상용공정 모사기인 PRO-II를 이용하여 석탄 가스화에 의한 수소 제조공정 개념설계를 수행 하였다. 이 공정은 공기분리(ASU), 석탄가스화, 가스정제, 고온 WGS 반응, 저온 WGS 반응, 수분제거, $H_2$분리, $CO_2$ 분리, $CH_4$ 분리(PSA) 등으로 구성되어 있다. 가스화기의 모사조건은 온도 $1200{\sim}1500^{\circ}C$, 압력 $15{\sim}30atm$, 공급몰비 C:$H_2O$:$O_2$=1:0.5$\sim$1:0.25$\sim$0.5로 하였으며, 정제공정의 온도와 압력은 각각 $550^{\circ}C$, 24.5atm으로 하였다. 생성된 합성가스는 WGS(HTS($400^{\circ}C$, 24atm), LTS($250^{\circ}C$, 23.5atm)) 반응을 거쳐 고순도 수소로 분리정제된다. 석탄을 10ton/day으로 공급하였을 때, 804.0kmol/day의 수소가 생성되었으며, 이때 가스화기 조건은 $1500^{\circ}C$, 25atm, 공급몰비 C:$H_2O$:$O_2$ = 1:0.58:0.43이었다.
상용공정 모사기인 PRO-II를 이용하여 석탄 가스화에 의한 수소 제조공정 개념설계를 수행 하였다. 이 공정은 공기분리(ASU), 석탄가스화, 가스정제, 고온 WGS 반응, 저온 WGS 반응, 수분제거, $H_2$분리, $CO_2$ 분리, $CH_4$ 분리(PSA) 등으로 구성되어 있다. 가스화기의 모사조건은 온도 $1200{\sim}1500^{\circ}C$, 압력 $15{\sim}30atm$, 공급몰비 C:$H_2O$:$O_2$=1:0.5$\sim$1:0.25$\sim$0.5로 하였으며, 정제공정의 온도와 압력은 각각 $550^{\circ}C$, 24.5atm으로 하였다. 생성된 합성가스는 WGS(HTS($400^{\circ}C$, 24atm), LTS($250^{\circ}C$, 23.5atm)) 반응을 거쳐 고순도 수소로 분리정제된다. 석탄을 10ton/day으로 공급하였을 때, 804.0kmol/day의 수소가 생성되었으며, 이때 가스화기 조건은 $1500^{\circ}C$, 25atm, 공급몰비 C:$H_2O$:$O_2$ = 1:0.58:0.43이었다.
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제안 방법
석탄 가스화기는 Gibbs 자유에너지의 최소값을 찾아 상평형과 화학반응평형을 동시에 계산해 평형조성을 추산해주는 Gibbs Reactor를 사용하 였다. 공급 석탄(Drayton)은 10ton/day으로 하였으며, 수소의 조성을 높이기 위해 가스화기의 온도, 압력, 공급 몰비를 변화시켰다. 각각의 운전 조건은 1200~1500℃, 15~30atm, carbon (C+CH4) : Steam (H2O) : O2 molar ratios = 1 : 0.
국내 수입 석탄 중 석탄가스화에 가장 우수한 역청탄(Drayton)의 조성을 이용하여 석탄가스화에 의한 수소 제조공정의 개념설계를 수행하였다. 가스화는 Gibbs Reactor를 이용하였으며, 10 ton/day의 석탄을 공급하였다.
본 연구에서는 국내 수입 석탄중 석탄가스화에 가장 적합한 역청탄(Drayton)을 원료로 하여 가스화 모사를 수행하였으며, 이후 WGS 반응공정을 적용하여 최종생성물인 H2의 생성양을 증가시켰다. 아울러 조성, 온도 및 압력의 변화에 따른 가스화공정을 검토하여 최적의 운전조건을 조사하였다1)
의 생성양을 증가시켰다. 아울러 조성, 온도 및 압력의 변화에 따른 가스화공정을 검토하여 최적의 운전조건을 조사하였다1)
대상 데이터
건식 미분탄 공급형 가스화기에서는 석탄 건조시 높은 열부하가 필요하여 수분함량이 비교적 높은 아역청탄은 열효율을 저하시키기 때문에 국내 수입석탄중 슬래깅처리 온도가 낮은 역청탄이 석탄가스화에 우수하다. 본 연구에서는 석탄가스화를 위한 원료로서 역청탄을 사용하였으며, 조성은 표 2에 정리하였다.
이론/모형
석탄 가스화기는 Gibbs 자유에너지의 최소값을 찾아 상평형과 화학반응평형을 동시에 계산해 평형조성을 추산해주는 Gibbs Reactor를 사용하 였다. 공급 석탄(Drayton)은 10ton/day으로 하였으며, 수소의 조성을 높이기 위해 가스화기의 온도, 압력, 공급 몰비를 변화시켰다.
성능/효과
가스화기의 온도가 증가할수록 H2의 발생은 증가하다가 1400℃ 이상에서는 거의 일정하였고, 1500℃에서는 압력에 대한 영향이 그리 크지 않음을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
석탄가스화 복합발전 기술과 같은 선탄청청이용기술이 필요한 이유는 무엇인가?
석탄은 세계적으로 고루 분포되어 있으며 매장량도 화석연료 중 최대이어서 우리나라와 같은 자원빈국으로서는 저가로 안정적인 조달이 가능한 연료이다. 그러나 석탄은 고체 연료라는 특성상 직접 가스터빈의 구동이 어렵고, 다소의 차이는 있으나 모든 석탄이 공해물질의 원천인 유황을 함유하고 있기 때문에 날로 강화되어 가는 환경규제를 만족시키기가 어려워지고 있다는 단점이 있다. 이의 해결을 위하여 최근 기술선진국에서는 석탄가스화 복합발전 등의 기술이 연구되고 있다. 세계적으로 고르게 많이 매장되어 있다는 장점을 지닌 석탄의 이용이라는 측면에서 많은 관심을 끌고 있는 기술이다.
석탄청정이용기술은 무엇의 일환으로 개발되고 있는가?
최근 환경오염에 대비하고 에너지 이용효율의 극대화를 위한 노력의 일환으로 석탄청정이용기술(Clean Coal Technology)이 개발되고 있다. 석탄가스화 복합발전 기술(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)은 석탄청청이용기술 중대표적인 기술로서 기존의 미분탄 화력발전에 비하여 환경특성이 매우 우수하고 높은 효율을 가질 것으로 예상되어 차세대 석탄이용발전기술로서 선진국에서는 물론 국내에서도 활발한 연구가 수행되고 있다.
석탄청청이용기술 중 대표적인 기술은 무엇이 있는가?
최근 환경오염에 대비하고 에너지 이용효율의 극대화를 위한 노력의 일환으로 석탄청정이용기술(Clean Coal Technology)이 개발되고 있다. 석탄가스화 복합발전 기술(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)은 석탄청청이용기술 중대표적인 기술로서 기존의 미분탄 화력발전에 비하여 환경특성이 매우 우수하고 높은 효율을 가질 것으로 예상되어 차세대 석탄이용발전기술로서 선진국에서는 물론 국내에서도 활발한 연구가 수행되고 있다. 석탄은 세계적으로 고루 분포되어 있으며 매장량도 화석연료 중 최대이어서 우리나라와 같은 자원빈국으로서는 저가로 안정적인 조달이 가능한 연료이다.
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