KR100355309B1 - 산소분리장치의 잉여질소를 이용한 석탄가스화 복합발전시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 석탄가스화 복합발전시스템에서 가스터빈과 산소분리장치간의 연계 방법을 개선하여 종래 연계 방법보다 투자비가 적고 운전제어가 간단하면서도 가스터빈의 성능을 향상시키도록 한 산소분리장치의 잉여질소를 이용한 석탄가스화 복합발전시스템에 관한 것이다.
즉, 가스터빈 공기 압축과정에서 저온의 잉여질소와 혼합함으로써 압축공기를 중간 냉각시켜 가스터빈 출력을 증대하고 잉여질소공급에 의한 유량의 증대로 인해 가스터빈 팽창기 출력을 증대시켜 가스터빈 사이클 효율을 향상시키며 연소기로 들어가는 연소용 공기에 포함된 많은 질소에 의해 연소온도가 저하되어 고온에서의 thermal NOx를 저감하는 효과가 있는 것으로 산소분리장치(120)로부터 나온 잉여질소(123)를 가스터빈 저압압축기(130) 출구에 공급하는 수단과; 상기한 가스터빈 저압압축기(130) 출구공기압력과 상기한 산소분리장치(120)에서 공급되는 잉여질소(123)의 압력이 같도록 질소압력을 조절하는 수단과; 상기의 저압압축기(130) 출구 저압압축공기(131)가 산소분리장치(120)에서 공급된 질소와 혼합하여 중간 냉각되는 수단과; 상기한 산소분리장치의 잉여질소(123)에 의해 유량이 증가된 고압압축기(140)출구 압축공기와 가스정제장치(110)로부터 나온 석탄가스가 가스터빈 연소기(150)에서 연소하는 수단과; 상기한 산소분리공정의 잉여질소(123)에 의해 연소온도가 감소되어 NOx가 감소되는 수단과; 상기 잉여질소(123)에 의해 유량이 증가된 연소가스를 팽창시켜 가스터빈 출력과 효율을 상승시키도록함을 특징으로 하는 것임.
Description
본 발명은 석탄가스화 복합발전시스템에서 가스터빈과 산소분리장치와의 연계방법을 개선하여 종래 연계 방법보다 투자비가 적고 운전제어가 간단하면서도 가스터빈의 성능을 향상시키도록 한 산소분리장치의 잉여질소를 이용한 석탄가스화 복합발전시스템에 관한 것이다.
석탄가스화 복합발전은 석탄을 연료로 사용하면서 NOx, SOx 등 오염물 발생 량이 적고 가스터빈을 채용한 복합발전 방식으로 효율이 높은 청정에너지 발전방식이다. 석탄가스화 복합발전은 석탄을 가스화 하는 가스화장치와 이 장치에 산소를 공급하는 산소분리장치, 석탄가스를 정제하는 가스정제장치, 그리고 이 가스를 연소하여 발전하는 가스터빈 및 복합사이클로 구성되어있다.
도 3은 기존 석탄가스화 복합발전의 구성도를 나타낸 것이다.
석탄(1)은 가스화장치(2)에 공급되며 가스화장치의 산화제는 산소분리장치(6)로부터 생산된 약 95％순도의 산소(7)가 공급된다. 가스화장치(2)에서 생산된 석탄가스는 가스정제장치(3)를 거치면서 정제되며 정제된 석탄가스는 가스터빈연소기(11)로 공급된다.
한편 공기(5)는 산소분리장치(6)로 공급되어 산소와 질소로 분리된 후 산소(7)는 가스화장치 압력까지 압축된 후 가스화장치로 공급되며 질소(8)는 대기로 배출된다.
가스터빈시스템에서 압축기(10)는 공기(9)를 압축하여 연소기(11)로 공급하고 가스정제공정에서 나온 정제가스(4)와 혼합되어 연소기(11)에서 연소된다. 연소가스는 팽창기(12)에서 출력을 발생시키고 배기가스(13)로 배출된다. 이 배기가스의 현열은 회수되어 증기를 발생시켜 증기터빈을 구동한다.
석탄가스화 복합발전시스템은 이러한 여러 장치들로 구성되어있기 때문에 이들 장치간의 적정한 연계가 전체 플랜트 성능에 큰 영향을 미친다. 최근에 석탄가스화 복합발전시스템에서 산소분리장치와 가스터빈의 연계에 대한 연구가 수행되었으며 일부는 상용설비에 적용되고 있다.
