WO2016099208A1 - 액체금속을 작동매체로 하는 보일러 및 이를 포함하는 발전 시스템 - Google Patents

액체금속을 작동매체로 하는 보일러 및 이를 포함하는 발전 시스템 Download PDF

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heat
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heat exchange
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이은도
양원
방병열
정수화
문지홍
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한국생산기술연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a boiler, and more particularly, to a boiler for producing a heat medium at high temperature and high pressure using a liquid metal as a working medium, and a power generation system including the same.
  • the present invention was performed by the Korea Institute of Industrial Technology and Technology, supported by the Ministry of Strategy and Finance in accordance with the RCOE development project, and was carried out in 2015 under the title of project No. EO150006, "Development of a resource recycling energy production system for climate change". Invention.
  • boilers used for steam production or power generation are used to arrange a plurality of water pipes inside and supply water thereto to obtain steam at high temperature and high pressure, and to use them as a heat source or power generation using a steam turbine.
  • the efficiency of the Rankin cycle using a steam turbine increases as the temperature and pressure of the steam increases, so it is important to obtain steam at a higher temperature and higher pressure to increase the power generation efficiency.
  • the currently commercially available pulverized coal boiler for coal-fired power generation uses ultra super critical (USC) steam with a main steam pressure of 241 bar, a main steam temperature of 566 degrees, and a reheat steam temperature of 593 degrees.
  • USC ultra super critical
  • HSC hyper-super critical
  • Carbon dioxide is supercritical at temperatures below 31.04 degrees and 218 atmospheres, at a critical temperature of 31.04 degrees and 72.8 atmospheres, and the size of a turbine using supercritical CO2 as a working medium is larger than that of a steam turbine. It is known that the effect is greatly reduced.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 2010-0104563 discloses a boiler for indirectly heating a thermal medium injector using a working medium such as oil to solve the problems caused by direct heating of the thermal medium injector.
  • a working medium such as oil
  • the oil breaks at about 250 ° C. to 350 ° C. as a medium for heating the heat medium injecting unit, it is impossible to make the heat medium into a supercritical or ultra supercritical state above the critical point as described above.
  • the present invention has been made in order to solve the above-mentioned conventional problems, a boiler using a liquid metal capable of producing the heat medium at a high temperature and high pressure state above the critical point without breakage of the heat medium inlet through which the heat medium flows. And it provides a power generation system using the same.
  • a boiler using a liquid metal according to the present invention as a working medium includes a combustion furnace configured to circulate the working medium to perform heat exchange with a heat medium, wherein the working medium supplied therein is heated; A heat exchanger connected to the combustion furnace and supplied with a working medium heated therein; A heat medium injector connected to one side of the heat exchanger; And a supply unit connected to the other side of the heat medium injecting unit and supplying a heat medium to the heat exchange unit through the heat medium injecting unit, wherein the heat medium and the heating are supplied from the heat exchange unit to the heat medium injecting unit.
  • Heat exchange of the working medium is performed, the heat medium reaches a high temperature and high pressure state above a critical point, and the working medium is a liquid metal.
  • the liquid metal which is lower than the predetermined temperature by the heat exchange, is supplied to the combustion furnace, reheated, and supplied again to the heat exchange unit, whereby the liquid metal is recycled, and the reheated temperature is dissolved in the liquid metal. It is preferable that it is higher than the point.
  • a boiler for circulating the working medium to perform heat exchange with the heat medium
  • Two or more heat exchangers each supplied with a heated working medium; A heat medium injector configured to supply a heat medium to one of the heat exchange parts having the lowest temperature among the heat exchange parts; And a supply unit connected to the other side of the thermal medium injector and supplying the thermal medium, wherein the heat exchange between the thermal medium and the working medium comprises supplying the thermal medium from one end of the thermal medium injector to the at least two heat medium.
  • the heat exchange takes place in the heat exchanger, whereby the heat medium sequentially reaches a high temperature and high pressure state above the critical point and the working medium is a liquid metal.
  • the liquid metal which is below a predetermined temperature by the heat exchange, is supplied to a combustion furnace heated to the lowest temperature of the combustion furnace, and is reheated to be supplied again to any one of the heat exchange units, thereby recycling the liquid metal.
  • the reheating temperature is preferably higher than the melting point of the liquid metal.
  • a boiler for circulating the working medium to perform heat exchange with the heat medium comprising: a combustion furnace in which the working medium supplied therein is heated; A heat exchanger connected to the combustion furnace and supplied with a working medium heated therein; A tube located within the heat exchanger; A thermal medium injecting portion connected to one side of the tube; And a supply unit connected to the other side of the heat medium injecting unit and supplying a heat medium to the tube in the heat exchange unit through the heat medium injecting unit.
  • the heat exchange of the heated working medium takes place, wherein the heat medium reaches a high temperature and high pressure state above a critical point, and the working medium provides a boiler which is a liquid metal.
  • a boiler using the liquid metal as a working medium provides a power generation system comprising a; and a turbine for generating power using a heat medium reached to a high temperature and high pressure state above the critical point generated in the boiler.
  • the liquid metal is preferably any one selected from the group consisting of tin, bismuth, lead and gallium.
