KR101533725B1 - 석탄 가스화 복합 발전 플랜트, 그것의 폐열 회수 방법, 그것의 폐열을 이용한 발전 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

석탄 가스화 복합 발전 플랜트는 합성 가스를 생성하는 가스화기, 가스화기의 후단 측에 배치되어 합성 가스에 포함된 비회를 제거하는 집진 필터, 상기 집진 필터의 후단 측에 배치되어 상기 집진 필터로부터 분리된 비회로부터 유해가스를 스트리핑하는 스트리핑 베셀, 및 상기 스트리핑 베셀 내의 상기 비회가 가지는 열원을 회수하는 폐열 회수장치를 포함한다. 회수된 중/저온의 폐열을 열원으로 하여 유기냉매를 증발시켜 전기를 생산하는 유기 랭킨 사이클 장치를 더 포함한다

Description

석탄 가스화 복합 발전 플랜트, 그것의 폐열 회수 방법, 그것의 폐열을 이용한 발전 장치 및 방법{INTEGRATED GASIFICATION COMBINED CYCLE PLANT AND WASTE HEAT RECOVERY METHOD THEREOF, ELECTRICITY GENERATION APPARATUS AND METHOD USING WASTE HEAT THEREOF}
본 발명은 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 집진 계통에서 발생하는 폐열 회수가 가능한 석탄 가스화 복합 발전 플랜트 및 방법과, 그 폐열을 이용하여 전기를 생산하는 발전 장치 및 방법에 관한 것이다.
IGCC 발전소는 석탄과 같은 탄화수소 공급 원료로부터 에너지를 비교적 청정하게 또한 효율적으로 발생시킬 수 있다. IGCC 기술은 탄화수소 공급 원료를 가스화기 안에서 증기와 반응시켜 가스 혼합물, 즉 합성가스로 전이시킬 수 있다.
가스화기로부터 배출되는 합성가스는 1200~1600℃의 고온 분위기에서 발생되고 냉각, 정제과정을 거쳐 발전용 연료, 화학제품의 연료 등으로 사용될 수 있다.
합성 가스는 화학 연료나 전기 발전 등에 사용하기 위해서 다이옥신 및 분진 등과 같은 불순물을 제거해야 하므로 냉각 및 오염물질의 세정이 행해져야 한다.
고체 연료가 연소 및 가스화되는 과정에서 회(ash)가 가스화기 내에서 발생한다. 이러한 회는 저회(bottom ash) 및 슬랙(slag)과 비회(fly ash)로 구분된다. 저회는 가스화기의 하부로 떨어져 포집되고, 비회는 합성 가스에 섞여 흐른다.
가스화기로부터 생성된 고온의 합성가스는 합성 가스 냉각기로 유입되어 저온 대략 250~300℃까지 냉각되면서 고압스팀과 중압 스팀이 생성된다.
냉각된 저온의 합성가스는 가스화기의 하류측에 배치된 집진설비의 필터를 통해 집진되어 외부로 배출된다.
한편, 필터를 통해 분리된 비회는 별도의 베셀을 통과하면서 비회에 포함된 유해 가스가 스트리핑 된다. 집진 설비를 통해 분리된 비회가 가지고 있는 225~250℃의 열에너지가 그대로 냉각되어 배출되고 있다.
이와 같은 석탄 가스화 복합 발전 플랜트로부터 버려지는 폐열을 회수하기 위한 연구가 이루어지고 있다.
일본특허공개공보 특개2005-247930
본 발명의 목적은 가스화기 하류 측에 배치된 집진 설비를 통해 집진동작을 수행하는 동안 비회(fly ash)가 가지고 있는 열에너지를 회수할 수 있는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 가스화기 하류 측에 배치된 집진 설비를 통해 집진동작이 수행되는 동안 비회가 가지고 있는 열에너지를 회수하고, 그 회수된 열에너지를 열원으로 하여 전기를 생산하는 발전 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 관점을 따르면, 합성 가스를 생성하는 가스화기, 상기 가스화기의 후단측에 배치되어 합성 가스에 포함된 비회를 제거하는 집진 필터, 상기 집진 필터의 후단측에 배치되어 상기 집진 필터로부터 분리된 비회로부터 유해가스를 스트리핑하는 스트리핑 베셀, 및 상기 스트리핑 베셀 내의 상기 비회가 가지는 열원을 회수하는 폐열 회수장치를 포함하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트가 제공된다.
