KR20240057530A - 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템 - Google Patents

천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템 Download PDF

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박정극
박세익
이상협
신주곤
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Abstract

본 발명은 발전소의 가스터빈으로부터 배출되는 배기가스 중 온실가스인 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소의 배출을 제로화하고, 포집된 이산화탄소를 원료로 하여 수소를 생산하며, 생산된 수소를 발전 연료로 재활용하는 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템을 개시한다.
전술한 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템은 천연가스와 수소를 혼소하여 전력을 생산하는 가스터빈 발전설비, 상기 가스터빈 발전설비에서 배출되는 배기가스로부터 열원을 회수하는 열회수 증기발생기, 상기 열회수 증기발생기로부터 회수된 열원을 이용하는 증기터빈 발전설비, 상기 가스터빈 발전설비로부터 배출되는 배기가스 중에서 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집설비, 및 상기 이산화탄소 포집설비로부터 포집된 이산화탄소를 이용하여 수소를 생산하는 수소 발생설비를 포함한다.

Description

천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템{Natural gas and hydrogen cofiring gas turbine power generation system}
본 발명은 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전소의 가스터빈으로부터 배출되는 배기가스 중 온실가스인 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소의 배출을 제로화하고, 포집된 이산화탄소를 원료로 하여 수소를 생산하며, 생산된 수소를 발전 연료로 재활용하는 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템에 관한 것이다.
최근 들어 급격한 산업화로 인해서 온실가스의 배출이 급증하고 있고, 온실가스 중 이산화탄소가 차지하는 비율은 약 80% 이상이다. 이산화탄소는 화석연료가 연소할 때 연료 중 탄소가 산소와 결합하여 생기기 때문에 그 발생량을 규제하기 위해서는 화석연료의 사용을 억제할 수밖에 없다.
전 세계적 목표인 온실가스와 미세먼지 배출 저감을 달성하여 청정에너지 시대를 열기 위한 메가트렌드에 따라 국내 전력산업은 신재생에너지 증대, 탈석탄 및 LNG 전환 그리고 수소경제 활성화로 요약되는 대전환기를 맞이하고 있다.
전력산업 메가트렌드를 안정적으로 수용하기 위해서는 다양한 신기술의 개발과 실증이 필수적이다. 풍력 및 태양광과 같은 간헐성 재생에너지의 급격한 확대로 전력계통 안정성 확보 문제가 대두되었으며, 가스터빈은 석탄화력 대비 온실가스 배출량이 50% 수준으로 낮아 기후변화 대응이 가능하고, 타 발전원 대비 기동시간이 짧고, 출력의 증·감발 속도가 높은 설비 특성으로 인해서 예상되는 계통 불안정성을 수용할 수 있다.
특히 최근에는 국가적 연료수급에 대한 에너지 안보 및 수소산업 활성화를 위해 가스터빈의 연료 다변화(fuel flexibility) 기술개발과 보급이 강조되고 있고, 이러한 기조 속에서 수소 가스터빈 기술개발과 상용화가 수소경제 활성화 로드맵에 반영되었다.
전력산업의 메가트렌드를 수용하고, 재생에너지의 간헐성 문제를 해결하기 위해서는 가스터빈 발전이 유망한 대안이긴 하나, 가스터빈 발전 또한 천연가스를 주로 사용하기 때문에 온실가스인 이산화탄소를 발생시킬 수밖에 없고, 수소산업 활성화와 환경문제 해결을 위한 일환으로 천연가스와 수소의 혼소를 통한 발전이 대두되고 있긴 하나, 완전한 수소 연소 가스터빈이 도입되기 전까지는 천연가스로 인해서 이산화탄소를 발생시킬 수밖에 없는 문제를 안고 있다.
