KR101586105B1 - 이산화탄소를 제거하는 화력 발전소 - Google Patents

이산화탄소를 제거하는 화력 발전소 Download PDF

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Abstract

상기 터빈의 중간 단(intermediate stage)에서 상기 연소 가스를 인출하는 단계, 상기 인출된 연소 가스를 압축 공기 및 추가적인 탄소질 연료와 함께 버너로 도입하여 상기 버너 내부에서 이차 연소시키는 단계, 상기 버너로부터 연소 가스를 냉각시키는 단계, 상기 냉각된 연소 가스를 CO2 포획 장치로 도입하여 상기 연소 가스를, 저장하기 위해 인출되는 CO2 풍부 가스와 CO2 희박 가스로 분리하는 단계, 그리고 상기 CO2 희박 가스를 중간 수준(intermediate level)에서 상기 터빈으로 재도입하고 재가열하여 대기로 방출되기 전에 상기 가스를 추가로 팽창시키는 단계를 포함하는 가스 터빈의 연소 가스로부터 CO2를 분리하는 방법이 기재된다. 또한, 상기 방법을 이용하는 발전소가 기재된다.

Description

이산화탄소를 제거하는 화력 발전소{Thermal power plant with CO2 sequestration}
본 발명은 현존하는 가스 터빈 발전소에서 수행될 수 있는, CO2를 포획하기 위한 방법 및 설비에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 혁신적인 CO2 포획, 즉 CO2 절감 플랜트를 포함하는 가스 터빈 발전소에 관한 것이다.
지난 수십년 간, 화석 연료의 증가된 연소로 인해 대기 중에 증가하는 CO2 농도가 큰 관심사가 되어 왔다. 증가하는 CO2의 농도에 의해 발생되는 증가된 온실 효과는 지구의 실질적인 온도를 증가시키고 다음 수십년 내에 거대한 환경적 충격을 일으킬 것으로 예상되고 있다.
그러므로 대기 중의 CO2 농도를 안정화시키는 조치가 있어야 한다. 인간이 만드는 CO2 방출의 상당한 부분은 오일, 가스 또는 석탄으로부터의 전력 생산의 결과이다. 따라서, CO2의 포획을 포함하는 화력 발전소를 개발하기 위해 실질적인 노력이 있어 왔다. 포획된 CO2는 예를 들어, 고갈된 유정(oil well) 또는 가스정(gas well)과 같은 지질학적 지층(geological formation) 내에 안전하게 보관될 수 있거나, 오일 또는 가스의 생산을 증가시키기 위한 압력 지지체(pressure support)로서 사용될 수 있다.
CO2의 포획을 위한 제안은 주로 다음의 세 가지 개발로 구분된다.
* 화력발전의 배기가스로부터 나온 CO2의 후연소(post-combustion) 또는 "배출구(end of pipe)" 흡수,
* 화석연료가 개질장치(reformer)에서 주로 수소 및 CO2로 전화되는 경우에 연료의 전연소 전환(pre-combustion conversion). 상기 개질장치로부터 생산된 생성물은 높은 부분 압력의 CO2를 포함하고 따라서 이러한 CO2는 연료로 사용되는 수소로부터 비교적 쉽게 분리되며, 그리고
* 공기 분리에 의해 획득된 산소가 CO2와 함께 사용되어, 일반적인 공기 공급을 대체하는 산소-연료(Oxy-fuel) 시스템. 이것은 상기 시스템으로부터 N2를 제거하고 CO2의 부분 압력을 증가시켜 CO2의 분리를 용이하게 한다.
이러한 기술이 가장 발달되었고 발전소와의 통합 정도가 작다는 사실 때문에, CO2의 후연소 흡수에 대해 많은 노력이 행해져 왔다. 후연소 시스템은 기존 발전소에서 시행될 수 있다.
그러나, 화력 발전소로부터 나온 상기 배기가스 내에서 CO2의 매우 낮은 부분 압력이 경제적으로 수용가능한 CO2 포획을 하는데 주된 문제점이다. 현재의 기술로 보장될 수 있는 것보다 흡수기가 더 커지고, 흡수기 칼럼(absorber column)에서 흡수제 분포(absorbent distribution)를 방해하고 따라서 흡수 효율을 감소시킨다. 추가로, 대부분의 화석 연료 기반의 화력 발전소의 배기가스에서 상기 잔여 O2 농도는 비교적 높다. 이것은 CO2포획 시스템에서 요구되는 유기 흡착제를 저하시키는 문제 그리고, 상기 흡착제 선택도에 따라, 상기 CO2 생성물의 잠재적인 오염을 일으킨다.
