WO2013100711A1 - 복합발전시스템 및 복합발전시스템의 이산화탄소 포집방법 - Google Patents

복합발전시스템 및 복합발전시스템의 이산화탄소 포집방법 Download PDF

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윤좌문
김태희
이기풍
이태원
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Definitions

  • One embodiment of the present invention relates to a complex power generation system having a combination of a natural gas synthesis device and a fuel cell device.
  • Synthetic natural gas is a device that produces Synthetic Natural Gas (hereinafter referred to as SNG), and converts CO and H 2 in the syngas through gas purification process after gasification of coal and organic materials at high temperature and high pressure. Synthesized to 3: 3 to form a process that produces methane-based gases. Synthetic natural gas can be synthesized from various organic raw materials as alternative energy. Synthetic natural gas has the advantage of using the existing LNG supply chain as it is, can be used as a raw material of synthetic oil and synthetic compounds.
  • SNG Synthetic Natural Gas
  • the fuel cell device is a power generation device that directly converts chemical energy into electrical energy.
  • the fuel containing hydrogen is continuously supplied and the oxygen-containing air is continuously supplied to the electrochemical reaction of the supplied hydrogen and oxygen.
  • the energy difference before and after the reaction is directly converted into electrical energy.
  • the fuel cell may continuously generate electric energy as fuel and oxygen are continuously supplied.
  • Coal-fired power plants which produce electrical energy based on coal, generate significant amounts of carbon dioxide. Since carbon dioxide is the main target of greenhouse gas reduction, reducing the amount of carbon dioxide emitted from the turbidity thermal power plant is a major task of coal-fired power plants.
  • a method of collecting and supplying carbon dioxide to a fuel cell device may be considered while implementing a more efficient power generation system by combining a natural gas synthesis device and a fuel cell device.
  • One object of the present invention is to provide a more efficient combined cycle system.
  • Another object of the present invention is to link a natural gas synthesis apparatus and a fuel cell apparatus, or to link a natural gas synthesis apparatus and a fuel cell apparatus with a carbon dioxide discharge facility such as a coal-fired power plant, thereby achieving higher efficiency and higher efficiency. It is to provide a complex power generation system having a carbon dioxide capture rate.
  • the combined cycle power generation system by generating coal and oxygen in the gasifier to produce a synthesis gas through the methanation reactor to synthesize the methane It includes a gas synthesis device, a fuel cell device that receives the fuel containing methane from the natural gas synthesis device to generate electrical energy and a power generation device for producing electrical energy using the fluid discharged from the fuel cell device.
  • the natural gas combined growth value may include a first reactor configured to generate hydrogen and carbon dioxide through a water gas shift reaction using a fluid flowing from the gasifier;
  • the method may further include a second reactor receiving the fluid discharged from the first reactor and separating carbon dioxide and sulfur compounds through physical or chemical separation.
  • the fuel cell apparatus may further include a cathode electrode and an anode electrode, and the fuel supplied from the natural gas synthesis apparatus may be supplied to the anode electrode.
  • unused fuel discharged from the anode may be introduced into the first reactor.
  • carbon dioxide generated through the first reactor and the second reactor may be converted into methane in the methanation reactor and introduced into the anode electrode.
  • carbon dioxide discharged from the second reactor may be supplied to the cathode electrode.
  • the apparatus may further include an oxygen supply unit configured to supply oxygen to the gasifier, and the oxygen supply unit may supply at least a part of oxygen to the cathode electrode.
  • the method may further include a condenser connected to the cathode electrode to separate water and carbon dioxide from the fluid discharged from the cathode electrode.
  • the power generation device a compressor for compressing the fluid discharged from the stack unit, an oxidizer for oxidizing the fluid passing through the compressor, and the power generation using the gas discharged from the oxidizer It may include a turbine.
  • the apparatus may further include a heat recovery unit connected to the turbine to absorb the arrangement of the gas discharged from the turbine.
  • a natural gas synthesis apparatus for synthesizing methane through a methanation reactor after generating a synthesis gas in a gasifier receives coal and oxygen
  • the natural gas synthesis Combined power generation including a fuel cell device that receives fuel containing methane from the device to generate electrical energy and a carbon dioxide supply unit for supplying carbon dioxide discharged from a carbon dioxide discharge facility adjacent to the fuel cell device to the cathode electrode of the fuel cell device Start the system.
  • the fuel cell apparatus may include an anode electrode supplied with hydrogen formed from methane produced in the methanation reactor.
  • the first reactor for generating hydrogen and carbon dioxide through a water gas shift reaction (Water Gas Shift Reaction) using the fluid flowing from the gasifier, and discharged from the anode electrode
  • the unreacted gas may be supplied to the first reactor.
  • the method may further include a second reactor that receives the fluid discharged from the first reactor and separates carbon dioxide and sulfur compound through physical or chemical separation.
  • the carbon dioxide supply unit may further include a desulfurization apparatus for removing sulfur from exhaust gas discharged from the power plant, and a pressurizing apparatus for supplying the exhaust gas including carbon dioxide to a predetermined or higher pressure to supply the cathode electrode. It may include.
  • Natural gas synthesis apparatus including a methanation reactor for synthesizing methane by using a fuel cell apparatus for generating electric energy by receiving a fuel containing methane from the natural gas synthesis apparatus and a mixed gas discharged from the fuel cell apparatus
  • a complex power generation system including a separator device for separating heavy hydrogen and supplying the hydrogen to the first reactor.
  • At least a portion of the carbon dioxide in the mixed gas may be supplied to the gasifier.
  • the carbon dioxide discharged from the carbon dioxide discharge facility adjacent to the fuel cell device may further include a carbon dioxide supply unit for supplying the fuel cell device.
  • the fuel cell apparatus may include an anode electrode and a cathode electrode, and the carbon dioxide supply unit may supply carbon dioxide to the cathode electrode.
  • the carbon dioxide supply unit may further include a desulfurization apparatus for removing sulfur from the exhaust gas discharged from the power plant and a pressurizing apparatus for pressurizing carbon dioxide to a predetermined pressure or more and supplying the cathode to the cathode.
  • the method may further include a second reactor that receives the fluid discharged from the first reactor and separates carbon dioxide and sulfur compound through physical or chemical separation.
  • the complex power generation system may form a natural gas synthesis device and a fuel cell device in combination, thereby reducing facility and operating costs and collecting CO 2 .
  • the size and power consumption of the carbon dioxide recovery device can be reduced.
  • 1 and 2 is a conceptual diagram of a reaction process and apparatus of a natural gas synthesis apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of a fuel cell device related to the present invention.
  • 4 to 8 are conceptual diagrams of a combined power generation system according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph showing the conversion rate by Boudouard Reaction between carbon dioxide and carbon monoxide according to temperature (° C.) and pressure (atm).
  • 1 and 2 is a conceptual diagram of a reaction process and apparatus of a natural gas synthesis apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the natural gas synthesizing apparatus 100 purifies low-cost coal at high temperature and high pressure (CO + H 2 ), and then refines the clean coal to produce synthetic natural gas, synthetic oil, or electric power. Fueling technology.
  • the raw material pre-treated with the oxygen in the gasifier 110 to produce hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), a synthesis gas at about 1400 degrees Celsius, and carbon dioxide as a by-product (CO 2 ), methane (CH 4 ), hydrogen sulfide (H 2 S), ash (Ash) and the like.
  • the high temperature gas undergoes a gas purification process of removing contaminant gases such as dust, sulfur and mercury through the gas purification unit 130 after heat recovery through the syngas cooling unit 120.
  • the contaminated gas purification process produces a synthesis gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, methane, and hydrogen sulfide as main components, and the synthesis gas having such a composition flows into the first reactor 140 formed to perform a water gas transition reaction. .
  • the synthesis gas introduced into the first reactor 140 generates H 2 and CO 2 through a water gas shift reaction (CO + H 2 O ⁇ CO 2 + H 2 ), and then rectisol
  • the reactor is introduced into a reactor (hereinafter referred to as a second reactor), and the second reactor 150 separates CO 2 and sulfur components through physical and chemical separation.
  • the separated CO 2 may be compressed and embedded in the ground.
  • the natural gas synthesis apparatus 100 uses the first fluid 140 to generate H 2 and CO 2 through a water gas shift reaction using the introduced fluid, and through physical and chemical separation.
  • the second reactor 150 is connected to the methanation reactor 160.
  • the methanation reactor 160 may generate methane using carbon monoxide and hydrogen introduced from the second reactor 150, and compress the methane to supply the methane to the fuel cell device 200.
  • the natural gas synthesis apparatus 100 and the power generation unit may be linked to each other so that methane generated from the natural gas synthesis apparatus 100 may be used.
  • the methanation process occurring in the methanation reactor 160 is a process of reacting hydrogen in the synthesis gas with carbon dioxide and carbon monoxide to convert it into methane.
  • the reaction of (i) and / or (ii) below is performed.
  • the methanation reaction may be performed under any conditions as long as the purpose of supplying the anode gas containing methane to the coal gasification combined cycle fuel cell system of the present invention can be achieved, but since the methanation reaction is exothermic, When the reaction temperature is lowered, while the equilibrium concentration of carbon monoxide is lowered, the reaction rate is also lowered, so that the reaction temperature may be in the range of 100 to 400 ° C., 200 to 350 ° C., or 250 to 300 ° C.
  • the methanation reaction may be performed using one or more methanation catalysts selected from the group consisting of nickel-based methanation catalysts, iron-based methanation catalysts and ruthenium-based methanation catalysts.
  • the natural gas synthesizing apparatus 100 uses methane, oxygen, and a recyclable heat source using low cost coal, and thus, a combined cycle power plant having better efficiency when integrating the fuel cell module into the synthetic natural gas apparatus. Can be produced.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of a fuel cell device 200 related to the present invention.
