KR20130106853A - 간접가열 가스화 동안 코크스를 생산하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

간접가열 가스화 동안 코크스를 생산하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 간접가열 가스화 동안에 코크스(PC)를 생산하기 위한 방법에 관한 것으로서, 석탄입자들이 가스화 반응기(1)에 공급되고 또한 가스화 동안에 공급되는 공정가스(P)는 합성가스(S)로 환원되어, 합성가스(S)는 가스화 반응기(1)로부터 제거된다. 본 발명은 또한 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법은, 가스화 반응기(1) 내측에 배열된 내측 반응기(4)에서 석탄의 코코스화가 수행되고, 동시에 가스화가 수행되며, 내측 반응기(4)는 간접 가열되고, 코크스(PC)와 연소가능한 가스들이 코크스화 동안에 내측 반응기(4) 내에서 생성되고, 그리고 연소가능한 가스들은 가스화 반응기(1)에서 가스화에서의 간접가열을 위해 사용된다.

Description

간접가열 가스화 동안 코크스를 생산하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND EQUIPMENT FOR PRODUCING COKE DURING INDIRECTLY HEATED GASIFICATION}
본 발명은 간접가열 가스화 동안에 코크스를 생산하기 위한 방법에 관한 것으로서, 석탄입자들이 가스화 반응기 내에 공급되고 또한 가스화 동안에 공급되는 공정가스가 환원되어 가스를 합성하고, 이에 의해 합성가스는 가스와 반응기로부터 제겅된다. 본 발명은 또한 상기 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
석탄은 우리의 가장 중요한 에너지원이지만 또한 많은 공정에 있어서 중요한 화학물질인 기초 물질이다. 석탄의 강한 환원(reduction) 잠재력은, 철이 석탄으로 환원되는 야금공정에서 사용된다. 또한, 철강산업으로부터 산화성 잔재물의 회수는 석탄의 한 사용예이다. 이들 공정들은 현재, 석탄로에서 공정을 위한 적절한 강도와 특성을 얻기 위하여 선-처리되는 화석탄(fossil coal)을 주로 기반으로 한다. 만일 (바이오매스(biomass)를 기반으로 한) 재생 가능한 석탄이 도입될 수 있다면, 이러한 유형들의 공정들로부터 이산화탄소의 배기가스는 줄어들 수 있을 것이다. 본 특허는 바이오매스의 간접가열 가스화 동안에 석탄의 탄화에 의해 환원제로서 애플레케이션을 위한 석탄/코크스의 생산을 위한 방법을 기술한다.
가스화는 고체연료로부터 가스연료를 생산하기 위한 공정이다. 이 기술은, 석탄, 잔여 석탄생성물, 석유 잔유물, 폐기물 및 바이오매스에 사용된다. 환원은, 산화가스(예컨대, CO2 및 H2O)들이 가열되어 석탄과 반응하고([C] 환원제), 이 동안에 일산화탄소(CO)와 수소가스(H2)들이 형성되고 열은 흡열성인 반응을 일으키는데 사용된다는 사실에 기반을 두고 있다. 일산화탄소(CO)와 수소가스(H2)의 가스 혼합물은 일반적으로 합성가스라 부른다.
가스화를 위한 관례적인 방법은 과열된 스팀의 공급 하에서 석탄을 아주 큰 반화학량론적 방식(heavily sub-stoichiometric manner)으로 연소하는 것이다. 연소는 열과 폐기 연소가스(CO2 및 H2O)를 장치에 공급한다. 연소되지 않았지만 과열된 석탄은 폐기가스와 공급된 스팀과 반응한다. 석탄(C)은 이산화탄소(CO2)를 일산화탄소(CO)로 환원하고 또한 수증기(H2O)를 수소가스(H2)로 환원한다. 사용된 열은 온도를 낮추고 또한 반응도가 감소한다. 석탄의 반응도는 상당히 온도-종속적인 한편 반응을 위한 평형도(equilibrium)는 온도-종속적이다. 공기-기반 연소가 발생한다 하더라도 산소가스를 기반으로 한 연소는 현재 가스화와 관련해 연소를 위한 지배적인 방법이다.
석탄과, 잔여 석탄생성물, 석유 잔여물, 폐기물 및 바이오매스의 가스화와 관련된 문제점은, 이들은 동질의 재료이기보다는 상이한 중량(tar)과 복잡한 요소(아로매틱(aromatics))을 가지는 요소들이 반응 동안에 방출된다. 이들 요소들은 신뢰성 있게 반응할 수 있고 또한 합성가스가 사용될 수 있기 전에 순차적으로 분리되어야 하거나 또는 탄화수소 또는 다른 연료를 액화하기 위해 더 정제되어야 한다.
