WO2021006431A1 - 가압 순산소 연소 보일러 - Google Patents

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WO2021006431A1
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pure oxygen
flue gas
gasifier
burner
pressurized
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양원
이용운
이영재
채태영
이재욱
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한국생산기술연구원
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    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present invention relates to a boiler, and more particularly, to a combustion boiler using pressurized pure oxygen.
  • combustion exhaust gas from a thermal power plant or a thermal power plant that uses heat during fuel combustion is about 12 to 17% of carbon dioxide, 76 to 78% of nitrogen, 4 to 5% of oxygen and other traces of water and moisture.
  • carbon dioxide in particular, has been pointed out as a major cause of global warming, so reducing its emission has become an international concern.
  • Some developed countries are trying to freeze carbon dioxide emission based on the emission at a certain point in time, and in this regard, they are advocating the introduction of a carbon tax. Therefore, it can be said that the capture of carbon dioxide from the exhaust gas of a power plant, which is one of the largest point sources of carbon dioxide, is an important problem to be solved urgently.
  • the present invention is to provide a pressurized pure oxygen combustion boiler capable of maximizing efficiency while using syngas and easily removing impurities such as NO x and SO x as to solve the problems of the prior art described above. have.
  • the mixer can be supplied by adjusting the mixing ratio of the flue gas and pure oxygen contained in the oxidizing agent according to the position of the multi-stage burner.
  • the oxidant supply lines for supplying the oxidant from the mixer to the burner are individually provided according to the positions of the multi-stage burners, and a control valve may be installed in each oxidant supply line.
  • the mixer based on the flow direction of the syngas, has a relatively low ratio of pure oxygen contained in the oxidizing agent supplied to the burner located at the front, and the ratio of pure oxygen contained in the oxidizing agent supplied to the burner located at the rear It is desirable to adjust relatively high.
  • the flue gas supply line for supplying flue gas to the mixer is connected to two or more different locations in the convection chamber, and two or more types of flue gas having a difference in moisture content are supplied to the mixer, and the mixer It is desirable to be able to control the amount of moisture contained in the oxidizing agent supplied to the burner by using two or more types of flue gases having a difference in content.
  • the oxidizing agent may be supplied to the burner in a heated state through heat exchange in the convection chamber.
  • the heat exchanger of the radiation chamber and the heat exchanger of the convection chamber are spiral heat exchangers.
  • the mixer supplies pure oxygen or a mixed gas of pure oxygen and flue gas to the gasifier.
  • Pure oxygen supplied to the gasifier or a mixed gas of pure oxygen and flue gas may be supplied to the gasifier while heated through heat exchange in the convection chamber.
  • a heat exchanger composed of a vertical tube assembly may be installed in the gasifier.
  • the gasifier, the radiation chamber, and the convection chamber are operated under pressure and have a cylindrical shape having a circular cross section.
  • the present invention configured as described above has the effect of simplifying fuel handling and control logic because the syngas generated by the gasifier is supplied as fuel, and users such as the mixing ratio and moisture content of the oxidizing agent supplied to the multistage burner As the number of adjustable variables increases, there is an effect of securing driving flexibility.
  • the syngas is sequentially burned by installing multi-stage burners in the radiation chamber, the overall efficiency is greatly improved by completely burning the syngas while preventing excessive combustion heat from being locally generated, and generating NO x and SO x . Can be suppressed.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the structure of a pressurized pure oxygen combustion boiler according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a form in which a burner is disposed in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a case in which another type of mixer is applied to the pressurized pure oxygen combustion boiler according to the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram showing another type of convection chamber applied to the pressurized pure oxygen combustion boiler according to the present invention.
  • gasifier 110 raw material supply unit
  • heat exchanger 220 burner
  • mixer 412 first flue gas supply line
  • second flue gas supply line 420 pure oxygen supply line
  • first and second are used to distinguish one component from other components, and the scope of the rights is not limited by these terms.
  • a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may be referred to as a first component.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the structure of a pressurized pure oxygen combustion boiler according to an embodiment of the present invention.
  • the pressurized pure oxygen combustion boiler of this embodiment is a gasifier 100 that generates syngas, which is the fuel of the boiler, a radiation chamber 200 that burns syngas and radiatively heats the combustion heat from combustion, and is generated while the syngas is combusted. And a convection chamber 300 for recovering by exchanging latent heat of flue gas, and a mixer 400 for mixing and supplying an oxidizing agent and flue gas to a burner of the radiation chamber.
  • Syngas is an artificially created gas, as opposed to natural gas, and is typically manufactured using coal.
  • the gasifier 100 of the present embodiment generates syngas and provides it to a boiler, and various configurations for generating syngas may be applied without particular limitation.
  • pulverized coal or pulverized coal slurry and spray water are supplied from the raw material supply unit 110, and pure oxygen or pure oxygen and flue gas are supplied through the gasifier supply line 120 connected to the mixer 400 to be described in detail later.
