KR101890951B1

KR101890951B1 - 합성 가스 및 고품위 석탄의 동시 생산을 위한 건조 및 가스화 통합 공정

Info

Publication number: KR101890951B1
Application number: KR1020120149326A
Authority: KR
Inventors: 김용전; 박종성; 김규태; 고난희; 이춘원; 신재욱
Original assignee: 에스케이이노베이션 주식회사; 에스케이에너지 주식회사
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2018-08-22
Also published as: KR20140080010A; EP2937405B1; US20150361361A1; US10023817B2; WO2014098472A1; EP2937405A4; US20180142171A1; CN105121607A; EP2937405A1; US9909076B2; CN105121607B

Abstract

본 발명에 따른 구체예는 수분-함유 저급 석탄으로부터 합성 가스 및 고품위 석탄을 동시에 효율적으로 생산할 수 있는 가스화 방법 및 이를 구현하기 위한 건조 및 가스화 통합 시스템에 관한 것이다.

Description

합성 가스 및 고품위 석탄의 동시 생산을 위한 건조 및 가스화 통합 공정{Integrated Drying Gasification Process for Co-producing Synthesis Gas and High Quality of Coals}

본 발명은 수분-함유 석탄으로부터 합성 가스 및 고품위(고품질) 석탄을 동시 생산할 수 있는 가스화 공정에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 가스화기 전단에 합성가스의 열원을 이용하여 공급원료인 수분-함유 석탄을 건조하기 위한 건조기를 배치한 가스화 공정에 있어서, 건조된 석탄을 비기계식 밸브형 이송수단에 의하여 가스화기로 이송함에 따른 장점을 구현함과 동시에, 합성가스 및 수분 함량이 현저히 저감된 고품질의 석탄을 동시 생산할 수 있는 가스화 방법 및 이를 구현하기 위한 건조 및 가스화 통합 시스템에 관한 것이다.

가스화 공정은 일반적으로 석탄, 바이오매스 등의 탄소질(carboneceous) 원료를 가스화제(예를 들면, 산소, 증기, 이산화탄소 또는 이의 혼합물)의 공급 하에서 반응시켜 주성분이 수소 및 일산화탄소로 이루어지는 합성가스로 전환시키는 일련의 공정을 의미한다. 이때, "합성가스"라는 용어는 통상적으로 CO 및 H₂가 포함된 혼합가스를 의미한다. 이러한 가스화 반응의 전형적인 반응 메커니즘의 예는 하기 반응식 1 내지 3에 나타낼 수 있다.

[반응식 1]

C+1/2O₂→ CO (부분산화)

[반응식 2]

C + H₂O → CO + H₂ (스팀 개질)

[반응식 3]

C+ CO₂ → 2CO (이산화탄소 개질)

최근 가스화 공정 기술은 다양한 화합물의 원료 및 연료를 생산하는 기술로 확대되었으며, 전력생산을 포함한 다양한 제품을 생산하도록 그 적용 범위가 확장되고 있다. 구체적으로, 가스화 공정의 주된 생성물인 합성 가스 내 수소를 이용하여 수소 발전, 암모니아 제조, 정유 공정 등에 적용할 수 있고, 합성 가스를 하기 반응식 4로 표시되는 피셔-트롭시(Fischer-Tropsch) 반응의 원료로 사용하여 디젤유, 제트유, 윤활기유, 나프타 등을 제조할 수 있으며, 그리고 반응식 5로 표시되는 바와 같이 합성 가스로부터 제조된 메탄올을 이용하여 아세트산, 올레핀, 디메틸에테르, 알데히드, 연료 및 첨가제 등의 고부가가치의 화학 물질을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 이와 관련하여, Fischer-Tropsch 공정 및 메탄올 합성공정의 경우, 일산화탄소와 수소의 비율이 약 1:2 정도(1:2 내외)가 바람직하다.

[반응식 4]

nCO + 2nH₂ → C_nH_2n + nH₂O

[반응식 5]

CO + 2H₂ → CH₃OH

그러나, 반응식 2에 따른 스팀 개질 반응 및 반응식 3에 따른 이산화탄소 개질 반응에서 얻어진 합성가스의 경우 모두 일산화탄소와 수소의 비율이 1:2가 되지 않는다. 따라서, 일반적으로 스팀 개질 반응, 부분 산화 반응, 및/또는 이산화탄소 개질 반응 후 생성물에 대하여 하기 반응식 6에 따른 수성 가스 전이 반응(Water-Gas Shift reaction)을 수행하거나 수소를 추가 공급하여 일산화탄소와 수소의 비율을 약 1:2 정도로 조정하기도 한다.

[반응식 6]

CO + H₂O → CO₂ + H₂

한편, 가스화 공정의 대표적인 원료인 석탄은 전 세계의 광범위한 지역에 걸쳐 대량으로 분포되어 있어, 현재까지 널리 사용 중인 석유 고갈을 대체할 수 있는 연료 소스로 다시 관심을 받고 있다. 또한, 최근 각광받고 있는 바이오매스 역시 다양한 처리 공정을 통하여 각종 연료 및 플랫폼 화합물의 기초 유분을 제공할 수 있는 바, 이 역시 가스화 반응의 원료로서 적용하는 기술이 알려져 있다.

그러나, 앞서 예시된 가스화 공정의 원료는 많은 경우에 있어서 다량의 수분을 함유하고 있다. 예를 들면, 석탄의 경우에는 발열량(heating value), 수분 함량, 불순물 등과 같은 성상에 따라 고급탄 및 저급탄으로 구별되는 바, 갈탄(brown coal)과 같은 저급탄이 전세계 석탄 매장량 중 약 45%를 차지하는 것으로 알려져 있다. 특히, 석탄 내 수분 함량이 높은 경우에는 저장성, 취급성, 운반 비용 등에 있어서 악영향을 미치기 때문에 가스화 반응을 수행하기에 앞서 이러한 공급원료 내 수분을 제거하는데 많은 에너지가 소모된다.

