KR20170004868A - 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비 및 그 화력 발전 설비의 회수수의 처리 방법 - Google Patents
배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비 및 그 화력 발전 설비의 회수수의 처리 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, 연소 배기 가스와 기액 직접 접촉하는 회수수 계통의 순환수와 보일러 급수에 이용하는 급수 계통의 급수 pH를 조정하여 설비 전체에서 사용하는 pH 조정제의 양을 저감하고, 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비의 경제성을 향상시킨 화력 발전 설비를 제공하는 것을 과제로 한다. 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비에 가스 터빈으로부터 배출된 연소 배기 가스를 열원으로서 공급하여 증기를 발생하는 배열 회수 보일러와, 그 하류측에 설치되어 배열 회수 보일러로부터 흘러내린 연소 배기 가스와 물과 기액 직접 접촉하여 연소 배기 가스 중의 습분을 응축하여 회수하는 물 회수 장치와, 회수수의 일부를 물 회수 장치로 순환시키는 회수수 계통과, 회수수의 다른 일부를 급수로서 배열 회수 보일러에 공급하는 급수 계통과, 회수수 계통을 흐르는 순환수를 제1 pH의 값으로 조정하는 제1 pH 조정 장치와, 급수 계통을 흐르는 급수를 제2 pH의 값으로 조정하는 제2 pH 조정 장치와, pH 조정 장치를 제어하는 제어 장치를 구비하여 구성하였다.
Description
본 발명은, 연소 배기 가스 중에 포함되는 습분을 회수하여 재이용하는 화력 발전 설비에 관한 것으로, 특히, 연소용 공기에 수증기를 분사하는 증기 분사 가스 터빈을 구비하여, 연소 배기 가스 중으로부터 습분을 회수하여 배열(排熱) 회수 보일러로의 급수로서 재이용하는 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비 및 화력 발전 설비의 회수수의 처리 방법에 관한 것이다.
가스 터빈의 연소기에 수증기를 분사하고, 터빈에 유입되는 연소 가스의 유량을 증대시키고, 또한 연소 가스의 비열을 증대시켜서 터빈의 출력을 증대시키도록 한 습분 이용 가스 터빈 시스템으로서, 일본 특허 공개 제2000-054854호 공보(특허문헌 1), 및 기술 문헌인, Vladimir V. Lupandin 외, DESIGN, DEVELOPMENT AND TESTING OF A GAS TURBINE STEAM INJECTION AND WATER RECOVERY SYSTEM, Proceedings of ASME TURBO EXPO 2001, 2001-GT-0111(2001)(비특허문헌 1)에 기재된 기술이 있다.
수증기의 분사에 요하는 보급수의 양은, 가스 터빈의 흡기 질량 유량의 수% 내지 십수%이며, 통상의 화력 발전 시스템과 비교하여 다량이기 때문에, 보급수의 확보가 과제로 되어 있다.
상기 특허문헌 1에는, 가스 터빈으로부터 배출된 배기 가스를 열원으로 하여 증기를 생성하는 배열 회수 보일러로부터 배출되는 배기 가스를 응축기로 유도하여 배기 가스를 제습하고, 배기 가스 중의 응축수를 분리하여 회수수로서 회수하는 물 회수 장치가 개시되어 있다.
이 물 회수 장치에 의해 회수된 회수수는, 제진 필터와 탈기기, 필요에 따라 이온 교환 장치에 의해 혼입물을 제거하는 처리가 이루어진 다음, 처리수를 상기 배열 회수 보일러에 급수하는 것이 개시되어 있다.
상기 비특허문헌 1에도, 배열 회수 보일러로부터 배출되는 배기 가스를 냉각하여 응축시키는 물 회수 장치가 개시되어 있다. 이 회수수는 탈기기에 의해 용해되어 있는 가스를 분리 제거한 후에, 배열 회수 보일러에 급수하는 것이 개시되어 있다.
상기 비특허문헌 1에 의하면, 회수수의 용존 산소 농도는 보일러로의 급수로서의 기준을 만족하고 있으며, 이산화질소, 나트륨 이온, 마그네슘 이온, 칼슘 이온, 철 이온, 구리 이온 등의 불순물의 영향은 무시할 수 있다고 기재되어 있다.
또한, 일본 특허공개 제2009-162100호 공보(특허문헌 2)에는, 고습분 공기 이용 가스 터빈의 배기 가스로부터 회수한 회수수를, 압축 공기의 가습 장치에 공급하여 재이용하고, 이 가습 장치로부터 일부 뽑아낸 회수수를 정화하여 물 회수 장치에 공급하는 구성이 개시되어 있다.
이 특허문헌 2에 기재된 기술은, 회수수의 pH를 조정할 목적이 아니라, 불순물의 농축을 억제할 목적으로 수질 정화 장치가 설치되어 있다. 또한, 이 특허문헌 2에는, 배기 가스 중에 포함되는 이산화탄소, 질소산화물 등이 물 회수 장치의 회수수 내에 흡수되어, 회수수가 산성으로 되는 것도 개시되어 있다.
Vladimir V. Lupandin 외, DESIGN, DEVELOPMENT AND TESTING OF A GAS TURBINE STEAM INJECTION AND WATER RECOVERY SYSTEM, Proceedings of ASME TURBO EXPO 2001, 2001-GT-0111(2001)
특허문헌 1 및 비특허문헌 1에는, 배열 회수 보일러의 증기 압력이 개시되어 있지 않지만, 배열 회수 보일러의 증기 압력이 높아지는 경우에는, 보일러로의 급수에 요구되는 수질 기준이 엄격해진다.
JIS B 8223에 의하면, 상용 압력이 10MPa(게이지 압력) 이하의 배열 회수 보일러인 경우에는, pH(수소 이온 농도 지수)를 8.5 내지 9.7의 급수 수질로 하는 것이 바람직하다고 되어 있다.
동시에, 불순물 이온의 총량 지표인 전기 전도율도, 휘발성 물질 처리의 경우에는 6mS/m 이하로 하는 것이 바람직하다고 되어 있다.
그러나, 배기 가스 중에 포함되는 이산화탄소, 질소산화물 등이 회수수 중에 흡수되어, 회수수가 산성으로 되기 때문에, 회수수의 pH를 상승시켜서 알칼리성으로 하기 위해서는, 다량의 중화제를 주입할 필요가 있다.
회수수에 다량의 중화제를 주입하는 경우, 중화제의 구입비가 상승해서 경제성이 나빠지는 문제와, 불순물 이온의 총량이 증가해서 전기 전도율이 상승한다는 과제가 있다.
특허문헌 2에 개시되어 있는 바와 같이, 회수수의 pH는 조정하지 않고, 불순물의 농축만을 방지하는 방식의 경우에는, 회수수가 접촉하는 부분을 내부식성의 재료로 구성할 필요가 있어, 설비의 건설 비용이 상승한다는 과제가 있다.
