분류층 건식 석탄가스화기에서의 가스화 특성

정석우, 유영돈, 윤용승

고등기술연구원 에너지/환경연구실

Gasification Characteristics in an Entrained Bed Coal Gasifier

S. W. Chung, Y. D. Yoo, Y. Yun,

Energy & Environmental Lab., Institute for Advanced Engineering

1. 서론

석탄가스화 공정은 크게 고정층, 유동층, 분류층 방식으로 나눌 수 있는데, 그 중에서 대용량에 적합한 분류층 가스화 방식은 미분탄을 물과 함께 슬러리 형태로 공급하는 습식 방식과 미분탄을 기류 상태로 수송하여 산화제와 혼합시킨 후 분사시키는 건식 방식이 있다. 본 연구에서는 반응기 체적에 비하여 높은 시료 처리량을 갖고 있으면서 넓은 범위의 탄종 시료에 적용할 수 있는 분류층 건식 (Entrained-bed Dry-feeding) 방식을 채택하였다1,2). 또한 가스화기 운전 온도를 1450∼1550℃ 사이에서 운전함으로써, 석탄에 포함된 회재를 용융된 슬랙으로 배출하여 환경적으로 무해하게 처리할 수 있는 슬래깅(slagging) 운전 방식을 택하였다. 본 논문에서는 미국의 Usibelli탄, Cyprus탄 그리고 호주의 Curragh탄에  대하여 가스화기 주요 운전 변수인 운전 압력, 산화제 공급량 변화에 따른 가스화 특성을 조사하였다.

2. 실험 장치

고등기술연구원이 보유하고 있는 석탄가스화기 시스템은 크게 미분탄 저장 및 분쇄 시스템, 미분탄 수송 시스템, 가스화기 본체, 석탄가스 처리시스템 등으로 구성되었으며 가장 핵심 장치인 가스화기 본체는 공급된 미분탄과 산소 등을 반응시키는 반응로(reactor)와 미분탄에 함유된 회분을 융용 상태인 슬랙 형태로 가스화기 하단부로 배출하여 슬랙을 냉각, 저장 그리고 배출시키는 슬랙 처리부 (slag quencher), 그리고 생성된 가스를 냉각시키는 가스 냉각부(gas cooler)로 나누어져 있다. IGCC용 석탄 가스화기는 최소 15기압 이상, 1400∼1600℃ 조건에서 운전되므로 본 가스화기 내부도 고온/고압에서 사용이 가능한 castable로 이루어져 있고 미분탄과 산화제를 공급하는 공급노즐, 온도 측정 장치, 가스 샘플링 장치 등이 설치되어있다.

슬랙 처리부는 가스화기 벽면을 타고 흐르는 용융 슬랙을 냉각시키고 저장하는 역할을 하는 부분으로, 냉각수 저장 호퍼와 일정량 이상의 슬랙을 주기적으로 외부로 배출시키는 록호퍼(lock hopper) 시스템으로 구성되었다. 가스냉각부는 고온의 석탄가스를 냉각시켜 외부로 배출시키는 시스템으로서, 본 설비에서는 생성가스의 배출관에 수냉 자켙이 설치하여 가스를 냉각시키는 방식을 채택하였다.

3. 실험 결과 및 토의

3.1 대상탄의 특성

사용된 대상탄의 특성을 조사하기 위하여 공업분석, 원소분석, 무기물 성분분석, 발열량 측정, 회재의 용융 온도측정 등을 하였다.  분석 결과를 보면, Usibelli탄의 휘발분은 44.11%로, Cyprus탄의 36.37%, Curragh탄의 19.98%에 비해 휘발분의 함유량이 많으며, 고정탄소는 Usibelli탄이 36.88%, Cyprus탄 46.37%, Curragh탄 56.76%로 고정탄소 양은 Curragh탄이 가장 많음을 알 수 있다. 원소분석 결과를 보면, Curragh탄의 탄소 함량은 72.96%로, Cyprus탄의 71.45% 그리고 Usibelli탄의 54.4%에 비해 가장 많은 탄소 함량을 갖고 있으며, 회분의 함량은 Curragh탄의 경우 17.37%, Cyprus 탄의 경우 3.96%, 그리고 Usibelli탄의 경우 10.86%로 Curragh탄이 지금까지 가스화기에서 실험한 탄종 중에서 가장 많은 회분을 포함하고 있다.

