KR20000015802A - 석탄 가스화 장치, 석탄 가스화 방법 및 석탄 가스화 복합 발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 특징은 가스화 로와, 상기 가스화 로 내에서 석탄의 가스화 반응에 의해 얻어진 열을 후속 기기에 부담을 주지 않고 회수하는 열회수부가 하나의 베셀 내에 설치되어 일체화된 석탄 가스화 장치에 있다.
상기 열회수부는 가스화 로의 바로 위에 설치되고, 또 생성 가스 흐름에 대해 직교하는 전열관으로 구성되어 있으며, 상기 가스화 로는 로 상부와 로 하부로 구성되고, 로 상부에는 상단 노즐이, 로 하부에는 하단 노즐이 배치되고, 로 하부는 하단 노즐로부터 석탄과 다량의 산화제를 공급하여 회분이 용융하는데 충분한 온도로 하고, 로 상부는 상단 노즐로부터 석탄과 소량의 산화제를 공급하여 회분이 용융하지 않는 온도로 함으로써 회분의 로벽이나 열회수부로의 부착을 억제한다.
그리고, 상기 열회수부를 구성하는 전열관에, 그 표면 온도가 다른 것을 2단으로 설치함으로써, 생성 가스의 온도를 효율적으로 낮추어 후속 기기의 구성 재료에 끼치는 영향을 적게 할 수 있다.

Description

석탄 가스화 장치, 석탄 가스화 방법 및 석탄 가스화 복합 발전 시스템
석탄으로부터 에너지를 취출하여 발전하는 방식으로서는, 석탄을 연소하여 열 에너지로 변환시키고, 증기를 발생시켜서 회수하는 방식이 현재 가장 널리 이용되고 있다.
이에 대해, 석탄 가스화는 석탄을 직접 연소하지 않고, 산화제에 의해 가스화 반응으로 가연성 가스로 변환시켜, 이를 직접 가스 터빈이나 연료 전지 등의 발전 기기에 공급하여 전기 에너지로 변환시키는 방식이다. 또, 이 프로세스에서 발생된 열을 증기 터빈에 공급함으로써 전기 에너지로 변환하는 것이다.
이 방식은 석탄을 직접 연소하여 증기를 발생시켜서 발전시키는 종래의 방식과 비교하여, 가스 터빈이나 연료 전지를 석탄 가스로 직접 구동시키므로 효율이 좋다. 또, 증기 터빈을 병용하여 발전할 수 있으므로 효율을 한층 더 향상시킬 수 있다.
이상의 이유로부터, 석탄 가스화에 의한 발전 시스템은 차세대의 고효율 발전 시스템으로서 기대되고 있다.
석탄 가스화 기술은 석탄을 산화제인 산소, 수증기 등에 고온으로 접촉시킴으로써 수소, 일산화 탄소, 메탄, 이산화탄소, 수증기 등으로 구성된 가연성의 가스를 생성시키는 것이다.
이 석탄 가스화를 실현시키는 석탄 가스화 장치로서 기류층(분류층)형 가스화 장치가 있다. 기류층형이라 함은, 석탄을 수10 미크론 정도의 미립으로 분쇄하고, 기체와의 접촉 효율을 높인 장치이다. 반응이 빠르기 때문에, 그 장치의 가스화 로 안은 고온이 되어 신속하게 반응이 완결된다.
또, 가스화 로 안이 고온(1400 내지 1800 ℃)이 되기 때문에, 석탄중에 함유되어 있는 회분을 용융시키는 것이 가능하다. 회분을 용융시키면, 함유되어 있는 유해한 금속이 용융 회분 안에 봉입되기 때문에 환경성면에서도 뛰어나다. 따라서, 기류층형 가스화 장치는 고효율이며 환경성면에서도 뛰어난 석탄 가스화 장치이다.
그러나, 석탄을 고온(1400 내지 1800 ℃)에서 반응시키기 때문에 생성 가스도 고온이 된다. 또, 생성 가스안에는 석탄이 반응을 다 완결하지 못하고 잔존한 미반응의 탄소, 석탄중에 함유되어 있는 회분, 부식성의 황화 수소, 암모니아가 함유되어 있다. 1500 ℃ 이상의 고온 상태이면, 석탄중의 회분도 용융 상태(용융한 재를 슬러그라고 부른다)가 되어, 각종의 기기 등에 부착되므로 이 대책이 필요해진다.
고온이 된 생성 가스를 가스 터빈에 공급하기 위해서는, 현상의 가스 터빈 구성 재료로는 약 400 ℃ 이하로 냉각할 필요가 있다.
상기에 대해, 고온의 생성 가스를 냉각시키는 방법이 제안되고 있다. 냉각 방식에는 전열면으로부터 방사열을 빼앗는 것과, 생성 가스에 대류에 의한 전열면에서의 열교환에 의한 것이 있다.
