KR20190107360A - 해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템은, 해수를 전기분해하여 생성되는 수소 가스와 선박에 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas)를 일정한 비율로 혼합한 HCNG를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 발전설비를 포함하고, 상기 발전설비는 상기 HCNG를 연료로 하여 구동되는 가스터빈과, 상기 가스터빈에서 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하여 생성되는 스팀을 이용하여 구동되는 스팀터빈으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템 {Power generation system using seawater electrolysis module}
본 발명은 해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 해수의 전기분해에 의해 생성되는 수소(H2) 가스를 이용하여 전력을 생산하며, 이와 동시에 배기가스의 폐열을 활용하는 폐열회수시스템(WHRS)을 이용하여 가스터빈과 스팀터빈이 통합 운용되는 발전설비를 구축함으로써, 효율성을 극대화시킨 해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템에 관한 것이다.
유조선, 컨테이너선 또는 LNG 화물선과 같은 대형선박의 경우 선박의 안정성 및 균형을 확보하기 수단으로서 선박의 내부에 밸러스트(Ballast) 탱크를 구비하고 있다. 통상적으로 펌프를 이용하여 주변의 해수를 필요에 따라 밸러스트 탱크로 유입하거나 밸러스트 탱크 내의 해수를 유출시키게 되는데, 이와 같이 선박의 밸런스(balance)를 맞추기 위한 해수를 평형수(ballast water, 밸러스트수라고도 함)라 한다. 즉, 화물이 하역되는 경우에는 평형수가 밸러스트 탱크로 유입되도록 하고, 화물이 적재되는 경우에는 밸러스트 탱크에 저장되어 있던 평형수가 배출되도록 하여 선박의 밸런스를 맞출 수 있다.
이처럼 밸러스트수는 부력 조절을 통한 선박의 안전한 운전 및 마찰 감소를 통한 최적 항해를 위해 선박의 흘수를 조절하는 하기 위해 이용된다.
이러한 밸러스트수의 가장 큰 문제점은 기본적으로 밸러스트수가 외래 해양 생물종을 전파하는 매체로 이용된다는 점인데, 즉 밸러스트수 내에 포함된 특정 해역의 생물 또는 병원균 등이 밸러스트수를 담고 있는 선박에 의해 전혀 다른 타 해역으로 이송되어 그 해역의 환경과 생태계를 교란시키는 부작용을 유발하게 된다.
따라서 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)에서는 새로운 환경 기준을 제정하여 유해생물종의 국가간 이동을 방지하기 위해 밸러스트수에 대하여 수처리를 하도록 하고 있다.
밸러스트수의 처리 방법으로는 필터링법, 자외선 소독법, 가열법, 화학처리법 및 전기적인 처리방법 등이 이용되고 있는데, 경제적 측면 및 안정성 측면 그리고 처리 효율면에서 전기분해 처리장치가 가장 효과적이라 할 수 있다.
종래의 전기분해를 이용한 밸러스트수 처리장치로는 국내특허출원 제10-2002-36086호(2002.06.26)호의 "하수처리장의 방류수 전해소독설비, 국내출원특허 제10-2005-0085605(2005.09.14)호의 "선박용 밸러스트수의 전해소독장치", 국내출원특허 제10-2006-0113865(2006.10.14)호의 "복극식 전기분해시스템을 이용한 선박 밸러스트수 살균장치" 등이 있다.
또한, 종래 국내출원특허 제10-0982195 “고효율 전기분해장치를 이용한 밸러스트수 처리시스템”, 제10-09850415 “담수 또는 해수의 전기분해장치” 그리고 제10-1063592 “음전극판 보호부재를 설치한 전기분해장치”에서 보다 효율적이고 이물질 부착 방지를 위한 밸러스트수 전기분해 장치에 관한 내용이 있다. 그리고 제10-1309373 “하이브리드형 전기분해장치를 이용한 밸러스트수 처리장치”에서 중화장치를 사용하고 전기효율을 증대시키기 위한 장치 설계에 관한 연구 결과도 있다.
종래의 전기분해를 이용한 밸러스트수 처리방식은, 해수를 전기분해하여 산화제(통상적으로, 차아염소산)를 생성하고, 생성된 산화제를 해양으로부터 밸러스트 탱크로 유입되는 평형수에 혼합시켜 평형수를 살균하는 것이다.
그러나 일반적으로 이러한 전기분해 설비는 해양생물의 살균에 영향을 주는 활성물질인 차아염소산나트륨(NaOCl) 생성에 대응하는 부가 생성물인 폭발의 위험성이 있는 수소(Hydrogen) 가스를 생성하므로, 수소 가스가 배관 내부, 선내 그리고 밸러스트수 탱크 내부에 잔존할 경우 폭발의 위험이 있으므로 안전한 형태로 선외로 배출할 필요성이 있다.
