기포 유동층 반응기를 이용한 인도네시아 저급탄 char-스팀 가스화 특성 연구

Abstract

본 연구에서는 저급탄과 저급탄으로 제조한 char의 스팀 가스화 반응에서 최적 산화제량을 도출하는 것과 저급탄 char의 촉매에 대한 반응성 확인을 목표로 연구를 진행하였다. 실험 장치로는 유동층 반응기를 선택하였으며, 시료는 인도네시아 저급탄(Indonesian Lignite)를 선정하였다. 시료는 저급탄과 저급탄 char, 촉매 함침char 형태로 투입하였다. 촉매는 K2CO3를 선택하여 char 무게 대비10%(10wt%)를 함침하여 투입하였다. 산화제는 Steam(H2O)을 선택하여 석탄내 C함량(mole)을 기준으로 하여 H2O/C mole ratio 으로 투입하였다. 먼저 저급탄 원탄과 이를 이용해 만든 char를 이용하여 최적 산화제 투입 비율(H2O/C mole ratio)을 결정하였다. 반응온도는 850℃로 고정하여 산화제 투입 비율을 1, 2, 4, 6으로 변경시키며 원탄과 char의 스팀 가스화 반응의 최적산화제 투입 비율을 결정하였다. 실험 결과 원탄과 char 모두 산화제 투입 비율이 4일 때 생성가스 총량, 탄소전환율 및 냉가스효율이 가장 큰 것으로 나타났으며, 본 연구의 최적 투입량으로 결정되었다. 두 번째 실험은 가스화 반응온도와 촉매유무에 따른 스팀 가스화 결과를 살펴보았다. 정해진 최적 산화제 투입 비율을 기준으로 char의 스팀 가스화를 진행하였으며, char의 스팀 가스화는 촉매를 투입하지 않는 조건(무촉매 조건)과 촉매 투입 조건(촉매 함침 char 사용)으로 나누어 실험하였다. 반응온도는 650℃,750℃, 850℃으로 변경하였으며, 650℃에서는 촉매 유무에 상관없이 반응이 거의 진행되지 않았다. 750℃, 850℃로 반응온도가 증가하며 생성가스 총량 및 탄소전환율, 냉가스효율이 증가하며 가스화 반응이 더욱 잘 진행되는 것을 확인하였다. 동일 반응온도일 경우 촉매를 투입함에 따라 생성가스 총량이 증가하였으며, 그 중 H2 생성량이 더욱 증가하였다. 그리고 탄소전환율, 냉가스효율 모두 증가하였다. 마지막으로 같은 실험 조건(반응온도 850℃, 산화제 투입 비율 =4)일 때, 원탄, char, 촉매 함침 char의 반응성을 비교하였다. 생성가스 총량은 원탄, char, 촉매 함침 char 순으로 증가하였으며 탄소전환율 및 냉가스효율은 char, 원탄, 촉 매 함침 char 순으로 증가하였다. char에 비해 원탄이 탄소전환율 및 냉가스효율이 높은 이유는 char에 비해 휘발분을 포함한 원탄의 반응성이 높기 때문으로 보인다. 촉매 함침 char의 경우 원탄과 촉매를 투입하지 않은 char에 비하여 생성가스총량 및 탄소전환율, 냉가스효율이 높은 것을 확인하였다. Char의 경우 석탄에 비해 반응성이 조금 떨어지지만, 촉매를 투입할 경우 원탄을 사용하는 것 이상으로 효율을 증가시킬 수 있는 것으로 보인다.