IGCC 플랜트에서 산소분리공정의

잉여질소 이용 연구

서석빈, 김종진, 조상기, 이윤경, 안달홍

한전 전력연구원

A Study on the utilization of an excess nitrogen of ASU for IGCC plant

Suk-Bin Seo, Jong-Jin Kim, Sang-Kie Cho, Yun-Kyoung Lee, Dal-Hong Ahn

Korea Electric Power Research Institute

1. 개요

석탄가스화복합발전은 석탄을 연료로 사용하면서 NOx, SOx 등 오염물 발생량이 적으면서 가스터빈을 채용한 복합발전 방식으로 효율이 높은 청정에너지 발전방식이다. 특히 전력생산 분야에서 석탄화력의 비중이 높은(□98. 6월 현재 25.9%(한전통계자료)) 우리나라의 경우 강화되는 석탄화력발전소에 대한 오염물 배출량 제한에 대처하기 위해 기존 석탄화력의 대안으로써  석탄가스화복합발전이 부각되고 있다.

석탄가스화복합발전은 석탄을 가스화하는 가스화공정과 이 공정에 필요한 산소를 공급하는 산소분리공정, 석탄가스를 정제하는 탈황공정, 그리고 이 가스를 연소하여 발전하는 가스터빈 및 복합사이클로 구성되어있다. 석탄가스화복합발전은 이러한 여러 공정들로 구성되어있기 때문에 이 공정들간의 적정한 연계가 전체 플랜트 성능에 큰 영향을 미친다. 본 연구는 석탄가스화복합발전에서 산소분리공정으로부터 나온 잉여질소를 가스터빈에 활용함으로써 플랜트 성능을 향상시키는 방법들을 검토하고 이들 방법을 적용하였을 때 플랜트 성능을 비교, 검토하였다.

2. 산소분리공정의 잉여질소 활용방법

산소분리공정은 공기를 극저온상태에서 산소와 질소의 비등점 차이를 이용하여 산소와 질소를 분리하는 공정으로써 석탄가스화복합발전 플랜트에서는 이 공정에서 생산된 산소는 가스화기에 필요한 산화제로 사용되며 종래에는 생산된 잉여질소는 대기로 배출된다. 이 잉여질소를 회수하여 복합사이클의 가스터빈에 사용함으로써 IGCC 플랜트의 성능을 향상시키는 방법이 최근에 연구되고 있다.

1) 가스터빈 연소기 주입 방법

천연가스나 경유연소 가스터빈에서 NOx 제어를 위해 주로 물분사 또는 증기분사를 채용하며 최근에는 저 NOx 연소기도 채용하고 있다. 물분사 방법은 투자비는 적게 들지만 열충격으로 가스터빈에 손상을 가져오는 단점이 있으며, 증기 공급이 가능하지 않은 가스터빈 사이클에 널리 이용된다. 증기주입 방법은 복합사이클에서 많이 채용되고 있는데, 증기사용에 따른 증기사이클의 출력을 감소시키며 증기주입으로 인한 용수 소비량 증대는 용수가 부족한 지역에서 제한점이 된다. 산소분리공정과 같은 site 에 있는 IGCC 플랜트에서 이들 방법대신에 산소분리공정으로부터 나오는 잉여질소를 회수하여 가스터빈 연소기에 주입함으로써 NOx를 제어하고 출력을 증대시키는 질소연계방법이 연구되었으며[1], 미국 Tampa IGCC Plant에서 이 방법이 채용되었다.

2) 잉여질소주입과 가스터빈 압축기 공기추출

전통적인 복합사이클 플랜트에 사용되는 가스터빈과 비교하여, IGCC플랜트에 설치되는 가스터빈은 상대적으로 낮은 발열량의 연료가스가 공급된다. 이에 따른 연료가스 유량의 증가는 다른 조건이 변화하지 않는다면 가스터빈압축기에서 서지문제를 가져오게 된다. 이 문제를 완화하기 위해 가스터빈 압축기의 압축공기 일부를 추출하여 산소분리공정에 공급하는 방법이 있다. 가스터빈 압축기로부터 추출된 압축공기는 산소분리공정으로 공급되어 산소분리공정에서 필요한 공기로 사용되며 산소분리공정에서 분리된 잉여질소는 회수되어 가스터빈 연소기에 주입되어 NOx제어를 위한 희석제로서 사용된다. 추출된 공기의 보유열은 적절한 열교환망을 사용하여 회수하게 된다. 또한 공기추출에 따른 가스터빈의 팽창기 유량 저하에 의한 출력 감소를 억제하고 NOx 제어의 수단으로 공정중의 저준위 열원을 회수하여 연료가스 또는 회수질소를 가습하는 방법이 병행하여 흔히 채용된다. 이 방법에는 가스터빈 추출공기로 산소분리공정에 필요한 전량의 공기를 공급하는 완전 공기연계방식과 일부만을 공급하는 부분 공기연계 방식이 있다.

3) 잉여질소를 이용한 가스터빈 압축기 입구냉각

잉여질소를 이용한 또 다른 방법으로 산소분리공정의 잉여질소를 이용하여 압축기 입구를 냉각하는 방법이다[2],[3]. 이 방법은 두 공정간의 연계가 간단하며 가스터빈 특성상 압축기 입구온도 저하에 따른 가스터빈 성능이 향상된다. 고압 산소분리공정에서 나온 약 3∼5bar, 18∼20℃의 질소는 가스터빈 압축기 입구압력까지 팽창되어 냉각된 후, 가스터빈 입구에 공급되어 입구 공기온도를 냉각시켜 가스터빈 성능을 향상시키는 방법이다. 이 방법은 대기온도가 높은 기후에 적합하다.

