KR102115054B1 - 복합 화력발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

복합 화력발전 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 복합 화력발전 시스템은, 폐열회수 보일러의 선택적 환원촉매 반응기로 공급되는 암모니아를 저장탱크에 저장하고, 공기분리기에서 생성된 질소 또는 산소를 저장탱크로 공급하여 저장탱크에 저장된 암모니아가 -33℃ 이하인 액체 상태를 유지하도록 한다. 그러면, 종래의 복합 화력발전 시스템과 같이 요소 수용액을 분해하여 암모니아를 생성하는 가수분해기가 필요 없으므로, 원가가 절감되는 효과가 있을 수 있고, 부피가 감소되는 효과가 있을 수 있다.

Description

복합 화력발전 시스템 {COMBINED CYCLE POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 폐열회수 보일러의 선택적 환원촉매 반응기로 공급하기 위한 암모니아가 저장된 저장탱크로 공기분리기에서 생성된 질소 또는 산소를 공급하여 암모니아를 액체상태로 유지하는 복합 화력발전 시스템에 관한 것이다.
복합 화력발전 시스템이란, 연료의 연소시 발생하는 가스로 가스터빈을 회전시켜 1차로 발전하고, 가스터빈의 구동후 가스터빈에서 배출되는 가스를 이용하여 폐열회수 보일러(Heat Recovery Steam Generator)에서 증기를 생성한 다음, 폐열회수 보일러에서 생성된 증기로 증기터빈을 회전시켜 2차로 발전하는 시스템이다.
복합 화력발전 시스템의 폐열회수 보일러로 공급되어 증기의 생성에 사용되는 가스에는 환경오염을 유발하는 질소산화물이 함유되어 있다. 그러므로, 폐열회수 보일러에서 증기의 생성에 사용된 다음 배출되는 가스에도 질소산화물이 함유되어 있으므로, 폐열회수 보일러에서 배출되는 가스에 함유된 질소산화물을 제거하여야 한다.
질소산화물을 제거하기 위한 기술중 하나로 고온에서 질소산화물에 암모니아를 분사하여 질소산화물을 질소와 수분으로 환원시키는 건식법이 있다.
그리고, 건식법에는 촉매를 사용하지 않으면서 선택적으로 질소산화물을 질소와 수분으로 환원시키는 선택적 비촉매 환원법 및 촉매를 사용하면서 질소산화물을 질소와 수분으로 환원시키는 선택적 촉매 환원법이 있으며, 경제적 및 기술적인 측면에서 선택적 촉매 환원법이 많이 사용되고 있다.
선택적 촉매 환원법에 의하여 질소산화물을 제거하는 복합 화력발전 시스템은 폐열회수 보일러의 선택적 환원촉매(SCR: Selective Catalytic Reduction) 반응기로 액체 상태의 암모니아를 공급하여야 한다.
