KR20230035547A - By Pre-Condensate Evaporation Heat, Oxyfuel Combustor Exhaust Gas Cooling Heat Recovery and CO2 Capture Device, and Its Heat Pump and Net Zero Operation Method of Gas-Boiler Steam Turbine Power Plant - Google Patents

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KR20230035547A KR1020230026395A KR20230026395A KR20230035547A KR 20230035547 A KR20230035547 A KR 20230035547A KR 1020230026395 A KR1020230026395 A KR 1020230026395A KR 20230026395 A KR20230026395 A KR 20230026395A KR 20230035547 A KR20230035547 A KR 20230035547A
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Abstract

The present invention relates to a CO_2 capture device and an operation method thereof for carbon neutrality (CO_2 net zero) in a gas boiler of a thermal power plant, wherein circulating steam as a working fluid is recycled to a combustion chamber and pure oxygen combustion is realized, so that CO_2 is captured; 80 mol% of circulating steam and 20 mol% of steam produced by combustion, which are exhausted from the combustion chamber, are cooled and condensed, and the pre-condensate as a refrigerant cools exhaust gas entering the combustion chamber with huge evaporation heat and absorbs and cools the huge condensation heat of the exhaust gas, so that the exhaust gas is cooled and condensed; and the pre-condensate is heated to 90℃ steam, all the exhaust heat from the combustion chamber is recovered by means of a heat pump, CO_2 is captured, and therefore carbon neutrality is realized.

Description

기-복수 증발열에 의한 화력발전소 가스보일러 배기 냉각 배기열 회수 및 CO2포집 장치와 히트펌프 및 탄소 중립 운전 방법 {By Pre-Condensate Evaporation Heat, Oxyfuel Combustor Exhaust Gas Cooling Heat Recovery and CO2 Capture Device, and Its Heat Pump and Net Zero Operation Method of Gas-Boiler Steam Turbine Power Plant}Thermal Power Plant Exhaust Cooling Exhaust Heat Recovery and CO2 Capture Device, Heat Pump and Carbon Neutral Operation Method {By Pre-Condensate Evaporation Heat, Oxyfuel Combustor Exhaust Gas Cooling Heat Recovery and CO2 Capture Device, and Its Heat Pump and Net Zero Operation Method of Gas-Boiler Steam Turbine Power Plant}

본 발명은 화력발전소 가스보일러에서, 탄소 (CO2 Net Zero) 중립을 위한, CO2의 포집 장치와 이의 운전 방법에 관한 것으로, 작동유체로써 순환증기가, (8H2O + 2O2 + CH4 = 8H2O + CO2 + 2H2O), 연소실로 재순환되고, 순산소연소가 구현되어, CO2가 포집되며, 연소실에서 배기되는, (작동유체) 80mol% 순환증기와 연소로 생성된 20mol% 증기가, 냉각 복수 되고, 이 (기-복수) 갓 복수가, 냉매로써 막대한 증발열로, 연소실 유입 배기를 냉각, 이 (증기) 배기의 막대한 (복수) 응축열을 흡수하고, 냉각함으로써, 이 배기는 냉각 복수 되고, 이 기-복수는 90℃ 증기로 승온 하여, 히트펌프 수단으로, 연소실 배기열이 전량 회수되며, CO2가 포집되어 탄소 중립이 실현되는 것이 특징이다.The present invention relates to a CO 2 capture device and an operating method thereof for carbon (CO 2 Net Zero) neutralization in a gas boiler of a thermal power plant, and circulating steam as a working fluid is (8H 2 O + 2O 2 + CH 4 = 8H 2 O + CO 2 + 2H 2 O), recirculated to the combustion chamber, pure oxygen combustion is realized, CO 2 is captured, and 80 mol% of circulating steam (working fluid) exhausted from the combustion chamber and 20 mol produced by combustion % steam becomes cooling condensate, and this (group-plural) gas condensate cools the combustion chamber inlet exhaust with enormous evaporation heat as a refrigerant, absorbs and cools the enormous (condensation) condensation heat of this (steam) exhaust, and this exhaust is cooled condensate, and this condensate is heated to 90°C with steam, and by means of a heat pump, all exhaust heat from the combustion chamber is recovered, and carbon neutrality is realized by collecting CO 2 .

공기 중 질소는 78%, 산소 21%, 기타(CO2, 아르곤 등) 1% 정도이다. 가스터빈에서는, 보통 NG가 연료로 공기 연소 된다. 따라서 연소실 배기 중에 질소(78%)로 인하여 이산화탄소(CO2)를 포집하는 것이 쉽지 않았다. 이 문제를 해결하기 위하여 최근에 순산소연소가 연구되고 있다. 즉, 공기 대신 순 산소만을 연소실에 주입하면 연소실 배기는 오직 증기와 CO2만으로 이뤄지므로 이 배기를 냉각하여 생성된 증기를 복수하고 CO2를 쉽게 포집하는 연구이다. 이 순산소연소는 질소가 제거됨에 따라 작동유체가 줄어들어 연소실이 과열되는 새로운 문제가 되었다. 따라서, 연소실 과열 문제를 해결하기 위하여, 가스터빈 CES 사이클에서처럼, 연소실로 작동유체로써 증기가 순환하거나, 알람 (Allam) 사이클처럼, CO2가 연소실로 재순환되어야 한다.Nitrogen in the air is about 78%, oxygen 21%, and other (CO 2 , argon, etc.) 1%. In gas turbines, NG is usually air-combusted as fuel. Therefore, it was not easy to capture carbon dioxide (CO 2 ) due to nitrogen (78%) during combustion chamber exhaust. In order to solve this problem, oxy-combustion has recently been studied. In other words, if pure oxygen is injected into the combustion chamber instead of air, the combustion chamber exhaust consists of only steam and CO 2 , so it is a study to recover the steam generated by cooling the exhaust and easily capture CO 2 . This pure oxy-combustion became a new problem of overheating of the combustion chamber as the working fluid decreased as nitrogen was removed. Therefore, in order to solve the problem of overheating of the combustion chamber, steam as a working fluid must be circulated into the combustion chamber as in the gas turbine CES cycle, or CO 2 must be recycled into the combustion chamber as in the Allam cycle.

석탄 화력발전소에서는, 보통 미분탄이 공기와 더불어 보일러 연소실에 분사 주입된다. 따라서 연소실 배기 중에 석탄분진, 미세먼지, 황산화물 등 환경오염 물질이 배출될 수밖에 없다. 이 문제를 해결하기 위해서, 석탄 보일러 대신, 가스보일러가 사용되어, 순산소연소를 위하여, 작동유체로써 순환 증기가 연소실로 재순환되면, 탄소 중립을 실현할 수 있으나, 이 증기는, 어떠한 기체에서도 볼 수 없는 막대한 응축열의 특성이 있어, 쉽게 복수 되지 않는 문제가 있고, 또한, 증기터빈 복수기에서처럼, 50%에 이르는 막대한 연소실 배기열의 손실 문제가 해소되어야 한다.In coal-fired power plants, pulverized coal is usually injected into the boiler combustion chamber along with air. Therefore, environmental pollutants such as coal dust, fine dust, and sulfur oxides are inevitably discharged during exhaust from the combustion chamber. To solve this problem, if a gas boiler is used instead of a coal boiler, and circulating steam as a working fluid is recycled to the combustion chamber for pure oxygen combustion, carbon neutrality can be realized, but this steam cannot be found in any gas. There is a characteristic of an enormous condensation heat without condensation, so there is a problem that is not easily condensed, and also, as in a steam turbine condenser, the problem of loss of up to 50% of the exhaust heat from the combustion chamber must be solved.

이산화탄소(CO2)는 바닷물에는 비교적 잘 녹고 낮은 온도에 압력을 가하면 더욱 잘 녹는 것으로 알려졌다. 최근에, 이 CO2를 물에 탄산수로 녹여, 전기와 수소를 생산하는 기술이 개발되었다. 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℃로, 상온(20℃)에서 낮은 압력(8.6bar)으로 액화된다. 이러한 NH3은 종래에 (200bar 450℃) 고온 고압으로 제조되었으나, 최근에 (UNIST) 울산과학기술원에서 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, NH3을 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, (KIST) 한국과학기술원에서, 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 저장 용기에서 손쉽게 꺼내 쓸 수 있는 미래 신기술의 가능성을 보인 것이다.It is known that carbon dioxide (CO 2 ) dissolves relatively well in seawater and dissolves better when pressure is applied at a lower temperature. Recently, a technology has been developed to produce electricity and hydrogen by dissolving this CO 2 into carbonated water. Hydrogen has a very low boiling point of -252.87℃, so commercial hydrogen is not produced as a liquid, but is usually compressed at high pressure and used. Ammonia (NH 3 ), which is a colorless gas at room temperature and is mainly used as a raw material for fertilizer, has a boiling point of -33.34 ° C and is liquefied at a low pressure (8.6 bar) at room temperature (20 ° C). This NH 3 has been conventionally produced at high temperature and high pressure (200 bar at 450° C.), but recently (UNIST), a new technology for producing at 45° C. at 1 atm has been developed at the Ulsan Institute of Science and Technology. Due to these characteristics, it has recently been actively studied as a medium for storing and transporting hydrogen. In other words, it is a technology that does not pollute the environment by utilizing nitrogen, which is 78% of the air, to make NH 3 and store it, then extract hydrogen from NH 3 and release nitrogen back into the atmosphere. In addition, 1.5 times more hydrogen is stored in NH 3 than in liquid. Also recently, at the Korea Advanced Institute of Science and Technology (KIST), a hydrogen extractor has been developed that separates this hydrogen from nitrogen from NH 3 at a temperature below 450 °C using a catalyst and a membrane device. In other words, it shows the possibility of a future new technology that stores hydrogen in a storage container (NH 3 ) at a low pressure (8.6 bar) at 1.5 times that of liquid, and can easily take the hydrogen out of the storage container and use it.

본 발명에서는, 이산화탄소(CO2)를 쉽게 포집할 수 있도록, 연소실에 순 산소만 주입, 순산소연소가 구현되며, 증기는, 증기터빈 복수기에서처럼, 복수 되어 배기열은 회수되며, CO2가 대기로 방출되지 않도록, 포집된다.In the present invention, in order to easily capture carbon dioxide (CO 2 ), only pure oxygen is injected into the combustion chamber, pure oxygen combustion is implemented, and steam is condensed, as in a steam turbine condenser, exhaust heat is recovered, and CO 2 is returned to the atmosphere. It is collected so that it is not released.

화력발전소 석탄 보일러에서는 이산화탄소(CO2)뿐만 아니라 석탄분진, 미세먼지, 황산화물 등이 생성되고, 대기로 방출된다. 이 석탄 보일러 대신, 가스보일러가 사용되면, 석탄분진, 미세먼지 등이 방출되지 않는다.Coal-fired boilers in thermal power plants generate not only carbon dioxide (CO 2 ) but also coal dust, fine dust, and sulfur oxides, which are then released into the atmosphere. If a gas boiler is used instead of this coal boiler, coal dust and fine dust are not emitted.

화력발전소에서는, 연료의 연소로 지구 온난화의 주범인 CO2가, 엄청나게 많은 양이, 끊임없이 발생한다. 따라서 탄소 (CO2 Net Zero) 중립이 절실하다. 연소실에서 끊임없이 발생하는 이 CO2가 포집되어, 이 탄소 중립이 실현되어야 한다.In a thermal power plant, CO 2 , the main culprit of global warming, is continuously generated in an extremely large amount due to the combustion of fuel. Therefore, carbon (CO 2 Net Zero) neutrality is essential. This CO 2 constantly generated in the combustion chamber must be captured so that this carbon neutrality can be realized.

탄소 (CO2 Net Zero) 중립이 실현되기 위해서는, 순산소연소가 구현되어, CO2가 쉽게 포집되어야 한다. 이 순산소연소를 위해서는 연소실로 증기가 재순환되거나 CO2가 재순환되어야 한다. 본 발명에서는, 증기가 작동유체로써, (8H2O + 2O2 + CH4 = 8H2O + CO2 + 2H2O), 연소실로 재순환되어, 이 증기가 복수 되고, 증기터빈에서처럼, 50%에 이르는 배기 손실이 해소되어야 한다. 그러나, 이 순환 증기는 어느 기체에서도 볼 수 없는 막대한 응축열의 특성이 있어, 통상의 열교환 방법으로 이 배기는 바닷물을 사용하지 않고 복수하는 것은 불가능하다.In order to achieve carbon (CO 2 Net Zero) neutrality, oxy-combustion must be realized and CO 2 must be easily captured. For this oxy-combustion, steam must be recycled to the combustion chamber or CO2 must be recycled. In the present invention, steam as the working fluid, (8H 2 O + 2O 2 + CH 4 = 8H 2 O + CO 2 + 2H 2 O), is recycled to the combustion chamber, and this steam is condensed, as in a steam turbine, 50% Emission losses up to However, this circulating steam has a characteristic of enormous heat of condensation not found in any gas, and it is impossible to recover this exhaust without using seawater by ordinary heat exchange methods.

본 발명에서는, 화력발전소에서, 석탄 보일러 대신, 가스보일러가 사용되고, 탄소 (CO2 Net Zero) 중립이 실현되도록, 산소와 질소가 공기로부터 분리 생산되어, 냉매로 활용 후, 연소실에 순 산소만 주입되고, 작동유체로써 순환수(증기)가, 연소실로 재순환되어, (8H2O + 2O2 + CH4 = 8H2O + CO2 + 2H2O), 순산소연소가 구현되며, 보일러 연소실에 일정한 운전압력이 유지되면서, 연소실 배기가 배압 (Back Pressure) 0.2bar 이하로, 본 발명 (배기냉각기) 특수 열교환기로 (흡입) 유입되어, 아래와 같이, (기-복수) 갓 복수의 증발열과 더불어 소량의 냉매 산소로 냉각되어, 배기 중 증기가 복수 되고, 막대한 증기의 응축열이 기-복수 증발열로 흡수되어, 이 배기열이 전량 회수되고, 배기 중 CO2가 -13℃로 포집되어 상기 탄소 중립이 실현된다.In the present invention, in a thermal power plant, a gas boiler is used instead of a coal boiler, and oxygen and nitrogen are produced separately from air so that carbon (CO 2 Net Zero) neutrality is realized, used as a refrigerant, and only pure oxygen is injected into the combustion chamber. , and circulating water (steam) as a working fluid is recirculated to the combustion chamber, (8H 2 O + 2O 2 + CH 4 = 8H 2 O + CO 2 + 2H 2 O), realizing pure oxygen combustion, While maintaining a constant operating pressure, the exhaust from the combustion chamber is (suctioned) introduced into the special heat exchanger of the present invention (exhaust cooler) with a back pressure of 0.2 bar or less, is cooled with oxygen as a refrigerant, condensation of steam in the exhaust gas, condensation heat of the enormous steam is absorbed as steam-condensation heat of vaporization, all of this exhaust heat is recovered, CO 2 in the exhaust gas is collected at -13°C, and the above carbon neutrality is realized. do.

상기 연소실 (증기) 배기는, 막대한 (대기압 기준 539kcal/kg) 응축열의 특성으로, 냉각 쉽게 복수 되지 않으나, 이 막대한 응축열이 (냉매로써) 증발열로 (냉각열로) 활용되어, 선행 (배기) 증기가 냉각 응축된, (갓 복수) 기-복수가, 막대한 증발열로, 후속 배기를 냉각, 이 연소실 배기가 냉각 복수 되고, 이 기-복수는 막대한 증기의 (복수) 응축열을 흡수하고 90℃ 증기로 승온, 히트펌프 수단으로, 이 증기의 배기열이 전량 회수된다.The combustion chamber (steam) exhaust is characterized by enormous (atmospheric pressure 539 kcal/kg) condensation heat, so it is not easily cooled, but this enormous condensation heat is utilized as evaporation heat (as cooling heat) (as a refrigerant), leading (exhaust) steam is cooled and condensed, (fresh condensate) gas-condensate, with enormous evaporation heat, cools the subsequent exhaust, this combustion chamber exhaust becomes cooled condensate, and this gas-condensate absorbs the (condensate) condensation heat of the enormous steam and turns it into 90 ° C steam The entire amount of exhaust heat of this steam is recovered by means of temperature raising and heat pump.

