KR20220121232A - 가스터빈 순산소연소, 터빈배기 냉각, 배기열 회수 및 co2포집 히트펌프 구성 장치와 (co2중립)운전방법 - Google Patents

가스터빈 순산소연소, 터빈배기 냉각, 배기열 회수 및 co2포집 히트펌프 구성 장치와 (co2중립)운전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스터빈 순산소연소, 터빈배기 냉각, 배기열 회수 및 CO2포집 히트펌프 구성 장치와 (또는 CO2중립) 운전방법에 관한 것으로, 산소와 질소가 냉매로 활용되며, 연소실에 순산소만 주입되고, 작동유체로써 질소 분량의 순환수가 예열되어 연소실에 과열증기로 주입, 재순환되어 순산소연소가 구현되고, 터빈 (HRSG 경유) 배기가, 히트펌프 기술로, 기(pre)-복수, 냉매 산소 및 질소로 냉각, 증기가 복수되고, CO2가 포집되며, 터빈 배기열이 회수되고, 순환수가 과열증기로 예열되며, (배기) 증기의 냉각 복수 효과로 터빈에서 높은 동력생산 효율이 구현되며, 또한, 포집된 CO2가 냉각수에 탄산수로 녹여지고 이 탄산수가 수소생산 시스템에 공급되어 수소가 생산되며, 이 수소와 냉매로 활용된 질소가, 수소 저장 수단으로써 최적의 매체인, 암모니아 제조 플랜트에 공급, 암모니아가 제조됨으로써, CO2중립이 경제적으로 실현되도록 구성된 것이 특징이다.
가스터빈에서, 터빈 배기는 (8H2O + 2O2 + CH4 = 8H2O + CO2 + 2H2O) HRSG를 경유하여, 110℃로 강온되어, 배압 0.2bar로, 본 배기냉각기에 흡입되어, 증기는 복수되고, CO2가 -13℃로 (포집) 배출된다. 증기는 막대한 (대기압 기준 539kcal/kg) 응축열 특성이 있어, 이를 냉각 복수하는 것이 쉽지 않으나, 본 발명에서는, 터빈 배기가, 이미 냉각 복수된 선행 기(pre)-복수로 냉각 복수된다. 즉, 기-복수가 증발하면서 기화열로, 후속 터빈 배기가 냉각 복수된다. 이 기-복수 증기는, 도 2에 도시한 바와 같이, 입구에 위치한 배기열흡수기로 이송되고, 터빈 110℃ 배기는, 이 배기의 냉각복수 효과로, 배압 (Back Pressure) 0.2bar로, 본 배기냉각기에 흡입되어, (포화온도 60.06℃) 60℃로 복수되고, 포화 온도인 기-복수는 터빈 110℃ 배기열로 증발하면서 터빈 배기열을 흡수하고, 90℃ 증기로 승온하게 된다. 이어 이 터빈 배기는, 냉기순환 배관으로 천장에서 내품는 냉기와, 천장 물분사 노즐에서, 이미 냉각된 복수로 내품는 수증기 물보라로, 직접 냉각되며, 중앙 (Vapor) 증기냉각기에서, 튜브로 흐르는 냉매 산소로, 냉각 (0.2bar 60℃) 복수된다. 이어, 배기 CO2는 CO2냉각기에서, 냉매 산소로 영하(-13℃)로 냉각되어, 배큠펌프로 배출된다. 상기 (0.2bar 60℃) 복수는 냉매로써, 기-복수펌프로 상기 배기열 흡수기 튜브에 주입되어, 앞서 설명한 바와 같이, 터빈 배기를 냉각하며, 배기열을 흡수하고, 배큠 펌프에 흡입되어, 도 4에 보인 터빈 배기열 회수 시스템으로 이송되어, 작동유체 증기에 가해진, 총 열량의 50%에 해당하는, 터빈 배기열이 모두 순환증기로 회수된다.
본 발명에서는, 연소로 생성된 CO2가, 대기로 방출되지 않고, 영하(-13℃)로 냉각 (포집) 배출되어, -20℃로 더 냉각되고, 연소로 생성된 증기로부터 냉각된 5℃ (복수) 냉각수와 촉매로써의 바닷물에, (Mixer) 혼합기에서 탄산수로 녹여지고, 이 탄산수가 (최근에 개발된) CO₂로 전기와 수소를 생산하는 시스템에 공급되어 수소가 생산되며, 생산된 이 수소와 냉매로 활용된 질소로 암모니아가 제조되어, 청정에너지 수소가 저장, 이송 수단으로써 최적의 매체인 암모니아(NH₃)에, 게다가 액체저장에 비하여 1.5배나 많은 분량이, 상온에서 8.6bar의 낮은 압력으로 저장됨으로써, 발전소에서 끊임없이 발생하는 이 (문제의) CO2 중립을 경제적으로 실현할 수 있다.

Description

가스터빈 순산소연소, 터빈배기 냉각, 배기열 회수 및 CO2포집 히트펌프 구성 장치와 (CO2중립)운전방법 {Oxyfuel Combustor Exhaust Gas Cooling, Heat Recovery and CO2 Capture by Heat Pump Make-up Device and Its Operation Method of Gas Turbine Power Plant}
본 발명은 가스터빈 순산소연소, 터빈배기 냉각, 배기열 회수 및 CO2포집 히트펌프 구성 장치와 (또는 CO2중립) 운전방법에 관한 것으로, 산소와 질소가 냉매로 활용되며, 연소실에 순산소만 주입되고, 작동유체로써 질소 분량의 순환수가 예열되어 연소실에 과열증기로 주입, 재순환되어 순산소연소가 구현되고, 터빈 (HRSG 경유) 배기가, 히트펌프 기술로, 기(pre)-복수, 냉매 산소 및 질소로 냉각, 증기가 복수되고, CO2가 포집되며, 터빈 배기열이 회수되고, 순환수가 과열증기로 예열되며, (배기) 증기의 냉각 복수 효과로 터빈에서 높은 동력생산 효율이 구현되며, 또한, 포집된 CO2가 냉각수에 탄산수로 녹여지고 이 탄산수가 수소생산 시스템에 공급되어 수소가 생산되며, 이 수소와 냉매로 활용된 질소가, 수소 저장 수단으로써 최적의 매체인, 암모니아 제조 플랜트에 공급, 암모니아가 제조됨으로써, CO2중립이 경제적으로 실현되도록 구성된 것이 특징이다
공기 중 질소는 78%, 산소 21%, 기타(CO2, 아르곤 등) 1% 정도이다. 가스터빈에서는 연료(NG)가 공기와 더불어 주입되므로, 연소실 배기 중에 질소(78%)로 인하여 이산화탄소(CO2)를 포집하는 것이 용이하지 않았다. 이 문제를 해결하기 위하여 최근에 순산소연소가 연구되고 있다. 즉, 공기 대신 순산소만을 연소실에 주입하면 연소실 배기(연소가스)는 오직 증기와 CO2만으로 이뤄지므로 이 배기를 냉각하여 증기를 복수하고 CO2를 용이하게 포집하는 연구이다. 이 순산소연소는 질소가 제거됨에 따라 작동유체가 줄어들어 연소실이 과열되는 새로운 문제가 되었다. 이 문제를 해결하기 위하여 이미 연소실에서 배출된 다량의 배기를 연소실로 재순환하도록 하는 새로운 형태의 보일러가 개발되고 있는 중이다. 한편, 본 발명에서는, (주)포스코에서 발명하여 특허 등록된 (10-1481614, 2015.01.06.) '질소가스 생산 시스템'을 참고하였다.
