Transcript 석탄가스화기술_및 - 강원도인재개발원

신재생에너지와 미래(강원도 인재교육개발원)
석탄가스화 개요 및 연계기술
2013. 6. 12
한국서부발전

2001년 전력산업 구조개편
한전으로부터 발전부문을 분리,
별도 회사로 독립시키고
한전은 송배전·판매회사가 됨
각 발전회사별로 연료구입비 등을
전력거래소에 제출하고,
발전원가가 가장 낮은 순서대로
전력을 선택, 발전하도록 함
한국서부발전

발전산업 현황
구분
운영
건설
발전소명
대수
설비용량
(MW)
발전연료
준공년도
비고
태안화력
8
4,000
유연탄
#1~4:'95~'97
#5~6:'01~'02
#7~8:’07
기저
평택화력
4
1,400
(350×4)
중유
'80~'83
중간
서인천복합
평택복합
군산복합
태안 소수력
태안 태양광
삼랑진태양광
군산태양광
세종시태양광
16
5
3
4
1
2
1
1
1,800
480
718.4
2.2
0.12
3
0.26
5
LNG
LNG
LNG
방류수
Solar
"
“
"
‘92
'92 / '94
'10.5
'07.9
'05.8
'08.4
‘10.7
‘12.6
운영 소계
가로림조력
동두천복합
45
26
2
8,408.98
520
1,880
조력
LNG
’21.1
'14.12
(신재생)
첨두
평택복합2단계
3
946.5
LNG
GT '13.7
ST '14.10
첨두
태안 IGCC
1
380
가스화
석탄
’15.11
(신재생)
유연탄
’16.12
기저
태안화력
#9,10
건설 소계
2
2,100
35
5,826.5
합계
80
14,235.48
첨두
(신재생)
CONTENTS
I
석탄가스화 개요
II
석탄가스화기 종류
III
석탄가스화 현황
IV
석탄가스화 복합발전(IGCC)
V
석탄가스화 연계기술
1. 석탄가스화 개요
 가스화(gasification) 기술은 석탄, 중질잔사유, 폐기물, 바이오매스 등과 같은
저급연료를 CO와 H2가 주성분인 합성가스로 전환하는 기술임
 저급 연료 활용하여 청정 고급연료 생산 및 이용
스팀
석탄
산소
가
스
화
기
미정제가스
(CO, H2,
CO2, CH4,
H 2S
가
스
정
제
합성천연가스
(SNG)
정제가스
(CO, H2)
가스
합성
COS, Dust)
석탄슬래그
CO2, 황, 황산
전력
생산
합성석유(CTL)
화학제품
(NH3,메탄올,
DME)
석탄복합발전
(IGCC)
연료전지
(IGFC)
1/35
1. 석탄가스화 개요

연료전환 구분(연소, 열분해, 가스화, 수소화)
 연소

요구산소량 이상으로 산소가 주입되어 연료를 완전연소 시키고, 생성물로
CO2, H2O, SO2 등 산화물 생성 → 미분탄 화력
 열분해

무산소 상태에서 열을 가하여 결합을 끊어 화합물 생성, 열분해 공정은 일부
저온 가스화 공정과 경계에 있음, 생성물로 CO, H2, CH4, H2O
 가스화

요구산소량 보다 적은 양의 산소가 주입되어 연료가 부분 산화되고, 생성물로
CO, H2 등 화합물 생성
 수소화


H2를 촉매(백금, 팔라듐, 니켈) 반응시켜 새로운 화합물 생성
(수소+질소=암모니아)
2/35
1. 석탄가스화 개요

석탄가스화 반응
 열분해(Pyrolysis)
Coal or biomass → Coke (C) + Volatiles (CnHm)
 연소(Combustion)
C + O2 ⇆ CO2
(- 283 MJ/kmol)
 부분산화(Partial oxidation)
C + ½ O ⇆ CO
(- 111 MJ/kmol)
 수성가스반응(Water gas reaction)
C + H2O ⇆ CO + H2
(+ 131 MJ/kmol)
 Boudouard Reaction
C + CO2 ⇆ 2CO
(+ 172 MJ/kmol)
 메탄화(직접법, Methanation)
C + 2 H2 ⇆ CH4
(- 75 MJ/kmol)
 수성가스전환(Water gas shift)
CO + H2O ⇆ CO2 + H2
(- 41 MJ/kmol)
3/35
1. 석탄가스화 개요

