KR102098399B1 - 질소산화물 제어가 가능한 연료전지 복합발전 시스템 - Google Patents

질소산화물 제어가 가능한 연료전지 복합발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스화기에서 연료를 불완전 연소시켜 합성가스를 생성하는 합성가스 생성부와, 상기 합성가스 생성부에서 생성된 합성가스가 유입되며 합성가스에 포함된 화학물질을 반응물질로 이용하여 전력을 생산하고, 합성가스보다 열용량이 높은 고열용량가스를 생성하는 연료 전지부 및, 상기 합성가스 생성부에서 생성된 합성가스된 합성가스와 압축기에서 생성된 압축공기가 연소기에서 연소하여 터빈을 구동하여 전력을 생산하는 발전부를 포함하여 구성되고, 상기 발전부는, 내부의 연소온도를 낮춰 질소산화물의 생성을 저감하기 위해, 상기 연료 전지부와 연결되어 연소기 내부에서 질소산화물의 발생이 증가되는 설정온도 이상에서 상기 연료 전지부에서 발생하는 고열용량가스를 공급받는 것을 특징으로 하는 질소산화물 제어가 가능한 연료전지 복합발전 시스템에 관한 것이다.
이상에서와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 질소산화물 제어가 가능한 연료전지 복합발전 시스템에 의하면, 연료전지에서 생산되는 고열용량가스를 연소기에 투입하여 연소실 내에 국부적인 온도상승을 방지함으로써 연소공기에 포함된 질소산화물 발생량을 제어할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

질소산화물 제어가 가능한 연료전지 복합발전 시스템 {INTEGRATED GASIFICATION FUEL CELL SYSTEM CAPABLE OF CONTROLLING NITROGENOUS COMPOPUND}
본 발명은 연료전지 복합발전 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 연료전지에서 발생하는 이산화탄소, 물과 같은 고열용량가스를 합성가스의 연소반응이 발생되는 연소기에 유입시켜 연소기의 국부적인 고온 현상을 방지하여 질소산화물의 생성을 제어할 수 있는 질소산화물 제어가 가능한 연료전지 복합발전 시스템에 관한 것이다.
석탄 가스화 복합 발전{IGCC}은 석탄을 수소와 일산화탄소를 주성분으로 한 합성가스로 전환한 뒤 합성가스 중에 포함된 분진과 황산화물 등 유해물질을 제거하고 천연가스와 유사한 수준으로 정제하여 연소기에서 전술한 합성 가스와 압축 공기를 연소시키며, 연소기에서의 연소에 의해 발생된 연소가스로 가스 터빈 및 이에 체결된 발전기를 구동시킴으로써 전력을 생산하는 복합 발전 시스템이다.
그리고, 연료전지 복합발전 시스템인 IGFC(INTEGRATED GASIFICATION FUEL CELL) 시스템은 이러한 석탄 가스화 복합 발전(IGCC)과 연료전지 기술을 결합하여 가스화기에서 발생한 합성가스를 가스터빈 등을 구동하여 전력을 생산하고, 상기 가스화기에서 생성된 합성가스를 연료전지의 원료로 사용하여 전력을 생산하는 복합발전 시스템이다.
그런데, 종래의 IGFC 시스템에서는 연소기에서의 연소반응을 통해 전력을 생산할 때, 석탄 가스화 과정을 통해 생산된 석탄 가스의 경우 단일화염온도가 높은 수소 연료를 상당량 포함하고 있으며, 가스화기 운전 조건 변화 또는 연료 탄종 변화에 따라 수소 함량이 달라질 경우 연소실 내 높은 화염온도로 이어져 질소산화물 발생량이 증가하는 문제가 있었다.
