KR102435812B1 - 스택 출구 백연저감 시스템 - Google Patents

스택 출구 백연저감 시스템 Download PDF

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KR102435812B1
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이남주
최종문
장계환
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비에이치아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 스택 출구 백연저감 시스템에 관한 것이다. 스택에서의 백연을 최적으로 저감하기 위한 기술이다. 특히, 본 발명은 HRSG 열병합 발전 설비의 차압을 증가시키지 않고, 배출되는 백연을 저감하기 위한 것이다.

Description

스택 출구 백연저감 시스템{Stack outlet white smoke abatement system}
본 발명은 스택 출구 백연저감 시스템에 관한 것이다.
최근 들어 환경오염 문제에 대한 인식변화 및 법규강화로 산업분야에서 환경오염 문제는 설계단계에서부터 우선적으로 고려되고 있다.
일반적으로 냉각수를 사용하여 설비나 제품 등을 냉각하는 산업에서는 필연적으로 수증기를 포함하는 배기가스가 발생된다. 배기가스는 다량의 수분과 여러 물질을 함유하고 있어 굴뚝으로 배출시 백연(white smoke) 현상이 발생한다. 대기온도가 낮고 습도가 높을수록 수증기가 냉각 응축하여 작은 물방울로 가시화된 백연의 발생량이 많아진다. 특히 겨울철에 많이 발생한다.
이러한 백연은 오염물질의 영향은 없으나 시각적인 효과 때문에 공해 물질로 오인한 민원이 계속되고 있는 실정이다. 백연을 방지하기 위한 별도의 장치가 요구된다.
백연을 저감하기 위해서는 굴뚝에서 뜨거운 배기가스가 토출되기 전에 배기가스에 포함된 수증기를 냉각 및 제습방법을 이용하여 제거하는 것이 효과적이나 관련 시설비용이 최저 100억원이상이 소요될 뿐만 아니라 추가적인 부지가 필요하다.
특히 HRSG 열병합 발전의 경우 주민 열공급을 위해 대도시 인근에 위치하고 있으며 높은 땅값이 형성되어 있어 추가 부지는 높은 투자 비용이 되어 이를 구축하려는 사업자에 부담이 되고 있다.
또한, HRSG 열병합 발전의 내부에 배가스를 냉각시키는 추가 열교환 설비는 배가스의 차압을 증가시키며 1mbar(10mmH2O)의 차압 증가시 GT 출력은 약 0.15MW 전력생산 손실이 발생한다. 이에, 발전사 입장에서는 설비구축이 꺼려되는 실증이며 아직까지 냉각, 제습법을 통한 백연저감 설비를 국내외 사용하지 못하는 원인이다.
종래에는 스택에서 배출되는 백연을 저감하기 위해, 스택으로 공급되는 배가스를 예열하거나 온도를 높여, 습윤하고 공기 중 응결되어 무상으로 되기 쉬운 출구의 연소 배기가스에 데워져 건조된 백연 방지용 공기를 혼합하여, 연소 배기가스의 상대습도를 저하시킴으로써 백연 방지를 꾀하는 기술이 개시된다.
예를 들어, 일본공개특허문헌 제2002-129984호는 가스 터빈 설비의 백연 방지 방법 및 장치에 관한 것으로, 가스터빈 장치(22)에서 발생된 고온의 배가스의 일부가 흰 연기 제어장치(30)로 공급된 후 스택(26)으로 이동하는 것이 개시된다. 다만, 이런 기술은 다만, 이런 기술은 낮은 공기온도 사용으로 배가스 냉각방지를 위한 많은 유량 필요하고, 굴뚝 배가스의 전체 온도를 올려서 백연을 저감하는 바, 백연 저감 효율이 저하된다.
다른 예를 들어, 한국등록특허문헌 제10-2067302호는 가압유동로 시스템의 기동 방법에 관한 것으로, 백연 방지용 예열기(70)에서 배가스가 예열된 후, 배연 처리탑(80)으로 이동하는 것이 개시된다. 다만, 이런 기술은 공기예열기 사용으로 인한 차압 발생하며, 이는 소비동력증가 운영비가 상승하는 문제가 있다. 또한, 낮은 공기온도 사용으로 배가스 냉각방지를 위한 많은 유량 필요하고, 굴뚝 배가스의 전체 온도를 올려서 백연을 저감하는 바, 백연 저감 효율이 저하된다.
