KR102911552B1 - 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트 - Google Patents

암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는, 액상 암모니아를 저장하는 저장탱크와, 상기 저장탱크의 액상 암모니아를 공급하는 공급펌프와, 상기 공급펌프에 의해 공급된 액상 암모니아를 예열하는 예열기와, 상기 예열기에서 예열된 액상 암모니아를 기화시키는 기화기와, 상기 기화기에서 기화된 기상 암모니아를 과열시키는 과열기와, 상기 과열기에서 과열된 기상 암모니아를 열분해하는 분해 반응기와, 상기 분해 반응기에서 분해된 분해가스에서 잔류 암모니아를 분리시키는 분리기와, 상기 분해 반응기에 열을 공급하도록 연소가스를 생성하는 제1 연소기 및 상기 연소가스와 상기 제1 연소기로 공급되는 산화제가 열교환하는 제1 열교환기를 포함하며, 상기 분리기에서 잔류 암모니아가 제거되어 수소 및 질소로 이루어진 합성가스는 가스터빈의 제2 연소기로 공급되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트를 제공한다.

Description

암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트{Gas turbine plant with ammonia decomposition system}
본 발명은 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 암모니아를 분해하여 가스터빈의 연소기에 연료로 공급하는 가스터빈 플랜트에 관한 것이다.
지구 환경 보전을 위해 이산화탄소(CO2) 배출량을 저감하기 위해, 연소해도 이산화탄소를 배출하지 않는 수소를 연료로서 이용하는 것이 유력한 선택사항이 되고 있다. 그러나, 예를 들면, 가스터빈의 연료로서 넓게 사용되고 있는 액화 천연가스 등의 연료와 비교해서, 수소는 그 수송이나 저장이 용이하지 않다. 그 때문에, 수소로 변환 가능한 암모니아를 연료로서 이용하는 것이 검토되고 있다.
아래의 특허문헌 1에는, 암모니아를 가열하여 수소와 질소로 분해하는 분해 장치를 구비한 가스터빈 플랜트가 개시되고 있다. 본 가스터빈 플랜트의 분해 장치는 가압 펌프에 의해 승압된 액체 암모니아와 가스터빈으로부터 배기된 배기가스를 열교환시켜 암모니아를 가열함으로써 암모니아를 수소와 질소를 포함하는 분해가스로 열분해한다. 이 분해가스는, 그대로 가스터빈의 연소기로 공급된다.
하지만, 액체 암모니아가 배기가스에 의해 충분히 가열되지 않을 수 있으며, 이 경우 분해가스 중에는 수소와 질소 외에 다량의 암모니아가 남아 있는 경우가 많다. 이러한 분해가스가 가스터빈의 연소기로 공급되어 잔류 암모니아가 연소될 경우 질소산화물(NOx)이 다량 발생된다는 문제점이 있다.
일본 등록 특허 공보 제2948351호(1999.07.02.등록)
본 발명은 암모니아를 분해하여 가스터빈의 연소기에 연료로 공급하는 가스터빈 플랜트를 제공하며, 암모니아를 효과적으로 열분해시키기 위해 암모니아에 충분한 열을 공급하고, 분해가스에 존재하는 잔류 암모니아를 분리하여 가스터빈의 연소기에 공급하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예는, 액상 암모니아를 저장하는 저장탱크;와, 상기 저장탱크의 액상 암모니아를 공급하는 공급펌프;와, 상기 공급펌프에 의해 공급된 액상 암모니아를 예열하는 예열기;와, 상기 예열기에서 예열된 액상 암모니아를 기화시키는 기화기;와, 상기 기화기에서 기화된 기상 암모니아를 과열시키는 과열기;와, 상기 과열기에서 과열된 기상 암모니아를 열분해하는 분해 반응기;와, 상기 분해 반응기에서 분해된 분해가스에서 잔류 암모니아를 분리시키는 분리기;와, 상기 분해 반응기에 열을 공급하도록 연소가스를 생성하는 제1 연소기; 및 상기 연소가스와 상기 제1 연소기로 공급되는 산화제가 열교환하는 제1 열교환기;를 포함하며, 상기 분리기에서 잔류 암모니아가 제거되어 수소 및 질소로 이루어진 합성가스는 가스터빈의 제2 연소기로 공급되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트를 제공한다.