그런데, 종래의 복합 화력발전 시스템은 요소(尿素, Urea) 수용액을 가수분해하여 암모니아를 생성하므로, 별도의 가수분해기가 필요한 단점이 있다. 그러므로, 원가가 상승하고, 부피가 커지는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 모든 문제점들을 해결할 수 있는 복합 화력발전 시스템을 제공하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 폐열회수 보일러의 선택적 환원촉매 반응기로 공급되는 암모니아를 저장탱크에 저장시키고, 공기분리기에서 생성된 질소 또는 산소를 이용하여 저장탱크의 암모니아를 액체 상태로 유지하여 선택적 환원촉매 반응기로 공급함으로써, 원가를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 부피를 감소시킬 수 있는 복합 화력발전 시스템을 제공하는 것일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 복합 화력발전 시스템은, 연료를 연소하여 가스를 생성하는 가스화유닛; 공기에서 질소와 산소를 분리하여 상기 가스화유닛으로 공급하는 공기분리기; 상기 가스화유닛에서 생성된 가스의 연소시 발생하는 가스에 의하여 구동하는 가스터빈; 상기 가스터빈에서 배출된 가스가 유입되는 유입부 및 배출되는 배출부가 형성된 본체, 상기 본체에 설치되며 암모니아가 공급되면 상기 본체로 유입된 가스에 함유된 질소산화물을 제거하는 선택적 환원촉매(Selective Catalytic Reduction) 반응기를 가지며, 증기를 생성하는 폐열회수 보일러; 상기 선택적 환원촉매 반응기로 공급되는 암모니아를 저장하는 저장탱크를 포함하며, 상기 공기분리기와 상기 저장탱크 사이에는 상기 공기분리기에서 생성된 질소 또는 산소를 상기 저장탱크로 공급하여 상기 저장탱크의 암모니아를 액체 상태로 유지하기 위한 냉매공급관로가 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 복합 화력발전 시스템은, 폐열회수 보일러의 선택적 환원촉매 반응기로 공급되는 암모니아를 저장탱크에 저장하고, 공기분리기에서 생성된 질소 또는 산소를 저장탱크로 공급하여 저장탱크에 저장된 암모니아가 -33℃ 이하인 액체 상태를 유지하도록 한다. 그러면, 종래의 복합 화력발전 시스템과 같이 요소 수용액을 가수분해하여 암모니아를 생성하는 가수분해기가 필요 없으므로, 원가가 절감되는 효과가 있을 수 있고, 부피가 감소되는 효과가 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 화력발전 시스템의 구성을 보인 도.
도 2는 도 1에 도시된 폐열회수 보일러측의 확대도.
본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
한편, 본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1항목, 제2항목 및 제3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1항목, 제2항목 또는 제3항목 각각 뿐만 아니라 제1항목, 제2항목 및 제3항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
"위에"라는 용어는 어떤 구성이 다른 구성의 바로 상면에 형성되는 경우 뿐만 아니라 이들 구성들 사이에 제3의 구성이 개재되는 경우까지 포함하는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 화력발전 시스템의 구성을 보인 도이고, 도 2는 도 1에 도시된 폐열회수 보일러측의 확대도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 화력발전 시스템은 가스화유닛(110)을 포함할 수 있다. 가스화유닛(110)은 기체연료, 액체연료 또는 화석연료(化石燃料)를 연소하여 가연성 가스인 원시(Raw) 합성가스를 생성할 수 있다.
특히, 석탄을 연료로 하여 합성가스를 생성한 후 발전하는 시스템을 석탄 가스화 복합발전 시스템이라 한다. 석탄은 슬러리(Slurry) 형태로 투입되거나, 미분탄 형태로 투입될 수 있다. 슬러리 형태의 석탄은 산화제인 공기 또는 산소와 함께 물이 투입되고, 미분탄 형태의 석탄은 산화제인 공기 또는 산소와 함께 증기가 투입된다.
이하에서는, 화석연료인 미분탄을 연료로 사용하는 것을 예로 들어 설명한다.
미분탄을 가스화유닛(110)으로 공급하기 위하여, 석탄저장용기(115)와 석탄저장용기(115)에 저장된 석탄을 분쇄하는 분쇄기(116)가 마련될 수 있다.
그리고, 산화제인 산소는 공기분리기(120)에서 생성되며, 공기분리기(120)는 공기를 냉각시켜 산소와 질소로 분리 생성할 수 있다. 공기가 소정 온도로 냉각되면 산소와 질소의 끓는점의 차이로 인하여 액체 산소와 액체 질소로 분리된다. 그러면, 저온의 산소는 열교환을 거친 후 가스화유닛(110)으로 공급될 수 있다.
석탄인 미분탄에는 불연소 물질인 석탄회분이 대략 2∼20％ 정도 함유되어 있다.
