고온고압건식 유동층 탈황공정의 수력학특성 해석

최 정 후, 류 호 정, 손 재 익*, 선 도 원*, 이 창 근*

건국대학교 화학공학과

*한국 에너지기술연구소

An Analysis of Hydrodynamic Characteristics

in a Fluidized Bed Hot-Gas Desulfurization System

J. H. Choi, H. J. Ryu, J. E. Son*, D. W. Shun* and C. K. Yi*

Department of Chemical Engineering, Konkuk University, Seoul 143-701

*Korea Institute of Energy Research, Taejeon 305-343

서론

IGCC 공정은 크게 석탄가스화로와 가스정제 및 발전부분으로 구성되어 있는데, 고온가스 탈황공정은 가스정제 공정에 속하는 것으로 가스화로에서 생성되어 나온 석탄가스중의 H2S, COS 등의 황화합물을 제거하여 발전부분에서 부식문제, 공해문제 및 마모문제 등을 해결하는 매우 중요한 단위공정이다[1].

전체 탈황공정은 흡수(탈황)장치, 재생(환원)장치, 유황회수장치로 구성되어 있으며 석탄가스화기에서 생성된 석탄가스는 유동층 탈황탑 하부의 분배기를 통해 공급되고 도입된 석탄가스에 포함되어 있는 H2S는 선택적으로 탈황제와 반응하여 제거된 후 정제된 가스는 탈황탑 상부로부터 집진장치로 이송된다.  황성분을 함유한 탈황제는 탈황탑으로부터 연결관을 통하여 재생탑으로 보내진다.  유동층 재생탑에서 탈황제는 산소와 반응하여 재생되고 재생탑 상부로는 SO2 가스가 배출된다.

유동층을 이용한 고온건식 탈황시스템에서 재생탑과 탈황탑을 순환하는 탈황제의 유량, 입도분포등의 흐름특성은 탈황공정 및 재생공정의 공정특성에 영향을 미치며 반응기의 크기나 반응정도 및 반응온도를 조절하는 매우 중요한 공정인자가 된다.  또한 탈황탑과 재생탑사이의 안정적인 고체순환은 전 공정의 연속적인 운전을 위해 필수적이다.

본 연구에서는 고온, 고압의 유동층 탈황공정에서 수력학특성 및 성능의 예측에 기본이 되는 고체흐름특성을 예측하기 위해서 고체출입이 모두 고려된 입자수지해석을 통한 고체순환모델을 개발하였으며 개발된 모델을 이용하여 기포유동층 조건의 탈황로와 transport bed 조건의 탈황로에 대해 입자의 마모속도상수, 사이클론의 분급입경, 압력, 온도, 유속, 고정층높이 등의 조업조건 변화에 따른 고체흐름특성의 변화를 모사하였다.

고온건식 탈황로에서 입자수지

본 연구에서 고려된 고온건식 탈황공정의 고체순환모델은 HGD(Hot-Gas Desulfurization) system mode 3로 두 개의 loopseal에 의해서만 고체순환을 시키는 간단한 system이며, Fig. 1과 같이 transport 반응기(TR)-유동층(FB) 형태로 TR에서 입자를 비산시키면서 반응시키고 사이클론에 포집된 입자를 loopseal을 이용하여 유동층 반응기로 보낸다.

본 연구에서는 기포유동층(FB)에서 마모에 의한 입자의 입도감소와 마모에 의한 미분생성이 없고, transport bed에서 비산된 입자중 사이클론에서 포집된 입자는 모두 기포유동층으로 재주입되는 것으로 고려하였으며 transport bed 하부에서의 고체유출은 없는 것으로 고려하였다.

Transport bed와 기포유동층(FB)은 일정한 고정층높이, 혹은 층무게로 유지되며 이를 위해서 층으로 입자가 주입된다.  결과적으로 이와 같은 고체흐름의 해석은 공정의 해석에 기본자료가 되고 유동층 내에서는 유동특성과 직결된다.    고온건식 탈황로에 대한 고체흐름특성으로는 먼저 각 흐름의 고체유량이 고려되어야 하며 이와 함께 각 고체흐름의 입도분포가 고려되어야 한다.

