석탄탄종에 따른 압력과 스팀의 석탄가스화 반응성에의 영향

윤 용 승, 이 계 봉, 임 동 렬

고등기술연구원 전력에너지연구실

Effects of Pressure and Steam Addition on Gasification Reactivity

with Coal Rank

Yongseung Yun, Gae-Bong Lee, Dong-Ryul Rhim

Electric Power Systems Lab., Institute for Advanced Engineering

서 론

석탄가스화 복합발전 기술에서 가장 중요한 사항중의 하나는 가압상태에서 시료인 석탄의 가스화 반응을 어떻게 하면 가장 효율적으로 진행시키는 가이다. 지금까지 대부분의 석탄가스화 반응에 대한 기초자료가 상압에서의 결과에 의존하고 있고 가압상태에서의 자료도 대개 열역학평형 상태에 근거한 계산결과인 현실에서, 2000년대초 국내에 IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle) 발전소의 성공적 정착을 위해서는 미리부터 여러 대상탄에 대한 가압 가스화자료를 축적할 필요가 있다. 특히, 실험실적 규모로부터 상업적 규모까지의 가압 가스화시험을 20년 가까이 진행시켜온 미국과 유럽의 가스화기술 보유회사들은 내부적으로 가압가스화에 대한 충분한 database를 확보하고 있으나 대외발표를 안하고 있고, 잘 알려진 바대로 사용하고자 하는 석탄에 따라 가스화의 특성이 크게 다를 수 있으므로 항상 실제상황에 가까운 조건에서 실제시험 자료를 확보하여야만 한다. 즉, 외국의 IGCC 연구에서도 이미 밝혀진 대로 석탄가스화는 사용되는 석탄의 종류에 따라 특성이 현저히 다를 수 있으므로 실제 사용되는 압력조건에서 석탄을 반응시켜 특성을 파악하는 것이 필수적이다.

따라서, 본 논문에서는 탄종에 따른 압력과 스팀주입량이 열분해반응을 포함한 가스화반응에 어떠한 영향을 미치는지를 파악하기 위하여 고압 Thermo- gravimetry(TGA)를 이용한 연구가 수행되었고, 시료석탄으로는 알래스카 유시벨리탄, 중국 대동탄, 피츠버그탄이 사용되었다.

실 험

고압 Thermogravimetry로는 Cahn TGA 시스템(TG-151 모델)을 사용하였다. 이 반응기는 1000oC 까지 온도상승시 1000psig 압력까지 운전이 가능하며, 가열속도는 0-25oC/min 범위 내에서 조절이 가능하다. 시험은 25와 500psig의 압력조건하에서 10oC/min의 가열속도로 장비를 가열하여 최종적으로 900-1000oC의 온도까지 상승시키고, 수증기의 흐름이 시작되는 150oC의 온도에서 10분간의 등온을 유지시키는 온도조건에서 실시되었다. 석탄시료는 -100 mesh 입자크기로 무게는 66-78□ 범위에서 사용하였고 반응기의 압력은 후압조절기에 의해 일정하게 유지시켰다.  사용된 석탄시료의 dry-ash-free basis로 탄소%는 아역청탄인 미국 유시벨리탄이 70.7%, 유연탄인 중국 대동탄이 79.8%, 역시 유연탄인 미국 피츠버그 No.8탄이 83.2%이다.  석탄의 등급(Rank)은 탄소%로 구분하여 표기하였다.

결과 및 고찰

석탄시료별로 수분함량이 다르고 건조된 상태에 따라 무게의 기준점이 달라져 비교가 어렵기 때문에 시료는 150oC에 10분간 유지시켜 건조되도록 하였다. 따라서 질량변화의 비교는 150oC에서 건조된 석탄시료의 무게를 100%로 기준 삼아 무게%를 표준화하였다.

석탄의 등급(Rank)에 따른 잔류시료량은 같은 석탄가스화기로 반응시킬 수 있는 양에 대한 기본자료로서 매우 중요한 의미를 갖는다. 스팀의 공급량에 따른 잔류시료량은 그림 1에서 보는 바와 같이 탄종에 따라 많은 차이를 보여주고 있다. 스팀이 적게 공급되는 2% 스팀(전체가스중 분압%) 공급의 경우, 유연탄인 대동탄과 피츠버그탄은 압력이 500 psig (35기압)로 증가되어 가열되어도 최종 잔류시료의 양에는 거의 변화가 없다. 반면에, 아역청탄인 유시벨리탄은 상대적으로 압력의 큰 영향을 받는데 이는 시료자체에 다량 포함되어 있는 함유수분(약 24%)에 의해 필요한 스팀량이 자체 공급되기 때문으로 판단된다. 그러나, 그림 1의 아래그림에서 보는 바와 같이 반응에 필요한 스팀이 충분히 공급되는 10% 스팀분압의 경우에는 유연탄의 경우에도 아역청탄에 비해서는 적으나 잔류시료량이 조업압력에 큰 영향을 받음을 알 수 있다.

