KR102388825B1 - Pressurized Oxy-Combustion System comprising water electrolysis module - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산소와 연료가 투입되어 연소가 이루어지는 가압 순산소 연소로(200); 상기 가압 순산소 연소로(200)에서 배출되는 배가스가 투입되어 열이 회수되는 HRSG(heat recovery steam generator)(300); 상기 HRSG(300)에서 열이 회수된 배가스가 유입되어 응축되며 산성수가 생산되는 FGC(flue gas condenser)(400); 및 상기 FGC(400)에서 응축된 산성수를 전기분해하는 수전해부(500)를 포함하는, 가압 순산소 연소 시스템을 제공한다.The present invention is a pressurized pure oxygen combustion furnace 200 in which oxygen and fuel are input and combustion is performed; a heat recovery steam generator (HRSG) 300 in which the exhaust gas discharged from the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 is input and heat is recovered; a flue gas condenser (FGC) 400 in which the exhaust gas from which heat is recovered from the HRSG 300 is introduced and condensed to produce acidic water; And it provides a pressurized pure oxygen combustion system comprising a water electrolysis unit 500 for electrolyzing the acid water condensed in the FGC (400).

Figure R1020190154852
Figure R1020190154852

Description

수전해부를 포함한 가압 순산소 연소 시스템{Pressurized Oxy-Combustion System comprising water electrolysis module}Pressurized Oxy-Combustion System comprising water electrolysis module

본 발명은 가압 순산소 연소 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 가압 순산소 연소 시스템에서 배가스 응축 과정에서 발생하는 산성수를 수전해하여 활용하는 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a pressurized oxy-combustion system, and more particularly, to a system for electrolyzing and utilizing acid water generated in an exhaust gas condensation process in a pressurized oxy-combustion system.

도 1은 일반적인 가압 순산소 연소 시스템을 설명한다. 1 illustrates a typical pressurized oxy-combustion system.

가압 순산소 연소를 위해, 공기에서 분리된 산소와 연료가 필요하다. ASU(air separation unit)(100)에 공기가 유입되면 산소와 질소 등으로 구분되고, 구분된 산소, 즉 순산소가 가압 순산소 연소로(200)에 유입된다. 연료 역시 유입된다. 연료는 화염을 안정화시키기 위한 안정화 가스와 함께 투입된다. For pressurized oxy-combustion, oxygen and fuel separated from the air are required. When air is introduced into the air separation unit (ASU) 100 , it is divided into oxygen and nitrogen, and the separated oxygen, that is, pure oxygen, is introduced into the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 . Fuel is also introduced. The fuel is injected with a stabilizing gas to stabilize the flame.

가압 순산소 연소로(200)는 약 10bar 정도의 가압 상태에서 연소를 수행하며, 연소 결과 배가스(flue gas)가 생성되고 회분(ash) 등이 발생한다. 분진 등은 별도의 애쉬 박스(ash box)(200)에 유입된다. 배가스에는 이산화탄소, 산소, 분진, 수증기, Sox, NOx 등이 포함되어 있으며, 고온 고압 상태이다. The pressurized pure oxygen combustion furnace 200 performs combustion in a pressurized state of about 10 bar, and as a result of combustion, flue gas is generated and ash is generated. Dust and the like are introduced into a separate ash box (ash box) (200). The flue gas contains carbon dioxide, oxygen, dust, water vapor, Sox, NOx, etc., and is in a high temperature and high pressure state.

고온 고압의 배가스가 HRSG(heat recovery steam generator)(300)에 유입되어 열이 회수된다. HRSG(300)는 고온 및 고압 상태를 견딜 수 있는 재질 및 구조이어야 한다. The high-temperature and high-pressure exhaust gas is introduced into a heat recovery steam generator (HRSG) 300 to recover heat. The HRSG 300 must be of a material and structure that can withstand high temperature and high pressure conditions.

HRSG(300)에서 열이 회수된(즉, 냉각된) 배가스가 FGC(flue gas condenser)(400)에 유입된다. FGC(400)에는 물이 더 유입되어 응축수가 생성된다. 전술한 바와 같이, 배가스는 이산화탄소, 산소, 분진, 수증기, Sox, NOx 등이 포함되어 있기에, FGC(400)의 응축 과정에서 Sox, Nox 등이 제거되며 질산, 황산 등의 산성수가 발생한다. 또한, 잠열이 회수될 수 있다. 산성수 역시 고압 상태이다. 응축되지 않은 이산화탄소 등은 후단의 이산화탄소 처리부(490)로 이송되어 압축되고 포집될 수 있다. The exhaust gas from which heat is recovered (ie, cooled) from the HRSG 300 is introduced into the FGC (flue gas condenser) 400 . More water is introduced into the FGC 400 to generate condensed water. As described above, since the exhaust gas contains carbon dioxide, oxygen, dust, water vapor, Sox, NOx, etc., Sox, Nox, etc. are removed in the condensation process of the FGC 400, and acidic water such as nitric acid and sulfuric acid is generated. Also, latent heat can be recovered. Acidic water is also under high pressure. Non-condensed carbon dioxide and the like may be compressed and collected by being transported to the carbon dioxide processing unit 490 at the rear stage.

한편, FGC(400)에서 생산된 산성수는 별도 처리되어 외부로 배출될 수 있다. 또는, 이송 부재(420)에 의해 가압 순산소 연소로(200)에 다시 주입될 수 있다. 가압 순산소 연소로(200)에 산성수가 주입되면 연소로의 고온 부식을 방지하는 효과를 갖는다. Meanwhile, the acidic water produced in the FGC 400 may be separately treated and discharged to the outside. Alternatively, it may be injected back into the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 by the transfer member 420 . When acid water is injected into the pressurized pure oxygen combustion furnace 200, it has an effect of preventing high-temperature corrosion of the combustion furnace.

