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서준 오
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1 석탄가스화공정 제 1 절가스화복합발전 (IGCC) 개요 o 가스화복합발전은석탄을고온 / 고압의조건에서산소또는증기와반응시켜수소및일산화탄소가대부분인합성가스로전환시키는일련의공정과합성석유및발전을위해유해가스를정제하는정제공정, 가스터빈및증기터빈을통해전력을생산하는발전공정이융합된차세대에너지전환기술이다. o 가스화기술은고급청정에너지사용에대한국민요구를부응하고저급탄소연료들의초청정고급에너지전환을가능하게만들며석유고갈및고유가문제를해결할수있는가장현실적인대안이된다. o 최대한빠른시일내에가스화공정을상용수준에도달시키기위해서는석탄가스화파일럿플랜트운전기술, 입자상물질제거기술, 오염물원천제거기술, 복합발전설비기술등이제안되었으며, 차세대발전공정으로의응용을위하여고체산화물연료전지발전시스템및융합공정개발이핵심기술로부각되었다. 제 2 절석탄가스화복합발전세부기술 o 석탄을원료로하여 IGCC 발전과합성석유생산을병행하는데있어서가스화복합발전공정의국산화를위한기술개발을제안하는데있어서아래의사항을고려하였다. 1. 최대한빠른시일에 (7년이내 ) 상용화수준에도달해야하므로지금까지국내의연구기관에서진행된가스화연구결과를활용하며일부기술의경우 ( 산소공급공정, 가스냉각공정, 황화원공정, 열회수증기공정등 ) 는상용공정을도입하여이용한다. 2. GE, Shell 등의 demo plant를보유하고있는회사들의가스화공정비교및검토를통해서국내상황에적합한국산화모델을개발한다. 3. 액화공정과의연계를위한융합공정을목표로하여기존의발전공정의개선이이루어지도록한다.

4. 발전방식은가스터빈과증기터빈을연계하여발전효율을최대화하며차세대발전방식인 SOFC와의연계를위한시험용 IGFC 공정도병행하여개발한다. 5. 상용공정의 trouble shooting 및 scale up factor 연구를위하여상용공정을모사할수있는운전이가능하도록과제를진행한다. 2.

2 4. 발전방식은가스터빈과증기터빈을연계하여발전효율을최대화하며차세대발전방식인 SOFC와의연계를위한시험용 IGFC 공정도병행하여개발한다. 5. 상용공정의 trouble shooting 및 scale up factor 연구를위하여상용공정을모사할수있는운전이가능하도록과제를진행한다 일반적인 IGCC 주요공정 [ 그림 1] IGCC 의일반적인구성도 o 석탄을기존의직접연소등의방법대신에가스화방법을통하면고효율이면서도환경적으로도깨끗하게사용할수있는데, 상용화급석탄가스화복합발전 (600MW급) 의송전단효율은 46%(HHV base, 습식 gas정제, 1,500 급 GT) 48%(HHV base, 건식 gas정제, 1,500 급 GT) 로알려지고있다. o 향후연료전지와연계된다면 50% 이상의송전단효율도가능할것으로파악되고있다. 병행하여석탄가스화복합발전기술은간접액화에의한합성연료생산이나메탄올, 비료, 대체천연가스, C 1 화학기초원료등의생산으로도이용될수있다. o 석탄가스화기술의요체는연소에근거한기본방식보다높은효율을얻으면서도향후강화될환경규제치도만족할정도로깨끗하게고유황, 고회분의저급석탄도에너지원으로활용할수있다는점이다.

3 o 특히기존미분탄화력발전소로서는회재부착과같은문제점으로이용이곤란한회융점이낮은석탄이용이가능하게하여, 이용탄종확대에따른에너지안보차원을한층향상시키는데기여할수있다. o 일반적으로석탄가스화복합발전기술은석탄, 가스공급과관련된공급부, 가스화반응이일어나는가스화부, 합성가스이용을위한정제부, 전력생산을위한발전부및기타보조설비들로구성되며각각의요소공정은다음과같이나누어진다. o 공급부 : 가스화에사용되는산소, 석탄, 물등의공급에관련 * 대부분의상용플랜트에서사용되는산소공급설비 (ASU) 는공기를산소와질소로분리하여산소는가스화기에주입하며질소는가스터빈으로공급하는형태를취함. 일반적으로전체플랜트비용의 1/3 정도를예상됨. * 석탄공급공정은석탄의저장, 그라인딩, 가스화기로의운반등을포함하며석탄의유량, 작업처리량에따라공정설비들의크기가결정되며상용설비에서는가스화설비와비슷한금액이투자됨. * 용수공급공정은스팀사이클에서 raw water와 polished water를취급하는설비들로서, water mineralization unit, dimineralized water 저장탱크, dimineralized raw water 와스팀터빈 condensate water를위한 condensate surge 저장탱크, condensate polishing unit, blowdown flash drum 등을포함함. o 가스화부 : 가스화기와가스냉각공정등으로구성 * 가스화기는가스화기, 가스냉각, 슬래그핸들링, ash handling 등을포함하며석탄공급량에따른가스화기의용량이비용에큰영향을미침. * 가스냉각부는가스화기하부에연결된열교환기를의미함. o 정제부 : 탈황, 황회수, 가스정제, 응축수처리공정으로구성

