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KR20040032946A - 최대 전력 생산을 위한 연소 터빈 연료 주입구 온도의관리 방법 - Google Patents

최대 전력 생산을 위한 연소 터빈 연료 주입구 온도의관리 방법 Download PDF

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Publication number
KR20040032946A
KR20040032946A KR10-2004-7002537A KR20047002537A KR20040032946A KR 20040032946 A KR20040032946 A KR 20040032946A KR 20047002537 A KR20047002537 A KR 20047002537A KR 20040032946 A KR20040032946 A KR 20040032946A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas
syngas
steam
combustion chamber
air
Prior art date
Application number
KR10-2004-7002537A
Other languages
English (en)
Inventor
폴 에스. 월리스
케이 에이. 존슨
Original Assignee
텍사코 디벨롭먼트 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 텍사코 디벨롭먼트 코포레이션 filed Critical 텍사코 디벨롭먼트 코포레이션
Publication of KR20040032946A publication Critical patent/KR20040032946A/ko

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    • F02C7/22—Fuel supply systems
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Abstract

IGCC 공정의 연소 터빈(200)에서 연료로 사용하기 위한 합성가스(2)는 연소실(16)로 들어가기 이전에 약 350℉의 최대 온도로 가열된다. 또한 보다 높은 발열량을 갖는 비연소성 희석제 가스(10) 및 추가적인 연료 가스가 합성가스에 첨가되어 가스 터빈의 연소실에 공급되는 공급물의 총 발열량을 증가시킨다. 보다 냉각된 온도는 연소실 터빈으로의 보다 많은 질량 유동을 허용하고, 보다 냉각된 온도에 기인하는 잠열 손실을 상쇄하는 합성가스내의 보다 높은 감열을 허용한다.

Description

최대 전력 생산을 위한 연소 터빈 연료 주입구 온도의 관리 방법 {COMBUSTION TURBINE FUEL INLET TEMPERATURE MANAGEMENT FOR MAXIMUM POWER OUTPUT}
가스화 복합 발전(Integrated Gasfication Combined Cycle; IGCC) 전력 생성 시스템은 연료원의 가스화로부터 전력을 생성하기 위해 세계적으로 사용된다. 상기 시스템에서, H2, CO, CO2및 H2O를 포함하는 원료 합성 가스(synthesis gas)(또는 합성가스(syngas)) 연료 가스 스트림은 급랭(quench) 가스화 반응기 내에서, 일반적으로 증기와 같은 온도 조절자의 존재하에서, 탄화수소 연료를 유리 산소 함유 가스와 부분 산화 반응시킴으로써 생산된다.
생산된 합성가스는 물에서의 급랭에 의해 냉각되어 일반적으로 약 450℉ 내지 550℉ 범위의 온도 및 일반적으로 약 700 내지 1500 psia의 압력의 급랭된 포화합성가스 스트림을 생산한다. 상기 공정에 관한 보다 자세한 설명은 미국 특허 제 5,345,756호에 개시되어 있다.
이후 합성된 가스는 일반적으로 40℉ 내지 140℉의 온도로 냉각되고 H2S 및 COS를 합성가스 스트림으로부터 제거하기 위해 물리적 또는 화학적 용매를 사용하는 산성 가스 제거 장치에서 정제된다. 상기 정제된 합성가스는 질소 가스 또는 수증기와 같은 희석제 가스와 혼합된 다음, 전력 생산용 가스 터빈의 연소실로 공급된다. 희석제 가스의 질량 유동은 전력 생성의 증가 및 가스 터빈 연소실 내에서의 합성가스 연소에 의해 생성되는 NOx가스의 감소를 보조한다. 종래 기술의 IGCC 방법에 있어서 가스 터빈 연소실로 도입되기 이전에 최대로 얻을 수 있는 온도, 일반적으로 350℉ 내지 1000℉의 온도로 합성가스/희석제 혼합물을 과열하는 것이 바람직하다. 통상적으로 상기 가열은 고압 또는 저압 증기를 사용하여 수행된다. 과열을 통해 합성가스/희석제 혼합물에 도입된 열 에너지는 연소 동안에 합성가스에 의해 방출되는 화학 에너지와 결합한다. 연소실로부터 나온 고온의 가스는 가스로부터 방출된 에너지를 전기로 전환하는 팽창기/발전기로 보내진다.
작동 동안 최대 총 효율의 잠재성 때문에 일반적으로 공기 및 질소 통합 IGCC 시스템이 바람직하다. 공기는 가스 터빈 공기 압축기 내에서 압축되고, 일반적으로 상기의 연소 가스 팽창기와 동일한 샤프트를 따라 배치된다. 일부의 압축 공기는 가스 터빈 연소실 내에서 합성가스와 함께 연소된다. 나머지 부분의 압축 공기는 가스 터빈 희석제 스트림에 의해 냉각되고, 가스화 단계에 산소를 공급하고가스 터빈에 희석제인 질소를 공급하는 공기 분리 장치(Air Separation Unit; ASU)로 보내진다.