이처럼, 연소실 배기가, 상기 배기냉각기에 배압 0.2bar로 (흡입) 유입되어, 증기가 복수 되고, 이 기-복수가, 후속 (배기) 증기를, 막대한 증발열로 냉각하며, 90℃ 증기로 승온 하기 위해서는, 연소실에 1atm 이상의 일정한 운전압력이 유지되어야 하므로, 상기 가스보일러 연소실 배기는, 본 발명 (특수 배기 장치) 동력발생기를 통하여 배출되고, 이 배기는 상기 본 배기냉각기에 배압 0.2bar로 (흡입) 유입된다.In this way, the combustion chamber exhaust is introduced (intake) into the exhaust cooler at a back pressure of 0.2 bar, and steam is condensed, and this group-condensation cools the subsequent (exhaust) steam with enormous heat of evaporation and raises the temperature to 90 ° C steam. In order to do this, since a constant operating pressure of 1 atm or more must be maintained in the combustion chamber, the gas boiler combustion chamber exhaust is discharged through the power generator of the present invention (special exhaust device), and this exhaust is (suctioned) to the present exhaust cooler at a back pressure of 0.2 bar. is introduced

이처럼, 연소실 배기가, 상기 배기냉각기에 배압 0.2bar로 (흡입) 유입되어, 증기가 복수 되고, 이 기-복수가, 후속 (배기) 증기를, 막대한 증발열로 냉각하며, 90℃ 증기로 승온 하기 위해서는, 연소실에 1atm 이상의 일정한 운전압력이 유지되어야 하므로, 상기 가스보일러 연소실 배기는, 본 발명 (특수 배기 장치) 동력발생기를 통하여 배출되고, 이 배기는 상기 본 배기냉각기에 배압 0.2bar로 (흡입) 유입된다.In this way, the combustion chamber exhaust is introduced (intake) into the exhaust cooler at a back pressure of 0.2 bar, and steam is condensed, and this group-condensation cools the subsequent (exhaust) steam with enormous heat of evaporation and raises the temperature to 90 ° C steam. In order to do this, since a constant operating pressure of 1 atm or more must be maintained in the combustion chamber, the gas boiler combustion chamber exhaust is discharged through the power generator of the present invention (special exhaust device), and this exhaust is (suctioned) to the present exhaust cooler at a back pressure of 0.2 bar. is introduced

본 발명에서는, 화력발전소 가스보일러에서, 선행 배기 기-복수가, 막대한 증발열로, 연소실 후속 (증기) 배기를 냉각하며 배기열을 증발열로 흡수하여, 이 막대한 배기열이 전량 회수되고, 게다가 연소로 생성된 CO2로 수소가 생산되며, 이 수소와 냉매로 활용된 질소로 암모니아(NH3)가 제조되어, 결국, CO2로 수소가 생산되어, 이 NH3에, 액체 대비 1.5분량이, 저장됨으로써, 탄소 (CO2 Net Nero) 중립이 실현되도록 구성된 것이 특징이다.In the present invention, in the gas boiler of a thermal power plant, the preceding exhaust gas-condensate cools the exhaust heat following (steam) of the combustion chamber with enormous evaporation heat and absorbs the exhaust heat as evaporation heat, so that the entire amount of this enormous exhaust heat is recovered, and furthermore, Hydrogen is produced from CO 2 , and ammonia (NH 3 ) is produced from this hydrogen and nitrogen used as a refrigerant, and eventually, hydrogen is produced from CO 2 , and 1.5 parts of the liquid are stored in this NH 3 , It is characterized by being configured to realize carbon (CO 2 Net Nero) neutrality.

도 1은 가스보일러 연소실 배기가, (선행 배기) 기-복수로, 냉각 복수 되어 배기열이 전량 회수되고, CO2가 포집되는 것을 보인, 작동유체 흐름을 보인, 플로우 다이어그램이다.
도 2는 가스보일러 연소실 배기가, 본 발명 배기냉각기에 (흡입) 유입되어 냉각, 증기가 복수 되고, CO2가 -13℃ 저온으로 포집되는 것을 보인, 본 배기냉각기의 구조를 상징적으로 보인 도면이다.
도 3은 본 배기냉각기에서, 산소 등 불응축 기체를 포집 배출하기 위한, 블레이드 요부 형상을 보인 도면이다.
도 4는, 질소가 냉각 액화되는 과정을 보인, 질소 액화냉각 시스템의 작동유체의 흐름을 보인 플로우 다이어그램이다.
도 5는, (기-복수) 갓 복수가 냉매로써 증발열로 흡수한 (연소실의) 배기열이, 히트펌프 수단으로, 회수되는 과정을 도시한, 플로우 다이어그램이다.
도 6은 보일러 연소실이 밀폐상태로 1atm 이상의 압력이 유지되며, 연소실 배기가 배출되면서 동력이 생산되고 배압 0.2bar로 배출되도록 하는, 동력발생기의 요부 형상을 보인 도면이다.
도 7은 본 발명 동력발생기에 활용된 일반, 로베(Lobe) 펌프들의 형상을 보인 도면이다.
FIG. 1 is a flow diagram showing the flow of a working fluid, showing that exhaust gas from a combustion chamber of a gas boiler is cooled in a plurality of (preceding exhaust) phases, so that exhaust heat is completely recovered and CO 2 is captured.
2 is a diagram showing the structure of the present exhaust cooler symbolically showing that exhaust gas from a combustion chamber of a gas boiler is introduced (intake) into the exhaust cooler of the present invention to be cooled, vapor is condensed, and CO 2 is collected at a low temperature of -13 ° C. .
3 is a view showing the shape of a main part of a blade for collecting and discharging non-condensable gas such as oxygen in the present exhaust cooler.
4 is a flow diagram showing the flow of a working fluid in a nitrogen liquefaction cooling system, showing a process in which nitrogen is cooled and liquefied.
Fig. 5 is a flow diagram showing a process in which exhaust heat (of the combustion chamber) absorbed as evaporation heat by (group-plural) fresh condensate as refrigerant is recovered by means of a heat pump.
6 is a view showing the shape of a main part of a power generator in which a pressure of 1 atm or more is maintained in a sealed state of the boiler combustion chamber, and power is produced and discharged at a back pressure of 0.2 bar while exhaust from the combustion chamber is discharged.
7 is a view showing the shape of general, Lobe pumps used in the power generator of the present invention.

도 1은 화력발전소 가스보일러에서 (증기) 배기가, (선행 배기의) 기-복수로, 냉각 복수 되어 이의 배기열이 회수되고, CO2가 포집되는 것을 보인, 작동유체 흐름을 보인, 플로우 다이어그램이다. 본 발명에서는, 탄소 (CO2 Net Zero) 중립을 위하여, 작동유체로써 80mol% 순환수(증기)가, (8H2O + 2O2 + CH4 = 8H2O + CO2 + 2H2O), 연소실로 재순환되어 순산소연소가 구현되고, 따라서, 연소실 배기는 80mol% 작동유체로써 증기 및 20mol% 생성 증기와 10mol% CO2로 이뤄진다. 연소실 배기는, 본 발명 배기냉각기로, 배압 0.2bar 110℃로, 흡입되고, (선행 배기의 기-복수) 갓 복수가, 냉매로써 막대한 증발열을 냉각열로 활용하여, 증기로 증발하면서, 연소실 유입 배기를 냉각하고, 또 더불어 액상의 냉매 산소가 더 냉각하여, 이 연소실 배기 중 증기는 0.2bar 60℃로 냉각 복수 되며, 이 갓 복수는, 냉매로써, 후속 (증기) 배기를 냉각, 이의 막대한 (복수) 응축열을 막대한 증발열로 흡수하고 90℃ 증기로 승온 하며, 연소로 생성된 CO2가 -13℃로 (포집) 배출된다. 이 기-복수가 흡수한 연소실 배기열은, 이후, 히트펌프 수단으로, 전량 회수된다. 도 2는 본 발명 배기냉각기의 구조를 상징적으로 도시한 도면으로, 연소실 배기는, 본 배기냉각기에 흡입되고, 입구에 있는 배기열 흡수기에서, 상기 기-복수가, 냉매로써 막대한 증발열로, 냉매 산소와 더불어, 상기 연소실 배기를 냉각하며, 증기로 증발하여 이의 배기열을 흡수하고, 90℃로 승온 하게 된다. 도 2에서, 연소로 생성된 CO2는 -13℃로 (포집) 배출된다.1 is a flow diagram showing the flow of a working fluid, showing that (steam) exhaust from a gas boiler of a thermal power plant is refrigerated in a ki-plural (of a preceding exhaust), its exhaust heat is recovered, and CO 2 is captured. . In the present invention, for carbon (CO 2 Net Zero) neutrality, 80 mol% of circulating water (steam) as a working fluid, (8H 2 O + 2O 2 + CH 4 = 8H 2 O + CO 2 + 2H 2 O), It is recirculated to the combustion chamber to realize pure oxy-combustion, and therefore, the combustion chamber exhaust consists of 80 mol% steam as a working fluid, 20 mol% generated steam, and 10 mol% CO 2 . Exhaust from the combustion chamber is sucked in with the exhaust cooler of the present invention at a back pressure of 0.2 bar and 110 ° C, and the condensate (the group of the preceding exhaust) uses the enormous evaporation heat as cooling heat as a refrigerant and evaporates into steam while entering the combustion chamber. In addition to cooling the exhaust, the liquid refrigerant oxygen further cools it, and the steam in this combustion chamber exhaust is cooled to 60 ° C at 0.2 bar, and this condensate, as a refrigerant, cools the subsequent (steam) exhaust, its enormous ( Plural) Condensation heat is absorbed as enormous evaporation heat, the temperature is raised to 90℃ steam, and CO 2 generated by combustion is discharged (collected) at -13℃. The exhaust heat from the combustion chamber absorbed by this gas and condensate is then recovered in its entirety by means of a heat pump. Figure 2 is a diagram symbolically showing the structure of the exhaust cooler of the present invention, the combustion chamber exhaust is sucked into the exhaust cooler, and in the exhaust heat absorber at the inlet, the gas-condensate is converted into enormous evaporation heat as a refrigerant, refrigerant oxygen and In addition, the combustion chamber exhaust is cooled, evaporated into steam to absorb the exhaust heat thereof, and the temperature is raised to 90°C. In FIG. 2, CO 2 produced by combustion is discharged (captured) at -13°C.

본 발명에서는, 탄소 중립을 위하여, (연료 NG) 연소로 생성된 CO2가, 순산소연소로, 포집되어 대기로 방출되지 않으며, 작동유체로써 순환 증기가, (8H2O + 2O2 + CH4 = 8H2O + CO2 + 2H2O), 연소실로 재순환되어, 순산소연소가 구현된다. 이 순환증기와 생성된, (80+20) 100mol% 증기는, 본 배기냉각기에서, 냉각 복수 되고, 이 배기열은 전량 회수된다. 증기는 어느 기체에서도 볼 수 없는 막대한 응축열의 특성으로, 전 세계 모든 증기터빈에서는, 터빈 (증기) 배기가 막대한 (바닷물) 냉각수로 복수 되고, 이 냉각수는 바다로 방출되어 해양환경에 상당한 영향을 미치고 있다. 이 증기는 0.2bar 60℃에서 (복수) 응축열이 563kcal/kg이고, 물은 온도가 1℃ 상승하는데 1kcal/kg의 열량을 흡수하므로, 0.2bar 60℃에서, 증기 1kg이 복수 되려면, 563kg 바닷물이 온도가 1℃ 높아진다. 이처럼 증기는 막대한 응축열로 쉽게 복수 되지 않는다. 그러나, 본 발명에서는, 배기냉각기에서, 선행 배기 기-복수와 냉매로써 액상의 (-183℃) 냉매 (20mol% x 130%) 산소 40% 분량만으로 연소실로부터 유입되는 (80+20) 100mol% 배기는 냉각되어, 증기는 복수 되고, 10mol% CO2는 -13℃로 냉각 포집된다. 즉, 순산소연소를 위하여 연소실에 공급되는 산소 (20mol% x 130%) 중 액상의 냉매 -183℃ 40% 산소가 50℃로 예열되는 (340kcal) 열량만으로, 이 연소실 배기 중 100mol% 증기가 냉각 복수 되고, 10mol% CO2가 -13℃로 냉각 포집된다. 이처럼, 막대한 응축열의 특성이 있는 증기가 냉각 복수 되는 이유는, (기-복수) 갓 복수가, 냉매로써 막대한 증발열을 냉각열로 활용하여, (증기) 배기를 냉각, 막대한 응축열을 흡수하고, 90℃ 증기로 증발하며, 연소실 (유입) 배기를 냉각하기 때문이다. 예를 들어, 어떤 고무풍선 주머니에 (1+0.1) 1.1atm 100g 110℃ 증기를 넣어두고, 또 다른 고무풍선 주머니에는 1atm 100g 100℃ 포화온도 상태인 포화수를 넣고, 이 고무풍선 주머니들을 모두 보온 용기에 잠시 넣어두면, 이 110℃ 증기는 모두 100℃로 복수 되고, 이 100℃ 포화수는 모두 증기로 증발해야 한다. 이처럼 열역학의 원리로, 110℃ 유입 배기는 냉각 복수 되고, 60℃ 순환수는 막대한 증발열로 연소실 유입 배기의 (응축열) 배기열을 흡수하고 90℃ 증기로 증발하게 된다. 상기 기-복수가 흡수한 막대한 (응축열) 배기열은, 히트펌프 수단으로, 전량 회수된다. 요약하면, 이 막대한 배기열이 (다음에 설명되는) 복합 재순환 질소에 (잠시) 옮겨지고, 이 증기는 연소실 운전압력으로 복수 되어, 연소실 배기열을 (잠시) 보유한, 상기 복합 재순환 질소로, 270℃)로 예열되어, 상기 연소실 배기열이 전량 회수된다. 이 배기열 회수과정은 다음에 자세히 설명된다.In the present invention, for carbon neutrality, CO 2 generated by (fuel NG) combustion is captured and not released to the atmosphere by pure oxygen combustion, and circulating steam as a working fluid is (8H 2 O + 2O 2 + CH 4 = 8H 2 O + CO 2 + 2H 2 O), which is recycled to the combustion chamber, realizing pure oxygen combustion. This circulating steam and the generated (80+20) 100 mol% steam are cooled and condensed in this exhaust cooler, and all of this exhaust heat is recovered. Steam has a characteristic of enormous condensation heat that cannot be seen in any gas. In all steam turbines around the world, the turbine (steam) exhaust is converted into a huge amount of (sea water) cooling water, which is discharged into the sea and has a significant impact on the marine environment. there is. This steam has (condensation) heat of condensation of 563kcal/kg at 0.2bar 60℃, and water absorbs 1kcal/kg of heat when the temperature rises by 1℃, The temperature rises by 1 degree Celsius. As such, steam is not easily recovered due to the enormous heat of condensation. However, in the present invention, in the exhaust cooler, (80 + 20) 100 mol% exhaust from the combustion chamber with only 40% of the liquid (-183 ° C) refrigerant (20 mol% x 130%) oxygen as the refrigerant with the preceding exhaust-condensation is cooled, vapor condensed, and 10 mol% CO 2 is collected by cooling to -13°C. That is, for pure oxygen combustion, 100 mol% vapor in the exhaust of this combustion chamber is cooled only by the amount of heat (340 kcal) in which the liquid refrigerant -183°C 40% oxygen among the oxygen (20 mol% x 130%) supplied to the combustion chamber is preheated to 50°C. condensate, and 10 mol% CO 2 is collected by cooling to -13 °C. As such, the reason why steam with the characteristics of enormous condensation heat is cooled is that (ki-plural) gat condensate utilizes the enormous heat of evaporation as cooling heat as a refrigerant, cools (steam) exhaust, absorbs enormous condensation heat, and This is because it evaporates into steam at °C and cools the combustion chamber (inlet) exhaust. For example, put (1+0.1) 1.1atm 100g 110℃ steam in one balloon bag, put saturated water at 1atm 100g 100℃ saturation temperature in another balloon bag, and keep all of these balloon bags warm. If you put it in a container for a while, all of this 110℃ steam will be converted to 100℃, and all of this 100℃ saturated water will evaporate into steam. As such, according to the principle of thermodynamics, the 110°C inflow exhaust is cooled and condensed, and the 60°C circulating water absorbs the exhaust heat (condensation heat) of the combustion chamber inflow and exhaust with enormous evaporation heat and evaporates into 90°C steam. The enormous (condensation heat) exhaust heat absorbed by the gas and condensate is entirely recovered by means of a heat pump. In summary, this enormous exhaust heat is (temporarily) transferred to composite recycle nitrogen (explained next), and this vapor is condensed to the operating pressure of the combustion chamber to (temporarily) retaining the combustion chamber exhaust heat, to the composite recycle nitrogen, 270 ° C) is preheated, and all of the exhaust heat from the combustion chamber is recovered. This exhaust heat recovery process is described in detail below.

