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KR20160023344A - 이산화탄소 포집 장치 - Google Patents

이산화탄소 포집 장치 Download PDF

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KR20160023344A
KR20160023344A KR1020140109614A KR20140109614A KR20160023344A KR 20160023344 A KR20160023344 A KR 20160023344A KR 1020140109614 A KR1020140109614 A KR 1020140109614A KR 20140109614 A KR20140109614 A KR 20140109614A KR 20160023344 A KR20160023344 A KR 20160023344A
Authority
KR
South Korea
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carbon dioxide
steam turbine
boiler
steam
pressure steam
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020140109614A
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English (en)
Inventor
백점인
류청걸
이중범
엄태형
Original Assignee
한국전력공사
한국서부발전 주식회사
한국중부발전(주)
한국남부발전 주식회사
한국남동발전 주식회사
한국동서발전(주)
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Filing date
Publication date
Application filed by 한국전력공사, 한국서부발전 주식회사, 한국중부발전(주), 한국남부발전 주식회사, 한국남동발전 주식회사, 한국동서발전(주) filed Critical 한국전력공사
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Abstract

본 발명에서는 이산화탄소 포집에 필요한 에너지를 줄이고, 이산화탄소 배출량은 줄일 수 있는 이산화탄소 포집 장치가 개시된다.
일 예로, 연료를 연소하여 고온 고압 증기를 생산하는 주보일러; 상기 주보일러의 증기를 통해 발전을 수행하는 증기 터빈; 상기 증기 터빈을 통과한 저온 저압의 증기 또는 응축수를 고온 고압 증기로 변환시키는 보조보일러; 내부의 흡수제를 통해 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑; 및 상기 흡수탑으로부터 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 인가받고, 상기 증기 터빈 또는 보조보일러로부터 증기를 인가받아 열 교환기를 통해 상기 흡수제를 재생하는 재생탑을 포함하는 이산화탄소 포집 장치가 개시된다.

Description

이산화탄소 포집 장치{Apparatus for Capturing Carbon Dioxide}
본 발명은 이산화탄소 포집에 필요한 에너지를 줄이고, 이산화탄소 배출량은 줄일 수 있는 이산화탄소 포집 장치에 관한 것이다.
산업화가 시작된 19세기 초반부터 에너지 산업에서 사용되는 석탄, 석유, LNG 등의 화석연료의 사용 증가로 인하여 대기 중에 CO2, CH4, H2S, COS 등의 산성 가스 농도가 급격하게 증가하였다. 이러한 산성 가스, 특히 이산화탄소는 지구를 온난화시킨다는 것이 밝혀지면서, 세계적으로 배출 및 처리에 대한 규제가 엄격해지고 있다. 1992년 6월 브라질 리우에서 열린 환경과 개발에 관한 UN 회의를 통하여 지구온난화에 대한 국제적 관심을 불러 일으켰고, 미국과 일본을 포함한 선진국들은 지구온실가스 배출량을 1990년 대비 5.2% 감축하기로 합의하는 등 산성가스 저감방안에 대한 국제적 합의가 이루어지고 있다.
이산화탄소 배출 증가를 억제하기 위한 기술로서는, 이산화탄소 배출감소를 위한 에너지절약기술, 배출 가스로부터 이산화탄소의 포집 및 저장 기술(Carbon dioxide capture and storage: CCS), 이산화탄소를 이용하거나 고정화시키는 기술, 이산화탄소를 배출하지 않는 대체 에너지 기술 등이 있다.
그러나 이 중에서 CCS 기술은 발전소 및 산업시설에서 대량으로 나오는 온실 가스를 가장 효과적으로 처리할 수 있는 기술로 인식되어 G8 정상회담과 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) 및 IEA(International Energy Agency) 등 국제 유력기구에서 기술개발 및 활용을 적극적으로 독려하고 있다.
CCS 기술 중 포집기술이 전체 비용의 상당 부분을 차지하고 있으며, 지금까지 연구되고 있는 기술로는 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등이 있다.
특히, 흡수법은 대용량의 가스를 처리하는데 용이하며, 저 농도의 가스분리에 적합하기 때문에 대부분의 산업체 및 발전소에의 적용이 용이하여 활용도가 높다.
