KR20170136143A - 복합발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

복합발전 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 복합발전 시스템은, 가스화부의 가스화기에서 생성된 합성가스를 냉각시키는 냉각기에서 생성된 증기를 연료전지부의 개질기로 공급하여 사용함으로, 개질기에서 사용되는 증기를 별도로 생성할 필요가 없다. 그러므로, 원가가 절감되는 효과가 있을 수 있다.

Description

복합발전 시스템 {COMBINED CYCLE POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 가스화부의 가스화기에서 생성된 합성가스를 냉각시키는 냉각기에서 발생되는 증기를 연료전지부의 개질기로 공급하는 복합발전 시스템에 관한 것이다.
복합발전(Combined Cycle Power Generation)은 기체원료, 액체원료, 화석원료 또는 유기성원료를 가스화하여 정제한 다음 합성가스(Syngas)를 생성하고, 합성가스의 연소시 발생하는 연소가스로 가스터빈을 회전시켜 1차로 발전하며, 가스터빈에서 배출되는 배기가스를 이용하여 증기를 생성한 다음, 생성된 증기로 증기터빈을 회전시켜 2차로 발전하는 기술이다. 복합발전은 두 차례에 걸쳐 발전하기 때문에 열효율이 우수하고, 환경오염이 적은 장점이 있다.
그리고, 연료전지(Fuel Cell)는 수소를 포함하고 있는 연료 및 산소를 지속적으로 공급하고, 공급된 수소와 공급된 산소의 전기화학적 반응으로 전기에너지를 생성하는 기술이다.
그러므로, 가스화부와 연료전지를 적절하게 조합하면 효율적인 복합발전 시스템을 구현할 수 있으므로, 이에 따른 연구개발이 한창 진행중이다.
복합발전 시스템과 관련한 선행기술은 한국등록특허공보 제10-1543168호(2015년 08월 07일) 등에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 가스화부의 가스화기에서 생성된 합성가스를 냉각시키는 냉각기에서 발생된 증기를 연료전지부의 개질기로 공급함으로써, 원가를 절감할 수 있는 복합발전 시스템을 제공하는 것일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 복합발전 시스템은, 산소 및 원료를 공급받아 합성가스(Syngas)를 생성하는 가스화기와 상기 가스화기에서 생성된 합성가스를 냉각시키면서 증기를 발생하는 냉각기를 가지는 가스화부; 상기 가스화부에서 생성된 합성가스를 연소시켜 발전하는 발전부; 증기를 공급받아 상기 가스화부에서 생성된 합성가스를 수소와 이산화탄소로 개질하는 개질기, 상기 개질기로부터 수소와 이산화탄소를 공급받는 애노드(Anode)와 산소를 공급받는 캐소드(Cathode)를 가지면서 전기화학 반응으로 발전하는 연료전지를 구비하는 연료전지부를 포함하며, 상기 개질기로 공급되는 증기는 상기 냉각기에서 발생된 증기일 수 있다.
본 실시예에 따른 복합발전 시스템은, 가스화부의 가스화기에서 생성된 합성가스를 냉각시키는 냉각기에서 생성된 증기를 연료전지부의 개질기로 공급하여 사용함으로, 개질기에서 사용되는 증기를 별도로 생성할 필요가 없다. 그러므로, 원가가 절감되는 효과가 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합발전 시스템의 구성을 보인 도.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 복합발전 시스템의 구성을 보인 도.
본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
한편, 본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1항목, 제2항목 및 제3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1항목, 제2항목 또는 제3항목 각각 뿐만 아니라 제1항목, 제2항목 및 제3항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
"및/또는"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1항목, 제2항목 및/또는 제3항목"의 의미는 제1항목, 제2항목 또는 제3항목뿐만 아니라 제1항목, 제2항목 또는 제3항목들 중 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결된다 또는 설치된다"고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 설치될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결된다 또는 설치된다"라고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "∼사이에"와 "바로 ∼사이에" 또는 "∼에 이웃하는"과 "∼에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예들에 따른 복합발전 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합발전 시스템의 구성을 보인 도이고, 도 2는 도 1에 도시된 폐열회수보일러 및 연료전지의 확대도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 복합발전 시스템은 가스화부(100), 발전부(200) 및 연료전지부(300)를 포함할 수 있다.
