Bench-scale 순환유동층 반응기에서의 석탄가스화반응 특성

장용원, 송병호

군산대학교 화학공학과

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

Steam Gasification of a Bituminous Coal in a Bench-scale Internally Circulating

Fluidized Bed

Yong-Won Jang, Byung-Ho Song

Department of Chemical Engineering, Kunsan National University

서론

내부순환유동층을 가스화 반응기로 사용하는 경우 annulus 구역에는 최소유동화 상태를 유지하면서 수증기를 주입하여 가스화 반응을 수행하고, draft tube 구역으로는 공기를 주입하여 slugging bed의 형태로 연소반응을 수행할 수 있다. 층 내부를 draft tube로 물리적으로 구분하면 가스화구역에서 생성되는 가스를 연소구역과 구별하여 채취할 수 있어 높은 발열량의 가스를 얻을 수 있다. 그러나 연소구역으로 주입되는 공기의 일부는 draft tube 하부의 고체순환 통로를 통하여 가스화구역으로 bypass되는데 이는 가스화 구역에서 연소반응을 야기시켜서 생성가스의 발열량을 격감시킨다. 한편 draft tube 상부에 생성가스 분리대를 설치하면 양쪽 구역에서 생성되는 가스가 서로 섞이지 않도록 할 수 있다. 생성가스 분리대의 위치는 상부에서의 gas bypass 및 고체순환에 영향을 줄 수 있으므로 cold-rig 실험을 통해 최적의 위치를 결정하였다. 본 연구에서는 내경 0.15 m, 높이 2.0 m 의 draft tube를 갖는 순환유동층에서 호주산 역청탄을 2.3 kg/h로 공급하여 가스화반응을 수행하였다. 층 온도의 변화에 따라 draft tube와 annulus 구역에서 생성되는 가스의 조성을 측정하였으며, 이로부터 가스화기의 성능을 분석하였다.

실험

본 연구에 사용된 bench-scale 가스화반응기는 Fig. 1에 보였으며, 크게 주탑부(0.15 m I.D × 0.35 m high), 반응기체 주입부, 석탄 투입부, draft tube, 생성가스 처리부로 이루어져 있다. 주탑부 내부에 위치한 draft tube(0.05 m I.D×0.48 m high)는 하단부에 직경 0.01 m의 오리피스 4개를 갖고 있으며, draft tube 상부에는 깔때기 모양의 가스분리대를 설치하여 연소가스와 가스화 생성가스를 분리하였다. 산소/석탄 비의 조절을 위해 공기가 유량계를 통해 분산판(1.5 mm hole 37개)을 거쳐 draft tube로 주입되고, 최대용량 35 kg/h의 스팀발생기에서 생성된 수증기는 conical 형상의 분산판(1 mm hole 216개)을 통해 annulus로 주입하였다. 보다 상세한 설명은 Ahn et al.[1999]에서 찾을 수 있다. 층 물질의 양을 조절하기 위하여 overflow pipe를 사용하였다. 반응기의 외벽에는 석탄의 착화온도(450 - 500 ℃)까지 반응기를 가열하기 위해 4 kW의 칸탈 열선을 설치하였고 반응기 외벽으로부터 열손실을 줄이기 위해서 kaowool을 두께 0.1 m로 단열하였다. 프리보드 하부에는 석탄 주입부를 설치하였으며 비산되는 미세입자를 포집하기 위해 싸이클론을 설치하였다. 싸이클론을 통과한 생성가스는 냉각기와 collector를 지나 생성가스의 배출을 원활히 하기 위해서 설치된 I.D Fan을 통해 밖으로 배출된다. 생성가스 일부는 sampling pump로 유도하여서 auto-injection이 설치된 두 대의 GC로 분석하였다. 호주산 역청탄의 공업분석, 원소분석치를 Table 1에 보였으며, 가스화실험에 사용된 조업조건 및 변수를 Table 2에 정리하였다.

