KR101110681B1 - 고함수 연료 처리 및 발전 시스템 - Google Patents

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안국영
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이영덕
조주형
강상규
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 고함수 연료 처리 및 발전 시스템에 관한 것으로서, 스팀개질(SMR, steam methane reforming) 방식에 기초하여 고함수 연료를 고온에서 스팀과 반응시키는 스팀 리포머(steam reformer); 및 공기를 공급하는 압축기(compressor)와, 스팀 리포머로부터의 신가스를 제공받아 압축기로부터의 공기와 함께 연소시키는 연소기(combustor)와, 연소기로부터의 연소가스를 제공받아 구동되면서 발전기를 동작시키는 터빈(turbine)을 구비하는 가스 터빈(gas turbine)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 고함수 연료의 처리 과정 중에 악취의 발생이 없을 뿐만 아니라 고농도의 이산화탄소(CO2)를 배출시킬 수 있음은 물론 고온 개질 반응으로 인해 개질 촉매와 더불어 개질용 스팀(steam)의 공급이 필요치 않아 경제적이며, 무엇보다도 고함수 연료를 고급 연료화하고 폐열을 최소화함으로써 고효율의 발전을 수행할 수 있다.

Description

고함수 연료 처리 및 발전 시스템{PROCESSING AND GENERATION SYSTEM FOR HIGHLY WATER-CONTAINING FUEL}
본 발명은, 고함수 연료 처리 및 발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 고함수 연료의 처리 과정 중에 악취의 발생이 없고 저발열 연료를 사용할 수 있으며, 경제적이고 고효율로 발전을 할 수 있는 고함수 연료 처리 및 발전 시스템에 관한 것이다.
산업이나 가정용 폐기물들(예를 들면 하수 슬러지)이 증가추세에 있는 한편, 지구가 가진 에너지원이 점점 고갈됨에 따라서 대체에너지의 개발이 필수적인 상황이다.
이러한 현실에서 고함수 연료, 예컨대 바이오매스(biomass) 슬러지는 화석연료의 고갈과 환경오염에 대한 우려를 해소할 수 있는 대체에너지의 한 분야로 주목받고 있다.
바이오매스란 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의하여 생성되는 식물체, 균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물유기체를 지칭하는 용어이다.
따라서 바이오매스 자원은 곡물 등의 전분질계 자원과 임목 및 볏짚, 왕겨와 같은 농부산물을 포함하는 셀룰로오스계의 자원, 사탕수수, 사탕무와 같은 당질계의 자원 및 음식폐기물 등의 유기성 폐기물에 이르기까지 포함하는 포괄적인 의미를 갖는다.
현재 지구상에는 건조중량으로 약 1.8 내지 2조 톤(ton)의 바이오매스가 존재하고, 이 양의 약 10% 에 해당하는 2,000억 톤의 바이오매스가 매년 생산되고 있다고 보고 되고 있다.
이는 지구상에 내려 쬐는 태양에너지의 약 0.1%가 바이오매스로 축적되고 있는 것에 해당하며, 또한 바이오매스는 근본적으로 이산화탄소(CO2)에 의한 환경영향이 제로이기 때문에 화석연료에 비해 매력적인 에너지원이 아닐 수 없다.
이에, 이러한 바이오매스를 에너지화하기 위한 방법에 대한 연구가 지속적으로 행해지고 있다.
실제, 바이오매스를 이용한 발전 시스템으로서 열화학적 방법이 가장 보편적인 것으로 알려지고 있는데 그 중에서도 열분해, 액화, 가스화 등의 새로운 기술에 의한 이용이 연구 개발되고 있다.
하지만, 현재까지 연구되고 있거나 상용화를 시도하고 있는 기술의 경우, 예컨대 바이오매스의 처리 과정 중에 악취가 발생되거나 지구 온난화의 원인이 되는 고농도의 이산화탄소(CO2)를 처리하여 배출시키지 못하거나 혹은 개질 촉매 및 개질용 스팀(steam)의 추가 공급이 필요한 등 아직까지도 해결해야 할 부분이 많기 때문에, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 타입의 발전 시스템이 요구된다.
