KR20160035791A - 이산화탄소 포집 장치 - Google Patents

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이중범
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한국전력공사
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Abstract

본 발명에서는 이산화탄소 포집에 필요한 에너지를 절감하는 동시에 이산화탄소 배출량을 감소시킬 수 있는 이산화탄소 포집 장치가 개시된다.
일 예로, 연료를 연소하여 고온의 배가스를 발생시키고, 응축수를 공급받아 상기 고온의 배가스와 열교환시킴으로써 고온 고압의 증기를 생산하는 주보일러; 상기 주보일러의 증기를 통해 발전을 수행하는 증기 터빈; 상기 증기 터빈을 통과한 저온 저압의 증기 또는 응축수 중 일부를 공급받아 고온 고압 증기로 변환시키는 매체순환증기생산장치; 상기 주보일러로부터 배출된 배가스와 흡수제를 반응시켜 상기 배가스로부터 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑; 및 상기 흡수탑으로부터 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 공급받고, 상기 증기 터빈 또는 매체순환증기생산장치로부터 흡수제 재생용 열원으로 고온 고압의 증기를 공급받아 상기 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하여 흡수제를 재생시키는 재생탑을 포함하는 이산화탄소 포집 장치가 개시된다.

Description

이산화탄소 포집 장치 {apparatus for capturing carbon dioxide}
본 발명은 이산화탄소 포집 장치에 관한 것이다.
산업화가 시작된 19세기 초반부터 에너지 산업에서 사용되는 석탄, 석유, LNG 등의 화석연료의 사용 증가로 인하여 대기 중에 CO2, CH4, H2S, COS 등의 산성 가스 농도가 급격하게 증가하였다. 이러한 산성 가스, 특히 이산화탄소는 지구를 온난화시킨다는 것이 밝혀지면서, 세계적으로 배출 및 처리에 대한 규제가 엄격해지고 있다. 1992년 6월 브라질 리우에서 열린 환경과 개발에 관한 UN 회의를 통하여 지구온난화에 대한 국제적 관심을 불러 일으켰고, 미국과 일본을 포함한 선진국들은 지구온실가스 배출량을 1990년 대비 5.2% 감축하기로 합의하는 등 산성가스 저감방안에 대한 국제적 합의가 이루어지고 있다.
이산화탄소 배출 증가를 억제하기 위한 기술로서는, 이산화탄소 배출감소를 위한 에너지절약기술, 배출 가스로부터 이산화탄소의 포집 및 저장 기술(Carbon dioxide capture and storage: CCS), 이산화탄소를 이용하거나 고정화시키는 기술, 이산화탄소를 배출하지 않는 대체 에너지 기술 등이 있다.
그러나 이 중에서 CCS 기술은 발전소 및 산업시설에서 대량으로 나오는 온실 가스를 가장 효과적으로 처리할 수 있는 기술로 인식되어 G8 정상회담과 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) 및 IEA(International Energy Agency) 등 국제 유력기구에서 기술개발 및 활용을 적극적으로 독려하고 있다.
CCS 기술 중 포집기술이 전체 비용의 상당 부분을 차지하고 있으며, 지금까지 연구되고 있는 기술로는 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등이 있다.
특히, 흡수법은 대용량의 가스를 처리하는데 용이하며, 저 농도의 가스분리에 적합하기 때문에 대부분의 산업체 및 발전소에의 적용이 용이하여 활용도가 높다.
본 발명은 이산화탄소 포집에 필요한 에너지를 절감하는 동시에 이산화탄소 배출량을 감소시킬 수 있는 이산화탄소 포집 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 이산화탄소 포집 장치는 연료를 연소하여 고온의 배가스를 발생시키고, 응축수를 공급받아 상기 고온의 배가스와 열교환시킴으로써 고온 고압의 증기를 생산하는 주보일러; 상기 주보일러의 증기를 통해 발전을 수행하는 증기 터빈; 상기 증기 터빈을 통과한 저온 저압의 증기 또는 응축수 중 일부를 공급받아 고온 고압 증기로 변환시키는 매체순환증기생산장치; 상기 주보일러로부터 배출된 배가스와 흡수제를 반응시켜 상기 배가스로부터 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑; 및 상기 흡수탑으로부터 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 공급받고, 상기 증기 터빈 또는 매체순환증기생산장치로부터 흡수제 재생용 열원으로 고온 고압의 증기를 공급받아 상기 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하여 흡수제를 재생시키는 재생탑을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 매체순환증기생산장치는, 연료가 투입되며, 상기 투입된 연료에 산소공여입자로부터 산소를 제공하여 연료를 연소시키는 연료반응기; 상기 연료반응기에서 산소를 전달한 산소공여입자가 이송되며, 공기를 공급받아 상기 산소공여입자에 산소를 제공함으로써 산소공여입자를 재생시키는 공기반응기; 및 상기 증기 터빈을 통과한 저온 저압의 증기 또는 응축수 중 일부를 상기 연료반응기 및 공기반응기에서 배출되는 고온의 가스와 열교환시켜 고온 고압의 증기를 생성하는 열교환기를 포함할 수 있다.