공개특허 제10-2021-0133414호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 발전소의 가스터빈으로부터 배출되는 배기가스 중 온실가스인 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소의 배출을 제로화하고, 포집된 이산화탄소를 원료로 하여 수소를 생산하며, 생산된 수소를 발전 연료로 재활용하는 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예는 천연가스와 수소를 혼소하여 전력을 생산하는 가스터빈 발전설비, 상기 가스터빈 발전설비에서 배출되는 배기가스로부터 열원을 회수하는 열회수 증기발생기, 상기 열회수 증기발생기로부터 회수된 열원을 이용하는 증기터빈 발전설비, 상기 가스터빈 발전설비로부터 배출되는 배기가스 중에서 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집설비, 및 상기 이산화탄소 포집설비로부터 포집된 이산화탄소를 이용하여 수소를 생산하는 수소 발생설비를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 있어, 상기 가스터빈 발전설비는 천연가스와 수소를 혼소하는 연소기, 상기 연소기로부터 배출되는 배기가스로 구동되는 가스터빈, 상기 가스터빈에 의한 구동력으로 동작하여 상기 연소기에 압축공기를 제공하는 공기압축기, 및 상기 가스터빈에 의한 구동력으로 동작하여 전력을 생산하는 가스터빈 발전기를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 있어, 상기 열회수 증기발생기는 상기 가스터빈 발전설비로부터 배출되는 배기가스를 열원을 이용하여 고온고압의 증기를 발생시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 있어, 상기 증기터빈 발전설비는 상기 열회수 증기발생기로부터 제공되는 고온고압의 증기를 이용하여 회전에너지를 발생하는 증기터빈, 상기 증기터빈으로부터 제공되는 회전에너지를 이용하여 전력을 생산하는 증기터빈 발전기, 상기 증기터빈을 회전시킨 다음 배출되는 저온저압의 증기를 응축하는 복수기, 및 상기 복수기를 거쳐 응축된 순환수를 상기 열회수 증기발생기로 재순환하는 순환수펌프를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 있어, 상기 이산화탄소 포집설비는 상기 열회수 증기발생기를 지나 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 포집하여 상기 수소 발생설비로 공급하고, 이산화탄소가 제거된 배기가스를 굴뚝을 통해 대기 중으로 배출하도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 있어, 상기 수소 발생설비는 상기 이산화탄소 포집설비로부터 이산화탄소를 제공받고 내부에 전해질 수용액을 저장하는 반응공간, 상기 반응공간의 내부에 설치되고 전원과 전기적으로 연결되는 산화전극과 환원전극, 상기 반응공간의 내부에 설치되고 전해질 수용액의 용매인 물과 이산화탄소에 의한 용해반응을 돕기 위해 이산화탄소의 유동경로를 연장시키는 배플유로와, 이산화탄소와 수용액 사이의 반응 표면적을 확대시키는 스프레이밸브, 및 상기 반응공간의 내부와 교통 가능하게 설치되고 산화전극과 환원전극으로부터 발생되는 기체를 외부로 배출하는 배기구를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 있어, 상기 반응공간은 화학반응으로 인해 발생되는 탄산수소나트륨을 외부로 제거하기 위한 수용액 배출구, 및 상기 전해질 수용액의 내부 주입을 위한 수용액 유입구를 구비하되, 상기 수용액 유입구의 측부에는 상기 이산화탄소 포집설비로부터 제공되는 이산화탄소의 유입을 위한 이산화탄소 유입구가 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 있어, 상기 수용액 배출구는 수용액 중에 포함된 이온의 제거를 위한 필터와 교통 가능하게 설치되고, 상기 필터는 이산화탄소의 용해도를 높이기 위해 수용액의 온도를 낮추기 위한 열교환기와 교통 가능하게 설치되며, 상기 열교환기는 상기 수용액 유입구와 교통 가능하게 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예는 상기 수용액 유입구와 교통 가능하게 설치되는 수용액 공급구를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 있어, 상기 배플유로는 상기 반응공간의 내부에서 상기 수용액 유입구와 