KR102021983B1 - 배가스 내 잠열의 회수와 대기오염물질의 제거가 가능한 일체형 배가스 응축기 및 이를 포함하는 가압 순산소 연소 발전 시스템 - Google Patents

배가스 내 잠열의 회수와 대기오염물질의 제거가 가능한 일체형 배가스 응축기 및 이를 포함하는 가압 순산소 연소 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 일체형 배가스 응축기 및 이를 포함하는 가압 순산소 연소 발전 시스템에 관한 것으로, 본 발명은 가압 순산소 연소가 이루어지는 보일러에서 배출되는 배가스가 유입되어 내부가 일정 이상의 압력으로 유지되는 배가스 응축 탱크; 및 상기 배가스 응축 탱크 내 일측에 배치되며, 그 내부로 열매체가 유동하는 열교환 튜브;를 포함하며, 상기 열교환 튜브로 공급되는 열매체와 상기 배가스 응축 탱크 내로 유입되는 배가스와의 열교환에 의해 상기 배가스 내의 수분이 응축되며, 상기 배가스에 포함된 잠열이 상기 열매체를 통하여 회수되고, 응축된 수분에 상기 배가스에 포함된 오염물질이 용해되어 수용액 형태로 배출되는 일체형 배가스 응축기를 제공한다.

Description

배가스 내 잠열의 회수와 대기오염물질의 제거가 가능한 일체형 배가스 응축기 및 이를 포함하는 가압 순산소 연소 발전 시스템{Integrated condenser capable of recovering latent heat and removing pollutants of exhaust gas and power generation system using pressurized oxygen combustion comprising the same}
본 발명은, 가압 순산소 연소 발전 시스템에서의 배가스 내 수증기 증발 잠열 회수 및 대기오염물질의 통합 저감을 가능하게 하는 장치 및 이를 포함하는 발전 시스템에 관련된 것으로, 상세하게는 가압조건에서의 순산소 연소에 의해 발생하는 배가스의 수증기를 열교환을 통해서 응축시켜서 수증기의 증발잠열을 회수함과 동시에 대기오염물질인 산성가스와 미세먼지를 상기의 응축수에 용해 또는 포집시켜서 오염물질의 통합 처리를 수행하는 일체형 배가스 응축기 및 이를 포함하는 가압 순산소 연소 발전 시스템에 관한 것이다.
연료와 공기의 연소를 통해서 발생된 열을 이용한 스팀 터빈을 채택하는 통상적인 화력발전 시스템에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 보일러(1)에서, 공기를 산화제로 사용해서 연료를 연소시켜 뜨거운 연소 가스를 생성시키고, 보일러의 전열관을 통과하는 물과 뜨거운 연소가스 사이의 열교환을 통해서 연소가스의 현열을 회수하여 고온 고압의 스팀을 생산하고, 이와 같이 생산된 고온고압의 스팀을 스팀 터빈(2)에 공급하여 스팀 터빈과 연동된 발전기를 회전시켜 전력생산이 이루어진다.
보일러(1)에서 고온고압의 스팀을 생산하고 배출되는 배가스는 질소, 이산화탄소, 잉여산소, 일부 불완전연소 생성물(일산화탄소 등) 및 대기오염 물질(NOx, SOx, Dust)와 함께 연료 내 수분이 증발되거나 연료 내 수소 성분이 연소되어 생성된 수증기를 함유하고 있으며, 공기를 산화제로 채택하는 연소시스템의 경우 배가스내 수분의 몰분율은 통상적으로 약 10% 내외의 값을 갖는다.
배가스는 보일러와 연결된 SCR(3)(Selective Catalytic Reactor), EP(4)(Electrostatic Precipitator) 및 FGD(5)(Flue gas desulfurizer)를 차례로 통과하며, 배가스에 포함된 대기오염 물질 중 NOx 는 SCR(3)에서, 먼지는 EP(4)에서, SOx 는 FGD(5)에서 순차적으로 제거된다.
