ISSN 1738-3935 New & Renewable Energy 2013. 9 Vol. 9, No. 3 http://dx.doi.org/10.7849/ksnre.2013.9.3.020 논문 3 [2013-9-CG-003] 분류층가스화기특징및공정모사분석 유정석 *, 김유석, 백민수 ** Characteristics and Modeling Analysis of Entrained Flow Gasifiers Jeongseok Yoo*, Youseok Kim and Minsu Paek** Abstract The gasification process has developed to convert coal into the more useful energy and material since decades. Despite the numberous design of ones, entrained flow gasifier of the major companies has had an advantage on the market. Because it has a merit of full-scale and high performance plant. In this paper, the gasification technologies of GE energy, Phillips, Siemens and Shell have been reviewed to compare their characteristics and a high performance gasification process was suggested. And the simulation model of gasifiers using Aspen Plus offered the quantitative comparison data for difference designs. The simulation results revealed the poor performance of the slurry feed than dry design. The corresponding cold gas efficiency of 77% is much lower than the 80.3% for the dry feed cases. The exergy analysis of the difference syngas quenching system showed that chemical quenching is superior to another. The results of analysis recommend the two stage gasifier with dry multi-feeder as the energy effective design. Key words Entrained flow gasifier( 분류층가스화기 ), Slurry feed( 슬러리주입 ), Dry feed( 건식주입 ), Syngas Quenching( 합성가스냉각 ) ( 접수일 2013. 5. 16, 수정일 2013. 9. 9, 게재확정일 2013. 9. 23) * 두산중공업주식회사 (Doosan Heavy Industries & Construction) E-mail : jeongseok.yoo@doosan.com Tel : (042)712-2157 Fax : (042)712-2230 ** 두산중공업주식회사 (Doosan Heavy Industries & Construction) E-mail : Minsu.paek@doosan.com Tel : (042)712-2123 Fax : (042)712-2230 Nomenclature CGE : cold gas efficiency, % E : total exergy, kcal/hr : thermal exergy of heat available at T, kcal/hr : working power, kcal/hr : enthalpy, kcal/kg HHV : high heating value, kcal/kg I : irreversible exergy, kcal/hr m : mass, kg Q : heat energy, kcal/hr R : ideal gas constant, 1.987kcal/K kmol s : entropy, kcal/kg k SH : sensible heat, kcal/hr T : temperature, K 20