4 * 탈황및황회수공정은 Acid gas 흡수장치, 합성가스처리공정, solvent 처리공정, 냉각기, 보일러등으로구성되는탈황설비와 sulfur furnace, sulfur condenser, 촉매등으로구성된황회수설비로구성됨. * 응축수처리공정은 particulate scrubber에서나오는 blowdown과가스냉각에서나오는응축수를처리하는공정으로 stripper, air cooled heat exchanger knock-out drum 등으로구성됨. o 발전부 : 가스터빈, HRSG, 증기터빈등으로구성됨. * 전기생산을위하여이용되는가스터빈, HRSG 시스템, 증기터빈등으로이루어졌으며열교환기, 터빈, steam generator, condenser 등의요소장치로구성됨. o 기타 : 냉각수시스템, plant and instrument air, potable and utility water, 전기시스템, 소방설비, 건물, 컴퓨터제어시스템등으로일적으로타공정비용의합에약 17-19% 로산정함. o 석탄가스화복합발전시스템은석탄을고온고압에서가스화시켜합성가스를만든다음정제공정을거쳐가스터빈에서 1차발전, 증기터빈으로 2차발전하는고효율의복합발전을한다. o 석탄가스화복합발전의경우에는회재 (ash) 를분진형태가아닌용융된슬랙 (slag) 형태로수거하므로미연탄소가거의포함되지않고금속류의용출이없어환경적으로안전하며, 미분탄보일러의비산회 (fly ash) 에비해매립부피가약 50% 로감소한다. 또한탈황공정에서만들어지는황원소는회수하여경제성있는부산물로활용할수있다는장점이있어, 21세기에환경적으로가장우수한석탄이용기술이다.

5 80000 Gasification capacity MWth Year [ 그림 2] 2000 년부터 2010 년까지의가스화플랜트용량 2. 2 세부기술소개 석탄가스화기 o 기술의개요 * 가스화반응에서는화학반응자체에서주요공해물질인 SOx와 NOx가생기지않는다. 따라서미분탄연소와같이연소반응에근거한공정에서생하는 SOx, NOx의발생량을최소화할수있다. 가스화반응이산소가불충분한불완전연소이므로화학반응자체에서 SOx, NOx가발생치않고, 시료내의 S와 N 성분이 H 2 S와 NH 3 로대부분발생되므로후단공정에서의처리가용이하다. * 석탄내열량의대부분을화학에너지 (chemical energy) 로바꾸어발생케되므로후단정제공정에서의온도변화에전체공정의효율감소가적게된다. 연소반응에의한생성가스는주로 CO 2 이고 CO 2 는발열량이없기때문에 dioxin 등의저감을위해급속세정을하게되면가스내의현열이거의없어지게되어에너지의손실이크게된다. 반면에가스화반응의주요생성물은 CO와수소이므로이들가스는연소시큰발열량을내게된다.

6 즉, 가스화반응에의해서는시료내의상당부분에너지가 CO나수소같이화학에너지를가진가스로발생되고이들가스는급속냉각을시키더라도자체의화학에너지가그대로유지되어필요시연소를시키면가스터빈이나증기터빈을통해에너지를재회수할수있는유리한점이있다. * 석탄내에 S성분이많을수록유리하다. 유황성분은가스화반응에의해황화수소 (H 2 S) 가스로주로발생되는데정유공정에서 50년이상사용되어오고있는 Claus공정을통하면황화수소가스로부터원소유황이나황산을생산해낼수있다. 이들유황이나황산은유상판매가가능하게되므로시료내의유황성분을공해물질인 SOx로발생시키는대신판매할수있는제품으로추출해내게되기때문에시료에유황성분이많을수록연소처리공정에비해더욱경제적으로유리하게된다. 또한, 최근의가스화기술은모두 1,300 o C 이상의고온을사용하므로원료내의무기물질은용융슬랙으로생성되어환경문제가없는건자재로활용이되기때문에석탄내에중금속성분등불순물이많이있을수록가스화기술이유리하게된다. * 가스화복합발전방식으로석탄을활용하면환경친화적이면서도장기적으로는최대 60% 까지고효율로서활용이가능하며, 지구온난화및공해문제를동시에해결할수있다. 석탄의경우에는지금까지미분탄연소발전기술을적용하여발전을하고있는데, 최근부각되고있는환경문제와 CO 2 문제등에효과적으로대처키에는기술적으로한계가부각되고있는상황이다. 가스화복합발전기술은기존기술대비 15-25% 의 CO 2 저감효과를얻을수있고 SOx를 95% 이상그리고 NOx도 90% 이상저감할수있다. * 환경적인우수한특성을요약하면다음과같다. - 공해가스측면 환원성분위기반응으로인해, 공해물질인 SOx, NOx 미발생, 대신 H 2 S, NH 3 로발생하여후처리가용이하며처리가스량이저감 고유황시료일수록연소공정에비해경제성유리 고온반응이므로다이옥신생성억제

7 - 회재 (ash) 처리측면 슬랙으로발생, 중금속용출문제해결및재활용가능 미연탄소 0.5% 이내, 회재내유기물질완전파괴 - 에너지측면 연료의발열량을 CO, H 2 등과같은화학에너지로변환시키므로, 급냉등후속공정에서에너지손실이최소화됨. 0.3 Coal Pulverized coal combustion CO emissions (kg/kwh) Crude oil Natural gas PFBC IGCC MCFC Combined Cycle 0.1 Combined Cycle MCFC Power generation efficiency(%) [ 그림 3] 발전기술별발전효율과 CO₂저감효과 o 가스화공정별특징및현황 * 가스화공정은그반응및가스화생성물의목적에따라가스화기및조업조건등이결정되며, 일반적으로가스화기종류에따라분류층 (entrained bed), 유동층 (fluidized bed) 및이동층 (moving bed) 으로분류된다. 가. 분류층가스화기 (Entrained Bed Gasifier) * 분류층가스화기는미분탄혹은분사된액체연료와반응기체가병류 (co-current) 로흐름을가지며, 비교적높은반응온도 (1,000 이상 ) 와균일한온도분포, 짧은체류시간그리고빠른반응속도를요구하게된다. 이를위해서는연료는매우작은입도로투입되거나분사되어야만하며

