KR20090048732A - 석탄 및 코크스 가스화 장치용 환형 노즐 슬러리 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1, 2차로 나누어 산소를 주입하여 석탄 슬러리를 미립화하여 공급하고 환형 노즐 분사를 통해 혼합 효과를 향상시킨 석탄 및 코크스 가스화 장치용 석탄 슬러리 버너에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 따른 석탄 및 코크스 가스화 장치용 슬러리 버너는 고온, 고압 상태에서 석탄 및 코크스를 반응시켜 합성천연가스로 전환하는 장치에 구비된 슬러리 버너에 있어서, 통체 형상으로 내부에 석탄 및 코크스 슬러리가 주입되는 슬러리 공급통과 ; 상기 슬러리 공급통을 감싸도록 형성된 1차산소공급통와 ; 상기 1차산소공급통을 감싸도록 형성된 2차산소공급통을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

석탄 가스화, 1차산소공급통, 2차산소공급통, 환형 노즐부

Description

석탄 및 코크스 가스화 장치용 환형 노즐 슬러리 버너{Slurry burner with ring-shaped nozzle for coal and coke gasification equipment}

본 발명은 산소를 산화제로 사용하는 고온, 고압용 가스화 슬러리 버너에 관한 것으로 상세하게는 1, 2차로 나누어 산소를 주입하여 석탄 및 코크스 슬러리를 미립화하여 공급하고 환형 노즐 분사를 통해 혼합 효과를 향상시킨 석탄 및 코크스 가스화 장치용 슬러리 버너에 관한 것이다.

석유, 천연가스의 고갈에 대한 두려움과 화석연료들의 사용에 따라 필연적으로 발생하는 온실가스에 의한 환경 파괴가 사회적으로 큰 문제로 대두되면서 상대적으로 풍부한 석탄을 친환경적으로 이용하기 위한 시도가 활발히 진행되고 있다.

특히 미래의 에너지 사회의 핵심으로 인정받는 수소를 생산할 수 있는 가스화 공정은 세계 각국의 주관심사가 되고 있다. 현재 개발되고 있는 가스화는 석탄을 슬러리로 주입하는 습식과 고체상으로 주입하는 건식으로 나누어진다.

습식 가스화 장치에서 일반적으로 가장 문제가 되는 부분은 석탄 슬러리를 공급하는 버너로 가스화의 전체 효율과 경제성에 큰 영향을 끼친다.

도 4에 도시한 바와 같이 통상적인 석탄 가스화 장치용 슬러리 버너는 버너플러그(100), 버너판(200), 버너선단(300), 연료공급통로(400), 매체공급통로(500) 등을 포함하여 구성된다.

이렇게 구성된 종래의 석탄 가스화 장치용 슬러리 버너는 도시한 바와 같이, 다수의 구성요소를 조립하여 구성됨으로서 구성이 복잡한 문재가 있다.

또한, 이러한 종래의 버너는 1,300-1,400℃의 고온에서 작동시켜야 하나 슬러리와 산화제인 기체의 혼합이 원활하지 않아 반응기의 수율이 낮아지는 단점이 있다.

특히 휘발분이 적고 열량이 낮은 저품질의 석탄 또는 코크스를 이용하는 경우에 연소성이 떨어질 수 있으며, 석탄 및 코크스 슬러리가 미립화되지 않을 경우에 노즐 팁에서 코킹화되거나 막힘 현상이 발생되는 문제가 있었다.

