탈황제 입자의 마모 속도식 해석

Theories and Applications of Chem. Eng., 2003, Vol. 9, No. 1

문영섭1), 최정후1), 이창근2), 손재익2)

1)건국대학교 화학공학과

2)한국에너지기술연구원

An analysis of Attrition rate of Zinc Titanate sorbent

Young-Sub Moon1), Jeong-Hoo Choi1),

Chang-Keun Yi2) and Jae-Ek Son2)

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

2)Korea Institute of Energy Research, Taejeon 305-343

서론

IGCC 공정은 크게 석탄가스화로와 기체정제 및 발전부분으로 구성되어 있다. 고온 고압 건식 탈황 공정은 기체정제공정에 속하며, 가스화로에서 생성되어 나온 석탄가스중의 H2S, COS 등의 황 화합물을 제거하여 발전부분에서 부식, 공해 및 마모 등의 문제를 해결하는 매우 중요한 단위공정이다[1].

석탄 가스화 복합 발전 (IGCC: integrated coal gasification combined cycle)의 유동층 건식 탈황 공정에서는 탈황로와 재생로를 오가는 고체 탈황제가 사용된다. 적합한 고체 탈황제로서 요건은 탈황과 재생이 원활하게 반복되고 부 반응이 없는 좋은 반응성과 장시간의 내구성 즉 내마모성(attrition resistance)이다. 탈황제의 내마모성은 탈황제 소모량을 결정한다. 탈황제의 마모속도는 고체의 본질적인 특성과 함께 유동층 반응기의 운전변수의 함수이다. 본 연구에서는 ASTM D 5757-95 방법의 간단한 응용을 통하여 유동층 운전변수의 탈황제 마모속도에 대한 영향을 실험적으로 고찰하였으며 실제 유동층 공정에서 입자 마모 속도를 예측하는데 사용될 수 있는 입자 마모 상관식을 얻는 것을 목적으로 수행되었다. 또 이 상관식은 실제 반응기에서 고체의 마모속도를 예측하기 위한 최소한의 측정 실험 범위를 제시하게 된다.

이론적 배경

본 연구에서는 다공판 분배기에서 고속 분사 제트와 기포 유동화가 고려되는 기체 유동층에서 입자 마모 구조를 고려하였다.

고체 층의 유동화에 의한 마모도는 다음 식으로 정의될 수 있다[2].

[eqn: I_a,bub ~=~ {1}over{W_bed} · {dW_el,bub}over{dt}]

[eqn: W_bed]; bed mass [kg]

[eqn: W_el,bub]: elutrated bed mass [kg]

분배기의 제트 영역에서 입자 마모에 영향을 주는 변수들은 분산판의 설계 변수들(column area, [eqn: A_t]; orifice diameter, [eqn: d_or]; opening area, [eqn: A_o]; number of orifice, [eqn: N_or]) 그리고 조작 변수들(gas density, [eqn: rho_g]; volumetric flow rate, [eqn: v_g]; superficial gas velocity,[eqn: U_g]; orifice velocity, [eqn: u_or]; bed particle diameter, [eqn: d_pb]; minimum fluidized velocity, [eqn: U_g,mf]; bed mass of bubbling area,[eqn: W_bub])이 있다.

기체 유동층에서 총괄 마모 속도는 분배기 영역의 제트에 의한 마모 속도와 유동화에 의한 마모 속도의 합으로 다음과 같이 표현된다[3].

[eqn: R_a,tot ~=~ R_a,distr ~ + ~ R_a,bub]

[eqn: R_a,tot ~=~ C_a,j · d_pb · N_or · rho_g ·d_or^2 ·u_or^3 ~+~ K_a,bub · ( U_g - U_g,mf )^n_1 · W_bub]

위의 관계식에서 [eqn: C_a,j], [eqn: K_a,bub], [eqn: n_1]은 실험적으로 규명되어야 할 변수들이다.

