[논문]순환 유동층 보일러와 초초임계 증기 사이클을 이용한 500 MWe급 순산소 화력발전소의 건식 재순환 흐름의 열 교환 및 경제성 분석

김세미; 임영일

doi:10.9713/kcer.2021.59.1.60

순환 유동층 보일러와 초초임계 증기 사이클을 이용한 500 MWe급 순산소 화력발전소의 건식 재순환 흐름의 열 교환 및 경제성 분석
Heat Integration and Economic Analysis of Dry Flue Gas Recirculation in a 500 MWe Oxy-coal Circulating Fluidized-bed (CFB) Power Plant with Ultra-supercritical Steam Cycle 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.59 no.1, 2021년, pp.60 - 67

김세미 (한경대학교 화학공학과 CoSPE 센터) , 임영일 (한경대학교 화학공학과 CoSPE 센터)

초록
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본 연구에서는 CO2 포집을 포함하는 500 MWe 급 전기를 생산하는 순산소 석탄화력발전소에 대한 공정흐름도를 제시하였고, 기술경제성 평가를 수행하였다. 이 석탄화력발전소는 순환 유동층 보일러(CFB), 초초 임계 증기 사이클 증기 터빈, 보일러에서 배출되는 배기가스내 수분과 오염물질을 제거하는 배기가스 정제 장치(FGC), 산소 분리 초저온 공정(ASU), 이산화탄소를 분리하는 극저온 공정(CPU)을 포함한다. 건식 배기가스 재순환(FGR)은 CFB연소기내 온도 제어와 고농도 CO2 배출을 위하여 사용되었다. 이 순산소 석탄화력발전소의 열효율을 증가시키기 위하여 FGR 흐름에 대한 열교환, ASU에서 배출되는 질소 흐름에 대한 열교환, 그리고 CPU 내 기체 압축기의 열 회수를 고려하였다. FGR열교환기의 온도차(ΔT)의 감소는 배기가스의 더 많은 폐열 회수를 의미하며, 전기 및 엑서지 효율을 증가시켰다. FGR열교환기의 ΔT가 10 ℃ 에서 FGR과 FGC 주변의 연간 비용이 최소가 되었다. 이때, 전기 효율은 39%, 총투자비는 1371 M$, 총생산비용은 90 M$, 그리고 투자수익률은 7%/y, 그리고 투자회수기간은 12년으로 예측되었다. 본 연구를 통하여 순산소 석탄화력발전소의 열효율 향상을 위한 열교환망이 제시되었고, FGR 열교환기의 최적 운전 조건이 도출되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study presented techno-economic analysis of a 500 MWe oxy-coal power plant with CO2 capture. The power plant included a circulating fluidized-bed (CFB), ultra-supercritical steam turbine, flue gas conditioning (FGC), air separation unit (ASU), and CO2 processing unit (CPU). The dry flue gas recirculation (FGR) was used to control the combustion temperature of CFB. One FGR heat exchanger, one heat exchanger for N2 stream exiting ASU, and a heat recovery from CPU compressor were considered to enhance heat efficiency. The decrease in the temperature difference (ΔT) of the FGR heat exchanger that means the increase in heat recovery from flue gas enhanced the electricity and exergy efficiencies. The annual cost including the FGR heat exchanger and FGC cooling water was minimized at ΔT = 10 ℃, where the electricity efficiency, total capital cost, total production cost, and return on investment were 39%, 1371 M$, 90 M$, and 7%/y, respectively.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Process flow diagram of oxy-coal USC-CFB-CPU power plant with dry FGR (CFB: circulating fluidized-bed, FGC: flue gas condition-ing, ASU: air separation unit, and CPU: CO₂ processing unit).
표 Table 1. Proximate and ultimate analyses of bituminous coal [13]
그림 Fig. 2. PFD of A500 (ASU) with heat integration.
그림 Fig. 3. PFD of A600 (CPU) with heat integration.
그림 Fig. 4. Electricity and exergy efficiency according to temperature difference (ΔT) between dry FGR and boiler flue gas streams.
표 Table 2. Economic assumptions for 500 MW_e oxy-coal USC-CFB-CPU power plant using dry-FGR
표 Table 3. Electricity consumption (MW_e) and efficiency (%) according to temperature difference (ΔT) between dry FGR and boiler flue gas streams
그림 Fig. 5. Area of FGR heat exchanger (HE1) and amount of FGC cool-ing water according to temperature difference (ΔT) between dry FGR and boiler flue gas streams.
그림 Fig. 6. Annual costs of FGR heat exchanger and FGC cooling water according to temperature difference (ΔT) between dry FGR and boiler flue gas streams.
표 Table 4. Economic values according to temperature difference (ΔT) between dry FGR and boiler flue gas streams for 500 MWe oxy-coal USC-CFB- CPU power plant with dry FGR
그림 Fig. 7. Return on investment (ROI) and payback period (PBP) according to temperature difference (ΔT) between dry FGR and boiler flue gas streams.