  • Types of fuel cells include Phosphoric Acid Fuel Cell, Alkaline Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Molten Carbonate Fuel Cell, Solid Oxide Fuel cell (Solid Oxide Fuel Cell), direct methanol fuel cell (Direct Methanol Fuel Cell).
  • Fuel cell types as described above operate on the same principle as fuel, but are classified according to the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and the like.
  • molten carbonate fuel cell is operated at high temperature of more than 650 °C, so the electrochemical reaction rate is fast, so it can be advantageous in terms of economic efficiency because nickel can be used instead of platinum catalyst as electrode material. Even carbon monoxide, which acts as a poisoning substance on the platinum electrode of the fuel cell, can be used as fuel through a water gas shift reaction.
  • high-temperature waste heat can be recovered and used to increase the thermal efficiency of the entire power generation system to 60% or more.
  • the molten carbonate fuel cell is operated at a high temperature, it is possible to employ an internal reforming form in which a fuel reforming reaction is simultaneously performed in a fuel cell stack in which an electrochemical reaction occurs.
  • the internally reformed molten carbonate fuel cell uses heat generated in the electrochemical reaction in a reforming reaction that is a direct endothermic reaction without a separate external heat exchanger, heat flow can be controlled more effectively than the externally reformed molten carbonate fuel cell.
  • the thermal efficiency of the overall system is further increased while the system configuration is simplified.
  • the fuel cell apparatus 200 may include a fuel supply unit supplying a predetermined amount of fuel and a reformer unit 210 and a reformer unit 210 that generate a by-product including hydrogen gas and heat by receiving fuel from the fuel supply unit. It may include a stack unit for generating electricity and heat by the electrochemical reaction of oxygen supplied separately from the hydrogen gas.
  • the reformer unit 210 may include a reactor and a burner therein, and the stack unit may include a plurality of unit cells including an anode electrode 220, an electrolyte membrane 240, and a cathode electrode 230. Can be done.
  • the fuel supply unit supplies fuel and water including liquefied natural gas (also called LNG) or methane (CH 4 ) to the reformer 210
  • steam reforming reaction is performed in the reformer 210.
  • Partial Oxidation in combination produce hydrogen gas, heat of reaction and other by-products including water.
  • oxygen supplied separately from the hydrogen gas supplied from the reformer unit 210 generates an electrochemical reaction to generate electricity, heat, and water.
  • the hydrogen gas (H 2 ) is supplied to the anode electrode (Anode (electrode), 220) side carbonate ions (CO 3 2- )
  • An electrochemical oxidation reaction occurs to produce water, carbon dioxide, and electrons (e-).
  • cathode electrode aka, cathode
  • oxygen, carbon dioxide, and electrons supplied from the outside generate an electrochemical reduction reaction to generate carbonate ions (CO 3 2 ⁇ ), reaction heat, and water.
  • the carbonate ions generated at the cathode electrode 230 move from the cathode electrode 230 to the anode electrode 220 through the electrolyte of the electrolyte membrane 240 positioned between the cathode electrode 230 and the anode electrode 220.
  • Electrons generated at the anode electrode 220 move through an external circuit, and electrical energy is generated by the movement of electrons.
  • the electrolyte is normally in a solid state, but when the fuel cell system is normally operated, the temperature is increased to about 650 ° C, and the electrolyte is liquefied.
  • the CO 2 is moved and concentrated from the cathode electrode 230 to the anode electrode 220 through the electrolyte by the electrochemical reaction mechanism .
  • the exhaust gas having a low concentration of carbon dioxide of the thermal power plant 310 is supplied to the cathode electrode 230 of the fuel cell device 200, carbon dioxide in the exhaust gas of the thermal power plant 310 is selectively carbonate according to the above reaction formula.
  • the carbon dioxide may be concentrated by moving to the anode electrode 220. This degree of concentration can be up to 90% of the carbon dioxide emissions from the thermal power plant (310).
  • the fuel cell device 200 (melt carbonate fuel cell) according to the present invention can be classified into an internal reforming type and an external reforming type according to the natural gas reforming method, in particular by using a fuel conversion method by the internal reforming, After the catalyst is installed inside the cell, it can be reformed to use natural gas as a direct fuel without the need to install a separate reformer outside.
  • the heat generated from the stack during power generation is used in the reforming reaction to simplify the system without the need for a separate stack cooling device.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of a hybrid power generation system according to a first embodiment of the present invention.
  • the fuel cell apparatus 200 is connected to supply hydrogen from the natural gas synthesis apparatus 100 (supply line 181-> supply line 252). More specifically, the methane generated in the methanation reactor 160 is supplied to the reformer unit 210, the reformer unit 210 forms hydrogen and carbon dioxide through a chemical reaction, and the hydrogen generated in the reformer unit 210 It is supplied to the anode electrode 220 of the fuel cell device 200.
  • the anode electrode 220 is supplied with hydrogen (H 2 ) to generate water, carbon dioxide, and electrons (e ⁇ ) as an electrochemical oxidation reaction occurs with carbonate (CO 3 2- ).
  • some of the mixed gas may be supplied to the oxidizer 201 through the discharge line 251 of the anode electrode 220.
  • the carbon dioxide discharged from the second reactor 150 is discharged through the supply lines 151 and 152, respectively, one of the supply lines 152 to the oxidizer 201 together with the air supply 101 It can be formed to supply oxygen and carbon dioxide.
  • Oxygen and carbon dioxide supplied from the oxidizer 201 through the supply line 254 are supplied to the cathode electrode 230 of the fuel cell device.
  • oxygen, carbon dioxide, and electrons supplied to the cathode electrode 230 generate an electrochemical reduction reaction, thereby generating carbonate ions (CO 3 2- ), reaction heat, and water.
  • the discharge line 253 of the cathode electrode 230 passes through a heat exchanger, through which the fuel supplied to the anode electrode 220 may be heated.
  • the reformer or the desulfurizer which forms the fuel cell device 200 by integrating the fuel cell device 200 into the natural gas synthesis device 100 is unnecessary.
  • the CO 2 discharged from the methanation reactor can be further supplied to the cathode, the efficiency of the fuel cell module can be improved.
  • the volume ratio of the gas component supplied to the methanation reactor 160 is H 2 (0.7%), CO (0.05%), CO 2 (21.3%), CH 4 (75.9%), C 2 (0.05% ), N 2 (2.0%) is preferred.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of a hybrid power generation system according to a second embodiment of the present invention.
  • the fuel cell apparatus 1200 is connected to supply hydrogen from the natural gas synthesis apparatus 1100 (supply line 1181-> supply line 1252).
  • the methane produced in the methanation reactor 1160 is supplied to the reformer unit 1210, the reformer unit 1210 forms hydrogen and carbon dioxide through a chemical reaction, and the hydrogen generated in the reformer unit 1210
  • the anode electrode 1220 of the fuel cell device 1200 is supplied.
  • the anode electrode 1220 is supplied with hydrogen (H 2 ) to generate water, carbon dioxide, and electrons (e ⁇ ) as an electrochemical oxidation reaction occurs with carbonate (CO 3 2- ).
  • Carbon dioxide discharged from the second reactor 1150 is supplied to the cathode electrode 1230 through the supply line 1151.
  • Oxygen supplied from the oxygen supply unit 1104 is supplied to the cathode electrode 1230 through the oxygen supply line 1105.
  • the condenser is connected to the cathode electrode in order to separate carbon dioxide and water from the exhaust gas discharged from the cathode electrode.
  • a heat exchanger may be disposed between the condenser and the cathode electrode.
  • the fluid containing the unused fuel discharged from the anode electrode 1220 through the discharge line 1251 is recycled to the first reactor 1140 of the SNG production process to further generate a water gas transition reaction to improve the overall efficiency We can plan.
  • H 2 and CO are supplied to the first reactor 1140 as an unused fuel discharged from the anode electrode 1220 through the discharge line 1251 to cause a water gas shift reaction.
  • unused fuel discharged from the anode electrode 1220 flows into the first reactor 1140, and the first reactor 1140 and the second reactor 1150 are separated from each other.
  • the generated CO 2 flows into the cathode electrode 1230 and supplies pure CO 2 and O 2 excluding N 2 to the stack.
  • methane and H 2 generated through the methanation reactor 1160 may be supplied to the anode electrode 1220 of the stack portion to increase overall power production efficiency.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram of a hybrid power generation system according to a second embodiment of the present invention.
  • the fuel cell apparatus 2200 is connected to supply hydrogen from the natural gas synthesis apparatus 2100 (supply line 2181-> supply line 2252).
  • the methane generated in the methanation reactor 2160 is supplied to the reformer unit 2210, the reformer unit 2210 forms hydrogen and carbon dioxide through a chemical reaction, and the hydrogen generated in the reformer unit 2210
  • the anode electrode 2220 of the fuel cell device 2200 is supplied.
  • the anode electrode 2220 is supplied with hydrogen (H 2 ) to generate water, carbon dioxide, and electrons (e ⁇ ) as an electrochemical oxidation reaction occurs with carbonate (CO 3 2- ).
  • Carbon dioxide discharged from the second reactor 2150 is supplied to the cathode electrode 2230 through the supply line (2151).
  • Oxygen supplied from the oxygen supply unit 2104 is supplied to the cathode electrode 2230 through the oxygen supply line 2105.
  • some of the carbon dioxide discharged from the condenser 2102 is separated and supplied to the cathode electrode 2230 through the supply line 2103.
  • the fluid including the unreacted fuel discharged through the discharge lines 2251 and 2253 of the anode electrode 2220 and the cathode electrode 2230 flows into the compressor 2106. Fluid passing through compressor 2106 passes through oxidizer 2107 and produces power through turbine 2108.
  • the hot gas passing through the turbine 2108 is supplied to the condenser 2102 via a heat recovery steam generator 109.
  • the fluid supplied to the condenser 2102 is condensed and separated into CO 2 and H 2 O, and some of the carbon dioxide discharged from the condenser 2102 is separated and supplied to the cathode electrode 2230 through the supply line 2103.
