통합 가스화 연료 전지 사이클

Integrated gasification fuel cell cycle

양성자 교환막 연료전지, 인산 연료전지, 알칼리 연료전지와 같은 저온 연료전지 유형은 일반적으로 천연가스의 외부 개질에서 생성되는 순수한 수소를 연료로 필요로 한다.그러나 고체산화물연료전지(SOFC)와 같은 고온에서 작동하는 연료전지는 일산화탄소나 이산화탄소에 의해 오염되지 않으며 내부 이동 [1]및 개질 능력으로 인해 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 증기, 메탄 혼합물을 연료로 직접 수용할 수 있다.이것은 석탄과 바이오매스와 같은 고체 연료를 소비하는 효율적인 연료 전지 기반 동력 순환의 가능성을 열어줍니다. 가스화는 메탄 개질, 물 가스 이동의 추가 비용과 복잡성 없이 SOFC에 직접 세척되고 공급될 수 있는 대부분의 수소, 일산화탄소 및 메탄을 포함하는 신가스를 발생시킵니다.순수한 수소를 연료로 분리하는 데 필요한 수소 분리 작업.고체 연료와 SOFC의 가스화에 기반한 전원 사이클을 통합 가스화 연료 전지(IGFC) 사이클이라고 합니다. IGFC 발전소는 통합 가스화 복합 사이클 발전소와 유사하지만 가스터빈 발전 장치가 연료 전지(SOFC 등 고온 유형) 발전 [2]장치로 대체됩니다.SOFC의 본질적으로 높은 에너지 효율과 프로세스 통합을 활용함으로써 예외적으로 높은 전력 플랜트 효율이 가능합니다.또한 IGFC 사이클 내의 SOFC는 이산화탄소가 풍부한 양극성 배기가스를 분리하도록 동작할 수 있어 석탄 기반 발전의 온실가스 배출 우려에 효율적으로 대응할 수 있다.

프로세스 구성

IGFC 시스템은 SOFC를 가스 터빈 또는 열 회수 증기 발생기 기반 바닥화 사이클에 대한 토핑 사이클로 결합합니다.IGFC 시스템의 대표적인 주요 컴포넌트(대기압으로 가동하는 SOFC 모듈 중심)는 간략화된 사이클 다이어그램에서 확인할 수 있습니다.

대기압에서의 통합 가스화 연료전지 전원 사이클의 간략화 프로세스 다이어그램

그림과 같이 시스템 연료는 가스 공급기에 의해 신가스로 변환된 석탄으로, 정화 및 압력 감소 후 SOFC 모듈로 공급됩니다.singas 압력 감소 단계는 이 시스템 개념에서 팽창기/발전기에 의해 수행되며, 이에 따라 사이클 총 발전량의 일부가 생성됩니다.석탄가스화 공정용 산소는 종래의 공기 분리 유닛에 의해 공급되며, 전력계통의 열과 재생수에 의해 가스화기용 증기를 상승시킨다.SOFC 모듈은 양극과 음극 오프 가스 스트림을 분리하여 유지하도록 구성되며, 전기화학적으로 반응하지 않은 수소와 일산화탄소를 포함하는 양극 오프 가스는 옥시 연소기에서 연소되어 완성됩니다.오프 가스 스트림의 분리를 유지하면 대기 중 질소 함량이 큰 것을 음극 측으로 제한하고 CO 포집 프로세스를2 양극 오프 가스 냉각, 수증기 응축, CO2 건조 및 CO2 압축으로 간소화할 수 있습니다.압축2 CO는 탄소 이용 또는 저장(CUS)에 적합하다.아노드측 공정에서 회수되는 열은 열회수증기발생기 및 증기터빈으로 이루어진 발전저부 사이클로 이용할 수 있다.음극 측에서는 SOFC 전기화학적 프로세스 및 모듈 냉각을 위한 프로세스 공기가 송풍기에 의해 공급됩니다. 가열된 음극 오프 가스 스트림에서 열을 회수하여 프로세스 공기를 필요에 따라 예열하고 추가 전력을 생성할 수 있습니다.본질적으로 효율적인 SOFC와 회수된 SOFC 배열을 사용하여 추가 전력을 생성하기 때문에 IGFC 시스템은 기존의 분쇄 석탄 및 통합 가스화 복합 사이클 전력 시스템과 관련된 것보다 훨씬 더 높은 전기 효율로 작동할 수 있습니다.미국 에너지부의 첨단 전력 시스템에 대한 국립 에너지 기술 연구소의 비교 연구를 바탕으로 달성 가능한 것으로 간주되는 IGFC 효율성 여유도는 후속 논의에서 제공되는 표에 명시되어 있다.

