분류층 석탄 가스화기내 반응성 유동장 고찰

조석연, 서경원

아주대학교 화학·생물공학부, 수원 441-749

Computational Investigation on Reactive Flow Fields

in a Entrained Coal Gasifier

Seok Yeon Cho, Kyung Won Seo

School of Chemical Engineering and Biotechnology, Ajou Univ.

서론

가스화기내로 주입된 석탄은 주변의 가스와 섞이거나 반응하여 복잡한 물리·화학적 메카니즘과 난류성 거동을 보이기 때문에 가스화기내의 반응성 유동장을 정확히 예측하기가 매우 어렵다. 즉 미분탄의 연소 또는 가스화를 전산모사하기 위해서는 기체·고체상의 난류 유체역학, 화학반응, 물질전달 및 복사 열전달이 함께 고려된 수치모델이 필요하다. 현재까지 대표적으로 알려진 미분탄 연소와 가스화 모델링을 위한 컴퓨터 코드로 미국 Brigham Young University(PCGC-2)와 Imperial College에서 각각 개발한 프로그램이 있으며 그 외의 많은 연구자들이[1,2]이 미분탄의 연소 또는 가스화에 대한 해석용 프로그램을 개발하고 있다.

본 연구에서는 산소/석탄의 비 혹은 수증기/석탄의 비를 변화시킨 조업에서 탄종이 서로 다를 때 가스화기 출구에서 생성가스(CO, CO2, H2)의 평균조성 변화를 고찰하기 위해 전산모사를 수행하였으며, 모사결과에 대한 분석 및 토론을 근거로 분류층 가스화기내 가스화 반응의 특성을 파악하고자 한다.

수치모델 및 모사[3]

본 연구에서는 Fig. 1에서 보인 것과 같은 실린더형 가스화기를 반경방향과 축방향으로 37×100의 격자로 나누어 2차원 축대칭으로 전산모사를 하였다. 이 전산모사를 위해서 BYU(Brigham Young University)에서 개발한 PCGC-2(93)[5]을 사용하였다. PCGC-2(93)는 가스상의 기본 편미분방정식을 유한차분적분법으로 바꿔서 해를 구하는 TEACH CODE[5]를 기본으로 하였으며, 여기에 압력장 계산을 위하여 SIMPLER(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations, Revised)알고리즘[6]과 미세입자계와 기상계를 연결하기 위하여 PSI-Cell(Particle Source-In-Cell)법[7]이 포함되어 있다. 이러한 기상과 입자계의 지배방정식, 석탄의 반응모델 및 복사 열전달 모델등은 Smoot등[3]의 자료에 자세히 설명되어 있으며, 원하는 해를 얻기 위한 알고리즘은 조와 서[4,8]의 참고문헌에 언급되어 있다.

모사결과 및 고찰

1. 모사조건

본 연구에서는 5종류의 석탄(Lewis-Stockton, Utah, Illinois #6 등의 역청탄, Usibelli아역청탄, Beulah-Zap갈탄)을 사용하였으며 반응기의 크기, 각 흐름의 유속, 기체·고체입자의 물리적 성질과 기체·고체의 유입비율 등의 모사조건을 Table 1에 제시하였다. 본 모사를 위해 가스화기의 1차 주입구로 미분탄을 질소가스와 함께 주입시켰으며 2차 주입구를 통해 산소와 수증기를 주입시켰다. 이 때 미분탄의 선속도는 유체와 동일한 선속도로 유입되는 것으로 가정하였다. 이하 본문에서는 산소/석탄의 비를 OR로 수증기/석탄의 비를 SR로 각각 정의하여 사용하고자 한다.

2. 산소/석탄의 비(OR)에 따른 영향

Fig. 2에는 가스화기 출구에서 각 생성가스(CO,CO2,H2)의 평균 몰분율(inert free, dry basis)을 도시하였다. Fig. 2에서 볼 수 있듯이 탄종에 관계없이 OR이 증가함에 따라 주요 생성물 CO와 H2의 몰분율은 증가후 감소하였다. 이는 OR이 커질수록 산소와 석탄의 휘발분 또는 석탄 촤의 반응에 의해 높은 산화열이 발생됨으로 인해 석탄 촤-CO2 또는 석탄 촤-H2O의 흡열반응이 촉진되기 때문에 초기에 CO와 H2의 생성량이 증가하였다. 그러나 OR이 계속 증가하여 산소의 적정량을 초과하게 되면 산소가 빠르게 많은 양의 석탄 촤와 반응함으로서 CO2 또는 H2O와 반응하는 석탄 촤의 양이 적어져 CO와 H2의 생성량이 감소되었으며 또한 산소와 생성가스 CO,H2의 반응에 의해서도 CO와 H2의 생성량이 감소되었다.

3. 수증기/석탄의 비(SR)에 따른 영향

SR을 변화시켜 5종류의 석탄을 가스화시켰을 때 가스화기 출구에서 생성가스의 평균조성 변화를 조사한 결과 SR이 커질수록 CO의 몰분율은 감소하고 H2와 CO2의 몰분율은 증가하였는데 이는 SR이 커질수록 석탄 촤-수증기의 흡열반응과 수증기-가스 변환반응이 촉진되기 때문이다.

결론

분류층 석탄 가스화기내의 반응성 유동장을 고찰하기 위하여 전산모사를 수행  하였으며 다음과 같이 그 결과를 요약할 수 있다.

1) 산소/석탄의 비 또는 수증기/석탄의 비를 변화시켜 5종류의 석탄을 가스화시      켰을 때 가스화기 출구에서 생성가스의 농도 변화를 고찰하였다.

2) 최적의 조성을 얻기 위해서는 산소/석탄과 수증기/석탄의 비를 적절히 조절      해야 한다.

3) 역청탄으로부터 CO와 H의 생성량을 증가시키기 위해서는 아역청탄과 갈탄      에 비해 상대적으로 많은 양의 산소가 필요함을 알 수 있었다.

참고문헌

1. 이진욱, 윤용승: 한국에너지공학회지, 4(3), 331 (1995).

2. 이선경, 나혜령, 장동순, 정진도, 지평삼: 한국에너지공학회지, 4(1), 23 (1995).

3. Smoot, L.D. and Smith, P.J.: "User's Manual for a Computer Program for        2-Dimensional Pulverized Coal Gasification and Combustion Model (93-PCGC     -2)", Combustion Laboratory, Brigham Young University(1993).

4. 조석연, 서경원: □석탄입자의 크기가 가스화에 미치는 영향에 관한 연구□, 한국     에너지공학회지 제출중(1996).

5. Gosman, A.D and Pun, W.M.:"Lecture Notes for Course Entitled Calculation     of Recirculating Flow", Imperial College, London (1973).

6. Patankar, S.V.: "Numerical Heat Transfer and Fluid Flow", McGraw-Hill,      New York (1980).

7. Crowe, C.T., Sharma, M.P. and Stock, D.E.: Trans. ASME, J. Fluids Eng.,     99, 325 (1977).

8. 조석연, 서경원: □석탄 가스화기내의 유동장 특성 연구□, 한국에너지공학회지      제출중, (1996).

Fig.1. Schematic diagram of a coal gasifier[4].

Table 1. Summary of test conditions performed.

Fig.2. Predicted major gas compositions with respect to

the variation of the ratio of O2/coal

(a:Lewis-Stockton bit., b:Utah bit., c:illinois #6 bit., d:Usibelli

subbit., e:Beulah-Zap lig.).