KR20240003811A - 포화수에 의한 화력발전소 석탄 보일러 배기 냉각, 배기열 회수 및 co2포집 장치와 이의 운전 방법 및 탄소 중립 운전 방법 - Google Patents

포화수에 의한 화력발전소 석탄 보일러 배기 냉각, 배기열 회수 및 co2포집 장치와 이의 운전 방법 및 탄소 중립 운전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 석탄 화력발전소 보일러에서, 작동유체로써 증기가 보일러 연소실로 재순환되어, 순산소연소가 구현되며, 연소실 배기가 순환냉각수 증발열로 냉각되어, 이의 배기열이 회수되고, CO2와 더불어 석탄분진, 미세먼지, 황산화물 등 환경오염 물질이 포집되며, 또, 탄소 (CO2 Net Zero) 중립이 실현되도록 구성된다. 이 순환증기는 연소실로, 작동유체로써, (8H2O + 2O2 + 2C = 8H2O + 2CO2), 재순환되고, 연소실에서 배기되는 80mol% 순환증기를, 냉매로써 80mol% (8H2O) 순환수가 이 배기의 막대한 응축열을 막대한 증발열로, 흡수하며, 90℃ 증기로 승온 함으로서, 연소실 배기는 냉각 복수 된다. 이 냉각수가 흡수한 막대한 보일러 (증기의) 배기열은 연소실에 주입되는 과열증기로 전량 회수된다. 연소실 배기가 복수 되면서, 더불어, 연소실 배기에 함유된, 석탄분진, 미세먼지, 황산화물 등 환경오염 물질이 포집되며, CO2가 포집되어 탄소 중립이 실현된다.
보일러 연소실에 일정한 압력이 유지되면서 연소실 배기가 배출되도록, 도 1에 도시한 바와 같이, 절탄기 아래 집진 설비 바로 전에, 본 발명 (도 7) 동력발생기가 추가 설치되고, 연소실 (Flue Gas) 배기가, 굴뚝으로 방출되지 않고, (도 2) 본 배기냉각기에 배압 0.2bar로 (흡입) 유입되어, (작동유체) 순환증기로써 80mol% 순환수가, 냉매로써 막대한 증발열로, 유입 80mol% 배기를 냉각하며, 막대한 (복수) 응축열을 흡수함으로써, 이 80mol% (배기) 증기는 냉각 복수 되고, 이 순환수는 막대한 증기의 응축열을 흡수하고, 90℃ 증기로 승온 하게 된다. 이후, 이 순환수가 90℃ 증기로 승온 하며 흡수한, 이 막대한 배기열은, 히트펌프 수단으로 전량 회수된다.
이 연소실 유입 배기가 복수 되면서, 연소실 배기에 함유된 석탄분진, 미세먼지, 황산화물 따위 환경오염 물질이 이 복수와 더불어 포집되어, 복수 저장탱크에 저장되어 정화 처리되고, 배기 중 20mol% CO2는 -13℃로 냉각 포집되어, 최신 개발된 신기술로 CO2는 냉각수에 탄산수로 녹여져 수소가 생산되어, 아래와 같이, 탄소 중립이 실현되도록 구성된다.
본 배기냉각기에서, -13℃로 포집된 CO₂는, 냉각수에, (도 1) H2O+CO2 (Mixer) 혼합기에서 탄산수로 녹여지고, 이 탄산수가 (최근에 개발된) CO₂로 전기와 수소를 생산하는 시스템에 공급되어 수소가 생산되며, 생산된 이 청정에너지 수소와 냉매로 활용된 질소로 암모니아(NH₃)가 제조되어, 이 수소가 저장, 이송 수단으로써 최적의 매체인 NH₃에, 게다가 액체 대비 1.5배나 많은 분량이, 상온에서 8.6bar의 낮은 압력으로 저장됨으로써, 탄소 중립이 실현되도록 구성된다

Description

포화수 증발열에 의한 보일러 및 증기터빈의 배기 냉각, 배기열 회수 및 CO2포집 장치와 운전 방법 및 탄소 중립 운전 방법 {By Water Evaporation Heat, Oxyfuel Combustor Exhaust Gas/Steam, and Steam-Turbine’ Exhaust Steam Cooling, Heat Recovery and CO2 Capture Device and Its Operation Method, and Net Zero Operation Method of Power Plant}
본 발명은 석탄 화력발전소 보일러에서, 작동유체로써 증기가 보일러 연소실로 재순환되어, 순산소연소가 구현되며, 연소실 배기가 순환냉각수 증발열로 냉각되어, 이의 배기열이 회수되고, CO2와 더불어 석탄분진, 미세먼지, 황산화물 등 환경오염 물질이 포집되며, 또, 탄소 (CO2 Net Zero) 중립이 실현되도록 구성된다. 이 순환증기는 연소실로, 작동유체로써, (8H2O + 2O2 + 2C = 8H2O + 2CO2), 재순환되고, 연소실에서 배기되는 80mol% 순환증기를, 냉매로써 80mol% (8H2O) 순환수가 이 배기의 막대한 응축열을 막대한 증발열로, 흡수하며, 90℃ 증기로 승온 함으로서, 연소실 배기는 냉각 복수 된다. 이 냉각수가 흡수한 막대한 보일러 (증기의) 배기열은 연소실에 주입되는 과열증기로 전량 회수된다. 연소실 배기가 복수 되면서, 더불어, 연소실 배기에 함유된, 석탄분진, 미세먼지, 황산화물 등 환경오염 물질이 포집되며, CO2가 포집되어 탄소 중립이 실현된다.
공기 중 질소는 78%, 산소 21%, 기타(CO2, 아르곤 등) 1% 정도이다. 석탄 화력발전소에서는, 보통 미분탄이 공기와 더불어 연소실에 분사 주입된다. 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 증기를 복수하고 CO2를 쉽게 포집하는 연구이다. 이 순산소연소는 질소가 제거됨에 따라 작동유체가 줄어들어 연소실이 과열되는 새로운 문제가 되었다. 이 문제를 해결하기 위하여 이미 연소실에서 배출된 다량의 배기를 연소실로 재순환하도록 하는 새로운 형태의 보일러가 개발되는 중이다.
미국 Clean Energy System 사는 가스터빈에서 순산소연소로 인한 연소실의 과열을 방지하기 위하여 증기가 작동유체로써 재순환되는 CES 사이클을 연구하고 있다. 한편, (인하대 홍용식교수 1985.01.15.) '가스터빈 엔진 이론과 응용'에 의하면, 항공기 가스터빈, (Pratt & Whitney) JT9D와 (Rolls-Royce) Spey, Pegasus 등의 엔진에서는 이륙 시에 (점화기를 활용하여) 연소실에 물을 분사 주입하고, 주입된 수증기는 과열증기로 가열되어 추력이 높아진다.
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.
본 발명에서는, 이산화탄소(CO2)를 쉽게 포집할 수 있도록, 연소실에 순 산소만 주입되어, 순산소연소가 구현되며, 증기는, 증기터빈 복수기에서처럼, 복수 되어 이의 배기열은 회수되며, CO2가 대기로 방출되지 않도록, 포집된다.
화력발전 석탄 보일러에서는 이산화탄소(CO2)뿐만 아니라 석탄 분진, 미세먼지, 황산화물 등이 생성되고, 대기로 방출된다. 이들 미세먼지 등 배연(Flue Gas)도 이 CO2와 더불어 포집되어 정화 저리되어야 한다.
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.
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 + 2C = 8H2O + 2CO2), 연소실로 재순환되어, 이 증기가 복수 되면서, 연소실 (Flue Gas) 배기에 함유된 석탄 분진, 미세먼지, 황산화물 등도 포집된다. 그러나, 이 순환 증기는 어느 기체에서도 볼 수 없는 막대한 응축열의 특성이 있어, 통상의 열교환 방법으로 이 배기는 바닷물을 사용하지 않고 복수하는 것은 불가능하다.
본 발명에서는, 산소와 질소가 공기로부터 분리 생산되고, 냉매로 활용되며, 연소실에 순 산소만 주입되고, 순산소연소에 의한 연소실의 과열이 방지되도록, 작동유체로써 다량의 순환수가 과열증기로 예열되어 연소실에 주입 재순환되어 순산소연소가 구현되며, 연소실 (Flue Gas) 배기가, (본 발명) 특수 열교환기로 (흡입) 유입되어, 냉각수의 증발열과 더불어 소량의 냉매 산소로 냉각되어, 증기가 복수 되고, 이의 막대한 (배기열) 응축열이 (작동유체) 냉각수의 증발열로 흡수되며, 배기 CO2가 -13℃로 포집된다.
상기 연소실 (증기) 배기는, 막대한 (대기압 기준 539kcal/kg) 응축열의 특성으로, 냉각 쉽게 복수 되지 않으나, 냉각수의 막대한 (기화열) 증발열이 활용되어, (작동유체) 순환수가 냉매로써 막대한 증발열로, 소량의 냉매 산소와 더불어, 연소실 (증기) 배기를 냉각하여, 증기가 복수 되고, 이 작동유체 순환수가 증발하며, 이 증기의 막대한 (응축열) 배기열을 회수하게 된다.
보일러 배기가, 대기로 방출되지 않고, (배기냉각기) 특수 열교환기에 (흡입) 유입되어, (작동유체) 증기가 복수 되고, 이 배기열이 회수되어 순환수가 과열증기로 예열되기 위해서는, 연소실에 얼마간의 운전압력이 유지되어야 하므로, 이 연소실 압력이 다소 높아지도록, 종래 보일러의 장비에 특수 장비가 추가 장착된다. 종래 (Economizer) 절탄기로부터 배출되는 배기로, 공기가 예열되는 (A/H) 공기예열기는 산소 (Oxygen PreHtr) 예열기로 교체된다. 연소실에서 배출되는 석탄 분진, 미세먼지 등은 증기가 복수 되면서 더불어 포집되고, 이 복수는 정화 처리를 위하여 복수 저장탱크에 저장되며, 대신 정화 처리된 순환수가 냉매로써 막대한 증발열로, 후속 연소실 배기를 냉각하며, 막대한 배기 (복수) 응축열을 흡수하고 90℃ 증기로 승온 하게 된다.
연소실에서 끊임없이 발생하는 CO2는, 탄소 중립을 위하여, -13℃로 포집, 5℃ 냉각수에 탄산수로 녹여지고, 이 탄산수가 (최근 개발된) 전기와 수소를 생산하는 시스템에 공급되어 청정에너지 수소가 생산되도록 구성된다. 이어, 생산된 이 수소와 배기 냉각에 냉매로 활용된 질소로 암모니아(NH3)가 제조되어, 이 수소가, 액체 대비 1.5배 많은 분량이, 상온에서 낮은 압력(8.6bar)으로, 암모니아에 저장되어 탄소 중립이 실현되도록, 구성된다.
