KR101438109B1 - Combined power generation system and method for capturing carbon dioxide in the combined power generation system - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 복합발전시스템은, 석탄 및 산소를 공급받아 가스화기에서 합성가스를 생성한 뒤 메탄화 반응기를 거쳐 메탄을 합성하는 천연가스합성장치와, 상기 천연가스합성장치로부터 메탄을 포함하는 연료를 공급받아 전기에너지를 발생시키는 연료전지장치 및 상기 연료전지장치에 인접한 이산화탄소 배출시설에서 배출되는 이산화탄소를 상기 연료전지장치의 캐소드 전극에 공급하는 이산화탄소 공급부를 포함한다.A combined-cycle power generation system according to an embodiment of the present invention includes a natural gas synthesis device that generates synthesis gas in a gasifier after being supplied with coal and oxygen and then synthesizes methane through a methanation reactor, And a carbon dioxide supply unit for supplying carbon dioxide discharged from a carbon dioxide discharge facility adjacent to the fuel cell apparatus to a cathode electrode of the fuel cell apparatus.

Figure R1020120155169
Figure R1020120155169

Description

복합발전시스템 및 복합발전시스템의 이산화탄소 포집방법{COMBINED POWER GENERATION SYSTEM AND METHOD FOR CAPTURING CARBON DIOXIDE IN THE COMBINED POWER GENERATION SYSTEM}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a combined power generation system and a combined power generation system for collecting carbon dioxide,

본 발명의 일실시예들은 천연가스합성장치와 연료전지장치를 복합적으로 구비하는 복합발전시스템에 관한 것이다.
One embodiment of the invention relates to a combined power generation system comprising a combined natural gas synthesis unit and a fuel cell unit.

천연가스합성장치는 합성 천연 가스(Synthetic Natural Gas, 이하, SNG라 한다)를 생산하는 장치로써, 석탄 및 유기성원료를 고온 고압으로 가스화 한 후 가스정제공정을 거쳐 합성가스 중의 CO와 H2를 1:3으로 합성하여 메탄이 주성분인 가스를 생산하는 공정을 구현하도록 형성된다. 합성된 합성천연가스는 대체에너지로서 여러 유기성 원료로부터 합성이 가능하다. 합성천연가스는 기존의 LNG 공급망을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있으며 합성석유 및 합성화합물질의 원료로 사용될 수 있다.Natural gas synthesis system is a system for producing synthetic natural gas (hereinafter referred to as SNG). It is a system for gasification of coal and organic raw materials at high temperature and high pressure and then gas purification process to convert CO and H 2 in syngas to 1 : ≪ / RTI > 3 to produce a gas containing methane as the main component. Synthetic natural gas is an alternative energy and can be synthesized from various organic raw materials. Synthetic natural gas has the advantage of being able to use the existing LNG supply chain as it is and can be used as raw material for synthetic petroleum and synthetic compound materials.

그리고, 연료전지장치는 고효율의 청정에너지 전력생산 시스템으로 현재 관심을 받고 있다. 연료전지장치는 화학적 에너지를 직접적으로 전기 에너지로 전환시키는 발전 장치로서, 수소를 포함하고 있는 연료가 지속적으로 공급됨과 동시에 산소가 포함된 공기가 지속적으로 공급되어 상기 공급된 수소와 산소의 전기화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기 에너지로 직접 변환시킨다. 이와 같이 연료 전지는 연료와 산소가 지속적으로 공급되면서 지속적으로 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.And, fuel cell devices are attracting attention as a high efficiency clean energy power generation system. The fuel cell device is a power generation device that directly converts chemical energy into electric energy. The fuel containing hydrogen is continuously supplied, and at the same time, the air containing oxygen is continuously supplied, and the electrochemical reaction To directly convert the energy difference before and after the reaction into electric energy. As such, the fuel cell can continuously generate electrical energy as fuel and oxygen are continuously supplied.

석탄을 주원료로 하여 전기에너지를 생산하는 석탄화력발전소는 상당한 양의 이산화탄소를 배출한다. 이산화탄소는 온실가스 감축의 주대상이 되므로, 석탄화력발전소로부터 배출되는 이산화탄소량을 감축시키는 것은 석탄화력발전소의 주요한 과제이다.Coal-fired power plants, which produce electricity using coal as their main source, emit considerable amounts of carbon dioxide. Since carbon dioxide is a major target for greenhouse gas reduction, reducing the amount of carbon dioxide emitted from coal-fired power plants is a major challenge for coal-fired power plants.

따라서, 천연가스합성장치와 연료전지장치를 조합하여 보다 효율적인 발전 시스템을 구현하면서도 이산화탄소를 포집하여 연료전지장치에 공급하는 방안이 고려될 수 있다.
Therefore, a method of collecting carbon dioxide and supplying it to the fuel cell device while realizing a more efficient power generation system by combining the natural gas synthesizing device and the fuel cell device can be considered.

본 발명의 일 목적은 보다 효율적인 복합발전시스템을 제공하기 위한 것이다. It is an object of the present invention to provide a more efficient hybrid power generation system.

