KR20220051911A - 순산소연소 가스터빈 이산화탄소 포집장치 및 운전방법 - Google Patents

순산소연소 가스터빈 이산화탄소 포집장치 및 운전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는, 화력발전소에서 공기를 연소기에 입력하기 전에, 액화 분리법으로 산소와 질소로 분리, 이들(O2,N2)을 생산하여 냉매로 활용하고, 연소기에서 배출되는 또는 가스터빈의 배기가스가 (본 발명) 응축기에 유입되어 (응축기의) 냉각기로 응축되고, 냉각하면서 예열된 산소는 연소기에 공급된다. 따라서 연소가스(유입가스)는 오직 증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)만으로 이뤄지므로 용이하게 액체로 응축된다. 이 응축기에서, 유입가스 중 증기는 상기 질소냉매로 냉각되어 물로 응축(복수)되고, CO2가스는 액화 포집된다. 즉, 이산화탄소가 대기로 방출되지 않고 액체로 포집된다.
더군다나, 종래 가스터빈에서는 배기가스를 응축할 수 없어 터빈의 열효율이 스팀터빈의 것보다 낮았으나 본 발명에서는 터빈의 열효율이 스팀터빈의 것처럼 동력을 생산하는 터빈의 열효율이 크게 높아진다. 왜냐하면, 스팀터빈에서는 복수기가 스팀을 냉각하고 물로 응축함에 따라 터빈에서 블레이드를 향해 달리는 증기가 (스팀의 체적이 물로 되어 아주 작아지므로) 흡입되어 증기의 속도가 빨라지므로 터빈의 열효율이 높아지듯이, 본 발명 응축기도 배기가스를 산소와 질소 냉매로 냉각하고 응축함에 따라 터빈의 열효율이 높아지게 된다.
또한, 발명에서는 액상으로 포집된 이 CO2가 물에 녹여져 탄산수로 되고 이를 (최근에 개발된 CO2로) 전기와 수소를 생산하는 시스템에 공급하여, 수소를 대량 생산할 수 있도록, 또 냉매로 활용되어 CO2를 포집한 질소(N2)와 이 CO2로 생산된 수소(H2)로 (수소의 저장과 이송 수단으로 최적의 매체인) 암모니아(NH3)가 제조되도록 구성되었다.
이와 같이, 본 발명에서는 화력발전소에서 배출되던 온난화의 주범인 CO2가 액화 포집되어 청정에너지 수소를 생산하고, 생산된 이 수소를 암모니아로 저장하여 이송할 수 있도록 구성되었다.

Description

화력발전소 이산화탄소 포집장치 및 운전 방법 {Carbon Dioxide Capture Device of Power Plant and Its Operation Method}
본 발명은 (가스터빈 포함) 화력발전소에서 이산화탄소(CO2)가 대기로 배출되지 않도록 구성한 것으로, 공기를 액화 분리법으로 산소와 질소로 분리하고 산소와 질소를 생산하여 냉매로 활용하고, 연소기(버너)에 산소만을 공급하여 배기가스에서 CO2를 상기 질소 냉매로 액화 포집하고, 포집된 이 CO2를 물에 녹여, 탄산수로 (최근에 개발된) 전기와 수소를 생산하도록 하며, 생산된 이 수소와 냉매로 활용되었던 질소로 암모니아(NH3)를 제조하여, 생산된 수소가 최상의 저장 매체인 암모니아에 저장되도록 구성한 것이다.
공기 중에 질소는 약 78%, 산소는 21%, 기타(CO2, 수증기, 아르곤 등) 1% 정도이다. 종래의 가스터빈 또는 화력 발전소에서는 연소기에 질소가 산소와 더불어 공급되므로 배출되는 연소가스 중에 CO2를 포집하는 것이 용이하지 않았다. 이 문제를 해결하기 위하여 연소기에 순산소만을 주입하는 순산소 연소로, 연소가스는 오직 증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)로만 이뤄지므로, 이 증기를 응축하여, CO2를 포집하려는 연구가 국내외에서 많이 시도되었다. 그러나 순산소 연소는 연소기의 화염 온도가 높아지고, 또 (연소가스) 동작유체(Working Fluid)가 (제거된 78%의) 질소에 해당되는 분량이 줄어들어 열효율이 저하되는 문제가 발생했다. 연소실의 온도를 낮추기 위하여 연소기로부터 배출되어 온도가 낮아진 배기가스를 다시 연소실에 순환되도록 하는 방법이 주로 연구되었으나, 이는 (특히 발전소의 경우 거대한 보일러) 기존의 연소실 장비를 사용하지 못하는 문제가 또 생겨났다.
