로 내 탈황을 위한 CaCO₃ 흡착제 입자의 분위기 기체와 체류 시간의 변화에 따른 특성

이강수,정재희,길상인,이형근,김상수,Lee, Kang-Soo,Jung, Jae-Hee,Keel, Sang-In,Lee, Hyung-Keun,Kim, Sang-Soo 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.2

The in-furnace desulfurization technique is applied to the $O_2/CO_2$ combustion system for the carbon capture and storage (CCS) process because this combustion system does not need an additional chamber for the desulfurization. $CaCO_3$ sorbent particles, which have a wide range in size from a few nanometers to several tens of micrometers, are used for this process. In this study, an experimental system which can simulate the $O_2/CO_2$ combustion system was developed. $CaCO_3$ sorbent particles were exposed to the high temperature reactor at $1200^{\circ}C$ with various residence times (0.33-1.46 s) in air and $CO_2$ atmospheric conditions, respectively. The sorbent particles were then sampled at the inlet and outlet of the reactor and analyzed qualitatively/quantitatively using SMPS, XRD, TGA, and SEM. The results showed that the residence time and atmospheric condition in a high temperature reactor can affect the characteristics of the $CaCO_3$ sorbent particles used in the in-furnace desulfurization technique, such as the calcination rate and reaction mechanism. 추가적인 챔버를 필요로 하지 않는 로 내 탈황 기술은 순산소 연소 기술에 적용 가능할 것으로 기대되어 많은 연구가 진행중이다. 이때, 수 나노부터 수십 마이크로미터의 넓은 사이즈 분포를 가지는 $CaCO_3$ 입자가 흡착제로써 사용된다. 본 연구에서는 순산소 연소 시스템을 모사하는 랩스케일의 실험 장치를 구축하였다. $CaCO_3$ 흡착제 입자는 $1200^{\circ}C$로 설정된 고온 반응로에 각각 공기 분위기와 CO2 분위기에서 노출되게 된다. 이때 고온 반응로에서의 체류 시간을 0.33 ~ 1.46 초로 변화시켜 가면서 분석을 수행하였다. 흡착제 입자는 고온 반응로의 전단과 후단에서 각각 포집되어 주사형 이동도 입자계수기, X-선 회절장치, 열중량 분석기, 주사전자현미경 등을 사용하여 정성적/정량적으로 분석하였다. 결과적으로, 고온 반응로에서의 체류 시간과 분위기 기체성분이 흡착제 입자의 하소 반응률, 반응 메커니즘 등에 영향을 미침을 확인하였다.

DTF를 이용한 순산소연소 조건에서 탈황반응과 CaSO₄ 분해 특성

최욱(Wook Choi),조항대(Hang Dae Jo),최원길(Won Kil Choi),박영성(Yeong Sung Park),길상인(Sang In Keel),이형근(Hyung Keun Lee) 大韓環境工學會 2011 대한환경공학회지 Vol.33 No.6

순산소연소 조건하의 로내 탈황공정에서 황화반응 생성물인 CaSO₄의 재분해가 탈황반응에 미치는 영향이 크다. 본 연구에서는 DTF (Drop Tube Furnace)를 이용하여 반응온도, CO₂, O₂, SO₂ 농도 등을 포함한 다양한 실험 변수들이 CaSO₄ 탈황반응에 미치는 영향을 파악하기 위하여 분해반응의 전환율을 측정하고 반응속도를 계산하였다. 반응온도가 상승함에 따라 CaSO₄ 분해반응의 전환율과 반응속도가 증가하였고 O₂가 존재하는 조건에서 CO₂ 농도의 영향은 크지 않았다. 동일한 조건에서 CaSO₄ 분해속도는 O₂ 농도가 감소함에 따라 증가하였으나 SO₂ 농도가 증가함에 따라 감소되었다. In general, the decomposition of CaSO₄ formed by sulfation reaction in the in-furnace desulfurization process using limestone has strong effect on the desulfurization reaction under the oxy-fuel combustion condition. In this study, the conversion rates were measured and reaction rates were calculated in order to investigate the effects of the experimental variables such as temperature and the concentrations of CO₂, O₂, SO₂, on the CaSO₄ decomposition reaction using DTF (Drop Tube Furnace) in the desulfurization reaction. The conversion rate and the reaction rate of CaSO₄ decomposition reaction were increased with reaction temperature. CO₂ concentration has little effect on CaSO₄ decomposition reaction in the presence of O₂. Under the same experimental conditions, the decomposition rate of CaSO₄ was enhanced with the decreasing the O₂ concentration, but vice versa with the increasing of SO₂ concentration.