이러한 과정에서 FGC(400)에서 생성된 산성수 처리가 문제된다. 전술한 바와 같이 연소로로 재주입될 수도 있지만 대부분 외부로 배출되는 실정이며, 산성수 배출을 위해 중화 처리 및 수처리가 필수적이다. 이러한 중화 처리 및 수처리 과정에서 고가의 약품 처리가 필요하며, 작업 난이도가 높고, 작업용 설비가 많은 부지를 차지한다. In this process, the treatment of the acidic water generated by the FGC 400 is a problem. As described above, although it may be re-injected into the combustion furnace, most of it is discharged to the outside, and neutralization treatment and water treatment are essential for discharging acidic water. In the neutralization treatment and water treatment process, expensive chemical treatment is required, the work difficulty is high, and the work equipment occupies a lot of land.

또한, 가압 순산소 연소를 꾸준히 동작시키기 위해 ASU(100)가 지속적으로 가동되어 산소가 분리되어야 하는데, 이 과정에서 많은 에너지가 소비된다. In addition, in order to continuously operate the pressurized pure oxygen combustion, the ASU 100 must be continuously operated to separate oxygen, and a lot of energy is consumed in this process.

또한, 가압 순산소 연소시 화염의 안정화가 중요하기에, 연료의 연소시 별도의 안정화 가스를 다량 투입하여야 하는 점도 문제될 수 있다. In addition, since stabilization of the flame is important during pressurized oxy-fuel combustion, a large amount of a separate stabilizing gas must be input during fuel combustion may also be a problem.

관련된 종래의 특허 문헌을 살펴본다. Let's look at the related prior patent literature.

한국등록특허공보 제10-1379377호는 순산소 연소 시스템을 개시한다. 가압 공정은 아니다. 본 특허 문헌에서는 배가스 내 고농도 이산화탄소 개질을 위해 공전해기와 합성가스 촉매 합성기를 개시한다. 다만, 본 특허 문헌에서는 응축기를 별도로 개시하지 않는다. 응축기가 없으므로 Sox와 Nox의 제거가 문제될 수 있다. Korean Patent Publication No. 10-1379377 discloses a pure oxygen combustion system. It is not a pressurization process. In this patent document, an idle electrolyzer and a syngas catalyst synthesizer are disclosed for reforming high-concentration carbon dioxide in flue gas. However, the condenser is not separately disclosed in this patent document. Since there is no condenser, the removal of Sox and Nox can be a problem.

한국등록특허공보 제10-1461166호는 순산소 연소 터빈 시스템을 개시한다. 역시 가압 공정은 아니다. 본 공정에서는 순산소 연소 터빈의 배가스가 촉매 연소 장치로 유입된다. 촉매 연소 유입 장치에서 배가스가 재연소되고 이 과정에서의 결과물이 연료 전지 반응물로 공급된다. Korean Patent Publication No. 10-1461166 discloses a pure oxygen combustion turbine system. It is also not a pressurization process. In this process, the exhaust gas of an oxy-combustion turbine is introduced into a catalytic combustion device. In the catalytic combustion inlet unit, the flue-gas is reburned and the result of this process is supplied as a fuel cell reactant.

한국등록특허공보 제10-1504480호는 연소 장치의 배가스를 식물 재배 시설에 이용하는 방법을 개시한다. 여기서는 배가스가 필터링되고 산화, 환원되는 등 일정한 처리를 거처 개질된 후 양액과 산소가 생산되면 이를 식물 재배 시설에 공급한다. Korean Patent Publication No. 10-1504480 discloses a method of using the exhaust gas of a combustion device in a plant cultivation facility. Here, the exhaust gas is reformed through certain treatments such as filtering, oxidation, and reduction, and then nutrient solution and oxygen are produced and supplied to plant cultivation facilities.

전술한 종래 기술들에서는 FGC와 같은 응축기를 사용하지 않으며 Sox와 Nox를 처리하지 않거나 다른 방법으로 처리하는 방법들을 개시한다. 따라서, 여기에서는 FGC에서 발생하는 산성수의 처리 방법 등이 구체적으로 제안되지 않는다. 또한, ASU의 문제 및 화염 안정화 문제 등은 고려되지 않는다. The above-described prior art discloses methods of not using a condenser such as FGC and treating Sox and Nox in a different way. Therefore, a method for treating acidic water generated in FGC is not specifically proposed here. In addition, the problem of the ASU and the flame stabilization problem are not taken into account.

한국등록특허공보 제10-1379377호Korean Patent Publication No. 10-1379377 한국등록특허공보 제10-1461166호Korean Patent Publication No. 10-1461166 한국등록특허공보 제10-1504480호Korean Patent Publication No. 10-1504480

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것이다.The present invention has been devised to solve the above problems.

가압 순산소 연소 시스템에서 FGC를 이용한 응축 과정을 통해 배가스 내 Sox 및 Nox를 제거하는 과정에서 발생하는 산성수를 효과적으로 처리할 수 있는 시스템을 제안하고자 한다. We intend to propose a system that can effectively treat acidic water generated in the process of removing Sox and Nox in the exhaust gas through the condensation process using FGC in the pressurized pure oxygen combustion system.