폐열회수장치는 상기 스트리핑 베셀 내에 배치된 열교환기, 상기 열교환기 내로 냉매를 공급하는 냉매공급유닛, 상기 열교환기를 통해 열교환되어 회수된 냉매를 저장하는 냉매회수탱크, 및 상기 냉매가 순환하는 유로를 형성하는 냉매순환라인을 포함할 수 있다. 상기 냉매는 물 또는 질소를 포함할 수 있다.
상술한 석탄 가스화 복합 발전 플랜트는 상기 열교환기를 통해 소정 온도로 가열된 질소를 상기 스트리핑 베셀 내로 공급하도록 상기 냉매회수탱크 및 상기 스트리핑 베셀을 연통하는 연통 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 물은 상기 열교환기를 통해 열교환되어 스팀 상태로 상기 냉매회수탱크로 회수되고, 상기 냉매회수탱크로 회수된 상기 스팀은 수성가스 전이/이산화탄소 포집 반응기, 저압 스팀 터빈, HRSG중 적어도 어느 하나로 공급되도록 구성될 수 있다.
상술한 석탄 가스화 복합 발전 플랜트는 상기 폐열회수장치를 통해 회수된 열원을 이용하여 유기냉매를 증발시켜 전기를 생산하는 유기 랭킨 사이클 장치를 더 포함할 수 있다. 상기 유기 랭킨 사이클 장치는, 상기 열교환기를 통해 열교환된 냉매를 열원으로하여 상기 유기 냉매를 증발시키는 증발기, 상 증발기에 의해 증발된 유기냉매를 매개로 회전하는 터빈, 상기 터빈의 회전에 따라 연동하여 전력을 생산하는 발전기, 상기 터빈으로부터 나온 유기냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기, 상기 응축기에서 나온 응축된 유기냉매를 압축시켜 상기 증발기로 제공하는 펌프, 및 상기 증발기, 상기 터빈, 상기 응축기 및 상기 펌프 사이에 구비되어 상기 유기 냉매의 순환 경로를 이루는 유기냉매라인을 포함할 수 있다.
상기 증발기는 상기 열교환기 및 상기 냉매회수탱크 사이의 냉매회수라인상에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 관점을 따르면, 가스화기로부터 생성된 합성 가스로부터 집진 필터를 이용하여 비회를 분리하고, 분리된 비회를 스트리핑 베셀을 통과시켜 상기 비회로부터 유독 가스를 제거하는 집진 단계에서, 상기 스트리핑 베셀 내에 열교환기를 배치하여 상기 스트리핑 배셀 내에 수용된 상기 비회가 가지는 열원을 회수하는 것을 포함하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 폐열 회수 방법이 제공된다. 상기 열교환기 내로 물 또는 질소를 순환시킬 수 있다.
상기 열교환기를 통해 열교환된 소정 온도의 저압의 질소 또는 스팀을 냉매회수탱크에 저장한 후 상기 저압의 냉매를 필요로 하는 소정의 유닛으로 공급할 수 있다.
상기 냉매회수탱크에 저장된 질소는 상기 스트리핑 베셀 내로 공급하여 상기 비회로부터 유독가스를 제거할 수 있다.
상기 냉매회수탱크에 저장된 상기 저압의 스팀은 저압 스팀 터빈, HRSG, 수성가스전이/ 이산화탄소 포집기 중 적어도 어느 하나로 공급될 수 있다.
상기 열교환기를 통해 회수된 열원을 이용하여 유기 랭킨 사이클 장치의 유기 냉매를 증발시켜 전기를 생산할 수 있다.
상기 유기 랭킨 사이클 장치를 구성하는 증발기를 상기 열교환기를 통해 열교환 된 냉매가 회수되는 냉매회수라인 상에 배치할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점을 따르면, 물보다 비등점이 낮은 유기 냉매를 작동 유체로 하여 동작하는 유기 랭킨 사이클 장치, 및 석탄 가스화 복합 발전 플랜트에서 발생하는 중/저온 폐열을 회수하는 폐열 회수 장치를 포함하고, 상기 폐열 회수 장치를 통해 제공되는 중/저온 열원을 매개로 상기 유기 랭킨 사이클 장치의 유기 냉매를 증발시켜 전기를 생산하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 폐열을 이용한 발전장치가 제공된다.