본 발명에서는, 보일러 연소실 배기가, 본 배기냉각기에, 배압 0.2bar로 (흡입) 유입되어, 배기열 (Exhaust Heat Absorber) 흡수기, 수증기 (Vapor Cooler) 냉각기 및 (CO2 Cooler) CO2냉각기에서, 순환 증기와 생성 증기가 (선행 배기의) 기-복수 및 소량의 냉매 산소로 냉각되어, 배기 중 증기는 복수 되고, 배기 10mol% CO2는 -13℃로 포집된다. 이 배기열 흡수기에서, 배압 0.2bar 포화온도 상태인 기-복수가 막대한 증발열로, 연소실 (흡입) 유입 배기를 냉각, 막대한 (복수) 응축열을 흡수하고 90℃ 증기로 승온 하며, 이 연소실 배기는, 다음, 수증기 (Vapor Cooler) 냉각기에서, 튜브로 흐르는 냉매 산소로 더 냉각되어, 배기 중 증기는 복수 되고, 나머지 CO2, 미연소 산소 등은 맨 우측에 있는 CO2냉각기에서, 냉매 산소로 더 냉각되어, CO2는 -13℃로 냉각되어, 배큠 펌프로 (포집) 배출되며, 과잉 공급된 미연소 산소, CO2 등 불응축 기체는 (다음에 설명되는) 냉기 순환 배관으로, 흡입되어 앞쪽으로 되돌아가며, 이 액상이 냉매 산소는 50℃로 예열된다. 갓 복수는, (Hot Well) 핫웰에서, 복수펌프로 상기 배기열 흡수기 튜브로 이송되어, 앞서 설명한 비와 같이, 후속 연소실 유입 배기를 냉각, 90℃ 증기로 승온, 배큠펌프로 흡입 배출된다. 상기 CO2냉각기에는 액상의 냉매 산소가 이의 튜브에 주입되고, 이어 수증기 냉각기에 공급된다. 본 배기냉각기의 구조와 배기가 냉각 복수 되는 과정은 다음에 자세히 설명된다.In the present invention, exhaust from the boiler combustion chamber is introduced (intake) to the exhaust cooler at a back pressure of 0.2 bar, and is circulated in the exhaust heat absorber absorber, vapor cooler cooler, and CO 2 cooler . Steam and product steam are cooled with gas-condensation (of the preceding exhaust) and a small amount of refrigerant oxygen, so that the steam in the exhaust is condensed and the exhaust 10 mol% CO 2 is captured at -13°C. In this exhaust heat absorber, the gas-condensate in the saturation temperature state of back pressure 0.2 bar cools the inlet exhaust of the combustion chamber (suction) with enormous evaporation heat, absorbs the enormous (convergent) condensation heat and raises the temperature to 90 ° C steam, and this combustion chamber exhaust is , in the Vapor Cooler cooler, it is further cooled by the refrigerant oxygen flowing through the tube, the vapor in the exhaust is condensed, and the remaining CO 2 , unburned oxygen, etc. are further cooled by the refrigerant oxygen in the CO 2 cooler on the far right , CO 2 is cooled to -13°C and discharged (captured) by the vacuum pump, and the excess supplied unburned oxygen and non-condensable gases such as CO 2 are sucked into the cold air circulation pipe (described below) and returned to the front. This liquid phase is preheated to 50 °C by the refrigerant oxygen. Fresh condensate is transferred to the exhaust heat absorber tube by a condensate pump in a hot well, and, as described above, cools the inflow exhaust from the subsequent combustion chamber, raises the temperature to 90 ° C. steam, and is sucked and discharged by the vacuum pump. In the CO 2 cooler, liquid refrigerant oxygen is injected into its tube and then supplied to the steam cooler. The structure of this exhaust cooler and the process of cooling and condensing the exhaust will be described in detail next.

도 3은 (도 2) 본 배기냉각기에서, 과잉 공급된 산소, 불완전 연소로 생성된 일산화탄소(CO) 등, 불응축 기체를 포집 배출하기 위한, 냉기 (Cold Gas) 순환 블레이드 요부 형상을 보인 도면이다. 연소실 배기에는 연소에 과잉 공급된 산소에 의한, 미연소 산소, 불완전 연소로 생성된 일산화탄소 따위 불응축 기체들이 존재하므로, 이 불응축 기체들은 제거되어야 한다. 도 3에 보인, 블레이드가 회전함에 따라, 이 불응축 기체들은 소량의 CO2와 더불어 CO2Cooler 냉각기 참버 천장에서 흡입되어, 중앙 앞쪽으로 순환하며, 산소, CO 등 CO2보다 가벼운 불응축 기체는 포집되어 방출된다. 도 4, 5는 연소실 배기열이 회수되는 과정에 관련되는 도면으로 다음에 설명된다. 도 6은 상기 연소실의 배기열을 회수하기 위한 동력발생기의 요부를 보인 도면이고, 도 7은 이 동력발생기와 유사한 구조의 상업용 로베 펌프들의 형상을 보인 도면이다. 연소실이 밀폐상태로, 1atm 이상의 일정한 압력이 유지되며, 연소실 배기가 배출되도록, 도 1에 보인 바와 같이, 연소실 배기가 배출되는 출구 후단에, 이 동력발생기가 설치되고, 연소실 배기는 이 동력발생기를 통하여, 본 배기냉각기로 배기 되며, 이 동력발생기 후단 압력이 제어될 수 있도록, 이 동력발생기 앞쪽에서 뒤쪽으로 바이패스 (Bypass Passage) 통로가 설치된다. 이와 같은 수단으로, 연소실 배기는 이 동력발생기를 통하여 배출되면서, 연소실 압력으로, 동력발생기 (Lobe) 로터를 회전시키며, 동력을 생산하면서, 배출된다.FIG. 3 (FIG. 2) is a diagram showing the shape of a main part of a cold gas circulation blade for collecting and discharging non-condensable gases, such as excess oxygen and carbon monoxide (CO) generated by incomplete combustion, in this exhaust cooler. . Since non-condensable gases, such as unburnt oxygen and carbon monoxide generated by incomplete combustion, exist in the combustion chamber exhaust, these non-condensable gases must be removed. As shown in FIG. 3, as the blade rotates, these non-condensable gases, together with a small amount of CO 2 , are sucked in from the ceiling of the cooler chamber of the CO 2 Cooler and circulated toward the center front, and non-condensable gases lighter than CO 2 such as oxygen and CO captured and released 4 and 5 are diagrams related to a process in which exhaust heat from the combustion chamber is recovered, which will be described next. 6 is a view showing the main part of a power generator for recovering exhaust heat from the combustion chamber, and FIG. 7 is a view showing the shape of commercial lobe pumps having a structure similar to this power generator. As shown in FIG. 1, this power generator is installed at the rear end of the outlet where the combustion chamber exhaust is discharged, so that the combustion chamber is in a sealed state, a constant pressure of 1 atm or more is maintained, and the combustion chamber exhaust is discharged, and the combustion chamber exhaust is discharged through the power generator. Through this, exhaust is discharged to the present exhaust cooler, and a bypass passage is installed from the front to the back of the power generator so that the pressure at the rear end of the power generator can be controlled. With this means, the combustion chamber exhaust is discharged through this power generator, rotating the power generator (lobe) rotor at the pressure of the combustion chamber, and is discharged while producing power.

상기 동력발생기와 디퓨저를 통한 바이패스 통로로, (도 2) 본 배기냉각기에 유입되는, 연소실 배기는 배압 (Back Pressure) 0.2bar 110℃로 유지될 수 있다. 본 배기냉각기에서, 순환 증기와 생성 (80+20) 100mol% 증기가 복수 되므로, 증기의 체적은 보통 1/1650 배로 줄어들어, 연소실 배기는, 증기터빈 복수기에서처럼, 본 배기냉각기에 흡입되고, 연소실 운전압력이, 이 동력발생기와 상기 바이패스 통로를 통한 유량이 제어되어, 상기 배압 0.2bar로 유지될 수 있으며, 본 배기냉각기에 유입되는 배기 온도는 이 디퓨저 바이패스 통로를 통하여 제어됨으로 110℃로 유지된다. 예를 들어, 증기는 단열지수 값이 k=1.327이므로, 1atm 300℃ 증기가 0.2bar로 단열팽창 하면, 이 증기는 온도 110℃로 강온 된다. 따라서, (도 2) 본 배기냉각기에, 이 연소실 배기는, 이 동력발생기를 통하여, 배압 0.2bar 온도 110℃로 흡입되고, 기-복수가 0.2bar 포화온도 (60.058℃) 상태에서 증발하면서, 막대한 증발열로 연소실 배기가 냉각 복수 된다. 사실상, 이 동력발생기로부터 유효한 동력은 얻을 수 없으나, 연소실 배기가 배압 0.2bar로 본 배기냉각기에 (흡입) 유입됨으로써, 연소실 배기 (80+20) 100mol% 증기가 냉각 복수 되어, 이의 막대한 배기열은 전량 회수되는 효과는 실로 막대하다.Through the bypass passage through the power generator and the diffuser (FIG. 2), combustion chamber exhaust flowing into the exhaust cooler can be maintained at a back pressure of 0.2 bar and 110°C. In this exhaust cooler, since the circulating steam and the generated (80+20) 100 mol% steam are condensed, the steam volume is usually reduced by 1/1650 times, so the combustion chamber exhaust is sucked into this exhaust cooler, as in the steam turbine condenser, and the combustion chamber operates The pressure can be maintained at the back pressure of 0.2 bar by controlling the flow rate through the power generator and the bypass passage, and the exhaust temperature flowing into the exhaust cooler is controlled through the diffuser bypass passage and maintained at 110 ° C. do. For example, steam has an adiabatic index value of k = 1.327, so when 1atm 300℃ steam adiabatically expands to 0.2bar, the temperature of the steam drops to 110℃. Therefore, in this exhaust cooler (Fig. 2), the combustion chamber exhaust is sucked in through this power generator at a back pressure of 0.2 bar and a temperature of 110° C. The exhaust gas from the combustion chamber is cooled and condensed by the heat of evaporation. In fact, effective power cannot be obtained from this power generator, but the combustion chamber exhaust (suction) flows into this exhaust cooler at a back pressure of 0.2 bar, so that the combustion chamber exhaust (80+20) 100 mol% steam is cooled and condensed, and its enormous exhaust heat is all The effect of recovery is truly enormous.

상기 동력발생기는 일반 액체를 이송하는, 도 7에 보인, 로베(Lobe) 펌프의 구조와 같은 형태의 것으로, 이 펌프 입구에 디퓨저 노즐 (Diffuser Nozzle) 형상의 감압 노즐을 붙인 것이다. 이 감압 노즐로 연소실 배기는 저항을 받아, 연소실 압력이 좀 더 높게 유지되고, 압력을 지닌 배기는 이 동력발생기에서 팽창하며 얼마간의 동력을 생산하게 된다. 도 7에 보인, 로터의 로베에 의한 포켓 (Pocket) 내의 배기가 지닌 압력은 동력으로 변환되지 않고 배출됨으로써, 이 동력발생기에서 기체가 지닌 압력 에너지가 모두 기계적 동력으로 변환되지 못하나, 상기 감압 노즐의 작용으로 손실은 최소화된다. 즉, 이 작동유체가 지닌 압력 에너지(PV)가 이 디퓨저 노즐을 지나면서 (1/2mv^2) 운동에너지로 변환되고, 터빈에서처럼, 빠른 속도로 달리는 유체 입자가 로터의 로베에 충돌하는 효과가 생겨나 배기되는 입자의 충격량(Δmv)으로 동력이 더 생산되어, 열 손실은 최소화된다.The power generator has the same structure as the Lobe pump shown in FIG. 7, which transfers general liquid, and has a diffuser nozzle-shaped pressure reducing nozzle attached to the pump inlet. With this pressure reducing nozzle, the combustion chamber exhaust is resisted, so the combustion chamber pressure is kept higher, and the exhaust with pressure expands in this power generator to produce some power. As shown in FIG. 7, the pressure of the exhaust in the pocket by the lobe of the rotor is discharged without being converted into power, so that all of the pressure energy of the gas in this power generator is not converted into mechanical power, but the pressure reduction nozzle As a result, losses are minimized. In other words, the pressure energy (PV) of this working fluid is converted into kinetic energy (1/2mv^2) as it passes through this diffuser nozzle, and as in a turbine, the effect of the fluid particles running at high speed colliding with the rotor lobe is More power is produced with the impulse (Δmv) of the generated and exhausted particles, minimizing heat loss.

본 발명에서는, 보일러 연소실 배기가, 앞서 설명한 동력발생기를 지나며, 압력이 배압 0.2bar 온도 110℃로 강하되어, 본 배기냉각기에 (흡입) 유입되고, 앞서 설명한 바와 같이, 냉각 복수 되고, 기-복수 90℃ 증기로 승온 하여, 히트펌프 수단으로, 1atm 이상으로 가압, 냉각 복수 된다. 이 1atm 복수 중 20mol% 생성 증기는 (다음에 설명되는) 탄소 중립에 활용되며, 80mol% 순환증기는 연소실로 재순환된다. 즉, 이 80mol% 작동유체로써 순환증기는 계속 순환된다. 그러므로, 이 순환증기에는 미량의 환경오염 물질이 녹아들어 (누적) 존재할 수 있으므로, (도 2) 본 배기냉각기 (Hot Well) 핫웰 복수는, 도시한 바와 같이, 소량 복수 탱크로 옮겨지고, 정화 처리된 순환수가 이 핫웰에 공급된다.In the present invention, the boiler combustion chamber exhaust passes through the power generator described above, the pressure drops to a back pressure of 0.2 bar and a temperature of 110 ° C, and is introduced (suction) to the exhaust cooler, and as described above, it is cooled and condensed, and group-plural. The temperature is raised with 90°C steam, pressurized to 1 atm or more by means of a heat pump, and cooled. Of this 1 atm condensate, 20 mol% product steam is utilized for carbon neutrality (described below), and 80 mol% circulating steam is recycled to the combustion chamber. That is, circulating steam continues to circulate with this 80 mol% working fluid. Therefore, since a small amount of environmental pollutants may melt (accumulate) and exist in this circulating steam, (Fig. circulated water is supplied to this hot well.

본 발명에서는, 순산소연소를 위하여, 압축공기로 산소와 더불어 질소가 액상으로 생산되어, 냉매로 활용되고, 이 20mol% x 130% 산소 중 40% 분량이, 앞서 설명한 바와 같이, (도 2) 본 배기냉각기에서, 연소실 배기를 냉각하며, 50℃로 예열되고, 나머지 60% 산소 중 10% 산소가, 탄소 중립을 위하여, 0.2bar -13℃로 포집된 CO2를, (도 1) 외부 (CO2 ExCooler) CO2냉각기에서, 1atm 5℃로 냉각하며, 80℃로 승온 하게 된다. 좀 더 자세히 설명하면, 0.2bar -13℃ CO2가 배큠펌프로 1atm으로 가압 되어 100℃로 승온 후, 액상의 냉매 20mol% x 130% 산소 10% 분량으로, 외부 CO2냉각기에서, 5℃로 냉각되고, 이 산소는 80℃로 승온 하게 된다. 나머지 50% 액상의 -183℃ 산소는 이 50℃ 40% 산소 및 80℃ 10% 산소와 -179℃로 혼합되어, 도 1에 보인, (다음에 설명되는) 산소예열기에서 고온으로 예열된 이후, 연소실에 주입된다.In the present invention, for pure oxygen combustion, nitrogen is produced in a liquid phase along with oxygen from compressed air and used as a refrigerant, and 40% of this 20 mol% x 130% oxygen is, as described above, (FIG. 2) In this exhaust cooler, the combustion chamber exhaust is cooled, preheated to 50 ° C, and CO 2 captured at 0.2 bar -13 ° C for carbon neutrality with 10% oxygen among the remaining 60% oxygen, (FIG. 1) outside ( CO 2 ExCooler) In the CO 2 cooler, it cools down to 5℃ at 1atm and raises the temperature to 80℃. In more detail, 0.2bar -13℃ CO 2 is pressurized at 1atm with a vacuum pump and the temperature is raised to 100℃, and then the liquid refrigerant 20mol% x 130% oxygen 10%, in an external CO 2 cooler, to 5℃ Cooled down, this oxygen is heated to 80 °C. The remaining 50% liquid -183 ° C oxygen is mixed with 50 ° C 40% oxygen and 80 ° C 10% oxygen at -179 ° C, and preheated to a high temperature in an oxygen preheater (described next) shown in FIG. injected into the combustion chamber.

산소와 질소가 분리 생산되는 증류탑에는, 대기를 5.5kg/cm2로 압축 210℃로 승온 한 압축공기가, 압축공기 (Compressed Air Cooler) 냉각기에서, 액상의 냉매 30mol% 질소로, 재순환되며 냉각되어, 이 증류탑 운전 (5.5kg/cm2 77℃) 조건에 충족된 압축공기는, 도 1에 보인 바와 같이, 증류탑에 공급되어, 산소와 질소가 액상으로 생산되며, 이 액상의 냉매 -196℃ 30mol% 질소는, 210℃ 압축공기를 증류탑 운전조건으로 냉각하며, 190℃로 승온 하게 된다. 이 190℃ 질소는, 다음에 설명되는, (도 5) 연소실 배기열 회수 시스템에서, 상기 배기열을 흡수한 90℃ 순환증기를, 히트펌프 수단으로, 120℃로 (Boost up) 가열하게 된다. 상기 증류탑 운전조건은 (주)포스코에서 발명하여, 특허 등록된 '질소가스 생산 시스템'을 참고한 값이다. 이 산소와 질소 생산 시스템에서 산소와 더불어 생산되는 (80mol% x 130%) 104mol% 액상의 질소 중, 이 압축공기 냉각에 사용된, 30mol% 질소에 10mol%를 더한 40mol% 질소를 제외한 나머지 질소는 아예 액상으로 생산되지 않거나, 다른 용도로 사용된다.In the distillation tower where oxygen and nitrogen are produced separately, compressed air heated to 210℃ by compressing the atmosphere to 5.5 kg/cm 2 is recycled and cooled with 30 mol% nitrogen as a liquid refrigerant in the compressed air cooler (Compressed Air Cooler) cooler. , Compressed air that meets the distillation column operation condition (5.5kg/cm 2 77°C) is supplied to the distillation column, as shown in FIG. % Nitrogen cools compressed air at 210°C under distillation column operating conditions and raises the temperature to 190°C. This 190°C nitrogen heats (Boost up) 90°C circulating steam that has absorbed the exhaust heat to 120°C by means of a heat pump in the combustion chamber exhaust heat recovery system (FIG. 5) described below. The operating conditions of the distillation tower refer to the patented 'nitrogen gas production system' invented by POSCO. Of the 104 mol% liquid nitrogen produced along with oxygen in this oxygen and nitrogen production system (80 mol% x 130%), the remaining nitrogen except for 40 mol% nitrogen, which is 30 mol% nitrogen plus 10 mol% nitrogen used for cooling this compressed air, is It is not produced in liquid form at all, or used for other purposes.

