[논문]가스화 복합화력발전 플랜트에서 CO2제거가 성능에 미치는 영향 해석

차규상; 김영식; 이종준; 김동섭; 손정락; 주용진

doi:10.5293/kfma.2010.13.1.009

[국내논문] 가스화 복합화력발전 플랜트에서 CO2제거가 성능에 미치는 영향 해석
Analysis of the Influence of CO2 Capture on the Performance of IGCC Plants 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.13 no.1 = no.58, 2010년, pp.9 - 16

차규상 (인하대학교 대학원 기계공학과) , 김영식 (인하대학교 대학원 기계공학과) , 이종준 (인하대학교 대학원 기계공학과) , 김동섭 (인하대학교 기계공학부) , 손정락 (서울대학교 항공우주공학부) , 주용진 (한국 전력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In the power generation industry, various efforts are needed to cope with tightening regulation on carbon dioxide emission. Integrated gasification combined cycle (IGCC) is a relatively environmentally friendly power generation method using coal. Moreover, pre-combustion $CO_2$ capture is possible in the IGCC system. Therefore, much effort is being made to develop advanced IGCC systems. However, removal of $CO_2$ prior to the gas turbine may affect the system performance and operation because the fuel flow, which is supplied to the gas turbine, is reduced in comparison with normal IGCC plants. This study predicts, through a parametric analysis, system performances of both an IGCC plant using normal syngas and a plant with $CO_2$ capture. Performance characteristics are compared and influence of $CO_2$ capture is discussed. By removing $CO_2$ from the syngas, the heating value of the fuel increases, and thus the required fuel flow to the gas turbine is reduced. The resulting reduction in turbine flow lowers the compressor pressure ratio, which alleviates the compressor surge problem. The performance of the bottoming cycle is not influenced much.

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문제 정의

점점 강화되고 있는 대기 환경 규제와 세계적인 경향을 볼 때, IGCC 플랜트에서의 C₆ 제거는 앞으로 반드시 적용될 기술로 판단된다. 이에 본 연구에서는 C02 제거가 가스터빈 및 전체 복합화력 플랜트의 성능 특성에 미치는 영향, 특히 일반 IGCC 성능으로부터 출력 및 효율 변화를 중점적으로 살피고자 한다.
본 논문은 지식경제부에서 시행한 신재생 에너지 기술 개발사업을 통한 연구 결과이다.

가설 설정

a》가스화기에서 반응이 일어난 후 밖으로 배출되는 가스의 온도는 1000°C 내외인데, 이러한 고온의 합성가스는 열교환기를 통해 스팀터빈 사이클에 열에너지를 공급한 다음에 가스터빈의 연소기로 들어가게 된다. 본 논문에서는 가스화기 작동 온도는 1500°C로 가정하였고, 작동 압력은 일반적인 압력 범위의 중간 압력인 50 bar로 설정하였다. 다음은 문헌을 참고하여 가스화기에서 사용한 연소 반응과 개질 반응의 반응식이다.
펌프의 동력을 포함한다. 이외에도 C02를 밀도가 높은 상태로 처리(이송 포함)하기 위하여 별도의 동력이 소모되는데, C02 처리과정 자체가 여러 가지 방법이 가능하기 때문에, 그 부분 최적 설계가 그 자체로서 하나의 연구 주제이므로 본 연구에서는 플랜트의 성능 분석 시 C₆ 압축 소모 동력을 고려하지 않았다. 다만, Fig.
2와 같이 압축하여 밀도를 높이는 처리 공정을 고려하였다. 압축 압력은 충분히 높은 HO bar를 가정하였다. 먼저 1단 압축을 한다고 가정할 경우에 C₆를 압축하기 위한 소모 동력은 약 48 MW로 계산 되었다.

