KR20140140160A - 연소로와 연계된 발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부로부터 공급된 에어와 연료를 혼합연소하여 동력을 생산하는 에어라인 발전부와 워터의 상변화로 동력을 생산하는 워터라인 발전부 및 상기 에어라인 발전부와 상기 워터라인 발전부간에 연계되어 배치되고, 상기 에어라인 발전부로부터 상기 워터라인 발전부로 열을 전달토록 제공되는 열교환부를 포함하는 연소로와 연계된 발전시스템에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 제철설비의 연소로에 투입되는 공기를, 그 투입전에 1차적으로 동력 생산에 먼저 활용하고 2차적으로 배가스내에 함유된 산소의 농도에 따라 연소로에 적정 투입하여 금속소재를 연소시킴으로써, 궁극적으로는 자원회수율을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.

Description

연소로와 연계된 발전시스템{Hybrid power generation system linked combustor}

본 발명은 연소로와 연계된 발전시스템에 관한 것으로, 구체적으로 1차적으로 동력을 생산하며, 2차적으로는 배가스를 이용하여 금속소재를 연소하는데 재활용함으로써, 궁극적으로 자원회수율을 향상시킨 발전시스템에 관한 것이다.

일반적으로 제철설비에서 사용되는 연소로 관련 폐열 회수시스템(1)은 도 1에 도시된 바와 같이, 공기 공급라인(6)과 연료 공급라인(2)에서 각각 공급되는 공기와 연료를 혼합하여 금속소재를 연소시키는 연소로(3)가 존재하고, 상기 연소로(3)에서 공기와 연료의 혼합연소 후 발생된 배가스가 배출되는 스택(5)이 구비된다.

이때 상기 연소로(3)와 상기 스택(5;stack) 사이에서 배가스 배출라인상에는 재생기(4)가 배치되어, 상기 연소로(3)로부터 상기 스택(5)으로 배출되는 배가스의 폐열을 상기 연소로(3)로 투입되는 공기를 가열하는데 사용되도록 한다.

통상 상기 연소로(3)에서 배출되는 배가스의 온도는 1000℃ 정도를 육박하며, 이러한 폐열이 그대로 상기 스택(5)을 통해 배출되며 큰 에너지 손실을 보게 된다. 따라서 배출되는 배가스와 투입되는 공기 사이에 열교환을 시켜 폐열을 최대한 회수하는 것이다. 이 경우 열교환된 배가스의 온도는 작업환경에 따라 200~500℃ 정도 낮아지게 되고, 그 온도차만큼 상기 연소로(3)에 투입되는 공기를 가열하는데 사용되어 폐열을 어느정도 회수되도록 하는 것이다.

그런데 이는 단순히 배가스내의 폐열을 재활용하는 정도에 그치어, 배가스가 보유한 자원을 보다 효과적으로 활용할 수 있고, 또한 연소로에 투입되는 공기를 사전에 동력발생자원으로 이용할 수 있는 시스템이 요구된다. 이는 폐열회수뿐만 아니라 동력도 함께 생산할 수 있는 것이다. 이와 관련된 종래기술로는 공개번호 제 10-2009-0129603 호가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해소하기 위해서 제안된 것으로서, 제철설비의 연소로에 투입되는 공기를, 그 투입전에 1차적으로 동력 생산에 먼저 활용하고 2차적으로 배가스내에 함유된 산소의 농도에 따라 연소로에 적정 투입하여 금속소재를 연소시킴으로써, 궁극적으로는 자원회수율을 향상시키는 발전시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는 다음과 같은 연소로와 연계된 발전시스템를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서는 외부로부터 공급된 에어와 연료를 혼합연소하여 동력을 생산하는 에어라인 발전부와 워터의 상변화로 동력을 생산하는 워터라인 발전부 및 상기 에어라인 발전부와 상기 워터라인 발전부간에 연계되어 배치되고, 상기 에어라인 발전부로부터 상기 워터라인 발전부로 열을 전달토록 제공되는 열교환부를 포함할 수 있다.

