KR101042603B1 - Gasification system - Google Patents
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Abstract
본 발명의 가스화 시스템은 원료공급원(10)으로부터의 석탄 또는 탄소 함유의 폐기물로부터 합성가스를 제조하는 기화설비(20)와, 생성된 합성가스 중 분진, 산성가스를 사전에 정화하는 정제설비(30)와, 이산화탄소가 공급되어 가스화에 필요한 산소를 제조하는 동시에, 합성가스 중의 이산화탄소를 분리·고정하는 제 1 산소제조/이산화탄소 분리·고정 유닛(100)과, 이산화탄소가 분리된 합성가스를 연소하는 합성가스 이용설비(50)와, 합성가스 이용설비(50)의 연소 생성물인 고농도의 이산화탄소를 공급하여 가스화용 산소를 제조하는 제 2 산소제조/이산화탄소 분리·고정 유닛(200)을 포함하며, 산소제조/이산화탄소 분리·고정 유닛(100)(200)에서 초산화물 또는 과산화물을 이용하여 산소를 생성하는 동시에 이산화탄소를 분리·고정한다.
본 발명에 의하면, 공기분리설비(ASU)와 이산화탄소의 분리·고정 설비를 하나의 설비공정으로 단순화함으로써 설비비용과 운전비를 대폭 절감할 수 있고, 설비를 콤팩트화하여 부지면적을 줄일 수 있으며, 폐기물 에너지의 활용, 대기오염 방지를 위한 청정연료의 사용, 기후 변화 대응을 위한 이산화탄소 삭감 등의 국제적인 환경변화에 대해 다양한 가스화 공정에 적용할 수 있는 효과를 가진다.
석탄, 폐기물, 가스화, 산소제조및이산화탄소 분리·고정, 초산화물, 과산화물
The gasification system of the present invention is a vaporization facility 20 for producing a synthesis gas from coal or carbon-containing waste from the raw material supply source 10, and a purification facility 30 for preliminary purification of dust and acid gas in the generated synthesis gas. And a first oxygen production / carbon dioxide separation / fixation unit 100 for separating and fixing carbon dioxide in the synthesis gas and burning the synthesis gas in which carbon dioxide is separated, while producing carbon necessary for gasification by supplying carbon dioxide. And a second oxygen production / carbon dioxide separation / fixing unit 200 for supplying a high concentration of carbon dioxide, a combustion product of the synthesis gas utilization facility 50, to produce gasification oxygen, and an oxygen production facility. In the carbon dioxide separation and fixing unit 100 and 200, oxygen is generated using superoxide or peroxide, and carbon dioxide is separated and fixed.
According to the present invention, by simplifying the air separation equipment (ASU) and the separation and fixing of carbon dioxide in one installation process, it is possible to drastically reduce the equipment cost and operating costs, and to compact the equipment to reduce the land area, waste It can be applied to various gasification processes for international environmental changes such as the use of energy, the use of clean fuel to prevent air pollution, and the reduction of carbon dioxide to cope with climate change.
Coal, waste, gasification, oxygen production and carbon dioxide separation and fixation, superoxide, peroxide
Description
본 발명은 가스화 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스화 공정 및 합성가스 연소 공정에서 발생하는 이산화탄소를 이용하여 석탄 또는 기타 탄소 함유의 폐기물의 가스화에 필요한 산소를 공급함으로서 설비의 콤팩트화 및 운전비의 절감을 달성할 수 있는 가스화 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a gasification system, and more particularly, by supplying oxygen required for gasification of coal or other carbon-containing waste by using carbon dioxide generated in a gasification process and a synthesis gas combustion process, the compactness of the equipment and the reduction of operating costs It relates to a gasification system that can achieve.
잘 알려진 바와 같이, 기화 복합 사이클 발전 시스템을 이용하여 전기를 발생시키면, 표준형 석탄화력 발전소보다 발전 비용이 감소하며, 환경적으로도 영향을 덜 받게된다.As is well known, generating electricity using an evaporative combined cycle power generation system results in lower power generation costs and less environmental impact than standard coal fired power plants.
이러한 기화 복합 사이클 발전 시스템에서, 석탄 또는 기타 탄소 함유의 폐기물은 산소와 함께 기화되고, 생성된 가스는 저황 연료 가스를 얻기 위해 정화된다. 이러한 연료 가스는 가스터빈 발전 시스템에서 환경 오염 물질을 줄이면서 전력을 발생시키기 위해 이용된다. 최근에는 기화 복합 사이클(GCC) 기술에 대한 관심의 증가는 높은 효율을 추구하게 되었고, 이는 통합형 기화 복합 사이클(IGCC) 시스템에서 이용되는 첨단의 가스 터빈과, 석탄 가스화 공정 및 공기 분리 시스템의 신뢰성 향상으로 증명되고 있다. 이에 따라, IGCC 시스템은 이들 세가지 구성 요소를 올바르게 통합하는 것이 최대 운전 효율과 최저 발전 비용을 달성하는데 필수적이다. 이러한 IGCC는 "Operation of integrated gasficationl combined cycle power generation systems at part load"의 명칭으로 등록된 미합중국 특허 제05740673호에 상세히 개시되어 있고, 이 특허에서의 가스화공정에서는 전통적인 극저온 공기분리법(Cryogenic Air Separation:CAS)을 채용하고 있다.In such vaporized combined cycle power generation systems, coal or other carbon containing waste is vaporized with oxygen and the resulting gas is purified to obtain low sulfur fuel gas. These fuel gases are used to generate power while reducing environmental pollutants in gas turbine power generation systems. In recent years, the increased interest in gaseous combined cycle (GCC) technology has led to higher efficiency, which improves the reliability of advanced gas turbines, coal gasification processes and air separation systems used in integrated gaseous combined cycle (IGCC) systems. It is proven. As such, IGCC systems require the correct integration of these three components to achieve maximum operating efficiency and lowest generation costs. Such IGCC is disclosed in detail in U.S. Patent No. 05740673, registered under the name "Operation of integrated gasficationl combined cycle power generation systems at part load," and in this gasification process, the conventional cryogenic air separation (CAS) I adopt).
도 1은 종래의 가스화 시스템의 구성을 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 원료공급원(10)으로부터의 석탄 또는 기타 탄소 함유의 폐기물을 공기 분리 유닛(AIR SEPARATION UNIT : ASU)(20)에서 공급되는 산소와 함께 기화 설비(30)로 공급하여 기화시키면, CO, H2, CO2, H2S, HCI, H2O의 합성가스가 생성되며, 이 합성가스로 부터 저황 연료 가스를 얻기 위해 정제설비(40)에서 정화하여 CO, H2, CO2, H2O의 합성가스로 정화시킨다. 정제설비(40)에서 정화된 CO, H2, CO2, H2O의 합성가스는 공기분리유닛(ASU)(20)로부터 공급되는 산소와 함께, 예를 들어 가스터빈 또는 가스엔진으로 이루어진 합성가스 이용설비(50)에 공급하여, 연소를 행함으로서, 가스터빈을 발전하는 증기를 생성하여 전력을 공급한다. 또한 합성가스 이용설비(50)에서의 연소 생성물로 CO2와 H2O가 생성되며, 이중 CO2는 이산화탄소 용기저장/수송부(70)에서 용기로 저장되어 수송되어 이산화탄소 해양저장소(80)에 수집된다.1 shows a configuration of a conventional gasification system. As shown, when the coal or other carbon-containing waste from the
한편, 정제설비(40)에서 정화된 CO, H2, CO2, H2O의 합성가스의 일부는 합성 가스 재순환버너(60)로 유입되어, 공기분리유닛(20)으로부터 공급되는 산소에 의해 연소되어 열과 CO2를 기화설비(30)에 공급하여 기화를 돕는다.On the other hand, a part of the synthesis gas of CO, H 2 , CO 2 , H 2 O purified in the
하지만, 이상과 같은 종래기술의 가스화 공정은 공정에 필요한 산소를 고가의 극저온 공기분리장치(CAS)를 채용하고 있으므로, 설치비가 비싸고 전력비가 많이 드는 단점을 가지고 있다. 또한 합성가스 중의 이산화 탄소가 열량을 저하시키고 발전출력을 불안전하게 하는 원인이 되므로, 이 이산화탄소를 분리하기 위해서는 대규모 설비와 많은 에너지를 소모하게 되는 문제가 있다.However, since the gasification process of the prior art as described above employs an expensive cryogenic air separation device (CAS) for oxygen required for the process, installation costs are high and power costs are high. In addition, since carbon dioxide in the synthesis gas causes a decrease in calories and an unstable power generation, there is a problem in that large amounts of equipment and a lot of energy are consumed in order to separate the carbon dioxide.
