KR20220044445A - 석탄화력 발전소 순산소 연소실배기 처리장치 및 이의 운전방법 - Google Patents

석탄화력 발전소 순산소 연소실배기 처리장치 및 이의 운전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 석탄화력 발전소에서, 석탄분진, 미세먼지, 황산화물, 이산화탄소(CO2)가 배출되지 않는, 순산소연소가 구현되는, 순산소연소 연소실배기 처리장치 및 이의 운전방법에 관한 것으로, 공기 중 산소와 질소가 액화 분리법으로 분리 동시 생산되어 냉매로 활용되며, 종래 보일러에서 5bar 이상의 압력이 유지되면서 연소실 배기가 배출되도록, 도 1에 도시한 바와 같이, 절탄기 아래 집진설비 바로 전에, (본 발명) 동력발생기가 추가 설치되고, 밀봉수조(Seal Trough)에 의한 보일러 밀봉장치가 익스팬션 조인트로 교체되어, 종래 보일러 주요 장비를 그대로 사용하면서, 연소실 배기가 정화처리 되도록, 이 배기(Flue Gas)가 굴뚝(Stack)으로 배출되지 않고, (도 3) 본 배기냉각기에 유입되어, 연소실 배기가 냉매 R-134a 및 산소로 냉각, 환경오염 물질을 함유한 증기가 복수되며, CO2가 -13℃로 냉각 포집되고, 이의 배기열이, 히트펌프 기술로, 작동유체로써 순환수로, (8H2O+ 2C + 2O2 = 8H2O + 2CO2), 회수되며, 환경오염 물질을 함유한 이 복수는 복수 저장탱크에 저장되어 정화처리 된다.
본 발명에서는, 액상의 냉매 질소가, 도 1에 도시한 바와 같이, 질소 저압 펌프로 냉매응축기로 이송되고, 액상의 냉매 산소가, 저압 펌프로 연소실 압력(5bar)으로 가압되어, 본 배기냉각기에 위치한, CO2냉각기 및 순환수예열기로 압송되며, 본 배기냉각기에 유입된 연소실 배기가 입구에 위치한 배기열흡수기에서 튜브로 흐르는 냉매 R-134a로 냉각되고 이 R-134a가 90℃로 승온한다. 이 유입 배기는 냉매 산소가 튜브로 흐르는 증기냉각기에서 증기가 더 냉각되어 복수되고, 이어 CO2가 CO2냉각기에서 -13℃로 냉각 포집된다. 연소실 배기열을 흡수하고 90℃로 승온한 이 R-134a는, 도시한 바와 같이, 24bar로 압축 240℃로 승온한 후, 순환수예열기로 이송, 튜브로 흐르면서, 작동유체 순환수를 155℃ 과열증기로 예열하고, 80℃로 강온된 후, 냉매응축기에서 상기 액상의 냉매 질소로 75℃로 냉각되어 액화된다. 이어 이 R-134a는 냉매증발기에서 0.5bar로 팽창 -40℃로 강온되어, 앞서와 같이, 배기열흡수기에서 배기를 냉각하며 배기열을 흡수하고 재순환된다. 상기 순환수예열기에서 과열증기로 예열되어 배기열을 회수한 (순환수) 순환증기는, 도 2에 도시한, 냉매 질소 액화냉각 시스템의 순환증기 예열기에서 더 고온으로 예열되며, 이어 절탄기 아래 새로 추가 설치된 순환증기 가열기로 이송되어 더 고온으로 예열되어, 배기열을 회수하고 연소실에 주입 재순환된다.
상기 냉매 R-134a를 냉각 액화한 냉매 질소는 산소와 질소 생산을 위한 압축공기냉각기로 이동하여, 210℃ 압축공기기를 냉각하며 190℃로 승온한 후, 산소예열기로 이동되고, 본 배기냉각기에서 50℃로 예열된 산소가 이 산소예열기의 튜브로 흐르면서, 상기 190℃ 질소로 170℃로 예열되며, 절탄기 아래 새로 설치된 산소가열기에서 더 고온으로 예열되어 배기열을 회수하고 연소실에 주입된다.
본 배기냉각기에서, -13℃로 포집된 CO₂는, 냉각수와 바닷물에, 혼합기(Mixer)에서 탄산수로 녹여지고, 이 탄산수가 (최근에 개발된) CO₂로 전기와 수소를 생산하는 시스템에 공급되어 수소가 생산되며, 생산된 이 수소와 냉매로 활용된 질소로 암모니아(NH₃)가 제조되어, 청정에너지 수소가 저장 수단으로써 최적의 매체인 NH₃에, 게다가 액체저장에 비하여 1.5배나 많은 분량이, 상온에서 8.6bar의 낮은 압력으로 저장되어, 수소 경제에 기여하게 된다.

Description

석탄화력 발전소 순산소 연소실배기 처리장치 및 이의 운전방법 {Oxyfuel Coal Boiler Exhaust Gas Treatment Device and Its Operation Method of Power Plant}
본 발명은 석탄화력 발전소에서, 석탄분진, 미세먼지, 황산화물, 이산화탄소(CO2) 등을 방출하지 않는 순산소연소 연소실배기 처리장치 및 이의 운전방법에 관한 것으로, 공기 중 산소와 질소가 액화 분리법으로 분리 동시 생산되어 냉매로 활용되며, 연소실에 순산소만 주입되고, 작동유체로써 질소(78%) 분량의 순환수가, 연소실 배기열을 회수하고, 연소실에 과열증기로 주입 재순환되어 순산소연소가 구현되며, 연소실 배기가 냉각되어 증기가 복수되고, 석탄분진, 미세먼지 등이 이 복수와 더불어 포집되며, 이 CO₂가 영하의 저온으로 냉각 포집되며, 포집된 이 CO₂로 수소가 생산되며, 생산된 수소와 배기냉각에 냉매로 활용된 질소로 암모니아(NH3)가 제조되어, 수소가 NH3에 저장되도록 구성된 것이다.
공기 중 질소는 78%, 산소 21%, 기타(CO2, 아르곤 등) 1% 정도이다. 석탄화력 발전소에서는 보통 미분탄이 공기와 더불어 연소실에 분사 주입된다. 따라서 연소실 배기 중에 질소(78%)로 인하여 이산화탄소(CO2)를 포집하는 것이 용이하지 않았다. 이 문제를 해결하기 위하여 최근에 순산소연소가 연구되고 있다. 즉, 공기 대신 순산소만을 연소실에 주입하면 연소실 배기(연소가스)는 오직 증기와 CO2만으로 이뤄지므로 이 배기를 냉각하여 증기를 복수하고 CO2를 용이하게 포집하는 연구이다. 이 순산소 연소는 질소가 제거됨에 따라 작동유체가 줄어들어 연소실이 과열되는 새로운 문제가 되었다. 이 문제를 해결하기 위하여 이미 연소실에서 배출된 다량의 배기를 연소실로 재순환하도록 하는 새로운 형태의 (유동층) 보일러가 개발되고 있는 중이다. 그러나 이 배기 재순환 방법은 종래 보일러 장비를 그대로 사용할 수 없는 새로운 문제가 되었다. 본 발명에서는, 보일러 주요 장비를 그대로 사용하고, 특수 장비를 추가 장착하여 연소실 운전 압력을 높이고, 공기 중 산소와 질소가 액화 분리법으로 동시에 분리 생산되어 냉매로 활용되며, 연소실에 순산소만 주입되고, 작동유체 질소에 해당하는 순환수가, 히트펌프 기술에 의하여, 연소실에 과열증기로 주입 재순환되어 순산소연소가 구현된다. 본 발명에서는, (주)포스코에서 발명하여 특허 등록된 (10-1481614, 2015.01.06.) '질소가스 생산 시스템'을 참고하였다.
