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표제지

목차

Nomenclature 13

논문요약 16

제1장 서론 18

1.1. 연구 배경 18

1.2. 선행 연구 21

1.2.1. 암모니아 연소성 21

1.2.2. NOₓ 배출 특성 21

1.2.3. 실증 규모 실험 22

1.2.4. 열성능 및 경제성 평가 22

1.3. 연구 필요성 및 목적 25

제2장 연구 방법 28

2.1. 플랜트 공정해석 28

2.1.1. 대상 플랜트 28

2.1.2. 보일러 시스템 모델 31

2.1.3. 터빈 시스템 모델 41

2.1.4. 모델 연계 알고리즘 44

2.1.5. 암모니아 혼소 시나리오 46

2.2. 경제성 평가 48

2.2.1. 경제성 평가 기법 48

2.2.2. 경제성 평가 조건 50

제3장 연구 결과 51

3.1. 암모니아 혼소에 따른 플랜트 성능 평가 51

3.1.1. 물질 정산 51

3.1.2. 복사 열전달량 53

3.1.3. 대류 열전달량 57

3.1.4. 배가스 온도 59

3.1.5. 물-증기 온도 62

3.1.6. CO₂ 저감량과 플랜트 효율 65

3.1.7. 터빈 전력 생산량 확보 67

3.2. 암모니아 생산 방법에 따른 암모니아 혼소 경제성 평가 69

3.2.1. 경제성 평가 주요 항목 69

3.2.2. 암모니아 가격에 따른 경제성 평가 결과 71

3.2.3. 탄소배출권 가격에 따른 경제성 평가 결과 73

3.2.4. 터빈 전력 생산량 확보에 따른 경제성 평가 결과 75

제4장 결론 77

4.1. 결론 77

4.2. 향후 연구 79

참고문헌 80

부록 88

Performances 91

ABSTRACT 92

표목차

Table 1.1. The prospects of power generation and ratios by source. 19

Table 1.2. Thermal properties and fundamental combustion characteristics of ammonia and hydrocarbon fuels. 19

Table 1.3. Literature survey on ammonia combustibility. 23

Table 1.4. Literature survey on ammonia co-firing. 23

Table 2.1. Design coal conditions of the target plant. 30

Table 2.2. Main operating conditions of the target PC boiler at BMCR load. 30

Table 2.3. Fouling factors of the heat exchanger in the boiler system model. 38

Table 2.4. Validation results of the boiler system model for flue gas temperature. 40

Table 2.5. Validation results of the boiler system model for water-steam temperature. 40

Table 2.6. Validation results of the turbine system model. 42

Table 3.1. Mass balance results in IEAR scenario. 52

Table 3.2. Mass balance results in IAFT scenario. 52

Table 3.3. Flue gas temperature in IEAR scenario. 60

Table 3.4. Flue gas temperature in IAFT scenario. 60

Table 3.5. Water-steam temperature in IEAR scenario. 63

Table 3.6. Water-steam temperature in IAFT scenario. 63

Table 3.7. Analysis of CO₂ emissions due to additional fuel input in IEAR scenario. 68

Table 3.8. Analysis of CO₂ emissions due to additional fuel input in IAFT scenario. 68

부록표목차

Table A.1. Import price of ammonia according to ammonia production methods. 89

Table A.2. Benefit and cost components associated with ammonia co-firing introduction. 89

Table A.3. Ammonia vaporizer installation cost. 90

Table A.4. Ammonia vaporizer maintenance and operational cost. 90

그림목차

Fig. 1.1. Evaluation results of thermal performance in the boiler and economic evaluation due to ammonia co-firing. 24

Fig. 1.2. Schematic diagram of the methodology in this paper. 27

Fig. 2.1. Schematic diagram of the process simulation model of the target plant. 29

Fig. 2.2. Schematic diagram of the boiler system model. 32

Fig. 2.3. Schematic diagram of the calculation process of the boiler system model. 38

Fig. 2.4. The turbine system model based on Aspen Plus. 42

Fig. 2.5. The HPTs, IPTs, and LPTs in the turbine system model. 43

Fig. 2.6. The linkage algorithm for deriving the plant process simulation model. 45

Fig. 2.7. Adiabatic flame temperature and EAR for IEAR scenario. 47

Fig. 2.8. Adiabatic flame temperature and EAR for IAFT scenario. 47

Fig. 3.1. Variation rate of radiative heat transfer to EVA due to NH₃ co-firing. 55