분류층가스화기특징및공정모사분석 W : working energy, kcal/hr : mole fraction Greek ε ph : specific physical exergy, kcal/hr ε ch : specific chemical exergy of ideal steam, kcal/hr ε ch, gas : specific chemical exergy of gas, kcal/hr ε oi : standard molar chemical exergy of i component in an ideal mixture, kcal/hr ε ch, coal : specific chemical exergy of coal, kcal/hr η : efficiency, % subscript bfw : boiler feed water e : energy i : component st : steam syn : syngas 0 : standard IN : input stream to control volume OUT : outgoing stream from control volume 1. 서론 석탄, 바이오매스, 잔류오일등을보다유용한물질인합성가스연료, 화학물질로전환하기위해수십년전부터가스화방법이개발되어현장에적용되어왔다. 현재까지개발된가스화기술은방식에따라, 고정층, 이동층, 분류층으로구분할수있다. 분류층가스화기술은다른가스화기술과비교하여사용할수있는석탄이제한적이지만, 고효율, 대형화의장점을가지고있어 Shell, GE Energy, Siemens 등세계적인주요기업주도하에세계시장의 50% 이상을점유하고있다. (1) 국내도최근 Shell 과 Phillips 공정이도입되어태안과광양에건설중에있으며, 하동과삼척에추가가스화플랜트건설을고려하고있다. 본연구에서는분류층가스화기술을대표하는 GE energy, Phillips, Shell, Siemens 의석탄가스화기술특성을비교하고, 공정모델분석을통하여보다우수한가스화방식을제안하였다. 가스화공정별기술분석은문헌등을기반으로정리하였으며, 공정모사를통한성능비교를위하여 Aspen Plus 가사용되었다. 공정모사결과에대한신뢰성확보를위하여, 플랜트운전자료를기반으로검증된공정별모델이사용되었다. 개발된공정별모델을이용한에너지및엑서지분석결과를통하여공정별특성을정량적으로비교하였다. 2. 본론 2.1 공정별특성분석 가스화공정은일반적으로석탄을분쇄하여고압으로이송하는시스템, 가스화기, 슬래그제거설비그리고합성가스냉각시스템과집진설비를포함한다. 현재까지개발된다양한형태의가스화공정은석탄주입방식, 가스화기형상, 버너위치, 생성된합성가스에대한냉각및열회수방식등에의하여특징지어진다. 2.1.1 석탄주입방식고압가스화기에미분탄주입은석탄을물과혼합 ( 석탄 /( 물 + 석탄 ) 무게비, 50~70%) 하여주입하는슬러리주입 (Slurry feed) 방식과기존화력발전소와같이석탄을수분함량 2% 수준까지건조시켜주입하는건식주입 (Dry feed) 방식으로구분된다. (2) 슬러리주입은 GE energy 와 Phillips 에서선택한방식으로펌프를이용하여슬러리석탄을 100bar 이상까지가압할수있기때문에건식주입과비교하여보다간단한설비로고압운전이가능하다. 반면에석탄에포함된염소성분과고압슬러리이송때문에펌프, 이송배관, 버너노즐등특정부위에부식, 마모가발생되어, 최근에는재질을개선하고있다. 저급석탄의경우에는석탄에존재하는고수분때문에이송에적합한슬러리제작이어려운것으로알려져있다. (3) 건식주입은 Shell 과 Siemens 에서선택한방식으로석탄을건조하여고압질소로이송시키는방식이다. 건식주입방 2013. 9 Vol.9, No.3 21
논문 3 식의문제는설비구성과운전과정이복잡하다는것과수분에의한석탄부착이발생하지않도록충분히건조해야한다는것이다. 이와같은문제를해결하기위해석탄저장고가약 80m 상부에서하부까지 3 단에걸쳐설치되고, 가압, 이송, 압력조정등, 9 단계의복잡한운전과정을통해주입되기때문에장치와설치비가상대적으로고가이다. (2) 2.1.2 가스화공정 1) GE energy 가스화기 GE energy 가스화기는하향류식단일버너로가스화기벽면은내화벽돌로구성되어있다. 가스화과정에서생성된합성가스는가스화기하부에설치된복사전열관을통과하면서 700 까지냉각된다. Fig. 1에서보는것과같이 GE energy 가스화기는설비자체가단순하여경제적인설치가가능하지만에너지효율이상대적으로낮은것으로보고되고있다. (4) 2) Phillips(P-66) 가스화기 Phillips 가스화기는상향류식 2단가스화기로 GE energy 와동일하게내화벽돌이설치되어, 경제적인제작, 설치가가 능한것으로알려져있지만가스화기의구조적인문제로이용률이상대적으로낮은것이단점이다. 