Korean Chem. Eng. Res., Vol. 48, No. 1, February, 2010, pp. 80-87 저등급석탄, Wood Chip, Petroleum Coke 의수증기가스화반응 Kinetics 연구 공수진 * 주쉬에얀 * 김양진 * 송병호 *, 양원 ** 문웅식 *** 변윤섭 *** * 군산대학교화학공학과 573-701 전북군산시미룡동산 68 ** 한국생산기술연구원 331-825 충청남도천안시서북구입장면홍천리 35-3 *** 마이크로사이언스텍 ( 주 ) 441-811 경기수원시권선구고색동 958 수원첨단벤처밸리 1004 호 (2009 년 10 월 18 일접수, 2009 년 11 월 3 일채택 ) A Kinetic Study of Steam Gasification of Low Rank Coal, Wood Chip and Petroleum Coke Sujin Gong*, Xueyan Zhu*, Yangjin Kim*, Byungho Song*,, Won Yang**, Woongsig Moon*** and Yoonseop Byoun*** *Department of Chemical Engineering, Kunsan National University, San 68, Miryong-dong, Gunsan, Jeonbuk 573-701, Korea **Korea Institute of Industrial Technology, 35-3 Hongcheon-ri, Ipjang-myeon, Cheonan-si, Chungnam 330-825, Korea ***Micro Science Tech Co., Ltd., 1004 Venture Valley, 958 Gosaek-dong, Gwonseon-gu, Suwon-si, Gyunggi 441-811, Korea (Received 17 October 2009; accepted 3 November 2009) 요 약 발열량이낮은저등급석탄이나황함량이많은 petroleum-coke 는그이용이제한적이지만공급이풍부하여잠재력이큰에너지원이므로, 가스화공정에적용하여고급연료인수소나액체연료를생산할수있다. 본연구에서는상압의열천칭반응기 (thermobalance) 에서 wood chip, 저등급석탄인갈탄, 역청탄, 무연탄, pet-coke 의수증기가스화반응특성을조사하였다. 가스화온도 600~850 o C, 수증기분압 30~90 kpa 의범위에서조업변수들이가스화반응속도에미치는영향을조사하였다. 기체 - 고체반응모델로서 modified volumetric reaction model 을적용하여가스화반응의거동을묘사하고가스화공정에필수적인 kinetic 정보를도출하였다. 저등급탄인갈탄과바이오매스인 wood chip 은휘발분함량도높고비교적높은가스화반응속도를보여가스화반응공정에적합한연료이다. Arrhenius plot 으로부터활성화에너지는 wood chip, 갈탄, 역청탄, 무연탄, pet-coke 에대해각각 260.3, 167.9, 134.6, 82.2, 168.9 kj/mol 으로구해졌다. 각연료에대하여수증기가스화반응의반응차수를결정하였으며, 가스화공정설계의기초데이타로서겉보기반응속도식을제시하였다. Abstract Lignite of low rank coal and petroleum coke of high sulfur content can be high potential energy sources for coal gasification process because of their plentiful supply. The kinetic study of steam gasification has been performed in an atmospheric thermobalance with wood chip, lignite, bituminous, anthracite, pet-coke. The effects of gasification temperature(600~850 o C) and partial pressure of steam(30~90 kpa) on the gasification rate have been investigated. The modified volumetric reaction model was applied to the experimental data to describe the behavior of carbon conversion and to evaluate the needed kinetic parameters. Lignite and wood chip with high volatile content showed high