KR100241137B1 - 습식 석탄가스화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 석탄 슬러리, 오일, 석유코크스 및 하수 슬러지등을 처리할수 있는 습식 석탄가스화 장치에 관한 것으로, 그 목적은 복합발전용 석탄가스 또는 화학공업용 원료 및 연료를 생성하거나 수소제조를 위하여 사용되는 가스화 반응기를 투입된 반응물의 상태를 쉽게 파악할 수 있고, 연소물을 물과 직접 접촉 급속히 냉각시킬 수 있는 소규모의 가스화 장치를 제공하는데 있다.
본 발명은 상부에 위치하고 있는 슬러리공급용 주버너 및 주버너를 중심으로 죄우로 기울어진 예열용 가스 보조버너 및 럽쳐 디스크, 중앙의 연소 및 반응이 이루어지는 가스화로와 상기 가스화로의 하부에 위치하고 있는 가스 및 슬래그 냉각조로 이루어진 습식 석탄가스화 장치에 있어서, 가스화로에서 반응물이 반응시의 화염과 연소후 슬래그의 흐름을 지속적으로 관찰하게 있도록 내부를 외부에서 볼 수 있도록 한 복수개의 투시구와; 가스화 반응 완료후 용융된 상태로 벽면을 따라 흐르게 되는 슬래그의 원활한 흐름이 유지되도록 반응기 내부의 하부구조를 용융슬래그에 내성을 지닌 탄화실리콘(SiC) 재질로 적절한 경사각을 이루는 슬래그 탭과; 반응기 내부에서 반응후 가스화로 하부로 흘러내리는 슬래그, 애쉬 및 연소시 발생한 공해 가스를 물과 직접접촉에 의한 열교환이 이루어지도록 하여 소량의 냉각수를 사용하여 냉각효율을 높인 하부 냉각조로 구성된다.

Description

습식 석탄가스화 장치
본 발명은 석탄 슬러리, 오일, 석유코크스 및 하스 슬러지 등을 처리 할 수 있는 습식 석탄가스화 장치에 관한 것으로, 특히 투입된 반응물의 상태를 쉽게 파악할 수 있고, 연소물을 물과 직접 접촉 냉각시켜 미반응물의 회수 및 오염물질 제거능력을 향상시켜 배출구에 스케일이 생기는 것과 같은 문제를 방지할 수 있는 석탄가스화 장치에 관한 것이다.
일반적으로 화석 연료인 석탄은 매장된 지역과 매장량의 지역적 편제성이 다른 연료보다 덜한 관계로 산업혁명 이후 세계적으로 발전소의 발전 연료와 제철소의 용광로에 장입되는 장입물로 널리 사용되어 왔다.
즉, 원료탄인 석탄 채광은 생산 단가가 낮아 많은 발전설비에 사용되어져 왔고, 얼마전까지는 가정에서 난방 및 취사연료로도 많이 사용되어 왔다.
하지만 석탄을 발전 및 연료로 사용할 경우 공해발생 문제, 연소조절의 난이성, 고체 물성으로 인한 운반장치설비의 어려움과 같은 문제점이 발생되어 근래에는 그 사용이 점차로 줄어들고 있다.
특히 최근에 대두되고 있는 환경오염과 관련하여 화석연료인 상기 석탄은 일산화탄소, 이산화탄소, 유황 등의 공해물질 등을 다량으로 배출하여 그에 대한 규제가 심화되고 있는 실정이다.
상기와 같은 이유로 화석연료인 석탄을 이용한 발전을 대신하기 위하여 근래에 주로 이용되는 것으로는 천연가스, 지열, 풍력, 조력, 태양열, 수력 그리고 원자력발전과 같은 청정에너지등이 있지만, 대체에너지 및 대체에너지를 이용한 발전은 해당 에너지원의 매장 위치에 따른 발전소 위치의 편제성과 원자력발전소등과 같이 발전설비에 드는 막대한 건설비 등과 같은 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 근래에 대두되고 있는 방법으로는 에너지원의 지역 편제성이 적은 석탄을 발전연료의 이송을 편리하게 함과 동시에 연소조절을 용이하게 하도록 물과 혼합시켜 산소와 함께 반응기에 주입하여 가스화시켜 그 열로 스팀 터빈을 돌리도록 하되, 가스화를 통하여 발생하는 유황 등과 같은 공해가스는 탈황과정 등의 오염물질 제거 공정을 거친 후 일산화탄소, 수소 등으로 재차 발전에 이용하여 공해를 발생하지 않으면서도 석탄을 이용한 발전을 하도록 한 석탄가스화 복합 발전이 있다.