[eqn: C_a,j ~=~ f~( ~RH,~ T~)]

[eqn: K_a,bub ~= ~ f~( RH,~ T, ~ P~)]

실험

본 연구의 실험 장치로는 ASTM D 5757-95 입자 마모 측정 장치를 응용하여 사용하였다. Fig. 1(a,b)는 본 실험에 사용된 장치의 흐름도를 나타낸다.

입자 마모 측정 유동층 장치는 마모관(attrition tube)과 침강조(settling chamber)로 구성되어 있다. 마모관은 내경 0.035 m, 높이 0.71 m, 두께 3 mm의 stainless steel로 제작되었다. 침강조는 내경 0.11 m, 높이 0.63 m, 두께 3 mm의 stainless steel로 제작되었다. 기체 분배기는 0.381 mm hole 3개가 삼각 pitch (pitch: 0.017 m)로 배열되어 있다. 압력의 영향 실험에서는 포집기에 압력 용기를 설치하여 반응기 내부의 압력이 일정하게 유지되도록 하였다(Fig. 1.(a)). 온도의 영향 실험에서는 preheater(15 KW)를 설치하여 장치내로 공급되는 공기를 가열하였으며 반응기 내부의 온도를 고르게 유지하기 위하여 마모관과 침강조 외부에 heater(2.4 KW)를 설치하였다(Fig. 1.(b)).

(a)	(b)

1. compressor, 2. PC, 3. filter, 4. pressure regulator, 5. valve, 6. mass flow meter, 7. humidity meter, 8. air dryer, 9. humidifier, 10. sparger, 11. thermocouple, 12. attrition tester, 13. distributor, 14. thimble filter, 15. mist eliminator, 16. data logger, 17. pressure gage, 18. cooler, 19. heater, 20. heater controller, 21. insulation.

Fig. 1. Schematic diagram of a fluidized bed attrition tester system. ((a) room temperature and high pressure, (b) atmospheric pressure and high temperature)

Table 1은 층 물질로 사용된 두 입자의 물성과 대표적인 입도 분포를 나타내고있다.

Table 1. Properties and size distribution of bed materials

Bed materials Properties	Spent FCC catalyst A	Sorbent (ZAC-25N)	Sorbent (ZAC-32N)
Mean particle diameter [□]	0.096	0.088	0.083
Apparent density [kg/m3]	2083	1830
Bulk density [kg/m3]	802	989	1038

마모 측정 장치의 마모관, 침강조, plenum을 분리하여 내부를 깨끗이 청소한다. 마모관, 침강조, plenum을 연결한다. 비산 미분 포집기를 제외한 실험장치의 부품을 조립한다. 공기 주입 밸브를 열고 humidifier와 건조관의 밸브를 조절하여 상대 습도 측정기를 통과하는 공기의 상대 습도를 조절한다. 질량 유량계로 공급되는 공기량이 상온 상압 하에서 일정 유량이 되도록 조절하였다. 유량은 질량 유량계에 연결된 PC(data aquisition board ADA-2110; software: signal view - version 1.33)로 확인하였다. 실험 장치의 기본 설정이 끝나면, 실험에 사용할 비산 미분 포집기(thimble filter+flask)를 침강조와 연결하여 30분 이상 실험과 동일한 조건에서 공기를 흘려 보낸다. 일정 시간이 경과하면 공기 유량을 낮추고 비산 미분 포집기의 무게를 측정(소수점 이하 4자리)한 후 준비된 시료를 마모 측정 장치의 상부로 주입한다. 시료 주입이 끝나면 곧 무게가 측정된 포집기를 연결하고, 실험 조건의 기체유량, 온도, 압력, 상대 습도의 공기를 주입한다. 일정한 시간 간격으로 실험조건을 관찰하고 기록한다. 실험 시작 1시간 후에 비산 미분 포집기(thimble filter+flask)의 무게를 측정한 후 계속 실험을 수행한다. 실험 시작 5시간 후 실험을 종료하고 비산 미분 포집기의 무게를 측정한다. 마모 장치를 분해하여 장치 내 잔류 입자를 모두 모아 무게를 측정한다. ASTM D-5757 방법에 따라 집진기에 포집된 비산입자를 마모에 의해서 생성된 미분으로 간주하였다.