본 발명은 이산화탄소 포집에 필요한 에너지를 줄이고, 이산화탄소 배출량은 줄일 수 있는 이산화탄소 포집 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 이산화탄소 포집 장치는 연료를 연소하여 고온 고압 증기를 생산하는 주보일러; 상기 주보일러의 증기를 통해 발전을 수행하는 증기 터빈; 상기 증기 터빈을 통과한 저온 저압의 증기 또는 응축수를 고온 고압 증기로 변환시키는 보조보일러; 내부의 흡수제를 통해 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑; 및 상기 흡수탑으로부터 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 인가받고, 상기 증기 터빈 또는 보조보일러로부터 증기를 인가받아 열 교환기를 통해 상기 흡수제를 재생하는 재생탑을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 보조보일러에 공급되는 연료는 상기 주보일러에서 사용하는 연료 대비 동일한 양의 에너지를 생산하면서도 더 적은 양의 CO2를 대기 중으로 배출하는 연료일 수 있다.
그리고 상기 주보일러에 공급되는 연료가 석탄인 경우 천연가스 또는 바이오매스일 수 있다.
또한, 상기 보조보일러에 연결되어 상기 보조보일러 생성된 증기를 통해 발전을 수행하는 별도의 증기 터빈을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 보조보일러에서 생성된 배가스는 상기 흡수탑으로 인가될 수 있다.
또한, 상기 보조보일러는 상기 증기 터빈의 전단에 연결되어, 상기 보조보일러에서 생성된 증기는 상기 증기 터빈에 인가되고, 상기 열 교환기는 상기 증기 터빈으로부터 증기를 인가받을 수 있다.
또한, 상기 증기 터빈은 고압 증기 터빈, 중압 증기 터빈 및 저압 증기 터빈을 포함하여 구성되고, 상기 열 교환기는 상기 고압 증기 터빈과 중압 증기 터빈의 사이 또는 상기 중압 증기 터빈과 저압 증기 터빈의 사이에서 증기를 인가받을 수 있다.
본 발명에 의한 이산화탄소 포집 장치는 터빈에 공급되어야할 양질의 증기 대신 보조보일러에서 생성된 증기를 재생탑의 열 교환기에 인가함으로써, 발전 효율을 높이고 이산화탄소 배출을 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치의 개념도이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(100)는 주보일러(110), 제 1 증기 터빈(120), 복수기(130), 흡수탑(140), 재생탑(150), 열 교환기(160), 보조보일러(170), 제 2 증기 터빈(180)을 포함할 수 있다.
상기 주보일러(110)는 공기 공급 라인(①)을 통해 연소용 공기를 공급받고, 연료 공급 라인(②)을 통해 연료인 석탄을 공급받는다. 상기 주보일러(110)는 상기 연료를 연소하며, 이에 따라 고온의 배가스가 발생한다. 상기 주보일러(110)는 상기 고온의 배가스를 이용하여 주보일러(110)에 설치된 열교환설비의 전열면 내부를 통과하는 응축수를 고온 고압의 증기로 전환시킨다.
상기 제 1 증기 터빈(120)은 고압 증기 터빈(121), 중압 증기 터빈(122), 저압 증기 터빈(123)을 포함하여 구성된다. 상기 제 1 증기 터빈(120)은 상기 고온 고압의 증기를 인가받고, 이를 상기 고압 증기 터빈(121), 중압 증기 터빈(122) 및 저압 증기 터빈(123) 순으로 통과시켜 전기를 생산하면서 보유한 열 에너지를 소모시켜 저온 저압의 증기로 변환한다.
상기 복수기(130)는 냉각수(주로 해수 또는 강물)가 지나는 전열면을 갖추고 있으며, 이를 통해 상기 저온 저압의 증기를 저온의 응축수로 변화시킨다. 상기 응축수는 수처리를 한 후 다단열교환기를 거치면서 온도가 상승된 후 ③ 경로를 따라 상기 주보일러(110)로 다시 이송되어 고온 고압의 증기 생산에 이용된다. 초임계 발전소의 고압 증기 터빈(121), 중압 증기 터빈(122), 저압 증기 터빈(123)으로 공급되는 증기 온도의 일 예는 각각 약 570, 590, 320 ℃이며, 압력의 일 예로는 각각 250, 50, 8 kg/cm2이다. 한편, 상기 주보일러(110)에서 증기생산용 응축수로 열을 전달후 배출되는 배가스는 주보일러 배출 배가스 라인에 설치된 질소산화물(NOx) 저감 설비, 집진설비 및 탈황설비를 거치면서 배가스에 함유된 대기오염물질의 농도가 환경기준을 만족하도록 정제된 후 상기 흡수탑(140)으로 공급된다(④). 석탄 보일러 배가스 중의 이산화탄소 농도는 통상적으로 12∼15% 이다.