이러한 안전상의 문제로 수소 가스는 외부 공기를 사용해 1%의 부피비로 희석된 후 외부로 배출되어야 하며, 이를 위해 전기분해된 밸러스트수로부터 분리된 수소 가스에 다량의 공기를 공급하기 위한 대용량 블로워(blower)가 요구되고, 이 대용량 블로워를 작동시키기 위해 다량의 전력이 소비된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 밸러스트수의 처리를 위해 해수를 전기분해하는 과정에서 생성되는 수소 가스를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 발전 시스템을 구축하여 에너지 자원을 효율적으로 사용하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명은 배기가스의 폐열을 활용하는 폐열회수시스템을 이용하여 가스터빈과 스팀터빈이 통합 운용되는 발전설비를 구축함으로써 발전 설비의 효율을 극대화하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 해수를 전기분해하여 생성되는 수소 가스와 선박에 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas)를 일정한 비율로 혼합한 HCNG를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 발전설비(200);를 포함하고, 상기 발전설비(200)는, 상기 해수의 전기분해에 의해 생성되는 수소 가스와 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 일정한 비율로 혼합하여 HCNG를 생성하는 제1 혼합 챔버(210); 상기 제1 혼합 챔버(210)로부터 HCNG를 공급받아 연소시키는 연소 챔버(220); 상기 연소 챔버(220)에서 발생한 고압의 가스를 공급받아 구동되는 가스터빈(240); 상기 가스터빈(240)에서 발생하는 고온의 배기가스의 폐열을 회수하여 스팀을 발생시키는 폐열회수시스템(250); 및 상기 폐열회수시스템(250)에서 발생한 스팀을 공급받아 구동되는 스팀터빈(260);을 포함하는, 해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템을 제공한다.
상기 폐열회수시스템(250)은, 상기 가스터빈(240)에서 발생하는 배기가스가 유입되는 이코노마이저(251); 물이 순환하며 상기 이코노마이저(251)의 입구측에서 배기가스와 열교환하여 고압스팀이 생성되는 고압스팀 생성라인(HL); 물이 순환하며 상기 고압스팀 생성라인(HL)과 열교환을 마친 배기가스와 열교환하여 저압스팀이 생성되는 저압스팀 생성라인(LL); 상기 고압스팀 생성라인(HL)에서 생성된 고압스팀을 상기 스팀터빈(260)으로 공급하는 고압스팀 공급라인(SL1); 및 상기 저압스팀 생성라인(LL)에서 생성된 저압스팀을 상기 스팀터빈(260)으로 공급하는 저압스팀 공급라인(SL2);을 포함한다.
상기 고압스팀 공급라인(SL1)을 통해 이송되는 스팀은 상기 이코노마이저(251)에서 다시 배기가스와 열교환되어 과열증기로 바뀐 후, 상기 스팀터빈(260)으로 공급될 수 있다.
상기 폐열회수시스템(250)은, 상기 고압스팀 생성라인(HL) 상에 설치되어 물과 스팀을 분리하고, 분리된 스팀을 상기 고압스팀 공급라인(SL1)으로 배출하는 고압 스팀분리기(252); 및 상기 저압스팀 생성라인(LL) 상에 설치되어 물과 스팀을 분리하고, 분리된 스팀을 상기 저압스팀 공급라인(SL2)으로 배출하는 저압 스팀분리기(253);을 더 포함할 수 있다.
상기 폐열회수시스템(250)은, 상기 스팀터빈(260)에서 배출되는 스팀을 응축시키는 응축기(254); 및 상기 응축기에 의해 변환된 물을 상기 고압 스팀분리기(252) 및 상기 저압 스팀분리기(253)로 순환시키는 물공급라인(WL);을 더 포함할 수 있다.
