 바람직하다.
상기 가스화기에 공급되는 순산소 또는 순산소와 연도가스가 혼합된 혼합기체는 상기 대류챔버에서 열교환을 통해 가열된 상태로 가스화기에 공급될 수 있다.
상기 가스화기에는 수직형 튜브 집합체로 구성된 열교환기가 설치될 수 있다.
상기 가스화기와 상기 복사챔버 및 상기 대류챔버는 가압상태로 운영되며, 단면이 원형인 실린더 형태인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 가스화기에서 생성한 합성가스를 연료로서 공급하기 때문에 연료 핸들링 및 제어 로직이 단순화되는 효과가 있으며, 다단의 버너에 공급되는 산화제의 혼합 비율과 수분 함량 등과 같은 사용자 조절 가능 변수가 늘어나면서 운전 유연성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 복사챔버에서 다단의 버너를 설치하여 합성가스를 순차적으로 연소시키기 때문에, 국부적으로 과도한 연소열이 발생되는 것을 방지하면서도 합성가스를 완전연소시킴으로써 전체 효율은 크게 향상되며, NOx와 SOx의 발생을 억제할 수 있다.
나아가 배가스 처리를 위한 별도의 환경설비를 설치할 필요가 없기 때문에 설비제작과정에서 비용을 줄일 수 있고, 저비용으로 미세먼지와 CO2 배출이 감소된 설비를 구성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가압 순산소 연소 보일러의 구조를 나타낸 구성도이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별이 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미 한다.
또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가압 순산소 연소 보일러의 구조를 나타낸 구성도이다.
본 실시예의 가압 순산소 연소 보일러는 보일러의 연료인 합성가스를 생성하는 가스화기(100), 합성가스를 연소시키고 연소에 의한 연소열을 복사 열교환하는 복사챔버(200), 합성가스가 연소되면서 발생된 연도가스의 잠열을 열교환하여 회수하는 대류챔버(300), 복사챔버의 버너로 산화제와 연도가스를 혼합하여 공급하기 위한 믹서(400)를 포함한다.
합성가스(syngas, synthesis gas)는 천연가스와 대비되는 표현으로서 인공적으로 만들어진 가스이며, 대표적으로 석탄을 이용하여 합성가스를 제조하고 있다. 본 실시예의 가스화기(100)는 합성가스를 생성하여 보일러로 제공하며, 합성가스를 생성하는 다양한 구성이 특별한 제한 없이 적용될 수 있다. 본 실시예에서는 원료공급부(110)에서 미분탄이나 미분탄 슬러리와 분무수를 공급받고, 이후에 자세하게 설명할 믹서(400)에 연결된 가스화기 공급라인(120)을 통해서 순산소 또는 순산소와 연도가스가 혼합된 혼합 가스를 공급받아서 합성가스를 생성하는 가스화기(100)를 적용하였다. 이때 본 실시예에서 적용된 가스화기(100)는 원료공급부(110)와 가스화기 공급라인(120)이 가스화기(100)의 상부로 연결되어 하나의 버너에 의해서 합성가스를 생성하며, 생성된 합성가스는 가스화기(100)의 아래쪽에 연결된 합성가스 공급라인(230)을 통해서 복사챔버(200)로 공급된다. 본 실시예의 가스화기(100)는 가압상태로 운영되며, 단면이 원형인 실린더 형태이다. 그리고 가스화기(100)의 하단에는 합성가스 생성과정에서 생성된 슬래그가 배출되는 슬래그 배출구가 형성되어 슬래그 처리기(130)와 연결된다. 그리고 가스화기(100)에는 수직형 튜브 집합체(Tube bundle) 형태의 열교환기(140)가 설치되어, 합성가스 생성과정에서 발생된 열을 교환한다.
복사챔버(200)는 가스화기(100)에서 합성가스를 공급받아서 연소시키면서 발생되는 연소열을 복사 열교환하는 것에 주된 목적이 있는 부분이다.
본 실시예에서는 복사챔버(200)의 하부에 연결된 합성가스라인(230)을 통해서 비산재(fly ash)가 포함된 합성가스를 공급받으며, 합성가스가 상승하는 흐름방향을 따라서 복수의 버너(220)와 열교환기(210)가 교대로 다단 설치된다. 본 실시예는 버너(220)와 열교환기(210)가 각각 높이를 달리하는 4단으로 구성된 경우이며, 측벽에 형성된 버너(220)에 의해서 합성가스가 연소되면 합성가스의 흐름방향에 의해서 불꽃과 열이 위쪽으로 향하기 때문에 각 버너(220)에 대응되는 열교환기(210)를 버너(220)의 위쪽에 각각 형성하였다.
