KR20230015482A - By Pre-Condensate Oxyfuel Combustor Exhaust Gas Cooling, Heat Recovery and CO2 Capture Device and Its Heat Pump and Net Zero Operation Method of Gas Turbine Power Plant - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 기-복수 및 순산소연소에 의한, 배기냉각, 배기열회수 및 CO2포집 장치와 이의 히트펌프 및 탄소 중립 운전 방법에 관한 것으로, 공기로부터 생산된 산소와 질소가 냉매로 활용되며, 연소실에 순 산소만 주입되고, 작동유체로써 CO2가 연소실에 주입, 재순환되어 순산소연소가 구현되고, 터빈 배기가, 이미 냉각된 기(pre)-복수 및 냉매 산소로 냉각되어, 증기가 복수되고, CO2가 포집되며, 터빈 배기열이 전량 회수되고, 배기(증기)의 냉각 복수 효과로 터빈에서 높은 동력생산 효율이 구현되며, 또한, 포집된 CO2가 냉각수에 탄산수로 녹여지고 이 탄산수가 수소생산 시스템에 공급되어 수소가 생산되며, 수소와 냉매로 활용된 질소가, 수소저장 수단으로써 최적의 매체인, 암모니아 제조 플랜트에 공급, 암모니아가 제조됨으로써, 탄소 (CO2) 중립이 경제적으로 실현되도록 구성된 것이 특징이다.The present invention relates to an apparatus for exhaust cooling, exhaust heat recovery and CO 2 capture by gas-condensate and pure oxygen combustion, a heat pump and a carbon neutral operation method thereof, wherein oxygen and nitrogen produced from air are used as refrigerants, and a combustion chamber Only pure oxygen is injected, and CO 2 as a working fluid is injected and recycled into the combustion chamber to realize pure oxygen combustion, and the turbine exhaust is cooled with already cooled pre-condensate and refrigerant oxygen, and steam is condensed , CO 2 is captured, the entire amount of turbine exhaust heat is recovered, high power production efficiency is realized in the turbine due to the exhaust (steam) cooling multiple effect, and the captured CO 2 is dissolved in the cooling water as carbonated water, and this carbonated water becomes hydrogen. Hydrogen is produced by being supplied to the production system, and nitrogen, which is used as hydrogen and refrigerant, is supplied to an ammonia production plant, which is an optimal medium as a means of storing hydrogen, and ammonia is produced so that carbon (CO 2 ) neutrality is economically realized. It is characterized by its composition.
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 쉽지 않았다. 이 문제를 해결하기 위하여 최근에 순산소연소가 연구되고 있다. 즉, 공기 대신 순 산소만을 연소실에 주입하면 연소실 배기(연소가스)는 오직 증기와 CO2만으로 이뤄지므로 이 배기를 냉각하여 증기를 복수하고 CO2를 쉽게 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 있다. 한편, 본 발명에서는, (주)포스코에서 발명하여 특허 등록된 (10-1481614, 2015.01.06.) '질소가스 생산 시스템'을 참고하였다.Nitrogen in the air is about 78%, oxygen 21%, and other (CO 2 , argon, etc.) 1%. In a gas turbine, since fuel (NG) is injected together with air, it was not easy to capture carbon dioxide (CO 2 ) due to nitrogen (78%) in the combustion chamber exhaust. In order to solve this problem, oxy-combustion has recently been studied. In other words, if only pure oxygen is injected into the combustion chamber instead of air, the combustion chamber exhaust (combustion gas) consists only of steam and CO 2 , so the exhaust is cooled to recover steam and easily collect CO 2 . This pure oxy-combustion became a new problem of overheating of the combustion chamber as the working fluid decreased as nitrogen was removed. In order to solve this problem, a new type of boiler is being developed that recirculates a large amount of exhaust exhaust already discharged from the combustion chamber to the combustion chamber. Meanwhile, in the present invention, reference was made to a 'nitrogen gas production system' invented and patented by POSCO (10-1481614, 2015.01.06.).
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. 또 순산소연소로 연소실이 과열되는 문제를 해결하고자, 알람 (Allam) 사이클에서는, CO2가 연소실로 재순환되는 연구가 진행 중이다. 작동유체로써 순환증기가, (8H2O + 2O2 + CH4 = 8H2O + CO2 + 2H2O), 연소실로 재순환되거나, CO2가, (8CO2 + 2O2 + CH4 = 8CO2 + CO2 + 2H2O), 연소실로 재순환되면, 연소실이 과열되는 문제가 해소되고, 작동유체가 줄어들어 터빈에서 동력 생산 효율이 저하되는 문제가 해소된다.U.S. Clean Energy System is researching a CES cycle in which steam is recirculated as a working fluid to prevent overheating of the combustion chamber due to pure oxygen combustion in a gas turbine. On the other hand, according to 'Gas Turbine Engine Theory and Application' (Professor Hong Yong-sik, Inha University 1985.01.15.), aircraft gas turbines, (Pratt & Whitney) JT9D and (Rolls-Royce) Spey, Pegasus, etc. Using), water is sprayed and injected into the combustion chamber, and the injected steam is heated as superheated steam to increase thrust. In addition, in order to solve the problem of overheating of the combustion chamber due to pure oxy-combustion, research is underway in which CO 2 is recycled to the combustion chamber in the Allam cycle. Circulating steam as the working fluid, (8H 2 O + 2O 2 + CH 4 = 8H 2 O + CO 2 + 2H 2 O), is recycled to the combustion chamber, or CO 2 is (8CO 2 + 2O 2 + CH 4 = 8CO 2 + CO 2 + 2H 2 O), when recirculated to the combustion chamber, the problem of overheating of the combustion chamber and the decrease in power production efficiency in the turbine due to the reduction of working fluid are solved.
증기터빈에서는, 터빈 (증기) 배기가 복수기에서 냉각, 증기가 복수 됨으로써, 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, 보일러 (또는 증기 발생기에서) 증기에 가해진 총열량의 50%에 해당하는 막대한 열량이 바다로 방출된다.In a steam turbine, the turbine (steam) exhaust is cooled in the condenser and the steam is condensed. Due to this exhaust cooling effect, the turbine exhaust is exhausted from the turbine to the condenser at a back pressure of 0.2 bar, and thus the steam running from the turbine toward the blades. As is sucked into the condenser, the steam particles run at a higher speed and collide with the turbine blades, thereby exerting more impact (Δmv) on the blades according to the law of conservation of momentum. That is, high power production efficiency is realized in the turbine. However, the enormous exhaust heat of steam (539 kcal/kg heat of condensation at atmospheric pressure) is released to the sea as cooling water. In other words, a huge amount of heat equivalent to 50% of the total amount of heat added to the steam in the boiler (or steam generator) is released to the sea.
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 저장 용기에서 손쉽게 꺼내 쓸 수 있는 미래 신기술의 가능성을 보인 것이다.Carbon dioxide (CO 2 ) freezes as dry ice when cooled below -78.5℃ at 5.1 atmospheres or higher, sublimates directly without going through a liquid at atmospheric pressure, and melts into liquid at (triple point) 5.1 atmospheres -56.58℃ or higher. In addition, it is known that gaseous CO2 dissolves relatively well in seawater and dissolves more readily when pressure is applied at a lower temperature. Hydrogen has a very low boiling point of -252.87℃, so commercial hydrogen is not produced as a liquid, but is usually compressed at high pressure and used. Ammonia (NH 3 ), which is a colorless gas at room temperature and is mainly used as a raw material for fertilizer, has a boiling point of -33.34 ° C and is liquefied at a low pressure (8.6 bar) at room temperature (20 ° C). This NH 3 has been conventionally produced at high temperature and high pressure (200 bar 450° C.), but recently (UNIST), a new technology for producing at 45° C. at 1 atm pressure has been developed at the Ulsan Institute of Science and Technology. Due to these characteristics, it has recently been actively studied as a medium for storing and transporting hydrogen. In other words, it is a technology that does not pollute the environment by using nitrogen, which is 78% of the air, to make and store NH 3 , then extracts hydrogen from NH 3 and releases nitrogen back into the atmosphere. In addition, 1.5 times more hydrogen is stored in NH 3 than in liquid. Also recently, at the Korea Advanced Institute of Science and Technology (KIST), a hydrogen extractor has been developed that separates this hydrogen from nitrogen from NH 3 at a temperature below 450 °C using a catalyst and a membrane device. That is, hydrogen is stored in a storage container (NH 3 ) at a low pressure (8.6 bar) at 1.5 times the amount of liquid, and it shows the possibility of a future new technology that can easily take out and use the hydrogen from the storage container.
본 발명에서는, 이산화탄소(CO2)를 쉽게 포집할 수 있도록, 순산소연소가 구현되고, 터빈 연소실이 과열되지 않도록, 작동유체로써 순환수가 연소실에 재순환된다. 증기터빈에서처럼, 터빈에서 높은 동력생산 효율이 구현되도록, 터빈 (배기) 증기가 냉각 복수 되어, 터빈 배기가 배압 (Back Pressure) 0.2bar로 배기 되며, 이의 배기열은 회수된다.In the present invention, pure oxygen combustion is implemented so that carbon dioxide (CO 2 ) can be easily captured, and circulating water as a working fluid is recycled to the combustion chamber to prevent overheating of the turbine combustion chamber. As in the steam turbine, the turbine (exhaust) steam is cooled and condensed to realize high power production efficiency in the turbine, and the turbine exhaust is exhausted with a back pressure of 0.2 bar, and its exhaust heat is recovered.
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.In addition, in the present invention, as in a steam turbine, the turbine (exhaust) steam must be cooled and condensed so that the turbine exhaust is exhausted with a back pressure of 0.2 bar, and its exhaust heat must be recovered so that high power production efficiency is realized in the turbine, as in a steam turbine.
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 539kcal/kg) 응축열의 특성으로, 어떠한 냉매로도 복수하는 것이 쉽지 않으나, 본 발명에서는, 이 막대한 (응축열) 증발열로 상기 터빈 배기가 복수 된다. 터빈 (증기) 배기가 배압 0.2bar 110℃로 배기 되어 (포화온도 60.06℃) 60℃로 복수되고, 이미 냉각 응축된 60℃, 선행 배기, 기(pre)-복수가, 냉매로써, 터빈 배기를 냉각하게 된다.In the present invention, oxygen and nitrogen produced by liquefying separation from air are used as refrigerants, only oxygen is injected into the combustion chamber, and circulating steam of nitrogen (78%) as a working fluid is used as a working fluid to prevent overheating of the combustion chamber, as follows, Exhaust heat is recovered and injected into the combustion chamber as superheated steam and recirculated to realize pure oxygen combustion. When circulating steam is recirculated to the combustion chamber as a working fluid, the turbine exhaust (8H2O + 2O 2 + CH 4 = 8H 2 O + CO 2 + 2H 2 O) consists mostly of steam. This vapor has a characteristic of condensation heat that is greater than any other liquid (539 kcal/kg based on atmospheric pressure), and it is not easy to condensate with any refrigerant, but in the present invention, the turbine exhaust is condensed with this enormous (condensation heat) vaporization heat. Turbine (steam) exhaust is exhausted with a back pressure of 0.2 bar and 110°C (saturation temperature 60.06°C), condensed to 60°C, and already cooled and condensed 60°C, pre-exhaust, pre-condensate, as a refrigerant, it cools down
본 발명에서는, 증기터빈 복수기에 해당하는, (배기냉각기) 특수 열교환기에서 증기가 복수되고, CO2가 영하(-13℃)로 냉각 포집된다. 이 배기냉각기에는 터빈 배기열흡수기가 설치되어 있고, 이 배기열흡수기에서, 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 복수 된다.In the present invention, steam is condensed in a special heat exchanger (exhaust cooler) corresponding to a steam turbine condenser, and CO 2 is cooled and collected at below zero (-13°C). A turbine exhaust heat absorber is installed in this exhaust cooler, and in this exhaust heat absorber, steam-condensate evaporates into 90°C steam as turbine exhaust heat at 110°C, and cools the subsequent turbine exhaust with evaporation heat. That is, (110 ° C - 90 ° C) a cooling heat amount of 9.2 kcal / kg or more corresponding to Δ20 ° C is further supplied, so that the turbine exhaust is cooled.