8 비교적미분석탄의대용량가스화나오일의분사가스화등에적합한반면, 미분화가어려운바이오매스나폐기물에는적합하지않다. 분류층가스화기에서는높은가스화온도로인해회재의처리가 molten slag로배출되며, 대표적으로 Texaco, Shell 및 Prenflo 그리고 Destec 가스화기가분류층가스화기에속한다. 이중연료형식 ( 습식, 건식 ) 이크게대별되는 Texaco 및 Shell의공정은다음과같다. * 1940년대말에처음개발된 Texaco 가스화공정은천연가스의 reforming 을통해 synthesis gas를얻어 liquid hydrocarbon으로전환하는공정으로부터출발하여 NH 3 생산을위한 syngas의생산공정, 그리고오일의가스화를거쳐석탄가스화공정으로까지발전하였다. 석탄가스화공정의상업화는 1983년미국의 Eastman Chemicals사에처음시도된것을발판으로, 1984년에 Cool Water IGCC 공정이운전되었으며, 현재 Texaco 가스화공정을통해발전을하는 IGCC 발전소는석유 coke를연료로하는 EI Dorado(40MWe) 와석탄을연료로하는 Polk (250MWe) 가대표적이다. * Texaco 공정은가스화대상연료가습식방식으로 O 2 와함께상단으로주입되고하부에서 syngas가생성, 배출되는형식을띄며, syngas 냉각방식에따라 [ 그림 29] 에나타낸바와같이두가지로구분된다. [ 그림 29] (a) 는 syngas의냉각방식이하단부물과그속의급냉튜브를이용한것이며, (b) 는열을회수하여스팀의압력및온도를올리는공정을추가한방식을갖는 syngas cooler 방식을나타내고있다. 가스화로온도는보통 1,250~1,450 정도이며, 조업압력은 IGCC인경우에는 30bar 그리고 chemicals의생산에는 60~80bar 정도를유지하게된다. * Shell 가스화기는 1950년대에개발되어다양한 hydrocarbon을 synthesis gas로전환하는공정에처음쓰였으며 [ 그림 30], 1970년대초반에석탄을이용한가스화공정에적용하기시작하였다. 이러한석탄가스화공정의상업용 IGCC로의적용은 1989년네덜란드의 Buggenum(250MWe) 공정이있다. * 가스화기온도는 1,300-1,500 정도이고, 조업압력은 IGCC용으로는 5-30bar 그리고 H 2 생산공정에서는 60bar 정도로유지된다. IGCC 공정에서석탄 ( 건식 ) 은 O 2 및수증기와함께가스화기하단부로주입, 가스화

가스화생성가스는가스화기출구에서냉각 재순환되는 fuel-gas에의해 900 정도로냉각되며, 다시 syngas cooler에서 30 0 까지냉각되면서고압스팀과중압스팀을생성하게된다.

9 되며 H 2, CO 및소량의 CO 2 를생성하게된다. 석탄회재는 molten slag 형태로가스화기내부표면을따라흘러내려가스화기바닥의 water bath에서냉각되며일부는가스화기벽면에부착되어보호막을형성하기도한다. 가스화생성가스는가스화기출구에서냉각 재순환되는 fuel-gas에의해 900 정도로냉각되며, 다시 syngas cooler에서 30 0 까지냉각되면서고압스팀과중압스팀을생성하게된다. 냉각된 syngas는 ceramic filter에서미세입자를포집하여일부-약50%-는가스화기상부로다시보내져냉각 fuel-gas로사용되고나머지는배가스처리시스템으로보내져궁극적으로가스터빈을구동하게된다. (a) Quench cooler (b) Radiant syngas cooler [ 그림 4] Texaco gasifier

10 [ 그림 5] The Shell coal gasifier 나. 유동층가스화기 (Fluidized Bed Gasifier) * 유동층가스화기는상향흐름을갖는반응기체로인해고체층이부유된상태로유동을하며혼합되어가스화반응을일으키는장치로비교적광범위한연료를사용할수있으며, 반응온도가비교적낮아 (1,000 이하 ) 회재가건식으로처리되어회재의 slag 배출로인한열손실을줄일수있다. 또한회재의융점이매우높아분류층에적합하지않은연료도가스화에이용할수있으나, 반면연료가점결성을지니거나회재융점이매우낮아입자가뭉침이일어날경우에는적합하지않다. 대표적유동층가스화기로는 HTW(High Temperature Winkler), KRW, MBEL 가스화기있다.

11 * 독일의 Rheinbraun에의해개발 HTW 공정은 1920년대의상압 Winkler 공정으로부터출발하였으며, 초창기에 lignite를연료로사용하여 iron ore 의환원가스생성에서부터 syngas의생성그리고전력생성에이르기까지그응용범위를넓혀왔다. HTW 가스화기는후에 KoBRA라는 IGCC 개발연구에의해 lignite를사용한 air/o 2 -blown 가스화기개발을 1980년대말에시도하였으나미분탄화력발전에비해경제성이떨어져그개발이중단되었다. 현재는이러한석탄가스화공정개발을기반으로한폐플라스틱이나폐슬러지등의가스화를통한 IGCC 공정적용개발연구를수행중에있다. 유동층가스화기는분류층가스화기와는달리가스화기온도가 정도이며, 압력은 IGCC 목적일경우 25-30bar 그리고 syngas 생성이목적일경우 10bar 정도로조업된다. * Westinghouse Electric사에서개발한 KRW 유동층가스화공정은미국의 Pinon Pine (100MWe) 프로젝트에사용된가스화기로고온건식석탄가스정제시스템을채택한공기주입가압유동층 IGCC 공정이다. 가스화온도는 정도이며, 고온정제를채택한황과분진제거공정으로인해저온정제가스화시스템보다고효율 (40.7%) 의성능을나타내고있으며, 갈탄에서무연탄까지광범위한연료사용이가능하다. 또한, 황성분의일부는가스화기내에서석회석을사용하여제거하는공정을띄며, 나머지는고온건식탈황설비에서고속유동층을이용한흡수탑과재생탑에서연속적제거공정을갖도록구성되어있다. * British Coal Co. 에의해개발된 MBEL 유동층가스화기는 ABGC (Air Blown Gasification Cycle) 공정으로이루어져있으며, 가스화기에서공기에의해연료의가스화가약 80% 정도이루어지며나머지미전환탄소는순환유동층에서연소를이루는공정으로구성되어있다 ([ 그림 31] 참조 ). * 가스화공정에서는 20-25bar의가압된약 1,000 의가스화기에서연료탄소분의 80% 정도를가스화하여저열량가스를생성, 가스터빈을구동시키며, 나머지미전환탄소는냉각, 감압되어순환유동층으로이송되어상압에서연소를이뤄스팀을생성하게된다. 가스화기내부에서황성분은석회석에의해 calcium sulphide로전환되고이는다시순환유동층으로보내져연소에의해 calcium sulphate로전환된다. 이러한 ABGC 시스템은비교적높은효율 (44.7%) 을나타낼것으로평가된다.