상기 석탄가스화 연료의 주입 방법에 따라 건식 석탄가스화 복합발전과 습식 석탄가스화 복합발전으로 나뉘어 지는데, 석탄과 스팀을 별도의 라인을 통해 각기 반응기에 주입하면서 가스화 시키는 것이 건식 석탄가스화 복합발전이고, 반응기 주입전에 하나의 라인에서 석탄을 미리 슬러리 상태로 조제시켜 산소와 함께 공급하는 것이 습식 석탄 가스화 복합발전이다.
상기 주입되는 연료 슬러리의 혼합비는 석탄(C)65%, 물 35%가 적당한데 보통 여기에 미량의 계면활성제를 넣어 혼합력을 증가시켜 준다.
하지만 상기와 같은 장점에도 불구하고 종래의 습식 석탄 가스화 복합발전 및 건식 석탄 가스화 복합 발전의 문제점은 액상의 연료가 연소후 슬래그(Slag) 및 애쉬(Ash) 상태로 낙하시 반응물의 냉각이 급속히 이루어지지 않음으로 인한 미반응물의 회수 및 오염물질 제거의 문제점과 이로 인한 배출구에 스케일이 생기는 문제점 그리고 연소되는 반응물의 상태를 쉽게 파악할 수 없는 반응기로 이루어져 있다는 문제점이 있다.
상기와 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 에너지원의 지역 편제성이 적은 석탄을 발전 연료를 사용하여, 반응기 주입전에 물을 이용하여 석탄을 액상화시켜 슬러리 상태로 만들어 연료의 이송을 편리하게 하고, 연소조절을 용이하게 하며, 그리고 연소시 필연적으로 발생하는 유황등과 같은 공해가스를 여과시키는 석탄을 이용한 습식 석탄가스화 복합발전장치에 있어서, 복합발전용 석탄가스 또는 화학공업용 원료 및 연료를 생성하거나 수소제조를 위하여 사용되는 가스화 반응기를 투입된 반응물의 상태를 쉽게 파악할 수 있도록 하고, 연소물을 물과 직접 접촉 급속히 냉각시켜 미반응물의 회수 및 오염물질 제거의 문제점과 이로 인한 배출구에 스케일이 생기는 것을 방지할 수 있도록 한 소규모의 가스화 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 상부에 위치하고 있는 슬러리 버너와; 가스보조버너와; 중앙의 연소 및 반응이 이루어지는 가스화로와; 이 가스화로에 설치된 투시구와; 하부의 가스 및 슬래그 냉각조로 이루어진 습식 석탄가스화 장치에 있어서, 가스화로 내부에서 반응물 반응시의 화염 및 연소 후 슬래그의 흐름을 지속적으로 관찰하는 복수개의 투시구에 설치된 화염 감지용 폐쇄 회로 카메라로 이루어진 화염감지장치와; 가스화 반응 완료 후 용융된 상태로 벽면을 따라 흐르게 되는 슬래그의 원활한 흐름(Slag tapping)이 유지되도록 반응기 내부의 경사진 하부구조 위에 장착하여 경사각을 이루도록 한 용융 슬래그에 내성을 지닌 탄화실리콘(SiC) 재질의 슬래그 탭(Slag Tap)과; 반응기 내부 가스화로에서 반응 후 가스화로 하부로 흘러내리는 슬래그(Slag). 애쉬(Ash) 및 연소시 발생한 공해 가스를 물과 직접접촉에 의한 열교환이 이루어지도록 하여 소량의 냉각수를 사용하여 냉각효율을 높이고, 급속 냉각된 슬래그 및 애쉬는 하부로 배출시키고, 가스는 냉각조 내의 물속을 통과한후 상승토록 함으로서 공해물질을 일차적으로 제거하도록 한 냉각조를 구비한 것을 특징으로 하는 습식 석탄가스화 복합발전용 가스화 장치를 제공함으로써 달성된다.
제1도는 본 발명의 개략도이고,
제2도는 본 발명의 개략적인 공정도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 반응기 2 : 정량 펌프
3 : 저장조 11 : 주버너
12 : 가스보조버너 13 : 럽쳐 디스크(Rupture disk)
14 : 가스화로 15 : 냉각조
16 : 코일 17,18 : 투시구
20 : 가스 유도관 31 : 공급부
32 : 순환부 321 : 공급부 밸브
311 : 순환부 밸브
제1도는 본 발명의 개략도이고, 제2도는 본 발명의 개략적인 공정도를 도시하고 있는데, 본 발명 가스화장치의 반응기(1)는 상부의 슬러리공급용 주버너(11) 및 주버너를 중심으로 좌우로 기울어진 예열용 가스 보조버너(12) 및 럽쳐 디스크(13), 중앙의 연소 및 반응이 이루어지는 가스화로(14)와 상기 가스화로의 하부에 위치하고 있는 가스 및 슬래그 냉각조(15)로 이루어진다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 장치는 석탄-물 혼합물, 오일, 석유 코크스 및 하수슬러지 등 여러 종류의 탄화수소 화합물을 슬러리 연료로 사용하는 가스화 장치로써 고온(1300℃∼1700℃), 고압(10∼20atm)에서 순간적으로(1∼2초) 반응이 이루어지는데, 연료는 산화제(산소)와 같이 반응기(1) 상부에서 하부로 공급하여 미립화된 후 가스화 반응이 되어 열을 발생하고 가스를 생성한다.
