KR101064880B1

KR101064880B1 - 소각열을 이용한 발전시스템

Info

Publication number: KR101064880B1
Application number: KR1020110046562A
Authority: KR
Inventors: 황승자
Original assignee: 동아기계공업주식회사
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2011-05-18
Publication date: 2011-09-16

Abstract

본 발명에 따른 소각열을 이용한 발전시스템은, 소각실 상부에 설치되며, 서로 용접된 파이프들로 구성되며, 상기 소각실에서 폐기물이 소각될 때 발생하는 연소가스가 통과하는 고압보일러몸체와, 상기 고압보일러몸체의 상부에 설치되며 상기 고압보일러몸체를 구성하는 파이프들과 연결된 고압증기통을 구비한 고압보일러; 서로 용접된 파이프들로 구성되며, 상기 고압보일러몸체의 내부를 통과한 상기 연소가스가 통과하는 저압보일러몸체와, 상기 저압보일러몸체의 상부와 하부에 각각 설치되며, 상기 저압보일러몸체를 구성하는 파이프들과 연결되며, 상기 고압증기통으로 포화수를 공급하는 저압증기통을 구비한 저압보일러; 상기 고압증기통에서 발생된 고압의 증기에 의해 회전되는 터빈을 구비한 발전기; 상기 터빈을 회전시킨 후 응축된 증기가 회수되는 재증발탱크; 상기 포화수 또는 상기 재증발탱크에 저장된 물을 상기 고압증기통으로 공급하는 고압보일러급수조절펌프; 상기 재증발탱크에서 발생 된 증기를 응축시키는 증기복수기; 상기 증기복수기에서 응축된 증기 또는 원수(原水)가 공급되는 원수저장탱크; 및 상기 원수저장탱크에 저장된 물을 상기 저압증기통으로 공급하는 저압보일러급수조절펌프;를 포함한다.

Description

소각열을 이용한 발전시스템{ELECTRIC GENERATION SYSTEM USING HEAT GENERATED BY INCINERATING TRASH}

본 발명은 소각열을 이용한 발전시스템에 관한 것이다.

소각장에서 생활폐기물 또는 산업폐기물(이하 "폐기물"이라 칭한다)이 소각된다.

폐기물이 소각될 때 발생되는 열은 대기(大氣)로 배출된다.

최근에는 에너지절약을 위해서, 대기로 배출되는 열이 발전에 사용되고 있다. 이렇게 대기로 배출되는 열을 발전에 사용하는 시스템을 "소각열을 이용한 발전시스템"이라 칭한다.

종래의 소각열을 이용한 발전시스템은, 소각실 상부에 설치되며 내화벽돌들을 서로 쌓아서 만든 소각로몸체, 소각로몸체의 내부를 통과한 후 배출되는 연소가스에 포함된 열로 증기를 발생시키는 보일러, 보일러에서 발생된 증기로 터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 발전기로 구성된다.

폐기물이 소각될 때 발생하는 고온의 연소가스는, 소각로몸체의 내부와 보일러를 차례로 통과한 후, 대기로 배출된다.

한편, 고온의 연소가스가 소각로몸체의 내부를 통과할 때, 연소가스에 포함된 열 중 일부가 내화벽돌을 통해 대기로 배출된다. 이로 인해, 고온의 연소가스가 아닌, 온도가 떨어진 연소가스가 보일러를 통과한다. 따라서, 보일러에 공급되는 열이 줄어듦으로써, 보일러의 증기발생량이 줄어들게 되고, 발전기의 발전량이 줄어든다.

한편, 고온의 연소가스가 소각로몸체의 내부를 통과할 때 내화벽돌과 직접 접촉함으로써, 내화벽돌의 수명을 급속히 떨어뜨린다. 이로 인해, 내화벽돌의 교체가 빈번하게 이루어져, 소각열을 이용한 발전시스템의 유지보수 비용이 상승한다.

