순환유동층반응기의도전 - 2. 재료산업 2.2 세멘트산업 오늘날세멘트산업은세계적으로년간 15억톤을생산하여양적으로는 1위의재료산업이라하겠다. 보통크링커가화염온도 2200 C인로타리킬른에서생성되고있기때문에상당히집중된에너지소비로인해큰어려움을겪고있으며또한 CO2 와 NOx의배출도심하다. 그러나대부분의연료 (80% 이상 ) 는낮은온도에서석회석의소성에사용된다. 따라서여분의연료를사용하여 850 C에서저온연소하여거친원료물질을우선예비소성을수행하고있다. 산업국에서는세멘트프렌트가타산업쓰레기, RDF, 프라스틱, 심지어타이어들을처리하는장소가되고있다. 이러한쓰레기를예비소성단계에사용하면잔재물없는연소를보장할뿐더러 (Rosemann and Grosse, 1995) 세멘트공정에연료비를크게절감시켜준다. 거친석회석을예비소성하는 1400 t/d 규모의 CFB-소성로 (calcines) 가 98 % 이상의높은소성도와적은 NOx 배출을보이면서실증되었다 (Reh, 1995). 중국은세계 1위의세멘트생산국이고전기수요가매우큰국가인데전기는주로고회분함량의석탄을사용하여생산하고있다. 근래들어중국에서는클링커, 전기, 열세가지를동시에생산하는세멘트클링커프렌트가개발되어오고있다. 이세가지생산모드는몽골에위치한 500 t/d clinker 생산프렌트에성공적으로적용되어석탄연료를크게절감하였다 (Deng, 1993; Li and Kong, 1999). 이아이디어를더연장하여서시설업체와세멘트업체가상호협력하여서 Fig. 7에보였듯이아주효율적인세가지생산을하나의공정으로실현시켰다. 석회석과고회분탄을서로따로준비하고파쇄한후이두가지흐름을온라인으로비율을조절함으로써 CFB 보일러에서 850 'C이상에서석회석의예비소성과석탄의연소를동시에높은효율로수행할수있다. 황은층물질내로완전히잡히게되는데, 층물질은클링커와같은조성이고시스템내에서고체의순환으로인해아주잘혼합되는상태를유지한다. 이뜨거운층물질은작은로타리킬른으로직접배출되는데여기서는주로발열반응조건에서클링커가생성되는데단지적은양의석탄을연료로더공급한다. 킬른에서나오는가스는 CFB 보일러로주입되는 2차공기를예열하는데사용되면서냉각된다. 오른쪽의보일러는전형적인대류냉각과먼지포집방법을사용하고있다. 이세가지동시생산공정은제각각의생산공정들에비해낮은 CO2 배출, 낮은 NOx 배출을갖고세멘트클링커, 전기, 열을생산하는잠재력을제공한다. 세멘트를만들때들어가는점토질대신시스템에서나오는회
분을사용함으로써회분을유용하게처리할수있다. 투자비역시별도로두개의프렌트를건설하는것보다적을것이며열이용효율도매우높다. 이기술은중국, 인도, 구소련처럼석탄의질이낮고전기배전망이완전하지않고, 세멘트와전기수요가높은개발도상국에서아주중요해질수있다. 2.3 철강산업 환경오염에대한인식과규제가증가하여, 특히 온실가스 에대한논의가급증하면서 CO2 배출을감소하고자하는노력이새로이개발되는진보적인제철공정에서도이루어지고있다. 엄청난양의에너지와탄소를소비하는철강산업에서는 CO2를년간약 2500만톤을배출하고있는것이다. 전형적인철강제조공정은화염용광로 (blast furnace) 와산소를주입하는전환로 (oxygen blown converter) 를사용하는공정으로세계적으로 60% 이상차지하고있다. 이공정에서는철광석원료를우선소성등을통하여응집시키고석탄에서코우크스를만들고있다. 두가지모두높은투자비가필요하고배출되는오염가스에대한규제는점점더복잡해지고있다. 한편철강생산에전기로 (EAF, electric arc furnace) 가점점더많이사용되고있는데이는약 70% 까지재활용되는물질을보다쉽게사용할수있기때문이다. 철광석으로부터우선연탄처럼압축된형태 (HBI) 혹은팰릿형태로서환원철 (DRI, direct reduced iron) 을만들어야한다. 즉응집된철광석이 CO+H2 가스나값싼
메탄에서만든 H2 가스로환원되면서이중간생성물이만들어진다. 광산에서철광석의가루가점점더많이생산되는관계로철광석가루로부터직접 DRI를생성하는것을더부가적으로북돋고있다. 이러한경향은지난세기들을거치면서더두두러져왔다 (Schlebusch, 1997; Weber et al., 1994). 1970년대중반에 ELRED-공정의개발을기초로하여 LURGI는 CFB 반응기에서석탄가스혹은수소 (Circored 공정 ) 를환원제로하여철광석가루를직접환원시키는공정을처음으로개발하여산업화하였다. Trinidad에철광석가루와메탄을개질하여얻어지는수소를주입하여환원철 500,000 t/yr를생산하는 Circored 공정이처음으로조업되었는데, 그개략도를 Fig. 8에보였다. 왼쪽의 CFB 가열기유니트에서는주된환원과정에서소모되는열부하를부분적으로상쇄하기위하여철광석을예열한다. 주환원과정은역시온도 630 'C, 4기압조건의 CFB 반응기에서수행되며, 마지막으로 65에서 93% 의금속화환원은단계적으로이루어진기포유동층에서 2-4 시간의긴체류시간을갖고수행된다. 그리고아주미세한철입자들은급속가열되면서연탄화된다. 이러한저온환원공정은조절해야할가스오염물의배출이없다. 따라서 Circored 공정은상이한반응기들을적절하게설계한하나의뛰어난복합공정개념이라하겠다. 2.4 FCC-cracking 과석유화학 기름산업은오늘날세계적으로년간 33 억톤의원유를취급하고있다. 서두에서언