12 [ 그림 6] ABGC incorporating the MBEL gasifier 다. 이동층가스화기 (Moving Bed Gasifier) * 이동층 ( 혹은고정층 ) 가스화기는가스화기에쌓여진연료에바닥으로부터반응가스를주입하여가스화반응을이루며, 생성된가스화연료가스는상향으로배출되고반응이진행되며따라소모된연료는점점하향흐름을가지며이동하는향류 (count-current) 방식의가스화기다. 상층부의건조및휘발영역, 하층부의연소및가스화영역으로구분되어가스화기의온도분포가매우넓으며 (500~1,000 ), 상승부로배출되는가스화연료가스에연료에서방출된타르및메탄등의휘발분성분이다량포함되어있어 tar의제거공정이필요하다. 대표적인가스화기로는 Lurgi dry ash 가스화기와 BGL 가스화기가있다. * Lurgi dry ash 가스화기공정은 1930년대초 lignite를연료로하여 Town Gas의생산을위한수단으로 Lurgi GmbH에의해개발되었다. 이후갈탄뿐만아니라역청탄탄을이용한가스화기술을개발하여 NH 3,

13 methanol 그리고 liquid fuel 등의생산을목적으로한 Town Gas 및 syngas의제조에사용되었다. Lurgi 가스화공정을이용한전력생산은독일의 Lünen에공기를이용한가스화기설치가처음으로시도되었으며, 이밖에미국북부 Dakota의 Great Plains SNG 공정과남아프리카공화국의 Sasol 공정이대표적이다. * Lurgi dry ash 가스화기는 [ 그림 32] 에나타낸바와같이 lump형태의연료가상부에서가압 투입된후, 건조및탈휘발과정을통해가스화영역으로점차하향이동되어가스화및부분연소가이루어진다. 이때가스화영역의온도는 1,000 정도이며, 상부가스출구의온도는 300~50 0 정도로비교적온도차가크게나타난다. Lurgi 가스화기의특징은하단부로주입되는수증기와산소의비가비교적높아 (4~5 : 1) 온도가낮게유지되고, 이로인해회재의배출이 dry 형태로가능하게된다. 가스화기는 water jacket으로둘러싸여있어스팀을생성하게되며, 이스팀은다시공정에사용된다. * British Gas' Westfield Development Center에서 1970년대석탄으로부터 SNG 생성을위해개발된 BGL 가스화기는 Lurgi dry ash 가스화기와조업및그구성형태가비슷하나, [ 그림 33] 에서보는바와같이 BGL 가스화기는상부에 caking coal의분산투입을위한교반기가있으며, 상부로배출된미반응탄소와 tar는배가스처리부를지나다시층하단부의산소와스팀공급용 tuyer를통해재순환하는구성을지닌점이다르다. 또한공급되는수증기와산소비가비교적작아 (0.5 : 1) 연소및가스화온도가 Lurgi dry ash 가스화기보다높아회재의배출이 molten slag로이루어진다. 총괄가스화반응은 Lurgi dry ash 가스화기와마찬가지로가스화기상부에서는건조및탈휘발이, 중간영역에서는가스화가이루어지며, 하단부에서는연소가이루어지는공정으로구성된다. 이러한반응으로인해하부에서생성된 CO 2 는중간가스화영역에가스화제로이용되며, 상부에서의탈휘발은배가스내에많은 tar 및메탄등의고발열량의생성가스를포함하게된다. BGL 가스화기는운전형식이 moving bed임에도불구하고재순환장치의구성으로인해비교적적은입자 (<6 mm) 의처리가가능하다는장점이있다. 현재는 SNG 생성공정의이용뿐만아니라, IGCC 공정에도적용되고있으며, Fife Power에서석탄및슬러지그리고도시폐기물에이르는광범위한연료를사용한대규모가스화공정 (400 MWe) 을개발적용중에있다

