KR102168470B1 - 석탄 가스화 합성가스 및 ｆｔ 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템 - Google Patents

석탄 가스화 합성가스 및 ｆｔ 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 석탄을 이용해 합성가스를 생성하는 석탄 가스화부; 상기 석탄 가스화부로부터 합성가스를 공급받아 FT 반응을 통해 산업용 연료를 생산하는 FT 반응부; 및 상기 석탄 가스화부로부터 합성가스를 공급받아 압축착화 방식을 이용한 혼소엔진을 구동시켜 전기를 발생시키는 제1발전유닛 및 상기 FT 반응부로부터 FT 반응에 참여하지 않은 미활용된 오프가스를 공급받아 불꽃점화 방식을 이용한 전소엔진을 구동시켜 전기를 발생시키는 제2발전유닛을 포함하는 발전부; 를 포함하여 이루어져, 석탄의 가스화 및 FT 반응으로 산업용 연료를 생산하는 과정에서 버려지는 오프가스를 활용하여 고효율로 발전을 할 수 있는 발전 시스템에 관한 것이다.

Description

석탄 가스화 합성가스 및 ＦＴ 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템 {Generation system utilizing coal gasification syngas and FT reaction off-gas}
본 발명은 석탄 가스화 공정에서 발생된 저발열량의 합성가스와, 석탄의 가스화 및 FT 반응으로 산업용 연료를 생산하는 과정에서 버려지는 오프가스를 모두 활용하여 발전을 하는 기술에 관한 것이다.
석탄을 이용한 화력 발전 기술은 석탄을 직접 연소시켜 증기를 발생시키고 이 증기로 터빈을 돌려 발전을 하는 기술로, 전통적인 발전 기술 중 하나이다. 화력발전은 상당히 효율이 좋은 발전 기술인 반면 유해한 배기가스 등의 폐부산물의 발생량이 많아 환경에 큰 악영향을 끼치는 문제가 있다. 이러한 문제를 해소하면서 화력 발전의 장점을 더욱 발전시키고자 하는 연구가 지속적으로 이루어져 왔으며, 이러한 연구의 일환으로 석탄 가스화 복합 발전(Integrated Gasification Combined Cycle) 기술이 점차 확대되어 가고 있다.
석탄 가스화 복합 발전이란, 석탄을 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 주성분으로 한 합성가스(syngas)로 전환한 뒤 합성가스 중에 포함된 분진(Dust)과 황산화물 등 유해물질을 제거하고 천연가스와 유사한 수준으로 정제하여 복합 발전을 하는 기술이다. 석탄 가스화 복합 발전 기술은 고전적인 석탄 화력 발전 기술에 비해 더욱 높은 발전 효율을 가지며, 직접 연소 발전에 비해서는 황산화물 90% 이상, 질소산화물 75% 이상, 이산화탄소 25%까지 저감할 수 있는 환경친화적 기술이기 때문에 세계 각국에서 개발에 힘쓰고 있다. 한국특허공개 제2014-0139314호("고정층 가스화기를 이용한 석탄가스화 발전설비", 2014.12.05) 등에 이러한 석탄 가스화 복합 발전 기술이 다양하게 개시된다.
석탄 가스화 공정에서 발생되는 합성가스는 여러 가지 용도로 활용되는데, 특히 이를 FT(Fischer & Tropsh) 반응을 통하면 우리가 일반적으로 사용할 수 있는 연료들(디젤, 등유, 가솔린 등)을 생산할 수 있다. 이 때 FT 반응에 참여하여 반응하지 않고 미활용된 가스(오프가스; off-gas)가 발생되는데, 오프가스의 발열량은 일반적인 발전기용으로 사용되는 디젤이나 가스연료에 비해 1/5 내지 1/10 정도의 발열량을 갖기 때문에, 미연소가 되거나 연소가 되더라도 열효율이 매우 낮아서 발전용 연료로 사용되기 적합하지 못한 것으로 알려져 있다. 이에 종래에는 이러한 오프가스가 모두 버려짐으로써 전체적인 시스템 효율 저하의 원인이 되는 문제가 있었다.
