KR20200029793A - 석탄 가스화 합성가스 및 ｆｔ 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템 - Google Patents

석탄 가스화 합성가스 및 ｆｔ 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 석탄을 이용해 합성가스를 생성하는 석탄 가스화부; 상기 석탄 가스화부로부터 합성가스를 공급받아 FT 반응을 통해 산업용 연료를 생산하는 FT 반응부; 및 상기 석탄 가스화부로부터 합성가스를 공급받아 압축착화 방식을 이용한 혼소엔진을 구동시켜 전기를 발생시키는 제1발전유닛 및 상기 FT 반응부로부터 FT 반응에 참여하지 않은 미활용된 오프가스를 공급받아 불꽃점화 방식을 이용한 전소엔진을 구동시켜 전기를 발생시키는 제2발전유닛을 포함하는 발전부; 를 포함하여 이루어져, 석탄의 가스화 및 FT 반응으로 산업용 연료를 생산하는 과정에서 버려지는 오프가스를 활용하여 고효율로 발전을 할 수 있는 발전 시스템에 관한 것이다.

Description

석탄 가스화 합성가스 및 ＦＴ 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템 {Generation system utilizing coal gasification syngas and FT reaction off-gas}
본 발명은 석탄 가스화 공정에서 발생된 저발열량의 합성가스와, 석탄의 가스화 및 FT 반응으로 산업용 연료를 생산하는 과정에서 버려지는 오프가스를 모두 활용하여 발전을 하는 기술에 관한 것이다.
석탄을 이용한 화력 발전 기술은 석탄을 직접 연소시켜 증기를 발생시키고 이 증기로 터빈을 돌려 발전을 하는 기술로, 전통적인 발전 기술 중 하나이다. 화력발전은 상당히 효율이 좋은 발전 기술인 반면 유해한 배기가스 등의 폐부산물의 발생량이 많아 환경에 큰 악영향을 끼치는 문제가 있다. 이러한 문제를 해소하면서 화력 발전의 장점을 더욱 발전시키고자 하는 연구가 지속적으로 이루어져 왔으며, 이러한 연구의 일환으로 석탄 가스화 복합 발전(Integrated Gasification Combined Cycle) 기술이 점차 확대되어 가고 있다.
석탄 가스화 복합 발전이란, 석탄을 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 주성분으로 한 합성가스(syngas)로 전환한 뒤 합성가스 중에 포함된 분진(Dust)과 황산화물 등 유해물질을 제거하고 천연가스와 유사한 수준으로 정제하여 복합 발전을 하는 기술이다. 석탄 가스화 복합 발전 기술은 고전적인 석탄 화력 발전 기술에 비해 더욱 높은 발전 효율을 가지며, 직접 연소 발전에 비해서는 황산화물 90% 이상, 질소산화물 75% 이상, 이산화탄소 25%까지 저감할 수 있는 환경친화적 기술이기 때문에 세계 각국에서 개발에 힘쓰고 있다. 한국특허공개 제2014-0139314호("고정층 가스화기를 이용한 석탄가스화 발전설비", 2014.12.05) 등에 이러한 석탄 가스화 복합 발전 기술이 다양하게 개시된다.
석탄 가스화 공정에서 발생되는 합성가스는 여러 가지 용도로 활용되는데, 특히 이를 FT(Fischer & Tropsh) 반응을 통하면 우리가 일반적으로 사용할 수 있는 연료들(디젤, 등유, 가솔린 등)을 생산할 수 있다. 이 때 FT 반응에 참여하여 반응하지 않고 미활용된 가스(오프가스; off-gas)가 발생되는데, 오프가스의 발열량은 일반적인 발전기용으로 사용되는 디젤이나 가스연료에 비해 1/5 내지 1/10 정도의 발열량을 갖기 때문에, 미연소가 되거나 연소가 되더라도 열효율이 매우 낮아서 발전용 연료로 사용되기 적합하지 못한 것으로 알려져 있다. 이에 종래에는 이러한 오프가스가 모두 버려짐으로써 전체적인 시스템 효율 저하의 원인이 되는 문제가 있었다.
