WO2015093702A1 - 액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템 - Google Patents

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reactor
combustion system
pure oxygen
direct combustion
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이은도
양원
문지홍
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Definitions

  • the present invention relates to a pure oxygen direct combustion system using a liquid metal.
  • the present invention relates to a solid fuel such as coal, which supplies only oxygen to combust, and uses a high temperature heat source generated during pure oxygen combustion as a layer material and a heat transfer medium.
  • the present invention relates to a pure oxygen direct combustion system using a liquid metal, which has the advantage of maximizing thermal efficiency while reducing the load of a heat exchanger, which is a problem of the conventional system, by using in a fluidization process of a metal.
  • oxygen as the oxidant, unlike the use of air, is difficult to control the flame since the rapid exothermic reaction occurs when the oxidant and the fuel contact. That is, in general, the direct combustion of pure oxygen may have good thermal efficiency and low air pollutant emission, but it is difficult to apply a heat exchanger by generating a combustion gas having a high temperature of 3000 degrees or more.
  • Korean Patent Laid-Open Publication Nos. 10-2012-0033458 and 10-2011-0010731 to solve this problem are related to a method for producing electric power using a oxy-fuel boiler system, and the high temperature generated in the power generation process through oxy-fuel combustion. Improve heat efficiency and energy savings or minimize the loss of power produced in dual-ignition boilers by heat-exchanging exhaust gases, hot steam, and condensation heat with areas that require heating inside the oxy-fueled power plant.
  • the invention related to the solution is disclosed.
  • An object of the present invention for solving the above problems is to provide a high temperature sensible heat generated in the combustion reaction of the solid fuel and pure oxygen supplied to the metal on the reactor to use the liquefaction process of the metal and at the same time the circulation is made Pure Oxygen Direct Combustion System using liquid metal to reduce the overload of the reactor by supplying the liquid metal, which has become a low and low temperature, to the reactor by heat exchange in the process of circulating high temperature liquid metal.
  • the pure oxygen direct combustion system using a liquid metal for solving the above problems includes a reactor 10 in which a liquid metal 11 is accommodated; A heat exchanger 20 connected to a lower portion of the reactor 10 to perform thermal exchange with respect to the liquid metal 11; A circulation pump 25 connected to the heat exchanger 20 to circulate the liquid metal 11 introduced therein; And a nozzle 32 connected to the circulation pump 20 and positioned on the reactor 10, wherein particles of the liquid metal 11 injected from the nozzle 32 are disposed in the reactor 10. After receiving sensible heat from the gas generated in the) after passing through the heat exchanger 20 is characterized in that it is supplied back to the reactor (10) again.
  • a reduction device 40 connected to the circulation pump 25 to perform a reduction operation for the oxidized liquid metal (11); And a separation device 50 connected to the reactor 10 and the reduction device 40, wherein particles of the liquid metal 11 injected from the nozzle 32 are formed in the reactor 10. After receiving the sensible heat from the gas produced in the) is characterized in that it is regenerated through the reduction device 40 and then supplied back to the reactor (10).
  • the combustion system further comprises a water flow tube 18 disposed in the reactor 10, wherein the water in the water flow tube 18 is sprayed with particles of the liquid metal 11 and the It is characterized in that the vaporized by receiving heat transfer from any one or more of the gas generated in the reactor (10).
  • some of the oxidized liquid metal 11 separated from the separation device 50 is introduced into the reduction device 40 through the metal oxide discharge pipe 52 or the metal oxide supply pipe 54 It is characterized in that the re-supplied to the reactor (10) through.
  • the combustion system further comprises a slag outlet 17 coupled to the reactor 10, wherein the liquid metal 11 in the reactor 10 through the slag outlet 17.
  • the slag melted in is discharged to the outside of the reactor (10).
  • the liquid metal is characterized in that it comprises any one of the group consisting of Sn, Bi and a mixture of Sn and Bi, and any metal satisfying the operating conditions.
  • the gas generated in the reactor is characterized in that the exhaust gas containing a sulfur compound.
  • the combustion system further includes a buffer tank 30 disposed above the reactor 10 and receiving the liquid metal 11 from the circulation pump 25.
  • the nozzle 32 may be detachably attached to the nozzle 30, and the nozzle 32 may be selectively coupled to the buffer tank 30 according to the size of the injection hole of the nozzle 32.
  • the pure oxygen direct combustion system using the liquid metal includes a reactor 10 'in which the liquid metal 11 is accommodated; A first heat exchanger 20 connected to a lower portion of the reactor 10 'to perform thermal exchange with the liquid metal 11; A circulation pump 25 connected to the first heat exchanger 20 to circulate the liquid metal 11 introduced therein; And a buffer tank 30 connected to the circulation pump 20 and positioned on an upper surface of the reactor 10 ', wherein the particles of the liquid metal 11 supplied from the buffer tank 30 are added to the particles. After receiving the sensible heat from the gas generated in the reactor (10 ') is passed through the first heat exchanger 20 and is again supplied to the reactor (10').
  • a reduction device 40 connected to the circulation pump 25 to perform a reduction operation for the oxidized liquid metal (11); And a separation device 50 connected to the reactor 10 'and the reduction device 40, wherein the particles of the liquid metal 11 supplied from the buffer tank 30 are connected to the reactor. After receiving the sensible heat from the gas produced in (10 ') is characterized in that it is recycled through the reduction device 40 and then supplied again to the reactor (10').
  • the water flow pipe 18 ′ disposed in the reactor 10 ′ is in contact with the liquid metal 11.
  • the pure oxygen direct combustion system using the liquid metal of the present invention as described above provides a high temperature sensible heat generated during the pure oxygen combustion reaction of the solid fuel to the metal on the reactor to be used in the liquefaction process of the metal and at the same time circulating supply.