이산화탄소를 함유한 배가스는 상기 흡수탑(140)에 의해 발생되는 압력강하를 극복하기 위하여 가스 블로어를 통해 상기 흡수탑(10) 하부로 이송된다. 가스 블로어를 통해 이송되는 배가스는 이산화탄소 흡수제의 종류에 따라 흡수제와 반대 방향 또는 같은 방향으로 흡수탑을 통과하면서 배가스 중의 이산화탄소와 흡수제와 화학적으로 결합함으로써 배가스로부터 이산화탄소를 제거한다. 아민과 같은 액상 흡수제를 사용하는 공정의 경우 배가스와 흡수제는 주로 반대 방향의 흐름을 가지며, 고체흡수제와 유동층 공정을 사용하는 이산화탄소 포집설비 흡수탑의 경우 고체 흡수제와 배가스는 주로 같은 방향의 흐름을 갖는다. 상기 방법을 통해 흡수탑(140) 내부로 투입된 배가스는 흡수제와 접촉하면서 이산화탄소 흡수 반응이 일어나고 이산화탄소가 제거된 배가스(15)는 흡수탑 상단의 흡수제 회수 장치를 통과한 후 대기 중으로 배출된다(⑤). 흡수탑의 운전온도는 사용되는 흡수제의 종류 및 배가스 조성에 따라 달라질 수 있는데 일반적으로 아민용액을 흡수제로 사용하는 공정은 25∼60 ℃ 범위에서, 탄산칼륨 고체흡수제를 사용하는 경우 50∼80 ℃ 범위에서 운전이 이루어진다. 고체 흡수제의 경우 이산화탄소와 반응하는 온도에 따라 상기 흡수탑(140) 온도범위보다 더 높은 온도범위에서 운전될 수 있다. 상기 흡수탑(140)에서 이산화탄소와 반응하여 이산화탄소를 흡수한 흡수제는 이산화탄소 흡수제 이송라인(⑥)을 거쳐 흡수제 재생탑(150)으로 보내진다. 액상 흡수제의 경우 통상적으로 재생탑(150) 하단부로 이송되며, 유동층 공정을 이용하는 고체흡수제의 경우 통상적으로 재생탑(150) 상단부로 이송된다.
상기 이산화탄소 재생탑(150)에서는 화학적으로 결합되어 있는 이산화탄소와 흡수제가 열에너지에 의해 분리되어 고순도의 이산화탄소가 생성됨과 동시에 흡수제는 재생되어 다시 흡수탑(140)으로 공급된다(⑦). 이산화탄소를 흡수한 흡수제는 재생탑(150)에 설치된 흡수제 재생열 공급용 열교환기(160)에서 공급되는 열 에너지에 의하여 이산화탄소가 탈거되고 흡수제는 재생된다. 상기 재생탑(150) 상부로는 물(H2O) 성분을 포함한 탈거된 이산화탄소가 냉각기로 이동되며 여기에서 대부분의 증기는 냉각되어 제거된 후 이산화탄소는 이산화탄소 회수 및 처리공정으로 이송되어 용도에 따라 저장 또는 다른 유용한 고 부가 화학물질로 전환이 가능하다(⑧). 고체 흡수제를 이용하는 공정의 경우 재생탑(150) 상부에서 배출되는 가스 중의 일부를 순환시켜 재생탑(150) 내 고체흡수제의 유동화 가스로 이용한다. 흡수제 재생탑의 운전온도 또한 흡수제의 종류에 따라 달라질 수 있는데 아민용액을 흡수제로 사용하는 공정은 80∼140 ℃ 범위에서, 탄산칼륨 고체흡수제를 사용하는 경우 140∼230 ℃ 범위에서 운전이 이루어진다. 고체 흡수제의 경우 이산화탄소와 반응하는 온도에 따라 상기 재생탑(150) 온도범위보다 더 높은 온도범위에서 운전될 수 있다. 흡수제 재생에 필요한 열에너지는 흡수제와 이산화탄소와의 결합 세기에 따라 달라지며 흡수제의 종류에 따라 다양한 값을 가진다. 아민 용액의 경우 1톤의 이산화탄소를 포집하는 데 소비되는 에너지는 아민의 종류에 따라 3.0∼4.0 GJ의 범위를 갖는다.
