KR20140088860A - 연도 가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법 및 시스템 - Google Patents

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요하네스 멘젤
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티센크루프 인더스트리얼 솔루션스 아게
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Abstract

본 발명은 화석 연료(2)로 작동되는 발전소에서 배출되는 연도 가스(3)로부터 이산화탄소를 제거하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 상기 방법 및 시스템에서, 이산화탄소는 세정액(14)을 이용하여 흡착 공정(16)을 통해 연도 가스(3)로부터 제거된다. 배출된 세정액(12)은 탈착 공정(11)에서 재생된다. 재생 공정에 필요한 에너지의 적어도 일부는 저압 증기 터빈(6)으로 진입하기 전에 발전소의 증기-물 순환로로부터 추출된 저압 증기를 이용하여 전달된다. 저압 증기는 중간 증기 터빈(9)으로 전달된다. 저압 증기는 3.5bar보다 작은 배출 압력으로 팽창되고 탈착 공정(11)으로 전달된다. 본 발명에 따르면, 탈착 공정(11)을 위한 압력은 중간 증기 터빈(9)의 배출 압력에 따라 조정 장치에 의해 조정된다.

Description

연도 가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR REMOVING CARBON DIOXIDE FROM FLUE GASES}
본 발명은 화석 연료로 작동되는 발전소의 연도 가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 이산화탄소는 세정액을 이용하여 흡착 공정을 통해 연도 가스로부터 제거되고, 이산화탄소를 함유한 세정액은 탈착 공정에서 재생되고, 저압 증기 터빈으로 진입하기 전에 발전소의 증기/물 순환로로부터 추출된 저압 증기를 통해 재생에 필요한 에너지의 적어도 일부가 전달되고, 저압 증기는 탑핑 증기 터빈(topping steam turbine)에 전달되고, 이 저압 증기는 탑핑 증기 터빈에서 3.5bar 보다 작은 출구 압력으로 팽창되고, 증기 에너지는 탈착 공정에 전달된다.
이산화탄소는 온실 가스로서 기후 온난화의 원인이 된다. 따라서 화석 연료의 연소 중에 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 줄이기 위해 집중적인 노력들이 있어 왔다. 연소 후 이산화탄소의 분리는 후-연소 기술로 지정되었다. 10년여의 가동 경험으로 인해, 연도 가스 세정에 기초한 후-연소 기술들은 특히 이산화탄소를 분리해내는데 특히 성공적이었다.
연도 가스는 대기압에서 발전소의 화석 연료의 연소 중에 발생한다. 이산화탄소 함량은 이 경우에 3 ~ 13 부피%에 이른다. 따라서 단지 0.03 ~ 0.13bar의 이산화탄소 분압이 얻어진다. 이러한 낮은 이산화탄소 분압에서는, 가능한 한 높은 흡수 능력을 갖는 세정액이 요구된다. 따라서, 바람직하게는, 화학적인 흡착에 의해 연도 가스로부터 이산화탄소를 제거하는 세정액이 채용된다. 이러한 목적을 위해, 예를 들면, 모노에탄올아민(MEA), 디에탄올아민(DEA) 또는 메틸디에탄올아민(MDEA)이 사용될 수 있다.
이산화탄소를 함유한 세정액은 열에너지의 전달에 의해 이산화탄소가 방출되는 흡착 공정에서 재생된다. 이러한 목적을 위해, 세정액은 비등 온도로 가열된다. 비등 온도는 흡착 공정이 작동되는 압력에 의해 결정된다.
