석탄으로부터 수소, 일산화탄소 등의 가스 연료를 생산하기 위하여 개발된 석탄 가스화 공정은 이산화탄소 저장, 환경 유해 물질 저감 등의 우수성으로 인하여 최근 세계 각국에서 앞다투어 개발에 나서고 있다. $75{\mu}m$ 이하의 미분탄을 이용하는 분류층 가스화 공정은 용량의 대형화가 쉽고, 에너지 전환 효율이 우수하여 석탄가스화복합발전(IGCC) 등에 널리 이용되고 있다. 특히 석탄슬러리를 원료로 사용하는 습식 분류층 가스화 공정은 기술적으로 성숙되어 가장 많이 보급되고 있다. 본 논문에서는 습식 분류층 가스화 공정을 이루는 석탄전처리, 버너, 가스화기, 슬래그용융, 가스화 운전 특성과 설계 및 해석을 위한 수치모사 등의 요소기술 개발 현황을 고찰하였다. 습식 석탄가스화는 IGCC 플랜트에서 뿐만 아니라 합성석유, SNG, 화학원료 제조용으로 활용될 수 있으며 융합 공정, 연료 다변화 등에 대응하기 위하여 요소기술별 추가적인 기술개발이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
석탄으로부터 수소, 일산화탄소 등의 가스 연료를 생산하기 위하여 개발된 석탄 가스화 공정은 이산화탄소 저장, 환경 유해 물질 저감 등의 우수성으로 인하여 최근 세계 각국에서 앞다투어 개발에 나서고 있다. $75{\mu}m$ 이하의 미분탄을 이용하는 분류층 가스화 공정은 용량의 대형화가 쉽고, 에너지 전환 효율이 우수하여 석탄가스화복합발전(IGCC) 등에 널리 이용되고 있다. 특히 석탄슬러리를 원료로 사용하는 습식 분류층 가스화 공정은 기술적으로 성숙되어 가장 많이 보급되고 있다. 본 논문에서는 습식 분류층 가스화 공정을 이루는 석탄전처리, 버너, 가스화기, 슬래그용융, 가스화 운전 특성과 설계 및 해석을 위한 수치모사 등의 요소기술 개발 현황을 고찰하였다. 습식 석탄가스화는 IGCC 플랜트에서 뿐만 아니라 합성석유, SNG, 화학원료 제조용으로 활용될 수 있으며 융합 공정, 연료 다변화 등에 대응하기 위하여 요소기술별 추가적인 기술개발이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
Coal gasification process, which had developed originally to convert coal from hydrogen and carbon monoxide, has used and developed in many countries because of environmental advantages such as carbon dioxide storage, decrease of pollutants and so on. Generally entrained-flow gasification process us...
Coal gasification process, which had developed originally to convert coal from hydrogen and carbon monoxide, has used and developed in many countries because of environmental advantages such as carbon dioxide storage, decrease of pollutants and so on. Generally entrained-flow gasification process using pulverized coal under $75{\mu}m$ is used in Integrated Gas Combined Cycle(IGCC) because of easy scale up and high efficiency of energy conversion. Especially entrained-flow gasifers with coal water slurry have been used in many applications due to its fully developed technologies. In this paper, several technologies for coal-water slurry gasification that involves slurry preparation, burner, gasifier, slag melting and numerical simulation for plant design and operation were investigated. Entrained-flow gasification with coal water slurry can be used for synfuel production, SNG, chemicals as well as IGCC. To develop hybrid gasification process and use different types of coal, it is necessary to develop new technologies that will increase efficiency of the process.
Coal gasification process, which had developed originally to convert coal from hydrogen and carbon monoxide, has used and developed in many countries because of environmental advantages such as carbon dioxide storage, decrease of pollutants and so on. Generally entrained-flow gasification process using pulverized coal under $75{\mu}m$ is used in Integrated Gas Combined Cycle(IGCC) because of easy scale up and high efficiency of energy conversion. Especially entrained-flow gasifers with coal water slurry have been used in many applications due to its fully developed technologies. In this paper, several technologies for coal-water slurry gasification that involves slurry preparation, burner, gasifier, slag melting and numerical simulation for plant design and operation were investigated. Entrained-flow gasification with coal water slurry can be used for synfuel production, SNG, chemicals as well as IGCC. To develop hybrid gasification process and use different types of coal, it is necessary to develop new technologies that will increase efficiency of the process.
