[논문]고온/고압 조건에서의 석탄 촤 내부 및 외부 가스화 반응효과

김경민; 김진호; 리산디케빈요하네스; 김량균; 김규보; 전충환

doi:10.15231/jksc.2016.21.4.023

고온/고압 조건에서의 석탄 촤 내부 및 외부 가스화 반응효과
Impact of Internal/External Diffusion on Gasification Reaction Rate Analysis of Coal Char in High Temperatures and Elevated pressures 원문보기

한국연소학회지 = Journal of the Korean Society of Combustion, v.21 no.4, 2016년, pp.23 - 29

김경민 (부산대학교 기계공학부) , 김진호 (부산대학교 기계공학부) , 리산디케빈요하네스 (부산대학교 기계공학부) , 김량균 (포항산업과학연구원 PosCC 연구단) , 김규보 (부산대학교 화력발전에너지분석기술센터) , 전충환 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Reactivity of gasification defined by bouardard reaction is critical parameter in efficiency of the gasifier. In this study, char reactivity of the gasification was derived from the experiments using the intrinsic reaction kinetics model. Pressurized wire mesh heating reactor (PWMR) can produce high temperature and high pressure conditions up to 50 atm and 1750 K, respectively and PWMR was designed to evaluate the intrinsic reaction kinetics of $CO_2$ gasification. In this study, Kideco and KCH (sub-bituminous Indonesian coal) were pulverized and converted into char. Experiments used the PWMR were conducted and the conditions of the temperature and pressure were 1373~1673 K, 1~40 atm. To distinguish the pressure effect from high pressurized condition, internal and external effectiveness factors were considered. Finally, the intrinsic kinetics of the Kideco and KCH coal char were derived from $n^{th}$ order reaction rate equations.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

CO₂ 가스화 반응은 촤 기공에서의 확산의 지배를 받게 되므로, internal/external effectiveness factor를 고려하였다. Internal effectiveness factor는[10] 입자의 온도와 크기에 따라 정의되며, 내부 미세 기공 구조에서 확산이 잘 이루어진다는 가정아래 내부 비표면적값에 대한 실제 반응률과 이론반응률의 비로 결정된다.
따라서 현재 국내로 수입이 되고 있는 석탄인 인도네시아 아역청탄 Kideco 그리고 KCH 석탄을 선정 하여 분류층 가스화기에 적용할 수 있는 온도, 압력대를 선정하여 PWMR(Pressurized Wire Mesh heating Reactor)로 실험을 진행하였다. PWMR로 고온, 고압 조건에서 실험을 진행하였으며, Boudouard reaction의 반응률을 얻어내기 위해 Intrinsic 반응속도론은 n^th order반응식을 통하여 분석되었으며, 온도와 압력이 증가함에 따라 바뀌는 석탄 촤 입자 표면으로의 반응기체 확산의 정량적인 평가를 위해 석탄 촤의 external/internal effectiveness factor를 고려하였다.
nth order rate반응식으로 석탄 촤의 CO2 가스화 반응시 Intrinsic reaction rate, Rint(g/cm2·s)을 도출하였다.
직류전원 공급 장치로 전류를 인가하였을 시 직접 가열되는 백금 메쉬의 표면 온도를 적외선 온도계를 이용하여 측정하였으며 입자의 온도는 열전대로 측정되었다. 가열 시 가열체로부터의 열손실에 대하여 각각의 기준온도 설정을 위해 예비실험을 통해 전류와 전압의 공급량을 정하였으며 입자 크기에 따른 열손실을 최소화하기 위하여 백금 메쉬 위에 샘플의 입자를 단층으로 배열하였다.
가스화 반응에 사용된 반응 가스는 CO₂가 질량비로 20%이고, N₂로 밸런스를 맞춘(80%) 가스를 사용하였다. 그리고 가스화 반응률 도출 실험시 압력의 영향을 보기 위하여 설정된 압력은 1, 10, 20, 30 그리고 40 atm으로 설정하였다. 표에 나타내어진 전압 (Voltage)값은 백금 메쉬의 고유 저항을 이용하여 목표 온도만큼의 온도로 메쉬를 가열하기 위해 인가된 필요한 전압을 나타낸 것이다.
order 반응식을 적용한 intrinsic kinetics로 표현하였다. 그리고 고온 및 고압조건에서의 확산에 대한 영향을 분석하였다.
반응하기 전, 촤의 초기질량 m₀와, Boudouard reaction이 일어난 촤 질량 m_t를 구하여 전기로에서 연소시켜 회분량을 측정하였다.
본 연구에서는 인도네시아 석탄인 Kideco탄 그리고 KCH탄의 촤를 이용하여 CO₂가스화 반응률을 PWMR을 사용하여 n_th order 반응식을 적용한 intrinsic kinetics로 표현하였다. 그리고 고온 및 고압조건에서의 확산에 대한 영향을 분석하였다.
석탄 가스화 반응의 n^th order도출 및 반응성 도출을 위해 등온조건에서 압력을 1 atm부터 40 atm까지 변화시키고 등압조건에서 온도를 1373 K부터 1673 K까지 변화시키는 조건을 설정하였다. 앞서 언급한 바와 같이 실험에 사용된 가열부의 백금(Pt) 메쉬 가열은 직류 전원 공급장치를 이용하여 이루어진다.
직류전원 공급 장치로 전류를 인가하였을 시 직접 가열되는 백금 메쉬의 표면 온도를 적외선 온도계를 이용하여 측정하였으며 입자의 온도는 열전대로 측정되었다. 가열 시 가열체로부터의 열손실에 대하여 각각의 기준온도 설정을 위해 예비실험을 통해 전류와 전압의 공급량을 정하였으며 입자 크기에 따른 열손실을 최소화하기 위하여 백금 메쉬 위에 샘플의 입자를 단층으로 배열하였다.

