KR102386243B1 - 산화제 농도 및 열량을 제어하여 승온 속도를 증가시키는 순환유동층 반응기 제어 방법 및 이를 이용하는 순환유동층 연소 시스템 - Google Patents

산화제 농도 및 열량을 제어하여 승온 속도를 증가시키는 순환유동층 반응기 제어 방법 및 이를 이용하는 순환유동층 연소 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 순환유동층 반응기에서 승온 속도를 상승시켜 대기오염물질 발생을 최소화하는 기술을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 산화제 농도 및 열량을 제어하여 승온 속도를 증가시키는 순환유동층 반응기 제어 방법은, 연소로, 사이클론 및 루프실을 포함하고, 유동사가 연소로, 사이클론, 루프실 및 연소로를 순차적으로 통과하면서 순환됨으로써 전체적으로 승온되는 산화제 농도 및 열량을 제어하여 승온 속도를 증가시키는 순환유동층 반응기 제어 방법에 있어서, 연소로로 공급되는 산화제 가스 내 산소 농도, 연소로로 공급되는 연료의 양 및 유동사의 순환량 각각의 초기 값에 따라 연소로가 작동 시작하는 제1단계; 연소로 일 부위의 온도가 미리 설정된 목표온도에 도달하는 시간인 목표온도 도달시간이 도출되고, 연소로 일 부위의 승온 속도 기준 값이 도출되는 제2단계; 및 연소로 일 부위의 승온 속도 기준 값에 따라 유동사의 순환량과 산화제 가스 내 산소 농도가 제어되는 제3단계;를 포함한다.

Description

산화제 농도 및 열량을 제어하여 승온 속도를 증가시키는 순환유동층 반응기 제어 방법 및 이를 이용하는 순환유동층 연소 시스템{A METHOD OF INCREASING THE HEATING RATE BY CONTROLLING THE OXIDANT CONCENTRATION AND THERMAL ENERGY IN THE CIRCULATING FLUIDIZED BED REACTOR AND CIRCULATING FLUIDIZED BED COMBUSTION SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 산화제 농도 및 열량을 제어하여 승온 속도를 증가시키는 순환유동층 반응기 제어 방법 및 이를 이용하는 순환유동층 연소 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 순환유동층 반응기에서 승온 속도를 상승시켜 대기오염물질 발생을 최소화하는 기술에 관한 것이다.
순산소 연소 공정은 미분탄 보일러를 개조하는 목적으로 시작되었지만, 최근 연료다변화가 가능한 순환유동층 보일러의 장점이 부각되면서 순환유동층 반응기에 대한 관심도 높아지고 있다. 순환유동층 반응기는 배기가스 재순환 비율 감소 및 순산소 함량을 증가시켜 배기가스 재순환 팬의 동력 및 보일러의 크기를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 그리고, 순환유동층 반응기에서는 외부열교환기 등을 이용하여 열전달 역할을 하는 유동매체의 온도 제어가 가능하기 때문에 순산소 함량을 이론상 70%까지 높일 수 있다.
상기와 같이 순환유동층 반응기는 우수한 장점을 구비하나, 유동사가 순환되면서 전체적으로 승온되는 구조로, 연소로의 출구 온도가 800도(℃) 이상으로 형성되기 위해서는 최소 12시간 이상이 소요되는 데에 따른 문제가 발생할 수 있다. 즉, 승온과정 (12시간 이상) 동안 대기오염물질 (SOx, NOx 등 초미세먼지 전구체)들이 다량 배출되며, 화력발전소 오염물질 배출 유예 시간은 승온 시작 후 9시간까지로, 이후 약 3시간 이상 동안 다량 배출되는 오염물질 때문에 환경오염 및 배출부과금이 문제가 되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0041506호(발명의 명칭: 순환 유동층 보일러)에서는, 연료의 연소가 이루어지는 연소로와, 비산회 입자를 포집하는 사이클론과, 상기 비산회 입자를 상기 연소로의 하부로 재주입시키는 루프실, 상기 연소로와 상기 사이클론을 연결하는 연결관과, 상기 루프실과 상기 연소로를 연결하는 제2배출관을 구비하고, 상기 루프실은 유동층, 분산노즐 및 공기상자로 구성된 순환 유동층 보일러에 있어서, 상기 사이클론의 하부는 비대칭 깔대기 형상으로 경사부, 수직부 및 제1배출관을 포함하여 구성되고, 상기 경사부는 상기 사이클론의 중심축을 기준으로 상기 연소로측 방향에 위치하며 상기 중심축에 대하여 일정각도로 경사가 형성되어 있는 순환 유동층 보일러가 개시되어 있다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0041506호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 순환유동층 반응기에서 승온 속도를 상승시켜 대기오염물질 발생을 최소화하는 것이다.