AI 본문요약
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문제 정의

초저온 공정의 운전 및 설계에 대한 대성산업가스의 최형철님의 조언에 감사한다. 또한, 순산소 석탄화력발전소에 대한 정보를 공유한 한국에너지기술연구원의 문태영, 이재구님께 감사함을 전한다.
2% 향상된 값이다. 본 연구를 통하여 순산소 석탄화력발전소의 열효율 향상을 위한 열 교환망이 제시되었고, FGR 열교환기의 최적 운전 조건을 도출하였다. 본 연구에서는 8 bar, 98% CO₂ 의 포집 만을 고려하였고, 향후 고압 압축을 통한 저장 및 격리를 공정도에 포함시켜야 한다.
요구된다. 본 연구에서는 CO₂ 포집을 포함하는 500MW_e급전기를 생산하는 순산소 석탄화력발전소에 대한 공정흐름도(PFD)를 제시하였고, 기술경제성 평가를 수행하였다. 이 석탄화력발전소는 순환 유동층 보일러(CFB), 초초 임계 증기 사이클(USC) 증기 터빈, 배기가스 정제 장치(FGC), 산소 분리 초저온 공정(ASU), 이산화탄소를 분리하는 극저온 공정(CPU)을 포함한다.
본 연구에서는USC, CFB, CPU가 포함된 500 MW_e급 순산 소 석탄화력발전소(oxy-coal USC-CFB-CPU power plant)에서 건식 FGR을 이용할 경우, 보일러에서 나오는 배기가스와 재순환 배기가스 사이의 열교환기가 발전 효율에 미치는 영향을 고찰한다. 또한, oxy-coal USC-CFB-CPU power plant의 공정모사 결과값을 바탕으로 에너지 및 엑서지 효율을 계산하고, ASU에서 분리된 질소와 CPU로 유입되는 배기가스 흐름의 열 교환 및 CPU 내부에서의 열효율을 높이는 방안을 제시한다.

가설 설정

3) 수분이 제거된 고온의 배기가스(stream 617)는 2개의 다중 흐름 열교환기(M601 and M602)를 거치면서 저온 흐름선과의 열교환으로 온도가 낮아진다.
처음 4개월은 공정 운전 준비기간으로 생산되는 전기는 완전가동되는 전기량의 50%로 가정하였다. 물가인상률(α)은 2%, 법인세율(β) 20%, 그리고 이자율(γ)은 6%로 가정되었다. 석탄, 석회석 등원 자재와 전기 가격은 2017년 시장가격을 적용하였다[13].
25[30](4년 감가상각에 해당함)를 사용하였다. 본 연구에서는 0.25로 가정하여 열교환기 총장치비를 연간 운전비용으로 환산하였다. Fig.
연간 8000시간, 그리고 30년[28]동안 공장이 운전된다. 처음 4개월은 공정 운전 준비기간으로 생산되는 전기는 완전가동되는 전기량의 50%로 가정하였다. 물가인상률(α)은 2%, 법인세율(β) 20%, 그리고 이자율(γ)은 6%로 가정되었다.