상기 가스터빈(240)과 상기 스팀터빈(260)은 리덕션 기어와 클러치에 의해 결합되어 하나의 발전기(270)에 의해 전력을 생산할 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따른 해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템은, 해수를 전기분해하여 생성되는 수소 가스와 선박에 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas)를 일정한 비율로 혼합한 HCNG를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 발전설비(200);를 포함하고, 해수의 전기분해에 의해 생성되는 수소 가스와 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 일정한 비율로 혼합하여 HCNG를 생성하는 제1 혼합 챔버(210); 상기 제1 혼합 챔버(210)로부터 HCNG를 공급받아 연소시키는 연소 챔버(220); 상기 연소 챔버(220)에서 발생한 고압의 가스를 공급받아 구동되는 가스터빈(240); 상기 가스터빈(240)에서 발생하는 고온의 배기가스의 폐열을 회수하여 스팀을 발생시키는 폐열회수시스템(250); 상기 폐열회수시스템(250)에서 발생한 스팀을 공급받아 구동되는 제1 스팀터빈(261); 및 상기 제1 스팀터빈(261)에서 생성된 스팀을 공급받아 구동되는 제2 스팀터빈(262);을 포함하고, 상기 제1 스팀터빈(261)을 구동시키고 배출되는 스팀을 순환라인(CL)을 따라 상기 폐열회수시스템(250)에서 배기가스와 열교환되어 과열증기로 바뀐 후, 상기 제2 스팀터빈(262)으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 폐열회수시스템(250)은, 상기 가스터빈(240)에서 발생하는 배기가스가 유입되는 이코노마이저(251); 물이 순환하며 상기 이코노마이저(251) 내부의 배기가스와 열교환하여 저압스팀이 생성되는 저압스팀 생성라인(LL); 및 상기 저압스팀 생성라인(LL)에서 생성된 저압스팀을 상기 제1 스팀터빈(261)으로 공급하는 저압스팀 공급라인(SL2);을 포함하고, 상기 순환라인(CL)은 상기 이코노마이저(251)에서 배기가스의 흐름에 대하여 상기 저압스팀 공급라인(SL2)보다 상류 측에서 배기가스와 열교환되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 태양에 따른 해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템은, 상기 가스터빈(240)과 상기 제1 스팀터빈(261)의 운전에 의해 발전하는 제1 발전기(271); 및 상기 제2 스팀터빈(262)의 운전에 의해 발전하는 제2 발전기(272);를 포함하고, 상기 가스터빈(240)과 상기 제1 스팀터빈(261)은 리덕션 기어와 클러치에 의해 결합되어 하나의 제1 발전기(271)에 의해 전력을 생산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템은, 해수를 전기분해하여 생성되는 수소 가스 중 일부를 질소 가스와 반응시켜 암모니아를 생성하는 암모니아 생성부(300);를 더 포함하고, 상기 암모니아 생성부(300)에서 생성된 암모니아를 이코노마이저(251) 내부에 마련되는 SCR 촉매부(255)에 분사하여 배기가스 중의 질소산화물을 저감할 수 있다.
본 발명에 따른 해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템은, 해수를 전기분해하여 생성되는 차아염소산나트륨(NaOCl)을 저장하는 살균제 저장탱크(110);를 더 포함하고, 상기 살균제 저장탱크(110)에 저장된 차아염소산나트륨은 밸러스트 수 처리시스템으로 공급되어 해수 중의 해양 생물을 사멸시키는데 이용될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 해수를 전기분해하여 생성되는 수소 가스와 선박에 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas)를 일정한 비율로 혼합한 HCNG를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 발전설비(200)를 포함하고, 상기 발전설비(200)는 상기 HCNG를 연료로 하여 구동되는 가스터빈(240)과, 상기 가스터빈(240)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하여 생성되는 스팀을 이용하여 구동되는 스팀터빈(260)으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템을 제공한다.
상기 가스터빈(240)과 상기 스팀터빈(260)은 리덕션 기어와 클러치에 의해 결합되어 하나의 발전기(270)에 의해 전력을 생산할 수 있다.
해수를 전기분해하여 생성되는 수소 가스 중 일부는 질소 가스와 반응시켜 암모니아를 생성하고, 이를 상기 가스터빈(240)에서 배출되는 배기가스 중에 분사하여 질소산화물을 저감할 수 있다.
본 발명에 따르면, 밸러스트수의 처리를 위해 해수를 분해하는 과정에서 생성되는 수소 가스를 종래와 같이 외기로 배출하지 않고 전력 생산에 이용함으로써 에너지 자원을 낭비 없이 효율적으로 활용할 수 있다. 이때, 수소 가스를 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG와 일정한 비율로 혼합하여 생성된 HCNG를 연료로 사용함으로써, 수소의 빠른 연소속도와 높은 화염온도를 활용하여 발전 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 배기가스의 폐열을 활용하는 폐열회수시스템을 이용하여 가스터빈과 스팀터빈이 통합 운용되는 발전설비를 구축함으로써 발전 설비의 효율을 극대화할 수 있다.
더불어, 본 발명은 해수의 전기분해에 의해 생성되는 수소 가스를 질소 가스와 반응시켜 암모니아를 생성하고, 이를 배기가스의 질소산화물 저감을 위한 환원제로 이용함으로써, 에너지 자원을 효율적으로 활용한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템을 나타낸 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기로 한다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 해수의 전기분해 과정에서 생성되는 수소 가스의 바람직한 활용 방안으로, 선박에 마련되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG와 일정한 비율로 혼합하여 HCNG를 생성하고, 이를 연소시켜 전력을 생산하는 발전 시스템을 제공하고자 하는 것이다. 따라서 본 발명은 LNG 저장탱크가 마련되는 LNG 추진선 또는 LNG 운반선에 적용되는 것이 바람직하다.
천연가스에 수소를 일정량 혼합한 가스를 HCNG라 하는데, HCNG는 수소의 연소 촉진 특성으로 연소안정성 및 노팅 안정성이 크게 증가하고, 수소의 높은 반응성과 빠른 화염 전파속도로 인해 연소 지속시간이 매우 짧으며 이는 희박연소에 매우 유리하다. HCNG를 연료로 사용하면 안정된 희박연소로 인하여 효율이 증가하고, 연소 온도 저감에 따라 황산화물, 질소산화물 등의 배출이 거의 없고, 연료 자체의 탄소비율이 감소함에 따라 이산화탄소의 배출량도 적다.