그리고, 본 발명의 목적은, 연소로에 공급되는 산화제 가스의 농도 등에 대한 제어를 통해, 순환유동층 반응기에서 승온 속도의 제어가 용이하도록 하는 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, 연소로, 사이클론 및 루프실을 포함하고, 유동사가 상기 연소로, 상기 사이클론, 상기 루프실 및 상기 연소로를 순차적으로 통과하면서 순환됨으로써 전체적으로 승온되는 산화제 농도 및 열량을 제어하여 승온 속도를 증가시키는 순환유동층 반응기 제어 방법에 있어서, 상기 연소로로 공급되는 산화제 가스 내 산소 농도, 상기 연소로로 공급되는 연료의 양 및 상기 유동사의 순환량 각각의 초기 값에 따라 상기 연소로가 작동 시작하는 제1단계; 상기 연소로 일 부위의 온도가 미리 설정된 목표온도에 도달하는 시간인 목표온도 도달시간이 도출되고, 상기 연소로 일 부위의 승온 속도 기준 값이 도출되는 제2단계; 및 상기 연소로 일 부위의 승온 속도 기준 값에 따라 상기 유동사의 순환량과 상기 산화제 가스 내 산소 농도가 제어되는 제3단계;를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 산화제 가스는, 상기 순환유동층 반응기의 배기가스와 순산소 및 공기의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 산화제 가스의 유속은 소정의 유속 범위 내에서 유지될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제3단계에서, 상기 산화제 가스 내 산소 농도가 증가하는 경우, 상기 연소로로 공급되는 연료량도 증가할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제3단계에서, 상기 산화제 가스 내 산소 농도에 대한 제어 수행 후 상기 유동사의 순환량에 대한 제어를 수행할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제3단계 이 후, 상기 연소로 일 부위의 온도를 측정하는 제4단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제4단계에서, 상기 연소로 일 부위의 실시간 온도에 따라 상기 유동사의 순환량과 상기 산화제 가스 내 산소 농도가 제어될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 연소가 수행되는 상기 연소로, 상기 연소로에서 배출된 입자를 포집하는 상기 사이클론 및 상기 사이클론으로부터 전달받은 유동사를 상기 연소로로 재순환시키는 상기 루프실을 구비하는 순환유동층 반응기; 연료량을 조절하면서 상기 연소로로 연료를 공급하는 연료탱크; 상기 산화제 가스를 생성시키면서 상기 연소로로 상기 산화제 가스를 공급하는 믹싱탱크; 상기 연소가스 일 부위의 온도를 측정하는 온도센서; 및 상기 연료탱크와 상기 믹싱탱크로 제어신호를 전달하는 제어부;를 포함한다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 산화제 가스의 농도 등에 대한 제어를 수행하여 연소로의 승온 속도를 증가시킬 수 있으므로, 연소로의 승온 시간을 단축시켜 연소로의 승온 과정 동안 발생되는 대기오염물질의 양을 현저히 감소시킬 수 있다는 것이다.
그리고, 본 발명의 효과는, 연소로의 승온 속도를 제어 가능함으로써, 연소로의 목표온도 도달시간에 대한 제어를 수행하여, 탈질 장비와 같은 대기오염물질 저감 설비들의 온도 변화도 제어할 수 있다는 것이다.
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 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 순환유동층 연소 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 산화제 가스 내 산소 농도에 따른 연소에너지에 대한 그래프이다.
도 3과 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연소로의 높이별 각 부위에 대한 시간별 온도 변화 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 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 실시 예를 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.