순산소 순환유동층에서 로내 탈황 및 탈질법 적용에 따른 오염물질 거동특성

최경구(Gyung-Goo Choi),나건수(Geon-Soo Na),신지훈(Ji-Hoon Shin),길상인(Sang-In Keel),이정규(Jung-Kyu Lee),허필우(Pil-Woo Heo),윤진한(Jin-Han Yun) 한국청정기술학회 2018 청정기술 Vol.24 No.3

순산소 연소기술은 화력발전에 적용 가능한 유망한 온실가스 감축 기술로 평가되고 있다. 본 연구는 환경적 관점에서 순환유동층을 활용한 순산소 연소조건에 로 내 탈황 및 탈질법을 적용하여 NO 및 SO₂의 거동을 살펴보는 한편, SO₃, NH₃, 그리고 N2O의 발생 경향도 관측하였다. 이를 위해, 연소로 내 석회석 및 요소수를 투입하였다. 로 내 탈황법은 연소가스 내 SO₂ 농도를 ~403에서 ~41 ppm까지 저감하였다. 또한 SO₃ 형성의 주원료인 SO₂가 저감되면서 연소가스 내 SO₃ 농도도 ~3.9에서~1.4 ppm까지 감소되었다. 그러나 석회석 내 CaCO₃가 NO의 발생을 촉진하는 현상도 관측되었다. 연소가스 내 NO 농도는로 내 탈질법을 적용하여 ~26 - 34 ppm까지 저감되었다. 요소수 투입량 증가에 따라 연소가스 내 NH₃ 농도가 증가하여 최대~1.8 ppm으로 나타났으며, N₂O의 농도도 ~61에서 ~156 ppm까지 증가하였다. N₂O 발생량 증가 현상은 요소수의 열분해 과정에서 생성된 HNCO가 N₂O로 전환되어 나타난다. 본 연구의 결과를 통해 로 내 연소가스 세정법을 적용할 경우 NOx 및 SOx의 저감뿐만 아니라, 다른 오염물질의 발생에 대한 주의가 필요할 것으로 보인다. Oxy-fuel combustion is considered as a promising greenhouse gas reduction technology in power plant. In this study, the behaviors of NO and SO₂ were investigated under the condition that in-furnace deNOx and deSOx methods are applied in oxy-fuel circulating fluidized bed combustion condition. In addition, the generation trends of SO₃, NH₃ and N2O were observed. For the purpose, limestone and urea solution were directly injected into the circulating fluidized bed combustor. The in-furnace deSOx method using limestone could reduce the SO₂ concentration in exhaust gas from ~403 to ~41 ppm. At the same experimental condition, the SO₃ concentration in exhaust gas was also reduced from ~3.9 to ~1.4 ppm. This trend is mainly due to the reduction of SO₂. The SO₂ is the main source of the formation of SO₃. The negative effect of CaCO₃ in limestone, however, was also appeared that it promotes the NO generation. The NO concentration in exhaust gas reduced to ~26 - 34 ppm by appling selective non-catalytic reduction method using urea solution. The NH₃ concentration in exhaust gas was appeared up to ~1.8 ppm during injection of urea solution. At the same time, the N₂O generation also increased with increase of urea solution injection. It seems that the HNCO generated from pyrolysis of urea converted into N₂O in combustion atmosphere. From the results in this study, the generation of other pollutants should be checked as the in-furnace deNOx and deSOx methods are applied.

고온 반응로에서 로 내 탈황을 위한 CaCO₃ 흡착제 입자의 주위 기체와 체류시간에 따른 특성 변화

이강수(Kang Soo Lee),정재희(Jae Hee Jung),길상인(Sang In Keel),김상수(Sang Soo Kim) 대한기계학회 2009 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2009 No.5

In-furnace desulfurization technique is applied to the O₂/CO₂ combustion system for CCS process despite of its low desulfurization efficiency because this combustion system needs not additional chamber for the desulfurzation. The CaCO₃ sorbent, which has wide size range from a few nanometers to several tens of micrometers, is used for this process. In this study, the experimental system which can simulate the O₂/CO₂ combustion system was developed. CaCO₃ sorbent was exposed to the reactor at l200℃ with various residence times (0.33~1.46 sec) in air and CO₂ surroundings, respectively. Then, the sorbent particles were sampled at inlet and outlet of the reactor and analyzed quantitatively/qualitatively using SMPS, APS, XRD, and SEM. In a result, it was shown that the residence time and CO₂ surrounding condition in a reactor can affect the characteristics of CaCO₃ sorbents for In-furnace desulfurization technique.

