KR101617754B1 - 분산형 석탄 및 폐수의 가스화 발전 시스템 - Google Patents

분산형 석탄 및 폐수의 가스화 발전 시스템 Download PDF

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라호원
이재구
서명원
전상구
김덕근
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한국에너지기술연구원
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본 발명은 분산형 전력 시스템에 적합한 석탄 및 폐수를 가스화하여 발전하는 석탄 및 폐수의 가스화 발전 시스템에 관한 것이다. 보다 자세하게는 석탄 및 폐수를 공급받아 혼합하여 균일한 슬러리(slurry)로 제조하는 슬러리 혼합장치(1); 균일한 슬러리를 공급받아 저장하는 슬러리 저장장치(2); 상기 슬러리 저장장치(2)의 슬러리를 이송하기 위한 펌프(3); 산소 또는 공기 중 적어도 하나를 산화제로 사용하여 상기 슬러리를 가스화하여 가스 및 슬러그를 생성시키는 슬러리 가스화기(4); 상기 가스가 슬러리 가스화기(4)에서 배출되면 상기 배출된 가스의 가스 성분을 분석하는 가스분석장치(5); 상기 배출된 가스를 정제하는 가스정제장치(6); 상기 정제된 가스를 연료로 이용하여 전기를 생성시키는 발전장치(7); 및 상기 슬러그를 배출시키기 위한 슬러그 배출장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄 및 폐수의 가스화 복합발전 시스템(100)에 관한 것이다.

Description

분산형 석탄 및 폐수의 가스화 발전 시스템{Distributed power generation through coal and industrial waste water gasification}
본 발명은 분산형 전력 시스템에 적합한 석탄 및 폐수를 가스화하여 발전하는 석탄 및 폐수의 가스화 발전 시스템에 관한 것이다. 보다 자세하게는 석탄과 산업폐수 슬러리를 이용한 에너지 생산과 동시에 폐수처리가 가능한 가스화 열병합 복합발전기술에 관한 것으로, 다양한 종류의 산업폐수와 석탄 혼합 슬러리에 따른 1톤/일 습식 분류층 가스화기를 이용한 가연성의 합성가스를 생산시키고, 이후 가스엔진을 이용하여 전력생산 및 배열회수를 통한 산업체에서의 열이용이 가능하다.
안정적인 에너지원 확보는 미래의 인류에게 있어 식량자원 확보와 마찬가지로 가장 중요한 과제로 대두되고 있으며, 지속가능한 발전을 위해서는 재생에너지 개발 및 이용이 무엇보다도 중요하지만, 현재 기술수준을 고려하면 상당량의 에너지는 여전히 화석연료에 의존하지 않을 수 없는 상태이다.
이러한 화석연료 중 양적으로 가장 풍부하게 존재하는 석탄은 고체 상태로 존재하여 취급하기가 곤란할 뿐만 아니라 이용시 오일이나 가스에 비하여 연소조절이 어렵고 환경공해문제를 야기하기 때문에 이용범위가 제한되어 있다.
그러나, 석탄은 우리나라 총에너지소비의 28%를 차지하는 중요한 비중을 차지하는 연료로써, 발전 및 제철분야에서 필수적인 연료 및 원료로 사용되고 있고, 많은 분야에서 사용되어 아직은 충분히 그 가치를 발휘하고 있기때문에, 향후 산업용 에너지원으로써 깨끗하고 효율적으로 이용될 수 있는 방안이 마련되어야 한다.
석탄을 발전연료로 이용할 경우에 생각해야만 하는 것은 환경대책과 열효율을 향상시키는 것으로, 대형 발전소에서는 이미 300MWe규모에서는 환경 친화적이고 효율이 높은 발전소임이 이미 실증화 되었다. 또한, 인도네시아와 같은 개도국에서의 에너지 수요는 급격하게 증가하고 있으며 이를 제공하기 위한 1차에너지원은 대부분 석탄이다.
이러한 석탄은 발전에 적용하는 방식으로는 직접 연소한 열로 증기를 생산하는 방식과 석탄으로부터 합성가스를 생산하고 생산된 합성가스로 발전이 이루어지는 석탄가스화 방식이 있다. 상기 석탄가스화는 완전 연소에 필요한 산소량보다 적은량의 산소를 사용하여 고온, 가압조건에서 산소, 수증기와 반응하여 CO와 H2를 주요성분으로 하는 합성가스를 생산하는 석탄전환기술로 발전 뿐만아니라 석탄화학공업에 있어서 매우 중요한 기술이다.
이를 이용한 석탄가스화 열병합발전은 고온 조건하에서 석탄을 가스로 전환시킨 다음, 이 가스를 내연기관, 가스터빈, 연료전지등에서 연소하여 전력을 생산하는 복합발전 방식이다.