종래기술에서는 연소로(110)의 배출구 온도를 800도(℃) 이상으로 승온시키기까지 12시간 이상 소요되었으며, 연소로(110)의 배출구 온도가 800도(℃) 미만인 상태에서 연소로(110)의 연소가 수행되는 경우, 연소로(110)의 배출구의 낮은 온도로 인해 본 발명의 순환유동층 반응기 후단의 대기오염물질 저감 설비(상기의 탈질 장비(410), 백필터(420) 등)의 정상 운전이 용이하지 않아, 연소로(110)의 승온 과정(12시간 이상) 동안 대기오염물질(SOx, NOx 등 초미세먼지 전구체)들이 다량 배출되는 문제가 있다. 또한, 화력발전소 오염물질 배출 유예 시간은 승온 시작 후 9시간까지로, 이후 약 3시간 이상 동안 다량 배출되는 오염물질때문에 환경오염 및 배출부과금이 문제가 되고 있다. 본 발명은 상기와 같은 문제의 해결을 위해 안출된 것일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 순환유동층 연소 시스템의 개략도이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 순환유동층 연소 시스템에는 순환유동층 반응기가 포함되고, 이와 같은 순환유동층 반응기는 연소로(110), 사이클론(120) 및 루프실(130)을 포함하며, 순환유동층 반응기에서, 유동사가 연소로(110), 사이클론(120), 루프실(130) 및 연소로(110)를 순차적으로 통과하면서 순환됨으로써 전체적으로 승온될 수 있다. 여기서, 연소로(110)에서는 연소가 수행되고, 사이클론(120)(cyclone)에서는 연소로(110)에서 배출된 입자를 포집하여 재(ash)와 같은 부산물을 분리시키고 유동사를 루프실(130)로 순환시키며, 루프실(130)(Loop-seal)에서는 사이클론(120)으로부터 전달받은 일부 유동사를 연소로(110)로 바로 재순환시킴과 동시에 나머지 유동사를 외부의 열교환기인 외부 열교환기(220)(External Heat Exchanger)로 공급할 수 있다. 또한, 외부 열교환기(220)를 통과한 나머지 유동사도 연소로(110)로 재순환될 수 있다.
그리고, 본 발명의 순환유동층 연소 시스템에는, 연료량을 조절하면서 연소로(110)로 연료를 공급하는 연료탱크(fuel tank), 산화제 가스의 농도 비율을 조절하면서 연소로(110)로 산화제 가스를 공급하는 믹싱탱크(Mixing Tank)(310), 믹싱탱크(310)로 순산소를 공급하는 순산소 탱크, 연소가스 일 부위의 온도를 측정하는 온도센서(140), 및 연료탱크와 믹싱탱크(310)로 제어신호를 전달하는 제어부가 포함될 수 있다.
추가적으로, 본 발명의 순환유동층 연소 시스템에는, 사이클론(120)으로부터 배출된 배기가스를 전달받아 열교환을 수행하는 1차 열교환기(1st Heat Exchanger)(210), 1차 열교환기(210)를 통과한 배기가스를 전달받고 배기가스 내 질소산화물을 저감시키는 탈질 장비(SCR, Selective Catalystic Reduction)(410) 및, 탈질 장비(410)을 통과한 배기가스를 전달받고 배기가스 내 먼지 등을 제거하는 백필터(Bag Filter)(420)가 더 포함될 수 있다.
상기된 연료탱크, 믹싱탱크(310), 1차 열교환기(210), 탈질장비, 백필터(420) 등의 각 구성은 기존의 순환유동층 연소 시스템에도 이용되는 것으로써, 공지기술에 해당하여 상세한 설명은 생략하기로 한다. 그리고, 도시되지 않았으나, 본 발명의 순환유동층 연소 시스템에는, 기존의 순환유동층 연소 시스템에 포함되는 백필터(420)를 통과한 배기가스와 열교환을 수행하는 2차 열교환기, 2차 열교환기를 통과한 배기가스로부터 수분을 수집하는 응축기(Condenser)와 물회수 멤브레인 장비(Water recovery membrane) 등이 포함될 수 있다.
