KR102028593B1 - Hybrid power generation system using supercritical CO2 cycle - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로, 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 발전(generating)하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과, 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 바이오 연료를 추출하는 바이오 연료 추출 시스템을 포함하며, 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 바이오 연료 추출 시스템은 상기 작동 유체와 열교환해 가열하는 열교환기를 공용으로 사용하는 것을 특징으로 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hybrid power generation system using a supercritical carbon dioxide cycle. The present invention relates to a supercritical carbon dioxide power generation system that generates supercritical carbon dioxide as a working fluid, and to extract biofuel using supercritical carbon dioxide as a working fluid. And a fuel extraction system, wherein the supercritical carbon dioxide power generation system and the biofuel extraction system share a heat exchanger that exchanges heat with the working fluid.

Description

초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템{Hybrid power generation system using supercritical CO2 cycle}Hybrid power generation system using supercritical CO2 cycle

본 발명은 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이오 연료 추출 공정과 초임계 이산화탄소 사이클을 연계한 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid power generation system using a supercritical carbon dioxide cycle, and more particularly, to a hybrid power generation system using a supercritical carbon dioxide cycle in conjunction with a biofuel extraction process and a supercritical carbon dioxide cycle.

최근 수년 간에 걸쳐 유가가 급변할 뿐만 아니라 화석연료의 대량소비로 인하여 한정된 에너지 자원의 고갈 위기에 직면하게 되면서 원유의 수급차질에 따른 고유가 문제가 계속되고 있다. 또한, 화석연료의 소비량에 비례하여 지구온난화 및 환경오염의 문제가 지속적으로 대두되고 있다. 이로 인해 세계 각국에서는 화석연료를 대체할 수 있는 다양한 형태의 에너지원에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 막대한 에너지 자원의 대부분을 수입에 의존하고 있는 우리나라에서 또한 대체에너지 개발에 관계된 많은 연구와 노력이 기울이고 있다. In addition to the rapid change in oil prices in recent years, as a result of the limited consumption of energy resources due to the large consumption of fossil fuels, the problem of high oil prices due to oil supply and demand problems continues. In addition, the problem of global warming and environmental pollution continues to rise in proportion to the consumption of fossil fuels. As a result, researches on various forms of energy sources that can replace fossil fuels are being actively conducted in various countries around the world, and in Korea, where most of the enormous energy resources are dependent on imports, many studies and efforts related to alternative energy development have been conducted. This is leaning.

현재 대체 에너지원 탐색의 일환으로 재생 가능 에너지라 불리는 바이오 에너지의 개발이 상당히 진척되고 있는데, 그 중 재생성을 갖는 동, 식물성 기름으로부터 생산 가능한 청정 대체 연료인 바이오 디젤에 대한 관심이 높아지고 있는 실정이다. 축산 폐유지로부터 바이오 디젤을 추출하는 방법의 일 예가 한국특허등록 제1667546호에 개시되어 있다.As part of the search for alternative energy sources, the development of bioenergy, called renewable energy, has been progressing considerably. Among these, interest in biodiesel, a clean alternative fuel that can be produced from renewable copper and vegetable oils, is increasing. An example of a method for extracting biodiesel from livestock waste oil is disclosed in Korean Patent Registration No. 1667546.

그런데 이러한 종래의 바이오 디젤 추출 공정에는 원료의 열분해 공정이 필수적인데, 열분해를 위한 열원 선정 및 대량 생산을 위한 경제성 확보 측면에서 아직까지 어려움이 많은 상황이다.However, in the conventional biodiesel extraction process, the pyrolysis process of raw materials is essential, and there are still many difficulties in terms of selecting a heat source for pyrolysis and securing economic feasibility for mass production.

또한, 추출된 바이오 연료를 활용하는 스팀 발전 또는 가스 터빈 발전 시스템은 높은 연료비 때문에 경제성 측면에서 바이오매스 발전 시스템에 비해 경쟁력 확보가 어려운 문제가 있다.In addition, the steam power generation or gas turbine power generation system using the extracted biofuel has a problem that it is difficult to secure competitiveness compared to the biomass power generation system due to the high fuel cost.

따라서 좀더 효율적으로 바이오 연료를 추출하거나 이용할 수 있는 방법이 필요하다.Therefore, there is a need for a method of extracting or using biofuels more efficiently.

한국특허등록 제1667546호 (등록일 2016.10.13)Korea Patent Registration No. 1667546 (Registration date 2016.10.13)

본 발명의 목적은 바이오 연료 추출 공정과 초임계 이산화탄소 사이클을 연계한 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a hybrid power generation system using a supercritical carbon dioxide cycle in conjunction with a biofuel extraction process and a supercritical carbon dioxide cycle.

본 발명의 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템은, 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 발전(generating)하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과, 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 바이오 연료를 추출하는 바이오 연료 추출 시스템을 포함하며, 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 바이오 연료 추출 시스템은 상기 작동 유체와 열교환해 가열하는 열교환기를 공용으로 사용하는 것을 특징으로 한다.The hybrid power generation system using the supercritical carbon dioxide cycle of the present invention includes a supercritical carbon dioxide power generation system that generates supercritical carbon dioxide as a working fluid, and a biofuel extraction that extracts biofuel using supercritical carbon dioxide as a working fluid. And a supercritical carbon dioxide power generation system and the biofuel extraction system share a heat exchanger that heats and heats the working fluid.

상기 바이오 연료 추출 시스템에서 추출된 상기 바이오 연료는 연료 공급 시스템으로 공급되는 것을 특징으로 한다.The biofuel extracted from the biofuel extraction system is supplied to a fuel supply system.

