정적모사를 통한 IGCC PDU 플랜트의 공정연구

이승종, 이진욱, 윤용승

고등기술연구원 에너지/환경연구실 및 아주대학교 시스템공학과

IGCC PDU System Study by Static Process Simulation

Seung-Jong Lee, Jin-Wook Lee, Yongseung Yun

Institute for Advanced Engineering and

Dept. of Systems Engineering, Ajou University

서론

석탄가스화 복합발전씨스템(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)은 기존의 미분탄 연소 발전 방식에 비해 발전효율이 5-10%이상 높고, 공해물질 배출 특성에 있어서도 SOx와 NOx를 각각 95% 및 75% 이상 감소시키고 재는 용융 슬랙 형태로 처리하는 발전씨스템이다. 이와 같은 고효율 및 환경 친화적인 특성으로 인하여 IGCC 기술은 차세대 석탄화력 발전 방식으로서 각광받고 있으며, 이미 선진 공업국들은 IGCC 기술의 개발을 활발히 진행하여, 최근에는 250MW 이상 출력의 상용화급 플랜트를 가동 또는 건설 중에 있다[1]. 또한 국내에서도 최근 전력 수요의 급증과 전세계적으로 확산되고 있는 환경 규제의 강화 등으로 우리의 실정에 맞는 IGCC 공정의 개발이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 IGCC PDU(Process Development Unit) 플랜트에 대한 씨스템을 구성하고 이에 따른 공정 평가/분석 연구를 통해 PDU 공정 및 계통에 대한 특성을 파악하고 이를 PDU 플랜트에 대한 개념설계에 반영하고자 한다.

PDU 플랜트 구성

IGCC 기술은 석탄가스화공정, 가스정화공정, 가스터빈공정, 폐열회수보일러, 증기터빈공정 및 공기분리공정으로 구성된 복합적 개념의 발전씨스템이다. 따라서 본 연구에서도 PDU 플랜트를 상기와 같이 구성하였으나, 증기의 생성량이 작아 1종류의 증기만을 생산하는 단일압력 폐열회수보일러(HRSG)를 채택하였다. 현재 상용화급 플랜트에서는 2-3종류의 증기를 생산하는 2중 또는 3중압력 HRSG를 채택하고 있다.

PDU 플랜트의 해석을 위하여 고체 반응물을 포함한 공정의 전산해석에 효과적인 ASPEN 코드를 사용하였으며, 전산해석에 반영한 PDU 플랜트의 공정은 다음과 같다. 원탄(raw coal)은 미쇄기(pulverizer)에서 미분화된 후 재순환하는 분진(fine)과 혼합되어 질소가스에 의한 공압수송으로 가스화기로 유입된다. 가스화기에서 산화재 및 증기와 혼합되어 가스화반응에 의해 연료가스가 생성되며 가스화반응시 석탄에 함유된 회분(ash)은 대부분 용융되어 슬랙의 형태로 유리되고 나머지는 생성가스와 함께 가스화기에서 나오게 된다. 가스화기에서 생성된 고온의 생성가스는 복사형(radiant) 및 대류형(convective) 열교환기를 통과하여 냉각되며, 이 과정을 통하여 증기를 생산하게 된다. 대류형 열교환기를 통과한 생성가스는 분리되어 고온탈황공정과 저온탈황공정으로 유입된다. 열교환기를 통과한 생성가스 중 고온탈황공정으로 유입되는 가스는 고온집진설비로 유입되고, 저온탈황공정으로 유입되는 가스는 정제된 연료가스와 열교환을 거쳐 냉각된 후 집진설비로 유입된다. 그리고, 싸이클론 및 금속필터로 구성된 집진설비에서 제거된 분진은 석탄공급장치로 순환되어 가스화기로 유입된다. 분진이 제거된 생성가스 중 일부는 복사형 열교환기를 통과한 고온의 생성가스 냉각(quenching)용으로 재순환되고, 나머지는 세정기에서 물 분사에 의해 암모니아 가스가 제거된 후 저온탈황공정으로 유입된다. 열교환기에서 생성된 증기 중 일부는 가스화공정 및 기타 공정에 사용되고 나머지는 증기터빈으로 유입되어 전력생산에 사용된다.

