KR101480503B1 - 석탄 가스화 장치 및 석탄 가스화 방법 - Google Patents

Abstract

소량의 가스를 생산할 수 있는 소형 석탄 가스화기에서 저가인 저급 분탄을 사용할 수 있고, 보다 적은 인력으로 안정적인 운전이 가능하며, 타르의 발생을 최소화할 수 있도록, 석탄 공급부와, 상기 석탄 공급부로부터 공급된 석탄을 가스화하는 가스화부, 상기 가스화부에서 발생되는 가스를 정제하는 가스 세정부를 포함하고, 상기 가스화부는 하부에 배치되는 분류층 반응기와, 분류층 반응기 상부에 배치되는 유동층 반응기를 포함하는 석탄 가스화 장치를 제공한다.

Description

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

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

일반적으로, 산업현장에서 사용되는 대부분의 석탄 가스화기는 IGCC(Integrated Gasification and Conbined Cycle) 또는 화학 제품 생산용으로 사용되는 고온 고압의 가스화기로, 석탄 사용량이 1000톤/일 이상의 대형 설비이다. 이러한 대형 설비의 경우 설비비가 고가이며 소량의 가스 생산용으로는 사용되지 않는다.

소량의 가스 생산용으로는, 제철 또는 건조공정에서 사용하는 합성가스를 소량 생산하는 석탄 가스화기로, 고정층 가스화기가 널리 사용되고 있다.

상기 소형 고정층 가스화기는 설비비가 저렴한 장점은 있으나, 다음과 같은 여러 가지 단점이 있다.

상기 고정층 가스화기에서는 다량의 타르가 발생되며, 타르를 처리하기 위하여 복잡한 청정설비가 필요할 뿐만 아니라, 적절하게 처리되지 못할 경우, 타르로 인한 강한 악취가 발생되는 등 환경문제를 야기할 수 있다.

또한, 고청층 가스화기의 내부 반응영역에서 석탄이 계속적으로 하부로 강하하기 때문에 반응영역의 온도측정을 위하여 온도계를 설치하지 못하는 문제가 있다. 이에 종래에는 정기적으로 탐침봉을 가스화기 내부로 넣고 뺀 후에 탐침봉의 표면 색깔로부터 재층의 높이 및 반응영역의 높이를 판단하는 방법을 사용하였다.

그러나 상기한 종래의 구조는 가스화기의 운영을 위하여 다수의 인원이 참여하여야 하는 문제를 야기한다.

또한, 석탄층에 과도한 산소가 공급되어 부분적인 재의 용융이 발생할 경우, 냉각 후 응고되어 재의 배출에 어려움이 발생할 수 있다. 종래에는 재의 배출을 위하여 탐침구를 통하여 뭉친 재를 수동으로 부수는 작업을 수행해야 하므로, 인력과 시간이 과도하게 소요되는 문제점도 있다.

또한, 종래의 고정층 석탄가스화기에서는 괴상의 고발열량 석탄을 사용하여야 하므로 원료비가 많이 소요되며, 석탄의 취급 과정에서 발생하는 미분석탄을 사용할 수 없어, 연료의 소모가 크다는 문제가 있다. 이에, 경제성이 떨어지는 문제가 있다.

이에, 소량의 가스를 생산할 수 있는 소형 석탄 가스화기에서 저가인 저급 분탄을 사용할 수 있는 석탄 가스화 장치 및 석탄 가스화 방법을 제공한다.

또한, 보다 적은 인력으로 안정적인 운전이 가능하도록 된 석탄 가스화 장치 및 석탄 가스화 방법을 제공한다.

또한, 타르의 발생을 최소화하여 환경오염을 줄일 수 있도록 된 석탄 가스화 장치 및 석탄 가스화 방법을 제공한다.

본 석탄 가스화 장치는 석탄 공급부와, 상기 석탄 공급부로부터 공급된 석탄을 가스화하는 가스화부, 상기 가스화부에서 발생되는 가스를 정제하는 가스 세정부를 포함하고, 상기 가스화부는 하부에 배치되는 분류층 반응기와, 분류층 반응기 상부에 배치되는 유동층 반응기를 포함할 수 있다.