본 발명적 개념의 하나 이상의 예시적 실시예에 따르면, 고함수 연료의 처리 과정 중에 악취의 발생이 없을 뿐만 아니라 공기 대신 순산소를 이용하는 경우 연소 후 배가스는 질소(N2)가 배제되어 CO2와 H2O가 되며 이 중 H2O는 온도를 낮춤으로서 쉽게 응축되어 분리되므로 고농도의 이산화탄소(CO2)를 배출시킬 수 있음은 물론 N2 현열 손실을 억제할 수 있어 저발열 연료를 사용할 수 있으며 고온 개질 반응으로 인해 개질 촉매와 더불어 개질용 스팀(steam)의 공급이 필요치 않아 경제적이며, 무엇보다도 고함수 연료를 고급 연료화하고 폐열을 최소화함으로써 고효율의 발전을 수행할 수 있는 고함수 연료 처리 및 발전 시스템이 제공된다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 스팀개질(SMR, steam methane reforming) 방식에 기초하여 고함수 연료를 고온에서 스팀과 반응시키는 스팀 리포머(steam reformer); 및 공기를 공급하는 압축기(compressor)와, 상기 스팀 리포머로부터의 신가스를 제공받아 상기 압축기로부터의 공기와 함께 연소시키는 연소기(combustor)와, 상기 연소기로부터의 연소가스를 제공받아 구동되면서 발전기를 동작시키는 터빈(turbine)을 구비하는 가스 터빈(gas turbine)을 포함하는 고함수 연료 처리 및 발전 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 스팀 리포머는 상기 터빈으로부터의 배기가스에 의해 가열될 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 고함수 연료 처리 및 발전 시스템은 상기 고함수 연료를 공급받아 가열시켜 상기 스팀 리포머로 제공하는 드라이어(dryer)를 더 포함할 수 있다.
상기 드라이어는 상기 터빈으로부터의 배기가스에 의해 가열될 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 고함수 연료 처리 및 발전 시스템은 상기 드라이어와 연결되며, 상기 고함수 연료를 상기 드라이어로 압송시키는 고함수 연료 피더(feeder)를 더 포함할 수 있다.
상기 고함수 연료 피더는, 피더 하우징; 상기 피더 하우징과 연결되고 상기 피더 하우징 내로 상기 고함수 연료를 공급하는 호퍼; 상기 피더 하우징 내에 마련되어 상기 고함수 연료를 상기 드라이어 쪽으로 압송시키는 압송 스크루; 및 상기 압송 스크루와 연결되어 상기 압송 스크루를 동작시키는 모터를 포함할 수 있다.
상기 압축기에 의해 공급되는 공기는 순산소일 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 고함수 연료 처리 및 발전 시스템은 상기 드라이어와 연결되어 상기 드라이어로부터 배출되는 고농도의 이산화탄소(CO2)를 포집하는 이산화탄소 포집기를 더 포함할 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 고함수 연료 처리 및 발전 시스템은, 상기 연료 피더로부터 공급되는 연료에 포함된 수분을 센싱하는 센서; 및 상기 센서에 의한 센싱 결과, 상기 연료에 포함된 수분이 기설정된 값의 이하인 경우, 상기 연료 피더로부터 공급되는 연료를 상기 드라이어를 바이패스하여 상기 스팀 리포머로 공급할 수 있도록 상기 연료 피더와 상기 스팀 리포머를 연결하는 바이패스 라인;을 더 포함할 수 있다.
본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따른 고함수 연료 처리 및 발전 시스템은, 상기 스팀 리포머와 연결되어 상기 스팀 리포머로부터의 폐열을 회수하는 폐열회수기(ORC, Organic Rankin Cycle);를 더 포함할 수 있다.
상기 스팀 리포머는 상기 터빈으로부터의 배기가스에 의해 가열될 수 있다.
