KR102519980B1 - 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템 및 그 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주입된 공기와 반응하여 산소전달입자가 산화되는 공기반응기; 상기 공기반응기의 배출부를 통해 배출된 기체와, 산화된 산소전달입자가 유입되어, 상기 산화된 산소전달입자를 분리하여 고체배출부를 통해 배출시키는 공기반응기 사이클론; 상기 산화된 산소전달입자가 공급되고, 공급된 연료가 반응되어 상기 산화된 산소전달입자가 환원되며, 환원된 산소전달입자를 상기 공기반응기로 공급하는 연료반응기; 상기 연료반응기 상부측의 배출부를 통해 배출된 기체와, 비산된 산소전달입자가 유입되어, 상기 비산된 산소전달입자를 분리하여 상기 연료반응기로 재유입시키는 연료반응기 사이클론; 상기 연료반응기에서 반응된 산소전달입자 일부를 냉각매체를 통해 냉각시키는 외부 유동층 열교환기; 및 상기 연료반응기의 토출부와 상기 외부 유동층 열교환기 사이에 구비되어, 상기 연료반응기의 배출부에서 배출된 산소전달입자 일부를 상기 외부 유동층 열교환기로 유입시키는 열교환기 유입부과, 나머지를 상기 공기반응기의 고체유입부 측으로 유입시키는 재순환부를 갖는 양방향루프실;을 포함하고, 상기 외부 유동층 열교환기로 유입된 산소전달입자는 냉각된 후, 상기 재순환부에 합류되어 상기 공기반응기로 공급되는 것을 특징으로 하는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템에 관한 것이다. 또한, 공기반응기 사이클론의 기체배출부에서 배출되는 기체 일부를 외부 유동층 열교환기의 유동화기체로 사용하여 기체 흐름에서 산소를 제거하여 질소를 생산할 수 있으며 연료반응기 사이클론의 기체배출부에서 배출되는 기체 일부를 외부 유동층 열교환기의 유동화기체로 사용하여 배출되는 기체의 미반응연료를 소모시켜 미반응 연료가 배출되지 않도록 제어할 수 있는 매체순환연소시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
탄소중립을 위한 정부의 계획과 LNG 발전 확대 정책 등에 의해 온실가스 감축이 가능한 LNG 발전의 수요가 증가하고 있으며 이러한 수요에 대응하고 CO2 감축비용을 저감할 수 있는 차세대 LNG 발전기술로 매체순환연소 기술에 대한 연구개발이 진행되고 있다.
매체순환연소 기술은 연소 과정에서 발생하는 CO2를 별도의 분리설비 없이 원천적으로 분리할 수 있는 기술로서, 도 1은 매체순환연소 시스템의 개념도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 산소를 주고받을 수 있는 금속산화물(metal oxides)을 산소전달매체로 사용하여 한 쪽 반응기(공기반응기, air reactor)에서는 산소전달입자(oxygen carrier particle)가 공기에 포함된 산소를 흡수하여 금속산화물을 형성하고, 다른 쪽 반응기(연료반응기, fuel reactor)로 이송되어 연료와 반응하면서 산소를 내어주고 금속 형태로 환원된 후 다시 공기반응기로 재순환되어 산화되면서 공기반응기에 주입된 공기 중의 산소를 연료반응기로 전달하는 역할을 한다.
공기반응기에서는 식(1)과 같이 금속 입자(M)가 공기 중의 산소와 반응하여 금속산화물(MO)을 형성하며, 주입되는 기체는 공기, 배출되는 기체는 산소가 소모된 공기이다.
공기반응기(산화반응):
2MxOy-1+ O2 → 2MxOy (1)
한편 연료반응기에서는 식(2)와 같이 금속산화물(MO)과 기체연료(CH4, H2, CO, CnH2m)가 접촉하면서 산소전달입자에 포함된 산소가 연료와 반응하게 되며 금속산화물(MO)은 금속(M)으로 환원되고 기체연료는 산소전달입자에서 받은 산소와 반응하여 CO2와 H2O 만을 발생시킨다.
연료반응기(환원반응):
(2n+m)MxOy + CnH2m → (2n+m)MxOy-1 + mH2O + nCO2 (2)
결과적으로 연료반응기에 주입되는 기체는 연료이며, 배출되는 기체는 CO2와 H2O 뿐이므로 H2O를 응축하여 제거하면 별도의 CO2 포집설비 없이도 고농도의 CO2를 원천적으로 분리할 수 있다. 또한 공기반응기에서 일어나는 산소전달입자의 산화반응은 기체-고체 반응이며 화염이 없는 조건에서 일어나므로 thermal-NOx의 발생을 최소화할 수 있다.