제안 방법

IGCC 플랜트는 크게 3개의 부분으로 나뉘어지는데 석탄을 합성가스로 바꾸기 위한 가스화 공정, 생성된 합성가스를 연료로 전력을 생산해 내는 가스터빈 그리고 가스터빈 배기가스의 열을 회수하여 추가 전력을 생산해내는 스팀터빈 사이클이 그것이다. 상용코드인 HYSYS3)를 이용흐} 여 가스화과정을 모델링 하였고, Gate Cycle(")을 이용하여 가스터빈 사이클과 스팀터빈 사이클을 모델링 하였으며, 두 프로그램 사이에 물질 및 에너지 균형을 맞추었다.
본 연구의 주 목적이 C02를 제거하였을 때 IGCC 플랜트의 성능, 특히 출력 및 효율의 변화를 살펴보는 것이기 때문에 가스화기(gasifier)와 C02 포집장치를 제외한 산화황 및 기타 공해 물질에 대한 제거 공정은 분리기(splitter)를 사용하여 단순분리하는 것으로 간략하게 모델링하였다. 이러한 공해물질 제거 장치에서는 동력 소모가 압축기에 비해 무시할 만한 수준이기 때문에 본 연구 목적에는 큰 영향이 없다고 판단된다.
공기분리장치(ASU)로 유입된 공기는 산소와 질소로 나뉘어지는데, 산소와 질소의 출구 압력은 문헌을 참고하였다.够 ASU에서 분리된 산소는 슬러리와 함께 가스화기로 들어가게 된다.
결과의 타당성을 보이기 위해 Table 1에는 문헌을 참고하여修 일반적 인 합성가스의 조성도 나타내었다. 조성을 맞추기 위해 반응률을 임의로 준다는 것은 현실성이 없으므로 여러 조건에서 계산을 한 다음, 일반적인 조성에 가장 근접한 경우의 조성을 사용하였다. 그 결과, 계산에 의해 나온 조성은 일반적인 조성의 범위에 잘 맞는 것을 확인 할 수 있다.
이후 본 연구에서 C₆가 포집된 경우라 함은 Table 1에서 100% 포집된 성분을 가지는 가스를 의미한다. 가스터빈은 문헌的을 참고하여 가장 많이 사용되는 GE 7FA 를 모사하였고, 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 모사된 결과가 공개되어 있는 GE7FA의 데이터와 잘 맞는 것을 확인 할 수 있다.
모사된 결과가 공개되어 있는 GE7FA의 데이터와 잘 맞는 것을 확인 할 수 있다. IGCC 시스템의 주요 설계변수로서 결합도(intergration degree)와 질소 재순환율(nitrogen recirculation ratio)을 정의하였다. 결합도는 ASU로 유입되는 전체 공기와 가스터빈 압축기 출구에서 ASU로 유입되는 공기의 비로서 결정된다.
본 논문에서는 결합도는 0 %~100 %의 범위에서 계산을 수행하였으며, 질소 재순환률은 50 %와 100 %의 경우를 대상으로 계산하여 C₆ 제거에 따른 성능변화 경향을 살폈다. 기 설계된 가스터빈의 작동 특성을 예측하기 위해서는 탈 설계계산이 반드시 필요하다.
기 설계된 가스터빈의 작동 특성을 예측하기 위해서는 탈 설계계산이 반드시 필요하다. 탈설계 계산을 위해서 압축기의 성능 특성은 싱용프로그램(U)에 포함되어 있는 성능선도(performance map)을 선정하여 모사하였고 Fig. 4에 나타내었다. 서지마진 (surge margin)은 식 (11)과 같이 정의되며 일반적인 압축기의 수치를 참고하여 설계치를 20%로 설정하였다.
삼중압 (triple pressure) 사이클을 사용하였고, 주요 조건은 실제 복합 화력발전 플랜트의 조건을 고려하여 설정하였다. 그 구성은 Fig.
5에 나타내었다. 앞으로의 해석결과는 CCS를 적용하지 않은 경우와 한 경우에 모두 TIT를 설계값으로 유지하는 운전에 대해서 분석한다. CCS를 적용한 경우와 적용하지 않은 경우 모두 결합 도가 증가함에 따라 압축기 입구의 공기 유량은 거의 변화가 없지만, 압축기 출구에서 압축된 공기가 분리되어 가스화 공정으로 유입되는 양이 증가하기 때문에 실제 터 빈을 통과하는 유량은 감소하개 되고 가스터빈과 압축기의 매칭에 의해 압력비가 감소하는 경향을 나타낸다.
분리된 CO₂의 처리에 소요되는 추가적인 소모동력의 규모를 파악하기 위하여 Fig. 2와 같이 압축하여 밀도를 높이는 처리 공정을 고려하였다. 압축 압력은 충분히 높은 HO bar를 가정하였다.
본 연구에서는 IGCC 플랜트에서 CO₂ 제거 기술을 사용한 경우의 가스터빈 작동 특성과 플랜트 성능을 제거 기술을 사용하지 않은 경우와 비교하여 분석하였다.

대상 데이터

이러한 공해물질 제거 장치에서는 동력 소모가 압축기에 비해 무시할 만한 수준이기 때문에 본 연구 목적에는 큰 영향이 없다고 판단된다. 가스화 공정은 미국 NETL 보고서(12)를 참고하여 모사하였으며, 그 과정에 대한 설명은 다음과 같다.

