KR20100090936A - Coal drying process and facilities using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 석탄 건조 공정 및 이를 이용한 설비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스화기에 유입되는 석탄의 수분을 효과적으로 건조시킬 수 있고, 가스화 플랜트의 전체 효율을 증가시킬 수 있는 석탄 건조 공정 및 이를 이용한 설비에 관한 것이다.The present invention relates to a coal drying process and an apparatus using the same, and more particularly, to a coal drying process and an apparatus using the same, which can effectively dry the moisture of coal introduced into the gasifier and increase the overall efficiency of the gasification plant. It is about.
가스화기라 함은 석탄 또는 중유의 탄화수소 연료를 사용하여 전력, 화학 물질, 산업용 가스를 생산하는 고효율 청정설비를 말한다. 가스화기 내부에서의 가스화를 통하여 생성되는 가스는 수소와 일산화탄소를 70% 내지 90% 이상 함유한 합성가스로, 이러한 가스를 사용하기 위하여 가스 중에 포함된 석탄재와 황화수소(H2S) 가스를 제거하는 공정을 거친다. 또한, 합성가스 생성을 위해 가스화기에 공급되는 연료 중에 포함된 연소재와 중금속 물질은 가스화기 하부와 집진장비를 통하여 배 출된다.Gasifiers are high-efficiency clean facilities that produce electricity, chemicals and industrial gases using coal or heavy oil hydrocarbon fuels. The gas generated through gasification inside the gasifier is a synthesis gas containing 70% to 90% or more of hydrogen and carbon monoxide, and removes coal ash and hydrogen sulfide (H 2 S) gas contained in the gas to use the gas. Go through the process. In addition, the combustor and heavy metal material contained in the fuel supplied to the gasifier for syngas production is discharged through the lower gasifier and the dust collector.
가스화기의 종류 중 본 발명에 해당하는 건식 분류층 석탄 가스화기는 질소가스 등을 사용하여 분쇄된 석탄입자를 가스화기 내부로 주입하고, 산소와 반응하여 1,300~1,700℃의 고온에서 반응이 일어나게 한다. 가스화 반응은 흡열 반응으로써 열의 공급이 있어야 하기 때문에 가스화기로 주입된 석탄의 일부가 연소하면서 발생된 열을 이용하여 같은 반응기내에서 가스화 반응이 진행된다. 즉, 가스화기에 설치되어 있는 버너 근처에서는 주입된 일부 석탄이 연소반응을 하면서 열이 발생되고 가스화기 상부에서는 연소 시 발생된 열을 이용하여 가스화 반응이 일어나는 것이다.Among the types of gasifiers, the dry fractionation bed coal gasifier of the present invention injects coal particles pulverized using nitrogen gas into the gasifier, and reacts with oxygen to cause the reaction to occur at a high temperature of 1,300 to 1,700 ° C. The gasification reaction is an endothermic reaction, so the heat must be supplied, so the gasification reaction proceeds in the same reactor by using heat generated while a part of coal injected into the gasifier is burned. In other words, near the burner installed in the gasifier, some of the coal injected therein generates a combustion reaction, and heat is generated in the upper part of the gasifier using the heat generated during combustion.
위와 같은 일련의 반응이 효과적으로 진행되게 하기 위해서는 석탄을 100μm 이하로 분쇄하여야 한다. 일반적으로 석탄을 미분화할 때 석탄에 포함되어 있는 수분을 제거하지 않으면 수분에 의한 석탄 입자의 응집으로 인해 100μm 이하의 건조석탄 입자를 수득하기 어렵다. 이러한 이유 때문에 가스화기로 주입되는 석탄은 고유 수분만 함유하도록 건조과정을 거치게 된다. 또한 석탄 건조 및 분쇄 공정에서 이슬점 온도 이하가 되면 분쇄된 석탄 입자는 응축수에 의해 응집하게 되어 석탄 이송 장치, 특히 주입 노즐(Injection Nozzle)의 입구를 막는 등 많은 문제점을 야기한다.In order for the series of reactions to proceed effectively, coal must be pulverized to 100 μm or less. In general, it is difficult to obtain dry coal particles of 100 μm or less due to agglomeration of coal particles by moisture unless the moisture contained in coal is removed when coal is finely divided. For this reason, coal injected into the gasifier is dried to contain only intrinsic moisture. In addition, when the coal drying and grinding process is below the dew point temperature, the pulverized coal particles are agglomerated by condensed water, which causes many problems such as blocking the inlet of the coal transport device, especially the injection nozzle.