이러한 장점으로 인해 매체순환연소 시스템을 석탄, 합성가스, 메탄, LNG 등의 연료에 적용하는 연구들이 진행되고 있으며, 천연가스복합발전(NGCC, Natural Gas Combined Cycle) 시스템에 적용하기 위해 스팀터빈과 가스터빈을 함께 구동할 수 있는 고압 케미컬루핑 연소시스템을 개발하기 위한 연구도 진행된 바 있다.
매체순환연소 시스템을 LNG 연소-발전 시스템에 적용하는 것을 고려하면, LNG의 주성분인 CH4를 연료로 고려하고, 산소전달입자의 주성분으로 NiO계 입자를 사용하는 경우, 식(1)의 산화반응과 식(2)의 환원반응은 각각 식(3) 및 식(4)와 같은 반응식으로 표시할 수 있으며, 공기반응기에서 일어나는 산화반응은 발열반응인 반면, 연료반응기에서 일어나는 환원반응은 흡열반응이다.
공기반응기(산화반응): 발열반응
2Ni + O2 → 2NiO (ΔH=-481.16 kJ/mol) (3)
연료반응기(환원반응): 흡열반응
CH4 + 4NiO → 4Ni + CO2 + 2H2O (ΔH=160.01 kJ/mol) (4)
한편, 일반적인 산소에 의한 CH4의 연소반응은 식(5)와 같으며, 식(3)×2+식(4)와 같아지게 된다.
CH4의 연소반응 : 발열반응
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (ΔH=-802.31 kJ/mol) (5)
결과적으로 매체순환연소 시스템의 산화반응을 통한 발열량과 환원반응을 통한 흡열량을 함께 고려하면 CH4의 연소반응에 의한 발열량과 같아지게 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료반응기와 공기반응기 사이에 양방향루프실과 외부 유동층 열교환기를 설치하여, 외부 유동층 열교환기로 유입되는 산소전달입자의 유량을 조절하여 전체 시스템의 열추출량을 제어할 수 있는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 양방향루프실을 통해 외부 유동층 열교환기로 유입되는 산소전달입자에 대하여 공기 또는 연료와 반응시켜 전체 시스템의 성능과 경제성을 향상시킬 수 있는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 공기반응기 사이클론의 기체배출부에서 배출되는 기체 일부를 외부 유동층 열교환기의 유동화기체로 사용하여 기체 흐름에서 산소를 제거할 수 있으며, 연료반응기 사이클론의 기체배출부에서 배출되는 기체 일부를 외부 유동층 열교환기의 유동화기체로 사용하여 배출되는 기체의 미반응연료를 소모시켜 미반응 연료가 배출되지 않도록 제어할 수 있는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은 주입된 공기와 반응하여 산소전달입자가 산화되는 공기반응기; 상기 공기반응기의 배출부를 통해 배출된 기체와, 산화된 산소전달입자가 유입되어, 상기 산화된 산소전달입자를 분리하여 고체배출부를 통해 배출시키는 공기반응기 사이클론; 상기 산화된 산소전달입자가 공급되고, 공급된 연료가 반응되어 상기 산화된 산소전달입자가 환원되며, 환원된 산소전달입자를 상기 공기반응기로 공급하는 연료반응기; 상기 연료반응기 상부측의 배출부를 통해 배출된 기체와, 비산된 산소전달입자가 유입되어, 상기 비산된 산소전달입자를 분리하여 상기 연료반응기로 재유입시키는 연료반응기 사이클론; 상기 연료반응기에서 반응된 산소전달입자 일부를 냉각매체를 통해 냉각시키는 외부 유동층 열교환기; 및 상기 연료반응기의 토출부와 상기 외부 유동층 열교환기 사이에 구비되어, 상기 연료반응기의 토출부에서 배출된 산소전달입자 일부를 상기 외부 유동층 열교환기로 유입시키는 열교환기 유입부과, 나머지를 상기 공기반응기의 유입부 측으로 유입시키는 재순환부를 갖는 양방향루프실;을 포함하고, 상기 외부 유동층 열교환기로 유입된 산소전달입자는 냉각된 후, 상기 재순환부에 합류되어 상기 공기반응기로 공급되는 것을 특징으로 하는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 양방향루프실의 열교환기 유입부 측으로 공급되는 산소전달입자의 유량을 조절, 또는 상기 외부 유동층 열교환기에 공급되는 냉각매체의 유량을 조절하여, 상기 매체순환연소시스템의 열추출량을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 산소전달입자의 유량은, 상기 양방향루프실에 공급되는 유동화기체의 유량 또는 상기 재순환부와 상기 열교환기 유입부 중 적어도 하나에 구비된 유량조절부를 통해 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 공기반응기 사이클론의 기체배출부를 통해 배출되는 기체를 상기 외부 유동층 열교환기의 유동화기체로 주입시키는 제1바이패스관; 및 상기 외부 유동층 열교환기의 기체배출부 일단에 분기되어 상기 외부 유동층 열교환기를 통해 배출된 기체를 상기 제1바이패스관 측에 공급시키는 제2바이패스관;을 포함하고, 상기 