KR20090101382A - 가스/스팀 터빈 발전소에서 전기 에너지를 생성하는 방법 및 설비 - Google Patents

가스/스팀 터빈 발전소에서 전기 에너지를 생성하는 방법 및 설비 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산소 함유 가스 및 탄소 캐리어들로부터 생성된 가스화 가스를 사용하여 가스/스팀 터빈 발전소에서 전기 에너지를 생성하는 방법에 관한 것인데, 여기서, 산소를 가지는 또는 산소 함유량이 부피비로 95% 이상 바람직하게는 부피비로 99% 이상인 다량의 산소를 함유하는 가스를 가지는 용해 가스 존(melt gas zone)에서 탄소 캐리어들이 가스화된다. 본 발명에 따른 방법은 다음의 단계들을 포함한다: 생성된 가스화 가스가, 탈황제를 함유하는 탈황 존을 통과하되, 사용된 탈황제가 용해 가스화 존 내로 공급되고 액체 슬러그의 형성 후에 빠지고; 탈황된 가스화 가스가, 바람직하게는 정화 및 냉각 후에, 순수한 산소와 함께 연소 챔버에서 연소되고; 결과되는 연소 가스들(H2O 및 CO2)이 에너지 생성을 위해 가스 터빈 내로 도입되고; 연소 챔버를 통과한 후에, 상기 연소 가스들이 증기 보일러에서 수증기 및 이산화탄소로 분리되고; 상기 수증기가 후속적으로 스팀 터빈 내로 도입되고, 그리고 온도 설정을 위해 상기 이산화탄소가 적어도 부분적으로 상기 연소 챔버에 재순환된다.

Description

가스/스팀 터빈 발전소에서 전기 에너지를 생성하는 방법 및 설비{METHOD AND INSTALLATION FOR GENERATING ELECTRIC ENERGY IN A GAS／STEAM TURBINE POWER PLANT}
본 발명은 산소-함유 가스 및 탄소 캐리어들로부터 생성된 가스화 가스를 사용하여 가스 및 스팀 (병합 사이클(combined cycle)) 터빈 발전소에서 전기 에너지를 생성하는 프로세스 그리고 또한 이러한 프로세스를 수행하는 설비에 관한 것이다.
20세기 중반을 전후하여, 가스 터빈 및 가스 터빈에서의 사용을 위한 하류 폐열 회수(downstream waste gas recovery)를 구비하는 최초의 발전소들이 건설되었다. 산업 분야에서는 상기 발전소들을 가스 및 스팀 발전소들 또는 병합 사이클 발전소들이라 명명하였다. 모든 이들 발전소들은 천연 가스에 의해 연료가 공급되는데, 천연 가스는 가스 터빈들에서 만족스러운 효율을 가지고 기계적인 에너지로 변환될 수 있다. 천연 가스의 고순도는 또한 심지어 터빈의 높은 날개 온도들에서도 어떤 중대한 부식 문제들 없이 동작하는 것을 가능케 한다. 스팀 터빈의 뜨거 운 폐가스는, 하류 스팀 터빈들에서 사용되는 고압 스팀을 생성하기 위해 하류 스팀 보일러에서 사용된다. 이러한 결합은 열 발전소들에 있어서 현재 얻을 수 있는 가장 높은 전기적 효율들을 얻는 것을 허용한다.
다른 연료들, 특히 석탄과 같은 고체 연료들은 이러한 기술에서 사용될 수 없다. 이하 기술되는 IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle) 기술은 이러한 문제점을 해결하고자 하는 것이다. 이러한 기술에 의하면, 가스 터빈에서 요구되는 연소 가스를 생성하기 위해 석탄 가스화를 사용한다. 석탄의 가스화는 가스 터빈들에 있어서의 요구 사항들을 충족하는 깨끗한 가스를 생성한다.
그런데 종래의 가스화들에 있어서 가스화 동안 발생하는 원시 가스의 처리는 매우 필요한 작업이다. 더스트 폼(dust form) 내 오염물들은 씻겨내져야 한다. 나아가, 가스화 프로세스에 따라서, 모든 응축가능한(condensable) 유기 탄소들이 제거되어야만 한다. 또한 H2S 및 COS와 같은 가스화 동안 발생하는 황에도 커다란 주의를 기울여야만 한다. 그런데 가스 터빈들에서 수용가능한 순도는 가스 세정 단계들에 의해서 얻어질 수 있다.
폐 산물들과 마찬가지로, 황, 석탄 재 및 또한 유기 및 무기 오염물들은 쓰레기 매립지에서 안전하게 분쇄되도록 버려지고 보내져야 하거나 또는 무해하게 만들어져야 한다. 이것은 높은 처분 비용을 일으킨다. 고립을 위하여(for sequestering) 이산화탄소가 분리될 때, 연료 가스 내의 상대적으로 낮은 이산화탄소 농도들 때문에, 복잡한, 고가의 및 매우 효율적이지는 않은 설비들이 요구된 다. 따라서 설비가 부가적인 부분을 가질 것을 요구하는, 전이 반응(shift reaction)으로서 알려진 것에 의해서, 일산화탄소가 이산화탄소로 변환된다.
[선행 기술]
지멘스 컨셉의 IGCC 프로세스의 설명
공기 분리: 가스화에 순수한 산소가 필요하다. 이를 위해서, 가스 터빈의 압축기에 의해 또는 별도의 압축기에 의해 공기가 10 내지 20 바(bar)까지 압축되고, 액화된다. -200℃ 근처 온도에서의 증류에 의해서 산소의 분리가 발생한다.
가스화: 이것은 주로 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 포함하는 원시 가스를 생성한다. 수증기에 의해, CO가 CO2 및 다른 수소로 변환된다. 석탄 또는 석유 코크스와 같은 고체 연료들의 가스화를 위해, 세 기본 프로세스들이 존재하는데, 그것의 분류층(entrained-flow) 가스화는 IGCC에 관한 한, 우월하다(dominate): 질소와 같은 캐리어 가스에 의해서 압력 하에서 탄진(炭塵)이 연소기에 공급되고, 합성 가스를 형성하도록 산소 및 수증기에 의해 가스화기에서 변환된다.
