초록
본 연구에서는 상용모사기를 이용하여 분할유동층 가스화기에서 로토석탄의 가스화 특성 모사를 수행하였다. 분할 유동층 가스화기는 가스화영역에서 일어나는 연소반응과 가스화반응(발열반응과 흡열반응)을 각각 다른 영역에서 일어날 수 있도록 반응기 내부를 분할한 가스화기이다. 분할유동층 가스화기의 주요 개념은 가스화에 요구되는 열을 연소영역에서 생성된 열을 이용하여 공급하는 것으로 가스화기 내부에서의 부분 연소를 억제하고, 격벽을 통한 열전달과 열매체의 이동을 통해 공급하는 것이다. 분할유동층 가스화기 모델은 열분해, 촤 가스화, 타르/오일 가스화, 촤 연소반응으로 4개의 영역을 가지도록 구현하였다. 열분해의 경우, 대상 석탄을 반응온도, 반응가스, 석탄주입량을 변화시켜 실험을 수행하여 실험데이터로부터 correlation 모델을 작성하였다. 가스화는 Gibbs free energy를 최소화하는 모델을 이용하고 촤 연소영역은 combustion 모델을 이용하였다. 분할유동층 가스화기 모사결과를 비교하기 위해 우선 단일영역 가스화기 모사를 수행하였다. 단일영역 가스화기의 경우 석탄열분해 반응기와 석탄가스화 반응기 두 개로 구성되며 반응모델은 분할유동층 가스화기와 일치한다. 분할유동층 가스화기 모사 결과, 냉가스효율은 84.4%로 단일영역 가스화기와 유사한 결과를 얻었으며 합성가스의 조성은 $H_2$와 $CH_4$이 다소 증가하고 CO와 $CO_2$가 다소 감소한 것을 확인하였다. 모델 검증을 위해 10건의 단일영역 가스화 실험에 대하여 모사를 수행하였다. 모사를 통해 얻어진 합성가스의 조성은 CO, $CO_2$, $CH_4$의 경우 실험결과와 모사결과가 거의 일치하는 반면 $H_2$의 경우 모사결과가 실험값과 비교하여 다소 높은 값을 갖는 것을 확인하였으나 경향은 실험값과 유사함을 확인하였다. 탄소전환율의 경우, 모델결과가 실험값과 비교하여 높은 전환율을 보이는 것을 알 수 있으며 이는 모사에 사용된 가스화 모델이 평형반응기로 반응기에서의 체류시간과 접촉시간이 실제 실험과 차이가 있기 때문으로 파악된다.
In this study, we used a commercial simulator to investigate the gasification characteristics of Roto coal in the partitioned fluidized-bed gasifier, which consists of 4 parts such as coal pyrolysis, char gasification, tar/oil gasification and char combustion. The heating medium was exchanged between the combustion part and the gasification part in order to supply the energy needed for pyrolysis and gasification. The correlation model from experimental data in relation to the reaction temperatures, the reaction gases and the coal feed rates was derived for the coal pyrolysis. The equilibrium model was used for the gasification and the combustion model for the char combustion. In order to compare the reaction behavior of the partitioned fluidized-bed gasifier, the single-bed gasifier was also simulated. The cold gas efficiency of both partitioned fluidized-bed gasifier and single-bed gasifier was almost the same. The $H_2$ and $CH_4$ contents of the syngas in the partitioned fluidized-bed gasifier slightly increased and the CO and $CO_2$ contents slightly decreased, compared with the singlebed gasifier. In order to verify the model, ten cases of the single-bed gasification experiment have been simulated. The contents of CO, $CO_2$, $CH_4$ in the syngas from the simulation corresponded with the experimental data while those of $H_2$ was slightly higher than experimental data, but the tendency of $H_2$ content in the syngas was similar to the experiments. In the coal conversion, the simulation results were higher than the experiments since equilibrium model was used for the gasification so that the residence time and contact time in the model is different from the experiments.