한편 석탄 가스화 공정에서 발생된 합성가스는 상술한 바와 같이 FT 반응을 시킴으로써 산업용 연료를 생산하는데 사용될 수도 있고, 직접 연소를 시켜서 발전에 사용할 수도 있다. 그런데 가스화 과정을 위해 주입되는 산소의 농도에 따라 FT 반응에 사용할 수 없을 정도로 낮은 발열량을 가지는 합성가스가 만들어지기도 한다. 이처럼 FT 반응에 사용되지 못한 합성가스를 다른 용도로 활용되지 못하고 버려지게 될 경우 역시 시스템 효율이 크게 저하되는 문제가 있었다.
1. 한국특허공개 제2014-0139314호("고정층 가스화기를 이용한 석탄가스화 발전설비", 2014.12.05)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 석탄 가스화 공정에서 발생된 저발열량의 합성가스와, 석탄의 가스화 및 FT 반응으로 산업용 연료를 생산하는 과정에서 버려지는 오프가스를 모두 활용하여 안정적인 연소를 통한 고효율 발전을 할 수 있는 발전 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템은, 석탄을 이용해 합성가스를 생성하는 석탄 가스화부; 상기 석탄 가스화부로부터 합성가스를 공급받아 FT 반응을 통해 산업용 연료를 생산하는 FT 반응부; 및 상기 석탄 가스화부로부터 합성가스를 공급받아 엔진을 구동시켜 전기를 발생시키는 제1발전유닛 및 상기 FT 반응부로부터 FT 반응에 참여하지 않은 미활용된 오프가스를 공급받아 불꽃점화 방식을 이용한 전소엔진을 구동시켜 전기를 발생시키는 제2발전유닛을 포함하는 발전부; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 발전부는 석탄 가스화부에서 생성되는 합성가스의 성분에 따라 상기 제1발전유닛 및 제2발전유닛 중 어느 하나를 선택적으로 작동시켜 발전을 할 수 있다.
또한, 태양광을 이용해 발전을 하는 태양광 발전부; 및 상기 태양광 발전부로부터 전기를 공급받아 물을 전기분해하여 얻은 산소를 석탄 가스화부로 공급하며 수소를 FT 반응부로 공급하는 전기분해장치; 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 낮에는 상기 태양광 발전부 및 전기분해장치를 이용해 생성된 산소 및 수소를 공급하여 합성가스의 생성 및 FT 반응을 하고, 오프가스를 이용하여 제2발전유닛에서 전기를 생산할 수 있다.
또한, 밤에는 상기 석탄 가스화부로 공기를 공급하여 합성가스를 생성하며, 생성된 합성가스를 이용하여 제1발전유닛에서 전기를 생산할 수 있다.
또한, 상기 전소엔진은 압축비가 13:1 내지 15:1 범위 내의 값으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전소엔진은 이론공연비로 운전될 수 있다.
또한, 상기 제2발전유닛은, 상기 전소엔진의 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 유해가스들을 제거하는 제1삼원촉매; 상기 배기가스의 유동방향으로 제1삼원촉매 전방의 배기관에 설치된 전방 산소센서 및 제1삼원촉매 후방의 배기관에 설치된 후방 산소센서; 및 상기 전소엔진, 전방 산소센서 및 후방 산소센서에 연결되어 전소엔진을 제어하는 제어부; 를 포함하여 이루어지며, 상기 전소엔진은 공기 과잉률(λ)의 평균이 1.00보다 높은 린 상태로 운전될 수 있다.
또한, 상기 전소엔진은 공기 과잉률(λ)의 평균이 1.018보다 크고 1.022보다 작은 범위 내에서 운전될 수 있다.
또한, 상기 제2발전유닛은, 상기 배기가스의 유동방향으로 상기 후방 산소센서 후방의 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 유해가스들을 제거하는 제2삼원촉매를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제2발전유닛은, 상기 배기가스의 유동방향으로 상기 후방 산소센서 후방의 배기관에 설치된 질소산화물 센서를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1발전유닛은 압축착화 방식을 이용한 혼소엔진 발전기일 수 있다.