본 발명적 개념의 하나 이상의 예시적 실시예에 따르면, 고함수 연료의 처리 과정 중에 악취의 발생이 없을 뿐만 아니라 공기 대신 순산소를 이용하는 경우 고농도의 이산화탄소(CO2)를 배출시킬 수 있음은 물론 고온 개질 반응으로 인해 개질 촉매와 더불어 개질용 스팀(steam)의 공급이 필요치 않아 경제적이며, N2 현열 손실을 억제할 수 있어 저발열 연료를 사용할 수 있으며, 무엇보다도 고함수 연료를 고급 연료화하고 폐열의 배출을 최소화함으로써 고효율의 발전을 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명적 개념의 예시적 실시예인 제1 실시예에 따른 고함수 연료 처리 및 발전 시스템의 블록도,
도 2는 본 발명적 개념의 예시적 실시예인 제2 실시예에 따른 고함수 연료 처리 및 발전 시스템의 블록도,
도 3은 본 발명적 개념의 예시적 실시예인 제3 실시예에 따른 고함수 연료 처리 및 발전 시스템의 블록도, 그리고
도 4는 본 발명적 개념의 예시적 실시예인 제3 실시예에 따른 고함수 연료 처리 및 발전 시스템의 블록도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도 1은 본 발명적 개념의 예시적 실시예인 제1 실시예에 따른 고함수 연료 처리 및 발전 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 고함수 연료 처리 및 발전 시스템은, 고함수 연료 피더(feeder, 10), 드라이어(dryer, 20), 스팀 리포머(steam reformer, 30) 및 가스 터빈(gas turbine, 40)을 포함할 수 있다.
고함수 연료의 예로는 바이오매스, 슬러지, coal, RDF, 폐기물 등을 들 수 있다. 여기서, 바이오매스는 지구상에 건조중량으로 약 1.8 내지 2조 톤(ton)이 존재하고, 이 양의 약 10% 에 해당하는 2,000억 톤의 바이오매스가 매년 생산되고 있다고 보고 되고 있으므로 재원으로는 무궁무진하다 할 수 있다.
고함수 연료 피더(10)는 고함수 연료를 시스템 라인, 즉 드라이어(20)로 제공하는 역할을 한다.
이러한 고함수 연료 피더(10)는, 피더 하우징(11)과, 피더 하우징(11)과 연결되고 피더 하우징(11) 내로 고함수 연료를 공급하는 호퍼(12)와, 피더 하우징(11) 내에 마련되어 고함수 연료를 드라이어(20) 쪽으로 압송시키는 압송 스크루(13)와, 압송 스크루(13)와 연결되어 압송 스크루(13)를 동작시키는 고압 모터(14)를 포함할 수 있다.
이에, 호퍼(12) 내로 고함수 연료를 수용시킨 상태에서 스크루 모터(14)를 동작시키면 압송 스크루(13)의 회전동작에 기초하여 고함수 연료가 밀려 이동되면서 드라이어(20) 쪽으로 제공될 수 있다.
드라이어(20)는 터빈 배기 가스의 열을 이용하여 간접방식의 열교환에 의해 제공되는 고함수 연료를 가열 후 증발시킨다. 본 발명적 개념의 예시적 실시예에 따르면, 드라이어(20)와 가스 터빈(40)은 간접 방식으로 열교환이 되도록 서로 열적으로 결합되어 있다.
드라이어(20)에 의해 고함수 연료가 가열되면 수분이 일정부분 건조되기 때문에 고함수 연료는 대략 수분 30% 정도를 함유한 상태가 될 수 있다. 물론, 이의 수치에 본 발명적 개념이 제한될 필요는 없다.
드라이어(20)는 통상의 히터(heater)로 대체될 수도 있는데, 드라이어(20)의 열원, 즉 드라이어(20)를 가열하는 가열매체는 별도로 제공될 수도 있지만 본 실시예에서는 가스 터빈(40)을 이루는 터빈(43)으로부터의 배기가스에 의해 간접 가열되도록 하고 있다. 이와 같이 구성하게 되면 별도의 가열매체를 배제시킬 수 있어 구조가 간단해지고 비용 감소의 효과가 나타난다.
터빈(43)으로부터 배출되는 배기가스는 고온이므로, 터빈(43)으로부터 배출되는 배기가스를 드라이어(20)의 내부로 공급하거나 또는 터빈(43)으로부터 배출되는 배기가스를 드라이어(20)의 외부로 공급함으로써, 드라이어(20)는 가열동작을 원활하게 수행할 수 있다.
드라이어(20)의 주변에는 드라이어(20)와 연결되는 이산화탄소 포집기(50)가 마련된다. 드라이어(20)에서 나오는 부산물은 도 1에 도시된 바와 같이, 공기 대신 순산소를 이용하는 경우 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)일 수 있는데, 이 곳에 이산화탄소 포집기(50)가 마련됨으로써 고농도의 이산화탄소를 포집할 수 있는 이점이 있다.
스팀 리포머(30)는 스팀개질(SMR, steam methane reforming) 방식에 기초하여 드라이어(20)로부터의 고함수 연료를 고온에서 스팀과 반응시키는 역할을 한다.