본 발명의 목적은, 연소 배기 가스와의 기액 직접 접촉에 의해 산성으로 된 회수수 계통의 순환수와, 보일러로의 급수로서 재이용하는 급수 계통의 급수를 필요한 pH로 각각 조정하여, 설비 전체에서 사용하는 pH 조정제의 양을 저감하고, 화력 발전 설비의 경제성을 향상시킨 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비 및 그 화력 발전 설비의 회수수의 처리 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비는, 가스 터빈과, 가스 터빈으로부터 배출된 연소 배기 가스를 열원으로서 공급하여 증기를 발생하는 배열 회수 보일러와, 이 배열 회수 보일러의 하류측에 설치되어 상기 배열 회수 보일러로부터 흘러내린 연소 배기 가스와 물과의 기액 직접 접촉에 의해 연소 배기 가스 중의 습분을 응축하여 회수하는 물 회수 장치와, 물 회수 장치에 의해 회수한 회수수의 일부를 이 물 회수 장치에 공급하여 순환수로서 순환시키는 회수수 계통과, 물 회수 장치에 의해 회수한 회수수의 다른 일부를 급수로서 상기 배열 회수 보일러에 공급하는 급수 계통과, 회수수 계통에 설치되고, 이 회수수 계통을 흐르는 순환수를 제1 pH(수소 이온 농도 지수)의 값으로 조정하는 제1 pH 조정 장치와, 급수 계통에 설치되고, 이 급수 계통을 흐르는 급수를 제2 pH(수소 이온 농도 지수)의 값으로 조정하는 제2 pH 조정 장치와, 제1 pH 조정 장치 및 제2 pH 조정 장치로부터 각각 주입하는 pH 조정제의 양을 제어하는 제어 장치가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비의 회수수의 처리 방법은, 가스 터빈과, 가스 터빈으로부터 배출된 연소 배기 가스를 열원으로 하여 증기를 발생하는 배열 회수 보일러와, 이 배열 회수 보일러의 하류측에 설치되어 상기 배열 회수 보일러로부터 흘러내린 연소 배기 가스와 물과의 기액 직접 접촉에 의해 연소 배기 가스 중의 습분을 응축시켜서 회수하는 물 회수 장치와, 물 회수 장치에 의해 회수한 회수수의 일부를 이 물 회수 장치에 공급하여 순환수로서 순환시키는 회수수 계통과, 물 회수 장치에 의해 회수한 회수수의 다른 일부를 급수로서 상기 배열 회수 보일러에 공급하는 급수 계통과, 회수수 계통에 설치되어 상기 회수수 계통을 흐르는 순환수를 제1 pH(수소 이온 농도 지수)의 값으로 조정하는 제1 pH 조정 장치와, 급수 계통에 설치되어 상기 급수 계통을 흐르는 급수를 제2 pH(수소 이온 농도 지수)의 값으로 조정하는 제2 pH 조정 장치와, 제1 pH 조정 장치 및 제2 pH 조정 장치로부터 각각 주입하는 pH 조정제의 양을 제어하는 제어 장치를 구비한 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비의 회수수의 처리 방법으로서, 상기 제어 장치의 제어에 의해 제1 pH 조정 장치로부터 회수수 계통에 주입되는 약제의 양을 조절하여 회수수 계통을 순환해서 흐르는 순환수를 제1 pH값으로 조정하고, 상기 제어 장치의 제어에 의해 제2 pH 조정 장치로부터 급수 계통에 주입되는 약제의 양을 조절하여 급수 계통을 흐르는 급수를 제2 pH값으로 조정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 연소 배기 가스와의 기액 직접 접촉에 의해 산성으로 된 회수수 계통의 순환수와, 보일러로의 급수로서 재이용하는 급수 계통의 급수를 필요한 pH값으로 각각 조정하여, 설비 전체에서 사용하는 pH 조정제의 양을 저감하고, 화력 발전 설비의 경제성을 향상시킨 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비 및 그 화력 발전 설비의 회수수의 처리 방법을 실현할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시예의 화력 발전 설비인 배기 가스로부터 습분을 회수하는 습분 이용 가스 터빈 시스템을 나타내는 개략 계통도.
도 2는, 본 발명의 제1 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에 있어서의 pH 조정값과, 필요한 pH 조정제의 농도와의 관계를 나타내는 특성도.
도 3은, 본 발명의 제2 실시예의 화력 발전 설비인 대비 배기 가스로부터 습분을 회수하는 습분 이용 가스 터빈 시스템을 나타내는 개략 계통도.
도 4는, 본 발명의 제3 실시예의 화력 발전 설비인 배기 가스로부터 습분을 회수하는 습분 이용 가스 터빈 시스템을 나타내는 개략 계통도.
도 2는, 본 발명의 제1 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에 있어서의 pH 조정값과, 필요한 pH 조정제의 농도와의 관계를 나타내는 특성도.
도 3은, 본 발명의 제2 실시예의 화력 발전 설비인 대비 배기 가스로부터 습분을 회수하는 습분 이용 가스 터빈 시스템을 나타내는 개략 계통도.
도 4는, 본 발명의 제3 실시예의 화력 발전 설비인 배기 가스로부터 습분을 회수하는 습분 이용 가스 터빈 시스템을 나타내는 개략 계통도.
본 발명의 실시예의 화력 발전 설비인 배기 가스로부터 습분을 회수하는 습분 이용 가스 터빈 시스템에 대하여 도면을 인용하여 이하에 설명한다.
<실시예 1>
우선, 본 발명의 제1 실시예의 화력 발전 설비인 배기 가스로부터 습분을 회수하는 습분 이용 가스 터빈 시스템에 대하여 도 1을 이용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 화력 발전 설비로서, 가스 터빈의 연소기에 증기를 공급하여 터빈의 출력을 증대시키도록 구성한 습분 이용 가스 터빈 시스템을 나타내는 개략 계통도이다.
도 1에 도시한 본 발명의 제1 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에 있어서, 가스 터빈 본체는, 흡기 덕트(3)로부터 흡입한 공기를 압축해서 토출하는 압축기(2)와, 압축기(2)에 의해 압축한 압축 공기와 연료(95)를 혼합해서 연소하는 연소기(4)와, 연소기(4)에 의해 생성하는 고온의 연소 가스에 의해 구동되는 터빈(1)을 구비하고 있다.
터빈(1)은, 고압 터빈(6)과 저압 터빈(7)으로 구성되어 있으며, 고압 터빈(6)은 샤프트(5)를 개재해서 압축기(2)와 연결되어 있다.
저압 터빈(7)은 도시하지 않은 감속기에 의해 발전기(19)에 접속되어 있으며, 저압 터빈(7)을 회전시켜서 발전기(19)를 구동하고, 이 발전기(19)에 의해 발전한 전력을 도시하지 않은 전력 계통으로 송전 가능하게 되어 있다.
저압 터빈(7)을 구동한 후에 상기 저압 터빈(7)으로부터 배출되는 배기 가스(13)는, 저압 터빈(7)의 하류측에 배치되어 배기 가스(13)를 열원으로 하여 증기를 발생시키는 배열 회수 보일러(26)와, 배열 회수 보일러(26)를 흘러내린 배기 가스(13)에 포함된 습분을 회수하는 물 회수 장치(17)를 순차 경유하여, 스택(54)으로부터 대기 중으로 방출되는 구성으로 되어 있다.
상기 배열 회수 보일러(26)는, 배기 가스(13)가 흘러내리는 하류측으로부터 상류측을 향해 탈기기(22), 이코노마이저(23), 증발기(24), 및 과열기(25)를 구비한 구성으로 되어 있으며, 탈기기(22) 및 증발기(24)에는, 증기를 생성하는 드럼(47), 드럼(48)이 각각 설치되어 있다.
배열 회수 보일러(26)에 급수를 공급하는 급수 계통에는, 탱크(55)의 보유수를 펌프(91)에 의해 이송하여 탈기기(22)의 드럼(47)에 공급 가능한 배관(33)과, 탈기기의 드럼(47)의 보유수를 펌프(93)에 의해 가압하여 이코노마이저(23)에 공급 가능한 배관(46)과, 이코노마이저(23)로 가열된 열수를 증발기(24)의 드럼(48)에 공급 가능한 배관(37)과, 증발기(24)의 드럼(48)으로부터 수증기를 과열기(25)로 송출 가능한 배관(45)이 각각 배치되어 있다.
또한, 탈기기의 드럼(47)에는, 급수로부터 탈기한 가스를 드럼(47)으로부터 밸브(58)를 통해 외부로 배출 가능하게 하는 배관(44)이 배치되어 있다.
또한, 증발기(24)의 드럼(48)에는, 수중에 농축된 불순물을 드럼(48)으로부터 밸브(57)를 통해 외부로 배출 가능하게 하는 배관(36)이 배치되어 있다.
상기 배열 회수 보일러(26)의 배기 가스(13)가 흘러내리는 최상류측에 설치된 상기 과열기(25)에는, 과열기(25)에 의해 생성된 과열된 증기를 상기 과열기(25)로부터 연소기(4)에 공급 가능하게 하는 밸브(60)를 구비한 배관(41)이 배치되어 있다.
또한, 본 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에 있어서, 증기를 연소기(4)에 공급하는 것이 의미하고 있는 것은, 연소기(4)의 내부에 증기를 공급하는 것을 의미할 뿐만 아니라, 압축기(2)로부터 연소기(4)로 압축 공기가 흘러내리는 유로 또는 연소기(4)로부터 고압 터빈(6)으로 연소 가스가 흘러내리는 유로에 대하여 수증기를 공급하는 것도 의미하는 것이다.
배열 회수 보일러(26)의 하류측에 설치된 물 회수 장치(17)는, 이 물 회수 장치(17)의 하부에 설치된 회수수 용기(18)에서 보유하는 물을, 배관(31)에 설치된 펌프(92)로 가압하여 상기 배관(31)을 통해서 냉각기(85)에 공급하고, 이 냉각기(85)로 상기 물을 냉각한 다음, 상기 냉각기(85)로부터 배관(32)을 통하여, 다시 물 회수 장치(17)의 내부에 설치된 액 분산기(71)에 공급하여 물 회수 장치(17)의 내부에 살포하는 구성으로 되어 있다.
