KR102765230B1 - 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치에 관한 것으로, 이산화탄소 저항성 또는 안정성이 높은 산소분리막을 포함하는 제1 반응기, 산소투과도가 높은 산소분리막을 제2 반응기 및 연소실을 포함하며, 본 발명에 따르면, 고순도의 산소를 실시간 연소실로 공급할 수 있어 연소효율 극대화에 따른 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 순산소를 산화제로 이용함으로써 질소가스화합물(NOx)과 같은 독성가스 배출을 최소화할 수 있으며, 또한 배기가스에 포함된 고농도 이산화탄소의 포집이 용이하고, 이산화탄소를 순산소 이동을 위한 운송가스, 즉 산소운반자로 이용함으로써, 운전 경제성 향상 및 설비의 소형화를 달성할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이산화탄소 저항성 또는 안정성을 갖는 산소분리막을 갖는 반응기와 높은 산소투과도를 갖는 산소분리막을 갖는 반응기를 연소실과 함께 한 싸이클로 구성함으로써, 고순도의 산소를 실시간 연소실로 공급할 수 있어 연소효율 극대화에 따른 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 순산소를 산화제로 이용함으로써 질소가스화합물(NOx)과 같은 독성가스 배출을 최소화할 수 있는 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치의 제공을 목적으로 한다.
아울러, 배기가스에 포함된 고농도 이산화탄소의 포집이 용이하고, 이산화탄소를 순산소 이동을 위한 운송가스, 즉 산소운반자로 이용함으로써, 운전 경제성 향상 및 설비의 소형화를 달성할 수 있는 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치의 제공을 목적으로 한다.
최근 지구온난화의 원인물질인 온실가스를 줄이기 위한 다양한 노력들이 경주되고 있으며, 지구 온난화를 유발하는 대표적인 가스로 이산화탄소가 지목되고 있다.
그러나, 이산화탄소는 연료를 연소하는 과정에서 다량 발생되는 가스이므로, 연료 연소시점에서 배출량 자체를 줄이는 것에 초점을 맞추어야 한다. 통상적으로, 산업에서 발생하는 이산화탄소의 54% 정도가 화력발전소에서 배출이 되는 것으로 알려져 있다.
따라서, 화력발전소에서 발생하는 이산화탄소를 저감하면 지구 온난화 방지에 상당부분 기여할 수 있을 것이다.
기존 화력발전소는 산화제로서 공기를 사용하고 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 연소시킴으로써 전력을 생산하는 공기연소방식(air combustion)을 사용하였다.
이러한 공기연소방식은 공기 중의 21% 정도인 산소만을 순수한 산화제로 사용하고, 나머지 79% 정도의 질소는 불필요하게 가열하게 된다. 공기 연소시 발생한 열량의 상당 부분이 질소를 가열하는데 사용되기 때문에, 그로 인해 열손실이 발생하며, 배가스(flue gas) 중의 이산화탄소 농도가 20% 이하로 낮아서 배기가스 중의 저농도 이산화탄소를 고농도로 농축시키는데 상당한 비용이 소요된다.
이에 따라 최근, 산화제로서 공기 대신 산소를 이용하여 연료를 연소시키는 순산소 연소방식이 개발되고 있다.
순산소 연소방식은 기존의 공기연소방식과는 달리 질소성분이 거의 없어 연소가스의 열손실량이 75~80% 정도 감소되고, 배기가스(Flue Gas)의 주성분은 이산화탄소(CO2)와 수분(H2O)로 구성된다.
한편, 종래의 순산소연소 발전시스템은 순산소를 생산하는 공기분리설비(Air Separation Unit; ASU), 보일러 등과 같은 연소설비 (Combustion Unit), 연소설비에서 배출되는 배기가스(Flue Gas) 내의 이산화탄소를 정제하는 이산화탄소 정제설비(CO2 Purification Unit; CPU) 등으로 구성되며, 공기분리설비에 의해 생산된 순산소를 연료와 함께 연소설비 측으로 공급하여 연소설비 내에서 연소시킴으로써 발전시키고, 연소설비에서 배출되는 배기가스는 이산화탄소 정제설비에서 정제 및 압축된 후에 지중 저장되며, 이산화탄소가 정제된 벤트가스(vent gas)는 외부로 배출된다.