결과 및 고찰

Fig. 2는 (a) spent FCC 촉매입자, (b) 탈황제(ZAC-32N) 입자를 층 물질로 사용하는 경우에 층 물질 무게(층 높이)의 변화에 따라 입자마모속도를 나타낸다.  Spent FCC 촉매 입자의 경우에 입자마모 속도는 층높이가 증가하면서 층높이 0.05 m에서 최고점을 보이며 감소하다 층높이 0.14 m에서 최저점을 보인 후 다시 증가하는 경향을 나타내었다. 탈황제(ZAC-32N) 입자는 층높이가 증가함에 따라 증가하고, 0.075 m이후에서 감소하다 층높이 0.25 m부터 다시 증가하는 경향을 나타내었다.

(a)	(b)

Fig. 2. Effect of bed mass on particle attrition rate ((a)spent FCC, (b)ZAC-32N).

압력이 증가함에 따라 입자마모속도는 압력의 1승에 비례하여 증가하는 경향을 나타내었으며 유동화 속도가 증가함에 따라 지수적으로 증가하였다. 온도가 증가함에 따라 마모속도는 선형적으로 감소하였으며 이는 유동화 기체의 밀도가 감소하여 기체의 inertia force가 감소되기 때문으로 사료되었다.

탈황제(ZAC-32N)의 경우에 총괄마모속도는 유동층 무게의 함수로 다음과 같이 나타났다.

[eqn: R_a ~=~ R_a,distr ~+~ R_a,bub]

[eqn: R_a,disrt ~=~ 1.20×10^-4 d_pb N_or rho_g d_or^2 U_or^3 ( W_0 over W )^1.38]

[eqn: R_a,bub ~=~ 1.45×10^-7 (W-W_0 )]  , [eqn: W_0 ~=~ 0.09]

탈황제(ZAC-32N)의 경우에 유동층 영역에서 유동화에 의한 마모속도는 다음과 같이 표현되었다.

[eqn: R_a,bub = 9.25×10^2 (U-U_mf )^0.92 rho_g (W-W_0 ) mu^1.75]

결론

탈황제 입자(ZAC-32N)를 층물질로 사용하는 경우에 각 영향이 고려된  총괄입자마모속도식은 다음과 같이 결정되었다.

[eqn: &R_a,disrt ~=~ 6.13×10^-5 d_pb N_or rho_g d_or^2 U_or^3 ( W_0 over W )^1.38]

[eqn: R_a,bub ~=~ 9.25×10^2 (U-U_mf )^0.92 rho_g (W-W_0 ) mu^1.75]

탈황제의 종류가 변화하는 경우에는 jet에 의한 마모가 지배적인 영역의 한 조건과 유동화에 의한 마모가 지배적인 한 조건에서 마모속도를 측정하고 동일한 변수별 영향 모델을 적용하여 비례상수를 결정하여 총괄마모속도식을 결정할 수 있다.

본 연구의 반응기 모사에서는 입자마모속도를 다음의 간단한 Merrick 과 Highley의 모델[4]로 표현하고 있다.

[eqn: R_a = K_a (U-U_mf )W]

따라서 반응기 모사에서 사용되는 입자마모계수는 다음과 같이 결정된다.

[eqn: K_a = {R_a,distr + R_a,bub } over { (U-U_mf ) W }]

참고문헌

1. Ryu, C.K.: "Standard Test Method for Determination of Attrition of Powdered Sorbents by Air Jets," KEPRI, TM.97GJ17.I1999.431, Taejeon, 1(1999).

2. Vaux, W.G. and Schruben, J.S.: "Kinetics of Attrition in the Bubbling Zone of a Fluidized Bed," AIChE Symp. Ser., 222(79), 97(1983).

3. Werther, J. and Xi, W.: "Jet Attrition of Catalyst Particles in Gas Fluidized Beds," Powder Tech., 76, 15(1993).

4. Merrick, D. and Highly, J.: "Particle Size Reduction and Elutriation in a Fluidized Bed Process," AIChE Symp. Ser., 137(70), 367(1974).

화학공학의 이론과 응용 제9권 제1호 2003년