Downer 반응기에서 석탄 가스화 특성 비교

김 용전*, 이 시훈, 김 상돈

한국과학기술원 화학공학과 및 에너지·환경 연구 센터

*LG 화학 폴리 올레핀 연구소

Comparison of Coal Gasification Characteristics in a Downer Reactor

Y. J. Kim*, S. H. Lee and S. D. Kim

Dept. of Chem. Eng. & Energy and Environment Research Center

KAIST, Taejon, Korea

*Present: Polyolefin Research Institute, LG chemical Ltd., Yosu, Korea

서  론

2차 세계대전 이후 두 차례에 걸친 원유파동과 최근의 유가상승으로 석유의 대체에너지원으로서의 석탄의 중요성이 새롭게 대두되어, 석탄의 활용에 대한 연구가 석탄 부존량이 풍부한 미국, 영국, 독일 등을 중심으로 집중적으로 진행되고 있다. 이중 석탄가스화 복합발전은 공해가 적은 새로운 에너지원으로서의 실용화가 가장 유망한 새로운 발전기술로서, 경제성 및 환경 보전성이 우수하며, 고효율 발전과 에너지 절약 및 전력 계통의 운용측면에서도 큰 효과가 기대되는 핵심기술이라 할 수 있다. 석탄 가스화공정의 개발을 위해서는 가스화 공정의 핵심이 되는 석탄가스화반응기의 개발이 우선되어야하며 이를 위해 downer 가스화 반응기를 개발하였다. Downer 반응기는 축-횡방향의 기체 및 고체 흐름의 균일성 증가로 기-고 접촉시간이 균일해 생성물의 선택도가 높고, 국부 가열이 없어 hot spot 이 생성되지 않는다. 또한 기체 및 고체의 하향흐름으로 최소 유동화 속도, 최소 transport 속도가 존재하지 않아 반응구역에서의 불필요한 반응 기체량을 줄일 수 있어 매우 집약적 반응을 일으킬 수가 있으며 고체의 처리량이 상대적으로 크다는 장점이 있다[1-3].

Downer 가스화 반응기는 석탄이 반응가스(공기)로 인해 상향흐름을 갖는 riser 에서의 연소 반응과 반응가스(산소와 수증기의 혼합가스)와 석탄이 하향흐름을 갖는 downer 에서의 가스화 반응으로 나눌 수 있다. 이러한 순환유동층 반응기의 riser 및 downer 개념은 분류층 반응기의 건식 상향흐름과 습식 하향 흐름과 비슷하나 조업 온도가 분류층 반응기와 달리 비교적 낮은 온도 (950℃ 이하) 에서 조업되며, 낮은 온도에서의 조업으로 야기되는 미전환 석탄의 재순환 방식이 분류층의 가스화 방식과는 차이가 있다고 하겠다. 입자의 순환은 연소로에서의 연소열을 downer 로 공급해 가스화 반응에 필요한 열과 충분한 체류시간을 공급해 석탄의 전환율을 증가시키며, 반응구역의 분리로 downer 영역에서 중열량가스의 생성이 가능하다.

이에 본 연구에서는 downer 반응기에서 가스화로 반응온도(750-850 ℃), 수증기/석탄 비(0.23-0.86), 가스화로로 공급되는 반응가스의 O2/H2O 비(0-1.81), 석탄공급량(5.0-9.3 kg/h)의 변화에 따른 생성가스의 조성, 생성가스수율, 생성가스 발열량, 탄소 전환율, cold gas efficiency 등에 미치는 영향을 조사하였다.

실  험

본 연구에서는 순환유동층 downer 가스화 반응기를 이용하였으며 자세한 장치 설명은 Kim et al. [4] 에 나타내었다. Downer 가스화로내의 압력 및 온도분포를 측정하기 위하여 연소로, cyclone, 가스화로, standpipe, loop-seal 등에 압력탭과 K-type 열전대를 설치하였다. 압력은 manometer 와 pressure transmitter (dwyer 603A, cole-parmer T30) 를 이용하여 측정하였고 온도와 함께 data acquisition system 을 통해 computer 에 저장하였다. 석탄은 2 mm 이하의 입도 (dp = 450 □m)를 가진 중국 선화탄을 사용하였고, 그 특성을 Table. 1 에 나타내었다. 층물질로는 모래(dp = 237 □m)를 사용하였다.

