KR20120037556A - 이산화탄소 제거기능을 갖는 석탄가스화 복합 발전시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이산화탄소 제거기능을 갖는 석탄가스화 복합 발전시스템에 관한 것으로 특히, 유입된 공기를 산소와 질소로 분리한 후 산화제로 가스화기에 산소를 공급시켜 줌과 동시에 일부는 가스 터빈의 연소용으로 공급시켜 주는 공기 분리기와; 수증기와 함께 상기 공기 분리기에서 제공하는 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화시켜 합성 가스(CO, H2, CO2, CH4, H2S 등)를 생성해 내는 가스화기와; 상기 가스화기에서 생성된 가스를 냉각시켜 가스 정제기로 제공함은 물론 스팀 터빈에 스팀을 제공하는 가스 냉각기와; 상기 가스 냉각기를 통해 냉각된 생성가스(일산화탄소, 수소, 이산화탄소와 미량의 메탄이 주성분)를 정제시켜 가스 터빈에 제공하는 가스 정제기와; 상기 가스 정제기에서 제공하는 생성가스와 상기 공기 분리기에서 제공하는 산소 및 이산화탄소 압축기에서 제공하는 이산화탄소에 의해 구동되며 이산화탄소와 물이 대부분을 차지하는 배가스를 배출하는 가스 터빈과; 상기 가스 터빈에서 배출되는 배가스에서 배출되는 배열(폐열)을 회수하여 스팀은 스팀 터빈으로 제공하고 배가스는 제습기 측으로 배출하는 배열회수 보일러와; 상기 가스 냉각기와 배열회수 보일러에서 제공되는 스팀에 의해 작동되는 스팀 터빈과; 상기 배열회수 보일러에서 배출되는 배가스 중 물을 제거하는 제습기와; 상기 제습기를 통과하며 제습된 생성가스 중 이산화 탄소를 압축시켜 파이프 라인을 통해 원격지로 수송해 줌은 물론 그 일부를 가스 터빈 측으로 제공하는 이산화탄소 압축기;로 구성한 것을 특징으로 한다.
따라서, 이산화탄소 제거에 필요한 변성 반응기와 이산화탄소 분리 및 처리기를 설치하지 않으면서도 IGCC에서 최소한의 비용으로 이산화탄소를 제거할 수 있으므로 석탄가스화 복합 발전시스템의 설비 비용을 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라 발전효율은 대폭 증대시킬 수 있는 것이다.
따라서, 이산화탄소 제거에 필요한 변성 반응기와 이산화탄소 분리 및 처리기를 설치하지 않으면서도 IGCC에서 최소한의 비용으로 이산화탄소를 제거할 수 있으므로 석탄가스화 복합 발전시스템의 설비 비용을 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라 발전효율은 대폭 증대시킬 수 있는 것이다.
Description
본 발명은 이산화탄소 제거 설비를 구비한 석탄가스화 복합 발전(Integrated Gasification Combined Cycle, 이하 "IGCC" 라 칭함)시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는 발전소용 이산화탄소 제거에 있어서 IGCC 플랜트 공정을 기존의 방법보다 간단하고 효율적인 방법을 제공함으로써 보다 경쟁력 있는 기술을 제공할 수 있도록 발명한 것이다.
최근 지구온난화 주요 원인으로 지목되고 있는 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 저감 또는 제거하기 위한 기술들이 많이 개발되고 있다.
이러한 기술 가운데 가장 상업화에 근접한 기술로서 기존 발전용 보일러에서 발생되는 배가스 중 이산화탄소를 아민 등의 용액에 흡착 제거하는 방법이 널리 알려져 있다.
하지만 이러한 기술은 발전 효율을 현저히 떨어뜨릴 뿐만 아니라, 발전 단가 또한 매우 높아지는 문제점을 갖고 있음에 따라 좀더 값싸고 경제적인 방법들이 모색되고 있다.
한편, 석탄원료로부터 전기뿐만 아니라 수소, 액화석유까지 만들 수 있는 차세대 석탄발전기술로, 석탄을 고온, 고압 아래에서 가스화시켜 전기를 생산하는 친환경 발전기술인 IGCC 기술은, 기존 보일러를 이용한 일반 화력발전소보다 발전 효율이 높을 뿐 아니라, 특히 환경 친화적인 기술로 인정받아 많은 연구와 관심이 집중되고 있다.
또한 이와 같은 IGCC 기술은 이산화탄소를 기존 석탄 보일러의 경우보다 경제적으로 이산화탄소를 제거할 수 있다는 장점이 있다.