상기 이산화탄소 유입구에 인접한 위치에 배치되도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 있어, 상기 스프레이밸브는 상기 배플유로의 상부에서 상기 반응공간의 내부를 향해 수용액을 미립자 형태로 분사하도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 있어, 상기 전원은 상기 가스터빈 발전설비와 상기 증기터빈 발전설비 중 적어도 어느 하나로부터 생산되는 교류전기를 직류전기로 변환하여 제공받도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템은 발전소의 배기가스 중 온실가스인 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소의 배출을 제로화할 수 있고, 포집된 이산화탄소를 원료로 하여 수소를 생산하여 생산된 수소를 발전 연료로 재활용할 수 있으므로, 전력의 생산원가를 크게 낮출 수 있는 효과를 제공하게 된다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템은 가스터빈의 수소연소기술 개발 단계에서 기존의 가스터빈 복합발전소에 있는 연소기에 대한 개조 없이 천연가스와 수소의 혼합 연소를 가능하게 하는 운영 기술에 적용될 수 있게 된다. 그리고 발전 과정 중에 발생하는 이산화탄소를 제거하여 배기가스 중 이산화탄소 배출을 제로화할 뿐만 아니라 수소를 생산하여 발전 연료로 재활용할 수 있는 효과를 제공하게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템은 완전한 수소 연소 가스터빈이 도입되기 전까지 기술의 개발 과도기에 적용되는 기술로서 장기적인 수소산업 활성화에 이바지할 뿐만 아니라, 온실가스의 주범인 이산화탄소의 배출을 억제하여 환경문제를 해결할 수 있는 효과를 제공하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템에 대한 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 수소 발생설비에 대한 세부적인 구성을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다. 또한, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
도 1을 참조로 하면, 본 발명의 실시예에 따른 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템은 가스터빈 발전설비, 열회수 증기발생기(1300), 증기터빈 발전설비, 이산화탄소 포집설비(1400), 및 수소 발생설비(1500)를 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 가스터빈 발전설비는 공기압축기(1000), 연소기(1100), 가스터빈(1200), 및 가스터빈 발전기(2000)를 구비하도록 구성된다.
상기 공기압축기(1000)는 외부로부터 공기를 유입받아 이를 압축하여 상기 연소기(1100)로 공급하게 된다. 즉, 상기 공기압축기(1000)는 외기를 압축하여 상기 연소기(1100)의 연소에 필요로 하는 공기를 제공하는 역할을 수행하도록 구성된다.
상기 연소기(1100)는 외부로부터 제공되는 천연가스와 수소를 혼합하여 연소하는 역할을 수행하도록 구성된다.
상기 가스터빈(1200)은 상기 연소기(1100)로부터 배출되는 배기가스를 매개로 회전에너지를 발생하고, 발생된 회전에너지를 이용하여 상기 공기압축기(1000)와 상기 가스터빈 발전기(2000)를 함께 구동시키는 역할을 수행하도록 구성된다. 즉, 상기 가스터빈(1200)과 상기 공기압축기(1000) 및 상기 가스터빈 발전기(2000)는 구동축을 상호 연동 가능하게 공유하는 형태로 구성될 수 있을 것이다.
상기 가스터빈 발전기(2000)는 상기 가스터빈(1200)으로부터 제공되는 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 역할을 수행하도록 구성된다. 즉, 상기 가스터빈 발전기(2000)는 상기 연소기(1100)로부터 배출되는 배기가스를 이용하여 전력을 생산하는 것이다.
그리고 상기 열회수 증기발생기(1300)는 상기 가스터빈(1200)을 경유하여 제공되는 고온의 배기가스가 가지는 열원을 회수하는 일종의 열교환기에 해당하는 것으로, 배기가스의 열원을 이용하여 고온고압의 증기를 발생시키는 장치에 해당한다.
또한, 상기 증기터빈 발전설비는 증기터빈(1600), 복수기(1700), 순환수펌프(1800), 및 증기터빈 발전기(2100)를 구비하도록 구성된다.