성능/효과

값으로 나눈 상대값이다. 이 결과에서 포집이 많이 될수록 연료의 발열량이 현저히 증가하면서 가스터빈에 필요한 연료 유량이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이상적으로 합성가스 내에 존재하는 모든 CO₂가 용매제에 의해 흡수 된다고 가정하면 Table 1의 결과를 얻게 된다.
조성을 맞추기 위해 반응률을 임의로 준다는 것은 현실성이 없으므로 여러 조건에서 계산을 한 다음, 일반적인 조성에 가장 근접한 경우의 조성을 사용하였다. 그 결과, 계산에 의해 나온 조성은 일반적인 조성의 범위에 잘 맞는 것을 확인 할 수 있다. 이후 본 연구에서 C₆가 포집된 경우라 함은 Table 1에서 100% 포집된 성분을 가지는 가스를 의미한다.
가스터빈은 문헌的을 참고하여 가장 많이 사용되는 GE 7FA 를 모사하였고, 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 모사된 결과가 공개되어 있는 GE7FA의 데이터와 잘 맞는 것을 확인 할 수 있다. IGCC 시스템의 주요 설계변수로서 결합도(intergration degree)와 질소 재순환율(nitrogen recirculation ratio)을 정의하였다.
특히 압력비가 증가하면 서지에 근접하므로 바람직한 운전이 아니다. 따라서, Table 4에 나타나 있는 결과를 보면, CCS를 적용하지 않을 경우에는 TIT를 설계값으로 유지하고자 할 때 서지 마진이 감소하는 단점이 있는데, CCS를 적용할 경우에는 자연스럽게 압력비가 낮아지는 효과가 나타나서 서지 부담을 덜게 되면서도 비교적 높은 출력을 얻는 바람직한 효과를 가져온다.
CCS를 적용한 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 연료 유량이 감소하게 되고 더 낮은 압력비를 나타낸다. 그와 동시에 CCS를 적용하지 않는 경우에는 결합도 0 %와 20 %의 경우에는 직동점이 서지 영역으로 넘어가 작동을 할 수가 없었지만, CCS를 적용한 경우에는 결합도가 20 %인 경우에도 상대적인 유량의 감소로 인하여 작동점이 서지 영역으로 넘어가지 않고 작동이 가능하다는 것을 확인하였다. 이처럼 CCS를 적용하게 되면 압력비의 감소로 인하여 기존의 IGCC 플랜트보다 더 넓은 결합도 범위에서 설계가 가능한 장점을 추가로 가짐을 확인하였다.
그리고 HRSG의 입출구 온도 차이는 CCS를 적용한 경우가 더 작은데, 이는 CCS를 적용한 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 가스 중에 压0의 조성이 높아지기 때문에 CCS를 적용하지 않은 경우에 비해 터빈출구 온도가 더 낮기 때문이다. 이 결과에서 결합도가 증가함에 따라 증가하는 HRSG의 입출구 온도 차이만을 볼 때에는 결합 도가 증가할수록 더 많은 열량을 회수하여 더 높은 하부사이클 출력을 나타낼 것이라고 추측될 수 있다. 하지만, 실제로는 결합 도가 증가함에 따라 HRSG에서의 열회수량에 영향을 끼치는 인자 중 하나인 배기가스의 유량이 감소하여 스팀터빈 사이클의 출력은 결합도가 증가함에 따라 다소 감소 할 것으로 예상되었다.
BOP의 경우 또한 가스터빈 사이클의 유량이 직접적으로 소모 동력에 영향을 주는 것이 아니기 때문에 CCS 유무에 따라 영향을 거의 받지 않는 결과를 나타낸다. 결과적으로 CCS 적용시에 IGCC 출력의 감소는 가스터빈 출력감소가 대부분을 차지한다.
그와 동시에 CCS를 적용하지 않는 경우에는 결합도 0 %와 20 %의 경우에는 직동점이 서지 영역으로 넘어가 작동을 할 수가 없었지만, CCS를 적용한 경우에는 결합도가 20 %인 경우에도 상대적인 유량의 감소로 인하여 작동점이 서지 영역으로 넘어가지 않고 작동이 가능하다는 것을 확인하였다. 이처럼 CCS를 적용하게 되면 압력비의 감소로 인하여 기존의 IGCC 플랜트보다 더 넓은 결합도 범위에서 설계가 가능한 장점을 추가로 가짐을 확인하였다.