실시 예에 따라, 상기 제1 열교환기는 상기 분해 반응기의 하류에 배치되며, 상기 제1 열교환기에서는 상기 산화제와 상기 분해 반응기를 지난 연소가스가 열교환할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 산화제는 공기이며, 상기 공기를 상기 제1 열교환기로 공급하는 블로워;를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제1 열교환기에서 가열된 상기 산화제의 온도는 상기 분해 반응기의 입구에서의 상기 기상 암모니아의 온도보다 높을 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 가스터빈에서 배출되는 배기가스는 배열 회수 보일러에 공급되며, 상기 산화제와 상기 배열 회수 보일러에서 상기 배기가스의 열에 의해 가열된 물 또는 증기가 열교환하는 제2 열교환기;를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 산화제는 상기 제2 열교환기와 상기 제1 열교환기를 차례로 거친 후 상기 제1 연소기로 공급될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 배열 회수 보일러에서 상기 배기가스의 열에 의해 생성되는 증기는 스팀터빈으로 공급되어 상기 스팀터빈을 구동한 후 복수기로 유입되고, 상기 복수기에서 응축된 물은 다시 상기 배열 회수 보일러로 공급되되, 상기 배열 회수 보일러에서 상기 제2 열교환기로 추출되었던 물 또는 증기는 다시 상기 배열 회수 보일러로 또는 상기 복수기의 후단으로 회수될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 분해 반응기로부터 상기 연소가스가 배출되는 배출구 또는 상기 분해 반응기로부터 배출된 상기 연소가스가 유동하는 배출라인에 설치되는 제1 댐퍼;를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제1 열교환기로부터 상기 연소가스가 배출되는 배출구 또는 상기 제1 열교환기로부터 배출된 상기 연소가스가 유동하는 배출라인에 설치되는 제2 댐퍼;를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제1 댐퍼 또는 상기 제2 댐퍼는 상기 가스터빈 플랜트의 운전 정지 시 또는 상기 가스터빈 플랜트의 기동 전 상기 제1 연소기만 작동하는 상태에서 닫힐 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 분해 반응기에서 분해된 분해가스의 일부 또는 상기 분리기에서 잔류 암모니아가 제거된 합성가스의 일부는 상기 제1 연소기로 공급되어 연소될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 분해가스의 일부 또는 상기 합성가스의 일부는 상기 제1 연소기로 공급되기 전 가스 팽창기에 의해 팽창되며, 상기 가스터빈에서 배출되는 배기가스는 배열 회수 보일러에 공급되고, 상기 가스 팽창기는 상기 배열 회수 보일러의 물을 가압하기 위한 펌프와 구동축이 기계적으로 연결되어 있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 암모니아 분해 시스템이 분해 반응기 전에 암모니아를 가열하기 위한 예열기, 기화기 및 과열기를 포함하고, 제1 연소기에 의해 생성된 연소가스가 분해 반응기에 열을 공급함으로써 암모니아에 충분한 열을 공급할 수 있으며 높은 온도에서 암모니아를 효과적으로 열분해할 수 있다.
또한, 연소가스와 제1 연소기로 공급되는 산화제가 열교환함에 따라, 분해 반응기에 열을 공급하고 남은 연소가스의 열원을 효과적으로 회수할 수 있으며, 산화제가 가열됨에 따라 제1 연소기에서 목표한 연소가스의 온도를 위해 사용되는 연료량을 절감할 수 있다.
또한, 배열 회수 보일러에서 배기가스의 열에 의해 가열된 물 또는 증기를 이용하여 산화제를 추가로 가열할 수 있다.
또한, 연소가스의 유동을 제한하기 위한 댐퍼를 포함함으로써, 가스터빈 플랜트의 운전 정지 시 댐퍼를 닫아 분해 반응기 및/또는 제1 열교환기의 온도를 유지하거나, 가스터빈 플랜트의 기동 전 제1 연소기를 가동하고 댐퍼를 닫아 분해 반응기 및/또는 제1 열교환기를 예열할 수 있다.
또한, 제1 연소기로 공급되는 분해가스의 일부 또는 합성가스의 일부를 팽창하여 고온, 고압의 가스로부터 에너지(축동력)를 얻고, 이를 배열 회수 보일러의 물을 가압하기 위한 펌프에 이용함으로써 배열 회수 보일러의 펌프의 소모동력을 저감할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 내지 5는 각 실시 예에 따른 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트의 계통도이다.