터빈 배기가 복수 됨으로써, 터빈에서 작동유체는, 증기터빈에서처럼, 배압 0.2bar로 배기 되어, 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 값으로, 0.2bar 150℃ 증기가 5bar로 단열 압축될 때, 이 0.2bar 150℃ 증기는 657℃로 승온 하게 된다. 본 발명에서는, 터빈 배기열을 흡수하고 90℃로 승온 한 상기 기-복수 증기가, 히트펌프 수단으로, 질소로 150℃로 (Boost up) 가열, 온도가 상승한 후, 5bar로 가압, 650℃로 더 승온 하여, 이 650℃ 증기가 열전달 매체로써 냉매 질소로, 냉각 복수 되고, 이 질소는 630℃로 승온 하여, 이 증기가 지닌 막대한 (잠열, Latent Heat) (복수) 응축열이 이 열전달 매체 질소의 630℃ 승온 열량으로 전환된다. 이후, 이 질소의 승온 열량으로, (냉각 응축된) 이 복수가, 급수로써, 이 질소의 승온 열량으로, 500℃ 이상으로 예열되어, 막대한 터빈 배기열이 전량 회수된다.As the turbine exhaust is multiplied, the working fluid in the turbine is exhausted at a back pressure of 0.2 bar, as in a steam turbine, so that high power production efficiency is realized in the turbine, and also, as follows, turbine exhaust heat is recovered to achieve high power generation efficiency. Steam has an adiabatic coefficient k = 1.327 at 25°C and 1 atm. With this k value, when 0.2 bar 150°C steam is adiabatically compressed to 5 bar, the temperature of this 0.2 bar 150°C steam rises to 657°C. In the present invention, the steam-condensate steam, which absorbs turbine exhaust heat and is heated to 90 ° C, is heated to 150 ° C (Boost up) with nitrogen by means of a heat pump, pressurized at 5 bar, and further heated to 650 ° C after the temperature rises. By raising the temperature, this 650 ° C steam is cooled and condensed into refrigerant nitrogen as a heat transfer medium, and this nitrogen is heated to 630 ° C, and the enormous (latent heat) (plural) condensation heat of this steam is 630 °C is converted to a heating value. Thereafter, this condensate (which has been cooled and condensed) is preheated to 500° C. or higher with the heated heat of nitrogen as feed water, and the enormous turbine exhaust heat is recovered in its entirety.
상기 복수 중에, 연소로 생성된 20mol% 증기는, 5℃ 냉각수로 냉각되고, 배기 CO2가 순산소연소로 포집되어, 이 냉각수에 탄산수로 녹여지고, 이 탄산수로 아래와 같이, 최근에 개발된 기술이 활용되어, 수소가 생산되어, 탄소 (CO2) 중립이 실현되도록, 구성된다.In the condensate, 20 mol% steam generated by combustion is cooled with 5°C cooling water, exhaust CO 2 is collected by pure oxy-combustion, dissolved in this cooling water as carbonated water, and with this carbonated water, the following recently developed technology This is utilized so that hydrogen is produced so that carbon (CO 2 ) neutrality is realized.
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.CO 2 constantly generated in the combustion chamber is captured at a low temperature below zero (-13°C) as a treatment method, dissolved in carbonated water in seawater as the cooling water and catalyst, and this carbonated water generates (recently developed) electricity and hydrogen. It is supplied to the production system and configured to produce clean energy hydrogen. Subsequently, ammonia (NH 3 ) is produced from this produced hydrogen and nitrogen used as a refrigerant for exhaust cooling, and this hydrogen is 1.5 times more than liquid, at a low pressure (8.6 bar) at room temperature, in NH 3 stored and configured so that CO 2 neutrality is realized.
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.In the present invention, CO 2 is not emitted into the atmosphere, nitrogen is utilized as a refrigerant, and with heat pump technology, gas turbine (steam) exhaust is multiplied and its exhaust heat is recovered, so that high power production efficiency is realized in the turbine, In addition, hydrogen is produced from CO 2 produced by combustion, and ammonia (NH 3 ) is produced from this hydrogen and nitrogen used as a refrigerant, and eventually, hydrogen is produced from the CO 2 in question, which is 1.5 times less than liquid compared to ammonia. This is characterized in that it is configured so that CO 2 neutrality is realized by being stored.
도 1은 본 발명에서, 터빈 배기가, (선행 배기) 갓 기(pre)-복수로 냉각 복수되고, CO2가 포집되는, 과정을 보인, 작동유체의 흐름을 보인 플로우 다이어그램이다.
도 2는, 본 발명 배기냉각기의 구조를 상징적으로 묘사한, 터빈 배기가 본 배기냉각기에 흡입 냉각되어, 증기가 복수 되고, CO2가 저온(-13℃)으로 포집되는 것을 보인, 도면이다.
도 3에는 본 배기냉각기에 사용된, 산소, CO 등 CO2보다 가벼운 불응축 기체를 포집 배출하기 위한, 블레이드 요부 형상을 보인 도면이다.
도 4은 터빈 배기열이 순환 작동유체 CO2로 회수되는 과정을 도시한, 플로우 다이어그램이다.
도 5은 질소가 냉각 액화되는 과정을 보인, 질소 액화냉각 시스템의 작동유체의 흐름을 보인 플로우 다이어그램이다.
도 6은 본 발명에서 순환 작동유체로 사용되는 CO2의 물리적 특성을 보인 온도-압력 선도이다.
도 7은 본 발명 CO2초임계유체 열교환기의 요부를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명 CO2초임계유체 (ScCO2 PreHtr#1,#2,#3) CO2예열기#1,#2,#3 열교환기의 구조를 상징적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명에서 CO2초임계유체가 등온팽창 하는 디퓨저 (Diffuser Nozzle) 노즐의 주요 부위의 형상을 보인 도면이다.
도 10은 본 발명이 적용된 가스터빈 (HRSG) 복합사이클에서, 동력이 생산되는 과정을 브레이튼 사이클을 인용하여 보인, 터빈 (HRSG 경유) 배기의 냉각에 의한 동력생산 과정을 보인, T-S 선도이다.
도 11은 통상의 가스터빈이 HRSG로 증기터빈과 구성된 복합사이클에서 작동유체의 흐름을 보인 플로우 다이어그램이다.1 is a flow diagram showing a flow of a working fluid, showing a process in which a turbine exhaust, (pre-exhaust) is cooled into a plurality of pre-cooled condensate, and CO 2 is captured in the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the structure of the exhaust cooler according to the present invention, wherein turbine exhaust is sucked and cooled by the exhaust cooler, steam is condensed, and CO 2 is collected at a low temperature (-13° C.).
3 is a view showing the shape of a main part of a blade for collecting and discharging non-condensable gases lighter than CO 2 , such as oxygen and CO, used in the present exhaust cooler.
4 is a flow diagram showing a process in which turbine exhaust heat is recovered as circulating working fluid CO 2 .
5 is a flow diagram showing a flow of a working fluid of a nitrogen liquefaction cooling system showing a process in which nitrogen is cooled and liquefied.
6 is a temperature-pressure diagram showing physical characteristics of CO 2 used as a circulating working fluid in the present invention.
7 is a view showing the main part of the CO 2 supercritical fluid heat exchanger according to the present invention.
8 is a view symbolically showing the structure of CO 2 supercritical fluid (ScCO 2 PreHtr#1, #2, #3) CO 2 preheaters #1, #2, and #3 heat exchangers according to the present invention.
9 is a view showing the shape of a main part of a diffuser nozzle in which CO 2 supercritical fluid isothermally expands in the present invention.
10 is a TS diagram showing the power production process by cooling the turbine (via HRSG) exhaust, showing the power production process by citing the Brayton cycle in the gas turbine (HRSG) combined cycle to which the present invention is applied.
11 is a flow diagram showing the flow of working fluid in a combined cycle in which a conventional gas turbine is configured with a steam turbine as an HRSG.
본 발명에서는, 순환 작동유체로써, CO2가 연소실로 재순환되어, 순산소연소가 구현되고, CO2가 포집되어 탄소(CO2) 중립이 실현되도록 구성된다. 도 1은 본 발명에서, 가스터빈 (HRSG 경유) 배기가, 이미 냉각 복수 된 (선행) 기(pre)-복수로, 냉각 복수되고, CO2가 포집되는 것을 보인, 작동유체 흐름을 보인 플로우 다이어그램이고, 도 2는 터빈 배기가, (배기냉각기에) 흡입되어 냉각, 증기가 복수되고, CO2가 저온(-13℃)으로 포집되는 것을 도시한, 본 배기냉각기의 구조를 상징적으로 묘사한 도면이며, 도 3은, 본 배기냉각기에, (흡입) 유입된 터빈 배기가 효과적으로 냉각되고, CO, O2, N2 따위 불응축 기체를 포집 제거하기 위한, 블레이드의 형상을 도시한 도면이다.In the present invention, as a circulating working fluid, CO 2 is recycled to the combustion chamber to realize pure oxygen combustion, and CO 2 is collected to realize carbon (CO 2 ) neutrality. 1 is a flow diagram showing the working fluid flow, showing that gas turbine (via HRSG) exhaust is already cooled (pre)-plural, cooled and condensed, and CO 2 is captured in the present invention. 2 is a diagram symbolically depicting the structure of this exhaust cooler, showing that the turbine exhaust is sucked (in the exhaust cooler) and cooled, steam is condensed, and CO 2 is collected at a low temperature (-13 ° C). 3 is a view showing the shape of a blade for effectively cooling turbine exhaust (suction) introduced into the exhaust cooler and collecting and removing non-condensable gases such as CO, O 2 , and N 2 .
본 발명에서는, 터빈 연소실의 과열을 방지하기 위하여, 순환 작동유체로써 CO2가 터빈 연소실에 재순환되어 순산소연소가 구현되고, (8CO2 + 2O2 + CH4 = 8CO2 + CO2 + 2H2O), 터빈 배기가 (HRSG를 거쳐) 110℃로 강온 되어, 증기터빈에서처럼, 배압 (Back Pressure) 0.2bar로, 본 배기냉각기에 (흡입) 유입 냉각되어, 증기는 복수 되고, 생성된 CO2가 -13℃로 (포집) 배출된다. 증기는 막대한 (대기압 기준 539kcal/kg) 응축열을 지니고 있어, 이 증기를 냉각 복수하는 것이 쉽지 않으나, 본 발명에서는, 이 터빈 배기가, 이미 냉각 복수 된, 기(pre)-복수로 냉각 복수 된다. 즉, 기-복수가 증발하면서 막대한 (응축열) 기화열로, 후속 터빈 배기가 냉각 복수 된다. 이 기-복수는, 도 2에 보인 바와 같이, 입구에 있는 배기열흡수기 튜브에 주입되고, 본 배기냉각기에 (흡입) 유입된 이 터빈 110℃ 0.2bar 배기는, 이 배기열흡수기에서, (포화온도 60.06℃) 60℃로 복수 되고, 포화온도인 기-복수는, 터빈 (110℃) 배기열로 증발하며, 터빈 배기열을 흡수하고, 90℃로 승온 하게 된다. 즉, 아래와 같이, 매우 적은 냉각열량으로, 터빈 배기는 냉각되어, 증기는 복수되고, 연소로 생성된 CO2가, -13℃로 포집 배출된다. 이 CO2가 -13℃로 냉각되는 열량에, 터빈 배기 온도와 기-복수 증기 (110℃ - 90℃) 온도 차(Δ20℃)에 해당하는 열량을 합한, 냉각열량이, 냉매 질소와 산소로 공급된다. 도 2에 보인, 증기 (Steam Cooler) 냉각기에 액상의 냉매 질소가 소량 (13mol%) 공급되고, 수증기 (Vapor Cooler) 냉각기에 (20mol% x 130%) 냉매 산소가 공급된다. 이 터빈 배기의 냉각 과정 및 CO2가 -13℃로 (포집) 배출되는 과정은 아래에서 구체적으로 설명된다. 이 배기의 냉각 복수 효과로, 터빈 배기는 배압 (Back Pressure) 0.2bar로, 본 배기냉각기에 흡입되며, 증기터빈에서처럼, 동력이 터빈에서 고효율로 생산된다.In the present invention, in order to prevent overheating of the turbine combustion chamber, CO 2 as a circulating working fluid is recycled to the turbine combustion chamber to realize pure oxygen combustion, (8CO 2 + 2O 2 + CH 4 = 8CO 2 + CO 2 + 2H 2 O), the turbine exhaust is cooled to 110℃ (via HRSG), and, as in a steam turbine, back pressure is 0.2 bar, and (suction) inlet cooling is performed in this exhaust cooler, steam is condensed, and CO 2 generated is emitted (collected) at -13 °C. Steam has a huge (atmospheric pressure standard 539 kcal / kg) condensation heat, so it is not easy to cool and condensate this steam, but in the present invention, this turbine exhaust is already cooled and condensed. In other words, as gas-condensate evaporates, the subsequent turbine exhaust becomes cooled condensate with enormous heat of vaporization (condensation heat). As shown in FIG. 2, this plural number is injected into the exhaust heat absorber tube at the inlet, and the turbine 110 ° C. 0.2 bar exhaust (suction) introduced into the present exhaust cooler is, in this exhaust heat absorber, (saturation temperature 60.06 ℃) is condensed at 60 ℃, and the saturation temperature is evaporated by turbine (110 ℃) exhaust heat, absorbs turbine exhaust heat, and rises to 90 ℃. That is, as follows, with a very small amount of cooling heat, the turbine exhaust is cooled, steam is condensed, and CO 2 generated by combustion is captured and discharged at -13°C. The amount of heat by which this CO 2 is cooled to -13℃ plus the amount of heat corresponding to the temperature difference (Δ20℃) between the turbine exhaust temperature and the temperature difference (Δ20℃) between steam and condensate steam (110℃ - 90℃) are supplied As shown in FIG. 2, a small amount (13 mol%) of liquid refrigerant nitrogen is supplied to the steam cooler, and (20 mol% x 130%) refrigerant oxygen is supplied to the vapor cooler. The cooling process of this turbine exhaust and the process by which CO 2 is discharged (captured) at -13 °C is described in detail below. As a result of the multiple cooling effect of the exhaust, the turbine exhaust is sucked into the exhaust cooler at a back pressure of 0.2 bar, and power is produced with high efficiency in the turbine, as in a steam turbine.