이와 관련하여, 가스화 반응기 전단에 건조기를 배치하고, 가스화 반응기에서 생성된 고온의 합성 가스를 상기 건조기로 리사이클하여 건조기 내에서 합성가스 내 열원을 수분-함유 탄소질 공급원료의 건조에 활용하는 기술이 제시된 바 있다(예를 들면, 미국특허번호 제5,695,532호 및 제5,685,138호).

그러나, 상술한 바와 같이 건조된 공급원료를 고압 상태로 운전 중인 가스화기로 공급하기 위하여는 건조된 공급원료를 가스화기 운전 압력보다 높은 압력을 가할 필요가 있다. 종래 기술에서는 합성가스에 의하여 건조된 공급원료(건조 석탄)를 가스화기 내로 공급하기 위하여 버퍼 빈(buffer bin) 및 가압 록 호퍼(lock hopper)를 포함하는 가압 공급 시스템을 사용하고 있으나, 고가일 뿐만 아니라 구성이 복잡하고 운전 로직(logic)을 정교하게 조절해야 한다. 특히, 가압 록 호퍼를 사용하여 건조 석탄을 가스화기로 이송할 경우, 먼저 건조 석탄은 버퍼 빈으로 이동하고, 가스화기에 공급하기 위하여 록 호퍼를 통하여 가압된 상태로 이송가스와 함께 가스화기로 공급되어야 한다. 이때, 별도의 밸브 작동, 호퍼의 가압/감압 등의 과정이 정밀하게 조절되어야 한다.

또한, 가스화기로부터 합성 가스는 높은 온도(약 1000 내지 1500℃ 내외)로 배출되는 한편, 수분 함유 석탄을 건조하기 위하여는 상대적으로 낮은 온도(약 500℃ 정도)의 합성 가스를 이용해도 충분하다. 이 때문에 종래 기술에서는 건조기 내로 유입되는 수분-함유 공급원료의 건조에 적당한 량의 열 에너지를 공급할 수 있도록 가스화기 후단에 열교환기를 배치하여 합성 가스의 온도로 저감시킨 후에 리사이클하거나 후속 단계(예를 들면, 수성 전이 반응)에 적합한 온도로 냉각한다.

이때, 건조기로부터 건조된 고체 연료, 특히 건조된 석탄은 건조 전 수분-함유 석탄에 비하여 높은 품질을 갖게 되는 바, 만약 이러한 고품질의 고체 연료(즉, 건조 석탄)을 가스화 반응원료로 사용함과 동시에 다른 용도에 적용할 수 있도록 동시 생산할 수 있다면 전체 공정의 부가가치를 증대시킬 수 있을 것이다. 그러나, 전술한 버퍼 빈 및 가압 록 호퍼를 포함하는 가압 공급 시스템 사용하여 가스화 반응 원료 및 고품질의 고체 연료(석탄)을 생산하기 위하여는 장치 사이즈의 증가 및 이에 따른 설비 투자 비용, 그리고 운전 비용의 증가는 불가피하다.

본 발명에서 제시하는 구체예에서는 가스화 반응으로부터 생성된 합성 가스를 리사이클하여 그 내부의 열 에너지를 가스화 반응기의 전단에 배치된 건조기 내에서 공급원료의 건조에만 활용하는 종래 기술의 한계를 극복하여 추가적인 장점을 제공하고자 한다.

본 발명의 제1 면에 따르면,

a) 수분-함유 석탄을 건조기로 공급하는 단계;

b) 상기 건조기 내에서 상기 수분-함유 석탄을 건조시키는 단계로서, 상기 건조에 필요한 열 에너지는 가스화 단계로부터 상기 건조기로 리사이클되는 합성 가스로부터 공급됨;

d) 상기 건조기로부터 배출된 건조 석탄 및 합성 가스를 고상-기상 분리 방식에 의하여 각각 분리하고, 상기 분리된 합성 가스를 회수하는 단계;

e) 상기 분리된 건조 석탄의 일부분을 별도로 분리하여 건조 석탄을 회수하는 한편, 상기 회수되지 않은 나머지 건조 석탄을 유동화 가스(aeration gas)가 복수의 포트를 통하여 공급되는 루프 실(loop seal) 형태의 이송수단에 의하여 유동 상태로 가스화기로 이송하는 단계;

f) 상기 이송된 건조 석탄을 가스화기 내에서 가스화시켜 합성 가스를 제조하는 단계; 및

g) 상기 가스화기로부터 배출된 400 내지 1500℃의 합성 가스를 열교환기를 거치지 않고 상기 건조기로 직접 리사이클하는 단계;

를 포함하며,

상기 건조기는 적어도 수분-함유 석탄으로부터 상기 별도로 분리 회수되는 건조 석탄 및 상기 가스화 단계로 이송되는 건조 석탄을 생산하는데 필요한 건조 용량을 제공하는, 합성 가스 및 고품질의 석탄을 병산하기 위한 가스화 방법이 제공된다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 단계 d) 중 합성 가스의 회수 시 상기 건조단계에서 발생하여 합성 가스 내에 함유된 타르 물질을 분리 및 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 제2 면에 따르면,

가스화기;

상기 가스화기 전단에 배치되며, 상기 가스화기로부터 리사이클되는 합성 가스에 의하여 유입되는 수분-함유 석탄을 건조하고, 건조된 석탄 및 합성 가스를 배출하는 건조기;

상기 건조기로부터 배출되는, 건조 석탄 및 합성 가스를 분리하는 고상-기상 분리기;

상기 고상-기상 분리기로부터 분리된 건조 석탄의 일부를 별도로 분리하여 회수하는 회수 장치; 및

상기 회수 장치에 의하여 회수되지 않은 나머지 건조 석탄을 상기 가스화기로 이송하고, 복수의 유동화 가스 유입구가 구비된 루프 실 형태의 이송수단;

을 포함하고,

여기서, 상기 가스화기로부터 배출되는 합성 가스는 열교환기를 경유하지 않고 직접 건조기로 이송되는 리사이클 경로를 갖고, 그리고

상기 건조기는 수분-함유 석탄으로부터 상기 별도로 분리 회수되는 건조 석탄 및 상기 가스화 단계로 공급되는 건조 석탄을 생산하는데 필요한 건조 용량을 제공하는 가스화 시스템이 제공된다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 분리 회수된 건조 석탄은 펠렛(pellet), 브리켓(briquette) 또는 과립(granule) 형태로 가공 또는 제품화될 수 있다.

