IGCC 발전공정 적용을 위한 습식 CO2 포집 상용 공정의 평가

천성남,이정빈,김준한,엄용석 한국폐기물자원순환학회 2013 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2013 No.2

초임계 미분탄(SPC; Supercritical Pulverized Coal) 보일러 발전공정을 대체하는 미래 신발전 공정의 하나로 가스화 복합발전공정(IGCC;Integrated Gasification and Combined Cycle)이 주목 받고 있다. IGCC 공정은 SPC 보일러 발전공정과 비교하여 높은 초기 투자비가 문제가 되지만 발전분야에서 문제로 지목되고 있는 지구온난화 가스인 이산화탄소 포집을 하는 경우 유리한 발전 방식으로 알려져 있다. MIT에서 발표된 자료에 따르면 SPC 발전방식과 IGCC 발전 방식에서 이산화탄소를 포집하는 경우의 발전효율 저감은 각각 9.2% P와 7.2% P로 이산화탄소 포집공정을 연계하는 경우 IGCC 공정이 미래 발전시장에서 우위를 점할 수 있을 것으로 예상하고 있다. IGCC 공정에서 이산화탄소의 포집은 가스화 기에서 만들어진 합성가스 중 일산화탄소(CO)를 수성가스전환(WGS;Water Gas Shift) 반응을 거쳐 이산화탄소(CO₂)로 전환하고 이를 연소기에 공급하기 전에 발전공정에서 제거하게 되며, 이런 이유로 이 공정을 연소 전 CO₂ 포집공정이라고도 부른다. 연소 전 이산화탄소 포집공정은 처리대상가스 중 이산화탄소의 분압이 높고 전체 공정이 고압에서 운전되기 때문에 화학흡수제보다 Henry의 법칙이 적용되는 물리흡수제를 이용하는 공정이 권장되고 있다. 현재까지 화학공정에서 이산화탄소를 분리하기 위한 몇 가지 이산화탄소 분리공정이 개발되어 적용되고 있으나 IGCC 공정에 최적화된 상용 규모의 공정은 제안되어 있지 않다. 본 한국전력공사 전력연구원에서는 2012년부터 위와 같은 기술적 요구와 필요에 대응하기 위해 IGCC 공정에 적용 가능 한 연소 전 습식 이산화탄소 포집기술 확보를 위한 연구개발에 착수하였으며 현재 IGCC에 적용가능한 흡수제의 개발과 이산화탄소 포집 최적공정에 대한 검토를 진행 중이다. 본 논문에서는 최적공정에 대한 검토를 위해 100 MWe 규모의 전력을 생산하는 IGCC 공정에 적용 가능한 이산화탄소 흡수 공정 5개를 AspenPlus를 이용하여 모델링하여 공정의 최적화를 수행하고 이를 통해 얻어진 결과로부터 각 공정의 주요 공정인자들과 주요설비인 흡수탑의 크기와 공정별 에너지 사용량을 비교 하였다. 검토된 공정은 물리흡수공정으로 Selexol, Rectisol, 및 Purisol 공정이 선정되었으며 화학흡수공정과의 비교를 위하여 연소 후 공정에서 널리 쓰이는 대표적 amine 공정인 aMDEA 공정과 물리 및 화학흡수제가 혼합사용되는 Sulfinol 공정이 함께 검토되었다. 각 공정의 주요 공정인자로는 Rectisol 공정의 흡수제 순환량이 Selexol 공정 등 다른 공정에 비해 1.2 이하로 작게 나타났으나 흡수제 손실량은 약 10배 이상 큰 것으로 평가되었다. 또한 흡수탑의 크기 면에서는 aMDEA 공정이 가장 유리한 것으로 평가되었으나 에너지 사용량의 측면에서 화학 흡수공정이 2 ~ 5 배정도 큰 것으로 나타나 운영비가 상대적으로 높게 될 것으로 평가 되었다. 본 연구를 통해 연소 전 CO₂ 포집공정 들의 설계 및 운영 기초자료를 확보하였으며 계속해서 공정의 경제성 및 신뢰성 등의 평가를 통해 최적공정을 선정해 갈 예정이다.