개질 생성물이 높은 농도의 CO2로 가압되기 때문에 화석 연료의 수소로의 전연소 전환이 매력적이다. 그러므로 상기 CO2는 후연소 시스템보다 더 쉽게 포획된다. 따라서 종래의 가압 흡수 칼럼이 사용될 수 있다. 상기 공정의 단점은 석탄 가스화(coal gasification)를 위한 매우 복잡한 공정을 포함하고, 수소 연료에 대한 가스 터빈을 개발할 필요가 있다는 것이다.
화석연료의 전연소 전환과 유사하게, 산소-연료 시스템은 비교적 높은 CO2의 부분 압력을 생산한다. 그러므로 상기 CO2는 후연소 시스템보다 더 쉽게 포획된다. 상기 시스템의 단점은 매우 크고 고가의 공기 분리 장치를 필요로 하는 점, 산소 생성을 위한 높은 에너지를 필요로 하는 점, 그리고 화염 온도를 냉각시키기 위한 질소 대신에 CO2를 사용하기 위해 신기술을 필요로 하는 점이다. 또한, 상기 구동 유체(motive fluid)에서 CO2가 질소로 대체될 때 새로운 가스 터빈이 요구된다. 상기 산소 생산 장치로부터 나온 순수한 산소(pure oxygen)가 수반하고 있는 누출 및 화재의 위험으로 인하여 상기 산소 시설 및 상기 발전소 사이에 큰 공간적인 분리가 요구된다. 이러한 요구는 필요한 총면적을 증가시키고 특히 해상 적용(offshore application) 비용을 증가시킬 것이다. 더욱이, 상기 생성된 CO2는 불연소 산소를 포함할 것이다. 이러한 산소는, 예를 들어 오일 회수를 향상시키기 위해 유전에 주입하기 전에 상기 CO2로부터 분리되어야 한다.
본 명세서에서 참고로 포함된 WO 2004/001301은 CO2 저방출 화력 발전소에 관한 것이다. CO2는, 액상 흡수제가 연소 가스에 대하여 향류 방향으로 흐르는 흡수기 내의 연소 체임버로부터 나온 상기 연소 가스로부터 흡수된다. 이로써 CO2에 대한 상기 흡수제의 능력을 강화한다. 상기 강화된 흡수제는, 재생 칼럼 내에서 상기 재생 칼럼의 하부에 연결된 리보일러(reboiler)에서 재생된 스팀에 대하여 향류로 가열되고 탈거됨으로써 재생되어, 저장(deposition)용 플랜트로부터 인출되는 CO2 흐름 및 상기 흡수기로 반송되는 재생 흡수제를 생성한다. 가압된 연소 체임버에서 산소 및 연료 모두의 실질적인 완전 연소에 의해, 생산된 전력에 비하여, CO2의 부분 압력은 증가하고, 정제되어야 할 배출 가스의 체적 유량(volume flow)은 감소한다. 이것은 높은 압력에서 일어나는 CO2의 포획을 향상시킨다. 그러나, WO 2004/001301은 증기 생성을 위한 가압된 연소 체임버를 포함하는 화력 발전소 또는 신규 발전소에 적합하다.
WO 2005/045316은 화력 발전소용 정제 장치에 관한 것이고, 여기에서 기존 화력 발전소로부터 나오는 연소 가스는 WO 2004/001301의 기본 원리로 건설된 플랜트 내부로 도입되는 산소 함유 가스의 전부 또는 실질적인 부분으로서 사용되어 두 가지 플랜트 모두로부터 나오는 CO2를 포획하는 동시에 총전력 생산량을 증가시킨다. 고효율 가스 터빈이 일차 발전소로서 사용된다. 먼저 공기가 일차 발전소 압축기에서 압축되고, 그 후 가열되고 대기압으로 팽창된다. 이차 발전소는 추가 전력을 제공하고 가압하에서 CO2 포획을 수행한다. 이러한 기술의 주된 단점은 상기 일차 플랜트로부터 나오는 가스를 재압축해야 한다는 것이다. 이러한 재압축은 상당한 일을 요구하고 열효율의 손실을 일으킨다.
그러나, 대기압으로부터 가스를 재압축할 필요없이, 가능한 한 가압된 CO2 포획과 함께 상기 고효율, 고온 가스 터빈의 이점을 사용하는 시스템이 요구되고 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 가스 터빈으로부터 CO2를 포획하기 위한 개선된 방법 및 발전소를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 기존 가스 터빈 또는 복합 싸이클 발전소에 대한 후설치(post-installation)에 적합한 해결책을 제공하는 것이다.