따라서, 본 발명은 이상과 같은 문제점들을 해소하고자 안출된 것으로, 그 목적은 각종 에너지 및 제조 플랜트 산업에서 배출되는 이산화탄소를 분리·고정하면서 이를 원료로 공정에 필요한 순산소를 동시에 제조할 수 있는 가스화 시스템을 제공하는 것이다.Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, the object is to separate and fix the carbon dioxide discharged from various energy and manufacturing plant industry while gasification system that can simultaneously produce the pure oxygen necessary for the process as a raw material To provide.
또한 본 발명의 목적은 기존의 공기분리설비와 이산화탄소 분리·고정 공정을 하나로 통합한 신개념의 공정으로 높은 설비비 및 운전비를 대폭 절감할 수 있고, 설비를 콤팩트화할 수 있는 가스화 시스템을 제공하는 것이다.In addition, an object of the present invention is to provide a gasification system that can significantly reduce the high equipment cost and operating costs, and compact the equipment by a new concept process integrating the existing air separation equipment and carbon dioxide separation and fixing process into one.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 가스화 시스템은 원료공급원으로부터의 석탄 또는 탄소 함유의 폐기물로부터 합성가스를 제조하는 기화설비와, 상기 기화설비에서 생성된 합성가스 중 분진, 산성가스를 사전에 정화하는 정제설비와, 상기 정제설비에서 정화된 합성가스 중의 이산화탄소가 공급되어 가스화에 필요한 산소를 제조하는 동시에, 합성가스 중의 이산화탄소를 분리·고정하는 제 1 산소제조/이산화탄소 분리·고정 유닛과, 상기 제 1 산소제조/이산화탄소 분리·고정 유닛으로부터 이산화탄소가 분리된 합성가스를 연소하는 합성가스 이용설비과, 상기 합성가스 이용설비의 연소 생성물인 고농도의 이산화탄소를 공급하여 가스화용 산소를 제조하는 제 2 산소제조/이산화탄소 분리·고정 유닛을 포함하며, 산소제조/이산화탄소 분리·고정 유닛에서 초산화물 또는 과산화물을 이용하여 산소를 생성하는 동시에 이산화탄소를 분리·고정한다.The gasification system of the present invention for achieving the above-mentioned objects is a preliminary purification of dust and acid gas in the vaporization facility for producing a synthesis gas from coal or carbon-containing waste from the raw material supply source, and the synthesis gas generated in the vaporization facility A first oxygen production / carbon dioxide separation / fixing unit for supplying carbon dioxide in the syngas purified in the purification plant to produce oxygen necessary for gasification and separating and fixing carbon dioxide in the syngas; 1 Oxygen production / Second gas production facility for combusting syngas separated from carbon dioxide from a carbon dioxide separation / fixing unit, and second oxygen production / producing oxygenation for gasification by supplying a high concentration of carbon dioxide which is a combustion product of the synthesis gas utilization facility / Includes carbon dioxide separation and fixing unit, oxygen production / carbon dioxide separation In the fixed unit, superoxide or peroxide is used to generate oxygen and to separate and fix the carbon dioxide.
본 발명에 있어서, 제 1 및 제 2 산소제조/이산화탄소 분리·고정 유닛은 반응기로서, 유동층, 고정층, 이동층, 분류층 중의 하나의 반응기를 사용하며, 서로 일체로 구성할 수 있다.In the present invention, the first and second oxygen production / carbon dioxide separation / fixing units use one reactor of a fluidized bed, a fixed bed, a moving bed, and a dividing bed as the reactor, and can be configured integrally with each other.