원시 가스 냉각: 후속 처리 전에 합성 가스가 냉각되어야 한다. 이것은 병합 사이클 설비의 스팀 터빈에서 전력 생산에 기여하는 스팀을 생성한다.
세정: 가스 냉각 후에, 필터들이 처음으로 재 입자들을 잡아 두고, 이와 함께 또한 필요하다면 후속적으로 이산화탄소가 추출될 수 있다. 마찬가지로 화학적 및 물리적 프로세스들이 황 또는 중금속들과 같은 다른 오염물질들을 구속한다. 이것은 동시에 가스 터빈들의 동작에 있어서 연료에 필요한 순도를 제공한다.
연소: 수소-농후 가스(hydrogen-rich gas)가 가스 터빈의 연소 챔버의 상류에서 수증기와 혼합되거나 또는 공기 분리로부터 질소와 혼합된다. 이것은 연소 온도를 낮추고 이런 방식으로 질소 산화물의 형성을 크게 억제한다. 공기와 함께 연소에 의해 생성된 연료 가스가 가스 터빈의 날개들 상으로 유동한다. 그것은 실질적으로 질소, CO2 및 수증기를 포함한다. 질소 또는 물과의 혼합에 의하여, 가스의 특정한 에너지 함량을 5000 kJ/kg 근방까지 줄일 수 있다. 다른 한편, 천연 가스는 상기 에너지 함량의 10배를 가진다. 따라서, 동일한 전압 출력에 대하여, IGCC 발전소의 경우에 가스 터빈 연소기를 거치는 연료 질량 유량이 약 10배 더 커져야 한다.
폐가스 냉각: 가스 터빈에서의 연료 가스의 팽창 및 스팀 생성기에서의 폐열의 후속적인 활용 후에, 폐가스가 대기 중으로 배출된다. 폐가스 및 원시 가스의 냉각으로부터의 스팀 유동들이 결합되고, 스팀 터빈으로 함께 지나간다. 스팀 터빈서의 팽창 후에, 스팀이 응축기 및 공급 물 탱크를 경유하여 지나가고 물 또는 스팀 사이클 내로 되돌려진다. 따라서 가스 또는 스팀 터빈들은 발전기와 결부되고, 발전기에서 전기 에너지로의 변환이 발생한다.
가스 터빈의 연소 챔버 내 고 연소 온도들에 의해, 질소와의 반응이 폐가스 내 상당한 수준의 NOx를 생성하는 결과가 나타나는데, 이 NOx는 SCR 프로세스들과 같은 2차 수단에 의해 제거되어야 한다.
또한 석탄 가스에 의해 동작하는 병합 사이클 발전소에 대한 다른 제한은, 시장에 존재하는 가스화 프로세스들의 현재의 제한된 가스화 성능들에 기인한 것이다.
상기 프로세스의 세 변형들이 시장에 제시되었다:
- 덩어리탄에 대한 고정 베드 프로세스(fixed bed process)
- 세립질 석탄에 대한 유동 베드 프로세스(fluidized bed process) 및
- 탄진들에 대한 분류(entrained-flow) 프로세스
예를 들어 압력 하에서 작동하면서 또는 용융 슬래그 배출 등을 구비하면서, 모든 이들 프로세스들의 다양한 변이들이 개발되었다. 이들 중 몇몇이 후술된다.
덩어리탄 가스화: LURGI
가스화기의 이런 유형은 수십년에 이르는 역사를 가지고 석탄 가스화에 세계적으로 널리 사용된다. 경탄과는 별개로, 변형된 동작 조건들 하에서 아탄(lignite)이 또한 사용될 수 있다. 이런 프로세스의 불이익은 타르, 슬러리 및 암모니아와 같은 무기 화합물 등의 일련의 부산물들을 생성한다는 것이다. 이것은 가스 세정 및 처리(treatment)를 복잡하게 만든다. 또한 이들 부산물들의 처분하는 것 또는 사용하는 것이 필요하다. 장점 때문에 70년에 걸쳐 지어진 이런 발전소가 오랫 동안 사용되었다. 그런데 고정 베드 유형의 동작 때문에 단지 덩어리탄만이 사용될 수 있다. 가스화 매개체로서 수증기 및 산소 및/또는 공기의 혼합물이 사용된다. 재의 녹는점을 초과하지 않도록 가스화 온도를 모니터링하기 위해 수증기가 필요한데, 이 프로세스가 고체 재 배출과 함께 동작하기 때문이다. 그 결과 가스화의 효율이 불리하게 영향 받는다.
대항류(counter-current) 유형의 동작의 결과로서, 석탄의 온도 프로파일은 공급에서의 주변 온도로부터 재의 격자(ash grating) 바로 위의 가스화 온도 범위에 있다. 이것은 열분해 가스들과 타르들이 원시 가스와 함께 가스화기를 나오고, 다운스트림 가스 세정 동작으로 제거되어야 함을 의미한다. 그것에 의하여 코킹 플랜트(coking plant)에서 저것들에 유사한 부산물들이 발생한다.
이들 가스화기들의 대다수는 시간 당 약 24 톤의 석탄(daf: 무수무회(dry and ash free))의 처리율을 가지고, 석탄(daf) 1톤 당 약 2250 m3 n의 원시 가스를 생성한다. 부산물로서 석탄(daf) 1톤당 40 내지 60 kg의 타르를 생성한다. 산소 요구량은 가스 1m3 n 당 0.14 m3 n이다. 동작 압력은 3 MPa이다. 가스화기에서 석탄의 잔류 시간은 1 내지 2 시간이다. 대대수의 가스화기들은 내부 직경이 3.8 m이다. 지금까지 160개 이상의 유닛들이 동작되었다.