미국 Clean Energy System 사는 가스터빈에서 순산소연소로 인한 연소실의 과열을 방지하기 위하여 증기가 작동유체로써 재순환되는 CES 사이클을 연구하고 있다. 한편, (인하대 홍용식교수 1985.01.15.) '가스터빈 엔진 이론과 응용'에 의하면, 항공기 가스터빈, (Pratt & Whitney) JT9D와 (Rolls-Royce) Spey, Pegasus 등의 엔진에서는 이륙 시에 (점화기를 활용하여) 연소실에 물을 분사 주입하고, 주입된 수증기는 과열증기로 가열되어 추력이 높아진다. 본 발명에서는, 이러한 기술을 활용하여, 연소실이 밀폐상태를 유지하며 연소실의 (연소가스) 배기가 배출되도록, 보일러에 특수 장치가 추가 장착되며, 환경오염 물질이 정화 처리된, 질소(78%) 분량의 순환수가, 히트펌프 기술로, 이 배기를 냉각하여 배기가 지닌 배기열을 회수하고 과열증기로 가열되며, 이어 절탄기 배기열을 회수하고 (이상기체로써) 연소실에 주입 재순환된다. 따라서 순산소연소에 의한 연소실 과열이 방지되고, 연소실 작동유체의 밀도가 높아져 (터빈에 공급되는 과열증기를 생산하는) 열교환 효율이 높아진다.
이산화탄소(CO2)는 5.1기압 이상에서 -78.5℃ 이하로 냉각하면 드라이아이스로 동결되고 대기압에서 액체를 거치지 않고 바로 승화하며, (삼중점) 5.1기압 -56.58℃ 이상에서 액상으로 녹는다. 또 기체 CO2는 바닷물에는 비교적 잘 녹고 낮은 온도에 압력을 가하면 더욱 잘 녹는 것으로 알려져 있다. 수소는 끓는점이 무려 -252.87℃로 낮아, 상업용 수소를 액체로는 생산하지 않고 보통 고압으로 압축하여 사용한다. 상온에서 무색 기체로 비료의 원료로 주로 사용되는 암모니아(NH3)는 끓는점이 -33.34℃이고, 상온(20℃)에서 낮은 압력(8.6bar)으로 액화된다. 이러한 NH3가 종래에 (200bar 450℃) 고온 고압으로 제조되었으나, 최근에 울산과학기술원(UNIST)에서 1기압 45℃에서 제조하는 신기술이 개발되었다. 이러한 특성으로 최근 수소의 저장, 이송 매체로 최근 활발하게 연구되고 있다. 즉, 이 수소를 공기 중 78%인 질소를 활용, NH3를 만들어 저장한 후, 이 NH3에서 수소를 꺼내 쓰고 질소는 다시 대기로 내보내는, 환경을 오염시키지 않는 기술이다. 게다가 이 수소가 NH3에는 액체에 비하여 1.5배나 많은 분량이 저장된다. 또 최근에, 한국과학기술원(KIST)에서, 촉매와 분리막 장치로, NH3에서 이 수소를 450℃ 이하에서 질소와 분리해내는 수소 추출기가 개발되었다. 즉, 수소를 저장용기(NH3)에 액체 대비 1.5배 많은 분량을 낮은 압력(8.6bar)으로 저장하고, 이 수소를 이 저장용기에서 손쉽게 꺼내 쓸 수 있는 미래 신기술의 가능성을 보인 것이다.
본 발명에서는, 종래 보일러의 주요 장비를 그대로 사용하면서 특수 장비를 추가 장착하고 연소실에 상당한 압력이 유지되도록 구성하여, 연소실에 순산소만 주입되고, 순산소연소에 의한 연소실의 과열이 방지되도록, 작동유체로써 다량의 순환수가 배기열을 회수하며 과열증기로 가열되어 연소실에 주입 재순환되어 순산소연소가 구현되어야 한다.
연소실 배기가 굴뚝으로 방출되지 않고 (특수 열교환기) 배기냉각기로 유입되며, 히트펌프 기술로 냉매 R-134a, 질소 및 산소로 이 배기가 냉각되어 증기가 복수되고, 석탄분진, 미세먼지, 황산화물 등이 이 복수와 더불어 포집되며, 이 CO2가 영하의 저온으로 포집되어야 한다.
영하의 저온으로 포집된 이 CO2가 상당한 압력으로 바닷물이 혼합된 냉각수에 탄산수로 녹여지고 이 탄산수로 (최근에 개발된) 전기와 수소를 생산하는 시스템에 공급되어 청정에너지 수소가 생산되도록 구성되고, 이어 생산된 이 수소와 배기냉각에 냉매로 활용된 질소로 암모니아(NH3)가 제조되어, 이 수소가, 액체에 비하여 1.5배나 많은 분량이, 상온에서 낮은 압력(8.6bar)으로, NH3에 저장되어야 한다.
본 발명에서는, 공기 중의 산소와 질소가 액화 분리법으로 동시에 분리 생산되고, 냉매로 활용되며, 연소실에 산소만 주입되고, 배기가, 냉매 R-134a 및 산소로 냉각되어 증기가 복수되며, 석탄분진, 미세먼지 황산화물 등이 이 복수와 더불어 포집되고, 연소로 생성된 CO2가 영하의 저온으로 포집되며, 이 복수가 정화 처리된 (작동유체로써) 순환수가 배기열로 과열증기로 예열되어 배기열이 회수되고, 연소실에 주입 재순환되어 순산소연소가 구현된다. 배기가 냉각되어 증기가 복수되고, 이 복수가 정화 처리된 후, 이 정화수 중에 (8H2O + 2O2 + 2C = 8H2O + 2CO2) 작동유체로써 순환수가 이 배기열로 과열증기로 가열되어 배기열이 회수되고, 연소실에 주입 재순환되며, 이 CO2가 냉매 산소로 냉각되어 포집되고, 이어 압축기로 얼마간의 압력이 가해진 후, 바닷물에 탄산수로 녹여지며, (최근 개발된 기술) CO2로 전기와 수소를 생산하는 시스템에서 수소가 생산된다. 이 수소와 냉매로 활용된 질소로 암모니아(NH3)가 제조되어, 이 수소가, 액체에 비하여 1.5배나 많은 분량이, 상온에서 낮은 압력(8.6bar)으로, NH3에 저장되도록 구성된다. 즉, 이 CO2가 대기로 방출되지 않고, 청정에너지 수소가 생산되어, 암모니아에 저장된다.