Table 1 Analyses of Australian bituminous coals (as received basis).
Ultimate analysis		wt%	Proximate analysis	wt%
Carbon		72.30	Volatile	27.38
Hydrogen		4.30	Fixed carbon	57.19
Nitrogen		0.36	Moisture	6.74
Sulfur		0.21	Ash	8.38
Oxygen		11.70
Ash analysis, wt%	Fe2O3 : 65.50 Na2O : 27.94 MnO : 1.40 CaO : 2.24 Al2O3 : 1.50 K2O : 0.43 MgO : 0.30 P2O5 : 0.19 TiO2 : 0.35 Cr2O3 : 0.02

Table 2 Operating variables and their ranges.
Variables	Ranges
Coal feed rate (kg/h) Feed coal dia. range (mm) Bed temperature (oC) Air flow rate, (m3/h) Ud/Umf Steam flow rate, (kg/hr) (g/min) Ua/Umf	2.3 0.38 in avg. 650 - 800 2.2 - 6.6 5 - 15 3 50 1.0

* Umf = 0.055 m/s at 800 ℃ for 0.38 mm sand.

결과 및 고찰

Bench scale 내부순환유동층에서 수증기 가스화반응을 수행하였으며, 각 구역에서 생성되는 가스의 조성을 측정함으로써, 가스의 발열량을 계산하였다. Fig. 2은 주입되는 원료의 비가 H2O/C = 0.39, O2/C = 0.5 일 때, 석탄가스화 반응을 통하여 annulus 구역에서 생성되는 가스의 조성을 반응온도 변화에 따라 나타낸 것이다. 생성가스내 각 성분의 조성은 10.0 - 36.6% H2, 10.3 - 26.4% CO, 10.1 - 15.2% CO2, 1.1 - 3.3% CH4로 나타났다. 반응온도가 증가함에 따라 H2 와 CO의 조성은 증가하고 CH4, N2의 조성은 감소하는 경향을 보이며 CO2는 거의 일정함을 보이고 있다. 반응온도가 증가하면 열분해 및 수증기 가스화 반응의 속도가 증가하므로 H2와 CO의 생성은 증가한다. 석탄의 열분해로 인해 CH4는 온도가 증가함에 따라 증가하지만 생성가스 총량의 증가로 생성가스내의 상대적인 조성 %는 약간 감소하는 경향을 보이고 있다. CO2는 온도 상승에 따라 발열반응인 연소 반응이 가스화반응에 비해 상대적으로 감소되고 수성가스 전환반응의 증대로 인해 감소하는 경향을 보인다[1]. N2는 반응 온도가 증가함에 따라 가스화 반응에 의해 생성되는 가스량이 증가하여 감소하는 경향을 보인다. 한편, 반응온도의 변화에 따른 연소구역, 즉 draft tube 내에서의 생성가스 조성 변화를 Fig. 3에 나타내었다. 연소구역 생성 가스는 1.0 - 12.6% H2, 2.5 - 11.0% CO, 4.1 - 14.4% CO2, 0.77 - 6.1% CH4로 나타나서 가스화 구역인 annulus 생성가스와 비슷한 경향을 보이나 CH4가 온도에 따라 많이 생성됨을 알 수 있다. 연소구역에서도 가스화생성물이 제법 나오는 것은 석탄 자체적으로 함유하고 있는 수분이 초기에 고온하에서 수증기로 빠져나와 가스화제로 작용하기 때문이다. 한편으로는 층 하부에서 주입된 수증기가 orifice를 통하여 연소구역으로 일부 bypass하였기 때문이다[5]. Bypass에 대한 고온하에서의 정량적인 연구는 이루어진 바 없다.