즉, 반응장치 내부에서는 연료가 기화되고 나머지 연료의 일부가 산화제 및 수증기가 상호 반응하여 주로 일산화탄소와 수소를 함유하는 기체로 되고 잔유 고형물은 슬래그를 형성하도록 된 장치이다.
상기 반응기(1)를 다음에서 보다 자세히 설명하겠다.
상기 반응기(1)는 초기에 반응 온도인 1550℃까지 유지를 위하여 복수개의 버너를 사용하는데 가스화로(14) 예열용 가스 보조버너(12)와 연료의 가스화용 주버너(11)를 반응기(1)의 상부에 설치한다.
상기 반응기(1) 벽면은 내화재 및 단열재로 구성되고 외부에 냉각 및 열회수를 위한 코일(16)과 압력 용기로 제작된다.
상기 반응기(1)에는 내부 온도 측정용 온도계(도시없음)를 설치하고, 반응압력은 내부 압력을 측정하여 가스 배출부에서 제어되며, 생성가스 특성이 유독성(CO,H2S) 및 폭발성(H2)이므로, 반응물의 투입 조건이 이루어지지 않았거나, 온도가 설정 조건에 맞지 않는 비상시에는 연료 및 산소의 투입과 차단이 상호 연계된 작동이 이루어진다.
상기 반응기(1)로 슬러리 형태의 연료가 스크류형 정량 펌프(1)에 의해 반응기(1) 내부로 주입되며, 공급하는 유량 제어는 자기식 유량계에서 감지된 유량을 설정치와 비교하여 펌프의 회전수를 제어하는 방식으로 이루어진다.
상기 슬러리 원료를 저장조(3)로부터 버너까지 공급하는 공급배관은 슬러리의 침감성과 마찰손실등을 감소하기 위하여 직각 형태를 피하고 곡관 형태로 유지하고 슬러리 투입 온도 조절을 위하여 이중관으로 제작되었다.
상기 슬러리원료의 공급방법은 공급부(31)와 순환부(32)로 나뉘어져 연료의 가스화 준비 상태로 기다린 다음 이후 가스화 제반 조건이 부여되면 공급부 밸브(321)를 열고 순환부 밸부(311)를 차단하도록 구성되었다.
상기 가스화가 이루어지는 가스화로(14) 부분은 직경 20cm, 길이 2m로서 열손실 방지를 위하여 내화 및 단열재를 고밀도 알루미나 재질을 사용하여 제작되었다.
반응기(1) 내부의 가스 온도 측정은 내부 반응가스 온도 감지용 온도계(R-type T/C:도시없음) 1개로 측정하였고, 압력계(도시없음) 및 고압 방지용 안전장치인 럽쳐 디스크(13) 및 릴리이프 밸브(Relief valve:도시없음)가 설치되었다.
벽면 온도 측정 및 열손실을 파악하기 위하여 반응기(1) 벽면에 상부로부터 300, 700, 1300, 1700㎜ 지점에 반경 방향으로 각각 166, 216, 266㎜의 지점에 12개의 온도계(K-type T/C:도시없음)를 설치하였다.
상기 반응기(1) 가스화로부와 하부에 반응물 반응시의 하염 및 연소 후 슬래그의 흐름을 지속적으로 관찰하는 복수개의 투시구(17,18)에 화염 감지용 폐쇄 회로 카메라를 설치하여 구성된 화염감지장치를 사용하여 반응시 화염과 슬래그의 흐름을 지속적으로 관찰하였다.
가스화 반응 완료 후 용융된 상태로 벽면을 따라 흐르게 되며, 하부 구조는 슬래그의 원활한 흐름(Slag tapping)이 유지되도록 용융 슬래그에 내성을 지닌 탄화실리콘(SiC) 재질로 제작된 슬래그 탭(19)을 경사진 하부구조에 장착하여 경사지게 설치하였다.
