한국수소및신에너지학회논문집 (2010. 6), 제 21 권제 3 호 Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2010. 6), Vol. 21, No. 3, pp. 227~240 300MW 급 Shell 형 1 단분류층석탄가스화기의전산수치해석 : 산소 / 스팀 / 석탄주입비, 석탄입자크기, 주입노즐각도가가스화기성능에미치는영향 송지훈 *, 강민웅 *, 서동균 *, 임성진 **, 백민수 **, 황정호 *** * 연세대학교대학원기계공학과, ** 두산중공업기술연구원 IGCC 개발팀, *** 연세대학교기계공학과, 수소연료전지협동과정 CFD Modeling for 300MW Shell-Type One-Stage Entrained Flow Coal Gasifier : Effect of O 2 /Steam/Coal Ratios, Coal Particle Sizes, and Inlet Angles on the Gasifier Performance JIHOON SONG*, MINWOONG KANG*, DONGKYUN SEO*, SUNGJIN LIM**, MINSU PAEK**, JUNGHO HWANG*** *Dept. of Mechanical Engineering, Grad. School of Yonsei Univ., 134 Shinchon-dong, Seodaemoon-gu, Seoul, 120-749, Korea **IGCC Development Team, Corporate R&D Institute, Doosan Heavy Industries and Construction, 463-1 Jeonmin-dong, Yuseong-gu, Daejeon, 305-811, Korea ***School of Mechanical Engineering and Hydrogen and Fuel Cell Engineering, Yonsei Univ., 134 Shinchon-dong, Seodaemoon-gu, Seoul, 120-749, Korea ABSTRACT 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 μm, injection angle, 4 (clockwise) are the most optimum in this research. KEY WORDS : Coal gasification( 석탄가스화 ), Entrained flow bed( 분류층 ), IGCC( 석탄가스화복합발전 ), CFD( 전산유체역학 ), O 2 /steam/coal ratio( 산소 / 스팀 / 석탄주입비 ), Coal particle size( 석탄입자크기 ), Inlet angles( 주입노즐각도 ) Corresponding author : hwangjh@yonsei.ac.kr [ 접수일 : 2010.3.10 수정일 : 2010.4.23 게재확정일 : 2010.6.25 ] Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2010. 6), Vol. 21, No. 3 227
300MW 급 Shell 형 1 단분류층석탄가스화기의전산수치해석 : 산소 / 스팀 / 석탄주입비, 석탄입자크기, 주입노즐각도가가스화기성능에미치는영향 Nomenclature : char particle surface area : pre-exponential factor : molar concentration of species j in reaction r : realizable model constant : mass diffusion coefficient for species i, m 2 /s : diffusion rate coefficient for reaction r : total energy : activation energy : drag force per unit particle mass : momentum source term by particles : volatile mass fraction : turbulence kinetic energy due to the mean velocity gradients and buoyancy : turbulence kinetic energy : effective thermal