  • liquid metal By supplying liquid metal to the inlet (tube) in the furnace with working medium, it can solve the thermal stress problem of the inlet or tube which is related to the phase change process that occurs when heating and supplying a heat medium such as water or carbon dioxide directly.
  • a heat medium such as water or carbon dioxide
  • the thermal medium when the thermal medium is in the supercritical state, the physical properties of the material of the injection part are influenced to prevent the problem of causing damage, thereby extending the life of the thermal medium injection part. It is possible to construct a more economical system by using a material that can withstand supercritical conditions only in the part where the medium is heat-exchanged to produce a high-temperature and high-pressure thermal medium above the critical point, and a liquid metal having a uniform temperature exists.
  • the more efficient heating of the heat medium in the heat exchanger the higher the efficiency of the power generation system There.
  • the control of the amount and temperature of the liquid metal used as the working medium can be added to the function to store the heat generated in the furnace for a certain period of time can be obtained to respond to fluctuations in power demand.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a boiler using a liquid metal as a working medium according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic diagram of a boiler using a liquid metal as a working medium according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a schematic diagram of a boiler using a liquid metal as a working medium according to another embodiment of the present invention.
  • Each component constituting the boiler using the liquid metal of the present invention as a working medium and the power generation system using the same may be integrally used or separately separated as necessary. In addition, some components may be omitted depending on the form of use.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a boiler using a liquid metal as a working medium according to an embodiment of the present invention, in which a solid arrow indicates a flow of a liquid metal and a broken arrow indicates a flow of a heat medium.
  • a boiler may include a combustion furnace 100, a heat exchanger 200, a thermal medium injector 300, and a supply unit 400.
  • the combustion medium 100 is supplied with a working medium.
  • a working medium Preferably, as shown in Figure 1 may be supplied to the tube located inside the furnace (100).
  • the combustion furnace 100 is sufficient as long as it is a means capable of heating the liquid metal above the melting point by supplying heat.
  • an apparatus for burning and supplying an oxidant to fuels such as coal, pulverized coal, petroleum, etc. Can be warmed.
  • a working medium to be supplied as a feature of the present invention, it is preferable to use a liquid metal.
  • the liquid metal used is not limited, but preferably a metal having a relatively low melting point and a high boiling point such as tin, bismuth, lead, gallium, or the like can be used.
  • the liquid metal exists in the liquid state even at the maximum temperature that can be produced in the combustion of a general boiler which uses air as an oxidant (in case of tin, the melting point is about 231 °C and the break point is about 2602 °C).
  • the melting point is about 231 °C and the break point is about 2602 °C.
  • the liquid metal in the combustion furnace 100 should be heated above the melting point of the metal and exist in the liquid state.
  • the heat exchanger 200 is connected to the combustion furnace 100 to introduce a liquid metal as a working medium heated in the combustion furnace 100.
  • the heat exchanger 200 is provided with a heat medium injector 300.
  • One side of the heat medium injecting unit 300 is connected to the heat exchanger 200, and through this, the heat medium is introduced to thereby exchange heat between the liquid metal and the heat medium in the heat exchange unit 200.
  • the heat medium is not limited, for example, water or CO 2 may be introduced, and the heat medium is brought into the high temperature and high pressure state above the critical point and flows out to the other end of the heat medium injecting unit 300.
  • the critical point of a substance such as water or CO 2 as a heat medium that can be introduced is already known, and a detailed description thereof is omitted.
  • the supply unit 400 is connected to the other side of the thermal medium injecting unit 300, and supplies the thermal medium to the heat exchange unit 200 by supplying the thermal medium to the thermal medium injecting unit 300 as described above. As shown in FIG. 1, one side of the supply unit 400 approaches the one side of the combustion furnace 100 and primarily heats the heat medium supplied using the sensible heat of the exhaust gas discharged from the combustion furnace. 200).
  • the heat medium primarily heated in the supply unit 400 and supplied to the heat medium injection unit 300 flows through and passes through the heat exchange unit 200.
  • Heat exchange is performed with the liquid metal in the) and is discharged to one side of the heat exchange unit 200 at a high temperature and high pressure state above the critical point.
  • the liquid metal having a temperature lowered by heat exchange is supplied to the combustion furnace 100 again, and a pump P for supplying the liquid metal from the heat exchanger 200 to the combustion furnace 100. ) May be located.
  • the liquid metal supplied to the combustion furnace 100 is reheated and resupplied to the heat exchanger 200 through which the liquid metal continuously circulates and repeats the heating and heat exchange process.
  • the temperature and pressure of the heat medium may be in a critical, supercritical, supersupercritical, or ultrasupercritical state, and the heat medium may be produced and used in a desired degree.
  • the heat medium may be produced and used in a desired degree.
  • it is very difficult to produce a general boiler configuration, but by using liquid metal, it can be produced in a relatively simple process.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a boiler according to another embodiment of the present invention, in which a solid arrow indicates a flow of a liquid metal and a broken arrow indicates a flow of a thermal medium. Bubbles inside the heat exchanger represent a vaporized high temperature and high pressure heat medium.
  • two or more combustion furnace 100 and heat exchanger 200 may be provided.
  • two combustion furnaces 100 and a heat exchanger 200 are provided will be described as an example.