본 발명의 다른 목적은, 천연가스합성장치, 연료전지장치 및 석탄화력발전소와 같은 이산화탄소 배출시설이 서로 연계되고, 보다 높은 효율을 갖으며, 보다 높은 이산화탄소 포집율을 갖는 복합발전시스템을 제공하기 위한 것이다.
It is another object of the present invention to provide a combined power generation system having a carbon dioxide emission facility such as a natural gas synthesis apparatus, a fuel cell apparatus and a coal-fired power plant connected to each other, having a higher efficiency, and a higher carbon dioxide capture rate will be.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 복합발전시스템은, 석탄 및 산소를 공급받아 가스화기에서 합성가스를 생성한 뒤 메탄화 반응기를 거쳐 메탄을 합성하는 천연가스합성장치와, 상기 천연가스합성장치로부터 메탄을 포함하는 연료를 공급받아 전기에너지를 발생시키는 연료전지장치 및 상기 연료전지장치에 인접한 발전소나 이산화탄소 배출시설에서 배출되는 이산화탄소를 상기 연료전지장치의 캐소드 전극에 공급하는 이산화탄소 공급부를 포함한다.To achieve these and other advantages and in accordance with the purpose of the present invention, as embodied and broadly described herein, the present invention provides a combined-cycle power generation system for generating methane from a gasifier, A fuel cell apparatus for generating electricity by receiving fuel containing methane from the natural gas synthesis apparatus, and a fuel cell system for generating carbon dioxide discharged from a power plant or a carbon dioxide discharge facility adjacent to the fuel cell apparatus, And a carbon dioxide supply unit for supplying the carbon dioxide to the electrode.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 연료전지장치는 상기 메탄화 반응기에서 생성된 메탄으로부터 형성된 수소를 공급받는 애노드 전극을 포함할 수 있다.According to an example of the present invention, the fuel cell apparatus may include an anode electrode supplied with hydrogen formed from methane generated in the methanation reactor.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 가스화기에서 유입되는 유체를 이용하여 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)을 통해 수소와 이산화탄소를 생성하는 제1 반응기를 더 포함하고, 상기 애노드 전극으로부터 배출되는 미반응 가스는 상기 제1 반응기로 공급될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the apparatus further comprises a first reactor for generating hydrogen and carbon dioxide through a water gas shift reaction using the fluid introduced from the gasifier, The unreacted gas may be supplied to the first reactor.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 반응기로부터 배출되는 유체를 공급받아 물리 또는 화학적 분리를 통해 이산화 탄소와 황화합물을 분리하는 제2 반응기를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the apparatus may further include a second reactor that receives the fluid discharged from the first reactor and separates carbon dioxide and sulfur compounds through physical or chemical separation.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 이산화탄소 공급부는, 상기 발전소로부터 배출되는 배가스에서 황을 제거하는 탈황장치와 이산화탄소를 일정 이상의 압력으로 가압하여 상기 캐소드 전극에 공급하는 가압장치를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon dioxide supply unit may further include a desulfurization device for removing sulfur from the exhaust gas discharged from the power plant, and a pressurizing device for pressurizing the carbon dioxide to a predetermined pressure or higher and supplying the carbon dioxide to the cathode electrode .

또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명의 다른 실시예는, 천연가스합성장치, 연료전지장치 및 화력발전소가 서로 연계된 복합발전시스템의 이산화탄소 포집 방법에 있어서, 상기 화력발전소에서 배출된 이산화탄소가 상기 연료전지장치의 캐소드 전극에 공급되는 단계와 상기 캐소드 전극에 공급된 이산화탄소가 탄산 이온(CO3 2 -)으로 전환된 후, 애노드 전극에서 수소와 반응하여 이산화탄소로 다시 전환되는 단계 및 상기 애노드 전극에서 배출된 이산화탄소가 상기 천연가스합성장치에서 포집되는 단계를 포함하는 복합발전시스템의 이산화탄소 포집방법을 개시한다.
In another aspect of the present invention, there is provided a carbon dioxide capture method for a combined power generation system in which a natural gas synthesis apparatus, a fuel cell apparatus, and a thermal power plant are linked to each other, (CO 3 2 - ) supplied to the cathode electrode, and then reacting with hydrogen at the anode electrode to convert the carbon dioxide to carbon dioxide, and supplying the carbon dioxide gas to the anode electrode And the discharged carbon dioxide is collected in the natural gas synthesis apparatus.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 복합발전시스템은 석탄화력발전에서 배출되는 이산화탄소의 회수를 위해 연료전지장치를 이용함으로써 이산화탄소 회수 장치의 규모와 설치 비용 및 운영비용을 줄일 수 있다.
The combined power generation system according to at least one embodiment of the present invention configured as above can reduce the size, installation cost and operating cost of the carbon dioxide recovery device by using the fuel cell device for recovering the carbon dioxide discharged from the coal- have.

도 1과 도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 천연가스합성장치의 반응 프로세스 및 장치의 개념도.
도 3은 본 발명과 관련된 연료전지장치의 개념도.
도 4는 본발명의 일 실시예에 따르는 복합발전시스템의 개념도.
1 and 2 are conceptual views of a reaction process and apparatus of a natural gas synthesis apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a conceptual view of a fuel cell apparatus related to the present invention.
4 is a conceptual diagram of a combined power generation system according to an embodiment of the present invention;

이하, 본 발명에 관련된 복합발전시스템 및 복합발전시스템의 이산화탄소 포집방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a method of collecting carbon dioxide in a combined power generation system and a combined power generation system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The suffix "module" and " part "for the components used in the following description are given or mixed in consideration of ease of specification, and do not have their own meaning or role. In the present specification, the same or similar reference numerals are given to different embodiments in the same or similar configurations. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.