그리고 상기 열교환기로부터 고온 고압의 증기를 공급받고, 이를 통해 발전을 수행하는 또 다른 증기 터빈을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 또 다른 증기 터빈으로부터 배출된 증기를 상기 재생탑의 열교환기로 투입하여 흡수제 재생용 열원으로 이용할 수 있다.
또한, 상기 열교환기로부터 생성된 고온 고압의 증기를 상기 증기 터빈의 전단으로 공급하여 추가적으로 발전을 수행하고, 상기 증기 터빈으로부터 배출된 증기를 상기 재생탑의 열교환기로 투입하여 흡수제 재생용 열원으로 이용할 수 있다.
또한, 상기 상기 증기 터빈은 고압 증기 터빈, 중압 증기 터빈 및 저압 증기 터빈을 포함하여 구성되고, 상기 고압 증기 터빈과 중압 증기 터빈의 사이 또는 상기 중압 증기 터빈과 저압 증기 터빈의 사이에서 증기를 인가받아 상기 흡수제 재생용 열원으로 이용할 수 있다.
또한, 상기 산소공여입자는 상기 연료반응기 및 공기반응기를 순환하며 이동할 수 있다.
또한, 상기 산소공여입자는 CaSO4 또는 금속산화물을 전체 중량 대비 1 내지 100 중량%를 함유하는 고체 입자로 상기 금속산화물 중의 금속은 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 망간(Mn), 코발트(Co), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 타이타늄(Ti), 세륨(Ce), 란타늄(La), 스트론튬(Sr) 중 선택된 하나 이상 또는 이들의 혼합금속인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
또한, 상기 매체순환증기생산장치로 공급되는 연료는 석탄, 천연가스, 셰일가스, 합성가스 또는 바이오매스 중 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 의한 이산화탄소 포집 장치는 이산화탄소 포집에 필요한 에너지를 매체순환증기생산장치로부터 공급함으로써 이산화탄소 포집을 위하여 추가적으로 투입되어야 할 에너지를 절감하고, 이산화탄소 배출량을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치의 개념도이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(100)는 주보일러(110), 제 1 증기 터빈(120), 복수기(130), 흡수탑(140), 재생탑(150), 제 1 열교환기(160), 매체순환증기생산장치(170) 및 제 2 증기 터빈(180)을 포함할 수 있다.
상기 주보일러(110)는 공기 공급 라인(L1)을 통해 연소용 공기를 공급받고, 연료 공급 라인(L2)을 통해 연료인 석탄을 공급받는다. 상기 주보일러(110)는 상기 연료를 연소하며, 이에 따라 고온의 배가스가 발생한다. 상기 주보일러(110)는 상기 고온의 배가스를 이용하여 주보일러(110)에 설치된 열교환설비의 전열면 내부를 통과하는 응축수를 고온 고압의 증기로 전환시킨다.
상기 제 1 증기 터빈(120)은 고압 증기 터빈(121), 중압 증기 터빈(122), 저압 증기 터빈(123)을 포함하여 구성된다. 상기 제 1 증기 터빈(120)은 상기 고온 고압의 증기를 인가받고, 이를 상기 고압 증기 터빈(121), 중압 증기 터빈(122) 및 저압 증기 터빈(123) 순으로 통과시켜 전기를 생산하면서 보유한 열 에너지를 소모시켜 저온 저압의 증기로 변환한다.
상기 복수기(130)는 냉각수(주로 해수 또는 강물)가 지나는 전열면을 갖추고 있으며, 이를 통해 상기 저온 저압의 증기를 저온의 응축수로 변화시킨다. 상기 응축수는 수처리를 한 후 다단열교환기를 거치면서 온도가 상승된 후 L3 경로를 따라 상기 주보일러(110)로 다시 이송되어 고온 고압의 증기 생산에 이용된다. 초임계 발전소의 고압 증기 터빈(121), 중압 증기 터빈(122), 저압 증기 터빈(123)으로 공급되는 증기 온도의 일 예는 각각 약 570, 590, 320 ℃이며, 압력의 일 예로는 각각 250, 50, 8 kg/cm2이다. 한편, 상기 주보일러(110)에서 증기생산용 응축수로 열을 전달후 배출되는 배가스는 주보일러 배출 배가스 라인에 설치된 질소산화물(NOx) 저감 설비, 집진설비 및 탈황설비를 거치면서 배가스에 함유된 대기오염물질의 농도가 환경기준을 만족하도록 정제된 후 상기 흡수탑(140)으로 공급된다(L4). 석탄 보일러 배가스 중의 이산화탄소 농도는 통상적으로 12~15% 이다.