석탄에 포함된 수분을 제거하고 석탄 건조 및 분쇄 공정 내 온도를 이슬점 온도 이상으로 유지시키기 위해 고온의 가스가 필요하며, 석탄 분쇄 공정 내 산소 농도는 일반적으로 유연탄의 경우 7% 이상, 갈탄의 경우 3% 이상이 되면 폭발의 위 험이 있기 때문에 단순한 공기나 연소가스보다 불활성 가스가 상대적으로 유리하다.Hot gases are required to remove the moisture contained in the coal and to maintain the temperature in the coal drying and grinding process above the dew point temperature. The oxygen concentration in the coal grinding process is typically at least 7% for bituminous coal and 3 for lignite. If it is more than%, there is a risk of explosion, so inert gas is more advantageous than simple air or combustion gas.
일반적으로 석탄 보일러의 경우는 외부 공기를 흡입하여 에어 프리-히터(Air Pre-Heater)를 통해 가열한 후 석탄의 건조에 사용하지만 건식 가스화 공정인 경우에는 고온의 가스를 얻기 위해 LNG, LPG 등의 부가적인 연료를 사용하거나, 석탄 가스화에서 발생된 합성가스를 추출하여 연소시키고, 공정 내 산소 농도를 기준치 이하로 낮추기 위해 질소를 추가 주입하기도 한다. 이 과정에서 플랜트 운전비용이 상승하고, 효율이 감소하게 된다.In general, in the case of coal boilers, external air is sucked in and heated through an air pre-heater and used for drying coal, but in the case of dry gasification, LNG, LPG, etc. Additional fuel may be used, or the synthesis gas from coal gasification may be extracted and burned, and additional nitrogen may be injected to lower the oxygen concentration in the process below the threshold. In this process, the plant operating cost increases and efficiency decreases.
석탄 건조에 필요한 고온의 가스를 생성하는 장치를 열 발생기라고 하며, 앞서 언급한 석탄 건조를 위한 석탄 분쇄 및 건조장치 입구의 유입가스의 온도는 250℃~300℃이다.The apparatus for generating hot gases required for coal drying is called a heat generator, and the temperature of the inlet gas at the inlet of the coal pulverization and drying apparatus for coal drying mentioned above is 250 ° C to 300 ° C.
건조에 필요한 에너지는 석탄의 수분함량, 석탄의 조성 등에 따라 크게 달라지나 일반적으로 수분을 10~20% 함유하고 있는 유연탄의 경우 종래의 가스화 설비에서 생성된 합성가스의 1~10% 이상을 소비하여야 한다.The energy required for drying varies greatly depending on the moisture content of the coal and the composition of the coal. However, in the case of bituminous coal containing 10 to 20% of moisture, it is generally necessary to consume 1 to 10% or more of the syngas produced in a conventional gasification plant. do.
도 1은 석탄 가스화를 통해 생산된 합성가스를 이용하여 석탄을 건조시키는 종래의 공정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.1 is a process diagram schematically showing a conventional process of drying coal using syngas produced through coal gasification.