연소로(110)로 공급되는 산화제 가스는, 순환유동층 반응기의 배기가스와 순산소 및 공기의 혼합물일 수 있다. 백필터(420)를 통과한 후 백필터(420) 이 후의 복수 개의 장비를 통과한 배기가스는 재순환되어 사용될 수 있으며, 이와 같은 배기가스가 FGR팬(Flue Gas Recirculation)(320)에 의해 믹싱탱크(310)로 공급될 수 있다. 그리고, FGR팬(320)은 공기(Air)를 흡입하여 믹싱탱크(310)로 공급할 수 있고, 순산소 탱크(O2 Tank)로부터 믹싱탱크(310)로 순산소가 공급될 수 있다. 이와 같이 믹싱탱크(310)에서 산소를 포함하는 공기와 순산소가 배기가스와 혼합되므로, 산화제 가스 내 산소 농도는 공기에 존재하던 산소와 순산소가 혼합된 산소의 농도일 수 있다. 따라서, 산화제 가스 내 산소 농도 조절을 위하여, 믹싱탱크(310)는 순산소 탱크로부터 전달받는 순산소 농도를 조절할 수 있다.
그리고, 상기와 같은 본 발명의 순환유동층 연소 시스템을 포함하는 화력 발전 시스템을 구축할 수 있으며, 이와 같은 화력 발전 시스템에서는 대기오염물질의 배출량이 저감되어, 친환경 화력 발전 시스템을 구축할 수 있다.
이하, 상기와 같은 본 발명의 순환유동층 연소 시스템에서 수행되는 본 발명의 순환유동층 반응기 제어 방법에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 제1단계에서, 연소로(110)로 공급되는 산화제 가스 내 산소 농도, 연소로(110)로 공급되는 연료의 양 및 유동사의 순환량 각각의 초기 값에 따라 연소로(110)가 작동 시작할 수 있다. 여기서, 제어부에는 산화제 가스 내 산소 농도, 연료의 양 및 유동사의 순환량 각각의 초기 값에 대한 정보가 저장되어 있고, 이에 따라, 제어부가 연료탱크와 믹싱탱크(310) 및 연소로(110) 외부에 설치되어 유동사를 공급하는 유동사공급부로 제어신호를 전달하고, 각각의 초기 값에 따라 산화제 가스, 연료 및 유동사가 공급되어 본 발명의 순환유동층 반응기의 초기 운전이 수행되도록 할 수 있다. 이와 같이 초기 운전이 수행됨에 따라, 본 발명의 순환유동층 반응기 전체적으로 예열이 수행됨과 동시에 산화제 가스, 연료 및 유동사 각각의 유동이 안정적으로 시작되어, 제1단계 이 후 공정에서 본 발명의 순환유동층 반응기의 승온 속도가 증가하더라도 연소로(110), 사이클론(120) 및 루프실(130)의 손상을 방지할 수 있다.
산화제 가스의 유속은 소정의 유속 범위 내에서 유지될 수 있다. 구체적으로, 산화제 가스의 유속은 4~6m/s의 유속 범위로 제한되어 유지될 수 있으며, 이와 같은 일정한 유속 범위 내에서 산화제 가스의 유속이 형성됨에 따라, 산화제 가스가 공급되는 연소로(110) 내 연소가 안정적으로 수행될 수 있다.
상기의 제1단계 수행 후, 제2단계에서, 연소로(110) 일 부위의 온도가 미리 설정된 목표온도에 도달하는 시간인 목표온도 도달시간이 도출되고, 연소로(110) 일 부위의 승온 속도 기준 값이 도출될 수 있다. 사용자는 제어부와 연결된 입력부에 목표온도를 입력할 수 있고, 이와 같은 목표온도의 입력에 따라 목표온도 도달시간이 설정될 수 있다.
목표온도의 기준이 되는 연소로(110) 일 부위는, 연소로(110)의 배출구일 수 있다.(이하, 이를 기준으로 설명하기로 한다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 목표온도의 기준이 되는 연소로(110) 일 부위는 연소로(110)의 배출구 외 연소로(110)의 다른 부위일 수 있다.) 구체적인 일 실시 예로써, 연소로(110)의 배출구 목표온도가 800 내지 1,000도(℃)로 설정될 수 있다. 연소로(110)의 배출구 온도가 800도(℃) 이상으로 형성되는 경우, 상기된 탈질 장비(410)의 온도가 최적 운전 온도인 300도(℃) 이상으로 형성될 수 있고, 상기된 백필터(420)의 온도가 100도(℃)를 초과하여 유지됨으로써 백필터(420) 내 발생하는 수분 응축을 미연에 방지할 수도 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 목표온도는 본 발명의 순환유동층 연소 시스템의 작동에 따라 설정 변경시킬 수 있다.
