KR101397622B1 - 연료전지를 이용한 발전소 냉각탑의 폐열 회수 시스템 - Google Patents

연료전지를 이용한 발전소 냉각탑의 폐열 회수 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전도 냉각탑의 폐열 회수 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지를 이용한 발전소 냉각탑의 폐열 회수 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 연료전지를 이용한 발전소 냉각탑의 폐열 회수 시스템은, 고온 냉각수와 저온 냉각수가 순환하도록 된 연료전지 발전시스템과, 냉각수가 순환하도록 구성된 발전소의 냉각탑과, 흡수기, 재생기, 응축기 및 증발기를 냉매가 순환하도록 구성된 흡수식 히트펌프 시스템을 포함한다. 상기 연료전지 발전시스템의 고온 냉각수는 흡수식 히트펌프 시스템의 재생기로 공급되어 냉각된 후 연료전지 발전시스템으로 환류되도록 구성되어 있다. 또한, 상기 연료전지 발전시스템의 저온 냉각수와 상기 냉각탑의 냉각수는 합류되어 상기 흡수식 히트펌프의 증발기로 공급되어 냉각된 후 분류되어 상기 연료전지 발전시스템과 냉각탑으로 각각 환류되도록 구성되어 있다. 또한, 폐열 회수 유체는 상기 흡수식 히트펌프의 흡수기로 공급되어 1차로 가열되고, 상기 응축기로 공급되어 2차로 가열된 후 상기 흡수식 히트 펌프 시스템으로부터 배출되도록 되어 있다.

Description

연료전지를 이용한 발전소 냉각탑의 폐열 회수 시스템{WASTE HEAT RECOVERY SYSTEM FOR COOLING TOWER OF POWER PLANT BY USING FEUL CELL}
본 발명은 발전소 냉각탑의 폐열 회수 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지를 이용한 발전소 냉각탑의 폐열 회수 시스템에 관한 것이다.
화력 발전소나 열병합 발전소의 발전계통과정에서 매년 많은 양의 냉각수를 사용하고 있으며, 냉각수는 수증기로 되어 대기중으로 증발하게 된다. 최근 물 부족및 냉각수 방출에 의한 수온 상승의 영향으로 환경적인 피해가 심해지면서 발전소의 냉각수를 줄이고자 하는 노력이 있어 왔다. 또한, 발전소의 냉각탑에서 버려지는 폐열을 회수하여 발전 효율을 높이려는 시도도 있어 왔다.
한편, 기존의 화력 발전소나 열병합 발전소에서 화석연료 사용에 의한 대기오염 등과 같은 환경 문제를 해결할 수 있는 방안으로 연료전지 발전시스템에 대한 개발이 진행되고 있다. 연료전지를 이용한 발전 시스템은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같은 탄화 수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기중에 포함되어 있는 산소를 이용하여 발전을 수행하는 시스템이다. 연료전지 발전시스템은 수소를 생성하기 위한 개질기(Reformer)와 전자를 생성하기 위한 연료전지 스택(Stack)을 포함한다. 연료전지를 이용한 발전 시스템에 있어서, 개질기와 연료전지 스택에서 열이 발생하는데, 이러한 열을 재활용하고자 하는 노력이 있어 왔다.
대한민국 특허 제10-0910429호에는 연료전지의 폐열을 흡수식 냉동 시스템의 구동열원으로 사용하기 위한 기술이 개시되어 있다. 상기 문헌에 개시된 시스템은 연료전지의 폐열을 전달받은 유체를 흡수식 냉동 시스템의 재생기와 냉각탑을 경유한 후 연료전지의 열교환기로 순환하도록 구성되어 있다.