상기 유기 랭킨 사이클 장치는 상기 폐열 회수 장치를 통해 제공되는 상기 열원을 매개로 유기 냉매를 증발시키는 증발기, 상기 증발기에 의해 증발된 유기냉매를 매개로 회전하는 터빈, 상기 터빈의 회전에 따라 연통하여 전력을 생산하는 발전기, 상기 터빈으로부터 나온 유기냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기, 상기 응축기에서 나온 응축된 유기냉매를 압축시켜 상기 증발기로 제공하는 펌프, 및 상기 증발기, 상기 터빈, 상기 응축기 및 상기 펌프 사이에 구비되어 상기 유기 냉매의 순환 경로를 이루는 유기냉매라인을 포함할 수 있다.
상기 폐열 회수 장치는 상기 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 집진 설비의 열원을 회수하도록 구성될 수 있다.
상기 집진 설비는 가스화기의 후단 측에 배치되어 합성 가스에 포함된 비회를 제거하는 집진 필터, 및 상기 집진 필터의 후단측에 배치되어 상기 집진 필터로부터 분리된 비회로부터 유해가스를 스트리핑하는 스트리핑 베셀을 포함할 수 있다.
상기 폐열 회수 장치는 상기 스트리핑 베셀 내에 배치된 열교환기, 상기 열교환기 내로 냉매를 공급하는 냉매공급유닛, 상기 열교환기를 통해 열교환되어 회수된 냉매를 저장하는 냉매회수탱크, 및 상기 냉매가 순환하는 유로를 형성하는 냉매순환라인을 포함할 수 있다.
상기 유기 랭킨 사이클 장치를 구성하는 증발기는 상기 열교환기를 통해 열교환된 냉매가 회수되는 냉매회수라인 상에 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점을 따르면, 석탄 가스화 복합 발전 플랜트 운전시 발생되는 중/저온의 폐열을 열원으로 하여 유기 랭킨 사이클 장치의 유기 냉매를 증발시켜 전기를 생산하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 폐열을 이용한 발전 방법이 제공된다.
상술한 발전 방법은 상기 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 집진 설비로부터 폐열을 회수하는 폐열 회수 단계, 및 상기 폐열 회수 단계에서 회수된 열원을 이용하여 유기 랭킨 사이클 장치의 유기 냉매를 증발시켜 전기를 생산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 폐열 회수 단계에서, 상기 집진 설비의 스트리핑 베셀 내에 열교환기를 배치하여 상기 스트리핑 베셀 내에 수용된 비회가 가지는 열원을 회수할 수 있다.
상기 유기 랭킨 사이클 장치의 증발기를 상기 폐열이 회수되는 라인상에 배치할 수 있다.
상기 열교환기 내로 물 또는 질소를 순환 시킬 수 있다.
상기 열교환기를 통해 열교환된 물은 상기 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 저압 스팀 터빈, HRSG, 수성가스전이/이산화탄소 포집기 중 적어도 어느 하나로 공급될 수 있다.
상기 열교환기를 통해 열교환된 질소는 상기 스트리핑 베셀 내로 재 공급되어 상기 스트리핑 베셀 내에 수용된 비회로부터 유독가스를 제거할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예를 따르면, 석탄 가스화 복합 발전플랜트의 집진 설비로부터 발생되는 중/저온의 폐열을 회수할 수 있으며, 그 회수된 열원을 이용하여 열교환 된 스팀 또는 질소를 생성할 수 있다. 그 결과, 열교환된 스팀은 예컨대, HRSG, 저압 스팀 터빈, 또는 수성가스전이/이산화탄소 포집 반응기에 활용할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예를 따르면, 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 집진 설비로부터 발생되는 중/저온의 폐열을 열원으로하여 유기 랭킨 사이클 장치의 유기 냉매를 증발시켜 전기를 생산할 수 있다. 그 결과 에너지 절감 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예를 따른 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예를 따른 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 집진 설비에 구비된 폐열 회수 장치 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예를 따른 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 폐열 회수 장치의 또 다른 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예를 따른 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 폐열을 이용한 발전 장치의 구성을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 각 실시 예는 발명의 다양한 관점을 설명한다. 예를 들면, 일 실시 예에 관하여 기술된 특징은 또 다른 실시 예로 대체되기 위한 또 다른 전형으로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예를 따른 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 석탄 가스화 복합 발전 플랜트(1)는 가스화기(10), 합성가스 냉각기(20), 집진 설비(30), 가스정제설비(40), 가스 터빈(50), 증기터빈(60), 열 회수 스팀 발생기(70, HRSG: Heat Recovery Steam Generator 이하 “HRSG”로 칭함), 발전기(52,62), 및 연돌(90)등을 포함한다.