반응기(1)의 크기는 직경 70㎝, 길이 1.5m로써 고온에서 형성된 슬래그를 냉각/분쇄하고 열회수하여 하부 쉘(Shell)을 보호하는 역할을 하도록 고안되었다.
이 부분으로 공급되는 냉각수는 슬래그 급냉과 실링(Sealing) 및 냉각용의 두 가지 종류로 일정 수면을 유지하는 냉각조(15) 내부에 가스 유도관(20)을 설치하여 관내부에는 급냉 및 분쇄를 위한 소량의 냉각수가 수평 방향으로 공급되고 바깥쪽에는 냉각조의 온도를 일정하게 유지하기 위한 보다 많은 냉각수가 공급된다.
반응영역의 온도에 영향을 주지 않도록 내부 급냉용 냉각수는 하부에서 멀리 설치하였다.
생성된 가스와 슬래그는 분사되는 물과 접촉하여 냉각 및 슬래그가 분쇄되고 일정 수위를 유지하는 냉각조(15)에서 가스가 수면 하부로부터 상승하여 가스-액체간의 직접 접촉 열교환이 이루어져 소량의 냉각수로 빠른 냉각 및 분진 성분을 제거할 수 있도록 하였다.
미반응물과 슬래그가 제거되면 사용된 물은 냉각조(15)에서 침전된 고형물을 제거하고 냉각수로 순환 재사용한다.
냉각조(15)에서의 일정 수위 유지를 위하여 레벨 컨트롤(Level control) 및 스크러버의 물이 오버플로우(Overfiow)되도록 오버플로우관(21)을 설치하였고 냉각분쇄된 슬래그는 록-호퍼 시스템(도시없음)에 의해 연속적으로 회수하도록 되어 있다.
상기와 같은 본 발명은 가스화로 내부에서 반응물 반응시의 화염 및 연소 후 슬래그의 흐름을 지속적으로 관찰하는 복수개의 투시구에 설치된 화염 감지용 폐쇄회로 카메라로 이루어진 화염감지장치를 가지고 있어서, 반응기 내부의 상태를 원격에서 관찰하면서 적절한 반응이 이루어지도록 할 수 있다는 장점이 있고, 반응기 내부의 하부구조를 용융 슬래그에 내성을 지닌 탄화실리콘(SiC) 재질로 적절한 경사각을 이루는 슬래그 탭(Slag Tap)을 구비하여 가스화 반응 완료후 용융된 상태로 벽면을 따라 흐르게 되는 슬래그의 원활한 흐름(Slag tapping)이 유지되도록 하는 장점이 있고, 반응기 내부 가스화로에서 반응후 가스화로 하부로 흘러내리는 슬래그((slag), 애쉬(Ash) 및 생성된 가스를 물과 직접접촉에 의한 열교환이 이루어지도록 반응기 하부에 냉각조를 구비함으로써 소량의 냉각수를 사용하여 냉각효율을 높여, 급속 냉각된 슬래그 및 애쉬는 하부로 배출시키고, 가스는 냉각조 내의 물속을 통과한후 상승토록 함으로서 공해물질을 일차적으로 제거하도록 한 등의 장점이 있다.

Claims (1)

  1. 상부에 위치하고 있는 슬러리공급용 주버너와;주버너 옆으로 설치된 예열용 가스 보조버너 및 럽쳐디스크와; 중앙의 연소 및 반응이 이루어지는 가스화로와; 이 가스화로에 설치된 투시구와; 하부에 위치하고 있는 가스 및 슬래그 냉각조로 이루어진 습식 석탄가스화 장치에 있어서, 가스화로 내부에서 반응물 반응시의 화염 및 연소 후 슬래그의 흐름을 지속적으로 관찰하는 복수개의 투시구에 설치된 화염 감지용 폐쇄 회로 카메라로 이루어진 화염감지장치와; 가스화 반응 완료 후 용융된 상태로 벽면을 따라 흐르게 되는 슬래그의 원활한 흐름(Slag tapping)이 유지되도록 반응기 내부의 경사진 하부구조 위에 장착하여 경사각을 이루도록 한 용융 슬래그에 내성을 지닌 탄화실리콘(SiC) 재질의 슬래그 탭(Slag Tap)과; 반응기 내부에서 반응후 가스화로 하부로 흘러내리는 슬래그, 애쉬 및 연소시 발생한 공해 가스를 소량의 냉각수와 직접접촉 열교환시켜 급속 냉각된 슬래그 및 애쉬는 하부로 배출시키고, 가스는 냉각조 내의 물속을 통과한 후 상승토록 하여 1차 여과시키는 냉각조로 구성된것을 특징으로 하는 습식 석탄가스화 장치.
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