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KR102004700B1 - 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템 - Google Patents

순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템 Download PDF

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KR102004700B1
KR102004700B1 KR1020180046809A KR20180046809A KR102004700B1 KR 102004700 B1 KR102004700 B1 KR 102004700B1 KR 1020180046809 A KR1020180046809 A KR 1020180046809A KR 20180046809 A KR20180046809 A KR 20180046809A KR 102004700 B1 KR102004700 B1 KR 102004700B1
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KR
South Korea
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carbon dioxide
supercritical carbon
supplied
discharged
turbine
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KR1020180046809A
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박성호
임동렬
윤문규
류주열
고아름
염충섭
Original Assignee
고등기술연구원연구조합
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Abstract

본 발명에 따른 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 산소 공급부에서 공급된 산소와 LNG 공급부에서 배출된 후 기화된 천연가스(NG)를 연소시키는 순산소 연소기; 상기 순산소 연소기에서 연소된 배기가스가 공급되는 가열 유닛; 및 상기 가열 유닛의 배기가스의 열에너지를 회수한 초임계 이산화탄소로 발전하는 초임계 이산화탄소 발전부를 포함하며, 상기 초임계 이산화탄소 발전부에서 추기(Extraction)된 초임계 이산화탄소 일부를 상기 순산소 연소기로 공급하며, 상기 가열 유닛에서 배출되는 배기가스에 포함된 이산화탄소를 다시 상기 초임계 이산화탄소 발전부로 공급한다.

Description

순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템{SUPERCRITICAL CARBON DIOXIDE POWER GENERATION SYSTEM OF OXY FUEL COMBUSTION}
본 발명은 고효율 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 액화천연가스와 고농도 산소를 이용하여 순산소 연소된 배기가스를 초임계 이산화탄소 재압축-재열 발전 공정의 열원으로 제공하고, 초임계 이산화탄소 재압축-재열 발전 공정에서 추기한 초임계 이산화탄소를 순산소 연소기의 유체로 활용하고, 순산소 연소기의 배기가스 중 이산화탄소를 회수 및 액화를 통해 초임계 이산화탄소 재압축-재열 발전 공정에 재공급함으로써 순산소 연소기의 작동 신뢰성을 향상시키고, 이산화탄소 포집과 함께 높은 발전 효율을 기대할 수 있는 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것이다.
종래의 발전설비는 탄화수소계열 연료(석탄, 석유, 천연가스, LPG 등)와 공기 산화제를 이용하여 연소기 혹은 보일러에서 연소시켜 열에너지로 전환한 후 터빈이나 엔진에서 기계적 에너지로 변환하여 전기를 생산하는 것이 일반적이다. 하지만 산화제로 가장 손쉽게 공급할 수 있는 공기를 활용한 공기연소 방식은 공기 내에 불활성가스인 질소가 79% 정도 함유되어 있고 연소 시 발생한 발열량 중 대부분이 질소를 가열하는데 이용되기 때문에 연소된 후 배출되는 열손실이 크다.
또한, 질소의 연소 반응을 통해 생성된 질소산화물의 배출로 인해서 추가적인 질소산화물 저감 설비가 필수적이다. 뿐만 아니라 공기 연소를 통해 배출된 온실가스인 이산화탄소의 농도가 13~16% 정도이기 때문에 이를 포집하기 어렵고, 저농도 이산화탄소 포집을 위해서는 대형 이산화탄소 포집 설비가 요구된다. 반면에 공기 중에 산소를 분리하여 95% 이상 고농도 산소를 이용하는 순산소 연소 방식은 질소 산화물을 대부분 제거된 상태에서 탄화수소계열의 연료와 함께 연소되기 때문에 불필요한 현열 배출이 적어 열효율이 증대되며, 연소가스의 대부분이 수분과 이산화탄소이기 때문에 수분 응축을 통해서 고농도 이산화탄소를 비교적 손쉽게 포집할 수 있다.
