KR20130123975A - 비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원료인 미분탄과 산화제가 상부에 설치된 하나 이상의 버너를 통해 공급되는 원통형의 비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기로서, 상기 각각의 버너는 3중관 또는 4중관으로 이루어지며, 상기 미분탄이 수송용 기체에 의해 가스화기로 분사되는 가장 중앙 영역의 원료공급라인과, 상기 원료공급라인을 통해 분사되는 상기 미분탄 분사 영역과 수직 내지는 소정 각도를 이루도록 1차 산화제를 분사하여 상기 미분탄이 중앙 영역을 향하도록 복수의 1차 산화제 공급공이 형성된 상기 원료공급라인 둘레의 환형 영역인 1차 산화제 영역과, 냉각수가 유입되어 유출되도록 상기 1차 산화제를 분사하는 가장 바깥의 환형 영역에 설치되는 냉각수 영역을 포함하되, 바람직한 온도범위로서는 1,250~1,450℃ 온도범위에서, 그리고 석탄의 특성에 따라서는 1,150~1,500℃ 온도범위에서 운전된다.
본 발명에 의하면, 미분탄과 산화제를 적절하게 혼합시킴과 동시에 미분탄 입자의 경로를 가스화기의 중앙으로 향하게 하여 모든 회재가 비용융 상태 또는 일부의 회재만이 용융되는 상태를 유지하면서 반응을 완료하게 되는 효과를 가진다.

Description

비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기{NON-SLAGGING AND PARTIAL-SLAGGING GASIFIER}
본 발명은 비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 석탄 또는 중질잔사유와 같은 저급의 탄화수소 계열 원료를 원통형 가스화기의 상부에 설치된 버너를 통하여 공급하고, 원료의 공급과 분리된 위치에서 공급되는 산화제와의 반응을 통하여 원료를 가스화하여 주성분이 일산화탄소(CO)와 수소(H2)인 합성가스를 생산하는 기술에 활용되는 비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 가스화 기술은 석탄, 바이오매스 또는 중질잔사유와 같은 저급의 탄화수소 계열 원료를 가스화하여 IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle, 석탄가스화 복합발전), 메탄올이나 DME(Di-Methyl Ether) 등과 같은 화학원료 생산, 합성석유 및 합성천연가스(Synthetic Natural Gas) 생산 등과 같은 청정에너지 분야에 활용하는 기술이다.
기존 석탄 가스화기는 1,400oC 이상에서 운전되는 용융(slagging) 가스화기이거나, 아예 비용융(non-slagging)으로 운전되는 유동층이나 고정층 가스화기가 대표적이다.
석탄이나 중질잔사유와 같은 유기물질을 합성가스로 변환시키기 위한 온도는 1,300℃ 이상이면 가능한 반면, 용융 가스화기는 회분을 녹이기 위해 1,400~1,600℃ 범위에서 운전된다. 이와 달리, 유동층이나 고정층은 회분이 용융되면 붙는 현상을 피하기 위해서 회분의 용융 온도 이하인 1,000℃ 이하에서 운전된다.
석탄과 같은 고체 입자 형상의 원료 또는 중질잔사유와 같은 액상의 형상을 지니지만 일부 회재(ash)를 포함하는 원료를 가스화하여 청정에너지로 활용하기 위하여 고안되어 있는 대부분의 가스화 기술은 석탄의 크기를 아주 작은 상태로 만든 미분탄 입자를 산화제(산소 또는 산소와 수증기의 혼합 기체)의 기류 흐름에 편승시켜 반응을 촉진시키는 분류층(entrained bed) 가스화 기술을 활용하고 있다.
그리고 대부분의 분류층 가스화 기술에서는 비교적 많은 양의 산화제를 공급함에 따라 가스화기의 운전온도가 1,400~1,600℃ 이상의 고온이며, 이러한 고온 분위기에서 반응이 진행되므로, 반응에 필요한 시간이 짧다는 장점이 있다.
또한 분류층 가스화 기술은 이와 같은 고온의 분위기에서 회재를 용융시켜 슬랙으로 처리하는 기술을 채택하고 있다.
따라서 분류층 용융형 가스화 기술의 경우에는 대부분의 미분탄이 용융 상태로 가스화기 내벽을 따라 흐르는 과정에서 탄소가 대부분 가스 상태로 전환되므로 탄소전환율이 높다는 장점이 있다.
