KR20110017407A - 순산소 연소에 의해 전력을 생성하는 방법과 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 이산화탄소와 물을 주로 포함하는 배기 가스를 생성하도록 실질적으로 순수한 산소로 연료를 연소시키기 위해 노를 포함하는 전력 생성용 순산소 연소 시스템에 관한 것이다. 배기 가스 채널 시스템은 배기 가스를 노로부터 배출한다. 배기 가스 채널 시스템은 상류 채널, 출구 채널 및 가스 재순환 채널을 갖는다. 상류 채널은 배기 가스의 재순환 부분을 재순환 채널을 통해 노로 재순환시키고, 배기 가스의 말단 부분을 출구 채널을 통해 최종 처리를 위해 운반한다. 상류 채널은 제 1 분할기 부분과, 제 1 배기 가스 채널 부분 및 제 2 배기 가스 채널 부분으로의 연결 부분 사이에서 분할된다. 제 1 배기 가스 채널 부분에 배치된 가스-가스 열교환기는 제 1 배기 가스 채널 부분의 배기 가스로부터 가스 재순환 채널의 가스로 열을 전달한다. 제 2 배기 가스 채널 부분에 배치된 제 1 절탄기는 제 2 배기 가스 채널 부분의 배기 가스로부터 급수 라인의 급수의 유동으로 열을 전달하고, 연결 부분의 하류의 배기 가스 채널 시스템에 배치된 제 2 절탄기는 배기 가스 채널 시스템의 가스로부터 급수 라인의 급수의 유동에 열을 전달한다.

Description

순산소 연소에 의해 전력을 생성하는 방법과 시스템{METHOD OF AND SYSTEM FOR GENERATING POWER BY OXYFUEL COMBUSTION}
본 발명은, 순산소 연소에 의해 전력을 생성하기 위한 방법과 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 특히 플렉시-번(flexi-burn) 또는 이중-점화 연소 시스템, 즉, 순산소 연소 모드와 공기를 이용한 연소 모드가 쉽게 전환될 수 있는 시스템에 관한 것이다.
순산소 연소는 미분탄(PC) 보일러 또는 순환 유동층(CFB) 보일러와 같은, 전력 생성 보일러의 연소 가스로부터 CO2를 제거하기 위해 제안된 방법 중 하나이다. 순산소 연소는 보일러로부터 배출되는 배기 가스의 주성분으로서 물과 이산화탄소를 갖도록, 실질적으로 순수한, 전형적으로 약 95% 순도의 산소로 탄소질 연료를 연소시키는 것에 기반한다. 이에 의해, 이산화탄소는 공기로 연료를 연소시킬 때와 같이, 그 주성분으로 질소를 갖는 가스 흐름으로부터 이를 분리시킬 필요없이, 비교적 쉽게 포집될 수 있다.
순산소 연소에 의해 전력을 생성하는 것은 공기에 의한 종래의 연소보다 더 복잡한데, 왜냐하면 산소 공급부, 예를 들어, 극저온 또는 막 기반의 공기 분리 유닛(ASU)을 필요로 하기 때문이고, 여기서 산소는 공기의 다른 성분으로부터 분리된다. 그 다음에, 생성된 배기 가스는 물이 그로부터 제거될 때 CO2를 뽑아낼 준비가 되고, 가능하다면, 배기 가스는 산화제, 연료 및 공기-누출로부터 발생하는 불활성 가스를 감소시키기 위해 정화된다. 이러한 정화는 전형적으로 고압 하에서 저온에서 CO2를 응축시켜 이루어진다. CO2는 예를 들어, 이를 110 bar 이상의 압력으로 압축시키면서, 비교적 저온으로 이를 냉각시켜 배기 가스로부터 분리될 수 있다.
순수한 산소와의 연소로부터 기인한 매우 높은 연소 온도를 회피하기 위해, 순산소 연소 보일러를 사용하는 것이 유리하고, 여기서, 연소 조건은 공기-점화 연소의 조건에 가깝게 배치된다. 이는 산화제 가스의 평균 O2 함량을 예를 들어, 약 20 내지 28%로 제공하도록 배기 가스를 노에 재순환시켜 이루어질 수 있다. 이러한 순산소 연소 보일러는 유리하게는 기존의 공기-점화 보일러를 수정하여 구성될 수 있다. 순산소 연소에서 이산화탄소의 포집 및 저장에 관한 많은 불확실성 때문에, 이중 점화 보일러, 즉, 바람직하게는 구성에 어떠한 변화도 가하지 않고, 가능한 한 쉽게 순산소 연소로부터 공기-점화로 다시 바뀔 수 있는 보일러가 필요하다. 이러한 이중 점화 보일러에서, 여름 또는 주중과 같이, 높은 부하 요구치를 요구하는 때에 공기-점화 연소를 사용하고, 다른 조건에서 CO2 제거를 하는 순산소 연소를 적용하여, 최대 전력 출력을 가질 수 있다. 또한, 예를 들어, 공기 분리 유닛 또는 CO2 제거 유닛이 고장났을 때, 공기-점화 모드에서 이중 점화 보일러를 사용할 수 있다.
공기에 의해 탄소질 연료를 연소하는 것에 기반한 종래의 보일러는 일반적으로 직물 필터 또는 전기 집진기(electrostatic precipitator; ESP)의 상류의 배기 가스 채널과 노에서 순차적으로 배치되는 증발기, 과열기, 재가열기, 절탄기(economizer), 및 공기-가열기와 같은, 한 세트의 열전달면을 포함한다. 배기 가스 채널 부분에 병렬로 과열기, 재가열기 및 절탄기를 배치하거나, 또는 공기 가열기에 병렬로 저압 절탄기를 배치하는 것도 알려져 있다.
