Adaro탄 사용 건식 가스화기에서 생성된 석탄가스와 비산재의 분석

윤 용 승, 이 계 봉, 정 석 우, 조 성 수

고등기술연구원 Plant Engineering 센터

Analysis of Coal Gas and Solid Fines Produced from the Dry-Feeding Gasifier Using Adaro Coal

Yongseung Yun, Gae Bong Lee, Seok Woo Chung, Sung Soo Cho

Plant Engineering Center, Institute for Advanced Engineering

서론

가스화기술의 역사는 200년이 넘게 유럽에서 발전하여 왔으나 환경문제와 에너지효율 문제를 해결하는 수준의 가스화기술은 1970년대 이후 공정기술로 재개발되어 오고 있다.  70년대의 두차례 오일쇼크 이후 석유 대체원으로서 가스화공정이 개발되어 22-27기압에서 운영되는 석탄가스화공정과 60기압 이상에서 운영되는 비료나 암모니아 합성용의 석탄 및 petroleum coke 가스화공정이 상용화되었고, 80년대 들면서부터는 환경문제가 부각되면서 가스화반응 자체의 특성상 SOx와 NOx의 발생이 안된다는 점을 활용한 환경친화적 공정개발이 이루어져 오고 있다.  특히, 폐기물을 대상으로 하는 가스화공정은 환경문제와 에너지효율 문제를 동시에 접근할 수 있는 공정으로서 향후 연소반응에 근거한 공정을 점차 대체할 것으로 예측되고 있다.

가스화용융 기술의 요체는 더러운 시료로 여겨졌던 고유황, 고회분의 저급 석탄, 정유공장 부산물 및 도시쓰레기까지도 기본방식보다 높은 효율을 얻으면서도 향후 강화될 환경규제치도 만족할 정도로 에너지원으로서 깨끗하게 처리할 수 있다는 점이다. 또한, 석탄은 전세계적으로 고르게 분포되어 있으므로 가격 폭등의 염려가 원유에 비해 상대적으로 적은 점과, 연소방식의 공정에서는 석탄내 함유된 S와 N성분이 모두 SOx, NOx 형태로 발생되어 환경오염을 야기하는데 반해 불완전연소에 근거한 가스화는 석탄내 S와 N성분을 H2S와 NH3 형태로 발생시킴으로서 가스의 정제가 대단히 용이케 되는 장점이 다시금 가스화기술 공정을 개발토록 하는 주요 이유들이다.

가스화 설비 및 실험

1995년 4월에 건조된 3톤/일급의 건식 석탄가스화기 설비는 경기도 수원소재 아주대학교 구내에 설치되어 있으며, 95년 7월부터 가스화결과를 얻고 있다.  이 설비는 30기압, 1650oC까지 가스화가 가능하고 유연탄, 아역청탄을 주 대상시료로 설계되었고 petroleum coke 등도 가스화가 가능하다. 석탄시료는 미분탄연소 발전소에서 사용하는 입자크기와 동일한 -200mesh 80-90% 통과 크기를 질소로 dense-phase상태에서 분체유송하여 가스화기로 주입하고, 미립석탄은 가스화기내로 공급되기 바로 전에 99.5% 농도의 산소와 합해져 주입된다. 수증기는 시료주입 노즐끝에서 별도로 공급되도록 하였다. 사용된 인도네시아산 Adaro탄은 수분이 2.63%, 휘발분이 45.73%, 고정탄소가 50.35%, 회분이 1.29%였고, 원소분석치는 maf기준으로 69.81%, H 5.01%, O 23.43%, N 1.69%, S 0.06%이고 가스화기 운전온도 결정에 중요한 Ash fusion fluid 온도는 1340oC였다.

Fig. 1에는 사용된 석탄 가스화 용융로의 공정도를 나타내었다. 공정의 구성은 석탄을 분쇄하고 보관하는 미분탄 전처리 시스템, 고압의 가스화 용융로 내부로 일정량의 미분탄을 공급하기 위한 미분탄 주입 시스템, 석탄 가스화 용융로 본체, 석탄가스 냉각 및 세정 시스템 등으로 구성된다. 가장 핵심 설비인 석탄 가스화 용융로 본체는 미분탄을 수송용 질소, 반응용 산소 그리고 증기와 함께 노즐을 통하여 석탄가스화 용융로 벽면에 선회 분사하는 분류층(entrained bed type), 건식(dry) 공급 방식으로, 미분탄 내의 ash는 용융하여 노 하부로 떨어져 수냉되는 slagging 방식이 사용된다.

Fig. 1. 3톤/일급 석탄가스화설비의 Process Flow Diagram

결과 및 토의

Fig. 2에는 Adaro 인도네시아산 아역청탄을 사용한 10기압 운전시 전형적인 주요 운전변수와 생성된 석탄가스 조성의 profile들을 보여주고 있다. 가스화기내 운전온도는 시료의 주입상태에 따라 변화가 있으나 1450oC 근방에서 잘 유지되고 있음을 볼 수 있고 용융을 위해 공급되는 산소공급량은 어느 정도 변화하더라도 생성가스의 조성에는 큰 영향이 없음을 보여주고 있다. 생성가스의 조성을 살펴보면, CO가 63%정도, 수소가 32%정도를 차지하고 있으며 CO2는 4-7%를 차지하고 있다. 여기서 질소의 유량은 미분탄의 분체유송을 위해 사용되는 매체로서, 이 양이 감소함에 따라 CO2의 농도가 낮아짐을 볼 수 있다. 그림에서 CO와 수소는 운송용 질소의 양을 제외한 기준으로 환산한 값이다.

