KR20040067952A - Ｍｈｄ 단독 고효율 발전방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
MHD 발전장치(1)의 MHD발전기(1b)로부터의 배기 가스의 폐열을 석탄 가스 화로2에 의하여 석탄가스의 화학 에너지로 전환하는 열화학적 석탄 가스화 공정과, 상기 석탄 가스화로(2)를 거친 상기 배기 가스의 폐열을 연료 예열기(3)에 의하여 석탄 가스 연료의 현열(顯熱:sensible heat)로서 회수하는 예열공정과, 상기 연료 예열기(3)을 거친 상기 배기 가스의 폐열을 IS 시스템(4)에서의 옥소-황산 반응에 의하여 수소 에너지로 전환하는 요소-황산 반응공정과의 삼단계 공정으로서, MHD 발전기(1b)의 고온의 배기 가스의 폐열을 화학 에너지와 연료의 현열로서 회수하고, 그 회수된 에너지를 상기 MHD 발전 장치(1)의 연소기(1a)로 재순환시켜 석탄 가스 연료를 순산소로 연소시키는 것을 특징으로 하는 MHD 단독 고효율 발전방법이다.
Description
본 발명은, 발전 자원으로서 석탄을 이용하여, 그 석탄의 연소 플라즈마를 동작 유체로 하는 MHD(Magnetohydrodynamics: 전자유체역학) 발전의 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 특히, MHD단독으로 고효율의 발전을 수행하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
연소기에서 발생시킨 연소 플라즈마를 MHD 발전기를 통해 발전하는 MHD 발전 장치는, 연소 플라즈마를 작동 유체로 하는 가장 고온의 열기관으로서, 통전성을 갖는 플라즈마 상태를 생성하는 필요상, 그 동작 온도의 하한은 약2000℃이다. 따라서, 2000℃ 이하의 에너지를 낭비하지 않고 전력으로서 유효하게 취출하기 위해서 MHD 발전장치 및 이를 작동시키기 위한 주변 기기를 포함한 종래의 MHD 발전 시스템은, 증기 터빈 사이클을 병용하는 "MHD-증기 복합 사이클"을 기본설계 개념으로서 구성되어 있었다.
또한, 종래의 MHD 발전 시스템에서는 연소 프로세스로서는 공기를 산화제로 하는 연소를 주로 하고 있고, 고온의 연소 온도를 실현하기 위해서 공기를 MHD 발전기의 폐열로 예열하고 있다. 즉, MHD 발전기의 폐열의 일부가 예열 공기로서 연소기로 재순환되며, 나머지가 증기 사이클로 순환되어 발전에 기여하는 에너지 흐름이 기본이었다.
그러나, 이러한 사이클에서는, 첫째, 증기 사이클의 효율에 의해 증기 사이클에서 에너지의 1/2 이상이 냉각수로 무익하게 방출되는 점, 둘째, MHD 발전 장치의 연소기로의 재순환 에너지가 적기 때문에 높은 연소 온도를 얻는 것이 어렵기 때문에, 산소 부화가 필요하여 결과적으로 50~55%의 전체 효율 밖에 기대할 수 없는 점, 세째로, 공기 연소이기 때문에 연소 생성물에 다수의 질소산화물이 포함되어, NOx 대책과 함께 이산화탄소의 분리 회수를 연저하게 곤란하게 한다고 하는 문제점이 있다.
더욱이, 종래의 석탄 연소형 MHD 발전 시스템에서는 산소부화 공기와 석탄을 직접 혼합하여 연소시키는 방법이 채용되고 있다. 이러한 경우, 고체 석탄재 입자의 열폭사 손실이 크기 때문에 플라즈마의 온도에 대해서는 전기 전도율이 낮아지고, 대출력 발전을 위해서는 대규모의 발전기가 필요하기 때문에 경제성에 문제가 있으며, 또한, 용융 석탄재가 기벽에 부착하여 발전기 벽의 내구성을 현저하게 저하시키는 문제점도 있다.
