AspenPlus를 이용한 IGCC용 고온정제공정

구성 및 모사

이윤경, 김종진, 서석빈

전력연구원

Simulation of hot gas cleanup process for IGCC

using AspenPlus

Yun Kyoung Lee, Jong Jin Kim, Seok Bin Seo

Korea Electric Power Research Institute

개 요

석탄중의 유황은 석탄가스화 과정에서 주로 황화수소(hydrogen sulfide, H2S)의 형태로 전환되며 황화수소는 자체로 대기 중에 방출될 수 없는 환경 규제 대상 물질이다. 석탄가스화 복합발전에서 황화수소 및 기타 불순물을 제거하는 공정은 이 온도에 따라 저온 및 고온 정제 공정으로 대별할 수 있다. 저온정제 공정은 이미 석탄가스화 복합발전 이외의 영역에서도 입증된 기술이나 고온정제 공정은 아직 개발 및 실증 단계에 있다. 고온정제 공정을 적용함으로써 기대되는 이점은 정제를 위한 고온 가스 냉각 과정에서 발생하는 열손실이 줄어들어 전체 발전 효율이 증가한다는 점과 처리 가스 용량의 부피가 작으므로 경제적인 이득을 볼 수 있다는 것이다. 고온정제 공정을 적용한 IGCC 실증 발전소로는 Tampa Project와 Pinon Pine Project가 있으며 Tampa의 경우 GEESI의 이동층 공정을 적용하였고 zinc titanate를 흡수제로 사용한다1. 그러나 현재 Tampa에서는 syngas cooler의 sizing 오류 및 GEESI 공정 자체의 문제점으로 고온정제 공정 운전을 하고 있지 않은 것으로 알려져 있다. Pinon Pine은 transport 공정을 적용하고 있고 Z--sorb based 흡수제를 적용한다2. Pinon Pine은 가스화기 start-up을 한 상태로 고온정제 공정은 아직 시운전 되지 않았다. 따라서 실제 고온정제공정을 적용함으로써 달성되는 기대효과에 대해서는 실증된 바가 아직 없다. 본 연구에서는 IGCC에 고온정제 공정을 적용함으로써 기대되는 효과를 관찰하기 위한 연구의 일환으로 상용코드를 이용하여 고온정제 공정을 구성하였으며 궁극적으로 본 연구에서 구성된 모델을 이용하여 고온정제 공정을 채택함으로써 전체 IGCC공정에 미치는 영향을 관찰할 예정이다.

고온정제 공정은 다양한 단위 공정으로 이루어지며 여기에는 고온탈황 및 재생, 고온집진, 알칼리 제거, 할로겐 제거, COS 제거 등 다양한 공정이 있다. 본 연구에서는 고온 탈황 공정의 모사를 주요 목적으로 하였다.

고온 탈황 공정은 공정에 적용하는 흡수제에 따라 구분지어질 수 있으며 적용되는 반응공정에 따라 고정층, 이동층, 유동층, 고속 유동층(transport) 등으로  구분할 수 있다. 흡수제는 일본에서 철광석을 사용하여 200TPD 규모 장치를 실험하고 성공적으로 과제를 종료한 경우가 있으나3 일본을 제외하고는 대부분이 zinc-based 혹은 zinc-oxide based 흡수제를 대상으로 연구 개발 및 실증이 이루어지고 있다. 한편 적용하는 공정은 이동층, 유동층, 고속 유동층으로 변화되고 있는 추세이다.

<표 > 고온정제를 적용한 IGCC 실증 플랜트 비교 표

Plant	Polk Power	Pinon Pine	Nakoso
Area	Florida Polk County USA	Nevade, Reno USA	Japan
Fuel	Pittsburgh #8 (Design coal) Kentucky #11(1998)	Utah coal	Taheiyo, Moura, Warkworth coal
Scale (Coal TPD)	2000 TPD	800 TPD (design) 881 TPD (current)	200 TPD
G/T Output	192MWe	61MW	12.5MW
S/T Output	121MWe	46.2MW	-
Total Output	313MWe	107.2MW	-
Auxiliary Power	63MWe	7.5MW	-
Net Power	250MWe	98.7MW	-
Efficiency	≒ 40%	40.7%	27.8% (G/T only)
Gasifier Maker	Texaco	KRW
Gasifier Type	oxygen-blown entrained-bed	air-blown fluidized-bed	air-blown entrained-bed
Gas Turbine	GE MS 7001F	GE MS 6001FA	자체 개발
Gas Cleanup Process	GE moving bed	Transport bed	Fluidized bed
Sorbent	Zinc titanate	Z-Sorb	Iron oxide
In-bed sorbent	-	limestone	-
Sulfur Recovery	sulfuric acid	sulfation combustor (calcium sulfate)	SO2 reductor (elemental sulfur)
Particle removal	cyclone, barrier filter	cyclone. ceramic candle filter	cyclone, granular bed, EP
Startup/Year	1996	1998 (gasifier 기준)

본 론

본 연구에서는 흡수제로 zinc titanate와 zinc ferrite를 적용하여 모사하였므며 탈황 공정은 유동층을 대상으로 하였다.