마지막으로, 가스 터빈으로부터 나온 폐열은 주로 폐열 회수 보일러(Heat Recovery Steam Generator; HRSG) 내에서 증기를 생성하는데 사용된다. 생성된 증기는 일반적으로 가스화 장치에서 온도 조절자로 사용되거나 추가적인 전력 생산을 위해 증기 터빈에서 일반적으로 사용되는 증기 평형을 갖는 가스 터빈에 공급되는 합성가스/희석제 스트림을 과열하는데 사용된다. 상기 일반적인 종래 기술의 방법에 대한 다양한 변형들이 미국 특허 제 5,715,671호, 제 5,345,756호, 제 5,117,623호 및 제 5,078,752호에 개시되어 있다.
설명한 바와 같이, 종래 기술의 IGCC 방법은 가스 터빈에서의 연소 이전에 합성가스/희석제를 최대 유지가능한 온도로 가열하는 것이 바람직하다. 예컨대, 미국 특허 제 5,715,671호에서, 합성가스는 가스 터빈으로 보내지기 전에 390℉(734℃)로 가열된다. 미국 특허 제 5,345,756호에서, 합성가스는 연소실로 들어가기 이전에 약 350℉(177℃) 내지 1000℉(538℃) 범위의 온도로 처리된다. 미국 특허 제 5,117,623호에서는 합성가스를 200℃(392℉)로 가열한다. 마지막으로, 미국 특허 제 5,078,752호에서의 합성가스 가열 온도는 1,800℉ 내지 1,900℉, 가능하게는 2,000℉ 내지 2,300℉이다.
종종, 합성가스 가열은 증기와 함께 수행된다. 따라서 합성가스의 가열에 사용되는 증기는 추가의 전력 생산을 위한 증기 터빈에 이용가능하지 않다. 더욱이, 높은 주위 온도 조건 동안에 추가적인 증기 주입을 합성가스에 첨가하여 연소터빈으로부터 보다 높은 전력 생산량을 얻는 것이 때때로 바람직하다. 하지만, 추가적인 증기 주입은 허용불가능할 정도로 화염 안정성을 저하시킨다. 높은 주위 온도에서의 전력 가격이 낮은 주위 온도에서의 전력 가격에 비해 100배까지 비쌀 수 있기 때문에 높은 주위 조건에서 전기 생성력을 최대화하는 것이 경제적으로 중요하다. 따라서, 보다 차가운 합성가스가 가스 터빈의 연소실 내에서 사용되고 증기로 예열되지 않아, 보다 많은 증기가 증기 터빈 내에서의 전력 생성에 이용가능한 IGCC 공정을 개발하는 것이 바람직할 것이다.
발명의 요약
본 발명은 합성가스 및 희석제 가스가 이슬점 이상의 약 100℉ 내지 200℉, 또는 약 350℉(177℃)의 최대 온도로 가열되는 방법에 관한 것이다. 천연 가스와 같은 높은 발열량을 갖는 추가적인 연료를 합성가스에 첨가하여 가스 터빈의 연소실에 대한 공급물의 총 발열량을 증가시킨다. 합성가스/희석제 공급물 스트림의 보다 낮은 온도 때문에, 천연 가스 및 희석제 유속은 가스 터빈의 전력 생산량을 유지하기 위해 증가된다. 희석제의 첨가가 연소실에서 생성되는 해로운 NOx가스를 감소시키는데 필요하다고 할지라도, 희석제의 첨가는 연소실의 화염 안정성을 또한 감소시킨다. 천연 가스의 첨가가 발열량을 증가시켜 연소실 내의 화염을 안정하게 유지시킴으로써, 추가적인 희석제 가스가 합성가스에 주입될 수 있다.
합성가스/희석제 공급물 스트림이 종래 기술에 개시되어 있는 고온으로 가열되지 않기 때문에, 공급물 스트림을 다르게 가열하는 과량의 증기는 증기 터빈에서 전력 생성에 이용가능하고, IGCC 방법의 개별 전력 생산량 및 총 전력 생산량을 증가시킨다.
본 발명의 다른 목적은 압축된 공기의 대안적인 용도를 제공하는 것이다. 희석제 스트림으로 사용되는 공기 분리 장치로부터 나오는 질소는 일반적으로 약 280℉(138℃)에서 공급되고, 일반적으로 가스 터빈 연소실로 공급되는 합성가스와 동일한 온도로 가열된다. 일반적으로, 상기 온도는 350℉(177℃) 내지 1000℉(538℃)의 범위 또는 그 이상이다. 본 발명에 있어서, 희석제 스트림은 이슬점 이상의 100℉ 내지 200℉, 또는 약 350℉(177℃)의 최대 온도로 가열되는 것만이 필요하다. 압축 공기로부터 나오는 대부분의 열이 가스 터빈 희석제 스트림을 가열하는데 사용되지 않을 것이기 때문에, 열은 저압력 내지 중압력의 증기를 생성하는데 사용될 수 있다. 상기 추가적인 증기 발생은 가스화 장치에서 사용되어, HRSG로부터 나온 보다 많은 증기가 증기 터빈 내에서의 전력 생성에 사용되도록 할 수 있다.