이와 같은 기존의 이산화탄소 제거 설비를 갖춘 IGCC 기술의 원리는 가스화기와 정제 공정을 거치면 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소가 주성분으로 이루어진 생성가스가 된다. 이러한 조성을 갖는 생성가스를 터빈에 유입하기 직전 일산화탄소를 다음과 같은 반응을 거쳐 이산화탄소로 전환시킨다.
CO + H2O → CO2 + H2 ----(1)
상기 반응을 거치면 생성가스는 이산화탄소와 수소로 전환되며, 이산화탄소를 제거한 후 터빈에서 연소시킨다. 상기 반응을 거치지 않고 터빈에서 연소할 경우 터빈에 유입되는 연소용 공기에 의하여 생성된 배가스는 공기에 포함되어 있는 질소 성분 때문에 이산화탄소의 농도가 희석되는 효과로 인하여 처리될 가스의 양이 증가되어 많은 비용이 소요된다.
그런데 상기 언급된 이산화탄소 제거를 위한 공정에 있어서도 일산화탄소를 수소로 전화하기 위한 반응기가 추가로 설치되어야 하며, 또한 수소와 이산화탄소를 분리하기 위한 설비도 필요하게 되어 발전 건설 비용뿐만 아니라 발전단가 또한 상승하게 되는 등의 문제점이 있다.
도 1은 종래 이산화탄소 제거를 위한 일반 IGCC 공정에 대한 개략도를 나타낸 것이다.
이에 따르면 일반적인 IGCC 공정은, 공기 분리기(1)에서 산소와 질소를 분리한 후 산화제로서 가스화기(2)에 산소(O2)를 주입하게 되는데, 이때 도면상에는 나타나있지 않지만 가스화기(2)의 온도와 생성가스의 조성을 위하여 수증기를 주입하게 된다.
또, 상기 가스화기(2)에서 생성된 가스는 1300℃ 이상으로 CO, H2, CO2, CH4, H2S 등을 포함하고 있다. 이들 고온의 가스(즉, CO, H2, CO2, CH4, H2S 등)는 가스 냉각기(3)를 통하여 현열을 회수하여 스팀 터빈(9)에 이용됨은 물론 가스 정제기(4)를 통해 제진 및 황산화물의 처리 및 수은 등의 가스 정제 공정을 거친다.
이산화탄소를 제거하지 않는 IGCC에서는 정제된 가스를 직접 가스 터빈용 연료로 사용되어 전력을 생산하고, 가스 터빈(8)에서 배출되는 배가스를 이용하여 스팀을 생산하여 스팀 터빈(9)을 구동하게 된다.
그런데 이 과정에서 이산화탄소를 제거하는 공정이 추가되면 가스 터빈(8)에 주입되는 생성가스의 주성분은 일산화탄소, 수소, 이산화탄소가 주성분으로 앞서 언급한 바와 같이 변성 반응기(5)를 통하여 식(1)과 같은 과정을 거쳐 일산화탄소는 이산화탄소와 수소로 전화시킨 후 이산화탄소 분리기(6) 및 이산화탄소 처리기(7)를 통해 이들 가스부터 이산화탄소(CO2)를 제거하게 된다.
따라서, 공기와 함께 가스 터빈(8)에 유입되는 가스의 주성분은 수소(H2)가 되며, 이들 가스가 공기와 혼합하여 가스 터빈(8)을 가동시키고, 배출되는 배가스가 배열회수 보일러(10)에 유입되어 스팀 터빈(9)을 구동시켜 주는 스팀을 생산하게 된다.
이와 같이 이산화탄소를 제거하기 위한 수단으로 종래에는 최소한 변성 반응기(5)와 이산화탄소를 제거하기 위한 이산화탄소 분리기(6) 및 이산화탄소 처리기(7)와 같은 설비가 추가적으로 필요하며, 이로 인한 발전설비의 추가 비용 내지는 발전효율의 저하를 초래하게 되는 것이다.