경탄이 사용될 때 가스 조성 (남아프리카)
CO2 32.0%
CO 15.8%
H2 39.8%
CH4 11.8%
CnHm 0.8%
미분탄에 대한 유동 베드 가스화기
현재 다양한 유형들이 이용가능한데, 현재에는 고온 윙클러(Winkler) 가스화기를 가장 개발된 변형으로 간주하는데, 상기 가스화기는 약 1.0 MPa의 압력을 전달하고 다른 유동 베드 가스화기들보다 더 높은 온도에서 동작하기 때문이다. 갈탄을 기초로, 현재 두 개의 유닛들이 동작 중에 있다. 재 배출(ash discharge)은 건조하다. 그런데, 시간당 1 톤의 석탄에 대하여, IGCC 설비의 가스 요구를 커버할 수 있기에는 전력 출력이 너무 작다. 종래의 윙클러 가스화기는 약 0.1 MPa의 너무 작은 압력을 전달한다. 이들 가스화기들의 전력 출력은 약 시간당 석탄 20 톤이다.
석탄 및 가스 잔여물들에 대한 액체 슬러그 출구를 구비한 가스화기
감소된 가스의 생성을 위하여, 세립질 탄소 캐리어들이 또한 사용될 수 있다. 이들 프로세스들의 공통적인 특징은 주로 액체 슬러그이다. 오늘날 다음의 프로세스들이 사용된다:
코퍼스-토트젝(Koppers-Totzek) 프로세스
공급 원료로서 미분탄과 산소가 사용된다. 수증기가 온도 제어에 부가된다. 슬러그는 수조에서 낟알이 된다. 스팀을 얻기 위해 고온 가스 온도가 사용된다. IGCC 발전소들에 대하여 압력이 너무 낮다.
가압 분류층(PRENFLO: Pressurized Entrained Flow) 프로세스
공급 원료로서 미분탄과 산소가 사용된다. 이것은 코퍼스-토트젝 프로세스를 더 개량한 것으로서, 2.5 MPa의 압력 하에서 동작하고, IGCC 발전소들에 적절할 것이다. 그러나, 지금까지 어떤 대형의 상업 발전소들도 없다.
쉘 프로세스
공급 원료로서 미분탄과 산소가 사용된다. 이 프로세스 역시 대형 유닛들에서 아직 상업적으로 이용가능하지 않다. 2.5 MPa의 동작 압력은 상기 프로세스가 발전소들에 적합하도록 한다.
텍사코 프로세스(Texaco process)
이 프로세스는 수년간 다수의 동작 유닛들에 사용되어 왔다. 그러나 약 시간 당 약 6 내지 8 톤의 석탄(daf)의 처리율은 대용량의 IGCC 발전소들에 있어서 너무 작다. 다수의 발전소들이 병렬적으로 동작되어야만 하며, 이것은 투자 비용은 많이 든다는 것을 의미한다. 이것은 비용-효율에 불리하다. 동작 압력은 8 MPa이다.
순산소 연소(Oxyfuel combustion)
이 프로세스의 경우에, 목적은 가스화를 얻는 것이 아니라 연소이다. 순산소 프로세스들에서, 공기 분리에 의해서 연소 공기로부터 질소가 제거된다. 순수한 산소를 사용하는 연소가 너무 높지 않은 연소 온도들을 야기하므로, 폐가스의 일부가 되돌려져서 결과적으로 공기로부터 질소를 대체한다. 배출될 폐가스는 실질 적으로 단지 CO2를 포함하는데, 수증기가 응축되고(condense out) SOx, NOx 및 먼지(dust)와 같은 오염물들이 제거되기 때문이다.
비록 300 MWc 석탄-발화 발전소의 소모에 해당하는, 하루에 약 5000 톤의 O2에 이르는 산소 제공에 공업적인 규모로 공기 액화가 이미 사용되고 있지만, 이러한 발전소들의 커다란 문제점은 O2, 1톤당 약 250 내지 270 kWh의 높은 에너지 소비이며, 이것은 순도 요구 증가에 따라서 더 증가한다. 또한 석탄 재들로부터 형성되는 슬래그를 사용하는 어떠한 안전하게 설정된 방법도 없다.
용융 환원 프로세스(Smelt reduction process )
석탄 및 광석들(ores), 주로 철광석들로부터 선철(銑鐵, pig iron)을 생성하는 용융 환원 프로세스들의 경우에, 발열량 및 순도(purity)를 달리하는 배출 가스들(export gases)이 생성되고, 그 열 접촉이 사용된다. 특히 COREX® 및 FINEX® 프로세스들의 경우에, 배출 가스는 가스 터빈들에서 연소에 이상적인 특성을 가진다. 황 그리고 유기 및 무기 오염 물질들 양자는 야금 프로세스 내에 가스로부터 제거된다. 이들 프로세스들의 배출 가스는 병합 사이클 발전소에 대하여 제한 없이 사용될 수 있다.
중국 바오샨 철강(Baoshan Steel)에 대한 새로운 COREX® C-3000 플랜트에 제네럴 일렉트로닉스에 의해 169 MW의 출력 전력을 가지는 프레임 9E 가스 터빈을 구비한 병합 사이클 설비가 설치되었다.
COREX® 플랜트를 병합 사이클 시스템에 기초한 에너지 효율적인 발전소와 커플링하는 아이디어는 새로운 것이 아니다. 1986년으로 거슬러 올라가, 높은 에너지 효율 전환을 가지는 이런 형태에 대하여 특허 출원 및 특허 허여되었다(EP　0　269　609 B1). 다른 특허(AT 392 079 B)는 미립 산물(fine fraction) 및 조립 산물(coarse fraction)의 분리가 석탄의 압착(crushing)을 피하는 것을 가능케 하는, 유사한 유형의 프로세스를 개시한다.
