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석탄 IGCC 플랜트 성능예측을 위한 공정모델 기술개발
유정석(Jeongseok Yoo),백민수(Minsu Paek),김유석(Youseok Kim) 대한기계학회 2009 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2009 No.5
The optimal operation condition of gasifier is one of the most important parameters to increase efficiency and reliability in IGCC plant besides key design condition. But, the gasifier process providers are protective with information on process design and optimal gasifier design conditions. So, the most process studies in the engineering company for gasification plant have carried out to look for key parameters and optimal design conditions using several prediction methods and demonstration test. The predicted performance using Aspen Plus provide net plant efficiency of 41~42% and net electric power of 302MWe.
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구자형(Koo, Jahyung),백민수(Paek, Minsu),유정석(Yoo, Jeongseok),김유석(Kim, Youseok) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11
분류층 석탄가스화기에서 슬래그의 원활한 배출은 가스화 플랜트 운전 및 성능에 중대한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 가스화기의 운전 온도에서 슬래그 점도가 일정수준 이상인 경우에는 가스화기 하부 슬래그 배출구 막힘 현상을, 일정 수준 이하일 경우에는 Membrane wall의 slag 두께가 얇아져 가스화기 수냉벽에 열적 악영향을 미친다. 가스화기의 안정적인 운전을 위한 석탄 선정 시, 석탄 슬래그의 용융온도 및 점도의 파악이 중요하다. 일반적으로 석탄슬래그의 용융온도는 ASTM D-1857 절차에 따른 환원분위기에서의 회융유온도(FT)측정을 통해, 점도는 고온점도측정 실험을 통해 분석하고 있다. 이런 실험적인 분석방법은 다양한 슬래그조성 및 온도 변화에 따른 영향을 살펴보기에는 많은 시간과 비용이 발생하므로 슬래그조성 및 온도 변화에 따른 용융온도 및 점도 예측이 필요하다. 본 연구에서는 200여 탄종의 회용유점 측정 결과와 FactSage에서 예측되는 슬래그 결정상 생성 및 회용유점(FT)에서의 고체분율과의 상관관계를 분석하였다. 이를 바탕으로 다양한 Ash 조성(SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO)에 대한 회용유점(FT)을 예측할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 또한 50여 탄종의 슬래그 점도 측정 결과를 Facsage에서 예측되는 결정상 종류 및 Ash 조성을 기준으로 분류하였다. 결정상 종류 및 Ash 조성을 기준으로 기존 슬래그점도예측모델를 활용하여 보다 정확한 슬래그 점도 예측 프로세스를 개발하였다. 본 연구 결과는 플랜트 운전 결과 검증을 통하여 석탄 가스화 플랜트에 적합한 석탄의 선정, 혼탄 비율 및 첨가제 투입량 결정을 위해 활용될 것으로 기대된다.
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300MW 급 IGCC Power Plant CO<sub>2</sub> 제거공정의 Case Studies 및 Plant 성능 영향 분석
전진희(Jeon, Jinhee),유정석(Yoo, Jeongseok),백민수(Paek, Minsu) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11