제1 실시예
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템은, 해수 공급부로부터 공급되는 해수를 전기분해하여 차아염소산나트륨(NaOCl, Sodium Hypochlorite), 및 수소(H2) 가스를 생성하는 전기분해모듈(100); 및 전기분해모듈(100)에서 생성된 수소 가스와 선박에 마련되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 일정한 비율로 혼합하여 생성된 HCNG를 연소시켜 전력을 생산하는 발전설비(200);를 포함한다.
전기분해모듈(100)은 씨 체스트(sea chest) 등 외부로부터 취수된 해수를 공급받아 전기분해한다. 전기분해모듈(100)로 해수를 공급하는 해수공급라인(SL) 상에는 해수의 이송력을 제공하기 위한 해수 펌프(sea water feed pump,11)와, 해수 내의 이물질을 1차적으로 제거하는 필터(12)가 설치될 수 있다.
전기분해모듈(100)은 음극판과 양극판으로 이루어지며, 변압기/정류기(20, Transformer/Rectifier)로부터 공급되는 전기를 이용하여 해수로부터 차아염소산나트륨(NaOCl, Sodium Hypochlorite) 및 수소(H2) 가스를 생성한다.
전기분해모듈(100)에서의 반응을 살펴보면 다음과 같다.
[양극 반응] 2Cl- → Cl2 + 2e-
[음극 반응] 2H2O + 2Na+ + 2e- → 2NaOH + H2
[전체 반응] 2NaCl + H2O → NaOCl + NaCl + H2
전기분해모듈(100)에서 생성된 차아염소산나트륨은 살균제 저장탱크(110)로 이송되어 저장되고, 수소 가스는 살균제 저장탱크(110)를 거쳐 살균제 저장탱크(110)에 마련된 수소배출라인(EL)을 통해 배출된다.
살균제 저장탱크(100)에 저장된 차아염소산나트륨은 필요에 따라 선박 내 각종 수요처로 공급되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 차아염소산나트륨은 살균제 공급라인(DL)을 통해 해양 생물 성장 방지시스템(Marine Growth Prevention System) 또는 밸러스트수 처리시스템(Ballast Water Treatment System)으로 공급되어 해수 중의 해양 생물을 사멸시키는데 사용될 수 있다.
발전설비(200)는, 전기분해모듈(100)에서 생성된 수소 가스와 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 각각 공급받아 일정한 비율로 혼합하는 제1 혼합 챔버(210); 혼합된 가스를 연소시키는 연소 챔버(220); 연소 챔버(220)에 압축 공기를 공급하는 압축기(230); 연소 챔버(220)에서 HCNG의 연소로 인해 발생한 고압의 가스를 공급받아 운전되는 가스터빈(240); 가스터빈(240)에서 발생하는 고온의 배기가스의 폐열을 회수하는 폐열회수시스템(250, WHRS: Waste Heat Recovery System); 및 폐열회수시스템(250)에서 생성된 스팀을 공급받아 운전되는 스팀터빈(260);을 포함한다.
압축기(230)에 의해 압축된 공기가 연소 챔버(220)로 공급되면, 고압의 공기와 제1 혼합 챔버(210)로부터 공급된 HCNG가 연소 챔버(220)에서 연소된다.
연소 챔버(220)에서 연소에 의해 발생한 고압의 가스가 가스터빈(240)으로 공급되고, 고압의 가스를 공급받은 가스터빈(240)의 운전에 의해 회전력이 발생한다.
가스터빈(240)에서 발생하는 배기가스는 폐열회수시스템(250)으로 유입되어, 폐열회수시스템(250)의 내부를 거치면서 폐열이 회수된 후, 폐열회수시스템(250)의 상부에 형성된 배출구를 통해 배출된다.
폐열회수시스템(250)은, 가스터빈(240)에서 발생하는 배기가스가 유입되는 이코노마이저(251, Economizer)와, 물이 순환하며 이코노마이저(251)의 입구측에서 배기가스와 열교환하여 고압스팀이 생성되는 고압스팀 생성라인(HL)과, 물이 순환하며 고압스팀을 생성한 배기가스와 열교환하여 저압스팀이 생성되는 저압스팀 생성라인(LL)을 포함한다.
고압스팀 생성라인(HL)을 흐르는 물은 이코노마이저(251)에서 열교환 방식으로 가열된 후 고압 스팀분리기(252)로 복귀한다. 고압스팀 생성라인(HL)을 흐르는 물은 고압스팀 생성라인(HL) 상에 설치된 고압펌프(HP)에 의해 고압으로 펌핑되어 이코노마이저(251) 측으로 도입될 수 있다.
