산소 및 증기 변화에 따른 폐유의 가스화 성능 예측

이승종, 윤용승

고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터 및 아주대학교 시스템공학과

Gasification Performance with Oxygen and Steam

Using a Waste Oil

Seung-Jong Lee, Yongseung Yun

Institute for Advanced Engineering and

Dept. of Systems Engineering, Ajou University

서론

가스화용융 기술은 주로 에너지 분야에 적용되어 개발되어온 기술로 최근에는 스위스, 독일, 일본 등을 중심으로 폐기물 분야에 적용되고 있다. 폐기물·폐유 등 저급의 시료를 가스화하여 활용 가능한 저급의 가연성 가스를 생성하고 잔유물인 무기물은 환경적으로 무해하고 재활용 가능한 슬랙으로 배출하는 기술로서 환경·에너지·자원 문제에 동시에 접근하는 기술이다[1]. 가스화용융 기술을 폐기물 분야에 적용하는 기술은 향후 폐기물 처리시 잔존에너지를 재활용 할 수 있는 측면과 다이옥신의 발생이 없고 SOx 및 NOx의 발생도 현저히 감소시켜 환경적합적인 측면을 볼 때 시급히 국내의 기술 경쟁력을 갖추어야 하는 분야이다. 특히, 저급의 시료나 폐기물로부터 시료 중의 에너지를 고급의 에너지로 전환시킬 수 있는 가스화용융 기술의 확보는 부존자원이 없는 우리 나라에서는 핵심 기반기술로 개발되어야할 기술이다.

본 연구에서는 폐유의 효과적인 처리와 활용을 위해, 가스화 성능에 영향을 주는 주요 변수들인 산소 및 증기의 폐유 가스화에 미치는 영향을 파악하였고 가스화 성능을 예측하였다.

씨스템 구성 및 전산해석

본 연구에서 전산해석시 반영한 가스화기는 현재 본 연구팀에서 실험·운전 중에 있는 가스화기인 가압분류층 습식가스화기를 대상으로 하였으며, 가스화기의 폐유 처리용량은 1톤/일이고, 산소(99.99% 순도)를 산화제로 사용하였으며, 가스화기의 운전 압력은 2기압으로 설정하였다. 대상으로 한 폐유의 분석 자료를 Table 1에 나타내었다. 전산 해석시 사용한 가스화기 모델은 열분해 반응 영역, 가스화 반응 영역과 soot 및 비산재 생성 영역으로 구성되어 있고 가스화기에서의 주요 가스화 반응은 Table 2와 같다.

Table 1. 폐유의 분석자료

Proximate Analysis (As Received, wt%)		Ultimate Analysis (As Received, wt%)
Moisture Vol. Matter Fixed Carbon Ash	10.00 51.83 37.97 0.20	C H O N S Ash Moisture	77.23 11.67 0.63 0.00 0.27 0.20 10.00

Table 2. Main gasification reaction

C + O2 □ CO2 C + ½ O2 □ CO C + H2O □ H2 + CO CO + H2O □ CO2 + H2 CO + 3 H2 □ CH4 + H2O COS + H2O □ CO2 + H2S S + H2 □ H2S N2 + 3 H2 □ 2 NH3	: 수성 가스 전환 반응 : 메탄화 반응

석탄을 가스화할 경우에는 석탄내 함유된 회분의 함유량이 탄종에 따라 다르지만 일반적으로 5-10% 정도로 많으므로, 이들 회분을 처리하기 위해서 회융점 온도보다 높은 온도(1400-1500℃)에서 가스화기를 운전하거나 flux를 첨가시켜 회융점 온도를 낮추어 운전하고 있다. 반면에 폐유의 경우 회분 함량이 Table 1에서 보듯이 많지 않으므로, 본 연구에서는 가스화기의 운전 온도를 회융점 온도에 기준하지 않았으며, 폐유와 같은 성질의 연료는 아니지만 회분 함량이 적어 1250-1400℃의 범위에서 가스화기를 운전[2]하고 있는 중잔유의 경우를 참고로 하여 전산 해석에 반영하였다.

