KR20090052736A - 가스화기 운전 제어시스템 및 그의 제어방법 - Google Patents

가스화기 운전 제어시스템 및 그의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부에서 가스화 반응이 일어나게 하여 합성가스를 생성하는 가스화기, 가스화기 내부로 산소를 주입하는 산소주입기, 가스화기 내부로 연료를 주입하는 연료주입기, 가스화기 내부로 스팀을 주입하는 스팀주입기, 합성가스 조성물의 성분 및 양을 측정하는 측정기, 및 상기 가스화기 내부의 혼합가스 조성물의 성분 및 양에 따라 산소량, 연료량 및 스팀량의 공급을 제어하는 운전제어기로 이루어진 가스화 플랜트를 운전하는데 있어서, 가스화기를 이용하여 합성가스를 효과적으로 생산하기 위해 운전제어기에서 가스화기 내부의 가스화 반응결과를 예측하고 운전되는 가스화기 내부의 합성가스 조성 성분 및 양의 결과를 상호 비교할 수 있도록 구성하여서 가스화기의 운전 조건에 따른 주변 여건들이 잘 조절되도록 한 가스화기 운전 제어시스템 및 그의 제어방법에 관한 것이다.
가스화 플랜트, 가스화기, 합성가스, 측정기, 운전제어기

Description

가스화기 운전 제어시스템 및 그의 제어방법{System for controlling operation of gasification and contorl method thereof}
본 발명은 가스화기 운전 제어시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스화기 내의 합성가스 조성 성분 및 양을 조절하여 가스화기가 최적의 조건으로 운전될 수 있도록 제어하기 위한 가스화기 운전 제어시스템 및 그의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 가스화기는 석탄 또는 중유의 탄화수소 연료를 사용하여 전력, 화학 물질, 산업용 가스를 생산하는 고효율 청정설비이다.
상기 가스화기 내부에서의 가스화를 통하여 생성되는 가스는 수소와 일산화탄소를 90%이상 함유한 합성가스이며, 이 가스를 사용하기 위하여 가스 중에 포함된 석탄재와 H2S 가스를 제거하게 된다.
또한, 합성가스 생성을 위해 가스화기에 공급되는 연료 중에 포함된 연소 재와 중금속 물질은 가스화기 하부를 통하여 배출되도록 구성하고 있다.
그리고, 가스화 플랜트를 가동시켜서 기본적으로 석탄과 같은 화석연료를 이 용하여 합성가스를 생성하기 위해서는 이미 공지된 이론계산 및 경험을 바탕으로 가스화기 내의 온도 범위 및 스팀량을 결정하고, 스팀량, 산소농도, 연료 주입량을 독립적으로 제어하거나, 경우에 따라서, 운전자의 판단에 의존하여 목표 값을 재선정하여 안정적인 조건을 찾아 가는 방식이 이용되고 있다.
여기서, 상기 가스화기 내의 가스화 반응은 산소농도, 연료조성 및 스팀량에 따라서 가스화기 내부온도와 합성가스 조성이 변화되기 때문에 3가지 변수를 모두 고려하여 운전조건이 변경되고 제어되어야만 한다.
한편, 종래 가스화기 내의 합성가스에 의한 운전제어 방법은 상기의 3가지 변수 중 두 가지를 선택하고 서로 비례로 연결하여 변화된 값을 추종하도록 구성하는 것이 일반적이며, 화학공장과 같이 합성가스 조성이 중요한 경우에는 운전자의 경험을 바탕으로 3가지 변수 값을 임으로 조정하면서 가스화기가 운전되어지고 있으며, 상기의 변화값 추종은 운전경험을 바탕으로 산소/연료 비율, 스팀/연료 비율에 따른 연동 운전 등이 이에 해당된다.