다시 말해, 스팀 리포머(30)는 스팀과 고함수 연료를 흡열반응을 통하여 고발열량 가스인 신가스(syngas)로 재합성하는 역할을 수행한다.
스팀개질(SMR) 방식이란 예컨대, 천연가스를 고온에서 수증기와 반응시켜 수소를 뽑아내는 방식의 하나로서 현재 실용화 기술로 활발히 연구되고 있다.
스팀 리포머(30)가 고함수 연료를 고온에서 스팀과 반응시키기 위해서는 스팀 리포머(30)를 가열해야 하는데, 이때 스팀 리포머(30)의 가열매체 역시 별도로 제공될 수도 있지만 본 실시예에서는 연소기 표면이 매우 고온이기 때문에 연소기 표면을 통한 열에 의한 간접 방식의 열에 의해 가열되도록 하고 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 스팀 리포머(30)와 연소기(42)는 간접 방식으로 열교환이 이루어지도록 열적으로 결합되어 있다. 설명의 목적을 위해서, 용어‘열적으로 결합’은, 양자 간에 열 교환이 이루어질 수 있도록 결합된 것을 의미하는 것으로 사용하기로 한다.
이와 같이 구성하게 되면 별도의 가열매체를 배제시킬 수 있어 구조가 간단해지고 비용 감소의 효과가 나타난다. 본 실시예에서, 연소기 표면 열전달을 증폭시키는 열교환 핀(미도시)가 마련되며, 이 핀을 통해서 이동되는 배기 가스는 스팀 리포머(30)로 제공될 수 있다.
스팀 리포머(30)가 동작되면, 일정부분은 재(ash)로 형성되고 일정부분은 신가스(syngas)로 배출된다. 통상적으로는 일산화탄소와 수소가 혼합된 합성가스를 신가스라 부른다. 신가스는 시스템의 라인을 따라 가스 터빈(40)의 연소기(42)의 연료로 투입된다.
한편, 가스 터빈(40)은 고온/고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 회전형 열기관이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(compressor, 41), 연소기(combustor,42), 터빈(turbine,43)을 구비할 수 있다.
압축기(41)는 공기를 공급하는 역할을 한다. 이때, 압축기(41)에 의해 공급되는 공기는 질소(N2)가 배제된 순산소일 수 있다.
연소기(42)는 압축기(41)로부터 제공되는 순산소를 이용하여 스팀 리포머(30)에서 제공되는 신가스를 연소시킴으로써 터빈(43)의 동작을 위한 연소가스 (물(H2O)과 이산화탄소(CO2))를 생성시킨다.
연소기는 고온이므로 연소기와 스팀리포머를 열적으로 결합시켜 연소기로부터 발생되는 열이 스팀리포머로 공급되도록 하였으며, 이로써 연소기 표면 온도가 과도하게 되는 것을 막을 수 있을 뿐만 아니라 스팀리포머에 필요한 열을 공급해 줄 수 있는 장점이 있다.
터빈(43)은 연소기(42)로부터의 연소가스를 제공받아 구동되면서 발전기(G)를 동작시키는 역할을 한다.
본 발명적 개념을 예시적으로 나타낸 도 1과 같이, 터빈(43)과 압축기(41)는 직접 또는 간접적으로 1개의 단일 샤프트(44)로 연결될 수 있다. 그리고 압축기(41)를 가동시키는 동력은 터빈(43)에서 발생하는 출력의 25% 내지 30%를 사용할 수 있다. 따라서 발전기(G) 및 프로펠러(P) 등을 회전시키는 출력은 터빈(43)에서 발생하는 출력에서 압축기(41)를 가동시키는 데 소요되는 출력을 뺀 것이 된다.
이러한 구조의 가스 터빈(40)에 대해 다시 요약하면, 가스 터빈(40)은 연소기(42)에 의하여 얻어지는 고온의 연소가스를 이용하여 터빈(43)을 회전시키는 발전 방식을 갖는다. 즉 터빈(43)에 직결된 압축기(41)에 의하여 빨아들여진 순산소를 고압력으로 압축하여 연소기(42)에 공급하며, 연소기(42)에서 연료를 연소시켜서 발생한 고온의 연소가스는 터빈(43) 속에서 팽창하여 프로펠러(P) 또는 발전기(G)에 회전 동력을 발생시킨다. 이때, 터빈(43)의 열사이클은 압축, 가열, 팽창, 방열의 과정으로 구성될 수 있다.