물 회수 장치(17)의 내부의 액 분산기(71)의 하방에는, 충전물(88)이 설치되고, 배열 회수 보일러(26)로부터 배출되는 배기 가스와 액 분산기(71)로부터 살포된 순환수가 기액 접촉 가능하게 되도록 구성되어 있다.
물 회수 장치(17)의 내부의 액 분산기(71)의 상방에는, 미스트를 제거하는 미스트 제거기(66)가 설치되어 있다.
상기 냉각기(85)는 팬(27)에 의해 주변의 대기를 도입해서 물을 냉각하는 공냉식 냉각기이다. 또한, 냉각기(85)로 냉각된 순환수의 일부는, 밸브(59)를 갖는 배관(34)을 경유해서 탱크(55)로 순환수가 공급되는 구성으로 되어 있다.
또한, 탱크(55)에는, 외부로부터 보급수가 공급 가능하게 되도록, 배관(35)이 배치되어 있다.
본 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 물 회수 장치(17)의 회수수가 회수수 용기(18)로부터 냉각기(85), 배관(32)을 경유해서 상기 물 회수 장치(17)의 내부에 설치된 액 분산기(71)로부터 살포되고, 상기 물 회수 장치(17)의 내부에 설치된 충전물(88)이 흘러내려 다시 회수수 용기(18)까지 순환하는 계통을 회수수 계통이라 칭한다.
또한 본 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 상기 회수수 계통으로부터 순환수를 분기하는 배관(34)으로부터 배열 회수 보일러(26)의 증발기(24)의 드럼(48)에 이르기까지의 계통을 급수 계통이라 칭한다.
본 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에서 특징으로 되는 구성 요소는, 회수수 계통의 회수수 용기(18)로부터 냉각기(85)로 회수수를 공급하는 배관(31)에 설치되어 있으며, 순환수의 pH를 제1 pH값으로 조정하는 약제 주입 장치(49)와, 상기 냉각기(85)로부터 분기한 한쪽의 배관(32)에 설치된 pH 검출기(74)와, 급수 계통의 배관(33)에 설치되어 있으며, 탈기기(22)의 드럼(47)에 공급하는 급수의 pH를 제2 pH값으로 조정하는 약제 주입 장치(50)와, 상기 냉각기(85)로부터 분기한 다른 쪽의 배관(32)에 설치된 배관(33)의 상기 약제 주입 장치(50)의 하류측에 설치된 pH 검출기(75)와, 상기 pH 검출기(74) 및 pH 검출기(75)에 의해 검출된 pH 검출값에 기초하여 순환수의 pH를 조절하는 약제 주입 장치(49) 및 급수의 pH를 조절하는 약제 주입 장치(50)를 각각 제어하는 제어 장치(100)이다.
본 실시예의 화력 발전 설비인 상기 구성의 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 수증기를 생성하기 위해 다량의 물을 소비한다. 따라서, 가스 터빈(1)으로부터 배출된 연소 배기 가스(13)로부터 상기 연소 배기 가스(13)에 포함된 습분을 회수하고, 회수된 습분을 배열 회수 보일러(26)로 재이용하는 것이 행해진다.
연소 배기 가스(13)로부터 습분을 회수한 회수수는, 연소 배기 가스(13) 중의 질소산화물이나 이산화탄소 등의 불순물을 흡수해서 산성으로 되어 있다.
수증기를 생성하는 배열 회수 보일러(26)에 이 회수수를 공급하는 급수는, 배열 회수 보일러(26)의 전열관의 부식을 방지하기 위해서, 약제의 주입 등에 의해 용존 산소 농도나 수소 이온 농도 지수(pH)가 조정된다.
따라서, 본 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에 있어서는, pH의 조정 방법을 연구함으로써, 필요한 약제의 주입량을 가급적으로 저감하도록 한 것이다.
다음으로 도 1을 이용하여, 본 발명의 제1 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템의 동작에 대하여 설명한다.
도 1에 도시된 제1 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에 있어서, 가스 터빈의 흡기 덕트(3)로부터 압축기(2)로 흡입된 대기는, 상기 압축기(2)에 의해 압축되고, 고온의 압축 공기로 되어 상기 압축기(2)로부터 토출된다.
압축기(2)로부터 토출된 압축 공기는, 가스 터빈 케이싱 내의 유로를 경유하여 연소기(4)로 유도된다.
연소기(4)에 도입된 압축 공기는, 상기 연소기(4)에 있어서 연료(95) 및 배관(41)으로부터 공급되는 과열 수증기와 혼합하여 연소하고, 연소기(4)에서 고온 고압의 연소 가스를 생성한다.
연소기(4)에 의해 생성된 고온 고압의 연소 가스는, 상기 연소기(4)로부터 터빈(1)의 고압 터빈(6)에 공급되고, 이 고압 터빈(6)의 내부에서 팽창되어, 열에너지가 동력 에너지로 변환된다.
고압 터빈(6)과 압축기(2)는 공통의 샤프트(5)에 의해 연결되어 있으며, 이 고압 터빈(6)에 의해 열에너지가 변환된 동력 에너지는, 상기 샤프트(5)와 연결된 압축기(2)를 구동하는 데 소비된다.
고압 터빈(6)의 내부에서 팽창된 후의 연소 가스는, 고압 터빈(6)으부터 저압 터빈(7)에 공급되고, 저압 터빈(7)의 내부에서 팽창됨으로써 열에너지가 동력 에너지로 변환된다.
저압 터빈(7)에 의해 열에너지가 변환된 동력 에너지는, 이 저압 터빈(7)에 연결된 발전기(19)를 구동함으로써 전기 에너지로 변환되어 취출된다.
본 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 연소기(4)에서 연료와 함께 연소시키는 공기에, 배열 회수 보일러(26)의 배열 회수에 의해 생성된 수증기를 습분으로서 첨가하고 있기 때문에, 연소기(4)로부터 터빈(1)에 공급되는 연소 가스의 유량이, 수증기를 첨가하고 있는 분만큼 통상의 심플 사이클 가스 터빈보다도 많아진다.
또한, 수증기의 단위 질량당 열에너지는, 압축 공기와 비교해서 크기 때문에, 통상의 가스 터빈과 비교하여, 보다 많은 에너지를 취출할 수 있어, 가스 터빈 전체적으로 출력과 열효율이 향상된다.
저압 터빈(7)에서의 팽창 과정을 거쳐서 이 저압 터빈(7)으로부터 배출된 배기 가스(13)는, 가스 터빈(1)의 하류측에 설치된 배열 회수 보일러(26)에 열원으로서 유도된다.
배열 회수 보일러(26)에 있어서는, 배관(33)을 통하여 공급된 급수를, 배열 회수 보일러(26) 내의 배기 가스의 흐름 방향의 최하류측에 배치된 탈기기(22)에 의해 배열 회수 보일러(26) 내를 흘러내리는 배기 가스(13)를 열원으로 하여 가열하고, 상기 급수에 포함된 산소나 이산화탄소 등 수중의 용존 가스 성분을 이 탈기기(22)에 의해 기상으로 하여, 상기 탈기기(22)로부터 배관(44)을 통하여 외부로 방출한다.
또한, 상기 탈기기(22)에 의해 배열 회수 보일러(26) 내를 흘러내리는 배기 가스(13)에 의해 가열된 급수는, 배열 회수 보일러(26) 내에서 이 탈기기(22)의 배기 가스의 흐름 방향의 상류측에 배치된 이코노마이저(23)에 공급되고, 이 이코노마이저(23)에 의해 상기 급수는 배열 회수 보일러(26) 내를 흘러내리는 배기 가스(13)를 열원으로 하여 가열된다.
상기 이코노마이저(23)에 의해 배열 회수 보일러(26) 내를 흘러내리는 배기 가스(13)에 의해 가열된 급수는, 배열 회수 보일러(26) 내에서 이 이코노마이저(23)의 배기 가스의 흐름 방향의 상류측에 배치된 증발기(24)에 공급되고, 이 증발기(24)에 의해 상기 급수는 배열 회수 보일러(26) 내를 흘러내리는 배기 가스(13)를 열원으로 하여 가열된다.
또한, 상기 증발기(24)에 의해 배열 회수 보일러(26) 내를 흘러내리는 배기 가스(13)에 의해 가열된 급수는, 배열 회수 보일러(26) 내에서 이 증발기(24)의 배기 가스의 흐름 방향 최상류측에 배치된 과열기(25)에 공급되고, 이 과열기(25)에 의해 배열 회수 보일러(26) 내를 흘러내리는 배기 가스(13)를 열원으로 하여 더 가열된다.
