A coal gasifier is an important reactor to produce syngas from coal. In order to predict the performance of the gasifier process simulation and CFD simulation for the gasifier have been achieved. Specially, gasifier process simulations related to IGCC plant simulation have been based on an equilibrium calculation. From the advantages and disadvantage of the equilibrium model the necessity of an advanced model is proposed. This study proposes a Discrete Reactor Segment Model(DRSM) based on simple kinetics
The DRSM simplifies a gasifier to three reaction groups as the relative magnitude of reaction rates. The reactions in the gasifier are categorized to devolatilization, heterogeneous reactions and homogeneous reactions. Rates of each reaction groups simplify as reasonable assumptions and limitations and the composition of syngas is obtained the calculation of reaction rates. The composition of produced syngas and carbon conversion is calculated as the change of input conditions and a qualitative analysis is executed. From the qualitative analysis the application of the DRSM is considered.
석탄가스화복합발전(IGCC)에서 석탄가스화기는 합성가스를 생성하는 장치이다. 석탄가스화기의 성능을 예측하는 방법으로 일반적으로 알려진 방법은 평형을 기반으로 한 모델과 형상을 기반으로 한 유동해석의 방법이 있다.
이 중 플랜트 공정해석에 주로 사용되는 방법은 효율성의 측면으로 인해 평형을 기반으로 한 모델을 주로 사용한다. 평형 기반 모델에서 얻을 수 있는 결과들도 충분히 유용한 결과들이 있지만 평형 기반 모델의 한계점이라 한다면 화학반응에서의 초기 상태와 외부 조건이 주어지면 최종 생성물의 상태만을 알 수 있다는 것이다. 또한 모든 화학반응들이 완전히 진행된 상태를 나타낸다.
하지만 실제 석탄가스화기에서는 모든 반응들이 완전히 진행되지 않은 채로 최종 출구를 빠져 나갈 수도 있으며, 반응이 진행되는 과정에 대한 정보가 중요한 역할을 한다. 때문에 기존의 평형 기반 모델에서 반응 시간 및 반응 속도에 대한 개념이 추가되어 평형 기반 모델에서 제공해 주지 못하는 시간과 관련된 정보를 얻을 필요성이 있다.
본 연구에서는 가스화기를 등온, 등속의 1차원에 준한 반응기로 가정하여 반응 속도와 반응 시간을 적용하여 가스화기 출구에서의 생성 가스 조성에 대한 예측을 수행한다. 가스화기 내의 반응은 상대적인 반응 속도에 따라 휘발과정, 기체상 반응, 고체상 반응으로 구분할 수 있으며, 시간에 따른 생성가스의 조성을 계산하였다. 그리고 석탄의 탄종, 산소/석탄비, 수증기/석탄비, 온도의 영향에 따른 생성가스의 조성을 예측 및 기존의 평형 기반 모델과의 비교를 실시하였다.
전반적인 결과들은 기존의 평형 계산 모델과 유사성을 보였지만 반응 시간 및 반응속도에 따라 평형 계산 모델에서 확인할 수 없었던 충분치 못한 반응 시간 및 미전환된 탄소들에 대한 영향을 살펴볼 수 있었다. 이 결과들을 바탕으로 현재 단계의 등온, 등속 반응기 모델의 의의를 짚어보고 실제 현상과 좀 더 유사한 비등온 반응기 모델로의 확장에 관한 논의를 실시하였다.
