[논문]케미컬루핑 연소시스템을 위한 산소전달입자의 상온-상압 고체순환특성

윤주영; 김하나; 김정환; 이도연; 백점인; 류호정

doi:10.7316/khnes.2017.28.4.384

케미컬루핑 연소시스템을 위한 산소전달입자의 상온-상압 고체순환특성
Solid Circulation Characteristics of Oxygen Carrier for Chemical Looping Combustion System at Ambient Temperature and Pressure 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.28 no.4, 2017년, pp.384 - 391

윤주영 (한국에너지기술연구원) , 김하나 (한국에너지기술연구원) , 김정환 (한국에너지기술연구원) , 이도연 (한국에너지기술연구원) , 백점인 (한국전력공사 전력연구원) , 류호정 (한국에너지기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Effects of operating variables on solid circulation rate were measured and discussed using two-interconnected circulating fluidized bed system at ambient temperature and pressure. OCN 706-1100 particles were used as oxygen carrier. The measured solid circulation rates increased as the lower loop seal gas flow rates and the solid height in the fuel reactor increased. Suitable operating conditions to avoid choking of the air reactor were confirmed. Continuous long-term operations of steady-state solid circulation were also demonstrated at two different conditions based on the operating window.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

7에 나타난 실험을 수행하는 동안 고체순환속도가 높은 조건, 즉 하부루프실의 유량이 높거나 연료반응기 내부 고체층 높이가 높은 조건에서 공기반응기의 유량이 낮을 때에는 공기반응기 내부에 존재하는 고체량이 급격히 증가하여 고체순환을 유지할 수 없는 현상이 발생하였다. 따라서 본 연구에서는 안정적인 고체순환을 유지할 수 있는 운전조건을 결정하기 위해 연료반응기 고체층 높이, 공기반응기 유량 변화에 따라 하부 루프실의 유량을 증가시킬 수 있는(즉, 고체순환속도를 증가시킬 수 있는) 조업조건을 선정하고자 하였다.
따라서, 본 연구에서는 0.5 MWth급 케미컬루핑 연소기의 설계를 위한 전 단계로 아크릴 재질의 상온-상압 2탑 유동층 시스템에서 산소전달입자의 고체순환속도에 미치는 조업변수의 영향을 측정 및 해석하였으며, 공기반응기의 폐색이 없는 조건에서 고체순환 유지가 가능한 운전조건 범위를 선정하였고 정상상태 조건에서 안정적인 고체순환 유지가 가능한지를 실험적으로 확인하였다.

