IGCC용 고온건식탈황 유동층공정의 제어구조 설계

이 창근, 한 근희, 손 재익, W.L. Luyben

한국에너지기술연구소, Lehigh 대

Design of Control Structures in a Fluidized HGD Process for IGCC

C.K. Yi, K.H. Han, J.E. Son, W.L. Luyben

KIER, Lehigh Univ.

서 론

장치의 설계 단계에서 동특성 모사기를 이용하여 1) 단위공정들의 연결 상태(configuration) 점검 및 제기된 고온건식탈황 공정 형태의 문제점 파악 2) 설계되어진 정상상태 값들의 확인 3) 여러 제어구조를 제안하고 그 중 최적의 제어구조를 확정시키는 것이 목적이다.  최적의 설계치를 가지고 장치를 만들었을 경우라도 그 공정이 동력학적으로 불안정(unstable)하여 조업이 불가능하거나 또는 조업자가 운전하는데에 큰 어려움을 겪을 수 있으며, 반대로 조업자의 공정운전의 용이성만 고려하여 설계를 할 경우는 장치가 안전인자(safety factor)에 의하여 크게 설계되어 경제성 면에서 손해를 보게 되어있다.  장치의 설계단계에서부터 정상상태의 설계치와 동특성을 동시에 고려하여 설계와 제어의 상호상쇄효과 (tradeoffs)를 조절하는 것이 본 공정설계의 새로운 시도이다.

고온건식 탈황공정은 IGCC의 가스정제부분에 속하는 것으로 가스화로에서 생성되어 나오는 석탄가스중의 H2S 및 COS를 제거하여 가스터빈에서의 부식문제 및 공해문제를 해결하는 매우 중요한 단위공정이다.  특히 고온건식 탈황법은 습식탈황법에 비하여 열효율면과 공해억제측면에서 유리한 방법으로 여러가지 종류의 고온건식 탈황제가 미국, 일본을 중심으로 개발 중에 있고 고온건식 탈황장치의 다양한 형태에 대해서도 폭넓은 연구가 한창 진행 중에 있다.

석탄가스화 복합발전의 주요 요소기술인 고온건식 탈황 공정기술 개발을 목표로 1994년부터 대체에너지 과제 (G7 사업)의 일환으로 전력연구원 주관으로 유동층 방식의 공정을 선정하여 그 공정의 개념설계를 목표로  공정의 운전 및 반응실험을 통해 설계 자료를 축적하고 scale-up을 위한 요소설계기술을 확립하고 있다1). 또한 유동층 고온건식탈황의 동특성과 제어연구로부터 나온 결과를 장치의 설계에 직접 이용하고 있다.

동특성 모사

고온건식탈황공정의 동력학적 모델은 첫 시도이기 때문에 다음과 같은 가정들을 사용하였다.

가. 가정: 1) 고체상은 완전혼합이며 가스상은 기포유동층을 통과하면서 플러그 흐름이다. 이 가정은 층높이에 따른 기상농도의 상미분 방정식으로 표현될 수 있으며, 이것은 또한 층표면을 떠나는 가스농도항을 위한 식으로 만들어진다.

2) 한 반응기안의 기상과 고상의 온도는 같다고 가정한다.

3) 고상의 체유량이 기상에 비교하여 훨씬 크기 때문에 고상에서만 에너지 수지식을 사용하였다.

[그림 1] 고온건식탈황의 제1 제어구조

4) 황화탑에서 H2S의 반응속도는 온도, 고상의 체유량, 기상의 H2S 농도, 탈황제속의 ZnO의 분율에 의존한다.

5) 재생탑에서 ZnS의 반응속도는 온도, 고상의 체유량, 기상의 O2 농도, 탈황제속의 ZnS의 무게에 의존한다.

6) 고체의 순환흐름은 측정되어 완전히 제어된다고 가정한다. 현재의 모델에는 고체흐름의 수력학적 특성을 포함하지 않는다.

7) 여러성분으로 이루어진 가스상의 물리적 특성은 평균값을 사용하였다.

8) 황화탑에서 반응열은 무시할 만하며, 재생탑에서는 297,000 KJ/반응한 O2 kg mole의 발열반응이다.

나. Dynamic model:  고온건식 탈황공정의 물질 및 열수지식에 의하여 구해진  정상상태의 설계치를 제공하고 모델링을 수행하였다.