그러나 2단연료주입방식을사용하고있어, 가스화에필요한산소량을줄이고합성가스중에 CH 4 농도를높게유지할수있다. (5) 3) Shell(SCGP) 가스화기 Shell 가스화기는 4개의버너를가지고있는상향류가스화기이다. 가스화기내부의열을회수하기위해내화벽돌대신에수냉벽 (Membrane wall) 을설치하고합성가스냉각기를가스화기와일체형으로구성한것이특징이다. (3) 가스화기중에상대적으로설비가복잡하여설치비가고가이나, 에너지효율이높은것으로알려져있다. 또한, 가스화기를구성하는수냉벽은운전조건을준수할경우, 내화벽돌과는다르게교체하지않고 20년이상의사용할수있다. (2) 4) Siemens(SFG-500) Siemens 가스화기는하향류식단일버너방식의가스화기이지만건식석탄주입방식을사용하고있으며, 가스화기내벽은 Shell 가스화기와같은수냉벽으로구성되어있다. 생성된합성가스는가스화기하부에설치된수분분사장치에의해쉽게냉각되기때문에설비의간편성, 운전조건가변성에장점을가지고있다. (2) (a) GE energy (b) Phillips (P-66) (c) Shell (SCGP) (d) Siemens (SFG-500) Fig. 1 Schematics of coal gasifier 2.1.3 합성가스냉각방식합성가스냉각시스템은가스화과정에서생성된용융슬래그와비산재를제거하면서열을유용하게회수할수있도록고안된장치이다. 합성가스와함께이동하는비산재는가스화기벽면과전열관등에 Fouling 현상을일으킨다. 특히열교환기에 Fouling 을방지하기위하여석탄재의용융특성을고려하여설계하고있다. (2) Fig. 2는대표적인합성가스냉각기술을나타낸것이다. (6) 열회수냉각방식 (HRSC; Heat Recove ry Syngas Cooler Quenching) 을사용하고있는 GE energy 는가스화기하부에 RSC(Radiant Syngas Cooler) 와이후 CSC(Convective Syngas Cooler) 를설치하여발생된열을스팀으로회수할수있도록설계하였다. 화학적냉각방식 (Chemical Quenching) 은석탄과산소를주입하는 1단가스화기상부에석탄만을주입하는 2단가스화반응영역을만들어탄소가일산화탄소로전환되는흡열 22
분류층가스화기특징및공정모사분석 (a) HRSC Quenching (b) Chemical Quenching Table 1. Coal composition attributes Proximate analysis Ultimate analysis Sulfur analysis Element Wt,% Element Wt,% Element Wt,% Moisture 11.04 Ash 16.47 Pyritic 0.70 FC 39.82 Carbon 67.63 Sulfate 0.00 VM 32.67 Hydrogen 4.39 Organic 0.19 ASH 16.47 Nitrogen 1.55 Chlorine 0.01 Sulfur 0.89 Oxygen 9.06 (C) Recycle Gas Quenching (d) Water Spray Quenching Fig. 2 Overall diagram of syngas quenching 반응을유도하여냉각하는방식이다. Phillips 에서는화학적냉각방식을채택하여 1400 의합성가스를 1000 까지냉각시킨후에열을스팀으로회수한다. 가스재순환냉각방식 (Recycle Gas Quenching ) 을선택하고있는 Shell 에서는 250 로냉각된합성가스를가스화기출구단으로재순환시키는방법으로 1400 의합성가스온도를 900 까지냉각시킨다. 재순환방식은합성가스를재순환하기위한압축에너지손실을제외하면합성가스현열을대부분스팀으로회수할수있다. 마지막으로 Siemens 에서는 1400 의합성가스를가스화기하부에서수분을분사하여 300 까지냉각하는물분사냉각방식 (Water Spray Quenching) 을채택하고있다. 냉각을위해분산된수분은대부분기화되어합성가스에포함되기때문에합성가스의현열은높으나, 스팀회수율은매우낮다. 기준 ) 에속하는호주탄을대상으로하였다. 석탄조성은아래 Table 1과같다. 수분함량 11.04% 의석탄은건식주입방식에서는 2% 로건조되며, 슬러리주입의경우는석탄과물의비율이무게비로 67:33 으로혼합되어가스화기에주입된다. 