제1바이패스관을 통해 상기 외부 유동층 열교환기로 주입된 기체 중 산소에 의해 상기 산소전달입자가 산화되어 상기 산소가 소모되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제1바이패스관 일측에 구비되어 상기 제1바이패스관을 통해 상기 외부 유동층 열교환기로 유입되는 기체의 유량을 조절하는 제1조절부와, 상기 제2바이패스관 일측에 구비되어, 상기 제2바이패스관을 통해 상기 제1바이패스관으로 유입되는 기체의 유량을 조절하는 제2조절부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 연료반응기 사이클론의 기체배출부를 통해 배출되는 기체를 상기 외부 유동층 열교환기의 유동화기체로 주입시키는 제3바이패스관; 및 상기 외부 유동층 열교환기의 기체배출부 일단에 분기되어 상기 외부 유동층 열교환기를 통해 배출된 기체를 상기 제3바이패스관 측에 공급시키는 제2바이패스관;을 포함하고, 상기 제3바이패스관을 통해 상기 외부 유동층 열교환기로 주입된 기체 중 미반응 연료에 의해 상기 산소전달입자가 환원되어 상기 미반응 연료가 소모되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제3바이패스관 일측에 구비되어 상기 제3바이패스관을 통해 상기 외부 유동층 열교환기로 유입되는 기체의 유량을 조절하는 제3조절부와, 상기 제2바이패스관 일측에 구비되어, 상기 제2바이패스관을 통해 상기 제3바이패스관으로 유입되는 기체의 유량을 조절하는 제2조절부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, 앞서 언급한 제1목적에 따른 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템의 제어방법에 있어서, 산소전달입자가 공급된 공기에 의해 공기반응기 내에서 산화되어 배출되고, 공기반응기 사이클론에 의해 분리되어 연료반응기 내로 공급되는 단계; 산화된 산소전달입자가 공급된 연료에 의해 상기 연료반응기 내에서 환원되는 단계; 상기 연료반응기 내의 산소전달입자가 토출부를 통해 양방향루프실로 공급되어 일부가 열교환기 유입부를 통해 외부 유동층 열교환기로 유입되어 냉각되는 단계; 및 상기 외부 유동층 열교환기에 의해 냉각된 산소전달입자와, 상기 양방향루프실의 재순환부에서 배출된 산소전달입자가 합류되어 상기 공기반응기로 유입되어 순환되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템의 제어방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 공기반응기 사이클론의 기체배출부를 통해 배출되는 기체를 상기 외부 유동층 열교환기의 유동화기체로 주입시키는 제1바이패스관; 및 상기 외부 유동층 열교환기의 기체배출부 일단에 분기되어 상기 외부 유동층 열교환기를 통해 배출된 기체를 상기 제1바이패스관 측에 공급시키는 제2바이패스관;을 포함하고, 상기 제1바이패스관을 통해 상기 외부 유동층 열교환기로 주입된 기체 중 산소에 의해 상기 산소전달입자가 산화되어 상기 산소가 소모되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제1바이패스관 일측에 구비된 제1조절부에 의해 상기 제1바이패스관을 통해 상기 외부 유동층 열교환기로 유입되는 기체의 유량이 조절되는 단계와, 상기 제2바이패스관 일측에 구비된 제2조절부에 의해 상기 제2바이패스관을 통해 상기 제1바이패스관으로 유입되는 기체의 유량이 조절되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 연료반응기 사이클론의 기체배출부를 통해 배출되는 기체를 상기 외부 유동층 열교환기의 유동화기체로 주입시키는 제3바이패스관; 및 상기 외부 유동층 열교환기의 기체배출부 일단에 분기되어 상기 외부 유동층 열교환기를 통해 배출된 기체를 상기 제3바이패스관 측에 공급시키는 제2바이패스관;을 포함하고, 상기 제3바이패스관을 통해 상기 외부 유동층 열교환기로 주입된 기체 중 미반응 연료에 의해 상기 산소전달입자가 환원되어 상기 미반응 연료가 소모되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제3바이패스관 일측에 구비된 제3조절부에 의해, 상기 제3바이패스관을 통해 상기 외부 유동층 열교환기로 유입되는 기체의 유량이 조절되는 단계와, 상기 제2바이패스관 일측에 구비된 제2조절부에 의해 상기 제2바이패스관을 통해 상기 제3바이패스관으로 유입되는 기체의 유량이 조절되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템 및 그 제어방법에 따르면, 연료반응기와 공기반응기 사이에 양방향루프실과 외부 유동층 열교환기를 설치하여, 외부 유동층 열교환기로 유입되는 산소전달입자의 유량을 조절하여 전체 시스템의 열추출량을 제어할 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템 