종래 기술과 같이 고가의 약품을 사용하지 않으면서도 처리가 가능하고 처리 결과물을 본 시스템 내에서 다시 활용하거나, 시스템 외에서의 활용성도 우수하여 경제성이 높은 시스템을 제안하고자 한다. It is intended to propose a highly economical system that can be treated without using expensive drugs as in the prior art, and the treatment result can be reused within the system, or has excellent utility outside the system.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 산소와 연료가 투입되어 연소가 이루어지는 가압 순산소 연소로(200); 상기 가압 순산소 연소로(200)에서 배출되는 배가스가 투입되어 열이 회수되는 HRSG(heat recovery steam generator)(300); 상기 HRSG(300)에서 열이 회수된 배가스가 유입되어 응축되며 산성수가 생산되는 FGC(flue gas condenser)(400); 및 상기 FGC(400)에서 응축된 산성수를 전기분해하는 수전해부(500)를 포함하는, 가압 순산소 연소 시스템을 제공한다.One embodiment of the present invention for solving the above problems is a pressurized pure oxygen combustion furnace 200 in which oxygen and fuel are input to perform combustion; a heat recovery steam generator (HRSG) 300 in which the exhaust gas discharged from the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 is input and heat is recovered; a flue gas condenser (FGC) 400 in which the exhaust gas from which heat is recovered from the HRSG 300 is introduced and condensed to produce acidic water; And it provides a pressurized pure oxygen combustion system comprising a water electrolysis unit 500 for electrolyzing the acid water condensed in the FGC (400).

또한, 상기 HRSG(300) 및 상기 FGC(400)는 가압 상태로 작동되고, 상기 수전해부(500)에서 가압 상태인 상기 FGC(400)로부터 가압 상태인 응축수가 유입되어 고압 수전해(HPE; high pressure electrolysis)가 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the HRSG 300 and the FGC 400 are operated in a pressurized state, and condensed water in a pressurized state is introduced from the FGC 400 in a pressurized state in the water electrolysis unit 500 to thereby perform high-pressure water electrolysis (HPE). pressure electrolysis) is preferably performed.

또한, 상기 수전해부(500)에 유입되는 산성수는 질산 및 황산 중 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the acidic water flowing into the water electrolysis unit 500 preferably includes at least one of nitric acid and sulfuric acid.

또한, 상기 수전해부(500)의 전기분해에 의해 수소 및 산소가 생산되고, 상기 생산된 산소는 순산소로서 상기 가압 순산소 연소로(200)에 유입되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that hydrogen and oxygen are produced by the electrolysis of the water electrolysis unit 500 , and the produced oxygen is introduced into the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 as pure oxygen.

또한, 상기 가압 순산소 연소로(200)에 유입되는 산소는, 공기가 유입된 ASU(air separation unit)(100)에서 분해된 산소, 및 상기 수전해부(500)에서 생산된 산소를 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the oxygen flowing into the pressurized pure oxygen combustion furnace 200, including oxygen decomposed in the ASU (air separation unit) 100 into which air is introduced, and oxygen produced by the water electrolysis unit 500 desirable.

또한, 상기 수전해부(500)에서 생산된 수소가 안정화 기체로서 상기 가압 순산소 연소로(200)에 투입되는 연료에 혼합되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the hydrogen produced by the water electrolysis unit 500 is mixed with the fuel input to the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 as a stabilizing gas.

또한, 상기 수전해부(500)에서 생산된 수소는, 수소 저장 탱크(510)에 저장된 후 상기 가압 순산소 연소로(200)에 투입되거나, 또는 수소 충전소로 이송되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the hydrogen produced by the water electrolysis unit 500 is stored in a hydrogen storage tank 510 and then put into the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 or transferred to a hydrogen filling station.

또한, 상기 수전해부(500)에서 농축 산성수가 생성되며, 상기 농축 산성수가 수처리부(520)에서 수처리되어 배출되거나, 또는 정제부(530)에서 정제된 후 농축 산성수 탱크(540)에 저장되는 것이 바람직하다.In addition, concentrated acidic water is generated in the water electrolysis unit 500, and the concentrated acidic water is water-treated and discharged in the water treatment unit 520, or is purified by the purification unit 530 and then stored in the concentrated acidic water tank 540 it is preferable

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 연소 시스템과 연계되어 사용되는 수전해 모듈로서, 상기 연소 시스템에서 연료의 연소로 발생된 배가스가 응축되어 산성수로서 상기 수전해 모듈에 공급되며, 상기 수전해 모듈은, 상기 공급된 산성수가 고압 수전해되며 산소와 수소가 생산되는 수전해부(500); 상기 생산된 수소가 저장되는 수소 저장 탱크(510); 상기 생산된 산소와 수소가 배출되고 남은 농축 산성수 중 일부가 유입되어 수처리되는 수처리부(520); 및 상기 생산된 산소와 수소가 배출되고 남은 농축 산성수 중 다른 일부가 유입되어 정제되는 정제부(530)를 포함하는, 수전해 모듈을 제공한다.Another embodiment of the present invention for solving the above problems is a water electrolysis module used in connection with a combustion system, in which the exhaust gas generated by combustion of fuel in the combustion system is condensed to the water electrolysis module as acidic water. is supplied, and the water electrolysis module includes: a water electrolysis unit 500 in which the supplied acid water is subjected to high pressure water electrolysis to produce oxygen and hydrogen; a hydrogen storage tank 510 in which the produced hydrogen is stored; a water treatment unit 520 in which the produced oxygen and hydrogen are discharged, and some of the remaining concentrated acidic water is introduced and treated; and a purification unit 530 in which the produced oxygen and hydrogen are discharged and another part of the concentrated acidic water remaining is introduced and purified.

또한, 상기 연소 시스템은 가압 순산소 연소 시스템인 것이 바람직하다.In addition, it is preferred that the combustion system is a pressurized pure oxygen combustion system.

FGC에서 배출된 산성수는 황산과 질산이 물 속에서 이온의 형태로 존재하기에 전해질로서의 성능이 우수하여 일반적인 전기분해와 비교하여 소수 및 산소 생산율이 우수하다. Acidic water discharged from FGC has excellent performance as an electrolyte because sulfuric acid and nitric acid exist in the form of ions in water.

또한, 일반적인 전기분해시 물 공급량이 많아 문제될 수 있는데, 본 발명에 따르면 FGC에서 물이 투입된 상태로서 이미 충분한 양의 물이 공급된 상태이기에 전기분해의 물 문제 역시 해결된다. In addition, there may be a problem due to a large amount of water supplied during general electrolysis. According to the present invention, since a sufficient amount of water is already supplied as water in the FGC, the water problem in the electrolysis is also solved.