한편 석탄 가스화 공정에서 발생된 합성가스는 상술한 바와 같이 FT 반응을 시킴으로써 산업용 연료를 생산하는데 사용될 수도 있고, 직접 연소를 시켜서 발전에 사용할 수도 있다. 그런데 가스화 과정을 위해 주입되는 산소의 농도에 따라 FT 반응에 사용할 수 없을 정도로 낮은 발열량을 가지는 합성가스가 만들어지기도 한다. 이처럼 FT 반응에 사용되지 못한 합성가스를 다른 용도로 활용되지 못하고 버려지게 될 경우 역시 시스템 효율이 크게 저하되는 문제가 있었다.
1. 한국특허공개 제2014-0139314호("고정층 가스화기를 이용한 석탄가스화 발전설비", 2014.12.05)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 석탄 가스화 공정에서 발생된 저발열량의 합성가스와, 석탄의 가스화 및 FT 반응으로 산업용 연료를 생산하는 과정에서 버려지는 오프가스를 모두 활용하여 안정적인 연소를 통한 고효율 발전을 할 수 있는 발전 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템은, 석탄을 이용해 합성가스를 생성하는 석탄 가스화부; 상기 석탄 가스화부로부터 합성가스를 공급받아 FT 반응을 통해 산업용 연료를 생산하는 FT 반응부; 및 상기 석탄 가스화부로부터 합성가스를 공급받아 압축착화 방식을 이용한 혼소엔진을 구동시켜 전기를 발생시키는 제1발전유닛 및 상기 FT 반응부로부터 FT 반응에 참여하지 않은 미활용된 오프가스를 공급받아 엔진을 구동시켜 전기를 발생시키는 제2발전유닛을 포함하는 발전부; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 발전부는 석탄 가스화부에서 생성되는 합성가스의 성분에 따라 상기 제1발전유닛 및 제2발전유닛 중 어느 하나를 선택적으로 작동시켜 발전을 할 수 있다.
또한, 태양광을 이용해 발전을 하는 태양광 발전부; 및 상기 태양광 발전부로부터 전기를 공급받아 물을 전기분해하여 얻은 산소를 석탄 가스화부로 공급하며 수소를 FT 반응부로 공급하는 전기분해장치; 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 낮에는 상기 태양광 발전부 및 전기분해장치를 이용해 생성된 산소 및 수소를 공급하여 합성가스의 생성 및 FT 반응을 하고, 오프가스를 이용하여 제2발전유닛에서 전기를 생산할 수 있다.
또한, 밤에는 상기 석탄 가스화부로 공기를 공급하여 합성가스를 생성하며, 생성된 합성가스를 이용하여 제1발전유닛에서 전기를 생산할 수 있다.
또한, 상기 혼소엔진은 압축비가 15:1 내지 17:1 범위 내의 값으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 혼소엔진은 희박연소 조건으로 운전될 수 있다.
또한, 상기 제1발전유닛은, 합성가스를 유입받아 1차적으로 압력을 조절하여 배출하는 고압 레귤레이터; 상기 고압 레귤레이터에서 배출된 합성가스를 유입받아 이물질을 걸러내어 배출하는 필터; 상기 필터 후단에 구비되어 합성가스의 공급 여부를 조절하는 차단밸브; 상기 차단밸브 후단에 구비되어 최종적으로 압력을 조절하여 배출하는 저압 레귤레이터; 상기 저압 레귤레이터에서 배출된 합성가스의 유량을 조절하여 배출하는 교축밸브; 상기 교축밸브에서 배출된 합성가스에 공기를 혼합하여 상기 혼소엔진에 공급하는 공기-가스 혼합부; 디젤을 분사하여 상기 혼소엔진에 공급하는 인젝터; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제2발전유닛은 불꽃점화 방식을 이용한 전소엔진 발전기일 수 있다.
본 발명에 의하면, 석탄 가스화 공정에서 발생된 저발열량의 합성가스와, 석탄의 가스화 및 FT 반응으로 산업용 연료를 생산하는 과정에서 버려지는 오프가스를 모두 활용하여 고효율로 발전을 할 수 있는 장점이 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명에 의하면, 석탄 가스화 및 FT 반응을 통해 디젤, 등유, 가솔린 등과 같은 산업용 연료를 생산함과 동시에 이 과정에서 발생되는 부산물들을 모두 활용하여 발전에 사용함으로써, 석탄 사용 효율을 극대화시킬 수 있는 것이다. 특히 본 발명에 의하면, 수소 농도의 차이가 있는 합성가스 및 오프가스를 각각에 최적화된 방식으로 연소시켜 발전함으로써 발전 효율 또한 극대화할 수 있는 장점이 있다.
