KR20110010731A - 순산소 연소 보일러 시스템과 상기 보일러 시스템을 사용하여 전력을 생산하는 방법 - Google Patents

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Abstract

탄소질 연료는 전력을 생산하기 위해 보일러 시스템의 노(furnace)에서 산화제와 함께 연소된다. 산화제 가스는 연료를 연소하기 위해 노에 공급되어 배기 가스를 생성하고, 배기 가스는 노에서 배기 가스 채널로 배출되고, 공급수(feedwater)의 흐름(stream)이 공급수를 과열 증기로 변환하기 위해 배기 가스 채널에 및 노에 배열된 증발 및 과열 열교환 표면으로 배기 가스 채널에 배열된 최종 절탄기(economizer)로부터 운반되고, 과열 증기는 전력을 생산하기 위해 고압 증기 터빈에서 변환되고, 증기의 제 1 부분이 공급수를 예열하기 위해 고압 증기 터빈으로부터 추출되고, 증기의 제 2 부분은 재가열 증기를 생성하기 위해 배기 가스 채널에 배열된 열교환 표면을 재가열하기 위해 고압 증기 터빈으로부터 운반되고, 재가열 증기는 전력을 생산하기 위해 중간 압력 증기 터빈에서 팽창된다. 산화제 가스는 실질적으로 순수한 산소와 재생 배기 가스의 혼합물일 수 있고, 증기의 제 1 부분과 제 2 부분의 비는 최종 절탄기의 배기 가스 채널 하류에서 원하는 연도 가스(flue gas) 온도를 얻기 위해 제어될 수 있다.

Description

순산소 연소 보일러 시스템과 상기 보일러 시스템을 사용하여 전력을 생산하는 방법{OXYFUEL COMBUSTING BOILER SYSTEM AND A METHOD OF GENERATING POWER BY USING THE BOILER SYSTEM}
본 발명은, 순산소 연소 보일러 시스템과 상기 보일러 시스템을 사용하여 전력을 생산하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 이중-점화 보일러 시스템(dual-firing boiler system), 즉, 공기 또는 실질적으로 순수한 산소와 재생 배기 가스의 혼합물을 산화제 가스(oxidant gas), 즉 산소 운반 가스(oxygen carrier gas)로 사용하여 작동될 수 있는 보일러 시스템에 관한 것이다.
순산소 연소(oxyfuel combustion)는 미분탄(pulverized coal; PC) 보일러 또는 순환 유동층(circulating fluidizing bed; CFB) 보일러와 같은, 전력 생산 보일러의 배기 가스로부터 CO2를 제거하기 위해 제안된 방법 중 한 가지이다. 순산소 연소는 보일러에서 배출된 배기 가스의 주성분으로 수분과 이산화탄소를 갖기 위해, 일반적으로, 약 95% 순도의 실질적으로 순수한 산소로 탄소질 연료를 연소하는 것을 기초로 한다. 이에 의해, 이산화탄소는 연료를 공기로 연소시킬 때와 같이, 질소를 주성분으로 갖는 가스 흐름으로부터 이를 분리시킬 필요 없이, 배기 가스로부터 비교적 쉽게 포집될 수 있다.
순산소 연소에 의해 전력을 생산하는 것은 종래의 공기에 의한 연소보다 복잡한데, 이는, 산소 공급원, 예를 들어, 극저온 또는 막(membrane) 기반의 공기 분리 장치(ASU)의 필요성 때문이고, 여기서 산소는 공기의 다른 성분, 주로 질소로부터 분리된다. 다음으로, 생산된 배기 가스가 그로부터 수분이 제어되었을 때 CO2를 제거할 준비가 되고, 가능하다면, 배기 가스는 산화제, 연료 또는 공기-누출로 인한 불활성 가스를 감소시키기 위해 정화된다. 이 정화는 일반적으로 저온 및/또는 고압에서 CO2 응축에 의해 이루어진다. CO2는, 예를 들어, 비교적 저온으로 냉각하고, 이를 110 bar 이상의 압력으로 압축하여 배기 가스로부터 분리될 수 있다. 산소의 생성과 이산화탄소의 압축 및 정화 모두는 예를 들어, 공정에서 생성되는 순 전력을 감소시켜, 전력 생산 공정의 총 생산 비용을 증가시킨다.
