고온고압건식 유동층 탈황공정의 고체흐름특성 해석

최 정 후, 이 창 근*, 손 재 익*

건국대학교 화학공학과

*한국에너지기술연구소

An Analysis of Solid Flow Characteristics

in a Fluidized Bed Hot-Gas Desulfurization System

J. H. Choi, C. K. Yi*, J. E. Son*

Department of Chemical Engineering, Konkuk University, Seoul 143-701

*Korea Institute of Energy Research, Taejeon 305-343

서 론

IGCC 공정은 크게 석탄가스화로와 가스정제 및 발전부분으로 구성되어 있는데, 고온가스 탈황공정은 가스정제 공정에 속하는 것으로 가스화로에서 생성되어 나온 석탄가스중의 H2S, COS 등의 황화합물을 제거하여 발전부분에서 부식문제, 공해문제 및 마모문제 등을 해결하는 매우 중요한 단위공정이다[1].

본 연구에서 고려하는 유동층 탈황공정은 탈황탑과 재생탑이 유동층으로 조업된다.  석탄가스화기에서 생성된 석탄가스는 유동층 탈황탑 하부의 분배기를 통해 공급되고 도입된 석탄가스에 포함되어 있는 H2S는 선택적으로 탈황제와 반응하여 제거된 후 정제된 가스는 탈황탑 상부로부터 집진장치로 이송된다.  황성분을 함유한 탈황제는 탈황탑으로부터 연결관을 통하여 재생탑으로 보내진다.  유동층 재생탑에서 탈황제는 산소와 반응하여 재생되고 재생탑 상부로는 SO2 가스가 배출된다.

유동층을 이용한 고온건식 탈황시스템에서 재생탑과 탈황탑을 순환하는 탈황제의 유량, 입도분포등의 흐름특성은 탈황공정 및 재생공정의 공정특성에 영향을 미치며 반응기의 크기나 반응정도 및 반응온도를 조절하는 매우 중요한 공정인자가 된다.  또한 탈황탑과 재생탑사이의 안정적인 고체순환은 전 공정의 연속적인 운전을 위해 필수적이다.

본 연구에서는 고온, 고압의 유동층 탈황공정에서 수력학특성 및 성능의 예측에 기본이 되는 고체흐름특성을 예측하기 위해서 탈황로와 재생로의 고체출입이 모두 고려된 입자수지해석을 통한 고체순환모델을 개발하였으며 개발된 모델을 이용하여 기류층(transport bed) 조건의 탈황로의 경우에는 사이클론의 분급입경, 입자의 마모속도상수, 고정층높이, 유속 등을, 기포유동층 조건의 재생로의 경우에는 사이클론 분급입경을 조업변수로 고려하여 각 조업변수의 변화에 따른 탈황로와 재생로의 고체흐름특성의 변화를 모사하였다.

고온건식 탈황로에서 입자수지

본 연구에서 고려된 고온건식 탈황공정의 고체순환모델은 Fig. 1과 같이 기류층(TR: transport reactor)-유동층(FBR: fluidized-bed reactor) 형태로 탈황로에서 입자를 비산시키면서 반응시키고 사이클론에 포집된 입자를 loopseal을 이용하여 유동층 반응기로 보낸다.  재생로에서 비산된 입자는 사이클론에 의해 포집되어 재생로로 재순환되고 재생로 하부에서 유출된 고체는 외부로 배출되거나 탈황로로 재주입된다.

본 연구에서는 기류반응기인 탈황로에서 비산된 입자중 사이클론에서 포집된 입자는 모두 기포유동층인 재생로로 재주입되는 것으로 고려하였으며 탈황로 하부에서 고체유출은 없는 것으로 고려하였다.  탈황로와 재생로는 일정한 고정층 높이, 혹은 층무게로 유지되며 새 탈황제는 탈황로로 주입된다.  결과적으로 이와 같은 고체흐름의 해석은 공정의 해석에 기본자료가 되고 유동층 내에서는 유동특성과 직결된다.  고온건식 탈황로에 대한 고체흐름특성으로는 먼저 각 흐름의 고체유량이 고려되고 이와 함께 각 고체흐름의 입도분포가 고려된다.

Fig. 1 Solid flow diagram between transport reactor and fluidized bed

(simplified HGD system mode 3).

고온건식 탈황로의 freeboard 단면적을 기준으로한 정상상태 입자수지는 다음과 같이 표현된다[2].