  • the compressor 2106, the oxidizer 2107 and the turbine 2108 become the second generator.
  • the fluid recovered from the heat recovery unit 2109 may be supplied to a third power generation device (not shown) having a steam turbine.
  • the fluid discharged from the anode electrode and the cathode electrode constituting the stack portion may generate additional power through the second or third power generation device. For this reason, the efficiency of the whole system can be improved.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram of a hybrid power generation system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the fuel cell device 3200 is connected to supply hydrogen from the natural gas synthesis device 3100 (supply line 3181-> supply line 3252).
  • the methane generated in the methanation reactor 3160 is supplied to the reformer unit 3210, the reformer unit 3210 forms hydrogen and carbon dioxide through a chemical reaction, and the hydrogen generated in the reformer unit 3210 is The anode electrode 3220 of the fuel cell device 3200 is supplied.
  • the anode electrode 3220 is supplied with hydrogen (H 2 ) to generate water, carbon dioxide, and electrons (e ⁇ ) as an electrochemical oxidation reaction occurs with carbonate (CO 3 2- ). At this time, hydrogen and carbon monoxide are also supplied as by-products, and the discharge line of the anode electrode 3220 is connected to the first reactor 3140 so that the remaining products except the former are supplied to the first reactor 3140 in which the water gas transition reaction occurs. Can be.
  • the mixed gas discharged from the anode electrode may include carbon monoxide, hydrogen, carbon dioxide, H 2 O, and the like. Among them, hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) can be supplied to the first reactor 3140 because it can be reused as unused fuel.
  • the fuel cell device 3200 is connected through a carbon dioxide supply unit 3320 and a supply line 3311 to receive carbon dioxide from a carbon dioxide discharge facility 3310 such as a coal fired power plant.
  • a carbon dioxide discharge facility 3310 such as a coal fired power plant.
  • the carbon dioxide supply unit 3320 may include a desulfurization apparatus.
  • the carbon dioxide supply unit 3320 may further include a pressurizing device for pressurizing carbon dioxide to a predetermined pressure or more and supplying it to the cathode electrode 3230.
  • the carbon dioxide discharged from the carbon dioxide discharge facility 3310 is supplied to the cathode electrode 3230 of the fuel cell device 3200 through the supply line 3321, thereby collecting CO 2 without additional collecting device in the stack portion. Since this becomes possible, the partial pressure of CO 2 is increased on the cathode electrode 3230 of the stack portion, thereby improving power generation performance of the stack portion, thereby increasing power production performance efficiency.
  • the fluid containing the unused fuel discharged from the stack portion may be recycled to the first reactor 3140 of the SNG production process to further generate a water gas transition reaction to improve the overall efficiency.
  • the carbon dioxide capture method of the combined cycle power generation system includes the following steps.
  • a carbon dioxide discharge facility 3310 such as a coal fired power plant, is desulfurized and pressurized to be supplied to the cathode electrode 3230 of the fuel cell.
  • the carbon dioxide supplied to the cathode electrode 3230 is converted to carbonate ions CO 3 2 ⁇ , concentrated through the anode electrode 3220, and then discharged as carbon dioxide from the anode electrode 3220.
  • the carbon dioxide discharged from the anode electrode 3220 passes through the first reactor 3140 and the second reactor 3150 of the natural gas synthesis apparatus.
  • the carbon dioxide that passed through the second reactor 3150 is separated and embedded in the storage space after compression.
  • the combined cycle power generation system can collect up to 90% of the carbon dioxide emitted from the carbon dioxide discharge facility (3310).
  • the carbon dioxide discharge facility 3310, the fuel cell device 3200, and the natural gas synthesis device 3100 are connected to each other. That is, a coal-fired power plant, one of the carbon dioxide discharge facilities 3310, emits carbon dioxide while producing electrical energy using coal, which is a main raw material.
  • the natural gas synthesis apparatus 3100 generates methane using an organic compound.
  • the fuel cell apparatus 3200 generates electric energy using hydrogen generated from methane and carbon dioxide discharged from the carbon dioxide discharge facility 3310, and concentrates and collects carbon dioxide.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram of a hybrid power generation system according to a fifth exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 9 illustrates a conversion rate by a Boudouard Reaction between carbon dioxide and carbon monoxide depending on temperature (° C.) and pressure (atm).
  • temperature ° C.
  • pressure atm
  • the fuel cell apparatus 4200 is connected to supply hydrogen from the natural gas synthesis apparatus 4100 (supply line 4181-> supply line 4252).
  • the methane generated in the methanation reactor 4160 is supplied to the reformer unit 4210, the reformer unit 4210 forms hydrogen and carbon dioxide through a chemical reaction, and the hydrogen generated in the reformer unit 4210 is The anode electrode 4220 of the fuel cell device 4200 is supplied.
  • the anode electrode 4220 is supplied with hydrogen (H 2 ) to generate water, carbon dioxide, and electrons (e ⁇ ) as an electrochemical oxidation reaction occurs with carbonate ions (CO 3 2- ).
  • hydrogen H 2
  • e ⁇ electrons
  • CO 3 2- carbonate ions
  • unreacted hydrogen, CH 4 , H 2 O and carbon monoxide are also supplied from the anode electrode, and the anode electrode discharge line 4251 is supplied to the first reactor 4140 in which the remaining products except for the electron are generated in the water gas transition reaction. ) May be connected to the first reactor 4140.
  • the separator device 4190 is formed at one point on the anode discharge line 4251.
  • the mixed gas discharged from the anode electrode 4220 may include carbon monoxide, hydrogen, carbon dioxide, H 2 O, or the like. Among them, hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) may be supplied to the first reactor 4140 because they may be reused as unused fuel. However, when carbon dioxide is supplied to the first reactor 4140, the capacity of the second reactor 4150 for collecting carbon dioxide should be increased. When the capacity of the second reactor 4150 is increased, the efficiency of the entire system is lowered and the cost is increased.
  • the separator 4190 is formed to separate hydrogen and carbon dioxide from the mixed gas discharged from the anode electrode 4220.
  • the separators constituting the separator 4190 include a polymer membrane, an inorganic membrane, a carbon membrane, a zeolite membrane, a transport membrane, and the like. Can be used.
  • Hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO), which are unused fuel separated by the membrane device 4190, from the mixed gas discharged from the anode electrode discharge line 4251 are supplied to the first reactor 4140.
  • the supplied fuel causes a water gas shift reaction in the first reactor 4140.
  • the reaction taking place is as follows.
  • a part of the carbon dioxide separated by the separator 4190 is supplied to the gasifier 4110 through a supply line 4192.
  • the carbon dioxide supplied to the gasifier 4110 may be used as a substitute for nitrogen supplied to the gasifier 4110 as a transport gas, thereby reducing the amount of air supplied to the gasifier 4110 and The power consumption associated with the supply of can also be reduced.
  • carbon dioxide can be converted into carbon monoxide by reacting with carbon, it is possible to increase efficiency through additional generation of fuel, and this carbon dioxide is collected again through the second reactor 4150, thereby increasing the carbon dioxide capture rate. Can be.
  • Efficiency may be increased by supplying carbon dioxide to the gasifier 4110, and the reaction is as follows.
  • Some of the carbon dioxide separated by the membrane device 4190 may move through the supply line 4191, and may be collected and stored in the carbon dioxide storage 4170 together with the carbon dioxide discharged through the second reactor 4150. Since the carbon dioxide separated by the membrane device 4190 is high in purity, a separate device for increasing the concentration of carbon dioxide is not required.
  • a valve 4191 is formed between the supply lines 4192 and 4193 so that carbon dioxide can be dividedly supplied.
  • the membrane device 4190 by separating the carbon dioxide from the mixed gas discharged from the anode electrode 4220 through the membrane device 4190, the capacity of the second reactor 4150 may be reduced, and the air supplied to the gasifier 4110 may be reduced. By reducing the amount of power, the overall system power consumption can be reduced.
  • the membrane device 4190 by generating CO as a raw material by Boudouard Reaction, it is possible to increase the conversion efficiency through the carbon dioxide reuse. That is, the membrane device 4190 can increase the energy efficiency and carbon dioxide capture rate of the entire system.
  • the fuel cell device 4200 is connected through a carbon dioxide supply unit 4320 and a supply line 4311 to receive carbon dioxide from the carbon dioxide discharge facility 4310. Since the exhaust gas of the carbon dioxide discharge facility 4310 contains unnecessary sulfur, the carbon dioxide supply unit 4320 may include a desulfurization apparatus. In addition, since the exhaust gas of the carbon dioxide discharge facility 4310 has a low pressure, the carbon dioxide supply unit 4320 may further include a pressurizing device for pressurizing carbon dioxide to a predetermined pressure or more and supplying it to the cathode electrode 4230.
  • the carbon dioxide discharged from the carbon dioxide discharge facility 4310 is supplied to the cathode electrode 4230 of the fuel cell device 4200 through the supply line 4321, thereby collecting CO 2 without additional separation work in the stack portion. This is possible.
  • the fluid containing the unused fuel discharged from the stack portion may be recycled to the first reactor 4140 of the SNG production process to further generate a water gas transition reaction to improve the overall efficiency.
  • the carbon dioxide capture method of the combined cycle power generation system includes the following steps.
  • a first step carbon dioxide discharged from the carbon dioxide discharge facility 4310 is desulfurized and pressurized to be supplied to the cathode electrode 4230 of the fuel cell.
  • the carbon dioxide supplied to the cathode electrode 4230 is converted to carbonate ions CO 3 2 ⁇ , concentrated through the anode electrode 4220, and then discharged as carbon dioxide from the anode electrode 4220.