본 배기냉각기에서 -13℃로 (포집) 배출된 CO2 (80mol%+10mol%) 중 순환 CO2 80mol% CO2는 20bar로 가압, 360℃도 이상으로 승온 하게 된다. 이 20bar 80mol% CO2는 (CO2 Condenser) CO2 응축기로 압송되어, 액상의 냉매 112mol% 질소로 -20℃ 액상으로 냉각되어, 임계압 (73bar) 이상으로 가압 되고, 이 냉매 질소는 340℃로 승온 하게 된다. 즉, CO2가 냉각 액화되며, CO2가 지닌 360℃ 열량이 질소의 340℃ 승온 열량으로 전환된다. 이후, 이 질소의 승온 열량으로, 앞서 설명한, -20℃ CO2가 초임계유체로 생성되어, 터빈 배기열을 전량 회수하게 된다. Of the CO 2 (80 mol% + 10 mol%) discharged (collected) at -13°C in this exhaust cooler, circulating
도 4는 터빈 배기열이 작동유체 CO2로 회수되는 과정을 보인 플로우 다이어그램이다. 도 5는, 질소 액화냉각 시스템의, 초임계유체 (ScCO2 PreHtr#3) CO2예열기#3에서, 상기 CO2 80mol 중 16mol% CO2가 초임계유체로 생성, 620℃로 예열된다. 상기 340℃ 질소는 (도 4) 터빈 배기열 회수 시스템의 증기 (StmHtr) 가열기 및 초임계유체 (ScCO2 PreHtr#2) CO2예열기#2로 압송되고, 상기 -20℃ (80-16) 64mol% CO2는 초임계유체 (ScCO2 PreHtr#1) CO2예열기#1 및 초임계유체 CO2예열기#2로 압송되며, 또 (도 1) 본 배기냉각기의 배기열 흡수기에서, 터빈 배기를 냉각하며, 90℃로 승온 한 기-복수 증기가, 상기 증기가열기에 압송되어, 아래와 같이, 터빈 배기열이 전량 회수된다. 상기 112mol% 질소 중 25mol% 질소는, 이 90℃ 0.2bar 증기를 325℃로 가열하고, 110℃로 강온 되며, 0.2bar 325℃ 증기는 1atm으로 압축, 610℃로 승온 후, 초임계유체 (ScCO2 PreHtr#1) 예열기#1에 압송된다. 이 ScCO2 PreHtr#1에서, 상기 80mol% -20℃ CO2 중 32mol% CO2가, 610℃ 증기로, 초임계유체로 생성되며, 595℃로 예열되고, 이 610℃ 증기는 5℃로 냉각 복수 된다. 이 5℃ 20mol% 연소로 생성된 CO2는, 도 1에 도시한 바와 같이, 냉각수에 탄산수로 녹여지는 혼합기로 압송된다. 상기 -20℃ CO2 중 (80-32-16) 32mol% CO2는, (초임계유체 CO2 예열기#2) ScCO2 PreHtr#2에서. 상기 340℃ (112 - 25) 87mo% 질소로, 초임계유체로 생성되며, 320℃로 예열되고, 이 질소는 -5℃로 강온 된다. -20℃ CO2 중 나머지 16mol% -20℃ CO2는 (도 5) ScCO2 PreHtr#3에서, 30bar 650℃ 질소로, 초임계유체로 생성되며, 620℃로 예열된다. 초임계유체로 예열된, 이 620℃ 16mol% ScCO2, 595℃ 32mol% ScCO2, 및 320℃ 32mol% ScCO2는, 도 1에 도시한 바와 같이, 492℃로 혼합되고, (도 9) 디퓨저 노즐을 통하여 CO2기체로써 연소실에 주입된다.4 is a flow diagram showing a process in which turbine exhaust heat is recovered as a working fluid CO 2 . 5 , in the supercritical fluid (ScCO 2 PreHtr#3) CO 2 preheater #3 of the nitrogen liquefaction cooling system, 16 mol% CO 2 out of 80 mol of
극저온 물리학 분야에서 1978년 노벨 물리학상을 받은 러시아 (Kapitza) 카피차가 공기를 액화하는 방법으로, 프랑스 클로드(Claude)가 개발한 공기액화법 장치에서, 피스톤 펌프 유형의 압축공기 팽창기를 역터빈 (Inverse) 유형의 팽창기로 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, 다시 냉각 액화되어, 히트펌프 수단으로, 터빈 배기열을 회수하는 열전달 매체로 사용된다. 본 발명에서는, 산소가 연소실에 이론 공급량보다 130% 더 공급되고, 더불어 질소도 130% 더 생산되어 냉매로 활용된다. 이 액상의 냉매 (80mol% x 130%) 104mol% 질소에, 상기 -13℃ CO2를 -20℃ 액상으로 냉각하며 사용된 112mol% 질소, 산소와 질소 생산을 위한 압축공기 냉각에 13mol% 질소, (도 2) 본 배기냉각기에서 터빈 배기를 냉각하며 사용된 7mol% 질소와 생성된 10mol% CO2를 -50℃ 냉각에 5mol% 질소가 더 필요하므로, 총 액상의 ((112 - 104 + 13 + 7 + 5) 33mol% 질소가 아래와 같이, 액상으로 냉각되어 냉매 질소가 충당된다.Russian (Kapitza) Kapitza, who received the 1978 Nobel Prize in Physics in the field of cryogenic physics, liquefies air. In the air liquefaction method developed by Claude, France, a piston pump type compressed air expander is an inverse turbine type The air liquefaction efficiency was greatly improved by replacing the expander with the expander, and this air liquefaction method is still widely used today. In the present invention, by utilizing this air-liquefaction method, after nitrogen already used as a refrigerant is stored, it is cooled and liquefied again, and is used as a heat pump means and as a heat transfer medium for recovering turbine exhaust heat. In the present invention, 130% more oxygen is supplied to the combustion chamber than the theoretical supply amount, and 130% more nitrogen is also produced and used as a refrigerant. In this liquid refrigerant (80mol% x 130%) 104mol% nitrogen, 112mol% nitrogen used to cool the -13℃ CO 2 to -20℃ liquid phase, 13mol% nitrogen for cooling compressed air for oxygen and nitrogen production, (FIG. 2) In this exhaust cooler, since 7 mol% nitrogen used for cooling the turbine exhaust and 5 mol% nitrogen required to cool the generated 10 mol% CO2 at -50 ° C, the total liquid phase ((112 - 104 + 13 + 7 + 5) 33 mol% nitrogen is cooled to the liquid phase as below, and the refrigerant nitrogen is supplied.
도 5는 냉매로 사용된 질소를 또 냉매로 사용하기 위하여, 이 질소가 냉각 액화되는 과정을 보인, 질소 액화냉각 시스템의 작동유체의 흐름을 보인 플로우 다이어그램이다. 1atm 질소가, 도시한 바와 같이, 압축기로 30bar로 압축, 650℃로 승온 하고, 압축된 이 질소가, 이 카피차의 냉각 시스템에서는, 원래 2차 (2nd N2Cooler) 냉각기에서 냉각되나, 본 발명에서는, 상기 초임계유체 (ScCO2 PreHtr#3) 예열기#3에서, 앞서 설명한, 16mol% 순환수가 620℃로 예열되고, 1atm (33+1) 34mol% 질소가, -5℃로 냉각되어, 이 질소 압축기 부하를 줄이면서, 이후 이 질소가 효율적으로 냉각 액화되며, 이 -5℃로 냉각된 질소 중, 1mol% 질소는 2차 냉각기에서 더 냉각, 액화되지 않도록, 팽창밸브를 통하여 1atm으로 단열팽창, -170℃로 강온 후, 이 2차 냉각기를 바이패스하고, 저온 질소 저장 탱크에 저장된다. 또, 1atm 질소가 압축기에서 정해진 온도 (650℃) 이하로 압축되지 않도록, 이 압축기로 재순환되는, 선행 1atm 저온 질소의 유량이, 도시한 바와 같이, 제어되어, 고온 질소 저장 탱크의 질소와 80℃로 혼합되어 이 압축기에 주입되고, 나머지는 저온 질소 저장 탱크에 저장된다. 1차 냉각기에서 -5℃로 냉각된, 이 압축 질소는 2차 냉각기에서 (선행) 1atm (팽창) 저온의 질소로 더 냉각되고, 이어 이 냉각 질소 중 80% 유량이 (카피차의 역터빈 팽창기가 아닌) 본 로터리 배큠 펌프에 의하여 점진적으로 단열 팽창함으로써, 이 질소 온도는 크게 강온 된다. 이 1atm 저온의 80% 질소로, 나머지 20% 질소가, 질소 (N2 Condenser) 응축기에서 튜브로 흐르면서, 냉각되어 액화된다. 이 액상의 질소는 액체질소 (Lip.N2Cooler) 냉각기로 이동, 튜브로 흐르며 더 냉각되고, 이 30bar 액상의 질소는, 증발기 베셀로 압송되어, 배큠펌프로 흡입되며, 팽창밸브를 통하여 팽창함에 따라 줄-톰슨 효과로, 이 질소의 온도가 (포화온도 -195.79℃) -196℃로 하강하게 된다. 따라서 이 질소 중 일부는 1atm -196℃로 액화되며, 나머지는 기화된다. 온도가 크게 하강한 이 기체 질소는, 상기 (Liq.N2 Cooler) 액체질소 냉각기에서, 튜브로 흐르는 후속 30bar 액상의 질소를 냉각하며, 상기 질소 응축기에서 배출된 질소와 혼합되고, 혼합된 이 질소가 상기 2차 냉각기에 진입하여, 후속 30bar -5℃ 질소를 냉각한 후, 상기 배큠펌프에 흡입되어, 압축기에 재입력된다. 이 증발기 베셀에서 1기압으로 액화된 질소는, (도 1) 액상의 질소 공급 펌프 출구 배관에 공급된다. 상기 1mol% 질소가 2차 냉각기를 바이패스한 이유는 아래와 같다. 정상 운전에서, 33mol% 질소만 액상으로 냉각되어야 하나, 상기 (초임계유체) ScCO2를 620℃로 예열하기 위해서는, 압축기로 34mol% 질소가 압축되어야 하므로, 1mol% 질소가 액상으로 냉각되지 않도록 하는 수단으로 상기 2차 냉각기를 바이패스하게 된다. 사실상, 이 바이패스 장치는 상기 순환수를 정해진 온도로 예열하는 수단으로 활용된다.Figure 5 is a flow diagram showing the flow of the working fluid of the nitrogen liquefaction cooling system, showing the process of cooling and liquefying nitrogen used as a refrigerant to use it as a refrigerant again. As shown, 1 atm nitrogen is compressed to 30 bar with a compressor, the temperature is raised to 650 ° C, and this compressed nitrogen is originally cooled in a secondary (2nd N2 Cooler) cooler in the cooling system of this copy car, but in the present invention , in the supercritical fluid (ScCO 2 PreHtr#3)
앞서 설명한, (도 5) 질소 액화냉각 시스템에서, 1atm 질소는, 본 발명 실현 단계에서, 30bar보다 더 낮은 압력으로 압축된다. 이 질소가 가능한 낮은 압력으로 압축되어, 이 압축기 구동 동력을 줄이면서, 액상으로 액화되도록, 시행착오를 거쳐, 경제적인 이 질소 압축 압력이 설정된다. 도 4에 보인 바와 같이, 110℃ 25mol% 질소가 질소 저장 탱크로 되돌아가고, (도 1) 본 배기냉각기에서 배기를 냉각한 50℃ 7mol% 질소와 외부 (CO2 ExCooler) CO2냉각기에서, 80℃ 5mol% 질소가 질소 저장 탱크로 되돌아가므로, 이 질소를 고온 저장 탱크에 저장한 후, 이 질소를 27bar로 압축하면, 650℃ 이상으로 승온 하게 된다. 이러한 이유로, 본 발명에서는, (선행) 1atm으로 팽창한 저온의 질소가, 곧바로 압축기로 재입력되어, 압축된 질소 온도가 650℃ 이하로 낮아지지 않도록, 도시한 바와 같이, 별도의 저온 저장 탱크에, 저장되도록 구성되었다.In the nitrogen liquefaction cooling system described above (FIG. 5), 1 atm nitrogen is compressed to a pressure lower than 30 bar in the realization stage of the present invention. Through trial and error, this economical nitrogen compression pressure is set so that this nitrogen is compressed to a pressure as low as possible and liquefied into a liquid phase while reducing the drive power of this compressor. As shown in FIG. 4, 110°C 25 mol% nitrogen is returned to the nitrogen storage tank, (FIG. 1) 50°C 7 mol% nitrogen and an external (CO 2 ExCooler) CO 2 cooler cool the exhaust in this exhaust cooler, 80 Since 5 mol% of ℃ nitrogen is returned to the nitrogen storage tank, after storing this nitrogen in a high-temperature storage tank, when the nitrogen is compressed to 27 bar, the temperature is raised to 650 ℃ or more. For this reason, in the present invention, (preceding) the low-temperature nitrogen expanded to 1 atm is directly re-entered into the compressor, so that the compressed nitrogen temperature does not fall below 650 ° C., as shown in the figure, in a separate low-temperature storage tank. , configured to be stored.