14 [ 그림 7] Lurgi dry ash gasifier

15 [ 그림 8] The BGL gasifier

16 Gasification Plant Owner < 표 1> 상용가스화기프로젝트 Location Gasification Technology MW th SG output Startup Year Feed/Product Sasol-Ⅱ South Africa Lurgi DryAsh 4, Subbit.coal/FT liquids Sasol-Ⅲ South Africa Lurgi DryAsh 4, Subbit.coal/FT liquids Repsol/Iberdrola Spain Texaco 1, a Vac.residue/Electicity Dakota Gasification Co. United States Lurgi DryAsh 1, Lignite&Refinery residue /electricity &H 2 SARLUX srl Italy Texaco 1, b Visbreaker residue /Electricity &H 2 Shell MDS Sdn. Bhd. Malaysia Shell 1, Natural gas /mid-distillates Linde AG Germany Shell Visbreaker residue /H 2 & methanol ISAB Energy Italy Texaco 982 b 1999 ROSE asphalt /Electricity & H 2 Sasol - Ⅰ South Africa Lurgi DryAsh Subbit.coal/FT liquids Total France/EDF/Texaco France Texaco a Fuel oil/electricity &H 2 Unspecified owner United State Texaco Natural gas /Methanol & CO Shell Nederland Raffinaderij BV Netherlands Shell Visbreaker residue /Electricity &H 2 SUV/EGT Czech Republic Lurgi DryAsh Coal/Electricity &Steam Chinese Petroleum Corp. Taiwan Texaco Bitumen/H 2 & CO Hydro Agri Brunsbuttel Germany Shell Hvy.vac.residue/Ammoni a Public Service of Indiana United State Destec Bit.coal/ Electricity VEBA Chemie AG Germany Shell Vac.residue /Ammonia &Methanol Elcogas SA Spain PRENFLO Coal & Petcoke /Electricity Motiva Enterprises LLC United State Texaco 558 b 1999 Fluid petcoke /Electricity & Steam API Raffineria di Ancona b Visbreaker residue Italy Texaco S.p.A. /Electricity Chemopetrol a.s. Czech Republi Shell Vac.residue /Methanol & Ammonia Demkolec BV Netherlands Shell Bit.coal/ Electricity Tempa Electric Co. United State Texaco Coal/ Electricity Ultrafertil S.A. Brazil Shell Asphalt residue/ammonia Shanghai Pacific Chemical Anthracite coal China Texaco Corp. /Methanol & Towngas Exxon USA Inc. United State Texaco b Petcoke/Electricity &Syngas Shanghai Pacific Chemical Bit.coal Corp. China IGT U-GAS /Fuel gas & Town gas Gujarat National Fertilizer Co. India Texaco Ref.residue /Ammonia & Methanol Esso Singapore Pty.Ltd. Singapore Texaco b Residual oil/electricity&h Quimigas Adubos Poryugal Shell Vac.residue/Ammonia a b c Plant is currently in advanced engineering Plant is currently under construction SG Output : Synthesis gas output

17 o 관련기술의국내외현황 가. 국내의경우 * 석탄가스화의원리를이용한사업의국내첫사례로서 1950년대말에전남나주비료공장에설치된국내무연탄을이용한석탄가스화암모니아제조플랜트를들수있으나탄종에따른공정선택이잘못되어실패하였다. 이후석탄가스화복합발전에관한연구는학계및연구소주도하의기초연구를제외하면거의없다고도할수있는실정이었으며국내기술축적도아주부족한실정이었다. 이는가스화복합발전관련기술이고도의첨단성을요구하며, 연구개발에소요되는비용이막대하며몇십년이상의장기적인기술개발이요구되나, 인적 물적자원이부족한국내의여건상기술개발에의투자가부족하였기때문으로분석된다. * 석탄가스화복합발전에대한지금까지의현황은다음과같다 ~2002년까지 IGCC 분야의기술개발에총 282억원을투자 (37개과제, 정부 171억원 ) 하였음. - 투자환경의열세로기반기술및 BSU(Bench Scale Unit) 급설비설계, 설계및운전기술개발에주력되어왔음. - 고온탈황및고온집진분야는선진국수준의기술력확보함. 설비규모면에서는크게열세임. - 석탄간접액화기술은파일롯급가스화설비는갖추어져있으나, 간접액화기술자체에대한개발투자는아직이루어지지못함 톤 / 일급 Pilot 설비기술개발로장시간석탄합성가스공급이가능해짐에따라, 복합발전이외에 Dimethyl Ether(DME), 메탄올, 디젤유 / 휘발유생산공정연구등이가능한수준도달함. - 공정및단위장치전산해석분야는선진국수준이나, 대형플랜트설계및운전경험이없음. - 일부분석설비와전계장부품류외대부분을국내업체로부터공급받는수준에도달하여기술개발자금의국내선순환이이루어짐.

18 < 표 2> 2002 년까지의국내 IGCC 기술개발투자설비내역 설비 위치 ( 설치년 ) 연구기간 투자내역 ( 순수설비비 ) 연구및운전목적 건식석탄가스화설비 (3 톤 / 일 ) 아주대 (1994) 설비투자비 37 억원 - 국내수입탄종별가스화특성자료구축 -IGCC 용최적석탄특성인자결정 - 가스화 / 탈황 / 집진시스템연계공정및운전기술개발 습식석탄가스화설비 (1 톤 / 일 ) 에기연 (1994) 설비투자비 13 억원 - 국내수입탄종별가스화특성자료구축 - 습식가스화운전기술개발 액상시료가스화설비 (1 톤 / 일 ) 에기연, 고기원 (2002) 설비투자비 7 억원 ( 과기부 NRL 3.5 억원 ) - 정유사등향후액상시료가스화기반기술확보 고온탈황설비 (10m 3 /hr) 에기연 (1997) 설비투자비 8 억원 - 탈황제제조공법개발 - 고온탈황공정기술개발 나. 국외의경우 * 최근주요선진국들은실증플랜트건설 운영을위해민간과정부가공동노력중이며, 차세대발전기술분야의수출전략산업으로육성중이다. * 가스화복합발전기술은미국, 독일, 네덜란드일본이각국의정부지원에입어 ( 미국 50%, 유럽 10%, 일본 90%) 차세대환경친화적발전기술로서상용화바로전 ( 前 ) 단계인실증플랜트의설계 / 건설 / 운전단계에이르렀으며, 300 MW급 5기 ( 미국 3기, 네덜란드, 스페인각각 1기 ) 가실증플랜트가운전중이다. * 미국은 Vision 21 프로그램을통하여가스화기술의개발이 key core technology의하나로인식하여중점개발하고있으며, 특히 fuel-flexible 발전소의개발에주요한초점을맞추고있는데, 석탄을사용한경우 2015년까지 60% 의효율달성이가능한시스템구성을목표로하고있다. 석탄 IGCC 발전소는 MW급 3기를운영중이다. * 일본은 Sunshine 프로젝트의일환으로서 1983년부터수조원을지원하여 2톤 / 일급설비로부터 1997년에 200톤 / 일급 IGCC 시험플랜트에대한가동을마쳤고, 200톤 / 일급시험플랜트에 90% 의비용을정부에서지원하

19 였다. 그동안자체기술로개발하여온가스화기술등을일본업체들의설계와제작을거쳐 250 MW급석탄 IGCC발전플랜트를 9,700억원중정부 1/3 보조를받아 2004년부터건설중에있다. 특히, 일본은 Chiyoda 가엔지니어링설계분야를담당하고미쓰비시중공업이설비제작을담당하는등자체국산화가가능하도록정부와업체가협조하여대처하고있다. * 중국은외국기술을도입하여석탄 2,000톤 / 일급 3기와 900톤 / 일급 1기를 04년과 05년에준공하여운전예정인데석탄가스를암모니아가스로합성하여비료를생산하거나함성가스를가공하여화학원료로사용하고자하며, 비료생산용 990톤 / 일급석탄가스화플랜트는 2000년부터운전중에있다. * 대만은 2002년도에 1톤 / 일급석탄 IGCC pilot 설비를미국 GTI에용역을맡겨설계하여 2004년 12월에완공하였다. * 호주는 1999년 10월에독일 DMT로부터 270만호주달러 (21.6억원) 를들여 10 kg/hr를 10기압까지가스화시킬수있는분류층건식가스화설비를준공하였으며, 2000년 6월부터운전중이다. < 표 3> 주요선진국의석탄 IGCC 기술개발현황 미국 - 상용급 IGCC 플랜트에대해건설비와운영비의 50% 까지지원 (DOE 프로젝트 ) - Vision21 프로그램으로고효율 (60%) 의 Fuel-flexible 기술개발추진 일본 톤 / 일규모의 IGCC Pilot plant 에대해 90% 정부지원 (Sunshine 프로젝트 ) - 250MW 급석탄 IGCC 발전플랜트건설중 ( 총 9,700 억원중정부보조 1/3) 유럽 - 네덜란드, 독일, 스페인, 이탈리아중심으로 IGCC 실용플랜트건설 운영

20 < 표 4> 국외석탄가스화에너지활용 Project 현황 프로젝트원료내용 Wabash river repowering project ( 미국 ) Demkolec Buggenum ( 네델란드 ) Puertollano Project ( 스페인 ) 석탄 석탄 석탄, petroleum coke 100 MW 미분탄연소발전플랜트를 262 MW IGCC 플랜트로 repowering(1998 부터실증실험중 ) Single-train, 산소사용 DESTEC 가스화기 GE 7FA 가스터빈채용 세라믹필터및염소성분침적문제점발생 총건설비용 438 백만달러소요 SO 2 92%, NOx 90% 제거효율 253 MW greenfield 플랜트 (1995 년부터가동 ) Single train, 산소사용 Shell 가스화기 (2,000T/D) 335 MW greenfield 플랜트 (1995 년부터가동 ) Single-train, 산소사용 Prenflo 가스화기 : firing 50/50 petroleum coke/coal 190 MW Siemens V94.3 가스터빈, 145 Siemens reheat 스팀터빈사용 German Trigeneration Project ( 독일 ) 석탄, 도시폐기물 2 기의산소사용, 용융가압고정층가스화기 석탄, Municipal wastes 를사용 GE frame 6 가스터빈채택 전기, 메탄올, 스팀, Gypsum 생산 o 기술개발의중요성 * 우리나라와같이에너지원의 97% 를수입에의존하고전체발전량의 30% 가량을석탄에서충당하는현실에서는환경문제를근원적으로해결하면서 50% 이상 60% 까지효율을높일수있는가스화복합발전과같은기술이석탄에너지의효율적활용측면에서는반드시필요하다. * 환경과에너지문제가점차심각해지고일반인들의인식도가높아지는상황에서는현재와같이연소보일러방식의석탄에너지활용은점차환경문제가적은가스화에근거한방식으로전이될것이다. 단지, 얼마나경제성있고안정성있게공정을구성하는가가실용화를결정하는가장중요한기술개발의인자이다. 현재국내의 IGCC 기술은대형플랜트에대한경험이부족한실정이지만, 각단위장치또는단위시스템에대한운전경험및설계능력은선진국에비하여떨어지지않는상황이므로부족한기술에대한대비가필요하다.

21 * 석탄신발전기술중에서가장환경오염물질의배출이적고연료전지기술과연계될때에는에너지이용효율이최대 60% 이상에달하고, 이에따라 CO 2 저감도 25% 까지가능한기술이석탄가스화복합발전기술이다. 아직 1930년대부터발전되어사용되고있는미분탄연소발전기술에비해공정의신뢰도가낮고건설비가 15% 정도고가이나, 차세대발전기술로서국내에조만간활용될것은자명하다. 따라서국내의석탄발전소신규건설과 re-powering 때에가스화방식이적용하는경우에대한국내기술의축적이요구되고있다. o 당면과제및애로기술확보방안 * 해외상용규모인 300 MW급대형플랜트를건조할투자비용및설계 / 건설 / 운전등을위한기반기술이부족하다. 강점인국내중공업체들의대형플랜트건조능력을활용하는추진체계구축이필요하다. * 국내 SOx, NOx, CO 2 등환경규제치가기존설비를일부보완하여달성가능하므로신석탄발전소건설에대한시급성이없어석탄 IGCC 발전소의건설이지연되고있다. * 전력회사분할에따른신석탄발전소건설주체가불명확하고단기이익을위해천연가스발전소를선호하는추세로인해국내석탄가스화시장의창출이지연되고있다. 이에대해서는외국과같이정부주도의지원책이필요한상황이다. * 석탄가스화에너지와같이수백 MW 규모의대규모로활용이되는부분에서국내기술개발에대한인센티브가없는상황에서는외국기술을그대로도입하여사용하게되는데, 적어도설비의대부분을국내에서제작할여건의구비는정책적으로추진될필요가있다. 가스화와같은고온고압공정기술에막대한자금과기술인력이투입되나개발된이후사용에대한인센티브가없으므로비싸더라도외국설비를도입하게되는상황을타파키위해서는국내민간기업에서의수요가있다면적극적인기술개발투자에대한인센티브가필요하다.