상기 연료 공급 시스템으로부터 공급된 상기 바이오 연료를 연소하여 발전(generating)하는 바이오 연료 연소 시스템을 더 포함 한다.And further comprising a biofuel combustion system for burning and generating the biofuel supplied from the fuel supply system.

상기 열교환기는 상기 바이오 연료 연소 시스템으로부터 배기되는 배기 가스의 폐열이 열원인 것을 특징으로 한다.The heat exchanger is characterized in that the waste heat of the exhaust gas exhausted from the biofuel combustion system is a heat source.

상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 상기 작동 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기를 거친 상기 작동 유체를 복열하는 리큐퍼레이터와, 상기 리큐퍼레이터를 거친 상기 작동 유체를 가열하는 상기 열교환기와, 상기 작동 유체에 의해 구동하는 터빈과, 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체를 냉각하는 컨덴서를 포함 한다.The supercritical carbon dioxide power generation system includes a compressor for compressing the working fluid, a recuperator for recuperating the working fluid through the compressor, the heat exchanger for heating the working fluid via the recuperator, and the operation. A turbine driven by a fluid and a capacitor for cooling the working fluid through the turbine.

상기 바이오 연료 추출 시스템은, 원재료로부터 오일을 추출하는 추출기와, 상기 추출된 오일이 혼합된 상기 작동 유체로부터 바이오 연료와 상기 작동 유체를 분리하는 분리기와, 상기 분리기에서 분리된 상기 작동 유체를 냉각시키는 쿨러와, 상기 쿨러를 거친 상기 작동 유체를 가열하는 상기 열교환기를 포함한다.The biofuel extraction system includes an extractor for extracting oil from raw materials, a separator separating the biofuel and the working fluid from the working fluid mixed with the extracted oil, and cooling the working fluid separated from the separator. A cooler and the heat exchanger for heating the working fluid that has passed through the cooler.

상기 추출기에서 상기 오일의 추출 후 남은 추출 잔여물은 직접 연소용 연료로 공급되는 것을 특징으로 한다.The extraction residue remaining after the extraction of the oil in the extractor is characterized in that it is supplied directly to the fuel for combustion.

상기 분리기에서 분리된 상기 작동 유체는 상기 쿨러로 보내져 순환되는 것을 특징으로 한다.The working fluid separated in the separator is characterized in that it is sent to the cooler and circulated.

상기 작동 유체를 공급하는 저장 탱크를 더 포함하며, 상기 분리기에서 분리된 상기 작동 유체는 정제된 후 상기 저장 탱크로 합류되는 것을 특징으로 한다.And a storage tank for supplying the working fluid, wherein the working fluid separated in the separator is purified and joined to the storage tank.

상기 작동 유체는 상기 압축기의 후단에서 일부가 분기되어 상기 바이오 연료 추출 시스템의 상기 펌프 후단으로 공급되는 것을 특징으로 한다.The working fluid may be partially branched from the rear end of the compressor and supplied to the rear end of the pump of the biofuel extraction system.

또한, 본 발명은 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 발전(generating)하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과, 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 바이오 연료를 추출하는 바이오 연료 추출 시스템을 포함하며, 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템 내를 순환하는 상기 작동 유체가 일부 분기되어 상기 바이오 연료 추출 시스템으로 공급되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템을 제공한다.The present invention also includes a supercritical carbon dioxide power generation system for generating and using a supercritical carbon dioxide as a working fluid, and a biofuel extraction system for extracting biofuel using the supercritical carbon dioxide as a working fluid. A hybrid power generation system using a supercritical carbon dioxide cycle, characterized in that the working fluid circulating in the power generation system is partially branched and supplied to the biofuel extraction system.

상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 상기 작동 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기를 거친 상기 작동 유체를 복열하는 리큐퍼레이터와, 상기 리큐퍼레이터를 거친 상기 작동 유체를 가열하는 열교환기와, 상기 작동 유체에 의해 구동하는 터빈과, 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체를 냉각하는 컨덴서를 포함한다.The supercritical carbon dioxide power generation system includes a compressor for compressing the working fluid, a recuperator for recuperating the working fluid passing through the compressor, a heat exchanger for heating the working fluid passing through the recuperator, and the working fluid. And a capacitor for cooling the working fluid passing through the turbine.

상기 바이오 연료 추출 시스템은, 원재료로부터 오일을 추출하는 추출기와, 상기 추출된 오일이 혼합된 상기 작동 유체로부터 바이오 연료와 상기 작동 유체를 분리하는 분리기와, 상기 분리기에서 분리된 상기 작동 유체를 냉각시키는 쿨러와, 상기 쿨러를 거친 상기 작동 유체를 가열하는 열교환기를 포함한다.The biofuel extraction system includes an extractor for extracting oil from raw materials, a separator separating the biofuel and the working fluid from the working fluid mixed with the extracted oil, and cooling the working fluid separated from the separator. A cooler and a heat exchanger for heating the working fluid that has passed through the cooler.

상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 상기 열교환기와 상기 바이오 연료 추출 시스템의 상기 열교환기는 동일한 열교환기인 것을 특징으로 한다.The heat exchanger of the supercritical carbon dioxide power generation system and the heat exchanger of the biofuel extraction system are characterized in that the same heat exchanger.

상기 바이오 연료 추출 시스템에서 추출된 상기 바이오 연료는 연료 공급 시스템으로 공급되는 것을 특징으로 한다.The biofuel extracted from the biofuel extraction system is supplied to a fuel supply system.