상기 증기터빈(1600)은 상기 열회수 증기발생기(1300)로부터 제공되는 고온고압의 증기를 이용하여 회전에너지를 발생하고, 발생된 회전에너지를 이용하여 상기 증기터빈 발전기(2100)를 구동시키는 역할을 수행하도록 구성된다. 즉, 상기 증기터빈(1600)과 상기 증기터빈 발전기(2100)는 구동축을 상호 연동 가능하게 공유하는 형태로 구성될 수 있을 것이다.
상기 복수기(1700)는 상기 증기터빈(1600)을 회전시킨 다음 배출되는 저온저압의 증기를 응축하여 순환수를 생성한 다음, 이를 상기 순환수펌프(1800)로 제공하게 된다.
상기 순환수펌프(1800)는 상기 복수기(1700)에 의해 응축된 순환수를 상기 열회수 증기발생기(1300)로 공급함으로써 순환수의 재순환을 구현하는 역할을 수행하도록 구성된다.
상기 증기터빈 발전기(2100)는 상기 증기터빈(1600)으로부터 제공되는 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 역할을 수행하도록 구성된다. 즉, 상기 증기터빈 발전기(2100)는 상기 열회수 증기발생기(1300)로부터 배출되는 고온고압의 증기를 이용하여 전력을 생산하는 것이다.
즉, 상기 증기터빈 발전기(2100)는 상기 열회수 증기발생기(1300)로부터 제공되는 고온고압의 증기를 이용하여 상기 증기터빈(1600)을 구동하고, 상기 증기터빈(1600)은 증기터빈 발전기(2100)를 구동하여 전력을 생산하게 된다.
또한, 상기 이산화탄소 포집설비(1400)는 상기 열회수 증기발생기(1300)를 지나 배출되는 배기가스로부터 이산화탄소를 포집하는 역할을 수행하도록 구성된다. 이를 위해, 상기 이산화탄소 포집설비(1400)는 흡수제를 포함하는 흡수탑과 재생탑을 구비한다.
즉, 상기 이산화탄소 포집설비(1400)는 상기 연소기(1100)의 연소후 배출되는 배기가스로부터 고순도의 이산화탄소를 포집한 다음, 포집된 고순도의 이산화탄소를 상기 수소 발생설비(1500)로 공급하는 역할을 수행하도록 구성된다.
부연하자면, 상기 가스터빈(1200)과 상기 열회수 증기발생기(1300)를 지나 배출되는 배기가스는 상기 열회수 증기발생기(1300)를 경유하여 상기 이산화탄소 포집설비(1400)로 제공되는 데, 이때 이산화탄소 포집설비(1400)는 고순도의 이산화탄소를 포집한 다음, 이를 상기 수소 발생설비(1500)로 제공하게 된다.
한편, 상기 이산화탄소 포집설비(1400)를 거쳐 이산화탄소가 제거된 배기가스는 굴뚝(1900)을 통해 대기 중으로 배출되도록 구성된다.
도 2를 참조로 하면, 상기 수소 발생설비(1500)는 상기 이산화탄소 포집설비(1400)로부터 제공되는 이산화탄소를 이용하여 전해질, 전원공급장치, 산화전극, 환원전극 등으로 구성되는 반응공간 내에서 전기화학적 반응을 통해 수소기체의 생산을 도모한 다음, 생산된 수소기체를 상기 가스터빈 발전설비에서 가스터빈(1200)의 연소에 필요로 하는 연료로서 재활용될 수 있게 하는 역할을 수행하도록 구성된다.
