KR20040001173A - 순환유동층 하강관을 이용한 석탄 가스화기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 순환유동층 하강관 반응기를 이용한 석탄 가스화기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 가스화기는 순환유동층 연소로에서 싸이클론에 위치하여 고체를 재순환시키는 부분을 하강관 반응기와 유동층 석탄 공급기와 기-고 분리기와 순환물질 재주입부로 대치하여 석탄의 가스화 반응을 하는 것이다. 본 발명은 석탄이 반응가스(공기)로 인해 상향흐름을 갖는 연소영역의 상승관과 반응가스(산소와 수증기의 혼합가스)와 석탄이 하향흐름을 갖는 가스화영역의 하강관으로 나뉘며 연소영역에서 생성된 열을 순환매체의 가열을 통해 가스화영역으로 공급하여 낮은 온도에서 높은 탄소 전환율을 얻을 수 있게 한다. 또한 반응 영역의 분리로 가스화구역에서는 공기사용으로도 중열량 가스를 얻을 수 있게 된다.

Description

순환유동층 하강관을 이용한 석탄 가스화기 {Coal Gasifier using Downer Region in a Circulating Fluidized Bed Reactor}
본 발명은 석탄 가스화기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 순환유동층 연소로 중, 반응가스(공기)로 인해 상향 흐름을 갖는 상승관(연소영역)에서 연소반응으로 생성된 열을 순환 매체의 가열을 통해 가스화 영역인 하강관으로 공급하여 석탄의 가스화 작용을 통해 높은 탄소 전환율을 얻을 수 있도록 한 순환유동층 하강관을 이용한 가스화기에 관한 것이다.
최근, 높은 기-고 접촉효율, 높은 기체와 고체의 처리량, 기상과 고상의 낮은 축 방향 분산 등의 장점으로 순환유동층 반응기가 촉매 크래킹, 아크릴나이트릴(Acrylonitirle) 제조, 석회석 소성, 연소 및 소각 등의 산업에 다양하게 이용되고 있다. 그러나 이와 같은 통상의 순환유동층 반응기는 도 1에 도시된 것처럼 중력의 역방향 흐름으로 인해 불균일한 기-고 흐름에 의한 심한 고체의 역혼합과, 생성물의 균일성 및 선택도의 감소 등과 같은 문제점을 가지고 있었다.
따라서 이러한 순환유동층 반응기의 문제점을 해결하기 위하여 순환유동층의 하강관 영역을 이용하는 하강관 반응기를 사용하려는 시도가 점차 증대되고 있다. 즉, 순환유동층 반응기는 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 공기 예열기(5)를 통해 유입된 공기(6)와 고체를 사이클론(2)으로 공급하는 상승관(1)과 사이클론(2) 그리고 사이클론(2)에서 포집된 고체를 아래로 이송하는 하강관(3)으로 이루어져 있으며, 상승관(1) 하부에 석탄 주입부(8)가 연결되어 있고, 그 아래쪽으로 회재 배출관(7)이 형성된다. 또한, 사이클론(2) 상단에 가스 배출부(10)가 연결되어 있고, 하강관(3)의 하단에 고체 재주입구(4)가 형성되어 상승관(1)으로 연결되며, 고체 재주입구(4) 아래에 공기 주입부(9)가 형성된다.
따라서, 하강관(3)은 사이클론(2)에서 포집된 고체를 이송하는 역할만을 할 뿐 반응이 거의 일어나지 않으므로 반응의 주 분야가 아닌 고체 순환을 위한 외부 장치로서 관심 밖에 머물러 있었으나, 축-횡 방향의 기체 및 고체 흐름의 균일성 증가로 기-고 접촉시간이 균일해 생성물의 선택도가 높고, 국부 가열이 없어 열점(hot spot)이 생성되지 않으며, 기체 및 고체의 하향 흐름으로 최소 유동화 속도, 최소 이동 속도가 존재하지 않아 반응구역에서의 불필요한 반응 기체 양을 줄일 수가 있어 매우 집약적인 반응을 일으킬 수가 있으며 고체의 처리량이 많아지는 장점이 있는 것으로, 최근 들어 하강관 반응기로서 이용이 시도되고 있는 것이다.