따라서, 본 발명은 석탄을 발전 자원으로 이용하면서, 종래의 MHD 발전 시스템에서는 해결이 곤란했던 상기 문제점을 해결하고, 이산화탄소의 완전 액화 회수가 가능하여, 종래의 MHD 발전 시스템, 신예 가스터빈 발전 시스템, 기타 복합 발전 시스템보다도 고효율인 MHD 단독 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도1은 본 발명의 MHD 단독 고효율 발전방법의 일실시예를 수행하기 위한 본 발명의 MHD 단독 고효율 발전 시스템의 일실시예를 타나낸 시스템 구성도이다.
도2는, 상기 실시예의 MHD발전 시스템의 MHD발전기 효율과 시스템 효율과의 관계를 나타낸 관계도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : MHD 발전장치 1a : 연소기
1b : MHD 발전기 1c : 디퓨져
2 : 석탄 가스화로 3 : 연료 예열기
4 : IS 시스템 5 : 필터
6 : CO2/연료 분리 시스템 6a : 모터
6b : 압축기 6c : 터빈
6d : 발전기 6e : CO2분리기
상기 목적을 달성하는 청구항1 기재의 본 발명인 MHD 단독 고효율 발전방법은, MHD 발전장치의 MHD발전기로부터의 배기 가스의 폐열을 석탄 가스화로에 의하여 석탄가스의 화학 에너지로 전환하는 열화학적 석탄 가스화 공정과, 상기 석탄 가스화로를 거친 상기 배기 가스의 폐열을 연료 예열기에 의하여 상기 석탄 가스 연료의 현열(顯熱:sensible heat)로서 회수하는 예열공정과, 상기 연료 예열기를 거친 상기 배기 가스의 폐열을 옥소-황산 반응에 의하여 수소 에너지로 전환하는 요소-황산 반응공정의 삼단계 공정으로서, MHD 발전기의 고온의 배기 가스의 폐열을 화학 에너지와 연료의 현열로서 회수하고, 그 회수된 에너지를 상기 MHD 발전 장치의 연소기로 재순환시켜 석탄 가스 연료를 순산소로 연소시키는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 청구항2 기재의 본 발명의 MHD 단독 고효율 발전 시스템은, 이산화탄소를 포함하지 않는 석탄 가스와 수소의 혼합 연료를 순산소에 의하여 연소시키는 연소기와, 그 연소 플라즈마를 동작 유체로서 발전하는 MHD 발전기를 구비하여 이루어지는 MHD 발전 장치와, 상기 MHD 발전기로부터의 고온 배기 가스의 폐열로 석탄과 물을 이산화탄소와 수분을 포함한 혼합 석탄 가스로 개질하는 석탄 가스화로와, 상기 석탄 가스화로로부터의 혼합 석탄 가스와 상기 MHD 발전기로부터의 고온의 배기 가스를 혼합한 고온의 혼합 석탄 가스의 폐열로 상기 혼합연료를 예열하는 연료 예열기와, 상기 연료 예열기로부터의 혼합 석탄 가스의 폐열로 물을 옥소-황산 반응에 의해 상기 이산화탄소를 포함하지 않는 석탄 가스에 혼합하는 수소와 상기 연소기에 공급되는 산소로 분해하는 옥소-황산 반응장치와, 상기 옥소-황산 반응장치로부터 배출되어 필터를 통과하여 불순물을 제거한 혼합 석탄 가스로부터 가압 및 단열 팽창에 의해 이산화탄소를 액화제거하여, 상기 이산화탄소를 포함하지 않는 석탄 가스를 얻는 이산화탄소/연료 분리장치를 구비한 것이다.
또한, 본 발명의 MHD 단독 고효율 발전 시스템에 있어서는, 상기 옥소-황산 반응장치가 상기 연료 예열기로부터의 혼합 석탄가스의 폐열로, 상기 이산화탄소를 포함하지 않는 석탄가스를 예열하도록 하면, 보다 효율이 높아지기 때문에 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 실시예로서 도면에 근거하여 상세하게 설명한다. 여기서, 도1은 본 발명의 MHD 단독 고효율 발전방법의 일 실시예를 수행하기 위한 본 발명의 MHD 단독 고효율 발전 시스템의 일실시예를 나타낸 시스템 구성도이며, 도2는 본 실시예의 MHD 발전 시스템의 MHD 발전기 효율과 시스템 효율과의 관계를 나타낸 관계선도이다.
