미국 Cyprus탄을 사용한 고압가스화기의 운전특성

윤 용 승, 김 원 배, 정 석 우

고등기술연구원 에너지/환경연구실

Gasification Characteristics in High Pressure Conditions Using Cyprus Coal

Yongseung Yun, Won Bae Kim, Seok Woo Chung

Energy & Environmental Technology Lab., Institute for Advanced Engineering

서 론

석탄가스화 복합발전 (IGCC; Integrated Gasification Combined Cycle)에 적용되는 가스화반응은 반응시간이 3-6초에 불과하면서 25-30기압의 고압과 1400-1500oC의 고온에서 일어나게 되어 운전특성을 실제 운전조건에서 얻는데 어려움이 있다.  그렇더라도, 석탄시료별 운전특성에 차이가 있으므로 이에 대한 자료를 축적하는 일은 국내에 IGCC기술를 적용하기 전에 꼭 필요한 사항이다.

IGCC기술은 지난 20년대 중반부터 지속되어온 연소반응에 근거한 발전방식과는 판이하게 달라, 많은 부분들이 화공공정에 더 가까운 특성을 지니고 있고 외관상의 발전소 모양도 기존 발전소보다는 오히려 정유공장과 더 유사하다.  지난 수십년간 기술이 정립된 미분탄연소 발전방식이 있음에도 불구하고 이러한 IGCC 석탄발전기술이 고려되기 시작한 것은 지난 70년대 두 번에 걸친 석유파동과 80년대에 들면서 인식이 바뀌기 시작한 환경문제가 두 주요 원인이다.  석탄은 전세계적으로 고르게 분포되어 있으므로 가격 폭등의 염려가 원유에 비해 상대적으로 적은 점과, 연소방식에 의한 발전에서는 석탄내 함유된 S와 N성분이 모두 SOx, NOx 형태로 발생되어 환경오염을 야기하는데 반해 불완전연소에 근거한 가스화는 석탄내 S와 N성분을 H2S와 NH3 형태로 발생시킴으로서 가스의 정제가 대단히 용이케 되는 장점이 IGCC기술을 개발토록 한 주요 이유들이다.  H2S가스의 정제는 이미 원유의 정제시에 50년 이상 사용되고 있는 기술로서, 저온정제기술을 결합한 현재의 IGCC발전소 외관형태가 정유공장과 유사해 보이는 다른 한 요인이다.  최근의 추세는 H2S의 정제를 고온에서 진행시킴으로서 열손실을 적게 하고자 하는 것이나 아직 기술이 개발되고 있어, 상용화에의 적용은 최소한 5년 이상이 소요되리라 예측된다.  그러므로, 이러한 발전기술의 새로운 측면에 따라 국내에서도 전세계적으로 추진되고 있는 차세대 발전방식의 추세에 맞추어 필요한 인력 및 전문지식을 미리 보강하는 것이 옳은 방향이라 보여진다.

본 연구에서는 아주대학교 구내에 설치되어 있는 3톤/일급의 건식 가스화설비를 사용하여 실제 IGCC공정에 사용되는 가스화기의 운전조건 (27기압, 1400-1500oC)에서 미국 Cyprus 유연탄을 사용하여 운전결과를 도출하였다.

실 험

경기도 수원소재 아주대학교 구내에 설치된 3톤/일급 건식 석탄가스화설비는 30기압까지의 고압조건에서 가스화가 가능하며 최대 1700oC까지 가스화온도를 견디도록 3중의 내화재구조로 가스화기 내부가 구성되어 있다.  Cyprus 원탄은 미분탄연소발전소에서 사용하는 입자크기와 같은 -200 mesh에 80%이상 통과하는 분말로 분쇄되면서 수분 2%이하로 건조시켰다.  사용된 Cyprus 유연탄의 공업분석치는 수분 13.85%, 휘발분 36.37%, 고정탄소 46.37%, 회분은 3.41%였으며, 발열량은 6,080 kcal/kg이었다.  가스화기 운전온도 결정에 중요한 역할을 하는 환원분위기에서의 회재 용융온도(Fluid Temperature)는 1,289oC였다.

가스화기의 예열은 LPG연소가스로 24시간동안 이루어졌고, 운전압력은 상업용규모 석탄 IGCC발전소에서 사용되고 있는 27기압의 압력에서 2톤/일 건조석탄 공급조건으로 실험을 수행하였다.  가스화기 반응영역의 온도는 가스농도 및 운전특성의 변화를 보기 위하여 회재 용융온도 이상인 1,330-1,520oC의 범위에서 변화시켰다.  가스화기의 온도는 주로 공급되는 산소의 양을 조절하여 변화시키는데, 산소/석탄의 무게비 0.7-0.9 범위에서 시험을 수행하였다.

결과 및 고찰

가스화기의 운전특성중 압력의 profile을 그림 1에서 볼 수 있다.  이 그림은 가스화설비의 운전안정성을 파악하기 위한 시험으로서 가스화기 내부의 압력을 gauge압력으로 27기압을 2시간을 유지시킨 결과이다.  제일 밑의 선이 가스화기 내부압력이고, 중간선이 가스화 반응에 산화재로 사용되는 산소공급 압력이며 제일 위의 선이 석탄주입장치 및 차압계측장비 등에 들어가는 질소의 공급압력을 나타내고 있다.  그림에서 압력이 초기에 상승하는 것은 석탄가스 배출관의 압력조절밸브를 조절하여 가스화기 압력을 상승시키는 시험을 수행한 내용이며, 그림의 뒤쪽에서는 압력을 강하시키는 운전특성 시험을 수행한 결과이다.