본 발명에 의하면, 높은 설비비용과 넓은 설치면적, 그리고 많은 운전비가 소용되는 공기분리설비(ASU)와 이산화탄소의 분리·고정 설비를 하나의 공정으로 단순화함으로써 설비비용과 운전비를 대폭 절감할 수 있고, 설비를 콤팩트화하여 부지면적을 줄일 수 있으며, 폐기물 에너지의 활용, 대기오염 방지를 위한 청정연료의 사용, 기후 변화 대응을 위한 이산화탄소 삭감 등의 국제적인 환경변화에 대해 다양한 가스화 공정에 적용할 수 있는 효과를 가진다.According to the present invention, it is possible to drastically reduce the installation cost and operation cost by simplifying the separation and fixing facilities of the ASU and the carbon dioxide, which require a high installation cost, a large installation area, and a large operating cost, The compactness of the equipment can reduce the area, and can be applied to various gasification processes for international environmental changes such as the use of waste energy, the use of clean fuel to prevent air pollution, and the reduction of carbon dioxide to cope with climate change. Has
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일 실시예의 동작을 상세하게 설명한다. 도면 중, 종래와 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 병기하였고, 설명의 편의상 상세한 설명은 생략하였다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the operation of an embodiment according to the present invention. In the drawings, the same components as in the related art are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted for convenience of description.
도 2에는 본 발명의 가스화 시스템의 구성을 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 가스화 시스템은 원료공급원(10)으로부터의 석탄 또는 탄소 함유의 폐기물을 기화설비(30)로 공급하여 기화시키면, CO, H2, CO2, H2S, HCI, H2O의 합성가스가 생성되고, 이 생성된 합성가스는 저황 연료 가스를 얻기 위해 정제설비(40)에서 정화된다. 예를 들어, 가스터빈 또는 가스엔진으로 이루어진 합성가스 이용설비(50)에서는 정제설비(40)에서 정화된 합성가스를 이용하여 연소를 행함으로서, 가스터빈을 발전하는 증기를 생성하여 전력을 공급한다. 이때, 본 발명의 특징적 구성으로서, 합성가스 이용설비(50)에서의 합성가스 연소에 이용되는 산소는 종래와 같이 공기분리유닛(ASU)(20)로부터 공급되는 것이 아니라, 제 1 산소제조/이산화탄소 분리·고정 유닛(100)로부터 공급된다. 즉, 정제설비(40)로부터 정화된 CO, H2, CO2, H2O의 합성가스가 산소제조/이산화탄소 분리·고정 유닛(100)으로 공급되면, 초산화물 또는 과산화물을 이용한 제 1 산조제조/이산화탄소 분리ㆍ고정 유닛(100)에서는 예로서 초산화물을 이용하면 다음과 같은 식의 화학반응이 발생한다.2 shows the configuration of the gasification system of the present invention. As shown, the gasification system of the present invention is to supply the coal or carbon-containing waste from the raw
2 KO2 + H2O → 2 KOH + 1.5 O2
2 KOH + CO2 → K2CO3 + H2O
2 KO2 + CO2 → K2CO3 + 1.5 O2 2 KO 2 + H 2 O → 2 KOH + 1.5 O 2
2 KOH + CO 2 → K 2 CO 3 + H 2 O
2 EN 2 + CO 2 → K 2 CO 3 + 1.5 O 2
즉 제 1 산조제조/이산화탄소 분리ㆍ고정 유닛(100)에서는 상기의 화학반응식과 같이 이산화탄소는 합성가스 이용설비(50)에 유입되기 전에 초산화칼륨 또는 과산화나트륨으로 분리ㆍ고정하고, 그 반응부산물로서 기화설비(30) 및 합성가스 이용설비(50)에 필요한 산소를 제공함으로서, 합성가스의 발열량을 증가시키는 동시에 합성가스 이용설비(50)로 유입되는 가스조성을 일정하게 유지함으로써 일정한 출력을 얻을 수 있다.That is, in the first acid production / carbon dioxide separation /
제 1 산소제조/이산화탄소 분리·고정 유닛(100)으로 부터 산소가 제공되고, CO2가 분리·고정됨에 따라, CO, H2, 산소의 합성가스는 가스터빈 또는 가스엔진으로 이루어진 합성가스 이용설비(50)에 유입되어 연소를 행함으로서, 가스터빈을 발전하는 증기를 생성하여 전력을 공급한다.As oxygen is supplied from the first oxygen production / carbon dioxide separation /
또한, 제 1 산소제조/이산화탄소 분리·고정 유닛(100)에서 산소가 제공됨에 따라, CO, H2, 산소의 합성가스의 일부는 합성가스 재순환버너(60)로 유입되어, 연소됨에 따라 열과 CO2를 가스화 시스템(30)에 공급하여 기화를 돕는다.In addition, as oxygen is provided in the first oxygen production / carbon dioxide separation /
한편, 합성가스 이용설비(50)의 연소 생성물인 고농도의 CO2는 다시 제 2 산소제조/이산화탄소 분리·고정 유닛(200)에 유입하여, 상기 화학반응식과 같이 이산화탄소는 분리·고정하고, 생성된 산소는 기화설비(30)와, 합성가스 재순환버너(60)와, 합성가스 이용설비(50)에 공급함으로서, 고농도의 이산화탄소를 원료로 폐기물 또는 석탄의 가스화에 필요한 가스화용 산소로 제조한다.On the other hand, the high concentration of CO 2 which is the combustion product of the synthesis