이하, 본 발명의 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
우선, 도 1을 참고하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 암모니아 분해시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트에 대하여 살펴보도록 한다.
본 실시 예의 가스터빈 플랜트는 크게 암모니아 분해 시스템(10), 가스터빈(20), 배열 회수 보일러(30), 스팀터빈(40) 및 복수기(50)를 포함한다.
암모니아 분해 시스템(10)은, 저장탱크(100), 공급펌프(120), 예열기(200), 기화기(300), 과열기(400), 분해 반응기(500), 분리기(600) 및 제1 연소기(700)를 포함한다.
가스터빈(20)은, 공기를 고압으로 압축하기 위한 압축기(22), 압축기(22)에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 제2 연소기(24) 및 제2 연소기(24)에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈(26)을 포함한다.
본 발명에 있어서 제2 연소기(24)의 연료로는 암모니아 분해 시스템(10)에서 분해된 수소를 주성분으로 하는 합성가스가 공급된다. 도면에서는 합성가스만 공급되는 것으로 도시되었으나, 경우에 따라 합성가스와 함께 천연가스가 공급되어 혼소될 수도 있음은 물론이다.
가스터빈(20)의 터빈(26)에서 배출되는 배기가스(EG)는 배열 회수 보일러(30)로 공급되어 배열 회수 보일러(30) 내에서 물을 증기로 기화시킨다. 배열 회수 보일러(30)에서 배기가스(EG)의 열에 의해 생성된 증기는 스팀터빈(40)으로 공급되어 스팀터빈을 구동함으로써 전력을 생산할 수 있다. 증기는 스팀터빈(40)을 구동한 후 복수기(50)로 유입되어 냉각수에 의해 응축되며, 복수기(50)에서 응축된 물은 다시 배열 회수 보일러(30)로 공급된다. 복수기(50)에서 응축된 물을 배열 회수 보일러(30)로 공급하는 응축수 펌프(condensate pump; 52)가 구비될 수 있다.
이하, 암모니아 분해 시스템(10)의 각 구성에 대하여 상세하게 설명하도록 한다. 도 1에는 암모니아 분해 시스템(10)의 구성들을 통과하는 암모니아 또는 암모니아가 분해된 가스의 흐름을 도시하였으며, 인접하는 구성들은 서로를 연결하는 연결배관 등으로 연결될 것이다.
저장탱크(100)는 액상 암모니아를 저장하고, 공급펌프(120)는 저장탱크(100)의 액상 암모니아를 승압하여 예열기(200)로 공급한다.
이어지는 예열기(200), 기화기(300) 및 과열기(400)는 분해 반응기(500) 전에 액상 암모니아를 기화시키고 가열하기 위한 구성이다. 구체적으로, 예열기(200)는 공급펌프(120)에 의해 공급된 액상 암모니아를 예열하고, 기화기(300)는 예열기(200)에서 예열된 액상 암모니아를 기화시키며, 제1 과열기(400)는 기화기(300)에서 기화된 기상 암모니아를 과열시킨다.
일 예에서 공급펌프(120)가 액상 암모니아를 40기압으로 승압하는 경우, 40기압의 암모니아의 끓는점은 100℃ 내외가 된다. 이 경우 예열기(200)는 액상 암모니아를 끓는점 아래까지 가열하고, 기화기(300)는 액상 암모니아를 끓는 점까지 가열하여 기상 암모니아를 생성하며, 제1 과열기(400)는 기상 암모니아를 추가로 가열하게 된다.
분해 반응기(500)는 과열기(400)에서 과열된 기상 암모니아를 열분해하여 수소와 질소, 잔류 암모니아를 포함하는 분해가스(DG)를 생성한다. 분해 반응기(500) 내에는 암모니아의 열분해를 촉진하기 위한 촉매가 충전될 수 있다. 촉매는 분해 반응을 활성화시키는 촉매 성분과, 촉매 성분을 담지하는 담체를 갖는다. 촉매 성분으로서는, 예를 들면, Ru 등의 귀금속의 입자, Ni, Co, Fe 등의 천이 금속을 포함하는 금속 입자가 있다. 담체로서는, Al2O3, ZrO2, Pr2O3, La2O3, MgO 등의 산화 금속이 있다. 촉매는 암모니아의 분해 반응을 활성화시키는 것이면 이상에서 예시한 촉매로 한정되지 않는다.
