KR20200108952A - 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템 및 그 메탄 생산 병합 발전시스템의 운영 방법 - Google Patents

메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템 및 그 메탄 생산 병합 발전시스템의 운영 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수소와 이산화탄소를 반응시켜 메탄을 생산하는 메탄화반응부와, 상기 메탄화반응부에서 생산된 메탄 일부를 연소시켜, 발생된 연소가스로 회전력을 발생하여 전기를 생산하는 발전부와, 수소가 저장된 액상유기물(LOHC; Liquid Organic Hydrogen Carrier)에서 수소를 분리하는 탈수소화부를 복합하고, 상기 탈수소화부의 필요에 반응열(흡열)을 메탄화반응부의 반응열(발열)과, 발전부의 연소가스 폐열로 제공하는 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템 및 그 메탄 생산 병합 발전시스템의 운영 방법을 제공한다.

Description

메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템 및 그 메탄 생산 병합 발전시스템의 운영 방법{Combined methane production process and dehydrogenation process and Operation method of combined methane production system}
본 발명은 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템 및 그 메탄 생산 병합 발전시스템의 운영 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소가 저장된 액상유기물의 탈수소 공정으로 안전하게 수소를 공급받고, 공급된 수소를 메탄화 공정으로 메탄을 생산하며, 생산된 메탄을 연소시켜 전기를 생산하는 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템 및 그 메탄 생산 병합 발전시스템의 운영 방법에 관한 것이다.
최근 온난화 가스인 이산화탄소의 배출 억제에 대한 기운이 높아져 수소 에너지의 이용이 요구되고 있다.
이 수소의 공급원으로서 유기 하이드라이드법을 이용한 수소 서플라이 체인이 주목받고 있는데, 유기 하이드라이드법에서는 방향족 화합물의 수소화 반응(수소 첨가 반응)에 의해 기체인 수소를 방향족 화합물에 화학적으로 부가하고 수소화 방향족 화합물(유기 하이드라이드)을 생성한다.
수소화 방향족 화합물은 상온 상압에서 액체이기 때문에 수소 저장 및 수송을 용이하고 안전하게 행할 수 있다. 이 수법에 의하면 수소는 생산지에서 수소화 방향족 화합물로 전환되어 수소화 방향족 화합물 형태로 수송된다. 그리고, 수소화 방향족 화합물은 도시 등의 수소 사용지에 인접한 플랜트나 수소 스테이션 등에서 탈수소 반응에 의해 수소와 방향족 화합물을 생성한다.
탈수소반응에 의해 생긴 방향족 화합물은 다시 수소 생산지로 수송되어 수소 첨가 반응에 이용된다.
그러나 상기와 같은 수소 에너지의 효율적인 수송이 가능해져도 수소는 탄화수소계 연료와 연소 특성이 다르기 때문에 기존의 연소 기기를 이용할 수 없는 경우가 있다. 그 때문에 수소 에너지의 보급에 있어서는 수소를 이용 가능한 기기의 도입이 필요하게 되는 경우가 있다.
그러나 수소는 회수한 이산화탄소와 함께 메탄화 반응(methanation reaction)에 의해 메탄을 주성분으로 하는 합성 천연가스(대체 천연가스)로 변환할 수 있다. 이와 같이 수소를 합성 천연가스로 변환함으로써, 기존의 화석 연료용 기기에서도 수소 에너지를 이용하는 것이 가능해진다.
종래기술로는 공개특허 제10-2016-0052710호(2016.05.12)를 참고할 수 있다.
그런데 메탄화반응 공정은 상당량의 발열을 수반하며, 탈수소화 공정은 상당량의 흡열을 수반한다. 종래의 기술의 구현에서 탈수소화 공정에서 요구되는 열량의 공급이 가장 큰 문제가 되어왔다.