[발명의 간단한 설명]
제1 실시태양에 따르면, 본 발명은, 탄소질 연료와 압축 산소를 함유하는 가스가 연소되고, 상기 연소 가스가 대기로 방출되기 전에 터빈을 거치면서 팽창하여 발전기에서 전력을 생산하는 가스 터빈의 연소 가스로부터 CO2를 분리하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 추가로:
a) 상기 터빈의 중간 단(intermediate stage)에서 상기 연소 가스를 인출하는 단계,
b) 상기 인출된 연소 가스를 압축 공기 및 추가적인 탄소질 연료와 함께 버너로 도입하여 상기 버너 내부에서 이차 연소시키는 단계,
c) 상기 버너로부터 연소 가스를 냉각시키는 단계,
d) 상기 냉각된 연소 가스를 CO2 포획 장치로 도입하여 상기 연소 가스를, 저장하기 위해 인출되는 CO2 풍부 가스와 CO2 희박 가스로 분리하는 단계, 그리고
e) 상기 CO2 희박 가스를 중간 수준(intermediate level)에서 상기 터빈으로 재도입하고 재가열하여 대기로 방출되기 전에 상기 가스를 추가로 팽창시키는 단계를 포함한다.
상기 터빈의 중간 수준으로부터 팽창된 가스의 부분적 인출 및 여전히 상승된 압력에서 부분적으로 팽창된 가스의 이차 연소를 위한 상기 버너로의 도입으로 상승된 압력에서의 연소 및 이어지는 CO2 포획이 가능해 진다. 추가로, 상기 인출된 가스의 열 및 압력 에너지는 CO2 희박 가스의 재가열 및 상기 터빈을 거치는 동안의 팽창에 의해 적어도 부분적으로 유지되고 사용된다.
하나의 실시태양에 따르면, 상기 방법은, b) 단계에서 상기 가스가 상기 버너 내부로 도입되기 전에 a) 단계의 인출된 연소 가스를 냉각시키는 단계를 추가로 포함한다. 버너로 도입되기 전에 상기 가스를 냉각시키는 것은 상기 버너에서 화염의 온도를 낮추는데, 만약 그렇지 않다면, 상기 화염은 매우 고온이 되고 높은 농도의 NOX를 생성할 수 있다. 추가로, 높은 온도는 상기 발전소의 구성 요소의 재료에 관련된 문제점을 초래할 수 있다.
상기 버너에서의 이차 연소는 총 가스 유량에 질량을 더하여 가스의 총 질량으로부터 제거된 CO2의 질량을 대체한다. 이러한 연소를 수행하는 것과 상기 버너의 하류 부분에서의 CO2 포획은 상기 가스 내의 산소 수준을 감소시키고 CO2 수준을 증가시키는데, 이들 모두는 상기 포획 공정의 효율에 대해 중요하다. CO2 고갈 가스의 재가열 및 상기 터빈을 거치면서 상기 가스를 팽창시키는 것은 상기 발전소의 에너지 효율을 상당히 증가시킨다.
제2 견지에 따르면, 본 발명은, 발전소가 추가로 상기 터빈의 중간 단으로부터 부분적으로 팽창된 가스를 인출하기 위한 측면 가스 인출 장치(gas side draw unit), 상기 부분적으로 팽창된 가스와 산소 공급원으로서 추가적인 공기를 사용하는 연료의 이차 연소를 위한 버너, 상기 이차 연소로부터 나오는 연소가스를 냉각하기 위한 하나 이상의 열교환기(들), 상기 냉각된 가스를, 추가로 처리되고 상기 플랜트로부터 내보낼 CO2 풍부 가스와, CO2 희박 가스로 분리하기 위한 CO2 분리 장치, 상기 CO2 희박 가스 및 가스를 재가열하기 위한 하나 이상의 열교환기(들), 가스 반송 라인(gas return line) 그리고 추가 팽창을 위해 상기 터빈의 중간 수준에서 상기 가열된 CO2 희박 가스의 도입을 위한 터빈 유입 장치를 포함하는, 가스 터빈 및 상기 가스 터빈에 의해 작동되는 발전기를 포함하는 발전소에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 복합 싸이클 가스 동력 발전소의 기본적인 개략도이고,
도 2는 본 발명의 하나의 실시태양의 기본적인 개략도이며,
도 3은 총 기관 효율(total duty)에 대한 가스 터빈 부하의 함수로서, 본 발명에 따른 발전소로부터의 순전력 출력을 나타내는 그래프이고,
도 4는 총 기관 효율에 대한 가스 터빈 부하의 함수로서, 본 발명에 따른 발전소로부터의 순전기 효율을 나타내는 그래프이며,
도 5는 총 기관 효율에 대한 가스 터빈 부하의 함수로서, 본 발명에 따른 발전소에서 정제될 배기 가스 내의 잔여 산소를 나타내는 그래프이고,
도 6은 총 기관 효율에 대한 가스 터빈 부하의 함수로서, 본 발명에 따른 발전소에서 정제될 배기 가스 내의 CO2의 부분 압력을 나타내는 그래프이며, 그리고
도 7은 총 기관 효율에 대한 가스 터빈 부하의 함수로서, 본 발명에 따른 발전소에서 정제될 배기 가스의 실제 부피를 나타내는 그래프이다.