SCR(3), EP(4) 및 FGD(5)에서 대기오염물질이 제거된 배가스는 굴뚝을 통하여 외부로 배출되며, 이때, 배가스 내 수분은 수증기 형태 그대로 굴뚝으로 배출된다.
상기된 바와 같이 배가스 내 수분이 수증기의 형태로 대기로 배출되는 다는 것은 결국 연료와 공기를 연소하는 과정에서 생성된 수증기에 포함된 증발 잠열을 발전시스템 밖으로 잃어버린다는 것을 의미하며, 기존의 상압 가스 흐름에서 운전되는 발전 시스템에서는 0.1기압 전후의 분압을 갖는 수증기의 응축 온도가 50℃ 정도로 매우 낮기 때문에 배가스 내 수증기를 응축시킬 수 있을 만큼 배가스를 냉각시켜서 수증기의 증발잠열을 회수하는 것이 어렵고 회수된 열의 온도가 응축온도보다 낮기 때문에 가용에너지 관점에서 매우 비효율적인 문제점을 보여주고 있다
최근 들어서는 화력발전에서 발생하는 온실가스(이산화탄소)의 배출을 저감하기 위해서 공기 대신 순산소를 산화제로서 공급하여 배가스 내 주 성분을 이산화탄소와 수증기로 구성하고, 수증기를 응축시켜 이산화탄소를 포집하면서 발전을 행하는 순산소 연소 발전 시스템이 연구개발되고 있다.
이와 관련하여, 특허문헌 1에는 순산소와 연료의 연소를 통한 발전시스템이 개시된다.
이러한 순산소 연소 시스템의 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, ASU(20)(Air Separation unit)를 통하여 공기에서 산소를 분리하여 보일러(10)로 공급하여 연소를 행하면, 배가스의 유량과 더불어 질소산화물의 농도도 다소 감소하기 때문에, 오염물질의 처리를 위한 SCR(40), EP(50) 및 FGD(60)의 구성을 어느 정도 단순화 할 수 있는 장점이 있으나, 산소를 분리하여 보일러(10)로 공급하는 데에 드는 에너지 효율 손실이 상당량 발생하며, 산소 연소에 의해 발생하는 이산화탄소를 포집/정제하기 위해 배가스를 가압하여 이산화탄소를 포집하는 CPU(70)(CO2 Process Unit) 설비가 시스템 후단에 추가로 장착됨으로써, 전체적인 발전 효율을 10% 이상 감소시킨다는 문제가 있다.
또한 위에서 기술한 배가스의 잠열 회수 역시 상압에서 운전되는 가스 흐름이라는 한계로 인해, 배가스내 수증기의 응축온도가 공기연소의 경우보다는 높지만 약 70℃ 정도로 아직도 상당히 낮기 때문에 과도한 배가스 냉각이 이루어져야 될 뿐만 아니라, 잠열을 회수한 열매체의 온도도 배가스내 수증기의 응축온도보다 낮아서 보일러 시스템에 재활용할 수 있는 가용에너지가 크지 않은 문제점이 남아있게 된다.
이와 함께, 보일러(10) 내 연소가스의 온도가 너무 높아지는 것을 방지하기 위해 배가스의 일부를 다시 보일러(10) 측으로 재순환하여 공급되는 산소와 혼합시켜서 산화제로 사용해야 하므로 보일러 부식 등에 영향을 끼칠 수 있는 황산화물(SOx) 등이 농축되어 농도가 높아지는 문제를 필연적으로 야기하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 가스가 지나가는 보일러 및 배가스 처리 장치의 작동유체인 산화제와 배가스를 가압하여 순산소 연소를 수행하는 가압 순산소 연소 시스템이 주목을 받고 있다.
