KR20210072227A - 석탄가스화 복합발전 시스템를 기반으로 한 종래의 연료 가스화를 적용한 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기존 연료를 불완전 연소시켜 일산화탄소, 수소를 포함하는 합성가스를 생성하는 석탄가스화 발전시스템과 상기 석탄 가스와 발전 시스템에서 생산된 합성가스 중 일부를 연료전지의 연료극으로 투입하여 전기를 생산하는 연료 전지부 및 연료극에서 배출되는 이산화탄소를 포집하는 포집장치를 포함하여 구성되는 복합발전 시스템이 적용된 연료전지 시스템에 관한 것이다.

Description

석탄가스화 복합발전 시스템를 기반으로 한 종래의 연료 가스화를 적용한 연료전지 시스템 {Fuel cell system with conventional fuel gasification based on coal gasification combined power generation system}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는 연료전지 시스템에 석탄가스화 복합발전 시스템을 기반으로 한 종래 연료의 가스화 기술을 적용한 것이다.
연료전지는 수소와 산소를 이용하여 전기를 생산하는 장치로서, 연료전지 시스템의 연료 개질기는 수소 함유 연료를 원료로 하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생산한다. 연료전지 시스템의 연료 개질기는 수소 함유 연료를 원료로 하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생산한다. 연료 개질기는 개질 방식에 따라 수증기 개질, 부분산화 개질 및 자열 개질로 분류할 수 있다. 수증기 개질기는 수소 생성 효율은 높지만 흡열 반응을 하기 때문에 열을 공급해주어야 하며 응답 특성이 느린 단점이 있다. 부분산화 개질기는 발열 반응을 하며 열 공급이 필요없고 응답 특성이 빠르지만 수소 수율이 높지 않다는 단점이 있다. 자열개질기는 전술한 두 개질방식의 장점을 이용할 수 있으며, 에너지가 적게 필요하고 응답이 신속한 이점이 있다.
일반적으로 연료전지의 연료는 천연가스를 개질한 수소가스가 주성분인 가스를 사용한다. 천연가스에서 개질된 가스는 수소의 비율이 높고 연료전지에 영향을 주는 불순물이 아주 적은 이상적인 연료이기 때문이다.
석탄화력발전은 석탄을 직접 태워서 증기를 발생시키고. 발생된 증기로 증기터빈을 돌려 전기를 생산하는데, 배기가스로 인하여 환경이 오염되는 문제점이 있다.
그러나, 석탄가스화 복합발전은 고온에서 석탄을 부분산화법 등으로 가스화시켜 이산화탄소와 수소로 이루어진 가연성 가스인 합성가스를 생성한 후, 합성가스를 연소시켜 가스터빈을 돌려 전기를 생산한다. 그리고 가스터빈에서 방출되는 배기가스의 열을 이용하여 증기터빈을 돌려서 다시 전기를 생산한다.
석탄가스화 복합발전은 석탄화력발전에 비하여 효율이 우수할 뿐만 아니라, 이산화탄소 및 황화합물의 배출을 줄일 수 있고, 다양한 합성석유를 추출할 수 있으며, 친환경적으로 미래형 발전 기술로 주목을 받고 있다.
본 발명의 목적은 기존 연료를 가스화하여 연료전지의 연료로 사용한 효율이 높아진 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 종래의 연료 가스화 시스템은 합성가스를 연소하는 연소기; 상기 연소기에서 배출되는 합성가스의 연소배기가스를 연료로 구동하는 가스터빈; 상기 가스터빈에서 배출되는 연소배기가스의 배기가스를 열원으로 하여 증기를 발생하는 폐열회수 보일러를 포함하며, 상기 가스터빈에서 배출되는 연소배기가스의 배기가스는 상기 연소기로 유입될 수 있다.
상기 가스터빈에서 배출되는 연소배기가스의 배기가스를 상기 연소기로 공급하기 위한 배기가스 분기유로가 마련되고, 상기 배기가스 분기유로는 상기 가스터빈과 상기 폐열회수 보일러 사이의 배기가스 배출유로에서 분기될 수 있다.
상기 가스터빈에서 배출되는 연소배기가스의 배기가스를 상기 연소기로 공급하기 위한 배기가스 분기유로가 마련되고, 상기 배기가스 분기유로는 상기 폐열회수 보일러에 설치된 배기가스 배출유로에서 분기될 수 있다.
상기 가스터빈에서 배출되는 연소배기가스의 배기가스를 상기 연소기로 공급하기 위한 배기가스 분기유로가 마련되고, 상기 배기가스 분기유로는 상기 폐열회수 보일러에서 배출되는 배기가스 배출유로에서 분기될 수 있다.
상기 배기가스 분기유로에는 상기 배기가스 분기유로를 개페하거나, 상기 배기가스 분기유로의 개방정도를 조절하기 위한 밸브가 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료가스화 시스템은, 가스터빈에서 배출되는 연소배기가스의 배기가스를 연소로 공급하여, 연소기의 연소를 안정화시킨다. 그러면 가스터빈에서 배출되는 연소배기가스의 배기가스를 연소기로 공급하기 위한 유로만 설치하면 되므로, 원가가 절감될 수 있다. 또한 기존 연료를 사용하므로 별도의 장치의 추가 없이 기존의 구동장치에 바로 설치할 수 있다.
도 1은 복합발전 시스템의 공정도이다.
본 발명에 의하면, 기존 연료를 불완전 연소시켜 일산화탄소, 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 석탄 가스화 발전 시스템(100)과 상기 석탄 가스화 발전 시스템(100)에서 생산된 합성가스 중 일부를 연료전지의 연료극(210)으로 투입하여 전기를 생산하는 연료 전지부(200) 및, 상기 연료 전지부(200)의 연료극(210)에서 배출되는 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집장치응 포함하여 구성된다.
먼저, 본 발명의 석탄가스화 발전 시스템(100)은 화석연료를 공급받아 불완전 연소시키는 가스화기(111)와 가스화기(111)에서 생산된 합성가스와 압축기에서 공급된 압축공기를 연소시키는 연소기(113)와, 상기 연소기(113)에서 생성된 연소가스에 의해 구동되며 전기를 생산하는 터빈(114)을 포함할 수 있다. 여기서 합성가스에는 일산화탄소와 수소, 질소, 이산화탄소, 아르곤 등이 포함될 수 있다.
본 발명에 의한 석탄 가스화 발전 시스템(100)은 상기 가스화기(111)에 석탄 등 화석연료를 공급하는 연료 공급부(125)와 상기 가스화기(111)에 산소를 공급하며 상기 연소기(113)에는 질소를 공급하는 공기 분리기(116)를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 의한 석탄가스화 발전 시스템(100)은 연료전지와 연결되어, 상기 가스화기(111)에서 배출되는 합성가스의 일부를 상기 연료 전지부(200)의 연료극(210)으로 공급할 수 있다. 이때 합성가스가 이동하는 배관에 합성가스의 유입량을 조절하는 유량 조절 밸브(120)가 설치될 수 있고, 상기 유량 조절 밸브(120)는 제어기(121)에 의해 개폐가 조절될 수 있다.
100 : 석탄 가스화 발전 시스템
111 : 가스화기
112 : 공기 압축기
113 : 연소기
114 : 터빈
115 : 폐열 회수 보일러
116 : 공기 분리기
117 : 가열기
118 : 집진 설비
119 : 정제 설비
120 : 유량 조절 밸브
121 : 제어기
122 : 정제 설비
123 : 가스 팽창기
124 : 발전기
125 : 연료 공급부
200 : 연료 전지부
210 : 연료극
220 : 공기극
231 : 제1열교환기
232 : 제2열교환기
240 : 수성가스 전이 반응기
250 : 공기 압축기
251 : 제3열교환기

