분류층 반응기에서의 석탄가스화 운전 특성

이재구, 김재호, 이효진, 박태준

한국에너지기술연구소

Experimental study in an entrained flow coal gasifier

Jae Goo Lee,  Jae Ho Kim, Hyo Jin Lee, Tae Jun Park

Korea Institute of Energy Research

1. 서 론

화석에너지 중 석탄은 안정적 공급이 가능하여 전세계적으로 향후 상당기간 동안 발전용 에너지원으로서 사용될 것으로 전망되고 있다. 그러나 현재 이용되고 있는 미분탄 화력 발전은 열효율을 높이는 문제와 연소후 발생 배가스중 SOx, NOx 및 CO2에 의한 산성비와 지구 온난화 방지, 회재 및 분진 농도 감소를 위한 배가스 처리 설비 보완의 필요성이 점차 증가되고 있다. 이러한 문제의 해결 방안으로 석탄가스화를 이용한 복합발전 (IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle) 기술이 기존 미분탄 발전소보다 발전 효율 상승과 더불어 NOx,  SOx등 국제적인 환경 규제와 탄소세 도입등에 대처 할 수 있는 신기술로 주목을 받고 있다. 복합발전용으로 주로 이용되고 있는 분류층 방식은 탄종에 대한 적응성이 우수하고 대용량의 잇점과 부하변동이 용이한 것으로 평가되고 있다. 분류층 가스화 방법은 석탄과 산화제가 같은 방향으로 공급되며 짧은 체류시간내에 전환율을 높이기 위해, 다른 반응기보다 높은 온도를 유지해야하는 특징을 지니고 있다. 고온에서의 용융 가스화 방식은 slag를 형성하게 되어 비산 분진 발생량이 적고, 비교적 안정성 있는 고형물로 배출된다. 고온반응 조건을 유지하기 위해서는 산소량이 많이 소요되고 수증기 생성이 작아져서 water-gas shift 반응이 억제된다. 따라서 CO2의 생성량이 작고, H2, CO가 생성가스중 대부분을 차지하게 되어 이를 발전용 가스로 사용할 수 있다. 짧은 체류시간에 반응이 종료되기 위하여 가급적이면 높은 온도가 바람직하여 대체로 반응온도는 석탄중 회분의 용융온도 이상인 1,300℃ 이상에서 운전되고 있다. 운전 조건을 slag의 충분한 용융과 char의 반응속도를 크게 하기 위해 지나치게 가스화 온도를 상승시킬 경우 반응기를 구성하는 내화재와 버너 및 슬래그를 처리하는 부분에서의 손상이 따르게 된다. 따라서, 석탄의 종류에 따라 다양한 물리 화학적인 특성을 지니고 있어 탄종에 따라 석탄가스화장치의 선정 또는 개발을 위하여 char의 가스화 및 용융상태에 관한 많은 연구가 집중되고 있다.

발전용 석탄의 전반을 수입하고 있는 국내 실정을 고려하여 볼 때, BSU(Bench Scale Unit)급에서 실험을 통한 탄종별 가스화 data 확보는 향후 상용화 IGCC 발전소를 적용시 탄종 선정과 운전자료로써 필수적으로 요구된다. 본 연구에서는 반응기의 설계 제작과 관련 사항과 공정변수 변화에 따른 석탄가스화 실험을 수행하였던 운전 결과를 보고하고자 한다.