이산화탄소 흡수제 재생열 공급을 위해서 기존에 고려되고 있는 방법은 석탄발전소 주보일러 주증기계통의 고압 증기 터빈과 중압 증기 터빈 사이 또는 중압 증기 터빈과 저압 증기 터빈 사이에서 증기를 인출하여 흡수제 재생열 공급용 열교환기(160)로 공급하는 것이다. 이 경우 터빈(120)에 공급되어야 할 상당량의 양질의 증기를 인출하기 때문에 발전효율이 이산화탄소 포집을 하지 않는 경우에 비해 10% 이상 저하되며, 동일한 출력의 전기를 생산하기 위해서는 주보일러(110)에서 석탄을 추가로 연소하여야 하므로 이에 따라 증가된 배가스를 처리하기 위한 이산화탄소 포집에너지 증가, SOx 및 NOx 처리 비용증가, 최종 대기로 배출되는 이산화탄소량의 증가, 포집 이산화탄소량의 증가에 따른 압축 및 정제비용 증가 등의 문제점이 있다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(100)에서는 석탄에 비해 동일한 에너지를 생산하면서도 대기 중 이산화탄소 배출이 적은 연료를 연소하는 보조보일러(170)를 사용하여 이산화탄소 흡수제 재생열을 공급하도록 변경함으로써 이산화탄소 포집에너지 저감과 함께 상기의 문제점들을 완화할 수 있도록 하였다. 상기 보조보일러에 사용되는 연료는 상기 주보일러에 투입되는 연료 대비 동일한 양의 에너지를 생산하면서도 더 적은 양의 CO2를 대기 중으로 배출하는 연료이다. 일예로 상기 주보일러에 공급되는 연료가 석탄인 경우 천연가스 또는 바이오매스일 수 있다. 주보일러에 투입되는 연료가 천연가스라면 보조보일러에서 사용하는 연료는 바이오매스일 수 있다.
보다 구체적으로 상기 보조보일러(170)에서는 연료로 공급(⑨)되는 저탄소 배출 연료가 공기(⑩)에 의해 연소되면서 고온의 배가스가 발생한다. 상기 고온의 배가스를 이용하여 상기 보조보일러(170)에 설치된 열교환설비의 전열면 내부를 통과하는 응축수를 고온 고압의 증기로 전환시킨다(⑪). 상기 보조보일러(170)에서 생산된 고온고압의 증기를 보조보일러(170)에 연계하여 설치한 증기 터빈(180)에 공급하여 전기를 생산하고 터빈을 거쳐 나오는 증기를 이산화탄소 포집설비의 흡수제 재생열 공급용 열교환기(160)로 보내어 흡수제 재생열을 공급한다(⑫). 이산화탄소 흡수제에 재생열을 전달한 증기가 응축되어 배출되는 응축수는 응축수 이송라인(⑬)을 통해 응축수의 온도 압력에 부합되는 주보일러 주증기계통에 주입한다.
한편 상기 보조보일러(170)에서 응축수로 열을 전달한 배가스는 보조보일러(170) 배출 배가스 라인(⑭)을 통해 주보일러 배출 배가스라인(④)에 설치된 환경설비(질소산화물 저감설비, 집진설비, 황산화물 저감설비) 전단에 주입한다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(200)를 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치의 개념도이다.도 2의 공정 구성에서는 보조보일러(270)에 연계하여 별도의 증기 터빈을 설치하지 않고 보조보일러(270) 계통에서 생산된 고온 고압의 증기를 보조보일러 증기계통 고온 고압 증기 이송라인(⑫)을 통해 주보일러 주증기계통의 고압 증기 터빈(121) 전단에 주입하여 주보일러 주증기계통에 설치되어 있는 터빈(120)에서 전기를 생산하고, 주보일러 주증기계통의 고압 증기 터빈(121)과 중압 증기 터빈(122) 사이 또는 중압 증기 터빈(122)과 저압 증기 터빈(123) 사이에서 증기를 인출하여(⑮) 흡수제 재생열 공급용 열교환기(160)로 공급하도록 하였다. 이 경우 보조보일러에 연계한 증기 터빈을 설치하지 않아도 되는 이점이 있다.
