Ap미ied Chernistry, Vol. 13, No. 1, April 2CXE, 133• 136

석탄 합성가스 내 COS 제거를 위한 가수분해 껄비 운전 특성

활갚옆 · 이승종 · 정석우 · 윤용승

고등기숭연구원 플랜트엔지니어링센터

Operation Characteristics of Hydrolysis Reactor for COS Removal from Coal Syngas

Hwang Sang Yeo!! . Lee Seung Jong . Chung Seok Wω · 、' un Yong seung Plant Engineering Center‘ Institute for Advancecl Engineering

Abstract

석탄 가스화용융 공청은 1.300'(; 이상의 고온의 환원성 분위기에서 가스화 반웅이 진행됨으로

석탄에 함유된 황 성분(S)은 SOx가 아닌 H2S와 COS로 발생하게 된다. 이러한 합성가스 내

산성가스들은 합성가스의 연료 또는 원료로 이용 시 후단 연소장치 빛 배관의 부식을 야기할

수 있으며， 반웅기에 충진된 촉매의 촉매독으로 작용하여 촉매의 수명올 단축시키는 요인이

되므로 설비의 성능 처하 현상 퉁올 일으켜 효융을 저하시키게 된다 그러므로 석탄 가스화

공정에서 생성된 합성가스는 이용 목적에 따라서 가스터빈， 연료전지‘ 화학공정 퉁에 웅용하기

위해서는 적절한 수준까지 오염물질올 제거하는 정제 파정이 필요하게 된다. 본 연구에서는

알루미나 계열의 건식 촉매를 이용한 가수분해 반웅을 통해 석탄 합성가스에 함유된 COS를

제거가 용이한 H2S로 전환시켜 가수분해 설비의 전환 효율올 확인하고， 후단 습식탈황 공정에

서 H2S률 제거함으로써 시스템의 안정성 및 운전 특성을 파악하였다.

1. 서 론 석탄가스화 기술은 고온/고압 조건에서 가스화 반웅을 통해 석탄 내의 탄소 및 수소 성분올 가

스 상의 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스(Syng Cl S)로 전환하는 기술로서 가스화 반응에 의

해 시료 내의 상당부분의 에너지가 co와 바와 같이 화학적 에너지를 가진 가스로 발생되고， 이

틀 가스 자체의 화학적 에너지가 그대로 유지되어 에너지를 재 회수 할 수 있다. 그러나 석탄 가

스화용융 공정은 가스화 반웅이 1,300 "c 이상 고온의 환원성 분위기에서 진행됨으로써 황 성분

(S)이 SOx가 아닌 H2S와 COS로 방출되며， 합성가스 내의 S성분의 화합물은 촉매의 수명올 단축

시키고 전환 효융올 저하시키는 주요한 요인이 된다. 그러므로 합성가스 이용 목적에 따라서 일정

농도 이하로 적절한 정제 파정올 통해 S성분올 제거해야만 한다. 그러나 일반적인 정제 공정으로

COS가 제거 되지 않으므로 COS의 가수분해 반웅을 이용하여 COS를 H ~S로 전환시킨 후 탈황

공정에서 H2S롤 제거하는 방식을 택하였다. 또한， 합성가스 정제 기술올 통해 목적하는 공정의 요

구 조건과 환경 규정에 만족할 수 있는 수준 이상으로 고압의 합성가스에 함유되어 있는 오염가

스를 정제함으로써， 적용 공챙의 오염 또는 부식과 환경오염올 사전에 방지하고자 하였다.

본 연구에서는 3톤/일급 석탄가스화기에서 발생되는 합성가스에 함유된 유기황화물인 COS를

제거하고자 합성가스 유량 120 ~m“/hr 용량으로 설계/제작된 COS 가수분해 성비를 이용하였으

며. 7 kg/cm2의 가압 조건에서 COS를 H2S로 전환할 수 있는 알루미나 계열의 건식 촉매를 사용

하였다. 합성가스에 함유된 COS는 촉매와의 반웅에 의해 제거가 용이한 H죄로 전환되며， 전환된

H2S는 후단 습식탈황 공청올 통해 제거함으로써 COS 가수분해 설비의 천환 효율올 확인하고 시

스댐의 안정성 및 운전 특성올 파악하였다.

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134 황상연·이숭종·정석우·윤용숭

2 . 실험 장처 및 방법 COS 가수분해 설비는 고정충 형태로 총 3단으로 구성하였으며， 가수분해 성비 내부로 유입되

는 합성가스의 분산이 용이하고 활성 온도가 다른 촉매롤 통시에 충진하여 사용할 수 있도록 제

작하였다. 또한， 가수분해 반웅 온도를 고려하여 집진 장치 후단에 위치하여 고온의 가스를 직접

유입할 수 있도록 하였으며， 각 단에 충진된 촉매 층을 지나면서 촉매와의 반응에 의해 COS를

H2S로 전환시킨 후 출구 가스는 H2S를 제거하기 위하여 후단 탈황 공정으로 유엽되도록 하였다. [그립 1]은 석 탄가스화 시스템에서의 COS 빛 H씬 제거 공정도를 나타내었으며 에는

COS 가수분해 셜버의 훈전 조건올 나타내었다.