이를 위해, 상기 수소 발생설비(1500)는 상기 이산화탄소 포집설비(1400)로부터 이산화탄소를 제공받고 내부에 전해질 수용액(1570)을 저장하는 반응공간(1510), 상기 반응공간(1510)의 내부에 설치되고 전원(1540)과 도선을 통해 전기적으로 연결되는 산화전극(1520)과 환원전극(1530), 상기 반응공간(1510)의 내부에 설치되고 전해질 수용액(1570)의 용매인 물과 이산화탄소에 의한 용해반응을 돕기 위해 이산화탄소의 유동경로를 연장시키는 배플유로(1550)와, 이산화탄소와 수용액 사이의 반응 표면적을 확대시키는 스프레이밸브(1560), 및 상기 반응공간(1510)의 내부와 교통 가능하게 설치되고 산화전극(1520)과 환원전극(1530)으로부터 발생되는 기체를 외부로 배출하는 배기구(1580)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 수소 발생설비(1500)에 있어, 상기 반응공간(1510)은 하부에 화학반응으로 인해 발생되는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 외부로 제거하기 위한 수용액 배출구(1512)를 구비하고, 새로운 전해질 수용액(1570)이 내부로 주입될 수 있게 하는 수용액 유입구(1514)를 구비한다. 이 경우, 상기 수용액 유입구(1514)의 측부에는 상기 이산화탄소 포집설비(1400)로부터 제공되는 이산화탄소의 유입을 위한 이산화탄소 유입구(1516)가 별도로 구비된다.
또한, 상기 수소 발생설비(1500)에 있어, 상기 수용액 배출구(1512)는 수용액 중에 포함된 이온의 제거를 위한 필터(2400)와 교통 가능하게 설치되고, 상기 필터(2400)는 이산화탄소의 용해도를 높이기 위해 수용액의 온도를 낮추기 위한 열교환기(2200)와 교통 가능하게 설치되며, 상기 열교환기(2200)는 상기 수용액 유입구(1514)와 교통 가능하게 설치된다.
이에 따라, 상기 수용액 배출구(1512)를 통해 외부로 배출되는 전해질 수용액(1570)은 상기 필터(2400)를 거치면서 이온이 제거될 수 있게 되고, 상기 필터(2400)를 거쳐 이온이 제거된 수용액은 상기 열교환기(2200)를 거치면서 이산화탄소의 용해도가 높아질 수 있도록 온도가 낮춰진 상태에서 상기 수용액 유입구(1514)를 통해 상기 반응공간(1510)의 내부로 재공급될 수 있게 된다.
또한, 상기 수소 발생설비(1500)는 부족한 수용액의 추가적인 공급을 위해 상기 수용액 유입구(1514)와 교통 가능하게 설치되는 수용액 공급구(1518)를 더 포함하여 구성된다. 즉, 상기 수용액 공급구(1518)를 통해 제공되는 새로운 수용액은 상기 필터(2400)와 열교환기(2200)를 거쳐 재처리된 수용액과 합류하여 상기 반응공간(1510)의 내부로 공급될 수 있게 된다.
또한, 상기 전원(1540)은 상기 가스터빈 발전기(2000)와 상기 증기터빈 발전기(2100) 중 적어도 어느 하나로부터 생산되는 교류전기가 인버터(미도시)를 통해 직류전기로 변환한 다음 인가될 수 있도록 구성(도 1에서 점선으로 표시)되어 있어, 상기 수소 발생설비(1500)를 통해 지속적인 수소 기체(H2)의 발생이 구현될 수 있게 된다.
또한, 상기 수소 발생설비(1500)에 있어, 상기 배플유로(1550)는 상기 반응공간(1510)의 내부에서 체류하는 이산화탄소의 유동경로를 연장시킬 수 있는 역할을 수행함으로써, 상기 이산화탄소 유입구(1516)를 통해 상기 이산화탄소 포집설비(1400)로부터 제공되는 이산화탄소가 물과의 화학적 용해반응에 의해 수소로 전환될 수 있는 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
이를 위해, 상기 배플유로(1550)는 상기 반응공간(1510)의 내부에서 상기 수용액 유입구(1514)와 상기 이산화탄소 유입구(1516)에 인접한 위치에 배치되도록 구성되는 것이 바람직할 것이다.
또한, 상기 수소 발생설비(1500)에 있어, 상기 스프레이밸브(1560)는 상기 반응공간(1510)의 내부를 향해 미립자 형태의 수용액을 분사함으로써, 상기 반응공간(1510)의 내부에서 이산화탄소와 수용액 사이의 반응 표면적을 확대시키는 역할을 수행하게 된다.