이어서, 재생된 세정액은 다시 한번 흡착 공정에 전달된다. 흡착 공정에서 방출된 이산화탄소는 저장을 위해 전달된다. 저장은 지하의 암석층에 격리됨으로써 이루어질 수 있다. 화학적 흡착에 의한 재연소 분리 기술의 주요 이점은 종래의 발전소들이 많은 비용을 들이지 않고 개선된 성공적인 기술에 의해 개조될 수 있다는 것이다. 이 방법의 단점은 에너지 관점에서 세정액을 재생하기 위한 많은 비용이다. 따라서, 석탄 화력 발전소에서는, 차후의 이산화탄소 제거로 인해 대략 13% 포인트의 효율 손실이 예상된다. 상기한 효율 손실의 뚜렷한 감소가 있을 때 비로소 상기 방법을 채용하는 것이 경제적으로 실행 가능하다.
추가적인 에너지 요구를 감소시키기 위한 하나의 방법은 이산화탄소 분리 공정을 발전소의 물/증기 순환로에 통합하는 것이다. 증기 보일러에 의해 생성된 증기는 증기 터빈 유닛으로 전달된다. 이 유닛은 고압 터빈들과 저압 터빈들을 포함한다. 또한 고압 터빈들과 저압 터빈들 사이에 중압 터빈들이 연결될 수 있다. 이 터빈들은 독립적인 기계들이거나 고압부, 중압부 및 저압부로 세분화된 기계일 수 있다.
세정액을 재생하는데 요구되는 에너지의 적어도 일부는 발전소의 증기/물 순환로로부터 추출된 저압 증기를 통해 전달된다. 저압 증기는 발전소의 저압 증기 터빈들로 진입하기 전에 추출된 증기를 의미하는 것으로 이해된다. 저압 증기는 일반적으로 5 ~ 6bar의 압력을 갖는다. 저압 증기는 또한 이하에서 LP 증기로 지정된다.
LP 증기는 흡착 컬럼의 섬프(sump)에 연결되는 응축 열교환기로 전달된다. LP 증기는 응축되어 흡착 컬럼의 세정액에 열 에너지를 전달한다. 열전달을 위한 충분히 높은 온도차를 확보하기 위해, 흡착 컬럼은 대략 2bar의 압력에서 작동된다. 이 압력에서, 세정액의 비등 온도는 대략 120℃에 이른다.
WO 2009/076575 A2는 증기가 터빈 캐스케이드(turbine cascade)로 도입되고 저압 부스 증기(low-pressure booth steam)의 상류가 분기되어 탑핑 터빈(topping turbine)에 전달되는 방법을 개시한다. 탑핑 터빈으로부터 나오는 증기는 흡착제를 재생하는데 이용되고, 이를 통해 산 가스(acid gases)는 배출 가스 스트림으로부터 분리된다. 또한, EP 2 286 894 A1은 복수의 터빈들이 직렬로 연결되고 증기가 저압 터빈의 상류로 분기되는 방법을 개시한다. 분기된 증기는 탑핑 터빈으로 전달되고, 그 뒤에 1.5 ~ 20bar의 압력으로 탑핑 터빈으로부터 나오는 증기는 산 가스를 함유한 흡착제를 처리하는데 이용된다. EP 2 286 894 A1에 따르면, 탑핑 터빈에서 배출되는 증기의 출구 압력을 안정시키기 위한 점검 장치가 제공된다. 그러나, 종래 기술에 공지된 방법 및 장치들의 효율은 개선될 필요가 있다.
본 발명의 목적은 차후의 이산화탄소 세정으로 인한 발전소의 효율 손실을 줄이는 것이다.
본 발명의 목적 및 이 목적을 달성하기 위한 해결책은 앞에서 언급한 유형의 방법이고, 이 방법은 탑핑 터빈(topping turbine)의 출구 압력의 함수로서 탈착 공정의 압력을 설정하는 조정 장치를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 저압 증기가 탑핑 증기 터빈에 전달되고, 저압 증기는 탑핑 증기 터빈에서 3.5bar 보다 작은 출구 압력으로 팽창된다. 이어서 증기 에너지는 탈착 공정으로 전달된다.