미국 Clean Energy System 사는 가스터빈에서 순산소연소로 인한 연소실의 과열을 방지하기 위하여 증기가 작동유체로써 재순환되는 CES 사이클을 연구하고 있다. 한편, (인하대 홍용식교수 1985.01.15.) '가스터빈 엔진 이론과 응용'에 의하면, 항공기 가스터빈, (Pratt & Whitney) JT9D와 (Rolls-Royce) Spey, Pegasus 등의 엔진에서는 이륙 시에 (점화기를 활용하여) 연소실에 물을 분사 주입하고, 주입된 수증기는 과열증기로 가열되어 추력이 높아진다.
증기터빈에서는, 터빈 (증기) 배기가 복수기에서 냉각, 증기가 복수됨으로써, 이 배기 냉각 효과로 터빈 배기는 (Back Pressure) 배압 0.2bar로 터빈에서 복수기로 배기되고, 따라서 터빈에서 블레이드를 향하여 달리는 증기가 복수기로 흡입됨으로, 이 증기 입자가 더 빠른 속도로 달려 터빈 블레이드에 충돌함으로써, 운동량 보존의 법칙에 따라, 이 블레이드에 충격(Δmv)을 더 가하게 된다. 즉, 터빈에서 높은 동력 생산 효율이 실현된다. 그러나 증기가 지닌 막대한 (대기압 기준 응축열 539kcal/kg) 배기열이, 냉각수로 바다로 방출된다. 즉, 이 배기 열량은 증기에 가해진 에너지의 50%에 해당하는 막대한 열량이 바다로 방출된다.
이산화탄소(CO2)는 5.1기압 이상에서 -78.5℃ 이하로 냉각하면 드라이아이스로 동결되고 대기압에서 액체를 거치지 않고 바로 승화하며, (삼중점) 5.1기압 -56.58℃ 이상에서 액상으로 녹는다. 또 기체 CO2는 바닷물에는 비교적 잘 녹고 낮은 온도에 압력을 가하면 더욱 잘 녹는 것으로 알려졌다. 수소는 끓는점이 무려 -252.87℃로 낮아, 상업용 수소를 액체로는 생산하지 않고 보통 고압으로 압축하여 사용한다. 상온에서 무색 기체로 비료의 원료로 주로 사용되는 암모니아(NH3)는 끓는점이 -33.34℃이고, 상온(20℃)에서 낮은 압력(8.6bar)으로 액화된다. 이러한 NH3가 종래에 (200bar 450℃) 고온 고압으로 제조되었으나, 최근에 (UNIST) 울산과학기술원에서 1기압 45℃에서 제조하는 신기술이 개발되었다. 이러한 특성으로 최근 수소의 저장, 이송 매체로 최근 활발하게 연구되고 있다. 즉, 이 수소를 공기 중 78%인 질소를 활용, NH3를 만들어 저장한 후, 이 NH3에서 수소를 꺼내 쓰고 질소는 다시 대기로 내보내는, 환경을 오염시키지 않는 기술이다. 게다가 이 수소가 NH3에는 액체에 비하여 1.5배나 많은 분량이 저장된다. 또 최근에, (KIST) 한국과학기술원에서, 촉매와 분리막 장치로, NH3에서 이 수소를 450℃ 이하에서 질소와 분리해내는 수소 추출기가 개발되었다. 즉, 수소가, 저장용기(NH3)에 액체 대비 1.5배 많은 분량이, 낮은 압력(8.6bar)으로 저장되고, 이 수소를 이 저장용기에서 손쉽게 꺼내 쓸 수 있는 미래 신기술의 가능성을 보인 것이다.
본 발명에서는, 이산화탄소(CO2)를 용이하게 포집할 수 있도록, 연소실에 순산소만 주입되어, 순산소연소가 구현되어야 하며, 터빈 연소실이 과열되지 않도록, 작동유체로써 순환수가 과열증기로 예열되어, 연소실에 재순환되어야 한다.
또한, 본 발명에서는, 증기터빈에서처럼, 터빈에서 높은 동력생산 효율이 구현되도록, 터빈 (배기) 증기가 냉각 복수되어, 터빈 배기가 배압 0.2bar로 배기되어야 하고, 이의 배기열은 회수되어야 한다.
화력 발전소에서는, 연료의 연소로 지구 온난화의 주범인 CO2가, 엄청나게 많은 양이, 끊임없이 발생하므로, 이 CO2의 중립이 절실하다. 연소로 생성된 CO2가 대기로 방출되지 않도록, 포집되어 이 CO2 중립이 실현되어야 한다.
본 발명에서는, 공기로부터 액화 분리 생산된 산소 및 질소가 냉매로 활용되며, 연소실에 산소만 주입되고, 연소실의 과열이 방지되도록, 작동유체로써 질소(78) 분량의 순환 증기가, 아래와 같이, 배기열을 회수하여 과열증기로 연소실에 주입 재순환되어 순산소연소가 구현된다. 작동유체로써 순환 증기가 연소실에 재순환되면, 터빈 배기는 (8H2O + 2O2 + CH4 = 8H2O + CO2 + 2H2O) 대부분 증기로 구성된다. 이 증기는 어느 액체보다 막대한 (대기압 기준 539kcak/kg) 응축열의 특성으로, 어떠한 냉매로도 복수하는 것이 쉽지 않으나, 본 발명에서는, 이 막대한 (응축열) 증발열로 상기 터빈 배기가 복수된다. 터빈 (증기) 배기가 배압 0.2bar 110℃로 배기되어 (포화온도 60.06℃) 60℃로 복수되고, 이미 냉각 응축된 60℃ 선행 기(pre)-복수가 냉매로써, 터빈 배기를 냉각하게 된다.
본 발명에서는, 증기터빈 복수기에 해당하는, (배기냉각기) 특수 열교환기에서 증기가 복수되고, CO2가 영하(-13℃)로 냉각 포집된다. 이 배기냉각기에는 터빈 배기열흡수기가 설치되어 있고, 이 배기열흡수기에서, 선행 기-복수가, 터빈 110℃ 배기열로, 90℃ 증기로 증발하면서, 증발열로 후속 터빈 배기를 냉각 복수하게 된다. 즉, (110℃ - 90℃) Δ20℃에 해당하는 9.2kcal/kg 이상의 냉각열량이 더 공급되어, 터빈 배기가 냉각 복수된다.
터빈 배기가 복수됨으로써, 터빈에서 작동유체는, 증기터빈에서처럼, 배압 0.2bar로 배기되어, 터빈에서 높은 동력생산 효율이 구현되며, 또한, 아래와 같이, 터빈 배기열이 회수되어 높은 발전 효율이 달성된다. 증기는 25℃ 1atm에서 단열지수 k = 1.327 값을 갖는다. 이 k 값에 따르면, 0.2bar 90℃ 증기가 1atm으로 단열 압축될 때, 이 0.2bar 90℃ 증기는 267℃로 승온하게 된다. 본 발명에서는, 터빈 배기열을 흡수하고 90℃로 승온한 상기 기-복수 증기가 1atm으로 압축되어 260℃로 승온, 히트펌프 기술로, 이 기-복수 80% 유량이 상기 과열증기로 예열되어 연소실에 재순환되며, 연소로 생성된 20% 유량은 5℃ 냉각수로 냉각되고, 배기 CO2가 이 냉각수에 탄산수로 녹여진다.