conductivity : forward and backward rate constant for reaction r : equilibrium constant for the r th reaction : ash content in the particle : initial particle mass at injection : mass source term arising from particles : volatile yield up to time t : molecular weight of species i : static pressure : partial pressure of the gas phase species : universal gas constant : rate of char particle surface depletion : source term of species i : kinetic rate of reaction r : devolatilization model kinetic rate : heat sources : mean strain rate : generalized source term : turbulent Schmidt number : static temperature : gas and Particle velocity : mean velocity components : fluctuating velocity components : coordinate of directions : mass fraction of species i : devolatilization model constant : finite rate/eddy dissipation third-body rate : turbulence dissipation rate : ratio of turbulence to mean shear time scale : shrinking (or effectiveness) factor : rate exponent for reactant and product species j in reaction r : dynamic viscosity : turbulent viscosity : kinematic viscosity : gas and particle density : turbulent prandtl numbers for k and ε : deviatoric stress tensor : stoichiometric coefficient for reactant and product i in reaction r 1. 서론 2000년도이후, 가파른글로벌경제성장에따라에너지수요가증가하고있는실정이다. 이에따라, 화석연료가세계에너지공급을지배하고있으며, 석탄에대한수요역시증가하고있다 1). 이와함께, 석탄이 200년이상사용할수있을정도의방대한양이매장되어있기때문에, 석탄가스화기술은전력생산에서필수불가한선택사항이되고있으며, 청정석탄기술 (clean coal technology, CCT) 중가장앞서고있다. 석탄가스화기술의가장뛰어난친환경적특성은바로황산화물 (SOx), 질소산화물 (NOx) 과같은대기오염물질을거의발생하지않는점이다 2). 특히, 석탄가스화복합발전 (integrated coal gasification combined cycle, IGCC) 은 21세기가장중요한에너지공급기술중하나로간주되고있으며, 이미세계많은지역에서상업적으로가격경쟁력이있는것으로알려졌다 3-5). 일반적으로석탄가스화기술은가스화형태에따라크게고정층 (fixed or moving bed), 유동층 (fluidized bed), 및분류층 (entrained bed) 으로구분되며, 이러한가스화방식에따라생성가스의조성 228 한국수소및신에너지학회논문집제 21 권제 3 호 2010 년 6 월