  • a gasifier 100 for generating syngas by receiving the mixed gas was applied.
  • the raw material supply unit 110 and the gasifier supply line 120 are connected to the upper portion of the gasifier 100 to generate syngas by one burner, and the generated synthesis
  • the gas is supplied to the radiation chamber 200 through the syngas supply line 230 connected to the lower side of the gasifier 100.
  • the gasifier 100 of this embodiment is operated in a pressurized state, and has a cylindrical shape having a circular cross section.
  • a slag outlet through which the slag generated during the synthesis gas generation process is discharged is formed at the lower end of the gasifier 100 and is connected to the slag processor 130.
  • a heat exchanger 140 in the form of a vertical tube bundle is installed in the gasifier 100 to exchange heat generated during the synthesis gas generation process.
  • the radiation chamber 200 is a part whose main purpose is to radiate heat exchange of combustion heat generated while receiving syngas from the gasifier 100 and burning it.
  • the synthesis gas containing fly ash is supplied through the synthesis gas line 230 connected to the lower part of the radiation chamber 200, and a plurality of burners 220 along the flow direction in which the synthesis gas rises.
  • the heat exchanger 210 are alternately installed in multiple stages.
  • the burner 220 and the heat exchanger 210 are configured in four stages with different heights, respectively, when the syngas is burned by the burner 220 formed on the sidewall, the flame and the flame are generated by the flow direction of the syngas. Since heat is directed upward, heat exchangers 210 corresponding to each burner 220 were formed above the burners 220, respectively.
  • the reason why the burners 220 are installed in a multi-stage structure having different heights in the present invention is that excessive heat is concentrated in one place when the supplied syngas is burned in a burner having the same height.
  • the burners 220 are arranged in a multi-stage structure with different heights, since the syngas can be sequentially combusted by burners of different heights, the supplied syngas is completely burned while the combustion heat is not concentrated in one place, but is dispersed.
  • the heat exchanger 210 in multiple stages at a position higher than the burner 220 corresponding to the multi-stage burner 220, the radiant heat generated by the combustion of each burner can be utilized to the maximum extent. Local overheating of 200 can be prevented.
  • the burner 210 installed on the side wall of the radiation chamber 200 may have a configuration in which a plurality of burners 220 are installed at the same height so as to generate a flame while supplying an oxidizing agent in a swirling flow or a counter flow method, but limited to this no.
  • the radiation chamber 200 of the present embodiment is operated in a pressurized state and has a cylindrical shape having a circular cross section.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a form in which a burner is disposed in an embodiment of the present invention.
  • the burner 220 installed at the same height does not spray the oxidizing agent toward the center of the radiation chamber 200, but if the oxidizing agent is injected toward the side a little from the center, a swirling flow is generated inside the radiation chamber 200. Is formed.
  • the combustion gas generated by sequentially completely burning the syngas in the multi-stage burner 220 having different heights is discharged through the flue 240 connected to the upper end of the radiation chamber 200, and the discharged flue gas is a convection chamber. It is supplied as 300.
  • the flue gas discharged from the radiation chamber 200 is still in the range of 300°C-500°C because the combustion heat generated from the burner 220 is large. Is in a high temperature state, and the convection chamber 300 performs heat exchange in the high-temperature flue gas to further increase the efficiency of the combustor. Furthermore, as the flue gas is cooled by heat exchange in the convection chamber 300, moisture contained therein is condensed.
  • a plurality of heat exchangers 310 are installed in the convection chamber 300.
  • the radiation chamber 200 of the present embodiment is operated in a pressurized state and has a cylindrical shape having a circular cross section.
  • a helical type heat exchanger 310 is applied.
  • FIG. 1 when a plurality of heat exchangers 310 having different heights are installed in the convection chamber 300, when connected to a steam turbine for power generation, the heat exchanger is divided into a superheater and a reheater according to the position of the heat exchanger to provide different functions. It is configured by separating it so that it can be performed, and a detailed description thereof will be omitted since the specific shape may be changed according to the configuration of the power generation unit connected to the heat exchanger.
  • the flue gas 240 is connected to the upper end of the convection chamber 300 so that the flue gas moves from the upper end of the convection chamber 300 to the lower end.
  • the convection chamber 300 performs the function of a condenser (FGC) while cooling the flue gas by heat exchange, and a condensed water outlet in which the moisture contained in the flue gas is condensed is formed at the bottom, and after the heat exchange is completed, it is cooled to 100°C or less.
  • the flue gas is discharged through the exhaust pipe (320).
  • the mixer 400 is a configuration for supplying an oxidizing agent to the burner 220 of the radiation chamber 200, and in particular, an oxidizing agent obtained by mixing flue gas and pure oxygen is a burner of the radiation chamber 200 through the oxidizing agent supply line 221. Supply to 220. In order to prevent excessive combustion heat in the burner, only pure oxygen is not supplied as an oxidizing agent, but flue gas is mixed and supplied as an oxidizing agent.