본 발명은 메탄화 공정에서 발생하는 반응열을 탈수소화 공정에 공급하여, 메탄화 공정의 발열 제거 문제와, 탈수소화 공정의 흡열 공급 문제를 동시에 해소할 수 있고, 메탄화 공정에서 생산된 메탄 중 일부를 발전부의 연소 연료로 공급하여, 전기를 생산은 물론, 발생된 연소가스의 폐열을 탈수소화 공정에 필요한 반응열로 제공할 수 있으며, 메탄과 전기를 생산하는 최적화된 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템 및 그 메탄 생산 병합 발전시스템의 운영 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템은 수소와 이산화탄소를 각각 유입하고, 유입한 수소와 이산화탄소를 서로 반응시켜 메탄을 생성하여, 그 메탄을 배출하는 메탄화반응부와, 상기 메탄화반응부에서 유출된 메탄을 연소시켜 발생한 연소가스로 회전력을 발생하여, 그 회전력으로 전기를 생산하는 발전부, 및 상기 메탄화반응부 및 발전부에서 배출되는 폐열을 열원으로 수소가 저장된 액상유기물(LOHC; Liquid Organic Hydrogen Carrier)에서 수소를 분리하여, 그 수소를 상기 메탄화반응부로 공급하는 탈수소화부;를 포함한다.
이때 본 발명에 따른 상기 발전부는 회전력으로 외부에서 유입된 공기를 해당 압력으로 압축하여 유출하는 제1압축터빈과, 상기 메탄화반응부에서 배출된 메탄 중 일부와, 상기 제1압축터빈에서 유출된 압축공기를 유입하여 서로 혼합시키고, 이를 연소하여 고온고압의 연소가스를 배출하는 연소기와, 상기 제1압축터빈과 축으로 연결되고, 상기 연소기에서 배출된 고온고압의 연소가스로 회전력을 발생하는 가스터빈과, 상기 가스터빈의 후방에서 상기 가스터빈과 축으로 연결되고, 상기 가스터빈의 회전에 의해 발생된 회전력으로 유입된 수소를 해당 압력으로 압축하여 유출하는 제2압축터빈과, 상기 제2압축터빈의 후방에서 상기 제2압축터빈과 축으로 연결되고, 상기 가스터빈의 회전에 의해 발생된 회전력으로 유입된 이산화탄소를 해당 압력으로 압축하여 유출하는 제3압축터빈을 포함한다.
여기서 본 발명에 따른 상기 메탄화반응부는 상기 제2압축터빈에서 압축된 후 유출되는 수소와, 상기 제3압축터빈에서 압축된 후 유출되는 이산화탄소를 공급받는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 상기 제2압축터빈은 상기 탈수소화부에서 유출되는 수소를 유입하여 압축한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 탈수소화부는 상기 메탄화반응부에서 방출되는 반응열과, 상기 발전부의 가스터빈을 통과한 연소가스의 폐열이 열원으로 이용되어, 수소가 저장된 액상유기물(LOHC)의 탈수소화가 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템의 운영 방법은 a) 메탄 생산량을 결정하는 단계와, b) 메탄화의 반응조건을 결정하는 단계와, c) 메탄화를 위한 필요 수소량을 산출하는 단계와, d) 수소와 이산화탄소를 반응압력으로 공급하기 위해 제2압축터빈 및 제3압축터빈의 일량을 산출하는 단계와, e) 필요 수소량에 대응하여 탈수소화에 필요한 열에너지(흡열 반응열)를 산출하는 단계, 및 f) 압축터빈들의 일량과 열에너지 생산을 위해 연소기로 제공될 메탄량을 예측하는 단계를 포함한다.
이때 본 발명에 따른 상기 b)단계에서 메탄화의 반응조건은 상기 메탄화반응부로 유입될 수소 및 이산화탄소의 온도 및 압력이 결정되고, 그 결정에 따른 수소 및 이산화탄소 반응의 반응열(발열)을 산출하여 결정한다.
그리고 본 발명에 따른 상기 f)단계인 압축터빈들의 일량과, 열에너지 생산을 위해 연소기 제공될 메탄량을 예측 이후, g-1) 압축터빈들의 일량이 충분한지 비교하는 단계와, 일량이 충분하지 않으면, g-2) 연소기로 공급되는 메탄량을 증가하는 단계와, 일량이 충분하면, h-1) 열에너지는 충분한지 비교하는 단계와, 열에너지가 충분하지 않으면, h-2) 연소기로 공급되는 메탄량을 증가하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템 및 그 메탄 생산 병합 발전시스템의 운영 방법에 의해 나타나는 효과는 다음과 같다.