한편 순산소 연소 시스템은 공기 연소시스템에 비해서 질소의 현열 배출이 없기 때문에 단열 화염 온도가 상대적으로 높고, 연소기의 재료 건전성 측면에서 단점이 존재한다. 이를 방지하기 위해서 종래 기술에서는 폐 스팀을 활용하거나 배기가스를 다시 연소기에 공급하여 연소기의 높은 단열 화염온도를 유지하는 것이 일반적이었다. 또한 종래의 순산소 연소를 이용한 발전 시스템의 경우에도 순산소 연소에서 발생된 열에너지를 간접 열교환을 통해 스팀을 재열하거나, 스팀을 직접 연소기에 공급하여 재열하는 방법, 가스터빈 연소기에 순산소를 공급하여 직접 터빈에 공급하는 방식이 대부분이였다.
(문헌 1) 대한민국 등록특허공보 제10-0779609호(2007.11.20)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 안출된 것으로, 순산소 연소기의 국부적인 단열화염온도 증가를 해결하기 위해서 독립적으로 구성된 초임계 이산화탄소 재압축-재열 발전 공정의 주 압축기에서 추기된 초임계 이산화탄소를 순산소 연소기 후단 열에너지를 회수한 후 초임계 이산화탄소 터빈에서 순산소 연소기의 작동 압력까지 팽창시킨 후 순산소 연소기에 희석 유체로 공급하는 구조를 제공하는데 그 목적이 있으며,
또한, 고농도 이산화탄소 포집 및 고효율 발전 시스템의 설계를 위해서 독립적인 초임계 이산화탄소 재압축-재열 발전 공정의 구성과 함께 순산소 연소기 후단의 고온/고압 배기가스를 이산화탄소 터빈을 통해 팽창시켜 열에너지를 전기에너지로 추가적으로 전환시키는 시스템을 제공하는데 추가 목적이 있으며,
또한, 액화천연가스의 냉열을 활용하여 독립적으로 구성된 초임계 이산화탄소 재압축-재열 발전 공정에서 추기된 이산화탄소를 보상하고, 이산화탄소 포집을 용이하도록 구성하는데 다른 추가 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 산소 공급부에서 공급된 산소와 LNG 공급부에서 배출된 후 기화된 천연가스(NG)를 연소시키는 순산소 연소기; 상기 순산소 연소기에서 연소된 배기가스가 공급되는 가열 유닛; 및 상기 가열 유닛의 배기가스의 열에너지를 회수한 초임계 이산화탄소로 발전하는 초임계 이산화탄소 발전부를 포함하며, 상기 초임계 이산화탄소 발전부에서 추기(Extraction)된 초임계 이산화탄소 일부를 상기 순산소 연소기로 공급하며, 상기 가열 유닛에서 배출되는 배기가스에 포함된 이산화탄소를 다시 상기 초임계 이산화탄소 발전부로 공급한다.
상기 가열 유닛에서 배출되는 배기가스가 팽창되는 제1 터빈; 상기 제1 터빈에서 팽창된 배기가스와 상기 초임계 이산화탄소 발전부에서 추기된 초임계 이산화탄소 일부가 열교환되는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기에서 배출되는 배기가스를 상 분리하는 응축기; 상기 응축기에서 분리된 이산화탄소와 상기 LNG 공급부에서 배출된 LNG를 열교환하는 제1 열교환기; 및 상기 제1 열교환기에서 열교환된 액체 상태의 이산화탄소를 가압되는 이산화탄소 펌프를 포함하며, 상기 이산화탄소 펌프에서 가압된 초임계 이산화탄소는 상기 초임계 이산화탄소 발전부로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 초임계 이산화탄소 발전부에서 추기된 초임계 이산화탄소는 상기 제1 터빈에서 팽창된 배기가스와 상기 제2 열교환기에서 열교환된 후, 제2 터빈에서 팽창된 후, 상기 순산소 연소기로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 LNG 공급부는, LNG를 저장하는 LNG 저장 탱크; 및 상기 LNG 저장 탱크에서 배출되는 LNG를 가압하는 LNG 펌프를 포함하며, 상기 LNG 펌프에서 가압된 LNG는 상기 제1 열교환기에서 열교환된 후 기화되어 천연가스(NG)로 상기 순산소 연소기에 공급되는 것이 바람직하다.
상기 산소 공급부는, 공기를 공급받아 산소를 분리하는 공기 분리기; 및 상기 공기 분리기에서 분리된 산소를 가압하는 산소 압축기를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제2 터빈에서 상기 순산소 연소기 작동 압력까지 팽창된 초임계 이산화탄소는 상기 순산소 연소기에 공급되어, 천연가스와 산소가 혼합되어 연소된 가스의 온도를 낮추는 것이 바람직하다.
