가압유동층에서 무연탄의 압력변화에 따른 탈황특성

한근희, 류호정, 배달희, 박재현, 류정인*, 진경태

한국에너지기술연구원, 충남대학교*

Desulphurization characteristics at elevated pressure of domestic anthracite in PFBC

Keun-Hee Han, Ho-Jung Ryu, Dal-Hee Bae, Jaehyeon Park, Jung-In Ryu*

and Gyoung-Tae Jin

Fluidization Research Center, Korea Institute of Energy Research

71-2, Jang-Dong, Yusung-Ku, Taejon, 305-343, Korea

*Department of Mechanical Engineering, Chungnam National University

서 론

우리나라의 에너지 소비량은 지속적인 증가추세에 있으며, 그 중에서도 사용이 간편한 전기의 사용은 2000년을 기준으로 향후 10년간 50%의 증가율을 예상하고 있어, 안정적 에너지공급을 위한 신설 발전소가 필요한 실정이다. 세계적으로 기후변화협약 후속조치로 이산화탄소의 자발적인 감축을 위한 협의가 진행중이며 우리나라도 공해물질 배출규제치를 강화하였고, 선진국수준의 환경을 유지하려는 의지를 갖고 있어 국내외적으로 환경친화적인 기술이 필요하게 되었다. 석탄은 편재성이 적고, 매장량이 많아, 에너지의 안정적 공급이 가능하고, 발열량에 비하여 가격이 저렴하지만, 공해물질의 배출이 큰 단점이다. 그러므로 선진국에서는 환경친화적이고, 효율적인 그리고 경제적인 청정석탄활용기술을 개발하여 보급하고 있다[1].

가압유동층복합발전(PFBC-CC)은 고효율 및 공해물질 배출이 적은 석탄이용 차세대 발전기술이다. 석탄을 연소하면서 연소열에 의해 생성된 증기로 증기터빈을 구동하고, 고온 고압의 연소가스로 가스터빈을 구동하여 복합 발전을 한다. 또 연소기내의 압력을 높여 연소함으로 반응속도가 증가하고, 가압한 만큼 압력용기내의 산소몰농도가 높기 때문에 적은 용적내에서 많은 양의 연료를 연소할 수 있어 경제적으로 우수한 청정석탄이용기술이다[1,2].

실험장치 및 방법

본 연구는 벤치규모 가압유동층연소장치에서 수행하였다. 장치의 구성 및 제원은 한 외(1999)[2]에 자세하게 수록되어 있다. 연소장치는 연료 및 공기의 공급, 연소로, 배가스처리부문으로 구성되어 있다. 연소로는 높이가 총 5m로 층(bed)과 freeboard로 나누어져 있고, 비산입자를 포집하기 위한  사이클론과, 시스템의 압력을 조절하기 위한 밸브, 배가스의 압력을 강하하기 위한 소음기(silencer), 배가스중의 분진을 제거하기 위한 bagfilter로 구성되어 있다. 공해물질의 배출농도 측정은 O2와 CO2, CO, SO2, NOx, N2O 등을 분석할 수 있는 전용분석기(Hartmann and Braun Co., Advance Optima)를 이용하였다.

연소로의 공기상자 앞에 설치된 버너에 LPG와 공기를 함께 공급하여 연소로를 상압에서 예열하였다. 층(bed)온도의 상승에 따라 층물질인 모래를 주입하고, 층(bed)온도가 석탄이 연소 가능한 온도까지 상승하면 석탄을 주입하였다. 석탄의 연소열로 인하여 연소로내 층온도를 유지할 수 있으면 버너로 공급된 LPG와 공기를 차단하고 유동화 공기를 공급하였다. 실험장치에 압력을 가하고 층 높이가 2.0m가 될 때까지 층물질을 주입하면서 미리 설정된 실험조건에 따라 층온도, 압력, 석탄 및 공기의 공급량등을 변화시키면서 실험을 수행하였다. Data는 실험변수를 변화시킨 후 1시간 지나서부터 1시간동안 1분간격으로 얻었다. 연료의 공급은 무연탄의 황함량과 석회석의 CaO함량으로 Ca/S몰비를 계산한 후 석탄과 석회석을 미리 혼합하여 공급하였다.

Table 1에 무연탄과 석회석의 물성을 수록하였다. 무연탄은 강원도 태백지역의 것으로 한국전력(주)동해화력발전소의 순환유동층보일러에서 사용중인 것이다. 공업분석 결과를 보면 수분이 5.6%, 휘발분은 4.8%, 고정탄소가 58.3%이고, 회분이 31.3%이고 황 함량은 0.61%로 분석되어 고회분 무연탄임을 알 수 있다. Table 2에 실험조건을 나타냈다. 모든 조건에서 유속은 1.1m/s이었고, 가압조건에서 층높이는 2.0m로, 상압조건에서는 층높이를 0.6m로 실험하였다.