하지만, 종래의 순산소 연소 발전시스템은 공기분리설비, 연소설비, 이산화탄소 정제설비 각각에 동력이 개별적으로 소요되도록 구성되어 있으므로, 공기분리설비의 산소생산, 이산화탄소 정제설비의 이산화탄소 정제 및 압축 등에 소요되는 동력비에 따른 발전효율이 상대적으로 낮은 단점이 있었다.
한편, 기존의 산소제조 공정 중, 다공성 고분자 분자체를 이용하여 공기로부터 산소를 분리하는 고분자분리막은 공정 및 장치가 단순하나 산소순도가 낮고 하루 생산량이 20TPD로 대량생산에 적합하지 않는 문제점이 있었으며, 고압공기를 다공질 고체 표면에 흡착 분리하는 PSA (Pressure Swing Adsorption)방법은 중소형 설비에 적합하나, 고순도의 산소를 생산하는 목적으로는 추가의 시설비용이 필요하며 산소의 순도 또한 95% 이하인 문제점이 있었다.
한편, 현재 가장 많이 사용되고 있는 Cryogenic 방법은 공기를 81.6K 이하의 저온으로 냉각하여 질소와의 끓는점 차이를 이용하는 방법으로 기술적으로 성숙한 분리기술이나 전력소모가 크고 생산단가 매우 높은 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같이 관련 기술분야의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 이산화탄소 저항성을 갖는 산소분리막을 갖는 반응기와 높은 산소투과도를 갖는 산소분리막을 갖는 반응기를 연소실과 함께 한 싸이클로 구성함으로써, 고순도의 산소를 실시간 연소실로 공급할 수 있어 연소효율 극대화에 따른 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 순산소를 산화제로 이용함으로써 질소가스화합물(NOx)과 같은 독성가스 배출을 최소화할 수 있는 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치의 제공을 목적으로 한다.
아울러, 배기가스에 포함된 고농도 이산화탄소의 포집이 용이하고, 이산화탄소를 순산소 이동을 위한 운송가스, 즉 산소운반자로 이용함으로써, 운전 경제성 향상 및 설비의 소형화를 달성할 수 있는 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치의 제공을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치에 관한 것으로, 유입되는 공기에서 일정 농도의 순산소를 분리하는 제1 반응기; 상기 제1 반응기와 순환라인으로 연결되고, 상기 제1 반응기를 통해 분리된 순산소와 연료를 혼합 연소하는 연소실; 및 상기 제1 반응기와 상기 연소실 사이에서 상기 순환라인과 연결되고, 유입되는 공기에서 일정 농도의 순산소를 분리하는 제2 반응기;를 포함하되, 상기 연소실에서 연소 후 배출되는 배기가스에 포함된 이산화탄소의 일부는 상기 순환라인을 통해 상기 제1 반응기로 유입되어 순환되면서 상기 제1,2 반응기에서 분리된 순산소를 상기 연소실로 이동시키는 운송가스로 이용되도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 반응기는, 상기 순환라인을 통해 상기 제1 반응기로 유입되는 이산화탄소가 유출되지 않도록, 내부에 이산화탄소에 대한 저항성을 갖는 소재로 이뤄진 제1 산소분리막을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 산소분리막은, 상안정성을 갖는 전자전도성 산화물과 전해질 산화물의 복합체로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 산소분리막을 구성하는, 상기 전자전도성 산화물은 LSM(Sr-doped LaMnO3)이며, 상기 전해질 산화물은 YSZ, GDC, B2O3 또는 LSGM 고체 전해질 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 반응기는, 내부에 상기 제1 반응기보다 상대적으로 높은 산소투과도를 갖는 소재로 이뤄진 제2 산소분리막을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 산소분리막은 LSCF, BSCF, BCFN 또는 BLF로 이루어진 혼합전도체 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 산소분리막을 통해 분리된 순산소의 농도는 상기 제1 산소분리막을 통해 분리된 순산도의 농도보다 높도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 반응기는, 외부 공기가 유입되는 제11 유입구; 상기 제1 산소분리막을 통해 분리된 순산소를 제외한 외부 공기가 유출되는 제12 유출구; 상기 순환라인을 통해 이산화탄소가 유입되는 제13 유입구; 이산화탄소와 상기 제1 산소분리막을 통해 분리된 순산소가 상기 순환라인으로 유출되는 