(특허문헌 1) 일본공개특허문헌 제2002-129984호
(특허문헌 2) 한국등록특허문헌 제10-2067302호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것이다.
구체적으로, 본 발명은 스택에서의 백연을 최적으로 저감하기 위한 기술이다. 특히, 본 발명은 HRSG 열병합 발전 설비의 차압을 증가시키지 않고, 배출되는 백연을 저감하기 위한 기술이다.
또한, 본 발명은 설비비용 및 추가 부지가 필요하지 않고 백연을 효과적으로 저감하기 위한 기술이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 배가스가 유입되는 유입 덕트(100); 상기 유입 덕트(100)를 통해 배가스가 유입되는 과열기(200); 상기 과열기(200)의 후단으로 위치되는 증발기(300); 상기 과열기(200)와 연통되고, 열교환기(410)를 포함하는 절탄기(400);및 상기 절탄기(400)의 후단으로 위치되는 스택(500);를 포함하고, 상기 스택(500)은, 상기 스택(500)의 내측면과 소정 간격 이격되어 위치되는 배가스 분리판(510)과, 상기 스택(500)의 높이 방향 말단으로 상기 스택(500)의 외측으로 위치되며 상기 배가스 분리판(510)의 외측 공간과 연통되는 연소 장치(520); 를 포함하고, 상기 연소 장치(520)는, 상기 배가스 분리판(510)의 외측 공간으로 돌출되는 가스 토출구(521), 상기 가스 토출구(521)로 가스를 유동시키는 가스 유로(522), 및 상기 가스 유로(522)가 결합되며 상기 스택(500)의 외측 둘레를 따라 형성되는 결합판(523)를 더 포함하는, 시스템을 제공한다.
일 실시예에서, 상기 배가스 분리판(510)을 통해 상기 배가스 분리판(510)의 외측 공간으로 배가스가 유동되고, 상기 가스 토출구(521)에서 가스가 공급되어 해당 배가스와 반응할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가스 유로(522)는 상기 결합판(523)의 둘레를 따라 다수개 위치되고, 상기 결합판(523)은 상기 가스 유로(522)가 결합되도록 방사상 중심이 동일한 다수의 홀이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가스 토출구(521)의 일측으로 위치되는 점화장치를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스택(500)의 일측으로 상기 스택(500)에서 배출되는 배가스의 온도를 감지하는 온도 센서;및 상기 온도 센서에서 측정된 값에 따라 상기 가스 토출구(521)로 유동되는 가스의 유량을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 다수개의 가스 유로(522) 상에 각각 위치되는 다수개의 밸브;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도 센서에서 측정되는 값에 따라 상기 다수개의 밸브의 개폐를 개별적으로 제어할 수 있다.
본 발명에 따라, 다음과 같은 효과가 달성된다.
본 발명은 스택에서의 백연을 최적으로 저감할 수 있는 구조를 포함하여, 스택의 전체 온도를 증가시키지 않고 효율적으로 백연을 저감할 수 있다.
특히, 본 발명은 HRSG 열병합 발전 설비에서 차압을 증가시키지 않고, 배출되는 백연을 저감할 수 있다,
또한, 본 발명은 설비비용 및 추가 부지가 필요하지 않고 백연을 효과적으로 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열병합 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따라 스택 출구에서 백연을 저감하기 위한 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 백연 저감 장치에 따라 백연이 저감되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따라 스택에서 배출되는 배가스의 온도 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4의 스택에서의 온도 분포를 확대한 도면이다.
몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은, 유입 덕트(100), 과열기(200), 증발기(300), 절탄기(400), 스택(500), 및 발전부(600)를 포함한다.
유입 덕트(100)는 배가스가 유입된다.
유입 덕트(100)를 통해 유입되는 배가스는 고온의 배가스이다.
이 때, 유입 덕트(100)의 크기 및 형상은 도시된 바에 제한되는 것은 아니다.
과열기(200)는 유입 덕트(100)로부터 배가스가 전달되고, 전달된 배가스를 더 고온으로 과열한다.
이 때, 과열기(200)가 전달된 배가스를 과열하는 방법은 특정한 방법에 제한되는 것은 아니다.
과열기(200)는 제1 유로(220)를 포함한다.
제1 유로(220)는 과열기(200)로부터 스팀 터빈(610)으로 연결되는 유로로서, 과열기(200)는 스팀 터빈(610)으로 과열된 증기를 공급한다.