및 그 제어방법에 따르면, 양방향루프실을 통해 외부 유동층 열교환기로 유입되는 산소전달입자에 대하여 공기 또는 연료와 반응시켜 전체 시스템의 성능과 경제성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템 및 그 제어방법에 따르면, 공기반응기 사이클론의 기체배출부에서 배출되는 기체 일부를 외부 유동층 열교환기의 유동화기체로 사용하여 기체 흐름에서 산소를 제거하여 질소를 생산할 수 있으며, 연료반응기 사이클론의 기체배출부에서 배출되는 기체 일부를 외부 유동층 열교환기의 유동화기체로 사용하여 배출되는 기체의 미반응연료를 소모시켜 미반응 연료가 배출되지 않도록 제어할 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 매체순환연소 시스템의 개념도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 외부 유동층 열교환기를 사용하는 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질소생산이 가능한 외부 유동층 열교환기를 사용하는 시스템의 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 미반응 연료 배출량 감축이 가능한 외부 유동층 열교환기를 사용하는 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 1은 매체순환연소 시스템의 개념도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 외부 유동층 열교환기를 사용하는 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질소생산이 가능한 외부 유동층 열교환기를 사용하는 시스템의 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 미반응 연료 배출량 감축이 가능한 외부 유동층 열교환기를 사용하는 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 외부 유동층 열교환기를 사용하는 시스템의 구성, 기능 및 그 제어방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 외부 유동층 열교환기를 사용하는 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
전체 공정은 공기반응기(air reactor)(10), 공기반응기 사이클론(air reactor cyclone)(20), 연료반응기(fuel reactor)(30), 연료반응기 사이클론(fuel reactor cyclone)(40), 양방향루프실(two-way loop seal)(50), 외부 유동층 열교환기(external fluidized bed heat exchanger)(60) 등으로 구성된다.
공기반응기(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 공기주입부(11), 공기반응기 유입부(12), 배출부(13)를 포함하며, 공기반응기(10)에서 일어나는 산소전달입자의 산화반응이 연료반응기(30)에서 일어나는 산소전달입자의 환원반응에 비해 매우 빠르기 때문에 공기반응기는 유속이 높은 고속유동층 형태를 주로 사용하며, 연료반응기(30)는 주입된 연료가 충분히 반응하여 대부분의 연료기체가 CO2와 H2O로 전환될 수 있는 반응시간을 확보하기 위해 기체유속이 낮고 기체-고체 접촉시간을 증가시킬 수 있는 기포유동층 형태가 주로 사용된다.
공기반응기(10) 하부의 공기주입부(11)에서는 공기가 주입되며, 산소전달입자는 공기 중의 산소와 반응한 후 고속으로 주입되는 공기(산소가 일부 소모된)에 의해 상부로 이동하여 배출부(13)를 통해 공기반응기 사이클론(20)으로 유입되고, 공기반응기 사이클론(20)에서 입자는 포집되어 공기반응기 사이클론 고체배출부(21)를 통해 연료반응기(30)의 연료반응기 고체유입부(32)로 이동되고(S1), 기체는 기체배출부(22)를 통해 공기반응기 사이클론(20) 상부로 배출된다(G1).
공기반응기 사이클론(20)에서 배출되는 기체(G1)는 공기반응기(10) 하부에서 주입된 공기에서 산소가 일부 소모된 기체가 배출되게 된다.
연료반응기(30)에서 산소전달입자는 연료와 반응하여 환원된 후 토출부(34)를 통해 양방향루프실(50)로 이동한다(S2). 연료반응기(30)에서 비산된 입자는 연료반응기 사이클론(40)에서 포집되어 고체배출부(41)를 통해 연료반응기(30)로 재순환되고, 기체(G2)는 연료반응기 사이클론 기체배출부(42)를 통해 상부로 배출된다.
연료반응기 사이클론(40) 상부에서 배출되는 기체(G2)는 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O)가 대부분이므로 수증기를 응축하여 제거하면 고농도의 이산화탄소를 별도의 분리설비 없이도 원천적으로 분리할 수 있다.