average gasification rates comparing to other fuel and thus they might be proper fuel for gasification processes. The activation energies for wood chip, lignite, bituminous, anthracite, and pet-coke through Arrhenius plot were found to be 260.3, 167.9, 134.6, 82.2, 168.9 kj/mol, respectively. The expression of apparent reaction rates for steam gasification of various chars have been proposed as basic information for the design of coal gasification processes. Key words: Coal, Petroleum Coke, Wood Chip, Steam Gasification, Thermobalance, Kinetics 1. 서론 석탄은세계적으로매장량이풍부하여석유를최우선적으로대체하게될에너지원이다. 석탄을고온에서수증기나산소같은산화성 To whom correspondence should be addressed. E-mail: bhsong@kunsan.ac.kr 이논문은 KAIST 김상돈교수님의정년을기념하여투고되었습니다. 기체와반응시키면저열량의가연성기체연료를얻을수있는데, 이는가스터빈을구동시켜높은효율로전기를생산할수있으며 (IGCC: Integrated gasification combined cycle), 보일러나킬른에보조연료로사용하거나남아프리카공화국 SASOL사처럼 Fisher- Tropsch 반응을통하여수소나액체연료를생산할수있다. 최근의석탄관련키워드는 IGCC, CTL(Coal to Liquid), 고도연소기술 (Advanced combustion technology), 그리고 CCS(carbon capture & storage) 이 80
저등급석탄, Wood Chip, Petroleum Coke 의수증기가스화반응 Kinetics 연구 81 다 [1]. 현재산업체에서사용하는석탄중에갈탄과아역청탄이저등급석탄에속하는데, 세계적으로고르게분포되어있지만높은수분함량과자연발화가능성으로인해활용이많이되고있지않다. 저등급탄을활용하기위해서는 Hyper coal 공정같은회분제거기술 [2] 을사용하거나, Exxon 촉매가스화공정 [3] 처럼촉매를사용하여공정의효율을높여야한다. 석탄의가스화는크게두가지단계로구분할수있다. 첫번째로석탄이가열되면석탄내휘발성분 ( 가스, 타르 ) 이급속히빠져나오게되는데이를탈휘발화 (devolatilization) 단계라고한다. 수분과휘발분이빠져나가고탄소와재 (ash) 만남게된석탄을촤 (char) 라고한다. 두번째단계로촤는수증기가스화반응에참여한다. 촤내의탄소가환원성분위기에서수증기와반응하면 CO와 H 2 가주성분인합성가스 (syngas) 가생성된다. C+H 2 O=CO+H 2 ΔH R =+131.4 MJ/kmol 탄소중일부는산화되어 CO, CO 2 를내면서열을방출하게되고, 수증기-가스변환반응 (water gas shift reaction) 을통해서 H 2 O의일부가수소로변환된다. 석탄으로부터높은열량을갖는기체연료나화학연료를생산하는석탄가스화반응기를설계, 개발하기위하여는석탄촤-수증기가스화반응의속도론적해석이필수적이다. 열중량법 (thermogravimetry) 을이용한가스화반응의연구는현재까지광범위하게수행되어오고있다. 석탄은그종류가워낙다양하며, 각각의촤들은다른거동을보인다. 다시말하자면, 촤는그석탄의조성에따라성질이결정되므로, 가스화반응은석탄의종류에따라크게다를수있다. 따라서본연구에서는세가지석탄 ( 갈탄, 역청탄, 무연탄 ), petroleum-coke, wood chip에대하여반응온도, 수증기분압에따른가스화반응의거동을조사하여수증기가스화반응 kinetic 정보를도출하고자하였다. 데, 이는목질계바이오매스가퇴적되어이탄 (peat), 갈탄 (lignite) 으로변화된다는사실로설명된다. Wood chip을제외한모든연료들은탄소함량이 60% 이상을보이고있으며, 특히무연탄와 pet-coke는탄소함량이 85% 를넘고있어수증기가스화반응에필요한연료탄소분은충분하다고간주할수있다. 또한연료내수소의함량은모두 5% 미만으로적게나타났으며, 황함량은석탄의경우모두 0.5% 이하로나타나저유황석탄이라말할수있다. 하지만 pet-coke는황함량이 6.35% 로매우높은수치를보여주고있다. 