그리고, 상기한 바와 같이, 배열 회수 보일러(26) 내의 이코노마이저(23), 증발기(24), 과열기(25)에 의해 순차 가열하여 고온 고압의 증기를 생성하고, 이 생성된 고온 고압의 증기를 상기 과열기(25)로부터 밸브(60)를 구비한 배관(41)을 통하여 상기 가스 터빈의 연소기(4)에 공급한다.
상기 배열 회수 보일러(26)에 설치한 탈기기(22)는, 예를 들어 0.2MPa 정도의 낮은 압력으로 운전하고, 수중의 용존 가스 성분을 기상으로 배출하기 쉬운 상태에서 동작시킨다. 그 후, 배관(46)에 설치한 펌프(93)에 의해 급수를 약 3MPa로 가압하여, 상기 탈기기(22)로부터 배관(46)을 통하여 증발기(24)에 공급하고, 이 증발기(24)에 의해 배열 회수 보일러(26) 내를 흘러내리는 배기 가스(13)에 의해 가열하여 고온 고압의 증기를 생성 가능하게 하고 있다.
그리고, 상기 증발기(24)의 드럼(48)으로부터, 급수 중에 포함되는 농축된 불순물을, 밸브(57)를 구비한 배관(36)에 의해 시스템 밖으로 뽑아냄으로써, 증발기(24)의 전열관 내부에 보유되는 급수의 불순물 농도를 제한한다.
과열기(25)에 의해 생성된 고온 고압의 증기는, 밸브(60)를 구비한 배관(41)을 통하여 연소기(4)에 공급하여, 가스 터빈의 출력, 효율 향상에 기여한다.
배열 회수 보일러(26)로부터 배출된 배기 가스(13)는, 배열 회수 보일러(26)의 하류측에 설치된 물 회수 장치(17)로 유도된다.
상기 물 회수 장치(17)에서는, 물 회수 장치(17)의 내부 하부 공간에 설치한 회수수 용기(18)에 저장된 회수수가, 배관(31)에 구비된 펌프(92)에 의해 상기 배관(31)을 통하여 냉각기(85)에 공급되고, 이 냉각기(85)에 의해 대기와의 열교환에 의해 회수수가, 예를 들어 35℃까지 냉각되고, 상기 냉각기(85)로부터 배관(32)을 통하여 물 회수 장치(17)의 내부에 설치된 액 분산기(71)에 공급되어 살포된다.
이 액 분산기(71)로부터 살포되는 살포수는, 물 회수 장치(17)의 내부에서 상기 액 분산기(71)의 하방에 설치된 충전물(88)의 표면을 흘러내리는 과정에서, 상기 충전물(88)의 하방으로부터 공급되는 배기 가스(13)와 기액 직접 접촉하고, 배기 가스(13)에 포함되는 습분이 응축되어, 회수수로서 물 회수 장치(17)의 회수수 용기(18)로 회수된다.
충전물(88)의 표면에서 기액 접촉한 후의 배기 가스(13)는, 살포수와의 기액 접촉 시에 발생한 미세한 액적을, 회수 장치(17)의 내부에서 상기 액 분산기(71)의 상방에 설치된 미스트 제거기(66)로 제거한 후에, 이 회수 장치(17)의 상방에 연통되는 스택(54)을 통하여 대기 중으로 배출된다.
이때, 스택(54)으로부터 배출되는 배기 가스(13)는, 액 분산기(71)로부터 살포되는 살포수에 의해 냉각된 습기 가스(예를 들어 40℃ 이하의 습기 가스)이며, 대기로 방출된 후, 대기 중에서 습분이 응축되어 백연으로 되는 경우가 있다.
미관상의 이유에서 대기 중에서의 백연 발생을 억제하고 싶은 경우에는, 미스트 제거기(66)의 하류측에, 배기 가스를 가열하는 가열 수단을 설치하여도 된다.
물 회수 장치(17)의 회수수 용기(18)에서 회수된 회수수의 일부는, 배관(31)의 냉각기(85)의 하류측으로부터 분기되고, 한쪽은 상기 냉각기(85)로부터 배관(32)을 경유하여 상기 액 분산기(71)에 공급되어 물 회수 장치(17)의 내부에 살포되고, 다른 쪽은 상기 냉각기(85)로부터 밸브(59)를 구비한 배관(34)을 경유하여 보급수를 공급하는 탱크(55)에 공급된다.
물 회수 장치(17)의 회수수 용기(18)의 수위는, 배기 가스(13)의 응축에 의해 회수된 수량과, 분기된 배관(34)을 통하여 급수를 보급하는 탱크(55)에 공급되는 급수의 수량의 밸런스에 의해 변화한다.
따라서, 상기 배관(34)에 설치한 밸브(59)의 개방도를 조정하여, 회수수 용기(18)의 수위를 소정의 값으로 유지한다.
탱크(55)에 축적된 보급수는, 배관(33)에 구비된 펌프(91)를 구동함으로써 상기 탈기기(22)와 접속한 드럼(47)에 급수되고, 가스 터빈을 가습하기 위한 수증기 생성에 사용된다.
이때, 물 회수 장치(17)에 의해 회수하여 탱크(55)에 공급되는 물의 양이, 배열 회수 보일러(26)에 급수되는 급수의 양보다도 적은 경우에는, 탱크(55)의 수위가 저하되기 때문에, 배관(35)을 통하여 외부로부터 상기 탱크(55)로 보급수를 공급하여 탱크(55)의 수위를 유지한다.
다음으로, 본 발명의 제1 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에서의 특징적인 구성 요소의 동작에 대하여 설명한다.
도 1에 도시한 제1 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에는 제어 장치(100)가 설치되어 있으며, 이 제어 장치(100)에는 배관(32)에 설치되어 상기 배관(32)을 흐르는 회수수의 pH를 검출하는 pH 검출기(74) 및 배관(33)에 설치되어 상기 배관(33)을 흐르는 급수의 pH를 검출기(75)에 의해 검출된 pH의 출력값이 각각 입력되어 있다.
그리고, 상기 제어 장치(100)에서는, 상기 pH 검출기(74)에 의해 검출된 배관(32)을 흐르는 회수수인 순환수의 pH의 검출값과, 목표로 하는 pH값의 편차에 기초하여, 상기 제어 장치(100)로부터 배관(31)에 설치된 약제 주입 장치(49)에 지령 신호를 출력하여 상기 약제 주입 장치(49)로부터 배관(31)을 흐르는 순환수로 주입되는 약제의 주입 제어를 행한다.
이 약제의 주입 제어는, 비례 적분 제어라 불리는 공지된 기술이다. 목표로 하는 순환수의 pH값은, 본 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, pH=7.0으로 하였다.
또한, 본 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 회수수 계통에 있어서, 배관(31)에 설치된 약제 주입 장치(49)로부터 순환수에 약제를 주입 제어하여 pH값을 조정하는 약제는, 모르폴린(C4H9ON)을 선정하였다. 모르폴린은 pH 조정제로서 보일러의 수질 조정에 일반적으로 사용되는 염기성의 유기 화합물이다.
배열 회수 보일러(26)에 공급하는 급수는, JIS B 8223에 의해, pH값을 8.5 내지 9.7로 하는 것이 바람직하다고 되어 있다. 그럼에도 불구하고, 이 회수수 계통의 순환수 pH값을 7.0으로 조정하는 이유는, 이하와 같다.
배기 가스와 배관(32)을 흐르는 회수수인 순환수가 물 회수 장치(17)에 의해 상시 기액 직접 접촉한 결과, 화학식 1 및 화학식 2의 반응에 의해 순환수 중에는, 배기 가스 중의 이산화탄소가 대량의 유리 탄산으로서 용해되어 있다.
본 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템의 경우에는, 연소 배기 가스 중의 이산화탄소 농도와, 기액 평형의 계수인 헨리 상수를 이용하여, 유리 탄산 농도는 4.80E-4[mol/L]로 된다. 또한, 이들 화학식 1 및 화학식 2에서, (g)는 기체 중의 분자를, (l)은 액체 중에 용해되어 있는 분자를 나타낸다.
용해된 유리 탄산은 화학식 3의 반응에 의해 수중에서 해리되고, 탄산 수소 이온으로 된다. 탄산 수소 이온의 농도는, 화학식 3의 평형 상수인 산 해리 상수 Ka에 의해 결정된다.