분리기(600)는 분해 반응기(500)에서 분해된 분해가스(DG)에서 잔류 암모니아를 분리시키고, 분리기(600)에서 잔류 암모니아가 제거되어 수소 및 질소로 이루어진 합성가스(SG)는 가스터빈의 제2 연소기(24)로 공급된다. 이때, 분리기(600)에서 분리된 잔류 암모니아는 기화기(300)에서 기화된 기상 암모니아와 합쳐져 과열기(400)로 공급될 수 있다. 암모니아는 물에 잘 녹기 때문에, 분리기(600)에서는 잔류 암모니아를 물에 녹여서 제거할 수 있다. 또한, 암모니아는 물보다 증발하기 쉬우므로, 잔류 암모니아가 용해된 물인 암모니아수를 가열할 경우 다시 기상 암모니아를 분리해낼 수 있을 것이다.
이때, 암모니아의 끓는점보다 암모니아가 열분해되기 위한 반응온도(촉매에 따라 상이하나, 일반적으로 400℃ 내지 700℃에 해당)가 훨씬 높으므로 상대적으로 분해 반응기(500)에는 온도가 높은 열원의 필요성이 크다. 이를 위해, 암모니아 분해 시스템(10)은, 분해 반응기(500)에 열을 공급하도록 연소가스(CG)를 생성하는 제1 연소기(700)를 포함한다. 본 실시 예에서 제1 연소기(700)에서 생성된 연소가스(CG)는 분해 반응기(500)를 거치며 열을 공급하고 있으나, 경우에 따라 추가로 예열기(200), 기화기(300) 또는 과열기(400)를 거칠 수도 있다.
제1 연소기(700)에서 생성되는 연소가스(CG)는 일반적으로 1000℃ 정도에 해당하여 가스터빈(20)에서 배출되는 배기가스(EG)보다 온도가 높다. 따라서, 별도의 제1 연소기(700)를 포함하여 연소가스(CG)를 이용하는 경우, 분해 반응기(500)에서 고성능 촉매를 사용하지 않고도 암모니아를 효과적으로 열분해할 수 있고 분해 반응기(500)의 효율이 향상될 수 있다.
이와 같이, 암모니아 분해 시스템(10)이 분해 반응기(500) 전에 암모니아를 가열하기 위한 예열기(200), 기화기(300) 및 과열기(400)를 포함하고, 제1 연소기(700)에 의해 생성된 연소가스(CG)가 분해 반응기(500)에 열을 공급함으로써 암모니아에 충분한 열을 공급할 수 있으며 암모니아를 효과적으로 열분해할 수 있다.
이에 따라, 분해가스(DG) 상에는 잔류 암모니아가 많지 않고, 분리기(600)를 통해 잔류 암모니아를 확실하게 제거하여 제2 연소기(24)에 공급함으로써 배기가스(EG) 상의 질소산화물을 저감할 수 있다.
제1 연소기(700)에는 화석 연료 등 별도의 연료가 공급될 수도 있겠으나, 시스템을 간소화하고 이산화탄소가 배출되지 않도록 암모니아 분해 시스템(10)에 존재하는 암모니아, 분해가스(DG) 또는 합성가스(SG)의 일부를 제1 연소기(700)에 연료로 공급하는 것이 바람직하다. 본 실시 예에서는 분리기(600)에서 잔류 암모니아가 제거된 합성가스(SG)의 일부가 제1 연소기(700)로 공급되어 연소되고 있다. 이와 같이, 합성가스(SG)의 일부를 제1 연소기(700)에 연료로 공급함으로써 화석 연료 등 별도의 연료가 필요하지 않다.
제1 연소기(700)에는 또한 연소를 위한 산화제가 공급된다. 이때, 본 발명의 암모니아 분해 시스템(10)에는 연소가스(CG)와 제1 연소기(700)로 공급되는 산화제가 열교환하는 제1 열교환기(800)가 구비된다.
본 실시 예에서 제1 열교환기(800)는 연소가스(CG)의 흐름 상 분해 반응기(500)의 하류에 배치되므로, 제1 열교환기(800)에서는 산화제와 분해 반응기(500)를 지난 연소가스(CG)가 열교환한다. 이에 따라, 분해 반응기(500)에 열을 공급하고 남은 연소가스(CG)의 열원을 효과적으로 회수할 수 있으며, 산화제가 가열됨에 따라 제1 연소기(700)에서 목표한 연소가스의 온도를 위해 사용되는 연료량을 절감할 수 있다.