IGCC 발전소의 바람직한 동작을 위해서 탄소 캐리어들의 가스화 용도로 순수한 산소가 필요하기 때문에, 가스화 설비에서 생성된 연료 가스들에 의한 산소의 집적된 생성(integrated generation)이 가능하다. 이에 대해서는 독일 특허 명세서 DE 39 08 505 C2에 개시되어 있다.
특허 명세서 EP 90 890 037.6에는 "퓨전 가스화기에서의 연소가능 가스들의 생성에 대한 프로세스"가 개시되어 있다.
앞에서 인용한 모든 프로세스들의 단점은 가스 터빈에서 연소 가스의 연소에 공기를 사용한다는 것이다. 한편으로는, 이것은 불리하게도 많은 양의 폐가스가 존재한다는 결과를 가지고 이로 인하여 폐열 보일러에 이르기까지의 사용 체인(chain of use)에서의 제한된 최종 온도(end temperature)에 기인한 폐가스로 인한 높은 엔탈피 열 손실(enthalpic heat losses)이 나타나고, 다른 한편으로는 그 결과 병합 사이클 발전소들의 고 효율이 감소된다. 폐가스는 70% 이상까지 이르는 높은 질소 함유량을 가지고, 이것은 CO2의 격리를 훨씬 더 어렵게 만들어서 그 결과 커다란 및 이로써 고가의 분리 설비들을 요한다.
산소연료 프로세스의 경우에, 비록 CO2가 프로세스에 직접적으로 되돌려지지만, 오염 물질들을 제거하기 위해 가스를 먼저 정화하여야 하고, 이것은 필수적인 프로세스이다. 오염 물질들은 배출되어야 하고 결과적으로 환경에 영향을 미친다. 지금까지 사용할 수 있는(operational) 설비가 존재하지 아니한다. 어떤 것도 슬래그를 사용하는 문제점을 해결하지 못했다.
[본 발명의 목적]
본 발명의 목적은 선행 기술에서 발생하는 전술한 문제점들 및 불리함들을 피하고 극복하는 것과, 그리고 보다 경제적인 격리를 목적으로 폐가스의 이산화탄소 함유량을 증가시키고 오염 물질들을 가능한 가장 작게 발생시키면서 에너지를 얻을 수 있는 것을 가능케 하는, 가스 및 스팀 터빈(병합 사이클) 발전소에서 전기 에너지를 생성하는 프로세스를 제공하는 것이다. 특히, 석탄으로부터의 유기 화합물들 및 무기 오염 물질들 모두를 프로세스 내에서 무해하게 변환할 수 있고, 동시에 황과 같은 불멸의(indestructible) 오염 물질들 또는 연료들의 재들의 해로운 성분들을 재사용가능한 산물들에 구속시킬 수 있는 것을 의도한다.
상기 목적은 서두에 언급한 유형의 프로세스의 경우에 다음과 같은 특징을 가지는 본 발명에 따라서 달성된다
- 산소를 가지는 또는 산소 함유량이 부피비로 95% 이상 바람직하게는 부피비로 99% 이상인 다량의 산소를 함유하는 가스를 가지는 가스처리 존(gassing zone)에서 탄소 캐리어들이 가스화되고,
- 이런 방식으로 생성된 가스화 가스가, 탈황제를 함유하는 탈황 존을 통과하되, 사용된 탈황제가 상기 가스처리 존 내로 공급되고 액체 슬러그의 형성 후에 빼내지고,
- 바람직하게는 정화 및 냉각을 뒤따르는 탈황된 가스화 가스가 순수한 산소와 함께 연소 챔버에서 연소되고 결과되는 연소 가스들(H2O 및 CO2)이 에너지 생성을 위해 가스 터빈 내로 도입되고,
- 상기 가스 터빈의 하류에서, 상기 연소 가스들이 증기 보일러에서 수증기 및 이산화탄소로 분리되고,
- 상기 수증기가 후속적으로 스팀 터빈 내로 도입되고, 그리고
- 온도 설정을 위해 상기 이산화탄소가 적어도 부분적으로 상기 연소 챔버에 되돌려진다.
바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 탈황 존에서 철 및/또는 철광석이 보조제로서 부가적으로 사용되고, 상기 가스처리 존 내로 상기 사용된 탈황제와 함께 공급되고, 거기서 녹여지고 빠진다.
상기 가스처리 존으로부터 빠진 철은 바람직하게는 상기 탈황 존으로 되돌려진다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예는 상기 탈황 존에서 철광석이 부가적으로 사용되고, 상기 탈황 존에서 예열되고 선 감소되고(pre-reduced), 상기 가스처리 존 내로 상기 사용된 탈황제와 함께 공급되고, 거기서 완전히 감소되고 녹여지고 선철로서 빠지는 것을 특징으로 한다.
특정한 선택에 따라서, 상기 가스화기 가스의 탈황 및 상기 철광성의 예열 및 선-감소는 일렬로 배열된 둘 이상의 유동 베드 존들(fluidized bed zones)에서 수행되되, 상기 철광석이 유동 베드 존으로부터 유동 베드 존으로 이동되고, 상기 가스화기 가스가 상기 철광석과는 반대되는 방향으로 상기 유동 베드 존들을 유동한다.
바람직하게는 상기 가스처리 존에서 온도는 800℃를 넘도록, 바람직하게는 850℃를 넘도록 설정된다.
바람직하게는 상기 프로세스에서의 모든 퍼지 동작들에 대하여 CO2 또는 CO, H2, CO2 및 수증기의 혼합물을 사용한다.
바람직하게는 상기 가스처리 존에서 형성된 상기 액체 슬러그는 시멘트 생성에 사용된다.
