• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 추계학술대회 초록집
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• pp.129.2-129.2
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• 2010

As a part of the government renewable energy policy, KOWEPO is constructing 300MW IGCC plant in Taean. IGCC plant consists of gasification block, air separation unit and power block, which performance test is separately conducted. Overall performance test for IGCC plant is peformed to comply with ASME PTC 46. Major factors affected on the overall efficiency for IGCC plant are external conditions, each block performance(gasification, ASU, power block), water/steam integration and air integration. Performance parameters of IGCC plant are cold gas efficiency, oxygen consumption, sensible heat recovery of syngas cooler for gasification block and purity of oxygen, flow amount of oxygen and nitrogen, power consumption for air separation unit and steam/water integration among the each block. The gas turbine capacity applied to the IGCC plant is 20 percent higher than NGCC gas turbine due to the low caloric heating value of syngas, therefor it is possible to utilize air integration between gas turbine and air separation unit to improve overall efficiency of the IGCC plant and there is a little impact on the ambient condition. It is very important to optimize the air integration design with consideration to the optimized integration ratio and the reliable operation. Optimized steam/water integration between power block and gasification block can improve overall efficiency of IGCC plant where the optimized heat recovery from gasification block should be considered. Finally, It is possibile to achieve the target efficiency above 42 percent(HHV, Net) for 300MW Taean IGCC plant by optimized design and integration.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 추계학술대회 초록집
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• pp.130.1-130.1
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• 2010

미국과 유럽에서는 이미 10여 년 전부터 250MW급 이상의 대용량 석탄IGCC 플랜트를 상업운전 하고 있으며, 일본과 중국을 비롯한 아시아에서도 대용량 플랜트를 시운전하고 있거나 건설 중에 있다. 한국에서는 제4차 전력수급계획에 의거 태안화력 부지 내에 300MW급 IGCC 플랜트 건설을 추진 중이며, 두산중공업은 '10년 상반기에 IGCC 가스화 플랜트에 대한 FEED 설계 (Front-Eng Engineering Design)를 완료하였다. 그 과정 중 설계조건에 의한 기본 엔지니어링 사항과 석탄 가스화 플랜트에 대한 성능예측 결과를 본 연구에서 소개한다. 가스화 플랜트의 엔지니어링은 가스화 블록과 가스정제 블록으로 구분하여 수행하였다. Process Data를 이용하여 PFD Development, P&ID Generation, Equipment Specification 개발, HAZOP 수행, Architecture Engineering 등의 순으로 FEED 설계를 진행하였다. BOD (Basis of Design)를 기준으로 운전조건별 Heat & Mass Balance와 Process Flow를 재검토하고 각 기기별 운전개념을 반영하여 P&ID를 개발하였다. 그리고 배관, 전기 및 제어에 대한 각종 Diagram 개발과 HSE (Health, Safety and Environment) 관련 설계를 수행하였다. IGCC 1호기의 엔지니어링 수행과 함께 Next 호기 자체설계 역량 확보를 위해 두산중공업은 'DIGITs'로 명명된 개념기본설계 Tool을 개발하고 있다. DIGITs는 공정모델링, 단위기기 개념설계, 공정구성 (Process Configuration) 및 종합 Database Package 형태로 구성된다. DIGITs에 의한 계산 결과 공정사 Process Data 기준시 가스화 블록 출구에서 Syngas HHV와 Syngas 현열은 각각 약 $636MW_{th}$와 약 $18MW_{th}$로, Plant 설계조건 $630MW_{th}$를 만족하는 것으로 예측되었다. 향후 DIGITs는 가스정제 블록 및 주변 BOP 설비 등과 연계한 종합 개념기본설계 Tool로써 개발 진행 중이다.