석탄가스화 vs 미분탄 화력
석탄가스화
미분탄 화력
운전 원리
부분산화 반응
완전 산화반응
산화제
산소
공기
운전온도
≤ 1,600 ℃
≤ 1,400 ℃
운전압력
2.5~5.0 MPa
대기압
황산화물/제거방법
H2S/산성가스제거
SOx/배연탈황(FGD)
질소산화물 제거
불필요
배연탈질(SCR)
회분 제거
Slag (Low Volume)
Fly/Bottom Ash
미량물질
필터(세라믹/금속)
전기 집진기
발전효율 (HHV)
38~42%
38~40%
구
분
4/35
1. 석탄가스화 개요

석탄석상에 따른 가스화 영향
구분
가스화 영향
발열량
 가스화에 필요한 공급열량 및 연료공급설비 용량 결정
휘발분
 휘발분이 많을수록 착화 안정적, 반응성 증가
총 수분
황 함량
 효율 및 연료공급에 악영향
 건식 연료공급 경우 건조에너지 소모량 증가
 연료구입비와 산성가스 제거설비 설계 영향
 슬래깅 성향 우수한 탄 운전 유리
 석탄 가스화기 회를 슬래깅 형태로 처리
회(Ash) 슬래깅성
 고 회융점탄 가스화기 적용 불가
(융점 강하제 공급설비 설치 필요)
 융점 강하제 사용시 냉가스 효율 저하, CO2 배출량 증가
5/35
1. 석탄가스화 개요

석탄가스 화염 및 석탄슬래그
석탄 합성가스 연소화염
석탄 슬래그
6/35
2. 석탄 가스화기 종류

가스화기 구분
 석탄주입방법 : 고정층, 유동층, 분류층
 석탄주입형태 : 습식, 건식
고정층 가스화기
유동층 가스화기
분류층 가스화기
6-50mm, 500~600℃
6-10mm, 900~1,050℃
＜0.1mm ＞1,250℃
7/35
2. 석탄 가스화기 종류

고정층 가스화기
 연료(석탄)를 상부투입 건조,
휘발, 가스화, 연소 영역으로 이동
 생성된 가스는 상향으로 배출,
소모된 연료는 하향이동
 타르 및 메탄 등의 휘발분 성분이
다량 함유 tar의 제거 공정이 필요
 대표적인 가스화기
(Lurgi dry ash/BGL)
Lurgi 가스화기
8/35
2. 석탄 가스화기 종류

유동층 가스화기
 공급되는 산화제 속도를 빠르게 하여
석탄입자를 유동시킴
 연료 혼합/접촉 용이, 적은양 공기사용
온도구배 균일, 설비규모 최소화
 온도조절이 가능해서 갈탄에서
무연탄까지 광범위한 연료사용이 가능
 반응온도 낮아(1,000℃이하) slag
배출로 인한 열손실 감소
 대용량의 공기 공급설비, 타 설비에 비해
많은 양의 먼지와 타르 생성
U-gas 유동층 가스화기
9/35
2. 석탄 가스화기 종류

분류층 가스화기
 미분탄, 산화제 공급
-> 짧은 시간에 가스화 반응
 석탄사용 범위 넓음, 처리용량 큼,
액체생성물 없음
 분쇄기 유지비가 큼
 증기와 산화제는 석탄에 대해 병류로 흐름
 회분은 용융된 상태로 가스화로에서 제거
 출구 반응물 온도가 비교적 높음
Shell 가스화기
10/35
2. 석탄 가스화기 종류