이산화탄소를 함유한 배가스는 상기 흡수탑(140)에 의해 발생되는 압력강하를 극복하기 위하여 가스 블로어를 통해 상기 흡수탑(140) 하부로 이송된다. 가스 블로어를 통해 이송되는 배가스는 이산화탄소 흡수제의 종류에 따라 흡수제와 반대 방향 또는 같은 방향으로 흡수탑을 통과하면서 배가스 중의 이산화탄소와 흡수제와 화학적으로 결합함으로써 배가스로부터 이산화탄소를 제거한다. 아민과 같은 액상 흡수제를 사용하는 공정의 경우 배가스와 흡수제는 주로 반대 방향의 흐름을 가지며, 고체흡수제와 유동층 공정을 사용하는 이산화탄소 포집설비 흡수탑의 경우 고체 흡수제와 배가스는 주로 같은 방향의 흐름을 갖는다. 상기 방법을 통해 흡수탑(140) 내부로 투입된 배가스는 흡수제와 접촉하면서 이산화탄소 흡수 반응이 일어나고 이산화탄소가 제거된 배가스(15)는 흡수탑 상단의 흡수제 회수 장치를 통과한 후 대기 중으로 배출된다(L5). 흡수탑의 운전온도는 사용되는 흡수제의 종류 및 배가스 조성에 따라 달라질 수 있는데 일반적으로 아민용액을 흡수제로 사용하는 공정은 25~60 ℃ 범위에서, 탄산칼륨 고체흡수제를 사용하는 경우 50~80 ℃ 범위에서 운전이 이루어진다. 고체 흡수제의 경우 이산화탄소와 반응하는 온도에 따라 상기 흡수탑(140) 온도범위보다 더 높은 온도범위에서 운전될 수 있다. 상기 흡수탑(140)에서 이산화탄소와 반응하여 이산화탄소를 흡수한 흡수제는 이산화탄소 흡수제 이송라인(L6)을 거쳐 흡수제 재생탑(150)으로 보내진다. 액상 흡수제의 경우 통상적으로 재생탑(150) 하단부로 이송되며, 유동층 공정을 이용하는 고체흡수제의 경우 통상적으로 재생탑(150) 상단부로 이송된다.
상기 이산화탄소 재생탑(150)에서는 화학적으로 결합되어 있는 이산화탄소와 흡수제가 열에너지에 의해 분리되어 고순도의 이산화탄소가 생성됨과 동시에 흡수제는 재생되어 다시 흡수탑(140)으로 공급된다(L7). 이산화탄소를 흡수한 흡수제는 재생탑(150)에 설치된 흡수제 재생열 공급용의 제 1 열교환기(160)에서 공급되는 열 에너지에 의하여 이산화탄소가 탈거되고 흡수제는 재생된다. 상기 재생탑(150) 상부로는 수증기(H2O)와 탈거된 이산화탄소가 냉각기로 이동되며 여기에서 대부분의 증기는 냉각되어 제거된 후 이산화탄소는 이산화탄소 회수 및 처리공정으로 이송되어 용도에 따라 저장 또는 다른 유용한 고 부가 화학물질로 전환이 가능하다(L8). 고체 흡수제를 이용하는 공정의 경우 재생탑(150) 상부에서 배출되는 가스 중의 일부를 순환시켜 재생탑(150) 내 고체흡수제의 유동화 가스로 이용한다. 흡수제 재생탑의 운전온도 또한 흡수제의 종류에 따라 달라질 수 있는데 아민용액을 흡수제로 사용하는 공정은 80~140 ℃ 범위에서, 탄산칼륨 고체흡수제를 사용하는 경우 140~230 ℃ 범위에서 운전이 이루어진다. 고체 흡수제의 경우 이산화탄소와 반응하는 온도에 따라 상기 재생탑(150) 온도범위보다 더 높은 온도범위에서 운전될 수 있다. 흡수제 재생에 필요한 열에너지는 흡수제와 이산화탄소와의 결합 세기에 따라 달라지며 흡수제의 종류에 따라 다양한 값을 가진다. 아민 용액의 경우 1톤의 이산화탄소를 포집하는 데 소비되는 에너지는 아민의 종류에 따라 3.0~4.0 GJ의 범위를 갖는다.