송지훈 강민웅 서동균 임성진 백민수 황정호 및발열량그리고가스화기내의온도분포가크게달라진다. 고정층은높은 turndown ratio( 작동범위 ) 와오랜기간진행된연구로인해축적된자료가많다는장점이있다. 반면에, 유동층은연료와산화제의혼합작용이활발히일어나며, 이는열및질량전달을촉진시킨다. 마지막으로, 분류층은높은탄소전환율과입자의체류시간이짧다는특징을갖고있다. 또한, 설계형상에있어도고정층과유동층보다덜복잡하다는장점이있다. 이와같은이유로인해 shell, GE energy, conocophilips, texaco, koppers-totzek 과같은세계주요가스화기제조업체들은주로분류층을사용하며, 이는 IGCC에많이사용되고있다 6,7). 분류층가스화기는보통높은열전달과짧은체류시간으로인해, 복잡한열유동및화학반응에대한정보를실험적으로알아내는것은쉽지않다. 또한, 가스화기의실제규모와작동조건의변화로인한비용역시천문학적인비용이소요된다. 따라서실험실규모의모의실험이나 CFD(computational fluid dynamics) 를통한수치해석적연구가그어느경우보다필요할것으로판단된다 8). Chen 등 9) 은 200ton/day 2단분류층석탄가스화기에대한 3차원전산수치해석을통해석탄주입형태와석탄입자의크기, O 2/coal 비등과같은작동조건에대해연구하였으며, reaction engineering international(rei) 의 Bockelie 등 10,11) 은 REI 의 in-house tool인 GLACIER를이용하여 CFD를수행하였다. 이연구에서는 1단및 2단분류층석탄가스화기의석탄주입형태및입자의크기, 운전압력등과같은작동조건에대해비교연구하였다. 또한, 부가적으로벽면에용융슬래그의형성및거동현상도고려하였다. 또한, 미국국립에너지연구소 (NETL) 의 Zitney 와 Guenther 12) 도상용 CFD code인 FLUENT 를사용하여, 상업용규모의 2단분류층석탄가스화기에대한 3차원전산수치해석을수행하였다. 또한, CFD 모델과 Aspen Plus를합친 APECS(advanced process engineering co-simulator) 에대한연구도진행하였다. 마지막으로국내에는 Choi 등 8) 이낙하식 1단분류층석탄가스화기내부의유동분포와 O 2/coal 비에따른영향을 CFD를통해수행하였고, 서혜경 13) 등은 1ton/day급가스화기의실험및 CFD 해석을통해 N 2/coal 비, O 2/coal 비와같은운전조건과생성가스조성등을비교하였다. 국내에서는 2007년부터 한국형 IGCC 기술확보를위한 300MW급설계기술자립및실증플랜트건설 을위한프로젝트가한국전력, 서부발전을포함한 5개발전사와두산중공업, 대학교및연구소등이참여하고있다. 현재국내에도입할가스화공정사로 shell( 네덜란드 ) 이결정되었으며, 2014년시운전종료를목표로진행중에있다. 이와같은복합발전플랜트는정치, 경제, 환경적으로시너지효과를창출할수있기때문에, 한국형가스화플랜트에대한설계기술확보및축적이무엇보다시급한시점이다. 본연구에서는모델링및격자생성소프트웨어인 GAMBIT 을사용하여 3차원모델링과약 64만개의격자를생성하였으며, 격자가생성된모델을상용 CFD code인 FLUENT 를사용하여, 300MW급 shell 형 1단분류층가스화기의 O 2/coal 비, steam/coal 비, 석탄입자의직경과 inlet 각도가가스화기에미치는영향을수치해석을통해살펴보았다. 2. Shell형가스화기의특성 Fig. 1에나타낸것과같은형상인 shell형가스화기는서론에서언급한분류층가스화기로입구에적정의 O 2 /coal 비와 steam/coal 비로연료와산화제, 스팀이동시에주입되어가스화과정을통해고체연료인석탄을이용하여, syngas( 합성가스, H 2 +CO) 를얻는데목적을둔반응기이다. 가스화기내부에서는다음과같은과정을거친다. 1) 석탄의건조과정 2) 탈휘발화과정 (devolatilization) 을통한휘발성물질 (volatile matter) 의방출 3) 부분연소과정 (partial oxidation) 4) 가스화과정 (gasification) 또한, 가스화과정후석탄에남은회성분 (ash) 은고온으로용해하여유리질의슬래그 (slag) 로만들어진다. 이는가스화기벽면을타고따라흐르는용 Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2010. 6), Vol. 21, No. 3 229