제안 방법

2탑 연결 순환유동층 실험장치에 산소전달입자를 장입한 후, 상부 루프실과 연료반응기를 먼저 유동화시킨 후 공기반응기에 공기를 주입하였다. 이후 하부 루프실을 유동화시키면 산소전달입자는 연료반응기에서부터 중력에 의해 하강하면서 하부 루프실을 거쳐서 공기반응기로 이송되며 공기반응기 사이클론에서 입자가 포집되어 상부 루프실을 거쳐서 연료반응기로 재순환된다.
3) 안정적인 고체순환을 유지할 수 있는 하부 루프실 유량, 연료반응기 내부의 고체층 높이 및 공기반응기 유량조건을 결정하였다.
고속유동층 및 기포유동층으로 구성된 케미컬루핑 연소시스템의 구현을 위해 아크릴 재질의 상온-상압 2탑 순환유동층 시스템에서 산소전달입자의 고체순환속도에 미치는 조업변수의 영향을 측정 및 해석하였으며, 정상상태 조건에서 안정적인 고체순환 유지가 가능한지를 실험적으로 확인하였다. 본 연구에서 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다.
s)를 계산하였다. 고체순환속도 측정 실험에 앞서 본 연구의 실험조건 내에서 공기반응기 사이클론으로부터 상부 루프실로 유입되는 고체를 모두 연료반응기로 이송시킬 수 있는 상부 루프실 최소유량을 결정하였으며, 모든 실험조건에서 MFC-301과 302는 4.0 Nl/min의 조건에서 운전하였다.
공기반응기, 상부 루프실, 연료반응기 및 하부 루프실의 유동화를 위해 총 6개의 질량유량계를 사용하였으며, 공기압축기에서 압축된 공기를 질량유량계와 스파저(sparger)를 통해 각 부분에 주입하였다.
공기반응기, 상부 루프실, 하부 루프실 및 연료반응기에 존재하는 고체의 양을 간접적으로 파악하기 위해 각 위치에 차압형 압력변환기(differential pressure transducer)를 설치하였다. 공기 주입을 위한 질량유량계의 유량 및 차압형 압력변환기에서 측정되는 차압값은 PLC를 거쳐서 PC에 저장되도록 하였다.
3(b)에 나타내었다. 전체 시스템은 공기반응기를 모사하는 고속유동층, 공기반응기 사이클론, 상부 루프실(upper loop seal), 연료반응기를 모사하는 기포유동층, 연료반응기 사이클론, 하부 루프실(lower loop seal)로 구성되어 있으며 아크릴 재질로 제작하였다. 공기반응기는 바닥부터 1 m까지는 내경 0.
주어진 조업조건에서 고체순환속도 측정을 위해 고체가 연속적으로 순환되는 조건에서 상부 루프실의 MFC를 통한 기체유입을 정지하여 상부 루프실을 유동화 상태에서 고정층 상태로 변화시켰으며 이를 통해 공기반응기 사이클론에서 포집된 입자가 상부루프실과 사이클론 사이에 쌓이도록 하였고 연료반응기로의 고체순환이 없는 조건에서 시간 변화에 따른 연료반응기 고체층 높이의 변화를 측정하여 입자의 벌크밀도로부터 단위시간 동안 단위면적당 고체순환량인 고체순환속도(kg/m²s)를 계산하였다. 고체순환속도 측정 실험에 앞서 본 연구의 실험조건 내에서 공기반응기 사이클론으로부터 상부 루프실로 유입되는 고체를 모두 연료반응기로 이송시킬 수 있는 상부 루프실 최소유량을 결정하였으며, 모든 실험조건에서 MFC-301과 302는 4.

대상 데이터

고체순환속도 측정과 연속적인 고체순환 실험을 위한 산소전달입자로 기존 연구에서 사용되었던 OCN 706-1100 입자를 사용하였다¹⁰⁾. OCN 706-1100 입자는 NiO를 무게기준 70% 함유하고 있으며 분무건조법(spray drying method)에 의해 성형하였으며 1,100℃에서 소성하였다.
고체순환속도에 미치는 조업변수의 영향 및 연속적인 고체순환 유지 실험을 위해 Fig. 3에 나타낸 2탑 연결 순환유동층 실험장치를 사용하였다. 시스템의 3차원 형상을 Fig.
전체 시스템은 공기반응기를 모사하는 고속유동층, 공기반응기 사이클론, 상부 루프실(upper loop seal), 연료반응기를 모사하는 기포유동층, 연료반응기 사이클론, 하부 루프실(lower loop seal)로 구성되어 있으며 아크릴 재질로 제작하였다. 공기반응기는 바닥부터 1 m까지는 내경 0.06 m이며, 0.1 m 길이의 축소부(tapered zone)를 거치면서 내경 0.05 m로 축소되도록 하였으며, 내경 0.05 m인 구간의 총 길이는 4 m로 공기반응기의 총 높이는 5.1 m이다. 공기반응기 사이클론의 내통경은 0.
1 m로 설계하였다. 연료반응기의 경우 내경 0.1 m, 높이 1.05 m이며 연료반응기 사이클론의 내통경은 0.09 m, 총 높이 0.36 m로 설계하였다.