2) 가스화기공정모사석탄주입량은 Table 1의석탄조성을고려하여정상상태에서 2,500ton/day 로선정하였다. 가스화기열손실은문헌값 1.5% 를균일하게반영하였다. (7) 석탄에포함된 Tar는모델에반영하지않고 Char 에는탄소와 Ash만을포함하는것으로가정하였다. Aspen Plus 로모사된전공정의일반적인혼합물질의물리적특성계산은물과탄화수소혼합공정에보다적합한 SRKKB(Kabadi-Danner에의해보정된 RK-Soave 식 ) 식을이용하였다. (8) 부가적으로석탄과석탄재에대한엔탈피와밀도계산을위하여 HCOALGEN 과 DCOALGT 모델이사용되었다. (9) 가스화모델은 Yield 반응기와 Gibbs 모델로구성하고 Table 2에정리된화학반응식을고려하여가스화기개 2.2 공정모사및엑서지계산 2.2.1 공정모사방법가스화기공정모사는화학공정에서널리사용하고있는 Aspen Plus 를사용하였다. Aspen Plus 는고체연료에대한해석기능때문에그동안석탄가스화기뿐만아니라바이오매스가스화기공정모사등다양한영역에활용되고있다. 1) 석탄조성공정모사를위하여역청탄중발열량이 6,165kcal/kg(HHV Table 2. Implemented reactions in Gibbs reactor Reaction ΔH R.0 (kj/mol) C+O 2 CO 2-406.3 R1 C+CO 2 2CO +159.6 R2 CO+3H 2 CH 4+H 2O -206.2 R3 CO+H 2O H 2+CO 2-41.1 R4 H 2+S H 2S -20.5 R5 CO+S COS -27.9 R6 Cl 2+H 2 2HCl -184.6 R7 N 2+3H 2 2NH 3-91.9 R8 CO+NH 3 HCN+H 2O +49.8 R9 2013. 9 Vol.9, No.3 23
논문 3 별특성을반영하였다. Table 3은공정모사에사용된일반설계경계조건이며, Table 4는공정모사에사용한가스화기의설계경계조건을 나타낸것이다. 설계경계조건은그동안발표되었던가스화 기공정별운전및설계자료를참고하여정리한것이 다. (3,4,10) 성능을결정하는가스화기운전온도는석탄에포함 된탄소몰 (mole) 량대비주입되는산소량과수분량에의해 계산된수치이며, 개별가스화기의통상운전범위에포함되 도록하였다. 가스화기공정모델은 J. Yoo(2009) 에의하여개발된석탄 Table 3. General boundary condition Parameter Value Comment Environmental Temperature 25 Environmental Pressure 1.013bar Dry atmosphere N 2 78.1%, O 2 21.0%, Ar 0.9%vol O 2 Purity 95% Ar3%, N 2 2%vol O 2 Temperature 240 Moderate Steam 45bar/257 Saturated ST Quench water 37bar/150 Preheating Middle Pressure Steam 53bar/270 BFW 63bar/220 High Pressure Steam 140bar/338 BFW150bar/220 Table 4. Unified boundary condition for gasifier modeling Parameter GE Energy (4) Phillips-P66 (10) Coal feeding Wet Wet Chamber Refractory Refractory Quench Radiant/HRSC Chemical Quench Pressure, bar 38 38 Temp. 1380 1387/1004 O 2/C mol% 0.489 0.4362 Steam/C, mol% - - H 2O/coal, wt% 0.330 (Transfer) 0.330 (Transfer) Parameter Shell-SCGP (10) Siemens-SFG500 (10) Coal feeding Dry Dry Chamber Membrane wall Cooling Screen Quench Gas Recycle Full Water Pressure, bar 42 35 Temp. 1450 1450 O 2/C mol% 0.453 0.453 Steam/C mol% 0.095 0.095 N 2/coal,wt% 0.125 (Transfer) 0.125 (Transfer) 가스화공정모델 (11) 을개선하였다. 