ELCC 분석기법을 이용한 IGCC 플랜트 및 병산시스템의 성능 평가

Abstract

현재 우리는 산업혁명 이후로 석유자원의 무분별한 이용과 그로 인한 고갈에 직면해 있다. 이로 인한 지구온난화로 기후변화 대응과 에너지원의 확보라는 동전의 양면과 같은 범지구적 문제를 극복해야 하는 상황이다. 그러면서 각국은 에너지 자원은 물론 이를 대체할 신재생 에너지원 확보를 위해 총성 없는 에너지 전쟁을 치르고 있다. 한편으로 선진국과 개도국들은 산업․경제활동에서 기인한 지구 온난화의 주범인 이산화탄소와 그 외 온실가스 배출 규제를 놓고 기후변화 당사국 총회라는 국제 외교적 틀 속에서 각축을 버리며 이견을 좁히지 못하고 있다. 우리가 직면해 있는 이러한 위기들을 해결할 수 있는 대응책의 하나로 한때 잊혀있던 석탄자원을 이용한 가스화 발전, 즉 IGCC 기술을 꼽을 수 있다. IGCC 기술은 오염원 배출을 현저히 감축시킬 수 있는 친화경적인 요인, 고효율의 에너지 변환과 공급연료 및 생성물의 다양화를 꾀할 수 있는 장점을 갖고 있다. 본 논문은 2014년에 완공될 300 MW 규모의 한국형 IGCC 플랜트를 대상으로 새로운 ELCC(energy level composite curves) 분석기법을 이용하여 IGCC 플랜트 및 병산(poly-generation)시스템의 성능 분석평가와 더불어 개선방안에 대해 연구한 것이다. 엑서지와 핀치 분석기법을 융합한 ELCC 분석기법을 적용하여 복잡계의 IGCC 플랜트 및 병산 시스템의 성능 분석을 수행하고자 그 절차와 방법을 정립하였다. 본 연구에서는 ELCC 분석을 위해 세 부분으로 나눠 접근하였다. 1) ASPEN plus를 활용하여 Illinois#6 석탄의 미분탄과 석탄슬러리 공급방식의 300 MW 규모 IGCC 플랜트에 대한 전산해석 모델의 구축과 검증을 통해 타당성을 확인하였다. 그리고 검증된 해석모델을 기반으로 5종의 공급연료와 3종의 최종생성물(전력, DME, H2)을 고려한 응용플랜트 모델을 구축하여 그 운전특성 파악하였으며, 15가지 플랜트 옵션을 대상으로 동일한 발열량을 갖도록 연료 공급량을 조정하여 에너지 전환율(ECR)로 비교 분석하였다. 2) ELCC 분석의 수행에 앞서 에너지 레벨(energy level)의 정의와 ELCC 분석 방법론에 대해 논하였다. IGCC 플랜트와 병산시스템에 대한 열 및 물질수지를 도출하여 ELCC 분석기법 절차를 토대로 대상 플랜트에 대한 ELCC 그래프를 완성하였다. 3) ELCC 분석기법에서 얻어진 그래프의 에너지 레벨 감소군과 증가군에 대한 두 선도를 해석하여 IGCC 플랜트 및 병산 시스템의 플랜트 성능을 평가하였다. 그리고 분석된 에너지 레벨 선도를 근거로 대상 플랜트의 성능개선 포인트를 파악, 사례연구를 통해 성능 향상을 확인하였다. 이러한 연구절차로 IGCC 플랜트 기본모델(BM)을 대상으로 한 ELCC 그래프에서 성능 개선이 가능한 단위기기를 에너지 레벨 감소군(GT-ALL, AG-REG)과 증가군(AS-SCR, GF-EX2)으로 파악하였다. 플랜트의 공정 스트림을 수정 연계하는 방법으로 C1, C2 방법으로 대해 공정 개선작업을 수행하였다. 공정 개선 후 ELCC 분석기법으로 플랜트 성능을 재평가한 결과, C1(에너지 레벨 감소군→증가군 연계) 사례에서는 개선 전 대비 29.74 MW(전체 엑서지의 6% 향상)의 엑서지가 증가한 525 MW로 향상되었다. C2(에너지 레벨 증가군→감소군 연계) 사례에서는 0.57 MW 성능향상을 보여 개선효과를 비교할 수 있었다. 사례 연구를 통해 ELCC 분석기법을 이용한 플랜트 성능 평가를 수행하였고 그 개선 방향을 확인하였다. 또한 IGCC 병산시스템 옵션 A1, A2에 대해서도 ELCC 분석기법을 이용하여 그 성능을 평가하였다.