KR101096632B1 - 상부 공급 이중선회형 가스화기 - Google Patents

상부 공급 이중선회형 가스화기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 상부 공급 이중선회형 가스화기(100)는 미분탄이 질소에 의하여 공급되는 공급라인(10)과, 공급되는 미분탄을 분리하는 분배기(20)와, 분배기(20)에서 분리된 미분탄과 산화제를 공급하는 다수개의 버너노즐(30)과, 미분탄과 산화제가 반응하여 합성가스를 생성하는 압력반응기(40)와, 압력반응기(40) 내부에 공급되는 산화제에 선회력을 부여하는 선회기(50)를 포함하며, 압력반응기(40) 하부에 슬랙 냉각 및 저장용기(70)를 더 포함한다. 미분탄과 산화제를 공급하는 각 버너노즐(30)은 삼중관으로 구성되어 있으며, 중앙 영역(32)으로 미분탄과 수송용 기체가 공급되고, 중앙 영역(32)을 감싸고 있는 환형 영역(34)으로 산화제가 공급된다.
이에 따라 본 발명은 산화제가 환영 영역에서 선회기에 의해 선회력을 지니게 됨에 따라 미분탄 연료와 산화제의 혼합을 촉진시켜 빠른 반응의 완료를 달성하고, 그 결과 가스화기의 체적감소를 이루고, 선회류에 의해 발생되는 원심력에 의해 미분탄 입자가 용융되어 응집된 슬랙 상태로 가스화기 내벽을 따라 흐르면서 반응기내에서 긴 체류시간을 가지므로 탄소전환율을 향상시키며, 또한 미분탄 입자를 응집된 슬랙 상태의 부산물로 처리할 수 있어 경제성을 확보하는 효과를 가진다.
가스화기, 미분탄, 산화제, 이중선회력, 슬랙

Description

상부 공급 이중선회형 가스화기{TOP FEEDING DUAL SWIRLING GASIFIER}
본 발명은 상부 공급 이중선회형 가스화기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원통형 가스화기의 상부에 설치된 다수의 버너노즐을 통하여 공급되는 석탄 또는 중질잔사유와 같은 연료를 산화제와의 반응을 통해 가스화하되, 미분탄의 경우, 버너노즐의 산화제의 흐름에 선회를 발생시켜서 연료와 산화제와의 혼합을 촉진하고, 또한 버너 주변을 감싸는 가스화기 상부 전 영역에서 산화제의 일부를 선회를 동반하거나 동반하지 않은 상태에서 하향 방향으로 공급하여 가스화 반응을 촉진시킬 수 있는 상부 공급 이중선회형 가스화기에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 신·재생에너지는 과다한 초기투자의 장애요인에도 불구하고 화석에너지의 고갈문제와 환경문제에 대한 핵심 해결방안이라는 점에서 선진 각 국에서는 이에 대한 과감한 연구개발과 보급정책 등을 추진하고 있다.
우리나라는 「신에너지 및 재생에너지 개발, 이용, 보급 촉진법」제2조의 규정에 의거 "기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체 등을 포함하여 재생가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지"로 정의하고 11개의 분야, 즉, 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 해양, 폐기물, 지열의 8개 분야 재생에너지와, 연료전지, 석탄액화가스와 및 중질잔사유가스와, 수소에너지의 3개분야 신에너지로 구분하고 있다.
그 가운데 가스화 복합발전기술(IGCC: Intergrated Gasification Combined Cycle)은 석탄, 중질잔사유 등의 저급원료를 고온ㅇ고압의 가스화기에서 수증기와 함께 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화시켜 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스를 만들어 정제공정을 거친 후 가스터빈 및 증기터빈 등을 구동하여 발전하는 신기술이다.
가스화기의 일 예로서 "Gasifier Injector"의 발명의 명칭으로 출원된 미국특허공개 제20060242907호에 의하면, 가스화기의 상부에 미분탄을 다수의 분기관으로 분리하여 가스화기 내부로 공급한다. 각 분기관은 다공성물질로 구성되어 있는 판을 관통하고, 다공성 물질을 통하여 산화제를 공급한다. 이때 미분탄을 공급하는 분기관의 주변에 구멍을 뚫어 분기관 주변으로 많은 산화제가 공급되도록 하고, 이 구멍을 통하여 공급된 산화제가 미분탄과 급속도로 혼합되게 한다. 나머지 소량의 산화제는 다공성 물질을 통과하여 상부에서 원통형 가스화기 상부 전체 영역에서 아래 방향으로 공급되도록 하고 있다.