석탄가스화기에서 발생하는 생성가스의 주성분은 CO와 수소로서 상온상압에서 CO는 12.5-74%,  수소는 4-75%가 폭발범위이다.  따라서, 폭발의 가능성이 매우 높은 석탄가스는 절대로 시료공급관을 역류토록 해서는 안되는데, 역류의 방지를 위해 공급되는 산소의 압력은 가스화기보다 높게 항상 유지되며 비상상황에서 가스화기 내부를 치환할 수 있는 질소가스는 더 높은 압력으로 유지시켜 공급하게 된다.

그림 2는 27기압 가스화 때에 산소의 주입량을 변경하여 가스화기내부 온도를 변경시켰을 때 반응하는 생성가스의 조성변화를 보여주고 있다.  온도 profile에 비해 가스농도의 변화가 4분정도 늦게 반응하는데 이는 생성가스가 분석기까지 운반되는데 시간이 걸리기 때문이다.  그림의 20-30분 경과시간대에서 온도를 165oC 상승시켰을 때를 살펴보면, CO는 10% 감소하고 수소는 6.8% 감소, CO2는 6.8% 증가하는 결과를 보이고 있다.  이러한 정량적 결과는 병행하여 추진하고 있는 가스화기의 동특성 simulation에 중요한 자료로서 활용되고 있다.  또한, 가스화기의 온도가 증가하면 CO와 수소농도는 급격히 떨어지고 CO2농도가 상응되게 증가함을 볼 수가 있다.

그림 3에서는 가스화기 온도에 따른 메탄농도의 변화를 보여주고 있는데, 가스화기 온도에 민감하게 반응함을 볼 수 있다.  이 그림에서 메탄농도는 온도변화에 비해 분석기까지의 시료 지체시간 때문에 약 5.5분 늦게 peak가 변화함을 볼 수 있다.  그러나, 측정된 메탄농도가 꼭 가스화기내부의 반응온도에 의해서만 민감하게 반응하는 것이 아니라 다른 요인에 의해서도 변화함을 그림 3의 초기 시간근처의 메탄가스 peak를 통해 추정할 수 있다.  또한, 메탄농도의 변화폭이 꼭 온도변화폭과 일치하지는 않음도 볼 수 있다.  여기서 메탄농도가 중요한 이유는, 상업용규모 가스화기를 운전하는데 가스화기 내부온도를 일반적인 열전대로 측정하는 것은 워낙 고온의 반응로이기 때문에 6개월이나 1년내에 열전대가 필히 단선이 될 것이므로 이러한 열전대 몇 개 때문에 IGCC플랜트를 shut-down시킬 수는 없어서 상업용규모 가스화기에서는 가스화기 반응영역에 연결된 열전대가 없이 가스화기를 운전하게 되기 때문이다.  이때 간접적인 가스화기내부의 온도는 메탄농도를 on-line으로 측정함으로서 추정하게 된다.  그런데, 발생되는 메탄의 양은 사용하는 석탄별로 큰 차이가 있으므로 결국 가스화기 온도와 메탄농도와의 상관관계는 본 연구에서 사용한 가스화기같은 규모의 설비에서 사용하고자 하는 석탄시료별로 실제 구하는 수 밖에는 없게 된다.

가스화기의 운전이 잘되는지를 살펴볼 수 있는 술랙의 배출은 함유된 광물질들의 유동온도보다 40oC이상으로 운전한 결과 순조롭게 이루어졌다.  가스화기 내부의 온도변화에 따라 침상, 원형, 미역줄기 같은 여러 가지 형태의 슬랙이 배출되었는데, 자세한 모양과 설명은 본 학회의 다른 논문에서 설명하였다.

결 론

실제 상업용 IGCC플랜트의 가스화기에서 사용하는 압력과 온도조건에서 미국 Cyprus탄을 사용하여 운전특성을 조사하였다.  27기압에서 Cyprus 유연탄은 지금까지 같은 설비로 시험한 다른 유연탄과 비교해 뒤떨어지지 않는 우수한 가스화 및 슬랙배출 특성을 보여주었다.  따라서, 국내 석탄 IGCC발전소의 대상석탄으로도 기술적인 측면에서는 적합하다고 판단하였다.

가스화기 내부의 온도를 변화시켰을 때 곧바로 생성가스의 농도변화는 상응하였으며, 온도가 증가하면 CO와 수소는 감소하고 CO2는 증가하였다.  이러한 결과는 가스화기의 동특성 모델을 만드는데 중요한 자료로서 가치가 있게 된다.

감 사

본 연구는 산업자원부산하 에너지자원기술개발지원센터에서 지원하고 전력연구원이 주관하는 □석탄가스화 복합발전 기반기술과제□의 □98년도 사업으로 지원되었습니다.  이에 감사드립니다.

그림 1.  가스화기 압력 및 공급산소, 질소 압력 profiles

그림 2.  가스화기 온도변화에 따른 석탄가스중의 CO, H2, CO2 농도변화

그림 3.  가스화기 온도에 따르는 메탄농도 변화