[논문]석탄가스화 공정 모델링에 관한 연구

이중원; 김미영; 지준화; 김시문; 박세익

석탄가스화 공정 모델링에 관한 연구
A Study of Coal Gasification Process Modeling 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.21 no.5, 2010년, pp.425 - 434

이중원 (한국전력공사 전력연구원 수화력발전연구소) , 김미영 (한국전력공사 전력연구원 수화력발전연구소) , 지준화 (한국전력공사 전력연구원 수화력발전연구소) , 김시문 (한국전력공사 전력연구원 수화력발전연구소) , 박세익 (한국전력공사 전력연구원 수화력발전연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Integrated gasification combined cycle (IGCC) is an efficient and environment-friendly power generation system which is capable of burning low-ranked coals and other renewable resources such as biofuels, petcokes and residues. In this study some process modeling on a conceptual entrained flow gasifier was conducted using the ASPEN Plus process simulator. This model is composed of three major steps; initial coal pyrolysis, combustion of volatile components, and gasification of char particles. One of the purposes of this study is to develop an effective and versatile simulation model applicable to numerous configurations of coal gasification systems. Our model does not depend on the hypothesis of chemical equilibrium as it can trace the exact reaction kinetics and incorporate the residence time calculation of solid particles in the reactors. Comparisons with previously reported models and experimental results also showed that the predictions by our model were pretty reasonable in estimating the products and the conditions of gasification processes. Verification of the accuracy of our model was mainly based upon how closely it predicts the syngas composition in the gasifier outlet. Lastly the effects of change oxygen are studied by sensitivity analysis using the developed model.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

사용 예정인 탄종의 물성치를 정확하게 분석하고 그 탄종을 통해 운전 범위 내에서의 반응 속도 데이터를 취득하는 것이 무엇보다 중요하다. 그 이후에는 가스화기 유형에 따라 가능한 한 최대한 유사하도록 취득한 데이터를 모사기에 적용하는 것이다. 본 연구에서 제시된 모델인 flow reactor(PFR) 그리고 continuous stirred tank reactor (CSTR)를 이용한 모사 접근 방법은 유용하고 실질적인 속도데이터를 구하는 경우보다 합리적인 모사를 수행할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 ASPEN Plus사에서 제공한 기본모델링을 바탕으로 기존 다른 모델과의 차이점에 대해 비교하고자 한다.

가설 설정

것이다. 가스 연소 반응의 경우에는 반응속도가 빠르고 반응시간이 짧기 때문에 따로 반응 속도식을 고려하지 않고 전환율을 100%로 가정하였다. 동일한 반응식이 가스화 반응에서도 적용되지만 이러한 경우에는 속도식을 고려하여 적용하였다.
가스화기에 주입되는 고체 입자가 매우 작기 때문에 입자 자체의 충돌(collision)은 드물게 일어나고 형성된애쉬(ash)의 층은 반응 중에 지속적으로 남아있다는 것을 가정한다. 미반응 수축핵 모델의 이론을 정리하면 하기와 같다너).

제안 방법

Cone tinuous stirred tank reactor(CSTR) 경우에 있어서는 체류시간(residence time)을 세 개 모두 1초로 설정하였고 반응의 경우 plug flowreactor(PFR)에 적용한 반응 식과 동일하게 적용하여 모사를 진행하였다.
IGCC 공정에 대한 모델링은 플랜트 혹은 실험실에서 얻어진 데이터와 모사를 통해 생성된 결과 값을 비교하는 방식을 통하여 검증하였다. 본 연구에서 사용하고자 하는 ASPEN plus의 경우 모델링을 수행함에 있어 가장 유용하게 사용되는 공정 툴이다.
사용하여。丿coal 비를 0.3~L3으로 변화 시켜가며 민감도 분석을 수행하였다.
또한 실제적으로는 가스화 기내에서 일어나는 반응을 drying, decompose, burning (가스화)단계로 모사하는 것이 일반적이었다. 그러나 본 모델에서는 가스화반응 단계에서 미반응 수축 핵 모델을 적용하여 모사하였고, 휘발분 연소와 가스화 반응으로 기존의 burning 단계를 나누어 의미 있는 접근을 진행했다. 또한 PFR 모델의 건전성을 확인하기 위하여 gibbs 모델을 적용하여 비교하였다.
여기에서 사용된 gibbs 반응기 모델은 기존연구와 같이 gibbs 반응기만 사용하는 것이 아니 라우선 기상 반응의 빠른 속도와 반응 전환율을 고려하였다. 그리고 gibbs 반응기에서 가스화반응만 일어나도록 모델을 구성하여 기존의 연구에 비해 보다 의미 있는 방법으로 모사를 진행하였다.
마지막으로는 3개의 oontinuais stirred tank reactcr (CSTR)을 연결하여 plug flow reactor(PFR)과 동일한 반응삭을 고려하여 모사를 진행해 보았다. Cone tinuous stirred tank reactor(CSTR) 경우에 있어서는 체류시간(residence time)을 세 개 모두 1초로 설정하였고 반응의 경우 plug flowreactor(PFR)에 적용한 반응 식과 동일하게 적용하여 모사를 진행하였다.
이를 위하여 크게 세 가지 부분을 고려하여 ASPEN plus 내 계산블록(calculation block)을 사용하였다. Stokes' 식을 사용하여 시스템에서의 고체 입자의 속력을 계산하였고, 가스화기의 길 이와 체류 시간 사이의 관계는 Newton怎 방법을 이용하여 계산하였고 그 계산값을 plug flow reactor(PFR)에 반영하였다 *
2와 같이 구성되어 있고, 열분해 (Pyrolysis)를 위한 부분, 휘 발분 연소(volatile come bustion) 부분, 가스화(char gasification) 부분으로구성되어 있다. 전체적은 모든 과정은 실질적으로 가스 화기에서 모두 일어나지만 모사과정에 있어 각반응들을 정확하게 모사하기 위해 상기와 같이 세 부분으로 나누어 모사하였다.