IGCC 가스화기 산소 공급 압력 안정화를 위한 ASU 공정 제어 방식 개선에 관한 연구

방기철,유정현,조현우,손영득 사단법인 한국융합기술연구학회 2023 아시아태평양융합연구교류논문지 Vol.9 No.8

IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) is an environmentally friendly and highly efficient energy source; however, it has high construction and maintenance costs, as well as operational complexity, leading to lower reliability. Since its completion in 2016, IGCC has improved its utilization rate to around 78% through efforts to stabilize its facilities. However, in order to achieve the target utilization rate of 85% set for IGCC, it is necessary to eliminate potential failure factors and minimize sudden shutdowns of the power plant. Currently, the potential issue with IGCC lies in the instability of gasifier load tracking, which is caused by the unstable oxygen supply pressure in ASU(Air Separation Unit), and it can lead to combustion instability, refractory material damage, and shortened equipment lifespan. Therefore, in order to address these problems, the causes of pressure instability and the drawbacks of existing control methods have been analyzed, and improvement measures have been proposed. These measures have been applied to the actual control system to validate their stabilization effects. IGCC(석탄가스화 복합발전)은 친환경, 고효율 에너지이지만, 건설비 및 유지비가 높고 설비 복잡성으로 인해 운영 신뢰도가 낮다. 국내 IGCC는 2016년 준공 이후 설비 안정화 노력을 통해 이용률을 78% 수준까지 향상시켰으나, IGCC가 목표로 하는 85% 이용률을 달성하기 위해서는 잠재적 고장요인을 제거하여, 돌발고장을 최소화해야 한다. 현재 IGCC의 잠재적 문제점은 가스화기 부하 추종 불안정이다. 이는 ASU(공기 분리 장치) 산소 공급 압력 불안정에 의해 발생되고 있으며, 연소 불안정, 내화재 손상, 기계 수명 단축 등을 유발할 수 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해, 압력 불안정 원인과 기존 제어방식의 문제점을 분석하고, 개선방안을 제시하였으며, 실제 제어시스템에 적용하여 안정화 효과를 검증하였다.

G-04 : IGCC 발전공정 적용을 위한 습식 CO2 포집 상용 공정의 평가

천성남,이정빈,김준한,엄용석 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2013 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2013 No.-