일본 특허 공개 소61-228093호 공보에서는 가스화 로에 직결되어 열교환기가 설치되어 있다(단, 동일 베셀내에 설치한 것은 아니다).
그러나, 가스화 로로부터 비산되는 슬러그의 열교환기로의 부착을 피하기 위해서 가스의 흐름을 가로막도록 설치하는 것은 아니며, 가스 흐름의 주위를 에워싸도록 구성한 열교환기를 배치하고 있다. 즉, 가스 흐름과 평행하게 열교환기가 설치되어 있다. 그리고, 슬러그가 식어 고화되는 위치에 가스의 흐름을 가로막도록 고밀도로 열교환기를 배치하고 있다.
이 가스의 흐름을 에워싸도록 열교환기를 배치하는 방식에서는 가스의 흐름을 크게 어지럽히는 일 없이 열을 회수할 수 있다. 특히, 생성 가스중에 슬러그 등의 부유물이 존재하여도 그것으로 인한 장해가 적다. 그러나, 가스의 흐름을 에워싸도록 배치하고 있기 때문에, 열교환기의 열교환부 체적당의 전열량이 작아지고, 열교환기 자체가 대형화된다는 문제가 있다. 이 열교환기의 대형화는 장치 본체로서의 비용 상승으로 이어진다.
또, 대형화되었기 때문에 열교환부를 복수 설치할 필요가 있다. 이들을 접속하는 부분도 고온이 되므로, 그 재료의 선정, 구조 설계가 어려워진다. 특히, 가스화 로가 아래에서 위로 가스를 유통시킨 경우, 전열부는 접속관을 통해 위에서 아래로 흐르게 된다. 이렇게 하면, 비산된 미립자가 전열부의 하부에 체류되어, 장치로서는 문제이다.
또, 일본 특허 공개 평7-97579호 공보는 방사뿐만 아니라 전열에 의해서도 열을 회수하는 것을 목적으로 대류 전열면을 설치하는 방식이다. 이 방식에서는 전열관을 대량으로 가득 채울 수가 있으므로 장치를 소형화할 수 있어 유리하다. 그러나, 가스 기류중의 슬러그가 대류 전열면에 부착되어, 가스 유로의 폐색이나 국부적인 고온 상태를 형성하는 요인이 되는 문제가 있다.
또, 냉각용 가스를 생성 가스중에 혼합하여 냉각하는 방식이 있다. 이 방식에서는 냉각용 가스가 양호하게 혼합될 수 있으면 열교환기가 없어도 된다. 그러나, 다량의 냉각용 가스의 혼합이 필요하고, 이에 따라 가스량 전체가 증대되기 때문에 후속의 기기에서 다루는 가스량도 증대되고, 이에 따라 해당 기기가 대형화된다.
또, 상기에서의 후속의 기기에는 탈진 장치, 탈황 장치 등이 있고, 이들이 대형화되면 플랜트 전체의 대형화로 이어진다.
또, 생성 가스에 석탄 등을 혼합시켜, 반응에 따른 흡열로 열을 회수하는 방식이 있다. 이는 흡열 반응으로 열을 회수하기 때문에 가스화 효율의 향상에 유효하다.
그러나, 미반응 생성물이 생성 가스중에 혼입되기 때문에, 그것의 분리 회수에 특별한 장치가 필요해진다. 구체적으로는 사이클론이나 필터 등이다. 이러한 미반응 생성물의 분리는 고온하에서 행할 필요가 생겨, 그 때문에 장치가 복잡해진다.
특히, 발전을 목적으로 한 경우, 이 분리 부분에서의 응답이 늦어져, 부하 변동에 대한 가스 공급의 추종에 과제가 있다.
본 발명은 석탄 가스화 장치를 이용하여 가스화한 연료를 가스 터빈에 공급하여 발전시키는 석탄 가스화 복합 발전 시스템에 관한 것으로, 주로 석탄 가스화 장치 및 석탄 가스화 방법에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 가스화 장치의 가스화 반응 상태를 도시하는 모식도이다.
도2는 석탄 가스화 장치의 회분 안의 탄소와 회분의 비율과 온도에 따른 회분의 부착성과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도3은 실시예 1의 석탄 가스화 장치의 모식 종단면도이다.
도4는 실시예 1의 석탄 가스화 장치의 모식 횡단면도이다.
도5는 실시예 1의 석탄 가스화 장치를 이용한 석탄 가스화 복합 발전 시스템의 구성도이다.
도6은 본 실시예와 종래예의 석탄 가스화 장치의 운전 온도를 비교한 그래프이다.
도7은 본 실시예의 석탄 가스화 장치의 크기를 종래예와 비교한 그래프이다.
도8은 실시예 2의 석탄 가스화 장치의 모식 종단면도이다.
도9는 실시예 3의 석탄 가스화 장치의 모식 종단면도이다.