본 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템의 경우에는, 표 1에 나타낸 바와 같이, 유리 탄산 농도가 4.80E-4[mol/L]인 상황에서, 산 해리 상수 Ka가 4.47E-7[mol/L]로부터, pH=4.8의 산성 상태로 된다.
그 상태에 중화제인 모르폴린을 투입한 경우, 모르폴린은 화학식 4의 반응에 의해 수소 이온을 수취해서 수산화물 이온을 생성하기 때문에, 수소 이온 농도가 작아지게 되어 pH값이 상승한다.
한편, 화학식 3에서는 수소 이온 농도가 감소하였기 때문에, 화학식 3의 해리 상수 Ka에 따라 반응이 화학식 3의 우측으로 진행되고, 탄산 수소 이온 농도가 증가된다.
이와 같이, pH 조정제를 투입해서 수소 이온 농도를 감소시켜도, 유리 탄산이 해리하여 새롭게 탄산 수소 이온이 발생하기 때문에, pH값을 상승시키기 위해서는 pH 조정제의 투입량이 방대해진다.
표 2에, 회수수 계통에 있어서 pH=4.8의 산성 상태로부터, pH를 상승시키는 경우에 필요한 pH 조정제의 몰 농도의 계산 결과를 나타낸다.
회수수 계통의 순환수는 물 회수 장치(17)에서 항상 배기 가스와 접촉하고 있기 때문에, 유리 탄산 농도는 항상 일정한 상태로 된다. 그 결과, pH를 상승, 즉 pH 조정제에 의해 수소 이온 농도를 감소시키는 경우, 화학식 3의 반응이 우측으로 진행되고, 탄산 수소 이온(HCO3 -)의 농도가 상승한다.
회수수 계통의 순환수를 목표의 pH값인 7.0으로 하기 위해서는, 탄산 수소 이온 농도가 1.46E-5[mol/L]로부터 2.15E-3[mol/L]까지 증가하게 되고, 필요한 pH 조정제의 이온 농도는 이 차분에 상당하는 2.13E-3[mol/L]로 된다.
pH 조정제도 투입분의 모두가 이온으로 되는 것은 아니며, 화학식 4의 염기 해리 상수 Kb에 따라 이온화하기 때문에, pH가 커짐에 따라서 수산화물 이온의 농도가 커지게 되면, 해리 비율이 감소되어 간다.
하기 표 2에 나타낸 바와 같이, pH=7.0에서는 모르폴린의 해리 비율이 96.9%이며, 필요한 모르폴린의 농도는 2.20E-3[mol/L]로 된다.
가령, 이 회수수 계통의 순환수를 pH=10까지 조정하기 위해서는, 마찬가지로 7.16E+1[mol/L]의 pH 조정제가 필요해지고, pH=7.0으로 조정하는 경우의 약 3300배의 모르폴린의 농도가 필요해진다.
이것은, 경제적이지 않음은 명백하다. 또한, 배열 회수 보일러(26)의 급수에는 pH값 이외에도 전기 전도율의 요구 기준이 있으며, 중화제를 대량 투입하는 것은 전기 전도율의 증가로 이어지기 때문에 바람직하지 않다.
이 회수수 계통의 순환수 pH값을 4.8인채로 방치하지 않고, 7.0으로 조정하는 이유는, 회수수 계통의 금속 부재의 건전성을 유지하기 위해서이다.
탄소강은, pH값이 저하되면 부식량이 증가하는 성질이 있다. 또한, 구리 합금은, pH값이 7.0 근방이면 부식되지 않는다는 것이 알려져 있다.
본 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 회수수 계통의 접액 부재는, 탄소강의 부분은 도장이나 수지 라이닝을 실시하고, 냉각기(85)에는 구리 합금의 튜브를 사용함과 함께, pH값을 7.0으로 조정함으로써, 회수수 계통의 금속 부재의 건전성을 유지하면서, pH 조정제의 투입량을 저감하여 설비를 경제적으로 운용할 수 있다.
마찬가지로, 상기 제어 장치(100)에서는, pH 검출기(75)에 의해 검출한 배관(33)을 흐르는 급수의 pH의 검출값과, 목표로 하는 pH값의 편차에 기초하여, 배관(33)에 설치된 약제 주입 장치(50)에 지령 신호를 출력하여 상기 약제 주입 장치(50)로부터 배관(33)을 흐르는 급수에 주입되는 약제의 주입 제어를 행한다.
본 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 이 급수 계통에 있어서도, 배관(33)에 설치된 약제 주입 장치(50)로부터 급수에 주입하여 pH값을 조정하는 약제는, 모르폴린(C4H9ON)을 선정하였다. 단, 목표로 하는 급수의 pH값은 회수수 계통의 순환수와 달리, pH=10.0으로 하였다.
약제 주입 장치(50)에서 배관(33)을 흐르는 급수에 pH 조정제를 주입하면, 급수 중의 탄산 수소 이온은 감소하기 때문에, 화학식 3의 반응은 우 방향으로 진행된다. 그러나, 회수수 계통의 약제 주입 장치(49)의 경우와 달리, 화학식 3의 좌변의 유리 탄산 농도가 낮은 것과, 유리 탄산이 감소하여도 새롭게 배기 가스로부터 탄산 가스를 흡수할 수 없기 때문에, 유리 탄산 농도는 감소한다.
표 3에, 급수 계통에 있어서 pH=7.0의 상태로부터, pH를 상승시키는 경우에 필요한 pH 조정제 양의 몰 농도의 계산 결과를 나타낸다. 화학식 3의 좌변의 유리 탄산이 우변의 탄산 수소 이온으로 변화되기 때문에, 상기 표 3에 나타낸 바와 같이, pH를 상승시키면 탄산 수소 이온 농도는 증가하지만, 증가하는 양은 상기 표 2의 회수수 계통의 경우와 비교해서 매우 적다.
pH=7의 상태로부터 pH=10.0의 상태까지 pH를 상승시키는 데 필요한 모르폴린의 농도는, 1.60E-2[mol/L]이며, 회수수 계통에서 동일한 범위의 조정을 실시하는 경우에 20000배 이상 적은 양의 pH 조정제로 조정 가능해진다.
도 2의 특성도에 표 2 및 표 3의 계산 결과를 비교하여 나타낸다. 이 도 2의 특성도는, pH=4.8의 회수수의 pH를 상승시키기 위해 필요한 pH 조정제의 농도를 나타낸 것이다.
이 도 2의 특성도에서는, pH=4.8의 상태로부터 회수수 계통에 있어서 pH=7.0까지 조정하는 부분은 실선으로 나타내었다.
그 후, 회수수의 pH값을 더 상승시키는 경우, 회수수 계통에서 pH 조정제를 주입한 경우에는, 도 2에 실선으로 나타낸 바와 같이 pH 조정제의 농도가 지수 함수적으로 증가하지만, 급수 계통에서 pH 조정제를 주입한 경우에는 파선으로 나타낸 바와 같이 pH 조정제의 농도가 완만하게 증가한다.
본 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에서 기재된 바와 같이, 회수수 계통에서의 pH 조정값과 급수 계통에서의 pH 조정값을 구분하여 2단계로 pH값을 조정함으로써, 전체의 pH 조정제의 사용량을 대폭 저감할 수 있어, 회수수 계통의 금속 부재의 건전성을 유지하면서, 설비를 경제적으로 운용할 수 있다.
이와 같이, 약제 주입 장치(50)에 의한 약제의 주입에 의해 pH를 조정한 급수는, 배관(33)을 통하여 배열 회수 보일러(26)의 드럼(47)으로 공급되고, 드럼(47)의 보유수는 상기 드럼(47)이 접속된 배열 회수 보일러(26)의 탈기기(22)에 있어서 가열된다.
급수가 탈기기(22)에 의해 가열됨으로써 기액 평형 상수가 변화되기 때문에, 화학식 1의 반응이 좌측으로 진행되고, 화학식 2의 반응도 좌측으로 진행되기 때문에, 유리 탄산이 가스로서 시스템 밖으로 배출된다.
또한, 수중의 용존 산소도 마찬가지의 기구에 의해 배출되기 때문에 용존 산소 농도가 낮아지게 되어, 배열 회수 보일러(26)의 전열관의 부식을 억제하면서, 설비를 운전하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 약제로서는 pH 조정제에만 착안하여 설명하고 있지만, 사용하는 보일러의 사양, 사용하는 물의 수질에 따라서, 탈산소제, 청관제, 방청제 등 보일러의 수질 관리에 일반적으로 사용되는 다른 약제를 병용하여도 실시 가능한 것은 물론이다.