본 발명에 따르면, 이 방법은 탑핑 증기 터빈을 포함한다. 종래의 방법들과 대조적으로, 저압 증기는 탈착 공정에 직접 도입되지 않고, 대신에 먼저 상기 탑핑 증기 터빈으로 전달되고, 탑핑 증기 터빈에서 3.5bar 보다 작은 출구 압력으로 팽창이 일어난다. 상기 방법의 바람직한 변형예에서, 3bar 보다 작은, 바람직하게는 2.5bar 보다 작은, 특히 2bar 보다 작은 출구 압력으로 팽창이 일어난다. 이는 결국 증기가 1.5bar 보다 작은 압력으로 탑핑 증기 터빈에서 배출되는 경우에 특히 도움이 된다.
본 발명의 특히 바람직한 형태에서, 탑핑 증기 터빈은 저압 증기 터빈으로 설계되어 있다. 이 추가의 저압 증기 터빈은 발전소의 터빈부에 통합될 수 있다. 탑핑 증기 터빈을 포함하여 모든 터빈들은 공통의 발전기를 구동하는 공통의 샤프트를 회전시킨다.
다른 변형예에서, 탑핑 증기 터빈은 독립적인 기계로서 설계된다. 이 경우에, 탑핑 증기 터빈은 전용 발전기 또는 기계를 구동하는 전용 샤프트를 회전시킨다. 예를 들면, 압축기 또는 펌프는 탑핑 증기 터빈에 의해 구동될 수 있다.
팽창 이후에, 증기는 흡착 컬럼의 리보일러(reboiler)로 전달된다. 본 발명의 측면에서 리보일러는 탈착 컬럼의 섬프(sump)에 연결된 응축 열교환기로 이해되어야 한다. 증기는 응축되어 이산화탄소를 함유한 세정액으로 열을 전달한다.
탑핑 증기 터빈에서 LP 증기의 팽창의 결과로서, 흐름(current)이 추가적으로 생성된다. 통상적인 방법들과 비교할 때, 탑핑 증기 터빈의 하류에서 증기가 낮은 압력을 가지고 따라서 낮은 온도를 가지므로, 효과적인 열전달을 확보하기 위해 탈착 컬럼의 온도도 낮아진다. 이것에 의해 구동 온도 구배가 충분하게 높은 것이 보증된다. 탈착 컬럼이 작동되는 압력을 감소시킴으로써 온도가 낮아진다.
본 발명에 따르면, 탈착 컬럼의 압력은 탑핑 증기 터빈의 출구 압력의 함수로서 조정 장치에 의해 자동으로 설정된다. 이러한 목적을 위해, 예를 들면, PID 제어기가 이용될 수 있다.
탑핑 증기 터빈의 출구 압력에 따라, 탈착 컬럼의 압력이 조정된다. 세정액의 비등 온도 및 이에 따라 탈착 컬럼의 섬프가 가열되어야 하는 온도는 탈착 컬럼의 압력에 따라 설정된다. 아래의 표는 예로써 공정 파라미터들의 배정을 나타낸다.
공정 파라미터
탑핑 증기 터빈
출구 압력		 탈착 컬럼
압력		 탈착 컬럼 섬프
온도
pturbine < 3.5 bar pcolumn < 2 bar t sump < 120℃
pturbine < 3 bar pcolumn < 1.5 bar t sump < 110℃
pturbine < 2.5 bar pcolumn < 1.1 bar t sump < 105℃
pturbine < 1.5 bar pcolumn < 1 bar t sump < 95℃
탑핑 증기 터빈에서 증기가 더 많이 팽창될수록, 생성되는 전기 에너지의 양이 증가된다. 세정액의 비등 온도가 낮을수록, 탈착 컬럼을 가열하기 위해 필요한 열 에너지가 감소된다.