상기 연료 공급 시스템으로부터 공급된 상기 바이오 연료를 연소하여 발전(generating)하는 바이오 연료 연소 시스템을 더 포함한다.And further comprising a biofuel combustion system for burning and generating the biofuel supplied from the fuel supply system.

상기 열교환기는 상기 바이오 연료 연소 시스템으로부터 배기되는 배기 가스의 폐열이 열원인 것을 특징으로 한다.The heat exchanger is characterized in that the waste heat of the exhaust gas exhausted from the biofuel combustion system is a heat source.

상기 추출기에서 상기 오일의 추출 후 남은 추출 잔여물은 직접 연소용 연료로 공급되는 것을 특징으로 한다.The extraction residue remaining after the extraction of the oil in the extractor is characterized in that it is supplied directly to the fuel for combustion.

상기 분리기에서 분리된 상기 작동 유체는 상기 쿨러로 보내져 순환되는 것을 특징으로 한다.The working fluid separated in the separator is characterized in that it is sent to the cooler and circulated.

상기 작동 유체를 공급하는 저장 탱크를 더 포함하며, 상기 분리기에서 분리된 상기 작동 유체는 정제된 후 상기 저장 탱크로 합류되는 것을 특징으로 한다.And a storage tank for supplying the working fluid, wherein the working fluid separated in the separator is purified and joined to the storage tank.

본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템은 바이오 연료의 추출에 초임계 이산화탄소를 이용함으로써 바이오 연료 판매 및 혼소로 활용이 가능하다.Hybrid power generation system using a supercritical carbon dioxide cycle according to an embodiment of the present invention can be used as a biofuel sales and mixing by using supercritical carbon dioxide for the extraction of biofuel.

또한, 연료의 처리 및 발전 시스템의 작동 유체로 초임계 이산화탄소를 이용함으로써 process steam이 필요 없으며, 바이오 연료 추출 후 남은 찌꺼기를 연소해 초임계 이산화탄소 발전의 열원으로 활용할 수 있어 바이오 연료 추출 공정의 소내 소비 전력 및 외부 그리드에 연계한 판매도 가능한 장점이 있다.In addition, by using supercritical carbon dioxide as the working fluid of the fuel processing and power generation system, process steam is not required, and the remaining residue after biofuel extraction can be burned and used as a heat source for supercritical carbon dioxide power generation. Sales in conjunction with power and external grids are also possible.

따라서 바이오 디젤의 대량 생산 및 바이오 매스 플랜트의 경제성을 확보할 수 있는 장점이 있다.Therefore, there is an advantage that can secure the economics of mass production of biodiesel and biomass plant.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템을 도시한 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a hybrid power generation system using a supercritical carbon dioxide cycle according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the drawings, a hybrid power generation system using a supercritical carbon dioxide cycle according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명의 다양한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템이란 사이클 내에서 유동하는 작동 유체 모두가 초임계 상태인 시스템뿐만 아니라, 작동 유체의 대부분이 초임계 상태이고 나머지는 아임계 상태인 시스템도 포함하는 의미로 사용된다.The supercritical carbon dioxide power generation system according to various embodiments of the present invention includes not only a system in which all of the working fluid flowing in a cycle is in a supercritical state, but also a system in which most of the working fluid is in a supercritical state and the rest is in a subcritical state. Used in the sense.

또한, 본 발명의 다양한 실시 예에서 작동 유체로 이산화탄소가 사용되는데, 여기서 이산화탄소란, 화학적인 의미에서 순수한 이산화탄소, 일반적인 관점에서 불순물이 다소 포함되어 있는 상태의 이산화탄소 및 이산화탄소에 한가지 이상의 유체가 첨가물로서 혼합되어 있는 상태의 유체까지도 포함하는 의미로 사용된다.In addition, in various embodiments of the present invention, carbon dioxide is used as a working fluid, where carbon dioxide is, in a chemical sense, pure carbon dioxide, and in general, one or more fluids are mixed as additives in carbon dioxide and carbon dioxide in which impurities are somewhat contained. It is also used to include the fluid in its state.

본 발명의 각 구성들은 작동 유체가 흐르는 이송관에 의해 연결되며, 특별히 언급하지 않더라도 작동 유체는 이송관을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 다만, 복수 개의 구성들이 일체화 되어 있는 경우, 일체화된 구성 내에 사실상 이송관의 역할을 하는 부품 내지 영역이 있을 것이므로, 이 경우에도 당연히 작동 유체는 이송관을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 별도의 기능을 하는 유로의 경우 추가로 설명하기로 한다.Each of the components of the present invention is connected by a conveying tube through which the working fluid flows, and unless specifically mentioned, the working fluid should be understood to flow along the conveying tube. However, when a plurality of components are integrated, there will be a part or region that substantially acts as a transfer pipe in the integrated configuration, and in this case, it should be understood that the working fluid flows along the transfer pipe. In the case of a separate flow path will be described further.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템을 도시한 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a hybrid power generation system using a supercritical carbon dioxide cycle according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템은 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)과 바이오 연료 추출 시스템(B)이 일부의 구성을 공유하여 상호 연계되는 발전 시스템이다.As shown in FIG. 1, in a hybrid power generation system using a supercritical carbon dioxide cycle according to an embodiment of the present invention, a supercritical carbon dioxide power generation system (A) and a biofuel extraction system (B) share a part of the configuration, and mutually It is a linked power generation system.