한편, 공기반응기 사이클론(20) 상부의 기체배출부(22)를 통해 배출되는 기체(G1)와 연료반응기 사이클론(40) 상부의 기체배출부(42) 배출되는 기체(G2)의 온도가 높으므로 전체 시스템의 열효율 증대를 위해 배출되는 기체들로부터 열을 추출할 수 있는 별도의 열교환기가 설치될 수 있다(미도시).
앞서 언급한, 식(3)과 식(4)에 표시한 바와 같이 공기반응기(10)에서 일어나는 산화반응은 발열반응이고, 연료반응기(30)에서 일어나는 환원반응은 흡열반응이지만 전체 반응은 발열반응이므로 발생되는 열을 추출하지 않으면 전체 시스템이 과열될 수 있으며, 전체 시스템에서 추출할 수 있는 열을 이용하여 스팀을 생산하고 스팀터빈을 구동하여 전력을 생산할 수 있다.
매체순환연소 시스템에서 발생하는 열을 추출하기 위해서는 시스템에 열교환기를 설치하는 것이 일반적이며, 열교환기는 반응열이 발생하는 공기반응기 내부에 설치하는 방법과 별도의 외부 유동층 열교환기(60)를 설치하여 공기반응기(10)로 고체입자가 재순환되기 전에 열추출을 통해 산소전달입자를 냉각하는 방법을 고려할 수 있다.
공기반응기(10) 내부에 열교환기를 설치하는 경우에는 공기반응기의 예열과정에서도 열교환기 자체의 과열을 방지하기 위해 열교환 유체를 순환시켜야 하는 단점이 있고 이로 인해 예열속도가 낮은 단점도 있으므로 도 2에 도시된 바와 같이 외부 유동층 열교환기(60)를 설치하는 방법을 사용할 수 있다.
도 2에 도시된 나타난 바와 같이 연료반응기(30)의 토출부(34)를 통해 배출된 산소전달입자(S2)는 양방향루프실(two-way loop seal, 50)에 의해 일부 입자는 재순환부(51)를 통해 외부 유동층 열교환기(60)를 거치지 않고 재순환(S3)되며 일부 입자는 열교환기 유입부(52)를 통해 외부 유동층 열교환기(60)에 도입(S4)되어 열추출을 통해 냉각된 후 열교환기 토출부(62)를 통해 배출되어(S5) 외부 유동층 열교환기(60)를 거치지 않은 흐름(S3)과 혼합되어 공기반응기 유입부(12)를 통해 공기반응기(10)로 재순환된다(S6).
즉, 외부 유동층 열교환기(60)를 이용하여 공기반응기(10)의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 재순환되는 고체흐름(S6)의 온도를 냉각시킬 수 있으며, S3와 S4로 흐르는 고체순환량의 제어를 통해 전체 시스템의 온도를 제어할 수 있다. S3, S4, S5, S6 흐름의 온도를 비교하면 S3 및 S4 흐름의 온도가 가장 높으며, S6, S5의 순으로 감소하게 된다(S3=S4 > S6 > S5).
S3와 S4로의 고체순환량은 양방향루프실(50) 하부로 주입되는 유동화기체(도시하지 않음)의 유량 제어를 통해 변경시킬 수 있으며, 기계적 밸브(도시하지 않음)를 추가하여 제어할 수도 있다.
한편, 외부 유동층 열교환기(60)의 경우 유동화기체로 공기를 사용하며 연료반응기(30)에서 연료와의 환원반응을 마친 입자가 양방향루프실(50) 및 외부 유동층 열교환기(60)로 주입되므로 외부 유동층 열교환기(60)로 주입되는 공기에 의해 추가적인 산화반응이 일어날 수 있다.
또한, 전체 시스템의 열추출량은 S3, S4와 같은 고체흐름량 제어와 함께 외부 유동층 열교환기(60)로 주입되는 열전달유체(물, 스팀, 기타 전열매체)의 유량을 변화시키는 방법에 의해서도 제어할 수 있다.
그리고, 외부 유동층 열교환기(60)로 주입되는 고체흐름(S4)은 열을 전달하는 역할과 함께 공기 또는 연료와 반응할 수 있는 반응성을 갖고 있으므로 이를 이용하여 전체 시스템의 성능과 경제성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질소생산이 가능한 외부 유동층 열교환기를 사용하는 시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다.
일반적으로 공기반응기(10)에서 산소전달입자의 산화반응이 원활하게 진행되도록 하기 위해 필요로 하는 공기량에 비해 과잉의 공기(excess air)를 주입해야 하므로 공기반응기 사이클론(20) 상부로 배출되는 기체(G1)에는 질소와 산소(주입되는 공기에 비해 낮은 농도)가 포함되어 있다. 이와 같이 배출되는 기체흐름에서 산소를 제거하는 방법으로 본 발명의 실시예에서는 공기반응기(10)에서 배출되는 기체(G1)를 외부 유동층 열교환기(60)의 유동화기체로 다시 주입하는 방법이 사용될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 같이 공기반응기 사이클론(20) 상부 기체배출부(22) 배출되는 기체(G1)의 전부 또는 일부를 제1바이패스관(23)을 통해 재순환시켜(G3) 외부 유동층 열교환기(60)에 주입하여 산소전달입자와의 산화반응에 의해 산소를 추가적으로 소모시킬 수 있으며, 산소가 완전히 소모되지 않는 경우에는 외부 유동층 열교환기(60)에서 배출되는 기체의 전부 또는 일부를 제2바이패스관(64)을 통해 다시 순환시키는(G4) 방법을 통해 산소를 완전히 소모시켜 질소를 생산할 수 있다.
즉, 공기반응기 사이클론(20)의 기체배출부(22)를 통해 배출되는 기체를 외부 유동층 열교환기(60)의 유동화기체로 주입시키는 제1바이패스관(23), 그리고 외부 유동층 열교환기(60)의 배출부(63) 일단에 분기되어 외부 유동층 열교환기(60)를 통해 배출된 기체를 제1바이패스관(23) 측에 공급시키는 제2바이패스관(64)을 포함하여 구성될 수 있다. 따라서 제1바이패스관(23)을 통해 외부 유동층 열교환기(60)로 주입된 기체 중 산소에 의해 산소전달입자가 산화되어 소모될 수 있다.
또한 제1바이패스관(23) 일측에 제1조절부를 구비하여, 제1바이패스관(23)을 통해 외부 유동층 열교환기(60)로 유입되는 기체의 유량을 조절할 수 있으며, 제2바이패스관(64) 일측에 제2조절부를 구비하여, 제2바이패스관(64)을 통해 제1바이패스관(23)으로 유입되는 기체의 유량을 조절할 수 있다.
그리고, 연료반응기(30)에서 충분한 환원반응이 일어나지 않을 경우, 배출되는 기체에 미반응 연료가 포함될 수 있으며 이 경우 후연소설비 등을 추가하여 미반응 연료가 배출되지 않도록 해야 한다. 또한, CH4의 경우 CO2에 비해 지구온난화 지수(GWP, Global Warming Potential)가 높으며(CO2 : 1, CH4 : 21∼28) 대기로 배출되는 경우 CO2에 비해 더 많은 온실효과를 유발할 수 있으므로 지구온난화를 방지하기 위해서는 미반응 연료가 배출되지 않도록 해야 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 미반응 연료 배출량 감축이 가능한 외부 유동층 열교환기를 사용하는 시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다.
미반응 연료가 대기로 배출되는 것을 방지하기 위한 방법으로 본 발명의 실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같이 연료반응기 사이클론(40) 상부의 기체배출부(42)에서 배출되는 기체(G2)의 전부 또는 일부를 제3바이패스관(43)을 통해 재순환시켜(G5) 외부 유동층 열교환기(60)에 주입하여 산소전달입자와의 환원반응에 의해 미반응 연료를 추가적으로 소모시킬 수 있으며, 연료가 완전히 반응하지 않은 경우에는 외부 유동층 열교환기(60)에서 배출되는 기체의 전부 또는 일부를 제2바이패스관(64)을 통해 다시 순환시키는(G6) 방법을 통해 미반응 연료를 완전히 반응시켜 제거할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 연료반응기 사이클론(40)의 기체배출부(42)를 통해 배출되는 기체를 외부 유동층 열교환기(60)의 유동화기체로 주입시키는 제3바이패스관(43), 그리고 외부 유동층 열교환기(60)의 배출부(63) 일단에 분기되어 외부 유동층 열교환기(60)를 통해 배출된 기체를 제3바이패스관(43) 측에 공급시키는 제2바이패스관(64)을 포함하여 구성될 수 있다. 따라서 제3바이패스관(43)을 통해 외부 유동층 열교환기(60)로 주입된 기체 중 미반응 연료에 의해 산소전달입자가 환원되어 미반응 연료가 소모될 수 있다.
