KR102437258B1

KR102437258B1 - 가압 순산소를 이용한 연소시스템

Info

Publication number: KR102437258B1
Application number: KR1020160005517A
Authority: KR
Inventors: 양원; 이은도; 이명화; 문태영; 최석천
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2016-01-15
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2022-08-30
Also published as: KR20170085858A

Abstract

본 발명은 가압 순산소를 이용한 연소시스템에 있어서: 다층으로 설치된 메인버너(21)로 미분탄, 순산소, 분무수를 부가하고, 연소를 유발하여 합성가스를 생성하는 1차챔버(20); 상기 1차챔버(20)의 합성가스를 유입하도록 인접하게 설치되고, 순산소를 부가하여 완전연소를 촉진하는 2차챔버(30); 및 상기 1차챔버(20)와 2차챔버(30)의 연소를 설정된 패턴으로 유지하는 제어수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 석탄화력 보일러 등에서 배가스 재순환을 배제하는 컴팩트한 구조를 기반으로 CO₂ 포집과 함께 발전효율을 극대화하면서도 저급 연료를 사용하는 것이 가능하여 산업상 활용성을 증대하는 효과가 있다.

Description

가압 순산소를 이용한 연소시스템{Combustion system using pressurized pure oxygen}

본 발명은 연소시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 석탄화력 보일러 등에서 CO₂ 포집과 함께 발전효율을 극대화하면서도 저급 연료를 사용하는 것이 가능한 가압 순산소를 이용한 연소시스템에 관한 것이다.

향후 신재생 에너지 또는 수소 에너지가 활성화되기 전까지 화석 연료는 가장 중요한 에너지원으로 자리잡을 것으로 예상된다. 그 중에서 석탄 자원은 현재 상황에서 가장 풍부한 화석연료이다. 다만 석탄 자원의 가장 큰 문제점은 화력발전 등에서 배출되는 이산화탄소이며, 이를 해결하기 위해서는 CO₂ 포집기술의 적용이 불가피하다. 현재의 CO₂ 포집 기술에 의하면 약 10% 가량의 발전효율 감소가 불가피하므로 발전 시스템의 전면적인 혁신이 불가피하다.

CO₂ 포집을 위한 기술로 대표적인 기술 중 하나는 순산소 연소 기술이다. 이는 기존에 공기로 연소하는 보일러에서, 공기를 산소로 대체하여 배가스 조성을 CO₂와 H₂O로 유지하면서 H₂O를 응축시켜 대량의 CO₂를 포집하기 위한 기술이다. 근래에는 공기분리에 따른 산소제조 비용이 저감되면서 화력발전을 비롯하여 다양한 분야에서 연구와 적용이 확산되고 있다.

순산소 기반의 이산화탄소 포집과 관련되는 선행기술문헌으로서 일본 공개특허공보 제2004-332972호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1368399호(선행문헌 2) 등을 참조할 수 있다.

선행문헌 1은 연소 가스로서 순산소를 사용하고, 이 산소를 일차 산소와 2차 산소로 나누어 사용하고, 일차 산소에 연료의 미분탄을 혼합하고, 이것을 연소장치 내의 연소 버너의 중심부에 선회시키는 일 없이 직접 분무하며, 2차 산소는 연소장치 내의 연소 버너의 주변부의 벽면 부근을 따라 버너의 축방향에 대해서 선회시키면서 도입한다. 이에, 배기가스 중의 일산화탄소 함유량을 줄이고 연소회분 중의 미연분 함유량을 줄이는 효과를 기대한다.

선행문헌 2는 석탄을 분쇄하여 제공하는 미분기; 제1모드 운전시 보일러 본체에서 배출된 배가스를 미리 설정된 압력으로 가압한 제1가압유체를 미분기에 제공하는 가압유체 송풍기; 제1모드 운전시 상기 보일러 본체에서 배출된 배가스에서 이산화탄소를 회수하는 이산화탄소회수설비; 및 미분기의 내부에 구비되어 가압유체를 분사하는 분사부;를 구비한다. 이에, 미분기의 가압유체에 의한 이산화탄소 포집율 저하를 억제하는 효과를 기대한다.

그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 순산소 생산 및 CO₂ 압축 과정에서 앞에서 기술한 바와 같이 상당량의 발전효율 감소가 불가피하다. 이는 고효율을 달성하거나 컴팩트한 구조를 이루는 측면에서 불리한 요소로 작용한다.

