KR20000040630A - 내부순환 유동층 반응기를 이용한 석탄의 가스화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업용이나 연료가스로 사용할 수 있는 고열량 가스의 가스화방법에 관한 것이며, 그 목적은 내부 순환 유동층 반응기에서 석탄 및 슬러지 등의 고체물질을 공기와 수증기를 이용하여 내부 순환 유동층에서의 입자 순환을 향상시켜 고체물질을 가스화하는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명은 내부에 원형관(224)을 삽입하여 층 물질이 충진된 유동층 내로 공기와 수증기를 공급하여 석탄을 가스화하는 방법에 있어서,

상기 유동층 내에 설치된 원형관(224)의 하부에 경사진 분산판(213)을 설치하고, 그 직상부에는 분리대(226)를 마련하고; 상기 분산판(213)으로부터 원형관의 내부에는 공기를 공급하는 한편 그 외부에는 수증기를 공급하고; 그리고, 원형관의 내부로 공급되는 공기 유속은 최소유동화속도의 6에서 12배의 범위로 하고, 원형관의 외부로 공급되는 수증기량은 적어도 최소유동화속도 이상이 되도록 함을 포함하여 구성되는, 내부 순환 유동층을 이용한 석탄의 가스화 방법에 관한 것이다.

Description

내부 순환 유동층 반응기를 이용한 석탄의 가스화방법

본 발명은 산업용이나 연료가스로 사용할 수 있는 고열량 가스의 가스화방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부 순환 유동층 반응기에서 석탄 및 슬러지 등의 고체물질을 공기와 수증기를 이용하여 내부 순환 유동층에서의 입자 순환을 향상시켜 고체물질을 가스화하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 석탄 및 폐기물 등의 가연성 고체연료의 연소를 위해 유동층 연소로가 많이 사용된다. 도1은 이러한 전형적인 유동층 연소로의 개략적 구조를 보이고 있다. 도1에 도시된 바와 같이, 종래의 전형적인 유동층 연소로(1)는 크게 반응가스 공급부(10), 반응이 일어나는 주반응기(20), 석탄 공급부(30), 비산입자 포집부(40) 및 생성가스 정제부(50)를 포함하여 구성된다. 이러한 유동층 연소로(1)에서는 원형층이나 사각 형태의 주반응기(20)의 내부에 열 매체로서 모래나 알루미나와 같은 층 물질을 채우고, 이들을 유동층(21)내로 공급되는 공기에 의해 유동화시키게 된다. 이들 유동화 되는 층 물질은 유체와 같은 특성을 가지며 열 매체로서 층내의 온도를 균일하게 한다. 유동층 연소로(1)는 공급되는 공기가 연소로 내에서 기포층을 형성하도록 공급된다. 석탄은 연소로의 층표면이나 층내로 공급되며 연소후의 회재는 반응가스 공급부(10)상의 분산판(13) 위에 설치된 드레인(23)을 통해 배출되며 층으로부터 공기와 함께 비산된 입자는 비산가스 포집부(40)인 싸이클론에서 포집된다. 석탄의 연소열은 주반응기의 일측에 전열관(22)을 설치하여 회수된 열을 사용한다. 도1에서 미설명부호 '11'은 유량계이고, '12'는 공기챔버이며, '17','18'은 각각 측부 및 상부 연료공급관을 나타낸다.

