KR20150128597A - 열 집적하는 석탄 연소 순산소 발전소 - Google Patents

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Abstract

석탄 연소 순산소 보일러 발전소는 연도 가스 스트림을 생성하도록 산소 스트림을 사용하여 석탄을 연소하도록 구성된 연소 시스템을 갖고, CO2 포획 시스템은 응축물 시스템의 일부를 형성하는 직렬로 배열된 저압 히터들을 가진 증기 사이클 및 연도 가스 스트림에 연결된다. 연소 시스템은 보일러를 위한 산소 스트림을 생성하도록 공기로부터 N2를 제거하기 위한 공기 분리 유닛을 포함한다. 공기 분리 유닛은 적어도 하나의 일련의 저압 히터와 유체적으로 평행하고 또한 일련의 저압 히터들의 전체 수 미만인 적어도 하나의 히터와 유체적으로 평행하도록, 열적으로 그리고 유체적으로 응축물 시스템에 연결되는 공기 분리 유닛 열 교환기를 포함한다. 연도 가스 열 회수 시스템, 연도 가스 응축기 및 가스 처리 유닛은 응축물 시스템에 열 집적된다.

Description

열 집적하는 석탄 연소 순산소 발전소{COAL FIRED OXY PLANT WITH HEAT INTEGRATION}
본 발명은 집적화된 CO2 포획 및 증기/물 전력 사이클을 구비한 석탄 연소 순산소 발전소의 열 장치들에 관한 것이다.
석탄은 오늘날 전 세계적으로 전기 생성의 대부분에 기여하고 예측 가능한 미래에도 상당 부분을 유지할 것으로 예상된다. 그럼에도 불구하고, 매년 증가하는 환경적 요구들을 충족시키기 위해서 배출물 감소 시스템의 개발에 대한 상당한 환경 압력이 가해지고 있다. 그 결과, 발전소 설계는 감소된 CO2, SO2, NOx, 배출물 레벨에서 고효율 작동이 가능한 상반된 요구 조건들을 충족시켜야 한다.
이러한 개발들로부터 나온 특정한 유리한 발전소 장치가 CO2 포획을 하는 산소-연소 증기 발전소이다. 공기 연소 시스템을 작동시키는 것 대신에, 시스템은 보통 주 연료의 연소를 위해 공기 분리 유닛에서 생성되는 산소를 사용한다. 산소-연소 프로세스들은 주요 구성 요소들로서 일반적으로 CO2, 물 및 O2를 갖는 연도 가스를 생성하고, CO2 농도는 일반적으로 약 70 체적%를 초과한다. CO2의 높은 농도는 가스 처리 유닛에서 비교적 간단한 CO2 포획을 가능하게 한다.
산소-연소 포획 발전소의 일반적인 장치는 일부 사전 CO2 추출 정화 단계들을 포함한다. 이것들은 미립자 물질을 제거하기 위한 정전 침전기, 황을 제거하기 위한 연도 가스 탈황 장치, 및 물 제거를 위한 연도 가스 응축기를 포함할 수 있다. 열 효율의 이유로, 연도 가스 열 회수 시스템은 정전 침전기 및 연도 가스 탈황 장치 사이에 추가로 위치될 수 있다.
고효율의 산소-연소 증기 발전소들의 일반적인 수증기 사이클의 한 예가 도 1에 도시된다. 발전소는 보일러(42)로부터의 증기에 의해 공급된 3개로 이뤄진 일련의 재가열 증기 터빈들(HP, IP, LP)을 포함한다. 마지막의 저압 증기 터빈(LP)으로부터의 배기 증기는 폐쇄 루프에서 보일러(42)로 복귀되기 전에 일련의 저압 히터(6, 7, 8, 9, 31), 공급수 탱크(36) 및 고압 히터들(32)을 통해 연속으로 폴리싱되고(4) 펌핑되기(3) 전에 응축기(2)에서 응축된다. 저압 및 고압 히터를 위한 열원은 일반적으로 저압/중압 및 고압 증기 터빈들로부터 추출된 증기이다.
가장 높은 효율의 사이클을 보장하는데 있어서의 큰 이점 때문에, 증기 발전소 내의 산소-연소 포획 시스템들의 열 싱크(sink)를 더 집적하는 방법들을 찾는 것이 지속적으로 요구되고 있다. 이것은 어떠한 에너지도 낭비되지 않는 것을 보장하기 위해 발전소 사이클에 의한 포획 시스템들의 열 싱크들의 최적화를 필요로 한다. 특히, 이것은 공기 분리 유닛, 연도 가스 열 회수 시스템, 연도 가스 응축기 및 가스 처리 유닛을 증기 사이클 내에 통합하는 방법의 고려 사항을 필요로 한다.
융통성 있는 발전소 작동 및 개선된 전체 발전소 열 효율을 제공하기 위해서 시스템들의 주요 열 생성 소스들과 통합되는, 산소 공급 시스템 및 연도 가스 CO2 포획 시스템 및 증기 사이클 발전소 구성을 가진 석탄 연소 순산소 보일러가 제공된다.