순산소연소 조건에서 Drop tube furnace를 이용한 운전변수에 따른 석회석의 탈황특성 연구

최욱 ( Wook Choi ),조항대 ( Hang Dae Jo ),최원길 ( Won Kil Choi ),박영성 ( Yeong Sung Park ),길상인 ( Sang In Keel ),이형근 ( Hyung Keun Lee ) 한국화학공학회 2011 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.49 No.6

순산소연소는 높은 연소 효율과 적은 배가스량, 낮은 질소산화물 농도를 장점으로 하고 있으며 연소온도 조절을 위한 배가스 재순환에 의해 배출되는 연소가스중의 CO2 농도를 95%까지 농축이 가능하므로 석탄 연소설비에 대한 유망한 CCS 기술로 부각되고 있다. 본 연구는 순산소연소 조건에서 배가스의 재순환을 통한 CO2 농도 증가에 기인하는 직접 황화반응이 탈황효율에 미치는 영향을 평가하고 반응온도, CO2 농도, SO2 농도상승이 SO2 제거효율에 미치는 영향과 배가스 중 수분 등이 SO2 제거효율에 미치는 영향을 실험적으로 고찰하였다. 반응온도 1,200 ℃까지 온도 상승에 따라 SO2의 제거효율은 증가하였고 Ca/S비, CO2 농도와 수분이 증가할수록 SO2 제거효율이 증가하였다. 이러한 운전변수는 영향인자 평가를 통하여 Ca/S 비>체류시간>O2농도>반응온도>SO2농도>CO2농도>수분농도의 순으로 탈황반응에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 운전변수별 실험결과를 이용하여 로내 건식탈황에 있어서 각 운전변수별 성능 영향인자를 평가할 수 있는 반경험적 모델식을 도출하였다. Oxy-fuel combustion with many advantages such as high combustion efficiency, low flue gas flow rate and low NOx emission has emerged as a promising CCS technology for coal combustion facilities. In this study, the effects of the direct sulfation reaction on SO2 removal efficiency were evaluated in a drop tube furnace under typical oxy-fuel combustion conditions represented by high concentrations of CO2 and SO2 formed by gas recirculation to control furnace combustion temperature. The effects of the operating parameters including the reaction temperature, CO2 concentration, SO2 concentration, Ca/S ratio and humidity on SO2 removal efficiency were investigated experimentally. SO2 removal efficiency increased with reaction temperature up to 1,200 due to promoted calcination of limestone reagent particles. And SO2 removal efficiency increased with SO2 concentrations and the humidity of the bulk gas. The increase of SO2 removal efficiency with CO2 concentrations showed that SO2 removal by limestone was mainly done by the direct sulfation reaction under oxy-fuel combustion conditions. From the impact assessment of operation parameters, it was shown that these parameters have an effects on the desulfurization reaction by the order of the Ca/S ratio > residence time > O2 concentration > reaction temperature > SO2 concentration > CO2 concentration > water vapor. The semi-empirical model equation for to evaluate the effect of the operating parameters on the performance of in-furnace desulfurization for oxy-fuel combustion was established.

Drop Tube Furnace를 이용한 순산소연소 배가스 로내탈황에 관한 연구

안영모 ( Young Mo An ),조항대 ( Hang Dae Jo ),최원길 ( Won Kil Choi ),박영성 ( Yeong Sung Park ),길상인 ( Sang In Keel ),이형근 ( Hyung Keun Lee ) 한국화학공학회 2009 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.47 No.4

로 내 탈황, 탈질법 동시 적용에 따른 Lab-scale 순산소 순환유동층에서의 오염물질 발생특성

최영곤 ( Young-kon Choi ),전민규 ( Min-kyu Jeon ),이정규 ( Chung-kyu Lee ),길상인 ( Sang-in Keel ),윤진한 ( Jin-han Yun ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

