가스화 조건에서 ash fouling 점착 억제효과를 위한 첨가제(Kaolin)혼합비 영향연구

Abstract

석탄 가스화 및 IGCC와 같이 석탄을 이용한 발전소에서는 고온에서 반응 후 생성된 석탄의 ash로 인한 가스화기 후단에서 fouling 융착으로 열 효율의 감소를 발생시키고 지속적인 회분의 융착으로 관로의 부식 및 막힘 현상으로 가스화기 운전에 영향을 미친다. 이를 해결하기 위해서 오랫동안 ash의 fouling 성장 메커니즘과 거동예측에 관한 연구가 지속되었다. 이러한 fouling은 석탄 내 무기물질들이 가스들과 증발하여 복잡한 성질을 나타내는 화합물을 형성한다. 이 중 미세입자로 된 alkali금속은 열 교환기 표면에서 초기 층을 구성하게 되고 alkaline-earth, Fe와 같은 무기물질을 이끌어 fouling의 성장을 발생시키게 된다. 본 연구에서는 석탄의 WH탄과 상대적으로 alkali, alkaline-earth의 함량이 많은 KPU탄을 사용하여 석탄가스화기인 분류층 가스화기 모사장치인 DTF를 이용하여 첨가제의 혼합 여부에 따라서 샘플을 선정하여 가스화 실험을 진행하였다. 첨가제는 Al-Si계열인 Kaolin으로써 Al+Si의 고 용융점 화합물의 성분함량이 약 96%이상을 차지하는 물질로 선정하였다. 각각 탄종에 따라 첨가제의 혼합된 석탄 회분과 그렇지 않은 석탄 회분의 융착되어진 fouling에 의해 온도 감소량을 비교분석하고 이를 바탕으로 회분분석을 실시하여 alkali, alkaline-earth금속 성분이 줄어듦을 확인하여 첨가제로 인한 석탄 회분의 효과를 나타냈다. DTF의 가스화 조건은 분류층 가스화기와 비슷한 온도조건의 1300℃로써 포집부의 온도조건은 800℃로 선정하였다. 석탄 및 첨가제의 입도크기는 75㎛이하로 미분탄 조건 기준으로 선정하여 실험을 진행하였다. 또한 불완전연소조건을 수행하기 위해 산소/석탄 비는 0.9로 맞춰 진행하였다. 첨가제의 혼합 여부에 따라서 실험한 결과, 원탄보다 첨가제를 혼합하였을 때 alkali, alkaline-earth의 함량이 줄어들었고 SiO2+Al2O3의 함량은 증가하였다. 특히 alkali금속 성분의 함량이 높은 KPU탄은 첨가제에 의한 효과가 뚜렷이 나타났다. 합성회(Synthetic ash)의 실험은 Muffle furnace를 이용하여 석탄 회분 중 주로 Kaolin과 반응하는 Chloride계열의 Na, K, Ca, Mg, Fe의 시약들을 이용하였으며 가스화 조건과 동일하게 입도크기는 75㎛이하로 진행하였다. 첨가제인 Kaolin과 의 혼합비율은 석탄의 혼합비율과 동일하게 10wt%로 진행하였다. Furnace의 안은 가스화조건인 환원성 조건을 만들기 위해 N2 가스를 furnace 상단을 통해 주입하였으며 총 30min의 반응시간을 끝낸 후 SEM 분석을 통해 시약들과 첨가제가 혼합되었을 때 물리적으로 변화된 입자의 크기 및 표면의 모양을 비교분석 하였다. 또한 석탄과 첨가제가 혼합된 석탄 샘플을 합성회 실험과 동일한 조건으로 Muffle furnace 실험을 진행하였으며 Degree of agglomeration(%)를 측정하여 응집현상을 각 석탄 샘플별로 비교하였다. DTF를 이용한 석탄 회분의 실험 결과, 첨가제가 혼합된 석탄의 회분의 융착 무게는 비슷한 양의 샘플을 feeding 하였음에도 오히려 융착 무게가 증가하였다. 그러나 회분이 쌓인 높이는 각 샘플 별로 비슷한 높이를 나타냈다. 또한 alkali, alkaline-earth의 함량이 많을수록 온도 감소량이 상대적으로 더 큰 것으로 확인되었다. SEM분석결과, 첨가제가 혼합되어진 석탄 회분의 fouling의 입자들은 첨가제와 함께 서로 뭉쳐 입도크기가 원탄의 회분보다 증가하였다. Muffle Furnace에서 반응 후 생성된 석탄 및 첨가제가 혼합된 석탄 샘플의 응집률(Degree of agglomeration, %)를 측정한 결과 WH탄과 KPU탄 모두 첨가제가 혼합되었을 때 값은 감소하였다. 4개의 샘플 중 상대적으로 alkali, alkiane-earth의 함량이 높은 KPU탄의 응집률 값이 가장 높게 나타났으며 첨가제가 10wt% 혼합된 후 생성된 샘플은 약 34% 응집률이 감소하였다. Alkali 성분들은 agglomeration을 발생시키는 작은 구형의 입자들과 첨가제인 Kaolin이 혼합되어 서로 엉켜있는 sharp한 모양을 나타냈다. 실제 가스화 모사기에서 발생된 석탄 회분의 SEM이미지와 비교하였을 때 첨가제가 혼합되었을 시 첨가제에 의하여 입자들의 모양이 구형보다는 sharp한 모양에 가까웠으며, 첨가제와 혼합된 Na와 K는 비슷한 경향을 보였다.