미국 특허 제 6,202,574호는 배기 가스 채널에서, 과열기, 재가열기 및 절탄기의 하류에서, 급수 가열기와 순수한 산소 가열기, 재순환된 연도(flue) 가스 가열기를 포함하는, 추가적인 순차적 세트(sequence set)의 연도 가스 냉각기를 갖는 순산소 연소 보일러를 보인다. 독일 특허공보 DE 103 56 701 A1호는 배기 가스 채널에 직렬로 또는 병렬로 배치되는 재순환 연도 가스 가열기와 산소 가열기를 포함하는 순산소 연소 보일러 시스템을 보인다.
PCT 특허 공보 WO 2006/131283호는 공기 가열기의 하류에 일련의 열교환기를 갖는 이중 점화 순산소 연소 보일러를 보이고, 열교환기는 순산소 연소 모드에서 열 에너지를 보상하도록 급수 공급 라인에 연결되고, 급수 공급 라인은 순산소 연소 모드에서 CO2 액체화 또는 공기 분리를 위해 사용된다. 이 시스템은 순산소 연소 모드에서 급수 유동을 제어하기 위해 필요한 밸브와 제어기로 인해 매우 복잡하다.
이산화탄소 배출을 최소화시킬 때 전력을 보다 경제적으로 생성하기 위해, 특히, 이중 점화 연소 시스템을 사용하여, 순산소를 연소하기 위한 개선 방법과 시스템이 필요하다.
본 발명의 목적은, 순산소 연소를 위한 신규한 방법과 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 특징에 따라, 순산소 연소에 의해 전력을 생성하는 방법이 제공되고, 이 방법은 탄소질 연료를 노에 공급하고, 산화제 가스를 노에 공급하고, 여기서 제 1 작동 모드에서, 산화제 가스는 이산화탄소와 물을 주로 포함하는 배기 가스를 생성하도록 산소로 연료를 연소시키기 위해 산소 공급부로부터 운반된 실질적으로 순수한 산소의 흐름을 포함하고, 노로부터 배기 가스 흐름을 배출하고, 최종 분할기 부분(final divider piece)에서 배기 가스 흐름을 재순환 부분과 말단 부분으로 분할하고, 재순환 부분을 가스 재순환 채널을 통해 노에 재순환시키고, 말단 부분을 출구 채널을 통해 최종 처리로 운반하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 방법은 최종 분할기 부분의 상류에 배치된 최종 분할기 부분의 배기 가스 흐름을 제 1 배기 가스 흐름과 제 2 배기 가스 흐름으로 분할하고, 냉각된 제 1 배기 가스 흐름을 형성하도록 가스-가스 열교환기에 의해 제 1 배기 가스 흐름으로부터 가스 재순환 채널의 가스로 열을 전달하고, 냉각된 제 2 배기 가스 흐름을 형성하도록 제 1 절탄기에 의해 제 2 배기 가스 흐름으로부터 급수 라인의 급수의 흐름으로 열을 전달하고, 조합된 배기 가스 흐름을 형성하도록 최종 분할기 부분의 상류에 배치된 연결 부분에서 냉각된 제 1 배기 가스 흐름과 냉각된 제 2 배기 가스 흐름을 조합하고, 조합된 배기 가스 흐름으로부터 급수 라인의 급수 유동으로 열을 전달하게 배치된 제 2 절탄기를 통해 조합된 배기 가스 흐름의 적어도 일 부분을 운반하는 단계를 포함한다.
다른 특징에 따라, 본 발명은 순산소 연소에 의해 전력을 생성하는 시스템을 제공하고, 이 시스템은 탄소질 연료를 연소시키기 위한 노, 주로 물과 이산화탄소를 포함하는 배기 가스를 생성하도록 산소로 연료를 연소시키기 위해 산소 공급부로부터 노에 실질적으로 순수한 산소를 공급하기 위한 산소 채널, 노로부터 배기 가스를 배출하기 위해 노에 연결된 배기 가스 채널 시스템, 여기서 배기 가스 채널 시스템은 상류 채널, 출구 채널 및 가스 재순환 채널을 포함하고, 여기서 상류 채널은 배기 가스의 제 1 부분, 소위 재순환 부분을 재순환 채널을 통해 노로 재순환시키기 위해, 및 최종 처리를 위해 출구 채널을 통해 배기 가스의 제 2 부분, 소위 말단 부분을 운반하기 위해, 제 1 분할기 부분에 의해 가스 재순환 채널과 출구 채널에 연결되고, 여기서 이 시스템은 제 1 분할기 부분과 연결 부분 사이의 상류 채널을 제 1 배기 가스 채널 부분과 제 2 배기 가스 채널 부분으로 나누는 것을 더 포함하고, 제 1 배기 가스 채널 부분의 배기 가스로부터 가스 재순환 채널의 가스로 열을 전달하도록 제 1 배기 가스 채널 부분에 배치된 가스-가스 열교환기, 제 2 배기 가스 채널 부분의 배기 가스로부터 급수 라인의 급수의 흐름으로 열을 전달하도록 제 2 배기 가스 채널 부분에 배치된 제 1 절탄기, 및 배기 가스 채널 시스템의 가스로부터 급수 라인의 급수 흐름으로 열을 전달하도록 연결 부분의 하류의 배기 가스 채널 시스템에 배치된 제 2 절탄기를 포함한다.