상기와 같은 문제점 중 적어도 일부를 해결하기 위해 제안된 것으로 본 발명은 일측면으로서, 합성가스의 연소반응이 일어나는 연소기 내부에 국부적인 고온 발생을 방지하여 질소산화물을 저감할 수 있는 연료전지 복합발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 일측면으로서 본 발명은, 가스화기에서 연료를 불완전 연소시켜 합성가스를 생성하는 합성가스 생성부와, 상기 합성가스 생성부에서 생성된 합성가스가 유입되며 합성가스에 포함된 화학물질을 반응물질로 이용하여 전력을 생산하고, 합성가스보다 열용량이 높은 고열용량가스를 생성하는 연료 전지부 및, 상기 합성가스 생성부에서 생성된 합성가스와 압축기에서 생성된 압축공기가 연소기에서 연소하여 터빈을 구동하고 전력을 생산하는 발전부;를 포함하여 구성되고, 상기 발전부는, 상기 연소기 내부의 연소온도를 낮춰 질소산화물의 생성을 저감하기 위해, 상기 연료 전지부와 연결되어 연소기 내부에서 질소산화물의 발생이 증가되는 설정온도 이상에서 상기 연료 전지부에서 발생하는 합성가스보다 열용량이 높은 고열용량가스를 공급받는 것을 특징으로 하는 질소산화물 제어가 가능한 연료전지 복합발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 합성가스 생성부는 연료를 불완전 연소시켜 합성가스를 생성하는 가스화기 및, 상기 가스화기에서 생성된 합성가스를 메탄화 공정을 통해 메탄가스를 생성하는 메탄부를 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 연료 전지부는 상기 메탄부에서 생성된 메탄을 반응물질로 전기 및, 이산화탄소와 물을 포함한 고열용량가스를 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 연료 전지부에서 생성된 전기를 사용하는 부하의 크기를 조절하여 전기 및 이산화탄소와 물을 포함한 고열용량가스의 발생을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 연소기에 상기 연료 전지부에서 생성된 이산화탄소와 물을 포함한 고열용량가스를 가열하기 위해, 이산화탄소와 물을 포함한 고열용량가스를 가열하는 가열부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 연소기 후단에서 상기 연소기와 연결되어 연소공기의 질소산화물의 함유량을 측정하는 센서부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 센서부와 연결되어 상기 센서부에서 센싱된 연소공기의 질소산화물의 함유량에 따라 연료전지부에 연결된 부하의 크기를 조절하여 상기 연소기로 공급되는 이산화탄소와 물을 포함한 고열용량가스의 유량을 제어하도록 구비될 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지에서 생산되는 고열용량가스를 연소기에 투입하여 연소실 내에 국부적인 온도상승을 방지함으로써 질소산화물 발생량을 제어할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 IGFC 시스템의 간략도.
도 2는 도 1의 연료전지부의 내부 반응을 나타내는 간략도.
이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.
먼저, 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명인 질소산화물(NOX)제어가 가능한 IGFC 시스템을 이해시키는데 적합한 실시예들이다. 다만, 본 발명이 이하에서 설명되는 실시예에 한정하여 적용되거나 설명되는 실시예에 의해 본 발명의 기술적 특징이 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술범위에서 다양한 변형 실시가 가능하다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 복합발전 시스템(100)은, 합성가스를 생성하는 합성가스 생성부(200)와, 생성된 합성가스를 이용하여 산화 환원 반응을 일으켜 전력을 생산하는 연료 전지부(300) 및, 합성가스와 압축공기를 연소시켜 터빈(530)을 구동하여 전력을 생산하는 발전부(500)를 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 합성가스 생성부(200)는, 연료를 불완전 연소시켜 합성가스를 생성하는 가스화기(210)와, 상기 가스화기(210)에서 생성된 합성가스에 포함된 분진 등 이물질을 제거하는 정제부(220)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 가스화기(210)에서 생성된 합성가스(G1)는 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 포함되어 있고, 상기 발전부(500)의 연소기(520)에 통해 유입되어 상기 압축기(520)에서 압축공기(G7)와 연소반응을 일으킨다.