석탄 보일러에는 (Economizer) 절탄기가 있고, 이 절탄기에서 보일러의 연소실에 공급되는 급수가 예열된다. 이 절탄기 배기는 보통 350℃ 이상으로 고온이다. 가스보일러에서도 연소실에서 배출되는 배기가 350℃ 이상으로 예측되며, 이 연소실 배기로, 도시한 바와 같이, 순환증기 (Circ.Stm PreHte#3) 예열기#3 및 산소 (Oxygen PreHtr) 예열기에서, (다음에 설명되는) 순환증기가 더 고온으로 예열되어 연소실에 주입 재순환되고, 상기 산소가 고온으로 예열되어, 연소실에 공급된다.The coal boiler has an economizer, and in this economizer, the feed water supplied to the combustion chamber of the boiler is preheated. The exhaust of this economizer is usually hot, over 350°C. Even in gas boilers, exhaust from the combustion chamber is predicted to be 350 ° C or more, and with this combustion chamber exhaust, as shown, in the circulating steam (Circ.Stm PreHte # 3) preheater # 3 and oxygen (Oxygen PreHtr) preheater, (next described above) is preheated to a higher temperature and injected into the combustion chamber and recirculated, and the oxygen is preheated to a higher temperature and supplied to the combustion chamber.

보일러 연소실 배기는, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 순환증기 예열기#3 및 산소예열기를 거치고, 다음, 대부분 상기 동력발생기를 거쳐 본 배기냉각기에 110℃로 흡입된다. 일부 소량의 배기는 이 동력발생기를 경유하지 않고, (Diffuser) 디퓨저가 있는 바이패스 통로를 통하여 곧바로 이 동력발생기 후단으로 흐르게 된다. 이 연소실 배기는 바이패스 통로의 유량을 제어하는 유량제어 밸브를 통하여 팽창함으로 압력 온도가 상당히 강하된다. 이러한 동력발생기 및 바이패스 통로의 수단으로, (도 2) 본 배기냉각기에 흡입되는 이 배기 온도는 0.2bar 110℃로 유지된다.Exhaust from the combustion chamber of the boiler, as shown in FIG. 1, passes through the circulating steam preheater #3 and the oxygen preheater, and then mostly passes through the power generator and is sucked into the exhaust cooler at 110°C. A small amount of exhaust does not pass through this power generator, but flows directly to the rear end of this power generator through a bypass passage with a diffuser (Diffuser). As the combustion chamber exhaust expands through a flow control valve that controls the flow rate of the bypass passage, the pressure and temperature drop significantly. By means of this power generator and bypass passage, (Fig. 2) the temperature of this exhaust air drawn into this exhaust cooler is maintained at 0.2 bar 110°C.

탄소 (CO2 Net Zero) 중립을 위해서는, 순산소연소가 구현되어, CO2가 포집되어야 하고, 따라서, 이 순산소연소를 위해서는, 가스터빈에서는 연소실로 작동유체로써, 증기가 순환하거나, CO2가 순환해야 한다. 가스터빈 순산소연소 CES 사이클에서는, 순환증기가 연소실로 재순환되고, 알람 (Allam) 사이클에서는 CO2가 연소실로 재순환되어, 연소실의 과열이 방지되고, 터빈에서 동력생산 효율을 높이는 연구가 진행 중이다. 본 발명에서는, CES 사이클에서처럼, 순환증기가 연소실로 재순환되어, 연소실의 과열이 방지되고, 게다가, 바닷물이 냉각수로 사용되지 않고도, 이 연소실 배기는 복수 되고, 이의 배기열이 전량 회수되어, 히트펌프 수단으로, 압축기 구동 동력을 제하고, 이 배기열 대비 (Net) 정미 77%의 열량이 회수된다.In order to be carbon (CO 2 Net Zero) neutral, pure oxy-combustion must be implemented and CO 2 must be captured, and therefore, for this pure oxy-combustion, steam is circulated as a working fluid into the combustion chamber in a gas turbine, or CO 2 should cycle. In the gas turbine oxy-combustion CES cycle, circulating steam is recirculated into the combustion chamber, and in the Allam cycle, CO 2 is recirculated into the combustion chamber, thereby preventing overheating of the combustion chamber and improving power production efficiency in the turbine. In the present invention, as in the CES cycle, circulating steam is recirculated into the combustion chamber to prevent overheating of the combustion chamber, and furthermore, even without seawater being used as cooling water, this combustion chamber exhaust is multiplied, and its exhaust heat is recovered in its entirety, so that the heat pump means , subtracting the compressor driving power, 77% of net heat compared to this exhaust heat is recovered.

본 발명에서는, 탄소 중립이 실현되도록 순산소연소로, 본 배기냉각기에서 포집된 0.2bar -13℃ CO2가 배큠펌프로 1atm으로 가압 100℃ 승온 한 후, 물에 잘 녹여지도록, (도 1) 외부 (CO2 ExCooler) CO2냉각기에서, 소량의 냉매 (20mol% x 130%) 10% 산소로, 5℃로 냉각되고, 20mol% 생성 증기가, 다음에 설명되는 (도 5) 복수 (Condensate Cooler) 냉각기에서, 5℃ 냉각수로 냉각되어, 이 냉각수에 (H2O+CO2 Mixer) 혼합기에서, 상기 CO2가 탄산수로 녹여진다. 이 CO2가 해수에 잘 녹여지는 것으로 알려져 있으나, 향후 본 발명 실현 과정에서 물에 잘 녹여지는 촉매가 개발될 것으로 예상된다. 이 탄산수는 (최근 개발된 기술) CO2로 수소를 생산하는 시스템에 공급되어 청정에너지 수소가 생산되며, 생산된 이 수소와 냉매로 활용된 질소로 수소의 저장 수단으로 최적의 매체인 암모니아(NH3)가 제조되어, 이 수소가, 액체 대비 1.5배나 많은 분량이, 상온에서 (8.6bar) 저압으로 NH3에 저장된다. 이 수소를 액체로 저장하기 위해서는 초고압이 요구되므로, 이 수소 저장 수단으로, 예를 들어, 마그네슘 니켈 합금, 타이타늄 망간 합금 등에, 마치 메탄(CH4)이 얼음의 틈새로 스며들어 저장되듯이, 수소가 저장되는, 수소 저장 합금이 연구되고 있었다. 그러나, 비료의 원료로 주로 쓰이는 암모니아에는, 이 수소가, 액체 대비 1.5배나 많은 분량이, 상온에서 낮은 압력으로 이미 액화 저장되어 있으므로, 최근에 이 암모니아가 수소의 저장 이송 수단으로써 주목받게 되었다. 또 최근에 이 HN3가 1기압 45℃의 저압 저온으로 제조되는 신기술이 개발되었고, 최근에 (KIST) 한국과학기술원 수소연료전지 연구단에서, 암모니아를 수소와 질소로 분리하는 촉매와 분리막이 개발되었다. 즉, 이 KIST의 기술로 암모니아에서 수소를 손쉽게 꺼내 쓸 수 있음을 의미한다. 이 청정에너지 수소경제의 시대가, 가까운 미래에, 구현될 것으로 예상된다. 본 발명에서는, 연소로 끊임없이 발생하는 이 CO2가, 대기로 방출되지 않고, 순산소연소로 포집되어 이 CO2로 수소가 생산되고, 이 수소가, 냉매로 활용된 질소로, 암모니아가 제조되어, 결국, 청정에너지 수소가 암모니아에 저장되어, 탄소 (CO2 Net Zero) 중립이 실현된다.In the present invention, 0.2bar -13℃ CO 2 collected in this exhaust cooler is heated by 100℃ at 1atm with a vacuum pump by pure oxy-combustion to realize carbon neutrality, and then dissolved well in water, (FIG. 1) In an external (CO 2 ExCooler) CO 2 cooler, a small amount of refrigerant (20 mol% x 130%) 10% oxygen, cooled to 5° C., and 20 mol% product steam, described next ( FIG. 5 ), condensate (Condensate Cooler) ) In a cooler, it is cooled with 5℃ cooling water, and in this cooling water (H 2 O+CO 2 Mixer) mixer, the CO 2 is dissolved in carbonated water. Although this CO 2 is known to be well soluble in seawater, it is expected that a catalyst soluble in water will be developed in the course of realizing the present invention in the future. This carbonated water (recently developed technology) is supplied to a system that produces hydrogen with CO 2 to produce clean energy hydrogen. 3 ) is produced, and this hydrogen, 1.5 times more than liquid, is stored in NH 3 at room temperature and low pressure (8.6 bar). Since ultra-high pressure is required to store this hydrogen as a liquid, this hydrogen storage means, for example, magnesium-nickel alloy, titanium-manganese alloy, etc. Hydrogen storage alloys, in which is stored, have been studied. However, in ammonia, which is mainly used as a raw material for fertilizer, this hydrogen has already been liquefied and stored at low pressure at room temperature, 1.5 times more than liquid, so this ammonia has recently attracted attention as a means of storing and transporting hydrogen. In addition, a new technology for producing this HN 3 at a low pressure and low temperature of 1 atm and 45 ° C has recently been developed, and a catalyst and membrane for separating ammonia into hydrogen and nitrogen have been recently developed at the Center for Hydrogen Fuel Cell Research at the Korea Advanced Institute of Science and Technology (KIST). . In other words, this KIST technology means that hydrogen can be easily extracted and used from ammonia. This era of clean energy hydrogen economy is expected to be realized in the near future. In the present invention, this CO 2 constantly generated by combustion is not released into the atmosphere, but is captured by pure oxygen combustion, and hydrogen is produced from this CO 2 , and this hydrogen is produced from nitrogen used as a refrigerant to produce ammonia. , Eventually, clean energy hydrogen is stored in ammonia, and carbon (CO 2 Net Zero) neutrality is realized.

도 4는 냉매로 이미 사용한 질소를 또 냉매로 사용하기 위하여 질소를 액화냉각 하는 시스템에 대한 플로우 다이어그램이다. 본 발명에서는, 연소실에 공급되는 산소가 연소 이론 공급량보다 20mol% x 130% 더 생산되어 연소실에 공급되고, 따라서 질소도 (80mol% x 130%) 104mol% 더 생산된다. 그러나, (도 5) 연소실 배기열 회수 시스템에서, 히트펌프 수단으로, 액상의 48mol% 질소가 필요하고, 압축공기 냉각에 액상의 30mol% 질소가 필요하며, 총 78mol% 액상의 질소가 소요되나, 이중 38mol% 질소는 (도 4) 질소 액화냉각 시스템에서, 상기 순환수를 예열하며, 액상으로 냉각되어야 하므로, 산소와 더불어 생산된 104mol% 중 40mol% 질소를 제한 나머지 질소는 다른 용도로 사용하거나, 액상으로 아예 생산하지 않는다. 아래에서 설명되는, (도 4) 질소 액화냉각 시스템에서, 38mol% 질소가, 연소실로 재순환되는, 순환수(증기)를 620℃로 예열하면서, 120℃로 냉각되고, 액상으로 냉각 액화되어, 액상의 냉매가 충당된다.4 is a flow diagram of a system for liquefying nitrogen to use nitrogen already used as a refrigerant as a refrigerant. In the present invention, 20 mol% x 130% more oxygen supplied to the combustion chamber is produced and supplied to the combustion chamber than the theoretical supply amount of combustion, so nitrogen is also produced (80 mol% x 130%) 104 mol% more. However, in the combustion chamber exhaust heat recovery system (FIG. 5), 48 mol% liquid nitrogen is required as a heat pump means, 30 mol% liquid nitrogen is required for compressed air cooling, and a total of 78 mol% liquid nitrogen is required. 38 mol% nitrogen preheats the circulating water in the nitrogen liquefaction cooling system (FIG. 4) and must be cooled in liquid phase, so the remaining nitrogen except for 40 mol% nitrogen out of 104 mol% produced with oxygen can be used for other purposes or used in liquid phase. do not produce at all. In the nitrogen liquefaction cooling system described below (FIG. 4), 38 mol% nitrogen is cooled to 120° C. while preheating circulating water (steam), which is recycled to the combustion chamber, to 620° C., cooled to liquid phase, liquefied, and liquid phase. of refrigerant is supplied.

극저온 물리학 분야에서 1978년 노벨 물리학상을 받은 러시아 (Kapitza) 카피차는 공기를 냉각 액화하는 방법으로, 프랑스 클로드(Claude)가 개발한 공기액화법 장치에서, 피스톤 펌프 유형 압축공기 팽창기를 역 (Inverse) 터빈 유형의 팽창기로 바꾸어 공기의 액화 효율을 크게 개선하였고, 이 공기액화 방법은 현재에도 널리 사용되고 있다. 본 발명에서는, 이 공기액화 방법이 활용되어, 이미 냉매로 사용된 질소가 저장된 후, 다시 냉각 액화되어 냉매로 사용된다. 아래는 이 질소 액화냉각 과정에 대한 설명이다. Russian (Kapitza) Kapitza, who received the 1978 Nobel Prize in Physics in the field of cryogenic physics, is a method of cooling and liquefying air. The air liquefaction efficiency was greatly improved by replacing the expander with the expander, and this air liquefaction method is still widely used today. In the present invention, this method of liquefying air is utilized, and after nitrogen already used as a refrigerant is stored, it is cooled and liquefied again to be used as a refrigerant. Below is a description of this nitrogen liquefaction cooling process.

