KR101872851B1 - 가스터빈 장치와 이산화탄소 포집 장치를 포함하는 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템 - Google Patents

가스터빈 장치와 이산화탄소 포집 장치를 포함하는 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템 Download PDF

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최석민
박세진
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Abstract

본 발명은 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 가스터빈 장치와 이산화탄소 포집 장치를 포함하여 에너지 효율을 향상시킨 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템에 관한 것이다. 이를 위해 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템은 공기를 압축하는 압축기, 압축기로부터 배출된 압축 공기와 연료가 연소되는 연소기 및 연소기로부터 배출되는 연소 가스로 구동되는 터빈을 포함하는 가스터빈 장치; 배가스의 입자상 물질을 제거하기 위한 필터링부, 배가스와 이산화탄소 흡수제를 반응시켜 이산화탄소를 포집하는 흡수탑, 흡수 및 탈거 효율을 높이기 위한 열교환기, 이산화탄소와 이산화탄소 흡수제를 분리시키고 이산화탄소 흡수제를 재생하는 탈거탑 및 흡수제 재생에 필요한 열을 공급하는 리보일러를 포함하는 이산화탄소 포집 장치; 압축기를 통과한 공기를 리보일러로 공급하는 제1라인; 및 리보일러에서 배출되는 증기를 터빈으로 공급하는 제2라인;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가스터빈 장치와 이산화탄소 포집 장치를 포함하는 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템{HYBRID CARBON DIOXIDE CAPTURE SYSTEM COMPRISING GAS TURBIN DEVICE AND CARBON DIOXIDE CAPTRUE DEVICE}
본 발명은 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 가스터빈 장치와 이산화탄소 포집 장치를 포함하여 에너지 효율을 향상시킨 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템에 관한 것이다.
종래의 습식아민 이산화탄소 포집 공정(도 1 참조)은 배가스의 SOx, NOx 등 입자상 물질을 제거하기 위한 필터링부(A), 배가스와 아민계열 흡수제를 반응시켜 이산화탄소를 포집시키는 흡수탑(B), 흡수 및 탈거 효율을 높이기 위한 열교환기(C), 이산화탄소와 흡수제를 분리시키고 흡수제를 재생시키는 탈거탑(D), 흡수제 재생에 필요한 열을 공급해주는 리보일러(E)로 구성되어 있다. 공정에서 포집된 CO2는 개념적으로 저장을 위해 압축, 액화 등의 추가 공정을 거쳐 수송된다.
습식아민 이산화탄소 포집 공정에 필요한 약 70% 이상의 에너지(열)는 탈거탑에서 흡수제를 재생시키기 위한 리보일러에서 소비하며, 이 때 열을 공급하기 위해서 파워플랜트 내 증기 중 일부를 추기하여 공급하는데, 추기되는 증기 때문에 파워플랜트의 주 기기의 성능이 감소된다는 문제가 있었다. 또한, 추기되는 증기는 외부로 배출되거나 응축기(Condensor)로 보내지나, 이는 발전시스템에서 보면 에너지 생산에는 관여하지 않는다는 문제도 있었다.
따라서, 파워플랜트로부터 추기되는 스팀량을 저감하여 전체 시스템의 에너지 효율을 개선하고, 추기되는 증기를 활용할 수 있는 방안에 대한 연구 필요성이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0023484호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 가스터빈 장치와 이산화탄소 포집 장치를 포함하고, 가스터빈 장치와 이산화탄소 포집 장치 사이에 열교환을 할 수 있는 라인을 구비함으로써 열효율을 향상시킨 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템를 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
상기 목적은, 공기를 압축하는 압축기, 압축기로부터 배출된 압축 공기와 연료가 연소되는 연소기 및 연소기로부터 배출되는 연소 가스로 구동되는 터빈을 포함하는 가스터빈 장치; 배가스의 입자상 물질을 제거하기 위한 필터링부, 배가스와 이산화탄소 흡수제를 반응시켜 이산화탄소를 포집하는 흡수탑, 흡수 및 탈거 효율을 높이기 위한 열교환기, 이산화탄소와 이산화탄소 흡수제를 분리시키고 이산화탄소 흡수제를 재생하는 탈거탑 및 흡수제 재생에 필요한 열을 공급하는 리보일러를 포함하는 이산화탄소 포집 장치; 압축기를 통과한 공기를 리보일러로 공급하는 제1라인; 및 리보일러에서 배출되는 증기를 터빈으로 공급하는 제2라인;을 포함하는 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템에 의해 달성될 수 있다.