급한바대로 CFB 상승관반응기의기술은 fluid catalytic cracking에서널리인정되고있다 (Yu, 1994). CFB 상승관은또한주로기름과가스산업에서많은촉매반응에사용되기시작했다. 꽤나여러가지불균일촉매유기반응들에응용잠재력이있고고려중에있다 (Berruti et al., 1995). 원치않는부생성물을피하고높은선택도와전환율을얻기위해서가스와고체촉매의체류시간을짧게주며아주미세하게조절하는것이유리하다. 오늘날상승관에서사용되듯이일초정도의가스체류시간과상승관벽부근에서이미탄소가침적된촉매들이역혼합 (backmixing) 되는것은반응의선택도에매우불리하게작용한다. 따라서석유산업분야에서의반응기개발은서서히병류 downer cracker쪽으로돌기시작했다. 이반응기형태는역혼합이없는이상적인관형반응기로높은전환율과선택도를가져다줄것이다. 다량의촉매를재순환시켜야하며촉매에달라붙은탄소를태워버려서다시재생시켜야하므로 Fig. 9의예에보인것처럼결국 downer 와 riser 반응기가각각적절한기-고체분리장치를갖고조합을이루어야할것이다. 대규모의 downer 반응기에서유체역학을살펴보면, 반경방향으로의고체농도는좀더균일하다고제시되고있으며, 산업용프렌트에서는 G s >600 kg/m 2.s 정도로꽤높은고체프럭스가요구되어촉매들이반응가스흐름으로반경방향으로빠르고도효율적으로분산되도록하고있다 (Wei et al., 1994; Meili, 1995; Schiewe, 1997;
Zenklusen and Reh, 1998). 그렇지못하면, 기-고체상호작용이적은한가닥의흐름안에서만고체들이운동할수있기때문에원하는선택도에도달하지못할수있다 (Roques et al., 1994; Talman and Reh, 1998). 이제흥미있는 downer 반응기분야의개발이시작된것이다. 3. CFB 개발의미래 이상의조사에서알수있는것은점차강화되는환경규제와경제정치적인영향으로인하여일차에너지소비를감축하고원자재물질을보다더효율적으로이용하려하는요구로인해지난 2세기동안기본적인생산공정에상당한구조적변화를가져왔다는것이다. 장차세계적인인구증가와맞물려물자및에너지의소비역시증가할것이므로투자비적고좀더효율적이고깨끗한공정이요구될것이다. CFB의연구개발은이러한요구에더욱다가가야만한다. 미세입자를갖는기-고체흐름반응기에서 riser와함께 downer도점점그이용이더확대되고있는데, 한편으로이는다른화학반응기시스템처럼온도, 압력, 물질에관한공정의요구에폭넓게부응할수있는공정의핵심으로간주되어야한다. 다른한편으로는 CFB 프렌트는반응구역, 분리그리고고체의재순환시스템이모두묶여져있는전체적인시스템으로취급되어야할것이다. 이들은적절하게설계되고조절되어야한다 (Steiner, 1997; Hugi, 1998). CFB 반응기의 scale-up은수치적인계산이나실험적인방법으로는취급할수없는규모범위에서계속이루어지고있다. 특히순환이큰 CFB에서지배적으로나타나는집합적으로가속되거나감속되는기고체흐름의조건에서 scale-up이수행되고있다 (Reh, 1998). 에너지최소화 multi-scale 방법 (Li and Kwauk, 1994) 을사용하여집합적인흐름을모델링하는기본적인접근방법이제시되었으나아직까지이렇게꽤나복잡한흐름조건을묘사하는데는많은부분들에서답이제시되어야한다. 수치계산유체역학 (CFD) 연구자들과프렌트운전자들사이의밀접한공동협력들이역시다른부분들에서필요하다. 개선의열쇠는주로 CFB 반응기의산업체사용자들의손에있다고하겠다. 그들은우선대담하게좀더자세한프렌트측정데이터를개방해야한다. 둘째로그들은단기적안목에서공정의후처리나현공정의최적화에관심을두는것보다는좀더장기적인공정혁신을수행함으로써스스로장래의요구에부응할수있도록해야할것이다. 새로운 CFB 의응용을성공적으로잡아내기위해서는, 학계와산업계에서여러다
른분야에서전문가들이상호유연하게장기적인안목으로협력하는하나의시스템접근방법이필요하다. 이를통하여장차 CFB 기술의도전은충분히탐구될수있다.