두 개의 Loopseal을 갖는 고온건식탈황 두 유동층 반응기사이의 압력균형

배 달희, 이 창근, 선 도원, 진 경태, 손 재익

한국에너지기술연구소, 에너지환경연구부

Pressure Balances in HGD Two Fluidized Beds with Two Loopseals

D. H. Bae, C. K. Yi, D. W. Shun,  G. T. Jin, J. E. Son

Energy Environment Research Division, KIER

1. 서 론

고온건식 탈황 (Hot Gas Desulfurization) 공정은 IGCC의 가스정제부분에 속하는 것으로 가스화로에서 생성되어 나오는 석탄가스중의 H2S 및 COS를 제거하여 가스터빈에서의 부식문제 및 공해문제를 해결하는 공정이다. 따라서 석탄가스에 의한 황화반응과 산화성가스에 의한 재생반응이 연속적으로 일어나야 하며 두 반응기사이에 기체의 혼합을 최소화하면서 탈황제를 연속적으로 순환시켜야 한다2).  이러한 기-고 시스템에 있어서 그 고체들을 어떻게 안정되고 연속적으로 순환시키느냐가 공정개발에 있어서 관건이 된다. 즉, 고체순환시스템의 적절한 설계가 이 공정의 상용화를 위한 중요한 열쇠가 된다1).  기본적인 문제들은 순환형태의 선택, 관크기의 결정, 기체유속, 고체순환율의 결정등이다.  본 연구는 유동층 탈황공정에서 탈황탑과 재생탑 사이의 고체순환기술을 확보하고  scale-up을 위한 엔지니어링 자료를 확보하는데 목적이 있다.

[그림 ] 고체순환장치

2. 실험장치 및 방법

[그림1]은 실험에 사용된 고체순환 상온장치이다. 장치의 재질은 Plexi-glass로 만들어져 있으며, 왼편의 riser는 밑부분이 내경 50mm x 높이250 mm, 윗부분은 내경30 mm x 높이1,590 mm이며, 두 부분이 길이 50mm 정도의 reducer관에 의하여 연결되어 있다. 오른쪽 반응기는 내경 75mm x 높이 750mm의 유동층 반응기로 공기분산판과 연결되어 있다. Riser와 reactor는 두 개의 loopseal에 의하여 연결되어 있는데, 윗쪽 loopseal은 싸이클론 하부에 연결되어 있으며, 반응기 분산판위 350mm위치에 연결되어 있고, 아랫쪽 loopseal은 반응기 분산판위 150mm위치와 riser 분산판위 150mm위치에 연결되어 있다. 유량은 rotameter를 사용하여 조절할 수 있다.  각 압력점에는 manometer를 연결하여 대기압과의 상대압을 측정하며, 측정은 매 분 사진을 찍어 동시에 읽었다.  싸이클론과 반응기 출구에 filter를 설치하여 실험중 비산 마모에 의해 포집되는 양을 측정하였다.

입자의 특성

본 실험에 사용된 입자는 spray drying 법에 의하여 제조된 아연계 탈황제를 사용하였다. 아연계 탈황제의 평균입경은 87□m, 밀도는 4.7 g/cm3이다.  최소 30□m부터 최대 200 □m까지 정상분포 (normal distribution)에 가까웠다.

3. 결과 및 고찰

[그림 ]  Riser에서의 유속변화에 따른 압력균형

Riser에서의 유속변화에 따른 압력 균형

[그림2]는 두 개의 loopseal을 가진 두 유동층 반응기에서의 고체순환을 압력으로 표시한 그림이다.  그림중의 위치는 [그림 1]의 각 위치를 표시한다.  탈황제를 3500g충전하고 reactor에서의 유속이 0.22m/s인 조건에서 riser에서의 유속을 변화시켰을 때 압력 balance이다. 유속이 증가함에 따라 직선2-3과 직선9-8의 기울기가 점점 작아지고 있다. 즉 기-고 혼합의 평균 bulk 밀도는 점점 작아지고 평균 voidage는 증가하는 것이다.  4분후에 riser cyclone 출구에서 밖으로 나간 양을 121g, 217g, 307g, 503g으로 증가하는 것으로 측정되었다. riser에서의 유속이 증가함에 따라 순환 loops 밖으로 떨어져 나가는 고체양이 증가함으로 순환 loop내에 남아있는 고체양은 줄어들기 때문에 평균밀도는 점점 작아지는 것이다.