가스터빈 연소기에 순산소만을 주입하면 78%의 질소가 없어지므로 (연소가스가 이 질소를 가열할 필요가 없어지므로) 연소실 화염 온도가 매우 높아지고, 또 질소에 해당하는 (터빈 블레이드에 충격을 가하는) 동작유체가 줄어들어 터빈의 열효율이 크게 낮아진다. 이 문제를 해결하기 위하여, 배기가스 중에 이산화탄소(CO2)를 기체로 포집하고 포집된 CO2가스가 연소실로 순환되도록 하여 연소실 온도를 낮추고, 이 사이클을 만족하는 이산화탄소 전용 가스터빈이 연구되고 있다. 즉 낮은 온도의 동작유체로 작동하는 터빈을 연구하고 있다. 한편, 가스터빈은 열역학적으로 동작유체(Working Fluid)의 온도가 높을수록 터빈이 동력을 생산하는 열효율이 높아진다. 그러나 순산소 연소를 위한 상기 CO2전용 가스터빈에서는 순환되는 CO2량은 연소실의 발열량에 반비례한다. 연소실에서 발열량이 많아지면 CO2가 많이 생산되었고 또 이 CO2가 순환되어 연소실에 주입되지 않아야 (순환율0%) 연소실에서 CO2가 많이 생산된다. 또 생산된 CO2의 90% 분량이 연소실에 순환되면, 연소반응으로 생산된 CO2량은 불과 10%이므로 발열량도 10%로 줄어든다. 이러한 이유로 CO2 전용 가스터빈은 열역학적으로 열효율이 낮을 수밖에 없다.
한편, 항공기 가스터빈, 예를 들어, (Pratt & Whitney) JT9D와 (Rolls-Royce) Spey, Pegasus 등의 엔진에서는 이륙 시에 추력을 높이기 위하여 연소기에 물을 분사, 주입한다. 주입된 수증기는 kg당 539kcal의 열을 흡수하고 과열증기로 가열되어 추력이 높아진다. 본 발명에서는, 이러한 기술이 적용되어, 순산소의 주입으로 연소기가 과열되는 문제와 상기 78%의 질소의 제거로 동작유체가 줄어드는 문제가 모두 해결된다. 본 발명에서는 보일러 연소실 또는 가스터빈 연소기에 물이 분사 주입되어 연소기가 과열되지 않도록 제어되고, 주입된 물(H2O)은 539kcal/kg의 증발열을 흡수하여 연소기를 냉각하면서 (이상기체) 과열증기로 가열되어 질소의 동작유체의 기능을 대신한다.
특히 가스터빈에서는 주입된 물이 상기 539kcal/kg의 증발열을 흡수하여 연소실의 온도가 공기에 의한 연소의 것보다 더 낮아지므로, 연료를 더 주입하고 물분사량도 더 늘려 동작유체 총량을 더 늘릴 수 있다. 즉, 연소실이 100% 열교환 효율로 과열증기를 생산하는 초(Super)열교환 장치로 되어 터빈이 동력을 더 생산하고 따라서 효율이 더 높아진다. 더군다나, 종래 가스터빈에서는 배기가스를 응축할 수 없어, 증기터빈에서와 같이 터빈이 높은 열효율로 동력을 생산하지 못하는 문제가 있었으나, 본 발명에서는 가스터빈의 동작유체가 (주로) 증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)이므로 이들은 모두 액화 응축된다. 즉, 터빈이 동력을 생산하는 열효율이 크게 높아진다. 증기터빈에서는 복수기에서 증기가 응축(복수)됨에 따라 이 증기의 복수효과로 터빈에서 블레이드를 향해 달리는 증기가 복수기로 흡입되어 증기는 더 빠른 속도로 달려 터빈 블레이드에 충돌하게 되므로 증기터빈이 동력을 더 생산하여 열효율이 높아진다.
석탄 화력발전소에서는 연소실의 배연(Flue Gas) 배기가스와 석탄재(Ash)를 배출해야 하므로 연소실이 사실상 대기로 개방되어 있다. 이러한 연소실에 화염 온도를 낮추려고 물을 분사 주입하면 연소기를 냉각할 수 있으나 연소실에 어떠한 압력도 유지되지 않아 오히려 석탄 화력을 저하시키는 열손실만 초래된다. 따라서 연소실이 밀폐 상태로 연소가스와 석탄재가 배출되어야 연소실 화염 온도를 물분사로 제어할 수 있고, 따라서 순산소 연소가 가능하다. 본 발명의 주된 목표는 기존의 보일러 장비를 그대로 쓰면서 순산소 연소로 CO2를 용이하게 포집하는 것이다. 본 발명에서는 연소실이 밀폐상태 유지하며 배연(Flue Gas) 배기가스와 석탄재(Ash)가 배출될 수 있도록 장비가 준비되어 있다. 종래 보일러 연소실이 원래 개방형으로 재작되어 연소실 외벽이 낮은 압력에도 견딜 수 없다면, 외벽을 (많은 공사비용이 발생할지라도) 새 철판으로 두껍게 하여 순산소 연소로 이산화탄소를 포집해야 하는 것이 요즈음 세계적인 추세가 되었다.
