건식 분류층 석탄가스화기에서의 가스화 특성

유영돈, 임동렬, 이한구, 유희종, 정석우, 윤용승

고등기술연구원 전력에너지 연구실

Gasification Characteristics in a Entrained Flow Coal Gasifier

Young Don Yoo, Dong Ryul Rhim, Han Goo Lee, Hee Jong Yoo,

Seok Woo Chung, Yongseung Yun

Electric Power Systems Laboratory, Institute for Advanced Engineering

서론

석탄을 이용한 차세대 발전 시스템으로 석탄가스화 복합발전(IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle)이 하나의 대안으로 제시되고 있다. 고청정 환경성의 측면에서 석탄가스화 복합발전설비는 기존의 유연탄 화력발전 방식에 비해서 SOx, NOx 및 분진 등의 배출량을 크게 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 재(ash)를 분진형태가 아닌 용융된 후 엉긴 슬랙형태로 수거하므로 환경적으로 안전하며, 슬랙과 탈황공정에서 만들어지는 황원소를 회수하여 경제성 있는 부산물로 활용할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 이유로 국내외적으로 석탄가스화 복합발전 시스템의 상업화 위한 기초 및 응용 연구개발에 관심이 집중되고 있다.

본 논문은 3톤/일 Bench급 건식 석탄가스화기를 사용하여 고압 가스화기 운전 특성과 함께 중국 대동탄을 사용하여 상압에서 14기압까지 운전 압력을 변화 시켰을 때 가스화 특성의 변화를 논의 하였다.

실험 장치 및 방법

본 실험에서 사용한 3톤/일 Bench급 석탄가스화기 시스템의 구조는 슬랙 냉각 및 저장부, 가스화 반응부, 그리고 생성 가스 냉각부 등으로 크게 구성된다. 가스화 반응부는 석탄과 산화제 등을 공급하는 공급노즐, 온도 측정 장치, 농도 샘플링 장치로 구성되었으며, 슬랙 냉각 및 저장부는 용융된 슬랙을 냉각시키고 배출시킬 수 있는 호퍼 시스템으로 구성된다. 그리고 가스 냉각부는 물 분사 노즐이 설치되어 고온의 생성 가스에 물을 분사하여 냉각 시킨 후 플레어 스택(flare stack)으로 생성된 석탄 가스를 보내 주성분이 CO, H2 인 석탄 가스를 완전 연소시켜 대기로 방출한다.

가스화기 슬랙탭 하단부에 연결된 슬랙 냉각부는 용융된 슬랙이 가스화기 벽을타고 하단부로 흘러 냉각수에 떨어지게하여 급격한 냉각으로 발생된 열충격에 의해 슬랙이 2∼3 mm 이내의 조각으로 깨지게하고 이 슬랙이 일정량 이상 저장되면 실험 중에도 실험에 영향을 미치지 않고 슬랙을 주기적으로 배출시키기 위하여 록호퍼 (lock hopper) 시스템으로 구성되었다.

가스화 반응에 의해 생성된 석탄가스는 1200℃ 이상의 고온이므로 적절한 온도로 냉각시켜야한다. 상용 IGCC 플랜트에서는 가스화기 출구에 열교환기가 설치되어 냉각시키면서 얻어진 증기를 증기터어빈을 구동하는데 사용하지만 본 실험 장치에서는 가스화기 실험만을 위하여 별도의 열교환기는 설치하지 않았다. 그 대신에 가스화기의 출구부에 물분사용 노즐을 통하여 생성가스에 물을 분사하므로써 생성 가스를 적절한 온도로 냉각(본 연구에서는 250℃)시켜 플래어스택(flare stack)로 보내어 완전 연소시켜 대기로 방출하였다.