이처럼 본 발명에 의하면, FT 반응에 사용되지 못할 정도의 저발열량의 합성가스 및 일반적으로는 버려지던 오프가스를 모두 발전에 활용함으로써 시스템 효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 이러한 합성가스를 활용함에 따라 기존의 디젤을 이용한 발전용 엔진에 비해 유해가스 발생량을 훨씬 줄일 수 있는 친환경적 효과 또한 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제1발전유닛을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템의 제1발전유닛에서, 혼소엔진의 압축비에 따른 열효율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제1발전유닛에서, 다양한 압축비의 혼소엔진 및 디젤엔진에서 발생되는 배기가스 중의 스모크량을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제1발전유닛에서, 다양한 압축비의 혼소엔진 및 디젤엔진에서 발생되는 배기가스 중의 질소산화물 농도를 나타낸 그래프이다.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템은, 크게 석탄 전처리부(10), 태양광 발전부(15), 전기분해장치(16), 석탄 가스화부(20), 합성가스 클리닝부(30), FT 반응부(40), 제1발전유닛(51) 및 제2발전유닛(52)을 포함하는 발전부(50)로 구성될 수 있다.
석탄 전처리부(10)는 석탄을 전처리하여 고정탄소의 비율을 높인 후의 석탄을 석탄 가스화부(20)로 공급할 수 있도록 하는 부분이다. 보다 상세하게는 석탄은 주로 가연성 성분인 고정탄소 및 휘발성분, 비가연성 성분인 수분, 회분 및 기타 광물 등으로 이루어져 있다. 고정탄소는 석탄 활용의 주성분이 되며 고정탄소의 비율이 높을수록 고급석탄이며 발열량과 전환효율이 높다. 휘발성분은 탄화도가 낮은 경우에 다량 생성되는 것으로, 휘발성분의 비율이 높은 경우 연소가 잘 되지 않는다. 특히 회분은 석탄의 발열량 및 전환효율을 크게 떨어뜨리는 성분이므로, 저급석탄의 활용을 위해서는 반드시 석탄의 전처리가 필요하다. 그리고 탄층에서 캐낸 원탄(run of mine coal)에는 고정탄소 성분이 높은 정탄과 암석의 파괴석인 맥석(gangue)이 혼재되어 있는데, 맥석이 정탄에 함유되어 있으면 정탄의 연소과정에서 열량이 저하되고 유해가스(SOx)가 발생하는 원인이 되므로, 석탄을 석탄 가스화부로 공급하기 전에 석탄의 전처리가 필요하다.
태양광 발전부(15)는 태양광을 이용해 전기를 발생시키는 부분이며, 태양전지를 이용해 낮 시간에 태양광을 이용해 발전을 할 수 있다.
전기분해장치(16)는 태양광 발전부(15)로부터 전기를 공급받아 물을 전기분해하여 산소 및 수소를 발생시키는 부분이고, 발생된 산소는 석탄 가스화부(20)로 공급되고 수소는 FT 반응부(40)로 공급될 수 있다.
석탄 가스화부(20)는 석탄을 이용해 합성가스(syngas)를 생성하는 부분이다. 보다 상세하게는 석탄 가스화부(20)에서는 탄화수소로 구성된 물질인 석탄, 저급 잔사유, 산업 폐기물, 바이오매스 등을 산소 또는 증기 등과 반응시키는 가스화 과정(gasification)을 통해서 열과 합성가스(CO, H2)를 생성한다. 여기에서 가스화 반응은 단일 반응이 아니라 고체 탄화수소 물질이 100℃ 근처에서 수분이 제거되는 건조, 350℃ 내지 550℃ 범위에서 고체상의 휘발 성분이 제거되는 열분해, 500℃ 이상부터 탄소와 산소가 반응하여 열을 만드는 연소, 합성가스를 생성하는 가스화 반응 등이 순차적 또는 동시에 일어나는 복합 반응이다. 열분해를 거치면 고체 탄화수소는 탄화수소 물질들과 회재로만 구성된 숯(char)으로 변하며, 숯을 반응시키기 위해서는 열이 필요하게 된다. 그리고 가스화제로 수증기와 산소를 사용할 경우에 생성되는 합성가스는 주로 CO와 H2로 비교적 발열량이 높은 중열량가스(3,000kcal/m3 전후) 가 되며, 산소 대신에 공기를 사용하면 생성가스 중에 질소 성분이 증가되어 발열량이 낮은 저열량가스(1,000kcal/m3 전후)가 된다. 또한, 고체 탄화수소에 포함된 유황과 질소성분은 가스화 반응으로 수소 또는 일산화탄소와 반응하여 H2S, COS, CS2, NH3로 변화되어 연소에 의해 배출되는 가스와는 다른 형태의 화합물을 형성한다.
