KR101419470B1 - 석탄 가스화 장치 및 석탄 가스화 방법 - Google Patents

Abstract

합성가스의 질 저하를 방지하면서 합성가스의 온도를 낮출 수 있도록, 석탄을 가스화하는 가스화기를 포함하는 석탄 가스화 장치에 있어서, 상기 가스화기에 연결되어 제조된 합성 가스가 이송되는 배관에 연결되어 혼합가스를 냉각시키는 냉각부를 포함하고, 상기 냉각부는 배관 일측에 설치되어 배관 내부로 이산화탄소를 투입하기 투입부를 포함하는 석탄 가스화 장치를 제공한다.

Description

석탄 가스화 장치 및 석탄 가스화 방법{COAL GASIFICATION DEVICE AND METHOD FOR COAL CASIFICATION}

본 발명은 석탄 가스화 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 저급의 분탄을 사용하여 소량의 가스를 생산할 수 있도록 된 소형의 석탄 가스화 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 석탄, 중잔유, 폐기물 등의 저급 연료에 대한 가스화 장치는 대상 연료를 산화제와 함께 고온 가스화로 내에 공급하여 가스화반응시킨다. 가스화 장치는 연료 중의 가연성분을 고온, 고압하에서 수소와 일산화탄소를 주성분으로 한 합성가스로 생산한다. 석탄 가스화기는 고정층 가스화기, 유동층 가스화기, 분류층 가스화기로 분류된다. 분류층 가스화기의 경우 투입하는 원료의 상태에 따라 습식 가스화기와 건식 가스화기로 구분할 수 있다.

가스화 장치에서 나오는 합성 가스는 일산화탄소 및 수소 등이 주성분이며, 1200 ~ 1600℃의 고온으로 발생되고, 냉각, 정제과정을 거쳐 발전용 연료, 화학 제품의 연료 등으로 사용될 수 있다. 합성 가스는 화학 연료나 전기 발전 등에 사용하기 위해서 다이옥신 및 분진 등과 같은 불순물을 제거해야 하므로 냉각 및 오염물질의 세정이 행해져야 한다.

가스화 장치는 고체 연료가 연소 및 가스화되는 과정에서 분체인 회(ash)가 발생하게 된다. 이러한 회는 저회(bottom ash) 및 슬랙(slag)과 비회(fly ash)로 구분된다. 저회는 가스화 장치의 하부로 낙화되어 하부로 포집되고, 비회는 합성 가스에 섞여 흐른다.

합성 가스 내 비회는 약 1000℃ 이상의 고온에서 끈적거리는 성질(고점도)을 가지고 있어 외부 장치와 연결시키는 연결 배관에 점착된다. 연결 배관에 점착되는 비회는 고온 고압의 가스화기 운전에 있어 장치 폭발 위험성과 합성 가스의 경로에 방해를 일으켜 가스화 장치의 효율을 떨어뜨리고, 연결 배관의 손상을 일으킨다.

종래의 경우에는 비회의 점착을 막기 위해 후단 처리 공정에서 비회를 포함하지 않는 250℃의 저온의 가스나 스팀을 이용해 700 ~ 900℃로 냉각을 시켜 합성 가스 중 타르에 해당되는 점성의 성분을 ?칭(quenching)과정을 통해 제거하였다.

그러나, 상기한 종래의 구조는 질소나 스팀을 사용함에 따라 합성가스의 질을 저하시키는 문제점이 있다.

이에, 합성가스의 질 저하를 방지하면서 합성가스의 온도를 낮출 수 있도록 된 석탄 가스화 장치 및 석탄 가스화 방법을 제공한다.

본 석탄 가스화 장치는 석탄을 가스화하는 가스화기를 포함하는 석탄 가스화 장치에 있어서, 상기 가스화기에 연결되어 제조된 합성 가스가 이송되는 배관에 연결되어 혼합가스를 냉각시키는 냉각부를 포함하고, 상기 냉각부는 배관 일측에 설치되어 배관 내부로 이산화탄소를 투입하기 투입부를 포함할 수 있다.

상기 투입부는 배관과 연결되는 이송라인과, 이송라인에 연결되는 이산화탄소 공급부를 포함할 수 있다.

상기 투입부는 상기 이송라인을 통해 이산화탄소와 함께 미분탄을 투입하는 구조일 수 있다.

상기 투입부는 상기 이송라인에 연결되어 미분탄을 공급하는 공급라인과, 상기 공급라인에 설치되는 미분탄 공급부를 포함할 수 있다.