  • the heat exchange is performed in the process of circulating the high-temperature liquid metal, thereby reducing the overload of the reactor through supplying the liquid metal, which has become a medium-low temperature, to the reactor.
  • the present invention produces an effect of reducing the load of the refining equipment disposed in the rear stage by injecting a liquid metal into the gas by using a nozzle to separate the impurities and unburned gas contained in the gas from the gas.
  • the liquid metal is injected into the gas by using a nozzle, thereby generating an effect of removing impurities contained in the gas.
  • liquid metal used in the present invention is melted in the operating operation range to maintain the liquid phase, the boiling point is high, there is an effect that there is no loss by evaporation.
  • the liquid metal used in the present invention has a larger heat capacity than air and water mainly used for the existing heat exchange, and thus has a high heat transfer amount, which is effective for heat exchange, and has a low viscosity, and thus a convenient movement.
  • the liquid metal used in the present invention is characterized in that the heat exchange rate can be easily controlled by directly contacting the gas to be heated, and changing the spraying conditions of the liquid metal.
  • liquid metal used in the present invention has a large specific gravity difference with various impurities (such as ash, unburned fuel, and moisture) that may be generated when directly contacting the exhaust gas, it is effective for separation by a filter and a specific gravity difference.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing an overall pure oxygen direct combustion system using a liquid metal according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of an overall pure oxygen direct combustion system using a liquid metal according to a second embodiment of the present invention.
  • fuel may be understood as a concept including all of the solid state fuel including coal, liquid fuel, and gaseous fuel.
  • gas is defined as a concept including the combustion gas or syngas discharged from a heat engine such as a combustion furnace or a gasification system.
  • the "gas” is defined as a concept including a combustion gas including CO 2 and H 2 O generated in a pure oxygen direct combustion system.
  • Components constituting the pure oxygen direct combustion system 100 using the liquid metal according to the present invention may be used integrally or separately separated as necessary. In addition, some components may be omitted depending on the form of use.
  • Oxygen direct combustion system 100 is connected to the reactor 10, the lower portion of the reactor 10, the combustion process is supplied with the oxidant and fuel is thermally exchanged to the liquid metal (11) Connected to the first heat exchanger 20, the rear end of the heat exchanger 20, the circulation pump 25 for circulating the incoming liquid metal 11, the circulation pump 20 is located on the upper surface of the reactor 10
  • a plurality of nozzles 32 coupled to a buffer tank 30, a lower surface of the buffer tank 30 and having a plurality of injection holes for injecting the liquid metal 11 of the buffer tank 30 into the reactor 10,
  • a reduction device 40 connected to the circulation pump 25 to perform a reduction operation on the oxidized liquid metal, and a separation device 50 connected to the reactor 10 and the reduction device 40.
  • the reactor 10 is a location where the liquid metal 11 in the molten state and the combustion gas 12 to be purified are located.
  • the liquid metal 11 is melted by using sensible heat generated during combustion of the supplied oxidant and fuel.
  • the gas 12 generated by spraying the liquid metal 11 through the nozzle 32 is purified.
  • the liquid metal 11 and the gas 12 in the reactor 10 are separated up and down by the difference in specific gravity. Specifically, the liquid metal 11 is located in the lower portion of the reactor 10, the gas 12 is located in the upper portion of the liquid metal 11 in the reactor (10).
  • the nozzle 32 is positioned above the reactor 10.
  • the liquid metal 11 is injected in the form of liquid metal particles 13 between the combustion gas 12 by the nozzle 32.
  • the liquid metal particles 13 injected in the gas 12 melt impurities such as H 2 S contained in the gas 12 into the liquid metal particles 13.
  • the injected liquid metal particles 13 and impurities fall in the combined state in the lower portion of the reactor 10 and are collected together with the liquid metal 11 positioned in the lower portion of the reactor 10.
  • the liquid metal 11 in which the sensible heat is transferred during the combustion of the reactor 10 is transferred to the first heat exchanger 20, and the first heat exchanger 20 separates the liquid metal 11 from the high temperature liquid metal 11. Waste heat is recycled through the heat exchange medium.
  • the liquid metal 11 having a temperature lowered to a low or medium temperature of 500 degrees or less is circulated to the reactor 10 using the circulation pump 25.
  • the buffer tank 30 is a liquid metal particle 13 between the gas 12 positioned above the reactor 10 through the nozzle 32 with the liquid metal 11 moved while being connected to the circulation pump 25. Spray in the form of).
  • a plurality of nozzles 32 may be arranged in a row at the lower end of the buffer tank 30, the injection hole formed in the nozzle 32 is formed radially between the liquid metal 12 between the gas 12 located above the reactor 10 (11) can be sprayed finely.
  • the liquid metal circulated as described above may be preferably introduced at the top of the reactor 10. As described above, the inlet flows into the reactor 10 through the nozzle 32 or the inflow flows into the wall inside the reactor 10 to provide a heat insulation effect.
  • the liquid metal is atomized and lowered, and the combustion gas is purified by contacting the combustion gas generated by the pure oxygen combustion reaction and flowing upward.
  • the combustion gas is purified by contacting the combustion gas generated by the pure oxygen combustion reaction and flowing upward.
  • spraying a liquid metal on the water flow tube 18 inside the reactor 10 it is possible to prevent overheating of the water cooling tube, which is a conventional problem, and to prevent slagging of the wall of the water cooling tube.
  • CO2 and H2O combustion gases generated in the reactor 10 are transferred to a separate heat exchanger disposed outside the reactor 10 to perform heat exchange, and CO2 is separated through CCS (Carbon Capture & Storage) technology. Is stored in the reservoir and the condensate is discharged.
