KR20130136291A - 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템 - Google Patents

태양열을 이용한 석탄 건조 시스템 Download PDF

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이종민
김동원
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한국전력공사
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Abstract

고수분 저등급 석탄을 건조시키는 공정의 에너지원으로 태양에너지를 사용하는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템이 개시된다.
개시되는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템은 태양열을 통해 열매체를 가열시키는 태양열 장치; 상기 태양열 장치로부터 가열된 열매체를 공급받아 열을 저장하는 축열부; 및 상기 축열부에 저장된 열매체의 열을 공급받고, 공급받은 열을 이용하여 석탄을 건조시키는 석탄 건조부;를 포함한다.
이러한 구성을 갖는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템에 의하면, 가격이 낮은 고수분 저등급 석탄을 석탄 발전에 사용할 수 있고, 고수분 석탄의 건조 공정에 사용되는 열원으로 태양열을 사용함으로써, 기존 석탄 발전소의 효율을 증대시킬 수 있고, 석탄 발전 시스템을 친환경적으로 구축할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.

Description

태양열을 이용한 석탄 건조 시스템{COAL DRYING SYSTEM USING SOLAR HEAT}
본 발명은 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고수분 저등급 석탄을 건조시키는 공정의 에너지원으로 태양에너지를 사용하는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템에 관한 것이다.
화력발전소, 제철소 등과 같이 대용량의 열에너지를 필요로 하는 대규모 작업장에서는 주로 석탄이 연료로 사용되고 있다. 석탄은 화석 연료 중에서 가장 값이 싸고 매장량이 풍부하여 공급이 안정된 연료이다.
그러나, 석탄을 연소시켜 화력 발전을 하기 위해서는 무연탄, 유연탄 등의 고품위 석탄이 사용되어야 하는데 이에 대한 공급이 원활이 이루어지지 않아 저등급 석탄을 고품위 석탄으로 변화시키는 연구가 활발히 이루어지고 있다.
일반적으로 저등급 석탄은 발열량이 낮아 연소하기 어려운 탄으로서, 크게 회분이 다량 함유되어 발열량이 앉은 고회분탄(무연탄 계통)과 수분이 다량 함유되어 발열량이 낮은 고수분탄(갈탄 계통)으로 분류된다.
여기서, 고회분탄에 비해 가격이 더 낮은 고수분탄을 연료로 사용하는 경우에는 발전효율을 위해서 수분 함량이 높은 고수분탄을 건조시키는 공정이 필요하다.
이러한 고수분 저등급 석탄의 건조 공정 유무에 따른 화력발전 시스템을 비교해 본다.
먼저, 도 1은 석탄 건조 시스템을 사용하지 않는 화력발전소의 개략적인 계통도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 고수분 저등급 석탄은 석탄공급장치(10)에서 석탄 건조 공정없이 연소보일러(20)에 공급되고, 석탄을 연료로 하여 연소보일러(20)에서는 스팀이 생산된다.
이렇게 생산된 스팀은 의해 터빈(30)을 작동시키며, 전력변환장치(40)를 통해 약 269MWe의 전력이 생산되게 된다. 이때, 연소보일러(20) 가동에 의해 생산되는 스팀은 연돌(50)을 통해 대기로 배출되게 되는데, 120℃ 정도의 고온 스팀이 약 72.1kg/s로 배출된다.
이는, 너무 많은 양의 열에너지가 대기로 배출되는 것으로, 화력발전소의 발전효율 저하의 요인이 된다.
한편, 도 2는 석탄 건조 시스템을 사용하는 화력발전소의 개략적인 계통도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 석탄 건조 시스템이 적용된 화력발전소에는 도 1에 도시된 화력발전소에 석탄 건조장치(60)가 추가되며, 고수분 저등급 석탄은 석탄공급장치(10)에서 석탄 건조장치(60)로 공급되어 건조 공정을 거치게 된다.
석탄 건조 공정을 통해 석탄의 수분함량은 55.4%에서 15%로 낮아지며, 건조된 석탄이 연소보일러(20)에 공급된다.