본 발명의 목적은, 폐기물이 소각될 때 발생하는 열을 최대한 사용할 수 있고, 내화벽돌의 교체가 근본적으로 필요 없어 빈번한 내화벽돌의 교체에 따른 유지보수비용을 절감할 수 있는 소각열을 이용한 발전시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적은, 소각실 상부에 설치되며, 서로 용접된 파이프들로 구성되며, 상기 소각실에서 폐기물이 소각될 때 발생하는 연소가스가 통과하는 고압보일러몸체와, 상기 고압보일러몸체의 상부에 설치되며 상기 고압보일러몸체를 구성하는 파이프들과 연결된 고압증기통을 구비한 고압보일러; 서로 용접된 파이프들로 구성되며, 상기 고압보일러몸체의 내부를 통과한 상기 연소가스가 통과하는 저압보일러몸체와, 상기 저압보일러몸체의 상부와 하부에 각각 설치되며, 상기 저압보일러몸체를 구성하는 파이프들과 연결되며, 상기 고압증기통으로 포화수를 공급하는 저압증기통을 구비한 저압보일러; 상기 고압증기통에서 발생된 고압의 증기에 의해 회전되는 터빈을 구비한 발전기; 상기 터빈을 회전시킨 후 응축된 증기가 회수되는 재증발탱크; 상기 포화수 또는 상기 재증발탱크에 저장된 물을 상기 고압증기통으로 공급하는 고압보일러급수조절펌프; 상기 재증발탱크에서 발생 된 증기를 응축시키는 증기복수기; 상기 증기복수기에서 응축된 증기 또는 원수(原水)가 공급되는 원수저장탱크; 및 상기 원수저장탱크에 저장된 물을 상기 저압증기통으로 공급하는 저압보일러급수조절펌프;를 포함하는 소각열을 이용한 발전시스템에 의해 달성된다.

본 발명을 사용하면, 연소가스에 포함된 열을 고압보일러와 저압보일러로 2회에 걸쳐 회수할 수 있다. 고압보일러에서 회수된 열은 발전을 하는 데 사용할 수 있고, 저압보일러를 통해 회수된 열은 가정이나 공장에 난방을 공급하는 데 사용할 수 있다. 따라서, 폐기물이 소각될 때 발생하는 열을 최대한 사용할 수 있다.

또한, 본 발명은, 저압보일러가 고압보일러로 포화수를 공급하므로, 고압증기통에서 발생하는 증기량이 늘어나, 발전량을 늘릴 수 있다. 또한, 고압증기통에 히터를 설치할 경우, 발전량을 더욱 늘릴 수 있다.

또한, 본 발명은, 종래의 내화벽돌들을 서로 쌓아서 만든 소각로몸체를 파이프들을 서로 용접하여 만든 고압보일러몸체로 교체하였으므로, 내화벽돌들의 교체가 근본적으로 필요 없다. 따라서, 내화벽돌들의 빈번한 교체에 따른 유지보수비용을 절감할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 소각열을 이용한 발전시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는, 도 1에 도시된 소각실, 고압보일러, 저압보일러의 설계도면이다.
도 3은, 도 2에 도시된 단면 Ⅲ-Ⅲ을 나타낸 도면이다.
도 4는, 도 2에 도시된 단면 Ⅳ-Ⅳ를 나타낸 도면이다.
도 5는, 도 2에 도시된 단면 Ⅴ-Ⅴ를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 소각열을 이용한 발전시스템을 상세히 설명한다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 소각열을 이용한 발전시스템을 나타낸 블록도이다. 도 1에 도시된 굵은 실선화살표는 연소가스의 흐름을 나타내며, 가는 실선화살표는 물의 흐름을 나타내며, 점선화살표는 증기의 흐름을 나타낸다.

도 2는, 도 1에 도시된 소각실, 고압보일러, 저압보일러의 설계도면이다. 도 2에 도시된 굵은 실선화살표는 연소가스의 흐름을 나타낸다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 소각열을 이용한 발전시스템은, 소각실(110)의 상부에 설치된 고압보일러(120), 저압보일러(130), 발전기(140), 재증발탱크(150), 증기복수기(160), 원수저장탱크(170), 지역난방기(180), 저압보일러급수조절펌프(LP), 고압보일러급수조절펌프(HP)로 구성된다.

