KR20090129603A - Ｆｉｎｅｘ와 ｃｏｒｅｘ 제선공정의 합성가스로부터순산소연소 가스터빈 복합발전을 이용한 이산화탄소 회수방법 - Google Patents
Ｆｉｎｅｘ와 ｃｏｒｅｘ 제선공정의 합성가스로부터순산소연소 가스터빈 복합발전을 이용한 이산화탄소 회수방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 FINEX와 COREX 제선공정의 합성가스로부터 순산소연소 가스터빈 복합발전을 통한 이산화탄소 회수 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 FINEX 또는 COREX 제선공정에서 배출되는 합성가스와, 순산소를 순산소연소기에 주입하는 단계와, 그 순산소연소기에서 발생한 연소가스를 가스터빈복합발전기로 이송하여 에너지를 발생시키는 단계와, 이전 단계의 가스터빈복합발전기에서 발생한 배가스의 일부는 압축 후 순산소연소기로 재순환시키고, 일부는 이산화탄소회수부로 회수하여 그 회수된 배가스를 압축 및 정제하여 이산화탄소를 회수하는 단계로 이루어지는 FINEX와 COREX 제선공정의 합성가스로부터 순산소연소 가스터빈 복합발전을 이용한 이산화탄소 회수 방법에 관한 것이다.
제선공정, FINEX, COREX, 가스터빈 복합발전, 순산소연소, 배가스재순환, 이산화탄소 회수, 연소불안정성
Description
본 발명은 FINEX와 COREX 제선공정에서 발생하는 온실가스인 이산화탄소를 회수하는 기술로서, 더 구체적으로는 FINEX와 COREX 제선공정에서 발생하는 합성가스를 전력을 생산하는 가스터빈 복합발전기에서 배가스 재순환 순산소연소를 실시하여 이산화탄소를 저렴하고 효과적으로 회수할 수 있는 기술에 관한 것이다.
COREX 공법은 종래 고로공법의 석탄을 코크스로 만드는 코크스공정의 선공정을 없애고, 코렉스로(爐)에서 생성된 환원가스에 의해서 부분환원된 전처리된 철광석과 석탄을 괴탄으로 장입하여 코렉스로(爐)에서 태우는 방식으로서, 로(爐) 안의 높은 곳에서 낮은 곳으로 쇳물을 흘리는 과정에서 용융과 최종환원반응을 유도하여 높은 순도의 쇳물을 만드는 것이다.
FINEX(Fine Particle Extraction) 공법은 COREX공법에서 괴광을 사용해야 하는 단점을 극복하기 위하여 철광석의 부분환원을 4단의 기포 유동층 환원로에서 실시하는 시스템으로서, 환원로의 환원가스는 COREX 공법과 유사하게 괴탄을 장입하는 용융가스화로에서 상부의 열분해 반응과 하부의 산소에 의한 연소반응에 의해서 생성된다. 종래 고로공법의 경우, 철광석에서 산소를 떼어내고 녹이는 작업이 원활히 이루어지도록 하기 위해, 철광석과 석탄을 덩어리 형태로 가공하는 소결공정과 코크스공정의 선공정이 필요했지만, 파이넥스 공법은 철광석 상태에서 먼저 환원과정을 거치기 때문에 소결 및 코크스공정이 필요 없다.
즉, FINEX 및 COREX 제선공정은 석탄을 순산소를 이용하여 가스화시키면서 생성된 환원가스와 열을 이용하여 철광석을 환원시키고 용융시켜서 쇳물을 만드는 공정으로서, 이와 같은 공정에서 발생하는 합성가스는 공기연소 가스터빈 복합발전을 통해서 전력을 생산하여 왔다.
그러나, 종래의 이와 같은 가스터빈의 연소방식으로서 공기연소를 채택할 경우, 그 가스터빈에서 배출되는 배가스에는 다량의 이산화탄소와 질소가 혼합되게 되어, 이산화탄소를 회수하기 위한 이산화탄소와 질소의 분리 작업에 따른 많은 추가 에너지 및 비용이 발생하는 문제점이 있었다.