이와 같이 건조된 석탄을 사용하는 화력발전의 경우에는 302MWe의 전력이 생산되게 되며, 연돌을 통해 배출되는 고온 스팀은 약 10.2kg/s의 배출량으로 배출된게 된다.
즉, 석탄을 건조하여 연소보일러(20)에 공급하는 경우가 고수분 저등급 석탄을 직접 연소보일러(20)에 공급하는 경우보다 발전량이 크게 증가하는 것을 알 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점 중 적어도 일부를 해결하고자 안출된 것으로, 일 측면으로서, 고수분 저등급 석탄을 석탄 발전에 사용할 수 있고, 석탄 건조 공정의 열원으로 태양열을 사용할 수 있는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 일 측면으로서, 수분 함량이 다양한 고수분 저등급 석탄의 건조 공정의 신뢰성을 확보할 수 있고, 설계탄 기준이 변경된 경우와 석탄 발전소의 운전상황 변화시에 유동적으로 대응할 수 있는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 다른 일 측면으로서, 석탄 건조 공정에 열을 전달하는 열매체로서 공기뿐만 아니라, 물 또는 용융염과 같이 비열이 높은 물질을 사용할 수 있는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템을 제공하는 것으로 목적으로 한다.
상기한 목적 중 적어도 일부를 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명은 태양열을 통해 열매체를 가열시키는 태양열 장치; 상기 태양열 장치로부터 가열된 열매체를 공급받아 열을 저장하는 축열부; 및 상기 축열부에 저장된 열매체의 열을 공급받고, 공급받은 열을 이용하여 석탄을 건조시키는 석탄 건조부;를 포함하는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템을 제공한다.
일 실시예에서, 상기 열매체는 공기로 구성되고, 상기 태양열 장치를 통해 가열된 고온공기를 상기 축열부에 공급하는 공기공급장치가 구비될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 석탄 건조부에는 상기 축열부에 저장된 고온공기 또는 상기 고온공기와 대기공기가 혼압된 공기가 공급되며, 상기 고온공기와 대기공기의 혼합 비율을 조절하여 석탄 건조에 사용되는 공기의 온도 조절이 가능할 수 있다.
이를 위해, 상기 석탄 건조 시스템에는 상기 축열부와 석탄 건조부 사이의 유로에 구비되어 상기 축열부로부터 공급받는 고온공기와 대기중에 있는 대기공기를 혼합하는 혼합기; 상기 축열부와 상기 혼합기 사이의 유로에 구비되어 고온공기의 유량을 조절하는 제1 유량조절밸브; 및 상기 공기공급장치와 상기 혼합기 사이의 유로에 구비되어 대기공기의 유량을 조절하는 제2 유량조절밸브;가 구비될 수 있다.
다른 일 실시예에서, 상기 열매체는 물 또는 용융염으로 구성되고, 상기 태양열 장치와 상기 축열부 간에는 상기 물 또는 용융염이 순환하는 구조가 형성될 수 있다.
여기서, 상기 축열부와 석탄 건조부 간의 열전달 매체는 공기로 구성되고, 상기 석탄 건조 시스템에는 상기 축열부와 열교환된 고온공기를 상기 석탄 건조부에 공급하는 공기공급장치가 구비될 수 있다.
또 다른 일 실시예에서, 상기 축열부와 석탄 건조부 간의 열전달 매체는 물 또는 용융염으로 구성되고, 상기 축열부와 상기 석탄 건조부 간에는 상기 축열부와 열교환된 고온의 물 또는 용융염이 순환하는 구조가 형성될 수 있다.
한편, 상기 석탄 건조부에 석탄을 공급하는 석탄 공급부와 상기 석탄 건조부의 사이에는 예열부가 더 구비되고, 상기 예열부는 상기 석탄 공급부에서 상기 석탄 건조부로 공급되는 석탄을 예열할 수 있다.
여기서, 상기 예열부에는 상기 석탄 건조부에서 석탄 가열시에 발생한 공기가 석탄의 예열 열원으로 공급될 수 있다.
