KR20130102058A - 이산화탄소의 포획 방법 및 이산화탄소 포획 장치를 갖춘 가스 터빈 시설 - Google Patents

이산화탄소의 포획 방법 및 이산화탄소 포획 장치를 갖춘 가스 터빈 시설 Download PDF

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Abstract

먼저 제1 흡수 공정(2)에서는 공급된 이산화탄소 함유 천연가스(6)를 용제(9)의 제1 지류(7)와 접촉시킴으로써 이산화탄소가 흡수된다. 이 공정에서는, 이산화탄소 감손 천연가스(10)와 이산화탄소 부화 용제(11)가 형성된다. 이어서 연소 공정(3)에서, 이산화탄소 감손 천연가스(10)가 연소되고 이산화탄소 함유 배기가스(12)가 형성된다. 이어서 제2 흡수 공정(4)에서는 이산화탄소 함유 배기가스(12)를 용제(9)의 제2 지류(8)와 접촉시킴으로써 이산화탄소가 흡수된다. 이 공정에서는 이산화탄소가 없는 배기가스(13)와 이산화탄소 부화 용제(11)가 형성된다. 이어서 탈착 공정(5)에서는 이산화탄소 부화 용제(11)의 제1 지류(7)와 제2 지류(8)가 합쳐지고, 열 에너지(15)를 공급함으로써 이산화탄소(14)가 탈착되며, 이산화탄소 감손 용제(9)가 형성된다.