도 1과 도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 천연가스합성장치의 반응 프로세스 및 장치의 개념도이다.1 and 2 are conceptual views of a reaction process and apparatus of a natural gas synthesis apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이 천연가스합성장치(100)는 저가의 유기성 원료(일 예로, 석탄 또는 갈탄을 들 수 있다)를 고온, 고압에서 가스화(CO + H2)한 후, 이를 정제하여 합성천연가스, 합성석유, 또는 전력을 생산하는 청정석탄 연료화 기술이다.
As shown in FIG. 1, the natural gas synthesis apparatus 100 is a process for gasifying (CO + H 2 ) an inexpensive organic raw material (for example, coal or lignite) at high temperature and high pressure, It is a clean coal fuels technology that produces natural gas, synthetic petroleum, or electric power.

*도 2에 도시된 바와 같이, 전처리된 원재료(Raw Material)가 가스화기(110)에서 산소와 만나 섭씨 1000도 내지 1600도에서 합성 가스인 수소 (H2), 일산화탄소 (CO)를 생산하고, 부산물로 이산화탄소 (CO2), 메탄 (CH4), 황화합물(일 예로, 황화수소 (H2S)), 회분(Ash) 등을 생성한다. As shown in FIG. 2, raw material raw materials are mixed with oxygen in the gasifier 110 to produce hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO), which are synthetic gases, at 1000 ° C. to 1600 ° C., (CO 2 ), methane (CH 4 ), sulfur compounds (for example, hydrogen sulfide (H 2 S)) and ashes as byproducts.

이 고온의 가스는 합성가스냉각부(120)를 통하여 열 회수 후 가스정제부(130)를 통해 먼지, 황 및 수은 등의 오염가스를 제거하는 가스 정제공정을 거친다. 오염가스 정제공정을 거치면 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 황화합물을 주성분으로 포함하는 합성가스를 생성하게 되고, 이러한 조성을 갖는 합성가스는 수성 가스 전이 반응을 하도록 형성되는 제1 반응기(140)로 유입된다.The high-temperature gas is subjected to a gas purification process for removing contaminants such as dust, sulfur, and mercury through the gas purification unit 130 after recovering heat through the synthesis gas cooling unit 120. After the polluted gas purification process, a synthesis gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, methane, and sulfur compounds as main components is produced, and the synthesis gas having such a composition is introduced into the first reactor 140 formed to perform the water gas transfer reaction .

그리고, 제1 반응기(140)로 유입된 합성 가스는 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction: CO + H2O → CO2 + H2)을 통해 H2와 CO2를 생성하고, 이후 다시 Rectisol 반응기(이하, 제2 반응기라고 한다)로 유입되고, 제2 반응기(150)는 물리, 화학적 분리를 통해 CO2 및 황성분을 분리한다. 여기서, 분리된 CO2는 압축하여 지중으로 매설하거나 재이용할 수 있다. 또는 원유시추공정(Enhanced Oil Recovery)에 활용할 수 있다.Then, the synthesis gas introduced into the first reactor 140 generates H 2 and CO 2 through a water gas shift reaction (CO + H 2 O? CO 2 + H 2 ), and then Rectisol (Hereinafter, referred to as a second reactor), and the second reactor 150 separates CO 2 and sulfur components through physical and chemical separation. Here, the separated CO 2 can be compressed and buried in the ground or reused. Or for enhanced oil recovery.

즉, 천연가스합성장치(100)는 유입된 유체를 이용하여 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)을 통해 H2와 CO2를 생성하는 제1 반응기(140)와, 물리, 화학적 분리를 통해 CO2 및 황성분을 분리하는 제2 반응기(150)를 포함한다.That is, the natural gas synthesis apparatus 100 includes a first reactor 140 for generating H 2 and CO 2 through a water gas shift reaction using an introduced fluid, And a second reactor 150 for separating CO 2 and sulfur components.

제2 반응기(150)는 메탄화 반응기(160)에 연결된다. 메탄화 반응기(160)는 제2 반응기(150)로부터 유입되는 일산화탄소와 수소를 이용하여 메탄을 생성하고, 이를 연료전지장치(200)로 공급할 수 있다. 또한 비록 도시되지는 않았지만, 천연가스합성장치(100)로부터 생성된 메탄을 이용할 수 있도록 천연가스합성장치(100)와 발전유닛이 서로 연계될 수 있다.The second reactor 150 is connected to the methanation reactor 160. The methanation reactor 160 may generate methane using carbon monoxide and hydrogen supplied from the second reactor 150 and may supply it to the fuel cell apparatus 200. Also, although not shown, the natural gas synthesis apparatus 100 and the power generation unit can be linked to each other so that methane generated from the natural gas synthesis apparatus 100 can be used.