본 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, pH 조정제로서 모르폴린을 예시하였지만, 암모니아, 가성 소다, 제2 인산 소다, 제3 인산 소다 등, 모르폴린 이외의 pH 조정 작용을 갖는 약제로도 마찬가지로 실시 가능하다.
본 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 회수수 계통에서의 pH 조정값은 7.0을 예시하였지만, 회수수 계통을 흐르는 순환수의 pH 조정값은, 6.0 내지 8.0의 범위의 값으로 하는 것이 좋다.
pH=6.0 미만이면, pH 조정제의 사용량을 저감할 수 있지만, 냉각기(85) 등에 의해 구리제의 부재를 사용하는 경우에, 장기간에 걸쳐서 부재의 건전성을 유지할 수 없을 가능성이 있다.
pH=8.0 이상이면, pH 조정제의 사용량이 pH값에 대하여 지수 함수적으로 많아지게 되어, 경제성을 잃게 될 가능성이 있다.
본 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 급수 계통에서의 pH 조정값은 10.0을 예시하였지만, 급수 계통을 흐르는 급수의 pH 조정값은, 8.0 내지 12.0의 범위의 값으로 하는 것이 좋다.
pH=8.0에서는, pH 조정제의 사용량을 저감할 수 있지만, 배열 회수 보일러의 접액부 재료에 따라서는, 장기간에 걸쳐서 부재의 건전성을 유지할 수 없게 될 가능성이 있다.
pH=12 이상이면, pH 조정제를 주입 후에 하류측의 기기에서 pH값이 저하된 경우에도, 금속 재료의 부식을 확실하게 방지할 수 있지만, pH 조정제의 사용량이 pH값에 대하여 지수 함수적으로 많아지게 되어, 경제성을 잃게 될 가능성이 있다.
또한, 약제 주입 장치(49) 및 pH 검출기(74)의 설치 위치는, 본 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템에서 예시하는 부분으로 한정되는 것은 아니다. 약제 주입 장치(49) 및 pH 검출기(74)의 설치 위치는, 회수수 계통, 즉, 물 회수 장치(17)의 내부 공간, 회수수 용기(18), 배관(31), 배관(32) 중 어느 하나의 부분에 설치하면, 이들은 모두 물 회수 장치(17)를 순환하는 순환수의 경로에 포함되어 있으며, 약제가 주입되어 pH값이 변화된 결과를 알 수 있어, 주입량을 제어할 수 있다.
이상의 설명으로부터 명백해진 바와 같이, 본 실시예에 의하면, 연소 배기 가스와의 기액 직접 접촉에 의해 산성으로 된 회수수 계통의 순환수와, 보일러로의 급수로서 재이용하는 급수 계통의 급수를 필요한 pH로 각각 조정하여, 설비 전체에서 사용하는 pH 조정제의 양을 저감하고, 화력 발전 설비의 경제성을 향상시킨 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비 및 그 화력 발전 설비의 회수수의 처리 방법을 실현할 수 있다.
<실시예 2>
도 3을 이용하여 본 발명의 제2 실시예의 화력 발전 설비인 배기 가스로부터 습분을 회수하는 습분 이용 가스 터빈 시스템에 대하여 설명한다.
도 3에 도시한 제2 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템은, 도 1에 도시한 제1 실시예의 화력 발전 설비인 배기 가스로부터 습분을 회수하는 습분 이용 가스 터빈 시스템과 기본적인 구성 및 작용은 동일하다. 따라서, 제1 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템과 공통의 구성에 대한 설명은 생략하고, 상이한 부분에 대해서만 이하에 설명한다.
도 3에 도시한 본 발명의 제2 실시예의 화력 발전 설비인 배기 가스로부터 습분을 회수하는 습분 이용 가스 터빈 시스템에 있어서, 도 1에 도시한 제1 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템과의 구성상의 상이점은, 도 1의 제1 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 약제 주입 장치(50)와 pH 검출기(75)가 배관(33)에 설치되어 있는 것에 비하여, 도 3에 도시한 제2 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 약제 주입 장치(50)와 pH 검출기(75)가 탈기기(22)의 드럼(47)으로부터 이코노마이저(23)로 급수하는 배관(46)에 설치되어 있는 구성이 상이하다.
다음으로, 도 3을 이용하여 제2 실시예의 화력 발전 설비인 배기 가스로부터 습분을 회수하는 습분 이용 가스 터빈 시스템에 있어서의 특징적인 구성 요소의 동작에 대하여 설명한다.
제2 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 급수를 공급하는 탱크(55)의 보유수는, 제1 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템과 마찬가지로, pH=7.0으로 되도록 회수수 계통에 있어서 조정되어 있다.
이 보유수를 배열 회수 보일러(26) 내의 최하류측에 설치된 탈기기(22)에 접속한 드럼(47)에 급수하고, 이 드럼(47)의 보유수가 탈기기(22)에서 배열 회수 보일러(26) 내를 흘러내리는 열원의 배기 가스(13)에 의해 가열된다.
급수가 가열됨으로써 기액 평형 상수가 변화되기 때문에, 화학식 1의 반응이 좌측으로 진행되고, 화학식 2의 반응도 좌측으로 진행되기 때문에, 탈기기(22)와 접속한 드럼(47)으로부터 유리 탄산이 가스로서 밸브(58)를 구비한 배관(44)을 통하여 시스템 밖으로 배출된다.
이 유리 탄산이 가스로서 드럼(47)으로부터 시스템 밖으로 배출된 후의 급수는, 탈기기(22)의 상기 드럼(47)으로부터 이코노마이저(23)로 급수하는 배관(46)에 설치된 pH 검출기(75)에 의해 급수의 pH값이 검출된다.
그리고 상기 제어 장치(100)에서는, 이 pH 검출기(75)에 의해 검출한 배관(46)을 흐르는 급수의 pH의 검출값과, 목표로 하는 pH값의 편차에 기초하여, 배관(46)에 설치된 약제 주입 장치(50)로 지령 신호를 출력하고, 이 약제 주입 장치(50)로부터 배관(46)을 흘러내리는 급수에 약제를 주입함으로써, 배관(46)을 흘러내리는 급수의 pH가 pH=10.0으로 조정된다.
탈기기(22)의 작용에 의해, 약제 주입 장치(50)를 작용시키기 전의 급수의 유리 탄산 농도가 제1 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템의 경우보다도 작기 때문에, 본 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템의 경우에서는, 제1 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템의 경우보다도 적은 양의 pH 조정제에 의해 급수의 pH가 조정 가능해진다.
한편, 본 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템의 경우, 탈기기(22)에 공급되는 급수의 pH는 7.0이기 때문에, 드럼(47)을 포함하는 탈기기(22)의 구성 재료에 제약이 발생한다.
이와 같이, 본 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템에 있어서도, 회수수 계통에서의 pH 조정값과 급수 계통에서의 pH 조정값을 구분하여 2단계로 pH값을 조정함으로써, 전체의 pH 조정제의 사용량을 대폭 저감할 수 있어, 회수수 계통의 금속 부재의 건전성을 유지하면서, 설비를 경제적으로 운용할 수 있다.
또한, 도 1에 도시한 제1 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템과, 도 3에 도시한 제2 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템에서, 약제 주입 장치(50)와 pH 검출기(75)의 설치 위치가 상이한 경우를 2종류 나타내었지만, 이들 각 장치의 설치 위치는 급수 계통의 어느 한 위치이면, 도 1이나 도 3에서 도시한 각 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템에 있어서의 약제 주입 장치(50)와 pH 검출기(75)의 설치 위치 이외로 되는 설치 위치라도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
이상의 설명으로부터 명백해진 바와 같이, 본 실시예에 의하면, 연소 배기 가스와의 기액 직접 접촉에 의해 산성으로 된 회수수 계통의 순환수와, 보일러로의 급수로서 재이용하는 급수 계통의 급수를 필요한 pH로 각각 조정하여, 설비 전체에서 사용하는 pH 조정제의 양을 저감하고, 화력 발전 설비의 경제성을 향상시킨 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비 및 그 화력 발전 설비의 회수수의 처리 방법을 실현할 수 있다.
<실시예 3>
도 4를 이용하여 본 발명의 제3 실시예의 화력 발전 설비인 배기 가스로부터 습분을 회수하는 습분 이용 가스 터빈 시스템을 설명한다.
도 4에 도시한 제3 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템은, 도 1에 도시한 제1 실시예의 화력 발전 설비인 배기 가스로부터 습분을 회수하는 습분 이용 가스 터빈 시스템과 기본적인 구성 및 작용은 동일하다. 따라서, 제1 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템과 공통의 구성에 대한 설명은 생략하고, 상이한 부분에 대해서만 이하에 설명한다.
