KR20140038672A

KR20140038672A - 이산화탄소 제거공정을 이용한 석탄가스화 복합 발전시스템

Info

Publication number: KR20140038672A
Application number: KR1020120105041A
Authority: KR
Inventors: 김정래; 정성훈
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-03-31

Abstract

본 발명은 이산화탄소 제거공정을 이용한 석탄가스화 복합 발전시스템에 관한 것으로서, 유입된 공기를 산소와 질소로 분리한 후 산화제로 가스화기에 산소를 공급시켜 줌과 동시에 일부는 가스 터빈의 연소용으로 공급시켜 주는 공기 분리기와; 이산화탄소와 함께 상기 공기 분리기에서 제공하는 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화시켜 합성 가스를 생성해 내는 가스화기와; 상기 가스화기에서 생성된 가스를 냉각시켜 수성가스 전환기에 제공함은 물론 스팀 터빈에 스팀을 제공하는 가스 냉각기와; 상기 가스 냉각기를 통해 냉각된 생성가스를 정제시켜 이산화탄소 분리기에 제공하는 가스 정제기와; 상기 가스 정제기에서 전달되는 생성가스에서 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소 처리기에 공급함과 동시에 가스 터빈에 수성 가스를 제공하는 이산화탄소 분리기와; 상기 이산화탄소 분리기를 통해 전달되는 이산화탄소를 배출함과 동시에 상기 가스화기에 이산화탄소를 제공하는 이산화탄소 처리기와; 상기 이산화탄소 분리기에서 제공하는 생성가스 및 유입된 압축 공기와 상기 공기 분리기에서 제공하는 질소에 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 배출하는 폐열 보일러와; 상기 가스 냉각기와 폐열 보일러에서 제공되는 스팀에 의해 작동되는 스팀 터빈;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 이산화탄소 제거 공정을 통해 분리된 이산화탄소를 가스화기에 공급함으로써 이산화탄소의 효율적 사용을 도모할 수 있으며 고압 스팀을 대신 함으로서 스팀 터빈의 부하 변동 없이 공정의 효율을 높일 수 있을 있는 효과가 있다.

Description

이산화탄소 제거공정을 이용한 석탄가스화 복합 발전시스템{IGCC with CO2 Removal System}

본 발명은 이산화탄소 제거공정을 이용한 석탄가스화 복합 발전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화탄소 제거 공정을 통해 분리된 이산화탄소를 가스화기에 공급하여 공정효율을 높일 수 있도록 한 이산화탄소 제거공정을 이용한 석탄가스화 복합 발전시스템에 관한 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 높은 분압과 처리유량이 적은 특성으로 인해 기존 석탄 보일러의 경우보다 경제적으로 이산화탄소를 제거할 수 있다는 장점이 있다.

이와 같은 기존의 이산화탄소 제거 설비를 갖춘 IGCC 기술의 원리는 [0007] 가스화기와 정제 공정을 거치면 일산화탄소 및 수소가 주성분으로 이루어진 생성가스가 된다. 이러한 조성을 갖는 생성가스를 터빈에 유입하기 직전 일산화탄소를 다음과 수성가스 전환 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 전환하기 위한 수성가스 전환 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 고압의 수증기를 동시에 주입하여 다음의 수성가스화 반응을 통해 가스화기(2)의 온도와 생성가스의 조성을 조절한다.

C + H2O → CO + H2 ----(2)

상기 수성가스화 반응은 흡열 반응으로서 가스화기(2) 내부 온도의 폭주현상을 방지하고 합성가스 내 수소의 분율을 증가시킨다.

또한 상기 가스화기(2)에서 생성된 가스는 1300℃ 이상으로 CO, H2 및 CO2 가 주 성분으로 소량의 CH4, H2S 을 포함하고 있다. 이들 고온의 가스는 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 가스화기(2)를 통해 생성된 합성가스(즉, CO, H2)는 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.