또한, 본 발명의 구체예에 따른 가스화 공정에 있어서, 가스화기 후단에 열교환기를 배치하여 가스화기로부터 배출되는 약 700 내지 1500 ℃의 합성 가스를 300 내지 500℃로 냉각한 후에 건조기로 리사이클하는 경우에 비하여 수분-함유 석탄(수분 함량: 20 내지 50 중량%)에 대하여 건조 용량을 최대 약 3 내지 4 배로 증가시킬 수 있다.

본 발명에 따른 구체예는 종래의 통합된 건조 가스화 공정에 있어서, 합성가스에 의하여 건조된 석탄을 루프 실과 같은 비기계적 밸브 형태의 이송수단을 이용하여 가스화기로 공급함으로써 공정 설비의 단순화 및 운전의 용이성을 확보할 수 있다. 이와 함께, 통상적으로 가스화기 후단에 배치되는 열교환기를 거쳐 냉각된 상태로 건조기로 합성 가스를 리사이클하는 종래기술에 비하여 석탄 건조량을 증가시킬 수 있고, 증가된 건조 석탄의 일부를 고품질의 석탄으로 회수하여 펠렛, 브리켓, 과립 등의 형태로 가공 또는 제품화할 수 있다. 또한, 선택적으로 건조 단계에서 합성 가스의 열량 공급 정도에 따라 석탄으로부터 분리된 휘발 성분으로 인하여 야기될 수 있는, 건조 후 합성 가스 내 타르(tar) 물질을 분리 및 회수할 수 있고, 이를 제품화할 수 있다.

이와 같이, 수분-함유 저급 석탄으로부터 가스화 반응용 공급원료 및 고품질의 석탄을 동시에 생산함에 있어서 종래의 가압 록 호퍼 대신에 루프 실 형태의 이송수단을 사용함으로써 공정의 단순화뿐만 아니라 이송 장치 사이즈 증가 등으로 인한 투자 비용 증가 문제 등을 완화시킬 수 있다. 더욱이, 종래의 통합 건조 방식의 가스화 공정에서 통상적으로 구비하고 있는 열 교환기를 생략함으로써 설비 투자 비용을 감소시킬 수 있으며, 또한 필요에 따라 합성 가스 내 타르 물질을 별도로 분리하여 제품화함으로써 부가가치를 더욱 제고할 수 있다.

도 1은 가스화기로부터 열 교환기를 거친 합성가스 및 열 교환기를 거치지 않은 합성가스 각각을 건조기 내에서 수분-함유 석탄의 건조 열원으로 사용하는 경우, 석탄 내 수분 함량에 따른 석탄 처리량을 대비한 시뮬레이션 그래프이고;
도 2는 본 발명의 구체예에 따른, 루프 실 형태의 이송수단을 이용하여 합성 가스, 타르 및 고품질의 석탄을 병산하기 위한 통합건조 가스화 공정을 개략적으로 도시하는 도면이고; 그리고
도 3은 도 2에서 루프 실 형태의 이송수단 내에서 건조 석탄의 이동 경로를 도시하는 확대도이다.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.

석탄

본 발명에 따른 구체예에 있어서, "석탄"은 무연탄, 유연탄(역천탄, 갈탄, 이탄 등), 저급 활성탄 등을 포함하는 것으로 사용된다. 따라서, 특정 등급의 석탄으로 제한되는 것은 아니며, 특히 저급 석탄을 최대한 활용하여 경제성을 제고할 수 있다. 석탄 내 탄소 함량은 전체 석탄 중량을 기준으로 예를 들면 적어도 약 20 중량%, 구체적으로 약 30 내지 약 80 중량%, 보다 구체적으로 약 40 내지 약 70 중량% 범위일 수 있다. 또한, 석탄은 건조 기준으로 회재(ash)를 예를 들면 약 20 중량%까지, 구체적으로 약 5 내지 약 15중량%, 보다 구체적으로 약 8 내지 약 12 중량%까지 포함할 수 있다. 상기 회재 내에는 전형적으로 실리카, 산화칼슘 및 산화철이 상당 비율로, 그리고 산화 칼륨, 산화 마그네슘, 티타니아, 산화아연 등의 성분이 소량 함유되어 있다.

다만, 비록 본 발명의 구체예에서 석탄을 중심으로 설명하고 있으나, 통합 건조 방식의 가스화 공정에 적합하고 건조에 의하여 고품질의 고체 연료 형태로 수득될 수 있는 한, 다양한 유래의 고체연료, 예를 들면 수분-함유 바이오매스, 각종 수분 함유 폐기물 등을 석탄 대신에 사용할 수도 있는 바, 이러한 다양한 고체 연료의 사용 역시 본 발명의 구체예에 포함되는 것으로 이해될 수 있다.

본 발명의 구체예에 따르면, 공급원료로서 수분을 함유하는 석탄을 사용하여 전술한 장점을 구현할 수 있는 바, 전형적으로 수분을 상당량 함유하는 저급탄을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 석탄 내 수분 함량은 예를 들면 약 10 내지 70 중량%, 구체적으로 약 20 내지 50 중량%, 보다 구체적으로 약 20 내지 40 중량% 범위일 수 있다. 슬러리 형태의 경우, 슬러리 내 고형분 함량은 예를 들면 약 30 내지 80 중량% 범위일 수 있다.