이때, 탈거탑에서 배출된 이산화탄소를 제2라인으로 공급하는 제3라인;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 목적은, 공기를 압축하는 압축기, 압축기로부터 배출된 압축 공기와 연료가 연소되는 연소기, 연소기로부터 배출되는 연소 가스로 구동되는 터빈 및 압축기로부터 배출된 압축 공기를 냉각시키는 냉각기를 포함하는 가스터빈 장치; 가스터빈 장치로부터 배출된 배가스를 회수한 후, 이산화탄소 포집 장치로 공급하는 배열회수보일러; 배가스의 입자상 물질을 제거하기 위한 필터링부, 배가스와 이산화탄소 흡수제를 반응시켜 이산화탄소를 포집하는 흡수탑, 흡수 및 탈거 효율을 높이기 위한 열교환기, 이산화탄소와 이산화탄소 흡수제를 분리시키고 이산화탄소 흡수제를 재생하는 탈거탑 및 흡수제 재생에 필요한 열을 공급하는 리보일러를 포함하는 이산화탄소 포집 장치; 배열회수보일러에서 배출된 증기를 리보일러로 공급하는 제4라인; 및 리보일러에서 배출되는 증기를 냉각기로 공급하는 제5라인;을 포함하는 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템에 의해 달성될 수 있다.
이때, 탈거탑에서 배출된 이산화탄소를 냉각기 후단으로 공급하는 제6라인;을 포함하되, 냉각기 후단으로 공급된 이산화탄소는 냉각기를 통과한 압축 공기와 함께 터빈으로 공급될 수 있다.
본 발명에 따르면, 환경문제를 해결할 수 있고, 에너지 비용을 절감하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
구체적으로, 이산화탄소 포집 장치에서 포집된 이산화탄소를 분리하고, 이산화탄소 흡수제를 재생하기 위한 에너지를 배열회수보일러로부터 공급받지 않고, 가스터빈 장치로부터 공급받음으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 이산화탄소 포집 장치에서 재생된 이산화탄소를 가스터빈 장치로 공급하여 고온부품(연소실, 베인, 블레이드, 케이싱 등) 냉각에 필요한 작동유체의 온도를 낮추는 효과를 기대할 수 있다. 또한, 혼합비에 따라서 압축기에서 추기되는 압축 공기의 양을 줄일 수 있으며, 이에 따라 습식아민 이산화탄소 포집 공정 설치에 따른 전체 시스템 효율 저감을 보상할 수 있다.
또한, 복합화력발전에 이산화탄소 포집 공정을 설치할 경우 배가스 내 포함된 이산화탄소의 절대 양이 작기 때문에 포집 공정 설치에 따른 포집 효율 및 효용성 측면에서 일부 이산화탄소를 순환시킴으로써 효용성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 초임계 유체로 이산화탄소 사용시 이산화탄소 사용 기술(CCUS)로 환경문제 해결에 기여할 수 있고, 가스터빈 장치를 사용하는 기존 복합발전과 열병합발전, 열병합복합발전 등에 적용할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 이산화탄소 포집 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 가스터빈 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템(100)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템(100)은 공기를 압축하는 압축기(11), 압축기(11)로부터 배출된 압축 공기와 연료가 연소되는 연소기(12) 및 연소기(12)로부터 배출되는 연소 가스로 구동되는 터빈(13)을 포함하는 가스터빈 장치(10); 배가스의 입자상 물질을 제거하기 위한 필터링부(21), 배가스와 이산화탄소 흡수제를 반응시켜 이산화탄소를 포집하는 흡수탑(22), 흡수 및 탈거 효율을 높이기 위한 열교환기(23), 이산화탄소와 이산화탄소 흡수제를 분리시키고 이산화탄소 흡수제를 재생하는 탈거탑(24) 및 흡수제 재생에 필요한 열을 공급하는 리보일러(25)를 포함하는 이산화탄소 포집 장치(20); 압축기(11)를 통과한 공기를 리보일러(25)로 공급하는 제1라인(40); 및 리보일러(25)에서 배출되는 증기를 터빈(13)으로 공급하는 제2라인(50);을 포함한다.
