가스보일러의 순산소 연소 이용 CO 회수 기술 개발 - 이산화탄소저감 ...
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부처별 합동 WORKSHOP<br />
<strong>가스보일러의</strong> <strong>순산소</strong> <strong>연소</strong> <strong>이용</strong> <strong>CO</strong> 2 <strong>회수</strong><br />
<strong>기술</strong> <strong>개발</strong><br />
2006. 2. 9<br />
김 혁 주<br />
한국에너지<strong>기술</strong>연구원
발표순서<br />
9 연구 개요<br />
9 <strong>기술</strong><strong>개발</strong> 목표<br />
9 국내외 현황<br />
7 국내현황<br />
7 국외 현황<br />
9 연구내용<br />
9 기대효과 및 활용 방안
연구 필요성<br />
9 이산화탄소 저감 및 분리<strong>기술</strong><br />
7 교토 의정서 비준에 따른 <strong>CO</strong> 2<br />
7 EU : 온난화 가스 배출권 거래제도 도입<br />
7 일본 : 환경세 도입 추진<br />
<strong>회수</strong> <strong>기술</strong> <strong>개발</strong> 필요<br />
7 국내 산업용 보일러의 <strong>CO</strong> 2<br />
배출 농도의 고도화 <strong>기술</strong> 요구<br />
9 에너지 사용 효율 향상에 따른 온실가스 저감<br />
7 에너지 다소비 설비( ( 57,000 천TOE/ TOE/년)인 보일러 고효율화<br />
7 국가 총 에너지의 보일러 사용비율 : 25%<br />
9 대규모 <strong>연소</strong>설비의 저공해화<br />
7 대기환경 규제 강화에 따른 보일러 설비의 NOx, , <strong>CO</strong> 등의 배출 저감
보일러 분야의 에너지 사용 실태<br />
25%<br />
20%<br />
52%<br />
1%<br />
7%<br />
2%<br />
1%<br />
12%<br />
산업용보일러<br />
가정용보일러<br />
요로설비<br />
조명부분<br />
유도전동기<br />
가전제품<br />
기타<br />
26%<br />
54%<br />
산업용보일러<br />
요로설비<br />
기타
<strong>기술</strong><strong>개발</strong>목표<br />
9 <strong>순산소</strong> <strong>연소</strong> 보일러 적용 <strong>연소</strong>시스템 <strong>개발</strong><br />
7 다양한 조성의 산화제에 용이한 버너 <strong>개발</strong><br />
9 <strong>순산소</strong> <strong>연소</strong> 보일러 <strong>개발</strong><br />
7 배기가스량을 줄이고 응축형 열교환기를 적용 효율 95% 달성<br />
7 기존 보일러의 1/2수준의<br />
컴팩트 보일러 설계<br />
7 <strong>CO</strong> 발생량 : 30 ppm (4% O2) O 이하<br />
7 NOx 발생량 : 50 ppm (4% O2) O 이하<br />
7 턴다운비 : 1 : 3<br />
9 <strong>CO</strong> 2 분리 및 액화가 용이한 배가스 특성 확보<br />
9 <strong>순산소</strong> <strong>연소</strong> 및 응축형 열교환기 해석 <strong>기술</strong> <strong>개발</strong>
<strong>순산소</strong> 보일러 시스템 개요도<br />
기체연료<br />
연료<br />
산소<br />
<strong>연소</strong>기<br />
보일러<br />
본체<br />
증기<br />
급수<br />
50 o C<br />
응축형 배가스<br />
열교환기<br />
To Stack<br />
<strong>CO</strong> 2<br />
분리공정<br />
산소<br />
질소<br />
공기<br />
산소<br />
분리<br />
공정<br />
<strong>CO</strong> 2 recycle<br />
응축수 처리<br />
L <strong>CO</strong> 2<br />
연구범위<br />
<strong>CO</strong> 2 Tank
산소<strong>연소</strong> 장점<br />
9 산소<strong>연소</strong> 및 응축형 열교환기를 사용<br />
배기가스량 1/8로 감소<br />
배기가스 온도 저하 : 약 50℃<br />
응축잠열 <strong>회수</strong> : 열효율을 95%이상<br />
이상(고위발열량<br />
기준) 극대화<br />
9 <strong>연소</strong>가스량의 감소를 고려한 보일러 본체 및 열교환기 컴팩트화 설계<br />
종래형 크기 1/2수준<br />
9 <strong>순산소</strong> <strong>연소</strong> 및 <strong>CO</strong> 2<br />