도 1은 선행 기술에 따른 복합 싸이클 가스 터빈 발전소(1)를 나타낸다. 본 발명이 복합 싸이클 발전소에 기초하는 발전소로부터 CO2를 포획하기 위한 방법 및 변경에 관한 것이기 때문에, 상기 선행 기술의 발전소가 논의될 것이다. 본 발명에서 사용되는 "가스 터빈"이라는 용어는 압축기(2), 연소 체임버(8) 및 상기 압축기, 보다 바람직하게는 공통 샤프트(commmon shaft)(11)에 기계적으로 결합된 터빈(4)을 포함하는 장치를 말한다. 본 발명에서 "터빈"은 고온 가스의 에너지를 회전에너지로 변환 시키는 팽창 장치(expansion unit)를 의미하는 것으로 사용된다.
"탄소질 연료" 또는 "연료"라는 용어는, 가스 터빈의 연소 체임버 내에서 기체상으로 존재할 천연가스, 유체 탄화수소, 및 메탄올, 에탄올 등과 같은 산소화된 탄화수소, 또는 가스화 석탄, 가스화 코크스, 가스화 유기 물질 등과 같은 가스화된 연료와 같이, 가스 터빈에 적합한 연료에 대해 사용된다.
공기 유입 라인(3)을 통해 공기가 상기 압축기(2)로 도입된다. 상기 압축기(2)로부터 압축된 공기는 압축 공기 라인(7)을 통해 연소 체임버(8)로 도입된다. 예를 들어 천연가스와 같은 연료가 가스 라인(9)을 통해 상기 연소 체임버로 도입된다. 상기 연소 체임버로부터 나온 연소 가스는 연소 가스 라인(10)을 통해 인도되고, 팽창된 가스가 배기 가스 라인(12)를 통해 방출되기 전에 터빈(4)를 거치면서 팽창한다.
도면에 나타난 바와 같이, 전력의 생산을 위한 상기 압축기(2), 터빈(4) 및 발전기(5)는 공통 샤프트(11) 상에 배치되어 있다.
상기 배기 가스 라인(12) 내의 배기 가스는 항상 뜨겁고, 전형적으로 500℃ 내지 600℃이며, 스팀 및 배출구(12')을 통해 주변으로 방출되는 냉각된 배기 가스를 생산하기 위한 하나 이상의 열 교환기(들)(13)에 의해 냉각된다.
상기 열 교환기(들)(13)에서 생성된 스팀은 스팀 라인(14) 내에서 상기 스팀이 팽창되는 증기 터빈(15)으로 인도된다. 전력 생산을 위한 발전기(16)는 상기 스팀 터빈에 결합된다.
상기 팽창 스팀은 팽창 스팀 라인(17) 내에서 인도되어, 상기 스팀을 응축시키기 위해 물을 사용하여 적절하게 냉각기(18)에서 냉각된다. 상기 응축물은 물 라인(20)을 통해 펌프(19)에 의해 펌핑되고 상기 열 교환기(들)(13)로 재도입된다.
전형적으로, 복합 싸이클 발전소로부터 나온 전력의 약 75% 내지 80%가 상기 터빈(4)에 의해 작동되는 발전기(5)에서 생성되고 나머지는 상기 스팀 터빈(15)에 의해 작동되는 발전기(16)에서 생성된다.
도 2는 수정된 복합 싸이클 가스 터빈 파트 A 및 CO2 감소 파트 B를 포함하는, 본 발명에 따른 발전소를 나타낸다.
도 1을 참조하여 설명된 파트들에 상응하는 파트들이 도 1에 사용된 참조번호와 동일하게 언급된다.