고압스팀 생성라인(HL)에서 생성된 고압스팀은 고압 스팀분리기(252)에 의해 물과 분리된 후, 고압스팀 공급라인(SL1)을 통해 스팀터빈(260)으로 공급되어 스팀터빈(260)의 구동에 사용된다.
이때 고압스팀 공급라인(SL1)은 다시 이코노마이저(251)로 도입되어 배기가스와 한 번 더 열교환되도록 마련될 수 있으며, 이에 따라 고압스팀 공급라인(SL1)을 흐르는 고압스팀은 배기가스와의 열교환에 의해 과열증기로 바뀐 후 증기터빈(260)으로 공급될 수 있다. 고압스팀을 과열증기로 바꾸어 활용하면 엔탈피(enthalpy)의 차이에 의해 에너지 효율을 상승시키는 작용을 할 수 있다.
저압스팀 생성라인(LL)은 이코노마이저(251) 내부의 배기가스의 흐름에 대하여 고압스팀 생성라인(HL)의 하류 측에 마련될 수 있다. 즉 저압스팀 생성라인(LL)은 이코노마이저(251)에서 고압스팀 생성라인(HL)보다 배기가스의 입구측으로부터 먼 위치에서 배기가스와 열교환된다.
저압스팀 생성라인(LL)을 흐르는 물은 이코노마이저(251)에서 열교환 방식으로 가열된 후 저압 스팀분리기(253)로 복귀한다.
저압스팀 생성라인(LL)은 고압스팀 생성라인(HL)보다 저온에서도 스팀을 형성할 수 있도록, 저압펌프(LP)에 의해 고압펌프(HP)보다 낮은 압력으로 물을 펌핑하여 이코노마이저(251)로 도입시킨다.
저압스팀 생성라인(LL)에서 생성된 저압스팀은 저압 스팀분리기(253)에 의해 물과 분리된 후, 저압스팀 공급라인(SL2)을 통해 스팀터빈(260)으로 공급되어 스팀터빈(260)의 구동에 사용된다.
스팀터빈(260)은 제1 및 저압스팀 공급라인(SL1, SL2)을 통해 공급되는 스팀에 의해 운전되어 회전력을 발생시킨다.
본 실시예에서 가스터빈(240)과 스팀터빈(260) 각각에 발전기가 연결되어 전력을 생산할 수도 있지만, 가스터빈(240)과 스팀터빈(260)이 리덕션 기어(reduction gear) 및 클러치(clutch)에 의해 결합되어 하나의 발전기(270)에 의해 전력을 생산하는 듀얼터빈(Dual Turbine)의 개념으로 마련될 수도 있다.
스팀터빈(260)의 구동에 이용된 스팀은 응축기(254)에 의해 응축되어 물공급라인(WL)을 통해 고압 스팀분리기(252) 및 저압 스팀분리기(253)로 순환되어 랭킨 사이클(Rankine Cycle)을 완성할 수 있다. 물공급라인(WL) 상에는 물을 가압하여 이송력을 제공하는 급수펌프(WP)가 설치될 수 있다.
한편, 본 실시예에서 폐열회수시스템(250)은 배기가스 중의 질소산화물을 저감하는 SCR 촉매부(255)를 포함할 수 있다.
SCR 촉매부(255)는 폐열회수시스템(250)의 이코노마이저(251) 내부에 마련되며, 질소산화물을 포함하는 배기가스 중에 암모니아 등의 환원제를 분사하여 200 ~ 400 ℃ 하에서 Al2O3, TiO2을 담체로 쓰는 촉매나 담체를 쓰지 않는 산화철계, 합금촉매와 접촉시킴으로써, 질소산화물을 N2와 H2O로 환원시킨다.
또한, 본 실시예는 전기분해모듈(100)에서 생성되어 살균제 저장탱크(110)를 거쳐 배출되는 수소 가스를 질소 가스와 반응시켜 암모니아(NH3)를 생성하고, 이를 이코노마이저(251)에 탈질용 환원제로써 공급하는 암모니아 생성부(300);를 더 포함할 수 있다.
암모니아 생성부(300)는 수소 가스와 질소 가스를 혼합시키는 제2 혼합 챔버(310)와, 혼합된 가스를 Fe 계열의 촉매제와 함께 고온, 고압 하에 반응시켜 암모니아를 생성하는 반응기(320)로 구성될 수 있다.
제2 혼합 챔버(310)는 수소배출라인(EL)을 통해 공급되는 수소 가스와, 수소배출라인(EL)과는 별도로 마련되는 라인을 통해 공급되는 질소 가스를 기체 상태로 혼합한다. 이때 질소 가스는 공기 중의 질소를 이용하여 제조된 것일 수 있다.
반응기(320)는 혼합된 상태의 수소 가스와 질소 가스를 고온으로 가열하여 암모니아를 생성한다. 반응기(320)에서 생성된 암모니아는 환원제 저장탱크(330)로 이송되어 저장된다.
