KR101272166B1 - Combustion-gasification of coal using supercritical water and method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초임계수를 이용한 석탄의 연소-가스화 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 고함수 저등급석탄을 초임계수 환경에서 연소 및 가스화하고, 이로부터 열과 수소, 메탄, 일산화탄소를 포함하는 가연성가스를 생산하는 것이다. 특히 고함수의 저등급 석탄을 활용함에 있어서 건조공정없이 사용 가능하고, 산소분리장치가 없어도 가스화가 가능하도록 하는 등 상대적으로 낮은 온도에서 열과 가연성가스를 생산하는 저비용 고효율의 석탄 연소-가스화 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for combustion-gasification of coal using supercritical water, and more particularly to combusting and gasifying high-function low grade coal in a supercritical water environment, from which it is combustible including heat, hydrogen, methane and carbon monoxide. To produce gas. In particular, low cost and high efficiency coal combustion-gasification apparatus and method for producing heat and combustible gas at relatively low temperature, such as use of high-grade low grade coal without gas drying process and gasification without oxygen separator It is about.
Description
본 발명은 초임계수를 이용한 석탄의 연소-가스화 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 고함수 저등급석탄을 초임계수 환경에서 연소 및 가스화하고, 이로부터 열과 수소, 메탄, 일산화탄소를 포함하는 가연성가스를 생산하는 것이다. 특히 고함수의 저등급 석탄을 활용함에 있어서 건조공정없이 사용 가능하고, 산소분리장치가 없어도 가스화가 가능하도록 하는 등 상대적으로 낮은 온도에서 열과 가연성가스를 생산하는 저비용 고효율의 석탄 연소-가스화 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a combustion-gasification apparatus and method of coal using supercritical water, and more particularly, to burn and gasify high-function low-grade coal in a supercritical water environment, from which heat and hydrogen, methane and carbon monoxide are included. It is to produce flammable gas. In particular, low-cost and high-efficiency coal combustion-gasifier that produces heat and combustible gases at relatively low temperatures, such as use of high-grade low grade coal, can be used without a drying process, and can be gasified without an oxygen separator. It is about a method.
중국과 인도 등 개발 도상국가들의 성장 드라이브 정책으로 에너지 사용량이 증가하면서 발열량 6,000kca/kg 이상의 고등급 석탄 가채 매장량 감소하고 있다. 따라서 최근 동향은 가채매장량이 전세계 석탄 매장량의 절반 이상을 차지할 정도로 풍부한 저등급 석탄의 이용기술 개발에 초점이 맞추어져 있다. As energy consumption increases due to the growth drive policies of developing countries such as China and India, high-grade coal reserves of more than 6,000kca / kg are decreasing. The recent trend is therefore focused on the development of low-grade coal exploitation technology, with abundant reserves accounting for more than half of the world's coal reserves.
상기 저등급 석탄은 기존의 공정기술에 투입하여 활용할 수 있는데, 이를 위해서는 건조 등의 공정을 거쳐 함수율을 낮춰야 함으로 많은량의 에너지 및 비용이 소모된다. 특히 순산소를 사용하는 가스화 기술의 경우 산소분리장치를 사용하는데, 전체 공정비용에서 순산소 장치는 20% 정도로 높은 비용을 고려하여야만 한다. The low grade coal can be used in the existing process technology, which requires a low water content through a drying process, such that a large amount of energy and cost are consumed. In particular, in the case of gasification technology using pure oxygen, an oxygen separation device is used. In the overall process cost, the oxygen device should be considered as high as 20%.
즉, 청정 석탄 활용 기술로 분류층 석탄가스화 기술이 각광을 받고 있고 상업적으로 널리 사용되고 있는데, 분류층 가스화 기술의 경우 석탄의 자체 열량으로 1400℃의 반응 온도를 유지해야 한다. 이러한 기술에 고함수 저등급 석탄을 적용하면 건조에 소모되는 에너지량이 커지는 단점이 있어 직접 활용하기 어렵다. 또한, 순산소 제조를 위한 산소분리장치는 비용이 매우 높고 후처리 공정이 복잡하다. 고함수 석탄을 기존의 분류층 가스화에서 활용하는 경우 건식이용, 발열량 등의 문제로 인하여 건조공정을 거쳐야 한다는 문제점을 갖고 있다.In other words, the classification bed coal gasification technology has been spotlighted as a clean coal utilization technology and is widely used commercially. In the case of the classification bed gasification technology, a reaction temperature of 1400 ° C. must be maintained by the heat of coal itself. The application of high-function low grade coal to these technologies has the disadvantage of increasing the amount of energy consumed for drying, making it difficult to utilize them directly. In addition, the oxygen separation device for the production of pure oxygen is very expensive and the post-treatment process is complicated. In the case of utilizing the high-function coal in the existing fractionation bed gasification has a problem that the drying process due to problems such as dry use, calorific value.
