• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제21권3호
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• pp.227-240
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• 2010

Coal gasification is heading for a great future as one of the cleanest energy sources, which can produce not only electricity and heat, but also gaseous and liquid fuels from the synthesis. The work focuses on 300MW shell type one-stage entrained flow coal gasifier which is used in the Integrated coal Gasification Combined Cycle(IGCC) plant as a reactor. As constructing an IGCC plant is considerably complicated and expensive compared with a pulverized-coal power plant, it is important to determine optimum design factors and operating conditions using a computational fluid dynamics (CFD) model. In this study, the results of numerical calculations show that $O_2$/Coal ratio, 0.83, Steam/Coal ratio, 0.05, coal particle diameter, $100{\mu}m$, injection angle, $4^{\circ}$ (clockwise) are the most optimum in this research.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 추계학술대회 초록집
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• pp.73.1-73.1
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• 2011

분류층 석탄가스화기에서 슬래그의 원활한 배출은 가스화 플랜트 운전 및 성능에 중대한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 가스화기의 운전 온도에서 슬래그 점도가 일정수준 이상인 경우에는 가스화기 하부 슬래그 배출구 막힘 현상을, 일정 수준 이하일 경우에는 Membrane wall의 slag 두께가 얇아져 가스화기 수냉벽에 열적 악영향을 미친다. 가스화기의 안정적인 운전을 위한 석탄 선정 시, 석탄 슬래그의 용융온도 및 점도의 파악이 중요하다. 일반적으로 석탄슬래그의 용융온도는 ASTM D-1857 절차에 따른 환원분위기에서의 회융유온도(FT)측정을 통해, 점도는 고온점도측정 실험을 통해 분석하고 있다. 이런 실험적인 분석방법은 다양한 슬래그조성 및 온도 변화에 따른 영향을 살펴보기에는 많은 시간과 비용이 발생하므로 슬래그조성 및 온도 변화에 따른 용융온도 및 점도 예측이 필요하다. 본 연구에서는 200여 탄종의 회용유점 측정 결과와 FactSage에서 예측되는 슬래그 결정상 생성 및 회용유점(FT)에서의 고체분율과의 상관관계를 분석하였다. 이를 바탕으로 다양한 Ash 조성(SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO)에 대한 회용유점(FT)을 예측할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 또한 50여 탄종의 슬래그 점도 측정 결과를 Facsage에서 예측되는 결정상 종류 및 Ash 조성을 기준으로 분류하였다. 결정상 종류 및 Ash 조성을 기준으로 기존 슬래그점도예측모델를 활용하여 보다 정확한 슬래그 점도 예측 프로세스를 개발하였다. 본 연구 결과는 플랜트 운전 결과 검증을 통하여 석탄 가스화 플랜트에 적합한 석탄의 선정, 혼탄 비율 및 첨가제 투입량 결정을 위해 활용될 것으로 기대된다.

• 청정기술
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• 제20권3호
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• pp.321-329
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• 2014

본 연구에서는 고수분 저등급 석탄을 저수분 석탄으로 만들기 위하여 실험실 규모의 회분식 스팀 유동층 건조기를 사용하여 수분이 약 26%함유된 인도네시아산 저등급 석탄을 5% 이하로 건조하였다. 일반적으로 이산화탄소 포집 및 저장기술(carbon capture and storage, CCS)은 $CO_2$를 재생하는 공정에서 $100{\sim}150^{\circ}C$의 스팀과 $CO_2$혼합가스를 배출한다. 이때 배출되는 가스의 열을 사용하여 저등급 석탄을 건조하는 것이 본 연구의 최종 목적이다. 이를 위하여 본 연구에서는 건조의 열원으로 스팀을 사용하고, 유동화 가스는 $CO_2$를 사용하여 저등급 석탄을 건조하였다. 연구에 사용한 스팀의 유량은 0.3~1.1 kg/hr, 온도는 $100~130^{\circ}C$, 석탄의 층높이는 9~25 cm로 변화시켰다. 건조 후 석탄의 특성 변화는 공업분석, 발열량분석 그리고 입자크기 분석을 통하여 확인하였다. 변수 실험을 수행한 결과 원탄의 건조속도는 스팀의 유량과 온도가 증가함에 따라 증가하였고, 층높이가 감소할수록 건조속도가 증가하였다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제44권6호
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• pp.631-635
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• 2006

