가압 분류층 반응기를 이용한 석탄가스화 실험연구

안달홍, 김종진, 박호영, 신용승, 정광국, 김 종영

전력연구원

Coal Gasification Studies in Pressurized Drop Tube Furnace

Dal-Hong Ahn, Jong-Jin Kim, Ho-Young Park, Yong-Seung Shin,

Kwang-Kook Jeong, Chong-Young Kim

Korea Electric Power Research Institute

1. 서론

석탄가스화복합발전은 환경보전성과 경제성이 우수한 것으로 기대되어 21세기를 위한 차세대 석탄화력발전기술로 고려되고 있다. 석탄가스화복합발전의 핵심기술중의 하나인 분류층 석탄가스화기는 Texaco, Destec, Shell 및 GKT 등이 상업용으로 실용화단계에 있으며 광범위한 종류의 석탄을 발전용 청정연료가스로 전환할 수 있다. 석탄의 가스화 반응성은 석탄에 따라 다르며, 일반적으로 실험값과 이론값 사이에 상당히 큰 편자가 있는 것으로 생각되고 있다.[1]  그렇지만 우리는 시뮬레이션과 엔지니어링 분석에 있어서 우리가 실제로 수행한 Bench Scale Unit 가스화기에서 실험에 사용한 석탄과 관련이 없는 유사한 석탄의 반응성 데이터를 문헌에서 찿아 이용하고 있는 실정이다.  따라서 정확한 엔지니어링분석을 수행하려면 분류층 가스화기와 동일한 운전조건하에서 석탄촤의 연소 및 가스화 반응성 데이타를 실험적으로 규명하는 것이 필요하다. [2]  이를 위하여 전력연구원은 수입 석탄의 열분해, 가스화 및 연소 반응특성의 Kinetic parameter 데이타 베이스를 구축할 목적으로 가압 분류층 가스화 반응기 테스트 프로그램을 수행하고 있다. 먼저 중국산 Datong 탄 (hvBb)을 사용하여 기초적인 실험기술을 확립한 후 계속하여, 인도네시아산 Roto 탄 (subA), 미국산 Alaska 탄 (subC) 그리고 호주산 Drayton 탄 (hvCb) 등을  연속적으로 사용할 계획이다.

2. 실험장치

PDTF reactor는 압력 25기압, 반응온도 1,600℃, 반응관을 따라 온도분포 조절이 가능하며, 불활성, 환원성 및 산화성 등 분위기 가스의 조절이 가능하다. 본 실험장치는 가스공급시스템, 가스예열기, 증기발생기, 주반응기, 석탄공급장치, 배출가스와 배출입자 수집장치 그리고 냉각시스템 등으로 구성되어 있다.  가스공급시스템은 MFC, 가스봄베, 그리고 공기압축기로 구성되어 있으며,  O2, CO2, H2O, 그리고 N2 가스 등과 같은 2차가스를 주반응기에 공급하는 역할을 한다.  가스예열기에서는 이들 2차가스의 온도를 주반응기와 같은 온도로 상승시켜 주 반응기에 공급한다.  PDTF 석탄가스화실험장치는 온도, 압력, 분위기, 체류시간 등 상용 분류층 석탄가스화기의 운전변수(operating parameter)를 정확하게 모사할 수 있다.  아래와 같은 전체적인 석탄가스화 반응과정(Global coal gasification process)이 알루미나 반응관 길이를 따라 층류흐름하에서 일차원적으로 일어나며 이를 측정하고 정량화하기가 용이 하다.  [4,5]

Coal + Oxidant(O2, Air) + H2O  →  CO + H2 + CO2 + H2O + CH4 ...

또한 실제 상용급 석탄가스화기에서 일어나는 복잡한 석탄가스화반응과정(Complex coal gaification process) 중에 일어나는 세부적인 반응을 개별적으로 실험할 수 있고 이를 측정하여 정량화 할 수 있다.

Table 1.  Specification of PDTF Reactor

DESCRIPTION	SPECIFICATIONS
Temperature	Max. 1600 ℃
Pressure	0 ∼ 25 bar
Reaction Tube Diameter	50 □
Reaction Tube Length	1.0 m
Atmosphere	Inert, Oxidizing, Reducing,
Fuel	Pulverized coal, 200 mesh
Feeding	200 ∼ 2000 mg / Min

3. 실험결과 및 고찰

본 실험에서는 PDTF 반응기를 이용하여 Global Coal Gasification 과정중 반응온도 및 산소/석탄비가 가스화 반응과정에 미치는 영향을 조사하였다.  여기에서 사용한 석탄은 중국산 Datong 탄으로 이의 성상이 Table 2에 나타나 있다.  200Mesh 이하 100%의 석탄이 2g/min의 공급량으로 2 SLPM의 운소용 질소가스에 의하여 반응관 내로 공급된다.  본 실험에서는 산화제로 순수한 산소를 사용하는 대신에 공기를 사용하였다.  이는 순수한 산소를 사용하였을 때 실험시 안전성에 문제가 있고, 또한  질소가 배제된 미소량의 산소만으로는 반응기체와 석탄입자간의 혼합과 체류시간 조절이 용이하지 않은 것으로 판단되었기 때문이다.  산화제인 공기의 공급량은 산소/석탄비 0.6∼1.4에 상응하는 4.1∼9.5 SLPM이 공급되었으며 주반응기의 반응온도 까지 예열하였다. 본 실험에서는 반응온도 1000℃, 1200℃ 그리고 1400℃에서 각각 실험하였다. 그렇지만 압력의 영향과 증기/석탄 비의 영향에 대한 실험은 아직 수행하지 않았다.

