KR101105307B1 - Indirect Measurement System of the Syngas Temperature in Coal Gasifier - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스화 반응기 내의 합성가스 온도 측정 시스템에 관한 것이다. 개시발명은 가스화반응기의 출구에 설치되어 소열후 가스의 유량을 측정하는 소열후 가스 유량계 및 소열후 가스의 온도를 측정하는 소열후 가스 온도계, 비회제거장치의 후단에 설치되어 수소농도를 측정하는 수소농도 측정기, 일산화탄소의 농도를 측정하는 일산화탄소 농도 측정기, 이산화탄소의 농도를 측정하는 이산화탄소 농도 측정기 및 메탄 농도를 측정하는 메탄 농도 측정기, 소열가스 주입유로에 설치되어 소열가스의 유량을 측정하는 소열가스 유량계 및 소열가스의 온도를 측정하는 소열가스 온도계로 구성된 검출부; 및 온도계, 유량계 및 농도 측정기에서 측정된 온도, 유량 및 농도값으로부터 가스화반응기 내부의 온도 및 합성가스의 비열을 계산하는 연산부;를 포함한다. 따라서, 실시간으로 소열후가스의 조성을 측정하여 이를 합성가스와 소열가스의 비열 계산에 직접 반영함으로써 계산의 정확도를 높일 수 있다.The present invention relates to a syngas temperature measurement system in a gasification reactor. The present invention is installed at the outlet of the gasification reactor, the post-heat gas flow meter for measuring the flow rate of the gas after burning, and the post-heat gas thermometer for measuring the temperature of the gas after burning, and hydrogen installed at the rear of the ash removal device to measure the hydrogen concentration. A concentration meter, a carbon monoxide concentration meter for measuring the concentration of carbon monoxide, a carbon dioxide concentration meter for measuring the concentration of carbon dioxide, a methane concentration meter for measuring the concentration of methane, an endothermic gas flow meter installed in the endothermic gas inlet and measuring the flow rate of the endothermic gas; Detecting unit consisting of a ignition gas thermometer for measuring the temperature of the ignition gas; And an operation unit that calculates the temperature inside the gasification reactor and the specific heat of the syngas from the temperature, flow rate, and concentration values measured by the thermometer, the flow meter, and the concentration meter. Therefore, the accuracy of the calculation can be improved by measuring the composition of the after-heating gas in real time and directly reflecting it in the specific heat calculation of the synthesis gas and the heat-heating gas.
Description
본 발명은 가스화 반응기 내의 합성가스 온도 측정 시스템에 관한 것으로, 특히 석탄가스화 복합발전의 가스화공정에서 가스화 반응기 주변에 설치된 측정기의 측정값을 이용하여 간접적인 방법으로 가스화 반응기 내의 합성가스의 온도를 측정하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a synthesis gas temperature measuring system in a gasification reactor, and in particular, in the gasification process of a coal gasification combined cycle, the temperature of the synthesis gas in the gasification reactor is measured indirectly by using a measured value of a measuring device installed around the gasification reactor. It's about technology.
석탄 가스화 복합발전(IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle)은 석탄을 가스화하여 합성가스를 생성하는 가스화공정, 합성가스에 포함된 입자 및 황 화합물 등 비회를 제거하여 청정한 합성가스를 만드는 정제공정 및 가스터빈과 증기터빈으로 구성된 복합발전 플랜트로 구성된다. 가스화공정은 석탄과 산소, 스팀 혹은 물을 고온 고압의 용기, 즉 가스화기에 투입하여 반응시킴으로써 합성가스의 주성분인 수소와 일산화탄소를 생성하는 것이다. 가스화공정에서 합성가스의 온도는 합성가스의 성분을 좌우하는 주요한 공정 인자에 해당한다.Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) is a gasification process that produces coal by gasifying coal, and a refining process and gas turbine to remove clean ash such as particles and sulfur compounds contained in the synthesis gas. It consists of a combined cycle plant consisting of a steam turbine. In the gasification process, coal and oxygen, steam or water are introduced into a high-temperature, high-pressure vessel, that is, a gasifier, and reacted to generate hydrogen and carbon monoxide, which are the main components of the synthesis gas. In the gasification process, the temperature of syngas is a major process factor that determines the composition of the syngas.
