[논문]1T/D 분류층 가스화기에서의 석탄, 석유코크스 혼합연료 가스화 특성 연구

이재구; 윤상준; 최영찬; 라호원; 손영일

문제 정의

Kidec탄, Drayton탄과 석유코크스의 세 종류 에 대한 혼합비와 슬러리농도에 대한 전처리 특성을 파악하기 위하여 슬러리 점도와 안정성을 파악하였다. 계면활성제와 슬러리 농도에 따른 점도는 회전식 점도계(Brookfield사, LDVDTI)를 사용하였다.
국내에서도 유가상승에 따라 발전이나 화학원 료 생산을 위하여 석유코크스 자원의 효율적 이 용을 위한 가스화 운전특성과 기술검토가 필요한 것으로 판단되었다. 따라서, 본 연구에서는 국내에서 생산된 석유코크스와 발전소에서 적용되는 석탄을 혼합 이용하는 형태로 가스화함에 있어서 운전특성, 합성가스의 제조 특성과 오염물질 거 동 특성 파악을 위한 연구를 수행하였다.
석유코크스 가스화 상용 플랜트의 경우 제조 된 합성가스 주요성분의 조성은 CO2 15-17%, CO 30-50%, H2 25-35%, CH4 1% 미만이며, 발열량은 2,250 - 2,380 kcM/Nm로 분석되었다. 본 연구에서는 KIER 석탄가스화용 장치를 이용한 석유코크 스 가스화 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

석탄 및 석유코크스를 200mesh 이하로 분쇄된 시료를 계면활성제를 이용하여 물과 혼합하여 슬 러리상태의 CWM(Coal Water Mixture)을 제조하였다. 제조된 슬러리 물성치는 연료인 고형물 농도를 63%-65wt.
합성가스와 슬래그 냉각은 quencher에서 이루어지며, 여기에 공급되는 냉각수 제어는 공급 량과 냉각수조의 높이를 자동적으로 제어함으로 써 이루어잔다. 석탄슬러리, 산소는 가스화 시스템의 안전운전을 위해 비상시에 공급이 정지 될 수 있도록 safety interlock system으로 구성하였다.
시료를 500i# 비이커에 400i#로 일정한 양을 채운 후 벽면과 바닥에 의한 전단력이 동일하게 작용하도록 spinble 높이를 조절하여 점도를 측정하였다. 슬러리 조제용 비이커는 일정한 온도유지를 위하여 외부에 항온조를 사용하여 가열하였으며, 정확한 무게비 측정을 위하여 0.01g의 정밀도를 갖는 저울을 사용하였다. ［그림 1］는 본 실험에서 사용한 시료의 혼합비 및 농 도, 계면활성제에 따른 점도측정치를 보여주고 있다.
계면활성제와 슬러리 농도에 따른 점도는 회전식 점도계(Brookfield사, LDVDTI)를 사용하였다. 시료를 500i# 비이커에 400i#로 일정한 양을 채운 후 벽면과 바닥에 의한 전단력이 동일하게 작용하도록 spinble 높이를 조절하여 점도를 측정하였다. 슬러리 조제용 비이커는 일정한 온도유지를 위하여 외부에 항온조를 사용하여 가열하였으며, 정확한 무게비 측정을 위하여 0.
가스화 운전을 위해서는 가스화기의 start up을 위한 예열과정이 필요하며 , LPG를 이용하여 가스화 반응온도까지 가열하였다. 예열과 정이 종료되면 슬러리는 고압 스크류 펌프에 의해 가스화 반응기로 산소와 같이 공급하여 실험을 수행하였다. 가스화 장치의 운전조건은 ＜표 4＞의 범위로 유지하였으며, 제조된 합성가스는 습식정제장치를 거쳐 압력조절 밸브를 통해 flare 아ack에서 연소후 배출하였다.
가스화 장치의 운전조건은 ＜표 4＞의 범위로 유지하였으며, 제조된 합성가스는 습식정제장치를 거쳐 압력조절 밸브를 통해 flare 아ack에서 연소후 배출하였다. 정제장치는 1, 2차 스크러버로 구성되며 , 분석을 위한 합성가 스 샘플링은 정제 후 배출가스를 포집하여 분석하 였으며 , 본 실험에서는 IR분석기와 GC (HP5890)를 이용하여 생성가스 조성을 분석하였다.