산소를 사용하는 연소는 주로 더 높은 연소 온도와 더 적은 연소 체적을 갖는다는 점에서, 공기를 사용하는 연소와 서로 다르다. 순산소 연소는 여전히 개발 중인 기술이기 때문에, 소위 제 1 세대 순산소 연소 보일러를 설계하는 것이 유리한 것으로 간주되고, 여기서 연소 조건은 공기-점화 연소의 조건에 가깝게 배열된다. 이는, 산화제 중 예를 들어 20 ~ 28%의 평균 O2 함량을 제공하도록, 배기 가스를 노에 다시 재순환시켜 이루어질 수 있다. 이러한 제 1 세대 순산소 연소 보일러는 유리하게는 기존의 공기-점화 보일러를 수정하여 구성될 수 있다. 이산화탄소의 포집 및 저장을 하는 순산소 연소에 관한 많은 불확실성 때문에, 이중-점화 보일러, 즉, 가능한 한 쉽게, 그리고 바람직하게는 실제 구조에서 어떠한 변화도 없이, 공기-점화로부터 순산소 연소로 변하고 역으로도 변할 수 있는 보일러가 또한 필요하다. 이러한 이중-점화 보일러에서, 여름이나 낮시간 동안과 같이, 높은 부하가 요구되는 동안, 공기-점화 연소를 사용하여 최대한의 전력을 출력하고, 다른 조건에서 CO2를 제거하면서 순산소 연소를 적용할 수 있다. 또한, 예를 들어, 공기 분리 유닛 또는 CO2 제거 유닛이 고장났을 때, 공기-점화 모드에서 이중-점화 보일러를 사용할 수 있다.
미국 특허 제 6,418,865호는 산소-농후 공기로 연료를 연소하는 보일러를 공개하고, 이 보일러는 공기-점화 보일러를 개장(retrofit)하여 만들어질 수 있고, 여기서 연도 가스(flue gas)가 공기로 연소하는 것과 거의 같은 총 질량 유동 및 화염 온도를 갖도록 노에 재생된다.
특허 공보 제 WO 2006/131283호는 개장된 이중 점화 보일러를 공개하고, 여기서 공기 가열기를 나가는 신선한 공기가 공기-점화 모드에서 직접 연소실에 운반되거나, 또는 순산소 연소 모드에서 보일러의 공급수에 의해 냉각되고 고압 증기 터빈으로부터 추출된 증기를 사용하여 압축되고 산소를 생성하기 위한 공기 분리기 유닛에 운반된다. WO 2006/131283호에 공개된 공정의 CO2를 포집하는 순산소 연소 모드에서 생성된 순 전력은 공기-점화 모드보다 크게 감소된다.
순산소 연소 보일러 시스템에 의해 보다 경제적으로 전력을 생산하기 위해, 특히 이중-점화 보일러에서, 생산된 전력의 손실을 최소화하기 위한 개선된 방법 및 보일러 시스템이 필요하다.
본 발명의 목적은, 생산된 전력의 손실을 최소화하기 위해, 순산소 연소 보일러 시스템과 상기 보일러 시스템을 사용하는 방법을 제공하는 것이다.
한 가지 측면에서, 본 발명은 보일러 시스템의 노에서 산화제 가스로 탄소질 연료를 연소시켜 전력을 생산하는 방법을 제공하고, 상기 방법은, 탄소질 연료를 노에 소정의 연료 공급율(fuel feeding rate)로 공급하고, 배기 가스를 생성하도록 연료를 연소시키기 위해 산화제 가스를 노에 공급하고, 배기 가스를 노에서 배기 가스 채널을 통해 배출하고, 공급수를 과열 증기로 변환하기 위해, 공급수의 흐름을 공급수 운반율로 배기 가스 채널에 배열된 최종 절탄기(economizer)로부터 배기 가스 채널 및 노에 배열된 증발 및 과열 열교환 표면에 운반하고, 전력을 생산하기 위해 고압 증기 터빈에서 과열 증기를 팽창시키고, 공급수를 예열하기 위해 증기의 제 1 부분을 고압 증기 터빈으로부터 추출하고, 재가열 증기를 생성하기 위해 배기 가스 채널에 배열된 열교환 표면을 재가열하기 위해 고압 증기 터빈으로부터 증기의 제 2 부분을 운반하고, 전력을 생산하기 위해 중간-압력 증기 터빈에서 재가열 증기를 팽창시키는 단계를 포함하고, 제 1 작동 조건에서, 산화제 가스는 실질적으로 순수한 산소와 재생 배기 가스의 혼합물이고, 증기의 제 1 및 제 2 부분의 비는 최종 절탄기의 배기 가스 채널 하류에서 원하는 연도 가스 온도를 얻기 위해 제어된다.
다른 측면에서, 본 발명은 보일러 시스템의 노에서 탄소질 연료를 연소시켜 전력을 생산하기 위한 보일러 시스템을 제공하고, 이 보일러 시스템은 탄소질 연료를 노에 공급하는 수단, 배기 가스를 생성하기 위해 연료를 연소시키기 위해 실질적으로 순수한 산소와 산화제인 재생 배기 가스를 공급하는 수단, 노에서 배기 가스를 배출하기 위한 배기 가스 채널, 공급수를 과열 증기로 변환하기 위해 배기 가스 채널에 배열된 최종 절탄기로부터 공급수의 증기를 배기 가스 채널 및 노에 배열된 증발 및 과열 열교환 표면에 운반하는 수단, 전력을 생산하기 위해 과열 증기를 팽창시키기 위한 고압 증기 터빈, 공급수를 예열하기 위해 고압 증기 터빈으로부터 증기의 제 1 부분을 추출하기 위한 수단, 재가열 증기를 생성하기 위해 배기 가스 채널에 배열된 열교환 표면을 재가열하기 위해 고압 증기 터빈으로부터 증기의 제 2 부분을 운반하는 수단, 전력을 생산하기 위해 재가열 증기를 팽창시키기 위한 중간-압력 증기 터빈, 및 최종 절탄기의 배기 가스 채널 하류의 원하는 연도 가스 온도를 얻기 위해, 증기의 제 1 및 제 2 부분의 비를 제어하는 수단을 포함한다.
