암모니아 혼소에 따른 초임계 미분탄 플랜트의 성능해석 및 경제성 평가에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

2050 탄소중립 선언에 따라서 국내에서는 이를 달성하기 위한 점진적인 목표를 설정하고 여러 정책들을 도입하고 있다. 주요 정책으로는 석탄 화력 발전의 감축 및 신재생에너지 도입 등이 있으며 이에 따라 노후화된 석탄 화력은 감축되고 기존 발전 설비를 활용하여 석탄 화력 발전에 무탄소 연료인 암모니아의 혼소 발전을 도입하는 방안이 제시되었다. 암모니아는 석탄과 다른 연소 특성을 가지고 있기 때문에 암모니아 혼소 시 기존 석탄 전소와는 다른 열전달 특성을 가진다. 열전달 특성 변화에 따라 플랜트의 성능이 변화하기 때문에 플랜트 운영 관점에서 보았을 때, 석탄 화력 발전 플랜트의 암모니아 혼소 적용에 따른 성능 평가와 이에 따른 경제성 평가가 필요하다. 본 논문에서는 초임계 미분탄 플랜트의 공정해석 모델을 개발하여 암모니아 혼소에 따른 성능해석을 진행하였다. 공정해석 모델은 보일러 시스템 모델과 터빈 시스템 모델의 연계를 통해 전체 플랜트를 모사하였고 암모니아 혼소율 0, 5, 10, 20, 30% 조건에서 두 가지 시나리오에 대해서 해석을 진행하여 시나리오에 따른 결과를 분석하였다. 무탄소 연료인 암모니아 혼소에 따라 암모니아 혼소율 20% 기준 CO2 배출 저감량이 약 147 ton/hr 증가하였고, 암모니아 혼소에 따른 터빈 전력 생산량의 감소로 인하여 플랜트의 효율이 약 0.3% 감소하였다. 추가적으로 공정해석을 통해서 석탄 전소와 동일한 전력 생산량을 확보하기 위한 추가 연료 투입량과 이에 따른 CO2 배출량을 도출하였다. 공정해석 결과에 기반하여 암모니아 생산 방법 별 암모니아 혼소에 대한 경제성 평가를 진행하였다. 기존 석탄 화력 발전소에 암모니아 혼소율 20% 적용을 기준으로 수익 및 비용을 산출하고 2022년 기준 석탄 및 암모니아 가격과 탄소배출권 비용을 기준으로 암모니아 혼소에 대한 경제성 평가를 도출하였다. 그리고 경제성 평가 주요 항목들에 대하여 parametric study를 진행하여 경제성 확보 조건을 도출하였다. 암모니아 가격의 경우 257 원/kgNH3 이하의 조건에서 경제성 확보가 가능하였고, 탄소배출권 가격의 경우 석탄화력 암모니아 생산 기준 549,000 원/ tCO2 이상 조건에서 경제성 확보가 가능한 것으로 도출되었다. 추가적으로 공정해석 결과 기반 터빈 전력 생산량 확보를 위한 추가 연료 투입량과 CO2 배출량을 통해서 터빈 전력 생산량 확보에 따른 경제성 평가를 추가로 진행하여, 연료 추가 투입에 따른 비용과 CO2 배출량 증가에 따른 탄소배출권 비용 증가에 따라 경제성이 하락하는 결과를 보였다. 결론적으로, 본 연구에서의 경제성 평가 결과를 통해 실제 석탄 화력 발전소에 암모니아 혼소 적용 전 암모니아 혼소에 대한 사전 평가를 위한 기초적인 자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In response to the 2050 carbon neutrality declaration, the Republic of Korea has established gradual goals and introduced various policies to achieve them. Key policies include reducing coal-fired power generation and introducing renewable energy. Consequently, outdated coal-fired power plants are being phased out, and there is a proposal to introduce ammonia co-firing in coal-fired power generation using existing facilities. Ammonia, a carbon-free fuel, has different combustion characteristics compared to coal, leading to variations in heat transfer properties. Due to changes in heat transfer characteristics, the plant's performance varies, too. Therefore, from an operational perspective, evaluating the thermal performance and conducting an economic evaluation of ammonia co-firing in coal-fired power plants is essential. In this paper, a supercritical pulverized coal plant process simulation model was developed to analyze the performance of ammonia co-firing. The model simulated the entire plant by linking the boiler system model and the turbine system model. The analysis was conducted under two scenarios for ammonia co-firing ratio of 0, 5, 10, 20, and 