먼저 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)에 대해 설명하기로 한다.First, the supercritical carbon dioxide power generation system (A) will be described.

일반적으로 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(close cycle)을 이루며, 작동 유체로 초임계 상태의 이산화탄소를 이용한다.In general, the supercritical carbon dioxide generation system forms a close cycle that does not discharge carbon dioxide used for power generation to the outside, and uses supercritical carbon dioxide as a working fluid.

초임계 이산화탄소 발전 시스템은 작동 유체가 초임계 상태의 이산화탄소이므로 화력 발전소 등에서 배출되는 배기 가스를 이용할 수 있어 단독 발전 시스템뿐만 아니라 화력 발전 시스템과의 하이브리드 발전 시스템에도 사용될 수 있다. 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체는 배기 가스로부터 이산화탄소를 분리하여 공급할 수도 있고, 별도의 이산화탄소를 공급할 수도 있다(저장 탱크, 200).Since the supercritical carbon dioxide power generation system is a carbon dioxide in a supercritical state, the exhaust gas discharged from a thermal power plant can be used, and thus it can be used not only for a single power generation system but also for a hybrid power generation system with a thermal power generation system. The working fluid of the supercritical carbon dioxide power generation system may separate carbon dioxide from the exhaust gas and supply a separate carbon dioxide (storage tank 200).

초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)은 작동 유체를 압축하는 압축기(110) 또는 펌프(운전 영역에 따라 압축기 또는 고압 펌프 중 선택적으로 사용 가능)와, 고압으로 압축된 작동 유체를 복열하는 리큐퍼레이터(120)와, 리큐퍼레이터(120)에서 복열된 작동 유체를 재가열하는 열교환기(130)와, 열교환기(130)에서 가열된 후 고온 고압이 된 작동 유체에 의해 구동되는 터빈(140)과, 터빈(140) 및 리큐퍼레이터(120)를 거쳐 냉각된 작동 유체를 최종 냉각하는 쿨러 또는 컨덴서(150)를 포함하여 구성될 수 있다. The supercritical carbon dioxide power generation system (A) includes a compressor 110 or a pump for compressing the working fluid (optionally available depending on the operating area, either a compressor or a high pressure pump), and a recuperator for reheating the high pressure compressed working fluid ( 120, a heat exchanger 130 for reheating the working fluid reheated in the recuperator 120, a turbine 140 driven by the working fluid heated to high temperature and high pressure after being heated in the heat exchanger 130, and And a cooler or condenser 150 for final cooling of the working fluid cooled via the turbine 140 and the recuperator 120.

작동 유체는 저장 탱크(200)로부터 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)으로 공급될 수 있으며, 압축기(110)에서 초임계 상태로 가압된다. 가압된 작동 유체는 압축기(110) 후단에서 분기되며, 분기된 작동 유체는 리큐퍼레이터(120) 및 바이오 연료 추출 시스템(B)으로 각각 공급된다.The working fluid may be supplied from the storage tank 200 to the supercritical carbon dioxide power generation system A and pressurized to a supercritical state in the compressor 110. The pressurized working fluid branches off the compressor 110 and the branched working fluid is fed to the recuperator 120 and the biofuel extraction system B, respectively.

리큐퍼레이터(120)는 압축기(110)를 거친 저온의 작동 유체를 터빈(140)을 거친 고온의 작동 유체와 열교환시켜 압축기(110)를 거친 작동 유체를 복열하고, 터빈(140)을 거친 작동 유체를 냉각시킨다.The recuperator 120 exchanges the low temperature working fluid through the compressor 110 with the high temperature working fluid through the turbine 140 to regenerate the working fluid through the compressor 110, and operates through the turbine 140. Cool the fluid.

열교환기(130)는 필요에 따라 1개 내지 복수 개로 구비되며, 발전소의 보일러에서 배출되는 배기 가스와 같이 폐열을 갖는 기체(이하 폐열 기체)를 열원으로 사용하며, 폐열 기체로부터 공급된 열로 작동 유체를 가열하는 역할을 한다. 본 실시 예에서는 바이오 연료 연소 시스템(400)에서 배출되는 배기 가스를 열원으로 사용하는 것을 예로 하여 설명한다.The heat exchanger 130 is provided with one or more as necessary, using a gas having a waste heat (hereinafter referred to as waste heat gas) as a heat source, such as the exhaust gas discharged from the boiler of the power plant, the working fluid by the heat supplied from the waste heat gas Serves to heat. In the present embodiment, an exhaust gas discharged from the biofuel combustion system 400 is used as a heat source.

사이클 내의 초임계 이산화탄소(이하 작동 유체)는 압축기(110)를 통과한 후, 리큐퍼레이터(120) 및 열교환기(130)를 통과하면서 가열되어 터빈(140)을 구동시킨다. 터빈(140)에는 발전기 또는 압축기가 연결되며, 터빈이 복수 개인 경우 하나의 터빈에는 발전기가 연결되어 전력을 생산하고, 다른 하나의 터빈은 압축기를 구동하는데 사용될 수 있다. 터빈(140)을 거친 작동 유체는 리큐퍼레이터(120)를 거치면서 압축기(110)를 거친 작동 유체와 열교환해 냉각되며, 냉각된 작동 유체는 쿨러(50)에서 냉각되어 다시 압축기(110)로 공급되어 사이클 내를 순환한다. 터빈, 리큐퍼레이터, 히터 등은 복수 개가 구비될 수 있다.The supercritical carbon dioxide (hereinafter working fluid) in the cycle is passed through the compressor 110 and then heated while passing through the recuperator 120 and the heat exchanger 130 to drive the turbine 140. The turbine 140 is connected to a generator or a compressor, and when there are a plurality of turbines, a generator is connected to one turbine to generate power, and the other turbine may be used to drive the compressor. The working fluid passing through the turbine 140 is cooled by heat exchange with the working fluid passing through the compressor 110 while passing through the recuperator 120, and the cooled working fluid is cooled in the cooler 50 and then returned to the compressor 110. Supplied to cycle through the cycle. A plurality of turbines, recuperators, heaters, and the like may be provided.