본 발명에 따른 전력 생성 시스템은 바람직하게는 산소 채널에 배치된 산소 가열기를 포함하고, 이 산소 가열기는 유리하게는 배기 가스의 말단 부분으로부터 얻은 열에 의해 실질적으로 순수한 산소를 가열하도록, 출구 채널에 배치된 가스 냉각기에 연결된다. 이 산소 가열 시스템은 가스-가스 열교환기로 구성될 수 있고, 여기서 열이 배기 가스의 말단 부분으로부터 실질적으로 순수한 산소의 흐름으로 직접 전달되지만, 유리하게는, 산소 가열기와 개별적으로-배치된 가스 냉각기 사이의 순환용 파이프 시스템에서 펌프에 의해, 열전달 매체, 전형적으로 물을 순환시키는 것에 기반한다. 본 발명을 사용할 때, 비교적 순수한 산소의 공급율은 유리하게는 연료의 충분히 완전한 연소를 제공하도록, 연료 공급율에 근거하여 결정된다. 일반적으로, 산소 공급율은 배기 가스 중의 잔류 산소의 함량을 모니터링하여 제어되고, 이 함량은 적절한 레벨, 전형적으로 약 3%로 유지되어야 한다.
실질적으로 순수한 산소의 흐름과 배기 가스의 재순환 부분은 개별적으로 노에 안내될 수 있지만, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 실질적으로 순수한 산소의 흐름은 산소 가열기의 하류의 산소 채널과 가스-가스 열교환기의 하류의 가스 재순환 채널을 연결하게 배치된 혼합기에서 배기 가스의 재순환 부분과 혼합된다. 그러므로, 조합된 산화제 가스의 흐름이 형성되어 채널을 통해 노에 공급된다. 재순환 가스와 혼합하기 전에 산소 흐름을 가열하여 얻어지는 장점은 O2 흐름의 온도가 너무 낮으면 일어날 수 있는, O2 분사기 파이프 상의 재순환 가스로부터 습기 또는 산성 가스 응축을 회피하는 것이다. 일반적으로, 배기 가스의 가열된 재순환 부분과 가열된 순수한 산소 흐름의 혼합은 조합된 산화제 가스의 온도, 유량 및 산소 함량을 효과적으로 제어할 수 있게 한다.
가스 재순환 채널 및 산소 채널은 유리하게는 다중 병렬 라인으로 분할될 수 있고, 이 라인은 혼합된 가스의 여러 흐름을 형성하도록 여러 혼합기에 개별적으로 연결되고, 이 가스는 예를 들어, 1차 및 2차 산화제 가스로서 개별적으로 노에 공급될 수 있다. 산소 라인과 병렬 재순환 가스 라인에서 가스 유동을 개별적으로 제어하여, 산화제 가스 흐름의 산소 함량과 유동을 개별적으로 제어할 수 있다.
본 발명이 공기-점화 보일러로부터 개장된 순산소 연소 보일러를 위해 사용될 때, 배기 가스의 재순환 부분의 유량은 유리하게는 노에서 원하는 가스 속도를 유지하도록 수정되고, 여기서 산화제 가스의 산소 함량은 유리하게는 공기의 함량, 전형적으로 약 18% 내지 약 28%에 가깝게 수정된다. 개장된 보일러의 열 유속 또는 노 온도는 유리하게는 예를 들어, 노 벽의 재료 강도 문제 또는 부식을 회피하기 위해 그 원래 레벨 근처로 유지되어야 한다.
주성분으로 질소를 갖는, 종래의 배기 가스에 비교할 때, 주성분으로서 이산화탄소를 갖는 순산소 연소 공정에서 생성되는 배기 가스의 높은 열 용량때문에, 동일한 온도에서 배기 가스의 동일한 체적 유동은 공기-점화 연소에서보다 순산소 연소의 경우에 더 많은 열을 운반한다. 그러므로, 공기-점화 수증기 생성 공정을 순산소 연소로 바꿀 때, 연료 공급율은 유리하게는 적어도 10%만큼 증가되어, 원래의 노 온도 또는 열 유속이 계속 유지될 수 있다. 증가된 점화의 결과로서, 증가된 양의 열이 예를 들어, 산화제 가스의 가열을 위해 및 수증기 생성을 위해 사용 가능하다.
종래의 공기-점화 보일러에서, 수증기 터빈으로부터 추출된 수증기의 많은 부분은 급수를 예열하는데 사용된다. 순산소 연소 보일러에서, 유리하게는, 수증기 터빈으로부터 추출된 수증기의 적어도 일 부분이 이산화탄소 정화 및 압축 유닛(CCU)에서 또는 공기 분리 유닛(ASU)에서 압축기를 구동하는데 사용되고, 따라서, 급수의 증가된 양의 예열이 배기 가스 채널에 배치된 절탄기에서 수행된다. 이러한 배치 때문에, 및 상술한 증가된 점화에 근거한 증가된 수증기 생성으로 인해, 순산소 연소에서 특히 효과적인 절탄기의 시스템이 필요하다.
제 1 절탄기는 유리하게는 제 2 절탄기의 바로 하류의 급수 라인에 배치된다. 이러한 배치에 의해, 제 1 및 제 2 절탄기가 직접 급수 유동에 연결되고, 즉, 급수의 동일한 흐름이 항상 두 절탄기 모두를 통해 흐르고, 두 절탄기 사이의 급수의 유동을 제어하기 위해, 제어 밸브를 갖는 분기 파이프가 없다. 이런 식으로, 본 발명에 따른 절탄기는 급수의 최적 가열을 위해 수정될 수 있는 간단한 시스템을 제공한다. 이 수정은 바람직하게는 두 배기 가스 채널 부분 사이의 배기 가스의 분할비를 바꾸도록, 제 1 배기 가스 채널 부분과 제 2 배기 가스 채널 부분 중 하나에 댐퍼(damper)를 제어하여 수행된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제 2 절탄기는 상류 채널, 즉, 최종 분할기 부분의 상류의 배기 가스 채널에 배치된다. 일반적으로, 상류 채널은 전기 집진기(ESP) 또는 직물 필터와 같은, 먼지 분리기를 포함한다. 제 2 절탄기는 유리하게는 먼지 분리기의 상류에 배치되어, 배기 가스의 온도가 먼지 분리기의 작동 범위에 대해 적절하도록 수정될 수 있다.
