KR20020078622A - 지구온난화 방지 가압유동층연소시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지구온난화 방지 가압유동층연소시스템에 관한 것이다.

가압유동층시스템에서 연료을 연소하고 난 후 발생한 연소가스를 바로 굴뚝으로 버리지 않고 다시 연소시스템에 재순환하여 유동물질을 유동시키는데 사용하는 기술로서, 지구온난화 가스인 CO₂의 배출을 저감하고, 대기오염물질인 질소산화물의 배출을 줄이는데 목적이 있고, 연소가스를 상온보다 높은 온도로 시스템에 재순환함으로서 열손실을 감소하는데 목적이 있다.

Description

지구온난화 방지 가압유동층연소시스템{Global warming protecting pressurized fluidized bed combustion system}

본 발명은 지구온난화 방지 가압유동층연소시스템에 관한 것이다.

가압유동층시스템에서 연료을 연소하고 난 후 발생한 연소가스를 바로 굴뚝으로 버리지 않고 다시 연소시스템에 재순환하여 유동물질을 유동시키는데 사용하는 기술로서, 지구온난화 가스인 CO₂의 배출을 저감하고, 대기오염물질인 질소산화물의 배출을 줄이는데 목적이 있고, 연소가스를 상온보다 높은 온도로 시스템에 재순환함으로서 열손실을 감소하는데 목적이 있다.

본 발명은 고체연료의 연소에 있어서 발생하는 고온 고압의 연소가스를 연소로에 다시 재순환하는 기술로서 연료의 연소 및 CO₂분리기술에 속하는 분야이다.

가압유동층시스템에서는 연소로에 충전된 유동물질을 유동시키는 기체와 연료의 산화제로 사용할 수 있는 산소가 필요하여 이 두 조건을 갖춘 공기를 사용한다. 종래에는 가압유동층연소에서 고체연료를 연소시키기 위하여 압축공기를 계속적으로 공급한다. 압축공기는 연소시스템의 압력유지와 연소로의 유동층에 유동물질을 유동하는데 활용되고, 압축공기중에 산소는 연료를 연소하는 산화제로 사용된다. 이렇게 사용된 압축공기는 연료와 연소하는 과정에서 연료중에 포함된 탄소와 반응하여 이산화탄소가 약 20%정도 발생한다. 그리고 공기중에 포함된 질소는 질소산화물을 발생시키고, 연료중에 황은 아황산가스를 배출하게 된다. 이러한 연소가스의 CO₂는 지구온난화 가스로 규정하여 배출농도를 제한하고 있고, 질소산화물이나 황산화물 또한 엄격하게 규제되고 있다.

본 발명의 연소가스 재순환 기술은 유동화기체로 사용한 공기가 연소과정을 거쳐 대부분의 CO₂로 전환한 연소가스를 대기중으로 방출하지 않고 다시 재순환하여 유동화기체로 사용하고 연료를 연소하는데 필요한 산소만을 공급하는 기술이다.

본 발명의 기술은 연소에 필요한 산소만을 공급하고 유동화에 필요한 기체는 사용하였던 연소가스를 다시 재순환하여 사용하게 되면 고농도 CO₂를 별도의 CO₂분리장치없이 얻게되고 이를 처리만 해주면 된다. 대기오염물질의 배출을 현저히 줄일 수 있다. 또 고온 고압의 배가스이기 때문에 공기를 예열할 필요가 없게 되고, 이미 고압으로 가압된 상태이므로 연소시스템에서 발생한 압력손실만큼의 압력을 가하여 열효율을 올려주는 공정기술이다.

가압유동층연소시스템은 일정한 용적을 가진 연소로에 일정한 압력(약 6-15기압)을 가한 상태에서 연료를 연소하는 시스템이다.

연료의 연소가스는 연소조건에 따라 다르지만 대부분이 CO₂가 16-20%내외로 조성되고, 산소가 약 3-6%이하, 또 다른 혼합가스가 약 1% 이내, 나머지가스는 N₂로 되어있다.

본 발명의 가압유동층시스템에서 연소가스의 재순환 기술은 유동층에서 유동화에 필요한 기체는 연소가스를 재 순환하여 사용하고, 연소에 필요한 산소만을 공급하여 연료를 연소하는 기술이다.