도 1 에 도시된 바와 같이 종래의 공정은 건조된 석탄과 이를 가스화기로 주입하기 위해 사용되는 질소 및 스팀, 산소의 가스화 반응을 통해 합성가스를 생산한다. 상기 합성가스는 미세입자 제거설비(2)를 거치면서 미세입자가 제거되고, 열 교환기(3)를 통과하면서 산성가스 제거 설비(4)에서 요구되는 온도로 냉각된 후 산 성가스 제거설비(4)를 거치면서 황화수소가 제거되어 고순도의 합성가스가 된다.As shown in FIG. 1, a conventional process produces syngas through a gasification reaction of nitrogen, steam, and oxygen used to inject dried coal and a gasifier. The syngas is removed through the fine particle removal equipment (2), the fine particles are removed, and after passing through the heat exchanger (3) is cooled to the temperature required by the acid gas removal equipment (4) and acid gas removal equipment (4) Hydrogen sulphide is removed during the process, resulting in high purity syngas.
고순도 합성가스 중 일부를 추출하여 열 발생기(Heat Generator)(5)에서 연소과정을 거쳐 고온의 배기가스를 생산하며, 경우에 따라서는 고온의 배기가스를 얻기 위해 고순도의 합성가스 대신 LPG, LNG등의 연료를 사용하기도 한다.Some of the high-purity syngas is extracted and burned in the heat generator (5) to produce high-temperature exhaust gases.In some cases, LPG, LNG, etc., instead of high-purity syngas to obtain high-temperature exhaust gases. Some use fuel.
또한 산소농도가 기준치보다 높은 고온의 배기가스로 인해 석탄 분쇄 과정에서 마찰이나 정전기 등에 의한 발화와 석탄 분진에 의한 폭발을 방지하기 위해 석탄 분쇄 및 건조장치(6) 전단에서 질소를 추가로 주입하기도 한다.In addition, in order to prevent explosion caused by friction or static electricity and explosion by coal dust due to the high temperature exhaust gas whose oxygen concentration is higher than the standard value, nitrogen may be additionally injected in the front of the coal grinding and drying apparatus (6). .
여기에서 발생한 건조석탄, 배기가스 및 수분은 후단 필터(7)로 투입되고, 배기가스 및 수분이 분리 제거된다. 따라서 건조석탄을 최종 생성물로 얻게 되는 것이다.Dry coal, exhaust gas and water generated therein are introduced into the
종래의 석탄 건조 공정은 LPG, LNG등의 추가적인 연료 사용과 고순도의 합성가스의 사용, 그리고 추가적인 질소가스의 주입 등으로 플랜트 운전 비용이 상승하고, 효율이 낮아지는 문제점이 존재하였다.In the conventional coal drying process, there is a problem in that the plant operating cost increases and the efficiency decreases due to the use of additional fuel such as LPG and LNG, the use of high purity syngas, and the injection of additional nitrogen gas.
이에 본 발명자들은 석탄의 건조 및 분쇄과정에서 수분을 효과적으로 제거할 수 있고, 종래의 합성가스를 이용하는 석탄 건조 공정을 포함한 IGCC 플랜트에 비해 0.4% 내지 0.5%의 IGCC플랜트 전체 효율을 증가시킬 수 있으며, 열 발생기 및 LPG, LNG 등의 추가설비와 부가적인 연료를 사용하지 않으므로 플랜트 운전 비용을 절감할 수 있는 석탄 건조 공정 및 이를 이용한 설비를 개발하기에 이르렀다.Accordingly, the present inventors can effectively remove moisture during the drying and grinding process of coal, and can increase the overall efficiency of the IGCC plant by 0.4% to 0.5% compared to the IGCC plant including a coal drying process using a conventional syngas, The company has developed a coal drying process and a facility using the heat generator, LPG, LNG and other facilities and additional fuels that can reduce plant operating costs.
본 발명의 목적은 석탄의 건조 및 분쇄과정에서 수분을 효과적으로 제거할 수 있는 석탄 건조 공정 및 이를 이용한 설비를 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to provide a coal drying process that can effectively remove moisture in the drying and grinding process of coal and equipment using the same.
