한전 전력연구원

석탄 가스화기 전산시뮬레이션

신동훈

2011.02.25

1

목적

석탄 투입량 30 kg/hr 급 가스화기의 전산해석 수행

실험결과와 비교 분석

버너 형상의 변경에 따른 영향 분석

향후 전산해석 모델의 개발 방향 검토

2

해석대상

3

Burner-1

O2 nozzle: φ 1.2mm x10 EA

O2 velocity: 100 m/s

Burner-2

O2 nozzle: φ 1.6mm x12 EA

O2 velocity : 50 m/s

O2 nozzle angle: 7° to the coal direction

Old burner

Reactor and T/C points

New burners

석탄성상

4

mesh ㎛ 무게(g) %

50 300 이상 0.105 0.05

100 150 이상 1.653 0.76

140 106 이상 15.068 6.97

200 75 이상 41.232 19.07

270 53 이상 49.222 22.77

325 45 이상 69.828 32.30

0 이상 39.084 18.08

Adaro 탄의 입도분석('10년 5월과 10월 시험용탄)

0

20

40

60

80

100

120

0 100 200 300 400

누적비율

(%)

입도 (um)

Rosin-Rammler

공업분석

수분: 2.89%, 휘발분: 43.33 %, 회분: 5.57 %, 고정탄소: 48.21%

건조기준-> 휘발분: 44.53 %, 회분: 5.93 %, 고정탄소: 49.54 %

원소분석

탄소: 72.93%, 수소: 5.21%, 질소: 1.57%, 산소: 19.9%, 유황분: 0.28%

고위발열량: 6,580 kcal/kg

평균입도: 62.37 um, 분산계수: 2

실험결과

5

기존버너

운전조건

석탄주입량 : 29.29 kg/hr, N2/coal : 0.46, O2/coal : 0.75

생성가스조성(IR 기준) : (mole%)

H2: 31.25%, CH4: 1.56%, CO: 42.72%, (N2: 11.48), CO2: 10.92%

Carbon conversion : 65.87%

신규버너-1

운전조건

석탄주입량 : 27.822 kg/hr, N2/coal : 0.4596, O2/coal : 0.766

생성가스조성(IR 기준)

H2: 32.75%, CH4: 1.04, CO: 44.16, (N2: 10.83), CO2: 10.95%,

Carbon conversion : 81.25%

생성가스조성 (Mass 기준)

H2:25.6 %, CH4: 0.59%, CO: 49.9%, N2: 11.96%, CO2: 11.68%

Carbon conversion: 93.4%, cold gas efficiency: 67.3%

생성된 가스량 54.87 Nm3/hr

원소정산

6

투입조건

신규버너-1의 운전조건

실험결과

신규버너-1의 Mass 측정결과로부터 원소계산

수정투입조건

수분함량을 12.6%로 증가시켜 원소계산

원소 투입조건 실험결과 수정투입조건

C 28.2% 29.3% 24.0%

H 26.0% 25.2% 28.1%

N 16.4% 11.0% 16.2%

S 0.0% 0.0% 0.0%

O 29.3% 34.5% 31.6%

벽면 온도측정

7

전산해석

8

FLUENT 6.32

Turbulence Model: RNG k-ε

Radiation: P1

Chemical Reactions Gas Phase: Finite Rate/Eddy Dissipation

Volatiles -> xCH4 + yH2 + zCO

H2 + 0.5 O2 -> H2O

CO + 0.5 O2 -> CO2

CO + H2O -> CO2 + H2

CO2 + H2 -> CO + H2O

CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O

CH4 + H2O -> CO + 3 H2

Solid Phase: Multiple Surface Reactions Devolatilization: two competition rate model

C<s> + 0.5 O2 -> CO

C<s> +CO2 -> 2CO

C<s> +H2O -> CO + H2

계산격자-기존버너

9

계산격자-신규버너-1

10

속도벡터-기존버너

11

가스온도-기존버너

12

가스 몰농도-기존버너

13

휘발분

H2

CO

CO2

H2O

석탄입자거동 -기존버너

입자분포 (kg/m3)

입자궤적 및 온도(K)

입자직경별 궤적 (m)

석탄입자반응 -기존버너

15

15

O2 반응

CO2 반응

H2O 반응

속도벡터-신규버너-1

16

가스온도-신규버너-1

17

가스 몰농도-신규버너-1

18

휘발분

H2

CO

CO2

H2O

석탄입자거동 –신규버너-1

입자분포 (kg/m3)

입자궤적 및 온도(K)

입자직경별 궤적 (m)

석탄입자반응 –신규버너-1

20

O2 반응

CO2 반응

H2O 반응

벽면온도–신규버너 -1

21

벽면열전달계수–신규버너 -1

22

결론

23

기존버너 Carbon Conversion Rate: 99.9%

CO: 44.8%, CO2: 11.4%, H2: 24.7%, CH4: 0.008%, H2O: 2.9%, N2:16.5% 과도한 온도 상승으로 석탄의 용융 가능성 농후

실험결과와의 차이는 전산해석에서 석탄의 용융을 고려치 않았기 때문임.

신규버너-1 Carbon Conversion Rate: 88.6%

CO: 38.3%, CO2: 17.1%, H2: 27.0%, CH4: 0.09%, H2O: 1.2%, N2: 16.7% 실험치에 근접한 탄소전환율을 보임

온도하강으로 석탄의 용융현상이 줄어듬에 의해 현실에 근접한 결과를 도출하였음

신규버너-2 해석진행중임

낮은 산소유속으로 혼합이 적절하지 않음

중간 결과 Carbon Conversion Rate: ~60%

CO: ~20%, CO2: ~30%, H2: ~30%, CH4: ~0.009%, H2O: ~3.1%,