탈착 컬럼을 가열하는데 필요한 전기 에너지의 추가적인 회수 및 낮은 열 에너지에 추가하여, 본 발명에 따른 방법은 차후의 이산화탄소 세정에 의해 발생되는 효율 손실을 감소시키는 긍정적인 에너지 효과를 제공한다. 따라서, 이산화탄소의 탈착 열은 낮아진 비등 온도를 통해 감소된다. 이 탈착 열은 세정액의 재생시의 에너지 수요의 가장 큰 몫을 차지한다. 이것은 다음의 예들에 의해 입증된다:
예 1
모노에탄올아민(MEA)의 재생을 위한 에너지,
- 120℃에서, 110 kJ/mol의 이산화탄소가 필요하고
- 40℃에서, 단지 85 kJ/mol의 이산화탄소가 필요하다.
삼차 아민의 경우, 이 차이는 훨씬 더 크고, 다음의 예로 나타난다:
예 2
메틸디에탄올아민(MDEA)의 재생을 위한 에너지,
- 120℃에서, 110 kJ/mol의 이산화탄소가 필요하고
- 40℃에서, 단지 70kJ/mol의 이산화탄소가 필요하다.
동일한 예가 유사한 방식으로 탄산칼륨 용액에 적용된다:
예 3
탄산칼륨 용액의 재생을 위한 에너지,
- 120℃에서, 50kJ/mol의 이산화탄소가 필요하고
- 40℃에서, 단지 27 kJ/mol의 이산화탄소가 필요하다.
3개의 예들 모두에서, 세정액을 재생하는데 요구되는 에너지가 감소된다.
본 발명에 따른 방법에서, 응축 열교환기에서 방출된 특정한 응축열이 감소된 압력을 통해 증가된다는 점에서, 추가의 긍정적인 에너지 효과가 달성된다.
종래의 방법들에서, 리보일러에서 5.5bar의 LP 증기가 응축된다. 이 경우에, 2097 kJ/kg의 특정한 응축열이 방출된다. 탑핑 증기 터빈이 사용될 때 LP 증기가 2.5bar의 출구 압력으로 감소되면, 상기 압력에서 특정 응축열은 2225kJ/kg에 이른다. 따라서 6%의 증기 절감이 이루어진다.
재생된 세정액은 이산화탄소의 흡착에 다시 한번 이용된다. 흡착 공정은 저온에서 수행된다. 따라서 재생된 세정액은 냉각되어야 한다. 대조적으로, 이산화탄소를 함유한 세정액은 탈착 컬럼에서 재생을 위해 가열되어야 한다. 이러한 목적을 위해, 고온의 재생된 세정액으로부터 이산화탄소를 함유한 저온의 세정액으로 열을 전달하는 열교환기가 이용된다. 세정액의 비등 온도가 본 발명에 따른 방법에서 낮기 때문에, 단지 비교적 작은 열량이 고온의 재생된 세정액으로부터 저온의 이산화탄소를 함유한 세정액으로 전달되어야 한다. 따라서 열교환에 필요한 교환 표면은 현저하게 더 작고, 그 결과 더욱 콤팩트하고 더욱 비용 효율적인 열교환기가 채용될 수 있다.
세정액으로부터 방출된 이산화탄소는 차후의 저장을 위해, 예를 들면 격리의 측면에서, 압축된다. 본 발명에 따른 방법의 결과로서, 탈착 컬럼으로부터 이산화탄소가 방출되는 압력은 낮게 된다. 이것은 압축의 관점에서 추가의 비용을 수반한다. 그러나, 전술한 에너지 절감 효과에 비하면 압축의 관점에서 추가적인 비용은 현저히 낮다.
본 발명의 목적은 또한 전술한 방법을 수행하는 청구항 8에 기재된 시스템이다. 상기 시스템의 유리한 개선예들이 청구항 9 내지 11에 기술된다.
도면을 통한 예시적인 실시예의 설명 및 도면 그 자체를 통해 본 발명의 추가의 특징들 및 이점들이 이해될 것이다. 도 1은 석탄 화력 발전소의 연도 가스로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 방법 및 시스템을 나타낸다.
