KR20140057103A - 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템 및 가스 공급 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템에 있어서, 메탄화 반응을 이용하는 가스 공급 방법 및 상기 방법을 이용하는 시스템에 관한 것이다.
특히, 메탄화 공정을 통하여 메탄을 생성하여 공급함으로써 내부개질형 용융탄산염 연료전지와의 연계가 가능하며, 이로 인해 시스템의 공정 안정성을 향상시킬 수 있고, 용융탄산염 연료전지의 연료극에서 배출된 배출가스를 별도의 연소 없이 가스정제분리부로 재공급, 메탄화 공정을 통하여 재순환할 수 있어 시스템 효율 향상 효과를 가져올 수 있다.
특히, 메탄화 공정을 통하여 메탄을 생성하여 공급함으로써 내부개질형 용융탄산염 연료전지와의 연계가 가능하며, 이로 인해 시스템의 공정 안정성을 향상시킬 수 있고, 용융탄산염 연료전지의 연료극에서 배출된 배출가스를 별도의 연소 없이 가스정제분리부로 재공급, 메탄화 공정을 통하여 재순환할 수 있어 시스템 효율 향상 효과를 가져올 수 있다.
Description
본 발명은 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템에 있어서, 메탄화 반응을 이용하는 가스 공급 방법 및 상기 방법을 이용하는 시스템에 관한 것이다.
석탄가스화 복합발전 (Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)은 석탄 원료를 고온, 고압 하에서 가스화시켜 전기를 생산할 뿐만 아니라 수소 (H2), 액화 석유까지 만들 수 있는 차세대 석탄 발전기술로서, 기존 보일러를 이용한 일반 화력 발전소보다 발전 효율이 높을 뿐 아니라, 환경 친화적인 기술이다.
또한, IGCC 기술은 기존 석탄 보일러의 경우보다 이산화탄소 (CO2)를 경제적으로 제거할 수 있다. 이산화탄소 제거 설비를 갖춘 IGCC 기술은 가스화와 오염가스 정제공정을 거쳐 수소, 일산화탄소 (CO), 이산화탄소, 메탄 (CH4), 황화수소 (H2S)를주성분으로 하는 합성가스를 생성하게 된다. 이러한 조성을 갖는 합성가스가 터빈에 유입되기 전에 수성가스전환공정 (Water Gas Shift, WGS)을 거치면 합성가스 중의 일산화탄소가 이산화탄소로 전환된다.
상기 공정을 거치면 합성가스는 이산화탄소와 수소로 전환되며, 가스 냉각기, 이산화탄소 및 황화수소 제거 장치를 거치면 합성가스로부터 이산화탄소와 황화수소가 분리된다. 이산화탄소 및 황화수소 제거 장치를 거친 합성가스 즉, 수소를 주성분으로 하고 미량의 이산화탄소, 일산화탄소를 포함하는 생성가스는 가스터빈 연소기에 공급되어 압축공기 및 질소와 함께 연소된다. 이로 인하여 생성되는 수증기는 증기터빈에 공급될 수 있으며, 배기가스는 가스터빈으로 공급되어 터빈을 회전 구동하는데 사용되고, 배기가스의 열 에너지로부터 수증기를 생성하여 증기터빈으로 공급하여 터빈을 구동시킨다.
용융탄산염 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)는 탄화수소 연료에 저장된 화학에너지를 전자화학적 반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 일반적으로, 연료극과 공기극, 매트릭스 (matrix) 등으로 구성되며 각 구성요소에는 전해질이 함침되어 있고, 연료극에는 천연가스의 개질반응을 통하여 수소 연료가스를 주입하고 공기극에는 산소가 이산화탄소와 함께 공급되어 카보네이트 이온 (CO3 2 -)을 만든다. 공기극에서 생성된 카보네이트 이온은 연료극과 공기극 사이에 위치하는 매트릭스의 전해질을 통하여 공기극에서 연료극으로 이동하며, 연료극에서 생성된 전자는 외부회로를 경유하여 흘러 전기를 생산하게 된다. 이때 전해질은 평상시에는 고체 상태로 존재하다가 연료전지 시스템이 정상 운전될 경우에는 약 650℃까지 온도가 상승하게 되어 전해질은 액화된다.
한편, 용융탄산염 연료전지는 천연가스 개질 방법에 따라 내부개질형과 외부개질형으로 구분된다. 내부개질에 의한 연료전환 방법은 촉매를 전지 내부에 설치하여 개질하는 방법으로서 외부에 별도의 개질기를 설치할 필요 없이 천연가스를 직접연료로 사용할 수 있다. 그리고, 발전 중 스택에서 발생하는 열은 개질반응에 이용되어 별도의 스택 냉각을 위한 장치 설치가 필요 없어 시스템을 단순화 할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 종래 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템에서는, 이산화탄소 및 황화수소 제거 장치를 거친 합성가스가 고압이며, 수소가 주성분이므로 내부개질형 용융탄산염 연료전지에는 적합하지 않고, 고압의 수소를 주성분으로 하는 합성가스를 직접적으로 연료전지의 연료로써 사용하기 위해서는 가압용 외부개질형 용융탄산염 연료전지나 가압용 고체 산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)에 한하여 기술 연계가 가능하다는 단점이 있다.