그러나 종래의 석탄가스화 복합 발전시스템은 가스화기에 가압 스팀을 공급하여 수성 가스화반응을 통해 반응 온도 및 반응 수율을 조절함에 따라서 스팀 터빈의 발전량이 저하되고 전체 공정 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허 제2010-0085089호 대한민국 공개특허 제2011-0058014호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이산화탄소 제거 공정을 통해 분리된 이산화탄소를 고압 스팀을 대신하여 가스화기에 공급함으로써 스팀 터빈의 부하 변동 없이 공정의 효율을 높일 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 유입된 공기를 산소와 질소로 분리한 후 산화제로 가스화기에 산소를 공급시켜 줌과 동시에 일부는 가스 터빈의 연소용으로 공급시켜 주는 공기 분리기와; 이산화탄소와 함께 상기 공기 분리기에서 제공하는 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화시켜 합성 가스를 생성해 내는 가스화기와; 상기 가스화기에서 생성된 가스를 냉각시켜 수성가스 전환기에 제공함은 물론 스팀 터빈에 스팀을 제공하는 가스 냉각기와; 상기 가스 냉각기를 통해 냉각된 생성가스를 정제시켜 이산화탄소 분리기에 제공하는 가스 정제기와; 상기 가스 정제기에서 전달되는 생성가스에서 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소 처리기에 공급함과 동시에 가스 터빈에 수성 가스를 제공하는 이산화탄소 분리기와; 상기 이산화탄소 분리기를 통해 전달되는 이산화탄소를 배출함과 동시에 상기 가스화기에 이산화탄소를 제공하는 이산화탄소 처리기와; 상기 이산화탄소 분리기에서 제공하는 생성가스 및 유입된 압축 공기와 상기 공기 분리기에서 제공하는 질소에 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 배출하는 폐열 보일러와; 상기 가스 냉각기와 폐열 보일러에서 제공되는 스팀에 의해 작동되는 스팀 터빈;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 이산화탄소 제거 공정을 통해 분리된 이산화탄소를 가스화기에 공급함으로써 이산화탄소의 효율적 사용을 도모할 수 있으며 고압 스팀을 대신 함으로서 스팀 터빈의 부하 변동 없이 공정의 효율을 높일 수 있을 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 석탄가스화 복합 발전시스템을 나타낸 블록 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 제거공정을 이용한 석탄가스화 복합 발전시스템을 나타낸 블록 구성도.

이하, 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조로 설명하면, 도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 제거공정을 이용한 석탄가스화 복합 발전시스템을 나타낸 블록 구성도이다.

본원발명인 이산화탄소 제거공정을 이용한 석탄가스화 복합 발전시스템(100)은, 유입된 공기를 산소와 질소로 분리한 후 산화제로 가스화기(130)에 산소를 공급시켜 줌과 동시에 일부는 가스 터빈(180)의 연소용으로 공급시켜 주는 공기 분리기(110)와, 이산화탄소와 함께 상기 공기 분리기(110)에서 제공하는 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화시켜 합성 가스(CO, H2, CO2, CH4 등)를 생성해 내는 가스화기(120)와, 상기 가스화기(120)에서 생성된 가스를 냉각시켜 수성가스 전환기(140)에 제공함은 물론 스팀 터빈(200)에 스팀을 제공하는 가스 냉각기(130)와, 상기 가스 냉각기(130)를 통해 냉각된 생성가스를 수성가스 전환 반응을 통해 CO를 CO2 및 H2로 전환하는 수성가스 전환기(140)와, 상기 수성가스 전환기(140)를 통해 전달되는 수성 가스(수소, 이산화탄소와 미량의 메탄이 주성분)를 정제시켜 이산화탄소 분리기(180)에 제공하는 가스 정제기(150)와, 상기 가스 정제기(150)에서 전달되는 생성가스에서 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소 처리기(170)에 공급함과 동시에 가스 터빈(180)에 수성 가스를 제공하는 이산화탄소 분리기(160)와, 상기 이산화탄소 분리기(160)를 통해 전달되는 이산화탄소를 배출함과 동시에 상기 가스화기(120)에 이산화탄소를 제공하는 이산화탄소 처리기(170)와, 상기 이산화탄소 분리기(160)에서 제공하는 생성가스와 상기 공기 분리기(110)에서 제공하는 산소에 의해 구동되며 이산화탄소와 물이 대부분을 차지하는 배가스를 배출하는 가스 터빈(180)과, 상기 가스 터빈(180)에서 배출되는 배가스에서 배출되는 배열(폐열)을 회수하여 스팀은 스팀 터빈으로 제공하고 배가스는 배출하는 폐열 보일러(190)와, 상기 가스 냉각기(130)와 폐열 보일러(190)에서 제공되는 스팀에 의해 작동되는 스팀 터빈(200)으로 구성된다.

상기와 같이 구성되는 이산화탄소 제거공정을 이용한 석탄가스화 복합 발전시스템의 실시 예를 참조로 설명하면 다음과 같다.

먼저 상기 공기 분리기(110)는 유입된 공기를 산소와 질소로 분리한 후 산화제로 가스화기(120)에 산소를 공급시켜주면서도 일부 질소를 가스 터빈(180)에 공급하여 상기 가스 터빈(180)의 화염온도를 조절하여 NOx 생성을 방지하게 된다.

그리고 상기 공기 분리기(110)에서 산소를 공급받은 가스화기(120)는 온도와 생성가스의 조성을 위하여 기존의 수증기를 대신하여 이산화탄소가 유입되는 구성을 갖고 상기 공기 분리기(110)에서 제공되는 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화시켜 합성 가스(CO, H2, CO2, CH4, H2S 등)를 생성해 내게 된다.

이때 수증기에 의한 상기 수성 가스화 반응을 대신하여 이산화탄소에 의한 다음의 Boudouard 반응을 통해 가스화기(120) 내부 온도를 조절한다.