도 2에 도시한, 본 배기냉각기에서 CO2냉각기 아래에 설치된 배큠펌프와 도 5에 보인, 로터리 피스톤 배큠펌프는, 아직 상용화되지는 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 (Cycloid) 곡선을 기본으로 하여, 이들이 서로 충돌하지 않고 회전하도록, (치차가 딱 하나인) 헬리컬(Helical) 기어 형태로 구성되어 있어, 피스톤이 회전하면서 연속적으로, 작동유체가 피스톤 뒤쪽에서는 흡입되고, 피스톤 앞쪽에서는 압축되어 배출되는 것이 구현된다. 이러한 로터리 피스톤 배큠펌프는 (피스톤 펌프처럼 그러나 원심펌프처럼 연속적으로) 작동유체를 흡입하고 압축하여 품어낸다.The vacuum pump shown in FIG. 2 and the rotary piston vacuum pump shown in FIG. 5 installed under the CO2 cooler in this exhaust cooler have not been commercialized yet, but have been patented (10-24115730000, 2022-06-16) ' It is a 'rotary piston gas transfer (suction/compression) pump', and in a donut-shaped annular cylinder, the piston rotates in close contact with the cylinder, and a disk blocks the piston, but this piston and disk are (watches, instruments, etc.) Based on the pin gear cycloid curve (used for teeth), it is composed of a helical gear (with only one tooth) so that they rotate without colliding with each other, so that the piston rotates Continuously, it is realized that the working fluid is sucked in behind the piston and compressed and discharged in front of the piston. These rotary piston vacuum pumps suck (like a piston pump, but continuously like a centrifugal pump) a working fluid, compress it, and release it.
최근에 개발된 가스터빈에서는, 터빈 축 직렬 압축기가 압축한, 압축공기의 압축비가 보통 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 경제적인 적절한 값으로 재설정된다. 이 고온의 압축공기가, 아래와 같이, 산소 (Oxygen PreHtr) 예열기에서, (도 2) 본 배기냉각기에서 50℃로 예열된 산소는 이 압축공기로 430℃로 예열되어 연소실에 주입되고, 이 압축공기는 350℃로 강온 되어, 도시한 바와 같이, 산소와 질소 생산을 위한 압축공기 냉각기에, 팽찰밸브를 통하여 5.5kg/cm2로 단열팽창, 110℃ 강온 된 후, 사전 압축공기로써, 공급된다. 본 발명에서는, 연소로 생성된, (8CO2 + 2O2 + CH4 = 8CO2 + CO2 + 2H2O), 10mol% CO2가 -13℃로 포집되어, 냉각수에 탄산수로 녹여지고, 이 탄산수로, 수소를 생산하는 시스템에서 수소를 생산하게 된다. 도 1에 보인 바와 같이, 본 배기냉각기에서, 0.2bar -13℃로 배출된 CO2는 배큠펌프로 1atm으로 가압, 100℃로 승온 하게 된다. 이 1atm 100℃ CO2가, 냉각수에, 잘 녹여지도록, 외부 (CO2 ExCooler) CO2냉각기에서, 소량의 액상의 냉매 질소(5mol%)로, -50℃로 냉각되고, 이 질소는 80℃로 승온 하게 된다. 또, 산소와 질소 생산을 위한 압축공기 냉각기에서, 13mol% 액상의 냉매 질소가, 도시한 바와 같이, 120℃ 압축공기를 77℃로 냉각하며 60℃로 승온 하고, 질소 저장 탱크에 저장된다.In a recently developed gas turbine, the compression ratio of compressed air compressed by a turbine shaft series compressor is usually as high as 1/30 or more, and the temperature of this compressed air is as high as 700°C or more. In the present invention, the pressure and temperature of this compressed air, as shown in FIG. 1, were arbitrarily set to 30 bar and 450 ° C. In the process of realizing the present invention, it is reset to an economically appropriate value according to the size of the gas turbine. This high-temperature compressed air, as follows, in the oxygen (Oxygen PreHtr) preheater, (Fig. 2) the oxygen preheated to 50 ° C in the exhaust cooler is preheated to 430 ° C with this compressed air and injected into the combustion chamber, and the compressed air is cooled to 350 ° C, as shown in the figure, to the compressed air cooler for oxygen and nitrogen production, adiabatically expanded at 5.5 kg / cm 2 through an expansion valve, cooled to 110 ° C, and then supplied as pre-compressed air. In the present invention, 10 mol% CO 2 of (8CO 2 + 2O 2 + CH 4 = 8CO 2 + CO 2 + 2H 2 O), generated by combustion, is collected at -13°C, dissolved in cooling water as carbonated water, and With carbonated water, hydrogen is produced in a system that produces hydrogen. As shown in FIG. 1, in this exhaust cooler, CO 2 discharged at 0.2 bar -13 ° C is pressurized at 1 atm with a vacuum pump and heated to 100 ° C. This 1atm 100°C CO 2 is cooled to -50°C with a small amount of liquid refrigerant nitrogen (5 mol%) in an external (CO 2 ExCooler) CO 2 cooler so that it can be easily dissolved in the cooling water, and the nitrogen is cooled to 80°C is heated with In addition, in the compressed air cooler for producing oxygen and nitrogen, 13 mol% liquid refrigerant nitrogen cools compressed air at 120 ° C to 77 ° C, raises the temperature to 60 ° C, and stores it in a nitrogen storage tank.
상기 사전 (110℃) 압축공기는 보조 압축기가 압축한 소량의 210℃ 압축공기와 (추정) 120℃로 혼합되어, 압축공기 냉각기로 재순환되면서, 액상의 냉매 (13mol%) 질소로 냉각되어, 냉각 운전 (5.5kg/cm2 77℃) 조건이 충족된 압축공기는 산소와 질소가 분리 생산되는 (Distillation Column) 증류탑에 공급되고, 이 질소는 60℃로 강온 되어, 질소 저장 탱크에 저장된다. 상기 냉각 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, 도시한 바와 같이, 증류탑으로 간략히 묘사된, 이들 생산 기술은 본 특허청구 범위에 속하지 않는 사항이다.The pre-compressed air (110 ° C) is mixed with a small amount of 210 ° C compressed air compressed by the auxiliary compressor at (estimated) 120 ° C, recirculated to the compressed air cooler, cooled with liquid refrigerant (13 mol%) nitrogen, and cooled Compressed air that meets the operating conditions (5.5kg/cm 2 77℃) is supplied to the distillation column where oxygen and nitrogen are separated and produced (Distillation Column), and the nitrogen is cooled to 60℃ and stored in a nitrogen storage tank. The above cooling operating conditions refer to the 'nitrogen gas production system' invented and patented by POSCO. In this oxygen and nitrogen production process, after the compressed air production process, oxygen and nitrogen are produced through many processes. Oxygen and nitrogen production technologies are developing day by day with industrial development, and as shown, these production technologies, briefly described as distillation towers, do not fall within the scope of the present claims.
본 배기냉각기에서 배출된 -13℃ CO2는, 앞서 설명한 바와 같이, 물에 잘 녹여지도록, -50℃로 더 냉각되어, 연소로 생성된 냉각수(5℃)와 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 저장됨으로써, 탄소 (CO2) 중립이 실현된다.As described above, the -13℃ CO 2 discharged from the exhaust cooler is further cooled to -50℃ so that it dissolves well in water, and the mixture of cooling water (5℃) generated by combustion and seawater (Mixer ) is dissolved into carbonated water in a mixer, and this carbonated water (recently developed technology) is supplied to a system that produces hydrogen as CO 2 to produce hydrogen, and this produced hydrogen and nitrogen used as a refrigerant are supplied to an ammonia production plant , Ammonia (NH 3 ), which is an optimal medium for storing hydrogen, is produced, and clean energy hydrogen, 1.5 times more than liquid, is stored in NH 3 at low pressure (8.6 bar) at room temperature, resulting in carbon (CO 2 ) Neutrality is realized.
아래는 본 발명에서 터빈 배기가 냉각되어, 이의 배기열이 회수되는 과정을 열역학적 관점으로 설명한 것이다. 본 발명에서는, 작동유체로써 CO2가 연소실에 주입 재순환되어, (8CO2 + 2O2 + CH4 = 8CO2 + CO2 + 2H2O), 순산소연소가 구현된다. 연소실에 공급되는 산소는 이론 공급량보다 130% 더 많이, 액상으로 생산되고, 더불어 질소도 (80mol% x 130%) 104mol% 더 많이 생산된다. 터빈 배기는 (HRSG를 거쳐) 배압 0.2bar 110℃로 본 배기냉각기에 (흡입) 유입되어, 증기는 냉각 복수되고, 배기 (10mol%) CO2가 -13℃로 (포집) 배출되며, 선행 (갓 복수) 기(pre)-복수가, 배기열 흡수기에서, 90℃ 증기로 증발하며 배기열을 흡수하고, 냉매 (20mol% x 130%) 산소가 50℃로 (승온) 예열되며, 또 냉매 (7mol%) 질소가 50℃로 승온 하여, 냉각되는 열량과 냉각하는 열량이 (Heat Balance) 열평형을 이루게 된다. 좀 더 자세히 설명하면, 본 배기냉각기에서, (110℃-90℃) Δ20℃의 (20mol%) 증기의 냉각열량과 10mol% CO2가 110℃에서 -13℃로 냉각되는 냉각열량을 합한 냉각열량이 액상의 (20mol% x 130%) 산소가 -183℃에서 50℃로 예열되는 열량과 액상의 (13mol%) 질소가 50℃로 승온 하며, 터빈 배기를 냉각하는 열량이 열평형이 이룬다. 이 터빈 배기가, 통상의 냉각수에 의한 방법으로 냉각 복수 될 경우, 막대한 (563kcal/kg) 증기의 응축 열량이 공급되어야 하나, 이 응축 열량은 기-복수 증기가 증발하면서 증발 열량으로 흡수되어, 이 온도 차(Δ20℃)에 해당하는 (9cal/kg) 열량만 냉각열량으로써 더 공급되어도 이 터빈 배기는 냉각 복수 된다. 이 -13℃ 10mol% CO2는 배큠펌프로 1atm으로 가압 되어, 100℃ 승온 후, 외부 CO2냉각기에서, 액상의 (5mol%) 질소로 -50℃로 냉각되고, 이 질소는 열평형을 이루는 80℃로 승온 하게 된다. 산소와 질소 생산을 위한 압축공기 냉각기에서, 액상의 냉매 -196℃ 질소는 130mol% 120℃ 압축공기를 77℃로 냉각하고, 60℃로 승온 하여 열평형을 이루게 된다. 본 배기냉각기에서 50℃로 예열된 산소는, 터빈 축 직렬 압축기가 압축한 450℃ 압축공기로 430℃로 예열되며, 이 450℃ 압축공기는 350℃로 강온 되고, 팽창밸브를 통하여 5.5kg/kcm2로 단열팽창 후, 110℃로 강온 되어, 상기 압축공기 냉각기에 사전 압축공기로서 공급된다.The following describes a process in which the turbine exhaust is cooled and the exhaust heat thereof is recovered from a thermodynamic point of view in the present invention. In the present invention, CO2 as a working fluid is injected and recirculated into the combustion chamber (8CO 2 + 2O 2 + CH 4 = 8CO 2 + CO 2 + 2H 2 O), and pure oxygen combustion is implemented. Oxygen supplied to the combustion chamber is produced in liquid form, 130% more than the theoretical supply, and nitrogen is also produced (80mol% x 130%) by 104mol%. Turbine exhaust (via HRSG) enters (suction) into this exhaust cooler at a back pressure of 0.2 bar and 110 ° C, steam is cooled and condensed, and exhaust (10 mol%) CO 2 is discharged (collected) at -13 ° C, leading ( Pre-condensate, in the exhaust heat absorber, evaporates into 90 ℃ steam and absorbs exhaust heat, the refrigerant (20 mol% x 130%) oxygen is preheated to 50 ℃ (temperature raised), and the refrigerant (7 mol%) ) Nitrogen is heated to 50℃, and the amount of heat to be cooled and the amount of heat to be cooled (Heat Balance) form a thermal equilibrium. In more detail, in this exhaust cooler, the cooling heat of (110℃-90℃) Δ20℃ (20mol%) steam and the cooling heat of 10mol% CO 2 cooling from 110℃ to -13℃ are the sum of the cooling heat The amount of heat for preheating this liquid (20 mol% x 130%) oxygen from -183℃ to 50℃ and the amount of heat for heating liquid (13 mol%) nitrogen to 50℃ and cooling the turbine exhaust form thermal equilibrium. When this turbine exhaust is cooled by the usual cooling water method, a huge amount of condensation heat of steam (563 kcal/kg) must be supplied, but this condensation heat is absorbed as the amount of evaporation heat while the gas and condensate steam evaporates, Even if only the amount of heat (9 cal/kg) corresponding to the temperature difference (Δ20°C) is further supplied as cooling heat, the turbine exhaust is cooled and condensed. This -13℃ 10mol% CO 2 is pressurized to 1atm with a vacuum pump, and after raising the temperature to 100℃, it is cooled to -50℃ with liquid (5mol%) nitrogen in an external CO 2 cooler, and this nitrogen achieves thermal equilibrium. The temperature is raised to 80 ° C. In a compressed air cooler for producing oxygen and nitrogen, liquid refrigerant -196℃ nitrogen cools 130 mol% 120℃ compressed air to 77℃ and heats it up to 60℃ to achieve thermal equilibrium. Oxygen preheated to 50°C in this exhaust cooler is preheated to 430°C with 450°C compressed air compressed by a series compressor on the turbine axis, and this 450°C compressed air is cooled to 350°C and 5.5kg/kcm through an expansion valve. After adiabatic expansion at 2 , it is cooled to 110°C and supplied as pre-compressed air to the compressed air cooler.