상기 터빈(4)은 일반적으로 고압 터빈(4') 및 저압 터빈(4'')을 포함한다. 본 발명에 따르면, 부분적으로 팽창된 연소 가스는, 중간 수준의 팽창에서 상기 터빈으로부터, 적절하게는 고압 터빈(4')과 저압 터빈(4'') 사이에서 가스 인출 라인(20)으로 인출된다. 바람직하게는, 측면 가스 인출 장치(21)가 상기 고압 터빈 뒤에서 상기 샤프트(11)에 삽입되어 상기 부분적으로 팽창된 가스의 인출을 용이하게 한다. 상기 가스 인출 지점에서의 압력은, 예를 들어 10 bara 내지 14 bara와 같이, 6 bara 내지 16 bara의 범위이다.
라인(20)에서 상기 부분적으로 팽창된 가스는 가압 및 가열된 공기와 결합하여 냉각 체임버로 도입되는데, 상기 결합된 가스는, 일차 냉각 체임버(23)의 가열 튜브(22) 내의 스팀을 가열 및/또는 스팀을 생성함으로써 냉각된다. 상기 냉각 체임버로 들어가는 가스 혼합물은 약 1000℃이고 이곳에서 약 400℃ 내지 500℃의 온도로 냉각된다. 그 후 냉각 체임버(23) 내의 결합 및 냉각된 가스는, 상기 결합 가스가 이차 연료 라인(26)을 통해 도입된 연료 가스와 혼합되는 버너(25)를 통해 이차 냉각 체임버(24)로 도입된다. 공기는 공기 공급 라인(52)을 통해 들어가고 전기 모터(54)에 의해 작동되는 압축기(53)에 의해 압축된다.
상기 압축 공기는 라인(55 및 55a)을 통해 공급되고, 착화(firing) 목적으로 상기 이차 버너로 흘러가기 전에, 가압 용기(50)를 냉각하는 파이프(20 및 39)를 보호하기 위해 사용된다. 상기 공기 중 일부는 라인(55b)을 통해 공급되고 연소기(25)로 바로 보내진다. 압축기(53)로부터 나온 공기의 총량은 라인(34)에서 인출된 포획된 CO2에 비례하여 조절되어, 라인(39)을 통해 상기 가스 터빈으로 향하는 가스 체적 유량은 라인(20)을 통해 상기 가스 터빈으로부터 인출되는 가스의 체적 유량과 동일하거나 매우 근접하게 된다. 상기 이차 버너로 도입된 연료가 조절되어 상기 이차 냉각 체임버(24)에서의 연소가 산소 및 연료에 대해 실질적으로 모두 완료된다.
상기 이차 냉각 체임버 내의 연소 가스는, 가스 가열 튜브(27)에서 가스를 가열시키고 과열기 튜브(28)에서 상기 가열 튜브(22)로부터 나온 스팀을 과열시킴으로써 냉각된다. 가열 튜브(22)는 라인(14a)을 통해 과열기 튜브(28)와 결합된다. 도 1을 참조하여 앞서 설명된 바와 같이, 상기 과열기 튜브(28)에서 과열된 스팀은 라인(14b)을 통해 인출되고, 전기 에너지를 생성하기 위한 스팀 터빈(15)으로 도입되어, 응축되며 상기 열 교환기(13)로 회수된다.
상기 이차 냉각 체임버(24)로부터 나온 배기 가스가 배기 라인(29)를 통해 인출되고 열 교환기 어셈블리(30)에서 냉각된다. 바람직하게는, SCR(Selective Catalytic Reduction unit, 선택적 촉매 환원 장치) 또는 SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction unit, 선택적 비촉매 환원 장치)(31)이 상기 열교환기 어셈블리(30)에 제공되어 상기 배기 가스로부터 NOX를 제거한다.
상기 열 교환기 어셈블리(30)로부터 나온 냉각 가스는 라인(32)을 통해 인출되고 CO2 분리 장치(33)로 도입된다. 상기 CO2 분리 장치(33)는, 예를 들어 WO 00/57990에 기재된 분리 장치와 같은 종래 기술에 따른 표준적인 장치이고, 여기에서 CO2를 포함하는 가스 내의 CO2는 흡수기 내의 액상 흡수제와 향류로 흐르면서 흡수되어 라인(35)을 통하여 인출되는 CO2 희박 흐름을 생성한다. 그 후 상기 CO2로 충진된 흡수제는, 건조되고 압축되며 상기 플랜트로부터 방출시키기 위해 라인(34)을 통해 인출되는 CO2 흐름을 생성하기 위해 재생되고, 재생된 흡수제는 상기 흡수기로 반송된다. 상기 흡수제는 아민, 아미노산, 탄산염 등의 수용액과 같은 전형적으로 사용되는 흡수제일 수 있다. 또한, 상기 CO2 포획 장치는 상기 CO2 포획 장치의상류 부분에 가스 세척(gas scrubbing) 및 직접 접촉식 가스 냉각기를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 가압된 맨틀(41)은 고압 및 고온 라인(20, 39)을 감싸고 있다. 상기 맨틀로 감싼 라인(mantle surrounding lines)(20, 39)은 압축 공기 라인(55)로부터 분리된 분기 라인(55a)으로부터 나온 공기를 사용하여 가압된다. 상기 맨틀은 고온의 내부 파이프 벽의 내외 간의 압력 차를 감소시키고, 따라서 상기 벽 두께를 감소시키고 과도 온도(temperature transients) 동안 크랙(cracks) 발생 가능성을 감소시킨다. 상기 맨틀(41) 내부에서 나온 가열된 공기는 라인(42)을 통해 상기 맨틀(41)로부터 상기 맨틀(50)로 인도된다.
