제안 방법

• 40-70vol%의 높은 일산화탄소를 포함하는 건식 석탄 가스화 공정과 연소전 이산화탄소 포집 공정의 연계를 위해 필요한 수성가스 반응의 특성을 고찰하기 위하여 2l/min의 수성가스 반응기를 설계 및 제작하였다(Fig. 1). 수성가스 반응 시스템은 모사 합성가스 주입 모듈, 후)220℃+10℃온도를">220℃+10℃ 온도를 유지하도록 하였다. GC(HP 6890)를 사용하여 질소가 검출되지 않는 시점부터 GC와 NDIR 분석기를 이용하여 모사 합성가스의 조성과 반응 후의 가스 농도를 측정하였다.
• 후)가압실험의">가압 실험의 경우, 질소 가스를 이용하여 조업 압력까지 맞춘 후에 동일한 순서에 따라서 실험을 진행하였다. 반응기 압력이 안정화된 후, 각 장치별 heater(steam heater : 250℃, pre-heater : 400℃, HTS heater : 380℃, LTS : 220℃)를 조절하여 정상 상태를 만든다.
• 후)건식가스화에서">건식 가스화에서 배출되는 합성가스의 평균 조성을 기준으로 다양한 조성의 합성가스를 실험에 이용하기 위하여 석탄 가스화를 통해 나오는 합성가스에 포함되어 있는 대표적인 가스들-수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 질소-을 4개의 MFC(Brooks Co., 5850)를 통해 독립적으로 제어하여 가스 농도를 조절하였다. 반응 가스로 사용되는 일산화탄소, 수소, 이산화탄소 가스는 MFC를 통해서 혼합기로 주입되며 모사 합성가스의 농도는 ND-IR 분석기를 통해서 확인되었다.
• 후)상용플랜트에서는">상용 플랜트에서는 질소 함량이 이산화탄소 함량보다 매우 작기 때문에 본 실험에서는 일산화탄소, 수소, 이산화탄소만을 이용하여 실험을 하였다. 더불어 수성가스 반응에서의 이산화탄소 영향을 고찰하기 위하여 평균 조성과는 다르게 이산화탄소 농도를 15%까지 증가시켜 주입하였다.
• 후)솔레노이드벨브를">솔레노이드 벨브를 통해 작동되어 실험 동안에 온도가 유지되도록 하였다. 더불어 증기의 응축을 방지하기 위하여 HTS 반응기와 LTS 반응기 사이에 열교환기를 설치하여 220℃+10℃ 온도를 유지하도록 하였다. GC(HP 6890)를 사용하여 질소가 검출되지 않는 시점부터 GC와 NDIR 분석기를 이용하여 모사 합성가스의 조성과 반응 후의 석탄 가스화용 수성가스 공정 개발에 요구되는 촉매 운전 특성을 고찰하기 위하여 Bench-scale 및 lab-scale 건식 석탄 가스화기에서 배출되는 합성가스들의 평균 조성을 기준으로 하였으며, 특히 일산화탄소를 기준으로 50-70vol%까지 변화시켜가며 합성가스 내의 조성 변화에 대한 수성가스 반응을 검토하였으며 평균 조성을 이용하여 계산한 본 실험의 유량 조건을 Table 1에 나타내었다^2,9).
• 온도, 압력, steam이 다 안정된 상태에서 질소 가스를 모사 합성가스로 교체하여 실험을 실시하였으며 WGS 공정에 의한 발열반응으로 촉매층의 온도가 운전온도보다 상승할 경우 반응기 외벽에 설치된 air cooler가 솔레노이드 벨브를 통해 작동되어 실험 동안에 온도가 유지되도록 하였다. 더불어 증기의 응축을 방지하기 위하여 HTS 반응기와 LTS 반응기 사이에 열교환기를 설치하여 반응기 압력이 안정화된 후, 각 장치별 heater(steam heater : 250℃, pre-heater : 400℃, HTS heater : 380℃, LTS : 220℃)를 조절하여 정상 상태를 만든다. 온도와 압력이 정상상태에 이르면 맥동이 적은 HPLC pump를 사용하여 필요한 만큼의 수분을 정량 주입하였으며, 1.5KW 용량의 히터를 사용하여 1차로 온도를 상승시키고 모사가스와 함께 세라믹 볼이 충진된 pre-heater로 투입되도록 하였다.
• 후)저온수성가스">저온 수성가스 반응기 후단의 열교환기에서 물이 포집되면 질소 주입을 중지하고 모사 합성가스를 주입하여 반응을 시작하였다. 수성가스 반응 실험은 다음과 같은 순서로 진행되었다. 질소를 이용하여 반응기 내부의 공기를 배출시키면서 고온 촉매 반응기와 저온 촉매 반응기의 온도를 실험 온도까지 상승시킨 후, 반응기의 온도가 반응 온도(HTS: 300℃, LTS: 180℃)에 도달하면 가압 질소를 이용하여 적정량의 물을 증기 발생기에 주입시켰다.

  대상 데이터

  • 표에서 보듯이 건식 가스화 공정에서 배출되는 합성가스 내에는 일산화탄소가 가장 많이 포함되어 있으며 이산화탄소와 질소가 소량 포함되어 있다. 그러나 실제 상용 플랜트에서는 질소 함량이 이산화탄소 함량보다 매우 작기 때문에 본 실험에서는 일산화탄소, 수소, 이산화탄소만을 이용하여 실험을 하였다. 더불어 예열된 모사 합성가스는 HTS, LTS 반응기를 거치며 일산화탄소의 대부분을 수소와 이산화탄소로 이루어진 가스(Shifted gas)로 전환시키게 된다. 실험에 사용된 촉매는 상용 HTS, LTS 촉매들을 사용하였으며 자세한 성상은 Lee et al.²⁾에 나타나있다.
  • 실험에 사용한 모사 합성가스 조성은 CO:H2:CO2 = 65: 30: 5 이며 S/C(Steam/Carbon) 비는 일반적으로 이용되는 2.5로 하였다.