  • the present embodiment is provided with a four-stage burner 220 of varying height, and the synthesis gas is sequentially combusted in each stage so that the finally supplied synthetic gas can be completely burned, the burners of each stage ( 220) is supplied by adjusting the ratio of the oxidizing agent supplied to it differently.
  • each stage of the burner is provided with an oxidant supply line individually, and a control valve is installed in each oxidant supply line.
  • a pure oxygen supply line 420 connected to the air separation system 500 and flue gas supply lines 412 and 413 are connected to the mixer 400.
  • the flue gas supply line supplies flue gas to the first flue gas supply line 412 and the second flue gas supply line 413 at different positions of the convection chamber 300.
  • the first flue gas supply line 412 connected in the middle of the convection chamber 300 does not proceed with condensation of moisture contained in the flue gas, so that the flue gas containing a relatively large amount of moisture and having a high temperature is transferred to the mixer 400.
  • the second flue gas supply line 413 is connected to the exhaust pipe 320 that has passed through the convection chamber 300 so that a relatively large amount of moisture is removed and flue gas having a low temperature is supplied to the mixer.
  • the oxidizing agent is preheated and supplied, the efficiency of the burner 220 is improved, and the temperature increases as pure oxygen and flue gas are mixed, but in order to further increase the temperature of the oxidizing agent, in the convection chamber 300 before supplying it to the burner 220 Heat exchange can also be performed.
  • the mixer 400 supplies pure oxygen or a mixed gas of pure oxygen and flue gas to the gasifier 100 through the gasifier supply line 120, and heat exchange in the convection chamber 300 for preheating like an oxidizing agent. It can also be configured to perform.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a case in which another type of mixer is applied to the pressurized pure oxygen combustion boiler according to the present invention.
  • one mixer may be connected to each of the multi-stage burners 220, each mixer is connected to a pure oxygen supply line connected to the air separation system 500, and a flue gas supply line ( 412, 413) are also individually connected.
  • a flue gas supply line 412, 413
  • the flue gas supply lines 412 and 413 supplying the two types of flue gas are all connected to individual mixers, but are not limited thereto, and the first flue gas supply line 412 and the second flue gas Only one of the supply lines 413 may be connected, some may be connected to only one supply line, and some may be connected to both supply lines.
  • FIG. 4 is a block diagram showing another type of convection chamber applied to the pressurized pure oxygen combustion boiler according to the present invention.
  • the illustrated convection chamber 300 is characterized in that it additionally includes an injection hole 330 for injecting water into the interior.
  • the injection port 330 may increase the removal efficiency of NO x and SO x contained in the flue gas by spraying water stored in the storage tank 600.
  • KMnO 2 , NaClO 2 , Na 2 SO 3 , ClO 2, etc. which can oxidize NO to NO 2 , may be added as an additive.
  • the installation position of the injection port 330 is preferably installed at a height just before condensation starts because the temperature of the flue gas falling inside the convection chamber 300 is sufficiently low.
  • a spiral heat exchanger 312 may be installed above where the flue gas is not condensed, and a plate-type (or shell-and-tube type) heat exchanger 314 may be installed below where the flue gas is condensed.
  • the syngas is sequentially burned by installing multi-stage burners in the radiation chamber, the overall efficiency is greatly improved by completely burning the syngas while preventing excessive combustion heat from being locally generated, and generating NO x and SO x . Can be suppressed.

Abstract

본 발명은 가압 순산소 연소 보일러에 관한 것으로, 합성가스를 생성하는 가스화기; 상기 가스화기에서 생성된 합성가스가 주입되며, 합성가스 흐름방향을 따라 복수의 버너와 열교환기가 교대로 다단 설치되고, 상기 버너에 가압 상태로 공급된 산화제로 인해 합성가스가 단계적으로 연소되는 복사챔버; 및 상기 복사챔버에서 발생된 연도가스가 주입되며, 연도가스의 잠열을 회수하는 열교환기가 설치된 대류챔버를 포함한다. 본 발명은, 가스화기에서 생성한 합성가스를 연료로서 공급하기 때문에 연료 핸들링 및 제어 로직이 단순화되는 효과가 있으며, 다단의 버너에 공급되는 산화제의 혼합 비율과 수분 함량 등과 같은 사용자 조절 가능 변수가 늘어나면서 운전 유연성을 확보할 수 있는 효과가 있다. 또한, 복사챔버에서 다단의 버너를 설치하여 합성가스를 순차적으로 연소시키기 때문에, 국부적으로 과도한 연소열이 발생되는 것을 방지하면서도 합성가스를 완전연소시킴으로써 전체 효율은 크게 향상되며, NOx와 SOx의 발생을 억제할 수 있다. 나아가 배가스 처리를 위한 별도의 환경설비를 설치할 필요가 없기 때문에 설비제작과정에서 비용을 줄일 수 있고, 저비용으로 미세먼지와 CO2 배출이 감소된 설비를 구성할 수 있는 효과가 있다.