모델개선은기존의 Gibbs 모델에서얻어진화학평형온도를보정하여개별반응식에대입하여계산하는방법으로 Gibbs 에너지최소화계산결과를미세하게조정하기위해수행된다. (12) 여기서, 보정온도는실증운전자료를기반으로결정되기때문에가스화기특성이반영된경험적인수치로가스화기종류에따라고유값을갖는다. 본연구에서는 Table 2에제시된 R2, R4, R9 반응에대하여 0~200 범위에서가스화반응온도를보정하여사용하였다. 개발된가스화기모델에대한신뢰성검증은실증자료와함께문헌값 (3,10) 비교를통해실시되었다. 검증결과, 주요성분에대해서는 ±3% 이내오차범위였으며, 미세성분에대해서는 ±5% 이상을넘지않았다. 공정모사에서효율계산은석탄이합성가스로전환되는전환효율 (CGE: Cold Gas Efficiency) 과열회수효율로나타낼수있다. 가스화기에너지효율은식 (1) 과같이합성가스발열량과스팀회수에너지의합을석탄의발열량, 냉각을위해투입되는일에너지, 유입되는현열의합으로나눈값으로정의하였다. 여기서, W는합성가스냉각을위하여투입된일에너지이며, SH는가스화기에유입되는현열이다. (1) 2.2.2 엑서지계산방법가스화과정에대한엑서지계산은위치와운동엑서지를무시하고아래식과같이화학, 물리엑서지의합으로나타낼수있다. (2) 여기서, 엑서지계산에필요한물질에대한몰분율, 유량, 엔탈피와엔트로피는 Aspen Plus 모사결과로부터계산하였으며, Table 3에제시된외부조건을기준엑서지로하였다. 특히, 24
분류층가스화기특징및공정모사분석 석탄에대한화학엑서지 ε oi 값은 J. Szargut(2004) 에의해제시된방법에따라 β보정계수를계산하고아래식 (3) 과같이발열량의비로계산하였다. (13) (3) 계에전달된일은엑서지값과동일하게계산하였으며, 열에너지는아래식 (4) 와같이 Carnot Factor 를이용하여계산하였다. (4) 결론적으로계에유입되고배출되는엑서지수지는아래식 (5) 와같이표기되며, 여기서 I는회수할수없는에너지손실에해당된다. (5) 는증가된 3.4 배의수분으로인해가스화과정에서보다많은열을흡수해야하며, 이를위해산소소비량이약 8% 증가하였다. 결과적으로증가된산소는이산화탄소발생을증가시켜합성가스전환효율을감소시킨다. 상기결과인석탄주입방식에따른효과만을보기위해 Fig. 3에수분량변화와산소주입량변화에따른합성가스전환율을그래프로나타내었다. 그래프내부실선은합성가스전환효율이며, 점선은온도선으로분류층가스화기의운전온도영역을표기한것이다. 온도선은오른쪽으로진행할수록온도가상승한다. GE energy 가스화기의슬러리주입조건을표시한점 A1이건식주입조건으로바뀌게되면서점 A2로내려오게된다. 결과적으로합성가스전환효율은 3.3% (77% 에서 80.3% 상승 ) 상승하고산소소모량은슬러리주입조건과비교하여 7.2%(0.83 에서 0.77 감소 ) 감소하였다. 가스화기운전조건에영향을받는합성가스조성은수분량증가에따라증가되는수소농도와함께저온가스영역에서증가되는 CH 4 발생량에의해합성가스발열량이증가한다. 따라서엑서지효율계산은식 (6) 과같이계산할수있다. 3. 결과및토의 3.1 공정모사결과 동일한역청탄을대상으로 4 종류가스화기에대한공정모사결과를 Table 5에정리하였다. 에너지효율은 Shell 가스화기가 92.99% 로가장높은결과를보였으며, 이는 NETL (2009) 등의보고서의예측결과와동일한경향을나타내고있다. (3,10) 이와같은성능차이는앞서언급한석탄주입방법, 합성가스냉각방식, 가스화기구조등의영향에의해나타난종합적인결과이다. 석탄주입방식에따른합성가스전환효율의차이는 GE energy 와 Shell 가스화기의결과에서찾을수있다. Shell 가스화기와비교하여슬러리로주입되는 GE energy 가스화기 (6) Table 5. Results of gasifier modeling Parameter GE Phillips Shell Siemens Syn gas Mass Flow, kg/hr 192,070 189,341 190,700 192,411 HHV/LHV (MW) 532/502 577/541 567/540 564/541 SteamYield (MW) 108.26 71.48 96.14 2.69 Carbon Conversion rate (%) 95.00 96.30 98.70 98.30 Cold Gas Efficiency (%) 75.95 82.28 80.88 80.43 Energy Efficiency (%) 91.07 92.18 92.99 