본 발명에 의하면, 석탄 가스화 공정에서 발생된 저발열량의 합성가스와, 석탄의 가스화 및 FT 반응으로 산업용 연료를 생산하는 과정에서 버려지는 오프가스를 모두 활용하여 고효율로 발전을 할 수 있는 장점이 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명에 의하면, 석탄 가스화 및 FT 반응을 통해 디젤, 등유, 가솔린 등과 같은 산업용 연료를 생산함과 동시에 이 과정에서 발생되는 부산물들을 모두 활용하여 발전에 사용함으로써, 석탄 사용 효율을 극대화시킬 수 있는 것이다. 특히 본 발명에 의하면, 수소 농도의 차이가 있는 합성가스 및 오프가스를 각각에 최적화된 방식으로 연소시켜 발전함으로써 발전 효율 또한 극대화할 수 있는 장점이 있다.
이처럼 본 발명에 의하면, FT 반응에 사용되지 못할 정도의 저발열량의 합성가스 및 일반적으로는 버려지던 오프가스를 모두 발전에 활용함으로써 시스템 효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 이러한 합성가스를 활용함에 따라 기존의 디젤을 이용한 발전용 엔진에 비해 유해가스 발생량을 훨씬 줄일 수 있는 친환경적 효과 또한 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제2발전유닛을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템의 제2발전유닛에서, 전소엔진의 압축비 및 공기 과잉률(λ)에 따른 열효율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제2발전유닛에서 전소엔진을 전방 산소센서, 후방 산소센서 및 제1삼원촉매를 이용해 이론공연비로 제어한 상태에서의 배기가스 중의 유해가스 농도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제2발전유닛에서 전소엔진을 전방 산소센서, 후방 산소센서 및 제1삼원촉매를 이용하되 공기 과잉률(λ)의 평균이 1.00보다 미세하게 높은 1.02 정도의 린 상태로 운전되도록 제어한 상태에서의 배기가스 중의 유해가스 농도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제2발전유닛에서 전소엔진을 전방 산소센서, 후방 산소센서 및 제1삼원촉매 및 질소산화물 센서를 이용해 공연비를 제어한 상태에서의 배기가스 중의 유해가스 농도를 나타낸 그래프이다.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템은, 크게 석탄 전처리부(10), 태양광 발전부(15), 전기분해장치(16), 석탄 가스화부(20), 합성가스 클리닝부(30), FT 반응부(40), 제1발전유닛(51) 및 제2발전유닛(52)을 포함하는 발전부(50)로 구성될 수 있다.
석탄 전처리부(10)는 석탄을 전처리하여 고정탄소의 비율을 높인 후의 석탄을 석탄 가스화부(20)로 공급할 수 있도록 하는 부분이다. 보다 상세하게는 석탄은 주로 가연성 성분인 고정탄소 및 휘발성분, 비가연성 성분인 수분, 회분 및 기타 광물 등으로 이루어져 있다. 고정탄소는 석탄 활용의 주성분이 되며 고정탄소의 비율이 높을수록 고급석탄이며 발열량과 전환효율이 높다. 휘발성분은 탄화도가 낮은 경우에 다량 생성되는 것으로, 휘발성분의 비율이 높은 경우 연소가 잘 되지 않는다. 특히 회분은 석탄의 발열량 및 전환효율을 크게 떨어뜨리는 성분이므로, 저급석탄의 활용을 위해서는 반드시 석탄의 전처리가 필요하다. 그리고 탄층에서 캐낸 원탄(run of mine coal)에는 고정탄소 성분이 높은 정탄과 암석의 파괴석인 맥석(gangue)이 혼재되어 있는데, 맥석이 정탄에 함유되어 있으면 정탄의 연소과정에서 열량이 저하되고 유해가스(SOx)가 발생하는 원인이 되므로, 석탄을 석탄 가스화부로 공급하기 전에 석탄의 전처리가 필요하다.