3. 잉여질소활용 방법에 따른 IGCC 성능 비교

위에서 검토된 잉여질소 활용방법들을 채용시 IGCC 플랜트 성능을 검토하기 위해 대상공정을 선정하고 각 경우에 대한 공정모사를 수행하였다. 본 연구에서 대상으로 하는 공정은 Texaco Quench 가스화 공정을 채용한 300MW급 IGCC  로서 주요 구성설비는 Table 1와 같으며 설계기준은 다음과 같다.

○ 설계기준

- 대기조건 : 15℃, 습도 60%

- NOx 발생량 기준 : 60ppmd@6% O2

- 설계탄 : Datong Coal

- 300MW급 IGCC 1기

Table 1.  IGCC main components

Main Components	Type
Gasifier	Oxygen-blown, Texaco Quench Gasifier Slurry feed
Gas Clean-Up	Wet Scrubber, Low Temp, COS Hydrolysis
Gas Turbine	GE 7FA
Heat Recovery Steam Generator	3 pressure level, Unfired, Reheart
Air Separation Unit	Cryogenic separator

잉여질소 활용방법에 따른 IGCC 플랜트 성능을 비교, 분석하기 위해 다음과 같은 option case를 선정하고 이들 각 case 에 대해 공정모사를 수행하고 플랜트성능을 계산하였다.

① Base case : 잉여질소를 활용하지 않는 기준 공정 채용

② Case 1    :  가스터빈 연소기에 잉여질소 주입 방법 채용

③ Case 2   :  잉여질소 주입 및 가스터빈 압축기 출구의 압축공기 추출                       방법 채용

④ Case 3    :  잉여질소를 이용한 가스터빈 압축기 입구냉각 방법 채용

플랜트 성능계산 결과는 Fig. 1, 2와 같다. Case 1의 경우 출력 및 효율이 Base case에 비해 적은 것으로 나타났으며 이는 질소주입에 따른 가스터빈 출력이 증대하나 가스터빈 축 토크의 제한 때문에 가스터빈 출력이 제한되는 반면, 질소주입에 필요한 질소압축기 동력이 증대되었기 때문이다. Fig. 1, 2에 나타난 바와 같이 플랜트 출력 및 효율은 Case 2가 최대임을 알 수 있다. 이는 가스터빈의 최대출력을 유지하면서 가스터빈 압축공기 일부를 추출하여 산소분리공정에 공급함으로써 산소분리공정의 압축기 소비동력이 감소되었기 때문이다. Case 3의 경우 잉여질소의 가스터빈 연소기주입에 따른 질소압축기 소비동력이 일부 증대되나 잉여질소에 의한 가스터빈 압축기 입구 공기냉각에 따른 출력증대로 Base case와 유사한 플랜트 출력을 나타내며 플랜트 효율은 Fig. 2와 같이 Base case에 비해 증대되는 것으로 나타났다.

Fig. 2.  Net Plant Efficiency on

each cases

Fig.1. Net Plant Output at each

cases

4. 결 론

석탄가스화복합발전플랜트에서 산소분리공정의 잉여질소를 활용하는 방법들을 검토하였다. 또한 이들 방법들을 채용할 경우 IGCC플랜트 성능을 비교하기 위해 기준 대상공정을 선정하고 각 방법들에 대해 공정모사를 수행하고 플랜트 성능을 계산하였다. 그 결과 산소분리공정의 잉여질소를 가스터빈 연소기로 주입함과 동시에 가스터빈 압축기 출구의 압축공기를 추출하여 산소분리공정에 요구하는 공기를 공급하는 방법이 플랜트 출력과 효율이 가장 향상되는 것으로 나타났다.

참고문헌

1. US Patent No. 5,406,786, 5,802,875, 5,901,547

2. A. d. Rao, A. R. Smith "Integration of Texaco TQ Gasification with           Elevated Pressure ASU" 12th EPRI Coal Gasification Conference, (1993)

3. U.S Patent No. 5,388,395

4. C. S. Cook, J. C. Corman, D. M. Todd "System Evaluation and LBTU Fuel    Combustion  Studies for IGCC Power Generation" Transactions of the         ASME, (1995)

5. ABB "GAs turbine(GT) Air Separation Unit(ASU) Integration for GCC, A     Study based on    ABB-EV Burner Technology for Gas Turbines"

6. P.J. Dechamps "The Optimum Integration of the ASU in an IGCC Power      Plant."

7. 김종진 외 5명 □Shell 석탄가스화 복합발전 시스템의 성능해석 연구" 한국에너    지공학회, 제 6권 제1호(1997)

8. M. S. Johnson "Prediction of Gas Turbine On-and Off-Design Performance     When firing Coal-Derived Syngas" Transactions of the ASME, (1992)

9. 전력연구원 □석탄가스화복합발전기술개발(Ⅰ)", Technical Report, (1997)

10. A. D. Rao, etc "HP Integrated Verus LP Non-Integrated ASU in Destec       IGCC" 12th EPRI Coal Gasification Conference, (1993)

11. Raymond R. Olson, Jr, etc "Air Separation Integration for GCC Plants"        10th EPRI Coal Gasification Conference, (1991)

12. A. R. Smith, "Integration of Oxygen Plants and Gas Turbines in IGCC        Facilities" 58th American Power Conference, (1996)

13. 서석빈 외 3명 □ 공기연계시 IGCC 플랜트 성능영향 분석□ 한국에너지공학회      춘계 학술 발표 (1999)

14. Enter Co. "GateCycle User guide"