첫째, 메탄화 공정에서 발생하는 반응열을 탈수소화 공정에 공급하여, 메탄화 공정의 발열 제거 문제와, 탈수소화 공정의 흡열 공급 문제를 동시에 해소할 수 있는 효과를 가진다.
둘째, 메탄화 공정에서 생산된 메탄 중 일부를 발전부의 연소 연료로 공급하여, 전기를 생산은 물론, 발생된 연소가스의 폐열을 탈수소화 공정에 필요한 반응열로 제공할 수 있어, 메탄 생산의 경제성을 확보는 물론, 상업화를 활성화할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템을 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템을 보인 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템의 운영 과정을 단계적으로 보인 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 수소가 저장된 액상유기물의 탈수소 공정으로 안전하게 수소를 공급받고, 공급된 수소를 메탄화 공정으로 메탄을 생산하며, 생산된 메탄을 연소시켜 전기를 생산하는 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템 및 그 메탄 생산 병합 발전시스템의 운영 방법에 관한 것으로 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
도 1 내지 도 2를 본 발명의 일 실시 예에 따른 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템은 메탄화반응부(100), 발전부(200), 탈수소화부(300)가 포함되는데, 먼저 상기 메탄화반응부(100)는 외부에서 수소와 이산화탄소를 각각 유입하고, 유입한 수소와 이산화탄소를 서로 반응시켜, 상기 수소와 이산화탄소의 결합 반응으로 메탄이 생성되며, 생성된 메탄은 메탄배출관(101)을 통해 외부로 배출된다.
상기 메탄화반응부(100)는 수소와 이산화탄소를 화학적으로 반응시켜 물과 메탄을 생성하는데, 이때 수소와 이산화탄소가 서로 반응할 시, 약 250℃ ~ 450℃의 발열 반응열이 발생하고, 1몰의 메탄이 생성될 시, 반응열(발열)은 약 164 kJ 정도이면, 약 80 ~ 200 bar의 압력을 필요로 한다.
상기한 이유로 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 메탄화반응부(100)는 압축된 수소가 유동하는 제1수소공급관(241)으로 상기 발전부(200)에 구비된 제2압축터빈(240)과 연결되어, 상기 제2압축터빈(240)에 의해 해당 고압으로 압축된 수소를 공급받는다.
그리고 상기 메탄화반응부(100)는 압축된 이산화탄소가 유동하는 이산화탄소공급관(242)으로 상기 발전부(200)에 구비된 제3압축터빈(250)과 연결되어, 상기 제3압축터빈(250)에 의해 해당 고압으로 압축된 이산화탄소를 공급받는다.
따라서 상기 메탄화반응부(100)로 유입되는 수소와 이산화탄소는 제2압축터빈(240)과, 제3압축터빈(250)에 의해 압축되어 유입됨에 따라 상기 메탄화반응부(100)는 반응에 필요한 압력을 갖게 된다.
상기 메탄화반응부(100)에서 생성된 메탄은 메탄배출관(101)을 통해 메탄저장탱크(103)에 저장된 후, 필요에 따라 선택적으로 메탄저장탱크(103)에서 배출된다.
상기 메탄화반응부(100)에서 메탄화 반응으로 생성된 물은 별도의 증기터빈발전장치(도시하지 않음)로 공급되어, 발전에 필요한 증기를 생산하거나, 상기 발전부(200)의 냉각수로 이용될 수 있다.
또한, 상기 발전부(200)는 상기 메탄화반응부(100)에서 유출된 메탄을 연소시켜 발생한 연소가스로 회전력을 발생하여, 그 회전력으로 전기를 생산한다.
이때 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전부(200)를 보다 상세하게 살펴보면, 상기 발전부(200)는 제1압축터빈(210), 연소기(220), 가스터빈(230), 제2압축터빈(240), 제3압축터빈(250)가 구비되는데, 발전에 필요한 주요 고정자와 회전자에 구성은 통상의 발전장치와 같아 그 설명을 생략하기로 한다.