탄소 캐리어들의 가스화기로서, 상기 탄소 캐리어들의 공급기(feed), 산소- 함유 가스의 공급 라인, 액체 슬러그에 대한 배출 라인 및 생성된 가스화기 가스의 배출 라인을 구비하는 상기 탄소 캐리어들의 가스화기를 포함하고, 탈황 장치로서, 탈황제의 공급기, 가스화기 가스의 공급기 및 정화된 가스화기 가스의 배출 라인을 구비하는 상기 탈황 장치를 포함하고, 가스 터빈의 연소 챔버 설비를 구비하는 병합 가스 및 스팀 터빈 발전소를 포함하되, 정화된 가스화기 가스의 라인 및 산소-함유 가스의 공급기를 거기서 상기 연소 챔버 설비 내로 이끌고, 스팀 터빈 설비의 스팀 보일러를 포함하되, 가스 터빈으로부터 연장하는 연소 가스들에 대한 라인을 거기서 상기 스팀 보일러 내로 이끌고, 상기 스팀 보일러는 연료 가스들의 배출 라인을 구비하는, 전술한 프로세스를 수행하는 본 발명에 따른 설비는,
- 상기 가스화기는 석탄 및/또는 숯 베드를 구비한 퓨전 가스화기로서 형성되고 상기 가스화기에는 액체 슬러그에 대한 탭(tap)이 제공되고,
- 산소 함유 가스의 공급 라인은, 산소의 또는 산소 함유량이 부피비로 95% 이상 바람직하게는 부피비로 99% 이상인 다량의 산소를 함유하는 가스의 공급 라인이고,
- 상기 퓨전 가스화기에서 생성된 상기 가스화기 가스에 대하여 배출 라인이 상기 탈황 장치 내로 이끌고
- 상기 탈황 장치는, 사용된 탈황제의(in) 공급을 위하여 연결 수단에 의해(in conducting terms) 상기 퓨전 가스화기에 연결된, 이동 베드(moving bed) 또는 유동 베드(fluidized bed)를 구비하는 하나 이상의 반응기로서 형성되고,
- 상기 산소-함유 가스의 공급기는 순수한 산소의 공급기이고, 그리고
- 제어 장치가 제공되고 상기 연소 챔버 내로 이끄는 가지 라인이 연료 가스들에 대한 배출 라인으로부터 갈라지는(branch off) 것을 특징으로 한다.
바람직한 일 실시예에 따르면, 하나 이상의 탈황 반응기는 철 및/또는 철광석의 공급기를 구비하고, 상기 퓨전 가스화기에는 선철에 대한 탭이 부가적으로 제공된다.
바람직하게는 상기 선철에 대한 탭이 연결 수단에 의해 여기에서 철 및/또는 철광석에 대한 공급기에 연결된다.
상기 설비의 바람직한 다른 실시예는 상기 탈황 장치가 유동 베드 반응기 캐스캐이드로서 형성되되, 미립 광석의 공급기가 상기 캐스캐이드에서 물질 전송의 방향으로 처음에 배열된 유동 베드 반응기 내로 이끌고, 가스화 가스에 대한 연결 수단에 의한 연결 및 탈황제 및 미립 광석에 대한 하나가 상기 유동 베드 반응기들 사이에 제공되고, 그리고, 퓨전 가스화기에서 생성된 가스화기 가스의 배출 라인이, 사용된 탈황제와 예열 및 선-감소된 미립 광석의 공급을 위해 상기 퓨전 가스화기에 연결 수단에 의해 연결된, 마지막으로 배열된 유동 베드 반응기 내로 이끄는 것과, 그리고 상기 퓨전 가스화기에 선철에 대한 탭이 제공되는 것을 특징으로 한다.
탄소 함유 연료 또는 석탄의 가스화는 순수한 가스와 함께 또는 다량의 산소를 포함하는 가스와 함께 발생하여, 그 결과 가스화 가스로서 단지 일산화탄소, 수소 및 소량의 이산화탄소 및 수증기만이 생성되고 어떤 질소도 프로세스 내로 들어가지 않거나 또는 극소량의 질소만이 프로세스 내로 들어간다. 800℃가 넘게 퓨전 가스화기의 가스 공간의 온도를 설정함으로써, 수 초의 가스 잔류 시간 후에 상기 가스의 유기 물질의 존재량이 효율적으로 감소된다.
대기 압력으로부터 설비의 고압 공간으로 원시 물질들을 공급하기 위해서, 압력 로크들(pressure locks)(인터로킹들(interlockings))로서 알려진 것에 의해서 중간 용기에 교대로 커플링 또는 디커플링되도록 하여 물질의 전송이 일어나도록 하는 것이 필요하다. 이러한 커플링 동작들에 대한 불활성 가스로서 질소가 자주 사용된다. 그러나 본 발명에 따르면, 상기 프로세스에서의 모든 퍼지 동작들에 대하여 불활성 가스로서 CO2 또는 CO, H2, CO2 및 수증기의 혼합물을 주로 사용하는데, 질소 또는 제거에 곤란한 다른 가스들의 도입을 피하기 위함이다.
가스화기로서 변형된 퓨전 가스화기가 사용되는데, 이것은 고체 베드 또는 부분적으로 유동화된 석탄/숯 베드와 동작하되, 석탄 재로부터 단지 액체 슬러그만을 생성한다.
본 발명에 따르면, 가스 탈황 목적으로 탈황 챔버 또는 이동 베드 반응기가 제공되는데, 이를 거쳐 가스화기 가스가 흐르고 이로부터 탈황제, 예를 들어 석회가 사용후에 퓨전 가스화기 내로 공급되어, 시멘트 산업에서 사용될 수 있는 슬래그를 생성하도록 한다. 이런 방식으로 쓰레기를 피할 수 있다. 이러한 슬래그는 또한 공급원료로서 사용된 물질들의 재들로부터의 다른 오염 물질들을 취한다. 이들은 시멘트에 안전하게 구속되고, 그 결과 환경에 대하여 더 이상의 어떤 위험도 주지 아니한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탈황제에 부가적으로 철 입자들 또는 철광석이 또한 탈황 존 내로 공급되는데, 이들은 마찬가지로 가스화기 가스로부터 황 화합물들을 구속하고, 이들을 가스화기 내로 공급함으로써, 이들을 시멘트 및 액체 철에 적합한 슬래그로 변환한다. 배출된(tap off) 철은 탈황기로 되먹임될 수 있고, 그 결과 어떤 감지가능한 철의 소모 없이 순환될 수 있다. 퓨전 가스화기의 화로(hearth)에서의 액체 철은 유리한 방식으로, 특히 동작 중단 시간 후에, 슬래그가 굳어져서 통상적인 수단으로는 더 이상 녹지 않을 때, 슬래그의 배출(tapping off)을 부가적으로 용이하게 한다. 화로에서의 철은 탭을 거친 산소에 의해서 녹여질 수 있고, 굳은 슬래그와 결합하여 산화된 철 및 슬래그의 유동가능한 혼합물을 형성할 수 있다. 이런 방식으로, "언(frozen)" 퓨전 가스화기가 다시 재동작할 수 있다.