공급수를 예열하기 위한 고압 증기 터빈으로부터 추출된 증기의 감소하는 양은 배기 가스 채널의 최종 절탄기에 들어가는 공급수의 온도를 자연히 낮춘다. 그러므로, 이러한 증기 추출의 감소는 최종 절탄기에서 배기 가스와 공급수 간의 온도 차이를 증가시킨다. 이에 의해, 증기 추출의 감소는 간접적으로 최종 절탄기에서 일어나는 열교환 속도를 증가시킨다. 따라서, 고압 증기 터빈으로부터 재가열 열교환 표면으로 운반되는 증기의 양의 증가는 재가열 표면에서 일어나는 열교환율을 증가시킨다. 몇몇 경우, 원하는 증가된 열교환율을 얻기 위해 재가열 표면의 열교환 표면적을 증가시키는데 유용할 수 있다. 상술한 조치 모두, 배기 가스 채널의 배기 가스의 냉각을 개선하고, 또한, 이들은 배기 가스의 온도를 제어하기 위한 특히 효과적인 방법을 제공한다.
본 발명을 사용할 때, 연료 공급율과 공급수 운반율은 유리하게는 원하는 노 온도를 얻도록 수정된다. 이는 배기 가스의 온도를 제어하기 위한 상술한 방법과 함께, 공기-점화 연소의 것과 거의 같게, 공기-점화 보일러로부터 개장된 순산소 연소 보일러의 온도 프로파일을 수정하고, 예를 들어, 보일러 벽의 재료 강도 문제 또는 부식을 피하는 효과적인 방법을 제공한다. 본 발명의 유리한 실시예에 따라, 전부하(full load)에서 연료 공급율은, 순산소 연소를 위해 공기-점화 보일러를 수정할 때, 20%만큼 증가했고, 이에 따라, 공급수 운반율은 동시에 10%만큼 증가했다. 그러므로, 본 발명의 방법의 결과로, 보다 높은 점화율로 인해, 보다 많은 에너지가 순산소 연소를 사용할 때 연료로부터 배출될 수 있어, 전체적으로 순산소 연소 과정으로 발생된 순 출력 손실이 최소화된다.
본 발명의 특히 유리한 실시예에 따라, 순산소 연소 보일러는 이중-점화 보일러, 즉, 특수한 작동 조건에서, 예를 들어, 산소 공급이 작동되지 않을 때 공기로 연소하는데 사용될 수 있는 순산소 연소 보일러이다. 전부하에서, 정상 작동 조건, 즉, 산화제로서 재생 배기 가스와 산소의 혼합물을 갖는 소위 제 1 작동 조건과, 공기를 산화제로 사용하는 소위 제 2 작동 조건의 연소를 비교하면, 제 1 작동 조건에서 연료 공급율은 제 2 작동 조건보다 높은 것이 유리하다. 순산소 연소에서 연료 공급율은 공기-점화 연소보다 적어도 10%, 더 바람직하게는 적어도 15% 높은 것이 바람직하다. 더 높은 연료 공급율로 인해, 보일러의 총 점화율이 증가하고, 생산된 출력의 손실은 최소화된다.
노 온도는 일정하게 유지하면서 순산소 연소에서 증가된 연료 공급율을 사용하는 것은, 감소된 온도로 인한 증발 표면에서 증가된 열교환에 부분적으로 기초하고, 공급수의 증가된 유량에 또한 기초할 수 있다. 상술한 바와 같이, 공급수 온도는 특히 최종 절탄기 앞에서, 어느 정도는 최종 절탄기 뒤에서, 순산소 연소에서, 공기-점화 연소로부터 공급수를 예열하기 위한 증기의 추출을 감소시켜 낮아질 수 있는 것이 유리하다.
노 온도는 자연히, 또한 대부분, 배기 가스 순환율에 의해 결정되고, 이는 노에서 배기 가스에 의한 대류 열 유동과, 노에 대한 비교적 저온의 유입 가스 공급율 모두에 영향을 미친다. 배기 가스 재순환율은, 순산소 연소 모드에서, 산화제 가스의 부피를 기준으로 한 평균 산소 함량이 원하는 레벨, 일반적으로 약 18% 내지 약 28%가 되도록 결정되는 것이 유리할 수 있다. 순산소 연소 모드에서 배기 가스 재순환율은 대안적으로는 일반적으로 노에서 공기-점화 연소와 동일하게, 원하는 가스 유속을 유지하도록 결정될 수 있다.