적용된 저온가스정화공정은 MDEA/Claus/SCOT 조합으로 구성된 공정으로 산성가스 흡수탑에서 MDEA 용매를 사용하여 생성가스로부터 산성가스(황화수소, 황화카르보닐 등)가 제거되고, 산성가스를 포함한 용매는 재생기로 유입된다. 재생기에서 분리된 산성가스는 황회수 공정인 Claus 공정으로 유입되며, 재생된 용매는 산성가스 흡수탑으로 재순환된다. Claus 공정에서는 일련의 산화, 환원 반응을 거쳐 원소 형태의 황을 생성하는데, Claus 공정에서  반응하지 않고 남아 있는 산성가스는 SCOT 공정에서 미량의 정제된 가스와 혼합된 후 촉매 반응에 의해 가수분해되어 황화수소를 생성한다. 생성된 황화수소는 2차 산성가스 흡수탑을 거쳐 재생기로 유입된 후 Claus 공정으로 재순환된다. 또한 고온탈황공정에서 제거된 산성가스도 Claus 공정으로 유입되어 황원소를 생성한다. 산성가스가 제거된 고온의 정제가스는 저온탈황공정을 거친 저온의 정제가스와 혼합되어 포화기(saturator)에서 포화된 후 예열되어 가스터빈으로 유입된다.

공기분리공정의 IGCC 씨스템 연계 방법은 공기분리공정과 가스터빈과의 연계 방법에 따라 부분연계 방법과 완전연계 방법 및 비연계 방법으로 구분된다[2,3]. 본 연구에서는 공기분리공정의 연계 방법으로 비연계 방법 중 공기분리공정에서 필요한 공기 소요량은 전량 대기 중에서 공급받고 여기서 생성된 잉여의 질소가스를 가스터빈으로 유입하는 질소연계(nitrogen integration) 방법을 채택하여 전산해석을 하였다.

가스터빈은 실증플랜트에서는 가스터빈의 최대 출력에 맞도록 석탄의 주입량을 결정하지만, PDU에서는 가스화기의 석탄 소모량이 작고 가스터빈의 최대 출력 보다는 가스터빈의 연계에 의한 연동씨스템에 대한 시험이 주로 실시될 것으로 예상되므로, 가스화기의 석탄 소모량에 상응하는 가스터빈 모델을 고려하였다. 가스터빈에서 방출되는 고온의 연소가스는 페열회수보일러에서 열교환을 통하여 증기를 생산한 후 대기 중으로 방출된다. 그리고, 폐열회수보일러와 생성가스의 냉각과정에서 생성된 증기는 증기터빈으로 유입되어 전력생산에 사용된다. 전산해석시 반영한 PDU 플랜트의 공정 개요도를 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1. 전산해석에 반영된 IGCC PDU 플랜트 개요도.

해석 결과 및 평가

본 연구에서 채택한 가스화기는 산소공급형 가압분류층 건식가스화기이고 가스화기의

Table 1. Datong탄의 분석자료

Proximate Analysis (As Received, wt%)		Ultimate Analysis (MF Basis, wt%)
Fixed Carbon Vol. Matter Moisture Ash	55.04 32.64 4.60 7.72	C N O H S Cl Ash Moisture	67.08 0.66 19.26 4.31 0.60 0.00 8.09 0.00
HHV, kcal/kg	6608

석탄처리용량은 100톤/일이며, 기준탄으로는 한전의 2000년대초 국내 IGCC 발전소의 설계기준탄인 중국 Datong탄을 채택하여 전산해석을 하였다. 가스화기로 유입되는 질소/석탄, 증기/석탄 및 산소/석탄의 무게비는 각각 0.069, 0.075 및 0.64로 하였고, 가스화기의 운전압력은 상업용 Shell사 건식 가스화기에서 사용하는 28기압으로 하였으며 이 조건에서의 가스화기의 운전온도는 1520℃로 나타났다. 전산해석에 사용한 Datong탄의 공업분석 및 원소분석 자료는 Table 1과 같고, Table 2에는 PDU 플랜트에 대한 전산해석 자료를 나타내었다.

