KR101537058B1 - 고형 원료 가스화 장치 및 이를 이용한 고형 원료의 가스화 방법 - Google Patents

고형 원료 가스화 장치 및 이를 이용한 고형 원료의 가스화 방법 Download PDF

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Abstract

원료 물질의 성상에 큰 영향을 받지 않고, 석탄뿐만 아니라 페트로코크스도 안정적으로 가스화 반응을 진행시킬 수 있으며, 스팀뿐만 아니라 이산화탄소까지도 가스화 매질로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 상압 또는 저압에서 안정적으로 운영될 수 있는 고형 원료 가스화 장치 및 이를 이용한 고형 원료의 가스화 방법이 개시된다. 상기 고형 원료 가스화 장치 및 이를 이용한 고형 원료의 가스화 방법은 고형 원료의 사전처리에 소요되는 비용을 대폭 절감할 수 있고, 이산화탄소도 가스화 매질로 사용할 수 있으며, 일산화탄소의 생산단가를 획기적으로 낮출 수 있으며, 가스화 효율을 대폭 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 제작비용 또한 대폭 절감할 수 있음과 동시에 대형 사고의 발생률을 획기적으로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

고형 원료 가스화 장치 및 이를 이용한 고형 원료의 가스화 방법{APPARATUS FOR GASIFICATION OF REFUSE DERIVED FUEL AND METHOD FOR GASIFICATION OF REFUSE DERIVED FUEL USING THE SAME}
본 발명은 고형 원료 가스화 장치 및 이를 이용한 고형 원료의 가스화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 석탄이나 정유 공정의 고탄소 함유 부산물인 페트로 코크스 등과 같은 고형 원료를 가스화 시킬 수 있는 장치와 이를 이용한 고형 원료의 가스화 방법에 관한 것이다.
최근에는 원유 및 LNG 등과 같은 유체 원료의 가격이 급상승함에 따라 고발열량 저가격의 고형 원료를 활용하는 기술이 급격한 관심을 받고 있는 실정이다. 상기 고형 원료를 활용하는 기술의 핵심은 원료 물질인 고형 물질이 함유하고 있는 화학적 에너지를 효율적으로 합성 가스로 전환시켜줄 수 있는 가스화 장치이다.
석탄의 가스화 기술은 1800년대부터 영국 등지에서 발전시켜온 기술로 현재 주로 사용되는 방식은 분류층 가스화(Entrained Bed Gasification) 방식, 유동층 가스화(Fluidized Bed Gasification) 방식, 이동층 가스화(Moving Bed Gasification) 방식 등과 같이 다양한 기술 형태로 발전되어 오고 있는 실정이다.
이와 같은 종래의 가스화 장치는 석탄 또는 페트로코크스 등의 원료물질을 직경이 작은 미립자 형태로 가공하여 고온, 고압(약 10bar 내지 100bar)에서 스팀 또는 물과 반응시켜 가스화 반응을 유도하는 설비이다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 일반적인 가스화 장치는 원료 물질의 특성에 따라 가스화 효율의 차이가 발생하거나, 원료 물질의 성상에 따라 상기 원료 물질을 사용할 수 없는 경우도 있다. 즉, 종래의 가스화 장치는 미분 형태로 원료 물질이 투입되는 장치의 특성상 원료 물질의 크기, 즉 밀리미터 단위의 크기인지 마이크로미터 단위의 크기인지에 따라 가스화 반응의 진행 정도의 차이가 나는 경우가 많으며, 이로 인하여 원료 물질의 사전 처리에 적지 않은 비용이 소모된다는 문제점이 있었다.
그리고, 종래의 가스화 장치는 고압에서 운영되는 특성상 설비의 제작이 까다로울 뿐만 아니라, 가스화 장치 이외에 고압가스 처리를 위한 고비용의 부대설비가 필요하므로 많은 제작비용이 투입되어야 한다는 문제점이 있었다.
한편, 통상적인 상업용 설비에서는 가스화 장치의 사용 목적에 따라 부산물로 이산화탄소가 대량으로 방출되는 경우가 적지 않으나, 상기 이산화탄소의 대부분은 가스화 보조물질로 사용될 수 있음에도 불구하고 가스화 반응이 용이하게 진행되기 어렵기 때문에 대기 중에 그대로 배출되고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제1984-0002023호(1984.06.11.)