Description

이산화탄소의 포획 방법 및 이산화탄소 포획 장치를 갖춘 가스 터빈 시설{METHOD FOR REMOVING CARBON DIOXIDE, AND ALSO GAS TURBINE PLANT WITH CARBON DIOXIDE REMOVAL}
본 발명은 제1 흡수 공정, 연소 공정, 제2 흡수 공정 및 탈착 공정에 의해 이산화탄소를 포획하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 연료측에서 연료가스 라인에 연결되고, 그 배기가스관이 하류의 이산화탄소 포획 장치에 연결되는 가스 터빈을 구비한 가스 터빈 시설에 관한 것이다.
전기를 생성하기 위한 화석 연료 연소식 발전 시설에서 수행되는 화석 연료의 연소는 이산화탄소 함유 배기가스를 생성한다. 이산화탄소의 배출을 방지하거나 저감하기 위해서는 이산화탄소가 배기가스로부터 분리되어야 한다. 가스 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하기 위한 다양한 방법이 일반적으로 공지되어 있다.
특히, 흡수-탈착 방법이 연소 공정 후에 배기가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위해 흔히 사용된다(연소후 CO2 포획, 즉 후포획(Post Cap)). 큰 산업적 규모로 이런 방법을 사용할 때 이산화탄소는 주위 대기압에서 흡수제를 사용하여 배기가스로부터 제거된다. 종래의 흡수-탈착 공정에서는, 배기가스가 흡수 컬럼의 흡수제로 선택된 용제와 접촉함으로써 이산화탄소가 용제에 의해 흡수된다. 이산화탄소 부화된(enriched) 용제는 이산화탄소를 분리하고 용제를 재생시키기 위해 탈착 컬럼으로 전달된다. 용제는 가열되고(가능하게는 감압되고), 이로써 이산화탄소가 다시 탈착되고 재생 용제가 형성된다. 재생 용제는 다시 흡수 컬럼으로 전달되어 다시 이산화탄소 함유 배기가스로부터 이산화탄소를 흡수할 수 있다. 보통의 흡수제는 이산화탄소가 분리되도록 우수한 선택력과 높은 수용력(capacity)을 나타낸다. 특히 적절한 흡수제는 예컨대 모노에탄올아민과 같은 아민계 흡수제이다. 화학 공업에서도 아민 용액은 흡수제로서 일반적으로 사용된다.
CO의 전이(shift)와 물리적 이산화탄소 제거(scrubbing)가 상승된 압력에서 진행되는 (석탄가스화복합발전(IGCC) 개념), 연소전 CO2 포획(사전 포획(Pre Cap)) 방법은 연소 공정 전에 이산화탄소를 분리하기 위해 흔히 사용된다.
표준 천연가스를 가스 터빈용 연소 연료로서 사용할 때, 이산화탄소는 바람직하게는 예혼합(premix) 연소에 의한 표준 가스 터빈에서의 연소 후에 배기가스로부터 분리된다. 표준 천연가스는 이 경우에는 상대적으로 높은 열량과 낮은 불활성 가스(예컨대 질소 또는 이산화탄소) 비율에 의해 구분된다.
한편, 예컨대 이산화탄소 함량이 높은(예컨대 이산화탄소 함량이 30% 내지 70%인) 천연가스와 같은 높은 비율의 불활성 가스를 함유하는 "저질(lean)" 천연가스의 경우에는 상기 가스는 표준 가스 터빈에서의 연소를 위해 먼저 조절되어야 한다.
이를 위해, 예컨대 상등급 천연가스가 저질 천연가스와 혼합되어, 표준가스 터빈에서의 연소를 가능하게 하는 메탄 함량까지 부화될 수 있다. 산소를 이용한 연소와 후속되는 물 응축에 의해 저질 천연가스가 표준 가스 터빈에서 연소될 수 있도록 하는 것도 가능하다. 그러나 이들 변형은 고비용과 추가 가스를 필요로 한다.
대안으로서, 저열량 저질 천연가스에 특화되도록 가스 터빈을 개조하는 것도 가능하다. 그러나 이는 기계 모델에 따라서 막대한 개발 비용을 수반할 수 있다.
그러므로 본 발명의 목적은 한편으론 저질 천연가스를 표준 가스 터빈과 함께 사용할 수 있도록 하고, 다른 한편으론 연소로 인해 발생하는 이산화탄소의 포획을 보장하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 제1항에 의한 방법에 따라 달성된다.
본 발명은 이산화탄소 함량이 높은 천연가스가 연소 공정에 앞서 우선 이산화탄소 포획 공정을 겪도록 하는 사상에 기초한다. 천연가스에 함유된 이산화 탄소는 화학적 흡수 공정으로 인해 대부분이 용제에 의해 흡수되는 과정을 거치게 된다. 따라서 이산화탄소 감손 천연가스가 후속(downstream) 연소 공정에 사용 가능하다. 천연가스의 연소를 통해 발생하는 이산화탄소는 후속 포획 공정에서 흡수된다. 이때의 포획 공정은 배기가스가 용제에 의해 세척되는 흡수기와 탈착기(desorber)로 구성된다. 본 발명에 따르면, 연소 전(upstream)의 흡수 공정과 연소 후(downstream)의 흡수 공정에서 나오는 이산화탄소 부화 용제는 탈착기로 함께 공급된다.
따라서 본 발명은 한편으로는 연소 공정 전의 흡수 공정을 특히 유리하게는 연소 공정 후의 흡수 공정과 조합하는 것을 특징으로 한다. 상이한 압력에서 진행될 수 있는 단계적인 흡수 공정은 추가로 특히 유리하게는 상호연결되며, 그 결과 양측 흡수 공정을 위해 오직 하나의 용제와 오직 하나의 탈착 공정만 설치되어야 한다. 연소 공정 전의 흡수 공정은 높은 압력 수준으로 인해 현저히 더 치밀해질 수도 있다.