하나의 양태는 연소 시스템, CO2 포획 시스템 및 증기 발전소를 갖는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소를 제공한다. 연소 시스템은 증기 보일러가 CO2 농후 연도 가스 스트림을 생성하도록 산소 스트림을 사용하여 석탄을 연소하기 위해 구성되는 동안, 산소 스트림 생성을 위해 사용된 압축 공기 스트림의 일부로서 공기 분리 유닛 열 교환기를 갖는, 산소 스트림을 생성하도록 공기로부터 N2를 제거하기 위한 공기 분리 유닛을 포함한다.
CO2 포획 시스템은 연도 가스 스트림으로부터 CO2를 제거하도록 구성 및 배열된다.
증기 발전소는 스트림을 응축시키기 위한 응축기를 포함하는 응축물 시스템, 직렬로 배열되고 응축기로부터 응축물을 수용하도록 구성 및 배열된 복수의 저압 히터들을 갖는다. 공급수 탱크는 일련의 저압 히터들로부터 응축물을 수용하도록 구성 및 배열된다.
이 장치에서, 공기 분리 유닛 열 교환기는 적어도 하나의 일련의 저압 히터와 유체적으로 평행하고 또한 상기 일련의 저압 히터들의 전체 수 미만인 적어도 하나와 유체적으로 평행하도록, 응축물 시스템과 열적으로 그리고 유체적으로 연결된다. 이 장치는 산소 모드에서 40% 아래의 부분 하중에서, 최대 75%의 하중의 공기 모드에서, 그리고 일부 열 회수 시스템들 중 하나의 중단에 관한 백업(back-up) 모드에서 발전소를 작동시키도록, 공기 분리 유닛, 연도 가스 열 회수, 연도 가스 응축기 및/또는 가스 처리 유닛을 포함하는, CO2 포획 시스템으로부터 열원들의 열 집적에 대한 기초를 제공한다.
본 발명의 추가의 목적은 종래 기술의 단점 및 결점을 극복 또는 적어도 개선하거나 또는 유용한 대안을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 양태들 및 이점들은 첨부된 도면들과 관련하여 고려된 다음의 설명으로부터 명백해질 것이고, 도면들은 예에 의해 본 발명의 예시적인 실시예들을 도시한다.
예에 의해, 본 발명의 실시예는 첨부된 도면들을 참조하여 아래에서 더 완전하게 설명된다.
도 1은 특허를 받은 종래 기술의 흐름도.
도 2 내지 도 13은 공기 분리 유닛의 열 집적을 보완하도록 구성되는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소에서의 다른 CO2 포획 시스템 열 집적 구성과 산소 보일러 발전소의 응축물 시스템의 통합을 도시한 예시적인 실시예들의 흐름도들.
본 발명의 예시적인 실시예들은 이제 도면들을 참조하여 설명되고, 도면들에서 도면 부호들은 전체에 걸쳐서 유사한 요소들을 지칭하도록 사용된다. 다음의 설명에서, 설명의 목적들을 위해, 많은 특정한 상세 사항들이 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 본 발명은 이 특정한 상세 사항들 없이 실행될 수 있고, 여기에 개시된 예시적인 실시예들로 제한되지 않는다.
도 2 내지 도 13에 도시된 예시적인 실시예들은 전력을 생성하도록 구성된 가스 처리 유닛 및 증기/물 랭킨(Rankine) 사이클에서 보일러로부터 배출된 연도 가스를 폴리싱하고(polish) 보일러로부터의 CO2를 분리시키기 위한 통합된 CO2 포획 시스템을 구비한 순산소 연소 보일러(42)를 가진 산소-연소 발전소에 적용된다. 증기/물 사이클은 응축물 폴리싱 발전소(4)의 출구에 위치된 제 2 스테이지(3) 및 응축기(2) 출구에 연결된 제 1 스테이지(1)를 갖는 응축기 추출 펌프 장치를 포함한다. 이 장치는 직렬로 배열된 저압 히터들(6, 7, 8, 9, 31)로 구성된 응축물 가열 트레인(train)의 상류에 위치된다. 저압 히터들(6, 7, 8, 9, 31)로부터의 가열된 응축물은 공급수 탱크(36)에 공급된다.
산소-연소 발전소는 보일러(42)에 공급될 산소 농후 스트림을 생성하도록 공기로부터 질소를 제거하기 위한 공기 분리 유닛을 추가로 포함한다. 공기 분리 유닛으로부터의 열 에너지는 저압 히터들(6, 7, 8, 9, 31) 중 하나를 우회하도록, 응축물 시스템으로부터 추출된 응축물을 가열하여, 공기 분리 유닛 열 교환기(11)에서 유리하게 제거되어, 공기 분리 유닛 열 교환기(11)는 저압 히터들의 전체 수 미만의 적어도 하나와 유체적으로 평행하다.