상이한 중량(tar)과 복잡한 요소(아로매틱)를 가지는 요소들은, 가스화 반응 전에 석탄, 잔여 석탄생성물, 석유 잔여물, 폐기물 및 바이오매스를 열분해함으로써 분리될 수 있다. 이렇게 획득하고 또한 응축가능한 생성물과 가스로 구성되는 열분해 생성물은 가스화 공정에서 연료로서 사용될 수 있다. 그러나, 상이한 중량(tar)을 가지는 요소들과 복잡한 요소(아로매틱)들은 공정에 필요한 합성가스로서 동일 반응기 내에 있다. 이 결과, 상이한 중량(tar)을 가지는 요소들과 복잡한 요소(아로매틱)들의 취급은, 반응기 자체에서 발생하는 응축, 클래딩(cladding) 등과 같은 물리적 문제가 없이 가스화 공정이 얼마나 효과적으로 될 수 있는가에 대한 제한요소가 되게 된다.
활성탄(active coal)의 재활성화를 위한 장치와 방법은 미국특허 제4,007,014호로부터 이미 공지되어 있다. 상기 장치는 레토르트 반응기(retort reactor)와 그리고 활성탄이 공급되는 내측 반응기를 포함하여, 공급된 활성탄이 재활성화되고, 여기에서 스팀형태의 반응기 가스가 내측 반응기 아래로 통과하는 활성탄과 접촉하게 된다. 반응기 가스가 내측 반응기 내로 들어갈 수 있도록 하기 위하여, 반응기에는 그의 자켓 표면(jacket surface)에서 개구가 제공된다. 즉, 가스의 교환이 레토르트 반응기와 내측 반응기 사이에서 일어난다. 이는 본 발명의 기초 원리들 중 하나에 상당히 반한다.
합성가스의 생산을 위한 방법과 장치는 SE 532711호로부터 이미 공지되었는데, 반응기의 간접 가열이 반응기 내에 존재하는 버너들을 통해 이루어진다.
본 발명의 목적은, 상기에 따른 합성가스의 정제와 물리적 제한현상과 관련된 문제점들을 간접가열 가스화 반응기를 사용하여 처리할 수 있는 방법과 장치에 관한 것이다.
간접가열 가스화 동안에 석탄의 동시 탄화는, 탄화를 위한 열을 가스화 공정 동안에 반응기로부터 획득할 수 있다는 것을 의미한다. 본 목적을 위해 디자인되고 또한 개별적 흐름을 가지는 가열반응기는 가스화 반응기 내에 배열된다. 석탄을 위한 가열반응기는 가스화 반응기 내측의 복사에 의해 간접적으로 가열된다. 코크스화된 석탄이 바닥에 공급되기 전에 가스화 반응기 내에서 석탄이 고온으로 열처리되도록 하기 위하여 석탄은 내측 가열 반응기의 상부 내로 공급된다. 가스는 반응기를 통해 위측으로 이동하고 그리고 석탄은 아래측으로 이동한다. 이러한 역 흐름 이동은 반응기 내에서 구성요소들에서 온도와 변화를 평형화한다. 아로매틱과 같은 무거운 요소들은 반응기 내에서 고온에 의해 보다 작은 분자들으로 쪼개진다. 코킹(coking)으로부터의 연소가능한 가스들은 회수되어 바이오매스의 열분해로부터 나오는 연료가스들과 혼합된다. 전체 연료-가스 분량은 건조, 열분해, 코킹 및 가스화의 가열 필요조건에 대해 사용된다. 만일 초과물이 생성되면, 더 이상의 에너지 필요조건 등을 위해 사용할 수 있다.
본 발명의 목적들과 특징들은 다음에 오는 독립항들의 특징들을 제공하는 방법 및 장치에 의해 실현된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속항들에 규정된다.
도 1은 본 발명에 따른 바람직한 방법을 보여주고, 또한 방법을 수행하기 위한 장비를 형성하는 유닛들을 보여주는 흐름도이다.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들 설명한다.
도 1은 방법을 수행하기 위한 장치를 구성하는 다수의 유닛들을 개략적으로 보여준다. 장치들의 유닛들을 함께 연결되는 라인들과, 파이프 등은 상세히 기술되거나 또는 도시되지 않는다. 라인들, 파이프 등은 장치의 유닛들 간에 가스들과 고체 물질을 수송하기 위하여 그들의 기능을 실행하도록 적절히 형성된다.