가압 순산소 연소 시스템은 배가스 재순환 삭제를 통해 배가스의 유량을 줄이고 압력은 높여 보일러 등의 장치 크기를 기존의 상압조건에서 운전되는 보일러 및 관련 시스템 보다 훨씬 작게 줄일 수 있고, 상기한 이산화탄소 포집을 위한 가압을 사전에 일부 수행하고 압축열을 미리 회수함으로써 압축 동력을 아껴 기존의 상압 순산소 연소에서의 발전 효율 감소를 최소화할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
이와 더불어, 가압 순산소 운전시 배가스 내 수증기의 분압은 배가스의 압력과 수증기의 몰분율이 증가하였기 때문에 수증기가 대기압을 훨씬 상회하는 높은 분압을 갖을 수 있어 가압 순산소 발전시스템에서는 배가스에 포함된 수증기의 응축 온도가 100℃를 훨씬 상회할 수 있기 때문에 증발 잠열을 간단한 열교환을 통해서 회수하여 추가적으로 발전효율 감소를 더 줄일 수 있는 장점을 갖고 있으며, 수증기를 응축하는 과정에서 수용성의 특성이 있는 NOx와 SOx를 수용액으로 형태로 제어할 수 있기 때문에 별도의 산성가스 처리장치를 두지 않아도 되는 장점도 있다.
결과적으로 가압 순산소 연소 화력발전시스템은 (1) 발전설비의 체적을 줄일 수 있고, (2) 수증기의 잠열 및 작동유체의 압축에너지를 회수하여 열효율을 개선할 수 있으며, (3) NOx, SOx를 잠열의 회수설비와 통합시켜서 제어할 수 있기 때문에 시스템의 단순화가 가능한 장점을 보유한 CO2의 포집이 가능한 화력발전시스템이다.
특허문헌 1: KR 2011-0016679 A
본 발명은, 상기와 같은 종래기술의 문제점에 착안하여 이를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 가압 순산소 연소 시스템에서의 보일러에서 배출되는 가압 상태의 배가스 내 수증기 증발잠열을 회수하여 전체 발전 시스템의 효율을 높이고, 동시에 이를 이용하여 오염물질의 제거 및 세정이 통합적으로 이루어질 수 있는 일체형 배가스 응축기 및 이를 포함하는 가압 순산소 연소 기반 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 가압 순산소 연소가 이루어지는 보일러에서 배출되는 배가스가 유입되어 내부가 일정 이상의 압력으로 유지되는 배가스 응축 탱크; 및 상기 배가스 응축 탱크 내 일측에 배치되며, 그 내부로 열매체가 유동하는 열교환 튜브;를 포함하며, 상기 열교환 튜브로 공급되는 열매체와 상기 배가스 응축 탱크 내로 유입되는 배가스와의 열교환에 의해 상기 배가스 내의 수분이 응축되며, 상기 배가스에 포함된 잠열이 상기 열매체를 통하여 회수되고, 응축된 수분에 상기 배가스에 포함된 오염물질이 용해되어 수용액 형태로 배출되는 일체형 배가스 응축기를 제공한다.
또한, 상기 일체형 배가스 응축기; 소정압력으로 가압된 산소 및 연료가 연소되며, 연소에 의해 발생하는 배가스를 상기 일체형 배가스 응축기로 배출하는 보일러; 공기에서 순산소를 분리하여 상기 보일러로 가압하여 공급하는 가압 ASU; 상기 보일러에서의 열교환을 통해 생산되는 스팀을 이용하여 전력을 생산하는 증기 터빈 발전부; 및 상기 일체형 배가스 응축기에서 배출되는 배가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 CPU;를 포함하는 가압 순산소 연소 발전 시스템을 제공한다.
상기 일체형 배가스 응축기에서 회수된 배가스의 잠열을 상기 가압 ASU로 공급하여 상기 보일러로 공급되는 순산소를 예열하는 것이 바람직하다.
