KR100394915B1 - 연소 터빈의 상류에 인접 위치된 합성 가스 팽창기 - Google Patents

연소 터빈의 상류에 인접 위치된 합성 가스 팽창기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연소 터빈의 상류에 인접 위치된 합성 가스 익스팬더(48)를 통합하여 동력을 발생시키기 위해 연소 터빈(12)용 연료인 합성 가스의 연소를 개선시키기 위한 것이다. 익스팬더로부터의 추가로 발생된 동력으로부터 효율이 증가되며, 질소 산화물의 제어를 위해 에어 분리 유닛으로부터 질소 압축을 감소시키거나 제거시킴으로써 또한 효율이 증가된다.

Description

연소 터빈의 상류에 인접 위치된 합성 가스 팽창기 {SYNTHESIS GAS EXPANDER LOCATED IMMEDIATELY UPSTREAM OF COMBUSTION TURBINE}
급냉 동력 발생 시스템(quench power generation system)은 연료 공급원의 기화로부터 동력을 발생시키기 위해 전세계적으로 사용되었다. 이러한 시스템에서, H2, CO, CO2, 및 H2O를 포함하는 가공되지 않은 합성 가스 또는 합성가스 연료 가스 스트림은 일반적으로 급냉 기화 반응기 내의 온도 감속재(temperature moderator)의 존재하에서 무산소 함유 가스와 탄화수소 연료의 부분적인 산화 반응에 의해 발생된다.
발생된 합성가스는 450℉내지 550℉의 온도와 700 내지 1500 psia의 압력에서 급냉된 포화 합성가스 스트림을 발생시키기 위해 수중에서 식힘으로써 냉각된다. 이러한 방법에 대한 보다 구체적인 설명은 잔케(Jahnke)등에 의한 미국 특허 제 5,345,756호에 보다 상세하게 기술되어 있다.
발생된 합성가스는 가스 스트림으로부터 H2S 및 COS를 제거시키기 위해 물리 또는 화학 용제를 사용하는 산성 가스 제거 유닛 내에서 정화된다. 정화된 합성 가스는 연료가스로서 질소 등의 온도 감속재를 함유한 가스 터빈의 연소기에 공급된다.
본 발명은 탄화수소 연료(hydrocarbonaceous fuels)의 부분 산화에 의하여 연료 가스를 생산하는 것과 그리고 동력 발생을 위하여 연료 가스를 가스 터빈 내에서 연소시키는 것의 개선에 관한 것이며, 특히 단(stages) 내에서 가스 냉각을 실현하고 급냉 연료 가스로부터 발생된 최대 열을 동력 발생에 이용하도록 고압에서 작동하는 고효율의 "석탄가스화 복합 발전 사이클(IGCC:Integrated Gasfication Combined Cycle)"공정에 관한 것이다.
도 1은 연소기 내의 합성 가스의 부분 연소용 산소 공급원으로 연소 터빈으로부터 블리이드 에어(bleed air)를 이용한 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 선택적인 탈황 시스템을 포함한 도 1의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 연소기 내의 합성 가스의 부분 연소용 산소 공급원으로 에어 분리 유닛으로부터 고압의 산소를 이용한 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 합성 가스가 열 회수 스트림 제너레이터 튜브 내에 연소 터빈 배기와 열교환에 의해 가열되는 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 연소 터빈의 상류에 인접한 합성가스 팽창 터빈 또는 팽창기를 사용하여 동력을 발생시키는 연소 터빈용 연료인 합성 가스 연소의 효율 및 신뢰성을 개선시킨다. 팽창기로부터 추가로 발생된 동력으로 효율이 증가하며, 질소 산화물의 제어를 위한 에어 분리 유닛으로부터 질소 압축을 감소시키거나 제거시킴으로써 또한 효율이 증가된다.