또한, 종래의 기술에서 연료전지의 연료극에서 배출되는 이산화탄소의 효율적인 회수를 위하여 반응하지 않은 수소 및 소량의 다른 가스를 순산소 촉매연소기를 이용하여 연소하는 방법은 비용 및 시스템 효율의 향상 면에서 그다지 효율적이지 못하다.
따라서, 내부개질형 용융탄산염 연료전지와의 연계가 가능하여 시스템의 공정 안정성을 향상시킬 수 있고, 연료극에서 배출되는 배출가스를 별도의 연소 없이 처리하며, 기존 공정에서 필수불가결한 순산소 촉매연소기의 생략 및 그 결과 순산소 공급의 불필요에 따른 공기분리 장치 규모 최소화로 경제성 향상 효과를 가져올 수 있는 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지를 개발할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템에 있어서, 메탄화 반응을 이용하는 가스 공급 방법 및 상기 방법을 이용하는 시스템을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명은 메탄을 포함하는 합성가스를 이용한 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템을 제공하고자 하며, 상기 합성가스를 연료전지의 연료극에 공급시 연료전지 시스템의 효율 향상, 안정성을 높이기 위한 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.
또한 본 발명의 목적은 합성가스를 이용한 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템에서 합성가스 및 석탄연료의 연소가스로부터 이산화탄소 회수가 가능한 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에서 제1 또는 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들이 상기 용어들에 의하여 한정되지 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별시키는 목적으로만 사용된다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템의 가스 공급 방법은 (a) 석탄가스화에 의한 합성가스를 포함하는 가스의 메탄화 반응을 이용하여 메탄을 포함하는 연료극가스를 생성하는 생성단계; 그리고 (b) 상기 연료극가스를 연료극 가스공급부를 통해서 내부개질형 용융탄산염 연료전지의 연료극으로 공급하고, 산소 및 이산화탄소를 포함하는 공기극가스를 공기극 가스공급부를 통하여 상기 연료전지의 공기극으로 공급하는 가스공급단계를 포함한다.
상기 단계 (a)에서, 상기 합성가스는 정제분리단계를 거친 것일 수 있고, 상기 정제분리단계는 산소를 포함하는 원료공기와 석탄의 산화반응에 의해서 생성되는 원료1합성가스를 공급받는 제1과정; 상기 원료1합성가스로부터 오염가스를 제거하여 수소, 황화수소, 이산화탄소 및 일산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 1 이상을 포함하는 원료2합성가스를 제조하는 제2과정; 그리고 상기 원료2합성가스로부터 이산화탄소 및 황화수소를 분리하는 제3과정을 포함할 수 있다.
상기 메탄화 반응은 니켈계 메탄화촉매, 철계 메탄화촉매 및 루테늄계 메탄화촉매로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 메탄화촉매를 이용하여 이루어질 수 있다.
상기 단계 (a)의 합성가스는 상기 합성가스를 포함하는 가스에 상기 연료극에서 배출되는 연료극 배출가스가 더 포함되어 메탄화 반응이 이루어져 상기 연료극 가스로 제공되는 것일 수 있다.
상기 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은 복합발전부를 더 포함하고, 상기 정제분리단계에서 분리된 합성가스를 상기 복합발전부에 제공하여 발전가스로 공급하는 발전가스 공급과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은 석탄가스화에 의한 합성가스를 포함하는 가스의 메탄화 반응을 수행하는 메탄화부; 상기 메탄화부와 내부개질형 연료전지의 연료극을 연결하며, 연료극가스를 상기 연료극으로 공급하는 연료극 가스공급부; 그리고 산소 및 이산화탄소를 포함하는 공기극가스를 상기 연료전지의 공기극으로 공급하는 공기극 가스공급부를 포함한다.
상기 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은 상기 합성가스를 정제분리하는 가스정제분리부를 상기 메탄화부와 연결되도록 포함하고, 상기 가스정제분리부는, 산소를 포함하는 원료공기와 석탄을 혼합하고 산화반응을 통하여 석탄으로부터 생성된 원료1합성가스를 공급하는 원료가스공급부; 상기 원료1합성가스로부터 오염가스를 제거하여 원료2합성가스를 제조하는 오염가스정제부; 그리고 상기 원료2합성가스로부터 이산화탄소 및 황화수소를 분리하는 이산화탄소제거부를 포함할 수 있다.
상기 가스정제분리부는 상기 이산화탄소제거부와 연결되어 분리된 황화수소를 저장하는 황회수부와 분리된 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소압축부를 더 포함할 수 있다.
상기 가스정제분리부는 상기 원료가스공급부와 연결되어 상기 산소를 포함하는 원료공기를 공급하는 공기분리부를 더 포함할 수 있다.
상기 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은 복합발전부를 더 포함하고, 상기 가스정제분리부로부터 공급받은 합성가스를 포함하는 발전가스는 상기 복합발전부에 공급될 수 있다.