Description

가압 순산소 연소 보일러
본 발명은 보일러에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 가압 순산소를 이용한 연소 보일러에 관한 것이다.
일반적으로 연료 연소 시의 열을 사용하는 화력발전소 또는 기력발전소로부터 나오는 연소 배가스는 부피 기준 약 12∼17%의 이산화탄소와 76∼78%의 질소, 그리고 4∼5%의 산소와 그밖에 미량의 수분과 SOx, NOx 화합물을 포함하고 있다. 그 중에서 특히 이산화탄소는 지구 온난화의 주요 원인으로 지목되고 있으므로 이의 배출을 줄이는 것이 국제적인 관심사가 된 상황이다. 일부 선진국들은 이산화탄소 배출량을 일정 시점의 배출량을 기준으로 동결시키고자 노력하고 있으며 이와 관련하여 탄소세의 도입을 주장하고 있는 실정이다. 따라서 이산화탄소의 가장 큰 점배출원 중의 하나인 발전소 배가스로부터 이산화탄소의 포집은 시급히 해결해야 할 중요한 문제라고 할 수 있다.
발전소의 배가스에서 이산화탄소를 포집하기 위한 다양한 기술이 개발되고 있으나, 앞서 살펴본 것과 같이 화석 연료를 사용하는 발전소 배가스에는 SOx, NOx 화합물이 포함되어 있기 때문에 이산화탄소 포집 과정에서 이들을 제거하여야 한다. 또한 이산화탄소 포집에 필요한 에너지 및 추가 설비 비용이 막대하게 들어가기 때문에, 이를 포함한 모든 이산화탄소 포집 공정은 적용되는 기존 발전 시스템의 효율을 현저하게 떨어뜨리는 한편 설비비용을 높이는 원인이 되고 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 합성가스를 사용하면서 효율을 극대화하고, NOx 및 SOx 와 같은 불순물을 용이하게 제거할 수 있는 가압 순산소 연소 보일러를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 가압 순산소 연소 보일러는, 합성가스를 생성하는 가스화기; 상기 가스화기에서 생성된 합성가스가 주입되며, 합성가스 흐름방향을 따라 복수의 버너와 열교환기가 교대로 다단 설치되고, 상기 버너에 가압 상태로 공급된 산화제로 인해 합성가스가 단계적으로 연소되는 복사챔버; 및 상기 복사챔버에서 발생된 연도가스가 주입되며, 연도가스의 잠열을 회수하는 열교환기가 설치된 대류챔버를 포함한다.
순산소와 상기 대류챔버에서 재순환된 연도가스를 혼합한 산화제를 상기 버너에 공급하기 위한 믹서를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 믹서는 다단 설치된 버너의 위치에 따라서 산화제에 포함된 연도가스와 순산소의 혼합비율을 조절하여 공급할 수 있는 것이 바람직하다.
상기 믹서에서 버너로 산화제를 공급하는 산화제 공급라인은 다단 설치된 버너의 위치에 따라서 개별적으로 구비되고, 각 산화제 공급라인에는 제어밸브가 설치될 수 있다.
상기 믹서는, 합성가스 흐름방향을 기준으로, 앞쪽에 위치하는 버너에 공급되는 산화제에 포함된 순산소의 비율이 상대적으로 낮고, 뒤쪽에 위치하는 버너에 공급되는 산화제에 포함된 순산소의 비율이 상대적으로 높게 조절하는 것이 바람직하다.
상기 믹서에 연도가스를 공급하는 연도가스 공급라인은 상기 대류챔버에서 위치가 서로 다른 2곳 이상에 연결되어, 상기 믹서에는 수분함량에서 차이가 있는 2종류 이상의 연도가스가 공급되며, 상기 믹서는 수분함량에서 차이가 있는 2종류 이상의 연도가스를 이용하여 버너에 공급되는 산화제에 포함된 수분의 양을 조절할 수 있는 것이 바람직하다.
상기 산화제는 상기 대류챔버에서 열교환을 통해 가열된 상태로 버너에 공급될 수 있다.
상기 복사챔버의 열교환기와 상기 대류챔버의 열교환기는 나선형 열교환기 인 것이 좋다.
상기 믹서는 순산소 또는 순산소와 연도가스가 혼합된 혼합기체를 상기 가스화기에 공급하는 것이 바람직하다.
상기 가스화기에 공급되는 순산소 또는 순산소와 연도가스가 혼합된 혼합기체는 상기 대류챔버에서 열교환을 통해 가열된 상태로 가스화기에 공급될 수 있다.
상기 가스화기에는 수직형 튜브 집합체로 구성된 열교환기가 설치될 수 있다.