본 발명에 따라, 합성 가스 팽창기 또는 팽창 터빈은 연소 터빈의 상류에 바로 인접하게 위치된다. 팽창기로 유입되는 합성가스 혼합물은 대략 800 내지 1000℉의 고온에서 유입된다. 팽창기로 유입되는 가스가 고온임으로, 가스가 연소 터빈으로 유입되기 이전에 팽창된 체적의 고온 합성가스로부터 대용량의 동력이 유도가능하며, 동력 발생 사이클의 효율을 상당히 개선시킨다. 팽창기를 빠져나온 연료 가스는 고온 상태로 유지되며, 팽창기에 의해 동력으로 변환되지 않은 열은 이를 회수하는 연소 터빈 내부로 직접 전달된다.
본 발명의 실시예에서, 고온의 블리이드 에어 스트림은 연소 터빈의 연소 섹션에 유입되기 이전에 연소 터빈 압축기의 방출로부터 제거된다. 고온의 블리이드 에어 스트림은 다른 공정 스트림과 간접 열 교환에 의해서 냉각되거나 또는 효과적으로 수행되는 임의의 냉각 수단에 의해 냉각된다.
냉각된 이후에, 에어 스트림은 물로 포화되어 대략 1000 내지 1200 psig 의 압력으로 압축된다. 에어 스트림에 의해 취해지는 물이 압축기의 부하를 가중시키더라도 사이클의 효율을 개선시키기 위해 에어 스트림은 물 또는 질소로 포화될 수도 있다.
택일적으로, 에어 또는 가스 스트림은 포화되거나 보조 압축기의 부가적인 포화 하류 스트림을 수용할 수 있다. 그러나, 이러한 위치에서 가스 스트림은 압축열로 인해 가열되어 포화기를 사용하는 것은 비효율적이다.
부가적인 선택사항으로서, 연소 터빈으로부터 에어의 일부가 에어 압축기의 크기 및 동력 감소를 가능하게 하는 에어 분리 유닛으로 향할 수 있다. 또 다른 선택 사항으로서, 동력 출력을 증가시키고 연소 터빈 내의 질소 산화물(NOX)의 형성을 감소시키도록 에어 분리 유닛으로부터의 질소는 압축되어 연소 터빈 또는 팽창기 상류의 합성가스 또는 공기로 보내진다.
도 1을 참조하면, 산성 가스 제어 유닛(도시 안됨)으로부터의 고압 스위트 합성가스(2)가 물(6)로 포화되는 합성가스 포화기(4)로 유입되며, 포화 합성 가스 스트림(8)으로 배출된다. 합성가스 포화기(4)에는 물 출력부(9)도 설치된다.
약 200 내지 300 psig의 압력과 약 500 내지 800℉의 온도에서 고온의 블리이드 에어 스트림(10)은 연소 터빈(12)으로부터 빠져 나오며 고압 스팀 스트림(18)을 형성하기 위해 유입 보일러 공급수 스트림(16)에 열을 방출하는 제 1 열 교환기(14)를 거쳐 통과한다. 냉각된 에어 스트림(20)이 열 교환기(14)로부터 배출되고 제 2 열교환기(22)에 유입되는데, 여기서 에어 스트림은 더욱 냉각되어 보다 냉각된 에어 스트림(24)으로 배출된다. 선택적으로, 냉각된 에어 스트림(24)의 일부분(13)은 에어 분리 유닛으로 순환된다. 연소 터빈(12)에는 에어 입력부(11)가 설치된다.
냉각된 에어 스트림(24)은 제 3 열 교환기(30)로 유입되어 보다 냉각되어 냉각된 에어 스트림(32)으로서 배출되고, 이 에어 스트림(24)은 에어 포화기(34)로 유입되며, 이 에어 포화기(34)에서 라인(36)으로부터 유입되는 물로 에어가 포화된다. 포화기에는 물 출력부(37)가 설치된다.