따라서가스화공정후단의오염물질제거공정에서세가지석탄은부하가적게걸릴것이지만, pet-coke는연속공정에서과부하가걸릴것이므로, 후단부공정에대하여상세한분석과설계가필요할것이다. 질소함량은대부분 1% 내외로연료들간에별차이가없다. 2-2. 실험장치본연구에서사용된열천칭반응기 (thermobalance) 의개략도를 Fig. 1에보였다. 열천칭반응기는크게가스주입부, 반응기, 전자저울, 측정부로구성되어있다. 반응기는내경 0.055 m, 높이 1.0 m의스테인레스스틸파이프로제작되었으며, 그외부에는 3kW의전기가열기가장착되어있다. 반응기상부의전자저울하부에는 Ni- Cr 선을통하여 100 mesh 316 SUS 망으로제작된샘플바스켓이달려있으며반응기부분의상부에위치한해치를통하여시료를장 2. 실험 2-1. 연료의분석치본연구에사용된다섯가지연료 - 갈탄, 역청탄, 무연탄, pet-coke, wood chip에대한원소분석및공업분석치를 Table 1에나타냈다. 저등급탄인갈탄은수분과휘발분이많은것을알수있으며발열량도가장낮다. 바이오매스 wood chip과거의같은성질을보이는 Table 1. Ultimate and proximate analysis of fuel samples Wood chip Lignite Bituminous Anthracite Pet-coke Ultimate analysis (daf*) C 50.63 64.11 81.56 92.38 87.42 H 6.40 4.57 5.07 3.22 3.35 N 0.00 0.55 1.67 1.22 1.03 S 0.00 0.03 0.49 0.36 6.84 O** 42.97 30.74 11.21 2.82 1.36 Proximate analysis Mositure 19.20 11.56 2.29 1.17 1.36 Volatile 47.28 44.16 15.71 9.36 13.17 Fixed Carbon 10.87 36.22 49.69 60.80 81.00 Ash 22.65 8.06 32.31 28.67 4.47 HHV, kcal/kg 4,445 5,433 7,864 8,462 8,313 *Dry and ash free base **by difference, HHV: higher heating value calculated by Dulong s formular Fig. 1. The schematic diagram of thermobalance reactor. 1. Distilled water 8. Electrical balance 2. Micro pump 9. DC motor and winch assembly 3. Steam generator 10. Cold trap 4. Gas preheater 11. Vacuum pump 5. Sample basket 12. Gas regulator 6. Electric heater 13. Flow meter 7. Hatch Korean Chem. Eng. Res., Vol. 48, No. 1, February, 2010
82 공수진 주쉬에얀 김양진 송병호 양원 문웅식 변윤섭 착, 탈착할수있다. 시료의질량변화는전자저울의수치신호를개인용컴퓨터로받아기록된다. PC 모니터에는그질량값과함께질량변화의그래프가보여진다. 반응기온도는샘플바스켓아래 5mm 위치에설치된 K-type 열전대로측정된다. 미량펌프로공급되는물은수증기발생기를통과하면서수증기로바뀐후반응기하부로주입된다. 수증기발생기는길이 1m의 1/4 SUS 튜브외부에가늘고유연한열선테이프를감아서제작하였으며, 튜브외벽의온도를 130 로유지하였다. 질소및공기는유량계를통과한후반응기하부로스팀과함께주입한다. 2-3. 실험방법실제가스화기로투입된연료는연료주입부부위에서열분해가급격하게일어나고, 생성된촤는가스화기내에서연소혹은가스화반응에참여하게된다. 그러므로본실험에서는가스화반응기에서와같은환경을모사하기위하여별도로촤를제조하지않았으며, 열천칭반응기내에서열분해를시켜촤를제조한후가스화반응을순차적으로수행하였다. 우선열천칭반응기내에일정량의질소를흘린다. 반응기를가열하여원하는반응온도에도달하면해치를열고샘플바스켓에 0.4~0.9 g의석탄을장착한다. 시료입자간의물질전달과열전달저항을피하기위해시료의평균직경을조절하였다. 석탄입자는매우작아서, 시료사이에서나타나는이동저항은본연구조건에서무시할수있다 [4]. 전자저울을하강시켜샘플바스켓을반응기의중앙부에위치시킨다. 이때시료에잔류하는수분과휘발분이방출되면서초기무게감량이일어난다. 10~20분이흐른후질량변화가더일어나지않으면, 촤만남아있는상황이므로수증기를미리정해진분압으로반응기하부로주입하여촤를가스화한다. 가스화반응이진행되면서촤내의탄소가반응하면질량감소가이루어지며일정시간이후에는질량이일정해진다. 이때수증기를차단하고공기를유입시켜미반응촤를완전히연소시켜회분의질량을측정한다. 