시료들에 포함된 회분을 구성하는 무기물 분석 결과를 보면, Usibelli탄에는 회 용융점을 낮추는 CaO, MgO가 각각 21.01%, 3.13% 존재하고 있는 반면에 Cyprus탄과 Curragh탄은 회 용융점을 높이는 Al2O3, SiO2가 Usibelli탄에 비해 많이 함유되어 있으며, 특히 호주의 Curragh탄의 경우에는 Al2O3, SiO2 가 각각 22.8%, 51.1%로 Usibelli탄과 Cyprus탄에 비해 많이 존재하여 Curragh탄의 회 유동점이 1380℃로 Cyprus탄과 Usibelli탄보다 높음을 알 수 있다.

이와 같은 석탄의 기초 분석치로부터 Curragh탄은 낮은 휘발분 그리고 높은 회 유동점으로 가스화 운전이 다른 탄과 비교하여 어려우리라는 것을 추측할 수 있다.

3.2 가스화 특성

석탄가스화기를 평가하는 지표로는, 배출되는 석탄가스의 조성과 공급된 석탄에 포함된 탄소 성분이 가스상의 탄소 성분, 즉 CO 및 CO2 내의 탄소로 전환되는 정도를 나타내는 탄소전환률(Carbon Conversion), 그리고 공급된 석탄의 발열량에 대해서 생성되는 석탄가스의 발열량을 비교하는 냉가스효율(Cold Gas Efficiency) 등을 들 수 있다.

먼저 Cyprus탄에 대해서, 운전 압력이 16kg/cm2, 17∼18kg/cm2, 19∼25kg/cm2 나누어 각각의 경우에 대하여, 대표적인 생성 가스 조성이라 할 수 있는 CO, H2, 탄소전환률 그리고 냉가스효율을 그림 1에 나타내었다.  그림에서 알 수 있는 바와 같이 운전 압력이 16kg/cm2 이상에서는 CO는 57∼65% 범위, H2는 22∼30% 정도의 범위의 값을 갖음을 알 수 있다.  여기서 나타낸 생성가스 조성은 산업용 Gas Chromatography에서 얻어진 건가스에 대한 분석 결과에서 질소를 제외한 가스를 기준으로(nitrogen-free basis) 다시 계산한 가스 조성이다. 실제 가스화기에 공급되는 불활성가스인 질소는 미분탄을 수송할 때 또는 장비나 측정기기의 퍼지용으로 사용되는 것으로서, 가스화기의 성능에 직접 관련하지 않고 다만 가스화기 주변장치인 미분탄 수송 장치 등에 관여되는 것이므로 생성가스의 조성(부피비)을 기준으로 가스화기를 평가할 때는 반응에 관여하지 않은 질소를 제외한 가스를 기준으로 평가하였다.

얻어진 탄소전환률의 결과 값들은 일부 분산되었지만 90∼100%정도의 범위에 있음을 알 수 있으며, 냉가스효율은 70∼80% 정도로 뒤에서 언급될 Usibelli탄이나 Curragh탄과 비교하여 높은 값을 보였다. 본 연구에서 주된 운전 변수인 산소/미분탄의 무게비의 범위는 다른 가스화 실험 장치, 예를 들면 DTF(drop tube furnace)에서와 같이 넓은 범위에서 실험을 수행하지 못하고 최대 실험 범위가 산소/미분탄의 비가 0.6∼0.9의 범위에서 주로 수행하게 된다. 이유로서는 실제 고온고압 가스화기에서 산소/미분탄의 무게비가 너무 낮으면 가스화기 운전 온도가 떨어져 회분을 용융 시켜 슬랙으로 배출하는 슬래깅 운전이 불가능하며, 반대로 산소/미분탄의 무게비가 너무 높으면 가스화기 온도가 너무 상승하여 내화벽의 손상을 초래하므로 적절한 가스화기 운전범위인 1450∼1550℃를 유지시킬 수 있는 조건의 산소/미분탄의 무게비로 제한되었다.