상기 배가스 응축 탱크 내 타측에 배치되는 세정기;를 더 포함하며, 상기 세정기에서 공급되는 세정수에 의해 상기 배가스 내에 포함된 입자성 물질의 제거 및 먼지의 세정이 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 일체형 배가스 응축기에서 배출되는 오염물질이 포함된 수용액에서 상기 오염물질을 정제하는 정제부를 더 포함하며, 상기 정제부에서 정제된 물이 세정수로서 상기 세정기에 공급되는 것이 바람직하다.
상기 일체형 배가스 응축기에서 회수된 배가스의 잠열을 상기 보일러 내를 통과하는 열교환기로 공급하여, 상기 열교환기 내를 유동하는 열매체를 가열하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 일체형 배가스 응축기 및 가압 순산소 연소 발전 시스템에 의하면 통상적인 상압의 공기를 이용한 화력발전시스템과 비교하여 여러 가지 장점이 있다.
먼저 가압된 순산소를 산화제로 사용하는 연소시스템이므로, 수분의 함량이 높고 열량이 낮은 저급연료까지 완전연소를 시킬 수 있으며, 연소를 통해서 생성된 배가스의 유량도 작아서 발전을 위해서 증기를 생성시키는 보일러를 컴팩트하게 제작할 수 있어, 고가의 열교환 튜브 재료가 사용되는 고온고압의 증기의 생성에 적합한 고효율 보일러의 적용에 유리하다.
상기의 보일러에서 배출되는 배가스 내의 수증기는 몰분율이 높을 뿐만 아니라 배가스의 압력이 높기 때문에 수증기의 분압이 대기압을 훨씬 초과하며, 따라서 배가스 응축기에 장착된 열교환기를 통과하는 열매체를 통해서 배가스가 수증기의 응축온도 이하로 냉각될 경우 잠열을 배출하면서 물로 응축되기 때문에 수증기의 잠열을 열매체를 통해서 회수하여, 전체 가압 순산소 연소 발전 시스템의 열효율을 높일 수 있다.
고압의 배가스에 포함된 질소와 황의 산화물인 NO와 SO2는 열평형의 법칙에 따라서 압력이 높아짐에 따라서 배가스 응축기의 온도범위에서는 수용성이 강한 NO2와 SO3로 대부분 전환되며, 이들 NO2와 SO3는 일체형 배가스 응축기에서 수분이 응축되는 과정에서 물과 함께 질산 및 황산 수용액으로 배가스에서 제거될 수 있기 때문에 별도의 산성가스 정화장치가 없이 질소산화물과 황산화물의 제어가 가능해진다.
또한 일체형 배가스 응축기를 통과하는 배가스에 분진이 포함된 경우, 물이 응축되는 과정에서 자연적인 포집이 가능하므로, 탈황, 탈질 뿐만 아니라 탈진도 동시에 이룰 수가 있다.
따라서 일체형 배가스 응축기가 통합된 가압 순산소 연소 발전시스템을 적용할 경우, (1) 저급연료의 완전연소가 가능한 발전 연료에 대한 다양성 (2) 배가스에 포함된 수증기의 잠열을 회수하여 재활용함에 따른 보일러시스템의 열효율 증가 및 (3) 탈황, 탈질 및 탈진을 별도의 환경제어장치에 의존하지 않고 일체형 배가스 응축기에서 구현할 수 있는 장치의 단순화 및 컴팩트화가 가능해져서 발전비용 및 발전설비비용을 낮출 수 있는 장점들이 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소 가압 연소 발전 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소 가압 연소 발전 시스템의 구성인 일체형 배가스 응축기를 개략적으로 나타낸다.
도 3은, 종래 화력 발전 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 4는, 종래 순산소 연소 발전 시스템을 개략적으로 나타낸다.