• 전기저널
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• 통권452호
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• pp.29-34
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• 2014

2014년 5월 한 달 간 우리나라에서 석탄을 이용해 생산한 발전량은 약 1만5,748GW에 달한다. 이는 국내 총 발전량 중 38%에 해당하는 양이다. 특히 유연탄의 경우 kWh당 정산단가가 61.6원에 불과해 원자력(55.4원) 다음으로 경제성이 높은 발전원에 속한다. 그러나 석탄화력의 경우 황산화물, 질소산화물 및 먼지와 지구온난화의 주범으로 꼽히는 온실가스를 배출하고 있어 항상 논란의 대상이 된다. 2011년 기준으로 국내 $CO_2$ 배출량의 약 1/3 정도가 전력분야에서 발생했는데, 이 중 대부분은 석탄화력에서 배출됐다. 즉 환경을 생각하면 비중을 줄여 나가야 하는 것이 맞지만, 경제성 및 효율성을 고려하면 반드시 필요한 발전원이 석탄화력인 셈이다. 이에 비단 우리나라뿐만 아니라 전 세계 전력 산업계에서는 석탄화력의 효율은 높이면서, 온실가스 배출은 줄일 수 있는 기술개발에 적극 나서고 있다. 그 기술 중 가장 현실적이면서 대표적으로 떠오른 분야가 바로 석탄가스화복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)이다. 우리나라에서도 IGCC에 대한 관심을 지속적으로 기울여 왔고, 그 노력의 결실로 현재 태안에 국내 최초의 IGCC 실증플랜트를 건설 중에 있다. 현재 IGCC 기술개발은 어느 단계까지 와 있는지, 또 국내외 시장은 얼마나 성장될 것으로 예상되는지 자세히 정리해봤다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 추계학술대회 초록집
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• pp.71.2-71.2
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• 2011

300MW 급 태안 IGCC 가스화 플랜트 및 기존 발전소에 CCS 를 설치할 경우에 대해 기술 타당성 검증을 목적으로 CCS 모델링을 수행하였다. CCS Case Studies 는 플랜트 운전부하에 따른 $CO_2$ 제거율, $H_2S$ 제거율, 소모동력 범위 등 플랜트 성능을 예측할 수 있다. Case Studies 결과를 활용하여 설계된 CCS 설비 용량이 운전범위에 적합한지를 판단할 수 있고 과잉 설계되었을 경우 플랜트 건설비를 절감할 수 있다. IGCC 가스화 플랜트에서 생산되는 합성가스의 $CO_2$ 분압, 목표 $CO_2$ 제거율, 경제성을 기준으로 적합한 CCS 공정을 판단한 결과 Selexol 공정이 선정되었다. Selexol 공정은 고압, 고농도의 산성가스 제거에 적합하며 다른 물리적 용매인 Rectisol 공정에 비해 건설비용이 경제적이고 화학 흡수제인 아민과 비교하여 운전 온도 범위가 넓다. CO, $H_2O$ 를 $CO_2$, $H_2$ 로 전환하는 Water Gas Shift Reaction (WGSR) 공정은 Co/Mo 촉매 반응기로 구성되었고 Selexol 공정은 $H_2S$ Absorber, $H_2S$ Stripper, $CO_2$ Absorber, $CO_2$ Flash Drum 로 구성되었다. WGSR+Selexol 모델링은 Wet Scrubber 후단의 합성가스 (40.5 bar, $136{\sim}139^{\circ}C$) 를 대상으로 하였다. WGSR+Selexol 공정 운전 조건 변화 [Process Design Case(PDC), Equipment Design Case(EDC), Turndown Design Case(TDC)] 에 따른 플랜트 모델링 결과를 비교분석 하였다. 주요 분석 내용은 WGSR 설비에서의 CO 의 $CO_2$ 전환 효율, Selexol 설비에서 $CO_2$ 제거 효율, $H_2S$ 제거 효율이다. 모델링 결과 WGSR 설비에서의 CO 의 $CO_2$ 로의 전환율 99.1% 이상, Selexol 설비에서 $CO_2$ 제거율은 91.6% 이상, $H_2S$ 제거율 100%이었다. CCS 설비 설치에 따른 플랜트 성능 영향을 분석하기 위해서 CCS 설비의 Chiller, Compressor, Pump 소비동력을 계산하였다. 모델링 결과 Chiller 는 2.6~8.5 MWth, Compressor 는 3.0~9.6 MWe, Pump 는 1.4~3.0 MWe 범위 이었다. 플랜트 로드가 50%인 TDC 소모동력은 플랜트 로드가 100%인 PDC 소모동력의 절반 수준이었다. 합성가스를 WGS+Selexol 공정을 통해 수소가스로 전환시키면 가스터빈 연료가스의 Lower Heating Value (LHV) 값이 평균 11.5% 감소하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 추계학술대회 초록집
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• pp.130.2-130.2
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• 2010