상기 가스화기와 상기 복사챔버 및 상기 대류챔버는 가압상태로 운영되며, 단면이 원형인 실린더 형태인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 가스화기에서 생성한 합성가스를 연료로서 공급하기 때문에 연료 핸들링 및 제어 로직이 단순화되는 효과가 있으며, 다단의 버너에 공급되는 산화제의 혼합 비율과 수분 함량 등과 같은 사용자 조절 가능 변수가 늘어나면서 운전 유연성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 복사챔버에서 다단의 버너를 설치하여 합성가스를 순차적으로 연소시키기 때문에, 국부적으로 과도한 연소열이 발생되는 것을 방지하면서도 합성가스를 완전연소시킴으로써 전체 효율은 크게 향상되며, NOx와 SOx의 발생을 억제할 수 있다.
나아가 배가스 처리를 위한 별도의 환경설비를 설치할 필요가 없기 때문에 설비제작과정에서 비용을 줄일 수 있고, 저비용으로 미세먼지와 CO2 배출이 감소된 설비를 구성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가압 순산소 연소 보일러의 구조를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 버너가 배치된 형태를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 가압 순산소 연소 보일러에 다른 형태의 믹서를 적용한 경우를 도시한 구성도이다
도 4는 본 발명에 따른 가압 순산소 연소 보일러에 적용되는 다른 형태의 대류챔버를 나타낸 구성도이다.
[부호의 설명]
100: 가스화기 110: 원료공급부
120: 가스화기 공급라인 130: 슬래그 처리기
140: 열교환기 200: 복사챔버
210: 열교환기 220: 버너
221: 산화제 공급라인 230: 합성가스라인
240: 연도 300: 대류챔버
310: 열교환기 320: 배기관
400: 믹서 412: 제1 연도가스 공급라인
413: 제2 연도가스 공급라인 420: 순산소 공급라인
500: 공기분리시스템
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미 한다.
또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가압 순산소 연소 보일러의 구조를 나타낸 구성도이다.
본 실시예의 가압 순산소 연소 보일러는 보일러의 연료인 합성가스를 생성하는 가스화기(100), 합성가스를 연소시키고 연소에 의한 연소열을 복사 열교환하는 복사챔버(200), 합성가스가 연소되면서 발생된 연도가스의 잠열을 열교환하여 회수하는 대류챔버(300), 복사챔버의 버너로 산화제와 연도가스를 혼합하여 공급하기 위한 믹서(400)를 포함한다.
합성가스(syngas, synthesis gas)는 천연가스와 대비되는 표현으로서 인공적으로 만들어진 가스이며, 대표적으로 석탄을 이용하여 합성가스를 제조하고 있다. 본 실시예의 가스화기(100)는 합성가스를 생성하여 보일러로 제공하며, 합성가스를 생성하는 다양한 구성이 특별한 제한 없이 적용될 수 있다. 본 실시예에서는 원료공급부(110)에서 미분탄이나 미분탄 슬러리와 분무수를 공급받고, 이후에 자세하게 설명할 믹서(400)에 연결된 가스화기 공급라인(120)을 통해서 순산소 또는 순산소와 연도가스가 혼합된 혼합 가스를 공급받아서 합성가스를 생성하는 가스화기(100)를 적용하였다. 이때 본 실시예에서 적용된 가스화기(100)는 원료공급부(110)와 가스화기 공급라인(120)이 가스화기(100)의 상부로 연결되어 하나의 버너에 의해서 합성가스를 생성하며, 생성된 합성가스는 가스화기(100)의 아래쪽에 연결된 합성가스 공급라인(230)을 통해서 복사챔버(200)로 공급된다. 본 실시예의 가스화기(100)는 가압상태로 운영되며, 단면이 원형인 실린더 형태이다. 그리고 가스화기(100)의 하단에는 합성가스 생성과정에서 생성된 슬래그가 배출되는 슬래그 배출구가 형성되어 슬래그 처리기(130)와 연결된다. 그리고 가스화기(100)에는 수직형 튜브 집합체(Tube bundle) 형태의 열교환기(140)가 설치되어, 합성가스 생성과정에서 발생된 열을 교환한다.
복사챔버(200)는 가스화기(100)에서 합성가스를 공급받아서 연소시키면서 발생되는 연소열을 복사 열교환하는 것에 주된 목적이 있는 부분이다.
본 실시예에서는 복사챔버(200)의 하부에 연결된 합성가스라인(230)을 통해서 비산재(fly ash)가 포함된 합성가스를 공급받으며, 합성가스가 상승하는 흐름방향을 따라서 복수의 버너(220)와 열교환기(210)가 교대로 다단 설치된다. 본 실시예는 버너(220)와 열교환기(210)가 각각 높이를 달리하는 4단으로 구성된 경우이며, 측벽에 형성된 버너(220)에 의해서 합성가스가 연소되면 합성가스의 흐름방향에 의해서 불꽃과 열이 위쪽으로 향하기 때문에 각 버너(220)에 대응되는 열교환기(210)를 버너(220)의 위쪽에 각각 형성하였다.