이와 같은 열사이클을 일반적으로 브레이턴사이클이라 한다. 브레이턴사이클은, 외기를 사이클 내에 도입하고 배기를 대기 중에 방출하는 개방사이클과, 가스가 사이클 내를 순환하는 밀폐사이클의 2종류로 크게 분류되는데, 발전용으로 주로 쓰이는 것은 개방사이클이며, 이러한 개방사이클이 도 1에 적용되고 있다. 물론, 이러한 사항에 본 발명적 개념이 제한될 필요는 없다. 예컨대, 도 1의 개방사이클 외에 열교환기를 사용하여 배기의 여열을 회수하는 재생사이클, 터빈에서 팽창중인 가스를 가열하는 재열사이클과 이것들을 조합한 열사이클 등에도 본 발명적 개념이 적용될 수 있을 것이다.
이러한 가스 터빈(40)이 적용되는 경우, 구조는 기력발전에 비하여 간단하고 보완기기가 적을 뿐만 아니라 복수기 냉각수를 필요로 하지 않고 건설공사기간도 짧으며, 시동?정지가 쉽고 급속한 부하변화에도 대응할 수 있는 등의 특징을 가지므로 다른 것들에 비해 보다 효과적이라 할 수 있다.
이하에서는, 상술한 구성을 갖는 고함수 연료 처리 및 발전 시스템의 작용에 대해 개략적으로 설명하기로 한다.
고함수 연료를 호퍼(12) 내로 수용시킨 상태에서 스크루 모터(14)를 동작시키면 압송 스크루(13)의 회전동작에 기초하여 고함수 연료가 밀려 이동되면서 드라이어(20) 쪽으로 제공될 수 있다.
드라이어(20)로 제공된 고함수 연료는 가스 터빈(40)을 이루는 터빈(43)으로부터의 배기가스의 간접가열 방식에 의해 가열 및 수증기가 증발되어 스팀 리포머(30)로 제공된다. 이때, 드라이어(20)의 작용에 의해 배출되는 부산물 중 고농도의 이산화탄소는 이산화탄소 포집기(50)에 의해 포집될 수 있다.
스팀 리포머(30)에서는 스팀과 드라이어(20)로부터의 고함수 연료를 흡열반응을 통하여 고발열량 가스인 신가스(syngas)로 재합성하는 역할을 수행한다. 다시 말해, 스팀 리포머(30)는 스팀개질(SMR, steam methane reforming) 방식에 기초하여 드라이어(20)로부터의 고함수 연료를 고온에서 스팀과 반응시킨다.
스팀 리포머(30)의 작용에 의해 일부는 재로 방출되고, 나머지는 신가스는 시스템의 라인을 따라 가스 터빈(40)의 연소기(42)의 연료로 투입된다.
이후에, 가스 터빈(40)은 스팀 리포머(30)의 신가스에 의해 연소기(42)에 의하여 얻어지는 고온의 연소가스를 이용하여 터빈(43)을 회전시키면서 발전기(G)를 구동시키게 된다.
이와 같은 발전 방식을 갖는 본 실시예의 고함수 연료 처리 및 발전 시스템에 따르면, 부산물들이 후공정에서 재사용되는 방식을 가지기 때문에 고함수 연료의 처리 과정 중에 악취의 발생이 없으며, 필요에 따라 고농도의 이산화탄소를 배출시킬 수 있다.
또한 스팀 리포머(30)에 의한 고온 개질 반응이 적용되기 때문에 개질 촉매와 더불어 개질용 스팀(steam)의 공급이 필요치 않아 경제적이며, 무엇보다도 고함수 연료를 고급 연료화하고 폐열을 최소화함으로써 고효율의 발전을 수행할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명적 개념의 예시적 실시예인 제2 실시예에 따른 고함수 연료 처리 및 발전 시스템의 블록도이다. 도 2의 실시예는 도 1의 실시예보다 상대적으로 함수율이 낮은 경우에 적용될 수 있다.
이 도면을 참조하면, 본 실시예의 고함수 연료 처리 및 발전 시스템은 전술한 실시예의 고함수 연료를 이용한 발전 시스템에서 드라이어(20)를 적용하지 않는 대신에 폐열회수기(ORC, Organic Rankin Cycle, 60)를 적용하고 있다는 점을 제외하고는 전술한 실시예와 그 구성과 동작이 모두 동일하다. 따라서 동일한 구성에 대해서는 중복 설명을 생략하는 대신에 동일한 참조부호를 부여하도록 한다.