도 2에 도시된 추가의 예시적인 실시예에서, 산소 연소 발전소는 응축물 유동 시리즈로 배열된 적어도 5개의 일련의 저압 히터들(6, 7, 8, 9, 31)을 포함하고 공기 분리 유닛은 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6)의 상류의 한 지점뿐만 아니라 일련의 저압 히터들 중 제 3 저압 히터(8) 및 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터(9) 사이의 한 지점에서 응축물 시스템과 유체적으로 연결된다. 이 방식으로, 공기 분리 유닛 열 교환기(11)를 통과하는 응축물은 일련의 저압 히터들 중 3개의 저압 히터들(6, 7, 8)을 우회한다.
도 3에 도시된 추가의 대안적인 예시적인 실시예에서, 산소 연소 발전소는 응축물 유동 시리즈로 배열된 적어도 5개의 일련의 저압 히터들(6, 7, 8, 9, 31)을 포함하고 공기 분리 유닛은 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6)의 상류의 한 지점뿐만 아니라 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터(9) 및 일련의 저압 히터들 중 제 5 저압 히터(31) 사이의 한 지점에서 응축물 시스템과 유체적으로 연결된다. 이 방식으로, 공기 분리 유닛 열 교환기(11)를 통과하는 응축물은 일련의 저압 히터들 중 4개의 저압 히터들(6, 7, 8, 9)을 우회한다.
도 4에 도시된 추가의 대안적인 예시적인 실시예에서, 산소 연소 발전소는 응축물 유동 시리즈로 배열된 적어도 5개의 일련의 저압 히터들(6, 7, 8, 9, 31)을 포함하고 공기 분리 유닛은 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6) 및 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터(7) 사이의 한 지점뿐만 아니라 일련의 저압 히터들 중 제 3 저압 히터(8) 및 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터(9) 사이의 한 지점에서 응축물 시스템과 유체적으로 연결된다. 이 방식으로, 공기 분리 유닛 열 교환기(11)를 통과하는 응축물은 일련의 저압 히터들 중 2개의 저압 히터들(6, 7)을 우회한다.
도 5에 도시된 추가의 대안적인 예시적인 실시예에서, 산소 연소 발전소는 응축물 유동 시리즈로 배열된 적어도 5개의 일련의 저압 히터들을 포함하고 공기 분리 유닛은 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터 및 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터 사이의 한 지점뿐만 아니라 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터(9) 및 일련의 저압 히터들 중 제 5 저압 히터(31) 사이의 한 지점에서 응축물 시스템과 유체적으로 연결된다. 이 방식으로, 공기 분리 유닛 열 교환기를 통과하는 응축물은 일련의 저압 히터들 중 3개의 저압 히터들(7, 8, 9), 바람직하게는 일련의 저압 히터들 중 제 2, 제 3, 제 4 저압 히터(7, 8, 9)를 우회한다.
도 11 내지 도 13에 도시된 대안적인 예시적인 실시예들에서, 산소 연소 발전소는 적어도 5개의 저압 히터들 대신에 오직 4개의 일련의 저압 히터들(6, 7, 8, 9)을 포함한다. 4개 또는 적어도 5개의 일련의 저압 히터들(6, 7, 8, 9, 31)을 갖는 것에 대한 선택은 연도 가스 응축기의 용례 및 포획 작동 결정의 유무에 따라 결정된다.
대안적인 예시적인 실시예들 각각은 응축물 시스템에 대해 공기 분리 유닛의 온도를 맞추는 것이 가능하고 따라서 출구 온도 및 회수 듀티 기준(duty criteria)의 조합에 의해 규정된 최적의 열 회수를 보장하고 따라서 순 에너지 이동을 최대화한다.
도 6에 도시된 예시적인 실시예에서, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소는 응축물 유동 시리즈로 배열된 복수의 저압 히터들(6, 7, 8, 9, 31)을 포함하고, CO2 포획 시스템은 연도 가스 스트림으로부터 응축물을 제거하기 위한 연도 가스 응축기(16)를 포함한다. 연도 가스 응축기(16)는 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6)의 상류의 제 1 단부 및 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6) 및 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터(7) 사이의 제 2 단부에서 응축물 시스템과 연결된 연도 가스 응축기 응축물 라인(14)을 추가로 포함한다. 이 장치에서, 응축물 시스템은 우회 밸브(15)가 폐쇄될 때, 응축물이 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6)를 완전히 우회하도록, 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6) 및 연도 가스 응축기 응축물 라인(14)의 제 1 단부 사이에 우회 밸브(15)를 추가로 포함한다.