대상 데이터

가스화 실험을 위한 시료는 석유코크스 및 국 내무연탄으로 하였다. 실험시료의 분석치는<표 1＞와 같으며, 석유징크스의 경우 발열량 8,550kcal/kg, 탄소함량은 87%, 황 함량은 7.
반응기 내부벽은 조선내화 제품인 알루미나 계 내화재 HACT-180（최고사용온도 1800℃）와 단 열재로 INCT-140（최고 사용온도 1400C）를 사용하였다. 가스화기의 가장 외부는 SUS-304 재질을 사용하였고, 반응기 상부와 하단부에 냉각수 coil을 설치하여 실험장치의 과열을 방지토록 하 였다
가스화기는 내부직경 250mm, 길이 1,400 mm로 써, 캐스터블 및 외부 shelle 운전조건 1,800 t, 25 kgf/ciF에서 사용할 수 있도록 제작되었다. 반응기 내부벽은 조선내화 제품인 알루미나 계 내화재 HACT-180（최고사용온도 1800℃）와 단 열재로 INCT-140（최고 사용온도 1400C）를 사용하였다. 가스화기의 가장 외부는 SUS-304 재질을 사용하였고, 반응기 상부와 하단부에 냉각수 coil을 설치하여 실험장치의 과열을 방지토록 하 였다

이론/모형

Kidec탄, Drayton탄과 석유코크스의 세 종류 에 대한 혼합비와 슬러리농도에 대한 전처리 특성을 파악하기 위하여 슬러리 점도와 안정성을 파악하였다. 계면활성제와 슬러리 농도에 따른 점도는 회전식 점도계(Brookfield사, LDVDTI)를 사용하였다. 시료를 500i# 비이커에 400i#로 일정한 양을 채운 후 벽면과 바닥에 의한 전단력이 동일하게 작용하도록 spinble 높이를 조절하여 점도를 측정하였다.