증기 터빈에서의 증가된 전력 생산 때문에, 총 IGCC 전력 생성은 5 내지 10% 증가할 수 있다.
본 발명은 합성가스 및 희석제 가스가 이슬점 이상의 약 100℉ 내지 200℉, 또는 약 350℉(177℃)의 최대 온도로 가열되는 방법에 관한 것이다.
도 1은 통상적인 종래 기술의 IGCC 방법을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예를 도시한 것이다.
본 발명에 있어서, 탄소질 함유 연료는 가스화 반응기로 공급하기 위하여 일차로 수득되고 제조된다. 탄소질 함유 연료는 합성가스를 생성시키는 가스화 방법에 공급원료로 사용될 수 있는 임의의 고형, 액체형 또는 기체형의 연소 가능한 유기물질이다. 가스화 방법의 공급원료는 일반적으로 탄화수소 물질, 즉, 가스화 반응에 수소 및 탄소원을 제공하는 일반적으로 하나 이상의 유기 물질이다. 탄화수소 물질은 기체상, 액체상 또는 고체상이거나, 이의 조합형태로서, 예를 들면, 유동 상태의 고형-액체형 조성물일 수 있다.
공급물 제조단계는 주어진 조성물 및 공급원료의 물리적 성질을 고려할 때 필수적이지 않을 수 있다. 일반적으로, 고형 탄소질 함유 연료는 가스화 장치로 공급되기 이전에 오일 또는 물과 함께 액화될 필요성이 있을 것이다. 액체상 또는 기체상 탄소질 함유 연료들은 가스화 장치에 직접 공급되는 것이 적당할 수 있지만, 공급물에 존재할 수 있는 어떠한 불순물을 제거하기 위하여 예비처리될 수 있다.
다양한 적당한 공급원료들을 기술하기 위하여 본 명세서에 사용된 액체 탄화수소 연료라는 용어는 펌핑 가능한 액체 탄화수소 물질 및 고형 탄소질 함유 물질의 펌핑 가능한 액체 슬러리, 및 이의 혼합물을 포함한다. 예를 들면, 고형 탄소질 함유 연료의 펌핑 가능한 수용성 슬러리가 공급원료로 적당하다. 사실, 실질적으로 어떠한 연소가능한 탄소-함유 액체 유기물질 또는 이의 슬러리들이 "액체 탄화수소"의 정의에 포함될 수 있다. 예를 들면,
(1) 물, 액상 이산화탄소, 액상 탄화수소 연료, 및 이의 혼합물과 같은 기화가능한 액상 담체에 존재하는 석탄, 미립자 탄소, 석유 코크스, 농축 하수 슬러지, 및 이의 혼합물과 같은 고형 탄소질 함유 연료의 펌핑 가능한 슬러리들;
(2) 가스화 장치에 적당한 액상 탄화수소 연료 공급원료가 액화 석유가스, 석유 증류물 및 잔류물, 가솔린, 나프타, 케로신(kerosine), 원유, 아스팔트, 가스 오일, 잔류 오일, 역청사 오일 및 혈암유, 석탄 유래 오일, 방향족 탄화수소 (예컨대, 벤젠, 톨루엔, 크실렌 분획), 석탄 타르, 유체-촉매-분해(cracking) 작용으로 수득된 순환 가스 오일, 코커(coker) 가스 오일의 푸르푸랄(furfural) 추출물, 및 이의 혼합물과 같은 다양한 물질들; 및
(3) 탄수화물, 셀룰로오스 물질, 알데히드, 유기산, 알코올, 케톤, 산화 연료 오일, 폐액, 산화 탄화수소 유기물질을 포함하는 화학 공정의 부산물, 및 이의 혼합물을 포함하는 산화 탄화수소 유기물질들이 액체 탄화수소 용어의 정의에 포함된다.
부분 산화 가스화 장치에서 단독으로 발화될 수 있거나 액상 탄화수소 연료와 함께 발화될 수 있는 기체상 탄화수소 연료는 증발 액상 천연 가스, 정제 오프-가스(off-gas), C1-C4탄화수소 가스, 및 화학공정으로부터 수득된 폐탄소-함유 가스를 포함한다.