이 특정한 장치는 산소-연소 발전소가 공기 모드에서, 예를 들어, 시동 동안 작동되는 경우 또는 연도 가스 응축기(16)가 유지 보수를 위해 오프라인 상태가 요구되는 경우 효율적인 작동이 가능하다는 것을 알 수 있다. 이 실시예가 도 2의 것과 동일한 공기 분리 유닛 열 교환기(11) 장치로 도시될지라도, 실시예는 도 3, 도 4 또는 도 5에 도시된 것들을 포함하는, 다른 공기 분리 유닛 열 교환기(11) 장치들에 적용될 수 있다.
도 11 내지 도 13에 도시된 추가의 예시적인 실시예들에서, 응축물 시스템은 연도 가스 응축기 응축물 라인(14)의 제 1 단부 및 제 2 단부 사이에 임의의 일련의 저압 히터들을 포함하지 않는다. 이 장치에서, 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6)는 연도 가스 응축기 응축물 라인(14)의 제 2 단부의 하류에 위치되고 일련의 저압 히터들의 전체 수는 일반적으로 4개이다. 연도 가스 응축기 응축물 라인(14)을 통과하는 응축물의 유속은 연도 가스 응축기 응축물 라인(14)의 제 1 단부 및 제 2 단부 사이의 응축물 시스템 내에 위치된 우회 밸브(15)에 의해 제어 가능하다.
도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 적어도 4개의 일련의 저압 히터들(6, 7, 8, 9, 31)을 갖는 응축물 시스템 외에, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소는 연도 가스로부터 열을 회수하기 위한 연도 가스 열 회수 시스템(40)을 구비한 CO2 포획 시스템을 포함한다. 연도 가스 열 회수 시스템은 전달 매체가 열 에너지와 연도 가스를 교환하도록 연도 가스 열 회수 시스템을 통해 열 전달 매체를 폐쇄 루프에서 유동시키도록 구성된 제 1 열 회수 루프(39)를 추가로 포함한다. 제 1 열 회수 루프(39)에는 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6) 및 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터(7) 사이의 한 지점의 제 1 단부에서 응축물 시스템과 유체적으로 연결되고, 일련의 저압 히터들 중 제 3 저압 히터(8) 및 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터(9) 사이의 한 지점의 제 2 단부에서 응축물 시스템과 추가로 연결되는 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기 응축물 라인(19)을 구비한 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기(22)가 포함된다.
도 2에 도시된 추가의 예시적인 실시예에서, 제어 밸브(38)는 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기 응축물 라인(19)의 제 2 단부 및 공기 분리 유닛 열 교환기 응축물 라인(5)의 제 2 단부의 상류의 한 지점에서 일련의 저압 히터들 중 제 3 저압 히터(8) 및 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터(9) 사이에서 유체적으로 응축물 시스템 내에 위치된다. 이것은 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기(22), 공기 분리 유닛 열 교환기(11), 및 상류의 일련의 저압 히터들(6, 7, 8) 사이의 응축물 유동 속도를 제어하는 것을 가능하게 한다.
도 7에 도시된 예시적인 실시예에서, 적어도 4개의 일련의 저압 히터들(6, 7, 8, 9, 31)을 갖는 응축물 시스템 외에, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소는 연도 가스로부터 열을 회수하기 위한 연도 가스 열 회수 시스템(40)을 구비한 CO2 포획 시스템을 포함한다. 연도 가스 열 회수 시스템은 전달 매체가 열 에너지와 연도 가스를 교환하도록 연도 가스 열 회수 시스템을 통해 열 전달 매체를 폐쇄 루프에서 유동시키도록 구성된 제 1 열 회수 루프(39)를 추가로 포함한다. 제 1 열 회수 루프(39)에는 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6) 및 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터(7) 사이의 한 지점의 제 1 단부에서 응축물 시스템과 유체적으로 연결되고 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터(9) 및 일련의 저압 히터들 중 제 5 저압 히터(31) 사이의 한 지점의 제 2 단부에서 응축물 시스템과 추가로 연결되는, 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기 응축물 라인(19)을 구비한 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기(22)가 포함된다.
도 7에 도시된 추가의 예시적인 실시예에서, 제어 밸브(38)는 공기 분리 유닛 열 교환기 응축물 라인(5)의 제 2 단부의 상류의 한 지점에서 일련의 저압 히터들 중 제 3 저압 히터(8) 및 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터(9) 사이에서 유체적으로 응축물 시스템 내에 위치된다. 이것은 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기(22), 공기 분리 유닛 열 교환기(11), 및 상류의 일련의 저압 히터들(6, 7, 8) 사이의 응축물 유동 속도를 제어하는 것을 가능하게 한다.