본 발명의 다른 목적은 종래의 합성가스를 이용하는 석탄 건조 공정을 포함한 IGCC 공정에 비해 전력생산에 활용할 수 있는 합성가스 총 열량의 0.6% 내지 0.7%를 상승시킬 수 있는 석탄 건조 공정 및 이를 이용한 설비를 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to use a coal drying process that can increase 0.6% to 0.7% of the total calorific value of syngas that can be used for power generation compared to the IGCC process including a coal drying process using a conventional synthesis gas and equipment using the same It is to provide.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 합성가스를 이용하는 석탄 건조 공정을 포함한 IGCC 플랜트에 비해 0.4% 내지 0.5%의 IGCC 전체 플랜트 효율을 증가시킬 수 있는 석탄 건조 공정 및 이를 이용한 설비를 제공하기 위한 것이다.Still another object of the present invention is to provide a coal drying process and a facility using the same, which can increase the overall plant efficiency of 0.4% to 0.5% of the IGCC plant compared to an IGCC plant including a coal drying process using a conventional syngas.
본 발명의 또 다른 목적은 열 발생기 및 LNG, LPG 등의 부가적인 연료를 사용하지 않으므로 추가적인 설비 및 연료를 필요로 하지 않는 석탄 건조 공정 및 이를 이용한 설비를 제공하기 위한 것이다.Still another object of the present invention is to provide a coal drying process and a facility using the same, which do not require additional equipment and fuel because it does not use a heat generator and additional fuel such as LNG and LPG.
본 발명의 또 다른 목적은 공정 중 고온에서 발생할 수 있는 발화 및 폭발을 방지하기 위해 질소를 추가적으로 주입하지 않음으로 추가적인 비용의 발생을 줄일 수 있는 석탄 건조 공정 및 이를 이용한 설비를 제공하기 위한 것이다.Still another object of the present invention is to provide a coal drying process and a facility using the same, by additionally injecting nitrogen to prevent ignition and explosion that may occur at high temperatures during the process.
본 발명의 또 다른 목적은 전체 플랜트의 운전 비용을 절감할 수 있는 석탄 건조 공정 및 이를 이용한 설비를 제공하기 위한 것이다.Still another object of the present invention is to provide a coal drying process and a facility using the same, which can reduce the operating cost of the entire plant.
본 발명의 상기 및 기타 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달 성될 수 있다.The above and other objects of the present invention can be achieved by the present invention described below.
본 발명에 따른 석탄 건조 공정은 석탄 가스화기(1) 및 수성가스 전환 장치(8)로부터 생성된 이산화탄소를 이용하여 건식 석탄 가스화기의 석탄을 건조시키는 것을 특징으로 한다.The coal drying process according to the present invention is characterized in that the coal of the dry coal gasifier is dried using carbon dioxide produced from the
여기서,here,
상기 석탄 가스화기(1)는 건조된 석탄과 이를 가스화기로 주입하기 위해 사용되는 질소 및 스팀, 산소의 가스화 반응을 통해 생성된 합성가스를 미세입자 제거 설비(2)에 투입하여 생성된 미세입자가 제거된 합성가스를 상기 수성가스 전환 장치(8)에 투입하여 일산화탄소 및 수분을 수소 및 이산화탄소로 전환시켜 이산화탄소를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The coal gasifier (1) is a fine particle produced by injecting the dried coal and the synthesis gas generated through the gasification reaction of nitrogen, steam, oxygen used to inject it into the gasifier into the fine particle removal facility (2) It is characterized in that it comprises the step of extracting the carbon dioxide by converting the removed syngas to the water gas conversion device (8) to convert carbon monoxide and water into hydrogen and carbon dioxide.
