분류층 가스화 모사조건에서 융착 회분 제거 메커니즘의 Soot-blowing 특성 연구

Abstract

석탄 IGCC는 석탄의 풍부한 매장량을 이용해 석탄원료로부터 전기뿐 아니라 수소, 액화석유까지 만들 수 있는 차세대 석탄발전기술이며, 친환경 발전기술이다. 그러나 석탄내 회성분에 의한 Fouling 현상이 주로 가스화기 후단에서 발생되며, 이는 가스화 공정에 있어서 열전달을 감소시켜 효율을 저감시키는 문제점을 야기한다. 이러한 융착 현상을 효과적으로 제어하기 위해 Soot-blowing을 사용하여, 회분이 일정량 이상 융착되는 것을 방지하도록 한다. 이러한 Soot-blowing을 통해 석탄 IGCC plant의 최적 운영 조건을 유지시키도록 한다. 본 연구에서는 석탄가스화기인 분류층 가스화기 모사장치인 DTF(Drop Tube Furnace)를 이용하여 Fly ash가 열전달 표면에 융착되어 Deposit에 의한 온도감소량을 통해 확인하고, 그러한 융착 회분을 실제 석탄화력발전소 및 가스화플랜트에서 사용하고 있는 Soot-blowing 방법을 통해 Muffle furnace를 이용한 Soot-blowing 모사실험을 진행하여, 융착 회분의 제거를 위한 최종 유속 및 적정한 Timing을 연구하는데 이 목적이 있다. 이를 위해 먼저, DTF를 이용하여 회분 융착 실험을 진행하였다. DTF를 이용한 가스화 반응 조건은 Main reactor의 온도 1300℃로 분류층 가스화기의 온도조건과 유사한 온도로 실험을 진행하였고, 산화제인 산소에 경우 가스화 반응인 불완전연소조건을 만들기 위해 산소/석탄 비(O2/Coal) ratio를 0.9가 되도록 하였다. 포집부의 온도 조건은 700∼900℃으로 비산재가 열교환기에 부착하는 온도를 기준으로 설정하였다. 또한 석탄입도는 106∼150㎛로 분류층 가스화기와 유사한 입도크기를 기준으로 실험을 진행하였다. 포집부의 회분 융착에 의한 온도감소량과 질량을 측정하였다. Soot-blowing은 Ash 융착에 의한 플랜트 운전에 있어서 문제점을 제어하고자 Soot-blowing을 수행하게 된다. 하지만, Soot-blowing시 고압, 고온의 가스 또는 스팀이 사용되므로 열교환기 부식 또는 심각한 경우 파손을 야기 시킬 수 있다. 또한, 잦은 Soot-blowing은 플랜트의 운전효율을 저감시킬 수 있으므로 적정한 Timing에서 Soot-blowing 수행이 중요할 수 있다. 실제 플랜트 운전시 탄종 및 운전 조건에 따른 Soot-blowing Guideline을 제공하고자, 조건별 Soot-blowing 모사 실험을 수행하였다. Muffle furnace 온도 조건은 기존 DTF 실험에서 회분 융착 실험을 진행했던 포집부의 온도와 같도록 승온한 뒤 Soot-blowing 모사 실험을 진행하였다. Soot-blowing을 수행하기 위한 가스는 Air를 사용하였으며, 유량은 1.5 LPM부터 시작하며, 각 유량당 1분 동안 실험을 진행하였다. 1분이 지난 후에 실험을 종료하고, 회분의 제거량을 확인 하였다. DTF를 이용한 회분 융착 실험 결과 융착 회분에 의한 포집 표면의 온도감소는 융착 시간이 증가할수록, 회분 융착 온도가 높을수록, 그리고 융착량이 많을수록 포집 표면의 온도가 더 감소되는 것으로 확인되었다. 또한, fouling index에 사용되었던 화학적 성분인 알칼리 및 알칼리 토금속의 wt%가 큰 회분의 경우, 융착 회분에 의한 온도감소량이 상대적으로 더 큼을 확인하였다. Soot-blowing 모사 실험 결과 대부분의 회분을 제거하기 위한 Soot-blowing 필요유량은 회분 융착 온도가 높을수록, 회분 융착 질량이 많을수록 증가되는 것을 확인하였다. 융착 온도가 증가하면 상대적으로 회분이 단단하게 응집하므로, 그에 따른 Soot-blowing 유량을 증가시켜야만 제거됨을 판단하였다.