C + CO2 → 2CO ----(3)

상기 Boudouard 반응은 흡열 반응으로서 가스화기(120) 내부의 온도를 조절하고 생성된 합성가스 내 일산화탄소의 분율을 증가시킨다.

다음으로 상기 가스 냉각기(130)는 가스화기(120)에서 생성된 가스를 냉각시켜 수성가스 전환기(140)에 제공함은 물론 스팀 터빈(200)에 스팀을 제공하게 된다.

그리고 상기 가스 냉각기(130)에서 냉각된 생성가스를 제공받은 수성가스 전환기(140)는 냉각된 생성가스를 수성가스 전환 반응을 통해 일산화탄소를 이산화탄소 및 수소로 전환한 후 생성가스를 가스 정제기(150)에 제공하고, 상기 가스 정제기(150)는 수소, 이산화탄소와 미량의 메탄이 주성분인 생성가스를 정제시켜 이산화탄소 분리기(160)에 제공하게 된다.

다음으로 상기 가스 정제기(150)에서 전달되는 생성가스를 공급받는 이산화탄소 분리기(160)는 생성가스에서 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소 처리기(170)에 공급함과 동시에 가스 터빈(180)에 정제된 가스를 제공하게 된다.

그리고 상기 이산화탄소 분리기(160)에서 이산화탄소를 공급받은 이산화탄소 처리기(170)는 공급되는 이산화탄소를 처리 및 배출함과 동시에 상기 가스화기(120)에 이산화탄소를 제공하게 된다.

즉 본원발명은 가스화기(120)에 폐열보일러(190)의 스팀이 공급되는 기존의 방법을 대신하여 이산화탄소 처리기(170)에서 이산화탄소를 공급받아 상기 스팀 터빈(200)의 부하 변동 없이 공정의 효율을 높일 수 있도록 한 것이다.

다음으로 상기 이산화탄소 분리기(160)에 정제된 가스를 제공받은 가스 터빈(180)은 유입된 압축 공기와 상기 공기 분리기(110)에서 제공하는 질소에 의해 구동되며 이산화탄소와 물이 대부분을 차지하는 배가스를 배출하게 된다.

그리고 상기 폐열 보일러(190)는 가스 터빈(180)에서 배출되는 배가스에서 배출되는 배열(폐열)을 회수하여 스팀은 스팀 터빈(200)으로 제공하고 배가스는 외부로 배출하게 되는 것이다.

다음으로 상기 스팀 터빈(200)은 가스 냉각기(130)와 폐열 보일러(190)에서 각각 제공되는 스팀에 의해 작동된다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 이산화탄소 제거공정을 이용한 석탄가스화 복합 발전시스템을 설명함에 있어 특정형상 및 방향을 위주로 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 이산화탄소 제거공정을 이용한 석탄가스화 복합 발전시스템,
110 : 공기 분리기, 120 : 가스화기,
130 : 가스 냉각기, 140 : 수성가스 전환기,
150 : 가스 정제기, 160 : 이산화탄소 분리기,
170 : 이산화탄소 처리기, 180 : 가스 터빈,
190 : 폐열보일러, 200 : 스팀 터빈.

Claims

유입된 공기를 산소와 질소로 분리한 후 산화제로 가스화기에 산소를 공급시켜 줌과 동시에 일부는 가스 터빈의 연소용으로 공급시켜 주는 공기 분리기와;
이산화탄소와 함께 상기 공기 분리기에서 제공하는 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화시켜 합성 가스를 생성해 내는 가스화기와;
상기 가스화기에서 생성된 가스를 냉각시켜 수성가스 전환기에 제공함은 물론 스팀 터빈에 스팀을 제공하는 가스 냉각기와;
상기 가스 냉각기를 통해 냉각된 생성가스를 정제시켜 이산화탄소 분리기에 제공하는 가스 정제기와;
상기 가스 정제기에서 전달되는 생성가스에서 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소 처리기에 공급함과 동시에 가스 터빈에 수성 가스를 제공하는 이산화탄소 분리기와;
상기 이산화탄소 분리기를 통해 전달되는 이산화탄소를 배출함과 동시에 상기 가스화기에 이산화탄소를 제공하는 이산화탄소 처리기와;
상기 이산화탄소 분리기에서 제공하는 생성가스 및 유입된 압축 공기와 상기 공기 분리기에서 제공하는 질소에 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 배출하는 폐열 보일러와;
상기 가스 냉각기와 폐열 보일러에서 제공되는 스팀에 의해 작동되는 스팀 터빈;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거공정을 이용한 석탄가스화 복합 발전시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 가스 냉각기와 가스 정제기의 사이에는 가스 냉각기를 통해 공급되는 수성가스 전환 반응을 통해 일산화탄소를 이산화탄소 및 수소로 전환하는 수성가스 전환기가 더 장착되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거공정을 이용한 석탄가스화 복합 발전시스템.