또한, 상기 석탄은 건조 단계에서 합성 가스와의 접촉 및 이송을 원활히 하도록(합성 가스가 비교적 낮은 압력 하에 있더라도 건조기 내에서 용이하게 이송되도록), 선택적으로 예를 들면 약 50 내지 6000 ㎛, 구체적으로 약 50 내지 2000 ㎛, 보다 구체적으로 약 100 내지 1000 ㎛ 범위의 입자 사이즈로 사전 분쇄된 형태로 건조기 내로 도입될 수 있다.

건조기

본 발명의 구체예에 따르면, 건조기(건조 영역)가 가스화기 전단에 배치된다. 이와 관련하여, 예시적인 건조기 종류로서, 기류(pneumatic) 또는 플래쉬(flash) 건조기, 유동층 건조기, 로터리 건조기, 로터리 튜브 건조기 등을 들 수 있다. 다만, 수분을 효과적으로 제거할 수 있도록 수분 확산이 용이하여 짧은 시간 내에 석탄을 건조시킬 수 있는 기류 또는 플래쉬 건조기, 특히 가압 플래쉬 건조기가 유리할 수 있다.

상기 구체예에 있어서, 수분-함유 석탄은 가스화기로부터 리사이클되는 합성 가스와 가급적 긴밀히 접촉하여(즉, 열 교환하여) 승온 및 건조되면서 스팀을 발생시키는 것이 바람직하며, 이때 석탄이 건조됨에 따라 합성 가스의 온도는 낮아진다.

일 구체예에 따르면, 수분-함유 석탄은 건조기의 하측으로 공급되고, 리사이클되는 합성 가스 역시 건조기의 하측으로 이송된다. 이 경우, 수분-함유 석탄 및 합성 가스는 상호 접촉하면서 건조기 상측으로 이동하면서(즉, 병류 방식) 배출된다. 택일적으로, 수분-함유 석탄 및 합성 가스가 건조기 상측으로 유입되면서 상호 접촉하고, 건조기 하측으로 이동하도록 구성할 수 있다. 이때, 가스화기로부터 배출되는 합성 가스의 배출 경로(라인)를 고려하여, 가급적 리사이클 경로를 단순화 또는 최소화할 수 있도록 건조기의 수분-함유 석탄 및 합성 가스의 유입구(또는 유입 포트)를 설정하는 것이 유리할 수 있다.

한편, 건조기 내의 운전 압력은 리사이클되는 합성 가스가 배출되는 가스화기의 운전 압력에 따라 조절될 수 있는 바, 예를 들면 최대 약 60 kg/cm² 범위 내에서 정하여질 수 있다.

건조기 내 운전 온도 역시 가스화기로부터 리사이클되는 합성 가스의 배출 온도에 따라 변화 가능한 바, 건조기 입구 측에서는 예를 들면 약 400 내지 1500℃, 구체적으로 약 800 내지 1200℃, 그리고 건조기 출구 측에서는 예를 들면 약 200 내지 700℃, 구체적으로 약 250 내지 500℃ 범위일 수 있다. 건조된 석탄은 예를 들면 약 10 중량% 이하, 구체적으로 약 1 내지 8 중량%, 보다 구체적으로는 약 1 내지 5 중량%의 수분 함량을 갖는다.

예시적 구체예에 따르면, 건조기를 거치면서 석탄 중의 수분만을 증기화하여 석탄을 건조시키는 것이 바람직하며, 이때 석탄 공급량, 건조기 내 합성 가스의 온도 및 체류 시간에 따라 건조 정도를 달리 설정할 수 있다.

다만, 본 발명의 구체예에 따르면, 건조에 필요한 열량 이상으로 합성 가스를 건조기로 리사이클하는 경우, 석탄 내 수분 뿐만 아니라 일부 휘발 성분 역시 분리되는 바, 이러한 휘발 성분은 건조기로부터 배출되는 합성 가스 내에 타르 물질 형태로 포함된다. 따라서, 예시적 구체예에서는 선택적으로 이러한 합성 가스 내 타르 물질을 분리하여 회수할 수 있고, 더 나아가 제품화할 수도 있다.

통상적으로 건조기, 특히 플래쉬 건조기의 경우, 짧은 체류시간 내에 석탄 중의 휘발분은 그대로 석탄 중에 남게 되고 수분만을 제거하는 특성을 갖고 있다. 따라서, 유입된 고온의 합성 가스가 건조기 내에서 장시간 체류하게 되면 석탄 중 휘발 성분 역시 합성 가스와 함께 건조기로부터 배출되어 건조탄의 열량 등 특성이 바뀌게 되고, 합성 가스 내 휘발 성분의 함유로 인하여 후속 공정에 영향을 줄 수 있기 때문에, 가급적 휘발 성분을 제거하지 않고 수분만을 제거하도록 체류시간을 설정하는 것이 유리할 수 있다. 이와 관련하여, 건조기 내 가스 체류 시간은, 전형적으로 예를 들면 약 2 내지 10초, 구체적으로는 약 2 내지 5초, 보다 구체적으로는 약 2 내지 3초 범위일 수 있다.

택일적 구체예에 따르면, 전술한 바와 같이 건조 과정에서 타르가 생성되도록 하여 별도로 제품화하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 건조기로 리사이클되는 합성 가스 열량을 수분 건조에 필요한 량 이상으로 공급하거나, 건조기 내 가스 체류 시간을 상대적으로 길게 유지하여 건조기로부터 배출되는 합성 가스 내 타르를 함유하게 하여 분리 및 회수할 수 있다.

본 구체예에 있어서, 후술하는 바와 같이 가스화기로부터 배출되는 합성 가스가 열 교환기를 경유하지 않고 직접 파이프 라인을 통하여 건조기로 이송되므로, 종래의 통합 건조식 가스화공정에 비하여 높은 온도의 합성 가스로 유입되며, 이에 따라 건조 용량 역시 증가하게 된다.

