KR20070004199A - 합성천연가스 생산을 위한 석탄의 수소가스화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄의 수소 가스화 반응장치에 관한 것으로, 특히 무연탄, 유연탄 등의 다양한 형태의 석탄을 분쇄시키고 이를 분류층 수소가스화기에 넣고 수소 또는 증기와 반응시켜 합성천연가스를 생산하기 위한 석탄의 수소가스화 장치에 관한 것이다.

본 발명인 반응장치에 의하면, 분류층 반응기 형태로서 석탄공급기, 회재 포집기, 미분 분리기, 압력제어기 등의 부가장치가 설치되고, 석탄이 분류층 가스화기에 투입되어 고온, 고압의 상태에서 수소와 반응하여 합성 천연가스를 생산하게 되고, 미반응 석탄과 회재는 수소가스화기의 회재포집기에서 생산된 합성천연가스와 분리되게 되며 일부 미분들은 미분분리기에서 완전하게 포집되게 되며, 본 발명에 의하면 천연가스와 조성이 동일한 합성천연가스를 석탄으로부터 얻을 수 있게 된다.

석탄, 수소, 가스화, 분류층, 합성천연가스

Description

합성천연가스 생산을 위한 분류층 석탄 수소화기 및 그 방법{Hydrogen Gasify Reacting apparatus of Coal for Synthetic Natural Gas Production}

도 1은 본 발명에 따른 수소가스화 장치의 공정 계통도,

도 2는 본 발명에 있어서 반응온도에 따라 변화되는 탄소전환율을 나타낸 그래프도,

도 3은 본 발명에 있어서 수소/탄소비에 따라 변화되는 탄소전환율을 나타낸 그래프도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 가압유량펌프, 2: 밸브,

3: 전기가열기, 4,8,15,18,25: 자동밸브,

5: 수소, 6, 13: 압력 조절기

7: 가압가스 주입부, 9: 전자식 압력계,

10: 석탄저장고, 11: 가압 석탄 주입부,

12: 질소, 헬륨가스, 14: 가압가스 주입부,

16: 전자식 압력계, 17: 가스화기,

19, 21: 가스배출구 22: 2차회재포집기,

23: 압력조절기, 24: 1차회재포집기,

26: 미연분포집기

본 발명은 석탄의 수소 가스화 반응장치에 관한 것으로, 특히 무연탄, 유연탄 등의 다양한 형태의 석탄을 분쇄시키고 이를 분류층 수소가스화기에 넣고 수소 또는 증기와 반응시켜 합성천연가스를 생산하기 위한 석탄의 수소가스화 장치에 관한 것이다.

일반적으로 20세기부터 지속된 사회의 급격한 성장에 따라 에너지의 수급체계가 불안정하여지고 지구의 온난화와 같은 환경문제가 대두되면서 환경친화적으로 화석에너지를 이용하려는 시도가 지속되고 있으며, 환경오염이 전혀 없는 연료를 생산하기 위한 제조공정에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 특히, 환경오염이 심하게 발생되는 석탄의 직접적인 연소방식보다는 석탄을 활용하여 합성가스(수소, 일산화탄소), 합성천연가스 등의 가스 연료 형태로 전환 생산하여 이를 이용하려는 노력이 지속적으로 진행되고 있다.

기존에 개발된 대부분의 가스화기는 합성가스(수소, 일산화탄소)를 생산하는 종래의 기술으로서는 대다수가 고정층, 기포 유동층, 다우너, 분류층 등의 반응 형태를 이용하는 방식을 채택하고 있으나 이러한 종래의 방식으로서 생산되는 합성가스 중에는 합성천연가스의 조성이 매우 낮아 실효성이 낮은 단점이 있다.

예를 들면, 선행기술로서 국내 등록특허 제0208654호는 "하단 천공된 내부순 환유동층 가스화 반응기"에 관한 것으로 천연가스가 생산되나 그 생산효율이 매우 낮은 단점이 있으며, 국내 등록특허 제0460217호는 "순환유동층 하강관을 이용한 석탄 가스화기"에 관한 것이나 이는 생산되는 합성천연가스가 0-2.5wt% 정도에 불과하여 실용화에는 크게 부족한게 현실이다.

또한, 석탄의 증기/산소 가스화에 의한 합성천연가스 생산 공정에 관련된 기술은 상용화 단계에 있는데, 이러한 공정에 의한 생산방식은 석탄을 증기/산소와 가스화 반응을 하여 1차로 수소와 일산화탄소를 생산한 후에 촉매하에서 메탄화반응을 통하여 합성천연가스를 생산하는 방식이다.