2. 본 론

2-1. 실험장치

사용된 실험 장치는 석탄을 슬러리 형태로 조제하여 상부에 설치된 버너를 사용하여 분무, 가스화하는 습식 분류층 가스화 반응기로써 설계기준은 운전온도 및 압력을 1500℃, 20atm으로 선정하여 제작하였다. 장치 구성은 상부의 슬러리 버너 및 반응기 예열버너와 중앙의 연소 및 반응 부분, 하부의 가스 및 슬래그 냉각부로 이루어졌다. 슬러리는 진동 볼밀을 사용 분쇄, 혼합 조제된 다음 모노펌프에 의하여 버너로 공급되며, 반응부분은 직경 20cm, 길이 2m로써 벽면은 내화재와 단열재 및 압력용기와 과열시 보호용 냉각 코일이 설치되었다. 생성된 슬래그 및 가스의 원활한 배출을 위하여 하부에는 침식에 안정성이 있는 SiC 슬래그 tap을 설치하였다. 슬래그는 용융상태로 흘러내리면 일정 수위가 유지되는 직경 70cm, 길이1.5m의 냉각조에서 급냉되도록 하였다. 반응기 운전조건의 측정은 가스온도계(R-type 열전대), 벽면온도 측정용으로 12개의 K-type 열전대, 압력계와 on-line 가스 분석기 및 G/C를 이용하였다. 운전관리용으로 연소부와 하부에 폐쇄회로 카메라를 사용하여 반응시 화염과 슬래그의 흐름을 관찰하였다.

2-2. 운전조건

고농도 슬러리 조제를 위하여 석탄입자 표면을 친수성으로 유지하여 분산성을 향상시켜 주는 계면활성제(CWM1002)를 0.3 wt.%의 범위로 사용하였다. 조제된 시료 농도는 60∼65 wt.%로써 상온에서 450∼1520 cp의 범위로 점도를 유지하였다. 가스화 반응온도까지의 초기 가열은 LPG 보조 버너를 사용하여 24시간 동안 1,300℃로 온도를 상승하였고, 슬러리와 산소를 공급하여 화염이 안정된 다음에 LPG 연소를 종료하였다. 슬러리 공급량은 본 운전 실험에서는 석탄량 기준으로 30∼50Kg/hr 범위에서 이루어졌다. 석탄과 물 및 산소를 버너에서 분무시 혼합도를 증가하기 위하여 슬러리는 70℃, 산소는 200℃로 예열하여 공급하였다. 분류층 가스화 반응기에서의 운전 조건을 요약하면 Table 1과 같다.

Table 1. Experimental conditions of the entrained flow coal gasifier

Parameters		Gasification conditions
Coal slurry	Coal conc.(wt.%)	60∼65
	Viscosity(cp)@ 20℃	450∼1520
	Temperature(℃)	70
Coal feed rate(kg/hr)		30∼50
Oxygen	Oxygen-coal ratio(wt./wt.)	0.6∼1.2
	Temperature(℃)	200
Gas temperature (℃)		1300∼1550℃
Reactor pressure(atm)		0∼5

2-3. 운전결과

현재까지 분류층 반응기에서의 운전실험을 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

1) 반응기 초기 가열후 LPG를 석탄 슬러리로 교체 주입시 버너 막힘 현상이 발생하는 경우가 있었는데, 이는 슬러리 연료가 버너의 팁부분에서 순간적으로 응고되는 것으로써 BSU 규모인 본 장치의 운전시 애로점으로 작용하였다. 가스화반응시 화염의 안정은 정상상태로 도달한 다음부터는 안정적으로 유지되어 조건 변화 실험이 원활하게 수행되었다.

2) 고온에서 버너 노즐을 통하여 산화제와 함께 분무되는 슬러리의 연소는 석탄의 함량, 산화제의 농도, 슬러리의 유동성 등에 의하여 좌우된다. 현재까지의 운전결과에 의하면 연료공급시 공급배관과 버너의 막힘을 방지하고 가스화기내에서 적절한 유동형태를 유지하기 위하여 슬러리 제조가 매우 중요하다는 것이 확인되었다. 또한 시스템 설계시 슬러리 주입용으로 선정된 모노펌프의 stator가 석탄의 미립자와의 마모로 주기적인 교체가 불가피하였다.

3) 반응기 압력제어는 quenching vessel의 수위변동과 가스배출구에서의 응축 현상에 의해 영향을 받으며, 국부적인 과열로 인하여 rupture disc, 온도계 및 버너등이 변형되는 현상을 초래하였다.