이를통해 ash의양을알수있다. 시료의무게감량은 3초단위로컴퓨터에받아저장하였다. 3. 결과및고찰 3-1. Gas-Solids Reaction Models 가스화반응속도를정량적으로계산하고, 반응성을비교분석하기위해문헌상에제시된기-고체반응모델들을사용하였다. 가스화반응에서탄소전환율은식 (1) 과같이정의된다. W X 0 W = ----------------------- W 0 W ash 여기서, W 0 는초기시료의질량, W ash 는미반응시료를완전연소시켜남은회분의질량이며, W는현재시료의질량이다. 비균일 (heterogeneous) 기-고체반응에대해 Wen[5] 이제시한 shrinking core model과 Ishida와 Wen[6] 이제시한 volumetric reaction model 을살펴본다. 반응시간과전환율의관계를화학반응이율속단계일때 shrinking core model을적용하면식 (2) 로, volumetric reaction model을사용하면식 (3) 으로나타낼수있다. 한편 Kasaoka 등 [7] 은 volumetric model을기본으로하되, 전환율에따른속도변화를고려하여 modified volumetric reaction model을제시하였다. 전환율식은식 (4) 로얻어진다. (1) 본연구에서는예비실험을통해 modified volumetric reaction model이전환율곡선을잘표현하는것으로나타났기때문에반응속도를정량적으로계산하기위해식 (4) 의전환율식을사용하였다. 1 -- 3 ψt = 1 ( 1 Ωt = ln( 1 αt β = ln( 1 (2) (3) (4) 여기서 ψ, Ω, α, β는촤의물리화학적성질, 온도, 가스화제등에관련된무차원상수이며, 시간-전환율데이타로부터구해질수있다. 식 (4) 의양변에자연로그를취하면, βlnt = ln[ ln( 1 ] lnα 여기서 α와 β는최소자승법을이용하여전환율데이터로부터구할수있다. 시료내에남아있는고정탄소의질량당가스화반응속도는전환율에따라변하는데, 이를 specific reaction rate로정의한다. k s ( = ----------- 1 ------ 1 X 식 (4) 를대입하면 modified volumetric model에서얻어지는 specific rate는다음과같다. k s ( = α 1 β β[ ln( 1 ] β 1 ( ) β Specific rate는 X에따라서일정하지않기때문에반응성을비교하기위해서어떤기준이필요하게되므로촤의평균반응속도 (average reaction rate) 를아래와같이정의하였다. k = 1 k s 0 ( 촤의수증기가스화반응의반응속도는보통다음식으로표현할수있다. ------ = k1 ( n k = k 0 exp( E RT) (5) (6) (7) (8) (9) (10) 여기서 k는속도상수이며, n은고체반응물에대한반응차수이다. 식 (10) 과같이온도의의존도를나타내고있는속도상수는 Arrhenius plot으로부터빈도인자 (frequency factor) k 0 와활성화에너지를구하여얻어진다. Arrhenius plot에사용되는각조건에서의반응속도상수 k는식 (8) 로구해진다. 3-2. 조업조건의영향수증기분압이수증기가스화반응의촤전환율에미치는영향을조사하였으며, 그결과를 Fig. 2에나타냈다. 수증기가스화반응에서온도를 850 o C로일정하게준다음수증기분압을 0.3~0.9 atm으로변화시켰다. 반응초기에는반응전환율속도가빠르다가반응후반부로갈수록그속도가느려진다는것을알수있다. 또한수증기분압이 0.3~0.9 atm으로증대됨에따라더높은전환율곡선을얻을수있음을알수있다. 하나의예로 pet-coke 촤의경우, 시간 200 분에서의전환율을살펴보면, 분압이 0.3 atm일때는전환율이 50% 정도로낮으나, 분압이 0.9 atm으로증가됨에따라전환율은 100% 에도달한다. 즉, 수증기분압이반응속도에큰영향을미친다는것 화학공학제 48 권제 1 호 2010 년 2 월
저등급석탄, Wood Chip, Petroleum Coke 의수증기가스화반응 Kinetics 연구 83 Fig. 2. Effect of partial pressure of steam on the gasification rate of chars from anthracite(#1), bituminous(#2), lignite(#3), pet-coke(#4) and woodchip(#5) (T=850 o C). 을알수있다. 반응에걸리는시간을살펴보면, 수증이분압이 0.3 atm일때는 lignite, wood chip을뺀나머지석탄의경우는 250분이상이걸리지만수증기분압이 0.9 atm인조건에서는 200분내로반응이완결된다. 결과적으로높은수증기분압이가스화반응에유리하다할수있겠다. 