본 발명은 이와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 가스 터빈에 유입되는 공기대신 산소를 주입시켜 가스 터빈을 구동하고, 가스 터빈에서 배출되는 가스가 이산화탄소와 물이 주성분이 되도록 함으로써 IGCC에서 최소한의 비용으로 이산화탄소를 제거할 수 있어 발전설비 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 발전효율을 대폭 증대시킬 수 있는 이산화탄소 제거기능을 갖는 석탄가스화 복합 발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
즉, 본 발명은 가스터빈에서 배출되는 배가스의 현열을 회수한 뒤 냉각 제습 공정만 거치면 이산화탄소만 남게 되어 이를 압축 냉각할 경우 별도의 공정 없이 손쉽게 이산화탄소의 제거가 가능하게 되어 이를 위한 건설비용 및 발전 단가를 대폭 낮출 수 있는 이산화탄소 제거기능을 갖는 석탄가스화 복합 발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유입된 공기를 산소와 질소로 분리한 후 산화제로 가스화기에 산소를 공급시켜 줌과 동시에 일부는 가스 터빈의 연소용으로 공급시켜 주는 공기 분리기와; 수증기와 함께 상기 공기 분리기에서 제공하는 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화시켜 합성 가스(CO, H2, CO2, CH4, H2S 등)를 생성해 내는 가스화기와; 상기 가스화기에서 생성된 가스를 냉각시켜 가스 정제기로 제공함은 물론 스팀 터빈에 스팀을 제공하는 가스 냉각기와; 상기 가스 냉각기를 통해 냉각된 생성가스(일산화탄소, 수소, 이산화탄소와 미량의 메탄이 주성분)를 정제시켜 가스 터빈에 제공하는 가스 정제기와; 상기 가스 정제기에서 제공하는 생성가스와 상기 공기 분리기에서 제공하는 산소 및 이산화탄소 압축기에서 제공하는 이산화탄소에 의해 구동되며 이산화탄소와 물이 대부분을 차지하는 배가스를 배출하는 가스 터빈과; 상기 가스 터빈에서 배출되는 배가스에서 배출되는 배열(폐열)을 회수하여 스팀은 스팀 터빈으로 제공하고 배가스는 제습기 측으로 배출하는 배열회수 보일러와; 상기 가스 냉각기와 배열회수 보일러에서 제공되는 스팀에 의해 작동되는 스팀 터빈과; 상기 배열회수 보일러에서 배출되는 배가스 중 물을 제거하는 제습기와; 상기 제습기를 통과하며 제습된 생성가스 중 이산화 탄소를 압축시켜 파이프 라인을 통해 원격지로 수송해 줌은 물론 그 일부를 가스 터빈 측으로 제공하는 이산화탄소 압축기;로 구성한 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 이산화탄소 제거기능을 갖는 석탄가스화 복합 발전시스템에 의하면, 이산화탄소 제거에 필요한 변성 반응기와 이산화탄소 분리 및 처리기를 설치하지 않으면서도 IGCC에서 최소한의 비용으로 이산화탄소를 제거할 수 있으므로 석탄가스화 복합 발전시스템의 설비 비용을 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라 발전효율은 대폭 증대시킬 수 있는 등 매우 유용한 발명인 것이다.
도 1은 종래 석탄가스화 복합 발전시스템의 블록 구성도.
도 2는 본 발명의 석탄가스화 복합 발전시스템에 대한 블록 구성도.
도 2는 본 발명의 석탄가스화 복합 발전시스템에 대한 블록 구성도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 석탄가스화 복합 발전시스템에 대한 블록 구성도를 나타낸 것이다.
이에 따르면 본 발명의 석탄가스화 복합 발전시스템은,
유입된 공기를 산소와 질소로 분리한 후 산화제로 가스화기(2)에 산소를 공급시켜 줌과 동시에 일부는 가스 터빈(8)의 연소용으로 공급시켜 주는 공기 분리기(1)와;
수증기와 함께 상기 공기 분리기(1)에서 제공하는 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화시켜 합성 가스(CO, H2, CO2, CH4, H2S 등)를 생성해 내는 가스화기(2)와;
상기 가스화기(2)에서 생성된 가스를 냉각시켜 가스 정제기(4)로 제공함은 물론 스팀 터빈(9)에 스팀을 제공하는 가스 냉각기(3)와;
상기 가스 냉각기(3)를 통해 냉각된 생성가스(일산화탄소, 수소, 이산화탄소와 미량의 메탄이 주성분)를 정제시켜 가스 터빈(8)에 제공하는 가스 정제기(4)와;
상기 가스 정제기(4)에서 제공하는 생성가스와 상기 공기 분리기(1)에서 제공하는 산소 및 이산화탄소 압축기(12)에서 제공하는 이산화탄소에 의해 구동되며 이산화탄소와 물이 대부분을 차지하는 배가스를 배출하는 가스 터빈(8)과;
상기 가스 터빈(8)에서 배출되는 배가스에서 배출되는 배열(폐열)을 회수하여 스팀은 스팀 터빈(9)으로 제공하고 배가스는 제습기(11) 측으로 배출하는 배열회수 보일러(10)와;
상기 가스 냉각기(3)와 배열회수 보일러(10)에서 제공되는 스팀에 의해 작동되는 스팀 터빈(9)과;
상기 배열회수 보일러(10)에서 배출되는 배가스에 포함되어 있는 물을 제거하는 제습기(11)와;
상기 제습기(11)를 통과하며 제습된 생성가스 중 이산화 탄소를 압축시켜 파이프 라인을 통해 원격지로 수송해 줌은 물론 그 일부를 가스 터빈(8) 측으로 제공하는 이산화탄소 압축기(12);로 구성한 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성된 본 발명 장치의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명 장치는 크게 공기 분리기(1)와 가스화기(2), 가스 냉각기(3), 가스 정제기(4), 가스 터빈(8), 배열회수 보일러(10), 스팀 터빈(9), 제습기(11) 및 이산화탄소 압축기(12)로 이루어진 것을 주요기술 구성요소로 한다.