도 8에 도시된 예시적인 실시예에서, 비상 사태/보호 이유들로, 발전소는 제 1 유체 라인(23) 및 제 2 유체 라인(25)을 포함한다. 제 1 유체 라인(23)은 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6) 및 응축기(2)의 하류에 위치된 응축물 추출 펌프 제 2 스테이지(3) 사이의 응축물 시스템에 연결된 제 1 단부 및 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기(22)의 상류의 연도 가스 열 회수 시스템 응축물 라인(19)에 연결된 제 2 단부를 갖는다. 프랜트가 연도 가스 응축기를 포함하는 예시적인 실시예에서, 제 1 유체 라인(23)은 연도 가스 응축기 응축물 라인(14)의 제 1 단부 및 응축기(2)의 하류에 위치된 응축물 추출 펌프 제 2 스테이지(3) 사이의 응축물 시스템에 연결된 제 1 단부 및 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기(22)의 상류의 연도 가스 열 회수 시스템 응축물 라인(19)에 연결된 제 2 단부를 갖는다. 제 1 유체 라인(23)은 정상 작동 동안 폐쇄되고 연도 가스 열 회수 시스템의 열 보호를 위해 비상 사태 작동에서는 개방되는 밸브(24)를 포함한다. 비상 사태 보호가 실행될 때, 연도 가스 열 회수 시스템 응축물 라인(19)을 통해 연도 가스 응축기 응축물 라인(14)으로의 응축물의 역류를 방지하기 위해서, 연도 가스 열 회수 시스템 응축물 라인(19)은 제 1 유체 라인(23) 제 2 단부의 상류에서 유체적으로, 연도 가스 열 회수 시스템 응축물 라인(19) 내에 기계적 또는 작동 역류 방지 밸브와 같은 역류 방지 수단을 포함한다. 제 2 유체 라인(25)은 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기와 응축기(2)를 연결하고 정상 작동 동안 폐쇄되고 연도 가스 열 회수 시스템의 열 보호를 위해 비상 사태 작동시에 개방되는 밸브(26)를 포함한다. 비상 사태 보호가 실행될 때, 응축물이 응축기(2)로 유동하는 것을 보장하기 위해서, 밸브(29)가 연도 가스 열 회수 시스템 응축물 라인(19) 및 제 2 유체 라인(25) 사이에서 유체적으로 연도 가스 열 회수 시스템 응축물 라인(19) 내에 위치된다. 비상 사태 보호를 위해 폐쇄될 때 이것은 연도 가스 열 회수 시스템 응축물 라인(19)으로부터 응축기(2)로의 응축물의 유동을 가능하게 한다.
도 9에 도시된 추가의 예시적인 실시예에서, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소는 응축물 유동 시리즈로 배열된 5개의 저압 히터들(6, 7, 8, 9, 31)을 포함한다. CO2 포획 시스템은 연도 가스 열 회수 시스템(40)의 하류의 연도 가스 응축기(16) 및 CO2의 분리 전에 압축 농후 CO2 연도 가스의 냉각을 위한 가스 처리 유닛 열 교환기(33)를 포함한다. 연도 가스 응축기(16)는 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6)의 상류의 제 1 단부 및 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6) 및 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터(7) 사이의 한 지점에 연결된 제 2 단부에서 응축물 시스템에 연결된 연도 가스 응축기 응축물 라인(14)을 포함한다. 가스 처리 유닛 열 교환기(33)는 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6) 및 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터(7) 사이의 한 지점의 제 1 단부에서 응축물 시스템에 연결되고 일련의 저압 히터들 중 제 5 저압 히터(31) 및 공급수 탱크(36) 사이의 한 지점의 제 2 단부에서 유체적으로 응축물 시스템에 연결된 가스 처리 유닛 응축물 라인(30)을 갖는다.
도 10에 도시된 추가의 예시적인 실시예에서, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소는 응축물 유동 시리즈로 배열된 적어도 4개의 저압 히터들(6, 7, 8, 9, 31)을 포함한다. CO2 포획 시스템은 연도 가스 열 회수 시스템(40)의 하류의 연도 가스 응축기(16) 및 CO2의 분리 전에 압축 농후 CO2 연도 가스의 냉각을 위한 가스 처리 유닛 열 교환기(33)를 포함한다. 연도 가스 응축기(16)는 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6)의 상류의 제 1 단부 및 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6) 및 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터(7) 사이의 한 지점에 연결된 제 2 단부에서 응축물 시스템에 연결된 연도 가스 응축기 응축물 라인(14)을 포함한다. 가스 처리 유닛 열 교환기(33)는 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6) 및 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터(7) 사이의 한 지점의 제 1 단부에서 응축물 시스템에 연결되고 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터(9) 및 일련의 저압 히터들 중 제 5 저압 히터(31) 사이의 한 지점의 제 2 단부에서 응축물 시스템에 연결된 가스 처리 유닛 응축물 라인(30)을 갖는다.