이에 본 출원인은 상기 고함수 저등급 석탄을 활용하기 위한 새로운 방안에 대해 연구하였으며, 그 일예가 초임계조건에 의한 연소 또는 가스화이다. Therefore, the present applicant has studied a new method for utilizing the high-function low grade coal, an example of which is combustion or gasification under supercritical conditions.
상기 초임계에 대해 설명하면 순수한 물질은 온도와 압력의 변화에 대해 고체, 액체, 기체(또는 증기)의 특성을 나타낸다. 열역학적 상평형을 이루고 있는 액체와 증기의 온도와 압력을 올려주면 열팽창에 의하여 액체의 밀도는 감소하고 기체는 압력이 상승함에 따라 밀도가 높아진다. 온도와 압력을 상승시키면 액체와 증기의 두 상의 밀도는 같아지고 액체와 증기 사이의 구분이 없어지는 지점이 나타나는데 이 점을 임계점(Critical point)이라고 한다. 초임계 상태(Supercritical state)란 임계점 이상의 온도와 압력의 상태를 말하고, 초임계 유체(Supercritical fluid, SCF)란 초임계 상태의 유체를 말한다. 초임계 유체는 액체에 비해서 점도가 낮고, 기체에 비해서는 밀도가 매우 커서 액체와 기체의 특성을 모두 가지고 있고, 특히 어떤 물질의 용해도(solubility)와 혼합도(miscibility)가 액체나 기체에 비해 매우 다른 특성을 보이기 때문에 새로운 청정 기술의 요소 기술로 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 독특한 용해도 특성을 갖는 초임계 이산화탄소를 이용하는 추출 기술(Supercritical extraction, SFE)과 강력한 혼합도 및 산화력을 갖는 초임계수를 이용하는 기술(SCWO)이 산업적으로 점차 이용이 증대되고 있으며, 고분자 가공, 고분자 합성, 미립자 제조 기술등과 같은 소재 관련 신기술 개발 연구가 미국을 중심으로 다양하게 연구되고 있다.In describing the supercritical, pure materials exhibit the properties of solids, liquids, gases (or vapors) with changes in temperature and pressure. When the temperature and pressure of the thermodynamic phase equilibrium are raised, the density of the liquid decreases due to thermal expansion, and the gas increases in density as the pressure increases. Increasing the temperature and pressure creates a point at which the two phases of the liquid and vapor are equal and there is no separation between the liquid and the vapor. This is called the critical point. Supercritical state refers to a state of temperature and pressure above a critical point, and supercritical fluid (SCF) refers to a fluid in a supercritical state. Supercritical fluids have a lower viscosity than liquids and have a higher density than gas, so they have both liquid and gas properties, and especially solubility and miscibility of certain substances Because of the different characteristics, much research is being conducted on the element technology of the new clean technology. In particular, the use of supercritical extraction (SFE) using supercritical carbon dioxide with unique solubility characteristics and the use of supercritical water (SCWO) with strong mixing and oxidizing power are increasingly being used industrially. Research on the development of new technologies related to materials, such as synthesis and fine particle manufacturing technology, is being conducted in various ways, mainly in the United States.
아울러 가스화란 탄화수소계 물질을 수증기, 산소, 수소, 탄산가스 등의 가스화제와 반응시켜 수소, 일산화탄소 및 메탄과 같은 가연성의 혼합가스 형태로 전환시키는 공정을 말한다. 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스는 연료전지, 가스엔진 및 스팀터빈을 통한 복합발전, 액체연료 생산 및 화학약품 생산 등에 적용될 수 있다. In addition, gasification refers to a process of converting a hydrocarbon-based material into a combustible mixed gas form such as hydrogen, carbon monoxide, and methane by reacting with a gasifying agent such as water vapor, oxygen, hydrogen, and carbon dioxide. Syngas containing hydrogen and carbon monoxide can be applied to combined cycle power generation through fuel cells, gas engines and steam turbines, liquid fuel production and chemical production.
따라서, 상기 에너지 활용성이 높고, 자원 매장량이 풍부한 고함수, 저등급 석탄을 활용하기 위해서는 초임계 조건에 의한 연소 및 가스화에 적용하여 새로운 연소가스화 할 수 있는 방안에 대한 추가적인 연구가 필요한 실정이다.
Therefore, in order to utilize the high-function, low-grade coal with high energy utilization and abundant resource reserves, further research on new combustion gas can be applied to combustion and gasification under supercritical conditions.
이에 본 발명의 초임계수를 이용한 석탄의 연소-가스화 장치 및 방법은,The coal-gasification apparatus and method of the coal using the supercritical water of the present invention,
함수량이 높은 저등급 석탄을 물과 혼합하여 이를 강한 산화력 및 분해력이 높은 이온농도를 갖고 있는 임계온도 374℃, 임계압력 218 atm의 초임계수 조건으로 반응시킴으로써 석탄의 건조공정없이 연소-가스화가 이루어지도록 하고, 분류층 가스화보다 상대적으로 낮은 온도조건에서 이루어지기 때문에 추가적인 열공급없이 저등급 석탄만으로 반응이 이루어지도록 하며, 반응 후 감압에 의해 물과 회재와 합성가스가 혼합된 반응 혼합물로부터 합성가스를 분리함으로 분진이 포함되지 않은 합성가스를 수취하는등 반응공정을 간략화하여 고비용의 시설비를 절감시키고 공정효율을 향상시킬 수 있는 장치 및 방법의 제공을 목적으로 한다.
