엑서지분석을 통한 가스화기 운전조건 최적화

조상기, 박명호*, 김종진, 서석빈

전력연구원, *PCCS

Optimization of the gasifier operation conditions by exergy analysis

Sank-Ki Cho, Moung-Ho Park*, Jong-Jin Kim, Suk-Bin Seo

KEPRI, *PCCS

1. 서 론

가스화기 성능분석시 냉가스효율은 생성물인 석탄가스의 생성량과 조성만을 대상으로 하므로 여타 생성물들인 열, 증기 및 슬래그 등이 보유하고 있는 에너지는 분석시에 포함되지 않는다. 이들을 고려한다 할지라도, 각 배출물의 질을 고려하지 못하기 때문에, 다른 시스템과의 비교 및 공정개선 등의 연구에 적용되어지면 개선을 위한 정보를 제공할 수 없다.

본 연구에서는 엑서지분석방법으로 가스화시스템의 효율을 분석함으로써 가스화기의 최적운전조건을 설정하였다.

2. 엑서지분석

대상가스화기에 대한 투입 및 배출흐름들에 대한 엑서지값을 계산하고 이로부터 엑서지효율을 도출하였다.  모든 계산은 ASPEN PLUS를 이용하여 수행되었으며, 기체, 액체, 고체 및 연료(석탄)의 엑서지계산을 위하여 포트란을 이용한 코드를 개발하여 ASPEN PLUS에 연계시켜 엑서지값을 계산하였다. 이러한 방법은 사용자가 ASPEN PLUS에서 모사한 모든 공정에 대하여 적용 가능하다.

물질흐름의 엑서지계산 : 엑서지계산을 위하여 사용된 기준환경으로서 25℃ 및 1.01325bar에서 Ahrendts의 모델을 적용하였다.1) 물리, 화학 및 총엑서지는 각각 다음 식에 의하여 계산된다.

[eqn: rm □^PH ~=~ □ e^PH~ =~ □[(h - h_0 )- T_0 (s- s_0 ) ]]	(1)

[eqn: rm E^CH ~=~SUM x_k {e_k}^CH + □T_0 SUM x_k ln x_k]	(2)

[eqn: rm □^TOT ~=~ □^PH + □^CH~]	(3)

여기서 □은 질량흐름(kg/s), [eqn: rm e^PH~]는 비 물리엑서지(MJ/kg), 하첨자 0은 기준상태를 의미하며 [eqn: rm e^CH~]는 표준화학엑서지(MJ/kg)를 각각 나타낸다. 석탄의 표준화학엑서지는 다음 식으로 계산하였다.3)

[eqn: rm {e^ch}_MAF (T_0 ,P_0 ) ~=~(HHV)_{fuel,{i}n} - T_0 [s_{fuel,{i}n}} + rm nu_{O_2, {i}n} s_{O_2, {i}n} - SUM from {l} nu_l,out s_l,out ]]

[eqn: rm + [SUM from {l} nu_l,out {e^ch}_l,out - nu_{O_2 ,{i}n} {e^ch}_{O_2 ,{i}n} ]]	(4)

여기서, □는 양론계수, s는 엔트로피를 나타내며, HHV는 연료의 고위발열량을 각각 나타낸다.

엑서지효율정의 : 경계조건하에서 주어진 시스템의 엑서지효율은 다음과 같이 정의되어진다.

[eqn: rm zeta~=~{exergy~value~of~desired~result}over{exergy~value~of~inputs~utilized~t{o}~ p{r}oduce~that~results}]	(5)

대상 가스화시스템 : 대상 가스화기의 초기조건들은 Figure 1과 같다.  계산모델은 깁스에너지 최소화법을 이용한 반응기모델을 사용하였다.