전형적으로, 대다수의 배기 가스, 예를 들어, 약 80%가 제 1 배기 가스 채널 부분을 통해 흐르고, 더 작은 부분, 예를 들어, 약 20%가 제 2 배기 가스 채널 부분을 통해 흐른다. 그러므로, 제 1 배기 가스 흐름이 가스-가스 열교환기에서, 예를 들어, 약 310℃ 내지 약 210℃로 냉각되고, 제 2 배기 가스 흐름이 제 1 절탄기에서, 예를 들어, 약 170℃로 냉각될 때, 조합된 배기 가스는 연결 부분의 하류에서 약 200℃의 온도를 갖는다. 이에 의해, 조합된 배기 가스 흐름은 유리하게는 상류 채널에 배치된 제 2 절탄기에서 예를 들어, 약 200℃로부터 약 150℃로 냉각된다. 이러한 절탄기의 배치는 하류의 먼지 분리기 또는 절탄기에서 산성 응축의 위험 없이, 가스-가스 열교환기에서 재순환 가스, 및 절탄기에서 급수 모두를 동시에 가열할 가능성을 제공한다.
출구 채널이 산소 가열기에 연결된 배기 가스 냉각기를 포함할 때 특히 유리한, 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라, 제 2 절탄기가 상류 채널 대신에 가스 재순환 채널에 배치된다. 이에 의해, 제 2 절탄기는 배기 가스의 재순환 부분으로부터만 급수로 열을 전달한다. 이러한 배치는 배기 가스의 온도가 배기 가스가 배기 가스 냉각기에 들어갈 때, 비교적 높은, 전형적으로 약 200℃를 유지하고, 산소 흐름은 상응하여 산소 가열기에 의해 비교적 높은 온도로 가열될 수 있는 장점을 제공한다. 자연히, 분리된(split) 제 2 절탄기를 가질 수도 있고, 그 일부가 상류 채널에 위치하고 다른 부분이 가스 재순환 채널에 위치한다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따라, 이 시스템은 산화제 가스인 공기의 흐름을 도입하기 위해 가스 재순환 채널에 배치되는 공기 흡입부와 재순환 부분을 제어하기 위해 가스 재순환 채널에 배치된 댐퍼를 포함한다. 공기 흡입부의 목적은 제 1 작동 모드와 번갈아 사용될 수 있는, 제 2 작동 모드, 공기-점화 모드를 가능하게 하는 것이다. 제 2 작동 모드에서, 재순환 부분이 최소화되고 공기가 실질적으로 순수한 산소 또는 배기 가스의 재순환 부분과 산소의 조합된 흐름 대신에, 산화제 가스로서 사용된다. 공기 흡입부는 유리하게는 가스-가스 열교환기에서 배기 가스로부터 공기 흐름으로 열을 전달하도록, 가스-가스 열교환기의 상류에 배치된다.
제 2 작동 모드에서, 연소 시스템은 산소 공급부로부터 분리되고, 배기 가스는 그 주성분으로서 질소, 이산화탄소와 물을 포함한다. 배기 가스의 질소의 큰 부분 때문에, 시스템은 이산화탄소 정화 및 압축 유닛(CCU)으로부터도 분리되고, 배기 가스는 스택(stack)을 통해 주변환경으로 방출된다. 본 발명의 주 발상(idea) 중 하나는 심지어 작동시(on-line)에서도, 변경 중에 전력 생성을 중지하지 않고, 구성에 어떠한 수정도 하지 않고, 순산소 연소로부터 공기-점화 연소로 다시 쉽게 전환될 수 있는 이중-점화 순산소 연소 방법 및 이를 위한 시스템을 제공하는 것이다.
제 2 작동 모드에서, 산소 공급부는 사용되지 않고 배기 가스의 이산화탄소가 정화 및 제거되지 않기 때문에, 이러한 공정의 보조 전력 소모가 최소화되고, 이 시스템은 주변환경에 이산화탄소를 방출하는 비용에서, 순산소-연소에서보다 높은 총 효율을 제공한다. 공기-점화 작동 모드는 유리하게는 전력 요구가 특히 높을 때, 예를 들어, 여름 또는 주간에 사용된다. 다르게는, 공기-점화 모드는 예를 들어, 다양한 경제적 조건에 근거하여, 또는 산소 공급부, 이산화탄소 정화 및 압축 유닛 또는 이산화탄소 저장 시스템이 어떤 이유로 사용 불가능할 때, 일시적으로 사용될 수 있다.
