RTO(Regenerative Thermal Oxidizer)를 이용한

CDQ(Coke Dry Quenching) 순환폐가스의 효율적 처리

김기홍, 윤경호, 이용국

포항산업과학연구원 에너지화성연구팀

Treatment of CDQ Circulating Gas using RTO

Ki-Hong Kim, Kyong-Ho Yoon, Yong-Kuk Lee

Energy&Chemical Research Team, Research Institute Industrial Science & Technology(RIST)

서론

독)Otto type CDQ설비는 cooling chamber의 압력관리를 위해 순환되는 배가스중 일부를 flare stack에서 COG를 사용하여 소각후 외부로 배출시키고 있다. 이때 외부로 방출되는 폐가스는 평균 15,000Nm3/hr정도이고 이를 연소시키위해 사용되는 COG의 양은 1,500Nm3/hr정도로 상당한 양의 연료를 사용하고 있다. 순환배가스를 태워서 외부로 방출시키는 이유는 CDQ 공정폐가스중에는 불화성가스인 질소성분이외에 가연성 가스인 CO 및 H2가 각각 1.0-3.0vol%,0.1- 0.2vol%정도가 포함되어 있어서 대기로 그냥 방출시켜서는 안되게 되어 있기때문이다. 현재 CO의 배출농도 규제 기준치는 산소농도 12%기준 600ppm이하로 되어 있다.

따라서 본 연구는 CDQ 순환배가스를 대기로 소각배출시 그냥 버려지는 연소폐열을 회수 활용하여 COG사용량을 대폭 줄이는 것을 목표로 수행되었다. 연소폐열을 회수하는 수단으로는 근래에 각광을 받고 있는 축열식연소시스템(RTO)을 채택하였으며 본 연구에서는 CDQ페가스처리용에 적합한 파이롯시스템의 설계,제작하고 현장에서의 test 조업을 통하여 시스템의 최적 운전조건을 정립하고 이를 토대로한 실규모 시스템의 설치방안을 마련하였다.

실험 장치 및 방법

축열연소장치 현장실험에서 가장 주안점을 두 분야는 공정 페가스 처리용 COG를 얼마나 줄여서 사용할 수 있느냐 하는 문제이다. 이러한 문제 해결의 key point는 연소실의 온도를 과연 얼마로 유지해야하느냐와 축열기의 효율을 가장 높일 수 있는 최적 절환시간을 정하는 문제이다. 우선 연소실의 적정 유지온도를 정하기위해 본실험에서는 연소실 온도를 750oC에서 950oC까지 올리면서 공정 폐가스중 가연 성분인 CO가 충분히 연소가 잘 일어나는 온도를 선정하였으며 이는 연소배가스중 CO농도가 법규제치인 O2 12%에서 600ppm이하가 되면서 NOx도 100ppm이하로 나오는 최저온도를 연소실 최적 유지온도로 잡았다. 한편, 공정가스가 서로 다른 축열기내로 유입되는 시간을 결정해주는 절환시간은 45초에서 180초까지 변화시키면서 실험을 수행하였으며 이때 사용되는 COG량을 측정하였다. Fig. 1는 축열연소 장치의 제어시스템  기본 화면을 에로 나타낸 그림으로 실험중 각 부위별,유량,온도,농도,압손등이 실시간으로 나타나며 이를 참고로하여 최적 실험을 수행하였다. 실험순서는 먼저 연소실의 온도를 원하는 온도까지 승온시킨후 이 온도를 유지하게하고 난후 공정가스를 도입시키면서 COG사용량을 조사하였다.

Fig.1 CDQ 순환폐가스 처리용 RTO시스템의 주제어화면

RTO 시스템 운전결과 및 토론

1. CDQ 공정가스내 가연성 성분  측정결과

우선적으로 CDQ 공정가스중 가연성 성분의 주성분인 CO가 얼마나 포함되었는가를 측정하였다. 공정 폐가스중 CO농도가 최소한 1.3%이상 유지해야만 연료를 절감할 수 있는 조업을 할 수 있게된다. Fig. 2은 공정가스내 CO농도를 일반적인 조업상황에서 측정한 것이다. 그림에서 알 수 있듯이 조업상황에 따라서 CO농도가 1.0에서 4.0%로 변하고 있으며  평균농도는 2.5%정도로 충분히 축열연소시스템이 무부하 운전이 가능할 정도의 양인 것을 알 수 있다.

2. 축열연소시스템의 연소실 최적운전 온도 결정

축열연소시스템의 최적 연소실 온도결정은 연소실내에서 가연성분인 CO를 얼마나 효율적으로 처리하면서 연료를 최소한으로 사용하느냐에 관건이 있다. 효율적으로 처리한다는 의미는 처리후 배가스중 CO농도가 법규제치인 600ppm이하로 되면서 또한 NOx가 200ppm이하로 되어야 한다는 것이다. 따라서 축열연소시스템의 연소실 온도를 일정온도로 유지하면서 공정가스를 유입시켜 처리후 배가스중의 CO와 NOx농도를 측정하여 연소실의 최적 조업 온도를 결정하였다.

Table 1는 연소실온도에 따른 공정가스 처리후 배가스중 CO와 NOx농도를 나타낸 것이다. □

실험 조건으로 축열연소시스템내 도입 공정가스는 340Nm3/hr이며 이때 절환시간은 150초하였다. 실험결과에서 최적의 연소실 유지온도의 결정은 배가스 CO농도를 법규제치이하로 맞추면서 가스소모량을 가장적게 할 수 있는 850oC로 잡는 것이 타당한 것으로 나타났다.  배가스중 NOx농도의 경우는 축열연소시스템의 연소실 유지온도가 통상 900oC를 초과하지 않기 때문에 thermal NOx의 발생량은 그리 높게 나타나지 않는다.

Fig. 2. CDQ 순환가스의 CO농도 변화

Table 1 CDQ 순환폐가스 처리후 배가스 농도

□

3. P/P 축열연소시스템 운전 결과 종합

우선적으로 CDQ 공정 폐가스의 기존 CO농도가 13000ppm이상으로 유입되는 것을 축열연소시스템을 이용하여 COG사용량을 대폭 줄이면서 법규제치이하로 처리 할 수 있음 을 확인 하였다. COG 사용량에 대한 종합적인 결과는 Table 2에 정리하였다.□

Table 2 P/P 축열연소시스템 운전 결과 종합

Table 2의 계산 기준은 기존의 Otto type CDQ flare stack에서 사용되는 COG사용량을 조사한 결과를 근거로 1,500Nm3/hr사용한다는 것을 전제로 한 것이다. 이렇게 볼 때 최적 축열연소시스템의 운전 조건으로는 연소실 유진 온도는 850oC, 절환시간은 150초로 유지 하는 것이 COG사용량을 최대로 줄일 수 있는 조업 조건이다. 이 조업조건에서 기존 flare stack에서 공정폐가스를 그대로 소각하는데 드는 COG양을 85%이상 저감이 가능하다는 결론을 얻을 수 있었다.