종래의 순산소 연소에서는 공기 중에 질소를 제거하고 산소만 연소실에 공급하고 이산화탄소는 기체로 포집된다. 그러나 본 발명에서는 공기 중에 산소와 질소가 액화 분리법으로 분리되어 동시에 생산되고 이들은 상기 배기가스를 냉각 응축하는 냉매로 활용되어 배기가스를 냉각하고, 산소는 냉각하면서 예열되어 연소기에 공급되나, 질소는 배기가스를 더 냉각하여 물로 응축하고, CO2를 액화 포집하게 된다. 본 발명에서는 포집된 이 CO2를 물에 녹여 (최근에 개발된) CO2로 전기와 수소를 생산하고, 생산된 이 수소와 냉매로 활용되었던 질소로 암모니아(NH3)를 생산하도록 구성되었다. 즉, 생산된 청정에너지 수소가 암모니아로 저장된다. 공기 중의 산소와 질소를 액화 분리법으로 분리하여 냉매용으로 생산하기 위해서 많은 동력을 필요로 한다. 본 발명에서 이들 산소와 질소는 이산화탄소 포집을 위한 순산소 연소와 배기가스를 응축하는 냉매로만 사용되지는 않는다. 본 발명에서는 냉매로 활용된 질소가 수소의 저장 수단으로써 최상의 매체인 암모니아 제조에 또 사용되도록 구성된 것이 본 발명의 궁극적 목적이다.
청정에너지인 수소는 끓는점이 무려 -252.87℃로 낮아, 수소를 액체로 만들지 못하고 보통 고압으로 압축하여 사용한다. 한편, 상온에서 무색 기체로 비료의 원료로 사용되는 암모니아는 끓는점이 -33.34℃이고, 상온(20℃)에서 비교적 낮은 압력(8.46atm)으로 액화된다. 이러한 특성으로 최근 청정에너지인 수소의 저장, 이송 매체로 최근 활발하게 연구되고 있다. 즉, 수소를 공기 중 78%인 질소를 활용, NH3를 만들어 저장한 후, 이 NH3에서 꺼내 쓰고 질소는 다시 대기로 내보내, 환경을 오염시키지 않는 기술이다. 게다가 암모니아에는 순 액체 수소에 비하여 1.5배나 많은 분량의 수소를 저장할 수 있다. 본 발명에서는 이러한 NH3의 제조를 위하여 (질소를 생산하지 않고) 냉매로 활용되어 CO2를 액화 포집한 질소가 또 활용되어 암모니아로 저장된다.
본 발명에서는 가스터빈을 포함한 화력 발전소 연소기(버너)에 질소가 제거된 오직 산소만을 공급하여 연소가스가 오직 이산화탄소(CO2)와 증기(H2O)로만 이루어지도록 하였다. 따라서 배출되는 가스를 열교환기로 냉각하면 스팀터빈의 복수기에서 증기가 물로 응축되듯이 배기가스는 물과 액상 CO2로 응축된다. 즉, CO2를 용이하게 액화 포집할 수 있을 뿐만 아니라 가스터빈에서도 배기가스를 응축할 수 있어 터빈이 동력을 생산하는 열효율을 크게 높일 수 있다.
공기를 공기압축기로 압축하고 압축열을 제거한 후, 이 압축공기를 단열 팽창시키면 산소(-183℃), 질소(-196℃)는 끓는점이 다르므로 이들 산소와 질소가 용이하게 분리 생산된다. 이러한 산소와 질소 생산 방법은 액화 분리법으로 알려진 공지의 기술이다. 본 발명에서는 이 공지의 기술을 이용하여 공기로 산소와 질소를 분리 생산하고, 질소가 제거된 순산소만이 연소기에 입력된다.
따라서 본 발명애서는 연소가스가 오직 증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)만으로 이루어지므로, 배기가스를 냉각하여 배기가스 중에 증기는 물로 응축(복수)하고, CO2가스는 액화 포집하여, 이 CO2를 물에 녹이고, 이어 (최근에 개발된) 전기와 수소를 생산하는 시스템에 공급되도록 구성하였다.