본 발명은 이산화탄소 흡수제를 재생하기 위하여 리보일러(25)에서 공급하는 고온의 열을 파워플랜트(배열회수보일러) 내 증기 중 일부를 추기하여 공급하는 방식(종래 방식)이 아니고, 가스터빈 장치(10)와 이산화탄소 포집 장치(20)를 결합한 후, 가스터빈 장치(10)의 압축기(11)를 통과한 압축 공기를 사용함으로써 전체 시스템의 효율 저감을 방지할 수 있는 효과를 가진다. 구체적으로, 종래에는 파워플랜트로부터 추기되는 증기 때문에 파워플랜트의 주 기기의 성능이 감소된다는 문제가 있었고, 이로 인해, 전체 시스템의 에너지 효율이 저감되었으나, 본 발명은 가스터빈 장치(10)로부터 고온의 열을 공급받음으로써 파워플랜트 주 기기의 성능 감소를 막을 뿐만 아니라, 전체 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 되었다.
일 실시예에 있어서, 탈거탑(24)에서 배출된 이산화탄소를 제2라인(50)으로 공급하는 제3라인(60);을 포함할 수 있다(도 4 참조). 제3라인(60)을 통해서 이산화탄소 포집 장치(20)에서 포집한 저온 고압의 이산화탄소 일부를 제2라인(50)에 공급하여 가스터빈 장치(10)로 이산화탄소를 주입할 수 있다. 포집된 저온 고압의 이산화탄소를 가스터빈 장치(10)로 다시 주입함으로써 고온부품 냉각의 측면에서 유리하고(냉각공기의 온도를 기존보다 낮춤), 공기 중 이산화탄소 함량을 증가시킴에 따라 비열이 증가하여 동일한 열 전달량 대비 작동유체의 온도 변화가 줄어들어 고온부품 내 최하단부(tip 또는 Trailing edge)로 공급되는 작동유체의 온도가 종래 대비 낮아지므로 상대적으로 개선된 냉각 성능을 기대할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템(100)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템(100)은 공기를 압축하는 압축기(11), 압축기(11)로부터 배출된 압축 공기와 연료가 연소되는 연소기(12), 연소기(12)로부터 배출되는 연소 가스로 구동되는 터빈(13) 및 압축기(11)로부터 배출된 압축 공기를 냉각시키는 냉각기(14)를 포함하는 가스터빈 장치(10); 가스터빈 장치(10)로부터 배출된 배가스를 회수한 후, 이산화탄소 포집 장치(20)로 공급하는 배열회수보일러(30)(배열회수보일러(30)는 증기의 압력에 따라 고압부, 중압부 및 저압부를 포함할 수 있다); 배가스의 입자상 물질을 제거하기 위한 필터링부(21), 배가스와 이산화탄소 흡수제를 반응시켜 이산화탄소를 포집하는 흡수탑(22), 흡수 및 탈거 효율을 높이기 위한 열교환기(23), 이산화탄소와 이산화탄소 흡수제를 분리시키고 이산화탄소 흡수제를 재생하는 탈거탑(24) 및 흡수제 재생에 필요한 열을 공급하는 리보일러(25)를 포함하는 이산화탄소 포집 장치(20); 배열회수보일러(30)에서 배출된 증기를 리보일러(25)로 공급하는 제4라인(70); 및 리보일러(25)에서 배출되는 증기를 냉각기(14)로 공급하는 제5라인(80);을 포함한다.
본 발명은 리보일러(25)에서 배출되는 증기를 냉각기(14)로 공급하여 재활용할 수 있다. 즉, 기존에 이산화탄소 포집 공정에서 리보일러(25)를 통해 버려지는 증기(낮은온도)를 가스터빈 장치(10)에서 압축 공기를 냉각시키는 냉각기(14)로 보내 압축 공기의 온도를 낮추고 증기의 온도는 상승시켜 배열회수보일러(HRSG)(30)에서 회수할 수 있다. 이때, 증기의 압력에 따라 배열회수보일러(30) 내의 고압부, 중압부 또는 저압부로 회수될 수 있다. 종래에 버려지던 증기를 재활용함으로써 전체 시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 종래의 가스터빈 장치는 압축기(AA), 연소기(BB), 터빈(CC) 및 냉각기(DD)를 포함(도 2 참조)하고, 냉각기를 통해 고온부품으로 공급되는 냉각 공기의 온도를 낮춤으로써 효과적으로 냉각을 도모하고, 고온부품의 건전성을 높이고자 하였다. 이때, 냉각기에는 압축기를 통해 나온 고온의 공기와 배열회수보일러(30)에서 추기한 저온의 증기를 열교환시켜 고온의 공기를 저온으로 온도를 낮추게 되고, 열교환 되어 온도가 높아진 증기 일부는 다시 배열회수보일러(30)로 회수하였다. 그러나, 본 발명은 가스터빈 장치(10)와 이산화탄소 포집 장치(20)를 결합하고, 리보일러(25)와 냉각기(14)를 연결하는 제5라인(80)을 구비하여 리보일러(25)에서 배출되는 증기를 냉각기(14)로 공급함으로써 버려지는 증기를 재활용할 수 있는 효과를 가지게 되었고, 나아가, 전체 시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 되었다.