산화제는 공기(대기)일 수 있으며, 이 경우 공기를 제1 열교환기(700)로 공급하는 블로워(820)를 더 포함할 수 있다.
이때, 제1 열교환기(700)에서 가열된 산화제의 온도는 분해 반응기(500)의 입구에서의 기상 암모니아의 온도보다 높은 것이 바람직하다.
다음으로, 도 2를 참고하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 암모니아 분해시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트에 대하여 살펴보도록 한다.
본 실시 예의 가스터빈 플랜트는 마찬가지로 크게 암모니아 분해 시스템(10), 가스터빈(20), 배열 회수 보일러(30), 스팀터빈(40) 및 복수기(50)를 포함한다. 아래에서는 도 1에 도시된 실시 예와 상이한 부분에 대해서만 중점적으로 설명하도록 한다. 도 1의 구성과 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였다.
본 실시 예의 암모니아 분해 시스템(10)에는 산화제와 배열 회수 보일러(30)에서 배기가스(EG)의 열에 의해 가열된 물 또는 증기가 열교환하는 제2 열교환기(840)가 더 구비된다. 즉, 배열 회수 보일러(30)에서 배기가스(EG)의 열에 의해 가열된 물 또는 증기를 이용하여 산화제를 추가로 가열할 수 있는 것이다.
본 실시 예에서 제1 열교환기(800)와 제2 열교환기(840)는 직렬로 배치되고 있으며, 산화제는 블로워(820)를 통해 제2 열교환기(840)와 제1 열교환기(800)를 차례로 거친 후 제1 연소기(700)로 공급되고 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 제1 열교환기(800)와 제2 열교환기(840)가 병렬로 배치될 수도 있을 것이다.
도 2에서는 배열 회수 보일러(30)와 스팀터빈(40)의 구성이 보다 상세하게 도시되고 있다. 구체적으로, 배열 회수 보일러(30)는 응축수를 예열하는 응축수 예열기(31), 저압 증기를 생성하는 저압 증기 생성 시스템(32), 중압 증기를 생성하는 중압 증기 생성 시스템(33), 선택적 촉매 환원 장치(SCR; 34), 재열 증기를 생성하는 재열 증기 생성 시스템(35) 및 고압 증기를 생성하는 고압 증기 생성 시스템(36)을 포함할 수 있다. 저압 증기 생성 시스템(32)은 응축수 예열기(31)에서 예열된 응축수를 증기로 증발시키는 증발기와 증기를 과열시키는 과열기를 포함하고, 중압 증기 생성 시스템(33)은 중압 펌프(37)를 통해 공급된 물을 예열시키는 절탄기, 예열된 물을 증기로 증발시키는 증발기 및 증기를 과열시키는 과열기를 포함할 수 있다. 고압 증기 생성 시스템(36) 또한 고압 펌프(38)를 통해 공급된 물을 예열시키는 절탄기, 예열된 물을 증기로 증발시키는 증발기 및 증기를 과열시키는 과열기를 포함할 수 있다.
고압 증기 생성 시스템(36)에서 생성된 고압 증기는 고압 터빈(43)으로 공급되어 회전력을 발생시키고, 이후 에너지가 줄어든 증기는 재열을 위해 재열 증기 생성 시스템(35)으로 공급된다. 고압 터빈(43)으로부터 나온 증기는 중압 증기 생성 시스템(33)에서 생성된 중압 증기와 합쳐져셔 재열 증기 생성 시스템(35)에서 다시 가열된다. 재열 증기 생성 시스템(35)에서 가열된 증기는 중압 터빈(42)으로 공급되어 회전력을 발생시키고, 이후 에너지가 줄어든 증기는 저압 증기 생성 시스템(32)에서 생성된 저압 증기와 합쳐져서 저압 터빈(41)으로 공급된다. 저압 터빈(41)으로부터 나온 증기는 복수기(50)로 유입된다. 이와 같이 배열 회수 보일러(30)에서 생성된 저압 증기, 중압 증기 및 고압 증기는, 각각 저압 터빈(41), 중압 터빈(42) 및 고압 터빈(43)으로 공급되어 회전력을 발생시키고 그 회전력으로 전기를 생산하게 된다.