도 4에 도시한 바와 같이, 저장된 1기압 120℃ 질소가 20bar로 압축 650℃로 승온 하고, 순환수 (CircWtr PreHtr#2) 예열기#2에서, 순환수(CircWtr)가 620℃로 예열되면서, 이 650℃ 질소가 120℃로 1차 냉각된다. 이어, 20bar 120℃ 질소는 (Δ10bar) 30bar로 더 압축, 160℃로 승온, 2차 (2ndN2Cooler) 냉각기에서 더 냉각된다. 이 1atm 질소가, 카피차 냉각 시스템에서는, 원래 30bar로 압축되어 2차 냉각기에서 (냉각) 강온 되나, 본 발명에서는, 1차 압축기에서 20bar로 압축되고 2차 압축기에서 또 30bar로 압축된다. 순환수 (CircWtr PreHtr#2) 예열기#2에서, (다음에 설명되는) 100℃ (80mol% x 14%) 순환수는 20bar (38+2) 42mol% 650℃ 질소로, 620℃로 예열되고, 이 650℃ 질소는 120℃로 (냉각) 강온 된다. 냉각된 이 20bar 120℃ 42mol% 질소 중 4mol% 질소는 팽창밸브를 통하여, 1atm으로 단열팽창, -100℃로 강온 후, 저온의 질소 저장탱크에 저장된다. 또, 1atm 42mol% 질소가 압축기에서 설정 온도 650℃ 이하로 압축되지 않도록, 이 압축기로 재순환되는, 선행 1atm 저온의 질소 유량이, 도시한 바와 같이, 제어되어, 고온 질소 저장탱크의 질소와 120℃로 혼합되어, 이 압축기에 주입되고, 나머지는 저온 질소 저장탱크에 저장된다. 1차 냉각기에서 120℃로 냉각 후, 30bar로 가압 160℃로 승온 한, 이 압축 질소는 2차 냉각기에서 (선행) 1atm (팽창) 저온의 질소로 더 냉각되고, 이어 이 냉각 질소 중 80% 유량이 (카피차의 역 (Inverse) 터빈 팽창기가 아닌) 본 로터리 배큠펌프에 의하여 점진적으로 단열팽창 함에 따라, 이 질소의 온도는 크게 강온 된다. 이 저온의 질소로, 나머지 질소 20% 분량이 질소 (N2 Condenser) 응축기에서 튜브로 흐르면서 냉각되어, 액화된다. 이 액상의 질소는 액체질소 냉각기로 이동, 튜브로 흐르며 더 냉각되고, 이 30bar 액상의 질소는, 증발기 베셀로 압송, 팽창밸브를 통과하면서, 배큠펌프에 의하여 1atm으로 팽창함에 따라, 줄-톰슨 효과로, 이 질소 온도가 (포화온도 -195.79℃) -196℃로 강온 되어, 팽창된 이 질소 중 일부는 -196℃로 액화되며, 나머지는 기화된다. 온도가 크게 하강한 이 기체 질소는, 액체질소 (Liq.N2Cooler) 냉각기에서, 튜브로 흐르는 후속 30bar 액상의 질소를 냉각한 후, 질소 응축기에서 배출된 질소와 혼합되고, 이어, 2차 냉각기에서, 후속 30bar 질소를 냉각하고, 상기 배큠펌프에 흡입되어, 이 질소는 대부분 저온 질소 저장탱크에 저장되고, 일부는 상기 압축기에 주입 재순환된다. 이 증발기 베셀에서 1atm으로 액화된 이 질소는 저압 펌프로, 도 1에 도시한, 액상의 냉매 질소 공급 펌프의 출구 배관에 공급된다. 위의 설명에서, 20bar로 압축 후 120℃로 냉각된 질소 중 4mol% 분량이 상기 2차 냉각기를 바이패스 한 이유는, 정상 운전에서, 상기 100℃ 순환수가 620℃로 예열되고, 액상의 질소가 과잉 생산되지 않도록, 38mol% 질소만 액상으로 냉각되어야 하기 때문이다. 이는 연소실 부하에 따라 액상의 냉매 질소의 생산을 제어하는 수단으로 활용된다.As shown in FIG. 4, the stored 1 atm pressure 120°C nitrogen is compressed at 20 bar and the temperature is raised to 650°C, and in the circulating water (CircWtr PreHtr#2) preheater #2, the circulating water (CircWtr) is preheated to 620°C, 650°C nitrogen is first cooled to 120°C. Subsequently, the 20 bar 120 ° C nitrogen is further compressed to (Δ10 bar) 30 bar, the temperature raised to 160 ° C, and further cooled in the secondary (2ndN 2 Cooler) cooler. This 1 atm nitrogen is originally compressed to 30 bar in the Kapitsa cooling system and cooled (cooled) in the secondary cooler, but in the present invention, it is compressed to 20 bar in the primary compressor and further compressed to 30 bar in the secondary compressor. Circulating water (CircWtr PreHtr#2) In preheater #2, 100°C (80mol% x 14%) circulating water (described next) is preheated to 620°C with 20bar (38+2) 42mol% 650°C nitrogen, This 650°C nitrogen is cooled (cooled) to 120°C. Of this cooled 20 bar 120°C 42 mol% nitrogen, 4 mol% nitrogen is stored in a low-temperature nitrogen storage tank after adiabatic expansion at 1 atm through an expansion valve and a temperature drop to -100 °C. In addition, the flow rate of 1 atm low-temperature nitrogen recirculated to the compressor is controlled, as shown in the figure, so that 1 atm 42 mol% nitrogen is not compressed to a set temperature of 650 ° C or less in the compressor, and nitrogen in the high-temperature nitrogen storage tank and 120 ° C is mixed into and injected into the compressor, and the rest is stored in a low-temperature nitrogen storage tank. After cooling to 120 ° C in the primary cooler and raising the temperature to 160 ° C under pressure at 30 bar, this compressed nitrogen is further cooled with (preceding) 1 atm (expansion) low-temperature nitrogen in the secondary cooler, followed by 80% flow rate of this cooling nitrogen. As it is gradually adiabatically expanded by this rotary vacuum pump (not the inverse turbine expander of Kapicha), the temperature of this nitrogen is greatly reduced. With this low-temperature nitrogen, the remaining 20% of nitrogen is cooled and liquefied as it flows from the nitrogen (N 2 Condenser) condenser to the tube. This liquid nitrogen moves to the liquid nitrogen cooler, flows through the tube and is further cooled, and this 30 bar liquid nitrogen is pumped to the evaporator vessel, passes through the expansion valve, and expands to 1 atm by the vacuum pump, resulting in the Joule-Thomson effect. As a result, the nitrogen temperature (saturation temperature -195.79 ° C) is reduced to -196 ° C, some of this expanded nitrogen is liquefied at -196 ° C, and the rest is vaporized. This gaseous nitrogen, whose temperature has dropped significantly, is mixed with nitrogen discharged from the nitrogen condenser after cooling the subsequent 30 bar liquid nitrogen flowing into the tube in the liquid nitrogen (Liq.N 2 Cooler) cooler, and then in the secondary cooler At , the subsequent 30 bar nitrogen is cooled and sucked into the vacuum pump, and most of this nitrogen is stored in a low-temperature nitrogen storage tank, and some is injected and recycled to the compressor. The nitrogen liquefied at 1 atm in the evaporator vessel is supplied by a low pressure pump to the outlet pipe of the liquid refrigerant nitrogen supply pump shown in FIG. 1 . In the above description, the reason why 4 mol% of the nitrogen cooled to 120 ° C after being compressed at 20 bar bypassed the secondary cooler is that in normal operation, the circulating water at 100 ° C is preheated to 620 ° C, and liquid nitrogen This is because only 38 mol% nitrogen needs to be cooled to the liquid phase to avoid overproduction. This is used as a means of controlling the production of liquid refrigerant nitrogen according to the load in the combustion chamber.

상기 질소 액화냉각 시스템에서, 질소가 압축되는 압력은 본 발명 실현 단계에서, 상기 30bar보다 더 낮은 압력으로 압축된다. 이 질소가 가능한 낮은 압력으로 압축되어, 이 압축기 구동 동력을 줄이고, 액상으로 액화되도록, 시행착오를 거쳐, 경제적인 이 질소 압축 압력이 설정된다. 아래에서 설명되는, (도 5) 복합 재순환 628mol% 질소 중 78mol% 120℃ 질소가 상기 질소 저장탱크로 되돌아가고, 이중 38mol% 질소가, (도 4) 질소 액화냉각 시스템에서, 액화되어야 한다. 그러므로, 예를 들어, 상기 120℃ 질소가 20bar로 압축되면, 온도가 650℃로 상승하므로, 이 압축 질소로 순환수를 620℃로 예열할 수 있으며, 압축기 구동 동력도 훨씬 적게 소요된다. 이러한 이유로, 본 발명에서는, (선행) 1atm으로 팽창한 저온 질소가, 곧바로 압축기로 재입력되어, 압축된 질소 온도가 650℃ 이하로 낮아지지 않도록, 도시한 바와 같이, 저온의 저장탱크에, 저장되도록 구성되었다. 상기 2차 압축기에서, 120℃ 질소가 30bar 160℃로 설정된, 이 질소 압축 압력은, 본 발명 실현 단계에서, 시행착오를 거쳐, 더 낮은 압력으로 설정된다.In the nitrogen liquefaction cooling system, the pressure at which nitrogen is compressed is compressed to a pressure lower than 30 bar in the realization stage of the present invention. Through trial and error, this economical nitrogen compression pressure is set so that this nitrogen is compressed to a pressure as low as possible, thereby reducing the compressor drive power and liquefying into the liquid phase. 78 mol% 120° C. nitrogen of the 628 mol% nitrogen for composite recycle (FIG. 5) described below is returned to the nitrogen storage tank, of which 38 mol% nitrogen, (FIG. 4) in the nitrogen liquefaction cooling system, must be liquefied. Therefore, for example, when the 120° C. nitrogen is compressed to 20 bar, the temperature rises to 650° C., so the circulating water can be preheated to 620° C. with this compressed nitrogen, and the compressor driving power is also required much less. For this reason, in the present invention, (preceding) the low-temperature nitrogen expanded to 1 atm is immediately re-entered into the compressor, so that the compressed nitrogen temperature does not fall below 650 ° C., as shown, stored in a low-temperature storage tank. configured so that In the secondary compressor, 120 ° C nitrogen is set to 30 bar 160 ° C, this nitrogen compression pressure is set to a lower pressure through trial and error in the present invention realization stage.

도 4에 보인, 질소 액화냉각 시스템의 압축 질소 팽창기 및 (도 2) 본 배기냉각기에 있는 (CO2 Cooler) CO2냉각기에는 특수 로터리 피스톤 배큠펌프가 장착된다. 이 배큠펌프는 아직 상용화되지는 않았으나 특허 등록된 (10-24115730000, 2022-06-16) '로터리 피스톤 기체 이송(흡입/압축) 펌프'의 것으로, 도넛 형태의 환형 실린더에서 피스톤이 이 실린더에 밀착되어 회전하고 이 피스톤을 (Disk) 원반이 가로막고 있으나, 이 피스톤과 원반은, (시계, 계기 등의 톱니에 사용되는) 핀기어(Pin Gear) 사이클로이드 (Cycloid) 곡선으로써, 이들이 서로 충돌하지 않고 회전하도록, (치차가 딱 하나인) 헬리컬 (Helical) 기어 형태로 구성되어 있어, 피스톤이 회전하면서, 작동유체가, 피스톤 뒤쪽에서는 흡입되고 피스톤 앞쪽에서는 압축되어 배출되는 것이 구현된다. 이러한 로터리 피스톤 배큠펌프는 (피스톤 펌프처럼 그러나 원심 펌프처럼 연속적으로) 작동유체를 품어낸다.As shown in FIG. 4, the compressed nitrogen expander of the nitrogen liquefaction cooling system and the (CO 2 Cooler) CO 2 cooler in the present exhaust cooler (FIG. 2) are equipped with a special rotary piston vacuum pump. This vacuum pump is a 'rotary piston gas transfer (suction/compression) pump' that has not yet been commercialized but has been patented (10-24115730000, 2022-06-16). and rotates, and the disk is blocking the piston, but the piston and the disk are cycloid curves of pin gears (used for teeth of clocks, gauges, etc.), so they rotate without colliding with each other. It is configured in the form of a helical gear (with only one tooth) so that while the piston rotates, the working fluid is sucked in from the back of the piston and compressed and discharged from the front of the piston. These rotary piston vacuum pumps pump the working fluid (like a piston pump but continuously like a centrifugal pump).

증기는 응축열이 어느 기체보다 (1atm 기준 539kcal/kg) 막대하여, 증기가 작동유체로 순환하는 보일러에서 냉각수로 바닷물을 사용하지 않고, 연소실 배기가, (8H2O + 2O2 + CH4 = 8H2O + CO2 + 2H2O), 통상의 열교환기 수단으로 복수 되는 것은 불가능하고, 게다가, 이 (증기의) 배기열을 작동유체 순환수로 회수하는 방안도 보통 히트펌프 수단으로는 쉽지 않다. 전 세계 모든 발전소 증기터빈에서, 연소실 배기는 (바닷물) 냉각수로 복수 되고, 증기에 가해진 50% 배기열이 바다로 방출되는 현실이 이를 방증하고 있다. 그러나, 본 발명에서는, 기-복수가, 아래와 같이, 막대한 증발열이 냉각열로 활용되어, 연소실 배기가 냉각되어, 증기가 복수 되고, 이 막대한 연소실 배기열이, 히트펌프 기술로, 아래와 같이 전량 회수되어, 압축기 구동 동력을 제하고, 배기열 대비, 정미 78% 열량이 회수된다. 이 배기열 회수과정은 아래에서 설명된다.Steam has more heat of condensation than any other gas (539kcal/kg based on 1atm), so in a boiler where steam circulates as a working fluid, seawater is not used as a cooling water, and the combustion chamber exhaust is (8H 2 O + 2O 2 + CH 4 = 8H 2 O + CO 2 + 2H 2 O), it is impossible to obtain condensation by means of ordinary heat exchangers, and besides, the method of recovering this (steam) exhaust heat with circulating water of the working fluid is not easy by means of ordinary heat pumps. In all power plant steam turbines around the world, the exhaust from the combustion chamber is converted to (seawater) cooling water, and the fact that 50% of the exhaust heat applied to the steam is released to the sea proves this. However, in the present invention, as follows, the enormous evaporation heat is utilized as cooling heat, the combustion chamber exhaust is cooled, and steam is condensed, and this enormous combustion chamber exhaust heat is recovered in its entirety by the heat pump technology as follows , subtracting the compressor driving power, 78% net heat is recovered compared to the exhaust heat. This exhaust heat recovery process is described below.

도 5는, 기-복수가 냉매로써 (도 2) 본 배기냉각기에 있는 배기열 흡수기에서, 막대한 증발열로, 연소실 배기를 냉각하고 배기열을 흡수하여 90℃로 승온 후, 히트펌프 수단으로, 연소실 배기열이 회수되는 과정을 보인 플로우 다이어그램이다. 이 연소실 배기는 (도 2) 본 배기냉각기에 (흡입) 유입되어, 입구에 있는, (Exhaust Heat Absorber) 배기열 흡수기에서, 포화온도 상태인 0.2bar (기-복수) 갓 복수로 냉각 복수 된다. 즉, 이 기-복수가, 증기로 증발하면서 막대한 증발열로, 유입 배기가 냉각 복수 되고, 이 증기는 90℃로 승온 하게 된다. 이 90℃ 증기는, (도 5) 연소실 배기열 회수 시스템으로 압송되어, 증기 (StmHtr) 가열기에서, 히트펌프 수단으로, (다음에 설명되는) 133℃ 163mol% 재순환 질소로 120℃로 (Boost up) 가열되고, 1atm으로 가압 되고, 310℃로 승온 하여, (StmCond) 복수기로 압송된다. 이 90℃ 증기를 120℃로 가열한 133℃ 재순환 질소는 110℃로 강온 되어 이 복수기에 냉매로써 주입된다. 이 복수기에서 상기 310℃ 1atm (20+80) 100mol% 증기는 87℃ 628mol% 복합 재순환 질소로 냉각 100℃로 복수 되고, 이 복합 재순환 질소는 295℃로 승온 하게 된다. 이 복합 재순환 질소는, 다음과 같아, 상기 163mol% 110℃ 질소, (다음에 설명되는) 순환수 (CircWtr PreHtr#1) 예열기#1에서, 곧바로 복수기에 냉매로써 주입되는 120℃ 417mol% 재순환 질소, 연소로 생성된 20mol% 증기를 복수 냉각기에서 5℃로 냉각한 85℃ 11mol% 질소와 액상의 -196℃ 37mol% 질소가 87℃로 혼합된 재순환 질소이다. 이 복합 재순환 질소는 상기 310℃ 증기를 100℃로 복수하고, 295℃로 승온 하여, 상기 기-복수가 흡수한 막대한 배기열을 보유한 열전달 매체로 전환되어, 다음과 같이, 배기열이 전량 회수된다.FIG. 5 shows that in the exhaust heat absorber in the exhaust cooler (FIG. 2), the exhaust heat of the combustion chamber is cooled by the enormous evaporation heat, the exhaust heat is absorbed, and after the temperature is raised to 90° C., the heat pump means, the exhaust heat of the combustion chamber This is a flow diagram showing the recovery process. The exhaust from the combustion chamber (intake) flows into the exhaust cooler (FIG. 2), and is cooled in an exhaust heat absorber at the inlet (Exhaust Heat Absorber) at a saturation temperature of 0.2 bar (group-condensate). That is, as this gas-condensate evaporates into steam, the inlet exhaust is cooled and condensed due to the enormous evaporation heat, and the temperature of this steam is raised to 90°C. This 90°C steam is pumped to the combustion chamber exhaust heat recovery system (FIG. 5), in a steam (StmHtr) heater, by means of a heat pump, to 120°C (boost up) with 133°C 163 mol% recycle nitrogen (described below). It is heated, pressurized to 1 atm, heated to 310°C, and (StmCond) pumped to a condenser. The 90℃ steam is heated to 120℃ and the 133℃ recycle nitrogen is cooled to 110℃ and injected as a refrigerant into the condenser. In this condenser, the 310°C 1atm (20+80) 100 mol% steam is cooled to 87°C and 628 mol% composite recycle nitrogen condensed to 100°C, and the composite recycle nitrogen is heated to 295°C. This composite recycle nitrogen is as follows, 163 mol% 110°C nitrogen above, 120°C 417 mol% recycle nitrogen injected as refrigerant directly to the condenser in circulating water (CircWtr PreHtr#1) preheater #1 (described next), It is recycled nitrogen that is a mixture of 85°C 11 mol% nitrogen and liquid -196°C 37 mol% nitrogen cooled to 5°C in a condensate cooler from 20 mol% steam generated by combustion at 87°C. This composite recycle nitrogen condenses the 310 ° C steam to 100 ° C and raises the temperature to 295 ° C, and is converted into a heat transfer medium holding a huge amount of exhaust heat absorbed by the steam and condensate, and the exhaust heat is completely recovered as follows.