필요한 경우에는, 상기 버너(25)에 추가적 공기를 운반하기 위해, 이차 연소 체임버 내의 연소를 위한 추가적 공기가 상기 압축 공기 라인(55)로부터 분리된 이차 분기 라인(55b)을 통해 도입될 수 있다. 이러한 추가적 공기는 라인(20) 내의 공기보다 더 높은 산소 함유량을 가지고, 하나 이상의 버너(25)에서 화염을 안정시킬 것이다.
라인(35) 내의 상기 CO2 희박 흐름은 모터(들)(37)에 의해 작동하는 하나 이상의 압축기(들)(36)에서 압축되고, 그 후 라인(29)을 통해 도입된 상기 따뜻한 가스에 의해 상기 열 교환기 어셈블리(30) 내에서 가열된다. 상기 가열된 CO2 희박 흐름은, 상기 가스 가열 튜브(27)로 인도하는 라인(38)을 통해 상기 열 교환기 어셈블리를 떠나고, 상기 가스 가열 튜브에서 상기 가스가 버너(25)로부터 나온 연소 가스에 의해 가열된다. 상기 CO2 희박 흐름은 상기 가스 가열 튜브(27)를 떠나서, 상기 샤프트(11)에 배치되어 터빈 유입 장치(40)에 연결된 가스 회수 라인(39)으로 도입된다. 그 후 상기 유입 장치(40)로 도입된 가스는 상기 저압 터빈(4'')을 거치면서 팽창되고, 도 1에서 참조하여 설명한 바와 같이 상기 배기 가스 라인(12)으로 방출된다.
바람직하게는, 라인(20, 39) 각각에 있는 차단 밸브(Closing valve)(45, 46), 그리고 단축 밸브(shortcut valve)(44)를 포함하는 단축 라인(shortcut line)(43)은 라인(20, 39)을 차단하고, 필요한 경우, 상기 흐름이 상기 측면 가스 인출 장치(21)로부터 상기 가스 유입 장치(40)로 곧바로 흐르도록 하기 위해 제공된다.
상기 터빈의 균형을 정확하게 유지시키기 위해서는, 라인(20)을 통해 상기 고압 터빈(4')을 떠난 상기 가스의 압력, 온도 및 유량이 상기 저압 터빈(4'')으로 유입되는 가스의 압력, 온도 및 유량과 실질적으로 동일해야 한다. 상기 이차 냉각 체임버(24) 내의 연소는 상기 총 가스, 특히 라인(38) 내의 CO2 희박 흐름의 온도를 높이고, 상기 총 가스에 질량을 더하여 상기 CO2 제거로 인한 질량 손실을 적어도 부분적으로 보상한다. 추가로, 상기 스팀 싸이클에 열이 가해져 도 1에 따른 예시적인 복합 싸이클 발전소와 비교하여 상기 발전소로부터의 전력 생산을 증가시킬 수 있다.
표 1은 도 1에 따른 약 500 MW 전력을 생산하는 전형적인 복합 싸이클 발전소에 대한 전형적인 온도, 질량 유량(mass flow), 압력 및 생산되거나 소비된 전력을 보여준다.
부품 번호 온도(℃) 질량 유량(kg/s) 압력(bara) 생산/소비 전력(MW)
3 20 869 1
5 390
9 18.3
10 1343 887.3 30
12 520 887.3 1.04
12' 88 887.2 1
14 500 165
16 100
표 2는, 표 1에서 설명된 복합 싸이클 발전소에 기초하여, 본 발명에 따른 CO2를 포획하는 전형적인 발전소에 대한 전형적인 온도, 질량 유량, 압력 및 생산되거나 소비된 전력을 보여준다.