본 발명은 석탄의 가스화 반응으로 얻어진 열을 후속의 기기로의 부담을 적게 하여 저비용으로 회수할 수 있는 석탄 가스화 장치 및 석탄 가스화 방법의 제공을 목적으로 하고 있다.
또, 상기 석탄 가스화 장치를 이용한 석탄 가스화 복합 발전 시스템의 제공을 목적으로 하고 있다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 요지는 다음과 같다.
석탄의 가스화 반응부, 그 반응부의 열을 회수하는 열회수부를 가진 석탄 가스화 장치에 있어서, 상기 열회수부가 가스화 반응부의 후단에 직결하여 설치되어 있고, 또 방사 및 대류에 의해 전열되는 전열관으로 이루어져 있으며, 그 전열관은 가스 흐름에 대해 실질적으로 직교하여 설치되어 있고, 상기 열회수부와 가스화 반응부가 하나의 베셀내에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 장치에 있다.
상기 가스화 반응부가 상부 반응 영역과 하부 반응 영역을 가진 석탄 가스화 장치에 있다.
또, 상기 가스화 반응부의 후단에 직결하여 설치된 열회수부가 제1 열회수부와, 그 제1 열회수부의 후단에 설치되어 있는 제1 열회수부의 표면보다도 저온인 표면의 제2 열회수부로 이루어져 있는 석탄 가스화 장치에 있다.
여기에서, 제1 열회수부는 생성 가스의 온도 약 1400 ℃를 900 ℃ 정도까지 냉각시키고, 제2 열회수부에서는 900 ℃의 가스를 400 ℃ 정도까지 냉각시키는 것이다.
또, 상기 가스화 반응부와 상기 열회수부 사이에 생성 가스중의 탄소와 회분의 비율을, 탄소를 공급함으로써 조절하는 탄소 공급 수단을 가진 석탄 가스화 장치에 있다.
또, 석탄을 가스화하는 반응부와, 그 반응부의 열을 회수하는 열회수부가 하나의 베셀내에 설치되어 있는 석탄 가스화 장치를 이용한 석탄 가스화 방법에 있어서,
상기 열회수부는 가스화 반응부의 후단에 직결하여 설치되어 있고, 또 방사 및 대류에 의해 전열되는 전열관으로 이루어져 있으며, 그 전열관은 가스 흐름에 대해 실질적으로 직교하여 설치되어 있고,
상기 반응부는 상부 반응 영역과 하부 반응 영역을 갖고, 상부 반응 영역에는 석탄중의 함유 회분이 용융하지 않는 온도가 되는 양의 산화제를 공급하고, 하부 반응 영역에는 상부와 하부로부터 공급된 모든 석탄이 일산화 탄소 및 수소로 변환하기에 필요한 산화제량에서 상부에 공급한 산화제량을 뺀 양의 산화제를 공급하고, 상기 반응부에 직결하여 설치된 방사 및 대류에 의해 전열되는 열회수부로 인해 반응열을 회수하는 석탄 가스화 방법에 있다.
또, 상단과 하단의 단면적이 감소하도록 구성한 가스화 반응부내에서 석탄과 산화제를 반응시켜, 가스화 반응부의 하단으로부터 회분을 용융시켜서 배출하고, 가스화 반응부의 상단으로부터 생성된 가연성 가스를 그 상부에 직결하여 설치된 열회수부에 의해 냉각시키는 석탄 가스화 방법으로서, 가스화 반응부의 하부에는 공급하는 석탄의 회분이 용융될 수 있는 온도가 되는 양의 산화제를 공급하고, 가스화 반응부의 상부에는 석탄중의 함유 회분이 용융되지 않는 온도가 되는 양의 산화제를 공급하고, 또 가스화 반응부와 상기 열회수부 사이에 설치한 탄소 공급 수단으로부터 탄소를 공급함으로써, 회분이 열회수부에 부착되지 않도록 공급 탄소량을 제어하는 석탄 가스화 방법에 있다.
본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위해서 첨부한 도면에 따라 이것을 설명하기로 한다.
먼저, 석탄의 주된 가스화 반응은 (1) 내지 (4)식으로 나타낼 수 있다.
석탄→휘발분(CH4, CO, H2etc.)＋미연탄(C) … (1)
미연탄(C)＋H2O→CO＋H2… (2)
미연탄(C)＋CO2→2CO … (3)
(석탄, 미연탄)＋O2→CO＋CO2… (4)
상기의 (1) 내지 (3)은 흡열 반응이며, (4)는 발열 반응이다.
일반적으로는, 처음에는 (1)의 반응으로 휘발분이 생성되어 미연탄의 발생과 동시에 휘발분이 연소하여 로내의 온도가 상승한다. 또, (4)의 반응이 일어나 석탄과 산소가 반응하여 역시 로내의 온도가 상승되는 동시에 CO, CO2가 발생한다.
휘발분의 연소로 생긴 H2O와 CO2는 (2), (3)에서 나타내는 바와 같이 고온 분위기하에서 미연 탄소(미연탄 ; char)와 반응하여 가연성 가스의 H2및 CO를 형성한다.
기류층형 가스화 장치에서는, 반응의 단계에서 석탄중의 회분을 용융하기에 충분한 온도로 하여, 회분을 용융시켜서 액체상의 슬러그로서 취출하고, 냉각에 의해 유리형으로 하여 유해 금속을 봉입하여 배출한다.
본 발명의 석탄 가스화 장치는 기류층형의 2단 가스화 장치로, 가스화 로내를 상하로 나누고, 상단으로부터 석탄과 소량의 산화제, 하단으로부터 석탄과 다량의 산화제를 공급한다. 이에 따라 하단에서는 석탄중의 회분이 용융하기에 충분한 온도가 된다.
또, 상단에서는 회분을 용융시키지 않는 온도로 함으로써, 가스화 반응에 의한 회분의 로벽으로의 고정 부착을 억제한다. 이에 따라, 회분의 핸들링과 가스화의 고효율화를 양립시킬 수 있다.
도1은 본 발명의 가스화 장치의 가스화 반응 상태를 모식적으로 도시한 것이다.
하단 버너로부터 공급된 석탄은 다량의 산화제와 반응하여 생성 가스와 용융 회분(슬러그)을 발생한다. 한 편, 상단 버너로부터 공급된 석탄은 흡열 반응에 의해 미세한 미연탄을 발생시킨다.
가스화 로 상부에서 생성된 미연탄은 가스화 로 하부에서 생긴 슬러그의 표면에 가루가 되어 부착되고, 로벽이나 열회수부 등으로의 부착을 억제하는 작용, 효과를 갖고 있다. 이와 같이 본 발명의 석탄 가스화 장치는, 특히 가스화 로내에서 생성되는 슬러그를 부착성이 적은 것으로 함으로써 열회수부로의 부착을 방지할 수 있고, 가스화 로와 열회수부(전열부)를 일체로 구성할 수 있다.
또, 도2는 석탄 회분(숯)중의 탄소와 회분의 비율과, 온도에 대한 회분의 부착성과의 관계를 도시한 것이다. 또, 횡축에는 회분의 탄소 농도, 종축에는 온도를 나타내고 있다.
사선으로 나타낸 영역에서는 회분의 부착성이 높다. 즉, 온도가 높고 회분중의 탄소 농도가 낮은 영역에서는 생성 가스중의 회분은 열회수부(전열관)에 부착되기 쉬움을 나타내고 있다. 한 편, 온도가 낮거나(900 ℃ 이하), 또는 회분중의 탄소 농도가 높을(10 % 이상) 경우에는 생성 가스중의 회분의 부착성이 작다. 즉, 전열관에도 부착되기 어려움을 나타내고 있다.
이상의 점으로부터, 생성 가스중의 회분에 대한 탄소의 비율을 크게 함으로써, 전열관 등의 열회수부로의 회분의 부착을 억제할 수 있다. 이에 따라, 반응으로 인해 생긴 열을 회수하는 열회수부를 가스화 로의 바로 후단에 일체로 배치시킨 간편한 석탄 가스화 장치를 제공할 수 있다.
또, 본 발명의 석탄 가스화 장치에 의하면, 냉각 가스 등의 공급을 필요로 하지 않거나, 공급하더라도 그 양을 적게 할 수 있어, 후속의 기기에 여분의 가스의 혼입이 적으므로 생성 가스량을 최소한으로 할 수 있기 때문에, 후속의 기기를 소형화할 수 있다.
본 발명의 가스화 반응부에 후단에 직결하여 설치된 열회수부로서는 제1 열회수부와, 그 제2 열회수부의 표면보다도 저온인 표면의 제2 열회수부가 상기 제1 열회수부의 후단에 설치되어 있는 구조가 좋다. 제1, 제2 열회수부는 가스 흐름중에 가스의 흐름 방향에 직교하도록 설치한다. 제1 열회수부에서는 생성 가스의 온도 1400 ℃를 900 ℃까지 냉각시킨다. 여기에서는 고온의 수증기를 얻을 수 있다. 한 편, 제2 열회수부에서는 생성 가스의 온도 900 ℃를 400 ℃까지 냉각시킨다.
이와 같이 구성한 것은 전열 효율을 높이기 위함과, 그 용적을 보다 유효하게 이용하기 위한 것이다. 또, 열회수부를 온도가 다른 2단의 열회수부로 한 것은 생성 가스의 열을 가장 효율좋게 회수하기 위해서이다.
상기 열회수부의 구체적인 형상예로서는 와권형 또는 갈짓자형의 금속성 전열관이 바람직하다. 또, 그 형성 밀도는 가스화 로의 용량에 따라 임의로 설정할 수 있다.
