고속순환유동층 가스화기 조건에서 저급탄 회분과 층물질의 고온 응집 현상 규명에 관한 연구

Abstract

최근 역청탄 가격이 국제 유가 상승에 연동하여 상승함에 따라 값싸고 매장량이 풍부한 저등급 석탄이 새로운 에너지자원으로 주목받고 있다. 이로 인해 저등급 석탄을 청정하게 사용할 수 있는 석탄가스화 기술이 활발히 연구됨에 따라 저등급 석탄 가스화에 최적화된 가스화기인 고속순환유동층 가스화기가 개발되었다. 그러나 낮은 건설비용과 높은 탄소전환율의 장점을 지니고 있는 고속순환유동층 가스화기임에도 불구하고 저등급 석탄이 가지는 다량의 회분으로 인해 발생되는 문제점인 층응집 현상에서 자유롭지 못한 실정이다. 고속순환유동층 가스화기의 운전 중 층응집 현상이 발생함에 따라 열전달 효율 및 재순환율이 저하되고 층응집 현상이 심화될 경우 조업 중단에까지 이를 수 있다. 따라서 고속순환유동층 가스화기의 장기적인 이용률 재고를 위해 층응집 현상을 야기하는 원인에 대한 규명이 필요하다. 본 연구에서는 러시아 사할린 탄을 사용한 3톤/일급 고속순환유동층 가스화기의 조업중단을 야기한 층응집 덩어리 시료를 EPMA, SEM-EDX 등 전자 현미경 분석을 통해 실제 고속순환유동층 가스화기에서 생성된 층응집 덩어리의 형태를 이루고 있는 성분을 조사하였다. 또한 러시아 사할린 탄과 내몽고 후룬베이얼 탄을 이용하여 고속순환유동층 가스화기에서 주로 사용하는 층물질인 규사와의 층응집 현상 모사 실험을 진행하였다. 층응집 현상 모사 실험에서는 앞서 소개한 두 종류의 석탄 시료를 사용하여 온도 변화에 따른 층응집 현상 모사 실험(950, 1000, 1050, 1100 ℃)과 층물질 입도크기 변경에 따른 층응집 현상 모사 실험(250-200, 200-150, 150-100, >100 ㎛), 그리고 석탄과 층물질의 질량비율에 따른 층응집 현상 모사 실험을 수행하였다. 전자 현미경 분석 결과, 층응집 덩어리 시료에서 층물질 입자와 층물질 입자사이를 부착하고 있는 접착회분의 대부분이 Ca, Mg 성분 등의 알칼리 토금속임을 알 수 있었으며, 흔히 회분으로 야기되는 문제점들의 원인으로 지목받는 낮은 용융온도의 Na, K 성분 등의 알칼리금속은 알루미나, 실리카와 함께 공융화합물을 형성한 뒤 층물질과 같이 층응집 덩어리 시료 내에서 입자처럼 거동함을 확인할 수 있었다. 또한, 층응집 모사 실험 결과에 따르면 온도에 따른 층응집 현상 모사 실험에서는 온도가 증가함에 따라 층응집 생성 정도가 증가하는 경향을 보였으며 특히, 1000 - 1050 ℃구간에서 급격하게 증가함을 알 수 있었다. 그리고 입도크기 변경에 따른 층응집 현상 모사 실험에서는 입도크기가 작아질수록 층응집 생성 정도가 증가하는 경향을 보였으며, 석탄과 층물질의 질량비율이 커짐에 따라 층응집 생성 정도가 증가한다는 것을 알 수 있었다. 이러한 실험 및 분석 결과를 바탕으로 저등급 석탄을 운용하는 고속순환유동층 가스화기에서 층응집 현상을 억제할 수 있는 최적화된 운전기준을 제시하여 중장기적인 연속운전의 가능성을 제공할 수 있을 것으로 보인다.