이산화탄소 흡수제 재생열 공급을 위해서 기존에 고려되고 있는 방법은 석탄발전소 주보일러 주증기계통의 고압 증기 터빈과 중압 증기 터빈 사이 또는 중압 증기 터빈과 저압 증기 터빈 사이에서 증기를 인출하여 흡수제 재생열 공급용 열교환기(160)로 공급하는 것이다. 이 경우 터빈(120)에 공급되어야 할 상당량의 양질의 증기를 인출하기 때문에 발전효율이 이산화탄소 포집을 하지 않는 경우에 비해 10% 이상 저하되며, 동일한 출력의 전기를 생산하기 위해서는 주보일러(110)에서 석탄을 추가로 연소하여야 하므로 이에 따라 증가된 배가스를 처리하기 위한 이산화탄소 포집에너지 증가, SOx 및 NOx 처리 비용증가, 최종 대기로 배출되는 이산화탄소량의 증가, 포집 이산화탄소량의 증가에 따른 압축 및 정제비용 증가 등의 문제점이 있다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(100)에서는 매체순환증기생산장치(170)를 설치하여 흡수제 재생열을 공급하도록 함으로써 이산화탄소 포집에 투입되어야 할 추가적인 에너지를 절감하고, 이산화탄소의 배출량을 감소시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 매체순환증기생산장치(170)는 크게 연료반응기(171), 공기반응기(172), 제 2 열 교환기(175) 및 제 3 열 교환기(176)를 포함한다.
상기 연료반응기(171)에서는 연료 이송 라인(L9)으로 투입되는 연료가 상기 연료반응기(171) 및 공기반응기(172)를 순환하는 산소공여입자로부터 산소를 제공받아 연소된다. 여기서, 상기 연료반응기(171)로 투입되는 연료는 석탄, 천연가스, 셰일가스, 합성가스 또는 바이오매스 중 선택된 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 산소공여입자는 CaSO4 또는 금속산화물을 포함하는 고체 입자 중 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 고체 입자는 금속산화물 및 지지체로써 무기물을 포함하며, 상기 금속산화물은 상기 고체 입자의 전체 중량 대비 1 내지 100 중량%를 함유하고, 상기 금속산화물 중의 금속은 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 망간(Mn), 코발트(Co), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 타이타늄(Ti), 세륨(Ce), 란타늄(La), 스트론튬(Sr) 중 선택된 하나 이상 또는 이들의 혼합금속일 수 있다.
상기 산소공여입자는 순수한 산소만을 전달하므로 연료의 연소로 생성되는 가스는 이산화탄소와 수증기(H2O)이다(L12). 따라서, 상기 연료반응기(171)에서 배출되는 가스 중 수증기를 응축시키면 이산화탄소만 남게 되므로 별도의 이산화탄소 포집 설비 없이도 연료 연소로 배출되는 이산화탄소를 고순도로 포집할 수 있다. 그리고 포집된 고순도의 이산화탄소는 정제 및 압축 공정을 거쳐 저장을 하거나 고부가 화합물로의 전환에 활용될 수 있다. 상기 연료반응기(171)의 온도는 산소공여입자의 종류 및 순환량, 연료에 따라 다르며, 통상적으로는 600~1200℃이다.
상기 연료반응기(171)에서 연료에 산소를 전달한 산소공여입자는 상기 연료반응기(171)와 공기반응기(172)의 가스가 서로 섞이지 않도록 차단하고 있는 제 1 고체순환장치(173a)를 거쳐 공기반응기(172)로 이송된다. 상기 제 1 고체순환장치(173a) 및 후술할 제 2 고체순환장치(173b)는 기계적 밸브 또는 비기계적 밸브 모두를 사용 가능하다. 상기 공기반응기(172)로 이송된 산소공여입자는 공기 이송 라인(L10)을 통해 공급되는 공기로부터 산소를 제공받아 재생이 된다. 즉, 상기 공기반응기(172)에서 산소공여입자의 연소 반응이 일어나며, 공기반응기에서 배출되는 가스는 산소가 대부분 없어진 질소가 배출된다(L13). 상기 공기반응기(172)의 온도도 산소공여입자의 종류 및 순환량에 따라 달라지며, 통상적으로는 600~1200℃이다. 상기 공기반응기(172)에는 화염이 없고, NOx가 생성될 수 있는 온도보다 낮기 때문에 NOx의 배출이 발생이 거의 없다. 따라서, 상기 매체순환증기생산장치(700)에서 연소한 연료의 배가스에 대해서는 NOx를 제거하지 않아도 된다.
상기 공기반응기(172)에서 다시 산소를 제공받아 재생된 산소공여입자는 고체입자 분리 장치인 싸이클론(174)에서 회수되어 제 2 고체순환장치(173b)를 거쳐 연료반응기(171)로 이송되고, 상기 연료반응기(171)에서 다시 연료 연소를 위한 산소를 제공하는 사이클을 반복한다.