성능/효과

1) 하부 루프실 유량이 증가하고, 연료반응기 내부 고체층 높이가 증가함에 따라 고체순환속도가 증가하는 경향을 나타내었다.
2) 하부 루프실 유량과 연료반응기 내부의 고체층 높이가 증가하면 두 반응기 사이의 고체순환량을 증가시킬 수 있으나 안정적인 고체순환을 위해서는 공기반응기 유량을 함께 증가시키는 것이 적합한 것으로 나타났다.
4) 본 연구에 사용된 2탑 연결 순환유동층 시스템을 이용하여 두 가지 고체순환속도 조건에서 장기 연속 고체순환이 가능함을 실증하였다.
그림에서 하부 루프실 유량이 증가하면 고체순환속도가 증가하는 것으로 고려할 수 있으며 그림에 나타난 바와 같이 동일한 공기반응기 유량 조건에서 연료반응기 내부의 고체층 높이가 증가함에 따라 조업 가능한 최대 하부 루프실 유량이 감소하는 경향을 나타내었으며 동일한 고체층 높이 조건에서 공기반응기의 유량이 증가함에 따라 최대 조업 가능한 최대 하부 루프실 유량이 증가하는 경향을 나타내었다. 결과적으로 하부 루프실 유량과 연료반응기 내부의 고체층 높이가 증가하면 두 반응기 사이의 고체순환량을 증가시킬 수 있으나 안정적인 고체순환을 위해서는 공기반응기 유량을 함께 증가시키는 것이 유리한 것으로 나타났다.
5 kg/m²s인 조건에서 실험한 결과를 나타내며, 시간 변화에 따라 실험장치의 각 부분에서 측정된 차압, 즉 고체량의 변화를 나타내었다. 그림에 나타난 바와 같이 차압의 큰 변화 없이 안정적인 고체순환이 가능한 것을 알 수 있었으며, 두 경우 모두 24시간 동안 안정적인 고체순환이 가능함을 실증하였다.
입자의 평균입자크기는 120 μm, 입도분포는 34-245 μm이며, 입자의 벌크밀도(bulk density)는 1,651 kg/m3로 측정되었고 상온-상압 조건에서 최소유동화속도는 0.0091 m/s로 측정되었다.
그림에 나타난 바와 같이 하부 루프실의 유량이 증가함에 따라 연료반응기로부터 하부 루프실을 통해 공기반응기로 주입되는 고체량이 증가하므로 고체순환속도가 증가하는 경향을 나타내었다. 한편 공기반응기 유량 변화에 따른 고체순환속도의 변화는 일정한 경향성을 나타내지 않았으며, 공기반응기 유량이 낮고 하부 루프실의 유량이 높은 경우 연속적인 고체순환을 유지하지 못하고 공기반응기 내부에 존재하는 고체량이 증가하여 더 이상 고체순환이 일어나지 않는 현상이 발생하였다. 이는 공기반응기로 주입되는 고체량이 많은 경우 공기반응기의 유량이 낮으면 주입되는 고체를 충분히 비산시키지 못하기 때문에 공기반응기가 폐색(choking)되는 것을 의미한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	케미컬루핑 연소시스템의 장점은 무엇인가?	케미컬루핑 연소시스템의 공기반응기에서의 반응은 화염이 없는 조건에서 일어나는 기체-고체 반응이므로 thermal NOx의 발생을 최소화할 수 있으며, 주입되는 기체인 공기에서 산소가 소모되므로 배출되는 기체는 질소와 소량의 산소만을 포함하게 된다. 또한 연료반응기에서 배출되는 기체는 CO2와 H2O만을 포함하고 있으므로 H2O를 응축하여 제거하면 고농도의 CO2를 원천적으로 분리할 수 있으므로 별도의 이산화탄소 포집설비가 필요없는 장점이 있다3).
	케미컬루핑 연소기술의 공정 과정은 어떠한가?	1에는 케미컬루핑 연소기술의 개념을 나타내었다. 전체 공정은 공기반응기(air reactor)와 연료반응기(fuel reactor)로 구성되며 공기반응기에서는 식 (1)과 같이 금속입자(M)가 공기 중의 산소와 반응하면서 산화되어 금속산화물(MO)로 변화하면서 산소를 흡수하게 된다. 이 금속산화물은 연료반응기로 이동되어 식 (2)와 같이 금속산화물에 포함된 산소를 내어주면서 연료(CH4, H2, CO, CnH2m, 천연가스, 석탄, 바이오매스, 바이오가스 등)를 연소시키게 되며 금속산화물(MO)은 원래 형태인 금속(M)으로 환원되게 된다2).
	케미컬루핑 연소기술이란 무엇인가?	케미컬루핑(chemical looping) 연소기술은 연료의 연소와 연소배가스중의 이산화탄소 포집이 동시에 이루어질 수 있는 신개념 연소기술로서 기존의 연소기를 공기반응기와 연료반응기로 나누어 별도의 반응기에서 산소전달입자(oxygen carrier)의 산화반응과 환원반응이 일어나도록 하는 기술이다1). Fig.

참고문헌 (10)

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