4) 가스화 반응기 내부온도는 산소량에 따라 증가되며, 원활한 slag 배출을 위하여 반응기 온도는 최소한 1370℃ 이상이 유지되도록 산소과 석탄비가 0.6 이상으로 요구되었다. 벽면 온도 측정 결과로 볼때 반응기 상부에서 연소후 하부로 갈수록 반응온도가 낮아지는데, 이는 열손실과 가스화 흡열반응에 의한 요인이다.

5) 실험에서 측정된 생성기체는 주로 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소로 구성되어 있으며 미량의 메탄도 생성되었다. 생성가스의 발열량은 1700∼2400 kcal/Nm3로서 일반적인 석탄가스화에 의한 생성가스의 발열량을 얻었다. 산소 공급량이 증가함에 따라 생성가스중 CO2는 지속적으로 증가하고 CO 및 H2의 발생은 산소/석탄무게비가 약 0.9에서 최대치를 나타낸 후 감소하였다. 최종생성 가스는 출구온도에 따라 water-gas shift 반응의 평형조건으로 근사적인 조성을 보임을 알 수 있었다. H2S의 조성은 산소가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보여주는데, 본 연구에서 실험한 Datong탄의 유황함량 0.77%에서 생성된 H2S농도는 1500∼2500ppm로 나타났다.

6) 가스화 반응후 원활하게 회수된 slag는 알카리 계통의 성분(Na2O, K2O, MgO)과 SO3의 휘발화에 의한 감소가 뚜렷하게 보이며, 벽면에 부착된 slag의 Fe형태는 가스화 반응시 산화물의 형태에서 환원성 분위기 및 미반응 char에 의해 환원되어 metallic iron을 형성하였다. Datong 탄의 경우 반응기 내부 가스 온도가 1340℃를 유지하였을 때, 슬래그가 입구로부터 130cm의 지점에서 벽면에 부착되었는데, 이러한 운전결과로 볼때 원활한 slag 배출을 위한 반응기 하부온도는 환원성 분위기에서 측정된 회분의 용융온도보다 50∼100℃ 이상으로 높게 유지해야 하는 것으로 나타났다.

3. 결 론

향후 석탄가스화 장치의 설계 및 운전기술 개발을 위해서는 현재까지의 운전 경험을 토대로 다음과 같은 기술이 보다 연구되어야 할 것이다. 즉,

- 버너의 형태 및 재질 개발

- 부하변동에 따른 운전 기술

- 탄종별 최적 운전 조건의 선정

- 반응기내 슬래그의 응고 특성

또한 복합발전으로 활용을 위하여 down stream의 탈황공정 및 가스 터빈과 연계된 설계 및 운전 기술이 진행되어야 할 것으로 보여진다.

참고문헌

1. Sinbeck, D. R., Dickenson, R. L. and Oliver, E. D.,"Coal Gasification Systems : A     Guide to Status, Applications & Economics", EPRI   Report AP-3109 (1983)

2. Chris Maude, T.T.:"Coal gasification for IGCC power generation", IEACR/37     (1991).

3. 박태준 외 다수:□복합발전용 석탄가스화장치 및 정제시스템 연구□,한전보고서,    KRC-90G-J07(1993).

4. 이효진,박태준,김재호,이재구,안달홍: 에너지공학, 4, 379 (1995).

5. 류시옥,김재호,이효진,이재구,박태준,안달홍,박호영: 에너지공학,6,96(1997)

6. Wen,C. and Chaung,T.Z. Ind.Eng.Chem.Process Des. Dev.,18, 684 (1979).

7. Nichols, K. M., Hedman, P. O. and Smoot, L. D.: Fuel, 68, 243  (1989)

8. Koyama S., Matuo M., and Miyadera H.: 燃料協會誌, 65, 660 (1986).

9. Koyama S., Tanaka, S. and Matuo, M.: 燃料協會誌, 65, 746 (1986)

10.Inumura,J.,Hara,S.,Ashizawa,M.,Kobayashi,Y.,Hamamatsu,T.,Ishikawa,H.,

Takekawa,T., Ishigami,S. and Koyama,T.,"Characteristics of 2T/D Pressurized

Two-Stage Entrained Bed Coal Gasifier", CRIEPI Report, EW89002 (1990)