바람직하게, 상기 예열부는 상기 석탄 건조부에서 석탄 가열시에 발생한 공기가 상기 석탄 공급부에서 추출된 석탄과 열교환하며 통과하는 열교환기로 구성될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 예열부를 통과한 공기는 석탄회의 회수를 위해 집진기에 공급될 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 의하면, 가격이 낮은 고수분 저등급 석탄을 석탄 발전에 사용할 수 있고, 고수분 석탄의 건조 공정에 사용되는 열원으로 태양열을 사용함으로써, 기존 석탄 발전소의 효율을 증대시킬 수 있고, 석탄 발전 시스템을 친환경적으로 구축할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 석탄 건조 공정의 가열온도를 유동적으로 조절할 수 있도록 구성되어, 수분 함량이 다양한 고수분 저등급 석탄의 건조 공정의 신뢰성이 확보되고, 설계탄 기준에 따른 보일러 설계 및 운영 기술로 인해 석탄 성상 변화시에도 사용될 수 있으며, 석탄 발전소의 운전상황 변화시에도 유동적으로 대응할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 석탄 건조 공정에서 발생한 수분함량이 높은 고온공기가 가지고 있는 열에너지를 이용하여 석탄을 건조 공정 전에 예열하는 예열부를 통해, 석탄 건조의 효율성이 확보되고, 에너지가 절약되는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 태양열을 석탄 건조 공정에 전달하는 열매체로서 축열 및 열전달 기능이 뛰어난 물 또는 용융염을 사용함으로써, 석탄 건조 시스템의 효율이 더욱 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 석탄 건조 시스템을 사용하지 않는 화력발전소의 계통도이다.
도 2는 석탄 건조 시스템을 사용하는 화력발전소의 계통도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템이 포함된 화력발전소의 계통도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템이 포함된 화력발전소의 계통도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템이 포함된 화력발전소의 계통도이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
그리고, 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다", "가지다(갖다)" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템에 대해서 살펴본다. 여기서, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템이 포함된 화력발전소의 개략적인 계통도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템(100)은 태양열 장치(110), 축열부(120), 석탄 건조부(130) 및 석탄 공급부(140)를 포함하고, 석탄 공급부(140)와 석탄 건조부(130) 사이에는 예열부(150)가 추가로 포함될 수 있다.
상기 태양열 장치(110)는 태양광을 집광하여 열을 전달하는 열매체를 가열시키는 장치로서, 태양광을 집광하는 집열판(112), 내부에 열매체가 충전되고 상기 집열판(112)의 내부에 배열되어 집열판(112)으로부터 발산되는 열을 흡수하는 파이프(114)로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의한 석탄 건조 시스템(100,100-1,100-2)에서, 이러한 태양열 장치(110)는 석탄 건조에 필요한 충분한 열을 생성할 수 있도록, PN접합 반도체로 구성된 태양전지(Solar cell)에 태양광을 집광하는 집광형 태양광 발전장치로 구성될 수 있다. 일반적으로 이러한 집광형 태양광 발전장치는 태양광을 집열시켜 700℃ 내지 1000℃의 열을 생성할 수 있다.
참고로, 일반적으로 휘발성이 강한 저등급 석탄은 석탄 자체의 자연발화를 방지하기 위해 200℃ 미만의 열로 가열되고, 휘발성이 약한 저등급 석탄은 400℃ 이상의 고열로 가열된다.
한편, 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에서는 열매체가 공기로 구성될 수 있으며, 이때, 태양열 장치(110)의 파이프(114)는 가열된 고온공기가 유통될 수 있는 내열파이프로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 파이프(114)는 집열판(112) 각각과 열교환하도록 구성되며, 열교환을 통해 내부에 충전된 공기가 가열되게 된다.
한편, 상기 축열부(120)는 태양열 장치(110)로부터 가열된 열매체를 공급받아 열을 저장할 수 있다. 일 실시예에서, 열매체가 공기로 구성되므로, 축열부(120)는 가열된 고온공기가 열손실이 최소화되며 저장될 수 있는 기체저장탱크로 구성될 수 있다.
이러한 축열부(120)는 100℃ 이상의 열매체를 스팀상태로 저장할 수 있으므로, 석탄 건조에 필요한 수백도의 열을 보관할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템(100)에는 태양열 장치(110)를 통해 가열된 고온공기를 축열부(120)에 공급하는 공기공급장치(200)가 구비될 수 있다. 이러한 공기공급장치(200)는 대기공기를 태양열 장치(110)의 파이프(114)로 공급할 수 있는 공기펌프로 구성될 수 있다.