상기와 같이 연소로(110)의 배출구 목표온도가 설정되는 경우, 제어부에서는 입력된 목표온도에 따라 목표온도 도달시간이 도출되고, 이에 의해 연소로(110)의 배출구에 대한 승온 속도 기준 값이 도출될 수 있다. 입력된 목표온도에 따른 목표온도 도달시간과 승온 속도 기준 값은 제어부에 데이터로 저장되어 있으며, 목표온도 입력 시, 이와 같은 목표온도 도달시간과 승온 속도 기준 값이 즉시 도출될 수 있다. 목표온도에 따른 목표온도 도달시간과 승온 속도 기준 값에 대한 데이터는, 본 발명의 순환유동층 반응기의 시험 운전에 의해 획득되거나, 프로그램을 이용한 시뮬레이션에 의해 획득될 수 있다. 구체적으로, 상기와 같이 목표온도가 설정되는 경우, 목표온도 도달시간은 8시간으로 도출될 수 있다.
상기의 제2단계 수행 후, 제3단계에서, 연소로(110) 일 부위의 승온 속도 기준 값에 따라 유동사의 순환량과 산화제 가스 내 산소 농도가 제어될 수 있다. 여기서, 제3단계에서, 산화제 가스 내 산소 농도가 증가하는 경우, 연소로(110)로 공급되는 연료량도 증가할 수 있다.
상기와 같이 승온 속도 기준 값이 도출된 후, 승온 속도 기준 값에 따라 연소로(110)의 배출구가 가열되어 승온되도록 하기 위해, 유동사의 순환량과 산화제 가스 내 산소 농도가 제어될 수 있다. 승온 속도 기준 값에 승온 속도를 형성하기 위한 유동사의 순환량과 산화제 가스의 양 및 산소 농도는 연소로(110)의 부피에 따른 연소량, 사이클론(120)과 루프실(130) 각각의 부피에 따라 결정되는 조건이며, 이에 대한 데이터는 제어부에 저장될 수 있다. 또한, 이와 같은 산화제 가스의 양 및 산소 농도에 따라 연료량도 결정될 수 있고, 승온 속도의 증가를 위해 산화제 가스 내 산소 농도가 증가하는 경우, 마찬가지로 승온 속도의 증가를 위해 연료량도 증가할 수 있으며, 산화제 가스의 양 및 산소 농도에 따른 연료량 데이터도 제어부에 저장될 수 있다. 그리고, 상기와 같이 본 발명의 순환유동층 반응기의 설계에 따라 산화제 가스의 양 및 산소 농도, 유동사의 순환량, 연료량 등에 대한 데이터가 정해질 수 있으므로, 각각의 데이터는 본 발명의 순환유동층 반응기의 시험 운전에 의해 획득되거나, 프로그램을 이용한 시뮬레이션에 의해 획득될 수 있다.
제3단계에서, 산화제 가스 내 산소 농도에 대한 제어 수행 후 유동사의 순환량에 대한 제어를 수행할 수 있다. 상기와 같은 승온 속도 기준 값에 따른 승온 속도로 연소로(110)를 가열시키기 위하여 연소 수행 시, 산화제 가스 내 산소 농도에 대한 제어를 먼저 수행하여 연소로(110)를 충분히 가열시킨 후 유동사를 공급시켜 순환시킴으로써 유동사에 대한 연전달량을 증가시키므로, 유동사의 공급에 따른 순간적인 연소로(110)의 배출구 온도 저하를 최소화시켜 승온 속도를 용이하게 유지시킬 수 있다. 다만, 사용자의 설정에 따라, 유동사의 순환량에 대한 제어를 수행한 후 산화제 가스 내 산소 농도에 대한 제어를 수행할 수 있거나, 또는, 유동사의 순환량에 대한 제어와 산화제 가스 내 산소 농도에 대한 제어를 동시에 수행할 수도 있다.
본 발명의 순환유동층 반응기 제어 방법은, 제3단계 이 후, 연소로(110) 일 부위의 온도를 측정하는 제4단계를 더 포함할 수 있다. 그리고, 이와 같은 제4단계에서, 연소로(110) 일 부위의 실시간 온도에 따라 유동사의 순환량과 산화제 가스 내 산소 농도가 제어될 수 있다.
