굴뚝 에너지를 이용한 발전시스템{Generating system using chimney energy}
본 발명은 굴뚝 에너지를 이용한 발전시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 소각기와 같은 산업용 설비의 굴뚝에서 대기 중으로 방출되는 열에너지를 전량 회수하여 고압의 증기를 발생시켜 전기에너지를 생산함은 물론 굴뚝에서 배출되는 이산화탄소나 다이옥신 등을 분해 및 소각시켜 공해물질 배출을 방지할 수 있는 굴뚝 에너지를 이용한 발전시스템에 관한 것이다.
일반적으로 제철소를 비롯한 산업용 플랜트 설비는 여러 공정을 거치면서 최종적으로 제품을 생산하는데, 이 과정에서 대부분의 산업용 플랜트 설비는 가열, 가압, 또는 연소하는 공정을 거치면서 이산화탄소 등 많은 배출가스를 발생시키며, 이러한 배출가스는 폐열이 함유된 상태로 대기 중으로 배출되고 있다. 그래서, 최근에는 산업용 플랜트 설비에서 그냥 버려지고 있는 폐열의 일부라도 회수하기 위해서 폐열 회수장치들을 설치하고 있다. 한편으로는, 지구온난화 등 각종 환경오염 문제의 주범으로 인식되고 있는 이산화탄소(CO 2 ) 배출은 교토 의정서와 같은 국내 및 국제적인 규제와 유럽연합의 배출권 거래제에 의해 점진적으로 규제가 강화되고 있는 현실에서 이산화탄소 배출을 감소시키는 문제는 향후 각종 산업 발전에 있어서 중요한 요소로 부각되어 가고 있다. 특히, 대형 제철소에서는 철광석에 함유된 철 성분을 추출하기 위해 용광로에서 철광석을 고온으로 용해시키는 공정을 수행하는데, 이러한 공정 중에 고온의 배출가스와 냉각수가 다량으로 발생되므로, 이러한 배출가스와 냉각수에 함유된 폐열 에너지를 전기에너지로 변환시키기 위한 폐열 회수 발전장치를 설치하고 있다. 기존의 폐열 회수 발전장치는 고온의 배출가스 또는 냉각수를 보일러에서 열교환시켜 고온 고열의 증기를 발생시키고, 이렇게 발생한 증기로 터빈을 회전시킴으로써, 터빈의 회전력으로 전기에너지를 발생시키는 메커니즘이다. 하지만, 기존의 폐열 회수 발전장치는 배출가스 또는 냉각수에 함유된 폐열 에너지 중에서 극히 일부만이 전기에너지로 변환되어 회수되며, 더욱이 이러한 폐열 회수 발전장치는 다량의 배출가스 또는 냉각수 중에서 고온 상태의 일부만이 열교환에 의해 증기를 발생시킬 수 있기 때문에, 기존의 폐열 회수 발전장치는 다량의 배출가스 또는 냉각수 중에서 활용될 수 있는 비율이 매우 낮다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 소각기와 같은 산업용 설비의 굴뚝에서 대기 중으로 방출되는 열에너지를 전량 회수하여 고온 고압의 증기를 발생시켜 전기에너지를 생산함은 물론, 굴뚝에서 배출되는 이산화탄소(CO 2 ), SO X , NO X 또는 다이옥신 등을 분해 및 소각시켜 공해물질 배출을 방지할 수 있는 굴뚝 에너지를 이용한 발전시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 과제 해결을 위하여 본 발명에 따른 굴뚝 에너지를 이용한 발전시스템은, 물탱크와 연결된 파이프가 연소실 벽과 내부에 설치되며, 연소실에서 가연성 폐기물을 소각시킬 때 발생하는 열로 상기 파이프 내부를 순환하는 물을 가열시키며 연소열을 발생시키는 소각기; 상기 소각기 내의 연소열이 배출되는 배출구와 연결된 고압증기발생장치; 상기 고압증기발생장치에서 발생한 고온 고압의 증기와, 상기 소각기의 연소실에 설치된 파이프로부터 발생한 증기를 