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 가압 순산소 연소 발전 시스템을 이루는 각 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 순산소 연소 발전 시스템(이하, 간단히 '발전 시스템'이라 칭할 수 있다)을 설명하면 다음과 같다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템의 개략도이고, 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템의 일 구성인 일체형 배가스 응축기를 나타낸 도면이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "순산소"의 용어는 공기보다 소정이상의 산소가 포함된 기체를 의미하며, 반드시 100%의 산소를 의미하지 않음에 유의한다.
먼저, 첨부된 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템의 구성을 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템은 보일러(100), 일체형 배가스 응축기(300), 및 CPU(700)(CO2 process unit)를 포함한다.
보일러(100) 내로 연료 및 순산소가 공급되어 연소가 이루어진다.
보일러(100)로 공급되는 순산소는 소정압력이상으로 가압되어 공급되며, 바람직하게는 3~20bar의 압력으로 가압되어 공급될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
보일러(100)로 공급되는 순산소는 가압 ASU(200)(Air Separation unit)로 유입된 공기에서 산소 이외의 기체(질소 등)가 분리된 순산소로서, 공기로부터 분리된 순산소가 가압되어 보일러(100)로 공급된다.
또한, 연료를 보일러(100)로 공급되도록 하여, 보일러(100) 내에서 공급된 순산소와 연료의 연소가 이루어진다.
이와 같이, 보일러(100)에 가압된 순산소가 공급됨으로써 공급되는 연료가 비교적 저품질(예를 들면, 수분함량이 높음)이라도 높은 효율로 연소가 이루어질 수 있다.
보일러(100)에서의 연소로 인하여 발생하는 열은, 그 내부에 열매체(물)가 유동하는 열교환기(110)를 통하여 스팀으로 회수되어 터빈(300)등에 공급되어 발전이 이루어진다.
한편, 보일러(100) 내에서 연소시 발생하는 재 또는 슬래그가 보일러(100) 일측으로 배출된다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 구성인 일체형 배가스 응축기(400)를 설명한다.
일체형 배가스 응축기(400)는, 배가스 응축 탱크(410) 및 배가스 응축 탱크(410) 내에 위치하는 열교환 튜브를 포함한다.
배가스 응축 탱크(410)는, 일체형 배가스 응축기(400)의 외부를 이루며, 그 내부로 보일러 내의 연소에 의해 발생하는 고온/고압의 배가스가 유입되기에, 내부가 고압상태가 유지된다.
열 교환 튜브는(420) 배가스 응축 탱크(410) 일측의 내부를 지나며, 열 교환 튜브(420) 내로 는 열매체가 유동한다.
상기와 같이, 배가스 응축 탱크(410) 내에 위치하는 열 교환 튜브(420)를 통하여, 일체형 배가스 응축기(400)에서는 유입되는 배가스로부터의 열 회수 및 오염물질의 제거가 통합적으로 이루어 질 수 있는데, 이에 대하여는 후술한다.
CPU(700)는 일체형 배가스 응축기(400)에서 열 회수, 오염물질 및 불순물이 제거된 배가스에 포함된 이산화탄소를 분리, 포집하여 배출하며, 이를 통하여 이산화탄소까지 제거된 배가스는 따로 배출된다.
이하, 첨부된 도 1 및 도 2를다시 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 배가스 응축기 및 이를 포함하는 발전 시스템의 작용을 설명한다.
가압 ASU(200)로 공급된 공기에서 분리되고 소정압력 이상으로 가압된 순산소가 보일러(100)로 공급되며, 이와 별개로 연료가 보일러(100)로 공급된다.
보일러(100)에서, 공급된 연료 및 순산소의 연소가 이루어지며 발생하는 열이 보일러(100)에 구비되는 열교환기(110)에 의해 스팀으로 회수되어 터빈(300)를 통한 발전에 사용될 수 있다.
한편, 보일러(100)로 가압된 순산소가 공급되어 연소가 이루어짐으로써, 발생하는 배가스 또한 고압상태로 배출되어 일체형 배가스 응축기(400)로 유입된다.