대한민국 특허 제10-0910429호, 발명의 명칭 '연료전지 발전 시스템의 폐열을 이용한 흡수식 냉난방시스템 및 방법'
본 발명은 화력 발전소나 열병합 발전소의 냉각탑에서 소비되는 냉각수의 절감과 냉각탑에서 배출되는 폐열과 연료전지 발전 시스템에서 배출되는 폐열을 회수하여 동시에 사용할 수 있는 새로운 개념의 폐열 회수 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 회수된 폐열을 활용하여 경제성이 높은 지역난방수를 공급할 수 있는 새로운 폐열회수 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지를 이용한 발전소 냉각탑의 폐열 회수 시스템은, 고온 냉각수와 저온 냉각수가 순환하도록 된 연료전지 발전시스템과, 발전 계통에서 냉각수가 순환하도록 구성된 발전소의 냉각탑과, 흡수기(Absorber), 재생기(Generator), 응축기(Condenser) 및 증발기(Evaporator)를 냉매가 순환하도록 구성된 흡수식 히트펌프 시스템을 포함한다. 상기 연료전지 발전시스템의 고온 냉각수는 흡수식 히트펌프 시스템의 재생기로 공급되어 냉각된 후 연료전지 발전시스템으로 환류되도록 구성되어 있다. 또한, 상기 연료전지 발전시스템의 저온 냉각수와 상기 냉각 탑의 냉각수는 합류되어 상기 흡수식 히트펌프 시스템의 증발기로 공급되어 냉각된 후 분류되어 상기 연료전지 발전시스템과 냉각탑으로 각각 환류되도록 구성되어 있다. 또한, 폐열 회수 유체는 상기 흡수식 히트펌프 시스템의 흡수기로 공급되어 1차로 가열되고, 상기 응축기로 공급되어 2차로 가열된 후 상기 흡수식 히트 펌프 시스템으로부터 배출되도록 되어 있다.
흡수식 히트 펌프 시스템의 고온 열원으로 작용하는 연료전지 발전시스템의 고온 냉각수의 공급 열량을 증가시키기 위하여, 고온 냉각수를 가열하기 위한 가열수단을 할 수 있다. 가열수단으로는 연료를 연소하여 열량을 공급하는 버너를 사용하는 것이 바람직하나, 보일러 또는 전열 히터를 사용할 수도 있다. 또한, 폐열 회수를 통해 지역난방수를 승온 시킬 수 있으며, 상기 흡수식 히트 펌프 시스템의 냉매는 암모니아 용액을 사용할 수도 있으나, 리튬 브로마이드(Li-Br) 용액을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 폐열 회수 시스템은, 연료전지 발전시스템의 폐열과 발전소의 냉각탑의 폐열을 동시에 회수할 수 있는 새로운 개념의 폐열회수 시스템을 제공한다. 상기 회수된 폐열을 지역 난방수의 승온에 이용하여 열병합 발전소 및 연료전지 발전시스템의 효율을 동시에 높일 수 있게 한다.
상기 폐열회수 시스템은 발전소 냉각탑의 냉각수 폐열을 회수하기 위하여 흡수식 히트펌프 싸이클을 순환시킴으로써 수증기 발생의 감소 및 발전소의 냉각수량을 절감할 수 있다. 또한, 상기 폐열 회수시스템은 발전소의 냉각수를 흡수식 히트 펌프 시스템의 저온 열원으로 사용함으로써, 냉각 기능을 제공하여 냉각탑의 크기를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 폐열 회수 대상인 발전 시스템의 개략도
도 2는 본 발명에 따른 폐열 회수 대상인 연료전지 시스템의 개략도
도 3은 본 발명에 따른 폐열 회수 시스템의 개략도
이하 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
발전소 냉각탑 냉각수의 폐열
도 1을 참조하여, 발전소의 폐열 회수 대상인 냉각탑의 냉각수 폐열에 대하여 설명한다. 보일러(10)에서 가열된 스팀이 터빈(20)으로 공급된다. 과열된 스팀에 의하여 터빈(20)이 회전하면, 터빈(20)에 연결된 발전기(30)가 회전하여 전기를 생산한다. 터빈(20)에서 배출된 스팀은 응축기(40)에서 냉각되어 응축되고 보일러(10)로 순환된다. 응축기(40)에서 스팀을 응축하기 위한 냉각 매체가 응축기(40)와 냉각탑(50) 사이를 순환한다. 냉각탑(50)으로 공급된 냉각수(A)의 일부는 증발되어 대기로 방출(B)되고, 나머지 냉각수(C)는 순환한다. 냉각탑(50)에서 증발된 냉각수는 보충된다. 상기와 같은 기존의 발전소에서 1차 냉각 매체에 의해서 가열된 냉각수로 전달된 에너지는 대부분 회수되지 못하고 버려지고 있다.