제14 유출구;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 반응기는, 외부 공기가 유입되는 제21 유입구; 상기 제2 산소분리막을 통해 분리된 순산소를 제외한 외부 공기가 유출되는 제22 유출구; 상기 제2 산소분리막을 통해 분리된 순산소가 상기 순환라인으로 유출되는 제23 유출구;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 순환라인에서 상기 제23 유출구 방향으로 이산화탄소과 역류되는 것을 방지하고 상기 제23 유출구에서 상기 순환라인 방향으로 순산소가 이동하도록, 상기 제23 유출구와 상기 순환라인 사이에 배치되는 펌프;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 반응기는 상기 펌프에 의해 조성된 압력차에 의해 상기 제2 산소분리막에서 분리된 순산소가 상기 제23 유출구를 거쳐 상기 순환라인으로 이동되도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 연소실과 상기 제1 반응기 사이에서 상기 순환라인에 배치되는 열교환기를 통해 회수되는 이산화탄소의 배기열을 회수하는 열회수부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 연소실과 상기 제1 반응기 사이에서 상기 순환라인에 배치되고, 이산화탄소의 일부를 포집하는 이산화탄소 포집부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이산화탄소 저항성 또는 안정성을 갖는 산소분리막을 갖는 반응기와 높은 산소투과도를 갖는 산소분리막을 갖는 반응기를 연소실과 함께 한 싸이클로 구성함으로써, 고순도의 산소를 실시간 연소실로 공급할 수 있어 연소효율 극대화에 따른 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 순산소를 산화제로 이용함으로써 질소가스화합물(NOx)과 같은 독성가스 배출을 최소화할 수 있다.
그리고, 배기가스에 포함된 고농도 이산화탄소의 포집이 용이하고, 이산화탄소를 순산소 이동을 위한 운송가스로 이용함으로써, 운전 경제성 향상 및 설비의 소형화를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명인 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치를 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명인 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치(10)를 도시한 도면이다.
도 1를 참고하면, 본 발명인 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치(10)는 제1 반응기(20), 제2 반응기(30), 연소실(50), 순환라인(C1,C2,C3,C5), 이산화탄소 포집부(60) 및 열회수부(72)를 포함하여 구성될 수 있다.
우선 상기 제1 반응기(20)는 유입되는 공기에서 일정 농도의 순산소를 분리하는 장치일 수 있다. 이러한 상기 제1 반응기(20)는, 제1 산소분리막(25), 제11 유입구(21), 제12 유출구(22), 제13 유입구(23) 및 제14 유출구(24)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제11 유입구(21)는 외부 공기(A1)가 유입되는 부분일 수 있고, 상기 제12 유출구(22)는 상기 제1 산소분리막(25)을 통해 분리된 순산소(A3)를 제외한 외부 공기(A2)가 유출되는 부분일 수 있다. 그리고 상기 제13 유입구(23)는 상기 순환라인(C5)을 통해 이산화탄소가 유입되는 부분일 수 있고, 상기 제14 유출구(24)는 이산화탄소와 상기 제1 산소분리막(25)을 통해 분리된 순산소가 상기 순환라인(C1)으로 유출되는 부분일 수 있다.
그리고 상기 제1 산소분리막(25)은 상기 제11 유입구(21)에서 유입된 외부 공기로부터 일정 농도의 순산소를 분리하여 상기 제14 유출구(24) 방향으로 이동시키는 산소분리막 기능을 할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 상기 제1 산소분리막(25)은 이산화탄소에 대한 저항성 또는 안정성을 갖는 소재로 구성될 수 있다. 이는 상기 연소실(50)에서 연소된 배가스 중 이산화탄소가 상기 순환라인(C5)을 통해 상기 제13 유입구(23)로 유입되는데, 이때 이산화탄소가 상기 제1 산소분리막(25)을 통해 역류하여 외부로 누출되는 것을 방지하기 목적이다. 이에 따라 상기 제1 산소분리막(25)은 산소투과도가 낮아 적은 농도의 순산소를 분리하지만, 이산화탄소에 대한 저항성 또는 안정성이 우수한 산소분리막 특성을 갖는다.