도 4에 보인, 터빈 배기열 회수 시스템에서, 본 배기냉각기에서 90℃로 증발하며 막대한 배기열을 흡수한 기-복수 (20mol%) 증기는, 증기 (StmHtr) 가열기에서, 앞서 설명한, 340℃ (25mol%) 질소로 325℃로 가열되고, 이 질소는 110℃로 강온 되어 열평형을 이룬다. 이 0.2bar 325℃ 증기는 1atm으로 가압 610℃로 승온 한 후, 초임계유체 (ScCO2 PreHtr#1) 예열기#1에서, 앞서 설명한 -20℃ 임계압 (73bar) 이상인 32mol% CO2를 595℃ 초임계유체로 예열하고, 이 20mol% 610℃ 증기는 5℃ 냉각수로 복수 되어, 열평형을 이루게 된다. 다음, (초임계유체) ScCO2 예열기#2에서, 32mol% -20℃ CO2가 나머지 (112mol%-25mol%) 87mol% 340℃ 질소로 320℃ 초임계유체로 예열되고, 이 질소는 -5℃로 강온 되어 열평형을 이루게 된다. 이 -20℃ CO2 중 나머지 (80mol%-32-32) 16mol% -20℃ CO2는, (도 5) 질소 액화냉각 시스템의 ScCO2 PreHtr#3에서, 30bar 650℃ (33mol% + 1mol%) 질소로 620℃ 초임계유체로 예열되고, 이 질소는 -5℃로 강온 되어 열평형을 이루게 된다. 이 620℃ 초임계유체 ScCO2, 595℃ ScCO2 및 320℃ ScCO2는 도 1에 도시한 바와 같이, 492℃로 혼합되어, 디퓨저를 통하여, 연소실 운전압력으로 감압, CO2 기체로써 연소실에 주입 재순환된다.In the turbine exhaust heat recovery system shown in FIG. 4, the gas-condensate (20 mol%) steam, which evaporates at 90 ° C. in the exhaust cooler and absorbs enormous exhaust heat, is 340 ° C. (25 mol%) in the steam (StmHtr) heater described above. ) is heated to 325 ° C with nitrogen, and the nitrogen is cooled to 110 ° C to achieve thermal equilibrium. This 0.2bar 325℃ steam is pressurized at 1atm and heated to 610℃, and then, in the supercritical fluid (ScCO 2 PreHtr#1)
아래는, 터빈 배기열을 회수하기 위하여, 히트펌프 수단으로, 터빈 배기 및 냉매 질소를 압축한 압축기의 구동 동력과 회수되는 열량을 비교 정리한 설명이다. 어떤 실린더에 있는 기체에 압력을 가하면, (Enthalpy) 엔탈피(PV)가 증가하고, 피스톤이 후진하면, 이 엔탈피가 감소하며, 엔탈피 감소량이 기계적 동력으로 변환된다. 좀 더 자세히 설명하면, 피스톤으로 기체를 압축하면, 이 PV 증가에 의한 엔탈피가 증가하면서, 이 기체의 온도가 상승하므로, 이 기체의 내부에너지(U)도 증가하게 된다. 즉, 기체의 엔탈피는 H = PV + U로 주어진다. 그러므로 이 기체에 가한 동력은, Δh = h2 - h1, 압축 전(h1) 후(h2) 엔탈피 차로 주어진다. 터빈 배기냉각기에서 0.2bar -13℃로 배출된 CO2가 20bar 360℃로 가압 되었으므로, CO2 0.2bar -13℃ h1 = 362.21 kL/kg, CO2 20bar 360℃ h2 = 719.22 kJ/kg이다. 따라서 Δh = 357.01 kJ/kg이다. 여기에 CO2 유량을 적용하면, Pwr = 357.01 x 44 x 80mol% = 12,567 kJ 동력이 소요된다. 기-복수 증기가 증기 (StmHtr) 가열기에서 325℃로 가열되고, 1atm 610℃로 압축되었으므로, 압축 전 증기 0.2bar 325℃ h1 = 3,126.75 kJ/kg, 압축 후 1atm 610℃ h2 = 3,727.7 kJ/kg, Δh = 600.95 kJ/kg이다. 이에 압축하는 유량을 적용하면, Pwr = 600.95 x 18 x 20mol% = 2,163 kJ 동력이 소요된다. 다음, (도 5) 질소 액화냉각 시스템에서, 1atm 80℃ 증기가 30bar 650℃로 압축됨으로, 질소 1atm 80℃ h1 = 366.37 kJ/kg, 질소 30bar 650℃ h2 = 988.41 kJ/kg, Δh = 622.04 kJ.kg이고, Pwr = 622.04 x 28 x (33mol% + 1mol%) = 5,922 kJ 동력이 소요된다. 따라서 압축기 구동 총 동력은 (12,567 + 2,163 + 5,922) 20,652 kJ이다.The following is a description comparing and organizing the driving power of a compressor that compresses turbine exhaust and refrigerant nitrogen with a heat pump means and the amount of heat recovered in order to recover turbine exhaust heat. When pressure is applied to a gas in a cylinder, (enthalpy) enthalpy (PV) increases, and when the piston moves backward, this enthalpy decreases, and the enthalpy decrease is converted into mechanical power. More specifically, when a gas is compressed with a piston, the temperature of the gas rises as the enthalpy due to the increase in PV increases, so the internal energy (U) of the gas also increases. That is, the enthalpy of a gas is given by H = PV + U. Therefore, the power applied to this gas is given by Δh = h2 - h1, the enthalpy difference before (h1) and after (h2) compression. Since CO 2 discharged at 0.2 bar -13 °C from the turbine exhaust cooler is pressurized at 20 bar 360 °C, CO 2 0.2 bar -13 °C h1 = 362.21 kL/kg and
반면에, 본 발명에서는, 터빈 배기 열량은, 히트펌프 수단으로, 전량 회수된다. (도 4) 터빈 배기열 회수 시스템 초임계유체 ScCO2 PreHtr#1에서, -20℃ 임계압 (73bar) 이상인 80mol% CO2 중 32mol% CO2가 595℃ 초임계유체로 예열됨으로, CO2 73bar -20℃ h1 = 40.69 kJ/kg, CO2 73bar 595℃ h2 = 986.92 kJ/kg, Δh = 946.23 kJ/kg, RcvH1 = 946.23 x 44 x 32mol% = 13,323 kJ 열량이 회수된다. 또, ScCO2 PreHtr#2에서, 이 -20℃ 32mol% CO2가 320℃로 예열됨으로, h1 = 40.69 kJ/kg, 320℃ h2 = 663.89 kJ/kg, Δh = 623.20 kJ/kg, RcvH2 = 623.20 x 44 x 32mol% = 8,775 kJ 열량이 회수된다. 다음, (도 5) (초임계유체) ScCO2 PreHtr#3에서, 이 -20℃ 16mol% CO2가 620℃로 예열됨으로, h1 = 40.69 kJ/kg, CO2 73bar 620℃ h2 = 1017.17= 1017.17 kJ/kg, Δh = 976.48, RcvH3 = 976.48 x 44 x 16mol% = 6,874 kJ 열량이 회수된다. 따라서 총 회수 열량은 (13,323 + 8,775 + 6,874) 28,972 kJ로 계산된다.On the other hand, in the present invention, the entire amount of turbine exhaust heat is recovered by means of a heat pump. (FIG. 4) In the turbine exhaust heat recovery system supercritical fluid ScCO 2 PreHtr#1, 32 mol% CO 2 of 80 mol% CO 2 at -20 ° C critical pressure (73 bar) or higher is preheated as a supercritical fluid at 595 ° C, CO 2 73 bar - 20°C h1 = 40.69 kJ/kg, CO 2 73 bar 595°C h2 = 986.92 kJ/kg, Δh = 946.23 kJ/kg, RcvH1 = 946.23 x 44 x 32 mol% = 13,323 kJ heat is recovered. Also, in ScCO 2 PreHtr#2, since this -20°C 32 mol% CO 2 is preheated to 320°C, h1 = 40.69 kJ/kg, 320°C h2 = 663.89 kJ/kg, Δh = 623.20 kJ/kg, RcvH2 = 623.20 x 44 x 32 mol% = 8,775 kJ heat is recovered. Next, in (FIG. 5) (supercritical fluid) ScCO 2 PreHtr#3, as this -20°C 16 mol% CO 2 is preheated to 620°C, h1 = 40.69 kJ/kg, CO 2 73 bar 620°C h2 = 1017.17= 1017.17 kJ/kg, Δh = 976.48, RcvH3 = 976.48 x 44 x 16 mol% = 6,874 kJ heat is recovered. Therefore, the total recovered heat is calculated as (13,323 + 8,775 + 6,874) 28,972 kJ.
앞서 설명한 총 회수 (28,972 kJ) 열량은 압축기 구동 (20,652 kJ) 동력 대비 (28,972 / 20,652) 140% 이상이고, 구동 동력 대비 40% 이상의 열량이 회수된다. 이 회수 열량에 압축기 구동 동력을 제하면 (Net) 정미 (28,972 - 20,652) 8,320 kJ 열량이 회수된다. 이는 연소로 생성된 20mol% 증기와 순환 CO2가 배기되는 (손실 열량으로 간수) 총 배기열 (8,835 + 3,758) 12,593 kJ 대비 (Net) 66% 열량이 회수된다. 히트펌프 수단으로, 이처럼, 많은 열량이 회수된 이유는, 증기에는 막대한 (잠열) 증발열의 특성이 있기 때문이다. 예를 들어, CO2는 20bar -20℃에서 증발열 (240.89kJ/kg) 58kcal/kg이고, 증기는 대기압에서 이 증발열이 539kcal/kg이다. 만약 증기가 이 CO2처럼 막대한 증발열의 특성이 없었다면, 본 발명에서, 히트펌프 수단으로, 배기열은 회수되지 않는다. 즉, 압축기 구동 동력보다 더 얻어지는 동력이 크지 않기 때문이다. 본 발명에서는, 증기의 막대한 증발열로, 터빈 증기가 냉각 복수되고, 이 증발열로 터빈 배기열이 전량 회수된다.The total amount of heat recovered (28,972 kJ) described above is more than 140% (28,972 / 20,652) of the compressor drive (20,652 kJ) power, and more than 40% of the heat is recovered compared to the driving power. If the compressor driving power is subtracted from this recovered heat amount, (Net) net (28,972 - 20,652) 8,320 kJ heat is recovered. This recovers 66% (Net) of 12,593 kJ of total exhaust heat (8,835 + 3,758) of 20 mol% steam produced by combustion and circulating CO 2 exhausted (counted as heat loss). The reason why such a large amount of heat is recovered by means of a heat pump is that steam has a property of an enormous (latent heat) heat of vaporization. For example, CO 2 has a heat of evaporation (240.89 kJ/kg) of 58 kcal/kg at 20 bar -20°C, and steam has a heat of evaporation of 539 kcal/kg at atmospheric pressure. If steam did not have the characteristic of enormous heat of vaporization like this CO 2 , in the present invention, by means of a heat pump, exhaust heat is not recovered. That is, it is because the obtained power is not greater than the compressor driving power. In the present invention, the turbine steam is cooled and condensed by the enormous evaporation heat of the steam, and the entire turbine exhaust heat is recovered with this evaporation heat.