재순환 <strong>순산소</strong> <strong>연소</strong>기법 적용<br />
별도의 <strong>CO</strong> 2<br />
분리 장치 불필요 : 경제성 상승<br />
9 산소생산 방식과 연계한 <strong>CO</strong> 2<br />
생산<strong>기술</strong> <strong>개발</strong><br />
<strong>CO</strong> 2<br />
분리 및 액화 경제성 상승효과
국내외 <strong>기술</strong> 현황<br />
9 국내현황<br />
7 보일러 <strong>순산소</strong> <strong>연소</strong> 적용 <strong>CO</strong> 2<br />
분리/응축<br />
연구 예 없음<br />
7 CERC 산소부화, , O 2<br />
/<strong>CO</strong> 2<br />
<strong>연소</strong><strong>기술</strong> 기초<br />
연구가<br />
KAIST 주관, 학교, , KIER 및<br />
KIMM 협동연구 중<br />
7 CDRS 프론티어 사업단 고온 <strong>순산소</strong> <strong>연소</strong><br />
분야 “지능형<br />
고온 <strong>순산소</strong> <strong>연소</strong> 시스템 기<br />
술 <strong>개발</strong>” 사업 가열로 <strong>순산소</strong> <strong>연소</strong><strong>기술</strong> 적<br />
용 연구 중<br />
7 생기원 “유리<br />
용해로용 <strong>순산소</strong><strong>연소</strong> 시스<br />
템 <strong>개발</strong>”<br />
7 보일러 효율향상 목적 응축형 보일러는<br />
가정용과 소용량 중심으로 상용 단계<br />
7 <strong>CO</strong> 2<br />
이산화탄소 분리<strong>기술</strong>로는 “건식<br />
sorbent를 <strong>이용</strong>한 배가스 <strong>CO</strong> 2<br />
<strong>회수</strong>공정<br />
기반<strong>기술</strong>”에 대한 연구가 진행 중<br />
KIER &<br />
KIMM<br />
생기연
국내외 <strong>기술</strong> 현황<br />
9 국외현황<br />
7 NICE3, CCTI (미국(<br />
DOE, ‘99~2003, $500,000/project)<br />
산소부화 <strong>연소</strong><strong>기술</strong>의 상용화, 지능형 <strong>순산소</strong> <strong>연소</strong>시스템 기초연구 단계<br />
7 NETL은 <strong>CO</strong> 2 대량 배출원인 발전용 미분탄 보일러에 산소<strong>연소</strong>를 적용, 실<br />
용화 연구<br />
7 Canada의 CANMET에서<br />
O 2 /<strong>CO</strong> 2 NG/미분탄<br />
<strong>연소</strong><strong>기술</strong><strong>개발</strong>을 목표로 함<br />
7 New Sunshine (일본(<br />
NEDO, ‘93~2002,<br />
¥100억)<br />
가스 및 중유용 <strong>순산소</strong> <strong>연소</strong>시스템 보일러 응용연구<br />
7 Joule-Thermie<br />
(EU 에너지총국, ‘99~2003)<br />
<strong>순산소</strong> <strong>연소</strong>시스템 기초연구 단계
Natural gas fired combined cycle power plants with <strong>CO</strong> 2 capture<br />
using integrated air separation and flue gas recycling<br />
(University of Massachusetts, USA)
O 2 /<strong>CO</strong> 2 RECYCLE <strong>CO</strong>MBUSTION<br />
(CANMET, Canada)
A Design Study of the Application of <strong>CO</strong> 2 /O 2 Combustion<br />
to an Existing 300 MW Coal Fired Power Plant<br />
(ABB Combustion Engineering Inc.,USA)<br />
Simplified System Diagram for Modified Boiler
다중 열<strong>이용</strong> 사이클을 <strong>이용</strong>한 이산화탄소 <strong>회수</strong> 무공해 고효율 발전 시스템 시뮬레이션<br />
Osaka university Dr. Park<br />
배가스(H 2<br />
O+<strong>CO</strong> 2<br />
)<br />
재생기<br />
폐열<strong>회수</strong>보일러<br />