반면 이러한 분류층 가스화기의 경우에는, 고온 용융 상태의 슬랙으로부터 가스화기의 내벽을 보호하기 위해 압력용기에 두꺼운 내화재로 시공한 반응기를 활용하는 경우가 많다.
고온의 용융 상태의 회재인 슬랙이 가스화기의 벽면을 따라 흐르므로 내화재는 비교적 빠른 시간에 심한 침식에 의한 손상을 받게 된다. 그리고 원료의 가스화 반응의 결과로 발생하는 주성분이 일산화탄소(CO)와 수소(H2)인 합성가스 내부에는 황화수소(H2S) 등의 유황을 포함하고 있는 가스가 존재하여 부식성을 지니고 있는데, 고온 합성가스의 부식성이 침식에 추가되므로 내화재의 수명이 상당히 짧아지는 결과를 초래하고 있다.
실제로 많은 상업용 가스화 플랜트의 경우, 내화재의 수명이 짧아서 새로 내화재를 교체하는 과정에 많은 비용과 시간이 소요되어 상업용 플랜트의 이용률(availability)을 떨어트리게 된다.
그 결과, 미분탄을 가스화하여 복합발전소를 구동하는 석탄가스화복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle : IGCC) 시스템에서는 년간 가동일수가 떨어져서 경제성에 문제점을 초래하고, 미분탄을 가스화하여 생산된 합성가스를 활용하여 합성석유나 화학원료를 생산하는 플랜트에서는 년간 제품의 생산량을 떨어트려 역시 경제성에 문제점을 초래하는 요인으로 작용하고 있다.
이러한 용융형 가스화기와 상반되는 개념으로 회재를 용융시키지 않는 비용융형 가스화 기술이 있으며, 비용융형 가스화 기술의 대표적인 기술로서, 유동층(fluidized bed) 가스화 기술을 들 수 있다.
모든 유동층 가스화 기술은 고체 상태인 유동 매체(보통 모래 또는 석탄의 회재)를 추가로 공급하여 반응기내에서 산화제와 입자 상태의 조쇄탄(crushed coal)을 유동 매체인 고체 물질과 직접적으로 접촉되고 혼합되도록 하여 가스화 반응이 촉진된다.
그런데 이러한 유동층 가스화 기술에서는 유동 매체가 녹지 않아야 하므로, 분류층 가스화기에 비하여 상대적으로 적은 산화제를 공급함으로써, 대부분의 유동층 가스화기의 운전 온도가 약 950℃ 이하이며, 최대 1000℃를 초과하지 않는다. 따라서 유동층 가스화 기술의 경우 내화재의 수명이 긴 장점을 지니고 있다.
반면에 유동층 가스화 기술은 이와 같이 낮은 운전 온도로 인하여 분류층 가스화 기술에 비하여 반응을 완료하는데 많은 시간이 걸리고 탄소전환율이 분류층 가스화 기술에 비하여 낮다는 단점이 있다.
그리고 낮은 운전 온도를 보상하기 위하여 반응기의 크기를 증가시켜야 하며, 반응기의 크기 증가에 따라 대기와 접촉하는 반응기 외벽의 면적도 증가하여 열손실이 증가하게 되는 단점을 포함하고 있다. 그리고 상대적으로 낮은 운전 온도로 인하여 모든 원료가 합성가스로 전환되지 못하고, 액체 상태인 타르(tar)가 일부 생성되어 운전 장애를 일으키거나 수율을 떨어트리게 되는 단점이 있다.
경우에 따라서는 융착(파울링, fouling) 현상이 발생하여 운전 장애를 일으키기도 한다.
한편 발명의 배경이 되는 선행기술로서, 예컨대 특허문헌 1의 상부 공급 이중선회형 가스화기는 미분탄이 질소에 의하여 공급되는 공급라인과, 공급되는 미분탄을 분리하는 분배기와, 분배기에서 분리된 미분탄과 산화제를 공급하는 다수개의 버너노즐과, 미분탄과 산화제가 반응하여 주성분이 일산화탄소(CO)와 수소(H2)인 합성가스를 생성하는 압력반응기와, 압력반응기 내부에 공급되는 산화제에 선회력을 부여하는 선회기와, 압력반응기 하부에 슬랙 냉각 및 저장용기를 포함하되, 미분탄과 산화제를 공급하는 각 버너노즐은 삼중관으로 구성되어 있으며, 중앙 영역으로 미분탄과 수송용 기체가 공급되고, 중앙 영역을 감싸고 있는 환형 영역으로 산화제가 공급된다.