Annulus 생성가스의 발열량은 온도에 따라 증가하는데 800 ℃에서 약 7.5 MJ/m3으로 나타났으며, draft tube 생성가스의 발열량은 약 4.5 MJ/m3으로 나타났다. 반응 온도가 증가함에 따라서 생성가스 발열량은 H2와 CO 조성의 증가로 인해서 높아지게 된다. 한편 draft tube 생성가스 중에는 CH4의 함량이 유사한 다른 연구결과보다 높아서 결국 약간 높은 발열량을 보였다. ICFB 유동층 반응기는 여러가지 형태가 사용된 바 있는데, 이러한 형태에 따른 생성가스의 발열량을  Fig. 4에 비교하였다. Jeon(1994)의 결과는 gap height 형태의 draft tube를 갖는 ICFB에서 가스화 구역 생성가스의 발열량을 나타낸 것이다. 또한 Foong et al. (1981)의 spouted bed 가스화기에서의 생성가스 발열량과 함께 본 실험장치와 가장 비슷한 형태의 가스화기를 사용한 Lee (1998)의 실험결과도 함께 나타냈다. 본 연구에서 얻어진 연료가스는 일반적인 유동층 반응기나, spout bed 또는 gap height type의 ICFB반응기 보다 발열량이 높았다. 즉, 원활한 입자순환으로 석탄입자의 체류시간이 증대되고, 각 구역에서 상부로 배출되는 생성가스를 적절히 분리함으로써 전형적인 유동층보다 높은 열량을 지닌 가스를 얻을 수 있음을 확인하였다.  또한 orifice를 갖는 시스템은 draft tube에서 annulus로 주입된 공기가 bypassing되는 정도가 크게 감소하므로 gap height 형태의 draft tube를 갖는 ICFB 보다 높은 열량을 얻을 수 있다. 또한 draft tube 생성가스의 발열량도 전형적인 유동층 또는 spouted bed 가스화기에서 얻어진 발열량과 비슷한 값을 보였다[2, 3, 4].

결론

내경 0.15 m의 ICFB 석탄가스화기에서 반응기 온도 650 - 800 ℃의 변화에 따라 생성가스의 조성 및 발열량을 조사하였다. Annulus bed에서 얻어진 생성가스의 조성은 10 - 37% H2, 10 - 26% CO, 10 - 15% CO2, 1 - 3% CH4로 나타났다. 반응온도 800 ℃일 때 생성가스의 발열량은 annulus 생성가스는 7.5 MJ/m3, draft tube 생성가스는 4.5 MJ/m3으로 나타났다. 미분탄소의 비산이 예상보다 심하게 나타났으므로 이를 해결하기 위해 cold-rig 연구 및 반응기의 개선이 필요하다.

참고문헌

1. Bak, Y. C., Yang, H. S. and Son, J. E., "Characteristics of Fluidized Bed Coal Gasification" Hwahak Konghak, 30, 80-88 (1992).

2. Jeon, S. K., "Coal Gasification Charateristics in a Circulating Fluidized Bed with Draft Tube", M.S. Thesis, KAIST, Taejon, Korea (1993).

3. Foong, S, K., Lim, C. J. and Watkinson, A. P., "Coal Gasification in a Spouted Bed," Can. J. Chem. Eng., 58, 84-92 (1980).

4. Lee, J. M., "Non-catalytic and Catalytic Coal Gasification in an Internally Circulating Fluidized Bed Reactor", PhD Thesis, KAIST, Taejon (1998).

5. Ahn, H. S., Lee, W. J., Kim, S. D., and Song, B. H., □Solid Circulation and Gas Bypassing in an Internally Circulating Fluidized Bed with an Orifice-Type Draft Tube", Korean J. Chem. Eng., 16, 618-623 (1999).

Fig. 2 Gas composition of the product gas from the annulus bed (coal feed = 2.3 kg/h, O2/C = 0.5, H2O/C = 0.39, Ua/Umf = 1.0).

Fig. 3 Gas composition of the product gas from the draft tube bed  (coal feed = 2.3 kg/h, O2/C = 0.5, H2O/C = 0.39, Ua/Umf = 1.0).

Fig. 4 Comparison of calorific value of the product gas with reaction temperature.