[eqn: rm {d p_b1 (x) } over {dx }] +[eqn: rm alpha_11 (x)][eqn: rm {p_b1 (x )}]-[eqn: rm alpha_12 (x)][eqn: rm p_b2 ( x )] -[eqn: rm alpha_13 (x)]= 0	(1)

where [eqn: rm alpha_11 (x)] =[eqn: rm left[ F_1 over {W_1 R_1 (x )} +{K_1 ^* (x ) }over {W_1 R_1 (x )}]+[eqn: rm 1 over {R_1 (x )}][eqn: rm {dR_1 (x ) } over {dx}]-[eqn: rm 3 over x right]]

[eqn: rm alpha_12 (x)] =[eqn: rm F_10 over {W_1 R_1 (x) }]	[eqn: rm alpha_13 (x)] =[eqn: rm {F_0 p_0 (x ) + R_a1 p_a1 (x ) } over {W_1 R_1 (x) }]

여기서 Fi는 각 흐름의 고체흐름속도(solid flow rate), pi는 각 흐름의 입도분포, Wi는 각 층에서의 고체무게, x는 입자의 직경을 의미하며, R(x)는 마모에 의한 입자의 입도감소속도, Ra는 마모에 의한 미분생성속도를 나타낸다.  Pb, R, Ra, □에서 하첨자 1은 탈황로를, 2는 재생로를 의미한다.

경계조건은 식(2)와 같으며, 여기서 xmin, xmax는 x의 최소값과 최대값이다.  식(1)을 풀기 위해서는 식(3)의 조건을 만족시키는 시행오차법이 사용된다.

[eqn: rm p_b1 (x ) = 0],  for [eqn: rm x = x_max]	(2)

[eqn: rm int from x_{min} to x_{max} p_b1 (x ) dx = 1]	(3)

재생로의 freeboard 단면적을 기준으로한 정상상태 입자수지는 다음과 같이 표현된다.

[eqn: rm {d p_b2 (x) } over {dx }] +[eqn: rm alpha_21 (x)][eqn: rm {p_b2 (x )}]-[eqn: rm alpha_22 (x)][eqn: rm p_b1 ( x )] -[eqn: rm alpha_23 (x)]= 0	(4)

where	[eqn: rm alpha_21 (x)] = [eqn: rm left[ {K_2 ^* (x)} over {W_2 R_2 (x) } (1-R_f2 □_2 (x) ) + F_10 over {W_2 R_2 (x) } + 1 over {R_2 (x)} {d R_2 (x) } over {dx } - { 3 } over { x}right]]

[eqn: rm alpha_22 (x)] = [eqn: rm {R_f1 □_1 (x ) K_1 ^* (x )} over {W_2 R_2 (x)}]	[eqn: rm alpha_23 (x)] = [eqn: rm {{R_a2 p_a2 (x )}} over {W_2 R_2 (x) }]

경계조건은 식(5)와 같으며 식(4)을 풀기 위해서는 식(5)의 조건을 만족시키는 시행오차법이 사용된다.

[eqn: rm p_b2 (x ) = 0],  for [eqn: rm x = x_max]	(5)

[eqn: rm int from x_{min} to x_{max} p_b2 (x ) dx = 1]	(6)

고온건식 탈황로 고체순환모델 모사

고온건식 탈황로 고체순환모델의 해석을 위하여 전산기 프로그램을 개발하였다.  주 프로그램(main program)은 주입자료를 읽고 부프로그램을 연립하여 계산결과를 인쇄한다.  본 모델의 전산기 프로그램은 MS-FORTRAN(ver. 5.0)으로 작성되었다.

본 연구에서 개발된 유동층 탈황공정의 고체흐름특성 모델을 이용하여 기류층 조건의 탈황로(KIER HGD system, 0.123m I.D., 7.0m high)와 기포유동층 조건의 재생로(0.23m I.D., 2.0m high)에서의 고체흐름특성을 모사하였다.  고체흐름특성에 미치는 여러 가지 변수들의 영향을 고려하기 위하여 탈황로의 경우에는 입자의 마모속도상수(1×10-9, 6×10-9, 3×10-8, 1×10-7cm-1), 사이클론 분급입경(0.5, 1.5, 2.0, 3.0×10-3cm), 유속(100, 200, 300, 400cm/s), 고정층높이(5, 10, 20, 30, 40, 50cm)등을 변화시켰으며 재생로의 경우에는 사이클론 분급입경(0.5. 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 5.5, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, 10.0×10-3cm)을 변화시켜가며 고체흐름특성에 미치는 영향을 모사하였으며 각 입력자료 중에서 변수로 고려되지 않는 경우에는 굵은 글씨로 표시된 값으로 고정하였다.  본 모사에서 탈황로와 재생로의 층 하부에서 고체유출은 없는 것으로 고려되었고(F1=0, F10=Ff10), 탈황로와 재생로의 사이클론에서 포집되는 입자는 모두 재사용되는 것으로 고려하였다(F5=0, F9=0).