  • CCS Carbon Capture & Storage
  • the combustion gas 12 inside the reactor 10 is discharged from the reactor 10 together with the oxide of the liquid metal 11, passes through the second heat exchanger 70, and then moves to the dust collector 72. . Then, the oxide is collected in the dust collector 72, the gas is discharged to the post process.
  • the oxide collected by the dust collector 72 is directly introduced into the reactor 10 through the oxide storage tank 74 or introduced into the reduction device 40.
  • the liquid metal 11 in the reactor 10 may be immediately discharged to the discharge tank 60 according to the situation and circumstances.
  • the liquid metal 11 discharged into the discharge vessel 60 may be stored in the reservoir 62 through a milling or cutting process and then re-introduced into the reactor 10.
  • the reactor 10 is provided with a fuel inlet 14 through which solid fuel and an oxidant are mixed and a water flow pipe 18 through which water is introduced to receive heat from a high temperature liquid metal and evaporate.
  • the combustion gas 12 generated in the reactor 10 may be purified through the reactor 10 and discharged to the outside. That is, the injected liquid metal moves into the gas and heat exchange is performed, thereby reducing the temperature of the discharged gas. Since the temperature of the flame generated by the combustion of the solid fuel and the oxidant is very high, the fuel inlet 14 is preferably disposed between the water flow tube 18 and the liquid metal 11 of the reactor 10.
  • the water flow pipe 18 may prevent overheating and slagging by the liquid metal particles 13.
  • the reactor 10 may further include a slag discharge pipe 17 for discharging the slag to the outside.
  • the slag which is an impurity molten in the liquid metal particles 13 while the liquid metal particles 13 pass through the gas 12, is mixed with the liquid metal 11 while the liquid metal 11 stays at the bottom of the reactor 10. Due to the difference in specific gravity, it floats on the surface of the liquid metal 11. Therefore, the slag discharge line 17 is located near the upper end of the liquid metal 11 can discharge the slag to the outside. At this time, the discharged slag is discharged in a state where the oxidized metal particles are mixed together.
  • the circulation pump 25 is connected to the first heat exchanger 20 and the buffer tank 30 to allow the liquid metal 11 to be circulated in the pure oxygen direct combustion system 100.
  • the circulation pump 25 may be connected to the lower portion of the reactor 10 to circulate the liquid metal 11 containing less slag. That is, the slag with a small specific gravity floats in the reactor 10 so that impurities are relatively less in the lower layer of the liquid metal 11.
  • the reduction device 40 enables the regeneration of the oxidized liquid metal introduced through the inlet pipe 42 in the circulation pump 25 using a reducing agent, and the reduced liquid metal is returned to the circulation pump through the discharge pipe 44 again. 25).
  • a reducing agent for the oxidized liquid metal char, H 2, CH 4, and the like are used, and CO, CO 2, H 2, H 2 O, and the like are discharged from the reducing device 40 through a reduction reaction.
  • the reducing medium may be used as a fluid of the first heat exchanger 20 to simultaneously perform a liquid metal reduction reaction and heat exchange.
  • Separation device 50 performs the separation process of the slag and the liquid metal discharged through the slag discharge line 17.
  • the separation device 50 may be a centrifuge using a density difference.
  • the oxidized liquid metal separated in the separation device 50 flows into the reduction device 40 through the metal oxide discharge pipe 52 or is directly resupplied to the reactor 10 through the metal oxide supply pipe 54. do.
  • the liquid metal 11 circulating heat has a high heat capacity compared to air and water mainly used for the existing heat exchange, and when the proper process design is accompanied, the amount of heat transfer is high, which is suitable for effective heat exchange, and is more viscous than other liquid metals. Very low and easy to move, suitable for the process.
  • liquid metal 11 circulating heat in the present invention has a large specific gravity difference with various impurities (such as ash, unburned fuel, and moisture) that may be generated when it is in direct contact with a gas, and thus is effective for separation by a filter and a specific gravity difference.
  • impurities such as ash, unburned fuel, and moisture
  • the liquid metal 11 circulating heat is preferably formed by melting any one of tin (Sn), bismuth (Bi), or a mixture of tin (Sn) and bismuth (Bi). Any metal that satisfies the conditions is possible.
  • the liquid metal 11 composed of tin (Sn), bismuth (Bi), or a mixture of tin (Sn) and bismuth (Bi) is melted and maintained in a liquid state according to the operation of the gas purification apparatus 100 according to the present invention.
  • the boiling point is high, there is an advantage that there is no loss due to evaporation even during the operation of the gas purification apparatus 100 according to the present invention.
  • the same parts as in the first embodiment 100 will be omitted, and different technical parts will be mainly described.
  • the liquid metal 11 is disposed to surround a space in which the combustion gas 12 in the reactor 10' is generated.
  • the liquid metal 11 to be supplied is supplied through the upper portion of the reactor 10 'directly from the buffer tank 30 without a separate nozzle. Can be.
  • the water flow tube 18 ' is disposed on the wall surface of the reactor 10' to make contact with the liquid metal 11 flowing down the wall surface.
  • the pure oxygen direct combustion system using the liquid metal of the present invention provides high temperature sensible heat generated during the pure oxygen combustion reaction of the solid fuel to the metal on the reactor to be used in the liquefaction process of the metal and at the same time circulating supply, The heat exchange is performed in the process of circulating the high temperature liquid metal, thereby reducing the overload of the reactor by supplying the medium and low temperature liquid metal back to the reactor.
  • the present invention reduces the load of the heat exchanger, which is a problem of the existing system, by using the liquefaction and heat exchange characteristics of the metal at a high temperature heat source generated during the pure oxygen combustion of solid fuel, such as coal, into a pure oxygen direct combustion system, and thermal efficiency There is an advantage to maximize.
  • the combustion gas having a high temperature of 3000 degrees or more is overcome, which is difficult to be applied to a heat exchanger, while increasing thermal efficiency and reducing air pollutant emissions.

