[논문]IGCC 플랜트에서 산소공급방식이 성능에 미치는 영향

안지호; 김동섭

doi:10.7316/khnes.2012.23.3.264

IGCC 플랜트에서 산소공급방식이 성능에 미치는 영향
Influence of Oxygen Supply Method on the Performance of IGCC Plants 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.23 no.3, 2012년, pp.264 - 273

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In this paper, two types of integrated gasification combined cycle (IGCC) plants using either an air separation unit (ASU) or an ion transport membrane (ITM), which provide the oxygen required in the gasification process, were simulated and their thermodynamic performance was compared. Also, the influence of adopting a pre-combustion $CO_2$ capture in the downstream of the gasification process on the performance of the two systems was examined. The system using the ITM exhibits greater net power output than the system using the ASU. However, its net plant efficiency is slightly lower because of the additional fuel consumption required to operate the ITM at an appropriate operating temperature. This efficiency comparison is based on the assumption of a moderately high purity (95%) of the oxygen generated from the ASU. However, if the oxygen purity of the ASU is to be comparable to that of the ITM, which is over 99%, the ASU based IGCC system would exhibit a lower net efficiency than the ITM based system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 주요 주변기기인 산소 공급 장치의 선택이 시스템 성능에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 본 논문에서는 IGCC 플랜트에서 ASU와 ITM의 두 가지 다른 방식으로 가스화기에 산소를 공급하는 것이 플랜트 성능에 미치는 영향을 분석되었다. ASU의 단점으로 복잡한 구성 및 순도가 상승할수록 동력소모량이 급격히 증가^2,10)하는 점을 들 수 있는데.
그러나 시스템의 주변 기기(BOP, balance of plant)가 시스템 전체 성능에 미치는 영향에 대한 분석을 수행한 연구는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 주요 주변기기인 산소 공급 장치의 선택이 시스템 성능에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 본 논문에서는 IGCC 플랜트에서 ASU와 ITM의 두 가지 다른 방식으로 가스화기에 산소를 공급하는 것이 플랜트 성능에 미치는 영향을 분석되었다.

가설 설정

2) 위 결과는 통상적인 값을 반영하여 두 시스템의 산소순도를 서로 다르게(ASU는 95%, ITM은 99% 이상) 가정한 경우이다. ASU를 사용한 시스템에 서는 ASU의 산소 순도를 증가시킬수록 전체 시스템의 성능은 감소하는데, ITM으로 가능한 수준의 매우 높은 산소 순도를 달성하고자 한다면 오히려 ITM을 사용하는 시스템의 효율이 더 높을 것으로 예상되었다.
83%로 가정하였다. ASU에서 분리되는 질소와 산소의 순도 또한 문헌¹⁵⁾을 참고하여 98.9%, 95%로 가정하였으며, ITM에서 분리되는 산소는 참고 자료⁴⁾에 언급한 내용을 바탕으로 99.9%로 모사하였다. 모사한 ASU와 ITM의 소모동력을 다음과 같이 계산하였고, Table 1에 ASU의 운전 압력들을 표시하였다.
또한 분리된 질소를 가스터빈 연소기로 공급하는 비율을 희석도(dilution Level)라고 한다. 본 시스템에서는 문헌¹⁵⁾ 과 동일하게 결합도와 희석도를 각각 50%, 63.83%로 가정하였다. ASU에서 분리되는 질소와 산소의 순도 또한 문헌¹⁵⁾을 참고하여 98.
이때 ITM의 작동압력은 가스터빈의 고압부 압력과 동일하며, 온도는 850℃로 가정하였다. 이 조건은 문헌⁴⁾에서 언급한 작동조건 범위에 속한다.
이때 필요한 증기의 양은 증기와 일산화탄소의 몰 비율(steam to CO ratio, SCR)로 결정되며 1.5로 가정하였다. 이산화탄소 포집 시 흡수식 포집장치(MEA processor) 및 CSU의 주요 설계 파라미터들을 Table 1에 나타내었다.