제 1 작동 모드를 사용할 때, 가스-가스 열교환기의 차가운 가스의 초기 온도, 즉, 재순환 가스의 온도가 비교적 높으므로, 배기 가스는 가스-가스 열교환기에서 약 100℃만큼만 전형적으로 약 200℃로 냉각된다. 그러므로, 가스-가스 열교환기의 하류의 배기 가스 운반체(carrier)는 다량의 열 에너지를 가져가고, 그 상당 부분이 유리하게는 제 2 절탄기에서 급수를 가열하는데 사용된다. 그러므로, 제 2 절탄기는 배기 가스가 그 안에서 제 1 작동 모드에서 바람직하게는 적어도 약 30℃만큼, 보다 바람직하게는 적어도 약 40℃만큼 냉각되도록 배치된다. 전형적으로, 연도 가스는 제 2 절탄기에서, 제 1 작동 모드에서, 약 170℃ 내지 220℃의 온도로부터 약 120℃ 내지 약 170℃의 온도로, 즉, 산성 가스 이슬점 이상으로 유지되도록, 냉각된다. 원하는 배기 가스 온도를 얻기 위해, 제 1 및 제 2 절탄기가 바람직하게는 공기 분리기(de-aerator)의 상류에 배치된 LP 절탄기이다. 저압 공기 분리기가 사용될 때, 제 1 및 제 2 절탄기는 공기 분리기의 상류에 배치될 수도 있다.
제 2 작동 모드에서, 재순환 배기 가스의 흐름이 유리하게는 유사한 량의 공기 흐름으로 대체되지만, 이는 재순환 배기 가스에서보다 훨씬 낮은 온도이다. 그러므로, 그 다음에, 배기 가스는 가스-가스 열교환기에서 훨씬 낮은 온도, 전형적으로 약 120℃로 냉각된다. 이러한 조건에서, 가스-가스 열교환기의 하류의 배기 가스의 온도는 전형적으로 제 2 열교환기에 들어가는 급수의 온도에 이미 가깝고, 제 2 절탄기에서 어떤 열이 전달된다면 매우 적다. 유리하게는, 배기 가스의 온도는, 제 2 작동 모드에서, 제 2 절탄기에서 약 10℃ 미만만큼 변한다.
상술한 바와 같이, 순산소 연소 모드에서, 수증기 터빈으로부터 추출된 대부분의 수증기는 ASU 또는 CCU에서 압축기를 구동하는데 사용된다. 공기-점화 모드에서, ASU 및 CCU가 사용되지 않을 때, 이 수증기는 급수를 예열하기 위해 절약되고, 절탄기에서 급수를 예열할 필요가 크게 감소된다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 배치는, 공기-점화 모드에서, 절탄기의 열전달 부하(duty)를 자동적으로 감소시킨다. 또한, 급수의 예열은, 공기-점화 모드에서, 유리하게는 제 2 배기 가스 채널 부분을 통해 흐르는 배기 가스의 몫을 감소시키도록, 제 1 및 제 2 배기 가스 채널 부분 중 하나에 댐퍼를 사용하여 감소된다.
본 발명의 상술한 간략한 설명, 및 추가 목적, 특징, 및 장점은 첨부한 도면과 연계하여, 본 발명의 현재 선호되지만, 예시적인 실시예의 하기의 상세한 설명을 참조하여 보다 완전히 이해된다.
본 발명은, 이중 점화 연소 시스템을 사용하여, 순산소를 연소하기 위한 개선 방법과 시스템을 제공하는 효과를 갖는다.
도 1은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순산소-연소 발전소의 개략도.
도 2는, 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 순산소-연소 발전소의 개략도.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발전소(10)의 개략도를 도시한다. 발전소(10)는 보일러(12)를 포함하고, 이는 예를 들어, 미분탄(PC) 보일러 또는 순환 유동층(CFB) 보일러일 수 있다. 보일러의 노(14)는 종래의 연료 공급 수단(16), 노에 산화제 가스(18)를 공급하는 수단, 산화제 가스의 산소로 연료를 연소시켜 생성된 배기 가스를 배출하기 위한 배기 가스 채널 시스템(20)을 포함한다. 연료 공급 수단(16)과 산화제 가스 공급 수단(18)과 같은, 보일러(12)의 몇몇 부재의 세부사항과 타입은 자연히 보일러의 타입에 의존한다. 그러나, 버너, 석탄 분쇄기, 1차 및 2차 유입 가스를 개별적으로 공급하는 수단과 같은, 이러한 세부사항은, 본 발명에 중요하지 않으므로, 도 1에 도시하지 않았다.
배기 가스 채널 시스템(20)은 상류 채널 부분(54), 재순환 채널(28) 및 출구 채널(58)을 포함하여, 배기 가스 흐름이 최종 분할기 부분(26)에서 재순환 가스 채널(28)을 통해 다시 노(14)로 운반되는 재순환 부분과, 출구 채널(58)을 통해 최종 처리를 위해 운반되는 말단 부분으로 분할된다.
산화제 가스는 바람직하게는 배기 가스의 재순환 부분의 적어도 일 부분과, 공기 분리 유닛(24; ASU)의 공기 흐름(22)으로부터 생성된, 실질적으로 순수한 산소의 혼합물이다. 도 1에 도시하지 않은, 재순환 부분의 다른 부분은, 예를 들어, 보일러(12)를 위해 밀봉(sealing) 또는 운반 가스로서 안내될 수 있다. 배기 가스 재순환 채널(28)은 유리하게는 배기 가스 재순환율을 제어하기 위해, 팬(30)과 댐퍼(32)와 같은 수단을 포함한다. 배기 가스의 재순환율은 유리하게는 노(14)에서 그 결과인 가스 유량이 원하는 값을 얻어, 산화제 가스의 평균 O2 함량이 전형적으로 공기의 함량, 바람직하게는 약 18% 내지 약 28%에 가깝도록 수정된다. 본 발명의 몇몇 용도에서, 재순환된 배기 가스와 실질적으로 순수한 산소의 흐름을 개별적으로, 또는 상이한 O2 함량을 갖는 여러 흐름을 예를 들어, 노(14)의 상이한 부분에 도입할 수 있다.
