KR101536743B1 - 석탄 가스화기의 연료 공급기 - Google Patents

석탄 가스화기의 연료 공급기 Download PDF

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Abstract

석탄 가스화기의 연료 공급기를 제공한다. 본 발명에 따르면, 석탄 슬러리를 공급하기 위한 슬러리관, 상기 슬러리관의 외측에 배치되고, 상기 석탄 슬러리와 혼합되기 위한 산화제 및 스팀을 공급하기 위한 산화제 및 스팀 공급관, 및 상기 산화제 및 스팀 공급관에는 상기 산화제 및 스팀 공급관으로 공급되는 산화제 및 스팀을 상기 슬러리관 외부로 분사하기 위한 분사구멍을 갖는 분사노즐을 포함한다.

Description

석탄 가스화기의 연료 공급기{FEED MIXER FOR COAL GASIFIER}
본 발명은 석탄 가스화기의 연료 공급기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 석탄 가스화기의 폐열을 이용하여 스팀을 생산하고, 이와 같이 생상된 스팀을 산화제와 동시에 산화제 및 스팀 공급관에 공급하여 석탄 슬러리와 산화제 및 스팀의 충돌율을 극대화 할 수 있고, 가스화 효율을 향상할 수 있도록 한 석탄 가스화기의 연료 공급기에 관한 것이다.
최근에는, 석유, 천연가스의 고갈에 대한 두려움과 화석 슬러리들의 사용에 따라 필연적으로 발생하는 온실가스에 의한 환경파괴가 사회적으로 큰 문제로 대두되면서 상대적으로 풍부한 석탄을 친환경적으로 이용하기 위한 시도가 활발히 진행되고 있다.
특히, 미래의 에너지 상회의 핵심으로 인정받는 수소를 생산할 수 있는 가스화 공정은 세계 각국의 주관심사가 되고 있다. 현재 개발되고 있는 가스화는 석탄을 슬러리로 주입하는 습식과 고체상으로 주입하는 건식으로 나누어진다.
습식 석탄 가스화기는 가스화기 내부에서 부분연소 및 가스화 반응을 하여 필요한 합성가스(CO, H2)를 생산하는 설비이다.
여기에서, 가스화의 효율 향상과 직결되어 있는 것이 바로 석탄 슬러리의 미립화 정도이다. 즉, 산화제로 사용되는 산소와 석탄 슬러리의 물리적인 접촉이 원활해야 부분산화 및 가스화 반응이 활성화될 수 있다.
이러한 석탄 가스화기에서 핵심기술은 석탄, 물, 산소를 효율적으로 고온, 고압의 반응기 내부로 전달해 주는 것이며, 미립화 정도를 높여서 반응효율을 증대시키는 것이 중요하다.
도 1은 종래기술에 따른 석탄 가스화기의 연료 공급기의 개략적인 단면도이고, 도 2는 종래기술에 따른 석탄 가스화기의 연료 공급기를 통한 석탄 슬러리 및 산화제의 토출 유동 상태를 도시한 도 1의 일부 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래기술에 따른 석탄 가스화기의 연료 공급기는 산소와 같은 산화제(11)가 공급되는 산화제관(1), 석탄 슬러리(21)가 공급되는 슬러리관(2)을 포함한다.
또한, 상기 산화제관(1) 외측에 상기 슬러리관(2)과 나란하게 배치되며 내부에 냉각수가 유통되는 냉각수관(3)을 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 슬러리관(2)의 일단부로 석탄 슬러리(21)가 토출되고, 산화제관(1)의 일단부로 산화제(11)만이 토출되므로, 상기 석탄 슬러리(21)와 산화제(11)와 충돌이 효과적으로 이루어지지 않기 때문에, 산화제(11)와 석탄 슬리러(21)가 원활하게 혼합되지 않을 뿐만 아니라, 그 만큼 산화제(11)와 석탄 슬러리(21)의 충돌 효율이 떨어지게 되므로 석탄 슬러리의 미립도 및 가스화 반응성이 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 습식 석탄 가스화기는 연료 공급기가 석탄 가스화기 내부에 취입되어 산화제의 투입각 및 공급되는 간극에 의해 산화제의 유속이 결정되고, 이로 인해 미립화의 정도가 결정되는 구조였다.