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Abstract

본 발명에 따른 액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템은 액체금속(11)이 수용되는 반응로(10), 반응로(10)의 하부에 연결되어 액체금속(11)에 대한 열적 교환이 이루어지는 열교환기(20), 열교환기(20)에 연결되어 유입되는 액체금속(11)을 순환시키는 순환 펌프(25), 순환 펌프(20)에 연결되며 반응로(10) 상에 위치하는 노즐(32), 순환 펌프(25)에 연결되어 산화된 액체금속(11)에 대한 환원 작업을 수행하는 환원 장치(40) 및 반응로(10)와 환원 장치(40)에 연결되는 분리 장치(50)를 포함하며, 노즐(32)로부터 분사된 액체금속(11)의 입자가 반응로(10)에서 생성된 가스로부터 현열을 받은 후 열교환기(20) 및 환원 장치(40)를 통해 각각 열교환 및 재생되어진 후 다시 반응로(10)에 재공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템
본 발명은 액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템에 관한 것으로서, 석탄과 같은 고체연료에 대해 산소만을 공급하여 연소하게 하고, 순산소 연소시 발생하는 고온의 열원을 층물질 및 열전달 매체로 사용되는 액체 금속의 유동화 과정에 이용하여 종래 시스템의 문제점이던 열교환기의 부하를 줄이는 동시에 열효율을 극대화시킬 수 있는 장점을 가지는 액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템에 관한 것이다.
통상적으로, 산업에서 발생하는 이산화탄소의 54% 정도가 화력발전소에서 배출이 되는 것으로 알려져 있다. 보통 이산화탄소는 연료를 연소하는 과정에서 다량 발생되는 가스이므로, 연료 연소시점에서 배출량 자체를 줄이는 것에 초점을 맞추어야 한다.
기존 화력발전소는 산화제로서 공기를 사용하고 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 연소시킴으로써 전력을 생산하는 공기연소방식을 사용한다. 이러한 공기연소방식은 공기 중의 21% 정도인 산소만을 순수한 산화제로 사용하고, 나머지 79% 정도의 질소는 불필요하게 가열한다.
한편, 공기 연소시 발생한 열량의 상당 부분이 질소를 가열하는데 사용되기 때문에, 그로 인어 열손실이 발생하며, 배기 가스(flue gas) 중의 이산화탄소 농도가 20% 이하로 낮아서 배기 가스 중의 저농도 이산화탄소를 고농도로 농축시키는데 상당한 비용이 소요된다.
이에 따라 최근에는, 산화제로서 공기 대신 산소만을 이용하여 연료를 연소시키는 순산소 연소방식이 개발되고 있다. 순산소 연소 방식은 기존의 공기연소방식과는 달리 질소 성분이 거의 없어 연소되는 가스의 열 손실량이 75 내지 80% 정도 감소되고, 배기 가스의 주성분은 이산화탄소(CO2)와 수분(H2O)으로 구성된다.
산화제로써 산소를 사용하는 것은 공기를 사용하는 것과는 달리, 산화제와 연료 접촉시 급격한 발열반응이 진행되므로 화염의 조절이 어렵다. 즉, 일반적으로 순산소 직접 연소는 열효율이 좋고 대기오염물질 배출이 적을 수는 있는 반면, 3000도 이상의 고온의 연소가스를 발생하여 열교환기에 적용시키기 어려운 단점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 한국공개특허 10-2012-0033458 및 10-2011-0010731은 순산소 연소 보일러 시스템을 이용하여 전력을 생산하는 방안에 관한 것으로서, 순산소 연소를 통한 발전 과정에서 발생되는 고온의 배기가스, 고온 스팀 및 응축열 등을 순산소 연소 발전장치 내부에서 가열이 필요한 부분과 열교환하는 과정을 통해 열 효율 및 에너지 절감 효과를 개선하거나 이중-점화 보일러에서 생산된 전력의 손실을 최소화하기 위한 개선 방안에 관련된 발명을 공개하고 있다.
그러나, 상기 인용문헌들은 연소 유닛에서 배출되는 폐스팀 또는 배기 가스 중의 일부에 대해 열교환을 실시한다는 내용 및 연소가스의 재순환을 통해 공급수 예열 및 증기 재가열 등에 열교환을 가능하게 한다는 내용에 대한 기재만 있을 뿐, 연소 가스의 재순환이 수반되지 않는 순산소 직접 연소 장치에 대해서는 별도의 기재가 없다는 문제가 존재한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 공급되는 고체연료와 순산소의 연소 반응 과정에서 발생하는 고온의 현열을 반응로 상의 금속에 제공하여 상기 금속의 액화 과정에 이용하는 동시에 순환 공급이 이루어지게 하고, 고온의 액체 금속이 순환되는 과정에서 열교환이 이루어지게 함으로써 중저온이 된 액체금속을 다시 반응로에 공급하는 과정을 통해 반응로의 과부하를 감소하고자 하는 액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템은 액체금속(11)이 수용되는 반응로(10); 상기 반응로(10)의 하부에 연결되어 상기 액체금속(11)에 대한 열적 교환이 이루어지는 열교환기(20); 상기 열교환기(20)에 연결되어 유입되는 상기 액체금속(11)을 순환시키는 순환 펌프(25); 및 상기 순환 펌프(20)에 연결되며 반응로(10) 상에 위치하는 노즐(32);를 포함하며, 상기 노즐(32)로부터 분사된 상기 액체금속(11)의 입자가 상기 반응로(10)에서 생성된 가스로부터 현열을 받은 후 상기 열교환기(20) 를 통과한 후 다시 상기 반응로(10)에 재공급되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 순환 펌프(25)에 연결되어 산화된 상기 액체금속(11)에 대한 환원 작업을 수행하는 환원 장치(40); 및 상기 반응로(10)와 상기 환원 장치(40)에 연결되는 분리 장치(50);를 더 포함하며, 상기 노즐(32)로부터 분사된 상기 액체금속(11)의 입자가 상기 반응로(10)에서 생성된 가스로부터 현열을 