본 발명에서는, 종래의 보일러 연소실에 특수 장비가 추가 장착되어 연소실에 상당한 압력이 유지된 상태에서, 연소실 배기가 배출되고, 순산소연소가 구현되며, 이 CO2와 석탄분진, 미세먼지 등이 대기로 전혀 방출되지 않는다. 작동유체로써 상기 순환수는, 연소실 배기를 냉각하며 이의 배기열을 흡수한 R-134a로 과열증기로 예열되며, 이 R-134a를, 액상의 냉매 -196℃ 질소가 냉각 액화하며, 이어 이 65℃로 승온한 질소로, 산소와 질소 생산을 위한 압축공기 냉각기에서, 5.5bar 210℃ 이상인 압축 공기를 77℃로 냉각하고, 이 190℃로 승온한 냉매 질소로, 연소실에 공급되는 산소를 예열하도록 구성한다.
연소실에 공급되는 산소는 이론 공급량에 대하여 130% 더 생산하며, 따라서 더불어 생산되는 질소도 (80mol% x 130%) 130% 더 생산한다. 이 냉매로 사용되는 이 질소는 공기액화 냉각 기술을 활용하여, 냉매 질소 액화냉각 시스템에서, 이미 냉매로 사용한 질소를 액화하여 충당하고, 이 냉각 시스템에서, 질소가, 30bar로 압축 450℃ 이상 승온한 질소의 발열로, 상기 순환증기를 과열증기로 더 예열한다.
이 순환증기는 절탄기 (Economizer) 아래 (새로 추가) 순환증기가열기에서 더 고온으로 예열되어 연소실에 주입 재순환된다. 종래 공기예열기(A/H)는 압력을 지닌 산소를 높은 온도로 가열하기에 적합하지 않아 폐기되고, 이들 산소와 순환증기를 가열하기에 적합한 (산소가열기, 순환 증기가열기) 열교환기들이 새로 설치된다. 이 열교환기들 아래에 본 동력발생기가 장착되고, 링헤더 (Ring Header) 아래 밀봉수조(Seal Trough)는 연소실에 더 높은 압력이 유지되도록 익스팬션 조인트로 교체되며, 연소실에 5기압 이상의 압력이 유지되도록, 연소실 저회호퍼 (Bottom Ash Hopper) 밀봉설비가 보강된다. 따라서 350℃ 이상으로 고온인 절탄기 배기열로 상기 산소 및 순환 증기가 더 고온으로 가열되어, 연소실 배기열이 대부분 회수되도록 구성한다.
본 발명에서는, 석탄 화력발전소 보일러 연소실의 배기가 상당한 압력이 유지되면서 배출되도록, 보일러에 특수 장비가 추가 장착되고, 공기 중 산소와 질소가 액화 분리법으로 분리 생산되어 냉매로 활용되며, 연소실에 순산소만 주입되고, 작동유체로써 다량의 순환수가 배기열을 회수하며 과열증기로 가열되어 주입 재순환되어 순산소연소가 구현되며, 이 터빈 배기가 냉각, 증기가 복수되고, 석탄분진, 미세먼지, 황산화물 등이 더불어 포집되며, 이산화탄소(CO2)가 영하의 저온으로 포집되어, 이 CO2로 수소가 생산되며, 생산된 수소와 배기 냉각에 냉매로 활용된 질소로 암모니아(NH3)가 제조되어, 청정에너지 수소가 최적의 저장 매체인 NH3에 저장된다.
도 1은 본 발명의 작동유체 흐름을 보인 플로우 다이아그램으로, 본 발명의 개요를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 냉매로 사용한 질소를 또 냉매로 사용하기 위하여, 냉매 질소 액화냉각 시스템의 작동유체 흐름을 보인 플로우 다이아그램이다.
도 3은 본 발명 배기냉각기에 유입된 배기가 냉각되어 증기가 복수되고 CO2가 영하의 저온으로 포집되는 것을 보인, 이 배기냉각기의 구조를 상징적으로 보인 도면이다.
도 4는 본 발명 배기냉각기에 활용된, 산소, CO 등 CO2보다 가벼운 기체를 포집 배출하기 위한, 상업용 블로워의 블레이드 형상을 보인 도면이다.
도 5는 본 발명에서 연소실에 밀폐상태가 유지되며 연소실 배기가 배출되면서 동력이 생산되는 동력발생기의 요부 형상을 보인 도면이다.
도 6은 본 발명의 동력발생기에 활용된 일반 로베(Lobe)펌프들의 형상을 보인 도면이다.
도 7은 본 발명에서 보일러 연소실에 종래 밀봉수조(Seal Trough)에 의한 밀봉장치 대신, 익스팬션 조인트로 교체하기 위한, 사각형 익스팬션 조인트의 형상을 보인 도면이다.
도 1은 본 발명의 개요를 보인, 작동유체의 흐름을 보인 플로우 다이아그램이고, 도 3은 본 발명 배기냉각기에 유입된 배기가 냉각되어 증기가 복수되고 연소로 생성된 이산화탄소(CO2)가 -13℃로 포집되는 것을 보인, 이 배기냉각기의 구조를 상징적으로 보인 도면이다. 도시한 바와 같이, 본 발명에서는, 보일러 연소실 배기(H2O, CO2; Flue Gas)가 굴뚝(Stack)으로 배출되지 않고, (도 3) 본 배기냉각기에 유입되어, 입구 쪽에 위치한, 배기열흡수기에서 튜브로 냉매 0.5bar -40℃ R-134a가 흐르면서 배기가 냉각되고, 이 R-134a는 이의 배기열을 흡수하여 90℃로 승온한다. 이 유입 배기는 이어 중앙 우측에 위치한 (수)증기냉각기에서, 튜브로 흐르는 냉매 산소로 냉각되어, 배기 중 증기는 복수되고, CO2는 맨 우측에 위치한 CO2냉각기에서, 튜브로 흐르는 냉매 산소로, -13℃로 냉각되어 (포집) 배출된다. 본 발명에서는, (주)포스코에서 발명, 특허 등록된 (10-1481614, 2015.01.06) '질소가스 생산 시스템'을 참고하여, 공기 중 산소와 질소가 액화 분리법으로 동시에 분리 생산되어 냉매로 활용되고, 연소실에 순산소만 주입되며, (8H2O + 2O2 + 2C = 8H2O + 2CO2), (80mol%) 순환수가, 히트펌프 기술로, 상기 냉매 R-134a가 흡수한 배기열로 과열증기로 예열되어 연소실에 주입 재순환되어 순산소연소가 구현되며, 연소실에 산소의 연소 이론 공급량보다 130% 더 공급되고, 더불어 질소도 130% 더 생산되어 냉매로 활용된다.