메탄화 반응기(160)에서 일어나는 메탄화 공정은 합성가스 중의 수소와, 이산화탄소 및 일산화탄소를 반응시켜 메탄으로 변성하는 공정으로 하기의 (i) 및/또는 (ii)의 반응을 거친다.The methanation process occurring in the methanation reactor 160 is a process in which hydrogen in the synthesis gas is reacted with carbon dioxide and carbon monoxide to convert it into methane. The reaction is carried out in the following reaction (i) and / or (ii).

CO + 3H2 → CH4 + H2O (i) CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (i)

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (ii)CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O (ii)

메탄화 반응은 본 발명의 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템에 메탄을 포함하는 연료극가스를 공급하기 위한 목적을 달성할 수 있는 한 어떠한 조건하에서 이루어져도 무관하나, 메탄화 반응은 발열반응이기 때문에 반응온도를 낮게 하면 일산화탄소의 평형농도가 낮아지는 반면 반응속도 역시 느려지기 때문에 반응 온도로서 100 내지 400℃, 200 내지 350℃ 또는 250 내지 300℃ 중 어느 하나의 범위에서 이루어질 수 있다. The methanation reaction may be carried out under any conditions as long as the purpose of supplying the fuel cell gas containing methane to the coal gasification combined cycle fuel cell system of the present invention can be achieved, but since the methanation reaction is an exothermic reaction When the reaction temperature is lowered, the equilibrium concentration of carbon monoxide is lowered and the reaction rate is also slowed down. Therefore, the reaction temperature may be in the range of 100 to 400 ° C, 200 to 350 ° C, or 250 to 300 ° C.

상기 메탄화 반응은 니켈계 메탄화촉매, 철계 메탄화촉매 및 루테늄계 메탄화촉매로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 메탄화촉매를 이용하여 이루어질 수 있다.The methanation reaction may be performed using at least one methanation catalyst selected from the group consisting of a nickel-based methanation catalyst, an iron-based methanation catalyst, and a ruthenium-based methanation catalyst.

이와 같이, 천연가스합성장치(100)는 저가의 석탄을 이용하여, 메탄과 산소 및 재활용가능한 열원이 생산되므로, 이를 합성 천연 가스 장치에 연료전지 모듈을 통합시키는 경우 보다 우수한 효율을 갖는 복합 발전 플랜트를 제작할 수 있다.
As described above, since the natural gas synthesis apparatus 100 produces methane, oxygen, and a heat source that can be recycled by using low-cost coal, it is possible to provide a natural gas- .

도 3은 본 발명과 관련된 연료전지장치(200)의 개념도이다. 3 is a conceptual diagram of a fuel cell apparatus 200 related to the present invention.

연료 전지의 종류는 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell), 알칼리 연료전지(Alkaline Fuel Cell), 고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell) 등 다양하다. 상기한 바와 같은 연료 전지 종류들은 연료적으로 같은 원리에 의해 작동하지만, 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 등에 따라 분류된다.The types of fuel cells include a phosphoric acid fuel cell, an alkaline fuel cell, a proton exchange membrane fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide Fuel cell (Solid Oxide Fuel Cell), direct methanol fuel cell (Direct Methanol Fuel Cell). The fuel cell types as described above operate by the same principle as fuel, but they are classified according to the type of fuel used, the operating temperature, the catalyst, and the like.

이중에서 특히, 용융 탄산염 연료전지 (molten carbonate fuel cell, MCFC)는 650 ℃ 이상의 고온에서 운전되기 때문에 전기화학 반응속도가 빨라 전극 재료로 백금촉매 대신 니켈을 사용할 수 있으므로 경제성에서 유리하다.In particular, a molten carbonate fuel cell (MCFC) is operated at a high temperature of 650 ° C or higher, so that the electrochemical reaction rate is high, and nickel can be used instead of a platinum catalyst as an electrode material.

그리고 열회수 스팀 발생기(Heat Recovery Steam Generator)을 이용한 버터밍 사이클(Bottoming Cycle)을 적용할 경우, 양질의 고온 폐열을 회수해 사용하면 전체 발전 시스템의 열효율을 60% 이상으로 증가시킬 수 있다.In addition, when the bottoming cycle using the heat recovery steam generator is applied, the heat efficiency of the entire power generation system can be increased to 60% or more by recovering the high-temperature waste heat.

이와 함께 용융 탄산염 연료전지는 고온에서 운전되기 때문에, 전기 화학 반응이 일어나는 연료전지 스택 내부에서 연료 개질(Reforming) 반응을 동시에 진행시키는 내부 개질(Internal Reforming)형태의 채용이 가능하다는 장점이 있다. In addition, since the molten carbonate fuel cell is operated at a high temperature, it can be employed as an internal reforming type in which a fuel reforming reaction is simultaneously carried out in a fuel cell stack where an electrochemical reaction occurs.

이러한 내부 개질형 용융 탄산염 연료전지는 전기화학반응에서 발생하는 열을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 흡열반응인 개질반응에 이용하기 때문에 외부개질형 용융 탄산염 연료전지 보다 전체 시스템의 열효율이 추가로 증가하는 동시에 시스템 구성이 간단해지는 장점을 갖는다.Since the internal reforming-type molten carbonate fuel cell utilizes the heat generated from the electrochemical reaction in the reforming reaction, which is a direct endothermic reaction without a separate external heat exchanger, the thermal efficiency of the entire system is further increased as compared with the externally reforming molten carbonate fuel cell And the system configuration is simplified at the same time.