예시적 구체예에 따르면, 가스화기 후단에 열교환기를 배치하여 가스화기로부터 배출되는 400 내지 1500℃의 합성 가스를 300 내지 500℃로 냉각한 후에 건조기로 리사이클하는 경우에 비하여 동일 량의 수분-함유 석탄(수분 함량: 20 내지 50 중량%)에 대하여 건조 용량을 최대 약 3 내지 4 배로 증가시킬 수 있다.

상술한 건조기 내 공정 조건은 예시적인 의미로 이해될 수 있으며, 건조기의 사이즈, 타입 등에 따라 변경 가능하다.

도 1은 가스화기로부터 열 교환기를 거친 합성가스(350℃) 및 열 교환기를 거치지 않은 합성가스(700℃) 각각을 본 발명의 구체예에 따른 공정의 건조기(통합 건조기) 내에서 수분-함유 석탄의 건조 열원으로 사용하는 경우, 석탄 내 수분 함량에 따른 석탄 처리량에 대한 시뮬레이션 테스트 결과(SK 파일럿 플랜트: 3톤/일 용량)를 나타내는 그래프이다.

상기 테스트 조건 및 수분 함량에 따른 처리량의 변화를 하기 표 1 및 2에 나타내었다.

건조 후 석탄 내 수분 함량(%)	2
건조기 출구 온도	Min. 200℃

석탄 내 수분 함량(%)	합성가스 온도 별 석탄 처리량(kg/hr)
석탄 내 수분 함량(%)	350℃	700℃
20 25 30 35 40 45 50	171 144 124 109 98 88 81	582 491 424 374 334 302 275

루프 실 형태( 비기계적 밸브형) 가압 건조 석탄 공급시스템

본 발명의 구체예에 따르면, 건조기로부터 배출된 건조 석탄 및 합성 가스(구체적으로 스팀-함유 합성 가스로서, 전형적으로 약 10 내지 50 몰%의 스팀을 함유할 수 있음)는 고상-기상 분리수단, 분리된 건조 석탄의 일부를 별도로 분리하여 회수하는 회수 장치, 및 나머지 건조 석탄을 가스화기로 이송하는 루프 실 형태의 이송수단을 포함하는 건조 석탄 공급시스템으로 이송된다. 구체적으로, 고상-기상 분리수단에 의하여 건조기로부터의 배출물이 건조 석탄 및 합성 가스로 분리되는데, 이때 고상-기상 분리수단은 당업계에서 알려진 통상의 장치를 사용할 수 있다. 전형적인 고상-기상 분리수단의 예로서 사이클론을 들 수 있다.

전술한 사이클론은 원심력(centrifugal force)를 이용하여 유체(가스) 내에 존재하는 입자를 분리하는 장치로서, 적어도 고상물을 함유하는 가스를 도입하기 위한 접선(tangential) 유입구 및 감소된 고상물을 함유하는 가스 배출구 및 수집된 고상물의 배출구를 구비한다. 예시적 구체예에 따르면, 사이클론은 실린더부 및 상기 실린더부와 연결된 콘 형상의 부위를 포함하며, 다운커머(downcomer)의 상단부가 사이클론의 콘 형상 부위의 좁은 단부와 연결되도록 구성될 수 있다. 상기 다운커머의 입구는 사이클론으로부터의 고상물 배출구와 연결되며, 파이프 형상을 가질 수 있다. 상기 다운커머의 하측부는 후술하는 루프 실 형태의 이송수단의 일부를 구성하게 된다.

상기와 같이 분리된 건조 석탄은 가스화기로 이송되기에 앞서 그 일부가 별도로 분리되어 회수 장치에 의하여 건조 석탄 형태로 회수된다. 이때, 회수 장치는 예를 들면 배출 호퍼(drainage hopper), 연속식 감압 배출 장치 등일 수 있다.

본 구체예에 따라 건조된 석탄은 전술한 바와 같이 공급원료 내 다량으로 함유된 수분이 제거될 뿐만 아니라, 앞서 설명한 바와 같이 건조 전 선택적으로 분쇄된 형태인 경우에는 입자 형태로 존재하는 고품질의 석탄의 성상을 갖고 있다. 따라서, 후속적으로 펠렛, 브리켓, 과립 형태로 제품화하거나 가공하는데 적합한 성상을 갖게 된다. 이와 같이, 건조 석탄은 그 자체만으로도 수분-함유 석탄에 비하여 높은 부가가치를 갖고 있을뿐만 아니라, 이를 가공 또는 제품할 경우에는 부가가치 증대 이외에도 취급성 및 운송 편의성을 제고할 수 있는 장점을 갖는다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 회수된 건조 석탄은 당업계에 알려진 유기 또는 무기 바인더 성분을 이용하여 펠렛 형태로 가공될 수 있는 바, 상기 유기 바인더로서 아크릴 에멀젼, 아크릴-스티렌계 에멀젼, 셀룰로오스 에테르, 폴리비닐 알코올계 고분자, 페놀 수지, 폴리이미드 또는 이의 혼합물을 들 수 있으며, 무기 바인더로서 벤토나이트 등을 예시할 수 있다. 구체적으로, 건조 석탄을 상기 바인더 성분과 혼합한 다음, 반죽하고(kneading), 이를 성형 장치를 사용하여 페렛화한 다음, 건조 및 냉각 과정을 통하여 제품화할 수 있다. 경우에 따라서는 바인더를 사용하지 않고 펠렛화할 수 있는 바, 예를 들면 건조 석탄의 일부를 연화점까지 가열한 다음, 가압하여 천연적으로 존재하는 타르 피치 성분으로 응집되도록 할 수 있다. 상술한 건조 석탄의 후속 가공 또는 제품화 공정은 예시적 의미로 이해될 수 있는 바, 고품질의 건조 석탄을 적절히 활용할 수 있는 한, 당업계에서 알려진 다른 가공 또는 제품화 공정이 채택될 수 있다.