1. 일본 공개특허공보 제2004-332972호 "미분탄 연소방법" (공개일자 : 2004. 11. 25.) 2. 한국 등록특허공보 제1368399호 "미분탄 연소 보일러" (공개일자 : 2014. 1. 27.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 석탄화력 보일러 등에서 배가스 재순환을 배제하는 컴팩트한 구조를 기반으로 CO₂ 포집과 함께 발전효율을 극대화하면서도 저급 연료를 사용하는 것이 가능한 가압 순산소를 이용한 연소시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 가압 순산소를 이용한 연소시스템에 있어서: 다층으로 설치된 메인버너로 미분탄, 순산소, 분무수를 부가하고, 연소를 유발하여 합성가스를 생성하는 1차챔버; 상기 1차챔버의 합성가스를 유입하도록 인접하게 설치되고, 순산소를 부가하여 완전연소를 촉진하는 2차챔버; 및 상기 1차챔버와 2차챔버의 연소를 설정된 패턴으로 유지하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 1차챔버는 하단에 슬래그의 낙하를 유도하는 내화벽을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 변형예로서, 상기 1차챔버는 상류단에 석탄슬러리와 산소를 부가하여 연소하는 서브버너를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 2차챔버는 선회류 또는 대향류 방식으로 순산소를 공급하기 위한 순산소공급기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 2차챔버는 상류단에 순산소공급기를 지닌 가압순산소버너를 구비하고, 합성가스에 가압 순산소를 부가하여 연소하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 1차챔버 및 2차챔버는 하향류-상향류 방식 또는 상향류-하향류 방식으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단은 온도센서, 가스센서, 유량센서를 제어기에 연결하고, 챔버의 연소온도를 조절하도록 분무수와 순산소의 주입량을 변동하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 석탄화력 보일러 등에서 배가스 재순환을 배제하는 컴팩트한 구조를 기반으로 CO₂ 포집과 함께 발전효율을 극대화하면서도 저급 연료를 사용하는 것이 가능하여 산업상 활용성을 증대하는 효과가 있다.

또한, 연료, 산화제, 냉각수의 적절한 주입 배치를 통하여 노내 온도 및 열전달 분포를 보일러 튜브에 손상이 가지 않는 범위 내에서 효율적으로 제어할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연소시스템을 개략적으로 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 연소시스템의 순산소공급기를 나타내는 구성도
도 3은 도 2의 변형예에 따른 연소시스템을 개략적으로 나타내는 구성도
도 4는 본 발명에 따른 연소시스템의 제어수단을 나타내는 구성도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 가압 순산소를 이용한 연소시스템에 관하여 제안한다. 연소시스템의 적용 대상으로 보일러를 예시하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 도 1 및 도 3에서 보일러는 수관식 열교환기(10)를 지닌 구조를 예시한다.

본 발명에 따르면 1차챔버(20)가 다층으로 설치된 메인버너(21)로 미분탄, 순산소, 분무수를 부가하고, 연소를 유발하여 합성가스를 생성하는 구조를 특징으로 한다. 1차챔버(20)는 열교환기(10)의 수관벽 사이에 다수의 메인버너(21)를 일정한 간격으로 구비한다. 각층의 메인버너(21)는 할당한 열량을 생성할 정도로 미분탄, 순산소, 분무수를 동시에 공급받는다. 일예로 각각의 메인버너(21)는 기본적으로 당량비 1 미만(약 0.3~0.5)으로 운전되어 연소 시스템의 과열을 방지한다. 미분탄, 순산소, 분무수의 투입량은 각 수관벽 모듈에서 회수된 열량과 연동되어 제어가 가능하도록 결정된다.

이때, 메인버너(21)로 투입되는 연료는 대표적으로 미분탄 또는 미분탄을 물에 혼합하여 만든 석탄 슬러리를 예로 들었으나, 가스 연료 또는 유류 연료를 사용하는 것도 가능하다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 1차챔버(20)는 하단에 슬래그의 낙하를 유도하는 내화벽(24)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 최종적으로 1차챔버(20)에서 가연성 합성가스와 미연탄소분이 섞인 입자가 혼합된 가스가 생성되어 후술하는 2차챔버(30)로 유입된다. 1차챔버(20)에서 생성된 대부분의 회분은 용융되어 슬래그(slag) 형태로 배출된다. 열교환기(10)가 끝나는 하류단 이후에 내화벽(24)을 구성하면 슬래그가 벽면을 타고 흘러 슬래그배출구(28)로 배출된다.

본 발명의 변형예로서, 상기 1차챔버(20)는 상류단에 석탄슬러리와 산소를 부가하여 연소하는 서브버너(22)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 3은 도 1에서 1차챔버(20)의 상단에 서브버너(22)가 설치된 상태를 예시한다. 서브버너(22)는 1차챔버(20)의 가스흐름이 시작되는 부분에 설치되어 석탄슬러리와 순산소를 연소한다. 석탄 원료는 메인버너(21)에서 약 60% 이하로 투입되고 서브버너(22)에서 약 40% 이상으로 투입된다. 그럼에도 도 1과 도 3에서 1차챔버(20)의 연소 원리와 결과물 생성은 동일하게 진행된다.