(WHB2)<br />
과열증기<br />
폐열<strong>회수</strong><br />
복수기<br />
폐열<strong>이용</strong>제조<br />
증기<br />
연료<br />
<strong>연소</strong>용산소<br />
연<br />
소<br />
기<br />
펌프<br />
발전기<br />
G<br />
급<br />
수<br />
펌<br />
프<br />
냉각수<br />
리턴수<br />
터빈<br />
복수<br />
기체<br />
기체(고압산소)<br />
액체<strong>CO</strong> 2<br />
<strong>CO</strong> 2<br />
액화장치<br />
기체<br />
<strong>CO</strong> 2<br />
압축기<br />
냉동기<br />
복수
핵심<strong>기술</strong>내용<br />
9 산소 <strong>연소</strong> 시스템 설계 및 제작 <strong>기술</strong><br />
7 <strong>순산소</strong>/<strong>CO</strong><br />
/<strong>CO</strong>2 재순환 <strong>연소</strong>기<br />
7 <strong>순산소</strong>/재순환<br />
유동 설계 및 <strong>연소</strong> 모델링<br />
9 응축형 열교환기 설계 <strong>기술</strong><br />
7 배가스 온도 최저화에 의한 고효율화<br />
7 내식성 설계 및 응축수의 중화 <strong>기술</strong><br />
9 산소 <strong>연소</strong> 응축형 보일러 열설계 <strong>기술</strong><br />
7 열적특성(열평형<br />
열평형) 해석 및 과열 방지 <strong>기술</strong><br />
7 높은 로내압 특성에 적합한 컴팩트한 보일러의 구조 설계<br />
9 <strong>CO</strong> 2 분리/액화<br />
용이한 열교환 설비의 설계 및 제작<br />
7 <strong>순산소</strong> 냉열 <strong>이용</strong> <strong>CO</strong>2 응축설비의 에너지 저감 <strong>기술</strong><br />
7 산소 증발기의 배가스 응축에 따른 열교환기 부식 방지 <strong>기술</strong> 등<br />
9 정확한 안전/제어<br />
<strong>기술</strong>
시작품 보일러 구성도 및 열-물질 수지<br />
LO2 TANK<br />
O2 or O2+<strong>CO</strong>2<br />
Boiler(7kg/Cm )<br />
O<br />
(752kg/h, 64.1 C)<br />
Economizer<br />
-146.1 C<br />
635.2kg/h<br />
2<br />
O<br />
O<br />
70 C<br />
125kg/h<br />
-183 C<br />
O<br />
90.2kg/h<br />
Fuel<br />
3<br />
(38.9 Nm/h)<br />
Burner<br />
783kg/h<br />
O<br />
249 C<br />
741kg/h<br />
70 O<br />
C<br />
Condensate<br />
42kg/h<br />
105.8kg/h<br />
70 O<br />
C<br />
Oxygen<br />
Vaporizer<br />
20 O<br />
C<br />
Condensate<br />
15.6kg/h<br />
Stack<br />
Drain<br />
Heat<br />
Exchanger<br />
582.8kg/h<br />
131.7 O<br />
C<br />
582.8kg/h<br />
O<br />
30 C<br />
Treated water
0.5MW 보일러 실험 설비<br />
9 구성 (시운전<br />
중)<br />
7 산소 공급시스템<br />
7 산소 <strong>연소</strong> 보일러<br />
7 응축형 에코노마이저<br />
7 액체산소 증발기<br />
7 <strong>순산소</strong> 버너
수치해석<br />
9 수치해석의 목적<br />
7 연료량, 산화제량 , 노즐타입별<br />
<strong>연소</strong>현상의 모사와 NOx 발생의 예측<br />
9 수치해석 접근 방법<br />
7 계산 영역의 선정(버너<br />
버너,<strong>연소</strong>실)<br />
버너 용량, <strong>연소</strong>실 크기 변화<br />
노즐 형상/다공의 갯수<br />
다단 공기 공급<br />
7 연료의 물성치와 분사조건<br />
천연가스(계산에서 CH 4 으로 가정)<br />
7 지배방정식과 계산방법<br />
연속방정식<br />
운동량방정식<br />
에너지방정식<br />
k-e 난류방정식<br />
가스 성분의 복사 물성치를 고려한<br />
WSGGM을가미한P-1 복사모델<br />
Eddy Dissipation concept with CHEMKIN<br />
Thermal, prompt, fuel NOx 계산
온도장 비교<br />
(a) 공기 <strong>연소</strong><br />