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 원료 물질의 성상에 큰 영향을 받지 않는 고형 원료 가스화 장치 및 이를 이용한 고형 원료의 가스화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는 석탄뿐만 아니라 페트로코크스도 안정적으로 가스화 반응을 진행시킬 수 있는 고형 원료 가스화 장치 및 이를 이용한 고형 원료의 가스화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 또 다른 과제는 스팀뿐만 아니라 이산화탄소까지도 가스화 매질로 활용할 수 있는 고형 원료 가스화 장치 및 이를 이용한 고형 원료의 가스화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 또 다른 과제는 상압 또는 저압에서 안정적으로 운영될 수 있는 고형 원료 가스화 장치 및 이를 이용한 고형 원료의 가스화 방법을 제공하는 것이다.
그 외 본 발명의 세부적인 목적은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여 이 기술 분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고형 원료를 투입시키는 주원료 투입부와, 상기 고형 원료가 가열됨에 따라 발생되는 가스가 배출되는 가스 배출부와, 액체 성상의 슬래그를 배출시킬 수 있는 슬래그 배출부가 마련되는 노와, 상기 노의 내부에 고형 원료가 소정 높이까지 채워지면 상기 노 내부에 소정 온도로 가열된 산소를 공급하는 적어도 하나의 제1 산소 주입부와, 상기 제1 산소 주입부와 노의 상하 방향으로 소정 간격 이격되도록 상기 제1 산소 주입부 상부에 적어도 1단으로 배치되어 상기 제1 산소 주입부와 더불어 상기 노 내부에 소정 온도로 가열된 산소를 공급하여 상기 노 내부에 형성되는 가스화 존이 상기 노의 상하 방향으로 길게 형성될 수 있도록 하는 적어도 하나의 제2 산소 주입부 및, 상기 제1 산소 주입부와 소정 간격 이격되도록 상기 제1 산소 주입부 하부에 배치되어 상기 노 하부의 온도가 소정 온도에 도달하면 상기 노 내부에 보조 원료를 투입하여 노 내의 히트 밸런스(heat balance)를 유지시키는 적어도 하나의 보조 원료 투입부를 포함하는 고형 원료 가스화 장치를 제시한다.
또한, 상기 가스 배출부를 통해 배출되는 가스로부터 타르를 분리하여 회수할 수 있는 타르 회수유닛을 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 슬래그의 하부에 축적되는 용융철을 상기 노의 외부로 배출하여 회수할 수 있는 용융철 배출부를 더 포함할 수 있다.
이에 더하여, 상기 슬래그의 하부에 축적되는 용융니켈을 상기 노의 외부로 배출하여 회수할 수 있는 용융니켈 배출부를 더 포함할 수 있다.
일예를 들면, 상기 주원료로 사용되는 고형 원료는 석탄 또는 페트로코크스일 수 있다.
일예를 들면, 상기 보조 원료는 스팀 또는 이산화탄소일 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 일정 온도로 가열된 노 내부에 소정 높이까지 고형 원료를 채우는 단계와, 상기 노 내부에 제1, 2 산소 주입부를 통해 소정 온도로 가열된 산소를 공급하여 노 하부의 온도를 승온시키는 단계와, 상기 노 하부의 온도가 소정 온도에 도달하는 시점부터 점차적으로 고형 원료를 상기 노 내부에 더 투입하여 상기 노 상단까지 고형 원료를 채우는 단계 및, 상기 노 하부의 온도가 더 상승되어 소정 온도에 도달하는 시점부터 보조 원료 투입구를 통해 보조 원료를 노 내부에 투입하여 노 내부의 히트 밸런스(heat balance)를 유지시키는 단계를 포함하는 고형 원료의 가스화 방법을 제시한다.
한편, 상기 노 상단까지 고형 원료를 채우는 단계에서 상기 고형 원료는 상기 노 하부의 온도가 1000℃에 도달하는 시점부터 점차적으로 노 내부에 더 투입되어 노 상단까지 채워질 수 있다.
그리고, 상기 노 내의 히트 밸런스를 유지시키는 단계에서 상기 보조 원료는 상기 노 하부의 온도가 1500℃에 도달하는 시점부터 상기 노 내부에 투입될 수 있다.
일예를 들면, 상기 보조 원료는 스팀 또는 이산화탄소일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 본 발명의 일실시예에 의한 고형 원료 가스화 장치 및 이를 이용한 고형 원료의 가스화 방법은 노 내부에 소정 온도로 가열된 산소를 투입하여 상압 또는 저압(3bar 이내)에서도 1700℃ 이상으로 노 내부의 하부 온도를 유지할 수 있다.