증발기(300)는 과열기(200)의 후단으로 위치되어, 배가스의 열을 흡수하여 배가스의 온도를 저감할 수 있다.
증발기(300)는 제2 유로(310)를 포함한다.
제2 유로(310)는 증발기(300)에서 과열기(200)로 연결되는 유로로서, 증발기(300)에서 배가스의 열 흡수 후 생성된 증기를 과열기(200)로 공급하고, 과열기(200)는 이를 이용하여 스팀 터빈(610)으로 과열된 증기를 공급할 수 있다.
절탄기(400)는 배가스의 잔열을 이용하여 급수를 가열한다.
절탄기(400)는 과열기(200)와 연통된다.
절탄기(400)는 도 1에서 증발기(300)의 후단으로 위치될 수 있으나, 이에제한되는 것은 아니고, 증발기(300)의 전단으로 위치할 수 있다.절탄기(400)의 내측으로 열 교환기(410)를 포함하여, 배가스의 잔열을 흡수하여 열 교환기(410)의 내측을 유동하는 유체의 온도를 증가시킬 수 있다.
또한, 절탄기(400)는 제3 유로(420)를 더 포함하고, 제3 유로(420)는 열교환기(410)의 출구와 증발기(300)와 연결된다.
제3 유로(420)는 열교환기(410)의 출구에서 잔열을 흡수한 온수를 증발기(300)로 공급할 수 있고, 이는 증발기(300)에서 사용될 수 있다.
스택(500)은 절탄기(400)의 후단으로 위치되며, 배가스를 외부로 배출한다.
스택(500)은 배가스 분리판(510)과 연소 장치(520)를 포함한다.
배가스 분리판(510)은 스택(500)의 내측면과 소정 간격 이격되어 위치된다.
배가스 분리판(510)은 스택(500)의 내측면과 소정 간격 이격되어 위치되는 바, 배가스 분리판(510)의 외측 공간이 형성된다.
이 때, 배가스 분리판(510)의 외측 공간은 스택(500)의 내측면과 배가스 분리판(510) 사이에 형성되는 공간이다.
이 때, 배가스 분리판(510)에 고정되는 구조는 특정한 구조에 제한되는 것은 아니다.
배가스 분리판(510)은 스택(500)을 따라 상측으로 이동하는 배가스를 연소 장치(520)로 인도할 수 있다.
이 때, 배가스 분리판(510)은 통상 3~10%의 배가스를 배가스 분리판(510)의 외측 공간으로 인도할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서는, 배가스 분리판(510)을 통해 연소 장치(520)로 인도된 배가스 중 공기를 산화제로 사용하여, 후술하는 가스 토출구(521)가 분사하는 가스를 연소시킬 수 있다. 이에, 스택(500)의 배가스를 승온시킬 수 있다.
도 2에서 가스 배출구(521)에서 가스가 배출되고 스택(500)을 따라 유동하는 배가스가 배가스 분리판(510)의 외측 공간에 인도되는 것이 도시된다.
연소 장치(520)는 스택(500)의 높이 방향 말단의 외측으로 위치된다.
연소 장치(520)는 가스 토출구(521), 가스 유로(522) 및 결합판(523)를 포함한다.
가스 토출구(521)는 가스 유로(522)로부터 가스가 유동되고, 가스 유로(522)의 말단에 형성된다.
가스 토출구(521)는 배가스 분리판(510)의 외측 공간으로 돌출되도록 형성된다.
가스 유로(522)는 가스 토출구(521)로 가스를 유동시킨다.
이 때, 가스 유로(522)에서 유동되는 가스는 천연가스(LNG)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
가스 유로(522)는 결합판(523)의 둘레를 따라 다수개 위치될 수 있으며, 이에 따라 가스 토출구(521)의 개수가 다수개 형성될 수 있다.
또한, 다수의 가스 유로(522) 상에는 각각 위치되는 다수의 밸브가 위치될 수 있다.
가스 유로(522) 상에 위치되는 밸브는 후술하는 제어부의 제어에 의해 개폐가 제어될 수 있다.
결합판(523)은 스택(500)과 연결되어, 스택(500)의 상측으로 결합된다.
결합판(523)의 둘레에는 다수개의 가스 유로(522)가 결합될 수 있도록 가스 유로(522)가 결합되는 개수와 대응되도록 홀이 형성될 수 있다.
또한, 연소 장치(520)는 점화장치를 더 포함할 수 있다.