소각실(110)의 좌측상부에 폐기물투입구(111)가 구비된다. 폐기물투입구(111)를 통해 폐기물이 소각실(110)의 내부로 투입된다. 소각실(110)의 내부 하측에는 좌측에서 우측으로 계단(112)이 아래방향으로 형성된다.

폐기물투입구(111)를 통해 소각실(110)의 내부로 투입된 폐기물은, 계단(112)을 타고 좌측에서 우측으로 이동한다. 폐기물을 좌측에서 우측으로 이동시키기 위해서, 계단(112)의 좌측에는 폐기물을 좌측에서 우측으로 미는 실린더(113)가 구비된다. 소각실(110)의 내부 우측에는 폐기물을 태우는 버너(114)가 설치된다. 폐기물은 소각되어 재가 되고, 재는 재수거통(115)으로 떨어져 모인다. 재는 컨베이어(미도시)를 타고 외부로 배출된다.

도 3은, 도 2에 도시된 단면 Ⅲ-Ⅲ을 나타낸 도면이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이,

고압보일러(120)는, 고압보일러몸체(121), 고압증기통(122)으로 구성된다.

고압보일러몸체(121)는, 소각실(110)의 상부에 설치된다. 고압보일러몸체(121)는, 수직방향으로 배열되며 서로 용접된 제1수직파이프(P11)들과, 수평방향으로 배열되며 서로 용접된 제1수평파이프(P12)들과, 제1수직파이프(P11)들과 제1수평파이프(P22)들을 연결하는 제1원형파이프(P13)와, 격벽(B)으로 구성된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1수직파이프(P11)들이, 연소가스가 이동하는 방향과 동일한 방향으로 배열되어 있으므로, 연소가스를 타고 상승하는 재가 제1수직파이프(P11)들에 달라붙기 어렵다. 따라서, 연소가스에 포함된 열이 재에 의해 차단되지 않고, 제1수직파이프(P11)들로 원활하게 전달될 수 있다.

도 4는, 도 2에 도시된 단면 Ⅳ-Ⅳ를 나타낸 도면이다.

도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이,

격벽(B)은, 고압보일러몸체(121)의 내부에 제1챔버(S1)와 제2챔버(S2)를 형성한다.

고온의 연소가스와 처음으로 통과하는 제1챔버(S1)의 내면에는, 제1수직파이프(P11)의 고온부식을 방지하기 위한, 내화물이 부착될 수 있다.

내화물의 종류는, 실리카를 주성분으로 하는 산성내화물이나, 고알루미나질, 탄소질, 탄화규소질, 크롬질을 주성분으로 하는 중성내화물이나, 마그네시아, 돌로마이트, 칼시아를 주성분으로 하는 염기성내화물등 다양할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 격벽(B)은, 고압보일러몸체(121)의 내부에 수직방향으로 배열되며 서로 용접된 제2수직파이프(P21)들과, 제2수직파이프(P21)들과 연결되며 서로 용접된 1개의 제2수평파이프(P22)로 구성된다. 제2수평파이프(P22)의 양단은 고압증기통(122)과 연결관(L)으로 연결된다.

격벽(B)의 상측에는, 제1챔버(S1)와 제2챔버(S2)를 연통시키는 제1통로(PW1)가 형성된다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이,

고압증기통(122)은, 고압보일러몸체(121)의 상부에 설치된다. 고압증기통(122)은, 구형(球形)이다. 고압증기통(122)은, 고압보일러몸체(121)와 연결관(L)으로 연결된다. 보다 자세하게는, 고압증기통(122)은, 제1원형파이프(P13)와 연결관(L)으로 연결되고, 제2수평파이프(P22)와 연결관(L)으로 연결된다.