화력 발전소의 스팀터빈에서는 대부분 바닷물을 끌어와 복수기에서 터빈 마지막 단의 증기를 열교환으로 응축시킨다. 그러나 본 발명에서는 상기 배기가스를 액체로 응축시키는 냉매로 상기 산소와 질소가 활용된다. 이후 질소는 대기로 방출되지 않고 청정에너지인 수소의 저장과 이송 매체인 암모니아(NH3)의 제조에 사용된다.
본 발명에서는 공기로 액화 분리법에 의하여 산소와 질소를 분리하여 생산하고, 이들(O2,N2)이 연소 배기가스를 본 발명 응축기에서 액화 응축시키는 냉매로 활용된 후, 산소는 (응축기에 유입된) 배기가스를 냉각하면서 예열되어 연소기에 공급되고, 질소는 배기가스를 액화 응축시키며, CO2를 액화 포집한 후, 이 CO2로 수소를 생산하고, 이 수소와 냉매로 활용한 질소로 암모니아(NH3)를 제조하여 청정에너지 수소가 NH3에 저장, 이송될 수 있도록 구성되었다.
본 발명에서는 연소기에 순산소만 공급되므로 배기가스는 이산화탄소(CO2)와 증기(H2O)만으로 이루어져, 산소와 질소 냉매가 연소 배기가스를 상기 응축기에서 냉각, 물로 응축하고, CO2가스를 액화 포집할 수 있게 된다. 또한 가스터빈에서도 상기 응축기에서 배기가스가 응축됨에 따라 터빈 블레이드를 향해 달리는 연소가스를 이 응축기에서 흡입하게 되므로, 연소가스가 블레이드에 더 빠른 속도로 충돌하여, 터빈이 더 많은 동력을 생산하게 된다. 즉, 터빈의 열효율이 크게 높아진다.
본 발명에서는, 연소 배기가스에서 액화 포집된 상기 CO2를 물에 녹여 탄산수로 만들고, 이를 최근 개발되고 있는 CO2로 전기와 수소를 대량 생산하는 시스템에 공급하도록 구성된다. 이 시스템에서 생산된 청정에너지인 수소는 상기 암모니아 제조 플랜트에 공급되어 암모니아로 저장된다. 즉, 질소를 냉매로 활용하여 CO2가 액화 포집되고 이 CO2로 수소를 생산하고, 냉매로 활용했던 질소가 또 활용되어 생산된 수소가 암모니아로 저장된다.
본 발명은 가스터빈 또는 화력발전소에서 배출되는 이산화탄소(CO2)를 질소냉매로 액화, 포집하여 대기로 방출되지 않도록 하며, 또한 포집된 CO2로 수소를 대량 생산하고 생산된 수소와 CO2 포집에 활용된 질소로 암모니아(NH3)를 제조하여, 청정에너지 수소를 암모니아로 저장될 수 있도록 할뿐만 아니라, 가스터빈의 열효율이 크게 높아진다.
도 1은 일반 가스터빈에 의한 복합사이클 발전 시스템의 동작유체(Working Fluid) 흐름을 보인 플로우 다이아그램이고,
도 2는 본 발명의 개요를 설명하기 위하여 동작유체의 흐름을 보인 플로우 다이아그램이고,
도 3은 본 발명 연소 배기가스 응축기의 구조를 상징적으로 묘사한, 배기가스가 입력되어 물로 응축되고 CO2가 액화 포집되는 과정과 동작유체의 흐름을 보인 도면이고,
도 4은 본 발명에 활용된 일반 로베(Lobe)펌들의 형상을 보인 도면이고,
도 5는 본 발명에서 연소실이 밀폐 상태로 배기가스가 배출되면 동력을 생산하는 동력발생기의 형상을 보인 도면이고,
도 6은 본 발명에서 연소실이 밀폐상태로 석탄재를 배출하는 탄재배출기의 형상을 보인 도면이다.
도 1은 일반 가스터빈에 의한 복합사이클 발전 시스템의 동작유체(Working Fluid) 흐름을 보인 (기계공학 서적에서 흔히 볼 수 있는) 플로우 다이아그램이고, 도 2는 본 발명의 개요를 설명하기 위하여 동작유체의 흐름을 보인 플로우 다이아그램이며, 도 3은 발명 배기가스 응축기의 구조를 상징적으로 묘사한, 배기가스가 입력되어 물로 응축되고 CO2가 액화 포집되는 과정과 동작유체의 흐름을 보인 도면이다. 도 4는 발명에 활용된 일반 로베(Lobe)펌들의 형상을 보인 도면이고, 도 5는 석탄 화력발전소 연소실이 밀폐 상태로 배기가스가 배출되면서 동력을 생산하는 본 발명에서 동력발생기의 형상을 보인 도면이고,
도 6은 석탄 화력발전소 연소실이 밀폐상태로 석탄재를 배출하는 본 발명 탄재배출기의 형상을 보인 도면이다.