이와 같은 종래 기술의 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 FINEX 및 COREX 제선공정에서 배출되는 합성가스의 대부분이 일산화탄소와 이산화탄소로 조성되는 것에 착안하여, 그 합성가스를 공기연소방식에 의해 연소시키는 대신 순산소를 이용하여 가스터빈의 연소기에서 연소시킴으로써, 가스터빈 연소기에서 배출되는 배가스의 대부분이 이산화탄소로 구성되어, 재순환시킨 후 쉽게 이산화탄소를 회수할 수 있는 FINEX, COREX 제선공정의 합성가스로부터 순산소연소 가스터빈 복합발전을 통한 이산화탄소 회수 방법의 제공을 발명의 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 FINEX 또는 COREX 제선공정에서 배출되는 합성가스와, 순산소를 순산소연소기에 주입하는 단계와,
그 순산소연소기에서 발생한 연소가스를 가스터빈복합발전기로 이송하여 에너지를 발생시키는 단계와,
이전 단계의 가스터빈복합발전기에서 발생한 배가스의 일부는 압축 후 순산소연소기로 재순환시키고, 일부는 이산화탄소회수부로 회수하여 그 회수된 배가스를 압축 및 정제하여 이산화탄소를 회수하는 단계로 이루어지는 FINEX, COREX 제선공정의 합성가스로부터 순산소연소 가스터빈 복합발전을 이용한 이산화탄소 회수 방법을 발명의 주요 기술적 구성으로 한다.
이하, 상기 기술적 구성에 대해 상세히 살펴보도록 한다.
FINEX와 COREX 제선공정은 석탄을 순산소를 이용하여 가스화시켜서 만들어진 환원가스와 열로서 철광석을 환원시키고 용융시켜서 쇳물을 만드는 공정으로서, 상기 FINEX와 COREX 제선공정에서는 순산소 공급 석탄가스화과정에 의한 환원가스의 생성과정 및 환원가스에 의한 철광석의 환원과정에서 최초의 연료였던 석탄의 상당한 산화가 진행되었기 때문에, 배출되는 부생가스(FINEX Off Gas 또는 COREX Off Gas)는 열량이 매우 낮고 탄소수가 높은 일산화탄소와 이산화탄소로 대부분 구성된 합성가스로서, 본 발명은 이와 같은 FINEX와 COREX 제선공정 발생하는 저발열량 고탄소함유 합성가스를 배가스 재순환 순산소연소 방법을 채택하는 가스터빈 복합발전기를 이용하여 전력을 생산하고 이 과정에서 발생하는 고농도의 이산화탄소를 회수하는 기술이다.
먼저, FINEX와 COREX 제선공정에서 발생하는 저발열량 고탄소함유 합성가스는 순산소와 함께 순산소연소기로 주입되는 것으로, 상기 FINEX와 COREX에서 발생하는 합성가스는 주로 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)로 이루어져 있으며, 미량의 수소를 포함한 다른 가스를 포함할 수 있다.
상기 FINEX와 COREX에서 배출되는 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 및 미량의 수소로 조성된 합성가스의 순산소연소기로의 주입비율은 운전되는 FINEX 및 COREX 공정에 따라서 차이가 날 수 있으나, 구체적으로 언급하자면 합성가스에서 연소가의 대부분을 차지하는 일산화탄소와 수소의 합성가스 내 체적분률이 40 ~ 60%로 분포될 수 있다.
그리고, 합성가스와 순산소를 완전연소시키기 위해서는 합성가스의 일산화탄소와 수소의 표준상태 체적유량의 50 ~ 60%에 해당하는 산소의 표준상태 체적유량만큼을 주입하여야 하며, 이를 통해서 완전연소를 가능케 하는 0 ~ 20%의 잉여산소가 주입될 수 있다.