도1에 표시한 상기 실시예의 MHD 발전 시스템은, 주요한 구성요소로서 연소기(1a)와, MHD 발전기(1b)와, 디퓨져(1c)를 구비한 MHD 발전장치(1)과, 물 주입형 고온 석탄 가스화로(2)와, 축열형 연료 예열기(3)과, 요소-황산 반응장치로서의 SI 시스템(4)와, 필터(5)와, 이산화탄소/연료 분리장치로서의 압축-팽창형 CO2/연료 분리 시스템(6)과, 산소 제조장치(7)을 구비하고 있다.
본 실시예의 MHD 발전 시스템에 있어서는, CO2/연료 분리 시스템6에서 이산화탄소로부터 분리된 체적비 약2:1의 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하는 석탄가스 연료가, IS 시스템(4)에서 물의 분해에 의하여 제조되는 수소와 혼합된 후, 축열형 연료예열기(3)을 통해서 약 2000℃로 가열된 후, MHD 발전장치(1)의 연소기(1a)에 투입된다. 연소기(1a)의 연소용 산소는, IS시스템(4)의 주성분 및 별도 산소 제조장치(7)에서 공기 분리에 의해 제조된 액화산소이다.
즉, 본 실시예의 MHD 발전 시스템에 의한 MHD 발전 방법은, 이하와 같은 공정에 의하여 MHD발전을 수행한다. MHD 발전 장치(1)의 연소기(1a)에서는 도1에서는 최하단에 표시된 CO2/연료 분리 시스템(6)으로부터 축열식 연료 예열기(3) (Preheater)을 통해서 보내지는 석탄가스 연료(일산화탄소 및 수소)와 IS 시스템(4)의 옥소-황산 반응 프로세스(IS 프로세스)에서 생산되는 수소의 혼합물을 순산소로 연소시킨다. 또한, IS 시스템4에서 생산되는 수소는 축열식 연료 예열기(3)에 투입되기 전 단계에서, CO2를 포함하지 않는 CO와 H2로 구성되는 상기 석탄 가스 연료에 혼합된다.
MHD발전은 플라즈마로 동작되기 때문에, 연소기(1a)에서는 연소 가스에 전기전도성을 갖도록 소량의 탄산칼륨(K2CO3)를 시드로서 첨가한다. 이러한 시드는 고온에서 열분해(분리)되어, 칼륨이 전리하여 전자와 K이온이 된다.
연소기(1a) 내에서 연소 플라즈마가 된 연소가스는 MHD 발전기(1b)내를 통하여 MHD발전을 수행하게 된다. MHD 발전기(1b)에서 나온 고온의 연소가스 (MHD 배기가스)는 디퓨져(Diffuser)(1c)에서 압력을 회복함과 동시에, 도시되지 않은 증기 사이클로 적당량의 열을 나눠주게 된다. 증기 터빈 및 이에 의하여 구동되는 발전기 등으로 이루어지는 이 증기 사이클은, 증기 사이클로의 열분배가 없는 경우 연소 온도가 실제 너무 높아지는 경우가 발생할 수 있기 때문에 부가하고 있는 것으로서, 그 주목적은 연소온도의 제어이나, 효율의 개선에도 도움이 될 수 있다.
디퓨져(1c)를 거친 MHD 배기가스는 그 자체를 1로 한 경우의 α(1미만의 소정의 수)의 비율의 부분과 1-α의 비율 부분과의 두개로 나누어져, 그 일방인 α비율의 부분은 석탄 가스화로2로 유입되고, 타방인 1-α비율의 부분은 석탄 가스화로(2)를 우회한다. 이는 이하와 같은 이유에 기인한다. 석탄 가스화로(2)의 역할은 석탄을 MHD폐열을 화학 에너지로서 회수함과 동시에, 남은 석탄재(슬러그)를 하류의 공정에서의 조작을 위해 제거하기 위한 것이다. 석탄 투입량은 결정되어 있기 때문에 회수 가능한 열은 일정하며, 따라서 가스화 단계에 있어서의 가스온도의 저하량은 정해져 있다. 여기서, 석탄 가스화로(2)의 출구온도가 석탄재의 융점 이상, 증발온도 이하 (예를 들면, 여기서는 1700K)가 되도록 α비율을 설정하여 가스분리를 수행한다.