  • the carbon dioxide discharged from the anode electrode 4220 is separated from the separator device 4190 and partly supplied to the gasifier 4110, and the other part is separately separated together with the carbon dioxide passed through the second reactor 4150. After compression, it is buried in a storage space (carbon dioxide storage). The carbon dioxide introduced into the gasifier 4110 passes through the first reactor 4140 and the second reactor 4150.
  • the combined cycle power generation system can capture almost all of the carbon dioxide emitted from the carbon dioxide discharge facility 4310.
  • the membrane device 4190 may increase the energy efficiency and carbon dioxide capture rate of the entire combined cycle power generation system.
  • a carbon dioxide discharge facility 4310, a fuel cell device 4200, and a natural gas synthesis device 4100 such as a coal-fired power plant are connected to each other.
  • coal-fired power plants emit carbon dioxide while producing electrical energy using coal as a main raw material.
  • the natural gas synthesis apparatus 4100 generates methane using coal.
  • the fuel cell device 4200 produces electric energy using hydrogen generated from methane and carbon dioxide discharged from the carbon dioxide discharge facility 4310, and concentrates and collects carbon dioxide.
  • the CO2 capture method of the combined cycle power generation system and the combined cycle power generation system described above is not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, but the above embodiments may be modified in various ways so that various modifications may be made. Or some may be selectively combined.
  • One embodiment of the present invention can be applied to a combined cycle power generation system having a combination of a natural gas synthesis device and a fuel cell device.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 복합발전시스템은, 석탄 및 산소를 공급받아 가스화기에서 합성가스를 생성한 뒤 메탄화 반응기를 거쳐 메탄을 합성하는 천연가스합성장치와, 상기 천연가스합성장치로부터 메탄을 포함하는 연료를 공급받아 전기에너지를 발생시키는 연료전지장치 및 상기 연료전지장치로부터 배출되는 유체를 이용하여 전기에너지를 생산하는 발전장치를 포함한다.

Description

복합발전시스템 및 복합발전시스템의 이산화탄소 포집방법
본 발명의 일실시예들은 천연가스합성장치와 연료전지장치를 복합적으로 구비하는 복합발전시스템에 관한 것이다.
천연가스합성장치는 합성 천연 가스(Synthetic Natural Gas, 이하, SNG라 한다)를 생산하는 장치로써, 석탄 및 유기성원료를 고온 고압으로 가스화 한 후 가스정제공정을 거쳐 합성가스 중의 CO와 H2를 1:3으로 합성하여 메탄이 주성분인 가스를 생산하는 공정을 구현하도록 형성된다. 합성된 합성천연가스는 대체에너지로서 여러 유기성 원료로부터 합성이 가능하다. 합성천연가스는 기존의 LNG 공급망을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있으며 합성석유 및 합성화합물질의 원료로 사용될 수 있다.
그리고, 연료전지장치는 고효율의 청정에너지 전력생산 시스템으로 현재 관심을 받고 있다. 연료전지장치는 화학적 에너지를 직접적으로 전기 에너지로 전환시키는 발전 장치로서, 수소를 포함하고 있는 연료가 지속적으로 공급됨과 동시에 산소가 포함된 공기가 지속적으로 공급되어 상기 공급된 수소와 산소의 전기화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기 에너지로 직접 변환시킨다. 이와 같이 연료 전지는 연료와 산소가 지속적으로 공급되면서 지속적으로 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
석탄을 주원료로 하여 전기에너지를 생산하는 석탄화력발전소는 상당한 양의 이산화탄소를 배출한다. 이산화탄소는 온실가스 감축의 주대상이 되므로, 석탁화력발전소로부터 배출되는 이산화탄소량을 감축시키는 것은 석탄화력발전소의 주요한 과제이다.
따라서, 천연가스합성장치와 연료전지장치를 조합하여 보다 효율적인 발전 시스템을 구현하면서도 이산화탄소를 포집하여 연료전지장치에 공급하는 방안이 고려될 수 있다.
본 발명의 일 목적은 보다 효율적인 복합발전시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 천연가스합성장치와 연료전지장치를 연계시키거나, 천연가스합성장치와 연료전지장치을 석탄화력발전소와 같은 이산화탄소 배출시설이 서로 연계시킴으로써, 보다 높은 효율을 갖으며, 보다 높은 이산화탄소 포집율을 갖는 복합발전시스템을 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 복합발전시스템은, 석탄 및 산소를 공급받아 가스화기에서 합성가스를 생성한 뒤 메탄화 반응기를 거쳐 메탄을 합성하는 천연가스합성장치와, 상기 천연가스합성장치로부터 메탄을 포함하는 연료를 공급받아 전기에너지를 발생시키는 연료전지장치 및 상기 연료전지장치로부터 배출되는 유체를 이용하여 전기에너지를 생산하는 발전장치를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 천연가스합성장치는, 상기 가스화기로부터 유입되는 유체를 이용하여 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)을 통해 수소와 이산화탄소를 생성하는 제1 반응기와, 상기 제1 반응기로부터 배출되는 유체를 공급받아 물리 또는 화학적 분리를 통해 이산화 탄소와 황화합물을 분리하는 제2 반응기를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 연료전지장치는 캐소드 전극과 애노드 전극을 더 포함하고, 상기 천연가스합성장치로부터 공급되는 연료는 상기 애노드 전극으로 공급될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 애노드 전극으로부터 배출되는 미사용된 연료가 상기 제1 반응기로 유입될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 반응기와 제2 반응기를 거쳐 생성되는 이산화탄소가 상기 메탄화 반응기에서 메탄으로 전환되어 상기 애노드 전극으로 유입될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제2 반응기로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 캐소드 전극으로 공급될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 가스화기에 산소를 공급하는 산소 공급부를 더 포함하고, 상기 산소 공급부는 적어도 일부의 산소를 상기 캐소드 전극에 공급할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 캐소드 전극에서 배출되는 유체에서 물과 이산화탄소를 분리하도록 상기 캐소드 전극에 연결되는 응축기를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 발전장치는, 상기 스택부로부터 배출되는 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기를 통과하는 유체를 산화시키는 산화기와, 상기 산화기로부터 배출되는 가스를 이용하여 발전하는 터빈을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 터빈으로부터 배출되는 가스의 배열을 흡수하도록 상기 터빈과 연결되는 배열 회수기를 더 포함할 수 있다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명의 다른 실시예는, 석탄 및 산소를 공급받아 가스화기에서 합성가스를 생성한 뒤 메탄화 반응기를 거쳐 메탄을 합성하는 천연가스합성장치와, 상기 천연가스합성장치로부터 메탄을 포함하는 연료를 공급받아 전기에너지를 발생시키는 연료전지장치 및 상기 연료전지장치에 인접한 이산화탄소 배출시설에서 배출되는 이산화탄소를 상기 연료전지장치의 캐소드 전극에 공급하는 이산화탄소 공급부를 포함하는 복합발전시스템을 개시한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 연료전지장치는 상기 메탄화 반응기에서 생성된 메탄으로부터 형성된 수소를 공급받는 애노드 전극을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 가스화기에서 유입되는 유체를 이용하여 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)을 통해 수소와 이산화탄소를 생성하는 제1 반응기를 더 포함하고, 상기 애노드 전극으로부터 배출되는 미반응 가스는 상기 제1 반응기로 공급될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 반응기로부터 배출되는 유체를 공급받아 물리 또는 화학적 분리를 통해 이산화 탄소와 황화합물을 분리하는 제2 반응기를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 이산화탄소 공급부는, 상기 발전소로부터 배출되는 배가스에서 황을 제거하는 탈황장치와 이산화탄소를 포함한 배기가스를 일정 이상의 압력으로 가압하여 상기 캐소드 전극에 공급하는 가압장치를 더 포함할 수 있다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명의 다른 실시예는, 석탄 및 산소를 공급받아 합성가스를 생성하는 가스화기와, 생성된 합성가스를 이용하여 수소를 생성하는 제1 반응기와, 생성된 수소를 이용하여 메탄을 합성하는 메탄화 반응기를 포함하는 천연가스합성장치와, 상기 천연가스합성장치로부터 메탄을 포함하는 연료를 공급받아 전기에너지를 발생시키는 연료전지장치 및 상기 연료전지장치로부터 배출되는 혼합 가스 중 수소를 분리하여 상기 제1 반응기에 공급하는 분리막장치를 포함하는 복합 발전 시스템을 개시한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 혼합 가스 중 이산화탄소는 적어도 일부가 분리되어 상기 가스화기에 공급될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 연료전지장치에 인접한 이산화탄소 배출시설에서 배출되는 이산화탄소를 상기 연료전지장치에 공급하는 이산화탄소 공급부를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 연료전지장치는 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함하고, 상기 이산화탄소 공급부는 상기 캐소드 전극에 이산화탄소를 공급할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 이산화탄소 공급부는, 상기 발전소로부터 배출되는 배가스에서 황을 제거하는 탈황장치와 이산화탄소를 일정 이상의 압력으로 가압하여 상기 캐소드 전극에 공급하는 가압장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 반응기로부터 배출되는 유체를 공급받아 물리 또는 화학적 분리를 통해 이산화 탄소와 황화합물을 분리하는 제2 반응기를 더 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 복합발전시스템은 천연가스합성장치와 연료전지장치를 복합적으로 형성함으로써, 설비비 및 운영비 절감과 CO2 포집이 가능하다.
또 다른 예에 의하면, 석탄화력발전에서 배출되는 이산화탄소의 회수를 위해 연료전지장치를 이용함으로써 이산화탄소 회수 장치의 규모와 설치 비용 및 운영비용을 줄일 수 있다.
그리고, 석탄화력발전에서 배출되는 이산화탄소의 회수를 위해 연료전지장치를 이용함으로써 이산화탄소 회수 장치의 규모 및 소모동력을 줄일 수 있다.