이때, 주입되는 산소의 양이 합성가스의 일산화탄소와 수소의 표준상태 체적유량의 50%에 해당하는 당량비 산소주입량보다 적은 경우 불완전연소가 발생할 수 있으며, 주입되는 산소의 양이 당량비 산소주입량보다 너무 높은 경우에는 산소의 생산을 위해서 과도한 전력이 낭비될 수 있으므로, 상기 제시된 0 ~ 20%의 잉여산소 범위에서 완전연소를 확보하는 상태에서 가능한 낮은 잉여산소비로 산소를 주입하는 것이 바람직하다.
그리고, 순산소와 혼합되어 연소된 합성가스는 FINEX 또는 COREX고정과 연계된 가스터빈의 지정된 입구온도 및 유량과 매칭시키기 위해서 적절한 양만큼의 재순환된 배가스와 혼합된다. 이때 재순환된 배가스는 연소를 위한 산소와 같이 주입되던지 아니면 연소후에 별도로 주입되어 혼합될 수 있다. 또한 가스터빈의 연소기는 합성가스와 순산소 그리고 재순환된 배가스의 완전연소 및 혼합이 가능할 수 있도록 만들어져야 한다.
특히 산소와 질소가 균일하게 혼합된 공기를 이용한 연소방식과 달리, 배가스 재순환 순산소연소방식에서는 산소와 불활성의 희석제인 배가스가 연소실에 주입되기 이전에 분리되어 있기 때문에, 저발열량의 합성가스의 연소지역에서 산소가 농축된 산화제의 주입이 가능하다.
즉, 저발열량의 특성을 보여주고 있는 FINEX 또는 COREX 합성가스를 순산소연소시킬 경우, 공기연소의 경우보다 화염의 온도가 높아서 연소안전성이 향상되며, 이러한 특징은 기존의 FINEX 또는 COREX 합성가스의 가스터빈 공기연소기에서 발생하는 연소불안정성을 개선하여 가스터빈의 손상을 방지하는 방법으로도 사용될 수 있다.
합성가스의 순산소연소기에서 가스터빈으로 들어가는 연소가스의 온도가 너무 높은 경우 가스터빈의 손상을 초래할 수 있으며, 온도가 너무 낮은 경우 충분한 효율을 보여줄 수 없다.
상기 순산소연소기를 거친 연소가스는 가스터빈, 열회수 스팀발생기(HRSG), 스팀터빈 및 발전기로 구성된 가스터빈복합발전기로 이송되어 전력을 생산하게 되는 것으로, 상세히는 상기 가스터빈복합발전기는 순산소연소기로부터 유입된 연소가스를 이용하여 에너지를 생산하는 가스터빈과 그 가스터빈에서 발생한 배가스로부터 열을 회수하여 스팀을 발생시키는 열회수 스팀발생기(HRSG)와, 그 열회수 스팀발생기로부터 스팀을 공급받아 에너지를 발생시키는 스팀터빈으로 구성된다.
이 같은 가스터빈복합발전기를 통해 전력 생산과정에서 발생한 배가스의 대 부분은 이산화탄소로 구성되어 있으며, 그 배가스의 50 ~ 80%는 전술한 바와 같이 순산소연소 가스터빈 복합발전기의 열적, 유체역학적 특성을 맞추기 위해서 압축되어 순산소연소기로 재순환되고, 나머지 20 ~ 50%는 이산화탄소회수부로 이송되어 압축 및 정제과정을 거쳐 고순도의 이산화탄소를 회수하게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 FINEX, COREX 제선공정의 합성가스로부터 순산소연소 가스터빈 복합발전을 통한 이산화탄소 회수 방법은 FINEX 및 COREX 제선공정에서 배출되는 거의 대부분의 이산화탄소를 저렴한 비용으로 지구온난화에 영향을 미치지 않는 형태로 회수할 수 있다.
