KR200434845Y1 - 석탄가스화기 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 파쇄된 석탄가루를 석탄가스화로 내에 분사하여 1200℃ 이상의 고온에서 탄소 개질반응에 의하여 합성가스(syngas)를 생성하고, 상업용 석탄 속에 포함되어 있는 슬래그(slag)를 1300℃ 이하에서 플라이애시(fly ash)로 포집하는 석탄가스화기(Coal gasifier)에 관한 것이다.
이러한 본 고안은 일산화탄소와 수소가스를 주성분으로 하는 합성가스와 산소 가스를 합성가스버너 내에서 연소시켜 생성된 고온의 수증기와 이산화탄소를 석탄가스화로 내로 유입하고, 석탄가스화로의 내부온도를 1200℃ 이상으로 유지하면서 석탄을 구성하는 탄소를 개질한다. 또한, 석탄가스화로의 내부온도를 1300℃ 이하로 균일하게 유지함으로써 슬래그가 용융되지 않고 고체 형태인 플라이애시로 포집된다.
이렇게 설계된 석탄가스화기는 Lurgi형 석탄가스화기와 달리 개질반응의 효율을 높일 수 있고, 슬래그의 처리가 간단하기 때문에 석탄가스화기가 소형화될 수 있으며, 슬래그 용융에 따른 석탄가스화기의 내벽 손상을 피할 수 있어 석탄가스화기의 수명이 연장되는 장점이 있다.
합성가스버너, 석탄가스화로, 석탄가루공급장치, 유입관, 포집기, 석탄개질 로(Coal reformer)

Description

석탄가스화기{Coal gasifier}
도 1은 석탄가스화로의 내부온도에 따른 합성가스 배출량을 나타낸 그래프.
도 2는 등록실용신안 제387940호에 따른 고온 개질기의 단면도.
도 3은 본 고안에 따른 바람직한 실시예의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 합성가스버너 119: 출구
120: 석탄가스화로 132: 석탄가루공급장치
134: 포집기 140: 합성가스 유입관
150: 산소주입관 160: 점화플러그
210: 제2합성가스버너
석탄가스화기술은 1934년 독일의 Lurgi의 석탄가스화기에서 시작된 것으로 널리 알려져 있다. 석탄가스화 반응은 개질반응으로서 수증기 개질반응(C+H2O→CO+H2)과 이산화탄소 개질반응(C+CO2→2CO)으로 이루어진다. 이와 같은 개질반응의 특징은 환원반응이며 흡열반응으로서 연소반응(C+O2→CO2)에 버금가는 열을 흡수하여야 하므로 석탄가스화(탄소개질화)를 진행하기 위해서는 상당한 반응열을 제공하여야 한다. Lurgi는 석탄가스화로 내에서 석탄의 일부분을 연소하여 발생하는 열을 개질반응에 사용하였는데, 석탄가스화로 내에 있는 석탄가루(coal powder)는 주입된 공기나 산소와 반응하여 석탄가스화로의 내부온도가 부분적으로 1000℃ 가까이 올라가게 되면 공기를 잠그고 가열된 수증기를 주입하였다. 또한, 개질반응이 시작되면 내부온도가 내려가게 되므로 다시 수증기를 잠그고 공기나 산소를 주입하여 연소시켜 석탄가스화로의 온도를 높여주었다. 이와 같은 절차를 반복하여 어느 정도의 성과를 보았기에 여러 가지 개선이 있었지만, 70여 년이 지난 오늘날에도 유일한 기술로 유지되고 있는 것이다.
그러나, Lurgi의 방법에는 몇 가지 문제점이 내포되어 있다.