그러나, 상기와 같은 방식의 가스화기 운전 및 제어 방법에 있어서는 운전자의 운전기술이 매우 중요하게 되며, 이는 비상사태 및 다양한 조건변화에 빠르게 대처할 수가 없어 가스화기에 대한 손상과 함께 생성되는 합성가스의 조성 조절에 정밀한 운전을 할 수 없게 되는 문제점이 발생하게 된다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 가스화기 내에 주입되는 산소, 연료, 스팀의 양을 조절하는 데 있어서 생성하고자 하는 합성가스의 양과 일산화탄소와 수소농도를 목표로 운전 조건을 예측하여 결정하고, 합성가스의 생성결과를 받아 다시, 산소, 연료, 스팀의 양이 재선정되도록 하여 가스화기 운전을 정밀하게 제어하기 위한 가스화기 운전 제어시스템 및 그의 제어방법을 제공하는 데에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가스화기 내의 합성가스 조성량을 조절하여 가스화기 운전을 제어하기 위한 가스화기 운전 제어시스템은, 산소, 연료 및 스팀이 수용되어서 가스화 반응이 일어나게 하는 가스화기; 산소공급 제어밸브를 통해서 상기 가스화기 내부로 산소를 주입하는 산소주입기; 연료공급 제어밸브를 통해서 상기 가스화기 내부로 연료를 주입하는 연료주입기; 스팀공급 제어밸브를 통해서 상기 가스화기 내부로 스팀을 주입하는 스팀주입기; 상기 가스화기 내부에 혼합된 합성가스의 조성물의 성분 및 양을 측정하는 측정기; 및 상기 측정기를 통해서 측정된 상기 가스화기 내부의 혼합가스 조성물의 성분 및 양에 따라 상기 산소공급 제어밸브, 연료공급 제어밸브 또는 스팀공급 제어밸브를 제어하는 운전제어기;로 이루어진다.
본 발명의 실시예에 따른 가스화기 내의 합성가스 조성량을 조절하여 가스화 기 운전을 제어하기 위한 가스화기 운전 제어방법은, 가스화기 내부의 온도, 합성가스에 포함된 수소와 일산화탄소의 농도비 및 합성가스 생성 성분의 총량을 운전제어기에 입력하는 단계; 상기 가스화기 내의 합성가스 생성 성분의 유량 및 수소와 일산화탄소 농도비를 설정하는 단계; 상기 가스화기 운전 조건에 따른 산소량, 스팀량 및 연료 주입량을 산정하는 단계; 산소량의 결정에 따라 상기 가스화기 내부의 온도를 피드백 받는 단계; 스팀량의 결정량에 따라 CO/H2 농도비를 피드백 받는 단계; 계산된 연료량에 따라 연료 주입량을 조절하면서 합성가스 생성량을 피드백 받는 단계; 및 상기 가스화기 내에서 산소량, 스팀량 및 연료량들 중 2가지 이상이 목표 조건에 도달할 경우에는 운전을 시작하고 도달하지 못할 경우에는 가스화기 운전 조건을 재설정하는 단계;로 이루어진다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 가스화기 운전 제어시스템 및 그의 제어방법을 이용하게 되면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째. 상기 가스화기를 운전하면 산소, 스팀, 연료 주입량을 연계하여 관리하기 때문에 합성가스의 요구조건을 정확하게 반영하여 가스화기를 보다 효율적으로 운전할 수 있게 한다.
둘째. 상기 가스화기 수명에 가장 큰 영향을 미치는 온도에 대하여 산소량, 스팀량, 연료주입량을 복합적으로 고려하여 조절할 수 있기 때문에 온도조절을 보다 정밀하게 할 수 있어 가스화기의 수명을 연장시킬 수 있다.
셋째. 오랜 운전 경험을 가지고 있는 운전자만이 할 수 있는 운전기술을 자동 제어하게 함으로써 운전을 보다 용이하게 할 수 있게 한다.
이하, 본 발명에 따른 가스화기 운전 제어시스템 및 그의 제어방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 가스화기 운전 제어시스템을 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 가스화기 운전 제어방법을 보인 흐름도이고, 도 3은 본 발명에 따른 가스화기 해석 모듈의 흐름도이고, 도 4는 본 발명에 따른 가스화기 운전 제어방법에 있어서, 산소 농도에 따른 온도 및 가스화전환효율을 나타낸 그래프이고, 도 5a는 수분을 고정시키고 산소를 증가시킬 때의 합성가스 조성 변화를 나타내는 그래프이고, 도 5b는 산소를 고정시키고 수분을 증가시킬 때의 합성가스 조성 변화를 나타내는 그래프이며, 도 6은 가스화기 내부의 산소량, 스팀량 및 연료량의 변화에 따른 가스화전환효율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가스화기 내의 합성가스 조성 성분 및 양을 조절하여 가스화기 운전을 제어하기 위한 가스화기 운전 제어시스템은, 가스화기(10), 산소주입기(20), 연료주입기(30), 스팀주입기(40), 측정기(50) 및 운전제어기(60)로 구성된다.
