A dry-feeding entrained bed coal gasifier was numerically modeled to analyze the process in this thesis. The Shell type up-flow gasifier was modeled in the view of reverse engineering and by simultaneously solving the rate equations for the solid and gas phases. It was modeled considering own reactivity of a case of coal introduced into the gasifier. According to the heterogeneous characteristics of coal, this model describes the simplified physical and chemical processes occurring in the entrained bed coal gasifier. The gasification phenomena can be separated into devolatilization, gas phase, and solid phase reactions by difference of reaction time of coal. The coal gasifier shape is also simplified to 1-D PFR and pseudo 2-D reactor models for simple analysis. As an indicator of the gasifier performance, carbon conversion and cold gas efficiency (CGE) are determined. Oxygen/coal mass ratio, steam/coal mass ratio, and pressure are selected as operating parameters. As a result of simulation, carbon conversion, CGE, gas composition, temperature, and velocity distributions are obtained along with the reactor. The oxygen/coal ratio at which maximum CGE was achieved ranged from 0.5 to 0.6 kg/kg. However, the higher oxygen/coal ratio is, the higher carbon conversion rate is. Therefore, proper operating conditions are changeable on operating objectives. For validation, the results are compared with data obtained in Shell gasifier and it shows a little difference for CGE. That is because the kinetic data applied in this research is to incorporate the incoherent rate constants from different experimental conditions and coal type. In addition, this model does not consider the physical phenomena such as turbulence and radiative heat transfer. The model prediction may be best used to evaluate trends in process analysis of the Shell gasifier and may give useful information for the designing and operation of the coal gasifier.
온실 가스의 지속적인 배출로 인하여 지구 온난화 현상이 가속화 됨에 따라 정부는 전력 수급 기본 계획에 신 재생 에너지 발전 산업의 비중을 늘려가고 있다. 이에 석탄 가스화 복합 발전 시스템(IGCC)은 기존의 미분탄 화력 발전소를 대체할 미래 지향적인 발전 시스템으로 대두되고 있다. IGCC 플랜트의 구성 요소 중 하나인 석탄 가스화기의 성능은 가스화기의 후단 시설들(가스 정제 시스템, 가스 터빈 등)의 효율에 직접적인 영향을 주기 때문에 가장 중요한 시스템이다. 하지만 불행히도 현재 자국의 기술을 가지고 석탄 가스화기 제작을 할 수 없고, 외국의 기술에 의존하는 현실이다. 그러므로 Reverse engineering의 관점에서 석탄 가스화기 운전에 도움이 되는 공정 해석 모델링의 필요성이 제기된다.
석탄 가스화 현상은 매우 복잡하고 명백하지 않은 현상으로서 같은 조건에서도 명확하게 그 정량적인 수치를 예측 할 수 없는 특성을 가지고 있다. 이에 따라 공정 해석을 위하여 Shell 석탄 가스화기의 형상을 1차원 Plug Flow 반응기 모델과 Pseudo 2차원 반응기 모델로 단순화하고, 석탄 가스화 현상을 반응 속도에 따라 단계적인 현상으로 단순화시켜 모델링이 진행되었다. 운전 목적에 따라 투입 석탄 및 산화제, 가스화제의 비율 등의 운전 변수들은 변화되기 때문에 이 운전 변수들에 따른 결과를 살펴볼 필요가 있었다. 그래서 가스화기의 성능 인자로서 탄소 전환율과 냉가스 효율이 선택되었고, 운전 변수로서 질량 기준으로의 산소/석탄 비, 스팀/석탄 비, 운전 압력이 선택되었다.
석탄 가스화 현상을 지배하는 화학 반응식들이 설정되었고, 석탄 가스화의 전 단계, 즉 탈휘발 과정, 기체상 반응, 고체상 반응에 걸쳐 chemical kinetics가 적용되었다. 그러므로 반응 시간에 따른 반응 정도가 계산되었으며, 이는 가스화기 내부의 유효 단면적에 따른 유속과 연결되어 시스템 내부의 property 분포를 얻을 수 있었다. 각 화학 반응식에 해당하는 반응율 방정식에 들어갈 반응 상수들은 실험 환경과 석탄 종류 등 실험 조건에 따라 매우 민감하기 때문에 이를 상용 가스화기의 모델링에 적용하는 것은 도전적인 연구이다. 이 모델에 사용된 반응 상수들은 각각 다른 실험 조건과 석탄 종류로부터 얻은 값으로서 이를 하나의 석탄 가스화 현상에 통합하여 모델링 하는 것은 큰 가정이다. 하지만 Shell 건식 석탄 가스화기 내부에서 발생하는 석탄 가스화 현상 전 부분에 걸쳐 chemical kinetics가 적용된 연구는 아직 없기 때문에 이 모델링이 얼마나 상용 가스화기의 공정 해석에 도움이 되는 결과를 주는지 알 필요가 있었다. 그 결과로서 산소/석탄 비, 스팀/석탄 비, 운전 압력의 변화에 따른 탄소 전환율, 냉가스 효율, CO, $H_2$, $CO_2$ 가스 조성, 가스 온도 분포, 속도 분포가 가스화기의 높이에 따라 얻어졌다.
비록 많은 가정이 내재된 모델이지만 본 연구로부터 얻은 결과를 실제 Shell 석탄 가스화기로부터 얻은 결과와 비교하였다. 실제 상용 Shell 석탄 가스화기로부터 얻을 수 있는 정보들은 공정사의 기밀 사항으로 닫혀져 있기 때문에 모델링의 타당성을 논할 수 있는 공개 자료는 거의 없는 현실이다. 그럼에도 불구하고 이용할 수 있는 자료들을 가지고 모델링을 통해 도출된 결과를 비교해 보았다. 모델링을 통해 얻은 값들은 실제 값과 좋은 경향성을 보여 주었지만 냉가스 효율 면에서는 다소 적은 값을 보이고 CO2의 수율 면에서는 다소 큰 값을 보였다. 그 원인으로서는 우선 사용한 석탄의 종류가 다름이 가장 크고, 그에 따라 고체상 가스화 반응인 char + $H_2O$, char + $CO_2$ 반응에 적용된 반응 상수의 적절성을 논할 수 있었다. $CO_2$ 가 충분히 가스화 반응을 통해 CO로 전환되지 않았기 때문에 냉가스 효율이 적게 나올 수 있기 때문이다. 또한 실제 가스화기 내부에서 일어나는 복잡한 난류 및 복사 열전달 현상 등을 고려하지 않은 점을 오차의 원인으로 말할 수 있다. 가스화 반응에 영향을 주는 위 물리적 현상들이 모델링에 고려된다면 더 나은 결과를 제시하는 모델이 될 수 있을 것이다.
본 연구의 결과는 앞으로 건설 될 예정인 300MWe급 Shell 석탄 가스화기의 운전과 개념설계에 도움이 되는 유용한 정보를 줄 수 있다. 이는 가정이 포함된 단순화된 모델링으로서 정확한 수치를 제시하기에는 부족함이 있으며, 다소 정확한 정량적, 정성적 경향성을 제시할 수 있다. 본 연구를 통하여 운전 조건에 따른 석탄 가스화기 내의 반응 정도(Degree of reaction) 를 알 수 있기 때문에 본 연구 결과를 착안하여 플랜트의 운전자는 운전 목적에 맞게 그 운전 조건을 적절하게 제어할 수 있을 것이다.