본 발명에서 높이를 달리하는 다단 구조로 버너(220)를 설치한 것은, 공급되는 합성가스를 같은 높이의 버너에서 모두 연소시키는 경우에 과도한 열이 한 곳에 집중되는 문제가 발생하기 때문이다. 높이를 달리하는 다단 구조로 버너(220)를 배치하면, 합성가스를 다른 높이의 버너에 의해서 순차적으로 연소시킬 수 있기 때문에, 공급된 합성가스를 완전연소 시키면서도 연소열이 한곳에 집중되지 않고 분산되도록 한다. 이때, 앞서 설명한 것과 같이 열교환기(210)를 다단의 버너(220)에 대응하여 버너(220)보다 높은 위치에 다단으로 설치함으로써 각 버너의 연소에 의해서 발생되는 복사열을 최대한으로 이용할 수 있으며 복사챔버(200)의 국부 과열을 방지할 수 있다. 복사챔버(200)에는 가스화기(100)의 열교환기와는 달리 나선형(Helical Type)의 열교환기(210)를 적용하는 것이 바람직하다.
한편, 복사챔버(200)의 측벽에 설치된 버너(210)는 선회류 또는 대향류 방식으로 산화제를 공급하면서 불꽃을 생성하도록 같은 높이에 복수의 버너(220)가 설치된 구성이 가능하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 복사챔버(200)는 가압상태로 운영되며, 단면이 원형인 실린더 형태이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 버너가 배치된 형태를 도시한 단면도이다.
도시된 것과 같이, 같은 높이 설치된 버너(220)가 복사챔버(200)의 중심을 향하여 산화제를 분사하는 것이 아니고, 중심에서 조금 옆을 향하여 산화제를 분사하면 복사챔버(200)의 내부에 선회류가 형성된다.
그리고 높이를 달리하는 다단 구조의 버너(220)에서 합성가스를 순차적으로 완전연소시키기 위해서는 버너(220)에 공급되는 산화제를 조절할 필요가 있으며, 산화제 조절을 위한 믹서(400)의 구성은 이후에 더욱 자세하게 설명한다.
높이를 달리하는 다단 구조의 버너(220)에서 합성가스를 순차적으로 완전연소시켜서 발생된 연소가스는 복사챔버(200)의 상단에 연결된 연도(240)를 통해서 배출되며, 배출된 연도가스는 대류챔버(300)로 공급된다.
복사챔버(200)에 다단의 열교환기(210)가 설치되어 열교환이 수행되지만, 버너(220)에서 발생된 연소열이 크기 때문에 복사챔버(200)에서 배출된 연도가스는 여전히 300℃-500℃ 범위의 고온 상태이며, 대류챔버(300)는 고온의 연도가스에서 열교환을 수행하여 연소기의 효율을 더욱 높일 수 있다. 나아가 연도가스는 대류챔버(300)에서 열교환에 의해서 냉각되면서 내부에 포함된 수분이 응축된다.
이를 위하여 대류챔버(300)에는 복수의 열교환기(310)가 설치된다. 본 실시예의 복사챔버(200)는 가압상태로 운영되며, 단면이 원형인 실린더 형태이다. 그리고 나선형(Helical Type)의 열교환기(310)를 적용한다. 도 1에서 대류챔버(300)에 높이를 달리하는 복수의 열교환기(310)를 설치한 것은, 발전을 위한 증기 터빈 등과 연결된 경우에 열교환기의 위치 따라서 과열기와 재가열기 등으로 구분하여 다른 기능을 수행할 수 있도록 분리하여 구성한 것이며, 이는 열교환기와 연결된 발전부의 구성에 따라서 구체적인 형태가 변경될 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
연도가스는 대류챔버(300)에서 점차 냉각되기 때문에, 대류챔버(300)의 상단에 연도(240)를 연결하여 연도가스가 대류챔버(300)의 상단에서 하단으로 이동하도록 구성하였다. 그리고 대류챔버(300)는 열교환에 의해서 연도가스를 냉각시키면서 응축기(FGC)의 기능을 함께 수행하며, 하단에는 연도가스에 포함된 수분이 응축된 응축수 배출구가 형성되고 열교환이 끝나서 100℃ 이하로 냉각된 연도가스가 배기관(320)을 통해서 배출된다.
믹서(400)는 복사챔버(200)의 버너(220)에 산화제를 공급하기 위한 구성이며, 특히 연도가스와 순산소를 혼합한 산화제를 산화제 공급라인(221)을 통해서 복사챔버(200)의 버너(220)에 공급한다. 버너에서의 과도한 연소열을 방지하기 위하여 산화제로서 순산소만을 공급하지 않고, 연도가스를 혼합하여 산화제로서 공급한다.
