KR102386227B1 - 외부열교환기가 포함된 고효율 순산소 순환유동층 연소 시스템 - Google Patents

외부열교환기가 포함된 고효율 순산소 순환유동층 연소 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 환원된 산소전달입자를 산화시키기 위해 외부열교환기에 공기가 공급되더라도 연소로 내 고순도 CO2가 희석되지 않도록 하는 기술을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 외부열교환기가 포함된 고효율 순산소 순환유동층 연소 시스템은, 연료를 제공받고 층물질로 유동사와 산소전달입자를 이용하여 연소를 수행하는 연소로; 연소로와 연결되고 연소로로부터 유동사와 산소전달입자 및 배기가스를 전달 받는 싸이클론; 싸이클론과 연결되고, 싸이클론으로부터 유동사와 환원된 산소전달입자가 포함된 혼합물을 전달받고, 혼합물의 일부를 연소로로 전달하는 루프실; 및 루프실로부터 혼합물의 나머지를 전달받고, 혼합물과 열교환유체 사이 열교환이 수행되도록 하여 혼합물을 냉각시키며, 환원된 산소전달입자를 산화시키는 외부열교환기;를 포함한다.

Description

외부열교환기가 포함된 고효율 순산소 순환유동층 연소 시스템 {HIGH EFFICIENCY OXYGEN CIRCULATING FLUIDIZED BED COMBUSTION SYSTEM INCLUDING EXTERNAL HEAT EXCHANGER}
본 발명은 외부열교환기가 포함된 고효율 순산소 순환유동층 연소 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 환원된 산소전달입자를 산화시키기 위해 외부열교환기에 공기가 공급되더라도 연소로 내 고순도 CO2가 희석되지 않도록 하는 기술에 관한 것이다.
순산소 연소 시스템에서는 산화제로 공기 대신 산소를 사용한다는 점에서 플랜트 효율이 저하될 수 있다. 그리고, 순산소 순환유동층 연소 시스템 내 설비 중에서 산소를 생산하는 ASU (Air Separation Unit)에서 에너지 소비율이 가장 높게 나타난다.
순산소 순환유동층 연소 시스템에서 플랜트 효율을 높이기 위한 방법으로 동일 산소투입량으로 배기가스 재순환량을 최소화하여 산화제 내 산소농도를 증가시키는 방법이 있다. 이 경우, 연료투입량이 증가하게 되어, 안정적인 순산소 연소 운전(연소로 내 온도조절)을 위해서는 루프실을 통과하여 외부열교환기로 이동되는 800℃의 고온 유동사의 열을 회수할 수 있는 방법이 요구된다.
그리고, 종래기술에서는, 외부열교환기 하부로 공급되는 유동화 매체로써 공기(air)를 사용할 경우, 일부 공기가 연소로로 순환하는 유동사와 함께 투입되어 순산소 연소에서 원천 분리되는 고순도 CO2를 희석시키는 문제점이 발생될 수 있는데, 이를 해결하기 위한 방법이 요구된다.
대한민국 등록특허 제10-1700436호(발명의 명칭: 순환유동층 보일러의 열교환장치)에서는, 연소로에서 배출되는 배가스와 유동매체를 분리하는 입자포집기; 상기 입자포집기에서 포집된 상기 유동매체가 유입되고, 상기 유동매체와의 열교환에 의해 열전달매체를 가열하는 외부열교환기; 및 상기 외부열교환기에 설치되고, 상기 유동매체의 유동 경로에 공기를 공급하며 상기 유동매체의 유동방향과 유동량을 조절하면서 상기 외부열교환기의 내부 온도를 제어하는 유동조절장치;를 포함하고, 상기 외부열교환기는, 상기 입자포집기와 연통되게 연결되며, 상기 입자포집기에서 유입된 상기 유동매체의 일부는 열전달매체와 열교환시키고, 상기 유동매체의 다른 일부는 그대로 통과시키는 제1외부열교환기; 및 상기 제1외부열교환기와 연통되게 설치되고, 상기 제1외부열교환기를 통과한 상기 유동매체가 유입되며, 상기 유동매체를 열전달매체와 열교환시키는 제2외부열교환기;를 포함하는 순환유동층 보일러의 열교환장치에 대한 사항이 개시되어 있다.