제안 방법

Vu et al.(2020)과 다르게 본 연구에서는 배기가스의 수분과 오염 성분을 제거한 유량의 일부분을 CFB보일러에 공급하는 건식 재순환(dry FGR)과 3개의 열교환망을 포함하는 oxycoal USC-CFB-CPU power plant를 제시하였다. 추가된 3개 열 교환망은 보일러에서 배출되는 배기가스와 건식 재순환 배기가스 사이의 열교환기(HE1), ASU에서 분리된 N₂와 CPU에 유입되는 배기가스 흐름의 열교환기(HE2), 그리고 CPU의 다단 압축기에서 회수되는 열량의 일부분을 온도스윙흡착탑(TSA: Temperature swing adsorption:)에 공급하여 흡착된 수분을 탈착시키기 위한 열교환이다.
TEA는 공정에서 사용되는 성분들의 열역학적 물성값과 상태방정식 등을 활용하여 공정 모사를 진행한 후 총투자비(TCI: Total capital investment) 와 연간 총 생산비(TPC: Total production cost)를 구하는 기술적 측면과, TCI 및 TPC를 이용하여 경제성을 판단하는 기준인 투자수익률(ROI: Return on investment)과 투자회수기간(PBP: Payback period) 등을 계산하는 경제적인 측면을 포함한다[20, 21]. ASPEN Plus (ASPEN Tech, USA)의 공정 모사 결과를 바탕으로 전기 효율 (η_elec) 및 엑서지 효율(η_ex)을 계산하였다.
또한, HE1의 성능은 스팀터빈 장치가격, HE1의 장치 면적 및 가격, 그리고 FGC크기 및 FGC에서 사용되는 냉각수 (M17)의 양을 좌우하기 때문에 기술 경제성 결과에도 영향을 미친다. Fig. 1에서는 보일러에서 유입되는 배기가스의 온도와 HE1에서 유출되는 재순환 배기가스의 온도의 차이가 10 ℃가 되도록 HE1 열교환기 면적을 설정하였고, ASU에서 분리된 N₂ 흐름 M14와 CPU에 유입되는 배기가스 흐름(M18)의 열교환(HE2)을 이용하여 배기가스(M18)의 온도를 60.3℃로 낮추었다.
또한, oxy-coal USC-CFB-CPU power plant의 공정모사 결과값을 바탕으로 에너지 및 엑서지 효율을 계산하고, ASU에서 분리된 질소와 CPU로 유입되는 배기가스 흐름의 열 교환 및 CPU 내부에서의 열효율을 높이는 방안을 제시한다.
11이다. 본 화력발전소의 연료인 역청탄의 유량은 Vu et al. (2020) [13]에서 제시된 이산화탄소 포집을 고려하지 않은 공기 연소 USC-CFB화력발전소에서 전기 효율 45.5%일 때, 500 MW_e전기를 생산하는 3, 150 t/d으로 정하였다.
ΔT가 작아지면서 열교환량이 증가하고, 열교환기에서 유출되는 배기가스의 온도는 낮아짐으로 FGC의 냉각수 유량은 직선적으로 감소한다. 열교환 면적은 총괄열전달계수 850 W/m²/K 를 갖는 shell and tube 형 열교환기에 대하여 산출하였다. ΔT가 작아지면서 열교환 면적은 급속히 증가한다.
6%), 그리고 스팀터빈에서 생산되는 전기량 (546 MW_e)을 보여주었다. 열교환기 HE1을 설치할 경우, 이 열교환기의온도차이(Δ T)가 3~50 ℃ 범위에서 공정 모사를 수행하였다. Δ T 가작을 수록 배기가스의 폐열을 더 많이 사용하기 때문에 공정 전체의 에너지 및 엑서지 효율이 증가함을 Fig.
유량, 그리고 투자수익률(ROI) 및 투자회수기간(PBP)을 산출하였다. FGR 열교환기 온도차(ΔT)의 감소는 배기가스의 더 많은 폐열의 회수를 의미하며, 전기 및 엑서지 효율을 증가시켰다.
건식 배기가스 재순환(FGR)은 CFB연소기내 온도 제어와 고농도 CO₂ 배출을 위하여 사용되었다. 이 순산소 석탄화력발전소의 열효율을 증가시키기 위하여 FGR 흐름에 대한 열교환기, ASU에서 배출되는 질소 흐름에 대한 열교환기, 그리고 CPU 압축기의 냉각을 위해서 발생하는 열 회수를 고려하였다.
이산화탄소를 포집을 포함하는 순산소 석탄화력발전소에서 dry FGR과 보일러 배기가스 간 열교환기(HE1 in Fig. 1)의 온도차이 (ΔT)에 따른 공정의 성능을 비교×분석하였다.

대상 데이터

이 석탄화력발전소는 순환 유동층 보일러(CFB), 초초 임계 증기 사이클(USC) 증기 터빈, 배기가스 정제 장치(FGC), 산소 분리 초저온 공정(ASU), 이산화탄소를 분리하는 극저온 공정(CPU)을 포함한다. 건식 배기가스 재순환(FGR)은 CFB연소기내 온도 제어와 고농도 CO₂ 배출을 위하여 사용되었다. 이 순산소 석탄화력발전소의 열효율을 증가시키기 위하여 FGR 흐름에 대한 열교환기, ASU에서 배출되는 질소 흐름에 대한 열교환기, 그리고 CPU 압축기의 냉각을 위해서 발생하는 열 회수를 고려하였다.
본 연구에서 사용된 역청탄은 Table 1에서 보여주듯이 발열량이 약 30.2 MJ/kg이고, 고정탄소 55.3 wt%, 휘발분 31.6 wt%, 회분 8.1 wt%, 그리고 수분 5.0 wt%이다[13]. 역청탄의 산소 대 탄소 비율은 약 0.