본 발명에서는, 석탄 화력발전소에서 미세먼지, CO2 따위가 배출되지 않으며, 작동유체로써 순환수가 연소실 배기(증기)를 냉각하며 (응축열) 배기열을 증발열로 회수하고, 게다가 연소로 생성된 CO2로 수소가 생산되며, 이 수소와 순산소연소에 냉매로 활용된 질소로 암모니아(NH3)가 제조되어, 결국, 문제의 CO2로 수소가 생산되어, 이 NH3에, 액체 대비 1.5분량이, 저장됨으로써, 탄소 (CO2 Net Nero) 중립이 실현되도록 구성된 것이 특징이다.
도 1은 석탄 보일러 연소실 배기가, 작동유체로써 순환수로, 냉각 복수 되어 배기열이 회수되고, CO2가 포집되는 것을 보인, 작동유체 흐름을 보인, 플로우 다이어그램이다.
도 2는 석탄 보일러 연소실 배기가, 본 배기냉각기에 (흡입) 유입되어 냉각, 증기가 복수 되고, CO2가 냉각 포집되는 것을 보인, 본 배기냉각기의 구조를 상징적으로 보인 도면이다.
도 3은 본 배기냉각기에서, 산소, CO 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, 보일러 연소실 운전압력 1atm에서, 순환수가 냉매로써 증발열로 흡수한 (연소실의) 배기열이, 히트펌프 수단으로, 회수되는 과정을 도시한, 플로우 다이어그램이다.
도 6은, 보일러 연소실 운전압력 5bar에서, 순환수가 냉매로써 증발열로 흡수한 (연소실의) 배기열이, 히트펌프 수단으로, 회수되는 과정을 도시한, 플로우 다이어그램이다.
도 7은 보일러 연소실이 밀폐상태로 얼마간의 압력이 유지되며, 연소실 배기가 배출되면서 동력이 생산되는, 동력발생기의 요부 형상을 보인 도면이다.
도 8은 본 발명 동력발생기에 활용된 일반, 로베(Lobe)펌프들의 형상을 보인 도면이다.
도 9는 보일러 연소실에 얼마간의 압력이 유지되도록, 종래 보일러 연소실의 (Seal Trough) 밀봉 수조에 의한 밀봉 장치 대신, 익스팬션 조인트로 교체하기 위한, 일반 사각형 익스팬션 조인트의 형상을 보인 도면이다.
도 10은 가스보일러 연소실 배기가, 선행 배기의 (포화수) 갓 복수로, 후속 배기가 냉각 복수 되어 배기열이 회수되고, CO2가 포집되는 것을 보인, 작동유체 플로우 다이어그램이다.
도 11은 가스보일러 연소실 배기가, 본 배기냉각기에 (흡입) 유입되어 냉각, 증기가 복수 되고, CO2가 냉각 포집되는, 본 배기냉각기의 구조를 상징적으로 보인 도면이다.
도 12는 가스보일러 운전압력 1atm에서, 포화수가 냉매로써 증발열로 흡수한 (연소실의) 배기열이, 히트펌프 수단으로, 회수되는 과정을 도시한, 플로우 다이어그램이다.
도 13은 수소-연료 가스보일러 연소실 배기가, 선행 배기의 (포화수) 갓 복수로, 후속 배기가 냉각 복수 되어 배기열이 회수되는 과정은 보인, 작동유체 플로우 다이어그램이다.
도 14는 수소-연료 가스보일러 연소실 배기가, 본 배기냉각기에 (흡입) 유입되어 냉각, 증기가 복수 되는, 본 배기냉각기의 구조를 상징적으로 보인 도면이다.
도 15는 수소-연료 가스보일러 연소실 배기열이, 히트펌프 수단으로, 회수되는 과정을 도시한, 작동유체 플로우 다이어그램이다.
도 16은 증기터빈 배기가, 선행 배기의 (포화수) 갓 복수로, 냉각 복수 되어 배기열이 회수되는 과정을 보인, 작동유체 플로우 다이어그램이다.
도 17는 증기터빈 배기가, 본 배기냉각기에 (흡입) 유입되어 냉각, 증기가 복수 되는 것을 보인, 본 배기냉각기의 구조를 상징적으로 보인 도면이다.
도 18은 증기터빈에서 배기(증기)가 냉각 복수 된 (선행 배기의) 포화수가 흡수한 막대한 배기열이, 히트펌프 수단으로, 초초임계압 순환증기로 회수되는 과정을 도시한, 작동유체 플로우 다이어그램이다.
도 1은 석탄 화력발전소에서, 보일러 연소실 배기(증기)가, 작동유체로써 순환수로, 냉각 복수 되어 배기열이 회수되고, CO2가 포집되는 것을 보인, 작동유체 흐름을 보인, 플로우 다이어그램이고, 도 2는, 보일러 연소실 배기가, 본 배기냉각기에 배압 0.2 110℃로 (흡입) 유입되어, 증기는 냉각 복수 되고, 연소로 생성된 CO2가 -13℃로 냉각 포집되는 것을 보인, 본 배기냉각기의 구조를 상징적으로 보인 도면이다. 본 발명에서는, 탄소 (CO2 Net Zero) 중립을 위하여, 작동유체로써 80mol% 순환증기가, (8H2O + 2O2 + 2C = 8H2O + 2CO2), 연소실로 재순환되어 순산소연소가 구현되고, 따라서, 연소실 배기는 80mol% 증기와 20mol% CO2로 이뤄진다. 이 연소실 (Flue Gas) 배기는, 도시한 바와 같이, 굴뚝으로 배출되지 않고, 본 배기냉각기로, 0.2 110℃로 흡입되어, 아래와 같이, 냉각되어, 증기는 복수 되고, CO2는 -13로 냉각 포집된다. 이 연소실 배기는 본 배기냉각기에 110℃ 배압 0.2bar로 (흡입) 유입되며, (작동유체로써 80mol%) 1atm 상온 냉각수가, 도시한 바와 같이, 감압 밸브를 통하여, 0.2bar로 감압 되고, 복수 (Condensate Cooler) 가열기에서, 선행 배기의 (기(pre)-복수) 60℃ 갓 복수로, 가열되어, 배기열 (Exhaust Heat Absorber) 흡수기 튜브로 (이송) 흐르면서, 상기 (흡입) 유입 배기를 냉각하며 포화온도로 더 가열되어, 이 포화수가 막대한 증발열로, 이 배기 중 증기의 막대한 (복수) 응축열을 막대한 증발열로 흡수하고, 90℃ 증기로 승온 하며, 이 (흡입) 유입 배기를 냉각하고, 또 액상의 냉매 산소가 냉각함에 따라, 이 배기 중 증기는 0.2bar 60℃로 냉각 복수 되고, 연소로 생성된 CO2가 -13℃로 더 냉각되어 (포집) 배출된다. 도 3은 본 배기냉각기에서, 과잉 공급된 산소, 불완전 연소로 생성된 일산화탄소(CO) 따위, 불응축 기체를 포집, 배출하기 위한, 냉기 (Cold Gas) 순환 블로어 (Blower) 유형의 블레이드 요부 형상을 보인 도면이다.
본 발명에서는, 탄소 중립을 위하여, 연소로 생성된 CO2가 포집되어야 하므로, 순산소연소가 구현되고, 따라서, 이 순산소연소를 위하여, 작동유체로써 순환증기가, (8H2O + 2O2 + 2C = 8H2O + 2CO2), 연소실로 재순환된다. 본 발명에서는, 작동유체 80mol% 순환증기가, (도 2) 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. 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, (도 2) 본 배기냉각기에, 상기 (작동유체로써) 순환증기로 공급되는, 80mol% 25℃ 냉각수가 감압 밸브를 통하여 0.2bar로 감압 되고, 포화수로 가열되어, 이 증발열로 유입 배기가 냉각되고, 또 냉매로써 액상의 -183℃ (20mol% x 130%) 26mol% 산소의 60% 분량으로, 연소실 (증기) 110℃ 배기는 냉각 복수 되고, 배기 CO2는 -13℃로 냉각 포집된다. 즉, 액상의 냉매 60% 분량의 산소가 50℃로 예열되는 (509kcal) 열량으로, 이 연소실 배기 중 80mol% 증기가 냉각 복수 되고, 20mol% CO2가 -13℃로 냉각 포집된다. 이처럼, 막대한 응축열의 특성이 있는 증기가 냉각 복수 되는 이유는, 작동유체로써 (80mol%) (포화수) 냉각수가, 냉매로써 막대한 증발열로, 배기를 냉각, 막대한 응축열을 흡수하고, 90℃ 증기로 증발하며, 연소실로부터 유입 배기를 냉각하기 때문이다. 예를 들어, 어떤 고무풍선에 (1+0.1) 1.1atm 100g 110℃ 증기를 넣고, 이 고무풍선과 또 다른 고무풍선에는 1atm 100g 100℃ 포화온도 상태인 포화수를 넣어두고, 이 고무풍선을 모두 보온 용기에 넣어두면, 잠시 후, 이 110℃ 증기는 모두 100℃로 복수 되고, 이 100℃ 포화수는 증기로 증발해야 한다. 이처럼, 110℃ 유입 배기는 냉각 복수 되고, 60℃ 순환수는 막대한 증발열로 연소실 유입 배기의 (응축열) 배기열을 흡수하고 90℃ 증기로 증발하게 된다. 순환수가 흡수한 막대한 (응축열) 배기열은, 히트펌프 수단으로, (다음에 설명되는) 복합 재순환 질소에 (잠시) 옮겨지고, 이 순환증기는 복수 되어, 연소실 운전 (1atm 또는 5bar) 압력으로 가압 된 이후, 연소실 배기열을 잠시 보유한, 상기 복합 재순환 질소로, 270℃ (또는 540℃) 이상으로 예열되어, 상기 연소실 배기열이 전량 회수된다. 이 배기열 회수과정은 다음에 자세히 설명된다.