상기 유동층 반응기는 직경이 하부로 갈수록 감소하는 역사다리꼴 형태로 이루어질 수 있다.

상기 석탄 공급부는 석탄을 파쇄하는 파쇄기와, 파쇄된 석탄을 건조하는 건조기, 건조된 석탄을 분쇄하는 분쇄기를 포함할 수 있다.

상기 석탄 공급부는 입도가 상대적으로 큰 석탄은 상기 유동층 반응기로 투입하고, 입도가 상대적으로 작은 석탄은 분류층 반응기로 투입하는 선별기를 더 포함하는 구조일 수 있다.

상기 가스화부와 상기 가스 세정부 사이에 설치되어 가스화부에서 생산된 고열의 가스로부터 폐열을 회수하는 보일러를 더 포함할 수 있다.

상기 가스화부는 내부로 공기를 공급하는 블로워를 더 포함하여, 산화제로 공기를 사용하는 구조일 수 있다.

상기 가스화부는 유동층 반응기 또는 분류층 반응기의 내벽면에 설치되어 반응온도를 검출하는 온도계를 더 포함할 수 있다.

상기 가스세정부는 금속성 필터 또는 고온용 여과포를 구비하여 입자상 재를 제거하는 집진기와, 상기 집진기 후단에 연결되어 황화가스를 제거하는 스크러버를 포함할 수 있다.

본 석탄 가스화 방법은 석탄 공급 단계와, 공급된 석탄 중 입도가 상대적으로 큰 석탄은 유동층 반응기로 투입하여 유동층 반응을 거치고, 입도가 상대적으로 작은 석탄은 분류층 반응기로 투입하여 분류층 반응과 유동층 반응을 거쳐 가스화하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 석탄 가스화 방법은 가스화 단계를 거쳐 생산된 고열의 가스로부터 폐열을 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 가스화 단계는 산화제로 공기를 사용할 수 있다.

상기 석탄 공급 단계는 석탄을 파쇄하는 단계, 파쇄된 석탄을 건조하는 단계, 건조된 석탄을 분쇄하는 단계, 분쇄된 석탄을 선별하는 단계를 포함할 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 의하면, 저압으로 운전되며, 공기를 산화제로 사용하고, 재가 용융되지 않도록 저온(1200도시 정도)으로 운전되는 소형의 하부 분류층 및 상부 사다리꼴 유동층 반응기(tapered fluidized bed)를 구비한 가스화기를 사용함에 따라 다음과 같은 효과를 얻게 된다.

수분이 다량 함유되어 있고 저발열량이나 가격이 저렴한 석탄을 사용할 수 있어 설비 운영에 따른 경제성이 높일 수 있게 된다.

또한, 타르가 발생하지 않아 이를 처리하기 위한 세정설비 구성을 단순화시킬 수 있어 설비가를 낮출 수 있으며, 타르에 의한 환경오염을 방지할 수 있게 된다.

또한, 하부 분류층 반응기의 운전온도를 낮추어 재가 용융되지 않게 함으로서 가스화 효율을 높일 수 있다.

또한, 사다리꼴의 유동층형 반응기를 채용함에 따라 다양한 입도의 석탄을 사용할 수 있으며, 탄소전환율을 높일 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 석탄 가스화 장치의 구성을 도시한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 석탄 가스화 공정을 도시한 개략적인 순서도이다.

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 있으며, 도 2는 석탄 가스화 과정을 개략적으로 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 실시예의 석탄 가스화 장치는 석탄 공급부(10)와, 상기 석탄 공급부(10)로부터 공급된 석탄을 가스화하는 가스화부(20), 상기 가스화부(20)에서 발생되는 가스를 정제하는 가스 세정부(40)를 포함한다.

본 실시예의 상기 석탄 공급부(10)는 다량의 수분을 함유하며 발열량이 낮은 저가인 저급의 석탄을 사용할 수 있도록 되어 있다. 상기 석탄 공급부를 통해 석탄을 파쇄하는 과정, 파쇄된 석탄을 건조하는 과정, 건조된 석탄을 분쇄하는 과정을 거쳐 석탄을 공급할 수 있다.