상기 가스화기(10)는 그 내부로 공급되는 석탄 등의 미분탄 연료가 불완전 연소되어 생성되는 가스와 별도로 공급되는 산소 및 스팀의 혼합작용을 이용하여 연료에 포함된 황화수소 가스를 제거함으로써 발전용 연료로서 최적합한 합성가스 를 얻기 위한 설비이다.
즉, 상기 가스화기(10) 내부로 산소, 연료 및 스팀(H2O)을 공급하여서 가스화 반응이 일어나게 하되 다음에 기술될 측정기(50)에 의한 합성가스의 성분 및 양의 측정치에 따라 운전제어기(60)에 의해 운전이 제어되게 한다.
여기서, 상기 가스화기(10) 내부에서 가스화 반응에 의해 생성된 합성가스는 합성가스 배출관(12)을 통해 측정기(50)로 보내지고, 가스화 반응 중에 생성된 슬래그는 하부에 설치된 슬래그 배출관(14)을 통해서 외부로 배출되어 집진기(미도시)에 포집되게 한다.
그리고, 상기 가스화기(10)는 내부의 가스화 반응 조건이 어떻게 유지되는가에 따라서 가스화 반응에 의해 생성되는 합성가스의 조성 및 가스화기의 수명을 결정하는 중요한 역할을 한다.
상기 산소주입기(20)는 가스화기(10) 내부 합성가스 조성중에 CO와 H2가 차지하는 조성에 따라, 즉 활발한 가스화 반응을 일으키기 위한 산소의 양에 따라 그리고 가스화 반응이 일어나는 온도가 낮아질 경우, 운전제어기(60)의 제어에 의한 산소공급 제어밸브(22) 및 산소주입관(24)을 통해서 가스화기(10) 내부로 산소를 공급해주는 역할을 한다.
상기 연료주입기(30)는 가스화기(10) 내부에서 가스화 반응에 따른 합성가스를 생성하기 위해 필요한 연료의 양에 따라, 즉, 합성가스를 얻기 위한 최적의 가스화 반응을 일으키는데에 필요한 양보다 연료의 양이 적을 경우 운전제어기(60)의 제어에 의한 연료공급 제어밸브(32) 및 연료주입관(34)을 통해서 가스화기(10) 내부로 연료를 공급해 주는 역할을 한다.
상기 스팀주입기(40)는 가스화기(10) 내부 합성가스 중에 함유된 CO와 H2 성분 농도비에 따라, 즉 활발한 가스화 반응을 일으키기 위한 스팀의 양에 따라 그리고 가스화 반응에 의해 얻어진 합성가스 중에 포함된 H2의 기대 농도가 적을 경우 운전제어기(60)의 제어에 의한 연료공급 제어밸브(42) 및 스팀주입관(44)을 통해서 가스화기(10) 내부로 스팀을 공급해주는 역할을 한다.
상기 측정기(50)는 가스화기(10) 내부에서 가스화 반응에 의해 혼합되어서 합성가스 배출관(12)을 통해 배출된 합성가스 조성물의 성분 및 양을 측정하는 역할을 하며, 그에 의해 측정된 값이 운전제어기(60)로 보내진다.
상기 운전제어기(60)는 가스화기(10)에 의해 형성된 합성가스의 성분 및 양에 대하여 측정기(50)로부터 받아 가스화기(10) 내부로 주입되는 산소, 연료 또는 스팀을 필요에 따라서 공급하기 위해 산소공급 제어밸브(22), 연료공급 제어밸브(32) 또는 스팀공급 제어밸브(42)의 개폐를 제어한다.
따라서, 상기 운전제어기(60)는 가스화기(10) 내의 가스화 반응에 있어서 산소, 연료 또는 스팀의 주입량을 제어하여 최적의 합성가스가 생성되도록 가스화 플랜트를 제어하는 역할을 하는 것이다.
