IGCC 가스화기의 회성분 저온융착 현상을 규명하기 위한 fouling 인덱스 개발

Abstract

본 연구에서는 IGCC 가스화기 fouling 현상에 대한 고찰을 분류층 가스화 모사 장비인 DTF 장치를 이용하여 역청탄 및 아역청탄 두 가지 등급의 여러 가지 탄종에 대해 운전조건 변화에 따른 가스화 실험을 하여 포집된 fouling 특성을 분석하여 fouling 융착 메커니즘을 규명하고 가스화 운전조건에서 fouling 예측 인덱스를 개발 연구를 진행 하였다. 연구는 석탄 가스화 운전에서 fouling 융착 메커니즘을 확인하였고, 기존 제시된 fouling 예측식을 이용한 대상 탄들의 가스화 운전 조건에서 fouling 융착에 대한 예측을 하였으며, 가스화 모사 반응기인 DTF 장비를 이용한 각종 실험 결과와 비교하여 기존 fouling 융착 지주식들의 가스화 조건에서 fouling 예측 가능 여부에 대해 검증해 보았다. 가스화 운전에서 석탄 내 미네랄 성분이 가스화 과정에서 증발하여 미네랄 증기를 형성하거나 혹은 복잡한 화학적 반응을 거쳐 미네랄 화합물 및 혼합물을 생성하여 미세 입자 상태로 열교환기 표면에서 충돌운동을 하면서 fouling이 생성된다. 본 연구를 통하여 가스화 조건에서 fouling 형성과정에서 석탄 회분내 함량이 상대적으로 적은 알칼리(K, Na) 조성보다는 함량이 상대적으로 많은 알칼리토금속(Ca, Mg) 조성이 초기 융착에 결정적인 역할을 한다는 것을 확인하였다. 알칼리금속 화합물의 용융 및 휘발은 알칼리토금속 화합물에 비해 훨씬 쉽게 발생하지만, 석탄 내 함량이 상대적으로 적으므로 긴 시간 운전에서의 fouling형성 과정에서는 알칼리토금속이 함량이 더 큰 역할을 한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 fouling 성장 과정에서 알칼리토금속 외에 Fe성분 화합물들은 고온 환원성 분위기에서 넓은 면적으로 용융되어 기타 미네랄 혼합물뿐만 아니라 가스화 반응에서 생성된 입자들을 끌어당기는 역할을 한다는 것을 확인 하였다. 이로부터 석탄 가스화 운전에서 fouling 융착은 투입탄내 미네랄 조성 및 함량의 영향을 크게 받으며 특히 알칼리토 성분 함량 및 Fe성분 함량의 결정적인 역할을 한다는 것을 확인 할 수 있다. 석탄 화력 발전소에서 fouling 융착에 의한 관로 막힘, 조업 중단 등 문제의 발생으로 fouling 형성 메커니즘 및 그 예측에 대한 연구는 오래전부터 진행되었으며 생성 물질의 특성, 운전 조건 등 다양한 변수들을 고려한 많은 fouling 예측식들을 제시되었다. 이런 예측식들을 이용한 대상 탄들에 대한 fouling 성향 예측에 대한 결과와 실제 DTF장비를 이용한 가스화 운전 실험결과 비교로 부터 기존 보일러 운전에서 fouling 지수식은 가스화 운전조건에서 fouling 생성을 예측하는 근거로 사용하기에는 역부족한 것으로 확인 되었다. DTF장비 이용 가스화 모사 실험에서 fouling의 융착 특성 및 fouling 융착 메커니즘 분석 결과로부터 가스화 운전 조건에서 투입 탄의 조성 및 운전 조건을 변수로 한 fouling 예측 인덱스를 개발하였다. 새로 개발한 fouling 인덱스를 이용하여 대상 탄들에 대한 가스화 운전에서 fouling 생성 예측 결과를 실제 DTF실험에서 fouling 생성 결과와 비교하였을 때 상당한 정도로 근접하였으며 기존 예측식들에 비해 월등히 우수한 것으로 나타났다. DTF 장비 이용 가스화 모사 실험에 의한 fouling에 대한 연구로부터 실제 가스화운전에서 운전조건, 첨가제 및 석탄 내 회성분 전처리에 의한 fouling 제어 방법을 제시 하였다.