이를 위해 상기 석탄 공급부(10)는 저급의 석탄을 미분탄으로 제조하여 가스화부(20)로 공급할 수 있도록 석탄을 파쇄하는 파쇄기(12)와, 파쇄된 석탄을 건조하는 건조기(14), 건조된 석탄을 분쇄하는 분쇄기(16)를 포함한다.

저급의 석탄은 고급석탄에 비하여 단위발열량 당 단가가 저렴하고, 공급이 원활하여 사용에 따른 경제적 효과가 크다. 종래 가스화 장치의 경우 괴상의 고급탄을 사용하므로 원료비가 많이 소모되고, 석탄 취급 과정에서 발생하는 미분탄은 쓸 곳이 없어 버려져야 하나, 본 실시예의 경우 저급 석탄 사용으로 비용이 적게 들며, 파쇄기와 건조기 및 분쇄기를 통해 미분탄을 포함하여 석탄 전량을 모두 가스화에 이용할 수 있다.

상기 분쇄기(16)를 거쳐 최종 배출되는 석탄은 가스화부(20)로 공급된다. 상기 가스화부(20)에서 가스화 과정을 거쳐 가스로 제조된다.

본 실시예에서, 상기 가스화부(20)는 하부에 배치되는 분류층 반응기(entrained bed type)(22)와, 분류층 반응기 상부에 배치되는 유동층 반응기(fluidized bed type)(24)를 포함한다.

이와같이, 가스화부(20)를 이루는 반응기로, 하부에는 분류층 반응기(22)로 상부에는 유동층 반응기(24)를 구비함으로써, 종래 소형 고정층 가스화기에 비하여 다양한 작용 효과를 얻게 된다.

하부의 분류층 반응기(22)에서 미분으로 분사되는 석탄 중 휘발분과 탄소는 반응하여 가스화 되고 큰 입도의 입자상 재는 반응기 하부로 배출된다. 입도가 매우 작은 재는 상부 유동층 반응기(24)를 거쳐 최종적으로 상부로 배출되어 정제설비인 가스 세정부(40)에서 포집 처리된다.

석탄에 함유되어 있는 재 성분을 친환경적으로 처리하기 위해서는 대용량 가스화기의 경우 용융 슬래그 형태로 배출하는 것이 바람직하나, 본 실시예의 가스화부(20)에서는 재가 용융되지 않고 입자상으로 배출할 수 있도록 운전온도를 최대한 낮추어 열손실을 최소화 함으로서 운전효율을 최대화 할 수 있다. 소량의 탄소 성분을 함유함 재는 하부 분류층 반응기(22)로부터 배출되며, 예를 들어, 시멘트 소성로에 투입하여 시멘트로 재활용 할 수 있다. 가스화기의 효율이 다소 떨어지더라도 재를 용융 슬래그 상태로 배출하기를 원하는 경우에는 반응기 내부의 온도를 재가 용융되는 온도보다 약 100℃ 이상으로 유지하도록 운전한다면 가능하다.

본 실시예에서, 상기 석탄 공급부(10)는 입도가 큰 석탄과 입도가 작은 미분 석탄을 구분하여 공급하는 선별기(18)를 더 포함한다. 이에 석탄 공급부(10)에 의해 공급되는 석탄은 선별기(18)에 의한 선별 과정을 거쳐 입도가 큰 석탄은 상부 유동층 반응기(24)로 투입되고 입도가 작은 석탄은 하부 분류층 반응기(22)로 투입된다.

즉, 본 실시예에서 상부의 유동층 반응기(24)로 하부보다 입도가 큰 석탄입자가 투입되는 구조로 되어 있다.

이에, 입도가 큰 석탄입자는 유동층 반응기를 거치면서 보다 긴 체류시간 동안 열분해에 의하여 휘발분이 가스화되고, 일부 탄소도 가스화 된다. 입도가 작은 석탄 입자는 반대로 분류층 반응기를 거치면서 상부로 이동되어 유동층 반응기를 거치게 된다. 이와 같이 본 가스화 과정에서, 입자가 큰 석탄은 유동층 반응과정을 거치고, 입자가 작은 석탄은 분류층 반응과정과 유동층 반응과정을 차례로 거치게 된다.