발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 버너 내부 구조를 단순화하여 전체를 일체로 구성하고 슬러리 공급 시 압력손실 및 탈수 등에 의해 석탄이 노즐 팁에서 코킹화되거나 막힘 현상을 방지할 수 있는 석탄 가스화 장치용 슬러리 버너를 제공함을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 석탄 및 코크스 슬러리를 미립화시키며 종래의 멀티노즐과는 다른 환형 노즐을 사용함으로써 슬러리 편향 미립화를 방지하고 내마모성을 향 상시킨 석탄 가스화 장치용 슬러리 버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 목적을 이루기 위한 본 발명에 따른 석탄 및 코크스 가스화 장치용 석탄 슬러리 버너는 고온, 고압 상태에서 석탄을 반응시켜 합성천연가스로 전환하는 장치에 구비된 슬러리 버너에 있어서, 통체 형상으로 내부에 석탄 및 코크스 슬러리가 주입되는 슬러리 공급통과 ; 상기 슬러리 공급통을 감싸도록 형성된 1차산소공급통와 ; 상기 1차산소공급통을 감싸도록 형성된 2차산소공급통을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명은 2차산소공급통의 배출구 즉, 노즐부를 환형으로 구성하여 고온, 고압용 석탄 슬러리 버너의 내부 구조를 단순화하여 전체를 일체로 구성하고 슬러리를 일반적인 버너를 통해서 공급하는 경우에 발생할 수 있는 코킹, 또는 막힘 현상을 방지함으로써 버너의 운전 효율을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 석탄 및 코크스 슬러리와 1차산소공급통을 통해서 주입되는 산소가 혼합되어 슬러리를 미립화하고, 2차산소공급통을 통해서 주입되는 산소는 고속으로 분사됨으로써 혼합 효과를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 2차산소공급통의 노즐부를 환형으로 구성으로써 슬러리 편향 미립화를 방지하고 내마모성을 향상시키는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 석탄 및 코크스 가스화 장치용 슬러리 버너의 일예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 석탄 가스화 장치용 석탄 슬러리 버너의 일예를 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 석탄 가스화 장치용 석탄 슬러리 버너 내부에서의 가스의 속도 벡터를 도식화한 것이고, 도 3은 본 발명에 따른 석탄 가스화 장치용 석탄 슬러리 버너 내부에서의 가스의 흐름을 도식화한 것이다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 석탄 가스화 장치용 슬러리 버너는 연료공급통(1)과, 이 연료공급통(1)을 감싸도록 구성된 2개의 산소공급통(2, 3)을 구비하고 있다.

즉, 본 발명에 따른 석탄 가스화 장치용 석탄 슬러리 버너는 고온, 고압 상태에서 석탄을 반응시켜 합성천연가스로 전환하는 장치에 구비된 슬러리 버너에 있어서, 통체 형상으로 내부에 석탄 슬러리가 주입되는 슬러리 공급통(1)과 ; 상기 슬러리 공급통(1)을 감싸도록 형성된 1차산소공급통(2)와 ; 상기 1차산소공급통(3)을 감싸도록 형성된 2차산소공급통(3)을 포함하여 구성된다.

상기 슬러리 공급통(1)은 석탄 미분이 공급되는 통로로서 도시한 바와 같이, 상단의 일측에 석탄 미분이 공급되는 석탄 미분 공급관이 연결되어 있으며, 반대측 단부는 개방된 통체 형상으로 형성된 통이다.

상기 슬러리 공급통(1)의 하단 즉, 배출측 단부 내면은 폭이 좁아지도록 노 즐부(1a)가 형성되어 있어 공급되는 석탄 미분이 고속으로 /배출될 수 있게 구성되어 있다.

또한, 상기 슬러리 공급통(1)의 배출 단부의 외면은 도 1에 도시한 바와 끝부분을 향하며 점차 좁아지도록 경사지게 경사면(11)이 형성되어 있고, 상기 경사면(1)과 대향되는 상기 1차산소공급통(2)의 내면 단부도 상기 경사면(1)과 같은 경사로 경사지게 경사면(21)이 형성되어 있으며, 두 경사면(11, 21) 사이에는 산소가 통과하는 틈이 형성되어 있고, 상기 슬러리 공급통(1)의 경사면이 형성된 단부는 상기 1차산소공급통(2)에 형성된 경사면(21)의 중간 부분까지 형성되어 미립화객실(4)을 형성하여 구성하였다.