Table 2. 전산해석한 100 톤/일급 PDU 플랜트의 열 및 물질수지

Description	①	②	③	④	⑤
Gas	kg/h	kg/h	kg/h	kg/h	kg/h
Coal(as-recieved) Coal(2% Moisture) Slag Fine Sulfur	4365.2	4251.7	341.3	295.0	21.4
Total Solid	4365.2	4251.7	341.3	295.0	21.4
Pressure, kg/cm2	1.03	1.02	28	26.36	1.03
Temperature, ℃	15	40	1520	270	25

Description	⑥	⑦	⑧	⑨	⑩
Gas	kg/h	kg/h	kg/h	kg/h	kg/h
O2 N2 Ar H2O	2575.1 55.1 90.6	0.03 294.0 0.04	319.0	113.2 7180.4 57.6	14425.1
Total Gas	2720.8	294.1	319.0	7351.2	14425.1
Pressure, kg/cm2	34.69	61.19	35.0	19.99	40.79
Temperature, ℃	232	117	243	254	400

Description	Product Gas to CGCU	Product Gas to HGCU	Recycle Quench Gas	Product Gas before Sat'd	Sat'd Clean Product Gas	Product Gas to GT	Steam from Rad. Cooler	Steam from Conv. Cooler
Gas	kg/h	kg/h	kg/h	kg/h	kg/h	kg/h	kg/h	kg/h
CO CO2 H2 CH4 O2 N2 Ar H2S COS NH3 H2O	5645.6 23.5 189.5 14.7 - 308.6 107.5 21.4 2.8 0.17 15.5	816.2 3.4 27.4 2.1 - 44.6 15.6 3.1 0.4 0.02 2.2	1699.8 7.1 57.1 4.4 - 92.9 32.4 6.4 0.8 0.05 4.7	6401.8 24.0 215.5 16.1 - 351.1 121.3 0.349 0.117 0.024 27.5	6401.8 24.0 215.5 16.1 - 351.1 121.3 0.347 0.117 0.003 630.1	6401.8 24.0 215.5 16.1 - 351.1 121.3 0.347 0.117 0.003 630.1	2081.9	2508.0
Total Gas	6329.3	915.0	1905.6	7157.8	7760.4	7760.4	2081.9	2508.0
Pressure, kg/cm2	26.36	26.56	31.0	22.69	21.34	21.34	42.99	42.99
Temperature, ℃	250	430	284	95	119	368	254	254

Table 2의 결과를 살펴보면 가스화반응에 소요되는 산소량은 65.3톤/일로 나타났고, 질소와 증기의 소요량은 각각 7.1톤/일 및 7.7톤/일로 산정되었다. 따라서 가스화공정 뿐만아니라 기타공정에서 소요되는 양을 고려하면, 정상상태에서의 산소공급량은 최소 70톤/일 정도의 용량이 되어야 할 것으로 판단되며, 질소의 공급량은 최소 12톤/일과 증기의 경우 최소 10톤/일의 용량이 소요될 것으로 판단된다. 또한 싸이클론 및 금속필터에서 포집한 분진을 가스화기로 재순환 시켜 처리한 결과 8.2톤/일 용량의 슬랙이 생성되었으며, 이때 7.1톤/일의 분진이 가스화기로 재순환되는 것으로 나타났다. 따라서 슬랙은 하루 8.5톤의 처리용량을 수용할 수 있어야 하며, 분진의 재순환 공정은 7.5톤/일의 용량을 처리할 수 있어야 한다. 또한 복사형 열교환기에서 생성되는 고압증기의 유량은 50톤/일이며 대류형 열교환기에서는 60톤/일의 고압증기가 생성되는 것으로 나타났다. 복사형 열교환기에서 생성된 증기는 가스화기 및 기타 공정에서 소요되고 나머지는 대류형 열교환기에서 생성된 고압증기 및 폐열회수보일러에서 생성된 증기와 함께 증기터빈으로