다. 제어구조의 제시: 사용된 제1 제어구조는 다음과 같이 구성된다.

1. 황화탑 압력은 황화탑 배출가스의 량을 조절하여 제어한다.

2. 재생탑 압력은 재생탑 배출가스의 량을 조절하여 제어한다.

3. 황화탑 온도는 황화탑의 열추출을 조절하여 제어한다.

4. 재생탑 온도는 재생탑의 열추출을 조절하여 제어한다.

5. 황화탑의 층높이는 황화탑으로부터 고체순환량을 조절하여 제어한다.

6. 재생탑으로부터 황화탑으로의 고체순환량은 일정하게 유지한다.

7. 재생탑 배출구로부터 산소농도는 재생탑으로의 가스량을 조절하여 제어한다.  [그림 1]은 설명되어진 제1 제어구조의 골격을 보여준다.

라. 모사결과:  [그림 2]는 황화탑으로의 연료가스의 량이 20 % 증가하였을 때 이 공정이 어떻게 적응하는가를 보여준다.  황화탑으로부터의 H2S 농도가 빠르게 증가하여 약 1시간 후에 200 ppm 수준으로 상승하여 수렴한다.  본 공정의 원하는 수준은 80 ppm이므로 본 공정의 제어구조는 수정되어야 한다. 그러므로 제 2의 제어구조는  황화탑 출구의 H2S 농도를 제어하기 위하여 황화탑내의 탈황제 층높이를 제어하는 것이다.  즉 H2S 성분 제어기가 황화탑 층높이 제어기의 setpoint를 변화시키는 것이다.  H2S의 농도가 증가할 때는 황화탑으로 부터의 탈황제 배출량을 줄여 층높이를 증가시킨다. 이것은 재생탑의 탈황제의 높이를 감소시킨다.  종국에는 재생탑이 텅 빌 가능성이 있으므로 재생탑의 탈황제 체유량을 증가시킬 필요성이 있다.

[그림 ] 가스주입량(Fs)을 20% 변화시켰을 때 제1 제어구조에서 load disturbance 응답

큰 재생탑의 경우로서 H2S의 제어를 위하여 수정된 제어구조를 모사한 결과  연료가스가 15 % 증가하였을 때 황화탑에서  탈황제를 증가시켜 H2S 농도를 80 ppm으로 다시 돌려 놓고 있음을 보여주었다.  재생탑 출구 가스에 있어서 O2 농도의 변화가 큰 것을 주의깊게 봐야 할 필요성이 있다.  이 경우 재생탑으로의 입 출입 가스량이 너무 많이 변하였다.  이것은 재생탑에 연속되는 황재생공정을 위하여 바람직한 일은 아닐 것이다.  이러한 외란을 제거시키기 위하여  추천되어지는 방법은 O2 농도를 제어하지 않고 단순히 재생탑으로의 유량과 황화탑으로의 유량비를 제어하는 ratio control 구조를 쓰는 제3 제어구조로 제안되고 동특성모사가 수행되었다. [그림 3]은 제3 제어구조를 보여준다.

[그림 3] 고온건식탈황의 제3 제어구조

결 론

동특성모사로부터 제안된 내용은 다음과 같다.

(a) 제시된 설계치가 동특성 모사의 최종치와 유사한 값을 보였다.

(b) 제안된 설계치인 재생탑의 층높이를 상승시킴으로 인하여 온도제어에 있어서 동력학적 안정성을 높일 수 있었다.

(c) 제1 제어구조를 수정하여 하나의 제어 loop (H2S 농도의 농도를 제어하기 위하여 황화탑 층높이의 set point를 변화)를 부가하여 해결할 수 있었다.  그러나 O2농도와 재생탑으로부터의 배출량의 변화가 크다. 이의 대처 방안이 필요하였다.

(d)  O2 농도를 제어하지 않고 탈황탑과 재생탑의 유량비를 제어하는 제3 제어구조가 제안되었다.

감사의 글

본 연구는 대체에너지 선도기술개발 (G7) 사업의 일환으로 수행되었습니다. 연구비지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. 김 종영외 □석탄가스화 복합발전 기반기술개발□, 통상산업부, 961E104252FG1 (1996)