구체적으로, 연소로(110)의 배출구에는 온도센서(140)가 형성되고, 온도센서(140)는 연소로(110)의 배출구 온도를 실시간으로 측정할 수 있다. 그리고, 이와 같은 연소로(110)의 배출구 온도에 대한 실시간 정보가 온도센서(140)로부터 제어부로 전달될 수 있다.
제어부에는, 상기와 같은 승온 속도 기준 값에 따라, 연소로(110) 일 부위인 연소로(110)의 배출구의 시간별 온도 온도 데이터가 저장될 수 있으며, 제어부는 연소로(110)의 배출구의 실시간 온도인 실시간온도와 연소로(110)의 배출구의 시간별 온도 데이터에서 실시간의 해당 시간에 대한 온도인 데이터기준온도를 비교할 수 있다.
제어부는, 데이터기준온도보다 실시간온도가 더 높은 것으로 판단되는 경우, 믹싱탱크(310)로 제어신호를 전달하여 산화제 가스 내 산소 농도를 감소시키고, 연료탱크로 제어신호를 전달하여 연소로(110)로 공급되는 연료량을 감소시킬 수 있으며, 루프실(130) 및 외부 열교환기(220)로 제어신호를 전달하여 유동사의 온도 및 순환량을 제어시킬 수 있다. 그리고, 이에 따라, 연소로(110)의 연소 열량이 감소되어 실시간온도가 감소됨으로써, 실시간온도가 데이터기준온도와 동일한 값이 되게 제어될 수 있다.
그리고, 제어부는, 데이터기준온도보다 실시간온도가 더 낮은 것으로 판단되는 경우, 믹싱탱크(310)로 제어신호를 전달하여 산화제 가스 내 산소 농도를 증가시키고, 연료탱크로 제어신호를 전달하여 연소로(110)로 공급되는 연료량을 증가시킬 수 있으며, 유동사공급부로 제어신호를 전달하여 유동사를 공급시킴으로써 유동사 순환량을 증가시킬 수 있다. 그리고, 이에 따라, 연소로(110)의 연소 열량이 증가되어 실시간온도가 증가됨으로써, 실시간온도가 데이터기준온도와 동일한 값이 되게 제어될 수 있다.
상기와 같이, 연소로(110)에 공급하는 산화제 가스의 농도를 제어(산소 농도 증가)시켜 연소로(110)에 대한 연료의 투입량을 증가시킴(약 1.5배 이상)과 동시에 유동사 순환량을 제어함으로써, 연소로(110)의 배출구 승온 속도를 증가시킬 수 있고, 이에 따라, 연소로(110)의 배출구 승온 시간을 단축시킴으로써, 본 발명의 순환유동층 반응기 후단의 대기오염물질 저감 설비(상기의 탈질 장비(410), 백필터(420) 등)의 정상 운전 도달 시간이 단축되어, 연소로(110)의 승온 과정 동안 발생되는 대기오염물질의 양을 현저히 감소시킬 수 있다.
또한, 상기와 같이, 실시간으로 연소로(110)의 배출구 승온 속도를 제어 가능함으로써, 연소로(110)의 배출구의 목표온도 도달시간에 대한 제어를 수행하여, 본 발명의 순환유동층 반응기 후단의 대기오염물질 저감 설비들의 온도 변화도 제어할 수 있다. 그리고, 본 발명의 순환유동층 연소 시스템을 포함하는 화력 발전 시스템을 구축하는 경우, 대기오염물질의 배출부과금 절감으로 전체 운영비 절감이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 산화제 가스 내 산소 농도에 따른 연소에너지에 대한 그래프이다. 도 2에서, 가로축은 산화제 가스 내 산소 농도를 나타내고, 세로축은 연소에너지(Thermal input power)를 나타낸다. 그리고, 가로축에서 Air는 순산소 공급 없이 공기만 공급되어 산소 농도가 약 21%인 사항에 대한 것이다. 도 2에서 보는 바와 같이, 산화제 가스 내 산소 농도 증가시킴에 따라 연소로(110)의 연소에너지가 증가함을 확인할 수 있으며, 산화제 가스 내 산소 농도가 25%인 경우와 50%인 경우 각각을 비교하면 연소에너지가 2배 이상 증가함을 확인할 수 있다. 이에 따라, 산화제 가스 내 산소 농도도 제어로 연소로(110)의 연소에너지를 용이하게 제어할 수 있음과 동시에 연소로(110)의 배출구 온도도 용이하게 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 3과 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연소로(110)의 높이별 각 부위에 대한 시간별 온도 변화 그래프이다. 이를 위해, 연소로(110)의 높이별 각 부위(1.8m, 3.2m, 4.5m, 6.2m, 8.0m, 9.5m 및 9.9m)에 대한 온도를 시간별로 온도센서를 이용하여 측정하였다. 