2020년까지 대형 CCS (Carbon Capture and Storage) Demo Plant 시장 (100MW 이상) 이 형성될 전망이다. 발전 부문에서 대규모 CCS 실증 프로젝트는 총 44개이며 연소전(41%), 연소후(28%), 순산소(3%) 프로젝트가 계획되어 있다. 순산소 연소 기술은 실증진입단계, 연소후(USC) 기술은 상용화 추진단계, 연소전 (IGCC) 기술은 실증완료 이후 상용화 진입 단계이다. IGCC 발전의 석탄가스화 기술은 타 산업분야에 서 상용화 되어있어 기술신뢰성이 높다. IGCC 단위설비 기술 개발을 통한 성능개선 및 비용절감에 대한 잠재력을 가지고 있기 때문에 미래의 석탄발전기술로 고려되고 있다. IGCC 기술은 가장 상용화에 앞서있지만 아직까지 IGCC+CCS 대형 설비가 운전된 사례가 전 세계적으로 없으며 미국 EPRI 등에서 Feasibility Study 단계이다. 현재 국책과제로 수행중인 300MW급 태안 IGCC 플랜트를 대상으로 향후 CCS 설비를 적용했을 경우에 대해 기술 타당성 검증을 목적으로 IGCC+CCS 모델링을 수행하였다. 모델링은 스크러버 후단의 합성 가스를 대상으로 하였다. Water Gas Shift Reaction (WGSR) 공정 및 Selexol 공정을 구성하여 최종 단에서 수소 연료를 생산할 수 있도록 하였다. WGSR 공정은 Co/Mo 촉매반응기로 구성되었다. WGSR 모델링을 통하여 주입되는 스팀량 (1~2 mol-steam/mol-CO) 및 온도 변화 ($220-550^{\circ}C$)에 따른 CO가스의 전환율을 분석하여 경제적인 설계조건을 선정하였다. Selexol 공정은 $H_2S$ Absorber, $H_2S$ Stripper, $CO_2$ Absorber, $CO_2$ Flash Drum으로 구성된다. Selexol 공정의 $CO_2$와 $H_2S$ 선택도를 분석 하였으며 단위 설비별 설계 조건을 예측하였다. 모델링 결과 59kg/s의 합성가스($137^{\circ}C$, 41bar, 가스 조성은 $CO_2$ 1.2%, CO 57.2%, $H_2$ 23.2%, $H_2S$ 0.02%)가 WGSR Process를 통해 98% CO가 $CO_2$ 로 전환되었다. Selexol 공정을 통해 $H_2S$ 제거율은 99.9%, $CO_2$제거율은 96.4%이었고 14.9kg/s의 $H_2$(86.9%) 연료를 얻었다. 모델링 결과는 신뢰성 검증을 통해 IGCC+CCS 전체 플랜트의 성능예측과 Feasibility Study를 위한 자료로 활용될 예정이다.

• 한국항공우주학회지
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• 제41권8호
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• pp.639-648
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• 2013

본 논문은 부게넘 및 태안 IGCC플랜트의 연료를 대상으로 석탄으로부터 생성된 합성가스의 NOx/CO배출 특성, 온도특성, 화염의 구조에 대해 기술하였다. GE7EA 모사 가스터빈 연소기를 대상으로 상압 고온 연소시험을 수행하여 입열량 및 질소희석에 따른 연소특성을 관찰하였다. 입열량이 감소하고, 희석제량이 증가할 때 단열화염온도의 감소로 NOx가 감소하였고, 저부하에서는 희석량이 증가할수록 불완전 연소로 인해 CO가 증가하였다. 이러한 NOx 감소 및 CO발생은 각각 $1500^{\circ}C$ 와 $1250^{\circ}C$의 특정 화염온도에서 관찰되었다. 또한 질소 희석이 증가할수록 단열화염온도 및 연소기 라이너의 온도가 감소했고, 화염 부상과 같은 화염구조의 변화로 인해 특이점이 관찰되었다. 본 연구결과를 통해 질소희석이 NOx/CO배출 및 온도, 화염구조에 미치는 영향이 검토되었으며, 시험 데이터는 향후 태안 IGCC 플랜트의 운전시 최적 조건 선정을 위한 기초자료로 활용될 예정이다.