본 발명에서는 (가스터빈 포함) 화력발전소 연소기(버너)에 공기가 입력되지 않고, 도 2에 도시한 바와 같이, 순산소만 입력된다. 공기를 압축기로 압축하고 이때 발생한 압축열을 제거한 후, 단열 팽창시키는 공지의 액화 분리법에 의하여, 공기의 산소와 질소가 분리 생산되어, 배기가스를 냉각 응축시키는 냉매로 활용되고, 산소는 연소기에 공급되며, 질소는 상기 배기가스에서 증기를 물로 응축(복수)하고, 또 CO2 가스를 액화 포집하여, 이 CO2가 대기로 배출되지 않고 수소를 생산하고, 이 수소와 냉매로 활용된 질소로 수소의 저장과 이송 수단으로써 최적의 매체인 암모니아(NH3)가 제조된다. 즉, CO2를 액화 포집한 질소를 또 활용하여 생산된 수소가 NH3로 저장된다.
이러한 산소와 질소 생산 방법은 공지의 기술로 누구나 용이하게 실현할 수 있어, 도 2에 상징적으로 보인 바와 같이, 공기가 공기압축기를 경유하여 산소와 질소 분리기(Separator)에서 산소와 질소가 분리 생산되는 것으로 묘사되었다.
종래의 가스터빈에서는 공기가 터빈과 같은 축에 있는 축류 압축기로 압축된 후, 이 압축공기가 연소실에 입력된다. 그러나 본 발명에서는 이미 압축되어 냉매로 활용된 산소가 연소실(버너)에 주입된다. 축류 압축기로 압축된 압축공기는, 도 2에 보인 바와 같이, 상기 공기 압축기로 보내져 냉매 산소와 질소로 분리되어, 산소와 질소가 생산된다. 가스터빈이 아닌 경우에는 공기가 상기 축류 압축로 1차 압축되지 않고 바로 공기 압축기로 압축되어 산소와 질소가 냉매로 생산된다.
본 발명에서는, 연소기에 순산소만 주입되므로 연소기가 과열될 수 있다. 따라서 연소기에 물분사로 물이 주입되고, 이 물분사량으로 연소실 화염이 제어된다. 석탄 발전소인 경우, 보통 물이 주입되나 가스터빈인 경우, 터빈 블레이드의 보호를 위해서, 도 2에 보인 바와 같이, (아래에서 설명되는) 응축기에서 복수된 물이 분사 주입된다. 물분사로 주입된 수증기는 kg당 539kcal의 열을 흡수하고 (이상기체) 과열증기로 가열된다. 석탄 발전소인 경우, 연소실에서 연소가스가 절탄기(Economizer)를 지나 외부로 나가는 출구에 (도 4에 보인) 동력발생기가 장착되고, 석탄재(Ash)가 배출되는 출구에는 (도 5에 보인) 탄재배출기가 장착되어 연소실이 외부로 밀폐되어, 물이 분사 주입되어 생성된 과열증기가 동력을 생산하게 된다. 이와 같이 연소실 밀폐효과로 본 발명에서는 석탄 발전소 보일러에서도 종래의 보일러 장비를 그대로 사용하면서 순산소 연소로 연소실에서 물을 분사하여 고온의 동작유체를 많이 생산하게 된다.
본 발명 동력발생기는 일반 액체를 이송하는 로베(Lobe) 펌프의 구조와 같은 것으로, 이 펌프 입구에 (Diffuser 모양의) 압력을 낮추는 감압(Decompression) 노즐을 붙인 것이다. 본 발명에서는 압력을 지닌 기체가 이 동력발생기에서 팽창하면서 기계적 동력을 생산하게 된다. 이 동력발생기는 기체가 지닌 압력 에너지를 (아마) 75%도 기계적 동력으로 변환하지 못할 것으로 예측되나, 상기 감압 노즐의 작용으로 손실은 최소화 된다. 향후 석탄 분진이 있는 연소가스로 동력을 생산하는 효율 좋은 동력 발생기가 개발될 것이다. 이 동력발생기의 출구는 아래에서 설명되는 본 발명 배기가스 응축기에 연결된다. 이 응축기는 배기가스를 응축하게 되므로 이 동력발생기를 통과하는 배기가스를 흡입하게 되므로, 이 흡입력이 동력발생기 로터(Rotor)의 로베(Lobe)를 끌어주고 연소실 압력은 이를 밀어주게 되어 로터가 회전하므로 동력이 생산된다.