또한, 분리막장치를 통해 애노드 전극에서 배출되는 혼합가스 중 이산화탄소를 분리시킴으로써, 제2 반응기의 용량을 감소시킬 수 있으며, Boudouard Reaction을 유발하여 이산화탄소 재이용을 통한 추가적인 연료를 생성하며, 가스화기에 공급되는 공기의 양을 줄여 전체 시스템의 전력소모를 감소시킬 수 있다. 이로 인해, 전체 복합발전시스템의 에너지 효율과 이산화탄소 포집율을 높일 수 있다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 천연가스합성장치의 반응 프로세스 및 장치의 개념도.
도 3은 본 발명과 관련된 연료전지장치의 개념도.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시예들에 따르는 복합발전시스템의 개념도들
도 9는 온도(℃)와 압력(atm)에 따르는 이산화 탄소와 일산화 탄소 간의 부다 반응(Boudouard Reaction)에 의한 전환율을 도시한 그래프.
이하, 본 발명에 관련된 복합발전시스템 및 복합발전시스템의 이산화탄소 포집방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 천연가스합성장치의 반응 프로세스 및 장치의 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 천연가스합성장치(100)는 저가의 석탄을 고온, 고압에서 가스화(CO + H2)한 후, 이를 정제하여 합성천연가스, 합성석유, 또는 전력을 생산하는 청정석탄 연료화 기술이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전처리된 원재료(Raw Material)가 가스화기(110)에서 산소와 만나 섭씨 1400도 내외에서 합성 가스인 수소 (H2), 일산화탄소 (CO)를 생산하고, 부산물로 이산화탄소 (CO2), 메탄 (CH4), 황화수소 (H2S), 회분(Ash) 등을 생성한다.
이 고온의 가스는 합성가스냉각부(120)를 통하여 열 회수 후 가스정제부(130)를 통해 먼지, 황 및 수은 등의 오염가스를 제거하는 가스 정제공정을 거친다. 오염가스 정제공정을 거치면 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 황화수소를 주성분으로 포함하는 합성가스를 생성하게 되고, 이러한 조성을 갖는 합성가스는 수성 가스 전이 반응을 하도록 형성되는 제1 반응기(140)로 유입된다.
그리고, 제1 반응기(140)로 유입된 합성 가스는 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction: CO + H2O → CO2 + H2)을 통해 H2와 CO2를 생성하고, 이후 다시 Rectisol 반응기(이하, 제2 반응기라고 한다)로 유입되고, 제2 반응기(150)는 물리, 화학적 분리를 통해 CO2 및 황성분을 분리한다. 여기서, 분리된 CO2는 압축하여 지중으로 매설할 수 있다.
즉, 천연가스합성장치(100)는 유입된 유체를 이용하여 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)을 통해 H2와 CO2를 생성하는 제1 반응기(140)와, 물리, 화학적 분리를 통해 CO2 및 황성분을 분리하는 제2 반응기(150)를 포함한다.
제2 반응기(150)는 메탄화 반응기(160)에 연결된다. 메탄화 반응기(160)는 제2 반응기(150)로부터 유입되는 일산화탄소와 수소를 이용하여 메탄을 생성하고, 이를 압축하여 연료전지장치(200)로 공급할 수 있다. 또한 비록 도시되지는 않았지만, 천연가스합성장치(100)로부터 생성된 메탄을 이용할 수 있도록 천연가스합성장치(100)와 발전유닛이 서로 연계될 수 있다.
메탄화 반응기(160)에서 일어나는 메탄화 공정은 합성가스 중의 수소와, 이산화탄소 및 일산화탄소를 반응시켜 메탄으로 변성하는 공정으로 하기의 (i) 및/또는 (ii)의 반응을 거친다.
CO + 3H2 → CH4 + H2O (i)
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (ii)
메탄화 반응은 본 발명의 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템에 메탄을 포함하는 연료극가스를 공급하기 위한 목적을 달성할 수 있는 한 어떠한 조건하에서 이루어져도 무관하나, 메탄화 반응은 발열반응이기 때문에 반응온도를 낮게 하면 일산화탄소의 평형농도가 낮아지는 반면 반응속도 역시 느려지기 때문에 반응 온도로서 100 내지 400℃, 200 내지 350℃ 또는 250 내지 300℃ 중 어느 하나의 범위에서 이루어질 수 있다.
상기 메탄화 반응은 니켈계 메탄화촉매, 철계 메탄화촉매 및 루테늄계 메탄화촉매로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 메탄화촉매를 이용하여 이루어질 수 있다.
이와 같이, 천연가스합성장치(100)는 저가의 석탄을 이용하여, 메탄과 산소 및 재활용가능한 열원이 생산되므로, 이를 합성 천연 가스 장치에 연료전지 모듈을 통합시키는 경우 보다 우수한 효율을 갖는 복합 발전 플랜트를 제작할 수 있다.
도 3은 본 발명과 관련된 연료전지장치(200)의 개념도이다.
연료 전지의 종류는 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell), 알칼리 연료전지(Alkaline Fuel Cell), 고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell) 등 다양하다. 상기한 바와 같은 연료 전지 종류들은 연료적으로 같은 원리에 의해 작동하지만, 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 등에 따라 분류된다.
이중에서 특히, 용융 탄산염 연료전지 (molten carbonate fuel cell, MCFC)는 650 ℃ 이상의 고온에서 운전되기 때문에 전기화학 반응속도가 빨라 전극 재료로 백금촉매 대신 니켈을 사용할 수 있으므로 경제성에서 유리할 뿐만 아니라, 저온형 연료전지의 백금 전극에 피독 물질로 작용하는 일산화탄소마저도 수성가스 전환 반응을 통하여 연료로 이용할 수 있다.
또한 니켈 전극을 사용할 경우, 석탄가스, 천연가스, 메탄올, 바이오 매스 등 다양한 연료를 사용할 수 있다는 장점이 있다.
그리고 열회수 스팀 발생기(Heat Recovery Steam Generator)을 이용한 버터밍 사이클(Bottoming Cycle)을 적용할 경우, 양질의 고온 폐열을 회수해 사용하면 전체 발전 시스템의 열효율을 60% 이상으로 증가시킬 수 있다.
이와 함께 용융 탄산염 연료전지는 고온에서 운전되기 때문에, 전기 화학 반응이 일어나는 연료전지 스택 내부에서 연료 개질(Reforming) 반응을 동시에 진행시키는 내부 개질(Internal Reforming)형태의 채용이 가능하다는 장점이 있다.
이러한 내부 개질형 용융 탄산염 연료전지는 전기화학반응에서 발생하는 열을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 흡열반응인 개질반응에 이용하기 때문에 외부개질형 용융 탄산염 연료전지 보다 열 유동을 효과적으로 제어할 수 있으므로, 전체 시스템의 열효율이 추가로 증가하는 동시에 시스템 구성이 간단해지는 장점을 갖는다.
연료전지장치(200)는 일정량의 연료를 공급하는 연료 공급부와 상기 연료 공급부의 연료를 공급받아 수소가스와 열을 포함하는 부산물을 발생시키는 개질기부(210)와 상기 개질기부(210)에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부를 포함할 수 있다.
상기 개질기부(210)는 내부에 반응로와 버너를 포함할 수 있으며, 상기 스택부는 애노드 전극(220)과 전해질막(240) 그리고 캐소드 전극(230)을 포함하여 구성되는 단위 전지가 다수개 적층되어 이루어질 수 있다.
상기한 바와 같은 연료전지 모듈의 작동은 다음과 같다.
먼저, 상기 연료 공급부에서 액화천연가스(일명; LNG) 또는 메탄(CH4) 성분을 포함한 연료와 물을 상기 개질기부(210)에 공급하게 되면 그 개질기부(210)에서 수증기 개질 반응(Steam Reforming) 및 부분 산화 반응(Partial Oxida tion)이 복합적으로 일어나면서 수소가스와 반응열과 그리고 물을 포함하는 기타 부산물을 발생시키게 된다.
CH4 + 2H2O -> 4H2 + CO2
그리고 상기 스택부에서는 상기 개질기부(210)에서 공급되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소가 전기화학반응을 일으켜 전기와 열과 물을 발생시키게 된다.
상기 스택부를 구성하는 단위 전지에서 발생되는 전기화학반응을 보다 상세하게 설명하면, 먼저 상기 수소가스(H2)가 애노드 전극(Anode; 연료극, 220)측에 공급되어 탄산 이온(CO3 2-)과 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 물과 이산화탄소 및 전자(e-)를 생성한다.
H2 + CO3 2- -> H2O + CO2 + 2e-
그리고, 캐소드 전극(Cathode; 일명, 공기극, 230)에서는 외부로부터 공급되는 산소와 이산화탄소 및 전자가 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 카보네이트 이온(CO3 2-), 반응열 및 물을 발생시키게 된다. 캐소드 전극(230)에서 생성된 카보네이트 이온은 캐소드 전극(230)과 애노드 전극(220) 사이에 위치하는 전해질막(240)의 전해질을 통하여 캐소드 전극(230)에서 애노드 전극(220)으로 이동하며, 애노드 전극(220)에서 생성된 전자는 외부회로를 경유하여 이동하면서, 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다. 이때 전해질은 평상시에는 고체 상태로 존재하다가 연료전지 시스템이 정상 운전될 경우에는 약 650℃까지 온도가 상승하게 되어 전해질은 액화된다.
(1/2)O2 + CO2 + 2e- -> CO3 2-
여기서, CO2는 전기화학 반응 메커니즘에 의하여 전해질을 통해 캐소드 전극(230)에서 애노드 전극(220)으로 이동되어 농축된다. 만약에 화력발전소(310)의 낮은 농도의 이산화탄소를 갖는 배가스를 연료전지장치(200)의 캐소드 전극(230)에 공급한다면, 화력발전소(310)의 배가스 중 이산화탄소가 선택적으로 위의 반응식에 따라 카보네이트가 되고, 애노드 전극(220)으로 이동시켜 이산화탄소의 농축이 가능하다. 이러한 농축정도는 화력발전소(310)에서 배출되는 이산화탄소 배출량의 최대 90%까지 가능하다.