성능/효과

25wt.%로써, 회 분 중에 포함된 중금속함량은 바나듐 26.8%, 니 켈 8.1%로 분석되었다.
2. 외부혼합식 버너를 이용하여 슬러리 분무 특성을 실험한 결과 미립화 정도는 산소압력과 충돌각이 중가함에 따라 증가하였으나 슬러리 유 량이 상대적으로 너무 증가하게 되면 미립화 특성이 불량해지는 특성을 보였다.
3. Kideco탄 가스화의 경우 합성가스 발열량 은 1,700'1,900 Nm3/h 수준이며 , 냉가스효율 55%, 탄소전환율 95% 정도로 나타났다. 석유코크스는 반응성이 낮음으로 인하여 석탄보다 산소 소모량 이 많이 소요되었고, 냉가스 효율은 40% 수준의 결과를 보였다.
4. 석유코크스와 Drayton탄을 1：1로 혼합한 가스화 실험결과, 생성가스 발열량은 1,600 - 1,700 kcal/Nm3 수준을 보였다. 가스화 성능면에서 전환율은 산소량 증가에 따라 92%이상까지 도 달할 수 있었지만, 냉가스 효율은 석탄보다 낮은 수준의 결과를 보였다.
3 범위에서 운전할 때 1200~1400 t 범위로 유지되었으며, 합성가스 발열량은 1700kcai/Nm3 수준을 보였다. Ch/fUel 비율에 따른 합성 가스 조성은 산소량 증가에 따라 CO 조성은 증가하였으며, H2, CO 조성은 감소하였고, CH4 조 성은 매우 적은 농도를 보였다. 본 실험에서 냉가 스효율은 55%, 탄소전환율은 95% 수준으로 나타났다.
석유코크스와 Drayton탄을 1：1로 혼합한 가스화 실험결과, 생성가스 발열량은 1,600 - 1,700 kcal/Nm3 수준을 보였다. 가스화 성능면에서 전환율은 산소량 증가에 따라 92%이상까지 도 달할 수 있었지만, 냉가스 효율은 석탄보다 낮은 수준의 결과를 보였다. 이는 반응성이 낮은 석유 코크스의 경우 가스화 성능 향상을 위해 버너 노 즐부위에 대한 미립화 설계 보완이 필요한 것으로 파악되었다.
동일한 운전조건하에서 석유코크스 가스화후 생성된 합성가스조성은 H2 20-25%, CO 28-33%, CO2 38-42% 정도였으며, 발열량은 1,500 - 1,600 kcal/Nm3 수준으로 나타났다. 대체로 석탄가스화 와 유사한 경향을 보였는데, 적정한 운전조건으 로 OJfuel rati가 석탄보다 높은 부근 으로 나타났으며, 이때 냉가스효율 40%, 탄소전 환율 92% 수준을 보였다. 가스화 성능이 낮은 요 인으로는 석유코크스가 석탄보다 반응성이 낮음 으로 인하여 산소소모량이 증가되고, 냉가스효율 이 낮아지는 것으로 보여진다.
동일한 운전조건하에서 석유코크스 가스화후 생성된 합성가스조성은 H2 20-25%, CO 28-33%, CO2 38-42% 정도였으며, 발열량은 1,500 - 1,600 kcal/Nm3 수준으로 나타났다. 대체로 석탄가스화 와 유사한 경향을 보였는데, 적정한 운전조건으 로 OJfuel rati가 석탄보다 높은 부근 으로 나타났으며, 이때 냉가스효율 40%, 탄소전 환율 92% 수준을 보였다.
Ch/fUel 비율에 따른 합성 가스 조성은 산소량 증가에 따라 CO 조성은 증가하였으며, H2, CO 조성은 감소하였고, CH4 조 성은 매우 적은 농도를 보였다. 본 실험에서 냉가 스효율은 55%, 탄소전환율은 95% 수준으로 나타났다. Drayton탄의 경우 합성가스 조성은 H2 20 ~ 30%, CO 20~38%, CO2 20~35% 정도였으며, 이때의 합성가스 발열량은 1,700~1,900 Nm3/h 수준으 로 나타났다
Kideco탄 가스화의 경우 합성가스 발열량 은 1,700'1,900 Nm3/h 수준이며 , 냉가스효율 55%, 탄소전환율 95% 정도로 나타났다. 석유코크스는 반응성이 낮음으로 인하여 석탄보다 산소 소모량 이 많이 소요되었고, 냉가스 효율은 40% 수준의 결과를 보였다.
석유코크스와 Drayton탄을 1：1로 혼합한 가스화 실험결과, 생성가스 조성은 H2 20-26%, CO 30 - 35%, % 35~40%로 나타났으며 , 발열량은 1,600 - 1,700 kcal/Nm3 수준을 보였다. 적정운전 조건 온 석유코크스와 유사하게 W/fuel rati가 1.
가스화 실험을 위한 시료는 석유코크스 및 국 내무연탄으로 하였다. 실험시료의 분석치는<표 1＞와 같으며, 석유징크스의 경우 발열량 8,550kcal/kg, 탄소함량은 87%, 황 함량은 7.84% 로 분석되었으며, 회분함량은 0.25wt.%로써, 회 분 중에 포함된 중금속함량은 바나듐 26.
석유코크스와 Drayton탄을 1：1로 혼합한 가스화 실험결과, 생성가스 조성은 H2 20-26%, CO 30 - 35%, % 35~40%로 나타났으며 , 발열량은 1,600 - 1,700 kcal/Nm3 수준을 보였다. 적정운전 조건 온 석유코크스와 유사하게 W/fuel rati가 1.1-1.2 부근에서 나타났으며, 가스화 성능면에서 전환율은 산소량 증가에 따라 92%이상으로 도 달할 수 있었지만, 냉가스 효율은 석탄의 경우보다 낮은 수준의 결과를 보였다. 이는 반응성이 낮은 석유코크스의 경우 분무성능 향상을 위해 버 너 노즐부위에 대한 미립화 설계 보완이 필요한 것으로 파악되었다.

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