분류층 가스화기 공정사
구분
Shell
Prenflo
Phillips 66
Simens
GE
MHI
형식
1단 1실
1단 1실
2단 2실
1단 1실
1단 1실
2단 2실
석탄 공급
건식
건식
습식
건식
습식
건식
가스화제
산소
산소
산소
산소
산소
산소부화공기
공급
Side
Side
Side
Top
Top
Side
버너
4
4
2+1
1
1
4+2
Wall
수냉벽
수냉벽
내화벽
수냉벽
내화벽
수냉벽
가스화기
11/35
2. 석탄 가스화기 종류

가스화기 구분
습 식 (Rod Mill)
건 식 (Roller Mill)
물의 증발손실에 따라 효율 저하
가격 저렴, 저급 탄 비경제적
고효율, 저급탄 사용이 가능
Lock Hopper 운영, 주입방법 어려움
입구 측에 Screen 장치, 출구 측에 슬러리
스크린을 통과, 펌프로 가스화기에 공급
일반 미분탄 발전소 미분기와 유사
12/35
3. 석탄가스화 현황

석탄가스화 필요성
 석탄 사용하는 화력발전량은 지속적 증가, 기후변화 대응 석탄발전기술이 필요
 고효율, CO2 포집 용이한 신 석탄발전기술(CCT) 부각
 석탄에서 전기, 합성원유, 비료 등 고부가가치화 가능
 석탄원료 전력생산은 2030년 이후까지 지속 증대
(IEA 세계주요 에너지원 주요 전망)
13/35
3. 석탄가스화 현황

세계 가스화 플랜트 시장
 2012년 기준 가동 중인 가스화 플랜트는 총 159개(가스화기: 435개)
 사용연료 : 석탄(61%), 중질유(29%), 기타(10%)
 최종생산물 : 화학원료 (52%), 수송연료(28%), 전기(13%), 기타(7%)
구분
2007
2012
% Change
Operating Plant
142
159
+11.9%
Gasifier
420
435
+3.5%
Capacity (MWth)
~ 56,000
~ 61,000
+8.9%
Coal
55%
61%
-
Pet. Resid.
32%
29%
-
Chemicals
44%
52%
-
Liquid Fuels
30%
28%
-
Feed Stocks
Products
Power
18%
- 2012)
출처
: Brief Overview of Gasification
Industry 13%
(GTC Kingsport Workshop,
14/35
3. 석탄가스화 현황

중국·인도의 가스화 플랜트 시장 급증
 중국·인도 석탄 보유국으로 에너지 안보 및 친환경 정책으로 성장지속 전망
 중국
· 2012년말 GreenGen 250 MW급 IGCC 가동, GE와 800 MW급 타당성 검토 완료
· 1980년대 이후 메탄올, 암모니아, DME, SNG 등을 생산하는 석탄 사용량 기준
450,000 톤/일 규모의 가스화 플랜트 운영 중
· 2010년 총120기 운영 및 건설, 외국기술 총63기(GE: 27, Shell : 19, 기타: 20)
 인도
· 2012~2017년 사이에 76,000 MW 규모 신규 발전소 건설시 IGCC 시장 진입 전망
(출처: Gasification Potential in India(GTC, 2012) )
· 20,000톤/일의 정유공장 petcoke를 원료로 하는 poly-generation
(전력, 스팀, 수소 생산) 프로젝트 2012년 시작
15/35
4. 석탄가스화 복합발전(IGCC)

IGCC 플랜트 구성
가스정제
집진
가스화
Ash
산성
가스
정제
수성
가스
변위
반응
CO2
합성
가스
전환
분
황
수소
리
복합발전
공기
산소
석탄
잔사유
코크스
바이오매스
폐기물
공기
분리기
연소기
수송 연료
CO2
수소
가스화기
합성연료
(SNG, CTL)
연료전지
가스 터빈
배가스
HRSG
슬래그
증기 터빈
발전기
물
배가스
CO2
회수 분리
연돌
발전기
16/35
4. 석탄가스화 복합발전(IGCC)