환원제 저장탱크(330)에 저장된 암모니아는 환원제 공급장치(340)를 통해 이코노마이저(251) 내부의 SCR 촉매부(255)로 분사될 수 있다.
즉, 본 실시예에서 폐열회수시스템(250)은, 배기가스의 폐열을 회수하는 동시에 배기가스 내의 질소산화물을 저감하는 SCR(Selective Catalyst Reduction)로써의 기능도 할 수 있는 것이다.
이때 HCNG를 연료로 사용하는 가스터빈(240)에서 발생하는 배기가스 중에는 황산화물이 거의 포함되어 있지 않으므로, 폐열회수시스템(250)에는 황산화물의 저감을 위한 장치가 별도로 설치될 필요는 없으며, 질소산화물의 저감을 위한 SCR 촉매부(251)만 설치되는 것으로 충분하다.
제2 실시예
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 제2 실시예에 따른 해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로 해수 공급부로부터 공급되는 해수를 전기분해하여 차아염소산나트륨(NaOCl, Sodium Hypochlorite), 및 수소(H2) 가스를 생성하는 전기분해모듈(100); 전기분해모듈(100)에서 생성된 수소 가스와 선박에 마련되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 일정한 비율로 혼합하여 생성된 HCNG를 연소시켜 전력을 생산하는 발전설비(200); 및 전기분해모듈(100)에서 생성되는 수소 가스를 질소 가스와 반응시켜 암모니아(NH3)를 생성하고, 이를 발전설비(200)의 폐열회수시스템(250)에 탈질용 환원제로써 공급하는 암모니아 생성부(300);를 포함한다.
제2 실시예는 발전설비(200)을 제외하고는 제1 실시예와 동일한 구성을 가지므로, 동일한 구성에 대한 설명은 생략하도록 한다.
제2 실시예의 발전설비(200)는, 전기분해모듈(100)에서 생성된 수소 가스와 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 각각 공급받아 일정한 비율로 혼합하는 제1 혼합 챔버(210); 혼합된 가스를 연소시키는 연소 챔버(220); 연소 챔버(220)에 압축공기를 공급하는 압축기(230); 연소 챔버(220)에서 HCNG의 연소로 인해 발생한 고압의 가스를 공급받아 운전되는 가스터빈(240); 가스터빈(240)에서 발생하는 고온의 배기가스의 폐열을 회수하는 폐열회수시스템(250); 및 폐열 회수 시스템(250)에서 생성된 스팀을 공급받아 운전되는 제1 스팀터빈(261);을 포함한다.
압축기(230)에 의해 압축된 공기가 연소 챔버(220)로 공급되면, 고압의 공기와 제1 혼합 챔버(210)로부터 공급된 HCNG가 연소 챔버(220)에서 연소된다.
연소 챔버(220)에서 연소에 의해 발생한 고압의 가스가 가스터빈(240)으로 공급되고, 고압의 가스를 공급받은 가스터빈(240)의 운전에 의해 회전력이 발생한다.
가스터빈(240)에서 발생하는 배기가스는 폐열회수시스템(250)으로 유입되어, 폐열회수시스템(250)의 내부를 거치면서 폐열이 회수된 후, 폐열회수시스템(250)의 상부에 형성된 배출구를 통해 배출된다.
폐열회수시스템(250)은, 가스터빈(240)에서 발생하는 배기가스가 유입되는 이코노마이저(251, Economizer)와, 물이 순환하며 이코노마이저(251)에서 배기가스의 출구측에서 배기가스와 열교환하여 저압스팀이 생성되는 저압스팀 생성라인(LL)을 포함한다.
저압스팀 생성라인(LL)을 흐르는 물은 이코노마이저(251)에서 열교환 방식으로 가열된 후 저압 스팀분리기(253)로 복귀한다. 저압스팀 생성라인(LL)을 흐르는 물은 저압스팀 생성라인(LL) 상에 설치된 저압펌프(LP)에 의해 펌핑되어 이코노마이저(251) 측으로 도입될 수 있다.
저압스팀 생성라인(LL)에서 생성된 저압스팀은 저압 스팀분리기(253)에 의해 물과 분리된 후, 저압스팀 공급라인(SL2)을 통해 제1 스팀터빈(261)으로 공급되어 제1 스팀터빈(261)의 구동에 사용된다.
제1 스팀터빈(261)은 저압스팀 공급라인(SL2)을 통해 공급되는 스팀에 의해 운전되어 회전력을 발생시킨다.
본 실시예에서 가스터빈(240)과 제1 스팀터빈(261)은 제1 실시예에서와 마찬가지로 리덕션 기어 및 클러치에 의해 결합되어 하나의 제1 발전기(271)에 의해 전력을 생산하는 듀얼터빈의 개념으로 마련될 수 있다.