연소실에서 끊임없이 발생하는 CO2는, 이의 처리 방법으로써, 영하(-13℃)의 저온으로 포집되어, 상기 냉각수와 촉매로써 바닷물에 탄산수로 녹여지고, 이 탄산수가 (최근 개발된) 전기와 수소를 생산하는 시스템에 공급되어 청정에너지 수소가 생산되도록 구성된다. 이어, 생산된 이 수소와 배기냉각에 냉매로 활용된 질소로 암모니아(NH3)가 제조되어, 이 수소가, 액체 대비 1.5배 많은 분량이, 상온에서 낮은 압력(8.6bar)으로, NH3에 저장되어, CO2 중립이 실현되도록, 구성된다.
본 발명에서는, CO2가 대기로 방출되지 않고, 질소가 냉매로 활용되어, 히트펌프 기술로, 가스터빈 (증기) 배기가 복수되고 이의 배기열이 회수되어, 터빈에서 높은 동력 생산 효율이 구현되며, 게다가 연소로 생성된 CO2로 수소가 생산되고, 이 수소와 냉매로 활용된 질소로 암모니아(NH3)가 제조되어, 결국, 문제의 CO2로 수소가 생산되어, 암모니아에, 액체 대비 1.5분량이, 저장됨으로써, CO2 중립이 실현되도록 구성된 것이 특징이다.
도 1은 본 발명에서, 가스터빈 연소실 배기가, (선행 배기 기(pre)-복수로) 냉각 복수되고, CO2가 포집되어, 수소가 생산되고 암모니아에 저장되는, 과정을 보인, 작동유체의 흐름을 보인 플로우 다이어그램이다.
도 2는 본 발명 배기냉각기의 구조를 상징적으로 묘사한, 가스터빈의 (HRSG 경유) 배기가, 본 배기냉각기에 흡입 냉각되어, 증기가 복수되고, CO2가 영하의 저온으로 포집되는 것을 보인, 도면이다.
도 3은 본 배기냉각기에 사용된, 산소, CO 등 CO2보다 가벼운 불응축 기체를 포집 배출하기 위한, 블레이드 요부 형상을 보인 도면이다.
도 4는 터빈 배기를 냉각하며 터빈 배기열을 흡수한, 기-복수 증기가, 이 터빈 배기열로, 순환수를 예열하여, 터빈 배기열이 회수되는 것을 보인, 작동유체의 흐름을 보인 플로우 다이어그램이다.
도 5는 질소가, 터빈 작동유체 순환수를 과열증기로 예열하며, 냉각 액화되는 과정을 보인, 질소 액화냉각 시스템의 작동유체의 흐름을 보인 플로우 다이어그램이다.
도 6은 본 발명이 적용된 가스터빈 (HRSG) 복합 사이클에서, 동력이 생산되는 과정을 브레이튼 사이클을 인용하여 보인, 터빈 (HRSG 경유) 배기의 냉각에 의한 동력생산 과정을 보인, T-S 선도이다.
도 7은 통상의 가스터빈과 HRSG로 구상된 복합사이클에서 작동유체의 흐름을 보인 플로우 다이어그램이다.
도 1은 본 발명에서, 가스터빈 (HRSG 경유) 배기가, 이미 냉각 복수된 (선행) 기(pre)-복수로, 냉각 복수되고, CO2가 포집되는 것을 보인, 작동유체 흐름을 보인 플로우 다이어그램이고, 도 2는 가스터빈 배기가, (배기냉각기에) 흡입되어 냉각, 증기가 복수되고, CO2가 영하의 저온으로 포집되는 것을 보인, 본 배기냉각기의 구조를 상징적으로 묘사한 도면이며, 도 3은, 본 배기냉각기에서, 유입 터빈 배기가 효과적으로 냉각되고, CO, O2, N2 따위 불응축 기체를 포집 제거하기 위한, 블로워 블레이드의 형상을 도시한 도면이다.
본 발명에서는, 터빈 연소실의 과열을 방지하기 위하여, 작동유체로써 순환수가 터빈 연소실에 재순환되어 순산소연소가 구현되고, (8H2O + 2O2 + CH4 = 8H2O + CO2 + 2H2O), 이 터빈 (증기+CO2) 배기가 HRSG를 경유하여 110℃로 강온되어, 증기터빈에서처럼, 배압 (Back Pressure) 0.2bar로, 본 발명 배기냉각기에 흡입되어, 증기는 냉각되어 복수되고, 생성된 CO2가 -13℃로 (포집) 배출된다. 증기는 막대한 (대기압 기준 539kcal/kg) 응축열 특성이 있어, 이를 냉각 복수하는 것이 쉽지 않으나, 본 발명에서는, 터빈 배기가, 이미 냉각 복수된 선행 기(pre)-복수로 냉각 복수된다. 즉, 기-복수가 증발하면서 기화열로, 후속 터빈 배기가 냉각 복수된다. 이 기-복수 증기는, 도 2에 도시한 바와 같이, 입구에 위치한 배기열흡수기로 이송되고, 터빈 110℃ 배기는, 이 배기의 냉각복수 효과로, 배압 (Back Pressure) 0.2bar로, 본 배기냉각기에 흡입되어, (포화온도 60.06℃) 60℃로 복수되고, 포화 온도인 기-복수는 터빈 110℃ 배기열로 증발하면서 터빈 배기열을 흡수하고, 90℃ 증기로 승온하게 된다. 상기 CO2가 110℃에서 -13℃로 냉각되는 (25.5kcal/kg) 열량과 110℃ 배기 온도와 90℃ 기-복수 증기의 온도차 Δ20℃에 해당하는 (9.2kcal/kg) 냉각열량은, 도 2에 보인, 증기냉각기 및 CO2냉각기에서 냉매 산소로 공급되어, 터빈 배기는 냉각 복수된다. 이 터빈 배기의 냉각 과정 및 이 CO2가 -13℃로 (포집) 배출되는 과정은 다음에 구체적으로 자세히 설명된다.
도 4는 터빈 배기를 냉각하며 터빈 배기열을 흡수한, 상기 기-복수 증기가, 이 터빈 배기열로, 작동유체 순환수를 예열하여, 터빈 배기열이 회수되는 것을 보인, 작동유체의 흐름을 보인 플로우 다이어그램이다. 증기는 25℃ 1atm에서 단열지수 k = 1.327 값을 갖는다. 이 k 값에 따르면, 상기 0.2bar 기-복수 증기가 1atm으로 압축될 때, 267℃로 승온하게 되나, 본 발명에서는, 낮추어 260℃로 설정되었다. 또, 터빈 연소실 운전 압력은 30bar로 설정되었다. 이 설정 값들은, 향후, 본 발명 실현 과정에서 경제적인 값들로 재설정된다. 상기 90℃ 기-복수 증기는, 도시한 바와 같이, 1atm으로 가압되어 260℃로 승온하고, 이어, (CircWtr PreHtr#1) 순환수예열기#1에서, 30bar 순환수를 185℃로 예열한 후, 210℃로 강온된다. 이 기-복수 증기가 순환수를 더 높은 고온으로 예열하지 못한 이유는, 터빈 연소실로 재순환되는 순환수에는, 산소가 녹여져 존재할 수 있으므로, 기존 증기터빈 시스템에서 사용되고 있는, (Deaerator) 탈기기 기술로, 용해 산소가 제거되도록 구성되었기 때문이다. 상기 210℃ 기-복수 증기는 복수가열기에서, (하기) 5.6bar 95℃ 순환수를 포화온도인 156℃로 예열하며 105℃로 강온된다. 이 5.6bar 156℃ 순환수는, 도시한 바와 같이, 탈기기로 압송되어, 용해 산소가 제거되고, 이어, 순환수 고압 펌프로 연소실 운전 압력으로 가압되어, 상기 순환수예열기#1로 압송되고, 앞서 설명한 바와 같이, 185℃로 예열되어, 터빈 배기열이 회수된다. 상기 복수가열기에서, 105℃로 강온된 기-복수 증기는, 복수기에서, (아래 질소 액화냉각 시스템에서 설명되는) 액상의 냉매 질소로 95℃로 냉각 복수되고, 이 냉매 질소는 85℃로 승온하여, (도 5) 질소 저장 탱크에 저장된다. 이 복수기에서 95℃로 냉각된 복수 중 연소로 생성된 20mol% 증기로부터 복수된 분량은, 도 1에 도인, (Cond.Cooler) 복수냉각기로 이송되고, 순환수 80mol% 분량은 복수 펌프로 5.6bar로 가압되어 상기 복수가열기로 이송, 156℃로 예열된다.