(b) <strong>순산소</strong> <strong>연소</strong><br />
연료량 2 NM 3 /h에서 배가스중 산소량 2%
<strong>순산소</strong><strong>연소</strong>의수치해석과실험과의온도비교
0.1 MW 실험용 <strong>순산소</strong>버너 보일러 전경
<strong>순산소</strong> <strong>연소</strong> 연료노즐 조립<br />
횡축노즐<br />
1st Air Nozzle : D=14mm<br />
동축노즐
<strong>연소</strong>량에 따른 배가스 산소농도에 대한 화염변화 현상<br />
<strong>연소</strong>량<br />
(kW)<br />
배가스 산소농도 (%)<br />
0.5 1 2 3 4 5 6<br />
12<br />
<strong>순산소</strong><br />
18<br />
24<br />
29<br />
12<br />
공기<br />
18<br />
24<br />
29
<strong>연소</strong>량 24kW에서 산화제, 배가스 산소농도별 <strong>연소</strong>가스 온도 및 배가스 특성<br />
1800<br />
Air, Temperature [ O C]<br />
1800<br />
O2, Temperature [ O C]<br />
Distance from burner [mm]<br />
1600<br />
1400<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
200 200 200 200<br />
400 400 400 400<br />
600<br />
600 600 600<br />
Distance from burner [mm]<br />
1600<br />
1400<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
200 200 200 200<br />
400 400 400 400<br />
600 600 600 600<br />
400<br />
800 800 800 800<br />
1000 1000 1000 1000<br />
1 2 3 4 5 6<br />
400<br />
800 800 800 800<br />
1000 1000 1000 1000<br />
1200 1200 1200 1200<br />
1400 1400 1400<br />
1 2 3 4 5 6<br />
Exhaust O 2 [% vol]<br />
Exhaust O 2 [% vol]<br />
<strong>CO</strong> 2 [% vol]<br />
120<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
Air<br />
O 2 100%<br />
NOx [ppm]<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
Air<br />
O 2 100%<br />
<strong>CO</strong> [ppm]<br />
3500<br />
3000<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
0<br />
Air<br />
O 2 100%<br />
0<br />
0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0<br />
0<br />
0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0<br />
0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0<br />
Exhaust O 2<br />
[% vol]<br />
Exhaust O 2<br />
[% vol]<br />
Exhaust O 2<br />
[% vol]
기대효과및활용방안<br />
9 기대효과<br />
7 보일러 효율향상에 의한 에너지 절약 12%이상<br />
달성(현열<br />
<strong>회수</strong> 5%, 잠열<br />
<strong>회수</strong> 7%)<br />
절감액계산예 : 160Nm 3 /h(2t/h기준) * 3000h/y(8h/day기준) * 12% * 390원<br />
/Nm 3<br />
* 10000대(총45000대중) = 2,246억원/년<br />
7 <strong>CO</strong> 2 발생량 100%<br />
0% <strong>회수</strong> 가능<br />
7 NOx 배출 90% 감소<br />
9 활용 방안<br />
7 <strong>연소</strong>과정에서 발생하는 온실가스 분리 및 <strong>회수</strong> <strong>기술</strong>로서 활용<br />
7 <strong>순산소</strong><strong>연소</strong>기 설계 <strong>기술</strong>의 다양한 활용<br />
7 판매용 액화 탄산가스 저가 생산 설비 <strong>기술</strong>로서 활용<br />
7 무공해 보일러 원천 <strong>기술</strong> 확보 후 발전용 등 대형 보일러 적용
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