KR101396890B1 - 촉진제 투입수단을 갖는 가스화기 및 가스화기의 수냉벽 슬래그 코팅 방법 - Google Patents

촉진제 투입수단을 갖는 가스화기 및 가스화기의 수냉벽 슬래그 코팅 방법 Download PDF

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Abstract

분류층 가스화기의 수냉벽 슬래그 코팅 촉진장치 및 촉진방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 뮬라이트 슬래그 생성을 위한 촉진제 투입부와, 촉진제 투입부에서 나온 슬래그 생성촉진제와 석탄을 혼합하여 미립화 하는 미분기와, 미분기에서 나온 슬래그 생성코팅촉진제 및 석탄을 가압하는 락호퍼와, 산소조절을 통해서 뮬라이트 슬래그의 용융온도 이상으로 가열할 수 있는 가스화기를 포함한다.

Description

촉진제 투입수단을 갖는 가스화기 및 가스화기의 수냉벽 슬래그 코팅 방법{GASFIER WITH ACCELERATOR INJECTING MEANS AND METHOD FOR COATING SLAG ON INNER GASIFIER MEMBRANE WALL}
촉진제 투입수단을 갖는 가스화기 및 가스화기의 수냉벽 슬래그 코팅 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 수냉벽에 고융점의 벽면 슬래그 코팅층의 형성을 촉진하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
가스화기는 석탄 또는 중유의 탄화수소 연료를 사용하여 전력, 화학 물질, 산업용 가스를 생산하는 고효율 청정설비이다. 가스화기를 통하여 수소와 일산화탄소를 90%이상 함유한 합성가스가 생성되며 또한, 연료 중에 포함된 연소재와 중금속 물질은 대부분 가스화기 하부를 통하여 용융 슬래그의 형태로 배출되도록 구성되어 있다.
이하에서는 도 1을 참조하면서, 가스화기가 포함된 석탄 가스화 플랜트에 대해서 설명하기로 한다. 도 1은 석탄 가스화 플랜트에 대한 공정도이다.
도 1을 참조하면, 가스화기 내에 가스화 반응을 위해서 버너를 통해 산소, 연료 및 스팀이 주입되고 슬래그의 원활한 배출을 위해서 슬래그 용융 온도를 낮추는 효과를 가진 탄산칼슘이 첨가제로 공급된다. 이렇게 주입된 산소, 연료, 스팀, 탄산칼슘이 가스화기에서 반응하여 합성가스가 생성된다. 가스화기에서 생성된 합성가스는 일산화탄소, 수소, 이산화탄소 등의 조성으로 구성되어 있다. 합성가스는 집진장치를 통해 가스에 포함된 먼지를 제거하고 가스정제공정 및 황회수공정을 거쳐 복합발전을 통해 전기를 생산한다.
도 2는 분류층 가스화기(10)에 수냉벽(16) 및 슬래그(14, 18)가 형성된 상태를 나타내는 도면이다. 도 2에서 도면부호 12는 연료주입부를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 연료 중에 포함된 석탄재 및 탄산칼슘은 용융슬래그(14) 형태로 수냉벽(16)의 벽면을 따라 가스화기(10) 하부로 배출된다. 가스화기(10) 하부로 배출된 용융슬래그(14)는 냉각수조(22)에서 급랭되어 고체화되어 배출된다.
도 3은 가스화기(10)의 정상 운전시 수냉벽(16)의 슬래그 흐름을 나타낸다. 도 3에서 도면부호 17은 세라믹코팅을 나타낸다.