한편, 주보일러 주증기계통에서 일부 인출된 저온 저압의 증기 또는 응축수(L11)는 상기 연료반응기(171) 및 공기반응기(172)의 고온의 열을 회수하는 제 2, 3 열교환장치(175, 176)의 전열면 내부를 통과하면서 열을 얻어 고온 고압의 증기가 된다. 그리고 상기 제 2, 3 열교환장치(175, 176)에서 생산된 고온 고압의 증기를 상기 매체순환증기생산장치(170)에 연계하여 설치한 제 2 증기 터빈(180)에 공급(L14)하여 전기를 생산하고, 상기 제 2 증기 터빈(180)을 거쳐 나오는 증기를 상기 재생탑(150)의 흡수제 재생열 공급용 제 1 열교환기(160)로 보냄으로써 흡수제 재생열을 공급한다. 또한, 이산화탄소 흡수제에 재생열을 전달한 증기가 응축되어 배출되는 응축수는 응축수 이송 라인(L15)을 통해 응축수의 온도 압력에 부합되는 주보일러 주증기계통에 주입한다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(200)를 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치의 개념도이다. 도 2의 공정 구성에서는 매체순환증기생산장치(170)에 연계하여 별도의 증기터빈을 설치하지 않고, 매체순환증기생산장치 계통에서 생산된 고온고압의 증기를 주보일러 주증기계통의 고압 증기터빈 전단에 주입하여(L14) 주보일러 주증기계통에 설치되어 있는 증기 터빈(120)에서 전기를 생산한다. 또한, 주보일러 주증기계통의 고압증기터빈(121)과 중압증기터빈(122) 사이 또는 중압증기터빈(122)과 저압증기터빈(123) 사이에서 증기를 인출하여(L15) 흡수제 재생열 공급용의 제 1 열교환기(160)로 공급하도록 한다. 이러한 경우, 매체순환증기생산장치(170)에 연계한 증기터빈을 별도 설치하지 않아도 되는 이점이 있다.
한편, 도 1 및 도 2의 공정 구성에서 상기 매체순환증기생산장치(170)의 제 2, 3 열교환기(175, 176)에서 생산된 고온고압의 증기를 터빈을 거치도록 하지 않고 공정 조건에 따라서는 흡수제 재생열 공급용 제 1 열교환기(160)로 직접 공급할 수도 있다.
또한, 상기 매체순환증기생산장치(170)의 열교환장치(175, 176)는 연료반응기(171)와 공기반응기(172)의 가스배출구 후단에 열교환기 형태로 설치할 수도 있고, 연료반응기(171)와 공기반응기(172)의 외벽을 열교환장치로 사용할 수도 있다.
한편, 상기 매체순환증기생산장치(170)에 연계한 증기터빈(180)을 가스터빈으로 대체하고, 상기 가스터빈에서 배출되는 고온의 배가스를 이용하여 고온 고압의 증기를 생산하는 공정 구성으로 공정의 일부를 변경가능하다.
더불어, 도 1 또는 도 2의 연료반응기(171)에 공급되는 연료로 바이오매스 또는 바이오매스에서 생산된 가스를 사용할 수 있다. 전 세계적으로 바이오매스를 연료로 사용하는 경우, 바이오매스 연소로 발생하는 이산화탄소를 대기로 배출되는 이산화탄소 배출량 계산에 포함시키지 않는 것으로 승인하고 있으므로 이를 통해 대기로 배출된 이산화탄소량은 없는 것으로 간주된다. 따라서, 바이오매스 연소로 배출되는 이산화탄소를 포집하는 경우 마이너스 배출로 인정받을 수 있으며, 매체순환증기생산장치(170)에서는 바이오매스 연료 연소로 발생한 이산화탄소가 원천적으로 포집된 상태로 배출되므로 별도의 이산화탄소 포집설비 없이도 마이너스 이산화탄소 배출량이 가능하다.
이하에서는 본 발명의 실시예와 비교예를 통해 본 발명의 효과를 설명하도록 한다.
본 비교예와 실시예에서는 정격출력 550 MWe의 전기를 생산하기 위한 초임계 석탄 화력발전소의 보일러에서 배출되는 이산화탄소의 90%를 포집하기 위해 투입되어야 할 이산화탄소 포집에너지, 대기 중 이산화탄소 배출량 및 시스템 총 이산화탄소 포집량을 계산하였다. 비교예 및 실시예의 계산에 적용한 대상 석탄발전소 및 이산화탄소 포집설비, 석탄 및 천연가스 데이터는 미국 Depart of Energy(DOE) 산하 에너지연구소인 National Energy Technology Laboratory (NETL)에서 발행한 "Cost and Performance Baseline for Fossil Energy Plants: Volume 1 Bituminous Coal and Natural Gas to Electricity (September, 2013)" 자료에 수록되어 있는 값을 참조하였다. 상기 문헌에서 적용한 이산화탄소 포집설비는 Monoethanolamine(MEA) 수용액을 흡수제로 사용하는 Fluor Ecoamine FG PLUS 공정이다.