도 11 내지 도 13에 도시된 예시적인 실시예에서, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소는 4개의 저압 히터들(6, 7, 8, 9)을 갖고, CO2 포획 시스템은 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6)의 상류의 제 1 및 제 2 단부들에서 연결된 연도 가스 응축기 응축물 라인(14)을 갖는 연도 가스 응축기(16)를 추가로 포함한다. 연도 가스 응축기를 통해 유동하는 응축물의 양을 제어하기 위한 우회 밸브(15)는 연도 가스 응축기 응축물 라인(14)의 단부들 사이에 위치된다. 가스 처리 유닛 응축물 라인(30)은 다른 지점들에서 응축물 시스템과 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 가스 처리 유닛 응축물 라인(30)의 제 1 및 제 2 단부들은 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6) 및 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터(7) 사이의 한 지점 및 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터(9) 및 일련의 저압 히터들 중 제 5 저압 히터(31) 사이의 한 지점에서 각각 연결된다.
도 3에 도시된 또 다른 예시적인 실시예에서, 가스 처리 유닛 응축물 라인(30)의 제 1 및 제 2 단부들은 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6) 및 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터(7) 사이의 한 지점 및 일련의 저압 히터들 중 제 3 저압 히터(8) 및 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터(9) 사이의 한 지점에서 연결된다.
도 11에 도시된 또 다른 예시적인 실시예에서, 가스 처리 유닛 응축물 라인(30)의 제 1 및 제 2 단부들은 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6) 상류의 한 지점 및 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터(9) 및 공급수 탱크(36) 사이의 한 지점에서 연결된다.
도 12에 도시된 또 다른 예시적인 실시예에서, 가스 처리 유닛 응축물 라인(30)의 제 1 및 제 2 단부들은 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6) 상류의 한 지점 및 일련의 저압 히터들 중 제 3 저압 히터(8) 및 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터(9) 사이의 한 지점에서 연결된다.
도 13에 도시된 또 다른 예시적인 실시예에서, 가스 처리 유닛 응축물 라인(30)의 제 1 및 제 2 단부들은 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터(6) 상류의 한 지점 및 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터(7) 및 일련의 저압 히터들 중 제 3 저압 히터(8) 사이의 한 지점에서 연결된다. CO2 포획 시스템 열 교환기들 및 공기 분리 유닛 열 교환기를 통해 응축물의 유동을 전체적으로 제어하기 위해서, 제어 밸브(38)는 공기 분리 유닛 열 교환기(11), 연도 가스 히터 회수 시스템 열 교환기(22) 및 가스 처리 유닛 열 교환기(33)의 응축물 라인들(5, 19, 30)의 제 2 단부들의 상류에서 즉시 일련의 저압 히터들(6, 7, 8, 9, 31) 사이에서 유체적으로 응축물 시스템 내에 위치된다.
본 발명은 가장 실용적이고 예시적인 실시예로 고려되는 것에 대해 여기에 도시 및 설명할지라도, 당업자는 본 발명이 본 발명의 정신 또는 필수적인 특성들로부터 벗어나지 않고서 다른 특정한 형태들로 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 열 교환기들이 단수로 지칭될지라도, 각각의 시스템은 평행하거나 또는 직렬로 배열된 응축물 시스템에 유체적으로 연결된 복수의 열 교환기들을 포함할 수 있다. 따라서 현재 개시된 실시예들은 예시적이고 비제한적인 것으로 고려된다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들에 의해 나타나고, 본 발명의 의미 및 범위 및 등가물들 내에 있는 상술한 설명 및 모든 변화들이 여기에 포함되도록 의도된다.
1: 응축기 추출 펌프 제 1 스테이지
2: 응축기
3: 응축기 추출 펌프 제 2 스테이지
4: 응축물 폴리싱 발전소
5: 공기 분리 유닛 열 교환기 응축물 라인
6: 저압 히터 #1
7: 저압 히터 #2
8: 저압 히터 #3
9: 저압 히터 #4
11: 공기 분리 유닛 열 교환기
14: 연도 가스 응축기 응축물 라인
15: 우회 밸브
16: 연도 가스 응축기
19: 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기 응축물 라인
22: 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기
23: 유체 라인
24: 밸브
25: 유체 라인
26: 밸브
29: 밸브
30: 가스 처리 유닛 열 교환기 응축물 라인
31: 저압 히터 #5
32: 고압 히터들
33: 가스 처리 유닛 열 교환기
36: 공급수 탱크
38: 제어 밸브
40: 연도 가스 열 회수 시스템
42: 보일러
HP: 고압 증기 터빈
IP: 중압 증기 터빈
LP: 저압 증기 터빈

Claims (22)

  1. 석탄 연소 순산소 보일러 발전소로서,
    연소 시스템 및 응축물 시스템을 구비한 증기 발전소를 포함하고,
    상기 연소 시스템은:
    공기 분리 유닛 열 교환기를 가진, 산소 스트림을 생성하기 위해 공기로부터 N2를 제거하기 위한 공기 분리 유닛과;
    연도 가스 스트림을 생성하기 위해 상기 산소 스트림을 사용하여 석탄을 연소시키도록 구성된 증기 보일러와;
    상기 연도 가스 스트림으로부터 CO2를 제거하도록 구성 및 배열된 CO2 포획 시스템을 포함하고,
    상기 응축물 시스템을 구비한 증기 발전소는:
    증기를 응축시키기 위한 응축기와;
    상기 응축기로부터 상기 응축물을 수용하도록 구성 및 배열된, 응축물 흐름의 방향으로 순차적으로 번호가 매겨지고 직렬로 배열된, 복수의 일련의 저압 히터들; 및
    상기 일련의 저압 히터들로부터 응축물을 수용하도록 구성 및 배열된 공급수 탱크를 포함하는, 상기 석탄 연소 순산소 보일러 발전소에 있어서,
    공기 분리 유닛 열 교환기는, 적어도 하나의 일련의 저압 히터와 유체적으로 평행하고 또한 상기 일련의 저압 히터들의 전체 수 미만인 적어도 하나와 유체적으로 평행하도록, 공기 분리 유닛 열 교환기 응축물 라인에 의해 상기 응축물 시스템과 열적으로 그리고 유체적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공기 분리 유닛 열 교환기는 상기 응축물 시스템과 유체적으로