  • the combustion furnace 100 is composed of two combustion furnaces 100 of the first combustion furnace 110 and the second combustion furnace 120, wherein the liquid metal in each combustion furnace 100 is heated to different temperatures. desirable. Although the numerical value of the temperature is not limited, it must be heated above the melting point of the liquid metal as the working medium as described above.
  • the heat exchanger 200 has a number corresponding to the combustion furnace 100.
  • the first heat exchanger 210 and the second heat exchanger 220 are provided as two, and the heat exchangers 210 and 220 are connected to each other, and each heat exchanger is provided.
  • the respective combustion furnaces 110 and 120100 corresponding to 210 and 220 liquid metals heated to different temperatures are introduced from the combustion furnaces 110 and 120100, respectively.
  • the first heat exchanger 210 is connected to the first combustion furnace 110, and the second heat exchanger 220 is connected to the second combustion furnace 120.
  • the liquid metal supplied from the second combustion furnace 120 may be supplied to the working medium flow path 250 connecting the first heat exchanger 210 and the second heat exchanger 220.
  • the temperature of the liquid metal in the first heat exchanger 210 and the second heat exchanger 220 is higher than that of the second heat exchanger 220 in the temperature of the liquid metal in the first heat exchanger 210. It is preferable.
  • One side of the thermal medium injector 300 is connected to the second heat exchanger 220 side, and the other side is connected to the supply unit 400 to supply a thermal medium primarily heated from the supply unit 400.
  • the heat medium supplied to the heat medium injection unit 300 flows from the second heat exchange unit 220 to the first heat exchange unit 210 and sequentially reaches a high temperature and a high pressure state above the critical point.
  • the heat medium is discharged from the portion of the heat medium injecting unit 300 located in the second heat exchanger 220, the heat medium having different temperatures and pressures may be flowed separately to be used. .
  • the liquid metal lowered in temperature by heat exchange in the first heat exchanger 210 may be formed through an operating medium flow path 250 connecting the first heat exchanger 210 and the second heat exchanger 220. 2 Move to heat exchanger.
  • the temperature of the liquid metal is lowered once again used for heat exchange and supply to the second combustion furnace 120 can increase the energy heat exchange efficiency.
  • the combustion furnace 100 and the heat exchanger 200 has been described as an example provided with two, but more than one can be installed, a plurality of the combustion furnace 100 and the heat by the above description It will be clearly understood that the exchange unit 200 is provided.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a boiler according to another embodiment of the present invention, in which a solid arrow indicates a flow of a liquid metal, and a broken arrow indicates a flow of a thermal medium.
  • the tube 201 is located in the heat exchanger 200 ′.
  • One side of the tube 201 is connected to the heat medium injecting part 300 ′ so that the heat medium is supplied from the supply part 400, and the supplied heat medium flows in the tube 201 and the heat exchange part 200 ′ is provided. The heat exchange with the liquid metal in it takes place.
  • the tube 201 is indirectly heated in a relatively uniform temperature condition in the liquid metal of the heat exchanger 200, there is little risk of breakage due to heat and pressure. Since there is no influence of corrosive gases such as chlorine compounds or other sulfur compounds due to fouling of heat transfer and high heat, it is possible to obtain an effect of extending the life of the tube 201 significantly.
  • a turbine is connected to one side of the heat exchange unit 200 (the other side of the tube 201 in another embodiment) and generates electricity by using a heat medium flowing therefrom. It can be used for power generation systems.
  • the boiler according to the present invention has a heat medium having a supercritical or ultra supercritical state above the critical point. It is possible to build a very efficient power generation system because it can produce.

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Abstract

본 발명은 액체금속을 작동매체로서 이용하여 열 매체를 고온 및 고압 상태로 생산하는 보일러 및 이를 포함하는 발전 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 액체금속을 작동매체로 하는 보일러는, 작동매체를 순환시켜 열 매체와의 열 교환을 수행하는 보일러로서, 내부에 상기 작동매체가 공급되어 가열되는 연소로; 상기 연소로와 연결되며, 내부에 상기 연소로 내에서 가열된 작동매체가 공급되는 열 교환부; 상기 열 교환부 내에 위치하는 열 매체 주입부; 및 상기 열 교환부와 연결되며, 상기 열 매체 주입부로 열 매체를 공급하는 공급부;를 포함하며, 상기 열 교환부에서 상기 열 매체 주입부로 공급된 열 매체와 상기 가열된 작동매체의 열 교환이 이루어지고, 상기 열 교환에 의해 상기 열 매체는 임계점 이상의 고온 및 고압 상태에 도달하며, 상기 작동매체는 액체금속인 것을 특징으로 한다.

Description

액체금속을 작동매체로 하는 보일러 및 이를 포함하는 발전 시스템
본 발명은 보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체금속을 작동매체로서 이용하여 열 매체를 고온 및 고압 상태로 생산하는 보일러 및 이를 포함하는 발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 RCOE 육성 사업에 따라 기획재정부에서 지원받아 한국생산기술연구원에서 수행된 발명으로, 과제고유번호 EO150006, "기후변화대응을 위한 자원순환형 에너지 생산시스템 개발"이라는 연구과제명으로 2015년 수행된 발명이다.