도 2는 냉매로 사용한 질소를 또 냉매로 사용하기 위하여, 냉매 질소 액화냉각 시스템의 작동유체 흐름을 보인 플로우 다이아그램이다. 본 발명에서는, 산소와 더불어 더 생산되는 액상의 냉매 (80mol% x 130%) 질소로 터빈 배기열을 작동유체 순환수로 회수하고, 연소로 생성된 CO2를 냉각수에 녹여야하므로 다소 부족하다. 따라서 아래와 같이 공기액화법을 활용하여 액상의 냉매 질소가 더 생산되어 충당된다.
극저온 물리학 분야에서 1978년 노벨 물리학상을 수상한 러시아 (Kapitza) 카피차가 공기를 액화하는 방법으로, 프랑스 클로드(Claude)가 개발한 공기액화법 장치에서, 피스톤 펌프 유형의 압축 공기 팽창기를 역터빈 (Inverse) 유형의 것으로 바꾸어 공기의 액화 효율을 크게 개선하였고, 이 공기 액화 방법은 현재에도 널리 사용되고 있다. 본 발명에서는, 이 공기 액화 방법을 활용하여, 이미 냉매로 사용된 질소가 저장된 후, 이 질소가 다시 냉각 액화되어 냉매로 사용된다. 도시한 바와 같이, 저장된 상온 1기압 질소는 30bar로 압축, 450℃로 승온하고, 이 압축 발열된 질소가, 이 카피차 냉각 시스템에서는, 원래 2차 질소냉각기에서 냉각되나, 본 발명에서는, 순환 증기예열기에서 (순환수가 예열된) 155℃ 과열증기로 1차 냉각된다. 즉, 1차 질소냉각기에서, 이 압축된 발열 질소가 냉각되면서 이 순환 과열증기가 상기 고온의 질소로 예열된다. 이어, 이 질소는 2차 질소냉각기에서 (선행) 압축 팽창된 저온의 질소로 더 냉각되고, 이어 이 질소 80% 유량이 (카피차의 역터빈 팽창기가 아닌) 본 로터리 배큠 펌프에 의하여 점진적으로 단열 팽창함으로써, 이 질소의 온도는 크게 강온된다. 이 저온의 질소로, 나머지 질소 20% 분량이 질소응축기에서 튜브로 흐르면서 냉각되어 액화된다. 이 액상의 질소는 액체질소 냉각기로 이동, 튜브로 흐르며 더 냉각되고, 이 30bar 액상의 질소는, 증발기 베셀(Vessel)로 압송되어, 팽창 (Throttle Valve) 밸브를 통과하면서, 배큠펌프에 의하여 1기압으로 팽창함에 따라, 줄-톰슨 효과로, 이 질소의 온도가 (포화온도 -195.79℃) -196℃로 강온됨으로써, 팽창된 이 질소 중 일부는 -196℃로 액화되고, 나머지는 기화된다. 온도가 크게 하락한 이 기체 질소는, 상기 액체질소 냉각기에서, 튜브로 흐르는 후속 30bar 액상의 질소를 냉각하며, 상기 질소응축기에서 배출된 질소와 혼합되고, 이 혼합 질소가 상기 2차 질소냉각기에 진입하여, 후속 30bar 질소를 냉각한 후, 상기 배큠펌프에 흡입되고, 이어 상기 압축기에 주입 재순환된다. 이 증발기 베셀에서 1기압으로 액화된 이 냉매 질소는 저압 펌프로, 도시한 바와 같이, (도 1에 도시한) 액상의 질소 공급 펌프 출구배관에 공급된다.
도 3에 보인 배기냉각기에서 CO2냉각기 아래에는, 도시한 바와 같이, 로터리 피스톤 배큠펌프가 장착된다. 이 배큠펌프는 아직 상용화 되지는 않았으나 특허 등록된 (1016714160000) '로터리 피스톤 터빈'의 형상과 같은 구조의 것으로, 도넛 형태의 환형 실린더에서 피스톤이 실린더에 밀착되어 회전하고 이 피스톤을 원반(Disk)이 가로막고 있으나, 이 피스톤과 원반은 (시계, 계기의 등의 톱니에 사용되는) 핀(Pin) 기어 사이클로이드 곡선을 기본으로 하여, 이들이 서로 충돌하지 않고 회전하도록, (치차가 딱 하나인) 헬리컬(Helical) 기어 형태로 구성되어 있어, 피스톤이 회전하면서 연속적으로 피스톤 뒤쪽에서는 작동유체가 흡입되고 피스톤 앞쪽의 작동유체는 가압되어 배출되는 것이 구현된다. 이러한 로터리 피스톤 배큠펌프는 (피스톤 펌프처럼 그러나 양수기처럼 연속적으로) CO2 냉각기에서 영하로 냉각된 CO2를 품어낸다.
본 발명에서는, 도 1에 보인 바와 같이, 연소실 배기(Exhaust Gas) 계통에서, 집진(EP)설비 앞쪽에, 도 5에 도시한, 동력발생기가 추가 설치되어 연소실이 밀봉되고, 절탄기(Economizer)에서 예열된 급수를 수냉벽에 공급하는 링헤더(Ring Header) 아래 밀봉수조(Seal Trough)가, 도 7에 보인, 익스팬션 조인트 유형의 것으로 개조되며, 또 연소실 저회 (Bottom Ash Hopper) 호퍼 밀봉설비가 보강되어, 이 연소실에 상당한 압력(5bar)이 유지된 상태에서, 이 연소실 배기가 배출된다.
본 발명에서는, (도 3) 본 배기냉각기에, 연소실 배기가 유입되어, 냉매 R-134a 및 산소로 냉각되어 증기가 복수되고, 석탄분진, 미세먼지, 황산화물 등이 이 복수와 더불어 포집되며, 이 CO2가 영하의 저온(-13℃)으로 포집된다. 이들 환경오염 물질을 함유한 복수는 복수탱크로 이송, 정화 처리되어, 정화수 저장 탱크에 저장된다. 순산소연소가 구현되는 본 발명에서는, 작동유체로써 (80mol%) 순환수가 (8H2O + 2O2 + 2C = 8H2O + 2CO2) 과열증기로 예열되어 연소실에 주입 재순환된다. 연소실 배기 중 이 작동유체 증기와 연소로 생성된 (20mol%) CO2는, 냉매 R-134a 및 산소로 냉각되어 증기가 복수되고, 이 CO2가 영하의 저온(-13℃)으로 포집된다. 포집된 이 -13℃ CO2는, 도시한 바와 같이, 얼마간의 압력으로 가압되어, 10℃ 냉각수와 바닷물이 혼합된 물에 혼합기에서 탄산수로 녹여지고, 이 탄산수가 (최근 개발된 기술) CO2로 수소를 생산하는 시스템에 공급되어 수소가 생산되며, 생산된 이 수소와 냉매로 활용된 질소로 수소의 저장 수단으로 최적의 매체인 암모니아(NH3)가 제조되어, 청정에너지 수소가, 액체에 비하여 1.5배나 많은 분량이, 상온에서 저압(8.6bar)으로 NH3에 저장된다.