또한, 상기 합성가스 생성부(200)는 합성가스 중 일부를 메탄화 공정을 통해 메탄(CH4)을 생성하는 메탄부(230)를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 연료 전지부(300)는 양극부(anode)(310)와 음극부(cathode)(320)로 구비되고, 상기 양극부(anode)(310)에서는 상기 메탄부(230)에서 유입된 메탄(CH4) 및 수분(H2O)(G2)이 내부에서 수소(H2)와 이산화탄소(CO2)로 변환되고, 수소(H2)는 다시 삼사화탄소 음이온(CO3 -)과 결합하여 물(H2O), 이산화탄소(CO2) 및 전자(e-)를 생성하게 된다.
그리고, 상기 음극부(cathode)(320)에서는 상기 발전부(500)의 압축기(510)에서 공급되는 압축공기(G7)에 포함된 산소(O2)와 일산화탄소(CO) 및 상기 양극부(anode)(310)에서 발생된 전자(e-)가 반응하여 삼산화탄소 음이온(CO3 -)을 생성한다.
이때, 상기 양극부(anode)(310)에서 생성된 전자(e-)는 상기 연료 전지부(300)와 연결된 부하(L1)로 흐르고, 다시 음극부(cathode)(320)로 유입되어 전류를 형성하며 부하(L1)에 전기 에너지를 공급하게 된다.
한편, 상기 발전부(500)는 상기 가스화기(210)에서 생성된 합성가스(G1)가 유입하여 연소반응이 일어나는 연소기(520)와, 공기를 압축하여 상기 연소기(520)에 압축공기(G7)를 유입하는 압축기(510)와, 상기 연소기(520)에서 발생한 연소반응에 발생한 고온 고압의 연소공기(G8)에 의해 구동되어 전력을 생산하는 터빈(530)을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 연소기(520)는 상기 연료 전지부(300)에서 상기 연료 전지부(300)의 양극부(anode)(310)에서 생성되는 이산화탄소(CO2), 물(H2O)(기체상태)과 같은 고열량가스(G3)가 유입되도록 상기 연료 전지부(300)와 연결된다.
그리고, 상기 터빈(530)은 상기 연소기(520)에서 연소반응에 의해 생성된 연소공기에 포함된 질소산화물(NOX)의 발생량을 감지하는 센서부(410)와 연결되어 있고, 상기 센서부(410)는 연소공기(G8)에 함유된 질소산화물(NOX)의 함량에 따라 상기 연료 전지부(300)에서 발생되는 전기량이 제어될 수 있도록 상기 제어부(400)와 연결되도록 구비될 수 있다.
이때, 상기 제어부(400)는, 상기 연료 전지부(300) 내부의 반응 속도가 부하(L1)의 크기를 조절함으로써 제어되도록 구비되어, 부하(L1)의 크기를 증가한 때에는 전기발생량도 증가되고, 부하(L2)의 크기를 감소시킨 때에는 전기발생량도 감소되도록 구비될 수 있다.
그리고, 상기 제어부(400)는 상기 센서부(410)와 연결되어 상기 센서부(410)에서 감지되는 질소산화물(NOX)의 함량에 따라 부하(L1)의 크기를 조절하여 전기발생량 및 고열용량가스(G3)의 발생량을 자동으로 제어할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 질소산화물(NOX) 제어가 가능한 연료전지 복합발전 시스템(100)의 작용 효과에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 상기 가스화기(210)에서는 석탄과 같은 연료가 불완전연소하여 수소(H2), 일산화탄소(CO)를 포함하는 합성가스가 생성된다. 그리고 생성된 합성가스는 정제되어 일부(G1)는 상기 연소기(520)에 유입되고, 일부는 메탄화공정을 통해 메탄(CH4)을 포함한 가스(G2)로 변환되어 상기 연료 전지부(300)로 유입된다.
그리고, 상기 연료 전지부(300)에서는, 양극부(anode)(310)에서 상기 메탄부(230)에서 유입된 메탄(CH4)과 수분(H2O)이 반응하여 수소(H2)와 이산화탄소(CO2)를 생성하고, 생성된 수소(H2)와 삼산화이온은 반응하여 물(H2O)과 이산화탄소(CO2) 및 전자(e-)를 생성하는 산화반응이 일어난다.