연료전지장치(200)는 일정량의 연료를 공급하는 연료 공급부와 상기 연료 공급부의 연료를 공급받아 수소가스와 열을 포함하는 부산물을 발생시키는 개질기부(210)와 상기 개질기부(210)에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부를 포함할 수 있다.The fuel cell apparatus 200 includes a reformer 210 for generating a byproduct containing hydrogen gas and heat by receiving a fuel from the fuel supplier and a fuel supplier for supplying a predetermined amount of fuel, And a stack portion for generating electricity and heat by an electrochemical reaction between hydrogen gas and oxygen supplied separately.

스택부는 개질기(210), 애노드 전극(220)과 전해질막(240) 그리고 캐소드 전극(230)을 포함하여 구성되는 단위 전지가 다수개 적층되어 이루어질 수 있다.The stack portion may be formed by stacking a plurality of unit cells including a reformer 210, an anode electrode 220, an electrolyte membrane 240, and a cathode electrode 230.

상기한 바와 같은 연료전지 모듈의 작동은 다음과 같다.The operation of the fuel cell module as described above is as follows.

먼저, 상기 연료 공급부에서 액화천연가스(일명; LNG) 또는 메탄(CH4) 성분을 포함한 연료와 물을 상기 개질기부(210)에 공급하게 되면 그 개질기부(210)에서 수증기 개질 반응(Steam Reforming) 및 수성 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)이 복합적으로 일어나면서 수소가스와 반응열과 그리고 물을 포함하는 기타 부산물을 발생시키게 된다. First, when fuel and water containing liquefied natural gas (LNG) or methane (CH 4 ) are supplied to the reformer unit 210, the reformer unit 210 performs steam reforming ) And water gas shift reaction are combined to generate hydrogen gas, reaction heat, and other by-products including water.

CH4 + 2H2O -> 4H2 + CO2 CH 4 + 2H 2 O - > 4H 2 + CO 2

그리고 상기 스택부에서는 상기 개질기부(210)에서 공급되는 수소가스와 캐소드에 공급되는 산소 및 이산화탄소가 반응하여 탄산이온(CO3 2-)이 되고, 생성된 탄산이온(CO3 2-)이 전기화학반응을 일으켜 전기와 열과 물을 발생시키게 된다. In the stack portion, the hydrogen gas supplied from the reformer 210 reacts with oxygen and carbon dioxide supplied to the cathode to form carbonate ions (CO 3 2- ), and the generated carbonate ions (CO 3 2- ) Causing a chemical reaction to generate electricity, heat and water.

상기 스택부를 구성하는 단위 전지에서 발생되는 전기화학반응을 보다 상세하게 설명하면, 먼저 상기 수소가스(H2)가 애노드 전극(Anode; 연료극, 220)측에 공급되어 탄산 이온(CO3 2 -)과 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 물과 이산화탄소 및 전자(e-)를 생성한다. First, the hydrogen gas (H 2 ) is supplied to the anode (anode) 220 side to form carbonic acid ions (CO 3 2 - ). And an electrochemical oxidation reaction takes place to produce water, carbon dioxide and electrons (e-).

H2 + CO3 2 - -> H2O + CO2 + 2e- H 2 + CO 3 2 - -> H 2 O + CO 2 + 2e -

그리고, 캐소드 전극(Cathode; 일명, 공기극, 230)에서는 외부로부터 공급되는 산소와 이산화탄소 및 전자가 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 탄산 이온(CO3 2 -), 반응열 및 물을 발생시키게 된다. 캐소드 전극(230)에서 생성된 탄산 이온은 캐소드 전극(230)과 애노드 전극(220) 사이에 위치하는 전해질막(240)의 전해질을 통하여 캐소드 전극(230)에서 애노드 전극(220)으로 이동하며, 애노드 전극(220)에서 생성된 전자는 외부회로를 경유하여 이동하면서, 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다. 이때 전해질은 평상시에는 고체 상태로 존재하다가 연료전지 시스템이 정상 운전될 경우에는 약 650℃까지 온도가 상승하게 되어 전해질은 액화된다.In the cathode electrode (aka, air electrode 230), oxygen, carbon dioxide, and electrons supplied from the outside generate an electrochemical reduction reaction to generate carbonate ions (CO 3 2 - ), reaction heat, and water. The carbonate ions generated in the cathode electrode 230 move from the cathode electrode 230 to the anode electrode 220 through the electrolyte of the electrolyte membrane 240 located between the cathode electrode 230 and the anode electrode 220, Electrons generated in the anode electrode 220 move through an external circuit while electric energy is generated by movement of electrons. At this time, the electrolyte is normally present in a solid state, but when the fuel cell system is operated normally, the temperature rises to about 650 ° C, and the electrolyte is liquefied.