본 발명에서는, 보일러 연소실 배기가, 굴뚝으로 배출되지 않고, 도 1, 2에 도시한, 특수 열교환기인, 본 배기냉각기에, 배압 (Back Pressure) 0.2bar로 (흡입) 유입되어, 배기열 (Exhaust Heat Absorber) 흡수기, 수증기 (Vapor Cooler) 냉각기, CO2냉각기 및 복수 (Cond Cooler) 냉각기에서, 80mol% 냉각수 및 소량이 냉매 산소로 냉각되어, 순환 작동유체 80mol% 증기는 복수 되고, 배기 20mol% CO2는 -13℃로 포집된다. 이 배기열 흡수기에서, (다음에 설명되는) 0.2bar 포화온도 상태인 냉각수가 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, CO2는 맨 우측에 있는 (CO2Cooler) CO2냉각기에서, 냉매 산소로, -13℃로 냉각되어 (포집) 배출되고, 이 액상이 냉매 (20mol% x 130% x 60%) 산소는 50℃로 예열된다. 이 냉각 복수는, (Hot Well) 핫웰에 있는, 복수 (Condensate Cooler) 냉각기에서, 작동유체로써 0.2bar 25℃ (순환) 냉각수로 35℃ 이하로 더 냉각되고, 석탄 분진, 미세먼지, 황산화물 등이 함유되어 있으므로, 복수 저장탱크에 저장되며, 이 복수가 정화 저리된 냉각수가, 감압 밸브에 통하여, 도시한 바와 같이, 저압(LP) 펌프로 흡입되고, 배큠펌프로 0.2bar로 흡입되어, 이 핫웰의 복수로 (0.2bar 포화온도 60.06℃), 60℃ 가까이 가열된다. 이 냉각수는 바로 상기 배기열 흡수기 튜브로 이송, 앞서 설명한 바와 같이, 후속 연소실 유입 배기를 냉각 복수하고, 90℃ 증기로 승온, 상기 배큠 펌프로 흡입 배출된다. 상기 CO2냉각기에는 액상의 냉매 산소가 연소실 운전압력으로 가압 되어 이의 튜브에 주입되고, 이어 수증기 냉각기에 공급된다. 본 배기냉각기의 구조와 배기가 냉각 복수 되는 과정은 다음에 자세히 설명된다.
연소실 배기에는 연소에 과잉 공급된 산소에 의한, 미연소 산소, 불완전 연소로 생성된 (CO) 일산화탄소 따위 불응축 기체들이 존재하므로, 이 불응축 기체들은 제거되어야 한다. 도 3에 도시한, 블레이드가 회전함에 따라, 이 불응축 기체들은 소량의 CO2와 더불어, CO2냉각기 참버 천장에서 흡입되어, 중앙 앞쪽으로 순환하며, 산소, CO 등 CO2보다 가벼운 불응축 기체는 포집되어 방출된다. 도 4, 5 및 6은 연소실 배기열이 회수되는 과정에 관련되는 도면으로 다음에 설명된다. 도 7은 보일러 연소실의 배기열을 회수하기 위한 동력발생기의 요부를 보인 도면이고, 도 8는 본 발명 동력발생기와 유사한 구조의 상업용 로베 펌프들의 형상을 보인 도면이며, 도 9는 사각 모양의 익스팬션 (Expansion Joint) 조인트 형상을 보인 도면이다. 본 발명에서는, 도 1에 보인 바와 같이, 연소실 배기 (Exhaust Gas) 계통에서, 집진(EP)설비 앞쪽에, 연소실 배기가 일정한 압력이 유지되며 배출되도록, 앞서 설명한 동력발생기가 추가 설치되고, 이 동력발생기 후단의 압력과 온도가 제어될 수 있도록, 이 동력발생기 앞쪽에서 뒤쪽으로 바이패스 (Bypass) 통로가 설치된다. 이 동력발생기는, 도 10에 도시한, 가스보일러 후단에도 설치되어 이의 연소실 압력 온도가 일정하게 유지되면서 연소실의 배기가 본 배기냉각기에 흡입 배기된다. 기존 (Economizer) 절탄기에서, 예열된 급수가 (Water Wall Tube) 수냉벽에 공급되는 링헤더 (Ring Header) 아래 (Seal Trough) 밀봉수조는, 도 9에 보인, 익스팬션 조인트 유형의 것으로 교체되어 연소실이 밀봉되고, 또 연소실 저회 (Bottom Ash Hopper) 호퍼 밀봉 설비가 보강되어, 이 연소실에 상당한 압력(5bar)이 유지된 상태에서, 이 연소실 배기가 배출된다. 이와 같은 수단으로, 연소실 배기는 이 동력발생기를 통하여 배출되면서, 연소실 압력으로, 동력발생기 (Lobe) 로터를 회전시키며, 동력을 생산하면서, 배출되고, 연소실에 얼마간의 압력(5bar)이 유지됨에 따라, 연소실 작동유체의 밀도가 높아짐으로써, 연소실 열교환기의 효율이 높아진다. 그러나, 본 발명 실현 과정에서, 연소실 운전압력을 5bar로 높일 수 없으면, 기존 운전압력 (1atm) 그대로 운전되어도 무방하다. 즉, 상기 밀봉수조가 상기 익스팬션 조인트로 교체되지 않는다. 연소실 운전압력이 5bar로 높아지면, 더 많은 배기열이 회수된다. 예를 들어, 운전압력 5bar에서는 상기 배기열이, 압축기 구동 동력을 제하고, (Net) 정미 90% 회수되고, 1atm에서는 80% 열량이 회수된다.
(도 7) 동력발생기와 디퓨저를 통한 바이패스 통로로, (도 2) 본 배기냉각기에 유입되는, 연소실 배기는 배압 (Back Pressure) 0.2bar 110℃로 유지될 수 있다. 본 배기냉각기에서 80mol% 증기가 복수 되므로, 증기의 체적은 보통 1/1650 배로 줄어들어, 연소실 배기는, 증기터빈 복수기에서처럼, 본 배기냉각기에 흡입되고, 연소실 운전압력이 기존 1atm에서도, (도 7) 동력 발생기의 저항으로, 연소실 배기는 제어되어, 상기 배압 0.2bar는 유지될 수 있으며, 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, 증기는 온도 110℃로 강온 된다. 따라서, (도 2) 본 배기냉각기에, 이 연소실 배기는, 이 동력발생기를 통하여, 배압 0.2bar 온도 110℃로 흡입되고, (작동유체) 냉각수가 0.2bar로 증발하면서, 막대한 증발열로 연소실 배기가 냉각 복수 된다. 사실상, 이 동력발생기로부터 유효한 동력은 얻을 수 없으나, 연소실 배기가 배압 0.2bar로 본 배기냉각기에 흡입됨으로써, 작동유체 80mol% (연소실 배기) 순환증기가 냉각 복수 되어, 이의 막대한 배기열은 전량 회수되며, 게다가, 이 배기에 함유된, 석탄분진과 미세먼지, 황산화물 따위 환경오염 물질이, 증기의 복수와 더불어, 포집되는 효과는 실로 막대하다.
보일러 연소실의 압력을 5bar로 높일 수 없으면, 연소실 (배기) 증기를 냉각 복수하여 이 연소실의 배기열을 회수할 수 있으나, 상기 동력발생기에서, 유효한 동력은 생산되지 않는다. 즉, 연소실 압력이 5bar인 경우, 연소실 배기는 5bar와 0.2 bar의 압력 차(Δ4.8bar) 차로 동력이 생산되나, 연소실 압력을 높일 수 없으면, 압력 차는 (1-0.2) 0.8bar임으로 유효한 동력은 생산되지 않는다. 이 동력발생기는 일반 액체를 이송하는, 도 8에 보인, 로베(Lobe) 펌프의 구조와 같은 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 8에 보인, 로터의 로베에 의한 포켓 (Pocket) 내의 (작동유체) 배기가 지닌 압력은 동력으로 변환되지 않고 (배출) 버려짐으로써, 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. 향후 석탄 분진이 있는 배기로 동력을 생산하는 효율 좋은 동력 발생기가 개발될 것으로 기대된다. 본 발명에 사용된 로터리 피스톤 배큠 펌프가 사용되어도 얼마간의 동력이 생산되며, 연소실에 일정한 압력이 유지된다.
본 발명에서는, 보일러 연소실 배기가, 앞서 설명한 동력발생기를 지나며, 압력이 배압 0.2bar 온도 110℃로 강하되어, 본 배기냉각기에 (흡입) 유입된다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 배기냉각기에 (흡입) 유입 (배연) 배기는 냉각되어, (작동유체) 증기가 복수 되면서, 석탄 보일러인 경우, 석탄 분진, 미세먼지, 황산화물 등이 이 복수와 더불어 포집되며, 연소로 생성된 10mol% CO2가 -13℃로 냉각 포집되고, 도시한 바와 같이, 환경오염 물질을 함유한 이 복수는 복수 저장탱크로 이송된다. 이후, 이 복수는 정화 처리되어, 정화수 저장탱크에 저장되며, 정화 처리된 순환수가, 작동유체로써, 앞서 설명한 바와 같이, 저압(LP) 펌프와 배큠펌프로 감압 밸브를 통하여 흡입됨에 따라, 0.2bar로 감압 되어, (도 2) 복수 (Condensate Cooler) 냉각기에서, 60℃ 이하 복수로 예열되고, 배기열 흡수기에 주입되어, 막대한 증발열로, 110℃ 유입 배기를 냉각하며, 막대한 연소실 배기열을 흡수하고 90℃ 증기로 승온 하게 되며, 유입 배기는 냉각 복수 된다. 이후, 이 순환수가 90℃ 증기로 승온 하며 흡수한 막대한 배기열은, (도 5, 6) 배기열 회수 시스템에서, 전량 회수된다. (도 10) 가스보일러인 경우, 상기 핫웰에 고인 선행 배기의 (기(pre)-복수) 포화수는 곧바로 상기 배기열 흡수기 튜브로 이송, 앞서 설명한 바와 같이, 유입 배기를 냉각 막대한 배기열을 흡수하게 된다.
본 발명에서는, 순산소연소를 위하여, 압축공기로 산소와 더불어 질소가 액상으로 생산되어, 냉매로 활용되고, 이 액상의 산소 중 60% 분량이, 앞서 설명한 바와 같이, 본 배기냉각기에서, 연소실 (배연) 배기를 냉각하며, 50℃로 예열되고, 나머지 40% 산소 중 15% 산소가, 탄소 중립을 위하여, 0.2bar -13℃로 포집된 20mol% CO2를, 외부 (CO2 ExCooler) CO2냉각기에서, 1atm 5℃로 냉각하며 80℃로 예열되며, 이들 (75%) 산소는 나머지 25% 액상의 산소가 -60℃로 혼합되어, (다음에 설명되는) 절탄기 아래 새로 설치되는, 산소예열기에서 고온으로 예열된 이후, 연소실에 주입된다. 가스보일러의 경우, 도 10에 도시한 바와 같이, 이 액상의 산소 중 40% 분량이, 본 배기냉각기에서, 연소실 유입 배기를 냉각하며, 50℃로 예열되고, 이 액상의 10% 산소가, 탄소 중립을 위하여, 0.2bar -13℃로 냉각 포집된 10mol% CO2를, 외부 (CO2 ExCooler) CO2 냉각기에서, 1atm 5℃로 냉각하며 80℃로 예열되며, 나머지 50 액상의 -196℃ 산소와 (20mol% x 130% x 100%) 26mol% -179℃로 혼합되어, 연소실 맨 후단에 설치되는, 산소예열기에서 고온으로 예열된 이후, 연소실에 주입된다.