통상적으로 고온의 기체 온도 측정에는 2종의 다른 금속선으로 폐회로를 만들어 그 양접합점에 온도를 가하면 온도차에 대응하는 열기전력이 발생하는 원리를 이용한 열전대를 사용하고 있다. 열전대는 사용하는 열전소자의 종류에 따라 B형, R형, S형, E형, J형, K형, N형, T형 등의 열전대가 있으며 각 열전대별 사용 열전소자는 표 1에서 보는 바와 같다.In general, a high temperature gas temperature measurement uses a thermocouple using a principle that a closed circuit is made of two different metal wires, and a thermoelectric power corresponding to a temperature difference is generated when a temperature is applied to both junctions thereof. Thermocouples have thermocouples such as B-type, R-type, S-type, E-type, J-type, K-type, N-type, and T-type according to the type of thermoelectric elements used.The thermocouples used for each thermocouple are shown in Table 1. same.
표 1. 열전소자의 종류에 따른 양극, 음극의 소재Table 1. Material of anode and cathode according to the kind of thermoelectric element
이 중 1,000℃ 이상의 고온 측정용으로 사용되는 열전대는 B형, S형, R형, K형, N형 정도이나 이들 열전대는 측정 대상 기체가 환원성 분위기에 있거나 유황 성분을 포함하는 경우 계측 정확도가 떨어지거나 재현성이 불량해지는 단점이 있다. 석탄의 부분 산화가 일어나는 가스화 반응기 내는 다량의 수소를 포함하는 환원성 분위기이며, 온도가 1,400℃ 이상의 고온 상태일 뿐만 아니라 특히 COS나 H2S와 같이 금속의 부식을 일으키는 성분이 존재하여 위에 열거한 열전대를 사용하기가 어려운 조건이다. 뿐만 아니라, 합성가스 중에는 회분이 다량 포함되어 있어 열전대 금속 표면의 침식을 야기할 수 있으며 열전대를 고온으로부터 보호하기 위하여 사용하는 단열재 역시 가스화 반응기의 온도변화에 따른 열충격으로 인하여 파손되는 등의 문제가 있다.Among them, thermocouples used for high temperature measurement of 1,000 ℃ or higher are about B type, S type, R type, K type and N type, but these thermocouples have poor measurement accuracy when the gas to be measured is in a reducing atmosphere or contains sulfur components. Or poor reproducibility. The gasification reactor in which partial oxidation of coal occurs is a reducing atmosphere containing a large amount of hydrogen, and the thermocouple listed above due to the presence of a component that causes corrosion of metals such as COS or H 2 S, especially at a high temperature of 1,400 ° C or higher. It is a difficult condition to use. In addition, the syngas contains a large amount of ash may cause erosion of the surface of the thermocouple metal, and there is a problem such that the heat insulating material used to protect the thermocouple from high temperature is also damaged by the thermal shock caused by the temperature change of the gasification reactor. .
이와 같은 직접적인 열 측정의 어려움을 피하기 위하여 열수지를 이용하여 간접적으로 가스화 반응기 내의 온도를 계산하는 방법이 있다. 알고자 하는 가스화 반응기 출구에서의 합성가스의 온도는 가스화 반응기로 들어오는 열량과 가스화 반응기로부터 나가는 열량이 같음을 이용하여 예측할 수 있다. 즉 가스화 반응기 출구에서의 합성가스의 온도를 TGAS(℃), 소열후가스 온도를 TSGC(℃), 소열가스 온도를 TQG(℃), 소열가스의 유량을 mQG(kg/s), 소열후가스의 유량을 mSGC(kg/s), 가스화 반응기 출구에서의 합성가스의 유량을 mGAS(kg/s)라고 하면,In order to avoid such a direct thermal measurement, there is a method of calculating the temperature in the gasification reactor indirectly using a heat balance. The temperature of the syngas at the outlet of the gasification reactor to be known can be predicted using the same amount of heat entering the gasification reactor and the amount of heat leaving the gasification reactor. That is, the temperature of the synthesis gas at the outlet of the gasification reactor is T GAS (° C.), the temperature of the ignition gas is T SGC (° C.), the temperature of the ignition gas is T QG (° C.), and the flow rate of the ignition gas is m QG (kg / s). If the flow rate of the gas after combustion is m SGC (kg / s), and the flow rate of the syngas at the outlet of the gasification reactor is m GAS (kg / s),
mGAS = mSGC - mQG (1)m GAS = m SGC -m QG (One)
의 관계가 성립한다.The relationship is established.
소열가스의 평균 비열을 cQG(T)(J/kg·℃)라고 하고 소열후가스의 평균 비열을 cSGC(T)(J/kg·℃)라고 하면, 단위시간당 가스화 반응기 출구에서 합성가스가 잃는 열량 QGAS(J/s)는 If the average specific heat of ignited gas is called c QG (T) (J / kg · ℃) and the average specific heat of ignited gas is c SGC (T) (J / kg · ℃), the synthesis gas at the outlet of gasification reactor per unit time Calories Lost Q GAS (J / s)
QGAS = mGAS × ∫cGAS(T) dT (TSGC < T < TGAS) (2)Q GAS = m GAS × ∫c GAS (T) dT (T SGC <T <T GAS ) (2)
가 되고, 반면에 소열가스가 단위시간에 얻는 열량 QQG(J/s)는On the other hand, the calorific value Q QG (J / s) that the ignition gas obtains in unit time is
QQG = mQG × ∫cQG(T) dT (TQG < T < TSGC) (3)Q QG = m QG × ∫c QG (T) dT (T QG <T <T SGC ) (3)
가 된다.Becomes
원칙적으로 (2)의 우변과 (3)의 우변이 같다고 놓음으로써 TGAS를 계산할 수 있다.In principle, the T GAS can be calculated by putting the right side of (2) and the right side of (3) the same.
간접적으로 합성가스의 온도를 계산하는 기존의 방법에서는 합성가스의 비열은 합성가스의 엔탈피를 온도의 함수로 모델링한 후, 두 온도 간의 엔탈피값을 그 온도차이로 나누어줌으로써 구해지는 평균 비열을 사용한다. 예를 들어, 실험을 통하여 온도 T에서의 합성가스의 엔탈피 HSG를 다음과 같은 온도의 함수로 나타낼 수 있다.In the conventional method of indirectly calculating the temperature of syngas, the specific heat of syngas uses the average specific heat obtained by modeling the enthalpy of syngas as a function of temperature and dividing the enthalpy value between two temperatures by the temperature difference. . For example, through experiments, the enthalpy H SG of syngas at temperature T can be expressed as a function of temperature as follows.
HSG(T) = (A + B/2×T + C/3×T2 + D/4×T3)×T (4)H SG (T) = (A + B / 2 × T + C / 3 × T 2 + D / 4 × T 3 ) × T (4)
위 식을 이용하여 다음과 같이 합성가스의 평균 비열 cGAS,avg(J/kg·℃)과 소열가스의 평균비열 cQG,avg(J/kg·℃)을 구한다.Using the above equation, find the average specific heat c GAS , avg (J / kg · ℃) of syngas and the average specific heat c QG , avg (J / kg · ℃) of ignition gas.
cGAS,avg = {HSG(TB) - HSG(TSGC)}/(TB - TSGC) (5)c GAS , avg = (H SG (T B )-H SG (T SGC )} / (T B -T SGC ) (5)
cQG,avg = {HSG(TSGC) - HSG(TQG)}/(TSGC - TQG) (6)c QG , avg = (H SG (T SGC )-H SG (T QG )} / (T SGC -T QG ) (6)
식 (5)에서 TB는 cGAS,avg를 구하기 위한 기준 온도로서 가스화 반응이 일어나는 최소의 온도에 가까운 값으로 정한다. 식 (5) 및 (6)에 의하여 구한 cQG,avg와 cGAS,avg를 식 (2) 및 (3)에 대입하면,In Equation (5), T B is a reference temperature for determining c GAS and avg, and is set to a value close to the minimum temperature at which gasification reaction occurs. Substituting c QG , avg and c GAS , avg obtained by equations (5) and (6) into equations (2) and (3),
QGAS = mGAS×cGAS,avg×(TGAS - TSGC) (7)Q GAS = m GAS × c GAS , avg × (T GAS -T SGC ) (7)
QQG = mQG×cQG,avg×(TSGC - TQG) (8)Q QG = m QG × c QG , avg × (T SGC -T QG ) (8)
식 (7) 및 (8)의 우변이 같다는 조건으로부터 구하고자 하는 TGAS는,T GAS to be obtained from the condition that the right side of the equations (7) and (8) are the same,
TGAS = TSGC + {mQG×cQG,avg×(TSGC - TQG)}/{(mSGC - mQG)×cGAS,avg} (9)T GAS = T SGC + {m QG × c QG , avg × (T SGC -T QG )} / {(m SGC -m QG ) × c GAS , avg} (9)
에 의하여 계산할 수 있다. 즉, 소열후가스의 온도와 유량, 소열가스의 온도와 유량, 합성가스의 온도에 따른 엔탈피를 알면 식 (5), 식 (6), 식 (9)를 이용하여 가스화 반응기 출구 온도를 간접적으로 계산할 수 있다. 즉 식 (2) 및 식 (3)의 cQG(T)와 cGAS(T) 대신에 식 (7) 및 식 (8)의 cQG,avg 및 cGAS,avg를 사용하여 TGAS를 계산하는 것이 기존의 방법이라 할 수 있다.Can be calculated by In other words, if the temperature and flow rate of the ignited gas, the temperature and flow rate of the ignited gas, and the enthalpy according to the temperature of the synthesis gas are known, Equation (5), (6), and (9) are used to indirectly determine the outlet temperature of the gasification reactor. Can be calculated In other words, instead of c QG (T) and c GAS (T) in equations (2) and (3), calculate T GAS using c QG , avg and c GAS , avg in equations (7) and (8) It is an existing method.
이와 같이 가스화 반응기 내의 합성가스 온도 측정은 고온, 환원성 분위기, 부식성 가스(황화합물)의 존재, 분진의 존재 등으로 인하여 기존의 열전대로는 정확하고 재현성 있는 온도 측정이 어려우며 또한 식 (2) 및 식 (3)을 이용한 간접적인 온도 계산과정으로도 가스화 반응기 출구에서의 합성가스와 소열가스의 비열을 온도에 대한 함수로 정확히 표현하는 것이 중요하다. 그러나 합성가스와 소열가스의 비열을 계산하기 위하여 식 (7) 및 식 (8)에서와 같이 합성가스 엔탈피의 특정 온도 구간에서의 평균값을 사용하게 되면 합성가스와 소열가스의 온도와 조성 변화에 따른 비열의 변화를 정확히 반영하기 어려운 문제점이 있다.As such, the measurement of syngas temperature in the gasification reactor is difficult to measure accurately and reproducibly with existing thermocouples due to the high temperature, reducing atmosphere, the presence of corrosive gas (sulfur compounds), dust, etc. Indirect temperature calculation process using 3) is also important to accurately express the specific heat of syngas and ignition gas at the outlet of gasification reactor as a function of temperature. However, in order to calculate the specific heat of syngas and ignition gas, if the average value in the specific temperature range of syngas enthalpy is used as in Eq. (7) and (8), There is a problem that it is difficult to accurately reflect the change in specific heat.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 석탄가스화 복합발전의 가스화공정에서 가스화 반응기 주변에 설치된 측정기의 측정값을 이용하여 간접적인 방법으로 가스화 반응기 내의 합성가스의 온도를 측정하는 기술에 관한 것이다.An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to measure the temperature of the synthesis gas in the gasification reactor indirectly by using the measured value of the measuring device installed around the gasification reactor in the gasification process of coal gasification combined cycle power generation It's about technology.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 가스화반응기의 출구에 설치되어 소열후 가스의 유량을 측정하는 소열후 가스 유량계 및 소열후 가스의 온도를 측정하는 소열후 가스 온도계, 비회제거장치의 후단에 설치되어 수소농도를 측정하는 수소농도 측정기, 일산화탄소의 농도를 측정하는 일산화탄소 농도 측정기, 이산화탄소의 농도를 측정하는 이산화탄소 농도 측정기 및 메탄 농도를 측정하는 메탄 농도 측정기, 소열가스 주입유로에 설치되어 소열가스의 유량을 측정하는 소열가스 유량계 및 소열가스의 온도를 측정하는 소열가스 온도계로 구성된 검출부; 및 온도계, 유량계 및 농도 측정기에서 측정된 온도, 유량 및 농도값으로부터 가스화반응기 내부의 온도 및 합성가스의 비열을 계산하는 연산부;를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention is installed at the outlet of the gasification reactor is installed in the after-heat gas flow meter for measuring the flow rate of the gas after ignition and after ignition gas thermometer for measuring the temperature of the gas after ignition, it is installed in the rear end of the ash removal device Hydrogen concentration meter to measure the concentration of hydrogen, carbon monoxide concentration meter to measure the concentration of carbon monoxide, carbon dioxide concentration meter to measure the concentration of carbon dioxide, methane concentration meter to measure the concentration of methane, heat flow gas installed in the ignition gas injection flow Detecting unit consisting of a ignition gas flow rate to measure and a ignition gas thermometer for measuring the temperature of the endothermic gas; And an operation unit that calculates the temperature inside the gasification reactor and the specific heat of the syngas from the temperature, flow rate, and concentration values measured by the thermometer, the flow meter, and the concentration meter.
이와 같은 본 발명에 따른 간접적인 가스화반응기 내의 합성가스 온도 측정 기술에 의하면, 고온고압의 조건하에서 합성가스를 생산하는 시스템의 열수지에 입각하여, 생성된 합성가스를 냉각시키기 위하여 합성가스와 혼합하는 저온의 소열가스의 온도와 유량, 혼합 냉각된 후의 합성가스의 유량 및 온도, 혼합 냉각된 후의 합성가스의 화학 성분 등 비교적 측정하기 쉽고 측정 결과가 정확한 측정값들을 사용하여 간접적으로 계산함으로써, 안정적인 측정값을 얻을 수 있고, 실시간으로 소열후가스의 조성을 측정하여 이를 합성가스와 소열가스의 비열 계산에 직접 반영함으로써 계산의 정확도를 높일 수 있다.According to the synthesis gas temperature measurement technology in the indirect gasification reactor according to the present invention, based on the heat balance of the system for producing the synthesis gas under the condition of high temperature and high pressure, the low temperature mixing with the synthesis gas to cool the generated synthesis gas Stable measurement value by calculating indirectly using the measured values that are relatively easy to measure and the measurement results are relatively easy to measure, such as the temperature and flow rate of the ignition gas of the gas, the flow rate and temperature of the syngas after mixing and cooling, and the chemical composition of the syngas after mixing and cooling. It is possible to increase the accuracy of the calculation by measuring the composition of the after-heating gas in real time and reflecting it directly in the specific heat calculation of the synthesis gas and the heat-heating gas.
이하 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 참조로 하는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Hereinafter, the same reference numerals will be described in detail with reference to the accompanying drawings with reference to the same components preferred embodiments of the present invention. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings and should be construed in accordance with the technical meanings and concepts of the present invention.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 간접적 온도 측정 방법이 적용되는 시스템을 보여주는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 간접적인 가스화 반응기 온도 측정 시스템은 가스화 반응기(100), 냉각기(200), 비회제거장치(300) 및 소열가스 주입유로(400)를 포함하는 석탄가스화 공정에 설치되어 있는 소열후 가스 유량계(10), 소열후 가스 온도계(20), 수소농도 측정기(30), 일산화탄소농도 측정기(40), 이산화탄소농도 측정기(50), 메탄농도 측정기(60), 소열가스 유량계(70) 및 소열가스 온도계(80)를 포함한다.1 is a conceptual diagram illustrating a system to which an indirect temperature measuring method according to an embodiment of the present invention is applied. Referring to FIG. 1, the indirect gasification reactor temperature measurement system of the present invention is installed in a coal gasification process including a
상기 가스화 반응기(100)에서는 석탄과 산소, 질소, 수증기가 서로 반응하여 일산화탄소, 수소, 이산화탄소, 메탄, 질소를 주성분으로 하는 합성가스가 생성되며, 이때 생성된 고온고압의 합성가스는 합성가스 상기 냉각기(200)에서 냉각되고 상기 비회제거장치(300)를 통하여 비회가 제거된다. 상기 비회제거장치(300)를 거친 냉각된 합성가스의 일부는 소열가스 주입유로(400)를 통하여 되돌려져 다시 가스화 반응기(100) 출구의 합성가스와 혼합되어 합성가스를 1차적으로 냉각시킨다. 비회제거장치(300)의 후단에는 수소농도 측정기(30), 일산화탄소농도 측정기(40), 이산화탄소농도 측정기(50), 메탄농도 측정기(60)가 설치되어 있다. 열교환과 혼합과정에서 합성가스의 조성 변화는 없으므로 상기 수소농도 측정기(30), 상기 일산화탄소농도 측정기(40), 상기 이산화탄소농도 측정기(50) 및 상기 메탄농도 측정기(60)가 지시하는 합성가스의 조성은 가스화 반응기(100) 출구를 통하여 나오는 합성가스와 같다고 할 수 있다.In the
각각의 성분은 고유의 비열을 가지며, 통상 이 네 가지의 성분이 합성가스의 90% 이상을 차지하게 된다. 이 네 가지 성분 이외에는 질소라고 가정하면, 다음과 같은 식에 의하여 합성가스의 비열, c(T)(J/kg·℃)을 구할 수 있다.Each component has its own specific heat and typically these four components make up more than 90% of the syngas. Assuming that nitrogen is other than these four components, the specific heat, c (T) (J / kg · ° C) of the synthesis gas can be obtained by the following equation.
c(T) = xH2×cH2(T) + xCO×cCO(T) + xCO2×cCO2(T) + xCH4×cCH4(T) + (1 - xH2 - xCO - xCO2 - xCH4)×cN2(T) (10)c (T) = xH 2 × cH 2 (T) + xCO × cCO (T) + xCO 2 × cCO 2 (T) + xCH 4 × cCH 4 (T) + (1-xH 2 -xCO-xCO 2- xCH 4 ) × cN 2 (T) (10)
식 (10)에서 cH2(T)는 수소 1몰의 비열, cCO(T)는 일산화탄소 1몰의 비열, cCO2(T)는 이산화탄소 1몰의 비열, cCH4(T)는 메탄 1몰의 비열, xH2는 합성가스 중의 수소의 몰분율, xCO는 합성가스 중의 일산화탄소의 몰분율, xCO2는 합성가스 중의 이산화탄소의 몰분율, xCH4는 합성가스 중의 메탄의 몰분율을 각각 나타내며, 상기 수소농도 측정기(30), 상기 일산화탄소농도 측정기(40), 상기 이산화탄소농도 측정기(50) 및 상기 메탄농도 측정기(60)가 지시하는 값 i208, i209, i210, i211이 합성가스 중의 수소의 부피퍼센트, 합성가스 중의 일산화탄소의 부피퍼센트, 합성가스 중의 이산화탄소의 부피퍼센트, 합성가스 중의 메탄의 부피퍼센트일 경우에는In formula (10), cH 2 (T) is the specific heat of 1 mol of hydrogen, cCO (T) is the specific heat of 1 mol of carbon monoxide, cCO 2 (T) is the specific heat of 1 mol of carbon dioxide, and cCH 4 (T) is 1 mol of methane. Specific heat, xH 2 is the mole fraction of hydrogen in the synthesis gas, xCO is the mole fraction of carbon monoxide in the synthesis gas, xCO 2 is the mole fraction of carbon dioxide in the synthesis gas, xCH 4 represents the mole fraction of methane in the synthesis gas, the hydrogen concentration measuring instrument (30 ), The values i 208 , i 209 , i 210 , and i 211 indicated by the carbon monoxide
xH2 = i208÷100 (11)xH 2 = i 208 ÷ 100 (11)
xCO = i209÷100 (12)xCO = i 209 ÷ 100 (12)
xCO2 = i210÷100 (13)xCO 2 = i 210 ÷ 100 (13)
xCH4 = i211÷100 (14)xCH 4 = i 211 ÷ 100 (14)
xN2 = 1 - xH2 - xCO - xCO2 - xCH4 (15)xN 2 = 1-xH 2 -xCO-xCO 2 -xCH 4 (15)
가 된다. 상기 수소농도 측정기(30), 상기 일산화탄소농도 측정기(40), 상기 이산화탄소농도 측정기(50) 및 상기 메탄농도 측정기(60)가 나타내는 값 i208, i209, i210, i211이 합성가스 중의 수소의 중량퍼센트, 합성가스 중의 일산화탄소의 중량퍼센트, 합성가스 중의 이산화탄소의 중량퍼센트, 합성가스 중의 메탄의 중량퍼센트일 경우에는Becomes The values i 208 , i 209 , i 210 and i 211 represented by the
xH2 = i208/{i208/WH2 + i209/WCO + i210/WCO2 + i211/WCH4 + (100 - i208 - i209 - i210 - i211)/WN2} (16)xH 2 = i 208 / {i 208 / WH 2 + i 209 / WCO + i 210 / WCO 2 + i 211 / WCH 4 + (100-i 208 -i 209 -i 210 -i 211 ) / WN 2 } ( 16)
xCO = (i209/WCO)/{i208/WH2 + i209/WCO + i210/WCO2 + i211/WCH4 + (100 - i208 - i209 - i210 - i211)/WN2} (17)xCO = (i 209 / WCO) / (i 208 / WH 2 + i 209 / WCO + i 210 / WCO 2 + i 211 / WCH 4 + (100-i 208 -i 209 -i 210 -i 211 ) / WN 2 } (17)
xCO2 = (i210/WCO2)/{i208/WH2 + i209/WCO + i210/WCO2 + i211/WCH4 + (100 - i208 - i209 - i210 - i211)/WN2} (18)xCO 2 = (i 210 / WCO 2 ) / (i 208 / WH 2 + i 209 / WCO + i 210 / WCO 2 + i 211 / WCH 4 + (100-i 208 -i 209 -i 210 -i 211 ) / WN 2 } (18)
xCH4 = (i211/WCH4)/{i208/WH2 + i209/WCO + i210/WCO2 + i211/WCH4 + (100 - i208 - i209 - i210 - i211)/WN2} (19)xCH 4 = (i 211 / WCH 4 ) / (i 208 / WH 2 + i 209 / WCO + i 210 / WCO 2 + i 211 / WCH 4 + (100-i 208 -i 209 -i 210 -i 211 ) / WN 2 } (19)
xN2 = 1 - xH2 - xCO - xCO2 - xCH4 (20)xN 2 = 1-xH 2 -xCO-xCO 2 -
여기서 WH2는 수소의 분자량, WCO는 일산화탄소의 분자량, WCO2는 이산화탄소의 분자량, WCH4는 메탄의 분자량, WN2는 질소의 분자량을 나타낸다.WH 2 is the molecular weight of hydrogen, WCO is the molecular weight of carbon monoxide, WCO 2 is the molecular weight of carbon dioxide, WCH 4 is the molecular weight of methane, and WN 2 is the molecular weight of nitrogen.
다음과 같이 각 성분별 비열을 온도에 대한 함수로 나타낸다.Specific heat for each component is expressed as a function of temperature as follows.
cH2(T) = R×(aH2 + bH2×T + dH2×T2) (21)cH 2 (T) = R × (aH 2 + bH 2 × T + dH 2 × T 2 ) (21)
cCO(T) = R×(aCO + bCO×T + dCO×T2) (22)cCO (T) = R × (aCO + bCO × T + dCO × T 2 ) (22)
cCO2(T) = R×(aCO2 + bCO2×T + dCO2×T2) (23)cCO 2 (T) = R × (aCO 2 + bCO 2 × T + dCO 2 × T 2 ) (23)
cCH4(T) = R×(aCH4 + bCH4×T + dCH4×T2) (24)cCH 4 (T) = R × (aCH 4 + bCH 4 × T + dCH 4 × T 2 ) (24)
cN2(T) = R×(aN2 + bN2×T + dN2×T2) (25)cN 2 (T) = R × (aN 2 + bN 2 × T + dN 2 × T 2 ) (25)
기체의 비열은 압력 의존성이 약하므로 대기압에서 실험적으로 구한 결과를 식 (21) 내지 식 (25)의 비열에 대한 온도 계수로 사용할 수 있다. 문헌상에 나와 있는 값들은 다음과 같다.Since the specific heat of the gas has a weak pressure dependency, the results obtained experimentally at atmospheric pressure can be used as the temperature coefficient for the specific heat of equations (21) to (25). The values in the literature are as follows.
표 2. 기체별 비열에 대한 온도 계수Table 2. Temperature Coefficients for Specific Heat by Gas
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 각 성분별로 온도 변화에 따른 비열의 변화 양상을 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수소와 일산화탄소만으로 이루어진 가상의 합성가스에 대하여 조성 변화에 따른 비열의 변화 양상을 도시한 것이다.2 is a graph showing a change in specific heat according to temperature change for each component according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a composition for a fictitious synthesis gas consisting of only hydrogen and carbon monoxide according to an embodiment of the present invention It shows the change of specific heat according to the change.
식 (21) 내지 식 (25), 식 (10)으로부터,From formulas (21) to (25) and formula (10),
c(T) = A + B×T + D×T2 (26)c (T) = A + B × T + D × T2 (26)
A = R × {xH2 ×aH2 + xCO ×aCO + xCO2 ×aCO2 + xCH4 ×aCH4 + (1 - xH2 - xCO - xCO2 - xCH4) × aN2} (27)A = R × (xH 2 × aH 2 + xCO × aCO + xCO 2 × aCO 2 + xCH 4 × aCH 4 + (1-xH 2 -xCO-xCO 2 -xCH 4 ) × aN 2 } (27)
B = R × {xH2 ×bH2 + xCO ×bCO + xCO2 ×bCO2 + xCH4 ×bCH4 + (1 - xH2 - xCO - xCO2 - xCH4) × bN2} (28)B = R × (xH 2 × bH 2 + xCO × bCO + xCO 2 × bCO 2 + xCH 4 × bCH 4 + (1-xH 2 -xCO-xCO 2 -xCH 4 ) × bN 2 } (28)
D = R × {xH2 ×dH2 + xCO ×dCO + xCO2 ×dCO2 + xCH4 ×dCH4 + (1 - xH2 - xCO - xCO2 - xCH4) × dN2} (29)D = R × (xH 2 × dH 2 + xCO × dCO + xCO 2 × dCO 2 + xCH 4 × dCH 4 + (1-xH 2 -xCO-xCO 2 -xCH 4 ) × dN 2 } (29)
도 2에서 도시된 바와 같이 합성가스의 주성분인 수소와 일산화탄소의 비열은 온도에 대하여 선형적으로 변하므로 식 (26)에서 온도의 제곱항을 무시하면,As shown in FIG. 2, since the specific heat of hydrogen and carbon monoxide, which are the main components of the synthesis gas, changes linearly with respect to temperature, ignoring the square term of temperature in Equation (26),
c(T) = A + B×T (30)c (T) = A + B × T (30)
로 근사할 수 있고, 이를 식 (2) 및 식 (3)의 cGAS(T) 및 cQG(T)에 대입하면,Can be approximated by and substituted into c GAS (T) and c QG (T) in equations (2) and (3),
TGAS = -E + √(E2 - F) (31)T GAS = -E + √ (E 2 -F) (31)
여기서,here,
E = A/B - TSGC (32)E = A / B-T SGC (32)
F = TSGC 2 - 2×A×TSGC/B - 2×m×A×(TSGC - TQG)/B - m×TSGC 2 + 2×m×TSGC×TQG - m×TQG 2 (33) F = T SGC 2 - 2 × A × T SGC / B - 2 × m × A × (T SGC - T QG) / B - m × T SGC 2 + 2 × m × T SGC × T QG - m × T QG 2 (33)
m = mQG/mGAS (34)m = mQG/ mGAS (34)