IGCC 주요설비 구성
석탄가스화 플랜트
산소플랜트
복합발전 플랜트
압축공기
증기
질소
증기 터빈
가스터빈
공기
공기분리
장치
(ASU)
산소
가스화기
(Gasifier)
석탄
가 스
냉각기
(Syngas
Cooler)
가스정
제설비
증기
Ash, S
슬래그
배열회수
보일러
(HRSG)
순수
순수제조설비
연료취급설비
Flare / BOP
연돌
 상세설계 : A&E사
 상세설계 : 두중
 상세설계 : A&E사
 기자재 : AP
 기자재공급 : 두중
 기자재공급 : GE사
17/35
4. 석탄가스화 복합발전(IGCC)

Poly-generation
Combustion
Gasification
1 Ton
($30/ton)
Gasification
Electric Power production
2 MWh Electricity
$70.0
Total
$70.0
FT Fuels and Power
0.41 MWh Electricity
0.34 bbl Naphtha
1.36 bbl Diesel fuel
Total
$14.0
$15.0
$95.0
$124.0
Fertilizer, FT Fuels and Power
0.007 MWh Electricity $ 0.23
0.017 bbl Naphtha
$ 8.00
0.078 bbl Diesel fuel
$54.00
0.25 tons of ammonia $87.00
Total
$149.00
18/35
4. 석탄가스화 복합발전(IGCC)

IGCC 플랜트 현황
발전소명
발전용량
공정사
가스화기 형식
운전시기
효율
Buggenum
(네덜란드)
253 MW
Shell
분류층, 건식
1994
41.4%
Wabash River
(미국)
262 MW
Phillips 66
2단 분류층, 습식
1995
39.7%
Tampa
(미국)
250 MW
GE
분류층, 습식
1996
36.5%
Puertollano
(스페인)
300 MW
Uhde
분류층, 건식
1997
41.5%
Nakoso
(일본)
250 MW
MHI
2단 분류층, 건식
2007
40.5%
Edwardsport
(미국)
618 MW
GE
분류층, 습식
2013
37.9%
Buggenum
Wabash
Tampa
Puertollano
Nakoso
Edwardsport
19/35
4. 석탄가스화 복합발전(IGCC)

IGCC 플랜트 특성
 고부가가치 플랜트 시장의 핵심 기술 분야로 기술파급 효과가 큼

가스화공정은 CCS, 수소생산, CTL, SNG 및 화학연료 생산 등 연계 가능

기계, 화공, 공조, 전기, 소재 등 요소기술 및 플랜트 수출 산업화 가능
 선진국의 몇몇 업체(Shell, GE, CoP, Uhde, MHI)들에 의한 과점시장 형성

기술보유사간 컨소시엄 구성이 진행되면서 전세계 시장이 독과점화

IGCC 기술은 시장형성 초기단계로서 원천기술 확보가 확보가 중요
 IGCC 건설비용 저감시키는 기술개발과 관련기술 보유가 시장 지배력에 중요
20/35
4. 석탄가스화 복합발전(IGCC)

IGCC 플랜트 현황 및 전망
 미국 및 유럽은 상용화 진입, 일본, 중국 등은 실증운전 중
 미국 : 高효율, 底건설단가 기술개발 및 CCS 적용에 역점
 유럽 : 혼합형 연료(석탄+바이오 등) 적용한 IGCC 기술개발 진행 중
 일본 : 자체 개발을 통한 해외시장 진출을 목표로 Nakoso 실증플랜트 운전 중
 중국 : 자체 개발 실증단계이며, 2012년 250MW급 플랜트 건설하여 시운전 중
 청정석탄발전기술로서 초초임계(USC) 발전방식과 경쟁 중
건설기수 증가, 가스터빈 용량 증가에 따른 건설단가 저감과 CCS와의 연계성
우수, 배출권거래제 또는 탄소세 적용시 경제성 우위 가능
 시장성장 및 기술발전에 따른 원가절감 기회 상존
중국 석탄가스화 플랜트 높은 성장률이 예상 향후 5~10년 이내 건설단가 인하
재고품 구매가 가능한 단계에 진입 전망
21/35
4. 석탄가스화 복합발전(IGCC)