본 실시예의 고함수 연료 처리 및 발전 시스템에 적용되는 폐열회수기(ORC, 60)는 스팀 리포머(30) 및/또는 터빈(43)과 연결되어 스팀 리포머(30)로부터의 폐열을 회수하는 역할을 한다.
폐열회수기(ORC, 60)는 열역학 및 유체역학의 제법칙을 응용하여 최소의 전열 면적으로 최대의 열교환이 되도록 제작된 열회수장치이다. 폐열회수기(ORC, 60)에 의해 회수된 폐열은 발전기(G)로 연결되어 발전기(G)의 구동을 위한 동력원으로 이용될 수 있으며, 잔여 배기가스(flue gas)는 방출된다.
도 1의 실시예와 마찬가지로, 도 2의 스팀 리포머(30)는 연소기(42)와 열적으로 결합되어 있고, 따라서 고온의 연소기(42)에 의해 가열될 수 있다.
도 2의 시스템이 적용되더라도, 고함수 연료의 처리 과정 중에 악취의 발생이 없을 뿐만 아니라 고농도의 이산화탄소를 배출시킬 수 있음은 물론 고온 개질 반응으로 인해 개질 촉매와 더불어 개질용 스팀(steam)의 공급이 필요치 않아 경제적이며, 무엇보다도 고함수 연료를 고급 연료화하고 폐열을 최소화함으로써 고효율의 발전을 수행할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명적 개념의 예시적 실시예인 제3 실시예에 따른 고함수 연료 처리 및 발전 시스템의 블록도이다.
본 실시예의 경우, 제1 실시예에서 설명한 고함수 연료 처리 및 발전 시스템에 폐열회수기(ORC, 60)가 적용되는 예를 개시하고 있는데, 이와 같은 시스템 역시 충분히 사용이 가능한 것이다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 고함수 연료의 처리 과정 중에 악취의 발생이 없을 뿐만 아니라 고농도의 이산화탄소(CO2)를 배출시킬 수 있음은 물론 고온 개질 반응으로 인해 개질 촉매와 더불어 개질용 스팀(steam)의 공급이 필요치 않아 경제적이며, 무엇보다도 고함수 연료를 고급 연료화하고 폐열을 최소화함으로써 고효율의 발전을 수행할 수 있게 된다.
도 3의 실시예는 도 1의 실시예와 비교할 때 폐열 회수기(60)를 추가적으로 구비하고 있다는 점에서 차이가 있다. 도 3의 실시예에 따르면, 터빈(43)으로부터 배출되는 고온의 배기 가스는 드라이어(20)로 공급되고, 그리고 드라이어(20)에 공급된 배기가스는 드라이어(20)에 열을 공급한 후에 폐열회수기(60)를 통하여 열이 흡수된게 된다. 그리고, 도 1의 실시예와 마찬가지로, 연소기(42)와 스팀 리포머(30)는 서로 열적으로 결합되어 있으며, 이로써 고온의 연소기(42)로부터 스팀 리포머(30)로 열이 전달되게 된다.
도 4는 본 발명적 개념의 예시적 실시예인 제4 실시예에 따른 고함수 연료 처리 및 발전 시스템의 블록도이다.