(1/2)O2 + CO2 + 2e- -> CO3 2 - (1/2) O 2 + CO 2 + 2e - -> CO 3 2 -

여기서, CO2는 전기화학 반응 메커니즘에 의하여 전해질을 통해 캐소드 전극(230)에서 애노드 전극(220)으로 이동되어 농축된다. 만약에 화력발전소(310)의 낮은 농도의 이산화탄소를 갖는 배가스를 연료전지장치(200)의 캐소드 전극(230)에 공급한다면, 화력발전소(310)의 배가스 중 이산화탄소만을 선택적으로 애노드 전극(220)으로 이동시켜 이산화탄소의 농축이 가능하다. 이러한 농축정도는 화력발전소(310)에서 배출되는 이산화탄소 배출량의 최대 90%까지 가능하다.Here, CO 2 is moved from the cathode electrode 230 to the anode electrode 220 through the electrolyte by an electrochemical reaction mechanism, and is concentrated . If the exhaust gas having a low concentration of carbon dioxide in the thermal power plant 310 is supplied to the cathode electrode 230 of the fuel cell apparatus 200, only the carbon dioxide in the exhaust gas of the thermal power plant 310 is selectively supplied to the anode electrode 220 It is possible to concentrate carbon dioxide. This degree of concentration can be up to 90% of the carbon dioxide emissions from the thermal power plant 310.

또한, 본 발명에 따르는 연료전지장치(200)(용융탄산염 연료전지)는 천연가스 개질 방법에 따라 내부개질형과 외부개질형으로 구분될 수 있는데, 특히 내부개질에 의한 연료전환 방법을 사용함으로써, 촉매를 전지 내부에 설치한뒤, 개질하여 외부에 별도의 개질기를 설치할 필요 없이 천연가스를 직접연료로 사용할 수 있다. 그리고, 발전 중 스택부에서 발생하는 열은 개질반응에 이용되어 별도의 스택 냉각을 위한 장치 설치가 필요 없어 시스템을 단순화할 수 있다.
In addition, the fuel cell apparatus 200 (molten carbonate fuel cell) according to the present invention can be divided into an internal reforming type and an external reforming type according to a natural gas reforming method. In particular, by using a fuel conversion method by internal reforming, It is possible to use natural gas as a direct fuel without installing a reformer after installing the catalyst inside the battery and reforming it. In addition, the heat generated in the stack portion during power generation is used in the reforming reaction, so that it is unnecessary to install a device for cooling the stack, which simplifies the system.

도 4는 본발명의 일 실시예에 따르는 복합발전시스템의 개념도이다.4 is a conceptual diagram of a combined power generation system according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 연료전지장치(200)는 천연가스합성장치(100)로부터 수소를 공급받도록 연결(공급라인 181 -> 공급라인 252)된다. 보다 자세하게는 메탄화 반응기(160)에서 생성된 메탄은 개질기부(210)로 공급되고, 개질기부(210)는 화학반응을 통해 수소와 이산화탄소를 형성하고, 개질기부(210)에서 생성된 수소는 연료전지장치(200)의 애노드 전극(220)에 공급된다.Referring to FIG. 4, the fuel cell apparatus 200 is connected (supply line 181 -> supply line 252) to receive hydrogen from the natural gas synthesis apparatus 100. More specifically, the methane generated in the methanation reactor 160 is supplied to the reformer unit 210, the reformer unit 210 forms hydrogen and carbon dioxide through a chemical reaction, and the hydrogen generated in the reformer unit 210 And is supplied to the anode electrode 220 of the fuel cell apparatus 200.

애노드 전극(220)에서는 앞서 살펴본 바와 같이, 수소(H2)가 공급되어 탄산 이온(CO3 2 -)과 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 물과 이산화탄소 및 전자(e-)를 생성한다. 이 때, 부산물로써 수소와 일산화탄소도 공급되는데, 전자를 제외한 나머지 생성물들은 수성 가스 전이 반응이 일어나는 제1 반응기(140)로 공급되도록 애노드 전극(220)의 배출라인은 제1 반응기(140)까지 연결될 수 있다.As described above, hydrogen (H 2 ) is supplied to the anode electrode 220 to generate water, carbon dioxide, and electrons (e) as an electrochemical oxidation reaction occurs with carbonate ions (CO 3 2 - ). At this time, hydrogen and carbon monoxide are also supplied as byproducts. The discharge line of the anode electrode 220 is connected to the first reactor 140 so that the products other than the electrons are supplied to the first reactor 140 where the water gas transfer reaction takes place .

애노드 전극에서 배출되는 혼합가스는 일산화탄소, 수소, 이산화탄소, H2O 등을 포함할 수 있다. 이 중 수소(H2)와 일산화탄소(CO)는 미사용연료로서 재사용이 가능하므로 제1 반응기(140)에 공급될 수 있다.The mixed gas discharged from the anode electrode may include carbon monoxide, hydrogen, carbon dioxide, H 2 O, and the like. Among these, hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) can be reused as unused fuel and can be supplied to the first reactor 140.

이와 같이, 애노드 전극 배출라인(251)으로부터 미사용된 연료인 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 제1 반응기(140)로 공급되어, 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)을 일으킨다. 여기서 일어나는 반응식은 다음과 같다.In this way, unused hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) are supplied from the anode electrode discharge line 251 to the first reactor 140 to cause a water gas shift reaction. The reaction formula here is as follows.

Figure 112012108575980-pat00001
Figure 112012108575980-pat00001

이로 인해, 전체적인 전력 생산효율을 극대화시킬 수 있다.
As a result, the overall power production efficiency can be maximized.