따라서 본 발명으로 인해 이산화탄소 함량이 높은 연료가스나 천연가스가 존재하더라도 예혼합 연소 시스템을 갖춘 표준 가스 터빈을 사용하는 것이 가능하다. 이렇게 하여 낮은 NOx 배출이 달성될 수 있다. 연료가스로부터의 포획과 더불어, 전체 배기가스의 현저한 감소가 예상될 수 있다. 대체로 본 발명으로 인해 이산화탄소 함량이 매우 높은 연료가스나 천연가스가 사용될 수 있고, 전반적으로 높은 수준의 이산화탄소 포획이 이루어질 수 있다. 이렇게 하여 해당 시설에 투여되는 자본과 운영비가 종래 기술에 비해 현저히 저감될 수 있다.
본 발명의 유리한 발전 양태에서, 연소 공정 전의 제1 흡수 공정은 연소 공정 후의 제2 흡수 공정보다 보다 높은 압력에서 가동된다. 이렇게 하여 제1 흡수 공정은 예컨대 가스전(gas field)에서 추출된 후 시설에 도달할 때의 연료가스나 천연가스의 송출 압력에서 가동될 수 있다. 이런 가스 압력은 바람직하게는 20 bar와 30 bar 사이이다. 연료가스나 천연가스가 상대적으로 낮은 압력 수준에 있는 경우에는, 제1 흡수 공정은 낮은 압력 범위에서(주위 대기압에서) 수행될 수도 있다. 이 경우 제1 흡수 공정에 의해 감손되는 연료가스는 질량 유량이 비교적 낮기 때문에 이어서 연소 공정에 필요한 압력까지 압축되어야 한다. 제2 흡수 공정과 탈착 공정은 바람직하게는 주위 대기압에서 가동된다.
본 발명에 따른 방법의 유리한 추가 발전 양태에서, 탈착 공정에 필요한 열은 연소 공정에 의해 제공된다. 이를 위해 열은 열 교환 공정을 통해 연료가스관으로부터 제거되어 탈착 공정으로 공급된다. 이렇게 하여 탈착 공정은 시설에서 입수 가능한 (잉여) 에너지에 의해 합리적으로 가동될 수 있다.
재생 상태로 탈착 공정을 떠나는 용제는 제1 흡수 공정에 공급되는 제1 지류(sub-stream)와 제2 흡수 공정에 공급되는 제2 지류로 편리하게 세분된다.
본 방법은 바람직하게는 가스 터빈 발전 시설이나 가스 및 증기 터빈 발전 시설에 사용된다. 이 경우, 발전 시설은 가스 터빈과, 가스 터빈의 하류에 배열되는 이산화탄소 포획 장치와, 가스 터빈의 상류에 배열되는 제1 흡수기를 포함한다.
이산화탄소를 흡수하기 위해 사용되는 용제는 바람직하게는 수성 아미노산염 용액이다. 그러나 이론상으로는 다른 용제도 가능하다.
장치와 관련한 본 발명의 목적은 청구항 제6항의 특징에 의해 달성된다.
이하 본 발명에 따른 방법의 실시예를 참조하여 더 상세히 본 발명을 설명한다.
도 1은 이산화탄소 포획 방법(1)을 도시하며, 실질적으로 제1 흡수 공정(2), 연소 공정(3), 제2 흡수 공정(4) 및 탈착 공정(5)을 포함한다. 제1 흡수 공정(2)은 이산화탄소 함량이 높은 천연가스(6)가 연료가스 라인(22)을 통해 공급되는 제1 흡수기(24)를 포함한다. 용제(9)는 제1 지류(7)를 통해 제1 흡수기(24)로 추가 공급된다. 천연가스(6)에서 나오는 이산화탄소는 압력하에서 용제(9)에 의해 흡수되며, 그 결과 한편으로는 이산화탄소 감손 천연가스(10)가 연료가스 라인(22)을 통해 높은 압력하에서 제1 흡수 공정을 떠나고, 다른 한편으로는 이산화탄소 부화 용제(11)가 배출된다.
이어서 이산화탄소 감손 천연가스(10)가 가스 터빈 시설(20)의 구성 부분이며 가스 터빈(21)을 포함하는 연소 공정(3)으로 공급된다. 이산화탄소 감손 천연가스(10)의 연소로 인해 배기가스관(28)을 통해 제2 탈착 공정(4)으로 공급되는 이산화탄소 함유 배기가스(12)가 생성된다. 증기 터빈용 증기를 생성하는 증기 생성 공정이 배기가스관(28)에 연결될 수 있다.
제2 흡수 공정(4)은 이산화탄소 함유 배기가스(12)가 제2 지류(8)를 통해 용제(9)와 함께 공급되는 제2 흡수기(26)를 포함한다. 이산화탄소 함유 배기가스(12)에서 나오는 이산화탄소는 실질적으로 대기압하에서 용제(9)에 의해 흡수되며, 그 결과 한편으론 이산화탄소가 대부분 제거된 배기가스(13)와 다른 한편으론 이산화탄소 부화 용제(11)가 제2 흡수 공정(4)으로부터 배출된다.
제1 흡수 공정(2)과 제2 흡수 공정(4)에서 나오는 이산화탄소 부화 용제(11)는 탈착 공정(5)으로 함께 공급된다. 탈착 공정은 이산화탄소 부화 용제가 달여지고(decocted) 이산화탄소가 탈착되는 탈착기(25)를 포함한다. 분리된 이산화탄소(14)와 용제(9)는 탈착 공정으로부터 배출되고, 용제가 재생된다.
탈착기(25)를 가열하기 위한 열 에너지(15)는 라인(30)을 통해 뜨거운 이산화탄소 함유 배기가스(12)로부터 제거된다. 이를 위해 열 에너지는 리보일러(reboiler)(29)를 매개로 한 열 교환에 의해 탈착기로 공급된다.
연소 공정(3)의 하류에 배열되는 제2 흡수 공정(4)과 탈착 공정(5)은 연소후 CO2 포획 공정으로서 공지된 바와 같은 이산화탄소 포획 장치를 자체로 형성한다.