받은 후 상기 환원 장치(40)를 통해 재생되어진 후 다시 상기 반응로(10)에 재공급되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 연소 시스템은, 상기 반응로(10) 내에 배치되는 물 유동관(18);을 더 포함하고, 상기 물 유동관(18) 내의 물은 분사된 상기 액체금속(11)의 입자 및 상기 반응로(10)에서 생성된 가스 중 어느 하나 이상으로부터 열전달을 받아 증기화되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 분리 장치(50)에서 분리된 산화된 액체금속(11) 중 일부는 산화금속 배출관로(52)를 통해 상기 환원 장치(40)로 유입되거나, 산화금속 공급관로(54)를 통해 상기 반응로(10)에 재공급되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 연소 시스템은, 상기 반응로(10)에 결합되는 슬래그 배출구(17);를 더 포함하며, 상기 슬래그 배출구(17)를 통해 상기 반응로(10) 내의 상기 액체금속(11)에 용융된 슬래그가 상기 반응로(10)의 외부로 배출되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 액체금속은 Sn, Bi 및, Sn 와 Bi의 혼합물, 및 운전조건을 만족하는 어떠한 금속으로 이루어진 그룹 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 반응로에서 생성되는 상기 가스는 황화합물을 포함한 배기가스인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 연소 시스템은, 상기 반응로(10) 상부에 배치되며, 상기 순환 펌프(25)로부터 상기 액체금속(11)을 전송받는 버퍼 탱크(30);를 더 포함하며, 상기 버퍼 탱크(30)에 상기 노즐(32)을 탈착할 수 있어, 상기 노즐(32)의 분사구 크기에 따라 상기 버퍼 탱크(30)에 상기 노즐(32)을 선택적으로 결합할 수 있는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템은 액체금속(11)이 수용되는 반응로(10’); 상기 반응로(10’)의 하부에 연결되어 상기 액체금속(11)에 대한 열적 교환이 이루어지는 제1열교환기(20); 상기 제1열교환기(20)에 연결되어 유입되는 상기 액체금속(11)을 순환시키는 순환 펌프(25); 및 상기 순환 펌프(20)에 연결되며 상기 반응로(10’) 상면에 위치하는 버퍼 탱크(30);를 포함하며, 상기 버퍼 탱크(30)로부터 공급된 상기 액체금속(11)의 입자가 상기 반응로(10’)에서 생성된 가스로부터 현열을 받은 후 상기 제1열교환기(20)를 통과한 후 다시 상기 반응로(10’)에 재공급되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 순환 펌프(25)에 연결되어 산화된 상기 액체금속(11)에 대한 환원 작업을 수행하는 환원 장치(40); 및 상기 반응로(10’)와 상기 환원 장치(40)에 연결되는 분리 장치(50);를 더 포함하며, 상기 버퍼 탱크(30)로부터 공급된 상기 액체금속(11)의 입자가 상기 반응로(10’)에서 생성된 가스로부터 현열을 받은 후 상기 환원 장치(40)를 통해 재생되어진 후 다시 상기 반응로(10’)에 재공급되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 반응로(10’) 내에 배치되는 물 유동관(18’)은 상기 액체금속(11)과 접하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명인 액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템은 고체 연료의 순산소 연소 반응 과정에서 발생하는 고온의 현열을 반응로 상의 금속에 제공하여 금속의 액화 과정에 이용하는 동시에 순환 공급이 이루어지게 하고, 고온의 액체 금속이 순환되는 과정에서 열교환이 이루어지게 함으로써 중저온이 된 액체금속을 다시 반응로에 공급하는 과정을 통해 반응로의 과부하를 감소하게 한다.
본 발명은 노즐을 이용하여 액체금속을 가스에 분사하여, 가스에 포함된 불순물 및 미연분을 가스와 분리시키는 과정을 통해 후단에 배치된 정제설비의 부하를 줄여주는 효과가 발생한다.
본 발명은 액체금속을 노즐을 이용하여 가스에 분사하여, 가스에 포함된 불순물을 제거할 수 있는 효과가 발생한다.
또한, 본 발명에 사용되는 액체금속은 작동 운전 범위에서 용융되어 액상을 유지하며 끓는점이 높아 증발에 의한 손실이 없는 효과가 발생한다.
또한, 본 발명에 사용되는 액체금속은 기존 열교환에 주로 사용되는 공기 및 물에 비하여 열용량이 크므로, 열 이동량이 높아 열교환에 효과적이고, 점성이 낮아 이동이 편리한 효과가 발생한다.
또한, 본 발명에 사용되는 액체금속은 가열 대상인 가스와 직접 접촉하여 열교환을 하고 액체금속의 분무조건 변경을 통해 열교환율을 쉽게 제어할 수 있는 특징을 지닌다.
또한, 본 발명에 사용되는 액체금속은 배기가스와 직접 접촉할 때 발생할 수 있는 각종 불순물(회재, 미연 연료, 수분)과 비중차이가 크므로 필터 및 비중차에 의한 분리에 효과적이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템을 전체적으로 나타내는 개념도 및
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템을 전체적으로 나타내는 개념도이다.
본 발명에서 "연료"는 석탄을 포함한 고체 상태의 연료, 액체 연료, 및 기체 연료를 모두 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
본 발명에서 "가스"는 연소로 또는 가스화 시스템과 같은 열기관에서 배출되는 연소가스 또는 합성가스를 포함하는 개념으로 정의한다. 상기 "가스"에는 순산소 직접 연소 시스템에서 발생되는 CO2 및 H2O를 포함하는 연소 가스를 포함하는 개념으로 정의한다.