상기 석탄 건조 공정은 산성가스 제거설비(4)를 통과하면서 황화수소가 제거되고, 수소와 이산화탄소로 분리되는 과정을 거친 후 이산화탄소 압축장치(9) 전단에서 이산화탄소를 추출하는 단계, 추출된 이산화탄소를 열 교환기(3)로 통과시켜 온도를 높이고, 필요 시 이산화탄소 가열장치(10)로 투입하여 석탄 분쇄 및 건조장치(6)에서 요구되는 온도로 만들어 주는 단계, 고온의 이산화탄소를 석탄 분쇄 및 건조장치(6)로 투입하여 석탄 원료를 분쇄 건조하는 단계 및 상기 석탄 원료를 분쇄 및 건조 후 생성된 건조석탄, 배기가스 및 수분을 후단 필터(7)에 투입하여 건조 석탄만을 수득하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In the coal drying process, the hydrogen sulfide is removed while passing through the acid gas removal system (4) and separated into hydrogen and carbon dioxide. (3) to increase the temperature, and if necessary to put into the carbon dioxide heating device (10) to make the temperature required by the coal grinding and drying device (6), high temperature carbon dioxide coal grinding and drying device (6) Pulverizing and drying the coal raw material by sintering and injecting the dry coal, exhaust gas and water generated after the pulverizing and drying the coal raw material into the
또한, 본 발명에 따른 석탄 건조 설비는 본 발명의 석탄 건조 공정으로 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the coal drying equipment according to the present invention is characterized in that the coal drying process of the present invention.
본 발명은 석탄의 건조 및 분쇄과정에서 수분을 효과적으로 제거할 수 있고, 종래의 합성가스를 이용하는 석탄 건조 공정을 포함한 IGCC 공정에 비해 전력생산에 활용할 수 있는 합성가스 총 열량의 0.6% 내지 0.7%를 상승시킬 수 있으며, 종래의 합성가스를 이용하는 석탄 건조 공정을 포함한 IGCC 플랜트에 비해 0.4% 내지 0.5%의 IGCC플랜트 전체 효율을 증가시킬 수 있고, 열 발생기 및 LNG, LPG 등의 부가적인 연료를 사용하지 않으므로 추가적인 설비 및 연료를 필요로 하지 않으며, 공정 중 고온에서 발생할 수 있는 발화 및 폭발을 방지 하기 위해 질소를 추가적으로 주입하지 않음으로 추가적인 비용의 발생을 줄일 수 있고, 전체 플랜트의 운전 비용을 절감할 수 있는 석탄 건조 공정 및 이를 이용한 설비를 제공하는 발명의 효과가 있다.The present invention can effectively remove moisture during the drying and pulverization of coal, 0.6% to 0.7% of the total heat of the synthesis gas that can be utilized for power generation compared to the IGCC process including a coal drying process using a conventional synthesis gas. It can increase the overall efficiency of IGCC plant from 0.4% to 0.5% compared to IGCC plant including coal drying process using conventional syngas, and do not use heat generator and additional fuel such as LNG and LPG. Therefore, it does not require additional equipment and fuel, and additional nitrogen is not injected to prevent ignition and explosion that may occur at high temperatures in the process, thereby reducing additional costs and reducing operating costs of the entire plant. There is an effect of the invention to provide a coal drying process and a facility using the same.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 석탄 건조 공정 및 이를 이용한 설비에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 후술할 상세한 설명에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이 다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to the coal drying process and the equipment using the same, but the present invention is not limited to the detailed description to be described later, those skilled in the art The present invention may be embodied in various other forms without departing from the spirit of the invention.