산소분리장치는 공기를 극저온상태에서 산소와 질소의 비등점 차이를 이용하여 산소와 질소를 분리하며, 이 장치에서 생산된 산소는 가스화장치에 필요한 산화제로 사용되며 잉여의 질소는 종래에는 대기로 배출하였다. 석탄가스화 복합발전시스템에서 산소분리장치와 복합사이클의 가스터빈과의 연계는 이 잉여질소를 가스터빈에 이용하는 방법이다.
가스터빈과 산소분리장치간의 연계방법으로 첫 번째 방법은 산소분리장치에서 생산된 잉여질소를 압축하여 가스터빈연소기에 공급하여 가스터빈의 출력을 증대시키고 NOx제어를 하는 방법으로서 미국특허 US 5406786, US 5802875, US 5421166, US 5901547, US 5081845, US 4019314, US 5386686, US 5410869가 있다.
도 4는 이에 대한 방법을 나타내었다. 도 3과 상이한 점은 가스터빈과의 연계를 위해 산소분리장치는 기존 장치보다 운전압력이 높은 고압산소분리공정을 사용하며 질소(8)는 종전과 같이 대기로 배출되지 않고 질소압축기(14)에서 가스터빈연소기 압력까지 압축된 후 연소기(11)로 공급된다. 이 방법은 가스터빈의 NOx 제어를 위해 유용하며 가스터빈 팽창기의 유량을 증대시켜 출력을 상승시킨다.
그러나 이 방법은 질소를 연소기압력이상으로 압축해야 하므로 압축기설치에 따른 투자비 증대와 소비동력이 증대되는 단점이 있다.
가스터빈과 산소분리장치간의 연계방법으로 두 번째 방법은 가스터빈 압축기의 압축공기의 일부를 추출하여 산소분리장치로 보내어 산소분리장치에서 필요한 압축공기의 일부로 사용하며 산소분리장치에서 나온 잉여질소를 가스터빈 연소기로 공급하여 추출된 공기를 보충하는 한편 NOx제어에 사용하는 방법으로 미국특허 US 5802875, US 5901547, US 5386686, US 5666823, US 5406786이 있다.
도 4에서 가스터빈과의 연계를 위해 산소분리장치는 기존 장치보다 운전 압력이 높은 고압산소분리장치를 사용하며 질소(8)는 종전과 같이 대기로 배출되지 않고 질소압축기(14)에서 가스터빈 연소기 압력까지 압축된 후 연소기(11)로 공급된다.
상기의 첫 번째 방법과의 차이점은 가스터빈 압축기(10)출구에서 압축공기의 일부(16)를 산소분리장치로 공급한다. 이 방법은 산소분리장치에서 공기압축에 필요한 소비동력을 감소시키고 가스터빈 NOx 제어를 하는 이점이 있으나 가스터빈 부하변동에 따른 압축기 추출공기 압력변화 등에 의한 운전제어가 어렵고 이 방법도 역시 첫 번째 방법과 같은 질소를 연소기 압력이상으로 압축해야 하므로 압축기설치에 따른 투자비 증대와 소비동력이 증대되는 단점이 있다.
가스터빈과의 연계를 위한 세 번째 방법은 산소분리공정의 잉여질소를 이용하여 압축기 입구를 냉각하는 방법으로 국내 특허 27661호, US 5388395, US 5410869가 있다.
이 방법은 도 4에서 질소(8)는 질소팽창기(17)에서 팽창되어 대기온도 이하로 냉각된 후 가스터빈 압축기 입구로 공급되어 압축기입구공기와 혼합되어 압축기 입구 공기를 냉각시킨다. 이 방법은 두 공정간의 연계가 간단하며 압축기 입구 공기온도를 떨어뜨려 가스터빈 성능이 향상된다. 그러나 이 방법은 대기온도가 높은 기후에만 효과가 있다는 단점이 있다.
본 발명에서는 상기의 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서 종래의 공기연계 방법보다 투자비가 적고 운전제어가 간단하며, 기후 조건에 관계없이 가스터빈의 출력 및 효율 향상이 가능하도록 한 것으로서 산소분리장치에서 나온 잉여질소를 가스터빈과 연계시켜 가스터빈의 성능을 향상시키도록 한 산소분리장치의 잉여질소를 이용한 석탄가스화 복합발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공기연계 방법을 적용한 석탄가스화 복합발전시스템의 구성도.
도 2는 질소에 의한 중간냉각 가스터빈 사이클의 T - s 선도.
도 3은 종래의 공기연계가 없는 석탄가스화 복합발전시스템 구성도.