고압에서의 가스화 연료전지 전원 사이클의 간략화 프로세스 다이어그램

IGFC 사이클 효율의 향상은 SOFC 사이클이 가압된 IGFC의 다이어그램과 같이 SOFC의 가압운전에 의해 가능하다.이 프로세스는 기본적으로 대기압 사이클과 유사하지만 SOFC 모듈을 높은 압력으로 작동시켜 SOFC 전압 부스트를 달성하고 음극 측 프로세스 에어 블로워를 공기 압축기로 교체합니다.또한 가스 압력을 낮추고 추가 전력을 생성하기 위해 음극 오프 가스 스트림에 팽창기/발전기가 설치될 것입니다(이는 가스의 온도를 너무 많이 떨어뜨리는 경향이 있기 때문에 증기 터빈을 구동하기 위한 증기 발생은 실행 가능한 옵션이 아닙니다).선택적으로 확장기/발전기 세트를 옥시 연소기 바로 하류인 양극 오프 가스 스트림에 배치할 수 있으며 오프 가스 열 회수 전에 배치할 수 있습니다.

IGFC의 가스화 선택지

석탄, 페트코크 및 바이오매스 가스화에 사용되는 여러 유형의 고체 연료 가스화기가 상용화됩니다.설계는 연료 및 용도에 따라 달라집니다.그 결과, 생성된 singas의 구성과 석탄 에너지 함량을 singas 에너지 함량으로 변환하는 효율이 다를 수 있습니다. 이는 일반적으로 냉기 가스 [3]효율이라고 불리는 성능 변수입니다.가스화기는 공정 온도, 압력, 산소와 증기에 대한 요구량 등 주요 작동 매개 변수도 다양합니다.석탄 가스화와 SOFC 기술의 통합을 기반으로 하는 전력 시스템의 경우, 이러한 매개변수, 특히 냉기 가스 효율과 산소 및 증기 수요는 전기 생산 효율에 영향을 미칩니다.

가스화기는 크게 세 가지 유형으로 구성되어 있습니다. 즉, 내부 흐름, 이동 침대, 유동 [4]침대입니다.혼합된 흐름 가스화기(예: GE Energy, Shell, E-Gas™, Siemens)는 비교적 잘 개발되어 있고 현재 통합된 가스화 복합 사이클 전력 시스템 설계 및 애플리케이션에 사용되기 때문에 연료 전지 전력 시스템 애플리케이션에 대한 초기 관심을 끌 수 있다.유입된 흐름 가스화는 일반적으로 비교적 높은 공정 온도에서 진행되며, 상대적으로 높은 속도로 산소 입력, 낮은 속도에서 중간 속도로 증기 입력이 필요하며, 일반적으로 메탄 함량이 1%(볼륨) 미만인 매우 작은 신가스 생성물을 생성합니다.유입된 흐름 가스화에 대한 냉가스 효율은 일반적으로 80% 범위입니다.이동식 침대 가스화기(예: Lurgi)는 적당한 온도 수준에서 작동하며 산소와 증기 공급 요건이 적당하다.이 가스화기에 의해 달성되는 냉가스 효율은 약 90%로 높아지며, 그것의 singas 생성물 흐름은 명목상 메탄 함량이 4 - 5%(vol) [5]범위이다.유동층 가스화(예: KBR Transport)는 유사한 특성을 가지지만, 일반적으로 2~3%(볼륨) 범위에서 [6]다소 낮은 신가스 메탄 함량을 보인다.