본 발명에 따른 액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템(100)을 이루는 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용 가능하다.
본 발명에 따른 액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템(100)의 바람직한 실시예를 도 1을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
순산소 직접 연소 시스템(100)에 대한 설명
도 1을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템(100)의 구성을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 순산소 직접 연소 시스템(100)은 산화제 및 연료가 공급되어 연소과정이 이루어지는 반응로(10), 반응로(10)의 하부에 연결되어 액체금속(11)에 대한 열적 교환이 이루어지는 제1열교환기(20), 열교환기(20의 후단에 연결되어 유입되는 액체금속(11)을 순환시키는 순환 펌프(25), 순환 펌프(20)에 연결되며 반응로(10) 상면에 위치하는 버퍼 탱크(30), 버퍼 탱크(30)의 하면에 결합되고 상기 버퍼 탱크(30)의 액체금속(11)을 반응로(10) 내부로 분사하는 다수의 분사구를 가지는 다수의 노즐(32), 순환 펌프(25)에 연결되어 산화된 액체 금속에 대한 환원 작업을 수행하는 환원 장치(40), 및 반응로(10)와 환원 장치(40)에 연결되는 분리 장치(50)를 포함한다.
반응로(10)는 용융 상태의 액체금속(11)과 정화 대상인 연소 가스(12)가 위치하는 곳으로, 공급되는 산화제 및 연료의 연소 과정에서 발생하는 현열을 이용하여 액체금속(11)이 용융 상태로 유지되며, 노즐(32)을 통해 액체금속(11)이 분사되어 생성되는 가스(12)가 정화된다.
반응로(10) 내의 액체금속(11)과 가스(12)는 그 비중 차이에 의해 상하로 분리된다. 구체적으로 액체금속(11)은 반응로(10) 내의 하부에 위치하고, 가스(12)는 반응로(10) 내에서 액체금속(11)의 상부에 위치한다.
반응로(10)의 상부에는 노즐(32)이 위치한다. 액체금속(11)은 노즐(32)에 의해 연소 가스(12) 사이로 액체금속 입자(13)의 형태로 분사된다. 가스(12) 중에 분사된 액체금속 입자(13)는 가스(12)에 포함된 H2S 등의 불순물을 액체금속 입자(13) 내로 용융시킨다. 분사된 액체금속 입자(13)와 불순물은 결합된 상태로 반응로(10) 하부로 낙하하게 되어 반응로(10) 하부에 위치하는 액체금속(11)과 함께 모이게 된다.
반응로(10)의 연소 과정에서 현열이 전달된 액체금속(11)은 제1열교환기(20)로 이송되어지고, 상기 제1열교환기(20)에서는 고온의 액체금속(11)으로부터 별도의 열교환매체를 통해 폐열의 재활용이 이루어진다.
상기 제1열교환기(20)에서 500도 이하의 중저온으로 온도가 저하된 액체금속(11)은 순환 펌프(25)를 이용해 반응로(10)로 순환된다.
버퍼 탱크(30)는 순환 펌프(25)에 연결되어진 상태에서 이동된 액체금속(11)을 노즐(32)을 통하여 반응로(10) 상부에 위치하는 가스(12) 사이에 액체금속 입자(13)의 형태로 분사한다.
노즐(32)은 버퍼 탱크(30)의 하단에 다수개가 일렬로 배치될 수 있고, 노즐(32)에 형성된 분사구는 방사상으로 형성되어 반응로(10) 상부에 위치하는 가스(12) 사이로 액체금속(11)을 세밀하게 분사할 수 있다.
상기와 같이 순환되는 액체금속은 반응로(10) 상단에서 유입되는 방법이 바람직할 수 있다. 상기와 같이 노즐(32)을 통해 반응로(10) 상으로 유입되거나 반응로(10) 내부의 벽면으로 유입 흐름을 주어 단열효과를 볼 수 있다.
상기와 같은 노즐 분사 방법은 액체금속이 미립화되어 하강하고, 순산소 연소 반응으로 생성되어 상향 기류하는 연소가스와 접촉하여 연소가스 정제 효과를 볼 수 있다. 또한 반응로(10) 내부의 물 유동관(18)에 액체금속을 분사시켜 종래의 문제점이던 수냉관의 과열을 방지하고 수냉관 벽면의 슬래깅을 방지할 수 있다.
한편, 반응로(10)에서 발생하는 연소가스인 CO2 와 H2O는 반응로(10) 외부에 배치된 별도의 열교환기로 이송되어 열교환이 이루어지고, CO2는 CCS(Carbon Capture & Storage) 기술을 통해 별도의 저장소에 저장되고 응축수는 배출된다.
한편, 반응로(10) 내부의 연소가스(12)는 액체금속(11)의 산화물과 함께 반응로(10)에서 배출되어 제2열교환기(70)를 거친 후, 집진기(72)로 이동한다. 이후, 집진기(72)에서 산화물은 포집되고, 가스는 후단 공정으로 배출된다. 집진기(72)에서 포집된 산화물은 산화물 저장조(74)를 통해 바로 반응로(10)에 투입하거나, 환원 장치(40)로 투입된다.
반응로(10)에 있는 액체금속(11)은 상황 및 여건에 따라 바로 배출조(60)로 배출될 수 있다. 배출조(60)로 배출된 액체금속(11)은 밀링 혹은 커팅 공정을 통해 저장조(62)에 보관한 뒤, 반응로(10)로 재투입될 수 있다.