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제안 방법
Alaska탄 slag 점도는 250 poise보다 낮은 값의 범위에서 Newtonian fluid 특성을 보이며, 1, 300 oC 이하의온도에서 부분적으로 응고되는 현상이 일어났다. Datong, Drayton 탄의 경우 silica ratio 값이 크므로 slagging 특성이 매우 작고 용융점도가 높으므로 CaCO3 를 flux로 첨가한 실험결과가 이루어졌다. 첨가량 및 온도증가에 따라 slag 점도변화는 감소하였으며, Tcv 값도 낮아진 결과를 보였으며, 반응온도를 1, 400 oC로 유지시 Tcv가 250 poise 이하를 유지하기 위해서는 flux가 필요한 석탄의 경우 투입할 적정 CaCO3 량은 Drayton 40%, Datong 25%, Roto 20% 수준인 것으로 발표되었다 [25].
위의 실험결과에서 슬러리 공급부와 2차 산소 공급부간의 거리가 멀수록 미립화 특성은 불리하게 나타남을 확인할 수 있었다. 각각의 노즐의하단부의 길이는 22 mm로 고정한 상태에서 분사되어지는 각도를 50도, 60도의 두 가지 종류로 실험을 실시하였다. 분사각도에 따른실험 결과를 Fig.
HWD 공정은 처리온도 270〜330 oC에서 체류시간을 10분 이하로 유지하여 운전하는 방법으로 일본 Japan COM, 호주 HRL Technology Pty Ltd. 에서 고수분 저탄화 석탄을 비증발법으로 수분제거 및 고농도화하는 기술을 개발하였다. 중국 대동탄광에서는 부유선광 원리에 의한 탈회 (deashing) 공정으로 고품질의 석탄슬러리연료를 생산하는 것으로 보고되고 읏}다 [19].
이론/모형
지배방정식 : 가스상의 유체흐름은 k七 난류모델을 사용하고, 석탄 슬러리 거동해석은 Randam-Traj ectory 모델을 도입할 때 가스상지배방정식은 다음과 같다.
성능/효과
9는 국내 발전용 석탄에 대한 slag viscosity를 molybdenum 재질의 crucible을 사용하여 가스화 분위기 하에서 고온용 점도계를사용하여 즉정한 결과이다. Alaska탄 slag 점도는 250 poise보다 낮은 값의 범위에서 Newtonian fluid 특성을 보이며, 1, 300 oC 이하의온도에서 부분적으로 응고되는 현상이 일어났다. Datong, Drayton 탄의 경우 silica ratio 값이 크므로 slagging 특성이 매우 작고 용융점도가 높으므로 CaCO3 를 flux로 첨가한 실험결과가 이루어졌다.
19〜20에 나타내었다. O2/ fuel 비율값이 증가할수록 산소와 반응하는 석탄의 양이 증가하면서 가스화기의 온도는 상승한 반면 h2, CO 의 생성량이 줄어들고, CO2 의 생성량이 증가하면서 합성가스 발열량은 감소하였다. 이때의 탄소전환율은 최대 90%, 냉가스효율은 50% 정도로나타내었다.
Ternary phase diagram로부터의 결과보다 실제 측정치는 150 oC 정도 낮은 값을 보이는데 이는 다른 미량 성분 중 base oxide 성분에 의하여 용융온도를 낮게 작용하는 것으로 해석되었다. 가스화 반응특성과 반응기 재질등을 고려하여 가스화 온도 범위를 1, 400〜1, 500 oC로 선정하는 경우, flux의 첨가 범위는 ash 중 CaO 농도를 20〜30%의범위까지로 보아야 할 것으로 나티났다. 투입 flux 최소점을 보여주는범위 부근에서 융점 변화를 Base/Acid와의 관계로 파악해보면 Fig.
