[논문]컴팩트 석탄 가스화기 개발을 위한 이중선회버너 운전 평가

강석환; 류재홍; 정석우; 정우현; 유상오; 이도연; 윤용승; 이진욱; 김규태; 이민회

doi:10.5855/energy.2013.22.2.096

초록
AI-Helper

석탄가스화 기술은 청정석탄에너지 기술 중에서 아주 중요한 대안으로 인식되고 있으며, 이에 전 세계적으로 차세대 석탄가스화기라고 할 수 있는 고효율 저비용 석탄가스화기를 개발하고 있다. 본 연구에서도 이러한 목적의 달성을 위하여 저비용으로 구현이 가능한 컴팩트 석탄가스화기를 개발하고 있으며, 다수개의 공급부로 이루어진 일체형 이중선회형 버너를 개발하였다. 개발된 버너의 가스화 운전조건을 확보하기 위하여 미분탄 분배기와 함께 기존의 석탄가스화기 몸체에 설치하여 가스화 실험을 수행하였다. 인도네시아산 아역청탄인 ABK 탄을 사용하여 1.5톤/일의 파일럿 규모로 $6.4{\sim}7.2kg/cm^2$, $1170{\sim}1300^{\circ}C$ 조건에서 운전을 수행하였다. 우선 성능평가보다는 안정적인 가스화기 운전조건을 확보하는데 중점을 두었다. 그 결과, 안정적인 운전조건에서 탄소전환율은 84.0%, 냉가스 효율 52.1%를 확보할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Coal gasification is considered as one of the best alternatives among clean coal technology and new concept next generation technologies are under being developed to achieve low cost as well as high efficiency. In this study we have developed double swirl multi-burner as part of the development of l...

Coal gasification is considered as one of the best alternatives among clean coal technology and new concept next generation technologies are under being developed to achieve low cost as well as high efficiency. In this study we have developed double swirl multi-burner as part of the development of low cost compact gasifier. We installed new concept multi-burner with pulverized coal distributor to the body of existing gasifier for burner test. Gasification test was performed under the condition of $6.4{\sim}7.2kg/cm^2$ and $1170{\sim}1300^{\circ}C$ by using Indonesian ABK (sub-bituminous) coal to get operation condition of new concept multi-burner. Our interest was focused to ensure a stable operating condition rather than the gasifier performance evaluation. As a result, we were able to achieve the carbon conversion of 84% and the cold gas efficiency of 52.1% at the stable operating conditions.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

저비용의 가스화기의 개발하기 위한 방법의 하나로 가스화기 체적의 컴팩트화를 들 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 체류시간이 3초 이상인 기존 국내 파일럿 플랜트 가스화기보다 고성능의 컴팩트 석탄 가스화기 개발을 진행하고 있는데, 먼저 개발한 미분탄 분배기와 다수개의 공급부로 구성된 일체형 이중선회 버너를 기존 가스화기에 적용하여 운전하고, 이의 결과로부터 컴팩트 가스화기 개발에 적용하기 위한 미분탄 분배기와 일체형 이중선회 버너의 성능에 대해 평가하고자 한다.

제안 방법

가스화기 내부의 내화재 온도는 미분탄이 산소와 함께 공급되었을 때 자연발화가 진행될 수 있도록 충분한 예열이 필요하므로 2개의 예열버너로 LPG와 산소를 공급하여 약 48시간 동안 가스화기의 내부온도를 1,200℃ 정도까지 상승시킨 후 가압을 진행하였다. 가스화기 시스템의 가압의 경우 후단의 압력조절밸브를 완전히 차단하고 고압의 질소 가스를 이용하여 가스화기 운전압력인 7 kg/cm²까지 빠른 시간 내에 가압을 수행하였다.
가스화기의 운전 후 가스화기 내의 상부와 하부, 사이클론 및 집진기에서 채취한 시료들을 원소 및 공업분석, 입도분석, SEM 등을 수행하였다. 본 연구에서는 운전온도가 매우 높지 않았기 때문에 반응 후회재는 용융 슬랙이 아니라 입자상으로 배출되었다.