반응로(10)는 고체 연료 및 산화제가 혼합 주입되는 연료 주입구(14) 및 물이 유입되어 고온의 액체금속으로부터 열을 받아 증발하게 하는 물 유동관(18)이 배치된다. 반응로(10) 내부에서 생성되는 연소가스(12)는 반응로(10)를 통해 정화되어 외부로 배출될 수 있다. 즉, 분사된 액체금속이 가스 중으로 이동하여 열교환이 이루어짐으로서 배출되는 가스의 온도가 감소하게 된다. 고체 연료 및 산화제의 연소로 인하여 발생하는 화염의 온도가 매우 고온이기 때문에 상기 연료 주입구(14)는 물 유동관(18)과 반응로(10)의 액체금속(11) 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 물 유동관(18)으로 유입되는 물은 노즐(32)에서 분사되는 액체금속 입자(13)와 연소가스(12)로부터 전달되는 열로 인해 가열되어 증기화되고, 이를 통해 스팀터빈, 난방수 등으로 이용할 수 있다. 상기 물 유동관(18)은 액체금속 입자(13)에 의해 과열 및 슬래깅을 방지할 수 있다.
반응로(10)는 슬래그를 외부로 배출하는 슬래그 배출 관로(17)를 더 포함할 수 있다. 액체금속 입자(13)가 가스(12)를 통과하면서 액체금속 입자(13)에 용융된 불순물인 슬래그는 액체금속(11)이 반응로(10)의 하부에 머무르는 동안 액체금속(11) 과의 비중의 차이로 액체금속(11)의 표면에 떠오르게 된다. 따라서 슬래그 배출 관로(17)는 액체금속(11)의 상단 인근에 위치하여 슬래그를 외부로 배출할 수 있다. 이때, 배출되는 슬래그에는 산화된 금속 입자가 같이 혼합된 상태에서 배출된다.
순환 펌프(25)는 제1열교환기(20) 및 버퍼 탱크(30)와 연결되어 순산소 직접 연소 시스템(100)에서 액체금속(11)이 순환되도록 한다. 순환 펌프(25)는 슬래그가 적게 함유된 액체금속(11)을 순환시키기 위하여, 반응로(10)의 하부에 연결될 수 있다. 즉, 반응로(10) 내에서 비중이 작은 슬래그가 부유함으로써 상대적으로 액체금속(11)의 하층에는 불순물이 적게 된다.
환원 장치(40)는 순환 펌프(25)에서 유입관(42)을 통해 유입되는 산화된 액체금속을 환원제를 이용하여 재생을 가능하게 하고 환원된 액체금속은 배출관(44)을 통해 다시 순환 펌프(25)로 유동한다. 여기에서, 산화된 액체금속에 대한 환원제로는 char, H2, CH4 등이 사용되며, 환원 반응을 통해 환원 장치(40)로부터는 CO, CO2, H2, H2O 등이 배출된다. 또는, 상기 환원매체를 제1열교환기(20) 유체로 사용하여 액체금속 환원반응과 열교환을 동시에 수행할 수 있다.
분리 장치(50)는 슬래그 배출 관로(17)를 통해 방출되는 슬래그 및 액체금속의 분리공정을 시행한다. 상기 분리 장치(50)는 밀도차를 이용한 원심분리기 등이 적합할 수 있다. 분리 장치(50)에서 분리된 산화된 액체금속은 산화금속 배출관로(52)를 통해 환원 장치(40)로 유입되거나, 산화금속 공급관로(54)를 통해 반응로(10)에 직접적으로 재공급된다.
본 발명에서 열을 순환시키는 액체금속(11)은 기존 열교환에 주로 사용되는 공기 및 물에 비하여 열용량이 커 적절한 공정 설계가 수반될 경우 열 이동량이 높아 효과적인 열교환에 적절하며 다른 액체금속에 비해 점성이 매우 낮아 이동이 편리하여 상기 공정에 적합하다.
또한 본 발명에서 열을 순환시키는 액체금속(11)은 가스와 직접 접촉할 때 발생할 수 있는 각종 불순물(회재, 미연 연료, 수분)과 비중차이가 크므로 필터 및 비중차에 의한 분리에 효과적이다.
또한, 본 발명에서 열을 순환시키는 액체금속(11)은 주석(Sn), 비스무트(Bi), 또는 주석(Sn) 및 비스무트(Bi)의 혼합물 중 어느 하나가 용융되어 형성되는 것이 바람직하며 이외 운전조건을 만족하는 어떠한 금속도 가능하다. 주석(Sn), 비스무트(Bi), 또는 주석(Sn) 및 비스무트(Bi)의 혼합물로 이루어진 액체금속(11)은 본 발명에 따른 가스 정제 장치(100)의 작동에 따라 용융되어 액상을 유지하며, 또한 끓는 점이 높아 본 발명에 따른 가스 정제 장치(100)의 작동 중에도 증발에 의한 손실이 없는 장점이 있다.
이하에서는, 도 2를 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템(100’)의 구성을 설명하면 다음과 같다.
제2실시예(100’)에서는 제1실시예(100)와 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략하고 상이한 기술적 부분에 대해서 중점적으로 설명한다.
순산소 직접 연소 시스템(100’)은 반응로(10’) 내의 연소가스(12)가 생성되는 공간을 둘러싸는 형태로 액체금속(11)이 배치된다. 제1실시예(100)에서의 노즐(32)은 제거된 상태에서, 공급되는 액체금속(11)은 별도의 노즐 없이 버퍼 탱크(30)에서 바로 반응로(10’)의 상부를 통해 공급될 수 있다. 물 유동관(18’)은 반응로(10’)의 벽면 상에 배치되어 상기 벽면을 타고 흘러내리는 액체금속(11)와 접하는 구조를 이루게 된다. 상기와 같은 구조를 통해서 물 유동관(18’)의 과열 및 슬래깅이 방지될 수 있다. 이를 통해 실제 반응로에서 물 유동관의 특정 영역에서 고온 영역이 발생한다는 점을 해소할 수 있게 된다.