종래와 같이, 노(14)는 일반적으로 도 1에 도시하지 않은 증발면을 포함하고, 배기 가스 채널 시스템(20)의 상류 채널 부분(54)은 열 교환기 면(34), 예를 들어, 과열기, 재가열기 및 HP 절탄기를 더 포함한다. 단순함을 위해, 도 1은 하나의 열교환기 표면(34)만을 도시했지만, 실제로는, 배기 가스 채널 시스템의 상류 부분은 일반적으로 배기 가스로부터 열을 회복하기 위해 여러 과열, 재가열 및 HP 절탄기 표면을 포함한다.
배기 가스 채널 시스템(20)의 상류 부분에서 수증기 생성용 열교환기 표면(34)의 하류에, 배기 가스로부터 배기 가스의 재순환 부분에 직접 열을 전달하기 위한 가스-가스 열교환기, 예를 들어, 재생 열교환기와, 급수 라인(40)에서 흐르는 급수에 열을 전달하기 위한 제 1 절탄기(38)가 배치된다. 본 발명에 따라, 가스-가스 열교환기(36)는 유리하게는 제 1 배기 가스 채널 부분(42)에 배치되고 제 1 절탄기(38)는 제 2 배기 가스 채널 부분(44)에 배치되고, 이 채널 부분은 초기 분할기 부분(46)과 연결 부분(48) 사이에 병렬로 연결되어 있다. 제 1 배기 가스 채널 부분(42)과 제 2 배기 가스 채널 부분(44) 중의 하나는 유리하게는 병렬 채널 부분으로의 배기 가스의 분할을 조정하기 위한 댐퍼(50)를 포함한다.
연결 부분(48)의 하류는 유리하게는 배기 가스의 조합된 흐름으로부터 급수 라인(40)에 흐르는 급수에 열을 전달하기 위해, 제 2 절탄기(52)에 연결되어 있다. 이러한 조합의 절탄기를 사용하여, 가스-가스 열교환기(36)에 의해 재순환 채널(28)의 가스와, 절탄기(38, 52)에 의해 급수, 모두를 절탄기에서의 산성 응축의 위험 없이 그 최적 온도로 동시에 가열할 수 있다.
배기 가스 채널 시스템(20)의 상류 부분(54)은 일반적으로 배기 가스로부터 미립자와 기체상태 오염물질을 청소하기 위한 종래의 유닛을 또한 포함하고, 이 유닛은 도 1에 먼지 분리기(56)로만 개략적으로 도시되어 있다.
순산소 연소의 주목적, 즉, 배기 가스로부터 이산화탄소를 회복시키는 것에 따라, 출구 채널(58)은 이산화탄소를 냉각시키고, 청소하고, 압축시키기 위한 이산화탄소 처리 유닛(60)에 의해 개략적으로 표현된, 수단을 구비한다. 유닛(60)은 일반적으로 배기 가스로부터 모든 물을 완전 건조시키기 위한 건조기와, 이산화탄소로부터 산소(62)와, 다른 발생 가능한 불순물과 같은 응축 불가능한 가스의 흐름을 분리시키기 위한 분리기를 포함한다. 이산화탄소의 흐름(64)은 전형적으로, 예를 들어, 약 110 bar의 압력에서 액체 또는 초임계 상태로 포집되어, 적절한 장소에 저장하기 위해 또는 추후 사용을 위해 수송될 수 있다. 도 1은 배기 가스로부터 초기에 물을 제거하기 위한, 이산화탄소 처리 유닛(60)의 상류에 위치한, 응축용 가스 냉각기(66)를 개별적으로 도시한다.
배기 가스의 말단 부분으로부터 실질적으로 순수한 산소의 흐름에 에너지를 전달하기 위해, 출구 채널(58)은 바람직하게는 가스 냉각기(68)를 구비하고, 이는 산소 공급부(24)의 하류의 산소 채널(72)에 배치된 산소 가열기(70)에 액체 열전달 매체 순환에 의해 연결되어 있다. 열전달 매체, 일반적으로 물이 바람직하게는 일반적으로 실제로는 발전소(10)의 멀리 있는 부분에 위치하는, 가스 냉각기(68)와 산소 가열기(70) 사이에서 연장하는 배관(76)에서 펌프(74)에 의해 순환된다.
산소 채널(72)은 노(14)에 직접 연결될 수 있지만, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 산소 채널(72)과 배기 가스 재순환 채널(28)은 모두 혼합기(78)에 연결되고, 혼합된 가스의 흐름이 산화제 가스 공급 수단(18)을 통해 노에 산화제 가스로서 보내진다. 이 시스템은 산화제 가스의 온도, 유량 및 산소 함량을 개별적으로 제어할 수 있게 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 시스템은 공기를 노에 공급하기 위한 공기 흡입부(80)를 포함한다. 공기 흐름은 바람직하게는 가스-가스 열교환기(36)의 상류의 배기 가스 재순환 채널(28)에 도입되어, 열을 배기 가스로부터 공기 흐름에 직접 전달할 수 있다. 공기 흡입부(80)의 목적은 순산소 연소로부터 공기-점화 연소로 전환할 수 있게 하는 것이다. 그러므로, 공기를 가스 재순환 라인(28)에 도입할 때, 산소 공급이 정지되고 배기 가스의 재순환이 댐퍼(32)에 의해, 최소화, 바람직하게는 완전 정지된다. 배기 가스는 공기-점화 모드에서 다량의 질소와 혼합된 물과 이산화탄소를 포함하여, 배기 가스로부터 이산화탄소를 쉽게 포집할 수 없으므로, 이 경우에, 스택(82)을 통해 주변환경으로 방출된다.