이러한 구성에 따르면, 산화제가 환영 영역에서 선회기에 의해 선회력을 지니게 됨에 따라 원료인 미분탄과 산화제의 혼합을 촉진시켜 빠른 반응의 완료를 달성한다. 그 결과 가스화기의 체적감소를 이루고, 선회류에 의해 발생되는 원심력에 의해 미분탄 입자가 용융되어 응집된 슬랙 상태로 가스화기 내벽을 따라 흐르면서 반응기내에서 긴 체류시간을 가지므로 탄소전환율을 향상시킨다. 또한 미분탄 입자를 응집된 슬랙 상태의 부산물로 처리할 수 있어 경제성을 확보하는 효과를 가진다.
이와 같은 선행 기술의 특허문헌 1은 용융형으로 운전되는 분류층 가스화기로서, 가스화기의 상부에 삼중관 형태의 다수개의 버너로 구성된 일체형 버너가 설치되며, 각 개별 버너의 중앙에 원료 공급 라인을 설치하여 미분탄을 분사하고 원료 공급 라인 주변을 감싸는 환형 영역에 선회기를 설치하여 원료 주변으로 흐르는 1차 산화제에 선회력을 부여함으로써 가스화기 내부에 선회류를 형성시키고, 또한 각 개별 버너의 외곽의 환형 영역으로는 냉각수가 흘러서 버너를 고온의 환경에서 보호하며, 가스화기 상부의 원형 단면적에서 다수개의 버너가 설치된 영역을 제외한 나머지 전 영역에 2차 산화제를 공급하되, 2차 산화제에도 선회력을 부여할 수 있도록 하였으며, 1차 산화제와 2차 산화제의 유량을 각각 별도로 제어할 수 있음에 따라, 다수개의 버너를 통하여 원료를 공급하고, 각각의 버너에서 공급되는 1차 산화제에 선회력을 부여함과 동시에 버너를 제외한 주변의 전 영역으로 흐르는 2차 산화제에도 선회력을 부여함으로써 미분탄을 가스화기 내벽 방향으로 치우치게 되므로, 미분탄에 존재하는 회재를 대부분 용융 상태로 처리하여 탄소전환율을 높일 수 있다는 장점을 지니고 있다.
이와 같이 특허문헌 1을 포함하는 종래의 분류층 가스화 기술은 용융형 기술을 채택하고 있으며 상기와 같은 장점을 지니고 있다.
한국등록특허 제10-1096632호(등록일 2011년 12월 14일)
그런데, 종래의 분류층 가스화 기술은, 상술한 바와 같은 나름의 장점을 가지고 있음에도 불구하고, 분류층 가스화기의 고온 환경에서 1년 또는 2년 이상 장시간 운전될 수 있을 정도로 우수한 내화재가 존재하지 않으며, 아주 특수한 물질을 필요로 하고, 그 가격이 상업용으로 적용될 수 있는 수준에는 적절하지 않다는 현실을 고려할 때에, 과도하게 가스화기 내벽으로 향하여 용융되는 슬랙에 의한 침식과 합성가스의 부식이 더해지는 환경에서 장시간 운전할 수 없다는 단점이 있다.
다른 분류에 속하는 종래기술로서 분류층 가스화 기술보다 낮은 온도에서 운전되는 유동층 가스화 기술의 운전 온도는 회재가 용융되지 않는 온도인 약 950oC 이하이며 최대 1000oC를 초과하지 않기 때문에 내화재의 수명이 길어서 장시간 운전이 가능한 장점을 지니고 있는 반면에, 유동층 가스화 기술은 이와 같이 낮은 운전온도로 인하여, 분류층 가스화 기술에 비하여 반응을 완료하는 데 많은 시간이 걸리고 탄소전환율이 분류층 가스화 기술에 비하여 낮으며 반응기의 크기를 증가시켜야 하는 등의 단점을 지니고 있다.
또한 낮은 운전 온도로 인하여 액체 상태인 타르(tar)가 일부 생성되어 운전 장애를 일으키거나 수율을 떨어트리게 되는 단점이 있으며 경우에 따라서는 융착(파울링, fouling) 현상이 발생하여 운전 장애를 일으키기도 한다.