저탄소 배출 연료로 가스를 사용하는 경우 보조보일러(170, 270)에 연계하는 터빈을 가스터빈으로 대체하고, 가스터빈에서 배출되는 고온의 배가스를 이용하여 고온 고압의 증기를 생산하는 공정 구성으로 도 1 또는 도 2에서 제시한 공정의 일부를 변경가능하다. 도 1과 도 2의 공정 구성에서 보조보일러 열교환기에서 생산된 고온고압의 증기를 터빈을 거치도록 하지 않고 공정 조건에 따라서는 흡수제 재생열 공급용 열교환기(160)로 직접 공급할 수도 있다.
도 1 또는 도 2의 보조보일러(170, 270)에 공급되는 저탄소 배출 연료로는 천연가스, 또는 바이오매스를 사용할 수 있다. 천연가스는 석탄에 비해 단위 무게당 배출하는 이산화탄소 량은 1.1배 정도 더 높지만 연소열은 1.9배 정도로 더 높아 동일한 양의 에너지를 생산하는 경우 단위 무게당 이산화탄소 배출량은 더 낮다. 특히 바이오매스를 보조보일러의 저탄소 배출 연료로 사용하는 경우 바이오매스 연소로 발생하는 이산화탄소는 대기로 배출되는 이산화탄소 배출량 계산에 포함시키지 않는 것으로 전세계적으로 승인하고 있기 때문에 동일한 양의 에너지를 생산하기 위해 배출하는 연료 단위 무게당 이산화탄소 배출량이 바이오매스가 석탄에 비해 더 높기는 하지만 대기로 배출된 이산화탄소량은 없는 것으로 간주된다.
따라서 바이오매스 연소로 배출되는 이산화탄소를 포집하는 경우에는 마이너스 배출로 인정받을 수 있다. 기타 본 발명의 효과를 기대할 수 있는 모든 연료를 저탄소 배출 연료로 사용할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예와 비교예를 통해 본 발명의 효과를 설명하도록 한다.
본 비교예와 실시예에서는 정격출력 550 MWe의 전기를 생산하기 위한 초임계 석탄 화력발전소의 보일러에서 배출되는 이산화탄소의 90%를 포집하기 위해 투입되어야 할 이산화탄소 포집에너지 및 대기 중 이산화탄소 배출량을 계산하였다. 비교예 및 실시예의 계산에 적용한 대상 석탄발전소 및 이산화탄소 포집설비, 석탄 및 천연가스 데이터는 미국 Depart of Energy(DOE) 산하 에너지연구소인 National Energy Technology Laboratory (NETL)에서 발행한 "Cost and Performance Baseline for Fossil Energy Plants: Volume 1 Bituminous Coal and Natural Gas to Electricity (September, 2013)" 자료에 수록되어 있는 값을 참조하였다. 상기 문헌에서 적용한 이산화탄소 포집설비는 Monoethanolamine(MEA) 수용액을 흡수제로 사용하는 Fluor Ecoamine FG PLUS 공정이다.
<비교예 1>
비교예 1에서는 이산화탄소 포집을 하지 않는 경우 대상발전소에서 대기중으로 배출하는 이산화탄소량을 계산하였다. 전기생산을 위해 투입된 석탄의 발열량은 27,113kJ/kg이고, 연소시 이산화탄소 배출량은 2.374 kgCO2/kg이다. 비교예 1의 공정 구성은 주보일러 및 주증기계통으로 구성되며 보일러 배가스는 대기중으로 배출된다. 이산화탄소 포집을 하지 않는 비교예 1에서의 대기중 이산화탄소 배출량을 표 1에 나타내었다.