그러나, 기존 석탄가스화 기술개발의 경우, 대규모의 석탄가스화복합발전(IGCC), 석탄액화(CTL), 석탄이용 합성천연가스생산 (SNG) 위주로 개발되었으며, 고비용의 산소분리장치를 이용한 순산소 가스화 기술개발에 주력되어 왔다. 또한, 석탄의 공급방법이 복잡하고, 비용이 많이 드는 건식 석탄공급 방법이 주로 개발, 적용되고 있는 실정이다.
(특허문헌 0001) 대한민국 공개특허 10-2009-0012261
(특허문헌 0002) 대한민국 공개특허 10-2015-0015520
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 분산형 전력 시스템에 적합한 석탄 및 폐수를 가스화하여 발전하는 석탄 및 폐수의 가스화 발전 시스템에 관한 것이다. 보다 자세하게는 석탄과 산업폐수 슬러리를 이용한 에너지 생산과 동시에 폐수처리가 가능한 가스화 열병합 복합발전기술에 관한 것으로, 다양한 종류의 산업폐수와 석탄 혼합 슬러리에 따른 1톤/일 습식 분류층 가스화기를 이용한 가연성의 합성가스를 생산시키고, 이후 가스엔진을 이용하여 전력생산 및 배열회수를 통한 산업체에서의 열이용이 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 추가비용 없이 유해 산업폐수의 동시처리가 가능하고 시설투자비가 낮으며, 운전이 간단한 분산형 전력 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 산업폐수는 중소규모의 다양한 산업체에서 발생되며, 일부 자체 처리하여 재사용하거나, 위탁처리 함으로써 에너지, 시설 및 위탁처리 비용이 소모되고 있다. 이는 산업체 생산품의 단가와도 연계되어 경제성에 영향을 주며, 일부 폐수가 완벽하지 않게 처리되어 방류되는 경우 환경적 측면에서도 문제가 있어 왔다. 추가비용 없이 유해 산업폐수의 동시처리가 가능한 가스화 기술개발을 위해서는 시설투자비가 낮고, 운전이 간단한 기술이 필요하다. 따라서, 본 발명의 공기를 가스화제로 사용하는 습식분류층 가스화 기술인 석탄 및 폐수의 가스화 발전 시스템을 제공하여 산업폐수를 낮은 단가에 처리하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 분산형 전력 시스템에 적합한 석탄 및 폐수를 가스화하여 발전하는 석탄 및 폐수의 가스화 발전 시스템에 관한 것이다. 보다 자세하게는 석탄 및 폐수를 공급받아 혼합하여 균일한 슬러리(slurry)로 제조하는 슬러리 혼합장치(1); 균일한 슬러리를 공급받아 저장하는 슬러리 저장장치(2); 상기 슬러리 저장장치(2)의 슬러리를 이송하기 위한 펌프(3); 산소 또는 공기 중 적어도 하나를 산화제로 사용하여 상기 슬러리를 가스화하여 가스 및 슬러그를 생성시키는 슬러리 가스화기(4); 상기 가스가 슬러리 가스화기(4)에서 배출되면 상기 배출된 가스의 가스 성분을 분석하는 가스분석장치(5); 상기 배출된 가스를 정제하는 가스정제장치(6); 상기 정제된 가스를 연료로 이용하여 전기를 생성시키는 발전장치(7); 및 상기 슬러그를 배출시키기 위한 슬러그 배출장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 석탄 및 폐수의 가스화 발전 시스템은 대형화, 순산소 가스화 위주로 개발되어왔던 가스화기술에서 분산형 공기가스화 기술을 확보함으로써 다양한 규모 및 분야로 넓힐 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 석탄 및 폐수의 가스화 발전 시스템은 기존의 건식 연료공급 가스화보다 장치비가 저렴하고, 운전이 용이한 습식 가스화 방법으로, 산업폐수를 동시처리 함으로써 기술의 경제성을 향상시키며, 다양한 산업폐수의 환경 친화적 처리 및 방류가 가능한 효과를 갖는다.
아울러, 본 발명의 석탄 및 폐수의 가스화 발전 시스템은 석유계 및 바이오오일계 폐기물로부터 정제를 통한 벙커C 대체유 생산 및 판매하는 업체에서 발생되는 폐수와 함께 생산되는 저급 타르형태의 잔류물 및 대체유를 혼합 에멀젼화하여 전기를 생산 및 사용하고자 하는 분야에서도 본 기술의 적용 및 활용이 가능한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 석탄 및 폐수의 가스화 복합발전 시스템(100)의 전체 구성도이다.
