KR20110112519A

KR20110112519A - 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20110112519A
Application number: KR1020100031664A
Authority: KR
Inventors: 정우현; 윤용승; 이승종
Original assignee: 고등기술연구원연구조합
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2010-04-07
Publication date: 2011-10-13
Also published as: KR101100135B1

Abstract

본 발명은 석탄 촤 재순환을 이용한 석탄 가스화 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 석탄 가스화기의 연료인 미분탄 중에 가스화 반응이 완료되지 못하고 회분 형태로 배출된 석탄 촤를 재순환 시켜서 탄소 전환율(carbon conversion)을 높일 수 있는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 가스화기 내에서 미분탄의 가스화 반응을 일으켜 합성가스를 생성하는 석탄 가스화 장치에 있어서, 가스화 반응이 완료되지 못하여 상기 가스화기 외부의 촤 용기에 회분형태로 배출된 석탄 촤를, 다시 상기 가스화기에 공급하여 재순환 시키는 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치가 제공된다.

Description

석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치 및 그 방법{COAL GASIFIER FOR CHAR RECYCLE AND THE METHOD THEREOF}

본 발명은 석탄 촤 재순환을 이용한 석탄 가스화 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 석탄 가스화기의 연료인 미분탄 중에 가스화 반응이 완료되지 못하고 회분 형태로 배출된 석탄 촤를 재순환 시켜서 탄소 전환율(carbon conversion)을 높일 수 있는 기술에 관한 것이다.

석탄 가스화 복합발전(IGCC : Integrated Gasification Combined Cycle)이란 석탄을 가스화한 후 이를 이용하여 복합발전소를 운전하는 발전기술을 말한다. 즉, 석탄을 고온, 고압 아래에서 수소와 일산화탄소를 주성분으로 한 합성가스로 전환한 뒤 합성가스 중에 포함된 분진과 황 화합물 등 유해물질을 제거하고 천연가스와 유사한 수준으로 정제하여 전기를 생산하는 친환경 발전 기술인 것이다.

IGCC는 석탄으로부터 합성가스를 생성하는 가스화공정, 합성가스에 포함된 입자 및 황 화합물 등을 제거하여 청정한 합성가스를 만드는 정제공정 및 가스 터빈과 스팀 터빈으로 구성된 복합발전 공정 등으로 나누어진다.

IGCC 발전방식은 기존의 미분탄 발전방식에 비해 발전효율의 증대로 인한 20% 내외의 이산화탄소 저감 효과를 얻을 수 있다. 그리고 대기오염물질인 SOx를 95%이상, NOx 발생량을 70%이상 줄일 수 있다. 따라서 우리나라와 같이 국내 에너지원을 해외로부터 거의 전량 수입하는 입장에서는 석탄의 발전 연료로서의 사용이 필수적이고, 이에 대하여 최소한 21세기중반까지 예상되는 환경 규제치를 만족시킬 수 있는 IGCC와 같은 발전방식이 선택될 수밖에 없는 현실이다.

IGCC 기술은 수소와 일산화탄소가 주성분인 합성가스를 생산하며, 필요에 따라 수소를 분리, 정제하여 비료 등의 공업원료와 발전효율이 60% 이상까지 이르는 가스화복합 연료전지(IGFC: Integrated Gasification Fuel Cell)의 원료가스로도 사용된다. 또한, IGCC 기술을 통해서는 석탄내 환경오염의 주성분인 황성분을 유용한 상품으로서 판매할 수 있는 순수 유황으로 회수할 수 있다는 큰 장점이 있다.

일반적으로 석탄가스를 생성하는 가스화기는 고정층 가스화기, 유동층 가스화기, 분류층 가스화기로 분류된다.

고정층 가스화기는 미분탄이 반응기의 상부에서 공급되어 서서히 하부로 내려오며 증기 및 산화제는 하부에서 공급되어 상부로 이동함으로써 미분탄이 상승가스에 의해 순차적으로 건조, 휘발, 가스화, 연소반응 등의 과정을 거치는 구조로 되어 있다. 이러한 고정층 가스화기는 높은 열회수, 높은 탄소 전환율(carbon conversion), 낮은 산화제 요구량, 양호한 부하 조절성 등의 우수성을 가지고 있으나 가스화기내에서의 석탄 체류시간이 상당히 길기 때문에 대용량화 하기는 어렵다.

유동층 가스화기는 가스화기 내부로 공급되는 미분탄이 산화제와 유동화 상태에서 반응하여 석탄가스를 생성하는 구조로 되어 있다. 유동층 가스화기내에서는 미분탄과 가스가 균일하게 혼합되므로 열전달 및 물질전달이 고정층 가스화기에 비해 빠른 속도로 일어나므로 대용량화가 가능하다.

분류층 가스화기는 미분탄과 산화제가 같은 방향으로 공급되며, 미분탄과 산화제 및 증기가 매우 빠른 속도로 가스화기내에 유입된다. 이러한 분류층 가스화기는 다른 형태의 가스화기(고정층 및 유동층 가스화기)에 비해서 산소 요구량이 많고 고온에서 석탄가스화 반응이 진행되므로 석탄중의 회분(ash)은 주로 용융 상태로 중력에 의해 가스화기 하부로 흘러내려와 냉각되어 고체 상태의 슬래그(slag)로 방출된다. 분류층 가스화기의 경우는 탄소 전환율이 특히 좋으며 석탄의 가스화기내 체류시간이 매우 짧아서 대용량화가 가능하다. 분류층 가스화기에 있어서 산소방식을 채택한 경우에는 공기분리장치가 추가로 요구되어 상당히 많은 전력이 필요하게 되나 단위부피당 열용량이 고정층 및 유동층 가스화기에 비해 높기 때문에 대용량의 발전설비용 가스화기 제작에도 다른 형태의 가스화기에 비해 가장 용이하다.

일반적인 분류층 가스화기의 경우 고온에서 석탄에 포함된 불연물을 용융시켜 슬래그형태로 배출하게 되는데, 원활한 슬래그의 배출을 위해서는 석탄에 포함된 불연물의 성분에 따라 다소 차이가 있지만 가스화기 내부와 슬래그 배출부에서는 1,500℃ 이상의 고온 유지가 필요하게 된다. 따라서 고온에서 견딜 수 있는 고가의 내화재를 여러 겹으로 시공하여 고온에 대비하고 있는 실정이다.

하지만 고온의 합성가스가 내화재 표면과 직접 접촉하게 되며 나아가 용융된 슬래그가 내화재 표면을 따라 흘러내리게 되므로 내화재 표면을 계속적으로 침윤, 침식 시키게 되어서, 현재 시공되는 내화재 수명은 가스화기 내부 위치에 따라 조금씩 다르지만 미분탄이 공급되는 부위나 슬래그가 배출되는 부위는 6개월 전후로 알려져 있다.

따라서 내화재가 손상된 경우에는 정상적인 가스화기 운전이 어려워지므로 내화재 교체가 필요하게 되는데, 이러한 내화재 교체작업을 위해서는 가스화기 운전을 정지해야만 가능하다. 내화재 교체 및 재시공 작업을 위한 운전정지는 석탄가스화기에서 생산된 합성가스를 이용하는 여러 이용설비(전력생산, 화학원료생산, 합성천연가스 생산 등)의 운전도 동시에 중지시키게 된다. 나아가 고가의 내화재의 잦은 교체 및 신규 설치 작업은 가스화기의 유지보수 비용을 과다하게 증가시키게 된다. 그리고 고온에 견딜 수 있는 내화재의 경우 일반적으로 중금속 성분(크롬 등)으로 제조되어 있어서 교체된 손상 내화재의 환경적인 처리 방법도 크게 문제가 되고 있다.

그밖에 석탄내의 불연물을 용융처리 하는 가스화기의 경우 운전 안전성 측면에서도 여러 가지 문제점을 야기할 수 있는데, 용융된 슬래그가 원활하게 배출되지 않는 경우 슬래그 배출구가 막힘으로 인한 가스화기 운전정지 문제가 많이 보고되고 있다. 또한 높은 운전온도로 인하여 용융된 미세한 슬래그가 합성가스와 같이 비산하여 가스화기 출구나 합성가스 냉각장치에 부착되어 합성가스 배출 배관을 막거나 비산된 슬래그가 굳어져 합성가스 냉각장치나 열교환장치의 금속재질을 마모 또는 침식시키게 된다.

이를 해결하기 위해 가스화기의 반응온도를 낮게 하여 석탄에 포함된 불연물을 용융시키지 않고 회분 형태로 변환시키는 방안도 고려할 수 있다. 하지만 반응온도를 낮출 경우 일부 미분탄은 가스화 반응이 완료되지 못하고 석탄 촤(char)로 전환되어 불연물과 엉겨서 합성가스에 포함되어 후단 설비로 이동한다. 이렇게 합성가스에 촤가 포함될 경우 가스화기의 성능에 관련된 주요 지표 중 하나인 탄소 전환율이 하락하게 되고, 더구나 후단 설비에 설치된 집진장치에 분진부하가 늘어나 안정적인 운전이 힘들어 지는 문제점이 발생할 수 있다.

이러한 종래의 문제점들을 해결하기 위한 본 발명은, 기존의 가스화기 반응온도보다 낮은 약 1200℃ 내외의 반응온도에서 가스화기를 가동하더라도 탄소 전환율을 높일 수 있도록, 연소가 완료되지 못한 석탄 촤를 재순환시켜 가스화할 수 있는 석탄 가스화 장치 및 그 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 가스화기 내에서 미분탄의 가스화 반응을 일으켜 합성가스를 생성하는 석탄 가스화 장치에 있어서, 가스화 반응이 완료되지 못하여 상기 가스화기 외부의 촤 용기에 회분형태로 배출된 석탄 촤를, 다시 상기 가스화기에 공급하여 재순환 시키는 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치가 제공된다.

상기 석탄 촤 재순환은 상기 촤 용기와 상기 가스화기 사이의 압력차를 이용하는 것이 바람직하다.

상기 촤 용기의 촤 저장량을 감지하는 레벨 감지기와, 상기 레벨 감지기에서 일정량 이상의 촤 저장량을 감지한 경우에 가스를 공급하여 상기 촤 용기의 내부압력을 증가시킬 수 있도록 상기 촤 용기에 연결된 가스공급배관과, 상기 촤 용기에서 상기 가스화기로 촤를 재순환 시킬 수 있도록 상기 촤 용기와 상기 가스화기를 연결하는 촤 공급배관을 포함하는 것이 바람직하다.

여기서 상기 가스는 질소가스 또는 합성가스인 것이 바람직하다.

상기 촤 용기와 상기 가스화기 사이의 압력차를 일정하게 유지하면서 촤를 재순환시키기 위하여 상기 촤 용기에는 압력을 조절할 수 있는 벤트(vent)밸브가 연결된 것이 바람직하다.

상기 석탄 촤가 선회 기류 중에 부유하여 원심력의 작용에 의해서 이동하다가 벽에 충돌하면 기류에서 분리되어 포집될 수 있도록 하는 사이클론과 상기 가스화기는 일체로 형성된 것이 바람직하다.

여기서 상기 사이클론의 내부에는 합성가스의 흐름을 유도하여 상기 합성가스를 후단설비 측으로 배출할 수 있는 유도배관이 형성된 것이 바람직하다.

상기 촤 용기는 상기 가스화기에 연결된 촤 저장용기와, 상기 촤 저장용기에 촤 이송배관으로 연결된 촤 공급용기를 포함하며, 상기 촤 공급용기와 상기 가스화기는 촤 공급배관으로 연결되어, 상기 촤 저장용기에서 상기 촤 이송배관을 통하여 상기 촤 공급용기로 이송된 석탄 촤를 상기 촤 공급배관을 통하여 상기 가스화기로 재순환시키는 것이 바람직하다.

상기 촤 저장용기에서 상기 촤 공급용기로 촤가 이송된 이후에 상기 촤 저장용기와 상기 가스화기의 압력을 동일하게 하기 위하여 상기 촤 저장용기와 상기 가스화기는 압력 균등화 배관에 의해 연결된 것이 바람직하다.

상기 촤 저장용기와 상기 촤 공급용기에는 촤 저장량을 감지하는 레벨 감기지가 각각 설치되며, 상기 레벨 감지기에서 일정량 이상의 촤 저장량을 감지한 경우에 가스를 공급하여 상기 촤 저장용기와 상기 촤 공급용기의 내부압력을 증가시킬 수 있도록 상기 촤 저장용기와 상기 촤 공급용기에 각각 연결된 가스공급배관을 포함하는 것이 바람직하다.

여기서 상기 가스는 질소가스 또는 압축된 합성가스인 것이 바람직하다.

상기 촤 저장용기와 상기 촤 공급용기의 압력을 조절하기 위하여 상기 촤 저장용기와 상기 촤 공급용기에는 각각 벤트(vent)밸브가 연결된 것이 바람직하다.

상기 가스화기 하단에는 재순환 된 석탄 촤가 공급될 수 있도록 보조공급노즐이 연결되어 있으며, 상기 가스화기의 내부 하단에는 상기 보조공급노즐을 통해 공급되는 재순환 된 석탄 촤의 반응시간 확보를 위해 반응공간이 형성된 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 가스화기 내에서 미분탄의 가스화 반응을 일으켜 합성가스를 생성하는 석탄 가스화 방법에 있어서, 가스화 반응이 완료되지 못한 회분형태의 석탄 촤를 상기 가스화기 외부의 촤 저장용기에 배출시키는 단계와; 상기 촤 저장용기와 촤 공급용기를 연결하는 촤 이송배관을 통하여 상기 촤 공급용기로 석탄 촤를 이송하는 단계와; 상기 촤 공급용기와 상기 가스화기를 연결하는 촤 공급배관을 통하여 상기 가스화기로 석탄 촤를 재순환 시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 방법이 제공된다.

상기 촤 공급용기로 석탄 촤를 이송하는 단계는, 상기 촤 저장용기에 연결된 가스공급배관을 통하여 공급된 가스에 의해 상기 촤 저장용기의 내부압력을 증가시켜 이루어지며, 상기 촤 공급용기로 석탄 촤를 이송한 이후에는 상기 촤 이송배관을 페쇄 한 후에 상기 촤 저장용기의 압력을 원상태로 복귀시키는 것이 바람직하다.

상기 가스화기로 석탄 촤를 재순환 시키는 단계는, 상기 촤 공급용기에 연결된 가스공급배관을 통하여 공급된 가스에 의해 상기 촤 공급용기의 내부압력을 증가시켜 이루어지며, 상기 가스화기로 석탄 촤를 재순환 시키는 과정에서 상기 촤 공급용기와 상기 가스화기의 압력차를 일정하게 유지하여 석탄 촤가 일정하게 상기 가스화기로 공급될 수 있도록 상기 촤 공급용기의 압력을 조절하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 기존의 가스화기 반응온도보다 낮은 약 1200℃ 내외의 반응온도에서 가스화기를 가동하더라도 탄소 전환율을 높일 수 있도록, 연소가 완료되지 못한 석탄 촤를 재순환시켜 가스화할 수 있는 석탄 가스화 장치 및 그 방법이 제공될 수 있다.

그에 따라 본 발명에 의하면, 가스화기의 운전 중 슬래그가 발생하지 않으므로 고온의 슬래그에 의한 내화재의 침윤, 침식이 줄어들어 내화재의 수명이 길어지게 된다. 따라서 기존의 가스화기 운전시 잦은 내화재 교체로 인하여 발생하던 운전정지 및 내화재 재시공기간이 줄어들게 될 뿐 아니라, 장기간의 가스화 운전이 가능해져서 합성가스를 이용하는 전력 생산이나 화학연료전환 등의 설비 운전이 안정적으로 가능해진다.

또한 본 발명에 의하면, 낮은 가스화기 반응온도로 인하여 고온에서 견딜 수 있는 고가의 내화재를 사용하지 않아도 되므로 초기 시공비용이나 유지보수비용이 매우 저렴해질 뿐만 아니라, 중금속 성분이 많이 함유된 고온용 내화재의 사용이 줄어들게 되어 손상된 내화재의 환경적 처리 문제도 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 석탄 가스화 장치를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 석탄 가스화기 내부 하단의 형상을 비교 설명하기 위한 개략도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치는, 가스화기 내부(1)에서 미분탄이 가스화 반응을 일으켜 합성가스를 생성할 때 미처 가스화 반응이 완료되지 못하여 가스화기(2) 외부의 촤 용기에 회분(ash)형태로 배출된 석탄 촤를 다시 가스화기(2)에 공급하여 재순환 시킬 수 있도록 한다.

이때 석탄 촤 재순환은 가스화기(2)와 촤 용기의 압력차를 이용하여 이루어질 수 있기 때문에 촤 용기에는 가스공급배관으로서 질소공급배관(36, 46)이 연결될 수 있다. 즉, 질소공급배관(36, 46)을 통하여 공급된 질소로 인하여 촤 용기는 상대적으로 가스화기(2)에 비하여 고압상태가 될 수 있으므로 촤 용기에서 가스화기(2)로 석탄 촤가 재순환될 수 있다. 다만 본 발명의 바람직한 실시예에서는 촤 용기에 질소가스가 공급되는 것을 예시하고 있지만 질소가스 대신 압축기(미도시)를 통하여 압축된 합성가스가 공급될 수도 있다.

가스화기(2)에는 연료인 미분탄과 산화제를 공급할 수 있도록 미분탄 공급노즐(4)이 연결될 수 있다. 미분탄 공급노즐(4)을 통하여 공급된 미분탄과 산화제는 고온의 가스화기 내부(1)에서 가스화 반응을 일으켜 수소와 일산화탄소가 주성분인 합성가스를 발생시킨다.

가스화기(2) 하단에는 재순환 된 석탄 촤가 공급될 수 있도록 보조공급노즐(5)이 연결될 수 있다. 하지만 이때 보조공급노즐(5)은 가스화기(2) 하단에 연결되므로 재순환된 석탄 촤가 가스화 반응을 일으켜 합성가스로 전환될 수 있는 반응시간이 부족할 수 있다. 즉 가스화기 내부(1) 하단이 도 2에 도시된 바와 같이 형성될 경우에는 화살표 방향과 같이 석탄 촤가 바로 합성가스의 흐름을 따라 이동하게 되므로 석탄 촤가 합성가스로 전환할 반응시간이 부족할 수 있다. 하지만 도 1에 도시된 바와 같이 가스화기 내부(1) 하단에 움푹 파인 일정한 반응공간(7)이 형성될 경우에는 석탄 촤가 가스화기 내부(1)에 머무를 수 있는 시간이 길어질 수 있으므로 합성가스로 전환하는데 필요한 시간을 확보하는데 유리할 수 있다.

다만 가스화기(1) 상부에 연결된 촤 공급노즐(3)을 통해서도 재순환된 석탄 촤가 공급될 수 있는데 이때는 가스화기 내부(2)에서 석탄 촤가 낙하하면서 합성가스로 전환될 수 있는 충분한 반응시간이 확보될 수 있다.

가스화기(2)는 효율적인 석탄 촤의 포집을 위해 사이클론(13)과 일체로 형성될 수 있다. 보다 상세하게는, 석탄 촤가 사이클론(13) 내의 합성가스 선회 기류 중에 부유하여 원심력의 작용에 의해서 이동하다가 사이클론(13) 내벽에 충돌하면 기류에서 분리되어 아래로 포집될 수 있다. 이때 사이클론(13) 내부에 형성된 유도배관(15)으로 인해 석탄 촤와 분리된 합성가스는 유도배관(15)을 따라 화살표 방향과 같이 상부로 이동하여 후단설비 측으로 배출된다. 이렇게 배출된 합성가스는 후단설비 측에 있는 가스터빈의 동력원이 될 수 있다.

여기서 상기 촤 용기는 고압상태에서 안정적으로 석탄 촤를 재순환시킬 수 있도록 촤 저장용기(30)와 촤 공급용기(40)를 포함할 수 있다. 즉 가스화기(2) 외부로 배출된 석탄 촤는 1차적으로 촤 저장용기(30)에 모이게 되며, 일정량 이상 모인 석탄 촤가 촤 공급용기(40)로 이송되면 촤 공급용기(40)에서 가스화기(2)로 석탄 촤가 공급되어 재순환 될 수 있다.

보다 상세하게는, 사이클론(13)의 하단은 사이클론 차단밸브(21)를 통하여 촤 저장용기(30)와 연결될 수 있다. 석탄 촤를 포집할 때는 사이클론 차단밸브(21)가 개방되어 있는 상태이므로 촤 저장용기(30)의 하단으로 석탄 촤가 쌓이게 된다. 촤 저장용기(30)에는 제 1 레벨 감지기(35)가 연결될 수 있다. 제 1 레벨 감지기(35)는 촤 저장용기(30)의 하단에 쌓이게 되는 석탄 촤의 양을 감지하며, 일정량의 석탄 촤가 쌓이게 되면 사이클론 차단밸브(21)는 폐쇄되어 사이클론(13)과 촤 저장용기(30)는 공간적으로 분리될 수 있다.

사이클론 차단밸브(21)가 폐쇄된 이후에는 제 1 질소조절밸브(37)를 개방하여 촤 저장용기(30)에 연결된 제 1 질소공급배관(36)을 통하여 질소가스가 촤 저장용기(30) 내부로 공급될 수 있다. 질소가스의 공급으로 촤 저장용기(30) 내부의 압력은 증가할 수 있다. 이때 촤 저장용기(30)와 촤 공급용기(40)의 압력 차이를 측정하는 제 1 차압전송기(DPT, 50)는, 촤 저장용기(30)의 가압정도를 감지하여 이송에 적합한 가압 범위에 도달하면 촤 이송밸브(39)를 개방시킴으로써 촤 이송배관(38)을 통하여 촤 저장용기(30)와 차 공급용기(40)를 연결하여 석탄 촤가 촤 공급용기(40)로 이송될 수 있도록 한다. 이때 제 2 벤트밸브(42)가 개방되어 촤 이송시 촤 저장용기(30)에서 촤 공급용기(40)로 유입되는 질소를 배출시켜 촤 공급용기(40)가 추가적으로 가압되지 않도록 할 수 있다.

석탄 촤가 촤 저장용기(30)에서 촤 공급용기(40)로 이송될 경우 촤 공급용기(40)에 연결된 제 2 레벨감지기(45)가 적정량의 석탄 촤가 이송된 것을 감지한 경우에는 촤 이송배관(38)에 설치된 촤 이송밸브(39)를 폐쇄하게 된다. 이때 촤 저장용기(30)는 고압의 상태이므로 촤 저장용기(30)에 연결된 제1 벤트밸브(32)를 개방시켜 제 1벤트배관(31)을 통하여 질소가스를 배출시킴으로써 촤 저장용기(30)의 내부압력을 감소시킬 수 있다. 질소가스 배출을 통하여 사이클론(13)과 촤 저장용기(30)의 압력이 비슷하게 되면 압력 균등화 밸브(23)를 개방하고 촤 저장용기(30)와 사이클론(13)은 압력 균등화 배관(22)을 통하여 연결되므로 압력이 동일하게 된다.

사이클론(13)과 촤 저장용기(30)의 압력이 동일하게 되면, 폐쇄하였던 사이클론 차단밸브(21)를 다시 개방하여 촤 저장용기(30)에 석탄 촤를 포집할 수 있다.

한편, 촤 공급용기(40)에는 제 2 질소조절밸브(47)가 개방되어 촤 공급용기(40)에 연결된 제 2 질소공급배관(46)을 통하여 질소가스가 계속 공급되고 있는 상태이다. 나아가 석탄 촤가 촤 공급용기(40)로 이송이 완료된 이후에는 촤 이송배관(38)이 페쇄된 상태이므로 촤 공급용기(40)는 가압상태를 유지할 수 있다.

촤 공급용기(40)는 가스화기(2)에 비하여 상대적으로 높은 내부압력을 가지므로 촤 공급배관(48)을 통하여 촤 공급용기(40)에서 가스화기(2)로 석탄 촤가 공급되어 재순환될 수 있다. 이때 안정적인 석탄 촤의 재순환을 위하여 촤 공급용기(40)에는 제 2 벤트배관(41)이 연결될 수 있다. 즉 가스화기(2)와 촤 공급용기(40)의 압력 차이를 측정하는 제 2 차압전송기(DPT, 51)는, 제 2 벤트배관(41)에 설치된 제 2 벤트밸브(42)를 조절하여 가스화기(2)와 촤 공급용기(40)의 압력 차이를 일정하게 유지시켜 항상 일정량의 석탄 촤가 재순환될 수 있도록 할 수 있다.

도면에는 도시되지 않았지만 촤 공급배관(48)은 가스화기(2)의 상부에 있는 촤 공급노즐(3)이나 가스화기(2) 하부에 있는 보조공급노즐(5)에 선택적으로 연결될 수 있다. 따라서 석탄 촤의 상태에 따라서 알맞게 촤 공급노즐(3)이나 보조공급노즐(5)에 촤 공급배관(48)을 연결하여 석탄 촤를 재순환시킬 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치의 작용을 설명한다. 본 발명에 따른 석탄 가스화 장치는 낮은 운전온도에서 그 효과를 더욱 발휘할 수 있다. 예를 들면, 기존 가스화 장치의 반응온도인 1,500℃ 보다 낮은 대략 1,200℃ 내외에서 장치를 운전할 경우 고온의 용융상태인 슬래그가 배출되지 않는 대신 탄소 전환율(carbon conversion)이 떨어질 수 있지만 이때 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촤 재순환을 이용한 석탄 가스화 장치를 사용할 경우 탄소 전환율을 높일 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 가스화기 내부(1)에 미분탄 공급노즐(4)을 통하여 미분탄과 산화제가 공급되면 적정온도로 가열된 가스화기 내부(1)에서 자발적인 가스화 반응이 진행될 수 있다.

가스화기 내부(1)에서 합성가스가 생성되어 화살표 방향과 같이 이동하게 되며 사이클론(13) 내부에서는 합성가스가 유도배관(15)의 외측을 따라 선회 기류를 형성하게 되어 가스화 반응이 완료되지 못한 석탄 촤는 사이클론 벽에 부딪친 후 아래로 포집된다. 합성가스에는 가스화 반응이 완료된 석탄 입자가 포함되어 있으며 이러한 석탄 입자는 불연물(inflammable material) 성분만 남아서 입자가 작으므로 유도배관(15)의 내측을 따라 합성가스와 함께 상승하여 사이클론(13) 상부로 이동하여 합성가스 냉각장치(미도시)나 열교환기(미도시)를 거친 다음 집진장치(미도시)에 포집되고, 결국 불연물이 제거된 순수한 합성가스가 후단 설비 측에 공급될 수 있다.

석탄 촤는, 사이클론(13) 하부에 연결된 촤 저장용기(30)에 포집되며 이후 순차적으로 촤 공급용기(40), 가스화기(2)로 이동하여 재순환 될 수 있으며 이에 대해서는 상술하였으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

석탄 촤가 가스화기(2)로 재순환 된 경우 다시 가스화 반응을 일으킬 수 있으므로 기존 석탄 가스화기보다 낮은 온도에서 작동하는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석탄 가스화기의 낮아진 탄소 전환율을 보상해 줄 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 방법을, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따라 가스화기(2) 내에서 미분탄의 가스화 반응을 일으켜 합성가스를 생성하는 석탄 가스화 방법은, 가스화 반응이 완료되지 못한 회분(ash)형태의 석탄 촤를 상기 가스화기(2) 외부의 촤 저장용기(30)에 배출시키는 단계와; 상기 촤 저장용기(30)와 촤 공급용기(40)를 연결하는 촤 이송배관(38)을 통하여 상기 촤 공급용기(40)로 석탄 촤를 이송하는 단계와; 상기 촤 공급용기(40)와 상기 가스화기(2)를 연결하는 촤 공급배관(48)을 통하여 상기 가스화기로 석탄 촤를 재순환 시키는 단계; 를 포함할 수 있다.

이때, 상기 촤 공급용기(40)로 석탄 촤를 이송하는 단계에 있어서, 촤 저장용기(30)의 압력을 증가시켜야 석탄 촤를 촤 공급용기(40)로 이송시킬 수 있으므로 촤 저장용기(30)에 연결된 제 1 질소공급배관(36)을 통하여 촤 저장용기(30)에 질소를 공급할 수 있다. 또한, 석탄 촤를 촤 공급용기(40)로 이송시킨 후에는 다시 석탄 촤를 촤 저장용기(30)에 포집하여야 하므로 촤 저장용기에 연결된 제 1벤트벨브(32)를 조절하여 촤 저장용기(30)의 압력을 원상태로 복귀시킬 수 있다.

상기 가스화기(2)로 석탄 촤를 재순환 시키는 단계에 있어서, 촤 공급용기(40)의 압력을 증가시켜야 석탄 촤를 다시 가스화기(2)로 공급하여 석탄 촤를 재순환시킬 수 있으므로 촤 공급용기(40)에 연결된 제 2 질소공급배관(46)을 통하여 촤 공급용기(40)에 질소를 공급할 수 있다. 또한, 석탄 촤의 안정적인 공급을 위하여 제 2 차압전송기(DPT, 51)를 통하여 촤 공급용기(40)에 연결된 제 2 벤트밸브(42)를 조절하여 촤 공급용기(40)와 가스화기(2)의 압력차를 일정하게 유지할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 석탄 촤 재순환을 이용한 석탄 가스화 장치 및 그 방법에 따르면, 가스화기 반응온도가 다소 낮아지더라도 석탄 촤를 재순환 시킬 수 있는 구조를 가질 수 있기 때문에 탄소전환율이 낮아지는 것을 방지하며 용융상태인 고온의 슬래그가 발생하지 않아 내화재 수명이 길어질 수 있다.

또한, 본 발명의 석탄 촤 재순환을 이용한 석탄 가스화 장치 및 그 방법에 따르면, 가스화기와 사이클론이 일체로 형성될 수 있으므로 가스화 반응이 완료되지 못한 석탄 촤가 사이클론을 통해 보다 효율적으로 포집될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 석탄 촤 재순환을 이용한 석탄 가스화 장치 및 그 방법을, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였다. 하지만 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

1: 가스화기 내부 2: 가스화기
3: 촤 공급노즐 4: 미분탄 공급노즐
5: 보조공급노즐 7: 반응공간
13: 사이클론 15: 유도배관
21: 사이클론 차단밸브 22: 압력 균등화 배관
23: 압력 균등화 밸브 30: 촤 저장용기
31: 제 1 벤트배관 32: 제 1 벤트밸브
34: 촤 저장용기 배출밸브 35: 제 1 레벨 감지기
36: 제 1 질소공급배관 37: 제 1 질소조절밸브
38: 촤 이송배관 39: 촤 이송밸브
40: 촤 공급용기 41: 제 2 벤트배관
42: 제 2 벤트밸브 44: 촤 공급용기 배출밸브
45: 제 2 레벨 감지기 46: 제 2 질소공급배관
47: 제 2 질소조절밸브 48: 촤 공급배관
49: 촤 공급밸브 50: 제 1 차압전송기(DPT)
51: 제 2 차압전송기(DPT)

Claims

가스화기 내에서 미분탄의 가스화 반응을 일으켜 합성가스를 생성하는 석탄 가스화 장치에 있어서,
가스화 반응이 완료되지 못하여 상기 가스화기 외부의 촤 용기에 회분형태로 배출된 석탄 촤를, 다시 상기 가스화기에 공급하여 재순환 시키는 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 석탄 촤 재순환은 상기 촤 용기와 상기 가스화기 사이의 압력차를 이용하는 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 촤 용기의 촤 저장량을 감지하는 레벨 감지기와,
상기 레벨 감지기에서 일정량 이상의 촤 저장량을 감지한 경우에 가스를 공급하여 상기 촤 용기의 내부압력을 증가시킬 수 있도록 상기 촤 용기에 연결된 가스공급배관과,
상기 촤 용기에서 상기 가스화기로 촤를 재순환 시킬 수 있도록 상기 촤 용기와 상기 가스화기를 연결하는 촤 공급배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 가스는 질소가스 또는 압축된 합성가스인 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 촤 용기와 상기 가스화기 사이의 압력차를 일정하게 유지하면서 촤를 재순환시키기 위하여 상기 촤 용기에는 압력을 조절할 수 있는 벤트(vent)밸브가 연결된 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치.
청구항 1에 있어서,
촤가 선회 기류 중에 부유하여 원심력의 작용에 의해서 이동하다가 벽에 충돌하면 기류에서 분리되어 포집될 수 있도록 하는 사이클론과 상기 가스화기는 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 사이클론의 내부에는 합성가스의 흐름을 유도하여 상기 합성가스를 후단설비 측으로 배출할 수 있는 유도배관이 형성된 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 촤 용기는 상기 가스화기에 연결된 촤 저장용기와, 상기 촤 저장용기에 촤 이송배관으로 연결된 촤 공급용기를 포함하며,
상기 촤 공급용기와 상기 가스화기는 촤 공급배관으로 연결되어, 상기 촤 저장용기에서 상기 촤 이송배관을 통하여 상기 촤 공급용기로 이송된 석탄 촤를 상기 촤 공급배관을 통하여 상기 가스화기로 재순환시키는 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 촤 저장용기에서 상기 촤 공급용기로 촤가 이송된 이후에 상기 촤 저장용기와 상기 가스화기의 압력을 동일하게 하기 위하여 상기 촤 저장용기와 상기 가스화기는 압력 균등화 배관에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 촤 저장용기와 상기 촤 공급용기에는 촤 저장량을 감지하는 레벨 감기지가 각각 설치되며,
상기 레벨 감지기에서 일정량 이상의 촤 저장량을 감지한 경우에 가스를 공급하여 상기 촤 저장용기와 상기 촤 공급용기의 내부압력을 증가시킬 수 있도록 상기 촤 저장용기와 상기 촤 공급용기에 각각 연결된 가스공급배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 가스는 질소가스 또는 압축된 합성가스인 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 촤 저장용기와 상기 촤 공급용기의 압력을 조절하기 위하여 상기 촤 저장용기와 상기 촤 공급용기에는 각각 벤트(vent)밸브가 연결된 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 가스화기 하단에는 재순환 된 석탄 촤가 공급될 수 있도록 보조공급노즐이 연결되어 있으며,
상기 가스화기의 내부 하단에는 상기 보조공급노즐을 통해 공급되는 재순환 된 석탄 촤의 반응시간 확보를 위해 반응공간이 형성된 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 장치.
가스화기 내에서 미분탄의 가스화 반응을 일으켜 합성가스를 생성하는 석탄 가스화 방법에 있어서,
가스화 반응이 완료되지 못한 회분형태의 석탄 촤를 상기 가스화기 외부의 촤 저장용기에 배출시키는 단계;
상기 촤 저장용기와 촤 공급용기를 연결하는 촤 이송배관을 통하여 상기 촤 공급용기로 석탄 촤를 이송하는 단계;
상기 촤 공급용기와 상기 가스화기를 연결하는 촤 공급배관을 통하여 상기 가스화기로 석탄 촤를 재순환 시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 촤 공급용기로 석탄 촤를 이송하는 단계는,
상기 촤 저장용기에 연결된 가스공급배관을 통하여 공급된 가스에 의해 상기 촤 저장용기의 내부압력을 증가시켜 이루어지며,
상기 촤 공급용기로 석탄 촤를 이송한 이후에는 상기 촤 이송배관을 페쇄 한 후에 상기 촤 저장용기의 압력을 원상태로 복귀시키는 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 가스화기로 석탄 촤를 재순환 시키는 단계는,
상기 촤 공급용기에 연결된 가스공급배관을 통하여 공급된 가스에 의해 상기 촤 공급용기의 내부압력을 증가시켜 이루어지며,
상기 가스화기로 석탄 촤를 재순환 시키는 과정에서 상기 촤 공급용기와 상기 가스화기의 압력차를 일정하게 유지하여 석탄 촤가 일정하게 상기 가스화기로 공급될 수 있도록 상기 촤 공급용기의 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 방법.
청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
상기 가스는 질소가스 또는 압축된 합성가스인 것을 특징으로 하는 석탄 촤 재순환을 위한 석탄 가스화 방법.