본 발명에서는, 110℃ 배기가 (도 3) 본 배기냉각기에 유입되어, 입구에 위치한 배기열흡수기에서 튜브로 흐르는 냉매 (192mol%) 0.5bar -40℃ R-134a로 냉각되고, 이 R-134a는 이의 배기열을 흡수하여 90℃ 승온한다. 이어 이 배기는 (수)증기냉각기 및 CO2냉각기에서 튜브로 흐르는 냉매 (20mol% x 130%) 산소로 더 냉각되어 (80mol%) 증기는 (0.2bar 포화온도 60.06℃) 60℃로 냉각되어 복수되고, 생성된 20mol% CO2는 -13℃로 포집되며, 이 냉매 산소는 50℃로 예열된다. 즉, 이 110℃ 배기가 냉각되면서, 이 (192mol%) R-134a 및 (20mol% x 130%) 산소가 (Heat Balance) 열균형이 이뤄지는 온도 90℃ 및 50℃로 각각 승온한다. 본 배기냉각기에서 배기열을 흡수한 이 R-134a는, 도시한 바와 같이, 압축기로 24bar로 압축되어 240℃로 승온, 순환수예열기로 압송되고, 이어 이 순환수예열기 튜브로 흐르면서, 연소실 운전 압력(5bar)으로 가압된 25℃의 (80mol%) 순환수가 155℃ 과열증기로 예열되고, 이 R-134a가 열균형을 이루는 온도 80℃로 강온된다. 이 25℃ 순환수에서 155℃로 예열된 과열증기는 (도 2) 냉매 질소 액화냉각 시스템의 순환증기 예열기에서 30bar 450℃ 질소로 350℃ 과열증기로 더 예열된다. 상기 80℃로 강온된 냉매 R-134a는 이어, 액상의 냉매 -196℃ (182mol%) 질소로 (포화온도 75.69℃) 75℃로 냉각 액화되고, 이 질소가 열균형을 이루는 온도 65℃로 승온한다. 이어 이 R-134a는 냉매증발기로 이송되고, 배큠펌프에 의하여 0.5bar로 팽창 -40℃로 강온되어, 도시한 바와 같이, 본 배기냉각기 입구에 위치한, 배기열흡수기에서, 유입된 배기를 냉각하며, 앞서 설명한 바와 같이, 유입 배기의 배기열을 흡수하고 재순환된다.
본 발명에서는, 앞서 설명한 바와 같이, 연소실 배기가 본 배기냉각기에서 냉각되어, 증기가 복수된다. 이 복수는 석탄분진, 미세먼지, 황산화물 따위 환경오염 물질을 함유하고 있으므로, 도 1에 보인 바와 같이, 복수 저장 탱크로 이송되며, 이 복수가 정화 처리된 정화수 탱크로부터 작동유체로써 (80mol%) 순환수가 순환펌프로 연소실 운전 압력(5bar)으로 가압되어, 상기 순환수예열기로 압송되어, 배기열을 흡수한 냉매 R-134a로 과열증기로 예열되고, 이 R-14a는 80℃로 강온되며, 또 공기 중 산소와 질소가 액화 분리법으로 동시 분리 생산되어, 도시한 바와 같이, 액상의 냉매 산소가 저압(LP) 펌프로, (도 3에) 본 배기냉각기에 위치한, 증기냉각기 및 CO2냉각기에 공급되어, 상기 CO2가 -13℃로 냉각되어 포집된다.
산소와 더불어 생산된 액상의 냉매 (80mol% x 130%) 질소에, (도 2) 냉매 질소 액화냉각 시스템에서 충당된, 액상의 냉매 질소가 저압 펌프로 냉매응축기로 압송되어, 80℃ 냉매 R-134a를 75℃로 냉각 액화하고, 65℃로 승온한, 이 (182mol%) 질소 중 소량(23%)은 질소 저장탱크로 이송되어 저장되고, 대부분(77%)은, 산소와 질소 생산을 위한, 압축공기 냉각기로 이송되어, 이 냉각기에서, 압축기가 압축한 5.5bar 210℃ 압축공기가, 산소와 질소가 분리 생산되는 증류탑 (Distillation Column) 운전 (5.5 kg/cm2 77℃) 조건에 충족되도록, 도시한 바와 같이, 재순환되면서 냉각되어, 이 운전조건이 충족된 압축공기가 산소와 질소 생산설비에 공급된다.
상기 압축공기 냉각기에서 압축공기를 냉각하며 190℃로 승온한, 이 질소는 산소예열기로 이동하여, 본 배기냉각기에서 CO2를 냉각하며 50℃로 예열된 상기 산소를 185℃로 예열하고, 도 1에 보인 바와 같이, 질소 저장 탱크에 저장된다. 이 산소예열기에서 예열된 산소와, 앞서 설명한, 순환증기 예열기에서, 상기 30bar 450℃ 질소로 350℃로 예열된 과열증기는, 절탄기(Economizer) 아래, 새로 설치된 산소가열기 및 순환증기 가열기에서 더 예열되고 연소실에 주입된다. 상기 압축공기 냉각기, 순환수예열기, 순환증기 예열기, 순환증기 가열기, 산소예열기, 산소가열기 및 냉매응축기는 통상의 쉘-튜브 (Shell & Tube) 유형의 냉각기로써, 공지의 기술로 실현 가능하여, 도시한 바와 같이, 기호로 간단히 묘사되었다. 또 상기 증류탑 (압력, 온도) 운전조건은 (주)포스코에서 발명하여, 특허 등록된 '질소가스 생산 시스템'을 참고한 값이다. 이 산소와 질소 생산 공정은, 상기 압축공기 생산 과정 이후, 많은 공정을 거처 산소와 질소가 생산된다. 이 산소와 질소 생산기술은 산업 발달과 더불어 날로 발달하고 있으며, 이들 생산 기술은 본 특허청구 범위에 속하지 않는 사항이며, 이 산소와 질소 생산 방법은, 도시한 바와 같이, 증류탑으로 간략히 묘사되었다.
본 발명에서는, 연소실에 상당한 압력이 유지된 상태로 배기가 배출되고, 연소실에 주입되는 산소는 상당한 압력으로 가압된다. 따라서 종래 공기예열기(A/H)는 폐기되고, 대신에 절탄기 (Economizer) 아래에, 도 1에 보인 바와 같이, 산소가열기와 순환증기 가열기가 추가 장착된다. 이 절탄기에서, 도 1에 보인 바와 같이, 보일러 급수가 1차 예열되고, 이 절탄기 배기는 350℃ 이상으로 고온이므로, 이 배기로 상기 산소 및 순환증기가 더 고온으로 예열되어, 이 절탄기 배기열이 회수된다. 이 순환증기의 유량으로 이 절탄기 배기온도가 제어된다. 즉, 본 배기냉각기에 유입되는 연소실의 배기온도가 110℃로 제어된다.