본 발명에서 높이를 달리하는 다단 구조로 버너(220)를 설치한 것은, 공급되는 합성가스를 같은 높이의 버너에서 모두 연소시키는 경우에 과도한 열이 한 곳에 집중되는 문제가 발생하기 때문이다. 높이를 달리하는 다단 구조로 버너(220)를 배치하면, 합성가스를 다른 높이의 버너에 의해서 순차적으로 연소시킬 수 있기 때문에, 공급된 합성가스를 완전연소 시키면서도 연소열이 한곳에 집중되지 않고 분산되도록 한다. 이때, 앞서 설명한 것과 같이 열교환기(210)를 다단의 버너(220)에 대응하여 버너(220)보다 높은 위치에 다단으로 설치함으로써 각 버너의 연소에 의해서 발생되는 복사열을 최대한으로 이용할 수 있으며 복사챔버(200)의 국부 과열을 방지할 수 있다. 복사챔버(200)에는 가스화기(100)의 열교환기와는 달리 나선형(Helical Type)의 열교환기(210)를 적용하는 것이 바람직하다.
한편, 복사챔버(200)의 측벽에 설치된 버너(210)는 선회류 또는 대향류 방식으로 산화제를 공급하면서 불꽃을 생성하도록 같은 높이에 복수의 버너(220)가 설치된 구성이 가능하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 복사챔버(200)는 가압상태로 운영되며, 단면이 원형인 실린더 형태이다.
그리고 높이를 달리하는 다단 구조의 버너(220)에서 합성가스를 순차적으로 완전연소시키기 위해서는 버너(220)에 공급되는 산화제를 조절할 필요가 있으며, 산화제 조절을 위한 믹서(400)의 구성은 이후에 더욱 자세하게 설명한다.
높이를 달리하는 다단 구조의 버너(220)에서 합성가스를 순차적으로 완전연소시켜서 발생된 연소가스는 복사챔버(200)의 상단에 연결된 연도(240)를 통해서 배출되며, 배출된 연도가스는 대류챔버(300)로 공급된다.
복사챔버(200)에 다단의 열교환기(210)가 설치되어 열교환이 수행되지만, 버너(220)에서 발생된 연소열이 크기 때문에 복사챔버(200)에서 배출된 연도가스는 여전히 300~500℃ 범위의 고온 상태이며, 대류챔버(300)는 고온의 연도가스에서 열교환을 수행하여 연소기의 효율을 더욱 높일 수 있다. 나아가 연도가스는 대류챔버(300)에서 열교환에 의해서 냉각되면서 내부에 포함된 수분이 응축된다.
이를 위하여 대류챔버(300)에는 복수의 열교환기(310)가 설치된다. 본 실시예의 복사챔버(200)는 가압상태로 운영되며, 단면이 원형인 실린더 형태이다. 그리고 나선형(Helical Type)의 열교환기(310)를 적용한다. 도 1에서 대류챔버(300)에 높이를 달리하는 복수의 열교환기(310)를 설치한 것은, 발전을 위한 증기 터빈 등과 연결된 경우에 열교환기의 위치 따라서 과열기와 재가열기 등으로 구분하여 다른 기능을 수행할 수 있도록 분리하여 구성한 것이며, 이는 열교환기와 연결된 발전부의 구성에 따라서 구체적인 형태가 변경될 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
연도가스는 대류챔버(300)에서 점차 냉각되기 때문에, 대류챔버(300)의 상단에 연도(240)를 연결하여 연도가스가 대류챔버(300)의 상단에서 하단으로 이동하도록 구성하였다. 그리고 대류챔버(300)는 열교환에 의해서 연도가스를 냉각시키면서 응축기(FGC)의 기능을 함께 수행하며, 하단에는 연도가스에 포함된 수분이 응축된 응축수 배출구가 형성되고 열교환이 끝나서 100℃ 이하로 냉각된 연도가스가 배기관(320)을 통해서 배출된다.
믹서(400)는 복사챔버(200)의 버너(220)에 산화제를 공급하기 위한 구성이며, 특히 연도가스와 순산소를 혼합한 산화제를 산화제 공급라인(221)을 통해서 복사챔버(200)의 버너(220)에 공급한다. 버너에서의 과도한 연소열을 방지하기 위하여 산화제로서 순산소만을 공급하지 않고, 연도가스를 혼합하여 산화제로서 공급한다.
특히, 본 실시예는 높이를 달리하는 4단의 버너(220)를 구비하고 있으며, 각 단에서 순차적으로 합성가스가 연소되어 최종적으로 공급된 합성가스가 완전연소될 수 있도록, 각 단의 버너(220)에 공급되는 산화제의 비율을 다르게 조절하여 공급한다. 이를 위하여 버너의 각 단마다 개별적으로 산화제 공급라인을 구비하고, 각 산화제 공급라인에는 제어밸브가 설치된다.