IGCC 오염물질 현황
 Source: Koichi Sakamoto, “Deployment of Air-Blown IGCC Technology with Carbon Capture”, GTC, 2007.
22/35
4. 석탄가스화 복합발전(IGCC)

석탄가스화 공정(Shell)
구분
Unit 1100
설 비 명
Coal Milling and Drying
Unit 1300
Gasification, Quenching, HP Syngas Cooling
Unit 1500
Dry Flyash Removal System
23/35
4. 석탄가스화 복합발전(IGCC)

IGCC 석탄건조및 공급계통(CMD)
Vent
 가스화를 위해 석탄 공급하는 설비
 2개 동일한 Sluice 구성
CO/O2 Anal yser
Si l i ca
Si l o
Bag Fi l t er
Li mest on
Si l o
FIC
M
M
CO/O2 Anal yser
 1개 라인이 2개의 버너 담당
Raw
Coal
Si l o
M
 각 라인 용량
CO Anal yser
 범위탄(석탄, 석회석) 75% 기준
Coal Feeder
TIC
 이송 석탄 표면수분 허용도
N2/CO2 Tank
PC St r oage
Vessel
M
Ai r
Fr esh Ai r Fan
PC Sl ui ce
Vessel s
 역청탄 : 1~2w%,
Ni t r ogen
 아역청탄(갈탄) : 5~12 w%
PC Feed
Vessel s
Gasi fi er
PDI
Combust i on Ai r
Synt het i c Gas
M
Pulverizer
LPG/LNG
CO/O2 Anal yser
Hot Gas Generat or
PIC
24/35
4. 석탄가스화 복합발전(IGCC)

석탄가스화기(Shell)
성 능
 탄소 전환율 : ≥ 99.5
 운전압력 : 25~45 기압
 운전온도 : 1300~1600 ℃
 70% bottom slag + 30% fly ash
 가스화기 및 버너
 1단, 건식, 원통형
 수냉벽 : 반응열 회수 및 외벽 열손실 감소
25/35
4. 석탄가스화 복합발전(IGCC)

가스화기 버너
 점화용 버너 : LPG, 기동용 버너 : 경유
 석탄버너 : 4 Set
26/35
4. 석탄가스화 복합발전(IGCC)

가스화기 냉각기
er
nsf
Tr a

t
Duc
고압절탄기, 중압증발기, 고압증발기
HP Evapor at or 2
 중압포화증기(5.2MPag, 268 ℃)
 고압증기(14.1MPag, 338 ℃)

Ash제거 : Quench Sootblower, Ash blaster

Fly ash Fouling 방지를 위해 합성 가스 재순
HP Evapor at or 1
Syngas
Cool er
Gasi f i er
MP Evapor at or
환
 출구온도 : 800~1000℃
HP Eco. 1
HP Eco. 2

가스냉각기 출구온도 : 250℃
HP BFW
27/35
4. 석탄가스화 복합발전(IGCC)

고온집진필터
 Filter Candle는 Ceramic으로 화학적 부식 및 열에 내구성을 지님
 일반적으로 Cluster 1개당 48개의 Candle로 구성(24 Cluster)
28/35
5. 석탄가스화 연계기술