대상 데이터

각 압력조건에서 변화될 온도조건을 실험적으로 구하였으며, 구체적인 실험조건은 Table 1에 나타내었다. 가스화 반응에 사용된 반응 가스는 CO₂가 질량비로 20%이고, N₂로 밸런스를 맞춘(80%) 가스를 사용하였다. 그리고 가스화 반응률 도출 실험시 압력의 영향을 보기 위하여 설정된 압력은 1, 10, 20, 30 그리고 40 atm으로 설정하였다.
기기 본체 상부는 S45C인 스테인리스 강(Stainless steel)으로 제작되었고 지름 100 mm, 높이 70 mm이며 직경 20 mm의 가시화창이 있다. 그리고 기기본체 하부는 SUS304재질로 제작이 되었다.
석탄촤 입자온도의 직접적인 측정은 R타입의 열전대로 이뤄지며, 메쉬의 온도는 Raytek, MR1S모델 적외선 온도계를 사용하여 측정된다. 기기 본체 상부는 S45C인 스테인리스 강(Stainless steel)으로 제작되었고 지름 100 mm, 높이 70 mm이며 직경 20 mm의 가시화창이 있다. 그리고 기기본체 하부는 SUS304재질로 제작이 되었다.
따라서 현재 국내로 수입이 되고 있는 석탄인 인도네시아 아역청탄 Kideco 그리고 KCH 석탄을 선정 하여 분류층 가스화기에 적용할 수 있는 온도, 압력대를 선정하여 PWMR(Pressurized Wire Mesh heating Reactor)로 실험을 진행하였다. PWMR로 고온, 고압 조건에서 실험을 진행하였으며, Boudouard reaction의 반응률을 얻어내기 위해 Intrinsic 반응속도론은 n^th order반응식을 통하여 분석되었으며, 온도와 압력이 증가함에 따라 바뀌는 석탄 촤 입자 표면으로의 반응기체 확산의 정량적인 평가를 위해 석탄 촤의 external/internal effectiveness factor를 고려하였다.
실험에 사용된 Kideco 및 KCH 석탄의 원탄을 분쇄하여 150~200 µm의 입도를 가지는 크기로 분류, LECO사의 TGA 701을 이용하여 촤를 제작하였다.
그리고 스테인리스 강제반응부는 Quartz를 이용한 가시창으로 설치되어있는 적외선 온도 측정장치를 통해 백금메쉬위 평면의 온도분포를 측정할 수 있도록 고안되어 있다. 실험중 얻어지는 데이터는 Compact DAQ(National Instruments, cDAQ-9171) 장치로 수집된다. 석탄촤 입자온도의 직접적인 측정은 R타입의 열전대로 이뤄지며, 메쉬의 온도는 Raytek, MR1S모델 적외선 온도계를 사용하여 측정된다.
일반적인 석탄 물성치 분석으로 이용되는 공업분석, 원소분석, 고위 발열량 그리고 BET장치를 이용한 비표면적분석 결과를 Table 2에 나타내었다. 인도네시아 석탄인 kideco coal 그리고 KCH coal을 사용하였고 열 중량 분석을 통하여 얻어진 수분(Moi, Moisture), 휘발분(V.M., Volatile Matter), 고정탄소분 (F.C., Fixed Carbon) 그리고 회분(Ash)으로 나눠진 공업분석 결과 두 석탄 모두 아역청탄(Sub-bituminous coal)으로 분류되는 범주 내에 속해 있는 저등급 석탄이다. KCH석탄의 경우 kideco석탄과 비교하여 수분량이 많고 산소의 함량이 매우 높은 것을 알 수 있으며, 이 때문에 발열량이 비교적 낮은 것을 알 수 있다.

