KR100495729B1 - 습식 분류상 중질잔사유 가스화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 습식 분류상 중질잔사유 가스화장치에 관한 것으로, 그 목적은 정유사의 최종산물인 고유황 및 상온에서 고체인 중질잔사유의 원활한 공급을 위하여 예열을 통한 유동성을 확보하여 연료의 이송을 편리하게 하고, 연소조절을 용이하게 하며, 연소시 필연적으로 발생하는 유황 등과 같은 공해가스를 여과시키는 중질잔사유를 이용한 습식 분류상 가스화 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 구성은 슬러리 버너, 중앙의 연소 및 반응이 이루어지는 가스화 반응기, 하부의 가스 및 슬래그 냉각조로 이루어진 습식가스화 장치에 있어서, 상기 습식가스화 장치 전단에 장치되는 고체의 중질잔사유를 히팅한 후 스팀을 분사하여 유동화 시킨 후 과열(superheating)하여 고온고압의 연료를 공급하는 예열수단과; 습식가스화 장치의 냉각조에 가스화 반응기 내부의 압력 변동을 완충시켜 냉각조 내부 냉각수의 일정수면 유지를 위하여 이중관 형태로 설치한 가스 유도관을 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

Description

습식 분류상 중질잔사유 가스화장치{Entrained-flow gasifier for Vacuum residue from refineries}
본 발명은 정유사에서 생산되는 중질잔사유를 처리할 수 있는 습식 분류상 중질잔사유 가스화장치에 관한 것이다.
최근 우리나라의 에너지 소비 형태를 살펴보면 경제 수준 향상과 자동차 산업의 발전으로 인하여 가솔린 등의 경질유 소비가 지속적으로 증가되고 있는 반면 도심지역의 대기 오염 방지를 위한 저급 중질유 사용 규제 등에 의하여 고유황 벙커-C(bunker-C)유를 사용하던 곳에서 청정 연료인 경질유나 가스등으로 그 에너지를 전환하는 실정에 있어 계속적인 경질유의 소비 증가와 중질유의 소비 감소가 예상된다.
따라서 현재의 정유 공장에서는 원유의 가공에 있어서 단순한 증류 처리에서 벗어나 정제 후 상압잔사유의 열분해, 접촉분해, 수소화분해, 부분산화법 등을 이용하거나, 증류탑내를 감압하여 상압때보다 낮은 온도로 비등시켜 잔사유를 분해시키지 않고 증발하도록 하는 감압증류법을 이용하여 경질유분의 수율을 증가시키고 있다.
현재 우리나라 5개 정유사에서 일간 생산되는 중질잔사유 량은 약 200,000B/D이며, 일부는 아스팔트 또는 탈황 연료유 및 기타 탈황공정 등에서 경질화를 위해 사용되고 있다.
이러한 기술의 근본적 원리는 원유 속의 비점이 높은 중질 탄화수소 성분을 경질 탄화수소로 전환시키기 위하여 수소 분위기 하에서 촉매를 이용하여 수소화 분해하거나 유황 성분을 수소와 반응하여 H2S 형태로 탈황하는 형태이다.
그러나 대다수의 중질유 경질화 공정은 다량의 수소를 소비하기 때문에 보다 손쉬운 방법으로 수소를 제조하기 위한 기술의 개발도 병행하여 이루어져 왔다. 지금까지 석유정제 공정에서 수소를 제조하는 방법으로는 접촉 개질 방법과 부분산화 가스화 방법 등으로 구분된다.
최근에 대두되고 있는 환경오염과 관련하여 화석연료인 석탄을 사용한 재래식 미분탄 발전 및 연소기술의 경우 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 포함하여 일산화탄소 및 유황가스 등의 공해물질들을 다량으로 배출하고 있어 국제적으로 심화되고 있는 환경규제에 대한 국가적인 차원의 대책마련이 시급한 실정이다.