한편, 산소투과도가 우수하면서 이산화탄소에 대한 저항성 또는 안정성까지 우수한 단일상의 물질은 존재하지 않으므로, 본 발명의 실시예에서, 상기 제1 산소분리막(25)은 비교적 넓은 상안정성을 갖는 전자전도성 산화물과 전해질 산화물의 복합체로 구성될 수 있다.
구체적으로 본 발명의 실시예에 따른 상기 전자전도성 산화물은 LSM(Sr-doped LaMnO3)일 수 있으며, 상기 전해질 산화물은 YSZ, GDC, B2O3 또는 LSGM 고체 전해질에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
이러한 소재 선택에 따라 본 발명의 실시예에서 상기 제1 산소분리막(25)을 통해 분리된 순산소의 농도는 5% 이하로 선택될 수 있다.
상기 제11 유입구(21)로 유입된 외부 공기는 상기 제1 산소분리막(25)을 통해 순산소가 분리되고, 상기 제1 산소분리막(25)을 통해 분리된 순산소를 제외한 질소 등을 포함하는 공기는 상기 제12 유출구(22)를 통해 외부로 배출된다.
그리고 상기 제1 산소분리막(25)을 통해 분리된 순산소는 상기 제13 유입구(23)를 통해 유입된 이산화탄소와 혼합되어 상기 제14 유출구(24)를 통해 상기 순환라인(C1,C2)을 거쳐 상기 연소실(50)로 이동하게 된다. 이때 이산화탄소는 순산소를 운송하는 운송가스, 즉 산소운반자로서의 기능을 하게 된다.
다음으로, 상기 제2 반응기(30)는 유입되는 공기에서 일정 농도의 순산소를 분리하는 장치일 수 있다. 이러한 상기 제2 반응기(30)는, 제2 산소분리막(35), 제21 유입구(31), 제22 유출구(32) 및 제23 유출구(33)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제21 유입구(31)는 외부 공기(B1)가 유입되는 부분일 수 있고, 상기 제22 유출구(32)는 상기 제2 산소분리막(35)을 통해 분리된 순산소를 제외한 외부 공기(B2)가 유출되는 부분일 수 있다. 그리고 상기 제23 유출구(33)는 상기 제2 산소분리막(35)을 통해 분리된 순산소(B3)가 상기 순환라인(C2)으로 유출되는 부분일 수 있다.
그리고 상기 제2 산소분리막(35)은 상기 제21 유입구(31)에서 유입된 외부 공기로부터 일정 농도의 순산소를 분리하여 상기 제23 유출구(33) 방향으로 이동시키는 산소분리막 기능을 할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 상기 제2 산소분리막(35)은 상기 제1 반응기(20)보다 상대적으로 높은 산소투과도를 갖는 소재로 구성될 수 있다.
즉 상기 제2 산소분리막(35)은 상기 제1 산소분리막(25)과는 달리, 비록 이산화탄소에 대한 저항성 또는 안정성은 취약하나, 높은 산소투과도를 갖는 혼합전도체(Mixed Ionic and Electronic Conductor, MIEC)로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 높은 산소투과도를 갖는 혼합전도체는 LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ), BSCF(Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ), BCFN(BaCo0.7Fe0.22Nb0.08O3-δ) 또는 BLF(Ba0.95La0.05Fe3-δ)로 이뤄진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
이러한 소재 선택에 따라 본 발명의 실시예에서 상기 제2 산소분리막(35)을 통해 분리된 순산소의 농도는 20% 이하로 선택될 수 있다.
즉 상기 제2 산소분리막(35)을 통해 분리된 순산소의 농도는 상기 제1 산소분리막(25)을 통해 분리된 순산도의 농도보다 높게 된다. 상기 제1 산소분리막(25)은 이산화탄소의 누출을 방지해야 하므로, 산소투과도보다는 이산화탄소 저항성 또는 안정성에 더 중점을 두므로 상대적으로 순산도 농도가 낮게 되고, 상기 제2 산소분리막(35)은 별도의 운송가스를 이용하지 않으므로, 누설가스에 대한 우려가 없어 상대적으로 높은 산소투과도를 갖는 소재를 사용할 수 있어 순산도 농도 또한 상대적으로 높게 형성할 수 있다.
한편, 제2 산소분리막(35)을 투과하여 연소실(40)로 공급되는 산소의 농도를 공기 중 산소의 농도(대략 21%) 이상으로 유지될 수 있도록, 사용자는 제2 반응기(30)의 산소투과특성을 제어하여 원하는 산소농도를 유지시킬 수 있다.
상기 제21 유입구(31)로 유입된 외부 공기는 상기 제2 산소분리막(35)을 통해 순산소가 분리되고, 상기 제2 산소분리막(35)을 통해 분리된 순산소를 제외한 질소 등을 포함하는 공기는 상기 제22 유출구(32)를 통해 외부로 배출된다.
그리고 상기 제2 산소분리막(35)을 통해 분리된 순산소는 상기 제23 유출구(33)를 통해 상기 순환라인(C2)을 거쳐 상기 연소실(50)로 이동하게 된다. 상기 순환라인(C2) 유입시, 이산화탄소는 순산소를 운송하는 운송가스로서의 기능을 하게 된다.
한편, 상기 제23 유출구(33)와 상기 순환라인(C2) 사이에는 펌프(40)가 배치될 수 있으며, 이러한 상기 펌프(40)는 상기 순환라인(C2)에서 상기 제23 유출구(33) 방향으로 이산화탄소과 역류되는 것을 방지하고 상기 제23 유출구(33)에서 상기 순환라인(C2) 방향으로 순산소가 이동하도록 하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 펌프(40)는 감압을 통해 상기 제2 반응기(30)의 내부가 외부 대기압에 비해 상대적으로 저압이 되도록 조성하여 상기 제22 유입구를 통해 외부 공기가 유입되도록 하고, 유입된 외부 공기는 상기 제2 산소분리막(35) 방향으로 압력차로 이동되도록 하여 순산소를 분리하는 것이다. 그리고 상기 제2 산소분리막(35)에서 분리된 순산소는 역시 압력차로 인해 상기 제23 유출구(33)로 유출되게 된다.
즉 상기 제2 반응기(30)에서는 별도의 운송가스를 이용할 필요 없이 압력차에 의해 상기 제2 산소분리막(35)을 통해 분리된 순산소가 상기 제23 유출구(33)를 거쳐 상기 순환라인(C2)으로 유입되게 된다.
상기 펌프(40)와 상기 순환라인(C2) 사이에는 순산소의 유량을 제어하는 제1 유량제어밸브(41)가 배치될 수 있다. 사용자는 달성하고자 하는 연소효율을 고려하여 상기 제1 유량제어밸브(41)를 조작하여 상기 제2 반응기(30)를 통해 추가적으로 공급되는 순산소의 유량을 조절할 수 있다.
다음으로, 상기 연소실(50)은 상기 제1,2 반응기(20,30)와 순환라인(C1,C2)으로 연결되고, 상기 제1,2 반응기(20,30)를 통해 분리된 순산소와 연료를 혼합하여 연소하도록 제공될 수 있다. 상기 연소실(50)은 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 연료와 산소를 혼합 연소시키는 공간으로, 발전용, 난방용 등에 사용되는 에너지를 발전할 수 있다.
다음으로, 상기 열회수부(72)는, 상기 연소실(50)과 상기 제1 반응기(20) 사이에서 상기 순환라인(C3,C5)에 배치되는 열교환기(70)와 열교환하여 열을 회수하는 회수라인(D)를 통해 이산화탄소의 배기열을 회수하도록 제공될 수 있다. 배가스에 포함된 이산화탄소는 연소과정에서 배기열을 함유하게 되고, 이를 상기 열교환기(70)를 통해 회수하여 사용함으로써, 에너지효율을 보다 더 높일 수 있다.
다음으로, 상기 이산화탄소 포집부(60)는, 상기 연소실(50)과 상기 제1 반응기(20) 사이에서 연결라인(C4)에 배치되고, 이산화탄소의 일부를 포집하도록 제공될 수 있다. 이는 실제 운송가스로 사용되는 이산화탄소량를 제외하고 나머지 이산화탄소량은 상기 순환라인(C3,C5)에서 제거하기 위함이다. 이때 상기 이산화탄소 포집부(60)와 상기 연결라인(C4) 사이에는 제2 유량제어밸브(61)가 배치될 수 있으며, 사용자는 상기 제2 유량제어밸브(61)를 조절하여 상기 순환라인(C3,C5)에서 포집되는 이산화탄소량을 조절할 수 있다.