공기-점화 모드에서 가스 재순환 채널(28)로 흐르는 공기 흐름은 유리하게는 가스 가열기(86)에 의해 가스-가스 열교환기(36)의 상류에서 이미 예열되어 있을 수 있다. 유리하게는 팬(30)의 하류의 가스 재순환 채널(28)에 배치된, 가스 가열기(86)가 배관(76)의 측면 루프(loop)에 의해 가스 냉각기(68)에 연결될 수 있고, 이는 그 다음에, 공기 점화 모드에서, 배기 가스의 말단 부분으로부터 얻은 열을 산소 가열기(70) 대신에 가스 가열기(86)로 전달하게 연결된다. 가스 가열기(86)는 다르게는, 바람직하게는 공기-점화 모드에서만 사용되는, 가스 재순환 채널(28)에 배치된 종래의 수증기 코일 가열기일 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 발전소(10N)의 개략도를 도시한다. 도 1에 도시한 발전소(10)의 유사한 요소와 상응하는 발전소(10N)의 요소는 도 1의 도면부호와 같은 도면부호로 도시되어 있다.
발전소(10N)는 제 2 절탄기(52N)가 배기 가스 채널 시스템(20)의 상류 부분(54) 대신에 가스 재순환 채널(28)에 배치된다는 점에서 도 1에 도시한 발전소(10)와 주로 상이하다. 그러므로, 배기 가스의 말단 부분은 보다 고온으로 유지되고, 산소 흐름은 도 1에 도시한 실시예의 가열기(70)에 의해서보다 산소 가열기(84)에 의해 더 높은 온도로 가열될 수 있다. 산소 가열기(84)는 여기서 직접 가스-가스 가열기로 도시되어 있지만, 다르게는 도 1에 도시한 바와 같이, 개별적인 배기 가스 냉각기와 산소 가열기 사이에 열전달 매체를 순환시키는 것에 기반한 산소 가열 시스템을 포함할 수도 있다. 산소가 2개의 연속적인 가열기, 예를 들어, 먼저 도 1에 도시한 타입의 가열 시스템에서, 그 다음에 도 2에 도시한 바와 같은, 직접 가스-가스 열교환기에서 가열될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 시스템은 공기-점화 모드에서 산화제인 공기를 노(14)에 공급하기 위해, 도 1에 도시한 시스템에서와 같이, 공기 흡입부(80)를 포함한다. 그러나, 도 2에 도시한 바와 같이, 공기 흐름이 가스 재순환 채널(28)에 배치된 종래의 수증기 코일 가열기(86N)에 의해 예열될 수 있다. 그러나, 시스템이 도 1에 도시한 바와 같이, 유체 전달 매체를 순환시키기 위한 배관을 사용하여, 산소 채널(72)에서 산소 가열기(70)에 연결된 개별적인 배기 가스 냉각기(68)를 포함하면, 배관은 가스 재순환 채널(28)에 배치된 가스 가열기에 의해 공기를 가열하기 위해 공기-점화 모드에서 사용되도록, 측면 루프를 포함할 수도 있다.
본 발명은 현재 가장 바람직한 실시예로 간주되는 것에 관한 예로 본원에서 설명되었지만, 본 발명은 공개한 실시예에 한정되지 않는 것으로 이해되어야 하고, 첨부한 청구범위에 정의된 바와 같은, 본 발명의 범위 내에 포함되는 그 특징의 다양한 조합 또는 수정과 몇몇 다른 용도를 포괄하고자 한다.
10: 발전소 12: 보일러
14: 노 16: 연료 공급 수단
18: 산화제 가스 공급 수단 20: 배기 가스 채널 시스템
22: 공기 흐름 24: 공기 분리 유닛
26: 최종 분할기 부분 28: 재순환 가스 채널

Claims (18)

  1. 순산소 연소에 의해 전력을 생성하는 방법에 있어서,
    (a) 노에 탄소질 연료(carbonaceous fuel)를 공급하는 단계와,
    (b) 상기 노에 산화제 가스를 공급하는 단계로서, 제 1 작동 모드에서, 상기 산화제 가스는 이산화탄소와 물을 주로 포함하는 배기 가스를 생성하도록 산소로 연료를 연소시키기 위해 산소 공급부로부터 운반된 실질적으로 순수한 산소의 흐름을 포함하는, 단계와,
    (c) 상기 노로부터 배기 가스 흐름을 배출하는 단계와,
    (d) 최종 분할기 부분에서 상기 배기 가스 흐름을 재순환 부분과 말단 부분으로 분할하는 단계와,
    (e) 상기 재순환 부분을 가스 재순환 채널을 통해 상기 노로 재순환시키는 단계와,
    (f) 상기 말단 부분을 출구 채널을 통해 최종 처리를 위해 운반하는 단계를
    포함하고,
    상기 방법은, 또한,
    (g) 상기 최종 분할기 부분의 상류에 배치된, 제 1 분할기 부분의 배기 가스 흐름을, 제 1 배기 가스 흐름과 제 2 배기 가스 흐름으로 분할하는 단계와,
    (h) 냉각된 제 1 배기 가스 흐름을 형성하기 위해 가스-가스 열교환기에 의해 상기 제 1 배기 가스 흐름으로부터 가스 재순환 채널의 가스로 열을 전달하는 단계와,
    (i) 냉각된 제 2 배기 가스 흐름을 형성하기 위해 제 1 절탄기(economizer)에 의해 제 2 배기 가스 흐름으로부터 급수라인의 급수의 흐름으로 열을 전달하는 단계와,
    (j) 조합된 배기 가스 흐름을 형성하기 위해 상기 최종 분할기 부분의 상류에 배치된 연결기 부분에서 냉각된 제 1 배기 가스 흐름과 냉각된 제 2 배기 가스 흐름을 조합하는 단계와,
    (k) 상기 조합된 배기 가스 흐름으로부터 상기 급수라인의 급수의 흐름으로 열을 전달하기 위해 배치된 제 2 절탄기를 통해 상기 조합된 배기 가스 흐름의 적어도 일 부분을 운반하는 단계를
    포함하는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 절탄기는 최종 분할기 부분의 상류의 상기 배기 가스 채널에 배치되는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 배기 가스의 말단 부분으로부터 실질적으로 순수한 산소의 흐름으로 열을 전달하는 단계를 더 포함하는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 실질적으로 순수한 산소의 흐름과 재순환 부분을 조합된 산화제 가스로서 혼합기에서 혼합하는 단계와, 상기 조합된 산화제 가스를 상기 노에 공급하는 단계를 더 포함하는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 방법.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 제 2 절탄기는 배기 가스의 재순환 부분으로부터 열을 전달하기 위해 상기 재순환 채널에 배치되는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 절탄기는 상기 제 2 절탄기의 바로 하류의 급수 라인에 배치되는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 배기 가스 흐름과 상기 제 2 배기 가스 흐름의 분할비(division ratio)를 제어하는 단계를 더 포함하는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 방법.