도 4는 종래의 공기연계를 채용한 석탄가스화 복합발전시스템 구성도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100: 가스화장치 101: 석탄
110: 가스정제장치 111: 정제가스
120: 산소분리장치 121,124: 대기공기
122: 산소 123: 잉여질소
130: 가스터빈 저압압축기 131: 저압압축공기
140: 가스터빈 고압압축기 150: 가스터빈 연소기
160: 가스터빈 팽창기 161: 가스터빈 배기가스
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 상기의 공기연계방법을 개선하여 산소분리장치에서 나온 잉여질소를 가스터빈과 연계시켜 가스터빈의 성능을 향상시키는 방법으로 다단 압축기를 채용한 가스터빈에 적용될 수 있는 기술로서 산소분리장치에서 나온 잉여질소를 종전 방법과 같은 질소압축기가 없이 저압 압축기 출구에 공급하여 압축공기를 중간 냉각시킴과 동시에 유량을 증대시켜 효율과 출력을 향상시키고 연소기에서 NOx 생성을 억제하는 방법을 특징으로 한다.
즉, 대기공기를 극저온으로 냉각하여 산소와 질소를 분리하는 산소분리장치와; 상기 산소분리장치로 부터 공급된 산소와 석탄을 이용하여 석탄가스를 생산하도록 하는 석탄가스화장치와; 상기 석탄가스를 정제하는 가스정제장치와; 가스터빈 압축기에 의해 압축된 압축공기와 상기 석탄가스를 혼합연소시켜 출력을 발생하는 가스터빈과; 상기 가스터빈으로 부터 나오는 배기가스의 현열을 이용하여 열을 회수하여 증기터빈을 구동하여 출력을 내는 석탄가스화 복합발전시스템에 있어서,대기공기(121)를 극저온으로 냉각하여 비등점의 차이로 산소와 질소를 분리하는 산소분리장치(120)와; 대기공기(124)를 1차로 압축시키는 가스터빈 저압 압축기(130)와; 상기 산소분리장치(120)로부터 나오는 저온의 잉여질소(123)와 가스터빈 저압압축기(130)의 출구에서 나오는 저압압축공기(131)을 상호 혼합하므로서 상기 저온의 잉여질소(123)에 의해 저압압축공기(131)의 온도가 냉각되도록 하여 부피를 최소화한 후 다시 고압으로 압축하는 가스터빈 고압 압축기(140)와; 가스정제장치(110)로부터 나온 정제된 정제연료가스(111)와 고압 압축기(140)로부터 압축된 공기 및 질소를 이용하여 연소하는 가스터빈 연소기(150)와; 가스터빈 연소기(150)로부터 나온 연소가스를 팽창시켜 출력을 발생시키는 가스터빈 팽창기(160)와; 가스터빈 팽창기(160)로부터 나온 배기가스(161)의 현열을 이용하여 열을 회수하여 증기터빈을 구동하여 출력을 내도록 하는 것을 특징으로 한다.이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 공기연계 방법을 적용한 석탄가스화 복합발전시스템의 구성상태를 도시한 계통도로서, 석탄(101)과 산소분리장치(120)로 부터 공급된 산소(122)를 이용한 석탄가스화장치(100)와; 상기 석탄가스화장치(100)로 부터 나온 석탄가스를 정제시키는 가스정제장치(110)와; 대기공기(121)를 산호와 질소로 분리하는 산소분리장치(120)와; 대기공기(124)를 압축시키는 가스터빈 저압 압축기(130)와 상기 저압압축기(130)에 의해 압축된 저압압축공기(131)와 산소분리장치(120)로부터 공급되는 저온의 잉여질소(123)를 혼합한 후 고압으로 압축하는 가스터빈 고압압축기(140)와; 가스정제장치(110)로 부터 나온 정제된 정제연료가스(111)와 고압압축기(140)로 부터 압축된 공기 및 질소를 이용하여 연소하는 가스터빈 연소기(150)와; 가스터빈 연소기(150)로 부터 나온 연소가스를 팽창시켜 출력을 발생시키는 가스터빈 팽창기(160)와; 가스터빈 팽창기(160)로 부터 나온 배기가스(161)의 현열을 회수하여 증기터빈을 구동하도록 구성된다.
석탄(101)은 가스화장치(100)에 공급되며 가스화장치의 산화제는 산소분리장치(120)로부터 생산된 약 95％순도의 정제산소(122)가 공급된다. 가스화장치(100)에서 생산된 석탄가스는 가스정제장치(110)를 거치면서 정제된 후 정제된 석탄가스는 가스터빈연소기(150)로 공급된다.