상기 이산화탄소 펌프에서 상기 초임계 이산화탄소 발전부로 공급된 초임계 이산화탄소는 주 압축기를 통해 압축되며, 상기 주 압축기에서 압축된 초임계 이산화탄소는 상기 가열 유닛의 제1단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 제3 터빈에 공급되어 팽창되며, 상기 제3 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소는 상기 가열 유닛의 제2단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 제4 터빈에 공급되어 팽창되며, 상기 제4 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소는 상기 가열 유닛의 제3단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 제5 터빈에 공급되어 팽창된 후 냉각기에 공급되며, 상기 냉각기에서 냉각된 초임계 이산화탄소는 상기 주 압축기로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 제5 터빈과 상기 냉각기를 연결하는 제1 연결배관에는 제1 복열기와 제2 복열기가 설치되며, 상기 제1 복열기에서는 상기 제5 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 상기 제2 복열기에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 열 교환되고, 상기 제2 복열기에서는 상기 제1 복열기에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 상기 주 압축기에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 열 교환되는 것이 바람직하다.
상기 제2 복열기에서 배출되어 상기 냉각기로 공급되는 초임계 이산화탄소 일부는, 재순환 압축기에서 압축된 후 상기 제2 복열기에서 제1 복열기로 공급되는 초임계 이산화탄소와 합류되어 상기 제1 복열기로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 초임계 이산화탄소 발전부에서 추기된 초임계 이산화탄소의 양은 상기 가열 유닛에서 배출된 후 분리되어 상기 초임계 이산화탄소 발전부에 공급되는 이산화탄소의 양과 동일한 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 에너지 밀도가 높은 초임계 이산화탄소 재압축-재열 발전 공정을 순산소 연소 배기가스와 간접 열교환하고, 고압/저온의 배기가스를 통해 이산화탄소 터빈을 구동함으로써 증기 랭킨 사이클에 비해서 발전 효율이 높은 효과가 있다.
또한, 종래의 300 bar 이상 고압 순산소 연소기를 적용하지 않고도 유사한 발전 효율을 기대할 수 있으며, 이를 통해 시설 투자비 절감 및 상대적으로 낮은 압력의 순산소 연소 발전 시스템을 구현함으로써 전체 시스템의 신뢰도를 크게 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 순산소 연소기로부터 배출되는 배기가스 중에 수분을 응축기에서 배출시키고 기체 상태의 이산화탄소 혼합물을 액화천연가스 냉열을 통해 이산화탄소를 액체 상태로 상변화 시킨 후 압력을 상승 및 기화를 통해 초임계 상태로 변환하여 다시 초임계 이산화탄소 재압축-재열 발전 공정의 저압부에 공급함으로써 초임계 이산화탄소 터빈의 씰에서 누출되는 이산화탄소와 주 압축기에서 추기되는 초임계 이산화탄소를 보충함과 동시에 추기된 초임계 이산화탄소를 이산화탄소 터빈의 후단과 열교환시킨 후 팽창시켜 다시 연소기에 공급함으로써 추가적인 열효율 향상과 함께 효율적으로 순산소 연소기에 희석 유체를 공급하는 시스템을 구현하는 효과가 있다.
도 1은 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시례를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시례에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시례는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)은 산소공급부(120)에서 공급된 산소와 LNG 공급부(110)에서 배출되고 기화된 천연가스(NG)를 연소시키는 순산소 연소기(130), 순산소 연소기(130)에서 연소된 배기가스가 공급되는 가열 유닛(140), 가열 유닛(140)에서 배출되는 배기가스를 상 분리하는 응축기(180), 응축기(180)에서 분리된 이산화탄소와 LNG 공급부(110)에서 배출된 LNG를 열교환하는 제1 열교환기(170), 제1 열교환기(170)에서 열교환된 이산화탄소가 가압되는 이산화탄소 펌프(171) 및 이산화탄소 펌프(171)에서 가압된 초임계 이산화탄소를 공급받아 발전하는 초임계 이산화탄소 발전부(150)를 포함할 수 있다.