그림 2는 Usibelli탄에 대하여 가스화기 운전 압력이 17∼25kg/cm2 일 때, 생성가스 조성, 탄소전환률 그리고 냉가스효율을 나타낸 것이다. 생성가스 조성은 Cyprus탄의 경우와 동일하게 건가스에 대하여 질소를 제외한 가스에 대한 부피비를 기준으로 한 것이다. 이 결과로부터 CO의 최대 농도 60% 정도로 산소/미분탄의 무게비가 0.63∼0.78의 범위에 대해서 거의 일정한 값을 나타내고 있으며, 그 이상으로 산소/미분탄의 무게비가 증가하면 감소하기 시작함을 알 수 있다. H2 또한 산소/미분탄의 무게비가 0.7 이하에서는 25% 정도, 0.7 이상에서는 약간 감소하여 20% 정도를 임을 알 수 있다. 탄소전환률은 산소/미분탄의 무게비가 0.7 이상에서 99% 이상의 값을 얻을 수 있었다.

그림 1. Cyprus탄에 대한 생성 가스 조성, 탄소전환률,           냉가스효율

그림 3은 Curragh탄에 대한 생성 가스 조성, 탄소전환률 그리고 냉가스효율을 나타낸 것이다. 운전압력이 16∼21kg/cm2인 경우를 보면, 생성가스 중의 CO는 65% 정도, H2는 22% 정도의 결과를 얻었으며 탄소전환률은 산소/미분탄의 무게비가 0.6 이상에서는 80% 정도로서 산소/미분탄의 무게비가 증가되면 계속 따라 증가하여 90%까지 도달하는 결과를 얻었다. 냉가스효율은 Cyprus탄이나 Usibelli탄에 비해 낮은 50∼60% 범위에 걸쳐 있음을 알 수 있다. 운전 압력이 26∼29kg/cm2인 경우의 결과를 보면, 운전 압력이 16∼21kg/cm2인 경우와 유사한 결과를 얻었다.

그림 2. Usibelli탄에 대한 생성 가스 조성, 탄소전환률,            냉가스효율

4. 결론

본 연구에서는 미국의 Usibelli탄, Cyprus탄 그리고 호주의 Curragh탄에 대한  가스화 특성을 조사하기 위하여 가스화기 운전 압력, 산소/미분탄의 비의 영향을 조사하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

그림 3. Curragh탄에 대한 생성 가스 조성, 탄소전환률,          냉가스효율

Cyprus탄의 경우 적정한 가스화기 운전범위는 산소/미분탄의 무게비가 0.7∼0.9 사이이며, CO 및 H2의 농도는 57∼65%, 22∼30%의 결과를 얻었다. Usibelli탄의 경우에는 적절한 운전범위가 산소/미분탄의 무게비 0.63∼0.78 사이이며, CO 및 H2의 최대 농도는 60%, 25%인 결과를 얻었다.

Curragh탄의 경우에서는 생성된 CO 및 H2의 농도가 65%, 22% 정도인 결과를 얻었으며, Cyprus탄이나 Usibelli탄의 경우보다는 낮은 탄소전환률(50∼60%) 및 냉가스효율(50% 정도)을 얻었다. Curragh탄은 휘발분 함량이 낮고 회분 함량이 높으며 반응성이 낮았는데, 다른 탄종 시료의 가스화결과와 비교한 결과 Curragh탄은 가스화 탄종으로 적합치 않는 것으로 판단된다.

후기

본 연구는 산업자원부 산하 에너지관리공단 R&D본부에서 지원하는 □Bench 급 건식 석탄가스화기 운전 및 모사기술개발□ 연구의 일환으로 수행되었습니다. 이에 감사드립니다.

참고문헌

1. 산업자원부: □Bench Scale급 건식 석탄가스화기 운전 및 모사기술개발 (II)", (1998).

2. 윤용승, 유영돈, 이한구, 이계봉 : □Research results of the 3 ton/day entrained-bed engineering scale coal gasifier in Korea", 제2회 석탄가스화 복합발전기술 워크샵, 183-200 (1997).