R2(x)=0

Ra2(x)=0

□2(x)=1

F1=0

F5=0

F8=0

F9=0

Fig. 1 Solid flow diagram between transport reactor and fluidized bed

(simplified HGD system mode 3).

고온건식 탈황로 단위면적 기준의 입자수지는 다음과 같이 표현된다.

[eqn: rm F_o p_o (bar x ) Delta x] -[eqn: rm F_1 p_1 (bar x )Delta x] -[eqn: rm F_2 p_2 (bar x )Delta x] + [eqn: rm R_f □(bar x )F_2 p_2 (bar x )Delta x]

+[eqn: rm W p_b (x ) R(x )Delta t □_{x }] -[eqn: rm W p_b (x ) R(x )Delta t□_{x +□x }]

+[eqn: rm W p_b (bar x ) Delta x][eqn: rm {3R(bar x)} over bar x Delta t]+[eqn: rm R_a (bar x )][eqn: rm p_a (bar x )][eqn: rm Delta x Delta t] = 0	(1)

여기서 Fi는 각 흐름의 고체흐름속도(solid flow rate), pi는 각 흐름의 입도분포, Wi는 각 층에서의 고체무게,[eqn: rm bar x]는 임의의 입도구간([eqn: rm x]<[eqn: rm bar x]<[eqn: rm x + Delta x]) 평균값을 의미하며, R(x)는 마모에 의한 입자의 입도감소속도, Ra(x)는 마모에 의한 미분생성속도를 나타낸다.  마모미분의 생성속도는 총괄값으로 고려하며, 입도분포는 유동화속도의 1% 유속이 종말속도인 입경이하로 균일한 것으로 보통 가정된다[2].  유동층내 고체흐름을 완전혼합으로 가정하고, 고체의 비산유출속도는 비산유출속도상수(elutriation constant)로 나타내면 다음의 관계를 사용할 수 있다.

[eqn: rm p_1 (x )] =[eqn: rm p_b (x )]	(2)

[eqn: rm {F_2 p_2 (x)}] =[eqn: rm {K^* (x )}][eqn: rm p_b (x )]	(3)

식(2), (3)의 관계를 대입하고[eqn: rm Delta x rarrow 0],[eqn: rm Delta t rarrow 0]를 취하여 정리하면 입자수지는 다음의 상미분 방정식으로 간략하게 나타내진다.

[eqn: rm {d p_b (x) } over {dx}]=[eqn: alpha_1][eqn: rm p_b (x )] + [eqn: alpha_2]	(4)

[eqn: alpha_1] = [eqn: left [rm {3 } over x]- [eqn: rm {F_1 + (1-R_f psi (x )) K^* (x ) } over {WR(x)}] - [eqn: rm 1 over {R (x)} {d R(x )} over {dx} right]]	(5)

[eqn: alpha_2] = [eqn: rm {F_o p_o (x ) + R_a (x ) p_a (x )} over {WR(x) }]	(6)

경계조건은 식(7)과 같으며 식(4)를 풀기 위해서는 식(8)의 조건을 만족시키는 시행오차법이 사용된다.

[eqn: rm p_b (x ) = 0],  for [eqn: rm x = x_max]	(7)

[eqn: rm int from x_{min} to x_{max} p_b (x ) dx = 1]	(8)

고온건식 탈황장치 고체순환모델 모사

고온건식 탈황장치 고체순환모델의 해석을 위하여 전산기 프로그램을 개발하였다.  주 프로그램(main program)은 30개의 부프로그램(subroutine)과 연립되어 있다.  주 프로그램은 주입자료를 읽고 부프로그램을 연립하여 계산결과를 인쇄한다.  본 모델의 전산기 프로그램은 MS-FORTRAN(ver. 5.0)으로 작성되었다.

본 연구에서 개발된 유동층 탈황공정의 고체흐름특성 모델을 이용하여 기포유동층 조건의 탈황로(KIER HGD system, 0.38m I.D., 2.0m high)와 transport bed 조건의 탈황로(0.123m I.D., 7.0m high)의 고체흐름특성을 모사하였다.  고체흐름특성에 미치는 여러 가지 변수들의 영향을 고려하기 위하여 기포유동층 탈황로의 경우에는 입자의 마모속도상수(1×10-9, 3×10-9, 6×10-9, 1×10-8, 3×10-8, 6×10-8, 1×10-7cm-1), 사이클론의 분급입경(0.0005, 0.001, 0.0015, 0.002, 0.0025, 0.003cm) 층압력(1, 5, 10, 15, 20, 25, 30atm), 층온도(400, 450, 500, 550, 600, 650, 700℃), 유속(10, 15, 20, 25, 30, 35, 40cm/s)등을 변화시켰으며 transport 유동층 탈황로의 경우에는 고정층높이(10, 15, 20, 25, 30, 35, 40), 유속(150, 200, 250, 300, 350, 400, 450cm/s)을 변화시켜가며 고체흐름특성에 미치는 영향을 모사하였으며 각 입력자료중 변수로 고려되지 않는 경우에는 굵은 글씨로 표시된 값으로 고정하였다.  각 조업변수는 본 모델의 적용범위 내에서 선정하였으며 모델은 층단면적을 1m2으로 환산하여 결과를 나타내었다.

본 모델의 모사를 위한 조업조건으로 탈황로에 주입된 황화가스의 조성은 Table 1에, 모델 모사에 사용된 입자의 입도분포는 Table 2에 나타나 있으며 입자밀도는 2600kg/m3이었다.

Table 1 Composition of simulated fluidization gas

Component	H2	CO	N2	CO2	H2O	H2S
mole fraction [-]	0.306	0.382	0.000	0.125	0.183	0.004

Table 2 Size distribution of feed solids

Sieve size [□m]	-200 +190	-190 +162	-162 +147	-147 +134	-134 +123	-123 +111	-111 + 96	-96 +74	-74 +53	-53 + 0
Weight fraction [-]	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1

Fig. 2는 기포유동층 조업조건인 KIER HGD system에서 사이클론 분급입경(dpc)의 변화에 따른 고체유량의 변화를 나타내고 있다.

그림에 나타난 바와 같이 사이클론 분급입경이 증가함에 따라 비산입자량(F2) 및 사이클론 포집입자량(F3)이 급격히 감소한 후 거의 일정해 졌으며 층 밖으로 유출되는 고체량(F4)과 주입고체량(F0)은 증가하였다.  이와 같은 경향은 사이클론 분급입경이 증가함에 따라 고운입자들이 층 밖으로 유출되어 사이클론에 포집되는 입자량(F3)이 감소하고 층 밖으로 유출되는 고체량(F4)은 증가하며 층내 고체중 고운입자의 양이 상대적으로 감소하므로 비산입자량(F2)도 감소하는 것으로 사료되었다.

Fig. 3은 KIER HGD system에서 사이클론 분급입경의 변화에 따른 입자의 확률밀도함수 변화를 나타내고 있다.  그림에 나타난 바와 같이 사이클론 분급입경이 증가함에 따라 각 고체흐름의 확률밀도함수가 굵은입자 쪽으로 치우치는 경향을 나타내었다.

Fig. 2 Solid flow rate versus cyclone cut diameter for KIER HGD system.	Fig. 3 Probability density function with cyclone cut diameter for KIER HGD system.

본 연구에서 개발된 고온건식 탈황공정 고체순환모델에 의하면 고체유량 및 고체의 입도분포에 영향을 주는 가장 중요한 인자는 사이클론의 효율, 즉 cut diameter였다.  Cut diameter가 증가할수록 타변수들의 영향이 증대되었다.  안정된 유동층 조건을 유지하기 위해서는 사이클론 포집효율의 증대가 필요한 것으로 사료되었다.

감사의 글

본 연구는 대체에너지 기술개발사업의 일환으로 수행되었습니다. 연구비 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. 지평삼외 32명 : "석탄가스 고온정제 기술개발," 통상산업부(1994).

2. Choi, J. H.: Ph. D. Dissertation, KAIST, Taejeon, Korea(1989).