한편 대기공기(121)는 고압 산소분리장치(120)로 공급되어 극저온 냉각시켜 산소와 질소의 비등점 차이(질소비등점 온도 : -195.8℃, 산소비등점온도 : -183℃, 대기압조건)를 이용하여 산소와 질소가 분리된다.
분리된 산소는 가스화장치 압력까지 압축되어 가스화장치(100)에 공급되어 산화제로 사용되며 고압산소분리공정에서 나온 3.4bar, 18℃(미국 특허 US 5081845 데이터)의 잉여질소는 가스터빈 저압 압축기(130) 출구의 약 3bar, 150℃조건의 압축공기(131)와 압력이 같도록 조절된 후 압축공기(131)와 혼합되어 약 130℃로 중간 냉각된다. 이렇게 냉각된 저압 압축공기는 고압 압축기(140)에서 압축된 후 약15bar, 400℃로 가스터빈 연소기(150)로 공급되어 가스정제장치(110)에서 나온 연료 정제가스(111)와 연소된 후 약 1300℃의 연소가스가 되어 가스터빈 팽창기(160)를 거쳐 팽창되면서 전력을 생산하고 배기가스(161)로 배출된다.
복합발전사이클에서는 약 600℃의 배기가스(161)의 현열을 회수하여 증기를생산하여 증기터빈을 돌려 전력을 생산하게된다.
본 발명은 가스터빈 공기 압축과정에서 저온의 잉여질소와 혼합함으로써 압축공기를 중간 냉각시켜 가스터빈 출력을 증대하고 잉여질소공급에 의한 유량의 증대로 인해 가스터빈 팽창기 출력을 증대시켜 가스터빈 사이클 효율을 향상시키며 연소기로 들어가는 연소용 공기에 포함된 많은 질소에 의해 연소온도가 저하되어 고온에서의 thermal NOx를 저감하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명을 적용한 가스터빈사이클 T-s 선도를 도 2에 나타내었다.
상기 도 2에서 중간냉각에 의해(T4-T3)+(T2-T1) < (T5-T1)가 되기 때문에 압축에 필요한 입력(入力)이 감소되고 따라서 가용출력이 증대된다. 또한 질소의 중간공급으로 인해 1-2과정의 압축과정은 작동유체인 공기의 유량의 변화가 없어 압축입력(入力)은 변화가 없고 단지 고압 압축기3-4과정의 작동유체가 질소공급으로 인해 유량이 증대되어 고압 압축기의 입력(入力)이 증대되는데 비해 팽창과정 6-7과정에서 공기, 연료와 함께 질소공급에 의한 유량증대로 인해 팽창기 출력이 증대되며 이 증대되는 출력이 질소공급에 의한 고압압축기 입력증대보다 커서 결국 전체 가스터빈 사이클 효율도 증대된다.
표 1은 종래의 공기연계가 없는 경우 및 종래의 공기연계방법들과 본 발명의 공기연계방법을 적용한 경우의 가스터빈 성능을 가스터빈 성능해석 전용전산코드인 GateCycle code를 사용하여 비교한 결과이다. 동등한 비교를 위해 가스터빈의 주요성능인자인 압축비, 연소온도 및 압축기, 터빈단(stage) 효율은 모든 경우에 동일하게 적용하였다.
[표 1] 종래의 방법과 본 발명의 공기연계방법을 적용한 경우의 가스터빈 성능비교
| 항 목 | Base case | Case 1 | Case 2 | Case 3 |
| 가스터빈 출력(MW)① | 187.2 | 251.6 | 194.2 | 238 |
| 질소압축기 동력② | 0 | 14.8 | 0 | 0 |
| Net Power(①-②) | 187.2 | 236.8 | 194.2 | 238.0 |
| Net Efficiency(%, 저위 발열량기준) | 38.7 | 40.4 | 39.0 | 40.5 |
| 가스터빈 연소온도(℃) | 1288 | 1288 | 1288 | 1288 |
| 가스터빈 출구온도(℃) | 602 | 598 | 600 | 599 |
| 압축비 | 15.5:1 | 15.5:1 | 15.5:1 | 15.5:1(LP+HP) |
| 연료발열량(석탄가스; 저위발열량, kCal/kg) | 2636 | 2636 | 2636 | 2636 |
1) Base case : 공기연계를 채용하지 않은 기존 IGCC
2) Case 1 : 공기연계 방법 1을 적용한 경우
3) Case 2 : 공기연계 방법 3을 적용한 경우
4) Case 3 : 본 발명에 의한 공기연계 방법을 적용한 경우
표 1의 결과에서 나타난 바와 같이 본 발명의 개념을 적용한 경우 공기연계가 없는 종래 방법에 비해 가스터빈 출력 50.8MW, 효율 1.8% 증대되었으며 방법 1을 적용한 case 1에 비해 순출력(Net Power) 1.2MW, 순효율(Net Efficiency) 0.1% 향상되는 것으로 나타났으며 방법 3을 적용한 case 2에 비해 출력 43.8MW, 효율 1.5% 향상되는 것으로 나타나 종래의 방법에 비해 출력 및 효율이 증대됨을 알 수 있고 또한 질소압축기 설비가 필요 없어 투자비도 감소된다.