<비교예 2>
비교예 2에서는 상기 비교예 1의 대상발전소에 이산화탄소 포집설비를 설치하고, 이산화탄소 포집에 필요한 에너지를 전기생산을 위해 사용한 석탄과 동일한 석탄을 보일러(주보일러)에 추가 투입하여 공급하도록 하였다. 이산화탄소 흡수제 재생에 필요한 에너지를 공급하기 위한 증기는 중압 증기 터빈과 저압 증기 터빈 사이에서 인출하였고 이산화탄소 포집설비를 거쳐 나온 증기의 응축수는 응축수의 온도 압력에 부합되는 주보일러 주증기계통에 주입하도록 하였다. 도 1에 비교예 2의 공정구성을 나타내었다. 이산화탄소 포집에너지 공급을 위해 투입된 석탄의 발열량은 27,113 kJ/kg이고, 연소시 이산화탄소 배출량은 2.374 kgCO2/kg이다. 이산화탄소 포집에너지 공급을 위한 별도의 보조보일러를 사용하지 않고 주보일러에 추가의 석탄을 공급하여 이산화탄소 포집에너지를 공급하는 경우 대기중 이산화탄소 배출량 및 이산화탄소 포집에 따른 에너지 추가 투입량을 표 1에 나타내었다.
<실시예 1>
실시예 1에서는 상기 비교예 1의 대상발전소에 이산화탄소 포집설비를 설치하고, 이산화탄소 포집에 필요한 에너지를 천연가스를 연소하는 보조보일러를 사용하여 공급하도록 하였다. 실시예 1의 공정구성은 도 1의 구성을 사용하였다. 도 1의 경우 보조보일러에서 생산된 고온고압의 증기를 이용하여 보조보일러에 연계하여 설치한 증기 터빈을 돌리고, 이 터빈을 거쳐 나온 증기로 이산화탄소 흡수제 재생열을 공급하도록 하였다. 증기생산을 위해 보조보일러에 공급할 응축수는 주보일러 주증기계통의 저압 증기 터빈 후단에서 인출하였고 이산화탄소 포집설비를 거쳐나온 증기의 응축수는 응축수의 온도 압력에 부합되는 주보일러 주증기계통에 주입하도록 하였다. 보조보일러에서 배출되는 배가스도 이산화탄소 포집설비로 주입하도록 하여 보조보일러 배가스 중의 이산화탄소도 90% 포집되도록 하였다. 도 2의 경우와 같이 보조보일러에서 생산된 고온고압의 증기를 주보일러 주증기계통에 주입하고, 비교예 2에서와 같은 방법으로 주보일러 주증기계통의 중압 증기 터빈과 저압 증기 터빈 사이에서 이산화탄소 흡수제 재생열 공급을 위한 증기를 인출하여 이산화탄소 포비설비로 공급한 다음, 이산화탄소 포집설비를 거쳐 나온 증기의 응축수는 응축수의 온도 압력에 부합되는 주보일러 주증기 계통에 주입하여도 동일한 이산화탄소 포집에너지 저감 및 이산화탄소 배출량 저감 효과를 얻을 수 있다. 이산화탄소 포집에너지 공급을 위해 투입된 천연가스의 발열량은 52,449 kJ/kg이고, 연소시 이산화탄소 배출량은 2.67 kgCO2/kg이다. 이산화탄소 포집에너지 공급을 위해 천연가스를 연소하는 별도의 보조보일러를 이용하여 이산화탄소 포집에너지를 공급하는 경우 대기중 이산화탄소 배출량 및 이산화탄소 포집에 따른 에너지 추가 투입량을 표 1에 나타내었다.
<실시예 2>
실시예 2의 계산조건은 상기 실시예 1에서 이산화탄소 포집에 필요한 에너지를 바이오매스를 연소하는 보조보일러를 사용하여 공급하도록 하고 보조보일러에서 배출되는 배가스는 이산화탄소 포집설비로 주입하지 않고 대기중으로 바로 배출되도록 공정을 변경한 것 외에는 실시예 1과 동일하다. 이산화탄소 포집에너지 공급을 위해 투입된 바이오매스의 발열량은 18,828 kJ/kg이고, 연소시 이산화탄소 배출량은 2.064 kgCO2/kg이다. 이산화탄소 포집에너지 공급을 위해 바이오매스를 연소하는 별도의 보조보일러를 이용하여 이산화탄소 포집에너지를 공급하고 바이오매스 연소 배가스는 대기로 배출하는 경우 대기중 이산화탄소 배출량 및 이산화탄소 포집에 따른 에너지 추가 투입량을 표 1에 나타내었다.