이러한 전형적인 유동층 연소로는 층 물질과 공급된 석탄이 공기에 의해 유동화되어 석탄의 연소가 일어나는 연소로이다. 유동층 연소로는 연소로 내에서 층 물질과 석탄이 유체와 같은 유동특성으로 인해 연소로 내의 온도조절이 용이하고, 비교적 넓은 범위의 입자크기를 갖는 석탄의 처리가 가능하며, 시동과 턴 다운이 용이하다는 장점 때문에 많이 사용되어 왔다. 그러나, 유동층 연소로는 층내의 온도가 회재의 용융온도 이상으로 올라가면 층내에서 유동특성의 상실로 조업이 안되므로 층내의 온도범위를 회재의 용융온도 이하로 제한해야 하며, 공급된 석탄중의 미분입자나 연소중 석탄입자의 째짐으로 인한 미세입자들이 공급되는 공기에 의해 연소로 밖으로 비산 유출되므로 탄소손실이 크며, 점결성을 갖는 석탄은 층내에서 클링커를 형성하기 때문에 처리가 어렵고, 층내로 공급되는 석탄의 공급점에서 석탄의 덩어리 형성으로 인한 공급의 어려움이 있다는 문제점을 가지고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명자는 전형적인 유동층 연소로 내에 원형관을 삽입하는 한편 연소로의 유동층내의 흐름을 적절히 제어하므로써, 난연성의 점결탄까지도 연소시킬 수 있을 만큼 연소 효율이 향상되는 내부 순환식 유동층 연소로에서 가연성 고체연료를 연소하는 방법을 제안(대한민국 특허공개97-46924)한 바 있다.

상기 방법은 도2와 같이, 전형적인 유동층 연소로 내에 원형관(124)을 삽입한 내부 순환식 연소로(100)에서, 원형관(124)의 내외측면의 기체유속을 달리하여 종래의 유동층 연소로와 같은 유동층의 장점을 유지하면서 동시에 종래의 연소로(1)의 단점을 극복함에 특징이 있다. 즉, 상기 내부 순환식 연소로는 유동층(121)내에 원형관(124)을 삽입하여 연소로(100)의 내부를 두 개의 지역으로 나뉘게 되며, 이때 원형관(124)의 내측의 기체 유속을 외측보다 크게 하므로써 원형관(124)의 내측에는 유동층(121)이, 그리고 외측에는 이동층(125)이 형성되도록 한 것이다. 이러한 유동층 연소로는 유동화 가스로 공기를 사용하여 공급되는 석탄 및 고체연료 등을 연소시키므로 발전용 보일러의 연소로로 많이 사용되어져 왔다.

한편, 통상 연소로는 발전용 연료가스를 얻기 위해 가스화 반응기로도 많이 사용되고 있다. 보통 가스화 반응기는 가스화 반응가스로 수증기를 사용하고, 가스화 반응에 필요한 열량을 공급하기 위해 공기 또는 산소를 수증기와 함께 공급하여 석탄 및 고체연료의 일부를 연소시켜 발생하는 연소열을 이용한다. 그러나, 도1과 같은 전형적인 유동층 연소로나 도2의 내부 순환식 유동층 연소로를 이용하여 가스화 반응을 일으키는 경우 유동층 내에서는 공기에 의한 연소반응인 발열반응과 수증기에 의한 가스화반응인 흡열반응이 같은 지역에서 일어나게 되고, 무엇보다도 공기에 의한 연소반응이 수증기에 의한 가스화반응보다 훨씬 빠르기 때문에 가스화 반응의 반응성 저감과 가스화 생성가스의 연소로 인한 생성가스의 열량 저감 등의 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 전형적인 유동층 반응기내에 원형관이 있는 내부 순환유동층 반응기를 적절히 이용하여 석탄 및 고체물질을 보다 효율적으로 가스화함에 그 목적이 있다.

도1은 전형적인 유동층 연소로의 개략 구조도

도2는 종래의 원형관이 있는 내부 순환 유동층 연소로의 개략 구조도

도3은 본 발명에 부합되는 내부 순환 유동층 반응기의 개략 구조도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

210 .... 가스 공급부, 220 .... 주반응기, 221 .....유동층,

224 .... 원형관, 225 .... 이동층, 226분리대,

230 .... 석탄 공급부

상기 목적 달성을 위한 본 발명은 내부에 원형관을 삽입하여 층 물질이 충진된 유동층 내로 공기와 수증기를 공급하여 석탄을 가스화하는 방법에 있어서,

상기 유동층내에 설치된 원형관의 하부에 경사진 분산판을 설치하고, 그 직상부에는 분리대를 마련하고; 상기 분산판으로부터 원형관의 내부에는 공기를 공급하는 한편 그 외부에는 수증기를 공급하고; 그리고, 원형관의 내부로 공급되는 공기 유속은 최소유동화속도의 6에서 12배의 범위로 하고, 원형관의 외부로 공급되는 수증기량은 적어도 최소유동화속도 이상이 되도록 함을 포함하여 구성되는 내부 순환 유동층을 이용한 석탄의 가스화 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 도면을 통하여 상세히 설명한다.