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 1, 10에 도시한 바와 같이, 산소와 질소 생산 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, 6) 연소실 배기열 회수 시스템에서, 120℃, 155℃ 복합 재순환 질소와 127℃, 165℃로 혼합되고, 이 재순환 질소가, 상기 배기열을 흡수한 80mol% 90℃ (포화수) 증기를, 히트펌프 수단으로, 125℃로 또는 150℃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% 질소를 제외한 나머지 질소는 아예 액상으로 생산되지 않거나, 다른 용도로 사용된다. 앞서 설명한, 80mol% 90℃ (포화수) 증기는, 가스보일러 또는 증기터빈에서 배기되는 100mol% 증기로 더 많은 양이며, 이 100mol% 증기는, 히트펌프 수단으로, (도 12) 증기 (StmHtr) 가열기에서, 상기 190℃ 질소가 120℃ 복합 재순환 질소와 133℃로 혼합된 재순환 질소로, 120℃로 가열되고, 이어 1atm으로 가압 310℃로 승온 하게 된다. 도 18에 보인, (증기) 터빈 배기열 회수 시스템에서는, 앞서 설명한, 산소와 질소 생산 시스템이 없으므로, 상기 복합 재순환 (230℃) 질소가 곧바로, 증기 (StmHtr) 가열기에서, 상기 90℃ (포화수) 증기를 215℃로 (Boost up) 가열하게 되며, 이 0.2bar 215℃ 증기는 2.5bar로 가압, 650℃로 승온 하게 된다.
석탄 보일러에는 (Economizer) 절탄기가 있고, 이 절탄기에서 보일러의 연소실에 공급되는 급수가 예열된다. 이 절탄기의 배기는 350℃ 이상으로 고온이다. 이 배기열로, 연소실에 공급되는 상기 -60℃ 산소가 예열되도록, 도 1에 도시한 바와 같이, 종래 공기예열기(A/H)는 폐기되고, 산소 (Oxygen PreHtr) 예열기 및 순환증기 (CircStm PreHtr) 예열기가 새로 추가 장착되어, 상기 순환증기 및 산소가, 이 절탄기 배기열로 예열되어, 연소실에 주입된다. 절탄기 아래 새로 설치되는 순환증기 예열기 및 산소예열기는 절탄기 유형의 열교환기로 공지의 기술로 실현될 수 있어, 도시한 바와 같이, 기호로 간단히 묘사되었다. 도 10에 도시한, 가스보일러에는 이의 연소실 맨 후단에, 별도로, 순환증기 예열기 및 산소예열기가 설치되며, 도 13, 14 및 15에 보인 증기터빈 배기열 회수 시스템에는, 이의 연소실이 본 발명과 관련이 없다. 본 발명은 오직 증기터빈의 배기열을 회수하는 것과 관련된다.
보일러 연소실 (배연) 배기는 기존 절탄기를 통하고, 도 1에 보인 바와 같이, 상기 동력발생기를 거쳐 본 배기냉각기에 110℃로 흡입된다. 그러나 일부 소량의 배기는 이 동력발생기를 경유하지 않고, (Diffuser) 디퓨저가 있는 바이패스 통로를 통하여 곧바로 이 동력발생기 후단으로 흐르게 된다. 이 절탄기 배기는, 바이패스 통로의 유량이 제어되는, 유량제어 밸브를 통과하며 팽창함으로 압력, 온도가 상당히 강하된다. 그러나, 디퓨저를 통하여 흐르며 배기의 압력은 감소하나 온도는 강하되지 않는다. 이러한 동력발생기 및 바이패스 통로의 수단으로, 도 2, 11에 도시한, 본 배기냉각기에 흡입되는 이 (배연) 배기 온도 110℃ 배압 0.2bar로 유지된다. 도 13에 흡입되는 110℃ 배압 0.2bar 터빈 배기는 (도 7) 동력발생기와 관련이 없다.
탄소 (CO2 Net Zero) 중립을 위하여, 순산소연소가 구현되어 CO2가 포집되어야 하고, 따라서, 이 순산소연소를 위해서는, 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, 순환증기가 연소실로 재순환되어, 이 순환증기가 (도 2) 본 배기냉각기에서 복수 되면서, 석탄분진, 미세먼지, 황산화물 따위 환경오염 물질이 더불어 포집되고, 순환증기가 과열증기로 이상기체로써 연소실에 주입 재순환되어, 연소실의 과열이 방지되며, 이의 배기열이 전량 회수되어, 히트펌프 수단으로, 압축기 구동 동력을 제하고, 이 배기열 대비 (Net) 정미 80% 열량이 회수된다. 도 13, 14 및 15에 도시한 도면은, 상기 순산소연소 및 연소실과 관련이 없다.
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% x 15%) 산소로, 5℃로 냉각되고, 또, 공업용수가, 소량의 냉매 질소로, 냉각기에서 5℃로 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 수소의 저장 수단으로써, 예를 들어, 마그네슘-니켈 합금, 타이타늄(Ti)-망간 합금 등에, 마치 메탄(CH4)이 얼음의 틈새로 스며들어 저장되듯이, 수소가 저장되는, 수소 저장 합금이 연구되고 있었으나, 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. (도 10) 가스보일러에서는 연소로 20mol% 증기가 생성되므로, 상기 공업용수가, 소량의 냉매 질소로, 냉각기에서 5℃로 냉각되지 않고, 도 12에 도시한 바와 같이, 100℃ 복수가 5℃로 냉각되어, 직접 H2O+CO2 (Mixer) 혼합기에 공급된다.
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 130% 더 생산되어 연소실에 공급되고, 따라서 질소도 130% 더 생산된다. 그러나, (도 5) 연소실 배기열 회수 시스템에서, 히트펌프 수단으로, 액상의 40mol% (또는 연소실 운전압력이 5bar인 경우 15mol%) 질소가 필요하며, 압축공기 냉각에 액상의 30mol% 질소가 필요하고, 이중 40mol% (또는 15mol%) 질소는 (도 4) 질소 액화냉각 시스템에서, 액상으로 냉각되어야 하므로, 산소와 더불어 생산된 (80mol% x 130%) 104mol% 중 30mol% 질소를 제한 나머지 질소는 다른 용도로 사용하거나, 액상으로 아예 생산하지 않는다. 아래 (도 4) 질소 액화냉각 시스템에서, 40mol% (또는15mol%) 질소가, 연소실로 재순환되는, (작동유체) 순환수를 620℃로 예열하면서, 냉각 액화되어, 액상의 냉매로 충당된다. 극저온 물리학 분야에서 1978년 노벨 물리학상을 받은 러시아 카피차(Kapitza)는 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. 석탄 보일러와 가스보일러에서 작동유체로써 80mol% 증가가 연소실로 재순환되고, 석탄 보일러에서는 연소로 증기가 생성되지 않으나, 가스보일러 연소실에서는 연소로 20mol% 증기가 생성되므로, 본 배기냉각기로 (흡입) 유입되는 증기량이 각각 80mol% 및 100mol%로 다르다. 따라서, 똑같은 배기열 회수 시스템 방법이나, 도 5 및 12에 도시한 바와 같이, 복합 재순환 질소량, 이의 온도, 이 재순환 질소 중 질소 저장탱크로 저장되는 질소량 및 이 (도 4) 질소 액화냉각 시스템에서, 냉각 액화되는 질소량이 조금 다르다. 가스보일러의 연소실에 대하여, 배기열 회수되는 과정에 대한 자세한 설명은, 석탄 보일러의 연소실 배기열 과정과 다르지 않아, 생략되었다. 아래는 연소실 운전압력이 1atm인 경우에 대한 이 질소의 액화냉각 과정에 대한 설명이다.
도 4에 보인 바와 같이, 저장된 1기압 80℃ 질소가 30bar로 압축 650℃로 승온 하고, 즉, 1atm 질소가 650℃로 승온 하도록 가압 되어, 순환수 (CircWtr PreHtr#2) 예열기#2에서, 순환수(CircWtr)가 620℃로 예열되면서, 이 650℃ 질소가 120℃로 강온 되며, 이어, 이 30bar 120℃ 질소는 2차 (2ndN2Cooler) 냉각기에서 더 냉각된다. 순환수 (CircWtr PreHtr#2) 예열기#2에서, 100℃ (80mol% x 12%) 9.6mol% 순환수는 (40+1) 41mol% 650℃ 질소로 620℃로 예열되고, 이 650℃ 질소는 120℃로 (냉각) 강온 된다. 이 41mol% 질소 중 1mol% 질소는 팽창밸브를 통하여, 1atm으로 단열팽창, -120℃로 강온 후, 저온의 질소 저장탱크에 저장된다. 또, 상기 1atm 질소가 압축기에서 설정 온도 650℃ 이하로 압축되지 않도록, 이 압축기로 재순환되는, 선행 1atm 저온의 질소 유량이, 도시한 바와 같이, 제어되어, 고온의 질소 저장탱크의 질소와 80℃로 혼합되어, 이 압축기에 주입되고, 나머지는 저온 질소 저장탱크에 저장된다. 1차 냉각기에서 120℃로 냉각된 35mol% 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 압송되어, 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 보인, 액상의 냉매 질소 공급 펌프의 출구 배관에 공급된다. 위의 설명에서, 30bar로 압축 후 120℃로 냉각된 질소 중 1mol% 질소가 상기 2차 냉각기를 바이패스한 이유는, 정상 운전에서, 상기 100℃ 순환수가 620℃로 예열되고, 액상의 질소가 과잉 생산되지 않도록, 35mol% 질소만 액상으로 냉각되어야 하기 때문이다. 이는 연소실 부하에 따라 액상의 냉매 질소의 생산을 제어하는 수단으로 활용된다.
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 657mol% 질소 중 65mol% 120℃ 질소가 상기 질소 저장탱크로 되돌아가고, 이중 65mol% 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 있고, 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.
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.