석탄 가스화로(2)를 나온 MHD 배기가스와 석탄 가스의 혼합가스(CO, H2, CO2, H2O 및 K2SO4)는 석탄 가스화로(2)를 우회한 고온의 MHD 배기가스와 혼합되어 연료 예열기(3)로 유입된다. 따라서, 연료 예열기(3)의 입구의 가스온도는 1700K보다 높다. 연료 예열기(3)에서 하류의 CO2/연료 분리시스템6으로부터 송입된 CO, H2,H2는 가스화로(2)에서 생산되는 수소와 IS시스템(4)에서 물의 분해로 생산되는 수소의 합) 혼합가스 연료를 가열하는 과정에서, 일정량의 열기 그 혼합 가스 연료에전해지며, MHD 배기가스와 석탄가스의 혼합가스는 더욱 온도를 낮추게 된다. 약 1300K 정도까지 온도가 낮아진 가스는 최종적으로 IS 시스템4에 유입되어 IS프로세스에서의 옥소와 황산의 합성, 분해 반응에 열을 전달하고, 결과적으로 IS 시스템(4)의 외부로부터 주입되는 물을 수소와 산소로 분해한다. 즉, 이 단계에서 최종적으로 남는 MHD폐열에 의하여 IS 시스템(4)의 효율적으로 대응되는 수소가 생산되어, MHD폐열이 수소의 화학 에너지로서 재생된다. 또한, IS시스템(4)에서 동시에 생산되는 산소는 승압되어 연소기(1a)로 보내진다.
IS 시스템(4)을 나온 MHD 배기가스와 석탄가스의 혼합가스는 대략 1기압, 100℃ 이하로서, 여기에 포함되어 있는 수증기는 물이된다. 여기서 우선, 이 혼합가스로부터 필터(5)를 통해 수분 및 석탄 중의 유황과 시드의 반응에서 생긴 K2SO4가 제거되며, 그 후에 이 혼합가스(CO, H2, CO2)는 CO2/연료 분리 시스템(6)의 모터(M)(6a)로 구동되는 압축기(CP)(6b)에 의하여 기체상태 그대로(이상 과정으로서) 등온으로 약 50기압으로 가압되며, 이어 터빈(T)(6c)에서 단열상태에서 약 10기압까지 팽창하여 약 224K까지 온도가 낮아지게 된다. 이 때, 터빈 출구 측 온도(224K)는 CO2의 액화온도 이하이지만, CO와 H2의 액화온도보다는 높다. 따라서, CO2는 CO2분리기(6e)에서 액체로서 취출 제거되며 심층 혹은 심해에 저장된다.
CO2/연료 분리 시스템(6)를 거친 석탄 가스연료(CO 및 H2)는 224K에서 대략 실온까지 IS 시스템(4)의 폐열로 예열된 후, 축열식 연료예열기(3)을 경유하여 MHD발전장치(1)의 연소기(1a)로 재순환되어 산소에 의하여 연소된다. 이와 같이 산소로 연소시키는 이유는 생성물이 실질적으로 CO2와 H2O 뿐이며, 고온에서의 석탄 열분해형 가스화에 적합하며고 CO2의 분리회수가 용이하다는 두 가지 이유 때문이다.
본 실시예의 MHD 발전 시스템의 구성기기 및 본 실시예의 MHD 발전방법의 공정은 현재 기술 수준에서 실현 가능하며, 특별한 기술적 혁신을 필요하지 않다. 즉, MHD발전 장치(1)에 관해서는 구 소련의 천연가스 연소형 50만KW 발전소의 건설 계획을 시작으로, 미국에서의 1만 5천KW 석탄 연소 MHD 발전 개발 실적 등 다수의 실적이 있다. 또, 고온 석탄 가스화로(2)에 관해서는 과거에 미국 AVCO사에서 MHD 연소 가스를 모의(模擬)한 실험 연구예와 더불어, 석탄 가스화 가스터빈 복합발전(IGCC)의 개발에 관련하여 연구개발이 각국에서 실시되고 있다. 그리고 축열형 연료 예열기(3)에 관해서는 석탄가스를 대상으로 한 실적은 없지만, 구 소련의 MHD 발전 개발연구 프로젝트에서 2000℃까지에서의 공기 가열의 실적이 있다. 또한, IS시스템(4)의 IS 프로세스에 관해서는 MHD 발전 시스템에 채용된 예는 없으나 고온 가스 냉각형 원자로의 열이용을 목적으로 한 개발연구가 현재 일본 원자력 연소고에서 실시되고 있으며, 실용화의 가능성이 높은 프로세스이다.