한편, 상기 석탄 건조부(130)는 축열부(120)에 저장된 열매체의 열을 공급받고, 공급받은 열을 이용하여 석탄을 가열시킴으로써 석탄을 건조시킬 수 있다.
일 실시예에서, 석탄 건조부(130)는 고온공기를 공급받아 고온공기의 열을 이용하여 석탄을 가열할 수 있는 석탄건조장치로 구성될 수 있으며, 이때, 석탄 건조부(130)에는 축열부(120)에 저장된 고온공기를 공급받을 수 있도록 축열부(120)와 연결된 유로가 형성될 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서 석탄 건조부(130)에는 축열부(120)에 저장된 고온공기(hA)와 대기중에 존재하는 상온의 대기공기(A)가 혼합된 공기가 공급될 수 있다.
이와 같이, 고온공기(hA)와 대기공기(A)의 혼합에 의해 석탄 건조부(130)에 공급되는 공기의 온도는 변경될 수 있으며, 고온공기(hA)와 대기공기(A)의 혼합 비율을 조절하여 석탄 건조에 사용되는 공기의 온도 조절이 가능할 수 있다.
이러한 동작을 구현하기 위하기 위해, 일 실시예에서, 축열부(120)와 석탄 건조부(130) 사이의 유로에는 혼합기(300)가 구비될 수 있고, 축열부(120)와 혼합기(300) 사이의 유로에는 제1 유량조절밸브(601)가 구비될 수 있으며, 공기공급장치(200)와 혼합기(300) 사이의 유로에는 제2 유량조절밸브(602)가 구비될 수 있다.
여기서, 상기 혼합기(300)는 축열부(120)로부터 공급받는 고온공기(hA)와 대기중에 있는 대기공기(A)를 혼합할 수 있고, 상기 제1 유량조절밸브(601)는 축열부(120)에서 추출되는 고온공기(hA)의 유량을 조절할 수 있으며, 상기 제2 유량조절밸브(602)는 혼합기(300)로 유입되는 대기공기(A)의 유량을 조절할 수 있다.
이와 같이, 혼합기(300), 제1 유량조절밸브(601) 및 제2 유량조절밸브(602)를 통해 석탄 건조부(130)에 공급되는 공기열원의 유량과 온도가 조절 가능하므로, 석탄 건조부(130)에서 건조시키는 고수분탄의 수분 함량에 따른 석탄 건조에 필요한 공기의 온도와 유량을 제어할 수 있게 된다.
이를 통해, 수분 함량이 다양한 석탄에 대한 건조 공정의 신뢰성이 확보될 수 있고, 설계탄 기준에 따른 보일러 설계 및 운영 기술로 인해 석탄 성상 변화시 및 화력발전소 운전상황 변화시에 유동적으로 대응할 수 있게 된다.
이때, 본 발명의 일 실시예에서는 태양열 장치(110)에 공기를 공급하는 공기공급장치(200)를 사용하여 혼합기(300)에 대기공기를 공급하도록 구성하여 장치의 효율적인 구성을 도모하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 공기공급장치(200)가 아닌 별도의 공기공급장치가 추가되는 구성도 가능하다.
한편, 상기 석탄 공급부(140)는 채취한 고수분 저등급 석탄(C+M)을 저장 및 공급할 수 있는 일반적으로 사용되는 호퍼와 같은 설비로 구성될 수 있다.
한편, 상기 예열부(150)는 석탄 공급부(140)와 석탄 건조부(130)의 사이에 구비되어, 석탄 공급부(140)에서 석탄 건조부(130)로 공급되는 고수분 석탄(C+M)을 예열할 수 있다.