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터의 상류; 및
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 3 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터 사이에서 연결되는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 공기 분리 유닛 열 교환기 응축물 라인은 상기 응축물 시스템과 유체적으로
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터의 상류의 한 지점; 및
    상기 저압 히터들 중 제 4 저압 히터 및 상기 공급수 탱크 사이의 한 지점에서 연결되는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 공기 분리 유닛 열 교환기 응축물 라인은 상기 응축물 시스템과 유체적으로
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터의 상류의 한 지점; 및
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 3 저압 히터 사이의 한 지점에서 연결되는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 공기 분리 유닛 열 교환기 응축물 라인은 상기 응축물 시스템과 유체적으로
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터 사이의 한 지점; 및
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 3 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터 사이의 한 지점에서 연결되는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 공기 분리 유닛 열 교환기 응축물 라인은 상기 응축물 시스템과 유체적으로
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터 사이의 한 지점; 및
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터 및 상기 공급수 탱크 사이의 한 지점에서 연결되는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 포획 시스템은 상기 연도 가스로부터 열을 회수하기 위한 연도 가스 열 회수 시스템을 추가로 포함하고, 상기 연도 가스 열 회수 시스템은:
    열 전달 매체가 열 에너지를 연도 가스와 교환하도록 상기 연도 가스 열 회수 시스템을 통해 상기 열 전달 매체를 폐쇄 루프에서 유동시키도록 구성된 제 1 열 회수 루프; 및
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터 사이의 제 1 단부; 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 3 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터 사이의 제 2 단부에서 상기 응축물 시스템과 유체적으로 연결된 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기 응축물 라인을 갖는 상기 제 1 열 회수 루프 내의 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기를 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 포획 시스템은 상기 연도 가스로부터 열을 회수하기 위한 연도 가스 열 회수 시스템을 추가로 포함하고, 상기 연도 가스 열 회수 시스템은:
    열 전달 매체가 열 에너지를 연도 가스와 교환하도록 상기 연도 가스 열 회수 시스템을 통해 상기 열 전달 매체를 폐쇄 루프에서 유동시키도록 구성된 제 1 열 회수 루프; 및
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터 사이의 제 1 단부; 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 5 저압 히터 사이의 제 2 단부에서 상기 응축물 시스템과 유체적으로 연결된 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기 응축물 라인을 갖는 상기 제 1 열 회수 루프 내의 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기를 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 포획 시스템은 상기 연도 가스로부터 열을 회수하기 위한 연도 가스 열 회수 시스템을 추가로 포함하고, 상기 연도 가스 열 회수 시스템은:
    열 전달 매체가 열 에너지를 연도 가스와 교환하도록 상기 연도 가스 열 회수 시스템을 통해 상기 열 전달 매체를 폐쇄 루프에서 유동시키도록 구성된 제 1 열 회수 루프와;
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터의 상류의 제 1 단부; 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 3 저압 히터 사이의 제 2 단부에서 상기 응축물 시스템과 유체적으로 연결된 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기 응축물 라인을 갖는 상기 제 1 열 회수 루프 내의 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기를 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 포획 시스템은 상기 연도 가스로부터 열을 회수하기 위한 연도 가스 열 회수 시스템을 추가로 포함하고, 상기 연도 가스 열 회수 시스템은:
    열 전달 매체가 열 에너지를 연도 가스와 교환하도록 상기 연도 가스 열 회수 시스템을 통해 상기 열 전달 매체를 폐쇄 루프에서 유동시키도록 구성된 제 1 열 회수 루프; 및
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터의 상류의 제 1 단부; 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 3 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터 사이의 제 2 단부에서 상기 응축물 시스템과 유체적으로 연결된 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기 응축물 라인을 갖는 상기 제 1 열 회수 루프 내의 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기를 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기 분리 유닛 열 교환기 응축물 라인의 상기 제 1 단부 및 상기 제 2 단부 사이; 및