대한민국 등록특허 제10-1700436호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 환원된 산소전달입자를 산화시키기 위해 외부열교환기에 공기가 공급되더라도 연소로 내 고순도 CO2가 희석되지 않도록 하는 것이다.
그리고, 본 발명의 효과는, 외부열교환기로 이동되는 800℃의 고온 유동사의 열을 회수하여 연소로 내 온도조절이 수행되도록 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 연료를 제공받고 층물질로 유동사와 산소전달입자를 이용하여 연소를 수행하는 연소로; 상기 연소로와 연결되고 상기 연소로로부터 유동사와 상기 산소전달입자 및 배기가스를 전달 받는 싸이클론; 상기 싸이클론과 연결되고, 상기 싸이클론으로부터 유동사와 환원된 상기 산소전달입자가 포함된 혼합물을 전달받고, 상기 혼합물의 일부를 상기 연소로로 전달하는 루프실; 및 상기 루프실로부터 상기 혼합물의 나머지를 전달받고, 상기 혼합물과 열교환유체 사이 열교환이 수행되도록 하여 상기 혼합물을 냉각시키며, 환원된 상기 산소전달입자를 산화시키는 외부열교환기;를 포함하고, 상기 외부열교환기의 외부로부터 상기 외부열교환기로 유입된 공기가 상기 외부열교환기의 하부에서 상부 방향으로 유동하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 외부열교환기와 연결되고, 상기 외부열교환기로부터 배출되는 공기를 전달받고, 전달받은 공기의 일부를 상기 외부열교환기로 공급하는 재순환부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 재순환부로부터 전달받은 공기 또는 외부로부터 전달받은 공기를 상기 외부열교환기의 하부로 유동시키는 펌프부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 외부열교환기는, 상기 외부열교환기의 상부에 형성되고 상기 혼합물이 유동하는 공간을 제공하는 상부챔버, 상기 상부챔버의 하부에 형성되고 유입된 공기가 유동하는 공간을 제공하는 하부챔버, 및 상기 상부챔버와 상기 하부챔버 사이에 형성되고, 상기 하부챔버로부터 상기 상부챔버로 공기를 분사시키는 노즐을 복수 개 구비하는 분산판을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 외부열교환기는, 상기 상부챔버와 결합되어 일 부위가 상기 상부챔버의 내부에 위치하고 상기 열교환유체에 유로를 제공하는 열교환부를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 외부열교환기는, 일 부위가 상기 하부챔버와 상기 분산판을 관통하여 형성되고 나머지 부위가 상기 연소로와 연결되며, 상기 상부챔버를 통과한 상기 혼합물에 유로를 제공하는 열교환기배출관, 및 상기 상부챔버의 상부에 형성되는 배관으로 상기 노즐을 통해 분사된 공기가 배출되는 가열공기배출관을 더 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 산소전달입자는 금속산화물일 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 상기 싸이클론으로부터 상기 루프실로 상기 혼합물이 전달된 후, 상기 혼합물의 일부가 상기 연소로로 전달되고 상기 혼합물의 나머지가 상기 외부열교환기로 전달되는 제1단계; 상기 혼합물이 상기 외부열교환기를 통과하면서, 상기 혼합물과 상기 열교환부 간 열교환이 수행되고, 상기 혼합물에 공기가 제공되는 제2단계; 및 상기 혼합물에 포함된 환원된 상기 산소전달입자가 산화되고, 상기 외부열교환기로부터 상기 혼합물이 배출되어 상기 연소로로 유입되는 제3단계;를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제2단계에서, 상기 하부챔버로 유입된 공기가 상기 상부챔버로 유입되어 상기 혼합물과 접촉한 후 상기 상부챔버의 외부로 배출될 수 있다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 외부열교환기의 하부챔버로 유입되는 공기는 외부열교환기의 상부챔버로 배출된 후 상부챔버의 외부로 배출되기 때문에, 고순도 CO2와 외부의 공기가 섞이는 것이 방지되어, 고순도 CO2의 순도가 저하되는 현상이 방지될 수 있다는 것이다.