상술한 바와 같은 본 발명의 산소제조/이산화탄소 분리·고정 유닛(100)(200)은 반응기이며, 여러 형태의 반응기 중에서 유동층, 고정층, 이동층, 분류층 중에서 적의 선택하여 사용할 수 있음은 물론이며, 본 실시예에 있어서, 어느 하나를 적의 선택하여도 동일한 효과를 가져왔다.As described above, the oxygen production / carbon dioxide separation / fixing unit (100) (200) of the present invention is a reactor, and among the various types of reactors, it is of course possible to use an appropriately selected among fluidized bed, fixed bed, moving bed, and divided bed. In the present embodiment, the same effect was obtained even when one of the enemies was selected.
이상에 있어서, 산소제조/이산화탄소 분리·고정 유닛(100)(200)을 합성가스 이용설비(50)의 전후단에 각각 설치하였으나, 이와 다른 실시예로서, 도 3과 같이 일체로 구성할 수 도 있음은 물론이며, 상기의 설명과 마찬가지로 작동하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.In the above, the oxygen production / carbon dioxide separation /
이상과 같이, 본 발명의 가스화 시스템은 순산소를 이용하여 폐기물 또는 석탄을 가스화하고, 생성된 합성가스를 유효하게 이용한 후, 배가스 중 이산화탄소를 분리·고정하는 시스템에 있어서, 산소를 제조하는 기존의 공기분리설비(ASU)와 이산화탄소를 분리·고정하는 설비를 하나의 설비로 통합하여 설비비 및 운영비를 절감할 수 있는 콤팩트한 가스화 시스템을 제공한다.As described above, the gasification system of the present invention gasifies waste or coal by using pure oxygen, and effectively uses the generated syngas, and then, in the system for separating and fixing carbon dioxide in the exhaust gas, the existing gas for producing oxygen. It provides a compact gasification system that can reduce equipment cost and operation cost by integrating air separation equipment (ASU) and carbon dioxide separation and fixing equipment into one facility.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 가스화 시스템은 하나의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않는 것이므로, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.As described above, the gasification system according to the present invention is only one preferred embodiment, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and thus the scope of the present invention is not limited to the claims. Without departing from the scope of the present invention, those skilled in the art will have the technical spirit of the present invention to the extent that various modifications can be made.
도 1은 종래의 가스화 시스템의 구성을 나타내는 블록도이고,1 is a block diagram showing the configuration of a conventional gasification system,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 시스템의 구성을 나타내는 블록도이고,2 is a block diagram showing the configuration of a gasification system according to an embodiment of the present invention,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스화 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.3 is a block diagram showing the configuration of a gasification system according to another embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부호에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for major symbols in the drawings>
10 : 원료공급원 20 : 공기분리유닛10: raw material supply source 20: air separation unit
30 : 기화설비 40 : 정제설비30: vaporization facility 40: refining facility
50 : 합성가스 이용설비 60 : 합성가스 재순환버너50: Syngas use facility 60: Syngas recirculation burner
70 : 이산화탄소 용기저장/수송부70: carbon dioxide container storage / transportation unit
80 : 이산화탄소 해양저장부80: carbon dioxide marine storage
100 : 제 1 산소제조/이산화탄소 분리·고정 유닛100: first oxygen production / carbon dioxide separation and fixing unit
200 : 제 2 산소제조/이산화탄소 분리·고정 유닛200: second oxygen production / carbon dioxide separation and fixing unit
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