연소실에 주입된 물로 생성된 과열증기는 연소가스와 더불어 터빈에 공급할 과열증기를 열교환으로 생산하게 되는데, 특히 가스터빈에서는 78%의 질소에 해당하는 물을 주입할지라도 분사된 수증기가 539kcal/kg 증발열을 흡수하므로 연소실의 온도는 공기연소에 의한 연소실의 온도보다 더 낮다. 즉, 더 많은 연료와 물을 주입하여 터빈이 동력을 더 생산하는 것이 가능하다. 바꾸어 말하면, 가스터빈 연소기에 연료를 더 주입하고 물도 더 주입하여, 100% 열교환 효율로 과열증기가 더 생산된다. 따라서 터빈에 공급할 동작유체의 총량이 공기연소의 것보다 많이 생산하게 된다. 즉, 가스터빈이 증기터빈처럼 작동하여 열효율이 크게 높아진다. (연구개발 중인) 순산소 연소를 위한 CO2 전용 가스터빈은 부하를 크게 할 수 없으나 본 발명 가스터빈 운전 방법에서는 순산소 연소로도 터빈이 최대 부하로 운전될 수 있다.
본 발명에서는 연소기에 산소만 공급되므로 연소가스는 이산화탄소(CO2)와 증기(H2O)만으로 이뤄진다. 가스터빈 복합사이클에서는 LP 터빈에서 배출되는 배기가스가 HRSG로 진입하여 또 다른 스팀터빈을 구동할 과열증기를 생산하고, 이 배기가스를 응축하는 응축기로 진입한다. 석탄 화력발전소 연소기의 배기가스인 경우, (집진설비를 통과한 후) 연돌(Stack)전 위치에서 연돌로 가는 배연가스가 바로 이 배기가스 응축기에 입력된다.
한편, 스팀터빈에서는 LP 터빈 아래에 복수기(Condenser)가 있고, LP 터빈을 떠난 스팀은 복수기에서 응축된다. 즉, 응축됨에 따라 그 부피가 증기에서 물로 약 1650배로 줄어듦에 따라, 이 복수기가 터빈 블레이드를 향해 달리고 있는 증기를 흡입하게 된다. 따라서 이 증기는 더 빠른 속도로 블레이드에 충돌하므로 터빈은 더 많은 동력을 생산하게 된다. 즉, 이 복수기의 효과로 터빈의 열효율이 크게 높아진다.
종래의 가스터빈에서 (또는 복합사이클 HRGS에서) 배출되는 배기가스는 보통 대기로 방출되거나 지역난방에 활용된 후 대기로 방출된다. 즉, 스팀터빈에서와 같은 복수기가 없어 터빈 블레이드에 있는 연소가스가 흡입되지 않으며, 또한 상당한 열에너지를 지니고 있으나 무용하게 버려지고 환경오염의 주범인 이산화탄소가 방출된다.
그러나 본 발명에서는 이러한 문제들이 모두 해결된다. 본 발명에서는 연소가스가 오직 증기(H2O)와 CO2만으로 이뤄져 있으므로 이들은 모두 본 발명 배기가스 응축기에 의하여 액체로 응축되고, CO2가 액화 포집되어 대기로 방출되지 않고, 이 CO2가 물에 녹여져 탄산수로 된다.
본 발명에서는 공기로부터 액화 분리법으로 생산된 산소와 질소가 본 발명 배기가스 응축기에서 유입된 배기가스(유입가스)를 냉각하여 응축시키는 냉매로 활용된 후, 냉매 산소는 이 유입가스로 예열되어 연소기에 공급되며, 냉매 질소는 유입가스를 물로 응축하고, CO2가스를 액화 포집한 후, 청정에너지인 수소의 최적의 저장 매체로 (최근에 판명된) 암모니아(NH3)의 제조에 또 활용되어 수소를 NH3로 저장하게 된다.
이러한 산소와 질소 냉매는 끓는점 온도가 각각 -183℃와 -196℃로 냉각력이 매우 강력하여 본 발명 배기가스 응축기에서 상기 배기가스를 응축하는 것이 가능하다. 한편, 이 응축기에 유입된 배가가스에는 연소에 미반응한 산소(O2)와 불완전 연소로 생성된 일산화탄소(CO) 또는 미량의 질소(N2) 따위가 소량 존재할 수 있고, 이들을 응축하여 포집하는 것은 어렵다. 그러나 이들은 그 무게가 모두 CO2보다 가벼운 공통점이 있다. 본 발명에서는 이 가벼운 공통점을 이용하여 이 불응축 가스가 포집되어 제거된다. 포집 방법은 다음에 설명된다.