최근들어 화석연료인 석탄을 이용한 발전을 대신하기 위하여 천연가스, 지열, 풍력, 조력, 태양열, 수력 그리고 원자력발전과 같은 청정에너지 및 대체에너지 이용 확대 방안에 대한 논의가 활발하게 진행되고 있는 실정이나, 대체에너지 및 대체에너지를 이용한 발전은 해당 에너지원의 매장 위치에 따른 발전소 위치의 편제성과 원자력발전소등과 같이 발전설비에 드는 막대한 건설비 등이 문제점으로 지적되고 있다.
이러한 문제점의 해결방안의 하나로서 기존 화력발전소의 설비개조를 통하여 고효율 및 환경친화적인 발전이 가능한 가스화 복합발전(IGCC) 기술이 크게 두각을 나타내고 있다.
습식 분류상 가스화를 위한 주요 연료원으로는 에너지원의 지역 편제성이 적은 석탄을 발전연료의 이송을 편리하게 함과 동시에 연소조절을 용이하게 하도록 물과 혼합시킨 석탄슬러리 및 정유공장의 중질잔사유 등이 사용될 수 있다.
이들 연료들은 가스화를 위하여 산소와 함께 반응기에 주입되어 복합발전용 합성가스, 화학공업용 원료 및 수소 등을 제조하기 위해 사용된다. 가스화를 통해 생성된 합성가스를 가스화복합발전(IGCC)용으로 사용하는 경우 생성가스의 연소를 통하여 가스터빈을 돌리며, 잉여 열을 이용해서는 스팀 터빈을 돌리도록 하되, 가스화를 통하여 발생하는 유황 등과 같은 공해가스는 탈황과정 등의 오염물질 제거 공정을 거치게 되어 공해를 발생하지 않으면서도 석탄 및 고유황 중질잔사유를 발전용 연료로 사용할 수 있다.
즉, 가스화복합발전기술(IGCC)의 핵심기술은 저급 탄화수소물의 가스화 기술로서 가스화복합발전기술을 활용한 발전의 경우 기존 화력발전소에 비해 발전효율을 증대시키고 NOx, SOx등의 환경부하를 줄이며, 지구온난화 가스인 CO2를 현저하게 줄일 수 있는 차세대 발전기술로 각광을 받고 있으며, 21세기 화력발전의 주력사업으로 예측되어 이에 연관된 기술의 많은 분야의 기술개발을 촉진시켜 그 파급효과가 클 것으로 전망하고 있다.
현재까지 국내에서 가스화 연료로서 주로 사용되었던 석탄의 경우 가스화 과정에서 생성되는 슬래그(slag)의 배출과정에서 하부 냉각조에서의 과도한 열손실로 인하여 슬래그의 막힘 등으로 장기운전에 막대한 지장이 초래하고 있으며, 기술의 신뢰도에 있어 안전운전을 위한 해결과제가 아직은 많이 남아 있는 상태이다.
이와는 다르게 정유사의 중질잔사유 가스화는 중질잔사유에 포함되어 있는 회재 성분이 매우 미약하여 반응기 하단부에서의 슬래그(slag) 막힘 현상이 발생되지 않아 장기운전이 원활하게 이루어질 수 있으며, 반응성 또한 석탄에 비하여 두배 이상으로 나타나 가스화 하기 매우 원활한 원료로 각광을 받고 있다.
국내의 경우 과거 한국 종합 화학에서 Texaco가스화 공정으로 경유 및 Bunker-C유를 가스화하여 암모니아를 생산한 경험이 있으며, 현재 LG화학 나주 및 여천 Octanol 공장에서 Shell 공정으로 Bunker-C유를 가스화하고 있으나, 아직까지 정유공장의 중질잔사유로 가스화한 경험은 없는 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 정유사의 최종산물인 고유황 및 상온에서 고체인 중질잔사유의 원활한 공급을 위하여 예열을 통한 유동성을 확보하여 연료의 이송을 편리하게 하고, 연소조절을 용이하게 하며, 연소시 필연적으로 발생하는 유황 등과 같은 공해가스를 여과시키는 중질잔사유를 이용한 습식 분류상 가스화 장치를 제공하는데 있다.