통상적으로 증기생산 또는 발전에 이용되는 보일러는 내부에 다수의 수관을 배치하고 여기에 물을 공급하여 고온고압의 증기를 얻고 이를 직접 열원으로 활용하거나 증기터빈 등을 이용해 발전하는데 이용하고 있다.
특히 발전의 경우 증기터빈을 이용하는 Rankin cycle의 효율이 증기의 온도 및 압력이 높아짐에 따라 증가하므로 발전효율의 증가를 위해 보다 고온고압의 증기를 얻는 것이 중요하다.
일례로 현재 상용화된 석탄화력 발전용 미분탄 보일러의 경우 주 증기 압력 241바, 주 증기온도 566도, 재열 증기온도 593도로 초초임계(Ultra Super Critical, USC) 상태의 증기를 사용하고 있으며, 보다 높은 효율을 얻기 위하여 증기온도가 700도 이상인 극초임계(Hyper-super critical, HSC) 보일러 개발이 진행 중에 있다.
이처럼 높은 온도와 압력의 증기를 보일러 내에서 만들기 위해서는 증기를 생산하기 위해 보일러 내에 다수의 열 매체 주입부(또는 열교환용 튜브)를 설치해야 하며 특히 증기의 조건이 고온고압으로 갈수록 이를 견딜 수 있는 고압부의 열 매체 주입부 재질의 특성이 중요하며 USC 보일러의 경우 매우 고가의 특수강이 사용되고 있으며 증기의 온도압력이 더욱 높아지는 HSC 보일러의 경우에는 아직 이를 견딜 수 있는 재질이 상용화 되지 못하고 있는 실정이다.
증기가 고온고압으로 유지되는 부분에서는 특히 열전달이 중요해 지며 제작 시에 용접의 내구성, 열 매체 주입부의 내부식성이 더욱 중요해지게 되어 전체 보일러 가격을 상승시키는 원인으로 작용하며, 많은 경우에 이 부분에서 열 매체 주입부의 파열이 일어나 막대한 손해를 끼치는 경우가 발생한다.
한편 최근 국내를 포함하여 세계 각국에서 보일러의 작동매체로 물 대신 이산화탄소를 사용하고자 하는 노력이 진행되고 있다. 이산화탄소는 임계점에 해당하는 온도와 압력이 31.04도, 72.8기압으로 물의 임계점인 374도, 218기압 보다 낮은 온도에서 초임계 상태가 되고, 초임계 CO2를 작동매체로 하는 터빈의 크기가 증기 터빈에 비해 크게 작아지는 효과가 있는 것으로 알려져 있다.
그러나 기존 보일러에 CO2를 이용할 경우 초임계 상태로 고온, 고압의 CO2를 견딜 수 있는 재료에 대해서는 아직 연구중에 있다.
종래기술을 예로 들면, 한국특허공개 제 2010-0104563 호에는 이와 같이 열 매체 주입부를 직접 가열함으로써 발생하는 문제를 하기 위해 열 매체 주입부를 기름과 같은 작동매체를 사용하여 간접가열하는 보일러가 개시되어 있다, 그러나 열 매체 주입부를 가열하는 매체로 기름은 끊는 점이 약 250℃~350℃이므로, 열 매체를 상기한 바와 같이 임계점 이상의 초임계 내지는 극초임계 상태로 만드는 것은 불가능하다.
이에, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열 매체가 유동하는 열 매체 주입부의 파손 없이도 열 매체를 임계점 이상의 고온 및 고압상태로 생산이 가능한 액체금속을 작동매체로 하는 보일러 및 이를 이용한 발전 시스템을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 액체금속을 작동매체로 하는 보일러는, 작동매체를 순환시켜 열 매체와의 열 교환을 수행하는 보일러로서, 내부로 공급되는 작동매체가 가열되는 연소로; 상기 연소로와 연결되며, 내부에 상기 연소로 내에서 가열된 작동매체가 공급되는 열 교환부; 일측이 상기 열 교환부와 연결되는 열 매체 주입부; 및 상기 열 매체 주입부의 타측과 연결되며, 상기 열 매체 주입부를 통하여 상기 열 교환부로 열 매체를 공급하는 공급부;를 포함하며, 상기 열 교환부에서 상기 열 매체 주입부로 공급된 상기 열 매체와 상기 가열된 작동매체의 열 교환이 이루어지고, 상기 열 교환에 의해 상기 열 매체는 임계점 이상의 고온 및 고압 상태에 도달하며, 상기 작동매체는 액체금속인 것을 특징으로 한다.
상기 열 교환에 의해 기설정된 온도 이하가 된 상기 액체금속은 상기 연소로로 공급되고, 재가열되어 상기 열 교환부로 다시 공급됨으로써 상기 액체금속의 재순환이 이루어지며, 상기 재가열되는 온도는 상기 액체금속의 녹는점보다 높은 것이 바람직하다.