합성가스 클리닝부(30)는 석탄 가스화부(20)에서 가스화 과정을 거친 후 생성된 합성가스에서 이물질 또는 유해가스 등을 제거하는 부분이며, 가스 클리닝 과정을 거친 합성가스는 발전부(50) 중 제1발전유닛(51)으로 공급되어 발전에 이용되거나 FT 반응부(40)로 공급되어 FT 반응에 이용될 수 있다.
FT 반응부(40)는 가스 클리닝 과정을 거친 후 공급되는 합성가스와 물의 전기분해를 통해 생성된 수소를 공급받아 FT 반응을 통해 산업용 연료인 디젤 또는 가솔린 등을 생산하는 부분이다. 여기에서 FT 반응은 Fischer 와 Tropsh 라는 사람이 개발해낸 공정으로 석유화학의 기반이 되는 공정으로서, 합성가스인 CO 및 H2로부터 알칸(CnH(2n+2)) 생성을 타겟으로 하는 반응이다. 그리고 FT 반응부(40)에서는 FT 반응에 참여하지 않은 미활용된 오프가스가 발생하게 된다.
발전부(50)는 제1발전유닛(51) 및 제2발전유닛(52)으로 구성될 수 있다. 제1발전유닛(51)은 석탄 가스화부(20)를 거쳐 합성가스 클리닝부(30)에서 클리닝된 합성가스를 공급받아 엔진을 구동시켜 전기를 발생시킨다. 제2발전유닛(52)은 FT 반응부(40)에서 FT 반응에 참여하지 않은 미활용된 오프가스를 공급받아 엔진을 구동시켜 전기를 발생시킨다.
여기에서 발전부(50)는 석탄 가스화부(20)에서 생성되는 합성가스의 성분에 따라 제1발전유닛(51) 및 제2발전유닛(52) 중 어느 하나를 선택적으로 작동시켜 발전을 할 수 있다.
즉, 석탄의 가스화 과정에는 산소가 필요하고, 이 산소는 낮에 태양광 발전을 이용한 물의 전기분해를 통해 얻을 수 있으며 전기분해를 통해 수소도 만들어지므로, 낮 시간에는 태양광 발전부 및 전기분해장치를 이용해 생성된 산소를 석탄 가스화부(20)로 공급하고 수소를 FT 반응부(40)로 공급하여 합성가스의 생성 및 FT 반응을 하며, 이때 석탄 가스화부(20)에서 만들어지는 합성가스의 성분은 H2 70%, CO 15%, CO2 15% 정도의 범위를 갖는다. 이렇게 만들어진 합성가스는 앞서 설명한 중열량가스(발열량 3,000kcal/m3 전후)에 해당하여 FT 반응에 활용되며, FT 반응에 참여하지 않은 미활용된 오프가스를 이용하여 제2발전유닛(52)을 구동시켜 전기를 생산할 수 있다.
그리고 밤에는 태양광 발전이 되지 않아 물의 전기분해가 이루어지지 않으므로, 산소 대신 공기를 석탄 가스화부(20)로 공급하여 가스화 과정이 이루어지며, 이때 생성된 합성가스의 성분은 H2 15%, CO 15%, CO2 10%, N2 60% 정도의 범위를 갖는다. 이렇게 만들어진 합성가스는 앞서 설명한 저열량가스 (발열량 1,000 kcal/m3 전후)에 해당하여 FT 반응이 제대로 일어나지 못한다. 따라서 이 합성가스는 FT 반응부(40)로 공급되지 않고 직접 제1발전유닛(51)으로 공급되며, 합성가스를 이용하여 제1발전유닛(51)을 구동시켜 전기를 생산할 수 있다.
한편 제2발전유닛(52)은 불꽃점화(SI) 방식을 이용한 전소엔진 발전기일 수 있다. 즉, 제2발전유닛(52)은 낮에 FT 반응부(40)에서 발생되는 오프가스만을 이용해 엔진을 구동시켜 발전을 하는데, 낮에 FT 반응부(40)에서 발생되는 오프가스는 발열량이 약 3,000 kcal/m3 정도로, 중발열량을 갖는 오프가스의 연소를 위해서 불꽃점화 방식으로 연소하는 전소엔진을 이용할 수 있다.