부품 번호 온도(℃) 질량 유량(kg/s) 압력(bara) 생산/소비 전력(MW)
3 20 869 1
5 390
9 18.3
10 1343 887.3 30
12 520 834.3 1.04
12' 88 834.3 1
14b 565 165
16 828
20 1013 887.3 10
26 31
52 51
34 135
39 13 834.3 10
37 -13
54 -17
33 -84
도 3 내지 도 7은 도 2에서 참조하여 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 발전소(실선으로 연결된 검정색 원)를 나타내고 도 1에 따른 비교예는 표준 복합 싸이클 발전소(검정색 사각형)에 대해 78% 가스 터빈 부하 및 22% 스팀 터빈 부하로 수행된다.
도 3은, 가스 터빈 부하의 함수로서, CO2 포획 및 압축을 포함하는 도 2에 따른 발전소로부터 생산된 순 전력을 나타낸다. 상기 도면은 상기 가스 터빈에 대한 상대 부하(relative load)가 증가함에 따라 상기 순 전력 출력이 감소된다는 것을 보여준다. CO2 포획을 포함하는 본 발명의 시스템을 나타내는 실선과 비교예 사이의 차이는 상기 CO2 포획에 대한 전력 출력 비용이다. 상기 가스 터빈으로부터 나오는 전력의 생산량은 일정한데 비해, 상기 스팀 터빈으로부터 나오는 생산량은 증가한다. 상기 증가된 전력 생산량은 상기 발전소의 수명 생산량(lifetime production) 및 경제성을 향상시킨다.
도 4는, 본 발명에 따른 발전소에 대한 CO2 포획을 포함하는 가스 터빈 및 스팀 터빈의 상대 부하의 함수로서 순 전기 효율을 나타낸다. 본 발명을 표현하는 실선과 비교예 사이의 차이는 CO2 포획에 대한 비용이다. 또한, 상기 곡선은 상기 가스 터빈의 상대 부하가 감소함에 따라 순 전기 효율이 감소된다는 것을 보여 주는데, 이는 상기 공정의 스팀 터빈 부분이 상기 가스 터빈 파트보다 덜 효율적이기 때문이다.
도 5는, 상기 배기 가스 또는 CO2 포획에 의해 처리되는 가스 내의 잔여 산소 함유량에 대한 가스 터빈과 스팀 터빈의 상대 부하의 효과를 나타낸다. 상기 곡선은, 스팀 터빈 부하가 증가함에 따라 상기 산소 농도가 감소된다는 것을 명확하게 보여준다. 낮은 O2 농도는 포획된 CO2의 품질을 위해 유리하다. 상기 정제될 가스에 존재하는 산소는 부분적으로 포획될 것이고 상기 CO2를 오염시킬 것이다. 너무 높은 산소 농도를 갖는 CO2는 저장(deposition)되기 전에 추가로 정제되어야 하고, 상기 공정에 비용을 추가시키는 공정을 추가시켜야 한다.
도 6은 포획 지점에서의 CO2의 부분 압력을 나타낸다(즉, 본 발명에 대한 라인(32) 및 상기 비교예에 대한 라인(12') 내의 배기 가스). 상기 스팀 터빈 부하가 높을수록 CO2의 부분 압력이 높아진다. 낮은 스팀 터빈 부하에서, 본 발명의 발전소 내의 CO2의 부분 압력과 상기 비교예 사이의 차이는, 라인(12') 내의 1 bara에 비교하여, 라인(32) 내의 연소 가스 내에서의 더 높은 총 압력(약 10 bara) 때문이다. 더 높은 부분 압력은 CO2 포획을 향상시키고 대규모 상업 포획 장치의 사용을 가능하게 하며, 추가로, 예를 들어 탄산염과 같은 낮은 에너지를 갖는 흡수제의 사용을 가능하게 한다.
도 7은 본 발명에 따른 발전소 및 상기 비교예에서 정제될 배기 가스의 총 부피를 나타낸다. 총 부피에서의 차이는 압력에서의 차이의 결과이다(1 bara 대 10 bara). 보다 적은 부피는 상기 공정 설비가 보다 작은 공간을 소비할 수 있고, 보다 작은 설비를 만드는 것을 가능하게 함으로써 상기 포획 설비 비용을 감소시킨다는 것을 의미한다.