<비교예 1>
비교예 1에서는 이산화탄소 포집을 하지 않는 경우 대상발전소에서 대기중으로 배출하는 이산화탄소량을 계산하였다. 전기생산을 위해 투입된 석탄의 발열량은 27,113kJ/kg이고, 연소시 이산화탄소 배출량은 2.374 kgCO2/kg이다. 비교예 1의 공정 구성은 주보일러 및 주증기계통으로 구성되며 보일러 배가스는 대기중으로 배출된다. 즉, 비교예 1은 도 1의 공정 구성에서 주보일러(110), 증기터빈(120) 및 복수기(130)만으로 구성될 수 있다. 이산화탄소 포집을 하지 않는 비교예 1에서의 대기중 이산화탄소 배출량을 표 1에 나타내었다.
<비교예 2>
비교예 2에서는 상기 비교예 1의 대상발전소에 이산화탄소 포집설비를 설치하고, 이산화탄소 포집에 필요한 에너지를 전기생산을 위해 사용한 석탄과 동일한 석탄을 보일러(주보일러)에 추가 투입하여 공급하도록 하였다. 이산화탄소 흡수제 재생에 필요한 에너지를 공급하기 위한 증기는 중압 증기 터빈과 저압 증기 터빈 사이에서 인출하였고 이산화탄소 포집설비를 거쳐 나온 증기의 응축수는 응축수의 온도 압력에 부합되는 주보일러 주증기계통에 주입하도록 하였다. 즉, 비교예 2는 도 2의 공정 구성에서 매체순환증기생산장치(170) 및 이와 연계된 구성들을 제거하여 구성된다. 이산화탄소 포집에너지 공급을 위해 투입된 석탄의 발열량은 27,113 kJ/kg이고, 연소시 이산화탄소 배출량은 2.374 kgCO2/kg이다. 이산화탄소 포집에너지 공급을 위한 별도의 보조보일러를 사용하지 않고 주보일러에 추가의 석탄을 공급하여 이산화탄소 포집에너지를 공급하는 경우 대기중 이산화탄소 배출량, 이산화탄소 포집에 따른 에너지 추가 투입량 및 시스템 총 이산화탄소 포집량을 표 1에 나타내었다.
<실시예 1>
실시예 1에서는 상기 비교예 1의 대상발전소에 이산화탄소 포집설비를 설치하고, 이산화탄소 포집에 필요한 에너지를 매체순환증기생산장치에서 생산된 증기로 공급하도록 하였다. 즉, 실시예 1의 공정 구성은 도 1의 구성과 같다. 여기서, 연료반응기에 주입하는 연료는 주보일러에 주입하는 석탄과 동일한 석탄을 사용하였다. 보다 구체적으로, 실시예 1의 경우 매체순환증기생산장치(170)에서 생산된 고온고압의 증기를 이용하여 매체순환증기생산장치에 연계하여 설치한 증기터빈(180)을 돌리고(L14), 이 터빈을 거쳐 나온 증기로 이산화탄소 흡수제 재생열을 공급하도록 하였다. 또한, 증기 생산을 위해 매체순환증기생산장치의 열교환장치(175, 176)에 공급할 응축수는 주보일러 주증기계통의 저압증기터빈 후단에서 인출하였고(L11), 이산화탄소 포집설비를 거쳐 나온 증기의 응축수는 응축수의 온도 압력에 부합되는 주보일러 주증기계통에 주입하도록 하였다(L16). 도 2의 경우와 같이 매체순환증기생산장치(170)의 열교환장치(175, 176)에서 생산된 고온고압의 증기를 주보일러 주증기계통에 주입하고(L14), 비교예 2에서와 같은 방법으로 주보일러 주증기계통의 고압증기터빈과 중압증기터빈 사이 또는 중압증기터빈과 저압증기터빈 사이에서 이산화탄소 흡수제 재생열 공급을 위한 증기를 인출하여 이산화탄소 포집설비로 공급한 다음(L15), 이산화탄소 포집설비를 거쳐 나온 증기의 응축수는 응축수의 온도 압력에 부합되는 주보일러 주증기계통에 주입하여도(L16) 동일한 이산화탄소 포집에너지 저감 및 이산화탄소 배출량 저감 효과를 얻을 수 있다.주보일러에서 사용하는 석탄과 동일한 석탄을 연료로 사용하는 매체순환증기생산장치에서 생산된 증기로 이산화탄소 포집에너지를 공급하는 경우 대기중 이산화탄소 배출량, 이산화탄소 포집에 따른 에너지 추가 투입량 및 시스템 총 이산화탄소 포집량을 표 1에 나타내었다.