증기터빈(60)은 고압 터빈(61), 중압 터빈(63), 및 저압 터빈(63)을 포함할 수 있다.
가스 정제 설비(40)는 스크러버(41), 탈황반응기(43a), 및 수성가스전이/이산화탄소 포집 반응기(43b)를 포함한다.
스크러버(41)는 세정액 또는 함진 가스를 분사시켜 생성되는 액적, 액막, 기포 등에 의하여 함진 가스 중의 미립자를 분리하고 포집한다.
탈황반응기(42)는 스크러버(41)의 후단에 설치되어 스크러버(41)를 통해 세정된 합성가스에 포함된 황을 제거한다.
수성가스전이/이산화탄소 포집 반응기(43)는 탈황반응기(42)의 후단에 설치되어 수성 가스 전이 반응 및 이산화탄소 흡수 반응과 흡수제 재생 반응을 한다. 수성가스 전이 촉매와 건식 흡수제가 충전된 수성가스전이/이산화탄소 포집 반응기(43)중에서 합성 가스 중 CO를 수성 가스 전이 반응을 통해 H2와 CO2로 전이시키면서, 건식 흡수제를 통해 CO2가 선택적으로 포집된다. 수성가스전이/이산화탄소 포집 반응기(43)는 흡수탑과 재생탑으로 구성되어 있으며, 수성가스전이 촉매 및 CO2 흡수제는 각각의 탑을 연결하는 루프 실(Loop Seal)을 통과하여 순환하게 된다. 이때 흡수탑에서는 대략 200℃의 조건에서 수성가스전이 반응 및 이산화탄소 포집 반응이 동시에 일어난다.
집진 설비(30)는 합성 가스 냉각기(20)로부터 냉각된 합성 가스에 포함된 비회를 분리하는 집진 필터(31)와, 집진 필터(31)로부터 분리된 비회를 이송하는 이송 베셀(33)과, 이송 베셀(33)를 통해 이송된 비회로부터 유해 가스를 스트리핑 하는 스트리핑 베셀(35) 및 스트리핑 베셀(35)로부터 유해 가스가 제거된 비회를 저장하는 저장 베셀(37)를 포함한다.
스트리핑 베셀(35)에는 스트리핑 베셀(35)에 수용된 비회가 가지고 있는 열에너지를 회수하는 폐열 회수 장치(100)가 구비된다. 폐열 회수 장치(100)는 작동 냉매의 순환을 통해 열 회수를 이루며, 냉매는 예컨대, 물 또는 질소를 포함할 수 있다.
석탄 가스화 복합 발전 플랜트(1)의 전체 공정에 있어서, 합성 가스의 흐름을 간략히 살펴보면 다음과 같다.
고체연료, 예컨대 석탄 및 산소가 가스화기(100)의 내부로 주입된 후 가스화 반응하여 고온의 합성 가스 및 석탄 회(ash)가 생성된다. 합성가스의 주성분은 일산화탄소(CO)와 수소(H2)이며, 소량의 이산화탄소(CO2)를 포함하며, 대략 1300~1600℃의 고온 분위기에서 생성된다. 회는 용융 슬래그(slag) 형태로 가스화기 내부 표면을 따라 흘러내려 가스화기(10) 하부의 슬래그 토출구(111)를 통해 배출된다.
생성된 고온의 합성가스는 합성 가스 냉각기(20)로 유입되어 저온 대략 250~300℃까지 냉각되면서 고압스팀과 중압 스팀이 생성된다.
냉각된 저온의 합성가스는 집진설비(30)를 통해 미세 입자가 포진된다. 이때, 집진 설비(30)에 포집된 비회는 대략 225~250℃의 열에너지를 포함한다. 이러한 열에너지는 폐열 회수 장치(100)를 통해 회수된다.
집진설비(30)를 통해 미세입자가 필터링 된 일부 합성가스는 가스정제설비(40)를 통해 깨끗하게 세정되어 가스터빈(50)을 구동하고, 가스 터빈(50)의 회전력에 의해 발전기(52)에서 전기를 생산한다.
가스 터빈(50)을 통해 연소된 고온의 가스는 HRSG(70)로 회수되어 스팀 생산을 가능토록 한다.
