IGCC (Integraged Gasification Combined Cycle)
IGCC는 석탄을 고온 고압에서 가스화시켜 CO, H2가 주성분인 합성가스(Syngas)를 제조 및 정제하여 Syngas를 이용해 가스터빈을 구동하고, HRSG(보일러)를 거쳐 증기터빈을 구동하는 통합적인 사이클을 이용하는 방식을 뜻합니다. 이 글에서는 IGCC의 구동원리와 석탄발전소와의 차이점, IGCC power plant의 전체 구성요소에 대해서 살펴보았습니다.
1. IGCC 구동 원리
석탄가스화복합발전은 수소, 액화석유 및 전기까지 만들 수 있는 신기술입니다. 석탄을 고온, 고압 컨디션에서 가스화시켜 전기를 생산하는 친환경 기술이기도 합니다. 먼저 ASU에서 공기를 질소와 산소로 분리시켜 가스화기에서 순산소를 이용하여 석탄을 연소시키고 결과물로 나오는 Syngas를 정제하여 가스터빈의 연료로 사용합니다. ASU에서 분리된 N2와 Steam을 이용하여 가스터빈에서 Syngas와 함께 연소합니다. 가스터빈에서 나오는 Exhaust gas를 이용하여 HRSG(보일러)로 연소가스를 보내고 보일러에서 물을 끓인 것을 증기터빈에 보내어 발전합니다. 이런 사이클을 구성한 것을 IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)이라고 칭합니다. 이와 같은 사이클이 나온 이유는 석탄발전소만을 이용하면 CO2가 많이 발생하여 환경적인 문제가 있으나, IGCC를 이용하면 석탄을 이용하였을 때, 가스터빈복합발전소를 운영하였을 때와 동등한 환경성을 확보할 수 있으므로 2000년대 이후로 연구가 활발하게 진행되고 있으며 한국에서도 태안에 발전소가 설립되었습니다. 현재 세계에서 약 8기의 IGCC plant가 운영되고 있으며 파리기후협약 이후로 CO2 문제가 대두되고 있어 IGCC plant가 더 주목받고 있습니다.
2. 석탄발전소와의 차이점
IGCC와 석탄보일러 연소 특성의 차이점은 여러 가지가 있습니다. 기존 석탄보일러에서 연소되었을 때는 NOx, SOx, CO2와 같은 공해물질이 배출되었다면 가스화기에서 분리된 연소가스 조성은 CO, HH2, NN2와 같이 Syngas의 조성을 띄고 있습니다. Syngas는 가스터빈을 구동시키는 연료로 사용되고 있습니다. 기본적으로 Syngas보단 석탄이 가격적인 측면에서 저렴하기 때문에 IGCC plant를 이용하였을 때 가스터빈과 유사한 효율이 나올 뿐 만 아니라 경제성 측면에서도 우수한 장점이 있습니다. IGCC plant의 구성은 크게 ASU, 가스화기, 복합플랜트(가스터빈, HRSG, 증기터빈)로 이루어져 있습니다. ASU는 공기에서 N2, O2를 분리하고 이를 압력에 따라 분리하여 사용합니다. 산소는 가스화기에 주입되어 석탄을 연소하는 데 사용되고 있으며 질소는 가스터빈 연소가스에 함께 사용되고 있습니다. N2의 양을 조절하여 NOx를 제어하는 데 사용합니다. ASU에서 석탄을 순산소를 이용하여 부분 연소를 한 후에 슬래그는 하단부로 빠져나가고 가스화기에서 나온 기체입자는 Syngas Cooler를 거쳐 정제설비로 이동하게 됩니다. 가스화기를 이용하여 합성가스 생산, 오염가스 정제, 정제가스 연소단계로 이뤄지며, 기존 발전설비와 달리 연료를 연소하기 전에 공해물질을 쉽게 제거할 수 있어 NOx, SOx, 먼지를 미리 제거할 수 있어 환경적인 측면에서 석탄발전소보다 장점을 가집니다.
3. IGCC power plant 전체 구성
플랜트의 가스화기에서 나온 Syngas를 정제하여 가스터빈 원료로 쓰고 있습니다. 기존 가스터빈은 천연가스(LNG)를 사용했다면 IGCC 가스터빈은 Syngas를 이용하여 운영이 된다. 가스화기에서 나온 N2와 Steam을 사용하여 연료와 함께 연소되며 압축기는 18단, 연소기는 14개, 터빈은 3단으로 구성되어 있습니다. IGCC의 순 발전효율이 약 42%로 나오고 있으며 이는 기존 석탄화력발전소보다 높은 효율을 나타내며 대용량화 및 고성능 가스터빈 기술개발 시 약 50%에 달하는 효율도 가능합니다. 또한 IGCC에서는 기존 석탄화력발전소에서 쓰이는 물의 양이 약 20~40% 감소합니다. 그 이유는 석탄화력발전소에서 쓰이는 보일러에 증기를 만들기 위해 많은 양의 물이 사용되고 또한 배출증기의 온도를 낮추기 위해 냉각수로도 사용됩니다. 하지만 IGCC에서는 가스터빈을 이용하기 때문에 증기를 만들기 위한 물 소비는 터빈에서 나온 exhaust gas로부터의 열을 얻는 용도로 사용하기 때문에 석탄화력발전소보다 적은 양의 물의 사용되어 환경적이 측면에서 장점이 있습니다. 가스터빈에서 나온 exhaust gas를 HRSG에 연결하여 증기를 생성하고 HRSG에서 나온 증기를 이용하여 증기터빈을 구동하여 발전하는 것이 IGCC power plant의 전체 구성입니다.