석탄회분의 대략 20％는 가스화유닛(110)의 고온의 연소열에 의해 용융되며, 여러 입자가 응결된 슬래그(Slag)가 되어 물과 함께 가스화유닛(110)의 하부와 연통 설치된 호퍼(미도시)를 통하여 외부로 배출될 수 있다. 가스화유닛(110)에서 배출된 물은 폐수처리기(118)에서 처리될 수 있으며, 폐수처리기(118)에서 처리된 물은 가스화유닛(110)으로 재유입될 수 있다.
그리고, 석탄회분의 나머지 대략 80％는 각 입자별로 연소되어 원시 합성가스의 흐름에 따라 비산하며, 석탄회분이 함유된 원시 합성가스는 정제유닛(130)을 흐르면서 정제될 수 있다.
미분탄의 연소에 의하여 생성된 원시 합성가스에는 이산화탄소, 황화카르보닐(COS) 및 황화수소가 포함될 수 있으며, 정제유닛(130)에서 정제될 수 있다. 이산화탄소, 황화카르보닐(COS) 및 황화수소가 산성 가스이다.
정제유닛(130)은 분진제거기(131), 가수분해기(133), 산성가스제거기(135) 및 황제거기(137) 등을 포함할 수 있다.
분진제거기(131)는 원시 합성가스에 함유된 플라이애쉬를 포함한 분진을 분리한 후, 집진하여 제거할 수 있다. 또한, 분진제거기(131)는 분진을 분리한 후, 감압 및 냉각시켜 집진하여 제거할 수도 있다. 또한, 분진제거기(131)는 일부의 황화카르보닐(COS)을 가수분해하여 황화수소 및 이산화탄소로도 변환할 수 있다.
가수분해기(133)는 분진이 제거된 합성가스를 가수분해하여 황 성분을 제거할 수 있고, 가수분해기(133)에서 황 성분이 제거된 합성가스는 폐수처리기(118)로 유입되어 처리될 수 있다. 이때, 폐수처리기(118)는 사워가스(Sour Gas)를 황제거기(137)로 이송할 수 있다.
산성가스제거기(135)는 황 성분이 제거된 합성가스를 산성가스와 순수 합성가스로 분리할 수 있고, 산성가스를 황제거기(137)로 이송할 수 있다. 그러면, 황제거기(137)는 황과 황산을 분리하여 배출하고, 테일가스(Tail Gsa)를 사용처로 이송할 수 있다.
산성가스제거기(135)에서 분리된 순수 합성가스는 연소기(140)로 유입될 수 있고, 압축기(150)는 공기를 압축하여 연소기(140)로 공급할 수 있다. 그러면, 연소기(140)는 순수 합성가스와 압축 공기를 공급받아 순수 합성가스를 연소하여, 가스터빈(160)으로 공급할 수 있다.
그리하여, 가스터빈(160)은 연소기(140)에서 배출되는 가스에 의하여 구동하면서, 발전기를 구동시킬 수 있다. 그리고, 가스터빈(160)을 구동시킨 후, 배출되는 가스는 폐열회수 보일러(170)로 유입되어 증기를 발생시키는 열원으로 사용될 수 있다.
폐열회수 보일러(170)에서 생성된 증기는 증기터빈(190)으로 유입되어 증기터빈(190)을 구동시키며, 증기터빈(190)의 구동에 의하여 또 다른 발전기가 구동을 하면서 발전을 하는 것이다.
폐열회수 보일러(170)에 대하여 설명한다.
폐열회수 보일러(170)는 본체(171)를 포함할 수 있고, 본체(171)의 일측면 및 타측면에는 가스터빈(160)에서 배출된 가스가 유입되는 유입부(171a) 및 배출되는 굴뚝 등으로 마련된 배출부(171b)가 각각 형성될 수 있다.
유입부(171a)측 본체(171)의 내부에는 본체(171)의 내부로 유입된 가스가 본체(171)의 내부 전부위를 통하여 균일하게 배출부(171b)측으로 이동하여 배출될 수 있도록 안내하는 분배판(172)이 설치될 수 있고, 분배판(172)과 배출부(171b) 사이의 본체(171)의 내부에는 가스를 더욱 고온으로 가열하기 위한 덕트버너(173)가 설치될 수 있다.