본 발명의 분산형 전력 시스템에 적합한 석탄 및 폐수를 가스화하여 발전하는 석탄 및 폐수의 가스화 발전은 도 1과 같이, 석탄 및 폐수를 공급받아 혼합하여 균일한 슬러리(slurry)로 제조하는 슬러리 혼합장치(1); 균일한 슬러리를 공급받아 저장하는 슬러리 저장장치(2); 상기 슬러리 저장장치(2)의 슬러리를 이송하기 위한 펌프(3); 산소 또는 공기 중 적어도 하나를 산화제로 사용하여 상기 슬러리를 가스화하여 가스 및 슬러그를 생성시키는 슬러리 가스화기(4); 상기 가스가 슬러리 가스화기(4)에서 배출되면 상기 배출된 가스의 가스 성분을 분석하는 가스분석장치(5); 상기 배출된 가스를 정제하는 가스정제장치(6); 상기 정제된 가스를 연료로 이용하여 전기를 생성시키는 발전장치(7); 및 상기 슬러그를 배출시키기 위한 슬러그 배출장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄 및 폐수의 가스화 복합발전 시스템(100)에 관한 것이다.
아울러, 본 발명의 슬러리 가스화기(4)는 시설투자비가 낮고, 운전이 간단한 공기를 가스화제로 사용하는 습식분류층인 것을 특징으로 한다.
또한, 산업폐수를 석탄과 혼합 슬러리화하여 1100℃ 이상에서 운전되는 가스화기로 공급하는 경우, 아래 표1에 기재된 석탄의 가스화를 통한 에너지 생산과 동시에 폐수 내 중금속류는 석탄회재 슬래그에 안정화되어 배출되며 VOCs는 연소됨으로써 산업폐수의 추가비용 없이 완벽한 처리가 가능하다는 특징을 갖는다.
Figure 112015041098462-pat00001
또한, 상기 가스정제장치(6)는 사이클론, 더스트필터, 탈유장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 가스정제장치(6)는 슬러리 가스화기(4)에서 발생되는 가스 중에서 황 화합물이나 질소 화합물 등의 불순물을 제거하고 정제하는 것이다. 가스는 가스정제장치(6)를 통하여 발전장치(7)의 연료로 가능하다. 상기 발전장치(7)는 내연기관, 가스엔진, 연료전지 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 보다 바람직하게는 가스엔진인 것을 특징으로 한다.
아울러, 제어부(9)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 석탄 및 폐수의 가스화 복합발전 시스템(100)은 상기 산소 또는 공기 중 적어도 하나를 공급하기 위한 컴프레서(8)를 도입한 것을 특징으로 한다. 경제성 있는 분산형 가스화 발전을 위해서는 고비용의 순산소 제조 시스템이 아닌 컴프레서(8)를 이용한 공기이용 가스화 기술개발이 필수적이 때문에, 컴프레서(8)를 도입해야 한다.
또한, 폐수와 균일하게 혼합되고 석탄 가스화의 효율을 증가시키기 위하여 상기 석탄을 폐수와 혼합하기 전에 석탄의 평균직경 100㎛ 이하로 균일하게 파쇄하는 파쇄장치를 추가로 도입하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 석탄의 함량이 상기 슬러리의 50~80 wt.%인 것을 특징으로 한다. 석탄의 함량이 50 wt.%이하인 경우 가스화 효율이 낮고, 80 wt.% 이상인 경우 점도가 증가하여 이송 비용 증가로 인한 공정 단가가 상승하는 단점이 있다.
또한, 석탄과 폐수의 슬러리의 분산도를 향상시키기 위하여, 슬러리에 분산제가 추가로 포함되는 것을 특징으로 한다. 분산제는, 나프탈렌술폰산과 그 염; 석유술폰산과 그 염; 리그닌술폰산과 그 염; 및 이들의 포름알데히드 축합물; 폴리옥시에틸렌알킬에테르 황산에스테르와 그 염; 폴리옥시에틸렌알킬아릴 에테르 황산 에스테르와 그 염; 폴리글리세롤 황산염; 멜라민수지술폰산과 그 염;으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 한다.
