GE Procedure를 이용한 IGCC시스템의 개념설계

김종진, 박명호, 김종영

전력연구원

Conceptual design of IGCC system using GE procedure

Jong-Jin Kim, Myung-Ho Park, Chong-Young Kim

Korea Electric Power Research Institute

서론

석탄가스화복합발전은 효율 및 환경보전성 측면에서 잠재성이 널리 인정받고 있는 발전방식으로서, 기존의 미분탄 연소식 발전을 대체할 유망한 기술이다. 본 연구에서는 석탄가스화복합발전 설계기술개발의 일환으로서 GE의 설계방법을 적용하여 IGCC시스템에 대한 개념설계를 수행하였다. 가스화부분은 ASPEN PLUS를 이용하였고, 가스터빈과 복합사이클 부분은 GATE/CYCLE을 이용하여 성능해석 모델을 개발하여, 3 case의 IGCC시스템에 대하여 적용하였다. 이 방법은 ASPEN PLUS의 단점인 복합사이클 부분의 성능해석을 보완할 수 있고, 선진외국의 기술개발사들이 실제로 적용하는 방법을 사용함으로써, 개념설계방법의 적정성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

공정개요

본 연구는 대상탄으로 Datong탄을 이용하였고, 대상공정으로는 Texaco, Destec, PRENFLO가스화공정들과 Siemens V84.3A가스터빈을 적용한 복합사이클로 구성하였다. 이 연구는 기존에 수행되어진 GE 가스터빈을 이용한 다섯가지 공정들에 대한 연구를 바탕으로 General Electric에서 IGCC시스템을 설계하는 절차에 따라 세 가지 공정에 대한 개념설계를 수행하였다.[1,2,3] Texaco/Siemens 공정은 Texaco 가스화기와, 복사 및 대류냉각기, 저온열회수시스템, SulFerox 탈황공정을 사용하며, 극저온 중압 산소분리공정(ASU)을 적용하였다. 가스터빈은 출력 172.5MW인 Siemens사의 V84.3A가스터빈을 적용하였고, 세가지 압력의 폐열회수보일러(HRSG)와 재열 응축형 증기터빈을 구비하였다. Destec/Siemens 시스템은 Destec 이단가스화기, 복사 및 대류냉각기, 저온열회수, MDEA 탈황공정을 사용하며, ASU 및 복합사이클은 Texaco의 경우와 동일하다. PRENFLO/ Siemens 공정은 PRENFLO 가스화기와, MDEA 탈황공정을 사용하며, ASU와 복합사이클은 Texaco의 경우와 동일하다. 이러한 세가지 공정들에 따르는 가스냉각방식과 집진 및 탈황방식은 GE MS7001FA터빈에 적용하기 위하여 가스화공정사들에서 제공한 자료를 이용하였으며, 가스터빈은 Siemens사의 자료를 이용하였다.[4] 이와 같은 공정구성이 기존의 GE 터빈을 적용한 경우와 다른 점은 가스터빈과 ASU사이의 공정연계(Integration)정도가 달라진다는 것이다. 기존의 GE터빈은 각 가스화공정들에 대하여 ASU가 필요로 하는 공기의 약 25%정도를 가스터빈의 공기압축기에서 추기하여 사용하였으나, Siemens터빈은 ASU필요공기를 전량 가스터빈에서 추기하여 사용한다. 이러한 이유 때문에 가스터빈-ASU-가스화기로 이어지는 Air Integration이 기존의 IGCC시스템과 매우 달라지게 된다. 실제로 IGCC시스템을 설계하는 경우에 가스화부분(가스화기, 가스냉각기 및 가스정제공정)은 가스화공정사의 설계를 사용하고, 가스터빈과 복합사이클은 가스터빈 공급자가 설계를 하고 있다. 이와 같은 현실에서 시스템의 설계 및 성능개선등을 추구하는 방법은 가스화부분과 가스터빈 및 복합사이클사이의 공정연계 부분이라 할 수 있다. 이러한 공정연계부분의 적절한 구성은 공정의 효율을 약 5%정도까지 개선할 수 있으리라 예측된다. 본 연구에서는 이러한 공기 및 증기의 연계(Integration)를 적절히 고려하여 공정을 구성하였으며, 이의 결과로서 나타난 IGCC시스템들을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.