상기 제1 열회수부인 전열관에는 고온수(또는 고온 수증기)를, 그리고 제2 열회수부인 전열관에는 제1 전열관보다 저온수(또는 저온 수증기)를 각각 통과시키고, 가스화 반응에 의한 열을 회수한다. 즉, 제1 열회수부는 증발기 또는 과열기(수퍼 히터)로서, 제2 열회수부는 증발기 또는 절탄기로서 이용된다.
다음에, 더욱 구체적인 실시예에 의거하여 본 발명을 설명한다.
<실시예 1>
도3에 본 발명의 석탄 가스화 장치의 모식 종단면도를 도시한다. 석탄 가스화 장치는 베셀(51)에 둘러싸여 가스화 반응부와 그 후단에 직결하도록 배치된 열회수부를 구비한다. 가스화 반응부(이하 가스화 로라고 함)는 로 상부(28)와 로 하부(29)로 구성된다. 로 상부(28)에는 상단 노즐(31)이, 로 하부(29)에는 하단 노즐(32)이 설치되어 있다.
또한, 가스화 로(25)의 상단부에는 재활용 노즐(6)이, 가스화 로(25)의 하단부에는 슬래그탭(26)이 설치되고, 이들 부분에서 가스화 로(25)는 직경이 축소되어 있다. 그리고, 가스화 로(25)의 하부에는 슬래그 수냉조(30)가 설치되어 있다. 또한, 가스화 로(25)의 바로 위에는 고온 열회수부(23), 저온 열회수부(22)가 설치되어 있다. 가스화 로(25)의 내벽은 물로 냉각하는 수냉벽(24) 및 그 표면의 내화재(60)로 보호되어 있다.
도4에 가스화 로의 횡단면도를 도시한다. (a)도는 재활용 가스 공급용의 재활용 노즐(6)이 설치되어 있는 부분, (b)는 상단 노즐(31)이 설치되어 있는 부분, 그리고, (c)는 하단 노즐(32)이 설치되어 있는 부분의 각각의 횡단면도이다.
각 노즐의 방향은 가스 흐름의 선회원 직경(41 내지 43)으로 도시한 바와 같이, (a), (b), (c)의 순으로, 보다 중심부에 공급되도록 향해져 있다.
이에 의해, 로벽에 가까운 쪽으로부터 재활용 가스, 상단 생성 가스, 하단 생성 가스의 순으로 로벽을 덮을 수 있다. 즉, 온도가 가장 낮은 가스가 로벽측이 되도록 하여 로벽(44)을 보호한다.
상단 노즐(31)에서는 석탄(9)과 산소(8)를 석탄 내의 회분이 용융하지 않는 온도가 되도록 양자를 소정의 비율로 공급한다. 또한, 하단 노즐(32)로부터는 석탄(9)과 산소(8)를 회분이 용융하는 온도가 되도록 양자를 소정 비율로 공급한다.
또 여기에서, 회분의 융점 저하, 혹은 로내에서의 탈황 등의 반응을 조성하는 석회석 등으로 이루어지는 첨가제(11)를 석탄과 함께 공급해도 좋다. 또, 로 내부 온도의 조절 및 산화제로서 수증기(10)를 공급해도 좋다.
그리고, 석탄 가스화 장치의 후단 기기(탈진 장치)에서 회수된 재활용 미연탄(13)은 가스화 로(25)의 하방으로부터 공급된다. 이로써, 로 상부(28)에는 회분의 융점보다도 저온의 반응 영역이 형성된다. 또한, 로 하부(29)에는 회분의 융점보다 고온의 반응 영역이 형성되고, 이 영역과 로벽 사이에는 용융 슬래그가 형성된다. 또, 상기 재활용 미연탄은 미연탄소 및 회분이 주성분이다.
다음에, 상기 석탄 가스화 장치의 조작 조건의 일예를 표1에 나타낸다.
상 단 석탄 공급량 1024t/d
산소 공급량 590t/d
산소/석탄의 비 0.58
온 도 980 ℃
하 단 석탄 공급량 1024t/d
산소 공급량 1048t/d
산소/석탄의 비 1.02
온 도 1560 ℃
전 체 석탄 공급량 2048t/d
산소 공급량 1638t/d
산소/석탄의 비 0.80
온 도 1340 ℃
본 조작 조건에 있어서, 석탄은 로 상부(28)와 로 하부(29)에 같은 양을 공급했다. 산소는 공급한 석탄이 가스화하기에 충분한 양을 공급한다. 또, 본 조작 조건에 있어서의 전체 산소/전체 석탄의 비율은 중량비가 0.8이다.
로 상부(28)에서는 석탄 내의 회분이 용융하지 않는 온도가 되는 양의 산소를 공급하기 위해 산소/석탄의 비율을 0.58로 설정했다.
그리고, 로 하부(29)에 산소를 공급하는 양은 전체 산소량에서 로 상부에 공급하는 산소량을 뺀 양의 산소를 공급한다. 따라서, 본 조작 조건에서의 로 하부(29)의 산소/석탄의 비율은 1.02가 된다. 또, 재활용 미연탄과 함께 공급되는 산소도 전체 산소량에 포함된 비율이다.