덕트버너(173)와 배출부(171b) 사이의 본체(171)의 내부에는 본체(171)로 유입된 가스의 여열(余熱)로 물을 가열하는 이코노마이저(Economizer)(174a)가 설치될 수 있고, 덕트버너(173)와 이코노마이저(174a) 사이의 본체(171)의 내부에는 본체(171)로 유입된 가스의 열로 이코노마이저(174a)에서 전달된 물을 증기화하는 증발기(174b)가 설치될 수 있으며, 덕트버너(173)와 증발기(174b) 사이의 본체(171)의 내부에는 증발기(174b)에서 전달된 증기를 가열하여 과열증기를 생성하는 과열기(175c)가 설치될 수 있다.
과열기(175c)에서 생성된 과열증기에 의하여 증기터빈(190)이 구동하면서 발전을 할 수 있다.
본체(171)의 일측에는 물이 저장됨과 동시에 물에 용해되어 있는 산소를 제거하기 위한 물탱크/탈기기(176)가 설치될 수 있고, 물탱크/탈기기(176)의 물이 이코노마이저(174a)로 공급될 수 있다. 그리고, 이코노마이저(174a)에서 가열된 물은 드럼(175d)을 통하여 증발기(174b)로 유입될 수 있다.
도 2에 도시된 방향을 기준으로, 가스는 본체(171)의 좌측면측으로 유입되어 우측면측으로 배출되고, 물은 본체(171)의 우측면측에서 유입되어 좌측면측으로 배출될 수 있다.
그리고, 전술한 이코노마이저(174a)와 증발기(174b)와 과열기(175c) 및 드럼(175d)은 고압 영역(174)인 유입부(171a)와 인접한 본체(171)의 내부 좌측면측에 설치될 수 있고, 저압 영역(175)인 배출부(171b)와 인접한 본체(171)의 내부 우측면측에도 이코노마이저(175a), 증발기(175b), 과열기(175c) 및 드럼(175d)이 각각 설치될 수 있다.
유입부(171a)를 통하여 본체(171)의 내부로 유입되는 가스에는 환경오염을 유발하는 질소산화물이 함유되어 있을 수 있다. 그러므로, 본체(171)의 내부로 유입된 가스에 함유된 질소산화물을 제거한 후, 가스를 배출부(171b)로 배출시켜야 한다.
폐열회수 보일러(170)의 본체(171)의 내부에는 가스에 함유된 질소산화물을 제거하여 위한 선택적 환원촉매(Selective Catalytic Reduction) 반응기(177)가 설치될 수 있다. 가스의 온도가 300 ~ 400℃ 일때 최적의 탈질 효율이 발생되므로 선택적 환원촉매 반응기(177)는 가스의 온도가 300 ~ 400℃의 온도범위를 띄는 과열기(175c)와 증발기(174b)와 사이에 설치되는 것이 바람직하다.
선택적 환원촉매 반응기(177)는 촉매를 이용하며, 별도로 공급되는 암모니아와 작용하여 가스에 함유된 질소산화물을 질소와 수분으로 환원시킬 수 있다. 암모니아는 본체(171)의 일측에 설치된 저장탱크(179)에 저장되어 선택적 환원촉매 반응기(177)로 공급될 수 있다. 저장탱크(179)의 암모니아가 선택적 환원촉매 반응기(177)로 균일하게 분사될 수 있도록, 암모니아는 복수의 통공이 형성된 분배판(178)을 통과하여 선택적 환원촉매 반응기(177)로 분사될 수 있다.
저장탱크(179)에 저장된 암모니아는 액체 상태이어야 하며, 대략 -33℃ 또는 1.6㎫ 이상의 압력으로 선택적 환원촉매 반응기(177)로 공급하여야 한다. 따라서, 저장탱크(179)에 저장된 암모니아가 -33℃ 이하의 액체 상태를 유지할 수 있기 위해서는 냉열을 공급받아야 한다.