그러나, 이러한 공정에 의한 생산방식은 여러 단계의 반응을 거치기 때문에 공정비가 높고 촉매 손실과 같은 문제도 발생할 가능성이 높으며, 또한 운전 가동비가 많이 소요되기 때문에 실용화에는 어려움이 있으며, 천연가스의 개발이나 석유 매장량의 추가 확인이 이루어지면서 경제성이 낮게 평가됨에 따라서 상용화가 미루어지거나 추가적인 연구 개발이 활발하게 이루어지지 않았던 이유로 지적되고 있다.

따라서, 실용화가 되기 위해서는 합성천연가스의 조성을 최대로 하여야 하고 합성천연가스 생산 공정상의 문제점을 해결하기 위하여 석탄과 수소 또는 증기가 직접 반응하여 합성천연가스를 생산하도록 하여야 한다. 또한, 석탄의 열분해를 통해 발생하는 수소와 가스화를 통해 발생하는 수소가 석탄과 직접 반응하여 합성천연가스를 생산하도록 만들어야 하는 반면에 수소 및 일산화탄소로 가는 반응을 최저로 하여야 하고, 촉매 공정에서 발생하는 문제점을 제거하고 다단계 공정의 운영 에서 비롯되는 운전비의 절감을 위하여 촉매를 사용하지 않고 단일 공정에서 합성천연가스를 생산하는 것이 유리하게 되는 것이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술이 가지는 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 촉매를 사용하지 않는 고온, 고압의 분류층 수소 가스화기에서 수소/증기와 석탄이 직접 반응하여 합성천연가스를 생산하도록 하고자 하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 일반적인 가스화 생성물인 수소, 일산화탄소의 발생을 최저로 하며 합성천연가스의 농도를 최대로 하는 장치 및 공정을 개발하는 것으로 고온, 고압의 연속적인 조업이 가능하며 압력 및 온도 제어를 통하여 합성천연가스의 농도를 제어할 수 있도록 하는 데 있다

상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 구성에 대한 바람직한 실시예를 중심으로 첨부된 도면을 참조하여 살펴보면, 석탄의 수소 가스화 반응이 일어나는 분류층 석탄 가스화기(17), 가압 가스 주입부(7,14), 가압증기 주입부(3), 가압 석탄 주입부(11), 미연분 및 회재 포집부(22,24,26), 생성 가스 분석기(20) 등으로 구성되어 있다.

이하 본 발명의 유동층 열분해 및 가스화 시스템을 첨부한 도면1을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

가압 가스 주입부(7,14)는 고압의 수소가스화기에서 합성천연가스를 만들기 위해 필요한 수소(5)와 농도 조절을 위하여 필요한 질소 또는 헬륨 가스(12)를 압력 조절기(6, 13)를 통해 반응 압력으로 조절한 후, 전자식 유량계 형태로 되어있는 가압 가스 주입부를 통하여 정량적으로 주입하도록 하였다.

반응가스로 사용되는 수소(5)는 증기(3)와 같이 석탄과 혼합되기 위하여 가압 석탄 주입부(11)의 하부로 직접 들어간다. 수소의 농도 조절 및 반응기의 압력 조절을 위하여 질소 및 헬륨가스(12)가 수소 가스화기(17)로 직접 주입된다. 가압 가스부에는 전자식 압력계(9,16)가 설치되어 가스화기의 압력 및 기체의 압력을 측정하였으며, 일정 압력 이상이 되면 자동 밸브(4,8,15,18,25)로 신호를 보내어 가스주입을 정지시키거나 또는 외부로 배출시킨다.

가압 증기 주입부는 고압의 수소 가스화기에 증기를 주입하기 위하여 미세한 유량 조절이 가능한 가압유량 펌프(1)를 사용하여 물을 주입하며 주입되는 물의 유량을 측정하거나 비상시에 반응기로 주입되는 물을 막기 위하여 밸브(2)를 설치한다. 또한 수소 가스화기(17)에서의 온도 저하를 방지하기 위하여 전기 가열기(3)를 통해 물을 증기로 전환시켜 반응기로 주입한다.

가압 석탄 주입부(11)는 수소 가스화기(17) 상부에서 석탄을 공급하기 위해 사용된다. 가압 석탄 주입부(11)는 전자식회전기를 통해 설치되어 있는 원판의 회전수를 제어하여 공급량을 조절하도록 제작되었다. 운전 시 수소 가스화기(17)의 압력이 공급 장치로 누출되지 않도록 반응기의 압력이 동일하게 유지되도록 제작되었으며 이를 위하여 고압의 질소가 석탄 저장고(10)를 통해 공급되도록 하였다. 또한 석탄 및 반응가스가 주입되는 가압 석탄 주입부의 하부와 수소 가스화기 외벽에 부착된 탄소물들의 제거를 위한 래머(Rammer)를 설치하도록 가압 석탄 주입부(11)를 부착식으로 제작하였다. 래머는 가압 공기를 이용하여 운전되었으며 장치가 운전되지 않을 때 설치하여 반응기를 청소하였다.

수소 가스화기(17)는 고온, 고압에 견딜 수 있도록 인코넬로 제작되었으며 고온의 상태를 유지하기 위하여3단계로 나뉜 전자식 가열로를 반응기 외벽에 설치하였다. 수소 가스화기(17) 외벽에 설치된 전자식 가열로는 원형 가열로로 최대 가열 온도가 1,200℃였으며 반응기의 온도를 측정하고 제어하기 위하여 K-type의 열전대(Thermocouple)를 설치하였다. 열전대(Thermiocouple)를 통해 측정된 반응기의 온도는 제어기를 통해 저장된다. 또한 반응기 내의 압력은 전자식 압력계(9,16)를 통해서 측정되며 압력 조절기(23)를 통해서 제어된다. 수소와 반응하지 않은 석탄과 반응 후 남은 회재를 포집하기 위하여 미연분 포집기(26)를 설치하였다. 전자식 회전기(11)의 원활한 운전, 미연분 포집기(26)의 효율 증가와 전도에 따른 석탄 저장고(10)와 미연분 포집기(26)의 온도상승을 막기 위하여 냉각관이 각각 설치되어 있다.

미반응된 미연분 포집기(26)를 통해서 회수되고 생성가스는 냉각장치를 통한 후 2단계의 회재 포집기를 지난 후 배출된다. 1차 회재 포집기(24)는 압력 조절기(23) 앞에 위치하여 회재에 의한 고장을 방지한다. 2차 회재 포집기(22)는 압력 조절기(23) 후단에 위치하며 최종적으로 포집되지 않은 회재를 포집한다. 1차 회재 포집기(24)는 고압 상태에 있기 때문에 인코넬 재질로 제작되었으며 2차 회재 포집기(22)는 상압에서 운전되기 때문에 일반 스테인레스 재질로 제작되었다. 압력 조 절기(23)는 미세회재에 의해서 막힐 우려가 있기 때문에 분진 제거용 필터가 추가로 설치되었다. 가스의 조성을 측정은 2차 회재 포집기(22) 이후에서 이루어졌으며 운전 초기의 산소 농도 측정 및 운전 중의 합성천연가스 농도 측정이 이루어졌다.

장치의 안전을 고려하여 반응기의 압력을 측정하였으며 급격한 압력의 증가가 발생할 시에는 자동 밸브(8,15)를 통해서 주입되는 가스를 막거나 자동밸브(4,18,25)를 통해서 반응기 내의 기체를 배출시켜 압력을 낮추도록 하였다. 또한 압력 조절기(23)도 일정 압력 이상에서는 자동적으로 가스 배출을 확대하여 압력을 낮추도록 운전된다.

이하에서는 본 발명인 석탄 수소 가스화 장치의 작동관계 및 이에 따라 발생되는 효과에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 수소 가스화 반응장치의 작동이 이루어지는 공정은 기존의 석탄 가스화기에 운영에 있어서의 문제점인 낮은 합성천연가스 조성, 다단계 공정에 따른 운전비용의 상승, 촉매사용에 따른 손실, 마모 등을 고온, 고압의 수소 가스화기의 이용, 비촉매 전환 공정 사용, 증기의 사용에 따른 합성천연가스 전환율 상승 등으로 해결하였다. 질소 또는 헬륨의 사용과 가압 유랑계를 통하여 반응 가스의 유속 및 농도를 제어하여 합성천연가스의 생성량을 조절하였다. 또한 반응 온도, 압력 제어, 석탄 공급량의 제어를 통해서 합성천연가스의 생성량을 변화시켰다.

이하, 본 발명의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따 라 본 발명의 보호범위가 제한을 받지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 자명한 사실일 것이다.

실시예

도2 및 도3에 예시한 바와 같이, 분류층 수소가스화기에서 반응 온도 및 석탄의 종류에 따른 탄소 전환율 및 수소/탄소 비에 따른 합성천연가스 생성률을 각각 나타내었는데, 도2에 있어서의 실험은 70기압에서 이루어졌으며 수소/탄소 비는 0.4로 고정시켰다. 도2를 살펴보면 실험에 사용한 대다수의 석탄들에서 반응온도가 증가할수록 탄소 전환율이 증가함을 알 수 있다. 특히 Alaska탄의 경우 5%(600℃) 미만의 탄소 전환율에서 25%(800℃)로 크게 증가하였음을 확인할 수 있다. 그러나 각가의 석탄에서의 증가폭은 서로 다르게 나타났으며, 이는 석탄의 조성이 서로 다르기 때문이라고 판단된다. TGA 실험의 경우 (Ziock 등,2000), Antelope 석탄의 수소 가스화 반응에 따른 탄소 전환율의 거의 90%에 육박하였다. Karcz와 Porada(1996)은 반응온도가 절대온도 750 °K이상에서 가스 조성이 큰 영향을 미친다고 하였다.

수소/석탄 비는 탄소 전환율과 가스 조성에 큰 영향을 끼친다. 도3에서 보면 수소/석탄 비가 0.3에서 0.5까지 증가할 때, 탄소 전환율은 27%에서 48%까지 증가하였으며 합성천연가스의 농도도 10.09%에서 15.18%로 증가하였음을 보여준다. 이는 수소의 증가에 따라 석탄과의 반응 면적과 빈도가 증가하여 반응이 활발히 진행되었기 때문이다. 또한 석탄에 따라서 서로 다른 결과를 나타내고 있는데 이는 각각의 석탄에 따른 휘발분이 다르기 때문이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 얼마든지 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 잘 알 수 있을 것이며, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 판단되어져야 할 것이다.

이상에 상세하게 설명하고 입증하는 바와 같이 본 발명에 따른 분류층 수소 가스화기에 의하면, 촉매를 사용하지 않고 고농도의 합성천연가스를 생산할 수 있고, 온도 및 압력 조절을 통하여 합성천연가스의 농도를 제어할 수 있으며, 단일 공정을 이용하여 합성천연가스를 생산할 수 있으며, 따라서 저비용으로 석탄의 전환에 의한 합성천연가스를 얻을 수 있는 장점을 갖게 된다.

Claims (4)

1. 고온, 고압 상태에서 석탄과 수소를 반응시켜 합성천연가스로 전환하는 장치에 있어서,

   전자식 압력계가 설치되어 일정 압력 이상이 되면 가스 주입을 자동적으로 막는 가압가스 주입부(7,14);

   가압 유량 펌프(1)를 통해 공급된 물을 전기 가열기(3)를 통해 증기로 전환시켜 반응기로 공급하는 가압 증기 주입부(3);

   고압의 석탄 저장고(10)과 전자식 회전기(11)를 통해 정량의 석탄을 공급하도록 되어 있는 가압 석탄 주입부(11);

   미연분 및 회재 포집부(222, 24, 26), 생성 가스 분석기(20);

   미반응된 촤와 회재를 생성가스와 분리하는 포집부(22,24,26); 그리고

   반응기내의 압력을 제어하는 압력 조절기(23);를 포함하는 것을 특징으로 하는 합성천연가스 생산을 위한 석탄의 수소가스화 장치.
2. 제1항에 있어서,

   고온, 고압에 견딜 수 있도록 인코넬로 제작되었으며 고온의 상태를 유지하기 위하여 3단계로 나뉜 전자식 가열로를 반응기 외벽에 설치하며 온도 제어를 통해서 합성천연가스 전환율 및 농도를 조절하며 반응열의 전도를 방지하기 위하여 상부와 하부에 냉각관이 설치된 것을 특징으로 하는 합성천연가스 생산을 위한 석 탄의 수소가스화 장치
3. 제1항에 있어서,

   미반응된 촤와 회재를 미연분 포집기(26)를 통해 회수하며 압력 조절기(23)의 안정적인 운전과 생성가스 속의 미세한 분진을 제거하기 위하여 1,2단계의 회재 포집기(22,24)가 설치되며, 압력 조절기(23)를 통해 분류층 수소 가스화기(17)의 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 합성천연가스 생산을 위한 석탄의 수소가스화 장치.
4. 제1항에 있어서,

   장치의 안전을 고려하여 반응기의 압력을 측정하여 급격한 압력의 증가가 발생할 시에는 자동밸브(8,15)를 통해서 주입되는 가스를 막거나 자동밸브(18,25)를 통해서 반응기 내의 기체를 배출시키거나 압력 조절기(23)를 통해서 자동적으로 가스 배출을 확대하도록 운전되는 것을 특징으로 하는 합성천연가스 생산을 위한 석탄의 수소가스화 장치.

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