또한 제3바이패스관(43) 일측에 제3조절부가 구비되어, 제3바이패스관(43)을 통해 외부 유동층 열교환기(60)로 유입되는 기체의 유량을 조절할 수 있으며, 제2바이패스관(64) 일측에 제2조절부가 구비되어, 제2바이패스관(64)을 통해 제3바이패스관(43)으로 유입되는 기체의 유량을 조절할 수 있다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
10:공기반응기
11:공기주입부
12:공기반응기 유입부
13:공기반응기 배출부
20:공기반응기 사이클론
21:공기반응기 사이클론 고체배출부
22:공기반응기 사이클론 기체배출부
23:제1바이패스관
30:연료반응기
31:연료유입부
32:연료반응기 고체유입부
33:연료반응기 배출부
34:연료반응기 토출부
40:연료반응기 사이클론
41:연료반응기 사이클론 고체배출부
42:연료반응기 사이클론 기체배출부
43:제3바이패스관
50:양방향루프실
51:재순환부
52:열교환기 유입부
60:외부 유동층 열교환기
62:열교환기 토출부
63:열교환기 배출부
64:제2바이패스관
100:외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템
11:공기주입부
12:공기반응기 유입부
13:공기반응기 배출부
20:공기반응기 사이클론
21:공기반응기 사이클론 고체배출부
22:공기반응기 사이클론 기체배출부
23:제1바이패스관
30:연료반응기
31:연료유입부
32:연료반응기 고체유입부
33:연료반응기 배출부
34:연료반응기 토출부
40:연료반응기 사이클론
41:연료반응기 사이클론 고체배출부
42:연료반응기 사이클론 기체배출부
43:제3바이패스관
50:양방향루프실
51:재순환부
52:열교환기 유입부
60:외부 유동층 열교환기
62:열교환기 토출부
63:열교환기 배출부
64:제2바이패스관
100:외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템
Claims (12)
- 주입된 공기와 반응하여 산소전달입자가 산화되는 공기반응기;
상기 공기반응기의 배출부를 통해 배출된 기체와, 산화된 산소전달입자가 유입되어, 상기 산화된 산소전달입자를 분리하여 고체배출부를 통해 배출시키는 공기반응기 사이클론;
상기 산화된 산소전달입자가 공급되고, 공급된 연료가 반응되어 상기 산화된 산소전달입자가 환원되며, 환원된 산소전달입자를 상기 공기반응기로 공급하는 연료반응기;
상기 연료반응기 상부측의 배출부를 통해 배출된 기체와, 비산된 산소전달입자가 유입되어, 상기 비산된 산소전달입자를 분리하여 상기 연료반응기로 재유입시키는 연료반응기 사이클론;
상기 연료반응기에서 반응된 산소전달입자 일부를 냉각매체를 통해 냉각시키는 외부 유동층 열교환기; 및
상기 연료반응기의 토출부와 상기 외부 유동층 열교환기 사이에 구비되어, 상기 연료반응기의 토출부에서 배출된 산소전달입자 일부를 상기 외부 유동층 열교환기로 유입시키는 열교환기 유입부과, 나머지를 상기 공기반응기의 유입부 측으로 유입시키는 재순환부를 갖는 양방향루프실;을 포함하고,
상기 외부 유동층 열교환기로 유입된 산소전달입자는 냉각된 후, 상기 재순환부에 합류되어 상기 공기반응기로 공급되는 것을 특징으로 하는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 양방향루프실의 열교환기 유입부 측으로 공급되는 산소전달입자의 유량을 조절, 또는 상기 외부 유동층 열교환기에 공급되는 냉각매체의 유량을 조절하여, 상기 매체순환연소시스템의 열추출량을 제어하는 것을 특징으로 하는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템.
- 제 2항에 있어서,
상기 산소전달입자의 유량은, 상기 양방향루프실에 공급되는 유동화기체의 유량 또는 상기 재순환부와 상기 열교환기 유입부 중 적어도 하나에 구비된 유량조절부를 통해 제어되는 것을 특징으로 하는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 공기반응기 사이클론의 기체배출부를 통해 배출되는 기체를 상기 외부 유동층 열교환기의 유동화기체로 주입시키는 제1바이패스관; 및 상기 외부 유동층 열교환기의 기체배출부 일단에 분기되어 상기 외부 유동층 열교환기를 통해 배출된 기체를 상기 제1바이패스관 측에 공급시키는 제2바이패스관;을 포함하고,
상기 제1바이패스관을 통해 상기 외부 유동층 열교환기로 주입된 기체 중 산소에 의해 상기 산소전달입자가 산화되어 상기 산소가 소모되는 것을 특징으로 하는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템.