고도화된 산업화로 인해 매년 에너지의 소모량이 급증하고 있으며, 이 과정에서 온실가스 배출량도 함께 증가하였다. 특히, 온실가스 전체 배출량의 약 40%를 차지하고 있는 발전과정에서 발생하는 CO₂는 지구온난화의 치명적인 원인이 되고 있다. CSS 기술은 이산화탄소를 분리, 압축 및 저장하는 기술을 총칭하는 말로써, 지구온난화 문제에 적절하게 대응할 수 있는 방안으로 각광받고 있다. 특히, 순산소 연소 기술은 이산화탄소의 분리와 포집 과정이 용이하고, 기존 석탄화력 발전소에 적용할 수 있는 유망한 기술로 평가되고 있다. 하지만 순산소 연소는 연소가스의 일부를 재순환하여 재이용하기 때문에 충분히 오염물질을 제거하지 않는다면 재순환 과정에서 공정 내 오염물질의 농축현상이 발생할 수 있다. 농축된 오염물질은 공정 내 설비의 부식 및 효율을 저하시키고, CO₂ 포집 과정에서 별도의 정제설비가 필요하기 때문에 포집 효율을 떨어뜨린다. 따라서 순산소연소 분야에서 연소가스 내 오염물질제어기술은 매우 중요한 역할을 하고 있다. 본 연구는 oxy-CFBC 조건에서 로내 세정법의 적용에 따른 NO_x 및 SO_x의 거동을 살펴보고자 진행되었다. 각각의 오염물질 제거를 위해 요소수를 활용한 SNCR법과 석회석을 활용한 로내 탈황법을 적용하였으며, 각각의 저감기술을 동시에 적용함에 따른 NO_x, SO_x의 상호 영향도 함께 조사하였다. Oxy-CFBC 공정은 연료 투입 및 첨가제 투입장치, 순환유동층 연소로, 사이클론, 열교환기, 백 필터로 이루어져 있으며, 석회석은 석탄 투입구 상단에서 투입하였다. NO_x 제어를 위한 요소수(40% in H₂O)는 반응기 상부에서 하부 방향으로 주입하였다. 그 결과, 순산소연소 조건에서의 석회석 활용한 로 내 탈황은 직접 황산화 과정을 거치기 때문에 반응속도가 상당히 느릴 것으로 예측했으나, 석회석의 투입량이 Ca/S 비 ~2.9의 조건으로 투입된 실험에서의 탈황 효율은 ~90%로 계산됨에 따라 로 내 탈황법을 활용해서 충분히 SO₂를 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한 석회석 투입량의 증가에 따라 연소가스 내 NO 농도 역시 함께 증가하는 것으로 나타났다. 이는 CaCO₃가 Fuel-N의 산화를 촉진시키기 때문이다. 따라서 SO₂ 제어를 위해 석회석을 활용할 경우, NO의 추가 생성에 대한 고려가 반드시 필요할 것으로 판단된다.

순산소연소 조건에서 석회석의 소성특성 및 로내탈황에 관한 연구

안영모(Young Mo An),조항대(Hang Dae Jo),최원길(Won Kil Choi),박영성(Yeong Sung Park),길상인(Sang In Keel),이형근(Hyung Keun Lee) 大韓環境工學會 2009 대한환경공학회지 Vol.31 No.5

순산소연소 배가스 중 CO₂ 농도는 가스의 재순환으로 인해 95%까지 농축 가능하며, CO₂ 농도가 높은 조건에서 석회석의 소성특성은 기존의 공기 연소와 다르게 나타난다. 본 연구에서는 흡수제로 특성이 다른 세 종류의 국내산 석회석을 이용하여, 소성온도에 따른 석회석의 소성특성에 대해 알아보았다. 또한 흡수제 종류, 반응온도 등의 운전변수가 SO₂ 제거효율에 미치는 영향에 대하여 알아보고, 반응생성물을 포집하여 황 함량을 측정하였다. 소성온도가 증가함에 따라 석회석의 소성율 및 비표면적은 증가하는 경향을 보였으며, 반응온도가 증가함에 따라 SO₂ 제거효율은 증가하였으며 석회석의 종류에 따라 SO₂ 제거효율이 뚜렷한 차이를 보였다. 최고효율 나타낸 석회석 시료에 대한 반응생성물 분석결과 시료 내 황 함량은 약 10% 정도인 것으로 나타났다. In oxy-fuel combustion, CO₂ concentration in the flue gas may be enriched up to 95% owing to the gas recirculation. Under the high CO₂ concentration, the calcination characteristic of limestone is different from that of the conventional air combustion system. In this study, three types of limestone taken from different regions in Korea were used as SO₂ absorbent and their calcination characteristics depending on calcination temperature were investigated. The experiments were performed to examine the effects of operating variables such as absorbent species, reaction temperatures on the SO₂ removal efficiency and reacted limestone particles were captured to examine the sulfur contents. The degree of calcination and the specific surface area increased with calcination temperature and SO₂ removal efficiency increased with reaction temperature. The results showed remarkable difference in SO₂ removal efficiencies between the limestone types. The sulfur content of the reacted limestone with the highest SO₂ removal efficiency was about 10%.