상기 투입부는 상기 이송라인과 상기 공급라인에 각각 설치되는 제어밸브와 상기 제어밸브를 제어작동하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 석탄 가스화 방법은 석탄을 가스화하여 혼합가스를 생성하는 가스화 단계, 혼합가스의 온도를 낮추는 냉각 단계를 포함하고, 상기 냉각단계는 혼합가스에 이산화탄소를 분사하여 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 냉각단계는 이산화탄소와 함께 미분탄을 투입하여 부다반응(Boudouard reaction)을 통해 혼합가스를 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 냉각단계는 배관을 지나는 혼합가스의 온도를 검출하는 단계, 검출된 온도에 따라 상기 이산화탄소 또는 미분탄의 공급량을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 의하면, 배관 내부로 이산화탄소와 미분탄을 투입하여 혼합가스의 온도를 낮춤으로써, 종래 질소나 스팀을 사용하던 구조와 비교하여 혼합가스의 질 저하를 최소화할 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 석탄 가스화 장치의 구성을 도시한 개략적인 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 석탄 가스화 장치의 구성을 도시하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 석탄 가스화 장치는 석탄 공급부(10)와, 상기 석탄 공급부(10)로부터 공급된 석탄을 가스화하는 가스화기(20), 상기 가스화기(20)에서 발생되는 가스를 정제하는 가스 세정부(도시되지 않음)를 포함한다.

상기 가스화기(20) 상단에는 가스 세정부로 혼합가스를 이송하는 배관(30)이 설치되며, 상기 배관(30)은 가스 세정부로 이송되는 혼합가스의 온도를 낮출 수 있도록 냉각부(40)를 구비한다.

상기 냉각부(40)는 상기 배관(30) 일측에 설치되어 배관(30) 내부로 이산화탄소를 투입하기 투입부를 포함한다. 배관(30)으로 투입된 이산화탄소는 배관(30) 내부의 미연소 탄과 반응하여 부다 반응을 일으킴으로써 혼합가스의 온도를 떨어뜨리게 된다.

보다 확실한 부다 반응을 위해, 본 실시예의 투입부는 이산화탄소와 함께 미분탄을 투입하는 구조로 되어 있다.

이에, 미분탄과 함께 주입된 이산화탄소는 배관(30) 내에서 연소하여 부다반응(Boudouard reaction)을 통해 미분탄을 일산화탄소로 전환시킨다.

상기와 같이 배관(30) 내에서 이루어지는 미분탄과 이산화탄소의 부다 반응에 의해 배관(30)을 지나는 혼합가스는 열을 빼앗기면서 냉각되어 온도가 떨어지게 된다.

더불어, 상기 부다 반응을 통해 일산화탄소(CO)가 추가적으로 생성됨으로써, 혼합가스의 질을 높일 수 있게 된다.

상기 투입부는 이산화탄소와 미분탄 투입을 위해 배관(30)과 연결되어 이산화탄소가 투입되는 이송라인(42)과, 이송라인(42)에 연결되는 이산화탄소 공급부(44)를 포함한다. 그리고 이산화탄소와 함께 미분탄을 투입할 수 있도록, 상기 투입부는 상기 이송라인(42)에 연결되어 미분탄을 공급하는 공급라인(46)과, 상기 공급라인(46)에 설치되는 미분탄 공급부(48)를 더 포함한다.

본 실시예에서 상기 투입부는 미분탄을 이산화탄소의 공급압을 통해 공급하는 공압식 원료 공급 장치(pneumatic feed mixer)을 채용하여 미분탄을 이송하게 된다. 상기 구조 외에 이산화탄소와 미분탄을 같이 공급할 수 있는 구조면 모두 적용가능하다.

상기 이송라인(42)은 배관(30) 일측에 연결된다. 상기 배관에 대한 이송라인의 연결 위치는 특별히 한정되지 않는다.

또한, 상기 투입부는 상기 이송라인(42)과 상기 공급라인(46)에 각각 설치되는 제어밸브(54,56)와 상기 제어밸브(54,56)를 제어작동하기 위한 제어부(50)를 더 포함한다.

상기 이송라인(42)에 설치된 제어밸브(54,56)는 제어부(50)의 신호에 따라 이송라인(42)을 통해 투입되는 이산화탄소의 공급량을 조절하게 된다.

상기 공급라인(46)에 설치된 제어밸브(54,56)는 제어부(50)의 신호에 따라 공급라인(46)을 통해 공급되는 미분탄의 공급량을 조절하게 된다.

상기 제어부(50)는 예를 들어 배관(30)을 지나는 혼합가스의 온도에 따라 제어밸브(54,56)를 작동할 수 있다. 상기 배관(30) 일측에는 온도센서(52)가 설치되어 배관(30)을 지나는 혼합가스의 온도를 검출한다. 상기 온도센서(52)는 제어부(50)와 연결되어 제어부(50)로 검출된 신호를 인가한다. 제어부(50)는 온도센서(52)의 온도값을 연산하여 혼합가스의 온도가 높은 경우에는 제어밸브(54,56)를 통해 이산화탄소와 미분탄의 투입량을 늘리고, 혼합가스의 온도가 낮으면 제어밸브(54,56)를 통해 이산화탄소와 미분탄의 투입량을 줄인다.

이하, 본 실시예에 따른 석탄 가스화 과정에 대해 살펴보면 다음과 같다.

석탄 공급부를 통해 고온 가스화기(20)로 공급된 석탄은 가스화반응을 통해 혼합가스로 생산된다. 가스화기(20)에서 생산된 1200℃ 이상의 고온의 혼합가스는 가스화기(20) 상부로 이동되어 상부에 연결된 배관(30)을 통해 이송되면서 냉각과정을 거쳐 900℃ 이하로 냉각된다.

상기 냉각과정은 배관(30)으로 이산화탄소와 미분탄을 투입하는 과정을 통해 이루어진다.

배관(30) 내부로 투입된 미분탄과 산화탄소는 배관(30) 내에서 연소하여 미분탄을 일산화탄소로 전환시킨다. 이 반응은 부다 반응(Boudouard reaction)으로 알려져 있으며, 반응식은 아래와 같다.

C(s) + CO2(g) → CO(g)

상기 부다 반응은 흡열반응이다. 따라서, 상기와 같이 배관(30) 내에서 이루어지는 미분탄과 이산화탄소의 부다 반응에 의해 배관(30)을 지나는 혼합가스는 열을 빼앗기면서 냉각되어 온도가 떨어지게 된다.

이러한 과정을 통해 혼합가스는 냉각되어 온도가 낮아진다.

또한, 본 가스화 방법은 배관(30)을 지나는 혼합가스의 온도를 검출하고, 검출된 온도에 따라 상기 이산화탄소 또는 미분탄의 공급량을 제어하는 과정을 더 포함한다.

검출된 혼합가스의 온도가 높으면 배관(30)으로 투입되는 이산화탄소와 미분탄의 투입량을 늘린다. 이에 보더 반응이 추가적으로 일어나면서 혼합가스의 온도는 더 낮아지게 된다.

반대로, 혼합가스의 온도가 낮으면 제어밸브(54,56)를 통해 이산화탄소와 미분탄의 투입량을 줄인다. 이에 배관(30) 내에서 보더 반응이 줄면서 혼하가스의 온도가 높아지게 된다.

이와 같이 본 실시예의 경우, 혼합가스의 온도를 적정온도로 냉각시키면서 보다반응을 통해 일산화탄소를 추가로 생산하여 혼합가스의 질이 저하되는 것을 방지하고 혼합가스 수율을 높일 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10 : 석탄 공급부 20 : 가스화기
30 : 배관 40 : 냉각부
42 : 이송라인 44 : 이산화탄소 공급부
46 : 공급라인 48 : 미분탄 공급부
50 : 제어부 52 : 온도센서
54,56 : 제어밸브

Claims (8)

1. 석탄을 가스화하는 가스화기를 포함하는 석탄 가스화 장치에 있어서,
   상기 가스화기에 연결되어 제조된 혼합가스가 이송되는 배관에 연결되어 혼합가스를 냉각시키는 냉각부를 포함하고, 상기 냉각부는 배관 일측에 설치되어 배관 내부로 이산화탄소를 투입하는 투입부를 포함하고,
   상기 투입부는 배관과 연결되는 이송라인과, 상기 이송라인에 연결되는 이산화탄소 공급부, 상기 이송라인에 설치되는 제어밸브, 상기 배관 일측에 설치되어 배관을 지나는 혼합가스의 온도를 검출하는 온도센서, 상기 온도센서에서 검출된 온도값을 연산하여 혼합가스의 온도에 따라 상기 이송라인에 설치된 제어밸브를 작동하여 이산화탄소의 공급량을 제어하는 제어부를 포함하는 석탄 가스화 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 투입부는 상기 이산화탄소와 함께 미분탄을 투입하는 구조의 석탄 가스화 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 투입부는 상기 배관에 연결되어 이산화탄소를 공급하는 이송라인에 연결되어 미분탄을 공급하는 공급라인과, 상기 공급라인에 설치되는 미분탄 공급부를 포함하는 석탄 가스화 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 투입부는 상기 공급라인에 설치되는 제어밸브를 더 포함하고, 상기 제어부는 온도센서에서 검출된 온도값을 연산하여 혼합가스의 온도에 따라 상기 공급라인에 설치된 제어밸브를 작동하여 미분탄의 공급량을 제어하는 구조의 석탄 가스화 장치.
6. 석탄을 가스화하여 혼합가스를 생성하는 가스화 단계, 혼합가스의 온도를 낮추는 냉각 단계를 포함하고, 상기 냉각단계는 혼합가스에 이산화탄소를 분사하여 냉각시키는 단계를 포함하고,
   상기 냉각단계는 배관을 지나는 혼합가스의 온도를 검출하는 단계와, 검출된 온도에 따라 상기 이산화탄소의 공급량을 제어하는 단계를 더 포함하는 석탄 가스화 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 냉각단계는 이산화탄소와 함께 미분탄을 투입하여 부다반응(Boudouard reaction)을 통해 혼합가스를 냉각시키는 단계를 포함하는 석탄 가스화 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 냉각단계는 배관을 지나는 혼합가스의 온도를 검출하는 단계, 검출된 온도에 따라 상기 미분탄의 공급량을 제어하는 단계를 더 포함하는 석탄 가스화 방법.
   
   

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