첫째, 석탄가스화로의 온도가 한정되어 있다. 석탄의 연소에서 도달할 수 있는 온도는 900℃(공기 사용시)와 1200℃(산소 사용시) 정도이다. 최근에 석탄 개질반응의 온도가 본 출원인에 의해 측정되었고(KIM, HYUN YONG, IJHE Vol. 28/11, pp.1179~1186), 도 1은 고온개질기를 이용하여 측정한 석탄가스화로의 내부온도에 따른 합성가스 배출량을 나타낸 그래프이다. 1200℃ 이상에서 개질반응이 일어나고, 1200℃ 이하에서는 반응이 일어나지 않음을 알 수 있다. Lurgi는 이와 같은 사 실을 몰랐고, Lurgi형 재래식 석탄가스화로에서 산소를 사용하였을 때 얻을 수 있는 최고 온도는 1200℃ 이하이기 때문에 석탄 개질반응이 만족스럽게 이루어지질 못한 것이다. 최근에 보조 연료도 사용하고 압축된 산소 가스를 주입하여 석탄가스화로의 내부온도가 1200℃를 넘어서면서 좋은 성과를 거둘 수 있게 된 것이다. 하지만, Lurgi형 재래식 석탄가스화기에서는 석탄가스화로 내에서 석탄가루를 산소 가스와 연소시키기 때문에 석탄가스화로의 내부온도가 균일하지 않고, 온도 조절도 용이하지 않게 된다. 이런 환경에서는 개질반응과 상반되는 소각반응이 같은 공간에서 일어나기 때문에 개질반응의 효율을 극대화할 수 없고, 석탄가스화로의 내부온도가 균일하지 않기 때문에 온도에 민감한 플라이애시(fly ash) 포집도 보장되지 않는 것이다.
둘째, 석탄에는 많은 슬래그(slag)가 포함되어 있는데, 슬래그는 주로 SiO2, Al2O3, Fe2O3, CuO, MgO 등으로 된 혼합물질이며, 이 혼합물질은 상온에서는 고체 상태이나, 1000℃에서 고체성을 잃기 시작하여 1350℃에서는 액체화될 정도로 형태가 쉽게 변하고 이물질에 부착하지만, 1450℃에서는 물처럼 흘러내린다. 물론 탄종과 탄광(석탄이 체굴 되는 지역)에 따라 차이가 있다. 그러나 석탄가스화로의 내부온도가 슬래그 융점 이상일 경우에는 석탄회(coal slag) 제거가 복잡해진다. 가루 형태였던 슬래그가 결집되어 석탄가스화기의 내벽에 부착되기 때문에 석탄가스화로 내에서 축적되게 된다. 최근에 대부분의 Lurgi형 석탄가스화로는 1450℃ 이상에서 운영되고, 석탄가스화로의 내벽에 부착되었던 슬래그가 녹아서 흘러내리게 된다. 이와 같은 방법에서는 슬래그가 석탄가스화기의 내벽에 부착되어 축적됨으로 석탄가스화로가 손상되는 문제가 발생하고, 자주 분해하여 스케일링(scaling) 작업을 하여야 하는 번거로움이 있으며, 석탄을 석탄가스화로 내에서 연소하여 고온을 유지하기 때문에 석탄가스화로의 내부온도 분포도 불균일하게 된다.
셋째, 석탄가스화로의 열 저장량(heat capacity)이 큰 것이 유리하기 때문에 석탄가스화로가 보통 3층 건물 정도로 커져야 한다.
본 고안은 이러한 문제점을 감안하여 제안된 것으로 효율적인 가스화(탄소개질)를 유지하기 위하여 석탄가스화로의 온도가 1200℃ 이상이어야 하고, 석탄회를 가장 간단하게 포집할 수 있는 방법은 플라이애시 상태이므로 슬래그 융점(~1300℃) 이하에서 운영되는 석탄가스화기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 제2합성가스버너를 구비하여 석탄가스화로의 내부온도를 1200 ~ 1300℃로 정밀하게 조절하여 개질반응의 효율성을 높이고, 석탄회도 플라이애시 상태로 포집하는데 다른 목적이 있다.