또, 본 발명에 따르면 2차챔버(30)가 상기 1차챔버(20)의 합성가스를 유입하도록 인접하게 설치되고, 순산소를 부가하여 완전연소를 촉진하는 구조를 특징으로 한다. 1차챔버(20)의 합성가스는 합성가스배출구(26)를 통하여 2차챔버(30)로 유입된다. 2차챔버(30)는 버너와 같은 연소수단 없이 열교환기(10)의 수관으로만 구성할 수 있다. 2차챔버(30)에서 랜싱(lancing) 방식으로 부가되는 순산소가 합성가스와 혼합되면서 완전연소가 촉진된다. 이에 해당 현열을 확보하고 있는 연소가스가 열교환기(10)의 수관(튜브)을 지나면서 열을 공급한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 2차챔버(30)는 선회류 또는 대향류 방식으로 순산소를 공급하기 위한 순산소공급기(32)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 2(a)처럼 2차챔버(30)가 원형 단면 구조를 지니는 경우 중심에서 약 15~30˚ 가량 비켜가는 노즐(32a)을 통하여 순산소를 4개 위치에서 분사하여 중앙부에 선회류를 형성하는 방식으로 순산소와 합성가스의 혼합ㆍ연소를 촉진한다. 도 2(b)처럼 2차챔버(30)가 4각형의 단면 구조를 지니는 경우에는 일측과 타측에 지그재그로 배치되는 노즐(32b)을 통하여 대향류로 엇갈리게 순산소를 분사하여 순산소와 합성가스의 혼합ㆍ연소를 촉진한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 2차챔버(30)는 상류단에 순산소공급기(36)를 지닌 가압순산소버너(34)를 구비하고, 합성가스에 가압 순산소를 부가하여 연소하는 것을 특징으로 한다. 가압순산소버너(34)는 약 3~20bar 범위의 가압 상태로 순산소를 공급하도록 순산소공급기(36)를 구비한다. 기존 보일러의 산화제가 아닌 가압 순산소에 의하여 이산화탄소의 포집이 용이하다. 이렇게 하는 경우, 연소 가스의 재순환 없이도 보일러 내 과열을 막을 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 보일러에 비해 유량은 줄어들고 열전달 계수는 상승하여 보일러 시스템을 매우 컴팩트하게 구성할 수 있다.

한편, 상기 순산소공급기(32)(36)를 통한 가압 순산소 연소방식은 순산소를 연소하는 기술에 더하여 전체의 가스 스트림(gas stream)을 가압하는 시스템 기술이다. 이를 통해 시스템의 컴팩트화가 가능한 것은 물론 기존 보일러의 특성을 따르지 않는 새로운 보일러 및 환경 설비를 구현할 수 있다. 이에 기존의 순산소 연소기술에 의한 발전효율 감소를 최소화함과 동시에 연료의 다양성을 확보할 수 있다. 가압 조건에 따라 고온에서 배가스 잠열 회수가 가능하여 연료 또는 연소 시스템에 물을 추가하여도 이를 후단에서 물로 회수할 수 있어 발전 효율 감소를 상당 부분 보상할 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 1차챔버(20) 및 2차챔버(30)는 하향류-상향류 방식 또는 상향류-하향류 방식으로 연결되는 것을 특징으로 한다. 도 1 및 도 3에 의하면 연소가스가 1차챔버(20)에서 하향류로 2차챔버(30)에서 상향류로 이동한다. 도시에는 생략하나 연소가스가 1차챔버(20)에서 상향류로 2차챔버(30)에서 하향류로 이동하도록 구성할 수도 있다. 이 경우 서브버너(22), 가압순산소버너(34)의 위치는 변동되나 슬래그배출구(28)의 위치는 그대로 유지된다. 어느 경우에나 배가스 재순환을 하지 않는 컴팩트화된 보일러 시스템의 구현이 가능하다.