또한, 제1발전유닛(51)은 압축착화(CI) 방식을 이용한 혼소엔진 발전기일 수 있다. 즉, 제1발전유닛(51)에서는 밤에 공기를 이용한 가스화 과정을 통해 생성된 합성가스를 이용해 엔진을 구동시켜 발전을 하는데, 석탄 가스화부(20)에서 밤에 공기를 이용해 생성되는 합성가스는 성분의 변화가 심하기 때문에 합성가스에 디젤 또는 다른 가스연료 등을 혼합하여 연소시키는 혼소엔진을 이용한 발전기를 통해 보다 안정적으로 발전을 할 수 있다. 이하에서 제1발전유닛(51)의 구체적인 일실시예의 구성을 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제1발전유닛을 나타낸 개략도이다. 도 3을 참조하면, 제1발전유닛(51)은 혼소엔진(100), 고압 레귤레이터(110), 필터(120), 차단밸브(130), 저압 레귤레이터(140), 교축밸브(150), 공기-가스 혼합부(160), 인젝터(160) 및 제어부(500)를 포함할 수 있다.
고압 레귤레이터(110)는 합성가스를 유입받아 1차적으로 압력을 조절하여 배출하는 역할을 하는 것이다. 이 때 고압 레귤레이터(110)가 앞서 설명된 합성가스 클리닝부(30)와 직접 연결되어, 합성가스 클리닝부(30)로부터 배출된 합성가스가 고압 레귤레이터(110)로 곧바로 유입되도록 이루어질 수도 있다. 또는 합성가스 클리닝부(30)로부터 배출된 합성가스가 별도의 저장용 탱크에 저장되도록 하고, 상기 저장용 탱크가 고압 레귤레이터(110)로 연결되어 합성가스를 공급하도록 이루어질 수도 있다.
필터(120)는 고압 레귤레이터(110)에서 배출된 합성가스를 유입받아 이물질을 걸러내어 배출하는 역할을 한다. 합성가스 클리닝부(30)에서 일차적으로 클리닝이 이루어지기는 하지만, 이는 합성가스가 FT 반응부(40)에 공급되어 FT 반응이 일어날 때 반응 효율을 좋게 하기 위한 조건으로 클리닝되는 것으로, 연소를 위한 클리닝이 아니다. 따라서 합성가스가 혼소엔진(100)에 공급될 때에는 필터(120)를 통함으로써 연소에 적합한 조건으로 한 번 더 필터링되는 것이 바람직하다.
차단밸브(130, shut-off valve)는 상기 필터(120) 후단에 구비되어 합성가스의 공급 여부를 조절하는 역할을 하는 것이다. 비상시에 엔진에 연료가 계속 공급될 경우 폭발의 위험성이 있으며, 따라서 연료계통에서는 비상시 연료 흐름을 차단하기 위하여 이러한 차단밸브가 구비되는 것이 통상적이다.
저압 레귤레이터(140)는 상기 차단밸브(130) 후단에 구비되어 최종적으로 압력을 조절하여 배출하는 역할을 한다. 공급되는 합성가스를 하나의 레귤레이터만을 써서 압력 조절을 할 수도 있겠으나, 이와 같이 고압 레귤레이터(110)를 사용하여 일차적으로 압력을 낮춘 후 필터(120) 등을 거쳐 연소되기 좋은 상태로 어느 정도 조절해 놓은 다음, 저압 레귤레이터(140)를 사용하여 최종적으로 원하는 압력으로 배출되게 함으로써, 보다 안정적이고 정확한 압력 조절을 할 수 있다.
교축밸브(150)는 상기 저압 레귤레이터(140)에서 배출된 합성가스의 유량을 조절하여 배출하는 역할을 하며, 공기-가스 혼합부(160)는 상기 교축밸브(150)에서 배출된 합성가스에 공기를 혼합하여 혼소엔진(100)에 공급하는 역할을 한다. 한편 인젝터(170)는 디젤을 분사하여 상기 혼소엔진에 공급하는 역할을 한다.