도 4에 도시한 본 발명의 제3 실시예의 화력 발전 설비인 배기 가스로부터 습분을 회수하는 습분 이용 가스 터빈 시스템에 있어서, 도 1에 도시한 제1 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템과의 구성의 상이점은, 도 1의 제1 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 약제 주입 장치(50)와 pH 검출기(75)가 배관(33)에 설치되어 있는 것에 비하여, 도 4에 도시한 제3 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 약제 주입 장치(50)와 pH 검출기(75)가 급수를 공급하는 탱크(55)에 설치되어 있는 구성이 상이하다.
상기 약제 주입 장치(50)는, 약제가 탱크(55)의 내부에 주입되도록 설치되어 있으며, 상기 pH 검출기(75)는, 탱크(55)의 보유수의 pH값을 측정 가능하도록 설치되어 있다.
또한, 탱크(55)의 내부에는, 도시하지 않은 교반 장치가 설치되고, 탱크(55) 내의 보유수가 균등하게 혼합되도록 운전되고 있다.
또한, 배관(31)에 설치된 상기 냉각기(85)의 하류측으로부터 분기하여, 회수수 계통으로부터 뽑아낸 회수수의 일부를 급수로 하여 급수 계통의 상기 탱크(55)에 공급하는 배관(34)에, 수질 정화 장치(28)가 설치되어 있다.
본 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는 탱크(55)의 상류측에 설치된 상기 수질 정화 장치(28)는, 수중의 불순물 이온을 제거 가능한 혼상식의 이온 교환 수지로 구성된다.
다음으로, 도 4를 이용하여 제3 실시예의 화력 발전 설비인 배기 가스로부터 습분을 회수하는 습분 이용 가스 터빈 시스템에서의 특징적인 구성 요소의 동작에 대하여 설명한다.
제3 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 물 회수 장치(17)에 의해 회수된 회수수의 일부는, 냉각기(85)의 하류측으로부터 분기하여, 급수 계통의 상기 탱크(55)에 공급하는 배관(34)을 통하여 상기 탱크(55)의 상류측에 설치된 수질 정화 장치(28)에 공급된다.
수질 정화 장치(28)에서는, 배기 가스(13) 중의 이산화탄소를 기원으로 하여 회수수 중에 흡수되어 생성된 탄산 수소 이온이 제거된다.
그 결과, 화학식 3의 반응이 우측으로 진행되지만, 수질 정화 장치(28)의 내부의 물은 배기 가스와 접하지 않기 때문에 수중의 유리 탄산은 감소하여 화학식 3의 좌변의 농도와 우변의 농도가 모두 감소한다. 그 결과, 수질 정화 장치(28)를 나온 급수의 pH는 상승하고, 전기 전도도는 저하된다.
따라서, 수질 정화 장치(28)를 거친 급수가 공급되는 상기 탱크(55)에서는, 상기 탱크(55)에 설치한 pH 검출기(75)에 의해 측정한 급수의 pH값이, pH=10.0이 될 때까지, 상기 제어 장치(100)로부터 약제 주입 장치(50)로 지령 신호를 출력하고, 탱크(55)에 설치된 약제 주입 장치(50)에 의해 급수 중에 pH 조정제를 주입한다.
이때, 상기 탱크(55)의 보유수는, 탱크(55)의 상류측에 설치된 상기 수질 정화 장치(28)의 작용에 의해 pH가 상승하고 있기 때문에, 필요한 pH 조정제의 양을 도 1의 제1 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템과 비교하여 저감할 수 있다.
또한, 제3 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 탱크(55)의 내부에서 약제 주입 장치(50)로부터 주입한 pH 조정제를 교반하기 위해서, pH 조정제와 물을 다른 실시예보다도 균등하게 혼합하는 것이 가능하여, 보다 정확하게 pH값을 조정할 수 있다는 이점이 있다.
이와 같이, 본 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에 의해서도, 회수수 계통에서의 pH 조정값과 급수 계통에서의 pH 조정값을 구분하여 2단계로 pH값을 조정함으로써, 전체의 pH 조정제의 사용량을 대폭 저감할 수 있어, 회수수 계통의 금속 부재의 건전성을 유지하면서, 설비를 경제적으로 운용할 수 있다.
또한, 제3 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 수질 정화 장치(28)는, 이온 교환 수지로 구성하였지만, 역침투막(RO막)으로도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
역침투막의 경우에는, 이온 교환 수지에서 필요해지는 수지의 재생 처리가 불필요하게 된다는 장점이 있지만, 분리 시에 불순물이 농축된 물을 상시 배출할 필요가 있어, 이용할 수 있는 회수수의 양이 감소한다는 제약이 있다.
또한, 수질 정화 장치(28)는 탈탄산탑으로 구성하여도 된다. 탈탄산탑이란 수중에 이산화탄소가 용해되는 물을 충전물 등의 표면을 낙하시켜서, 신선한 공기를 대향해서 흘림으로써 기액 접촉시키고, 수중의 이산화탄소를 기상측으로 방산시키는 장치이다.
제3 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템의 수질 정화 장치(28)에 상기한 탈탄산탑을 채용한 경우라도, 화학식 1, 화학식 2 및 화학식 3의 반응이 모두 좌측으로 진행됨으로써 수중의 탄산 수소 이온이 탄산 가스로서 방출되기 때문에, 수중의 불순물 이온이 제거되어, 이온 교환 수지를 설치한 경우와 유사한 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명은 상기한 각 실시예의 화력 발전 설비인 습분 이용 가스 터빈 시스템에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예가 포함된다.
또한, 상기한 화력 발전 설비인 배기 가스로부터 습분을 회수하는 습분 이용 가스 터빈 시스템의 실시예의 구성의 일부를 다른 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템의 구성의 일부로 치환하는 것이 가능하며, 또한 상기한 실시예의 습분 이용 가스 터빈 시스템의 구성의 일부에 다른 실시예의 구성의 일부를 추가, 삭제, 치환하는 것도 가능하다.
상기한 실시예의 화력 발전 설비인 배기 가스로부터 습분을 회수하는 습분 이용 가스 터빈 시스템에서는, 화력 발전 설비에 적용한 예로서 습분 이용 가스 터빈 시스템을 상정하였지만, 연소 배기 가스 중에 포함되는 습분을 회수하여 재이용하는 화력 발전 설비이면, 그 화력 발전 설비에도 본 발명은 마찬가지로 적용 가능하며, 또한 마찬가지의 발명의 효과를 얻을 수 있다.
이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 실시예에 의하면, 연소 배기 가스와의 기액 직접 접촉에 의해 산성으로 된 회수수 계통의 순환수와, 보일러로의 급수로서 재이용하는 급수 계통의 급수를 필요한 pH로 각각 조정하여, 설비 전체에서 사용하는 pH 조정제의 양을 저감하고, 화력 발전 설비의 경제성을 향상시킨 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비 및 그 화력 발전 설비의 회수수의 처리 방법을 실현할 수 있다.