본 모델의 모사를 위한 조업조건으로 탈황로와 재생로에 주입된 기체의 조성은 Table 1에 나타나 있다.  모사에 사용된 탈황제(fresh feed)의 입도분포는 Table 2에 나타나 있으며 입자밀도는 1850kg/m3이다.

Table 1 Composition of fluidizing gas in the desulfurizer and regenerator

Component Bed	Mole fraction [-]
	H2	CO	N2	CO2	H2O	H2S	O2	SO2
Desulfurizer	0.306	0.382	0.000	0.125	0.183	0.004	-	-
Regenerator	-	-	0.9790	-	-	-	0.0126	0.0084

Table 2 Size distribution of fresh sorbent

Sieve size [□m]	-200 +190	-190 +162	-162 +147	-147 +134	-134 +123	-123 +111	-111 + 96	-96 +74	-74 +53	-53 + 0
Weight fraction [-]	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1

모사결과에 의하면 고체흐름특성은 주로 탈황로 변수들의 영향을 받았으며, 재생로 변수의 영향은 미약하였다.  Table 3은 탈황로에서 각 변수(고정층 높이, 입자마모속도상수, 사이클론 분급입경, 기체유속)의 변화가 탈황로에 새로 주입되는 탈황제의 양(F0), 재생로 하부에서 탈황로로 재주입되는 고체량(F10), 각 고체흐름의 입도분포 변화에 미치는 영향력의 크기를 비교하여 나타내고 있다.  표에서 변화지수는 각 고체 흐름량의 변화에 대한 변수의 지수승을 나타낸다.

표에 나타난 바와 같이 탈황로에 새로 주입되는 고체량(F0)에 가장 큰 영향을 미치는 변수는 탈황로 사이클론의 분급입경으로 나타났으며, 탈황로에서 정체층 높이와 기체유속의 영향력은 유사하였으나 탈황제의 마모속도상수 보다는 컸다.  그러나 탈황제 마모속도 상수의 영향도 무시될 수 없는 크기임을 알 수 있었다.  재생로 하부에서 탈황로로 재주입되는 고체량(F10)에 가장 큰 영향을 미치는 변수는 기체유속으로 나타났고, 다음으로 탈황로에서 사이클론의 분급입경, 정체층 높이, 탈황제의 마모속도상수 순이었다.  기체유속의 영향에 비해서 사이클론 분급입경의 영향은 훨씬 작았으나 무시될 수는 없는 크기였고, 정체층 높이와 탈황제 마모속도 상수의 영향은 무시될 만큼 작았다.   공정의 입도분포에 주로 영향을 주는 인자는 탈황로 사이클론의 분급입경이었다.

결 론

탈황제 소모량의 최적화에는 탈황로에서 사이클론 포집효율 즉 사이클론의 분급입경이 가장 중요한 변수이며, 탈황로에서 기체유속, 정체층높이, 탈황제의 마모속도상수도 무시될 수 없는 인자들임을 알 수 있었다.  탈황공정의 부하조절 방법에 고려될 수 있는 변수로는 탈황로에서 유속이 가장 중요하며, 사이클론 포집효율 즉 사이클론의 분급입경도 상당한 영향인자로 고려될 수 있는 것으로 사료되었다.

Table 3 Effects of process variables on solid flow rates (F0, F10) and

particle size distributions of the process

탈황로 변수 (변화범위)		F0				F10				Process particle size distribution
		변화범위 (g/s)	지수승 (변화경향)	영향력 크기 순서		변화범위 (g/s)	지수승 (변화경향)	영향력 크기 순서
Static bed height (0.05-0.5m)		0.02-0.14	0.845(↑)	2		1554-1564	0.0028(↑)	3		Minor
Particle attrition rate constant (1×10-9-1×10-7/cm)		0.01-0.25	0.699(↑)	4		1552-1570	0.0025(↑)	4		Minor
Cyclone cut diameter (5-30□m)		0.05-0.35	1.09(↑)	1		1850-1300	-0.197(↓)	2		Significant
Gas velocity (200-500cm/s)		0.06-0.13	0.844(↑)	3		1000-2100	0.810(↑)	1		Minor

감사의 글

본 연구는 대체에너지 기술개발사업의 일환으로 수행되었습니다. 연구비 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. 지평삼외 32명 : "석탄가스 고온정제 기술개발," 통상산업부(1994).

2. Choi, J. H.: Ph. D. Dissertation, KAIST, Taejeon, Korea(1989).