<실시예 3>
실시예 3의 계산조건은 상기 실시예 2에서 바이오매스를 연소하는 보조보일러에서 배출되는 배가스도 이산화탄소 포집설비로 주입하여 보조보일러 배가스 중의 이산화탄소를 90% 포집하도록 공정을 변경한 것 외에는 실시예 2와 동일하다. 이산화탄소 포집에너지 공급을 위해 투입된 바이오매스의 발열량은 18,828 kJ/kg이고, 연소시 이산화탄소 배출량은 2.064 kgCO2/kg이다. 이산화탄소 포집에너지 공급을 위해 바이오매스를 연소하는 별도의 보조보일러를 이용하여 이산화탄소 포집에너지를 공급하고 바이오매스 연소 배가스 중의 이산화탄소도 90% 포집하는 경우 대기중 이산화탄소 배출량 및 이산화탄소 포집에 따른 에너지 추가 투입량을 표 1에 나타내었다.
전기
정격출력/
MWe
CO2
포집율/
%
발전
연료
CO2
포집에너지
공급 원료
포집해야할
CO2량/
(톤CO2/시간)
CO2 포집에 따른
에너지 추가 투입량/
(GJ/시간)
대기 중 최종
CO2 배출량/
(톤CO2/시간)
비교예 1 550 0 석탄 - - - 441
비교예 2 550 90% 석탄 석탄 549 1923 111
실시예 1 550 90% 석탄 천연가스 485 1699 54
실시예 2 550 90% 석탄 바이오매스 397 1391 44
실시예 3 550 90% 석탄 바이오매스 586 2053 -145
분석결과, 정격출력 550 MWe 조건에서 이산화탄소 포집을 하지 않는 경우(비교예 1) 대기중 이산화탄소 배출량은 441 톤CO2/시간이다. 석탄을 주보일러에 추가 투입하여 이산화탄소 포집 에너지를 공급하는 경우(비교예 2) 이산화탄소 포집에 따른 에너지 추가 투입량은 1923 GJ/시간이고 대기 중으로의 최종 이산화탄소 배출량은 111 톤CO2/시간이다. 이에 비해 저탄소 배출 연료인 천연가스를 연소하는 보조보일러를 이용하여 이산화탄소 포집에너지를 공급하는 경우(실시예 1) 이산화탄소 포집에 따른 에너지 추가 투입량은 1699 GJ/시간이고 대기 중으로의 최종 이산화탄소 배출량은 54 톤CO2/시간으로 석탄연료 사용대비 감소함을 확인할 수 있다. 이는 천연가스 연소열로 이산화탄소 포집에너지를 공급하면 단위발열량당 이산화탄소 발생량이 작아 동일한 이산화탄소 포집에너지를 공급하는 데 더 적은 양의 이산화탄소가 배출되고, 결과적으로 이산화탄소 포집에너지 공급을 위해 발생한 추가 포집해야 할 이산화탄소량이 감소함에 따라 이산화탄소 포집에너지 투입량도 감소하기 때문이다. 또한 천연가스를 연소하는 보조보일러를 이용하여 이산화탄소 포집에너지를 공급하는 경우 결과적으로 포집해야할 이산화탄소 포집량이 감소함을 알 수 있다. 동일한 전력을 얻으면서도 이산화탄소 포집량이 감소하면 저장을 위한 포집된 이산화탄소의 정제 및 압축비용 감축 효과를 얻을 수 있고, 저장을 위한 이산화탄소 수송비용절감과 이산화탄소 저장소를 보다 장기적으로 사용할 수 있는 효과가 있다. 바이오매스를 연소하는 보조보일러를 이용하여 이산화탄소 포집에너지를 공급하고 보조보일러 배가스는 대기로 바로 배출하는 경우(실시예 2)에도 이산화탄소 포집에 따른 에너지 추가 투입량은 1391 GJ/시간이고 대기 중으로의 최종 이산화탄소 배출량은 44 톤CO2/시간으로 석탄연료 사용 대비 감소함을 확인할 수 있다. 특히 바이오매스를 연소하는 보조보일러를 이용하여 이산화탄소 포집에너지를 공급하고 보조보일러에서 배출되는 바이오매스 연소 배가스 중의 이산화탄소도 90% 포집하는 경우(실시예 3)에도 이산화탄소 포집에 따른 에너지 추가 투입량은 2053 GJ/시간이지만 대기 중으로의 최종 이산화탄소 배출량은 -145 톤CO2/시간으로 마이너스 이산화탄소 배출량을 실현할 수 있음을 확인할 수 있다. 바이오매스를 이산화탄소 포집에너지를 공급하기 위한 보조보일러의 연료로 사용하는 경우에는 바이오매스 연소로 발생하는 이산화탄소는 대기 중 배출량에 포함시키지 않는 것으로 국제적으로 승인하고 있기 때문에 실시예 2 및 실시예 3의 효과를 얻을 수 있다. 마이너스 이산화탄소 배출은 배출권 거래를 통해 추가의 경제적 수익을 얻을 수 있음을 의미한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 이산화탄소 포집 장치 및 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 이산화탄소 포집 장치 110; 주보일러