또한, 석탄 및 폐수의 가스화 복합발전 시스템(100)은 분산형 전력 시스템으로 적용되는 것을 특징으로 한다. 연도별 국내 최대 전력 사용량은 지속적으로 증가하는 추세이며, 이로 인하여 최근 수차례 블랙아웃의 위기를 경험하였다. 이로 인하여, 아래 표 2와 같이 올해 초 개정된 2차 국가에너지 기본계획에서는 1차 계획과 달리 발전소의 배치를 분산형 발전 시스템으로 2035년까지 분산형 발전비중을 15%로 증가시키는 계획을 가지고 있다. 국내 전력사용량을 보면, 전체 전기사용량의 50% 이상이 산업체에서 사용되며, 일반용, 주택용 순임. 따라서, 에너지 다소비 업체에서의 활용될 수 있는 분산형 발전기술의 개발이 필요한 실정이다. 따라서, 본 발명의 석탄 및 폐수의 가스화 복합발전 시스템(100)은 습식 분류층 가스화의 경우 석탄/폐수 슬러리를 펌프(3)를 이용하여 가스화기로 공급됨으로써 건식 분류층 가스화에 비해 연료공급 시스템이 매우 간단하며, 시설비 측면에서도 저렴하고, 산업폐수를 사용하여 가스화에 필요한 물의 공급비용 절감과 동시에 폐수를 열적으로 동시 처리가 가능하다는 장점을 가지고 있어 분산형 발전기술에 적합할 뿐만 아니라 환경적으로 친화적이라는 장점을 가지고 있다.
Figure 112015041098462-pat00002
이상, 도면을 참조하여 본 발명의 석탄 및 폐수의 가스화 복합발전 시스템(100)에 관한 내용을 상세히 설명하였으나, 상기 기술적 특징과 관련된 사항 이외에 본 발명을 실시함에 필요한 부수적인 요소들은 이 출원이 속하는 기술 분야에서 통상적인 기술 내용에 따라 가감이 가능한 것이므로 이에 대한 구체적인 사항은 기재를 생략하며, 이 출원이 속하는 기술 분야에서 일반적으로 알려진 주지 또는 관용의 기술이 필요에 따라 본 발명에 적용될 수 있다.
또한, 앞서 설명한 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 슬러리 혼합장치
2: 슬러리 저장장치
3: 펌프
4: 가스화기
5: 가스분석장치
6: 가스정제장치
7: 발전장치
8: 컴프레서
9: 제어부
100: 가스화 복합발전 시스템

Claims (11)

  1. 석탄 및 폐수를 가스화하여 발전하는 석탄 및 폐수의 분산형 가스화 복합발전 시스템(100)에 있어서,
    석탄 및 폐수를 공급받아 혼합하여 균일한 슬러리(slurry)로 제조하는 슬러리 혼합장치(1);
    균일한 슬러리를 공급받아 저장하는 슬러리 저장장치(2);
    상기 슬러리 저장장치(2)의 슬러리를 이송하기 위한 펌프(3);
    산소 또는 공기 중 적어도 하나를 산화제로 사용하여 상기 슬러리를 가스화하여 가스 및 슬러그를 생성시키는 슬러리 가스화기(4);
    상기 가스가 슬러리 가스화기(4)에서 배출되면 상기 배출된 가스의 가스 성분을 분석하는 가스분석장치(5);
    상기 배출된 가스를 정제하는 가스정제장치(6);
    상기 정제된 가스를 연료로 이용하여 전기를 생성시키는 발전장치(7); 및 상기 슬러그를 배출시키기 위한 슬러그 배출장치;
    상기 슬러리 가스화기(4)는 습식분류층 가스화기이며,
    상기 가스정제장치(6)는 사이클론, 더스트필터, 탈유장치로 이루어지며,
    상기 석탄을 혼합하기 전에 석탄의 평균입경 100μm 이하로 균일하게 파쇄하는 파쇄장치를 추가로 도입하고,
    상기 슬러리에 분산제가 추가되는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 석탄 및 폐수의 분산형 가스화 복합발전 시스템(100)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발전장치(7)는 내연기관, 가스엔진, 연료전지 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 석탄 및 폐수의 분산형 가스화 복합발전 시스템(100)
  5. 제1항에 있어서,
    제어부(9)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄 및 폐수의 분산형 가스화 복합발전 시스템(100)
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산소 또는 공기 중 적어도 하나를 공급하기 위한 컴프레서(8)를 도입한 것을 특징으로 하는 석탄 및 폐수의 분산형 가스화 복합발전 시스템(100)
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 석탄의 함량이 상기 슬러리의 50~80 wt.%인 것을 특징으로 하는 석탄 및 폐수의 분산형 가스화 복합발전 시스템(100)
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    분산제가, 나프탈렌술폰산과 그 염; 석유술폰산과 그 염; 리그닌술폰산과 그 염; 및 이들의 포름알데히드 축합물; 폴리옥시에틸렌알킬에테르 황산에스테르와 그 염; 폴리옥시에틸렌알킬아릴 에테르 황산 에스테르와 그 염; 폴리글리세롤 황산염; 멜라민수지술폰산과 그 염;으로 이루어진 군으로부터 선택한 분산제인 것을 특징으로 하는 석탄 및 폐수의 분산형 가스화 복합발전 시스템(100)
  11. 삭제
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