태양광 발전부(15)는 태양광을 이용해 전기를 발생시키는 부분이며, 태양전지를 이용해 낮 시간에 태양광을 이용해 발전을 할 수 있다.
전기분해장치(16)는 태양광 발전부(15)로부터 전기를 공급받아 물을 전기분해하여 산소 및 수소를 발생시키는 부분이고, 발생된 산소는 석탄 가스화부(20)로 공급되고 수소는 FT 반응부(40)로 공급될 수 있다.
석탄 가스화부(20)는 석탄을 이용해 합성가스(syngas)를 생성하는 부분이다. 보다 상세하게는 석탄 가스화부(20)에서는 탄화수소로 구성된 물질인 석탄, 저급 잔사유, 산업 폐기물, 바이오매스 등을 산소 또는 증기 등과 반응시키는 가스화 과정(gasification)을 통해서 열과 합성가스(CO, H2)를 생성한다. 여기에서 가스화 반응은 단일 반응이 아니라 고체 탄화수소 물질이 100℃ 근처에서 수분이 제거되는 건조, 350℃ 내지 550℃ 범위에서 고체상의 휘발 성분이 제거되는 열분해, 500℃ 이상부터 탄소와 산소가 반응하여 열을 만드는 연소, 합성가스를 생성하는 가스화 반응 등이 순차적 또는 동시에 일어나는 복합 반응이다. 열분해를 거치면 고체 탄화수소는 탄화수소 물질들과 회재로만 구성된 숯(char)으로 변하며, 숯을 반응시키기 위해서는 열이 필요하게 된다. 그리고 가스화제로 수증기와 산소를 사용할 경우에 생성되는 합성가스는 주로 CO와 H2로 비교적 발열량이 높은 중열량가스(3,000kcal/m3 전후) 가 되며, 산소 대신에 공기를 사용하면 생성가스 중에 질소 성분이 증가되어 발열량이 낮은 저열량가스(1,000kcal/m3 전후)가 된다. 또한, 고체 탄화수소에 포함된 유황과 질소성분은 가스화 반응으로 수소 또는 일산화탄소와 반응하여 H2S, COS, CS2, NH3로 변화되어 연소에 의해 배출되는 가스와는 다른 형태의 화합물을 형성한다.
합성가스 클리닝부(30)는 석탄 가스화부(20)에서 가스화 과정을 거친 후 생성된 합성가스에서 이물질 또는 유해가스 등을 제거하는 부분이며, 가스 클리닝 과정을 거친 합성가스는 발전부(50) 중 제1발전유닛(51)으로 공급되어 발전에 이용되거나 FT 반응부(40)로 공급되어 FT 반응에 이용될 수 있다.
FT 반응부(40)는 가스 클리닝 과정을 거친 후 공급되는 합성가스와 물의 전기분해를 통해 생성된 수소를 공급받아 FT 반응을 통해 산업용 연료인 디젤 또는 가솔린 등을 생산하는 부분이다. 여기에서 FT 반응은 Fischer 와 Tropsh 라는 사람이 개발해낸 공정으로 석유화학의 기반이 되는 공정으로서, 합성가스인 CO 및 H2로부터 알칸(CnH(2n+2)) 생성을 타겟으로 하는 반응이다. 그리고 FT 반응부(40)에서는 FT 반응에 참여하지 않은 미활용된 오프가스가 발생하게 된다.
발전부(50)는 제1발전유닛(51) 및 제2발전유닛(52)으로 구성될 수 있다. 제1발전유닛(51)은 석탄 가스화부(20)를 거쳐 합성가스 클리닝부(30)에서 클리닝된 합성가스를 공급받아 엔진을 구동시켜 전기를 발생시킨다. 제2발전유닛(52)은 FT 반응부(40)에서 FT 반응에 참여하지 않은 미활용된 오프가스를 공급받아 엔진을 구동시켜 전기를 발생시킨다.
여기에서 발전부(50)는 석탄 가스화부(20)에서 생성되는 합성가스의 성분에 따라 제1발전유닛(51) 및 제2발전유닛(52) 중 어느 하나를 선택적으로 작동시켜 발전을 할 수 있다.