도 7은 순환 작동유체로 사용되는 CO2의 물리적 특성을 도시한 압력-온도 선도이다. 보통, 기체 CO2가 임계압 이상으로 가압, 열교환 효율이 높은, 초임계유체로 생성되나, 본 발명에서는, 아래처럼, 먼저 액상으로 냉각 액화된 이후, 다음 임계압 (73bar) 이상으로 가압 된 이후, 이 CO2가 임계온도 (31℃) 이상으로 예열되어, 초임계유체로 생성되고, 높은 열교환 효율로 더 고온으로 예열되면서 터빈 배기열을 회수하게 된다. (도 3) 본 배기냉각기에서, -13℃로 (포집) 배출된 CO2가, 도 2에 도시한 바와 같이, 20bar로 가압, 360℃로 승온 한 후, (CO2 Condenser) CO2응축기로 압송되어, (열전달 매체, Intermediator) 액상의 질소로 -20℃로 냉각 액화된다. 다음, 이 CO2가 임계압 (73bar) 이상으로 (펌프 NPSH가 유지되며) 가압, 초임계유체로 생성되어 터빈 배기열을 회수하게 된다. 이 초임계유체 CO2는 디퓨저를 통하여 연소실 운전압력으로 감압 되어 기체 CO2로서 연소실에 주입된다. 이 이유는 다음과 같다. 임계압 (73bar) 이상인 이 CO2초임계유체가, 터빈에서, 팽창하여 임계압에 이르면, 고속으로 회전하는 터빈 블레이드 어느 한 지정에서, 증기와 CO2기체, 또는 CO2기체 입자와 밀도가 액체의 반 정도로 큰 초임계유체 입자가, 뒤섞여, 공존하게 되므로, 게다가 이 CO2는, 분자량이 44로 증기의 것(18)보다 질량이 2배 이상 더 크기 때문에, 터빈 로터는 (직선 운동 질량에 해당하는 Rotational Inertia) 회전관성이 일정하게 유지되지 않아 고속으로 회전할 수 없게 된다. 따라서, 본 발명에서는 연소실에 CO2기체로 주입된다.7 is a pressure-temperature diagram showing physical properties of CO 2 used as a circulating working fluid. Normally, gaseous CO 2 is pressurized above the critical pressure and produced as a supercritical fluid with high heat exchange efficiency. , this CO 2 is preheated to a critical temperature (31°C) or higher to produce a supercritical fluid, and is preheated to a higher temperature with high heat exchange efficiency to recover turbine exhaust heat. (FIG. 3) In this exhaust cooler, CO 2 discharged (collected) at -13 ° C is pressurized at 20 bar, heated to 360 ° C, as shown in FIG. 2, (CO 2 Condenser) to CO 2 condenser It is pressurized and liquefied (heat transfer medium, intermediate) by liquid nitrogen at -20°C. Next, this CO 2 is pressurized above the critical pressure (73 bar) (with the pump NPSH maintained) and is generated as a supercritical fluid to recover turbine exhaust heat. This supercritical fluid CO 2 is reduced to the operating pressure of the combustion chamber through the diffuser and injected into the combustion chamber as gaseous CO 2 . The reason for this is as follows. When this CO 2 supercritical fluid, above the critical pressure (73 bar), expands in a turbine to reach the critical pressure, the turbine blades rotating at high speed, in either design, the vapor and CO 2 gas, or the CO 2 gas particles and the density of the liquid Because supercritical fluid particles that are about half as large as are mixed and coexist, in addition, since this CO 2 has a molecular weight of 44 and a mass more than twice that of steam (18), the turbine rotor (for linear motion mass Corresponding Rotational Inertia) Since the rotational inertia is not maintained constant, it cannot rotate at high speed. Therefore, in the present invention, CO 2 gas is injected into the combustion chamber.
일반적으로 CO2초임계유체 열교환기는 열교환 효율이 높은 인쇄기판형의 것이 주로 사용된다. 이 인쇄기판형 열교환기는 유로의 폭이 수 mm로 작고 긴 것이 특징이다. 이 열교환기는 열교환 효율은 높으나 대항 (Counter) 유체가 냉각될 때, 체적이 3차원으로 줄어들지 않고 1차원으로 줄어들어, 본 발명에서는 CO2초임계유체의 열교환기로서 적합하지 않아 특수 열교환기가 사용된다. 예를 들어, 도 4에 보인, 초임계유체 (ScCO2 PreHtr#1) 예열기#1에서, 셸(Shell)의 610℃ 증기가 튜브로 흐르는 -20℃ CO2로 냉각되어, 이의 체적이 급속히 줄어들어, 이 증기를 압축하는 압축기 부하가 크게 줄어들어야 한다. 도 7은 본 발명 CO2초임계유체의 열교환기의 요부를 도시한 도면이고, 도 8은 이 초임계유체 ScCO2 열교환기의 구조를 상징적으로 보인 도면이다. 이 열교환기에서, 튜브 구경은 모두 인쇄기판형 열교환기의 유로처럼 수 mm로 작고, 재질이, 예를 들어, (ASME) Alloy 617인 튜브가, 도 7에 도시한 바와 같이, 코일스프링 모양으로 형성되어, 대항 유체가 셸 공간에서 흐르면서 이 코일스프링 형상의 튜브와 빈번히 부딪치고 열교환을 이루는 면적이 커지도록 셸에서 (예를 들어) 45°로 배열된다. 따라서, 이 대항 유체는 셸에서 흐르면서 이 튜브와 빈번히 부딪치며 열교환을 이루고 그 체적이 3차원으로 급속히 줄어들게 된다. 따라서 대항 유체 압축기 부하가 크게 줄어들게 된다.In general, the CO 2 supercritical fluid heat exchanger is mainly used as a printed board type with high heat exchange efficiency. This printed board type heat exchanger is characterized in that the width of the passage is small and long with a width of several mm. This heat exchanger has high heat exchange efficiency, but when the counter fluid is cooled, the volume is reduced in one dimension instead of three dimensions, so in the present invention, a special heat exchanger is used because it is not suitable as a heat exchanger for CO 2 supercritical fluid. For example, in the supercritical fluid (ScCO 2 PreHtr#1)
도 9는 CO2초임계유체가 등온팽창 하는 디퓨저 (Diffuser Nozzle) 노즐의 주요 부위의 형상을 도시한 도면이다. 일반 노즐이 있는 어떤 압력용기에 아무리 압력을 가해도 이 노즐로 기체는 음속 이상으로 분출되지 않으나, 이 노즐을 디퓨저 (Diffuser) 모양으로 형성하면, 이 기체는 음속 이상으로 분출된다. 이 원리로 초음속 항공기에서는 터빈 연소가스가 이 디퓨저 노즐을 통해서 분출된다. 어떤 (용기) 실린더에 기체가 있고, 피스톤이 서서히 후진하며 팽창할 때, 이 기체의 온도가 강하되고, 이에 해당하는 에너지는 기계적 동력으로 변화된다. 그러나 이 피스톤이 한순간에 확 후진하면, 이 실린더 내 기체의 온도는 하강하지 않으며, 동력도 생산되지 않는다. 기체가 디퓨저를 통하여 감압 팽창해도, 도시한 바와 같이, 기체가 흐르는 방향 (Vector) 속도는 증가하나, 기체 입자의 평균 (Scalar) 속력은 변함없음으로, 온도는 하강하지 않으며, 에너지 손실도 없다. 한편, 순산소연소를 위한 직화 CO2 가스터빈 전용 연소기는 아직 상용화되지 않았다. 최근에 한국에너지기술연구원에서, 42.8bar 시제품이 달성된 바 있고, 또 알람 (Allam) 사이클 특허에서 CO2초임계유체 순산소연소기 최소 운전압력이 10MPa 이상으로 명시되어 있으므로, 이 알람 사이클 특허를 회피하기 위해서는 순환 작동유체 CO2초임계유체는 적어도 10MPa 이하 압력으로 연소실에 주입되어야 한다. 최근에는, 증기터빈에서, 증기가 초초임계압으로 운전된다. 그러나 질량이 증기보다 2배 이상으로 큰, CO2초임계유체가, 임계점 압력에서, 임계압 이하로 팽창하면, 이 CO2의 기체 입자와 (액상의 밀도 1/2배 정도인) 초임계유체 입자가 공존하게 되므로, 게다가, 연소로 생성된 이상기체로써 증기와 뒤섞여진 상태에서, 터빈 로터는, 초고속 회전운동을 하는 터빈 블레이드에, (직선 운동하는 물체의 질량에 해당하는) 회전관성이 일정하게 유지되지 않아, 초고속 회전운동을 할 수 없게 된다. 본 발명에서는, 이러한 이유로, 상기 CO2초임계유체가, 다 예열된 이후, 연소실에 주입되기 이전에, 디퓨저를 통하여 연소실 운전압력으로 감압 등온팽창 한 후, 기체로써 연소실에 주입되어, 터빈에서 배압 0.2로 충분히 팽창하며 동력을 생산하게 된다. 즉, 직화 순산소연소기가 개발되어 상용화되기 이전에도, 이 CO2초임계유체로 순산소연소가 구현되는, CO2 가스터빈을 실현할 수 있다.9 is a view showing the shape of a main part of a diffuser nozzle in which CO 2 supercritical fluid isothermally expands. No matter how much pressure is applied to any pressure container with a general nozzle, the nozzle does not eject gas faster than the speed of sound. According to this principle, in supersonic aircraft, turbine combustion gases are ejected through this diffuser nozzle. When there is gas in a certain (container) cylinder and the piston slowly expands backwards, the temperature of this gas drops, and the corresponding energy is converted into mechanical power. However, if this piston moves backwards in an instant, the temperature of the gas in this cylinder does not drop and power is not produced. Even if the gas expands under reduced pressure through the diffuser, as shown in the figure, the vector velocity increases, but the average scalar velocity of the gas particles does not change, so the temperature does not decrease and there is no energy loss. Meanwhile, a direct-fired CO 2 gas turbine-only combustor for pure oxygen combustion has not yet been commercialized. Recently, at the Korea Institute of Energy Research, a prototype of 42.8 bar has been achieved, and in the alarm (Allam) cycle patent, the minimum operating pressure of the CO 2 supercritical fluid pure oxygen combustor is specified as 10 MPa or more, so this alarm cycle patent is avoided. To do this, the circulating working fluid CO 2 supercritical fluid must be injected into the combustion chamber at a pressure of at least 10 MPa or less. Recently, in steam turbines, steam is operated at ultra-supercritical pressure. However, if CO 2 supercritical fluid, which has a mass more than twice that of vapor, expands below the critical pressure at the critical point pressure, this CO 2 Since gas particles and supercritical fluid particles (about 1/2 the density of the liquid phase) coexist, in addition, as an ideal gas produced by combustion and mixed with steam, the turbine rotor rotates at a very high speed. In this case, the rotational inertia (corresponding to the mass of the object moving in a straight line) is not kept constant, so that ultra-high speed rotational motion cannot be performed. In the present invention, for this reason, after the CO 2 supercritical fluid is preheated and before being injected into the combustion chamber, after depressurization isothermal expansion to the combustion chamber operating pressure through a diffuser, It is injected into the combustion chamber as a gas and is sufficiently expanded with a back pressure of 0.2 in the turbine to produce power. That is, even before a direct fire oxy-combustor is developed and commercialized, a
도 10은 본 발명에서, 동력이 생산되는 과정을 브레이튼 사이클을 인용하여 보인 T-S이고, 도 11은 통상의 가스터빈이 HRSG로 증기터빈과 복합사이클로 구성된 시스템의 작동유체 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 복합사이클로 구성되면, 터빈 배기는 HRSG에서 110℃로 배기된다. 즉, 이 배기의 온도 차에 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, 복수 된다. 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, 동력이 브레이튼 사이클과 랭킨 사이클을 결합한, (도시한) '배기냉각 사이클'에서 작동유체가 '1c-2-3-4c'의 순환 과정으로, 터빈에서 동력이 더 생산된다. 본 발명에서는, CO2초임계유체가 디퓨저를 통하며 감압 등온팽창하고, 터빈에 주입된다. 따라서 브레이튼 사이클과 달리, 작동유체가 '1c-2-3d_-3d+-4cd' 과정으로 순환하며, 동력이 생산된다. 이 T-S 선도에서, 위의 '3d_-3-3d+'로 순환하는 면적과 아래 '4c-3d+-3d-4cd'로 순환하는 면적은 같다. 즉, 디퓨저를 통하여 감압 등온팽창으로 줄어드는 '3d_-3-3d+'로의 순환 면적과 더 들어나는 '4c-3d+-3d-4cd'로의 순환 면적은 열역학적으로 같아야 한다. 10 is a TS showing the process of generating power in the present invention by citing the Brayton cycle, and FIG. 11 is a flow diagram showing the flow of working fluid in a system composed of a steam turbine and a combined cycle in which a conventional gas turbine is an HRSG. In a gas turbine, in the Brayton cycle, power is produced in a '1-2-3-4' cycle process, and the turbine exhaust is exhausted to the atmosphere at about 600°C. As shown in the figure, when this gas turbine is composed of a steam turbine and a combined cycle in the HRSG, the turbine exhaust is exhausted at 110° C. in the HRSG. That is, power corresponding to the area '1h-1-4-4h' corresponding to the temperature difference of the exhaust is further produced in the steam turbine. In a steam turbine, in a Rankine cycle, steam produces power in the turbine and is sucked into the condenser at a back pressure of 0.2 bar to cool and condensate. In the present invention, turbine (via HRSG) exhaust is sucked into the present exhaust cooler at a back pressure of 0.2 bar and 110°C, cooled, steam is condensed, and exhaust CO 2 is discharged at -13°C. More specifically, in the combined cycle, the exhaust of the HRSG is open to the atmosphere, but in the present invention, since the exhaust of the HRSG is closed with the present exhaust cooler, the power combines the Brayton cycle and the Rankine cycle, (shown) In the 'exhaust cooling cycle', the working fluid is circulated in '1c-2-3-4c', and more power is produced in the turbine. In the present invention, CO 2 supercritical fluid is isothermally expanded under reduced pressure through a diffuser, and then injected into a turbine. Therefore, unlike the Brayton cycle, the working fluid circulates in the process of '1c-2-3d_-3d+-4cd', and power is produced. In this TS diagram, the area circulating in '3d_-3-3d+' above and the area circulating in '4c-3d+-3d-4cd' below are the same. That is, the circulation area to '3d_-3-3d+' reduced by decompression isothermal expansion through the diffuser and the circulation area to '4c-3d+-3d-4cd' that are further revealed should be thermodynamically equal.