다음으로 바이오 연료 추출 시스템(B)에 대해 설명하기로 한다.Next, the biofuel extraction system B will be described.

바이오 연료 추출 시스템(B)은 초임계 이산화탄소를 이용해 바이오 연료(바이오 디젤을 의미함)를 추출하는 시스템이다. 바이오 연료 추출 시스템(B)은 원재료에서 오일을 추출하는 추출기(10)와, 추출기(10)에서 추출된 오일이 혼합된 초임계 이산화탄소 작동 유체로부터 바이오 연료와 작동 유체를 분리하는 분리기(30)와, 작동 유체를 냉각시키는 쿨러(50), 냉각된 작동 유체를 가열하는 열교환기(130), 작동 유체를 추출기(10)로 이송시키는 압축기 또는 펌프(70)를 포함하여 구성될 수 있다.Biofuel extraction system (B) is a system for extracting biofuel (meaning biodiesel) using supercritical carbon dioxide. The biofuel extraction system B includes an extractor 10 for extracting oil from raw materials, a separator 30 for separating the biofuel and the working fluid from the supercritical carbon dioxide working fluid in which the oil extracted in the extractor 10 is mixed. , A cooler 50 for cooling the working fluid, a heat exchanger 130 for heating the cooled working fluid, and a compressor or pump 70 for transferring the working fluid to the extractor 10.

추출기(10)는 작동 유체가 초임계 또는 액상의 이산화탄소가 혼합된 상태를 유지할 수 있는 온도로 구동되며, 원재료로부터 추출물이 초임계 이산화탄소 작동 유체로 추출되어 나오는 반응조 역할을 한다. 추출기(10)에서 추출물과 작동 유체가 혼합되어 분리기(30)로 공급된다. The extractor 10 is driven at a temperature at which the working fluid can maintain a supercritical or liquid carbon dioxide mixed state, and serves as a reactor in which the extract is extracted from the raw material into the supercritical carbon dioxide working fluid. In the extractor 10, the extract and the working fluid are mixed and supplied to the separator 30.

연료 공급 시스템(300)으로 분리된 연료를 공급한 후 남은 추출 잔여물(찌꺼기)는 탈유, 탈수된 상태이므로 연료로서 직접 연소가 가능하다(팜 열매, 참깨, 미세조류 등 다양한 종류의 원재료에 적용이 가능함).Extraction residues left after supplying the separated fuel to the fuel supply system 300 are deoiled and dehydrated so that they can be burned directly as fuel (applied to various kinds of raw materials such as palm fruit, sesame seeds, and microalgae). Is possible).

바이오 연료 추출 시스템(B)에서 바이오 연료의 추출 조건은 대략 250 내지 500bar, 섭씨 40 내지 60도 범위이다(초임계 이산화탄소 발전 시스템의 압축기 출구 조건과 유사함). 바이오 연료의 추출을 위한 열원은 필요 시 직접 가열로의 배기가스의 열원 또는 발전 시스템의 고온의 열을 활용할 수 있다.The extraction conditions of the biofuels in the biofuel extraction system (B) range from approximately 250 to 500 bar, 40 to 60 degrees Celsius (similar to the compressor exit conditions of the supercritical carbon dioxide power generation system). The heat source for the extraction of biofuel may utilize the heat source of the exhaust gas of the direct furnace or the high temperature heat of the power generation system, if necessary.

본 발명에서는 바이오 연료 연소 시스템(400)에서 배기되는 배기가스의 열원을 사용하는 열교환기(130)를 통해 필요한 열을 공급받을 수 있다. 바이오 연료 추출 시스템(B)의 추출 공정에서 효율을 향상시키기 위해 작동 유체의 가열이 필요한데, 이를 위해 히터의 열원 또는 초임계 이산화탄소의 발전 시스템의 열원으로부터 열교환하는 열교환기가 필요하다. 본 발명에서는 외부 열원을 사용하는 히터인 열교환기(130)를 통해 작동 유체의 가열을 위한 열을 공급받을 수 있다.In the present invention, necessary heat may be supplied through the heat exchanger 130 using the heat source of the exhaust gas exhausted from the biofuel combustion system 400. In the extraction process of the biofuel extraction system B, heating of the working fluid is required to improve the efficiency, which requires a heat exchanger to heat exchange from a heat source of a heater or a heat source of a power generation system of supercritical carbon dioxide. In the present invention, it is possible to receive heat for heating the working fluid through the heat exchanger 130 which is a heater using an external heat source.

분리기(30)는 회전식 감압증발기 등으로 구비될 수 있으며, 메탄올 등의 물질이 증발되고 액상의 추출물은 분리기(30)의 하부로 가라앉고, 초임계 상태의 작동 유체는 분리기(30)의 상부로 상승하게 된다. Separator 30 may be provided as a rotary depressurization evaporator, the substance such as methanol is evaporated and the liquid extract is settled to the bottom of the separator 30, the supercritical working fluid to the top of the separator (30) Will rise.