<실시예 2>
실시예 2의 계산조건은 상기 실시예 1에서 천연가스를 연료로 사용하는 매체순환증기생산장치에서 생산된 증기로 이산화탄소 포집에너지를 공급하도록 공정을 변경한 것 외에는 실시예 1과 동일하다. 이산화탄소 포집에너지 공급을 위해 투입된 천연가스의 발열량은 52,449 kJ/kg이고, 연소시 이산화탄소 배출량은 2.67 kgCO2/kg이다. 천연가스를 연료로 사용하는 매체순환증기생산장치에서 생산된 증기로 이산화탄소 포집에너지를 공급하는 경우 대기중 이산화탄소 배출량, 이산화탄소 포집에 따른 에너지 추가 투입량 및 시스템 총 이산화탄소 포집량을 표 1에 나타내었다.
<실시예 3>
실시예 3의 계산조건은 상기 실시예 1에서 바이오매스를 연료로 사용하는 매체순환증기생산장치에서 생산된 증기로 이산화탄소 포집에너지를 공급하도록 공정을 변경한 것 외에는 실시예 1과 동일하다. 이산화탄소 포집에너지 공급을 위해 투입된 바이오매스의 발열량은 18,828 kJ/kg이고, 연소시 이산화탄소 배출량은 2.064 kgCO2/kg이다. 바이오매스를 연료로 사용하는 매체순환증기생산장치에서 생산된 증기로 이산화탄소 포집에너지를 공급하는 경우 대기중 이산화탄소 배출량, 이산화탄소 포집에 따른 에너지 추가 투입량 및 시스템 총 이산화탄소 포집량을 표 1에 나타내었다.
Figure pat00001
분석결과, 정격출력 550 MWe 조건에서 이산화탄소 포집을 하지 않는 경우(비교예 1) 대기중 이산화탄소 배출량은 441 톤CO2/시간이다.
석탄을 주보일러에 추가 투입하여 이산화탄소 포집 에너지를 공급하는 경우(비교예 2) 이산화탄소 포집에 따른 에너지 추가 투입량은 1923 GJ/시간이고 대기 중으로의 최종 이산화탄소 배출량은 111 톤CO2/시간이다.
석탄을 연료로 사용하는 매체순환스팀생산장치를 이용하여 이산화탄소 포집에너지를 공급하는 경우(실시예 1) 이산화탄소 포집에 따른 에너지 추가 투입량은 1391 GJ/시간이고 대기 중으로의 최종 이산화탄소 배출량은 44 톤CO2/시간으로, 석탄을 주보일러에 추가 투입하여 이산화탄소 포집에너지를 공급하는 경우(비교예 2)에 비해 더 적은 에너지를 사용하면서도 주보일러에서 배출되는 이산화탄소의 90%를 포집하고, 대기 중으로의 이산화탄소 배출량도 훨씬 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 매체순환증기생산장치에서 발생한 이산화탄소는 별도의 포집을 하지 않아도 이미 포집이 완료된 상태이므로 추가의 에너지를 투입하여 이산화탄소 포집설비에서 포집을 할 필요가 없기 때문이다. 따라서, 이산화탄소 포집설비에서 포집해야할 이산화탄소량, 이산화탄소 포집에 필요한 에너지 투입량, 대기 중 이산화탄소 배출량 및 시스템 총 이산화탄소 포집량도 감소하는 효과가 있다. 시스템 총 이산화탄소 포집량이 감소하면 저장을 위한 포집된 이산화탄소의 정제 및 압축비용 저감 효과를 얻을 수 있고, 저장을 위한 이산화탄소 수송비용절감과 이산화탄소 저장소를 보다 장기적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
천연가스를 연료로 사용하는 매체순환증기생산장치를 이용하여 이산화탄소 포집에너지를 공급하는 경우(실시예 2) 이산화탄소 포집에 따른 에너지 추가 투입량은 1391 GJ/시간이고 대기 중으로의 최종 이산화탄소 배출량은 44 톤CO2/시간으로, 석탄을 주보일러에 추가 투입하여 이산화탄소 포집에너지를 공급하는 경우(비교예 2)에 비해 더 적은 에너지를 사용하면서도 주보일러에서 배출되는 이산화탄소의 90%를 포집하고 대기 중으로의 이산화탄소 배출량도 현저히 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 실시예 1에서의 효과와 동일하며, 특히 천연가스 연소열로 이산화탄소 포집에너지를 공급하면 단위발열량당 이산화탄소 발생량이 작아 동일한 이산화탄소 포집에너지를 공급하는데 더 적은 양의 이산화탄소가 배출되기 때문에 시스템 총 이산화탄소 배출량은 더욱 감소한다. 따라서, 포집된 이산화탄소의 저장을 위한 정제 및 압축비용, 이산화탄소 수송비용을 훨씬 많이 절감할 수 있고 이산화탄소 저장소도 보다 장기적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
바이오매스를 연료로 사용하는 매체순환증기생산장치를 이용하여 이산화탄소 포집에너지를 공급하는 경우(실시예 3) 이산화탄소 포집에 따른 에너지 추가 투입량은 1391 GJ/시간이고 대기 중으로의 최종 이산화탄소 배출량은 -109 톤CO2/시간으로, 석탄을 주보일러에 추가 투입하여 이산화탄소 포집에너지를 공급하는 경우(비교예 2)에 비해 더 적은 에너지를 사용하면서도 주보일러에서 배출되는 이산화탄소의 90%를 포집하고, 특히 대기 중으로 마이너스 이산화탄소 배출량을 실현할 수 있음을 확인할 수 있다. 바이오매스 연소로 발생하는 이산화탄소는 대기 중 배출량에 포함시키지 않는 것으로 국제적으로 승인하고 있기 때문에, 바이오매스 연료로 발생한 이산화탄소를 포집하여 저장하면 마이너스 배출로 인정받을 수 있다. 마이너스 이산화탄소 배출은 배출권 거래를 통해 추가의 경제적 수익을 얻을 수 있음을 의미한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 이산화탄소 포집 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100, 200; 이산화탄소 포집 장치 110; 주보일러