도3은 본 발명에 부합되는 유동층 반응기의 개략적인 구조를 보이고 있다. 도3과 같이, 본 발명의 내부 순환 유동층 가스화 반응기(200)는 크게 반응가스 공급부(210), 반응이 일어나는 주반응기(220), 석탄 공급부(230), 비산입자 포집부(240) 및 생성가스 정제부(250)를 포함하여 구성된다.

본 발명의 반응가스 공급부(210)는 수증기 발생기(211)에서 발생된 수증기를 유량조절기(216)에 의해 유량을 조절하여 주입부(214)(215)를 통해 주반응기(220)의 이동층(221)으로 공급되도록 하는 한편 수증기와 혼합되지 않도록 하여 별도의 주입부(212)를 거쳐 분산판(213)을 통해 공기를 원형관(224) 내로 공급되도록 구성된다.

주반응기(220)에는 원형관(224)이 내재되어 있으며, 반응가스 공급부(210)로 부터 수증기와 공기가 독립적으로 공급될 수 있도록 구성된다. 반응가스 공급부(210)와 주반응기(220) 사이에 마련된 분산판(213)은 반응가스가 원형관 내부와 이동층으로 원활히 공급되도록 하는 역할을 한다. 본 발명의 경우 통상적인 유동층 반응기의 분산판과는 달리, 이동층(225) 밑부분에서 고체입자의 원활한 순환을 위해 경사가 있는 분산판을 마련함에 특징이 있다. 이러한 분산판이 설치되면 공급부(210)으로부터 각각 주입된 공기와 수증기가 다른 부분으로 우회하는 것을 방지해 주며, 주반응기(220)의 원형관(224) 주변에서 층 물질의 원활한 순환을 이룰 수 있다.

또한, 본 발명의 유동층 반응기에는 주반응기의 이동층(225)에서 생성된 가스를 분리하기 위해 원형관의 직상부에 생성가스 분리대(226)를 마련함에 특징이 있다. 상기 분리대의 일측으로는 가스 배출구(227)가 마련된다.

또한, 상기 주반응기(220)의 하부에는 층물질의 배출을 위해 회분 배출관(223)이 마련될 수 있으며, 분산판으로부터 일정높이에는 오버플로우관(overflow pipe)(228)이 마련될 수 있다.

또한, 상기 주반응기(220)의 이동층(225)의 외벽에 가스 채취 튜브를 설치하여 가스화 반응에 의한 생성가스를 분석할 수 있으며, 외벽에 열선을 설치하여 석탄의 착화온도까지 반응기를 가열한다.

또한, 상기 주반응기(220)의 상부에는 주반응기보다 단면적이 넓은 프리보드(233)를 설치하여 미반응 입자의 비말 동반을 줄이도록 구성된다.

상기 석탄 공급부(230)는 상기 프리보드(233)의 상부에는 마련되어 석탄을 공급한다. 주반응기내로 석탄주입은 석탄호퍼에서 스크류 공급기를 통해 일정량이 공급되도록 구성될 수 있다.

상기 반응기로부터 비말동반되는 입자를 포집하기 위해 프리보드 다음에 싸이클론과 같은 비산입자 포집부(240) 및 생성가스 정제부(250)를 마련함이 바람직하다.