가스화기(10)의 수냉벽(16)은 슬래그 용융온도 이하로 유지되며, 고온에서 용융된 슬래그는 수냉벽(16)에서 일부 고체화되어 슬래그(18)를 형성하고, 용융슬래그(14)는 슬래그(18)를 따라 흘러내려 가스화기(10) 하부로 배출되어 냉각수조(22)에서 급랭되어 제거된다. 슬래그(18)는 가스화기(10)의 온도 유지 및 수냉벽(16) 보호 등의 기능을 하기 때문에 그 생성 및 유지가 가스화기(10)의 안정적인 운전에 있어서 매우 중요하다. 하지만, 실제 운전시 애쉬(ash) 함량 부족(석탄 기준 2% 미만) 석탄, 바이오메스, 펫코크(petcoke) 등을 가스화 할 경우에는, 슬래그(18)가 원활하게 생성되지 않는 문제가 발생하여 내화벽돌을 설치할 필요성이 제기되고 있다.
일반적인 분류층 가스화기는 슬래그의 원활한 배출을 위해 슬래그 용융온도 이상으로 운전되어야 한다. 만약, 가스화기의 운전온도가 슬래그 용융온도 이상으로 유지되지 않으면 배출구 막힘으로 인한 가동이 정지되는 문제점이 발생한다. 또한, 가스화기의 운전온도가 너무 높게 유지되는 경우, 가스화 효율이 떨어지고 산소 추가투입 등 운전비가 상승한다. 일반적으로 분류층 가스화기의 효율 및 경제성을 고려한 가스화기 운전온도는 약 1500℃ 이하이다. 따라서 1500℃ 이하에서 용융되도록 혼탄이나 첨가제 투입을 통해 투입되는 슬래그 조성을 조절하여 운전한다.
상기와 같이 조절된 슬래그 냉각시 생성되는 결정은 일반적으로 아노사이트(CaAl2Si2O8) 이다. 본 결정이 생성되는 조성의 용융온도는 1300~1500℃로, 이런 용융슬래그는 가스화기 운전온도에서 원활한 배출이 가능하다. 하지만 수냉벽에 형성된 슬래그의 대부분의 조성은 아노사이트(CaAl2Si2O8) 이며 아노사이트(CaAl2Si2O8)로 구성된 슬래그의 녹는점은 1550℃ 수준이다. 가스화기 운전온도를 1500℃ 로 운전할 경우 기존의 아노사이트 슬래그는 온도에 대한 내구성이 약한 단점이 있다.
도 4a는 슬래그 열역학 모델링이 가능한 FactSage를 통해 아노사이트가 생성되는 슬래그의 용융 및 냉각특성을 예측한 것이다. 도 4a에서는 SiO2 50wt%, Al2O3 30wt%, CaO 20wt%가 적용되었다. 이렇게 생성된 아노사이트 슬래그는 1300~1550℃ 영역에서 용융되며 가스화기 온도 변화에 민감하게 반응하여 슬래그의 탈착이 발생하거나 미생성되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 분류층 가스화기에서 연료 회분 부족 및 슬래그 조성 변화에 의해 가스화기 내부의 수냉벽면에 슬래그가 미형성 되는 문제점을 해결하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예를 통하여 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 분류층 가스화기의 수냉벽 슬래그 코팅 촉진장치는, 뮬라이트 슬래그 생성을 위한 촉진제 투입부와, 촉진제 투입부에서 나온 슬래그 생성촉진제와 석탄을 혼합하여 미립화 하는 미분기와, 미분기에서 나온 슬래그 생성코팅촉진제 및 석탄을 가압하는 락호퍼와, 산소조절을 통해서 뮬라이트 슬래그의 용융온도 이상으로 가열할 수 있는 가스화기를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 석탄분석 결과에 의해 SiO2, Al2O3, FeO 및 CaO를 포함하는 촉진제의 투입비를 결정하여 슬래그 생성촉진제를 형성하는 단계와, 슬래그 생성촉진제를 석탄과 혼합하여 미립화 하는 단계와, 미립화된 슬래그 생성촉진제 및 석탄을 가압하여 버너를 통해서 수냉벽측으로 분사하는 단계와, 가스화기의 온도를 뮬라이트 슬래그의 용융온도 이상으로 가열하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 분류층 가스화기의 수냉벽 슬래그 코팅 촉진장치 및 촉진방법은 아래와 같은 실시예들을 하나 또는 그 이상 구비할 수 있다. 예를 들면, 촉진제 투입부는 SiO2, Al2O3, FeO 및 CaO를 포함할 수 있다. 그리고 슬래그 생성촉진제에서 CaO 범위는 15wt% 이하, FeO 범위는 25wt% 이하이고, 투입되는 석탄 회분의 조성은 SiO2와 Al2O3의 무게비가 1.0 ~ 4.0, CaO가 15wt% 이하, FeO가 25wt% 이하일 수 있다.