300MW 급 Shell 형 1 단분류층석탄가스화기의전산수치해석 : 산소 / 스팀 / 석탄주입비, 석탄입자크기, 주입노즐각도가가스화기성능에미치는영향 Table 2 Test conditions Coal 24 Feed Rates (kg/s) O 2/Coal 0.75-1.08 Steam/Coal 0.033-0.075 Coal Particle Sizes ( μm ) 50-300 Inlet Angles ( ) 0, 2, 4, 6, 8, 10, 20, 30 Heat Loss 1.5% of the coal HHV 14) Operating pressure (atm) 30 Fig. 1 Prototype of gasifier and water cooling jacket. 융슬래그형태로 slag bath를통해배출된다. 여기서, 출구에서얻어진 syngas는 gas-cleaning 과정을거쳐, 복합사이클을통해전력을생성하게되는것이 IGCC( 석탄가스화복합발전 ) 이다. 아, 중국, 호주, 남아프리카공화국등에서전량수입된다양한석탄을사용하고있다. IGCC 역시석탄수급의문제로인해위와같은석탄을사용할계획이다. 이에본연구에서는인도네시아석탄을선정하였으며, 이는현재서부발전산하의태안화력발전소에서사용되고있는석탄중하나이다. 석탄에대한공업분석과원소분석결과를 Table 1에표시하였다. 또한, Table 2에수치해석시가스화기의고정된조건과본연구에서살펴볼항목에대한변수범위를나타내었다. 3. 수치해석모델 3.1 석탄선정및계산조건 현재우리나라미분탄화력발전소에서는인도네시 Table 1 Properties of tested coal Proximate analysis (wt%) Ultimate analysis (wt%) Higher/Lower Heating Value (MJ/kg) Fixed carbon 42.8 Volatile matter 39.3 Ash 8.8 Moisture 9.1 Carbon 65.52 Hydrogen 5.92 Nitrogen 1.09 Chlorine 0.03 Sulfur 0.84 Oxygen 8.70 29.3 / 27.7 3.2 가스화기모델형상 Fig. 2는가스화기해석형상을나타낸것으로약 64만개의격자로구성되어있다. 실제가스화기는평면도기준으로 4 방향, 상하좌우대칭의 4개의입구에서연료와산화제및스팀이동시에주입된다. 가스화기 inlet 각도에따른형상변화를살펴보기위해 0~ 10 까지 2 씩, 10~0 까지는 10 씩, 총 8가지 (0, 2, 4, 6, 8, 10, 20, 30 ) 경우에대해수치해석을수행하였다. 3.3 모델의물리학적특성및가정본가스화기모델의물리학적특성은아래와같다. 1) 기체의난류유동과혼합및반응 2) 석탄입자의유입과난류에의한분산 3) 석탄의탈휘발화 (devolatilization), 휘발성분의부분연소, char의부분연소및가스화 4) 석탄, char, ash 사이의대류및복사에의한열전달 230 한국수소및신에너지학회논문집제 21 권제 3 호 2010 년 6 월
송지훈 강민웅 서동균 임성진 백민수 황정호 Fig. 2 Simplification and geometry of the gasifier. 다음은본연구에서사용한가정들이다. 1) 3차원, 정상상태유동 2) 벽면의경계조건은 no-slip condition(zero velocity) 3) 석탄입자의연소및반응은표면에서부터일어남 4) 수냉자켓 (water quenching) 에의한열손실은석탄의 higher heating value의 1.5% 를 heat flux로계산하여적용 14) 5) 슬래깅 (slagging) 은고려하지않음. 즉, ash 는 용융되지않은입자상태 6) Dilute system( 입자의부피비율이기체의부피비율의 10% 미만인경우 ) 이기때문에, 석탄입자사이의상호작용은무시 3.4 기체모델의지배방정식본모델의기체상태의지배방정식은질량, 운동량, 에너지, 화학종보존방정식이다. 난류유동에의해 Table 3 Governing equations for the gas phase Continuity (1) Momentum Energy Gas species Turbulence (2) (3) (4) (5) (6), (7) where, Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2010. 6), Vol. 21, No. 3 231