성능해석모델

본 연구에서 적용한 성능해석 절차는 Figure 1에 나타내었다.[5] 성능해석에 필요한 각 단위공정들의 모델은 기존의 연구에서 개발되어진 모델들을 개조하여 사용하였다. 먼저 ASPEN PLUS를 이용하여 개발되어진 가스화공정 해석모델을 이용하여 가스화공정에서 생성되는 생성가스의 조성과 조건을 계산하고, 계산된 생성가스의 자료로부터 GATE/CYCLE 코드를 이용하여 개발된 가스터빈 성능해석모델을 이용하여 가스터빈으로 유입되어야 하는 연료의 유량을 계산한다. 계산되어진 가스의 유량으로부터 ASPEN PLUS의 가스화시스템 성능해석모델로부터, ASU에서 생성되어야 하는 산소의 유량을 계산하고, 이로부터 가스터빈에서 ASU로 추기 되어야 하는 압축공기의 양과 가스터빈으로 재 순환되는 질소의 양을 계산한다. 가스화시스템 성능해석모델로부터 계산되어지는 석탄가스의 조건으로부터 생성가스냉각기와 HRSG사이의 물/증기의 연계를 계산할 수 있고, 집진 및 저온탈황공정(각 공정들마다 다름 : 본 모델에서는 공정사들로부터 입수된 자료들을 근거로 한 Black-Box 모델을 적용)과 가스포화등에 대하여 계산되어진다. 가스포화와 ASU에서 가스터빈으로 재 순환되는 질소의 포화는 가스터빈의 질소산화물 생성량과의 관계를 고려하여 결정되어야 하며, 본 연구에서는 GE터빈에 적용된 결과와 Siemens터빈의 관련자료를 토대로 계산하였고, 이를 참고자료와 비교하여 적정성을 검증하였다.[6] 한편 가스터빈 성능해석 모델에서 계산된 가스터빈 배기가스의 조건을 이용하여 증기사이클과 증기터빈시스템에 대한 계산을 수행하는데, 이 모델은 GATE/CYCLE을 이용하여 개발되었으며 이 모델의 결과를 기존의 연구결과와 비교하여 그 적정성을 검증하였다.[4] 한편 본 연구에 적용된 IGCC시스템들은 공정구성에 대한 사례가 없는 관계로, 공정연계에 대한 부분은 air integration과 steam integration부분으로 나뉘어서 여러 가지의 대안을 선정하여 최대로 열을 회수할 수 있고, 시스템의 효율을 최상으로 유지할 수 있는 적절한 경우를 선정하였으며, 이 과정은 ASPEN PLUS의 민감도분석을 이용하였다.

성능해석결과

각 공정들에 대한 연구결과를 Table 1에 요약하여 나타내었다. 본 연구에 적용된 공정들은 서로 다른 가스정제공정을 사용하고 있으며, steam integration과 air integration의 수준이 각기 다르기 때문에, Table 1의 결과를 각 공정별로 절대비교할 수 는 없다. 또한 이들은 설계기준으로서 동일한 가스터빈 출력을 적용하였으므로 투입원료, 생성동력, 공정의 투자비 등을 고려한 경제성 분석을 통해서 적정한 공정을 선정할 수 있을 것이다. 본 연구의 결과에 의하면, 건식 석탄공급방식을 적용한 PRENFLO 가스화공정이 가장 높은 효율을 발생시키고 있으며, 이는 가스화기에서의 현열손실이 적기 때문이고 생성되는 가스의 열량이 타 공정들에 비하여 상대적으로 높기 때문이다. 동일한 습식 석탄공급방식을 적용한 Destec과 Texaco의 경우, Destec공정이 Texaco에 비하여 효율이 높은 이유는 가스화기 상부에 슬러리 증발기(slurry evaporator)를 설치하여 가스화기로 유입되는 석탄슬러리를 건조된 상태로 공급하기 때문이다(dry slurry 공급방식).

Figure 1. GE procedure for IGCC conceptual design

Table 1. Simulation results

Description	Destec	PRENFLO	Texaco
Gasification Coal Input, kg/hr Oxidant Input, kg/hr Syngas comp.(mol frac) CO H2 H2O others(CO2,CH4,COS) Gas Turbine Power output, MW Efficiency(LHV, %) Steam Cycle Power output, MW Total Power output, MW Auxiliary, MW Net power, MW Efficiency, (HHV, %)	75,449 41,571 0.3671 0.1533 0.3962 0.0663 172.57 38.00 89.37 261.94 21.35 240.6 43.66	76784 54871 0.4438 0.2085 0.3020 0.0043 172.8 39.445 108.05 280.85 25.9 255 45.46	82,141 65,960 0.4165 0.2794 0.2003 0.0890 172.47 37.9952 123.97 296.44 21.54 274.9 42.7

결론

GE Procedure를 적용하여 IGCC시스템들에 대한 개념설계를 수행하였다. 동일한 가스터빈 출력을 적용한 결과는 건식 석탄공급방식을 적용하는 PRENFLO공정이 가장 높은 효율을 나타내었고, 습식공정들은 석탄슬러리를 건조된 상태로 공급하는 Destec공정이 Texaco공정보다 높은 효율을 나타내었다. 동력발생은 Texaco공정이 가장 크고, PRENFLO와 Destec순으로 나타났다. 하지만 이 결과만으로 공정간 직접비교를 하기는 어려운데, 이는 가스화공정들의 구성(system configuration)이 상이하며  공정의 integration이 서로 다르기 때문이다. 본 모델과, 공정연계들의 최적화를 보완하면 이러한 성능분석 방법을 통하여 IGCC시스템의 개념설계에 유용하게 사용될 수 있으리라 생각된다.

참고문헌

1. 김종진, 박명호, 안달홍, 김남호, 송규소, 김종영: □석탄가스를 사용하는 복합 발전 플랜트의 열성능해석□,한국에너지공학회지, 5(1) (1996)

2. 김종진, 박명호, 김종영: □ASPEN PLUS를 이용한 석탄성상의 IGCC성능 영향 분석□,화학공학의 이론과 응용, 2(1) (1996)

3. 김종진, 박명호, 송규소, 조상기, 서석빈, 김종영: □Shell 석탄가스화 복합발전시스템의 성능해석□,한국에너지공학회지 제출

4. Bechtel Power Corp.: "IGCC Process Evaluation", (1995)

5. General Electric.: "Combined Cycle Design and Optimization", (1992)

6. KOPEC, Inc.,: "IGCC 타당성검토 및 기술규격서 작성□, (1995)