이러한 예열부(150)에는 석탄 건조부(130)에서 석탄 가열시에 발생한 수분 함량이 높은 고온의 공기가 공급될 수 있으며, 공급되는 공기는 석탄의 예열에 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 예열부(150)에 공급되는 수분 함량이 높은 고온공기는 예열부(150)에서 석탄에 직접적으로 접촉하여 석탄을 예열시킬 수 있지만, 예열부(150)에서 예열하는 석탄은 수분 함량이 높은 고수분탄이고 예열부(150)에 공급되는 고온공기도 수분 함량이 높으므로 수분의 포화증기압 등을 고려했을 때, 상기 수분 함량이 높은 고온공기의 열만 석탄에 전달하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 예열부(150)는 석탄 건조부(130)에서 석탄 가열시에 발생한 공기가 석탄 공급부(140)에서 추출된 석탄과 열교환하며 통과하는 열교환장치로 구성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템(100)은 예열부(150)를 통해 석탄을 건조 공정 전에 예열함으로써, 건조 공정에 필요한 열에너지의 양을 감소시킬 수 있으며, 동시에 석탄 건조 공정에서 발생한 수분 함량이 높은 고온공기의 열에너지를 예열에 사용할 수 있으므로, 예열을 위해 별도의 열원을 구성할 필요가 없고, 사용되지 않고 배출될 수도 있는 열에너지가 효율적으로 사용된다는 장점이 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템(100)이 포함된 화력발전소의 발전 프로세스에 대해서 설명하면, 먼저, 공기공급장치(200)는 태양열 장치(110)에 대해 열매체인 공기(A)를 공급하여 태양열 장치(110)를 통해 가열된 고온공기(hA)를 축열부(120)에 공급할 수 있다.
축열부(120)에 저장되어 있던 고온공기(hA)는 혼합기(300)를 통해 대기공기(A)와 혼합되어 석탄 건조부(130)에 공급될 수 있다. 여기서, 대기공기(A)는 공기공급장치(200)에 의해 공급될 수 있다.
한편, 석탄 공급부(140)에 저장되어 있던 고수분 석탄(C+M)은 건조 공정을 위해 석탄 건조부(130)에 공급될 수 있고, 석탄 건조부(130)는 축열부(120)로부터 공급받은 고온공기(hA)의 열을 이용해서 석탄을 가열하여 건조시킬 수 있다.
여기서, 석탄 건조부(130)에 공급되는 석탄은 석탄 건조부(130)에 공급되기 전에 예열부(150)에서 예열되어, 예열된 고수분 석탄(C'+M) 상태로 석탄 건조부(130)에 공급될 수 있다.
한편, 석탄 건조부(130)에서 고수분 석탄을 건조시키는 과정에서는 수분이 제거된 석탄(C) 및 석탄회와 수분이 다량 함유된 고온공기(hA+M+F)가 발생하게 되며, 수분이 제거된 석탄(C)은 미분기(170)로 공급되어 분쇄-스크린-분쇄 공정을 거친 후 연소보일러(180)로 공급될 수 있고, 석탄회와 수분이 다량 함유된 고온공기(hA+M+F)는 예열부(150)로 공급되어 석탄의 예열에 사용될 수 있다.
여기서, 예열부(150)가 전술한 바와 같이 열교환기(500)로 구성되는 경우에, 석탄회와 수분이 다량 함유된 고온공기(hA+M+F)는 가지고 있던 열을 예열부(150)에서 석탄에 전달하고 석탄회와 수분이 다량 함유된 공기(A+M+F) 상태로 집진기(160)에 공급될 수 있다.
집진기(160)는 공급받은 석탄회와 수분이 다량 함유된 공기(A+M+F)에서 석탄회(F)를 분리하고, 분리된 석탄회(F)는 미분기(170)를 거쳐 연소보일러(180)에 공급될 수 있다.
또한, 집진기(160)가 석탄회(F)를 분리하는 과정에서, 석탄회(F)가 분리되고 남은 미세 석탄회와 수분이 다량 함유된 공기(A+M+F')는 응축기(190)에 공급될 수 있다.
응축기(190)는 공급받은 미세 석탄회와 수분이 다량 함유된 공기(A+M+F')를 응축과정을 통해 미세 석탄회(F'), 공기(A) 및 응축수(M)로 분리한다. 여기서, 분리된 미세 석탄회와 공기는 미분기(170)를 거쳐 연소보일러(180)로 공급될 수 있고, 응축수(M)는 외부로 배출될 수 있다.