노로부터의 증가된 대류 열 유동은 부분적으로 이산화탄소를 주성분으로 갖는 순산소 연소의 배기 가스의 열 용량과 질량(mass)이 질소를 주성분으로 갖는 공기-점화 연소의 배기 가스보다 큰 사실을 기초로 한다. 높은 열 유동은 배기 가스가 배기 가스 채널로 증가된 양의 열을 운반하고, 열은 상술한 바와 같이 최종 절탄기와 재가열 표면에서 증가된 열교환율에 의해 회수되는 것이 유리하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 이 시스템은 가스-가스 열교환기를 포함하고, 여기서 열은 배기 가스 채널의 배기 가스로부터 산화제 가스의 적어도 일부분으로 전달된다. 그러므로, 동일한 가스-가스 열교환기가 유리하게는 공기-점화 연소시 배기 가스로부터 연소 공기로 열을 전달하고, 순산소 연소시 배기 가스로부터 산화제 가스의 적어도 일부분으로 열을 전달하도록 사용된다.
순산소 연소에서 일반적인 바와 같이, 실질적으로 순수한 산소가 유리하게는 공기 분리 유닛(ASU), 예를 들어, 극저온 또는 막 기반 공기 분리 유닛에서 생산된다. 상응하여, 배기 가스의 일부분은 유리하게는 액체 또는 초임계 이산화탄소를 제거하기 위해, 다중 배기 가스 압축기에서 냉각 및 가압된다. 이러한 보조 장비 때문에, 순산소 연소 보일러에 의해 생성된 순 출력은 상응하는 공기-점화 보일러의 출력보다 훨씬 더 적은 경향이 있다. 본 발명의 유리한 실시예에 따라, 배기 가스 압축기 중 적어도 일부분이 증기 터빈 시스템으로부터 추출된 증기를 사용하여 보조 증기 터빈의 기계적 에너지에 의해 직접 구동된다. 이 증기는 유리하게는 공급수 가열에 사용되는 증기의 추출을 감소시켜 절약되고 더 많이 점화시켜 생성된다. 그러므로, 이산화탄소의 압축을 위한 보조 출력의 필요가 최소화된다. 따라서, 산소 공급부가 공기를 가압하기 위한 압축기를 갖는 극저온 공기 분리 유닛을 포함하는 경우, 이러한 압축기 중 하나 이상이 보조 출력의 필요성을 더 감소시키기 위해, 보조 증기 터빈에 의해 직접 구동될 수도 있다.
본 발명에 따라, 실질적으로 순수한 산소와 재생 배기 가스가 별개의 흐름 또는 두 흐름의 혼합으로 보일러에 공급될 수 있다. 이는 보일러에 여러 흐름으로 공급될 수 있고, 이 흐름은 동일한 혼합물 흐름이거나, 서로 다른 온도 또는 조성을 갖는 흐름일 수 있다. 다중 흐름은 자연히 1차, 2차 및 PC 보일러의 과연소(overfire) 가스 흐름, 또는 유동화 가스(fluidizing gas) 흐름 및 CFB 보일러의 제 2 가스와 같이, 노에서 서로 다른 목적을 가질 수 있다.
산소의 공급율은 항상, 실제로, 연료의 충분히 완전한 연소를 제공하기 위해, 연료 공급율을 기초로 결정된다. 일반적으로, 산소 공급율은 배기 가스의 잔류 산소 함량을 모니터링하여 제어되고, 이는 적절한 레벨, 일반적으로 약 3%로 유지되어야 한다.
본 발명에 따른 순산소 연소 전력 생산 공정의 장점은, PC 보일러 또는 CFB 보일러와 같은 종래 공기-점화 보일러를 개장하여 비교적 쉽게 사용될 수 있다는 것이다. 이러한 수정은 주로 극저온 공기 분리 유닛과 같은 산소 공급부, 이산화탄소 제거를 위한 장비, 대규모 배기 가스 재순환을 위한 수단 및 고압 증기 터빈으로부터 공급수 예열기 및 재가열기 표면으로의 증기 흐름의 비를 제어하는 수단의 구현을 주로 포함하는 것이 유리하다. 몇몇 경우, 수정은 최신 증기 터빈과 증기 응축기, 및 배기 가스의 상류 부분에서 증가된 열교환 표면의 사용을 필요로 할 수 있다. 상술한 바와 같이, 보일러에서 온도를 제어할 때, 동일한 연소 시스템이 순산소 연소에서 및 공기-점화 연소에서 사용될 수 있어, 시스템을 이중-점화 증기 발전기로 사용할 수 있도록 한다.
본 발명의 상술한 간략한 설명, 및 다른 목적, 특징, 및 장점은 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예의 현재 선호되지만, 예시적인 실시예의 하기 상세한 설명을 참조하여 보다 완전히 이해된다.