1: 터빈
2: 압축기
3: 흡기 덕트
4: 연소기
5: 샤프트
6: 고압 터빈
7: 저압 터빈
13: 배기 가스
17: 물 회수 장치
18: 회수수 용기
19: 발전기
22: 탈기기
23: 이코노마이저
24: 증발기
25: 과열기
26: 배열 회수 보일러
27: 팬
28: 수질 정화 장치
31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 41, 45, 44, 46: 배관
47, 48: 드럼
49, 50: 약제 주입 장치
54: 스택
55: 탱크
57, 58, 59, 60: 밸브
66: 미스트 제거기
71: 액 분산기
74, 75: pH 검출기
85: 냉각기
88: 충전물
91, 92, 93: 펌프
95: 연료
2: 압축기
3: 흡기 덕트
4: 연소기
5: 샤프트
6: 고압 터빈
7: 저압 터빈
13: 배기 가스
17: 물 회수 장치
18: 회수수 용기
19: 발전기
22: 탈기기
23: 이코노마이저
24: 증발기
25: 과열기
26: 배열 회수 보일러
27: 팬
28: 수질 정화 장치
31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 41, 45, 44, 46: 배관
47, 48: 드럼
49, 50: 약제 주입 장치
54: 스택
55: 탱크
57, 58, 59, 60: 밸브
66: 미스트 제거기
71: 액 분산기
74, 75: pH 검출기
85: 냉각기
88: 충전물
91, 92, 93: 펌프
95: 연료
Claims (15)
- 가스 터빈과, 가스 터빈으로부터 배출된 연소 배기 가스를 열원으로서 공급하여 증기를 발생하는 배열 회수 보일러와,
이 배열 회수 보일러의 하류측에 설치되어 상기 배열 회수 보일러로부터 흘러내린 연소 배기 가스와 물과의 기액 직접 접촉에 의해 연소 배기 가스 중의 습분을 응축하여 회수하는 물 회수 장치와,
물 회수 장치에 의해 회수한 회수수의 일부를 이 물 회수 장치에 공급하여 순환수로서 순환시키는 회수수 계통과,
물 회수 장치에 의해 회수한 회수수의 다른 일부를 급수로서 상기 배열 회수 보일러에 공급하는 급수 계통과,
회수수 계통에 설치되고, 이 회수수 계통을 흐르는 순환수를 제1 pH(수소 이온 농도 지수)의 값으로 조정하는 제1 pH 조정 장치와,
급수 계통에 설치되고, 이 급수 계통을 흐르는 급수를 제2 pH(수소 이온 농도 지수)의 값으로 조정하는 제2 pH 조정 장치와,
제1 pH 조정 장치 및 제2 pH 조정 장치로부터 각각 주입하는 pH 조정제의 양을 제어하는 제어 장치가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비. - 제1항에 있어서,
제1 pH 조정 장치 및 제2 pH 조정 장치는, pH 조정용 약제를 주입하는 약제 주입 장치와, 순환수 또는 급수의 pH값을 검출하는 pH 검출기로 각각 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비. - 제1항에 있어서,
상기 제1 pH의 값이, 6.0 내지 8.0의 범위의 값이며, 상기 제2 pH의 값이, 8.0 내지 12.0의 범위의 값인 것을 특징으로 하는, 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비. - 제1항에 있어서,
상기 급수 계통의 급수를 제2 pH의 값으로 조정하는 제2 pH 조정 장치의 상류측으로 되는 상기 급수 계통에, 급수의 수질을 정화하는 수질 정화 장치를 구비한 것을 특징으로 하는, 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비. - 제4항에 있어서,
상기 수질 정화 장치에는, 이온 교환 수지가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비. - 제4항에 있어서,
상기 수질 정화 장치에는, 역침투막이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비. - 제4항에 있어서,
상기 수질 정화 장치에는, 탈탄산탑이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비. - 제1항 및 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 화력 발전 설비에는, 배열 회수 보일러에서 발생한 증기의 일부가 주입되는 습분 이용 가스 터빈이 구비되어 있으며,
상기 회수수 계통에 설치된 제1 pH 조정 장치는, 약제 주입 장치와 회수수 계통을 순환하는 순환수의 pH를 검출하는 pH 검출기로 구성되어 있으며,
상기 급수 계통에 설치된 제2 pH 조정 장치는, 배열 회수 보일러의 탈기기에 접속한 드럼에 이르는 배관의 경로에 각각 설치된 약제 주입 장치와 급수의 pH를 검출하는 pH 검출기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비. - 제1항 및 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 화력 발전 설비에는, 배열 회수 보일러에서 발생한 증기의 일부가 주입되는 습분 이용 가스 터빈이 구비되어 있으며,
상기 회수수 계통에 설치된 제1 pH 조정 장치는, 약제 주입 장치와 pH 검출기로 구성되어 있으며,
상기 급수 계통에 설치된 제2 pH 조정 장치는, 배열 회수 보일러의 탈기기에 접속한 드럼으로부터 이코노마이저에 이르는 배관의 경로에 각각 설치된 약제 주입 장치와 pH 검출기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비. - 제1항 및 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 화력 발전 설비에는, 배열 회수 보일러에서 발생한 증기의 일부가 주입되는 습분 이용 가스 터빈이 구비되어 있으며,
상기 회수수 계통에 설치된 제1 pH 조정 장치는, 약제 주입 장치와 pH 검출기로 구성되어 있으며,
상기 급수 계통에는 급수를 외부로부터 공급하는 탱크가 설치되어 있으며,
상기 급수 계통에 설치된 제2 pH 조정 장치는, 상기 탱크에 각각 설치된 약제 주입 장치와 pH 검출기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비. - 가스 터빈과, 가스 터빈으로부터 배출된 연소 배기 가스를 열원으로 하여 증기를 발생하는 배열 회수 보일러와, 이 배열 회수 보일러의 하류측에 설치되어 상기 배열 회수 보일러로부터 흘러내린 연소 배기 가스와 물과의 기액 직접 접촉에 의해 연소 배기 가스 중의 습분을 응축시켜서 회수하는 물 회수 장치와, 물 회수 장치에 의해 회수한 회수수의 일부를 이 물 회수 장치에 공급하여 순환수로서 순환시키는 회수수 계통과, 물 회수 장치에 의해 회수한 회수수의 다른 일부를 급수로서 상기 배열 회수 보일러에 공급하는 급수 계통과, 회수수 계통에 설치되어 상기 회수수 계통을 흐르는 순환수를 제1 pH(수소 이온 농도 지수)의 값으로 조정하는 제1 pH 조정 장치와, 급수 계통에 설치되어 상기 급수 계통을 흐르는 급수를 제2 pH(수소 이온 농도 지수)의 값으로 조정하는 제2 pH 조정 장치와, 제1 pH 조정 장치 및 제2 pH 조정 장치로부터 각각 주입하는 pH 조정제의 양을 제어하는 제어 장치를 구비한 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비의 회수수의 처리 방법으로서,
상기 제어 장치의 제어에 의해 제1 pH 조정 장치로부터 회수수 계통으로 주입되는 약제의 양을 조절하여 회수수 계통을 순환해서 흐르는 순환수를 제1 pH값으로 조정하고,
상기 제어 장치의 제어에 의해 제2 pH 조정 장치로부터 급수 계통으로 주입되는 약제의 양을 조절하여 급수 계통을 흐르는 급수를 제2 pH값으로 조정하는 것을 특징으로 하는, 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비의 회수수의 처리 방법. - 제11항에 있어서,
상기 제어 장치는, 회수수 계통을 순환해서 흐르는 순환수의 pH를 측정하는 제1 pH 검출기의 검출값과 목표값의 편차에 기초하여 제1 pH 조정 장치를 조작하여 회수수 계통에 주입되는 약제의 양을 조절함과 함께, 급수 계통을 흐르는 급수의 pH를 측정하는 제2 pH 검출기의 검출값과 목표값의 편차에 기초하여 상기 제2 pH 조정 장치를 조작하여 급수 계통에 주입되는 약제의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는, 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비의 회수수의 처리 방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
기 제1 pH 조정 장치에 의해 상기 회수수 계통을 순환해서 흐르는 순환수를 조절하는 제1 pH의 값이, 6.0 내지 8.0의 범위의 값이며, 상기 제2 pH 조정 장치에 의해 상기 급수수 계통을 흐르는 급수를 조절하는 상기 제2 pH의 값이, 8.0 내지 12.0의 범위의 값인 것을 특징으로 하는, 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비의 회수수의 처리 방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
급수 계통을 흐르는 급수를 제2 pH의 값으로 조정하는 제2 pH 조정 장치의 상류측으로 되는 급수 계통에 구비한 수질 정화 장치에 의해, 이 수질 정화 장치를 거쳐서 급수 계통을 흐르는 급수의 수질을 정화하도록 한 것을 특징으로 하는, 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비의 회수수의 처리 방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 화력 발전 설비에는, 배열 회수 보일러에서 발생한 증기의 일부가 주입되는 습분 이용 가스 터빈이 구비되어 있으며,
상기 급수 계통에는 급수를 외부로부터 공급하는 탱크가 설치되어 있으며,
상기 회수수 계통에 설치된 제1 pH 조정 장치는 약제 주입 장치와 pH 검출기로 구성되고, 상기 급수 계통에 설치된 제2 pH 조정 장치는 상기 탱크에 각각 설치된 약제 주입 장치와 pH 검출기로 구성되어 있으며,
상기 제어 장치의 제어에 의해 제1 pH 조정 장치로부터 회수수 계통으로 주입되는 약제를 조절하여 회수수 계통을 순환해서 흐르는 순환수를 제1 pH값으로 조정함과 함께, 제2 pH 조정 장치로부터 급수 계통으로 주입되는 약제의 양을 조절하여 급수 계통을 흐르는 급수를 제2 pH값으로 조정하여 배기 가스로부터 습분을 회수한 회수수를 처리하는 것을 특징으로 하는, 배기 가스로부터 습분을 회수하는 화력 발전 설비의 회수수의 처리 방법.
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