성능/효과

1) Kideco 석탄 촤의 intrinsic 활성화 에너지 및 빈도인자는 118.9 kJ/mol, 8.10 × 10-2 g/cm2·s이고, KCH 석탄 촤의 intrinsic 활성화 에너지 및 빈도인자는 144.2 kJ/mol, 9.76 × 10-5 g/cm2·s이다.
2) 온도가 상승함에 따라 석탄 촤의 CO₂가스화 반응은 확산의 영향을 받게 되며, 석탄 촤 외부의 영향보다는 내부의 영향이 크다. 이는 Kideco char 및 KCH char 모두 동일한 경향을 보인다.
3) 압력이 상승함에 따라 석탄 촤 외부의 CO₂가스화 반응은 지속적으로 증가하는 경향의 확산의 지배를 받는다. 하지만 석탄 촤 내부의 경우 반응기 내부 가스압력이 1 atm에서 20 atm까지 증가함에 따라 확산의 지배는 감소하는 추세를 보이나, 20 atm에서 40 atm까지의 가압과정에서는 다시 확산의 지배가 증가하는 경향을 보인다.
5 또한 온도를 1573 K에서 고정시킨 뒤 압력을 변화시키면서 얻은 그래프이며, 여기서 kint(intrinsic kinetics)은 압력이 증가함에 따라 감소했다가 증가하는 결과와 수식적으로 연관 지을 수 있다. 결과적으로 PWMR내 가스의 압력이 20 atm 정도일 때 석탄 촤로의 CO₂의 공급이 충분하여 확산의 지배가 약해진 것으로 분석된다[14]. Fig.
고로 석탄 촤 미세 기공 구조 내부로의 확산이 반응에 기여하는 역할이 커짐에 따라 고온 영역에서는 전반적인 반응은 확산의 지배가 일어나게 된다. 결론적으로 고온 영역에서 internal effectiveness factor에서 큰 차이가 나지 않는 것은 온도 상승한 만큼 반응이 일어날 조건은 좋아졌다고 할 수 있지만, 촤 내부의 반응이 확연히 일어나지 않는다는 것을 의미하며, 반응 기체인 CO₂가 석탄 촤 미세기공구조 내부로의 확산이 충분히 일어나지 못한다는 것을 의미한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IGCC 발전기술의 장점은?	이는 복합발전, 합성석유 또는 각종 화학물질 생산 등에 활용할 수 있으며 정제된 합성가스를 바로 이용하여 가스터빈 및 증기터빈을 구동할 수 있는 고효율 석탄 이용 기술이다. 석탄 화력발전소에서 CO2 등의 온실가스 배출을 줄이고 발전효율 향상을 위해 초임계 석탄 화력발전소를 건설하고 있으며 탈황, 탈질설비를 설치하고 있는 상황을 고려하였을때, IGCC 발전기술은 발전효율이 기존 미분탄 발전소보다 약 5% 정도 높으며 환경 오염물 배출 또한 크게 낮다.
	석탄 가스화 기술이란?	IGCC와 대체천연가스(SNG : Subsitute Natural Gas) 발전 플랜트[3]는 국내에서 프로젝트가 꾸준히 진행되어져 왔으며, 정부의 제 7차 전력수급 기본계획에 남해 석탄가스화복합발전(IGCC) 사업이 최종 반영되는 등 석탄 가스화 기술에 대한 관심이 높아지고 있는 실정이다. 이는 복합발전, 합성석유 또는 각종 화학물질 생산 등에 활용할 수 있으며 정제된 합성가스를 바로 이용하여 가스터빈 및 증기터빈을 구동할 수 있는 고효율 석탄 이용 기술이다. 석탄 화력발전소에서 CO2 등의 온실가스 배출을 줄이고 발전효율 향상을 위해 초임계 석탄 화력발전소를 건설하고 있으며 탈황, 탈질설비를 설치하고 있는 상황을 고려하였을때, IGCC 발전기술은 발전효율이 기존 미분탄 발전소보다 약 5% 정도 높으며 환경 오염물 배출 또한 크게 낮다.
	고온 상태에서 작동되는 가스화기는 확산의 영향이 충분히 고려된 분석이 필요한데, 그 이유는?	석탄 촤의 가스화반응에 있어서 Boudouard reaction (C(s) + CO2(g) → 2COg)의 반응률은 가장 낮다고 알려져 있기 때문에[4], 석탄가스화 반응기의 효율은 Boudouard reaction에 의한 탄소전환률(carbon conversion rate)이 결정한다고 할 수 있다. 이 Boudouard reaction은 온도가 상승함에 따라 kinetic의 지배를 받는 영역에서 diffusion의 지배를 받는 영역으로 이동을 하게 된다. 이는 온도가 높아지면서 반응률이 상승하지만 석탄 촤 표면으로의 반응가스인 CO2의 확산 속도가 충분하지 못하여 점차적으로 확산의 지배를 받게 되는 것이다. 이러한 이유에서 고온 상태에서 작동되는 가스화기는 확산의 영향이 충분히 고려된 분석이 필요하다.

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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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