즉, 석탄의 가스화 과정에는 산소가 필요하고, 이 산소는 낮에 태양광 발전을 이용한 물의 전기분해를 통해 얻을 수 있으며 전기분해를 통해 수소도 만들어지므로, 낮 시간에는 태양광 발전부 및 전기분해장치를 이용해 생성된 산소를 석탄 가스화부(20)로 공급하고 수소를 FT 반응부(40)로 공급하여 합성가스의 생성 및 FT 반응을 하며, 이때 석탄 가스화부(20)에서 만들어지는 합성가스의 성분은 H2 70%, CO 15%, CO2 15% 정도의 범위를 갖는다. 이렇게 만들어진 합성가스는 앞서 설명한 중열량가스(발열량 3,000kcal/m3 전후)에 해당하여 FT 반응에 활용되며, FT 반응에 참여하지 않은 미활용된 오프가스를 이용하여 제2발전유닛(52)을 구동시켜 전기를 생산할 수 있다.
그리고 밤에는 태양광 발전이 되지 않아 물의 전기분해가 이루어지지 않으므로, 산소 대신 공기를 석탄 가스화부(20)로 공급하여 가스화 과정이 이루어지며, 이때 생성된 합성가스의 성분은 H2 15%, CO 15%, CO2 10%, N2 60% 정도의 범위를 갖는다. 이렇게 만들어진 합성가스는 앞서 설명한 저열량가스 (발열량 1,000 kcal/m3 전후)에 해당하여 FT 반응이 제대로 일어나지 못한다. 따라서 이 합성가스는 FT 반응부(40)로 공급되지 않고 직접 제1발전유닛(51)으로 공급되며, 합성가스를 이용하여 제1발전유닛(51)을 구동시켜 전기를 생산할 수 있다.
이 때 제1발전유닛(51)은 압축착화(CI) 방식을 이용한 혼소엔진 발전기일 수 있다. 즉, 제1발전유닛(51)에서는 밤에 공기를 이용한 가스화 과정을 통해 생성된 합성가스를 이용해 엔진을 구동시켜 발전을 하는데, 석탄 가스화부(20)에서 밤에 공기를 이용해 생성되는 합성가스는 성분의 변화가 심하기 때문에 합성가스에 디젤 또는 다른 가스연료 등을 혼합하여 연소시키는 혼소엔진을 이용한 발전기를 통해 보다 안정적으로 발전을 할 수 있다.
또한, 제2발전유닛(52)은 불꽃점화(SI) 방식을 이용한 전소엔진 발전기일 수 있다. 즉, 제2발전유닛(52)은 낮에 FT 반응부(40)에서 발생되는 오프가스만을 이용해 엔진을 구동시켜 발전을 하는데, 낮에 FT 반응부(40)에서 발생되는 오프가스는 발열량이 약 3,000 kcal/m3 정도로, 중발열량을 갖는 오프가스의 연소를 위해서 불꽃점화 방식으로 연소하는 전소엔진을 이용할 수 있다. 이하에서 제2발전유닛(52)의 구체적인 일실시예의 구성을 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제2발전유닛을 나타낸 개략도이다. 도 3을 참조하면, 제2발전유닛(52)은 전소엔진(200), 라디에이터(300), 전소엔진용 발전기(620), 제1삼원촉매(410), 전방 산소센서(430), 후방 산소센서(440), 제2삼원촉매(420), 질소산화물 센서(460) 및 제어부(500)를 포함할 수 있다.
전소엔진(200)은 오프가스를 이용해 구동되는 가스엔진이 될 수 있으며, 전소엔진(200)에서 연소된 후의 배기가스는 배기관(210)을 통해 배출될 수 있다.
라디에이터(300)는 전소엔진(200)에 연결되어 냉각수가 순환되면서 연소에 의해 발생되는 열을 냉각시킬 수 있다. 이때, 라디에이터(300)는 전소엔진(200)의 구동축에 연결되어 구동되는 쿨링팬에 의해 공랭식으로 냉각될 수 있다.