또한, 작동매체를 순환시켜 열 매체와의 열 교환을 수행하는 보일러로서,
내부로 공급되는 작동매체가 서로 다른 온도로 가열되는 2개 이상의 연소로;상기 연소로의 수와 대응되는 개수가 설치되어, 상기 각 연소로와 연결되며, 상기 각 연소로 내에서 서로 다른 온도로 가열된 작동매체가 각각 공급되는 2개 이상의 열 교환부; 일측이 상기 열 교환부 중 가장 낮은 온도의 열 교환부에 열 매체를 공급하는 열 매체 주입부; 및 상기 열 매체 주입부 타측과 연결되어 열 매체를 공급하는 공급부;를 포함하며, 상기 열 매체와 상기 작동매체의 열 교환은, 상기 열 매체가 상기 열 매체 주입부의 일단으로부터 공급되어 상기 2개 이상의 열 교환부에서 열 교환이 이루어짐으로써, 상기 열 매체가 순차적으로 임계점 이상의 고온 및 고압 상태에 도달하며 상기 작동매체는 액체금속인, 보일러를 제공한다.
상기 열 교환에 의해 기설정된 온도 이하가 된 상기 액체금속은 상기 연소로 중 가장 낮은 온도로 가열되는 연소로로 공급되고, 재가열되어 상기 열 교환부 중 어느 하나에 다시 공급됨으로써 상기 액체금속의 재순환이 이루어지며, 상기 재가열되는 온도는 상기 액체금속의 녹는점보다 높은 것이 바람직하다.
또한, 작동매체를 순환시켜 열 매체와의 열 교환을 수행하는 보일러로서, 내부로 공급되는 작동매체가 가열되는 연소로; 상기 연소로와 연결되며, 내부에 상기 연소로 내에서 가열된 작동매체가 공급되는 열 교환부; 상기 열 교환부 내에 위치하는 튜브; 일측이 상기 튜브와 연결되는 열 매체 주입부; 및 상기 열 매체 주입부의 타측과 연결되며, 상기 열 매체 주입부를 통하여 상기 열 교환부 내의 튜브로 열 매체를 공급하는 공급부;를 포함하며, 상기 열 교환부에서, 상기 튜브로 공급된 상기 열 매체와 상기 가열된 작동매체의 열 교환이 이루어지고, 상기 열 교환에 의해 상기 열 매체는 임계점 이상의 고온 및 고압 상태에 도달하며, 상기 작동매체는 액체금속인 보일러를 제공한다.
또한, 상기 액체금속을 작동매체로 하는 보일러; 및 상기 보일러에서 발생한 상기 임계점 이상의 고온 및 고압 상태에 도달한 열 매체를 이용하여 발전을 행하는 터빈;을 포함하는 발전 시스템을 제공한다.
상기 액체금속은 주석, 비스무트, 납 및 갈륨으로 이루어진 군으로부터 어느 하나가 선택되는 것이 바람직하다.
액체금속을 작동매체로 하여 연소로 내 주입부(튜브)에 공급하면 물 또는 이산화탄소와 같은 열 매체를 직접 공급해 가열할 때 발생하는 상 변화 과정과 연관된 주입부 또는 튜브의 열적 스트레스 문제를 해결할 수 있으며, 특히 열 매체가 초임계 상태가 될 경우 주입부 재질의 물성에 영향을 주어 파손을 일으키는 문제를 원천적으로 방지하여 열 매체 주입부의 수명이 월등하게 연장되는 효과를 발휘하며, 또한, 액체금속과 열 매체가 열 교환하여 임계점 이상의 고온 및 고압 상태의 열 매체를 생산하는 부분에만 초임계 상태를 견딜 수 있는 재질을 사용함에 따라 보다 경제성 있는 시스템 구성이 가능하며, 균일한 온도를 가지는 액체금속이 존재하는 열 교환부에서 보다 안정적으로 열 매체를 가열함에 따라 발전 시스템의 효율도 향상된다는 장점이 있다. 이와 함께 작동매체로 사용하는 액체금속의 양과 온도 조절을 통해 연소로에서 생성되는 열을 일정기간 동안 저장하는 기능을 부가하여 전력 수요 변동에 대응할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속을 작동매체로 하는 보일러의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액체금속을 작동매체로 하는 보일러의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액체금속을 작동매체로 하는 보일러의 개략도이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 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.
또한, 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 액체금속을 작동매체로 하는 보일러 및 이를 이용한 발전 시스템을 이루는 각 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.
이하, 첨부된 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속을 작동매체로 하는 보일러(이하, 설명의 편의를 위하여 단순히 '보일러'라고 칭한다.) 및 이를 이용한 발전 시스템에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속을 작동매체로 하는 보일러의 개략도로서, 실선 화살표는 액체금속의 흐름을 나타내고, 파선 화살표는 열 매체의 흐름을 나타낸다.
도 1에 나타낸 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 보일러는 연소로(100), 열 교환부(200), 열 매체 주입부(300) 및 공급부(400)를 포함할 수 있다.
연소로(100)에는 작동매체가 공급된다. 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이 연소로(100) 내부에 위치하는 튜브로 공급될 수 있다. 연소로(100)는 열을 공급하여 액체금속을 녹는점 이상으로 가열할 수 있는 수단이면 족하나, 예를 들면, 석탄, 미분탄, 석유 등의 연료에 산화제를 공급하여 연소시키는 장치로서, 작동매체를 가온시킬 수 있다. 또한, 공급되는 작동매체로는 본 발명의 일 특징으로서, 액체금속을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 사용되는 액체금속은 한정되지 않으나, 바람직하게는 녹는점은 비교적 낮고 끓는점이 높은 금속, 예를 들면, 주석, 비스무트, 납, 및 갈륨 등을 사용할 수 있다.