- 제 4항에 있어서,
상기 제1바이패스관 일측에 구비되어 상기 제1바이패스관을 통해 상기 외부 유동층 열교환기로 유입되는 기체의 유량을 조절하는 제1조절부와, 상기 제2바이패스관 일측에 구비되어, 상기 제2바이패스관을 통해 상기 제1바이패스관으로 유입되는 기체의 유량을 조절하는 제2조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 연료반응기 사이클론의 기체배출부를 통해 배출되는 기체를 상기 외부 유동층 열교환기의 유동화기체로 주입시키는 제3바이패스관; 및 상기 외부 유동층 열교환기의 기체배출부 일단에 분기되어 상기 외부 유동층 열교환기를 통해 배출된 기체를 상기 제3바이패스관 측에 공급시키는 제2바이패스관;을 포함하고,
상기 제3바이패스관을 통해 상기 외부 유동층 열교환기로 주입된 기체 중 미반응 연료에 의해 상기 산소전달입자가 환원되어 상기 미반응 연료가 소모되는 것을 특징으로 하는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템.
- 제 6항에 있어서,
상기 제3바이패스관 일측에 구비되어 상기 제3바이패스관을 통해 상기 외부 유동층 열교환기로 유입되는 기체의 유량을 조절하는 제3조절부와, 상기 제2바이패스관 일측에 구비되어, 상기 제2바이패스관을 통해 상기 제3바이패스관으로 유입되는 기체의 유량을 조절하는 제2조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템.
- 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템의 제어방법에 있어서,
산소전달입자가 공급된 공기에 의해 공기반응기 내에서 산화되어 배출되고, 공기반응기 사이클론에 의해 분리되어 연료반응기 내로 공급되는 단계;
산화된 산소전달입자가 공급된 연료에 의해 상기 연료반응기 내에서 환원되는 단계;
상기 연료반응기 내의 산소전달입자가 토출부를 통해 양방향루프실로 공급되어 일부가 열교환기 유입부를 통해 외부 유동층 열교환기로 유입되어 냉각되는 단계; 및
상기 외부 유동층 열교환기에 의해 냉각된 산소전달입자와, 상기 양방향루프실의 재순환부에서 배출된 산소전달입자가 합류되어 상기 공기반응기로 유입되어 순환되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템의 제어방법.
- ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 8항에 있어서,
상기 공기반응기 사이클론의 기체배출부를 통해 배출되는 기체를 상기 외부 유동층 열교환기의 유동화기체로 주입시키는 제1바이패스관; 및 상기 외부 유동층 열교환기의 기체배출부 일단에 분기되어 상기 외부 유동층 열교환기를 통해 배출된 기체를 상기 제1바이패스관 측에 공급시키는 제2바이패스관;을 포함하고,
상기 제1바이패스관을 통해 상기 외부 유동층 열교환기로 주입된 기체 중 산소에 의해 상기 산소전달입자가 산화되어 상기 산소가 소모되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템의 제어방법.
- 제 9항에 있어서,
상기 제1바이패스관 일측에 구비된 제1조절부에 의해 상기 제1바이패스관을 통해 상기 외부 유동층 열교환기로 유입되는 기체의 유량이 조절되는 단계와, 상기 제2바이패스관 일측에 구비된 제2조절부에 의해 상기 제2바이패스관을 통해 상기 제1바이패스관으로 유입되는 기체의 유량이 조절되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템의 제어방법.
- 제 8항에 있어서,
상기 연료반응기 사이클론의 기체배출부를 통해 배출되는 기체를 상기 외부 유동층 열교환기의 유동화기체로 주입시키는 제3바이패스관; 및 상기 외부 유동층 열교환기의 기체배출부 일단에 분기되어 상기 외부 유동층 열교환기를 통해 배출된 기체를 상기 제3바이패스관 측에 공급시키는 제2바이패스관;을 포함하고,
상기 제3바이패스관을 통해 상기 외부 유동층 열교환기로 주입된 기체 중 미반응 연료에 의해 상기 산소전달입자가 환원되어 상기 미반응 연료가 소모되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템의 제어방법.
- ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 11항에 있어서,
상기 제3바이패스관 일측에 구비된 제3조절부에 의해, 상기 제3바이패스관을 통해 상기 외부 유동층 열교환기로 유입되는 기체의 유량이 조절되는 단계와, 상기 제2바이패스관 일측에 구비된 제2조절부에 의해 상기 제2바이패스관을 통해 상기 제3바이패스관으로 유입되는 기체의 유량이 조절되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템의 제어방법.
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| KR1020210132356A KR102519980B1 (ko) | 2021-10-06 | 2021-10-06 | 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템 및 그 제어방법 |
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| KR1020210132356A KR102519980B1 (ko) | 2021-10-06 | 2021-10-06 | 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템 및 그 제어방법 |
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2021
- 2021-10-06 KR KR1020210132356A patent/KR102519980B1/ko active IP Right Grant
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