한편, 회수되지 않은 건조 석탄의 경우, 가스화 반응 원료로서 가스화기로 이송된다. 가스화기는 후술하는 바와 같이 수 내지 수십 kg/cm² 범위의 압력으로 운전되는 바, 이로부터 배출된 합성 가스는 건조기로 이송되는 과정 및 건조 과정에서 일부 압력 강하 현상이 유발되고, 가스화기의 배출부 대비 가스화기 연료 공급 및 반응부의 압력이 상대적으로 높게 운전되기 때문에 건조 석탄은 가스화기 내 압력보다 낮은 압력 상태로 존재하게 된다. 따라서, 건조 석탄을 가스화기 내로 이송(공급)하기 위하여는, 즉 저압 영역으로부터 고압 영역으로 고상물이 이동하기 위하여는 이보다 높은 압력으로 건조 석탄을 공급해야 한다.

이를 위하여, 본 구체예에서는 루프 실 형태의 이송수단을 채택하여, 유동화된 건조 석탄에 의하여 수두(static head)를 형성시킴으로써 건조 석탄이 가스화기로 이송되도록 한다. 이때, 고압(루프 실 구조 내 압력보다 높은 압력)의 유동화 가스를 루프 실 구조에 구비된 복수의 포트를 통하여 공급한다. 상기 루프 실 구조에서는 공급된 고압의 유동화 가스는 루프 실 내 석탄 인벤토리를 유동층 상태로 형성 및 유지시킴으로써 내부 차압에 의한 유동 흐름이 발생하도록 하여 가스화기 측으로 건조 석탄이 이송될 수 있는 것이다.

이때, 유동화 가스로서 질소, 이산화탄소, 스팀, 가스화기로부터 생성된 합성가스, 이의 혼합물 등을 사용할 수 있다.

가스화기

본 발명의 구체예에 따르면, 가스화기로서 당업계에 알려진 다양한 타입의 반응기가 사용될 수 있다. 상기 가스화기에는 건조 석탄의 유입구 및 필요시 가스화제의 유입구가 구비된다. 상기 가스화기의 예로서 이동층 가스화기(moving bed gasifier; 건조된 탄소질 원료가 상측으로 도입되는 한편, 가스화제가 하측으로부터 향류 방식으로 원료와 접촉함), 유동층 가스화기(fluidized bed gasifier; 가스화제가 탄소질 원료의 베드를 통과하면서 고체 입자를 부유시킴), 이송반응기 통합 가스화기(transport reactor integrated gasifier), 분류 흐름 가스화기(탄소질 원료와 가스화제가 병류 방식으로 도입됨) 등을 들 수 있다.

일 구체예에 따르면, 가스화기 내 운전 온도는 예를 들면 약 400 내지 1500℃, 구체적으로 약 800 내지 1500℃, 보다 구체적으로 약 900 내지 1500℃ 범위일 수 있다. 또한, 운전 압력은 예를 들면 약 1 내지 60 kg/cm², 구체적으로 약 5 내지 40 kg/cm², 보다 구체적으로 약 20 내지 40 kg/cm² 범위일 수 있다. 또한, O₂/탄소 비율은 몰 기준으로 예를 들면 약 0.1 내지 1.0, 보다 구체적으로 약 0.2 내지 0.7 범위일 수 있다.

다만, 예시적 구체예에서 스팀/탄소 비율은 실질적으로 0으로 조절할 수 있는 바(건식 가스화 또는 이산화탄소 개질을 통한 가스화 반응의 경우), 이 경우 스팀/탄소(몰 기준) 비율은 예를 들면 약 0 내지 2, 보다 구체적으로 약 0 내지 1 범위일 수 있다. 또한, CO₂/탄소 비율은 몰 기준으로 약 0 내지 1, 보다 구체적으로 약 0 내지 0.5 범위일 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 가스화 반응에 있어서 석탄 내 탄소의 전환율은 전형적으로 적어도 약 80 %, 보다 구체적으로 약 90 내지 99 % 범위일 수 있다.

한편, 본 발명의 구체예에 따르면, 생성된 합성가스는 상기 가스화기 운전 온도에 따라 고온 상태에서 배출되는 바, 열교환기를 경유하지 않고 직접 건조기로 리사이클된다.

도 1은 본 발명의 구체예에 따른, 루프 실 형태의 이송수단을 이용하여 합성 가스 및 고품질의 석탄을 병산하기 위한 통합건조 가스화 공정을 개략적으로 도시한다.

상기 도면에서, 가스화 공정은 크게 건조기(100) 및 가압 건조 석탄 공급시스템(200) 및 가스화기(300)를 포함한다. 설비 내 구성 장치 간에는 특별한 언급이 없는 한, 통상의 연결 수단, 예를 들면 파이프를 통하여 연결(연통)되어 석탄 및 가스가 이동하는 것으로 이해될 수 있다.

상기 구체예에서 수분-함유 석탄은 건조기(100)의 하측을 통하여 유입되고, 가스화기(300)로부터 직접 리사이클되는 합성 가스 역시 건조기(100) 하측을 통하여 유입된다. 이때, 가스화기로부터 배출되는 합성 가스 온도는 전술한 바와 같이 가스화기 운전 온도와 큰 차이가 없으나, 건조기로의 리사이클(이송) 과정에서 약 20 내지 100 ℃ 정도 냉각될 수 있다. 그러나, 도시된 바와 같이 열 교환기를 사용한 합성 가스의 인위적 냉각은 수행되지 않는 만큼, 건조기(100)는 통상의 통합 건조 가스화 공정에서 사용되는 건조기보다 높은 건조 용량을 갖도록 설계된다.