대상 데이터

대상탄의 시료는 미분탄 연소발전소에서 사용하는 동일한 -200 mesh (80~90%를 통과)의 크기를 질소로 농후(dense phase) 상태로 미분탄 분배기에서 세 등분으로 나누어져 세 개의 노즐을 통하여 가스화기로 유입된다. 산화제인 산소는 각각의 노즐을 감싸고 있는 환형 영역에서 나선형의 선회기를 거쳐서 가스화기에 주입된다.
본 연구에서 사용한 가스화 시스템은 대상탄을 74μm의 크기로 분쇄함과 동시에 수분함량을 5% 이내로 건조하는 석탄 분쇄/건조 장치, 분쇄된 미분탄을 기류수송방식에 의해 고압으로 석탄가스화기에 공급하는 고압미분탄 공급 장치, 미분탄을 3개의 지류로 분배하는 미분탄 분배기 및 3개의 미분탄 노즐과 하나의 예열 버너로 구성된 일체형 버너, 가스화 반응에 의해 합성가스(CO, H2)를 제조하고 불연분은 회재 또는 슬랙으로 배출하는 가스화기, 합성가스에 포함된 분진을 제거하기 위한 고온집진 장치 등으로 구성된다(Fig. 1).
1). 본 연구에서 사용한 가스화기는 가용 운전압력이 20kg/cm2, 온도가 1,500℃인 반응 영역의 내경이 200mm로 되어 있는 가스화기이며, 내화재는 세 층으로 되어 있다. 미분탄은 분배기를 거쳐 3개의 지류로 나누어 진 후에 내부에 선회를 부여할 수 있도록 제작된 각각의 버너에 산화제인 산소와 함께 가스화기로 주입되며, 하부에 보조버너가 1개 설치되어있다(Table 1).
본 연구에서 사용한 석탄은 수분함량이 9.2%인 인도네시아산 ABK탄이며, 건조단계를 거쳐 수분을 4%까지 낮추어 사용하였다. 가스화기에 투입되는 미분탄의 공업분석치, 원소분석 결과, 미연분의 화학조성 및 회분의 용융온도를 Table 2에 나타내었다.

데이터처리

이후 정제된 가스는 CO, N₂, H₂, CH₄, O₂, CO₂ 등의 분석이 가능한 on-line 가스분석기로 유입된다. CO, CO₂, CH₄의 분석은 적외선 방식의 ULTMAT 23 (Siemens사)을 이용하였고, H₂의 분석은 열전도도(TCD, Thermal Conductivity Detector) 방식의 A&D 9000 series (A&D system사)를, O₂는 전기화학 센서(EC, Electrochemical cell)방식의 ULTMAT 23 (Siemens사)를, H₂S는 자외선 방식의 AO 2020(ABB사)을 이용하여 분석하였으며, 측정된 모든 분석 값들은 실시간 저장할 수 있게 하였다.

이론/모형

가스화기의 운전조건은 Table 3에 나타내었다. 가스화 반응을 통하여 생성되는 합성가스의 조성은 on-line 분석시스템을 이용하여 실시간으로 측정하였다[8,9].

성능/효과

1. 분류층 가스화기에 대한 새로운 개념의 미분탄분배기와 이중선회형 버너를 적용하여 초기 가스화 조건과 안정적인 운전조건을 확립하였다.
2. 정상적인 운전조건(6.4 ~ 7.2 kg/cm², 1170 ~ 1300 ℃)에서 탄소전환율은 84.0%, 냉가스효율은 52.1%를 얻었으며, CO와 H²의 합이 60%를 초과하는 고무적인 결과를 확보하였다.
본 연구결과들을 통하여 나타낸 바와 같이 미분탄분배기와 일체형 이중선회 버너를 적용한 가스화기운전 시 안정적인 결과를 확인할 수 있었고, 운전결과들의 해석을 통하여 가스화 반응 개시 초기에는 상대적으로 높은 O₂/Coal 비율로 유지하여 가스화기 내부 내화재 온도를 충분히 상승시켜 줌과 동시에 가압을 수행하는 것이 운전상 효율성이 높음을 알 수 있었다. 또한 가압완료 후 약 0.