또한, 종래의 습식 석탄 가스화기는 석탄과 물을 적정 비율(예, 무게비 60%:40%)로 잘 혼합하여 석탄 슬러리가 점도가 약 300~500cP가 되도록 계면활성제도 석탄 무게 대비 약 1내지 2%를 섞어준다. 계면활성제의 역할은 석탄과 물이 잘 혼합이 되도록 하는 목적이다. 습식 석탄 가스화기는 석탄 슬러리를 펌프에 의해 석탄 가스화기에 공급해 주는 것을 기본으로 하고 있다. 문제는 석탄 슬러리를 제조하는데 물이 필요하며, 이 물은 석탄 슬러리로 제조하여 습식 석탄 가스화기 내부로 공급이 원활하게 되도록 하는 역할을 수행하지만, 에너지 측면 즉, 습식 석탄 가스화기의 가스화 효율 측면에서 보면 물의 양이 적을수록 좋다. 단, 석탄 슬러리의 점도가 일정 구간인 300~500cP 정도가 되어야 한다.
이러한 습식 석탄 가스화기의 가스화 효율이 건식에 비해 약 10%가량 낮은 이유는 액상의 물을 석탄과 슬러리로 혼합하여 펌프를 이용 석탄 가스화기 내부로 공급하고, 고온 고압의 석탄 가스화기 내부에서 공급된 물을 스팀의 형태로 만드는데 필요한 잠열에 해당하는 에너지가 소모되기 때문이다.
본 발명은 석탄 가스화기의 폐열을 이용하여 스팀을 생산하고, 이와 같이 생상된 스팀을 산화제와 동시에 산화제 및 스팀 공급관에 공급하여 석탄 슬러리와 산화제 및 스팀의 충돌율을 극대화 할 수 있고, 가스화 효율을 향상할 수 있도록 한 석탄 가스화기의 연료 공급기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 석탄 슬러리를 공급하기 위한 슬러리관,
상기 슬러리관의 외측에 배치되고, 상기 석탄 슬러리와 혼합되기 위한 산화제 및 스팀을 공급하기 위한 산화제 및 스팀 공급관, 및
상기 산화제 및 스팀 공급관에는 상기 산화제 및 스팀 공급관으로 공급되는 산화제 및 스팀을 상기 슬러리관 외부로 분사하기 위한 분사구멍을 갖는 분사노즐을 포함하는 석탄 가스화기의 연료 공급기가 제공될 수 있다.
상기 슬러리관과 상기 산화제 및 스팀 공급관의 사이에는 석탄 가스화기 내부 고열에 의한 상기 분사 노즐 및 상기 산화제 및 스팀 공급관의 열화를 방지할 수 있도록 냉각수 또는 냉매가 흐르는 냉각관을 포함할 수 있다.
상기 슬러리관에는 상기 석탄 슬러리의 미립화 및 상기 석탄 슬러리와 산화제 및 스팀의 반응성 향상을 위해, 상기 석탄 슬러리와 산화제 및 스팀의 충돌을 높이기 위한 충돌 증대부가 구비될 수 있다.
상기 충돌 증대부는 상기 석탄 슬러리가 상기 슬러리관 내에서 나선형으로 회전되면서 토출될 수 있도록 상기 슬러리관의 내주면에 형성된 나선형 홈을 포함할 수 있다.
상기 산화제 및 스팀 공급관의 일단부에는 그 길이 방향을 따라 일체로 연장되는 연장부가 형성되고,
상기 분사 노즐은 상기 연장부의 내측을 따라 나란하게 배치될 수 있다.
상기 분사 구멍은 상기 분사 노즐의 중심을 기준으로 30도 내지 60도의 각도로 복수개 형성될 수 있다.
상기 분사 구멍은 상기 산화제 및 스팀 공급관의 길이 방향 중심선에 대하여 상기 산화제 및 스팀 공급관의 내측 방향으로 30도 내지 60도의 각도로 경사지게 형성될 수 있다.
상기 분사 구멍은 상기 분사 노즐의 길이 방향을 따라 적어도 한열 이상 형성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 석탄 가스화기의 폐열을 이용하여 스팀을 생산하고, 이와 같이 생상된 스팀을 산화제와 동시에 산화제 및 스팀 공급관에 공급하여 석탄 슬러리와 산화제 및 스팀의 충돌율을 극대화 할 수 있고, 가스화 효율을 향상할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 석탄 가스화기의 연료 공급기의 개략적인 단면도이다.
도 2는 종래기술에 따른 석탄 가스화기의 연료 공급기를 통한 석탄 슬러리 및 산화제의 토출 유동 상태를 도시한 도 1의 일부 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 가스화기의 연료 공급기의 개략적인 일부 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 가스화기의 연료 공급기의 개략적인 일부 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 가스화기의 폐열을 이용하여 연료 공급기에 공급되는 스팀의 생산 과정을 도시한 블록도이다.