유동층으로 투입된 큰 입자의 석탄에 포함되어 있던 잔류 탄소는 상부로 배출되어 정제설비에서 포집된다. 탄소 이용효율을 높이기 위해서는 상부 유동층 반응기(24) 후단에 싸이클론을 추가로 설치하여 탄소성분이 높은 입자를 포집하여 하부 반응기로 재투입할 수 도 있다.

여기서, 상기 상부의 유동층 반응기(24)는 직경이 하부로 갈수록 감소하는 역사다리꼴 형태를 이룬다.

이와 같이, 상부 유동층 반응기(24)를 사다리꼴 형태로 제작함으로서 다양한 입도의 석탄을 사용할 수 있을 뿐 아니라, 반응이 진행됨에 따라 입도가 감소하거나 밀도가 감소한 입자들도 가능한 유동층 상부에 오래 머물게 함으로서 석탄내 탄소의 전환율을 높일 수 있다.

상기 가스화부(20)는 유동층 반응기(24) 또는 분류층 반응기(22)의 내벽면에 설치되어 반응온도를 검출하는 온도계(도시되지 않음)를 더 포함한다.

종래 고청층 가스화기의 경우, 내부 반응영역에서 석탄이 계속적으로 하부로 강하하기 때문에 반응영역의 온도측정을 위하여 온도계를 설치할 수 없었다. 이에 정기적으로 탐침봉을 가스화기 내부로 넣고 뺀 후에 탐침봉의 표면 색깔로부터 재층의 높이 및 반응영역의 높이를 판단하는 방법을 사용하였다.

본 실시예의 가스화 장치는 언급한 바와 같이, 유동층 반응기(24) 및 분류층 반응기(22)를 구비하여 반응기 외부에서 반응기 내부 벽면과 동일한 위치에 온도계를 설치함으로서 내부 반응온도를 모니터링 할 수 있게 된다. 이에, 본 장치는 측정된 온도를 감지하여 투입되는 석탄 및 공기 유량을 조절함에 따라 반응기 운전조건을 용이하게 조절할 수 있다.

또한, 본 장치는 내부로 공기를 공급하는 블로워(26)를 더 포함하여, 가스화 과정에서 산화제로 공기를 사용하는 구조로 되어 있다. 종래 대용량 상업 가스화기에서는 산화제로 산소를 사용하며, 산소 생산을 위하여 고가의 ASU(Air Separation Unit)가 사용된다. 본 실시예의 경우, 블로워(26)를 통해 공기를 산화제로 공급함으로써, ASU를 생략하여 생산 설비를 단순화할 수 있는 것이다.

또한, 대용량 상업 가스화기 후단에서 발전 및 화학제품 생산을 위해서는 후속 반응기에서 소요되는 30 bar 보다 높은 압력으로 운전하여야 하나, 생산 가스의 사용처에서 요구하는 가스의 압력이 낮은 경우 예를 들어 3000 mmAq 이하의 경우, 가스화기의 압력을 1 bar 이하로 유지함으로서 생산성은 떨어질 수 있으나 반응기 제조 단가를 낮출 수 있다.

본 실시예의 가스화 장치는 상기 가스화부(20)와 상기 가스 세정부(40) 사이에 설치되어 가스화부(20)에서 생산된 고열의 가스로부터 폐열을 회수하는 보일러(30)를 더 포함한다.

이에, 가스화 과정을 거쳐 생산된 고열의 가스는 폐열 회수 과정을 통해 열을 회수한 후 세정 과정을 거치게 된다.

상기 가스화부(20)를 거친 배출 합성가스에는 타르 성분이 없고, 주로 입자상 오염물질과 황화 수소 가스가 존재하므로, 폐열 회수 보일러(30)를 통해 폐열을 회수할 수 있다. 폐열 회수 보일러(30)는 배출 합성가스의 높은 온도 특성을 이용하여 다량의 스팀을 생산함으로써, 여러 공정에서 이용할 수 있게 된다.