저장하는 고압탱크; 상기 고압탱크에 저장된 고온 고압의 증기가 노즐을 통해 분사되어 터빈 블레이드를 회전시켜 발전하는 터빈발전기; 상기 터빈발전기에서 배출되는 증기를 급냉각시켜 응결수는 포집하여 물탱크로 이송시키고, 공기는 상기 소각기의 연소실로 보내는 열교환기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 고압증기발생장치는 소각기의 배출구와 배출관으로 연결되어 연소실 내의 열기가 공급되며, 내부에 메쉬망이 설치된 제1증압실; 상기 제1증압실과 연결되어 제1증압실의 고온 고압의 증기가 공급되며, 중간 높이까지 물이 채워지는 제2증압실로 구성되고, 배출구와 제1증압실을 연결하는 배출관에는 고압분무장치가 더 설치되어 연소실에서 나오는 고온의 열기에 물을 분무시켜 증기를 생성하며, 상기 제1증압실의 증기는 상부로 배출되어 제1 증기배출관을 통해 제2증압실의 하부로 공급되도록 구성된다. 바람직하게는, 소각기의 연소실 내부에 설치되는 파이프는 'ㄹ'자 또는 코일 형상으로 다단(多段)으로 설치되어, 연소실 내의 화염이 파이프를 직접 가열하도록 구성된다. 바람직하게는, 터빈 블레이드는, 서로 대칭인 두 개의 원형 디스크를 한 쌍으로 결합시켜 전체 단면(斷面)은 다이아몬드 형상인데, 각 디스크는 편평한 일면(一面)에 중심으로부터 가장자리로 갈수록 점점 직경이 적어지는 소용돌이 형상의 요(凹)홈이 형성되어 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 굴뚝 에너지를 이용한 발전시스템은, 소각기와 같은 산업용 설비의 굴뚝에서 대기 중으로 방출되는 열에너지를 전량 회수하여 고온 고압의 증기를 발생시키고, 이렇게 발생한 증기로 터빈을 회전시켜 전기에너지를 생산함은 물론, 굴뚝에서 배출되는 CO 2 , SO X , NO X 또는 다이옥신 등을 분해 및 소각시켜 대기오염 물질의 발생을 방지하고, 지구온난화의 주범인 이산화탄소의 배출을 현저하게 저감시킴으로써 환경보호는 물론 이산화탄소 배출권 규제로 인한 산업발전에 크게 이바지할 수 있을 뿐만 아니라 폐열로 전기에너지를 생산하기 때문에 화력발전소에서 소비되는 연간 수 백만톤의 수입연료를 절약할 수 있다.
본 발명에 따른 발전시스템은, 파쇄된 가연성 폐기물이나 RDF(Refuse Derived Fuel) 또는 RPF(Refuse Plastic Fuel)를 연료로 사용하는 소각기의 배출구(굴뚝)에서 배출되는 열에너지를 전량 회수하여 전기에너지로 바꾸는 시스템으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 소각기(10), 고압증기발생장치(20), 고압탱크(30), 터빈발전기(40) 및 열교환기(50)를 주요 구성으로 한다. 소각기(10)는 물탱크와 연결된 파이프가 연소실(11) 벽과 내부에 설치되며, 연소실(11)에서 가연성 폐기물을 소각시킬 때 발생하는 열로 파이프(13) 내부를 순 환하는 물을 가열시키고 연소열을 발생시키며, 이때 물이 가열되면서 발생한 증기는 배관을 통해 고압탱크(30)로 이송된다. 연소실(11) 내의 연소장치(14)로 공급되는 연료를 공급하는 방식은 콘베이어 방식 등 연료를 연속적으로 공급할 수 있는 방식이라면 어떤 방식이든 상관없다. 내부로 물이 순환되는 파이프(13)는, 연소실(11) 벽은 물론 연소실(11) 내부에도 설치함으로써 연소실(11) 내의 화염이 파이프(13)를 직접 가열하게 되기 때문에 파이프가 벽에만 설치되는 것보다는 훨씬 많은 양의 증기를 생산할 수 있게 된다. 