가압유동층시스템에서 연소가스의 재순환 기술을 활용하게 되면 연소가스중의 CO₂가 계속적으로 순환하기 때문에 연소가스의 재순환이 계속되면서 CO₂의 성분이 약 97%이상으로 상승하게 된다. 연소가스중의 CO₂가 약 97%이상이 되면 별도의 저장용기에 CO₂를 저장하여 이용한다든지, 심해에 저장하는 Sequestration을 수행하여 대기중으로 방출되는 CO₂의 양을 현저히 감소하는 기술과, 압축공기를 사용하지 않고 압축된 산소만을 계속적을 공급하게 되므로 연소중에 공기의 질소로 인하여 발생하는 질소산화물의 발생을 최대한 억제할 수 있는 기술이 달성된다.

도 1 은 본 발명의 지구온난화 방지 가압유동층연소시스템의 개념도

도 2 는 본 발명의 가압유동층시스템에서 연소가스의 재순환 공정도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 흡수제(석회석) (2) : 고체연료(석탄,폐기물,Biomass)

(3) : 산소 (4) : 연소로

(5) : 분진포집장치 (6) : 가압콤푸레셔

(7) : CO₂의 재순환경로 (8) : 압력조절밸브

(9) : 고압농축 CO₂저장설비

(11) : 연소로 (12) : 사이클론

(13) : 가스냉각장치 (14) : 냉각수 입출구

(15) : 필터 (16) : 압력조절밸브

(17) : 혼합가스저장조 (18) : 가압 콤푸레셔

(19) : 압력조절기 (20) : 가압된 혼합가스 저장조

(21) : 혼합가스 유량계 (22) : 굴뚝

(23) : 공기압축기 (24) : 산소분리기

(25) : 산소공급설비 (26) : 산소저장조

(27) : 산소유량계 (28) : CO₂저장조

도 1 은 본 발명의 지구온난화 방지 가압유동층연소시스템의 개념도를 나타낸다. 가압유동층연소로 연소로(4)에 초기에 산소(3)를 공급하여 시스템의 압력을 상승시키면서 유동층의 층물질의 유동을 이루고 고체연료(2)를 공급하여 연소한다. 이때 연료에 포함된 황이 반응에 의하여 황산화물로 배출하는 것을 방지하기 위하여 흡수제(1)인 석회석을 주입한다. 이러한 방법으로 연소가 이루어지면 연소가스가 발생한다. 발생된 연소가스는 분진포집장치(5)에서 분진을 포집하고 가압콤푸레셔(6)에서 시스템에서 발생한 압력손실만큼의 압력을 가한 뒤 CO₂경로를 거쳐 다시 연소로(4)에 공급되어 유동화가스로 사용하는 방식으로 재순환이 이루어 진다. 이때 공기의 공급에서 산소(4)만을 공급하면 연소가스의 재순환이 연속적으로 이루어지면 재순환되는 가스는 CO₂의 농도가 점차적으로 높아져 97%까지 상승하게 된다. 연소가스의 농도가 97%의 CO₂로 이루어지면 이때부터 고압농축 CO₂저장설비(9)에 저장하는 것으로 본 발명은 달성하게 된다.