본 발명은, 순산소 연소 보일러 시스템에 의해 보다 경제적으로 전력을 생산하기 위해, 특히 이중-점화 보일러에서, 생산된 전력의 손실을 최소화하기 위한 개선 방법과 보일러 시스템을 제공하는 효과를 갖는다.
도 1은, 본 발명에 따른 순산소 연소 발전소의 개략도.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순산소 연소 보일러 시스템(10)의 개략도를 도시한다. 보일러 시스템(10)은 보일러(12)를 포함하고, 이는 예를 들어, 미분탄(PC) 보일러 또는 순환 유동층(CFB) 보일러일 수 있다. 보일러(12)는 보일러의 노(14)에 산화제 가스를 도입하기 위한 연료 공급 파이프 수단과 같은, 가스 공급 라인(18)과 같은, 종래의 연료 공급 수단(16), 및 연료를 산화제 가스의 산소로 연소하여 생성되는 배기 가스를 배출하기 위한 배기 가스 채널(20)을 포함한다. 연료 공급 수단(16)과 산화제 가스 공급 수단(18)과 같은 보일러(12)의 몇몇 요소의 세부사항 및 타입은 자연히 보일러의 타입에 의존한다. 그러나, 이러한 세부사항, 예를 들어, 연소기, 석탄 분쇄기, 1차 및 2차 산화제 가스를 개별적으로 공급하는 수단은, 본 발명에서 중요하지 않으므로, 이들은 도 1에 도시하지 않았다.
순산소 연소 보일러 시스템(10)은 유리하게는 주로 공기 흐름(28)으로부터 실질적으로 순수한 산소를 생산하기 위한, 극저온 또는 막-기반 공기 분리 유닛(ASU)과 같은, 산소 공급부(26)와, 배기 가스로부터 이산화탄소를 정화 및 제거하기 위한 장비(24)를 추가하여, 기존의 공기-점화 보일러로부터 개장된다. 순수한 산소에 의한 연소는 공기-점화 보일러의 구조에 대해 지나치게 높은 연소 온도를 나타내는 경향이 있기 때문에, 보일러 시스템(10)은 원래의 공기 점화 보일러에 가깝게 배기 가스 채널과 노의 온도 프로파일을 유지하도록 설계되는 것이 바람직하다. 보일러 시스템(10)은 이중-점화 보일러, 즉, 공기-점화 연소와 순산소 연소 사이에서 쉽게 전환될 수 있는 보일러로 설계되는 것이 가장 바람직하다. 이와 동시에, 시스템은 순산소 연소 모드에서 생산되는 순 출력의 손실이 가능한 한 낮게 되도록 설계된다.
본 발명에 따라, 가스 공급 라인(18)으로부터 노(14)에 도입되는, 산화제 가스는 정상 작동 조건에서, 소위 제 1 작동 조건에 있고, 배기 가스 재순환 채널(30)을 통해 재순환되는 냉각된 배기 가스의 일부분과 실질적으로 순수한 산소의 혼합물을 포함한다. 배기 가스 재순환 채널(30)은 배기 가스 재순환율을 제어하기 위한 팬(도 1에 도시않음)과 같은 수단을 포함하는 것이 유리하다. 배기 가스 재순환율은 바람직하게는 산화제 가스의 평균 산소 함량이 공기의 함량에 가깝고, 바람직하게는 18% 내지 28%가 되도록 수정된다. 본 발명의 몇몇 응용예에서, 재생 배기 가스와 실질적으로 순수한 산소, 또는 서로 다른 산화제 가스 조성의 흐름을 개별적으로 노(14), 예를 들어, 노의 상이한 부분에 도입할 수 있다.
노(14)의 벽은 튜브-벽 구조로 형성되는 것이 바람직하고, 이는 예열된 공급수를 증기로 변환시키기 위한 증발용 열 전달 표면(32)을 형성한다. 보일러(12)의 고온 부분, 특히 배기 가스 채널(20)의 상류 단부는, 발전기(38)에서 전력을 생산하기 위해 고압 증기 터빈(36)의 입구로 운반되는 과열 증기를 생산하기 위해 배기 가스로부터 열을 회수하기 위한 과열 열 전달 표면(34)을 포함한다. 라인(42)에서 팽창된 증기는 배기 가스로부터 열을 더 회수하기 위해 고압 증기 터빈(36)의 출구 측으로부터 재가열 열 전달 표면(40)으로 운반된다. 몇몇 경우, 1차 과열 및 재가열 표면은 배기 가스 채널(20)에 배치되고, 추가 마무리 과열 및 재가열 표면은, 예를 들어, 노(14)에 배치될 수 있다.