일 실시예에 있어서, 탈거탑(24)에서 배출된 이산화탄소를 가스터빈 장치(10)의 냉각기(14) 후단으로 공급하는 제6라인(90);을 포함하되, 냉각기(14) 후단으로 공급된 이산화탄소는 냉각기(14)를 통과한 압축 공기와 함께 터빈(13)으로 공급되도록 할 수 있다. 제6라인(90)을 통해서 이산화탄소 포집 장치(20)에서 포집한 저온 고압의 이산화탄소 일부를 가스터빈 장치(10)로 주입할 수 있다. 이산화탄소 주입에 따라 압축기(11)에서 추기되는 압축 공기의 양을 일부 감소시킬 수 있으므로 동일 유량을 압축하는데 있어서 주 유동으로 더 많은 공기를 보낼 수 있어 시스템 효율이 좋아질 수 있으며, 동일 비율 기준으로는 냉각 공기로 소비되는 공기량이 줄어들게 됨에 따라 압축기(11)에서 필요한 소내 동력 감소에 따른 시스템 성능 향상을 기대할 수 있다.
또한, 포집된 이산화탄소 일부를 시스템에서 재사용함에 따라 배가스 내 이산화탄소의 함량을 늘릴 수 있어, 설치된 이산화탄소 포집 장치(20)의 공정 효용성을 높일 수도 있다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
100 : 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템
10 : 가스터빈 장치
11 : 압축기
12 : 연소기
13 : 터빈
14 : 냉각기
20 : 이산화탄소 포집 장치
21 : 필터링부
22 : 흡수탑
23 : 열교환기
24 : 탈거탑
25 : 리보일러
30 : 배열회수보일러
40 : 제1라인
50 : 제2라인
60 : 제3라인
70 : 제4라인
80 : 제5라인
90 : 제6라인

Claims (4)

  1. 공기를 압축하는 압축기, 압축기로부터 배출된 압축 공기와 연료가 연소되는 연소기 및 연소기로부터 배출되는 연소 가스로 구동되는 터빈을 포함하는 가스터빈 장치;
    배가스의 입자상 물질을 제거하기 위한 필터링부, 배가스와 이산화탄소 흡수제를 반응시켜 이산화탄소를 포집하는 흡수탑, 흡수 및 탈거 효율을 높이기 위한 열교환기, 이산화탄소와 이산화탄소 흡수제를 분리시키고 이산화탄소 흡수제를 재생하는 탈거탑 및 흡수제 재생에 필요한 열을 공급하는 리보일러를 포함하는 이산화탄소 포집 장치;
    압축기를 통과한 공기를 리보일러로 공급하는 제1라인; 및
    리보일러에서 배출되는 증기를 터빈으로 공급하는 제2라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    탈거탑에서 배출된 이산화탄소를 제2라인으로 공급하는 제3라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템.
  3. 공기를 압축하는 압축기, 압축기로부터 배출된 압축 공기와 연료가 연소되는 연소기, 연소기로부터 배출되는 연소 가스로 구동되는 터빈 및 압축기로부터 배출된 압축 공기를 냉각시키는 냉각기를 포함하는 가스터빈 장치;
    가스터빈 장치로부터 배출된 배가스를 회수한 후, 이산화탄소 포집 장치로 공급하는 배열회수보일러;
    배가스의 입자상 물질을 제거하기 위한 필터링부, 배가스와 이산화탄소 흡수제를 반응시켜 이산화탄소를 포집하는 흡수탑, 흡수 및 탈거 효율을 높이기 위한 열교환기, 이산화탄소와 이산화탄소 흡수제를 분리시키고 이산화탄소 흡수제를 재생하는 탈거탑 및 흡수제 재생에 필요한 열을 공급하는 리보일러를 포함하는 이산화탄소 포집 장치;
    배열회수보일러에서 배출된 증기를 리보일러로 공급하는 제4라인; 및
    리보일러에서 배출되는 증기를 냉각기로 공급하는 제5라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    탈거탑에서 배출된 이산화탄소를 냉각기 후단으로 공급하는 제6라인;을 포함하되,
    냉각기 후단으로 공급된 이산화탄소는 냉각기를 통과한 압축 공기와 함께 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 이산화탄소 포집 시스템.
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