따라서, 본 발명은 이상과 같은 종래의 문제점을 해소하고자 안출된 것으로, 그 목적은 적은 양의 산화제를 공급하는 비용융 가스화기에 비하면 많은 양의 산소를, 그리고 비용융 가스화기에 비하여 훨씬 많은 양의 산화제를 공급하는 용융 가스화기에 비하면 적은 양의 산소를 공급하여, 두 가지 형태의 가스화기의 운전온도 중간영역인 1,250-1,450oC에서 비 용융 또는 부분 용융 형태로 운전될 수 있음에 따라 대부분의 유기물을 기체 상태로 전환할 수 있도록 하며, 다양한 석탄의 특성에 따른 반응성 및 회재의 유동화 온도에 따라서는 1,150-1,500oC 범위에서 비 용융 또는 부분 용융 형태로 운전될 수 있도록 함에 따라 가스화기가 1,500oC 이상의 고온에 노출이 되지 않아, 재료의 내구성 향상과 제작비용 절감이 가능한 비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반응속도가 빠른 분류층 형태를 가지면서 필요시 미연분이 함유된 회재를 재순환시켜서 높은 탄소전환율을 얻을 수 있고, 또한 발생하는 회재 특성에 따라 재순환 대신에 재활용 원료로 사용할 수 있는 비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 일 관점에 따른 비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기는 원료인 미분탄과 산화제가 상부에 설치된 하나 이상의 버너를 통해 공급되는 원통형 가스화기로서, 상기 각각의 버너는 3중관으로 이루어지되, 상기 미분탄이 수송용 기체에 의해 가스화기로 분사되는 가장 중앙 영역의 원료공급라인과, 상기 원료공급라인을 통해 분사되는 상기 미분탄 분사 영역과 수직 내지는 소정 각도를 이루도록 1차 산화제를 분사하여 상기 미분탄이 중앙 영역을 향하도록 복수의 1차 산화제 공급공이 형성된 상기 원료공급라인 둘레의 환형 영역인 1차 산화제 영역과, 냉각수가 유입되어 유출되도록 상기 1차 산화제를 분사하는 가장 바깥의 환형 영역에 설치되는 냉각수 영역을 포함하되, 바람직한 온도범위로서는 1,250~1,450℃ 온도범위에서, 그리고 석탄의 특성에 따라서는 1,150~1,500℃ 온도범위에서 운전될 수 있다.
본 발명에서, 각각의 버너가 4중관인 경우, 원료공급라인을 통해 분사되는 미분탄 분사 영역과 수직 내지는 소정 각도를 이루도록 2차 산화제를 분사하여 미분탄이 중앙 영역을 향하도록 복수의 2차 산화제 공급공이 형성된 1차 산화제 영역 둘레의 환형 영역인 2차 산화제 영역을 더 포함할 수 있다.
미분탄 분사 영역에 대해 산화제를 -20ㅀ ~ +20ㅀ 정도로 분사하여 미분탄과 산화제의 혼합 정도를 제어할 수 있다.
미분탄의 반응성의 정도와 입자의 진행 방향을 고려하여, 1차 산화제의 양은 전체 분사 산화제의 50~100%가 되도록 공급하고, 2차 산화제의 양은 전체 분사 산화제의 0~50%가 되도록 공급할 수 있다.
가스화기 반응영역의 종횡비(L/D)는 5~10이고, 여기서 L과 D는 가스화기의 반응영역의 길이와 직경이다.
미분탄이 반응성이 나쁜 고등급탄이면, 산화제 분사 각도는 0ㅀ ~ +20ㅀ로 하여 대부분의 산화제를 1차 산화제로 공급하고, 미분탄이 반응성이 좋은 저등급탄이면, 산화제 분사 각도는 -20ㅀ ~ 0ㅀ로 하고 산화제를 1차 산화제와 2차 산화제로 분리하고 그 비율을 조절하여 1차 산화제만 공급하는 경우에 비해 반응이 상대적으로 서서히 진행되도록 공급할 수 있다.