    상기 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기 응축물 라인의 상기 제 1 단부 및 상기 제 2 단부 사이에서 유체적으로 위치된 상기 응축물 시스템에서 응축물 유동 제어 밸브를 추가로 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  12. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 유체 라인을 추가로 포함하고, 상기 제 1 유체 라인은:
    상기 일련의 저압 히터들 중 상기 제 1 저압 히터 및 상기 응축기의 하향으로 위치된 응축물 추출 펌프 제 2 스테이지 사이의 상기 응축물 시스템과 연결되고;
    상기 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기의 상류의 상기 연도 가스 열 회수 시스템 응축물 라인과 연결되며 상기 연도 가스 열 회수 시스템 응축물 라인은 상기 제 1 유체 라인의 상기 제 2 단부의 상류에서 유체적으로 반전 유동 방지 수단을 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 연도 가스 열 회수 시스템 열 교환기와 상기 응축기를 연결하는 제 2 유체 라인; 및
    상기 연도 가스 열 회수 시스템 응축물 라인의 제 2 단부 및 상기 제 2 유체 라인 사이에서 유체적으로 상기 연도 가스 열 회수 시스템 응축물 라인 내에 위치된 밸브로서, 폐쇄될 때 상기 연도 가스 열 회수 시스템 응축물 라인으로부터 상기 응축기로 응축물의 유동을 가능하게 하도록 구성 및 배열된 상기 밸브를 추가로 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 포획 시스템은:
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터의 상류의 한 지점의 제 1 단부; 및 상기 일련의 저압 히터들 중 상기 제 1 저압 히터 및 상기 연도 가스 응축기 응축물 라인의 상기 제 1 단부 사이의 한 지점의 제 2 단부에서 상기 응축물 시스템에 연결된 연도 가스 응축기 응축물 라인을 가진, 상기 연도 가스 스트림으로부터 응축물들을 제거하기 위한 연도 가스 응축기; 및
    상기 연도 가스 응축기 응축물 라인의 상기 제 1 단부 및 상기 연도 가스 응축기 응축물 라인의 상기 제 2 단부 사이에 위치된 우회 밸브를 추가로 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  15. 제 1 항에 있어서, CO2 포획 시스템은:
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터의 상류의 제 1 단부; 및 상기 일련의 저압 히터들 중 상기 제 1 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터 사이의 제 2 단부에서 응축물 시스템에 연결된 연도 가스 응축기 응축물 라인을 가진, 상기 연도 가스 스트림으로부터 응축물들을 제거하기 위한 연도 가스 응축기를 추가로 포함하고,
    상기 응축물 시스템은, 우회 밸브가 폐쇄될 때, 응축물이 완전히 상기 일련의 저압 히터들 중 상기 제 1 저압 히터를 우회하도록, 상기 일련의 저압 히터들 중 상기 제 1 저압 히터 및 상기 연도 가스 응축기 응축물 라인의 상기 제 1 단부 사이에 우회 밸브를 추가로 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 포획 시스템은:
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터 사이의 한 지점; 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 5 저압 히터 및 상기 공급수 탱크 사이의 한 지점에서 상기 응축물 시스템에 연결된 가스 처리 유닛 응축물 라인을 갖는 가스 처리 유닛 열 교환기를 추가로 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 포획 시스템은:
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터 사이의 한 지점; 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 5 저압 히터 사이의 한 지점에서 상기 응축물 시스템에 연결된 가스 처리 유닛 응축물 라인을 갖는 가스 처리 유닛 열 교환기를 추가로 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 포획 시스템은:
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터 사이의 한 지점; 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 3 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터 사이의 한 지점에서 상기 응축물 시스템에 연결된 가스 처리 유닛 응축물 라인을 갖는 가스 처리 유닛 열 교환기를 추가로 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 포획 시스템은:
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터의 상류의 한 지점; 및
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터 및 및 상기 공급수 탱크 사이의 한 지점에서 상기 응축물 시스템에 연결된 가스 처리 유닛 응축물 라인을 갖는 가스 처리 유닛 열 교환기를 추가로 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 포획 시스템은:
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터의 상류의 한 지점; 및
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 3 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 4 저압 히터 사이의 한 지점에서 상기 응축물 시스템에 연결된 가스 처리 유닛 응축물 라인을 갖는 가스 처리 유닛 열 교환기를 추가로 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 포획 시스템은:
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 1 저압 히터의 상류의 한 지점; 및
    상기 일련의 저압 히터들 중 제 2 저압 히터 및 상기 일련의 저압 히터들 중 제 3 저압 히터 사이의 한 지점에서 상기 응축물 시스템에 연결된 가스 처리 유닛 응축물 라인을 갖는 가스 처리 유닛 열 교환기를 추가로 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  22. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기 분리 유닛 열 교환기와 평행하고, 상기 가스 처리 유닛 열 교환기와 평행하게, 유체적으로 위치된, 상기 응축물 시스템에서 응축물 유동 제어 밸브를 추가로 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
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