상기 조작 조건에서는 로 하부(29)의 온도는 약 1560 ℃가 되며, 이것은 석탄 중의 회분을 용융시키기에 충분한 온도이다.
한편, 로 상부(28)는 회분의 융점보다 낮은 온도 영역(900 내지 1400 ℃)이므로, 미연탄이 생성되고, 이 미연탄이 로 하부에서 생성된 슬래그의 표면에 가루가 되어 부착된다. 이로써 슬래그가 가스화 로(25) 위에 설치된 열회수부(23, 22)(전열관)에 도달해도 이들에 부착되는 일이 없다. 따라서, 전열관 표면으로의 슬래그 부착에 의한 전열의 저하를 개선할 수 있다.
또한, 전열관 표면에 있어서도, 상기 탄소 가루가 상기 부착물의 경계층 파괴 역할을 하므로, 전열관의 열전달 계수를 양호하게 유지할 수 있다.
탄소 가루에 둘러싸인 부착성이 적은 슬래그를 포함하는 생성 가스는 가스화 로(25)의 출구 교축부(27)로부터 배출되고, 처음에 고온수(5)에 의해 냉각된 고온 열회수부(23)에 의해 냉각되어 고압 수증기(4)로서 열회수된다. 다음에, 저온수(3)에 의해 냉각된 저온용 열교환기(22)에 의해 냉각되어 저압 수증기(2)로서 열회수된다. 상기에 의해 냉각된 생성 가스는 가스화 장치 출구(21)로부터 후단에 설치되어 있는 기기로 이송된다.
본 실시예에서는 열회수부와 가스화 로(25)가 베셀(51) 내에 일체화되어 있으므로, 가스화 장치 전체를 소형화할 수 있다.
다음에, 본 실시예의 석탄 가스화 장치를 이용한 석탄 가스화 복합 발전 시스템의 구성을 도5에 도시한다.
본 발전 시스템은 석탄 가스화 장치, 가스 정제 장치, 가스 터빈·증기 터빈 복합 발전기 등에 의해 구성된다.
석탄 가스화 장치(82)에는 산소 제조 장치(81)에 의해 산소가 공급된다. 석탄은 미립화되어 석탄 호퍼(80)로부터 공급되고, 산소 제조 장치(81)에 의해 발생한 잉여 질소로 가압되고, 석탄 가스화 장치(82)의 상단 노즐(31) 및 하단 노즐(32)로부터 공급된다. 상단 노즐(31)의 석탄 공급량은 상단 석탄 공급량 제어 장치(92)에 의해 조절된다. 그리고, 하단 노즐(32)의 석탄 공급량은 마찬가지로 하단 석탄 공급량 제어 장치(93)에 의해 조절된다. 그리고, 석탄 가스화 장치(82) 내의 가스화 로(25)에는 대류 및 방사에 의해 흡열하는 열회수부(도1의 22, 23)에 의해 저압 수증기(2)로서 회수된다. 여기에서, 전열관은 가스 흐름에 대해 직교하고 있으므로, 고온 가스와의 열교환이 충분히 일어나고, 생성 가스는 1400 ℃ 이상의 고온에서 400 ℃까지 냉각된다.
생성된 가스는 사이클론, 고온 버그 필터 또는 고온 전기 집진기에 의해 구성된 탈진 장치(83)에 의해 분진이 제거된다. 또, 흡수액에 의해 탈황하는 습식 탈황 장치, 또는 고형 탈황제에 의해 탈황하는 건식 탈황 장치 등의 탈황 장치(84)에 의해 H2S나 COS 등의 황화물이 제거된다.
이리하여 먼지나 유황 화합물을 제거, 정제한 생성 가스는 가스 터빈(85)의 연소기에 공급되어 터빈을 직접 연소, 구동하여 전력으로 변환된다. 가스 터빈의 입구 온도로서는 밸브의 신뢰성 등의 이유로 약 400 ℃ 이하로 하는 것이 필요하다. 가스 터빈(85)에서는 공기(61)가 압축되어 가압 공기가 되며, 산소 제조 장치(81) 혹은 석탄 가스화 장치(82)에 공급된다.
그리고, 정제 가스의 일부는 압축기(101)에 의해 가압되고, 재활용 노즐(6)로부터 석탄 가스화 장치(82)에 공급된다. 이것은 가스화 로(25)의 생성 가스 냉각에 사용된다.
또한, 가스 터빈(85)으로부터의 고온의 배기 가스는 열회수 보일러(86)에 의해 수증기로서 회수된다. 회수된 수증기는 증기 터빈(87)에 공급되고, 전력으로 변환된다.
상기 가스화 로에 직결한 열교환기에 의해 발생한 증기도, 이 증기 터빈에 공급되어 발전된다.