일반적인 전기분해에서 고압 수전해(HPE; high pressure electrolysis)가 효과적이나 고압 상태를 유지시키기 위한 설비 및 운영이 문제되는데, 본 발명에서는 별도의 고압 상태 유지 설비 없이도 가압 순산소 연소 공정에서 발생한 가압 상태의 산성수가 유입됨으로써 자연스럽게 고압 수전해가 가능하다.In general electrolysis, high pressure electrolysis (HPE) is effective, but equipment and operation for maintaining a high pressure state are problematic. By introducing acidic water, high-pressure water electrolysis is possible naturally.

전기분해에서 생산된 산소는 가압 순산소 연소 공정에서 순산소로서 활용된다. 따라서, ASU 가동에 따른 산소 생산 문제가 일부 해결된다. Oxygen produced in electrolysis is utilized as pure oxygen in the pressurized oxy-combustion process. Accordingly, the oxygen production problem according to the operation of the ASU is partially solved.

전기분해에서 생산된 수소는 연소로로 투입되어 혼소되는 만큼 탄소기반 연료 사용량이 감소하므로 연소로에서 배가스에 포함되는 이산화탄소량이 감소하게 되어, 이산화탄소 처리 부하의 감소와 함께 온실 효과 저감에도 도움이 된다.Hydrogen produced in electrolysis is input to the combustion furnace and co-fired, so the amount of carbon-based fuel used decreases as the amount of carbon dioxide contained in the flue gas in the combustion furnace is reduced, which helps to reduce the carbon dioxide treatment load and reduce the greenhouse effect.

수소가 연소로로 투입되어 혼소되는 만큼 배가스에 포함되는 수분량은 증가하게 되어, 잠열 회수율이 증가하고, 후단의 FGC에서 배가스에 포함된 SOx 및 NOx 제거 과정에서의 응축수 확보량이 증가하게 된다. As hydrogen is introduced into the combustion furnace and co-fired, the amount of moisture contained in the flue gas increases, and the latent heat recovery rate increases, and the amount of condensed water secured in the process of removing SOx and NOx contained in the flue gas in the FGC at the rear stage is increased.

또한, 수소를 연소로에 투입함으로써 연소로 내 화염 안정화의 효과도 얻을 수 있다. In addition, by injecting hydrogen into the furnace, the effect of stabilizing the flame in the furnace can also be obtained.

산소 및 수소를 시스템 내에서 재활용하지 않고 시스템 외 공정에서 활용할 수 있다. 농축된 산성수(강산성수) 역시 별도의 정제 과정을 거쳐 시스템 외 공정에서 별도 활용할 수 있다. Oxygen and hydrogen can be utilized in off-system processes without recycling within the system. Concentrated acidic water (strongly acidic water) can also be used in extra-system processes through a separate purification process.

도 1은 종래 기술에 따른 가압 순산소 연소 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 가압 순산소 연소 시스템을 설명하는 도면이다. 1 is a view for explaining a pressurized pure oxygen combustion system according to the prior art.
2 is a view for explaining a pressurized pure oxygen combustion system according to the present invention.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 시스템과 이를 이용한 방법을 설명한다. Hereinafter, a system according to the present invention and a method using the same will be described with reference to the drawings.

본 발명에 따른 시스템은, 일반적인 가압 순산소 연소 시스템, 및 이에 유기적으로 연결된 수전해 모듈을 포함한다. The system according to the present invention includes a general pressurized oxy-combustion system and a water electrolysis module organically connected thereto.

종래 기술과 같이, 가압 순산소 연소 시스템은, 공기가 유입되어 순산소가 분리되는 ASU(100); 순산소와 연료가 투입되어 약 10bar 정도의 가압 상태에서 연소가 이루어지며 배가스가 발생하는 가압 순산소 연소로(200); 발생한 배가스가 투입되어 열이 회수되는 HRSG(300); 열이 회수된 배가스가 물과 함께 유입되며 응축되고 산성수가 생산되는 FGC(400); FGC(400)에서 산성수로 응축되지 않은 이산화탄소 등이 포집되는 이산화탄소 처리부(490)를 포함한다. As in the prior art, the pressurized pure oxygen combustion system includes an ASU 100 through which air is introduced and pure oxygen is separated; A pressurized pure oxygen combustion furnace 200 in which pure oxygen and fuel are input, combustion is performed in a pressurized state of about 10 bar, and exhaust gas is generated; HRSG (300) to which the generated exhaust gas is input and heat is recovered; The exhaust gas from which heat is recovered is introduced together with water and condensed to produce acidic water FGC (400); The FGC 400 includes a carbon dioxide processing unit 490 in which carbon dioxide that is not condensed into acid water is collected.

가압 순산소 연소로(200)에 투입되는 연료는, 기체 상태, 액체 상태, 고체 상태 등 무엇이든 가능하다. The fuel input to the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 may be in a gaseous state, in a liquid state, in a solid state, and the like.

가압 순산소 연소로(200) 하단에는 연소 과정에서 발생한 회분 등이 모이는 애쉬 박스(200)가 위치한다. At the lower end of the pressurized pure oxygen combustion furnace 200, an ash box 200 in which ash generated in the combustion process is collected is located.

FGC(400)에서 응축된 산성수는 황산 및 질산 중 어느 하나 이상을 포함한다. 배가스 내 Sox 및 Nox가 응축되었기 때문이다. Sox는 연료 내 황 성분을 포함하는 중유, 또는 고체 연료 연소시 주로 발생한다. Nox는 연료 내 질소 성분을 포함하는 비정제 가스 연료, 중유 또는 고체 연료 연소시 주로 발생한다. The acidic water condensed in the FGC 400 includes at least one of sulfuric acid and nitric acid. This is because Sox and Nox in the flue gas are condensed. Sox is mainly generated during combustion of heavy oil or solid fuel containing sulfur in the fuel. Nox is mainly generated during combustion of unrefined gas fuel, heavy oil or solid fuel containing nitrogen component in the fuel.