연소실(11) 내부에 설치되는 파이프(13)는 도 2에 도시한 바와 같이 'ㄹ'자 또는 코일 형상의 다단(多段)으로 설치함으로써 보다 많은 화염이 파이프(13)에 직접 닿게 하고, 단(段) 수는 연소실의 높이에 따라 다르겠으나 10단(段) 이내로 설치하는 것이 바람직하다. 고압증기발생장치(20)는 터빈발전기(40)에 공급할 고온 고압의 증기를 발생시키는 장치인데, 제1증압실(21)과 제2증압실(22)로 구성되고 제3증압실(23)을 더 설치할 수도 있으며, 증압실을 거칠수록 더 높은 온도와 압력의 증기를 생산할 수 있게 된다. 제1증압실(21)은 소각기(10)의 배출구(12)와 배출관(121)으로 연결되어 연소실(11) 내의 연소열(보통 800℃ 이상)이 공급되며, 배출구(12)와 연결된 배출 관(121)에는 제1증압실(21) 측으로 고압분무장치(15)가 설치되는데, 고압분무장치(15)는 배출관(121) 내로 이송되는 고온의 증기에 물탱크로부터 분사노즐(151)을 통해 공급되는 고압의 물을 분사하여 고온 고압의 증기를 생성하게 된다. 또한, 제1증압실(21)의 내부에는 공급되는 증기의 방향과 수직한 방향으로 일정한 간격으로 2∼5겹의 메쉬망(213; 그물 형상의 철망)을 설치하고, 제1증압실(21)의 하부에는 배수구(211)를 형성하여 제1증압실(21) 내에 형성되는 응결수를 배출시켜주는 것이 바람직하다. 제1증압실(21) 옆에는 제2증압실(22)이 설치되는데, 제1증압실(21)에서 생성된 고온 고압의 증기는 제1증압실(21)의 상부로 배출되어 제1 증기배출관(221)을 통해 중간 높이까지 물이 채워지는 제2증압실(22)의 하부로 공급되게 된다. 제1 증기배출관(221)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2증압실(22)의 하부에 위치한 부분은 관 주위에 다수의 분출공이 형성되어 있어서 분출공을 통해 증기가 분출되면 많은 공기방울이 형성되어, 제2증압실(22)에 채워진 물속에 설치된 복수의 메쉬망(223)을 통과하면서 상기 공기방울이 더 잘게 쪼개지면서 압력과 온도가 더 높아진 증기로 변하게 된다. 제3증압실(23)은 제2증압실(22)과 연결 설치되어 제2증압실(22)의 고온 고압의 증기를 더 높은 압력을 갖는 증기로 변환시킨다. 제2증압실(22)의 증기는 상부로 배출되어 제2 증기배출관(231)을 통해 중간 높이까지 물이 채워져 있는 제3증압 실(23)의 하부로 공급되도록 구성된다. 제2 증기배출관(231)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 제3증압실(23)의 하부에 위치한 부분은 관 주위에 다수의 분출공이 형성되어 있어서 분출공을 통해 증기가 분출되면 많은 공기방울이 형성되어, 제3증압실(23)에 채워진 물속에 설치된 복수의 메쉬망(233)을 통과하면서 상기 공기방울이 더 잘게 쪼개지면서 압력과 온도가 더 높아진 증기로 변해서 고압탱크(30)로 이송되게 된다. 고압탱크(30)는 고압증기발생장치(20)에서 발생한 고온 고압의 증기와, 소각기(10)의 연소실(11)의 벽과 내부에 설치된 파이프(13)로부터 발생한 증기를 저장하는 장치이다. 터빈발전기(40)는 고압탱크(30)에 저장된 고온 고압의 증기가 노즐을 통해 분사되어 터빈 블레이드를 회전시켜 발전하는 장치이다. 