본 발명의 구성은 상기와 같으며, 이하에서는 상기 구성에 따른 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치(10)의 구동원리에 대해 설명하도록 한다.
우선, 본 발명의 실시예에 따른 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치(10)는 상기 제1 반응기(20) 내부에 구비된 제1 산소분리막(25)을 통해 외부에서 유입되는 공기(A1)에서 일정농도(5% 이하)의 순산소를 분리한다.
이때, 외부 공기(A1)는 상기 제1 반응기(20)의 제11 유입구(21)를 통해 유입되고, 공기에서 분리된 순산소(A3)를 제외한 질소 등을 포함한 공기(A2)는 제12 유출구(22)를 통해 외부로 다시 배출된다.
그리고 상기 제1 산소분리막(25)에서 분리된 순산소는 상기 순환라인(C5)을 통해 상기 제13 유입구(23)를 통해 유입된 상기 연소실(50)의 배기가스인 이산화탄소와 함께 혼합되고 상기 제14 유출구(24)를 통해 다시 상기 순환라인(C1)으로 배출되게 된다. 이때 이산화탄소는 운송가스로서 기능하게 된다.
한편, 상기 제1 반응기(20)와 상기 연소실(50) 사이의 상기 순환라인(C1,C2)에는 제2 산소분리막(35)이 내부에 구비된 제2 반응기(30)가 연결되고, 상기 제2 산소분리막(35)을 통해 분리된 일정농도의 순산소(20% 이하)는 상기 제1 반응기(20)에서 배출되는 순산소 및 이산화탄소 혼합가스와 함께 혼합되어 연소실(50)로 공급된다.
그리고 연소실(50)에서는 공급된 순산소를 산화제로하며 별도로 공급되는 연료와 함께 혼합 연소되게 된다.
이때, 연소실(50)에서 배출되는 고온의 배기가스는 순산소를 산화제로 사용하는 관계로 고순도의 이산화탄소(CO2) 및 수분(H2O)으로 배출되며, 이때 배출되는 이산화탄소는 이산화탄소 포집부(60)를 이용하여 일부가 포집되고 잔부는 상기 제1 반응기(20)의 제13 유입구(23)로 유입되어 순환된다.
그 과정에서 상기 열회수부(72)를 거치면서 배기열이 회수되어 사용되며 에너지효율을 높이게 된다.
결론적으로, 본 발명의 실시예에 따른 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치(10)는 이산화탄소 저항성 또는 안정성을 갖는 산소분리막을 갖는 제1 반응기(20)와 높은 산소투과도를 갖는 산소분리막을 갖는 제2 반응기(30)를 연소실(50)과 함께 한 싸이클로 구성함으로써, 고순도의 산소를 실시간 연소실(50)로 공급할 수 있어 연소효율 극대화에 따른 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 순산소를 산화제로 이용함으로써 질소가스화합물(NOx)과 같은 독성가스 배출을 최소화할 수 있다.
또한, 배기가스에 포함된 고농도 이산화탄소의 포집이 용이하고, 상기 이산화탄소를 순산소 이동을 위한 운송가스로 이용함으로써 운전 경제성 향상 및 설비의 소형화를 달성할 수 있는 우수한 효과가 있다.