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[그림 1] COS 빛 H2S 제거 공정도

〈표 1> COS 가수분해 설비 운전 조건

조 건 항 S-1L 단 위

석탄 합성가스 유량 100 ~m‘’/hr

유입 COS 놓도 100 ppm

운전조 건 가수분해 반웅기 압력 7 kg/cm~. gage

가수분해 반웅기 온도 200 "c

촉매 loading량 0.15 kg cat/m“

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COS 가수분해 설비 운전은 석탄가스화 실험에 연계하여 진행하였으며 ， 촉매의 활성온도를 고

려하여 합성가스 유입 전 촉매 층 내부 온도를 200"C까지 예열시킨 상태에서 가스화기가 정상운

전 조건에 도탈한 후 합성가스 전량올 가수분해 반용기 내부로 유입하였다. 반응기에 충진된 촉매

의 활성 온도를 유지하여 가수분해 반응이 쉽게 일어날 수 있도록 히터 콘트롤러에 의해 일정하

게 반웅기 온도를 유지하였으며， 가수분해 젤비 가통 시 안정적인 운전이 가능하도록 반응기 압력

및 차압올 측정하고 제어실에서 실시간으로 확인하였다. 가스화 반용에서 생성되 는? 합성가스 농도

는 On-line 가스분석 시스템올 이용하였으며， COS 가수분해 설비 전/후단 COS 및 H:

135 석탄 합성가스 내 cos 제거를 위한 가수분해 설비 운전 특성

3. 결과및고활

3톤/일급 석탄 가스화기와 연계 실험 결과 정상운전 중 가스화기 운전온도는 1,400-1 ,500 't:, 운전 압력은 7 kg/cm2.g를 유지하였고 합성가스 주요 연료물질인 H2는 18-20%, CO는 40-50% , C02 4-5%가 발생하였으며 ， 운전 시간 동안 안정적인 가스화기 온도， 압력 및 생성가스 조 성올 유지하였다. 운전시간에 따른 가스화기 운전 결과 및 합성가스 측정값올 [그림 2] 와 [그림

3] 에 나타내었다.

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[그림 31 합성 가스 조성

COS 가수분해 설비 운전 결과 반웅기로 유입되는 합성가스 유량은 평균 100 Nm‘’/hr였으며， 가수분해 반웅기 압력은 7 kg/cm2.g를 나타내었다. 합성가스가 유입되면서 촉매 층의 온도가 약

간 감소하는 경향올 나타내었지만， 촉매 충 내부의 온도변화가 크지 않고 촉매의 활성온도인 200 ℃를 유지하였으며 ， 전환된 H2S 농도도 설비 운전 동안 안정적으로 증가하는 것으로 나타났다.

COS 가수분해 젤비의 운전 결과 및 전/후단 가스분석 결과를 I그렴 4] 와 [그림 5] 에 나타내었 다.

[그림 21 가스화기 온도 및 압력

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136 황상연 · 이숭종 · 정석우 • 윤용숭

4 . 결 론

본 연구에서는 석탄 가스화 공정에서 발생되는 합성가스에 함유된 유기황화물인 COS롤 제거하

고자 합성가스 유량 120 Nm‘’/hr 용량으로 설계/제작된 고정충 형태의 COS 가수분해 설비를 이 용하였으며， 얄루미나 계열의 촉매를 사용하여 합성가스 내 COS를 제거가 용이한 1-1씬로 가스조

성올 전환 시킨 후 전환된 고농도의 I-I "S는 후단 습식탈황 공정올 통해 제거함으로써 COS 전환

효율올 확인하고 시스템의 안정성 및 운전 특성올 파악하였다.

COS 가수분해 설비 운전 결파 반응기로 유입되는 합성가스 내 포함된 COS의 놓도는 100

ppm으로 나타났으며， 가수분해 반웅기를 통과하면서 촉매와의 접촉에 의해 1 ppm 이하까지 제

거되었고， 평균 70 ppm의 I-I ~S 놓도가 증가하였다. 합성가스 유입 후 반웅기 내부는 촉매의 활성

온도인 200 "c를 유지하였으며， 전환된 I-I ~S 놓도도 설비 운전 동안 안정적으로 증가하는 것으로

나타났다. 또한， 전환된 H죄의 경우에는 후단 습식탈황 공정을 통해 0.2 ppm 이하까지 제거됨을

확인하였다. 이 와 같이， 일반적인 정제 공정으로 제거가 되지 않는 COS롤 가수분해 반웅을 이용

하여 H2S로 전환 가능함올 확인하였으며 ， 후단 습식탈황 공정에서 효과적으로 황 화합물올 제거

하고 정제된 합성가스를 이용 목적에 따라 다양한 형태의 청정에너지로의 활용이 가능할 것으로

판단되었다.

감사의글

본 연구는 지식경제부 산하 에너지관리공단 신재생에너지센터에서 지원하는 “3톤/일급 가스화

시스템 구축 운전 및 국내 고유 가스화기 모델 개발”과제의 일환으로 수행되었습니다. 지원에 감

사드립니다.

홉고문헌

1. Derdall. G. Hyne. J. B. “ The Production of H2S by Hydrolysis of Entrained COS in

Hydrocarbon Liquids". Can. J. Chem. Eng. 1979. 57. 112.

2. Colin Rhode s. Stewart A. Ridde l. John West. B. “ The Low-temperature Hydrolysis of

Carbonyl Sulfide and Carbon Disulficle " A Review. Catalysis Today. 2000. 59. 443.

3. Sharma. M. M. “ Kinetics of Reactions of Carbonyl Sulphide and Carbon Dioxide with

Amines and C