포화된 공기(38)가 공기 포화기(34)를 빠져나와 200-300 psig 로부터 기화기의 통상적인 작동 압력인 1000-1200 psig 까지의 압력으로 압축시키는 보조 압축기(40)로 유입되며, 합성가스 스트림(26)과 함께 연소기(28)로 유입되는 압축된 에어 스트림(42)으로 배출된다.
포화된 합성가스 스트림(8)은 열 교환기(22)를 통과하여, 열 교환기를 관류하는 공기와 교환되어 가열되며, 가열된 포화 합성가스 스트림(26)으로 배출되고 연소기(28)에 유입되어, 연소가 수행된다.
선택적으로, 도시되지 않은 중간냉각기(intercooler)는 보조 압축기(40)와 사용될 수 있다. 그러나, 압축열이 연소기(28)로 유입되고 과잉 에너지가 열량값(fuel value)으로 변환되기 때문에, 중간 단계 냉각없는 높은 압축비가 유용할 수도 있다.
인지된 바와 같이, 압축된 에어 스트림(42)은 합성가스 스트림(26)과 함께 연소기(28)에 유입되고 연소되며, 고온에서 과잉 합성 가스와 연소 생성물 혼합제를 생성한다.
일반적으로, 총괄 합성 가스의 1% 내지 5%의 합성가스 스트림(26)의 일부분만이 연소기(28) 내에서 연소된다. 대부분의 고압 합성 가스는 라인(44)을 통해 연소기(28)를 바이패스하며 연소기(28)를 벗어나는 연소 가스(29)와 혼합되어 온도가 대략 1000℉인 연소 가스(29)와 합성 가스(44)의 혼합물(46)을 형성한다.
연소기(28)의 연소실 내부의 온도는 연소기(28)를 바이패스하는 스트림(44)의 합성가스 양을 조절함으로써 변경될 수 있다. 소량의 합성 가스가 연소기(28)를 통해 나아가면, 혼합되지 않은 가스 스트림(29)내에 고온이 달성될 수 있다.
혼합된 가스 스트림(46)은 제너레이터(50)에 결합된 팽창기(48)로 유입된다. 팽창기(48)로부터 대용량의 동력이 제너레이터(50)에 의해 용이하게 압출될 수 있는데, 이는 합성 가스를 가열하는 것이 사이클의 효율을 개선시키기 때문이다. 팽창기(48)를 빠져나온 가스(52)는 대략 250℉내지 700 ℉의 온도에서 고온 상태로 유지된다. 고온 가스(52)는 연소 터빈(12)용 연료로 제공된다. 따라서, 팽창기(48)에 의해 동력으로 전환되지 않은 가스(46)로부터 발생하는 임의의 열은 연료 가스(52) 내의 열로 연소 터빈(12)으로 배출되며 제너레이터(54)에 의해 회수된다.
시스템의 작동을 적절하게 제어함으로써, 팽창기(48)를 벗어난 연료 가스(52)를 충분히 낮은 BTU/표준 ft3(BTU/SCF)로 유지시킬 수 있어 질소 산화물(NOX)의 발생을 최소화함과 동시에, 대략 80 내지 150 BTU/SCF 의 높은 열가를 유지하여 연소 터빈(12) 내의 효과적이고 효율적인 연소를 확보한다.
연료 가스(52)의 열가는 팽창기(48) 내에 가스 스트림(46)이 유입되기 이전에 연소기(28)내의 합성가스(26)의 일부분을 미리 연소시키기 위해 사용되는 공기량을 조절함으로써 제어되며, 그리고 공기 포화기(34)에 유입되는 고압의 공기에 부가되는 포화수(36)의 양에 의해 제어된다. 선택적으로, 질소 또는 합성가스 스트림은 팽창기에 유입되기 이전의 연료 스트림에, 또는 연소 터빈(12) 내의 선택 라인(58)을 통해 팽창기의 하류에 부가될 수 있다.