Fig. 1은 반응온도 및 산소/석탄비 변화에 따른 CO, CO2, H2, 그리고 CH4 가스 생성율의 변화를 보여주고 있다. CO 와 H2 가스발생은  반응온도가 1000℃ 로 부터 1400℃로 상승함에 따라 증가한다. 그렇지만 공지되어있는 바와같이  메탄과 CO2 가스 생성은 반응온도에 반비례하며 특히 메탄은 고온에서 매우 작게 생성되었다.  1200℃ 이상의 고온에서는 H2 가스생성 증가율은 포화되는 경향을 보였다.  온도 1400℃에서 H2 생성은 급격히 증가하여 산소/석탄 비 1.0에서 최고치를 보였고, 그 이후에는 또한 급격히 감소하였다. 이것은 비록 산소공급량이 이론공기량 이하로 공급되지만 공급된 산소와 생성된 수소간의 급격한 연소반응에 기인하는 것으로 판단된다. 1400℃의 고온에서 CO 생성율은  CO2 생성율 보다 매우 높았다.  그렇지만 이것은 또한 O2/석탄 비 1.0. 이상에서는 포화되는 경향을 보였다.  이러한 실험결과 H2 와 CO 생성물의 총량은 산소/석탄비가 1.0 이상에서는 추가적인 산소 공급량 증가에 따른 연소반응에 기인하여 감소하는 것으로 나타났다.  Fig. 2 는 Datong탄의 석탄가스화 반응과정중 반응온도와 산소/석탄비 변화에 따른 탄소전환 효율의 변화추이를 나타낸다.  탄소전환효율은 온도가 증가함에 따라 그리고 산소/석탄비가 증가함에 따라 높아진다. Datong탄에 대하여 최적의 운전조건이라고 판단되는 온도 1400℃,  산소/석탄비 1.0 의 조건에서 약 75%의 탄소전환 효율을 얻을 수 있었다. 따라서 보다 더 높은 탄소전환효율을 얻으려면 이보다 좀 더 긴 체류시간이 필요하고 더 높은 온도에서 운용하는 것이 필요하다.

Table 2.  Properties of Datong  Coal

Analysis	Data	Analysis	Data
Proximate, wt. percent Fixed Carbon Volatile Moisture Ash Ultimate, wt. percent C H O N S Ash Gross Heating Value (Kcal/kg)	54.65 29.30 6.87 9.18 67.08 4.31 18.17 0.66 0.60 9.18 6,510	Ash Fusibility (℃) (Oxidizing) IDT ST FT Ash Composition(%) SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O SO3 TiO2	1333 1335 1550 51.52 21.02 21.58 1.59 0.54 0.43 0.91 0.37 0.83

Fig. 3 은 공정변수에 따른 생성가스 발열량의 변화를 나타낸다. 생성가스 발열량은 온도가 증가함에 따라 증가하나 높은 온도에서는 포화되는 경향을 보였고 산소/석탄비 1.0에서 최고값을 보인 후 감소하였다.  따라서 Datong 탄의 분류층가스화를 위한 최적조건은 산소/석탄 비 1.0 에서 온도는 1400℃ 이상에서 일어날 것으로 판단된다.

References

1.

N.Y.Nsakala, R.L.Patel, T.C.Lao "Combustion and Gasification Characteristics of Chars From Four Commercially Significant Coals of Different Rank" EPRI AP-2601 September (1982)

2.

Dal-Hong Ahn, Jong-Jin Kim, Chong-Young Kim □A Study on The Impacts of Changes in coal quality on the Performances of Gasification processes and IGCC " Twelfth Annual International Pittsburgh Coal Conference, September (1995)

3.

Charles R Monson L Douglas Smoot, Char Oxidation at Elevated Pressure, Combustion and Flame 100: 669-683 (1995)

4.

Normand M. Laurendeau, "Heterogeneous Kinetics of Coal Char Gasification and Combustion"Prog. Energy Combust.Sci. Vol 4, pp.221∼270 (1978)

5.

Abi Ei-Samed, A. K., Hampartsoumian, E., Farag, T. M. and Williams,  A., □ Variation of char reactivity during simultaneous devolatilization  and combustion of coals in a drop tube reactor", Fuel, 69(8), 1029-1036 (1990)

6.

Kobayashi, H. Howard, J. B. and Sarofim, A. F., "Coal devolatilization  at high temperatures", 16th Symposium on combustion, The combustion institute, 411-425 (1976)

Fig. 1. Gas Production Rate with respect to Oxygen/Coal Mass Ratio

Fig 2. Carbon Conversion Efficiency   Fig. 3. Product Gas Heating Value