그러나 lignite는수증기의분압의변화에따른전환율곡선의차이가크게두드러지지않은것으로보아수증기분압의영향이비교적적은것으로볼수있겠다. 반응온도가수증기가스화반응에미치는영향을조사하기위해네가지반응온도 600, 700, 800, 850 o C에서석탄, pet-coke, wood chip의가스화반응을수행하였으며, 그결과를 Fig. 3에나타냈다. 그림에서뚜렷이알수있는것은온도가높을수록더높은가스화속도와더높은탄소전환율이얻어진다는것이다. 물론이는수증기가스화반응이흡열반응이기때문이다. 결국상기실험결과들로부터반응온도, 수증기분압이높을수록더높은가스화반응속도를얻을수있음을알수있다. 3-3. 연료의종류연료종류가가스화반응의전환율에미치는영향을알아보았으며그결과를 Fig. 4, 5에나타냈다. 네가지반응온도에서얻어진전환율곡선을 Fig. 4에, 석탄들사이에반응속도차이를보다명확하게나타내기위하여전환율에따른 specific rate의거동을 Fig. 5에보였다. Specific rate의계산은 modified volumetric model에근거하여식 (7) 로계산된다. 전환율이증가함에따라 specific rate는변화하는데, 그변화는시료의종류나조업조건에따라다양하게나타날수있다. 반응이비교적높은온도에서이루어지면, 촤를통한반응가스의확산저항이증가될수도있는데, 이경우반응속도는감소하게된다. 한편, 더높은온도는고체입자내기공을확장시키게될수있다. 그래서그측정된촤의 specific rate는샘플질량 0.3~0.9 g 범위내에서비교적일정한것으로나타났다. Specific rate 는갈탄 > wood chip > 역청탄 > 무연탄 > pet-coke 순으로높게나타난다. 무연탄과 pet-coke는그차이가미세하게나타나고있다. 반 Korean Chem. Eng. Res., Vol. 48, No. 1, February, 2010
84 공수진 주쉬에얀 김양진 송병호 양원 문웅식 변윤섭 Fig. 3. Effect of temperature on the gasification rate of chars from anthracite(#1), bituminous(#2), lignite(#3), pet-coke(#4) and woodchip(#5) (P H2 O=0.5 atm). 응초기에는 pet-coke가좀더높은 specific rate를나타내지만반응이진행됨에따라그차이는거의없어진다. 3-4. 활성화에너지다섯가지촤의수증기가스화반응에있어서반응온도에따른반응속도 ( 평균반응속도 ; 식 (8)) 를나타낸 Arrehenius plot을 Fig. 6에보였다. 이는수증기분압 0.5 atm에서수행된실험데이터이다. 반응온도에따른반응속도데이터를가지고 1차회귀를수행하면직선으로표현할수있는데, 이직선의기울기로부터주어진촤의가스화반응에대한활성화에너지를얻게된다. 다양한조건에서수행된촤의가스화반응에대한 kinetic 인자들, 즉평균반응속도, 활성화에너지, 빈도인자를 Table 2에정리하였다. wood chip의활성화에너지는 260.34 kj/mol, 빈도인자는 1.19 10 13 h 1 으로구해졌다. 갈탄의활성화에너지는 167.87 kj/mol, 빈도인자는 6.04 10 8 으로구해 졌다. 역청탄의활성화에너지는 134.57 kj/mol, 빈도인자는 1.68 10 6 으로구해졌다. 무연탄의활성화에너지는 82.24 kj/mol, 빈도인자는 3.47 10 3 h 1 으로구해졌다. Pet-coke의활성화에너지는 168.97 kj/ mol, 빈도인자는 2.74 10 7 로구해졌다. 한편, Jang[8] 의실험에서는석탄촤의활성화에너지가 99.3 kj/mol로얻어졌으며, Lee[9] 는폐타이어를 750~900 o C, 수증기분압 25~61 kpa 조건에서가스화한경우활성화에너지 51.1 kj/mol을보고하였다. Kayembe와 Pulsifer [10] 는석탄의수증기가스화반응에서활성화에너지가 60~310 kj/ mol 범위에있다고제시하였다. 이와같은문헌상의활성화에너지값들을살펴볼때, 본연구에서사용된다섯가지촤들의활성화에너지값은적절한범위에포함되고있다고할수있다. 3-5. 반응차수다섯가지촤의수증기가스화반응에있어수증기분압에따른평 화학공학제 48 권제 1 호 2010 년 2 월