고압증기통(122)은 발전기(140)와 고압증기공급관(LH)으로 연결되어, 발전기(140)에 고압(3.0Mpa)의 증기를 공급한다.

한편, 고압증기통(122)에 히터를 설치하여, 증기발생량을 늘릴 수도 있다.

도 5는, 도 2에 도시된 단면 Ⅴ-Ⅴ를 나타낸 도면이다.

도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 저압보일러(130)는, 저압보일러몸체(131)와 저압증기통(132)들로 구성된다.

소각실(110)에서 폐기물이 소각될 때 발생하는 연소가스는, 제1챔버(S1), 제1통로(PW1), 제2챔버(S2)를 차례로 통과한 후, 저압보일러몸체(131)의 내부로 들어온다. 그리고, 대기로 배출된다.

저압보일러몸체(131)는, 수직방향으로 배열되며 서로 용접된 외부파이프(P31)들과, 외부파이프(P31)들 사이에 설치된 내부파이프(P32)들과, 수평방향으로 배열되며 서로 용접된 바닥파이프(P33)들로 구성된다.

외부파이프(P31)들과 내부파이프(P32)들 사이와, 내부파이프(P32)들 사이에는 연소가스가 흐르는 제2통로(PW2)가 형성된다.

외부파이프(P31)들과 내부파이프(P32)들이 연소가스가 이동하는 방향과 직각으로 배열되어 있기 때문에, 연소가스에 포함된 재가 외부파이프(P31)들과 내부파이프(P32)들에 달라붙기 쉽다. 따라서, 저압보일러몸체(131)의 내부에는 외부파이프(P31)들과 내부파이프(P32)들에 달라붙은 재를 제거하기 위한 블로워(W)들이 설치된다.

저압증기통(132)은, 저압보일러몸체(131)의 상부에 1개가 설치되고, 저압보일러몸체(131)의 하부에 2개가 설치된다. 저압증기통(132)은, 원통형이다.

상부에 설치된 1개의 저압증기통(132)은, 하부에 설치된 2개의 저압증기통(132)과, 외부파이프(P31)들과 내부파이프(P32)들로 연결된다.

하부에 설치된 2개의 저압증기통(132)은, 바닥파이프(P33)들로 서로 연결된다.

저압증기통(132)은 지역난방기(180, 도 1참조)와 저압증기공급관(LL)으로 연결되어, 지역난방기(180, 도 1참조)에 저압(1.0Mpa)의 증기를 공급한다. 또한, 저압증기통(132)는, 블로워(W)에 저압(1.0Mpa)의 증기를 공급한다.

도 1 및 도 2를 참조하면,

발전기(140)는, 전기를 생산한다. 발전기(140)의 내부에는 터빈(미도시)이 구비된다. 고압증기통(122)에서 발생한 고압의 증기는, 발전기(140)로 공급된다. 공급된 고압의 증기는 터빈을 회전시킨다. 터빈이 회전되면 전기가 생산된다. 생산된 전기는, 고압보일러급수조절펌프(HP), 저압보일러급수조절펌프(LP), 증기복수기(160)를 구동하는 전기로 사용될 수 있다. 또한, 소각장이 전기공급이 열악한 지역에 위치할 경우, 그 지역으로 생산된 전기가 공급될 수도 있다.

재증발탱크(150)로, 터빈을 회전시킨 후 응축된 증기가 회수된다.

증기복수기(160)는, 재증발탱크(150)에서 발생된 증기를 응축시킨 후, 원수저장탱크(170)로 공급한다.

원수저장탱크(170)로, 원수(상수도 또는 지하수) 또는 증기복수기(160)에서 응축된 고온의 증기(110℃)가 공급된다.

지역난방기(180)는, 저압증기통(132)으로부터 공급받은 증기로, 가정이나 공장을 난방한다. 난방 후 응축된 증기는 재증발탱크(150)로 회수된다.

저압보일러급수조절펌프(LP)는, 원수저장탱크(170)에 저장된 물을 원수공급관(LF)을 통해 저압증기통(132)으로 공급한다.