본 발명에서는, 이 연소실에 5bar 이상의 압력이 유지되도록, 이 링헤더 (Ring Header) 아래 밀봉수조(Seal Trough)는, 도 3에 보인, 익스팬션 (Expansion Joint) 조인트로 교체되고, 연소실 저회호퍼 (Bottom Ash Hopper) 밀봉장치가 보강되며, 상기 순환증기 가열기 아래에 (집진설비 이전에), 도 5에 도시한, 본 동력발생기가 장착된다. 이 절탄기 배기는 본 동력발생기에서 단열팽창하며 얼마간의 동력을 생산하고, 도시한 바와 같이, 집진설비를 경유하여, 본 배기냉각기에 110℃로 제어되어 유입된다. 이 배기온도는, 상기 순환증기 (순환수) 유량이 증가하면, 낮아지고, 이 유량이 감소하면, 상승하므로, 순환수 유량으로 제어된다. 종래 공기 예열기를 대신한, 이 산소가열기 및 순환증기 가열기를 새로 추가 설치하는 것은 공지의 기술로 용이하게 실현 가능하여, 도시한 바와 같이, 기호로 간단히 표기되었다. 순산소연소에서는, 질소(78%) 분량의 작동유체가 줄어들어 연소실이 과열되고 연소실의 열교환 효율이 저하되는 문제가 있었으나, 본 발명에서는, 이 순환수가 과열증기로 예열되어 연소실에 이상기체로써 주입되어, 질소처럼 이상기체로써 거동하므로, 이 순산소연소에 의한 연소실의 연소 상태가 공기연소의 것과 다르지 않아, 순산소연소로 연소실이 과열되고 열교환 효율이 저하되는 문제가 해소된다.
위의 순환 증기 가열기 아래에 새로 설치되는 본 동력발생기는 일반 액체를 이송하는, 도 6에 보인, 로베(Lobe) 펌프의 구조와 같은 것으로, 이 펌프 입구에 디퓨저 (Diffuser) 형상의 감압 노즐을 붙인 것이다. 이 감압 노즐로 연소실 배기는 저항을 받아, 연소실의 압력이 좀 더 높게 유지되고, 압력을 지닌 배기는 이 동력발생기에서 팽창하며 얼마간의 동력을 생산하게 된다. (도 5에 보인) 로터의 로베에 의한 포켓(Pocket) 내의 (작동유체) 배기가 지닌 압력은 동력으로 변환되지 않고 버려짐으로써, 이 동력발생기에서 기체가 지닌 압력 에너지가 (아마) 60%도 기계적 동력으로 변환되지 못할 것으로 예상되나, 상기 감압 노즐의 작용으로 손실은 최소화 된다. 즉, 이 작동유체가 지닌 압력 에너지(PV)가 노즐을 지나면서 얼마간 운동에너지로 변환되고, 터빈에서처럼, 빠른 속도로 달리는 유체입자가 로터 로베(Lobe)에 충돌하는 효과가 생겨나 이 입자의 운동량의 변화량(Δmv)으로 동력이 더 생산되어, 열손실은 최소화 된다. 향후 석탄분진이 있는 배기로 동력을 생산하는 효율 좋은 동력 발생기가 개발될 것으로 기대된다. 앞서 설명한 바 있는 '로터리 피스톤 터빈'의 기술을 적용하여 이 동력발생기보다 더 높은 효율로 동력이 생산될 것으로 기대된다.
보일러 절탄기에서 배출되는 배기로, 종래에는, 연소실에 공급되는 대기압 공기가 예열되어, 이 절탄기 배기열이 회수되나, 본 발명에서는, 앞서 설명한, 순환증기 가열기 및 산소가열기에서, 5bar의 연소실 운전압력으로 가압된, (대기압 공기보다 더 높은 밀도의) 작동유체로 순환증기와 산소가, 종래 공기 예열기에서보다 더 높은 열교환 효율로 예열되어, 이 절탄기 배기열이 회수된다. 이 절탄기 배기는, 도 5에 도시한, 상기 동력발생기에서 얼마간의 동력을 생산하면서 배압 (Back Pressure) 0.2bar 온도 120℃ 정도로 강하된다. 이어 이 (배기) 배연(Flue Gas)은 집진기(EP)를 경유하면서 얼마간 냉각되어 110℃로 강하된다. 이 배연은, 도 1에 보인 바와 같이, 연돌(Stack)로 배출되지 않고, 본 배기냉각기로 유입된다.
도 3에 보인 배기냉각기는 소형 증기터빈 발전 플랜트에서 복수기로 사용하는 에어핀(Air Fin) 쿨러와 같은 유형의 것이다. 이 에어핀 쿨러에서는 냉각핀이 형성되어 있는 튜브 내부로 포화증기가 흐르고 외부로 대기가 흘러 이 포화증기가 응축된다. 그러나 본 발명에서는 반대로 튜브로 앞서 설명한 냉매 R-134a 및 산소가 흐르고 쉘(Shell) 공간으로 이 냉각기에 유입된 배기가 흐르면서 냉각되어 증기가 복수되고, 석탄분진, 미세먼지, 황산화물 등이 이 복수와 더불어 포집되며, CO2가 영하의 저온으로 포집된다. 본 발명에서는, 이러한 배기의 냉각 효과로, 연소실 압력 5bar와 본 배기냉각기 (배압) 압력(0.2bar)의 압력차로, 연소실 배기가 배출되면서, 도 5에 도시한, 동력발생기에서 연소실 5bar의 압력이 이 동력발생기의 로터 로베를 밀어주고 이 (1-0.2) 0.8bar의 음압이 이 로터 로베를 끌어주어, 이 로터가 회전함으로써, 기계적 동력이 얼마간 생산된다. 본 배기냉각기에서 이 연소실 배기가 냉각되어 증기가 복수되고 이 CO2가 영하의 저온으로 포집되는 과정이 다음에 구체적으로 설명된다.