상기 발전부(200) 중 제1압축터빈(210)은 상기 가스터빈(230)과 축으로 연결되어, 상기 가스터빈(230)의 회전에 종동하여 회전하게 되고, 그 회전력으로 외부에서 유입된 공기를 해당 압력으로 압축하여 압축공기로 유출한다.
이때 압축공기는 연소기(220)로 제공되는데, 상기 연소기(220)는 상기 제1압축터빈(210)에서 유출한 압축공기를 유입하여, 연료인 메탄을 혼합하면서, 이를 연소하여 고온고압의 연소가스를 배출한다.
여기서 상기 연소기(220)는 상기 메탄화반응부(100)의 메탄배출관(101)에서 분기된 메탄분기관(102)과 연결되어, 상기 메탄화반응부(100)에서 수소와 이산화탄소의 반응으로 생성되어 배출되는 메탄 중 일부를 유입하여 연료로 사용한다.
그리고 상기 연소기(220)에서는 배출되는 고온고압의 연소가스는 가스터빈(230)으로 제공되는데, 상기 가스터빈(230)은 상기 제1압축터빈(210)과 축으로 연결되고, 상기 연소기(220)에서 배출된 고온고압의 연소가스에 의해 축을 기준으로 회전하여 회전력을 발생한다.
이때 상기 가스터빈(230)의 전방에서 상기 가스터빈(230)과 축으로 연결된 상기 제1압축터빈(210)은 상기 가스터빈(230)의 회전에 종동하여 회전하게 되고, 그 회전력으로 유입된 공기를 압축하여 상기 연소기(220)로 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전부(200)의 가스터빈(230)에는 제2압축터빈(240) 및 제3압축터빈(250)이 연결되는데, 상기 제2압축터빈(240)은 상기 가스터빈(230)의 후방에서 상기 가스터빈(230)과 축으로 연결되고, 상기 가스터빈(230)의 회전에 의해 종동하여 회전하게 되고, 그 회전에 의해 발생된 회전력으로 유입된 수소를 해당 압력으로 압축하여 유출한다.
이때 상기 제2압축터빈(240)는 수소가 유동하는 제2수소공급관(302)으로 상기 탈수소화부(300)와 연결되어, 상기 탈수소화부(300)에서 유출되는 수소를 유입하여 압축한다.
그리고 상기 제3압축터빈(250)은 상기 제2압축터빈(240)의 후방에서 상기 제2압축터빈(240)과 축으로 연결되고, 상기 가스터빈(230)의 회전에 의해 상기 제2압축터빈(240)과 함께 회전하게 되고, 그 회전에 의해 발생된 회전력으로 유입된 이산화탄소를 해당 압력으로 압축하여 유출한다.
이때 상기 제3압축터빈(250)은 이산화탄소가 유동하는 이산화탄소공급배관으로 이산화탄소정장탱크(251)와 연결되어, 압축할 이산화탄소를 선택적으로 공급받는다.
또한, 상기 발전부(200)의 제2압축터빈(240)으로 수소를 제공하는 상기 탈수소화부(200)는 수소가 저장된 액상유기물(LOHC)에서 수소를 분리(탈수소화, 해리)하여, 액상유기물에서 분리된 수소를 제2압축터빈(240)으로 제공한다.
이때 상기 탈수소화부(300)는 액상유기물(LOHC)에서 수소를 분리(탈수소화, 해리)할 시, 흡열 반응을 하게 되는데, 약 150℃ ~ 200℃의 반응열(흡열)을 필요로 하고, 반응이 원활하게 10 ~ 50 bar 정도의 압력을 필요하며, 수소가 저장된 액상유기물(LOHC)에서 1몰의 수소를 분리(탈수소화, 해리)하기 위해서는 약 60 kJ 정도의 흡열 반응열(열에너지)을 필요로 한다.
여기서 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 탈수소화부(300)는 탈수소화에 필요한 열에너지를 상기 메탄화반응부(100)의 발열 반응열과, 함께 상기 발전부(200)의 가스터빈(330)에서 배출되는 연소가스의 폐열을 열원으로 이용하는데, 상기 탈수소화부(300)는 열매체를 이용한 히트펌프관(104, 231) 등으로 상기 메탄화반응부(100) 및 상기 발전부(200)의 가스터빈(230)과 연결되어, 상기 히트펌프관(104, 231)를 통해 상기 메탄화반응부(100)의 발열 반응열 및 상기 발전부(200)의 가스터빈(230)에서 배출되는 연소가스의 폐열을 제공받아 탈수소화에 필요한 열에너지로 사용한다.