2차 산화제 공급공의 개수는 1차 산화제 공급공의 개수보다 2배 내지 3배 많되, 2차 산화제 공급공의 직경은 1차 산화제 공급공 직경의 1/3 내지 1/2인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 미분탄과 산화제를 적절하게 혼합시킴과 동시에 미분탄 입자의 경로를 가스화기의 중앙으로 향하게 하여 모든 회재가 비용융 상태 또는 일부의 회재만이 용융되는 부분 용융 상태를 유지하면서 반응을 완료하게 되는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기의 구성을 나타내는 개략도이고,
도 2는 도 1 가스화기의 일 구성예로서, 3중관 형식의 미분탄과 산화제 공급 버너의 수평 단면의 개념도이고,
도 3은 도 1 가스화기의 다른 구성예로서, 4중관 형식의 미분탄과 산화제 공급 버너의 수평 단면의 개념도이고,
도 4는 도 3의 미분탄과 산화제 공급 버너의 수직 단면의 개념도로서, 1차 산화제 방향 및 2차 산화제가 공급되는 방향을 나타내는 개념도이고,
도 5는 도 2 또는 도 3의 3중관 또는 4중관 버너의 배치 및 내화재 설치의 수평 단면의 구성도이고,
도 6은 도 2 또는 도 3의 3중관 또는 4중관 버너의 배치 및 내화재 설치의 수직 단면의 구성도이고,
도 7은 가스화기의 하부를 급랭형으로 구성하였을 경우에 대한 본 발명의 가스화기 내부에서의 합성가스, 비 용융 회재 및 용융 회재의 흐름을 나타내는 개념도이고,
도 8은 가스화기의 하부를 회재 저장형으로 구성하였을 경우에 대한 본 발명의 가스화기 내부에서의 합성가스, 비 용융 회재 및 용융 회재의 흐름을 나타내는 개념도이고,
도 9는 본 발명의 가스화기 내부 입자의 흐름 궤적(particle tracks)의 전산해석 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일 실시예를 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운영자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기의 구성을 나타내고 있고, 도 2 또는 도 3은 각각 도 1 가스화기의 구성예로서, 3중관 형식의 미분탄과 산화제 공급 버너의 수평 단면을 나타내고 있고, 도 4는 도 3의 미분탄과 산화제 공급 버너의 수직 단면을 나타내고 있다. 도 2 및 도 3에 있어서, 3중관 및 4중관 형식의 버너의 형상을 노즐의 두께를 포함하여 상세하게 나타내고 있으며, 도 2의 3중관 형식의 버너인 경우, 도 4에서 2차 산화제 영역이 제외될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기는 하나 이상의 버너(20)가 상부에 일체형으로 설치되고, 하부에 급랭용기(30)가 부착되는 원통형 가스화기(10)로서, 각각의 버너(20)는 3중관 또는 4중관으로 이루어질 수 있고, 원료인 미분탄과 산화제가 각각의 버너(20)를 통해 공급된다. 급랭용기(30)에는 가스화기(10)내의 합성가스를 배출하는 합성가스 배출관(32)이 부착되어 있으며, 급랭용기(30)의 하부에는 냉각수가 유입되어 배출된다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 버너(20)는 3중관의 경우, 가장 중앙 영역의 원료공급라인(22)과, 상기 원료공급라인(22) 둘레의 환형 영역인 1차 산화제 영역(24)과, 냉각수가 유입되어 유출되도록 가장 바깥의 환형 영역에 설치되는 냉각수 영역(28)을 포함하며, 4중관의 경우, 1차 산화제 영역(24) 둘레의 환형 영역, 즉 1차 산화제 영역(24)과 냉각수 영역(28)의 사이에 2차 산화제 영역(26)을 더 포함한다.
1차 및 2차 산화제 영역(24)(26)에는 각각 복수개의 공급공(23)(25)이 등간격으로 형성된다. 이와 같이, 4중관 버너(20)를 채택한 경우, 2차 산화제를 공급하는 공급공(25)이 설치되는 곳이 1차 산화제를 공급하는 공급공(23)이 설치되는 곳보다 외곽이라는 점을 고려하면, 2차 산화제 공급공(25)의 개수가 1차 산화제 공급공(23)의 개수보다 많은 것이 바람직하며, 약 2배 내지 3배 정도가 적절하다.
이와 같이, 2차 산화제의 양이 1차 산화제의 양보다 적은 반면에 2차 산화제 공급공(25)의 개수는 많으므로 유사한 정도의 공급 속도를 유지하기 위해서는 2차 산화제 공급공(25)의 직경은 1차 산화제 공급공(23)의 직경에 비하여 적은 것이 바람직하며, 약 1/3에서 1/2 정도가 적절하다.