특히, 본 실시예는 높이를 달리하는 4단의 버너(220)를 구비하고 있으며, 각 단에서 순차적으로 합성가스가 연소되어 최종적으로 공급된 합성가스가 완전연소될 수 있도록, 각 단의 버너(220)에 공급되는 산화제의 비율을 다르게 조절하여 공급한다. 이를 위하여 버너의 각각의 단에 개별적으로 산화제 공급라인을 구비하고, 각 산화제 공급라인에는 제어밸브가 설치된다.
구체적으로, 복사챔버(200)에서 가장 아래에 위치한 버너의 경우에는 합성가스만 공급되는 상태이므로 공급되는 산화제에 순산소의 부피 비율이 높으면 과도한 연소가 발생하는 문제가 있으며, 연도가스의 혼합 비율을 높임으로써 적절한 양의 합성가스가 연소되면서 적절한 연소열이 발생한다. 아래에서 두번째에 위치한 버너의 경우는, 가장 아래에 위치한 버너에서 일부 합성가스가 연소된 상태로 공급되기 때문에, 상대적으로 산화제에 포함된 순산소의 농도를 높여서 공급한다. 이와 같이, 버너(220)의 높이가 높아질수록 산화제에 포함된 순산소의 농도를 상대적으로 높이면, 각 단에서의 연소열이 적절하게 제어되면서도 공급된 합성가스를 완전연소시킬 수 있다.
연도가스와 순산소를 혼합한 산화제를 공급하기 위하여, 믹서(400)에는 공기분리시스템(500)에 연결된 순산소 공급라인(420)과 연도가스 공급라인(412, 413)이 연결된다. 특히, 연도가스 공급라인은 대류챔버(300)의 서로 다른 위치에서 제1 연도가스 공급라인(412) 및 제2 연도가스 공급라인(413)으로 연도가스를 공급한다.
앞서 설명한 것과 같이, 연도가스는 대류챔버(300)를 지나면서 냉각과 함께 포함된 수분이 점차 응축되어 제거된다. 대류챔버(300)의 중간쯤에 연결된 제1 연도가스 공급라인(412)은 연도가스에 포함된 수분의 응축이 진행되지 않아서 상대적으로 수분이 많이 포함되고 온도가 높은 연도가스를 믹서(400)로 공급하고, 제2 연도가스 공급라인(413)은 대류챔버(300)를 모두 지난 배기관(320)에 연결되어 상대적으로 수분이 많이 제거되고 온도가 낮은 연도가스를 믹서로 공급한다. 이와 같이, 본 실시예에서는 대류챔버(300)의 서로 다른 위치에서 연도가스를 믹서(400)에 공급함으로써, 온도와 수분함량에서 차이가 있는 2종류의 연도가스를 구분하여 믹서(400)로 공급하며, 최종적으로 버너(220)로 공급되는 산화제의 온도와 수분 함량을 조절할 수 있다. 결과적으로 열교환 효율과 함께, 배가스 내 수분 농도를 극대화하여 증발잠열 회수시 발생하는 물의 양을 극대화할 수 있다. 특히 가압 조건에서는 연소과정에서 발생되는 NOx의 경우 수용성이 높은 NO2 로의 전환 비율이 높아지고 SOx의 경우에도 수용성이 높아지므로, 이들 불순물 또는 오염물질들의 제거 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
산화제를 예열하여 공급하면 버너(220)의 효율이 향상되며, 순산소와 연도가스가 혼합되면서 온도가 상승하지만, 산화제의 온도를 더 높이기 위하여 버너(220)로 공급하기 전에 대류챔버(300)에서 열교환을 수행할 수도 있다.
믹서(400)는 순산소 또는 순산소와 연도가스가 혼합된 혼합 가스를 가스화기 공급라인(120)을 통해서 가스화기(100)에 공급하며, 산화제와 마찬가지로 예열을 위하여 대류챔버(300)에서 열교환을 수행하도록 구성할 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 가압 순산소 연소 보일러에 다른 형태의 믹서를 적용한 경우를 도시한 구성도이다
도시된 것과 같이, 다단으로 구성된 버너(220) 각각에 대하여 1개의 믹서가 연결되도록 구성할 수 있고, 각 믹서에는 공기분리시스템(500)에 연결된 순산소 공급라인이 연결되고, 연도가스 공급라인(412, 413)도 개별적으로 연결된다. 다단으로 믹서를 구성함으로써, 연도가스의 재순환량과 산화제의 공급량을 각 버너별로 정밀하게 제어할 수 있다.
도시된 실시예에서는 2종류의 연도가스를 공급하는 연도가스 공급라인(412, 413)이 모두 개별 믹서에 연결되어 있지만 이에 한정되는 것이 아니며, 제1 연도가스 공급라인(412)과 제2 연도가스 공급라인(413) 중에서 하나만 연결될 수도 있고, 일부는 1개 공급라인만 연결되고 일부는 2개의 공급라인이 모두 연결될 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 가압 순산소 연소 보일러에 적용되는 다른 형태의 대류챔버를 나타낸 구성도이다.