일 실시예에서는 상기 에어라인 발전부는, 외부로부터 공급되는 에어를 압축하는 압축기와 상기 압축기와 연결되고, 상기 압축기로부터 유입된 에어와 주연료 공급라인으로부터 공급된 연료를 혼합연소하는 주연소기 및 상기 주연소기와 상기 열교환부 사이에 연결되고, 상기 주연소기에서 배출되는 배가스로 동력을 생산하고, 상기 열교환부로 배가스를 배출하는 가스터빈을 포함할 수 있다.

일 실시예에서는 상기 가스터빈과 상기 열교환부 사이에 배치되고, 상기 가스터빈에서 배출되는 배가스와 보조연료 공급라인으로부터 공급된 연료를 혼합하여 금속소재를 연소시키는 보조라인 연소부를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서는 상기 보조라인 연소부는, 상기 가스터빈과 상기 열교환부 사이에 배치되고, 상기 가스터빈에서 배출된 배가스와 보조연료 공급라인에서 공급된 연료를 혼합하여 금속소재를 연소시키는 연소로와 상기 가스터빈과 상기 연소로 사이에 배치되고, 상기 가스터빈에서 배출되는 배가스내의 산소농도를 측정하는 산소농도 측정부와 상기 연소로와 연결되며, 배가스내의 산소농도가 기설정된 기준산소농도보다 낮을 시에 추가산소를 공급토록 제공되는 추가에어 공급라인 및 상기 산소농도 측정부와 상기 연소로 사이 및 상기 연소로와 상기 연교환부 사이간에 연결되며 배치되고, 배가스내의 산소농도가 기설정된 기준산소농도보다 높을 시에 배가스를 우회유동토록 제공되는 바이패스라인을 포함할 수 있다.

일 실시예에서는 상기 워터라인 발전부는, 상기 열교환부와 연결되고, 상기 열교환부에서 상기 에어라인 발전부로부터 열을 전달받아 기상(氣相)으로 된 워터로 동력을 생산하는 스팀 터빈과 상기 스팀터빈과 연결되고, 상기 스팀터빈으로부터 배출된 워터를 응축하는 응축기 및 상기 응축기와 상기 열교환부 사이에 연결되고, 상기 응축기에서 배출되는 액상(液相)으로 된 워터를 상기 열교환부로 공급하는 펌프를 포함할 수 있다.

본 발명인 연소로와 연계된 발전시스템의 일 실시예는 연소로에 공기를 투입하기 전에, 우선 1차적으로 동력생산에 이용하고, 이후 배가스를 이용하여 2차적으로 연소로에서 금속소재의 연소에 활용함으로써, 제철설비상의 폐자원회수율을 향상시킬 수 있다.

이때 동력생산을 마치고 배출하는 배가스내의 산소농도를 측정하고, 이에 따라 연소로로 유입되는 산소량을 제어함으로써, 연소로에서 연료와 혼합되는 산소량을 적정화하여 연소효율을 향상시킬 수 있다.

또한 배가스내에 함유된 열에너지를 물에 전달하여, 물의 상변화를 통해 동력을 생산함으로써, 배가스내의 폐열에너지를 보다 적절히 활용할 수 있다.

도 1은 종래 제철설비상에서 연소로에 투입되는 공기와 연소로에서 배출되는 배가스간의 열교환 흐름이 도시된 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명인 연소로와 연계된 발전시스템에 의한 일 실시예의 구성도이다.

상기와 같은 본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 본 발명의 실시예와 관련된 연소로와 연계된 발전시스템에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 하겠다.

이하 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 기재된 부호에 있어서, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.

본 발명과 관련된 실시예들은 기본적으로, 제철설비의 연소로에 투입되는 공기를, 그 투입전에 1차적으로 동력 생산에 먼저 활용하고 2차적으로 배가스내에 함유된 산소의 농도에 따라 연소로에 적정 투입하여 금속소재를 연소시킴으로써, 궁극적으로는 자원회수율을 향상시키는 것을 기초로 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하도록 한다.