가스화용 버너의 개발을 위하여 여러 형태로 제작되어진 버너를실제 운전 조건과 동일한 공급량의 슬러리모사유체와 산소를 공급하면서 OJfuel ratio, 슬러리 공급량을 변경하여 분무 특성을 관찰한 결과, 산소 공급 노즐의 각도, 산소 노즐과 슬러리 노즐과의 거리, 노즐 혼합방식에 따라 분무 미립화에 큰 영향이 있음을 확인하였다. 산소 노즐과 슬러리 노즐과의 거리 영향에 대한 실험결과 산소의 분사거리가 25 mm 에서 입자사이즈가 약 110 卩로 가장 우수한 실험결과를 얻을 수 있었으며 Fig.
12에 나타내었다. 동일한 산소 공급량에서 분사각도에 따라서 입도 분포가 다르게 나타나며 실험 결과 분사각도 60도가 가장 우수하게 나타냈다. 또한 슬러리의 공급량이 고정된 상태에서 산소의 공급량이 늘어날수록 미립화는 우수하게 나타나며, O2/Fuel ratio 1.
동일한 산소 공급량에서 분사각도에 따라서 입도 분포가 다르게 나타나며 실험 결과 분사각도 60도가 가장 우수하게 나타냈다. 또한 슬러리의 공급량이 고정된 상태에서 산소의 공급량이 늘어날수록 미립화는 우수하게 나타나며, O2/Fuel ratio 1.1 이상에서는 각도에 따른 미립화 특성은 많은 영향을 미치지 않는 것으로 보였다. 가스화 버너 미립화 실험을 통하여미립화 불량요인은 여러 가지로 나타났는데, 가장 문제가 되는 경우로는 Fig.
%이나, 점도치가 5, 000 이상으로 저장 및 이송시 문제점으로 작용하였다. 슬러리 고농도화를 위하여 석탄이 물속에서의 분산성을 향상시키도록 석탄입자의 표면을 친수성으로 유지하기 위한 첨가제로 Na- Naphthalene sulfonate의 Formaldehyde 죽합체를 석탄과 물의 혼합물에 투입한 결과, Fig. 6와 같이 점도 특성이 낮아지는 첨가효과를보였는데, 슬러리 농도 62.5%를 제조시 0.3% 첨가함으로 인하여 Datong 탄의 점도는 4, 800 cp에서 1, 000 cp 정도로 감소하였다. 또한 계면활성제 분산성을 더욱 향상시키기 위하여 전해질인 가성소다 용액을 0.
산소의 공급유량이 증가하면 탄소전환율은 현저히 증가하지만, 수소의 분율이 감소하고 이산화탄소의 분율이 증가하는 바람직하지 않은 현상이 나타나며 산소의 소모가 커지므로, 필요 이상으로 산소/고체연료 공급 비를 증가시키는 것은 효율 면에서 좋지 않은 것으로 평가되었다[48-52]. 실험 중 가스화기 내 온도는 대략 1, 200〜1, 400 oC 범위로 조절되었으며, 이때 합성가스 발열량은 1, 000〜1, 700 kcal/ Nm3 의 값을 보였다. 이러한 생성되는 합성가스 조성 및 유량 결과를 이용하여 계산된 O2/fuel 비율에 따른 합성가스 발열량, 탄소전환율 및 냉가스효율 결과를 Fig.
용융온도가 1, 500 oC 이상인 석탄에 대하여 CaO-Al2O3-SiO2의 pseudo-ternary phase diagram 상에서 융점강하용 flux로 CaO의 첨가량이 증가함에 따른 용융점을 파악되었다. Fig.
11에 나타내었다. 위의 실험결과에서 슬러리 공급부와 2차 산소 공급부간의 거리가 멀수록 미립화 특성은 불리하게 나타남을 확인할 수 있었다. 각각의 노즐의하단부의 길이는 22 mm로 고정한 상태에서 분사되어지는 각도를 50도, 60도의 두 가지 종류로 실험을 실시하였다.
후속연구
습식석탄 가스화에서는 수분함량에 따라 열손실로 CO2 조성이 증가하게 되므로 슬러리 고농도화는 아주 중요하다. 가스화기에서 정상적인 연속조업을 위해서는 원활한 슬래그 배출이 필수적이므로, 가스화기 온도 제어 또는 경우에 따라서 회융점 강하를 위한 flux 투입이 검토되어야할 것이다.
성능이 상당한 차이를 보이게 된다. 버너의 혼합도를 증가시켜성능향상은 물론 마모가 적게 발생하는 구조설계 및 재료개발이 병행하여 이루어져야 할 것이다.
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