이러한 산성수는 산성수 탱크(410)에 저장된다. 산성수 탱크(410)에 저장된 산성수 중 일부는 가압 순산소 연소로(200)에 공급되어 고온 부식을 방지한다. This acidic water is stored in the acidic water tank (410). Some of the acidic water stored in the acidic water tank 410 is supplied to the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 to prevent high-temperature corrosion.

가압 순산소 연소로(200), HRSG(300) 및 FGC(300)는 약 10bar 정도의 가압 상태에서 운전된다. 따라서, 위 부재들은 고압 상태를 견딜 수 있는 소재 및 구조로 이루어져야 한다. 또한, 고압 상태에서 이루어지므로, 후술할 바와 같이, 별도의 부재 없이도 고압 수전해(HPE)가 이루어질 수 있다. The pressurized pure oxygen combustion furnace 200, the HRSG 300 and the FGC 300 are operated in a pressurized state of about 10 bar. Therefore, the above members must be made of materials and structures capable of withstanding high-pressure conditions. In addition, since it is performed in a high-pressure state, as will be described later, high-pressure water electrolysis (HPE) can be performed without a separate member.

가압 순산소 연소 시스템에 유기적으로 연결된 수전해 모듈을 설명한다. A water electrolysis module organically connected to a pressurized oxy-combustion system is described.

수전해 모듈은, FGC(400)에서 생성된 산성수, 즉 산성수 탱크(410)에 저장된 산성수 중 가압 순산소 연소로(200)에 공급되거나 별도로 사용된 산성수가 아닌 다른 일부의 산성수가 유입되며, 수전해가 이루어지며, 산소와 수소가 생산되는 수전해부(500); 생산된 수소가 저장되는 수소 저장 탱크(510); 생산된 산소와 수소가 배출되고 남은 농축 산성수 중 일부가 유입되어 수처리되는 수처리부(520); 및 다른 일부가 유입되어 정제되는 정제부(530)를 포함한다. In the water electrolysis module, acid water generated in the FGC 400, that is, a portion of acid water other than the acid water supplied to the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 or used separately among the acid water stored in the acid water tank 410 flows in a water electrolysis unit 500 in which water electrolysis is performed, and oxygen and hydrogen are produced; a hydrogen storage tank 510 in which the produced hydrogen is stored; a water treatment unit 520 in which the produced oxygen and hydrogen are discharged and some of the remaining concentrated acidic water is introduced and treated; and a purification unit 530 in which another part is introduced and purified.

수전해부(500)에서는 산성수를 전기분해한다. 고압 상태에서의 전기분해인 고압 수전해(HPE)가 유리하나 종래 기술에서는 고압 상태를 유지하고 이를 운영하기 위한 난이도 및 경제성이 문제된다. 하지만, 본 발명에서는 가압 순산소 연소로(200)와 HRSG(300)는 물론 FGC(400)에서도 약 10bar의 가압 상태에서 운전하고, 이 과정에서 발생한 산성수 역시 가압 상태에서 수전해부(500)로 유입되기에, 별도의 부재 없이도 자연스럽게 수전해부(500)에서 고압 수전해(HPE)가 가능하다는 큰 장점을 갖는다. The water electrolysis unit 500 electrolyzes acidic water. High-pressure water electrolysis (HPE), which is electrolysis in a high-pressure state, is advantageous, but in the prior art, difficulty and economic feasibility for maintaining a high-pressure state and operating it are problems. However, in the present invention, the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 and the HRSG 300 as well as the FGC 400 are operated under a pressurized state of about 10 bar, and the acidic water generated in this process is also transferred to the water electrolysis unit 500 in the pressurized state. Since it is introduced, it has a great advantage that high-pressure water electrolysis (HPE) is possible naturally in the water electrolysis unit 500 without a separate member.

한편, 일반적인 전기분해는 다량의 물이 필요하다. 물을 공급하는 것 역시 전기분해에서 중요한 부분인데, 본 발명에서는 FGC(400)에서의 응축 과정에서 물이 다량 유입되거나 생성되고, 이러한 물이 수전해부(500)에서 전기분해되는 것이어서 별도의 물을 더 공급할 필요가 없다는 큰 장점을 갖는다. On the other hand, general electrolysis requires a large amount of water. Supply of water is also an important part of the electrolysis. In the present invention, a large amount of water is introduced or generated during the condensation process in the FGC (400), and since this water is electrolyzed in the water electrolysis unit (500), separate water is used It has the great advantage that there is no need to supply more.

한편, 산성수 내에 포함되는 황산과 질산은 강한 전기전도도를 갖는 물질로서 전해질로서의 활용성이 매우 높다. 예를 어, 황산의 경우 물 속에서 H+ 이온과 SO4 2- 이온을 갖는데, 이들이 전해질 역할을 한다. 수소 이온의 경우 수소 분자 생성에도 일부 참여한다. 이들에 의해 물이 분해되어 수소 및 산소가 생성된다. On the other hand, sulfuric acid and nitric acid contained in acidic water are substances having strong electrical conductivity and have very high utility as electrolytes. For example, sulfuric acid has H + ions and SO 4 2- ions in water, which act as electrolytes. In the case of hydrogen ions, some participate in the formation of hydrogen molecules. These decompose water to produce hydrogen and oxygen.

각 전극 및 물에서 발생하는 반응 과정은 다음과 같다. The reaction process occurring in each electrode and water is as follows.

Figure 112019122599541-pat00001
Figure 112019122599541-pat00001

즉, 수소 분자 1몰과 산소 분자 1/2몰이 생성된다. That is, 1 mole of hydrogen molecules and 1/2 mole of oxygen molecules are produced.