이에 더하여, 상기 노 내부에 산소를 공급하는 산소 주입부를 노의 상하 높이 방향으로 적어도 2단으로 배치하여 노의 내부의 평균 온도가 적어도 1200℃ 이상 되는 가상의 영역인 가스화 존의 수직 길이를 충분히 확보하여 보조 원료, 즉 가스화 매질의 반응 시간을 충분히 확보할 수 있으므로 안정적인 가스화 반응이 진행될 수 있다.
그러므로, 고형 원료의 성상의 큰 영향을 받지 않고 상기 고형 원료를 가스화 시킬 수 있으므로 고형 원료의 사전처리에 소요되는 비용을 대폭 절감할 수 있으며, 고형 원료로서 석탄뿐만 아니라 페트로코크스도 사용할 수 있으며, 가스화 매질로 스팀뿐만 아니라 가스화 장치의 부산물로 대량으로 방출되는 이산화탄소를 가스화 매질로도 사용할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 상기 이산화탄소를 가스화 매질로 사용하는 경우에는 일산화탄소의 발생량이 가스화 매질로 스팀을 사용하는 경우 보다 높아지게 됨으로써, 일산화탄소의 발생이 주목적이 될 수 있는 공정에서 본 발명에 따른 고형 원료 가스화 장치 및 이를 이용한 고형 원료의 가스화 방법을 적용하게 되면 생산단가를 획기적으로 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 고형 원료 가스화 장치를 IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)용 가스화 장치로 사용하게 되면 수소는 고위 발열량과 저위 발열량의 차이가 매우 큰 반면, 일산화탄소의 경우 고위 발열량과 저위 발열량의 차이가 없으므로 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고, 상압 또는 저압에서도 운전이 가능함으로써 제작비용을 대폭 절감할 수 있으며, 폭발사고 등과 같은 대형 사고의 발생률 또한 획기적으로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
이에 더하여, 노 내부의 하부에서 발생된 수소 또는 일산화탄소가 노의 상부로 상승되면서 석탄 또는 페트로코크스와 같은 고형 원료와 충분히 열 교환된 후 배출됨으로써 배기가스의 온도가 종래의 미분형 가스화 장치에 비하여 낮으므로 에너지 효율성을 대폭 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
그 외 본 발명의 효과들은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여, 또는 본 발명을 실시하는 과정 중에 이 기술분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 고형 원료 가스화 장치를 설명하기 위한 단면도
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 고형 원료 가스화 방법을 설명하기 위한 순서도
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 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 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 고형 원료 가스화 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 고형 원료 가스화 장치(100)는 노(furnace : 110), 주원료 투입부(120), 가스 배출부(130), 슬래그 배출부(140), 제1 산소 주입부(150), 제2 산소 주입부(151) 및, 보조 원료 투입부(121)를 포함할 수 있다.
상기 노(110)는 내부에 고형 원료가 채워질 수 있는 공간부가 마련될 수 있다. 한편, 상기 노(110)는 LPG나 경유 등과 같은 승온용 연료에 의해 일정온도 이상 가열되도록 제작될 수 있다.
상기 주원료 투입부(120)는 상기 노(110)에 마련되어 고형 원료를 상기 노(110) 내부에 채워 넣을 수 있도록 한다. 예를 들면, 상기 주원료 투입부(120)는 상기 노(110)의 상부면에 마련될 수 있다.
여기서, 상기 주원료 투입부(120)를 통해 상기 노(110) 내부로 투입되는 고형 원료는 석탄 또는 페트로코크스 일 수 있다.
한편, 상기 고형 원료를 노(110) 내부로 투입할 시에는 상기 고형 원료의 회분(ash) 성분을 고려하여 석회석을 함께 투입할 수 있다. 상기와 같이 고형 원료를 석회석과 함께 노(110) 내부로 투입하면 상기 노(110)의 하부에서 액상 성상의 슬래그(slag)가 형성될 수 있다.
상기 가스 배출부(130)는 노(110) 내부에서 상기 고형 원료가 가열됨에 따라 발생되는 가스를 배출하는 것으로서, 상기 노(110)의 상단부에 마련될 수 있다.
상기와 같이 가스 배출부(130)가 노(110)의 상단부에 마련됨으로써 노(110)의 하부에서 발생한 수소 또는 일산화탄소와 같은 가스가 노(110)의 상부로 상승되면서 상기 노(110)의 내부에 충진된 고형 원료와 충분히 열 교환됨으로써 상기 가스 배출부(130)를 통해 배출되는 배기가스의 온도가 종래의 미분형 가스화 장치 보다 낮으므로 에너지 효율을 대폭 높일 수 있다.