79.51 Component Volume rate (%) Syngas composition after wet scrubber H 2O 8.845 8.822 7.925 9.203 AR 0.925 0.807 0.857 0.847 CO 2 12.679 10.400 3.853 3.805 O 2 0.000 0.000 0.000 0.000 N 2 1.108 1.029 6.207 5.933 CH 4 0.007 0.861 0.011 0.008 CO 47.294 47.557 56.224 55.566 COS 0.030 0.019 0.028 0.027 H 2 28.838 30.222 24.619 24.338 H 2S 0.269 0.274 0.272 0.269 NH 3 0.004 0.007 0.004 0.004 2013. 9 Vol.9, No.3 25
논문 3 Table 7. Exergy comparison of gasification Items GE Phillips Shell Siemens Input Exergy (MW) 615.4 633.7 661.5 655.2 Output Exergy Chemical Exergy (MW) 509.8 549.3 539.8 555.6 Physical exergy (MW) 29.4 28.5 26.4 57.9 Steam exergy (MW) 51.6 35.6 47.3 1.2 Irreversible exergy (MW) 24.6 20.3 48.0 40.1 Exergy loss (MW) 54.0 48.8 74.4 98.4 Exergy efficiency (%) 91.2 92.3 88.8 85.0 Fig. 3 Performance map of gasifier depend on operation condition Table 6. Comparison of heat recovery efficiency Items GE Phillips Shell Siemens Exergy efficiency (%) 48.83 39.92 39.12 1.20 Phillips 가스화기는 1단에서 1387 로운전되다가 2단영역에서주입되는석탄연료로인해부다반응 ( 흡열반응, R2) 이주로일어나 1004 로낮아지면서 H 2 와 CH 4 발생을증가시킨다. 이와같은이유로 Phillips 가스화기는 GE energy 가스화기와같이탄소전환율이 95~96% 수준으로낮음에도불구하고합성가스전환효율이 82.28% 로높게계산되었다. 가스화기전체에너지효율에 10% 정도기여하는열회수효율은엑서지분석을통하여가스화기종류별분석결과를표준화하였다. 가스화과정에서생성된물리엑서지가유용한스팀으로회수되는엑서지효율을식 (6) 을이용하여계산하면 Table 6과같다. GE energy 가스화기의열회수냉각방식이가장높은엑서지효율을보였으며, Shell 가스화기의가스재순환냉각방식의경우에는유용한스팀을상대적으로많이회수하고있으나, 효율적인방법이라고볼수없었다. 즉열교환면적을증가시키는것이가스재순환을통한열교환방식보다성능이우수하였다. 물분사냉각방식을사용하고있는 Siemens 가스화기의경우는일부가스화기벽면에설치된수냉벽에서회수되는스팀을제외하고대부분의열을현열로배출하고있기때문에엑서지효율이 1.2% 로매우낮게계산되었다. 합성가스냉각방식중에화학적냉각방식을채택하고있는 Phillips 가스화기를다른가스화기들과비교하기위하여상기의유용한스팀회수엑서지계산과는다르게화학엑서지를엑서지효율계산과정에포함하여냉각방식에따른엑서지효율을계산하였다. 합성가스의화학엑서지는냉각, 혼합등의과정에서서로반응하지않는것으로가정하였으며, 엑서지계산은식 (2) 에의하여, 엑서지수지는식 (5) 에의해계산하여 Table 7에정리하였다. 결과를살펴보면 Phillips 가스화기의엑서지효율이 92.3% 로가장우수하였다. 이는 2단가스화영역에서생성된합성가스의화학엑서지가증가했기때문이다. 여기서유입엑서지는합성가스의화학엑서지, 물리엑서지그리고추가유입되는일엑서지의총합이며, 배출되는엑서지는엑서지별로분류하여표시하였다. 엑서지손실은회수할수없는엑서지와현열로배출되는엑서지의합이다. 화학적냉각방식의가스화기는 1단, 2단가스화영역에주입되는석탄주입비율에따라서, 합성가스전환성능에영향을주기때문에이에대한비교가필요하다. 2 단가스화영역의석탄주입비는가스화형상과운전조건에영향을받지만일반적으로 0.1~0.4 범위에서최적화되는것으로보고되고있다. (14) Phillips 가스화기를대상으로 1단과 2단가스화영역에주입하는연료량의비를변경하면서합성가스전환효율을비교한결과는 Fig. 4와같다. 모사결과에의하면 2단가스화영역에석탄주입비 0.35,1단가스화영역주입비 0.65 에서 83.82% 의가장높은합성가스전환효율을보였다. 그러나 2단가스화영역에주입되는석탄비율이 0.35 이상증가할경우에는오히려성능이감소하였다. 26
분류층가스화기특징및공정모사분석 Fig. 4 Comparison CGE and syngas temperature depend on second stage coal supply rate 3.2 결과토의 지금까지설명된내용과모사결과를종합하면다음과같다. 에너지효율측면에서 Shell 가스화기가높은것으로예측되었으나, Siemens 가스화기를제외하면 1~2% 내외의낮은차이를보였다. 그러나엑서지분석결과는 Phillips 가스화기가보다월등하게우수한결과를얻었다. 이와같은차이는가스화기에유입되는현열만을계산하는에너지계산방법과다르게산소, 스팀이가지고있는화학, 물리엑서지가유입엑서지에반영되었기때문이다. 석탄주입은슬러리주입방식과비교하여건식주입방식이합성가스전화효율과다양한석탄활용측면에서모두유리하였다. 합성가스냉각방식은유효스팀의회수율측면에서는전열면적을넓히는열회수냉각방식이유리하였다. 그러나특정열교환영역에서의석탄비산재의부착문제와생성된합성가스전환효율을고려한다면화학적냉각방식이가장우수한것으로판단되었다. 화학적냉각방식의가스화기는 Fig. 4의결과처럼, 1단과 2 단가스화영역에주입되는석탄비율에따라전환효율이 5% 이상차이를보이기때문에적절한비율을찾는것이중요하다. 그밖에분류층가스화기성능에영향을줄수있는버너위치및형상등에대해서는본연구에서고려되지않았다. 4. 결론 본연구에서는분류층가스화기를대표하는 GE Energy, Phillips, Shell, Siemens 가스화기를대상으로가스화기별특성을분석하고, Aspen Plus 를이용하여공정모사를수행하였다. 공정모사결과에대한신뢰성을확보하기위하여, 발표된운전결과와공정모사의예측결과비교를통해 ±5% 이상의오차가발생하지않도록모델을구성하였다. 공정분석결과, 슬러리주입방식은수분주입량이많기때문에합성가스전환효율이 77% 수준으로건식주입방식 80.3% 와비교하여낮은효율을보였다. 그러므로건식석탄주입방식을선택한다면슬러리주입방식과비교하여 3.3% 성능개선, 7.2% 산소량감소효과를기대할수있다. 합성가스온도를필요한온도로낮추고유효스팀으로열을회수하는가장효과적인방법은 48.83% 의엑서지효율로계산된열회수냉각방식이지만비산재및슬래그점성으로열회수장치의 Fouling 등을고려한다면화학적냉각방식이가장효율적인냉각방식인것으로분석되었다. 화학적냉각방식의가스화기운전을위하여 2 단가스화영역의석탄주입비는석탄조성과운전조건에따라다를수있으나, Phillips 가스화기의경우성능측면에서 1 단과 2 단의석탄분배비율 0.65: 0.35 범위에서최적화되었다. 상용화된가스화공정별분석결과, 건식석탄주입설비와 2단가스화로구성된화학적냉각방식이우수한가스화공정인것으로판단되었다. 그러나보다현실적인접근을위해서는추가적으로가스화기및합성가스냉각기에대한구조적인연구가필요할것으로판단된다. 후기 본연구는 2013 년산업통산부재원으로한국에너지기술평가원 (KETEP) 의지원을받아수행한한국형 300MW 급 IGCC 실증플랜트기술개발사업연구과제입니다 (2011951010001A). References [1] Global IGCC Power Market and Strategies, 2007-2030, Emerging Energy Research, Chapter 6, pp. 7-8, 2007. [2] Coal Fleet User Design Basis Specification for Coal Based 2013. 9 Vol.9, No.3 27
논문 3 Integration Gasification Combined Cycle (IGCC) Power Plant, Electric Power Research Institute, Chapter 8, 2011. [3] C. Kunze and H. Spliethoff, Modeling, comparison and operation experiences of entrained flow gasifier, Energy Conversion and Management Vol. 52, pp. 2135-2141, 2011. [4] R. Domentichini et, al. Integration