상기 복합발전부는 상기 합성가스를 포함하는 발전가스를 공급받아 가열하는 발전가스가열부; 상기 가열된 발전가스를 공급받아 팽창시키는 발전가스팽창부; 그리고 상기 팽창된 발전가스를 공급받아 발전하는 발전가스발전부를 포함할 수 있다.
상기 발전가스발전부는 대기중의 공기를 압축하는 공기압축부; 상기 공기압축부, 상기 공기분리부, 상기 발전가스팽창부 및 이들의 조합으로부터 공급받은 가스 혼합물을 연소시키는 연소부; 그리고 상기 연소부로부터의 배기가스를 공급받아 회전 구동하는 터빈부를 포함할 수 있다.
상기 복합발전부는 상기 발전가스발전부로부터 생성되는 수증기를 공급받는 증기터빈부를 더 포함할 수 있다.
상기 연료극으로부터 배출되는 배출가스는 상기 가스정제분리부로 공급되어 재순환될 수 있다.
상기 연료극으로부터 배출되는 배출가스는 좋기로는 상기 가스정제분리부에 포함되는 수성가스전환부로 공급되어 재순환될 수 있다.
본 발명의 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템 및 그의 가스 공급 방법은, 메탄화 공정을 통하여 메탄을 생성하여 공급함으로써 내부개질형 용융탄산염 연료전지와의 연계가 가능하며, 이로 인해 시스템의 공정 안정성을 향상시킬 수 있다.
한편, 용융탄산염 연료전지의 연료극에서 배출된 배출가스를 별도의 연소 없이 가스정제분리부로 재공급할 수 있어 연료극 배출가스 중의 미반응 일산화탄소를 추가적으로 이산화탄소와 수소로 전환시키고, 이산화탄소제거부를 통하여 이산화탄소 및 황화수소의 제거가 가능하며, 메탄화 공정을 통하여 재순환할 수 있어 시스템 효율 향상 효과를 가져올 수 있다.
상기 재순환 과정의 결과로 기존 공정의 순산소 촉매연소기가 불필요하게 되고 따라서 순산소 공급의 불필요에 따른 공기분리부의 장치 규모 최소화로 경제성 향상 효과를 가져올 수 있다.
내부개질형 용융탄산염 연료전지와의 연계가 가능하다는 점에서 연료전지 구동시 공기극에 석탄연료 발전소에서 배출되는 연도가스를 공급할 수 있어 추가적인 이산화탄소 회수가 가능하다.
도 1은 본 발명의 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템에 대한 블록도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템의 가스 공급 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템의 가스 공급 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 도 1은 본 발명의 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템에 대한 블록도을 도시한 것이다. 이하 본 발명을 도 1을 참고하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템의 가스 공급 방법은 (a) 석탄가스화에 의한 합성가스를 포함하는 가스의 메탄화 반응을 이용하여 메탄을 포함하는 연료극가스를 생성하는 생성단계; 그리고 (b) 상기 연료극가스를 연료극 가스공급부 (311)를 통해서 내부개질형 용융탄산염 연료전지 (300)의 연료극 (310)으로 공급하고, 산소 및 이산화탄소를 포함하는 공기극가스를 공기극 가스공급부 (321)를 통하여 상기 연료전지의 공기극 (320)으로 공급하는 가스공급단계를 포함한다.
용융탄산염 연료전지는 천연가스 개질 방법에 따라 내부개질형과 외부개질형으로 구분된다. 내부개질에 의한 연료전환 방법은 촉매를 전지 내부에 설치하여 개질하는 방법으로서 외부에 별도의 개질기를 설치할 필요 없이 천연가스를 직접연료로 사용할 수 있다. 그리고, 발전 중 스택에서 발생하는 열은 개질반응에 이용되어 별도의 스택 냉각을 위한 장치 설치가 필요 없어 시스템을 단순화 할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점에도 불구하고 종래 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템에서는 이산화탄소 및 황화수소 제거 장치를 거친 합성가스가 고압이며, 수소가 주성분이므로 전기화학 반응의 발열량을 직접 흡열반응인 메탄의 개질반응에 이용하는 내부개질형 용융탄산염 연료전지에는 적합하지 않다는 문제점이 있었다. 따라서, 고압의 수소를 주성분으로 하는 합성가스를 직접적으로 연료전지의 연료로써 사용하기 위해서는 가압용 외부개질형 용융탄산염 연료전지나 가압용 고체 산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)에 한하여 기술 연계가 가능하였다. 본 발명에서 제공하는 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은, 이산화탄소제거부 (160)를 통하여 이산화탄소 및 황화수소가 제거된 합성가스를 메탄화 공정에 공급하여 연료전지 발전에 활용하는 것으로서, 상기 메탄화 공정을 거친 후 생성된 메탄가스는 내부개질형 용융탄산염 연료전지 (300)로 공급되어 연료로 활용된다. 상기 메탄화공정은 합성가스 중의 수소와, 일산화탄소 및 이산화탄소를 반응시켜 메탄을 생성하여 공급함으로써 내부개질형 용융탄산염 연료전지의 연료로 활용한다. 이로써 전기화학 반응의 발열량을 직접 흡열반응인 메탄의 개질반응에 이용하는 내부개질형 용융탄산염 연료전지와의 연계가 가능하고 시스템의 공정 안정성을 향상시킬 수 있다.