여기서, 상기 운전제어기(60)는, 상기 가스화기(10) 내부의 온도, 압력, 연료성상, 합성가스 조성 및 합성가스 생성 조건에 의해 산소공급 제어밸브(22), 연 료공급 제어밸브(32) 또는 스팀공급 제어밸브(42)를 제어한다.
또한, 상기 운전제어기(60)는, 가스화기(10) 내부로 주입되는 산소량, 연료량 및 스팀량들 중 2개 이상이 합성가스 조건에 만족될 때에만 가스화기(10)가 운전되도록 제어한다.
상기 운전제어기(60)는, 가스화기(10) 내부의 온도, 스팀량 및 연료량에 의해 산소량을 조절한다.
상기 운전제어기(60)는, 가스화기(10) 내부의 합성가스 성분 중 일산화탄소 및 수소의 농도에 의해 산소량, 스팀량 및 연료량을 조절하는 역할을 한다.
상기 운전제어기(60)는, 가스화기(10) 내부의 합성가스량을 조절하되 산소 및 스팀의 주입량을 고려하여 연료 주입량을 조절하게 한다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 가스화기 운전 제어시스템 의 작동 상태를 간략하게 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상기 가스화기(10) 내에 가스화 반응을 위해서 산소주입기(20), 연료주입기(30) 및 스팀주입기(40)를 통해서 산소, 연료 및 스팀이 주입되되 운전제어기(60)에 의한 산소공급 제어밸브(22), 연료공급 제어밸브(32) 및 스팀공급 제어밸브(42)에 의해 각각이 공급되는 양이 제어되어 가스화 반응을 위한 최적의 운전 조건으로 조절될 수 있게 한다.
이렇게 주입된 산소, 연료 및 스팀이 가스화기(10) 내에서 합성가스로 전환되고 합성가스 배출관(12)을 통하여 배출되면서 각 성분의 유량 및 조성을 측정기(50)를 이용하여 측정하도록 되어 있다.
이때, 가스화 반응 중 생성된 가스화기(10) 내의 슬래그는 슬래그 배출 관(14)을 통하여 밖으로 배출된다.
다음, 가스화기(10) 내의 합성가스 조성량을 조절하여 가스화기(10) 운전을 제어하기 위한 가스화기 운전 제어방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 운전자는 가스화기(10) 내부의 온도, 합성가스에 포함된 수소와 일산화탄소의 농도비 및 합성가스 생성 성분의 총량을 운전제어기(60)에 입력한다(S110).
상기 가스화기(10) 내의 합성가스 생성 성분의 유량 및 수소와 일산화탄소 농도비를 설정한다(S120).
상기 가스화기(10) 운전 조건에 따른 산소량, 스팀량 및 연료 주입량을 가스화 운전 조건 선정 방식을 통해서 산정한다(S130).
산소량의 결정에 따라 상기 가스화기(10) 내부의 온도를 피드백 받는다(S140).
상기 가스화기(10) 내부의 스팀량의 결정량에 따라 CO/H2 농도비를 피드백 받는다(S150).
합성가스의 계산된 연료량에 따라 연료 주입량을 조절하면서 합성가스 생성량을 피드백 받는다(S160).
상기 가스화기(10) 내에서 산소량, 스팀량 및 연료량들 중 2가지 이상이 목표 조건에 도달할 경우에는 운전을 시작하고 도달하지 못할 경우에는 가스화기(10) 운전 조건을 재설정한다(S170).
여기서, 상기와 같이 가스화기(10)의 운전조건의 재설정은, 도 6에 도시된 바와 같은 가스화기 내부의 산소량, 스팀량 및 연료량의 변화에 따른 가스화 전환효율의 변화를 나타내는 그래프를 통해서, 운전조건이 조금씩 변하면 가스화 전환효율인 CGE 선을 따라 움직이면서 운전자가 목표 값을 찾아가는 방식을 이용하고 있다.
여기서, 상기 가스화기(10) 내부의 온도는 설비 보호 측면에서 설계온도 범위 내에서 운전될 수 있도록 철저하게 관리되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 가스화기(10)의 운전 제어방법에서, 상기 산소량 결정단계(S140)는 다음과 같이 이루어진다.