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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 가스화기의 연료 공급기의 개략적인 일부 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 가스화기의 연료 공급기의 개략적인 일부 측단면도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 가스화기의 연료 공급기는, 중앙부에 배치되고, 석탄 슬러리(110)를 공급하기 위한 슬러리관(100),
상기 슬러리관(100)의 외측에 배치되고, 상기 석탄 슬러리(110)와 혼합되기 위한 산화제 및 스팀(210)을 공급하기 위한 산화제 및 스팀 공급관(200),
상기 산화제 및 스팀 공급관(200)에는 상기 산화제 및 스팀 공급관(200)으로 공급되는 산화제 및 스팀(210)을 상기 슬러리관(100) 외부로 분사하기 위한 분사구멍(310)을 갖는 분사노즐(300)을 포함할 수 있다.
상기 상기 산화제 및 스팀 공급관(200)은 상기 슬러리관(100)과 동일한 중심을 가질 수 있다.
또한, 상기 슬러리관(100)과 상기 산화제 및 스팀 공급관(200)의 사이에는 석탄 가스화기 내부 고열에 의한 상기 분사 노즐(300) 및 상기 산화제 및 스팀 공급관(200)의 열화를 방지할 수 있도록 냉각수 또는 냉매가 흐르는 냉각관(400)을 포함할 수 있다.
상기 슬리러관(100)은 원통 형상으로 형성되고 상기 상기 산화제 및 스팀 공급관(200)의 내부에 배치되며, 내부에 타단부로부터 석탄 슬러리(110)가 공급되어 일단부로 토출되도록 구성된다.
상기 슬러리관(100)의 내부에는 상기 석탄 슬러리(110)가 공급되어 유동되는 통로로서 슬러리 유로(101)가 형성될 수 있다.
상기 슬러리관(100)에는 상기 석탄 슬러리(110)의 미립화 및 상기 석탄 슬러리(110)와 상기 산화제 및 스팀(210)의 반응성 향상을 위해, 상기 석탄 슬러리(110)와 산화제 및 스팀의 충돌을 높이기 위한 충돌 증대부가 구비될 수 있다.
상기 충돌 증대부는 상기 석탄 슬러리(110)가 상기 슬러리관(100) 내에서 나선형으로 회전되면서 토출될 수 있도록 상기 슬러리관(100)의 내주면에 형성된 나선형 홈(120)을 포함할 수 있다.
상기 산화제 및 스팀 공급관(200)은 원통 형상으로 형성되고 상기 슬러리관(100)의 외부, 특히 상기 냉각관(400)의 외부에 배치되며, 내부에 타단부로부터 산화제 및 스팀(210)이 공급되어 일단부로 토출되도록 구성된다.
상기 산화제 및 스팀 공급관(200)은 상기 석탄 슬러리(110)의 미립화를 향상시킬 수 있도록 상기 슬러리관(100)의 외측에 상기 슬리러관(100)의 길이 방향을 따라 나란하게 배치될 수 있다.
상기 산화제 및 스팀 공급관(200)에 공급되는 산화제(210)는 산소, 오존, 과산화수소 등과 같은 물질 중에서 선택되는 하나의 물질일 수 있다.
상기 산화제 및 스팀 공급관(200)의 내부에는 산화제 및 스팀(210)이 유동되는 통로로서 공급 유로(201)가 형성될 수 있다.
상기 산화제 및 스팀 공급관(200)의 일단부에는 그 길이 방향을 따라 일체로 연장되는 연장부(220)가 형성될 수 있다.
또한, 상기 분사 노즐(300)은 상기 분사 구멍(310)을 통하여 상기 산화제 및 스팀(210)을 상기 슬러리관(100)의 일단부 외측으로 효과적으로 공급할 수 있도록 상기 연장부(220)의 내측을 따라 나란하게 배치될 수 있다.
상기 분사 구멍(310)은 상기 석탄 슬러리(110)의 미립화를 극대화 할 수 있도록 상기 분사 노즐(300)의 길이 방향을 따라 적어도 한열 이상 형성될 수 있다.