또한, 본 발명에 따르는 연료전지장치(200)(용융탄산염 연료전지)는 천연가스 개질 방법에 따라 내부개질형과 외부개질형으로 구분될 수 있는데, 특히 내부개질에 의한 연료전환 방법을 사용함으로써, 촉매를 전지 내부에 설치한뒤, 개질하여 외부에 별도의 개질기를 설치할 필요 없이 천연가스를 직접연료로 사용할 수 있다. 그리고, 발전 중 스택부에서 발생하는 열은 개질반응에 이용되어 별도의 스택 냉각을 위한 장치 설치가 필요 없어 시스템을 단순화할 수 있다.
제1 실시예
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따르는 복합발전시스템의 개념도이다.
도 4를 참조하면, 연료전지장치(200)는 천연가스합성장치(100)로부터 수소를 공급받도록 연결(공급라인 181 -> 공급라인 252)된다. 보다 자세하게는 메탄화 반응기(160)에서 생성된 메탄은 개질기부(210)로 공급되고, 개질기부(210)는 화학반응을 통해 수소와 이산화탄소를 형성하고, 개질기부(210)에서 생성된 수소는 연료전지장치(200)의 애노드 전극(220)에 공급된다.
애노드 전극(220)에서는 앞서 살펴본 바와 같이, 수소(H2)가 공급되어 탄산 이온(CO3 2-)과 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 물과 이산화탄소 및 전자(e-)를 생성한다.
여기서, 애노드 전극(220)의 배출라인(251)을 통해, 혼합가스 중 일부가 산화기(201)로 공급될 수 있다.
그리고, 제2 반응기(150)에서 배출되는 이산화탄소는 각각 공급라인(151, 152)들을 통해 배출되는데, 그 중 어느 하나의 공급라인(152)은 공기 공급부(101)와 함께 산화기(201)에 산소와 이산화탄소를 공급하도록 형성될 수 있다.
산화기(201)에서 공급라인(254)을 통해 공급되는 산소와 이산화탄소는 연료전지장치의 캐소드 전극(230)에 공급된다. 그리고, 캐소드 전극(230)에 공급되는 산소와 이산화탄소 및 전자가 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 카보네이트 이온(CO3 2-), 반응열 및 물을 발생시키게 된다. 캐소드 전극(230)의 배출라인(253)은 열교환기(Heat Exchanger)를 거치는데, 열교환기를 통해, 애노드 전극(220)에 공급되는 연료가 가열될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따르는 복합발전시스템은 천연가스합성장치(100)에 연료전지장치(200)를 통합시켜 연료전지장치(200)를 구성하는 선개질기나 탈황기가 불필요하다. 또한, 캐소드 전극에 메탄화 반응기로부터 배출되는 CO2를 추가 공급할 수 있으므로, 연료 전지 모듈의 효율을 향상시킬 수 있다. 이 때, 메탄화 반응기(160)에 공급되는 Gas 성분의 부피비는 각각 H2(0.7%), CO(0.05%), CO2(21.3%), CH4(75.9%), C2(0.05%), N2(2.0%)가 되는 것이 바람직하다.
제2 실시예
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따르는 복합발전시스템의 개념도이다.
도 5를 참조하면, 연료전지장치(1200)는 천연가스합성장치(1100)로부터 수소를 공급받도록 연결(공급라인 1181 -> 공급라인 1252)된다. 보다 자세하게는 메탄화 반응기(1160)에서 생성된 메탄은 개질기부(1210)로 공급되고, 개질기부(1210)는 화학반응을 통해 수소와 이산화탄소를 형성하고, 개질기부(1210)에서 생성된 수소는 연료전지장치(1200)의 애노드 전극(1220)에 공급된다.
애노드 전극(1220)에서는 앞서 살펴본 바와 같이, 수소(H2)가 공급되어 탄산 이온(CO3 2-)과 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 물과 이산화탄소 및 전자(e-)를 생성한다.
제2 반응기(1150)에서 배출되는 이산화탄소는 공급라인(1151)을 통해 캐소드 전극(1230)에 공급된다. 그리고, 산소 공급부(1104)에서 공급되는 산소는 산소 공급라인(1105)을 통해 캐소드 전극(1230)에 공급된다. 그리고, 캐소드 전극에서 배출되는 배가스 중 이산화탄소와 물을 분리하기 위하여 응축기가 캐소드 전극에 연결된다. 응축기와 캐소드 전극 사이에는 열교환기가 배치될 수 있다.
또한, 응축기(1102)로부터 배출되는 이산화탄소 중 일부는 분리되어 공급라인(1103)을 통해 캐소드 전극(1230)에 공급된다.
이로 인해 추가적인 분리 작업없이 연료전지장치에 의한 CO2 포집이 가능하므로, 캐소드 전극의 CO2분압을 상승시켜 스택부의 성능 향상을 가져오고, 이로 인해 전력 생산 성능 효율이 상승할 수 있다.
또한, 애노드 전극(1220)으로부터 배출라인(1251)을 통해 배출되는 미사용된 연료를 포함하는 유체는 SNG 생산 공정의 제1 반응기(1140)로 재순환 공급되어 수성 가스 전이 반응을 추가적으로 일으켜 전체 효율 향상을 도모할 수 있다.
즉, 애노드 전극(1220)으로부터 배출라인(1251)을 통해 배출되는 미사용된 연료로서 H2와 CO가 제1 반응기(1140)로 공급되어, 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)을 일으킨다.
이로 인해, 전체적인 전력 생산효율을 극대화시킬 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따르는 복합발전시스템은, 애노드 전극(1220)으로부터 배출되는 미사용된 연료가 제1 반응기(1140)로 유입되고, 제1 반응기(1140)와 제2 반응기(1150)를 거쳐 생성되는 CO2가 캐소드 전극(1230)으로 유입되어 N2를 제외한 순 CO2와 O2를 스택부에 공급한다. 그리고, 메탄화 반응기(1160)를 거쳐 생성된 메탄과 H2가 스택부의 애노드 전극(1220)에 공급되어 전체적인 전력 생산 효율을 높일 수 있다.
제3 실시예
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따르는 복합발전시스템의 개념도이다.
도 6을 참조하면, 연료전지장치(2200)는 천연가스합성장치(2100)로부터 수소를 공급받도록 연결(공급라인 2181 -> 공급라인 2252)된다. 보다 자세하게는 메탄화 반응기(2160)에서 생성된 메탄은 개질기부(2210)로 공급되고, 개질기부(2210)는 화학반응을 통해 수소와 이산화탄소를 형성하고, 개질기부(2210)에서 생성된 수소는 연료전지장치(2200)의 애노드 전극(2220)에 공급된다.
애노드 전극(2220)에서는 앞서 살펴본 바와 같이, 수소(H2)가 공급되어 탄산 이온(CO3 2-)과 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 물과 이산화탄소 및 전자(e-)를 생성한다.
제2 반응기(2150)에서 배출되는 이산화탄소는 공급라인(2151)을 통해 캐소드 전극(2230)에 공급된다. 그리고, 산소 공급부(2104)에서 공급되는 산소는 산소 공급라인(2105)을 통해 캐소드 전극(2230)에 공급된다. 또한, 응축기(2102)로부터 배출되는 이산화탄소 중 일부는 분리되어 공급라인(2103)을 통해 캐소드 전극(2230)에 공급된다.
이로 인해 추가적인 분리 작업없이 연료전지장치에 의한 CO2 포집이 가능하므로, 캐소드 전극의 CO2분압을 상승시켜 스택부의 성능 향상을 가져오고, 이로 인해 전력 생산 성능 효율이 상승할 수 있다.
그리고, 애노드 전극(2220)과 캐소드 전극(2230)의 배출라인들(2251, 2253)을 통해 배출되는 미반응 연료를 포함하는 유체는 압축기(2106)로 유입된다. 압축기(2106)를 통과한 유체는 산화기(2107)를 거치고 터빈(2108)을 통해 전력을 생산하게 된다.
터빈(2108)을 지난 고온의 기체는 배열 회수 장치(Heat Recovery Steam Generator, 109)를 거쳐 응축기(2102)에 공급된다. 응축기(2102)에 공급되는 유체는 응축되어 CO2와 H2O로 분리되고, 응축기(2102)로부터 배출되는 이산화탄소 중 일부는 분리되어 공급라인(2103)을 통해 캐소드 전극(2230)에 공급된다.
연료전지장치(2100)가 제1 발전장치라면, 압축기(2106), 산화기(2107) 및 터빈(2108)은 제2 발전장치가 된다. 그리고, 배열 회수기(2109)로부터 회수된 유체는 스팀 터빈을 구비하는 제3 발전 장치(미도시)로 공급될 수 있다. 이렇게 스택부를 구성하는 애노드 전극와 캐소드 전극으로부터 배출되는 유체는 제2 또는 제3 발전장치를 통해 추가적인 전력을 생산할 수 있다. 이로 인해, 전체 시스템의 효율을 높일 수 있다.
제4 실시예
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따르는 복합발전시스템의 개념도이다.
도 7을 참조하면, 연료전지장치(3200)는 천연가스합성장치(3100)로부터 수소를 공급받도록 연결(공급라인 3181 -> 공급라인 3252)된다. 보다 자세하게는 메탄화 반응기(3160)에서 생성된 메탄은 개질기부(3210)로 공급되고, 개질기부(3210)는 화학반응을 통해 수소와 이산화탄소를 형성하고, 개질기부(3210)에서 생성된 수소는 연료전지장치(3200)의 애노드 전극(3220)에 공급된다.