이때, 상기 공기 분리기(1)는 유입된 공기를 산소와 질소로 분리한 후 산화제로 가스화기(2)에 산소를 공급시켜 줌은 물론 종래와 달리 일부 산소를 가스 터빈(8)의 연소용으로 공급시켜 주는 기능을 수행하게 된다.
또, 상기 가스화기(2)는 온도와 생성가스의 조성을 위하여 수증기가 유입되는 구성을 갖고 상기 공기 분리기(1)에서 제공되는 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화시켜 합성 가스(CO, H2, CO2, CH4, H2S 등)를 생성해 내게 된다.
또한, 상기 가스 냉각기(3)는 가스화기(2)에서 생성된 가스를 냉각시켜 가스 정제기(4)로 제공함은 물론 스팀 터빈(9)에 스팀을 제공하는 기능을 수행하게 되며, 상기 가스 정제기(4)는 가스 냉각기(3)를 통해 냉각된 생성가스 즉, 일산화탄소, 수소, 이산화탄소와 미량의 메탄이 주성분인 생성가스를 정제시켜 가스 터빈(8)에 제공하게 된다.
한편, 상기 가스 터빈(8)은 가스 정제기(4)에서 제공하는 생성가스와 상기 공기 분리기(1)에서 제공하는 산소 및 이산화탄소 압축기(12)에서 제공하는 이산화탄소에 의해 구동되며 이산화탄소와 물이 대부분을 차지하는 배가스를 배출하게 되고, 상기 배열회수 보일러(10)는 가스 터빈(8)에서 배출되는 배가스에서 배출되는 배열(폐열)을 회수하여 스팀은 스팀 터빈(9)으로 제공하고 배가스는 제습기(11) 측으로 배출하는 기능을 수행하게 된다.
또, 상기 스팀 터빈(9)은 가스 냉각기(3)와 배열회수 보일러(10)에서 각각 제공되는 스팀에 의해 작동된다.
또한, 종래와 달리 설치된 상기 제습기(11)는 배열회수 보일러(10)에서 배출되는 배가스에 포함되어 있는 물을 제거하게 되고, 상기 이산화탄소 압축기(12)는 제습기(11)를 통과하며 제습된 생성가스 중 이산화 탄소를 압축시켜 파이프 라인을 통해 원격지로 수송해 줌은 물론 그 일부를 가스 터빈(8) 측으로 제공하는 기능을 수행하게 된다.
다시 말해서 본 발명은 석탄가스화 복합 발전시스템에서 이산화탄소 제거를 위해 사용되던 변성 반응기와 이산화탄소 분리 및 처리기를 설치하지 않으면서도 이산화탄소를 손쉽게 제거할 수 있도록 한 것으로, 공기 분리기(1)에서 분리된 산소 일부를 가스 터빈(8)의 연소용 공기 대신 주입하여 가스 터빈(8)을 구동하는 것을 주요기술 구성요소로 한다.
한편 상기 가스화기(2)에서 발생된 생성가스를 가스 냉각기(3)와 가스 정제기(4)를 거치면 생성가스의 조성은 일산화탄소, 수소, 이산화탄소와 미량의 메탄이 주성분이 되며, 이들 가스를 가스 터빈(8)에서 공기 대신 산소를 주입할 경우 배가스는 이산화탄소와 물이 대부분을 차지하게 된다.
따라서, 배가스 중 물을 제거하기 위한 제습기(11)만 설치하여 운전하면 별도의 변성 반응기와 이산화탄소 분리기 없이도 이산화탄소만 남게 된다.