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)
연료전지 (300)는 연료극 (310)과 공기극 (320)을 포함하고, 상기 연료극 (310)에는 메탄화공정을 거친 메탄가스가 연료극가스로 공급되며, 상기 공기극 (320)에는 산소 및 이산화탄소를 포함하는 공기극가스가 공급되는데, 특정 구현예로서, 공기극가스로는 석탄연료 발전소에서 배출되는 연소가스인 연도가스가 연료전지 시스템의 효율 향상 및 안정성을 높이기 위해 공기와 함께 공급될 수 있다.
상기 단계 (a)에서, 상기 합성가스는 정제분리단계를 거친 것일 수 있고, 상기 정제분리단계는 산소를 포함하는 원료공기와 석탄의 산화반응에 의해서 생성되는 원료1합성가스를 공급받는 제1과정; 상기 원료1합성가스로부터 오염가스를 제거하여 수소, 황화수소, 이산화탄소 및 일산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 1 이상을 포함하는 원료2합성가스를 제조하는 제2과정; 그리고 상기 원료2합성가스로부터 이산화탄소 및 황화수소를 분리하는 제3과정을 포함할 수 있다.
구체적으로 본 발명의 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템의 정제분리단계는 다음의 과정을 포함할 수 있다. 공기분리부 (110)에서 산소 (O2)와 질소 (N2)를 분리한 후 산소는 가스화부 (120)에 주입되어 석탄의 산화반응에 산화제로서 이용된다. 가스화부 (120)에서 생성된 가스는 1300℃ 이상으로 수소 (H2), 일산화탄소 (CO), 이산화탄소 (CO2), 메탄 (CH4), 황화수소 (H2S) 등을 포함하고 있으며, 원료1합성가스 라고 부른다. 이 고온의 가스는 합성가스냉각부 (130)를 통하여 열 회수 후 오염가스정제부 (140)를 통해 먼지, 황 및 수은 등의 오염가스를 제거하는 가스 정제공정을 거친다. 오염가스 정제공정을 거치면 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 황화수소를 주성분으로 포함하는 원료2합성가스를 생성하게 되고, 이러한 조성을 갖는 합성가스는 수성가스전환부 (150)에서 하기의 반응을 거쳐 합성가스 중에 포함된 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시킨다.
CO + H2O → CO2 + H2 (iii)
상기 공정을 거치면 합성가스는 이산화탄소와 수소로 전환되며, 합성가스냉각부 (130)를 거친 후 이산화탄소제거부 (160)를 통해 이산화탄소와 황화수소가 제거된다.
상기 메탄화 반응은 본 발명의 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템에 메탄을 포함하는 연료극가스를 공급하기 위한 목적을 달성할 수 있는 한 어떠한 조건하에서 이루어져도 무관하나, 메탄화반응은 발열반응이기 때문에 반응온도를 낮게 하면 일산화탄소의 평형농도가 낮아지는 반면 반응속도 역시 느려지기 때문에 반응 온도로서 100 내지 400℃, 좋기로는 200 내지 350℃, 더욱 좋기로는 250 내지 300℃의 범위가 적합할 수 있다. 따라서 상기 메탄화 반응은 100 내지 400℃에서 이루어질 수 있다.
상기 메탄화 반응은 니켈계 메탄화촉매, 철계 메탄화촉매 및 루테늄계 메탄화촉매로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 메탄화촉매를 이용하여 이루어질 수 있다.
상기 공기극가스는 석탄연료의 연소가스를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이 연료전지 (300)는 연료극 (310)과 공기극 (320)을 포함하고, 상기 공기극에는 산소 및 이산화탄소를 포함하는 공기극가스가 공급되는데, 공기극가스로는 석탄연료 발전소에서 배출되는 연소가스인 연도가스가 연료전지 시스템의 효율 향상 및 안정성을 높이기 위해 공기와 함께 공급될 수 있다. 이러한 공기극에의 연도가스 공급은 본 발명의 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템이 내부개질형 용융탄산염 연료전지 (300)와 연계되기 때문에 가능하며 이로써 추가적인 이산화탄소 회수가 가능하게 된다.
상기 단계 (a)의 합성가스는 상기 합성가스를 포함하는 가스에 상기 연료극에서 배출되는 연료극 배출가스가 더 포함되어 메탄화 반응이 이루어져 상기 연료극 가스로 제공되는 것일 수 있다.