또한 가스화 복합발전시, 복합발전용 석탄가스 또는 화학공업용 원료 및 연료를 생성하거나 수소제조를 위하여 사용되는 가스화 반응기를 투입된 반응물의 상태를 쉽게 파악할 수 있고, 가스화 생성물을 물과 직접 접촉하여 급속히 냉각시켜 미반응물의 회수 및 오염물질 제거의 문제점과 이로 인한 배출구에 스케일이 생기는 것을 방지할 수 있는 소규모의 중질잔사유를 이용한 습식 분류상 가스화 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명은 상부에 위치하고 있는 슬러리 버너, 중앙의 연소 및 반응이 이루어지는 가스화로, 하부의 가스 및 슬래그 냉각조로 이루어진 습식가스화 장치에 있어서, 폐쇄 회로 카메라를 사용하여 가스화로에서 반응물이 반응시의 화염과 연소 후 슬래그의 흐름을 지속적으로 관찰할 수 있도록 설치된 투시구, 가스화 반응 완료 후 용융된 상태로 벽면을 따라 흐르게 되는 슬래그의 원활한 흐름(Slag tapping)이 유지되도록 반응기 내부의 하부구조를 적절한 경사각을 유지하며 용융슬래그에 내성을 지닌 탄화실리콘(SiC)재질의 슬래그 탭(Slag Tap)과 반응기 내부 가스화로에서 반응후 가스화로 하부로 흘러내리는 슬래그(Slag) 및 생성가스를 물과 직접접촉에 의한 열교환이 이루어지도록 하여 소량의 냉각수를 사용하여 냉각효율을 높이고, 급속 냉각된 슬래그는 하부의 록-호퍼를 통하여 연속적으로 배출시키고 가스는 냉각조 내의 물속을 통과한 후 상승토록 함으로서 공해물질을 일차적으로 제거하도록 한 냉각조를 구비한 것을 특징으로 하는 중질잔사유를 이용한 습식 분류상 복합발전용 가스화 장치를 제공함으로써 달성된다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 핵심 가스화 기술은 고온, 고압하에서 무촉매, 부분산화 및 수증기 반응으로 탄화수소 연료로부터 부분산화 반응 및 흡열 가스화반응에 의해 가장 간단한 분자 형태인 H2 및 CO로 구성되는 가스를 제조하는 것으로, 슬러리 버너, 중앙의 연소 및 반응이 이루어지는 가스화 반응기, 하부의 가스 및 슬래그 냉각조로 이루어진 습식가스화 장치에 있어서, 상기 습식가스화 장치 전단에 장치되는 고체의 중질잔사유를 히팅한 후 스팀을 분사하여 유동화 시킨 후 과열(superheating)하여 고온고압의 연료를 공급하는 예열수단과; 습식가스화 장치의 냉각조에 가스화 반응기 내부의 압력 변동을 완충시켜 냉각조 내부 냉각수의 일정수면 유지를 위하여 이중관 형태로 설치한 가스 유도관을 포함하여 구성한 것을 기술적 사상의 특징으로 한다.
상기 예열수단은 원료를 저장하고 있는 중질잔사유 탱크와, 탱크로부터 공급되는 중질잔사유의 양을 제어하여 공급하는 플란자 펌프와, 플란자 펌프에 의해 공급되는 중질잔사유를 예열하는 열매유 히터와; 가스화반응 및 중질잔사유의 분산을 위해 스팀을 발생하는 스팀발생장치와; 상기 스팀에 의해 분산된 중질잔사유를 다시 과열후 습식가스화장치의 반응기에 공급하는 스팀/중질잔사유 혼합물의 과열기와, 각 장치간을 연결하는 배관 및 밸브를 포함하여 구성된다.
상기 배관은 이송중 중질잔사유의 온도강하 방지를 위한 이중 배관으로 형성한다.
상기 밸브는 열손실에 의한 막힘을 막는 밴드히터를 포함하여 설치한다.
상기 중질잔사유가 공급되는 배관에 공급부 밸브 및 순환부 밸브인 온-오프 밸브를 설치하여 공급부와 순환부로 제어토록 구성한다.
본 발명 중질잔사유 가스화를 통해 생성되는 생성가스의 조성은 일반적으로 합성가스(수소+일산화탄소)가 약 90%, 발열량은 2,500∼3,000kcal/Nm3정도를 유지할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 전체 공정도를 도시하고 있는데, 본 발명 가스화장치는 가스화 반응기(1)와, 가스화 반응기 하부의 냉각조(2)와, 적절한 경사각을 갖는 슬래그 탭(3)과, 가스화 반응기(1) 상부에 설치된 중질잔사유 공급용 주버너(4)와, 주버너를 통해 산소공급을 위한 산소탱크(5)와, 슬래그 및 미반응 탄소분의 회수를 위한 하부의 호퍼(6)와, 원료를 저장하고 있는 중질잔사유 탱크(7)와, 가스화반응 및 중질잔사유의 분산을 위한 스팀발생장치(8)와, 중질잔사유 공급펌프인 플란자 펌프(9)와, 중질잔사유 예열장치인 열매유 히터(10)와, 스팀/중질잔사유 혼합물의 과열기(11)와, 데이터 처리장치(12)와, 가스분석장치(13)와, 가스화반응기 온도측정장치(14)와, 투시구(15)와, 생성가스 배출구(16)와, 냉각수 배출구(17) 및 가스 유도관(18)으로 이루어진다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 장치는 정유사의 중질잔사유 외에도 석탄-물 혼합물, 오일, 석유 코크스 및 하수슬러지 등의 여러 종류의 탄화수소 화합물을 슬러리 연료로 사용하는 가스화장치로써 고온(1,300℃~1,700℃), 고압(10~20atm)에서 순간적으로(1~2초) 반응이 이루어지는데, 연료는 산화제로 사용되는 산소를 산소탱크(5)로부터 가스화 반응기(1) 상부에서 버너(4)를 통하여 하부로 공급하여 미립화된 후 가스화 반응이 되어 열을 발생하고 가스를 생성한다.
즉, 반응장치 내부에서는 연료가 기화되고 나머지 연료의 일부가 산화제 및 수증기와 상호 반응하여 주로 일산화탄소와 수소를 함유하는 기체로 되고 잔유 고형물은 슬래그를 형성하도록 된 장치이다.
특히, 가스화 반응기(1)는 초기에 반응 온도인 1,550℃까지 유지를 위한 가스화 내부 예열용 LPG용 보조버너를 포함하며, 상부에 중질잔사유 및 산화제 공급을 위한 주버너(4)를 가스화 반응기(1)의 상부에 설치한다.
가스화 반응기(1)는 외부에 냉각 및 열회수를 위한 코일(도시없음)과 압력 용기로 제작되며, 열손실 방지를 위하여 내화 및 단열재로 구성된 고밀도 알루미나 재질을 사용하여 제작되었다.
가스화 반응기(1)에는 내부 온도 측정용 온도계((R-type T/C, 14)를 설치하였으며, 반응 압력은 내부 압력을 측정하여 가스 배출부에서 제어되며, 생성가스 특성이 유독성(CO, H2S) 및 폭발성(H2)을 갖고 있으므로 반응물의 투입 조건이 이루어지지 않았거나, 온도가 설정 조건에 맞지 않는 비상시에는 연료 및 산소의 투입과 차단이 상호 연계된 안전장치의 작동이 이루어진다.
상기 가스화 반응기(1)로 충분한 유동성이 확보된 점도를 유지하는 중질잔사유 연료는 플란자형 정량 펌프에 의해 가스화 반응기(1) 내부로 주입되며, 공급하는 유량 제어는 플란자 펌프(9)의 회전수에 의하여 이루어지도록 한다.
상기 중질잔사유 원료는 유동성 확보를 위하여 낮은 점도 유지가 필수적이며, 이를 위하여 중질잔사유의 온도를 150∼250℃를 유지하여야 하므로 도 2에 나타낸 바와 같이 모든 배관을 이중 배관으로 제작하여 이송중의 온도강하를 방지하여야 한다.
아울러, 공급배관중의 밸브류에는 밴드히터 등을 설치하여 열손실에 의한 막힘을 예방할 수 있도록 한다.
상기 가스화 반응기(1)에는 투시구(15)를 설치, 폐쇄회로 카메라를 사용하여 반응시 화염과 슬래그의 흐름을 지속적으로 관찰할 수 있도록 한다.
투입된 중질잔사유는 산화제인 스팀 및 산소와 반응하여 가스화 반응 완료 후 용융된 상태로 벽면을 따라 흐르게 되며, 하부 구조는 슬래그의 원활한 흐름(Slag tapping)이 유지되도록 용융 슬래그에 내성을 지닌 SiC 재질로 적절한 경사각을 유지하여 제작된 슬래그 탭(3)을 설치하였다.
반응기 하부에 위치한 냉각조(2)는 고온에서 형성된 슬래그를 냉각/분쇄하고 열회수하여 하부 철구조물 용기를 보호하는 역할을 하도록 고안되었다.
이 부분으로 공급되는 냉각수는 슬래그 급냉과 실링(Sealing) 및 냉각용의 두가지 종류로, 일정 수면을 유지하는 냉각조(2) 내부에 가스 유도관(18)을 설치하여 판내부에는 급냉 및 분쇄를 위한 소량의 냉각수가 수평 방향으로 공급되고 외부는 냉각조의 온도를 일정하게 유지하기 위한 보다 많은 냉각수가 공급된다.
냉각조 내의 수면과 관련하여 가스화 반응기 내부의 압력 변동에 의한 일정한 수면 유지를 위하여 가스 유도관(18)은 이중으로 구성하여 압력 변동의 완충작용을 할 수 있도록 하였다.
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(2)에서 가스가 수면 하부로부터 상승하여 가스-액체간의 직접 접촉 열교환이 이루어져 소량의 냉각수로 빠른 냉각 및 분진 성능을 제거할 수 있도록 하였다.
아울러, 미반응물과 슬래그가 제거되면 사용된 물은 냉각조에서 침전된 고형물을 호퍼(6)를 통하여 연속적으로 제거하고 냉각수로 순환 재사용한다.
또한 냉각조에서의 일정 수위 유지는 레벨 컨트롤러(Level controller)를 이용하였다.
도 2는 본 발명의 중질잔사유 예열시스템의 상세도인데, 중질잔사유 원료의 공급방법은 공급부와 순환부로 나뉘어져 연료의 가스화 준비 상태로 기다린 다음 이후 가스화 제반 조건이 부여되면 공급부 밸브를 열고 순환부 밸브를 차단하도록 구성되었다.
미설명 부호 201은 잔사유드럼, 205는 열매유 순환펌프, 206은 열매유 보충탱크, 207은 안전변, 208은 스트레이너, 210은 스팀유량계, 211은 Flow computer, 212는 Flow controller, 213은 Regulator, 214는 유량 조절밸브, 215. 216. 217. 218은 On-off 밸브이다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
상기와 같은 본 발명은 폐쇄 회로 카메라를 사용하여 원격에서 가스화로에서 반응하는 반응물의 반응시의 화염과 연소후 슬래그의 흐름을 지속적으로 관찰할 수 있도록 내부를 외부에서 볼 수 있는 투시구를 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 tapping)이 유지되도록 하는 장점이 있으며,
내부 가스화반응기에서 반응후 하부로 흘러내리는 슬래그(Slag), 미반응 탄소 및 생성된 가스를 물과 직접접촉에 의한 열교환이 이루어지도록 반응기 하부에 냉각조를 구비함으로써 소량의 냉각수를 사용하여 냉각효율을 높여 급속 냉각된 슬래그 및 미반응탄소는 하부로 배출시키고, 가스는 냉각조 내의 물속을 통과한 후 상승토록 함으로서 공해물질을 일차적으로 제거하는 등의 장점과,
냉각조 내의 가스 유도관은 가스화 반응기 내부의 압력 변동에 의한 일정한 수면 유지를 위하여 이중으로 구성하여 압력 변동의 완충작용을 할 수 있다는 장점과,
아울러, 중질잔사유의 예열시스템을 도입하여 공급시 충분한 점도를 유지하며 열손실에 의한 배관의 막힘이 발생되지 않도록 공급배관을 모두 이중배관으로 설치하여 안정적인 공급이 가능한 장점을 가지고 있는 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.
도 1은 습식 분류상 중질잔사유 가스화장치 공정도
도 2는 중질잔사유 예열시스템의 상세도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 가스화 반응기 (2) : 냉각조
(3) : 슬래그 탭 (4) : 주버너
(5) : 산소탱크 (6) : 호퍼
(7) : 중질잔사유 탱크 (8) : 스팀발생장치
(9) : 플란자 펌프 (10) : 열매유 히터
(11) : 스팀/중질잔사유 혼합물의 과열기 (12) : 데이터 처리장치
(13) : 가스분석장치 (14) : 온도측정장치
(15) : 투시구 (16) : 생성가스 배출구
(17) : 냉각수 배출구 (18) : 가스 유도관

Claims (5)

  1. 슬러리 버너, 중앙의 연소 및 반응이 이루어지는 가스화 반응기, 하부의 가스 및 슬래그 냉각조로 이루어진 습식가스화 장치에 있어서,
    상기 습식가스화 장치 전단에 장치되는 고체의 중질잔사유를 히팅한 후 스팀을 분사하여 유동화 시킨 후 과열(superheating)하여 고온고압의 연료를 공급하는 예열수단과; 습식가스화 장치의 냉각조에 가스화 반응기 내부의 압력 변동을 완충시켜 냉각조 내부 냉각수의 일정수면 유지를 위하여 이중관 형태로 설치한 가스 유도관을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 습식 분류상 중질잔사유 가스화장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 예열수단은 원료를 저장하고 있는 중질잔사유 탱크와, 탱크로부터 공급되는 중질잔사유의 양을 제어하여 공급하는 플란자 펌프와, 플란자 펌프에 의해 공급되는 중질잔사유를 예열하는 열매유 히터와; 가스화반응 및 중질잔사유의 분산을 위해 스팀을 발생하는 스팀발생장치와; 상기 스팀에 의해 분산된 중질잔사유를 다시 과열후 습식가스화장치의 반응기에 공급하는 스팀/중질잔사유 혼합물의 과열기와, 각 장치간을 연결하는 배관 및 밸브를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 습식 분류상 중질잔사유 가스화장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 배관은 이송중 중질잔사유의 온도강하 방지를 위한 이중 배관으로 형성한 것을 하는 습식 분류상 중질잔사유 가스화장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 밸브는 열손실에 의한 막힘을 막는 밴드히터를 포함하여 설치한 것을 특징으로 하는 습식 분류상 중질잔사유 가스화장치.
  5. 제 2항 또는 3항중 어느 한항에 있어서,
    상기 중질잔사유가 공급되는 배관에 공급부 밸브 및 순환부 밸브인 온-오프 밸브를 설치하여 공급부와 순환부로 제어토록 구성한 것을 특징으로 하는 습식 분류상 중질잔사유 가스화장치.
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