분류층 반응기를 이용한 석탄가스화기 운전특성 모사실험 연구

안달홍, 박호영

전력연구원

An Experimental Study on Operating Characteristics of Coal Gasifier

with Entrained Flow Reactor

Dal-Hong Ahn, Ho-Young Park,

Korea Electric Power Research Institute

서론

전력연구원에서는 향후 석탄가스화복합발전소의 설비운용과 설계기술 자립을 위하여 석탄가스화 핵심기술을 개발중에있다. 이의 일환으로 수입 석탄의 열분해 및 가스화 반응특성의 Kinetic parameter를 구하고 이를 적용하여 컴퓨터 시뮬레이션 및 엔지니어링 분석을 위한 Data를 제공할 수 있는 가압형 분류층 가스화반응기를 제작하였고 그동안 3가지 종류의 수입 석탄에 대하여 가스화실험을 수행하였다. 사용한 석탄은 먼저 중국산 Datong 탄(hvBb)을 사용하여 기초적인 실험기술을 확립한 후, 인도네시아산 Kideco탄 (subA) 과 호주산 Drayton탄(hvCb)을 사용하여 반응온도 변화 및 반응기에 공급되는 산소/석탄 무게비 변화에 따른 가스화반응특성 실험을 수행하였다. 본 실험에서 반응기 온도는 1100℃, 1200℃, 1300℃, 1400℃ 및 1500℃를 산소/석탄 무게비는 0.4∼1.1 를 사용하였고 석탄입자크기는 65∼74□, 분당 2 g의 석탄을 처리하는 가스화실험을 하였다.  실험결과 생성가스농도는 CO 가 35∼50 %, H2 가 25∼40 %, 탄소전환율은 최고 99.8 % 를, 냉가스효율은 최고 79.6 % 를 얻을 수 있었다.  본 실험을 통하여 석탄에 따른 최적 가스화반응온도와 산소/석탄비를 구할 수 있는 기술을 확립하였다. 향후 더 정밀한 가스화기 운전특성 모사실험을 위하여 압력을 상용가스화기와 같은 정도로 올려서 실험을 수행 할 계획이다.

장치구성 및 실험절차

전력연구원이 보유하고 있는 Entrained Flow Reactor의 전체개요도를 Fig.1에 나타내었다. 최고압력 25 기압, 최고온도 1,600 ℃ 에서 운용이 가능하도록 설계하였고,  반응관을 따라 온도분포 조절이 가능하며, 불활성, 환원성 및 산화성 등 분위기 가스의 조절이 가능하다. 본 실험장치는 가스공급시스템, 가스예열기, 증기발생기, 주반응기, 석탄공급장치, 배출가스와 배출입자 수집장치 그리고 냉각시스템 등으로 구성되어 있다.  본 연구에서는 국내에 수입되는 3 가지 종류의 석탄을 이용하여 상압에서 반응관 온도변화와 공급되는 산소/석탄 무게비를 변경하면서 분류층 석탄가스화기의 운전특성을 모사한 가스화실험을 수행하였다.  아래와 같은 석탄의 가스화 반응과정이 반응관 길이를 따라 층류 흐름하에서 일차원적으로 일어나며 이를 가스 질량분석기(VG PRIMA 600)를 이용하여 측정하고 해석하였다. [4,5]

Coal + O2 + N2 + H2O →  CO + H2 + CO2 + H2O + CH4 + H2S + COS ...

Table 1.  Properties of Coals for Experiment

Coals	Datong	Drayton	Kideco
Proximate, wt. percent Fixed Carbon Volatile Moisture Ash Ultimate, wt. percent C H O N S Ash Gross Heating Value (Kcal/kg)	54.65 29.30 6.87 9.18 67.08 4.31 18.17 0.66 0.60 9.18 6,510	49.25 37.93 2.06 10.76 70.61 4.94 12.23 0.34 0.90 10.98 6,925	63.04 5.11 7.63 1.55 63.04 5.11 29.41 0.24 0.52 1.68 6,213

본 연구에서 사용한 석탄의 성상이 Table 1에 나타나 있다.  반응기에 공급되는 석탄입자크기는 65∼75□, 2g/min의 공급량으로 2 SLPM의 운송용 질소가스에 의하여 반응관 내로 운반 공급하였다. 본 실험에서는 산화제로 산소와 질소를 혼합하여 사용하였다.  산소/석탄비 0.4∼1.1의 산화제를 주반응기의 반응온도 까지 예열하여 공급하였고, 반응온도는 1100℃, 1200℃, 1300℃, 1400℃ 그리고 1500℃로 변경하며 각 온도에서 산소/석탄비의 변화에 따른 가스화실험을 수행하였다. 본 연구의 실험 Matrix는 Table 2와 같다. 생성가스 측정은 가스질량분석기 (VG PRIMA 600)를 이용하여 석탄가스(CO, H2, CO2, CH4, H2S, COS, O2 및 N2 )를 측정하였다. 생성가스 측정외에 반응된 석탄입자를 각 실험별로 채집분석하였다.