이때, 보일러(100)와 일체형 배가스 응축기(400) 사이에 위치하는 먼지제거장치(미도시)를 통하여 배가스 내 포함된 먼지 중 비교적 입자가 큰 먼지가 미리 제거된 배가스가 일체형 배가스 응축기(400)로 유입되도록 할 수 있다.
일체형 배가스 응축기(400)의 배가스 응축 탱크(410) 일측으로 유입된 배가스는 배가스 응축 탱크(410) 내를 통과하며, 먼저 열교환 튜브(420) 내를 유동하는 열매체와의 열교환에 따른 배가스에 포함된 수분(수증기)의 응축이 이루어지며, 배가스 수분의 잠열이 회수된다.
고압상태에서는 상압에서보다 배가스에 포함된 수분의 응축온도가 높아지게 되므로, 배가스에 포함된 수분의 응축을 통하여 약 150℃이상의 보다 높은 열을 회수할 수가 있다.
이러한 고열은 활용도가 높기에, 기존의 순산소 연소 시스템이 갖던 문제, 즉 ASU에서 공기를 분리하는 데에 쓰이는 에너지 손실을 보상하여 발전 시스템 전체의 효율을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 일체형 배가스 응축기(400)에 의해 회수된 열을 가압 ASU(200)로 공급하여 보일러(100)로 공급되는 산소를 예열하여 공급하는 데에 사용하거나, 상기 보일러(100) 내를 통과하는 열교환기(110)로 공급하여, 상기 열교환기(110) 내를 유동하는 열매체를 가열함으로써 연소 시스템의 효율을 높일 수 있다.
그리고, 배가스 응축 탱크(410) 내에서의 열교환에 의해 응축된 물(응축수)와 배가스 내에 포함된 오염물질 즉, 황산화물(SOx) 및 질소산화물(NOx)이 반응함으로써, 배가스 내에 포함된 오염물질이 제거된다.
이를, 구체적으로 설명하면, 상기한 바와 같이, 배가스 응축 탱크(410) 내로 유입되는 고온/고압의 배가스로 인하여 배가스 응축 탱크(410) 내부가 고온/고압 분위기로 유지된다.
따라서, 배가스 응축 탱크(410) 내부가 황산 제조시에 사용되는 연실(lead chamber)과 유사한 분위기가 된다. 연실법(lead chamber process)은 고온의 연실 속에서 산화질소를 촉매로 하여 황산을 제조하는 황산 제조법으로서, 배가스 응축 탱크(410) 내부가 연실과 유사한 분위기가 되어, 도 2에 나타낸 화학식과 같이 배가스 내 SOx 와 NOx 는 가압 조건의 경우 수용성이 높은 SO2, NO2 형태를 주로 띠게 되어 이들 오염물질이 물과 반응하고, 이 경우 NO2 역시 물에 녹거나 황산 수용액으로 반응하는 과정에서 촉매 역할을 하는 순기능을 하게 된다.
이에 따라 황산화물과 질소산화물이 응축수와 반응하여 황산 수용액의 형태로 배출되어 제거되며, 따라서, 이로 인한 열교환 튜브(420)의 부식을 방지하기 위하여, 열교환 튜브(420)는 내부식성 소재로 이루어지거나, 열교환 튜브(420)에 황산 수용액이 맺히는 것을 방지하기 위한 수분제거장치(미도시)가 배가스 응축 탱크(410) 내에 구비될 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 일체형 배가스 응축기(400)의 배가스 응축 탱크(410) 에는 세정기가 더 구비될 수 있다.
세정기(430)는 배가스 응축 탱크(410) 내 타측에 하나 이상이 배치되며, 공급되는 세정수를 분사하여 배가스 응축 탱크(410) 내를 유동하는 배가스를 스크러빙하여 세정한다.
구체적으로, SOx 및 NOx가 제거된 배가스는 배가스 응축 탱크(410)내 세정기(430) 측으로 유동하여, 세정기(430)로 공급되어 분사되는 세정수에 의해 배가스 내에 포함된 먼지 등의 불순물이 스크러빙 되며 제거된다.