분리기(30) 하부로 가라앉은 액상의 추출물은 정제 등을 거쳐 바이오 연료를 필요로 하는 연료 공급 시스템(300)으로 공급되어 바이오 연료 연소 시스템(400)에서 사용된다. 바이오 연료 연소 시스템(400)은 바이오 연료를 연소해 발전(generating)을 하며, 초임계 이산화탄소 발전 또는 가스터빈 발전 시스템 등으로 구성될 수 있다. 분리기(30)의 상부로 상승한 작동 유체는 이송관을 따라 쿨러(50)로 보내져 시스템 내를 순환하거나, 정제한 후 저장 탱크(200)으로 합류시킬 수 있다. 작동 유체가 정제되어 저장 탱크(200)로 합류되는 것은 바이오 연료의 추출이 완료되어 바이오 연료 추출 시스템(B)의 구동이 불필요할 때, 또는 필요에 의해 이루어질 수 있다.The liquid extract settled to the lower part of the separator 30 is supplied to the fuel supply system 300 requiring biofuels through purification and used in the biofuel combustion system 400. The biofuel combustion system 400 generates power by burning biofuel, and may be configured as a supercritical carbon dioxide power generation or gas turbine power generation system. The working fluid that has risen to the top of the separator 30 may be sent to the cooler 50 along the transfer pipe to circulate or purify the system and join the storage tank 200. The working fluid is purified and joined to the storage tank 200 when the extraction of the biofuel is completed and driving of the biofuel extraction system B is unnecessary or as necessary.

쿨러(50)에서 냉각된 작동 유체는 펌프(70)를 통해 열교환기(130)로 보내지고, 열교환기(130)에서 다시 가열되어 추출기(10)로 공급된다. The working fluid cooled in the cooler 50 is sent to the heat exchanger 130 through the pump 70, heated again in the heat exchanger 130, and supplied to the extractor 10.

압축기 또는 펌프(70)는 열교환기(130)의 전단 또는 후단에 설치될 수 있으며, 펌프 역시 고압의 펌프이다. 압축기 또는 펌프(70)는 추출 효율을 향상시키기 위해 가압이 필요한 경우 사용할 수 있다. 운전 영역에 따라 압축기 또는 펌프 중 선택적으로 사용이 가능하다. 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)으로부터 공급 받은 가압된 작동 유체는 압축기 또는 펌프(70)에서 추가 가압 없이 이송될 수도 있고, 필요한 경우 추가 가압된 후 열교환기(130)로 공급될 수 있다.Compressor or pump 70 may be installed at the front or rear of the heat exchanger 130, the pump is also a high pressure pump. Compressor or pump 70 may be used when pressurization is required to improve extraction efficiency. Depending on the operating area, either compressor or pump can be used. The pressurized working fluid supplied from the supercritical carbon dioxide power generation system (A) may be conveyed without further pressurization in the compressor or pump 70, and may be further pressurized if necessary and then supplied to the heat exchanger 130.

바이오 연료 추출 시스템(B)의 작동 유체는 열교환기(130)에서 배기 가스(바이오 연료 연소 시스템의 배기 가스)와 열교환해 가열된다.The working fluid of the biofuel extraction system B is heated in heat exchanger 130 by heat exchange with the exhaust gas (the exhaust gas of the biofuel combustion system).

전술한 두 시스템에서 열교환기(130)는 바이오 연료 추출 시스템(B)과 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A) 양쪽에서 공유하는 구성이다. 즉, 바이오 연료 연소 시스템(400)에서 배기되는 배기가스와 바이오 연료 추출 시스템(B) 및 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)의 작동 유체가 각각 열교환해 가열된다.In the two systems described above, the heat exchanger 130 is configured to be shared by both the biofuel extraction system (B) and the supercritical carbon dioxide power generation system (A). That is, the exhaust gas exhausted from the biofuel combustion system 400 and the working fluids of the biofuel extraction system B and the supercritical carbon dioxide power generation system A are heat-exchanged, respectively.

이산화탄소가 가스 상(Gas phase)인 경우, 높은 확산 계수, 낮은 점성, 낮은 표면장력을 가지며, 이산화탄소가 액상(liquid phase)인 경우, 높은 밀도와 용해도를 갖는 특징이 있다. 초임계 이산화탄소의 경우, 양쪽 모두의 특성을 나타낸다. 초임계 이산화탄소는 낮은 임계점(섭씨 31.1도, 73.8bar)을 갖고 있으며, 용매와 용질의 분리가 용이해 압력에 의한 밀도 변화로 선택적 분리가 가능하고, 친환경적인 용매로 순환하여 재사용이 가능한 특징이 있다. 또한, 독성이 없고, 불연성 및 비활성의 특징을 가지며, 열에 민감한 물질을 처리하기 용이한 장점이 있다.When carbon dioxide is in the gas phase, it has a high diffusion coefficient, low viscosity, and low surface tension. When carbon dioxide is in the liquid phase, it has a high density and solubility. Supercritical carbon dioxide exhibits both properties. Supercritical carbon dioxide has a low critical point (31.1 degrees Celsius, 73.8 bar), and it is easy to separate solvents and solutes, which enables selective separation due to the change in density due to pressure. . In addition, there is no toxicity, has the characteristics of non-combustible and inert, and has the advantage of being easy to process heat-sensitive materials.