도 3의 실시예와 비교할 때 도 4의 실시예는, 폐열 회수기(60)를 추가적으로 구비하고 있다는 점에서 차이가 있다. 도 4의 폐열 회수기(20)는 스팀 리포머(30) 및/또는 터빈(43)으로부터 발생된 열을 회수할 수 있다. 점에
또한, 도 4의 실시예는 바이패스 라인을 추가적으로 포함할 수 있다. 도 4의 실시예에 따르면, 연료가 함수율이 상대적으로 낮은 경우에는, 드라이어(20)를 거치지 않고 바로 스팀 리포머(30)로 연료가 공급되도록 한다. 예를 들면, 도 4의 실시예는 연료 피더(10)로부터 배출되는 연료가 수분을 어느 정도 포함하고 있는지를 센싱할 수 있는 센서를 추가적으로 구비하며, 컨트롤러(미도시)는 센서의 센싱 결과에 기초하여 밸브 V1과 밸브 V2의 개방 또는 폐쇄 동작을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 컨트롤러(미도시)는, 연료 피더(10)로부터 배출되는 연료의 함수율이 기설정된 값 이하인 경우라고 판단되면, 밸브 V1을 폐쇄하고 밸브 V2를 개방시킨다. 이후, 연료 피더(10)로부터 배출되는 연료는 바이패스 라인을 통해서 스팀 리포머(30)로 직접 공급될 수 있다. 한편, 컨트롤러(미도시)는, 연료 피더(10)로부터 배출되는 연료의 함수율이 기설정된 값 보다 큰 경우라고 판단되면, 밸브 V1을 개방하고 밸브 V2를 폐쇄시킬 수 있다. 그리고, 연료 피더(10)로부터 배출되는 연료는 드라이어(20)를 거쳐서 스팀 리포머(30)로 공급될 수 있다. 이로써, 연료의 함수율에 따라서 적절하게 처리할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
10 : 고함수 연료 피더 11 : 피더 하우징
12 : 호퍼 13 : 압송 스크루
14 : 스크루 모터 20 : 드라이어
30 : 스팀 리포머 40 : 가스 터빈
41 : 압축기 42 : 연소기
43 : 터빈 50 : 이산화탄소 포집기
60 : 폐열회수기

Claims (11)

  1. 스팀개질(SMR, steam methane reforming) 방식에 기초하여 고함수 연료를 고온에서 스팀과 반응시키는 스팀 리포머(steam reformer);
    공기를 공급하는 압축기(compressor)와, 상기 스팀 리포머로부터의 신가스를 제공받아 공기와 함께 연소시키는 연소기(combustor)와, 상기 연소기로부터의 연소가스를 제공받아 구동되면서 발전기를 동작시키는 터빈(turbine)을 구비하는 가스 터빈(gas turbine);
    상기 고함수 연료를 공급하는 연료피더; 및
    상기 연료피더로부터 고함수 연료를 공급받아 가열시켜 상기 스팀 리포머로 제공하는 드라이어(dryer);를 포함하는 것을 특징으로 하는 고함수 연료 처리 및 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스팀 리포머는 상기 터빈으로부터의 배기가스에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 고함수 연료 처리 및 발전 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 드라이어는 상기 연소기와 열적으로 결합된 것을 특징으로 하는 고함수 연료 처리 및 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 드라이어와 연결되며, 상기 고함수 연료를 상기 드라이어로 압송시키는 고함수 연료 피더(feeder)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고함수 연료 처리 및 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고함수 연료 피더는,
    피더 하우징;
    상기 피더 하우징과 연결되고 상기 피더 하우징 내로 상기 고함수 연료를 공급하는 호퍼;
    상기 피더 하우징 내에 마련되어 상기 고함수 연료를 상기 드라이어 쪽으로 압송시키는 압송 스크루; 및
    상기 압송 스크루와 연결되어 상기 압송 스크루를 동작시키는 스크루 모터를 포함하는 고함수 연료 처리 및 발전 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연소기가 상기 압축기로부터 제공받는 공기는 순산소인 것을 특징으로 하는 고함수 연료 처리 및 발전 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 드라이어와 연결되어 상기 드라이어로부터 배출되는 고농도의 이산화탄소(CO2)를 포집하는 이산화탄소 포집기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고함수 연료 처리 및 발전 시스템.
  9. 제4항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 연료 피더로부터 공급되는 연료에 포함된 수분을 센싱하는 센서; 및
    상기 센서에 의한 센싱 결과, 상기 연료에 포함된 수분이 기설정된 값의 이하인 경우, 상기 연료 피더로부터 공급되는 연료를 상기 드라이어를 바이패스하여 상기 스팀 리포머로 공급할 수 있도록 상기 연료 피더와 상기 스팀 리포머를 연결하는 바이패스 라인;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고함수 연료 처리 및 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 스팀 리포머와 연결되어 상기 스팀 리포머로부터의 폐열을 회수하는 폐열회수기(ORC, Organic Rankin Cycle);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고함수 연료 처리 및 발전 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스팀 리포머는 상기 연소기와 열적으로 결합된 것을 특징으로 하는 고함수 연료 처리 및 발전 시스템.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH09510522A (ja) * 1994-03-21 1997-10-21 キャプストーン・タービン・コーポレイション ガスタービン発電機
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