고압 터빈(36)으로부터 증기의 다른 부분은 라인(42)을 통해 공급수 가열기(44)로 운반될 수 있다. 재가열 증기는 공급수 가열기(44)의 재가열 열교환 표면(40)으로부터 전력을 생산하기 위해 중간-압력 증기 터빈(46)의 입구로 운반된다. 중간-압력 증기 터빈(46)은 다른 목적을 위해, 유리하게는 공기 분리 유닛(26) 또는 이산화탄소 정화 및 제거 유닛(24)에서 압축기를 구동하기 위한 보조 증기 터빈에서 기계적 출력을 생성하기 위해, 증기 터빈(46)으로부터 증기를 추출하기 위한 라인(48)을 포함할 수 있다. 실제, 증기 터빈 시스템은 일반적으로 도 1에 도시되어 있지 않지만, 적어도 저압 증기 터빈도 포함한다. 도 1에 도시된 단일 공급수 가열기(44)보다 많은 공급수 가열기가 있을 수 있다.
보일러(12)의 증기 순환은 종래 방식에서 중간-압력 증기 터빈(46)의 하류에 응축기(50)를 포함한다. 응축된 증기, 즉, 다음 증기 사이클의 공급수는 증발 표면(32)에서 증기로 다시 변환되도록, 적어도 제 1 절탄기(52)와 최종 절탄기(54)를 일반적으로 포함하는 절탄기 시스템에서 예열하기 위해 응축기(50)로부터 안내된다. 추가 공급수 가열이 고압 증기 터빈(36)으로부터 추출된 증기에 의해 공급수 가열기(40)에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따라, 배기 가스 온도는 증기 라인(42)에 배열된, 조절 밸브와 같은 수단(56)에 의해, 고압 증기 터빈(36)으로부터 공급수 예열기(444)로의 중간-압력 증기를 추출하는 비를 조정하여 순산소 연소에서 제어된다. 이 비가 감소될 때, 최종 절탄기(54)에 들어가는 공급수의 온도가 낮춰지고, 최종 절탄기(54)에서 일어나는 열교환율이 증가된다. 이와 동시에, 증기의 더 많은 부분이 재가열용 열 전달 표면(40)에 계속 운반되고, 이는 최종 절탄기(54)에서 일어나는 열교환율을 증가시킨다. 동시에, 증기의 더 많은 부분이 재가열용 열 전달 표면(40)에 계속 운반되고, 이는 재가열 열교환 표면(40)에서 일어나는 열교환율을 증가시킨다. 그러므로, 이러한 효과 모두 배기 가스의 냉각을 증가시켜, 이들은 배기 가스 온도를 효과적으로 제어하는데 사용될 수 있다. 배기 가스 온도의 제어는 유리하게는 온도계(58)에 의해 최종 절탄기(54)의 배기 가스 하류의 온도를 측정하는 것에 기초하는 것이 유리할 수 있다.
본 발명에 따라, 생산된 순 출력의 손실은 배기 가스 채널(20)에 및 노(14)에서의 온도를 일정하게 유지하면서 더 많은 연료가 점화될 수 있도록 조건을 처리하여 최소화된다. 노(14)에서의 온도는 배기 가스 재순환율을 적절한 레벨로 수정하고 공급수의 온도와 유량을 제어하여 유지될 수 있다. 배기 가스 재순환율이 노(14)에서 가스의 부피 유동이 원하는 레벨로 유지되도록 수정될 때, 노(14)의 온도는 일반적으로 상술한 조치에 의해 원하는 레벨로 또한 수정될 수 있다. 주로 이산화탄소로 구성된, 배기 가스의 높은 열 용량 및 증가된 질량 유동으로 인해, 배기 가스에 의해 운반되는 대류 열은, 노(14)에서의 온도가 변하지 않더라도 증가한다. 그 다음에, 이러한 추가 열은 공급수 예열을 위한 증기의 추출을 감소시키고, 수단(56)에 의해 상술한 바와 같이 재가열율을 증가시키고, 증가된 주 증기 생성으로 인해 공급수 유동을 증가시켜 회수될 수 있다.
복열(recuperative) 또는 재생 가스-가스 열교환기(60)는 최종 절탄기(54)의 하류, 배기 가스 채널에 배열된 것이 유리하다. 가스-가스 열교환기(60)는 배기 가스로부터 보일러(12)의 산화제 가스로 열을 전달하기 위해, 복열 또는 재생 타입일 수 있다. 또한, 배기 가스 채널(20)은 일반적으로 미립자 및 기체 상태 오염물질로부터 배기 가스를 청소하기 위해 상이한 유닛을 포함하지만, 이들은 본 발명에 중요하지 않기 때문에, 이러한 유닛은 도 1에 도시하지 않는다.