연소실의 배기(H2O,CO2)가 유입되는, 도 3에 도시한, 본 배기냉각기 입구에는 배기를 냉각하는 배기열흡수기가 설치되어 있고, 이다음에, 맨 우측 (하기) CO2냉각기 참버의 천장에서, 냉기(Cold Gases)가 흡입되어 이 배기열흡수기 뒤로 내품어지는 다수의 냉기 순환 배관이 설치되어 있으며, 이 냉기 순환 배관으로, 불완전 연소로 생성된 일산화탄소(CO), 연소 미반응 산소 등 불응축 기체 및 소량의 CO2가 흡입되도록, 이 배관 흡입구 위 T-분기점에, 도 4에 보인, 일반 블로워 유형의 순환 블레이드(Blade)가 장치되어 있으며, 이 T-분기점 위쪽에 가벼운 불응축 기체가 모이는, 이의 포집 공간이 형성되어 있고, 이 포집 공간에는 이 불응축 기체를 감지하는 센서가 장착되어 있다. 이 순환 블레이드가 회전하면, 이 불응축 기체와 소량의 CO2가 흡입되어, 무거운 (질량이 큰) CO2가 원심력으로 이 블레이드 원주 외곽 쪽 순환 배관으로 흐르고, 이 CO2가 빠져나간 빈 공간을 가벼운 불응축 기체가 메우며 위로 올라, 불응축 기체 포집 공간으로 올라간다. 이 불응축 기체는 대부분 연소실에 과잉 공급된 (20mol% x (130%-100%) = 6mol%) 미량의 산소로 이뤄진다. 이 불응축 기체로 유입 배기가 다소 냉각되도록, 이 배기열흡수기 바로 뒤쪽에 배기미니냉각기가 설치되어 있다. 상기 순환 블레이드의 회전에 따라, 포집된 이 불응축 기체는, 도시한 바와 같이, 배기미니냉각기로 이송되어, 유입 배기를 다소 냉각하고, 이어 대기로 방출된다. 이 배기미니냉각기 바로 다음에 위치한 상기 냉기 순환 배관으로, (하기) CO2냉각기의 냉기가 흡입되어, 위 천장에서 분출됨으로, 유입 배기가 효과적으로 냉각된다. 이 순환 배관 냉기 분출구 다음에, (선행) 유입 배기의 증기가 냉각 응축된 복수로, 수증기 물보라가 천장에서 분출되는 다수의 물분사 노즐이 설치되어 있고, 이 물분사 다음에, 냉매 산소로 유입 배기가 냉각되는 (수)증기냉각기가 설치되어 있으며, 맨 우측에, 이 증기냉각기 보다 높이 냉매 산소에 의한 CO2냉각기가 설치되어 있다. 이 CO2냉각기에서 CO2는 액상의 냉매 -183℃ 산소로 -13℃로 냉각되어 배큠펌프에 의하여 (포집) 배출된다.
이와 같이 구성된, 본 배기냉각기에 유입된 연소실 배기는, 입구에 위치한, 배기열흡수기에 진입하여 튜브로 흐르는 냉매 -40℃ R-134로 냉각되고, 이어 중앙으로 진입하면서, 냉기 순환 배관에서 내품는 영하의 냉기와 상기 물분사 노즐에서 내품는 수증기와 물보라로 직접 냉각되며, 이어 증기냉각기에서 튜브로 흐르는 냉매 산소로 더 냉각되어, 유입 배기 중 증기는 (0.2bar 포화온도 60.06℃) 60℃로 냉각 복수되고, 배기 중 석탄분진, 미세먼지, 황산화물 등 환경오염 물질이, 천장 물분사 노즐에서 내품는 수증기와 물보라로 증기가 복수되면서, 이 복수와 더불어 포집되다. 이 증기냉각기에서 수증기보다 가벼운 이 CO2와 불응축 기체는, 높이 위치한, CO2냉각기로 올라간다. 이 CO2냉각기에서, 이 CO2는 액상의 냉매 산소로 더 냉각되고, 냉각된 이 CO2는 아래에 장착된 배큠펌프로 흡입되어 (포집) 배출된다. 이 CO2냉각기에서, 소량의 CO2와 불응축 기체는 위 천장 순환 배관으로 흡입되어, 본 배기냉각기 중앙 물분사 노즐 앞쪽으로 되돌아가, 이 CO2냉각기의 냉기가 순환되어 유입배기가 더 효과적으로 냉각된다.
상기 CO2냉각기에서 포집된 이 CO2의 온도는, 냉매 산소가 CO2를 냉각하는 정도에 따라 결정된다. 이 CO2는 저온, 고압에서 물에 탄산수로 잘 녹여지는 것으로 알려져 있다. 이 CO2의 냉각 온도는, 향후 본 발명의 실현 과정에서, CO2가 물에 탄산수로 잘 녹여지는 경제적인 온도와 압력으로 결정된다. 본 배기냉각기에서 영하 저온으로 포집된 이 CO2는, 냉각수와 (촉매작용) 바닷물이 혼합되는 혼합기(Mixer)에서 탄산수로 녹여지고, 이 탄산수가 (최근에 개발된 CO2로 전기와 수소를 생산하는) 수소 생산 시스템에 공급되어 수소가 생산된다. 이 CO2로 수소를 생산하는 기술은 본 발명의 특허 범위에 속하지 않는다. 생산된 이 수소와 냉매로 활용된 질소로 수소의 최적의 저장 이송 매체인 암모니아(NH3)가 제조되어, 청정에너지 수소가 NH3에 저장된다. 끓는점 -252.88℃인 수소를 액체로 저장하기 위해서는 초고압이 요구되나 이 NH3에는 불과 8.5기압의 낮은 압력으로 게다가 액체보다 1.5배나 많은 분량을 저장할 수 있다. 이 수소를 액체로 저장하기 위해서는 초고압이 요구되므로, 이 수소의 저장 수단으로, 예를 들어, 마그네슘-니켈 합금, 티탄(Ti)-망간 합금 등에, 마치 메탄(CH4)이 얼음의 틈새로 스며들어 저장되듯이, 수소가 저장되는, 수소저장 합금이 연구되었으나, 비료의 원료로 주로 쓰이는 암모니아(HN3)에, 이 수소가, 액체 대비 1.5배나 많은 분량이, 상온에서 낮은 압력으로 이미 액화 저장되어 있으므로, 최근 이 HN3가 수소저장 수단으로써 주목받게 되었다. 또 최근 이 HN3가 1기압 45℃의 저압 저온으로 제조되는 신기술이 개발되었고, 또 이 HN3에서 수소가 450℃ 이하에서 질소와 분리되는, 수소 추출 기술이 개발되었다. 즉, 이 수소가 대기 중의 78% 질소로 용이하게 HN3가 제조되어 이 용기(HN3)에 저장되고, 이 수소를 이 용기(HN3)에서 (미래에) 손쉽게 꺼내 쓸 수 있음을 뜻한다. 본 발명에서는, 연소로 생성된 CO2가 포집되어 대기로 방출되지 않고, 이 CO2로 수소가 생산되어, 이 수소가 냉매로 활용된 질소로 NH3가 재조되어, 결국 이 청정에너지 수소가 이 NH3에 저장된다.
최근 개발된 이산화탄소(CO2)로 전기와 수소를 생산하는 기술에 있어서, 울산과학기술원(UNIST) 기술 자료에 따르면, 1mol CO2에 1mol 수소가 '1:1'로 생성된다. 또 1mol 석탄(C)과 1mol 산소가 연소하면, (C + O2 = CO2) 1mol CO2가 생성된다. 즉, 수소, CO2 및 산소가 같은 비율 '1 : 1 : 1'로 생성된다. 본 발명에서는, 연소실에 (8H2O+ 2C + 2O2 = 8H2O + 2CO2) 공급되는 20mol% 산소에 대하여 질소가 (80mol% x 130%) 104mol% 생성된다. 즉, 20mol 산소에 대하여 수소와 질소가 (20/20 : 104/20) '1 : 5.2'의 비율로 생성된다. 또 이 3mol 수소와 1mol 질소로 (3H2 + N2 = 2NH3) 암모니아가 제조되므로, 이 수소와 질소가 '3/3 : 1/3'의 비율로 암모니아가 제조된다. 만약 이 암모니아를 제조하는, 수소와 질소의 비율이 '1 : 5.2'인 경우, 130% 과잉 생산된 질소는 모두 수소를 저장하는, 암모니아의 제조에 사용되나, 실제 이 1mol 수소에 대하여 (1/3)mol 질소만 사용되므로, 산소와 더불어 생산되는, 이 (5.2-1/3)/5.2) 94% 질소는 대기로 방출되어야 한다. 바꾸어 말하면, 외부에서 수소 또는 CO2를 공급받아, 이 수소로 암모니아를 제조할 여력이 충분함을 의미한다.