한편, 제2 실시예에서 제1 스팀터빈(261)의 구동에 이용된 스팀은 순환라인(CL)을 따라 다시 이코노마이저(251) 측으로 도입되어 배기가스와의 열교환에 의해 과열증기로 바뀐 후 제2 스팀터빈(262)으로 공급될 수 있다.
순환라인(CL)은 제1 스팀터빈(261)에서 배출되는 스팀이 순환하며 이코노마이저(251)의 입구측에서 배기가스와 열교환하여 과열증기를 생성하며, 생성된 과열증기는 제2 스팀터빈(262)의 구동에 사용된다.
제2 스팀터빈(262)의 구동에 이용된 스팀은 응축기(254)에 의해 응축되어 물공급라인(WL)을 통해 저압 스팀분리기(253)로 순환되어 랭킨 사이클(Rankine Cycle)을 완성할 수 있다. 물공급라인(WL) 상에는 물을 가압하여 이송력을 제공하는 급수펌프(WP)가 설치될 수 있다.
제1 실시예에서 하나의 발전기(270)를 사용하는 경우에는 CAPEX 감소에 따른 장점이 존재하지만 Redundancy에 대한 고려가 불가한 반면, 제2 실시예에서와 같이 제1 스팀터빈(261)과 제2 스팀터빚(262)에 각각의 터빈 발전기(271, 272)를 사용할 경우에는, 어느 하나의 발전기 및 관련 시스템이 동작 불능(malfunction)이 되더라도 나머지 발전기에 의해 지속적인 운영이 가능하다.
이상에서는 본 발명의 특정 실시예를 중심으로 하여 설명하였지만, 본 발명의 취지 및 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 변형, 변경 또는 수정이 당해 기술 분야에 있을 수 있으며, 따라서 전술한 설명 및 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 전기분해모듈 110 : 살균제 저장탱크
200 : 발전설비 210 : 제1 혼합 챔버
220 : 연소 챔버 230 : 압축기
240 : 가스터빈 250 : 폐열회수시스템
251 : 이코노마이저 252 : 고압 스팀분리기
253 : 저압 스팀분리기 254 : 응축기
255 : SCR 촉매부 260 : 가스터빈
270 : 발전기
300 : 암모니아 생성부 310 : 제2 혼합 챔버
320 : 반응기 330 : 환원제 저장탱크
340 : 환원제 공급장치

Claims (14)

  1. 해수를 전기분해하여 생성되는 수소 가스와 선박에 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas)를 일정한 비율로 혼합한 HCNG를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 발전설비(200);를 포함하고,
    상기 발전설비(200)는,
    상기 해수의 전기분해에 의해 생성되는 수소 가스와 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 일정한 비율로 혼합하여 HCNG를 생성하는 제1 혼합 챔버(210);
    상기 제1 혼합 챔버(210)로부터 HCNG를 공급받아 연소시키는 연소 챔버(220);
    상기 연소 챔버(220)에서 발생한 고압의 가스를 공급받아 구동되는 가스터빈(240);
    상기 가스터빈(240)에서 발생하는 고온의 배기가스의 폐열을 회수하여 스팀을 발생시키는 폐열회수시스템(250); 및
    상기 폐열회수시스템(250)에서 발생한 스팀을 공급받아 구동되는 스팀터빈(260);을 포함하는,
    해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 폐열회수시스템(250)은,
    상기 가스터빈(240)에서 발생하는 배기가스가 유입되는 이코노마이저(251);
    물이 순환하며 상기 이코노마이저(251)의 입구측에서 배기가스와 열교환하여 고압스팀이 생성되는 고압스팀 생성라인(HL);
    물이 순환하며 상기 고압스팀 생성라인(HL)과 열교환을 마친 배기가스와 열교환하여 저압스팀이 생성되는 저압스팀 생성라인(LL);
    상기 고압스팀 생성라인(HL)에서 생성된 고압스팀을 상기 스팀터빈(260)으로 공급하는 고압스팀 공급라인(SL1); 및
    상기 저압스팀 생성라인(LL)에서 생성된 저압스팀을 상기 스팀터빈(260)으로 공급하는 저압스팀 공급라인(SL2);을 포함하는,
    해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 고압스팀 공급라인(SL1)을 통해 이송되는 스팀은 상기 이코노마이저(251)에서 다시 배기가스와 열교환되어 과열증기로 바뀐 후, 상기 스팀터빈(260)으로 공급되는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 폐열회수시스템(250)은,
    상기 고압스팀 생성라인(HL) 상에 설치되어 물과 스팀을 분리하고, 분리된 스팀을 상기 고압스팀 공급라인(SL1)으로 배출하는 고압 스팀분리기(252); 및
    상기 저압스팀 생성라인(LL) 상에 설치되어 물과 스팀을 분리하고, 분리된 스팀을 상기 저압스팀 공급라인(SL2)으로 배출하는 저압 스팀분리기(253);을 더 포함하는,
    해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 폐열회수시스템(250)은,
    상기 스팀터빈(260)에서 배출되는 스팀을 응축시키는 응축기(254); 및
    상기 응축기에 의해 변환된 물을 상기 고압 스팀분리기(252) 및 상기 저압 스팀분리기(253)로 순환시키는 물공급라인(WL);을 더 포함하는,
    해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스터빈(240)과 상기 스팀터빈(260)은 리덕션 기어와 클러치에 의해 결합되어 하나의 발전기(270)에 의해 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템.