일반 증기터빈 발전소에서, 터빈 (증기) 배기가 냉각되어 복수되는 복수열량은 보일러에 가해진 총 열량의 50%에 해당한다. 이 막대한 50% 터빈 배기열량은 냉각수로서 바다로 방출되어 해양환경에 상당한 미치고 있다. 본 발명에서는, 이 50%에 해당하는, 상기 기-복수 105℃ 증기가 95℃로 복수되는 막대한 복수열량은, 다음과 같이, 상기 185℃로 예열된 순환수가 235℃ 과열증기로 예열되어, 모두 회수된다. 도 5는, 본 배기냉각기에서, 기-복수가 흡수한 터빈 배기열을 순환수로 회수하기 위한 방안으로써 강구된, 질소 액화냉각 시스템의 작동유체의 흐름을 보인 플로우 다이어그램이다. 증기는 아주 막대한 응축열의 특징이 있어, 보통 열교환 수단으로는 이 막대한 응축열을 회수할 수 없다. 본 발명에서는, 아래에서 설명되는, 공기액화법을 활용하여, 상기 기-복수가 회수한 (증기의 응축열) 터빈 배기열이 회수되어, 상기 185℃ 순환수가 235℃ 과열증기로 예열된다.
극저온 물리학 분야에서 1978년 노벨 물리학상을 받은 러시아 (Kapitza) 카피차가 공기를 액화하는 방법으로, 프랑스 클로드(Claude)가 개발한 공기액화법 장치에서, 피스톤 펌프 유형의 압축 공기 팽창기를 역터빈 (Inverse) 유형의 것으로 바꾸어 공기의 액화 효율을 크게 개선하였고, 이 공기액화 방법은 현재에도 널리 사용되고 있다. 본 발명에서는, 이 공기액화 방법을 활용하여, 이미 냉매로 사용된 질소가 저장된 후, 이 질소가 다시 냉각 액화되어 냉매로 사용된다.
도 5에 도시한 바와 같이, 저장된 상온 1기압 질소는 30bar로 압축, 450℃로 승온하고, 이 발열된 질소가, 상기 카피차 냉각 시스템에서는, 원래 3차 질소냉각기에서 냉각되나, 본 발명에서는, (CircWtr PreHtr#2) 순환수예열기#2에서, 78% 분량의 185℃ 순환수로, 30bar 질소가 200℃로 냉각되고, 이 순환수는 235℃ 과열증기로 예열된다. 다음, 이 30bar 200℃ 질소는 압축기로 (50bar) Δ20bar 더 가압되어 270℃로 승온하게 되며, 이 50bar 270℃ 질소가, (CircWtr PreHtr#3) 순환수예열기#3에서, 나머지 22% 분량의 185℃ 순환수로 200℃로 냉각되고, 이 순환수는 235℃ 과열증기로 예열되며, 이 235℃ 과열증기는 (80%) 모두, 도 1에 도시한, (CircStm PreHtr) 순환증기 예열기에서 압축공기로 더 예열된다. 이후, 이 50bar 200℃ 질소는 (Throttle Valve) 팽창밸브를 통하여 30bar로 단열팽창, 10℃로 강온되며, 이 질소는 3차 질소냉각기에서 (선행) 압축 팽창된 저온의 질소로 더 냉각되고, 이어 이 질소 80% 유량이 (카피차의 역터빈 팽창기가 아닌) 본 로터리 배큠 펌프에 의하여 점진적으로 단열 팽창함으로써, 이 질소의 온도는 크게 강온된다. 이 저온의 질소로, 나머지 질소 20% 유량이 질소 응축기에서 튜브로 흐르면서 냉각되어 액화된다. 이 액상의 질소는 액체질소 냉각기로 이동, 튜브로 흐르며 더 냉각되고, 이 30bar 액상의 질소는, 증발기 (Vessel) 베셀로 압송되어, 팽창 (Throttle Valve) 밸브를 통과하면서, 배큠펌프에 의하여 1기압으로 팽창함에 따라, 줄-톰슨 효과로, 이 질소의 온도가 (포화온도 -195.79℃) -196℃로 강온됨으로써, 팽창된 질소 중 일부는 -196℃로 액화되고, 나머지는 기화된다. 온도가 크게 하락한 이 기체 질소는, 상기 액체질소 냉각기에서, 튜브로 흐르는 후속 30bar 액상의 질소를 냉각하며, 상기 질소 응축기에서 배출된 질소와 혼합되고, 이 혼합 질소가 상기 3차 질소 냉각기에 진입하여, 후속 30bar 질소를 냉각한 후, (압축기 아래) 배큠펌프에 흡입되고, 이어 상기 압축기에 주입 재순환된다. 이 증발기 베셀에서 1기압으로 액화된 냉매 질소는 저압 펌프로, 도시한 바와 같이, 도 4에 도시한, (Steam Condenser) 복수기에 공급된다.
도 2에 도시한, 본 배기냉각기에서 CO2냉각기 아래에 설치된 배큠펌프는, 또 도 5에 보인, 로터리 피스톤 배큠펌프는, 아직 상용화 되지는 않았으나, 특허 등록된 (10-24115730000,2022-06-16) '로터리 피스톤 기체 이송(흡입/압축) 펌프'의 것으로, 도넛 형태의 환형 실린더에서 피스톤이 실린더에 밀착되어 회전하고 이 피스톤을 원반(Disk)이 가로막고 있으나, 이 피스톤과 원반은 (시계, 계기 등의 톱니에 사용되는) 핀(Pin) 기어 사이클로이드 곡선을 기본으로 하여, 이들이 서로 충돌하지 않고 회전하도록, (치차가 딱 하나인) 헬리컬(Helical) 기어 형태로 구성되어 있어, 피스톤이 회전하면서 연속적으로 피스톤 뒤쪽에서는 작동유체가 흡입되고 피스톤 앞쪽의 작동유체는 가압되어 배출되는 것이 구현된다. 이러한 로터리 피스톤 배큠펌프는 (피스톤 펌프처럼 그러나 양수기처럼 연속적으로) 작동유체를 품어낸다.