대상 데이터

그리고 각 반응에 사용된 kinetic data는 C.~Y.Wenn 등이 제공하는 자료를 적용하여 모델에 반영하였다.
가스화 반응기는 크게 고정층 가스화기 (moving-bed gasifier), 유동층 가스화기 (fluid-bed gasifier), 분류층 가스화기(entrained-flow gasifer)로 분류된다. 본 연구에서 사용하고자 하는 가스화기의 형태는 분류 층 가스화기로 연료와 분사기 체 (blaster gas)가 평 행류 (co-current)로 흐른다. 반응기 내에서의 연료와 분사 기체의 체류시간은 매우 짧으며, 물질 확산과 이송을 원활하게 하기 위해 미분화하여 사용하는 특징을 갖는다.

데이터처리

그러나 본 모델에서는 가스화반응 단계에서 미반응 수축 핵 모델을 적용하여 모사하였고, 휘발분 연소와 가스화 반응으로 기존의 burning 단계를 나누어 의미 있는 접근을 진행했다. 또한 PFR 모델의 건전성을 확인하기 위하여 gibbs 모델을 적용하여 비교하였다. 여기에서 사용된 gibbs 반응기 모델은 기존연구와 같이 gibbs 반응기만 사용하는 것이 아니 라우선 기상 반응의 빠른 속도와 반응 전환율을 고려하였다.

이론/모형

이를 위하여 크게 세 가지 부분을 고려하여 ASPEN plus 내 계산블록(calculation block)을 사용하였다. Stokes' 식을 사용하여 시스템에서의 고체 입자의 속력을 계산하였고, 가스화기의 길 이와 체류 시간 사이의 관계는 Newton怎 방법을 이용하여 계산하였고 그 계산값을 plug flow reactor(PFR)에 반영하였다 *
미반응수축 핵 모델 (u成eacted shrinking core model) 은 포트란 코드(fortran code)를 사용하여 subroutine# 구성하였고, 이를 ASPEN plus에 적용하여 연산이 이루어지도록 구성하였다. 그리고 각 반응에 사용된 kinetic data는 C.
이를 위해 Wen & ChaungD에 의해 제안되고 ASPEN Plus에서 “Entrained Flow Coal Gasifier""> 에 적용한 다음의 식을 이용하여 압력에 따른 영향을 보정하였다.

성능/효과

ASPEN plus를 이용한 모사 결고" 시도한 세 가지 모델 모두 예상값을 크게 벗어나지 않는 의미 있는 결과를 얻을 수 있었다.
. 더불어 민감도 분석을 통하여, 제시한 모델이 실제적인 거동과 유사함을 알 수 잇었고 최적의 Q/coal 비를 찾을 수 있었다. 향후 연구에 있어 가스화 기의 특성에 따라 연구가 가능하도록 구성하였다.

후속연구

그 이후에는 가스화기 유형에 따라 가능한 한 최대한 유사하도록 취득한 데이터를 모사기에 적용하는 것이다. 본 연구에서 제시된 모델인 flow reactor(PFR) 그리고 continuous stirred tank reactor (CSTR)를 이용한 모사 접근 방법은 유용하고 실질적인 속도데이터를 구하는 경우보다 합리적인 모사를 수행할 수 있을 것이다.
이러한 결과를 바탕으로 탄종의 변화, 열분해 (pyrolysis) 결과에 따른 변경에 따른 합성가스의 조성 변경에 대해 연구할 예정이다.

참고문헌 (16)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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