먼저, 가스화부(100)에 대하여 설명한다.
가스화부(100)는 기체원료, 액체원료, 화석원료(化石燃料) 또는 유기성원료를 연소하여 가연성 가스인 합성가스(Syngas)를 생성할 수 있으며, 가스화기(110), 공기분리기(140), 폐수처리기(150) 및 정제장치(160)를 포함할 수 있다.
특히, 석탄을 원료로 하여 합성가스를 생성한 후 발전하는 시스템을 석탄가스화 복합발전 시스템이라 한다. 석탄은 슬러리(Slurry) 형태로 투입되거나, 미분탄 형태로 투입될 수 있다. 슬러리 형태의 석탄은 산화제인 공기 또는 산소와 함께 물이 투입되고, 미분탄 형태의 석탄은 산화제인 공기 또는 산소와 함께 증기가 투입된다.
이하에서는, 화석원료인 미분탄을 원료로 사용하는 것을 예로 들어 설명한다.
가스화기(110)는 미분탄을 연소하여 원시(Raw) 합성가스를 생성할 수 있다. 미분탄을 가스화기(110)로 공급하기 위하여, 석탄저장용기(131)와 석탄저장용기(131)에 저장된 석탄을 분쇄하는 분쇄기(135)가 마련될 수 있다.
가스화기(110)에서 미분탄을 연소하기 위해서는 산화제인 산소가 필요하며, 공기분리기(140)는 공기를 산소와 질소로 분리하여 산소를 생성할 수 있다. 즉, 불순물이 제거된 압축공기를 냉각시키면 산소와 질소의 끓는점의 차이로 인하여 공기는 저온의 액체산소와 저온의 액체질소로 분리되며, 공기분리기(140)에서 분리 생성된 액체산소는 열교환을 거친 후 메인산소관로(142)를 통하여 가스화기(110)로 공급될 수 있다.
가스화기(110)에서 미분탄이 연소됨으로 인하여 생성된 원시 합성가스에는 이산화탄소, 황화카르보닐(COS) 및 황화수소가 포함될 수 있으며, 이산화탄소, 황화카르보닐(COS) 및 황화수소가 산성 가스이다.
석탄에는 불연소 물질인 석탄회분이 대략 2∼20％ 정도 함유되어 있다.
석탄회분의 대략 20％는 가스화기(110)의 고온의 연소열에 의해 용융되어 여러 입자가 응결된 슬래그(Slag)가 되어 물과 함께 가스화기(110)의 하부와 연통 설치된 호퍼(미도시)를 통하여 외부로 배출될 수 있다.
폐수처리기(150)는 가스화기(110)에서 배출된 물을 처리할 수 있으며, 폐수처리기(150)에서 처리된 물은 가스화기(110)으로 재유입될 수 있다.
그리고, 석탄회분의 나머지 대략 80％는 각 입자별로 연소되어 원시 합성가스의 흐름에 따라 비산하여 냉각기(120)에서 냉각될 수 있다. 이때, 가스화기(110)에서 생성된 합성가스는 1,500℃ 전후의 고온이므로, 담금질(Quenching)된 후 대략 900℃로 냉각되어 냉각기(120)로 유입될 수 있다.
그리고, 냉각기(120)는 합성가스를 대략 200℃로 냉각시켜 정제장치(160)로 공급할 수 있다. 이때, 냉각기(120)는 냉각수를 이용하여 합성가스를 냉각시킬 수 있으며, 냉각기(120)에서 합성가스를 냉각시키면, 증기가 발생할 수 있다. 그리고, 냉각기(120)에서 발생된 증기는 복합발전에 사용될 수 있다.
정제장치(160)는 가스화기(110)에서 생성된 석탄회분이 함유된 원시 합성가스를 정제할 수 있다.
정제장치(160)는 원시 합성가스에 함유된 플라이애쉬를 포함한 분진을 분리한 후 집진하여 제거하는 분진제거기(161), 분진이 제거된 합성가스를 가수분해하여 황 성분을 제거하는 가수분해기(163), 황 성분이 제거된 합성가스를 산성가스와 순수 합성가스로 분리하는 산성가스제거기(165) 및 산성가스를 황과 황산으로 분리하여 배출하는 황제거기(167)를 포함할 수 있다.
이때, 가수분해기(163)에서 황 성분이 제거된 가스는 폐수처리기(150)로 유입되어 처리될 수 있고, 폐수처리기(150)는 사워가스(Sour Gas)를 황제거기(167)로 이송할 수 있다. 그리고, 황제거기(167)는 테일가스(Tail Gsa)를 사용처로 이송할 수 있다.
산성가스제거기(165)에서 분리된 순수 합성가스는 발전부(200)로 공급되어 발전을 할 수 있다.
다음에는, 발전부(200)에 대하여 설명한다.
발전부(200)는 가스터빈(210), 폐열회수보일러(220), 증기터빈(230) 및 복수기(240)를 포함할 수 있다.
가스터빈(210)은 산성가스제거기(165)에서 분리된 순수 합성가스를 공급받아 발전기를 구동할 수 있다. 상세히 설명하면, 가스터빈(210)은 공기를 압축하는 압축기, 상기 압축기 및 상기 산성가스제거기로부터 공기 및 합성가스를 각각 공급받아 합성가스를 연소하는 연소기 및 상기 연소기에서 생성된 연소가스에 의하여 구동하면서 발전기를 구동하는 터빈을 포함할 수 있다.
상기 터빈을 구동시킨 연소가스는 고온 상태로 배출될 수 있으며, 폐열회수보일러(220)는 가스터빈(210)에서 배출된 배기가스를 이용하여 증기를 생성할 수 있다.