증기는 응축열이 어느 기체보다 (1atm 기준 539kcal/kg) 막대하여, 증기가 작동유체로 순환하는 석탄 보일러에서 냉각수로 바닷물을 사용하지 않고, 연소실 배기가, (8H2O + 2O2 + 2C = 8H2O + 2CO2), 통상의 열교환기 수단으로 냉각 복수 되는 것은 어렵고, 가스보일러에서, 배기되는, (8H2O + 2O2 + CH4 = 8H2O + CO2 + 2H2O), 100mol% 증기가, 또는, 증기터빈에서 배기되는 100mol% 증기가, 바닷물이 아닌, 어떤 냉각 복수 되는 어떠한 방법은, 아직 알려지지 않았다. 전 세계 모든 발전소 증기터빈에서, 연소실 배기는 (바닷물) 냉각수로 복수 되고, 증기에 가해진 50% 배기열이 바다로 방출되는 현실이 이를 방증하고 있다. 그러나, 본 발명에서는, 선행 배기의 (기-복수) 포화수가, 또는 냉각수가 포화수로써, 막대한 증발열로, 증기의 막대한 (복수) 증발열을 흡수하고, 90℃ 증기로 승온 하며, 후속 배기를 냉각 증기가 복수 되고, 막대한 연소실 배기열이, 히트펌프 수단으로, 아래와 같이 전량 회수되어, 압축기 구동 동력을 제하고, 배기열 대비, 연소실 운전압력이 5bar인 경우, 정미 (Net) 90% 열량이 회수되고, 운전압력이 기존 1atm 그대로인 경우, 80% 열량이 회수된다. 이 배기열 회수과정은 아래에서 자세히 설명된다.
도 5는, 정화 처리된 작동유체 냉각수가 포화수로써, (도 2) 배기열 흡수기에서, 막대한 증발열로, 후속 유입 배기를 냉각, 이의 배기열을 흡수하고 90℃로 승온 후, 히트펌프 수단으로, 이 포화수가 흡수한 이 배기열이 회수되는 과정을 도시한 플로우 다이어그램이다. 도 1, 2에 보인 바와 같이, 상기 냉각수는, 감압 밸브를 통하여 0.2bar로 감압, 복수가 고여있는 핫웰의 (도 2) 복수 가열기에서 60℃ 포화온도 가까이 가열되고, 저압(LP) 펌프로, 상기 배기열 흡수기 튜브로 이송되어 흐르며, 냉매로써, 유입 배기를 냉각, 포화온도로 가열되고, 막대한 증발열로, 유입 (배기) 증기의 막대한 (복수) 증발열을 흡수하고, 90℃ 증기로 승온 하게 된다. 배기열을 흡수한 이 0.2bar 90℃ 증기는, (도 5) 연소실 배기열 회수 시스템으로 압송되어, 증기 가열기에서, 히트펌프 수단으로, (아래에서 설명되는) 137℃ (127mol%) 재순환 질소로 125℃로 (Boost up) 가열되고, 연소실 (1atm) 운전압력으로 가압, 310℃로 승온 하여, (StmCond) 복수기로 압송된다. 이 90℃ 증기를 125℃로 가열한 재순환 질소는 110℃로 강온 되어 이 복수기에 냉매로써 주입된다. 이 복수기에서 상기 310℃ 1atm 80mol% 증기는 91℃ 657mol% 복합 재순환 질소로 냉각 100℃로 복수 되고, 이 복합 재순환 질소는 290℃로 승온 하게 된다. 이 복합재순환 질소는, 상기 127mol% 110℃ 질소, (다음에 설명되는) 순환수(CircWtr PreHtr#1) 예열기#1에서, 곧바로 복수기에 냉매로써 주입되는 120℃ 495mol% 재순환 질소 및 액상의 35mol% -196℃ 질소가 91℃로 혼합된 재순환 질소이다. 이 복합 재순환 질소는 앞서 설명한 310℃ 증기를 100℃로 복수하고, 290℃로 승온 하여, 상기 냉각수가 흡수한 막대한 배기열을 보유한 열전달 매체로 전환되어, 아래와 같이, 연소실 배기열이 전량 회수된다. 가스보일러에서는, 도 10, 11 및 12에 도시한 바와 같이, 선행 배기의 (기-복수) 포화수가 핫웰에서 곧바로 상기 배기열 흡수기 튜브로 이송, 앞서 설명한 바와 같이, 후속 유입 배기를 냉각, 이의 막대한 배기열을 흡수하게 된다.
상기 복수기에서, 1atm 100℃로 복수 된 80mol% 순환수 중 (80mol% x 12%) 9.6mol% 순환수는 (앞서 설명한) 순환수 예열기#2로 복수펌프로 이송되고, 나머지 (80 x 88%) 70.4mol% 순환수는 (CircWtr PreHtr#1) 순환수 예열기#1로 이송되어, 상기 배기열을 보유한, 290℃ 657mol 복합 재순환 질소로, 270℃로 예열되고, 이 질소는 120℃로 (냉각) 강온 된다. 이 120℃ 복합 재순환 질소 중 495mol% 질소는 곧바로 상기 (StmCond) 복수기에, 냉매로써 주입 재순환되고, 나머지 (657- 495) 162mol% 질소 중 65mol% 질소는 질소 저장탱크에 저장되며, 나머지 120℃ 97mol% 질소는, 앞서 설명한 압축공기 냉각기에서, 190℃ 30mol% 질소와 127mol% 137℃로 혼합되어, 앞서 설명한 바와 같이, 증기 (StmHtr) 가열기에서, 히트펌프 수단으로, 상기 90℃ 증기를 125℃로 가열하고, 110℃로 강온 후, 상기 복수기에 냉매로써 주입 재순환된다. 이처럼, 복수기에 주입된 이 복합 재순환 질소는, 냉매로써, 310℃ 80mol% 증기를 냉각 복수하고, 열전달 매체로써 290℃로 승온 하여, 연소실 배기열이 전량 회수된다. 상기 (12%) 9.6mol% 순환수는, (도 4) 질소 액화냉각 시스템 순환수 (CircWtr PreHtr#2) 예열기#2에서, 앞서 설명한 바와 같이, 30bar 650℃ 질소로 620℃로 예열되고, 이 배기열 회수 시스템에서 필요한 (65 - 30) 35mol% 질소가 액상으로 냉각되도록, 이 650℃ 질소를 120℃로 냉각하게 된다.
도 6은, (순환수) 냉각수가 냉매로써 (도 2) 본 배기냉각기에 있는 배기열 흡수기에서, 막대한 증발열로, 연소실로부터 유입된 배기를 냉각하고 이의 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 냉각수로 냉각 복수 된다. 즉, 이 냉각수가, 증기로 증발하면서 막대한 증발열로, 유입 배기가 냉각 복수 되고, 이 증기는 90℃로 승온 하게 된다. 이 90℃ 증기는, (도 6) 연소실 배기열 회수 시스템으로 압송되어, 증기 (StmHtr) 가열기에서, 히트펌프 수단으로, (다음에 설명되는) 165℃ (103mol%) 재순환 질소로 150℃로 (Boost up) 가열되고, 3.5bar로 가압, 580℃로 승온 하여, (StmCond) 복수기로 압송된다. 이 90℃ 증기를 150℃로 가열한 165℃ 재순환 질소는 110℃로 강온 되어 이 복수기에 냉매로써 주입된다. 이 복수기에서 상기 580℃ 3.5bar 80mol% 증기는 116℃ 330mol% 복합 재순환 질소로 냉각 138℃로 복수 되고, 이 복합 재순환 질소는 560℃로 승온 하게 된다. 이 복합 재순환 질소는, 상기 103mol% 110℃ 질소, (다음에 설명되는) 순환수 (CircWtr PreHtr#1) 예열기#1에서, 곧바로 복수기에 냉매로써 주입되는 155℃ 212mol% 재순환 질소 및 액상의 15mol% -196℃ 질소가 116℃로 혼합된 재순환 질소이다. 이 복합 재순환 질소는 상기 580℃ 증기를 138℃로 복수하고, 560℃로 승온 하여, 상기 냉각수가 흡수한 막대한 배기열을 보유한 열전달 매체로 전환되어, 다음과 같이, 배기열이 전량 회수된다.
상기 복수기에서 3.5bar 138℃ 복수 된 순환수는 연소실 운전압력 5bar로 가압 되고, 이 순환수 중 (80mol% x 6%) 4.8mol% 순환수가 (앞서 설명한) 순환수 예열기#2로 압송되고, (80mol%x94%) 75.2mol% 순환수는 (CircWtr PreHtr#1) 순환수 예열기#1로 압송되어, 상기 배기열을 보유한, 560℃ 330mol% 복합 재순환 질소로, 540℃로 예열되고, 이 질소는 155℃로 강온 된다. 이 155℃ 복합 재순환 질소 중 212mol% 질소는 곧바로 상기 (StmCond) 복수기에, 냉매로써 주입 재순환되고, 나머지 (330-212) 118mol% 질소 중 45mol% 질소는 질소 저장탱크에 저장되며, 나머지 155℃ 73mol% 질소는, 앞서 설명한 압축공기 냉각기에서, 190℃ 30mol% 질소와 103mol% 165℃로 혼합되어, 앞서 설명한 바와 같이, 증기 (StmHtr) 가열기에서, 히트펌프 수단으로, 상기 90℃ 증기를 150℃로 가열하고, 110℃로 강온 후, 상기 복수기에 냉매로써 주입 재순환된다. 이처럼, 복수기에 주입된 이 복합 재순환 질소는, 냉매로써, 580℃ 80mol% 증기를 냉각 복수하고, 열전달 매체로써 560℃로 승온 하여, 연소실 배기열이 전량 회수된다. 상기 순환수 중 나머지 (80-75.2) 4.8mol% 순환수는, (도 4) 질소 액화냉각 시스템의 순환수 (CircWtr PreHtr#2) 예열기#2에서, 앞서 설명한 바와 같이, 30bar 650℃ 압축 질소로, 620℃로 예열되며, 이 배기열 회수 시스템에서 필요한 (45-30) 15mol% 질소가 냉각 액화되도록, 이 650℃ 질소를 155℃로 냉각하게 된다.
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 + 2C = 8H2O + 2CO2), 입구에 있는 배기열 흡수기로 진입하면서, 이 배기열 흡수기 튜브로 흐르는, 80mol% 0.2bar 60℃ (0.2bar 포화온도 60.06℃) 순환수로 냉각되고, 이 순환수는 90℃ 증기로 증발하게 된다. 이 유입 배기는, 수증기 (Vapor Cooler) 냉각기에서 더 냉각 60℃로 복수 되고, 이어, 복수 (Condensate Cooler) 냉각기에서, 튜브로 흐르는 80mol% 25℃ 순환수로, 35℃ 이하로 더 냉각되어 배출된다. 또 20mol% CO2는 CO2냉각기에서 -13℃로 냉각 배출된다. 이 냉각 과정에서, 유입 배기 중 80mol% 증기가 110℃에서 35℃로 복수 되는 열량에, 유입 배기 110℃ CO2가 -13℃로 냉각되는 열량을 합한 열량이, 80mol% 25℃ 순환수가 90℃ 증기로 증발하는 열량에, -186℃ 액상이 냉매 20mol% x 130% 산소 60% 분량이 50℃로 예열되는 열량이 (Heat Balance) 열평형을 이루게 된다.