이때, 산화제를 가열하기 위해 배열 회수 보일러(30)에서 물 또는 증기가 제2 열교환기(840)로 추출되는 위치는 도 2에 도시된 바와 같이 저압 증기 생성 시스템(32), 중압 증기 생성 시스템(33) 및 고압 증기 생성 시스템(36) 중 어느 하나일 수 있다(d1 or e1 or f1). 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 물 또는 증기가 산화제를 가열할 수 있는 온도라면 배열 회수 보일러(30) 내 어느 위치에서든 추출될 수 있을 것이다.
배열 회수 보일러(30)에서 제2 열교환기(840)로 추출되었던 물 또는 증기는 다시 배열 회수 보일러(30)로 또는 복수기(50)의 후단으로 회수될 수 있다. 본 실시 예에서는 제2 열교환기(840)에 열을 공급하고 난 후의 물이 복수기(50)의 후단으로 회수되어(d2 or e2 or f2), 복수기(50)에서 응축된 물과 합쳐져서 배열 회수 보일러(30)로 들어가고 있다.
또한, 본 실시 예에서는 합성가스(SG)의 일부가 아닌 분해 반응기(500)에서 분해된 분해가스(DG)의 일부가 제1 연소기(700)로 공급되는 것으로 도시되고 있다.
이 밖에, 분리기(600)의 구조 또한 보다 상세하게 도시되고 있다. 간략하게 살펴보면, 분리기(600)는 암모니아 흡수탑(620), 암모니아 재생탑(640), 리보일러(650), 응축기(660) 및 분리탱크(670)를 포함할 수 있다. 암모니아 흡수탑(620)은 분해가스(DG) 중에 포함되어 있는 잔류 암모니아를 물에 용해시켜 분리한다. 이로써 생성된 합성가스(SG)는 가스터빈의 제2 연소기(24)로 공급되고, 암모니아수는 암모니아 재생탑(640)으로 공급된다. 암모니아 재생탑(640)은 수증기를 통해 암모니아수로부터 암모니아를 증발시켜 재생시킨다. 재생된 기상 암모니아는 응축기(660)를 거치며 냉각되어 정해진 양만큼 응축될 수 있으며, 분리탱크(670)는 응축기(660)에서 응축된 액상 암모니아와 응축되지 않은 기상 암모니아를 밀도차에 의해 분리하는 역할을 한다. 분리탱크(670)에서 분리된 액상 암모니아는 다시 암모니아 재생탑(640)으로 회수될 수 있다. 암모니아수에서 암모니아가 증발되고 남은 물과 수증기가 응축된 물은 암모니아 재생탑(640)으로부터 배출되어 일부는 암모니아 흡수탑(620)으로 공급되고, 나머지는 리보일러(650)를 거치면서 수증기로 기화된 후 다시 암모니아 재생탑(640)으로 순환된다.
다음으로 도 3에 도시된 실시 예에 따르면, 도 2에 도시된 실시 예의 구성들을 동일하게 포함하되, 제1 연소기(700)로 공급되는 분해가스(DG)의 일부를 팽창시키는 가스 팽창기(720)를 더 포함하고 있다.
가스 팽창기(720)에 의해 분해가스(DG)의 일부가 제1 연소기(700)로 공급되기 전 팽창될 수 있으며, 이로 인해 고온, 고압의 가스로부터 에너지를 회수할 수 있다. 특히, 본 실시 예에서 가스 팽창기(720)는 배열 회수 보일러(30)의 물을 가압하기 위한 펌프(39)와 구동축이 기계적으로 연결되어 있다. 즉, 가스 팽창기(720)를 통해 고온, 고압의 가스를 팽창시켜 얻은 축동력을 이용하여 가스 팽창기(720)와 같은 축에 물려 있는 펌프(39)를 가동시킬 수 있는 것이다. 이에 따라, 배열 회수 보일러(30)의 펌프(예를 들어, 중압 펌프(37)와 고압 펌프(38))의 소모동력을 저감할 수 있다.
도 3에는 중압 펌프(37)와 고압 펌프(38)로 들어가기 전의 물이(j1 or k1) 펌프(39)를 통해 가압된 후 중압 펌프(37)의 후단 또는 고압 펌프(38)의 후단으로 합류되는(j2 or k2) 것으로 도시되고 있다.
실시 예에 따라, 제1 연소기(700)로 합성가스(SG)의 일부가 공급되는 경우, 합성가스(SG)의 일부가 제1 연소기(700)로 공급되기 전 가스 팽창기에 의해 팽창될 수도 있음은 물론이다.