구성된 모델의 건전성을 검토하기 위하여 다음과 같은 조건의 reference data4를 적용하였으며 그 결과는 <표 2>에 나타난 바와 같다.

아래의 표에서와 같이 구성된 모델에 참고 모델의 입력조건을 적용한 결과 clean syngas의 조성 및 기타 조건이 참조 결과에서의 조성과 거의 유사함을 알 수 있다. 특히 연료가스의 주요 성분인 H2와 CO양이 흡사한 수준이고 연료가스의 발열량을 좌우하는 수분의 함량도 거의 유사하여 본 모델의 건전성이 입증되었다.

<표 2> Inlet condition          <표 3> 건전성 검토

적용탄	Wambo
Raw syngas 조성	mole frac
H2O	0.1708
H2	0.2783
N2	0.0091
O2	0.0
AR	0.0097
CO	0.3892
CO2	0.0.1217
H2S	0.0012
COS	0.0001
CH4	0.0005
mass flow(kg/sec)	139.335
온도(℃)	50
압력(kg/cm2)	50

	Reference	모사결과
Raw syngas 조성	mole fraction
H2O	0.1088	0.104
H2	0.3489	0.354
N2	0.0113	0.011
O2	0	0
AR	0.0098	0.010
CO	0.3314	0.325
CO2	0.1892	0.196
H2S	0.000	22ppm
COS	0.000	10ppm
CH4	0.0005	-
mass flow(kg/sec)	132.954	128.1
온도(℃)	551	551.8
압력(kg/cm2)	17.34	17.34

모사 결과 및 결론

위와 같이 구성된 모델을 근간으로 하여 적용된 흡수제의 종류를 달리하여 흡수제의 차이에 따른 clean syngas 조건의 차이점을 관찰하였다. 흡수제는 앞서 언급한 바와 같이 zinc titanate 및 zinc ferrite를 대상으로 하였다.

흡수제를 달리 적용하여 모사한 경우 생성된 clean syngas의 조성은 <표 4> 와 같다. 각 흡수제의 화학반응식에서와 같이 zinc titanate와 zinc ferrite를 사용하는 경우의 차이점은 이미 잘 알려져 있다. 즉 zinc ferrite의 경우 탈황 반응에 수소 소비율이 zinc titanate에 비해 크다. 또한 methanation 반응이 추가로 발생한다. Sulfur loading의 경우는 zinc ferrite가 zinc titanate보다 우세하다. 이와 같은 결과는 황화수소와 반응하는 성분이 zinc titanate에서는 zinc가 유일하지만 zinc ferrite의 경우 황화 수소와 반응하는 성분이 zinc외에 Fe가 반응하기 때문이다.

아래의 표에서도 이와 같은 결과를 확인할 수 있는데 zinc ferrite의 경우 zinc titanate에 비해 H2 및 CO의 손실량이 크고 오히려 CO2의 생성량이 증가함을 알 수 있다.

Sulfur loading 측면에서는 zinc ferrite가 우세하다고 할 수 있으나 zinc titanate를 사용한 경우에도 황화 수소 제거율은 이미 만족할 만한 수준이므로 연료가스 손실 측면을 동시에 고려한다면 zinc ferrite보다는 zinc titanate가 전체적인 경향에서 우세하다고 할 수 있다.

그러나 본 모사에서는 단순한 탈황 반응 특성만을 반영하였으며 실제 공정의 운전상에 있어 흡수제를 달리 적용함으로써 발생하는 조업상의 측면은 고려되지 않았다. 즉, 반응열 생성 등으로 인한 반응기의 온도 제어 혹은 재생 반응 특성 등이 모사에서 표현되지 않았으므로 본 모사에서의 탈황제 변화 결과를 syngas 조성의 변화 이외의 기준으로 평가할 수는 없다.

<표 4> 모사 결과

syngas 조성		zinc titanate	zinc ferrite
H2O	0.16	0.124	0.129
H2	0.306	0.347	0.322
N2	0.004	0.004	0.004
CH4	0.00	0.000	0.019
CO	0.409	0.368	0.344
CO2	0.115	0.156	0.181
COS	0.00028	0.000028	0.000029
H2S	0.005	0.00011	0.000014
Ar	0.000559	0.000559	0.0000581

(mole fraction)

또한 본 모사에서는 단순한 탈황 반응 특성만을 반영하였으나 실제 공정의  운전상에 있어 조성의 변화로 인한 측면은 고려되지 않았다. 즉, 반응열 생성 등으로 인한 반응기의 온도 제어 혹은 재생 반응 특성 등이 제외되었으므로 본 모사에서의 탈황제 변화 결과를 syngas 조성의 변화 이외의 기준으로 평가할 수는  없다.

참고 문헌

1. The Tampa Electric Integrated Gasification Combined-Cycle

Project, Clean Coal Tehcnology Topical report, October, 1996.

2. The Pinon Pine Powe Project, Clean Coal Technology Topical report,

December, 1996.

3. Research and Development on an IGCC System by the 200TPD pilot plant

at Nakoso, Japan, T. Nagai, APEC Experts' Group on Clean Fossil Energy,    , Octorber 7-9, 1996.

4. System study hot temperature gascleaning at IGCC systems, NOVEM