로 내 탈황을 위한 CaCO₃ 흡착제 입자의 분위기 기체와 체류 시간의 변화에 따른 특성

이강수(Kang Soo Lee),정재희(Jae Hee Jung),길상인(Sang In Keel),이형근(Hyung Keun Lee),김상수(Sang Soo Kim) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.2

추가적인 챔버를 필요로 하지 않는 로 내 탈황 기술은 순산소 연소 기술에 적용 가능할 것으로 기대되어 많은 연구가 진행중이다. 이때, 수 나노부터 수십 마이크로미터의 넓은 사이즈 분포를 가지는 CaCO₃ 입자가 흡착제로써 사용된다. 본 연구에서는 순산소 연소 시스템을 모사하는 랩스케일의 실험 장치를 구축하였다. CaCO₃ 흡착제 입자는 1200℃로 설정된 고온 반응로에 각각 공기 분위기와 CO₂ 분위기에서 노출되게 된다. 이때 고온 반응로에서의 체류 시간을 0.33 ~ 1.46 초로 변화시켜 가면서 분석을 수행하였다. 흡착제 입자는 고온반응로의 전단과 후단에서 각각 포집되어 주사형 이동도 입자계수기, X-선 회절장치, 열중량 분석기, 주사전자현미경 등을 사용하여 정성적/정량적으로 분석하였다. 결과적으로, 고온 반응로에서의 체류 시간과 분위기 기체성분이 흡착제 입자의 하소 반응률, 반응 메커니즘 등에 영향을 미침을 확인하였다. The in-furnace desulfurization technique is applied to the O₂/CO₂ combustion system for the carbon capture and storage (CCS) process because this combustion system does not need an additional chamber for the desulfurization. CaCO₃ sorbent particles, which have a wide range in size from a few nanometers to several tens of micrometers, are used for this process. In this study, an experimental system which can simulate the O₂/CO₂ combustion system was developed. CaCO₃ sorbent particles were exposed to the high temperature reactor at 1200℃ with various residence times (0.33-1.46 s) in air and CO₂ atmospheric conditions, respectively. The sorbent particles were then sampled at the inlet and outlet of the reactor and analyzed qualitatively/quantitatively using SMPS, XRD, TGA, and SEM. The results showed that the residence time and atmospheric condition in a high temperature reactor can affect the characteristics of the CaCO₃ sorbent particles used in the in-furnace desulfurization technique, such as the calcination rate and reaction mechanism.

저급탄 미분기 화재발생 인자분석 연구

길상인(Sang-In Keel),박호영(Ho-Young Park),김영주(Young-Joo Kim),윤성환(Sung-Hwan Youn) 한국연소학회 2013 한국연소학회지 Vol.18 No.4

Lots of Coal power plants (about 30) using bituminous coals are being run in Korea. The use of high volatile low grade sub-bituminous coal is increasingly extended because of imbalance between the worldwide coal supply and demand. Mill-fire has been an important issue since the use of such sub-bituminous coal. In existing coal plants of Korea, shutdown of coal and air supplies could be only a way, and an alternative has not been found in suppressing the mill fire. The inside fowfield in the mills has a highly fuel-rich, low temperature, and high velocity and non-reactive such that it could be a nonreactive system essentially. Nevertheless, occasional fire-occurrence could be attributed to the existence of an ignition source. However it has not been so far investigated in detail. The current work has a focus on suppressing the mile fire via some parametric experimental study such as effects of temperature, residence time, ignition source, and inert gas mixing. The results show that an small amount of CO2- or N2-mixing with air is very effective in suppressing fire formation even at high temperatures or flying sparks. The results suggest that exhaust gas recirculation into the mill should be an alternative to suppress mill fire.