여기서, 도 3은, 연소로(110)에 공기 중 산소 농도와 동일한 산소 농도를 갖는 산화제 가스를 연소로(110)에 공급하는 경우 연소로(110)의 높이별 각 부위에 대한 시간별(가로축, Time) 온도(세로축, Temperature) 변화 그래프이다. 그리고, 도 4는, 산소 농도가 35%인 산화제 가스를 연소로(110)에 공급하는 경우 연소로(110)의 높이별 각 부위에 대한 시간별(가로축, Time) 온도(세로축, Temperature) 변화 그래프이다. 도 3과 도 4의 각 그래프 선에서, 가장 높은 위치의 그래프 선이 가장 낮은 1.8m 높이 대한 것이고, 가장 낮은 위치의 그래프 선이 가장 높은 9.9m 높이에 대한 것이며, 양 그래프 선 사이에 높이 순으로 그래프 선이 위치할 수 있다.
도 3에서 보는 바와 같이, 산화제 가스에 순산소 공급 없이 공기만 혼합한 경우, 12 시간이 지난 후에도 연소로(110)의 높이별 각 부위의 온도 간 편차가 도 4의 경우와 비교하여 크게 나타남을 확인할 수 있다. 그리고, 도 4에서 보는 바와 같이, 산화제 가스 내 산소 농도가 35%인 경우, 8시간이 지난 후 연소로(110)의 높이별 각 부위의 온도 간 편차가 현저히 감소함을 확인할 수 있다. 도 3과 도 4의 비교에서 보는 바와 같이, 산화제 가스 내 산소 농도를 증가시키는 경우 본 발명의 순환유동층 반응기에 대한 승온 완료 시간 단축이 구현됨을 확인할 수 있다. 즉, 승온 속도가 현저히 증가함을 확인할 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 실시 예들은 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.
110 : 연소로
120 : 사이클론
130 : 루프실
140 : 온도센서
210 : 1차 열교환기
220 : 외부 열교환기
310 : 믹싱탱크
320 : FGR팬
410 : 탈질 장비
420 : 백필터

Claims (9)

  1. 배기가스를 배출하는 배출구를 구비하는 연소로, 사이클론, 루프실, 유동사를 공급하는 유동사공급부 및 상기 루프실로부터 일부 유동사를 전달받아 열교환시키고 상기 연소로로 전달하는 외부 열교환기를 포함하고, 상기 유동사가 상기 연소로, 상기 사이클론, 상기 루프실 및 상기 연소로를 순차적으로 통과하면서 순환됨으로써 전체적으로 승온되는 산화제 농도 및 열량을 제어하여 승온 속도를 증가시키는 순환유동층 반응기 제어 방법에 있어서,
    상기 연소로로 공급되는 산화제 가스 내 산소 농도, 상기 연소로로 공급되는 연료의 양 및 상기 유동사의 순환량 각각의 초기 값에 따라 상기 연소로가 작동 시작하는 제1단계;
    상기 연소로 일 부위의 온도가 미리 설정된 목표온도에 도달하는 시간인 목표온도 도달시간이 도출되고, 상기 연소로 일 부위의 승온 속도 기준 값이 도출되는 제2단계;
    상기 연소로 일 부위의 승온 속도 기준 값에 따라 상기 유동사의 순환량과 상기 산화제 가스 내 산소 농도가 제어되는 제3단계; 및
    상기 연소로의 일 부위인 상기 배출구에 형성된 온도센서로 온도를 측정하고, 상기 배출구에서 실시간으로 측정된 온도인 실시간온도에 따라 상기 유동사의 순환량과 상기 산화제 가스 내 산소 농도가 제어되는 제4단계;를 포함하고,
    상기 제4단계에서, 상기 승온 속도 기준 값에 따른 상기 배출구의 시간별 온도 데이터가 저장된 제어부는, 상기 실시간온도와 상기 시간별 온도 데이터에서 실시간에 대응되는 시간에 대한 온도인 데이터기준온도를 비교하며,
    상기 제어부에서, 상기 데이터기준온도 보다 상기 실시간온도가 더 높은 것으로 판단되는 경우, 상기 루프실 및 상기 외부 열교환기로 제어신호를 전달하여 상기 유동사의 온도 및 순환량을 제어하고,
    상기 제어부에서, 상기 데이터기준온도 보다 상기 실시간온도가 더 낮은 것으로 판단되는 경우, 상기 유동사공급부로 제어신호를 전달하여 상기 연소로로 상기 유동사를 공급시켜 상기 유동사 순환량을 증가시키고, 산화제 가스 내 산소 농도를 증가시킴과 동시에 상기 연소로로 공급되는 연료량을 증가시킴으로써,