또한, 본 발명의 효과는, 루프실을 통과하여 외부열교환기로 이동되는 800℃의 고온 유동사의 열을 열교환부를 이용하여 회수한 후, 유동사를 연소로로 공급하므로, 연소로 내 온도를 조절하면서 안정적인 순산소 연소를 수행할 수 있다는 것이다.
그리고, 산소전달능력이 있는 환원된 금속산화물이 외부열교환기에서 투입되는 공기에 의해 산화되어 연소로에 유입되고 산소를 발생시켜 본 발명의 연소 시스템이 설치된 플랜트의 효율을 향상시킨다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연소 시스템에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 외부열교환기의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 외부열교환기를 통과한 혼합물 내 이산화탄소, 산소 및 질소 각각의 순도에 대한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연소 시스템에 대한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 외부열교환기(100)의 모식도이다.
도 1과 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 연소 시스템은, 연료를 제공받고 층물질로 유동사와 산소전달입자를 이용하여 연소를 수행하는 연소로(410); 연소로(410)와 연결되고 연소로(410)로부터 유동사와 산소전달입자 및 배기가스를 전달 받는 싸이클론(420); 싸이클론(420)과 연결되고, 싸이클론(420)으로부터 유동사와 환원된 산소전달입자가 포함된 혼합물을 전달받고, 혼합물의 일부를 연소로(410)로 전달하는 루프실(430); 및 루프실(430)로부터 혼합물의 나머지를 전달받고, 혼합물과 열교환유체 사이 열교환이 수행되도록 하여 혼합물을 냉각시키며, 환원된 산소전달입자를 산화시키는 외부열교환기(100);를 포함한다.
또한, 본 발명의 연소 시스템은, 외부열교환기(100)와 연결되고, 외부열교환기(100)로부터 배출되는 공기를 전달받고, 전달받은 공기의 일부를 외부열교환기(100)로 공급하는 재순환부(200)를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 연소 시스템은, 재순환부(200)로부터 전달받은 가열된 공기 또는 외부로부터 전달받은 공기 외부 공기를 하부챔버(120)의 내부로 유동시키는 펌프부(300)를 더 포함할 수 있다.
싸이클론(420)에서는 유동사와 배기가스 내 분진, 재(ash) 등이 제거되고, 나머지 유동사, 환원된 산소전달물질 등이 혼합되어 혼합물을 형성할 수 있다. 그리고, 싸이클론(420)에서는 유동사 및 환원된 산소전달입자의 혼합물과 배기가스가 분리되어 배기가스만이 가스분석부로 도입될 수 있다.
여기서, 연소로(410), 싸이클론(420) 및 루프실(430)은 종래기술에 의한 구성일 수 있으며, 본 발명의 연소 시스템은 순산소 순환유동층 연소 시스템으로써, 하기에 상세히 설명하는 구성 외에 순산소 순환유동층 연소 시스템과 관련된 종래기술의 다른 구성이 포함될 수 있다.
산소전달입자는 금속산화물일 수 있다. 즉, 산소전달입자는 산소(또는 공기)가 많은 조건에서는 산소를 흡수하여 산화되고, 연료가 많은 조건에서는 입자에 포함된 산소를 소모시켜 연료를 연소시키는 입자로 주로 금속산화물 형태의 입자가 사용될 수 있다.
도 1에서 보는 바와 같이, 금속산화물(Metal oxide, MexOy) 또는 천연광물의 산소전달입자(OC, Oxygen carrier)가 연소로(410)(CFB combuster)로 연료(fuel)와 함께 공급될 수 있다. 산소전달입자는 연소로(410) 내에서 가열될 수 있으며, 연소로(410)로 공급된 산소전달입자에서 환원 반응이 수행됨으로써 산소가 방출되어 연소를 위한 산화제로 일부 사용될 수 있다.