저등급 석탄, Wood Chip, Petroleum Coke의 수증기 가스화반응 Kinetics 연구 85 Fig. 4. Carbon conversion vs. time for the steam gasification of chars from anthracite(#1), bituminous(#2), lignite(#3), pet-coke(#4) and woodchip(#5) at various temperatures (PH2O=0.5 atm). Fig. 5. Specific reaction rate versus carbon conversion for the gasification of chars from anthracite(#1), bituminous(#2), lignite(#3), pet-coke(#4) and woodchip(#5) at different temperatures (PH2O= 0.5 atm). Korean Chem. Eng. Res., Vol. 48, No. 1, February, 2010
86 공수진 주쉬에얀 김양진 송병호 양원 문웅식 변윤섭 Fig. 6. Arrhenius plot for the steam gasification of chars from three coals, pet-coke, and woodchip. Table 2. Kinetic parameters for the steam gasification of various chars (P H2 O=0.5 atm). k(1/h) E (kj/mol) k 0 (1/h) T ( o C) 600 o C 700 o C 800 o C 850 o C Woodchip 0.002 0.31 2.32 6.58 260.34 1.19 10 13 Lignite 0.05 0.82 3.42 9.33 167.87 6.04 10 8 Bituminous 0.01 0.15 0.30 1.13 134.57 1.68 10 6 Anthracite 0.05 0.09 0.26 0.77 82.24 3.47 10 3 Pet-coke 0.002 0.02 0.15 0.45 168.97 2.74 10 7 ------ = ( 1.19 10 13 )exp ----------------- 260340 ( PH2 0) 0.29 ( 1 for Woodchip (9) ------ = ( 6.04 10 8 )exp ----------------- 167870 ( PH2 0) 0.29 ( 1 for Lignite (10) ------ = ( 1.68 10 6 )exp ----------------- 134570 ( PH2 0) 0.76 ( 1 for Bituminous (11) ------ = ( 3.47 10 3 )exp -------------- 82240 ( PH2 0) 0.95 ( 1 for Anthracite (12) ------ = ( 2.77 10 7 )exp ----------------- 168970 ( PH2 0) 1.12 ( 1 for Pet-coke (13) 4. 결론 상압의열천칭반응기에서 wood chip, 갈탄, 역청탄, 무연탄, petcoke의촤에대해수증기가스화반응을수행하였다. 반응온도와수증기분압의공정변수가가스화반응속도에미치는영향을측정하였으며, modified volumetric reaction model을적용하여가스화반응의전환율거동을예측하고 kinetic 정보를도출하였다. 본실험범위에서흡열반응인수증기가스화반응은온도가높을수록, 수증기분압이높을수록반응속도를더증대시킬수있다. 저등급탄인갈탄과바이오매스인 wood chip은다른연료에비해높은가스화반응속도를나타냈으며, 탄소함량이많고휘발분이적은무연탄과 pet-coke 는낮은반응속도를나타냈다. 갈탄과바이오매스는휘발분함량도높기때문에가스화공정에적합한연료라할수있다. Arrhenius plot 으로부터활성화에너지는 wood chip, 갈탄, 역청탄, 무연탄, pet-coke 에대해각각 260.3, 167.9, 134.6, 82.2, 168.9 kj/mol로구해졌다. 반응차수는위와같은연료순서로 0.29, 0.29, 0.76, 0.95, 1.12로나타나석탄의등급이높아질수록반응차수가증가함을알수있었다. 각연료의수증기가스화반응에대한겉보기반응속도식을제시하였으며, 이는상용의가스화기및가스화공정을설계하는데기초데이타로사용할수있다. 감 사 Fig. 7. The effect of partial pressure of steam on the average reaction rate for the steam gasification of chars from three coals, pet-coke and woodchip (T=850 o C). 균반응속도를조사하였으며 Fig. 7에정리하였다. 평균반응속도는수증기분압에비례하여증가하는것으로나타났다. Log-log plot을이용하여데이터로부터네촤의가스화반응에대한반응차수를구하였으며그값은 wood chip, 갈탄, 역청탄, 무연탄, pet-coke에대하여각각 0.29, 0.29, 0.76, 0.95, 1.12로나타나석탄의등급이높아질수록반응차수가증가하는것으로나타났다. 