KR101837650B1 - 합성가스 냉각장치가 결합된 가스화기 - Google Patents

Abstract

가스화기와 결합하는 합성가스 냉각장치가 제공된다. 가스화기와 결합하는 합성가스 냉각장치는, 합성가스가 유입되는 합성가스 유입구, 상기 합성가스 유입구가 연결되고, 다공성 소재로 이루어진 내부에 냉각가스 혼합공간이 형성된 합성가스 혼합조, 상기 냉각가스 혼합공간으로 냉각가스를 공급하여 상기 합성가스를 설정 온도로 냉각시키는 합성가스 냉각장치 및 상기 냉각된 합성가스를 배출하는 합성가스 배출구를 포함하며, 상기 합성가스 냉각장치는 상단 냉각가스 주입관 및 하단 냉각가스 주입관을 포함하고, 상기 상단 냉각가스 주입관에는 다수의 상단 냉각가스 분출구가 일정 간격으로 형성되고, 상기 하단 냉각가스 주입관에는 다수의 하단 냉각가스 분출구가 일정 간격으로 형성된다.

Description

합성가스 냉각장치가 결합된 가스화기 {Gasifier Using Synthesis Gas Cooling System}

본 발명은 석탄 가스화기에서 조성된 합성가스를 냉각하는 합성가스 냉각장치에 관한 것이다.

가스화기는 고체나 액체 연료를 가열하면서 부분 산화하여, 열량을 갖는 가스로 변화시키는 장치이다. 가스화기는 석탄, 중잔유, 폐기물 등을 고온의 환원 분위기에서 가스화시킨다. 이때, 가연분은 가스화 반응되어 CO, H₂, CH₄, CO₂, H₂O, N₂ 및 소량의 탄화수소 등을 주성분으로 하는 합성가스(syngas)로 발생되고, 고형분은 용융되어 용융슬랙으로 발생된다.

가스화기에서 나오는 합성가스는 1300~1500 ℃의 고온으로 발생되며, 냉각, 정제과정을 거쳐 발전용 연료, 화학제품의 원료 등으로 사용될 수 있다. 또한, 가스화기에서 나오는 1300~1500℃의 용융슬랙은 급속 냉각하여 도로의 기반재 등의 골재로 활용이 가능하다.

특히 이러한 가스화기는 IGCC(석탄가스화 복합 발전)에서 발전용 원료 합성가스를 공급하기 위한 핵심적인 장치로 가스화기의 효율 향상과 안정적인 운전을 위한 장치 개발에 대한 연구가 활발히 진행중이다.

한편, 가스화기에서 생성되는 고온의 합성가스가 상부 출구로 배출시 온도가 900℃ 이상이 되면 합성가스 내에 존재하는 회분이 끈적거리게 되어 배출시 덕트 및 합성가스 쿨러에 부착되고, 이로 인해, 가스화기의 전체 압력이 상승하게 되어 정상적인 운전이 불가능하게 된다.

종래에는, 이를 방지하기 위해 집진기의 출구에서 250℃ 정도의 냉각 합성 가스 중 일부를 추출하여 가스화기 출구부로 순환시켜서 가스화기 출구에서의 합성가스의 온도를 900℃ 이하로 유지되도록 하였다. 하지만, 이러한 방법은 냉각효과가 크지 않고, 멤브레인 벽(membrane wall) 후단의 합성가스 출구부와 합성가스 쿨러 덕트간의 길이가 길어져서 건설 비용이 증가하게 되고, 또한, 합성가스 쿨러 및 덕트 등에 막힘 현상이 발생하게 되어서 가스화기 설비의 이용률이 저하되었다. 많은 양의 합성가스를 고압으로 승압시켜서 순환시키는데 소요되는 동력이 과대하게 발생하게 되어 열효율이 저하되는 문제점이 있었다.

이와 관련하여, 한국공개특허 제2001-0054551호에는 "석탄가스의 타르 제거 장치"에 관해 개시되어 있다. 한국공개특허 제2001-0054551호의 발명은 석탄가스화에서 발생하는 석탄가스의 성분 분석시 석탄이 열분해하면서 생성되는 휘발분 중의 타르나 나프탈렌등과 같은 고형물을 제거하는 장치에 관한 것이다.

한국공개특허 제2001-0054551호, "석탄가스의 타르 제거 장치"

상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 가스화기의 합성가스 출구부에 합성가스 냉각장치를 설치하여 고온의 합성가스를 냉각할 수 있다. 합성가스 냉각장치는 고압의 냉각 합성가스를 분사하여 난류를 발생시켜서 분사된 기체 분사물과 고온의 합성가스가 대향류로 접촉하여 용이하게 혼합될 수 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 합성가스 냉각장치를 이용하는 가스화기는, 합성가스가 유입되는 합성가스 유입구, 상기 합성가스 유입구가 연결되고, 다공성 소재로 이루어진 내부에 냉각가스 혼합공간이 형성된 합성가스 혼합조, 상기 냉각가스 혼합공간으로 냉각가스를 공급하여 상기 합성가스를 설정 온도로 냉각시키는 합성가스 냉각장치 및 상기 냉각된 합성가스를 배출하는 합성가스 배출구를 포함하며, 상기 합성가스 냉각장치는 상단 냉각가스 주입관 및 하단 냉각가스 주입관을 포함하고, 상기 상단 냉각가스 주입관에는 다수의 상단 냉각가스 분출구가 일정 간격으로 형성되고, 상기 하단 냉각가스 주입관에는 다수의 하단 냉각가스 분출구가 일정 간격으로 형성한다.

여기서, 상기 상단 냉각가스 분출구와 상기 하단 냉각가스 분출구는 서로 반대 방향으로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 하단 냉각가스 분출구는 상기 합성가스의 흐름 방향과 반대 방향으로 공급되고, 상기 상단 냉각가스 분출구는 상기 합성가스의 흐름 방향과 동일 방향으로 공급되어, 상기 냉각가스 혼합공간에서 와류를 발생시킬 수 있다.

여기서, 상기 하단 냉각가스 분출구는 상기 합성가스의 흐름 방향과 반대 방향과 30~45도의 각도를 이루도록 형성될 수 있다.

여기서, 상기 상단 냉각가스 분출구는 상기 합성가스의 흐름 방향과 45~90도의 각도를 이루도록 형성될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술된 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

전술한 본 발명의 가스화기 합성가스 냉각장치의 과제 해결 수단 중 하나에 의하면, 가스화기의 합성가스 출구부에 연결된 합성가스 냉각장치를 이용하여 합성가스를 냉각시켜서 회분에 의한 합성가스 쿨러 등에서의 막힘 현상을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성가스 냉각장치가 장착된 가스화기의 개요도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 합성가스 냉각장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성가스 냉각장치의 상부 및 하부를 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명의 실시를 위한 합성가스 냉각장치의 구체적인 내용을 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성가스 냉각장치가 장착된 가스화기의 개요도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가스화기(100)는 합성가스 유입구(110), 합성가스 혼합조(120), 합성가스 냉각장치(140) 및 합성가스 배출구(150)를 포함한다.

합성가스 유입구(110)를 통해 유입된 고온의 합성가스는 가스화기(100) 내부의 합성가스 혼합조(120)로 인입된다. 합성가스 혼합조(120)는 멤브레인 소재로 형성되며, 내부에 합성가스와 냉각가스가 혼합되는 냉각가스 혼합공간을 구성한다.

합성가스 혼합조(120)의 상부에는 합성가스 냉각장치(130)가 결합될 수 있다. 합성가스 냉각장치(130)는 냉각가스 혼합공간으로 냉각가스를 공급하여 고온의 합성가스를 원하는 온도로 냉각시킨다.

합성가스 냉각장치(130)에 의해 원하는 온도로 냉각된 합성가스는 합성가스 배출구(140)를 통해 가스화기(100) 외부로 배출된다.