종래의 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 기술은 석탄가스화에 의해 발생되는 합성가스를 가스 정제장치, 수성가스전환공정, 이산화탄소 및 황화수소 제거 설비를 거쳐 수소와 미량의 이산화탄소, 일산화탄소를 주성분으로 하는 생성가스를 형성한 후 연료전지의 연료극으로 연료가스로 공급한다. 한편, 이산화탄소 농도가 높아진 연료극의 배출가스는 순산소 촉매산화기에 공급되어 연료극의 배출가스에서 반응하지 않은 수소 및 소량의 다른 가스를 연소하여 이산화탄소의 농도를 더욱더 고농도로 농축하고, 동시에 배출가스를 이산화탄소와 물로 전환하여 회수한다. 그러나, 종래의 기술에서 연료전지의 연료극에서 배출되는 이산화탄소의 회수를 위해 순산소 촉매연소기를 이용하여 연료극 배출가스 중 반응하지 않은 수소 및 소량의 다른 가스를 연소하는 방법은 비용 및 시스템 효율의 향상 면에서 그다지 효율적이지 못하다.
그에 반하여, 본 발명의 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은 연료극 (310)에서 배출되는, 이산화탄소를 포함한 반응하지 않은 수소, 일산화탄소 및 소량의 다른 가스를 가스정제분리부 (100), 좋기로는 수성가스전환부 (150) 전단으로 재공급하여 반응하지 않은 일산화탄소의 이산화탄소 및 수소로의 전환, 이산화탄소제거부 (160)를 통한 황화수소 및 이산화탄소의 제거, 메탄화부 (200)을 통한 메탄화 공정을 반복할 수 있다. 즉, 기존 공정의 순산소 촉매연소기를 통한 별도의 연소 없이 재활용되므로 시스템 효율 향상 효과를 가져올 수 있다. 따라서, 기존 공정의 순산소 촉매연소기는 필요치 않고 이에 필요로 하는 순산소 공급의 불필요에 따른 공기분리부 (110)의 장치 규모 최소화로 경제성 향상 효과를 가져올 수 있다.
상기 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은 복합발전부 (400)를 더 포함하고, 상기 정제분리단계에서 분리된 합성가스를 상기 복합발전부 (400)에 제공하여 발전가스로 공급하는 발전가스공급과정을 더 포함할 수 있다.
한편, 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은 석탄가스화에 의해 발생되는 합성가스를 일부 연료전지 발전에 필요한 연료로 활용하는 동시에, 석탄가스화 복합발전에 활용하는 것이다. 따라서, 석탄가스화를 통한 가스 연소에 의한 발전력뿐 아니라 연료전지에 의한 추가적인 발전으로 시스템 효율을 향상시키고, 연료전지에서 배출되는 이산화탄소를 효율적으로 회수할 수 있다는 장점이 있다. 여기서, 이산화탄소와 황화수소가 제거된 즉, 수소와 미량의 이산화탄소, 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성가스는 복합발전부 (400)에 포함된 연소부 (432)에 발전가스로서 공급되어 복합발전에 활용되기도 하고, 일부 연료전지 발전에 필요한 연료로도 활용된다.
복합발전에 활용하는 발전가스는 이산화탄소제거부 (160)에서 이산화탄소와 황화수소를 제거한 이후 발전가스가열부 (410)에서 재가열되고, 발전가스팽창부 (420)를 통해 일부 전력을 생산하여 시스템의 효율을 향상시키고, 복합발전 연소에 적합한 조건으로 조절되어 발전가스발전부 (430)로 공급된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은 석탄가스화에 의한 합성가스를 포함하는 가스의 메탄화 반응을 수행하는 메탄화부 (200), 상기 메탄화부 (200)와 내부개질형 연료전지 (300)의 연료극 (310)을 연결하며, 연료극가스를 상기 연료극으로 공급하는 연료극 가스공급부 (311), 그리고 산소 및 이산화탄소를 포함하는 공기극가스를 상기 연료전지 (300)의 공기극 (320)으로 공급하는 공기극 가스공급부 (321)를 포함한다.
본 발명에서 제공하는 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은, 이산화탄소 및 황화수소가 제거된 합성가스를 메탄화 공정에 공급하여 연료전지 발전에 활용하는 것으로서, 상기 메탄화 공정을 거친 후 생성된 메탄가스는 내부개질형 용융탄산염 연료전지 (300)로 공급되어 연료로 활용된다. 상기 메탄화공정은 본 발명의 메탄화부 (200)에서 합성가스 중의 수소와, 일산화탄소 및 이산화탄소를 반응시켜 메탄을 생성하여 공급함으로써 내부개질형 용융탄산염 연료전지 (300)의 연료로 활용한다. 이로써 전기화학 반응의 발열량을 직접 흡열반응인 메탄의 개질반응에 이용하는 내부개질형 용융탄산염 연료전지와의 연계가 가능하고 시스템의 공정 안정성을 향상시킬 수 있다.
메탄화 공정은 본 발명의 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템의 가스 공급 방법에 관하여 전술한 내용과 중복되므로 그 설명을 생략한다.