Fig. 3.2. Variation rate of radiative heat transfer to SH2 due to NH₃ co-firing. 55

Fig. 3.3. Convective heat transfer in IEAR scenario. 58

Fig. 3.4. Convective heat transfer in IAFT scenario. 58

Fig. 3.5. Flue gas temperature in IEAR and IAFT scenario. 61

Fig. 3.6. Water-steam temperature in IEAR and IAFT scenario. 64

Fig. 3.7. CO₂ reduction and plant efficiency in IEAR scenario. 66

Fig. 3.8. CO₂ reduction and plant efficiency in IAFT scenario. 66

Fig. 3.9. The key components of economic evaluation. 70

Fig. 3.10. The economic evaluation results based on NH₃ price. 72

Fig. 3.11. The economic evaluation results based on CER price. 74

Fig. 3.12. The economic evaluation results of additional fuel input to secure turbine power generation. 76

초록보기

 2050 탄소중립 선언에 따라서 국내에서는 이를 달성하기 위한 점진적인 목표를 설정하고 여러 정책들을 도입하고 있다. 주요 정책으로는 석탄 화력 발전의 감축 및 신재생에너지 도입 등이 있으며 이에 따라 노후화된 석탄 화력은 감축되고 기존 발전 설비를 활용하여 석탄 화력 발전에 무탄소 연료인 암모니아의 혼소 발전을 도입하는 방안이 제시되었다. 암모니아는 석탄과 다른 연소 특성을 가지고 있기 때문에 암모니아 혼소 시 기존 석탄 전소와는 다른 열전달 특성을 가진다. 열전달 특성 변화에 따라 플랜트의 성능이 변화하기 때문에 플랜트 운영 관점에서 보았을 때, 석탄 화력 발전 플랜트의 암모니아 혼소 적용에 따른 성능 평가와 이에 따른 경제성 평가가 필요하다.

본 논문에서는 초임계 미분탄 플랜트의 공정해석 모델을 개발하여 암모니아 혼소에 따른 성능해석을 진행하였다. 공정해석 모델은 보일러 시스템 모델과 터빈 시스템 모델의 연계를 통해 전체 플랜트를 모사하였고 암모니아 혼소율 0, 5, 10, 20, 30% 조건에서 두 가지 시나리오에 대해서 해석을 진행하여 시나리오에 따른 결과를 분석하였다. 무탄소 연료인 암모니아 혼소에 따라 암모니아 혼소율 20% 기준 CO₂ 배출 저감량이 약 147 ton/hr 증가하였고, 암모니아 혼소에 따른 터빈 전력 생산량의 감소로 인하여 플랜트의 효율이 약 0.3% 감소하였다. 추가적으로 공정해석을 통해서 석탄 전소와 동일한 전력 생산량을 확보하기 위한 추가 연료 투입량과 이에 따른 CO₂ 배출량을 도출하였다.

공정해석 결과에 기반하여 암모니아 생산 방법 별 암모니아 혼소에 대한 경제성 평가를 진행하였다. 기존 석탄 화력 발전소에 암모니아 혼소율 20% 적용을 기준으로 수익 및 비용을 산출하고 2022 년 기준 석탄 및 암모니아 가격과 탄소배출권 비용을 기준으로 암모니아 혼소에 대한 경제성 평가를 도출하였다. 그리고 경제성 평가 주요 항목들에 대하여 parametric study 를 진행하여 경제성 확보 조건을 도출하였다. 암모니아 가격의 경우 257 원/kgNH3 이하의 조건에서 경제성 확보가 가능하였고, 탄소배출권 가격의 경우 석탄화력 암모니아 생산 기준 549,000 원/ tCO₂ 이상 조건에서 경제성 확보가 가능한 것으로 도출되었다. 추가적으로 공정해석 결과 기반 터빈 전력 생산량 확보를 위한 추가 연료 투입량과 CO₂ 배출량을 통해서 터빈 전력 생산량 확보에 따른 경제성 평가를 추가로 진행하여, 연료 추가 투입에 따른 비용과 CO₂ 배출량 증가에 따른 탄소배출권 비용 증가에 따라 경제성이 하락하는 결과를 보였다. 결론적으로, 본 연구에서의 경제성 평가 결과를 통해 실제 석탄 화력 발전소에 암모니아 혼소 적용 전 암모니아 혼소에 대한 사전 평가를 위한 기초적인 자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

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