LNG 공급부(110)는 LNG를 저장하는 LNG 저장 탱크(111)와 LNG 저장 탱크(111)에서 배출되는 LNG를 가압하는 LNG 펌프(112)를 포함할 수 있으며, LNG 펌프에서 순산소 연소기(130) 작동 압력까지 가압된 LNG는, 순산소 연소기(130) 상류에 설치된 제1 열교환기(170)에서, 응축기(180)에서 분리된 이산화탄소와 열교환된 후 기화된 상태(천연가스)로 순산소 연소기(130)로 공급된다.
산소 공급부(120)는 공기를 공급받아 산소를 분리하는 공기 분리기(121)와 공기 분리기에서 분리된 산소를 순산소 연소기(130)의 작동 압력까지 가압하는 산소 압축기(122)를 포함할 수 있다.
순산소 연소기(130)로 공급된 천연가스와 산소는 순산소 연소기(130)에서 연소되는데, 질소가 포함되지 않은 순산소를 공급함으로써 질소의 현열 배출이 없기 때문에 순산소 연소기(130)의 단열 화염 온도가 상대적으로 높고 연소기의 재료 건정성이 좋지 않으므로, 이러한 단점을 보완하기 위해서 본 발명에서는 초임계 이산화탄소 발전부(150)의 주 압축기(151)에서 일부 추기(Extraction, 공기나 증기 등의 기체를 추출하는 것)된 초임계 이산화탄소를 희석 유체로 이용할 수 있다.
즉, 초임계 이산화탄소 발전부(150)의 주 압축기(151)에서 가압된 초임계 이산화탄소 일부는, 가열 유닛(140)에서 배출되어 이산화탄소 터빈인 제1 터빈(160)에서 팽창된 배기가스와 제2 열교환기(175)에서 열교환되어 가열된 후, 제2 터빈(165)에서 순산소 연소기(130) 작동 압력까지 팽창된 기체 상태의 이산화탄소가 되어 순산소 연소기(130)에 공급될 수 있다.
다시 말해, 제1 터빈(160)에서 배출된 배기가스의 열에너지는 초임계 이산화탄소 발전부(150)의 주 압축기(151)에서 추기된 초임계 상태 이산화탄소 일부에 전달되며, 가열된 초임계 이산화탄소는 제2 터빈(165)에서 팽창되어 추가적인 전기에너지를 생산한다. 제2 터빈(165)에서 팽창된 기체상태의 이산화탄소는 순산소 연소기(130)에 공급되어, 천연가스와 산소가 혼합되어 연소된 가스의 높은 온도를 낮추는 희석 유체 역할을 할 수 있다.
순산소 연소기(130)에서 배출되는 배기가스는 90% 이상 농도를 가진 이산화탄소로, 가열 유닛(140)을 통해 배기가스의 열에너지는 초임계 이산화탄소 발전부(150)의 열에너지로 공급될 수 있다.
초임계 이산화탄소 발전부(150)는 재압축-재열 발전 공정으로 초임계 상태의 이산화탄소를 주 압축기(151)를 통해 150 bar 이상으로 압축하고, 제3 터빈(154)과 제4 터빈(155)에서 배출되는 초임계 이산화탄소를 통해 복열된 후 가열 유닛(140)에서 열교환된다. 가열 유닛(140)에서 열교환된 초임계 이산화탄소는 450℃ 이상으로 가열된 후 재열 터빈 모듈인 제3 터빈(154) 내지 제5 터빈(156)을 통해 전기에너지를 생산한다.
즉, 주 압축기(151)에서 압축된 초임계 이산화탄소는 가열 유닛(140)의 제1단 재열 열교환기(141)를 통해 열을 회수하여 제3 터빈(154)에 공급되어 팽창되며, 제3 터빈(154)에서 배출되는 초임계 이산화탄소는 가열 유닛(140)의 제2단 재열 열교환기(142)를 통해 열을 회수하여 제4 터빈(155)에 공급되어 팽창되며, 제4 터빈(155)에서 배출되는 초임계 이산화탄소는 가열 유닛(140)의 제3단 재열 열교환기(143)를 통해 열을 회수하여 제5 터빈(156)에 공급되어 팽창된 후 냉각기(157)에 공급되며, 냉각기(157)에서 냉각된 초임계 이산화탄소는 주 압축기(151)로 공급된다.