공급물 제조단계 이후, 사용된다면, 탄소질 함유 연료는 가스화 반응기, 또는 가스화 장치로 이송된다. 가스화 장치에서, 탄소질 함유 연료는 활성 유리 산소-함유 가스와 반응한다. 본 명세서에 사용된 유리 산소 함유 가스는 공기, 산소가 풍부한 공기, 즉 21 몰% 이상의 O2및 실질적으로 순수한 산소, 즉, 약 90 몰% 이상의 산소(잔류물은 일반적으로 N2및 가스를 소량으로 포함함)를 의미한다. 실질적으로 순수한 산소가 바람직하며, 공기 분리 장치(ASU)에 의해 수득된다. 탄화수소 물질의 부분 산화는 바람직하게는 증기와 같은 온도 조절자의 존재하에 가스화 영역에서 완성되어 고온의 합성가스(synthesis gas) 또는 합성가스(syngas)를 수득한다. 본 명세서에 걸쳐 합성가스(synthesis gas) 또는 합성가스(syngas)는 상호 교환가능하게 사용될 수 있고, 실제로 그렇게 사용된다.
가스 발생장치의 반응 영역에서 온도를 조절하기 위한 온도 조절자에 대한 필요성은 공급원료의 탄소 대 수소 비율 및 산화제 스트림의 산소 함량에 일반적으로 의존한다. 온도 조절자는 일반적으로 실질적으로 순수한 산소를 갖는 액상 탄화수소 연료와 함께 사용된다. 바람직한 온도 조절자는 물 또는 증기이다. 반응물 스트림 중 하나 또는 둘 모두와의 혼합물에서 온도 조절자로서 증기를 주입할 수 있다. 다른 방법으로는, 공급물 주입장치에서 별개의 도관을 경유하여 가스 발생장치의 반응 영역으로 온도 조절자를 주입할 수 있다. 기타의 온도 조절자로는 CO2풍부 가스, 질소 및 재순환 합성가스를 포함한다.
가스화 반응기는 일반적으로 내화물 라인 처리된 수직 원통형 강철 압력 용기로 구성된 반응 영역, 및 미국 특허 제 2,809,104호에 도시된 것과 같은 급랭 드럼을 포함하며, 상기 미합중국 특허는 인용문헌으로 본 명세서에 포함되어 있다. 본 명세서에 인용문헌으로 포함된 미국 특허 제2,928,460에 도시된 것과 같은 공급물 주입장치는 공급물 스트림을 반응 영역으로 주입하기 위하여 사용될 수 있다. 가스화 장치의 반응영역에서, 내용물은 약 1,700℉(927℃) 내지 약 3,000℉(1649℃), 및 보다 일반적으로는 약 2,000℉(1093℃) 내지 약 2,800℉(1538℃)의 온도에 도달할 것이다. 압력은 일반적으로 약 1 기압(101 kPa) 내지 약 250기압(25331 kPa), 보다 일반적으로는 약 15 기압(1520 kPa) 내지 약 150 기압(15,199 kPa), 및 더욱 일반적으로는 약 60기압(6080 kPa) 내지 약 80 기압(8106 kPa)일 것이다. 부분 산화 공급물 주입장치 어셈블리는 미국 특허 제 3,945,942호에 기술되어 있다. 유기 물질의 가스화 방법 및 장치는 미국 특허 제 5,656,044호에 기술되어 있다. 또한, 공지 분야에서 알려진 많은 가스화 방법중 일부는 미국 특허 제 5,435,940호, 제 4,851,013호 및 제 4,159,238호에 기술되어 있다. 상기 특허들의 전체 내용은 참조문헌으로 본 명세서에 포함되어 있다.
고온 가스화 공정 생성 합성가스(synthesis gas) 또는 합성가스(syngas)는 일산화탄소 및 수소를 포함한다. 이와 같은 합성가스에서 종종 발견되는 기타 물질들은 황화수소, 이산화탄소, 암모니아, 시안화물, 및 탄소 및 미량 금속형태의 미립자를 포함한다. 공급물중의 불순물 함량은 공급물 형태, 사용된 특정 가스화 공정 및 운영 조건에 의해 결정된다. 어떤 경우에도, 상기 불순물들의 제거는 가스화 반응을 실행가능하게 하기 위해 바람직하고, 산성 가스(예컨대, CO2및 H2S)제거는 매우 바람직하다.
합성가스가 가스화 장치로부터 방출되어, 세정을 위해 가스화 급랭 챔버로 보내진다. 물을 통해 거품을 일으키고 있는 많은 양의 가스에 의해 유발된 냉각 드럼의 난류(turbulent) 조건은 물이 유출 가스로부터 유래된 많은 양의 고형물들을 세정시키는데 도움을 준다. 대량의 증기가 냉각 용기 및 포화 가스 스트림에서 발생된다. 원료 가스 스트림은 급랭 드럼에서 냉각되어지고, 약 350℉ 내지 600℉(약 175℃ 내지 315℃), 바람직하게는 약 450℉ 내지 550℉(약 230℃ 내지 290℃) 온도 및 약 500 내지 2500 psia, 바람직하게는 약 1000 psia 압력하에서 방출된다. 바람직하게, 새로운 급랭수는 공정에서 연속적으로 생성되는 제조수 및 압축물의 혼합물이다.