그리고, 상기 음극부(cathode)(320)에서는 압축기(510)에서 유입된 압축공기(G7)에 포함된 산소와 이산화탄소(CO2)가 삼산화탄소이온을 생성하는 환원 반응이 일어나고, 상기 연료 전지부(300)에서는 생성된 전자(e-)가 부하를 순환하여 전류가 흐르게 된다.
한편, 상기 발전부(500)에서는 연소기(520)에 상기 압축기(510)에서 압축된 압축공기(G7)와 상기 가스화기(210)에 생성된 합성가스가 정제되어 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 주성분인 합성가스(G1)가 유입되어 연소반응이 일어난다.
그런데, 상기 연소기(520)에는 상기 발전부(500)의 부하(L2)가 클 때 고온의 연소반응이 일어나게 되고, 이 경우 상기 연소기(520)는 국부적으로 고온상태로 변하게 되고, 1500도 이상이 되는 경우 질소산화물(NOX)의 발생이 증가하게 된다.
그래서, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 복합발전 시스템(100)은 상기 연소기(520)의 온도를 낮춰 질소산화물(NOX)의 발생을 저감하기 위해, 상기 양극부(anode)(310)에서 발생한 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)(G3)및 상기 음극부(cathode)(320)에서 반응하고 남은 이산화탄소(G3)와 같은 고열용량가스(G5)를 상기 연소기(520)에 유입시킨다.
그런데, 상기 연료 전지부(300)에서 유출되는 고열용량 가스를 연소기(520)에 직접 유입할 경우에는 상기 연소기(520)의 내부 온도와 유입되는 고열용량 가스와 큰 온도차가 발생되므로 연소기(520)의 온도를 급격히 낮출 수 있다.
그래서, 고열용량 가스를 가열시키는 가열부(330)를 통과한 뒤에 상기 연소기(520)에 유입시키는 것이 바람직하다.
그 결과, 가열된 상태의 고열용량가스(G5)가 상기 연소기(520) 내부로 유입되고, 상기 연소기(520) 내부는 상기 가스화기(210)에서 유입되는 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)의 비율 감소와 연료가스의 열용량 증대로 연소기(520) 내부에 온도가 낮아져 질소산화물(NOX)의 발생이 감소하게 된다.
그런데, 온도가 계속 낮아지는 경우, 상기 연소기(520)에서 생성되는 연소공기의 온도도 낮아지게 되므로 상기 발전부(500)에서 생산되는 전력량이 감소되어 상기 발전부(500)의 효율이 저감된다.
그래서, 질소산화물(NOX)의 발생이 감소되는 경우, 다시 연소기(520)의 온도를 상승시키기 위해 상기 연료 전지부(300)에서 생성되는 고열용량가스(G5)의 유입량을 감소시켜 수소(H2)와 일산화탄소(CO)의 비율을 증가시킨다.
이러한 과정은 상기 제어부(400)에 의해 자동으로 제어될 수 있다.
즉, 상기 연소기(520)에서 생성된 연소공기는 상기 터빈(530)을 회전시키고, 상기 터빈(530)에 연결된 센서부(410)에 의해 연소공기의 질소산화물(NOX)의 함량이 측정된다.
그리고, 상기 발전부(500)에 높은 부하(L2)가 걸리는 경우, 연소가스(G8)에 질소산화물(NOX)의 비율이 증가하게 되어 상기 센서부(410)에의해 질소산화물(NOX)의 비율이 높게 측정되는 경우, 상기 제어부(400)는 부하(L1)를 증가시키고, 부하(L1)가 증가됨에 따라 상기 연료 전지부(300)에서 전기 발생량이 증가된다.
그 결과, 전기가 발생되는 산화반응이 활발해져 산화반응의 생성물질인 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)와 같은 고열용량가스의 생성량(G3)도 증가되고, 생성된 고열용량가스(G3)가 상기 연소기(520)에 유입되어 상기 연소기(520)의 온도를 낮추게 된다.