그리고, FINEX, COREX 제선공정에서 배출되는 발열량이 매우 낮은 합성가스의 순산소연소는 연소의 안정성을 개선함으로써, 종래 합성가스를 공기연소시킬 경우 연소불안정성에 의해 자주 발생하던 연소실 압력진동에 의한 가스터빈의 손상 문제를 해결할 수 있다.
또한, 연소실에는 질소가 거의 존재하지 않으므로 초저 NOx 연소를 구현할 수 있으며, 공기분리기에서 생성된 액체산소에서 발생하는 순산소와 배가스를 연소실에 주입하기 위해서 연소실의 압력으로 압축시키는데 필요한 에너지는, 공기를 연소실의 압력으로 압축하는 에너지보다 낮게 되어 가스터빈 복합발전의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 상기 기술적 구성을 도 1을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명에 따른 순산소연소 가스터빈 복합발전기(1)는 순산소연소기(10), 가스터빈복합발전기(20) 및 이산화탄소회수부(30)로 구성되며, 상기 가스터빈복합발전기(20)는 다시 가스터빈(21), 열회수 스팀발생기(HRSG)(22), 스팀터빈(23) 및 이와 연결된 발전기(도면 미도시)로 구성된다.
본 발명의 순산소연소 가스터빈 복합발전기(1)는 종래 FINEX 또는 COREX의 시스템을 변경할 필요없이, 단지 후에 설치하는 것만으로 조업할 수 있도록 구성되어 있다.
즉, 순산소연소 가스터빈 복합발전기(1)를 통한 고농도의 이산화탄소 회수는 다음과 같이 구현될 수 있다.
먼저, FINEX 또는 COREX 제선공정에서 배출되는 열량이 매우 낮고 탄소수가 높은 대부분 일산화탄소와 이산화탄소로 구성된 합성가스를 순산소연소기(10)로 주입하고, 이때 순산소를 상기 순산소연소기(10)에 동시에 주입시켜 준다.
이와 같은 순산소의 사용은 종래 합성가스를 공기연소시킬 경우 연소불안정성에 의해 자주 발생하던 연소실 압력진동에 의한 가스터빈의 손상 문제를 해결할 수 있게 되며, 연소실에 질소가 거의 존재하지 않아서 초저 NOx 연소를 구현할 수 있다.
상기 순산소연소기(10)에서 연소과정을 거친 연소가스는 가스터빈(21)으로 주입되어 연소가스의 흐름에 따른 터빈의 회전으로 전력 생산과정을 거치게 된다. 그리고 이때 발생한 배가스는 다시 열회수 스팀발생기(HRSG)(22)로 이송되어 배가스로부터 열을 회수하고, 이때 발생하는 스팀을 스팀터빈(23)으로 이송하여 전력을 생산하게 된다.
이처럼, 가스터빈(21), 열회수 스팀발생기(HRSG)(22) 및 스팀터빈(23)으로 구성된 가스터빈복합발전기(20)를 거쳐 배출된 배가스는 대부분 이산화탄소로 구성되어 있으며, 이와 같은 배가스의 일부는 순산소연소 가스터빈 복합발전기(1)의 열적, 유체역학적 특성을 맞추기 위해서 압축시켜 순산소연소기(10)로 재순환시키고, 그 나머지는 이산화탄소회수부(30)로 이송되어 압축 및 정제과정을 거쳐 고순도의 이산화탄소로 회수된다.