저가의 산소전달입자로는 red mud, 보크사이트, 철광석, oxide scale, ilmenite 등이 이용될 수 있고, 또한, 그 각각의 산화물 또는 복합물 등이 사용될 수 있다. 그리고, 인공적으로 제조할 경우에는, Ni, Co, Cu, Fe, Mn, W, Mo, Cr, Nb, V, Ce, In, Sn 등의 금속, 그 각각의 산화물 및 복합물이 사용될 수 있다. 여기서, 복합물은 각각의 산화물의 복합물을 포함할 수 있다.
여기서, 산소전달물질이 금속산화물인 경우, 금속산화물은 환원된 상태(MexOy-1)로 연소로(410)를 통과할 수 있다. 여기서, 도 1의 aO2는 연료의 연소에 따른 산화물을 의미할 수 있다. 이하, 산소전달입자가 금속산화물인 경우에 대해 설명하기로 한다.
연소 후 환원된 산소전달입자(MexOy-1)는 유동사 등과 함께 혼합물을 형성한 후 싸이클론(420)을 통과한 다음 루프실(430)로 투입될 수 있다. 그리고, 혼합물이 루프실(430)에서 배출되어 외부열교환기(100)로 투입 시, 환원된 산소전달입자도 루프실(430)을 통과한 후 외부열교환기(100)로 투입될 수 있다. 그리고, 외부열교환기(100)에서 환원된 산소전달입자는 외부열교환기(100)의 하부에서 공급되는 공기 내 일부 산소를 포집하여 산화될 수 있다. 이와 같이 다시 산화되어 연소로(410)로 공급되던 초기 상태로 변화된 산소전달입자(MexOy)는 외부열교환기(100)로부터 배출되어 연소로(410)에 다시 순환되어 공급될 수 있다. 이와 같은 산소전달입자의 유동 경로에 대해서는 하기에 더욱 상세히 설명하기로 한다.
외부열교환기(100)는, 외부열교환기(100)의 상부에 형성되고 혼합물이 유동하는 공간을 제공하는 상부챔버(110), 상부챔버(110)의 하부에 형성되고 유입된 공기가 유동하는 공간을 제공하는 하부챔버(120), 및 상부챔버(110)와 하부챔버(120) 사이에 형성되고, 하부챔버(120)로부터 상부챔버(110)로 공기를 분사시키는 노즐(131)을 복수 개 구비하는 분산판(130)을 구비할 수 있다.
또한, 외부열교환기(100)는, 상부챔버(110)와 결합되어 일 부위가 상부챔버(110)의 내부에 위치하고 열교환유체에 유로를 제공하는 열교환부(140)를 더 구비할 수 있다. 그리고, 외부열교환기(100)는, 일 부위가 하부챔버(120)와 분산판(130)을 관통하여 형성되고 나머지 부위가 연소로(410)와 연결되며, 상부챔버(110)를 통과한 혼합물에 유로를 제공하는 열교환기배출관(151), 및 상부챔버(110)의 상부에 형성되는 배관으로 노즐(131)을 통해 분사된 공기가 배출되는 가열공기배출관(152)을 더 구비할 수 있다.
펌프부(300)는 재순환부(200)로부터 전달받은 가열된 공기 또는 외부(대기)로부터 전달받은 공기 외부 공기를 하부챔버(120)의 내부로 유동시키는 힘을 제공할 수 있다. 여기서, 펌프부(300)는 재순환부(200)로부터 가열된 공기를 전달받을 수 있다. 또한, 펌프부(300)는, 펌프배관(310)에 의해 하부챔버(120)와 연결되고, 재순환배출배관(210)에 의해 재순환부(200)와 연결될 수 있다.
일단이 루프실(430)과 결합되고 타단이 외부열교환기(100)와 결합되며 루프실(430)을 통과한 혼합물에 유로를 제공하는 제1루프실배출관(431)이 형성될 수 있다. 제1루프실배출관(431)을 통과한 혼합물 내 환원된 산소전달입자는 외부열교환기(100)의 상부챔버(110)로 투입될 수 있다.