합성가스 냉각장치(130)의 동작에 대해 상세히 설명하면, 합성가스 배출구(140)를 통해 외부로 배출된 합성가스는 집진기(400)를 거쳐서 약 250℃ 정도로 냉각된다. 이 냉각된 합성가스는 냉각가스 블로워(200)에 의해 합성가스 냉각장치(130)로 보내지고, 이어서 냉각가스 혼합공간으로 공급되어 고온의 합성가스와 혼합됨으로써 합성가스를 냉각시킨다. 이때, 냉각가스 혼합공간으로 분사되는 냉각가스의 압력이 일정하도록 냉각가스의 공급관은 가스화기(100)의 외부에 분산되어 연결될 수 있다.

다음으로, 합성가스 냉각장치(130)의 세부 구성에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 합성가스 냉각장치의 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 합성가스 냉각장치(130)는 상단 냉각가스 주입관(131) 및 하단 냉각가스 주입관(134)으로 이루어진 다단 구조로 구성된다.

냉각가스 블로워(200)를 통해 보내진 냉각된 합성가스는 합성가스 냉각장치(130)의 상단 냉각가스 주입관(131) 및 하단 냉각가스 주입관(134)으로 각각 공급될 수 있다. 이때, 상단 냉각가스 주입관(131) 및 하단 냉각가스 주입관(134)에 공급되는 냉각가스의 양을 개별적으로 조절할 수 있으며, 상단 및 하단의 공급량을 조절하여 냉각가스 혼합공간 내에서의 난류의 발생을 용이하게 조절할 수 있다.

상단 냉각가스 주입관(131) 및 하단 냉각가스 주입관(134)은 각각 하나 이상이 설치될 수 있으며, 냉각가스 혼합공간으로 분사되는 냉각가스의 압력이 일정하도록 매니폴드(manifold) 공급관의 형태로 분산되어 공급될 수 있다.

또한, 상단 냉각가스 주입관(131) 및 하단 냉각가스 주입관(134)은 냉각 효율을 고려하여 상호 교차되어 구성될 수 있다.

또한, 상단 냉각가스 주입관(131) 및 하단 냉각가스 주입관(134)은 합성가스 혼합조(120)의 중심으로 갈수록 직경이 줄어들도록 각각 상단 테이퍼관(132) 및 하단 테이퍼관(135)이 형성되는 구성일 수 있다.

상단 냉각가스 주입관(131) 및 연결된 상단 테어퍼관(132)에는 냉각가스를 분사하기 위한 상단 냉각가스 분사노즐(133)이 다수 형성되어 있다. 이때, 상단 냉각가스 분사노즐(133)은 일정 거리로 이격되도록 형성될 수 있다.

또한, 하단 냉각가스 주입관(134) 및 연결된 하단 테어퍼관(135)에는 냉각가스를 분사하기 위한 하단 냉각가스 분사노즐(136)이 다수 형성되어 있다. 마찬가지로, 하단 냉각가스 분사노즐(136)은 일정 거리로 이격되도록 형성될 수 있다.

또한, 상단/하단 분사노즐(133, 136)은 분사되는 냉각가스의 압력이 일정하도록 각 부분의 분사량에 따라 노즐의 직경을 각기 다르게 형성할 수 있다. 또한, 상단/하단 분사노즐(133, 136)은 가스화기(100) 내에서 방사형으로 배치하되, 분사 범위는 가스화기(100) 내의 빈 공간이 발생하지 않도록 상호 간섭이 있게 배치할 수 있다.

한편, 상단 냉각가스 분사노즐(133)과 하단 냉각가스 분사노즐(136)은 서로 반대 방향으로 형성되어, 냉각가스를 반대방향으로 분사할 수 있다.

구체적으로, 하단 냉각가스 분사노즐(136)은 상기 합성가스의 흐름 방향과 반대 방향으로 공급되고, 상단 냉각가스 분사노즐(133)은 상기 합성가스의 흐름 방향과 동일 방향으로 공급되어, 냉각가스 혼합공간에서 와류를 발생시킬 수 있다. 이 경우, 와류의 발생을 용이하게 하기 위하여 각각의 노즐의 분사각도를 조절할 수 있다.

이와 같이 상, 하단으로 구성되는 화학가스 냉각장치의 각 단은 도 3에 도시되어 있다. 도 3a 및 도 3b는 합성가스 냉각장치의 상부 및 하부를 각각 나타내는 도면이다.