그리고 상기 탈수소화부(300)에서 수소가 분리된 액상유기물은 배수관(301)을 통해 외부로 배출된다.
따라서 본 발명의 일 실시 예에 따른 메탄 생산 병합 발전시스템은 상기한 구성에 의해 수소가 저장된 액상유기물의 탈수소 공정으로 안전하게 수소를 공급받고, 공급된 수소를 메탄화 공정으로 메탄을 생산하며, 생산된 메탄을 연소시켜 전기를 생산할 수 있다.
또한, 도 2에 도시한 바와 같이 메탄 생산 병합 발전시스템의 다른 실시 예로, 상기 메탄화반응부(100)와 탈수소화부(300)가 열교환기(400)를 통해 일체의 모듈로 구성되어, 상기 메탄화반응부(100)에서 발생된 발열 반응열이 열교환기를 통해 직접 탈수소화부(300)로 전도되도록 하여, 열손실을 최소화할 수 있다.
Figure pat00001
- 164 kJ/mol(
Figure pat00002
- 206 kJ/mol)
상기한 메탄화 반응식을 참조하면, 이산화탄소(CO₂) 1몰은 4몰의 수소(4H₂)(CO 1몰은 3몰의 수소)과 반응하는데, 이때 1몰의 메탄 생산에 필요한 4몰의 수소(CO의 경우 3몰의 수소)를 수소가 저장된 액상유기물(LOHC)로부터 탈수소화 공정으로 공급할 경우, 탈수소화 공정에서 필요로 하는 열에너지는 약 240 kJ (CO의 경우 180 kJ)이다.
여기서 상기 메탄화 반응식을 참조한 메탄화 공정에서 발생하는 반응열은 164 kJ(CO의 경우 206 kJ)인데, 부족한 열에너지 약 76 kJ/mole of methane (CO의 경우 -26 kJ/mole of methane)은 상기 발전부(200)에서 배출되는 연소가스의 폐열을 이용한다.
이때 메탄화 공정에서 생산된 메탄의 일부(약 20 ~ 30%)가 상기 발전부(200)로 공급되어 연료로 이용되고, 상기 발전부(200)에서 배출되는 연소가스의 폐열은 부족한 열에너지로 확보할 수 있다.
그리고 상기 발전부(200)가 발전하는 과정에서 발생하는 회전력은 압축터빈(240, 250)으로 메탄화반응부(100)에 공급되는 수소와 이산화탄소를 압축하여 해당 압력으로 압축된 수소와 이산화탄소로 공급되도록 하고,
또한, 2압축터빈(240) 및 제3압축터빈(250)는 전기에너지로 구동하는 개별 압축장치로 구성하여, 상기 발전부(200)가 발전한 전기에너지 일부를 개별로 각각 구성된 수소 및 이산화탄소를 가압하는 압축장치로 제공하여, 상기 압축장치의 구동을 통해 가압과 별로의 전기를 잉여로 생산할 수도 있다.
이때 잉여로 생산되는 전기는 다른 용도로 사용할 수 있고, 메탄 1kg/hr 생산에 대해 약 2 ~ 3 kW의 잉여 전기에너지를 얻게 된다.
그러므로 일반적으로 메탄화 공정에 공급되는 원료 기체에는 약간의 CO가 혼합되어 있으므로, 정확한 발열량과 흡열량의 에너지수지식을 통해 최종 발전량과, 메탄 생산량을 추정할 수 있다.
여기서, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템의 운영 방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저 a)단계로, 메탄 생산량을 결정한다.
이때 결정되는 메탄의 생산량에 따라 메탄화반응부(100)로 유입될 수소 및 이산화탄소의 량이 산출되고, 상기 수소 및 이산화탄소의 량을 기준으로 메탄화 공정에 따른 반응열(발열)이 산출된다.
다음은 b)단계로, 메탄화의 반응조건을 결정한다.