  8. 제 2항에 있어서, 상기 제 1 작동 모드에서, 상기 배기 가스의 온도는 상기 제 2 절탄기에서 적어도 30℃만큼 감소하는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 제 2 작동 모드와 번갈아 상기 제 1 작동 모드를 수행하는 단계를 더 포함하고, 상기 재순환 부분은 최소화되고, 상기 산화제 가스는 가스-가스 열교환기의 상류의 가스 재순환 라인으로 도입된 공기 흐름을 포함하는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 제 2 작동 모드에서, 상기 배기 가스의 온도는 상기 제 2 절탄기에서 10℃ 미만 변하는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 방법.
  11. 순산소 연소에 의해 전력을 생성하는 시스템에 있어서,
    탄소질 연료를 연소하기 위한 노와,
    이산화탄소와 물을 주로 포함하는 배기 가스를 제조하도록 산소로 상기 연료를 연소시키기 위해 산소 공급부로부터 상기 노에 실질적으로 순수한 산소를 공급하기 위한 산소 채널과,
    상기 노로부터 배기 가스를 배출하기 위해 상기 노에 연결된 배기 가스 채널 시스템으로서, 상기 배기 가스 채널 시스템은 상류 채널, 출구 채널 및 가스 재순환 채널을 포함하고, 상기 상류 채널은 배기 가스의 재순환 부분을 상기 재순환 채널을 통해 상기 노로 재순환시키고, 최종 처리를 위해 상기 출구 채널을 통해 상기 배기 가스의 말단 부분을 운반하기 위해, 최종 분할기 부분(final divider piece)에 의해 상기 가스 재순환 채널과 상기 출구 채널에 연결되고, 상기 상류 채널은 제 1 분할기 부분과 연결 부분 사이에서 제 1 배기 가스 채널 부분과 제 2 배기 가스 채널 부분으로 분할되는, 배기 가스 채널 시스템과,
    상기 제 1 배기 가스 채널 부분의 배기 가스로부터 상기 가스 재순환 채널의 가스로 열을 전달하기 위해 상기 제 1 배기 가스 채널 부분에 배치된 가스-가스 열교환기와,
    상기 제 2 배기 가스 채널 부분의 배기 가스로부터 급수 라인의 급수 흐름으로 열을 전달하기 위해 상기 제 2 배기 가스 채널 부분에 배치된 제 1 절탄기와,
    상기 배기 가스 채널 시스템의 가스로부터 상기 급수 라인의 급수 흐름으로 열을 전달하기 위해 연결 부분의 하류의 배기 가스 채널 시스템에 배치된 제 2 절탄기를
    포함하는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 시스템.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 제 2 절탄기는 상기 상류 채널에 배치되는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 시스템.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 배기 가스의 말단 부분으로부터 얻어진 열에 의해 실질적으로 순수한 산소를 가열하도록 상기 출구 채널에 배치된 가스 냉각기에 연결되어 있는, 상기 산소 채널에 배치된 산소 가열기를 더 포함하는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 시스템.
  14. 제 13항에 있어서, 조합된 산화제 가스로서 재순환 부분과 실질적으로 순수한 산소를 혼합하기 위한 혼합기와 상기 조합된 산화제 가스를 상기 노에 공급하기 위한 채널을 더 포함하는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 시스템.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 제 2 절탄기는 상기 가스 재순환 채널에 배치되어 있는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 시스템.
  16. 제 11항에 있어서, 상기 제 1 절탄기는 상기 제 2 절탄기의 바로 하류의 급수 라인에 배치되어 있는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 시스템.
  17. 제 11항에 있어서, 배기 가스의 분할비를 제어하기 위해 상기 제 1 배기 가스 채널 부분과 상기 제 2 배기 가스 채널 부분 중 하나에 댐퍼(damper)를 더 포함하는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 시스템.
  18. 제 11항에 있어서,
    상기 재순환 부분을 제어하기 위해 상기 가스 재순환 채널에 배치된 댐퍼와,
    상기 산화제 가스로서 공기의 흐름을 도입하기 위해 상기 가스 재순환 채널에 배치된 공기 흡입부(air intake)로서, 상기 공기 흡입부는 상기 배기 가스로부터 상기 가스-가스 열교환기의 공기 흐름으로 열을 전달하기 위해 상기 가스-가스 열교환기의 상류에 배치된, 공기 흡입부를
    더 포함하는, 순산소 연소에 의한 전력 생성 시스템.
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