위 결과로 추정하여 볼 때, 석탄의 탄종에 따라 스팀이 가스화반응에 소요되는 시간이 큰 차이를 나타낼 수 있으므로 같은 가스화기로 모든 탄종을 처리해야 할 경우에는 이에 대한 대비가 요구된다. 스팀반응은 가스화 반응중에서 산소반응에 비해 느린 반응에 속하나 높은 발열량의 가스를 생성키 위해서는 필수적인 반응으로서 스팀의 양이 많아져 스팀이 반응에 참여할 기회가 많은 경우에는 조업압력에 민감한 영향을 받음을 알 수 있다.

그림 2에서는 같은 조업압력에서 공급 스팀의 양을 변화시켰을 때 어떠한 반응성 변화가 있는지를 대동탄의 예로서 보여주고 있다. 저압(25 psig) 조업인 경우, 스팀공급량이 증가함에 따라 스팀과 석탄과의 반응성 차이가 500oC이후 점차 확대되어 감을 알 수 있다. 반면에 500 psig의 고압인 경우에는 스팀공급량이 변화하여도 25 psig인 경우에 비해, 고온에서도 스팀의 석탄에 대한 반응성에서 큰 차이를 보여주지 못하고 있다. 이는 압력이 높아지면 석탄입자까지 스팀의 물질전달이 저압인 때에 비해 원활히 이루어지지 못하고, 발생된 생성가스도 원활히 석탄입자로 부터 제거되지 못하게 되어 입자에 film이 있는 것과 같은 역할을 하게 됨으로서 반응이 느려지기 때문으로 판단된다. 또한, 고압에서의 TGA결과들은 저압에서의 결과들에 비해 무게값의 흔들림이 큰 것을 볼 수 있다. 이는 기기 자체의 압력조절에 따른 영향에 기인한다.

그림 2의 각 스팀주입 조건에서의 TGA결과를 보면, 300-500oC에서의 무게변화는 주로 열분해반응에 기인하는 것이고, 가스화압력 등 조건에 따라 차이는 있으나 500oC이상에서 스팀에 의한 가스화반응이 본격적으로 일어난다. 여기서, 이 결과들은 가열속도가 10oC/min에서의 결과임에 유의하여야 한다. 실제 가스화기에서의 가열속도는 104-105 oC/sec 범위에 있는데 이와 같이 빠른 가열속도에서는 무게변화나 가스화반응물의 측정이 거의 불가능하므로 측정이 가능한 낮은 가열속도에서 일반적으로 기기 측정을 한다.  또한, 가열속도가 빠르면 반응이 일어나는 온도영역이 높은 온도 쪽으로 전이되어 나타나게 되므로 TGA를 통하여 얻어진 무게변화 곡선은 실제 가스화기의 가열속도 조건에서는 훨씬 높은 온도영역에서 일어나게 된다.

결 론

가스터빈을 구동시키는 석탄가스화복합발전 방식은 석탄의 가스화가 최소한 14기압이상에서 이루어져야만 하고 일반적으로 상업적 규모의 가스화기는 20기압이상에서 조업이 이루어진다. 그리고 석탄의 불균일성과 탄종 및 산지에 따른 반응성의 차이를 고려할 때, 실제 사용될 석탄을 조업할 압력 및 온도, 분위기조건에서 시험하여 가스화자료가 얻어야 실질적 이용가치가 있음을 알 수 있다. 따라서, 고압인 경우와 저압인 경우 스팀의 석탄에 대한 가스화반응이 어떻게 탄종과 스팀공급량에 대하여 차이를 나타나는지 TGA시험을 통하여 고찰하였다. 이 시험을 통하여 아래의 결론을 얻을 수 있었다.

□같은 시료석탄에 대하여 조업압력이 낮을 때와 스팀의 공급량이 많을 때, 가장

많은 석탄량이 가스화 반응에 의해 소모됨으로서 가장 적은 잔류무게량을 보여

주었다. 즉, 고압조건에서 스팀에 의한 석탄가스화는 저압에서의 가스화에 비해

늦게 진행되며, 특히 고온조건에서는 스팀이 반응에 참여하게 되면서 그 영향이

더욱 현격해 진다.

□스팀이 적게 공급되는 경우에는 유연탄(대동탄, 피츠버그탄)은 압력이 35기압

까지 고압으로 증가되어 가열되어도 최종 잔류량에는 거의 변화가 없는데 반해,

아역청탄(유시벨리탄)의 최종잔류량은 상대적으로 압력에 큰 영향을 받는다.

그러나, 가스화반응에 충분한 스팀이 공급되는 경우에는 유연탄의 경우에도

아역청탄에 비해서는 적으나 잔류시료량이 조업압력에 큰 영향을 받는다.

감 사

본 연구는 통상상업부산하 에너지자원기술개발지원센터에서 지원하고 전력연구원이 주관하는 □석탄가스화복합발전 기반기술개발□과제의 □96년도 사업으로 지원되었습니다. 이에 감사드립니다.