합성가스는 선택적으로 추가의 냉각 및 세정 기술을 포함한 세정 작업으로 처리될 수 있으며, 상기 합성가스는 세정장치(scrubber)로 주입되고, 추가로 합성가스를 냉각시키고 합성가스로부터 미립자 및 이온 성분들을 제거시키는 물 스프레이와 접촉된다. 이후, 초기에 냉각된 가스는 합성가스로 사용되기 전에 가스가 탈황화되도록 처리된다.
이후 합성가스는 산성 가스 제거 장치로 보내져 합성가스 내의 황 불순물이 제거될 수 있다. 일반적으로 아민 또는 물리적인 용매를 사용하는 합성가스용 산성 가스 제거 설비는 합성가스/세정 가스의 혼합 스트림으로부터 산성 가스, 특히 황화수소를 제거한다. 일반적으로 산성 가스 제거 설비는 저온에서 작동한다. 합성가스가 약 130℃ 이하, 바람직하게 약 90℃ 이하로 냉각된 다음, 가스 내의 불순물, 특히 황 화합물 및 산성 가스는 용이하게 제거될 수 있다. 합성가스는 산성 가스 제거 접촉장치 내에서 용매와 접촉한다. 상기 접촉장치는 트레이(trays) 또는 충전 칼럼(packed column)을 포함하는 당업계에 공지인 임의의 형태일 수 있다. 상기 산 제거 접촉장치의 작동은 당업계에 공지이다. 일반적으로 산성 가스 제거 장치로부터 나온 황화수소는 황 회수 공정으로 보내지고, 임의의 회수된 이산화탄소는 대기로 방출된다.
이후 합성가스는 전력 생성에 이용될 수 있다. 상기 합성가스는 이슬점 이상의 약 100℉ 내지 200℉, 또는 약 350℉의 최대 온도로 약간 과열되는데, 이는 종래 기술의 방법에서 수행되는 최대 온도, 때때로 1000℉ 초과로 가열되는 것과는 반대이다. 이후 합성가스는 연소되고 연소된 가스는 팽창 터빈에 의해 구동되는 전기 발생기에 의해 전력을 생성하도록 팽창된다. 합성가스를 전력 생성에 사용하는 경우 합성가스의 발열량 및 조성은 중요한 고려사항이다. 따라서, 천연 가스와 같은 추가적인 고 발열량의 연료는 연소실 공급물 스트림의 발열량을 증가시키기 위하여 합성가스에 첨가되는 것이 필요할 수 있다.
폐열을 가스 터빈으로 운반하기 위해 합성가스 터빈 연료에 비연소성 가스 열 담체 또는 희석제 가스를 보충하면 가스 터빈의 효율이 증가될 것이다. 상기 비연소성 열 담체는 질소 또는 이산화탄소와 같은 가스, 또는 포화 장치 내에서 연료 가스로 증발되거나 증기로 직접 주입되는 수증기일 수 있다. 비유동성 가스의 추가적인 질량 유동은 연소성 연료 가스 및 비연소성 가스의 혼합물이 주어진 온도에서 보다 많은 감열(sensible heat)을 함유할 수 있도록 하고, 따라서 보다 많은열을 가스 터빈으로 운반하여 가스 터빈의 효율을 개선시킨다. 연소실에 공급되는 합성가스 및 희석제 가스의 보다 낮은 온도 때문에, 가스의 보다 많은 질량 유동이 동일한 가스부피 유속으로 연소실로 보내질 수 있다. 따라서, 보다 큰 가스 질량 유속은 연소실로 추가적인 감열(latent heat)이 투입되게 하고, 상기의 보다 낮은 온도에서 가스를 공급하리라 기대되는 잠열 손실의 일부를 상쇄할 수 있다. 이 때문에, 합성가스 및/또는 희석제 가스를 다르게 가열할 수 있는 증기가 전력 생성에 사용되어, 전력 생성 장치의 총 효율을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한 비연소성 가스는 화염 온도의 저하 및 NOx형성의 감소와 같은 다른 장점을 제공한다. 포화된 N2및 포화된 가스의 도입 때문에, 배기 가스 내의 질소 산화물(NOx)의 농도는 건조 15% O2기초로 20 ppm(부피) 이하로 실질적으로 0이다. 일반적으로 질소는 연소실에 공급되는 합성가스와 유사한 온도로 과열된다. 따라서, 본 발명은 1000℉ 이상까지 대신에 약 350℉ 이하까지 질소를 가열하는 상당한 에너지 감소를 의도한다.