연료전지 (300)는 연료극 (310)과 공기극 (320)을 포함하고, 상기 연료극에는 메탄화부 (200)에서 메탄화공정을 거친 메탄가스가 연료극 가스공급부 (311)를 통하여 연료극가스로서 공급되며, 상기 공기극에는 산소 및 이산화탄소를 포함하는 공기극가스가 공기극 가스공급부 (321)를 통하여 공급되는데, 특정 구현예로서, 공기극가스로는 석탄연료 발전소에서 배출되는 연소가스인 연도가스가 연료전지 시스템의 효율 향상 및 안정성을 높이기 위해 공기와 함께 공급될 수 있음은 전술한 바 있다.
상기 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은 상기 합성가스를 정제분리하는 가스정제분리부 (100)를 상기 메탄화부 (200)와 연결되도록 포함하고, 상기 가스정제분리부 (100)는, 산소를 포함하는 원료공기와 석탄을 혼합하고 산화반응을 통하여 석탄으로부터 생성된 원료1합성가스를 공급하는 원료가스 공급부 (121); 상기 원료1합성가스로부터 오염가스를 제거하여 원료2합성가스를 제조하는 오염가스정제부 (140); 그리고 상기 원료2합성가스로부터 이산화탄소 및 황화수소를 분리하는 이산화탄소제거부 (160)를 포함할 수 있다.
구체적으로 본 발명의 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템의 가스정제분리부 (100)는 다음의 각 부를 포함할 수 있다. 공기분리부 (110)에서 산소 (O2)와 질소 (N2)를 분리한 후 산소는 가스화부 (120)에 주입되어 석탄의 산화반응에 산화제로서 이용된다. 가스화부 (120)에서 생성된 가스는 1300℃ 이상으로 수소 (H2), 일산화탄소 (CO), 이산화탄소 (CO2), 메탄 (CH4), 황화수소 (H2S) 등을 포함하고 있으며, 원료1합성가스라고 부른다. 이 고온의 가스는 원료가스공급부 (121)를 통하여 합성가스 냉각부 (130)로 공급되고, 합성가스 냉각부 (130)를 통하여 열 회수 후 오염가스 정제부 (140)를 통해 먼지, 황 및 수은 등의 오염가스를 제거하는 가스 정제공정을 거친다. 오염가스 정제공정을 거치면 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 황화수소를 주성분으로 포함하는 원료2합성가스를 생성하게 되고, 이러한 조성을 갖는 합성가스는 수성가스전환부 (150)에서 합성가스 중에 포함된 일산화탄소가 이산화탄소로 전환될 수 있다. 상기 공정을 거치면 합성가스는 이산화탄소와 수소로 전환되며, 다시 합성가스 냉각부 (130)를 거친 후 이산화탄소제거부 (160)를 통해 이산화탄소와 황화수소가 제거될 수 있다.
상기 가스정제분리부 (100)는, 상기 이산화탄소제거부 (160)와 연결되어 분리된 황화수소를 저장하는 황회수부 (170)와 분리된 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소압축부 (180)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 분리된 이산화탄소는 이산화탄소압축부 (180)를 통하여 압축, 이송 및 저장될 수 있다.
상기 가스정제분리부 (100)는 상기 원료가스 공급부 (121)와 연결되어 상기 산소를 포함하는 원료공기를 공급하는 공기분리부 (110)를 더 포함할 수 있다. 상기 공기분리부 (110)는 가스정제분리부 (100)의 최우선 단계를 구성할 수 있으며, 공기분리부 (110)에서는 외부에서 유입된 공기로부터 산소 및 질소를 분리할 수 있다. 분리된 산소는 산화제로서 가스화부 (120)에 공급되고, 질소는 복합발전부 (400)의 발전가스발전부 (430)로 공급되어 연소될 수 있다.
상기 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은 복합발전부 (400)를 더 포함하고, 상기 가스정제분리부 (100)로부터 공급받은 합성가스를 포함하는 발전가스는 상기 복합발전부 (400)에 공급될 수 있다.
상기 복합발전부 (400)는 상기 발전가스를 공급받아 가열하는 발전가스가열부 (410); 상기 가열된 발전가스를 공급받아 팽창시키는 발전가스팽창부 (420); 그리고 상기 팽창된 발전가스를 공급받아 발전하는 발전가스발전부 (430)를 포함할 수 있다.
상기 발전가스발전부 (430)는 대기중의 공기를 압축하는 공기압축부 (431); 상기 공기압축부 (431), 상기 공기분리부 (110), 상기 발전가스팽창부 (420) 및 이들의 조합으로부터 공급받은 가스 혼합물을 연소시키는 연소부 (432); 그리고 상기 연소부 (432)로부터의 배기가스를 공급받아 회전 구동하는 터빈부 (433)를 포함할 수 있다.
상기 복합발전부 (400)는 상기 발전가스발전부 (430)로부터 생성되는 수증기를 공급받는 증기터빈부 (440)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은 석탄가스화에 의해 발생되는 합성가스를 일부 연료전지 발전에 필요한 연료로 활용하는 동시에, 석탄가스화 복합발전에 발전가스로서 활용하는 것으로 시스템 효율이 향상되고 이산화탄소를 효율적으로 회수할 수 있는 것임은 전술한 바 있다.