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, 155℃ 복합 재순환 질소 중 73mol% 질소와 103mol% 165℃로 혼합되어, 80mol% 90℃ 0.2bar 증기를 150℃로 가열하고, 열평형을 이루는 110℃로 냉각된다. 이 0.2bar 150℃ 80mol% 증기는 3.5bar로 가압, 580℃로 승온 하여, 116℃ 330moo% 복합 재순환 질소로 냉각, 138℃로 복수 되고, 이 복합 재순환 질소는 560℃로 승온 하여 열평형을 이루게 된다. 이 138℃ (복수) 순환수 중 80mol% 94% 순환수는, 순환수 예열기#1에서, 이 560℃ 330mol% 복합 재순환 질소로 540℃로 예열되고, 이 560℃ 질소는 열평형을 이루는 155℃로 냉각되어 재순환된다. 나머지 (100-94) 6% 138℃ 순환수는, (도 4) 질소 액화냉각 시스템의 순환수 (CircWtr PreHtr#2) 예열기#2에서, (15+6) 21mol% 550℃ 10bar 질소로 530℃로 예열되고, 이 10bar 질소는 155℃로 강온 되어 열평형을 이루게 된다. 상기 190℃ 30mol% 질소가, 도 6에 도시한, 배기열 회수 시스템에서는, 증기 (StmHtr) 가열기에서, 120℃ 복합 재순환 질소 중 97mol% 질소와 127mol% 137℃로 혼합되어, 80mol% 90℃ 0.2bar 증기를 125℃로 가열하고, 열평형을 이루는 110℃로 냉각된다. 이 0.2bar 125℃ 80mol% 증기는 1atm으로 가압, 310℃로 승온 하여, 91℃ 657moo% 복합 재순환 질소로 냉각, 100℃로 복수 되고, 이 복합 재순환 질소는 290℃로 승온 하여 열평형을 이루게 된다. 이 100℃ (복수) 순환수 중 80mol% 88% 순환수는, 순환수 예열기#1에서, 이 290℃ 657mol% 복합 재순환 질소로 270℃로 예열되고, 이 290℃ 질소는 열평형을 이루는 120℃로 냉각되어 재순환된다. 나머지 (100-88) 12% 100℃ 순환수는, (도 4) 질소 액화냉각 시스템의 순환수 (CircWtr PreHtr#2) 예열기#2에서, (40+1) 41mol% 650℃ 30bar 질소로 650℃로 예열되고, 이 30bar 질소는 120℃로 강온 되어 열평형을 이루게 된다.
아래는, 연소실로부터 본 배기냉각기에 (흡입) 유입된 배기가, 작동유체로써 0.2bar 25℃ 순환수로 냉각되어, 히트펌프 수단으로, (도 5) 1atm으로 가압 되어, 이 순환수가 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 6) 증기 압축기에서, 0.2bar 80mol% 125℃ 증기가 1atm으로 가압 310℃로 승온 함으로, 0.2bar 125℃ h1 = 2,734.20 kJ/kg, 1atm 310℃ h2 = 3,094.70 kJ/kg, Δh = 3,094.70 - 2,734.20 = 360.50 kJ/kg, 여기에 유량을 적용하면 압축기 구동 동력은 Pwr = 360.5 x 18 x 80mol% = 5,191 kJ로 계산된다. 또 (도 4) 질소 액화냉각 시스템 질소 압축기에서, (40+1) 41mol% 1atm 80℃ 질소가 30bar 650℃로 압축됨으로, 1atm 80℃ h1 = 362.17 kJ/kg, 30bar 650℃ h2 = 988.41 kJ/kg, Δh = 626.24 kJ/kg, Pwr = 626.24 x 28 x 41mol% = 7,189 kJ 동력이 소요된다. 따라서, 압축기 총 구동 동력은 (5,191 + 7,189) 12,380 kJ로 합산된다.
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 88%) 70.4mol% 순환수가 1atm 270℃로 예열됨으로, 1atm 100℃ h1 = 417.50 kJ/kg, 1atm 270℃ h2 = 3,014.40 kJ/kg, Δh = 2,596.90 kJ/kg, RcvH2 = 2,596.90 x 18 x 80mol% x 80% = 32,160 kJ 열량이 회수된다. 다음, 1atm 100℃ 나머지 (80-70.4) 9.6mol% 순환수가 (도 4) 순환수 예열기#2에서 1atm 620℃로 예열됨으로, 1atm 100℃ h1 = 417.50 kJ/kg, 1atm 620℃ h2 = 3,749.8 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 + 32,160 + 6,718) 41,273 kJ로 합산된다. 이 회수 열량에서 상기 구동 동력을 제하면, (Net) 정미 (41,273-12,380) 28,893 kJ 열량이 회수되고, 이는 배기열 대비 (Net) 정미 (28,893 / 35,341 kJ) 80%의 열량이 회수된다. 연소실 운전압력이 5bar로 운전될 경우, 이 회수 열량은, 배기열 대비, 90%로 높아진다. 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.
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, 작동유체로써 순환수가, 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, 이 아래, 복수가 모이는 (Hot Well) 핫웰에, 복수 (Condensate Cooler) 냉각기가 설치되어 있으며, 이다음 맨 우측에, 액상의 냉매 산소가 튜브로 공급되는 (CO2Cooler) CO2냉각기가 설치되어 있고, 이 CO2냉각기 참버의 맨 우측 천장에서, 냉기(Cold Gases)가 흡입되어 상기 배기 미니냉각기 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.
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 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 갓 복수로, 다수의 물분사 노즐을 통하여 수증기 물보라가 천장에서 분출되어, 유입 배기는 이 수증기 물보라로 직접 냉각되어 복수 된다. 이 (배연, Flue Gas) 배기에 있는 석탄 분진, 미세먼지, 황산화물 등 환경오염 물질은, 물분사 노즐에서 내뿜는 수증기, 물보라로, 증기가 복수 되면서, 이 복수와 더불어 포집된다. 이 물분사 노즐 아래, 복수 (Condensate Cooler) 냉각기에서, 작동유체로써 냉각수가, 정화 처리된 저장탱크로부터, 감압 밸브를 통하여, 저압(LP) 펌프로 흡입되고, 또, 배큠펌프로 흡입됨에 따라, 0.2bar로 튜브로 흐르며 복수를 냉각함으로써, 60℃로 냉각된 복수는 35℃ 이하로 더 냉각되어, 복수펌프로 복수 저장탱크에 1atm으로 저장된다. 이 0.2bar 냉각수는 60℃ 포화온도 가까이 승온 하여, 상기 배기열 흡수기 튜브로 이동하고, 이 배기열 흡수기에서, 포화온도로 승온 하여, 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 냉각되어 배큠펌프에 의하여 (포집) 배출된다.
본 배기냉각기에서, 작동유체 순환수가 90℃ 증기로 승온 하며, 흡수한 막대한 배기열은, 히트펌프 수단으로, 앞서 설명한 바와 같이, 복합 재순환 질소에 (잠시) 옮겨지고, 이 자동유체 순환증기는 복수 되어, 연소실 운전 (5bar 또는 1atm) 압력으로 가압 된 이후, 연소실 배기열을 잠시 보유한, 상기 복합 재순환 질소로, 500℃ (또는 250℃) 이상으로 예열되어, 상기 연소실 배기열이 전량 회수되며, 0.2bar -13℃로 포집된 CO2는, 배큠펌프로 1atm으로 압축, 100℃로 승온 후, 외부 CO2냉각기에서, 액상의 냉매 (20mol% x 130% x 15%) 산소로, 5℃로 냉각되어, 5℃ 냉각수에, (도 1) 혼합기(Mixer)에서, 탄산수로 녹여지고, 이어, 앞서 설명한 바와 같이, 탄소 중립이 실현되도록, 구성된다.
화력발전소에서는, 보통 석탄 보일러가 주로 사용되나, 도 10에 도시한 가스보일러가 사용되기도 한다. 이 가스보일러에서는, 연료로 NG가 사용되고, 또 수소(H2)가 사용될 수도 있다. 작동유체로써 순환수가, (8H2O + 2O2 + CH4 = 8H2O + CO2 + 2H2O), 연소실로 재순환되어 순산소연소가 구현되므로, 연소실 배기는 (80+20) 100mol% 증기와 10mol% CO2로 이뤄진다. 또, 이 증기보일러 배기에는, 석탄 보일러에서처럼, 석탄 분진, 황산화물 등 환경오염 물질이 없으므로, 본 배기냉각기에서 선행 0.2bar 110℃ 배기의 0.2bar 60℃ (포화수) 갓 복수가 복수 저장탱크에 저장되지 않고, 곧바로, 배기열 흡수기의 튜브로 흐르며, 후속 유입 배기를 냉각, 석탄 보일러에서처럼, 연소실로부터 유입 배기의 증기 (복수) 응축열을 이의 막대한 증발열로 흡수하며, 90℃ 증기로 승온 하게 된다. 이 가스보일러에 대하여 아래에서 간단히 설명된다.