상기 슬래그 배출부(140)는 노(110)의 하부에 마련되어 상기 노(110)의 하부에서 생성된 액상 성상의 슬래그를 노(110)의 외부로 배출할 수 있도록 한다.
상기 제1 산소 주입부(150)는 상기 노(110)의 내부에 고형 원료가 소정 높이까지 채워지게 되면 상기 노(110) 내부에 소정 온도로 가열된 산소를 공급할 수 있다.
여기서, 상기 고형 원료는 상기 노(110)의 중간 부분까지 투입되어 채워질 수 있다.
한편, 상기 제1 산소 주입부(150)를 통해 상기 노(110)의 내부로 공급되는 산소는 적어도 1000℃로 가열된 산소일 수 있다. 그리고, 상기 산소는 상기 노(110) 내부에 최종적으로 투입되는 최종 투입량을 100%라고 하면 12시간 간격을 두고 50% 정도의 양에서 시작하여 균등하게 증가시키면서 투입할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 산소 주입부(150)는 적어도 하나가 상기 슬래그 배출부 상부에 위치하도록 상기 노(110)에 마련될 수 있다.
상기 제2 산소 주입부(151)는 적어도 하나가 상기 제1 산소 주입부(150)와 소정 간격 이격되도록 상기 제1 산소 주입부(150) 상부에 적어도 1단으로 배치될 수 있다.
여기서, 상기 제2 산소 주입부(151)는 상기 제1 산소 주입부(150)와 더불어 상기 노(110) 내부에 소정 온도로 가열된 산소를 공급하여 상기 노(110) 내부에 형성되는 가스화 존이 상기 노(110)의 상하 방향으로 길게 형성될 수 있도록 한다.
예를 들면, 상기 제2 산소 주입부(151)는 상기 제1 산소 주입부(150)와 소정 간격 이격되도록 상기 제1 산소 주입부(150) 상부에 1단으로 배치될 수 있다.
다른 예를 들면, 상기 제2 산소 주입부(151)는 도면에는 도시되지 않았지만 상기 제1 산소 주입부(150)와 소정 간격 이격되도록 상기 제1 산소 주입부(150) 상부에 2단으로 배치될 수 있다.
여기서, 상기 제1 산소 주입부(150)로부터 상기 제2 산소 주입부(151)까지의 이격된 거리는 50cm 내지 100cm일 수 있다.
한편, 상기 제1 산소 주입부(150)로부터 상기 제2 산소 주입부(151)까지의 이격된 거리는 노(110) 크기와 산소 주입량에 따라서 100cm 이상일 수 있다.
따라서, 상기 제2 산소 주입부(151)는 상기 제1 산소 주입부(150)와 더불어 상기 노(110)의 상하 방향으로 노(110) 내부의 온도가 적어도 1200℃가 되는 가상의 영역인 가스화 존을 상기 노(110)의 상하 방향으로 길게 형성되도록 함으로써 보조 원료 투입부(121)를 통해 투입되는 보조 원료, 즉 가스화 매질인 스팀 또는 이산화탄소의 반응 시간을 충분히 확보할 수 있으므로 고형 원료의 안정적인 가스화 반응이 진행될 수 있도록 한다.
여기서, 상기 가스화 존의 수직 길이는 고형 물질에 따라 차이를 둘 수 있으며, 일반적으로 석탄 보다 페트로코크스의 반응성이 낮으므로 고형 물질로 석탄을 사용할 때 보다 상기 고형 물질로 페트로코크스를 사용할 시 가스화 존의 수직 길이를 더 길게 형성하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 상기 제2 산소 주입부(151)를 통해 노(110)의 내부로 투입되는 산소량은 상기 제1 산소 주입부(150)를 통해 노(110)의 내부로 투입되는 산소량의 50% 이하가 되도록 한다.
한편, 상기 보조 원료 투입부(121)는 적어도 하나가 상기 제1 산소 주입부(150)와 소정 간격 이격되도록 상기 제1 산소 주입부(150) 하부에 배치되어 상기 노(110) 하부의 온도가 소정 온도에 도달하면 상기 노(110) 내부에 보조 원료를 투입하여 노(110) 내부의 히트 밸런스(heat balance)를 유지시킬 수 있도록 한다.
