Performance Analysis of Shell Coal Gasification Combined Cycle systems

Shell 석탄가스화 복합발전 시스템의 성능해석 연구

This study aims to develop an analysis model using a commercial process simulator-ASPEN PLUS for an IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) system consisting a dry coal feeding, oxygen-blown entrained gasification process by Shell, a low temperature gas clean up process, a General Electric MS7001FA gas turbine, a three pressure, natural recirculation heat recovery steam generator, a regenerative, condensing steam turbine and a cryogenic air separation unit. The comparison between those results of this study and reference one done by other engineer at design conditions shows consistency which means the soundness of this model. The greater moisture contents in Illinois#6 coal causes decreasing gasifier temperature and the greater ash and sulfur content hurt system efficiency due to increased heat loss. As the results of sensitivity analysis using developed model for the parameters of gasifier operating pressure, steam/coal ratio and oxygen/coal ratio, the gasifier temperature increases while combustible gases (CO＋H2) decreases throughout the pressure going up. In the steam/coal ratio analysis, when the feeding steam increases the maximum combustible gas generation point moves to lower oxygen/coal ratio feeding condition. Finally, for the oxygen/coal ratio analysis, it shows oxygen/coal ratio 0.77 as a optimum operating condition at steam/coal feeding ratio 0.2.

본 연구에서는 상용공정모사기인 ASPEN PLUS를 이용하여 건식탄공급, 산소사용 분류층 가스화기인 Shell가스화공정, 저온가스정제공정, GE MS7001FA가스터빈, 삼압.자연순환식 폐열회수보일러, 재열복수식 증기터빈 및 극저온 산소분리공정을 채용한 IGCC시스템에 대하여 성능해석 모델을 개발하고 시스템 성능해석을 위한 민감도분석을 수행하였다. 본 모델의 적정성은 설계조건에서 대상탄을 이용한 정상상태 성능해석 결과를 타 시뮬레이션 결과와 비교함으로서 검증하였다.$^{1)}$ . Illinois#6탄을 대상으로 수행한 시뮬레이션 결과는 투입되는 탄에 함유된 수분의 양이 증가함에 따라 가스화기의 온도가 감소하며, 회분 및 황이 많은 경우에 현열손실이 증가하여 시스템 효율이 감소하였다. 개발된 모델을 이용하여 가스화기의 운전압력, 증기/석탄비율 및 산소/석탄비율에 따르는 시스템의 민감도분석을 수행한 결과 운전압력 증가에 따라 가스화기 노내온도가 상승하며, 가연성가스(CO＋H2) 생성율이 감소하였다. 증기/석탄비율 변화분석에서는 공급증기의 양을 변화시키면 가연성가스의 최고생성점이 보다 낮은 산소/석탄비율에서 나타남을 알 수 있었다. 또한 산소/석탄비율 변화분석에서는 증기/석탄 공급비율 0.2에서 산소/석탄 공급비율이 0.77인 경우에 가장 최적의 운전조건임을 알 수 있었다.