Table. 1 Typical analysis of coal

Proximate analysis	wt. %	Ultimate analysis	wt. %
Moisture Volatile Matter Fixed Carbon Ash Heating Value (kcal/kg)	4.84 32.63 5.46 57.07 7015	C H O N S	73.16 4.55 10.10 1.60 0.29

결과 및 고찰

Fig. 1 는 가스화로에서 H2O/C = 0.4 일 때(Ud = 0.5 m/s, steam only), 반응온도 변화에 따른 가스화로 생성가스의 조성(N2 free)을 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 생성가스는 23.3-30.8% 의 H2, 16.7-8.9% 의 CH4, 21.2-26.1% 의 CO, 33.5-26.8% 의 CO2, 1.8-5.4% 의 C2H4, 0.8-2.5% 의 C2H6, 0.8-2.8% 의 C3H6, 그리고 0.1-1.6% 의 C3H8 의 조성을 가지며 반응온도가 증가함에 따라 H2 와 탄화수소(C2H4, C2H6, C3H6, C3H8)의 조성은 증가하고 CH4, CO2 의 조성은 감소하나 CO 는 거의 일정한 경향을 보이고 있다[5-8]. H2 와 탄화수소의 조성 증가는 온도 증가에 따른 수증기 가스화 반응의 증가와 열분해 반응의 활성화때문이고 CH4 와 CO2 의 조성 감소는 타 생성가스에 비해 수율의 증가폭이 작기 때문이다. 반응 온도 상승에 따른 오일 및 타르 성분의 decomposition 반응에 의한 생성가스의 증가와 loopseal 로 공급되는 공기에 의한 휘발분과 촤의 연소반응, downer 에서의 가스화 반응의 증가로 가스화로 생성가스의 수율과 탄소전환율은 각각 0.35 에서 0.63 m3/kg-coal, 0.19 에서 0.36 으로 증가하였다.

반응온도의 변화에 따른 가스화로 생성가스의 발열량을 타 연구자들의 결과와 비교하여 Fig. 2 에 나타내었다[5,7]. 그림에서 보듯이 고체 재순환을 위해 loopseal 로 주입되는 공기에 함유된 N2 를 포함한 생성가스의 발열량은 반응온도가 750에서 850 ℃로 증가함에 따라 6.3 에서 10.6 MJ/m3 으로 증가하였고, 산소공급원으로 공기를 사용한 유동층반응기나 spouted bed 가스화기에서의 생성가스보다 더 높고 gap height 형태의 내부순환유동층반응기의 가스화영역 생성가스보다 발열량이 높음을 알 수 있다.

가스화로로 공급되는 반응가스의 O2/H2O 의 비가 0 에서 1.81 로 증가함에 따라 H2, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8 의 수율과 발열량은 감소하였고 CH4, CO, CO2 의 수율과 전체 생성가스의 수율은 증가하였다. 수증기/석탄 비가 증가함에 따라

H2 와 CO 는 증가하였으나 CH4, CO, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8 의 조성, 전체 생성가스의 수율, 탄소 전환율과 발열량은 감소하였다. Downer 로 공급되는 반응가스의 산소/수증기 비가 0 에서 1.8 로 증가함에 따라 H2, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8 의 조성은 감소하였고, CO 와 CO2 의 조성은 증가하였다. 석탄공급량이 증가함에 따라 H2, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8 의 조성은 증가하였고, CH4, CO, CO2 의 조성은 감소하였다. 생성가스 발열량은 8.4 에서 13.1 MJ/m3 으로 증가하였으나 생성 가스의 수율과 탄소전환율은 각각 0.5 에서 0.36 m3/kg, 0.30 에서 0.24 로 감소하였다.

Loopseal 로 수증기를 공급할 경우, 가스화로에서 H2O/C = 0.4 일 때(Ud = 0.5 m/s, steam only), 반응온도 변화에 따른 가스화로 생성가스의 조성(N2 free)을 Fig. 3 에 나타내었다. 반응온도가 증가함에 따라 CO2, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8 의 조성은 증가하였고 H2, CH4, CO 의 조성은 감소하였다. 또한, loopseal 로 수증기가 공급될 경우가 공기를 공급한 경우보다 가스화로 생성가스 중 H2, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8 의 조성이 더 높은 값을 보이고 있는데, 이것은 수증기를 공급한 경우 loopseal에서 휘발분의 연소반응이 감소해 공기를 공급한 경우보다 H2, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8 의 수율이 크기 때문이다.