도2에 나타낸 시스템의 효율은 MHD발전기1b의 효율로서 5~30% (0.05~0.30), IS 시스템4의 IS 프로세스의 효율로서 35~50% (0.35~0.50)을 예상하여 계산하고 있다. MHD 발전기(1b)의 효율에 관해서는 구 소련에서 설계, 일부 건설이 진행되었던 U-500 발전소의 24.5%가 최대로서, 산출 기준으로서는 현실적인 기술범위이다. 또한, IS 프로세스의 열효율로서는 49%의 실적이 보고되고 있으며 추후로는 더욱 높은 효율도 기대된다. 그리고, 산소제조 동력은 현재 상용 플랜트의 값을 참고로 하고 있다.
단, 이산화탄소를 액화 회수하는 CO2/연료 분리 시스템(6)의 프로세스에 관해서는 실제의 예가 없기 때문에, 여기서는 실규로 이하의 프로세스를 상정(想定)하고 있다. 즉, 필터(5)에서 수분과 고체 입자 (황화칼륨 K2SO4)를 제거한 석탄 가스(CO와 H2)와 CO2의 혼합가스는 상술한 바와 같이 우선 압축기(6b)에 의하여 등온(82℃) 하에서 1기압에서 50기압으로 승압되며, 이어 압력 터빈(6c)에 의한 50기압에서 10기압으로 단열 팽창한다. 이에 따라, 혼합가스 온도는 10기압에서의 이산화탄소의 액화온도 -39℃ 이하인 -49℃가 되어, 이산화탄소는 액화분리된다. 한편, 일산화탄소와 수소는 이 온도, 압력하에서는 액화되지 않기 때문에 팽창을 계속하여, 터빈(6c)와 동축의 터보 발전기(6d)로부터 압력 강하에 따라 전력이 취출된다. 따라서, 본 실시예의 시스템에서는 이산화탄소의 액화분리는 비교적 저동력으로 수행하는 것이 가능하며, 이는 MHD 연소 프로세스를 산소 연소로 함으로써 가능해진다.
따라서, 본 실시예의 MHD 발전방법 및 MHD 발전시스템에 따르면, 증기 사이클을 이용하지 않고 MHD 단독으로 발전 시스템을 구성하고 있기 때문에 증기 사이클에서 에너지의 1/2 이상이 냉각수로 무익하게 방출되는 일이 없으며, 또한, MHD 발전장치(1)의 연소기(1a)로의 재순환 에너지가 많기 때문에 60%를 초과하는 전체효율을 기대할 수 있으며, 순산소 연소이기 때문에 연소 생성물에 질소산화물이 없어, NOx대책이 필요없으며, 이산화탄소의 분리회수도 액화에 의해 용이하게 수행될 수 있다.
추가적으로, 본 실시예의 본 실시예의 MHD 발전방법 및 MHD 발전시스템에 따르면, 석탄가스를 순산소로 연소시키기 때문에 석탄을 그 대로 연소시키는 경우의 고체 석탄재 입자의 열폭사 손실이 없어, 플라즈마의 온도, 더 나아가서는 전기 전도율을 높이는 것이 가능하기 때문에 소규모의 발전기에서 대출력 발전을 수행할 수 있어 경제성을 높이는 것이 가능하다. 또한, 용융 석탄재가 기기 벽면에 부착되어 발전기 벽의 내구성을 현저하게 저하시키는 일이 없기 때문에 발전기의 내구성을 높이는 것이 가능하다.
이상, 도시예에 기초하여 설명하였으나, 본 발명은 상술의 예에 한정되는 것이 아니며, 특허청구 범위의 기재의 범위 내에서 적절하게 변경하는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명의 MHD 발전방법 및 MHD 발전 시스템에 따르면, 석탄을 발전 자원으로 이용하면서, 종래의 MHD 발전 시스템에서는 해결이 곤란했던 상술의 모든 문제를 해결하고, 이산화탄소의 완전 액화회수가 가능하여, 종래의 MHD 발전 시스템, 신예 가스터빈 발전 시스템, 기타 복합 발전 시스템보다도 높은 효율을 갖는 발전 시스템을 구성하는 것이 가능하다.
이로서 기대되는 본 발명의 MHD 발전방법 및 발전 시스템의 효과는 이하와 같다.
1) 에너지 과학기술에 있어서의 효과로서는, 산소 연소기술의 발전, 크린 코울(Coal) 기술의 발전, 수소 제조 기술의 발전 및 가스 분리기술의 발전이 가능하다.
2) 경제적 효과로서는, 단기고효율 발전 시스템이기 때문에 재래식의 복합 발전과 비교하여 대폭적인 건설 비용, 전력 생산비의 저감이 가능하다.
3) 사회적 효과로서는, 환경 부하의 저감, 지구 온난화 대책 기술의 발전, 자원의 효율적인 사용 및 석탄 자원 이용에 따른 에너지의 장기 안정확보 효과를 가져올 수 있다.
Claims (3)
- MHD 발전장치의 MHD 발전기로부터의 배기 가스의 폐열을 석탄 가스화로에 의하여 석탄가스의 화학 에너지로 전환하는 열화학적 석탄 가스화 공정과,상기 석탄 가스화로를 거친 상기 배기 가스의 폐열을 연료 예열기에 의하여 석탄 가스 연료의 현열(顯熱:sensible heat)로서 회수하는 예열공정과,상기 연료 예열기를 거친 상기 배기 가스의 폐열을 옥소-황산 반응에 의하여 수소 에너지로 전환하는 요소-황산 반응공정의 삼단계 공정으로서, MHD 발전기의 고온의 배기 가스의 폐열을 화학 에너지와 연료의 현열로서 회수하고, 그 회수된 에너지를 상기 MHD 발전 장치의 연소기로 재순환시켜 석탄 가스 연료를 순산소로 연소시키는 것을 특징으로 하는 MHD 단독 고효율 발전방법.
- 이산화탄소를 포함하지 않는 석탄 가스와 수소의 혼합 연료를 순산소에 의하여 연소시키는 연소기와, 그 연소 플라즈마를 동작 유체로서 발전하는 MHD 발전기를 구비하여 이루어지는 MHD 발전 장치와,상기 MHD 발전기로부터의 고온 배기 가스의 폐열로 석탄과 물을 이산화탄소와 수분을 포함한 혼합 석탄 가스로 개질하는 석탄 가스화로와,상기 석탄 가스화로로부터의 혼합 석탄 가스와 상기 MHD 발전기로부터의 고온의 배기 가스를 혼합한 고온의 혼합 석탄 가스의 폐열로 상기 혼합 연료를 예열하는 연료 예열기와,상기 연료 예열기로부터의 혼합 석탄 가스의 폐열로, 물을 옥소-황산 반응에 의해 상기 이산화탄소를 포함하지 않는 석탄 가스에 혼합하는 수소와, 상기 연소기에 공급되는 산소로 분해하는 옥소-황산 반응장치와,상기 옥소-황산 반응장치로부터 배출되어 필터를 통해 불순물을 제거한 혼합 석탄 가스로부터 가압 및 단열 팽창에 의해 이산화탄소를 액화제거하여, 상기 이산화탄소를 포함하지 않는 석탄 가스를 얻는 이산화탄소/연료 분리장치를 구비하여 이루어 진 것을 특징으로 하는 MHD 단독 고효율 발전 시스템.
- 제 2항에 있어서, 상기 옥소-황산 반응장치는 상기 연료 예열기로부터의 혼합 석탄 가스의 폐열로 상기 이산화탄소를 포함하지 않는 석탄 가스를 예열하는 것을 특징으로 하는 MHD 단독 고효율 발전 시스템.
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