가스화기에서 생성된 고온의 생성가스는 열교환기를 통과하여 냉각되며, 열교환기를 통과한 생성가스 중의 soot는 물 분사에 의해 슬러리 형태로 제거되고 이때 비산재는 soot과 함께 제거된다. 전산 해석시 반영한 가스화기 계통의 간략한 block diagram을 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1. Block diagrams of gasification in the ASPEN simulation.

해석 결과 및 평가

본 연구에서는 폐유의 가스화 성능 특성을 파악하기 위하여 산소 및 증기의 유량 변화에 따른 생성가스(주로 수소, 일산화탄소 및 메탄)의 조성, 유량 및 발열량(heating value) 등에 미치는 영향과 냉가스 효율(cold gas efficiency) 및 가스화기 운전 온도에 미치는 영향을 분석하였다. 산소/폐유 질량비(이하 산소/연료비)는 0.8-1.5, 증기/폐유 질량비(이하 증기/연료비)는 0.0-3.0으로 동시에 변화시켰으며 그에 따른 영향을 살펴보았다.

산소 및 증기가 수소 생성에 주는 영향을 Fig. 2에 나타내었다. 산소/연료비 0.8-1.0에서의 수소의 조성은 높으나 생성량은 작은 것으로 나타났다. 이렇게 생성가스 중의 조성비는 높으나 발생량은 작은 것은 탄화수소(hydrocarbon)의 가스화 반응이 충분히 진행되지 않고 탄화수소 중 탄소에 비해 수소가 먼저 가스화 반응이 진행되고 상당량의 탄화수소는 그대로 남아 있기 때문이다. 산소량이 증가할수록 미반응 탄화수소의 가스화 반응이 진행되어 수소량이 증가하여 산소/연료비 1.0-1.1 사이에서 수소량이 최대치를 나타내었다. 산소/연료비 1.1-1.5에서는 가스화 반응보다는 연소 반응이 진행되어 수소량이 서서히 감소하는 것을 알 수 있다. 전반적으로 증기량이 증가할수록 수소량은 수성 가스 전환 반응(water gas shift reaction)의 영향으로 서서히 증가는 하지만 그 증가폭이 작은 것으로 나타났다. 이렇게 증기의 영향이 거의 없는 것으로 나타난 것은 폐유내 함유된 수분(10%)의 영향 때문이다.

산소 및 증기량 변화에 따른 CO 생성에 주는 영향을 Fig 3에 나타내었다. 산소/연료비 0.8-1.0에서는 산소량이 증가할수록 가스화 반응이 진행되어 CO 생성량은 급격히 증가하였으며, 1.1-1.5에서 서서히 감소하였다. 생성가스 중 CO의 조성을 살펴보면, 산소량이 증가할수록 CO의 조성은 증가하는 것으로 나타났는데, 이러한 원인은 산소량이 증가할수록 연소 반응이 진행되어 CO의 발생량은 감소하지만, CO의 연소 반응뿐만 아니라 H2의 연소 반응도 진행되어 이로 인해 생성된 수분은 정제되어 오히려 CO의 조성은 증가하는 형태로 나타난 것으로, 산소/연료비 1.1 이상에서 H2는 급격히 감소한 반면, CO는 상대적으로 서서히 감소하는 것으로 나타났다. 증기/연료비가 증가할수록 CO의 생성량은 감소하였다. 이는 수소와 마찬가지로 수성 가스 전환 반응의 영향 때문이다.

산소 및 증기량 변화에 따른 CH4 생성에 주는 영향을 Fig. 4에 나타내었다. 산소/연료비가 증가할수록 CH4는 급격히 감소하였으며, 1.1 이상에서 거의 생성되지 않는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 증기량에 따라 차이가 있긴 하지만, 산소량이 증가할수록 가스화기의 온도가 상승하여 1300℃ 이상의 고온 영역에서 CH4가 거의 생성되지 않기 때문이다. 증기/연료비가 증가할수록, 메탄화 반응의 역반응이 진행되어 CH4가 감소하기는 하지만, 가스화기의 온도도 감소하기 때문에 전체적으로는 CH4의 양이 서서히 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 2. 산소-증기 변화량에 따른 H2 조성 및 생성량.