도 2는 본 발명을 한국에너지기술연구원에 설치된 가압유동층시스템에서 연소가스의 재순환 공정도를 나타낸다. 가압유동층연소시스템에서 고체연료를 연소하기 위하여 연소로(11)에 공기압축기(23)에서 압축된 공기를 혼합가스유량계(21)를 통하여 일정량을 공급한다. 연소로(11)에서 주입된 고체연료를 연소하면서 연소가스가 발생한다. 이때 발생된 연소가스는 주로 CO₂가 주성분이고 온도는 약 700℃, 압력은 시스템에서의 압력과 동일하다. 이렇게 발생된 연소가스는 가스 냉각장치(13)의 냉각수입출구(14)에서 냉각수로 인하여 약 100℃까지 냉각된 후 필터에서 가스중에 포함된 분진을 포집하게 된다. 분진이 포집된 연소가스는 혼합가스저장조(17)에 유입된다. 초기에 공기압축기(23)에서 압축공기를 연소로에 직접 공급하였던 공정을 연소시스템의 압력이 상승하게 되면 산소분리기(24)쪽으로 공급하여 공기중에 산소만을 분리하여 연소시스템에 공급한다. 산소분리기(24)에서 얻어진 산소는 산소저장조(26)에 저장하였다가 산소유량계(27)에서 연소시스템에서 필요한 산소의 양을 정량화하여 혼합가스저장조(17)에 연소배가스와 함께 저장한다. 저장된 혼합가스의 압력은 연소로(11)에서 필터(15)를 거치면서 압력손실이 발생하게 되어 실제로 연소시스템의 압력보다 낮으므로 가압콤푸레셔(18)에서 연소시스템의 압력보다 약 3기압정도 높게 가압한다. 가압된 혼합가스는 가압된 혼합가스저장조(20)에 저장되고 혼합가스는 연소에서 필요한 양으로 다시 연소로에 공급된다. 그리고 산소분리기를 사용하지 않고 순수한 산소를 공급하여 공정을 구성할 수 있는데 산소공급설비(25)에서 산소를 공급받아 연소시스템에 공급할 수 있다. 연소시스템에서 초기에 공급된 공기에 의하여 발생한 연소가스의 양만큼은 계속적으로 시스템에서 순환하게 되고, 중간에 공급된 산소의 양만큼은 항상 대기로 방출된다. 항상 대기로 방출되는 연소가스는 압력조절밸브(16)에서 시스템의 압력을 유지하고 난 양만큼이다. 대기로 방출하는 연소가스는 굴뚝을 통하여 배출을 하지만 연소가스의 CO₂농도가 약 95%이상이 되면 대기로 방출하지 않고 CO₂저장조(28)에 저장하여 별도로 처리하게 된다. 이러한 방법으로 연소에 필요한 산소만을 계속적으로 공급하고 생성된 연소가스(이산화탄소)를 시스템에 재순환함으로서 본 기술은 달성하게된다.

(변형예, 응용예 및 법적해석)

본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시예와 변형예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 설계변경적 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

본 발명으로서 연소가스중의 CO₂가 계속적으로 순환하기 때문에 연소가스의 재순환이 계속되면서 CO₂의 성분이 약 97%이상으로 상승하게 된다. 연소가스중의 CO₂가 약 97%이상이 되면 별도의 저장용기에 CO₂를 저장하여 처리할 수 있으므로 대기중으로 방출되는 CO₂의 양을 근본적으로 저감하는 현저한 효과가 있다.

압축공기를 사용하지 않고 압축된 산소만을 계속적을 공급하게 되므로 연소중에 공기의 질소로 인하여 발생하는 질소산화물을 궁극적으로 없앨 수 있는 효과가 있다.

연소가스는 고온 고압의 배가스이므로 공기를 예열하여 연소시스템에 공급하는 것이 필요없게 되고, 이미 고압으로 가압된 상태이므로 시스템에서 발생한 압력손실만큼의 압력을 상승시킴으로서 열효율의 상승을 가져올 수 있다.

Claims (4)

1. 가압유동층연소시스템에서 연소가스를 재순환하여 약 95%이상의 CO₂를 얻는 방법으로 이루어진 것을 특징으로 하는 지구온난화 방지 가압유동층연소시스템
2. 가압유동층시스템에서 유동화기체는 연소가스를 재순환하여 사용하고 연소용으로 산소만을 공급하여 연료를 연소시키는 방법으로 이루어진 것을 특징으로 하는 지구온난화 방지 가압유동층연소시스템
3. 가압유동층시스템에서 유동화기체는 연소가스를 재순환하여 사용하고 연소용으로 산소만을 공급하여 연소가스중에 포함된 대기오염물질(질소산화물)을 0(zero)으로 줄이는 방법으로 이루어진 것을 특징으로 하는 지구온난화 방지 가압유동층연소시스템
4. 가압유동층연소로 연소로에 초기에 산소를 공급하여 시스템의 압력을 상승시키면서 유동층의 층물질의 유동을 이루고 고체연료를 공급하는 단계와, 이때 흡수제인 석회석을 주입하는 단계로 연소가 이루어지면 발생된 연소가스는 분진포집장치에서 분진을 포집하고 가압콤프레셔에서 시스템에서 발생한 압력손실만큼의 압력을 가한 뒤 CO₂경로를 거쳐 다시 연소로에 공급하는 단계와, 이때 공기의 공급에서 산소만을 공급하여 연소가스의 재순환이 연속적으로 이루어지게 하는 단계와, 재순환되는 CO₂는 농도가 높아질때부터 고압농축 CO₂저장설비에 저정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지구온난화 방지 가압유동층연소시스템