석탄의 수소가스화 반응에 따른 합성천연가스(substitute natural gas, SNG) 제조 특성을 고찰하기 위하여 연속식 lab-scale 분류층 수소가스화기(지름 : 0.025 m, 높이 : 1.0 m)를 이용하였다. 수소가스화 시스템은 고압 가스 주입부, 석탄 주입시스템, 분류층 수소가스화 반응기, 미반응물 분리장치로 이루어졌다. 실험은 반응온도 $600{\sim}800^{\circ}C$, 수소/석탄비 0.2~0.4, 석탄주입량 0.8~2.5 g/min의 범위에서 수행되었다. 6종류의 석탄시료를 사용한 실험결과로부터 반응온도가 증가하면 메탄화에 의한 탄소 전환율은 증가하였지만 증가하는 경향은 석탄의 종류에 따라서 각각 다르게 나타났다. 또한 수소/석탄비가 증가할수록 탄소 전환율이 증가하는 반면, 메탄농도는 감소함을 보였다. 석탄 시료 중에 포함된 탄소함량이 증가할수록 탄소 전환율이 증가하였으며, 석탄중 휘발분 함량이 35 wt％일 때 최대의 탄소전환율을 얻을 수 있었다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.111.1-111.1
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• 2010

석탄가스화복합발전(IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle)의 고온 고압 합성가스로부터 $CO_2$를 저비용으로 포집하기 위한 연소전 포집 기술 중 유동층 촉진수성가스전환(SEWGS) 공정이 제안되어 연구개발 중에 있다. 연소전 $CO_2$ 포집을 위한 SEWGS 공정은 동일한 2탑 순환 유동층 반응기에서 고온 고압의 합성가스($H_2$, CO)를 유동층 WGS 촉매를 사용하여 CO를 $CO_2$로 전환하는 동시에 전환반응으로 생성된 $CO_2$를 흡수제를 이용하여 포집하는 기술이다. 본 연구는 $CO_2$ 회수와 WGS 반응이 동시에 이루어지는 공정에 적용 가능한 건식 재생 흡수제 및 유동층 WGS 촉매 개발을 목표로 $CO_2$ 흡수제(P Series) 및 WGS 촉매(PC Series) 조성을 제안하고 분무건조기를 이용하여 6~8kg/batch로 성형 제조하였다. 제조된 $CO_2$ 흡수제 및 촉매의 특성 평가 결과 내마모도(Attrition resistance)를 포함한 물리적 특성이 유동층 공정의 요구조건을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 모사 석탄 합성가스를 이용하여 20bar, $200^{\circ}C$ 흡수/$400^{\circ}C$ 재생 조건에서 열중량 분석기(TGA) 및 가압 유동층(Fluidized-bed) 반응기를 통한 흡수제의 $CO_2$ 흡수능 평가를 수행하였다. 그 결과 내마모도(AI) 3% 이하로 기계적 강도가 우수하며, $CO_2$ 흡수능 17.6 wt%(TGA) 및 11wt%(가압 유동층)를 나타냈다. 유동층 WGS 특성 평가 결과 내마모도가 7~35%로 우수하였고, CO 전환율은 $200^{\circ}C$에서 80% 이상으로, 유동층 SEWGS 공정에 적용 가능한 특성을 확인하였다.

• 자원리싸이클링
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• 제19권6호
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• pp.43-50
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• 2010

에너지 위기로 인하여 석탄에 대한 관심이 증가하고 있다. 그 중에서도 저등급석탄에 대한 관심이 증가하고 있는데, 저등급석탄은 수분함량이 30~60%갱도로 수분함량이 높다. 이러한 저등급 석탄을 발전용 연료로 사용하기 위해서는 건조공정이 선행적으로 이루어져야 한다. 본 연구에서는 고정층 반응기를 이용하여 저등급석탄의 건조 반응속도론을 도출하였다. 건조반응속도는 입자크기, 주입가스 온도, 가스 유속, L/D의 영향을 변수로 하여 도출하였다. Reynold's number는 가스 유속과 석탄업자의 크기, L/D는 반응기 직경과 대상탄의 충진양을 보정하기 위해 고려하였다. 석탄의 건조 특성에서도 알 수 있듯이, 고정층 반응기를 이용한 저등급석탄의 건조에 있어서도 표면수분의 건조가 원활하며, 상 경계 반응이 적합한 메커니즘임을 확인 할 수 있었다.

• 한국에너지공학회:학술대회논문집
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• 한국에너지공학회 1994년도 춘계학술발표회 초록집
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• pp.22-27
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• 1994

6종류의 유연탄을 대상으로 석탄회분의 용융온도와 화학적조성을 측정하고, 대상탄 회분에 대해 Rs 값과 Fs 값을 계산해 봄으로써 각 탄들의 Slagging 성향을 알아보았다. 그리고, 이 자료만으로는 정확한 Slagging 성향의 예측이 어려우므로 분류층 가스화기의 조건을 모사한 DTF(Drop Tube Furnace : 이하 DTF)장치를 이용하여 온도와 체류시간을 달리하면서 생성되는 Slag의 화학적조성, 강도, 점착속도 등을 측정하여 Slagging 형태의 가스화기 운전에 있어서 최적조건을 제시하고자 한다.

• 대한환경공학회지
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• 제32권2호
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• pp.165-174
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• 2010

석탄 가스화 반응을 모델링하여 습식분류층 석탄 가스화기의 반응특성에 대한 수치해석적 연구를 수행하였다. 본 연구의 목적은 신뢰성 있는 수치해석기술을 이용하여 가스화 장치의 기본설계와 더불어 최적 운전조건의 설정에 있다. 석탄 가스화 반응은 복사가 관여하는 고체와 기체의 이상 난류반응으로서 수증기 증발로부터 휘발화, 촤와 가스의 반응 등 일련의 연소반응의 구조를 가진다. 본 연구에서는 실험과 수치해석적인 방법을 병행하여 연구를 수행하였으며 한국에너지기술연구원에 설치된 1톤 규모의 실험용 가스화기를 대상으로 하였다. 본 연구에서는 기본적으로 상용프로그램을 사용하였으며 석탄 가스화 반응해석에 필요한 여러 서브루틴을 개발하여 해석하였다. 세부 반응 서브루틴의 난류반응은 기본적으로 에디붕괴모델에서 화학적 반응속도의 개념을 조화평균의 형태로 사용하였다. 그리고 석탄입자궤적은 라그란지안 접근방식을 선택하였으며 입자의 궤적 계산에서 저항력에 나타나는 난류비선형적인 문제에 대한 모델도 고려하였다. 이와 같이 개발된 프로그램은 실험에서 얻어진 가스농도와 온도분포 그리고 냉가스 효율 등의 자료들과 비교하여 성능을 일차적으로 검토하였다. 석탄의 입자크기분포, 석탄 슬러리 농도, 그리고 가스화기의 형상변화는 가스화 성능에 직접적으로 영향을 주며 이를 합성가스 생성량과 냉가스 효율을 통해 비교 검토하였다. 본 연구 결과가 비록 물리적으로 타당하고 변수연구의 일관성을 보여주나 기류층 석탄가스화 반응장치의 복잡성을 고려하여 볼 때 보다 많은 실험결과에 대한 정교한 모델검증 노력이 신뢰성 있는 프로그램의 완성에 필요할 것으로 판단된다.

• 한국연소학회지
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• 제17권1호
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• pp.1-11
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• 2012

A slag building simplified model was developed to determine wall heat flux of a Shell 300 MW coal gasifier. In the model 4 layers(particulate, sintered, molten slag, solidified slag) were considered and mass conservation and energy balance were used to obtain each slag layer's thickness and surface temperature. Thermo-chemical and fluid charateristics of the gasifier were studied with and without considering the slag model using commercial CFD code FLUENT. Consideration of the slag layer did not affect syn-gas mole fractions. However, the slag layer caused to increase the exit gas temperature by about 50 K.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.107.1-107.1
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• 2010

고체 흡수제를 이용한 석탄합성가스 중의 황제거 기술은 습식 스크러빙 방식에 비해 고온에서 운전가능하므로 석탄가스화복합발전의 효율 향상을 가져올 수 있다. 고체탈황제는 서로 연결된 두 개의 유동층 반응기를 순환하면서 흡수탑에서는 합성가스 중의 $H_2S$로부터 황을 흡수하고 재생탑에서는 공기 중의 산소와 흡수된 황이 반응하여 $SO_2$를 배출하고 재생된다. 따라서 고체 황 흡수제는 유동층 공정에 응용가능한 물성과 함께 높은 황흡수능과 빠른 반응성이 요구된다. 본 연구에서는 기존 개발된 고체 탈황제가 가졌던 소성시 수축 현상, 낮은 내마모도 등을 개선하기 위해 지지체 조성을 변경하여 개발한 분무성형 탈황제의 흡수 재생 온도에 따른 황흡수 특성 변화를 조사하였다. $H_2S$ 1 vol. %를 함유한 모사 합성가스를 이용하여 흡수온도 450, $500^{\circ}C$, 재생온도 500, 550, 600, $650^{\circ}C$에서 황 흡수능을 열중량분석기를 이용하여 측정하였다. 개발된 흡수제는 유동층 공정 적용에 적합한 훌륭한 물성(형상, 밀도, 강도 등)과 함께 $500^{\circ}C$ 흡수와 $650^{\circ}C$ 재생을 기준으로 10 wt% 이상의 높은 황흡수능을 보여주었다. 흡수온도 변화는 황 흡수능 변화에 큰 영향을 미치지 않았으나, 재생온도가 $600^{\circ}C$ 이하인 경우 황흡수능이 5 wt% 이하로 크게 떨어져 재생온도를 $650^{\circ}C$ 이상 유지시키는 것이 중요함을 알 수 있었다.