배기 가스로부터 이산화탄소를 회수하는 순산소 연소의 주목적에 따라, 배기 가스 채널(20)의 말단 부분이 일반적으로 약 110 bar의 압력에서, 액체 또는 초임계 이산화탄소를 생산하기 위해 분리기와 같은 수단(24)을 구비하여, 이는 적절한 장소에 저장되거나 또는 추후 사용을 위해 수송될 수 있다. 또한, 이산화탄소 정화 및 제거 시스템은 일반적으로 배기 가스로부터 모든 수분을 완전히 건조하기 위한 수단과, 도 1에는 도시되지 않았지만, 이산화탄소로부터 산소와 다른 가능한 불순물을 분리하기 위한 수단을 또한 포함한다. 이러한 건조 수단과 분리 수단은 각각 당업계에 공지되어 있다.
재생 배기 가스의 수분 함량은 배기 가스가 노(14)에 재순환되기 전에 낮아지는 것이 유리하다. 그러므로, 배기 가스 재순환 라인(30)은 배기 가스의 응축용 냉각기로 작용하는, 제 1 절탄기(52)의 배기 가스 채널 하류(20)로부터 분기된다. 이에 의해, 재생된 가스의 수분 함량이 감소되어, 노(14)로부터 배출되는 배기 가스와 노(14)에서 수분 함량이 감소된다. 배기 가스의 O2 함량이 연료의 충분한 완전 연소를 보장하기 위해 약 3 부피%의 적절한 레벨로 유지되어야 하기 때문에, 수분 함량의 감소는 배기 가스의 O2/CO2 비를 감소시킨다. 대안적으로, 응축용 냉각기는 재순환되는 배기 가스의 분기점의 하류에 있을 수 있다.
상술한 바와 같이, 배기 가스 채널(20)과 노(14)의 온도를 제어하기 위한 효과적인 방법 때문에, 도 1에 도시한 순산소 연소 시스템은 기존의 공기-점화 보일러를 개장하여 비교적 쉽게 구성될 수 있다. 같은 이유로, 보일러 시스템은 이중 점화 보일러로서 사용될 수도 있고, 이는 시스템의 물리적 변형 없이, 순산소 연소와 공기-점화 연소 사이에 전환될 수 있다. 이는 배기 가스를 주변환경에 배출하기 위한 스택(64; stack)과, 재생 배기 가스와 산소의 혼합물을 대체하도록 산화제 가스로서 신선한 공기를 도입하기 위한 공기 유입 공급 라인과 같은, 수단(62)을 배치하여 달성된다. 유리하게는, 공기 입구(62)는 가스-가스 가열기(60)가 대안적으로 공기 가열기로서 사용될 수 있는 방식으로, 재순환 가스 채널(30)에 배열된다. 공기-점화 연소 모드에서, 노(14)와 배기 가스 채널(20)의 온도 프로파일은 상술한 원리를 사용하여, 연료 공급율과 증기 재가열율을 적절한 값으로 수정하여 원하는 값으로 수정될 수 있다.
본 발명은 현재 가장 바람직한 실시예로 고려되는 것에 관한 예로 본원에 설명되었지만, 본 발명은 공개한 실시예에 한정되지 않는 것으로 이해되어야 하고, 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 포함되는 특징 및 몇몇 다른 응용예의 다양한 조합 또는 수정을 포괄하고자 한다.
10: 순산소 연소 보일러 시스템 12: 보일러
14: 노 16: 연료 공급 수단
18: 가스 공급 라인 20: 배기 가스 채널
24: 이산화탄소 정화 및 제거 장비 28: 공기 흐름
30: 배기 가스 재순환 채널 32: 열 전달 표면

Claims (16)

  1. 보일러 시스템의 노(furnace)에서 산화제 가스로 탄소질 연료를 연소시켜 전력을 생산하는 방법에 있어서,
    (a) 탄소질 연료를 상기 노에 소정의 연료 공급율(fuel feeding rate)로 공급하는 단계와,
    (b) 배기 가스를 생성하도록 연료를 연소시키기 위해 상기 노에 산화제 가스를 공급하는 단계와,
    (c) 배기 가스 채널을 통해 상기 노에서 배기 가스를 배출하는 단계와,
    (d) 공급수를 과열 증기로 변환하기 위해 배기 가스 채널에 배열된 최종 절탄기(economizer)로부터 상기 노와 상기 배기 가스 채널에 배열된 증발 및 과열 열교환 표면으로 공급수의 흐름을 소정의 공급수 운반율(conveying rate)로 운반하는 단계와,
    (e) 전력을 생산하기 위해 고압 증기 터빈에서 상기 과열 증기를 팽창시키는 단계와,
    (f) 상기 공급수를 예열하기 위해 상기 고압 증기 터빈으로부터 증기의 제 1 부분을 추출하는 단계와,
    (g) 재가열 증기를 생성하기 위해 고압 증기 터빈으로부터 상기 배기 가스 채널에 배열된 재가열 열교환 표면으로 증기의 제 2 부분을 운반하는 단계와,
    (h) 전력을 생산하기 위해 상기 재가열 증기를 중간 압력 증기 터빈에서 팽창시키는 단계를
    포함하고,
    제 1 작동 조건에서, 상기 산화제 가스는 실질적으로 순수한 산소와 재생 배기 가스의 혼합물이고, 증기의 제 1 부분과 제 2 부분의 비는 상기 최종 절탄기의 상기 배기 가스 채널 하류에서 원하는 연도 가스 온도를 얻기 위해 제어되는, 전력 생산 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 연료 공급율과 상기 공급수 운반율은 원하는 노 온도를 얻도록 조정되는, 전력 생산 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 제 2 작동 조건에서, 상기 산화제 가스는 공기이고, 제 1 및 제 2 작동 조건에서 전부하로 연료 시스템 작동시, 상기 연료 공급율은 상기 제 1 작동 조건에서 상기 제 2 작동 조건보다 더 높은, 전력 생산 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 작동 조건의 전부하로 상기 연료 시스템 작동시, 상기 제 1 작동 조건에서 증기의 제 1 부분은 상기 제 2 작동 조건보다 더 적고, 증기의 제 2 부분은 상기 제 1 작동 조건에서 상기 제 2 작동 조건보다 더 큰, 전력 생산 방법.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 시스템은 가스-가스 열교환기를 포함하고, 열은 상기 제 1 및 제 2 작동 조건에서 상기 가스-가스 열교환기에서 상기 배기 가스 채널의 배기 가스로부터 상기 산화제 가스의 적어도 일부분으로 전달되는, 전력 생산 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제어 단계는, 상기 배기 가스 온도를 측정하는 단계를 포함하는, 전력 생산 방법.