다음은 복합 석탄 가스화 복합 발전 플랜트(1)의 전체 공정에 있어서, 스팀 흐름을 간략히 살펴보면 다음과 같다.
도시 되지 않은 가압 펌프를 통해 스팀 제조용 물이 HRSG(70)로 이송된다. HRSG(70)는 일종의 대용량 열교환기로서, 가스터빈(50)등으로부터 회수된 고온의 가스를 이용하여 스팀을 생산한다. HRSG(70)로부터 고압, 중압, 저압의 스팀이 생산될 수 있다. 스팀 생산에 사용된 고온의 가스는 연돌(80)을 통해 배기된다.
이중 고압의 스팀을 이용하여 고압 스팀 터빈(61)을 구동시키고, 이는 다시 HRSG(70)에서 열교환을 통해 중압 스팀으로 전이될 수 있다. 전이된 중압 스팀은 중압 스팀 터빈(63)을 구동시킨다. 중압 스팀 터빈(63)을 거친 중압 스팀은 저압 스팀으로 전이되어 저압 스팀 터빈(65)을 구동시킨다.
스팀 터빈(60: 61,63,65)의 회전력에 의해 발전기(62)가 구동되어 전기를 생산한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예를 따른 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 집진 설비에 구비된 폐열 회수 장치 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 집진 설비(30)는 집진 필터(31), 이송 베셀(33), 스트리핑 베셀(35) 및 저장 베셀(37)을 포함한다.
집진 필터(31)는 합성 가스 냉각기(20)의 후단에 배치되어 합성 가스 냉각기(20)로부터 냉각된 합성 가스에 포함된 비회를 분리한다. 집진 필터(31)는 합성 가스 냉각기(20)로부터 냉각된 대략 250~300℃의 합성 가스의 온도에 강한 세라믹 필터가 채용될 수 있다.
이송 베셀(33)은 집진 필터(31)로부터 분리된 비회가 이송되는 곳으로 설비 운전 압력과 집진 설비(30) 하류측에 배치된 회처리 설비(미도시) 운전 압력간의 압력 차를 완충시키는 역할을 한다.
스트리핑 베셀(35)은 질소 가스(N2)의 주입을 통해 이송 베셀(33)로부터 공급된 비회에 포함된 독성 가스 예컨대 CO 등을 스트리핑 한다. 스트리핑 베셀(35) 내에 수용된 비회는 대략 225~250℃의 열에너지를 포함한다. 이때, 질소는 대략 80℃ 이상의 온도로 스트리핑 베셀(35)내로 공급되어 비회에 포함된 유해 가스를 스트리핑하고 비회를 냉각시킨다.
저장 베셀(37)은 스트리핑 베셀(35)을 통해 스트리핑 된 비회를 최종 저장소로 이송하기 전 일시 저장하는 완충 역할을 한다. 저장 베셀(37)에 수용되는 비회는 최대 250℃의 온도를 갖는 비회를 저장할 수 있다.
폐열 회수 장치(100)는 집진 설비(30)를 통해 집진된 비회가 가지고 있는 대략 250℃이하의 중/저온의 열에너지를 회수한다.
폐열 회수 장치(100)는 스트리핑 베셀(35) 내에 배치된 열교환기(110), 열교환기(110) 내로 냉매를 공급하는 냉매공급유닛(130), 열교환기(110)를 통해 열교환되어 회수된 냉매를 저장하는 냉매회수탱크(150), 및 냉매가 순환하는 유로를 형성하는 냉매순환라인(160)을 포함한다.
냉매공급유닛(130)을 통해 냉매, 예컨대 물이 냉매공급라인(161)을 통해 공급되어 열교환기(110)를 통과한다. 이때 열교환기(110) 내를 통과하는 물은 스트리핑 베셀(35)내에 수용된 비회의 열원을 통해 가열되어 스팀 상태로 열교환된다.
냉매공급유닛(130)은 별도의 냉매 공급 탱크 및 가압 펌프 등을 포함할 수 있다.
열교환된 스팀은 냉매회수라인(163)을 통해 냉매회수탱크(150)로 이송된다.
냉매회수탱크(150)에 저장된 스팀은 250℃이하의 저압으로서, 석탄 가스화 복합 발전 플랜트내의 저압의 스팀을 요구하는 설비로 공급되어 활용될 수 있다. 예를 들면, 저압의 스팀은 저압 스팀 터빈(65)으로 공급되어 저압 스팀 터빈(65)을 구동시키거나, 수성가스 전이/이산화탄소 포집 반응기(43)로 공급되어 대략 200℃의 스팀이 요구되는 수성가스 전환 반응에 사용될 수 있다. 또한 저압의 스팀은 HRSG(70)에 공급되어 스팀 생산에 활용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예를 따른 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 폐열 회수 장치의 또 다른 구성을 도시한 도면이다.
이하의 설명에서 도 2의 구성과 동일한 부분에 대해서는 동일 부호를 명기하며, 중복된 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 폐열 회수 장치(100)는 냉매회수탱크(150) 및 스트리핑 베셀(35)을 연통하는 연통 유닛(170)을 더 포함한다.
폐열 회수 장치(100)를 순환하는 냉매는 질소가스 (N2)가 적용된다. 열교환기(110)를 통해 열교환 된 질소 가스는 냉매회수탱크(150)로 저장되고 냉매회수탱크(150)에 저장된 질소 가스는 연통 유닛(170)을 통해 스트리핑 베셀(35)로 공급된다. 스트리핑 베셀(35)내로 공급된 질소 가스는 비회에 포함된 유해가스를 스트리핑 한다.
연통 유닛(170)은 냉매회수탱크(150) 및 스트리핑 베셀(35)을 연결하는 연결라인, 가압 펌프 등을 포함할 수 있다.
이와 같이 스트리핑 베셀(35)내로 공급되는 질소 가스를 스트리핑 베셀(35)내에 수용된 비회가 가지고 있는 열에너지를 이용하여 소정온도 예컨대, 80℃ 이상의 온도로 가열할 수 있다. 따라서, 스트리핑 베셀(35)내로 공급되는 질소가스를 예열하기 위한 별도의 히트 소스가 필요하지 않게 된다. 그 결과, 질소 가스의 예열을 위해 사용되었던 히트 소스를 다른 용도로 활용 가능하여 플랜트 전체의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
열교환기(110)를 통해 열교환 된 질소 가스는 위와 같이 스트리핑 베셀(35)내로 공급되는 것에 한정되지는 않고, 기타 250℃이하의 온도를 갖는 질소 가스가 요구되는 모든 곳으로 공급되어 활용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예를 따른 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 폐열을 이용한 발전 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4에서는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트(1) 운전시 발생되는 중/저온의 폐열을 열원으로 하여 유기 냉매를 증발시켜 전기를 생산하는 유기 랭킨 사이클 장치(200)가 도시된다.
유기 랭킨 사이클 장치(200, Organic Rankine Cycle)는 물 보다 비등점이 낮고 증기압이 높은 유기 냉매, 예컨대 프레온이나 톨루엔 등과 같은 작동 유체로 하여 동작하는 장치이다. 유기 랭킨 사이클 장치(200)는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트(1)에서 버려지는 250℃ 이하의 중/저온 폐열을 열원으로 하여 전력의 생산을 위한 에너지원으로 활용할 수 있다.
유기 랭킨 사이클 장치(200)는 증발기(210), 터빈(230), 발전기(250), 응축기(270), 펌프(280), 및 유기냉매라인(290)를 포함한다.
증발기(210)는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트(1)에서 발생하는 중/저온 폐열을 열월으로 하여 유기 냉매를 증발시킨다.
터빈(230)은 증발기(210)에 의해 증발된 의해 증발된 유기 냉매를 매개로 회전한다.
발전기(250)는 터빈(230)의 회전에 따라 연동하여 전력을 생산한다.
응축기(270)는 터빈(230)으로부터 나온 유기 냉매를 냉각하여 액화시킨다.
펌프(280)는 응축기(270)에서 나온 응축된 유기냉매를 압축시켜 상기 증발기(210)로 제공한다.
유기냉매라인(290)은 증발기(210), 터빈(230), 응축기(270) 및 펌프(280) 사이에 구비되어 유기 냉매의 순환 경로를 이룬다.
유기 랭킨 사이클 장치(200)는 증발기(210)에서 외부 열원으로부터 열을 흡수하여(정압가열과정) 작동유체가 기화되면 사이클 장치(200) 내의 압력이 급격히 증가하고, 증가된 압력으로 인해 사이클 내부에 설치된 터빈(230)이 회전하게 되고, 이때 회전하는 터빈(220)의 회전운동에너지를 전기에너지로 전환함으로써 전력을 생산한다(단열팽창과정).