300MW 급 Shell 형 1 단분류층석탄가스화기의전산수치해석 : 산소 / 스팀 / 석탄주입비, 석탄입자크기, 주입노즐각도가가스화기성능에미치는영향 생성되는 Reynolds 응력을계산하기위해 realizable k-ε 난류모델 15) 을적용하였다. realizable k-ε 난류모델은 standard k-ε과 RNG k-ε 난류모델보다유동의와류, 회전, 곡률에대해더높은정확도를보인다. 기체모델의지배방정식은 Table 3에정리하였다. 3.5 석탄입자거동모델 석탄입자의거동은 lagrangian approach를적용하기위해, FLUENT 에서 DPM(discrete phase method) 을사용하여입자의궤적및거동을아래의식을사용하여계산하였다. (8) 여기서, 는입자의단위질량당항력, 는입자속도, 는입자밀도를나타낸다. 기체의난류에의한입자분산은난류의순간변동속도의영향을고려한 stochastic trajectory model 을사용하였다. 입자와기체사이의열전달은기체의에너지방정식의생성항 ( ) 으로, 물질전달은기체의연속방정식의질량생성항 ( ) 으로적용되어계산을수행하게된다. 3.6 석탄반응메커니즘모델 3.6.1 탈휘발화 (Devolatilization) 모델 탈휘발화과정은석탄에서휘발성분 (volatiles) 이방출되는과정을말한다. 일반적으로, 이에대한모델은 Badzioch 의 single rate model, Kobayashi 의 two competing-rates model 과 Fletcher 의 CPD (chemical percolation devolatilization) model 이주로사용된다 16). 본연구에서는 Kobayashi 의 two competing rates model을사용하였으며, 수식은다음과같다. (9), (10) 여기서, 는각각저온과고온범위에서의탈휘발화반응식이며, 는입자의온도,, 는 pre-exponential factor,, 는활성화에너지,, 는저온및고온에서의무게가중치, 은기체상수이다. 또한, 는시간 t에서탈휘발화된가스의질량, 는석탄의초기질량, 는석탄안에있는 ash의질량, 는휘발성물질의 mass fraction( ) 이다. 석탄이탈휘발화된가스는한가지종으로가정하였다 17,18). 이가정과앞의 Table 1의석탄분석표를 water-free 상태로변환한데이터를통해탈휘발화된가스는 C 1 H 3.1 O 0.3 로표현하였다. 3.6.2 Char 가스화모델석탄의휘발성분이전부방출된후에, char의부분연소와함께가스화반응이시작된다. 이때, O 2, CO 2 와 H 2 O가 char 표면에서반응하여 CO와 H 2 를생성한다. Char 가스화모델은 multiple surface reaction Table 4 Global reactions and reaction rates in the char gasification Mechanism Reaction A r E r (J/kmol) βr Ref. Char gasification Reaction C(s)+0.5O 2 CO 5.67e+09 [1/s] 1.60e+08 0 19) C(s)+CO 2 2CO 1.60e+12 [1/s] 2.24e+07 0 20) C(s)+H 2O CO+H 2 1.33e+03 [1/s/K] 1.75e+07 1 21) 232 한국수소및신에너지학회논문집제 21 권제 3 호 2010 년 6 월
송지훈 강민웅 서동균 임성진 백민수 황정호 Table 5 Global reactions and reaction rates in the gas phase Mechanism Reaction A r E r [J/kmol] β r Ref. Gas Phase Reaction C1H 3.1O 0.3 0.15H 2+0.3CO+0.7CH 4 1.60e+15 [m 3 /kmol/s] 1.00e+08 0 15) C1H 3.1O 0.3+1.625O 2 CO 2+1.55H 2O 2.12e+12 [m 1.5 /kmol 0.5 /s] 2.03e+08 0 15) CH 4+0.5O 2 CO+2H 2 3.00e+08 [m 3 /kmol/s] 1.26e+08 0 17) CH 4+H 2O CO+3H 2 4.40e+11 [m 3 /kmol/s] 1.68e+08 0 17) H 2+0.5O 2 H 2O 1.00e+14 [m 3 /kmol/s] 4.20e+07 0 19) CO+H 2O CO 2+H 2 2.78e+03 [m 3 /kmol/s] 1.26e+07 0 19) CO 2+H 2 CO+H 2O 26.5 [m 3 /kmol/s] 6.58e+08 0 19) CO+0.5O 2 CO 2 2.20e+12 [m 2.25 /kmol 0.75 /s] 1.67e+08 0 22) model 15) 을사용하였다. (11) (12) 이때, 는 char의반응율 (kg/s), 는char 표면적 (m 2 ), 은 shrinking 계수, 은반응기체의부분압력 (Pa), 은반응기체의확산계수 (s/m), 은화학반응율을의미한다. 또한, 는 preexponential factor, 는온도의지수, 는활성화에너지, R은기체상수이다. 을계산하기위한데이터는 Table 4에정리하였다. 3.7 난류혼합및화학반응모델탈휘발화된가스 ( 휘발성가스 ) 는추가적인열분해과정을거치거나, 주위의 O 2 와반응한다. 이때, 열분해과정을통해생성되는열분해가스는 CO, H 2, CH 4 로가정하였고, 주의의 O 2 와의반응은일반적인연소반응으로가정하였다 17,18). 그러므로화학반응에관여하는기체는총 6가지 (O 2, CO, CO 2, H 2 O, H 2, CH 4 ) 이다. 이기체의물질전달은 Table 3의식 (4) 에표현된화학종보존방정식을통해나타낸다. 이와함께, 가스화기에서난류유동에의한기체의온도, 밀도와화학종농도의변동이화학반응에중요한영향을미친다. 특히, 탈휘발화와가스화와같은 heterogeneous 반응은난류의시간크기 (time scale) 에비해느리다. 따라서화학반응율과난류혼합율의크기를고려하여화학반응율과난류혼합율중에서작은값을반응율로적용하는 finite rate/eddy dissipation model 15) 을사용하였다. finite rate의계산을위한화학종생성율 ( ) 은다음과같이표현된다. (13), (14) 여기서, 과 은정반응및역반응지수를나타내며, 는 third body 계수, 은화학종의몰농도, 은정반응지수, 은역반응지수를나타낸다. 정반응, 역반응반응지수 과 을나타내기위한데이터는 Table 5에정리하였다. 3.8 복사열전달모델 석탄가스화기에정확한해석을위해가스화기 Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2010. 6), Vol. 21, No. 3 233
300MW 급 Shell 형 1 단분류층석탄가스화기의전산수치해석 : 산소 / 스팀 / 석탄주입비, 석탄입자크기, 주입노즐각도가가스화기성능에미치는영향 반응로내부의온도분포를정확히분석해야한다. 특히, 석탄의입자와같은미세입자는복사특성이파동수에강하게의존하며, 넓은파동수영역에서는복사열전달방정식을풀어야한다 23). 따라서본연구에서는복사열전달방정식을별다른근사화없이유한차분법으로푸는 DO model(discrete ordinate model, 구분종좌표법 ) 15) 을사용하였다. 4. 결과및토의 일반적으로가스화기의성능은냉가스효율 (cold gas efficiency, CGE) 과탄소전환율 (carbon conversion efficiency, CCE), 그리고합성가스 (syngas, CO+CH 4) 의함량, 입자의체류시간등을기준으로표시한다. 본연구의수치해석결과에서는탄소전환율이모든경우에 99.99% 가나왔으며, 입자의체류시간은 3.5~7.5초로실제가스화기와유사한결과를보였기때문에, 냉가스효율과합성가스의함량및출구온도를기준으로최적의설계변수를선정하였다 24,25). 여기서, 탄소전환율 (carbon conversion efficiency, CCE) 은다음과같이나타낸다. 가스로전환된탄소량탄소전환율연료전체탄소량 4.1 O 2 /Coal 비에따른가스화기성능 Fig. 3 Mole fractions for O 2/coal ratios. 합성가스의함량을기준으로살펴보았을때 (Fig. 3 참조 ), O 2 /coal 비 0.75일때가최적이라판단된다. 또한, 냉가스효율의측면에서도 O 2 /coal 비 0.75일때가가장적합한것으로보인다. 하지만, 석탄가스화후생성되는슬래그 (slag) 의용융점온도를고려하여야한다. 이는벽면을따라흘러내리는용융슬래그가용융점아래의온도에서는고형화되어출구및용융배출구 (tap hole) 부분을막기때문이다. 문헌상에알려진슬래그의용융점은 1000~1500 가스화기의설계변수를설정함에있어, 가장먼저최적의 O 2 /coal 비의결정이선행되어야한다. 이에따라, 30atm, steam/coal 비 0.72에서 O 2 /coal 비를 0.75~1.08까지 26,27) 변화시켜살펴보았다. Fig. 3은 O 2 /coal 비변화에따른합성가스 (syngas, CO+H 2 ) 및생성가스 (CO 2, CH 4 ) 의함량을나타내며, Fig. 4는출구온도와냉가스효율의결과를나타내었다. 여기서, 냉가스효율 (cold gas efficiency, CGE) 은다음과같이나타낸다. 냉가스효율 생산된가스의고위발열량 반응연료의고위발열량 (14) Fig. 4 Efficiency and temperature at outlet for O 2/coal ratios. 234 한국수소및신에너지학회논문집제 21 권제 3 호 2010 년 6 월
송지훈 강민웅 서동균 임성진 백민수 황정호 Fig. 5 Mole fractions for steam/coal ratios. Fig. 7 Mole fractions for coal particle diameters. 이므로, 1800K 이상이되어야원활한운전이가능하다 28). 따라서 Fig. 4에서슬래그의용융온도 (1800K 이상 ) 를고려하게되면, 최적의 O 2 /coal 비는 0.83 이다. 4.2 Steam/Coal 비에따른가스화기성능 O 2 /coal 비 0.83과작동압력 30atm을고정하여, steam/coal 비를 0.033~0.075까지달리하여계산을수행하였다 26,27). Fig. 5는 steam/coal 비에따른출구의합성가스 양을나타낸그래프이다. steam/coal 비가증가할수록 H 2 와 CO 2 가증가한반면, CO의양은줄어들었다. 합성가스의총함량을기준으로판단하였을때, steam/coal 비가 0.033~0.05일때가최적의작동성능을보였다. Fig. 6은냉가스효율및출구온도를나타낸다. 이그래프에서알수있듯이, steam/coal 비가 0.033 과 0.05일때, 가스화기의성능은비슷하지만, 냉가스효율이 0.05일때조금더높다. 그렇기때문에, 최적의 steam/coal 비는 0.05이다. 4.3 석탄입자크기에따른영향 Fig. 6 Efficiency and temperature at outlet for steam/coal ratios. 석탄입자의직경을 50, 100, 150, 200, 250, 300μm, 총 6가지경우에대해수행하였다. 실제화력발전소에서사용되는미분탄의평균직경은 50~100μm이기에 50μm를최소값으로정하였다. 또한, 입자크기에따라탄소로전환하는데걸리는시간의변화는체류시간에비해미비하기때문에고려하지않았다 29). Fig. 7과 Fig. 8을통해알수있듯이, 입자의크기가증가할수록출구평균온도는낮아진다. 이는입자의크기가작을수록전체표면적이증가하여부분연소및탈휘발화, 가스화반응이더욱활발하게일어났기때문이다. Fig. 7을통해 300μm에서합성가스의총함량이 Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2010. 6), Vol. 21, No. 3 235
300MW 급 Shell 형 1 단분류층석탄가스화기의전산수치해석 : 산소 / 스팀 / 석탄주입비, 석탄입자크기, 주입노즐각도가가스화기성능에미치는영향 효율을갖는것을알수있다. 따라서석탄의입자직경은 100μm에서최적의성능을갖는다. 4.4 Inlet 각도에따른영향 Fig. 8 Efficiency and temperature at outlet for coal particle diameters. 가장높다. 그러나 Fig. 8을통해출구온도와냉가스효율을살펴보면, 50, 100, 150μm에서출구온도조건을만족하며, 그중에서 100μm에서가장높은 가스화기운전의작동조건을선정하는것과함께주입노즐의각도의변화 (0, 2, 4, 6, 8, 10, 20, 30 의총 8가지경우 ) 에의한영향에대해살펴보았다. Fig. 9는 inlet 각도변화에따른속도분포의변화를 vector 형태로나타내었다. 각도가증가할수록 swirl 유동이발생되며, 이에따라중심부근에재순환영역 (recirculation zone) 이증가한다. 이재순환영역은화학반응의혼합을촉진시켜, 효과적인반응을이끈다. Fig. 10을통해 inlet의각도가 4 에서합성가스의함량이가장높으며, 10 이후부터는가스의조성에큰변화가없다. Fig. 11에서는각도가증가할수록냉가스효율이증가하지만, 출구온도는감소하는경향을보였다. 또한, Fig. 9와마찬가지로 10 이후 Fig. 9 Velocity distributions for inlet angles. 236 한국수소및신에너지학회논문집제 21 권제 3 호 2010 년 6 월
