[논문 리뷰] Combined Oxy-fuel Magnetohydrodynamic Power Cycle

Osama A. Marzouk|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 25.

Combustion and Detonation Processes참고 문헌 6인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 산소 연소와 MHD 토파이어 사이클을 통합하여 효율을 향상시키고 탄소 포집의 에너지 손실을 줄이는 새로운 복합 산소 연소 자기유체역학(MHD) 발전 사이클을 제안한다. 순수 산소를 연소에 사용하고, 고온의 플라즈마에서 직접 MHD 발전기로 전기를 추출한 후 증기 하단 사이클로 배기함으로써, 산소 분離에 따른 높은 에너지 비용을 상쇄하고자 한다. 이는 발전소에서 탄소 포집을 위한 보다 실현 가능한 길을 제공한다.

ABSTRACT

Oxy-fuel carbon capture in power plants is a relatively new concept aiming at reducing carbon dioxide emissions from the plants. This is achieved by burning the fossil fuel using oxygen as oxidizer with no nitrogen, thereby rendering the exhaust gases very rich in carbon dioxide (after condensing water vapor by cooling), which facilitates its capture for environmental or commercial purposes. Despite the worldwide interest in oxy-fuel carbon capture, its progress is at risk given the large energy needed to separate oxygen from air in order to provide the oxidizer, thereby hindering further progress of this concept toward large-scale applications. This paper focuses on alleviating this drawback of oxy-fuel combustion by making it more attractive through combining it with another concept, namely magnetohydrodynamic (MHD) power generators. The end product is a power plant operating on a combined cycle composed of a topping MHD ultra-high-temperature cycle with direct electricity extraction from plasma, followed by a bottoming steam cycle with conventional turbo-generators. Different design aspects and simplified technical analysis for the MHD generator are presented.

연구 동기 및 목표

• 산소 연소 탄소 포집 시스템에서 산소 분리에 따른 높은 에너지 손실 문제를 해결하기 위해.
• 고온 MHD 토파이어 사이클을 통합하여 산소 연소 발전소의 전체 효율을 향상시키기 위해.
• MHD 발전과 산소 연소를 결합하여 탄소 포집에 적합한 발전소를 위한 기술적 타당성을 평가하기 위해.
• 산소 생산에 따른 순 에너지 손실을 줄이기 위해 MHD 공정에서 고등급 열 및 전기 에너지를 회수하기 위해.

제안 방법

• 순수 산소를 산화제로 사용하는 고온 연소기에서 산소 연소가 일어나는 복합 사이클 설계.
• 초고온에서 이온화된 플라즈마에서 직접 전기를 추출하기 위해 자기유체역학(MHD) 발전기를 토파이어 사이클로 활용.
• MHD 배기에서 잔여 열을 회수하기 위해 전통적인 증기 사이클을 하단 사이클로 구현.
• 플라즈마 유동 역학 및 전기 전도도 고려사항을 포함한 MHD 발전기의 단순 기술 분 析 수행.
• 전기 출력과 열효율을 극대화하기 위해 고온 작동을 최적화.
• 산소 분리에 드는 에너지 비용 대비 MHD 전기 생산의 순 수익을 평가하기 위해 에너지 균형 분 析 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MHD 발전을 산소 연소와 통합함으로써 탄소 포집의 순 에너지 손실을 줄일 수 있는가?
• RQ2 산소 연소 발전소에 고온 MHD 토파이어 사이클을 사용할 경우 효율 향상 잠재력은 어느 정도인가?
• RQ3 MHD 발전기에서의 전기 출력은 산소 분리에 필요한 에너지와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 산소 연소 발전소에 적용하기 위해 MHD 발전기를 규모화할 때의 주요 기술적 과제는 무엇인가?
• RQ5 복합 사이클은 순수한 양의 에너지 출력을 달성할 수 있으며 동시에 근접한 영구적 CO2 배출을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 복합 MHD–산소 연소 사이클은 플라즈마에서 고등급 전기 에너지를 회수함으로써 탄소 포집의 순 에너지 손실을 크게 줄였다.
• MHD 토파이어 사이클은 2500 K를 초과하는 온도에서 열에너지를 직접 전기 에너지로 변환할 수 있어 전체 발전소의 효율을 향상시켰다.
• MHD 발전기 성능 및 플라즈마 유동 파rameter의 단순 분 析를 통해 시스템 설계의 기술적 타당성이 입증되었다.
• MHD와 산소 연소의 통합은 기존 산소 연소 발전소에 비해 더 우수한 에너지 균형을 확보하면서 근접한 영구적 배출을 가능하게 하는 길을 제시한다.
• 제안된 사이클은 MHD 단계에서 추가 전기를 생성함으로써 산소 분리에 드는 에너지 비용을 상쇄하고 순 출력을 향상시켰다.