300MW 급 태안 IGCC 가스화 플랜트 및 기존 발전소에 CCS 를 설치할 경우에 대해 기술 타당성 검증을 목적으로 CCS 모델링을 수행하였다. CCS Case Studies 는 플랜트 운전부하에 따른 CO₂ 제거율, H₂S 제거율, 소모동력 범위 등 플랜트 성능을 예측할 수 있다. Case Studies 결과를 활용하여 설계된 CCS 설비 용량이 운전범위에 적합한지를 판단할 수 있고 과잉 설계되었을 경우 플랜트 건설비를 절감할 수 있다. IGCC 가스화 플랜트에서 생산되는 합성가스의 CO₂ 분압, 목표 CO₂ 제거율, 경제성을 기준으로 적합한 CCS 공정을 판단한 결과 Selexol 공정이 선정되었다. Selexol 공정은 고압, 고농도의 산성가스 제거에 적합하며 다른 물리적 용매인 Rectisol 공정에 비해 건설비용이 경제적이고 화학 흡수제인 아민과 비교하여 운전 온도 범위가 넓다. CO, H₂O 를 CO₂, H₂ 로 전환하는 Water Gas Shift Reaction (WGSR) 공정은 Co/Mo 촉매 반응기로 구성되었고 Selexol 공정은 H₂S Absorber, H₂S Stripper, CO₂ Absorber, CO₂ Flash Drum 로 구성되었다. WGSR+Selexol 모델링은 Wet Scrubber 후단의 합성가스 (40.5 bar, 136{sim}139?C) 를 대상으로 하였다. WGSR+Selexol 공정 운전 조건 변화 [Process Design Case(PDC), Equipment Design Case(EDC), Turndown Design Case(TDC)] 에 따른 플랜트 모델링 결과를 비교분석 하였다. 주요 분석 내용은 WGSR 설비에서의 CO 의 CO₂ 전환 효율, Selexol 설비에서 CO₂ 제거 효율, H₂S 제거 효율이다. 모델링 결과 WGSR 설비에서의 CO 의 CO₂ 로의 전환율 99.1% 이상, Selexol 설비에서 CO₂ 제거율은 91.6% 이상, H₂S 제거율 100%이었다. CCS 설비 설치에 따른 플랜트 성능 영향을 분석하기 위해서 CCS 설비의 Chiller, Compressor, Pump 소비동력을 계산하였다. 모델링 결과 Chiller 는 2.6~8.5 MWth, Compressor 는 3.0~9.6 MWe, Pump 는 1.4~3.0 MWe 범위 이었다. 플랜트 로드가 50%인 TDC 소모동력은 플랜트 로드가 100%인 PDC 소모동력의 절반 수준이었다. 합성가스를 WGS+Selexol 공정을 통해 수소가스로 전환시키면 가스터빈 연료가스의 Lower Heating Value (LHV) 값이 평균 11.5% 감소하였다.
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300MW급 IGCC Power Plant용 CO<sub>2</sub> 제거공정 분석 및 모델링
전진희(Jeon, Jinhee),유정석(Yoo, Jeongseok),백민수(Paek, Minsu) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11
2020년까지 대형 CCS (Carbon Capture and Storage) Demo Plant 시장 (100MW 이상) 이 형성될 전망이다. 발전 부문에서 대규모 CCS 실증 프로젝트는 총 44개이며 연소전(41%), 연소후(28%), 순산소(3%) 프로젝트가 계획되어 있다. 순산소 연소 기술은 실증진입단계, 연소후(USC) 기술은 상용화 추진단계, 연소전 (IGCC) 기술은 실증완료 이후 상용화 진입 단계이다. IGCC 발전의 석탄가스화 기술은 타 산업분야에 서 상용화 되어있어 기술신뢰성이 높다. IGCC 단위설비 기술 개발을 통한 성능개선 및 비용절감에 대한 잠재력을 가지고 있기 때문에 미래의 석탄발전기술로 고려되고 있다. IGCC 기술은 가장 상용화에 앞서있지만 아직까지 IGCC+CCS 대형 설비가 운전된 사례가 전 세계적으로 없으며 미국 EPRI 등에서 Feasibility Study 단계이다. 현재 국책과제로 수행중인 300MW급 태안 IGCC 플랜트를 대상으로 향후 CCS 설비를 적용했을 경우에 대해 기술 타당성 검증을 목적으로 IGCC+CCS 모델링을 수행하였다. 모델링은 스크러버 후단의 합성 가스를 대상으로 하였다. Water Gas Shift Reaction (WGSR) 공정 및 Selexol 공정을 구성하여 최종 단에서 수소 연료를 생산할 수 있도록 하였다. WGSR 공정은 Co/Mo 촉매반응기로 구성되었다. WGSR 모델링을 통하여 주입되는 스팀량 (1~2 mol-steam/mol-CO) 및 온도 변화 (220-550?C)에 따른 CO가스의 전환율을 분석하여 경제적인 설계조건을 선정하였다. Selexol 공정은 H₂S Absorber, H₂S Stripper, CO₂ Absorber, CO₂ Flash Drum으로 구성된다. Selexol 공정의 CO₂와 H₂S 선택도를 분석 하였으며 단위 설비별 설계 조건을 예측하였다. 모델링 결과 59kg/s의 합성가스(137?C, 41bar, 가스 조성은 CO₂ 1.2%, CO 57.2%, H₂ 23.2%, H₂S 0.02%)가 WGSR Process를 통해 98% CO가 CO₂ 로 전환되었다. Selexol 공정을 통해 H₂S 제거율은 99.9%, CO₂제거율은 96.4%이었고 14.9kg/s의 H₂(86.9%) 연료를 얻었다. 모델링 결과는 신뢰성 검증을 통해 IGCC+CCS 전체 플랜트의 성능예측과 Feasibility Study를 위한 자료로 활용될 예정이다.