석탄화력 발전소에서, 종래 보일러 장비를 그대로 사용하며, 추가된 장비로, 연소실 배기가 냉각되어, 증기가 복수되고 이산화탄소(CO2)가 포집되어, 연소실 배기열이 회수되어 열효율이 높아지며, 이 이산화탄소, 미세먼지, 황산화물 등 환경오염 물질이 배출되지 않고, 대기로 방출되었던 이 이산화탄소로 수소가 생산되며, 이 수소와 냉매로 활용된 질소로 암모니아가 제조되어, 청정에너지 수소가 액체에 비하여 1.5배 많은 분량이 이 암모니아(NH3)에 저장되어, 수소 경제가 구현된다.
부호 설명 없음.

Claims (3)

  1. 석탄화력 발전소에서, 공기 중 산소와 질소가 액화 분리법으로 분리 동시 생산되어 냉매로 활용되고, 보일러 연소실에 순산소만 주입되며, 이 연소실 배기가 (아래 2항) 본 배기냉각기에 유입되어, 냉매 R-134a 및 산소로 냉각되어 증기가 복수되고, CO2가 영하의 저온으로 포집되며, (정화 처리된) 작동유체로써 순환수가, 히트펌프 기술로, (3항) 순환수예열기에서 과열증기로 예열되고, (도 2) 냉매 질소 액화냉각 시스템의 순환증기 예열기에서, 더 예열되며, 절탄기 아래 순환증기 가열기에서 더 예열되어 연소실에 주입 재순환되어 순산소연소가 구현되며, 냉매 질소로 냉매응축기에서 R-134a가 액화되고, 이어 이 질소로, 압축공기 냉각기에서, 압축공기가 냉각되며, (2항) 증기냉각기에서 예열된 산소가, 산소예열기에서 더 예열되며, 이어 절탄기 아래 산소가열기에서 더 예열되고, 연소실에 주입, 배기열이 회수되며, 유입 배기의 석탄분진과 미세먼지, 황산화물 등이 복수와 더불어 포집되고, 영하의 저온으로 포집된 CO2가 냉각수와 바닷물에 혼합기(Mixer)에서 탄산수로 녹여지고, 이 탄산수가 CO2로 수소가 생산되는 시스템에 공급되어 수소가 생산되며, 생산된 수소와 냉매로 활용된 질소로 암모니아(NH3)가 제조되어, 이 수소가 이 NH3에 저장되도록 구성되며, 연소실 맨 아래 밀봉수조(Seal Trough)가 (도 7) 익스팬션 조인트 유형의 밀봉장치로 교체되고, 연소실 배기계통 집진설비 이전에 (도 1,5) 동력발생기가 장착되어, 연소실 배기가 상당한 압력이 유지된 상태로 배기가 동력을 생산하며 배출되도록 구성된, 석탄화력 발전소 순산소 연소실배기 운전방법.
  2. 제 1항에 있어서, 유입된 배기가 냉각되어 증기가 복수되는 (도 3) 본 배기냉각기의 구조가 (소형 증기터빈 발전 플랜트에서 복수기용으로 흔히 사용되는 에어핀 쿨러의 튜브 형상과 유사한) 냉각핀이 형성되어 있는 구조의 것으로,
    연소실 배기가 유입되는 입구에, 냉매 R-134a가 배기를 냉각하며 배기열을 흡수하는 배기열흡수기가 설치되어 있으며, 이 배기열흡수기의 뒤쪽에 배기미니냉각기가 설치되어 있고, 맨 우측 CO2냉각기 참버 위 천장과 이 배기열흡수기 뒤쪽 천장이, 다수의 냉기 순환 배관으로 연결되어 있으며, 이 CO2냉각기 참버의 냉기가 흡입되어, 이 배기열흡수기 뒤쪽으로 내품어지도록, 이 순환 배관 흡입구 위 T-분기점에 (도 4) 순환 블레이드가 장치되어 있고, 이 T-분기점 위에 CO, O2, N2, 등 불응축 기체 포집 공간이 형성되어 있으며, 이 순환배관 분출구 다음에, 냉각된 복수가 천장에서 수증기 물보라로 분사되는 다수의 물분사 노즐이 설치되어 있고, 이다음에, 냉매 산소가 튜브로 흐르는 (수)증기냉각기가 설치되어 있으며, 이 냉각기보다 높이 냉매 산소에 의한 CO2냉각기가 설치되어 있으며, 이 CO2냉각기 아래, 영하로 냉각된 CO2를 흡입 (포집) 배출하는 배큠펌프가 설치되어 있는, 구조의 배기냉각기에서,
    유입된 배기가 입구에 위치한 배기열흡수기에서 냉매 R-134a로 냉각되면서 냉매 R-134a가 배기열을 흡수하고, 이 배기가 증기냉각기로 진입하면서, 천장에서 내품는 냉기와 물분사 노즐에서 분출되는 수증기 물보라로 배기가 직접 냉각되어 증기가 복수되고, 배기 중 석탄분진, 미세먼지, 황산화물 등이 이 수증기, 물보라로 포집되며, 이어 배기 중 수증기보다 가벼운 CO2, 불응축 기체 등은 위쪽의 CO2냉각기로 오르고, 이 냉각기에서 CO2는 냉매 산소로 영하의 저온으로 냉각되어, 이 냉각기 아래 설치된 배큠 펌프로 흡입되어 배출되며, 이 불응축 기체는, T-분기점 위, 이의 포집 공간으로 올라가 배기미니냉각기를 경유하여 외부로 배출되도록 구성된, 석탄화력 발전소 순산소 연소실배기 처리장치.
  3. 제 1항에 있어서, 냉매압축기, 순환수예열기, 냉매응축기, 냉매증발기 및 배기열흡수기로 구성된 (도 1에 보인) 히트펌프 설비가 구비되어, (제 2항) 배기열흡수기에서 배기열을 흡수한 냉매 R-134a가 냉매압축기에서, 예를 들어 24bar로, 압축 승온하고, 이어 순환수예열기로 압송되며, 작동유체로써 순환수가 이 순환수예열기에서, 튜브로 흐르는 이 R-134a를 냉각하며 과열증기로 예열되어 배기열이 회수되고, 이어 냉각된 이 R-134는 냉매응축기로 이동하여, 냉매 질소로 더 냉각되어 액화되고, 이어 냉매증발기에서 팽창한 후, 배기냉각기에 위치한 배기열흡수기로 이동하여, 이 배기냉각기에 유입된 연소실 배기를 냉각하며 배기열을 흡수하도록 구성된, 석탄화력 발전소 순산소 연소실배기 운전방법.
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