다섯가지촤에대한수증기가스화반응의겉보기반응속도는다음식으로표현할수있다. 본논문은 KAIST 김상돈교수님의정년기념논문으로준비되었습니다. 본연구는중소기업청기술혁신개발사업, 산업자원부신재생에너지기술개발사업 (2006-N-CO12-P-03-3-050), 지식경제부의출연금으로수행한특성화대학원사업의지원으로이루어진연구결과입니다. 사용기호 E : apparent activation energy[kj/mol] k : average rate for full conversion levels, reactivity[1/hr] k 0 : frequency factor[1/hr] k s ( : specific rate[1/hr] n : reaction order with respect to solid 화학공학제 48 권제 1 호 2010 년 2 월
저등급석탄, Wood Chip, Petroleum Coke 의수증기가스화반응 Kinetics 연구 87 t : reaction time[hr] W : weight of char[kg] W 0 : initial weight of char on dry base[kg] W ash : weight of ash component at complete burn-off[kg] X : fractional conversion of solid 그리이스문자 α : parameters defined in eq.(4) β : parameters defined in eq.(4) Ψ : dimensionless parameters defined in Eq.(2) Ω : dimensionless parameters defined in Eq.(3) 참고문헌 1. Smouse, S., Asia Pacific Partnership on Clean Development and Climate Action Plan, APP CFE Task Force Meeting, July, Beijing(2007). 2. Lee, S. and Kim, S., Technology for the Preparation of Ash-free Coal from Low Rank Coal(LRC), Korean Chem. Eng. Res., 46, 443-450(2008). 3. McKee, D., Mechanism of the Alkali Metal Catalysed Gasification of Carbon, Fuel, 62, 170(1983). 4. Peng, F. F., Kinetics of Coal Char Gasification in Steam At 1000-1400 o C and 0.1-1.5 MPa, Ph.D. Dissertation, West Virginia University(1989). 5. Wen, C. Y., Noncatalytic Heterogeneous Solid Fluid Reaction Models, Ind. Eng. Chem., 60, 34(1968). 6. Ishida, M. and Wen, C. Y., Comparison of Kinetic and Diffusional Model for Solid-Gas Reaction, AIChE J., 14, 175(1978). 7. Kasaoka, S., Sakata, Y. and Tong, C., Kinetic Evaluation of the Reactivity of various Coal Chars for Gasification with Carbon Dioxide in Comparison with Steam, Int. Chem. Eng., 25(1), 160-175(1985). 8. Jang, Y. W., Steam Gasification of Bituminous Coal in a Bench- Scale Internally Circulating Fluidized Bed, MS Thesis, Kunsan National University, Korea(2002). 9. Lee, J. S., Gasification Characteristics of Waste Tire in a Fluidized Bed Reactor, Ph.D. Dissertation, KAIST, Korea(1996). 10. Kayembe, N. and Pulsifer, A. H., Kinetics and Catalysis of the Reaction of Coal Char and Steam, Fuel, 55, 211-216(1976). Korean Chem. Eng. Res., Vol. 48, No. 1, February, 2010