추가로, 상기와 같이 생성되어 배출되는 황산 수용액은 일체형 배가스 응축기(400)와 연결된 정제부(500)를 통하여 물과 황산으로 분리될 수 있고, 이 경우 분리된 물은 세정기(430)에 세정수로서 재이용 할 수 있어, 보다 효율적으로 배가스의 세정을 행할 수 있다.
이와 같이, 일체형 배가스 응축기(400)에서는 배가스의 열회수는 물론이고, 배가스의 열회수를 통한 응축에 의해 생성되는 응축수를 사용하여 배가스에 포함된 오염물질 및 불순물을 통합적으로 처리할 수 있다는 장점을 가진다.
이로써, 기존 화력발전에서 배가스 처리를 위하여 구비되는 SCR(4), EP(5), FGD(6) 등의 구성(도 4 참조)을 본 발명에서는 가압 순산소 연소 조건을 이용하여 통합적으로 구현함으로써 배가스 내의 잉여 산소 역시 해당 반응에 참여하면서 배가스 내 CO2 의 순도를 더 높이는 요인으로 작용하게 된다.
일체형 배가스 응축기(400)를 지나며 열회수 및 오염물질이 제거된 배가스는 거의 이산화탄소로 이루어지고, 이는 CPU(800)를 통하여 포집되어 처리/배출된다. 그러나, 일체형 배가스 응축기(400)에서 배가스 내 대부분의 오염물질이 제거되고, 수분이 응축되면서 배가스 내 먼지가 스크러빙 되어 제거됨은 물론이고, 상기한 바와 같이 배가스 내 CO2의 순도가 높아지며, 미리 가압된 상태가 유지되어 CPU(700)로 유입됨에 따라 CPU(300)의 설치 부담은 큰 폭으로 줄어들 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 일체형 배가스 응축기 및 가압 순산소 발전 시스템에 의하면, 순산소를 가압하여 연료와 연소시켜 높은 연소효율을 얻음과 동시에, 이에 따라 가압된 배가스에 포함된 물의 응축을 통하여 보다 고온의 열을 회수함으로써 순산소 연소에 따른 열효율 손실을 보상함과 동시에 배가스에 포함된 오염물질을 통합적으로 처리함으로써, 이산화탄소를 포집하는 설비의 부담을 큰 폭으로 줄일 수 있다는 장점이 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.
100: 보일러
200: 가압 ASU
400: 일체형 배가스 응축기
410: 배가스 응축 탱크
420: 열교환 튜브
430: 세정기
500: 정제부
700: CPU

Claims (6)

  1. 공기에서 순산소를 분리하여 상압보다 고압으로 가압하여 공급하는 가압 ASU(200);
    상기 가압 ASU(200)에서 상기 고압으로 가압된 산소 및 연료가 연소되며, 연소에 의해 상압보다 고압의 배가스가 배출되는 보일러(100);
    상기 보일러(100)와 연결되어, 상기 보일러(100)에서 배출되는 상기 고압의 배가스가 내부로 직접 유입되어 내부가 상압보다 고압으로 유지되는 배가스 응축 탱크(410), 및 상기 배가스 응축 탱크(410) 내 일측에 배치되며, 그 내부로 열매체가 유동하는 열교환 튜브(420)를 포함하는 일체형 배가스 응축기(400);
    상기 배가스 응축 탱크(410) 내에 위치하는 수분제거장치;
    상기 보일러(100)에서의 열교환을 통해 생산되는 스팀을 이용하여 전력을 생산하는 증기 터빈 발전부(300); 및
    상기 일체형 배가스 응축기(400)에서 배출되는 배가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 CPU(CO2 Process Unit, 700);를 포함하며,
    상기 열교환 튜브(420)로 공급되는 열매체와 상기 배가스 응축 탱크(410) 내로 유입되는 배가스와의 열교환에 의해 상기 배가스 내의 수분이 응축되며, 상기 배가스에 포함된 잠열이 상기 열매체를 통하여 회수되고, 응축된 수분에 상기 배가스에 포함된 오염물질이 용해되어 수용액 형태로 배출되고,
    상기 일체형 배가스 응축기(400)에서 회수된 배가스의 잠열을 상기 가압 ASU(200)로 공급하여 상기 보일러(100)로 공급되는 순산소를 예열하며,
    상기 일체형 배가스 응축기(400)에서 회수된 배가스의 잠열을 상기 보일러(100) 내를 통과하는 열교환기(110)로 공급하여, 상기 열교환기(110) 내를 유동하는 열매체를 가열하는,