<Table > Properties of coal & limestone

Proximate analysis(%)	Moisture	5.63
	Volatile meter	4.81
	Ash	31.29
	Fixed carbon	58.27
Elemental analysis(%)	Carbon	62.25
	Hydrogen	1.05
	Nitrogen	0.56
	Sulfur	0.61
	Oxygen	2.33
Mean particle diameter(mm)		0.33
Calorific heating value(kcal/kg)		4,850
Limestone	CaO	54.25

<Table > Experimental variables

Experimental parameter	Conditions
Superficial gas vel. (m/s)	1.1
Bed temperature(℃)	850, 900, 950
Excess air ratio(%)	10, 20, 30
Ca/S mole ratio	0.8, 1.8, 2.8, 4.8
Pressure (atm)	1.0, 2.0, 4.0, 6.0
Bed height (m)	2.0 (0.6)
<table 1>의 분석기 명 -Proximate analyzer(MAC-400, LECO) -Elemental analyzer(CHN-1000, LECO) -Sulphur analyzer(SC-432DR, LECO) -Calorific analyzer(AC-300, LECO) -Dry basis

결과 및 고찰

SO2의 이론적으로 배출될수 있는 농도는 무연탄을 원소분석 및 공업분석을 수행하여 분석된 값을 이용하였다. 연소중에 얻어진 배가스중의 SO2농도는 과잉공기 10, 20, 30%에 대한 값을 나타내므로 산소농도 6%로 환산하였다. 또 무연탄의 성분중 CaO의 함량이 0.91%가 함유되어 있어 이를 황 함량과 비교하여 보면 Ca/S몰비가 0.8몰에 해당하여 이를 기본으로 하였다. 석탄탈황율은 식(1)과 같이 계산하였다.

[eqn: rm {Sulphur~ ca`pture~ratio~(%) ~= ~1-~{Measured ~SO_2 ~concentration} over {Theoratical ~SO_2 ~concentration} ×100}]	(1)

층(bed)온도  Fig. 1에 층(bed)온도의 변화에 따른 탈황효율을 Ca/S몰비가 4.8이고, 과잉공기 10%와 30%일 때 운전압력의 변화에 대하여 나타내 보였다. 운전압력 1atm일 때 과잉공기 10%에서 온도가 850℃에서 950℃로 증가함에 따라 약 10%의 탈황율이 감소하였다. 2atm에서는 약 5%의 감소를 보였고, 4atm에서는 2%내외의 감소를 보였으나 6atm에서는 오히려 약간 증가하는 것을 보였다. 과잉공기 30%일 경우 대기압에서 온도의 증가에 따라 약 5%정도 감소하였고, 압력이 상승함에 따라 층온도의 증가에 대하여 탈황율의 감소폭은 둔화되었으며 6atm에서는 온도의 증가에 따라 거의 비슷한 탈황율을 보였다. 상압에서 최적의 탈황온도는 850℃내외로 층 온도의 증가에 따라 감소한 것이다. 결과적으로 각각의 조건에서 층온도가 증가함에 따라 배출농도는 증가하는 것으로 나타났다. 층(bed)온도가 증가함에 따라 SO2농도가 증가하는 것은 CaO와 SO2가 반응하여 생성되는 CaSO4가 높은 온도에서 분해하기 때문으로 사료된다.[3]

과잉공기  Fig. 2에 층(bed)온도 850℃에서 배출되는 배가스의 O2농도 변화에 따른 SO2의 탈황율을 나타냈다. 별도의 탈황제를 주입하지 않고 석탄의 회분중에 포함된 CaO로 인하여 탈황이 이루어지고 그에 해당하는 Ca/S몰비가 0.8에 해당된다. Ca/S 0.8일 경우 배출되는 O2농도가 2%에서 4.8%로 증가함에 따라 압력 1atm일 때 15%의 증가를 보였고, 압력 2, 4, 6atm에서도 각각 11%, 9%, 11%의 증가를 보였다. 또 Ca/S 4.8일 경우 운전압력이 1, 2, 4, 6atm으로 증가함에 따라 탈황율은 각각 10%, 7%, 4%, 3%의 증가를 보였다. 즉 과잉공기가 증가함에 따라 SO2의 배출농도는 감소하였다. 또 압력이 증가함에 따라 탈황율의 증가폭이 둔화되었다. 과잉공기는 주입되는 석탄에 대한 공기의 양이기 때문에 주입되는 석탄이 감소하면 과잉공기는 증가하게 된다. 그러므로 주입된 석탄으로부터 발생되는 SO2농도가 감소하게 된다[3,4].

Fig.  Sulphur capture versus                    bed temperature.

Fig.  Sulphur capture versus O2               concentration.