[그림3]은 riser에서의 유속 urs, 각 위치에 따른 기체 voidage를 보여주고 있다.  모든 위치에서 유속의 증가에 따라 가스 voidage는 증가하고 있다. 위치 2-3에서는 약 0.98,  위치 1-2에서는 약 0.85, 위치 9-8에서는 0.94, 위치 13-9에서는 0.70의 값을 보여주고 있다. 위치 2-3에서 0.98의 voidage 값은 고온건식 황화반응을 위해서 너무 높은 값으로 충전량의 증가(또는 고체순환량의 증가)와 유속의 감소에 의하여 층 밀도를 증가시키는 방안을 고려하여야 한다.

[그림 ] Riser에서의 유속변화에 따른 두 지점간의 기체 voidage

역흐름의 가능성고찰

아랫쪽 loopseal에서의 결과를 보면 riser 2번에서 riser 상부 3번으로 가스가 흐르지만, loopseal 쪽인 12번으로 흐를 가능성을 고찰해 볼 수 있다.  2번 위치에서 가스는 3번 또는 12번으로 흐를 수 있다.  그런데 P3과 P12를 비교해보면 P3이 P12에 비해 훨씬 작기 때문에 가스는 P3쪽으로 흐른다.  riser에서 유속 (Urs)이 3.93 m/s인 경우 P2> P3 > P12보다 크기 때문에 12번 쪽으로도 약간 흐르지만  P10과 P11이 크기 때문에 역흐름을 차단한다. 즉 loopseal의 높이가 낮게 설치될수록 seal로서의 고체의 역할은 증가하는 것이다.

Reactor에서의 유속의 변화에 따른 압력균형

Riser에서의 유속을 고정시키고 반응기에서의 유속을 상승시켰을 때의 압력변화를 실험하였다. [그림4]는 riser에서의 유속이 3.93 m/s이고, 전체 충전량을 3500g일 때  reactor에서의 유속변화에 따른 압력균형 연결선을 볼 수 있다.  이 경우 유속이 변했음에도 불구하고 두 지점 9-8 사이의 기울기는 거의 변하지 않고   13-9번사이도 변화가 거의 없다.

Loopseal에서의 유속영향

다른 조건은 같고 loopseal에서의 유속을 전체적으로 1/4로 낮추었을 경우 loopseal에서 관찰된 현상은 aeration만 시키는 조건으로서 큰 기포는 볼 수 없었고, loopseal이 보다 안정되어, 고체의 흐름이 보다 연속적인 현상을 보여주었다.  즉 loopseal에서 기-고 혼합 평균  bulk density가 증가하면서 loopseal이 seal로써의 역할이 늘어났음을 의미한다.

충전량 (Ws)의 영향

Riser에서 유속이 1.8 m/s, reactor에서의 유속이 0.22 m/s에서의 조건에서 초기 충전량을 1500g, 2000 g, 2500 g으로 상승시켰을 때 충전량이 증가함에 따라 1번의 압력이 증가하고 1-2, 2-3사이의 차압도 증가하였다.  즉 riser내의 층밀도가 증가하고 있음을 볼 수 있다.  Reactor내에서도, 13-9, 9-10의 차압도 충전량의 증가에 따라 증가하고 있다.

[그림 ] Reactor에서의 유속변화에 따른 Pressure balance

4. 결론

Loopseal을 두 개 가지고 있는 고체순환장치에서 고체순환특성을 관찰하기 위하여 상온장치 압력균형을 측정하였다. 압력균형고리가 하나의 닫힌 계로 표현되었기 때문에 고체순환이 원활한 것으로 판단되었고, loopseal은 역흐름을 차단하는 역할을 하였다.

Riser와 반응기의 유속증가에 따라서 비산유출량이 증가하기 때문에 층bulk 밀도는 전체적으로 감소하는 것으로 측정되었다.

감사의 글

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

참고문헌

1. Kuni, D. and O. Levenspiel "Fluidization Engineering" 2nd ed. Butterworth-Heinemann, Boston (1991)

2. 특허출원 97-56319 두 개의 순환장치를 이용한 고온건식탈황을 위한 유동층황화, 재생반응기사이의 고체순환법과 그 장치