  7. 제 3항에 있어서, 상기 공급수 운반율은 상기 제 2 작동 조건보다 상기 제 1 작동 조건에서 더 큰, 전력 생산 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 방법은, 상기 제 1 작동 조건에서, 액체 또는 초임계 이산화탄소를 생산하도록 다중 배기 가스 압축기(multiple exhaust gas compressor)에서 상기 배기 가스의 일부분을 가압하는 추가 단계를 포함하는, 전력 생산 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 방법은, 상기 제 1 작동 조건에서, 압축기를 구동하기 위해 상기 중간-압력 증기 터빈으로부터 증기의 일부분을 추출하는 추가 단계를 포함하는, 전력 생산 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 제 1 작동 조건에서, 산소는 약 18 부피% 내지 약 28 부피%의 평균 산소 함량을 갖는 산화제 가스를 생산하기 위해 재생 배기 가스와 혼합되는, 전력 생산 방법.
  11. 보일러 시스템의 노에서 탄소질 연료를 연소시켜 전력을 생산하기 위한 보일러 시스템에 있어서,
    탄소질 연료를 상기 노에 공급하는 수단과,
    배기 가스를 생성하도록 상기 연료를 연소시키기 위해 실질적으로 순수한 산소와 산화제 가스인 재생 배기 가스를 상기 노에 공급하는 수단과,
    노에서 상기 배기 가스를 배출하기 위한 배기 가스 채널과,
    공급수를 과열 증기로 변환하기 위해 배기 가스 채널에 배열된 최종 절탄기로부터 상기 노와 상기 배기 가스 채널에 배열된 증발 및 과열 열교환 표면으로 공급수의 흐름을 운반하는 수단과,
    전력을 생산하도록 상기 과열 증기를 팽창시키기 위한 고압 증기 터빈과,
    상기 공급수를 예열하기 위해 상기 고압 증기 터빈으로부터 증기의 제 1 부분을 추출하는 수단과,
    재가열 증기를 생성하기 위해 상기 고압 증기 터빈으로부터 상기 배기 가스 채널에 배열된 재가열 열교환 표면으로 증기의 제 2 부분을 운반하는 수단과,
    전력을 생산하도록 재가열 증기를 팽창시키기 위한 중간-압력 증기 터빈과,
    상기 최종 절탄기의 배기 가스 채널 하류의 원하는 연도 가스 온도를 얻기 위해 증기의 제 1 및 제 2 부분의 비를 제어하는 수단을
    포함하는, 보일러 시스템.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 보일러 시스템은, 배기 가스를 생성하도록 연료를 연소시키기 위해 상기 노에 산화제 가스인 공기를 공급하는 수단을 포함하는, 보일러 시스템.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 보일러 시스템은, 상기 배기 가스 채널의 배기 가스로부터 상기 산화제 가스의 적어도 일부분으로 열을 전달하기 위한 가스-가스 가열기 열교환기를 포함하는, 보일러 시스템.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 배기 가스 온도를 측정하기 위한 수단을 포함하는, 보일러 시스템.
  15. 제 11항에 있어서, 상기 보일러 시스템은, 액체 또는 초임계 이산화탄소를 생산하도록 상기 배기 가스의 일부분을 가압하기 위한 다중 배기 가스 압축기를 포함하는, 보일러 시스템.
  16. 제 11항에 있어서, 상기 보일러 시스템은 압축기를 구동하기 위해 중간-압력 증기 터빈으로부터 증기의 일부분을 추출하는 수단을 포함하는, 보일러 시스템.
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