가압 유동층 가스화기에서 온도,압력, 유속이 반응에 미치는 영향

이경우, 조성호1, 이창근1, 김의식

충북대학교 화학공학과; 한국에너지기술연구원1

(lgwlgw@hanmail.net)

Effects of Temperature, Pressure and Velocity on Pressuried Fluidized Bed Gasifier

Kyoung-Woo Lee, Sung-Ho Jo1, Chang-Keun Yi1, Eui-Sik Kim

Chungbuk National University; Korea Institute of Energy Research1

(lgwlgw@hanmail.net)

1. 서론

가스화 반응은 열분해와 열분해 생성물인 촤의 가스화 반응으로 이루어져 있으며 열분해 반응은 촤의 가스화 반응보다 매우 빠르므로  촤의 가스화 반응이 전체공정의 율속단계가 된다.  촤의 가스화는 [eqn: C`` +``H_2`O~ -> ~ CO``+``H_2]가 주된 반응이지만 여러 부가반응이 일어나 [eqn: CH_4], [eqn: CO_2] 등의 기체가 생성된다. 발열량이 높은 CO 와 [eqn: H_2]의 생성수율을 높이기 위해서 고온, 저압이 요구되며, [eqn: CH_4]의 생성수율을 높이기 위해서는 저온, 고압의 조건이 필요함을 여러 문헌에서 밝히고 있다.[1]

가스화 반응조건의 최적화는 실용화를 위한 가스화 반응기 설계와 조작의 효율성 증진에 필수적이며, 반응성에 따라 최적 가스화 반응조건도 변하므로 반응성에 대한 이해가 우선되어야 한다. 또한, 반응성과 반응조건의 변화에 따른 가스화가 원료에 따라 서로 다른 결과를 보여주고 있어 일반화하기가 어려우므로 각각의 원료에 대한 최적조건을 구해야 한다.

본 연구에서는 역청탄과 그것의 열분해로 얻은 촤와 petroleum coke 그리고 활성탄을 원료로  공기와 수증기를 가스화제로 사용한 높이 180 cm 내경 9.7 cm의  가압 유동층 반응기에서 각 시료들의 반응성과 온도, 압력, 유속 등의 반응조건이 가스화 생성물에 미치는 영향을 검토하여 각 시료의 가스화 최적반응 조건을 구하고자 하였다.

2. 실험

2-1. 실험 장치

본 실험에 사용된 장치는  높이 180 cm 내경 9.7 cm의  가압 유동층 반응기로 가열부는 총 8KW급의 외부heater 에 의해 초기에 착화온도인 700℃ 까지 유지시키도록 했으며 그이상의 온도는 시료의 반응열에 의해 유지되도록 하였으며, 온도는 열전대에 의해 4군데에서 측정하였다.  시료는 최대 25g/min의 유속을 갖는 screw feeder에 의해 공급되며 타르생성을 방지하기 위해 유입부에 냉각기를 설치하였다.  수증기는  별도의 기화장치 없이 정량펌프를 통해 물이 분산판 하부로  들어오면서 외부 히터에 의해 기화되어 공급되도록 하였고, 공기는 분산판 하부로  들어오면서  외부 히터에 의해 예열되도록 하였다.

반응기로 screw feeder에 의해 층물질로 모래(60∼250□ 크기) 2 kg이 먼저 유입되고, 다음 석탄이 유입되고 나서 온도가 가스화 온도에 도달하면 정량펌프에 의해 물을 공급하여 가스화 반응이 진행되도록 하였으며 30분 정도가 지나면 가스화 조성이 일정한 평형온도에 도달되었다. 생성기체 조성은  2중 사이클론에 의해 분진을 제거한 후 외부로 배출되며  일부가 필터를 거친 후 Hatmann & Braun 분석기에 의해 측정되었으며, 온도, 압력, 유속과 함께 각 성분의 조성이 컴퓨터에 의해 연속적으로 모니터 되도록 하였다.

2-2. 시 료

본 실험에 사용된 시료는 원탄과 caking을 억제하기 위해 500℃에서 질소 가스를 사용해 열분해시킨 촤 와 활성탄 그리고 petroleum coke로서 특성이 Table 1.에 나타나 있다.

Table 1. Chemical Properties of samples

Sample		Coal	Char	Act.carbon	Pet.coke
Proximate analysis (wt%)	Moisture(%)	10.18	0.96	6.99	0.76
	Volatile(%)	29.5	13.26	20.04	9.42
	Ash(%)	8.75	10.35	1.63	1.05
	F.carbon(%)	51.58	75.43	71.34	88.73
Ultimate analysis (wt%)	C (%)	73.77	84.23	82.35	89.38
	H(%)	4.1	1.55	3.30	3.65
	N(%)	0.56	0.76	0.47	1.2
	O(%)	12.55	3.15	11.76	0
	S(%)	0.52	0.42	0.07	6.09

3. 결과

3-1. 온도에 따른 조성변화

5 기압하에서 온도에 따른 각 시료의 조성변화를 Fig.1 와 Fig.2 에 도시하였는데 [eqn: CO]와 [eqn: H_2]는 온도에 따라 증가하고 [eqn: CO_2]는 감소하며 [eqn: CH_4]는 일정함을 보여주고 있다.