Table . Gasifier design conditions

Coal mass flow(kg/s) Water mass flow(kg/s) Oxygen mass flow(kg/s) Coal inlet temp.(K) Water inlet temp.(K) Oxygen inlet temp.(K) Gasifier Temperature(K) Gasifier Heat Loss	25.894 8.153 20.782 394.15 394.15 477.34 1718 3%

Figure . Gasifier Diagram

3. 결과

대상 시스템의 에너지 및 엑서지분석 결과는 Table 2와 같다.

Table . Energy and exergy analysis

Cold Gas Efficiency(%) Exergy Efficiency(%) Exergy Consumption(MW) Exergy Input(MW) Exergy Products(MW)	79.387 84.997 90.904 696.9364 598.2375

Table 2에서 엑서지효율은 생성가스의 현열(물리엑서지)도 고려하기 때문에 가스의 발열량만을 이용하는 냉가스효율보다 높게 나타났다. 이러한 차이는 가스가 함유한 물리적엑서지와 거의 일치하는 양이다. 가스화기에서 약 90MW의 손실이 발생함을 알 수 있으며, 이는 투입되는 엑서지의 약 13%에 해당하는 큰 양이다.

손실을 줄이기 위하여, 엑서지기준 민감도 분석을 수행함으로써, 가스화기 운전조건의 최적화를 시도하였다. 변수로서 산소공급율, 산소공급온도, 슬러리 농도 및 슬러리 투입온도를 사용하였다. 결과는 Figure 2∼5에 나타내었다.

Figure . Relationship between exergy values and o2 feed rate

Figure . Relationship between exergy values and O2 temp.

Figure 2에서, 석탄중의 탄소가 완전히 전환되는 곳에서 엑서지효율이 최대이며 산소/석탄 비는 0.772(20.7kg/s)이다. 따라서, 투입되는 산소의 양은 최소한 이보다 커야 한다는 것을 알 수 있다. Figure 3에 의하면 산소예열온도가 증가함에따라 엑서지효율이 지속적으로 증가하는데, 민감도분석 결과로서 산소 투입온도는 최소한 360K이상이 되어야 하며, 가능한 높게 예열하는 것이 효율적이다.

Figure 4에는 슬러리농도 변화에 따른 엑서지를 살펴보았다. 슬러리농도가 낮을수록 엑서지효율이 감소하다가, 수분/석탄비가 0.34(8.85kg/s)로 부터 엑서지효율이 급격히 감소하였다. 따라서, 슬러리 제조를 위하여 투입되는 수분은 수분/석탄비율 0.34이하에서 가능한 낮은 농도로 투입되어야 한다. Figure 5는 슬러리 예열온도에 따른 영향으로 약 550K의 온도에서 슬러리중의 수분이 증발하기 때문에 급격히 변하는 것으로 나타났다. 가스화기의 손실을 줄이기 위하여 슬러리 예열온도를 주어진 압력에서 수분의 증발온도 이상으로 유지하는 것이 타당함을 알 수 있다.

Figure . Relationship between exergy values and H2O flow rate

Figure . Relationship between exergy values and H2O temp.

4. 결론

가스화기에 대한 엑서지분석을 수행함으로써, 가스화기의 적정 운전변수들을 파악하였다. 엑서지기준 민감도분석 결과 산소/석탄 비율은 0.772, 산소예열온도는 360K이상, 수분/석탄 비율은 0.34이하로 나타났으며, 슬러리 예열온도는 550K이상으로 유지하는 경우에, 가스화기의 손실을 줄일 수 있음을 알 수 있었다.

본 연구에서와 같이, 에너지시스템의 성능분석 및 최적화연구에 엑서지개념을 도입하는 경우에, 보다 효율적으로 시스템을 개선할 수 있음을 알 수 있었다.

참고문헌

1. J. Ahrendts, "Reference states", Int' l J. of Energy, Vol. 5, 1980

2. A. Bejan, G. Tsatsaronis, M. Moran, "Thermal Design & Optimization", 1996, John Wiley & SONs, Inc., New York