연료전지 발전 시스템의 폐열
도 2를 참조하여, 연료전지 발전 시스템의 회수 대상 폐열에 대하여 설명한다. 연료전지 발전시스템(100)은 개질기(60)와 스택(70)을 포함한다. 개질기(60)는 연료(메탄올, 에탄올, LPG, 또는 천연가스 등) 및 물을 공급받고, 상기 연료 및 물을 수증기 개질반응(Steam Reforming), 부분 산화(Partial Oxidation), 자열 개질 반응(Auto Thermal Reforming), 직접분해법(Direct Cracking) 등에 의해서 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 일례로 수증기 개질 반응은 고온의 열원이 필요하며 상기 열원은 버너 등과 같은 가열수단에서 연소 반응으로 얻게 된다. 연소 반응으로 600 내지 700℃의 고온의 배가스가 발생한다. 또한, 연소 반응으로 발생되는 배가스는 그대로 대기에 배출할 경우 대기오염을 일으킬 수 있기 때문에 제1 열교환기(80)에서 열교환 된 후에 다시 개질기(60)로 회수되어 필터를 거쳐서 배출된다. 제1 열교환기(80)에는 배가스를 냉각하기 위한 저온 냉각수가 순환되면서 가열되고, 가열된 저온 냉각수의 열이 회수되어 재활용 되지 않는 경우 별도의 냉각 장치에서 냉각되어 순환된다. 개질기(60)에서 생성된 수소는 스택(70)으로 공급된다.
스택(70)은 양극(Anode)과 음극(Cathode)을 구비하며, 개질기(60)로부터 공급받은 수소가 양극으로 주입되고, 외부 공기로부터 공급받은 산소는 음극으로 주입된다. 양극에서는 수소 기체의 산화 반응이 일어나고, 음극에서는 산소의 환원 반응이 일어난다. 스택에는 기체의 산화 및 환원 반응으로 전자들이 발생하고, 전자의 이동으로 전기에너지가 생성된다. 또한, 산화 및 환원반응으로 인해 스택에는 열이 발생하고, 발생된 열로 인하여 연료전지 스택(70)의 효율이 저하된다. 따라서 스택(70)의 온도를 일정하게 유지하기 위해 열매체를 순환시켜서 제2 열교환기(90)에서 고온 냉각수로 스택(70)의 열을 전달한다. 고온 냉각수의 열이 회수되어 재활용되지 않는 경우 별도의 냉각 장치에서 냉각되어 제2 열교환기(90)를 순환하도록 구성되어 있다.
상기와 같이, 종래의 연료전지 발전시스템은 발전시에 가열되어 배출되는 저온 냉각수는 열을 회수하여 재활용하지 못하고 버리고 있고 고온 냉각수는 필요에 따라 재활용하고 있다.
연료전지를 이용한 폐열 회수 시스템
이하에서는 도 3을 참조하여, 발전소 냉각탑(50)의 냉각수와, 연료전지 발전 시스템(100)의 고온 및 저온 냉각수에 의해서 버려지는 폐열을 동시에 회수하기 위한 시스템에 대하여 설명한다.
본 실시예의 폐열 회수 시스템(200)은, 고온 냉각수와 저온 냉각수가 순환하도록 된 연료전지 발전시스템(100)과, 냉각수가 순환하도록 구성된 발전소의 냉각 탑(50)과, 흡수식 히트 펌프 시스템(270)을 포함한다. 또한 본 실시예의 폐열 회수 시스템(200)은 연료전지 발전시스템(100)의 고온 냉각수를 가열하여 재생기(210)로 공급하기 위한 버너(260)를 포함한다. 본 실시 예에서는 버너(260)에서 연료를 연소하여 고온 냉각수를 가열하도록 되어 있고, 이렇게 함으로써 저온 냉각수의 폐열 회수량을 증가 시킬 수 있다. 본 실시 예에 있어서, 연료전지 발전시스템(100)에서 배출되는 고온 냉각수의 온도는 대략 100 - 120 ℃ 범위이고, 버너(260)에서 가열되어 배출되는 고온 냉각수의 온도는 대략 180 - 200 ℃ 범위이나 이에 한정되는 것은 아니고 이 범위 밖의 온도일 수 있다. 또한 본 실시예에 있어서, 연료전지 발전시스템(100)에서 배출되는 저온 냉각수의 온도는 대략 55- 65 ℃ 범위이나 이 범위 밖의 온도일 수도 있다.