질산의 경우도 마찬가지이며, 반응 과정은 다음과 같다. The same is true for nitric acid, and the reaction process is as follows.

Figure 112019122599541-pat00002
Figure 112019122599541-pat00002

수전해부(500)에서의 전기분해에 의해 수소와 산소가 생산되고, 생산된 수소와 산소를 제외하면 농축 산성수가 남는다. Hydrogen and oxygen are produced by electrolysis in the water electrolysis unit 500, and concentrated acidic water remains, except for the produced hydrogen and oxygen.

생산된 산소는 일종의 순산소이다. 별도 포집되어 시스템 외에서 활용이 가능하나, ASU(100)에 직접 연결되어 가압 순산소 연소로(200)에 공급될 수 있다. 이 경우, ASU(100)의 가동율을 낮출 수 있어서, 경제성 높은 ASU(100) 운전이 가능하다. 달리 말해, 가압 순산소 연소로(200)에 유입되는 산소는, 공기가 유입된 ASU (100)에서 분해된 산소와 수전해부(500)에서 생산된 산소를 포함하는 것이다. The produced oxygen is a kind of pure oxygen. It is separately collected and can be utilized outside the system, but it can be directly connected to the ASU 100 and supplied to the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 . In this case, since the operation rate of the ASU 100 can be lowered, the ASU 100 can be operated with high economic efficiency. In other words, oxygen flowing into the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 includes oxygen decomposed in the ASU 100 into which air is introduced and oxygen produced in the water electrolysis unit 500 .

생산된 수소 역시 수소 충전소 등 시스템 외에서 활용이 가능하다. 또는, 수소 저장 탱크(510) 등에 저장된 후 가압 순산소 연소로(200)로 연료가 투입될 때에 함께 투입되어 혼소될 수 있다. 수소가 연소로(200)로 투입되어 혼소되는 만큼 탄소기반 연료 사용량이 감소하므로 연소로(200)에서 배가스에 포함되는 이산화탄소량이 감소하게 되어, 후단의 이산화탄소 처리부(490)의 부하를 감소시키고 온실 효과 저감에도 도움이 된다.The produced hydrogen can also be used outside the system, such as a hydrogen refueling station. Alternatively, after being stored in the hydrogen storage tank 510 or the like, when the fuel is inputted into the pressurized pure oxygen combustion furnace 200, it may be added and co-fired. Since the amount of carbon-based fuel used is reduced as much as hydrogen is input into the combustion furnace 200 and co-fired, the amount of carbon dioxide contained in the exhaust gas in the combustion furnace 200 is reduced, thereby reducing the load on the carbon dioxide processing unit 490 at the rear end and reducing the greenhouse effect. It also helps with reduction.

그리고, 수소가 연소로(200)로 투입되어 혼소되는 만큼 배가스에 포함되는 수분량은 증가하게 되어, 잠열 회수율이 증가하고, 후단의 FGC(400)에서 배가스에 포함된 SOx 및 NOx 제거 과정에서의 응축수 확보량이 증가하게 된다. 또한, 수소를 연소로(200)에 투입함으로써 연소로 내 화염 안정화의 효과도 얻을 수 있다. And, as the hydrogen is introduced into the combustion furnace 200 and co-fired, the amount of moisture contained in the exhaust gas increases, and the latent heat recovery rate increases, and the condensed water in the process of removing SOx and NOx contained in the exhaust gas in the FGC 400 at the rear stage. amount will increase. In addition, by injecting hydrogen into the combustion furnace 200, the effect of stabilizing the flame in the combustion furnace can also be obtained.

산소와 수소가 별도로 추출되고 남은 산성수는 농축 산성수이다. FGC(400)에서 생산된 산성수와 달리, 농도가 높아 시스템 외에서 활용성이 높다. 이를 위해 정제부(530)에서 일련의 정제 과정을 거쳐 농축 산성수 탱크(540)에 저장된다. 물론, 별도 활용하지 않고 수처리부(520)에서 수처리시킨 후 배출하여도 무방하다. The acidic water remaining after oxygen and hydrogen are separately extracted is concentrated acidic water. Unlike the acid water produced in the FGC (400), the concentration is high, so the utility outside the system is high. To this end, it is stored in the concentrated acidic water tank 540 through a series of purification processes in the purification unit 530 . Of course, it may be discharged after water treatment in the water treatment unit 520 without using it separately.

본 발명에 따른 가압 순산소 연소 시스템을, 연소 과정으로 설명하면 다음과 같다. The pressurized pure oxygen combustion system according to the present invention will be described as a combustion process as follows.

ASU(100)에서 분리된 순산소와 연료를 가압 순산소 연소로(200)에 투입하여 연소가 이루어진다. 이 때에, 후술하는 수전해 모듈에서 생산된 산소가 함께 투입될 수 있다. 이로써 ASU(100)의 가동을 일부 저감할 수 있다. 또한, 수전해 모듈에서 생산된 수소가 연료와 함께 연로소(200)에 투입됨으로써 배가스에 포함되는 수분량이 증가하여 잠열 회수율이 증가하고, 이산화탄소의 발생량은 저감될 뿐 아니라, 연소 화염의 안정화를 도모할 수 있다. Combustion is performed by injecting pure oxygen and fuel separated from the ASU 100 into the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 . At this time, oxygen produced in a water electrolysis module to be described later may be added together. Thereby, the operation of the ASU 100 can be partially reduced. In addition, as the hydrogen produced in the water electrolysis module is put into the combustion furnace 200 together with the fuel, the amount of moisture contained in the exhaust gas increases, thereby increasing the latent heat recovery rate, reducing the amount of carbon dioxide generated, and promoting the stabilization of the combustion flame can do.