이상과 같이 본 발명의 석탄 가스화 장치에서는 직결하여 설치된 열회수부에 의해 생성 가스가 고효율로 냉각되므로, 냉각용 가스의 공급량을 적게 할 수 있다. 이로 인해 탈진 장치(83)나 탈황 장치(84)를 통과하는 석탄 가스 이외의 가스량이 적으므로, 이들 가스 정제 장치도 소형화할 수 있어 석탄 가스화 복합 발전 시스템을 종합적으로 소형화할 수 있다.
다음에, 도6은 본 실시예와 종래예의 석탄 가스화 장치의 운전 온도를 비교한 것이다.
종래 방식에서는 가스화 로 출구에서의 가스 온도는 1500 ℃ 정도로 높다.
따라서, 열교환기에 생성 가스가 도달하기 전에, 900 ℃ 이하까지 낮출 필요가 있으므로, 대량의 냉각 가스가 필요해진다. 이 온도는 도2에 도시된 것이다.
이에 반해, 본 실시예의 2단 반응의 가스화 방식에 따르면, 가스화 로(25) 출구(27)에서의 온도가 이미 400 ℃로 낮고, 또한 생성 가스 중 탄소의 회분에 대한 비율이 크므로, 열회수부 등으로의 부착이 억제된다. 또, 열회수부로 들어오는 온도는 1200 ℃ 정도가 좋다. 따라서, 냉각 가스를 공급하는 경우라도 그 양은 적어서 좋다.
도7은 본 실시예의 가스화 장치의 크기를 종래예(열회수부를 포함해서)와 비교한 경우의 그래프이다.
종래예 1은 1단 반응형 가스화 로에 방사형 열회수부를 이용한 경우로, 단위 단면적당의 방사면을 크게 할 수 없으므로, 로가 커진다.
그리고, 종래예 2는 2단 반응형 가스화 로로, 로 출구의 온도를 낮게 할 수 있으므로 열회수부를 비교적 소형화할 수 있다.
열회수부를 가스화 로와 일체로 형성한 본 실시예의 석탄 가스화 장치에서는 열회수부가 방사 전열부에다가 대류 전열부의 사용이 가능해지며, 가스화 장치를 현저하게 소형화할 수 있다.
<실시예 2>
본 실시예를 도8에 의해 설명한다. 상하 2단에 가스화 영역을 형성하고, 상단의 반응 영역에서는 석탄만을 공급하고, 상단 반응 영역에서 형성된 회분은 모두 로 밖으로 배출하고, 시스템 밖에서 포집된 미반응의 탄소 미연탄을 포집하여 하단 반응 영역에 재활용 미연탄(13)으로서 공급된다. 하단 반응 영역(29)에서는 산소(8) 및 석탄(9)이 공급되고, 주로 연소 반응이 일어난다. 반응로(25) 내의 상부에 형성된 상단 반응 영역(28)에서는 주로 가스화 반응이 일어난다.
본 실시예 특유의 효과는 상단 반응 영역(28)에서 형성된 가연성 가스를 산화제와 전혀 접촉시키지 않고 배출하므로, 생성 가스의 발열량을 높일 수 있다.
<실시예 3>
실시예 3을 도9에 의해 설명한다. 본 실시예는 1단 반응형의 석탄 가스화 장치이다. 반응 영역(33)에 석탄(9)과 산소(8)가 공급된다. 산소의 석탄에 대한 비율을 작게 하고, 미반응의 탄소를 형성시키고, 열회수부로의 부착을 억제한다. 미반응 탄소는 후단 탈진 장치에서 회수하여 재활용 미연탄으로서 공급한다.
그리고, 재활용 미연탄(13)의 공급 위치가 열회수부(23)의 바로 아래에 설치되어 있으므로, 이 미연탄에 의해 슬래그의 부착이 억제된다.
본 실시예 특유의 효과는 반응 영역(33)을 일단으로 함으로써 그 구조를 단순화할 수 있고, 장치의 비용 저감을 도모할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가스화 로에 미연탄소의 생성, 또는 미연탄을 공급함으로써 회분 슬래그의 부착을 억제하였으므로, 열회수부와 가스화 로의 일체화를 실현할 수 있고, 석탄 가스화 장치의 소형화를 도모할 수 있다.
또한, 냉각 가스의 공급을 특별히 필요로 하지 않으므로, 후속 기기에 여분의 가스를 혼입시키지 않고도 시스템 전체를 간소화할 수 있다.