또한, 응축기(190)의 응축과정에서 수집된 열에너지는 응축기(190)에 구비된 열교환기(500)를 통해 석탄 건조부(130)에 공급되어 석탄 건조 열원으로 사용될 수 있으나, 이에 한정 되는 것은 아니며, 수집된 열에너지를 사용하지 않고 외부로 배출시키는 구성, 예열부(150)로 공급하는 구성 또는 축열부(120)로 공급하는 구성도 가능하다.
다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템에 대해서 살펴본다. 여기서, 도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템이 포함된 화력발전소의 개략적인 계통도이다.
도 4에 도시된 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템(100-1)은 도 3을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템(100)과 달리, 태양열 장치(110)로부터 열을 수집하여 축열부(120)에 열을 저장하는 열매체가 물 또는 용융염(용융된 염류, L)으로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 물은 스팀을 포함하는 개념이다.
참고로, 물은 스팀상태에서 100℃ 이상의 고온이 될 수 있으며, 용융염은 녹는점이 800℃정도이고 끓는점이 1400℃에 달하므로, 공기에 비해 비열이 높아 축열성능이 우수하며, 축열 및 열전달 제어가 공기에 비해 용이한 장점이 있다.
따라서, 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템(100-1)에서 상기와 같이 열매체를 공기가 아닌 물 또는 용융염(L)으로 구성하는 경우는, 열매체가 공기로 구성된 경우보다 석탄 건조 시스템의 석탄 건조 공정의 신뢰성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
이를 위해, 다른 일 실시예에서 태양열 장치(110)와 축열부(120) 간에는 열매체인 물 또는 용융염(L)이 순환하는 구조가 형성될 수 있다. 즉, 도 3을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에서는 대기공기(A)를 공급하여 축열부(120)에 저장될 열원을 생성하였지만, 다른 일 실시예에서는 태양열 장치(110)와 축열부(120) 간의 순환유로에 충전된 물 또는 용융염(L)이 순환하며 가열 및 열전달을 반복하게 된다. 여기서, 축열부에는 100℃ 이상의 고열이 스팀상태로 저장될 수 있다.
이러한 동작을 위해, 일 실시예에서 태양열 장치(110)에 구비된 열매체 유통용 파이프가 축열부(120)에 연결되고, 축열부(120)에 연결된 파이프는 다시 태양열 장치(110)의 열매체 유통용 파이프에 연결되어, 결과적으로 순환유로 구조를 이룰 수 있다.
또한, 일 실시예에서 상기 순환유로에는 물 또는 융용염을 태양열 장치(110)와 축열부(120) 간에 순환시키는 열매체 순환장치(400)가 구비될 수 있으며, 이러한 열매체 순환장치(400)는 액체를 이동시키는 펌프로 구성될 수 있다.
이러한 구성에서, 물 또는 용융염(L)은 상기 순환유로 내를 흐르며 태양열 장치(110)에서 가열되어 열을 획득할 수 있고, 고온액체(hL) 상태로 축열부(120)에 저장될 수 있다.
여기서, 축열부(120)는 고온액체(hL)가 열손실이 최소화되는 상태로 저장될 수 있는 액체저장탱크로 구성될 수 있다.
또한, 여기서 축열부(120)에 저장되어 있던 고온의 물 또는 용융염(hL)은 후술할 열교환기(500)를 통해 석탄 건조 열원으로 사용되는 공기(A)에 열을 전달할 수 있으며, 열을 전달하여 온도가 내려간 물 또는 용융염 즉, 상온액체(L)는 상기 순환유로를 통해 태양열 장치(110)로 이동되어 재가열된 후 다시 축열부(120)에 재저장될 수 있다.
한편, 석탄 건조에 사용되는 열매체로서 축열부(120)와 열교환하는 매체는 공기(A)로 구성될 수 있다.
여기서, 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템(100-1)에는 축열부(120)와 열교환된 고온공기(hA)를 석탄 건조부(130)에 공급하고, 축열부(120)와의 열교환을 위한 대기공기(A)를 축열부(120)에 공급하는 공기공급장치(200)가 구비될 수 있다.