본 실시예에서, 합성가스 냉각장치(100)의 상단은 3개의 상단 냉각가스 주입관(131)을 포함하고 있으며, 4개의 하단 냉각가스 주입관(134)을 포함하고 있다.

도 3a에서, 상단 냉각가스 주입관(131) 및 이에 연결된 상단 테어퍼관(132)에 일정 간격으로 형성된 상단 냉각가스 분사노즐(133)은 일정 각도로 냉각가스를 분사할 수 있다. 예를 들어, 상단 냉각가스 분사노즐(133)은 합성가스의 흐름 방향으로 냉각가스를 분사할 수 있으며, 바람직하게는 합성가스의 흐름 방향과 약 45~90도의 각도를 이루도록 형성될 수 있다. 상단 냉각가스 분사노즐(133)에서 냉각가스를 합성가스의 흐름 방향으로 분사하게 되면, 합성가스 배출구(140)의 면적이 경사되면서 줄어들게 되므로, 와류 현상을 용이하게 발생시킬 수 있다.

도 3b에서, 하단 냉각가스 주입관(134) 및 이에 연결된 하단 테이퍼관(135)에 일정 간격으로 형성된 하단 냉각가스 분사노즐(136)은 일정 각도로 냉각가스를 분사할 수 있으며, 바람직하게는 합성가스의 흐름 방향과 반대 방향으로 약 30~45도의 각도를 이루도록 형성될 수 있다. 하단 냉각가스 분사노즐(136)에서 냉각가스를 합성가스의 흐름 방향과 반대 방향으로 분사하게 되면, 상승하는 합성가스와 냉각가스를 직접 접촉시켜서 접촉효율과 냉각효율을 높일 수 있다. 따라서, 와류 현상에 의해 가스화기(100) 내에서 합성가스의 체류시간을 증가시켜 비산재의 온도를 낮추어 경화시키면 배관의 막힘 현상을 더욱 감소시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 합성가스 냉각장치를 이용하는 가스화기는 냉각 효율이 높아 막힘 현상이 줄어들고, 따라서, 설비 이용률도 향상되며, 소요되는 동력도 약 7-8% 감소하게 되며, 합성가스 배출구와 합성가스 쿨러(300) 덕트 사이의 거리가 짧아져서 소요되는 건설 비용도 절감되는 효과가 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 합성가스 냉각장치를 이용하는 가스화기에 있어서,
   합성가스가 유입되는 합성가스 유입구,
   상기 합성가스 유입구가 연결되고, 다공성 소재로 이루어진 내부에 냉각가스 혼합공간이 형성된 합성가스 혼합조,
   상기 냉각가스 혼합공간으로 냉각가스를 공급하여 상기 합성가스를 설정 온도로 냉각시키는 합성가스 냉각장치 및
   상기 냉각된 합성가스를 배출하는 합성가스 배출구
   를 포함하며,
   상기 합성가스 냉각장치는 상단 냉각가스 주입관 및 하단 냉각가스 주입관을 포함하고,
   상기 상단 냉각가스 주입관에는 다수의 상단 냉각가스 분사노즐이 일정 간격으로 형성되고, 상기 하단 냉각가스 주입관에는 다수의 하단 냉각가스 분사노즐이 일정 간격으로 형성되고,
   상기 상단 냉각가스 분사노즐과 상기 하단 냉각가스 분사노즐은 서로 반대 방향으로 형성되고,
   상기 하단 냉각가스 분사노즐은 상기 합성가스의 흐름 방향과 반대 방향으로 공급되고, 상기 상단 냉각가스 분사노즐은 상기 합성가스의 흐름 방향과 동일 방향으로 공급되어, 상기 냉각가스 혼합공간에서 와류를 발생하고,
   상기 냉각가스는 상기 합성가스 배출구를 통해 외부로 배출된 합성가스가 집진기를 거쳐서 냉각되어 냉각가스 블로워에 의해 상기 합성가스 냉각장치로 순환되는
   상기 상단 냉각가스 주입관 및 상기 하단 냉각가스 주입관은 상기 합성가스 혼합조의 중심으로 갈수록 직경이 줄어들도록 각각 상단 테이퍼관 및 하단 테이퍼관이 형성되는 가스화기.
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