구체적으로, 복사챔버(200)에서 가장 아래에 위치한 버너의 경우에는 합성가스만 공급되는 상태이므로 공급되는 산화제에 순산소의 부피 비율이 높으면 과도한 연소가 발생하는 문제가 있으며, 연도가스의 혼합 비율을 높임으로써 적절한 양의 합성가스가 연소되면서 적절한 연소열이 발생한다. 아래에서 두번째에 위치한 버너의 경우는, 가장 아래에 위치한 버너에서 일부 합성가스가 연소된 상태로 공급되기 때문에, 상대적으로 산화제에 포함된 순산소의 농도를 높여서 공급한다. 이와 같이, 버너(220)의 높이가 높아질수록 산화제에 포함된 순산소의 농도를 상대적으로 높이면, 각 단에서의 연소열이 적절하게 제어되면서도 공급된 합성가스를 완전연소시킬 수 있다.
연도가스와 순산소를 혼합한 산화제를 공급하기 위하여, 믹서(400)에는 공기분리시스템(500)에 연결된 순산소 공급라인(420)과 연도가스 공급라인(412, 413)이 연결된다. 특히, 연도가스 공급라인은 대류챔버(300)의 서로 다른 위치에서 제1 연도가스 공급라인(412) 및 제2 연도가스 공급라인(413)으로 연도가스를 공급한다.
앞서 설명한 것과 같이, 연도가스는 대류챔버(300)를 지나면서 냉각과 함께 포함된 수분이 점차 응축되어 제거된다. 대류챔버(300)의 중간쯤에 연결된 제1 연도가스 공급라인(412)은 연도가스에 포함된 수분의 응축이 진행되지 않아서 상대적으로 수분이 많이 포함되고 온도가 높은 연도가스를 믹서(400)로 공급하고, 제2 연도가스 공급라인(413)은 대류챔버(300)를 모두 지난 배기관(320)에 연결되어 상대적으로 수분이 많이 제거되고 온도가 낮은 연도가스를 믹서로 공급한다. 이와 같이, 본 실시예에서는 대류챔버(300)의 서로 다른 위치에서 연도가스를 믹서(400)에 공급함으로써, 온도와 수분함량에서 차이가 있는 2종류의 연도가스를 구분하여 믹서(400)로 공급하며, 최종적으로 버너(220)로 공급되는 산화제의 온도와 수분 함량을 조절할 수 있다. 결과적으로 열교환 효율과 함께, 배가스 내 수분 농도를 극대화하여 증발잠열 회수시 발생하는 물의 양을 극대화할 수 있다. 특히 가압 조건에서는 연소과정에서 발생되는 NOx의 경우 수용성이 높은 NO2 로의 전환 비율이 높아지고 SOx의 경우에도 수용성이 높아지므로, 이들 불순물 또는 오염물질들의 제거 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
산화제를 예열하여 공급하면 버너(220)의 효율이 향상되며, 순산소와 연도가스가 혼합되면서 온도가 상승하지만, 산화제의 온도를 더 높이기 위하여 버너(220)로 공급하기 전에 대류챔버(300)에서 열교환을 수행할 수도 있다.
믹서(400)는 순산소 또는 순산소와 연도가스가 혼합된 혼합 가스를 가스화기 공급라인(120)을 통해서 가스화기(100)에 공급하며, 산화제와 마찬가지로 예열을 위하여 대류챔버(300)에서 열교환을 수행하도록 구성할 수도 있다.
이상에서 설명한 본 실시예의 가압 순산소 연소 보일러는, 가스화기에서 생성한 합성가스를 연료로서 공급하기 때문에 연료 핸들링 및 제어 로직이 단순화되는 효과가 있다.
반면 다단의 버너에 공급되는 산화제의 혼합 비율과 수분 함량 등과 같은 사용자 조절 가능 변수가 늘어나면서 운전 유연성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 복사챔버에서 다단의 버너를 설치하여 합성가스를 순차적으로 연소시키기 때문에, 국부적으로 과도한 연소열이 발생되는 것을 방지하면서도 합성가스를 완전연소시킴으로써 전체 효율은 크게 향상되며, NOx와 SOx의 발생을 억제할 수 있다.
나아가 배가스 처리를 위한 별도의 환경설비를 설치할 필요가 없기 때문에 설비제작과정에서 비용을 줄일 수 있고, 저비용으로 미세먼지와 CO2 배출이 감소된 설비를 구성할 수 있는 효과가 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 가스화기 110: 원료공급부
120: 가스화기 공급라인 130: 슬래그 처리기
140: 열교환기 200: 복사챔버
210: 열교환기 220: 버너
221: 산화제 공급라인 230: 합성가스라인
240: 연도 300: 대류챔버
310: 열교환기 320: 배기관
400: 믹서 412: 제1 연도가스 공급라인
413: 제2 연도가스 공급라인 420: 순산소 공급라인
500: 공기분리시스템