상기 분사 구멍(310)은 상기 석탄 슬러리(110)의 미립화를 보다 극대화 할 수 있도록 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 분사 노즐(300)의 원주를 따라 일정한 간격으로 복수개 형성될 수 있으며, 상기 분사 노즐(300)의 중심을 기준으로 일정한 각도, 즉, 30도 내지 60도 간격으로 형성될 수 있으며, 특히 45도 간격으로 8개 형성될 수 있다.
상기 분사 구멍(220)은 상기 석탄 슬러리(110)의 미립화를 극대화 할 수 있도록 상기 산화제 및 스팀 공급관(200)의 길이 방향 중심선에 대하여 일정한 각도로 경사지게 형성될 수 있다.
또한, 상기 분사 구멍(220)은 상기 석탄 슬러리(110)의 미립화를 보다 극대화 할 수 있도록 상기 산화제 및 스팀 공급관(200)의 길이 방향 중심선에 대하여 30도 내지 60도, 특히 45도의 각도로 경사지게 형성될 수 있다.
또한, 상기 분사 구멍(220)의 경사 방향은 상기 산화제 및 스팀(210)이 상기 석탄 슬러리(110)를 용이하게 미립화할 수 있도록 상기 산화제 및 스팀 공급관(200)의 길이 방향 중심선에 대하여 상기 산화제 및 스팀 공급관(200)의 외측 방향으로부터 내측 방향으로 배치될 수 있다.
상기 냉각관(400)은 원통 형상으로 형성되고 상기 슬러리관(100)의 외부에 배치됨과 아울러 상기 산화제 및 스팀 공급(200)의 내부에 배치되며, 내부에 타단부로부터 냉각수 또는 냉매가 공급되어 일단부로 토출되도록 구성된다.
상기 냉각관(400)은 상기 분사 노즐(300) 및 상기 상기 산화제 및 스팀 공급(200)의 열화를 효과적으로 방지할 수 있도록 상기 산화제 및 스팀 공급(200)의 내측에 상기 산화제 및 스팀 공급(200)의 길이 방향을 따라 나란하게 배치될 수 있다.
또한, 상기 냉각관(400)의 내부에는 냉각수 또는 냉매가 유동되는 통로로서 냉각 유로(401)가 형성될 수 있다
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 가스화기의 폐열을 이용하여 연료 공급기에 공급되는 스팀의 생산 과정을 도시한 블록도이다.
도 5를 참조하면, 석탄 가스화기(500)에서 발생하는 고온(약 700~800℃)의 합성가스를 열교환기(600)에서 열교환을 행하여 스팀을 생산하고, 상기 스팀을 압축기(700)에 의하여 상기 석탄 가스화기(500)의 압력보다 높은 압력(석탄 가스화기 압력 + 1kg/cm2)으로 압축하여 상기 석탄 가스화기(500)에 다시 투입한다.
상기와 같이 상기 석탄 가스화기(500)의 폐열을 이용하여 스팀을 생산하고, 이와 같이 생산된 스팀을 상기 산화제 및 스팀 공급관(200)에 산화제와 동시에 공급한다.
이하에서, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 가스화기의 연료 공급기의 작동에 대해서 설명한다.
상기 석탄 가스화기의 연료 공급기는 중앙부에 배치된 슬러리관(100)의 외부에 산화제 및 스팀을 공급하기 위한 산화제 및 스팀 공급관(200)과, 상기 산화제 스팀 공급관(200)의 일단부에 연장 형성된 연장부(220)에 분사 노즐(300)을 설치하고 있다.
상기 산화제 및 스팀 공급관(200)과 상기 슬러리관(100) 사이에는 석탄 가스화기 내부의 고열에 의한 열화를 방지할 수 있도록 상기 산화제 및 스팀 공급관(200)과 상기 분사 노즐(300)의 냉각을 위한 냉각관(400)이 설치되어 있다.
또한, 상기 슬러리관(100)에는 상기 석탄 슬러리(110)와 산화제 및 스팀(210)의 충돌을 높이기 위한 충돌 증대부가 구비되고, 상기 충돌 증대부는 상기 석탄 슬러리(110)가 상기 슬러리관(100) 내에서 나선형으로 회전되면서 토출될 수 있도록 상기 슬러리관(100)의 내주면에 형성된 나선형 홈(120)을 포함하고 있다.