그런데, 예를 들어 백악(白堊, chalk)과 같은 첨가물들 뿐만 아니라 철 입자들 또는 철광석이 또한 탈황 존 내로 공급될 수 있다. 배출된 선철은, 예를 들어 강철을 형성하도록, 종래의 방식으로 더 처리될 수 있다.
탈황을 위하여 이동 베드 반응기 대신에, 유동 베드 반응기를 또한 사용할 수 있거나 또는 공급원료의 보다 균일한 잔류 시간을 얻기 위해서 유동 베드 캐스케이드를 사용할 수 있다. 이것은 심지어 10 mm보다 작은 결정 크기를 가지는 세립질 공급원료조차 사용할 수 있도록 한다.
또한 용광로의 경우에서처럼 또는 직접 환원 설비들(direct reduction installations)의 경우에서처럼, 이로써 여전한 상당한 에너지 함유량을 가지는 과다한 가스(배출 가스(export gas))가 생성된다.
이러한 배출 가스들의 가스 조성의 예들은 다음과 같다:
Figure 112009050038188-PCT00001
가스화 가스와 마찬가지로, 이 가스는 가스 터빈에서 연소될 수 있다. 이를 위해서, 어떤 질소도 들어가지 않도록 또는 극소량의 질소만이 들어가도록, 순수한 산소 또는 산소 함유량이 부피비로 95% 이상 바람직하게는 부피비로 99% 이상인 다량의 산소를 함유하는 가스가 퓨전 가스화기에서 사용된다.
본 발명에 따르면, 터빈에 대한 높은 연소 온도들을 최적 범위로 낮추기 위해서, 조정기로서 되돌려진 순수한 이산화탄소를 사용한다. 질소보다 훨씬 더 큰 특정한 열용량을 가지고 그 결과 더 작은 가스 부피들을 생성하는 CO2를 연소 공간 내 온도 설정 목적으로 가스 터빈에서 사용한다. 이로써 설비가 더 작아질 수 있고 비용이 더 낮아진다. 이러한 CO2는 연료 가스의 되돌려진 부분에 의해서 제공될 수 있다. 연료 가스 혼합물 내의 N2 의 부존재(순수한 산소 또는 부피비로 산소가 99% 이상인 가스를 사용하는 결과)는 어떤 해로운 NOx도 형성될 수 없음을 또한 의미한다.
본 발명에 따라서 얻어지는 가스 터빈으로부터의 폐가스에 있어서의 매우 많은 양의 CO2로 인하여, 질소를 함유하는 연료 가스들과 비교하여, 증가된 방열의 결과로서 하류 스팀 보일러에서의 더 나은 에너지 이용을 가능케 한다. 이것은 구체적으로 보일러 설비의 더 나은 출력을 얻을 수 있도록 한다.
다른 잇점은 더 작은 가스 부피들이 또한 하류 폐열 보일러, 가스 라인들 및 가스 처리 장치들을 또한 더 작게 및 더 저비용으로 만들 수 있음을 의미한다는 것이다.
(현재 사용된 프로세스들의 경우에 있어서처럼) 스팀 보일러의 폐가스에 함유된 CO2의 농도는 중요하지 않은데, 연료 가스에 어떠한 밸러스트(ballast) 가스들도 포함되어 있지 아니하고, 포함된 수증기는 어떠한 문제도 나타내지 않기 때문이다.
스프레이-유형의 냉각 또는 간접 열 교환과 같이 알려진 다양한 프로세스들에 기초해서 응축에 의해, 연료 가스들에 포함된 수증기의 분리를 용이하게 및 저비용으로 수행할 수 있다.
가스 터빈으로의 되돌림으로 의해서, 한편으로 두드러진 비용 없이도 이런 방식으로 얻어진 CO2를 온도 조절기로서 할 수 있고, 다른 한편으로 알려진 방식으로 격리되도록 전달될 수 있다.
또한 본 발명에 따르는 프로세스에 의하면, 어떤 복잡한 H2S/COS 제거도 필요치 않다. 또한 이를 목적으로 하는 어떤 설비도 설치할 필요가 없다. 전이 반응 또한 불필요하고, 이로써 고가의 및 에너지 집약적인 장비가 또한 필요하지 않다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 나타낸다.
공급 장치들에 의해서 광석(2)(ore) 및 석회(lime)와 같은 첨가물들(3)이 이동 베드 반응기(1) 내로 공급된다. 이런 방식으로 형성된 투입량(charge)(20)이 사이클론(6)으로부터 정화된(dedusted) 가스와 반대 방향으로(in countercurrent with) 예열되고 부분적으로 타서 생석회가 되고 부분적으로 감소한다. 이어서, 배출(discharging) 장치들에 의해서 이렇게 (부분적으로) 감소한 투입량(21)이 퓨전 가스화기(4)의 자유 공간(13)을 거쳐서 숯 베드(12) 내로 공급된다. 산소(40)를 내보내는(blow in) 노즐들의 뜨거운 가스화 가스들에 의해서, 저탄고들(18, 19)로부터 생겨난 탄소 캐리어들(7)로부터 고온 열분해에 의해서 이러한 숯 베드(12)가 형성된다. 이러한 핫 숯 베드(12)에서, (부분적으로) 감소된 투입량(21)이 완전히 감소하고 타서 생석회가 되고 후속적으로 녹아서 선철(14) 및 슬래그(15)를 형성한다. 숯 베드(12)에서의 온도 조건을 도 1에서 나타낸 다이어그램을 사용하여 예시적으로 나타냈다.
