석탄가스화기 운전조건변화에 따른 탄종별 융착지수 연구

Abstract

2010년 이후 상용화발전을 목표로 하는 석탄가스화 복합발전기술은 현재 3 ton/day Bench 급 석탄가스화 시스템이 고등기술연구원 아주대 분원에서 운전되고 있다. 생성된 석탄가스를 정제하기 위한 탈황공정과 집진부분은 높은 성능을 보이고 있으나 일부 투입석탄의 경우에서 비산재(Fly ash)에 의한 가스화기내 파울링(fouling)으로 배가스 배출부에서 막힘 현상이 발생하여 연속운전에 장애가 되고 있다. 이러한 막힘 현상은 배가스의 온도, 열전달면의 온도 그리고 회재의 일부 미네랄에 많은 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 가스화기 내부의 반응을 모사할 수 있는 DTF(Drop Tube Furnace)를 이용하여 가스화조건에서 생성된 다양한 탄종의 fouling의 특성을 알아보고자 한다. 먼저 석탄이 가스화 후 생성된 fouling의 ash mineral조성을 분석하여 융착에 영향을 미치는 주요 미네랄(mineral)을 규명하고, 가스화기의 운전조건변화 즉, 배가스 온도변화, 융착표면 온도변화, 그리고 투입탄의 입자크기변화를 주어 융착된 량을 석탄의 ash량과 비교하여 융착량 기울기 변화를 나타내었다. 대상탄으로는 고등기술연구원 가스화기에서 fouling경향이 심한 Usibelli탄을 중심으로 같은 아역청탄 등급의 Adaro, Kideco, Baiduri와 역청탄 등급의 Datong탄 그리고 원료의 다양화를 위해 Waste Sludge와도 비교 실험하였다. EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)를 통하여 융착(deposit)된 시료를 분석해본 결과 fouling성장에 가장 중요한 역할을 하는 ash mineral은 Si, Al, Ca 화합물들로, 이들은 주로 액상(liquid phase)으로 존재하면서 Fe화합물뿐만 아니라 주위 입자(particle)들까지 붙잡는 역할을 하며 융착된 ash입자들이 끈적끈적(stickly)해져서 스테인 래스 배관표면에 쉽게 붙는 경향이 있는 것으로 판단된다. 가스화 운전조건 변화에서 투입된 ash총량과 융착된 량의 기울기 변화를 비교하였을 때 입자크기 변화, 융착표면 온도변화, 배가스 온도변화 기울기 변화가 가장 크게 증가하였다. 그리하여 운전조건 중 배가스 온도가 융착에 가장 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 앞의 석탄별 고유한 성질인 Si, Al, Ca mineral의 함유비율, 석탄 용융점과 가스화기운전조건인 배가스온도, 융착표면온도를 고려하여 유도된 융착지수식(Fouling Index; FI)이 운전조건을 변화시켜 실험한 실제 융착량과 대략적으로 일치함으로써 실제 가스화가에서 탄종을 바꾸거나 운전조건을 바꾸어 운전할 경우 fouling의 경향을 사전에 고려할 수 있는 참고자료가 될 수 있을 것이다.