Table 2. Operating Parameters for Experiment

Operating Parameters	Ranges
Temperature Pressure O2/Coal Ratio Coals Coal Feed Rate Reaction Tube Length Reaction Tube Diameter	1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500 Atmosperic 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1 Datong, Kideco, Drayton 65∼74□, 2 g/min 1.0 m 50 □

실험결과 및 고찰

이번 가스화실험 결과를 가스화기의 운전상태를 나타내는 지표인 가스생성율, 탄소전환율,냉가스효율로 환산하여 분석하였다.  가스분석에 의한 공정변수 별 생성가스의 농도분포는 대체로 CO가 30∼53.3 %, CO2 가 4.2∼47.0 %, H2 가 20 ∼54.4 % 를 나타내었다. 이와같은 농도분포는 상용 가스화기에서 얻을 수 있는 운전결과와 유사하다. 탄소전환율은 최고 99.8 %로 높게 나타났다. 탄소전환율 계산은 석탄의 공업분석치에 나타나는 고정탄소량을 사용하여 공급된 탄소량 Wc 를 계산하고, 질소를 Tracer로 생성물중에 나타난 탄소량 W(CO+CO2)을 계산하여 이들의 비로서 얻을 수 있다. 생성물중 탄소량 계산시 휘발분으로 부터 생성된 CO 및 CO2에 의한 탄소량은 감해 주어야 한다. 본 실험해석에 사용한 탄소전환율 계산식은 다음과 같다.

[eqn: 탄소전환율(%)={생성가스중의~ 탄소량(kg/hr)} over {입력 석탄중의~ 탄소량(kg/hr)} TIMES 100]

[eqn: eta={W_{(CO+CO_2 +CH_4 )_Product} ~- ~ W_{(CO+CO_2 +CH_4 )_Volatile }}over{W_c } TIMES 100]

냉가스효율(Cold Gas Efficiency)이란 가스화기에 공급된 석탄열량이 가스화과정중 가연성 가스가 가지는 발열량으로 전환된 정도를 나타낸다. 석탄의 에너지는 생성가스의 발열량으로 나타나며 또한 가스의 온도를 올리는데 소비되어 가스의 현열로 나타난다. 냉가스효율은 가스화기의 성능을 나타내는 중요한 지표로서 본 실험해석에서 사용한 냉가스효율([eqn: eta_CG])계산식은 아래와 같다.

[eqn: 냉가스효율(%)~=~{생성된~석탄가스의~고위발열량~(kcal/kg)} over {입력~석탄의~고위발열량~(kcal/kg)} TIMES 100]

[eqn: eta_CG~ =~{m_H_2 CDOT HHV_H_2 +m_CO CDOT HHV_CO +m_CH_4 CDOT HHV_CH_4}over{HHV_Coal} TIMES 100]

본 실험에서 냉가스효율은 최고 79.6 % 를 얻을 수 있었다. 이것은 상용 건식 가스화기의 냉가스효율이 79∼83 % 의 범위에 있음을 감안할 때 상용설비에 근접한 모사실험을 할 수 있음을 보여주고 있다.

References

1.

N.Y.Nsakala, R.L.Patel, T.C.Lao "Combustion and Gasification Characteristics of Chars From Four Commercially Significant Coals of Different Rank" EPRI AP-2601 September (1982)

2.

Dal-Hong Ahn, Jong-Jin Kim, Chong-Young Kim □A Study on The Impacts of Changes in coal quality on the Performances of Gasification processes and IGCC " Twelfth Annual International Pittsburgh Coal Conference, September (1995)

3.

Charles R Monson L Douglas Smoot, Char Oxidation at Elevated Pressure, Combustion and Flame 100: 669-683 (1995)

4.

Normand M. Laurendeau, "Heterogeneous Kinetics of Coal Char Gasification and Combustion"Prog. Energy Combust.Sci. Vol 4, pp.221∼270 (1978)

5.

Abi Ei-Samed, A. K., Hampartsoumian, E., Farag, T. M. and Williams,  A., □ Variation of char reactivity during simultaneous devolatilization  and combustion of coals in a drop tube reactor", Fuel, 69(8), 1029-1036 (1990)

6.

Kobayashi, H. Howard, J. B. and Sarofim, A. F., "Coal devolatilization  at high temperatures", 16th Symposium on combustion, The combustion institute, 411-425 (1976)

Fig.1 Entrained Flow Reactor 전체 개요도

Fig.2  CO Production Rate (l/g)

Fig.3 H2 Production Rate (l/g)

Fig.4 Carbon Conversion

Fig.5 Cold Gas Efficiency