상기 복수기에서, 1atm 100℃ 복수 중에, 연소로 생성된 20mol% 복수는, 복수 (Condensate Cooler) 냉각기로 이동하여, 액상의 냉매 11mol% 질소로, 5℃로 냉각되고, 도시한 바와 같이, 이 냉각수는 저압(LP) 펌프로, 탄소 중립을 위하여, 연소로 생성된 10mol% CO2가 냉각수에 탄산수로 녹여지는, (H2O+CO2) 혼합기(Mixer)로 이송된다. 나머지 80mol% (복수) 순환수는 연소실 운전압력으로 가압 된다. 현 발명 단계에서는, 연소실 운전압력이 1atm이나, 이 연소실 운전압력이 더 높아지면, 더 많은 배기열이 회수된다. 이 순환수 중 14% 순환수는, 복수펌프로, (앞서 설명한) (도 4) 순환수 예열기#2로 압송되고, 대부분의 (80mol%x86%) 순환수는 (CircWtr PreHtr#1) 순환수 예열기#1로 압송되어, 상기 배기열을 보유한, 295℃ 628mol 복합 재순환 질소로, 280℃로 예열되고, 이 질소는 120℃로 강온 된다. 이 120℃ 복합 재순환 628mol 질소 중 87mol% 질소는 질소 저장탱크에 저장되고, 나머지 550mol% 질소 중 417mol% 질소는 곧바로 상기 (StmCond) 복수기에, 냉매로써 주입 재순환되고, 나머지 120℃ (550-417) 133mol% 질소는, 앞서 설명한 압축공기 냉각기에서, 190℃ 30mol% 질소와 163mol% 133℃로 혼합되어, 앞서 설명한 바와 같이, 증기 (StmHtr) 가열기에서, 히트펌프 수단으로, 상기 90℃ 증기를 120℃로 가열하고, 110℃로 강온 후, 상기 (StmCond) 복수기에 냉매로써 주입 재순환된다. 이처럼, 복수기에 주입된 이 복합 재순환 질소는, 냉매로써, 310℃ (20+80) 100mol% 증기를 냉각 복수하고, 열전달 매체로써 295℃로 승온 하여, 연소실 배기열이 전량 회수된다. 상기 (복수) 순환수 중 나머지 (100-86) 80mol% x 14% 순환수는, (도 4) 질소 액화냉각 시스템의 순환수 (CircWtr PreHtr#2) 예열기#2에서, 앞서 설명한 바와 같이, 20bar 650℃ 질소로, 620℃로 예열되고, 이 (도 5) 배기열 회수 시스템에서 필요한 (78-40) 38mol% 질소가 냉각 액화되도록, 20bar 620℃ 질소를 120℃로 냉각하게 된다.In the condenser, in the 1 atm 100 ° C condensate, the 20 mol% condensate produced by combustion moves to the condensate (Condensate Cooler) cooler and is cooled to 5 ° C with 11 mol% nitrogen as a liquid refrigerant, and as shown, this cooling water is a low-pressure (LP) pump, and for carbon neutrality, 10 mol% CO 2 produced by combustion is dissolved in carbonated water in cooling water, (H 2 O+CO 2 ) is transferred to a mixer (Mixer). The remaining 80 mol% (plural) circulating water is pressurized to the operating pressure of the combustion chamber. At the current stage of the invention, the operating pressure of the combustion chamber is 1 atm, but when the operating pressure of the combustion chamber is higher, more exhaust heat is recovered. Of this circulating water, 14% of the circulating water is pumped to the circulating water preheater #2 (described above) (Fig. 4) by the condensate pump, and most of the circulating water (80mol%x86%) is (CircWtr PreHtr#1) circulating water It is pressurized to preheater #1 and is preheated to 280°C with 295°C 628 mol composite recycle nitrogen having the exhaust heat, and the nitrogen is cooled to 120°C. 87 mol% nitrogen of this 120 ℃ complex recycle 628 mol nitrogen is stored in the nitrogen storage tank, 417 mol% nitrogen of the remaining 550 mol% nitrogen is directly injected and recycled as a refrigerant to the (StmCond) condenser, and the remaining 120 ℃ (550-417) 133 mol% nitrogen was mixed with 30 mol% nitrogen at 190°C and 163 mol% 133°C in the compressed air cooler described above, and as described above, in a steam (StmHtr) heater, by means of a heat pump, the 90°C steam was heated to 120°C. After heating to 110° C., the (StmCond) condenser is injected as a refrigerant and recycled. In this way, this composite recycle nitrogen injected into the condenser cools and condenses 310 ° C (20 + 80) 100 mol% steam as a refrigerant, raises the temperature to 295 ° C as a heat transfer medium, and recovers all exhaust heat from the combustion chamber. The remaining (100-86) 80 mol% x 14% circulating water among the (plural) circulating water is circulating water of the nitrogen liquefaction cooling system (CircWtr PreHtr#2) in the preheater #2 (FIG. 4), as described above, at 20 bar With 650 ° C nitrogen, it is preheated to 620 ° C, and 20 bar 620 ° C nitrogen is cooled to 120 ° C so that (78-40) 38 mol% nitrogen required in this (Fig. 5) exhaust heat recovery system is cooled and liquefied.

아래는 본 발명에서 연소실 배기가 냉각되어, 이의 배기열이 회수되는 과정을 열역학적 관점으로 설명한 것이다. 도 2에 도시한, 본 배기냉각기에 110℃ 배압 0.2 bar로 흡입된 연소실 (유입) 배기는, (8H2O + 2O2 + CH4 = 8H2O + CO2 + 2H2O), 입구에 있는 배기열 흡수기로 진입하면서, 이 배기열 흡수기 튜브로 흐르는, 80mol% 0.2bar 60℃ (0.2bar 포화온도 60.06℃) (기-복수) 갓 복수로 냉각되고, 이 기-복수는 90℃ 증기로 증발하게 되며, 이 유입 배기 중 10mol% CO2는 CO2냉각기에서 -13℃로 냉각 배출된다. 이 냉각 과정에서, 유입 배기 중 (20+80) 100mol% 증기가 110℃에서 90℃로 냉각되는 열량에, 유입 배기 110℃ CO2가 -13℃로 냉각되는 열량을 합한 열량이, -186℃ 액상이 냉매 20mol% x 130% 산소 40% 분량이 50℃로 예열되는 열량과 (Heat Balance) 열평형을 이루게 된다. 즉, 연소실 유입 배기 중 90℃ 증기가 60℃로 복수 되는 열량과 60℃ 기-복수가 90℃ 증기로 증발하는 열량이 같으므로, 100mol% 110℃ 증기는 소량(40%) 액상의 냉매 산소가 50℃로 예열되는 열량만으로 냉각 복수 된다.The following describes a process in which the combustion chamber exhaust is cooled and the exhaust heat is recovered in the present invention from a thermodynamic point of view. As shown in FIG. 2, the combustion chamber (inflow) exhaust drawn into the exhaust cooler at 110° C. and a back pressure of 0.2 bar is (8H 2 O + 2O 2 + CH 4 = 8H 2 O + CO 2 + 2H 2 O) at the inlet 80 mol% 0.2bar 60℃ (0.2bar saturation temperature 60.06℃) (saturation temperature 60.06℃), flowing into the exhaust heat absorber tube, is freshly cooled as condensate, and this condensate evaporates into 90℃ steam. 10 mol% CO 2 of this inlet exhaust is cooled and discharged at -13℃ in the CO 2 cooler. In this cooling process, the sum of the heat amount by which (20+80) 100 mol% steam is cooled from 110°C to 90°C in the inlet and exhaust and the heat amount by which the inlet and exhaust 110°C CO 2 is cooled to -13°C is -186°C. The liquid phase is in thermal equilibrium with the amount of heat preheated to 50℃ by refrigerant 20mol% x 130% oxygen 40%. That is, since the amount of heat converted from 90℃ steam to 60℃ and the amount of heat evaporated from 60℃ steam-condensate to 90℃ steam during the inflow and exhaust of the combustion chamber are the same, 100 mol% 110℃ steam has a small amount (40%) of liquid refrigerant oxygen. It is cooled and condensed only with the amount of heat preheated to 50℃.

산소와 질소를 생산하기 위한 압축공기 냉각기에서, 130mol% 210℃ 압축공기는 액상의 30mol% -196℃ 냉매 질소로, 77℃로 냉각되고, 이 질소는 열평형을 이루는 190℃로 승온 하게 된다. 이후, 이 30mol% 질소는, (도 5) 배기열 회수 시스템의 증기 (StmHtr) 가열기에서, 120℃ 복합 재순환 질소 중 133mol% 질소와 163mol% 133℃로 혼합되어, (20+80) 100mol% 90℃ 0.2bar 증기를 120℃로 (Boost up) 가열하고, 열평형을 이루는 110℃로 냉각된다. 이 0.2bar 120℃ 100mol% 증기는 1atm으로 가압, 310℃로 승온 하여, 87℃ 628moo% 복합 재순환 질소로 냉각, 100℃로 복수 되고, 이 복합 재순환 질소는 295℃로 승온 하여 열평형을 이루게 된다. 이 100℃ (복수) 628mol% 복수 중 연소로 생성된 20mol% 분량은, 복수 냉각기에서, 액상의 냉매 -196℃ 11mol% 질소로, 5℃ 냉각수로 냉각되고, 이 질소는 85℃로 승온 하여, 열평형을 이루게 된다. 나머지 80mol% 순환수 중 대부분 (86%) 순환수는, 순환수 예열기#1에서, 상기 297℃ 628mol% 복합 재순환 질소로, 280℃로 예열되고, 이 295℃ 질소는 열평형을 이루는 120℃로 냉각되어 재순환된다. 나머지 (100-86) 80mol% x 14% 100℃ 순환수는, (도 4) 질소 액화냉각 시스템의 순환수 (CircWtr PreHtr#2) 예열기#2에서, (38+4) 42mol% 650℃ 20bar 질소로 620℃로 예열되고, 이 20bar 질소는 120℃로 강온 되어 열평형을 이루게 된다.In a compressed air cooler for producing oxygen and nitrogen, 130 mol% 210°C compressed air is cooled to 77°C with liquid 30 mol% -196°C refrigerant nitrogen, and this nitrogen is heated to 190°C in thermal equilibrium. Then, this 30 mol% nitrogen was mixed with 133 mol% nitrogen in 120 ° C composite recycle nitrogen at 163 mol% 133 ° C in the steam (StmHtr) heater of the exhaust heat recovery system (Fig. 5), (20 + 80) 100 mol% 90 ° C The 0.2 bar steam is heated (boost up) to 120°C and cooled to 110°C to achieve thermal equilibrium. This 0.2 bar 120℃ 100 mol% steam is pressurized at 1 atm, heated to 310℃, cooled with 87℃ 628moo% composite recycle nitrogen, condensed to 100℃, and this composite recycle nitrogen is heated to 295℃ to achieve thermal equilibrium. . The 20 mol% portion produced by combustion of this 100 ° C (condensate) 628 mol% condensate is cooled in a condenser cooler with liquid refrigerant -196 ° C 11 mol% nitrogen and 5 ° C cooling water, and this nitrogen is heated to 85 ° C, achieve thermal equilibrium. Most (86%) of the remaining 80 mol% circulating water is preheated to 280°C with the 297°C 628 mol% complex recycle nitrogen in the circulating water preheater #1, and the 295°C nitrogen is heated to 120°C in thermal equilibrium. cooled and recycled. The remaining (100-86) 80mol% x 14% 100℃ circulating water is, (FIG. 4) circulating water of nitrogen liquefaction cooling system (CircWtr PreHtr#2) in preheater #2, (38+4) 42mol% 650℃ 20bar nitrogen It is preheated to 620 ℃, and this 20 bar nitrogen is cooled to 120 ℃ to achieve thermal equilibrium.

아래는, 연소실로부터 본 배기냉각기에 (흡입) 유입된 배기가, 기-복수로 냉각되고, 히트펌프 수단으로, (도 5) 1atm으로 가압 되어, 이 80mol 순환수(증기)가 회수한 열량을 배기열과 비교 정리한 설명이다. 어떤 실린더에 있는 기체에 압력을 가하면, (Enthalpy) 엔탈피(PV)가 증가하고, 피스톤이 후진하면, 이 엔탈피가 감소하며, 엔탈피 감소량이 기계적 동력으로 변환된다. 좀 더 자세히 설명하면, 피스톤으로 기체를 압축하면, 이 PV 증가에 의한 엔탈피가 증가하면서, 이 기체 입자의 운동에너지도 증가하여, 온도가 상승하고, 따라서 이 기체의 내부에너지(U)도 증가하게 된다. 즉, 기체의 엔탈피는 H = PV + U로 주어진다. 그러므로, 이 기체에 가한 동력은 Δh = h2 - h1, 압축 전(h1) 후(h2) 엔탈피 차로 주어지고, 손실 또는 회수 열량도 Δh = h2 - h1, 엔탈피 차로 주어진다. (도 5) 증기 압축기에서, 0.2bar 80mol% 120℃ 증기가 1atm으로 가압 310℃로 승온 함으로, 0.2bar 120℃ h1 = 2,724.60 kJ/kg, 1atm 310℃ h2 = 3,094.70 kJ/kg, Δh = 3,094.70 - 2,724.60 = 370.1 kJ/kg, 여기에 유량을 적용하면 압축기 구동 동력은 Pwr = 370.1 x 18 x 80mol% = 6,662 kJ로 계산된다. 또 (도 4) 질소 액화냉각 시스템 1차 질소 압축기에서, (38+4) 42mol% 1atm 120℃ 질소가 20bar 650℃로 압축됨으로, 1atm 120℃ h1 = 408.11 kJ/kg, 20bar 650℃ h2 = 987.78 kJ/kg, Δh =579.67 kJ/kg, Pwr = 579.67 x 28 x 42mol% = 6,817 kJ 동력이 소요된다. 다음, 2차 압축기에서, 38mol% 120℃ 질소가 30bar로 압축되므로, 20bar 120℃ h1 = 406.04 kJ/kg, 30bar 160℃ h2 = 447.74 kJ/kg, Δh = 41.7 kJ/kg, Pwr = 41.7 x 28 x 380mol% = 444 kJ 동력이 용되어, 압축기 총 구동 동력은 (6,662 + 6,817 + 444 ) 13,923 kJ로 합산된다.Below, the exhaust that has flowed (intake) into the exhaust cooler seen from the combustion chamber is cooled by a plurality of groups and pressurized to 1 atm by means of a heat pump (FIG. 5), and the amount of heat recovered by this 80 mol circulating water (steam) is This is an explanation of exhaust heat and comparison. When pressure is applied to a gas in a cylinder, (enthalpy) enthalpy (PV) increases, and when the piston moves backward, this enthalpy decreases, and the enthalpy decrease is converted into mechanical power. More specifically, when a gas is compressed with a piston, the kinetic energy of the gas particles increases as the enthalpy due to the increase in PV increases, so the temperature rises and the internal energy (U) of the gas also increases. do. That is, the enthalpy of a gas is given by H = PV + U. Therefore, the power applied to this gas is given by Δh = h2 - h1, the enthalpy difference before compression (h1) and after (h2), and the amount of heat lost or recovered is also given by Δh = h2 - h1, enthalpy difference. (FIG. 5) In the steam compressor, 0.2 bar 80 mol% 120 ° C steam pressurized at 1 atm and heated to 310 ° C, 0.2 bar 120 ° C h1 = 2,724.60 kJ / kg, 1 atm 310 ° C h2 = 3,094.70 kJ / kg, Δh = 3,094.70 - 2,724.60 = 370.1 kJ/kg, where the flow rate is applied, the compressor driving power is calculated as Pwr = 370.1 x 18 x 80 mol% = 6,662 kJ. (FIG. 4) In the primary nitrogen compressor of the nitrogen liquefaction cooling system, (38+4) 42 mol% 1 atm 120 ° C nitrogen is compressed to 20 bar 650 ° C, 1 atm 120 ° C h1 = 408.11 kJ / kg, 20 bar 650 ° C h2 = 987.78 kJ/kg, Δh =579.67 kJ/kg, Pwr = 579.67 x 28 x 42 mol% = 6,817 kJ power is required. Next, in the secondary compressor, 38 mol% 120 ° C nitrogen is compressed to 30 bar, so 20 bar 120 ° C h1 = 406.04 kJ / kg, 30 bar 160 ° C h2 = 447.74 kJ / kg, Δh = 41.7 kJ / kg, Pwr = 41.7 x 28 x 380 mol% = 444 kJ power is used, so the total driving power of the compressor adds up to (6,662 + 6,817 + 444 ) 13,923 kJ.