고체 재순환을 위해 loopseal 로 공급되는 반응가스가 공기일 때와 수증기일 때, 반응온도 변화에 따른 가스화로 생성가스의 수율, 냉가스 효율과 탄소 전환율을 비교하여 Fig. 4 에 나타내었다. 그림에서 보듯이 가스화로 반응온도가 750에서 850로 증가함에 따라 생성가스의 수율, 냉가스 효율, 탄소전환율은 loopseal 에서의 조건과 무관하게 증가하였다. 고체 재순환을 위하여 loopseal 로 공급되는 반응가스가 공기에서 수증기로 바뀌면 loopseal 에서의 촤와 휘발분의 연소반응이 감소해 생성 가스의 수율과 탄소전환율은 감소하나 가스화로 배출가스 중 N2 의 조성감소와 열량가스 생성 증대로 생성가스의 발열량은 증가하였다. 생성가스의 수율과 탄소전환율은 0.36 에서 0.49 m3/kg-coal, 0.17 에서 0.27 로 증가하였고 생성가스의 발열량은 13.0 에서 15.2 MJ/m3 으로 증가하였다. 이는 내부순환유동층 반응기의 가스화 영역 생성가스보다 높은 발열량을 나타내었다. Loopseal 로 수증기가 공급될 경우 가스화 공정의 효율을 나타내는 냉가스효율은 생성가스 수율의 감소에도 불구하고 발열량의 증가로 공기가 공급될 경우보다 증가하였다.

결 론

순환유동층 downer 반응기에서의 loopseal 로 공기가 공급될 경우 반응 온도가 증가할수록 생성가스 수율과 탄소 전환율은 증가하였으나 수증기/석탄의 비가 증가할수록 생성가스의 수율, 탄소 전환율과 발열량이 감소하였다. 산소/수증기 비가 증가할수록 생성가스 발열량은 감소하였으며 생성가스의 수율과 탄소 전환율은 증가하였다. 석탄 공급량이 증가할수록 생성가스는 증가하였으나 생성 가스의 수율과 탄소 전환율은 감소하였다. Loopseal 로 수증기가 공급될 경우에는 생성 가스의 수율과 탄소 전환율은 감소하나 가스화로 배출 가스중 N2 의 조성감소와 열량 가스 생성 증대로 생성 가스의 발열량은 증가하였다.

참고문헌

1. Bang, J. H., Kim, Y. J. and Kim, S. D.: "Radial Gas Mixing Characteristics in a Downer Reactor", Korean J. of Chem. Eng., 16, 624 (1999).

2. Zhu, J. X., Yu, Z. Q., Jin, Y., Grace, J. R. and Issangya, A.: "Cocurrent Downflow Circulating Fluidized Bed (Downer) Reactors - A State of the Art Review", Can. J. Chem. Eng., 73, 662(1995).

3. Kim, Y. J., Bang, J. H. and Kim, S. D.: "Bed-to-Wall Heat Transfer in a Downer Reactor", Can. J. Chem. Eng., 77, 207(1999).

4. Kim, Y. J., Lee, S. H. and Kim, S. D.: "Coal gasification characteristics in a downer reactor", Fuel, accepted.

5. Kim, Y. J., Lee, J. M. and Kim, S. D.: "Coal gasification characteristics in an internally circulating fluidized bed with draught tube", Fuel, 76, 1067 (1997).

6. Lee, J. M., Kim, Y. J. and Kim, S. D.: "Catalytic coal gasification in an internally circulating fluidized bed reactor with draft tube", Applied Thermal Eng., 18, 1013 (1998).

7. Foong, S. K., Lim, C. J. and Watkinson, A. P.: "Coal gasification in a spouted bed", Can. J. Chem. Eng., 58, 84 (1980).

8. Kikuchi, K., Suzuki, A., Mochizuki, T., Endo, S., Imai, E. and Tanji, Y.: "Ash-agglomerating gasification of coal in a spouted bed reactor", Fuel, 64, 368 (1985).