본 고안의 석탄가스화기는, 일산화탄소와 수소 가스를 주성분으로 하는 합성가스(syngas)가 산소와 반응하여 고온의 수증기와 이산화탄소를 생성하는 합성가스버너와; 상기 합성가스버너에서 유입된 수증기와 이산화탄소가 석탄가루와 개질반 응하여 합성가스를 생성하고, 상기 합성가스버너와 수직으로 위치하는 석탄가스화로와; 상기 석탄가스화로에 석탄가루를 공급하는 석탄가루공급장치와; 상기 석탄가스화로에서 생성된 합성가스를 배출하는 출구; 및 상기 출구를 통해 배출되는 합성가스의 일부를 상기 합성가스버너로 재순환시키는 유입관을 포함하는 석탄가스화기에 있어서, 상기 합성가스버너로 투입되는 합성가스와 산소의 양을 조절하여 상기 석탄가스화로의 내부온도가 1200℃ 이상이면서 슬래그 융점 이하로 유지되는 석탄가스화로; 및 상기 석탄가스화로의 하부에 위치하여 석탄회를 플라이애시(fly ash)로 포집하는 포집기를 포함한다.
이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 고안을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 고안의 바람직한 실시예에 따른 석탄가스화기는, 본 출원인이 등록받은 등록실용신안 제387940호에 따른 고온 개질기를 실용성 있게 개선한 것으로서, 도 3에 도시한 바와 같이, 고온의 수증기와 이산화탄소를 생성하는 합성가스버너(110)와, 내부온도가 1200℃ 이상이면서 슬래그 융점 이하로 유지되는 석탄가스화로(120)와, 석탄가루공급장치(132)와, 합성가스를 배출하는 출구(119)와, 합성가스의 일부를 합성가스버너(110)로 재순환시키는 유입관(140) 및 석탄회를 플라이애시로 포집하는 포집기(134)를 포함한다.
석탄가스화로(120)의 하부 측벽에는 석탄가스화로(120)의 길이방향에 수직인 방향으로 합성가스버너(110)를 위치시키되, 합성가스버너(110)의 후위에는 석탄가스화로(120)로부터 생성된 합성가스의 일부를 재순환시키는 유입관(140)을 연결하고, 유입관(140)의 유입측 주위에는 산소주입관(150)을 연결하며, 합성가스버너(110)의 중간 부위에는 점화플러그(160)를 구비한다.
또한, 석탄가스화로(120)는, 석탄가루공급장치(132)를 통해 공급된 석탄가루와 합성가스버너(110)에서 유입된 수증기와 이산화탄소를 반응시켜 합성가스를 생성하고, 내부온도는 1200℃ 이상이면서 슬래그 융점 이하로 균일하게 유지된다. 이때, 슬래그 융점의 온도는 탄종과 탄광에 따라 차이가 있긴 하지만 일반적으로 1300℃ 정도가 될 것이다. Hanyul Li(Anhui University, Hainan, China)는 중국 내의 8개 지방의 석탄 샘플의 슬래그 융점을 연구한 결과, 중국산 석탄의 절반 이상은 슬래그 융점(fluid temperature)이 1300℃ 이상이라고 보고한 바 있다(제6차 한-중 청정에너지 워크샵, 부산 2006).
석탄가스화로(120)의 상부에는 석탄가루가 개질반응하여 생성된 합성가스를 배출하는 출구(119)가 형성되고, 석탄가스화로(120)의 하부에는 석탄회(coal slag)를 플라이애시로 포집하는 포집기(134)가 형성된다. 이때, 석탄가스화로(120)의 내부온도는 1200 ~ 1300℃에서 균일하게 유지되므로 슬래그가 용융되지 않아서 석탄회의 대부분이 플라이애시(fly ash)로 포집되게 된다.
합성가스버너(110)의 반대편 상부이면서 석탄가루공급장치(132)의 하부에 합성가스버너(110)와 동일한 제2합성가스버너(210)를 형성하여 석탄가스화로(120)의 내부온도를 더욱 균일하게 유지할 수 있고, 석탄가루공급장치(132)는 석탄가루를 고압의 이산화탄소 가스를 이용하여 석탄가스화로(120) 내로 분사하게 된다. 이때, 석탄가루공급장치(132)는 석탄가스화로(120)의 상부에 위치하므로 분사된 석탄가루는 하강하면서 하부에 위치하는 제2합성가스버너(210) 및 합성가스버너(110)로부터 유입되는 수증기와 이산화탄소에 의해 신속하게 개질되고, 석탄가루와 함께 분사된 이산화탄소 역시 제2합성가스버너(210)로부터 신속하게 열을 공급받게 되므로 석탄가스화로(120)의 내부온도도 균일하게 유지된다.