도 10은 화력발전소 가스보일러에서 연소실 배기가, 선행 배기의 포화수로, 후속 연소실 배기가 냉각 복수 되어 배기열이 회수되고, CO2가 포집되는 과정을 도시한, 플로우 다이어그램으로, 도 1과 대응되는 도면이고. 도 11은 가스보일러 연소실 배기가, 본 배기냉각기에 (흡입) 유입되어 냉각, 증기가 복수 되고, CO2가 냉각 포집되는 과정을 보인, 본 배기냉각기의 구조를 상징적으로 보인 도면이며, 도 12는 가스보일러 운전압력 1atm에서, 이 포화수가 냉매로써 증발열로 흡수한 (연소실의) 배기열이, 히트펌프 수단으로, 회수되는 과정을 도시한, 플로우 다이어그램이다. 이는 도 5에 대응하는 도면으로, (기-복수) 포화수가 흡수한 배기열을 회수하는 방법이 도 5와 사실상 같다. 단, 앞서 설명한 석탄 보일러에서는 연소로 증기가 생성되지 않으나, 가스보일러에서는, (8H2O + 2O2 + CH4 = 8H2O + CO2 + 2H2O), 연소로 20mol% 증기가 생성되므로, 이 20mol% 증기에 해당하는, 100℃ 복수가, 도 12에 보인 바와 같이, 복수 (Condensate Cooler) 냉각기에서, 액상의 11mol% 질소로 5℃로 냉각되어, 상기 H2O+CO2 (Mixer) 혼합기에 압송되는 부분이, 추가되어 있다. 이 가스보일러에서는, 연소실로부터, 본 배기냉각기에, (흡입) 유입되어 냉각 복수 된 선행 배기의 포화수가, 막대한 증발열로, 후속 연소실 배기를 냉각, 막대한 증기의 (복수) 응축열이 이의 증발열로 흡수되어, 연소실 (배기) 증기는 냉각 복수 된다. 이 막대한 증기의 배기열은, 도 2에 도시한 바와 같이, 전량 회수된다. 석탄 보일러에 관련된 도 1에서는, 순환증기 (CircStm PreHtr) 예열기 및 산소 (Oxygen PreHtr) 예열기가 절탄기 (Economizer) 아래에 표기되었으나, 도 10에서는, 도시한 바와 같이, 별도의 열교환기 형태로 이 가스보일러 맨 후단에 표기되었다. 이 가스보일러 연소실 운전압력은 상기 (도 7) 동력발생기의 효과로 일정하게 유지되어, 연소실로부터 (도 11) 본 배기냉각기에 110℃ 배압 0.2bar로 (흡입) 유입되어, 앞서 설명한 바와 같이 냉각 복수 된다.
상기 가스터빈 보일러에는, 보통 연료로 NG가 사용되나, 탄소 중립을 실현하기 위해서는, 연료로 수소가 사용되어, 탄소 중립이 실현되며, 앞서 설명한 가스보일러에서처럼, 작동유체로써 순환증기가 연소실로 재순환되어, 연소실 배기열이 전량 회수된다. 도 13은 수소-연료 가스보일러 연소실 배기가, 선행 배기의 (포화수) 갓 복수로, 후속 배기가 냉각 복수 되어 배기열이 회수되는 과정은 보인, 작동유체 플로우 다이어그램이고, 도 14는 수소-연료 가스보일러 연소실 배기가, 본 배기냉각기에 (흡입) 유입되어 냉각, 증기가 복수 되는, 본 배기냉각기의 구조를 상징적으로 보인 도면이며. 도 15는 수소-연료 가스보일러 연소실 배기열이, 히트펌프 수단으로, 회수되는 과정을 도시한, 작동유체 플로우 다이어그램이다. 도 13에 도시한 바와 같이, 연료가 수소이고, 순환 작동유체로써 증기가, (8H2O + 2O2 + 4H2 = 8H2O + 4H2O), 연소실로 순환되므로, 연소실로부터 배출되는 배기는 (80+40) 120mol% 순 증기만으로 이뤄진다. 이 120mol% (증기) 배기는, 앞서 설명한 NG 연료 가스보일러에서처럼, 선행 배기가 냉각 응축된 (기-복수) 포화수로 냉각되어 복수 된다. 즉, 선행 배기의 포화수가, (도 14) 본 배기냉각기에서, 액상의 냉매 (20mol% x 130%) x 25% 산소와 더불어, 후속 유입 (증기) 배기가 냉각 복수 된다. 이 수소 연료 가스보일러에서는, 연소로 CO2가 생성되지 않아, 탄소 중립을 위하여, 이 복수가 냉각될 필요 없으므로, 연소로 생성된 40mol% 증기는, 도 15에 보인 바와 같이, (StmCond) 복수기에서 복수 된, 100℃ 복수는 5℃로 냉각되지 않고, 그대로 복수 저장탱크에 저장된다.
증기터빈 복수기에서는, 연소실에 가해진 열량의 50% 달하는 배기열이 바다로 방출된다. 이러한 증기터빈 복수기의 배기 냉각에, 본 발명의 배기 냉각 및 배기열 회수 방법이 적용되면, 증기터빈 배기는 막대한 바닷물이 냉각수로 사용되지 않고, 앞서 설명한 바와 같이, 선행 배기의 포화수로 후속 (증기) 배기가 전량 복수 되며, 이 포화수는 90℃ 증기로 승온 하고, 이 포화수가 흡수한 막대한 배기열은, 히트펌프 수단으로, 전량 회수된다. 아래에서 이 증기터빈의 배기 냉각 및 배기열 회수 방법에 대하여 간략하게 설명된다. 도 16은 증기터빈 배기가, 선행 배기의 (포화수) 갓 복수로, 냉각 복수 되어 배기열이 회수되는 과정을 보인, 작동유체 플로우 다이어그램이고, 도 17은 증기터빈의 배기가, 본 배기냉각기에 (흡입) 유입되어 냉각되어, 증기가 복수 되는 과정을 보인, 본 배기냉각기의 구조를 상징적으로 보인 도면이며, 도 18은 증기터빈에서, 배기(증기)가 냉각 복수 된 (선행 배기의) 포화수가 흡수한 막대한 배기열이, 히트펌프 수단으로, 초초임계압 (250bar) 순환증기로 회수되는 과정을 보인, 작동유체 플로우 다이어그램이다, 도 18에 보인, 터빈 배기열 회수 시스템은, 도 5에 보인, 연소실 배기열 회수 시스템과 거의 같고, 보일러 연소실과는 관련이 없으며, 아래와 같이, 배기열 회수과정이 다르다.
도 5에 도시한, 배기열 회수 시스템에서는, 0.2bar 증기가 1atm 또는 5bar로 가압 되나, (도 18) 터빈 배기열 회수 시스템에서는, 0.2bar 증기가 2.4bar로 가압 650℃로 승온 후, 111℃ 377mol% 복합 재순환 질소로 냉각 126℃로 복수 된 이후, 이 급수(복수)에서, (Deaerator) 탈기기를 통하여 용융 산소가 제거되고 이어, 이 급수가 초초임계압 (250bar) 급수로 가압 된 이후, 이 (기-복수) 포화수가 터빈 배기를 냉각하며 흡수한 막대한 배기열이, 전량 회수되고, 이 회수 열량은, 히트펌프 수단으로, 소요된 압축기 구동 동력을 제하고, 배기열 대비, (Net) 정미 75%에 달한다. 이 증기터빈 배기 냉각 시스템에서는, 막대한 바닷물로, 터빈의 배기가 냉각 복수 되고, 50%에 달하는 막대한 배기열이 바다로 방출되나, 본 발명에서는, (도 17) 본 배기냉각기에서, 선행 배기의 (기-복수) 포화수가 후속 (흡입) 유입 배기를 냉각하여, 바다로 방출되었던, 연소실에 가해진 50%에 달하는, 막대한 배기열이, 전량, 회수되며, 히트펌프 수단으로, 소요된 압축기 구동 동력을 제하고 (Net) 배기열 대비, 정미 75% 열량이 회수된다.
아래는, 도 1에 보인, 석탄 보일러 연소실의 배기가 냉각 복수 되는 배기냉각기와 같으나, 다만 CO2 냉각기가 없는, 본 배기냉각기에 대한 설명으로 이미 앞서 설명과 거의 같다. 본 발명에서는, 터빈 배기가, 증기터빈 복수기에서처럼, (도 17) 본 배기냉각기에, 110℃ 배압 0.2bar로 (흡입) 유입되고, 본 배기냉각기 입구에 있는, 배기열 (Exhaust Heat Absorber) 흡수기에서, 막대한 바닷물이 냉각수로 사용되지 않고, 선행 배기의 (기-복수) 포화수가 이 배기열 흡수기 튜브로 이송되어, 배큠펌프로 흡입됨에 따라, 포화온도 증기압 상태로 흐르며, 냉매로써 막대한 증발열로, 유입 (증기) 배기를 냉각하며, 이 포화수가 증발열로 증기의 (복수) 응축열을 흡수하고, 90℃ 증기로 승온 하게 된다. 이어, 도시한 바와 같이, 참버 천장에서 내뿜는 냉기와 (Hot Well) 핫웰에 고인 복수로 분출되는, 수증기 물보라로 (흡입) 유입 증기는 직접 냉각되며, 이어, 수증기 (Vapor Cooler) 냉각기에서, 이 유입 증기는 냉각 최종 복수 된다. 이 냉각 복수는, 복수펌프로 상기 배기열 흡수기 튜브로 이송되어, 앞서 설명한 바와 같이, 후속 (흡입) 유입 배기를 냉각 복수하며, 막대한 증발열로, 막대한 응축열을 흡수하고, 90℃ 증기로 승온, (도 18) 배기열 회수 시스템에 있는 증기 (StmHtr) 가열기로 이송된다. 이러한 배기의 냉각 과정으로, 도 2, 11 및 14에 도시한, 본 배기냉각기에, 유입 배기는 모두 냉각 복수 되고, 증기가 복수 됨에 따라, 증기의 체적이 (1/1650) 크게 줄어듦으로써, 유입 배기는, 본 배기냉각기에, 배압 0.2 이하로 흡입되며 유입된다. 이처럼, 포화수가 흡수한 막대한 증기의 배기열은, 도 5, 12, 15 및 18에 도시한, 배기열 회수 시스템에서, 같은 유형의 히트펌프 수단으로, 전량 회수되어, 압축기 구동 동력을 제하고, 배기열 대비 70% 이상의 (Net) 정미 배기열이 회수된다. 이는 증기가 어느 기체에서도 볼 수 없는 막대한 (증발열) 응축열의 특성 때문이다. 즉, 연소실 열량을 훔치는 도둑에서, 더할 나위 없이, 좋은, 배기열을 회수하는, 최상의 작동유체로, 재탄생 되었다고 볼 수 있다..
종래 석탄 보일러에서, 작동유체로써 순환증기가 연소실로 재순환되고, 공기로부터 산소와 질소가 분리 생산되어 냉매로 활용, 순산소연소가 구현되고, 이 순환수가 냉매로써 막대한 증발열로, 연소실 (증기) 배기가 냉각, 증기가 복수 되어, 막대한 증기의 (복수) 배기열량이 전량 회수되고, 석탄분진, 미세먼지, 황산화물 등 환경오염 물질이 대기로 방출되지 않고, 복수와 더불어 전량 포집되며, 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.
부호 살명 없음.