도 5에 보인 질소 액화냉각 시스템에서, 235℃ 과열증기로 예열된 순환 과열증기는, 도 1에 보인 바와 같이, 터빈 축 직렬 압축기가 생산한 압축공기로 더 예열된다. 최근에 개발된 가스터빈에서는 보통 압축비가 1/30 이상으로 높고, 이 압축공기 온도는 700℃ 이상으로 고온이다. 본 발명에서는, 이 압축공기의 압력과 온도가, 도 1에 보인 바와 같이, 임으로 30bar 450℃로 설정되었다. 본 발명 실현 과정에서 가스터빈 규모에 따라 적절한 값으로 재설정되어야 한다. 이 고온의 압축공기로, (CircStm PreHtr) 순환증기 예열기에서, 상기 235℃ 과열증기가 410℃ 정도로 더 예열되어, 연소실에 주입되고, 이 압축공기는 250℃로 강온된다. 이 250℃ 압축공기로, 본 배기냉각기에서 터빈 배기를 냉각한 25℃ 산소와 (아래에서 설명되는) 복수냉각기에서 95℃ 냉각수를 냉각한 75℃ 산소가 (25℃+75℃) 혼합된, 이 50℃ 산소가 230℃로 예열되어, 연소실에 주입되고, 이 250℃ 압축공기는, 185℃로 강온된다. 이 185℃ 30bar 압축공기는, (Throttle Valve) 팽창밸브를 통하여 단열팽창 후, 10℃로 강온되고, 산소와 질소 생산을 위하여, 도시한 바와 같이, 액상의 냉매 질소로 냉각되는, 압축공기 냉각기에 사전 압축 공기로써 공급된다.
상기 사전 압축 공기는 보조 압축기가 압축한 소량의 210℃ 압축공기와 혼합되어, 압축공기 냉각기로 재순환되면서, 냉각 5.5kg/cm2 77℃ 운전조건이 충족된 압축공기는 산소와 질소가 분리 생산되는 (Distillation Column) 증류탑에 공급된다. 이 압축공기를 냉각한 냉매 질소는 질소저장 탱크에 저장되고, 이후, 다음에 설명되는, 암모니아(NH3) 제조 플랜트에 공급된다. 상기 운전조건은 (주)포스코에서 발명하여, 특허 등록된 '질소가스 생산 시스템'을 참고한 값이다. 이 산소와 질소 생산 공정은, 상기 압축공기 생산 과정 이후, 많은 공정을 거처 산소와 질소가 생산된다. 산소와 질소 생산 기술은 산업 발달과 더불어 날로 발달하고 있으며, 이들 생산 기술은 본 특허청구 범위에 속하지 않는 사항이며, 이 산소와 질소 생산 방법은, 도시한 바와 같이, 증류탑으로 간략히 묘사되었다.
본 배기냉각기에서 포집 배출된 -13℃ CO2는, 도시한 바와 같이, 물에 잘 녹여지도록, -20℃로 더 냉각되고, 연소로 생성된 -5℃ 냉각수와 바닷물이 혼합된 물에 (Mixer) 혼합기에서 탄산수로 녹여지고, 이 탄산수가 (최근 개발된 기술) CO2로 수소를 생산하는 시스템에 공급되어 수소가 생산되며, 생산된 이 수소와 냉매로 활용된 질소가 암모니아 제조 플랜트에 공급되어, 수소의 저장 수단으로써 최적의 매체인 암모니아(NH3)가 제조되어, 청정에너지 수소가, 액체에 비하여 1.5배나 많은 분량이, 상온에서 저압(8.6bar)으로 NH3에 저장된다.
아래는 본 발명에서 터빈 배기가 냉각되어, 이의 배기열이 회수되는 과정을 열역학적 관점으로 설명한 것이다. 본 발명에서는, 연소실의 과열을 방지하고, 터빈에서 동력생산 효율을 높이기 위하여, 작동유체로써 순환증기가 연소실에 과열증기로 주입 재순환되어, (8H2O + 2O2 + CH4 = 8H2O + CO2 + 2H2O), 순산소연소가 구현된다. 연소실에 공급되는 산소는 이론 공급량보다 130% 더 많이, 액상으로 생산되어, 냉매로 활용된 이후, 상기 압축공기로 예열 후 연소실에 주입된다. 터빈 (HRSG 경유) 110℃ 배기는, 도 2에 보인, 본 배기냉각기에 흡입되어, 증기는 복수되고, 또 기-복수 증기 90℃로 승온하며, 냉매 (20mol% x 130%) 50% 산소가 25℃로 승온하고, (10mol%) CO2가 -13℃로 (포집) 배출된다. 본 배기냉각기에서, (110℃ - 90℃) Δ20℃의 100mol% 증기 냉각열량과 110℃에서 -13℃로 냉각되는 10mol% CO2의 냉각열량이, 액상의 -183℃ 50% 산소가 25℃로 예열되어 (Heat Balance) 열균형이 이뤄진다. 나머지 액상의 냉매 50% 산소는, 도 1에 도시한 바와 같이, -13℃ 10mol% CO2가 배큠 펌프로 1atm으로 가압되어 100℃ 승온한, 이 CO2를 CO2냉각기#2에서 -20℃로 냉각하고, 또 연소로 생성된 95℃ 20mol% 복수를 복수냉각기에서 5℃ 냉각수로 냉각하며, 75℃로 승온, 열평형을 이룬다.
도 4에 보인, 터빈 배기열 회수 시스템에서, 본 배기냉각기에서 90℃로 승온한 기-복수 100mol% 증기는 압축기로 1atm으로 가압되어 260℃로 승온, (CircWtr PreHtr#1) 순환수예열기#1에서, 30bar 80mol% 순환수를 185%로 예열하고, 210℃로 강온하여, (Heat Balance) 열균형을 이룬다. 이어, 이 기-복수 증기는, 복수가열기에서, 5.6bar 95℃ 80mol% 순환수를 156℃로 예열하며, 105℃로 강온, 열평형이 이룬다. 이어서, 이 기-복수 증기는, 복수기에서, 도 5에 도시한, 질소 액화냉각 시스템에서 공급되는 액상의 냉매 1atm -196℃ 300mol% 질소로, 냉각되어 95℃로 복수되고, 이 냉매 질소는 열평형을 이루는 85℃로 승온 후, 도 5에 도시한, 질소 저장 탱크에 저장된다. 이 1atm 95℃ 100mol% 복수 중에 연소로 생성된 20mol% 분량의 복수는, 도 1에 도시한, 복수냉각기로 이송되고, 나머지 80mol% 복수는 복수 펌프로 5.6bar로 가압되어, 상기 복수가열기로 압송되어, 상기 포화온도 156℃로 예열된다.
도 5에 보인, 질소 액화냉각 시스템에서, 저장되어 있는 1atm 질소가 30bar로 가압되어 450℃로 승온하게 된다. 이 고온의 300mol% 질소는, (CircWtr PreHtr#2) 순환수예열기#2에서, 앞서 185℃로 예열된 80mol% 순환수의 78% 유량을 235℃ 과열증기로 예열하고, 열평형을 이루는 온도 200℃로 강온된다. 이어, 이 30bar 질소는 (Δ20bar) 50bar로 더 가압되어, 270℃로 승온하고, (CircWtr PreHtr#3) 순환수예열기#3에서, 나머지 185℃ 22% 분량의 순환수가 235℃ 과열증기로 예열되며, 이 270℃ 질소는 200℃로 강온되어 열평형을 이루게 된다. 이 50bar 200℃ 질소는 (Throttle Valve) 팽창밸브를 통하여 30bar로 단열팽창 후 10℃로 강온되고, 도시한 바와 같이, 3차 질소냉각기로 압송된다.