또한 통상적으로 공기가 연소실 공급물 스트림에 첨가된다. 공기는 연소실과 함께 가스 터빈의 주요 부품인 동축 팽창 터빈(coaxial expansion turbine)에 의해 구동되는 터보압축기 수단에 의해 압축된다. 압축된 공기는 약 400℉ 내지 850℉(약 425℃ 내지 455℃) 범위의 온도이고 합성가스 및 희석제 가스와 실질적으로 동일한 압력의 연소실로 들어간다. 압축 공기의 일부는 차례로 가스화 단계에 산소를 제공하고 가스 터빈에 질소 희석제를 제공하는 공기 분리 장치(ASU)로 공급공기를 제공할 수 있다. 하지만, ASU에 들어가기 이전에, 압축 공기 ASU 공급물의 일부가 질소 희석제 스트림을 바람직한 온도로 가열하는데 사용될 수 있다. N2를 가열하는데 필요한 보다 적은 열 때문에, 상당 부분의 공기가 가스화 반응기에서 온도 조절자로 사용하기 위해 증기를 생성하고 연소실에 공급되는 합성가스를 예열하는데 이용가능하거나, IGCC 공정의 증기 사이클에서 추가적인 전력을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 이제는 이후의 열 회수 증기 발전기에서 생성되는 보다 많은 증기가 전력 생성에 유익하게 이용될 수 있다.
ASU는 공기를 실질적으로 순수한 산소 가스 및 질소 가스의 분리된 스트림으로 분리하는데 사용된다. 질소 가스의 일부 또는 전부는 물로 포화되고, 약간 과열되어, 합성가스 및 천연 가스의 스트림과 함께 가스 터빈의 연소실로 도입된다. 일반적으로 ASU로부터의 산소 가스 스트림은 환형의 공급물 주입기 내의 한 경로를 통해 부분 산화 가스 발생기의 반응 구역으로 도입된다.
가스의 팽창 터빈 부분으로부터 나오는 고온의 배기 가스는 대기로 배출되기 이전에 통상적인 폐열 회수 보일러(HRSG)를 통과한다. 동축 중간 팽창 터빈과 일렬로 배치된 고압 팽창 터빈을 포함하는 통상적인 증기 터빈을 작동하기 위한 증기, 및 공정에 필요한 증기는 HRSG에서 생성된다. 예컨대, HRSG로부터 나오는 과열된 고압 증기는 전력 생성을 위해 고압 팽창 터빈(HPT)으로 도입될 수 있다. 중압 배기 증기는 HPT로부터 나와 HRSG에서 또한 과열될 수 있고, 추가적인 전력을 생성하기 위해 중압 팽창 터빈(IPT)으로 도입된다. 증기를 이용한 전력 생산은 연소 가스를 이용한 전력 생산과 매우 유사하다. 증기는 팽창 터빈을 통해 팽창하여 전기 생산을 위해 발전기를 구동시킨다. 온도 조절자로서 가스화 반응기에 주입하기 위해서 또는 희석제로서 가스 터빈 연소실에 첨가하기 위해서, 생성된 증기의 일부를 사용하여 가스 터빈으로 공급되는 합성가스 및/또는 희석제를 가열하는 것이 필요할 수 있다. 상기 합성가스 및 희석제 스트림에 대해 요구되는 온도는 매우 낮고, 고온의 공기는 희석제 스트림의 가열 및 여분의 증기 생성 모두에 이용가능하기 때문에, 대부분의 증기는 전력 생산을 위해 증기 터빈 내에서의 사용에 이용가능하다.
도 1은 통상적인 종래 기술의 IGCC 방법을 도시한 것이다. 본 방법에서, 일반적으로 당업계에 공지인 가스화 반응기 내에서 생성되고 합성가스 내의 임의의 황 화합물을 제거하기 위해 정제된 합성가스(2)는 열 교환기(4) 내에서 증기(43)를 사용하여 최대 가능한 온도, 일반적으로 1000℉ 이상의 온도로 예열된다. 가열된 합성가스(6)는 천연 가스(8), 선택적인 증기(9) 및 일반적으로 합성가스와 실질적으로 동일한 온도로 가열되는 가열된 물 포화 질소(14)와 선택적으로 혼합된다. 가열된 질소(14)는 일반적으로 약 280℉의 공기 분리 장치(미도시)로부터 공급되고, 물로 포화되고, 포화된 질소 스트림(10)으로서 공급되고, 열 교환기(12) 내의 고온의 공기(31)로 가열되고, 상승된 합성가스 온도에 도달하기 위해 증기를 사용하여 교환기(15) 내에서 추가로 가열될 수 있다. 합성가스(6), 선택적인 천연 가스(8) 및 가열된 질소(14)의 혼합물은 압축 공기(30)와 배합되어 가스 터빈의 연소실(165)로 보내진다.