또한, 공급단(310)으로부터 공급되는 저온의 폐열 회수 유체는 배관(e1)에 의하여 흡수기(230)로 공급되어 1차로 가열되고, 배관(e2)를 통하여 응축기(220)로 공급되어 2차로 가열된 후, 배관(e3)에 의하여 배출단(320)으로 배출된다. 폐열 회수 유체가 지역 난방수인 경우 공급단(310)은 지역 난방수 회수라인에 연결되고, 배출단은 지역 난방수 공급라인에 연결될 수 있다.
흡수식 히트 펌프 시스템(270)은 재생기(210), 응축기(220), 증발기(240) 및 흡수기(230)를 포함한다. 또한, 흡수기(230)와 재생기(210) 사이에는 용액 열교환기(250)가 설치되어 있다. 흡수식 히트 펌프 시스템(270)이 동작할 때, 냉매인 리튬브로마이드 용액이 재생기(210), 응축기(220), 증발기(240) 및 흡수기(230)를 순환하고, 순환하는 냉매가 연료 전지 시스템으로 부터 공급되는 고온 냉각수와 저온 냉각수의 폐열과 및 냉각탑으로부터 공급되는 냉각수의 폐열을 회수하여 폐열 회수 유체를 가열하도록 구성되어 있다.
이하에서는 본 실시예의 시스템(200)에서 폐열이 회수되는 메카니즘에 대하여 설명한다. 연료전지 발전 시스템(100)에서 배출되어 버너(260)에서 가열된 고온 냉각수가 재생기(210)로 공급된다. 재생기(210)의 묽은 냉매 용액은 고온 냉각수에 의하여 가열되어 고온의 진한 냉매 용액과 냉매 증기로 분리된다. 고온의 진한 냉매 용액은 배관(d3)을 통하여 용액 열교환기(250)에서 저온의 묽은 냉매 용액과 열교환되어 다시 흡수기(230)로 공급되고 고온의 냉매 증기는 배관(d5)을 통하여 응축기(220)로 보내진다. 또한, 연료전지 발전 시스템(100)에서 배출되는 저온 냉각수는 냉각탑(50)의 냉각수와 배관(b1)에서 합류되어 증발기(240)로 공급된다. 저온 냉각수의 온도는 대략 55 - 65 ℃ 범위이고, 냉각탑으로 부터 공급되는 냉각수의 온도는 25 - 40 ℃ 범위이고, 공급되는 유량에 따라서 다르겠으나, 합류되어 증발기(240)로 공급되는 저온 냉각수의 온도는 대략 40 - 45 ℃ 범위이다. 증발기(240)로 공급된 합류 냉각수는 증발기(240) 내부의 냉매를 가열하고 대략 25 - 30 ℃ 범위의 온도 냉각되어 증발기(240)로부터 배출되고, 배관(b2)에서 분류되어 각각 연료전지 발전시스템(100)과 냉각탑(50)으로 순환된다. 즉, 고온 열원의 폐열은 재생기(210)에서 냉매로 회수되고, 저온 열원의 폐열은 증발기(240)에서 회수된다.