전소엔진용 발전기(620)는 전소엔진(200)에 연결되어 구동됨으로써 전기를 생산할 수 있다.
제1삼원촉매(410)는 전소엔진(200)의 배기관(210)에 설치되어 전소엔진(200)의 연소실에서 연소된 후 배출되는 배기가스에 포함된 일산화탄소, 질소산화물 등의 유해가스들을 제거하여 배기가스 중의 유해가스 농도를 저감시킨다.
전방 산소센서(430)는 배기가스의 유동방향으로 제1삼원촉매(410) 전방의 배기관(210)에 설치되어, 제1삼원촉매(410)를 거치기 전인 전소엔진(200)에서 연소된 후 배출된 배기가스 중의 산소 농도를 측정할 수 있다.
후방 산소센서(440)는 배기가스의 유동방향으로 제1삼원촉매(410) 후방의 배기관에 설치되어, 제1삼원촉매(410)를 거친 후 유해가스들이 제거된 상태에서의 배기가스 중의 산소 농도를 측정할 수 있다.
제2삼원촉매(420)는 배기가스의 유동방향으로 후방 산소센서(440) 후방의 배기관(210)에 설치되어 한 번 더 배기가스 중의 유해가스들을 제거하여, 배기가스 중의 유해가스인 일산화탄소의 농도를 현저하게 낮출 수 있으며, 또한 질소산화물의 농도는 거의 0(zero)에 가깝게 낮출 수 있다.
질소산화물 센서(460)는 배기가스의 유동방향으로 후방 산소센서(440) 후방의 배기관(210)에 설치될 수 있으며, 질소산화물 센서(460)를 이용해 배기가스 중의 유해가스 성분이 제거된 후 배기가스 중의 질소산화물의 농도를 측정하여 질소산화물의 농도가 농작물의 생육에 필요한 기준치인 50ppm 보다 낮게 유지되는지를 확인할 수 있다. 또한, 질소산화물 센서(460)에서 측정되는 값에 따라 제어부(500)에서 전소엔진(200)을 제어하도록 할 수 있다.
제어부(500)는 전소엔진(200)에 연결되어 전소엔진(200)을 제어한다. 제어부(500)의 전소엔진(200) 제어에 대하여 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 제어부(500)는 전방 산소센서(430), 후방 산소센서(440) 및 질소산화물 센서(460)에 연결되어 산소센서(430,440)들에서 측정된 산소 농도 및 질소산화물 센서(460)에서 측정된 질소산화물의 농도에 따라 전소엔진(200)을 제어할 수 있다. 이 때, 제어부(500)에는 전소엔진(200)이 이론공연비로 운전되도록 제어할 수 있는 기초 연료량에 대한 맵 데이터가 미리 설정되어 입력되어 있다. 그리고 제어부(500)에서는 전방 산소센서(430)에서 측정된 값에 의해 보정되는 연료량과 후방 산소센서(440)에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량을 더해 전소엔진(200)에서 공기와 연료를 혼합하는 믹서로 공급되는 가스연료(오프가스)의 연료량이 보정되도록 제어할 수 있다. 그리하여 전방 산소센서(430), 후방 산소센서(440) 및 제1삼원촉매(410)를 이용해 전소엔진(200)을 제어하는 경우 배기가스 중의 일산화탄소 농도 및 질소산화물의 농도가 매우 낮은 수준으로 유지될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템의 제2발전유닛에서, 전소엔진의 압축비 및 공기 과잉률(λ)에 따른 열효율을 나타낸 그래프이다. 제2발전유닛(52)의 전소엔진은 상술한 바와 같이 불꽃점화 방식으로, 제1발전유닛(51)에서와 유사하게 압축비를 10:1에서 17:1까지 높이는 실험을 수행하였다. 이 때 도 2에 나타난 바와 같이, 압축비가 높아질수록 열효율이 향상되는 경향성이 나타났으나, 이론공연비(λ=1.00)에서 압축비가 17:1이 되면 자발화 현상이 발생함에 따라 열효율이 급격하게 떨어짐이 확인되었다. 한편 도 2에 잘 나타난 바와 같이, 이론공연비에서 압축비가 13:1 내지 15:1 범위 내의 값일 때 거의 비슷하게 높은 열효율이 나타남을 확인할 수 있다.