도 6은 본 발명에서, 동력이 생산되는 과정을 브레이튼 사이클을 인용하여 보인 T-S이고, 도 7는 통상의 가스터빈이 HRSG로 증기터빈과 복합사이클로 구성된 시스템의 작동유체의 흐름을 보인 플로우 다이어그램이다. 가스터빈에서는, 브레이튼 사이클에서, 동력이 '1-2-3-4'의 순환 과정으로 생산되고, 터빈 배기는 대기로 600℃ 정도로 배기된다. 이 가스터빈이, 도시한 바와 같이, HRSG로 증기터빈과 복합 사이클로 구성되면, 터빈 배기는 HRSG에서 110℃로 배기된다. 즉, 이 배기의 온도차에 상응하는 면적 '1h-1-4-4h'에 해당하는 동력이 증기터빈에서 더 생산된다. 증기터빈에서는, 랭킨(Rankine) 사이클로, 증기가 터빈에서 동력을 생산하고 배압 0.2bar로 복수기에 흡입되어 냉각, 복수된다. 본 발명에서는, 터빈 (HRSG 경유) 배기가 배압 0.2bar 110℃로 본 배기냉각기에 흡입되어 냉각, 증기는 복수되고, 배기 CO2가 -13℃로 배출된다. 좀 더 자세히 설명하면, 복합사이클에서는, HRSG의 배기가 대기로 열려 있으나, 본 발명에서는, 이 HRSG의 배기가 본 배기냉각기로 닫혀 있으므로, 본 배기냉각기에서는, 동력이 브레이튼 사이클과 랭킨사이클이 결합된, 도시한 바와 같이, '배기냉각 사이클'에서 작동유체가 '1c-2-3-4c'의 순환 과정으로, 터빈에서 동력이 더 생산된다. 즉, 가스터빈이 HRSG로 구성된 복합사이클보다, '1c-1h-4h-4c'의 면적에 해당하는 동력이 터빈에서 더 생산된다. 이와 같이, 더 생산되는 동력은, 터빈에서 블레이드를 향하여 달리는 작동유체 입자가 상기 배압 0.2bar로 본 배기냉각기에 흡입됨에 따라, 더 빨리 달려, 블레이드에 충격(Δmv)을 더 가함으로써 생성된 동력과 터빈 배기열이 회수되어, 이후, 터빈에서 동력으로 변환 생성된 동력이다.
본 발명에서는, 순산소연소로 연소실이 과열되는 문제와 질소(78%)가 제거됨에 따라 터빈에서 동력생산 효율이 저하되는 문제가 해소되도록, 질소에 해당하는, 작동유체로써 순환증기가 연소실로 재순환된다. 이 순환증기는 (8H2O + 2O2 + CH4 = 8H2O + CO2 + 2H2O) 80mol% 설정되었다. 이 80mol% 순환증기는 본 발명 실현과정에서 경제적인 값으로 재설정된다. 이 순환증기는 이상기체로써, 앞서 설명한 바와 같이, 과열증기로 예열되어 연소실에 주입 재순환된다. 그러므로 본 발명에서는, 연소실에서, 순산소 연소 환경이 종래의 공기 연소 환경과 크게 다르지 않아, 순산소연소로 연소실이 과열되는 문제가 해소된다. 종래의 공기연소에서는, 터빈 배기의 질소를 액화하는 것이 불가하여, 증기터빈에서처럼, 터빈에서 (질소) 배기가 배압 0.2bar로 배기될 수 없으므로, 터빈에서 동력이 높은 동력생산 효율로 생산되지 못한다. 그러나 본 발명에서는, 터빈 (배기) 증기가 복수되어, 터빈에서 고 효율로 동력이 생산되고, 게다가 터빈 배기열은, 히트펌프 기술로, 대부분 회수되어, 터빈에서 높은 발전효율이 구현된다.
아래는, 도 2에 도시한, 본 배기냉각기에 대하여, 구체적인 구조와 터빈 배기가 냉각되는 과정을 자세히 설명한 것이다. 대체로 보면, 본 배기냉각기는, 에어핀 (Air Fin) 쿨러 유형의, (Shell & Tube) 셀-튜브 형 열교환기이다. 터빈 배기가 흡입되는, 본 배기냉각기 입구에는, 이 터빈 배기를 냉각하며, 이의 배기열을 흡수하는, 배기열흡수기가 설치되어 있으며, 이의 후단에, 배기 미니냉각기가 설치되어 있고, 이다음에, 천장에서 냉기를 내품는 다수의 냉기순환 배관, 다음에, 수증기 물보라를 내품는 다수의 물분사 노즐, 다음에, 냉매 산소가 튜브로 흐르며 터빈 배기가 냉각되는 (Vapor) 증기냉각기가 설치되어 있으며, 맨 우측에 냉매 산소가 튜브로 공급되는 CO2냉각기가 설치되어 있다.
본 발명에서는, 연소실에 산소가 이론 공급량보다 130% 더 공급된다. 따라서 연소실에 과잉 공급된 (20mol% x (130%-100%) = 6mol%) 미량의 산소, 불완전 연소로 생성된 일산화탄소(CO), 초미량의 질소 따위 불응축 기체가 포집 제거되면서, 더불어 상기 배기 미니냉각기를 통하여 이의 냉각 열량으로 터빈 배기가 다소 냉각된다. 이 배기 미니냉각기 다음에, 상기 CO2냉각기 참버의 천장에서, 냉기(Cold Gases)가 흡입되어 이 배기 미니냉각기 뒤쪽 천장에서 내품어지는 다수의 냉기순환 배관이 설치되어 있어, 이 냉기순환 배관으로, 과잉 공급된 산소, CO, N2 등 불응축 기체와 CO2가 흡입되어 순환된다. 이 냉기순환 배관 흡입구 위 T-분기점에, 도 3에 보인, 냉기순환 (Blade) 블레이드가 장치되어 있으며, 이 T-분기점 위쪽에 가벼운 불응축 기체가 모이는, 이의 포집 공간이 형성되어 있고, 이 포집 공간에는 이 불응축 기체를 감지하는 센서가 장착되어 있다.
상기 냉기순환 블레이드가 회전하면, 불응축 기체와 CO2가 흡입되어, 무거운 (질량이 큰) CO2가 원심력으로 이 블레이드 원주 외곽 쪽 순환 배관으로 흐르고, 이 CO2가 빠져나간 빈 공간을 가벼운 불응축 기체가 메우며 위로 올라, 불응축 기체 포집 공간으로 올라간다. 이 불응축 기체는 대부분 연소실에 과잉 공급된 (6mol%) 미량의 산소로 이뤄진다. 상기 순환 블레이드의 회전에 따라, 포집된 이 불응축 기체는, 도시한 바와 같이, 배큠펌프로 흡입되어, 배기 미니냉각기로 이송되어, 유입 터빈 배기를 다소 냉각하고, 대기로 방출된다. 이 냉기순환 배관으로, 상기 CO2냉각기 참버의 냉기가 흡입되어, 위 천장에서 분출됨으로써, 터빈 배기가 효과적으로 냉각된다. 또한, 이 터빈 배기가 효과적으로 냉각되도록, 이 냉기순환 배관의 냉기 분출구 다음에, (선행 배기) 증기가 냉각 응축된 복수로, 수증기 물보라가 천장에서 분출되는 다수의 물분사 노즐이 설치되어 있고, 이 물분사 노즐 다음에, 냉매 산소가 튜브로 흐르면서 터빈 배기가 냉각되는 (수)증기냉각기가 설치되어 있으며, 맨 우측에, 이 증기냉각기 보다 높이 냉매 산소에 의한 CO2냉각기가 설치되어 있다. 이 CO2냉각기에서 CO2는 액상의 냉매 -183℃ 산소로 -13℃로 냉각되어 배큠펌프에 의하여 (포집) 배출되며, 터빈 (증기) 배기는 냉각 복수되어, 도시한 바와 같이, 기(pre)-복수 펌프로, 냉매로써 상기 배기열흡수기의 튜브로 이송, 터빈 배기를 냉각한 후, 배큠펌프로 흡입되어, 도 4에 보인 압축기로 이동하게 된다.