도시된 구체예에 있어서, 건조기(100)의 상측부를 통하여 건조 석탄 및 가스 혼합물(석탄 건조에 따라 스팀 함량이 증가된 합성 가스)이 배출되며, 상기 배출물 각각의 수분 함량은 건조기로 유입되는 합성 가스의 온도 및 압력, 수분-함유 석탄공급원료의 초기 수분 함량 및 입도, 그리고 건조기로 유입되는 합성 가스와 석탄(공급원료)의 혼합 비율에 따라 결정된다. 이때, 건조기로 유입되는 합성 가스 : 수분-함유 석탄의 중량 비는 전형적으로 약 1:1 내지 10:1 구체적으로 약 2:1 내지 8:1, 보다 구체적으로 약 3:1 내지 6:1 범위일 수 있다.

도시된 구체예에서, 건조 석탄(즉, 건조 고체연료) 및 합성 가스는 건조기 상단으로부터 라인(101)을 거쳐 가압 건조 석탄 공급시스템(200)으로 이송된다. 상기 공급 시스템(200)은 크게 고상-기상 분리수단인 사이클론(103), 배출 호퍼(106) 및 루프 실 형태의 이송수단(107)을 포함한다. 상기 사이클론(103)은 가스상 성분(합성 가스)과 고상 성분(건조 석탄)을 분리한다. 이때, 분리된 합성가스(102)는 미분, 황 화합물, 질소 화합물 등을 함유할 수 있는 만큼, 추가적으로 필터(세라믹 필터), 전기 집진기, 스크러버, 탈황 설비 등의 후단 처리 공정(도시되지 않음)을 거칠 수 있다. 이와 같이 분리된 합성 가스(102)는 예를 들면 석탄가스화 복합발전설비(IGCC), F-T 공정 등의 후속 공정으로 공급될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 합성 가스(102) 내에 타르 물질을 함유하도록 한 경우에는 이를 별도로 분리 및 회수하는 수단 또는 공정(도시되지 않음)이 추가될 수 있다. 이러한, 타르 물질의 분리 및 회수 수단으로서 당업계에 공지의 수단(예를 들면, 필터 등)을 이용할 수 있다.

한편, 사이클론(103)에 의하여 분리된 건조 석탄은 사이클론(103)의 하단부(정확하게는 콘 형상의 하단부)와 연결된 다운커머(104)를 따라 하측 방향으로 이동한다. 이때, 다운커머(104)는 하측 방향을 따라 건조 석탄의 분리 라인(105)이 형성되고, 이를 통하여 배출 호퍼(106)와 연결되어 건조 석탄이 회수된다.

상기와 같이 분리 회수되지 않은 나머지 건조 석탄은 루프 실 형태의 이송수단(107)으로 도입된다. 도시된 구체예에 따르면, 분리 회수되는 건조 석탄 량 : 가스화기로 이송되는 건조 석탄 량의 비율은 타겟 생성물(합성가스 또는 고품질 건조 석탄)의 요구량에 따라 적절히 변경할 수 있는 바, 예를 들면 중량 기준으로 약 1:1 내지 4:1, 보다 구체적으로는 약 2:1 내지 3:1 범위일 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 가스화 공정에 있어서 루프 실 형태의 이송수단 내에서 건조 석탄의 이동 경로를 도시한다.

도시된 바와 같이, 루프 실 형태의 이송수단(107)은 복수의 유동화 가스 주입포트를 구비하고 있으며, 이때 건조 석탄은 다운커머(104)의 하단부, 수평 영역 및 수직 영역의 순으로 이동하여 고압 상태의 가스화기(300) 방향으로 건조 석탄이 이동할 수 있다.

한편, 가스화기(300) 내에서는 이송된 건조 석탄이 가스화제의 존재 하에서 다양한 반응루트(부분산화, 이산화탄소 개질, 스팀 개질 또는 이의 조합)를 통하여 가스화되어 합성 가스를 생성하게 된다. 이때, 전술한 루프 실 형태의 이송수단에서 공급된 유동화 가스로서 가스화제를 사용할 경우, 상기 유동화 가스 역시 가스화기(300)로 도입되는 만큼, 이를 고려하여 가스화기에 별도로 구비된 가스화제 유입포트(유입구)로 도입되는 가스화제의 량을 조절할 수 있다.

가스화 반응이 종료된 후, 생성된 합성 가스의 적어도 일부 또는 전부를 라인(108)을 따라 건조기(100)로 리사이클한다. 도시된 구체예에 따르면, 합성 가스 전량을 직접 건조기(100)로 리사이클함으로써 수분-함유 석탄의 건조 처리량을 극대화할 수 있다. 이와 같이 배출된 합성 가스(108) 내 일산화탄소 비율은 몰 기준으로 전형적으로 약 10 내지 50%, 구체적으로 약 20 내지 40% 범위일 수 있다.

이처럼, 본 발명의 구체예에 따른 가스화 공정은 가스화기 전단에 건조기를 배치하고 열교환기를 경유하지 않고 가스화기로부터 직접 이송되는 고온의 합성가스의 열원을 이용하여 수분-함유 석탄을 건조함과 동시에 건조된 석탄을 루프 실과 같은 비기계식 밸브형 이송수단에 의하여 가스화기로 이송하는 공정 구성을 구비함으로써 합성가스 및 수분 함량이 현저히 저감된 고품질의 석탄을 동시 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 고가이면서 복잡한 조작을 요하는 종래의 록 호퍼 등의 석탄 공급 수단을 생략할 수 있기 때문에 증가된 량의 가스화 석탄 원료의 건조 비용을 절감할 수 있는 등, 가스화 공정의 부가가치 증가 및 효율성 제고 효과를 달성할 수 있다. 더 나아가, 건조 열량의 조절을 통하여 합성 가스 내에 타르 물질을 더 포함시킨 다음, 이를 분리 및 회수함으로써 합성 가스 및 고품질의 건조 석탄이외에 타르 물질도 함께 생산함으로써 공정의 부가가치를 극대화할 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

100: 건조기
103: 사이클론
104: 다운커머(downcomer)
106: 배출 호퍼(drainage hopper)
107: 루프 실 형태의 이송수단
200: 가압 건조 석탄 공급시스템
300: 가스화기