점화장치는 연소 장치(520)의 외측으로 위치되어, 가스 유로(522)에서 공급된 가스와 스택(500)을 따라 유동한 배가스에 점화가 이루어지도록 하며, 점화용 화염을 지속적으로 공급할 수 있다.
점화장치는 공기와 가스를 혼합하여 연소가스를 분산 공급하여 가스버너의 버너헤드에 설치하여 혼합가스에 점화가 이루어지도록 하고 점화용 화염을 지속적으로 공급할 수 있다.
발전부(600)는 과열기(200)와 연결되어, 전력을 생산할 수 있다.
발전부(600)는 스팀 터빈(610)과 발전기(620)를 포함한다.
스팀 터빈(610)은 발전기(620)와 연결되고 과열기(200)로부터 고온의증기를 공급받는다.
발전기(620)는 스팀 터빈(610)으로부터 공급된 스팀을 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
온도 센서는 스택(500)의 일측으로 상기 스택(500)에서 배출되는 배가스의 온도를 감지할 수 있다.
온도 센서는 스택(500)의 외측 말단으로 형성되어 배출되는 배가스의 온도를 측정할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
온도 센서는 측정한 온도 정보를 제어부로 전송한다.
제어부는 온도 센서가 측정한 온도 정보를 이용하여 연소 장치(520)를 제어할 수 있다.
제어부는 온도 센서에서 측정된 값에 따라 가스 토출구(521)로 유동되는 가스의 유량을 제어할 수 있다.
또한, 제어부는 온도 센서에서 측정되는 값에 따라 밸브의 개폐 개수를 개별적으로 제어할 수 있다.
또한, 제어부는 온도 센서로부터 측정되는 값을 이용하여 백연이 특히 많이 관측되는 겨울, 낮에 일시적으로 본 발명에 따른 연소 장치(520)를 사용하도록 제어할 수 있다.
도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 백연 저감 장치에 따라 백연이 저감되는 과정을 설명한다.
백연을 방지하기 위해서는 낮은 온도의 외기로부터 배기가스 온도를 유지시켜 높은 고도에서 확산시켜야 하며, 하며, 스택(500)의 외측의 상부 특정 높이 이상에서 이슬점에 도달하는 것이 중요하다. 해당 특정 높이는, 스택(500)의 직경 및 단면적에 따라 달라질 수 있다.
특정 높이는 CTI (Cooling Tower Institute) ATC 150 Code 를 준수하는 것을 기준으로 산정될 수 있으며, 이에 따라, 스택(500)의 직경에 따라 일정 비율 이상을 기준으로 할 수 있다.
가령, 스택(500)의 외측으로부터 상부 15m 이상에서의 높이 이상에서 이슬점에 도달하는 지를 판단할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
특히, 본 발명에서는 스택(500)의 높이 방향 말단 외측 둘레로 연소 장치(520)를 포함하고, 연소 장치(520)로부터 바이패스 유로(210)를 유동한 배가스가 분사될 수 있는 바, 외기와의 열전달에 의해 습공기(백연)가 생기는 부분에 대해 고온의 배가스를 연소시켜 온도를 상승시킬 수 있다.
배가스의 일부(3~10%)가 배가스 분리판(510)으로 이동하고 배가스의 외각으로부터 분사를 통해 배가스 주위의 열차단막을 형성 시켜 배가스가 이슬점에 도달하는 시간을 지연시킬 수 있다.
도 3를 참조하면, 스택(500)과, 스택(500)의 외측 둘레에서의 온도 분포를 설명한다.
도 3(a)는 종래의 배가스 온도 분포를 도시하며, 종래에는 배가스 온도 분포에서는 외기에 의해 배가스 냉각으로 백연이 발생한다.
도 3(b)는 본 발명에 따른 배가스 온도 분포를 도시한다. 본 발명에서는, 스택(500)의 외측 둘레에서 온도를 증가시켜 배가스가 이슬점에 도달하는 시간을 지연시킬수 있다. 이에 따라, 후술하는 바와 같이 스택(500)에서 배출되는 배가스가 부력에 의해 높이 상승할 수 있고 고, 이슬점에 도달하는 배가스의 층의 두께를 얇게 할 수 있어 백연이 확산하는 것을 방지할 수 있다.
도 4 및 도 5을 참조하여, 본 발명에 따라 스택에서 배출되는 배가스의 온도 분포를 설명한다.