도 1과 도 2에서 보는 바와 같이, 열교환부(140)는 열교환유체가 관통하는 배관의 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 열교환 가능한 다른 형상으로 형성될 수도 있다. 열교환유체가 유동하는 배관의 형상으로 열교환부(140)가 형성되는 경우, 상부챔버(110) 내에 위치하는 열교환부(140)의 일 부위는 복수 회 구부러진 지그재그의 형상일 수 있다. 그리고, 열교환부(140)의 나머지 부위는 혼합물로부터 열을 전달 받은 열교환유체가 공급되어 열을 방출하는 장치(난방 장치 등)에 연결될 수 있다.
열교환기배출관(151)의 일단은 분산판(130)의 타공 부위와 결합하고 열교환기배출관(151)의 타단은 연소로(410)와 결합될 수 있으며, 이에 따라, 열교환기배출관(151)의 일 부위가 하부챔버(120)를 관통하여 형성되고, 열교환기배출관(151)의 나머지 부위가 외부에 노출되어 형성될 수 있다.
그리고, 외부열교환기(100)의 외부로부터 외부열교환기(100)로 유입된 공기가 외부열교환기(100)의 하부에서 상부 방향으로 유동할 수 있다. 펌프부(300)는 흡입한 외부 공기 또는 재순환부(200)로부터 전달받은 가열된 공기를 하부챔버(120)로 공급함과 동시에 전달받은 공기에 압력을 제공하고, 이와 같이 외부열교환기(100)의 하부챔버(120)로 공급된 공기는 분산판(130)의 노즐(131)을 통해 상부챔버(110)를 향해 분사될 수 있다. 여기서, 분산판(130)의 타공 부위가 분산판(130)의 중앙 부위에 형성되어 열교환기배출관(151)의 일단이 분산판(130)의 중앙 부위에 결합될 수 있고, 열교환기배출관(151)의 일단 주위에 노즐(131)이 형성될 수 있다.
상기와 같이, 외부열교환기(100)의 하부챔버(120)로 유입되는 공기에 의해 연소 후 환원된 산소전달입자(MexOy-1)에 산소가 공급됨으로써, 환원된 산소전달입자가 다시 초기 상태의 산소전달입자(MexOy)로 변화될 수 있다. 그리고, 외부열교환기(100)의 하부챔버(120)로 유입되는 공기는 외부열교환기(100)의 상부챔버(110)로 배출된 후 재순환부(200)로 배출되기 때문에, 외부열교환기(100)를 통과하는 혼합물에 공기가 섞이는 비율을 최소화 할 수 있으며, 결과적으로, 연소로(410)로 혼합물이 다시 공급되는 경우, 본 발명의 연소 시스템에서의 순산소 연소 중 배기 재순환(FGR)의 고순도 CO2와 공기가 섞이는 비율이 최소화됨으로써, 고순도 CO2의 순도가 저하되는 현상이 방지될 수 있다.
이에 따라, 종래기술에서 유동사 순환 시 유동사의 유동화매체로 공기를 사용하는 경우 순산소 연소에서 원천 분리되는 이산화탄소(CO2)를 질소(N2)에 의해 희석시키게 되는 문제를 해결할 수 있다.
하부챔버(120)로부터 상부챔버(110)로 분사 유입된 후 혼합물에 의해 가열된 공기는 가열공기배출관(152)을 통해 배출될 수 있다. 그리고, 가열공기배출관(152)을 따라 유동한 공기는 재순환부(200)로 유입될 수 있다. 여기서, 재순환부(200)는, 외부열교환기(100)로부터 전달받은 가열된 공기의 일부를 펌프부(300)로 전달하고 가열된 공기의 나머지는 배출되도록 할 수 있다. 여기서, 가열된 공기는 환원된 산소전달입자를 산화시키면서 산소가 일부 소모된 상태의 고온 공기일 수 있다.