또한, 제5 터빈(156)과 냉각기(157)를 연결하는 제1 연결배관(158)에는 고온 복열기인 제1 복열기(152)와 저온 복열기인 제2 복열기(153)가 설치되며, 제1 복열기(152)에서는 제5 터빈(156)에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 제2 복열기(153)에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 열 교환되고, 제2 복열기(153)에서는 제1 복열기(152)에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 주 압축기(151)에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 열 교환되며, 제2 복열기(153)에서 배출되어 냉각기(157)로 공급되는 초임계 이산화탄소 일부는, 분기 배관(158a)에 설치된 재순환 압축기(159)에서 압축된 후 제2 복열기(153)에서 제1 복열기(152)로 공급되는 초임계 이산화탄소와 합류되어 제1 복열기(152)로 공급된다.
한편, 가열 유닛(140)에서 배출된 고온/고압의 이산화탄소 90% 이상인 배기가스는 제1 터빈(160)에서 팽창시켜 추가적인 전기에너지를 생산한다. 제1 터빈(160)에서 팽창된 배기가스는 이산화탄소 90% 이상의 저압/저온 배기가스이다. 제1 터빈(160)에서 배출된 배기가스와 초임계 이산화탄소 발전부(150)에서 추기된 초임계 이산화탄소 일부는 제2 열교환기(175)에서 열교환되며, 제2 열교환기(175)에서 배출된 배기가스는 50℃ 미만의 이산화탄소 90% 이상의 저압/저온 배기가스이다. 제2 열교환기(175)에서 열에너지를 전달한 배기가스는 응축기(180)로 공급되어 기/액 상분리를 통해 이산화탄소와 수분으로 분리된다. 응축기(180)에서 이산화탄소 99% 이상의 저온/저압으로 배출되는 기체 상태 이산화탄소 일부는 액화천연가스 기화 공정인 제1 열교환기(170)에서 LNG 펌프(112)에서 가압된 LNG에 열에너지를 전달하고 이산화탄소 99% 이상의 저온/저압의 액체 상태 이산화탄소가 되며, 액체 상태의 이산화탄소는 이산화탄소 펌프(171)에서 가압되어 이산화탄소 99% 이상의 저온/고압의 초임계 이산화탄소로 배출된다.
이산화탄소 펌프(171)에서 배출된 저온/고압의 초임계 이산화탄소는 초임계 이산화탄소 발전부(150)에 공급되며, 초임계 이산화탄소 발전부(150)에 공급되는 초임계 이산화탄소의 양은 초임계 이산화탄소 발전부(150)의 주 압축기(151)로부터 추기되는 초임계 이산화탄소의 양만큼만 공급되며, 이는 초임계 이산화탄소 발전부(150)의 작동 유체를 보충하는 것이다. 즉, 초임계 이산화탄소 발전부에서 추기된 초임계 이산화탄소의 양은 상기 가열 유닛에서 배출된 후 분리되어 초임계 이산화탄소 발전부에 공급되는 이산화탄소의 양과 동일하며, 여기서 동일하다는 의미는 반드시 똑같은 양만을 의미하는 것이 아니라 터빈 씰 누설량에 따라 일정 오차범위(초임계 이산화탄소 발전부에 공급되는 양이 3% 더 많은 정도의 오차)를 포함한다.
다시 말해, 순산소 연소기(130)로부터 배출되는 배기가스는 이산화탄소와 수분을 포함하고, 이산화탄소 90% 이상의 고압/중온 배기가스로, 배기가스 중의 수분을 응축기(180)에서 배출시키고 기체 상태의 이산화탄소를 LNG 냉열을 통해 이산화탄소를 액체 상태로 상변화 시킨 후 압력을 상승 및 기화를 통해 초임계 상태로 변환하여 다시 초임계 이산화탄소 발전부(150)의 저압부에 공급함으로써 초임계 이산화탄소 터빈(154,155,156)의 씰에서 누출되는 이산화탄소와 주 압축기(151)에서 추기되는 초임계 이산화탄소를 보충함과 동시에 추기된 초임계 이산화탄소를 제1 터빈(160)의 후단에서 열교환시킨 후 팽창시켜 다시 순산소 연소기(130)에 공급함으로써 추가적인 열효율 향상과 함께 효율적으로 순산소 연소기(130)에 희석 유체를 공급하는 시스템을 구현할 수 있다.