이와 같이 상기한 석탄 가스화는 석탄 또는 석탄 촤(char: 석탄을 열분해하여 수분과 휘발분이 방출되고 고체와 탄소로 이루어진 덩어리)를 이용하여 산소, 이산화탄소, 수증기, 수소와 같은 산화성 기체와 반응시켜 생성된 기체를 발전 동력을 얻기 위한 열량가스로 직접 연소시켜 사용하거나, 분리·정제하여 기체 연료 및 화학물질 합성을 위한 기초연료로 사용하는 것이다. 이들 반응은 실제 가스화 반응 시 서로 혼재되어 일어나며, 이에 따라 생성되는 가스의 선택도가 떨어지고 열량이 낮아지게 된다. 석탄 가스화 생성가스를 직접 연소시켜 발전을 하는 대표적인 공정인 석탄 가스화 복합발전(IGCC)은 공해가 적은 새로운 에너지원으로서의 석탄 이용측면에서 실용화가 가장 유망 되는 새로운 발전기술로서, 경제성 및 환경 보전성이 우수하며, 고효율 발전과 에너지 절약 및 전력 계통의 운용측면에서도 큰 효과가 기대되는 핵심 기술이다.
국내 특허등록 제1002086540000호에는 하단 천공된 내부순환유동층 가스화 반응기에 관하여 개시되어 있는데, 내부순환유동층 가스화 반응기는 구멍이 하단에 형성된 드래프트관을 반응기체 주입 분산판과 밀착 설치하여 높은 발열량의 가스를 생성하며, 동시에 경사진 수증기 주입 분산판을 반응기 하단에 설치하여 환형 부분의 고체입자 움직임을 원활하게 하는 구조를 가지고 있다.
따라서 상기한 석탄 가스화 반응기는 대부분 석탄의 건조, 탈 휘발이 일어나는 열분해, 이후 석탄 촤의 연소 및 가스화 반응을 일으킨다. 이러한 석탄 가스화 반응기의 종류로는 고정층, 유동층, 분류층 및 용융층 방식이 있는데, 발전 시스템에서는 반응기내 체류시간이 짧아 대용량화가 가능한 분류층 방식이 가장 많이 응용되고 있다.
그러나 분류층 가스화기는 산소 소모량이 높으며 고온에서 반응해야 하는 어려운 점이 있고 회재가 슬러그 형태로 배출된다. 이에 따라, 반응기 자재 및 부수 장치에 재질상의 문제를 일으키며, 계속적인 장치의 보수 및 점검이 필요하게 된다. 또한, 회재의 융점 이상의 온도에서 가스화 반응을 수행해야 하므로 회재 융점이 높은 석탄은 사용하기 어렵게 된다. 아울러, 유동층 반응기는 생성가스의 열손실과 입자비산에 의한 탄소 손실이 크고, 복잡한 가스 분산판이 필요하며, 고 점결성탄의 경우 전처리가 요구된다는 점에서 계속적인 개선이 필요하다.
따라서 전술한 석탄 가스화기기의 단점을 해소하여, 입자의 순환으로 인한 석탄 전환율의 증가, 반응영역의 분리로 인하여 생성된 가스의 선택도의 증가와 중열량 가스의 생성, 기-고 혼합 및 반응성을 증가시키는 순환유동층 하강관을 이용한 새로운 가스화기기의 필요성이 끊임없이 대두되었다.
이에, 본 발명의 발명자들은 종래의 가스화기기의 문제점을 해결하고 성능을 증가시키기 위하여, 순환유동층 하강관을 이용한 가스화기를 개발하였다. 순환유동층 하강관을 이용한 가스화기는 석탄의 반응 영역을 연소 영역과 가스화 영역으로 구분하여 생성가스의 선택도를 증가시켰으며 중열량의 가스를 생성하였다. 또한 반응가스와 석탄이 동일 방향의 흐름을 가지게 됨으로써 기-고 혼합과 반응성을 향상시켰으며 석탄의 전환율을 증가시켰다. 반응가스로는 산소와 수증기를 이용하였으며 고체 재순환부의 증기 주입으로 가스화의 성능을 개선하였다.
결국, 본 발명의 주된 목적은 순환유동층 하강관을 이용하여 생성가스의 선택도가 높고 중열량의 가스를 생성하는 가스화기를 개발하는 것이다.
도 1은 일반적인 순환유동층 연소로이다.
도 2는 본 발명의 순환유동층 하강관을 이용한 석탄 가스화기를 모식적으로 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 하강관에 사용되는 유동층 공급 장치를 모식적으로 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 순환유동층 하강관을 이용한 석탄 가스화기와 종래의 석탄 가스화기에서의 석탄 전환율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
21... 상승관22... 싸이클론
23... 유동층 공급장치24... 하강관
25... 기-고 분리기26... 고체 재순환부
27... 기체 예열기28... 스팀 생산기
29... 고체 포집기30... 팬
31... 가스 분석기32... 가스 크로마틱그래프
33... 회재 배출부34... 가스 배출부
35... 연소기체 주입부36... 반응가스 주입부
37... 반응가스 주입부38... 유동 가스 주입부
39... 산소 가스 주입부40... 증기 가스 주입부
41... 석탄 주입부42... 온도 측정부
43... 압력 측정부44... 산소, 증기 주입부
45... 유동층 공기 주입부46... 유동층 노즐
47... 분산판48... 고체 주입구
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 순환유동층 하강관 가스화기는 석탄의 연소 반응을 일으키도록 위로 연장된 상승관, 고체입자를 포집하도록 상승관 상단에 연결된 1차 및 2차 싸이클론, 고체입자의 균일한 주입을 가능하게 하도록 싸이클론의 하단에 연결된 유동층 공급장치, 석탄의 가스화 반응을 일으키도록 유동층 공급장치로부터 아래로 연장된 하강관, 하강관의 하단에 연결되어 생성된 가스와 고체를 분리하는 기-고 분리기 및, 기-고 분리기의 출구 측에 연결되어 상승관으로 고체를 주입하는 고체 재순환부를 포함하고 있는 순환유동층 하강관 가스화기를 제공한다.
이하 본 발명의 순환유동층 하강관 가스화기를 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 순환유동층 하강관 가스화기는 반응 가스 및 석탄 주입부(37,41), 연소로인 상승관(21), 가스화로인 하강관(24), 싸이클론(22), 유동층 공급장치(23), 고체 재순환부(26), 생성가스 처리부(22,29,34)로 구성되어 있다.
여기에서, 연소기체 주입부(35)로부터 기체 예열기(27)를 거쳐 상승관(21)으로 이어진 구조는 종래의 일반적인 하강관 가스화기와 큰 차이가 없으며, 상승관(21)을 통해 이송된 고체를 두 차례에 걸쳐 분리하도록 상승관(21)의 상단에는 1차 및 2차 싸이클론(22) 연속해서 설치되어 있다. 따라서, 1, 2차 싸이클론(22)에서 분리되어 포집된 고체는 싸이클론(22) 하류측에 연결된 유동층 공급장치(23)로 이동하며, 연소가스는 밖으로 배출되는데, 배출 시 가스의 성분 분석이 가능하도록 배출 측에 가스 분석기(31)와 가스 크로마틱그래프(32)가 연결되어 있는 한편, 고체를 포집하기 위한 고체 포집기(29)가 팬(30)과 함께 연결되어 있다.
이와 같이 포집된 고체를 하강관(24)에 공급하기 위한 유동층 공급장치(23)는 사이클론(22)에서 포집된 고체를 가스화 반응영역인 하강관(24)으로 공급하는 장치로서, 도 3에 보다 상세히 도시된 바와 같이, 사이클론(22)에 포집된 고체를 하강관(24)으로 이송하도록 유동층 노즐(46)에 고체 주입구(48)가 연결되어 있으며, 하강관(24)으로 공급된 고체를 산소와 수증기로 이루어진 반응가스에 의해 균일하게 분산하기 위해 하강관(24) 상부로 연결된 하단 출구에는 분산판(47)이 설치되어 있다. 또한, 유동층 노즐(46)을 구비한 유동층 공급장치 (23)는 공기 주입부(45)를 통한 공기가 균일하게 분산시키기 위하여 분산판(47)을 구비하고 있고, 하강관으로의 공기 유입을 막기 위하여 산소, 증기 주입부(44)와 공기 주입부(45)는 서로 막혀 있으며, 유동층 노즐(46)로 연결된 부분만이 유동층 공급장치(23)와 하강관(24)으로 연결되어 있다. 따라서, 공기 주입부(45)에서의 공기 조절을 통하여 하강관으로 주입되는 고체량을 조절하게 되며, 이를 측정하기 위하여 온도 측정부(42)와 압력 측정부(43)가 유동층 공급장치(23)의 측면에 설치되어 있다.
또한, 하강관(24)과 연결된 분산판(47)으로 기체 예열기(27)와 유동가스 주입부(38)가 연결되어 있고, 기체 예열기(27)에는 산소가스 주입부(39)와 증기가스 주입부(40)가 연결되어 있는데, 기체 예열기(27)와 증기가스 주입부(40) 사이에는 스팀 생산기(28)가 설치된다. 따라서, 하강관(24)으로 공급되는 산소는 기체 예열기(27)를 거쳐 예열된 후 공급되고, 수증기는 스팀 생산기(28)로부터 밸브와 예열기(27)를 통해 하강관(24) 즉, 가스화로로 주입된다.