Claims (6)

  1. 기존 연료를 불완전 연소시켜 일산화탄소, 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 석탄 가스화 발전 시스템
  2. 상기 연료 전지부는 상기 연료극에 수소와 이산화탄소를 투입하고, 공기극에는 산소를 투입하여 전기를 생산하는 고체 산화물 연료전지인 것을 특징으로 하는 복합발전 시스템
  3. 상기 연료극에서 배출되는 가스에 포함된 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소로 변환시키는 수성가스 전이 반응기를 포함하는 복합발전 시스템
  4. 상기 연료극에서 배출되는 가스와, 상기 석탄 가스화 발전 시스템에서 배출되어 상기 연료극으로 투입되는 가스가 열교환하는 제1열교환기를 포함하는 복합발전 시스템
  5. 상기 연료극과 상기 수성가스 전이 반응기 사이에 설치되어 상기 연료극에서 배출되는 가스와, 상기 석탄 가스화 발전 시스템에서 배출되어 상기 연료극으로 투입되는 가스가 열교환하는 제1열교환기와 수성가스 전이 반응기에서 배출된 가스와 상기 석탄가스화 발전시스템에서 공급되는 합성가스가 열교환하는 제2열교환기를 포함하는 복합발전 시스템
  6. 상기 이산화탄소 포집장치는 흡수액과 상기 연료극에서 배출되는 가스가 혼합되어 이산화탄소가 흡수액에 흡수되는 흡수탑과 이산화탄소가 흡수되어 포화된 흡수액을 공급받아 가열하여 흡수액에 포합된 이산화탄소를 분리하는 재생탑을 가지는 이산화탄소 포집부를 포함하는 복합발전 시스템
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