원수저장탱크(170)로 증기복수기(160)에서 응축된 고온의 증기가 공급됨으로써 원수저장탱크(170)에 저장된 물이 가열되고, 이렇게 가열된 물이 저압증기통(132)으로 공급됨으로써 저압보일러(130)의 증기발생량이 증가한다.

저압증기통(132)에는 수위센서(미도시)가 설치된다.

저압보일러급수조절펌프(LP)는, 수위센서로부터 신호를 받아, 저압증기통(132)에 물이 부족할 때, 원수저장탱크(170)에 저장된 물을 저압증기통(132)으로 공급한다.

고압보일러급수조절펌프(HP)는, 저압증기통(132)에 저장된 포화수(1.0Mpa, 180℃)를 포화수공급관(LS)을 통해 고압증기통(122)으로 공급한다.

또한, 고압보일러급수조절펌프(HP)는, 재증발탱크(150)에 저장된 물을 공급관(미도시)을 통해 고압증기통(122)으로 공급한다.

고압증기통(122)에는 수위센서(미도시)가 설치된다.

고압보일러급수조절펌프(HP)는, 수위센서로부터 신호를 받아, 고압증기통(122)에 물이 부족할 때, 저압증기통(132)에 저장된 포화수와 재증발탱크(150)에 저장된 물을 고압증기통(122)으로 공급한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 소각열을 이용한 발전시스템의 작동을 설명한다.

도 2를 참조하면, 소각실(110)의 내부로 폐기물투입구(111)를 통해 폐기물을 투입한다. 소각실(110)의 내부로 투입된 폐기물은, 실린더(113)에 의해 계단(112)을 타고 좌측에서 우측으로 이동한다. 버너(114)는 폐기물을 소각한다. 소각된 폐기물은 재가 되어, 재수거통(115)으로 떨어져 모인다. 재는 컨베이어(미도시)를 타고 외부로 배출된다.

폐기물이 소각되면서 발생 된 연소가스는, 굵은 실선화살표 방향을 따라, 제1챔버(S1)와 제2챔버(S2)와, 제1통로(PW1, 도 3참조), 제2통로(PW2, 도 5참조)를 차례로 통과한 후, 대기로 배출된다.

고압보일러급수조절펌프(HP)는, 저압증기통(132)에 저장된 포화수와 재증발탱크(150)에 저장된 물을 고압증기통(122)으로 공급한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 연소가스가 제1챔버(S1), 제1통로(PW1), 제2챔버(S2)를 통과할 때, 수직파이프(P11)들의 내부와, 수평파이프(P12)들의 내부와, 원형파이프(P13)의 내부를 흐르는 물이 가열된다.

가열된 물은 고압증기통(122)으로 공급된다. 고압증기통(122)의 내부에서 고압(3.0Mpa)의 증기가 발생한다. 고압의 증기는 발전기(140)로 공급되어, 터빈을 회전시킨다. 터빈을 회전시킨 후 응축된 증기는 재증발탱크(150)로 회수된다.

터빈이 회전하면서 전기가 생산된다. 생산되는 전기의 양은 2000Kw/hr이다.

2000Kw/hr의 전기를 생산하기 위해서, 고압보일러(120)의 설계사양은 다음과 같다.

정격증기량	4000kg/hr
설계압력	3.5Mpa
사용압력	3.0Mpa
터빈으로 유입되는 증기의 엔탈피(Hi)	669kcal/kg-3.0Mpa
터빈으로부터 유출되는 증기의 엔탈피(Ho)	648kcal/kg-1.5Mpa

상기 설계사양을 가지고, 증기소비량(W)과 총 증기소비량(G)을 계산하면 다음과 같다.

증기소비량(W)=860/[(Hi-(Hi-Ho))×효율(e)]

=860/[(669-(669-648))×0.7]=1.895kg/kw

총 증기소비량(G)=증기소비량(W)×전기생산량(L)

=1.895kg/kw×2000kw/hr=3780kg/hr

총 증기소비량(G) 3780kg/hr은, 정격증기량 4000kg/hr을 초과하지 않는다.