도 2 및 도 3은 본 발명인 연소로와 연계된 발전시스템에 의한 일 실시예의 구성도이다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명인 연소로(41)와 연계된 발전시스템은 외부로부터 공급된 에어와 연료를 혼합연소하여 동력을 생산하는 에어라인 발전부(10)와 워터의 상변화로 동력을 생산하는 워터라인 발전부(20) 및 상기 에어라인 발전부(10)와 상기 워터라인 발전부(20)간에 연계되어 배치되고, 상기 에어라인 발전부(10)로부터 상기 워터라인 발전부(20)로 열을 전달토록 제공되는 열교환부(30)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 에어라인 발전부(10)는 1차적으로 유입되는 에어를 이용하여 동력을 생산하는 라인으로서, 이러한 상기 에어라인 발전부(10)는 압축기(11), 주연소기(12) 및 가스터빈(14)을 포함하여 구성될 수 있다.

먼저 상기 압축기(11)는 외부로부터 공급되는 에어를 단열압축하도록 제공될 수 있다. 여기서 유입되는 에어(air)는 제철설비의 연소로(41)로 투입되는 공기일 수 있다. 상기 압축기(11)에서 압축된 에어는 상기 압축기(11)와 연결된 상기 주연소기(12)로 공급되게 된다.

상기 주연소기(12)는 상기 압축기(11)로부터 공급된 에어와 주연료 공급라인(13)에서 공급되는 연료를 혼합하여 등압연소시키도록 제공될 수 있다. 이때 에어와 연료는 혼합연소됨에 따라 고온, 고압의 배가스를 발생시키게 된다.

이제 상기 주연소기(12)에서 배출되는 고온, 고압의 배가스는, 상기 주연소기(12)와 연결된 상기 가스터빈(14)으로 유입되고, 단열팽창하며 상기 가스터빈(14)을 작동시켜 동력을 생산한 후 저온, 저압의 상태로 배출되게 된다.

이후 배가스는 상기 가스터빈(14)과 연결된 상기 열교환부(30)로 배출되며, 상기 열교환부(30)에서 상기 워터라인 발전부(20)로 열을 전달하고 스택(stack;50)를 통해 외부로 배출되게 된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 가스터빈(14)과 상기 열교환부(30) 사이에 배치되고, 상기 가스터빈(14)에서 배출되는 배가스와 보조연료 공급라인(44)으로부터 공급된 연료를 혼합하여 금속소재를 연소시키는 보조라인 연소부(40)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

이러한 상기 보조라인 연소부(40)는 연소로(41), 산소농도 측정부(42), 추가에어 공급라인(43), 보조연료 공급라인(44) 및 바이패스라인(45)을 포함하여 구성될 수 있다.

우선 상기 연소로(41)는 상기 가스터빈(14)과 상기 열교환부(30) 사이에 배치되고, 상기 가스터빈(14)에서 배출된 배가스와 보조연료 공급라인(44)에서 공급된 연료를 혼합하여 금속소재를 연소시키도록 제공될 수 있다. 여기서 상기 연소로(41)는 일반적으로 제철설비에서 철광석 등의 금속소재를 연소하여 용강을 생산하는 장치일 수 있으나, 반드시 이에 한정될 것은 아니다.

그리고 상기 산소농도 측정부(42)는 상기 가스터빈(14)과 상기 연소로(41) 사이에 배치되고, 상기 가스터빈(14)에서 배출되는 배가스내의 산소농도를 측정하도록 제공될 수 있다. 이는 상기 산소농도 측정부(42)를 통해 배가스내의 산소농도를 측정함으로써, 상기 연소로(41)내에서 상기 보조연료 공급라인(44)으로부터 투입되는 연료와 산화제로서 투입되는 배가스를 적정 비율로 혼합하여 연소효율을 향상시키기 위함이다.

여기서 상기 추가에어 공급라인(43)은 상기 연소로(41)와 연결되며, 상기 산소농도 측정부(42)에서 측정한 배가스내의 산소농도가 기설정된 기준산소농도보다 낮을 시에 추가산소를 공급하도록 제공될 수 있다.