석탄 가스화기의 실험은 예열단계, 가압단계, 가스화 운전단계, 정지단계의 4단계를 걸쳐 진행된다. 먼저 예열단계는 상압에서 LGP, 공기의 예혼합 버너를 이용하여 가스화기 내부 내화벽의 온도를 1000℃ 이상으로 가열하는 과정이고, 가압단계는 가스화기 압력을 운전 압력까지 가압시키는 단계로 본 실험에서는 메탄, 산소 그리고 질소의 가연 혼합기를 연소시켜 발생된 연소가스를 이용하여 가스화기를 실험 압력까지 가열, 가압하는 과정이다. 가스화기 내부 압력 조절은 가스화기 후단에 설치된 압력 조절 밸브를 설치하여 가스화기 내부 압력을 조절하였다.

운전 압력에 도달되면 가압용 메탄 버너를 끄로 미분탄과 산화제를 공급하면서 가스화 반응을 진행시킨다. 가스화기 온도가 주어진 공급 조건에 대하여 정상 상태에 도달되면 생성 가스를 샘플링 및 분석을 실시 하였다.

본 실험에서 사용된 대동탄에 대한 공업분석과 원소분석치를 Table.1에 나타내었다.

Table. Proximate analysis, Ultimate analysis for Datong coal

Proximate analysis (%)	Volatile matter	29.3
	Fixed carbon	54.65
	Moisture	6.87
	Ash	9.18
Ultimate analysis (%)	Carbon	67.08
	Hydrogen	4.31
	Oxygen	18.168
	Nitrogen	0.66
	Sulfur	0.602
	Chlorine	-

결과 및 고찰

가스화기를 운전 압력까지 가압하는 방법은 가스화기 운전시 매우 중요한 단계이다. 본 연구에서는 메탄과 산소 버너를 이용하여 연소시 생성된 연소 가스를 이용하여 가스화기를 가압하였다. 가압시 가스화기 온도와 압력 변화를 Fig.1에 나타내었다. 먼저 region 1은 가스화기 내부 압력이 상압 상태에서  LPG + air 의 예혼합 버너를 이용하여 가스화기 온도를 1000℃ 이상으로 예열하는 단계로 가스화기 내화벽을 미분탄과 산화제가 자연 점화되어 지속적으로 반응이 진행되기 위한 온도 이상으로 예열하는 구간이다. 일반적으로 이 단계에 소요되는 시간은 12시간에서 16시간 정도이다. Region 2는 상압에서 LPG+공기의 예혼합 버너로 예열하고 있는 상태에서 메탄+산소 확산버너도 점화하여 2개의 버너를 동시에 킨 경우로 LPG+공기의 예혼합 버너의 연소율(firing rate)은 감소시키고 반면 메탄+산소의 확산버너의 연소율을 점점 증가시켜 가스화기 온도를 계속 고온 상태로 유지하면서 가스화기 예열을 메탄+산소의 확산 버너로 바꾸는 과정이다. Region 3은 LPG+공기의 예혼합 버너는 완전히 끄고 메탄+산소 버너로만 가스화기를 가열하면서 가스화기 후단 압력 조절 밸브를 서서히 닫아 가스화기를 가압하는 단계이다. 메탄+산소의 확산 버너로 가압할 경우 고온으로 인하여 내화벽이 손상될 수 있으므로 버너 주위로 질소를 공급하여 연소 가스의 온도를 1600∼1700℃를 유지시킨다. 이렇게 질소를 공급하므로써 화염 온도 제어 뿐만 아니라 가스화기 가압 시간을 단축시킬 수 있다. 가스화기가 운전 압력에 도달하면 메탄+산소 버너를 완전히 끄고 미분탄과 산화제를 공급하여 가스화 반응을 진행시키는 단계(region 4)에 접어든다. 운전이 완료되면 정지단계로 운전을 마무리한다.

Fig..Temperature, pressure, and N2 flow rate at the   pressurization stage

Fig.. CO, H2 gas compositions for Datong coal.