이것은 각 시료의 반응온도의 증가는 연소반응보다 수증기 가스화 반응속도를 훨씬 증가시키며 [2], 발열반응인 [eqn: C~+~O_2~ -> ~CO_2] 연소반응의 진행을 억제하고, 흡열반응인 수증기 가스화 반응인  [eqn: C`` +``H_2`O~ -> ~ CO``+``H_2]와 Boudouard 반응인[eqn: C ``+``CO_2~ -> ~2CO] 의  반응을  촉진시켜[eqn: CO_2]의 감소와 [eqn: CO], [eqn: H_2] 를 증가시킴에 기인하며,  반면 [eqn: CH_4]는 열분해 결과에서 보여준 바와 같이 열분해 반응에서 대부분 생성되며 가스화 반응에 의한 생성은 미흡하며 온도에 영향을 거의 받지 않는 것을 알 수 있다.

Fig.1 는 촤의 조성변화를 나타낸 것으로 Fig.2 의 원탄 보다 높은 수율의  [eqn: CO]와 [eqn: H_2] 값을 보여주고 있다. 이는 촤의 높은 반응성 뿐만 아니라  원탄의 경우 열 분해시 [eqn: CO]와 [eqn: CO_2], [eqn: CH_4], [eqn: H_2] 가 휘발성 물질로 배출되어  가스화 반응의 방해 작용을 하는 것으로 보인다[3].

3-2.압력과 유속에 따른 조성변화

반응기 압력과 압력의 증가는  생성되는 기체량이 많아지므로 CO와 [eqn: H_2]수율이 크게 낮아지지 않는 한 높은 압력과 유속에서의 반응이 경제적으로 유리하다.

Fig.3 과 Fig.4 에서  압력이 증가함에 따라서 [eqn: CO_2] 수율의 증가와 CO와 [eqn: H_2]의 수율이 감소하는 경향을 보이며 [eqn: CH_4]는  미소한 증가현상은 보이지만 전체적으로 큰 변화는 나타나지  않는다.

공기/시료비의 변화에 따른 1기압과 5기압에서의 조성변화는 공기양의 증가시 압력증가에 따라 [eqn: H_2], CO의 분율이 급격히 감소함을 보여주고 있으며, Fig.5∼ Fig.6은  유속증가에 따른 [eqn: H_2], CO 분율  또한 공기/시료비가 증가함에 따라  감소함을 보이고 있다.

5기압하에서 공기/시료비가 4 이하로 감소하면 caking 현상이 발생하였다[4]. 즉, caking 현상은 압력증가에 따른 열분해시 타르의 방출억제에 의한 swelling ratio의 증가에 기인할 뿐만 아니라 공기/시료 비의 감소에 의한 미반응의 타르축적으로 인한  점결성의 증가로 응집이  일어난다고 추정할 수 있다.

Fig.1 Effect of Temperature on

Gas Composition

( 5atm, [eqn: H_2 O]/C:0.5, Air/C: 5, Char )

Fig.2 Effect of Temperature on

Gas Composition

( 5atm, [eqn: H_2 O]/C:0.5, Air/C:5 , Coal )

Fig.3 Effect of A/C of Gas Composition

([eqn: H_2 O]/C:0.5, Coal )

Fig.4 Effect of A/C of Gas Composition

([eqn: H_2 O]/C:0.5, Coal )

Fig.6 Effect of Velocity Gas Composition

([eqn: H_2 O]/C:0.5, Coal)

Fig.5 Effect of Velocity Gas Composition

([eqn: H_2 O]/C:0.5,  Coal)

4. 결론

1. 원탄과 촤를 사용한 가스화반응의  생성물 분포를 비교한 결과  원탄을 사용시 촤 에     비해 낮은 수율의 CO와 H2 를 생성한다. 이것은 촤의 가스화 반응성이  크기 때문일     뿐만 아니라  원탄의 열분해시 생성된 CO, [eqn: CO_2], [eqn: H_2] 등이 가스화 반응을 억제하기      때문이다.

2. 반응생성물인  CO와 [eqn: H_2] 수율이 압력변화와  유속변화 그리고 공기량 변화 등에  영    향을 받으나 공기/시료비가 5 이하인 조건하에서는  압력과 유속의  영향이 크지 않     으므로 경제적으로 유리한 높은 유속 과 고압의 반응조건을 구하는 것이  가스화반응    에 필수적임을 보여 준다.

4.참고문헌

1. Wen, C.Y. and Lee, E.S. : "Coal conversion technology", Addison-Wesley               Publishing Co., Inc.(1979)

2. Lee, J.M., Kim, Y.J., Lee, W,J. and Kim, S.D.: HWAHAK KONGHAK, 35,             121(1997)

3. Goyal, A., Zabransky, R.F. and Rehmat, A.: Ind. Eng. Chem. Res., 28, 1767(1989)

4. Alejandro, M .and Fanor, M. : Fuel, 77, 1831(1998)