Claims (6)

  1. 화력발전소의 보일러에 있어서, 공기로부터 분리 생산된 산소와 질소가 냉매로 활용되며, 연소실에 순 산소만 주입되고, 작동유체로써 80mol% 순환수가 예열되어, 연소실에 주입 재순환되어 순산소연소가 구현되며,
    연소실에 일정한 압력이 유지되도록 절탄기 아래 집진(EP)설비 이전에, 동력발생기가 장착되며, 연소실의 배기가, 굴뚝으로 방출되지 않고, 집진(EP)설비 후단에서, 본 배기냉각기에 (흡입) 유입되어,
    작동유체로써 순환수가, 배기열 (Exh.Heat Absorber) 흡수기에서, 막대한 증발열로, 유입 배기를 냉각하며, 이의 배기열을 흡수하며, 90℃ 증기로 승온 하고, 배기열 회수 시스템에 있는 배큠펌프로 흡입되어, 증기 (StmHtr) 가열기로 이송되며, 천장에서 냉기와 수증기 물보라가 내뿜어지고, 수증기 (Vapor Cooler) 냉각기에서 냉매 산소로 (유입 연소실 배기가) 냉각되어 증기는 최종 복수 되며, 유입 배기 중 증기가 복수 되면서, 석탄분진, 미세먼지, 황산화물 따위 환경오염 물질이, 이 갓 복수와 더불어 포집되고, 아래, 복수 (Condensate Cooler) 냉각기에,
    (작동유체) 80mol% 순환수가, 감압 밸브를 통하여 저압(LP) 펌프와 배큠펌프로 0.2bar로 흡입되어, 상기 갓 복수로, 60℃로 가열되어, 이 복수 냉각기로부터, 상기 배기열 (Exh. Heat Absorber) 흡수기 튜브로 이동하여, 후속 (흡입) 유입 배기를, 막대한 증발열로, 냉각하며, 90℃ 증기로 승온 하고, 연소실로부터 이 유입 배기 중 CO2가 CO2냉각기에서 액상의 냉매 산소로 -13℃로 냉각 (포집) 배출되며,
    90℃로 승온 한 이 기-복수 증기가, 배기열 회수 시스템의 증기 (StmHtr) 가열기에서, 히트펌프 수단으로, 137℃ 재순환 질소로, 125℃로 (Boost up) 가열되어, 1atm로 가압 310℃로 승온 후, 657mol% 91℃ 복합 재순환 질소로 냉각 100℃로 복수 되며, 순환증기 80mol% 복수가, 연소실 운전압력으로 가압 되어, 이 (순환수) 복수 중, (80mol% x 88%) 70.4mol% 순환수가, 순환수 (CircWtr PreHtr#1) 예열기#1에서, 270℃로 예열되고,
    나머지 (80-70.4) 9.6mol% 순환수가, 질소 액화냉각 시스템에 있는 순환수 (CircWtr PreHtr#2) 예열기#2로 압송되어, 터빈 배기열 회수 시스템에서 필요한 액상의 질소가 냉각 액화되도록, 1atm 질소가 650℃ 승온 하도록 가압 되고, 상기 9.6mol% 순환수로 120℃로 냉각되며, 이 순환수는 620℃로 예열되고, 120℃로 냉각된 질소가 2차 (2nd N2Cooler) 냉각기에 주입, 액상으로 냉각 액화되며,
    연소실로부터 유입 배기 중 연소로 생성된 CO2가, 본 배기냉각기에서, -13℃로 냉각 (포집) 배출되어, 1atm으로 가압 외부 (CO2 ExCooler) CO2 냉각기에서, 냉매 산소로 5℃로 냉각되고, 5℃ 냉각수에, [H2O+CO2] 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, 냉각수의 증발열에 의한 연소실 배기 냉각과 배기열 회수 방법에 특징이 있는, 연소실 배기 냉각 및 배기열 회수 운전 방법.
  2. 화력발전소의 보일러에 있어서, 공기로부터 분리 생산된 산소와 질소가 냉매로 활용되며, 연소실에 순 산소만 주입되고, 작동유체로써 80mol% 순환수가 예열되어, 연소실에 주입 재순환되어 순산소연소가 구현되며, 연소실에 일정한 압력이 유지되도록 절탄기 아래 집진(EP)설비 이전에, 동력발생기가 장착되며, 연소실의 배기가, 굴뚝으로 방출되지 않고, 집진(EP)설비 후단에서, 본 배기냉각기에 (흡입) 유입되고, 연소실에 일정한 압력이 유지되며 연소실 작동유체가 배출되도록, 절탄기 아래 집진(EP)설비 이전에, 동력발생기가 장착되고, 이 연소실 운전압력이 제어될 수 있도록, 유량제어 밸브와 디퓨저 (Diffuser) 노즐을 통한 바이패스 통로가 설치되고, 이의 유량이 제어되어, 이 연소실 배기가 일정한 온도와 입력으로 본 배기냉각기에 (흡입) 유입되면서, 연소실 배기가 얼마간의 동력을 생산하며 배출되도록 구성되고, 본 배기냉각기에서, 상기 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 블레이드가 장치되어 있고, 이 T-분기점 위에, O2, CO, N2, 따위 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, 복수가 모이는 (Hot Well) 핫웰에 복수 (Condensate Cooler) 냉각기가 설치되어 있고, 이 복수 냉각기 튜브로, (작동유체) 순환증기로써 순환수가, 감압 밸브를 통하여, 저압(LP) 펌프와 배큠펌프로, 0.2bar로 흡입되어 흐르며, 복수의 포화온도로 가열되어, 상기 배기열 흡수기 튜브로 이동, 이 배기열 흡수기에서, 막대한 증발열로, 유입 증기의 막대한 응축열을 흡수하고, 90℃ 증기로 승온 하여, 유입 배기가 냉각되고,
    맨 우측에, 이 수증기 냉각기보다 더 높이 냉매 산소가 튜브로 흐르며 연소로 생성된 CO2가 냉각되는, (CO2Cooler) CO2냉각기가 설치되어 있으며, 이 CO2냉각기 아래, -13℃ 영하로 냉각된 CO2를 흡입 (포집) 배출하는 배큠펌프가 설치되어 있으며,
    (흡입) 유입 배기가, 천장에서 내뿜어지는 냉기 및 수증기 물보라로, 직접 냉각되어, 유입 배기 중 증기는 복수 되고, 배기에 함유된 석탄분진과 미세먼지, 황산화물 따위 환경오염 물질이 복수와 더불어 포집되며, 냉매 산소가 튜브로 흐르는 수증기 냉각기에서, 더 냉각되어 증기는 최종 복수 되고,
    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, 불응축 기체는, T-분기점 위, 이의 포집 공간으로 올라가 배기 미니냉각기를 거쳐 외부로 배출되고, 냉각 복수는 핫웰 아래 복수펌프로, 복수 저장탱크로 압송되도록 구성되어, 이 냉각수의 증발열로, 연소실 배기가 냉각 복수 되는 것이 특징인, 연소실 배기 냉각 장치.
  3. 제1항에 있어서, 순환 작동유체로써 냉각수가 증발열로, 연소실로부터 (흡입) 유입 배기를 냉각, 막대한 증기의 (복수) 응축열을 증발열로 흡수하고, 90℃로 증기로 승온 한 후, 연소실 배기열 회수 시스템에서, 137℃ 복합 재순환 질소로 125℃로 (Boost up) 가열되고, 1atm으로 가압, 310℃로 승온 후, (StmCond) 복수기에서, 657mol% 91℃ 복합 재순환 질소로 100℃ 냉각 복수 되며, 이 657mol% 질소는 290℃로 승온, 증기의 막대한 배기열이 이 열전달 매체 증기의 승온 열량으로 전환되어, 이 막대한 배기열을 잠시 보유하게 되며, 이후, 이 100℃ (복수) 80mol 순환수 중 (80mol% x 88%) 70.4mol% 순환수가, 순환수 (CircWtr PreHtr#1) 예열기#1에서, 열전달 매체로써 배기열을 잠시 보유한 상기 290℃ 질소로 270℃로 예열되어, 연소실 배기가 냉각 복수 되고 이의 배기열이 회수되도록 구성된 것이 특징인, 연소실 배기 냉각 및 배기열 회수 운전 방법.
  4. 제1항에 있어서, 80mol% 순환수 중 (80mol% x 12%) 9.6mol% 순환수가 질소 액화냉각 시스템의 순환수 (CircWtr PreHtr#2) 예열기#2에서, 1atm 질소가 압축기로 압축된 650℃ 질소로, 620℃로 예열되면서, 이 질소는, 120℃로 냉각된 후, 배기열 회수시스템에서 필요한 액상의 냉매로 액화되도록 2차 (2nd N2Cooler) 냉각기에 주입되어 냉각 액화되고, 이 120℃ 압축 질소를, 냉각한 1atm 저온의 질소가, 상기 압축기에서 가압 된 압축 질소 온도가 정해진 (650℃) 온도로 승온 하도록, 상기 압축기와 저온이 질소 탱크로 흐르는 유량이 제어되어, 저온 질소 탱크에 저장되고, 상기 100℃ 9.6mol% 순환수가 1atm 질소를 냉각 액화하며, 620℃로 예열되도록 구성된 것이 특징인, 연소실 배기 냉각 및 배기열 회수 운전 방법.
  5. 화력발전소의 보일러에 있어서, 공기로부터 분리 생산된 산소와 질소가 냉매로 활용되며, 연소실에 순 산소만 주입되고, 작동유체로써 80mol% 순환수가 예열되어, 연소실에 주입 재순환되어 순산소연소가 구현되며,
    연소실 배기가 본 배기냉각기에 (흡입) 유입되어, 순환 작동유체로써 냉각수가 막대한 증발열로 연소실 배기를 냉각, 막대한 증기의 (복수) 응축열이 이 냉각수의 증발열로 흡수되어, 연소실 배기 중 증기는 복수 되고, 연소로 생성된 CO2가 0.2bar -13℃로 냉각 포집되어, 배큠펌프로 1atm으로 가압 100℃로 승온 배출된 이후,
    외부 (ExCooler) CO2냉각기에서, 5℃로 냉각, 냉각수에 H2O+CO2 (Mixer) 혼합기에서, 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, 연소실 CO2포집 및 탄소 중립 운전 방법.
  6. 보일러 연소실 배기와 증기터빈의 배기에 있어서, 본 배기냉각기에 있는 배기열 (Exhaust Heat Absorber) 흡수기에서, 이미 냉각 응축된 선행 배기의 (기-복수) 갓 복수가, 이 배기열 흡수기 튜브로 이송되어, 배큠펌프로 흡입됨에 따라, 포화온도 증기압 상태로 흐르며, 냉매로써 막대한 증발열로, 이 배기열 흡수기로 (흡입) 유입된 배기를 냉각, 막대한 배기의 응축열을 증발열로 흡수하고, 90℃ 증기로 승온 하여, 이 유입된 배기 중 증기가 냉각 복수 되도록 구성된, 기-복수가 냉매로써 증발열로 배기를 냉각하는 방법이 특징인, 포화수 증발열에 의한 배기 냉각 운전 방법.

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