30% to interpret the results based on different scenarios. With a reference ammonia co-firing ratio of 20%, the CO2 emission reduction increased by approximately 147 tons/hr. However, due to the decrease in turbine power production associated with ammonia co-firing, the plant's efficiency decreased by about 0.3%. Further analysis was performed to determine the additional fuel input and resulting CO2 emissions required to secure the same power generation as coal combustion. Based on the process simulation results, an economic evaluation of ammonia co-firing was conducted for each method of ammonia production. Using a reference of 20% ammonia co-firing in an existing coal-fired power plant, benefits and costs were calculated. The economic evaluation of ammonia co-firing was derived based on coal and ammonia prices as of 2022, along with the cost of carbon emissions. Furthermore, a parametric study was carried out on key economic evaluation components to identify conditions for economic feasibility. The economic feasibility was found to be achievable when the price of ammonia was below 257 Won/kgNH3 and the carbon emissions cost was above 549,000 Won/tCO2 for coal-fired ammonia production. Additionally, an economic evaluation was conducted considering the securing of turbine power production based on the results of process analysis. This included analyzing the economic feasibility of securing turbine power production by evaluating the additional fuel input and CO2 emissions. The results showed a decrease in economic feasibility due to increased costs from additional fuel input and higher carbon emissions costs. In conclusion, the economic evaluation results from this study provide foundational data for a preliminary assessment of ammonia co-firing in actual coal-fired power plants before its application.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 선행 연구 4
• 1.2.1. 암모니아 연소성 4
• 1.2.2. NOx 배출 특성 4
• 1.2.3. 실증 규모 실험 5
• 1.2.4. 열성능 및 경제성 평가 5
• 1.3. 연구 필요성 및 목적 8
• 제2장 해석 방법 및 조건 11
• 2.1. 플랜트 공정해석 11
• 2.1.1. 대상 플랜트 11
• 2.1.2. 보일러 시스템 모델 14
• 2.1.3. 터빈 시스템 모델 24
• 2.1.4. 모델 연계 알고리즘 27
• 2.1.5. 암모니아 혼소 시나리오 29
• 2.2. 경제성 평가 31
• 2.2.1. 경제성 평가 기법 31
• 2.2.2. 경제성 평가 조건 33
• 제3장 해석 결과 34
• 3.1. 암모니아 혼소에 따른 플랜트 성능 평가 34
• 3.1.1. 물질 정산 34
• 3.1.2. 복사 열전달량 36
• 3.1.3. 대류 열전달량 40
• 3.1.4. 배가스 온도 42
• 3.1.5. 물-증기 온도 45
• 3.1.6. CO2 저감량과 플랜트 효율 48
• 3.1.7. 터빈 전력 생산량 확보 50
• 3.2. 암모니아 생산 방법에 따른 암모니아 혼소 경제성 평가 52
• 3.2.1. 경제성 평가 주요 항목 52
• 3.2.2. 암모니아 가격에 따른 경제성 평가 결과 54
• 3.2.3. 탄소배출권 가격에 따른 경제성 평가 결과 56
• 3.2.4. 터빈 전력 생산량 확보에 따른 경제성 평가 결과 58
• 제4장 결론 60
• 4.1. 결론 60
• 4.2. 향후 연구 62
• 참고 문헌 63
• 부록 71
• Performances 74
• Abstract 75