도 2는 연소기(28) 및 바이패스 합성가스 스트림(44)으로 인한 복합 연소 가스(46)는 아연 페라이트 베드(60,62) 또는 다른 유사 재료로 구성되는 고온의 탈황 시스템에 유입되며 황이 제거된 라인(64)을 따라 배출되는 고온의 탈황 실시예를 도시하고 있다.
고온의 탈황 시스템에 유입되는 연소 가스(46)는 당업자에게 공지된 저온 탈황 공정 중의 하나를 통해 제거되는 대부분의 황 함량을 이미 구비한다. 황 제거를 대략 1-2%까지 증가시키기 위하여 이러한 대다수의 저온 탈황 공정은 COS 가수분해(COS hydrolysis) 단계를 포함한다.
본 발명에서 기술하는 고온 탈황 시스템을 이용함으로써 COS 가수분해의 필요성이 제거되고 황의 최종 잔류량(last traces)이 제거된다. 본 발명에 따른 탈황 시스템은 황의 최종 잔류량이 존재할 때에만 작동하기 때문에, 합성가스로부터 모든 황을 제거하는 시스템과 비교하여 고온 탈황 시스템의 크기는 매우 소형이다. 또한, 라인(66)을 통해 유입되는 스팀 및 O2를 이용한 베드(60,62)의 재생으로부터 발생한 황화물 가스(sour gases)는 라인(68)을 통해 기화기(도시 안됨)로 반환될 수 있으며, 임의의 부가적인 황 재생 공정의 필요성을 없애고 배치 공정 또는 황 제거 베드의 재생을 수행한다.
도 3은 온도를 증가시키도록 합성가스 일부를 연소시키기 위한 산화제로서 산소 및 공기가 아닌 정화된 산소를 이용한 공정을 간략하게 도시하고 있다. 도 1에 기술된 블리이드 에어 처리 시스템은 에어 분리 유닛(도시 안됨)으로부터의 고압 산소에 의해 대체되며, 라인(70)을 거쳐 연소기(28) 내부로 공급되며 산성 가스 제거 유닛 또는 합성가스 포화기(4)로부터의 고압 합성가스(26)의 일부분과 함께 연소된다. 합성가스 포화기(4)로부터의 고압 스위트 합성 가스(8)는 열 교환기(14)로 유입되며 연소기(28)로 향한 라인(26)을 거쳐 배출된다.
이러한 실시예의 잇점은 기화기에 공급되는 산소로부터의 측면 스트림(side stream) 또는 슬립 스트림(slip stream)으로서 산소가 상승된 압력에서 용이하게 이용가능다는 점이다. 이러한 실시예는 현존하는 고압의 기화 동력 시스템을 갱신하는데 사용될 수도 있다.
도 4는 열 교환기만에 의한 합성가스 가열의 다른 유형을 도시하고 있는데, 이로 인해 연소기(28) 내에서 합성가스를 부분적으로 연소시키는 것을 회피한다. 이러한 실시예는 합성가스를 고온으로 가열시키는 것에 가장 효과적인 형태이다. 물로 포화된 합성가스 스트림(8)은 연소 터빈(12)을 벗어난 고온의 배기 가스(82)에 의해 간접적으로 가열되는 열 회수 스팀 제너레이터(80)로 유입된다.
간접 열교환이 이용될 수 있을지라도 스팀이 과열되는 방식과 유사하게, 합성가스(86)를 열 회수 스팀 제너레이터(80) 내의 튜브를 통해 진행시킴으로써 합성가스를 가열시키는 것이 바람직하다. 연소 터빈 배기로부터 이용가능한 고온으로 인해, 임의의 합성가스를 연소시키지 않고 대략 700℉내지 1000 ℉의 온도로 용이하게 합성가스를 가열시킬 수 있으며, 합성가스는 스트림(84)으로 배출된다.