이상 살펴본 바와 같이 본 발명은 가스터빈 공기 압축과정에서 저온의 잉여질소와 혼합함으로써 압축공기를 중간 냉각시켜 가스터빈 출력을 증대하고 잉여질소공급에 의한 유량의 증대로 인해 가스터빈 팽창기 출력을 증대시켜 가스터빈 사이클 효율을 향상시키며 연소기로 들어가는 연소용 공기에 포함된 많은 질소에 의해 연소온도가 저하되어 고온에서의 thermal NOx를 저감하는 효과를 얻을 수 있는 것으로 종래 공기연계 방법보다 투자비가 적고 운전제어가 간단하면서도 가스터빈의 성능을 향상시켜 가스터빈 출력 및 효율 향상이 가능하도록 한 것으로서 매우 유용한 기술인 것이다.
Claims (1)
- 대기공기를 극저온으로 냉각하여 산소와 질소를 분리하는 산소분리장치와; 상기 산소분리장치로 부터 공급된 산소와 석탄을 이용하여 석탄가스를 생산하도록 하는 석탄가스화장치와; 상기 석탄가스를 정제하는 가스정제장치와; 가스터빈 압축기에 의해 압축된 압축공기와 상기 석탄가스를 혼합연소시켜 출력을 발생하는 가스터빈과; 상기 가스터빈으로 부터 나오는 배기가스의 현열을 이용하여 열을 회수하여 증기터빈을 구동하여 출력을 내는 석탄가스화 복합발전시스템에 있어서,대기공기(121)를 극저온으로 냉각하여 비등점의 차이로 산소와 질소를 분리하는 산소분리장치(120)와;대기공기(124)를 1차로 압축시키는 가스터빈 저압 압축기(130)와;상기 산소분리장치(120)로부터 나오는 저온의 잉여질소(123)와 가스터빈 저압압축기(130)의 출구에서 나오는 저압압축공기(131)을 상호 혼합하므로서 상기 저온의 잉여질소(123)에 의해 저압압축공기(131)의 온도가 냉각되도록 하여 부피를 최소화한 후 다시 고압으로 압축하는 가스터빈 고압 압축기(140)와;가스정제장치(110)로부터 나온 정제된 정제연료가스(111)와 고압 압축기(140)로부터 압축된 공기 및 질소를 이용하여 연소하는 가스터빈 연소기(150)와;가스터빈 연소기(150)로부터 나온 연소가스를 팽창시켜 출력을 발생시키는 가스터빈 팽창기(160)와;가스터빈 팽창기(160)로부터 나온 배기가스(161)의 현열을 이용하여 열을 회수하여 증기터빈을 구동하여 출력을 내도록 하는 것을 특징으로 하는 산소분리장치의 잉여질소를 이용한 석탄가스화 복합발전시스템.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1019990046936A KR100355309B1 (ko) | 1999-10-27 | 1999-10-27 | 산소분리장치의 잉여질소를 이용한 석탄가스화 복합발전시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019990046936A KR100355309B1 (ko) | 1999-10-27 | 1999-10-27 | 산소분리장치의 잉여질소를 이용한 석탄가스화 복합발전시스템 |
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|---|---|
| KR20010038818A KR20010038818A (ko) | 2001-05-15 |
| KR100355309B1 true KR100355309B1 (ko) | 2002-10-09 |
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|---|---|---|---|---|
| KR20160067262A (ko) | 2014-12-03 | 2016-06-14 | 포스코에너지 주식회사 | 연소가스 냉각장치가 구비된 가스터빈 발전 시스템 |
-
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- 1999-10-27 KR KR1019990046936A patent/KR100355309B1/ko active IP Right Grant
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| KR20010038818A (ko) | 2001-05-15 |
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