Low-grade coal with high water content is mixed with water and reacted with supercritical water at a critical temperature of 374 ℃ and critical pressure of 218 atm, which has strong oxidation and decomposable ion concentrations, so that combustion-gasification can be performed without drying the coal. In addition, since the reaction is performed at a lower temperature than the fractionation layer gasification, the reaction is performed using only low grade coal without additional heat supply, and by separating the syngas from the reaction mixture of water, ash and syngas by depressurization after the reaction. It is an object of the present invention to provide a device and a method for simplifying a reaction process such as receiving a synthesis gas containing no dust, thereby reducing expensive facility costs and improving process efficiency.
상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 저등급 석탄을 이용한 연소-가스화 장치는, The combustion-gasification apparatus using the low grade coal of the present invention for solving the above problems,
고함수율을 갖는 저등급 석탄을 이용한 연소-가스화 장치에 있어서, 석탄과 물을 혼합한 혼합물을 펌핑하여 공급관으로 공급하는 펌프와; 지그재그 형태의 곡관으로 일단과 타단은 공급관과 배출관에 연통되어 공급관으로부터 공급된 혼합물은 초임계수 조건에서 연소-가스화반응이 이루어지도록 하고, 반응이 완료된 혼합물은 배출관을 통해 배출하는 관형반응기와; 상기 관형반응기를 내포하고, 관형반응기 유입측 단부의 하부에는 냉각수 유입구가 형성되고, 관형반응기 배출측 단부의 상부에는 배출구가 형성되어 관형반응기의 반응열을 회수하는 열회수자켓과; 상기 배출관에 설치되어 관형반응기 내부의 압력을 조절하는 후압조절밸브와; 상기 후압조절밸브가 설치된 배출관이 일측에 연통된 통체로 배출관을 통해 유입된 반응이 완료된 혼합물에서 회재가 포함된 물은 하부로 포집배출하고, 가스성분은 상부로 포집배출하는 기액분리기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.A combustion-gasification apparatus using low grade coal having a high water content, comprising: a pump for pumping a mixture of coal and water to supply to a supply pipe; A zigzag curved tube, one end and the other end of which are connected to the supply pipe and the discharge pipe so that the mixture supplied from the supply pipe is subjected to the combustion-gasification reaction under supercritical water conditions, and the reaction mixture is discharged through the discharge pipe; A heat recovery jacket containing the tubular reactor, a cooling water inlet formed at a lower end of the tubular reactor inlet side, and a outlet formed at an upper end of the tubular reactor outlet side to recover heat of reaction of the tubular reactor; A post pressure regulating valve installed at the discharge pipe to regulate a pressure inside the tubular reactor; A gas-liquid separator for collecting and discharging the water containing ash to the lower portion and collecting the gas component to the upper portion of the mixture in which the reaction pipe is connected to one side of the discharge pipe installed with the after pressure control valve is completed through the discharge tube; It is characterized in that the configuration.
또한, 상기 연소-가스화 장치를 이용한 연소-가스화하는 방법은,In addition, the combustion-gasification method using the combustion-gasifier,
저등급 석탄과 물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계와; 제조된 혼합물을 펌핑하여 관형반응기로 연속공급하고, 후압조절밸브를 조절하여 관형반응기 내를 초임계수 환경으로 조성하는 단계와; 상기 초임계수 환경에서 혼합물의 연소 및 가스화반응이 이루어지는 연소-가스화단계와; 반응이 완료된 혼합물을 회재가 포함된 물과 가스성분으로 분리하는 기액분리단계와; 상기 분리된 가스성분에서 가연성가스를 수취하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
Mixing the low grade coal and water to produce a mixture; Pumping the prepared mixture into a tubular reactor and supplying the tubular reactor to a supercritical water environment by adjusting a post pressure regulating valve; A combustion-gasification step in which the mixture is combusted and gasified in the supercritical water environment; A gas-liquid separation step of separating the reaction mixture into water and gas components containing ash; And receiving a combustible gas from the separated gas component.
이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 초임계수를 이용한 석탄의 연소-가스화 장치 및 방법은,As described in detail above, the combustion-gasification apparatus and method for coal using the supercritical water of the present invention,
고함수의 저등급석탄을 이용하여 추가적인 산소공급이나 석탄의 건조공정 없이 초임계수조건으로 반응시킴으로써 열에너지를 생산하고 가연성가스인 수소, 일산화탄소, 메탄을 포함하는 합성가스를 생성시킬 수 있다. By using high-grade low grade coal, it can react with supercritical water conditions without additional oxygen supply or coal drying process to produce thermal energy and to produce a synthesis gas containing combustible gases hydrogen, carbon monoxide and methane.