제안 방법

2로 대치된 구성이며, 기본적으로 ASU를 적용한 IGCC 시스템과 동일하다. ASU와 동일하게 가스터빈 압축기 및 추가적인 압축기를 통해 공기를 가압하였고, ITM으로 공급하기에 앞서 추가적인 연소기를 장착하였고 가압된 공기와 합성가스의 일부를 공급, 연소시켜 ITM의 작동을 위한 온도조건을 충족하였다. ITM으로부터 분리된 산소는 냉각과정을 거친 후 압축되어 가스화기기로 공급되며, 이때 고온의 산소를 냉각하기 위해 HRSG에서 응축된 물의 일부를 가압시켜 공급하였고, 가열되어 수증기로 변한 물은 고압증기터빈으로 재순환된다.
의 설계값(95%)을 참고하였기 때문에 ITM의 산소 순도보다 낮다. 동일한 순도의 산소 발생 조건에서 두 시스템의 성능을 비교하기 위해서 ASU에서 분리된 산소의 순도를 증가시키며 추가적인 해석을 하였다. 산소의 순도를 높일수록 ASU로 공급되는 공기의 유량이 증가하면서 Fig.
또한 ASU와 ITM등이 포함된 부가적인 소모동력을 아래와 같이 나타내었으며, 연료압축기 및 재순환시 소모되는 동력도 고려하였다.
본 논문의 이전 연구들에서는 IGCC 플랜트에 천연가스를 연료로 사용하는 가스터빈을 적용할 때의 성능변화⁷⁾를 분석한 바 있으며, 터빈 블레이드의 온도를 고려하였을 때의 성능을 해석⁸⁾하였다. 또한 서로 다른 조성의 석탄을 사용한다고 가정하였으며, 각기 다른 조성을 가진 합성가스를 연료로 공급하였을 때의 시스템의 성능차이⁹⁾를 분석하였고, 더 나아가 연료전지와의 하이브리드 시스템의 구성^10,11)을 제시하는 등 다양한 연구들이 진행되었다.
본 연구에서는 가스화기기에서 요구된 산소를 공기로부터 분리하기 위해 ASU 및 ITM을 적용하였고, 이때의 IGCC 시스템들을 비교하였으며 그 결과는 다음과 같다.
4에 나타내었다. 연소 전 분리 방식은 크게 수성가스화 반응(WGS)¹⁷⁾과 아민(MEA)을 바탕으로 한 흡수식 포집장치¹⁸⁾, 그리고 포집된 이산화탄소의 저장을 위한 탄소 분리장치(CSU)¹⁹⁾로 나뉘며, 각각 문헌을 참고하여 모델링 하였다. 포집장치의 위치는 Fig.
그러므로 동일한 IGCC 플랜트를 대상으로 두 방식을 적용하여 성능에 미치는 차이를 확인하는 것이 필요하다. 이를 위해서 비교해석을 진행하였고, 각 시스템에서 연소 전 이산화탄소 포집방식을 적용하여 성능변화도 고찰하였다.

대상 데이터

석탄은 Illinois #6 Coal이며, 그 조성을 Table 2에 나타내었다.

이론/모형

2에 본 연구에서 사용한 시스템들의 개략도를 보였으며, 이때 가스화 기는 shell 공정¹⁵⁾을 사용하였다. 가스터빈은 G-class 가스터빈을 사용하여 필요한 설계조건들은 문헌¹⁶⁾을 참고하였다. Fig.
본 연구를 위해 상용 공정해석 프로그램인 Aspen HYSYS²¹⁾를 사용하였다.