120; 제 1 증기 터빈 130; 복수기
140; 흡수탑 150; 재생탑
160; 제 1 열교환기 170; 매체순환증기생산장치
171; 연료반응기 172; 공기반응기
175, 176; 제 2, 3 열교환기 180; 제 2 증기 터빈

Claims (9)

  1. 연료를 연소하여 고온의 배가스를 발생시키고, 응축수를 공급받아 상기 고온의 배가스와 열교환시킴으로써 고온 고압의 증기를 생산하는 주보일러;
    상기 주보일러의 증기를 통해 발전을 수행하는 증기 터빈;
    상기 증기 터빈을 통과한 저온 저압의 증기 또는 응축수 중 일부를 공급받아 고온 고압 증기로 변환시키는 매체순환증기생산장치;
    상기 주보일러로부터 배출된 배가스와 흡수제를 반응시켜 상기 배가스로부터 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑; 및
    상기 흡수탑으로부터 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 공급받고, 상기 증기 터빈 또는 매체순환증기생산장치로부터 흡수제 재생용 열원으로 고온 고압의 증기를 공급받아 상기 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하여 흡수제를 재생시키는 재생탑을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 매체순환증기생산장치는,
    연료가 투입되며, 상기 투입된 연료에 산소공여입자로부터 산소를 제공하여 연료를 연소시키는 연료반응기;
    상기 연료반응기에서 산소를 전달한 산소공여입자가 이송되며, 공기를 공급받아 상기 산소공여입자에 산소를 제공함으로써 산소공여입자를 재생시키는 공기반응기; 및
    상기 증기 터빈을 통과한 저온 저압의 증기 또는 응축수 중 일부를 상기 연료반응기 및 공기반응기에서 배출되는 고온의 가스와 열교환시켜 고온 고압의 증기를 생성하는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열교환기로부터 고온 고압의 증기를 공급받고, 이를 통해 발전을 수행하는 또 다른 증기 터빈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 또 다른 증기 터빈으로부터 배출된 증기를 상기 재생탑의 열교환기로 투입하여 흡수제 재생용 열원으로 이용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 열교환기로부터 생성된 고온 고압의 증기를 상기 증기 터빈의 전단으로 공급하여 추가적으로 발전을 수행하고, 상기 증기 터빈으로부터 배출된 증기를 상기 재생탑의 열교환기로 투입하여 흡수제 재생용 열원으로 이용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 상기 증기 터빈은 고압 증기 터빈, 중압 증기 터빈 및 저압 증기 터빈을 포함하여 구성되고,
    상기 고압 증기 터빈과 중압 증기 터빈의 사이 또는 상기 중압 증기 터빈과 저압 증기 터빈의 사이에서 증기를 인가받아 상기 흡수제 재생용 열원으로 이용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 산소공여입자는 상기 연료반응기 및 공기반응기를 순환하며 이동하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 산소공여입자는 CaSO4 또는 금속산화물을 전체 중량 대비 1 내지 100 중량%를 함유하는 고체 입자로 상기 금속산화물 중의 금속은 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 망간(Mn), 코발트(Co), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 타이타늄(Ti), 세륨(Ce), 란타늄(La), 스트론튬(Sr) 중 선택된 하나 이상 또는 이들의 혼합금속인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 매체순환증기생산장치로 공급되는 연료는 석탄, 천연가스, 셰일가스, 합성가스 또는 바이오매스 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
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CN117771922A (zh) * 2024-02-26 2024-03-29 中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司 一种全烟气二氧化碳捕集系统

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