먼저, 상기 가스화기(10) 내의 산소 유입량을 조절한다(S141).
상기의 조절된 산소 유입량에 따라 가스화기(10) 내의 반응 온도를 측정한다(S142).
상기 산소 유입량에 따라 상기 가스화기(10) 내부의 온도가 소정의 범위 내에 있는가를 판단하여 온도 범위에 있지 않을 경우는 주입되는 산소량을 다시 조절한다(S143).
상기 가스화기(10) 내부가 산소 주입에 따라 목표 온도 범위에 있으면 그 온도 범위로 유지되게 하여 합성가스 생성을 위한 가스화 반응 조건에 만족되게 하면 된다(S144).
그리고, 상기 가스화기(10)의 운전 제어방법에서, 상기 스팀량 결정단 계(150)는 다음과 같이 이루어진다.
먼저, 상기 가스화기(10) 내의 스팀 유입량을 조절한다(S151).
상기의 조절된 스팀 유입량에 따라 가스화기(10) 내의 CO/H2 농도비를 측정한다(S152).
상기 스팀 유입량에 따라 상기 가스화기(10) 내부의 CO/H2 농도비가 소정의 범위 내에 있는가를 판단하여 CO/H2 농도비 범위에 있지 않을 경우는 주입되는 스팀량을 다시 조절한다(S153).
상기 가스화기(10) 내부가 스팀 주입에 따라 목표 CO/H2 농도비 범위에 있으면 그 CO/H2 농도비 범위로 유지되게 하여 합성가스 생성을 위한 가스화 반응 조건에 만족되게 하면 된다(S154).
또한, 상기 가스화기(10)의 운전 제어방법에서, 상기 연료주입량 결정단계(S160)는 다음과 같이 이루어진다.
먼저, 상기 가스화기(10) 내의 연료 주입량을 조절한다(S161).
상기의 조절된 연료 주입량에 따라 가스화기(10) 내의 합성가스 성분 유량을 측정한다(S162).
상기 합성가스 성분 유량에 따라 상기 가스화기(10) 내부의 합성가스 성분 양이 목표 범위 내에 있는가를 판단하여 목표 범위에 있지 않을 경우는 주입되는 연료주입량을 다시 조절한다(S163).
상기 가스화기(10) 내부가 연료 주입에 따라 목표 성분 및 양 범위에 있으면 그 성분 및 양 범위로 유지되게 하여 합성가스 생성을 위한 가스화 반응 조건에 만족되게 하면 된다(S164).
여기서는, 상기 가스화기(10) 내의 합성가스 생성 요구 조건에 대한 가스화 운전 조건 선정 방식을 구성하며, 이 방식을 가스화기 내부의 온도, 합성가스 구성성분, 합성가스 유량을 제어하기 위해 이용된다.
한편, 상기 가스화기(10)의 운전을 제어하기 위해서 기술적으로 중요한 것은 온도, 압력, 산소, 연료, 스팀 및 가스화기 특정 변수를 가지고 합성가스의 조성을 예측하는 것이다.
도 3은 가스화기 운전제어기(60) 내 가스화기 해석 모듈을 나타낸 것으로, 상기 합성가스 생성 요구조건에 대한 가스화기 운전조건을 선정한다. 도 3의 가스화기 해석 모듈의 플로우는 먼저, 가스화기 치수나 특성에 관한 전반적인 데이터를 입력 받은 후, 가스화기 내로 투입되는 산소, 질소, 석탄, 스팀 및 플럭스에 대한 실 운전 데이터 신호를 입력받게 된다. 다음으로는 본격적인 해석 모듈을 실행하게 되는데 이때, 가스화 평형반응과 반응속도 해석을 통해 각각의 해석결과를 도출, 기존의 실험 데이터베이스 결과와 추세 비교하여 근접한 값을 최종 합성가스 조성으로 결정하게 된다. 마지막으로, 경쟁모델 해석을 통해 도출된 합성가스 조성을 분석하여 최적의 합성가스 조성에 수렴할 경우 운전제어기로 가스화기 내 최종 물질 투입조건을 데이터 전송하게 된다.
여기서, 가스화 반응을 예측하는 방정식 구성은 도 3의 나타낸 바와 같이 3 가지로 구성된다.