본 발명에서 작동유체로 사용된 초임계 이산화탄소는 31℃/76barg상태의 초임계 이산화탄소를 가압하여 200barg이상까지 압축하여 터빈에서 팽창시키는 것을 의미하며, 터빈의 입구에 공급되는 초임계 이산화탄소는 550℃이상으로 가열되어 공급되는 것을 원칙으로 한다. 배기가스는 연소기 작동 온도에 따라 좌우되며 1000~1200℃정도의 연소가스가 가열 유닛으로 공급되며 천연가스는 20~30℃까지 가열되어 공급되는 것을 원칙으로 한다. 본 특허에서 언급된 고온은 450℃ 이상, 중온은 150~450℃, 저온은 150℃ 미만을 통칭한다. 또한 고압은 200barg 이상을 고압으로 정의하고,저압은 76barg 미만을 저압으로 통칭하였다.
연소기 같은 경우, 연소기의 재료 건정성을 확보하고자 1000~1200℃를 작동 온도로 하였으며, 이 보다 고온에서 운전될 경우, 재료의 장기건정성 문제와 화염안정성 문제가 발생할 가능성이 있는 것으로 파악되었다. 터빈의 경우, 200barg 이상의 압력이 공급되도록 설계하였으며, 이보다 낮은 압력에서 운전될 경우, 전체 발전 효율의 저감에 영향을 줄 수 있기 때문에 이보다 높은 압력이 터빈에 공급되는 것을 원칙으로 한다.
상기와 같이 본 발명에 따른 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 에너지 밀도가 높은 초임계 이산화탄소 재압축-재열 발전 공정을 순산소 연소 배기가스와 간접 열교환하고, 고압/저온의 배기가스를 통해 이산화탄소 터빈을 구동함으로써 증기랭킨 사이클에 비해서 발전 효율이 높은 효과가 있다.
또한, 종래의 300 bar 이상 고압 순산소 연소기(130)를 적용하지 않고도 유사한 발전 효율을 기대할 수 있으며, 이를 통해 시설 투자비 절감 및 상대적으로 낮은 압력의 순산소 연소 발전 시스템을 구현함으로써 전체 시스템의 신뢰도를 크게 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 순산소 연소기(130)로부터 배출되는 배기가스 중에 수분을 응축기(180)에서 배출시키고 기체 상태의 이산화탄소 혼합물을 액화천연가스 냉열을 통해 이산화탄소를 액체 상태로 상변화 시킨 후 압력을 상승 및 기화를 통해 초임계 상태로 변환하여 다시 초임계 이산화탄소 재압축-재열 사이클의 저압부에 공급함으로써 초임계 이산화탄소 터빈의 씰에서 누출되는 이산화탄소와 주 압축기(151)에서 추기되는 초임계 이산화탄소를 보충함과 동시에 추기된 초임계 이산화탄소를 이산화탄소 터빈의 후단과 열교환시킨 후 팽창시켜 다시 연소기에 공급함으로써 추가적인 열효율 향상과 함께 효율적으로 순산소 연소기(130)에 희석 유체를 공급하는 시스템을 구현하는 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 상기 실시례에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
110 : LNG 공급부 111 : LNG 저장 탱크
112 : LNG 펌프 120 : 산소 공급부
121 : 공기 분리기 122 : 산소 압축기
130 : 순산소 연소기 140 : 가열 유닛
141 : 제1단 재열 열교환기 142 : 제2단 재열 열교환기
143 : 제3단 재열 열교환기 150 : 초임계 이산화탄소 발전부
151 : 주 압축기 152 : 제1 복열기
153 : 제2 복열기 154 : 제3 터빈
155 : 제4 터빈 156 : 제5 터빈
157 : 냉각기 158 : 제1 연결배관
159 : 재순환 압축기 160 : 제1 터빈
165 : 제2 터빈 170 : 제1 열교환기
171 : 이산화탄소 펌프 175 : 제2 열교환기
180 : 응축기

Claims (10)

  1. 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 있어서,
    산소 공급부에서 공급된 산소와 LNG 공급부에서 배출된 후 기화된 천연가스(NG)를 연소시키는 순산소 연소기;
    상기 순산소 연소기에서 연소된 배기가스가 공급되는 가열 유닛; 및
    상기 가열 유닛의 배기가스의 열에너지를 회수한 초임계 이산화탄소로 발전하는 초임계 이산화탄소 발전부를 포함하며,
    상기 초임계 이산화탄소 발전부에서 추기(Extraction)된 초임계 이산화탄소 일부를 상기 순산소 연소기로 공급하며,
    상기 가열 유닛에서 배출되는 배기가스에 포함된 이산화탄소를 다시 상기 초임계 이산화탄소 발전부로 공급하며,
    상기 가열 유닛에서 배출되는 배기가스가 팽창되는 제1 터빈;
    상기 제1 터빈에서 팽창된 배기가스와 상기 초임계 이산화탄소 발전부에서 추기된 초임계 이산화탄소 일부가 열교환되는 제2 열교환기;