산소 가스의 검출여부는 출구(119)의 가스를 분석함으로써 이루어지게 되고, 석탄가루공급장치(132)로서 이산화탄소 분사장치만을 언급하였으나, 이외에도 스크루 피더를 사용한 고체 투입이나 액체 투입을 위한 장치로 대체할 수도 있다.
또한, 석탄가스화로의 내벽(124)은 10㎜ 두께의 캐스터블 세라믹(castable ceramics)으로 조형되고, 그 외부에는 3㎜의 스테인리스 스틸재의 외부쉘(121)이 형성되며, 외부쉘(121)과 내벽(124)의 사이에는 100~150㎜의 캐스터블(castables)과 석면섬유(rockwool fiber)로 조형된 단열재(122)가 채워져 이루어진다.
석탄가스화로(120)로부터 생성된 일산화탄소와 수소가스로 이루어진 합성가스를 저장하는 가스 저장탱크(미도시)가 구비되고, 이러한 가스 저장탱크에 유입관(140)이 연결된다.
상기에서 설명한 본 고안에 따른 바람직한 실시예의 동작 및 작용을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 가스 저장탱크에 저장되어 있는 합성가스를 유입관(140)을 통해 합성가스버너(110) 및 제2합성가스버너(210)로 유입시킴과 동시에 합성가스의 유입측 주위의 산소주입관(150)으로는 산소를 공급하고, 점화플러그(160)를 통해 점화하여 합성가스버너(110) 및 제2합성가스버너(210)의 내부에서 발화시키면 합성가스가 연소하면서 산화반응을 통해 2000℃를 초과하는 고온의 이산화탄소와 수증기가 생성된다. 즉, 합성가스버너(110) 및 제2합성가스버너(210)는 예열이 필요 없고, 외부연료도 필요로 하지 않는다.
이때, 합성가스버너(110) 및 제2합성가스버너(210)에서 일산화탄소와 수소로 된 합성가스가 연소하기 시작하면 온도가 급상승하게 되는데, 석탄가스화로(120) 내에 산소 가스가 검출되지 않는 한도 내에서 산소 가스량을 조절하여 합성가스버너(110) 및 제2합성가스버너(210)의 열량을 조절하게 된다. 또한, 가스화작업의 종료시에도 산소주입관(150)의 밸브를 먼저 잠근 후 온도가 내려가는 것을 보고 유입관(140)의 밸브를 잠그게 된다.
합성가스버너(110) 및 제2합성가스버너(210)에서 산화를 통해 생성된 고온의 이산화탄소, 수증기 및 잔류 합성가스가 석탄가스화로(120)로 유입되는 바, 석탄가스화로(120)는 1200 ~ 1300℃의 균일한 온도를 유지하게 되고, 석탄가스화로(120)의 외부는 단열재(122)와 외부쉘(121)에 의해 덮여 있으므로 합성가스버너(110) 및 제2합성가스버너(210)로부터 제공된 열기를 식지 않도록 보온할 수 있다.
한편, 석탄가루공급장치(132)는 석탄가스화로(120)의 상부에 위치하여 분사된 석탄가루는 즉시 1200℃ 이상의 온도에서 수증기나 이산화탄소와 결합하여 개질 된다. 특히, 산소는 합성가스버너(110) 및 제2합성가스버너(210)에서 합성가스를 산화시키는 데에만 완전 소모되고, 석탄가스화로(120) 내부에는 산소가 전혀 유입되지 않으므로 산화물의 생성이 전혀 없어 그만큼 순도 높은 합성가스를 생성할 수 있는 것이며, 이러한 합성가스는 출구(119)로 배출되어 열교환 후 100℃ 미만의 온도가 되면 가스 저장탱크(미도시)에 저장되고, 일부는 유입관(140)을 통해 합성가스버너(110) 및 제2합성가스버너(210)에 재투입되며, 이러한 과정이 평형을 이룬 상태에서 연속적으로 더 많은 양의 일산화탄소와 수소 가스로 된 합성가스를 생성할 수 있다.