Claims (12)

  1. 합성가스를 생성하는 가스화기;
    상기 가스화기에서 생성된 합성가스가 주입되며, 합성가스 흐름방향을 따라 복수의 버너와 열교환기가 교대로 다단 설치되고, 상기 버너에 가압 상태로 공급된 산화제로 인해 합성가스가 단계적으로 연소되는 복사챔버;
    상기 복사챔버에서 발생된 연도가스가 주입되며, 연도가스의 잠열을 회수하는 열교환기가 설치된 대류챔버; 및
    순산소와 상기 대류챔버에서 재순환된 연도가스를 혼합한 산화제를 상기 버너에 공급하기 위한 믹서를 포함하며,
    상기 믹서에 연도가스를 공급하는 연도가스 공급라인은 상기 대류챔버에서 위치가 서로 다른 2곳 이상에 연결되어, 상기 믹서에는 수분함량에서 차이가 있는 2종류 이상의 연도가스가 공급되며, 상기 믹서는 수분함량에서 차이가 있는 2종류 이상의 연도가스를 이용하여 버너에 공급되는 산화제에 포함된 수분의 양을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 믹서는 다단 설치된 버너의 위치에 따라서 산화제에 포함된 연도가스와 순산소의 혼합비율을 조절하여 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 믹서에서 버너로 산화제를 공급하는 산화제 공급라인은 다단 설치하다 버너의 위치에 따라서 개별적으로 구비되고, 각 산화제 공급라인에는 제어밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 믹서는, 합성가스 흐름방향을 기준으로, 앞쪽에 위치하는 버너에 공급되는 산화제에 포함된 순산소의 비율이 상대적으로 낮고, 뒤쪽에 위치하는 버너에 공급되는 산화제에 포함된 순산소의 비율이 상대적으로 높게 조절하는 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화제는 상기 대류챔버에서 열교환을 통해 가열된 상태로 버너에 공급되는 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 복사챔버의 열교환기와 상기 대류챔버의 열교환기는 나선형 열교환기 인 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 믹서는 순산소 또는 순산소와 연도가스가 혼합된 혼합기체를 상기 가스화기에 공급하는 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 가스화기에 공급되는 순산소 또는 순산소와 연도가스가 혼합된 혼합기체는 상기 대류챔버에서 열교환을 통해 가열된 상태로 가스화기에 공급되는 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스화기에는 수직형 튜브 집합체로 구성된 열교환기가 설치된 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스화기와 상기 복사챔버 및 상기 대류챔버는 가압상태로 운영되며, 단면이 원형인 실린더 형태인 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
KR1020190082774A 2019-07-09 2019-07-09 가압 순산소 연소 보일러 KR102232107B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190082774A KR102232107B1 (ko) 2019-07-09 2019-07-09 가압 순산소 연소 보일러
PCT/KR2019/015740 WO2021006431A1 (ko) 2019-07-09 2019-11-18 가압 순산소 연소 보일러