도 1은 일반적으로 세라믹적으로 라인형성되는 반응기인 간접가열 가스화 반응기(1)를 보여준다. 반응기는, 석탄입자를 가스화활 수 있고 또한 두 개의 개별적인 흐름(C1 및 C2)들로 코크스화할 수 있도록 형성된다. 따라서, 석탄을 코크스화(coking)하기 위한 내측 반응기(4)는 가스화 반응기(1) 내측으로 도입되었다. 고체 석탄입자들은 흐름(C2)를 통해 내측 반응기(4) 내로 부분적으로 공급되고 또한 주입노즐(5)을 통한 공정가스(P)와 함께 흐름(C1)을 통해 가스화 반응기(1)로 부분적으로 공급된다. 석탄입자(C)들은 가스화에 앞선 열분해로부터 생산된다. 흐름(C1)에서 석탄입자(C)들의 크기는, 공정가스(P)를 가지는 도입가스 흐름에 의해 가스화 반응기(1) 내로 반송될 수 있게 되는 것이 바람직하다. 내측 반응기(4)로 도입되는 석탄입자들은 일반적으로 외측 가스화 반응기(1) 내의 입자들보다 크다. 공정가스(P)는 스팀이거나 또는 연소단계로부터의 회수된 또는 정화된 폐기가스일 수 있다. 내측 반응기(4)에서 코크스화는 이 흐름에서 석탄의 양을 줄여, 열분해 가스와 비슷하지만 상당히 높은 반응기 온도에 의해 제어되는 요소들을 가지는 연소가능한 가스들이 형성된다. 이전 열분해에서의 온도보다 높은, 내측 반응기(4) 내에서 석탄에 대한 300°내지 700°의 온도상승은 고체 석탄요소를 10 내지 35% 줄일 것으로 예상된다.
만일 공정가스(P)가 회수한 폐기가스(A)라면, 공정가스는 수증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)를 포함할 수 있다. 공정가스(P)는 열교환기(2)에서 배출되는 합성가스(S)로부터 얻은 열에 의해 예열된다. 주입노즐(5)을 통해 주입되는 흐름(C1), 버너(Br 1 내지 Br n)들에 의해 프로세스에 공급되는 열을 소비하는, 합성가스(S)(H2 및 CO)에 대한 공정가스(P)(H2O 및 CO2)의 함유량을 줄일 때 가스화 반응기(1)에서 반응이 일어난다. 진행중인 가스화 공정을 통해 버너(Br 1 내지 Br n)들로부터 열을 공급함으로써 내측 반응기(4)에서 코스화 반응이 동시에 일어난다.
가스화 반응기(1)는 버너(Br 1 내지 Br n)들에 의해 간접적으로 가열된다(여기서, n은 가스화 반응기(1)에 대해 필요한 버너들의 숫자를 나타낸다). 내측 반응기(1)는 동일한 간접방식으로 Br 1 내지 Br n에 의해 가열된다. 열은 Br 1에서 Br n으로 복사에 의해 가스화 반응에 공급되는데, 가스화 흐름으로부터 분리된 복사튜브(radiation tubes) 내측에서 연소가 이루어진다. Br 1 내지 Br n과 공정가스(P) 또는 이의 반응 생성물 간에 가스의 직접 교환이 발생하지 않는다. 내측 반응기(4)는 또한 가스화 반응기(1)에서 진행중인 가스화 공정과 가스의 교환을 가지지 않는다.
버너(Br 1 내지 Br n)들에는 석탄을 함유하는 재료로 된 선행 열분해 단계로부터의 연료(F)가 공급된다. 공기 형태의 산화제(O), 산소가 풍부한 공기 또는 순수 산소가스가 연소에 공급된다. 열교환기(3)는 배출되는 폐기가스(A)로부터 열을 추출하여, 도입중인 산화제(O)를 예열한다. 폐기가스(A)는 연료가스 정화로 진행하는데, 도입중인 석탄-함유 재료들에 의해 필요한 것과 같이, 공정들에 대한 배출들에 관한 필요조건들은 싸이클론(cyclones), 촉매 정화, 필터(전기적 및 섬유) 및 스크러버(scrubbers)들이다.
석탄(C)은 이전 열분해 단계에서 오고 또한 소각재의 잔재물(remnants of ash)를 포함한다. 소각을 위한 용융온도 아래로(또는 위로) 가스화 반응기(1) 내 온도를 제어함으로써, 소각재는 후속 고온-싸이클론(또는 슬래그와 같은 유동성 형태로) 제거될 수 있다.
배출되는 합성가스(S)는 연소목적을 위한 에너지 가스로 사용될 수 있거나 또는 액체 연료(전형적인 차량 연료들을 위한 피셔 트로프슈(Fischer Tropsch), 에탄올 생성물 등)들에 대한 추가 정제를 위한 베이스로서 사용될 수 있다.
가스화 반응기(1) 내 압력은 대기압에서부터 훨씬 더 높은 압력(>100 bar (g))까지 제어될 수 있다.