Ca/S 몰비  Fig. 3에 Ca/S몰비 변화에 따른 탈황율의 변화를 나타냈다. 층온도 850℃에서 950℃, 과잉공기 10%에서 30%까지의 조건에서 운전압력별로 Ca/S몰비의 증가에 따라 탈황정도를 나타낸 것이다. 압력 1atm에서 석탄의 회재내에 포함된 CaO만으로는 약 15%의 탈황율을 보였고 1.8몰에서 40%를 그리고 2.8몰과 4.8몰에서 각각 60%와 71%의 평균탈황율을 보였다. 압력 2atm에서는 0.8몰일 때 약 19%를 보이다가 흡수제를 주입한 1.81몰에서 45%, 2.80몰에서 68%, 4.8몰에서는 87%의 탈황율을 보였다. 압력 4atm일 경우 Ca/S몰비 0.80에서 31%, 몰비의 증가에 따라 58%, 78%, 그리고 93%로 증가하였다. 6atm에서도 0.8몰일 때 41%, 몰의 증가에 따라 증가하여 4.8몰일 때 100%에 가까운 탈황율을 보였다. 운전압력 6atm경우 Ca/S몰비 4.8에서 탈황율은 모든조건에서 95%이상을 나타내 더 이상의 높은 Ca/S몰비가 필요하지 않는 것으로 사료된다. 탈황제의 양을 증가시키면 연소중에 SO2와 반응하여 CaSO4로 전환될 수 있는 CaO가 상대적으로 많아지기 때문에 Ca/S몰비가 증가하면 탈황율이 높아져 SO2농도는 낮게 배출되는 것으로 사료되었다[5].

운전압력  Fig. 4에 과잉공기 10%조건에서 층(bed)온도 850℃와 950℃일 때 운전압력의 변화에 따른 SO2의 탈황율을 나타냈다. 압력의 증가에 따라 탈황율은 분명하게 증가하는 것으로 나타났다. 층온도가 950℃일 경우 850℃일 때 보다 탈황율의 증가폭이 더 크게 나타났다. 이것은 상압에서우 850℃부근에서 최고의 탈황율을 보이다가 압력이 증가함에 따라 850℃보다 더 높은 온도에서 좋은 탈황율을 보일 수 있기 때문이다. 많은 연구자들이 운전압력 10atm이상의 조건에서는 운전온도의 증가에 따라 탈황율이 증가하는 것으로 보고하고 있다. 압력의 증가에 따라 탈황율이 증가하는 것은 높은 산소의 분압으로 인하여 SO2의 배출이 감소하기 때문인 것으로 알려져 있다[5].

Fig.  Sulphur capture ratio versus            Ca/S mole.

Fig.  Sulphur capture versus                    operation pressure.

결 론

1) 탈황율은 상압에서 층(bed)온도의 증가에 따라 감소하였다. 운전압력이 증가함에 따라 탈황율의 감소폭이 둔화되었다. 이것은 압력이 증가하면 층온도가 상승할수록 탈황율이 증가하는 것을 의미한다.

2) 과잉공기가 증가함에 따라 탈황율은 증가하는 경향을 나타냈다. 각각의 운전압력에서 과잉공기의 증가에 따라 약 10%의 증가폭을 보였다. Ca/S 몰비가 증가하면 증가폭은 감소하였다.

3) Ca/S 몰비의 증가에 따라 SO2의 배출농도는 감소함을 보였다. 운전압력 4atm일 때 Ca/S몰비는 4이상 주입하여야 하고, 6atm일 때 Ca/S 몰비가 2.5이상주입하여야 150ppm이하를 보여 배출규제치를 만족하는 것으로 나타났다.

4) 운전압력이 상승함에 따라 탈황율은 증가하는 경향을 나타냈다. 탈황율은 조업온도가 상승함에 따라, 감소하였으며, 압력이 증가할수록 감소폭이 줄었다.

감사의 글

본 연구는 산업자원부가 지원하는 청정에너지기술개발사업의 일환으로 수행되었습니다. 연구비 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. 진경태, 선도원, 이창근, 박재현, 한근희, 배달희, 조성호 : Bench Scale 가압유동층 석탄연소기술 개발, 산업자원부 연구과제보고서, 8(2000).

2. 한근희, 양승목, 조성호, 선도원, 류정인, 진경태 : □가압유동층연소로에서 석탄의 배가스 특성□, 화학공학의 이론과 응용, 5(2), 3081(1999).

3. Lyngfelt, A. and Leckner, B., 1989, "The effect of reductive decomposition of CaSO4 on sulphur", Proceeding of the 10th International conference on fluidized bed combustion, 675(1989).

4. Verweyen, N., and Renz, U., 1991,  "Measurements and modelling of SO2 emission from a PFBC," Proceeding of the  11th International conference on Fluidized Bed Combustion, 1401(1991).

5. Adanez, J., Labiano, F. G., et al, "Methods for characterization of sorbents used in fluidized bed boilers," Fuel, 73(3), 355(1994).