300 MW IGCC 석탄 가스화기 내 합성가스 및 슬래그 층의 동적 해석 모델 개발

Development of dynamic simulation model for syngas and slag layer in a 300 MW IGCC coal gasifier

석탄 가스화는 고체연료인 석탄을 희박산화제와 반응시켜 H2, CO가 주 성분인 합성가스를 만들어내는 기술이다. 합성된 기체연료는 석탄 내 오염원(N, S)을 제거함으로써 친환경 발전이 가능할 뿐만 아니라 개질을 통해 화학물질 합성에도 이용할 수 있다. 석탄 가스화기의 안정적인 운영 및 효율 개선을 위해 운전 상황 파악이 필요하지만 상용 가스화기의 대부분이 고압, 고온에서 운전되어 반응기 내부 계측이 불가능한 상황이다. 본 연구에서는 AP 석탄 가스화기와 벽면 슬래그 층의 동적 수치해석 모델(Reduced Order Model, ROM)을 개발하였다. 해당 모델은 반응기의 입자 및 유동 특성을 고려하여 내부/외부 유로가 나뉜 격자구조를 갖는다. 슬래그 층의 형성은 벽면 열전달과 회분 배출에 중요한 요소이므로, 개선된 슬래그 층 모델을 개발하여 가스화기 벽면 조건으로 적용하였다. ROM은 운전 제어 프로그램과 맞물려 실시간 계산이 가능할 만큼 빠르면서도 해석 결과가 CFD 해석 및 실제 운전 결과와 5% 미만의 오차를 지녀 매우 합리적이다. ROM 해석 결과 분석을 통해 출구 가스온도는 운전조건의 변경을 즉각적으로 따라가지만, 벽면 열전달은 느리게, 바닥 슬래그 층의 두께는 매우 느리게 변화하는 것을 확인하였다.