원료인 미분탄은 질소 또는 이산화탄소의 수송용 기체에 의해 원료공급라인(22)을 통해 가스화기(10)내부로 분사되며, 원료공급라인(22)을 감싸고 있는 3중관 버너인 경우 하나 또는 4중관 버너인 경우 두 개의 환형 영역인 1차 및 2차 산화제 영역(24)(26)에 가공되어 있는 다수개의 공급공(23)(25)을 통하여 공급되는 1차 산화제 및 2차 산화제와 혼합되면서 반응을 일으켜 주성분이 일산화탄소(CO)와 수소(H2)인 합성가스를 생산하며, 반응으로 생산된 합성가스는 하방향으로 진행하게 된다.
3중관 또는 4중관으로 구성되는 각 버너(20)의 가장 바깥 쪽의 냉각수 영역(28)을 통해 냉각수가 순환하여 미분탄 및 산화제 공급 부위가 고온의 환경으로 인하여 가열되는 것을 방지한다.
이와 같이 본 발명은 원료와 수송용 기체가 공급되는 중앙의 노즐을 감싸는 환형 영역에 가공되어 있는 다수개의 공급공(23)(25)을 통하여 수직 하방향으로 공급된 1차 및 2차 산화제는 미분탄과 적절히 혼합되면서 가스화 반응을 촉진시킴과 동시에 미분탄이 가스화기(10)의 중앙 영역으로 진행하도록 유도하여 가스화기 내벽에 부착되지 않고 회재가 용융되지 않은 비용융 상태 또는 일부의 회재가 용융된 부분 용융 상태로 진행하게 된다.
따라서 적절한 혼합에 의하여 미분탄의 반응을 촉진시켜 80%~95% 정도 또는 95% 이상의 탄소전환율을 확보함과 동시에 가스화기(10)의 내벽을 보호하여 운전의 연속성을 보호하여 전체 가스화 플랜트의 가동률을 높이게 되어 경제적인 이득을 확보할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 산화제를 하방향으로 분사하되, 미분탄의 반응성 정도에 따라 수직으로 분사 또는 미분탄이 분사되는 중앙 영역을 향하여 약 -20o~20o 정도의 약간의 각도를 가지면서 분사하여 미분탄과 산화제의 혼합 정도를 제어하면서 미분탄이 가스화기의 중앙영역을 따라 하방향으로 이동하게 한다.
즉, 1차 산화제(3중관 버너를 채택한 경우에는 1차 산화제가 100%)를 하방향으로 분사하되 반응성이 나쁜 미분탄을 사용하는 경우에는 미분탄이 분사되는 중앙 영역을 향하여 약 0o~20o 정도의 약간의 각도를 가지면서 분사하여 미분탄과 1차 산화제의 혼합을 촉진시킬 수 있다.
반면에 반응성이 좋은 석탄을 원료로 사용할 경우에는 미분탄이 분사되는 중앙 영역을 향하여 약 -20o~0o 정도의 약간의 각도를 가지면서 분사하여 미분탄과 산화제의 혼합이 상대적으로 서서히 일어나도록 유도할 수 있다.
또한 반응성의 정도 및 미분탄 입자의 진행 방향을 고려하여 1차 산화제의 양을 공급 산화제 총량의 50~100% 범위로 제어한다. 반응성이 비교적 좋지 않은 고급탄(high rank coal)을 원료로 이용하는 경우에는 3중관 버너를 채택하여 산화제의 총량을 1차 산화제로 만으로 공급하거나, 4중관 버너를 채택하여 2차 산화제의 양을 약 20% 정도로 하여 공급한다.
이와 달리, 반응성이 좋은 저등급탄(low rank coal)을 원료로 사용할 경우, 특히 반응성이 아주 좋은 갈탄이나 아역청탄을 원료로 사용할 경우에 산화제의 총량을 1차 산화제로 만으로 공급한다면 가스화 반응이 가스화기의 상부에 집중되어 일어나므로 가스화기의 상부에 고온이 집중되는 현상이 발생하게 된다. 이러한 경우를 대비하여 4중관 버너를 채택하여, 1차 산화제가 공급되는 영역을 감싸는 외곽의 환형 영역인 2차 산화제 영역(26)에 가공되어 있는 다수개의 공급공(25)을 통하여 산화제 총량의 0~50% 정도를 별도로 유량을 제어하면서 2차 산화제로 공급함으로써 버너 주변인 가스화기 상부에서 집중적으로 반응이 일어나는 현상을 막고, 미분탄과 산화제가 하방향으로 진행하면서 산화제의 전량을 1차 산화제로 공급할 경우에 비하여 반응이 상대적으로 서서히 진행되어 가스화기 전체 영역에서 온도가 고른 분포를 가지도록 유도할 수 있다.