도시된 대류챔버(300)는 물을 내부로 분사하는 분사구(330)를 추가로 구비하는 점에 특징이 있다. 분사구(330)는 저장탱크(600)에 저장된 물을 분사함으로써 연도가스에 포함된 NOx와 SOx의 제거 효율을 높일 수 있다. 이때, NOx와 SOx의 제거 효율을 더욱 높이기 위해서, NO를 NO2로 산화시킬 수 있는 KMnO2, NaClO2, Na2SO3, ClO2 등을 첨가제로서 첨가할 수 있다.
분사구(330)의 설치 위치는, 대류챔버(300) 내부에서 하강하는 연도가스의 온도가 충분히 낮아져서 응축이 시작되기 직전이 되는 높이에 설치되는 것이 바람직하다. 그리고 대류챔버(300)에서 연도가스가 응축되지 않은 위쪽은 나선형 열교환기(312)를 설치하고, 연도가스가 응축되는 아래쪽은 판형(또는 쉘앤튜브형) 열교환기(314)를 설치할 수 있다. 이러한 구성을 통해서, 연도가스가 응축되는 아래쪽에서 응축된 물과 연도가스의 접촉이 늘어나도록 할 수 있다.
이상에서 설명한 본 실시예의 가압 순산소 연소 보일러는, 가스화기에서 생성한 합성가스를 연료로서 공급하기 때문에 연료 핸들링 및 제어 로직이 단순화되는 효과가 있다.
반면 다단의 버너에 공급되는 산화제의 혼합 비율과 수분 함량 등과 같은 사용자 조절 가능 변수가 늘어나면서 운전 유연성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 복사챔버에서 다단의 버너를 설치하여 합성가스를 순차적으로 연소시키기 때문에, 국부적으로 과도한 연소열이 발생되는 것을 방지하면서도 합성가스를 완전연소시킴으로써 전체 효율은 크게 향상되며, NOx와 SOx의 발생을 억제할 수 있다.
나아가 배가스 처리를 위한 별도의 환경설비를 설치할 필요가 없기 때문에 설비제작과정에서 비용을 줄일 수 있고, 저비용으로 미세먼지와 CO2 배출이 감소된 설비를 구성할 수 있는 효과가 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 합성가스를 생성하는 가스화기;
    상기 가스화기에서 생성된 합성가스가 주입되며, 합성가스 흐름방향을 따라 복수의 버너와 열교환기가 교대로 다단 설치되고, 상기 버너에 가압 상태로 공급된 산화제로 인해 합성가스가 단계적으로 연소되는 복사챔버; 및
    상기 복사챔버에서 발생된 연도가스가 주입되며, 연도가스의 잠열을 회수하는 열교환기가 설치된 대류챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  2. 청구항 1에 있어서,
    순산소와 상기 대류챔버에서 재순환된 연도가스를 혼합한 산화제를 상기 버너에 공급하기 위한 믹서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 믹서는 다단 설치된 버너의 위치에 따라서 산화제에 포함된 연도가스와 순산소의 혼합비율을 조절하여 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 믹서에서 버너로 산화제를 공급하는 산화제 공급라인은 다단 설치하다 버너의 위치에 따라서 개별적으로 구비되고, 각 산화제 공급라인에는 제어밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 믹서는, 합성가스 흐름방향을 기준으로, 앞쪽에 위치하는 버너에 공급되는 산화제에 포함된 순산소의 비율이 상대적으로 낮고, 뒤쪽에 위치하는 버너에 공급되는 산화제에 포함된 순산소의 비율이 상대적으로 높게 조절하는 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 믹서에 연도가스를 공급하는 연도가스 공급라인은 상기 대류챔버에서 위치가 서로 다른 2곳 이상에 연결되어,
    상기 믹서에는 수분함량에서 차이가 있는 2종류 이상의 연도가스가 공급되며,
    상기 믹서는 수분함량에서 차이가 있는 2종류 이상의 연도가스를 이용하여 버너에 공급되는 산화제에 포함된 수분의 양을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 산화제는 상기 대류챔버에서 열교환을 통해 가열된 상태로 버너에 공급되는 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 복사챔버의 열교환기와 상기 대류챔버의 열교환기는 나선형 열교환기 인 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 믹서는 순산소 또는 순산소와 연도가스가 혼합된 혼합기체를 상기 가스화기에 공급하는 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 가스화기에 공급되는 순산소 또는 순산소와 연도가스가 혼합된 혼합기체는 상기 대류챔버에서 열교환을 통해 가열된 상태로 가스화기에 공급되는 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스화기에는 수직형 튜브 집합체로 구성된 열교환기가 설치된 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스화기와 상기 복사챔버 및 상기 대류챔버는 가압상태로 운영되며, 단면이 원형인 실린더 형태인 것을 특징으로 하는 가압 순산소 연소 보일러.
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