또한, 상기 분사 구멍(310)은 상기 분사 노즐(300)의 길이 방향을 따라 적어도 한열 이상 형성되고, 상기 분사 노즐(300)의 중심을 기준으로 일정한 각도, 예컨대, 45도 간격으로 8개 형성되어 있으며, 상기 산화제 및 스팀 공급관(200)의 길이 방향 중심선에 대하여 예컨대, 45도의 각도로 경사지게 형성되어 있으며,
상기 분사 구멍(220)의 경사 방향은 상기 산화제 및 스팀 공급관(200)의 길이 방향 중심선에 대하여 상기 산화제 및 스팀 공급관(200)의 외측 방향으로부터 내측 방향으로 배치되어 있다.
이에 따라, 상기 산화제 및 스팀 공급관(200)을 통하여 공급되는 산화제 및 스팀(210)이 상기 분사 노즐(300)의 분사 구멍(310)을 통하여 상기 슬러리관(100)의 일단부 외측으로 분사되므로, 상기 산화제 및 스팀(210)과 상기 석탄 슬러리(110)의 충돌이 극대화 될 수 있으므로, 상기 석탄 슬러리의 미립화를 극대화 할 수 있으며, 산화제 및 스팀과 석탄 슬러리의 가스화 반응성을 향상시킬 수 있다.
상기 산화제 및 스팀 공급관(200) 및 분사 노즐(300)은 상기 냉각관(400)을 흐르는 냉각수에 의하여 석탄 가스화기 내부 고열에 의한 열화가 방지되므로, 상기 산화제 및 스팀 공급관(200) 및 분사 노즐(300)을 보호할 수 있다.
또한, 동일 유량의 산화제 및 스팀(210)이 석탄 슬러리(110)를 미립화 시키기 위해 유속 및 방향을 보다 효율적인 방향으로 극대화 할 수 있으며, 최소의 물을 석탄과 섞어서 슬러리 형태로 혼합하고 여분의 물을 액상이 아닌 석탄가스화 후단공정을 통해 발생한 고압의 스팀을 이용 석탄 슬러리의 미립화 향상 및 물을 스팀으로 바꾸는데 필요한 열의 소모를 없앨 수 있으므로, 효율적인 측면에서 약 5% 가량 가스화 효율이 향상될 수 있다.
100: 슬러리관 110: 석탄 슬러리
200: 산화제 및 스팀 공급관 210: 산화제 및 스팀
300: 분사 노즐 310: 분사 구멍
400: 냉각관

Claims (8)

  1. 석탄 슬러리를 공급하기 위한 슬러리관,
    상기 슬러리관의 외측에 배치되고, 상기 석탄 슬러리와 혼합되기 위한 산화제 및 스팀을 공급하기 위한 산화제 및 스팀 공급관, 및
    상기 산화제 및 스팀 공급관에는 상기 산화제 및 스팀 공급관으로 공급되는 산화제 및 스팀을 상기 슬러리관 외부로 분사하기 위한 분사구멍을 갖는 분사노즐
    을 포함하고,
    상기 슬러리관과 상기 산화제 및 스팀 공급관의 사이에는 석탄 가스화기 내부 고열에 의한 상기 분사 노즐 및 상기 산화제 및 스팀 공급관의 열화를 방지할 수 있도록 냉각수 또는 냉매가 흐르는 냉각관을 포함하고,
    상기 슬러리관에는 상기 석탄 슬러리의 미립화 및 상기 석탄 슬러리와 산화제 및 스팀의 반응성 향상을 위해, 상기 석탄 슬러리와 산화제 및 스팀의 충돌을 높이기 위한 충돌 증대부가 구비되는 석탄 가스화기의 연료 공급기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 충돌 증대부는 상기 석탄 슬러리가 상기 슬러리관 내에서 나선형으로 회전되면서 토출될 수 있도록 상기 슬러리관의 내주면에 형성된 나선형 홈을 포함하는 석탄 가스화기의 연료 공급기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산화제 및 스팀 공급관의 일단부에는 그 길이 방향을 따라 일체로 연장되는 연장부가 형성되고,
    상기 분사 노즐은 상기 연장부의 내측을 따라 나란하게 배치되는 석탄 가스화기의 연료 공급기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 분사 구멍은 상기 분사 노즐의 중심을 기준으로 30도 내지 60도의 각도로 복수개 형성되는 석탄 가스화기의 연료 공급기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분사 구멍은 상기 산화제 및 스팀 공급관의 길이 방향 중심선에 대하여 상기 산화제 및 스팀 공급관의 내측 방향으로 30도 내지 60도의 각도로 경사지게 형성되는 석탄 가스화기의 연료 공급기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분사 구멍은 상기 분사 노즐의 길이 방향을 따라 적어도 한열 이상 형성되는 석탄 가스화기의 연료 공급기.
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