또한, 반응 후 잔존하는 석탄 내 회재는 반응기 후단의 기액분리기를 사용하여 액상의 물과 함께 가라앉게 되어 분진이 없는 합성가스를 쉽게 수취할 수 있어 전체 시스템 장치를 간략화시켜 설비비를 절감시킬 수 있는 효과가 있다. In addition, the ash in the coal remaining after the reaction sinks with the liquid water using the gas-liquid separator at the rear end of the reactor to easily receive dust-free synthetic gas, thereby simplifying the entire system and reducing the equipment cost. There is.
또한 발열반응으로 진행되는 반응기에서의 열을 회수하고, 초임계수 반응 후 배출되는 고온, 고압의 스팀을 이용하여 터빈 구동을 통한 전력생산이 가능하며, 발생되는 가연성 합성가스를 이용하여 화학제품원료를 생산하거나, 가스엔진을 이용한 전력을 생산하는 등 다양한 분야로 적용가능한 유용한 장치 및 방법의 제공이 가능하게 되었다.
In addition, it is possible to recover the heat from the reactor that proceeds by exothermic reaction, and to generate electric power by driving the turbine by using the high temperature and high pressure steam discharged after the supercritical water reaction. It is possible to provide a useful device and method that can be applied to a variety of fields, such as to produce, or to generate power using a gas engine.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고함수율을 갖는 저등급석탄을 이용한 연소-가스화 장치를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 연소-가스화 방법의 블록도.1 is a schematic view showing a combustion-gasification apparatus using low grade coal having a high water content according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of a combustion-gasification method according to the invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고함수율을 갖는 저등급석탄을 이용한 연소-가스화 장치를 도시한 개략도이다. 1 is a schematic diagram showing a combustion-gasification apparatus using low grade coal having a high water content according to an embodiment of the present invention.
참조한 바와같이 본 발명의 연소-가스화장치(10)는, 연료인 석탄과 물의 혼합물을 펌핑하여 공급하는 펌프(20)와, 상기 공급된 혼합물을 초임계수조건에서 연소-가스화반응이 이루어지도록 하는 관형반응기(30)와, 상기 관형반응기를 내포하여 반응열을 회수하는 열회수자켓(40)과, 상기 관형반응기 내부의 압력을 조절하는 후압조절밸브(50)와, 상기 후압조절밸브를 통해 배출되는 혼합물에서 가스성분을 분리하는 기액분리기(60)를 포함하여 구성된다.As described above, the combustion-
상기 펌프(20)는 관형반응기(30) 내의 압력을 초임계수압력까지 상승시킬 수 있는 용량을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 고함수율의 저등급 석탄은 수분함량이 30중량% 이상이며, 발열량으로는 3500~5000 kcal/kg 을 갖는 것을 의미한다. 또한, 석탄과 물의 혼합비로는 고함수율의 저등급석탄 1중량부에 대해 물 8~10 중량부의 비율로 혼합한다. 이와같이 펌프에 의해 연속공급되는 혼합물은 공급관(31)을 통해 관형반응기(30)로 공급된다.The
상기 혼합물이 공급되는 관형반응기(30)는 지그재그의 곡관형태를 갖는다. 상기 관형반응기의 일단은 상술된 공급관(31)과 연통되어 혼합물을 공급받고, 타단은 배출관(32)과 연통되어 반응이 완료된 혼합물을 배출시킨다. 상기 관형반응기는 도시된 관체 이외에 batch 타입인 반응조로 형성하여 비연속식으로 반응이 이루어지도록 할 수도 있다. 상기 관형반응기는 임계온도 374℃, 임계압력 218 atm 이상의 초임계수 환경을 조성하여 강한 산화력과 분해력을 이용하여 혼합물을 산화반응이 이루어지도록 하고 분해에 의한 가스화가 이루어지도록 한다. The
상기 배출관(32)에는 후압조절밸브(50)가 장착된다. 상기 후압조절밸브는 관형반응기 내부의 압력을 초임계수 압력으로 상승시키기 위한 것으로, 관형반응기의 전단부에는 펌프가 고압으로 혼합물을 공급하고, 후단부인 후압조절밸브는 초임계수 압력이 될 때까지 밸브를 차단시키도록 한 것이다. 따라서, 상기 후압조절밸브 전단에는 압력계가 더 설치되어 압력에 따라 후압조절밸브의 개폐정도가 조절되도록 할 수 있다. 즉, 초임계수 압력 이상일 경우에는 후압조절밸브를 일부 개방하여 압력을 일정하게 유지되도록 할 수 있다. 또한, 압력계 이외에 온도계도 더 설치하여 관형반응기 내의 온도도 조절되도록 할 수 있다. The
아울러 상기 열회수자켓(40)은 상기 관형반응기(30)를 내포하고, 관형반응기 유입측 단부의 하부에는 냉각수 유입구(41)가 형성되고, 관형반응기 배출측 단부의 상부에는 배출구(42)가 형성되어 냉각수 또는 열교환수를 열회수자켓의 하부로 공급하여 열회수자켓의 상부에로 배출시키면서 관형반응기의 산화반응에 의해 발생된 열을 회수하여 난방수로 사용하거나, 스팀을 생성시키게 하여 발전에 의한 전기생산이 이루어지도록 할 수 있다. In addition, the
또한, 상기 기액분리기(60)는 배출관(32)을 통해 배출되는 반응이 완료된 혼합물로부터 가스성분을 분리하는 장치이다. 즉, 반응이 완료된 회재등의 미분이 포함된 혼합물은 기액분리기로 유입되어 낙하하면서 하부로 포집되어 배출이 이루어지도록 하고, 가스성분은 기액분리기의 내부공간 상부에 포집되어 배출이 이루어진다. 상기 기액분리기에서 배출되는 가스성분으로는 가연성가스인 H2, CO, CH4 등이 있다. 이외에 CO2와 같은 연소가스도 함께 배출됨으로 기액분리기에서 배출되는 가스성분은 추가적인 후단공정 예컨대 필터를 통과시키고 여과하는 단계를 통하여 가연성가스 또는 특정성분을 수취하도록 할 수 있다.
In addition, the gas-
상기 본 발명의 실시예에 따른 장치를 이용한 저등급석탄을 연소-가스화하는 방법은,The combustion-gasification method of low grade coal using the apparatus according to the embodiment of the present invention,
도 2를 참조한 바와같이 혼합물을 제조하는 단계가 선행된다. 상기 혼합물은 저등급석탄과 물을 혼합하는 단계이다. 상기 혼합비율로는 석탄 1중량부에 대해 물 8~10중량부로 혼합될 수 있다. 상기 물은 8중량부 이하로 혼합될 경우 이송시 석탄이 유로를 막는 현상이 발생될 수 있고, 10중량부 이상으로 혼합할 경우에는 연소가 잘 이루어지지 않으므로, 상기 범위내로 혼합하는 것이 바람직하다. 이러한 혼합은 별도의 교반조에 석탄과 물을 투입하여 교반이 이루어지도록 하거나, 펌프에 상기 비율로 각각 투입하여 펌핑하는 과정에서 교반이 이루어지도록 하는 방법이 적용될 수 있다. The preparation of the mixture is preceded by reference to FIG. 2. The mixture is a step of mixing low grade coal and water. The mixing ratio may be mixed with 8 to 10 parts by weight of water based on 1 part by weight of coal. When the water is mixed at 8 parts by weight or less, coal may block the flow path during transportation, and when mixed at 10 parts by weight or more, combustion may not be performed well, and it is preferable to mix within the above range. Such mixing may be applied by adding coal and water to a separate stirring tank so that the stirring is performed, or by mixing each of the pumps at the above ratios in the pumping process so that stirring is performed.
다음으로는 관형반응기 내부를 초임계수 환경으로 조성하는 단계가 수행된다. 본 단계는 후압조절밸브를 차단한 상태에서 혼합물을 고압으로 펌핑하여 관형반응기로 연속공급함으로써 관형반응기 내부의 압력을 초임계수 압력으로 상승시키게 하는 단계이다. 상기 관형반응기 내부 압력이 초임계수 압력 이상이되면 초임계수 임계압력 이하로 떨어지지 않는 범위내에서 후압조절밸브의 개방정도를 조절하여 관형반응기 내부의 혼합물 배출이 이루어지도록 한다. Next, a step of forming the inside of the tubular reactor into the supercritical water environment is performed. This step is to increase the pressure in the tubular reactor to the supercritical pressure by continuously supplying the mixture to the tubular reactor by pumping the mixture at a high pressure in a state in which the after pressure control valve is shut off. When the pressure inside the tubular reactor is greater than or equal to the supercritical water pressure, the mixture of the inside of the tubular reactor is discharged by adjusting the opening degree of the after pressure control valve within a range not falling below the supercritical water critical pressure.
상기 초임계수 환경이 조정된 관형반응기에는 연소-가스화단계가 이루어진다. 본 단계는 전단계에서 형성된 초임계수 조건에 의해 물과 석탄이 분해되면서 산소와 가연성가스가 생성되고, 강력한 산화반응에 의해 석탄의 연소가 이루어져 열을 발산하게 되는 단계이다. 상기 혼합물의 연소-가스화반응은 50~80분 동안 이루어지도록 함으로써 석탄성분의 연소-가스화가 완전하게 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. The tubular reactor in which the supercritical water environment is adjusted is subjected to a combustion-gasification step. This step is a stage in which water and coal are decomposed by supercritical water conditions formed in the previous step, oxygen and flammable gas are generated, and coal is burned by a strong oxidation reaction to dissipate heat. The combustion-gasification reaction of the mixture is preferably carried out for 50 to 80 minutes so that the combustion-gasification of the coal component is completed completely.
상기 연소-가스화반응이 이루어진 혼합물은 액상성분과 가스성분을 분리하는 기액분리단계가 수행된다. 본 단계는 후압조절밸브를 통과한 혼합물 및 기체성분이 기액분리기로 투입되면서 기액분리기 내부에서 중량에 의해 반응이 완료된 회재성분이 포함된 물은 하부로 낙하하고, 가연성가스 및 연소가스인 기체성분은 상부로 배출되도록 하여 비교적 간단한 방법에 의해 기액분리가 이루어지도록 하는 단계이다. In the mixture in which the combustion-gasification reaction is performed, a gas-liquid separation step of separating the liquid component and gas component is performed. In this step, the mixture and the gaseous components passed through the after pressure control valve are introduced into the gas-liquid separator, and the water containing the ash component which has been completed by the weight inside the gas-liquid separator falls to the bottom, and the gaseous components, which are combustible gas and combustion gas, It is to be discharged to the top to the gas-liquid separation by a relatively simple method.
상기 분리된 가스성분에서 가연성가스를 수취하는 단계가 더 이루어진다. 상기 가연성가스는 연소가스등과 혼합되어 있으므로, 촉매를 이용한 필터링 또는 분리막등을 이용하여 특정성분을 분리하여 수취하는 단계이다. Receiving the combustible gas from the separated gas component is further made. Since the combustible gas is mixed with the combustion gas and the like, it is a step of separating and receiving a specific component using a filtering or separation membrane using a catalyst.
아울러 연소-가스화 방법에는 반응열회수단계가 더 이루어질 수 있다. 상기 단계는 관형반응기를 내포하는 열회수자켓에 냉각수를 연속공급하게 함으로써 관형반응기의 산화반응에 의해 방출되는 열을 회수하는 단계이다. 상기 열회수단계에서 회수된 열은 물을 데우는데 사용하거나, 스팀생성열원으로 활용하여 발전에 이용되게 할 수 있다. 또한, 상기 열회수자켓 내에서 직접 스팀이 생성되도록 하여 생성된 스팀으로 직접 터빈을 구동시켜 전기생산이 이루어지도록 할 수 있다.
In addition, a reaction heat recovery step may be further performed in the combustion-gasification method. The step is to recover the heat released by the oxidation reaction of the tubular reactor by continuously supplying the cooling water to the heat recovery jacket containing the tubular reactor. The heat recovered in the heat recovery step may be used to warm water, or may be used for power generation by utilizing steam generating heat source. In addition, the steam can be generated directly in the heat recovery jacket to drive the turbine directly to the generated steam can be made to produce electricity.
이상 상기 서술된 예는 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
The above-described examples are merely examples for easily explaining the content and scope of the technical idea of the present invention, and thus the technical scope of the present invention is not limited or changed. In addition, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and changes can be made within the scope of the present invention based on these examples.
이하 실시예를 통해 본 발명을 설명한다.The present invention will be described through the following examples.
실시예 1Example 1
도 1에 도시된 본 발명에 따른 초임계수를 이용한 석탄 연소 및 가스화 장치를 이용하여 고함수, 저등급 석탄의 연소, 가스화 실험을 하였다. Coal combustion and gasification of the high-function, low-grade coal using the supercritical water according to the present invention shown in FIG.
본 실시예에 사용된 고함수, 저등급 석탄으로 인도네시아에서 채굴된 석탄을 사용하였으며, 연료특성 분석 결과를 표1에 나타내었다. 수분 함량이 33.99중량%로 매우 높으며, 이러한 높은 함수율로 인하여 4,200 kcal/kg 정도의 낮은 열량을 갖고 있다. Coal mined in Indonesia was used as the high-function, low-grade coal used in this example, and the results of the fuel characteristic analysis are shown in Table 1. The moisture content is very high, 33.99% by weight, and because of this high moisture content, it has a low calorific value of about 4,200 kcal / kg.
발열량
(kcal/kg)eminence
Calorific value
(kcal / kg)
(M)moisture
(M)
(VM)Volatility
(VM)
(Ash)Ash
(Ash)
탄소
(FC)fixing
carbon
(FC)
(C)carbon
(C)
(H)Hydrogen
(H)
(N)nitrogen
(N)
(O)Oxygen
(O)
(S)Sulfur powder
(S)
도 1에 도시된 장치에 물의 증기압 데이터를 이용하여 원하는 압력과 온도가 되도록 물과 석탄을 공급하였다. 이때 관형반응기 내로 공급되는 물과 석탄의 양은 질량비로 9:1이 되도록 하였다. 관형반응기 내부의 온도를 상승시켜 초임계수 반응 온도와 압력조건으로 도달시켰으며, 동일한 온도, 압력 조건을 유지시키면서 1시간동안 내부에서 반응이 이루어지게 한 후 배출되게 하였다. 이때 배출되는 물질 중 가스의 정량, 정성 분석은 GC를 이용하여 분석하였다. Water and coal were supplied to the apparatus shown in FIG. 1 to the desired pressure and temperature using the vapor pressure data of the water. At this time, the amount of water and coal supplied into the tubular reactor was 9: 1 by mass ratio. The temperature inside the tubular reactor was raised to reach the supercritical water reaction temperature and pressure conditions, and the reaction was carried out for 1 hour while maintaining the same temperature and pressure conditions. At this time, the quantitative and qualitative analysis of the gas in the discharged material was analyzed using GC.