부연하면, 기존의 순산소 연소 보일러는 보일러의 과열을 막기 위해 약 70% 의 배가스를 다시 재순환하여 산소와 섞어 산화제로 사용한다. 이 때문에 기존 보일러와 동일한 크기에서 운전이 이루어지게 되어 컴팩트화가 되지 않고, 보일러 부식 등의 원인이 되는 황산화물의 농도가 계속하여 농축됨으로서 부식 문제가 발생하게 된다. 반면 본 발명은 배가스 재순환을 배제하여 보일러 시스템을 컴팩트화할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 제어수단(40)이 상기 1차챔버(20)와 2차챔버(30)의 연소를 설정된 패턴으로 유지하는 구조를 특징으로 한다. 제어수단(40)은 보일러 내 적절한 열매칭을 통한 과열 방지를 도모한다. 전술한 것처럼 배가스 재순환을 배제하려면, 연소시스템 내에 열교환기(10)가 적절하게 매치되어야 한다. 제어수단(40)은 보일러 내 적절한 열매칭을 유도하여 가스 온도가 지나치게 높아져 재료를 손상하는 문제를 해결한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단(40)은 온도센서(41), 가스센서(42), 유량센서(43)를 제어기(45)에 연결하고, 챔버의 연소온도를 조절하도록 분무수와 순산소의 주입량을 변동하는 것을 특징으로 한다. 온도센서(41)와 가스센서(42)는 각층의 메인버너(21)에 인접한 부분, 열교환기(10)의 수관 내부, 연소가스배출구(38) 등에 선택적으로 설치된다. 가스센서(42)는 CO, CO₂, H₂O 등을 검출하여 신호를 생성한다. 유량센서(43)는 순산소공급기(32)(36), 메인버너(21) 등에 선택적으로 설치된다. 제어기(45)는 온도센서(41), 가스센서(42), 유량센서(43)의 신호를 이용하여 연소가 얼마나 진행되는지 예측하는 동시에 각층의 메인버너(21)에 대한 순산수 주입량 등을 결정한다. 열 및 물질 정산에 의한 연산 결과는 스크린을 통하여 모니터링이 가능하다.

제어기(45)의 작동 알고리즘의 일예로서, 챔버의 온도 값이 지나치게 높다면 연소율이 예상보다 높게 나오는 경우이므로 순산소 주입량과 연동되어 해당 버너에서의 순산소 주입량을 줄이거나 분무수 양을 늘리는 형태로 출력을 발생한다. 반대의 경우에는 순산소 주입량을 늘이거나 분무수 양을 줄이는 출력을 발생한다. 이에 챔버의 온도가 지나치게 높게 올라가지 않는지 확인이 가능할 뿐만 아니라 각층 별로 적절한 열교환이 가능하게 되는 효과도 도모할 수 있다.

본 발명에 의하면 가장 핵심적인 가압 순산소 연소 보일러 개념에서 진전하여 발전 시스템 전체 공정에 대한 설계가 가능하므로 향후 석탄화력이 당면할 연료 다양성 문제, CO₂ 포집 문제, 고효율화 및 컴팩트화 문제를 동시에 해결하는 미래지향적 기술로 자리잡을 것으로 기대된다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 열교환기 20: 1차챔버
21: 메인버너 22: 서브버너
24: 내화벽 26: 합성가스배출구
28: 슬래그배출구 30: 2차챔버
32: 순산소공급기 34: 가압순산소버너
36: 순산소공급기 38: 연소가스배출구
40: 제어수단 41: 온도센서
42: 가스센서 43: 유량센서
45: 제어기

Claims

가압 순산소를 이용한 연소시스템에 있어서:
다층으로 설치된 메인버너(21)로 미분탄, 순산소, 분무수를 부가하고, 연소를 유발하여 합성가스를 생성하는 1차챔버(20);
상기 1차챔버(20)의 합성가스를 유입하도록 인접하게 설치되고, 순산소를 부가하여 완전연소를 촉진하는 2차챔버(30); 및
상기 1차챔버(20)와 2차챔버(30)의 연소를 설정된 패턴으로 유지하는 제어수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가압 순산소를 이용한 연소시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 1차챔버(20)는 하단에 슬래그의 낙하를 유도하는 내화벽(24)을 구비하는 것을 특징으로 하는 가압 순산소를 이용한 연소시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 1차챔버(20)는 상류단에 석탄슬러리와 산소를 부가하여 연소하는 서브버너(22)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 가압 순산소를 이용한 연소시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 2차챔버(30)는 선회류 또는 대향류 방식으로 순산소를 공급하기 위한 순산소공급기(32)를 구비하는 것을 특징으로 하는 가압 순산소를 이용한 연소시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 2차챔버(30)는 상류단에 순산소공급기(36)를 지닌 가압순산소버너(34)를 구비하고, 합성가스에 가압 순산소를 부가하여 연소하는 것을 특징으로 하는 가압 순산소를 이용한 연소시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 1차챔버(20) 및 2차챔버(30)는 하향류-상향류 방식 또는 상향류-하향류 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 가압 순산소를 이용한 연소시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제어수단(40)은 온도센서(41), 가스센서(42), 유량센서(43)를 제어기(45)에 연결하고, 챔버의 연소온도를 조절하도록 분무수와 순산소의 주입량을 변동하는 것을 특징으로 하는 가압 순산소를 이용한 연소시스템.