앞서 설명한, '배기냉각 사이클'에서, 작동유체가 '1c-1h-4h-4c'의 면적에 해당하는, 더 생산되는 동력은, 터빈에서 블레이드를 향하여 달리는 작동유체 입자가 배압 0.2bar로 (도 2) 본 배기냉각기에 흡입됨으로써, 더 빨리 달려, 블레이드에 충격(Δmv)을 더 가함에 따라 생산된 동력과 터빈 배기열이 (ScCO2) 초임계유체로 회수되는 (열량의) 동력이다. 즉, 브레이튼 사이클처럼 열린 (Open) 사이클이 아닌, 랭킨 사이클처럼, 밀폐 (Close) 사이클인, 이 '배기냉각' 사이클에서, 터빈 배기열이 회수됨으로, '1c-1h-4h-4c'의 면적에 해당하는 동력이 터빈에서 더 생산된다.In the 'exhaust cooling cycle' described above, the power produced by the working fluid corresponding to the area of '1c-1h-4h-4c' is the working fluid particles running toward the blades in the turbine at a back pressure of 0.2 bar (Fig. 2) As it is sucked into this exhaust cooler, it runs faster and more impact (Δmv) is applied to the blades, and the power produced and turbine exhaust heat (ScCO 2 ) are the (caloric) power recovered as supercritical fluid. In other words, in this 'exhaust cooling' cycle, which is not an open cycle like the Brayton cycle but a closed cycle like the Rankine cycle, the turbine exhaust heat is recovered, so the area of '1c-1h-4h-4c' More power is produced by the turbine.
탄소 중립을 실현하기 위해서는, 가스터빈에서 연소로 생성되는 CO2가 포집되어 대기로 방출되지 않아야 한다. 순산소연소가 구현되면, 이 CO2를 쉽게 포집할 수 있다. 따라서 이 순산소연소를 위하여, CES (Clean Energy System) 사이클로, 증기가 연소실로 재순환되는 연구가 진행 중이고, 알람 (Allam) 사이클로, CO2초임계유체가 연소실로 재순환되는 연구가 진행 중이다. 이 순산소연소에서는, 공기 중 질소에 해당하는 작동유체가 줄어듦으로써, 연소실이 과열되고, 또한, 터빈에서 동력 생산량이 줄어드는, 반드시 해결되어야 할, 새로운 문제가 생겨났다. 본 발명에서는, 이 문제가 해소되도록, CO2가, (8CO2 + 2O2 + CH4 = 8CO2 + CO2 + 2H2O), 연소실로 재순환된다. 이 80mol% CO2는 본 발명 실현 과정에서 경제적인 값으로 재설정된다. 이 CO2는, 앞서 설명한 바와 같이, 예열되어 연소실에 이상기체로써 주입 재순환된다. 그러므로, 본 발명에서는, 연소실에서, 순산소연소 환경이 종래의 공기연소 환경과 크게 다르지 않아, 순산소연소로 연소실이 과열되는 문제가 해소된다. 종래의 공기연소에서는, 터빈 배기의 질소를 액화하는 것이 불가하여, 증기터빈에서처럼, 터빈에서 (질소) 배기가 배압 0.2bar로 배기 될 수 없으므로, 터빈에서 동력이 높은 동력생산 효율로 생산되지 못하나, 본 발명에서는, 터빈 (증기) 배기가 복수되고, CO2가 냉각 액화되어, 터빈에서 고효율로 동력이 생산되고, 게다가 터빈 배기열은, 히트펌프 수단으로, 전량 회수되어, 터빈에서 높은 발전 효율이 구현된다.To achieve carbon neutrality, the CO 2 produced by combustion in gas turbines must be captured and not released into the atmosphere. If oxy-combustion is implemented, this CO 2 can be easily captured. Therefore, for this pure oxy-combustion, a study is underway in which steam is recirculated into the combustion chamber in a CES (Clean Energy System) cycle, and a study in which CO 2 supercritical fluid is recirculated into the combustion chamber in an Allam cycle is in progress. In this pure oxy-combustion, a new problem, which must be solved, arises in that the working fluid equivalent to nitrogen in the air is reduced, resulting in overheating of the combustion chamber and reduction in power output from the turbine. In the present invention, CO 2 is recycled to the combustion chamber (8CO 2 + 2O 2 + CH 4 = 8CO 2 + CO 2 + 2H 2 O) to solve this problem. This 80 mol% CO 2 is reset to an economical value in the process of realizing the present invention. As described above, this CO 2 is preheated and injected as an ideal gas into the combustion chamber and recycled. Therefore, in the present invention, in the combustion chamber, the pure oxy-combustion environment is not significantly different from the conventional air combustion environment, and the problem of overheating of the combustion chamber due to pure oxy-combustion is solved. In conventional air combustion, it is impossible to liquefy nitrogen from turbine exhaust, and as in a steam turbine, (nitrogen) exhaust from the turbine cannot be exhausted with a back pressure of 0.2 bar, so power cannot be produced with high power production efficiency in the turbine, In the present invention, turbine (steam) exhaust is condensed, CO 2 is cooled and liquefied, power is produced with high efficiency in the turbine, and all of the turbine exhaust heat is recovered by means of a heat pump, so that high power generation efficiency is realized in the turbine. do.
아래는, 도 2에 도시한, 본 배기냉각기에 대하여, 구체적인 구조와 터빈 배기가 냉각되는 과정을 자세히 설명한 것이다. 본 배기냉각기는, 에어핀 (Air Fin) 쿨러 유형의, 셸-튜브 (Shell & Tube) 유형 열교환기이다. 터빈 배기가 흡입되는, 본 배기냉각기 입구에는, 터빈 배기를 냉각하며, 이의 배기열을 흡수하는, 배기열 (Exhaust Heat Absorber) 흡수기가 설치되어 있으며, 이다음에, 배기 미니냉각기가 설치되어 있고, 이다음에, 천장에서 냉기를 내뿜는 다수의 냉기순환 배관이 장치되어 있으며, 이다음에, 수증기 물보라를 내뿜는 다수의 물분사 노즐이 설치되어 있고, 이 물분사 노즐 아래에 액상의 냉매 질소로 유입 배기가 냉각되는 증기 (Steam Cooler) 냉각기가 설치되어 있으며, 이다음에, 냉매 산소가 튜브로 흐르며, 배기가 냉각되는 수증기 (Vapor Cooler) 냉각기가 설치되어 있으며, 맨 우측에 액상의 냉매 산소가 튜브로 공급되는 (CO2Cooler) CO2냉각기가 이 수증기 냉각기보다 더 높이 설치되어 있다. Below, with respect to this exhaust cooler shown in FIG. 2, a detailed description of the specific structure and the process of cooling the turbine exhaust is described. This exhaust cooler is an air fin cooler type, shell & tube type heat exchanger. At the inlet of this exhaust cooler, where the turbine exhaust is sucked in, an exhaust heat absorber that cools the turbine exhaust and absorbs its exhaust heat is installed, followed by an exhaust mini cooler. In the ceiling, a number of cold air circulation pipes are installed, and then, a number of water spray nozzles are installed to spray water vapor, and the inflow exhaust is cooled with liquid refrigerant nitrogen under the water spray nozzles. Next, a vapor cooler in which refrigerant oxygen flows into the tube and exhaust is cooled is installed, and liquid refrigerant oxygen is supplied to the tube on the far right. (CO 2 Cooler) The CO 2 cooler is installed higher than this steam cooler.
본 발명에서는, 연소실에 산소가 이론 공급량보다 130% 더 공급된다. 따라서 연소실에 더 공급된 (20mol% x (130%-100%) = 6mol%) 미량의 산소, 불완전 연소로 생성된 일산화탄소(CO), 초미량의 질소 등 불응축 기체가, 도시한 바와 같이, 포집 제거되면서, 더불어 배기 미니냉각기를 통하여 이의 냉각 열량으로 유입 터빈 배기가 다소 냉각된다. 이 배기 미니냉각기 다음에, 상기 CO2냉각기 참버의 천장에서, 냉기(Cold Gases)가 흡입되어 이 배기 미니냉각기 뒤쪽 천장에서 분출되는 다수의 냉기순환 배관이 장치되어 있어, 이 냉기순환 배관으로, 과잉 공급된 산소, CO, N2 등 불응축 기체와 CO2가 흡입되어 순환된다. 이 냉기순환 배관 흡입구 위 T-분기점에, (도 3) 블로어 유형의 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.In the present invention, 130% more oxygen is supplied to the combustion chamber than the theoretical supply amount. Therefore, (20 mol% x (130%-100%) = 6 mol%) traces of oxygen, carbon monoxide (CO) generated by incomplete combustion, and non-condensable gases such as ultra-trace nitrogen, which are further supplied to the combustion chamber, as shown, As it is collected and removed, the inlet turbine exhaust is also cooled somewhat by its cooling heat through the exhaust minicooler. Next to the exhaust mini cooler, there are a plurality of cold air circulation pipes in which cold gases are sucked in from the ceiling of the CO2 cooler chamber and blown out from the ceiling behind the exhaust mini cooler. Non-condensable gases such as oxygen, CO, N 2 and
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 참버 저온의 냉기가 흡입되어, 위 천장에서 분출됨으로써, 터빈 배기가 효과적으로 냉각된다. 또한, 이 터빈 배기가 더 효과적으로 냉각되도록, 이 냉기순환 배관의 냉기 분출구 다음에, (선행 배기) 증기가 응축된 복수로, 수증기 물보라가 천장에서 분출되는 다수의 물분사 노즐이 설치되어 있다. 이 물분사 노즐 아래에 있는 증기 (Steam) 냉각기에는 액상의 냉매 질소가 튜브로 흐르며, 유입 배기가 냉각되고, 다음에, 수증기 냉각기에서 유입 배기가 수증기 물보라와 더불어 최종 냉각 복수 되며, 상기 불응축 기체와 터빈 배기 CO2는 더 위에 있는 CO2냉각기로 올라가게 된다. 유입된 배기 CO2는, 이 CO2냉각기에서 냉매 산소로, -13℃로 냉각되어 배큠펌프에 의하여 (포집) 배출되며, 터빈 배기 중 증기는 냉각 복수되어, 도시한 바와 같이, (Hot Well) 핫웰에 고이고, 이어, 복수 펌프로 상기 배기열 흡수기의 튜브로 이송, 냉매로써 후속 터빈 배기를 냉각한 후, 배큠펌프에 흡입되어, (도 4) 터빈 배기열 회수 시스템의 증기 (StmHtr) 가열기로 이송된다.When the cold air circulation blade rotates, non-condensable gas and CO 2 are sucked in, and heavy (large mass) CO 2 flows by centrifugal force to the circulation pipe on the outer side of the circumference of the blade, and the (empty) space where this CO 2 escapes The light non-condensable gas fills and rises upward, and rises to the non-condensable gas collection space. This non-condensable gas is mostly composed of a trace amount of oxygen (6 mol%) that is oversupplied to the combustion chamber. As the circulation blade rotates, this collected non-condensable gas is sucked into the vacuum pump as shown, transported to the exhaust minicooler, slightly cooling the inlet turbine exhaust, and discharged to the atmosphere. With this cold air circulation pipe, the low-temperature cold air of the CO 2 cooler chamber is sucked in and ejected from the upper ceiling, whereby the turbine exhaust is effectively cooled. In addition, in order to more effectively cool the turbine exhaust, a plurality of water spray nozzles are installed next to the cold air outlet of the cold air circulation piping, from which steam is condensed (preceding exhaust), and steam spray is ejected from the ceiling. In the steam cooler below the water spray nozzle, the liquid refrigerant nitrogen flows through the tube, the inlet exhaust is cooled, and then the inlet exhaust in the steam cooler is finally cooled and condensed with water vapor spray, and the non-condensable gas and the turbine exhaust CO 2 goes up to the upper CO 2 cooler. Introduced exhaust CO 2 is cooled to -13°C with refrigerant oxygen in this CO 2 cooler and discharged (collected) by the vacuum pump, and steam in the turbine exhaust is cooled and condensed, as shown (Hot Well) It collects in the hot well, then is transferred to the tube of the exhaust heat absorber by a condensate pump, cools the subsequent turbine exhaust with a refrigerant, is sucked into the vacuum pump, and is transferred to the steam (StmHtr) heater of the turbine exhaust heat recovery system (FIG. 4). .
이처럼 구성된, 본 배기냉각기에 (흡입) 유입된 터빈 110℃ 배기는, 입구에 있는, 배기열흡수기에 진입하여, 튜브로 흐르는 포화온도 60℃ 상태인 (갓 복수) 기(pre)-복수로, 냉각된다. 즉, 이 기-복수는, 터빈 110℃ 배기열로, 증기로 증발하면서, 터빈 배기열을 흡수하고 90℃로 승온 하게 된다. 다음, 이 터빈 배기는, 중앙으로 진입하면서, 상기 냉기순환 배관에서 내뿜는 냉기(Cold Gas)와 상기 물분사 노즐에서 내뿜는, 수증기와 물보라로 직접 냉각되고, 이어, 증기 (Steam Cooler) 냉각기에서, 냉매 질소로, 더 냉각, 복수 되며, 이어, 수증기 냉각기에서 튜브로 흐르는 냉매 산소로 더 냉각되어, 터빈 (배기) 증기는 (0.2bar 포화온도 60.06℃) 60℃로 냉각 최종 복수 된다. 다음, 이 수증기냉각기에서, 수증기보다 가벼운 CO2와 불응축 기체는, 더 높이 위치한, CO2냉각기로 올라간다. 이 CO2냉각기에서, 이 CO2는 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 있는 물분사 노즐 앞쪽으로 되돌아가, 이 CO2냉각기의 냉기가 순환되어 터빈 배기가 더 효과적으로 냉각된다.The 110°C turbine exhaust, which is (suctioned) into the present exhaust cooler configured as described above, enters the exhaust heat absorber at the inlet and flows into the tube at a saturation temperature of 60°C (pre-plural), and is cooled. do. That is, this gas-condensate is 110°C turbine exhaust heat, while evaporating into steam, it absorbs the turbine exhaust heat and raises the temperature to 90°C. Next, as this turbine exhaust enters the center, it is directly cooled by the cold gas emitted from the cold air circulation pipe and water vapor and spray emitted from the water spray nozzle, and then, in the steam cooler, the refrigerant With nitrogen, further cooled, condensate, and then further cooled with refrigerant oxygen flowing through the tubes in the steam cooler, the turbine (exhaust) steam is cooled to 60°C (0.2bar saturation temperature 60.06°C) and finally condensed. Next, in this steam cooler, CO 2 and non-condensable gases, which are lighter than water vapor, rise to a higher-mounted CO 2 cooler. In this CO 2 cooler, this CO 2 is further cooled with refrigerant oxygen, and this cooled CO 2 is sucked (collected) and discharged by a vacuum pump mounted below. In this CO 2 cooler, a small amount of CO 2 and non-condensable gases are sucked into the upper ceiling circulation pipe and returned to the front of the water spray nozzle in the center of this exhaust cooler, whereby the cold air of this CO 2 cooler is circulated to make the turbine exhaust more Cools effectively.