이때 메탄화의 반응조건은 상기 a)단계에서 산출된 메탄화 공정에 따른 반응열을 근거로, 상기 메탄화반응부(100)로 유입될 수소 및 이산화탄소의 온도 및 압력이 결정되고, 그 결정에 따른 수소 및 이산화탄소 반응의 반응열(발열)을 산출하여 결정한다.
또한, 수소가 저장된 액상유기물로부터 필요한 수소를 분리하는 탈수소부(300)에 필요한 온도 및 압력 역시 결정된다.
다음은 c)단계로, 메탄화를 위한 필요 수소량을 산출한다.
이때 상기 b)단계에서 결정된 상기 메탄화반응부(100)로 유입될 수소의 온도 및 압력을 근거로 상기 메탄화반응부(100)로 유입될 필요 수소량이 산출된다.
다음은 d)단계로, 수소와 이산화탄소 각각을 반응압력으로 공급하기 위해 제2압축터빈(240) 및 제3압축터빈(250)의 일량을 산출한다.
이때 압축터빈(240, 250)들의 일량은 상기 메탄화반응부(100)로 유입될 수소의 압력을 근거로 산출된다.
다음은 e)단계로, 필요 수소량에 대응하여 탈수소화에 필요한 열에너지(흡열 반응열)를 산출한다.
이때 상기 b)단계에서 결정된 탈수소부(300)에 필요한 온도 및 압력과, 메탄화반응부(100)에 필요한 온도 및 압력, 상기 c)단계에서 산출된 필요 수소량을 근거로 탈수소화에 필요한 열에너지(흡열 반응열)를 산출한다.
다음은 f)단계로, 압축터빈(240, 250)들의 일량과 열에너지 생산을 위해 연소기(220)로 제공될 메탄량을 예측한다.
이때 상기 d)단계에서 산출된 압축터빈(240, 250)들의 일량과, e)단계에서 산출된 탈수소화에 필요한 열에너지(흡열 반응열)를 바탕으로 메탄량을 예측한다.
그리고 상기 f)단계인 압축터빈(240, 250)들의 일량과, 열에너지 생산을 위해 연소기(220)로 제공될 메탄량을 예측 이후, 다음은 g-1)단계로, 압축터빈(240, 250)들의 일량이 충분한지 비교한다.
이때 일량이 충분하면, 다음 단계인 h-1)단계, 열에너지는 충분한지 비교하는 단계를 진행하게 되고, 만일 일량이 충분하지 않으면, 다음은 g-2)단계, 연소기로 공급되는 메탄량을 증가(기설정된 해당 증가량만큼 단계적으로)한 후, 다시 g-1)단계인 압축터빈(240, 250)들의 일량이 충분한지 비교한다.
상기한 단계는 g-1)단계에 부합하는 결과가 나올 때까지 연속 반복 진행된다.
그리고 상기 g-1)단계인 압축터빈(240, 250)들의 일량이 충분한지 비교하는 단계에서 일량이 충분하면, h-1)단계인 열에너지는 충분한지 비교한다.
이때 열에너지가 충분하면, 단계가 종료되지만, 열에너지가 충분하지 않으면, h-2)단계인 연소기로 공급되는 메탄량을 증가(기설정된 해당 증가량만큼 단계적으로)한 후, 다시 h-1)단계인 열에너지는 충분한지 비교한다.
