v 석탄청정기술의온실가스저감 · 2018-11-13 · 가스화(Gasification) 연소(Combustion) CO ¬ ® CO2 H2 ¬ ® H2O N2, NH3 ¬ ® NOx H2S ¬ ® SOx ® O2 Carbon Ash Sulfur

Division of Energy Systems Research Energy Process System Lab.

차 례

v 석탄 청정기술의 온실가스 저감

v 가스화기술

v 상용 IGCC 플랜트 현황 및 전망

v IGCC 기술의 CCS 연계 관점

v 결론

석탄 청정기술

v석탄 전처리 기술

초청정 석탄 생산 기술

저품위석탄 고품위화 기술

v연소기술

배가스 처리기술

효율 향상기술

v전환기술

가스화 기술

액화 기술

석탄 청정기술의 온실가스 저감 측면

v저감 가능성

- 이산화이산화탄소 절대량 배출 저감 불가능

- 효율 향상에 의한 이산화탄소 상대 배출량 저감 가능

v효율 및 경제성

- 석탄청정기술의 CCS 기술 접목시 다양한 이산화탄소

포집기술 적용 가능

- 포집기술 선택 및 연계에 따른 경제성 확보 측면이 관건

발전 플랜트의 이산화탄소 포집 기술

v이산화탄소 흡수기술

습식

건식

v순산소 연소

vIGCC

흡수분리공정 개념

q 분리과정 [저온흡수, 고온탈거]

접촉 ð 가열 ð 분리 ð 냉각 ð 접촉

약 120°C 약 40 °C

q 흡수제

- 물리흡수제 ; Henry’s law

- 화학흡수제 ; 화학적 친화력

MeOH, 물, 알카놀아민류, K2CO3 등

q 흡수제(공정) 선정

- 처리대상가스 농도

- 분리된 CO2의 순도

6

건식흡수기술 기본원리

순산소 연소기술

석탄가스화 복합발전

Conventional power plant

10

carbon dioxide

nitrogen

CH4 + 2 O2 + 8 N2 ® CO2 + 2 H2O + 8 N2

CoalGas

Oil

Post-combustion (new + retrofit)

11

CH4 + 2 O2 + 8 N2 ® CO2 + 2 H2O + 8 N2

CoalGas

Oil

During Combustion : Oxyfuel (new + retrofit)

12

CH4 + 2 O2 ® CO2 + 2 H2O O2 + 4 N2

Pre-combustion (new, e.g. IGCC)

13

mechanical energy

O2 + 4 N2

3 C + O2 + 4 H2O ® 3 CO + 3 H2O + H2 ® 3 CO2 + 4 H2

2 H2 + O2 ® 2 H2O

이산화탄소 포집기술의 경제성

가스화(Gasification) 연소(Combustion)

COCO ¬¬ ®® COCO22

HH22 ¬¬ ®® HH22OO

NN22, NH, NH33 ¬¬ ®® NOxNOx

HH22S S ¬¬ ®® SOxSOx

®® OO22

CarbonCarbonAshAshSulfurSulfurNitrogenNitrogenHydrogenHydrogenWaterWater

석탄 가스화 란 ?

Gasification : Carbonaceous materials (coal, waste 등) 으로 부터

CO, H2가 주성분인 합성가스(Synthesis gas or Syngas )를 만드는 공정

가스화(Gasification)란 무엇인가?

u 가스화란 석탄과 petroleum coke(petcoke),바이오매스

등을 탄화수소로 변환시키는 합성가스(syngas) 제조 공정

u 가스화 기술을 이용하면 화학제품, 비료, 액체연료, 수소를

만들 수 있고 차세대 발전 기술로 이용 가능

u 가스화는 저품질의 연료로 부터 다양한 고품질의 물질을

생산하는 유연하면서 상업적으로 증명된 효율적인 기술

가스화는 어느 산업에 사용되는가?

u 화공 산업에서 화학제품, 정제유, 비료 생산에 50년

이상 사용되었고 전력 생산 산업에서도 35년 이상

사용되고 있음

u 현재는 420개의 가스화기들이 전세계 140개의

설비들에서 가동 중

가스화 이용과 생성물

가스화의 환경적인 이익

가스화의 환경적인 이익

v 이산화탄소 측면

• 가스화 시스템에서상업용 기술을이용하여 CO2를효율적으로 처리 가능

• 이산화탄소 분리 환경연소 : CO2 농도

10-15%가스화 : CO2 농도

30-50%

가스화의 환경적인 이익

가스화의 시장 전망

v 가스화

프로젝트

2015년까지

아시아에서

81%의 성장과

전세계적으로

70%의 성장이

계획

가스화의 시장 전망

상용 IGCC 발전소

PLANT NAMEPLANT

OCATIONOUTPUT

(MWe)FEED

STOCKGasifier

TypePowerisland

Operationstatus

In USA

Texac°CoolWater

Daggett, CA, USA

120Bituminous

Coal(1,000 tpd)