첫째, 가스화 방정식 계산
<Combustion reaction>
C + 1/2O2 = CO -111MJ/kmol (1)
CO + 1/2O2 = CO2 -283MJ/kmol (2)
H2 + 1/2O2 = H2O -242MJ/kmol (3)
<Boudouard reaction>
C + CO2 = 2CO +172MJ/kmol (4)
<Water gas reaction>
C + H2O = CO + H2 +131MJ/kmol (5)
<Methanation reaction>
C + 2H2 = CH4 -75MJ/kmol (6)
을 통해서 모두 이산화탄소로 전환되며 이후 식(4), (5) 및 (6)과 같은 불균일(heterogeneous, gas and solid) 반응과 아래 2개의 균일(homogeneous, gas) 반응을 통해 본격적인 가스화가 진행된다.
<CO shift reaction>
CO + H2O = CO2 + H2 -41MJ/kmol (7)
<Steam methane reforming reaction>
CH4 + H2O = CO + 3H2 +206MJ/kmol (8)
각각의 평형상수에 대한 반응도 식은 앞서 정의한 8개의 반응식을 토대로 다음과 같이 기술된다.
Figure 112007083875181-PAT00001
(9)
Figure 112007083875181-PAT00002
(10)
Figure 112007083875181-PAT00003
(11)
Figure 112007083875181-PAT00004
(12)
Figure 112007083875181-PAT00005
(13)
여기서, 각각의 생성물에 대한 몰 분율 식은 다음과 같다.
Figure 112007083875181-PAT00006
(14)
(15)
Figure 112007083875181-PAT00008
(16)
Figure 112007083875181-PAT00009
(17)
Figure 112007083875181-PAT00010
(18)
Figure 112007083875181-PAT00011
(19)
Figure 112007083875181-PAT00012
(20)
평형상수
Figure 112007083875181-PAT00013
는 일반적으로 아래식과 같이 깁스에너지 최소화 시키는 열역학 계산을 이용하여 계산한다.
Figure 112007083875181-PAT00014
(21)
그러므로, 각각의 생성물에 대한 몰 분율을 구하기 위해서는 앞서 기술한 5개의 방정식을 기초로 한 비선형 4차 연립 다항식(Non-Linear Simultaneously Equation)을 풀어 계산한다.
둘째, Chemical Kinetics 계산
두 번째 방식은 상기의 반응식을 기준으로 각 반응의 속도상수를 직접 실험을 통해 K 값을 구한다. 이때 반응온도 및 압력 조건변화에 따라 속도 상수를 구할 수 있으며, 이를 기준으로 가스화 최종 반응 후에 배출되는 합성가스 구성성분을 계산할 수 있다.
셋째, 실험 Data Base
마지막 방법은 기존에 운전되는 운전자료를 저장 기록하여 동일조건의 운전 결과를 예측하는 방법으로 운전자료가 많을 경우, 가장 신뢰성 있는 자료를 확보할 수 있다.
상기의 가스화 운전 조건 선정 방식은 연료 성분, 압력, 운전온도 범위를 기본 입력 값으로 설정하고 운전 목적에 따라, 합성가스량, 합성가스 구성성분을 주 입하여 산소량, 스팀량, 연료량을 역으로 산출하게 된다.
상기 가스화 운전 조건 선정 방식에 대한 설명은 도 4, 도 5a 및 도 5b를 통해서 본 제어 시스템의 필요성과 효과를 이해할 수 있다.
도 4 내지 도 5b는 임의의 석탄을 기준으로 하여 가스화 운전 조건 선정 방식으로 계산한 결과이다.
도 4의 그래프는 산소농도 증가에 따라 증가되는 반응온도를 나타내고 있으며, 더불어 가스화 전환효율(CGE: Cold Gas Efficiency)을 나타내고 있다.
도면에서 보인 바와 같이, 산소농도가 증가하게 되면 가스화기(10) 내부의 온도는 일정 수준까지는 올라갔다가 그 수준을 넘어서면 다시 떨어지는 현상을 보였고, 가스화 전화효율은 계속 상승하는 것으로 나타났다.
