Development of a high efficient, zero-emission boiler and a CO2 capture/purification technology for thermal power generation based on pressurized oxyfuel combustion
보고서 정보
주관연구기관
한국생산기술연구원 Korea Institute of Industrial Technology
가압순산소 연소.화력발전.CO2 포집.잠열회수 시스템.Ni계 초합금.크리프강도.고온산화.저온 부식.Pressurized oxy-combustion.Thermal power generation.Carbon capture.Flue gas condensing system.Ni base superalloy.Creep strength.High temperature oxidation.Low-temperature corrosion.
초록▼
최종 연구목표 - 기존 발전소에 CO2 포집 장치를 add-on 또는 retrofit 하는 방식(기존 연구개발 방식)이 아닌, CO2 negative 화력발전소를 새로 개발하는 방식- 설계 및 운영 기술 - 스팀 온도/압력 700℃/320bar 이상 내열/내부식 소재 개발 및 이를 최소화한 컴팩트 화력발전 시스템 개발 (기존 발전소 gas side 의 1/10 이하- 설비비용 증가 최소화)
단계 연구목표 < 핵심가치별 1단계(3차년도 최종) 세부 목표 > 1.
최종 연구목표 - 기존 발전소에 CO2 포집 장치를 add-on 또는 retrofit 하는 방식(기존 연구개발 방식)이 아닌, CO2 negative 화력발전소를 새로 개발하는 방식- 설계 및 운영 기술 - 스팀 온도/압력 700℃/320bar 이상 내열/내부식 소재 개발 및 이를 최소화한 컴팩트 화력발전 시스템 개발 (기존 발전소 gas side 의 1/10 이하- 설비비용 증가 최소화)
단계 연구목표 < 핵심가치별 1단계(3차년도 최종) 세부 목표 > 1. CO2 포집 및 고효율화를 위한 설비 비용 최소화 ◦ 1 MW 급 비전통가스 가압 순산소 연소 시스템 설계안 도출 ◦ 0.1 MWth 가압 순산소 연소 시스템 최적화 ◦ 1단계 성능 목표 달성 2. CO2 포집 및 고효율화를 위한 운영 비용 최소화 ◦ Ni 계 초합금 2차 조성 설계/제조/고온물성 평가 기술 ◦ 미세조직 기반 마이크로 크리프 모델링 ◦ 비전통 가스 연료 및 석탄, 바이오매스에 적용 가능한 가압 순산소 연소 시스템 설계 Tool 개발 3. 포집된 CO2 사전 정제 효율 극대화 ◦ 0.1MWth 가압 순산소용 배가스 잠열회수 및 정제 시스템 최적화, 연소 시스템과의 연계 운전 달성 ◦ 1단계 성능 목표 달성 ◦ 응축기용 철계 내부식 소재 부식 DB 구축
1단계 연구내용 및 결과 CO2 포집 및 고효율화를 위한 설비 비용 최소화 1. 설계 Tool 개발 및 경제성 평가 완료 ▪ 1GWe 규모 석탄 기반 가압 순산소 연소 플랜트 설계 Tool 개발 완료 ▪ 1GWe 규모 석탄 연료 기반 가압 순산소 연소 플랜트 대상 CAPEX/OPEX 발생 요인 정리 및 경제성 분석 평가 완료: 가압순산소 발전 플랜트의 LCOE는 72.11원으로 상압 표준화력(54.75원) 대비 전력 단가 상승분 131.7%(CO2 포집 포함) 으로 본 과제에서 타겟으로 삼고 있는 전력단가 상승분 140% 이하 달성 ▪ 100MWe 규모 비전통 가스 연료 기반 설계안 도출
2. 가압 순산소 연소 시스템 개발 및 연소 성능 목표 달성 ▪ 10kWth 규모 가스 연소 시스템 장치 실험 및 최적화, 성능목표 달성 - 10kWth, 10bar에서 KTL 성적서 기준 배가스 내 CO 11ppm, H2 0ppm, 연소효율 99.99% 달성 완료 ▪ 0.1 MWth 규모 연소 시스템 구축 및 연소 성능 목표 달성 - 0.1MWth, 10bar에서 KTL 성적서 기준 배가스 내 CH4 1.65ppm, 연소 효율 99.99% 달성 완료 ▪ 0.1 MWt 연소기 및 FGC 연계시스템 구축 및 안정화 완료 ▪ 10bar 운전 기준 가압순산소 연소실 크기는 상압 운전 기준 연소실의 대비 1/10 이하 축소 달성 완료