성능/효과

1) ITM을 적용할 경우 시스템의 작동유량이 증가할 뿐만 아니라 공기분리 시 소모되는 동력이 적기 때문에 ASU를 적용한 시스템에 비해 전체 출력은 8.8% 증가한다. 그러나 ITM의 작동 온도, 압력조건을 유지하기 위해 연료소비가 증가하여 효율은 ASU를 사용하는 시스템 보다 다소(1.
3) 이상의 결과는 ITM 자체만 놓고 보면 동력소모가 ASU보다 월등히 낮아 발전 시스템에 사용할때 유리할 것으로 예상되지만, 실제로는 작동 온도를 유지하기 위해서 상당한 양의 에너지를 공급해야 하므로 효율의 이득이 크지 않을 것임을 보여주는 것이다. 앞으로 추가적으로 ITM의 작동 온도 변화 가능성이나 온도를 맞추기 위한 열공급 방식의 개선(예를 들어 시스템 내부에서 열교환) 등의 성능 개선 방안에 대한 해석이 필요할 것이다.
4) ITM과 ASU를 적용한 시스템 모두 연소 전 이산화탄소 포집을 고려할 경우 시스템의 성능은 유사한 정도로 감소한다. 이러한 결과는 가스화기기로 공급되는 산소의 순도가 합성가스의 품질에는 영향을 주지만 이산화탄소 포집을 고려한 시스템의 성능에는 크게 영향을 미치지 않음을 의미한다.
2) 위 결과는 통상적인 값을 반영하여 두 시스템의 산소순도를 서로 다르게(ASU는 95%, ITM은 99% 이상) 가정한 경우이다. ASU를 사용한 시스템에 서는 ASU의 산소 순도를 증가시킬수록 전체 시스템의 성능은 감소하는데, ITM으로 가능한 수준의 매우 높은 산소 순도를 달성하고자 한다면 오히려 ITM을 사용하는 시스템의 효율이 더 높을 것으로 예상되었다.
4% 증가한다. ITM을 적용할 경우 공기를 분리하는 공정이 단순하기 때문에 ASU보다 소모되는 동력이 적고 터빈의 출력이 증가하기 때문에 시스템의 전체 출력이 약 9.1% 증가하지만, 작동조건을 유지하기 위한 연료공급이 증가하여 전체 시스템 효율은 소폭 감소한다.
가스화기기로부터 만들어진 합성가스에서 이산화탄소 포집을 고려할 경우 일산화탄소는 수증기와 반응하여 수소와 이산화탄소로 변환되며 포집장치를 통해 결과적으로 약 84.2%의 수소를 가지는 연료가스가 생성된다. 이렇듯 수소 성분이 높은 연료가 가스터빈에서 연소하게 되면 연소가스의 수증기 성분비가 높아져 이산화탄소 포집이 없는 운전에 비하여 가스의 비열 및 비열비가 커지게 되고, 따라서 터빈에서 가스의 엔탈피 낙차가 증가한다.
5%이상 될 경우 ITM을 적용한 시스템보다 효율이 낮아지는 것을 확인하였다. 결과적으로 두 시스템에서 분리된 산소의 순도가 비슷해질 경우에, 특히 ASU에서 분리된 산소의 순도가 ITM의 순도인 99%이상으로 높아지게 되면 ITM을 적용한 시스템이 효율 면에서 비교우위에 있다.
8% 증가한다. 그러나 ITM의 작동 온도, 압력조건을 유지하기 위해 연료소비가 증가하여 효율은 ASU를 사용하는 시스템 보다 다소(1.4%) 낮을 것으로 예상되었다.
9%)를 얻을 수 있으며, 공정이 단순하고 작동 조건을 유지시켜 주기 위한 에너지 소모가 일정하다. 산소의 순도가 높으므로 합성가스 내 질소 및 아르곤의 성분비가 감소하여 보다 좋은 품질의 가스를 얻을 수 있음을 확인하였다.
과 스팀터빈을 모사하였고, 그 설계 값을 Table 3에 나타내었다. 참고로 본해석의 모든 시스템들에서 가스터빈의 배가스 온도가 620℃를 상회하여 3중압 HRSG를 구성하기에 충분하였다. 출력은 다음과 같은 식으로 계산되었다.
결국 출력 감소와 석탄 공급량의 증가에 의해 효율은 감소한다. 특히, 산소 순도가 96.5%이상 될 경우 ITM을 적용한 시스템보다 효율이 낮아지는 것을 확인하였다. 결과적으로 두 시스템에서 분리된 산소의 순도가 비슷해질 경우에, 특히 ASU에서 분리된 산소의 순도가 ITM의 순도인 99%이상으로 높아지게 되면 ITM을 적용한 시스템이 효율 면에서 비교우위에 있다.

후속연구

그러나 IGCC 시스템에서 ITM을 작동시키기 위해서는 200∼300psig의 높은 압력 및 800∼900℃의 높은 온도가 요구되기 때문에 이를 충족시킬 필요성이 있고, 현재 ITM을 이용한 산소의 생산용량이 작기 때문에 발전시스템에 적용을 하기 위해서는 더 많은 연구 및 개발이 필요하다4).
3) 이상의 결과는 ITM 자체만 놓고 보면 동력소모가 ASU보다 월등히 낮아 발전 시스템에 사용할때 유리할 것으로 예상되지만, 실제로는 작동 온도를 유지하기 위해서 상당한 양의 에너지를 공급해야 하므로 효율의 이득이 크지 않을 것임을 보여주는 것이다. 앞으로 추가적으로 ITM의 작동 온도 변화 가능성이나 온도를 맞추기 위한 열공급 방식의 개선(예를 들어 시스템 내부에서 열교환) 등의 성능 개선 방안에 대한 해석이 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	극저온 형 공기분리기를 사용하면 생기는 단점은?	이하 본문에서 사용되는 ASU라는 표현은 극저온 형 공기분리기를 지칭한다. 그러나 이를 사용할 경우 추가적인 소모동력이 요구되는 단점이 있는데 최근에는 이온전도성 분리 막(ITM)을 사용하여 그 단점을 극복하려는 노력이 진행되고 있다. ITM 은 세라믹으로 구성된 분리 막 양면에 산소의 분압 차를 유지함으로써 막을 통해 산소만 선택적으로 투과시켜 분리하는 장치이다.
	IGCC시스템에서 석탄을 가스화시키기 위해 어떻게 해야하는가?	IGCC시스템에서는 석탄을 가스화하기 위해 가스화 기기로 산소를 공급해야 한다. 공기를 직접 공급 하는 형식도 있지만, 산소를 공급하는 방식이 더 일반적이며, 공기 중에서 산소를 분리해 내기 위해서 일반적으로 극 저온형 공기분리기(cryogenic ASU)2)가 사용된다.
	IGCC 시스템은 무엇으로 구성되는가?	IGCC 시스템은 석탄가스화 공정, 가스터빈, 그리고 열 회수 증기발생기(HRSG)를 포함한 증기발전 사이클로 구성된다. Fig.

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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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