SOFC 기반 IGFC 전력 시스템에서 특히 관심을 끄는 것은 촉매 석탄 가스화입니다. 그 이유는 그 결과 발생하는 신가스의 메탄 함량이 높기 때문입니다.이 공정은 1980년대에 합성 천연가스 생산을 목적으로 개발되었습니다.위에서 요약한 기존 가스화에 비해 촉매 가스화기는 산소 투입량이 적고 공정 온도가 낮으며 수소 및 [7]일산화탄소 외에 메탄 농도가 높은 [15-30% (vol)]의 singas stream을 생성한다.작동 온도가 낮기 때문에 촉매 가스화에 대해 90% 이상의 비교적 높은 냉기 가스 효율이 예상되며, 이러한 특성과 산소 투입량이 적은 프로세스가 고효율 IGFC 전원 시스템 작동을 직접적으로 지원할 수 있습니다.또한 SOFC 모듈 내에서의 신가스의 실질적인 메탄 함량의 내부 개량은 모듈 냉각을 지원하기 위해 설계에 의해 이용될 수 있으며, 이에 따라 냉각 공기 공급과 관련된 기생 전력 수요의 감소로 이어질 수 있다.IGFC 시스템의 SOFC 발전 모듈은 사용 가능한 기존 석탄 가스 공급기에서 공급되는 신가스로 연료를 공급할 수 있으며, 연구에 따르면 전력 시스템이 대기압 또는 가압 SOFC 모듈을 사용하는지에 따라 45~50% 범위의 전력 시스템 전기 효율을 달성할 수 있는 것으로 나타났다.다만, 특히 효율의 관점에서는, 적용에 있어서 바람직한 석탄 가스화 어프로치는 촉매제이다.이 기술을 사용하면 SOFC 모듈의 가압에 따라 56~60% 범위의 IGFC 시스템 효율이 예측됩니다.견적과 비교는 다음과 같습니다.

IGFC 전원 시스템 효율 추정 및 비교
전원 시스템 유형 효율 견적(순출력/석탄 HHV 기준)★
분쇄탄 스물여덟[8] 살
IGCC 33[8]
IGFC, 재래식 석탄 가스화
대기압 SOFC 47[2]
가압 SOFC 오십[2]
IGFC, 촉매 석탄 가스화
대기압 SOFC 56[2]
가압 SOFC 육십[2]

§ 효율 추정치에는 탄소 격리/저장 시 CO 압축으로 인한2 기생 전력 부하 영향이 포함된다.

고 전력 시스템 효율성에 외 studies[2][9]또한 투사하는 중요한 IGFC 시스템 발전소 비용 비용의 전기 및 순 물 사용 장점:IGFC 전력 시스템이 통합 촉매 석탄 가스화와 함께형 SOFC모듈 디자인은 별도의 양극과 음극 기체 폐기물 처리 개울, 그리고 형상 메탄 개혁.-augmened SOFC 냉각은 매우 높은 전기 효율로 청결하게 작동하며 높은 수준의 탄소 포집과 낮은 순수 입력이 요구됩니다.