상기 가스 세정부(40)는 금속성 필터 또는 고온 여과포를 구비한 입자상 재를 제거하는 집진기(42)와, 상기 집진기 후단에 연결되어 황화가스를 제거하는 스크러버(44)를 포함한다.

종래 고정층 가스화기에서는 다량의 타르가 발생되며, 타르를 처리하기 위하여 복잡한 청정설비가 필요할 뿐만 아니라, 적절하게 처리되지 못할 경우, 타르로 인한 강한 악취가 발생되는 등 환경문제를 야기할 수 있다.

이에 반해, 언급한 바와 같이 본 실시예의 가스화부(20)에서는 내부 온도가 충분히 높아 타르가 발생하지 않으므로, 발생한 합성가스 정제설비로 집진기(42)와 스크러버(44)만을 구비하여 설비가 단순해지고 설비비 및 운영비를 낮출 수 있다.

또한, 상기 폐열 회수보일러(30)를 통해 합성가스 온도를 350℃ 이하로 유지함으로서, 비교적 설비비가 저렴한 고온 여과포가 장착된 집진기(42)를 사용하여 입자상 재를 제거할 수 있다. 합성가스는 최종적으로 스크러버(44)를 통해 황화가스가 제거된다.

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 12 : 파쇄기
14 : 건조기 16 : 분쇄기
18 : 선별기 20 : 가스화부
22 : 분류층 반응기 24 : 유동층 반응기
26 : 블로워 30 : 보일러
40 : 가스 세정부 42 : 집진기
44 : 스크러버

Claims (11)

1. 석탄 공급부와, 상기 석탄 공급부로부터 공급된 석탄을 가스화하는 가스화부, 상기 가스화부에서 발생되는 가스를 정제하는 가스 세정부를 포함하고,
   상기 가스화부는 하부에 배치되는 분류층 반응기와, 분류층 반응기 상부에 배치되는 유동층 반응기를 포함하며,
   상기 석탄 공급부는 입도가 상대적으로 큰 석탄은 상기 유동층 반응기로 투입하고, 입도가 상대적으로 작은 석탄은 분류층 반응기로 투입하는 선별기를 포함하는 석탄 가스화 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 석탄 공급부는 석탄을 파쇄하는 파쇄기와, 파쇄된 석탄을 건조하는 건조기, 건조된 석탄을 분쇄하는 분쇄기를 포함하는 석탄 가스화 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 가스세정부는 여과포를 구비한 입자상 재를 제거하는 집진기와, 상기 집진기 후단에 연결되어 황화가스를 제거하는 스크러버를 포함하는 석탄 가스화 장치.
4. 삭제
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 유동층 반응기는 직경이 하부로 갈수록 감소하는 역사다리꼴 형태로 이루어진 석탄 가스화 장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 가스화부와 상기 가스 세정부 사이에 설치되어 가스화부에서 생산된 고열의 가스로부터 폐열을 회수하는 보일러를 더 포함하는 석탄 가스화 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 가스화부는 상기 분류층 반응기 내부로 공기를 공급하는 블로워를 더 포함하여, 산화제로 공기를 사용하는 구조의 석탄 가스화 장치.
8. 석탄을 파쇄하는 단계, 파쇄된 석탄을 건조하는 단계, 건조된 석탄을 분쇄하는 단계, 분쇄된 석탄을 선별하는 단계를 포함하는 석탄 공급 단계와;
   공급된 석탄 중 입도가 상대적으로 큰 석탄은 유동층 반응기로 투입하여 유동층 반응을 거치고, 입도가 상대적으로 작은 석탄은 분류층 반응기로 투입하여 분류층 반응과 유동층 반응을 거쳐 가스화하는 단계;
   를 포함하는 석탄 가스화 방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 석탄 가스화 방법은 가스화 단계를 거쳐 생산된 고열의 가스로부터 폐열을 회수하는 단계를 더 포함하는 석탄 가스화 방법.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 가스화 단계는 산화제로 공기를 사용하는 석탄 가스화 방법.
11. 삭제

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