후속연구

현재 전 세계적으로 CO₂배출을 저감하기 위해 노력하고 있고, 이 중에서도 IGCC 플랜트는 현재의 기술수준을 고려하였을 때 연소 전 COa 제거 (pre-combustion carbon capture) 기법을 도입하기에 가장 현실적인 발전 방식이라는 이점 때문에 선진국들을 중심으로 연구가 진행되고 있다.偿) 현재, 미국에너지성(DOE)에서는 CO₂ 제거를 고려한 IGCC 플랜트의 효율을 증가시키고, 궁극적으로는 수소 터빈을 사용하여 전체 IGCC 플랜트의 효율을 현재대비 5% 이상 증가시켜 전력 생산단가를 현재 수준보다 낮추기 위한 연구를 진행 중이다.(卜5) 국내에서는 현재 IGCC 플랜트를 건설하기에 앞서서 선행 연구가 진행되고 있지만, (6~9)CO₂를 제거 하였을 경우의 IGCC 플랜트 성능 특성에 관한 연구는 아직 본격적으로 진행되지 않고 있다.
(卜5) 국내에서는 현재 IGCC 플랜트를 건설하기에 앞서서 선행 연구가 진행되고 있지만, (6~9)CO₂를 제거 하였을 경우의 IGCC 플랜트 성능 특성에 관한 연구는 아직 본격적으로 진행되지 않고 있다. 점점 강화되고 있는 대기 환경 규제와 세계적인 경향을 볼 때, IGCC 플랜트에서의 C₆ 제거는 앞으로 반드시 적용될 기술로 판단된다. 이에 본 연구에서는 C02 제거가 가스터빈 및 전체 복합화력 플랜트의 성능 특성에 미치는 영향, 특히 일반 IGCC 성능으로부터 출력 및 효율 변화를 중점적으로 살피고자 한다.

참고문헌 (18)

Sander, F. and Span, R, 2008, "Model of a Coal Fired IGCC Process with Hydrogen Membrane Reactor and Capture of CO2," ASME paper 2008-50913.
Hoffmann, S., Bartlett, M., Finkenrath, M., Evulet. A. and Ursin, T. P., 2008, "Performance and Cost Analysis of Advanced Gas Turbine Cycles with Pre-Combustion CO2 Capture," ASME paper 2008-51027.
Dennis, R. A. and. Harp, R., 2007, "Overview of the U.S. Department of Energy's Office of Fossil Energy Advanced Turbine Program for Coal Based Power Systems with Carbon Capture," ASME paper 2007-28338.
Bancalari., E., Chan, P. and Diakunchak, I. S., 2007, "Advanced Hydrogen Gas Turbine Development Program," ASME paper 2007-21869.
Oluyede, E. O. and Phillips, J. N., 2007, "Fundamental Impact of Firing Syngas in Gas Turbines," ASME paper 2007- 21385.
Lee, C, Lee, S. J. and Yun, Y, 2007, "Effect of Air Separation Unit Integration on Integrated Gasification Combined Cycle Performance and NOx Emission Characteristics," Korean J Chem. Eng., Vol. 24, No.2, pp. 368-373.

상세보기
이종준, 차규상, 손정락, 김동섭, 주용진, 2008, " Syngas를 연료로 사용하는 발전용 가스터빈의 성능해석," 대한기계학회논문집 B권, 제32권, 제 1호, pp. 54-61.

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김영식, 이종준, 김동섭, 손정락, 주용진, 2008, "플랜트의 구성을 고려한 IGCC용 가스터빈의 성능해석," 대한기계학회논문집 B권, 제 32권, 제 9호, pp. 704-711.

원문보기 상세보기
Lee, J. J, Kim, Y. S., Cha, K. S., Kim, T. S., Sohn, J. L and joo, Y. J., 2009, "Influence of system integration options on the performance of an integrated gasification combined cycle power plant," Applied Energy, Vol. 86, pp. 1788- 1796.

상세보기
Aspen Technology Incorporate, 2006, Aspen One HYSYS, ver. 2006. 05.
GE Power-Enter Software, 2006, GateCycle, ver. 6.0.
Shelton, J. and Lyons, J, 2000, Texaco Gasifier IGCC Base Cases, A Report to NETL, PED-IGCC-98-001, New York, pp. 1-33.
Higman, C., Van Der Bugt M., 2003, Gasification, New York, Gulf Professional Publishing.
오광증, 이상섭, 최원준, 이재정, 손병현., 2003, "MEA & AMP 혼합 흡수제를 이용한 이산화탄소 흡수 및 재생 특성" 대한환경공학회지, 제 25권, 제 5호, pp. 609-615.
심재구, 김준환, 장경룡, 임희문, 2003, "Pilot Plant를 이용한 화력발전소 배기가스 중 CO2와 MEA의 흡수 특성," 대한환경공학회지, 제 25권, 제 12호, pp. 1557 - 1563.
Zachary, I. and Titus, S., 2008, "CO2 Capture And Sequestration Options: Impact on Turbo-machinery Design," ASME Paper GT2008-50642.
Dennis, R. A., Shelton, W. W. and Le, P., 2007, "Development of Baseline Performance Values for Turbines in Existing IGCC Applications," ASME Paper GT 2007-28096.
이봉렬, 김동섭, 노승탁, 신흥태, 전용준., 2002, "삼중압 열회수 증기발생기와 증기터빈 시스템의 열설계 해석" 대한 기계학회 논문집 B권, 제 26권, 제 3호, pp. 507-514.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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