이에 따라, 펌프부(300)에 의해, 가열된 공기가 하부챔버(120)로 공급되거나 가열된 공기와 외부 공기가 혼합된 혼합 공기가 하부챔버(120)로 공급될 수 있다. 이에 따라, 가열된 공기 또는 혼합 공기가 상부챔버(110)로 분사되어, 외부 공기만 상부챔버(110)로 공급되는 경우보다 높은 온도의 공기가 상부챔버(110)로 분사되므로, 상부챔버(110) 내부의 온도 저하를 최소화하여 열교환부(140)에 의한 열 회수 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 루프실(430)을 통과하여 외부열교환기(100)로 이동되는 800℃의 고온 유동사의 열을 열교환부(140)를 이용하여 회수한 후, 유동사를 연소로로 공급할 수 있고, 이와 같은 경우, 열교환부(140)를 통과하는 열교환유체의 유동량, 유동속도, 온도 등을 제어함으로써 외부열교환기(100)를 통과하는 유동사의 온도도 제어할 수 있고, 이에 따라, 온도가 제어된 유동사가 연소로(410)로 유동하여 연소로(410) 내 온도가 조절되면서, 연료투입량에 따른 연소로(410) 내 온도가 연소에 적합하게 형성되어, 안정적인 순산소 연소를 수행할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 연소 시스템을 포함하는 발전 시스템을 구축할 수 있다. 상기와 같이, 본 발명의 연소 시스템에서는 고순도 CO2의 순도가 저하되는 현상이 방지되어 연소 시스템의 효율이 증대되므로, 본 발명의 연소 시스템이 적용된 발전 시스템의 효율도 증대될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 외부열교환기(100)를 통과한 혼합물 내 이산화탄소, 산소 및 질소 각각의 순도에 대한 그래프이다. 도 3에서, 그래프의 세로축은 연소로(410)로 공급되는 재순환 배기가스(Emissions) 내 각각의 기체의 부피 비율(vol.%)을 나타내고, 그래프의 가로축은 산화제 내 산소(Oxygen in oxidandt)의 부피 비율(vol.%)을 나타낸다.
도 3에서 보는 바와 같이, 환원된 산소전달입자를 산화시키기 위해 외부열교환기(100)의 하부챔버(120)에 공기를 주입하더라도, 공기가 상부챔버(110)를 통과한 후 배출됨으로써, 연소로(410)로 투입되는 고순도인 이산화탄소(CO2)의 농도 저하가 최소화됨을 확인할 수 있다. 이와 같은 현상은, 연소로(410)로 공급되는 산화제 내 산소의 비율이 증가할 때도 유지됨을 확인할 수 있다.
이하, 본 발명의 연소 시스템을 이용한 본 발명의 연소 방법에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 제1단계에서, 싸이클론(420)으로부터 루프실(430)로 혼합물이 전달된 후, 혼합물의 일부가 연소로(410)로 전달되고 혼합물의 나머지가 외부열교환기(100)로 전달될 수 있다. 그리고, 제2단계에서, 혼합물이 외부열교환기(100)를 통과하면서, 혼합물과 열교환부(140) 간 열교환이 수행되고, 혼합물에 공기가 제공될 수 있다. 여기서, 하부챔버(120)로 유입된 공기가 상부챔버(110)로 유입되어 혼합물과 접촉한 후 상부챔버(110)의 외부로 배출될 수 있다.