다음으로 도 4에 도시된 실시 예에 따르면, 도 1에 도시된 실시 예의 구성들을 동일하게 포함하되, 분해 반응기(500)로부터 연소가스(CG)가 배출되는 배출구 또는 분해 반응기(500)로부터 배출된 연소가스(CG)가 유동하는 배출라인에 설치되는 제1 댐퍼(900)를 더 포함하고 있다. 제1 댐퍼(900)는 가스의 유량을 제어하기 위한 밸브의 일종일 수 있다.
제1 댐퍼(900)가 열린 경우 연소가스(CG)는 분해 반응기(500)로부터 제1 열교환기(800)로 유동하게 되고, 제1 댐퍼(900)가 닫힌 경우 연소가스(CG)는 유동이 제한되어 분해 반응기(500) 내에 머물러 있게 된다.
특히 제1 댐퍼(900)는 가스터빈 플랜트의 운전 정지 시, 또는 가스터빈 플랜트의 기동 전 제1 연소기(700)만 작동하는 상태에서 닫힐 수 있다. 이와 같이 가스터빈 플랜트의 운전 정지 시 제1 댐퍼(900)를 닫으면 제1 연소기(700)가 작동하지 않더라도 분해 반응기(500) 내에 기존에 생성되었던 연소가스(CG)가 머물러 있으면서 분해 반응기(500)의 온도가 떨어지지 않고 유지될 수 있다. 이로 인해 가스터빈 플랜트의 재기동 시 빠르게 작동될 수 있다. 또한, 가스터빈 플랜트의 기동 전 제1 연소기(700)를 가동하고 제1 댐퍼(900)를 닫으면 제1 연소기(700)에서 생성된 연소가스(CG)가 분해 반응기(500)로 들어가 머물러 있으면서 분해 반응기(500)를 예열할 수 있다.
마지막으로 도 5에 도시된 실시 예에 따르면, 도 1에 도시된 실시 예의 구성들을 동일하게 포함하되, 제1 열교환기(800)로부터 연소가스(CG)가 배출되는 배출구 또는 제1 열교환기(800)로부터 배출된 연소가스(CG)가 유동하는 배출라인에 설치되는 제2 댐퍼(920)를 더 포함하고 있다.
제2 댐퍼(920)가 열린 경우 연소가스(CG)는 제1 열교환기(800)로부터 굴뚝으로 배출되고, 제2 댐퍼(920)가 닫힌 경우 연소가스(CG)는 유동이 제한되어 분해 반응기(500)와 제1 열교환기(800) 내에 머물러 있게 된다.
특히 제2 댐퍼(920)는 가스터빈 플랜트의 운전 정지 시 또는 가스터빈 플랜트의 기동 전 제1 연소기(700)만 작동하는 상태에서 닫힐 수 있다. 이와 같이 가스터빈 플랜트의 운전 정지 시 제2 댐퍼(920)를 닫으면 분해 반응기(500)와 제1 열교환기(800) 내에 연소가스(CG)가 머물러 있으면서 분해 반응기(500)와 제1 열교환기(800)의 온도가 떨어지지 않고 유지될 수 있다. 또한, 가스터빈 플랜트의 기동 전 제1 연소기(700)를 가동하고 제2 댐퍼(920)를 닫으면 제1 연소기(700)에서 생성된 연소가스(CG)가 분해 반응기(500)와 제1 열교환기(800)로 들어가 머물러 있으면서 분해 반응기(500)와 제1 열교환기(800)를 예열할 수 있다.