연소 가스 생성물(18)은 팽창기(20) 내에서 팽창되어, 샤프트(22)를 회전시킨다. 샤프트(22)는 발전기(24) 내에서 전력 생산을 유도할 뿐만 아니라 공기 스트림(26)을 압축하는 수단도 제공한다. 공기 스트림(26)은 샤프트(22)에 부착된 압축기(28) 내에서 압축된다. 압축 공기 중 일부(30)는 연소실로 보내지고, 합성가스의 연소를 위한 산소를 제공한다. 나머지 압축 공기(31)는 먼저 질소 스트림(10)을 가열하는데 사용된 다음, 일반적으로 라인(32)을 통해 상기에서 설명한 공기 분리 장치로 보내진다.
팽창기(20)에서 팽창된 다음, 연소 가스는 라인(34)을 통해 폐열 회수 보일러(HRSG)(36)로 보내지고, 결국 스택(38)을 통해 대기로 방출된다. 여기서, 보일러 공급수(66)는 연소 가스(34)로부터의 열을 이용하여 증기(40)로 전환된다. 일부의 증기는 라인(41)을 통해 가스화 장치로 보내져 온도 조절자로서 작용한다. 증기 중 일부(42)는 열 교환기(4) 내에서 합성가스를 예열하고 연소실에 선택적인 증기(9)를 공급하는데 사용되고, 나머지 부분(44)은 팽창기(46) 내에서 팽창되어 발전기(50) 내에서 전력을 생산한다. 팽창된 증기(52)는 교환기(54)에서 압축되고, 합성가스를 예열하는데 사용되는 압축 증기(62)와 배합된다. 제조 보일러 공급수(64)는 압축된 증기 스트림에 첨가되고, 라인(66)을 통해 HRSG(36)로 되돌려 보내진다.
도 2는 본 발명의 한 실시예를 도시한 것이다. 단순화를 위해서, 이용가능한 곳에 도 1과 동일한 번호가 사용된다. 본 방법에서, 합성가스(2)는 일반적으로 당업계에 공지인 가스화 반응기 내에서 생성되고 합성가스 내의 임의의 황 화합물을 제거하기 위해 정제된다. 합성가스는 최대 가능한 온도로 예열되지 않는 대신에, 이슬점 이상의 100℉ 내지 200℉, 또는 약 350℉의 최대 온도로 가열된다. 따라서 합성가스를 매우 높은 온도로 예열하는데 다르게 사용될 수 있는 추가적인 증기는 제거되고 전력 생산에 이용가능하다. 선택적으로 합성가스(6)는 천연 가스(8), 선택적인 증기(9) 및 일반적으로 합성가스와 실질적으로 동일한 온도로 가열되는 가열된 물 포화 질소(14)와 혼합된다. 일반적으로 가열된 질소(14)는 약 280℉의 공기 분리 장치(미도시)로부터 공급되고, 물로 포화되고(미도시), 질소 스트림(10)으로 공급되고, 이후 열 교환기(12) 내의 고온의 공기(31)로 가열된다. 합성가스(6), 천연 가스(8), 선택적인 증기(9) 및 가열된 질소(14)의 혼합물은 압축 공기(30)와 배합되어 가스 터빈의 연소실(16)로 보내진다.
연소 가스 생성물(18)은 팽창기(20) 내에서 팽창되어, 샤프트(22)를 회전시킨다. 샤프트(22)는 발전기(24) 내에서 전력 생산을 유도할 뿐만 아니라 공기 스트림(26)을 압축하는 수단도 제공한다. 공기 스트림(26)은 샤프트(22)에 부착된 압축기(28) 내에서 압축된다. 압축 공기 중 일부(30)는 연소실로 보내지고, 합성가스의 연소를 위한 산소를 제공한다. 이후 나머지 압축 공기(31)는 압축 공기 내의 과도한 열을 회수하기 위해 처리된다. 압축 공기의 일부(33)는 질소 스트림(100)을 가열하는데 사용된다. 질소가 종래 기술의 방법에서 수행되는 바와 같은 정도의 높은 온도로 가열되는 것이 필요하지 않기 때문에, 일부의 고온 압축공기는 증기 발생에 이용가능하다. 따라서, 압축 공기의 이차 부분(31)은 열 교환기(35) 내에서 보일러 공급수(68)와 열을 교환한다. 이에 의해 종래 기술의 방법에서 일반적으로 사용되는 값비싼 전력 생산 증기 대신에, 가스화 반응기에서 사용될 수 있거나 연소실로 공급되는 합성가스를 예열할 수 있는 추가적인 증기(70)가 생성된다. 열 전달 매체로서 사용된 후에, 공기는 라인(32)을 통해 상기에서 설명한 공기 분리 장치로 보내지는 것이 바람직하다.