이와 같이 미분탄의 흐름과 동일한 하방향으로 분사하는 1차 산화제의 미분탄 흐름 방향을 향하는 각도의 선택 및 1차 산화제의 양과 2차 산화제의 양을 각각 조절함으로써 수분 함량, 회재 함량, 산소 함량 등에 따라 다양한 반응성을 나타내는 다양한 석탄에 적용할 수 있는 가스화기를 구성할 수 있다.
그리고 이러한 가스화기의 중앙 영역으로 미분탄 입자가 진행하도록 유도함으로써 전체 회재가 용융되지 않는 비 용융형 또는 일부의 회재가 용융하는 부분 용융형 가스화기를 구현할 수 있다.
석탄가스화 기술에서 산화제로 산소만을 공급하는 경우가 있고 산소와 수증기 또는 산소와 이산화탄소를 함께 공급하여야 하는 경우도 있다. 본 발명에서는 1차 산화제와 2차 산화제의 공급을 별도로 제어하므로 수증기 또는 이산화탄소도 1차 산화제와 2차 산화제에 다른 비율로 혼합하여 공급할 수 있기 때문에 다양한 석탄의 가스화 운전에 대응할 수 있다.
또한 미분탄 입자가 대부분 가스화기의 중앙 영역으로 진행하게 되어, 입자가 용융 상태 슬랙으로 내벽을 따라 흐르는 용융형 가스화기에 비하여 내화재의 침식과 부식이 진행되는 속도가 현저히 저하되어 가스화기를 장시간 안정적으로 운전할 수 있게 된다.
한편, 가스화기의 출구를 빠져 나온 합성가스는 가스화기(10) 하부에 설치된 급랭용기(30)의 외벽에서 분사되는 급랭수에 의하여 냉각된다. 이때 급랭수의 양을 조절함으로써 합성가스의 온도는 플랜트의 사용 용도에 따라 다양하게 구성될 수 있는 합성가스 냉각장치, 고온집진기 및 수성가스전환반응기 등의 후단 공정에 적절한 온도로 제어될 수 있다.
한편, 가스화기의 출구를 빠져 나온 합성가스를 처리하는 다른 방법으로서, 가스화기(10) 하부에 외벽이 내화재로 시공되고 하부에 모래 또는 회재로 충진된 압력용기를 사용하는 방안을 들 수 있다. 슬랙이 적게 발생하는 경우에는 물을 분사하여 합성가스의 온도를 제어하는 급랭용기 대신에, 소량의 슬랙 및 일부 회재가 모래 충진층에 떨어지고 보관되고 있다가, 운전 중에는 하부에 설치된 2개 이상의 밸브를 이용하여 압력 조절 및 배출을 수행하는 일반적인 기술인 락호퍼(Lock Hopper) 시스템에 의하여 회재를 주기적으로 배출할 수 있다.
현재 기술에서는 수송용기체로 대부분 질소를 사용하고 있으나 질소 대신에 이산화탄소를 수송용 기체로 사용할 수 있다. 미분탄 공급 부위를 감싸고 있는 환형 영역에는 동심원상으로 가공된 다수개의 공급공(23)을 통하여 3중관 버너인 경우 전체 산화제의 100%를 공급하고, 4중관 버너인 경우에는 약 50~100% 정도의 1차 산화제를 공급한다. 4중관 버너인 경우에는 1차 산화제가 공급되는 환형 영역을 감싸고 있는 외곽에 위치하는 두 번째 환형 영역에 역시 동심원상에 가공된 다수개의 공급공(25)을 통하여 전체 산화제의 약 0~50% 정도의 2차 산화제를 공급한다.
한편 중앙으로 분사된 미분탄이 가스화기(10)의 내벽 방향으로 치우치지 않고 대부분의 미분탄이 중앙 방향으로 진행하면서 가스화 반응에 필요한 체류시간을 충족할 수 있도록 가스화기 반응영역의 종횡비(L/D, L과 D는 가스화기의 반응영역 길이와 직경을 각각 나타냄)가 약 5~10 정도가 되도록 한다.