120; 제 1 증기 터빈 121; 고압 증기 터빈
122; 중압 증기 터빈 123; 저압 증기 터빈
130; 복수기 140; 흡수탑
150; 재생탑 160; 열 교환기
170, 270; 보조보일러 180; 제 2 증기 터빈

Claims (7)

  1. 연료를 연소하여 고온 고압 증기를 생산하는 주보일러;
    상기 주보일러의 증기를 통해 발전을 수행하는 증기 터빈;
    상기 증기 터빈을 통과한 저온 저압의 증기 또는 응축수를 고온 고압 증기로 변환시키는 보조보일러;
    내부의 흡수제를 통해 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑; 및
    상기 흡수탑으로부터 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 인가받고, 상기 증기 터빈 또는 보조보일러로부터 증기를 인가받아 열 교환기를 통해 상기 흡수제를 재생하는 재생탑을 포함하는 이산화탄소 포집 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조보일러에 공급되는 연료는 상기 주보일러에서 사용하는 연료 대비 동일한 양의 에너지를 생산하면서도 더 적은 양의 CO2를 대기 중으로 배출하는 연료인 이산화탄소 포집 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조보일러에 공급되는 연료는 천연가스 또는 바이오매스인 이산화탄소 포집 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조보일러에 연결되어 상기 보조보일러에서 생성된 증기를 통해 발전을 수행하는 별도의 증기 터빈을 더 포함하는 이산화탄소 포집 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조보일러에서 생성된 배가스는 상기 흡수탑으로 인가되는 이산화탄소 포집 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조보일러는 상기 증기 터빈의 전단에 연결되어, 상기 보조보일러에서 생성된 증기는 상기 증기 터빈에 인가되고, 상기 열 교환기는 상기 증기 터빈으로부터 증기를 인가받는 이산화탄소 포집 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 증기 터빈은 고압 증기 터빈, 중압 증기 터빈 및 저압 증기 터빈을 포함하여 구성되고,
    상기 열 교환기는 상기 고압 증기 터빈과 중압 증기 터빈의 사이 또는 상기 중압 증기 터빈과 저압 증기 터빈의 사이에서 증기를 인가받는 이산화탄소 포집 장치.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190074048A (ko) * 2017-12-19 2019-06-27 한국에너지기술연구원 폐열 발생 공장에 적용 가능한 폐열 활용방법
CN118846751A (zh) * 2024-09-25 2024-10-29 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 基于发电调峰的碳捕集系统及调控方法
CN119508793A (zh) * 2024-11-21 2025-02-25 大连理工大学 一种碳捕集综合利用及能量回收方法和装置
GB2633937A (en) * 2023-12-21 2025-03-26 Technip Energies France Carbon capture system including a blower that is mechanically coupled to a turbine

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PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20140822

PG1501 Laying open of application
PC1203 Withdrawal of no request for examination
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid