KR100930904B1 - 2중혼합구조를 갖는 고온-고압용 석탄 및 코크스 가스화기버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄 및 코크스를 가스화하는 장치에 슬러리와 함께 산화제인 산소를 공급하여 슬러리를 미립화하여 가스화가 용이하게 이루어지도록 하는 2중혼합구조를 갖는 고온-고압용 석탄 및 코크스 가스화기 버너에 관한 것으로, 더 상세하게는 슬러리와 산화제를 혼합분사하는 주배출구로부터 분사된 슬러리분사물과, 다수의 보조분사구를 통해 상기 슬러리분사물의 측면방향으로 산소를 고압분사하여 교차되는 지점부터 난류가 발생되도록 해 슬러리 미립화에 의해 용이하게 가스화가 이루어지도록 한 것이다. 특히, 보조분사구는 주분사구를 중심으로 원형으로 배치하되 분사방향은 주분사구의 중심축에서 일정각 이격된 방향으로 분사하여 난류가 발생되도록 한 것이다.

본 발명은 석탄 가스화장치용 슬러리버너에 있어서, 슬러리를 가스화반응기에 공급하는 관체로 내부에 슬러리배출관이 설치되어 슬러리와 산소가 1차혼합 분사시키는 1차산소공급관과, 상기 1차산소공급관을 내포하는 2차산소공급관, 상기 2차산소공급관을 내포하는 냉각재킷으로 구성된 버너몸체와; 상기 버너몸체의 단부에 설치되어 1차산소공급관으로부터 1차혼합된 혼합물을 분사하는 주배출구가 형성되고, 상기 주배출구와 근접되도록 다수의 보조배출구가 원형으로 배열되어 2차산소공급관으로부터 2차산소를 1차혼합물의 분사방향으로 분사시켜 2차혼합이 이루어지도록 하는 노즐팁;으로 구성되데, 상기 노즐팁에 형성된 보조배출구는 몸체의 축방향인 수직방향에서 1차혼합물 분사방향으로 10~45°의 각도로 분사가 이루어지도 록 하고, 수평방향으로는 주배출구와 보조배출구를 연결하는 선상으로부터 10~45°의 각도로 이격된 방향으로 분사가 이루어지도록 한다.

석탄, 코크스, 가스화, 슬러리버너, 분사방향, 2중혼합

Description

2중혼합구조를 갖는 고온-고압용 석탄 및 코크스 가스화기 버너{coal and coke gasification burner with dual mixing structure}

본 발명은 석탄 및 코크스를 가스화하는 장치에 슬러리와 함께 산화제인 산소를 공급하여 슬러리를 미립화하여 가스화가 용이하게 이루어지도록 하는 2중혼합구조를 갖는 고온-고압용 석탄 및 코크스 가스화기 버너에 관한 것으로, 더 상세하게는 슬러리와 산화제를 혼합분사하는 주배출구로부터 분사된 슬러리분사물과, 다수의 보조분사구를 통해 상기 슬러리분사물의 측면방향으로 산소를 고압분사하여 교차되는 지점부터 난류가 발생되도록 해 슬러리 미립화에 의해 용이하게 가스화가 이루어지도록 한 것이다. 특히, 보조분사구는 주분사구를 중심으로 원형으로 배치하되 분사방향은 주분사구의 중심축에서 일정각 이격된 방향으로 분사하여 난류가 발생되도록 한 것이다.

전력의 효율적인 수급과 환경의 보호를 위하여, 세계 선진국에서 다양한 방 법으로 전력생산을 도모하고 있으며, 특히 석유나 가스에 비하여 엄청난 매장량이 있는 석탄의 이용이 계속적으로 연구 추진되고 있는 실정이다. 석탄을 이용하는 연구에 있어서도 특히 청정석탄이용기술(Clean Coal Technology)은 세계적으로 집중투자가 이루어지는 분야이며, 분류층 석탄가스화는 선진의 몇몇 국가에서 상업화를 위한 연구 개발에 박차를 가하고 있다. 이들은 기술은 대부분의 전처리 및 분무가 용이한 미분탄을 이용한 기술을 응용하고 있으며, 극히 소수만이 슬러리 방식의 가스화를 추진하고 있다.

일반적으로 사용되는 가스나 기름버너는 상압과 일반 연소상태의 온도(1000℃ 이하)에서 이용되는 버너로 연소의 효율을 증대시키고, 고부하에 적용할 수 있도록 공기 및 연료의 선회기를 부착하여 사용하고 있다. 이러한 장치의 부착으로 버너의 내부구조가 복잡하게 된다.

그러나 이러한 장치는 가스용 버너에 있어서 효과적인 시스템으로 여겨지고 있으나, 고온(1500∼2000℃) 고압(20∼40 기압)및 산소를 산화제로서 사용되는 슬러리용 버너로는 쉽게 내부의 막힘 현상과 고온·고압에 의한 연결 부위의 파열 및 슬러리의 막힘 현상이 발생하게 되며 고온의 열에 쉽게 녹아 버리게 되는 문제점이 있었다.

따라서 상기 문제점을 해소하기 위해 특허등록 제0138690호(1998.02.20 등록)의 고온고압용 석탄가스화 슬러리버너는 슬러리공급관 내부에 1차산소공급관을 설치하여 혼합이 이루어지도록 하고, 상기 혼합물이 배출되는 배출구의 가장자리에는 혼합산소배출공을 다수 형성하여 배출되는 혼합물의 타격하여 재혼합이 이루어 지도록 하고 있다.

상기 개선된 종래장치는 혼합산소배출공이 배출구에서 배출되는 혼합물의 중앙축방향에 대해 배출이 이루어지도록 함으로써 서로의 배출방향에 따른 감쇄현상에 따라 분산폭이 한정됨으로, 분산폭을 넓혀 분무가 용이하게 이루어지도록 하는 연구가 필요하다.

상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 2중혼합구조를 갖는 고온-고압용 석탄 및 코크스 가스화기 버너는,

석탄 가스화장치용 슬러리버너에 있어서, 슬러리를 가스화반응기에 공급하는 관체로 내부에 슬러리배출관이 설치되어 슬러리와 산소가 1차혼합 분사시키는 1차산소공급관과, 상기 1차산소공급관을 내포하는 2차산소공급관, 상기 2차산소공급관을 내포하는 냉각재킷으로 구성된 버너몸체와; 상기 버너몸체의 단부에 설치되어 1차산소공급관으로부터 1차혼합된 혼합물을 분사하는 주배출구가 형성되고, 상기 주배출구와 근접되도록 다수의 보조배출구가 원형으로 배열되어 2차산소공급관으로부터 2차산소를 1차혼합물의 분사방향으로 분사시켜 2차혼합이 이루어지도록 하는 노즐팁;으로 구성되데, 상기 노즐팁에 형성된 보조배출구는 몸체의 축방향인 수직방향에서 1차혼합물 분사방향으로 10~45°의 각도로 분사가 이루어지도록 하고, 수평방향으로는 주배출구와 보조배출구를 연결하는 선상으로부터 10~45°의 각도로 이격된 방향으로 분사가 이루어지도록 한다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 2중혼합구조를 갖는 고온-고압용 석탄 및 코크스 가스화기 버너는,

슬러리와 산화제를 혼합분사하는 주배출구로부터 분사된 슬러리분사물과, 다수의 보조분사구를 통해 상기 슬러리분사물의 측면방향으로 산소를 고압분사하여 교차되는 지점부터 난류가 발생되도록 해 슬러리 미립화 및 슬러리 분사물과 산소간의 혼합도가 증가함에 의해 용이하게 가스화가 이루어지도록 한 것이다. 특히, 보조분사구는 주분사구를 중심으로 원형으로 배치하되 분사방향은 주분사구의 중심축에서 일정각 이격된 방향 즉, 중심축보다 상대적으로 약한 압력(유량)을 갖는 측면부분에 분사하여 두 분사구의 충돌로 난류의 발생범위를 넓게 형성하도록 하여 가스화가 용이하게 이루어지도록 하는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 2중혼합구조를 갖는 고온-고압용 석탄 및 코크스 가스화기 버너의 일예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1a 내지 도 1c를 참조한 바와같이 본 발명에 따른 가스화기버너(10)는 가스화반응기(40)의 상단에 결합되는 것으로, 석탄슬러리를 가스화반응기 내부로 공급하게하여 가스화로 인해 합성가스를 생산하도록 한다.

이와같은 가스화기버너(10)는 가스화반응기에 결합되는 버너몸체(20)와, 상 기 버너몸체의 일측단부에 형성되는 노즐팁(30)으로 구성된다.

상기 버너몸체(20)는 슬러리를 가스화반응기(40)에 공급하는 관체로 내부에 슬러리배출관(22)이 설치되어 슬러리와 산소가 1차혼합 분사시키는 1차산소공급관(21)과, 상기 1차산소공급관을 내포하여 설치된 2차산소공급관(23)과, 상기 2차산소공급관의 내포하는 냉각재킷(24)으로 구성된다.

여기서 상기 1차산소공급관(21)의 내부에 설치된 슬러리배출관(22)은 그 단부가 1차산소공급관의 단부로부터 일정깊이 내측에 위치하도록 하여 슬러리배출관의 단부로부터 1차산소공급관의 단부 사이를 통과하면서 슬러리와 고압산소의 혼합이 이루어지도록 한다.

또한, 상기 2차산소공급관(23)은 고압의 산소를 분사하며, 상기 냉각재킷(24)은 냉각수의 유입과 배출이 이루어지도록 하여 슬러리버너 자체가 가열되는 것을 방지하도록 하는 것이나 가스화기버너에는 이를 선택적으로 사용할 수 있다.

다음으로 상기 노즐팁(30)은 상기 버너몸체(20)의 단부에 설치되어 1차산소공급관(21)으로부터 1차혼합된 혼합물을 분사하는 주배출구(31)가 형성되고, 상기 주배출구와 근접되도록 다수의 보조배출구(32)가 원형으로 배열되어 2차산소공급관(23)으로부터 2차산소를 1차혼합물의 분사방향으로 분사시켜 2차혼합이 이루어지도록 한다. 이러한 노즐팁(30)은 버너몸체(20)와 일체로 형성하거나, 탈착가능한 분리형태로 형성할 수 있다.

이 때 상기 노즐팁(30)에 형성된 보조배출구(32)는 몸체의 축방향인 수직방 향에서 1차혼합물 분사방향(도 1b 에서 a)으로 10~45°의 각도로 분사가 이루어지도록 하고, 수평방향으로는 주배출구(31)와 보조배출구(32)를 연결하는 선상으로부터 10~45°의 각도로 이격된 방향(도 1c 에서 b)으로 분사가 이루어지도록 형성된다.

상기한 바와같이 수평방향에서 보조배출구(32)의 분사방향이 주배출구(31)의 중심과 이격된 곳으로 분사하면, 종래와 같이 중심으로 분사시 중심으로부터 확산이 이루어져 난류가 발생하는 것보다 더 넓은 범위로의 확산이 이루어지도록 할 수 있다. 즉, 도 2를 참조한 바와같이 1차혼합물의 분사 단면적 중 d와 같이 직경이 큰 부분으로 분사할 경우 대향된 부분과의 분사와 맞물려 보조배출구(32)의 분사압력에 의한 확산폭이 적은데 반하여, c 부분으로 분사가 이루어질 경우 이전 방향보다는 상대적으로 보조배출구의 분사압력이 분사되는 방향으로 크게 작용함으로 측면방향으로의 확산되어 전체적인 확산폭을 넓혀 반응이 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.

도 3은 본 발명의 노즐팁 부분의 다른 형태를 도시한 단면도로써 도시된 바와 같이 주배출구 부분을 내측으로 오목하게 형성할 수 있다.

이와같이 오목부(33)를 형성한 것은 2차산소공급관(23)의 내면과 1차산소공급관의 외면 사이의 공간이 협소하여 보조배출구의 분사유로(321)를 일정각을 갖게 하기 힘들기 때문에 오목부를 형성하여 분사유로의 형성을 용이하게 하기 위한 것이다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같은 구조로 슬러리배출관(22)과 1차산소공급관(21)을 형성할 수 있다. 즉, 상기 1차산소공급관의 단부 내측 일부분에 테이퍼부(34)를 형성해 관체 유로의 직경을 작게 형성하고, 슬러리배출관은 그 단부가 상기 테이퍼부의 근접된 부분에 위치하도록 한다.

이 때 상기 슬러리배출관(22)의 내경은 주배출구(31)의 내경보다 작게 형성하고, 배출이 진행되면서 혼합이 이루어지도록 할 수 있으며, 슬러리배출관의 단부는 도시된 바와같이 경사지게 형성하여 배출되는 석탄 슬러리가 중앙으로의 유동이 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.

석탄 및 코크스 슬러리는 자중에 의해 슬러리배출관에서 배출되고, 1차고압산소는 1차산소공급관을 통해 유동되면서 슬러리배출관 단부와 1차산소공급관의 테이퍼부 사이를 통과하면서 중심으로 강한 분사가 이루어지며, 이러한 분사력으로 하강하는 슬러리를 1차 미립화 시킨다.

슬러리를 미립화시키면서 1차혼합한 혼합물은 주배출구를 통해 배출되며, 상술된 보조배출구에서 분사되는 2차고압산소에 의해 재미립화가 이루어지도록 한다. 여기서 슬러리배출관의 내경과 주배출구의 내경이 동일할 경우 측면에서 공급되는 고압산소에 의한 분산이 원활히 이루어지지 않으므로, 내경 차를 형성하여 분산이 용이하게 이루어지도록 한 것이다. 물론 내경차이가 너무 크게 형성할 경우에는 주배출구에서의 분사압력이 낮아지거나 원하는 압력을 발생시키기 위해서는 더욱 큰 고압이 필요로 하기 때문에 후공정인 가스화의 효율이 저하된다.

이하 실시예를 통해 본 발명을 설명한다.

실시예 - 본 발명에 따라 1,2차산소공급관이 형성되고, 보조배출구의 분사방향이 슬러리배출관의 중심축에서 일정각 이격되도록 한 가스화기 버너를 사용하였다.

비교예 - 실험예의 구조에서 1차산소공급관이 없이 슬러리배출관이 중앙에 형성되고 다수의 보조배출구가 근접 형성되어 고압산소를 분사해 미립화가 이루어지도록 하였다. 또한, 보조배출구의 분사방향은 슬러리배출관의 중심을 향하도록 하였다.

실험예1

석탄이 65wt%가 되도록 물과 혼합한 석탄 슬러리의 공급량은 50kg/hr로 하였으며, 상기 슬러리공급량에 대해 고압산소의 공급량을 조절하면서 가스화특성을 실험하여 실시예는 도 5a에 비교예는 도 5b에 나타내었다.

참고한 바와같이 산소/슬러리 비가 커질수록 실험예는 합성가스의 비율이 증가하는데 실시예는 조금씩 감소됨을 알수 있고, CO₂의 발생량도 실시예에서는 감소되는데 비교예에서는 증가됨을 알수 있다. 또한, 실시예는 슬러리의 분산 즉, 미립화가 비교예보다 잘 이루어져서 산소/슬러리 비가 더 낮은 조건에서도 가스화가 이루어짐을 알 수 있다.

실험예2

코크스가 65wt%가 되도록 물과 혼합한 코크스 슬러리의 공급량은 50kg/hr로 하였으며, 상기 슬러리공급량에 대해 고압산소의 공급량을 조절하면서 가스화특성을 실험하여 실시예는 도 6a에 비교예는 도 6b에 나타내었다.

참고한 바와같이 산소/슬러리 비가 커질수록 실험예와 비교예 모두에서 합성가스의 비율이 증가하고 있으며, 특히 실험예는 CO₂의 발생량이 크게 감소됨을 알수 있다.

이외에 실시예의 석탄가스화에는 합성가스 발열량이 1700~1900 Nm³/h이고, 냉가스효율은 55%이며, 탄소전환율은 95%로 나타났다.

한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.

도 1a는 본 발명에 따른 가스화기버너가 장착된 가스화반응기의 개략도.

도 1b는 본 발명에 따른 가스화기버너의 요부 단면도.

도 1c와 도 2는 본 발명에 따른 가스화기버너의 주배출구에 대한 보조배출구의 분사방향을 도시한 평면 개략도.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스화기버너의 요부 단면도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 다른 슬러리배출관과 1차산소공급관의 구성단면도.

도 5a 내지 도 6b는 본 발명과 비교예의 가스화특성실험에서의 합성가스 성분 분석그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10 : 가스화기버너

20 : 버너몸체

21 : 1차산소공급관 22 : 슬러리배출관

23 : 2차산소공급관 24 : 냉각재킷

30 : 노즐팁

31 : 주배출구 32 : 보조배출구

33 : 오목부 34 : 테이퍼부

321 : 분사유로

40 : 가스화반응기

Claims (3)

1. 고온-고압용 석탄 및 코크스 가스화기 버너에 있어서,

   슬러리를 가스화반응기(40)에 공급하는 관체로 내부에 슬러리배출관(22)이 설치되어 슬러리와 산소가 1차혼합 분사시키는 1차산소공급관(21)과, 상기 1차산소공급관을 내포하는 2차산소공급관(23), 상기 2차산소공급관을 내포하는 냉각재킷(24)으로 구성된 버너몸체(20)와;

   상기 버너몸체의 단부에 설치되어 1차산소공급관(21)으로부터 1차혼합된 혼합물을 분사하는 주배출구(31)가 형성되고, 상기 주배출구와 근접되도록 다수의 보조배출구(32)가 원형으로 배열되어 2차산소공급관(23)으로부터 2차산소를 1차혼합물의 분사방향으로 분사시켜 2차혼합이 이루어지도록 하는 노즐팁(30);으로 구성되데,

   상기 노즐팁(30)에 형성된 보조배출구(32)는 몸체의 축방향인 수직방향에서 1차혼합물 분사방향으로 10~45°의 각도로 분사가 이루어지도록 하고, 수평방향으로는 주배출구와 보조배출구를 연결하는 선상으로부터 10~45°의 각도로 이격된 방향으로 분사가 이루어지도록 형성됨을 특징으로 하는 2중혼합구조를 갖는 고온-고압용 석탄 및 코크스 가스화기 버너.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 노즐팁(30)은 좁은면적에서 상기 설정된 보조배출구(32)의 분사유 로(321)를 형성하기 위해 주배출구를 중심으로 오목하게 형성한 것을 특징으로 하는 2중혼합구조를 갖는 고온-고압용 석탄 및 코크스 가스화기 버너.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 1차산소공급관(21)은 단부 내측에 테이퍼부(34)를 형성하고, 상기 테이퍼부의 면에는 슬러리배출관(22)의 단부가 근접 위치하도록 하여 테이퍼부와 주배출구 사이에서 슬러리와 1차산소가 혼합되면서 진행되어 분사가 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 2중혼합구조를 갖는 고온-고압용 석탄 및 코크스 가스화기 버너.

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