최근 고유가와 천연가스 수요 상승에 따른 가격 상승으로 인하여 상대적으로 낮은 가격의 석탄을 이용한 에너지 생산이 주목을 받고 있다. IGCC를 비롯한 석탄가스화 분야는 오래전부터 청정화석연료를 이용한 유망한 기술로 각광받아 왔었다. 본 연구에서는 이러한 석탄가스화 기술을 이용하여 합성천연가스를 생산하는 실제 프로젝트 개발단계에서 석탄가스화기 선정을 위한 기술적 검토를 수행하였다. 합성천연가스 생산에 적합하다고 판단되는 가스화기로써 고정층 슬래그 가스화기, 습식 분류층 가스화기, 건식 분류층 가스화기를 검토 대상으로 선정하여 연구를 진행하였다. 선정된 가스화기별 주요 공정 특징 및 성능에 대하여 검토하였으며, 종합검토내용을 토대로 합성천연가스 생산시 석탄가스화기 선정방향에 대하여 제시하였다.
최근 고유가와 천연가스 수요 상승에 따른 가격 상승으로 인하여 상대적으로 낮은 가격의 석탄을 이용한 에너지 생산이 주목을 받고 있다. IGCC를 비롯한 석탄가스화 분야는 오래전부터 청정화석연료를 이용한 유망한 기술로 각광받아 왔었다. 본 연구에서는 이러한 석탄가스화 기술을 이용하여 합성천연가스를 생산하는 실제 프로젝트 개발단계에서 석탄가스화기 선정을 위한 기술적 검토를 수행하였다. 합성천연가스 생산에 적합하다고 판단되는 가스화기로써 고정층 슬래그 가스화기, 습식 분류층 가스화기, 건식 분류층 가스화기를 검토 대상으로 선정하여 연구를 진행하였다. 선정된 가스화기별 주요 공정 특징 및 성능에 대하여 검토하였으며, 종합검토내용을 토대로 합성천연가스 생산시 석탄가스화기 선정방향에 대하여 제시하였다.
Because of the increasing cost of oil and natural gas, energy production technologies using coal, including synthetic natural gas (SNG) and integrated gasification combined cycle (IGCC), have attracted attention because of the relatively low cost of coal. During the early stage of a project, the dev...
Because of the increasing cost of oil and natural gas, energy production technologies using coal, including synthetic natural gas (SNG) and integrated gasification combined cycle (IGCC), have attracted attention because of the relatively low cost of coal. During the early stage of a project, the developer or project owner has many options with regard to the selection of a gasifier. In particular, from the viewpoint of feasibility, the gasifier is a key factor in the economic evaluation. This study compares the technical aspects of gasifiers for a real SNG production project in an early stage. A fixed-bed slagging gasifier, wet-type entrained gasifier, and dry-type entrained gasifier, all of which have specific advantages, can be used for the SNG production project. Base on a comparison of the process descriptions and performances of each gasifier, this study presents a selection guideline for a gasifier for an SNG production project that will be beneficial to project developers and EPC (Engineering, Procurement, Construction) contractors.
Because of the increasing cost of oil and natural gas, energy production technologies using coal, including synthetic natural gas (SNG) and integrated gasification combined cycle (IGCC), have attracted attention because of the relatively low cost of coal. During the early stage of a project, the developer or project owner has many options with regard to the selection of a gasifier. In particular, from the viewpoint of feasibility, the gasifier is a key factor in the economic evaluation. This study compares the technical aspects of gasifiers for a real SNG production project in an early stage. A fixed-bed slagging gasifier, wet-type entrained gasifier, and dry-type entrained gasifier, all of which have specific advantages, can be used for the SNG production project. Base on a comparison of the process descriptions and performances of each gasifier, this study presents a selection guideline for a gasifier for an SNG production project that will be beneficial to project developers and EPC (Engineering, Procurement, Construction) contractors.
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문제 정의
본 연구에서는 고정층 가스화기 중 Slag배출형태의 BGL 공정, 현재 국책과제의 일환으로 POSCO에서 추진 중인 광양 SNG 사업의 가스화 공정으로 채택된 E-Gas 공정, 그리고 한국전력에서 독일의 Uhde사와 Joint Venture하여 국내 도입예정인 PRENFLO 공정에 대하여 기술성 검토를 하고자 한다.
제안 방법
실증플랜트인 LGTI의 참고자료를 활용하여 설계대상탄의 성상 및 생성가스 조성을 검토하였다. Table 2에서 설계탄 성상 및 생성가스 조성을 나타내었다.
1990년대 중반에 독일의 Schwarze Pumpe에서 첫 상용플랜트가 건설되었다. 이 프로젝트는 지역의 고체 폐기물과 갈탄의 혼합물을 이용한 가스화를 목적으로 합성가스를 이용하여 메탄올과 전기를 생산하였다. 다음 그림은 현재 BGL 가스화기에 대해 나타내었다.
대상 데이터
석탄을 이용한 합성천연가스 생산 플랜트에 적용 가능한 상용 가스화 공정으로 산소공급방식의 고정층 가스화기와 분류층 가스화기를 선정하였다. 본 논문에서 검토한 가스화 공정에 대하여 공정사의 자료와 문헌을 바탕으로 공정별 특성을 Table 4에 정리 비교하였다.