예컨대, 상기 스프레이밸브(1560)는 상기 배플유로(1550)의 상부에서 상기 반응공간(1510)의 내부를 향해 수용액을 미립자 형태로 분사하도록 구성되는 것이 바람직할 것이다. 이에 따라, 상기 반응공간(1510)의 내부에서 수용액에 대해 충분히 용해되지 못하고 수용액의 수면 위로 분출되는 이산화탄소는 상기 스프레이밸브(1560)를 통해 미립자 형태로 분사되는 수용액과의 추가적인 반응을 통해 보다 효율적으로 용해될 수 있게 된다.
이하, 상기 수소 발생설비(1500)에 있어, 상기 반응공간(1510)의 내부에서 이산화탄소와 물의 화학적 용해반응을 기반으로 이루어지는 산화전극(1520)과 환원전극(1530)에서의 산화 및 환원반응에 대해 상세하게 설명한다.
상기 전해질 수용액(1570)은 염화나트륨(NaCl) 수용액으로 구성되고, 그에 따른 전해질 수용액(1570)은 나트륨 양이온(Na+)과 염소 음이온(Cl-)을 포함하게 된다.
상기 전해질 수용액(1570)으로 이산화탄소 가스가 주입되어 발생하는 이산화탄소의 화학적 용해반응은 다음과 같고, 이산화탄소 가스는 전해질 수용액(1570)의 용매인 물과 자발적인 화학반응을 통해 수소양이온(H+)과 중탄산염(HCO3 -)을 생성하게 된다.
Figure pat00001
상기 환원전극(1530)은 전원(1540)과 음극으로 연결되어 있어 전자를 공급받게 되고, 이산화탄소와 물의 자발적 화학반응을 통해 생성된 수소 양이온(H+)은 환원전극(1530)에서 전자와 결합하여 수소 기체(H2)를 발생하게 된다.
Figure pat00002
상기 산화전극(1520)은 전원(1540)과 양극으로 연결되어 있어 염소 기체(Cl2)를 발생하게 된다.
Figure pat00003
즉, 상기 수소 발생설비(1500)는 이산화탄소를 활용한 용해반응과 산화전극(1520)과 환원전극(1530)을 통한 전기화학적 반응을 통해 지속적으로 수소 기체(H2)와 염소 기체(Cl2)를 생산하게 된다.
이에 따라, 본 발명은 가스터빈 발전설비에서 연소후 발생되는 이산화탄소를 이용하여 수소 기체(H2)와 염소 기체(Cl2)를 각각 생성하게 되는 데, 수소 발생설비(1500)의 환원전극(1530)에서 발생되는 수소 기체(H2)는 천연가스와 수소 사이의 혼합 연소를 할 수 있는 연료로 활용될 수 있고, 수소 발생설비(1500)의 산화전극(1520)에서 발생되는 염소 기체(Cl2)는 세정 및 살균분야 등에서 활용될 수 있게 된다.