본 실시예에 따른 복합 화력발전 시스템은 저장탱크(179)에 저장된 암모니아가 -33℃ 이하인 액체 상태를 유지할 수 있도록 공기분리기(120)에서 생성된 질소 또는 산소를 저장탱크(179)로 공급한다.
전술한 바와 같이, 공기분리기(120)는 공기를 냉각시켜 공기와 질소를 분리하며, 공기분리기(120)에서 분리 생성된 액체 질소 또는 액체 산소는 -160℃ 이하이므로, 저장탱크(179)의 암모니아가 -33℃ 이하의 액체 상태를 유지할 수 있다.
공기분리기(120)에서 분리 생성된 질소 또는 산소를 저장탱크(179)에 공급하기 위하여, 공기분리기(120)와 저장탱크(179) 사이에는 냉매공급관로(122)가 설치될 수 있다.
저장탱크(179)의 암모니아를 선택적 환원촉매 반응기(177)로 공급하기 위한 암모니아공급관로(179a)가 설치될 수 있고, 암모니아공급관로(179a)에는 암모니아의 온도를 상승시키기 위한 열교환기(179b)가 설치될 수 있다. 저장탱크(179)에서 액체상태인 암모니아는 열교환기(179b)를 거치면서 기화되어 기체상태로 되어 선택적 환원촉매 반응기(177)로 공급될 수 있다. 본 실시예에 따른 복합 화력발전 시스템은 선택적 환원촉매 반응기(177)로 공급되는 암모니아를 저장탱크(179)에 저장하고, 공기분리기(120)에서 생성된 질소 또는 산소를 저장탱크(179)로 공급하여 저장탱크(179)에 저장된 암모니아가 -33℃ 이하인 액체 상태를 유지하도록 한다. 그러면, 종래의 복합 화력발전 시스템과 같이 요소 수용액을 분해하여 암모니아를 생성하는 가수분해기가 필요 없으므로, 원가가 절감되고, 부피가 감소된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 가수분해기
120: 공기분리기
140: 가스터빈
170: 폐열회수 보일러
177: 선택적 환원촉매 반응기
179: 저장탱크

Claims (3)

  1. 연료를 연소하여 가스를 생성하는 가스화유닛;
    공기에서 질소와 산소를 분리하여 상기 가스화유닛으로 공급하는 공기분리기;
    상기 가스화유닛에서 생성된 가스의 연소시 발생하는 가스에 의하여 구동하는 가스터빈;
    상기 가스터빈에서 배출된 가스가 유입되는 유입부 및 배출되는 배출부가 형성된 본체, 상기 본체에 설치되며 암모니아가 공급되면 상기 본체로 유입된 가스에 함유된 질소산화물을 제거하는 선택적 환원촉매(Selective Catalytic Reduction) 반응기를 가지며, 증기를 생성하는 폐열회수 보일러;
    상기 선택적 환원촉매 반응기로 공급되는 암모니아를 저장하는 저장탱크를 포함하며,
    상기 공기분리기에서 생성된 액체 산소가 상기 저장탱크의 내부를 경유하면서 상기 저장탱크의 암모니아와 열교환해 암모니아를 -33℃ 이하의 액체 상태로 유지하기 위한 냉매공급관로가 설치된 것을 특징으로 하는 복합 화력발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저장탱크의 암모니아를 상기 선택적 환원촉매 반응기로 공급하기 위한 암모니아공급관로가 설치되고,
    상기 암모니아공급관로에는 암모니아의 온도를 상승시키기 위한 열교환기가 설치된 것을 특징으로 하는 복합 화력발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 본체에는 상기 암모니아공급관로에서 분사되는 암모니아가 상기 선택적 환원촉매 반응기로 균일하게 분사되도록 안내하는 분배판이 설치된 것을 특징으로 하는 복합 화력발전 시스템.
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