석탄가스화 연계기술 발생 품목
연계기술
발생품목
화학원료
암모니아, Urea, 메탄올, 화학비료, 황
청정 대체연료(수송, 가정연료)
DME, SNG, H2, F-T액상연료
발전(에너지)
전력, 열원
부산물 회수 재활용
건축골재(회, 슬래그)
 Urea : 요소
 DME(Di-methyl Ether) :
매연이 없으며, LPG와 유사한 저장및 운송이 가능한 물질
 F-T 액상연료 : Fisher-Tropsch 액화공정으로 주로 수송연료를 만드는 공정
29/35
5. 석탄가스화 연계기술
 SNG (Synthetic Natural Gas, 합성천연가스)
 고상의 석탄 가스화로 LNG 성분과 동일한 메탄 성분 생성 가능
 합성가스를 추가적인 메탄화 과정을 통해 제조
구 분
성 분(%)
발열량(Kcal/㎥)
LNG
메탄(85%이상), 에탄(2%), 기타(프로판,
N2)
9,700~10,800
PNG
메탄(90%이상), 기타(CO2, N2)
9,000~10,200
SNG
메탄(97%이상), 기타(H2, CO2, N2)
9,000~9,500
30/35
5. 석탄가스화 연계기술

SNG 공정
31/35
5. 석탄가스화 연계기술

SNG 사업타당성
 고가의 발전연료인 LNG 대체로 복합화력 연료비 절감(LNG 대비
80%)
 석탄가스화 기술개발 및 에너지원 다변화로 지속성장 기반 조성
연료상태
저품위석탄
(4,250㎉/㎏)
⇒
SNG
(9,800㎉/N㎥)
연료량
1톤
⇒
0.232톤
단가(‘12.6)
73,000원/톤
⇒
950,000원/톤(LNG)
가격비
(석탄 1톤 기준)
1
⇒
약3배
 저렴한 석탄으로 가격대비 3배 비싼 LNG 대체 효과
32/35
5. 석탄가스화 연계기술

국내 SNG 추진현황
구분
광양 SNG
(준공 : 2014. 12)
남동발전
(준공 : 2019. 7)
남부발전
(준공 : 2018.12)
남부발전
(준공 : 2019.12)
사업개요
비고
 위 치 : 포스코 광양제철소
 규 모 : 50만톤 / 년
 연 료 : 5,000 kcal/kg
공사
진행중
 위 치 : 남동발전 영흥화력
 규 모 : 50만톤 / 년
 연 료 : 5,679kcal/kg
잠정
중단
 위 치 : 남부발전 삼척화력
 규 모 : 50만톤 / 년
 연 료 : 저열량탄(4,250kcal/kg)
금융 PF
검토
 위 치 : 남부발전 하동화력
 규 모 : 50만톤 / 년
 연 료 : 저열량탄(4,250kcal/kg)
공정사 선정
검토중
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5. 석탄가스화 연계기술

SNG 와 LNG 비교
국내
구분
해외
SNG
LNG
배관망기준
일본
미국
열량
(kcal/N㎥)
9,400
9,700~10,800
10,400±100
10,780이상
8,940
메탄(%)
98
85~98
85이상
85이상
95이상
질소(%)
1미만
1미만
1미만
1미만
0.6미만
황(mg/N㎥)
30미만
30미만
30미만
30미만
30미만
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요
약
 가스화(gasification) 기술은 석탄, 중질잔사유, 폐기물, 바이오매스 등과 같은
저급연료를 CO와 H2가 주성분인 합성가스로 전환하는 기술임
 중국은 석탄 보유국으로 에너지 안보 및 친환경 정책으로 성장지속 전망

250 MW급 IGCC 가동중, 이며 2010년 총120기 운영 및 건설, 외국기술 총63
기(GE: 27, Shell : 19, 기타: 20)
 고부가가치 플랜트 시장의 핵심 기술 분야로 기술파급 효과가 큼

가스화공정은 CCS, 수소생산, CTL, SNG 및 화학연료 생산 등 연계 가능
 선진국의 몇몇 업체(Shell, GE, CoP, Uhde, MHI)들에 의한 과점시장 형성

IGCC 기술은 시장형성 초기단계로서 원천기술 확보가 확보가 중
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