이 때, 외기의 온도는 -18.7℃로 설정된다.
도 4(a)는 종래의 스택에서의 배가스 온도 분포이며, 도 4(b)는 본 발명에 따른 시스템에서 배가스의 온도 분포이다.
도 4(a)는 스택에서 배출되는 배가스가 도 4(b)에서 스택에서 배출되는 배가스보다 낮게 배출되는 것을 알 수 있다.
또한, 도 5(a)는 도 4(a)를 확대한 도면으로, 도 5(a)를 참조하면 종래의 스택에서의 배가스는, 스택에서 15m에서 측면으로 2.4m 가량의 저온 영역이 형성되는 것이 도시된다.
반면, 도 5(b)를 참조하면, 본 발명에 따른 스택(500)에서의 배가스는 동일한 높이에서 측면으로 1.2m 가량의 저온 영역이 형성되는 것이 도시된다.
이에 따라, 본 발명에 따른 시스템이 종래의 스택 대비해서 배가스가 높이가 상승하고, 배가스가 상승함에 따라 백연의 확산이 빠른 것을 알 수 있다. 본 발명의 따른 시스템에서 백연의 확산이 빠른 바 백연을 효과적으로 저감할 수 있다.
이는, 본 발명에서 연소 장치(520)를 통해 높은 온도의 배가스를 공급하여, 스택(500)에서의 배가스의 온도를 상승시키고, 상승된 높은 온도에 따라 배가스가 부력으로 상승할 수 있다.
이상, 본 명세서에는 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 본 발명의 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 유입 덕트
200: 과열기
220: 제1 유로
300: 증발기
310: 제2 유로
400: 절탄기
410: 열교환기
420: 제3 유로
500: 스택
510: 배가스 분리판
520: 연소 장치
521: 가스 토출구
522: 가스 유로
523: 결합판
600: 발전부
610: 스팀 터빈
620: 발전기

Claims (6)

  1. 배가스가 유입되는 유입 덕트(100);
    상기 유입 덕트(100)를 통해 배가스가 유입되는 과열기(200);
    상기 과열기(200)의 후단으로 위치되는 증발기(300);
    상기 과열기(200)와 연통되고, 열교환기(410)를 포함하는 절탄기(400);및
    상기 절탄기(400)의 후단으로 위치되는 스택(500);를 포함하고,
    상기 스택(500)은, 상기 스택(500)의 내측면과 소정 간격 이격되어 위치되는 배가스 분리판(510)과, 상기 스택(500)의 높이 방향 말단으로 상기 스택(500)의 외측으로 위치되며 상기 배가스 분리판(510)의 외측 공간과 연통되는 연소 장치(520); 를 포함하고,
    상기 연소 장치(520)는, 상기 배가스 분리판(510)의 외측 공간으로 돌출되는 가스 토출구(521), 상기 가스 토출구(521)로 가스를 유동시키는 가스 유로(522), 및 상기 가스 유로(522)가 결합되며 상기 스택(500)의 외측 둘레를 따라 형성되는 결합판(523)를 더 포함하는,
    시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배가스 분리판(510)을 통해 상기 배가스 분리판(510)의 외측 공간으로 배가스가 유동되고, 상기 가스 토출구(521)에서 가스가 공급되어 해당 배가스와 반응하는,
    시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 유로(522)는 상기 결합판(523)의 둘레를 따라 다수개 위치되고,
    상기 결합판(523)은 상기 가스 유로(522)가 결합되도록 방사상 중심이 동일한 다수의 홀이 형성되는,
    시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스 토출구(521)의 일측으로 위치되는 점화장치를 더 포함하는,
    시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 스택(500)의 일측으로 상기 스택(500)에서 배출되는 배가스의 온도를 감지하는 온도 센서;및
    상기 온도 센서에서 측정된 값에 따라 상기 가스 토출구(521)로 유동되는 가스의 유량을 제어하는 제어부;를 더 포함하는,
    시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 다수개의 가스 유로(522) 상에 각각 위치되는 다수개의 밸브;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 온도 센서에서 측정되는 값에 따라 상기 다수개의 밸브의 개폐를 개별적으로 제어하는,
    시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2000009308A (ja) * 1998-06-19 2000-01-14 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 水噴射式ガスタービンの排ガス白煙化防止装置
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KR101973068B1 (ko) * 2018-08-27 2019-04-26 박광시 백연 제거 장치

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