따라서 초임계 이산화탄소를 이용해 환경친화적, 에너지 절약적 공정에 활용할 수 있으며, 고속공정, 고효율 공정, 그린 화학 공정, 고순도 고품질 공정을 위한 작동 유체로 사용할 수 있다.Therefore, supercritical carbon dioxide can be used for environmentally-friendly and energy-saving processes, and can be used as a working fluid for high-speed processes, high-efficiency processes, green chemical processes, and high-purity, high-quality processes.

이러한 초임계 이산화탄소를 바이오 연료 추출 시스템(B)과 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)이 통합된 본 발명의 하이브리드 발전 시스템에 적용함으로써 발전을 위한 별도의 프로세스 스팀(procress steam)이 불필요하며, 초임계 이산화탄소만으로 바이오 연료의 추출 및 발전이 가능한 장점이 있다. 또한, 초임계 이산화탄소를 이용한 바이오 연료의 추출 공정을 대량화할 수 있으며, 생산된 바이오 연료를 판매해 수익을 창출함으로써 경제성을 확보할 수 있다. 또한, 바이오 디젤이나 바이오 가스 혼소 히터 등에도 적용할 수 있어 그 활용도가 매우 높다.The supercritical carbon dioxide is applied to the hybrid power generation system of the present invention in which the biofuel extraction system (B) and the supercritical carbon dioxide power generation system (A) are integrated, so that no separate process steam for power generation is required, and supercritical There is an advantage that the extraction and power generation of biofuels can be made only with carbon dioxide. In addition, the biofuel extraction process using supercritical carbon dioxide can be mass-produced, and the economy can be secured by selling the produced biofuel to generate profits. In addition, the present invention can be applied to a biodiesel, a biogas mixed heater, and the like, and its use is very high.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.An embodiment of the present invention described above and illustrated in the drawings should not be construed as limiting the technical spirit of the present invention. The scope of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art can improve and change the technical idea of the present invention in various forms. Therefore, as long as such improvements and modifications are obvious to those skilled in the art, they will fall within the scope of the present invention.

A: 초임계 이산화탄소 발전 시스템
B: 바이오 연료 추출 시스템
10: 추출기 30: 분리기
50: 쿨러 70: 압축기 또는 펌프
110: 압축기 또는 펌프 120: 리큐퍼레이터
130: 열교환기 140: 터빈
150: 컨덴서 200: 저장 탱크
300: 연료 공급 시스템 400: 바이오 연료 연소 시스템A: Supercritical CO2 Power Generation System
B: Biofuel Extraction System
10: extractor 30: separator
50: cooler 70: compressor or pump
110: compressor or pump 120: recuperator
130: heat exchanger 140: turbine
150: condenser 200: storage tank
300: fuel supply system 400: biofuel combustion system

Claims (20)