• 한국추진공학회:학술대회논문집
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• 한국추진공학회 2011년도 제37회 추계학술대회논문집
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• pp.685-693
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• 2011

에너지기후시대에 신에너지원 발굴, 저탄소 녹색성장의 일환으로 석탄 IGCC기술이 개발 중에 있다. 본 연구는 IGCC기술 중 가스화기에서 생산된 합성가스를 가스터빈에 직접 주입시 생길 수 있는 문제점을 미리 파악하고, 그 연소특성자료를 축적하기 위해 수행되었다. GE7EA연소기를 대상으로한 상압 및 고압연소실험을 통해 합성가스의 기본적인 연소특성을 파악하였으며, 수소화염이 과다한 NOx발생의 원인임을 파악하고, 질소희석을 통해 NOx배출량을 제어할 수 있음을 확인하였으며, 연소진동은 크게 발생치 않음을 확인하였다. 본 연구를 통해 축적된 시험 데이터는 2015년에 국내 최초로 준공예정인 태안 IGCC플랜트에 연소진단시스템 및 최적화 기술적용시 활용된 예정이다.

• 한국항공우주학회지
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• 제41권8호
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• pp.632-638
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• 2013

본 논문에서는 네덜란드 부게넘 및 국내 태안 IGCC플랜트의 석탄으로부터 생성된 합성가스의 화염안정성 및 연소불안정성에 대해 기술하였다. GE7EA 모사 가스터빈 연소기를 대상으로 상압 고온 연소시험을 수행하여 입열량 및 질소희석에 따른 연소특성을 관찰하였다. 시험결과를 통해 화염안정화 선도는 화염의 구조에 따라 Regime I부터 VI까지 6개의 영역으로 구분하였고, 2개의 영역(Regime I, II)에서 화염이 안정적으로 연소되는 것을 확인하였다. 태안 및 부게넘 합성가스 모두 안정하게 연소되고, 화염이 외부 재순환 유동과 결합되는 Regime II에 해당하는 것을 확인하였다. 또한 $H_2$/CO비만을 고려하면 수소의 함량이 높은 부게넘 가스가 안정적 연소구간이 넓지만, 질소희석을 고려할 때 부게넘 가스 내의 더 많은 질소가 화염안정성에 부정적 영향을 미치기 때문에 태안 합성가스가 부게넘 합성가스보다 더 안정적으로 연소하였다.

• 플랜트 저널
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• 제15권3호
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• pp.29-34
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• 2019

본 연구에서는 정격 합성가스 생산량이 54.33 kg/s인 태안 IGCC 발전소 가스화기를 대상으로 가스화기 산소부하가 일정한 운전조건에서 석탄 공급량을 고정하고 증기 주입량을 변화시킬 때 증기 주입량이 합성가스 생산량에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 증기 주입량은 가스화기 운전지침서의 증기 주입량 0.28 kg/s 및 0.32 kg/s 까지 변동하며 운전하였고, 최대 합성가스 평균 생산량은 가스화기 산소부하 80 % 및 90 %에서 증기 주입량 0.14 kg/s 및 0.15 kg/s 일 때 측정되었다. 이 연구를 통해 증기 주입량 조정만으로 합성가스 생산량이 변화 하고, 증기 주입량 증가시 합성가스 생산량은 증가하다가 다시 감소하는 특성을 확인 할 수 있었다. 추가 석탄 공급 없이 증기 주입만으로 합성가스 생산량을 증가 시킬 수 있고, 석탄의 성분 및 조성에 따라 가스화기의 합성가스 생산량이 다른 특성을 가지고 있는 것으로 사료되는 바, 시험에서 사용된 카보원 석탄을 사용하는 가스화기는 산소부하 80% ~ 90 %에서 운전시 석탄 버너 당 증기 주입량을 약 0.14 kg/s 에서 운전하는 것이 추천된다.