본 발명은 기존에 생성되는 아노사이트 슬래그에 비해 높은 온도 내구성을 갖는 뮬라이트 슬래그를 형성함으로써, 슬래그가 탈착되거나 미생성되는 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 슬래그가 생성되지 않음으로 인해 가스화기 반응온도를 유지하지 못하고, 수냉벽이 파손되거나 가스화기가 가동 정지되는 문제점을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 가스화기 반응온도 변화를 어느 정도 완충할 수 있으며, 내화벽돌을 설치하지 않고도 애쉬가 적은 석탄, 바이오메스 및 펫코크 등의 혼소가 가능하게 된다.
도 1은 석탄 가스화 플랜트의 공정도이다.
도 2는 분류층 가스화기에 수냉벽 및 슬래그가 형성된 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 수냉벽에서 코팅되는 슬래그 및 벽면을 따라서 흘러 내리는 용융슬래그 등에 대한 개념도이다.
도 4a는 아노사이트 생성 가능 슬래그의 용융 및 냉각 특성에 대한 그래프이다.
도 4b는 뮬라이트 벽면 슬래그에서의 슬래그 용융 및 냉각 특성에 대한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분류층 가스화기의 수냉벽 슬래그 코팅 촉진방법에 대한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분류층 가스화기의 수냉벽 슬래그 코팅 촉진장치에 대한 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분류층 가스화기의 수냉벽 슬래그 코팅 촉진방법에 대한 순서도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분류층 가스화기의 수냉벽 슬래그 코팅 촉진장치(100)에 대한 도면이다.
도 5 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분류층 가스화기의 수냉벽 슬래그 코팅 촉진방법은, 촉진제 투입부(120)에서 슬래그 생성 촉진제의 조성비를 결정하여 촉진제 저장조(140)에 투입하고 이를 석탄(160)과 혼합하여 미분기(180)에 의해 미립화 하는 단계; 촉진제 배출 신호가 발생하면 연료 공급 락호퍼(hopper)에서 석탄(160) 및 슬래그 생성 촉진제가 가압되어 버너를 통해 석탄(160) 및 슬래그 생성 촉진제가 수냉벽 측으로 분사될 수 있도록 하는 주입단계; 산소 주입부(도시하지 않음)에서 산소를 조절하여 가스화기 온도를 슬래그 생성 촉진제의 용융온도(약 1600℃) 이상으로 가열하는 단계; 용융된 슬래그 생성 촉진제가 수냉벽측과 접촉 및 냉각되어 가스화기의 정상 운전 온도(약 1500℃) 이하에서 용융되지 않은 뮬라이트 슬래그를 생성하는 단계; 정상운전을 위해 촉진제 배출차단 신호가 발생하면 슬래그 생성 촉진제의 공급이 차단되고 산소 주입부에서 산소를 조절하여 가스화기의 운전온도를 정상 운전온도(1500℃)로 조절하는 단계를 포함한다.
슬래그 생성 촉진제의 조성비를 결정하기 위해서, 투입 연료의 회성분 및 회분량을 분석한다. 1600℃에서 용융 가능하며 슬래그를 용융시키고 수냉벽에 고융점의 뮬라이트 성분의 슬래그가 형성되는 최적의 슬래그 생성 촉진제의 조성을 찾기 위해서 아래 표 1을 참조한다. 아래 표 1은, 1600℃에서 슬래그가 100% 용융 가능하고 정상운전 온도인 1500℃에서 수냉벽에 뮬라이트 슬래그를 생성할 수 있는 최적의 슬래그 생성 촉진제의 조성 비율에 관한 것으로, FactSage 프로그램을 통해서 예측한 것이다.