    상기 제2 열교환기에서 배출되는 배기가스를 상 분리하는 응축기;
    상기 응축기에서 분리된 이산화탄소와 상기 LNG 공급부에서 배출된 LNG를 열교환하는 제1 열교환기; 및
    상기 제1 열교환기에서 열교환된 액체 상태의 이산화탄소를 가압되는 이산화탄소 펌프를 포함하며,
    상기 이산화탄소 펌프에서 가압된 초임계 이산화탄소는 상기 초임계 이산화탄소 발전부로 공급되며,
    상기 초임계 이산화탄소 발전부에서 추기된 초임계 이산화탄소는 상기 제1 터빈에서 팽창된 배기가스와 상기 제2 열교환기에서 열교환된 후, 제2 터빈에서 팽창된 후, 상기 순산소 연소기로 공급되는, 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 LNG 공급부는,
    LNG를 저장하는 LNG 저장 탱크; 및
    상기 LNG 저장 탱크에서 배출되는 LNG를 가압하는 LNG 펌프를 포함하며,
    상기 LNG 펌프에서 가압된 LNG는 상기 제1 열교환기에서 열교환된 후 기화되어 천연가스(NG)로 상기 순산소 연소기에 공급되는, 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소 공급부는,
    공기를 공급받아 산소를 분리하는 공기 분리기; 및
    상기 공기 분리기에서 분리된 산소를 가압하는 산소 압축기를 포함하는, 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 터빈에서 상기 순산소 연소기 작동 압력까지 팽창된 초임계 이산화탄소는 상기 순산소 연소기에 공급되어, 천연가스와 산소가 혼합되어 연소된 가스의 온도를 낮추는, 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 이산화탄소 펌프에서 상기 초임계 이산화탄소 발전부로 공급된 초임계 이산화탄소는 주 압축기를 통해 압축되며,
    상기 주 압축기에서 압축된 초임계 이산화탄소는 상기 가열 유닛의 제1단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 제3 터빈에 공급되어 팽창되며,
    상기 제3 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소는 상기 가열 유닛의 제2단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 제4 터빈에 공급되어 팽창되며,
    상기 제4 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소는 상기 가열 유닛의 제3단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 제5 터빈에 공급되어 팽창된 후 냉각기에 공급되며,
    상기 냉각기에서 냉각된 초임계 이산화탄소는 상기 주 압축기로 공급되는, 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제5 터빈과 상기 냉각기를 연결하는 제1 연결배관에는 제1 복열기와 제2 복열기가 설치되며,
    상기 제1 복열기에서는 상기 제5 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 상기 제2 복열기에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 열 교환되고,
    상기 제2 복열기에서는 상기 제1 복열기에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 상기 주 압축기에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 열 교환되는, 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 복열기에서 배출되어 상기 냉각기로 공급되는 초임계 이산화탄소 일부는, 재순환 압축기에서 압축된 후 상기 제2 복열기에서 제1 복열기로 공급되는 초임계 이산화탄소와 합류되어 상기 제1 복열기로 공급되는, 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 초임계 이산화탄소 발전부에서 추기된 초임계 이산화탄소의 양은 상기 가열 유닛에서 배출된 후 분리되어 상기 초임계 이산화탄소 발전부에 공급되는 이산화탄소의 양과 동일한, 순산소 연소형 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
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