따라서, 상기 설계사양을 가지면, 고압보일러(120)는, 시간당 2000Kw의 전기를 생산할 수 있다.

저압보일러급수조절펌프(LP)는, 원수저장탱크(170)에 저장된 물을 저압증기통(132)으로 공급한다.

도 5를 참조하면, 연소가스가 저압보일러몸체(131)의 제2통로(PW2)를 통과할 때, 외부파이프(P31)들과, 내부파이프(P32)들과, 바닥파이프(P33)들의 내부를 흐르는 물이 가열된다.

가열된 물은 저압증기통(132)으로 공급된다. 저압증기통(132)의 내부에서 증기가 발생된다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 저압증기통(132)은, 지역난방기(180)로 증기를 공급한다. 지역난방기(180)는, 공급받은 증기로 가정이나 공장을 난방한다. 난방 후 응축된 증기는 재증발탱크(150)로 회수된다.

Claims

소각실 상부에 설치되며, 서로 용접된 파이프들로 구성되며, 상기 소각실에서 폐기물이 소각될 때 발생하는 연소가스가 통과하는 고압보일러몸체와, 상기 고압보일러몸체의 상부에 설치되며 상기 고압보일러몸체를 구성하는 파이프들과 연결된 고압증기통을 구비한 고압보일러;
서로 용접된 파이프들로 구성되며, 상기 고압보일러몸체의 내부를 통과한 상기 연소가스가 통과하는 저압보일러몸체와, 상기 저압보일러몸체의 상부와 하부에 각각 설치되며, 상기 저압보일러몸체를 구성하는 파이프들과 연결되며, 상기 고압증기통으로 포화수를 공급하는 저압증기통을 구비한 저압보일러;
상기 고압증기통에서 발생된 고압의 증기에 의해 회전되는 터빈을 구비한 발전기;
상기 터빈을 회전시킨 후 응축된 증기가 회수되는 재증발탱크;
상기 포화수 또는 상기 재증발탱크에 저장된 물을 상기 고압증기통으로 공급하는 고압보일러급수조절펌프;
상기 재증발탱크에서 발생 된 증기를 응축시키는 증기복수기;
상기 증기복수기에서 응축된 증기 또는 원수(原水)가 공급되는 원수저장탱크; 및
상기 원수저장탱크에 저장된 물을 상기 저압증기통으로 공급하는 저압보일러급수조절펌프;를 포함하는 소각열을 이용한 발전시스템.
제1항에 있어서, 상기 고압보일러몸체는, 수직방향으로 배열되며 서로 용접된 제1수직파이프들과, 수평방향으로 배열되며 서로 용접된 제1수평파이프들과, 상기 제1수직파이프들과 상기 제1수평파이프들을 연결하는 제1원형파이프와, 상기 고압보일러몸체의 내부에 제1챔버와 제2챔버를 형성하는 격벽으로 구성되며,
상기 제1원형파이프는 상기 고압증기통과 연결관들로 연결된 소각열을 이용한 발전시스템.
제2항에 있어서, 상기 격벽은,
상기 고압보일러몸체의 내부에 수직방향으로 배열되며 서로 용접된 제2수직파이프들과, 상기 제2수직파이프들과 연결되며 서로 용접된 1개의 제2수평파이프로 구성되며,
상기 제2수평파이프의 양단은 상기 고압증기통과 연결관으로 연결되며,
상기 격벽의 상측에는, 상기 제1챔버와 제2챔버를 연통시키는 제1통로가 형성된 소각열을 이용한 발전시스템.
제1항에 있어서,
상기 저압보일러몸체는, 수직방향으로 배열되며 서로 용접된 외부파이프들과, 상기 외부파이프들 사이에 설치된 내부파이프들과, 수평방향으로 배열되며 서로 용접된 바닥파이프들로 구성된 소각열을 이용한 발전시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고압증기통에 히터가 더 설치된 소각열을 이용한 발전시스템.