도 5a는 스팀 투입이 없는 상태에서 산소/석탄 비에 따른 합성가스 조성 변화를 나타내고 있으며, 도 5b는 산소/석탄 비를 0.75로 고정시킨 후, 스팀/석탄 비에 따른 합성가스 조성변화를 나타낸 것이다.
도 5a에서 보인 바와 같이, 최적의 산소/석탄 비는 0.8로, 이때 CO와 H2의 몰 분율 합이 최대가 됨을 알 수 있다.
또한 도 5b에서는 산소/석탄 비를 0.75로 고정하였을 때 스팀/석탄 비가 증가 할수록 CO의 발생이 감소됨을 알 수 있다.
상기 가스화 운전 조건 선정 방식을 기준으로 나타낸 그래프는 산소, 스팀, 연료량의 3가지 변수가 합성가스 성분과 가스화기(10)의 반응온도를 결정함을 알 수 있다.
즉, 산소, 스팀, 연료량 중 1가지가 변하면, 가스화 온도, 조성, 합성가스 생산량이 변하게 된다.
따라서, 이들 변수와의 관계식을 구성하여 1차적으로 산소, 스팀, 연료량을 조정하고 운전결과로 제시되는 온도, 합성가스 조성성분, 합성가스 성분의 양 중 2가지 이상 만족하지 않을 경우, 측정자료를 받아 관계식을 통해 목표 값을 재설정하면 되는 것이다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 가스화기 운전 제어시스템을 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 가스화기 운전 제어방법을 보인 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 가스화기 해석 모듈의 흐름도.
도 4는 본 발명에 따른 가스화기 운전 제어방법에 있어서, 산소 농도에 따른 온도 및 가스화전환효율을 나타낸 그래프.
도 5a는 수분을 고정시키고 산소를 증가시킬 때의 합성가스 조성 변화를 나타내는 그래프.
도 5b는 산소를 고정시키고 수분을 증가시킬 때의 합성가스 조성 변화를 나타내는 그래프.
도 6은 가스화기 내부의 산소량, 스팀량 및 연료량의 변화에 따른 가스화전환효율의 변화를 나타내는 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 간략한 설명*
10: 가스화기 12: 합성가스 배출관
14: 슬래그 배출관 20: 산소주입기
22: 산소공급 제어밸브 24: 산소주입관
30: 연료주입기 32: 연료공급 제어밸브
34: 연료주입관 40: 스팀주입기
42: 스팀공급 제어밸브 44: 스팀주입관
50: 측정기 60: 운전제어기

Claims (10)

  1. 가스화기 내의 합성가스 조성량을 조절하여 가스화기 운전을 제어하기 위한 가스화기 운전 제어시스템에 있어서, 상기 시스템은,
    산소, 연료 및 스팀이 수용되어서 합성가스 생성을 위한 가스화 반응이 일어나게 하는 가스화기(10);
    산소공급 제어밸브(22)를 통해서 상기 가스화기(10) 내부로 산소를 주입하는 산소주입기(20);
    연료공급 제어밸브(32)를 통해서 상기 가스화기(10) 내부로 연료를 주입하는 연료주입기(30);
    스팀공급 제어밸브(42)를 통해서 상기 가스화기(10) 내부로 스팀을 주입하는 스팀주입기(40);
    상기 가스화기(10) 내부에 혼합된 합성가스 조성물의 성분 및 양을 측정하는 측정기(50); 및
    상기 측정기(50)를 통해서 측정된 상기 가스화기(10) 내부의 혼합가스 조성물의 성분 및 양에 따라 상기 산소공급 제어밸브(22), 연료공급 제어밸브(32) 또는 스팀공급 제어밸브(42)를 제어하는 운전제어기(60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화기 운전 제어시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 운전제어기(60)는, 상기 가스화기(10) 내부의 온도, 압력, 연료성상, 합성가스 조성 및 합성가스 생성 조건에 의해 상기 산소공급 제어밸브(22), 상기 연료공급 제어밸브(32) 또는 상기 스팀공급 제어밸브(42)를 제어하는 것을 특징으로 하는 가스화기 운전 제어시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 운전제어기(60)는, 상기 가스화기(10) 내부로 주입되는 산소량, 연료량 및 스팀량들 중 2개 이상이 합성가스 조건에 만족될 때에만 상기 가스화기(10)가 운전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 가스화기 운전 제어시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 운전제어기(60)는, 가스화기(10) 내부의 온도, 스팀량 및 연료량에 의해 산소량을 조절하는 것을 특징으로 하는 가스화기 운전 제어시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 운전제어기(60)는, 상기 가스화기(10) 내부의 합성가스 성분 중 일산화탄소 및 수소의 농도에 의해 산소량, 스팀량 및 연료량을 조절하는 것을 특징으로 하는 가스화기 운전 제어시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 운전제어기(60)는, 상기 가스화기(10) 내부의 합성가스량을 조절하되 산소 및 스팀의 주입량을 고려하여 연료 주입량을 조절하는 것을 특징으로 하는 가스화기 운전 제어시스템.