열 회수 스팀 제너레이터(80)로부터 직접 열을 이용하는 것은 산소와 합성가스 일부분을 연소하는 것보다 팽창기(48) 내의 합성가스를 가열시키는데 보다 효과적이며, 산소 생성과 관련된 에너지를 제거한다. 연소 터빈(12)의 상류에 위치된 팽창기(48)로 인해, 길이가 매우 긴 합성가스 전달 라인 또는 파이프가 요구되는 냉각 트레인의 중간부에 위치된 팽창기(48)를 갖는 것보다 더 실용적인 실시예이다.
따라서, 팽창기(48)는 연소 터빈(12)의 상류에 다른 인접한 가열된 합성가스 라인(84)상에 배치될 수 있다. 이는 팽창기 배기 가스를 냉각시킬 필요성이 제거되어 비용이 감소된다.
팽창기(48)의 입구 온도는 배출 연료 가스(52)의 배기 온도가 550℉가 되도록 설정하는 것이 바람직하며, 연소 터빈(12)으로의 연료 가스 공급물(52)상에 표준 고온 연료 제어 밸브를 이용하는 것을 가능하게 한다. 일반적으로, 이는 팽창기(48)로의 가열된 합성가스 공급물(84)용 온도가 대략 800℉ 내지 1000℉ 범위 내의 온도일 것을 요한다. 팽창기(48)로의 공급물(84)은 대략 550℉의 스팀 또는 다른 공정 스팀에서 열 전달을 포함한 전술한 임의의 수단에 의해 미리 가열가능하다. 대략 800℉ 또는 그 이상에 이르는 가열 차(balance of heating)는 연소기(28)의 합성 가스 내 산소 또는 공기 점화에 의해서 또는 열 회수 스팀 제너레이터(80) 내의 열 교환에 의해 달성될 수 있다.
합성가스 포화기(4)는 질소 포화기로 교체될 수 있다. 통합 에어 분리 유닛의 설계를 위해, 연료 가스 및 질소 스트림은 거의 동일한 유량을 가지며, 이러한 변화는 비용에 거의 영향을 미치지 않는다.
팽창기는 질소 압축기와 결합되어 이를 구동할 수 있으며, 제너레이터의 필요성 및 그와 관련된 전기 자본 비용 및 효율 손실을 제거시킬 수 있다.
본 발명은 여러가지 잇점을 갖는다. 먼저, 최적의 BTU 함량 수치로 제어되어 효율적인 연소 및 최소의 NOX를 제공할 수 있는 낮은 BTU/SCF 연료를 제공할 수 있다. 이는 BTU 함량을 제어하도록 에어 분리 유닛으로부터 질소를 압축시키는 필요성을 제거하며, 비활성 가스를 비교적 낮은 압력 수치로부터 압축시키는 필요성을 제거한다. 이는 팽창되기 이전의 가스로부터 황을 제거하여 팽창기 유닛에 대한 신뢰성을 증가시키고 팽창기 유닛에 대한 투자 비용을 감소시킨다. 이는 팽창기로 진행되는 가스의 온도를 최대화하는데, 이 팽창기를 사용하는 경우 팽창기는 최대 동력 발생을 허용하고 그리고 전체 사이클 효율을 개선할 것이다. 이는 표준 압력 에어 분리 유닛 또는 파이프라인 산소를 이용한 효과적인 기화 동력 발생을 허용한다. 이는 고온의 탈황 유닛이 포함될 때 황의 방출을 ppm(1/106) 수치로 감소시킨다.
이러한 시스템은 동력 사이클상에 최소의 영향을 유지하는 것이 요구되는 경우 바이패스가능하다. 바이패스 모드에서, 스팀 분사는 NOX발생을 낮게 유지하기 위해 사용가능하며, 합성가스 연료는 합성가스 포화기로부터 연소기 내부로 직접 진행가능하다.