초임계 미분탄(SPC; Supercritical Pulverized Coal) 보일러 발전공정을 대체하는 미래 신발전 공정의 하나로 가스화 복합발전공정(IGCC;Integrated Gasification and Combined Cycle)이 주목 받고 있다. IGCC 공정은 SPC 보일러 발전공정과 비교하여 높은 초기 투자비가 문제가 되지만 발전분야에서 문제로 지목되고 있는 지구온난화 가스인 이산화탄소 포집을 하는 경우 유리한 발전 방식으로 알려져 있다. MIT에서 발표된 자료에 따르면 SPC 발전방식과 IGCC 발전 방식에서 이산화탄소를 포집하는 경우의 발전효율 저감은 각각 9.2% P와 7.2% P로 이산화탄소 포집공정을 연계하는 경우 IGCC 공정이 미래 발전시장에서 우위를 점할 수 있을 것으로 예상하고 있다. IGCC 공정에서 이산화탄소의 포집은 가스화 기에서 만들어진 합성가스 중 일산화탄소(CO)를 수성가스전환(WGS;Water Gas Shift) 반응을 거쳐 이산화탄소(CO2)로 전환하고 이를 연소기에 공급하기 전에 발전공정에서 제거하게 되며, 이런 이유로 이 공정을 연소 전 CO2 포집공정이라고도 부른다. 연소 전 이산화탄소 포집공정은 처리대상가스 중 이산화탄소의 분압이 높고 전체 공정이 고압에서 운전되기 때문에 화학흡수제보다 Henry의 법칙이 적용되는 물리흡수제를 이용하는 공정이 권장되고 있다. 현재까지 화학공정에서 이산화탄소를 분리하기 위한 몇 가지 이산화탄소 분리공정이 개발되어 적용되고 있으나 IGCC 공정에 최적화된 상용 규모의 공정은 제안되어 있지 않다. 본 한국전력공사 전력연구원에서는 2012년부터 위와 같은 기술적 요구와 필요에 대응하기 위해 IGCC 공정에 적용 가능 한 연소 전 습식 이산화탄소 포집기술 확보를 위한 연구개발에 착수하였으며 현재 IGCC에 적용 가능한 흡수제의 개발과 이산화탄소 포집 최적공정에 대한 검토를 진행 중이다. 본 논문에서는 최적공정에 대한 검토를 위해 100 MWe 규모의 전력을 생산하는 IGCC 공정에 적용 가능한 이산화탄소 흡수 공정 5개를 AspenPlus를 이용하여 모델링하여 공정의 최적화를 수행하고 이를 통해 얻어진 결과로부터 각 공정의 주요 공정인자들과 주요설비인 흡수탑의 크기와 공정별 에너지 사용량을 비교 하였다. 검토된 공정은 물리흡수공정으로 Selexol, Rectisol, 및 Purisol 공정이 선정되었으며 화학흡수공정과의 비교를 위하여 연소 후 공정에서 널리 쓰이는 대표적 amine 공정인 aMDEA 공정과 물리 및 화학흡수제가 혼합사용되는 Sulfinol 공정이 함께 검토되었다. 각 공정의 주요 공정인자로는 Rectisol 공정의 흡수제 순환량이 Selexol 공정 등 다른 공정에 비해 1.2 이하로 작게 나타났으나 흡수제 손실량은 약 10배 이상 큰 것으로 평가되었다. 또한 흡수탑의 크기 면에서는 aMDEA 공정이 가장 유리한 것으로 평가되었으나 에너지 사용량의 측면에서 화학 흡수공정이 2 ~ 5 배정도 큰 것으로 나타나 운영비가 상대적으로 높게 될 것으로 평가 되었다. 본 연구를 통해 연소 전 CO2 포집공정 들의 설계 및 운영 기초자료를 확보하였으며 계속해서 공정의 경제성 및 신뢰성 등의 평가를 통해 최적공정을 선정해 갈 예정이다.

300MW급 IGCC Power Plant용 CO₂ 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.

Process simulation and thermodynamic analysis of an IGCC (integrated gasification combined cycle) plant with an entrained coal gasifier

Lee, Jae Chul,Lee, Hyeon Hui,Joo, Yong Jin,Lee, Chang Ha,Oh, Min Elsevier 2014 ENERGY Vol.64 No.-

<P><B>Abstract</B></P> <P>An IGCC (integrated gasification combined cycle) is a widely used electrical power generation system that allows for a variety of feedstocks with high efficiencies. In this study, a 300 MW class IGCC plant was simulated using the PRO/II software package, and thermodynamic analysis was performed. The simulated results were compared to the basic design data for a 300 MW Class IGCC demonstration plant to evaluate the validity. Since changing the feed coal grade causes one of the most significant issues in operating an IGCC system, this study investigated the coal sensitivity of the system by examining two different grade coals (Coal #1: 25,439 kJ/kg and Coal #2:21,338 kJ/kg). Their net powers were determined via thermodynamic analysis and by evaluating the power generation and power consumption and were found to be 324.4 MW and 279.1 MW for Coal #1 and Coal #2. Based on the inlet coal energy, the overall efficiencies under the same conditions were found to be 40.38% for Coal #1 and 41.42% for Coal #2. This paper presents Sankey diagrams for the energy and exergy flow associated with the first and second laws of thermodynamics, and discusses how they influence the major components of the IGCC. As a final point, in order to elucidate the preferable coal in terms of financial sense, economic analysis was carried out on the viability of the cases considered. The costs of electricity for Coal #1 and Coal #2 were evaluated as 0.07 US$/kWh and 0.08 US$/kWh. Hence, Coal #1 can confidently be chosen as a more economic option even though, it costs relatively higher than the other Coal #2.</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> Process modeling and simulation for IGCC was carried out using PRO/II. </LI> <LI> The simulation methodology and result were validated using commercial design data. </LI> <LI> Coal sensitivity analysis was performed with two different grade coals. </LI> <LI> Power consumption, net power and thermal efficiencies were evaluated for two coals. </LI> <LI> Sankey diagram was presented for energy and exergy flows of two coals. </LI> </UL> </P>