제어부(500)는 교축밸브(150) 및 인젝터(170)에 연결되어 혼소엔진(100)에 공급되는 합성가스 및 디젤의 유량을 적절하게 조절하는 역할을 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템의 제1발전유닛에서, 혼소엔진의 압축비에 따른 열효율을 나타낸 그래프이다. 제1발전유닛(51)의 혼소엔진은 상술한 바와 같이 압축착화 방식인데, 일반적으로 압축착화 방식의 엔진에서 고열량연료의 경우에는 압축비가 높아질수록 연료가 스스로 연소하는 자발화(노킹, knocking) 현상이 발생할 위험성이 높으며, 따라서 압축비를 낮추어서 운용하는 것이 통상적이다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이 밤 시간에 만들어진 합성가스는 FT 반응이 일어나지 않을 정도의 저열량가스인 바, 압축비를 상당히 높이더라도 이러한 자발화 문제가 상대적으로 덜 발생할 것으로 기대할 수 있다. 이러한 사항을 고려하여 본 발명에서는 도 3에 나타난 바와 같이 압축비를 15:1에서 17:1까지 바꾸어가며 실험을 하였으며, 압축비 17:1이 될 때까지도 자발화 현상 발생 없이 압축비가 높아질수록 열효율이 향상되는 경향이 확인되었다. 한편, 일반적으로 전소엔진의 경우 이론공연비로 운전되는 경우가 많으나, 혼소엔진의 경우 희박 혼합비로 공기 비율을 높여 연소시키는 것이 배기가스 유해물질을 줄일 수 있는 바, 제1발전유닛(51)의 혼소엔진은 희박조건으로 운전되는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제1발전유닛에서, 다양한 압축비의 혼소엔진 및 디젤엔진에서 발생되는 배기가스 중의 스모크량을 나타낸 그래프이며, 도 5는 같은 실험에서 배기가스 중의 질소산화물 농도를 나타낸 그래프이다. 도 4 및 도 5의 범례에서 CR은 압축비를 말하는 것이며, H2_25, H2_35, H2_45는 각각 본 발명의 시스템의 혼소엔진(100)에 H2 25, 35, 45%인 합성가스가 공급되는 경우를 말하는 것으로, 특히 H2_45는 본 발명의 시스템에서 공기 개질 성능이 보다 향상된 경우를 상정하고 실험한 것이다. 또한 Diesel은 디젤엔진을 나타내는 것으로, 즉 본 발명의 혼소엔진(100)에 디젤만을 공급하는 경우로 실현될 수 있다. 더불어 도 4 및 도 5에서, 압축비 15:1의 그래프들은 점선으로, 압축비 17:1의 그래프들은 실선으로 표시되었다.
도 4를 참조하면, 압축비 15:1 및 17:1 모든 경우에서, 합성가스 및 디젤을 혼소하는 경우가 디젤만을 연소하는 경우와 대비하여 스모크 발생량이 비약적으로 줄어듦을 확인할 수 있다. 한편 도 5를 참조하면, 역시 디젤만을 연소하는 경우가 전반적으로 질소산화물 발생량이 더 많게 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 전반적으로 압축비가 15:1인 경우가 배기가스 유해물질 저감 측면에서 다소 유리하다고 볼 수 있겠으나, 한편 앞서의 도 3을 참조하면 압축비가 17:1인 경우가 열효율 측면에서 보다 유리한 점이 있다. 이러한 여러 가지 요소들을 종합적으로 고려할 때, 이에 따라 제1발전유닛(51)의 압축착화 방식의 혼소엔진은, 압축비가 15:1 내지 17:1 범위 내의 값이면서 희박연소 조건으로 운전되도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 조건에서 운전될 때 열효율이 약 32~42 % 정도로 매우 높은 열효율을 얻을 수 있음이 도 3의 그래프로 확인되며, 또한 합성가스 및 디젤을 적절히 혼소함으로써 디젤만을 연소하는 경우와 대비하여 스모크 및 질소산화물 발생량을 상당히 줄일 수 있음이 도 4 및 도 5의 그래프로 확인된다. 구체적으로는, 공기개질의 성능이 보완되어 향후 수소함량을 45%까지 높일 수 있다면, 디젤과 같은 41.5%의 효율, 출력하에서 최대 대체율 66%까지 가능하다. 이 때 NOx는 1/2 수준으로, 스모크는 1/10 수준까지 감소시킬 수 있다.