폐열회수보일러(220)로 유입되어 증기를 생성하는데 사용된 배기가스는 정제된 후 배출될 수 있고, 증기터빈(230)은 폐열회수보일러(220)에서 생성된 증기를 공급받아 구동하면서 또 다른 발전기를 구동할 수 있다. 그리고, 증기터빈(230)의 구동에 사용된 증기는 복수기(240)에서 응축되어 폐열회수보일러(220)로 재유입될 수 있다.
다음에는, 연료전지부(300)에 대하여 설명한다.
연료전지부(300)는 개질기(310)와 연료전지(310)를 포함할 수 있다.
개질기(310)는 가스화부(100)의 산성가스제거기(165)에서 분리된 생성된 순수 합성가스를 공급받아 합성가스를 수소와 이산화탄소로 개질할 수 있다. 그리고, 연료전지(320)는 수소와 이산화탄소를 공급받는 애노드(Anode)(321)와 산소를 공급받는 캐소드(Cathode)(325)를 포함할 수 있으며, 고체산화물을 전해질로 사용하는 고체산화물 연료전지로 마련되는 것이 바람직한다.
연료전지(320)는 캐소드(325)에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 애노드(321)로 이동하여, 애노드(321)에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성한다. 이때, 애노드(321)에서 전자가 생성되고 캐소드(325)에서 전자가 소모되므로, 애노드(321)와 캐소드(325)를 연결하여 전류를 발생시켜 발전을 한다.
개질기(310)에서 순수 합성가스를 공급받아 개질할 때, 수소를 많이 함유하는 가스로 개질하기 위해서는 증기가 필요한다. 이때, 개질기(310)로 공급되는 증기는 가스화부(100)의 냉각기(120)에서 발생된 증기일 수 있다. 그러면, 개질기(310)로 공급되는 증기를 생성하기 위한 별도의 장치가 필요 없으므로, 원가가 절감된다.
냉각기(120)에서 생성된 증기를 개질기(310)로 공급하기 위하여 증기관로(411)가 설치될 수 있고, 증기관로(411)에는 증기관로(411)의 개폐 정도(程度)를 조절하는 제1밸브(413)가 설치될 수 있다.
본 발명의 제1실시예에 따른 복합발전 시스템은 가스화부(100)의 가스화기(110)에서 생성된 고온의 합성가스를 냉각기(120)에서 냉각시켜 필터장치(160)의 분진제거기(161)로 공급한다. 이때, 냉각기(120)에서 증기가 발생하고, 냉각기(120)에서 발생된 증기를 연료전지부(300)의 개질기(310)로 공급하여 사용한다. 그러면, 개질기(120)에서 사용되는 증기를 별도로 생성할 필요가 없으므로, 원가가 절감될 수 있다.
제2실시예
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 복합발전 시스템의 구성을 보인 도로서, 제1실시예와의 차이점만을 설명한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 복합발전 시스템은 가스화부(100)의 공기분리기(140)에서 생성된 공기가 연료전지(320)의 캐소드(325)로 공급될 수 있다. 그리고, 캐소드(325)로 공급된 산소 중 미반응 산소는 가스화기(120)로 재공급되어 사용될 수 있다.
공기분리기(140)에서 생성된 산소를 캐소드(325)로 공급하고, 캐소드(325)에서 배출되는 미반응 산소를 가스화기(120)로 재공급하기 위하여 메인산소관로(142)에는 산소분기관로(421)가 분기 설치될 수 있다. 그리고, 산소분기관로(421)에는 산소분기관로(421)의 개폐 정도를 조절하는 제2밸브(423)가 설치될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 가스화부
110: 가스화기
120: 냉각기
140: 공기분리기
200: 발전부
300: 연료전지부
310: 개질기
320: 연료전지

Claims (3)

  1. 산소 및 원료를 공급받아 합성가스(Syngas)를 생성하는 가스화기와 상기 가스화기에서 생성된 합성가스를 냉각시키면서 증기를 발생하는 냉각기를 가지는 가스화부;
    상기 가스화부에서 생성된 합성가스를 연소시켜 발전하는 발전부;
    증기를 공급받아 상기 가스화부에서 생성된 합성가스를 수소와 이산화탄소로 개질하는 개질기, 상기 개질기로부터 수소와 이산화탄소를 공급받는 애노드(Anode)와 산소를 공급받는 캐소드(Cathode)를 가지면서 전기화학 반응으로 발전하는 연료전지를 구비하는 연료전지부를 포함하며,
    상기 개질기로 공급되는 증기는 상기 냉각기에서 발생된 증기인 것을 특징으로 하는 복합발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스화부는 공기를 산소와 질소로 분리하여 상기 가스화기로 공급하는 공기분리기를 더 포함하고,
    상기 공기분리기에서 분리된 산소는 상기 캐소드로 공급되는 것을 특징으로 하는 복합발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 캐소드에서 배출되는 미반응 산소는 상기 가스화기로 공급되는 것을 특징으로 하는 복합발전 시스템.
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