그리고 터빈(230)을 구동하고 통과된 기체는 다시 응축기(270)로 유입되어 외부 열원과의 열교환을 통해 열을 잃어(정압방열과정) 응축하고(단열압축과정), 이때 액화된 작동유체를 펌프(280)를 이용해 증발기(210)로 재순환시켜 지속적으로 전력을 생산한다.
증발기(210)는 폐열회수장치(100)의 냉매회수라인(163) 상에 배치되어 집진 설비(30)의 스트리핑 베셀(35)내에 수용된 비회가 가지는 열원을 이용하여 유기 냉매를 증발 시킬 수 있다.
그리하여, 집진 설비(30)를 통과하는 비회가 가지는 대략 250℃ 이하의 중/저온 폐열을 효율적으로 활용할 수 있다.
상술한 바와 같이 유기 랭킨 사이클 장치(200)는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 집진 계통에서 발생하는 폐열을 활용하도록 구성할 수 있다. 그러나, 그에 한정된 것은 아니며, 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 중/저온 폐열이 발생되는 모든 계통에 채용될 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술하는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술하는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
1: 석탄 가스화 복합 발전 플랜트 10: 가스화기
30: 집진 설비 31: 필터
35: 스트리핑 베셀 60: 증기터빈
43: 수성가스 전이/이산화탄소 포집 반응기
70: HRSG 100: 폐열회수장치
163: 냉매 회수 라인 200: 유기 랭킨 사이클 장치
210: 증발기 230: 터빈

Claims (28)

  1. 합성 가스를 생성하는 가스화기;
    상기 가스화기의 후단측에 배치되어 상기 합성 가스에 포함된 비회를 제거하는 집진 필터;
    상기 집진 필터의 후단측에 배치되어 상기 집진 필터로부터 분리된 비회로부터 유해가스를 스트리핑하는 스트리핑 베셀;
    상기 스트리핑 베셀 내의 상기 비회가 가지는 열원을 회수하도록 상기 스트리핑 베셀 내에 배치되고, 그 내부로 질소가 순환하는 열교환기를 갖는 폐열 회수 장치; 및
    상기 열교환기를 통해 소정 온도로 열교환된 질소를 상기 스트리핑 베셀 내로 공급하도록 상기 열교환기 및 상기 스트리핑 베셀을 연통하는 연통 유닛을 포함하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폐열 회수 장치는,
    상기 열교환기 내로 냉매를 공급하는 냉매공급유닛;
    상기 열교환기를 통해 열교환되어 회수된 상기 질소를 저장하는 냉매회수탱크; 및
    상기 질소가 순환하는 유로를 형성하는 냉매순환라인을 포함하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제2항에 있어서, 상기 폐열회수장치를 통해 회수된 열원을 이용하여 유기냉매를 증발시켜 전기를 생산하는 유기 랭킨 사이클 장치를 더 포함하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트.
  7. 제6항에 있어서, 상기 유기 랭킨 사이클 장치는,
    상기 열교환기를 통해 열교환된 냉매를 열원으로하여 상기 유기 냉매를 증발시키는 증발기;
    상기 증발기에 의해 증발된 유기냉매를 매개로 회전하는 터빈;
    상기 터빈의 회전에 따라 연동하여 전력을 생산하는 발전기;
    상기 터빈으로부터 나온 유기냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기;
    상기 응축기에서 나온 응축된 유기냉매를 압축시켜 상기 증발기로 제공하는 펌프; 및
    상기 증발기, 상기 터빈, 상기 응축기 및 상기 펌프 사이에 구비되어 상기 유기 냉매의 순환 경로를 이루는 유기냉매라인을 포함하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 증발기는 상기 열교환기 및 상기 냉매회수탱크 사이의 냉매회수라인 상에 배치된 석탄 가스화 복합 발전 플랜트.