여기서, 상기 보조 원료 투입부(121)는 상기 노(110) 하부의 온도가 1500℃에 도달할 시부터 상기 노(110) 내에 보조 원료를 투입하여 히트 밸런스를 유지시킬 수 있도록 한다.
예를 들면, 상기 보조 원료 투입부(121)를 통해 상기 노(110) 내부로 투입되는 보조 원료는 스팀 또는 이산화탄소일 수 있다.
한편, 상기 제1, 2 산소 주입부(150)(151)와 보조 원료 투입부(121)는 가스화 용량 규모에 따라서 그 개수가 변경될 수 있으며, 각각 적어도 4개씩 마련되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1, 2 산소 주입부(150)(151)와 보조 원료 투입부(121)는 그 주변의 온도가 경우에 따라서는 2000℃이상까지도 상승될 수 있으므로 냉각장치(도시되지 않음)를 포함하거나, 산화지르코늄 등과 같은 소재로 제작될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 의한 고형 원료 가스화 장치(100)는 타르 회수유닛(160)을 더 포함할 수 있다.
상기 타르 회수유닛(160)은 상기 가스 배출구(130)에 연결되어 상기 가스 배출구(130)를 통해 배출되는 가스로부터 타르만을 분리하여 회수할 수 있도록 한다.
보다 상세하게 설명하면, 상기 노(110) 내에서 석탄이나 페트로코크스를 가스화 시키면 상기 가스 배출구(130)를 통해 일산화탄소 및 수소 등과 함께 타르가 배출되며, 상기 가스 배출구(130)를 통해 배출되는 타르는 상기 타르 회수유닛(160)에 의해 회수되어 재사용될 수 있도록 한다.
한편, 본 발명의 일실시예에 의한 고형 원료 가스화 장치(110)는 용융철 배출부(170)를 더 포함할 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 고형 원료로 석탄을 사용하게 되면, 상기 석탄의 경우에는 품종에 따라 산화철 성분이 많이 함유될 수 있는데 노(110) 내에서 산화철은 일산화탄소 또는 탄소에 의해 직접 환원되어 슬래그 하부에 축적될 수 있으므로 상기 슬래그 배출부(140) 하부에 용융철 배출부(170)를 마련하여 정기적으로 상기 용융철을 별도로 배출시킬 수 있도록 한다.
이에 더하여, 본 발명의 일실시예에 의한 고형 원료 가스화 장치(100)는 용융니켈 배출부(180)를 더 포함할 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 고형 원료로 페트로코크스를 사용하게 되면, 상기 페트로코크스에 미량으로 포함된 고가의 금속인 니켈이 슬래그 하부에 축적될 수 있으므로 상기 슬래그 배출구(140) 하부에 용융니켈 배출부(180)를 마련하여 정기적으로 용융니켈을 별도로 배출시킬 수 있도록 한다.
한편, 본 발명의 일실시예에 의한 고형 원료 가스화 장치(100)에 상기 용융철 배출부(170)와 용융니켈 배출부(180)가 모두 마련될 경우에는 철의 비중 보다 니켈의 비중이 큼으로써 상기 슬래그 배출부(140) 하부에 용융철 배출부(170)가 마련되고, 상기 용융철 배출부(170) 하부에 용융니켈 배출부(180)가 마련될 수 있다.
이에 더하여 상기 슬래그 배출부(140), 용융니켈 배출부(170) 및, 용융철 배출부(180)는 도면에는 도시되지 않았지만 각각 슬래그, 용융니켈, 용융철의 배출 중 고형화 현상을 방지할 수 있도록 가열유닛을 더 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 가열유닛은 유도 가열유닛일 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 고형 원료 가스화 방법에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 고형 원료 가스화 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명의 일실시예에 의한 고형 원료 가스화 방법에서는 고형 원료로서 석탄 또는 페트로코크스를 사용할 수 있으며, 보조 원료로는 스팀 또는 이산화탄소를 사용할 수 있다.
먼저, 고형 원료인 석탄 또는 페트로코크스의 가스화 반응의 핵심 반응은 화학식 1 내지 화학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014032639541-pat00001
Figure 112014032639541-pat00002
Figure 112014032639541-pat00003
여기서, 화학식 1의 반응은 연소 반응으로서 발열 반응이며, 화학식 2 또는 화학식 3의 반응은 가스화 반응으로 흡열 반응이다.
일반적으로 연소반응의 반응속도는 가스화 대상물질, 즉 고형 원료에 따라 차이가 있을 수 있지만, 가스화 반응속도에 비교하여 10배 내지 100배 정도 빠른 것으로 알려져 있으며, 효율적인 고형 원료 가스화 장치는 발열반응에 의해 발생한 열을 최대한 활용하여 일산화탄소 또는 수소의 생산량을 높일 수 있는 것이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 고형 원료 가스화 장치(100)를 이용한 고형 원료의 가스화 방법은 상기 고형 원료 가스화 장치(100)를 초기에 구동시킬 경우에는 먼저 노(110) 내의 온도를 LPG 또는 경우 등과 같은 승온용 연료를 사용하여 일정 온도까지 상승시킨다.
예를 들면, 상기 승온용 연료를 통해서는 500℃ 내지 600℃ 범위가 될 때까지 노(110) 내의 온도를 상승시킨다.
상기와 같이 승온용 연료를 통해 500℃ 내지 600℃ 범위가 될 때까지 노(110) 내의 온도를 상승되면 주원료 투입부(120)를 통해 상기 노(110) 내부에 소정 높이까지 고형 원료를 채운다(S110).
여기서, 상기 고형 원료는 초기 투입 시 상기 노(110)의 상부까지 채워지도록 투입되는 것이 아니라 상기 노(110)의 중간부분까지만 채워지도록 투입한다.
예를 들면, 상기 주원료 투입부(120)를 통해 노(110) 내부에 투입되는 고형 원료는 석탄 또는 페트로코크스 일 수 있다.
이후, 상기 노(110) 내부에 제1, 2 산소 주입부(150)(151)를 통해 소정 온도로 가열된 산소를 공급하여 노(110) 내부의 하부 온도를 승온시킨다(S120).
여기서, 상기 노(110) 내부로 공급되는 산소는 적어도 1000℃가 되도록 가열된 산소일 수 있다.
한편, 상기 제1, 2 산소 주입부(150)(151)를 통해 상기 노(110) 내부로 공급되는 가열된 산소는, 먼저 최종 투입량의 50%를 상기 노(110) 내부로 공급한 이후, 나머지 산소는 12시간 간격을 두고 나머지 균등하게 분할하여 서서히 공급한다.
이때, 상기 제2 산소 주입부(151)를 통해 노(110) 내부에 공급되는 산소의 양은 상기 제1 산소 주입부(150)를 통해 노의 내부로 투입되는 산소량의 50% 이하가 되도록 한다.
상기와 같이 S120 단계를 진행하게 되면 노(110) 내부의 하부의 온도는 대략 1300℃ 이상 승온 된다.
이후, 상기 노(110) 하부의 온도가 소정 온도에 도달하는 시점부터는 점차적으로 고형 원료를 상기 노(110) 내부에 더 투입하여 상기 노(110) 상단까지 고형 원료를 채운다(S130).
예를 들면, 상기 고형 원료는 상기 노(110) 하부의 온도가 대략 1000℃에 도달하는 시점부터 노(110) 내부에 더 채워져서 노(110) 내부의 고형 원료의 높이를 서서히 증가시켜 노(110)의 최상단에 도달할 때까지 채워진다.
여기서, 상기 고형 원료는 12시간에 걸쳐 노(110) 내부에 서서히 투입되어 채워질 수 있다.
한편, 노(110) 하부의 온도가 더 상승되어 소정 온도에 도달하는 시점부터는 보조 원료 투입구(121)를 통해 보조 원료를 노(110) 내부에 투입하여 노(110) 내부의 히트 밸런스를 유지시킨다(S140).
환언하면, 노(110) 하부의 온도가 더 상승되어 1500℃에 도달하는 시점부터 상기 보조 원료 투입구(121)를 통해 스팀 또는 이산화탄소와 같은 보조 원료를 노(110) 내부에 투입하여 상기 노(110) 내부의 히트 밸런스를 유지시킴으로써 안정적인 연속 운전을 가능할 수 있도록 한다.
도 1에 도시된 바와 같은 형태의 하루 1톤 규모의 고형 원료 가스화 장치(100)를 제작하여 상술한 바와 같은 과정(S110 내지 S140 단계)에 따라 고형 원료를 가스화 시켜 발생되는 가스를 측정한 결과 표1과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
여기서, 상기 고형 원료로는 페트로코크스를 사용하였으며, 보조 원료로는 스팀을 사용하였다.