Gasification Combined Cycle(IGCC) Design Considerations for Carbon Dioxide(CO 2) capture interim report, Electric Power Research Institute, Vol. 6, pp. 1-45, 2009. [5] L. Chen, R. Nolan and S. Avadhany, Thermodynamic Analysis of Coal to Synthetic Natural Gas Process, Massachusetts Institute of Technology, 2009. [6] M. Grabner and B. Meyer, Modeling-based Evaluation of Gasification Processes for High ash Coals, 5 th International Freiberg Conference IGCC & XtL Technologies, 2012. [7] C. Higman and M. Van der Burgt, Gasification, 2nd ed. Elsevier Gulf Professional Publishing, 2008. [8] V.N. Kabadi and R.P. Danner, A modified Soave-Redlich- Kwong equations of State for water-hydrocarbon phase equilibria, Ind. Eng. Chem Process Des. Dev. Vol. 24, pp. 573-541, 1985. [9] J. E. Preciado, J. J. Ortiz-Martinez, J. C. Gonzalez-Rivera, R. Sierra-Ramirez and G. Gordillo, Simulation of Synthesis Gas Production from Steam Oxygen Gasification of Colombian Coal Using Aspen Plus, Energies Vol. 5, pp. 4924-4940, 2012. [10] M. C. Woods et al. Cost and National Gas to Electricity Final Report, DOE/NETL, 2007. [11] J. Yoo, M. Paek and Y. Kim, Development of Process Model to Prediction Performance of Coal IGCC Plant, KSME Conference, 2009 [12] H. Lee, S. Choi and M. Paek, Interpretation of coal gasification modeling in commercial process analysis simulation codes, Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 24(7), pp. 1515-1521, 2010. [13] J. Szargut, Exeregy method Technical and Ecological Applications, wit press, pp. 19-56, 2005. [14] A. Silaen and T. Wang, Investigation of the Coal Gasification Process Under Various Operating Conditions Inside a Two-Stage Entrained Flow Gasifier, Journal of Thermal Science and Engineering Applications, Vol. 4 021006, pp. 1-11, 2012. 유정석 김유석 1993 년경희대학교환경학과이학사 1995 년경희대학교환경학과대기오염제어이학석사 1996 년한양대학교기계공학과공학사 1998 년한양대학교기계공학과공학석사 현재두산중공업기술연구원책임연구원 (E-mail : jeongseok.yoo@doosan.com) 현재두산중공업기술연구원책임연구원 (E-mail : you-seok.kim@doosan.com) 백민수 1986 부산대학교기계설계공학과공학사 1989 부산대학교기계공학과공학석사 1995 부산대학교기계공학과공학박사 현재두산중공업 ( 주 ) 기술연구원수석연구원 (E-mail : minsu.paek@doosan.com) 28