도 2는 본 발명에 따른 석탄 건조 공정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.2 is a process diagram schematically showing a coal drying process according to the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 석탄 가스화기(1)를 통해 가스화를 통해 생산된 합성가스는 미세입자 제거설비(2)를 통과하면서 미세입자들이 제거된 상태로 수성가스 전환 장치(8)로 투입된다.As shown in FIG. 2, the syngas produced through gasification through the
상기 수성가스 전환 장치(8)에서 일산화탄소와 수분이 반응하여 수소와 이산화탄소로 전환되는(CO + H2O → H2 + CO2) 과정을 거쳐 전환된 이산화탄소는 산성가스 제거 설비(4)에서 메인 스트림(Main Stream)과 분리되어 이산화탄소 압축 장치(9)로 투입된다. 또한, 산성가스 제거 설비(4)와 이산화탄소 압축 장치(9) 사이에서 이산화탄소를 추출하여 산성 가스제거 설비 전단의 열 교환기(3)로 투입된다. 이 때 추출된 이산화탄소의 온도는 약 80℃~110℃이며, 압력은 1~2bar 정도 이다. 또한 열 교환기(3)의 입구 온도는 약 270℃이다.The carbon dioxide converted through the process of converting carbon monoxide and water in the water
추출된 이산화탄소는 수성가스 전환 장치를 통과한 합성가스와 열 교환기(3)에서 열 교환으로 인해 230℃ 정도로 가열되고 석탄 분쇄 및 건조장치(6)의 설계 온도 값(250℃~300℃)에 맞추기 위해 이산화탄소 가열 장치(10)를 통과하면서 재가열된다.The extracted carbon dioxide is heated to about 230 ° C by heat exchange in the syngas and heat exchanger (3) that has passed through the water gas conversion system, and is adapted to the design temperature value (250 ° C to 300 ° C) of the coal grinding and drying device (6). It is reheated while passing through the carbon
후단필터(7) 출구에서 석탄 가스화기(1)로 주입되는 이송관 내의 온도가 이슬점 온도 이상의 조건을 유지하고, 300℃ 이상에서 발생하는 석탄의 열분해(Thermal Cracking)를 방지하기 위해 석탄 분쇄 및 건조장치(6)의 입구 조건을 250℃ 이상 300℃ 미만으로 설계하는 것이 바람직하다.Coal pulverization and drying to prevent thermal cracking of coal occurring at a temperature above the dew point temperature and to prevent the thermal cracking occurring at 300 ° C. or higher at the feed pipe introduced from the outlet of the
가열된 이산화탄소는 석탄 분쇄 및 건조장치(6)로 주입되어 석탄의 수분을 제거하고, 높은 온도와 석탄 분진으로 인해 발생할 수 있는 화염 및 폭발을 방지하게 된다.The heated carbon dioxide is injected into the coal crushing and drying
수분이 제거된 석탄은 후단 필터(7)를 거쳐 석탄 가스화기(1) 내부로 주입되고 후단 필터(7)에 의해 분리된 이산화탄소는 함유된 수분을 분리한 후, 이산화탄소 압축 장치(9) 전단으로 주입된다. 그리고 이산화탄소 압축 장치(9)에 의해 압축되어 저장되는 과정을 거치게 된다.The moisture-removed coal is injected into the
본 발명에 따른 석탄 건조 공정을 이용한 설비는 석탄의 건조 및 분쇄과정에서 수분을 효과적으로 제거하여 열량을 절감하고, 전체 효율을 증가시킬 수 있으므로 전체 플랜트의 운전 비용을 절감할 수 있는 플랜트로 제작될 수 있다.The facility using the coal drying process according to the present invention can be produced as a plant that can effectively reduce the amount of heat in the drying and grinding process of coal to reduce the heat, and increase the overall efficiency, thereby reducing the operating cost of the entire plant have.
도 1은 석탄 가스화를 통해 생산된 합성가스를 이용하여 석탄을 건조시키는 종래의 공정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.1 is a process diagram schematically showing a conventional process of drying coal using syngas produced through coal gasification.
도 2는 본 발명에 따른 석탄 건조 공정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.2 is a process diagram schematically showing a coal drying process according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1: 석탄 가스화기 2: 미세입자 제거 설비1: coal gasifier 2: fine particle removal equipment
3: 열 교환기 4: 산성가스 제거 설비3: heat exchanger 4: acid gas removal equipment
5: 열 발생기 6: 석탄 분쇄 및 건조장치5: heat generator 6: coal crushing and drying device
7: 후단 필터 8: 수성가스 전환 장치7: Rear filter 8: Water gas shift device
9: 이산화탄소 압축 장치 10: 이산화탄소 가열 장치9: CO2 Compression Device 10: CO2 Heating Device
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