태핑 오프닝(tapping opening)(16)에 의해서 선철(14) 및 슬래그(15)가 시간격을 두고 배출된다(tap off). 다른 실시예에 의하면, (점선으로 도시한) 그 자신의 태핑 오프닝(17)에 의해서 슬래그(15)가 선철(14)과는 별개로 배출된다. 이어서 배출된 선철은 탈황제로서 새로이 사용되도록 이동 베드 반응기(1)에 다시 되돌려질 수 있다(점선으로 나타낸 연결선(16a)).
원시 가스(가스화기 가스)(5)는 자유 공간(13)의 윗 단에서 퓨전 가스화기(4)을 떠나고 뜨거운 먼지들(8)의 사리클론(6)에서 정화되는데, 뜨거운 먼지들(8)은 제어 밸브(41)에 의해서 산소(40)와 함께 퓨전 가스화기(4)의 자유 공간(13)으로 되돌려지고, 가스화되고, 그리고 거기서 녹여진다. 이런 방식으로 생성된 용해물은 숯 베드(12)에 의해 취해지고, 슬래그 및 선철 배쓰(bath)(14, 15)로 아래로 전달된다. 정화된 가스(dedusted gas)(5)가 예를 들어 800℃의 온도로 이동 베드 반응기(1)에 들어가고, 이어서 전술한 반응들을 일으키고, 이로써 열역학적으로 기결정된 정도(degree)까지 산화되고 냉각된다. 동일하게 이동 베드 반응기(1)의 윗 단에서 원시 배출 가스(22)가 떠난다. 원시 배출 가스(22)가 여전히 먼지를 포함하고 있으므로, 하류 먼지 분리기(23)에서 정화되고 냉각기(39)에서 냉각된다. 이 가스의 엔탈피의 상당 부분이 회복될 수 있도록 후자가 설계될 수 있다.
정화되고 냉각된 가스가 압축기(24)에서 가스 터빈(30)의 연소 챔버(25)에서의 연소에 필요한 압력으로 되어지고, 압축기 단(27)에서 압축된 (실질적으로 이산화탄소) 연료 가스들(28) 및 산소(40)와 함께 연소된다. 이어서, 연소 가스들이 가스 터빈(30)을 통과하고, 이로써 생성된 기계적인 에너지가 커플링된 발전기(29)에 주어진다.
이어서 가스 터빈(30)으로부터의 여전히 뜨거운 폐가스가 하류 스팀 보일러(31)에 공급된다. 하류 스팀 보일러에서, 뜨거운 스팀이 생성되고 하류 스팀 터빈(32)에서 사용되어 발전기(33)에 전달되는 기계적 에너지가 생성된다. 소비된 증기는 응축기(34)에서 응축되고, 홀드-업 탱크(36)에 공급된다. 응축물은 응축 펌프(37)에 의해 스팀 보일러(31)에 되돌려진다.
스팀 보일러(31)를 떠나는 연료 가스들(28)은 순수한 이산화탄소와 일부 수증기를 포함한다. 이어서 이들은 온도 설정을 위해 압축기(27) 및 제어 밸브(26)에 의해서 연소 챔버(25) 내로 도입될 수 있다. 나머지는 함유된 수증기의 응축 후에 격리를 위해 전달될 수 있거나, 처리 없이 대기 중으로 배출될 수 있다.
미립 광석을 사용하는 경우에, 이동 베드 반응기(1) 대신에 유동 베드 반응기 또는 일련의 둘 이상의 유동 베드 반응기들이 설치된다.

Claims (12)

  1. - 산소를 가지는 또는 산소 함유량이 부피비로 95% 이상 바람직하게는 부피비로 99% 이상인 다량의 산소를 함유하는 가스를 가지는 가스처리 존(gassing zone)에서 탄소 캐리어들이 가스화되고,
    - 이런 방식으로 생성된 가스화 가스가, 탈황제를 함유하는 탈황 존을 통과하되, 사용된 탈황제가 상기 가스처리 존 내로 공급되고 액체 슬러그의 형성 후에 빠지고,
    - 바람직하게는 정화 및 냉각을 뒤따르는 탈황된 가스화 가스가 순수한 산소와 함께 연소 챔버에서 연소되고 결과되는 연소 가스들(H2O 및 CO2)이 에너지 생성을 위해 가스 터빈 내로 도입되고,
    - 상기 가스 터빈의 하류에서, 상기 연소 가스들이 증기 보일러에서 수증기 및 이산화탄소로 분리되고,
    - 상기 수증기가 후속적으로 스팀 터빈 내로 도입되고, 그리고
    - 온도 설정을 위해 상기 이산화탄소가 적어도 부분적으로 상기 연소 챔버에 되돌려지는 것을 특징으로 하는 산소 함유 가스 및 탄소 캐리어들로부터 생성된 가스화 가스를 사용하여,
    가스 및 스팀 터빈(병합 사이클) 발전소에서 전기 에너지를 생성하는 프로세스.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 탈황 존에서 철 및/또는 철광석이 보조제로서 부가적으로 사용되고, 상기 가스처리 존 내로 상기 사용된 탈황제와 함께 공급되고, 거기서 녹여지고 빠지는 것을 특징으로 하는,
    가스 및 스팀 터빈(병합 사이클) 발전소에서 전기 에너지를 생성하는 프로세스.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 가스처리 존으로부터 빠진 철이 상기 탈황 존으로 되돌려지는 것을 특징으로 하는,
    가스 및 스팀 터빈(병합 사이클) 발전소에서 전기 에너지를 생성하는 프로세스.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 탈황 존에서 철광석이 부가적으로 사용되고, 상기 탈황 존에서 예열되고 선 감소되고(pre-reduced), 상기 가스처리 존 내로 상기 사용된 탈황제와 함께 공급되고, 거기서 완전히 감소되고 녹여지고 선철로서 빠지는 것을 특징으로 하는,