22 * 석탄가스화및합성가스정제기술은비용을더지불할의지만있다면 turn-key로외국에서도입하고운전도해외용역으로추진할수있다. 그러나미국, 일본의추진방향을참조하여보면석탄가스화기술은향후석탄발전기술자체가나아가야할방향으로알려지고있으므로, 국내자체기술의필요성은상존한다. 석탄 IGCC 발전소의경우는 1기가 4,000억원이넘는대형설비투자사업이므로, 이를외국에전적으로의존하는데는한계가있을수밖에없다. 이에대한민간과정부의인식전환이필요한시점이다. * 국내의제한된자금과인력으로석탄 IGCC와같은대형플랜트기술에서외국과경쟁하는데한계가있는점과민간기술개발투자에대한회수율이낮다는점이가장큰제한요인이다. o 국산화필요여부 가. 개발기술의보급환경 * IGCC 는석탄을이용하면서도환경친화적발전이가능하다는장점으로인해, 최근들어서는차세대석탄화력발전기술로서부각되고있으며더나아가 IGCC 는미분탄연소방식으로운전되고있는종래의노후화력발전소의 repowering 에도매우강력한대안으로도평가되고있다. 또한 IGCC 는석탄이외에도오리멀전, 중질잔사유, biomass 및폐기물을대체연료로활용이가능하므로, 에너지자원이적은우리나라의실정에매우적합한발전방식으로고려되고있다. * 국내에서도이러한 IGCC 기술의중요성및미래수요를일찍이예측하여, 1980년대후반부터본격적인기술개발노력이이루어졌으며, 근 10 여년간의기술개발과정을거치면서한국형 IGCC 의개발을위한요소및시스템기술들이국내기술진들에의해독자적으로완성되었다. 그리고이러한 IGCC 관련기술들은향후지속적으로이루어질연구 / 개발프로젝트를통해통합, 보완돼나아가면서국내 IGCC 발전소설계및엔지니어링을위한기술기반으로활용될수있을것이며, 이를통해국내에서도 IGCC 발전소라는국제경쟁력을갖춘고부가가치의상품창조가가능하리라보인다.

23 나. 국산화필요성및개발전략 * 차세대석탄이용기술의핵심에해당하는석탄가스화기술은미국과일본, 유럽의상용화추세로보아, 향후 21세기석탄에너지이용기술의큰축이될것이다. 에너지기술을전적으로해외에의존할수없으므로, 국내가용한자원을최대로활용하는기술개발이필요한시점이며관련기반기술의축적을위해서국산화기술개발이더욱필요하다. * 1기당 4,000-8,000억원에달하는석탄 IGCC 플랜트에서설비국산화율을극대화위해서는석탄가스화실증 test bed가필요하며, 국내 IGCC 플랜트에서사용할석탄에대한가스화자료는자체확보하여국내에건설되는신규플랜트에대한시행오차를줄이는자료축적과이를통한장기적해외플랜트기술수출을위해서도국산화기술개발이필수적이다. * 향후 60% 이상의발전효율이가능한가스화연료전지 (IGFC) 기술의핵심기술로서가스화, 고온탈황, 고온집진기술이활용가능하므로이에대한설비와공정기술에대한개발이이루어져야하며가스화를통한합성가스를사용하여합성휘발유 / 디젤유및 DME 등대체연료공정기술개발등의다양한기술개발이가능하도록, 합성가스제조설비체계를국내에구축할필요가있다. * 현재미국, 유럽, 일본에서진행되고있는가스화, 탈황, 집진부분들에대한기술개발의문제점들과현재조치하고있는내용, 그리고이에수반되는핵심기술내용, 이에대한국내연구진들이개선하여경쟁할수있는방안을다음과같이요약하였다.

24 문제점대상플랜트현황 ( 조치내용 ) 핵심기술국내개선방안 석탄가스화장치 버너팁의마모 Ube Ammonia 고강도버너팁재질교체 고강도합금 버너팁구조및팁의고온부냉각 슬랙탭의파손 Nakoso IGCC 내화재재질보완 고온내화재성분및 고온합성내화재설치 냉각방식 석탄의전환반응 Tampa(Texaco) 6 개탄종선정시험 반응성사전시험및주요물성 탄의 Reactivity 분석및주요물성데이터적용 Coal Slurry 유동성 Tampa(Texaco) 슬러리유동성증가를위해첨가제 계면활성제및화학조성 슬러리농도에따른계면활성제첨가 가스화기용융슬랙형성부위 < 표 5> 가스화공정의국산화기술사항검토분석표 Throat 부위에슬랙침적 회융점강하방안 가스화기로부터생성된 slag 의 fine 과 slag 의혼합 내화재수명단축 Slag taphole plugging 200t/d Nakoso Pilot plant ( 일본 ) Destec, Prenflo, Shell, Texaco Tampa Throat 부위의직경을확대슬랙의침적을최소화 / 슬랙의원활한배출유도 회융점강화때문에융제를사용함 1. 현재장치로는높은 O&M cost 소요 2. 생성 slag 의 recycling (rotary vaccum drum system) 슬랙의유동특성 회융점강화용융제사용 1. 연속적인 slagging 운전기술 2. 무기물용융 mechanism 규명및설계응용기술 3. 회용융온도 / 상평형도 / 중금속거동해석기술 Tampa(Texaco) 내화재수명 : 6 개월 내화재 / 재료부식선정 / 평가기술 Destec Excessive foreign Dense phase 고압분 material in coal feed 에 체이송기술 의한 plugging 1. 슬랙의유동특성을고려한슬랙배출부위설계 2. 고융점슬랙의경우융제첨가량과융점과의상관관계도출 1. 융제로서석회석대신백운석사용가능성검토 2. 슬랙흐름특성과가스화기온도와의상관관계도출 3. DTA 및회분조성에의한간편한용융특성평가기술 4. 회분중염기성성분이높은탄을선정하여슬래깅온도를낯추어야함 5. 융제첨가시 CO 2 반응성이증가되므로융점강화를위해석탄혼합방법이요구됨선회식가스화기설계로 slag 생성극대화 국산내화재제조, hot test 실시 Slag tap 고압 pilot burner system 설계 / 운용 촤및비산회의재순환부위 촤및비산회의재순환 Prenflo 촤및비산회를재순환하여가스화기로공급함 촤및비산회의재순환기술 국내의경우촤및비산회의재순환기술을적용한테스트가필요