이와 같이 구성된, 본 배기냉각기에 흡입된 터빈 110℃ 배기는, 입구에 위치한, 배기열흡수기에 진입하여, 튜브로 흐르는 포화온도 60℃ 상태인 이 기-복수로, 냉각된다. 즉, 이 기-복수는, 터빈 110℃ 배기열로, 증기로 증발하면서, 터빈 배기열을 흡수하고 90℃로 승온하게 된다. 다음, 이 터빈 배기는, 중앙으로 진입하면서, 상기 냉기순환 배관에서 내품는 영하의 냉기와 상기 물분사 노즐에서 내품는, 수증기와 물보라로 직접 냉각되고, 이어 증기냉각기에서 튜브로 흐르는 냉매 산소로 더 냉각되어, 터빈 (배기) 증기는 (0.2bar 포화온도 60.06℃) 60℃로 냉각 복수되고, 이미 냉각된 기-복수는 냉매로써, 터빈 배기를 냉각하게 된다. 다음, 증기냉각기에서, 수증기보다 가벼운 CO2와 불응축 기체는, 더 높이 위치한, CO2냉각기로 올라간다. 이 CO2냉각기에서, 이 CO2는 액상의 냉매 산소로 더 냉각되고, 냉각된 이 CO2는 아래에 장착된 배큠펌프로 흡입되어 (포집) 배출된다. 이 CO2냉각기에서, 소량의 CO2와 불응축 기체는 위 천장 순환 배관으로 흡입되어, 본 배기냉각기 중앙에 위치한 물분사 노즐 앞쪽으로 되돌아가, 이 CO2냉각기의 냉기가 순환되어 터빈 배기가 더 효과적으로 냉각된다.
상기 CO2냉각기에서 포집된 이 CO2의 온도는, 냉매 산소가 CO2를 냉각하는 정도에 따라 결정된다. 이 CO2는 저온, 고압에서 물에 탄산수로 잘 녹여지는 것으로 알려져 있다. 이 CO2의 냉각 온도는, 향후 본 발명의 실현 과정에서, CO2가 물에 탄산수로 잘 녹여지는 경제적인 온도와 압력으로 결정된다. 본 배기냉각기에서 영하 저온으로 포집된 이 CO2는, 냉각수와 (촉매 작용) 바닷물이 혼합되는 혼합기(Mixer)에서 탄산수로 녹여지고, 이 탄산수가 (최근에 개발된 CO2로 전기와 수소를 생산하는) 수소 생산 시스템에 공급되어 수소가 생산된다. 이 CO2로 수소를 생산하는 기술은 본 발명의 특허 범위에 속하지 않는다. 생산된 이 수소와 냉매로 활용된 질소로 수소의 최적의 저장 이송 매체인 암모니아(NH3)가 제조되어, 청정에너지 수소가 NH3에 저장된다. 끓는점 -252.88℃인 수소를 액체로 저장하기 위해서는 초고압이 요구되나 이 NH3에는 불과 8.5기압의 낮은 압력으로 게다가 액체보다 1.5배나 많은 분량을 저장할 수 있다.
이 수소를 액체로 저장하기 위해서는 초고압이 요구되므로, 이 수소의 저장 수단으로, 예를 들어, 마그네슘-니켈 합금, 티탄(Ti)-망간 합금 등에, 마치 메탄(CH4)이 얼음의 틈새로 스며들어 저장되듯이, 수소가 저장되는, 수소저장 합금이 연구되었으나, 비료의 원료로 주로 쓰이는 암모니아(HN3)에, 이 수소가, 액체 대비 1.5배나 많은 분량이, 상온에서 낮은 압력으로 이미 액화 저장되어 있으므로, 최근 이 HN3가 수소저장 수단으로써 주목받게 되었다. 또 최근 이 HN3가 1기압 45℃의 저압 저온으로 제조되는 신기술이 개발되었고, 또 이 HN3에서 수소가 450℃ 이하에서 질소와 분리되는, 수소 추출 기술이 개발되었다. 즉, 이 수소가 대기 중의 78% 질소로 용이하게 HN3가 제조되어 이 용기(HN3)에 저장되고, 이 수소를 이 용기(HN3)에서 (미래에) 손쉽게 꺼내 쓸 수 있음을 뜻한다. 본 발명에서는, 연소로 끊임없이 생성된 CO2가 포집되어 대기로 방출되지 않고, 이 CO2로 수소가 생산되고, 이 수소가 냉매로 활용된 질소로 NH3가 제조되어, 결국 이 청정에너지 수소가 이 NH3에 저장된다.
가스터빈에서, 터빈 배기가 냉각되어 증기가 복수되고 이산화탄소(CO2)가 포집되며, 연소실 배기열이 회수되어, 높은 발전 효율이 달성되고, 게다가, 연소로 생성된 CO2로 수소가 생산되며, 이 수소와 순산소연소에 냉매로 활용된 질소로 암모니아(NH3)가 제조되어, 결국, 문제의 CO2로 수소가 생산되어, NH3에, 액체 대비 1.5배 분량이, 저장됨으로써, CO2 중립이 실현되도록 구성된 것이 특징이다.