이때, 상기 공기공급장치(200)는 석탄 건조부(130)에 공급하는 공기의 양을 조절가능하도록 구성되어, 석탄 건조부(130)에서 건조시키는 고수분탄의 수분 함량에 따른 석탄 건조에 필요한 온도를 조절할 수 있다.
또한, 축열부(120)에는 축열부(120)에 저장된 물 또는 용융염(hL)의 열이 상기 열매체인 공기에 전달되도록 하는 열교환기(500)가 구비될 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템(100-1)은 태양열 장치(110)와 축열부(120) 간의 열매체로 물 또는 용융염(L)이 사용되고, 축열부(120)와 석탄 건조부(130) 간의 열매체로 공기(A)가 사용된다.
한편, 도 4에 도시된 나머지 화력발전소 구성요소인 예열부(150), 집진기(160), 미분기(170), 응축기(190) 및 연소보일러(180)의 구성 및 그들간의 발전 프로세스는 도 3을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템(100)이 포함된 화력발전소와 실질적으로 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
마지막으로, 도 5를 참조하여 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템에 대해서 살펴본다. 여기서, 도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템이 포함된 화력발전소의 개략적인 계통도이다.
도 5에 도시된 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템(100-2)은 도 4를 참조하여 설명한 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템(100-1)과 달리, 축열부(120)와 열교환하여 석탄 건조부(130)에 석탄 건조에 사용되는 열을 공급하는 열매체가 물 또는 용융염(L)으로 구성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템(100-2)에서 상기와 같이 열매체를 공기(A)가 아닌 물 또는 용융염(L)으로 구성하는 경우는, 전술한 물 또는 용융염(L)의 축열 및 열전달 제어의 용이성으로 인해 열매체가 공기(A)로 구성된 경우보다 석탄 건조 시스템(100)의 석탄 건조 공정의 신뢰성이 더욱 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
이를 위해, 또 다른 일 실시예에서 축열부(120)와 석탄 건조부(130) 간에는 축열부(120)와 열교환된 고온의 물 또는 용융염(hL)이 순환하는 구조가 형성될 수 있다. 즉, 도 4를 참조하여 설명한 본 발명의 다른 일 실시예에서는 대기공기(A)를 공급하여 석탄 건조 열원을 생성하였지만, 도 5에 도시된 또 다른 일 실시예에서는 축열부(120)와 석탄 건조부(130) 간의 순환유로에 충전된 물 또는 용융염(L)이 순환하며 가열 및 열전달을 반복하게 된다.
이러한 동작을 위해, 일 실시예에서 축열부(120)와 석탄 건조부(130) 간을 순환 연결하는 파이프가 구비될 수 있으며, 축열부(120)와 석탄 건조부(130) 간에 물 또는 용융염(L)을 순환시키는 열매체 순환장치(400)가 구비될 수 있다. 이러한 열매체 순환장치(400)는 액체를 이동시키는 펌프로 구성될 수 있다.
이때, 상기 열매체 순환장치(400)는 석탄 건조부(130)에서 열교환하는 물 또는 용융염(L)의 유량을 조절가능하도록 구성되어, 석탄 건조부(130)에서 건조시키는 고수분탄의 수분 함량에 따른 석탄 건조에 필요한 온도를 조절할 수 있다.
또한, 석탄 건조부(130)에는 축열부(120)와 석탄 건조부(130)에 순환되는 물 또는 용융염의 열을 석탄 건조부(130)에 전달하는 열교환기(500)가 구비될 수 있다.
또한, 축열부(120)에는 축열부(120)에 저장된 고온의 물 또는 용융염(hL)의 열이 축열부(120)와 석탄 건조부(130) 간의 순환유로에 흐르는 물 또는 용융염(L)에 전달되도록 열교환기(500)가 구비될 수 있다.
여기서, 상기 순환유로에 충전된 물 또는 용융염은 열매체 순환장치(400)에 의해 유로를 순환하며, 축열부(120)에서 열교환을 통해 열을 수집하여 고온액체(hL) 상태로 석탄 건조부(130)에 공급될 수 있고, 석탄 건조부(130)에서 열교환을 통해 석탄에 열을 전달하여 상온액체(L) 상태로 다시 축열부(120)에 공급될 수 있다.
