석탄 슬러리 가스화기의 반응 특성에 대한 전산유동해석 연구 :Computational fluid dynamic analysis on reaction characteristics in a coal slurry gasifier

도윤영

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자료유형: 학위논문

저자정보: 도윤영 (성균관대학교, 성균관대학교 일반대학원)

지도교수: 류창국

발행연도: 2017

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2017

석탄 슬러리 가스화기의 반응 특성에 대한 전산유동해석 연구

도윤영 기계공 2017.01 학위논문

2015

200 t/d급 MHI 석탄 가스화기의 석탄 및 공기 배분에 따른 가스화 특성 평가

도윤영 , 예인수 , 김봉근 외 1명 KOSCO SYMPOSIUM 논문집 2015.12 학술대회자료

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이산화탄소로 인한 지구온난화문제가 대두되면서 저탄소에너지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 석탄가스화는 석탄을 가스화시켜 CO, H2로 구성된 합성가스를 얻는 기술로서, 화학물질합성, 발전, 연료생산 등 다양한 분야에 적용가능하다는 장점이 있다.
석탄가스화기에서 석탄의 공급방식은 건식과 습식이 있다. 건식은 N2 등의 이송가스를 사용하여 미분탄을 운송하는 방법이다. 습식은 미분탄을 물과 섞어 Coal-Water Mixture(CWM), 석탄슬러리의 형태로 공급하는 방식이다. 습식은 가압이 용이하지만, 건식에 비해 H2O의 양이 많기 때문에 물의 잠열에 의해 운전온도가 낮고, 합성가스 내 H2O와 H2의 비율이 높은 특징이 있다.
석탄가스화기술은 석탄의 탈휘발, 연소반응, 그리고 기체상태 화학종들의 반응과 함께 반응기 내부의 유동 및 열전달도 함께 고려하여야 한다. 이와 같이 복잡한 현상들을 실험을 통해 파악하기 어렵고 가스화기 형상과 운전조건을 최적화하기 위해서 전산유동해석(CFD)을 통한 연구가 많이 진행되며, 여기에 필요한 석탄의 반응과 유동 해석에 다양한 모델들이 개발되고 있다.
본 연구에서는 10 ton/day 규모의 가압 석탄슬러리 가스화기에 대해 Fluent를 통한 전산유동해석을 실시하여 반응기내 유동, 온도분포, 반응특성을 살펴보았다. 석탄의 탈휘발조성 및 반응속도는 대상 탄종에 대해 별도의 실험을 통해 구한 값을 사용하였다. 석탄 촤는 미시적인 탄소의 반응속도뿐 아니라, 가스의 확산과 입자의 물리적 특성 변화가 동반되어 복잡한 현상이기 때문에 반응속도에 대한 다양한 수준의 모델이 존재한다. 본 연구에서는 입자의 겉표면적을 기준으로 촤의 반응표면적 변화와 반응속도를 해석하는 Unreacted core shrinking model (UCSM), Shrinking core model (SCM), Random pore model (RPM)의 3가지 Char conversion model을 적용하여 모델간 촤 반응특성을 비교하였다. 이때 UCSM의 반응상수는 기존 문헌의 값을 사용하였고, RPM과 SCM은 drop tube furnace에서의 실험을 통해 직접 도출한 값을 사용하였다.
촤 반응 모델에 따른 가스화특성 변화 분석결과, 전체적인 유동 패턴 및 반응양상은 유사한 것으로 나타났다. 하지만 촤 반응속도 및 경향에서 차이를 보였고, 이로 인해 온도 분포, 미연탄소 분포, 탄소전환율에서 다소간의 차이를 보였다.
본 연구의 결과, 가스화기에 대한 CFD 해석 시에 해석대상 가스화기 및 대상 탄종에 적합한 촤 전환 모델을 선택하는 것이 중요한 것으로 나타났다. 특히 기존에 많이 사용되고 있던 UCSM의 경우 고압 조건에서 타 모델에 비하여 Char-H2O 반응 속도를 느리게 예측하기 때문에 석탄슬러리 가스화기의 해석에 적용하기 위해서는 충분한 사전 검토가 이루어져야 할 것으로 보인다.