도 4에서는 제1 댐퍼(900)만을 포함하고, 도 5에서는 제2 댐퍼(920)만을 포함하는 것으로 설명하였으나, 경우에 따라 제1 댐퍼(900)와 제2 댐퍼(920)를 모두 포함하여 분해 반응기(500)의 온도와 제1 열교환기(800)의 온도를 별개로 조절할 수도 있을 것이다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
10: 암모니아 분해 시스템 20: 가스터빈
22: 압축기 24: 제2 연소기
26: 터빈 30: 배열 회수 보일러
31: 응축수 예열기 32: 저압 증기 생성 시스템
33: 중압 증기 생성 시스템 34: 선택적 촉매 환원 장치(SCR)
35: 재열 증기 생성 시스템 36: 고압 증기 생성 시스템
37: 중압 펌프 38: 고압 펌프
39: 펌프 40: 스팀터빈
41: 저압 터빈 42: 중압 터빈
43: 고압 터빈 50: 복수기
52: 응축수 펌프 100: 저장탱크
120: 공급펌프 200: 예열기
300: 기화기 400: 과열기
500: 분해 반응기 600: 분리기
620: 암모니아 흡수탑 640: 암모니아 재생탑
650: 리보일러 660: 응축기
670: 분리탱크 700: 제1 연소기
720: 가스 팽창기 800: 제1 열교환기
820: 블로워 840: 제2 열교환기
900: 제1 댐퍼 920: 제2 댐퍼

Claims (13)

  1. 액상 암모니아를 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크의 액상 암모니아를 공급하는 공급펌프;
    상기 공급펌프에 의해 공급된 액상 암모니아를 예열하는 예열기;
    상기 예열기에서 예열된 액상 암모니아를 기화시키는 기화기;
    상기 기화기에서 기화된 기상 암모니아를 과열시키는 과열기;
    상기 과열기에서 과열된 기상 암모니아를 열분해하는 분해 반응기;
    상기 분해 반응기에서 분해된 분해가스에서 잔류 암모니아를 분리시키는 분리기;
    상기 분해 반응기에 열을 공급하도록 연소가스를 생성하는 제1 연소기; 및
    상기 연소가스와 상기 제1 연소기로 공급되는 산화제가 열교환하는 제1 열교환기;를 포함하며,
    상기 분리기에서 잔류 암모니아가 제거되어 수소 및 질소로 이루어진 합성가스는 가스터빈의 제2 연소기로 공급되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 상기 분해 반응기의 하류에 배치되며, 상기 제1 열교환기에서는 상기 산화제와 상기 분해 반응기를 지난 연소가스가 열교환하는 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화제는 공기이며,
    상기 공기를 상기 제1 열교환기로 공급하는 블로워;를 더 포함하는, 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열교환기에서 가열된 상기 산화제의 온도는 상기 분해 반응기의 입구에서의 상기 기상 암모니아의 온도보다 높은 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스터빈에서 배출되는 배기가스는 배열 회수 보일러에 공급되며,
    상기 산화제와 상기 배열 회수 보일러에서 상기 배기가스의 열에 의해 가열된 물 또는 증기가 열교환하는 제2 열교환기;를 더 포함하는, 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 산화제는 상기 제2 열교환기와 상기 제1 열교환기를 차례로 거친 후 상기 제1 연소기로 공급되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 배열 회수 보일러에서 상기 배기가스의 열에 의해 생성되는 증기는 스팀터빈으로 공급되어 상기 스팀터빈을 구동한 후 복수기로 유입되고, 상기 복수기에서 응축된 물은 다시 상기 배열 회수 보일러로 공급되되,
    상기 배열 회수 보일러에서 상기 제2 열교환기로 추출되었던 물 또는 증기는 다시 상기 배열 회수 보일러로 또는 상기 복수기의 후단으로 회수되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분해 반응기로부터 상기 연소가스가 배출되는 배출구 또는 상기 분해 반응기로부터 배출된 상기 연소가스가 유동하는 배출라인에 설치되는 제1 댐퍼;를 더 포함하는, 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열교환기로부터 상기 연소가스가 배출되는 배출구 또는 상기 제1 열교환기로부터 배출된 상기 연소가스가 유동하는 배출라인에 설치되는 제2 댐퍼;를 더 포함하는, 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 댐퍼는 상기 가스터빈 플랜트의 운전 정지 시, 또는 상기 가스터빈 플랜트의 기동 전 상기 제1 연소기만 작동하는 상태에서 닫히는 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 분해 반응기에서 분해된 분해가스의 일부 또는 상기 분리기에서 잔류 암모니아가 제거된 합성가스의 일부는 상기 제1 연소기로 공급되어 연소되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 분해가스의 일부 또는 상기 합성가스의 일부는 상기 제1 연소기로 공급되기 전 가스 팽창기에 의해 팽창되며,
    상기 가스터빈에서 배출되는 배기가스는 배열 회수 보일러에 공급되고,
    상기 가스 팽창기는 상기 배열 회수 보일러의 물을 가압하기 위한 펌프와 구동축이 기계적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제2 댐퍼는 상기 가스터빈 플랜트의 운전 정지 시, 또는 상기 가스터빈 플랜트의 기동 전 상기 제1 연소기만 작동하는 상태에서 닫히는 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 시스템을 포함하는 가스터빈 플랜트.
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