25 문제점대상플랜트현황 ( 조치내용 ) 핵심기술국내개선방안 IGCC Process 운전시슬래깅현상에의한문제점 가스화공정물리 / 수학적모델링에대한계산 data 결여 British Gas/Lurgi slagging gasifier (United Kingdom) K 의온도범위에서측정된용융범위, density, thermal expansion, surface tension 및점도에대한 data 취득 2. 실험 data 와비교하여슬랙의화학적조성의기초를바탕으로수학적모델설계 IGCC Process 운전시슬래깅현상에의한문제점 고압가스화조건에서의슬래깅융착현상에대한 data 결여 가스화과정의효율, 장시간연속운전, 대상탄의적용성, 환경적적합성면에서슬래깅에의한문제발생 열교환기 Edison's Cool Water power station (USA) HYCOL (hydrogen from coal) Japan's national coal gasification programme 가압, 환원성분위기, 긴 residence time, 시스템의복잡성등이 bench scale 운전과열역학적계산을어렵게함 초기장시간연속운전에슬래깅문제발생 Ash plugging Tampa 1. Erosion 과 velocity 의상관관계가중요운전변수 2. 현재 long radius elbow 사용 Gas to gas 열교환기의 corrosion 발생 Radiant cooler 의 ash deposition Radiant cooler 의설계오류 Tampa Destec Tampa(Texaco) 1. 무기물중 Cl 에의한 pitting 과 plugging 으로 corrosion 발생 2. Gas to gas 열교환기해체 Geometry/Velocity change 부적절한 fouling factor 선정으로 cooler 성능저하 1. CaO Flux 첨가를통한용융슬랙의성질조절 2. Mossbauer 분석을통한 (Fe/Fe 2+ / Fe 3+ ) 비를비교하여슬래깅성향평가 1. 열전달튜브에서생성되는회융착입자는 1μm- 10 μm 사이의입자임을밝힘 2. Metal sulfide 와 fluoride, chloride 의화합물이수관벽과비산회입자표면에형성 1. 융착면과슬래깅사이의점착력에대하여산화 / 환원조건에서의온도함수로도출 2. 냉각튜브내에서융착성장의요소중 iron sulfide 가핵심요소로파악 1. 용융물질연속유동성유지기술 2. 시료특성별용융로설계 / 운전 / 제어기술무기물용융 mechanism 규명및설계응용기술 최적열회수용 radiant cooler 설계기술 1. 가스화기에적합한탄을대상으로 FeO/Fe 2O 3/Fe 사이의철의분포에따라슬랙의물리적성질 2. 대상탄과가스화기내벽을구성하는내화제와의반응성및융착성상비교 1. 가스화기에서의생성된배가스와비산회가열전달면에서생성하는융착회분에대한운전조건에따른 data 습득 2. 가스화기융착회분제거 plant design 제시 1. 가스화기에적합한탄을대상으로상이한운전조건에대한슬래깅성상파악 2. 대상탄과가스화기내벽을구성하는내화제와의반응성및융착성상비교 Slag 별특성조사및최적운전조건확립 1. Radiant cooler 내 fouling factor 값의정확한측정및예측모델개발 2. Cl 의정확한거동측정및예측모델개발요소부위설계 simulator 개발 Radiant cooler 내 fouling factor 값의정확한측정및예측모델개발

26 * 석탄가스화기술개발은상용급규모가수백 MW급에해당하므로, 국내의기술개발투자규모로는선진국과같은규모의설비를통한기술개발이불가능하므로이에따른추진전략이필요하다. * 기술전략의방향은크게두가지로나뉠수있다. 국내에서가용한자금규모에맞는 pilot 설비를구축하고국내에서사용할시료를사용하여전체공정을실증하는전략으로서, 미국과유럽등지에서겪었던운전상문제점들이국내에서재발되지않도록운전및설비의특성자료를제공하는것이첫째방향이다. 그다음은국내에건설되어운전될때필요한핵심설비와부품에대한국산화율을제고키위한제반기술개발의방향이다. 이를요약하면다음과같다. - 국내투자규모, 기술수준및향후국내보급환경에적합한규모의실증설비개발추진 - 국내업체의제작 / 건설기술등산학연의기반기술을활용할수있는추진체계구성하여기술개발의효율성제고 * 석탄가스화이용기술을선진국수준으로조기에진입시키기위해국가적콘소시움을구성하여추진 - 차세대대형발전기술확보를위해산 학 연공동체구성 - 민간기업및연구기관의보유시설, 장비및인력을공동활용하는콘소시움을구성 * 석탄 IGCC에대한국내고유기술분야집중개발로보급기반조성 - IGCC 핵심부분에대한국내고유공정기술로선택적개발 - 국내중공업업체의강점인 module화설계 제작능력과 IT 기술을접목한설계기술개발 - 상용화플랜트설계 운전기술력확보를위한실증공정연구 톤 / 일급플랜트건설을통한실증연구추진 - 기술개발기반확보를위한기술전문인력 pool 구축

Microsoft PowerPoint - Reference list for De-NOx system(Korean)-Blue Bird ( ).ppt [호환 모드]

Microsoft PowerPoint - Reference list for De-NOx system(Korean)-Blue Bird ( ).ppt [호환 모드] SCR SYSTEM 질소산화물제거시스템 (SCR SYSTEM) REFERENCE LIST De-NO X TECHNOLOGY 질소산화물제거기술 (SCR SYSTEM) NO 1 2 PROJECT KO1 C/R EP & De-NOx System 제작및설치 KO2 C/R EP & De-NOx System 제작및설치공사 VOLUME (Nm 3 /hr) SITE 발주처년도적용처