일반적으로 고압 증기 터빈을 사용하는 화력발전소에서는 500℃, 250㎏/㎠의 온도와 압력을 갖는 증기로 터빈을 회전시키고 있는데, 본 발명에 따른 발전시스템에서는 고압탱크(30)의 노즐에서 분사되는 증기는 500∼1,000℃, 300㎏/㎠ 이상의 온도와 압력을 갖게 된다. 터빈 블레이드(43)는, 서로 대칭인 두 개의 디스크(431) 한 쌍을 체결볼트(435)로 결합시킨 것으로, 결합시켰을 때 전체적으로는 다이아몬드 형상인데, 각 디스크(431)는 편평한 일면(一面)에 중심으로부터 가장자리로 갈수록 점점 직경이 적어지는 소용돌이 형상의 요(凹)홈(433)을 형성되어 있다. 고압탱크(30)로부터 증기유입관(41)을 통해 터빈 블레이드(43)의 중심(즉, 터빈 블레이드의 중심에 형성된 요홈)으로 고온 고압의 증기가 유입되면, 두 디스크(431)에 각각 형성된 소용돌이 형상의 요홈(433)이 합쳐져서 형성한 공간을 통해 고온 고압의 증기가 빠져나가면서 터빈 블레이드(43)를 고속으로 회전시키게 되고, 그 회전력으로 발전기(45)가 작동하게 된다. 터빈 블레이드(43) 내에 형성된 소용돌이 형상의 요홈(433)이 합쳐져서 형성한 공간은 밖으로 갈수록 단면적이 줄어들기 때문에 중심으로 공급된 증기는 가장자리에 형성된 배출구로 갈수록 점점 속도가 빨라지기 때문에 터빈 블레이드(43)를 고속으로 회전시키게 된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 터빈 블레이드(43)는 베어링(42a, 42b, 42c)으로 지지되어 케이싱(44) 내에 위치하게 되는데, 터빈 블레이드(43)의 가장자리에서 고압으로 분출되는 증기는 증기배출구(441)를 통해 열교환기(50)로 배출되는데, 일부는 다시 증기유입관(41)으로 유입될 수도 있으며, 캐이싱(44) 내에서 응결수가 생길 경우에는 케이싱(44)의 하부에 형성된 응결수 배출구(443)를 통해 배출시키게 된다. 열교환기(50)는 터빈발전기(40)에서 배출되는 수증기를 다량 포함한 공기를 급냉각시켜 응결수는 포집하여 물탱크로 이송시키고, 다이옥신 등이 포함된 공기는 다시 소각기(10)의 연소실(11)로 보내서 소각시키게 된다. 본 발명의 발전시스템은, 증기가 고온의 수증기와 미세기포로 물을 통과하는 과정에서 CO 2 , SO X , NO X 등은 물에 녹게 되고, 다이옥신과 같은 물질이 포함된 공기는 소각기로 다시 보내져 고온의 연소열에 의해 분해되거나 소각되게 된다. 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 발전시스템을 설명하기 위하여 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2는 소각기 내에 설치되는 파이프 형상의 일례를 도시한 도면이다. 도 3은 고압증기발생장치의 일부를 도시한 도면이다. 도 4는 터빈발전기를 설명하기 위한 개략적인 도면이다. 도 5는 터빈 블레이드의 단면을 도시한 도면이다. ** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ** 10 : 소각기 11 : 연소실 12 : 배출구 13 : 파이프 14 : 연소장치 15 : 고압분무장치 151 : 분사노즐 20 : 고압증기발생장치 21 : 제1증압실 22 : 제2증압실 23 : 제3증압실 213 , 223, 233 : 메쉬망 30 : 고압탱크 40 : 터빈발전기 41 : 증기유입관 42a, 42b, 42c : 베어링 43 : 터빈 블레이드 431 : 요(凹)홈 44 : 케이싱 441 : 증기배출구 443 : 응결수 배출구 45 : 발전기 50 : 열교환기 |