이상, 본 발명인 액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템은 고체 연료의 순산소 연소 반응 과정에서 발생하는 고온의 현열을 반응로 상의 금속에 제공하여 금속의 액화 과정에 이용하는 동시에 순환 공급이 이루어지게 하고, 고온의 액체 금속이 순환되는 과정에서 열교환이 이루어지게 함으로써 중저온이 된 액체금속을 다시 반응로에 공급하는 과정을 통해 반응로의 과부하를 감소하게 한다는 점에서 특징이 있다.
즉, 본 발명은 석탄과 같은 고체연료를 순산소 직접 연소 시스템으로 순산소 연소시 발생하는 고온의 열원을 금속의 액화 처리 및 열교환 특성을 이용함으로써 기존 시스템의 문제점이던 열교환기의 부하를 줄이고, 열효율을 극대화시킬 수 있는 장점이 있다. 이를 통해 종래에 순산소 직접 연소 과정에서 3000도 이상의 고온의 연소가스를 발생하여 열교환기에 적용시키기 어려운 단점을 극복하는 동시에 열효율을 증가시키고 대기오염물질 배출을 줄일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 액체금속(11)이 수용되는 반응로(10);
    상기 반응로(10)의 하부에 연결되어 상기 액체금속(11)에 대한 열적 교환이 이루어지는 열교환기(20);
    상기 열교환기(20)에 연결되어 유입되는 상기 액체금속(11)을 순환시키는 순환 펌프(25); 및
    상기 순환 펌프(20)에 연결되며 반응로(10) 상에 위치하는 노즐(32);
    를 포함하며,
    상기 노즐(32)로부터 분사된 상기 액체금속(11)의 입자가 상기 반응로(10)에서 생성된 가스로부터 현열을 받은 후 상기 열교환기(20) 를 통과한 후 다시 상기 반응로(10)에 재공급되는 것을 특징으로 하는,
    액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 순환 펌프(25)에 연결되어 산화된 상기 액체금속(11)에 대한 환원 작업을 수행하는 환원 장치(40); 및
    상기 반응로(10)와 상기 환원 장치(40)에 연결되는 분리 장치(50);를 더 포함하며,
    상기 노즐(32)로부터 분사된 상기 액체금속(11)의 입자가 상기 반응로(10)에서 생성된 가스로부터 현열을 받은 후 상기 환원 장치(40)를 통해 재생되어진 후 다시 상기 반응로(10)에 재공급되는 것을 특징으로 하는,
    액체금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소 시스템은,
    상기 반응로(10) 내에 배치되는 물 유동관(18);을 더 포함하고,
    상기 물 유동관(18) 내의 물은 분사된 상기 액체금속(11)의 입자 및 상기 반응로(10)에서 생성된 가스 중 어느 하나 이상으로부터 열전달을 받아 증기화되는 것을 특징으로 하는,
    액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 분리 장치(50)에서 분리된 산화된 액체금속(11) 중 일부는 산화금속 배출관로(52)를 통해 상기 환원 장치(40)로 유입되거나, 산화금속 공급관로(54)를 통해 상기 반응로(10)에 재공급되는 것을 특징으로 하는,
    액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소 시스템은,
    상기 반응로(10)에 결합되는 슬래그 배출구(17);를 더 포함하며, 상기 슬래그 배출구(17)를 통해 상기 반응로(10) 내의 상기 액체금속(11)에 용융된 슬래그가 상기 반응로(10)의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는,
    액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 액체금속은 Sn, Bi 및, Sn 와 Bi의 혼합물, 및 운전조건을 만족하는 어떠한 금속으로 이루어진 그룹 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 반응로에서 생성되는 상기 가스는 황화합물을 포함한 배기가스인 것을 특징으로 하는,
    액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 연소 시스템은,
    상기 반응로(10) 상부에 배치되며, 상기 순환 펌프(25)로부터 상기 액체금속(11)을 전송받는 버퍼 탱크(30);를 더 포함하며,
    상기 버퍼 탱크(30)에 상기 노즐(32)을 탈착할 수 있어, 상기 노즐(32)의 분사구 크기에 따라 상기 버퍼 탱크(30)에 상기 노즐(32)을 선택적으로 결합할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템.
  9. 액체금속(11)이 수용되는 반응로(10’);
    상기 반응로(10’)의 하부에 연결되어 상기 액체금속(11)에 대한 열적 교환이 이루어지는 제1열교환기(20);
    상기 제1열교환기(20)에 연결되어 유입되는 상기 액체금속(11)을 순환시키는 순환 펌프(25); 및
    상기 순환 펌프(20)에 연결되며 상기 반응로(10’) 상면에 위치하는 버퍼 탱크(30);
    를 포함하며,
    상기 버퍼 탱크(30)로부터 공급된 상기 액체금속(11)의 입자가 상기 반응로(10’)에서 생성된 가스로부터 현열을 받은 후 상기 제1열교환기(20)를 통과한 후 다시 상기 반응로(10’)에 재공급되는 것을 특징으로 하는,
    액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 순환 펌프(25)에 연결되어 산화된 상기 액체금속(11)에 대한 환원 작업을 수행하는 환원 장치(40); 및
    상기 반응로(10’)와 상기 환원 장치(40)에 연결되는 분리 장치(50);를 더 포함하며,
    상기 버퍼 탱크(30)로부터 공급된 상기 액체금속(11)의 입자가 상기 반응로(10’)에서 생성된 가스로부터 현열을 받은 후 상기 환원 장치(40)를 통해 재생되어진 후 다시 상기 반응로(10’)에 재공급되는 것을 특징으로 하는,
    액체 금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서
    상기 반응로(10’) 내에 배치되는 물 유동관(18’)은 상기 액체금속(11)과 접하는 것을 특징으로 하는,
    액체금속을 이용한 순산소 직접 연소 시스템.
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