송지훈 강민웅 서동균 임성진 백민수 황정호 Fig. 10 Mole fractions for inlet angles. Fig. 12 Temperature distribution of the gasifier at 4. 석탄입자의직경이 100μm, inlet 각도 2-4 에서가스화기가최적의작동성능을보이는것을알게되었다. 이결과들을바탕으로 CFD해석을수행하였으며, Fig. 12에서 Fig. 15까지는그결과를나타낸그림이다. Fig. 12에서 Fig. 14의결과로부터석탄주입구근처에서부분연소로인해약 3000K까지온도가상승함을알수있다. 또한, 이지역에서석탄의탈휘발화반응이빠르게일어나며, 상부에서가스화의반응이주로형성된다는것을관찰할수있다. Fig. 11 Efficiency and temperature at outlet for inlet angles. 부터는출구온도와냉가스효율에큰변화가없다. 즉, 어느지점을넘어서게되면, 각도변화에따른영향이없는것으로판단된다. 위결과를통해합성가스의함량과출구온도조건을고려하였을때, inlet 각도 4 에서최적의성능을나타낸다. 4.5 최적 O 2 /Coal 및 Steam/Coal 비, 석탄입자크기및 Inlet 각도적용 이상에서 O 2 /coal 비 0.83, steam/coal 비 0.05 과 Fig. 13 CO distribution of the gasifier at 4. Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2010. 6), Vol. 21, No. 3 237
300MW 급 Shell 형 1 단분류층석탄가스화기의전산수치해석 : 산소 / 스팀 / 석탄주입비, 석탄입자크기, 주입노즐각도가가스화기성능에미치는영향 역할도한다. 5. 결론본연구에서는분류층 (entrained flow gasifier) 가스화기의주요작동조건및 iinlet 각도에대한영향을살펴보고자, CFD 해석을수행하였다. Fig. 14 H 2 distribution of the gasifier at 4. Fig. 15는속도분포를벡터형식으로나타낸것으로, slag bath 및가스화기하단부와석탄주입노즐윗부분근방벽면에서강력한재순환 (recirculation) 이발생한다. Fig. 13 및 Fig. 14를통해알수있듯이, 상당량의합성가스가재순환영역근처에서발생한다. 이결과를통해, 재순환영역은화학반응의혼합을촉진시켜, 효과적인반응을이끄는것을알수있다. 이뿐만아니라, 재순환은가스화기중심부분에서출구방향으로강한유속을발생시켜, 가스화기내부에합성가스가정체되는것을막는 1) 300MW sell형 1단분류층가스화기의 CFD 모델링을통해가스화기내에서발생하는열유동및화학반응을해석하였으며, 이를통해최적의작동조건들을선정하였다. 2) CFD 해석을수행한결과, O 2/coal ratio=0.83, steam/ oal ratio=0.05, coal particle size=100μm, inlet angle=4 에서최적의작동성능을발휘한다. 3) 최적의작동조건을적용한결과, CO의 mole fraction은 0.546, H 2 의 mole fraction은 0.317, CO 2 의 mole fraction 은 0.070이며, 이때냉가스효율은 81.3% 이다. 또한, 출구에서온도는 1865.7K 이다. 후기본연구는지식경제부, 신재생에너지센터 (2006- N-C012-P-01-0000) 및두산중공업지원에의해수행되었으며, 이에감사드립니다. 참고문헌 Fig. 15 Velocity distribution of the gasifier at 4. 1) A. J. Minchener, Coal gasification for advanced power generation, Fuel, Vol. 84, 2005, pp. 2222-2235. 2) G. J. Stiegel and R. C. Maxwell, Gasification technologies: the path to clean, affordable energy in the 21st century, Fuel Processing Technology, Vol. 71, 2001, pp. 79-97. 3) O. Shinada, A. Yamada and Y. Koyama, The development of advanced energy technologies in Japan IGCC: A key technology for the 21st century, Energy Conversion and Management, 238 한국수소및신에너지학회논문집제 21 권제 3 호 2010 년 6 월
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