다음으로, 제3단계에서, 혼합물에 포함된 환원된 산소전달입자가 산화되고, 외부열교환기(100)로부터 혼합물이 배출되어 연소로(410)로 유입될 수 있다. 상기와 같은 본 발명의 연소 방법에 대한 나머지 사항은, 본 발명의 연소 시스템에 기재된 사항과 동일하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 외부열교환기 110 : 상부챔버
120 : 하부챔버 130 : 분산판
131 : 노즐 140 : 열교환부
151 : 열교환기배출관 152 : 가열공기배출관
200 : 재순환부 210 : 재순환배출배관
300 : 펌프부 310 : 펌프배관
410 : 연소로 420 : 싸이클론
430 : 루프실 431 : 제1루프실배출관
432 : 제2루프실배출관

Claims (10)

  1. 연료를 제공받고 층물질로 유동사와 산소전달입자를 이용하여 연소를 수행하는 연소로;
    상기 연소로와 연결되고 상기 연소로로부터 유동사와 상기 산소전달입자 및 배기가스를 전달 받는 싸이클론;
    상기 싸이클론과 연결되고, 상기 싸이클론으로부터 유동사와 환원된 상기 산소전달입자가 포함된 혼합물을 전달받고, 상기 혼합물의 일부를 상기 연소로로 전달하는 루프실;
    상기 루프실로부터 상기 혼합물의 나머지를 전달받고, 상기 혼합물과 열교환유체 사이 열교환이 수행되도록 하여 상기 혼합물을 냉각시키며, 환원된 상기 산소전달입자를 산화시키는 외부열교환기; 및
    상기 외부열교환기와 연결되고, 상기 외부열교환기로부터 배출되는 공기를 전달받으며, 전달받은 공기의 일부를 상기 외부열교환기로 공급하는 재순환부를 포함하고,
    상기 외부열교환기의 외부로부터 상기 외부열교환기로 유입된 공기가 상기 외부열교환기의 하부에서 상부 방향으로 유동하는 것을 특징으로 하는 외부열교환기가 포함된 고효율 순산소 순환유동층 연소 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 재순환부로부터 전달받은 공기 또는 외부로부터 전달받은 공기를 상기 외부열교환기의 하부로 유동시키는 펌프부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부열교환기가 포함된 고효율 순산소 순환유동층 연소 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부열교환기는,
    상기 외부열교환기의 상부에 형성되고 상기 혼합물이 유동하는 공간을 제공하는 상부챔버,
    상기 상부챔버의 하부에 형성되고 유입된 공기가 유동하는 공간을 제공하는 하부챔버, 및
    상기 상부챔버와 상기 하부챔버 사이에 형성되고, 상기 하부챔버로부터 상기 상부챔버로 공기를 분사시키는 노즐을 복수 개 구비하는 분산판을 구비하는 것을 특징으로 하는 외부열교환기가 포함된 고효율 순산소 순환유동층 연소 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 외부열교환기는, 상기 상부챔버와 결합되어 일 부위가 상기 상부챔버의 내부에 위치하고 상기 열교환유체에 유로를 제공하는 열교환부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 외부열교환기가 포함된 고효율 순산소 순환유동층 연소 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 외부열교환기는,
    일 부위가 상기 하부챔버와 상기 분산판을 관통하여 형성되고 나머지 부위가 상기 연소로와 연결되며, 상기 상부챔버를 통과한 상기 혼합물에 유로를 제공하는 열교환기배출관, 및
    상기 상부챔버의 상부에 형성되는 배관으로 상기 노즐을 통해 분사된 공기가 배출되는 가열공기배출관을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 외부열교환기가 포함된 고효율 순산소 순환유동층 연소 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소전달입자는 금속산화물인 것을 특징으로 하는 외부열교환기가 포함된 고효율 순산소 순환유동층 연소 시스템.
  8. 청구항 1, 청구항 3 내지 청구항 7 중 선택되는 어느 하나의 항에 의한 외부열교환기가 포함된 고효율 순산소 순환유동층 연소 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  9. 청구항 5의 외부열교환기가 포함된 고효율 순산소 순환유동층 연소 시스템을 이용한 연소 방법에 있어서,
    상기 싸이클론으로부터 상기 루프실로 상기 혼합물이 전달된 후, 상기 혼합물의 일부가 상기 연소로로 전달되고 상기 혼합물의 나머지가 상기 외부열교환기로 전달되는 제1단계;
    상기 혼합물이 상기 외부열교환기를 통과하면서, 상기 혼합물과 상기 열교환부 간 열교환이 수행되고, 상기 혼합물에 공기가 제공되는 제2단계; 및
    상기 혼합물에 포함된 환원된 상기 산소전달입자가 산화되고, 상기 외부열교환기로부터 상기 혼합물이 배출되어 상기 연소로로 유입되는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부열교환기가 포함된 고효율 순산소 순환유동층 연소 시스템을 이용한 연소 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2단계에서, 상기 하부챔버로 유입된 공기가 상기 상부챔버로 유입되어 상기 혼합물과 접촉한 후 상기 상부챔버의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 외부열교환기가 포함된 고효율 순산소 순환유동층 연소 시스템을 이용한 연소 방법.
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