초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 발전(generating)하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과,
초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 바이오 연료를 추출하는 바이오 연료 추출 시스템을 포함하며,
상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 상기 작동 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기를 거친 상기 작동 유체를 복열하는 리큐퍼레이터와, 상기 리큐퍼레이터를 거친 상기 작동 유체를 가열하는 열교환기와, 상기 작동 유체에 의해 구동하는 터빈과, 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체를 냉각하는 컨덴서를 포함하며,
상기 바이오 연료 추출 시스템은, 원재료로부터 오일을 추출하는 추출기와, 상기 추출된 오일이 혼합된 상기 작동 유체로부터 바이오 연료와 상기 작동 유체를 분리하는 분리기와, 상기 분리기에서 분리된 상기 작동 유체를 냉각시키는 쿨러와, 상기 쿨러를 거친 상기 작동 유체를 가열하는 열교환기를 포함하고,
상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 상기 열교환기와 상기 바이오 연료 추출 시스템의 상기 열교환기는 동일한 열교환기이며,
상기 작동 유체는 상기 압축기의 후단에서 일부가 분기되어 상기 바이오 연료 추출 시스템의 상기 쿨러와 상기 열교환기 사이로 공급되고,
상기 바이오 연료 추출 시스템에서 추출된 상기 바이오 연료는 연료 공급 시스템으로 공급되며,
상기 연료 공급 시스템으로부터 공급된 상기 바이오 연료를 연소하여 발전(generating)하는 바이오 연료 연소 시스템을 더 포함하고,
상기 열교환기는 상기 바이오 연료 연소 시스템으로부터 배기되는 배기 가스의 폐열이 열원인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템.A supercritical carbon dioxide power generation system that generates supercritical carbon dioxide as a working fluid,
A biofuel extraction system that extracts biofuels using supercritical carbon dioxide as the working fluid,
The supercritical carbon dioxide power generation system includes a compressor for compressing the working fluid, a recuperator for recuperating the working fluid passing through the compressor, a heat exchanger for heating the working fluid passing through the recuperator, and the working fluid. A turbine driven by and a capacitor for cooling the working fluid passing through the turbine,
The biofuel extraction system includes an extractor for extracting oil from raw materials, a separator separating the biofuel and the working fluid from the working fluid mixed with the extracted oil, and cooling the working fluid separated from the separator. A cooler and a heat exchanger for heating the working fluid that has passed through the cooler,
The heat exchanger of the supercritical carbon dioxide power generation system and the heat exchanger of the biofuel extraction system are the same heat exchanger,
The working fluid is partially branched at the rear end of the compressor and is supplied between the cooler and the heat exchanger of the biofuel extraction system,
The biofuel extracted from the biofuel extraction system is supplied to a fuel supply system,
Further comprising a biofuel combustion system configured to burn and generate the biofuel supplied from the fuel supply system,
The heat exchanger is a hybrid power generation system using a supercritical carbon dioxide cycle, characterized in that the waste heat of the exhaust gas exhausted from the biofuel combustion system is a heat source. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 추출기에서 상기 오일의 추출 후 남은 추출 잔여물은 직접 연소용 연료로 공급되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템.The method of claim 1,
The extraction residue remaining after the extraction of the oil in the extractor is a hybrid power generation system using a supercritical carbon dioxide cycle, characterized in that is supplied to the fuel for direct combustion. 제1항에 있어서,
상기 분리기에서 분리된 상기 작동 유체는 상기 쿨러로 보내져 순환되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템.The method of claim 1,
And the working fluid separated from the separator is sent to the cooler and circulated. 제1항에 있어서,
상기 작동 유체를 공급하는 저장 탱크를 더 포함하며,
상기 분리기에서 분리된 상기 작동 유체는 정제된 후 상기 저장 탱크로 합류되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템.The method of claim 1,
Further comprising a storage tank for supplying the working fluid,
And the working fluid separated in the separator is purified and joined to the storage tank. 삭제delete 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 발전(generating)하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과,
초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 바이오 연료를 추출하는 바이오 연료 추출 시스템을 포함하며,
상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템 내를 순환하는 상기 작동 유체가 일부 분기되어 상기 바이오 연료 추출 시스템으로 공급되고,
상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 바이오 연료 추출 시스템은 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 바이오 연료 추출 시스템의 각 작동 유체와 열교환해 상기 작동 유체를 가열하는 열교환기를 공용으로 사용하며, 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템에서 분기되어 상기 바이오 연료 추출 시스템으로 공급된 작동 유체는 상기 열교환기로 공급되고,
상기 바이오 연료 추출 시스템에서 추출된 상기 바이오 연료는 연료 공급 시스템으로 공급되며,
상기 연료 공급 시스템으로부터 공급된 상기 바이오 연료를 연소하여 발전(generating)하는 바이오 연료 연소 시스템을 더 포함하고,
상기 열교환기는 상기 바이오 연료 연소 시스템으로부터 배기되는 배기 가스의 폐열이 열원인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템.A supercritical carbon dioxide power generation system that generates supercritical carbon dioxide as a working fluid,
A biofuel extraction system that extracts biofuels using supercritical carbon dioxide as the working fluid,
The working fluid circulating in the supercritical carbon dioxide power generation system is partially branched and supplied to the biofuel extraction system,
The supercritical carbon dioxide power generation system and the biofuel extraction system commonly use a heat exchanger that heats the working fluid by exchanging heat with each working fluid of the supercritical carbon dioxide power generation system and the biofuel extraction system. The working fluid branched from the system and supplied to the biofuel extraction system is supplied to the heat exchanger,
The biofuel extracted from the biofuel extraction system is supplied to a fuel supply system,
Further comprising a biofuel combustion system configured to burn and generate the biofuel supplied from the fuel supply system,
The heat exchanger is a hybrid power generation system using a supercritical carbon dioxide cycle, characterized in that the waste heat of the exhaust gas exhausted from the biofuel combustion system is a heat source. 제11항에 있어서,
상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 상기 작동 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기를 거친 상기 작동 유체를 복열하는 리큐퍼레이터와, 상기 리큐퍼레이터를 거친 상기 작동 유체를 가열하는 상기 열교환기와, 상기 작동 유체에 의해 구동하는 터빈과, 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체를 냉각하는 컨덴서를 포함하는 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템.The method of claim 11,
The supercritical carbon dioxide power generation system includes a compressor for compressing the working fluid, a recuperator for recuperating the working fluid through the compressor, the heat exchanger for heating the working fluid via the recuperator, and the operation. A hybrid power generation system using a supercritical carbon dioxide cycle comprising a fluid driven turbine and a condenser for cooling the working fluid through the turbine. 제12항에 있어서,
상기 바이오 연료 추출 시스템은, 원재료로부터 오일을 추출하는 추출기와, 상기 추출된 오일이 혼합된 상기 작동 유체로부터 바이오 연료와 상기 작동 유체를 분리하는 분리기와, 상기 분리기에서 분리된 상기 작동 유체를 냉각시키는 쿨러와, 상기 쿨러를 거친 상기 작동 유체를 가열하는 상기 열교환기를 포함하는 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템.The method of claim 12,
The biofuel extraction system includes an extractor for extracting oil from raw materials, a separator separating the biofuel and the working fluid from the working fluid mixed with the extracted oil, and cooling the working fluid separated from the separator. A hybrid power generation system using a supercritical carbon dioxide cycle comprising a cooler and the heat exchanger for heating the working fluid passed through the cooler. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제13항에 있어서,
상기 추출기에서 상기 오일의 추출 후 남은 추출 잔여물은 직접 연소용 연료로 공급되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템.The method of claim 13,
The extraction residue remaining after the extraction of the oil in the extractor is a hybrid power generation system using a supercritical carbon dioxide cycle, characterized in that is supplied to the fuel for direct combustion. 제13항에 있어서,
상기 분리기에서 분리된 상기 작동 유체는 상기 쿨러로 보내져 순환되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템.The method of claim 13,
And the working fluid separated from the separator is sent to the cooler and circulated. 제19항에 있어서,
상기 작동 유체를 공급하는 저장 탱크를 더 포함하며,
상기 분리기에서 분리된 상기 작동 유체는 정제된 후 상기 저장 탱크로 합류되는 것을 특징으로 하는 하는 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템.The method of claim 19,
Further comprising a storage tank for supplying the working fluid,
And the working fluid separated from the separator is purified and joined to the storage tank.
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