상기한 단계 역시, h-1)단계에 부합하는 결과가 나올 때까지 연속 반복 진행된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 메탄화반응부
101: 메탄배출관
102: 메탄분기관
103: 메탄저장탱크
104: 히트펌프관
200: 발전부
210: 제1압축터빈
220: 연소기
230: 가스터빈
240: 제2압축터빈
241: 제1수소공급관
242: 이산화탄소공급관
250: 제3압축터빈
251: 이산화탄소정장탱크
300: 탈수소화부
301: 배수관
302: 제2수소공급관
400: 열교환기

Claims (8)

  1. 수소와 이산화탄소를 각각 유입하고, 유입한 수소와 이산화탄소를 서로 반응시켜 메탄을 생성하여, 그 메탄을 배출하는 메탄화반응부;
    상기 메탄화반응부에서 유출된 메탄을 연소시켜 발생한 연소가스로 회전력을 발생하여, 그 회전력으로 전기를 생산하는 발전부; 및
    상기 메탄화반응부 및 발전부에서 배출되는 폐열을 열원으로 수소가 저장된 액상유기물(LOHC)에서 수소를 분리하여, 그 수소를 상기 메탄화반응부로 공급하는 탈수소화부;를 포함하는 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전부는
    회전력으로 외부에서 유입된 공기를 해당 압력으로 압축하여 유출하는 제1압축터빈과;
    상기 메탄화반응부에서 배출된 메탄 중 일부와, 상기 제1압축터빈에서 유출된 압축공기를 유입하여 서로 혼합시키고, 이를 연소하여 고온고압의 연소가스를 배출하는 연소기와;
    상기 제1압축터빈과 축으로 연결되고, 상기 연소기에서 배출된 고온고압의 연소가스로 회전력을 발생하는 가스터빈과;
    상기 가스터빈의 후방에서 상기 가스터빈과 축으로 연결되고, 상기 가스터빈의 회전에 의해 발생된 회전력으로 유입된 수소를 해당 압력으로 압축하여 유출하는 제2압축터빈과;
    상기 제2압축터빈의 후방에서 상기 제2압축터빈과 축으로 연결되고, 상기 가스터빈의 회전에 의해 발생된 회전력으로 유입된 이산화탄소를 해당 압력으로 압축하여 유출하는 제3압축터빈;을 포함하는 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 메탄화반응부는
    상기 제2압축터빈에서 압축된 후 유출되는 수소와, 상기 제3압축터빈에서 압축된 후 유출되는 이산화탄소를 공급받는 것을 특징으로 하는 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2압축터빈은
    상기 탈수소화부에서 유출되는 수소를 유입하여 압축하는 것을 특징으로 하는 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 탈수소화부는
    상기 메탄화반응부에서 방출되는 반응열과, 상기 발전부의 가스터빈을 통과한 연소가스의 폐열이 열원으로 이용되어, 수소가 저장된 액상유기물(LOHC)의 탈수소화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템.
  6. 수소와 이산화탄소를 서로 반응시켜 메탄을 생성하여 배출하는 메탄화반응부와, 상기 메탄화반응부에서 유출된 메탄을 연소시켜 발생한 연소가스로 회전력을 발생하여, 그 회전력으로 전기를 생산하는 발전부와, 상기 메탄화반응부의 반응열과, 상기 발전부 연소가스의 폐열을 열원으로 수소가 저장된 액상유기물(LOHC)에서 수소를 분리하여 배출하는 탈수소화부가 포함된 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템에 있어서,
    a) 메탄 생산량을 결정하는 단계;
    b) 메탄화의 반응조건을 결정하는 단계;
    c) 메탄화를 위한 필요 수소량을 산출하는 단계;
    d) 수소와 이산화탄소를 반응압력으로 공급하기 위해 제2압축터빈 및 제3압축터빈의 일량을 산출하는 단계;
    e) 필요 수소량에 대응하여 탈수소화에 필요한 열에너지(흡열 반응열)를 산출하는 단계; 및
    f) 압축터빈들의 일량과 열에너지 생산을 위해 연소기로 제공될 메탄량을 예측하는 단계;를 포함하는 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템의 운영 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 b)단계에서 메탄화의 반응조건은,
    상기 메탄화반응부로 유입될 수소 및 이산화탄소의 온도 및 압력이 결정되고, 그 결정에 따른 수소 및 이산화탄소 반응의 반응열(발열)을 산출하여 결정하는 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템의 운영 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 f)단계인 압축터빈들의 일량과, 열에너지 생산을 위해 연소기 제공될 메탄량을 예측 이후,
    g-1) 압축터빈들의 일량이 충분한지 비교하는 단계;
    일량이 충분하지 않으면, g-2) 연소기로 공급되는 메탄량을 증가하는 단계;
    일량이 충분하면, h-1) 열에너지는 충분한지 비교하는 단계;
    열에너지가 충분하지 않으면, h-2) 연소기로 공급되는 메탄량을 증가하는 단계;를 포함하는 메탄화 공정과 탈수소화 공정을 복합한 메탄 생산 병합 발전시스템의 운영 방법.
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