TexacoCCGT – GE

7FE1984 - 1988

DowChemical/Destec

LGTI Project

Plaquemine,LA, USA

160Sub-bituminousCoal (2200 tpd)

E-Gas(FormerlyDestec)

CCGT –Westinghouse

5011987 – 1995

ElectricPolk Plant FL, USA

250Bituminous

Coal (2200 tpd)ChevronTexaco

CCGT – GE7FA

1996 - Present

PSIEnergy/Global

Energy River Plant

Haute,IN, USA

262

BituminousCoal and

Petroleum Cok(2544 tpd)

E-Gas(FormerlyDestec)

CCGT – GE7FA

1995 - Present

Out of

NUON/Demcolec/Willem-

Alexander

Buggenum,The

Netherlands253

BituminousCoal

ShellCCGT –Siemens

V94.21994 - Present

ELCOGAS/Puertollano

Puertollano,Spain

318Coal and

Fetroleum Coke(2500 tpd)

PrenfloCCGT –Siemens

V94.31998 - Present

CCGT: Combined Cycle Gas Turbine, tpd – short tons per day

Tampa 전기회사 Polk 발전소

Tampa 전기회사 Polk 발전소

v Start-up July 1996

v GE Energy (formerly Texaco) gasifier

v 2,500 TPD coal/pet coke blend

v DOE Clean Coal Technology Program –new plant

v Power generation

§ Combustion turbine : 192 MW

§ Steam turbine : 120 MW

§ Internal load : -60 MW

§ Net output : 252 MW

PSI Energy : Wabash River 발전소

Wabash River 발전소

v Start-up July 1995

v ConocoPhillips (formerly Destec) E-Gas gasifier

v 2,500 TPD coal and/or pet coke

v DOE Clean Coal Technology Program – repowering of

existing unit

v Power generation

§ Combustion turbine : 192 MW

§ Steam turbine : 120 MW

§ Internal load : -50 MW

§ Net output : 262 MW

스페인의 Puertollano IGCC 발전소

스페인의 Puertollano IGCC 발전소

v가스화기 방식 : Pressurized entrained flow gasifier

v용량 : 335 MWe

v연료 : 고회분(40%) 아역청탄, 고유황(5.5%) Petroleum coke를

50:50으로 혼합하여 사용

네델란드의 Buggenum IGCC 발전소

네델란드의 Buggenum IGCC 발전소

v250 MW output

v2000 ton/day coal

vShell Gasification Technology

vSiemens V94.2 Gas turbine

v1994년 초 운전시작

v현재는 석탄뿐만 아니라 바이오매스 등의 연료를 사용하여

발전 및 바이오 연료 동시 생산

현 진행되는 IGCC Projects

진행되는 IGCC 발전소 용량

v 600 MW (net) “reference plant”based on sufficient syngas to fully

load two F class gas turbines (i.e. GE 7FB or Siemens SGT-6 5000F)

v Gross output : 780 MW

v Net output : ~630 MW

v Internal load : 150 MW (19% of gross output)

v Feedstock requirements

§ Pet coke : 4,000 tons/day

§ Bituminous coal : 6,000 tons/day

§ PRB : 7,800+tons/day

IGCC 기술 CO2 포집

v Technically feasible, but needs to be demonstrated

at full-scale IGCC plant

v Different technologies available, with a wide range of costs

v Syngas must be chemically modified first

v CO2 is concentrated and separated from the syngas

v Large-scale CTs being developed to combust hydrogen-rich

syngas

IGCC 기술의 CO2 저장

v Once you remove the CO2, where do you put it?

v CO2 can be used for Enhanced Oil Recovery

v Might be stored geologically

v Industry needs commercial-sized project to verify further

this important technology

Commercial CCS operations

37

(Statoil - 1996)

(StatoilHydro - 2008)

(BP, Statoil, Sonatrach - 2004)

(Encana - 2000)

Aquifer

Aquifer

Aquifer

EOR

Each project ≈ 1 Mt CO2/y

Global emissions ≈ 28 Gt CO2/y

2030 EU target ≈ 400 Mt CO2/y (≈ 80 GW)

Weyburn (Encana - 2000)