Fig. 3. 산소-증기 변화량에 따른 CO 조성 및 생성량.

FIg. 4. 산소-증기 변화량에 따른 CH4 조성 및 생성량.

산소 및 증기량 변화에 따른 생성가스의 발열량과 냉가스 효율을 Fig. 5에 나타내었으며, Fig 6에 가스화기 운전 온도와 탄화수소 전환율을 나타내었다. Fig. 5의 결과를 살펴보면, 냉가스 효율은 산소량이 증가할수록 증가하여 산소/연료비 1.0 부근에서 최대치를 나타낸 후 감소하였으며, 증기량이 증가할수록 증가하는 것으로 나타났다. 냉가스 효율이 산소/연료비 0.9-1.0 및 증기/연료비 0.3에서 가장 높게 나타났는데 이러한 결과는 반응 시간을 고려하지 않는 정적 공정 해석 방법에 의한 모사 결과로 1000℃ 이하의 낮은 운전 조건에서 체류 시간을 오래한다면 Fig. 5와 같은 결과를 얻을 수 있을 것이다. 즉, 체류 시간을 오래하여 탄화수소의 가스화 반응이 모두 진행되고 낮은 온도에서의 가스화 반응으로 인해 Fig. 4와 같이 CH4가 과량 생성되면 냉가스 효율에 대한 결과를 Fig. 5와 같이 얻을 수 있을 것이다. 그러나 실질적으로 가스화기 운전시 1000℃이하의 낮은 운전 조건에서는 안정적이고 연속적인 반응을 진행하기 어렵고 연료의 가스화기 체류 시간을 늘리기 위해서는 가스화기의 용량이 커지거나 압력을 높여야 하므로, 산소/연료비 0.9-1.0과 증기/연료비 0.3에서의 Fig. 5의 결과는 이론적인 data에 불과하다. 따라서 실질적인 가스화기의 운전 조건은 Fig. 5와 Fig. 6의 가스화기 운전 온도와 탄화수소 전환율을 고려하고 가스화 생성물들의 활용 목적에 따라 적절한 운전 범위를 선택하여야 한다.

Fig. 5. 산소-증기 변화량에 따른 생성가스의 발열량 및 냉가스 효율.

Fig. 6. 산소-증기 변화량에 따른 가스화기 운전 온도 및 탄화수소 전환율.

결론

산소-증기 변화에 대한 폐유의 가스화 성능을 살펴보았다. 산소량이 증가할수록 H2 및 CO의 생성량과 냉가스 효율은 증가한 후 감소하는 경향을 나타내었고 CH4의 생성량은 급격히 감소하였다. 증기량이 증가할수록 H2와 CH4는 서서히 증가하였고 CO는 감소하는 경향을 나타내었다. 산소 및 증기의 공급 범위에 따라 약간씩 차이는 있지만, 산소/연료비 1.0-1.1의 영역에서 H2 및 CO의 생성량과 냉가스 효율은 최대치를 나타낸 후 감소하는 경향을 나타내었다. 본 연구의 결과와 가스화 생성물들의 활용 목적에 따라 폐유의 적절한 가스화 운전 범위를 선택하여야 할 것으로 판단된다.

감사

본 연구는 과학기술부 산하 한국과학기술기획평가원에서 지원한 국가지정연구실사업 □가연성 폐기물 처리용 5톤/일급 가스화용융 공정기술 개발□ 연구의 일환으로 수행되었습니다. 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. Fumihiko Tamaushi, Mikio Shimojo and Naggatoshi Fujii, □Study of Heavy Oil Gasification for IGCC□, JSME International Journal, Series B, 41(4), (1998).

2. Koenders, L.O.M., Posthuma, S.A. and Zuideveld, P.L.: □The Shell Gasification Process for Conversion of Heavy Residues to Hydrogen and Power□, EPRI, Gasification Technologies Conference(1996).