본 발명에 의한 합성가스 온도 특정 시스템은 합성가스의 성분을 실시간으로 측정한 결과로부터 합성가스의 비열을 계산하기 때문에, 기존의 계산 방법이 합성가스의 성분변화가 없는 경우에만 적용 가능한 것과는 달리, 기동, 정기 등 합성가스의 성분이 정상 운전상태에서 크게 벗어나는 경우에도 적용 가능하다. 특히 수소와 일산화탄소와는 달리 이산화탄소와 메탄의 몰당 비열은 도 2에서 보는 바와 같이 온도에 따른 변화 양상이 크게 다르며 따라서 이산화탄소와 메탄의 농도를 반영하여 계산하는 것이 더욱 필요하다. 합성가스의 성분은 운전 단계, 즉 기동, 정지, 정상운전에 따라서만 변화되는 것이 아니라, 합성가스의 목적에 따라서 공정 조건을 적절히 제어함으로써 임의로 그 성분을 조정하게 된다. 흔히 화학적 용도로 사용하는 합성가스는 일산화탄소의 농도가 상대적으로 높으며 합성가스로부터 이산화탄소의 회수 분리가 고려될 경우에는 합성가스의 대부분이 수소와 이산화탄소가 되도록 공정 조건을 조절한다. 본 발명에 의한 합성가스의 계산법은 합성가스의 조성에 구애받지 않으므로 다양한 목적으로 생산되는 다양한 조성의 합성가스 온도 예측에도 적용될 수 있는 장점이 있다.Since the synthesis gas temperature specification system according to the present invention calculates the specific heat of the synthesis gas from the result of measuring the composition of the synthesis gas in real time, unlike the conventional calculation method that is applicable only when there is no composition change of the synthesis gas, It is also applicable when the components of syngas such as gas, regular gas, etc. deviate significantly from the normal operating state. In particular, unlike hydrogen and carbon monoxide, the specific heat per mole of carbon dioxide and methane varies greatly with temperature as shown in FIG. 2, and thus it is more necessary to calculate the concentration of carbon dioxide and methane. The components of the syngas are not changed only in accordance with the operation steps, i.e., start, stop, and normal operation, but the components are arbitrarily adjusted by appropriately controlling the process conditions according to the purpose of the syngas. Syngas, which is often used for chemical purposes, has a relatively high concentration of carbon monoxide, and when the recovery separation of carbon dioxide from the syngas is considered, the process conditions are adjusted so that most of the syngas is hydrogen and carbon dioxide. Since the calculation method of the synthesis gas according to the present invention is not limited to the composition of the synthesis gas, there is an advantage that can be applied to the synthesis gas temperature prediction of various compositions produced for various purposes.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형실시가 가능하다. 또한, 첨부한 도면으로부터 용이하게 유추할 수 있는 사항은 상세한 설명에 기재되어 있지 않더라도 본 발명의 내용에 포함되는 것으로 보아야 할 것이며, 다양한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 아니 될 것이다.While the preferred embodiments of the present invention have been shown and described, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the present invention is not limited to the specific embodiments of the present invention, without departing from the spirit of the invention as claimed in the claims. Many modifications are possible to those skilled in the art. In addition, matters that can be easily inferred from the accompanying drawings are to be regarded as included in the contents of the present invention even if they are not described in the detailed description, and various modifications may be separately understood from the technical spirit or the prospect of the present invention. Will not be.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 간접적 온도 측정 방법이 적용되는 시스템을 보여주는 개념도,1 is a conceptual diagram illustrating a system to which an indirect temperature measuring method is applied according to an embodiment of the present invention;
도 2는 각 성분별로 온도 변화에 따른 비열의 변화 양상을 나타낸 그래프, 및2 is a graph showing a change of specific heat according to temperature change for each component, and
도 3은 수소와 일산화탄소만으로 이루어진 가상의 합성가스에 대하여 조성 변화에 따른 비열의 변화 양상을 도시한 그래프이다.3 is a graph showing a change in specific heat according to the composition change for the fictitious syngas consisting of only hydrogen and carbon monoxide.
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