Claims (10)

  1. 동력 발생 유닛의 효율을 증가시키기 위한 시스템으로서, 기화기 내 탄화수소 연료의 부분 산화 반응에 의해 상승된 온도 및 압력의 합성 가스가 소스에서 생성되며, 동력 발생 유닛 내에서 상기 합성 가스가 연료로서 사용되어 동력을 생성하는 동력 발생 유닛의 효율을 증가시키기 위한 시스템에 있어서,
    상기 시스템이 상기 동력 발생 유닛의 상류에 바로 인접하게 위치된 고온의 가스 팽창기; 상기 동력 발생 유닛으로부터의 공기 공급원에 직렬로 연결되는 하나 또는 그 이상의 열 교환기, 상기 열교환기와 직렬로 연결되는 공기 포화기, 및 상기 공기 포화기와 직렬로 연결되는 압축기; 상기 고온 가스 팽창기의 상류에 바로 인접하게 위치되는 연소기를 포함하는 것과, 그리고 또한 상기 가스 팽창기가 상기 연소기 주변의 바이패스를 통하여 상기 합성 가스의 소스에 연결되는 것과; 그리고 상기 바이패스가 상기 연소기를 벗어나는 상기 가스로부터 황을 제거하기 위한 고온 탈황 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 발생 유닛의 효율을 증가시키기 위한 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고온의 가스 팽창기 상류에 합성 가스 포화기 및 열교환 설비를 더 포함하는 동력 발생 유닛의 효율을 증가시키기 위한 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 동력 발생 유닛이 가스 터빈인 동력 발생 유닛의 효율을 증가시키기 위한 시스템.
  4. 동력 발생 유닛의 효율을 증가시키기 위한 시스템으로서, 기화기 내 탄화수소 연료의 부분 산화 반응에 의해 상승된 온도 및 압력의 합성 가스가 소스에서 생성되며, 동력 발생 유닛 내에서 상기 합성 가스가 연료로서 사용되어 동력을 생성하는 동력 발생 유닛의 효율을 증가시키기 위한 시스템에 있어서,
    상기 시스템이 상기 동력 발생 유닛의 상류에 바로 인접하게 위치된 고온의 가스 팽창기; 상기 고온 가스 팽창기의 상류에 바로 인접하게 위치되는 연소기; 상기 연소기와 직렬로 연결되는 고압 산소 소스를 포함하는 것과, 그리고 또한 상기 가스 팽창기가 상기 연소기 주변의 바이패스를 통하여 상기 합성 가스의 소스에 연결되는 것과; 그리고 상기 바이패스가 상기 연소기를 벗어나는 상기 가스로부터 황을 제거하기 위한 고온 탈황 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 발생 유닛의 효율을 증가시키기 위한 시스템.
  5. 동력 발생 시스템의 효율을 증가시키기 위한 방법으로서, 기화기 내 탄화수소 연료의 부분 산화 반응에 의해 상승된 온도 및 압력의 합성 가스가 발생되며, 상기 합성가스는 연료로 사용되어 연소 터빈 내에서 동력을 발생시키며, 그리고 상기 합성 가스가 상기 연소 터빈에 연료로 공급되기 이전에 정화 및 냉각되는 방법에 있어서,
    (a) 상기 합성 가스의 일부를 연소시켜 연소 가스를 생성하는 단계;
    (b) 상기 연소 가스와 상기 합성 가스의 연소되지 않은 부분을 혼합시켜 혼합 가스 혼합제를 형성하는 단계;
    (c) 상기 혼합 가스 혼합제를 탈황시키는 단계;
    (d) 팽창 유닛에서 압력을 줄임으로써 상기 혼합 가스 혼합제의 체적을 팽창시켜 팽창 가스 혼합제를 형성하는 단계; 그리고
    (e) 상기 팽창된 가스 혼합제를 상기 연소 터빈용 연료로서 사용하기 바로 전에 상기 팽창 유닛에 연결된 발전기에서 상기 팽창 가스 혼합제로부터 동력을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 발생 유닛의 효율을 증가시키기 위한 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 단계 (c)의 탈황 단계가 고온 탈황 단계인 동력 발생 유닛의 효율을 증가시키기 위한 방법.
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