가압 순산소 연소로(200)는 약 10bar의 가압 조건에서 연소를 수행하며, 회분은 애쉬 박스(210)에 모이고 고온 고압의 배가스가 발생한다. 배가스는 Sox, Nox, 이산화탄소, 산소, 분진 등을 포함한다. The pressurized pure oxygen combustion furnace 200 performs combustion under a pressurized condition of about 10 bar, and the ash is collected in the ash box 210 and a high-temperature and high-pressure exhaust gas is generated. The flue gas contains Sox, Nox, carbon dioxide, oxygen, dust, etc.

배가스는 HRSG(300)에 유입되어 열이 회수된다. 고압 상태에서 이루어지는 공정이다. The exhaust gas flows into the HRSG 300 to recover heat. It is a process performed under high pressure.

열이 회수된 배가스는 물과 함께 FGC(400)에 유입되어 산성수로 응축된다. 고압 상태에서 이루어지는 공정이다. The exhaust gas from which heat is recovered is introduced into the FGC 400 together with water and condensed into acidic water. It is a process performed under high pressure.

산성수가 제거된 배가스는 후단의 이산화탄소 처리부(490) 등을 거쳐 포집된다. The exhaust gas from which the acidic water has been removed is collected through the carbon dioxide treatment unit 490 and the like at the rear end.

산성수는 산성수 탱크(410)에 모이고, 그 중 일부는 이송 부재(420)를 이용하여 가압 순산소 연소로(200)에 고온 부식 방지용으로 투입될 수 있다. The acidic water is collected in the acidic water tank 410 , some of which may be injected into the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 by using the transfer member 420 to prevent high-temperature corrosion.

그 외의 산성수가 산성수 모듈로 유입된다. The other acidic water flows into the acidic water module.

구체적으로, 산성수는 수전해부(500)로 유입된다. 가압 상태이므로, 수전해부에서 가압 수전해(HPE)가 이루어진다. 이 과정에서 산소, 수소 및 농축 산성수가 확인된다. Specifically, the acidic water is introduced into the water electrolysis unit (500). Since it is in a pressurized state, pressurized water electrolysis (HPE) is performed in the water electrolysis unit. In this process, oxygen, hydrogen and concentrated acidic water are identified.

산소는 ASU(100)에 연결됨으로써 가압 순산소 연소로(200)에 유입되거나, 시스템 외에서 별도 활용될 수 있다. Oxygen may be introduced into the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 by being connected to the ASU 100 or may be separately utilized outside the system.

수소는 수소 저장 탱크(510)에 저장된 후 연료와 함께 가압 순산소 연소로(200)로 유입되거나, 수소 충전소 등 시스템 외에서 별도 활용될 수 있다. After being stored in the hydrogen storage tank 510 , hydrogen may be introduced into the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 together with fuel, or may be separately utilized outside the system such as a hydrogen charging station.

농축 산성수는 정제부(530)에서 정제 처리되어 농축 산성수 탱크(540)에 저류된 후 시스템 외에서 별도 활용되거나, 수처리부(520)에서 수처리된 후 배출될 수 있다. The concentrated acidic water may be purified by the purification unit 530 and stored in the concentrated acidic water tank 540 and then used separately outside the system, or may be discharged after water treatment in the water treatment unit 520 .

이상, 본 명세서에는 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 본 발명의 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.In the above, the present specification has been described with reference to the embodiments shown in the drawings so that those skilled in the art can easily understand and reproduce the present invention, but these are merely exemplary, and those skilled in the art can make various modifications and equivalent other modifications from the embodiments of the present invention. It will be appreciated that embodiments are possible. Therefore, the protection scope of the present invention should be defined by the claims.

100: ASU
200: 가압 순산소 연소로
210: 애쉬 박스
300: HRSG
400: FGC
410: 산성수 탱크
420: 이송 부재
490: 이산화탄소 처리부
500: 수전해부
510: 수소 저장 탱크
520: 수처리부
530: 정제부
540: 농축 산성수 탱크100: ASU
200: pressurized pure oxygen combustion furnace
210: ash box
300: HRSG
400: FGC
410: acid water tank
420: transfer member
490: carbon dioxide processing unit
500: water electrolysis
510: hydrogen storage tank
520: water treatment unit
530: refining unit
540: concentrated acid water tank

Claims (10)