후속연구

3. 이상의 결과는 향후 컴팩트한 가스화기의 개발에 중요한 기초자료로 활용될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석탄가스화 기술은 어디에 적용할 수 있는가?	석탄가스화(coal gasification)는 21세기의 청정석탄기술로서 석탄내의 탄소 및 수소성분을 가스 상의 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스로 전환하는 기술로 화학원료나 비료산업에 합성가스를 공급할 수 있는 경쟁력을 가지고 있으며, SOx와 NOx의 발생이 없고, 비가연성 성분들을 안정적인 슬랙(slag)으로 배출하여 재활용할 수 있는 특징을 가지고 있다. 이 기술은 합성가스를 이용하여 발전하는 석탄가스화 복합 발전 (Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC), 합성가스를 Fischer-Tropsch 공정에서 액체연료로 합성하는 CTL (Coal To Liquid), 합성가스를 이용한 대체천연가스 (Substitute Natural Gas, SNG) 및 연료전지를 위한 수소생산 공정 등의 다양한 분야에 적용할 수 있다[1]. 특히, 최근에는 유가와 천연가스 가격의 상승에 따라 이들에 비해 저장량이 풍부한 석탄을 활용하기 위해 국내·외를 막론하고 CTL과 SNG 사업에 대한 관심이 매우 커지고 있다[2-3].
	석탄가스화는 무엇인가?	석탄가스화(coal gasification)는 21세기의 청정석탄기술로서 석탄내의 탄소 및 수소성분을 가스 상의 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스로 전환하는 기술로 화학원료나 비료산업에 합성가스를 공급할 수 있는 경쟁력을 가지고 있으며, SOx와 NOx의 발생이 없고, 비가연성 성분들을 안정적인 슬랙(slag)으로 배출하여 재활용할 수 있는 특징을 가지고 있다. 이 기술은 합성가스를 이용하여 발전하는 석탄가스화 복합 발전 (Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC), 합성가스를 Fischer-Tropsch 공정에서 액체연료로 합성하는 CTL (Coal To Liquid), 합성가스를 이용한 대체천연가스 (Substitute Natural Gas, SNG) 및 연료전지를 위한 수소생산 공정 등의 다양한 분야에 적용할 수 있다[1].
	석탄가스화에 사용되고 있는 가스화기의 유동층의 장점은 무엇인가?	석탄가스화에 사용되고 있는 가스화기는 이동층(moving bed), (순환)유동층(fluidized bed) 및 분류층(entrained flow)으로 분류되며, 이동층의 경우에는 425~650℃의 저온영역에서 저급탄의 사용이 가능하지만 액상의 탄화수소와 미분이 생성되는 것이 문제점으로 알려져 있다. 유동층의 경우에는 925~1040℃의 온도 영역에서 미분의 저급탄의 사용할 수 있는 장점이 있지만, 탄소 전환율을 높이는 것이 관건이다. 이때, 회재(ash)는 고체입자나 미세입자로 분출된다.

참고문헌 (10)

S. Lee, G. S. Speight, S. K. Loyalka, Handbook of alternative fuel technologies, Taylor & Francis Group, (2007).
Choren Industries, Germany, Optimized fuels for sustainable transport OPTFUEL, A demonstration project within the european 7th frame work programme, 2009. .
Jan Kopyscinski 외. Fuel Vol. 89 1763-1783 (2010).

상세보기
M.C. Williams 외. J. Power Sources Vol. 159 1241-1247 (2006).

상세보기
J. Trembly 외. J. Power Sources Vol. 163 263-273 (2006)
S. Shaffer. Fuel Cells Bulletin, November 2 (2003).
P. Basu, Combustion and gasification in fluidized beds, Taylor & Francis Group, (2006).
Y. Yun 외. Korean J. Chem. Eng. Vol. 18 679-685 (2001).

상세보기
Y. Yun 외. Fuel Process. Technol. Vol. 88 107-116 (2007).

상세보기
J. Lee 외. The 20th International Offshore and Polar Engineering Conference & Exhibition (ISOPE), (2010).

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

컴팩트 석탄 가스화기 개발을 위한 이중선회버너 운전 평가
Performance test of double swirl burner for the development of pilot scale compact gasifier 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

컴팩트 석탄 가스화기 개발을 위한 이중선회버너 운전 평가 Performance test of double swirl burner for the development of pilot scale compact gasifier 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

류재홍 (8) 정석우 (6) 정우현 (3) 류상오 (1) 이도연 (1) 윤용승 (30) 이진욱 (17) 김규태 (1)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

컴팩트 석탄 가스화기 개발을 위한 이중선회버너 운전 평가
Performance test of double swirl burner for the development of pilot scale compact gasifier 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper