KR20130075578A - 이산화탄소 발생이 저감된 석탄 가스화 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 분류층 석탄 가스화기 장치에서 발생되는 전체 이산화탄소의 발생량을 저감하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 상기 가스화 장치는 저압 호퍼; 록 호퍼; 고압 호퍼; 산화제 공급관 및 가스화기를 포함하며, 상기 록 호퍼의 압력을 조절함으로써 상기 저압 호퍼에 공급된 석탄을 상기 록 호퍼로 이송한 후 고압 호퍼로 이송하는 단계; 및 상기 고압 호퍼로 이송된 석탄을 산화제 공급관에 공급하여 산화제와 함께 가스화기에 공급하는 단계를 포함하며, 상기 록 호퍼의 압력 조절은 이산화탄소의 공급 및 배출을 통해 공급하는 것을 특징으로 하는 석탄 가스화 방법이 제공된다.

Description

이산화탄소 발생이 저감된 석탄 가스화 방법 및 장치{Method for Coal Gasifying and Apparatus Therefor}

본 발명은 기존의 분류층 석탄 가스화기 장치에서 발생되는 전체 이산화탄소의 발생량을 저감하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

보다 구체적으로는 석탄 가스화 공정에서 발생되는 이산화탄소를 석탄 가스화 공정 내에서 사용하여 소모함으로써 공정 중에 발생하는 전체 이산화탄소 발생량을 저감시킬 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.

기존의 분류층 석탄 가스화기 장치에서는 석탄공급 방식에 따라 발생하는 이산화탄소의 발생량에 큰 차이가 있다. 또한 발생한 합성가스를 이용하여 무엇을 생산하느냐에 따라 이산화탄소가 재차 발생할 수 있다.

따라서 전 공정에서의 이산화탄소의 감소를 위하여 이산화탄소를 공정 내에서 재이용함으로써 이산화탄소를 감축시키는 것이 요구된다. 이러한 면에서 향후 이산화탄소 발생이 현실적인 규제로 나타나기 이전에 기술 개발이 필요하다.

건식 석탄 가스화 공정에서 발생되는 합성가스 중에는 이산화탄소가 2% 이내로 포함되어 있어 적은 편이나, 습식 석탄가스화 장치에서는 약 10% 이상 포함되어 있어 상대적으로 높다. 또한 발생된 합성가스를 이용하여 제품을 만들기 위해서는 정제공정을 거치게 되는데, 이 과정에서 일차적으로 이산화탄소를 분리하게 된다.

또한, 워터 가스 쉬프트(Water Gas Shift, WGS) 반응 등 추가의 제품 생산 공정에서 이산화탄소가 발생한다. CCS(Carbon Capture & Storage) 공정을 포함하는 경우에는 먼저 WGS 공정을 거친 후에 이산화탄소 분리공정을 둔다.

이 과정에서 생산된 이산화탄소는 다양한 방법으로 사용될 수 있으며, 먼저 이산화탄소의 액화 후에 판매하거나, 이산화탄소를 다른 공정의 원료로 사용하거나, 미분 석탄의 이송용 가스로 사용하는 기존의 방법들이 있다.

또한, 가장 일반적으로는, 도 1에 나타난 바와 같이, 미분석탄 이송용 가스로 질소를 사용하며, 산화제로 산소와 스팀을 사용한다. 그러나, 이와 같이 미분석탄 이송용 가스로 질소를 사용하는 경우, 질소에 의해 합성가스가 희석되는 문제가 있다.

본 발명은 미분 석탄의 이송용 가스로 이산화탄소를 사용하여 소모함으로써 석탄 가스화기에서 발생하는 총 이산화탄소 발생량을 감축시키는 방법을 제공하고자 한다.

나아가, 본 발명은 버너를 통한 가스화기로 이산화탄소를 재투입하여 가스화기의 원료로 활용함으로써 가스화기에서의 총 이산화탄소 발생량을 줄이는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 제1 견지로서 석탄으로부터 합성가스를 생성하는 석탄 가스화 방법을 제공하며, 본 발명의 제1 구현예에 따른 상기 가스화 장치는 저압 호퍼; 록 호퍼; 고압 호퍼; 산화제 공급관 및 가스화기를 포함하며, 상기 록 호퍼의 압력을 조절함으로써 상기 저압 호퍼에 공급된 석탄을 상기 록 호퍼로 이송한 후 고압 호퍼로 이송하는 단계 및 상기 고압 호퍼로 이송된 석탄을 산화제 공급관에 공급하여 산화제와 함께 가스화기에 공급하는 단계를 포함하며, 상기 록 호퍼의 압력 조절은 이산화탄소의 공급 및 배출을 통해 이루어진다.

본 발명의 제 2 구현예로서, 상기 고압 호퍼는 이산화탄소를 공급 및 배출함으로써 상기 고압 호퍼 내의 압력을 상기 산화제 공급관으로 산화제가 공급되는 압력으로 조절될 수 있다.

본 발명의 제3 구현예로서, 상기 산화제 공급관은 내부관, 중간관 및 외부관의 3중관 구조를 가지며, 내부관 및 중간관의 어느 하나에 산화제 가스가 공급되고, 다른 하나에 이산화탄소가 공급될 수 있다.

본 발명의 제2 견지로서, 저압 호퍼, 록 호퍼, 고압 호퍼, 산화제 공급관 및 가스화기를 포함하는 석탄으로부터 합성가스를 생성하는 석탄 가스화 장치를 제공하며, 제1 구현예로서, 상기 저압 호퍼에 공급된 석탄을 밸브의 개방에 의해 상기 록 호퍼로 이송하고, 상기 록 호퍼로 이송된 석탄을 밸브의 개방에 의해 상기 고압 호퍼로 이송하며, 상기 고압 호퍼로 이송된 석탄을 산화제 공급관에 공급하여 산화제와 함께 가스화기에 공급하되, 상기 산화제 공급관은 내부관, 중간관 및 외부관의 3중관 구조를 가지며, 내부관 및 중간관의 어느 하나에 산화제 가스가 공급되고, 다른 하나에 이산화탄소가 공급된다.

본 발명의 제2 구현예로서, 상기 록 호퍼 및 고압 호퍼의 적어도 하나는 이산화탄소의 공급 및 배출을 통해 내부의 압력을 조절하는 압력 조절부를 가질 수 있다.

본 발명에 의해 미분석탄 이송용 가스로 종래의 질소 대신으로 이산화탄소를 사용함으로써 질소에 의한 합성가스가 희석되는 문제를 해결할 수 있다.

나아가, 석탄가스화 및 그 후단공정에서 발생하는 이산화탄소를 가스화기로 공급함에 따라 연료 성분인 일산화탄소를 생산할 수 있다.

도 1은 종래의 분류층 가스화기 장치에 있어서, 질소를 이용하여 미분 석탄을 수송하는 공정을 개략적으로 나타낸 가스화 장치에 대한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 분류층 가스화기 장치에 있어서, 이산화탄소를 이용하여 미분 석탄을 수송하는 공정을 개략적으로 나타낸 가스화 장치에 대한 도면이다.
도 3은 종래의 산화제 가스의 공급을 위한 이중관 구조의 산화제 공급관을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 3중관 구조를 갖는 산화제 가스 공급관 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따라 이산화탄소를 가스화기에 도입한 경우, 가스화기 내의 압력 및 온도에 따른 Boudouard 반응 화학 평형을 나타내는 그래프이다.

본 발명은 석탄 가스화 공정에서 전체 이산화탄소의 발생량을 저감시키는 방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 도면을 들어 구체적으로 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 건식 석탄 가스화기의 장치 구성 및 이에 따른 석탄 가스화 공정에 대하여 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2에 나타난 바와 같이, 저압 호퍼에 공급된 미분 석탄은 록 호퍼로 공급되고, 록 호퍼에서 고압 호퍼로 이송되는데, 이때, 각각의 이송단계에서 미분 석탄의 이송을 위해 이송가스를 호퍼 내로 공급 또는 배출하여 압력을 조절함으로써 다음 단계로 미분 석탄을 이송시킨다. 이때, 상기 미분 석탄의 이송을 위한 이송 가스로서 종래에는 질소를 사용하여 왔으나, 본 발명에서는 이산화탄소를 사용한다.

이와 같이 석탄 가스화 공정에서 발생되는 이산화탄소를 석탄 가스화 공정 중에서 사용함으로써 전체 공정 중의 이산화탄소 발생량을 저감할 수 있다. 이러한 이송가스로는 원료인 석탄과의 반응이 없는 불활성가스를 적합하게 사용할 수 있으므로, 이송가스로 이산화탄소가 적합하게 사용될 수 있다.

상기 이산화탄소의 공급원으로는 특별히 한정하지 않으나, 석탄 가스화 공정 중에 발생하는 이산화탄소를 재활용한다는 점에서 석탄 가스화 공정 중에 생성된 이산화탄소를 사용하는 것이 바람직하다.

일반적으로 석탄 가스화 공정에 있어서, 석탄이 고압 호퍼를 통해 가스화기에 공급되며, 이때, 석탄의 열 분해를 위한 산소와 수소가스의 생성을 위한 스팀(H₂O)이 산화제 가스로서 석탄과 함께 가스화기에 공급된다. 상기 가스화기에서 석탄의 열분해로 인해 이산화탄소가 생성되며, 또, 합성가스의 정제를 위한 정제 설비에서 이산화탄소가 생성된다. 나아가, WGS 반응과 같은 추가적인 제품 생산 공정에서도 이산화탄소가 발생하게 된다. 따라서, 이러한 공정 중에 발생된 이산화탄소를 포집하여 미분 석탄의 이송가스로 사용할 수 있다.

이와 같이 이산화탄소를 이송가스로 사용하는 경우, 석탄 가스화기에서 이산화탄소와 석탄(C)의 반응에 의해 일산화탄소를 합성할 수 있으므로, 종래 질소를 이송가스로 사용하는 경우에 합성가스가 희석되는 문제를 해결할 수 있다.

한편, 석탄 가스화 공정에서 발생되는 이산화탄소를 산화제 가스인 산소, 스팀과 함께 일산화탄소의 생성을 위한 원료가스로서 가스화기에 공급할 수도 있다. 원료가스로서 이산화탄소가 공급되는 경우, 가스화기에서 석탄과 이산화탄소의 반응에 의해 연료 성분인 일산화탄소를 생성시킬 수 있으므로, 이산화탄소의 전체 발생량을 저감시킬 수 있다.

도 2를 참조하여 본 발명의 석탄 가스화 공정에 대하여 설명한다. 본 발명이 적용되는 석탄 가스화 설비는 저압 호퍼, 록 호퍼 및 고압 호퍼를 포함하고, 가스화기를 포함하며, 나아가 산화제 가스와 함께 상기 석탄을 상기 고압 호퍼로부터 가스화기로 공급하는 이송관을 포함한다.

상기 저압 호퍼는 석탄이 외부로부터 공급되는 곳으로서, 상압으로 유지되며, 저압호퍼로부터 상기 록 호퍼로 석탄을 공급한다.

상기 록 호퍼는 저압 호퍼로부터 석탄을 공급받아 고압 호퍼로 이송하는 역할을 수행한다. 이때, 석탄의 이송은 각 호퍼 간, 즉, 저압 호퍼와 록 호퍼 및 록 호퍼와 고압 호퍼간의 압력을 동일하게 조절하여 각 호퍼 간에 구비된 밸브를 개방함으로써 자중에 의해 이송시킬 수 있다.

먼저, 상기 저압 호퍼로부터 록 호퍼로 석탄의 이송에 대해 설명한다. 저압 호퍼에서 록 호퍼로의 석탄 이송에 있어서 상기 록 호퍼는 저압 호퍼와 같은 압력으로 유지되어야 한다. 따라서, 록 호퍼의 압력을 저압 호퍼의 압력과 동일하게 하기 위해 록 호퍼에 포함된 이송가스를 배출하는 것이 바람직하다. 이에 의해 록 호퍼의 압력이 저압 호퍼와 같은 압력으로 되면 저압 호퍼와 록 호퍼 사이에 구비된 밸브를 개방하여 저압 호퍼에 저장된 석탄을 자중에 의해 록 호퍼로 이송시킬 수 있다. 석탄이 록 호퍼로 모두 이송되면, 밸브를 폐쇄하고, 다시 미분 석탄을 저압 호퍼에 공급할 수 있다.

다음으로 록 호퍼에 공급된 석탄은 록 호퍼의 압력 조절에 의해 고압 호퍼로 이송된다. 상기 고압 호퍼는 높은 압력으로 가스화기에 공급되는 산소 및 스팀과 함께 석탄을 원활하게 공급하기 위해 고압 상태로 유지된다. 따라서, 록 호퍼에서 고압 호퍼로 석탄을 공급하기 위해서는 록 호퍼의 압력을 고압 호퍼와 같은 압력 수준으로 높일 필요가 있다. 이러한 록 호퍼의 압력 증대는 록 호퍼에 이송 가스를 주입함으로써 행할 수 있다.

이러한 압력 증대를 위해, 종래에는 질소가스를 이송가스로서 주입하였으나, 이 경우, 질소가 가스화기로 유입됨으로 인해 가스화기에서 합성되는 합성가스가 희석되는 문제가 있었다. 이에, 본 발명에서는 상기 이송가스로서 이산화탄소를 주입하여 록 호퍼의 압력을 증대시키는 것이 바람직하다. 이러한 이산화탄소가 가스화기에 유입되더라도 석탄의 열분해시 탄소와 이산화탄소의 반응에 의해 일산화탄소를 생성시킬 수 있어, 합성가스의 희석 문제를 방지할 수 있다.

록 호퍼의 압력을 고압 호퍼의 압력으로 증대시킨 후에, 록 호퍼와 고압 호퍼간의 밸브를 개방하면 록 호퍼 내의 미분 석탄을 자중에 의해 고압 호퍼로 이송시킬 수 있다. 이와 같이 록 호퍼 내의 미분 석탄을 고압 호퍼로 이송시킨 후에는 상기 록 호퍼의 밸브를 폐쇄하고, 상기 저압 호퍼로부터 미분 석탄을 록 호퍼로 이송시키기 위해 록 호퍼 내의 압력을 저압 호퍼의 압력으로 저하시킨다. 이러한 록 호퍼 내의 압력 강하는 상기 록 호퍼의 압력을 증대시키기 위해 공급된 이송 가스를 배출함으로써 수행할 수 있다. 이때, 배출되는 이송 가스인 이산화탄소는 대기 중으로 배출할 수 있으나, 이를 별도의 포집 수단에 의해 포집하여 재차 이송가스로서 공급할 수 있다.

한편, 상기 록 호퍼에는 내부 압력을 측정하기 위한 압력계를 설치할 수 있다. 이와 같은 압력계에 의해 호퍼 내의 압력을 모니터링함으로써 이송가스의 공급 및 배출을 적절하게 제어할 수 있다.

나아가, 상기 고압 호퍼로 이송된 미분 석탄은 산화제 가스가 가스화기로 공급되는 산화제 공급관으로 이송된다. 고압 호퍼에서 산화제 공급관으로의 이송은 압력을 동일하게 제어함으로써 수행된다. 즉, 산화제 가스가 가스화기로 공급될 때 고압으로 분사되는데, 고압 호퍼의 압력을 산화제 가스가 공급되는 압력과 동일한 수준으로 조절한 후에 고압 호퍼의 밸브를 개방함으로써 산화제 가스를 상기 공급관으로 이송할 수 있다.

이상적으로는 상기 고압 호퍼의 압력은 산화제 가스가 공급되는 압력으로 유지되어, 별도의 압력 조절이 불필요하지만, 록 호퍼의 밸브 개방 및 고압 호퍼의 밸브 개방 등에 의해 압력 변화를 수반하여, 고압 호퍼 내의 미세 압력 조절이 필요할 수 있다. 따라서, 고압 호퍼 역시 상기 록 호퍼와 같이 압력 조절 가스를 공급 및 배출함으로써 고압 호퍼 내의 압력을 조절할 수 있으며, 이때, 상기 압력 조절 가스로서 이산화탄소를 사용할 수 있다.

한편, 상기 록 호퍼에서와 마찬가지로 고압 호퍼의 내부 압력을 측정하기 위한 압력계를 설치할 수 있다. 이와 같은 압력계에 의해 호퍼 내의 압력을 모니터링함으로써 압력 조절 가스의 공급 및 배출을 적절하게 제어할 수 있다.

상기 공급관을 통해 공급되는 산화제 가스는 석탄의 열분해 반응을 위한 산소 및 수소가스 생성을 위한 스팀이 공급되며, 나아가, 상기 산소 및 스팀과 함께 이산화탄소를 일산화탄소 생성의 원료가스로서 가스화기로 공급할 수 있다. 가스화기 후단의 압력은 전단에 비하여 압력이 낮게 되므로, 가압 수단이 필요하며, 상기 이산화탄소를 공급함으로써 가스화기 후단의 압력을 증가시킬 수도 있다. 따라서 상기 이산화탄소는 상기 산화제 가스와는 별도로 공급되는 것이 바람직하다.

통상, 산화제 가스의 공급을 위한 산화제 공급관은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 이중관 구조로 구성되어 있으며, 내부에 산화제 가스와 미분 석탄이 버너로 분사되고, 외부에 수냉을 위한 물이 공급되도록 형성되어 있다. 그러나, 본 발명은, 일 예로서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 삼중관 구조의 산화제 공급관을 구비하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 예를 들어, 내부에는 산화제 가스인 산소와 스팀, 그리고, 고압 호퍼로부터 공급되는 미분 석탄이 버너로 분사되고, 그 외부에 이산화탄소가 버너로 공급되며, 최외곽에 수냉을 위한 물이 공급되도록 형성될 수 있다.

이와 같이 이산화탄소가 가스화기 내로 공급됨으로 인해, 가스화기 내에서 석탄과 Boudouard 반응을 통해 연료 성분인 일산화탄소를 생성하게 된다.

이와 같은 Boudouard 반응은 흡열반응으로서, 첨부된 도 5에 나타낸 Boudouard 반응 화학 평형 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 가스화기 내부 온도가 높을수록, 또 가스화기 내부의 압력이 낮을수록 정반응이 빨라져 일산화탄소 발생량이 증가하며, 따라서 이산화탄소 소모량이 증대하게 된다. 그러므로, 압력이 높더라도 분류층 가스화기의 운전온도인 1300℃ 이상에서는 상기 반응이 충분히 잘 발생하게 된다.

상기와 같은 반응에 참여하는 이산화탄소로는, 상기한 바와 같이 일산화탄소 생성을 위한 원료 가스 및 컴프레서로서 가스화기에 주입되는 이산화탄소 이외에, 록 호퍼에서의 이송 가스 및 고압 호퍼의 미세 압력 조절을 위해 압력 조절 가스로서 공급된 이산화탄소 등을 들 수 있다. 이러한 이산화탄소가 미분 석탄의 이송과 함께 가스화기로 공급되고, 상기 공급된 이산화탄소가 Boudouard 반응에 참여하여 일산화탄소를 생성하게 된다. 따라서 공정 전체에서 발생되는 이산화탄소 발생량을 감소시킬 수 있다.

한편, 습식 석탄 가스화기에 있어서는 슬러리화된 석탄을 버너에서 분무하여 가스화기 내부로 공급되는데, 석탄의 분무를 위한 가스가 요구된다. 이때, 상기 석탄의 분무를 위한 가스로서 산화제 가스인 산소와 함께 공정 중에 발생되는 이산화탄소를 사용할 수 있다. 이때에도 상기와 같은 Boudouard 반응에 의해 일산화탄소를 생성할 수 있어, 이산화탄소의 발생량을 저감시킬 수 있다.

이와 같은 가스화기 내에서의 가스화 공정에서는 필연적으로 이산화탄소가 발생하게 된다. 가스화기에서 합성가스를 발생시키기 위하여 필요한 두 가지 화학반응인, 열분해 반응과 가스화 반응은 흡열반응으로서 열을 필요로 한다. 이러한 열을 발생시키기 위하여 탄소와 산소가 반응하여 이산화탄소가 생성되는 연소반응이 일어나게 해야 하므로, 가스화기에서의 이산화탄소의 발생은 피할 수 없다. 이러한 이산화탄소는 가스화기에서 발생된 합성가스를 이용하여 목적하는 제품을 만들기 위해 정제공정을 거치게 되는데, 이때, 일차적으로 이산화탄소를 분리하게 된다. 한편, WGS 반응 등의 추가적인 공정에 의해 이산화탄소가 발생하게 되는데, 이와 같은 이산화탄소는 CCS 공정으로 이산화탄소를 분리할 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같은 정제공정 또는 CCS 공정에서 분리 회수된 이산화탄소를 록 호퍼에서의 미분 석탄의 이송가스, 고압 호퍼 내에서의 미세 압력 조절을 위한 압력 조절 가스로서 사용할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 의해 석탄 가스화 공정에서 발생되는 이산화탄소를 공정 내에서 소모함으로써 공정 전체에서 발생되는 이산화탄소의 발생량을 감소시킬 수 있음은 물론, 미분 석탄의 이송가스로서 질소를 대체할 수 있어, 합성가스가 희석되는 문제를 해결할 수 있고, 나아가, 원료 성분인 일산화탄소의 생성량을 증대시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 가스화 장치에 의해 석탄으로부터 합성가스를 생성하는 석탄 가스화 방법에 있어서,
   상기 가스화 장치는 저압 호퍼; 록 호퍼; 고압 호퍼; 산화제 공급관 및 가스화기를 포함하며,
   상기 록 호퍼의 압력을 조절함으로써 상기 저압 호퍼에 공급된 석탄을 상기 록 호퍼로 이송한 후 고압 호퍼로 이송하는 단계; 및
   상기 고압 호퍼로 이송된 석탄을 산화제 공급관에 공급하여 산화제와 함께 가스화기에 공급하는 단계를 포함하며,
   상기 록 호퍼의 압력 조절은 이산화탄소의 공급 및 배출을 통해 이루어지는 석탄 가스화 방법.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 고압 호퍼는 이산화탄소의 공급 및 배출에 의해 상기 고압 호퍼 내의 압력을 상기 산화제 공급관으로 산화제가 공급되는 압력으로 조절되는 석탄 가스화 방법.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 산화제 공급관은 내부관, 중간관 및 외부관의 3중관 구조를 가지며, 내부관 및 중간관의 어느 하나에 산화제 가스가 공급되고, 다른 하나에 이산화탄소가 공급되는 석탄 가스화 방법.
   
4. 저압 호퍼, 록 호퍼, 고압 호퍼, 산화제 공급관 및 가스화기를 포함하는 석탄으로부터 합성가스를 생성하는 석탄 가스화 장치로서,
   상기 저압 호퍼에 공급된 석탄을 밸브의 개방에 의해 상기 록 호퍼로 이송하고, 상기 록 호퍼로 이송된 석탄을 밸브의 개방에 의해 상기 고압 호퍼로 이송하며, 상기 고압 호퍼로 이송된 석탄을 산화제 공급관에 공급하여 산화제와 함께 가스화기에 공급하되,
   상기 산화제 공급관은 내부관, 중간관 및 외부관의 3중관 구조를 가지며, 내부관 및 중간관의 어느 하나에 산화제 가스가 공급되고, 다른 하나에 이산화탄소가 공급되는 것인 석탄 가스화 장치.
   
5. 제 4항에 있어서, 상기 록 호퍼 및 고압 호퍼의 적어도 하나는 이산화탄소의 공급 및 배출을 통해 내부의 압력을 조절하는 압력 조절부를 갖는 석탄 가스화 장치.

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