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 CO2 냉각 온도는, 향후 본 발명의 실현 과정에서, CO2가 물에 탄산수로 잘 녹여지는 경제적인 온도와 압력으로 결정된다. 본 배기냉각기에서 -13℃로 포집된 CO2는, 냉각수와 (촉매 작용) 바닷물이 혼합되는 (Mixer) 혼합기에서 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 최적 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.The temperature of the CO 2 captured in the CO 2 cooler is determined by the degree to which the refrigerant oxygen cools the CO 2 . It is known that this CO 2 dissolves well in carbonated water in water at low temperature and high pressure. This CO 2 cooling temperature is determined at an economical temperature and pressure at which CO 2 is easily dissolved in carbonated water in water in the course of realizing the present invention in the future. CO 2 captured at -13℃ in this exhaust cooler is melted into carbonated water in a mixer where cooling water and (catalytic action) seawater are mixed (Mixer), and this carbonated water (recently developed CO 2 produces electricity and hydrogen) is supplied to the hydrogen production system to produce hydrogen. A technology for producing hydrogen with this CO 2 does not fall within the scope of the patent of the present invention. Ammonia (NH 3 ), an optimal storage and transport medium for hydrogen, is produced from this produced hydrogen and nitrogen used as a refrigerant, and clean energy hydrogen is stored in NH 3 . In order to store hydrogen with a boiling point of -252.88℃ as a liquid, ultra-high pressure is required, but this NH 3 can store 1.5 times more than liquid at a low pressure of only 8.5 atm.
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.Since ultra-high pressure is required to store this hydrogen as a liquid, as a storage means of this hydrogen, for example, a magnesium-nickel alloy, a titanium (Ti)-manganese alloy, etc., as methane (CH 4 ) Hydrogen storage alloys, in which hydrogen is stored, have been studied, as hydrogen is stored, but in ammonia (HN 3 ), which is mainly used as a raw material for fertilizer, this hydrogen is 1.5 times more than liquid, already liquefied and stored at low pressure at room temperature. Therefore, HN 3 has recently attracted attention as a hydrogen storage means. Recently, a new technology has been developed in which this HN 3 is produced at a low pressure and low temperature of 45°C at a pressure of 1 atmosphere, and a hydrogen extraction technology in which hydrogen is separated from nitrogen at 450°C or less in this HN 3 has been developed. In other words, this hydrogen is easily produced from 78% nitrogen in the atmosphere, HN 3 is stored in this container (HN 3 ), and this hydrogen can be easily taken out and used (in the future) from this container (HN 3 ). . In the present invention, CO 2 constantly produced by combustion is not captured and released into the atmosphere, hydrogen is produced from this CO 2 , and NH 3 is produced from nitrogen using this hydrogen as a refrigerant, and eventually this clean energy hydrogen This NH 3 is stored.
가스터빈에서, 터빈 배기가 냉각되어 증기가 복수되고 이산화탄소(CO2)가 포집되며, 터빈 배기열이 전량 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.In a gas turbine, turbine exhaust is cooled so that steam is condensed and carbon dioxide (CO 2 ) is captured, and the entire amount of turbine exhaust heat is recovered, so that high power generation efficiency is achieved, and in addition, hydrogen is produced from CO 2 produced by combustion; Ammonia (NH 3 ) is produced from this hydrogen and nitrogen used as a refrigerant for pure oxygen combustion, and eventually, hydrogen is produced from the CO 2 in question, and 1.5 times more than liquid is stored in NH 3 , thereby CO 2 It is characterized by being configured to realize neutrality.
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Claims (5)
(제2항) 터빈 배기가 (도 2) 배기냉각기에 흡입, 냉각 복수되고, 이미 냉각 복구된 기(pre)-복수가, 배기열 (Exh.Heat Absorber) 흡수기에서, 터빈 배기열로, 증기로 증발하면서, 이 터빈 배기를 냉각하고, 90℃로 승온, 터빈 배기열을 흡수하여, (도 4) 터빈 배기열 회수 시스템의 배큠펌프로 흡입되고, 증기 (StmHtr) 가열기로 이송되며, 배기 CO2가 -13℃로 (포집) 배출되며, 이 CO2가 20bar로 가압 360℃ 이상 승온 후, 액상의 냉매 질소가, CO2응축기에서, CO2를 -20℃ 냉각 액화하며, 340℃로 승온 하고, 이 액상의 CO2가 임계압 (73bar) 이상으로 가압 되고, (도 4) 터빈 배기열 회수 시스템의 초임계유체 (ScCO2 PreHtr#1) 예열기#1 및 예열기#2로 압송되어,
(제3항) (도 4) 터빈 배기열 회수 시스템에서, 히트펌프 수단으로, (초임계유체) ScCO2 PreHtr#1 및 ScCO2 PreHtr#2 초임계유체로 생성, 400℃ 이상 예열되고, 또, 상기 -20℃ 일부(16mol) 액상의 CO2가, (도 5) 질소 액화냉각 시스템의 초임계유체 (ScCO2 PreHtr#3) 예열기#3에 압송되어,
(제4항) 이 -20℃ CO2가, 1atm 질소를 30bar로 가압 650℃로 승온 한 질소로, 초임계유체로 생성되며, 600℃ 이상으로 예열되고,
(제5항) 연소로 생성된 터빈 배기 CO2가, -13℃로 냉각 (포집) 배출되어, 냉매 산소로, -50℃로 더 냉각되고, 연소로 생성된 5℃ (복수) 냉각수와 바닷물에, 상기 CO2가, 혼합기(Mixer)에서 탄산수로 녹여지고, 수소가 생산되는 시스템에 공급되어, 수소가 생산되도록 구성된, 기-복수 및 순산소연소에 의한 배기냉각, 배기열회수 및 CO2포집 장치와 히트펌프 및 탄소 중립 운전 방법.
In a gas turbine, oxygen and nitrogen produced from air are used as refrigerants, only oxygen is injected into the combustion chamber, and CO 2 as a working fluid is preheated with turbine exhaust heat by means of a heat pump, injected into the combustion chamber, and recirculated to obtain pure oxygen Combustion is implemented,
(Claim 2) The turbine exhaust is sucked into the exhaust cooler (Fig. 2), cooled and condensed, and the pre-condensate that has already been cooled and recovered evaporates into steam in the exhaust heat (Exh.Heat Absorber) absorber as turbine exhaust heat. While cooling the turbine exhaust, the temperature is raised to 90 ° C, and the turbine exhaust heat is absorbed, (FIG. 4) is sucked into the vacuum pump of the turbine exhaust heat recovery system, transferred to the steam (StmHtr) heater, and the exhaust CO 2 is -13 After this CO 2 is pressurized at 20 bar and the temperature rises above 360 ° C, the liquid refrigerant nitrogen, in the CO 2 condenser, cools and liquefies the CO 2 at -20 ° C, raises the temperature to 340 ° C, and this liquid phase of CO 2 is pressurized above the critical pressure (73 bar), and (FIG. 4) the supercritical fluid (ScCO 2 PreHtr#1) of the turbine exhaust heat recovery system is pumped to preheater #1 and preheater #2,
(Claim 3) (FIG. 4) In the turbine exhaust heat recovery system, by means of a heat pump, (supercritical fluid) ScCO2 PreHtr#1 and ScCO2 PreHtr#2 are generated as supercritical fluids, preheated to 400 ° C. or higher, and the above - Some (16 mol) liquid CO2 at 20 ° C is pumped to preheater # 3 of the supercritical fluid (ScCO2 PreHtr # 3) of the nitrogen liquefaction cooling system (FIG. 5),
(Claim 4) This -20℃ CO2 is produced as a supercritical fluid by pressurizing 1atm nitrogen at 30bar and raising the temperature to 650℃, and preheating it to 600℃ or higher,
(Claim 5) Turbine exhaust CO 2 produced by combustion is cooled (collected) to -13°C and discharged with refrigerant oxygen, further cooled to -50°C, and 5°C (plural) cooling water and seawater produced by combustion E, the CO 2 is dissolved in carbonated water in a mixer and supplied to a system in which hydrogen is produced, and exhaust cooling, exhaust heat recovery and CO 2 capture device by gas-condensation and pure oxygen combustion configured to produce hydrogen and how to operate heat pumps and carbon neutrality.
다수의 냉기순환 배관이 장치되어 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 뿜어내는 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 아래에, 냉매 질소에 의한 증기 (Steam Cooler) 냉각기가 설치되어 있고, 이다음에, 냉매 산소에 의한, (Vapor Cooler) 수증기냉각기가 설치되어 있으며, 맨 우측에, 이 수증기 냉각기보다 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, 배기열 흡수기 튜브로 이송되어, 후속 터빈 배기가, 이 기-복수 기화열로, 냉각되며, 천장에서 분출되는, 냉기와 수증기 물보라로, (배기가) 효과적으로 냉각되며, 증기 냉각기 및 수증기 냉각기에서, 냉매 질소와 산소로, 증기가 냉각 최종 복수되고, 연소로 생성된 CO2가, CO2냉각기로 올라가, 냉매 산소로 더 냉각되어 영하(-13℃)로 (포집) 배출되도록, 구성된 기-복수 및 순산소연소에 의한 배기냉각, 배기열회수 및 CO2포집 장치.3. In the exhaust cooler (FIG. 3), an exhaust heat absorber is installed at the inlet where the turbine exhaust is sucked, and an exhaust mini cooler is installed next to the rear end thereof, and then installed on the far right side. The cold air (cold gas) is sucked in from the ceiling of the CO 2 cooler chamber,
A plurality of cold air circulation pipes are equipped, and at the T-junction above the inlet of the cold air circulation pipe, (FIG. 3) a blade through which cold air from the CO 2 cooler chamber is suctioned and circulated is installed, right above the blade, (combustion unreacted) ) A collection space for non-condensable gases such as oxygen and CO is formed, and a vacuum pump that blows out this non-condensable gas is installed. As it circulates, non-condensable gas is collected, and this non-condensable gas is configured to be removed, and after the cold air circulation pipe, as condensate that has already been cooled and condensed, water vapor spray is ejected from the ceiling.
A plurality of water spray nozzles are installed, and below the water spray nozzle, a steam cooler by refrigerant nitrogen is installed, followed by a vapor cooler by oxygen refrigerant. , On the far right, a CO 2 cooler is installed higher than the steam cooler, and a vacuum pump is installed to cool (capture) and discharge the CO 2 introduced under the CO 2 cooler (-13℃). ,
Turbine exhaust sucked into this exhaust cooler is cooled and condensed, and the already cooled pre-condensate is transferred as a refrigerant to a pre-condensate pump to an exhaust heat absorber tube, so that the subsequent turbine exhaust is In the furnace, it is cooled, it is effectively cooled (exhaust air) by sprays of cold air and water vapor ejected from the ceiling, in steam coolers and steam coolers, with refrigerants nitrogen and oxygen, steam is cooled and finally condensed, CO 2 produced by combustion Exhaust cooling, exhaust heat recovery, and CO2 capture device by gas-condensate and pure oxygen combustion configured to go up to the CO 2 cooler, be further cooled with refrigerant oxygen, and (collect) discharged at below zero (-13°C).
The method of claim 1, wherein the turbine exhaust CO 2 generated by combustion is cooled (captured) to -13 ° C, discharged, pressurized at 1 atm with a vacuum pump, heated to 100 ° C, and external (CO 2 ExCooler) In a CO 2 cooler, It is cooled to -50℃ with liquid refrigerant nitrogen, and the steam generated by combustion is cooled to 5℃ with refrigerant (17mol%) nitrogen in (Stm Cond#2), and a mixer (Mixer) in which this cooling water and seawater are mixed ), the -50°C CO 2 is dissolved in carbonated water, and then this carbonated water is supplied to the system, where hydrogen is produced as CO 2 , hydrogen is produced, and ammonia as nitrogen utilized as a refrigerant with this hydrogen (NH3) is configured to be manufactured, thereby economically realizing the neutrality of CO 2 constantly generated in power plants.
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