반응 온도와 압력 조건에 따른 초임계수를 이용한 석탄의 연소, 가스화 결과를 표2에 나타내었다. The results of combustion and gasification of coal using supercritical water according to reaction temperature and pressure conditions are shown in Table 2.
표2를 참조한 바와같이 동일한 초임계수 상태에서 고함수 저등급 석탄을 처리하는 경우 발열반응의 석탄 연소로 인한 이산화탄소의 생성 뿐 아니라 수소, 일산화탄소, 메탄 및 C2 이상의 가연성 기체가 생성되었음을 알 수 있다. As shown in Table 2, when treating high-function low grade coal in the same supercritical water state, it can be seen that not only the generation of carbon dioxide due to the coal combustion of the exothermic reaction, but also the combustible gases of hydrogen, carbon monoxide, methane and C2 or more were generated.
기존에 널리 사용되는 분류층 가스화 기술의 경우 1400℃의 온도에서 반응이 이루어지기 때문에 고분자 형태의 탄화수소 석탄이 단분자로 분해되어 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소만이 생성가스로 배출된다. 반면 초임계수를 이용한 석탄 가스화의 경우 기존 분류층 가스화기술보다 1000℃ 정도 낮은 온도에서 운전되었기에 완전한 단분자 형태가 아닌 메탄을 포함하는 부탄, 에탄 등의 C2 이상의 기체 형태가 많이 생성되었음을 알 수 있었다. 이러한 메탄을 포함하는 C2 이상의 기체의 경우 발열량이 수소, 일산화탄소보다 5배 이상 매우 높기 때문에 가스엔진을 사용하거나 태우는 경우 매우 높은 출력을 얻을 수는 장점을 갖고 있다. In the conventional widely used fractionation layer gasification technology, since the reaction is performed at a temperature of 1400 ° C., hydrocarbon coal in a polymer form is decomposed into monomolecules, and only hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide are discharged into the generated gas. On the other hand, in the case of coal gasification using supercritical water, it was operated at about 1000 ° C lower than the conventional fractionation bed gasification technology. Therefore, it was found that a lot of C2 or more gaseous forms such as butane and ethane, including methane, were produced instead of the complete monomolecular form. In the case of gas containing C2 or more, the calorific value is more than five times higher than that of hydrogen and carbon monoxide. Thus, when a gas engine is used or burned, a very high output is obtained.
표2에서 보면 동일한 온도조건에서 반응 압력이 증가할수록 수소, 일산화탄소, 메탄 및 이산화탄소의 생성량이 증가함을 확인하였으며, 300bar의 동일한 압력조건에서 온도가 증가할수록 수소, 일산화탄소, 메탄, C2 이상의 가연성 기체 생성량은 증가하고, 생성기체 내 이산화탄소의 함량은 감소함을 확인하였다. In Table 2, it was confirmed that the production of hydrogen, carbon monoxide, methane, and carbon dioxide increased as the reaction pressure increased at the same temperature conditions, and the production of flammable gas above hydrogen, carbon monoxide, methane, C2 as the temperature increased under the same pressure conditions of 300 bar. Was increased, and the content of carbon dioxide in the product gas was decreased.
따라서, 석탄으로부터 높은 전환효율을 얻기 위해서는 압력이 높을수록 유리하며, 가연성의 합성가스를 많이 수취하기 위해서는 반응 온도가 높을수록 유리함을 확인할 수 있었다.
Therefore, the higher the pressure is advantageous to obtain a high conversion efficiency from the coal, the higher the reaction temperature in order to receive a lot of flammable synthesis gas was confirmed to be advantageous.