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300MW 급 IGCC 석탄가스화 플랜트에서 가스화기 부하변동에 따른 MP Steam 발생 특성 예측
김유석(Youseok Kim),박성구(Sungku Park),백민수(Minsu Paek) 대한기계학회 2013 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2013 No.12
One of the characteristics of IGCC plant is to produce the steam by recovering heat from the gasifier and syngas cooler’ evaporator. In case of 300MW class IGCC, coal gasification plant can produce middle and high pressure steam to run the steam turbine for electricity generation. The middle pressure water circulating system consists of steam drum, water circulating pump, gasifier MP evaporator, syngas cooler MP evaporator and O<SUB>2</SUB> preheater. In this study, the energy balance was calculated and the performance results were predicted in middle pressure steam drum. According to the change of gasifier load, it is predicted that the heat recovery rate of gasifier MP evaporator is almost constant in 15MWth. Also the steam production rate from middle pressure steam drum has the range of 7~12kg/s.
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300MW급 IGCC 가스화 플랜트의 엔지니어링 현황 및 가스화 블록 성능예측
김유석(Kim, Youseok),김봉근(Kim, Bongkeun),백민수(Paek, Minsu) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11
미국과 유럽에서는 이미 10여 년 전부터 250MW급 이상의 대용량 석탄IGCC 플랜트를 상업운전 하고 있으며, 일본과 중국을 비롯한 아시아에서도 대용량 플랜트를 시운전하고 있거나 건설 중에 있다. 한국에서는 제4차 전력수급계획에 의거 태안화력 부지 내에 300MW급 IGCC 플랜트 건설을 추진 중이며, 두산중공업은 '10년 상반기에 IGCC 가스화 플랜트에 대한 FEED 설계 (Front-Eng Engineering Design)를 완료하였다. 그 과정 중 설계조건에 의한 기본 엔지니어링 사항과 석탄 가스화 플랜트에 대한 성능예측 결과를 본 연구에서 소개한다. 가스화 플랜트의 엔지니어링은 가스화 블록과 가스정제 블록으로 구분하여 수행하였다. Process Data를 이용하여 PFD Development, P&ID Generation, Equipment Specification 개발, HAZOP 수행, Architecture Engineering 등의 순으로 FEED 설계를 진행하였다. BOD (Basis of Design)를 기준으로 운전조건별 Heat & Mass Balance와 Process Flow를 재검토하고 각 기기별 운전개념을 반영하여 P&ID를 개발하였다. 그리고 배관, 전기 및 제어에 대한 각종 Diagram 개발과 HSE (Health, Safety and Environment) 관련 설계를 수행하였다. IGCC 1호기의 엔지니어링 수행과 함께 Next 호기 자체설계 역량 확보를 위해 두산중공업은 'DIGITs'로 명명된 개념기본설계 Tool을 개발하고 있다. DIGITs는 공정모델링, 단위기기 개념설계, 공정구성 (Process Configuration) 및 종합 Database Package 형태로 구성된다. DIGITs에 의한 계산 결과 공정사 Process Data 기준시 가스화 블록 출구에서 Syngas HHV와 Syngas 현열은 각각 약 636MW_{th}와 약 18MW_{th}로, Plant 설계조건 630MW_{th}를 만족하는 것으로 예측되었다. 향후 DIGITs는 가스정제 블록 및 주변 BOP 설비 등과 연계한 종합 개념기본설계 Tool로써 개발 진행 중이다.
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유정석(Yoo, Jeongseok),김유석(Kim, Youseok),백민수(Paek, Minsu) 한국신재생에너지학회 2013 신재생에너지 Vol.9 No.3
The gasification process has developed to convert coal into the more useful energy and material since decades. Despite the numberous design of ones, entrained flow gasifier of the major companies has had an advantage on the market. Because it has a merit of full-scale and high performance plant. In this paper, the gasification technologies of GE energy, Phillips, Siemens and Shell have been reviewed to compare their characteristics and a high performance gasification process was suggested. And the simulation model of gasifiers using Aspen Plus offered the quantitative comparison data for difference designs. The simulation results revealed the poor performance of the slurry feed than dry design. The corresponding cold gas efficiency of 77% is much lower than the 80.3% for the dry feed cases. The exergy analysis of the difference syngas quenching system showed that chemical quenching is superior to another. The results of analysis recommend the two stage gasifier with dry multi-feeder as the energy effective design.
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