CO H2 CO2 O2 COS H2S
66.9 27.0 3.7 2.3 0.0 0.0
수치는 수분을 제외한 발생가스의 부피 %임
비록 하루 1톤 규모의 작은 가스화 장치(100)에서 진행된 가스화 반응이지만 표1에 표시된 바와 같이 이산화탄소의 생성비율이 매우 낮고, 원료물질 또는 발열물질로 필요로 하는 수소 및 일산화탄소의 총 함량이 매우 큰 결과를 보여준다. 본 가스화 반응에서 사용된 고형 원료의 투입량을 종합하면 냉 가스 효율이 대략 80%에 이르는 것을 확인할 수 있다.
일반적으로 고도화 설비가 구비되어 있지 않은 정유공장의 부산물인 페트로코크스는 동일 질량 대비 석탄보다 높은 발열량을 보이지만, 황 함량의 차이가 0.3% 내지 8%로 매우 심하고, 발화점(경우에 따라서는 1000℃ 이상도 됨)이 매우 높으므로 석탄보다 반응성이 낮은 특성이 있으며, 가스화 반응은 연소 반응과 비교하여 반응속도가 10배 내지 100배 정도 느린 속도로 진행됨으로써 페트로코크스의 가스화 반응은 그만큼 용이하지 않다.
그러나, 본 발명의 일실시예에 의한 고형 원료 가스화 장치(100) 및 이를 이용한 고형 원료의 가스화 방법은 노(110) 내부에 소정 온도로 가열된 산소를 투입하여 상압 또는 저압(3bar 이내)에서도 1700℃ 이상으로 노(110) 내부의 하부 온도를 유지할 수 있다.
이에 더하여, 상기 노(110) 내부에 산소를 공급하는 산소 주입부(150)(151)를 노(110)의 상하 높이 방향으로 적어도 2단으로 배치하여 노(110)의 내부의 평균 온도가 적어도 1200℃ 이상 되는 가상의 영역인 가스화 존의 수직 길이를 충분히 확보하여 보조 원료, 즉 가스화 매질의 반응 시간을 충분히 확보할 수 있으므로 안정적인 가스화 반응이 진행될 수 있다.
그러므로, 고형 원료의 성상의 큰 영향을 받지 않고 상기 고형 원료를 가스화 시킬 수 있으므로 고형 원료의 사전처리에 소요되는 비용을 대폭 절감할 수 있으며, 고형 원료로 석탄뿐만 아니라 페트로코크스도 사용할 수 있으며, 가스화 매질로 스팀뿐만 아니라 가스화 장치의 부산물로 대량으로 방출되는 이산화탄소를 가스화 매질로도 사용할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 상기 이산화탄소를 가스화 매질로 사용하는 경우에는 일산화탄소의 발생량이 가스화 매질로 스팀을 사용하는 경우 보다 높아지게 됨으로써, 일산화탄소의 발생이 주목적이 될 수 있는 공정에서 본 발명에 따른 고형 원료 가스화 장치(100) 및 이를 이용한 고형 원료의 가스화 방법을 적용하게 되면 생산단가를 획기적으로 낮출 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 고형 원료 가스화 장치(100)를 IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)용 가스화 장치로 사용하게 되면 수소는 고위 발열량과 저위 발열량의 차이가 매우 큰 반면, 일산화탄소의 경우 고위 발열량과 저위 발열량의 차이가 없으므로 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
그리고, 상압 또는 저압에서도 운전이 가능함으로써 제작비용을 대폭 절감할 수 있으며, 폭발사고 등과 같은 대형 사고의 발생률 또한 획기적으로 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
이에 더하여, 노 내부의 하부에서 발생된 수소 또는 일산화탄소가 노의 상부로 상승되면서 석탄 또는 페트로코크스와 같은 고형 원료와 충분히 열교환된 후 배출됨으로써 배기가스의 온도가 종래의 미분형 가스화 장치에 비하여 낮으므로 에너지 효율성을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
(110) : 노 (120) : 주원료 투입부
(121) : 보조 연료 투입부 (130) : 가스 배출부
(140) : 슬래그 배출부 (150) : 제1 산소 주입부
(151) : 제2 산소 주입부 (160) : 타르 회수유닛
(170) : 용융철 배출부 (180) : 용융니켈 배출부

Claims (10)

  1. 고형 원료를 투입시키는 주원료 투입부와, 상기 고형 원료가 가열됨에 따라 발생되는 가스가 배출되는 가스 배출부와, 액체 성상의 슬래그를 배출시킬 수 있는 슬래그 배출부가 마련되는 노;