도 1은 본 발명에 따른 순산소연소 가스터빈 복합발전을 이용한 이산화탄소 회수과정을 도시한 공정도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
1 : 순산소연소 가스터빈 복합발전기
10: 순산소연소기
20: 가스터빈복합발전기
21: 가스터빈
22: 열회수스팀발생기(HRSG)
23: 스팀터빈
30: 이산화탄소회수부(30)
Claims (4)
- FINEX 또는 COREX 제선공정에서 배출되는 합성가스와, 순산소를 순산소연소기(10)에 주입하는 단계와,그 순산소연소기(10)에서 발생한 연소가스를 가스터빈복합발전기(20)로 이송하여 에너지를 발생시키는 단계와,이전 단계의 가스터빈복합발전기(20)에서 발생한 배가스 중 일부를 압축 후 순산소연소기(10)로 재순환시키고, 나머지는 이산화탄소회수부(30)로 회수하여 그 회수된 배가스를 압축 및 정제하여 이산화탄소를 회수하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 FINEX와 COREX 제선공정의 합성가스로부터 순산소연소 가스터빈 복합발전을 이용한 이산화탄소 회수 방법.
- 제 1항에 있어서, 순산소연소기(10)에 주입되는 순산소는 합성가스와 완전연소를 위해 그 합성가스에 포함된 일산화탄소와 수소 표준상태 체적유량의 50 ~ 60%에 해당하는 양으로 주입하는 것임을 특징으로 하는 FINEX와 COREX 제선공정의 합성가스로부터 순산소연소 가스터빈 복합발전을 이용한 이산화탄소 회수 방법.
- 제 1항에 있어서, 가스터빈복합발전기(20)에서 발생한 배가스는 50 ~ 80%가 순산소연소기(10)로 재순환되고, 나머지 20 ~ 50%는 이산화탄소회수부(30)로 회수됨을 특징으로 하는 FINEX와 COREX 제선공정의 합성가스로부터 순산소연소 가스터빈 복합발전을 이용한 이산화탄소 회수 방법.
- 제 1항에 있어서, 가스터빈복합발전기(20)는 순산소연소기(10)로부터 유입된 연소가스를 이용하여 에너지를 생산하는 가스터빈(21)과 그 가스터빈(21)에서 발생한 배가스로부터 열을 회수하여 스팀을 발생시키는 열회수스팀발생기(HRSG)(22)와, 그 열회수스팀발생기(22)로부터 스팀을 공급받아 에너지를 발생시키는 스팀터빈(23)으로 구성됨을 특징으로 하는 FINEX와 COREX 제선공정의 합성가스로부터 순산소연소 가스터빈 복합발전을 이용한 이산화탄소 회수 방법.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020080055607A KR20090129603A (ko) | 2008-06-13 | 2008-06-13 | Ｆｉｎｅｘ와 ｃｏｒｅｘ 제선공정의 합성가스로부터순산소연소 가스터빈 복합발전을 이용한 이산화탄소 회수방법 |
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| KR20090129603A true KR20090129603A (ko) | 2009-12-17 |
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ID=41689511
Family Applications (1)
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Country Status (1)
| Country | Link |
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| KR (1) | KR20090129603A (ko) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200066406A (ko) * | 2018-11-30 | 2020-06-10 | 주식회사 포스코 | 비숍 스크루버의 집진수 중화 장치 및 중화 방법 |
| KR102184730B1 (ko) | 2020-01-20 | 2020-11-30 | 안규철 | 순산소를 열원으로 하는 공정의 부생가스를 이용한 이산화탄소 회수 시스템 |
| KR102194763B1 (ko) | 2020-01-20 | 2020-12-23 | 김상현 | 저온 폐열을 이용한 냉각 기능을 갖는 이산화탄소 회수 시스템 |
| KR20210103805A (ko) * | 2020-02-14 | 2021-08-24 | 주식회사 포스코 | 가스 공급장치 및 가스 공급방법 |
| CN113582214A (zh) * | 2021-09-06 | 2021-11-02 | 上海源晗能源技术有限公司 | 一种绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺 |
-
2008
- 2008-06-13 KR KR1020080055607A patent/KR20090129603A/ko not_active Application Discontinuation
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| CN113582214B (zh) * | 2021-09-06 | 2022-02-18 | 上海源晗能源技术有限公司 | 一种绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺 |
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