3. 700℃ 용 보일러 튜브용 내열소재 1단계 개발/진단기술 개발 완료 ▪ 4종 상용소재(A282, A263, A750H, A617B) 고온 물성 평가 ▪ 정량지표 달성 결과 (A282 소재) - 크리프 강도 : 240.7 MPa (700℃, 105 h 기준) - 수증기산화두께 : 12.0 μm (760℃, 103 h 기준) ▪ 2종 Ni계 초합금 설계/제조 및 고온 물성 평가 ▪ 정량지표 달성 결과 (WA1) - 크리프 강도 : 298.0 MPa (700℃, 105 h 기준) - WRF (크리프) : 90.9% (700℃, 103 h 기준) ▪ A740H 개량 8종 설계 및 판재 제조 (30 kg/ingot) ▪ 설계 소재의 고온 물성 평가 - 상온/고온 인장 특성 평가(완료) - 크리프, 수증기산화, 분위기산화 특성 평가 중 ▪ 중성자 소각산란용 고온시료환경장치인 SANS furnace를 제작하고 700℃ 이상에서 구동을 확인하는 온도실험을 마침 ▪ 상온용 인장장치 설계 및 제작하여 인시튜 중성자소각산란 실험 완료
4. 위 소재 개발(3번)과 연계한 고효율 발전 시스템 기술 타당성 확보 ▪ 상압 표준화력 대비 4.37% 발전 효율 패널티 발생 및 상압 순산소 발전 플랜트 대비 6.06% 발전 효율 증가 ▪ FGC 전단 보일러 효율: 93% 이상 도출(가스 조건에서 배가스의 현열 손실 약 3,14%, 수분의 열손실 약 3.19%) ▪ FGC 후단 보일러 효율: 보일러 효율 99% 이상 도출(가스 조건에서 배가스 현열 손실 약 0.22%, 수분의 열 손실 약 0.034%)
5. 내구성(내부식성)이 확보된 증발잠열 회수 및 NOx/SOx 동시 저감 시스템 개발 완료 ▪ 응축기용 철계 내식 소재 후보 3종(SC45C, STS316L, Alloy20) 선정 ▪ 온도, pH 에 따른 후보 소재 부식 특성 DB 구축 - 부식속도 : SC45C < STS316L < Alloy20 ▪ 0.1MWth, 10bar에서 KTL 성적서 기준 내 증발잠열 회수율 99.67% 달성 완료 ▪ 0.1MWth, 10bar에서 KTL 성적서 배기가스 기준 내 NOx 저감율 최대 95.82%, SOx 저감율 최대 99.98% 달성 완료 ▪ 고효율 부식 억제 물질 발굴, 다양한 부식손산 환영에서 부식 억제 효율 D/B 구축, 부식억제제 적용성 최적화 연구(투입주기, 매커니즘, 장기성능 등) 연장 부식 수명 정량화 연구 개발 완료
연구성과 < 과학적 성과 > - 학술적 성과 ◦ 누적 성과 기준 SCI 논문 18건, 비SCI 논문 1건 달성, 평균 Impact Factor 3.623 - 성능평가 ◦ 누적 성과 기준 성능평가 9건 달성 ① 가압순산소 연소 조건(5bar, CO 80%, H2 20%, ER 1.05)에 대한 배가스 내 미연가스 조성에 대한 외부 분석 수행 및 연소효율 97% 이상 달성 (첨부3-1 참조) ② Lab-scale FGC 설비에서 증발잠열 회수율 90% 이상, NOx 저감율 최대 91.98%, SOx 저감율 최대 99.9% 이상 달성 (2차년도에는 목표치 없었음) ③ Pilot-scale FGC 설비에서 증발잠열 회수율 93.9% 달성 (목표치 90%) ④ 보일러용 내열소재의 creep 강도 240.7 MPa (700℃, 105 h 기준) 로 목표 달성 ⑤ 보일러용 내열소재 lloy282 상용소재에 대해 760℃, 1기압 수증기 분위기 산화 특성 평가 - 수증기산화두께 : 12 μm (760℃, 103 h 기준) 목표 달성 (목표치: 25 이하) ⑥ 동종 용접부 기계적 특성: 700℃, 105 h 크리프 강도 (WA1 소재) - 모재 : 298.0 MPa, 동종용접부 : 255.6 MPa, 크리프 WRF : 90.9 % (700℃, 103 h)로 목표 달성함 (목표치: 80 이상) ⑦ 0.1MWth Pilot-scale 가압순산소 설비에서 가압순산소 연소 조건(10bar, CH4, ER 0.9)에 대한 배가스 내 미연가스 조성에 대한 외부 분석 수행 및 연소효율 97% 이상 달성 (첨부3-3 참조) ⑧ 10kWth Pilot-scale FGC 설비(20bar 기준)에서 NOx 저감율 최대 92%, SOx 저감율 최대 90% 달성(자체 평가) ⑨ 0.1MWth Pilot-scale 가압순산소 연소와 FGC 연계를 통한 증발잠열 회수율 99.67%, NOx 저감율 최대 95.82%, SOx 저감율 최대 99.98% 달성 (첨부3-3 참조) < 기술적 성과 > - 누적 성과 기준 국내 특허 출원(등록 포함) 13 건, 국내 상표 등록 1건, 해외 특허 출원 4 건 달성 < 경제적 성과 > - 누적 성과 기준 표준화 1건, 시제품 2건(0.1MWth 가압순산소 연소기 및 FGC)
< 융합연구 활성화 > - FEP 융합연구단-생기원 창의형 융합사업 소재분야 기술 교류회 ◦ 일시: 2017. 11. 27. ◦ 장소: 한국에너지기술연구원 - Workshop on Oxy-fuel Combustion – Current Status and Perspectives 개최 ◦ 일시: 2018. 05. 03. ~ 04. ◦ 장소: 충남 대천 호텔 머드린 - 순산소 연소 관련 해외기관 방문 및 Oxy-flame 워크샵 발표 및 참석 ◦ 일시: 2018. 02. 08. ~ 16. ◦ 장소: 독일 슈투트가르트, 보훔 - 칭화대-SICE-생기원 국제 교류 ◦ 일시: 2018. 11. 06. ~ 09. ◦ 장소: 중국 북경, 타이위안, 난징 - KITECH-KIMM-KIER 저탄소 발전 동력 융합 교류회 ◦ 일시: 2018. 11. 19. ◦ 장소: 한국생산기술연구원 - 융합연구사업 내부 진도 회의 및 Brainstorming 회의 ◦ 일시: 상시 진행 - 가압 순산소 연소 관련 해외 기관 방문 및 해외 기술 교류회 ◦ 일시: 2019. 02. 26. ◦ 장소: Sheffield University in UK - 해외 기관 방문 및 해외 기술 교류회 ◦ 일시: 2019. 02. 27. ◦ 장소: Cranfield University in UK - 가압 순산소 연소 관련 해외 기관 방문 및 해외 기술 교류회 ◦ 일시: 2019. 06. 14. ◦ 장소: Brigham Young University - INDUSTRY 4.0 Summit Vietnam 참석 및 가압순산소 연소시스템 기술 홍보 ◦ 일시: 2019. 10. 01. ~ 03 ◦ 장소: 베트남 하노이 National Convention Center - FEP 융합연구단-생기원 창의형 융합사업 기술 교류회 ◦ 일시: 2019. 08. 29. ◦ 장소: 한국에너지기술연구원 - 창의형 융합 연구 사업(생기원)-남부발전 기술교류회 ◦ 일시: 2019. 10. 06. ◦ 장소: 한국생산기술연구원 - 창의형 융합 연구 사업(생기원)-현대오일뱅크 기술교류회 ◦ 일시: 2019. 09.09 ◦ 장소: 현대오일뱅크 중앙기술연구원 - 기술세미나-미세먼지 대응 석탄화력 환경 설비 개발 ◦ 일시: 2019. 01. 23. ◦ 장소: 한국생산기술연구원 - 기술세미나-석탄 화력 발전 보일러 회분 점착에 대한 예측모델링 ◦ 일시: 2019. 05. 14. ◦ 장소: 한국생산기술연구원 - 창의형 융합연구사업 공동 특허 출원 회의 ◦ 일시: 상시 진행
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