Claims (13)

  1. 석탄의 가스화 반응부, 상기 반응부의 열을 회수하는 열회수부를 갖는 석탄 가스화 장치에 있어서, 상기 열회수부가 가스화 반응부의 후단에 직결하여 설치되고, 또 방사 및 대류에 의해 전열하는 전열관으로 이루어지며, 상기 전열관은 가스 흐름에 대해 실질적으로 직교하여 설치되어 있으며, 상기 열회수부와 가스화 반응부가 하나의 베셀 내에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 석탄의 가스화 반응부가 상부 반응 영역과 하부 반응 영역을 구비하고, 상기 2개의 반응 영역의 각각에 석탄 공급 수단이 마련되고, 상부 반응 영역과 직결하여 열회수부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스화 반응부가 내화재를 내부에 부착한 수냉벽으로 구성되고, 상기 열회수부가 수냉관으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스화 반응부의 후단에 직결하여 설치한 열회수부가 제1 열회수부와, 상기 제1 열회수부의 후단에 설치한 제1 열회수부의 표면보다도 저온 표면의 제2 열회수부를 갖는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스화 반응부와, 상기 열회수부 사이에 생성 가스 중의 탄소와 회분의 비율을 탄소를 공급함으로써 조절하는 탄소 공급 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 장치.
  6. 석탄을 가스화하는 반응부와, 상기 반응부의 열을 회수하는 열회수부가 하나의 베셀 내에 설치되어 있는 석탄 가스화 장치를 이용한 석탄 가스화 방법에 있어서,
    상기 열회수부는 가스화 반응부의 후단에 직결하여 설치되고, 또, 방사 및 대류에 의해 전열하는 전열관으로 이루어지며, 상기 전열관은 가스 흐름에 대해 실질적으로 직교하여 설치되어 있으며,
    상기 반응부는 상부 반응 영역과 하부 반응 영역을 갖고, 상부 반응 영역에는 석탄 중의 함유 회분이 용융하지 않는 온도로 하는 양의 산화제를 공급하고, 하부 반응 영역에는 상부와 하부로부터 공급한 전체 석탄이 일산화 탄소 및 수증기로 변환하는데 필요한 산화제량으로부터 상부에 공급한 산화제량을 뺀 양의 산화제를 공급하고, 상기 반응부에 직결하여 설치한 방사 및 대류에 의해 전열하는 열회수부에 의해 반응열을 회수하는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 방법.
  7. 상단부와 하단부의 단면적이 감소하도록 구성한 가스화 반응부 내에서 석탄과 산화제를 반응시키고, 가스화 반응부의 하단부로부터 회분을 용융시켜 배출하고, 가스화 반응부의 상단부로부터 생성된 가연성 가스를 그 상부에 직결하여 설치한 열회수부에 의해 냉각하는 석탄 가스화 방법으로서,
    상기 열회수부는 방사 및 대류에 의해 전열하는 전열관으로 이루어지며, 상기 전열관은 가스 흐름에 대해 실질적으로 직교하여 설치되어 있으며,
    상기 가스화 반응부의 하부에는 공급하는 석탄의 회분을 용융할 수 있는 온도가 되는 양의 산화제를 공급하고, 가스화 반응부의 상부에는 석탄 내의 함유 회분이 용융하지 않는 온도가 되는 양의 산화제를 공급하고, 또한, 가스화 반응부와 상기 열회수부 사이에 설치한 탄소 공급 수단으로부터 탄소를 공급함으로써, 회분이 열회수부에 부착하지 않도록 탄소량을 제어하는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 가스화된 석탄 가스를 탈진 장치에 통과시킴으로써 분리된 탄소를 포함하는 회분을 가스화 반응부에 재활용하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스화 반응부의 후단에 직결하여 설치한 열회수부가 제1 열회수부와, 상기 제1 열회수부의 후단에 설치한 제1 열회수부의 표면보다도 저온 표면의 제2 열회수부의 2단 열회수부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 방법.
  10. 석탄 가스화 장치, 산소 제조 장치, 가스 정제 장치 및 가스 터빈 발전 장치로 구성된 석탄 가스화 복합 발전 시스템에 있어서,
    상기 석탄 가스화 장치가 석탄의 가스화 반응부, 상기 반응부의 열을 회수하는 열회수부를 갖고, 상기 열회수부가 가스화 반응부의 후단에 직결하여 설치되고, 또 방사 및 대류에 의해 전열하는 전열관으로 이루어지며, 상기 전열관은 가스 흐름에 대해 실질적으로 직교하여 설치되어 있으며, 상기 열회수부와 가스화 반응부가 하나의 베셀 내에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 복합 발전 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 가스화 반응부의 후단에 직결하여 설치한 열회수부가 제1 열회수부와, 상기 제1 열회수부의 후단에 설치한 제1 열회수부의 표면보다도 저온 표면의 제2 열회수부를 갖는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 복합 발전 시스템.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 가스화 반응부와 상기 열회수부 사이에 생성 가스 중의 탄소와 회분의 비율을 탄소를 공급함으로써 조절하는 탄소 공급 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 복합 발전 시스템.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 가스화된 석탄 가스를 가스 정제 장치에 통과시킴으로써 분리한 석탄 가스 중의 탄소를 포함하는 회분을 가스화 반응부에 재활용하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 복합 발전 시스템.
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