석탄가스화 복합발전의 에너지 생산은 복합발전부 (400)에서 이루어지며, 복합발전부 (400)는 발전가스가열부 (410), 발전가스팽창부 (420) 및 발전가스발전부 (430)를 포함할 수 있다. 복합발전에 활용되는 합성가스는 이산화탄소제거부 (160)에서 이산화탄소와 황화수소가 제거된 이후 발전가스가열부 (410)에서 재가열되고, 발전가스팽창부 (420)를 통해 일부 전력을 생산하여 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 발전가스팽창부 (420)를 거친 합성가스는 복합발전 연소에 적합한 조건으로 조절되어 발전가스발전부 (430)로 공급될 수 있다. 이를 발전가스라고 부른다.
발전가스발전부 (430)는 다시 공기압축부 (431), 연소부 (432) 및 터빈부 (433)를 포함할 수 있고, 상기 발전가스발전부 (430)로 공급된 발전가스는 연소부 (432)에 공급되어 압축공기 및 질소와 함께 연소될 수 있다. 이로 인해 생성되는 수증기는 복합발전부 (400)가 더 포함할 수 있는 증기터빈부 (440)로 공급될 수 있으며, 배기가스는 터빈부 (433)로 공급되어 터빈을 회전 구동하는데 사용되고, 배기가스의 열 에너지로부터 생성된 수증기는 증기터빈부 (440)로 공급되여 터빈을 구동시킬 수 있다.
발전가스발전부 (430)는 공기압축부 (431), 연소부 (432), 터빈부 (433)를 포함할 수 있다. 상기 공기압축부 (431)는 대기중의 공기를 압축하여 연소부 (432)로 공급하고, 연소부 (432)는 발전가스팽창부 (420), 공기압축부 (431) 및 공기분리부 (110)와 연결되어 그들로부터 각각 공급 받은 합성가스, 압축공기 및 질소를 연소시킨다. 이로 인하여 이산화탄소와 수증기가 발생하며, 일부 불완전연소시에는 일산화탄소, 탄화수소, 황산화물 등을 포함하는 배기가스가 발생할 수 있다. 발생되는 수증기는 전술한 바와 같이 증기터빈부 (440)에 공급될 수 있으며, 배기가스는 터빈부 (433)로 공급되어 터빈을 회전 구동하는데 사용될 수 있다. 터빈부 (433)는 회전 구동에 사용된 배기가스를 배열회수 보일러로 공급하며, 배기가스의 열 에너지로부터 수증기가 생성되면 증기터빈부 (440)로 공급하여 터빈을 구동시킬 수 있음을 전술하였다
상기 연료극 (310)으로부터 배출되는 배출가스는 상기 가스정제분리부 (100)로 공급되어 재순환될 수 있다.
상기 연료극 (310)으로부터 배출되는 배출가스는 좋기로는 상기 가스정제분리부 (100)에 포함되는 수성가스전환부 (150)로 공급되어 재순환될 수 있다.
본 발명의 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은 전술한 바와 같이 연료극 (310)에서 배출되는, 이산화탄소를 포함한 반응하지 않은 수소, 일산화탄소 및 소량의 다른 가스를 가스정제분리부 (100), 좋기로는 수성가스전환부 (150) 전단으로 재공급하여 반응하지 않은 일산화탄소의 이산화탄소 및 수소로의 전환, 이산화탄소제거부 (160)를 통한 황화수소 및 이산화탄소의 제거, 메탄화부 (200)를 통한 메탄화 공정을 반복할 수 있다. 즉, 기존 공정의 순산소 촉매연소기를 통한 별도의 연소 없이 재활용되므로 시스템 효율 향상 효과를 가져올 수 있다. 따라서, 기존 공정의 순산소 촉매연소기는 필요치 않고 이에 필요로 하는 순산소 공급의 불필요에 따른 공기분리부 (110)의 장치 규모 최소화로 경제성 향상 효과를 가져올 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 가스정제분리부
110: 공기분리부
120: 가스화부
121: 원료가스공급부
130: 합성가스 냉각부
140: 오염가스 정제부
150: 수성가스전환부
160: 이산화탄소제거부
170: 황회수부
180: 이산화탄소압축부
200: 메탄화부
300: 연료전지
310: 연료극
311: 연료극 가스공급부
320: 공기극
321: 공기극 가스공급부
400: 복합발전부
410: 발전가스가열부
420: 발전가스팽창부
430: 발전가스발전부
431: 공기압축부
432: 연소부
433: 터빈부
440: 증기터빈부
110: 공기분리부
120: 가스화부
121: 원료가스공급부
130: 합성가스 냉각부
140: 오염가스 정제부
150: 수성가스전환부
160: 이산화탄소제거부
170: 황회수부
180: 이산화탄소압축부
200: 메탄화부
300: 연료전지
310: 연료극
311: 연료극 가스공급부
320: 공기극
321: 공기극 가스공급부
400: 복합발전부
410: 발전가스가열부
420: 발전가스팽창부
430: 발전가스발전부
431: 공기압축부
432: 연소부
433: 터빈부
440: 증기터빈부
Claims (17)
- (a) 석탄가스화에 의한 합성가스를 포함하는 가스의 메탄화 반응을 이용하여 메탄을 포함하는 연료극가스를 생성하는 생성단계; 그리고
(b) 상기 연료극가스를 연료극 가스공급부를 통해서 내부개질형 용융탄산염 연료전지의 연료극으로 공급하고, 산소 및 이산화탄소를 포함하는 공기극가스를 공기극 가스공급부를 통하여 상기 연료전지의 공기극으로 공급하는 가스공급단계
를 포함하는 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템의 가스 공급 방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서, 상기 합성가스는 정제분리단계를 거친 것일 수 있고,
상기 정제분리단계는,
산소를 포함하는 원료공기와 석탄의 산화반응에 의해서 생성되는 원료1합성가스를 공급받는 제1과정;