이렇게 슬러리 공급통(1)과 1차산소공급통(2) 사이에 틈을 형성함으로서 1차산소공급통(2)을 통해 공급되어 배출되는 고압의 산소의 흐름에 의해 슬러리 공급통(1)으로부터 배출되는 석탄 미분이 빨려 들어가 미립화객실(4) 내에서 산소와 혼합되어 미립화가 이루어진다.

또한, 상기 1차산소공급통(2)의 경사면(21)단부에는 상기 슬러리 공급통(1)의 내경과 같은 지름으로 미립슬러리 배출홀(5)이 연장 형성되어 있으며, 이 미립슬러리 배출홀(5)의 단부는 상기 2차산소공급통(3)의 배출 단부와 동일 선상에 형성되어 있다.

즉, 상기 2차산소공급통(3)의 배출 단부에는 상기한 바와 같이 단부를 향하며 점차 지름이 좁아지는 경사부(31a)를 갖는 환형의 노즐부(31)가 형성되어 있으며, 이 노즐부(31)는 상기 슬러리 공급통(1)을 중심으로 환형으로 형성되어 1차산 소통(2)에 의해 미립화된 석탄 슬러리를 고속으로 외부로 분사함으로서 기존의 버너에서 압력 손실 및 탈수 등에 의해 석탄이 노즐팁에서 코킹화되거나 막히는 현상을 방지하는 역할을 한다.

이러한 작용을 하는 상기 2차산소공급통(3)은 분사되는 산소가 보다 고압 고속으로 분사되게 하기 위해 배출 단부를 점차 폭이 좁아지도록 경사부(31)를 갖는 노즐의 형태로 형성하였다.

위와 같이 구성된 석탄 가스화 장치용 석탄 슬러리 버너는 고온 고압에서 작동이 이루어지므로 이러한 열을 식혀주기 위한 수단으로 상기한 상기 2차산소공급부(3)의 외부에는 냉각수가 저장된 냉각통(6)이 더 구비되어 있다.

상기 냉각통(6)은 그 내부에 저장되는 냉각수가 순환되어야 냉각효과가 높아짐으로 이중으로 구성되어 있다. 즉, 상기 2차산소공급통(3)의 외면과 면접된 냉각수 공급통(61)과 ; 상기 냉각수 공급통(61)의 외부에 설치되어 상기 냉각수 공급통(61)을 통과하며 열을 흡수한 냉각수가 외부로 배출되는 냉각수 배출통(62)으로 구성되어 있어 냉각수 공급통(61)을 통해 공급되어 열을 흡수한 냉각수는 냉각수 배출통(62)을 통해 외부로 배출된다.

상기와 같이 구성된 석탄 가스화 장치용 석탄 슬러리 버너는 미분의 석탄을 물과 혼합하여 슬러리를 제조한 후에 산소 또는 증기와 같은 반응 기체와 병류의 흐름 방향으로 주입하며, 높은 반응온도(1,200℃ 이상)와 균일한 온도분포, 짧은 체류시간, 빠른 반응속도를 얻을 수 있다.

이에 따라 석탄 슬러리는 매우 작은 입도로 투입되거나 또는 분사될 경우에 가스화 반응 효율이 증가하게 되며, 석탄이 반응된 후에 회재는 슬래그로 전환되어 반응기의 하부로 배출되게 된다.

본 발명이 적용되는 석탄 가스화 장치는 1,300-1,500℃ 사이의 고온에서 작업이 이루어지며, 25-30bar의 고압에서 운전된다. 가스화제인 산소가 주입되어 석탄 슬러리와 반응하여 H₂, CO 및 CO₂를 생성하게 되며 발전용 연료 또는 화학 제품 생산 등에 이용된다.