IGCC를 기본으로 하는 IG-SOFC/GT 시스템의 성능

박성구(Sung Ku Park),김동섭(Tong Seop Kim) 대한기계학회 2009 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2009 No.11

An IG-SOFC/GT (Integrated Gasification Solid Oxide Fuel Cell/Gas Turbine) power generation system based on IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) is devised and its performance is analyzed and compared with IGCC system performance. First, the modeling of the IGCC system combining a gasifier block and G-class gas turbine based power block is performed on the basis of an open literature. Then, IG-SOFC/GT system is designed through the integration of a SOFC and the IGCC system. Three system configurations, differing in SOFC inlet temperature management and disposal of notrogen separated from the air separation unit, are compared. General conclusion is that the IG-SOFC/GT system can produce much larger power with a higher efficiency than IGCC system.

Optimization processes of energy efficiency for a IGCC plant

김미영,이중원 한국공업화학회 2015 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2015 No.1

석탄가스화는 석탄과 산소를 이용해 일산화탄소, 수소를 주성분으로 하는 합성가스를 생산하는 기술로써, 매장량이 풍부한 저열량 석탄을 전기나 대체천연가스와 같은 고급 에너지원으로 대체시킬수 있다. 또한 석탄가스화 기술을 이용한 대상 플랜트는 공정 중 이산화탄소를 포집함으로써 친환경 분야이다. IGCC 플랜트는 석탄가스화 기술을 적용하는 대표적인 사례로써, 복합발전을 병합한 효율적인 전력생산 에너지 시스템이다. IGCC는 석탄을 가스화하는 가스화공정, 석탄가스를 정제하는 정제공정, 전력을 생산하는 복합발전공정, 가스화공정과 발전공정에 공급하는 산소와 질소를 생산하는 공기분리공정으로 크게 구분할 수 있다. 본 연구에서는 Aspen plus를 이용하여 각 단위공정을 모사하고, 연계하여 500MW급 상용 IGCC 공정 모델을 구축하였다. 또한 구축된 공정 모델에 물/증기 연계 최적화를 수행하여 기존 모델에 비해 효율을 향상시키고자 하였다.

플랜트의 구성을 고려한 IGCC용 가스터빈의 성능해석

김영식(Young Sik Kim),이종준(Jong Jun Lee),김동섭(Tong Seop Kim),손정락(Jeong Lak Sohn),주용진(Yong Jin Joo) 대한기계학회 2008 大韓機械學會論文集B Vol.32 No.9

Integrated gasification combined cycle (IGCC) is an environment friendly method of using coal. Several commercial IGCC plants have been built worldwide during the past decade, and a domestic development project has also been launched recently. Operation and performance characteristics of a gas turbine in the IGCC plant deviates from those of original gas turbines due to several factors such as increased amount of fuel supply and integration with other components. In this study, performance of a gas turbine in the IGCC plant is analyzed considering its integration with the air separation unit (ASU). Influence of the degree of integration (split of air supplies to ASU from the auxiliary compressor and the gas turbine compressor) on the system performance is investigated. In addition, effect of modulating nitrogen return flow from the gasifier to the gas turbine on the operating characteristics of the gas turbine is examined.