압력에 따른 가스화 특성을 조사하기 위하여 저압 조건(1∼3기압), 중압 조건(7∼11기압), 고압 조건(12∼14기압)의 3개의 압력 구간으로 나누어 실험을 진행하였다. 가스화기 압력에 따른 연구로는 Soelberg[1], Azuhata[2] 등에 의해서 주로 진행되었다. 이들의 연구 결과를 보면 압력에 따른 일관된 경향을 보이지 않으며 사용된 미분탄 그리고 미분탄 공급 방법에 따라 상이한 결과가 얻었다.   Fig.2는 3개의 압력 조건에 대해서 가스화 반응에 의해 생성된 가스의 조성 중에서 CO, H2 의 농도를 나타내었다. 저압 운전 조건에서는 산소/미분탄의 무게비가 0.9 전후에서 최대값을 갖음을 알 수 있고 이때 CO는 35% 정도, H2는 20% 정도의 농도값을 갖음을 알 수 있다. 그러나 압력이 증가되면 CO 및 H2 농도의 최대값을 얻을 수 있는 산소/미분탄의 무게비는 더 낮은 영역으로 이동함을 알 수 있다. 즉 중압 운전 조건인 경우 확실히 산소/미분탄의 무게비가 0.9보다 낮은 0.7에서 CO 농도가 최대이며 이러한 경향은 고압 운전 조건일 경우 더욱 뚜렸하여 산소/미분탄의 무게비가 0.6에서 최대값을 갖음을 알 수 있다. 또한 고압 운전 조건에서 산소/미분탄의 무게비가 0.6일 때 CO는 50%, H2는 25% 정도로 저압 운전 조건일 경우보다 생성된 가스에 함유된 CO농도가 증가된 결과를 얻을 수 있다.

Fig.. Carbon Conversion, Cold Gas efficiency for Datong coal.

가스화기의 성능을 평가하기 위해서는 탄소전환률(Carbon Conversion), 냉가스효율(Cold Gas Efficiency)을 Fig.3 에 나타내었다. 이 실험 결과로부터 알 수 있는 것은 본 실험 조건에 대해서 산소/미분탄의 무게비가 증가하면 탄소전환률은 계속 증가함을 알 수 있다. 이는 낮은 산소/미분탄의 비에서는 주로 가스화 반응에 의해 미분탄에 함유된 탄소가 주로 CO로 전환되며 산소/미분탄의 무게비가 증가하면 상대적으로 많은 산소가 공급되어 연소 반응 생성물인 이산화탄소로 전환되어 미분탄에 함유된 탄소가 가스상태로 전환되는 정도를 나타내는 탄소전환률은 산소/미분탄의 무게비가 증가하면 따라서 증가함을 알 수 있다. 미분탄의 발열량과 생성가스의 발열량의 비를 나타내는 냉가스효율은 50∼60% 정도의 값을 얻을 수 있었고 조업 압력이 증가할수록 같은 냉가스효율은 낮은 산소/미분탄의 비에서 얻을 수 있으므로 압력이 증가할수록 효율적인 가스화기 운전이 가능함을 알 수 있다.

결론

Bench Scale급 건식 석탄가스화기를 이용하여 중국 대동탄에 대한 가스화 실험을 실시하였다. 가스화기를 운전 압력까지 도달하는 방법으로 메탄+산소 버너를 사용하여 발생된 연소가스로 가스화기를 운전 압력까지 가압하였다. 가스화기 운전 압력이 12∼14기압일 경우 CO농도는 50% 정도, H2는 25%를 얻었으며 냉가스효율은 50∼60 %정도의 우수한 가스화 특성을 얻을 수 있었다.

후기

본 연구는 한전산하 전력연구원에서 지원하는 □3톤/일 급 건식 석탄가스화기 운전특성 연구□의 일환으로 수행되었습니다. 이에 감사드립니다.

참고 문헌

1. Soelberg, N.L., Hedman,P.O., Smoot,L.D.: Fuel, 64, 776(1985).

2. Azuhata, S.A., Hedman, F.O., Smoot, L.D., Sowa, W.A.: Fuel, 65, 1511(1986).