이론/모형

이러한 가정들을 바탕으로 Vu et al.(2020)[13]과 Oh and Lim(2018)[21] 에서제시한 식들을 이용하여 ROI와 PBP를 산출하였다.
물가인상률(α)은 2%, 법인세율(β) 20%, 그리고 이자율(γ)은 6%로 가정되었다. 석탄, 석회석 등원 자재와 전기 가격은 2017년 시장가격을 적용하였다[13]. 이산화탄소 거래 가격은 2017년 20.

성능/효과

1) FGC에서 배출되는 68℃ 배기가스는 ASU에서 배출되는 15 ℃의 질소로 냉각되어, 약 60℃에서 LP scrubber 로 유입된다. 2) COMP601 압축기에서 발생하는 열량(40 MW_th)의 일부는 TSA에서 흡착된 수분을 탈착시키기 위하여 필요한 열량(16 MW_th) 으로 사용된다.
유입된다. 2) COMP601 압축기에서 발생하는 열량(40 MW_th)의 일부는 TSA에서 흡착된 수분을 탈착시키기 위하여 필요한 열량(16 MW_th) 으로 사용된다.
2) 고압 scrubber (C₆₀2)에서 15℃로 냉각된 배기가스는 온도스윙흡착탑(C₆₀3)에서 배기가스내 수분을 3 ppm 수준으로 감소시킨다.
3) CPU에서 기상으로 배출되는 150 ℃, 20 bar 배기가스는 비교적 고압으로서 터빈을 추가하여 전기 생산이 가능하고, 그 양은 약 1 MW_e 이다. 하지만, 이 전기량이 전체 발전량 500 MW_e 에 비하여 크지 않고, 추가적인 장치비가 소요됨으로 본 연구에서는 회수하지 않았다.
4) 상분리를 위한 2개의 플래쉬(T601 and T602) 다음에 설치된 2개의 팽창밸브(VAL601 and VAL602)를 통하여 액상 CO₂의 압력은 낮아지고, 온도는 하강하며, 저온 유체로서 M601 및 M602로 유입된다.
6) 2개의 플래쉬에서 분리된 액상은 주로 CO₂ 이며 M601을 거쳐 기화되며, 175℃, 8 bar로 생산된다.
1℃로 고정하였음으로 A500(ASU)와 A600(CPU) 영역의 전기소비량에 영향을 주지 않는다. HE1의 온도차가 3℃ 이고 열교환망이 추가된 A500(ASU) 와 A600(CPU) 영역의 순전기생산량(429 MW_e)은 열교환망이 고려되지 않은 A500(ASU)와 A600(CPU) 영역의 순전기생산량(419 MW_e)과 비교하면 약 2.4% 절감된 것이다. 총전기 소비량의 약 56%와 23%를 A500(ASU)와 A600(CPU)에서 각각 소비함으로 이두 저온 공정은 총전기 소비량의 약 80%를 차지한다.
하지만, ΔT가감소하면서 FGR열교환기 면적이 증가하고, FGC에서 사용하는 냉각수 유량이 감소하게 되어 ΔT=10℃에서 FGR과 FGC주변의 연간 비용이 최소가 되었다. ΔT=10℃에서 순산소 석탄화력발전소의 총투자비(TCI)는 1371 M$, 총생산비용(TPC)은 90 M$, 그리고 ROI는 7%/y, 그리고 PBP는 12년으로 예측되었다. 이러한 ROI는 FGR열교환기가 설치되지 않은 경우와 비교할 때, 약 1.
이는 ΔT의 감소에 따라 증가하는 ASR이 TCI의증가를 크게 상쇄시키면서 ROI의 지속적 증가를 이끌기 때문이다. 결론적으로 ROI 측면에서는 ΔT = 3℃에서 가장 높은 경제성을 보이지만, FGR 열교환기 주변의 연간 비용, 열교환기 성능의 불확실성 및 공정의 안정적 운영을 위하여 일반적으로 적용되는 ΔT = 10℃ [31]가 더 적합한 운전 조건으로 판단된다.

후속연구

본 연구를 통하여 순산소 석탄화력발전소의 열효율 향상을 위한 열 교환망이 제시되었고, FGR 열교환기의 최적 운전 조건을 도출하였다. 본 연구에서는 8 bar, 98% CO₂ 의 포집 만을 고려하였고, 향후 고압 압축을 통한 저장 및 격리를 공정도에 포함시켜야 한다.
이다. 하지만, 이 전기량이 전체 발전량 500 MW_e 에 비하여 크지 않고, 추가적인 장치비가 소요됨으로 본 연구에서는 회수하지 않았다.

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저자의 다른 논문 :

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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