산소와 연료가 투입되어 연소가 이루어지는 가압 순산소 연소로(200);
상기 가압 순산소 연소로(200)에서 배출되는 배가스가 투입되어 열이 회수되는 HRSG(heat recovery steam generator)(300);
상기 HRSG(300)에서 열이 회수된 배가스가 유입되어 응축되며 산성수가 생산되는 FGC(flue gas condenser)(400);
상기 FGC(400)에서 응축된 산성수가 고압 수전해되며 산소와 수소가 생산되는 수전해부(500);
상기 수전해부(500)에서 생산된 수소가 저장되는 수소 저장 탱크(510);
상기 생산된 산소와 수소가 배출되고 남은 농축 산성수 중 일부가 유입되어수처리되는 수처리부(520); 및
상기 생산된 산소와 수소가 배출되고 남은 농축 산성수 중 다른 일부가 유입되어 정제되는 정제부(530)를 포함하는,
가압 순산소 연소 시스템.
A pressurized pure oxygen combustion furnace 200 in which oxygen and fuel are input and combustion is performed;
a heat recovery steam generator (HRSG) 300 in which the exhaust gas discharged from the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 is input and heat is recovered;
a flue gas condenser (FGC) 400 in which the exhaust gas from which heat is recovered from the HRSG 300 is introduced and condensed to produce acidic water;
a water electrolysis unit 500 in which the acid water condensed in the FGC 400 is subjected to high-pressure water electrolysis to produce oxygen and hydrogen;
a hydrogen storage tank 510 in which hydrogen produced by the water electrolysis unit 500 is stored;
a water treatment unit 520 in which the produced oxygen and hydrogen are discharged and some of the remaining concentrated acidic water is introduced and treated; and
Containing a purification unit 530 in which the produced oxygen and hydrogen are discharged and another part of the remaining concentrated acidic water is introduced and purified,
Pressurized oxy-combustion system.
 제 1 항에 있어서,
상기 HRSG(300) 및 상기 FGC(400)는 가압 상태로 작동되고,
상기 수전해부(500)에서 가압 상태인 상기 FGC(400)로부터 가압 상태인 응축수가 유입되어 고압 수전해(HPE; high pressure electrolysis)가 이루어지는,
가압 순산소 연소 시스템.
The method of claim 1,
The HRSG 300 and the FGC 400 are operated in a pressurized state,
Condensed water in a pressurized state flows in from the FGC 400 in a pressurized state in the water electrolysis unit 500 to perform high pressure electrolysis (HPE),
Pressurized oxy-combustion system.
 제 1 항에 있어서,
상기 수전해부(500)에 유입되는 산성수는 질산 및 황산 중 어느 하나 이상을 포함하는,
가압 순산소 연소 시스템.
The method of claim 1,
The acidic water flowing into the water electrolysis unit 500 contains at least one of nitric acid and sulfuric acid,
Pressurized oxy-combustion system.
 제 1 항에 있어서,
상기 수전해부(500)의 전기분해에 의해 수소 및 산소가 생산되고, 상기 생산된 산소는 순산소로서 상기 가압 순산소 연소로(200)에 유입되는,
가압 순산소 연소 시스템.
The method of claim 1,
Hydrogen and oxygen are produced by the electrolysis of the water electrolysis unit 500, and the produced oxygen is introduced into the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 as pure oxygen,
Pressurized oxy-combustion system.
 제 4 항에 있어서,
상기 가압 순산소 연소로(200)에 유입되는 산소는,
공기가 유입된 ASU(air separation unit)(100)에서 분해된 산소, 및 상기 수전해부(500)에서 생산된 산소를 포함하는,
가압 순산소 연소 시스템.
5. The method of claim 4,
Oxygen flowing into the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 is,
Containing oxygen decomposed in the ASU (air separation unit) 100 into which air was introduced, and oxygen produced in the water electrolysis unit 500,
Pressurized oxy-combustion system.
 제 4 항에 있어서,
상기 수전해부(500)에서 생산된 수소가 안정화 기체로서 상기 가압 순산소 연소로(200)에 투입되는 연료에 혼합되는,
가압 순산소 연소 시스템.
5. The method of claim 4,
Hydrogen produced by the water electrolysis unit 500 is mixed with the fuel input to the pressurized pure oxygen combustion furnace 200 as a stabilizing gas,
Pressurized oxy-combustion system.
 제 6 항에 있어서,
상기 수전해부(500)에서 생산된 수소는,
수소 저장 탱크(510)에 저장된 후 상기 가압 순산소 연소로(200)에 투입되거나, 또는 수소 충전소로 이송되는,
가압 순산소 연소 시스템.
7. The method of claim 6,
Hydrogen produced in the water electrolysis unit 500 is,
After being stored in the hydrogen storage tank 510, it is put into the pressurized pure oxygen combustion furnace 200, or transferred to a hydrogen filling station,
Pressurized oxy-combustion system.
 제 1 항에 있어서,
상기 수전해부(500)에서 농축 산성수가 생성되며,
상기 농축 산성수가 상기 수처리부(520)에서 수처리되어 배출되거나, 또는 상기 정제부(530)에서 정제된 후 농축 산성수 탱크(540)에 저장되는,
가압 순산소 연소 시스템.
The method of claim 1,
Concentrated acidic water is generated in the water electrolysis unit 500,
The concentrated acidic water is water-treated and discharged in the water treatment unit 520, or stored in the concentrated acidic water tank 540 after being purified by the purification unit 530,
Pressurized oxy-combustion system.
 연소 시스템과 연계되어 사용되는 수전해 모듈로서,
상기 연소 시스템은,
배가스가 유입되어 응축되며 산성수가 생산되는 FGC(flue gas condenser)(400); 를 포함하고,
상기 연소 시스템에서 연료의 연소로 발생된 배가스가 상기 FGC(400)에서 응축되어 산성수로서 상기 수전해 모듈에 공급되며,
상기 수전해 모듈은,
상기 공급된 산성수가 고압 수전해되며 산소와 수소가 생산되는 수전해부(500);
상기 생산된 수소가 저장되는 수소 저장 탱크(510);
상기 생산된 산소와 수소가 배출되고 남은 농축 산성수 중 일부가 유입되어 수처리되는 수처리부(520); 및
상기 생산된 산소와 수소가 배출되고 남은 농축 산성수 중 다른 일부가 유입되어 정제되는 정제부(530)를 포함하는,
수전해 모듈.
As a water electrolysis module used in connection with a combustion system,
The combustion system is
Flue gas condenser (FGC) 400 that is condensed and acid water is produced by introducing flue gas; including,
The exhaust gas generated by the combustion of fuel in the combustion system is condensed in the FGC 400 and supplied to the water electrolysis module as acidic water,
The water electrolysis module is
a water electrolysis unit 500 in which the supplied acid water is subjected to high-pressure water electrolysis to produce oxygen and hydrogen;
a hydrogen storage tank 510 in which the produced hydrogen is stored;
a water treatment unit 520 in which the produced oxygen and hydrogen are discharged, and some of the remaining concentrated acidic water is introduced and treated; and
Containing a purification unit 530 in which the produced oxygen and hydrogen are discharged and another part of the remaining concentrated acidic water is introduced and purified,
water electrolysis module.
 제 9 항에 있어서,
상기 연소 시스템은 가압 순산소 연소 시스템인,
수전해 모듈.
10. The method of claim 9,
wherein the combustion system is a pressurized oxy-combustion system;
water electrolysis module.
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