상기 원료1합성가스로부터 오염가스를 제거하여 수소, 황화수소, 이산화탄소 및 일산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 1 이상을 포함하는 원료2합성가스를 제조하는 제2과정; 그리고
상기 원료2합성가스로부터 이산화탄소 및 황화수소를 분리하는 제3과정
을 포함하는 것인 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템의 가스 공급 방법. - 제1항에 있어서,
상기 메탄화 반응은 100 내지 400℃ 에서 이루어지는 것인 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템의 가스 공급 방법. - 제1항에 있어서,
상기 메탄화 반응은 니켈계 메탄화촉매, 철계 메탄화촉매 및 루테늄계 메탄화촉매로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 메탄화촉매를 이용하는 것인 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템의 가스 공급 방법. - 제1항에 있어서,
상기 공기극가스는 석탄연료의 연소가스를 포함하는 것인 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템의 가스 공급 방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (a)의 합성가스를 포함하는 가스에 상기 연료극에서 배출되는 연료극 배출가스가 더 포함되어 메탄화 반응이 이루어져 상기 연료극가스를 제공하는 것인 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템의 가스 공급 방법. - 제2항에 있어서,
상기 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은 복합발전부를 더 포함하고,
상기 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은 상기 정제분리단계에서 분리된 합성가스를 상기 복합발전부에 제공하여 발전가스로 공급하는 발전가스공급과정을 더 포함하는 것인 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템의 가스 공급 방법. - 석탄가스화에 의한 합성가스를 포함하는 가스의 메탄화 반응을 수행하는 메탄화부;
상기 메탄화부와 내부개질형 연료전지의 연료극을 연결하며, 연료극가스를 상기 연료극으로 공급하는 연료극 가스공급부; 그리고
산소 및 이산화탄소를 포함하는 공기극가스를 상기 연료전지의 공기극으로 공급하는 공기극 가스공급부
를 포함하는 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은 상기 합성가스를 정제분리하는 가스정제분리부를 상기 메탄화부와 연결되도록 포함하고
상기 가스정제분리부는,
산소를 포함하는 원료공기와 석탄을 혼합하고 산화반응을 통하여 석탄으로부터 생성된 원료1합성가스를 공급하는 원료가스공급부;
상기 원료1합성가스로부터 오염가스를 제거하여 원료2합성가스를 제조하는 오염가스정제부; 그리고
상기 원료2합성가스로부터 이산화탄소 및 황화수소를 분리하는 이산화탄소제거부
를 포함하는 것인 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 가스정제분리부는 상기 이산화탄소제거부와 연결되어 분리된 황화수소를 저장하는 황회수부와 분리된 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소압축부를 더 포함하는 것인 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 가스정제분리부는 상기 원료가스공급부와 연결되어 상기 산소를 포함하는 원료공기를 공급하는 공기분리부를 더 포함하는 것인 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템. - 제9항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템은 복합발전부를 더 포함하고,
상기 가스정제분리부로부터 공급받은 합성가스를 포함하는 발전가스는 상기 복합발전부에 공급되는 것인 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 복합발전부는,
상기 발전가스를 공급받아 가열하는 발전가스가열부;
상기 가열된 발전가스를 공급받아 팽창시키는 발전가스팽창부; 그리고
상기 팽창된 발전가스를 공급받아 발전하는 발전가스발전부
를 포함하는 것인 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 발전가스발전부는,
대기중의 공기를 압축하는 공기압축부;
상기 공기압축부, 상기 공기분리부, 상기 발전가스팽창부 및 이들의 조합으로부터 공급받은 가스 혼합물을 연소시키는 연소부; 그리고
상기 연소부로부터의 배기가스를 공급받아 회전 구동하는 터빈부
를 포함하는 것인 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 복합발전부는 상기 발전가스발전부로부터 생성되는 수증기를 공급받는 증기터빈부를 더 포함하는 것인 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 연료극으로부터 배출되는 배출가스는 상기 가스정제분리부로 공급되어 재순환되는 것인 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 연료극으로부터 배출되는 배출가스는 상기 가스정제분리부에 포함되는 수성가스전환부로 공급되어 재순환되는 것인 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템.
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