지중석탄가스화 공정모델링 및 시뮬레이션을 통한 합성가스 열량예측에 관한 연구

Abstract

[ 요 약 ] 지중석탄가스화(UCG, Underground coal gasification)는 석탄의 활용도를 높이는 전망 있는 방안이다. 합성가스는 지상에서의 석탄가스화반응기 뿐만 아니라 지중석탄가스화 공정에서도 생산할 수 있으며, 이 합성가스는 전력생산을 위한 가스연료 또는 FT 반응을 통한 액체연료나 가치 있는 화학원료로 사용할 수 있다.

서론 부분에서 UCG에 대한 기술현황과 이론적 사항에 대해서 가급적 상세하게 설명하려고 노력하였다. 기본 모델구축을 위해서 미국 Wyoming 주의 Hanna 석탄층 Rocky Mountain-1 프로젝트의 데이터를 사용하였고, 모델은 편의상 5개의 균질 화학반응과 4개의 비균질 화학반응으로 한정하였다. 반응기는 Plug flow reactor로 가정하였고 공정모델은 정상상태(Steady-state)를 모사하는 것으로 하였다. ASPEN PLUS로 작성한 UCG 공정 기본모델은 주입부, 건조 및 열분해, 연소, 가스화 부분으로 나누어져 있다. 상기 Hanna 석탄층에서 생산한 합성가스조성과 모델 시뮬레이션 결과 얻어진 가스조성은 서로 비슷한 결과를 나타내어 모델의 신뢰성을 확인하였다. 또한 실제 실험 데이터에서 얻은 합성가스의 생산량과 시뮬레이션에서 얻은 합성가스 량에 있어서도 약 1.55 % 밖에 차이를 보이지 않았다.

방글라데시 자말간즈 탄전은 기술적 관점에서 볼 때 개발이 가능하며, 미개척지인 자말간즈 탄전에 모델적용을 위해서 우선 지하 탄층에 대한 압력과 온도의 데이터가 필요하여 문헌을 통해 별도로 산출하였으며 반응기 길이를 24 m로 가정하였다. 또 반응속도에 대한 방법론과 파라미터들은 기본모델에서 적용한 값들을 동일하게 적용하였다. 석탄층의 깊이, 압력 및 온도는 평균값을 적용하였다. 단지 반응기 사이즈가 커짐에 따라 산소주입량을 기본 모델보다 약 2.6배 증가시켰다. Jamalganj 석탄의 발열량이 미국 Hanna 보다 높지만 합성가스의 열량은 시뮬레이션 결과 약간 낮은 값으로서 9.61 MJ/m3,(=2,292 kcal/m3)로 예측되었다. 이것은 더 높은 압력에서 연소반응이 더 진행된 결과이며, 이로 인하여 Jamalganj 석탄의 탄소 전환율이 미국 Hanna 보다 약 4.45 % 높고 냉가스 효율도 약 0.52% 높은 결과를 보였다. 탄소 전환율 증가는 합성가스 생산량을 Hanna에 비하여 약 35.55 % 증가의 결과를 가져왔다. 합성가스의 온도가 752 ℃로 높게 되어 회수 가능한 열에너지도 클 것으로 판단된다.

제6장에서는 사업화 방안에 대해서 기술하였다. UCG 개발, UCG 연관산업 즉, 발전, 메탄올, 합성천연가스, GTL, 수소 등에 대한 개략적인 사항을 조사 하였는데 합성가스의 용도는 매우 다양하며, 상당부분이 상업화된 기술임을 알 수 있다.

향후 자말간즈 탄전 또는 이와 유사한 탄전을 UCG로 개발 시 목적에 따라 최대열량을 가진 합성가스를 얻고자 하거나, 수소나, 메탄 등 특정 성분이 많이 포함된 합성가스를 얻고자 한다면, 본 논문에서 적용한 모델의 시뮬레이션을 통해서 최적의 변수들을 도출 할 수 있을 것이다.

Abstract [ A Study on Syngas Heating Value Prediction through Process Modeling and Simulation for the Underground Coal Gasification ]

Underground coal gasification (UCG) is a promising option for the future use of coal. Similarly to coal gasification with industrial reactors, UCG also is able to produce syngas, which can be used for power generation or for gas to liquid fuels through F-T reactions and other valuable chemical products.

To build the basic model, US Wyoming state Hanna Rocky Mountain-1 UCG project data were used. For the model simplicity, reactions were limited to five homogeneous chemical reactions and four heterogeneous chemical reactions, Also it was assumed to be a plug-flow reactor and a steady-state process.

After tuning of the basic model, simulation result was shown credibility. And then this model appled to Jamalganj's underground coal. Jamalganj coal's syngas calorific value was predicted 9.61 MJ/m3(=2,292 kcal/m3).