부가적으로, 상술한 바와 같은 운전 조건으로 혼소엔진을 사용함으로써 스모크와 질소산화물 발생량을 줄일 수 있는 한편으로, THC와 CO는 다소 증가할 수 있다. 이 때, 일반적으로 혼소엔진은 디젤엔진을 기반으로 하고 있으며, 디젤엔진에는 DPF, DOC, SCR, 그 외 SCR에서 나온 암모니아 저감촉매 등과 같은 부가장치를 포함하는 후처리 장치가 구비된다는 것은 잘 알려진 사실이다. 즉 혼소엔진에도 기존의 일반적인 디젤엔진에 사용되는 후처리 장치가 그대로 구비될 수 있으며, 혼소 디젤 조건에 비해 배출가스가 적게 나오기 때문에 기존의 후처리 장치만으로도 디젤 조건보다 더 낮은 유해물질 농도를 만들어낼 수 있음은 자명하다. 즉 본 발명의 제1발전유닛(51)에는, 기존의 디젤엔진용 후처리 장치를 그대로 적용할 수 있으며, 따라서 THC, CO 등이 다소 증가한다 하더라도 이러한 후처리 장치를 이용하거나, 또는 최소의 장치로서 산화촉매(OC) 정도를 이용하는 것만으로도 충분히 해당 유해물질 농도를 쉽게 저감할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10 : 석탄 전처리부 15 : 태양광 발전부
16 : 전기분해장치 20 : 석탄 가스화부
30 : 합성가스 클리닝부 40 : FT 반응부
50 : 발전부
51 : 제1발전유닛 52 : 제2발전유닛
100 : 혼소엔진 110 : 고압 레귤레이터
120 : 필터 130 : 차단밸브
140 : 저압 레귤레이터 150 : 교축밸브
160 : 공기-가스 혼합부 170 : 인젝터
500 : 제어부
610: 혼소엔진용 발전기

Claims (9)

  1. 석탄을 이용해 합성가스를 생성하는 석탄 가스화부;
    상기 석탄 가스화부로부터 합성가스를 공급받아 FT 반응을 통해 산업용 연료를 생산하는 FT 반응부; 및
    상기 석탄 가스화부로부터 합성가스를 공급받아 압축착화 방식을 이용한 혼소엔진을 구동시켜 전기를 발생시키는 제1발전유닛 및 상기 FT 반응부로부터 FT 반응에 참여하지 않은 미활용된 오프가스를 공급받아 엔진을 구동시켜 전기를 발생시키는 제2발전유닛을 포함하는 발전부;
    를 포함하여 이루어지는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전부는 석탄 가스화부에서 생성되는 합성가스의 성분에 따라 상기 제1발전유닛 및 제2발전유닛 중 어느 하나를 선택적으로 작동시켜 발전을 하는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    태양광을 이용해 발전을 하는 태양광 발전부; 및
    상기 태양광 발전부로부터 전기를 공급받아 물을 전기분해하여 얻은 산소를 석탄 가스화부로 공급하며 수소를 FT 반응부로 공급하는 전기분해장치; 를
    더 포함하여 이루어지는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    낮에는 상기 태양광 발전부 및 전기분해장치를 이용해 생성된 산소 및 수소를 공급하여 합성가스의 생성 및 FT 반응을 하고, 오프가스를 이용하여 제2발전유닛에서 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    밤에는 상기 석탄 가스화부로 공기를 공급하여 합성가스를 생성하며, 생성된 합성가스를 이용하여 제1발전유닛에서 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 혼소엔진은 압축비가 15:1 내지 17:1 범위 내의 값으로 형성되는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 혼소엔진은 희박연소 조건으로 운전되는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1발전유닛은,
    합성가스를 유입받아 1차적으로 압력을 조절하여 배출하는 고압 레귤레이터; 상기 고압 레귤레이터에서 배출된 합성가스를 유입받아 이물질을 걸러내어 배출하는 필터; 상기 필터 후단에 구비되어 합성가스의 공급 여부를 조절하는 차단밸브; 상기 차단밸브 후단에 구비되어 최종적으로 압력을 조절하여 배출하는 저압 레귤레이터; 상기 저압 레귤레이터에서 배출된 합성가스의 유량을 조절하여 배출하는 교축밸브; 상기 교축밸브에서 배출된 합성가스에 공기를 혼합하여 상기 혼소엔진에 공급하는 공기-가스 혼합부; 디젤을 분사하여 상기 혼소엔진에 공급하는 인젝터; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2발전유닛은 불꽃점화 방식을 이용한 전소엔진 발전기인 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
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