    상기 노의 내부에 고형 원료가 소정 높이까지 채워지면 상기 노 내부에 소정 온도로 가열된 산소를 공급하는 적어도 하나의 제1 산소 주입부;
    상기 제1 산소 주입부와 소정 간격 이격되도록 상기 제1 산소 주입부 하부에 배치되어 상기 노 하부의 온도가 소정 온도에 도달하면 상기 노 내부에 스팀 또는 이산화탄소 중 어느 하나인 보조 원료를 투입하여 노 내의 히트 밸런스(heat balance)를 유지시키는 적어도 하나의 보조 원료 투입부; 및
    상기 제1 산소 주입부와 노의 상하 방향으로 소정 간격 이격되도록 상기 제1 산소 주입부 상부에 적어도 1단으로 배치되어 상기 제1 산소 주입부와 더불어 상기 노 내부에 소정 온도로 가열된 산소를 공급하여 노 내부의 온도가 적어도 1200℃가 되는 가상 영역인 상기 노 내부에 형성되는 가스화 존이 상기 노의 상하 방향으로 길게 형성되도록 함으로써 상기 보조 원료 투입부를 통해 투입되는 보조 원료의 반응 시간을 충분히 확보할 수 있도록 하여 고형 원료의 안정적인 가스화 반응이 진행되도록 하는 적어도 하나의 제2 산소 주입부를 포함하는 고형 원료 가스화 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 가스 배출부를 통해 배출되는 가스로부터 타르를 분리하여 회수할 수 있는 타르 회수유닛을 더 포함하는 고형 원료 가스화 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 슬래그의 하부에 축적되는 용융철을 상기 노의 외부로 배출하여 회수할 수 있는 용융철 배출부를 더 포함하는 고형 원료 가스화 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 슬래그의 하부에 축적되는 용융니켈을 상기 노의 외부로 배출하여 회수할 수 있는 용융니켈 배출부를 더 포함하는 고형 원료 가스화 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 주원료로 사용되는 고형 원료는 석탄 또는 페트로코크스인 것을 특징으로 하는 고형 원료 가스화 장치.
  6. 삭제
  7. 일정 온도로 가열된 노 내부에 소정 높이까지 고형 원료를 채우는 단계;
    상기 노 내부에 제1, 2 산소 주입부를 통해 소정 온도로 가열된 산소를 공급하여 노 하부의 온도를 승온시키는 단계;
    상기 노 하부의 온도가 소정 온도에 도달하는 시점부터 점차적으로 고형 원료를 상기 노 내부에 더 투입하여 상기 노 상단까지 고형 원료를 채우는 단계; 및
    상기 노 하부의 온도가 더 상승되어 소정 온도에 도달하는 시점부터 보조 원료 투입구를 통해 스팀 또는 이산화탄소 중 어느 하나인 보조 원료를 노 내부에 투입하여 노 내부의 히트 밸런스(heat balance)를 유지시키는 단계를 포함하며,
    상기 제1, 2 산소 주입부를 통해 소정 온도로 가열된 산소를 공급하여 노 하부의 온도를 승온시키는 단계에서,
    상기 제1, 2 산소 주입부는 상기 제1 산소 주입부와 노의 상하 방향으로 소정 간격 이격되도록 상기 제1 산소 주입부 상부에 적어도 1단으로 배치되어 상기 제1 산소 주입부와 더불어 상기 노 내부에 소정 온도로 가열된 산소를 공급하여 노 내부의 온도가 적어도 1200℃가 되는 가상 영역인 상기 노 내부에 형성되는 가스화 존이 상기 노의 상하 방향으로 길게 형성되도록 함으로써 상기 보조 원료 투입구를 통해 투입되는 보조 원료의 반응 시간을 충분히 확보할 수 있도록 하여 고형 원료의 안정적인 가스화 반응이 진행되도록 하는 것을 특징으로 하는 고형 원료의 가스화 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    노 상단까지 고형 원료를 채우는 단계에서,
    상기 고형 원료는 상기 노 하부의 온도가 1000℃에 도달하는 시점부터 점차적으로 노 내부에 더 투입되어 노 상단까지 채워지는 것을 특징으로 하는 고형 원료의 가스화 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 노 내의 히트 밸런스를 유지시키는 단계에서,
    상기 보조 원료는 상기 노 하부의 온도가 1500℃에 도달하는 시점부터 상기 노 내부에 투입되는 것을 특징으로 하는 고형 원료의 가스화 방법.
  10. 삭제
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