Power generation systems based on the oxy-coal combustion with carbon dioxide capture and storage (CCS) capability are being proposed and discussed lately. Although a large number of lab scale studies for oxy-coal power plant have been made, studies of pilot scale or commercial scale power plant are not enough. Only a few publicized demonstration projects for oxy-coal power plant are introduced recently. The proposed systems are evolving and various alternatives are to be comparatively evaluated. This paper presents a proposed approach for performance evaluation of a commercial 100MWe class power plant, which is currently being considered for ‘retrofitting’ for the demonstration of the concept. The system is configurated based on design-operating conditions and proper assumptions. System components to be included in the discussion are listed. Part division and methods are suggested as an approach for system configuration and for verifying main variables. Evaluation criteria in terms of performance are summarized based on the system heat and mass balance and simple performance parameters, such as the fuel to power efficiency and brief introduction of the second law analysis. Also gas composition is identified for additional analysis to impurities in the system including the purity of oxygen and unwanted gaseous components of nitrogen, argon and oxygen in air separation unit and $CO_2$ processing unit. Cases are selected for comparative evaluation, based on the site-specific requirements. With limited information available, preliminary evaluation is attempted for the cases.
실증 발전소의 개념설계의 기초자료로써 100MW급 순산소 석탄 연소 발전소의 성능을 평가하였다. 순산소 석탄 연소 발전소는 석탄 연소 발전소에서 배출되는 온실기체 중 하나인 이산화탄소를 포집 또는 저장을 하여 발전소의 이산화탄소 배출을 저감하는 순산소 연소 기술을 접목한 발전소이다. 순산소 연소 기술은 lab scale 연구로써는 활발히 이루어져왔다. 최근에야 pilot scale의 순산소 석탄 연소 발전소가 건설되어 아직 구체적인 실험자료가 부족한 상태이다. 본 연구에서는 기존 석탄화력발전소의 주요 운전조건을 이용하여 순산소 석탄 연소 시스템을 구현하였다. 공정 해석 프로그램은 GE energy의 GateCycle을 사용하였다. 본 연구의 순산소 석탄 연소 시스템의 대상 발전소는 영동화력발전소 1호기이다. 기존 영동화력발전소에서 국내무연탄을 사용하는 보일러를 아역청탄을 사용하는 순산소 연소 보일러를 새로 건설을 고려하고 있다. 아역청탄을 사용하는 삼천포 석탄 화력 발전소의 운전조건을 순산소 연소 보일러의 부분적인 운전 조건으로 사용하였다. 순산소 석탄 연소 발전소를 성능 해석을 위한 접근 방법으로써 크게 air(oxygen)-gas side, water-steam side, ASU side와 CPU side로 역할에 따라 나누었으며 대표 인자를 선정하였다. 각각 side을 독립적인 블록 시스템 또는 종속적인 블록 시스템으로 구현하여 접근하였다. 해석 방법으로는 열 및 물질정산을 기초로 하여 열역학적 제 1법칙에 근거한 성능 평가를 하였으며 추가적으로 엑서지 해석을 하였다. 산화제와 시스템 접근 방법에 따라 대상을 선정한 후 대표 인자에 따라 해석대상을 정하였다. 해석 대상은 크게 기존 영동화력발전소를 나타내주는 대상, 아역청탄용 보일러를 고려한 시스템, 비교 기준 대상이 되는 순산소 석탄 연소 발전 시스템, 산소의 순도의 변화를 확인하기 위한 시스템, 배가스 재순환의 변화에 따른 영향을 확인 하기 위한 시스템, 습식 재순환과 건신 재순환의 비율의 변화에 따른 영향을 확인 하기 위한 시스템, 건조 석탄을 사용한 보일러와 폐열 회수 고려를 통해 영향을 확인 하기 위한 시스템으로 나누었다. 해석을 위한 가정들은 여러 문헌을 참고 하였다. 주요 가정들은 기존 석탄 발전소의 설계 운전 조건을 고려하였다.
순산소 석탄 연소 발전 시스템은 기존 석탄 연소 화력발전소와 비교하여 약 10%정도의 에너지 효율 손실이 발생하며 이는 ASU와 CPU의 에너지 손실 때문이다. 산소 순도에 따른 시스템 영향은 보일러 효율 면에서는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있으며 순 효율 면에서는 ASU의 에너지 소모 가정에 의해 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 배기가스 재순환과 습식/건식 재순환 비는 CPU로 들어가는 배기가스 성분에는 영향을 거의 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다. 건식 석탄과 폐열 회수의 고려를 통해 순 효율은 기준 대상에 비해 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 제시된 인자의 영향 확인을 통해 100MW급 순산소 석탄 연소 발전 시스템의 개념 설계를 위한 자료로 제시할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 순산소 석탄 연소 발전 시스템을 통합적으로 구현하지 않았다. 추후 연구에서는 ASU와 CPU의 자세한 공정을 구현하여 인자의 값의 변화에 따른 세부적인 확인이 필요할 것이다.