연소실 배기 중 연소로 생성된 20mol% CO2는 배기 손실로 볼 수 없으므로, 이의 배기 열량을 무시하고, 작동유체로써 순환되는 80mol% 순환증기가 110℃에서 60℃ 복수로 배기되는 열량만을 배기 손실로 보면, 0.2bar 110℃ h1 = 2,705.40 kJ/kg, 0.2bar 복수 h2 = 251.18 kJ/kg, Δh = -2,454.22 kJ/kg, 배기열은 -2,454.22 x 18 x 80mol% = -35,341 kJ로 계산된다. 이 (증기) 배기에 해당하는, 80mol% 순환수가, 본 배기냉각기에서, 0.2bar 90℃로 증발한 이후, 히트펌프 수단으로, (StmCond) 복수기에서 1atm 100℃로 복수 되었으므로, 0.2bar 60℃ 순환수 h1 = 251.18 kJ/kg, 1atm 100℃ 복수 h2 = 417.5 kJ.kg, Δh = 166.32 kJ/kg, RcvH1 = 166.32 x 18 x 80mol% = 2,395 kJ 열량이 회수된다. 다음, 순환수 예열기#1에서, 이 (복수) 순환수 100℃ 80mol% x 86% 순환수가 1atm 280℃로 예열됨으로, 1atm 100℃ h1 = 417.50 kJ/kg, 1atm 280℃ h2 = 3034.40 kJ/kg, Δh = 2,616.9 kJ/kg, RcvH2 = 2,616.90 x 18 x 80mol% x 86% = 32,408 kJ 열량이 회수된다. 다음, 1atm 100℃ 나머지 14% 순환수가 (도 4) 순환수 예열기#2에서, 1atm 620℃로 예열됨으로, 1atm 100℃ h1 = 417.50 kJ/kg, 1atm 620℃ h2 = 3749.80 kJ/kg, Δh = 3,332.3 kJ/kg, RcvH3 = 3,332.3 x 18 x 80mol% x 14% = 6,718 kJ 열량이 회수되어, 총 회수 열량은 (2,395 + 32,408 + 6,718) 41,521 kJ로 합산된다. 이 회수 열량에서 상기 구동 동력을 제하면, (Net) 정미 (41,521-13,923) 27,598 kJ 열량이 회수되고, 이는 배기열 대비 (Net) 정미 (27,598 / 35,341) 78%의 열량이 회수된다. 이처럼, 많은 열량이 회수된 이유는, 증기에는 막대한 (잠열, Latent Heat) 증발열의 특성이 있기 때문이다. 예를 들어, CO2는 20bar -20℃에서 증발열이 (282.44kJ/kg) 67.46 kcal/kg이고 증기는 대기압에서 이 증발열이 539kcal/kg이다. 만약 증기가 이 CO2처럼 막대한 증발열의 특성이 없다면, 본 발명에서, 히트펌프 수단으로, 배기열은 그다지 회수되지 않는다. 즉, 압축기 구동 동력보다 더 얻어지는 동력이 별로 크지 않기 때문이다.The 20 mol% CO 2 produced by combustion among the combustion chamber exhaust cannot be regarded as an exhaust loss, so its exhaust heat amount is ignored, and only the heat amount exhausted as a multiple of 80 mol% circulating steam circulated as a working fluid at 110℃ to 60℃ is considered an exhaust loss. Looking at it, 0.2 bar 110 ℃ h1 = 2,705.40 kJ/kg, 0.2 bar multiple h2 = 251.18 kJ/kg, Δh = -2,454.22 kJ/kg, exhaust heat is calculated as -2,454.22 x 18 x 80 mol% = -35,341 kJ. 80 mol% circulating water corresponding to this (steam) exhaust was evaporated at 0.2 bar 90 ° C in this exhaust cooler, and then condensed at 1 atm 100 ° C in the (StmCond) condenser by means of a heat pump, so 0.2 bar 60 ° C circulation Number h1 = 251.18 kJ/kg, 1 atm 100°C multiple h2 = 417.5 kJ.kg, Δh = 166.32 kJ/kg, RcvH1 = 166.32 x 18 x 80 mol% = 2,395 kJ heat is recovered. Next, in the circulating water preheater #1, since this (plural) circulating water 100°C 80 mol% x 86% circulating water is preheated to 1atm 280°C, 1atm 100°C h1 = 417.50 kJ/kg, 1atm 280°C h2 = 3034.40 kJ/kg , Δh = 2,616.9 kJ/kg, RcvH2 = 2,616.90 x 18 x 80 mol% x 86% = 32,408 kJ heat is recovered. Next, 1atm 100℃ remaining 14% circulating water (FIG. 4) is preheated to 1atm 620℃ in circulating water preheater #2, so 1atm 100℃ h1 = 417.50 kJ/kg, 1atm 620℃ h2 = 3749.80 kJ/kg, Δh = 3,332.3 kJ/kg, RcvH3 = 3,332.3 x 18 x 80 mol% x 14% = 6,718 kJ heat recovered, adding up the total heat recovered to (2,395 + 32,408 + 6,718) 41,521 kJ. If the driving power is subtracted from this recovered heat amount, (Net) net (41,521-13,923) 27,598 kJ heat is recovered, which is 78% of (Net) net heat (27,598 / 35,341) heat recovery. As such, the reason why a large amount of heat is recovered is that steam has a characteristic of an enormous heat of vaporization (Latent Heat). For example, CO 2 has a heat of evaporation of (282.44 kJ/kg) 67.46 kcal/kg at 20 bar -20°C and steam has a heat of evaporation of 539 kcal/kg at atmospheric pressure. If steam does not have the characteristics of enormous heat of vaporization like this CO 2 , in the present invention, by means of a heat pump, exhaust heat is not recovered much. That is, it is because the power obtained is not so great as the driving power of the compressor.

아래에서는, 도 2에 도시한, 본 배기냉각기의 구조가 상세히 설명된다. 본 배기냉각기는, (Air Fin) 에어핀 쿨러 유형의, (Shell & Tube) 셀-튜브형 열교환기로 구성된다. 연소실 배기가 (흡입) 유입되는 입구에는, 기-복수가, 막대한 증발열로, 연소실 (흡입) 유입 배기를 냉각하며, 배기열을 흡수하는, 배기열 흡수기가 설치되어 있고, 이다음에, 배기 미니냉각기가 설치되어 있으며, 다음에, 참버의 천장에서 냉기를 내뿜는 다수의 냉기순환 배관이 장치되어 있으며, 이다음, 천장에서 수증기 물보라를 내뿜는 다수의 물분사 노즐이 설치되어 있고, 이다음에, 냉매 산소가 튜브로 흐르며 유입 배기가 냉각되어, 증기가 최종 복수 되는, 수증기 (Vapor Cooler) 냉각기가 설치되어 있으며, 다음 맨 우측에, 액상의 냉매 산소가 튜브로 공급되는 (CO2 Cooler) CO2냉각기가 설치되어 있고, 이 CO2냉각기 참버의 맨 우측 천장에서, 냉기(Cold Gases)가 흡입되어 상기 배기 미니냉각기 우측 천장에서 내뿜어지는 다수의 냉기순환 배관이 장치되어 있어, 이 냉기순환 배관으로, 과잉 공급된 산소, CO, N2 등 불응축 기체와 소량의 CO2가 흡입되어 순환된다. 이 냉기순환 배관 흡입구 위 T-분기점에, 도 3에 보인, 냉기순환 (Blade) 블레이드가 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. 이러한 본 배기냉각기의 구조 기능은 아래에서 자세히 설명된다.Below, the structure of this exhaust cooler, shown in FIG. 2, will be explained in detail. This exhaust cooler is composed of (Air Fin) air fin cooler type (Shell & Tube) shell-tube heat exchanger. At the inlet where the combustion chamber exhaust (intake) flows in, an exhaust heat absorber is installed, which cools the combustion chamber (intake) inflow exhaust with enormous evaporation heat and absorbs the exhaust heat, followed by an exhaust mini cooler. Next, there are a number of cold air circulation pipes that emit cold air from the ceiling of the chamber, then a number of water spray nozzles that emit water vapor spray from the ceiling, and then, refrigerant oxygen A vapor (Vapor Cooler) cooler is installed that cools the incoming exhaust as it flows through the tube and finally condenses the steam, and a CO 2 cooler (CO 2 Cooler) that supplies liquid refrigerant oxygen to the tube is installed on the far right. , and a plurality of cold air circulation pipes are installed in the far right ceiling of the CO 2 cooler chamber, through which cold gases are sucked in and blown out from the ceiling on the right side of the exhaust mini cooler. Non-condensable gases such as oxygen, CO, N 2 and a small amount of CO 2 are inhaled and circulated. At the T-junction above the inlet of the cold air circulation pipe, a cold air circulation (Blade) blade shown in FIG. The space is equipped with a sensor that detects this non-condensable gas. The structural function of this exhaust cooler will be described in detail below.

본 발명에서는, 연소실에 산소가 이론 공급량보다 130% 더 공급된다. 따라서 연소실에 과잉 공급된, (20mol% x (130%-100%)) 6mol% 미량의 미연소 산소, 불완전 연소로 생성된 일산화탄소(CO), 초미량의 질소 따위 불응축 기체가 포집 제거되면서, 더불어 상기 배기 미니냉각기를 통하여 이의 냉각 열량으로 유입 배기가 다소 냉각된다. 상기 냉기순환 블레이드가 회전하면, 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 (6mol%) 미량의 산소로 이뤄진다. 상기 순환 블레이드의 회전에 따라, 포집된 이 불응축 기체는, 도시한 바와 같이, 배큠펌프로 흡입되어, 배기 미니냉각기로 압송되어, 흡입 배기를 다소 냉각하고, 대기로 방출된다. 이 냉기순환 배관으로, 상기 CO2냉각기 참버 냉기가 흡입되어, 위 천장에서 분출됨으로써, 유입 배기가 효과적으로 냉각된다. 또한, 이 배기가 더 효과적으로 냉각되도록, 이 냉기순환 배관의 냉기 분출구 다음에, (선행 배기) 증기가 냉각 응축된 복수로, 다수의 물분사 노즐을 통하여 수증기 물보라가 천장에서 분출되어, 유입 배기는 이 수증기 물보라로 직접 냉각되어 복수 되고, 이어 수증기 (Vapor Cooler) 냉각기에서, 더 냉각되어, 증기는 최종 복수 된다. 이 수증기 냉각기 아래, (Hot Well) 핫웰에 고인, (기-복수) 갓 복수는 상기 배기열 흡수기의 튜브로 이송되고, 이 배기열 흡수기에서, 막대한 증발열로 유입 배기를 냉각하며, 막대한 (복수) 응축열을 흡수하고 90℃ 증기로 승온 하여, 배큠펌프로 흡입 배출된다. 이 유입 배기 중 수증기보다 가벼운 CO2와 불응축 기체는 이 수증기 냉각기보다 더 높이 위치한 CO2냉각기로 오르고, 이 CO2냉각기에서, CO2는 액상의 냉매 -183℃ 산소로 -13℃로 더 냉각되어 배큠펌프에 의하여 (포집) 배출된다.In the present invention, 130% more oxygen is supplied to the combustion chamber than the theoretical supply amount. Therefore, (20mol% x (130%-100%)) 6mol% traces of unburnt oxygen, carbon monoxide (CO) generated from incomplete combustion, and ultra-trace nitrogen, which are excessively supplied to the combustion chamber, are collected and removed, In addition, through the exhaust mini cooler, the inlet exhaust is somewhat cooled by its cooling heat. When the cold air circulation blade rotates, non-condensable gas and a small amount of CO 2 are sucked in, and the heavy (large mass) CO 2 flows by centrifugal force to the circulation pipe outside the circumference of the blade, and the CO 2 escapes (empty) Filling the space with light non-condensable gas, it rises upward and rises to the non-condensable gas collection space. This non-condensable gas is mostly composed of a trace amount of oxygen (6 mol%) that is oversupplied to the combustion chamber. As the circulation blade rotates, this collected non-condensable gas is sucked into the vacuum pump as shown in the figure, and is forced to the exhaust mini-cooler, cools the intake exhaust air somewhat, and is discharged to the atmosphere. The cold air from the CO 2 cooler chamber is sucked into this cold air circulation pipe and blown out from the upper ceiling, effectively cooling the incoming exhaust. In addition, so that this exhaust is more effectively cooled, after the cold air outlet of this cold air circulation pipe, (preceding exhaust) steam is cooled and condensed, and water vapor spray is ejected from the ceiling through a plurality of water spray nozzles, so that the inflow exhaust is It is directly cooled by this water vapor spray and becomes condensate, then further cooled in a vapor cooler, and finally vapor becomes condensate. Under this steam cooler, (Hot Well) fresh condensate collected in the hot well is transferred to the tube of the exhaust heat absorber, and in this exhaust heat absorber, the inflowing exhaust is cooled with enormous heat of evaporation, and the enormous (condensed) condensation heat After absorbing and raising the temperature to 90℃ steam, it is suctioned and discharged with a vacuum pump. CO2 and non-condensable gases lighter than water vapor from this inlet exhaust rise to the CO2 cooler located higher than the steam cooler, where the CO2 is further cooled to -13°C with the liquid refrigerant -183°C oxygen. and is discharged (collected) by the vacuum pump.

본 발명에서 가스보일러 연소실 운전압력은 1atm으로 설정되었고, 이를 기준으로 하여, 연소실 배기열은, 앞서 설명한 바와 같이, 압축기 구동 동력을 제하고, 배기열 대비 (Net) 정미 78% 열량이 회수된다. 그러나, 이 연소실 운전압력을 5bar로 높이면, 상기 0.2bar 90℃ 기-복수 증기를 150℃로 가열할 수 있고, 압축기로 580℃로 (Boost up) 가열할 수 있으며, 상기 복합 재순환 질소가 560℃로 승온 가능하므로 배기열 대비 (Net) 정미 90% 열량을 회수할 수 있다. 한편, 모든 증기터빈에서는, 증기에 가해진 열량의 50% 달하는 배기열량이 바다로 방출된다. 그러나, 앞으로 본 발명의 배기열 회수 방법으로, 이 50%에 달하는 배기열량은, 70% 이상 회수될 수 있으므로, 모든 증기터빈은, 적어도, (Net) 정미 75% 이상의 열효율이 예상된다.In the present invention, the operating pressure of the combustion chamber of the gas boiler is set to 1 atm, and based on this, the exhaust heat of the combustion chamber, as described above, subtracts the driving power of the compressor, and 78% net heat compared to (Net) exhaust heat is recovered. However, if the operating pressure of the combustion chamber is increased to 5 bar, the 0.2 bar 90 ° C steam-condensate steam can be heated to 150 ° C, and can be heated to 580 ° C (Boost up) with a compressor, and the composite recycle nitrogen can be heated to 560 ° C. Since the temperature can be raised by , 90% net heat compared to the exhaust heat can be recovered. On the other hand, in all steam turbines, the amount of exhaust heat amounting to 50% of the amount of heat added to the steam is released to the sea. However, in the future, with the exhaust heat recovery method of the present invention, 70% or more of the exhaust heat reaching this 50% can be recovered, so that all steam turbines are expected to have thermal efficiencies of at least (Net) 75% or more.

증기터빈용 가스보일러에서, 작동유체로써 순환증기가 연소실로 재순환되며, 공기로부터 산소와 질소가 분리 생산되어 냉매로 활용, 순산소연소가 구현되고, 연소실에 일정한 압력이 유지된 상태로 연소실 배기가 본 배기냉각기로 (흡입) 유입되어, (선행 배기의) 기-복수가 막대한 증발열을 냉각열로 활용하여, 후속 연소실 유입 배기를 냉각하여, 연소실 유입 배기가 복수 되고, 이의 막대한 배기열이 전량 회수되며, CO2가 포집되어, 이 CO2로 수소가 생산되고, 이 수소와 순산소연소에 냉매로 활용된 질소로 암모니아(NH3)가 제조되어, 탄소 (CO2 Net Zero) 중립이 실현되도록 구상된 것이 특징이다.In gas boilers for steam turbines, circulating steam is recirculated to the combustion chamber as a working fluid, and oxygen and nitrogen are separated and produced from air and used as refrigerants, realizing pure oxygen combustion, and exhausting the combustion chamber while maintaining a constant pressure in the combustion chamber. (Intake) flows into this exhaust cooler, and uses the enormous evaporation heat of (preceding exhaust) as cooling heat to cool the inflow exhaust from the subsequent combustion chamber, so that the inflow exhaust from the combustion chamber is condensed, and the vast amount of exhaust heat thereof is recovered. , CO 2 is captured, hydrogen is produced from this CO 2 , and ammonia (NH 3 ) is produced from this hydrogen and nitrogen used as a refrigerant for pure oxygen combustion, so that carbon (CO2 Net Zero) neutrality is realized. It is characterized by

부호 설명 없음.Code Description None.