이는 액체금속은 공기를 산화제로 하는 일반적인 보일러의 연소에서 만들 수 있는 최대온도인 약 2000℃ 에서도 액체상태로 존재(주석의 경우 상압 상태에서 녹는점 약 231℃ 끊는점 약 2602℃)하기 때문에 상압 상태에서도 연소 시 발생하는 열을 모두 흡수할 수 있어 보일러의 설계에 고압에 견디는 특수한 소재를 요하지 않게 되어, 현재 상용화된 소재를 그대로 이용할 수 있다. 상기한 바에 따라 연소로(100) 내의 액체금속은 그 금속의 녹는점 이상으로 가열되어 액체상태로 존재하여야 함은 물론이다.
열 교환부(200)는 연소로(100)와 연결되어, 연소로(100)에서 가열된 작동매체로서의 액체금속이 유입된다.
열 교환부(200)에는 열 매체 주입부(300)가 구비된다. 열 매체 주입부(300)는 그 일측이 열 교환부(200)와 연결되며, 이를 통하여 열 매체가 유입됨으로써 열 교환부(200) 내부에서 액체금속과 열 매체의 열 교환이 이루어지게 된다, 유입되는 열 매체는 한정되지 않으나, 예를 들면 물 또는 CO2가 유입될 수 있고, 상기한 열 교환에 의해 열 매체는 임계점 이상의 고온 및 고압상태가 되어 열 매체 주입부(300) 타단으로 유출된다. 유입될 수 있는 열 매체로서의 물 또는 CO2 등 물질의 임계점은 이미 알려져 있는바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
공급부(400)는 열 매체 주입부(300)의 타측과 연결되어, 상기한 바와 같이 열 매체 주입부(300)로 열 매체를 공급함으로써, 열 교환부(200)로 열 매체가 공급된다. 그리고 도 1에 도시된 바와 같이 공급부(400)의 일측이 연소로(100)의 일측과 근접하여 연소로에서 배출되는 배가스의 현열을 이용하여 공급되는 열 매체를 1차적으로 가열하여 열 교환부(200)로 공급되도록 할 수 있다.
이하, 보일러의 동작을 상세히 설명하면, 공급부(400)에서 1차적으로 가열되어 열 매체 주입부(300)로 공급된 열 매체는 열 교환부(200) 내를 유동 및 통과하면서 열 교환부(200) 내의 액체금속과의 열 교환이 이루어지며 임계점 이상의 고온 고압 상태가 되어 열 교환부(200) 일측으로 배출된다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 열 교환에 의해 온도가 하강한 액체금속은 연소로(100)로 다시 공급되며, 열 교환부(200)에서 연소로(100)로 액체금속의 공급을 위한 펌프(P)가 위치할 수 있다. 연소로(100)로 공급된 액체금속은 재가열되어 열 교환부(200)로 재공급되며, 이를 통해 액체금속은 지속적으로 순환하며 가열 및 열 교환과정을 반복한다.
액체금속의 온도 및 열 교환의 정도에 따라 열 매체의 온도와 압력은 임계, 초임계, 초초임계, 극초임계의 상태가 되며, 원하는 정도의 상태로 열 매체를 생산하여 사용할 수 있다. 특히 초초임계 또는 극초임계 상태의 경우 일반적인 보일러의 구성으로는 생산하기가 매우 어려우나, 액체금속을 사용함으로써 비교적 간편한 공정으로 생산할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 초초임계 및 극초임계 상태의 경우 일반적으로 고온 및 고압에 견디는 특수강 등의 소재를 필요로 하나, 상기와 같이 보일러에 열 매체를 직접 공급하여 고온고압으로 만드는 대신 연소로(100)의 작동온도 영역에서 액체로 존재하는 액체금속을 통해 열을 얻음으로 하여 연소로(100) 내부에 고온고압을 견딜 수 있는 고가의 튜브를 설치하지 않아도 되며, 연소로(100)에 공급되는 고온의 액체금속에 열 매체를 직접 투입하여 고온고압으로 만드는 방식을 통해 저비용, 고효율 형태의 증기 또는 CO2를 생산하여 이를 발전 또는 열 공급에 이용할 수 있다.
다음, 도 2를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 보일러에 대하여 설명한다. 이하에서는 상기 일 실시예와의 차이점을 중심으로 설명하며, 그외의 동일한 구성이나 동작에 대하여는, 발명의 이해 및 설명의 편의를 위하여 그 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보일러의 개략도로서, 실선 화살표는 액체금속의 흐름을 나타내고, 파선 화살표는 열 매체의 흐름을 나타낸다. 열 교환부 내부에 있는 기포는 기화된 고온고압의 열 매체를 나타낸다.
본 실시예에서는 연소로(100) 및 열 교환부(200)가 2이상의 다수가 구비될 수 있다. 이하의 설명에서는 2개의 연소로(100) 및 열 교환부(200)가 구비되는 경우를 예로 들어 설명한다.