IGFC 사이클에서의 이산화탄소 회수

SOFC 설계와 IGFC 프로세스 구성은 이산화탄소 포획을 크게 단순화할 수 있으며,[10] 이는 대부분의 화석 연료 이용 프로세스에서 온실가스 배출량을 낮추기 위해 점점 더 요구될 것이다.종래의 연소에서는, 연료가 공기중에서 연소해, 대량의 질소를 포함한 배기가스를 발생시켜, 순수 이산화탄소 스트림(온실 가스 배출 제어 시나리오에서의 탄소 저장에 필요)의 포획은 비효율적이다.옥시 연소 시에는 공기 중에서 산소를 추출하여 연료 연소에 이용함으로써 질소에 오염되지 않은 배기가스를 발생시켜 순수한 이산화탄소 흐름을 포착하는 것이 효율적이다.단, 애초에 산소류를 분리하기 위해 필요한 공기 분리를 할 경우 큰 에너지 패널티가 발생한다.이와는 대조적으로 SOFC 기능의 경우 배기가스로부터의 비효율적인 탄소 포집이나 공기 분리는 필요하지 않습니다. 양극과 음극 반응물 스트림의 상호작용은 음극 측(공기)에서 양극 측(연료)으로의 산소 전달뿐입니다.음극으로 유입되는 대기 중 극히 적은 양을 제외한 모든 탄소는 양극 측에 연료를 싣고 모듈로 들어가 이산화탄소와 일산화탄소로 양극을 빠져나가야 합니다.양극과 음극 오프 가스 스트림을 분리하도록 SOFC 모듈을 설계함으로써 음극 측에서 대기 질소로 탄소 농도가 높은 스트림을 희석하는 것을 방지하고 단순하고 저렴한 이산화탄소 분리 및 하류 포획을 가능하게 한다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Giddey, S.; Badwal, S.P.S.; Kulkarni, A.; Munnings, C. (June 2012). "A comprehensive review of direct carbon fuel cell technology". Progress in Energy and Combustion Science. 38 (3): 360–399. doi:10.1016/j.pecs.2012.01.003.
  2. ^ a b c d e f "Analysis of Integrated Gasification Fuel Cell Plant Configurations, DOE/NETL-2011/1482" (PDF). National Energy Technology Laboratory. February 2011. Retrieved 25 August 2014.
  3. ^ Higman, Christopher; van der Burgt, Maarten (2008). Gasification (Second ed.). Elsevier, Inc. pp. 28–30. ISBN 978-0-7506-8528-3.
  4. ^ "Commercial Gasifiers-Types of Gasifiers". Gasifipedia. National Energy Technology Laboratory, U.S. Department of Energy. Retrieved 25 August 2014.
  5. ^ "Fixed (Moving)Bed Gasifiers-Lurgi Dry-Ash Gasifier". Gasifipedia. National Energy Technology Laboratory, U.S. Department of Energy. Retrieved 25 August 2014.
  6. ^ "Commercial Gasifiers-Fluidized Bed Gasifiers". Gasifipedia. National Energy Technology Laboratory, U.S. Department of Energy. Retrieved 25 August 2014.
  7. ^ "Gasifiers & Gasification Tech for Special Apps & Alt Feedstocks-Catalytic Gasification". Gasifipedia. National Energy Technology Laboratory, U.S. Department of Energy. Retrieved 25 August 2014.
  8. ^ a b "Cost and Performance Baseline for Fossil Energy Plants - Volume 1, Bituminous Coal and Natural Gas to Electricity, DOE/NETL-2010/1397" (PDF). National Energy Technology Laboratory. November 2010. Retrieved 25 August 2014.
  9. ^ Lanzini, Andrea; Kreutz, Thomas G.; Martelli, Emanuele (June 11–15, 2012). Techno-economic Analysis of Integrated Gasification Fuel Cell Power Plants Capturing CO2 (PDF). Proceedings of ASME Turbo Expo 2012. pp. 337–347. doi:10.1115/GT2012-69579. ISBN 978-0-7918-4469-4. Archived from the original (PDF) on 2014-05-14. Retrieved 2014-08-25.
  10. ^ Spallina, Vincenzo; Romano, Matteo C.; Campanari, Stefano; Lozza, Giovanni (March 24, 2011). "A SOFC-Based Integrated Gasification Fuel Cell Cycle With CO2 Capture". Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 133 (7). doi:10.1115/1.4002176. Retrieved 25 August 2014.

외부 링크