한편, 결과적으로 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템(100-2)은 태양열 장치(110)와 축열부(120) 간의 열매체로 물 또는 용융염이 사용되고, 축열부(120)와 석탄 건조부(130) 간의 열매체로도 물 또는 용융염이 사용된다.
한편, 도 5에 도시된 나머지 화력발전소 구성요소인 예열부(150), 집진기(160), 미분기(170), 응축기(190) 및 연소보일러(180)의 구성 및 그들간의 발전 프로세스는 도 3을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 의한 석탄 건조 시스템(100)이 포함된 화력발전소와 실질적으로 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
본 발명은 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 밝혀두고자 한다.
100: 석탄 건조 시스템 110: 태양열 장치
120: 축열부 130: 석탄 건조부
140: 석탄 공급부 150: 예열부
160: 집진기 170: 미분기
180: 연소보일러 190: 응축기
200: 공기공급장치 300: 혼합기
400: 열매체 순환장치 500: 열교환기
601: 제1 유량조절밸브 602: 제2 유량조절밸브
A: 대기공기
hA: 고온공기
L: 물 또는 용융염(상온액체)
hL: 고온의 물 또는 용융염(고온액체)
M: 수분
C: 석탄
F: 석탄회
C': 예열된 석탄
F': 미세 석탄회

Claims (10)

  1. 태양열을 통해 열매체를 가열시키는 태양열 장치;
    상기 태양열 장치로부터 가열된 열매체를 공급받아 열을 저장하는 축열부; 및
    상기 축열부에 저장된 열매체의 열을 공급받고, 공급받은 열을 이용하여 석탄을 건조시키는 석탄 건조부;
    를 포함하는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열매체는 공기로 구성되고,
    상기 태양열 장치를 통해 가열된 고온공기를 상기 축열부에 공급하는 공기공급장치가 구비되는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 석탄 건조부에는 상기 축열부에 저장된 고온공기 또는 상기 고온공기와 대기공기가 혼압된 공기가 공급되며, 상기 고온공기와 대기공기의 혼합 비율을 조절하여 석탄 건조에 사용되는 공기의 온도 조절이 가능하도록, 상기 축열부와 석탄 건조부 사이의 유로에 구비되어 상기 축열부로부터 공급받는 고온공기와 대기중에 있는 대기공기를 혼합하는 혼합기;
    상기 축열부와 상기 혼합기 사이의 유로에 구비되어 고온공기의 유량을 조절하는 제1 유량조절밸브; 및
    상기 공기공급장치와 상기 혼합기 사이의 유로에 구비되어 대기공기의 유량을 조절하는 제2 유량조절밸브;가 구비되는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열매체는 물 또는 용융염으로 구성되고,
    상기 태양열 장치와 상기 축열부 간에는 상기 물 또는 용융염이 순환하는 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 축열부와 석탄 건조부 간의 열전달 매체는 공기로 구성되고,
    상기 축열부와 열교환된 고온공기를 상기 석탄 건조부에 공급하는 공기공급장치가 구비되는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 축열부와 석탄 건조부 간의 열전달 매체는 물 또는 용융염으로 구성되고,
    상기 축열부와 상기 석탄 건조부 간에는 상기 축열부와 열교환된 고온의 물 또는 용융염이 순환하는 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 석탄 건조부에 석탄을 공급하는 석탄 공급부와 상기 석탄 건조부의 사이에는 예열부가 더 구비되고,
    상기 예열부는 상기 석탄 공급부에서 상기 석탄 건조부로 공급되는 석탄을 예열하는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 예열부에는 상기 석탄 건조부에서 석탄 가열시에 발생한 공기가 석탄의 예열 열원으로 공급되는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 예열부는,
    상기 석탄 건조부에서 석탄 가열시에 발생한 공기가 상기 석탄 공급부에서 추출된 석탄과 열교환하며 통과하는 열교환기로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 예열부를 통과한 공기는 석탄회의 회수를 위해 집진기에 공급되는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 석탄 건조 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20220131477A (ko) * 2021-03-21 2022-09-28 오상헌 폐기물 소각 및 처리장치

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