연소로(100)는 제1 연소로(110) 및 제2 연소로(120)의 2개의 연소로(100)로 구성되며, 각 연소로(100) 내의 액체금속은 서로 다른 온도로 가열되는 것이 바람직하다. 온도의 수치는 한정되지 않으나, 상기한 바와 같이 작동매체인 액체금속의 녹는점 이상으로 가열되어야 함은 물론이다.
열 교환부(200)는 상기 연소로(100)와 대응되는 개수가 구비된다. 상기 연소로(100)의 수와 같이 2개로서 제1 열 교환부(210) 및 제2 열 교환부(220)가 구비되어 각 열 교환부(210, 220)끼리 연결되며, 각 열 교환부(210, 220)와 대응하는 각 연소로(110, 120100)와 연결되어, 각 연소로(110, 120100)에서 서로 다른 온도로 가열된 액체금속이 각각 유입된다.
즉, 제1 열 교환부(210)는 제1 연소로(110)와 연결되고, 제2 열 교환부(220)는 제2 연소로(120)와 연결된다. 이때 제2 연소로(120)에서 공급되는 액체금속은 제1 열 교환부(210) 및 제 2 열 교환부(220)를 연결하는 작동매체 유로(250)로 공급될 수 있다.
제1 열 교환부(210)와 제2 열 교환부(220) 내 액체금속의 온도는 제1 열 교환부(210)의 내의 액체금속의 온도가 제2 열 교환부(220)의 온도보다 높은 것이 바람직하다.
열 매체 주입부(300)는 그 일측이 제2 열 교환부(220) 측에 연결되고, 타측은 공급부(400)와 연결되어 공급부(400)로부터 1차적으로 가열된 열 매체가 공급된다.
즉, 열 매체 주입부(300)로 공급된 열 매체가 제2 열 교환부(220)에서 제1 열 교환부(210)로 유동하며 순차적으로 임계점 이상의 고온 및 고압 상태에 도달하게 된다. 또한, 제2 열 교환부(220) 내에 위치한 열 매체 주입부(300) 부분에서 열 매체가 유출되도록 구성한다면 서로 다른 온도와 압력을 가지는 열 매체를 별개로 유동시켜 사용이 가능할 수 있다는 장점을 가진다.
또한, 제1 열 교환부(210)에서 열 교환에 의해 온도가 낮아진 액체금속은 제1 열 교환부(210) 및 제 2 열 교환부(220)을 연결하는 작동매체 유로(250)를 통해 제 2 열 교환부로 이동한다. 이로써 일단 온도가 낮아진 액체금속을 한번 더 열교환에 이용하고 제2 연소로(120)으로 공급함으로써 에너지 열 교환 효율을 높일 수 있다.
본 실시예에서는 연소로(100) 및 열 교환부(200)가 2개가 구비되는 것을 예로 들어 설명하였으나, 그 이상의 복수 개가 설치될 수 있고, 상기한 설명에 의해 다수개의 연소로(100) 및 열 교환부(200)가 구비되는 경우도 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
이하에서는, 도 3을 참조하여, 본 발명에 또 다른 실시예에 따른 보일러를 설명한다. 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 보일러의 개략도로서, 실선 화살표는 액체금속의 흐름을 나타내고, 파선 화살표는 열 매체의 흐름을 나타낸다.
본 실시예의 설명에서도 마찬가지로, 상기 실시예들과의 차이점을 중심으로 설명한다.
본 실시예에서는 열 교환부(200') 내에 튜브(201)가 위치한다. 튜브(201)는 그 일측이 열 매체 주입부(300')과 연결됨으로써 공급부(400)로부터 열 매체가 공급되며, 공급된 열 매체가 튜브(201) 내를 유동하며 열 교환부(200') 내의 액체금속과의 열 교환이 이루어진다.
이로써, 직접 가열하는 방식에 비하여, 튜브(201)가 열 교환부(200)의 액체금속 내에서 비교적 균일한 온도 조건에서 간접적으로 가열되기에 열 및 압력에 의한 파손의 위험이 적고, 슬래깅이나 파울링에 의한 열전달 장애 및 고열로 인한 염소화합물이나 기타 황 화합물등 부식성 가스에 의한 영향이 없으므로, 튜브(201)의 수명이 월등하게 연장되는 효과를 얻을 수가 있다.
그리고, 상기 실시예들에서, 열 교환부(200)의 일측(상기 또 다른 실시예에서는 튜브(201)의 타측)과 연결되어, 이로부터 유출되는 열 매체를 이용하여 발전을 행하는 터빈을 구비하여 발전 시스템에 이용할 수 있다.
증기를 이용한 터빈의 경우 열 매체인 증기가 고온 및 고압일수록 효율이 향상됨과 동시에 터빈 자체의 크기도 줄일 수가 있는데, 본 발명에 따른 보일러는 상기한 바와 같이 임계점 이상의 초임계 내지는 극초임계 상태의 열 매체를 생산할 수 있기에 매우 효율 좋은 발전 시스템을 구축하는 것이 가능하다.