  9. 가스화기로부터 생성된 합성 가스로부터 집진 필터를 이용하여 비회를 분리하고, 분리된 비회를 스트리핑 베셀을 통과시켜 상기 비회로부터 유독 가스를 제거하는 집진 단계에서,
    상기 스트리핑 베셀 내에 그 내부로 질소가 순환되는 열교환기를 배치하여 상기 스트리핑 배셀 내에 수용된 상기 비회가 가지는 열원을 회수하고,
    상기 열교환기를 통하여 소정 온도로 열교환된 질소를 상기 스트리핑 베셀 내로 공급하여 상기 비회로부터 유독 가스를 제거하는 것을 포함하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 폐열 회수 방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서, 상기 열교환기를 통해 열교환된 소정 온도의 저압의 질소를 냉매회수탱크에 저장한 후 상기 저압의 질소를 필요로 하는 소정의 유닛으로 공급하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 폐열 회수 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제9항에 있어서, 상기 열교환기를 통해 회수된 열원을 이용하여 유기 랭킨 사이클 장치의 유기 냉매를 증발시켜 전기를 생산하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 폐열 회수 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 유기 랭킨 사이클 장치를 구성하는 증발기를 상기 열교환기를 통해 열교환된 상기 질소가 회수되는 냉매회수라인 상에 배치하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 폐열 회수 방법.
  16. 물보다 비등점이 낮은 유기 냉매를 작동 유체로 하여 동작하는 유기 랭킨 사이클 장치; 및
    석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 집진 설비에서 발생하는 중/저온 폐열을 회수하는 폐열 회수 장치를 포함하고,
    상기 폐열 회수 장치를 통해 제공되는 중/저온 열원을 매개로 상기 유기 랭킨 사이클 장치의 유기 냉매를 증발시켜 전기를 생산하고,
    상기 집진 설비는 상기 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 가스화기의 후단측에 배치되어 합성 가스에 포함된 비회를 제거하는 집진 필터; 및
    상기 집진 필터의 후단측에 배치되어 상기 집진 필터로부터 분리된 비회로부터 유해가스를 스트리핑하는 스트리핑 베셀을 포함하고,
    상기 폐열 회수 장치는 상기 스트리핑 베셀 내에 배치되고 그 내부로 질소를 순환시키는 열교환기를 포함하고,
    상기 열교환기를 통하여 소정 온도로 열교환된 질소를 상기 스트리핑 베셀 내로 공급하여 상기 비회로부터 유독가스를 제거하도록 구성된 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 폐열을 이용한 발전장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 유기 랭킨 사이클 장치는 상기 폐열 회수 장치를 통해 제공되는 상기 열원을 매개로 유기 냉매를 증발시키는 증발기;
    상기 증발기에 의해 증발된 유기냉매를 매개로 회전하는 터빈;
    상기 터빈의 회전에 따라 연통하여 전력을 생산하는 발전기;
    상기 터빈으로부터 나온 유기냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기;
    상기 응축기에서 나온 응축된 유기냉매를 압축시켜 상기 증발기로 제공하는 펌프; 및
    상기 증발기, 상기 터빈, 상기 응축기 및 상기 펌프 사이에 구비되어 상기 유기 냉매의 순환 경로를 이루는 유기냉매라인을 포함하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 폐열을 이용한 발전 장치.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제16항에 있어서, 상기 폐열 회수 장치는,
    상기 열교환기 내로 질소를 공급하는 냉매공급유닛;
    상기 열교환기를 통해 열교환되어 회수된 상기 질소를 저장하는 냉매회수탱크; 및
    상기 냉매가 순환하는 유로를 형성하는 냉매순환라인을 포함하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 폐열을 이용한 발전장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 유기 랭킨 사이클 장치를 구성하는 증발기는 상기 열교환기를 통해 열교환된 상기 질소가 회수되는 냉매회수라인 상에 배치된 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 폐열을 이용한 발전 장치.
  22. 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 집진 설비로부터 폐열을 회수하는 폐열 회수 단계; 및
    상기 폐열 회수 단계에서 회수된 열원을 이용하여 유기 랭킨 사이클 장치의 유기 냉매를 증발시켜 전기를 생산하는 단계를 포함하고,
    상기 폐열 회수 단계에서, 상기 집진 설비의 스트리핑 베셀 내에 그 내부로 질소가 순환하는 열교환기를 배치하여 상기 스트리핑 베셀 내에 수용된 비회가 가지는 폐열을 회수하고,
    상기 열교환기를 통하여 소정 온도로 열교환 된 질소를 상기 스트리핑 베셀 내로 공급하여 상기 비회로부터 유독가스를 제거하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 폐열을 이용한 발전 방법.
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 제22항에 있어서, 상기 유기 랭킨 사이클 장치의 증발기를 상기 폐열이 회수되는 라인상에 배치하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트의 폐열을 이용한 발전 방법.
  26. 삭제
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