이상의 사항은 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
10:산소공급장치
20:제1 반응기 21:제11 유입구
22:제12 유출구 23:제13 유입구
24:제14 유출구 25:제1 산소분리막
30:제2 반응기 31:제21 유입구
32:제22 유출구 33:제23 유출구
35:제2 산소분리막
40:펌프 41:제1 유량제어밸브
50:연소실 60:이산화탄소 포집부
61:제2 유량제어밸브 70;열교환기
72:열회수부
20:제1 반응기 21:제11 유입구
22:제12 유출구 23:제13 유입구
24:제14 유출구 25:제1 산소분리막
30:제2 반응기 31:제21 유입구
32:제22 유출구 33:제23 유출구
35:제2 산소분리막
40:펌프 41:제1 유량제어밸브
50:연소실 60:이산화탄소 포집부
61:제2 유량제어밸브 70;열교환기
72:열회수부
Claims (13)
- 유입되는 공기에서 일정 농도의 순산소를 분리하는 제1 반응기;
상기 제1 반응기와 순환라인으로 연결되고, 상기 제1 반응기를 통해 분리된 순산소와 연료를 혼합 연소하는 연소실; 및
상기 제1 반응기와 상기 연소실 사이에서 상기 순환라인과 연결되고, 유입되는 공기에서 일정 농도의 순산소를 분리하는 제2 반응기;를 포함하되,
상기 연소실에서 연소 후 배출되는 배기가스에 포함된 이산화탄소의 일부는 상기 순환라인을 통해 상기 제1 반응기로 유입되어 순환되면서 상기 제1,2 반응기에서 분리된 순산소를 상기 연소실로 이동시키는 운송가스로 이용되고,
상기 제1 반응기는,
상기 순환라인을 통해 상기 제1 반응기로 유입되는 이산화탄소가 유출되지 않도록, 내부에 이산화탄소에 대한 저항성을 갖는 소재로 이뤄진 제1 산소분리막을 포함하고,
상기 제2 반응기는,
내부에 상기 제1 반응기보다 상대적으로 높은 산소투과도를 갖는 소재로 이뤄진 제2 산소분리막을 포함하고,
상기 제2 산소분리막을 통해 분리된 순산소의 농도는 상기 제1 산소분리막을 통해 분리된 순산도의 농도보다 높은 것을 특징으로 하는 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 산소분리막은,
상안정성을 갖는 전자전도성 산화물과 전해질 산화물의 복합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치.
- 제3항에 있어서,
상기 제1 산소분리막을 구성하는,
상기 전자전도성 산화물은 LSM(Sr-doped LaMnO3)이며,
상기 전해질 산화물은 YSZ, GDC, B2O3 또는 LSGM 고체 전해질 중 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제2 산소분리막은 LSCF, BSCF, BCFN 또는 BLF로 이루어진 혼합전도체 중 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 반응기는,
외부 공기가 유입되는 제11 유입구;
상기 제1 산소분리막을 통해 분리된 순산소를 제외한 외부 공기가 유출되는 제12 유출구;
상기 순환라인을 통해 이산화탄소가 유입되는 제13 유입구;
이산화탄소와 상기 제1 산소분리막을 통해 분리된 순산소가 상기 순환라인으로 유출되는 제14 유출구;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 반응기는,
외부 공기가 유입되는 제21 유입구;
상기 제2 산소분리막을 통해 분리된 순산소를 제외한 외부 공기가 유출되는 제22 유출구;
상기 제2 산소분리막을 통해 분리된 순산소가 상기 순환라인으로 유출되는 제23 유출구;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치.
- 제9항에 있어서,
상기 순환라인에서 상기 제23 유출구 방향으로 이산화탄소과 역류되는 것을 방지하고 상기 제23 유출구에서 상기 순환라인 방향으로 순산소가 이동하도록, 상기 제23 유출구와 상기 순환라인 사이에 배치되는 펌프;를 더 포함하는 특징으로 하는 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치.
- 제10항에 있어서,
상기 제2 반응기는 상기 펌프에 의해 조성된 압력차에 의해 상기 제2 산소분리막에서 분리된 순산소가 상기 제23 유출구를 거쳐 상기 순환라인으로 이동되는 것을 특징으로 하는 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치.
- 제1항에 있어서,
상기 연소실과 상기 제1 반응기 사이에서 상기 순환라인에 배치되는 열교환기를 통해 회수되는 이산화탄소의 배기열을 회수하는 열회수부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치.
- 제1항에 있어서,
상기 연소실과 상기 제1 반응기 사이에서 상기 순환라인에 배치되고, 이산화탄소의 일부를 포집하는 이산화탄소 포집부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 순산소 연소발전용 하이브리드 산소공급장치.
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|---|---|---|---|---|
| KR101872893B1 (ko) * | 2016-12-29 | 2018-06-29 | 주식회사 에체 | 고순도 산소를 이용한 소각 시스템 및 방법 |
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