이에 따라 제2발전유닛(52)의 불꽃점화 방식의 전소엔진은, 압축비가 13:1 내지 15:1 범위 내의 값이면서 이론공연비(λ=1.00)로 운전되도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 조건에서 운전될 때 열효율이 약 37% 정도로 매우 높은 열효율을 얻을 수 있음이 도 3의 그래프로 확인되며, 즉 저공해 및 고효율로 엔진을 운전하여 발전을 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제2발전유닛에서 전소엔진을 전방 산소센서, 후방 산소센서 및 제1삼원촉매를 이용해 이론공연비로 제어한 상태에서의 배기가스 중의 유해가스 농도를 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, 여기에서 전방 산소센서(430), 후방 산소센서(440) 및 제1삼원촉매(410)를 함께 이용하여 전소엔진(200)을 이론공연비로 운전하는 경우에 배기가스 중의 일산화탄소의 농도는 농작물의 생육에 필요한 기준치인 50ppm 이하로 유지되더라도 시간이 흐름에 따라 질소산화물의 농도가 기준치를 초과하는 경우가 발생하게 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제2발전유닛에서 전소엔진을 전방 산소센서, 후방 산소센서 및 제1삼원촉매를 이용하되 공기 과잉률(λ)의 평균이 1.00보다 미세하게 높은 1.02 정도의 린 상태로 운전되도록 제어한 상태에서의 배기가스 중의 유해가스 농도를 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 전소엔진(200)은 공기 과잉률(λ)의 평균이 1.00보다 미세하게 높은 1.02 정도의 린(lean) 상태로 운전될 수 있다. 이때, 공기 과잉률(λ)의 평균은 1.018보다 크고 1.022보다 작은 범위가 될 수 있으며, 바람직하게는 공기 과잉률의 평균이 1.02가 되도록 운전될 수 있다. 즉, 전소엔진(200)은 제어부(500)를 통해 공기 과잉률의 평균이 1.00보다 미세하게 높은 1.02 정도의 린한 상태로 운전되면, 이론공연비로 연소되도록 제어될 때에 비해 상대적으로 엔진의 연소실로 유입되는 혼합기 중의 가스연료량이 적어지게 되고, 이에 따라 혼합기 중의 산소량이 많아지게 되어, 이론공연비로 운전되는 것에 비해 배기가스 중의 일산화탄소 농도 및 탄화수소의 농도는 약간 감소하고, 질소산화물의 농도는 약간 증가하지만 기준치보다 더 낮은 상태로 유지되어, 배기가스 중의 일산화탄소 농도 및 질소산화물의 농도가 농작물의 생육에 필요한 기준치인 50ppm 보다 낮게 유지될 수 있다.