    가압 순산소 연소 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배가스 응축 탱크(410) 내 타측에 배치되는 세정기(430);를 더 포함하며,
    상기 세정기(430)에서 공급되는 세정수에 의해 상기 배가스 내에 포함된 오염물질의 제거 및 먼지의 세정이 이루어지는,
    가압 순산소 연소 발전 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 일체형 배가스 응축기(400)에서 배출되는 오염물질이 포함된 수용액에서 오염물질을 정제하는 정제부(500)를 더 포함하며,
    상기 정제부(500)에서 정제된 물이 세정수로서 상기 세정기(430)에 공급되는,
    가압 순산소 연소 발전 시스템.
  6. 삭제
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220023859A (ko) 2020-08-20 2022-03-03 한국생산기술연구원 바이오촤를 이용한 배가스 응축장치 및 이를 포함하는 연소 시스템
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102054006B1 (ko) 2019-06-28 2019-12-12 주식회사 이피에스솔루션 배가스 응축 및 다단 열회수 장치
KR102258738B1 (ko) * 2019-08-21 2021-06-01 한국생산기술연구원 가압 순산소 연소와 상압 석탄 연소가 연계된 연소 시스템
CN115212820B (zh) * 2022-06-30 2024-05-03 北京京仪自动化装备技术股份有限公司 反应装置及半导体废气处理***

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013078742A (ja) * 2011-10-05 2013-05-02 Babcock Hitachi Kk 排ガス処理装置と排ガス処理方法
US20140065559A1 (en) * 2012-09-06 2014-03-06 Alstom Technology Ltd. Pressurized oxy-combustion power boiler and power plant and method of operating the same
JP6070851B2 (ja) * 2013-09-17 2017-02-01 株式会社Ihi 排ガスの処理システム及び処理方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101029035B1 (ko) 2009-08-12 2011-04-15 한국전력공사 고온 및 저온의 배기가스 재순환에 의한 과열방지 기능을 가진 순산소 발전시스템
KR101439884B1 (ko) * 2013-01-08 2014-09-12 한국전력공사 순산소 연소시스템

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013078742A (ja) * 2011-10-05 2013-05-02 Babcock Hitachi Kk 排ガス処理装置と排ガス処理方法
US20140065559A1 (en) * 2012-09-06 2014-03-06 Alstom Technology Ltd. Pressurized oxy-combustion power boiler and power plant and method of operating the same
JP6070851B2 (ja) * 2013-09-17 2017-02-01 株式会社Ihi 排ガスの処理システム及び処理方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220023859A (ko) 2020-08-20 2022-03-03 한국생산기술연구원 바이오촤를 이용한 배가스 응축장치 및 이를 포함하는 연소 시스템
KR102440899B1 (ko) * 2020-08-20 2022-09-07 한국생산기술연구원 바이오촤를 이용한 배가스 응축장치 및 이를 포함하는 연소 시스템
KR20230033127A (ko) 2021-08-27 2023-03-08 한국생산기술연구원 배가스 내의 오염물질 및 백연의 통합 저감 장치 및 이를 포함하는 연소 시스템

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