이와 같이 연소로인 상승관(21)에서 가열되어 순환되는 입자와 반응가스는 가스화로인 하강관(24)에서 반응하고 기-고 분리기(25)를 통해 분리되어 생성가스는 밖으로 배출되며, 상승관(21)으로 고체를 재공급하기 위해 기-고 분리기(25) 하단에는 고체 재순환부(26)가 구비된다. 고체 재순환부(26)는 고체를 재주입하는 부분으로 주입되는 공기유량에 따라 순환되는 고체의 양이 조절된다.
아울러, 석탄 주입부(41)는 도시된 것처럼 기-고 분리기(25) 상부에 설치되어 있으며, 도시되어 있지는 않으나 석탄 호퍼와 가변속 스큐류 주입기로 구성된다. 또한, 반응기(21,22,23,24,26,27,34)의 외벽은 단열재를 사용하여 단열되어 있으며 압력 및 온도를 측정하여 조업을 하도록 되어 있고, 기-고 분리기(25) 상단에는 분리 배출되는 가스가 일시 머물도록 가스 배출부(34)가 연결되어 있으며, 이 가스 배출부(34)는 계속해서 사이클론(22)을 거쳐 아래쪽 고체 포집기(29)와 연결되어 있다.
이하에서는, 본 발명의 순환유동층 하강관 가스화기의 작용 및 효과를 설명한다.
본 발명에 의한 순환유동층 하강관 가스화기에서의 석탄 가스 반응은 기존의 석탄 가스화기의 운영에 있어서의 문제점인 낮은 선택도, 높은 온도, 저열량 가스의 생성을 반응 영역의 분리, 고체 재순환에 따른 전환율의 증가, 고체 재순환부의 수증기 주입으로 해결하였다. 반응가스의 주입 위치 및 주입량에 따라서 생성되는 가스의 종류 및 수율을 조절할 수 있으며 석탄 공급량과 고체 재순환량의 조절도 운전 변수로써 생성가스의 수율을 조절할 수 있어 생성가스를 필요에 따라 조절하게 되었다.
이하, 본 발명을 실시 예에 의해 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예: 순환유동층 하강관 가스화기에서 반응가스의 종류, 석탄 주입량, 재순환부의 수증기 주입에 따른 생성가스의 종류 및 수율의 변화
고체 재순환부(26)로 공기가 공급될 경우, 가스화영역 생성가스(N2-free)는 23.3-30.8%의 H2, 16.7-8.9%의 CH4, 21.2-26.1%의 CO, 33.5-26.8%의 CO2, 1.8-5.4%의 C2H4, 0.8-2.5%의 C2H6, 0.8-2.8%의 C3H6, 그리고 0.1-1.6%의 C3H8의 조성을 가지며 반응온도가 증가함에 따라 H2,C2H4, C2H6, C3H6, C3H8의 조성은 증가하고 CH4, CO2의조성은 감소하였다. 생성가스의 수율과 탄소전환율은 각각 0.35에서 0.63 m3/kg-coal, 0.165에서 0.25로 증가하였고 저온 가스효율(cold gas efficiency)은 0.16에서 0.38로 증가하였다. 생성가스의 발열량은 6.3에서 10.6 MJ/m3으로 증가하였다.
수증기/석탄 비가 증가함에 따라 H2와 CO는 증가하였으나 CH4, CO, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8의 조성, 전체 생성가스의 수율, 탄소 전환율과 발열량은 감소하였다.
다우너(Downer)로 공급되는 반응가스의 산소/수증기 비가 0에서 1.8로 증가함에 따라 H2, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8의 조성은 감소하였고, CO와 CO2의 조성은 증가하였다. 생성가스의 발열량은 9.6에서 8.6MJ/m3으로 감소하였으나, 생성가스의 수율과 탄소전환율은 각각 0.51에서 0.65 m3/kg-coal, 0.28에서 0.40으로 증가하였다.
석탄 공급량이 증가함에 따라 H2, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8의 조성은 증가하였고, CH4, CO, CO2의 조성은 감소하였다. 생성가스 발열량은 8.4에서 13.1MJ/m3으로 증가하였으나 생성 가스의 수율과 탄소전환율은 각각 0.5에서 0.36m3/kg, 0.30에서 0.24로 감소하였다.
고체 재순환을 위해 고체 재순환부(26)로 공급되는 반응가스가 공기에서 수증기로 바뀌면 생성가스 수율과 탄소전환율은 감소하나 가스화로 배출 가스 중 N2의 조성감소와 열량가스 생성 증대로 생성가스의 발열량은 6.3-10.6MJ/m3에서 13.0-15.2MJ/m3으로 증가하였다.
비교예: 기존의 가스화기와 순환유동층 하강 관 가스화기의 비교
도 4에는 종래의 가스화기와 본 발명에 따라 개발된 순환유동층 하강관 가스화기에서 생성된 가스의 발열량을 비교하여 나타내었다. 석탄 가스화 반응의 온도가 750??에서 850??까지 증가할수록 생성가스의 발열량이 5MJ/m3에서 15MJ/m3으로 증가하였다. 고체 재주입부에 공기를 주입하는 경우에는 기존의 가스화기와 비슷한 경향을 나타냈으나 수증기를 주입하는 경우에는 발열량이 12MJ/m3에서 15MJ/m3로 높게 나오는 것을 알 수 있다. 참고로, 도 4의 그래프에서 본원발명의 순환유동층 하강관 가스화기와 비교된 종래기술은, 1) Foong S.K., Cheng, G. and Watkinson, A.P., "Spouted bed gasification of western canadian coals", Can. J. of Chem. Eng., Vol. 59, PP 625-623 (1981); 2) Lee, W.J., "Coal gasification characteristics in a thermobalance and fluidized bed reactor", Ph. D. Thesis, KAIST, Taejon, Korea (1995); 3) Jeon, S.K., Lee, W.J. and Kim, S.D., "Coal gasification in an internally circulating fluidized bed with drafr tube", Fluidization Ⅷ, J.F. Large and C. Laguerie Eds., Engineering Foundation, New York, PP 445-452 (1994); 4) Kim, Y.J., Lee, J.M. and Kim, S.D., "Coal gasification characteristics in an internally circulating fluidized bedreactor with draught tube", Fuel, Vol. 76, PP 1067-1073 (1997)에 나타나 있다.
이상에서 상세하게 설명하고 입증하였듯이, 본 발명에 따른 순환유동층 하강관을 이용한 가스화기에 의하면, 연소 영역과 가스화 영역을 분리하여 생성가스의 선택도를 증가시킬 수 있으며, 따라서 고체의 재순환으로 석탄의 전환율을 높일 수 있고 상대적으로 낮은 온도의 운전 영역에서도 중열량 가스를 얻을 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 석탄의 연소 반응을 일으키도록 위로 연장된 상승관(21),
    고체입자를 포집하도록 상기 상승관(21) 상단에 연결된 1차 및 2차 싸이클론(22),
    고체입자의 균일한 주입을 가능하게 하도록 상기 싸이클론(22)의 하단에 연결된 유동층 공급장치(23),
    석탄의 가스화 반응을 일으키도록 상기 유동층 공급장치(23)로부터 아래로 연장된 하강관(24),
    상기 하강관(24)의 하단에 연결되어 생성된 가스와 고체를 분리하는 기-고 분리기(25) 및,
    상기 기-고 분리기(25)의 출구 측에 연결되어 상기 상승관(21)으로 고체를 주입하는 고체 재순환부(26)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 순환유동층 하강관 가스화기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 유동층 공급장치(23)에는 연소 영역과 가스화 영역을 분리하도록 분산판(47)과 노즐(46) 그리고 유동층을 형성하고 반응 가스의 주입을 분리하는 2개의 공급관(44,45)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 순환유동층 하강관 가스화기.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 노즐(46)에는 10-100mm의 직경을 갖는 고체 주입구(48)가 형성되어 가스화 영역으로 공기, 산소, 수증기 등의 가스를 석탄 공급량의 0.23-0.86배로 공급하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 유동층 공급장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 석탄의 공급관(41)은 기-고 분리기(25)에 수직하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 순환유동층 하강관 가스화기.
  5. 제4 항에 있어서,
    석탄의 크기가 0-10mm이며 열전달 매체로 직경이 100-1000??m인 모래를 사용하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 순환유동층 하강관 가스화기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 고체 재순환부(26)는 전체 공기, 산소, 수증기 주입량 중 0-10wt%의 주입량을 차지하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 순환유동층 하강관 가스화기.
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