KR101239715B1 - 플라즈마 석탄 가스화 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템은 연료 투입구로부터 연료를 유입하고, 하부에 결합된 예열 공기 투입구로부터 예열 공기를 유입하여 상기 연료를 미분화 시키는 미분화로, 상기 미분화로와 격벽으로 구분되고, 상기 격벽 상부에 연결된 통로를 통하여 상기 미분화된 연료를 유입하여 1차 가스화 하는 제1 가스화로, 상기 제1 가스화로의 하단부에 수직접선 방향으로 연결되고, 상기 제1 가스화로로부터 유입된 상기 1차 가스화된 연료를 플라즈마 토치를 이용하여 용융하는 용융로 및 상기 제1 가스화로와 격벽으로 구분되어 상기 용융로의 상부에 수직접선 방향으로 연결되고, 상기 용융로로부터 유입된 상기 용융된 연료의 잔여 미연분을 가스화하여 배출구로 배출하는 제2 가스화로를 포함한다.

Description

플라즈마 석탄 가스화 시스템{PLASMA COAL GASIFICATION SYSTEM}

본 발명은 석탄 가스화 용융로 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 투입되는 석탄 혹은 유사 연료를 다수의 영역으로 구분되는 가스화로 및 용융로를 통하여 미리 미분화 하지 않고도 가스화 반응 속도를 증가시키고, 소요되는 열을 절약할 수 있는 가스화 용융로 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 가스화 용융로 시스템에서는 다양한 물성과 성상을 갖는 가연성 폐기물 등을 가스화 용융로에서 가스화 반응을 시키면, 고온, 고압상태의 분진 함유 합성가스(배기가스)가 배출되게 되는 바, 이러한 합성가스 중에 함유되어 있는 분진을 원활히 제거한 다음, 해당 합성가스를 후속공정으로 공급하여 발전 또는 화학연료 등으로서 이용되도록 하게 된다.

가스화 용융로 시스템은 각종 폐기물에 산소를 공급하면서 불완전 연소 혹은 가스화시켜 CO, H2를 포함하는 합성가스(syngas)를 제조하여 이를 발전용, 산업용 등의 여러 가지 에너지원으로 사용하고, 폐기물 중의 불연성분은 용융하여 슬래그(Slag)로 만들어 재활용하도록 이루어진다.

석탄은 지구상에 가장 풍부하게 매장되어 있으나 상당량의 석탄은 칼로리가 낮아서 현재의 기술로 이용하기가 곤란하거나 황 함량이 높아서 사용이 기피된다. 따라서 이러한 저질탄을 효율적으로, 또한 환경친화적으로 사용할 수 있는 방법인 석탄가스화에 대한 관심이 높아지고 있다.

그러나 현재 집중적으로 개발되어 있는 석탄 가스화 기술은 고온고압에서 이루어지기 때문에 기술적 난이도가 매우 높으며 따라서 수십년 동안 연구가 진행되어 왔음에도 불구하고 아직 완전한 상용화가 이루어지지 않은 상태이며 특히 경제성을 가지기 위하여는 대규모가 되어야 한다는 문제점을 안고 있다.

본 발명의 일실시예는 석탄을 미리 미분화하여 투입할 필요없이 석탄을 가스화 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예는 로 내에서 탈황을 진행하여 배가스 처리 장치의 부담을 줄여 운영비와 장치 설비 비용을 절감하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에서는 석탄내의 회분을 모두 용융로에서 용융하여 분진의 발생을 억제하여 후단 보일러에서 클링커가 형성되어 보일러의 파울링을 일으켜 효율을 떨어뜨리는 것을 방지하고 보일러의 보수주기를 연장하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 연료 투입구로부터 연료를 유입하고, 하부에 결합된 예열 공기 투입구로부터 예열 공기를 유입하여 상기 연료를 미분화 시키는 미분화로, 상기 미분화로와 격벽으로 구분되고, 상기 격벽 상부에 연결된 통로를 통하여 상기 미분화된 연료를 유입하여 1차 가스화 하는 제1 가스화로, 상기 제1 가스화로의 하단부에 수직접선 방향으로 연결되고, 상기 제1 가스화로로부터 유입된 상기 1차 가스화된 연료를 플라즈마 토치를 이용하여 용융하는 용융로 및 상기 제1 가스화로와 격벽으로 구분되어 상기 용융로의 상부에 수직접선 방향으로 연결되고, 상기 용융로로부터 유입된 상기 용융된 연료의 잔여 미연분을 가스화하여 배출구로 배출하는 제2 가스화로를 포함하는 가스화 용융로 시스템을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따르면 석탄을 미리 미분화하여 투입하지 않더라도 가스화 용융로 시스템의 가스화 반응 속도를 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면 가스화 용융로 시스템의 용융로 내로 유입되는 회분을 효율적으로 용융 처리할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면 가스화 용융로 후단에 별도의 탈황 시설이 필요없는 가스화로가 디자인될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면 로를 미분화로, 제1가스화로, 용융로, 제2가스화로의 구역으로 나누어 가스화와 용융에 필요한 열을 열교환을 통하여 효과적으로 사용함으로써 에너지를 절약할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템의 구성을 도시한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템을 이용하여 연료를 가스화 시키는 과정의 예를 도시한 도면이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템의 구성을 도시한 단면도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템의 각각의 로들은 하우징(housing) 형식의 원통, 직육면체 구조 등의 다양한 형태를 할 수 있으며, 도 1은 전술한 바와 같이 하우징의 절단면을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템은 크게, 미분화로(110), 제1 가스화로(120), 용융로(130) 및 제2 가스화로(140)의 4개의 영역으로 구조화 되어 연료 투입구(111)로부터 유입되는 저질탄 등의 연료를 효율적으로 가스화 할 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템의 미분화로(110)는 연료 투입구(111)로부터 유입되는 저질탄을 예열 공기 투입구(112)로부터 유입되는 예열 공기를 통하여 미분화하여 제1 가스화로(120)로 전달한다.

본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템의 제1 가스화로(120)는 미분화된 연료를 1차적으로 부분 산화하여 용융로(130)로 전달하면, 용융로(130)는 플라즈마 토치(131)를 이용하여 가스온도를 승온하여 가스화 반응속도를 증가시키는 동시에 회분을 용융시킨다.

최종적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템의 제2 가스화로(140)는 잔여 미연분을 가스화하여 배출 한다.

전술한 내용을 기초로 하여, 본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템을 이용한 연료 가스화 방법을 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 아래에서 상세히 설명하도록 한다.

또한, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 상기 연료를 석탄으로 가정하여 설명하도록 한다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템을 이용하여 연료를 가스화 시키는 과정의 예를 도시한 도면이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템의 미분화로(210)는 연료 투입구(211)로부터 연료를 유입하고, 하부에 결합된 예열 공기 투입구(212)로부터 예열 공기를 유입하여 석탄을 유동시키면서 부분산화 반응 및 기계적 마찰에 의하여 연료를 미분화 시킨다.

본 발명의 일측에 따른 미분화로(110)는 하부로부터 예열 공기를 투입하여 상기 연료를 부분 산화시키고, 상기 부분 산화된 연료를 유속에 의하여 상부로 이송시켜 상기 제1 가스화로로 이송시킨다.

본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템의 미분화로(210)는 석탄 등의 입자의 크기가 큰 저질탄을 연료 투입구(211)로부터 유입하나, 예열 공기 투입구(212)로부터 예열 공기가 하우징 하부로부터 투입됨에 따라, 유입된 저질탄 등의 연료를 미분화시켜 입자의 크기가 작아진 연료가 상부로 떠오르게 되고, 일정한 크기 이상의 연료는 미분화로를 빠져나가게 된다.

본 발명의 일측에 따르면 입자가 큰 연료는 지속적으로 체류하면서 산화반응을 지속하며 결국에는 일정크기 이하가 된다. 만일 이러한 과정에서 서로 뭉쳐서 알갱이의 크기가 커지게 되는 경우에는 미분화로의 바닥에 완전히 가라앉게 되는데 이러한 회분은 하부에 설치된 이송장치를 통하여 용융로로 직접 이송되어 용융된다.

본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템의 미분화로(210)는 예열 공기를 하우징 하부로부터 유입함에 따라 입자가 큰 연료를 미분화하고, 미분화된 연료는 하우징 상부로 떠올라 제1 가스화로(220)와 연결된 통로를 통하여 제1 가스화로(220)로 미분화된 연료를 전달한다.

예를 들어, 본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템의 미분화로(210)는 100um 이하로 미분화된 연료 만 예열 공기에 의하여 제1 가스화로(220)로 전달되도록 설계함으로써, 마치 미분탄을 입사하는 것과 동일한 효과를 낼 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템의 미분화로(210)는 내부 온도를 섭씨 850도 이하로 유지하여 클링커 등의 알칼리 성분 물질이 기화하지 않고, 화염 소실이 안 일어나도록 하는 것이 바람직하다.

도 2b에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템의 제1 가스화로(220)는 미분화로(210)와 격벽으로 구분되고, 상기 격벽 상부에 연결된 통로를 통하여 상기 미분화된 연료를 유입하여 1차 가스화 시킨다.

예를 들어, 본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템의 제1 가스화로(220)는 미분화로(210)로부터 전달되는 미분화된 연료를 공기를 주입하여 섭씨 1200도정도를 유지하면서 가스화 시킨다.

본 발명의 일측에 따른 제1 가스화로(220)는 공기 유입을 통하여 산화 반응을 일으키고, 그에 따른 발열량을 이용하여 가스화로의 내부 온도를 상승시킬 수 있다.

본 발명의 일측에 따르면 제1 가스화로(220)는 미분화로(210)부터 유입되는 연료의 미세 입자를 부분 산화시키고, 내부 열을 용융점 직전 온도로 상승시켜 상기 용융로에 전달한다.

본 발명의 일측에 따른 제1 가스화로(220)의 내부 온도는 하부에 결합된 용융로(230)의 열과 격벽으로 구분되는 제2 가스화로(240)와 열교환함에 의하여 효과적으로 유지할 수 있다.

본 발명의 일측에 따른 제1 가스화로(220)는 제2 가스화로(240)와 상기 격벽으로 분리되어 서로 열을 전달하는 구조로서, 에너지 절감 차원에서 매우 열효율이 높다고 할 수 있으며, 상기 격벽에 하나 이상의 구멍을 형성하여 열전달 효율을 증대시킬 수도 있다.

상기와 같이, 1차적으로 가스화된 연료는 제1 가스화로(220)에서 용융로(230)로 전달되어 플라즈마 토치에 의하여 직접적으로 가스화 및 용융된다.

도 2c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템의 용융로(230)은 제1 가스화로(220)의 하단부에 수직접선 방향으로 연결되고, 제1 가스화로(220)로부터 유입된 상기 1차 가스화된 연료를 플라즈마 토치를 이용하여 용융한다.

이때, 본 발명의 일측에 따른 용융로(230)에서는 석탄에 포함되어 있는 알칼리성분이나 혹은 투입된 일정량의 석회석이 석탄에 함유된 황과 반응하여(CaO + H2S -> CaS) 탈황이 이루어지고 반응산물은 슬래그와 함께 배출된다.

본 발명의 일측에 따른 용융로(230)는 플라즈마 토치를 이용하여 온도 및 회전 유속을 상승시켜 상기 제1 가스화로로부터 유입되는 회분을 용융시킬 수 있다.

본 발명의 일측에 따른 제1 가스화로(220)는 용융로(230)의 입구와 수직접선 방향으로 연결되어 있기 때문에 1차 가스화된 연료는 용융로(230)로 유입되면서 회전하게 되며, 용융로(230)에 장착된 플라즈마 토치가 회전 방향으로 설치되어 있어 가스화된 연료는 더욱 크게 회전하게 된다.

예를 들어, 도 2c에 도시된 바와 같이 본 발명의 일측에 따른 용융로(230)는 용융로(230)의 접선의 대각선 방향으로 설치된 상기 플라즈마 토치로부터 고속으로 분사되는 제트를 통하여 사이클론을 일으킴으로써, 비산 먼지가 유출되는 것을 억제할 수도 있다.

예를 들어, 본 발명의 일측에 따른 용융로(230)는 플라즈마 토치의 제트 분사열을 통하여 약 섭씨 1500도의 고온의 열을 유지하여 제1 가스화로(220)로부터 유입되는 연료를 최대한 용융, 가스화시킨 후, 제2 가스화로 전달한다.

도 2d에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 가스화 용융로 시스템의 제2 가스화로(240)는 제1 가스화로(220)와 격벽으로 구분되어 용융로(230)의 상부에 수직접선 방향으로 연결되고, 용융로(230)로부터 유입된 상기 용융된 연료의 잔여 미연분을 가스화하여 배출구로 배출한다.

본 발명의 일측에 따른 제2 가스화로(240)는 잔여 미연분을 완전 가스화 하여 배출구(250)로 배출하며, 엔탈피를 용융로(230) 입력단에 전달하여 에너지를 절약할 수 있다.

본 발명의 일측에 따른 제2 가스화로(240)는 배출되는 배출 가스가 가능한 섭씨 950도 이상을 유지하도록 함으로써, 클링커 등의 알칼리 물질 형성을 억제하는 것이 바람직하며, 석탄에 함유된 황의 함량에 따라 필요할 경우 석회석이나 알칼리를 추가로 투입하여 황을 흡착함으로써, 황의 유출을 최대한 억제할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일측에 따르면 제1 가스화로(220) 및 제2 가스화로(240)는, 서로 격벽을 통하여 열을 교환하여 각각 내부 온도를 상승시킴으로써, 에너지를 절약 할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일측에 따른 제1 가스화로(220)와 제2 가스화로(240)의 격벽의 두께는 가능한 얇게 하면 좋으나 불가능할 경우 접촉 벽의 면적을 가능한 넓게 하던지 작은 구멍들을 적절히 배치하여 유체역학적으로 가스 교환은 최소화하면서 복사열에 의한 열전달이 극대화 될 수 있도록 설계하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일측에 따른 용융로(230)는 제1 가스화로(220)로부터 유입되는 석탄 알갱이들을 플라즈마 토치를 이용하여 온도 및 회전 유속을 상승시킴으로써, 가스화 반응이 급격이 일어나게 할 수 있다.

즉, 본 발명의 일측에 따른 용융로(230)는 상기 플라즈마 토치를 이용하여 온도 및 회전 유속을 상승시켜 제1 가스화로(220)로부터 유입되는 연료를 용융시킬 수 있다.

본 발명의 일측에 따른 용융로(230)는 상기 용융되는 연료 내에 포함된 회분을 용융시킬 수 있다.

본 발명의 일측에 따른 용융로(230)는 제1 가스화로(220)로부터 용융로(230) 단면의 일부 영역으로 가스를 유입하여, 상기 유입된 가스가 용융로(230) 내에서 회전 운동한다.

본 발명의 일측에 따른 용융로(230)는 제1 가스화로(220)로부터 용융로(230) 단면의 반쪽으로만 가스가 유입되도록 하여 유입된 가스가 용융로(230)에서 회전 운동을 하도록 하고, 플라즈마 제트를 가스가 회전하는 방향으로 분사하여 용융로(230) 전체의 영역에서 활발한 회전 운동이 일어나게 함으로써, 석탄 알갱이의 가스화 및 회분의 용융이 원활하게 진행되도록 할 수 있다.

본 발명의 일측에 따른 제2 가스화로(240)는 용융로(230)로부터 유입되는 연료를 수성 가스 전환 반응 및 이산화탄소 전환반응(Boudouard reaction)을 통하여 가스화시킨다.

본 발명의 일측에 따른 제2 가스화로(240)는 용융로(230)를 빠져나온 석탄 알갱이들이 완전히 가스화 될 수 있도록 체류 시간을 부여하는 동시에 제1 가스화로(220)에 열교환에 의하여 열량을 공급할 수 있다.

본 발명의 일측에 따르면 미분화로(210)는 상기 연료의 황 함량에 비례하는 석회석을 투입하여 상기 연료를 황화수소 반응시키고, 제2 가스화로(240)는 상기 석회석 또는 알칼리 성분 물질을 투입하여 상기 황화수소화된 연료를 탈황시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

110: 미분화로
111: 연료 투입구
112: 예열 공기 투입구
120: 제1 가스화로
130: 용융로
131: 플라즈마 토치
140: 제2 가스화로

Claims (13)

1. 연료 투입구로부터 연료를 유입하고, 하부에 결합된 예열 공기 투입구로부터 예열 공기를 유입하여 상기 연료를 미분화 시키는 미분화로;
   상기 미분화로와 격벽으로 구분되고, 상기 격벽 상부에 연결된 통로를 통하여 상기 미분화된 연료를 유입하여 1차 가스화 하는 제1 가스화로;
   상기 제1 가스화로의 하단부에 수직접선 방향으로 연결되고, 상기 제1 가스화로로부터 유입된 상기 1차 가스화된 연료를 플라즈마 토치를 이용하여 용융하는 용융로; 및
   상기 제1 가스화로와 격벽으로 구분되어 상기 용융로의 상부에 수직접선 방향으로 연결되고, 상기 용융로로부터 유입된 상기 용융된 연료의 잔여 미연분을 가스화하여 배출구로 배출하는 제2 가스화로
   를 포함하는 가스화 용융로 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 미분화로는,
   하부로부터 예열 공기를 투입하여 상기 연료를 부분 산화시키고, 상기 부분 산화된 연료를 유속에 의하여 상부로 이송시켜 상기 제1 가스화로로 이송하는 가스화 용융로 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 미분화로는,
   상기 연료 중 바닥에 침전되는 연료를 상기 용융로로 직접 이송시키는 가스화 용융로 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제 1 가스화로는,
   상기 미분화로로부터 유입되는 연료의 미세 입자를 부분 산화시키고, 내부 열을 용융점 직전 온도로 상승시켜 상기 용융로에 전달하는 가스화 용융로 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 가스화로는,
   상기 제2 가스화로와 격벽으로 분리된 가스화 용융로 시스템
6. 제5항에 있어서,
   상기 제2 가스화로는,
   상기 제1 가스화로와 상기 격벽을 통하여 서로 열을 교환하는 가스화 용융로 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 가스화로 및 상기 제2 가스화로는,
   상기 격벽에 하나 이상의 구멍을 형성하는 가스화 용융로 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 용융로는,
   플라즈마 토치를 이용하여 온도 및 회전 유속을 상승시켜 상기 제1 가스화로로부터 유입되는 연료를 용융시키는 가스화 용융로 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 용융로는,
   상기 용융되는 연료 내에 포함된 회분을 용융시키는 가스화 용융로 시스템.
10. 제1항에 있어서,
    상기 용융로는,
    상기 제1 가스화로로부터 용융로 단면의 일부 영역으로 가스를 유입하여, 상기 유입된 가스가 상기 용융로 내에서 회전 운동하는 가스화 용융로 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 용융로는,
    상기 가스가 회전하는 방향으로 플라즈마 제트를 분사하는 가스화 용융로 시스템.
12. 제1항에 있어서,
    상기 제2가스화로는,
    상기 용융로로부터 유입되는 연료를 수성 가스 전환 반응 및 이산화탄소 전환반응(Boudouard reaction)을 통하여 가스화되도록 상기 연료의 체류 시간을 부여하고, 상기 제1 가스화로와 열교환에 의하여 열량을 공급하는 가스화 용융로 시스템.
13. 제1항에 있어서,
    상기 미분화로는 상기 연료의 황 함량에 비례하는 석회석을 투입하여 상기 연료를 황화수소와 반응시키고,
    상기 제2 가스화로는 상기 석회석 또는 알칼리 성분 물질을 투입하여 상기 잔여 황화수소와 반응시켜 탈황하는 가스화 용융로 시스템.

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