Table 3. 각 공정별 일일 용량

항 목	용량 (톤/일)
석탄 분쇄/건조 공정 가스화기 (석탄기준) 공기분리공정 (산소 95% 기준) 슬랙/비산재 처리 황 원소 처리 고압증기 가스터빈 증기터빈	105 100 70-80 8.2 - 8.5 0.5 - 1.0 400 10 MW 3 MW

유입되어 전력생산에 사용된다. 열교환기와 세정기를 거친 생성가스가 저온탈황공정의 1차 산성가스 흡수탑으로 유입되는 양은 152톤/일이었으며, Claus 공정에서 유리되는 황원소 양은 0.5톤/일로 나타났다.

공기분리공정에서 필요한 공기량은 가스화공정에서 요구되는 산소량을 기준으로(여분의 산소량 약 1 wt% 포함) 전산해석 하였으며, 가스화기로 공급되는 산소의 농도는 95%를 기준으로 하였다. 공기분리공정에서 분리된 산소는 압축되어 가스화기로 유입된다. 또한, 공기분리공정에서 분리된 고순도 질소(99.98%) 중 일부는 가스화기에 유입되고 나머지는 공압 장비 등의 운전에 소요된다. 공기분리공정에서 소요되는 공기량은 282톤/일이고, 산소 및 질소의 생성량은 각각 65.5톤/일 및 35톤/일로 나타났다. 또한 공기분리공정에서 생성되는 저순도 질소중 일부는 공기분리공정에서 공기의 예열에 사용되고, 나머지는 가스터빈으로 유입되는데 가스터빈으로 유입되는 저순도 질소의 유량은 176톤/일로 나타났다.

상기에서의 전산해석 자료를 토대로 PDU 플랜트 각 공정의 적정단위에 대한 일일 용량을 Table 3에 요약하였다. 석탄 분쇄 및 건조 공정에서의 원탄 처리 용량은 105톤/일이며, 산소 소요량은 최소 70톤/일이므로 공기분리공정에서의 산소 생성량은 70-80톤/일로 판단된다. 또한 가스터빈에서의 출력은 10MW이며 증기터빈에서의 출력은 3MW로 나타났다.

결론

100톤/일급 IGCC PDU 플랜트에 대한 공정구성 및 전산해석을 수행하여 PDU 플랜트의 적정단위에 대한 용량을 예측하였다. 가스화기는 산소공급형 가압분류층 건식가스화기를 채택하였으며, Datong탄을 기준탄으로 하였다.

PDU 플랜트에서의 산소 소요량은 하루 약 70톤이며, 질소의 소요량은 약 12톤/일로 나타났다. 슬랙 및 황원소는 각각 8.2톤/일 및 0.5톤/일 생성되는 것으로 나타났으며 싸이클론에서 가스화기로 재순환되는 분진은 7.5톤/일로 나타났다. 또한 가스터빈으로 유입되는 연료가스의 유량은 하루 200톤이었으며, 저순도 질소의 유량은 하루 176톤으로 나타났다. 또한 PDU 플랜트에서 증기는 400톤/일 생성되는 것으로 나타났으며, 가스터빈 및 증기터빈의 출력은 각각 10MW 및 3MW로 모사되었다.

감사

본 연구는 산업자원부산하 에너지관리공단 R&D본부에서 지원하는 □석탄가스화 복합발전 기반기술개발□ 과제의 일환으로 수행되었읍니다. 이에 감사드립니다.

참고문헌

1. D.A. Horazak and J. Zachary, □ASME PTC 47 Gasification Combined Cycle

Plant Performance: Progress and Challenges□, EPRI conference(1995).

2. A. Smith, E. Alsandor, E. Doering and P. Unger, □Improved IGCC Power

Output and Economics Incorporating a Supplementary Gas Turbine□,

EPRI Conference(1994).

3. 전력연구원, □석탄가스화 복합발전 기술개발 (Ⅰ): IGCC 예비 타당성 검토 및

기술규격서 작성□(1996).