  7. 가스화기 내의 합성가스 조성량을 조절하여 가스화기 운전을 제어하기 위한 가스화기 운전 제어방법에 있어서,
    가스화기(10) 내부의 온도, 합성가스에 포함된 수소와 일산화탄소의 농도비 및 합성가스 생성 성분의 총량을 운전제어기(60)에 입력하는 단계(S110);
    상기 가스화기(10) 내의 합성가스 생성 성분의 유량 및 수소와 일산화탄소 농도비를 설정하는 단계(S120);
    상기 가스화기(10) 운전 조건에 따른 산소량, 스팀량 및 연료 주입량을 산정하는 단계(S130);
    산소량의 결정에 따라 상기 가스화기(10) 내부의 온도를 피드백 받는 단계(S140);
    스팀량의 결정량에 따라 CO/H2 농도비를 피드백 받는 단계(S150);
    계산된 연료량에 따라 연료 주입량을 조절하면서 합성가스 생성량을 피드백 받는 단계(S160); 및
    상기 가스화기(10) 내에서 산소량, 스팀량 및 연료량들 중 2가지 이상이 목표 조건에 도달할 경우에는 운전을 시작하고 도달하지 못할 경우에는 가스화기(10) 운전 조건을 재설정하는 단계(S170);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스화기 운전 제어방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 산소량 결정단계(S140)는,
    상기 가스화기(10) 내의 산소 유입량을 조절하는 단계(S141);
    상기 산소 유입량에 따라 가스화기(10) 내의 온도를 측정하는 단계(S142);
    상기 산소 유입량에 따라 상기 가스화기(10) 내부의 온도가 소정의 범위 내에 있는가를 판단하여 온도 범위에 있지 않을 경우는 주입되는 산소량을 다시 조절하는 단계(S143); 및
    상기 가스화기(10) 내부가 산소 주입에 따라 목표 온도 범위에 있으면 그 온도 범위를 유지하는 단계(S144);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스화기 운전 제어방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 스팀량 결정단계(150)는,
    상기 가스화기(10) 내의 스팀 유입량을 조절하는 단계(S151);
    상기 스팀 유입량에 따라 가스화기(10) 내의 CO/H2 농도비를 측정하는 단계(S152);
    상기 스팀 유입량에 따라 상기 가스화기(10) 내부의 CO/H2 농도비가 소정의 범위 내에 있는가를 판단하여 CO/H2 농도비 범위에 있지 않을 경우는 주입되는 스팀량을 다시 조절하는 단계(S153); 및
    상기 가스화기(10) 내부가 스팀 주입에 따라 목표 CO/H2 농도비 범위에 있 으면 그 CO/H2 농도비 범위를 유지하는 단계(S154);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스화기 운전 제어방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 연료주입량 결정단계(S160)는,
    상기 가스화기(10) 내의 연료 주입량을 조절하는 단계(S161);
    상기 연료 주입량에 따라 가스화기(10) 내의 합성가스 성분 유량을 측정하는 단계(S162);
    상기 합성가스 성분 유량에 따라 상기 가스화기(10) 내부의 합성가스 성분 양이 목표 범위 내에 있는가를 판단하여 목표 범위에 있지 않을 경우는 주입되는 연료주입량을 다시 조절하는 단계(S163); 및
    상기 가스화기(10) 내부가 연료 주입에 따라 목표 성분 양 범위에 있으면 그 성분 양 범위를 유지하는 단계(S164);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스화기 운전 제어방법.
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