그리고 상기 바이패스라인(45)은 상기 산소농도 측정부(42)와 상기 연소로(41) 사이 및 상기 연소로(41)와 상기 연교환부 사이간에 연결되며 배치되고, 상기 산소농도 측정부(42)에서 측정한 배가스내의 산소농도가 기설정된 기준산소농도보다 많을 시에 배가스를 우회유동토록 제공될 수 있다.

통상적인 복합화력발전에 있어 가스터빈의 후단에서 배출되는 배가스내의 산소비율은 12~16% 정도로 높고, 온도는 600℃ 정도로 높은 편에 속한다. 이때 작업자가 상기 연소로(41)에 공급되는 보조연료량과 상기 연소로(41)로 유입되는 배가스내의 산소함유량을 비교하여 연소효율이 향상에 가장 적당한 비율을 선정하는 것이다.

즉 배가스내의 산소농도가 낮은 경우에는 상기 추가에어 공급라인(43)을 개방하여 상기 연소로(41)에 필요한 만큼의 에어를 투입하고, 배가스내의 산소농도가 높은 경우에는 상기 제1 분기부(S1)를 작동시켜 배가스의 일부를 바이패스라인(45)을 통해 우회유동시켜 상기 연소로(41)로 투입되지 않고, 바로 상기 제2 분기부(S2)를 통해 상기 열교환부(30)로 이동되도록 하여, 상기 연소로(41)내에서 보조연료량과 배가스내의 산소함유량간의 비율을 조정하는 것이다.

여기서 상기 연소로(41)는 도 3에 도시된 바와 같이, 복수로 구비될 수 있으며, 이 경우에는 배가스내의 산소함유량이 높은 경우에도 분할하여 각각의 연소로(41) 투입할 수 있어 배가스내의 산소를 산화제로서 보다 잘 활용할 수 있다.

이후 상기 연소로(41)에서 배출된 배가스는 산소농도가 3%이하로 낮아지게 되며, 온도는 상기 가스터빈(14)을 통과한 이후보다 상승하여 1000℃ 정도를 형성하게 된다. 상기된 상태의 배가스가 상기 열교환부(30)로 이동하게 되므로, 상기 열교환부(30)에서 상기 워터라인 발전부(20)로 전달되는 열량도 보다 높아지게 된다. 이는 워터라인 발전부(20)의 열효율 상승효과를 가져올 수 있다.

한편, 상기 워터라인 발전부(20)는 워터, 즉 물의 상변화를 이용하여 동력을 생산하는 라인으로서, 이러한 상기 워터라인 발전부(20)는 스팀터빈(21), 응축기(22) 및 펌프(23)를 포함하여 구성될 수 있다.

우선 상기 스팀터빈(21)은 상기 열교환부(30)와 연결되고, 상기 열교환부(30)에서 상기 에어라인 발전부(10)로부터 열을 전달받아 기상(氣相)으로 된 워터로 동력을 생산하도록 제공될 수 있다.

즉 상기 에어라인 발전부(10)의 배가스는 상기 연소로(41)에서 배출될 때 대략 1000℃ 정도의 고온을 형성하는데, 상기 열교환부(30)에서 상기 워터라인 발전부(20)의 워터와 열교환된 이후에는 대략 100~150℃ 정도로 온도가 낮아지고 스택(50)을 통해 배출되게 된다.

즉 상기 온도차만큼의 열량이 상기 열교환부(30)에서 배가스로부터 워터로 전달될 것이고, 이는 지속적으로 진행되게 때문에서 워터는 상기 열교환부(30)를 지나면서, 액상(液相)에서 기상(氣相)으로 상변화가 일어나게 된다.

이러한 고온의 기상상태의 워터가 상기 스팀터빈(21)으로 유입되어 동력을 생산하고 상기 스팀터빈(21)과 연결된 상기 응축기(22)로 유입되게 된다.