또한, 연료전지장치(200)는 석탄화력발전소와 같은 이산화탄소 배출시설(310)로부터 이산화탄소를 공급받도록 이산화탄소 공급부(320)와 공급라인(311)을 통해 연결된다. 이산화탄소 배출시설(310)의 배가스는 불필요한 황을 포함하고 있으므로, 이산화탄소 공급부(320)는 탈황장치를 포함할 수 있다. 또한, 이산화탄소 배출시설(310)의 배가스는 압력이 낮으므로, 이산화탄소 공급부(320)는 이산화탄소를 일정 이상의 압력으로 가압하여 캐소드 전극(230)에 공급하는 가압장치를 더 포함할 수 있다. Also, the fuel cell apparatus 200 is connected to the carbon dioxide supply unit 320 through the supply line 311 to receive carbon dioxide from the carbon dioxide discharge facility 310, such as a coal-fired power plant. Since the flue gas of the carbon dioxide emission facility 310 contains unnecessary sulfur, the carbon dioxide supply unit 320 may include a desulfurization device. In addition, since the exhaust gas of the carbon dioxide exhausting facility 310 is low in pressure, the carbon dioxide supplying unit 320 may further include a pressurizing unit that pressurizes the carbon dioxide to a predetermined pressure or more and supplies the pressurized gas to the cathode electrode 230.

이와 같이, 본 발명은 이산화탄소 배출시설(310)로부터 배출되는 이산화탄소가 연료전지장치(200)의 캐소드 전극(230)에 공급라인(321)을 통해 공급됨으로써, 스택부에 추가적인 포집장치없이 CO2 포집이 가능해지므로 스택부의 캐소드 전극(230)에 CO2분압을 상승시켜 스택부의 발전 성능 향상을 가져오고, 이로 인해 전력 생산 성능 효율이 상승한다.Thus, the present invention is being supplied through the supply line 321 to the cathode 230 of the carbon dioxide, the fuel cell apparatus 200 is discharged from the carbon dioxide emission facility (310), CO 2 absorption with no additional collecting device to the stack unit The CO 2 partial pressure is increased in the cathode electrode 230 of the stack portion to improve the power generation performance of the stack portion, thereby increasing the power production performance efficiency.

또한, 스택부로부터 배출되는 미사용된 연료를 포함하는 유체는 SNG 생산 공정의 제1 반응기(140)로 재순환 공급되어 수성 가스 전이 반응을 추가적으로 일으켜 전체 효율 향상을 도모할 수 있다.In addition, the fluid including the unused fuel discharged from the stack portion may be recycled to the first reactor 140 of the SNG production process to further cause a water gas transfer reaction, thereby improving the overall efficiency.

본 발명에 따르는 복합발전시스템의 이산화탄소 포집 방법은 다음의 단계들을 포함한다. 제1 단계로, 석탄화력발전소와 같은 이산화탄소 배출시설(310)에서 배출된 이산화탄소는 탈황처리 및 가압되어 연료전지의 캐소드 전극(230)에 공급된다.The carbon dioxide capture method of the combined power generation system according to the present invention includes the following steps. In the first step, the carbon dioxide discharged from the carbon dioxide discharge facility 310 such as a coal-fired power plant is supplied to the cathode electrode 230 of the fuel cell by desulfurization and pressurization.

제2 단계로, 캐소드 전극(230)에 공급된 이산화탄소는 탄산 이온(CO3 2 -)으로 전환되어 애노드 전극(220)을 통해 농축되고, 다시 애노드 전극(220)에서 이산화탄소로 배출된다.
In the second step, the carbon dioxide supplied to the cathode electrode 230 is converted to carbonic acid ions (CO 3 2 - ), concentrated through the anode electrode 220, and discharged again as carbon dioxide from the anode electrode 220.

제3 단계로, 애노드 전극(220)에서 배출된 이산화탄소는 천연가스합성장치의 제1 반응기(140) 및 제2 반응기(150)를 거치게 된다. 제2 반응기(150)를 거친 이산화탄소는 따로 분리되어 압축 후 저장공간에 매립된다. In the third step, the carbon dioxide discharged from the anode electrode 220 passes through the first reactor 140 and the second reactor 150 of the natural gas synthesis apparatus. The carbon dioxide passed through the second reactor 150 is separately separated and buried in the storage space after compression.

이와 같은 과정을 거침으로써, 본 발명의 실시예에 따르는 복합발전시스템은 이산화탄소 배출시설(310)로부터 배출되는 이산화탄소를 최대 90%까지 포집할 수 있다.In this way, the combined power generation system according to the embodiment of the present invention can collect up to 90% of the carbon dioxide discharged from the carbon dioxide discharge facility 310.

본 발명에 따르는 복합발전시스템은 이산화탄소 배출시설(310), 연료전지장치(200) 및 천연가스합성장치(100)가 서로 연계된다. 즉, 이산화탄소 배출시설(310) 중의 하나인 석탄화력발전소는 주원료인 석탄을 이용하여 전기에너지를 생산하면서 이산화탄소를 배출한다. 그리고, 천연가스합성장치(100)는 유기화합물을 이용하여 메탄을 생성한다. 그리고, 연료전지장치(200)는 메탄에서 생성된 수소와 이산화탄소 배출시설(310)에서 배출되는 이산화탄소를 이용하여 전기에너지를 생산하고, 이산화탄소를 농축 및 포집하게 된다.
The combined power generation system according to the present invention is related to the carbon dioxide discharge facility 310, the fuel cell apparatus 200, and the natural gas synthesis apparatus 100. That is, the coal-fired power plant, which is one of the carbon dioxide discharge facilities 310, uses carbon as the main material to produce electric energy and discharges the carbon dioxide. The natural gas synthesis apparatus 100 generates methane using an organic compound. The fuel cell apparatus 200 generates electrical energy using hydrogen generated in methane and carbon dioxide discharged from the carbon dioxide discharge facility 310, and concentrates and collects carbon dioxide.