상기 슬러리 버너에서 산화제로 이용되는 산소는 상기한 바와 같이, 1차산소공급통(2), 2차산소공급통(3)을 통해서 버너에 주입되며, 상기 슬러리 공급통(1)을 통해 공급되는 석탄 슬러리와 혼합되어 가스화기 내부로 주입되어 부분산화 반응을 일으켜 합성가스를 생산하게 된다.

상기 1차산소공급통(2)을 통해서 주입되는 산소는 일반적인 버너에서 압력 손실 및 탈수 등에 의해 석탄이 노즐팁에서 코킹화되거나 막히는 현상을 방지하도록 미립화객실(4)에서 내부 혼합방식으로 석탄 슬러리를 미립화시킨다.

상기 슬러리 버너에서 2차산소공급통(3)은 1차산소공급통(2)의 외부에 위치하며 산소와 석탄 슬러리가 혼합되는 미립화객실(4)을 통하여 미립화된 슬러리 배출홀(5)의 외부에서 고속으로 산소를 분사함으로써 분사효과를 향상시키게 되며 2차산소공급통(3)의 환형 노즐부(31)를 이용함으로써 슬러리 편향 미립화를 방지하고 내마모성을 향상시킴을 특징으로 한다.

상기에서 설명한 본 발명의 버너를 구성하는 각 구성 요소는 상기한 바와 같 이 고온 고압의 상태에서 작동되는 것으로 고온, 고압의 조건에서 작동하기 위하여 스테인리스 스틸(SUS-316 이상)과 같은 재료로 제작하는 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명에 따른 석탄 및 코크스 가스화 장치용 슬러리 버너 내부에서의 가스의 속도 벡터를 도식화한 것으로, 연료 속도를 2.38m/s로, 공기 속도를 9.46m/s로 고정시킨 후의 환형 노즐이 적용된 석탄 슬러리 버너의 가스 속도 분포도이로서 도시한 바와 같이 가스가 전체적으로 고르게 분포되어 있음을 알 수 있다. 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 버너에서의 가스 속도 분포는 전체적으로 푸른 색이 고르게 분포되어 있으며, 도 5에 도시한 기존의 장치는 가스가 출구뽁에만 집중된 가스 속도의 분포를 보이고 있다,. 따라서 가스가 전체적으로 고르게 분포된 본원 발명이 기존의 장치보다 효율적으로 반응을 일으킴을 알 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 석탄 가스화 장치용 슬러리 버너 내부에서의 가스의 흐름을 도식화한 것으로서, 연료 공급속도가 낮고 산소 공급속도가 높은 경우에 버너 근처에서 혼합이 증대되는 것을 볼 수 있으며, 도 6에 도시한 종래의 장치의 경우는 8개의 노즐을 통해서 공급되는 산화제의 속도가 낮고 가스화기 단면적에 비해 주입구 면적이 작으므로 입구 운동량의 크기는 가스화기 내부에 영향을 줄 수 있을 정도로 크지 않아 가스화기 내부에 미약한 유동이 형성됨을 알 수 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같이, 슬러리를 일반적인 버너를 통해서 공급하는 경우에 발생할 수 있는 코킹, 또는 막힘 현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라. 슬러리 편향 미립화를 방지할 수 있음을 알 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 석탄 가스화 장치용 석탄 슬러리 버너의 일예를 도시한 단면도이고,

도 2는 본 발명에 따른 석탄 가스화 장치용 석탄 슬러리 버너 내부에서의 가스의 속도 벡터를 도식화한 것이고,

도 3은 본 발명에 따른 석탄 가스화 장치용 석탄 슬러리 버너 내부에서의 가스의 흐름을 도식화한 것이며,

도 4는 종래 석탄 가스화 장치용 석탄 슬러리 버너 내부의 일예를 도시한 단면도이고,

도 5는 종래 석탄 가스화 장치용 석탄 슬러리 버너 내부에서의 가스의 속도 벡터 를 도식화한 것이고,

도 6은 종래 석탄 가스화 장치용 석탄 슬러리 버너 내부에서의 가스의 흐름을 도식화한 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 슬러리 공급통 1a : 노즐부 11 : 경사면