1600℃ 뮬라이트 슬래그 생성 가능 조성비 및 생성량
SiO2 (wt%) Al2O3 (wt%) CaO (wt%) FeO (wt%) S/A Ratio 뮬라이트 생성량 (1500도 수냉벽 기준, wt%)
40 45 15 0 0.89 24.47
40 40 10 10 1.00 17.34
40 35 0 25 1.14 15.15
48 32 5 15 1.50 11.99
52 33 10 5 1.58 11.81
49 31 0 20 1.58 11.95
60 30 10 0 2.00 9.05
57 28 5 10 2.04 9.14
65 25 0 15 2.60 9.45
65 25 5 5 2.60 7.82
68 22 0 10 3.09 7.19
73 22 5 0 3.32 6.42
79 16 0 5 4.94 10.33
수냉벽에 뮬라이트 슬래그를 형성하기 위해서는 다양한 석탄 회분 조성비를 촉진제 투입을 통해서 표 1의 조성비율로 맞추어야 한다. 상기 표 1은 촉진제 투입량 결정에 활용되는 조성비율의 지침이 되는 것으로, 석탄회분의 일반적인 조성분포를 고려하여 최적화 한 것이다.
석탄회의 일반적인 SiO2와 Al2O3의 무게비가 1.0 ~ 4.0이고 뮬라이트 벽면을 생성하기 위한 CaO 범위는 0~15wt%, FeO 범위는 0~25wt% 이하이다. 따라서 투입되는 석탄의 조성은 SiO2와 Al2O3의 무게비가 1.0 ~ 4.0, CaO가 15wt% 이하, FeO가 25wt%인 석탄을 이용해야 한다. 투입 석탄의 회분 분석 결과에 따라 SiO2, Al2O3, CaO, FeO 등의 촉진제를 투입하여 표 1의 최적 투입조건의 투입 슬래그 조성을 맞출 수 있다.
그리고 전체 회분 투입량이 슬래그 형성을 위한 최소 회분량을 만족하는지를 파악하여 최종 촉진제 투입량을 결정한다.
슬래그 형성 촉진제의 조성비율 및 투입량이 결정되면 촉진제 저장조(140)로 이송된 후 석탄(160)과 함께 혼합되어 미분기(180)에 의해 미립화 된다. 그리고 촉진제 배출신호가 생성되면 연료공급 락호퍼에서 슬래그 형성 촉진제 및 석탄(160)이 가압되어 버너를 통해서 수냉벽측으로 분사된다. 이때, 산소주입부(도시하지 않음)에서 산소를 조절하여 가스화기(240) 온도를 슬래그 코팅 촉진제의 용융온도인 약 1600℃ 이상으로 가열하면, 주입된 슬래그 형성 촉진제가 용융하고 가스화기(240)의 벽면과 접촉 후 냉각하여 뮬라이트 슬래그를 형성하게 된다.
뮬라이트 슬래그의 화학 조성은 3Al2O3·SiO2이고, 가스화기의 정상운전 온도에 해당하는 1500℃ 보다 높은 1800℃의 녹는점을 갖는다. 이와 같이 생성된 뮬라이트 슬래그는 가스화기의 정상운전 온도인 1500℃ 영역에서의 온도 변화에 대한 영향이 적기 때문에, 슬래그의 탈착을 방지하고 미생성 문제를 해결할 수 있게 된다.
그리고 정상운전을 위해서 촉진제 배출차단 신호가 발생하게 되면 촉진제 공급이 차단되고 산소주입부에서 산소를 조정하여 가스화기(240)의 운전온도를 정상운전 온도인 1500℃로 낮춘다. 가스화기(240)의 정상운전이 시작되면 석탄 및 첨가제가 가스화기(240)로 투입되어 아노사이트 용융슬래그가 형성되어 벽면을 따라서 흘러내려 하부로 배출된다.
도 4b는 뮬라이트 슬래그의 용융 및 냉각곡선을 상용프로그램 FactSage를 활용하여 모델링한 결과이다. 뮬라이트슬래그의 조성은 3Al2O3·SiO2로 녹는점은 약 1800℃ 수준이다. 이렇게 생성된 뮬라이트 슬래그는 가스화기 운전온도인 1500℃ 영역에서의 온도 변화에 대한 영향이 적어 슬래그의 탈착을 방지하고, 미생성 문제를 해결할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 가스화기 12: 연료주입부
14: 용융슬래그 16: 수냉벽
17: 세라믹코팅 18: 슬래그
22: 냉각수조 120: 촉진제 투입부
140: 촉진제 저장조 160: 석탄
180: 미분기 220: 락호퍼
240: 가스화기

Claims (5)

  1. 뮬라이트 슬래그 생성을 위한 촉진제 투입부(120);
    상기 촉진제 투입부(120)로부터 투입된 슬래그 생성촉진제와 석탄을 혼합하여 미립화 하는 미분기(180);
    상기 미분기(180)에서 나온 슬래그 생성촉진제 및 석탄을 가압하여 가스화기 내부로 공급하는 락호퍼(220);
    가스화기 내부로 산소를 주입하기 위한 산소 주입부; 및
    상기 슬래그 생성 촉진제 및 석탄이 공급되는 동안 운전온도를 뮬라이트 용융온도 이상으로 유지하고, 내벽에 뮬라이트 슬래그가 형성된 후에는 슬래그 생성 촉진제 공급을 차단하고 운전온도를 뮬라이트 용융온도 미만으로 유지하도록 상기 산소주입부를 제어하는 제어부;를 포함하는 촉진제 투입수단을 갖는 가스화기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉진제 투입부(120)는 SiO2, Al2O3, FeO 및 CaO를 선택적으로 상기 미분기로 공급하는 것을 특징으로 하는 촉진제 투입수단을 갖는 가스화기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 슬래그 생성촉진제에서의 CaO 범위는 15wt% 이하, FeO 범위는 25wt% 이하이고, 투입되는 석탄 회분의 조성은 SiO2와 Al2O3의 무게비율이 1.0 ~ 4.0, CaO가 15wt% 이하, FeO가 25wt% 이하인 것을 특징으로 하는 촉진제 투입수단을 갖는 가스화기.
  4. 석탄분석 결과에 의해 SiO2, Al2O3, FeO 및 CaO를 포함하는 촉진제의 투입비를 결정하는 단계;
    결정된 비율로 상기 촉진제를 석탄과 혼합하여 미립화 하는 단계;
    미립화된 진제 및 석탄을 가압하여 가스화기 내부로 분사하는 단계; 및
    산소주입량을 조절하여 가스화기의 운전온도를 뮬라이트 슬래그의 용융온도 이상으로 가열하여 유지하는 단계;
    뮬라이트 슬래그가 형성되는 것을 확인한 후 상기 촉진제의 투입을 중단하는 단계; 및
    산소주입량을 조절하여 가스화기의 운전온도를 뮬라이트 슬래그의 용융온도 미만으로 유지하는 단계;를 포함하는 가스화기의 수냉벽 슬래그 코팅 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 슬래그 생성촉진제에서 CaO 범위는 15wt% 이하, FeO 범위는 25wt% 이하이고, 투입되는 석탄 회분의 조성은 SiO2와 Al2O3의 무게비율이 1.0 ~ 4.0, CaO가 15wt% 이하, FeO가 25wt% 이하인 것을 특징으로 하는 가스화기의 수냉벽 슬래그 코팅 방법.
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