이때, 석탄가스화로(120)의 하부에 위치한 포집기(134)에 석탄회가 플라이애시로 포집되고, 출구(119)를 통해 합성가스와 함께 빠져나가는 미량의 플라이애시는 집진기에 의해 포집될 수 있다.
또한, 유입관(140)을 통해 합성가스버너(110) 및 제2합성가스버너(210)로 재순환되는 합성가스의 양은 개질되는 물질에 따라 차이는 있지만 석탄의 경우에는 합성가스 생산량의 1/4정도가 된다.
이상의 설명은 본 고안의 기술개념을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 고안의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 고안에 개시된 실시예는 본 고안의 기술개념을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 고안의 기술개념의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 고안의 보호범위는 아래의 실용신안등록청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술개념은 본 고안의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안은 파쇄된 석탄가루를 고압의 이산화탄소를 이용하여 석탄가스화로 내부로 분사하므로 1200℃ 이상의 온도에서 개질되어 합성가스를 생성하고 석탄회는 1300℃ 이하에서 플라이애시로 포집되어 처리됨으로써, 석탄가스화기의 내부구성에 손상을 주지 않고, 장기간의 사용을 가능케 하였으며, 재래식 Lurgi형 석탄가스화기에 비해 상당히 소형화되고, 제조원가 및 유지비를 획기적으로 절감할 수 있다.
또한, 합성가스버너 및 제2합성가스버너에서 생성되는 초고온(2000℃)의 수증기와 이산화탄소를 석탄가스화로에 제공함으로써, 석탄가스화로의 내부온도를 1200 ~ 1300℃로 균일하게 유지할 수 있어 개질반응의 효율을 높이고, 플라이애시를 포집하게 된다.
특히, 석탄가스화로 내로 산소유입이 없기 때문에 SOX, NOX 및 기타 산화물질이 생성될 수 없고, 강한 환원반응 환경이기에 소각과 같은 산화환경에 비해서 2차 오염물질 생성이 적고, 생성되더라고 HX, H2S와 같은 환원상태로서 처리가 용이하다.

Claims (2)

  1. 석탄의 가스화 생성물인 일산화탄소와 수소 가스를 주성분으로 하는 합성가스가 산소와 반응하여 고온의 수증기와 이산화탄소를 생성하는 합성가스버너와; 상기 합성가스버너에서 유입된 수증기와 이산화탄소가 석탄가루와 개질반응하여 합성가스를 생성하고, 상기 합성가스버너와 수직으로 위치하는 석탄가스화로와; 상기 석탄가스화로 내로 석탄가루를 공급하는 석탄가루공급장치와; 상기 석탄가스화로에서 생성된 합성가스를 배출하는 출구; 및 상기 출구를 통해 배출되는 합성가스의 일부를 상기 합성가스버너로 재순환시키는 유입관을 포함하는 석탄가스화기에 있어서,
    상기 합성가스버너로 투입되는 합성가스와 산소의 양을 조절하여 상기 석탄가스화로의 내부온도가 1200℃ 이상이면서 슬래그 융점 이하로 유지되는 석탄가스화로; 및
    상기 석탄가스화로의 하부에 위치하여 석탄회를 플라이애시로 포집하는 포집기를 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄가스화기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬래그 융점은 1300℃ 이상이고, 상기 석탄가루공급장치의 하부에 제2 합성가스버너가 위치하며, 상기 석탄가루공급장치는 석탄가루를 고압의 이산화탄소 가스를 이용하여 상기 석탄가스화로 내로 분사하는 것을 특징으로 하는 석탄가스화기.
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