증발기(240)의 냉매는 가열되어 증기 냉매로 형태로 배관(d1)을 통하여 흡수기(230)로 공급된다. 배관(e1)에 의해서 흡수기(230)에 공급된 폐열 회수 유체는 흡수기(230)에서 1차로 가열되어 응축기(220)로 공급된다. 흡수기(230)로 공급된 냉매 증기는 폐열 회수 유체를 가열하여 응축되고, 재생기(210)에서 배관(d3)를 통하여 공급되는 진한 냉매 용액을 희석하여 묽은 냉매용액이 된다. 흡수기(140)의 묽은 냉매용액은 용액열교환기(250)에서 진한 냉매 용액과 열교환 되어 재생기(210)로 보내진다. 응축기(220)에서 가열된 냉매 증기는 배관(e2)을 통하여 공급된 폐열 회수 유체를 2차로 가열하고 응축되어 증발기로 보내진다. 응축기(220)에서 2차로 가열된 폐열 회수 유체는 배관(e3)을 통하여 흡수식 히트 펌프 시스템(270)으로부터 배출된다. 폐열회수 유체가 지역 난방수인 경우 흡수기로 공급되는 지역 난방수의 온도가 대략 45 - 55 ℃ 범위인 경우, 응축기(220)에서 배출되는 온도가 90 - 95 ℃ 가 되도록 리튬브로마이드의 농도와 압력을 조정하고 버너에서 공급되는 열량을 조절하여 흡수식 히트 펌프 시스템(270)을 구성할 수 있다.
앞에서 설명한 것과 같이, 본 발명에 따른 폐열 회수 시스템은 흡수식 히트 펌프 시스템을 사용하여 연료전지 발전시스템의 폐열과 발전소의 냉각탑의 폐열을 동시에 회수할 수 있다. 따라서, 발전소와 연료전지 발전 시스템의 발전 효율을 동시에 높일 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 폐열회수 시스템을 이용하여 회수된 폐열을 지역 난방수의 가열에 이용할 경우 열병합 발전소와 연료전지 발전시스템의 효율을 동시에 높일 수 있게 한다.
본 발명에 따른 폐열회수 시스템은 발전소 냉각탑의 냉각수 폐열을 회수하기 위하여 흡수식 히트펌프 싸이클을 순환하도록 하여 냉각탑의 수증기 발생량 및 냉각수 사용량을 절감할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 폐열 회수시스템은 발전소 냉각탑의 냉각수를 흡수식 히트 펌프 시스템의 저온 열원으로 사용하여, 온도를 낮추어서 냉각탑에 공급하기 때문에 냉각탑의 크기를 줄임으로써 냉각탑을 공냉식으로 구성할 수도 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 특허청구범위에 기재된 발명의 균등한 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 자명하다.
50 냉각탑
100 연료전지 발전시스템
210 재생기
220 응축기
230 흡수기
240 증발기
250 용액 열교환기
260 버너
270 흡수식 히트 펌프 시스템

Claims (4)

  1. 고온 냉각수와 저온 냉각수가 순환하도록 된 연료전지 발전시스템과,
    냉각수가 순환하도록 구성된 발전소의 냉각탑과,
    흡수기와, 재생기와, 응축기와 증발기를 냉매가 순환하도록 구성된 흡수식 히트펌프 시스템을 포함하고,
    상기 연료전지 발전시스템의 고온 냉각수는 흡수식 히트펌프의 재생기로 공급되어 냉각된 후 연료전지 발전시스템으로 환류되도록 구성되어 있고,
    상기 연료전지 발전시스템의 저온 냉각수와 상기 냉각탑의 냉각수는 합류되어 상기 흡수식 히트펌프의 증발기로 공급되어 냉각된 후 분류되어 상기 연료전지 발전시스템과 냉각탑으로 각각 환류되고,
    폐열 회수 유체는 상기 흡수식 히트펌프의 흡수기로 공급되어 1차로 가열되고, 상기 응축기로 공급되어 2차로 가열된 후 흡수식 히트펌프 시스템으로부터 배출되도록 된 연료전지를 이용한 발전소 냉각탑의 폐열 회수 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 발전시스템이 고온 냉각수를 가열하여 상기 흡수식 히트펌프시스템의 재생기로 공급하기 위한 가열수단을 더 포함하는 연료전지를 이용한 발전소 냉각탑의 폐열 회수 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 폐열 회수 유체는 지역 난방수인 연료전지를 이용한 발전소 냉각탑의 폐열 회수 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 흡수식 히트 펌프 시스템의 냉매는 리튬브로마이드 용액인 연료전지를 이용한 발전소 냉각탑의 폐열 회수 시스템.
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