도 3에 보인 응축기는 소형 증기터빈에서 복수기로 사용하는 에어핀(Air Fin) 쿨러와 같은 유형의 것이다. 이 에어핀 쿨러에서는 냉각핀이 형성되어 있는 튜브 내부로 포화 증기가 흐르고 외부로 대기가 흘러 이 포화 증기가 응축된다. 그러나 본 발명에서는 반대로 튜브 내부로 앞서 설명한 산소와 질소 냉매가 흐르고 외부로는 이 냉각기에 유입된 배기가스(유입가스)가 흘러 열교환 작용으로 이 유입가스가 응축된다. 산소냉매에 의한 냉각기는 이 응축기 입구 쪽에 위치하고, 이 응축기 우측에는 질소 냉매에 의한 첫째 냉각기가 좀 더 높게 위치하고, 질소 냉매 둘째 냉각기는 중앙에 첫째 것보다 더 낮게 위치한다. 또 첫째 냉각기 참버의 맨 우측 위(천장)와 둘째 냉각기의 참버 좌측 위(천장)는 배관으로 연결되어 있고, 상기 불응축 또는 미응축 CO2가스가 첫째 냉각기 우측 위에서 흡입되어 둘째 냉각기 쪽으로 이동, 순환하도록 배관에 순환 팬(Circulation Fan)이 장치되어 있으며, 이 (순환) 배관에는 흡입구 위쪽에 가벼운 불응축 가스가 모여 머무르는 (포집)공간이 형성되어 있고, 이 포집공간에 불응축 가스의 포집 정도를 감지하는 센서가 (도면에 도시되지는 않았으나) 장착되어 있다.
이와 같이 구성된 응축기에 배기가스(유입가스)가 유입되고, 유입가스는 입구 쪽에 위치한 산소 냉매 냉각기에 진입하여 산소 냉매로 냉각되면서 산소 냉매가 예열된다. 바꾸어 말하면, (냉매) 산소는 온도가 가장 높은 입구 쪽의 유입가스로 예열되고, 이어 연소기에 공급된다. 이 유입가스는 질소 냉매에 의한 둘째 냉각기로 진입하여 더 냉각되는데, 상기 순환 팬에 의하여 불응축 또는 미응축 CO2가스가 첫째 냉각기에서 둘째 냉각기로 순환함에 따라 이 유입가스는 서서히 우측으로 흐르게 되고, 이 효과로 냉각기에서 (열교환) 냉각효율이 더 높아진다. 이 유입가스 중 증기는 둘째 냉각기에서 모두 물로 응축되고, 수증기보다 가벼운 불응축 또는 미응축 CO2가스는 높은 곳에 위치한 첫째 냉각기로 올라가고, 이 냉각기에서 CO2가스는 질소 냉매의 강력한 냉각력으로 대부분 액화 포집되나, 소량의 미응축 CO2가스와 불응축 가스는 위쪽 순환 배관으로 흡입되어 이 순환 배관을 따라 둘째 냉각기로 되돌아가게 된다. 불응축 가스는 되돌아가는 도중에 CO2가스보다 더 가벼우므로 위쪽에 있는 불응축 가스의 포집공간에 모이게 되고, 이에 장착된 센서에 의에 감지되어 도시한 바와 같이 대기로 방출되다.
이산화탄소는 대기압에서 -78.5℃ 정도로 냉각하면 액화되고, 상온(20℃)에서는 60kg/cm2 이상의 압력을 가해 주면 액화된다. 또 해수에는 비교적 잘 녹고 낮은 온도에 압력을 가하면 더욱 잘 녹는 것으로 알려져 있다. 본 발명에서는, 상기 응축기에서 질소냉매로 포집된 액상 CO2는, 도시한 바와 같이, 펌프로 압력이 가해져 물에 녹이는 혼합기(Mixer)로 압송되고, 동시에 이 혼합기에는 증기로부터 복수된 물과 바닷물이 (또는 어떤 촉매 전해질이) 공급되어, 상기 액상 CO2가 탄산수로 물에 잘 녹아들도록 구성된다. 따라서 액상 CO2는 혼합기에서 물에 녹아 이온화된 탄산수가 된다.
이 탄산수는 이어 CO2로 전기와 수소를 생산하는 CO2 발전 시스템에 공급된다. 이 CO2 발전 시스템은 수소를 대량 생산할 수 있는, 최근 개발 중인 수소 생산 방법으로 본 발명의 특허 범위에 속하지 않는다. 앞으로는 공해를 만들지 않는 수소가 주 에너지가 원이 될 것으로 예상된다. 또한 이러한 수소를 저장, 이송하는 수단으로써 암모니아(NH3)가 최상의 매체로 최근에 판단되고 있다.
본 발명에서는, 공기의 산소와 질소를 액화 분리법으로 분리 생산하여 냉매로 활용하고, 연소기에 산소만을 공급하여 배기가스의 증기가 물로 응축되고, CO2가스가 액화 포집되도록 구성함에 따라, 이 CO2로 수소를 생산할 수 있고, 가스터빈에서는 배기가스가 마치 스팀터빈의 복수기에서와 같이 상기 응축기에서 액상으로 응축되어 터빈이 동력을 생산하는 열효율이 크게 향상된다.