상기 응축기(22)는 상기 스팀터빈(21)으로 배출된 워터를 냉각수와 열교환시켜 다시 액상으로 응축시키도록 제공될 수 있다. 상기 응축기(22)에서 응축되어 다시 액상으로 된 워터는 상기 응축기(22)와 연결된 상기 펌프(23)로 배출되게 되고, 상기 펌프(23)에 의해 다시 상기 열교환부(30)로 유동하며, 지속적인 순환이 이뤄지게 된다.

즉 본 발명인 연소로와 연계된 발전시스템은 상기와 같은 구성 및 작동원리를 통해 제철설비의 연소로에 투입되는 공기를, 그 투입전에 1차적으로 동력 생산에 먼저 활용하고 2차적으로 배가스내에 함유된 산소의 농도에 따라 연소로에 적정 투입하여 금속소재를 연소시킴으로써, 궁극적으로는 자원회수율을 향상시키는 효과를 기대할 수 있는 것이다.

이상의 사항은 연소로와 연계된 발전시스템의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.

따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.

10...에어라인 발전부 11...압축기
12...주연소기 13...주연료 공급라인
14...가스터빈 20...워터라인 발전부
21...스팀터빈 22...응축기
23...펌프 30...열교환부
40...보조라인 연소부 41...연소로
42...산소농도측정부 43...추가에어 공급라인
44...보조연료 공급라인 45...바이패스라인
50...스택(stack)

Claims (5)

1. 외부로부터 공급된 에어와 연료를 혼합연소하여 동력을 생산하는 에어라인 발전부;
   워터의 상변화로 동력을 생산하는 워터라인 발전부; 및
   상기 에어라인 발전부와 상기 워터라인 발전부간에 연계되어 배치되고, 상기 에어라인 발전부로부터 상기 워터라인 발전부로 열을 전달토록 제공되는 열교환부;
   를 포함하는 연소로와 연계된 발전시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 에어라인 발전부는,
   외부로부터 공급되는 에어를 압축하는 압축기;
   상기 압축기와 연결되고, 상기 압축기로부터 유입된 에어와 주연료 공급라인으로부터 공급된 연료를 혼합연소하는 주연소기; 및
   상기 주연소기와 상기 열교환부 사이에 연결되고, 상기 주연소기에서 배출되는 배가스로 동력을 생산하고, 상기 열교환부로 배가스를 배출하는 가스터빈;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소로와 연계된 발전시스템.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 가스터빈과 상기 열교환부 사이에 배치되고, 상기 가스터빈에서 배출되는 배가스와 보조연료 공급라인으로부터 공급된 연료를 혼합하여 금속소재를 연소시키는 보조라인 연소부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소로와 연계된 발전시스템.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 보조라인 연소부는,
   상기 가스터빈과 상기 열교환부 사이에 배치되고, 상기 가스터빈에서 배출된 배가스와 보조연료 공급라인에서 공급된 연료를 혼합하여 금속소재를 연소시키는 연소로;
   상기 가스터빈과 상기 연소로 사이에 배치되고, 상기 가스터빈에서 배출되는 배가스내의 산소농도를 측정하는 산소농도 측정부;
   상기 연소로와 연결되며, 배가스내의 산소농도가 기설정된 기준산소농도보다 낮을 시에 추가산소를 공급토록 제공되는 추가에어 공급라인; 및
   상기 산소농도 측정부와 상기 연소로 사이 및 상기 연소로와 상기 연교환부 사이간에 연결되며 배치되고, 배가스내의 산소농도가 기설정된 기준산소농도보다 높을 시에 배가스를 우회유동토록 제공되는 바이패스라인;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소로와 연계된 발전시스템.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 워터라인 발전부는,
   상기 열교환부와 연결되고, 상기 열교환부에서 상기 에어라인 발전부로부터 열을 전달받아 기상(氣相)으로 된 워터로 동력을 생산하는 스팀 터빈;
   상기 스팀터빈과 연결되고, 상기 스팀터빈으로부터 배출된 워터를 응축하는 응축기; 및
   상기 응축기와 상기 열교환부 사이에 연결되고, 상기 응축기에서 배출되는 액상(液相)으로 된 워터를 상기 열교환부로 공급하는 펌프;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소로와 연계된 발전시스템.
   

Images