Claims (14)

  1. 탄소질 연료와 압축 산소를 함유하는 가스가 연소되고 연소 가스가 대기로 방출되기 전에 터빈을 거치면서 팽창하여 발전기에서 전력을 생산하는 가스 터빈의 연소 가스로부터 CO2를 분리하는 방법에 있어서,
    a) 상기 터빈의 중간 단(intermediate stage)에서 상기 연소 가스를 인출하는 단계,
    b) 상기 인출된 연소 가스를 압축 공기 및 추가적인 탄소질 연료와 함께 버너로 도입하여 상기 버너 내부에서 이차 연소시키는 단계,
    c) 상기 버너로부터 나오는 연소 가스를 냉각시키는 단계,
    d) 상기 냉각된 연소 가스를 CO2 포획 장치로 도입하여 상기 연소 가스를, 저장하기 위해 인출되는 CO2 풍부 가스와 CO2 희박 가스로 분리하는 단계, 그리고
    e) 상기 CO2 희박 가스를 중간 수준(intermediate level)에서 상기 터빈으로 재도입하고 재가열하여 대기로 방출되기 전에 상기 가스를 추가로 팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, b) 단계에서 상기 가스가 상기 버너 내부로 도입되기 전에 a) 단계의 인출된 연소 가스를 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 버너로부터 나온 연소 가스는, 냉각 체임버(chamber) 내에 제공되는 과열기 튜브 내의 스팀을 과열시킴으로써 냉각되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 과열기 튜브 내에서 과열된 스팀이 스팀 터빈을 거치면서 팽창하여 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 CO2 희박 가스가 상기 터빈으로 도입되기 전에, 상기 CO2 희박 가스가 상기 CO2 포획 장치로 도입될 연소 가스와의 열교환에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 버너 내부로 도입되는 탄소질 연료 및 공기에 대해 연소가 완료되도록, 상기 버너 내부로 도입되는 탄소질 연료가 조절되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 탄소질 연료가 오일 또는 천연 가스인 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 버너 내부로 도입되는 천연 가스 및 공기가 조절되어, 중간 단에서 상기 터빈으로 도입된 상기 CO2 희박 가스의 질량 흐름(mass flow)이 중간 수준에서 상기 터빈으로부터 인출되는 가스의 질량 흐름과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는, 방법.
  9. 가스 터빈(2, 8, 4) 및 상기 가스 터빈에 의해 작동되는 발전기(5)를 포함하는 발전소에 있어서, 상기 발전소가 추가로 상기 터빈의 중간 단으로부터 부분적으로 팽창된 가스를 인출하기 위한 측면 가스 인출 장치(gas side draw unit)(21), 상기 부분적으로 팽창된 가스와 산소 공급원으로서 추가적인 공기를 사용하는 연료의 이차 연소를 위한 버너(25), 상기 이차 연소로부터 나오는 연소가스를 냉각하기 위한 하나 이상의 열교환기(28, 30), 상기 냉각된 가스를, 추가로 처리되고 상기 발전소로부터 내보낼 CO2 풍부 가스와, CO2 희박 가스로 분리하기 위한 CO2 분리 장치(33), 상기 CO2 희박 가스를 재가열하기 위한 하나 이상의 열교환기(30, 27), 가스 반송 라인(gas return line)(39) 그리고 추가 팽창을 위해 상기 터빈의 중간 수준에서 상기 가열된 CO2 희박 가스의 도입을 위한 터빈 유입 장치(40)를 포함하는, 발전소.
  10. 제9항에 있어서, 상기 발전소가, 상기 터빈의 중간 단과 상기 버너(25)사이에 배치된, 상기 부분적으로 팽창된 가스를 냉각시키기 위한 냉각 체임버를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 발전소.
  11. 제9항에 있어서, 상기 발전소가, 상기 연소 가스가 상기 분리 장치로 도입되기 전에, 상기 분리 장치(33)를 떠나는 CO2 희박 가스를 사용하여 상기 이차 연소 후의 가스를 냉각하기 위한 열 교환기(30)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 발전소.
  12. 제9항에 있어서, 상기 분리 장치(33)의 상류에서 과열기 튜브 내의 스팀의 생성 또는 과열에 의해 상기 버너(25)로부터 나오는 연소 가스를 냉각하기 위하여 이차 냉각 체임버 내에 과열기 튜브(28)가 제공되는 것을 특징으로 하는 발전소.
  13. 제9항에 있어서, 가열 튜브 내에서 스팀을 생성시킴으로써, 상기 버너(25)로 도입되기 전에 상기 부분적으로 팽창된 가스를 냉각하기 위하여 가열 튜브(22)가 일차 냉각 체임버(23) 내에 제공되는 것을 특징으로 하는, 발전소.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 버너(25)로부터 나오는 연소 가스를 사용하여 상기 열교환기(30)를 나오는 CO2 희박 가스를 가열하는 가스 가열 튜브(27)가 상기 이차 냉각 체임버 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 발전소.
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