한편, 상기 가스 터빈(8)에 산소만을 주입할 경우 가스 터빈(8)의 급격한 연소와 온도상승이 야기되므로 이를 제어하기 위하여 이산화탄소 압축기(12)로부터 나오는 이산화탄소 일부를 재순환시켜 공기 분리기(1)로부터 유입되는 산소와 혼합하여 가스 터빈(8)에 공급하고, 여기서 얻어진 이산화탄소는 다시 압축하여 파이프라인 수송을 통하여 처리가 가능하게 함으로써 종래 알려진 기술보단 매우 간단한 방법으로 이산화탄소를 제거할 수 있는 것이다.
상술한 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.
1 : 공기 분리기
2 : 가스화기
3 : 가스 냉각기
4 : 가스 정제기
5 : 변성 반응기
6 : 이산호탄소 분리기
7 : 이산화탄소 처리기
8 : 가스 터빈
9 : 가스 터빈
10 : 배열회수 보일러
11 : 제습기
12 : 이산화탄소 압축기
2 : 가스화기
3 : 가스 냉각기
4 : 가스 정제기
5 : 변성 반응기
6 : 이산호탄소 분리기
7 : 이산화탄소 처리기
8 : 가스 터빈
9 : 가스 터빈
10 : 배열회수 보일러
11 : 제습기
12 : 이산화탄소 압축기
Claims (1)
- 유입된 공기를 산소와 질소로 분리한 후 산화제로 가스화기에 산소를 공급시켜 줌과 동시에 일부는 가스 터빈의 연소용으로 공급시켜 주는 공기 분리기와;
수증기와 함께 상기 공기 분리기에서 제공하는 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화시켜 합성 가스를 생성해 내는 가스화기와;
상기 가스화기에서 생성된 가스를 냉각시켜 가스 정제기로 제공함은 물론 스팀 터빈에 스팀을 제공하는 가스 냉각기와;
상기 가스 냉각기를 통해 냉각된 생성가스를 정제시켜 가스 터빈에 제공하는 가스 정제기와;
상기 가스 정제기에서 제공하는 생성가스와 상기 공기 분리기에서 제공하는 산소 및 이산화탄소 압축기에서 제공하는 이산화탄소에 의해 구동되며 이산화탄소와 물이 대부분을 차지하는 배가스를 배출하는 가스 터빈과;
상기 가스 터빈에서 배출되는 배가스에서 배출되는 배열(폐열)을 회수하여 스팀은 스팀 터빈으로 제공하고 배가스는 제습기 측으로 배출하는 배열회수 보일러와;
상기 가스 냉각기와 배열회수 보일러에서 제공되는 스팀에 의해 작동되는 스팀 터빈과;
상기 배열회수 보일러에서 배출되는 배가스 중 물을 제거하는 제습기와;
상기 제습기를 통과하며 제습된 생성가스 중 이산화 탄소를 압축시켜 파이프 라인을 통해 원격지로 수송해 줌은 물론 그 일부를 가스 터빈 측으로 제공하는 이산화탄소 압축기;로 구성한 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거기능을 갖는 석탄가스화 복합 발전시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100099081A KR20120037556A (ko) | 2010-10-12 | 2010-10-12 | 이산화탄소 제거기능을 갖는 석탄가스화 복합 발전시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100099081A KR20120037556A (ko) | 2010-10-12 | 2010-10-12 | 이산화탄소 제거기능을 갖는 석탄가스화 복합 발전시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20120037556A true KR20120037556A (ko) | 2012-04-20 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020100099081A Ceased KR20120037556A (ko) | 2010-10-12 | 2010-10-12 | 이산화탄소 제거기능을 갖는 석탄가스화 복합 발전시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| KR (1) | KR20120037556A (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140038833A (ko) * | 2012-09-21 | 2014-03-31 | 한국전력공사 | 산성가스 포집장치 |
| KR20150083068A (ko) | 2015-06-30 | 2015-07-16 | 두산중공업 주식회사 | 가이드 베인을 구비한 합성가스 냉각기의 가이드 베인 냉각장치 및 냉각방법, 비회 제거장치 및 제거방법, 그리고 그를 이용한 석탄가스화 복합 발전플랜트 |
| CN113941236A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-01-18 | 华泰永创(北京)科技股份有限公司 | 干熄焦烟气处理系统及其方法 |
-
2010
- 2010-10-12 KR KR1020100099081A patent/KR20120037556A/ko not_active Ceased
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