석탄 화력 발전소를 도식화하여 도면에 나타낸다. 화살표(2)로 나타낸 것처럼, 공기와 석탄이 보일러(1)로 전달된다. 이산화탄소를 함유한 연도 가스(3)가 보일러(1)에서 배출된다. 보일러(1)에서 증기가 생성된다. 발전소의 물/증기 순환로는 고압 증기 터빈(4), 2개의 중압 증기 터빈(5) 및 4개의 저압 증기 터빈(6)을 포함한다. 발전기(7)는 터빈부의 말단에 배치된다.
저압 증기의 지류(8)는 저압 증기 터빈들(6)의 상류에서 분기된다. 저압 증기는 5.5bar의 압력을 갖는다. 저압 증기의 지류(8)는 탑핑 증기 터빈(9)에서 1.5bar의 압력으로 팽창된다. 팽창된 증기는 리보일러로서 설계된 응축 열교환기(10)로 전달된다. 응축 열 교환기(10)에서, 증기는 1.5bar로 응축된다.
예시적인 실시예에서, 탑핑 증기 터빈(9)은 독립적인 기계로서 설계된다. 탑핑 증기 터빈(9)은 전용 조립체(19)를 구동하는 전용 샤프트를 회전시킨다. 예시적인 실시예에서 조립체(19)는 발전기이다.
응축 열교환기(10)는 탈착 유닛(11)의 섬프를 가열한다. 예시적인 실시예에서, 탈착 유닛(11)은 탈착 컬럼이다. 이산화탄소를 함유한 세정액(12)의 흐름이 탈착 유닛(11)으로 전달된다. 이산화탄소는 탈착 유닛(11)에서 방출되어 라인(13) 상의 컬럼의 선단에서 배출된다. 배출된 이산화탄소는 압축을 위해 전달된다.
재생된 세정액(14)은 컬럼의 바닥에서 배출되고 열교환기(15)를 통해 도입된다. 고온의 재생된 세정액(14)은, 컬럼으로 설계된 흡착 유닛(16)의 바닥에서 추출된 이산화탄소를 함유한 저온의 세정액(12)에 열을 방출한다.
연도 가스(3)는 연도 가스 처리기(17)를 통과한 후에 흡착 유닛(16)으로 전달된다. 흡착 유닛(16)에서, 이산화탄소는 세정액(14)에 의해 연도 가스로부터 세정된다. 이산화탄소가 정제된 연도 가스(18)는 흡착 유닛(16)의 선단에서 배출된다.
LP 증기의 지류(8)는 중간 터빈에서 5.5bar의 압력으로부터 1.5bar의 출구 압력으로 팽창된다. 이 압력에서, 증기는 응축 열교환기(10)에서 응축된다. 응축 열교환기(10)의 열전달을 위한 충분히 높은 온도 구배를 얻기 위해, 탈착 유닛(11)에는 1bar의 압력이 설정된다. 결과적으로 탈착 유닛(11)의 섬프에는 95℃의 세정액의 비등 온도가 설정된다.
추가적인 탑핑 증기 터빈(9)을 통한 5.5bar로부터 1.5bar로의 LP 증기의 팽창과, 1bar의 절대압력으로 작동되는 탈착 유닛(11)의 응축 열교환기(10)에서의 1.5bar의 차후의 응축은, 종래 기술에 따른 방법들에 비해 흐름 생성에서의 손실을 약 27% 감소시킨다. 이 경우, 제거된 이산화탄소의 3400kJ/kg의 특정 에너지 소비를 수반한 이산화탄소 제거가 산출되었다. 이는 30중량%의 모노에탄올아민을 갖는 모노에탄올아민(MEA) 용액에 대한 특정 에너지 소비값이다. 그러나 이 경우에는 감소된 탈착 온도와 낮은 탈착 열로 인한 절감(saving)은 고려되지 않았다.