BGL 가스화기는 Lock Hopper을 통하여 가스화기 내부 연료층 상부로 석탄을 공급하는 시스템을 채택하고 있다. 원료 석탄은 유동화제와 함께 투입된다. 가스화기 내부에서 석탄의 유동은 하부로 향하며 반응기 하부에서 Tuyères를 통해 빠르게 증기와 산소 혼합물이 공급되어 가스화 반응이 일어난다.
성능/효과
Lurgi나 BGL 가스화기가 SNG 생산에 유리한 장점을 가지고 있지만, 분류층에 비해 대당 가스화기의 석탄처리용량이 작아 가스화기의 대수가 많고, Gas Liquor의 처리 문제, 가스화기의 보수유지 등의 어려움이 있으며 이로 인해 프로젝트 초기 투자비 상승을 초래할 수 있다. 사용가능 연료, 가스화 성능, 운전의 용이성, 미래 응용기술로의 확장성 등을 고려할 때 고정층보다는 분류층 가스화기가 더 유리할 것으로 판단된다.
최종 생산물이 CH4라는 측면에서 합성가스 내 CH4의 성분이 높은 가스화 공정이 후단 메탄화 공정에서 처리량 감소로 인해 다른 가스화 공정보다 유리한 점이 있다. 그러나 가스화 성능, 보수 유지, 건설 여건을 포함한 국내 여건 등을 종합적으로 고려할 경우, 특정 공정이 절대적으로 유리하다고 언급하기에는 어려움이 있다.
탄소전환율은 본 논문에서 검토한 3개 가스화 공정 모두 99%를 상회하며 특히 건식 분류층 가스화기인 PRENFLO 공정의 경우 99.5%를 상회하고 있다. 냉가스효율은 습식 분류층 방식의 E-Gas 공정이 가장 낮으며, 가스화기 특성상 합성가스 내 CH4 성분이 높은 고정층 가스화기인 BGL 공정이 82~90%로 가장 높다.
후속연구
따라서 초기투입비용이 약간 증가하더라도 합성가스생산량을 증대할 수 있는 연계공정을 설계하여 더 많은 수익성을 확보할 수 방안을 모색하여야 한다. 즉, 가스화기 선정에 있어 가스화기에 대한 초기투입비용뿐만 아니라 생산능력, 유지보수, 운전특성 등 여러 측면들을 종합적으로 검토해야만 한다. 또한, 가스화기 후단에서 각 공정의 최적화를 통한 CH4의 수율을 높이는 방안이 별도로 강구되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
석탄 SNG 플랜트란?
석탄 SNG 플랜트는 석탄을 고온 고압 조건에서 가스화하여 합성가스(CO, H2)를 생산․정제한 후, 메탄화 공정을 거쳐 천연가스(CH4)를 생산하는 플랜트이다.(1) 석탄으로부터 합성천연가스를 생산하는 공정은 여러 단계의 변환 및 전환 방응을 요구하는데, 이에 따른 SNG 플랜트의 공정도는 Fig.
이 연구에서 가스화 공정에서 검토한 Lurgi나 BGL 가스화기가 가진 장단점은?
Lurgi나 BGL 가스화기가 SNG 생산에 유리한 장점을 가지고 있지만, 분류층에 비해 대당 가스화기의 석탄처리용량이 작아 가스화기의 대수가 많고, Gas Liquor의 처리 문제, 가스화기의 보수유지 등의 어려움이 있으며 이로 인해 프로젝트 초기 투자비 상승을 초래할 수 있다. 사용가능 연료, 가스화 성능, 운전의 용이성, 미래 응용기술로의 확장성 등을 고려할 때 고정층보다는 분류층 가스화기가 더 유리할 것으로 판단된다.
실증 단계 이상으로 기술 개발된 가스화 공정은 어떤 것들이 있는가?
현재까지 개발된 가스화 공정은 수십 가지가 있지만, 실증단계 이상으로 기술개발된 가스화 공정은 고정층으로 Lurgi, BGL, 유동층으로 HTW, KBR(고속유동층), 분류층으로 GE, Shell, E-Gas(COP), PRENFLO(Uhde), Siemens, MHI, OMB, TPRI 공정 등이 있다.
참고문헌 (8)
Chandel, M. and Williams, E., 2009, "Synthetic Natural Gas (SNG): Technology, Environmental Implications, and Economics," Climate Change Policy Partnership, Duke University.
National Energy Technology Laboratory, 2007, "Industrial Size Gasification for Syngas, Substitute Natural Gas and Power Production," DOE/NETL-401/040607.
U.S. DOE Office of Fossil Energy, 2006, "Practical Experience Gained During the First Twenty Years of Operation of the Great Plains Gasification Plant and Implications for Future Projects."
Higman, C. and van der Burgt, M., 2008, "Gasification," 2nd ed., Gulf Professional Publishing, Miami, pp. 12-20.
Jenkins, S.C., 1991, "The Dow syngas project and the Clean Air Act," 53rd Annual American Power Conference.
DePriest, W., Van Laar, J., Sargent & Lundy, 1992, "Engineering Evaluation of Prenflo-Based IGCC Power Plant Designs," Electric Power Research Institute TR-101609.
National Energy Technology Laboratory, 1998, "British Gas/Lurgi Gasifier IGCC Base Cases," PED-IGCC-98-004.
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