하지만, 이 공개특허의 경우에는 다수개의 버너를 상부에 설치함에 있어서 다공성 물질을 관통하여 가스화기 내부로 공급되는 미분탄을 산화제와 급속히 혼합하기 위하여 미분탄 공급부가 다공성 물질을 관통하고, 관통하는 영역 주위에 구멍을 뚫어 산화제를 공급하고, 또한 미분탄 공급부를 제외한 전체 영역에서 산화제가 상부에서 아래로 공급되는 구성이지만, 이와 같이 미분탄과 산화제의 흐름이 모두 수직 하방향으로 공급되기 때문에 미분탄 입자도 모두 수직 하방향으로 진행하여 입자가 용융하고, 용융된 입자가 가스화기의 벽을 따라 흐르는 일반적인 슬래깅이 발생하지 못하여, 슬래깅 가스화기의 구현에 어려움이 존재한다. 즉 미분탄 입자 중에서 비교적 많은 양이 입자상 물질로 배출되게 된다. 또한 미분탄 공급부 주변으로 흐르는 산화제와 이를 감싸고 공급되는 산화제 각각의 유량 제어가 불가능하여 연료의 변경 또는 미분탄 및 이에 따른 산화제 유량의 변경 등의 다양한 운전조건에 대응하기 힘들다는 단점이 있다.
다른 예로서, "Dump Cooled Gasifier"의 발명의 명칭으로 출원된 미국특허공개 제20080141913호에는 가스화기를 구성하는 벽을 세라믹 튜브로 구성하고, 세라믹 튜브 내부로 기체상의 냉각물질을 흐르게 하여 가스화 반응시의 고온 환경 및 가스화 반응시에 발생하는 고온의 기체와 슬랙으로부터 내벽을 보호하는 구성이지만, 세라믹 튜브로 가스화 반응영역을 감싸는 구성이므로, 세라믹 물질의 기계적 강도가 약한 점을 고려할 때, 각 튜브의 이음새가 완벽하지 못할 경우에는 고온 고압의 환경에서 손상이 발생하게 되어 가스화기를 안정적으로 운전하지 못하게 되는 가능성을 내포하고 있는 문제가 있다.
석탄 또는 중질잔사유와 같은 연료를 가스화하여 청정에너지로 활용하고자 고안되어 있는 가스화 기술의 대부분이 비교적 느린 가스화 반응을 가스화기내에서 완료시키기 위해서 가스화기를 대형화하고 있으나, 가스화기의 체적이 커짐에도 불 구하고 미분탄을 연료로 사용하는 경우에 탄소를 완전히 가스로 전환하기 어려운 바, 본 발명은 이를 해소하고자 안출된 것으로, 그 목적은 유동의 적절한 제어를 통하여 가스화 반응을 촉진시키고자, 선회류를 활용하여 연료와 산화제의 급속한 혼합을 도모함에 따라, 급속한 가스화 반응을 유도하며, 미분탄을 연료로 사용하는 경우에 선회력에 의해 미분탄이 가스화기의 벽면으로 이동하여 용융 상태에서 가스화기 내벽을 따라 흐르는 과정에서 탄소가 가스 상태로 전환되도록 함으로써, 급속 혼합에 의한 가스화 반응 및 가스화기 벽면에서의 탄소의 가스로의 전환 반응을 통하여 가스화기의 체적을 줄임과 동시에 보다 높은 탄소전환율을 얻을 수 있는 상부 공급 이중선회형 가스화기를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 상부 공급 이중선회형 가스화기는 미분탄이 질소에 의하여 공급되는 공급라인과, 상기 공급라인을 통해 공급되는 미분탄을 분리하는 분배기와, 상기 분배기에서 분리된 미분탄과 산화제를 공급하는 다수개의 버너노즐과, 미분탄과 산화제가 반응하여 합성가스를 생성하는 압력반응기와, 상기 압력반응기 내부에 공급되는 산화제에 선회력을 부여하는 선회기를 포함하며, 압력반응기의 하부에는 물이 저장된 슬랙 냉각 및 저장용기가 설치된다.
버너노즐의 각각은 단면이 원형으로 중앙 영역과 이 중앙 영역을 감싸는 환형 영역으로 이루어진 삼중관으로 구성되며, 중앙 영역으로 미분탄과 수송용 기체가 공급되고, 환형 영역으로 산소 또는 산소와 수증기의 혼합기체로 이루어진 산화제가 공급되고, 환형영역의 바깥 쪽 환형 영역으로 냉각수가 순환하며, 이때, 선회 기는 각 버너노즐의 산화제가 공급되는 환형 영역에 설치된다.
또한 압력반응기의 가장 상부에는 추가적인 산화제가 공급되도록 다공성 물질로 이루어진 다공판이 설치되며, 이 다공판을 버너노즐의 각각이 관통한다.
본 발명에 있어서, 압력반응기의 벽이 멤브레인-튜브 형태이면, 그 벽면에 세라믹 또는 내화물질의 내화재가 코팅된다.
본 발명에 의하면, 종래에 연료 및 연료 공급 라인 주변에서 공급되는 산화제 및 가스화기 상부 전체에서 공급되는 산화제 등의 모든 흐름이 하방향으로 직선적인 흐름인 것에 반하여, 연료 주변을 감싸는 환형 영역에서 선회기를 통과하는 과정에서 산화제가 선회력을 지니게 됨에 따라 연료와 산화제와의 혼합을 촉진시키고, 또한 버너 주변을 감싸는 가스화기 전 영역에서 산화제의 일부가 선회를 동반하거나 동반하지 않은 상태에서 하향 방향으로 공급되어 가스화 반응을 촉진시켜, 아주 빠른 시간내에 반응을 완료하게 됨에 따라 가스화기의 체적 감소가 달성되므로 가스화기의 제작 비용을 감소하는 효과를 가진다.
또한 본 발명은 가스화를 위한 연료로 가장 많이 사용되는 고체 입자 상태의 미분탄을 사용하는 경우, 미분탄 입자가 용융된 후 응집된 상태의 슬랙이 가스화기 벽면을 따라서 액상으로 흐르게 되므로, 종래에 기체에 편승하여 흐르는 상태보다 훨씬 긴 체류시간을 가지게 되므로 탄소전환율을 향상시키는 효과를 가진다.
또한 미분탄 입자를 입자상 물질로 배출함으로써 처리에 많은 비용이 필요한 종래에 비래, 응집된 슬랙 상태로 처리하여 부산물로서 판매할 수 있으므로 경제성 을 확보할 수 있는 효과도 가진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일 실시예의 동작을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 가스화기의 구성도를 나타내고 있다. 도시된 바와 같이 본 발명의 가스화기(100)는 화살표 a의 방향으로 미분탄이 질소에 의하여 공급되는 공급라인(10)과, 이 공급라인(10)을 통해 공급되는 미분탄을 분리하는 분배기(20)와, 분배기(20)에서 분리된 미분탄과 산화제를 화살표 b의 방향으로 공급하는 다수개의 버너노즐(30)과, 미분탄과 산화제가 반응하여 합성가스의 흐름(화살표 c)을 생성하는 압력반응기(40)와, 압력반응기(40) 내부에 공급되는 산화제에 선회력을 부여하는 선회력부여수단으로서의 선회기(50)(80)((50)은 도 3)를 포함하며, 압력반응기(40)하부에 슬랙 냉각 및 저장용기(70)(도 5)를 더 포함한다.
미분탄과 산화제를 공급하는 각 버너노즐(30)은 단면이 원형인 삼중관으로 구성되어 있으며, 가장 중앙 영역(32)으로 미분탄과 수송용 기체가 공급된다. 삼중관에서 중앙 영역(32)을 감싸고 있는 환형 영역(34)으로는 산화제가 공급되는데, 산화제는 산소 또는 산소와 수증기의 혼합기체가 될 수 있다.
버너노즐의 두께를 포함하여 삼중관의 형태를 나타내고 있는 도 2에 도시된 바와 같이, 삼중관의 가장 바깥 쪽 환형 영역(36)으로는 냉각수가 순환하여 미분탄 및 산화제 공급 부위가 가열되는 것을 방지한다. 이와 같이 삼중관으로 구성되어 원료와 산화제를 공급하는 다수 개의 버너노즐(30)은 압력반응기(40) 내부로 인입 하게 된다.
도 3에는 산화제가 공급되는 영역으로서 미분탄이 공급되는 중앙 영역(32)을 감싸고 있는 환형 영역(34)에 선회력부여수단으로서 선회기(50)를 설치하는 개념도를 나타내고 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 삼중관의 환형 영역(34)의 출구 부분에 선회기(50)가 설치됨에 따라 산화제가 최종적으로는 강한 선회력을 지니고 버너노즐(30)을 빠져 나오게 된다.
삼중관이 하 방향으로 뻗어 있는 압력반응기(40)의 가장 상부에는 다공성 물질로 이루어진 다공판(60)을 설치한다. 압력반응기(40)의 상부에 위치된 다공판(60)의 윗부분으로 추가적인 산화제를 도 1의 화살표 b의 방향으로 공급한다. 다공판(60) 하부에는 추가적인 산화제에 선회력을 부여하는 추가의 선회기(80)를 설치하여 다공판(60)의 상부로 공급되어 압력반응기(40)로 흐르는 산화제에 선회력을 부여하고 있으나, 연료 특성 또는 가스화 운전조건에 따라서는 다공판(60)을 통과하는 추가적인 산화제에 선회력을 부여하는 선회기를 설치하지 않을 수도 있다. 이와 같이 압력반응기(40)에 다공판(60)과 선회기(80)가 설치되고 다수 개의 버너노즐(30)이 다공판(60)과 선회기(80)를 관통하여 압력반응기(40)로 인입한다.
이에 따라 도 4에 도시된 바와 같이, 압력반응기(40)의 상부로는 버너노즐(30)의 중앙 영역(32)을 통하여 미분탄과 수송용 기체가 공급되고, 다수 개의 버너노즐(30)을 감싸고 있는 가스화기 상부의 전체 영역에서 추가의 산화제가 공급되므로, 가스화기 내부로 공급되는 산화제의 유량을 각각 별도로 제어할 수 있게 된다.
이와 같이 산화제와 미분탄이 압력반응기(40) 내부로 공급되어, 산화제와 미분탄이 반응하여 CO와 H2가 주성분인 합성가스를 생산하게 된다. 이때 미분탄 입자 속에 포함되어 있는 회재는 이중선회 효과에 의하여 발생하는 원심력에 의하여 압력반응기(40)의 벽쪽으로 향하게 되고, 도 5에서 벽면에서 빗금친 내화재 위에서 용융상태의 슬랙 흐름이 하방향으로 흐르게 된다. 이 슬랙의 흐름은 압력반응기(40)의 하부에 위치한 슬랙 냉각 및 저장용기(70)에 떨어지며, 이 용기(70)에 냉각수(72)로서 물을 저장하고 있으므로, 용기(70)로 떨어진 슬랙은 급냉으로 고화되어 처리된다. 압력반응기(40)의 벽에 있어서, 튜브 내부에 냉각물질이 흐르고, 멤브레인이 튜브와 튜브를 이어주는 멤브레인-튜브 형태의 벽으로 가스화 반응영역을 구성하는 것으로 선택한 경우에는, 연료 특성 또는 가스화 운전 조건에 따라서, 멤브레인-튜브 벽면에 내화재를 코팅하거나 코팅하지 않을 수도 있다. 내화재를 코팅하는 경우에는 일반적인 내화재 또는 세라믹 물질을 사용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 복수의 버너노즐(30)을 통해 압력반응기(40)의 내부로 공급되므로, 유동의 균일성, 미분탄 입자의 슬래깅 특성 및 미분탄 입자 분포의 균일성 등에서 향상을 가져와 가스화 반응 특성의 향상을 도모할 수 있다. 결과적으로 빠른 반응을 유도하여 가스화기의 체적을 감소시킬 수 있고, 탄소전환율 및 냉가스효율(cold gas efficiency) 등의 성능에서도 향상을 가져올 수 있다.
본 발명에 의한 효과를 과학적으로 검증하기 위하여 이와 같은 개념을 단순화된 전산해석을 통하여 확인하였으며, 이를 표 1, 표 2 및 도 6에 나타내었다.
표 1은 유동의 균일성을 나타내는 인자로서 수치가 0인 경우가 완전히 이상적으로 균일한 유동임을 나타내는 인자인데, 대부분의 종래기술처럼 선형적으로 산화제와 원료를 공급하는 경우에 비하여 본 발명과 같이 이중 선회를 부여함으로써 보다 빠르게 이상적인 상태로 접근하고 있음을 수치로 보여주고 있고, 표 2는 미분탄 입자가 압력반응기의 벽에 부딪히는 특성으로서 슬래깅 특성과 직접적인 관련을 맺는 정도를 나타내는데 역시 본 발명에 의한 가스화기에서 보다 많은 입자가 벽에 부딪히는 것을 나타내고 있다.
한편, 도 6은 미분탄 입자의 평면 상 분포도를 나타내고 있는데, 우측에 도시된 본 발명에 의한 미분탄 입자의 분포가 좌측에 도시된 종래기술에 의한 미분탄 입자의 분포보다 균일하게 분포됨을 알 수 있다. 이와 같은 전산해석 결과는 본 발명에 의한 장치의 효과가 기존의 가스화기의 효과에 비하여 우수함을 직접적으로 보여주고 있다.
Deviation　 종래기술
(선형공급)		 본발명
(이중선회)
Z=0.2 86.70% 58.20%
Z=0.4 45.90% 31.30%
Z=0.6 34.60% 24.30%
표 1 종래기술과 본 발명의 유동 균일성 비교
입자 진행 방향 종래기술
(선형공급)		 본발명
(이중선회)
가스화기 벽면 41.00% 62.90%
표 2 종래기술과 본 발명의 가스화기 벽면으로의 입자 진행 비율 비교
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 상부 공급 이중선회형 가스화기의 하 나의 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.
도 1은 본 발명의 가스화기의 구성을 나타내는 개략도이고,
도 2는 미분탄과 산화제 공급 노즐의 개념도이고,
도 3은 산화제가 공급되는 환형 영역에 선회기를 설치한 구성의 개념도이고,
도 4는 가스화기 상부에서 다수개의 버너노즐을 설치한 구성의 개념도이고,
도 5은 슬랙 흐름, 급냉 및 저장의 개념도이고,
도 6은 종래기술과 본원 발명의 미분탄 입자의 분포 비교이다.
<도면의 주요 부호에 대한 부호의 설명>
10 : 공급라인 20 : 분배기
30 : 버너노즐 32 : 중앙 영역
34,36 : 환형 영역 40 : 압력반응기
50,80 : 선회기 60 : 다공판
70 : 슬랙 급냉 및 저장용기

Claims (7)

  1. 상부 공급 이중선회형 가스화기로서,
    미분탄이 질소에 의하여 공급되는 공급라인과,
    상기 공급라인을 통해 공급되는 미분탄을 분리하는 분배기와,
    상기 분배기에서 분리된 미분탄과 산화제를 공급하는 다수개의 버너노즐과,
    미분탄과 산화제가 반응하여 합성가스를 생성하는 압력반응기와,
    상기 압력반응기 내부에 공급되는 산화제에 선회력을 부여하는 선회기를 포함하는
    상부 공급 이중선회형 가스화기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력반응기 하부에 냉각수가 저장된 슬랙 냉각 및 저장용기를 더 포함하는
    상부 공급 이중선회형 가스화기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 버너노즐의 각각은 단면이 원형으로 중앙 영역과 이 중앙 영역을 감싸 는 환형 영역으로 이루어진 삼중관으로 구성되어 있으며, 상기 중앙 영역으로 미분탄과 수송용 기체가 공급되고, 상기 환형 영역으로 산소 또는 산소와 수증기의 혼합기체로 이루어진 산화제가 공급되는
    상부 공급 이중선회형 가스화기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 환형영역의 바깥 쪽 환형 영역으로 냉각수가 순환하는
    상부 공급 이중선회형 가스화기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 선회기는 상기 각 버너노즐의 환형 영역에 설치되는
    상부 공급 이중선회형 가스화기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압력반응기의 가장 상부에는 추가적인 산화제가 공급되도록 다공성 물질로 이루어진 다공판이 설치되고, 이 다공판을 상기 버너노즐의 각각이 관통하는
    상부 공급 이중선회형 가스화기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압력반응기는 멤브레인-튜브 형태의 벽이고, 벽면에 세라믹 또는 내화물질의 내화재가 코팅된
    상부 공급 이중선회형 가스화기.
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