반대로, 상기 연소기(520)에 고열용량가스(G5)가 유입되는 동안, 상기 센서부(410)에 의해 질소산화물(NOX)의 발생량이 감소되는 것이 감지되면, 상기 제어부(400)는 부하(L1)를 감소시켜 전기 발생량을 감소시킨다.
그래서, 전기가 발생되는 산화반응이 감소하여 산화반응의 생성물질인 고열용량가스(G3)의 또한 감소되어 상기 연소기(520)에 유입량도 감소하여 상기 연소기(520)의 온도는 다시 증가하게 된다.
즉, 상기 제어부(400)와 상기 센서부(410)가 연동하여 상기 연소기(520)에서 측정된 연소공기(G8)의 질소산화물(NOX)의 함량을 측정하여, 부하(L1)를 조절함으로써 자동으로 연료 전지부(300)의 고열용량가스(G3)의 생성량을 제어하여 상기 연소기(520)에 유입되는 고열용량가스의 유입량을 제어하여 상기 연소기(520)의 온도를 제어함으로써 상기 연소기(520)에서 발생되는 질소산화물(NOX)의 발생을 억제할 수 있게 된다.
그리고, 본 발명은 지금까지 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.
100: 시스템 200: 합성가스 생성부
210: 가스화기 220: 정제부
230: 메탄부 300: 연료 전지부
310: 양극부 320: 음극부
330: 가열부 400: 제어부
410: 센서부 500: 발전부
510: 압축기 520: 연소기
530: 터빈

Claims (6)

  1. 연료를 불완전 연소시켜 합성가스를 생성하는 가스화기, 및 상기 가스화기에서 생성된 상기 합성가스를 메탄화 공정을 통해 메탄가스를 생성하는 메탄부를 포함하는 합성가스 생성부;
    상기 메탄부에서 생성된 상기 메탄가스가 유입되며 상기 메탄가스에 포함된 화학물질을 반응물질로 이용하여 전력을 생산하고, 상기 합성가스보다 열용량이 높은 고열용량가스를 생성하는 연료 전지부; 및
    상기 가스화기에서 생성된 상기 합성가스와 압축기에서 생성된 압축공기가 연소기에서 연소하여 터빈을 구동하고 전력을 생산하는 발전부;를 포함하여 구성되고,
    상기 발전부는,
    상기 연소기 내부의 연소온도를 낮춰 질소산화물의 생성을 저감하기 위해, 상기 연료 전지부와 연결되어 연소기 내부에서 질소산화물의 발생이 증가되는 설정온도 이상에서 상기 연료 전지부에서 발생하는 합성가스보다 열용량이 높은 고열용량가스를 공급받는 것을 특징으로 하는 질소산화물 제어가 가능한 연료전지 복합발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지부는,
    상기 메탄부에서 생성된 메탄을 반응물질로 전기 및, 이산화탄소와 물을 포함한 고열용량가스를 생성하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 제어가 가능한 연료전지 복합발전 시스템.
  4. 제3항에서,
    상기 연료 전지부에서 생성된 전기를 사용하는 부하의 크기를 조절하여 전기 및 물 및 이산화탄소를 포함한 고열용량가스 발생을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 제어가 가능한 연료전지 복합발전 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 연소기에 상기 연료 전지부에서 생성된 이산화탄소와 물을 포함한 고열용량가스를 가열하기 위해, 이산화탄소와 물을 포함한 고열용량가스를 가열하는 가열부를 더 포함하는 질소산화물 제어가 가능한 연료전지 복합발전 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 연소기 후단에서 상기 연소기와 연결되어 연소공기의 질소산화물의 함유량을 측정하는 센서부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 센서부와 연결되어 상기 센서부에서 센싱된 연소공기의 질소산화물의 함유량에 따라 연료전지부에 연결된 부하의 크기를 조절하여 상기 연소기로 공급되는 이산화탄소와 물을 포함한 고열용량가스의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 제어가 가능한 연료전지 복합발전 시스템.
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