팽창기(20)에서 팽창된 다음, 연소 가스는 라인(34)을 통해 폐열 회수 보일러(HRSG)(36)로 보내지고, 결국 스택(38)을 통해 대기로 방출된다. 여기서, 보일러 공급수(66)는 연소 가스(34)로부터의 열을 이용하여 증기(40)로 전환된다. 증기 스트림(70)이 합성가스의 예열에 사용된다면 합성가스의 예열에 필요한 증기는 감소되거나 제거된다. 증기가 라인(41)을 통해 가스화장치에 공급될 필요가 있다고 할지라도, 이는 증기 스트림(70)을 이용하여 대체될 수 있다. 하지만 전력 생산량을 최대화시키기 위해 일부의 증기가 증기(9)로서 가스 터빈의 연소실(16)에 공급될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 생산되는 대부분의 증기는 팽창기(46) 내에서 팽창되어 발전기(50) 내에서 전력을 생산한다. 팽창된 증기(52)는 교환기(54) 내에서 압축되고, 압축 증기 스트림에 첨가되는 제조 보일러 공급수(64)와 배합되고, 라인(66)을 통해 HRSG(36)로 되돌려 보내진다. 일부의 보일러 공급수는 라인(68)을 통해 교환기(35)로 보내져 고온의 압축 공기 스트림(31)을 이용하여 증기(70)로 전환된다. 이후 증기 생성물(70)은 가스화 반응기에서 사용되거나 연소실에 공급되는 합성가스를 예열하는데 사용될 수 있고, 따라서 상기 목적을 위하여증기 전력 발생 루프/HRSG에서 생성되는 증기를 사용할 필요성이 제거된다. 또한 대안적으로 증기(70)가 IGCC 방법의 증기 사이클에서 추가 전력의 생산에 사용될 수 있다.
상기 실시예들은 본 발명의 잠재적인 실시예들의 단순화된 개략도를 제공하는 것으로 의도된다. 화학 공학 분야의 당업자는 임의의 특정 실시예의 특이적인 세부사항이 상이할 수 있고 고려되는 시스템의 위치 및 필요성에 따라 다를 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명을 달성할 수 있는 모든 설계, 개략적인 대안, 및 실시예들이 당업자의 능력범위 내에 있고 따라서 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 생각된다.
본 발명의 장치, 화합물 및 방법이 바람직한 실시예의 관점에서 설명되었다고 할지라도, 본 발명의 개념 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형들이 본 명세서에 설명된 방법에 적용될 수 있음이 당업자에게 자명할 것이다. 당업자에게 자명한 상기 모든 치환 및 변형은 본 발명의 범위 및 개념 내에 있다고 사료된다.

Claims (21)

  1. 연료 가스 및 희석제 가스의 혼합물을 상기 혼합물의 이슬점 이상의 약 100℉ 내지 약 200℉의 온도로 가열하는 단계 및 상기 혼합물을 가스 터빈의 연소실로 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 혼합물이 약 350℉의 최대 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 연료 가스가 가스화 반응기 내에서 생산되는 합성가스인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 합성가스가 액체 탄화수소 연료를 가스화 반응기 내에서 유리-산소 함유 가스 및 온도 조절자와 반응시킴으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 합성가스가 산성 가스 제거 장치 내에서 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 희석제 가스가 질소, 이산화탄소 및 수증기로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 희석제 가스가 공기 분리 장치에 의해 생성되는 질소인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 혼합물이 높은 발열량의 연료를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 높은 발열량의 연료가 천연 가스인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 혼합물이 공기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 연소실 생성물이 고온의 배기 가스이고, 이후 상기 고온의 배기 가스는 폐열 회수 보일러(Heat Recovery Steam Generator) 내에서 증기를 생산함으로써 상기 고온의 배기 가스 온도를 감소시키도록 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 증기가 전력을 생산하도록 팽창되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 연소실 생성물이 고온의 배기 가스이고, 이후 상기 고온의 배기 가스는 전력을 생산하도록 팽창기 내에서 팽창되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 팽창기가 공기의 압축에 사용되는 터보압축기를 구동하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 터보압축기로부터 나온 일부의 압축 공기가 연소실로 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 터보압축기로부터 나온 일부의 압축 공기가 물 스트림을 가열하여 증기를 생성하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 증기가 가스화 반응기에서 온도 조절자로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 증기가 전력의 생산에 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 14항에 있어서, 상기 터보압축기로부터 나온 일부의 압축 공기가 연료 가스의 가열에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 14항에 있어서, 상기 터보압축기로부터 나온 일부의 압축 공기가 공기를 산소 스트림 및 질소 스트림으로 분리하는 공기 분리 장치로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 터보압축기로부터 나와 공기 분리 장치에 공급되는 일부의 압축 공기가 상기 공기 분리 장치로 공급되기 이전에 상기 질소를 가열하는 것을 특징으로 하는 방법.
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