    가스 및 스팀 터빈(병합 사이클) 발전소에서 전기 에너지를 생성하는 프로세스.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 가스화기 가스의 탈황 및 상기 철광성의 예열 및 선-감소는 일렬로 배열된 둘 이상의 유동 베드 존들(fluidized bed zones)에서 수행되되, 상기 철광석이 유동 베드 존으로부터 유동 베드 존으로 이동되고, 상기 가스화기 가스가 상기 철광석과는 반대되는 방향으로 상기 유동 베드 존들을 유동하는 것을 특징으로 하는,
    가스 및 스팀 터빈(병합 사이클) 발전소에서 전기 에너지를 생성하는 프로세스.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스처리 존에서 온도가 800℃를 넘도록, 바람직하게는 850℃를 넘도록 설정되는 것을 특징으로 하는,
    가스 및 스팀 터빈(병합 사이클) 발전소에서 전기 에너지를 생성하는 프로세스.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세스에서의 모든 퍼지 동작들에 대하여 CO2 또는 CO, H2, CO2 및 수증기의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는,
    가스 및 스팀 터빈(병합 사이클) 발전소에서 전기 에너지를 생성하는 프로세스.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스처리 존에서 형성된 상기 액체 슬러그가 시멘트 생성에 사용되는 것을 특징으로 하는,
    가스 및 스팀 터빈(병합 사이클) 발전소에서 전기 에너지를 생성하는 프로세스.
  9. 탄소 캐리어들(7)의 가스화기로서, 상기 탄소 캐리어들(7)의 공급기(feed), 산소-함유 가스의 공급 라인, 액체 슬러그(15)의 배출 라인 및 생성된 가스화기 가스(5)의 배출 라인을 구비하는 상기 탄소 캐리어들의 가스화기를 포함하고, 탈황 장치(1)로서, 탈황제(3)의 공급기, 상기 가스화기 가스(5)의 공급기 및 정화된 가스화기 가스(22)의 배출 라인을 구비하는 상기 탈황 장치를 포함하고, 가스 터빈 설비의 연소 챔버(25)를 구비하는 병합된 가스 및 스팀 터빈 발전소를 포함하되, 정화된 가스화기 가스(22)의 라인 및 산소-함유 가스(40)의 공급기를 거기서 상기 연소 챔버 내로 이끌고, 스팀 터빈 설비의 스팀 보일러(31)를 포함하되, 가스 터빈(30)으로부터 연장하는 연소 가스들의 라인을 거기서 상기 스팀 보일러 내로 이끌고, 상기 스팀 보일러는 연료 가스들(28)의 배출 라인을 구비하고,
    - 상기 가스화기는 석탄 및/또는 숯 베드(12)를 구비한 퓨전 가스화기(4)로 서 형성되고 상기 가스화기에는 액체 슬러그(15)에 대한 탭(tap)(16, 17)이 제공되고,
    - 산소 함유 가스의 공급 라인은, 산소(40)의 또는 산소 함유량이 부피비로 95% 이상 바람직하게는 부피비로 99% 이상인 다량의 산소를 함유하는 가스의 공급 라인이고,
    - 상기 퓨전 가스화기(4)에서 생성된 상기 가스화기 가스(5)의 배출 라인이 상기 탈황 장치 내로 이끌고,
    - 상기 탈황 장치는, 사용된 탈황제(21)의(in) 공급을 위하여 연결 수단에 의해(in conducting terms) 상기 퓨전 가스화기(4)에 연결된, 이동 베드(moving bed) 또는 유동 베드(fluidized bed)를 구비하는 하나 이상의 반응기(1)로서 형성되고,
    - 상기 산소-함유 가스의 공급기는 순수한 산소(40)의 공급기이고, 그리고
    - 제어 장치(26)가 제공되고 상기 연소 챔버(25) 내로 이끄는 가지 라인이 연료 가스들(28)의 배출 라인으로부터 갈라지는(branch off) 것을 특징으로 하는,
    제1 항에 따른 프로세스를 수행하는 설비.
  10. 제9 항에 있어서,
    하나 이상의 탈황 반응기(1)가 철 및/또는 철광석(2)의 공급기를 구비하고, 상기 퓨전 가스화기(4)에는 선철(14)에 대한 탭(16)이 부가적으로 제공되는 것을 특징으로 하는,
    제1 항에 따른 프로세스를 수행하는 설비.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 선철(14)에 대한 탭(16)이 연결 수단에 의해 철 및/또는 철광석(2)의 공급기에 연결되는 것을 특징으로 하는,
    제1 항에 따른 프로세스를 수행하는 설비.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 탈황 장치가 유동 베드 반응기 캐스캐이드로서 형성되되, 미립 광석의 공급기가 상기 캐스캐이드에서 물질 전송의 방향으로 처음에 배열된 유동 베드 반응기 내로 이끌고, 가스화 가스에 대한 연결 수단에 의한 연결 및 탈황제 및 미립 광석에 대한 하나가 상기 유동 베드 반응기들 사이에 제공되고, 그리고, 퓨전 가스화기에서 생성된 가스화기 가스의 배출 라인이, 사용된 탈황제와 예열 및 선-감소된 미립 광석의 공급을 위해 상기 퓨전 가스화기에 연결 수단에 의해 연결된, 마지막으로 배열된 유동 베드 반응기 내로 이끄는 것과, 그리고 상기 퓨전 가스화기에 선철에 대한 탭이 제공되는 것을 특징으로 하는,
    제1 항에 따른 프로세스를 수행하는 설비.
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