이러한 구조를 갖는 유동층 반응기를 이용하여 석탄을 가스화시키기 위해서는 먼저, 반응기(220)의 내부에는 입도분포를 측정한 모래를 층 물질로 일정한 정지층 높이로 채우고, 반응기 외벽에 설치한 히터를 사용하여 반응기를 석탄의 착화온도인 450-500℃까지 가열한다. 층내의 온도가 500℃ 정도에 이르면 원형관(224)과 원형관 외부의 이동층으로 공기를 공급하여 고체입자를 순환시키면서 반응기의 온도를 올린다. 전체 층내의 온도가 석탄의 착화온도에 이르면 석탄 공급부(230)를 통해 석탄을 공급하기 시작한다. 석탄의 연소가 시작되면 반응기의 온도가 급속히 증가하게 된다. 반응기의 온도가 원하는 온도에 이르면, 이동층 쪽으로 공급되는 공기를 수증기로 대체시켜 원형관 내에서 석탄의 연소반응, 이동층에서 가스화반응이 일어나도록 한다. 그 다음, 반응기가 정상상태에 도달하면 가스화 반응이 일어나는 이동층의 상부에 설치된 분리대에 모인 생성가스를 포집한다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

(비교예 1)

층 온도 830℃에서 반응기내의 원형관으로 공급되는 공기유속을 최소유동화속도의 6배, 이동층으로 공급되는 수증기 유량을 최소 유동화속도(3.5kg/h)로 일정하게 유지한 상태에서 반응기로 공급되는 석탄공급량을 5kg/h에서 8kg/h 로 증가시키면서 가스화반응을 수행하였다. 이때, 층 온도는 석탄 공급량의 증가로 현열에 의한 에너지 손실로 830℃에서 810℃ 로 감소하였다. 유동층 반응기에 분리대를 설치하지 않았을 때, 연소 반응가스와 가스화 가스가 혼합된 반응기 출구에서 생성가스를 채취하여 가스 크로마토그래피로 분석하여 생성가스 열량을 계산한 결과, 반응기 출구에서 분석된 생성가스 발열량은 층 온도의 감소로 인해 2400kJ/m³에서 1600kJ/m³으로 감소하였다. 생성가스 내의 질소를 제외한 생성가스 유량은 공급되는 석탄량당 1.2m³/kg에서 0.7m³/kg 로 감소하였다.

(비교예 2)

층 온도 810℃에서 반응기내로 공급되는 석탄 공급량을 8kg/h, 이동층으로 공급되는 수증기의 유량을 최소유동화속도(3.5kg/h)로 일정하게 공급하면서 원형관으로 공급되는 공기유속을 최소유동화속도의 6배에서 12배까지 증가시키면서 가스화반응을 수행하였다. 원형관 내로 공기유속이 증가함에 따라 원형관 내에서의 석탄 연소반응 향상과 층 물질의 순환속도의 증가로 층 온도는 810℃에서 870℃ 로 증가하였다. 층 온도의 증가로 이동층 내에서 가스화반응이 향상되지만 생성가스 분리대를 설치하지 않아 반응기 출구에서 분석된 생성가스 발열량은 원형관으로 공급된 과잉 공기에 의해 이동층에서 가스화반응에 의해 생성된 수소, 일산화탄소, 메탄등을 프리보드에서 재연소시키고 생성가스가 질소와 이산화탄소에 의해 희석되므로 2100kJ/m³에서 1110kJ/m³으로 감소하였다. 또한, 생성가스 내의 질소를 제외한 생성가스 유량은 공급되는 석탄량당 0.7m³/kg에서 1.4m³/kg 로 증가하였다.

(비교예 3)

층 온도 840℃에서 반응기 내로 공급되는 석탄 공급량을 8kg/h, 원형관 내로 공급되는 공기유속을 최소 유동화속도의 8배로 일정하게 공급하면서 가스화 구역인 이동층으로 공급되는 수증기 유량을 최소유동화 속도의 1배(3.5kg/h)에서 1.4배(5.0kg/h)로 증가시키면서 가스화반응을 수행하였다. 이동층으로 공급되는 수증기량에 증가에 따라 이동층 내에서 가스화반응에 의한 흡열반응의 증가로 층 온도가 840℃에서 810℃ 로 감소하였다. 그러나, 생성가스 분리대를 설치하지 않아 연소 반응가스와 가스화 가스가 혼합된 반응기 출구에서 분석된 생성가스 발열량은 층 온도의 감소로 인해 2000kJ/m³에서 1100kJ/m³으로 감소하였으며, 생성가스 내의 질소를 제외한 생성가스 유량은 공급되는 석탄량당 1.4m³/kg에서 0.8m³/kg 로 감소하였다.

(비교예 4)

층 온도 830℃에서 반응기내로 공급되는 석탄공급량을 5kg/h, 이동층으로 공급되는 수증기 유량을 최소유동화속도(3.5kg/h)로 일정하게 공급하면서 원형관으로 공급되는 공기유속을 최소유동화속도의 6배에서 12배까지 증가시키면서 가스화반응을 수행하였다. 원형관 내로 공기 유속이 증가함에 따라 원형관 내에서의 석탄연소반응 향상과 층 물질의 순환속도의 증가로 층온도는 830℃에서 890℃ 로 증가하였다. 그러나, 층 온도의 증가로 이동층 내에서 가스화 반응이 향상되지만 생성가스 분리대를 설치하지 않아 연소 반응가스와 가스화 가스가 혼합된 반응기 출구에서 분석된 생성가스 발열량은 원형관으로 공급된 과잉공기에 의해 이동층에서 가스화반응에 의해 생성된 수소, 일산화탄소, 메탄 등을 프리보드에서 재연소시키고 생성가스가 질소와 이산화탄소에 의해 희석되므로 2400kJ/m³에서 1240kJ/m³으로 감소하였다.

이와같이, 유동층 반응기에서 가스화 반응을 수행할 때 연소반응과 가스화 반응에 의해 생성된 가스가 혼합되기 때문에 분리대가 없는 경우 저열량 가스가 얻어지게 된다.

(실시예)

경사진 분산판이 마련된 내부 순환식 유동층 반응기의 원형관 직상부에 분리대를 설치하여 내부 순환 유동층 반응기에서 두 개의 반응을 각각 독립된 지역에서 수행한 다음, 가스화 반응에 의해 생성된 가스를 상기 분리대를 통해 분리한 것을 제외하고는 비교예4와 같이 가스화 반응을 수행하였다. 그 결과, 원형관내로 공기유속의 증가로 층 온도가 상승하고 입자순환속도의 증가로 가스화반응 구역인 이동층에서 가스화 반응이 향상되었다. 구체적으로 이동층에서 가스화 반응에 의해 생성된 가스를 분석한 바, 생성가스 발열량은 6700kJ/m³에서 7100kJ/m³사이로서 이동층에서 가스화 반응에 의해 생성된 가스가 원형관에서 연소반응에 의한 가스와 섞이지 않도록 분리되어 고열량 가스를 얻을 수 있었다.

이상의 실시예에서 보면, 본 발명은 내부순환유동층 반응기에서 원형관과 이동층으로 각각 독립된 가스를 공급함으로써 효율적으로 가스화 반응을 수행할 수 있었으며, 특히 가스화 반응 구역인 이동층에서 가스화반응에 의해 생성된 가스를 분리하여 산업용이나 연료가스로 사용할 수 있는 고열량의 가스를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 내부에 원형관을 삽입하여 층 물질이 충진된 유동층 내로 공기와 수증기를 공급하여 석탄을 가스화하는 방법에 있어서,

   상기 유동층내에 설치된 원형관의 하부에 경사진 분산판을 설치하고, 그 직상부에는 분리대를 마련하고; 상기 분산판으로부터 원형관의 내부에는 공기를 공급하는 한편 그 외부에는 수증기를 공급하고; 그리고, 원형관의 내부로 공급되는 공기 유속은 최소유동화속도의 6에서 12배의 범위로 하고, 원형관의 외부로 공급되는 수증기량은 적어도 최소유동화속도 이상이 되도록 함을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내부 순환 유동층을 이용한 석탄의 가스화 방법