    산소 농도 증가에 따른 연료량 증가로 상기 연소로의 배출구 승온 시간을 단축시키는 것을 특징으로 하는 산화제 농도 및 열량을 제어하여 승온 속도를 증가시키는 순환유동층 반응기 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화제 가스는, 상기 순환유동층 반응기의 배기가스와 순산소 및 공기의 혼합물인 것을 특징으로 하는 산화제 농도 및 열량을 제어하여 승온 속도를 증가시키는 순환유동층 반응기 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화제 가스의 유속은 소정의 유속 범위 내에서 유지되는 것을 특징으로 하는 산화제 농도 및 열량을 제어하여 승온 속도를 증가시키는 순환유동층 반응기 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3단계에서, 상기 산화제 가스 내 산소 농도가 증가하는 경우, 상기 연소로로 공급되는 연료량도 증가하는 것을 특징으로 하는 산화제 농도 및 열량을 제어하여 승온 속도를 증가시키는 순환유동층 반응기 제어 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3단계에서, 상기 산화제 가스 내 산소 농도에 대한 제어 수행 후 상기 유동사의 순환량에 대한 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 산화제 농도 및 열량을 제어하여 승온 속도를 증가시키는 순환유동층 반응기 제어 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1의 산화제 농도 및 열량을 제어하여 승온 속도를 증가시키는 순환유동층 반응기 제어 방법을 이용하는 순환유동층 연소 시스템에 있어서,
    연소가 수행되는 상기 연소로, 상기 연소로에서 배출된 입자를 포집하는 상기 사이클론 및 상기 사이클론으로부터 전달받은 유동사를 상기 연소로로 재순환시키는 상기 루프실을 구비하는 순환유동층 반응기;
    연료량을 조절하면서 상기 연소로로 연료를 공급하는 연료탱크;
    상기 산화제 가스를 생성시키면서 상기 연소로로 상기 산화제 가스를 공급하는 믹싱탱크;
    상기 연소가스 일 부위의 온도를 측정하는 온도센서; 및
    상기 연료탱크와 상기 믹싱탱크로 제어신호를 전달하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환유동층 연소 시스템.
  9. 청구항 8의 순환유동층 연소 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 화력 발전 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003222307A (ja) * 2002-01-31 2003-08-08 Babcock Hitachi Kk 多種燃料燃焼方法と装置
KR101727865B1 (ko) * 2016-10-18 2017-04-17 현대제철 주식회사 유동층상 보일러의 승온 제어 방법
JP2019070505A (ja) * 2017-10-11 2019-05-09 株式会社神鋼環境ソリューション 流動床式ガス化炉への酸素含有ガス供給方法及び流動床式ガス化炉

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130041506A (ko) 2011-10-17 2013-04-25 현대중공업 주식회사 순환 유동층 보일러
KR101898077B1 (ko) * 2016-07-26 2018-09-12 현대건설 주식회사 순환 유동층 보일러 시스템

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003222307A (ja) * 2002-01-31 2003-08-08 Babcock Hitachi Kk 多種燃料燃焼方法と装置
KR101727865B1 (ko) * 2016-10-18 2017-04-17 현대제철 주식회사 유동층상 보일러의 승온 제어 방법
JP2019070505A (ja) * 2017-10-11 2019-05-09 株式会社神鋼環境ソリューション 流動床式ガス化炉への酸素含有ガス供給方法及び流動床式ガス化炉

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