석탄가스화 복합발전(IGCC)의 원리 및 특성

개요

가스터빈 복합발전은 천연가스와 같은 청정연료를 사용하여 열효율이 높고 환경보존성이 우수하나 연료비가 비싸기 때문에 발전원가가 높아집니다. 따라서 세계적으로 매장량이 풍부하고 가격이 저렴한 석탄을 이용한 복합발전 방식이 오래전부터 연구되어 왔습니다.

 

석탄을 연료로 사용하기 위해서는 고체 연료인 석탄의 가스화 과정이 필요합니다. 가스터빈의 연소기에서 석탄을 직접 연소시키는 것은 곤란하므로 가스화기에서 석탄과 산소를 혼합, 연소하여 수소와 일산화탄소가 주성분인 석탄가스를 만들고 이를 탈황, 정제한 후 가스터빈의 연료로 사용하며, 가스터빈 배기열을 증기사이클에서 이용하여 증기터빈을 구동하는 발전방식을 석탄가스와 복합발전(IGCC: Integrated Coal Gasification Combined Cycle)이라 합니다.

 

석탄가스화 복합발전 방식은 기존 석탄화력 발전 방식에 비해 공해물질을 현저히 줄일 수 있고 발전 효율이 높은 신기술로, 국내에서는 발전회사 최초로 300MW 용량(송전단 기준)의 태안 IGCC가 2016년 6월에 준공되었습니다.

 

석탄가스화 원리

석탄가스화는 건조, 건류, 가스화, 연소의 4단계를 거쳐 이루어집니다.

• 건조 : 하부에서 상승하는 고온가스에 의해 연료탄이 건조되고 예열
• 건류 : 석탄의 휘발분이 증류되며 메탄가스, 유분, 타르 생성
• 가스화 : 석탄이 증기 및 이산화 탄소와 반응
• 연소 : 미반응탄소가 산화제(공기, 산소) 의해 연소

 

석탄가스화 공정 및 특성

석탄가스화 공정은 석탄과 산화제가 접촉하는 방법에 따라 기본적으로 고정층, 유동츨, 분류층으로 분류되며 각 공정에 대해 간단히 살펴보도록 하겠습니다.

(1) 고정층법(Fixed or Moving Bed Process)

연료탄은 가스화기 상부에서, 산화제는 하부에서 공급되는 방식으로, 탄은 아래로 천천히 내려오고 하부 연소구역에서 상승하는 고온가스에 의해 가열되면서 가스화 반응을 합니다. 간단하고 실용화 실적이 많은 안정적인 공정이나 점결탄의 사용 제한과 액체 생성물이 발생하는 단점이 있습니다.

 

(2) 유동층법(Fluidized Bed Process)

가스화기 하부로부터 공급되는 산화제의 속도를 빠르게 하여 상부에서 공급되는 석탄입자를 유동화 상태로 만들어 가스화하는 방법입니다. 혼합도가 좋아 온도 분포가 균일하며 단위 부피당 처리 용량이 큰 장점이 있는 반면, 탄소 전환율이 낮고 기동/정지 및 부하 추종성이 떨어지는 단점을 가지고 있습니다.

 

(3) 분류층법(Entrained Bed Process)

분쇄된 미분탄이 산화제와 함께 상부에서 공급되며, 가스화 온도가 높고 탄의 단위 부피당 표면적이 넓기 때문에 짧은 시간에 가스화 반응이 이루어집니다. 석탄사용 범위가 넓고 처리 용량이 크며, 액체생성물이 없으나 열손실 및 탄소 손실이 크고, 분쇄기 유지비가 큰 단점이 있습니다. 현재 발전용으로는 분류층 방식을 대부분 채택하고 있습니다.