상기와 같이 설명된 복합발전시스템 및 복합발전시스템의 이산화탄소 포집방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
The carbon dioxide capture method of the hybrid power generation system and the combined power generation system described above can be applied to a limited number of configurations and methods of the embodiments described above, Or some of them may be selectively combined.

Claims (6)

석탄 및 산소를 공급받아 가스화기에서 합성가스를 생성한 뒤 메탄화 반응기를 거쳐 메탄을 합성하는 천연가스합성장치;
상기 천연가스합성장치로부터 메탄을 포함하는 연료를 공급받아 전기에너지를 발생시키는 연료전지장치; 및
상기 연료전지장치에 인접한 이산화탄소 배출시설에서 배출되는 이산화탄소를 상기 연료전지장치의 캐소드 전극에 공급하는 이산화탄소 공급부를 포함하고,
상기 연료전지장치는 상기 메탄화 반응기에서 생성된 메탄으로부터 형성된 수소를 공급받는 애노드 전극을 포함하며,
상기 가스화기에서 유입되는 유체를 이용하여 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)을 통해 수소와 이산화탄소를 생성하는 제1 반응기를 더 포함하고,
상기 애노드 전극으로부터 배출되는 혼합 가스가 천연가스합성장치로 공급되되, 혼합 가스 중 미반응 가스인 수소 및 일산화탄소는 상기 제1 반응기에서 재사용되는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
A natural gas synthesis system for producing synthesis gas from a gasifier supplied with coal and oxygen, and then synthesizing methane through a methanation reactor;
A fuel cell apparatus that receives fuel containing methane from the natural gas synthesis apparatus and generates electrical energy; And
And a carbon dioxide supply unit for supplying carbon dioxide discharged from a carbon dioxide discharge facility adjacent to the fuel cell apparatus to a cathode electrode of the fuel cell apparatus,
The fuel cell apparatus includes an anode electrode supplied with hydrogen formed from methane produced in the methanation reactor,
Further comprising a first reactor for producing hydrogen and carbon dioxide through a water gas shift reaction using a fluid introduced from the gasifier,
Wherein the mixed gas discharged from the anode electrode is supplied to the natural gas synthesis apparatus, and hydrogen and carbon monoxide, which are unreacted gases in the mixed gas, are reused in the first reactor.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 반응기로부터 배출되는 유체를 공급받아 물리 또는 화학적 분리를 통해 이산화 탄소와 황화합물을 분리하는 제2 반응기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
The method according to claim 1,
Further comprising a second reactor for receiving the fluid discharged from the first reactor and separating carbon dioxide and sulfur compounds through physical or chemical separation.
제1항에 있어서,
상기 이산화탄소 공급부는,
상기 이산화탄소 배출시설로부터 배출되는 배가스에서 황을 제거하는 탈황장치와 이산화탄소를 포함한 배기가스를 일정 이상의 압력으로 가압하여 상기 캐소드 전극에 공급하는 가압장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
The method according to claim 1,
The above-
Further comprising a desulfurizer for removing sulfur from the exhaust gas discharged from the carbon dioxide discharge facility, and a pressurizing device for pressurizing exhaust gas containing carbon dioxide to a predetermined pressure or higher and supplying the exhaust gas to the cathode electrode.
천연가스합성장치, 연료전지장치 및 이산화탄소 배출시설이 서로 연계된 복합발전시스템의 이산화탄소 포집방법에 있어서,
상기 이산화탄소 배출시설에서 배출된 이산화탄소가 상기 연료전지장치의 캐소드 전극에 공급되는 단계;
상기 캐소드 전극에 공급된 이산화탄소가 탄산 이온(CO3 2-)으로 전환된 후, 애노드 전극에서 수소와 반응하여 이산화탄소로 다시 전환되는 단계; 및
상기 애노드 전극에서 배출되는 혼합가스가 천연가스합성장치로 공급되되, 혼합 가스 중 이산화탄소가 상기 천연가스합성장치에서 포집되는 단계를 포함하는 복합발전시스템의 이산화탄소 포집방법.
A carbon dioxide capture method for a combined power generation system in which a natural gas synthesis apparatus, a fuel cell apparatus, and a carbon dioxide discharge facility are interconnected,
Supplying carbon dioxide discharged from the carbon dioxide discharge facility to a cathode electrode of the fuel cell apparatus;
The carbon dioxide supplied to the cathode electrode is converted into carbonate ion (CO 3 2- ), then reacted with hydrogen at the anode electrode and converted back to carbon dioxide; And
Wherein the mixed gas discharged from the anode electrode is supplied to the natural gas synthesizer, and carbon dioxide in the mixed gas is collected in the natural gas synthesizer.
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