본 발명에 따른 방법에서는, 탈착 컬럼에서 2bar의 압력이 설정된 종래 기술에 의한 방법들과 달리, 탈착 유닛(11)은 1bar의 압력에서 작동된다. 1bar의 압력으로부터 2bar의 압력 사이에서 방출된 이산화탄소 가스의 추가적인 압축은 27%의 산출된 절감 가능성에 이미 포함되어 있다.

Claims (11)

  1. 화석 연료로 작동되는 발전소의 연도 가스(3)로부터 이산화탄소를 제거하는 방법으로서,
    세정액(14)을 이용하여, 흡착 공정(16)에 의해 통해 이산화탄소가 연도 가스(3)로부터 제거되고, 탈착 공정(11)에서 이산화탄소를 함유한 세정액(12)이 재생되고, 저압 증기 터빈(6)으로 진입하기 전에 발전소의 증기/물 순환로로부터 추출된 저압 증기를 통해 재생에 필요한 에너지의 적어도 일부가 전달되고, 상기 저압 증기는 탑핑 증기 터빈(9)에 전달되고, 이 저압 증기는 탑핑 증기 터빈에서 3.5bar 보다 작은 출구 압력으로 팽창되며, 상기 증기의 에너지가 탈착 공정(11)에 전달되는 방법에 있어서,
    탑핑 증기 터빈(9)의 출구 압력의 함수로서 탈착 공정(11)의 압력을 설정하는 조정 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    탑핑 증기 터빈(9)의 저압 증기는 3bar보다 작은, 바람직하게 2.5bar보다 작은, 특히 2bar보다 작은 출구 압력으로 팽창되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    탑핑 증기 터빈(9)에서 팽창된 증기는 응축 열교환기(10)로 전달되고, 이 증기 에너지는 응축 열교환기(10)에 의해 탈착 공정(11)으로 전달되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    탑핑 증기 터빈(9)은 발전소의 터빈부에 통합되고, 탑핑 증기 터빈(9)은 발전소의 증기 터빈들(4, 5, 6)과 함께 공통의 발전기(7)를 구동하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    탑핑 증기 터빈(9)은 전용 발전기(19) 또는 기계를 구동하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    탈착 공정(11)의 온도는 조정 파라미터로서 채택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    탈착 컬럼(11)의 섬프의 온도는 조정 파라미터로서 채택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 수행하는 시스템으로서,
    - 세정액(14)을 이용하여 연도 가스(3)로부터 이산화탄소가 제거될 수 있는 흡착 유닛(16), 및
    - 이산화탄소가 함유된 세정액(12)을 재생하기 위한 탈착 유닛(11)을 구비하고,
    재생에 필요한 에너지의 적어도 일부는 저압 증기 터빈(6)으로 진입하기 전에 발전소의 증기/물 순환로로부터 추출된 저압 증기를 통해 전달 가능하고, 상기 시스템은 탈착 유닛(11)의 상류에 배치된 탑핑 증기 터빈(9)을 구비하고, 추출된 저압 증기는 탑핑 증기 터빈(9)에서 3.5bar보다 작은 출구 압력으로 팽창될 수 있고, 탈착 유닛(11)으로 증기의 에너지를 전달하기 위한 장치가 제공되는 시스템에 있어서,
    탑핑 증기 터빈(9)의 출구 압력의 함수로서 탈착 유닛(11)의 압력을 설정하는 조정 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    탑핑 증기 터빈(9)에서 팽창된 증기는 탈착 유닛(11)으로 에너지를 전달하기 위해 응축 열 교환기(10)로 전달 가능한 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    탑핑 증기 터빈(9)은 발전소의 터빈부에 통합되고, 탑핑 증기 터빈(9)은 발전소의 증기 터빈들(4,5,6)과 함께 공통의 주 발전기(7)를 구동하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    탑핑 증기 터빈(9)은 전용 발전기(19) 또는 기계를 구동시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
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