애노드 전극(3220)에서는 앞서 살펴본 바와 같이, 수소(H2)가 공급되어 탄산 이온(CO3 2-)과 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 물과 이산화탄소 및 전자(e-)를 생성한다. 이 때, 부산물로써 수소와 일산화탄소도 공급되는데, 전자를 제외한 나머지 생성물들은 수성 가스 전이 반응이 일어나는 제1 반응기(3140)로 공급되도록 애노드 전극(3220)의 배출라인은 제1 반응기(3140)까지 연결될 수 있다.
애노드 전극에서 배출되는 혼합가스는 일산화탄소, 수소, 이산화탄소, H2O 등을 포함할 수 있다. 이 중 수소(H2)와 일산화탄소(CO)는 미사용연료로서 재사용이 가능하므로 제1 반응기(3140)에 공급될 수 있다.
이와 같이, 애노드 전극 배출라인(3251)으로부터 미사용된 연료인 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 제1 반응기(3140)로 공급되어, 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)을 일으킨다. 여기서 일어나는 반응식은 다음과 같다.
이로 인해, 전체적인 전력 생산효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 연료전지장치(3200)는 석탄화력발전소와 같은 이산화탄소 배출시설(3310)로부터 이산화탄소를 공급받도록 이산화탄소 공급부(3320)와 공급라인(3311)을 통해 연결된다. 이산화탄소 배출시설(3310)의 배가스는 불필요한 황을 포함하고 있으므로, 이산화탄소 공급부(3320)는 탈황장치를 포함할 수 있다. 또한, 이산화탄소 배출시설(3310)의 배가스는 압력이 낮으므로, 이산화탄소 공급부(3320)는 이산화탄소를 일정 이상의 압력으로 가압하여 캐소드 전극(3230)에 공급하는 가압장치를 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 이산화탄소 배출시설(3310)로부터 배출되는 이산화탄소가 연료전지장치(3200)의 캐소드 전극(3230)에 공급라인(3321)을 통해 공급됨으로써, 스택부에 추가적인 포집장치없이 CO2 포집이 가능해지므로 스택부의 캐소드 전극(3230)에 CO2분압을 상승시켜 스택부의 발전 성능 향상을 가져오고, 이로 인해 전력 생산 성능 효율이 상승한다.
또한, 스택부로부터 배출되는 미사용된 연료를 포함하는 유체는 SNG 생산 공정의 제1 반응기(3140)로 재순환 공급되어 수성 가스 전이 반응을 추가적으로 일으켜 전체 효율 향상을 도모할 수 있다.
본 발명에 따르는 복합발전시스템의 이산화탄소 포집 방법은 다음의 단계들을 포함한다. 제1 단계로, 석탄화력발전소와 같은 이산화탄소 배출시설(3310)에서 배출된 이산화탄소는 탈황처리 및 가압되어 연료전지의 캐소드 전극(3230)에 공급된다.
제2 단계로, 캐소드 전극(3230)에 공급된 이산화탄소는 탄산 이온(CO3 2-)으로 전환되어 애노드 전극(3220)을 통해 농축되고, 다시 애노드 전극(3220)에서 이산화탄소로 배출된다.
제3 단계로, 애노드 전극(3220)에서 배출된 이산화탄소는 천연가스합성장치의 제1 반응기(3140) 및 제2 반응기(3150)를 거치게 된다. 제2 반응기(3150)를 거친 이산화탄소는 따로 분리되어 압축 후 저장공간에 매립된다.
이와 같은 과정을 거침으로써, 본 발명의 실시예에 따르는 복합발전시스템은 이산화탄소 배출시설(3310)로부터 배출되는 이산화탄소를 최대 90%까지 포집할 수 있다.
본 발명에 제4 실시예에 따르는 복합발전시스템은 이산화탄소 배출시설(3310), 연료전지장치(3200) 및 천연가스합성장치(3100)가 서로 연계된다. 즉, 이산화탄소 배출시설(3310) 중의 하나인 석탄화력발전소는 주원료인 석탄을 이용하여 전기에너지를 생산하면서 이산화탄소를 배출한다. 그리고, 천연가스합성장치(3100)는 유기화합물을 이용하여 메탄을 생성한다. 그리고, 연료전지장치(3200)는 메탄에서 생성된 수소와 이산화탄소 배출시설(3310)에서 배출되는 이산화탄소를 이용하여 전기에너지를 생산하고, 이산화탄소를 농축 및 포집하게 된다.
제5 실시예
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따르는 복합발전시스템의 개념도이고, 도 9는 온도(℃)와 압력(atm)에 따르는 이산화 탄소와 일산화 탄소 간의 부다 반응(Boudouard Reaction)에 의한 전환율을 도시한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 연료전지장치(4200)는 천연가스합성장치(4100)로부터 수소를 공급받도록 연결(공급라인 4181 -> 공급라인 4252)된다. 보다 자세하게는 메탄화 반응기(4160)에서 생성된 메탄은 개질기부(4210)로 공급되고, 개질기부(4210)는 화학반응을 통해 수소와 이산화탄소를 형성하고, 개질기부(4210)에서 생성된 수소는 연료전지장치(4200)의 애노드 전극(4220)에 공급된다.
애노드 전극(4220)에서는 앞서 살펴본 바와 같이, 수소(H2)가 공급되어 카보네이트 이온(CO3 2-)과 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 물과 이산화탄소 및 전자(e-)를 생성한다. 이 때, 애노드 전극에서 미반응된 수소, CH4, H2O와 일산화탄소도 공급되는데, 전자를 제외한 나머지 생성물들은 수성 가스 전이 반응이 일어나는 제1 반응기(4140)로 공급되도록 애노드 전극 배출라인(4251)은 제1 반응기(4140)까지 연결될 수 있다.
애노드 전극 배출라인(4251) 상의 어느 일 지점에 분리막장치(4190)가 형성된다.
애노드 전극(4220)에서 배출되는 혼합가스는 일산화탄소, 수소, 이산화탄소, H2O 등을 포함할 수 있다. 이 중 수소(H2)와 일산화탄소(CO)는 미사용연료로서 재사용이 가능하므로 제1 반응기(4140)에 공급될 수 있다. 그러나 이산화탄소까지 제1 반응기(4140)에 공급되는 경우에는 이산화 탄소 포집을 위한 제2 반응기(4150)의 용량이 증대되어야 한다. 제2 반응기(4150)의 용량이 증대되는 경우, 시스템 전체의 효율이 저하되고 비용이 증가한다.
분리막장치(4190)는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 애노드 전극(4220)에서 배출되는 혼합가스 중 수소와 이산화탄소를 분리하도록 형성된다. 이러한 분리막장치(4190)를 구성하는 분리막으로는 고분자 분리막(Polymeric Membrane), 무기분리막(Inorganic Membrane), 탄소 분리막(Carbon Membrane), 제올라이트 분리막(Zeolite Membrane), 수송촉진분리막 (Facilitated Transport Membranes) 등이 사용될 수 있다.
애노드 전극 배출라인(4251)으로부터 배출된 혼합 가스 중 분리막장치(4190)에 의해 분리된 미사용된 연료인 수소(H2)와 일산화탄소(CO)는 제1 반응기(4140)로 공급된다. 공급된 연료로 인해 제1 반응기(4140) 내에서 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)이 일어난다. 여기서 일어나는 반응식은 다음과 같다.
이로 인해, 전체적인 전력 생산효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 분리막장치(4190)에 의해 분리된 이산화탄소는 그 일부가 공급라인(4192)을 통해 가스화기(4110)에 공급된다. 가스화기(4110)에 공급되는 이산화탄소는 일종의 가스 운반체(transport gas)로서 가스화기(4110)에 공급되는 질소의 대체제로서 사용될 수 있으며, 이로 인하여 가스화기(4110)에 공급되는 공기의 공급량을 줄이고 공기의 공급과 관련되는 전력소비도 감소시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 탄소와 반응하여 이산화탄소가 일산화탄소로 전환반응이 가능하므로, 연료의 추가적인 생성을 통한 효율증대가 가능하며, 이러한 이산화탄소는 제2 반응기(4150)를 통해 다시 포집되므로, 이산화탄소 포집률을 증대시킬 수 있다.
가스화기(4110)에 이산화탄소가 공급됨으로써 효율이 증대될 수 있는데, 그 반응은 다음과 같다.
C + CO2 -> 2CO
분리막장치(4190)에 의해 분리된 이산화탄소는 일부는 공급라인(4193)을 통해 이동하며, 제2 반응기(4150)를 통해 배출되는 이산화탄소와 함께 이산화탄소 저장소(4170)로 포집되어 저장될 수 있다. 분리막장치(4190)에 의해 분리된 이산화탄소는 그 순도가 높으므로 이산화탄소의 농도를 높이기 위한 별도의 장치가 필요하지 않게 된다.
공급라인들(4192, 4193) 사이에는 이산화탄소가 나뉘어 공급될 수 있도록 밸브(4191)가 형성된다.
이와 같이, 애노드 전극(4220)에서 배출되는 혼합가스를 분리막장치(4190)를 통해, 이산화탄소를 분리시킴으로써, 제2 반응기(4150)의 용량을 감소시킬 수 있으며, 가스화기(4110)에 공급되는 공기의 양을 줄여 전체 시스템의 전력소모를 감소시킬 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, Boudouard Reaction으로 원료인 CO를 생성함으로써, 이산화탄소 재이용을 통환 효율 증대가 가능하다. 즉, 분리막장치(4190)로 인하여 전체 시스템의 에너지 효율과 이산화탄소 포집율을 높일 수 있다.
연료전지장치(4200)는 이산화탄소 배출시설(4310)로부터 이산화탄소를 공급받도록 이산화탄소 공급부(4320)와 공급라인(4311)을 통해 연결된다. 이산화탄소 배출시설(4310)의 배가스는 불필요한 황을 포함하고 있으므로, 이산화탄소 공급부(4320)는 탈황장치를 포함할 수 있다. 또한, 이산화탄소 배출시설(4310)의 배가스는 압력이 낮으므로, 이산화탄소 공급부(4320)는 이산화탄소를 일정 이상의 압력으로 가압하여 캐소드 전극(4230)에 공급하는 가압장치를 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 이산화탄소 배출시설(4310)로부터 배출되는 이산화탄소가 연료전지장치(4200)의 캐소드 전극(4230)에 공급라인(4321)을 통해 공급됨으로써, 스택부에 추가적인 분리 작업없이 CO2 포집이 가능하다.