2 : 1차산소공급통 21 : 경사면

3 : 2차산소공급통 31 : 노즐부 31a : 경사부

4 : 미립화객실

5 : 미립슬러리 배출홀

6 : 냉각통 61 : 냉각수 공급통 62 : 냉각수 배출통

Claims (8)

1. 고온, 고압 상태에서 석탄 및 코크스를 반응시켜 합성천연가스로 전환하는 장치에 구비된 슬러리 버너에 있어서,

   통체 형상으로 내부에 석탄 슬러리가 주입되는 슬러리 공급통(1)과 ;

   상기 슬러리 공급통(1)을 감싸도록 형성된 1차산소공급통(2)와 ;

   상기 1차산소공급통(3)를 감싸도록 형성된 2차산소공급통(3)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 석탄과 코크스 가스화 장치용 환형 노즐 슬러리 버너.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 슬러리 공급통(1)의 배출측 단부 내면은 폭이 좁아지도록 노즐부(1a)가 형성됨을 특징으로 하는 석탄과 코크스 가스화 장치용 환형 노즐 슬러리 버너.
3. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 슬러리 공급통(1)의 배출 단부의 외면은 끝을 향하며 점차 좁아지도록 경사지게 경사면(11)이 형성되어 있고, 상기 경사면(1)과 대향되는 상기 1차산소공급통(2)의 내면 단부도 상기 경사면(1)과 같은 경사로 경사지게 경사면(21)이 형성되며,

   두 경사면(11, 21) 사이에는 산소가 통과하는 틈이 형성되어 있고, 상기 슬러리 공급통(1)의 경사면이 형성된 단부는 상기 1차산소공급통(2)에 형성된 경사 면(21)의 중간 부분까지 형성되어 미립화객실(4)을 형성하며,

   상기 1차산소공급통(2)의 경사면(21)단부에는 상기 슬러리 공급통(1)의 내경과 같은 지름으로 미립슬러리 배출홀(5)이 연장 형성됨을 특징으로 하는 석탄과 코크스 가스화 장치용 환형 노즐 슬러리 버너.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 2차산소공급통(3)의 배출 단부는 상기 슬러리 공급통(1)으로부터 연장된 미립슬러리 배출홀(5)의 단부와 동일 선상에 형성됨을 특징으로 하는 석탄과 코크스 가스화 장치용 환형 노즐 슬러리 버너.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 2차산소공급통(3)의 배출 단부인 노즐부(31)는 상기 슬러리 공급통(1)을 중심으로 환형으로 형성됨을 특징으로 하는 특징으로 하는 석탄과 코크스 가스화 장치용 환형 노즐 슬러리 버너.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 2차산소공급통(3)의 배출 단부인 노즐부(31)는 단부를 향하며 점차 폭이 좁아지도록 경사부(31a)를 갖음을 특징으로 하는 특징으로 하는 석탄과 코크스 가스화 장치용 환형 노즐 슬러리 버너.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 2차산소공급부(3)의 외부에는 냉각수가 저장된 냉각통(6)이 더 구성됨을 특징으로 하는 석탄과 코크스 가스화 장치용 환형 노즐 슬러리 버너.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 냉각통(6)은 상기 2차산소공급통(3)의 외면과 면접된 냉각수 공급통(61)과 ;

   상기 냉각수 공급통(61)의 외부에 설치되어 상기 냉각수 공급통(61)을 통과하며 열을 흡수한 냉각수가 외부로 배출되는 냉각수 배출통(62)으로 구성됨을 특징으로 하는 특징으로 하는 석탄과 코크스 가스화 장치용 환형 노즐 슬러리 버너.

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