한편, 이론적으로는 상술한 제어 방법, 즉 산소센서들(430)(440)에서 측정된 값들을 사용하여 이론공연비를 린한 상태로 변경시켜 제어함으로써 결과적으로 질소산화물 농도를 낮추는 방식을 통하여 도 5와 같은 결과를 얻어낼 수 있다. 그러나 실제 엔진을 운전하는 과정에서, 이상연소의 발생으로 인하여 이러한 조건으로 제어하면서 운전한다 하더라도 도 4와 같은 결과가 발생하는 빈도가 무시할 수 없는 수준이라는 점이 경험적으로 알려졌다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 시스템에 구비된 질소산화물 센서(460)를 더 이용하여 제어를 수행할 수 있다. 즉 질소산화물 센서(460)에서 측정된 값들을 사용하여 전소엔진(200)의 공연비를 더 제어함으로써 질소산화물의 최대값을 더욱 줄일 수 있다. 즉 질소산화물 센서(460)를 더 사용하여 공연비를 제어함에 따라 유해가스 농도를 보다 안정적으로 제어할 수 있으며, 도 6은 바로 이와 같은 제어 방식을 이용하여 제어한 결과물이다. 도 6을 참조하면, 질소산화물 센서를 더 사용하여 공연비를 제어함으로써, NOx는 항상 10ppm 이하로, CO는 보다 더 안정적인 낮은 값을 유지하는 매우 우수한 결과를 얻음을 확인할 수 있다. 그리하여 제2발전유닛(52)의 전소엔진(200)에서 연소된 후 배기관(210)을 통해 배출되는 배기가스를 직접 시설원예용 하우스에 공급하여 농작물의 이산화탄소 시비에 활용할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10 : 석탄 전처리부 15 : 태양광 발전부
16 : 전기분해장치 20 : 석탄 가스화부
30 : 합성가스 클리닝부 40 : FT 반응부
50 : 발전부
51 : 제1발전유닛 52 : 제2발전유닛
200 : 전소엔진 210 : 배기관
300 : 라디에이터
410 : 제1삼원촉매 420 : 제2삼원촉매
430 : 전방 산소센서 440 : 후방 산소센서
460 : 질소산화물 센서
500 : 제어부 620 : 전소엔진용 발전기

Claims (12)

  1. 석탄을 이용해 합성가스를 생성하는 석탄 가스화부;
    상기 석탄 가스화부로부터 합성가스를 공급받아 FT 반응을 통해 산업용 연료를 생산하는 FT 반응부; 및
    상기 석탄 가스화부로부터 합성가스를 공급받아 엔진을 구동시켜 전기를 발생시키는 제1발전유닛 및 상기 FT 반응부로부터 FT 반응에 참여하지 않은 미활용된 오프가스를 공급받아 불꽃점화 방식을 이용한 전소엔진을 구동시켜 전기를 발생시키는 제2발전유닛을 포함하는 발전부;
    를 포함하여 이루어지는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전부는 석탄 가스화부에서 생성되는 합성가스의 성분에 따라 상기 제1발전유닛 및 제2발전유닛 중 어느 하나를 선택적으로 작동시켜 발전을 하는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    태양광을 이용해 발전을 하는 태양광 발전부; 및
    상기 태양광 발전부로부터 전기를 공급받아 물을 전기분해하여 얻은 산소를 석탄 가스화부로 공급하며 수소를 FT 반응부로 공급하는 전기분해장치; 를
    더 포함하여 이루어지는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    낮에는 상기 태양광 발전부 및 전기분해장치를 이용해 생성된 산소 및 수소를 공급하여 합성가스의 생성 및 FT 반응을 하고, 오프가스를 이용하여 제2발전유닛에서 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    밤에는 상기 석탄 가스화부로 공기를 공급하여 합성가스를 생성하며, 생성된 합성가스를 이용하여 제1발전유닛에서 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전소엔진은 압축비가 13:1 내지 15:1 범위 내의 값으로 형성되는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전소엔진은 이론공연비로 운전되는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2발전유닛은,
    상기 전소엔진의 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 유해가스들을 제거하는 제1삼원촉매; 상기 배기가스의 유동방향으로 제1삼원촉매 전방의 배기관에 설치된 전방 산소센서 및 제1삼원촉매 후방의 배기관에 설치된 후방 산소센서; 및 상기 전소엔진, 전방 산소센서 및 후방 산소센서에 연결되어 전소엔진을 제어하는 제어부; 를 포함하여 이루어지며,
    상기 전소엔진은 공기 과잉률(λ)의 평균이 1.00보다 높은 린 상태로 운전되는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전소엔진은 공기 과잉률(λ)의 평균이 1.018보다 크고 1.022보다 작은 범위 내에서 운전되는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2발전유닛은,
    상기 배기가스의 유동방향으로 상기 후방 산소센서 후방의 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 유해가스들을 제거하는 제2삼원촉매를 더 포함하여 이루어지는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제2발전유닛은,
    상기 배기가스의 유동방향으로 상기 후방 산소센서 후방의 배기관에 설치된 질소산화물 센서를 더 포함하여 이루어지는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1발전유닛은 압축착화 방식을 이용한 혼소엔진 발전기인 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 합성가스 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
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