또한, 스택부로부터 배출되는 미사용된 연료를 포함하는 유체는 SNG 생산 공정의 제1 반응기(4140)로 재순환 공급되어 수성 가스 전이 반응을 추가적으로 일으켜 전체 효율 향상을 도모할 수 있다.
본 발명의 제5 실시예에 따르는 복합발전시스템의 이산화탄소 포집 방법은 다음의 단계들을 포함한다. 제1 단계로, 이산화탄소 배출시설(4310)에서 배출된 이산화탄소는 탈황처리 및 가압되어 연료전지의 캐소드 전극(4230)에 공급된다.
제2 단계로, 캐소드 전극(4230)에 공급된 이산화탄소는 카보네이트 이온(CO3 2-)으로 전환되어 애노드 전극(4220)을 통해 농축되고, 다시 애노드 전극(4220)에서 이산화탄소로 배출된다.
제3 단계로, 애노드 전극(4220)에서 배출된 이산화탄소는 분리막장치(4190)에서 분리되어 일부는 가스화기(4110)로 공급되고, 나머지는 제2 반응기(4150)를 거친 이산화탄소와 함께 따로 분리되어 압축 후 저장공간(이산화탄소저장소)에 매립된다. 그리고, 가스화기(4110)로 유입된 이산화탄소는 제1 반응기(4140)와 제2 반응기(4150)를 거치게 된다.
이와 같은 과정을 거침으로써, 본 발명의 실시예에 따르는 복합발전시스템은 이산화탄소 배출시설(4310)로부터 배출되는 이산화탄소의 거의 대부분을 포집할 수 있다.
또한, 분리막장치(4190)를 통해 애노드 전극에서 배출되는 혼합가스 중 이산화탄소를 분리시킴으로써, 제2 반응기(4150)의 용량을 감소시킬 수 있으며, 가스화기(4110)에 공급되는 공기의 양을 줄여 전체 시스템의 전력소모를 감소시킬 수 있다. 또한, Boudouard Reaction으로 원료인 CO를 생성함으로써, 이산화탄소 재이용을 통환 효율 증대가 가능하다. 즉, 분리막장치(4190)로 인하여 전체 복합발전시스템의 에너지 효율과 이산화탄소 포집율을 높일 수 있다.
본 발명의 제5 실시예에 따르는 복합발전시스템은 석탄화력발전소와 같은 이산화탄소 배출시설(4310), 연료전지장치(4200) 및 천연가스합성장치(4100)가 서로 연계된다. 즉, 석탄화력발전소는 주원료인 석탄을 이용하여 전기에너지를 생산하면서 이산화탄소를 배출한다. 그리고, 천연가스합성장치(4100)는 석탄을 이용하여 메탄을 생성한다. 그리고, 연료전지장치(4200)는 메탄에서 생성된 수소와 이산화탄소 배출시설(4310)에서 배출되는 이산화탄소를 이용하여 전기에너지를 생산하고, 이산화탄소를 농축 및 포집하게 된다.
상기와 같이 설명된 복합발전시스템 및 복합발전시스템의 이산화탄소 포집방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 발명의 일실시예들은 천연가스합성장치와 연료전지장치를 복합적으로 구비하는 복합발전시스템에 적용될 수 있다.

Claims (23)

  1. 석탄 및 산소를 공급받아 가스화기에서 합성가스를 생성한 뒤 메탄화 반응기를 거쳐 메탄을 합성하는 천연가스합성장치;
    상기 천연가스합성장치로부터 메탄을 포함하는 연료를 공급받아 전기에너지를 발생시키는 연료전지장치; 및
    상기 연료전지장치로부터 배출되는 유체를 이용하여 전기에너지를 생산하는 발전장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 천연가스합성장치는,
    상기 가스화기로부터 유입되는 유체를 이용하여 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)을 통해 수소와 이산화탄소를 생성하는 제1 반응기와,
    상기 제1 반응기로부터 배출되는 유체를 공급받아 물리 또는 화학적 분리를 통해 이산화 탄소와 황화합물을 분리하는 제2 반응기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지장치는 캐소드 전극과 애노드 전극을 더 포함하고,
    상기 천연가스합성장치로부터 공급되는 연료는 상기 애노드 전극으로 공급되는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 애노드 전극으로부터 배출되는 미사용된 연료가 상기 제1 반응기로 유입되는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 반응기와 제2 반응기를 거쳐 생성되는 이산화탄소가 상기 메탄화 반응기에서 메탄으로 전환되어 상기 애노드 전극으로 유입되는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제2 반응기로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 캐소드 전극으로 공급되는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 가스화기에 산소를 공급하는 산소 공급부를 더 포함하고,
    상기 산소 공급부는 적어도 일부의 산소를 상기 캐소드 전극에 공급하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 캐소드 전극에서 배출되는 유체에서 물과 이산화탄소를 분리하도록 상기 캐소드 전극에 연결되는 응축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 발전장치는,
    상기 스택부로부터 배출되는 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기를 통과하는 유체를 산화시키는 산화기와, 상기 산화기로부터 배출되는 가스를 이용하여 발전하는 터빈을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 터빈으로부터 배출되는 가스의 배열을 흡수하도록 상기 터빈과 연결되는 배열 회수기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  11. 석탄 및 산소를 공급받아 가스화기에서 합성가스를 생성한 뒤 메탄화 반응기를 거쳐 메탄을 합성하는 천연가스합성장치;
    상기 천연가스합성장치로부터 메탄을 포함하는 연료를 공급받아 전기에너지를 발생시키는 연료전지장치; 및
    상기 연료전지장치에 인접한 이산화탄소 배출시설에서 배출되는 이산화탄소를 상기 연료전지장치의 캐소드 전극에 공급하는 이산화탄소 공급부를 포함하는 복합발전시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연료전지장치는 상기 메탄화 반응기에서 생성된 메탄으로부터 형성된 수소를 공급받는 애노드 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 가스화기에서 유입되는 유체를 이용하여 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)을 통해 수소와 이산화탄소를 생성하는 제1 반응기를 더 포함하고,
    상기 애노드 전극으로부터 배출되는 미반응 가스는 상기 제1 반응기로 공급되는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 반응기로부터 배출되는 유체를 공급받아 물리 또는 화학적 분리를 통해 이산화 탄소와 황화합물을 분리하는 제2 반응기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 이산화탄소 공급부는,
    상기 발전소로부터 배출되는 배가스에서 황을 제거하는 탈황장치와 이산화탄소를 포함한 배기가스를 일정 이상의 압력으로 가압하여 상기 캐소드 전극에 공급하는 가압장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  16. 천연가스합성장치, 연료전지장치 및 이산화탄소 배출시설이 서로 연계된 복합발전시스템의 이산화탄소 포집방법에 있어서,
    상기 이산화탄소 배출시설에서 배출된 이산화탄소가 상기 연료전지장치의 캐소드 전극에 공급되는 단계;
    상기 캐소드 전극에 공급된 이산화탄소가 탄산 이온(CO3 2-)으로 전환된 후, 애노드 전극에서 수소와 반응하여 이산화탄소로 다시 전환되는 단계; 및
    상기 애노드 전극에서 배출된 이산화탄소가 상기 천연가스합성장치에서 포집되는 단계를 포함하는 복합발전시스템의 이산화탄소 포집방법.
  17. 석탄 및 산소를 공급받아 합성가스를 생성하는 가스화기와, 생성된 합성가스를 이용하여 수소를 생성하는 제1 반응기와, 생성된 수소를 이용하여 메탄을 합성하는 메탄화 반응기를 포함하는 천연가스합성장치;
    상기 천연가스합성장치로부터 메탄을 포함하는 연료를 공급받아 전기에너지를 발생시키는 연료전지장치; 및
    상기 연료전지장치로부터 배출되는 혼합 가스 중 수소를 분리하여 상기 제1 반응기에 공급하는 분리막장치를 포함하는 복합 발전 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 혼합 가스 중 이산화탄소는 적어도 일부가 분리되어 상기 가스화기에 공급되는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 연료전지장치에 인접한 이산화탄소 배출시설에서 배출되는 이산화탄소를 상기 연료전지장치에 공급하는 이산화탄소 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 연료전지장치는 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함하고,
    상기 이산화탄소 공급부는 상기 캐소드 전극에 이산화탄소를 공급하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 이산화탄소 공급부는,
    상기 발전소로부터 배출되는 배가스에서 황을 제거하는 탈황장치와 이산화탄소를 일정 이상의 압력으로 가압하여 상기 캐소드 전극에 공급하는 가압장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 제1 반응기로부터 배출되는 유체를 공급받아 물리 또는 화학적 분리를 통해 이산화 탄소와 황화합물을 분리하는 제2 반응기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
  23. 천연가스합성장치, 연료전지장치 및 이산화탄소 배출시설이 서로 연계된 복합발전시스템의 이산화탄소 포집방법에 있어서,
    상기 이산화탄소 배출시설에서 배출된 이산화탄소가 상기 연료전지장치의 캐소드 전극에 공급되는 단계;
    상기 캐소드 전극에 공급된 이산화탄소가 카보네이트 이온(CO3 2-)으로 전환된 후, 애노드 전극에서 수소와 반응하여 이산화탄소로 다시 전환되는 단계; 및
    상기 애노드 전극에서 배출된 혼합가스 중 분리막장치를 통해 분리된 이산화탄소가 가스화기 또는 이산화탄소 저장소에 공급되는 단계를 포함하는 복합발전시스템의 이산화탄소 포집방법.
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