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190082774A KR102232107B1 (ko) 2019-07-09 2019-07-09 가압 순산소 연소 보일러

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210006759A KR20210006759A (ko) 2021-01-19
KR102232107B1 true KR102232107B1 (ko) 2021-03-25

Family

ID=74114009

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190082774A KR102232107B1 (ko) 2019-07-09 2019-07-09 가압 순산소 연소 보일러

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102232107B1 (ko)
WO (1) WO2021006431A1 (ko)

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100445363B1 (ko) * 1995-11-28 2004-11-03 가부시키 가이샤 에바라 세이사꾸쇼 기화를통한폐기물처리장치및방법
KR100324709B1 (ko) 1999-03-19 2002-02-16 이종훈 화력발전소 연소가스로부터 고순도의 이산화탄소를 회수하기 위한 압력변동 흡착장치 및 이를 이용한 이산화탄소 회수방법
KR100798023B1 (ko) * 2005-05-31 2008-01-28 한국생산기술연구원 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 장치
KR101175768B1 (ko) * 2010-09-16 2012-08-21 한국생산기술연구원 미분탄 순산소 연소 시스템
US20120301834A1 (en) * 2011-05-24 2012-11-29 Her Majesty The Queen In Right Of Canada As Represented By The Minister Of Natural Resources High pressure oxy-fired combustion system
KR20130041595A (ko) * 2011-10-17 2013-04-25 이협희 순산소를 이용한 폐기물 소각 용융 방법 및 장치
KR102437258B1 (ko) 2016-01-15 2022-08-30 한국생산기술연구원 가압 순산소를 이용한 연소시스템
KR20170136144A (ko) * 2016-05-31 2017-12-11 현대중공업 주식회사 복합발전 시스템
KR20190051493A (ko) * 2017-11-07 2019-05-15 한국생산기술연구원 2단 보일러를 구비한 가압 기력발전 시스템 및 그에 사용되는 보일러
KR101937423B1 (ko) * 2017-12-11 2019-01-11 한국생산기술연구원 가압 순산소 연소기 내의 온도 조절 및 부식 방지가 가능한 가압 순산소 연소 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210006759A (ko) 2021-01-19
WO2021006431A1 (ko) 2021-01-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Beer Combustion technology developments in power generation in response to environmental challenges
US20200363060A1 (en) Method and apparatus for capturing carbon dioxide during combustion of carbon containing fuel
US7350471B2 (en) Combustion system with recirculation of flue gas
Beér High efficiency electric power generation: The environmental role
CA2733244C (en) Combustion system with steam or water injection
JPH07217820A (ja) 外燃式原動所設備への熱供給方法及び装置
KR20030031909A (ko) 3단계 연료산화 및 인시추 노 연도가스 재순환을 이용한산화질소 저배출
JP6958489B2 (ja) 廃棄物焼却によるエネルギーの貯蔵供給装置
EP0793790B1 (en) Method of operating a combined cycle power plant
KR101354938B1 (ko) 유동층 연소 보일러
EP0722556A1 (en) Supercritical steam pressurized circulating fluidized bed boiler
CN110360589A (zh) 一种通过化学链空分实现半焦低NOx掺烧的电站系统与方法
KR102232107B1 (ko) 가압 순산소 연소 보일러
JP2013245905A (ja) ボイラ
US20220325888A1 (en) Combustion system comprising an annular shroud burner
US10386061B2 (en) Method and apparatus for firetube boiler and ultra low NOx burner
KR102437258B1 (ko) 가압 순산소를 이용한 연소시스템
EA010344B1 (ru) Устройство и способ регулирования температуры перегрева котла
KR101175768B1 (ko) 미분탄 순산소 연소 시스템
US20210025585A1 (en) Modular pressurized coal combustion (mpcc) for flexible generation
KR102222427B1 (ko) 배가스의 내부재순환이 가능한 연소장치 및 이를 포함하는 발전 시스템
US11143396B2 (en) Method and apparatus for waste heat recovery and emission reduction
KR100441943B1 (ko) 가압 순환유동층에서의 연소 및 가스화를 이용한 복합발전시스템
Arkhipov et al. The influence of the maximally rapid heating and ignition of powdered Kuznetsk coals on the integrated operational efficiency of power-generating boilers
WO2012078269A2 (en) Directly fired oxy-fuel boiler with partition walls

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right