10 : 연소-가스화 장치
20 : 펌프
30 : 관형반응기
31 : 공급관 32 : 배출관
40 : 열회수자켓
41 : 유입구 42 : 배출구
50 : 후압조절밸브
60 : 기액분리기10: combustion-gasifier
20: Pump
30: tubular reactor
31
40: heat recovery jacket
41: inlet 42: outlet
50: after pressure control valve
60: gas-liquid separator
Claims (5)
석탄과 물을 혼합한 혼합물을 펌핑하여 공급관(31)으로 공급하는 펌프(20)와; 일단과 타단은 공급관(31)과 배출관(32)에 연통되어 공급관으로부터 공급된 혼합물은 초임계수 조건에서 연소-가스화반응이 이루어지도록 하고, 반응이 완료된 혼합물은 배출관을 통해 배출하는 관형반응기(30)와; 상기 관형반응기를 내포하고, 관형반응기 유입측 단부의 하부에는 냉각수 유입구(41)가 형성되고, 관형반응기 배출측 단부의 상부에는 배출구(42)가 형성되어 관형반응기의 반응열을 회수하는 열회수자켓(40)과; 상기 배출관에 설치되어 관형반응기 내부의 압력을 조절하는 후압조절밸브(50)와; 상기 후압조절밸브가 설치된 배출관이 일측에 연통된 통체로 배출관을 통해 유입된 반응이 완료된 혼합물에서 회재가 포함된 물은 하부로 포집배출하고, 가스성분은 상부로 포집배출하는 기액분리기(60);를 포함하여 구성되되,
상기 관현반응기(30)는 지그재그 형태의 곡관으로 이루어지고, 내부의 환경이 임계온도 374℃, 임계압력 218 기압으로 조절되고,
상기 펌프를 통해 공급되는 물과 석탄의 혼합비는 질량비로 9:1이 인 것을 특징으로 하는 연소-가스화 장치.In the combustion-gasifier using low grade coal having a high water content,
A pump 20 for pumping a mixture of coal and water to supply to the supply pipe 31; One end and the other end communicate with the supply pipe 31 and the discharge pipe 32 so that the mixture supplied from the supply pipe is subjected to the combustion-gasification reaction under supercritical water conditions, and the reaction mixture is discharged through the discharge pipe 30. Wow; Containing the tubular reactor, the cooling water inlet 41 is formed at the lower end of the tubular reactor inlet side, the outlet 42 is formed in the upper portion of the tubular reactor outlet side end to recover the heat of reaction of the tubular reactor (40) )and; A post pressure regulating valve 50 installed at the discharge pipe to adjust a pressure inside the tubular reactor; A gas-liquid separator (60) for collecting and discharging the water containing ash to the lower portion and collecting the gas component to the upper portion in the mixture in which the reaction pipe is connected to one side of the discharge pipe installed with the after pressure control valve is completed; Consists of including
The tubular reactor 30 is made of a zigzag curved tube, the environment inside is adjusted to a critical temperature of 374 ℃, critical pressure 218 atm,
Combustion-gasifier, characterized in that the mixing ratio of water and coal supplied through the pump is 9: 1 by mass ratio.
저등급 석탄과 물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계와; 제조된 혼합물을 펌핑하여 관형반응기로 연속공급하고, 후압조절밸브를 조절하여 관형반응기 내를 초임계수 환경으로 조성하는 단계와; 상기 초임계수 환경에서 혼합물의 연소 및 가스화반응이 이루어지는 연소-가스화단계와; 반응이 완료된 혼합물을 회재가 포함된 물과 가스성분으로 분리하는 기액분리단계와; 상기 분리된 가스성분에서 가연성가스를 수취하는 단계;를 포함하여 이루어지되,
관형반응기는 지그재그 형태의 곡관으로 이루어고, 내부를 임계온도 374℃, 임계압력 218 기압으로 조절한 상태에서 이루어지고,
상기 석탄과 물의 혼합은 석탄 1중량부에 대해 물 8~10중량부로 혼합되며,
상기 관형반응기를 내포하는 열회수자켓으로 냉각수를 연속공급하여 관형반응기와 열교환하여 반응열을 회수하는 반응열 회수단계를가 더 포함될 뿐만 아니라,
상기 연소-가스화단계는 혼합물이 50~80분 동안 연소 및 가스화 반응이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 고함수율을 갖는 저등급석탄을 연소-가스화하는 방법.
A pump that pumps a mixture of coal and water and supplies it to a supply pipe, and a mixture supplied from the supply pipe includes a tubular reactor which performs combustion-gasification reaction under supercritical water conditions and discharges the discharge pipe, and includes the tubular reactor and supplies cooling water. A heat recovery jacket for recovering the heat of reaction of the tubular reactor, a post pressure regulating valve installed in the discharge pipe to regulate the pressure inside the tubular reactor, and water containing ash from the mixture in which the reaction was completed by communicating with the discharge pipe having the post pressure regulating valve installed therein. In the method for the combustion-gasification of low grade coal having a high water content by a combustion-gasifier comprising a gas-liquid separator separating and discharging a gas component,
Mixing the low grade coal and water to produce a mixture; Pumping the prepared mixture into a tubular reactor and supplying the tubular reactor to a supercritical water environment by adjusting a post pressure regulating valve; A combustion-gasification step in which the mixture is combusted and gasified in the supercritical water environment; A gas-liquid separation step of separating the reaction mixture into water and gas components containing ash; Receiving a combustible gas from the separated gas component;
The tubular reactor consists of a zigzag curved tube, and the inside of the tubular reactor is controlled at a critical temperature of 374 ° C. and a critical pressure of 218 atm.
The coal and water is mixed with 8 to 10 parts by weight of water with respect to 1 part by weight of coal,
In addition to the reaction heat recovery step of recovering the heat of reaction by heat-exchanging with the tubular reactor by continuously supplying the cooling water to the heat recovery jacket containing the tubular reactor,
The combustion-gasification step is a method for the combustion-gasification of low grade coal having a high water content, characterized in that the mixture is subjected to the combustion and gasification reaction for 50 to 80 minutes.
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