이와 같이, 발명에서는 종래 화력발전소에 또는 가스터빈에서 대기로 방출되었던 이산화탄소(CO2)로 청정에너지인 수소를 대량 생산할 수 있고, 더군다나, 냉매로 활용되었던 질소가 암모니아(NH3)의 제조에 또 활용되어, CO2로 생산된 수소를 저장과 이송 수단의 최적의 매체인 NH3에 저장할 수 있어, 수소를 액체로 저장하기 위해서는 초고압이 요구되나 불과 8.5기압의 낮은 압력으로 게다가 액체보다 1.5배나 많은 분량을 저장매체 암모니아로 저장할 수 있다.
화력발전소에서 연소기에 공기를 공급하지 않고 산소와 질소를 액화 분리법으로 분리 생산하여 냉매로 활용하고, 연소기에 산소만을 공급하여 배기가스의 증기가 물로 응축되고, CO2가스가 액화 포집되도록 구성함에 따라, 이 CO2가 대기로 배출되지 않고 수소를 대량 생산할 수 있으며, 또한 냉매로 활용되었던 질소와 생산된 수소로 암모니아(NH3)를 제조하여, 청정에너지 수소를 (이의 저장과 이송 수단으로 최적의 매체인) NH3에 저장할 수 있고, 더군다나, 가스터빈에서는 응축기에서 배기가스를 액상으로 응축할 수 있어 가스터빈의 발전 열효율이 크게 높이는 효과가 있다.
부호 설명 없음.

Claims (2)

  1. 가스터빈 포함 화력발전소에서 공기로 (공지기술) 액화 분리법에 의하여 산소와 질소를 분리 생산하여 냉매로 활용하고, 연소기(버너)에 산소만을 공급하여, 연소기에 유입된 배기가스를 상기 냉매로 응축기에서 물로 응축하고 CO2를 액화 포집하여 물에 녹이고, 수소가 생산되는 시스템에 공급하며, 생산된 수소와 냉매로 활용된 질소로 암모니아(NH3)를 제조하도록 구성된, 화력발전소 이산화탄소 포집 장치 및 운전 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 배기가스(유입가스)가 유입되어 응축되는 응축기의 구조가, (소형 증기터빈 발전소에서 복수기용으로 흔히 사용되는 에어핀 쿨러의 튜브 형상과 유사한) 냉각핀(Cooling Fin)이 형성되어 있는 튜브에 냉매가 흐르고 외부로는 유입가스가 흐르며, 도 3에 도시한 바와 같이, (배기가스가 유입되는) 입구(우측)쪽에 산소냉매에 의한 산소냉각기가 위치하고, 맨 좌측에는 질소냉매에 의한 첫째 냉각기가 좀 높게 위치하고, 중앙에는 둘째 냉각기가 첫째 것보다 낮게 위치하며, 유입가스 중에 불응축 및 미응축 가스들이 첫째 냉각기 참버의 맨 우측 위(천장)에서 둘째 냉각기 앞쪽으로 순환하도록 배관으로 연결되어 있고, 이 배관에는 순환가스가 둘째 냉각기 쪽으로 되돌아가도록 순한 팬이 장착되어 있으며, 이 배관의 흡입구 위쪽에는 가벼운 불응축 가스가 머무르는 (불응축 가스) 포집공간이 있고, 이 포집공간에 불응축 가스를 감지하는 센서가 장치되어 있으며,
    이 응축기에 들어오는 유입가스를 산소냉매 냉각기가 냉각하면서 (냉매) 산소가 유입가스로 예열되어 연소기에 공급되고, 이 유입가스는 둘째 냉각기로 진입하여, 유입가스 중 증기가 물로 응축되고, CO2가스와 불응축 가스는 위에 위치한 첫째 냉각기로 이동하여 CO2가스가 액화 포집되고, 불응축 가스와 미응축 CO2가스는 순환배관에 흡입되어 순환배관을 따라 둘째 냉각기로 되돌아가고, 이들 순환가스 중 불응축 가스는 가벼운 가스가 머무르는 포집공간에서 머물게 되어, 이를 감지하는 센서에 의해 대기로 방출되도록 구성된, 화력발전소 이산화탄소 포집 장치 및 운전 방법.
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CN115014000A (zh) * 2022-06-10 2022-09-06 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 多能联供零碳排放系统及其运行控制方法

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CN115014000A (zh) * 2022-06-10 2022-09-06 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 多能联供零碳排放系统及其运行控制方法
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