Claims (9)

  1. 이산화탄소 포획 방법(1)이며,
    제1 흡수 공정(2)에서는 공급된 이산화탄소 함유 천연가스(6)를 용제(9)의 제1 지류(7)와 접촉시킴으로써 이산화탄소가 흡수되고, 이산화탄소 감손 천연가스(10)와 이산화탄소 부화 용제(11)가 형성되며,
    연소 공정(3)에서는 상기 이산화탄소 감손 천연가스(10)가 연소되고 이산화탄소 함유 배기가스(12)가 형성되며,
    제2 흡수 공정(4)에서는 상기 이산화탄소 함유 배기가스(12)를 용제(9)의 제2 지류(8)와 접촉시킴으로써 이산화탄소가 흡수되고, 이산화탄소가 제거된 배기가스(13)와 이산화탄소 부화 용제(11)가 형성되며,
    탈착 공정(5)에서는 상기 이산화탄소 부화 용제(11)의 상기 제1 지류(7)와 상기 제2 지류(8)가 합쳐지고 이산화탄소(14)가 열 에너지(15)의 입력을 통해 탈착되고 이산화탄소 감손 용제(9)가 형성되는 이산화탄소 포획 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 흡수 공정(2)은 제1 압력(P1)에서 수행되며, 상기 압력(P1)은 공급된 이산화탄소 함유 천연가스(6)의 압력에 대응하고 상기 제2 흡수 공정(4)에서 설정되는 압력(P2)보다 높게 설정되는 이산화탄소 포획 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탈착 공정(5)을 위한 상기 열 에너지(15)는 상기 이산화탄소 함유 배기가스(12)로부터 추출되는 이산화탄소 포획 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용제(9)는 제1 지류(7)와 제2 지류(8)로 세분되며, 상기 제1 지류(7)는 상기 제1 흡수 공정(2)에 공급되고 상기 제2 지류(8)는 상기 제2 흡수 공정(4)에 공급되는 이산화탄소 포획 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 터빈(21)과, 하류의 이산화탄소 포획 장치(23)와, 상기 가스 터빈의 상류에 배열되는 제1 흡수기(24)를 구비한 가스 터빈 발전 시설에 사용되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포획 방법.
  6. 가스 터빈(21)을 구비한 가스 터빈 시설(20)로서, 연료측에서 연료가스 라인(22), 특히 천연가스 라인에 연결되고, 배기가스관(28)이 하류의 이산화탄소 포획 장치(23)에 연결되고, 이산화탄소 포획 장치(23)는 제2 흡수기(26)와 탈착기(25)를 포함하는, 가스 터빈 시설(20)에 있어서,
    제1 흡수기(24)는 상기 연료가스 라인(22)에 연결되고, 상기 제1 흡수기는 흡수제 라인(27)을 통해 상기 탈착기(25)에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 시설(20).
  7. 제6항에 있어서, 상기 탈착기(25)는 리보일러(29)를 포함하며, 열 교환기가 상기 배기가스관에 연결되되 상기 열 교환기는 라인(30)을 통해 상기 리보일러(29)에 연결됨으로써, 상기 배기가스관(28)으로부터의 열이 상기 탈착기(25)로 전달될 수 있는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 시설(20).
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제1 흡수기(24)는 상기 천연가스 라인(22)의 압력을 위해 구성되는 고압력 흡수기이고, 상기 제2 흡수기(26)는 주위 대기압을 위해 구성되는 저압력 흡수기인 것을 특징으로 하는 가스 터빈 시설(20).
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 가스 터빈 시설(20)을 포함하는 가스 및 증기 터빈 시설이며,
    상기 배기가스측에서 상기 가스 터빈(21)의 하류에 배열되는 보일러와 상기 보일러에 의해 구동되는 증기 터빈을 구비한 가스 및 증기 터빈 시설.
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