  7. 해수를 전기분해하여 생성되는 수소 가스와 선박에 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas)를 일정한 비율로 혼합한 HCNG를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 발전설비(200);를 포함하고,
    해수의 전기분해에 의해 생성되는 수소 가스와 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 일정한 비율로 혼합하여 HCNG를 생성하는 제1 혼합 챔버(210);
    상기 제1 혼합 챔버(210)로부터 HCNG를 공급받아 연소시키는 연소 챔버(220);
    상기 연소 챔버(220)에서 발생한 고압의 가스를 공급받아 구동되는 가스터빈(240);
    상기 가스터빈(240)에서 발생하는 고온의 배기가스의 폐열을 회수하여 스팀을 발생시키는 폐열회수시스템(250);
    상기 폐열회수시스템(250)에서 발생한 스팀을 공급받아 구동되는 제1 스팀터빈(261); 및
    상기 제1 스팀터빈(261)에서 생성된 스팀을 공급받아 구동되는 제2 스팀터빈(262);을 포함하고,
    상기 제1 스팀터빈(261)을 구동시키고 배출되는 스팀을 순환라인(CL)을 따라 상기 폐열회수시스템(250)에서 배기가스와 열교환되어 과열증기로 바뀐 후, 상기 제2 스팀터빈(262)으로 공급되는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 폐열회수시스템(250)은,
    상기 가스터빈(240)에서 발생하는 배기가스가 유입되는 이코노마이저(251);
    물이 순환하며 상기 이코노마이저(251) 내부의 배기가스와 열교환하여 저압스팀이 생성되는 저압스팀 생성라인(LL); 및
    상기 저압스팀 생성라인(LL)에서 생성된 저압스팀을 상기 제1 스팀터빈(261)으로 공급하는 저압스팀 공급라인(SL2);을 포함하고,
    상기 순환라인(CL)은 상기 이코노마이저(251)에서 배기가스의 흐름에 대하여 상기 저압스팀 공급라인(SL2)보다 상류 측에서 배기가스와 열교환되는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 가스터빈(240)과 상기 제1 스팀터빈(261)의 운전에 의해 발전하는 제1 발전기(271); 및
    상기 제2 스팀터빈(262)의 운전에 의해 발전하는 제2 발전기(272);를 포함하고,
    상기 가스터빈(240)과 상기 제1 스팀터빈(261)은 리덕션 기어와 클러치에 의해 결합되어 하나의 제1 발전기(271)에 의해 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템.
  10. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,
    해수를 전기분해하여 생성되는 수소 가스 중 일부를 질소 가스와 반응시켜 암모니아를 생성하는 암모니아 생성부(300);를 더 포함하고,
    상기 암모니아 생성부(300)에서 생성된 암모니아를 이코노마이저(251) 내부에 마련되는 SCR 촉매부(255)에 분사하여 배기가스 중의 질소산화물을 저감하는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    해수를 전기분해하여 생성되는 차아염소산나트륨(NaOCl)을 저장하는 살균제 저장탱크(110);를 더 포함하고,
    상기 살균제 저장탱크(110)에 저장된 차아염소산나트륨은 밸러스트 수 처리시스템으로 공급되어 해수 중의 해양 생물을 사멸시키는데 이용되는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템.
  12. 해수를 전기분해하여 생성되는 수소 가스와 선박에 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas)를 일정한 비율로 혼합한 HCNG를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 발전설비(200)를 포함하고,
    상기 발전설비(200)는 상기 HCNG를 연료로 하여 구동되는 가스터빈(240)과, 상기 가스터빈(240)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하여 생성되는 스팀을 이용하여 구동되는 스팀터빈(260)으로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 가스터빈(240)과 상기 스팀터빈(260)은 리덕션 기어와 클러치에 의해 결합되어 하나의 발전기(270)에 의해 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템.
  14. 청구항 12에 있어서,
    해수를 전기분해하여 생성되는 수소 가스 중 일부는 질소 가스와 반응시켜 암모니아를 생성하고, 이를 상기 가스터빈(240)에서 배출되는 배기가스 중에 분사하여 질소산화물을 저감하는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 이용한 발전 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111120025A (zh) * 2020-01-16 2020-05-08 北京市燃气集团有限责任公司 接收站lng冷能发电与bog回收发电耦合系统及方法

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CN111120025A (zh) * 2020-01-16 2020-05-08 北京市燃气集团有限责任公司 接收站lng冷能发电与bog回收发电耦合系统及方法
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