가스화 반응기(1)와 내측 반응기(4) 내 온도는 합성가스(S)와 코크스(PC)의 가장 좋은 수율을 이루도록 제어된다. 전형적인 값은 750 내지 1300°의 범위 내에 있다.
공정가스(P)와 석탄(C)의 간접가열의 다른 수행은 반응기 내측 튜브시스템에 배열되는 것인데, 연소가 이러한 반응기 내에서 이루어지고 그리고 이 경우, 튜브시스템은 가스화 반응기(1)와 내측 반응기(4)가 되게 된다. 무엇보다도 상이하게 높은 온도를 가지는 노(furnace)가 되도록 설계를 고려할 수 있다.
가스화 반응기(1)에 대한 형상은 가스화 공정에서 반응시간의 필요조건에 따라 제어될 수 있고, 반응기의 부분은 선택된 온도에 의해 제어된다. 내측 반응기(4)에 대한 형상은, 반응기(1)에 대해 선택된 온도에서 코크스로 석탄의 질량류(mass flow)와 석탄을 코크스화하기 위한 유지시간과 가열의 조건에 따라 선택된다. 튜브 형상에서 형상은 회전적으로 대칭이 되는데, 노와 유사한 큰 디자인에 대해 매우 컴팩트한 가스화 공정이 이루어질 수 있고, 그런 다음에 회전적으로 대칭되어야 한다는 조건이 없다. 반응기들의 크기는 매우 작은 크기에서부터 매우 큰 산업적 크기로 설계될 수 있다.
가스화 반응기(1)로부터의 합성가스(S)(H2 및 CO)는 도입되는 공정가스(P)의 구성요소를 기반으로 60%까지의 산소가스와 잔여 일산화탄소, 이산화탄소 또는 메탄으로 구성된다.
석탄을 코크스화하기 위한 내측 반응기를 가지는 간접가열 가스화반응기의 열효율의 정도는 매우 높아지게 되고, 또한 이전 열분해 단계와 필수적인 건조단계를 포함해 이러한 집적화 장치에서는 80%까지의 열효율이 이루어질 수 있게 된다.

Claims (10)

  1. 석탄입자들이 가스화 반응기(1)에 공급되고 또한 가스화 동안에 공급되는 공정가스(P)가 반응기 내에서 합성가스(S)로 환원되게 되어, 합성가스(S)가 가스화 반응기(1)로부터 제거되게 되는, 간접가열 가스화 동안에 코크스(PC)를 생산하기 위한 방법에 있어서, 동시에 가스화가 이루어지고, 가스화 반응기(1) 내측에 배열된 내측 반응기(4)에서 석탄의 코크스화가 이루어지고, 내측 반응기(4)는 간접 가열되고, 코크스(PC)와 연소가능한 가스들은 코크스화 동안에 내측 반응기(4)에서 생산되고, 연소가능한 가스들은 가스화 반응기(1)에서 가스화에서 간접가열을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 공정가스(P)는 합성가스(S)의 열교환에 의해 예열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 내측 반응기(4)는 간접 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 코크스화 동안에 석탄은 가용할 수 있는 연소가능한 가스들을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 가스화 반응기(1)와 내측 반응기(4)에서의 온도는 750° 내지 1300°의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 가스화 반응기(1)의 압력은 대기압에서부터 100 bar(g) 이상의 압력까지인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 간접가열 가스화 동안에 코크스(PC)를 생산하기 위한 장치로서, 장치는 가스화 반응기(1)와, 가스화 반응기(1) 내에 배열되어 복사열을 발생시키는 버너(Br 1 내지 Br n)를 포함하고, 또한 가스화 반응기(1) 내측에 석탄입자들과 공정가스를 공급하기 위한 주입노즐(5)을 포함하고, 내측 반응기(4)가 가스화 반응기(1) 내에 배열되고 또한 내측 반응기(4)는 석탄입자들이 코크스화 동안에 내측 반응기(4)를 통과하도록 형성되는, 장치에 있어서, 코크스화 동안에 생성된 연소가능한 가스들을 내측 반응기(4)에서 버너(Br 1 내지 Br n)로 인도하기 위한 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제7항에 있어서, 내측 반응기(4)는 가스화 반응기(1)의 외측에 위치하는 석탄입자들을 위한 공급단을 가지고 또한 내측 반응기(4)는 가스화 반응기(1)의 외측에 위치하는 코크스화도니 석탄을 위한 방출단을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 공정가스(P)를 가열하고 또한 합성가스(S)를 냉각하기 위한 제1열교환기(2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제9항에 있어서, 버너(Br 1 내지 Br n)에서의 연소로부터의 폐기열로부터 열을 추출하는 제2열교환기(3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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