38

ReginaRegina

EstevanEstevan

BismarckBismarck

North DakotaNorth Dakota

MontanaMontana

ManitobaManitoba

SaskatchewanSaskatchewan CanadaCanada

USAUSA

WeyburnWeyburn

BeulahBeulah

ReginaRegina

EstevanEstevan

BismarckBismarck

North DakotaNorth Dakota

MontanaMontana

ManitobaManitoba

SaskatchewanSaskatchewan CanadaCanada

USAUSA

ReginaRegina

EstevanEstevan

BismarckBismarck

North DakotaNorth Dakota

MontanaMontana

ManitobaManitoba

SaskatchewanSaskatchewan CanadaCanada

USAUSA

WeyburnWeyburnWeyburnWeyburn

BeulahBeulahBeulahBeulah

Source: IPIECA

EOR

Coal gasification

with CO2 capture

CO2

325 km

EOR: Enhanced Oil Recovery

Source: IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage (2005)

CO2 포집과 함께 진행되는 IGCC Projects

EU의 2009년 기준 CCS 후보 프로젝트

CCS : Carbon Capture and SequestrationCCS : Carbon Capture and Sequestration

저급탄 가스화기 개발 현황

탄가스화공

산소, 증

가스화 공 과 탄 연료 가격이 생산 원가의 50%를 상회 함 → 탄 가스화

개 필요

국내 : 스마트 로 트“ 공해 탄가스화 개 ” 진행

§ 2009년 8월 ~ 2011년 1월(1년 6개월) 진행

§ 주 : SK에 지

§ 2010년 10월 : 3톤/일 pilot plant 건

§ 가스화 : 에 산소 사용량을 최소로 한 탄을 상 로 한 고속

동 가스화 (transport gasifier) 개

국내외 황

합 가스

(CO, H2 , CO2)

석탄가스화 복합발전(IGCC) 개발 현황

CO2, 황

복합탄합 가스

공가스화공

산소(O2)

합 가스

(CO, H2 , CO2)

국외 : 상업용 탄 IGCC 비 5 (미국 2 , 델란드 1 , 스페인 1 , 일본 1 ) 가동

국내 : “한국 300 MW IGCC 실증 랜트 개 사업” 진행

§ 2006년 12월 ~ 2010년 4월(1단계) 완료

§ 목표 : 열효 42%, 계 자립도 90% 이상, 비국산화 90% 이상

§ 2단계 추진을 한 KDI 비타당 조사 (2010년 8월 완료 )

특징

§ 존 미분탄 탄 식보다 효 증가에 라, CO2 출량/kWh 감소

§ CCS 용시 존 미분탄 화 에 비해 가로 CO2 거가 가능

공

국내외 황

석탄으로부터 SNG 제조 현황

탄가스화공

산소(O2)

합 가스

(CO, H2 , CO2)

가스환공

CO2, 황

SNG 합공

(Ni catalyst)

합 가스공

SNG(CH4)

(CO + 3H2 → CH4 + H2O)

국외

§ North Dakota(미국) : 1983년부 가동 (2000년부 EOR 실증 진행 )

§ 국 14 건 계획( 재 5 공사 진행 )

국내 연구 : 스마트 로 트“ 탄 이용 합 천연가스(SNG) 신공 개 계 국산화”

진행

§ 2009년 8월 ~ 2011년 1월(1년 6개월) 진행

§ 주 : 포스코

§ 합 가스를 이용한 SNG 조 비 국산화

국내 사업 : 포스코에 1조원을 자하여 건

§ 연산 500,000톤 SNG 조 비를 양 포스코 내에 건

§ 철소 내 천연가스 체용(또는 망을 이용하여 포항 철소로 송 추진 )

국내외 황

H2/CO = 3

공

석탄으로부터 액체연료(CTL) 제조 현황

탄가스화공

산소(O2)

합 가스

(CO, H2 , CO2)

가스환공

CO2, 황

F-T 합 공(Co or Fe Catalyst)

합 가스공

가솔린스

(nCO + 2nH2 → (-CH2-)n + nH2O)

Upgrading공

공

국외

§ SASOL사(남아공)에 1955년부 탄 간 액화 랜트 가동, 재 15만 럴/일 생산(남아공

요의 25% 도)

§ Shenhua사( 국)에 2009년부 탄 직 액화 랜트 가동, 20만 럴/일 규모

국내 연구 : 에 지 연구원 고 사업 로 연구 진행

§ 탄 10톤/일 가스화를 통해 10~15 럴/일 랜트 개

특징

§ 2000년 후 에 많 로 트가 표 었 나, 가의 불확실 , 고가의 건 비로 부분의

로 트가 재는 취소 또는 보류 상태

§ 고갈시 원 체원 로는 한 안 로 , 상용 규모 확보가 건

§ 해외 보 사 가장 규모가 큰 Sasol사는 이

국내외 황

2009년 재 주요 IGCC 로 트

2009년 재, 미국 DOE에Loan Guarantee 신청한 탄가스화 로 트