부호 설명 없음

Claims (5)

  1. 가스터빈에 있어서, 공기로부터 생산된 산소와 질소가 냉매로 활용되고, 연소실에 산소만 주입되고, 작동유체로써 순환수가 과열증기로 예열되어, 연소실에 주입 재순환되어 순산소연소가 구현되며,
    (제2항) 터빈 (HRSG 경유) 배기가 (도 2) 배기냉각기에 흡입되어, 냉각 복수되고, 이미 냉각 복수된 기-복수가, 배기열흡수기에서, 터빈 배기열로, 증기로 증발하면서, 이 배기를 냉각하고, 90℃로 승온, 터빈 배기열을 흡수하고, 배큠펌프로, (도 4) 배기열 회수 시스템으로 이동하여,
    (제3항) 배기열 회수 시스템에서, 1atm 이상으로 가압, 260℃ 이상으로 승온 후, (CircWtr PreHtr#1) 순환수예열기#1 및 (Condensate Heater) 복수가열기를 통하여 순환수가 185℃ 이상으로 예열되며, 다음, 105℃로 냉각된, 이 기-복수 증기가, 복수기에서, (도 5) 질소 액화냉각 시스템으로부터 공급된 액상의 냉매 질소로, 냉각되어 (95℃) 복수되며, 이 복수 중에 연소로 생성된 분량은 (Cond.Cooler) 복수냉각기로 이송되고, (복수) 순환수는 상기 순환수예열기#1 및 복수가열기를 통하여 185℃ 이상으로 예열되며, 이후,
    (제4항) 질소 액화냉각 시스템에서, 185℃ 순환수가, 히트펌프 기술로, (CircWtr PreHtr#2,#3) 순환수예열기#2,3에서, 235℃ 이상 과열증기로 예열되어, 터빈 배기열이 회수되며, 이후,
    (CircStm PreHtr) 순환증기 예열기로 압송되어, 이 예열기에서, (도 1) 터빈 축 직렬 압축기가 압축한 고온의 압축공기로 더 예열된 이후, 연소실에 주입 재순환되며, 증기냉각기, CO2냉각기, CO2냉각기#2 및 복수냉각기에서 50℃로 예열된 산소가, 산소예열기에서, 상기 순환증기 예열기에서 250℃로 냉각된 압축공기로, 230℃로 예열되어, 연소실에 주입되며,
    (제5항) 연소로 생성된 터빈 배기 CO2가, 본 배기냉각기에서, -13℃로 냉각 (포집) 배출되어, 냉매 산소로, -20℃로 더 냉각되고, 연소로 생성된 (냉각수) 95℃ 복수가, 냉매 산소로, 5℃로 냉각되며, 이 냉각수와 바닷물에, 상기 CO2가, 혼합기(Mixer)에서 탄산수로 녹여지고, 수소가 생산되는 시스템에 공급되어, 수소가 생산되도록 구성된, 순산소연소, 터빈배기 냉각, 배기열 회수 및 CO2 포집 히트펌프 구성 장치와 (CO2중립) 운전방법.
  2. 제1항에 있어서, (도 2) 배기냉각기에서, 터빈 배기가 흡입되는 입구에,
    배기열흡수기가 설치되어 있고, 이의 후단에, 배기 미니냉각기가 설치되어 있으며, 이다음에, 맨 우측에 설치되어 있는 CO2냉각기 참버의 천장에서 (Cold Gas) 냉기가 흡입되어, 분출되는
    다수의 냉기순환 배관이 설치되어 있으며, 냉기순환 배관의 흡입구 위쪽 T-분기점에, CO2냉각기 참버의 냉기가 흡입 순환되는, (도 3) 블레이드가 장치되어 있고, 블레이드 바로 위에, (연소 미반응) 산소, CO 따위 불응축 기체가 모이는 포집 공간이 형성되어 있으며, 이 불응축 기체를 품어내는 배큠펌프가, 설치되어 있어, 냉기순환 블레이드의 회전에 따라, CO2냉각기의 냉기가 냉기순환 배관으로 순환되면서, 불응축 기체가 포집되고, 이 불응축 기체가 제거되도록 구성되어 있으며, 냉기순환 배관 다음에, 이미 냉각 응축된 복수로, 수증기 물보라가 천장에서 분출되는
    다수의 물분사 노즐이 설치되어 있고, 물분사 노즐 다음에, 냉매 산소에 의한, (Vapor) 증기냉각기가 설치되어 있으며, 맨 우측에, 증기냉각기보다 더 높이, CO2냉각기가 설치되어 있고, CO2냉각기 아래에 유입된 CO2가 (-13℃) 냉각되어 (포집) 배출되는 배큠펌프가 설치되어 있는 구조로써,
    이 배기냉각기에 흡입된 터빈 배기가, 냉각 복수되고, 이미 냉각된 기(pre)-복수가 냉매로써, 기-복수 펌프로, 배기열흡수기 튜브로 이송되어, 후속 터빈 배기가, 이 기-복수 기화열로, 냉각되며, 천장에서 분출되는, 냉기와 수증기 물보라로, (배기가) 효과적으로 냉각되며, 증기냉각기에서 튜브로 흐르는 냉매 산소로, 증기가 냉각 복수되어, 냉매로써, 후속 터빈 배기가 냉각되고, 연소로 생성된 CO2가, CO2냉각기로 올라가, 냉매 산소로 더 냉각되어 영하(-13℃)로 (포집) 배출되며, 불응축 기체가 포집되어, 제거되도록 구성된, 터빈배기 냉각, 배기열 회수 및 CO2포집 장치.
  3. 제1항에 있어서, 기-복수 증기가 (도 4) 배기열 회수 시스템에서, 기-복수 증기는 1atm 이상 가압, 260℃ 이상 승온 후, (CircWtr PreHtr#1) 순환수예열기#1에서, 156℃ 순환수를 185℃로 예열하여, 터빈 배기열을 회수하며, 210℃로 냉각된 이후, 복수가열기에서, 95℃ (복수) 급수를 (포화온도) 156℃로 예열하여, 터빈 배기열을 회수하고, 105℃로 냉각되며, 이어, (Steam Condenser) 복수기에서, (도 5) 질소 액화냉각 시스템에서 공급된, 액상의 냉매 -196℃로 냉각되어, 95℃로 냉각 복수되며, 이 냉매 질소는 85℃로 승온, 질소 저장 탱크로 이송되고, 이 95℃ 복수 중 연소로 생성된 20% 분량의 복수는, (도 1) (Cond.Coller) 복수냉각기로 이송되고, 80% 유량은, 복수펌프로, 상기 복수가열기로 압송되어, 터빈 배기열이 회수되도록 구성된, 터빈배기 냉각, 배기열 회수 히트펌프 구성 운전방법.
  4. 제1항에 있어서, 질소 액화냉각 시스템에서, 185℃ 순환수 중 대부분의 (78%) 순환수가, (CircWtr PreHtr#2) 순환수예열기#2에서, 30bar 450℃ 압축 발열 질소로, 235℃ 이상 과열증기로 예열되며, 이 질소는 200℃로 냉각되고, 이 냉각 질소가 (Δ20bar) 50bar로 더 가압되어, 270℃로 승온 후, (CircWtr PreHtr#3) 순환수예열기#3에서, 나머지 (22%) 순환수가, 이 270℃ 압축 발열 질소로, 235℃ 이상 과열증기로 예열되며, 이 50bar 질소는 200℃로 강온되고, 이어 (Throttle Valve) 팽창밸브를 통하여 30bar로 단열 팽창, 10℃로 강온 후, 3차 질소냉각기로 압송되고, 다음, 액상의 냉매 질소로, 냉각되어, (도 4) 복수기에서, 상기 터빈 배기열을 흡수한, 기-복수 증기가 냉각 복수됨으로써, 터빈 배기열이 회수되도록 구성된, 터빈배기 냉각, 배기열 회수 히트펌프 구성 운전방법.
  5. 제1항에 있어서, 연소로 생성된 터빈 배기 CO2가, 제2항 배기냉각기에서, -13℃로 냉각 (포집) 배출되어, (CO2Cooler#2) CO2냉각기#2에서, 냉매 산소로 -20℃로 더 냉각되고, 연소로 생성된 (냉각수) 95℃ 복수가, (Cond.Cooler) 복수냉각기에서, 냉매 산소로 5℃로 냉각되며, 이 냉각수와 바닷물에, 상기 CO2가, 혼합기(Mixer)에서 탄산수로 녹여지고, 다음, 이 탄산수가, CO2로 수소가 생산되는, 시스템에 공급되어, 수소가 생산되며, 이 수소와 냉매로 활용된 질소로 암모니아(NH3)가 제조되도록 함으로써, 발전소에서 끊임없이 발생하는 CO2의 중립이 경제적으로 실현되도록 구성된 것이 특징인, 터빈배기 CO2포집 장치와 CO2중립 운전방법.
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