IGCC 가스화공정 개발을 위한 테스트베드 설계

정재화(Jae Hwa Chung),서석빈(Seok Bin Seo),서혜경(Hae Kyung Seo),홍진표(Jin Pyo Hong),이민철(Min Chul Lee),주용진(Yong Jin Joo),안달홍(Dal Hong Ahn) 대한기계학회 2009 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2009 No.5

A Pilot scale gasification test bed, which has the capacity to gasify around 30 tons of coal per day has been designed for future IGCC research. The present design comprises the core equipments such as a gasifier, a dust removal system, desulfurizer, and a coal feeding system together with the auxiliary equipments i.e, a flare stack and figh pressure gas tanks. This test facility wiIl be constructed in KEPRI and used to support the operation of 300㎿ IGCC demonstration plant by pre-testing coal type and operation conditions. It can be expected that the test bed will be applied to speed up the domestic research for developing advanced gasification technology and syngas clean-up technology of IGCC.

IGCC 용융 슬래그로 제조된 지오폴리머의 강도증진에 Pre-curing이 미치는 영향

박수빈,김강덕,강승구,Park, Soo-bin,Kim, Kang-duk,Kang, Seung-gu 한국결정성장학회 2017 한국결정성장학회지 Vol.27 No.6

In this study, the effect of pre-curing process on the enhancement of mechanical properties of IGCC-slag-based-geopolymer was studied. Pre-curing is a process in which the green geopolymer is left at room temperature for a certain period of time prior to the high-temperature curing, and it is known as increasing the strength of a specimen. Therefore, in this experiment, the compressive strength of the geopolymers was measured according to various pre-curing conditions, and microstructure and crystal phase changes were observed by SEM and XRD, respectively. The W/S ratio was determined to be 0.26, which can offer the maximum geopolymer strength with easy molding ability, and the concentration of the alkali solution was 15 M. Pre-curing was performed at room temperature for 0 to 27 days. Compressive strength of the geopolymer made with pre-curing process increased by 36~87 % compared with the specimens made with no pre-curing process. Those improved compressive strength for the pre-cured geopolymer was confirmed owing to promotion effect of pre-curing process on generation of C-S-H gel and zeolite phases, which were analyzed using by XRD and SEM measurement. 본 연구에서는 IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle; 석탄 가스화 복합 발전)에서 배출된 용융 슬래그(이하 용융 슬래그)를 이용한 지오폴리머의 제조 시 pre-curing 공정이 지오폴리머의 물성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. Pre-curing이란 고온양생으로 지오폴리머를 제조하기 전에, 성형체를 상온에서 일정 시간 방치하는 공정으로서, 시편의 강도를 높이는 효과가 있다고 알려져 있다. 따라서 본 실험에서는 pre-curing 조건에 따른 지오폴리머의 압축강도 특성을 측정하였으며, SEM과 XRD로 미세구조 및 결정상 변화를 관찰하였다. W/S 비율(water/solid ratio)은 사전 실험을 통해, 성형이 가능하면서 최대 지오폴리머 강도를 확보할 수 있는 0.26으로 결정하였으며, 자극제인 알칼리 용액의 농도는 15 M로 고정하였다. 상온에서 pre-curing을 0~27일 범위 내에서 실시한 결과, pre-curing 공정을 적용한 지오폴리머의 경우, 그렇지 않은 시편에 비해 압축강도가 36~87 % 증가하는 것을 확인하였다. Pre-curing 시킨 시편에서 XRD 측정 결과, C-S-H 겔(calcium silicate hydroxide gel) 상 발현이 촉진되었고 SEM을 이용한 미세구조 관찰 결과, 부정형의 zeolite 상이 더 많이 성장된 것이 관찰되었으며 이러한 상들의 생성이 강도 증진에 영향을 미친 것으로 분석되었다.