상기와 같이 본 발명에 따른 보일러에 의하면, 액체금속을 이용하여 열 매체를 고온 및 고압상태로 생산함으로써 열 매체를 직접 가열함에 따른 문제점을 해결하면서도, 간접적으로 열 매체를 임계점을 넘는 고온 및 고압상태로 비교적 쉽게 생산할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 이렇게 생산된 열 매체를 이용하여 발전을 행함으로써 보다 효율이 향상된 발전 시스템을 구축할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
(부호의 설명)
100: 연소로
110: 제1 연소로
120: 제2 연소로
200, 200': 열 교환부
201: 튜브
210: 제1 열 교환부
220: 제2 열 교환부
300, 300': 열 매체 주입부
400: 공급부

Claims (7)

  1. 작동매체를 순환시켜 열 매체와의 열 교환을 수행하는 보일러로서,
    내부로 공급되는 작동매체가 가열되는 연소로(100);
    상기 연소로(100)와 연결되며, 내부에 상기 연소로(100) 내에서 가열된 작동매체가 공급되는 열 교환부(200);
    일측이 상기 열 교환부(200)와 연결되는 열 매체 주입부(300); 및
    상기 열 매체 주입부(300)의 타측과 연결되며, 상기 열 매체 주입부(300)를 통하여 상기 열 교환부(200)로 열 매체를 공급하는 공급부(400);를 포함하며,
    상기 열 교환부(200)에서 상기 열 매체 주입부(300)로 공급된 상기 열 매체와 상기 가열된 작동매체의 열 교환이 이루어지고, 상기 열 교환에 의해 상기 열 매체는 임계점 이상의 고온 및 고압 상태에 도달하며,
    상기 작동매체는 액체금속인,
    액체금속을 작동매체로 하는 보일러.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 교환에 의해 기설정된 온도 이하가 된 상기 액체금속은 상기 연소로(100)로 공급되고, 재가열되어 상기 열 교환부(200)로 다시 공급됨으로써 상기 액체금속의 재순환이 이루어지며,
    상기 재가열되는 온도는 상기 액체금속의 녹는점보다 높은,
    액체금속을 작동매체로 하는 보일러.
  3. 작동매체를 순환시켜 열 매체와의 열 교환을 수행하는 보일러로서,
    내부로 공급되는 작동매체가 서로 다른 온도로 가열되는 2개 이상의 연소로(100);
    상기 연소로(100)의 수와 대응되는 개수가 설치되어, 상기 각 연소로(100)와 연결되며, 상기 각 연소로(100) 내에서 서로 다른 온도로 가열된 작동매체가 각각 공급되는 2개 이상의 열 교환부(200);
    일측이 상기 열 교환부(200) 중 가장 낮은 온도의 열 교환부(220)에 열 매체를 공급하는 열 매체 주입부(300); 및
    상기 열 매체 주입부(300) 타측과 연결되어 열 매체를 공급하는 공급부(400);를 포함하며,
    상기 열 매체와 상기 작동매체의 열 교환은, 상기 열 매체가 상기 열 매체 주입부(300)의 일단으로부터 공급되어 상기 2개 이상의 열 교환부(200)에서 열 교환이 이루어짐으로써, 상기 열 매체가 순차적으로 임계점 이상의 고온 및 고압 상태에 도달하며,
    상기 작동매체는 액체금속인,
    액체금속을 작동매체로 하는 보일러.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열 교환에 의해 기설정된 온도 이하가 된 상기 액체금속은 상기 연소로(100) 중 가장 낮은 온도로 가열되는 연소로(120)로 공급되고, 재가열되어 상기 열 교환부(200) 중 어느 하나에 다시 공급됨으로써 상기 액체금속의 재순환이 이루어지며,
    상기 재가열되는 온도는 상기 액체금속의 녹는점보다 높은,
    액체금속을 작동매체로 하는 보일러.
  5. 작동매체를 순환시켜 열 매체와의 열 교환을 수행하는 보일러로서,
    내부로 공급되는 작동매체가 가열되는 연소로(100);
    상기 연소로(100)와 연결되며, 내부에 상기 연소로(100) 내에서 가열된 작동매체가 공급되는 열 교환부(200');
    상기 열 교환부(200') 내에 위치하는 튜브(201);
    일측이 상기 튜브(201)와 연결되는 열 매체 주입부(300');
    상기 열 매체 주입부(300')의 타측과 연결되며, 상기 열 매체 주입부(300')를 통하여 상기 열 교환부(200') 내의 튜브(201)로 열 매체를 공급하는 공급부(400);를 포함하며,
    상기 열 교환부(200')에서, 상기 튜브(201)로 공급된 상기 열 매체와 상기 가열된 작동매체의 열 교환이 이루어지고, 상기 열 교환에 의해 상기 열 매체는 임계점 이상의 고온 및 고압 상태에 도달하며,
    상기 작동매체는 액체금속인,
    액체금속을 작동매체로 하는 보일러.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 액체금속을 작동매체로 하는 보일러; 및
    상기 보일러에서 발생한 상기 임계점 이상의 고온 및 고압 상태에 도달한 열 매체를 이용하여 발전을 행하는 터빈;을 포함하는,
    발전 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 액체금속은 주석, 비스무트, 납 및 갈륨으로 이루어진 군으로부터 어느 하나가 선택되는,
    발전 시스템.
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