Claims (6)

화력발전소 증기터빈용 가스보일러에 있어서, 공기로부터 분리 생산된 산소와 질소가 냉매로 활용되고, 연소실에 산소만 주입되며, 작동유체로써 80mol% 순환수가 예열되어, 연소실에 주입 재순환되어 순산소연소가 구현되며,
(제2항) 연소실에 일정한 압력이 유지되면서, 연소실 배기가 (도 6) 동력발생기를 통하여 배출되고, (도 2) 본 배기냉각기에 유입되도록, 이 동력발생기가 바이패스 (Bypass Passage) 통로와 더불어 이 연소실 맨 후단에 장착되며, 이 연소실 배기가, 본 배기냉각기에 (흡입) 유입되어,
(제3항) (선행 배기의) 기-복수가, 냉매로써 막대한 증발열로, (도 2) 배기열 (Exhaust Heat Absorber) 흡수기에서, 연소실 유입 배기를 냉각, 이의 (복수) 배기열을 흡수하며, 90℃ 증기로 승온 하고, (도 5) 배기열 회수 시스템의 배큠펌프로 흡입되어, 증기 (StmHtr) 가열기로 이송되며,
천장에서 냉기와 수증기 물보라가 내뿜어지고, 수증기 (Vapor Cooler) 냉각기에서 냉매 산소로 냉각되어 증기는 최종 복수 되며, (Hot Well) 핫웰에 고인 (기-복수) 갓 복수가 상기 배기열 흡수기 튜브로 이송되어, 유입 배기를, 막대한 증발열로, 냉각하며, 90℃ 증기로 승온 하고, 유입 배기 중 CO2가 CO2냉각기에서 액상의 냉매 산소로 -13℃로 냉각 (포집) 배출되며,
(제4항) (도 5) 배기열 회수 시스템의 증기 (StmHtr) 가열기에서, 기-복수 90℃ 증기가, 히트펌프 수단으로, (133℃) 재순환 질소로, 120℃ 이상으로 (Boost up) 가열되어, 1atm 이상으로 가압 310℃ 이상으로 승온 후, (628mol% 87℃) 복합 재순환 질소로 냉각 (100℃) 복수 되며, 순환증기 (80mol%) 복수가, 연소실 운전압력으로 가압 되고, 이 (복수) 순환수 중, 대부분의 (86%) 순환수가, (도 5) 순환수 (CircWtr PreHtr#1) 예열기#1에서, 270℃ 이상으로 예열되고,
(제5항) 나머지 (14%) 순환수가, (도 4) 순환수 (CircWtr PreHtr#2) 예열기#2에서, 질소 저장탱크의 1atm 질소가, 냉각 액화되어 (도 5) 터빈 배기열 회수 시스템에서 필요한 액상의 질소가 공급되도록, 20bar 620℃ 질소를 120℃로 냉각하며, 620℃ 이상으로 예열되고, 이 120℃ 20bar 질소가 30bar로 가압 되어, 액상의 냉매로 액화되도록, 2차 (2nd N2Cooler) 냉각기에 주입되며,
(제6항) 연소로 생성된 유입 배기 CO2가, (도 2) 배기냉각기에서, -13℃로 냉각 (포집) 배출되어, 1atm으로 가압 외부 (CO2 ExCooler) CO2냉각기에서, 냉매 산소로 5℃로 냉각되고, 5℃ 냉각수에, (도 1) 혼합기(Mixer)에서 탄산수로 녹여지고, 수소가 생산되는 시스템에 공급되어, 수소가 생산되며, 이 수소와 냉매로 활용된 질소로, 암모니아(NH3)가 제조됨으로써, 탄소 (CO2 Net Zero) 중립이 실현되도록 구성된, 기-복수 증발열에 의한 화력발전소 가스보일러 배기 냉각 배기열 회수 및 CO2포집 장치와 히트펌프 및 탄소 중립 운전 방법.
In a gas boiler for a steam turbine of a thermal power plant, oxygen and nitrogen produced separately from air are used as refrigerants, only oxygen is injected into the combustion chamber, 80 mol% circulating water is preheated as a working fluid, injected into the combustion chamber, and recirculated, resulting in pure oxygen combustion. is implemented,
(Claim 2) While maintaining a constant pressure in the combustion chamber, the combustion chamber exhaust is discharged through the power generator (Fig. 6) and introduced into the exhaust cooler (Fig. 2), so that the power generator is connected to the bypass passage. In addition, it is installed at the rear end of this combustion chamber, and the exhaust from this combustion chamber enters (suction) into this exhaust cooler,
(Claim 3) The group-condensate (of the preceding exhaust) cools the exhaust inflow to the combustion chamber in the exhaust heat absorber (FIG. 2), absorbs its (condensate) exhaust heat, with enormous evaporation heat as a refrigerant, 90 The temperature is raised to ℃ steam, (FIG. 5) is sucked into the vacuum pump of the exhaust heat recovery system and transferred to the steam (StmHtr) heater,
Cold and water vapor spray is blown from the ceiling, the vapor is cooled by the refrigerant oxygen in the vapor cooler, and the vapor is finally condensed, and the condensate collected in the hot well is transferred to the exhaust heat absorber tube , Inlet exhaust is cooled with enormous heat of evaporation, the temperature is raised to 90 ° C steam, and CO 2 is cooled (captured) to -13 ° C with liquid refrigerant oxygen in the CO 2 cooler (captured) and discharged,
(Claim 4) (Fig. 5) In the steam (StmHtr) heater of the exhaust heat recovery system, steam at 90 ° C is heated to (Boost up) to 120 ° C or higher with (133 ° C) recirculating nitrogen by means of a heat pump. After heating to 310℃ or higher, pressurized to 1 atm or more, (628 mol% 87℃) is cooled with complex recycle nitrogen (100℃) condensate, and circulating steam (80 mol%) condensate is pressurized to the combustion chamber operating pressure, and this (condensate ) Among the circulating water, most (86%) of the circulating water (FIG. 5) circulating water (CircWtr PreHtr#1) is preheated to 270 ° C. or higher in the preheater #1,
(Claim 5) The remaining (14%) circulating water, (FIG. 4) Circulating water (CircWtr PreHtr#2) In preheater #2, 1 atm nitrogen in the nitrogen storage tank is cooled and liquefied (FIG. 5) in the turbine exhaust heat recovery system To supply the necessary liquid nitrogen, 20 bar 620 ℃ nitrogen is cooled to 120 ℃, preheated to 620 ℃ or more, and this 120 ℃ 20 bar nitrogen is pressurized at 30 bar to liquefy into a liquid refrigerant, the second (2nd N 2 Cooler) is injected into the cooler,
(Claim 6) The inflow exhaust CO 2 produced by combustion is cooled (collected) to -13°C in the exhaust cooler (FIG. 2) and discharged, pressurized to 1 atm. In the external (CO 2 ExCooler) CO 2 cooler, refrigerant oxygen It is cooled to 5 ℃, dissolved in 5 ℃ cooling water, (Fig. 1) with carbonated water in a mixer (Mixer), supplied to the system where hydrogen is produced, and hydrogen is produced, with this hydrogen and nitrogen used as a refrigerant, Ammonia (NH 3 ) is produced, thereby realizing carbon (CO 2 Net Zero) neutrality, a thermal power plant gas boiler exhaust cooling exhaust heat recovery and CO 2 capture device, heat pump, and carbon neutral operation method by gas-condensation heat of vaporization.
제1항에 있어서, 연소실에 일정한 압력이 유지되면서, 연소실 배기가 (도 6) 동력발생기를 통하여 배출, (도 2) 본 배기냉각기에 유입되도록, 이 동력발생기가 이 연소실 연소가스 배출구 맨 후단에, 더불어 유량 제어밸브로 (Diffuser) 디퓨저를 통하여 바이패스 (Bypass Passage) 통로로 흐르는 유량이 제어되는, 이 바이패스 통로가, 장착되어, 연소실 배기가 배압 0.2bar 110℃로 본 배기냉각기에 (흡입) 유입되도록 구성된, 기-복수 증발열에 의한 화력발전소 가스보일러 배기 냉각 배기열 회수 장치.The method of claim 1, while maintaining a constant pressure in the combustion chamber, the combustion chamber exhaust is discharged through the power generator (Fig. 6) and introduced into the exhaust cooler (Fig. 2), the power generator is located at the rear end of the combustion gas outlet of the combustion chamber. , In addition, this bypass passage, in which the flow rate flowing to the bypass passage through the diffuser with the flow control valve (Diffuser) is controlled, is mounted, so that the combustion chamber exhaust is supplied to the present exhaust cooler with a back pressure of 0.2 bar of 110 ° C (suction ) A thermal power plant gas boiler exhaust cooling exhaust heat recovery device by multiple evaporation heat configured to flow in. 제1항에 있어서, (도 2) 본 배기냉각기에서, (도 7) 동력발생기로부터 배기가 (흡입) 유입되는 입구에,
배기열 (Exh.Heat Absorber) 흡수기가 설치되어 있고, 다음, 배기 미니냉각기가 설치되어 있으며, 이다음에, 맨 우측 (CO2Cooler) CO2냉각기 참버 위 천장에서 냉기(Cold Gas)가 흡입되어 천장으로부터 뿜어내는,
다수의 냉기순환 배관이 장치되어 있으며, 이 냉기순환 배관 흡입구 위 T-분기점에 냉기순환 (도 3) 블레이드가 장치되어 있고, 이 T-분기점 위에, O2, CO, N2, 등 불응축 기체의 포집 공간이 형성되어 있으며, 이 불응축 기체를 뿜어 배출하는 배큠펌프가 설치되어 있으며, 이다음에, 이미 냉각 응축된 갓 복수로, 천장에서 수증기 물보라가 내뿜어지는,
다수의 물분사 노즐이 설치되어 있으며, 이다음에, 냉매 산소가 튜브로 흐르며 유입 배기를 냉각하는, 순환수 (Vapor Cooler) 냉각기가 설치되어 있으며,
아래, (Hot Well) 핫웰의 (기-복수) 갓 복수가 상기 배기열 흡수기 튜브로 이송되도록, 복수펌프가 설치되어 있으며, 이 배기열 흡수기에서, 이 기-복수가 막대한 증발열을 냉각열로 활용하여, 증기로 증발하면서, 후속 유입 배기를 냉각하며, 막대한 응축열을 흡수하고, 90℃ 증기로 승온 하여, 유입 배기가 냉각되고,
맨 우측에, 상기 수증기 냉각기보다 더 높이 냉매 산소가 튜브로 흐르며 연소로 생성된 CO2가 냉각되는, (CO2Cooler) CO2냉각기가 설치되어 있으며, 이 CO2냉각기 아래, 영하로 냉각된 CO2를 흡입 (포집) 배출하는 배큠펌프가 설치되어 있으며,
유입 배기가, 천장에서 내뿜어지는 냉기 및 수증기 물보라로, 직접 냉각되어, 유입 배기 중 증기는 복수 되고, 냉매 산소가 튜브로 흐르는 순환수 냉각기에서, 더 냉각되어 증기는 최종 복수 되고, 이어, 배기 중 수증기보다 가벼운, 과잉 공급된 산소, CO2 등 불응축 기체는 위쪽의 CO2냉각기로 오르고, 이 CO2냉각기에서 CO2는 냉매 산소로 -13℃로 냉각되어, 이 냉각기 아래 설치된 배큠펌프에 흡입되어 (포집) 배출되며, 핫웰의 (기-복수) 갓 복수가 상기 배기열 흡수기 튜브로 이송되도록 구성된, 기-복수 증발열에 의한 화력발전소 가스보일러 배기 냉각 배기열 회수 및 CO2포집 장치.
The method of claim 1, (FIG. 2) in this exhaust cooler, (FIG. 7) at the inlet through which exhaust (suction) flows from the power generator,
An exhaust heat (Exh.Heat Absorber) absorber is installed, then an exhaust mini cooler is installed, and then, cold gas is sucked from the ceiling above the CO 2 cooler chamber on the far right (CO 2 Cooler) to the ceiling. emanating from
A plurality of cold air circulation pipes are installed, and a cold air circulation (FIG. 3) blade is installed at the T-junction above the cold air circulation pipe inlet, and above the T-junction, O 2 , CO, N 2 , and other non-condensable gases. A collection space is formed, and a vacuum pump is installed to eject and discharge this non-condensable gas, and then, as condensed gas that has already been cooled and condensed, steam spray is spewed from the ceiling.
A plurality of water spray nozzles are installed, and then a circulating water (Vapor Cooler) cooler is installed, in which refrigerant oxygen flows into the tube and cools the inlet exhaust,
Below, (Hot Well), a condensate pump is installed so that the (group-plural) condensate of the hot well is transferred to the exhaust heat absorber tube, and in this exhaust heat absorber, the steam-condensate uses the enormous evaporation heat as cooling heat, While evaporating with steam, cooling the subsequent inflow exhaust, absorbing enormous condensation heat, and raising the temperature to 90 ° C steam, the inflow exhaust is cooled,
On the far right, a (CO 2 Cooler) CO 2 cooler is installed, in which the refrigerant oxygen flows into the tube higher than the steam cooler and the CO 2 produced by combustion is cooled. Below this CO 2 cooler , CO cooled below zero 2 is installed with a vacuum pump that sucks (collects) and discharges
The inflow exhaust is directly cooled with cold air and water vapor spray blown from the ceiling, the steam in the inlet exhaust is condensed, and in the circulating water cooler where the refrigerant oxygen flows through the tube, it is further cooled and the steam is finally condensed, and then in the exhaust. Oxygen in excess, lighter than water vapor, Non-condensable gas such as CO 2 rises to the upper CO 2 cooler, and in this CO 2 cooler, CO 2 is cooled to -13℃ with oxygen as a refrigerant, and is sucked (collected) and discharged by the vacuum pump installed below the cooler, and is discharged from the hot well. (Group-plural) Gas boiler exhaust cooling exhaust heat recovery and CO 2 capture device for thermal power plant gas boiler exhaust by condensate evaporation heat, configured to transfer condensate to the exhaust heat absorber tube.
제1항에 있어서, 유입 배기열을 흡수한 90℃ 순한 증기가, (도 5) 배기열 회수 시스템에서, 133℃ 이상의 복합 재순환 질소로 120℃ 이상으로 (Boost up) 가열되고, 1atm 이상으로 가압 310℃ 이상으로 승온 후, (StmCond) 복수기에서, 628mol% 86℃ 복합 재순환 질소로, 100℃ 냉각 복수 되며, 이 질소는 290℃ 이상으로 승온, 증기의 막대한 배기열이 이 열전달 매체 증기의 승온 열량으로 전환되며, 이후, 이 100℃) (복수) 순환수는, 순환수 (CircWtr PreHtr#1) 예열기#1에서, 대부분 (86%) 열전달 매체로써 배기열을 보유한 290℃ 질소로 270℃ 이상으로 예열되도록 구성된, 기-복수 증발열에 의한 화력발전소 가스보일러 배기 냉각 배기열 회수 히트펌프 운전 방법.The method of claim 1, wherein the 90° C. mild steam that absorbed the inflow exhaust heat is heated to 120° C. or higher (Boost up) with 133° C. or higher composite recycle nitrogen in the exhaust heat recovery system (FIG. 5), and pressurized to 1 atm or higher to 310° C. After the temperature rises above (StmCond), in the condenser, 628 mol% 86 ° C composite recycle nitrogen is cooled to 100 ° C, and this nitrogen is heated to 290 ° C or higher, and the enormous exhaust heat of steam is converted into the heating heat of the heat transfer medium steam , Then, this 100 ° C) (plural) circulating water is preheated to 270 ° C or higher with 290 ° C nitrogen holding exhaust heat as a heat transfer medium in most (86%) of the circulating water (CircWtr PreHtr # 1) preheater # 1, Gas boiler exhaust cooling exhaust heat recovery heat pump operation method by gas-condensation heat of evaporation. 제1항에 있어서, 상기 나머지 (80mol% x 14%) 소량의 순환수가 (도 4) 질소 액화냉각 시스템의 순환수 (CircWtr PreHtr#2) 예열기#2에서, 1atm 110℃ 질소가 1차 압축기에서 20bar로 압축 650℃로 승온 하고, 이 질소로 620℃ 이상으로 예열되면서, 이 질소는, 120℃로 냉각된 후, 30bar로 가압, (도 5) 배기열 회수시스템에서 필요한 액상의 냉매로 액화되도록 2차 (2nd N2Cooler) 냉각기에 주입되고, 이 2차 냉각기에서 이 30bar 압축 질소를 냉각한 저온의 질소가, 저온 질소 탱크에 대부분 저장되며, 1차 압축기에서 1atm 질소가 650℃ 이하로 압축되지 않도록, 이 압축기로 재입력되는 유량이 제어되어, 고온 질소 저장탱크 질소와 혼합되어, 이 압축기로 재입력되도록 구성된, 기-복수 증발열에 의한 화력발전소 가스보일러 배기 냉각 배기열 회수 히트펌프 운전 방법.The method of claim 1, wherein the remaining (80 mol% x 14%) small amount of circulating water (FIG. 4) circulating water of the nitrogen liquefaction cooling system (CircWtr PreHtr#2) in the preheater #2, 1 atm 110 ° C. nitrogen in the primary compressor Compressing at 20 bar, raising the temperature to 650 ° C, and preheating to 620 ° C or higher with this nitrogen, this nitrogen is cooled to 120 ° C, pressurized at 30 bar, (Fig. 5) to liquefy into a liquid refrigerant required in the exhaust heat recovery system 2 The low-temperature nitrogen injected into the primary (2nd N 2 Cooler) cooler and cooling this 30bar compressed nitrogen in the secondary cooler is mostly stored in the low-temperature nitrogen tank, and 1atm nitrogen is not compressed below 650℃ in the primary compressor. The flow rate re-input to the compressor is controlled so as to be mixed with the high-temperature nitrogen storage tank nitrogen and re-input to the compressor. 제1항에 있어서, (도 2) 배기냉각기에서 연소로 생성된 CO2가 -13℃로 포집되어, 배큠펌프로 1atm으로 가압, 100℃로 승온 후, 외부 (ExCooler) CO2냉각기에서, 5℃로 냉각, 5℃ 냉각수에 (도 1) 혼합기(Mixer)에서 탄산수로 녹여지고, 산소와 수소를 생산하는 시스템에 공급, 수소가 생산되며, 이 수소와 냉매로 활용된 질소가, 암모니아(NH3) 제조 플랜트에 공급되어, 암모니아가 제조됨으로써, 탄소 (CO2 Net Zero) 중립이 실현되도록 구성된, 기-복수 증발열에 의한 화력발전소 가스보일러 배기 냉각 CO2포집 장치 및 탄소 중립 운전 방법.
The method of claim 1, (FIG. 2) CO 2 generated by combustion in the exhaust cooler is collected at -13 ° C, pressurized at 1 atm with a vacuum pump, heated to 100 ° C, and then in an external (ExCooler) CO 2 cooler, 5 Cooled to ℃, dissolved in carbonated water in 5 ℃ cooling water (Fig. 1) in a mixer (Mixer), supplied to a system that produces oxygen and hydrogen, hydrogen is produced, and this hydrogen and nitrogen used as a refrigerant are ammonia (NH 3 ) A gas boiler exhaust cooling CO 2 capture device and carbon-neutral operation method configured to achieve carbon (CO 2 Net Zero) neutrality by being supplied to a manufacturing plant and producing ammonia.
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