Claims

a) 수분-함유 석탄을 건조기로 공급하는 단계;
b) 상기 건조기 내에서 상기 수분-함유 석탄을 건조시키는 단계로서, 상기 건조에 필요한 열 에너지는 가스화 단계로부터 상기 건조기로 리사이클되는 합성 가스와의 접촉에 의하여 공급됨;
c) 상기 건조기로부터 배출된 건조 석탄 및 합성 가스를 고상-기상 분리 방식에 의하여 각각 분리하고, 상기 분리된 합성 가스를 회수하는 단계;
d) 상기 분리된 건조 석탄의 일부분을 별도로 분리하여 건조 석탄을 회수하는 한편, 상기 회수되지 않은 나머지 건조 석탄을 유동화 가스(aeration gas)가 복수의 포트를 통하여 공급되는 루프 실(loop seal) 형태의 이송수단에 의하여 유동 상태로 가스화기로 이송하는 단계;
e) 상기 이송된 건조 석탄을 가스화기 내에서 가스화시켜 합성 가스를 제조하는 단계; 및
f) 상기 가스화기로부터 배출된 400 내지 1500℃의 합성 가스를 열교환기를 거치지 않고 상기 건조기로 직접 리사이클하는 단계;
를 포함하며,
상기 건조기는 적어도 수분-함유 석탄으로부터 상기 별도로 분리 회수되는 건조 석탄 및 상기 가스화 단계로 이송되는 건조 석탄을 생산하는데 필요한 건조 용량을 제공하는, 합성 가스 및 고품질의 석탄을 병산하기 위한 가스화 방법.
제1항에 있어서, 상기 수분-함유 석탄의 수분 함량은 10 내지 70 중량% 범위인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
제1항에 있어서, 상기 건조 석탄은 10 중량% 이하의 수분 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
제1항에 있어서, 상기 수분-함유 석탄은 단계 a)에 앞서 50 내지 6000㎛ 입자 사이즈로 분쇄된 후에 건조기로 도입되는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
제1항에 있어서, 상기 수분-함유 석탄의 석탄 내 탄소 함량은 적어도 20 중량% 범위인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
제1항에 있어서, 상기 건조기는 기류 또는 플래쉬 건조기, 유동층 건조기, 로터리 건조기 또는 로터리 튜브 건조기인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
제6항에 있어서, 상기 건조기는 기류 또는 플래쉬 건조기인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
제1항에 있어서, 상기 건조기 내에서 수분-함유 석탄 및 합성 가스는 병류 방식으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
제1항에 있어서, 상기 건조기 내 운전 압력은 최대 60 kg/cm² 범위이고,
운전 온도는 건조기 입구 측에서는 400 내지 1500 ℃, 그리고 건조기 출구 측에서는 200 내지 700℃ 범위 내에서 조절되는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 d)에서 분리 회수된 건조 석탄을 펠렛, 브리켓 또는 과립 형태로 가공 또는 제품화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
제1항에 있어서, 상기 유동화 가스는 질소, 이산화탄소, 스팀, 가스화기에서 생성된 합성 가스 또는 이의 혼합물인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
제1항에 있어서, 상기 가스화기 내 운전 온도는 400 내지 1500℃이고, 운전 압력은 1 내지 60 kg/cm² 범위인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 e)에서 O2/탄소 비율이 몰 기준으로 0.1 내지 1.0 그리고 CO₂/탄소 비율이 몰 기준으로 0 내지 1 범위인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 e)에서 스팀/탄소 비율이 몰 기준으로 0 내지 2 범위인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 b)에서 건조기로 리사이클되는 합성 가스 : 수분-함유 석탄의 중량 비는 1:1 내지 10:1 범위인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 d)에서 분리 회수된 건조 석탄 : 가스화기로 이송되는 건조 석탄의 비율은 중량 기준으로 1:1 내지 4:1 범위인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 c) 중 합성 가스의 회수 시 상기 건조 단계에서 발생하여 합성 가스 내에 함유된 타르를 분리 및 회수하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
제17항에 있어서, 상기 건조기는 별도로 분리 회수되는 건조 석탄 및 가스화 단계로 이송되는 건조 석탄을 생산하는데 필요한 건조 용량보다 많은 열량을 제공하는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
가스화기;
상기 가스화기 전단에 배치되며, 상기 가스화기로부터 리사이클되는 합성 가스와의 접촉에 의하여 유입되는 수분-함유 석탄을 건조하여, 건조 석탄 및 합성 가스를 배출하는 건조기;
상기 건조기로부터 배출되는, 건조 석탄 및 합성 가스를 분리하는 고상-기상 분리 수단;
상기 고상-기상 분리수단으로부터 분리된 건조 석탄의 일부를 분리하여 회수하는 회수 장치; 및
상기 회수 장치에 의하여 회수되지 않은 나머지 건조 석탄을 상기 가스화기로 이송하고, 복수의 유동화 가스 유입구가 구비된 루프 실 형태의 이송수단;
을 포함하고, 상기 가스화기로부터 배출되는 합성 가스는 열교환기를 경유하지 않고 직접 건조기로 이송되는 리사이클 경로를 갖고,
상기 건조기는 적어도 수분-함유 석탄으로부터 상기 별도로 분리 회수되는 건조 석탄 및 상기 가스화 단계로 공급되는 건조 석탄을 생산하는데 필요한 건조 용량을 제공하는 건조 및 가스화 통합 시스템.
제19항에 있어서, 상기 고상-기상 분리수단으로부터 분리된 합성 가스 내 타르 물질을 분리 및 회수하는 회수 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건조 및 가스화 통합 시스템.
제19항에 있어서, 상기 건조 석탄의 회수 장치는 배출 호퍼(drainage hopper) 또는 연속식 감압 배출 장치인 것을 특징으로 하는 건조 및 가스화 통합 시스템.