순산소연소 이산화탄소 포집이 적용된 석탄가스화 발전시스템의 효율향상 방안에 대한 연구 :A Study on the Efficiency Improvement of Integrated Gasification Power Generation Systems adopting Oxy-Combustion Carbon Capture

조연우

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자료유형: 학위논문

저자정보: 조연우 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 김동섭

발행연도: 2020

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

순산소연소 이산화탄소 포집이 적용된 석탄가스화 발전시스템의 효율향상 방안에 대한 연구

조연우 기계공학과 2020.01 학위논문

2019

순산소연소 이산화탄소 포집을 적용한 석탄가스화 복합화력 발전시스템에서 산소공급방식 변경에 의한 효율향상 분석

조연우 , 안지호 , 김동섭 한국수소및신에너지학회논문집 2019.08 학술저널

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본 연구에서는 순산소연소 기술이 적용된 석탄가스화 발전시스템을 대상으로 성능향상을 위한 연구를 진행하였다.
첫 번째로 석탄가스화 복합화력발전 (IGCC) 시스템에서 반밀폐형의 순산소연소 기술을 적용하였으며, 산소공급장치의 변화에 따른 시스템의 성능 변화를 확인하였다. 또한 시스템 압력비에 대한 파라매트릭 해석을 진행하였으며, 두 시스템의 최적 압력비를 도출하여 비교, 분석하였다. ITM을 통해 산소를 공급받는 반밀폐형 IGCC의 압력비가 60일 때 효율이 43.1%로 최적점에 도달하였으며, ASU를 통해 산소를 공급하는 반밀폐형 IGCC보다 8.8% (3.5%p) 증가하였다.
두 번째로 ASU를 통해 산소를 공급하는 개방형 석탄가스화 연료전지/스팀터빈 (IGFC/ST) 시스템에서 산소공급장치를 ITM으로 대체한 시스템을 제안하였다. 두 시스템의 성능을 비교하였으며, ITM으로 대체하였을 때 시스템의 출력은 6.0% (16MW), 효율은 1.0% (0.5%p) 증가하였다. 또한 ITM의 작동 조건 변화에 대한 성능 변화를 비교, 분석하였다. ITM 작동 조건 변화에 따른 최대 효율 차를 비교했을 때 최대 0.5% 미만으로 큰 변화가 없음을 확인하였다.
세 번째로 순산소연소 기술이 적용된 석탄가스화 연료전지/가스터빈 복합발전 (IGFC/GTCC) 시스템에 대해 반밀폐형과 개방형으로 모사하였으며 성능을 비교하였다. 개방형의 경우에는 추가적으로 기존 산소공급장치인 ASU를 ITM으로 대체하는 시스템을 제안하였다. ITM을 사용한 개방형 시스템은 열교환 방식에 의해 두 가지로 분류된다. 그 중 후연소기의 출구가스를 이용하여 열교환하는 IGFC/GTCC 시스템은 타 순산소연소 시스템보다 가장 높은 효율을 달성하였다.
각 시스템에서 순산소연소 기술을 적용했을 때 발생하는 효율 하락을 저감시키기 위한 연구를 진행하였으며, 결과적으로 IGFC/GTCC 시스템에서 효율 하락폭을 7.5%까지 줄인 시스템을 제안하였다.

This study was conducted to improve the performance of a coal gasification power generation system using oxy-combustion technology.
First, semi-closed oxy-combustion technology was applied to an integrated gasification combined cycle (IGCC) system, in which the performance change was confirmed by measuring the change in the oxygen supply system. In addition, parametric analysis of the system pressure ratio was conducted, and the optimum pressure ratios of the two systems were derived, compared, and analyzed. The efficiency of the semi-closed IGCC supplied with oxygen through an ion transport membrane (ITM) reached the optimal level of 43.1% when the pressure ratio was 60.
Second, a system was designed, which replaces the oxygen supply system with ITM in an open integrated gasification fuel cell/steam turbine (IGFC/ST) system that supplies oxygen through an air separation unit (ASU). The performance of the two systems was compared, and when replaced with an ITM, the system output increased by 6.0% (16 MW) and the efficiency by 1.0% (0.5% p). The performance change with respect to changes in the ITM operating conditions was also analyzed and compared. When comparing the maximum difference in efficiency with these changes, it was found that the change of less than 0.5% was not significant.
Third, an integrated gasification fuel cell/gas turbine combined cycle (IGFC/GTCC) system with oxy-combustion technology was simulated as both semi-closed and open types, and their performances were compared. In the case of the open type, a system was additionally devised to replace the existing oxygen supply ASU, which was an existing oxygen supply device with ITM. Open systems using ITM fall into two categories according to the heat exchange. Among them, the IGFC/GTCC system that exchanges heat using the outlet gas of the after burner achieved the highest efficiency compared to the other oxy-combustion systems.
To reduce the efficiency drop that occurs when oxy-combustion technology is applied to each system, we designed one that reduced the efficiency drop by 7.5% in the IGFC/GTCC system.

#석탄가스화 #이산화탄소 포집 #순산소연소 #ITM

1. 서 론 1
1.1. 연구 배경 1
1.2. 연구 목적 및 내용 4
2. 시스템 구성 5
2.1. 석탄가스화 복합화력발전 시스템 5
2.2. 석탄가스화 연료전지/스팀터빈 시스템 9
2.3. 석탄가스화 연료전지/가스터빈 복합발전 시스템 12
3. 모델링 및 해석 16
3.1. 가스화기기 (Gasifier) 16
3.2. 극저온 산소분리 장치 (ASU) 18
3.3. 이온분리막 (ITM) 19
3.4. 가스터빈 복합발전 시스템 (GTCC) 21
3.5. 연료전지 (SOFC) 24
3.6. 탄소분리장치 (CSU) 29
3.7. 석탄가스화 발전시스템 30
3.7.1. IGCC 시스템 30
3.7.2. IGFC/ST 시스템 34
3.7.3. IGFC/GTCC 시스템 36
4. 결과 및 분석 37
4.1. 석탄가스화 복합화력발전 시스템 37
4.1.1. 산소공급 장치 변화에 따른 성능 변화 37
4.1.2. 최적 압력비 선정 38
4.2. 석탄가스화 연료전지/스팀터빈 시스템 42
4.2.1. IGFC/ST 시스템간의 성능비교 42
4.2.2. ITM 작동 조건에 따른 성능 분석 42
4.3. 석탄가스화 연료전지/가스터빈 복합발전 시스템 46
4.3.1. IGFC/GTCC 시스템간의 성능 비교 46
5. 결 론 49
참고문헌 51

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