그리고, 가스화반응에 의해 생성되는 미량의 가스가 가스화온도에 따라 변화하는 상태를 아래의 Fig. 3에서 보여주고 있다. 메탄농도는 700-2,800 ppm 범위에서 온도에 매우 민감하게 반응하며, HCN과 COS 농도는 800-1,700 ppm, 400-1,200 ppm 범위로 발생하면서 일정부분 온도변화에 반응하기도 하나 대체적으로는 온도에 크게 민감하지 않은 것으로 판단된다. 그리고, 시료내의 질소성분이 대부분 변화된 생성물인 NH3의 농도는 200 ppm 범위에서 온도에 거의 상관이 없는 결과를 보여주고 있다.

Fig. 2. 인도네시아 Adaro탄을 사용한 가스화용융 운전 profiles

Fig. 3. Adaro탄 사용시 가스화반응에 의해 발생하는 trace 가스농도의 온도에 대한 민감성

가스화 반응을 통하여 98-99% 이상의 탄소는 석탄가스로 변환되고 ash성분과 미연탄소는 반응기의 후단으로 비말동반 되는데, 이에 대한 발생량과 각 위치에서의 공업/원소 분석치를 Table 1에 요약하였다. 슬랙의 발생량은 새로 내화재가 교체된 후의 처음 가스화반응이었기 때문에, 가스화기내 표면에 수 mm 슬랙이 coating된 것이 실험후 확인되었고 이에 따라 실제 가스화기 외부로 배출된 슬랙양은 타 가스화시험에 비해서 적었다. 가스화기로부터 배출된 석탄가스는 2개의 사이클론과 scrubber를 통하여 세정되고 압력조절밸브에서 대기압으로 압력이 강하된 후 연돌에서 태워진다. 연돌 바로 전에 가연성가스의 역화를 방지하기 위하여 flame arrestor가 장착되어 있고 이 부분까지 비말동반된 입자도 채집하여 분석하였다. 미발동반되는 입자들의 양은 전체 시료내 탄소기준으로 1% 이하이고 함유 미연탄소분은 71-76%임을 볼 수 있다. 타 가스화시험의 경우에는 가스화기 후단설비에서 채집된 입자의 미연탄소분이 30-50%인데 반해 본 시험의 결과는 그 양은 적으나 미연탄소분이 높게 측정되었다.

각 가스화기 후단설비에서 채집된 입자들의 입도분석 결과가 Fig. 4에 나타나있다. 0.3□m와 20-80□m 범위에 분포되어 있고, 가스화기 상단부에서 입자가 엉긴상태로 표면에 부착된 입자가 90□m 크기로 존재하며 이후 scrubber를 거쳐서도 작은 입자들이 배출됨을 볼 수 있다. 따라서, 이들 입자를 제거하기 위해서는 고온집진필터 같은 설비가 필요함을 알 수가 있다. 일반적으로 석탄가스를 발전용으로 사용키 위해서는 수 마이크론 단위까지의 입자를 제거하여야 하는데 본 설비에서는 고온집진 금속필터를 설치하여 시험 중에 있다.

Table 1. Sampling 위치에 따른 Adaro탄 가스화 비산재 분석결과

Sampling 위치		미분탄	슬랙	CycloneⅠ	CycloneⅡ	Scrubber	Flame Arrestor
Proximate Analysis1) [wt %]	Moisture	2.63	-	39.1	64.13	83.68	68.12
	V.M	45.73	-	7.51	2.37	1.84	2.36
	Ash	1.29	-	16.75	7.73	3.48	7.07
	F.C	50.35	-	36.64	25.77	11.00	22.47
Ultimate Analysis2) [wt %]	C	68.89	2.19	71.90	76.33	75.78	75.39
	H	4.94	0.18	0.40	0.74	0.39	0.43
	N	1.67	0.29	0.80	0.62	0.65	0.86
	S	0.06	0.01	0.20	0.21	0.22	0.30
	O	23.12	-	-	0.55	1.64	0.87
	Ash	1.32	-	27.5	21.55	21.33	22.16
공급/발생량 [kg]3)		336	0.05	0.5	0.4	2.99	-

1) As-received    2), 3) Moisture-free basis

결론

Fig. 4. 가스화반응후 위치별 채집입자의 입도분포

Adaro탄을 사용한 10기압의 가스화시험을 통하여 석탄가스의 조성과 특히 trace gas에 대한 분석을 하여 발생량과 운전변수에 대한 민감도를 측정하였다. 또한, 가스화기 후단의 각 설비에서 채취된 입자들의 양과 미연탄소분, 입도분포를 측정하였다. 메탄가스는 Adaro탄의 경우 700-2,800 ppm 범위에서 가스화기 온도에 민감하게 변화하면서 발생하여 가스화기 내부의 온도측정에 직접적인 자료를 제공할 수 있음을 확인하였고, HCN은 800-1,700 ppm, COS는 400-1,200 ppm, NH3는 200 ppm 이하가 발생하였는데 메탄가스만큼 가스화기 온도에는 민감치 않았다. Adaro탄에 대한 본 실험의 경우에는 비말동반되는 입자의 양이 전체 탄소전환율에는 1%미만의 영향을 미치는 정도로 발생되었고, 미연탄소분은 71-76%로 측정되어 타 시험에 비해 높았다.

후기

본 연구는 산업자원부 산하 에너지관리공단 기술개발본부에서 지원하는 □가스화 복합발전 시스템 연계실증 및 모사기술 개발□ 연구의 일환으로 수행되었습니다. 이에 감사드립니다.