As the problem of global warming emerges due to carbon dioxide, studies on low-carbon energy are actively being carried out. Among them, coal gasification is a technique of gasifying coal to obtain synthesis gas composed of CO and H2, and it has advantages in various fields such as chemical synthesis, power generation, and fuel production.
In the coal gasifier, there are two ways for supplying coal. Dry type is a method of transporting pulverized coal using a transfer gas such as nitrogen. Wet type is a method of mixing pulverized coal with water and supplying it in the form of coal slurry. Wet type is easy to pressurize, but the operating temperature is low and the ratio of H2O and H2 in syngas is high because of the high amount of H2O compared to dry.
In coal gasification technology, the devolatilization of coal, the combustion reaction, and the reaction of gaseous species should be considered as well as the flow and heat transfer inside the reactor. Since it is difficult to figure out such complex phenomena by experiments, so numerical methods are used to optimize gasifier geometry and operating conditions. Many models related to coal reaction and flow analysis are developed for computational fluid dynamics(CFD).
In this study, flow rate, temperature distribution, and reaction characteristics of a 10 ton/day pressurized coal slurry gasifier were investigated by CFD using Fluent. The devolatilization and reaction rate of coal were obtained from separate experiments for the target coal. There are various levels of modeling of the char reaction rate because the coal is not only a reaction rate of microscopic carbon, but also a complex phenomenon accompanied by gas diffusion and changes in the physical properties of the particles. In this study, three char conversion models, Unreacted core shrinking model (UCSM), Shrinking core model (SCM) and Random pore model (RPM), are applied to analyze the reaction surface area change and reaction rate on the basis of particle surface area. And the reaction characteristics between the models were compared. The values of the reaction constants of UCSM were used in the literature and those of RPM and SCM were derived directly from experiments in drop tube furnace.
As a result of analysis of the gasification characteristics according to the reaction model, the overall flow patterns and reaction patterns were found to be similar. However, there were differences in reaction rate and tendency, which caused differences in temperature distribution, unburnt carbon distribution, and carbon conversion rate.
As a result of this study, it was found that it is important to select the char conversion model suitable for the gasifier type and target coal when analyzing using CFD. Especially, UCSM, which is widely used, predicts Char-H2O reaction rate slower than other models under high-pressure conditions. Therefore, it needs to be sufficiently examined before applying it to the analysis of coal slurry gasifier. The results of this study will used to develop advanced char reaction model and to optimize coal slurry gasifier shape.

#coal gasification #char conversion model #Computational Fluid Dynamics (CFD)

Abstract 16
Chapter 1 Introduction 18
1.1 Coal gasification 18
1.2 Coal slurry gasifier 23
1.2.1 General features 23
1.2.2 Commercial coal slurry gasifiers 23
1.3 Objectives 26
Chapter 2 Target Gasifier and Operating Conditions 27
2.1 Reactor configuration 27
2.2 Operation conditions 31
Chapter 3 Methods for Numerical Modeling 34
3.1 Particle behavior 34
3.2 Coal volatilization 35
3.3 Char reactions 37
3.3.1 Unreacted Shrinking Core Model 38
3.3.2 Shrinking Core Model 40
3.3.3 Random Pore Model 42
3.4 Experiment for kinetic data 44
3.4.1 Experiment method 44
3.4.2 Deduction of rate constants 47
3.4.3 Evaluation of rate constants 51
3.5 Particle size and density variation 53
3.6 Gas reactions 55
3.7 Turbulent model 57
3.8 Radiation model 59
3.9 Wet combustion model 61
Chapter 4 Results and Discussion 62
4.1 Flow characteristics 62
4.2 Char reaction characteristics for different models 64
4.2.1 Temperature distribution 64
4.2.2 Char reaction rate 68
4.2.3 Unburnt carbon 72
4.2.4 Chemical species 75
4.3 Exit gas features 80
Chapter 5 Conclusions 83
References 84

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