1000-공기압축기 1100-연소기
1200-가스터빈 1300-열회수 증기발생기
1400-이산화탄소 포집설비 1500-수소 발생설비
1510-반응공간 1512-수용액 배출구
1514-수용액 유입구 1516-이산화탄소 유입구
1518-수용액 공급구 1520-산화전극
1530-환원전극 1540-전원
1550-배플유로 1560-스프레이밸브
1570-전해질 수용액 1580-배기구
1600-증기터빈 1700-복수기
1800-순환수펌프 1900-굴뚝
2000-가스터빈 발전기 2100-증기터빈 발전기
2400-필터

Claims (12)

  1. 천연가스와 수소를 혼소하여 전력을 생산하는 가스터빈 발전설비;
    상기 가스터빈 발전설비에서 배출되는 배기가스로부터 열원을 회수하는 열회수 증기발생기;
    상기 열회수 증기발생기로부터 회수된 열원을 이용하는 증기터빈 발전설비;
    상기 가스터빈 발전설비로부터 배출되는 배기가스 중에서 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집설비; 및
    상기 이산화탄소 포집설비로부터 포집된 이산화탄소를 이용하여 수소를 생산하는 수소 발생설비를 포함하여 구성되는 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스터빈 발전설비는
    천연가스와 수소를 혼소하는 연소기;
    상기 연소기로부터 배출되는 배기가스로 구동되는 가스터빈;
    상기 가스터빈에 의한 구동력으로 동작하여 상기 연소기에 압축공기를 제공하는 공기압축기; 및
    상기 가스터빈에 의한 구동력으로 동작하여 전력을 생산하는 가스터빈 발전기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열회수 증기발생기는 상기 가스터빈 발전설비로부터 배출되는 배기가스를 열원을 이용하여 고온고압의 증기를 발생시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 증기터빈 발전설비는
    상기 열회수 증기발생기로부터 제공되는 고온고압의 증기를 이용하여 회전에너지를 발생하는 증기터빈;
    상기 증기터빈으로부터 제공되는 회전에너지를 이용하여 전력을 생산하는 증기터빈 발전기;
    상기 증기터빈을 회전시킨 다음 배출되는 저온저압의 증기를 응축하는 복수기; 및
    상기 복수기를 거쳐 응축된 순환수를 상기 열회수 증기발생기로 재순환하는 순환수펌프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 이산화탄소 포집설비는 상기 열회수 증기발생기를 지나 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 포집하여 상기 수소 발생설비로 공급하고, 이산화탄소가 제거된 배기가스를 굴뚝을 통해 대기 중으로 배출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소 발생설비는
    상기 이산화탄소 포집설비로부터 이산화탄소를 제공받고 내부에 전해질 수용액을 저장하는 반응공간;
    상기 반응공간의 내부에 설치되고 전원과 전기적으로 연결되는 산화전극과 환원전극;
    상기 반응공간의 내부에 설치되고 전해질 수용액의 용매인 물과 이산화탄소에 의한 용해반응을 돕기 위해 이산화탄소의 유동경로를 연장시키는 배플유로와, 이산화탄소와 수용액 사이의 반응 표면적을 확대시키는 스프레이밸브; 및
    상기 반응공간의 내부와 교통 가능하게 설치되고 산화전극과 환원전극으로부터 발생되는 기체를 외부로 배출하는 배기구를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 반응공간은
    화학반응으로 인해 발생되는 탄산수소나트륨을 외부로 제거하기 위한 수용액 배출구; 및
    상기 전해질 수용액의 내부 주입을 위한 수용액 유입구를 구비하되,
    상기 수용액 유입구의 측부에는 상기 이산화탄소 포집설비로부터 제공되는 이산화탄소의 유입을 위한 이산화탄소 유입구가 구비되는 것을 특징으로 하는 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 수용액 배출구는 수용액 중에 포함된 이온의 제거를 위한 필터와 교통 가능하게 설치되고, 상기 필터는 이산화탄소의 용해도를 높이기 위해 수용액의 온도를 낮추기 위한 열교환기와 교통 가능하게 설치되며, 상기 열교환기는 상기 수용액 유입구와 교통 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 수용액 유입구와 교통 가능하게 설치되는 수용액 공급구를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 배플유로는 상기 반응공간의 내부에서 상기 수용액 유입구와 상기 이산화탄소 유입구에 인접한 위치에 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 스프레이밸브는 상기 배플유로의 상부에서 상기 반응공간의 내부를 향해 수용액을 미립자 형태로 분사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템.
  12. 청구항 6에 있어서,
    상기 전원은 상기 가스터빈 발전설비와 상기 증기터빈 발전설비 중 적어도 어느 하나로부터 생산되는 교류전기를 직류전기로 변환하여 제공받도록 구성되는 것을 특징으로 하는 천연가스와 수소의 혼합 연소용 가스터빈 복합발전 시스템.


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