하나 또는 다수개의 버너를 감싸고 있는 가스화기 상부 영역을 내화재로 시공하여 안정성을 도모한다. 선행 기술의 경우에는 이 넓은 영역에 2차 산화제를 공급하므로 정상 운전 시에는 문제가 없으나 내부의 유동 또는 반응 특성에 변동이 발생할 경우에는 합성가스와 산화제가 만나서 격렬한 반응을 일으켜 사고를 발생시킬 가능성을 내포하고 있는 반면에 본 발명은 이 영역에 내화재를 시공함으로써 안정성을 확보할 수 있다.
가스화기의 내벽으로 향하는 미분탄 입자의 양이 적은 특성으로 인하여 가스화기의 내벽의 손상 정도는 상당히 완화되거나 없어지게 되므로 가스화기의 내벽은 두터운 내화재 시공, 수관벽 사용 또는 얇은 내화재를 시공한 수관벽 사용 등으로 자유롭게 구성한다. 종래 기술의 경우에는 대부분의 미분탄입자가 가스화기 내벽을 향하여 진행하여 내벽에 부딪히게 되므로 내화재의 수명이 짧아지거나, 침식과 부식에 강한 고급 재질의 수관벽을 사용하여 가스화기의 가격이 높아지게 된다.
도 5는 도 2 또는 도 3의 3중관 또는 4중관 버너의 배치 및 내화재 설치의 수평 단면을 나타내고 있고, 도 6은 도 2 또는 도 3의 3중관 또는 4중관 버너의 배치 및 내화재 설치의 수직 단면을 나타내고 있다.
회재를 용융시키지 않는 비용융형 또는 일부의 회재를 용융시키는 부분 용용형 가스화기의 구현을 위해서 하나 또는 다수개의 버너(20)를 가능한 가스화기의 중앙 영역에 설치하되, 미분탄 처리 용량에 따라 미분탄 버너(20)를 한개 이상을 설치하는데, 미분탄 처리 용량이 소량인 경우에는 도 5의 좌측에 도시된 바와 같이 하나의 버너(20)를 설치하는 것이 바람직하며, 미분탄 처리 용량이 대량인 경우에는 도 5의 우측에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 버너(30)가 설치되는 것이 바람직하다.
그리고 각 버너(20)가 장시간 운전되는 가스화기에 설치되어 안전한 상태를 유지하기 위해서 각 버너(20) 주변에는 내화재(40)를 시공한다.
상기와 같이 미분탄을 공급하고, 또한 1차 산화제와 2차 산화제의 유량 비율과 각도를 적절하게 제어하여 산화제를 공급함으로써 가스화기 내부에서 미분탄과 산화제가 혼합되어 반응을 일으키게 되면 대부분의 회재는 비용융 상태로 합성가스와 함께 가스화기 외부로 배출된다.
외부로 배출된 회재는 본 발명의 실시예에서는 구체적으로 도시하여 나타내지 않았지만, 가스화기의 외부로서 합성가스 흐름의 하류에 설치된 집진기에서 포집된다. 이때 회재에는 아직 반응을 완료하지 못한 일부의 고정탄소가 남아 있을 수 있으며, 즉 아직 에너지를 함유한 상태이므로, 이러한 경우에는 미전환탄소를 포함한 회재는 적절한 방법에 의하여 다양하게 활용될 수 있다.
미전환탄소를 포함한 회재를 활용하는 하나의 방안으로서 수송용 기체에 의하여 공급되는 미분탄에 함께 섞어서 가스화기 내부로 재공급하는 방식을 채택하여 보다 높은 탄소전환율을 확보할 수 있다.
플랜트 내부 또는 주면에 미분탄 연소 시스템이 존재하는 경우에는 회재가 건조된 입자 상태이므로 미분탄과 함께 섞어서 보조 연료로 활용될 수 있다. 석탄 산지 주변 같은 곳에 플랜트가 설치되어 원료의 가격이 아주 싼 경우에는 앞의 두가지 방법과 같이 추가적인 비용이 소요되는 시스템을 구성하지 않고 단순히 저급 연료 혼합제로 사용할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 가스화기 내부에서의 합성가스, 비용융 회재 및 용융 회재의 흐름을 나타내고 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 대부분의 회재는 비용융 상태로 합성가스와 함께 가스화기(10) 외부로 배출되는 반면, 일부의 회재는 국부적으로 온도가 높은 영역에서 용융상태로 되고 합성가스의 난류 유동에 의하여 용융된 회재끼리 서로 엉겨 붙어서 입자의 크기가 커질 수 있다.
이렇게 입자의 크기가 커진 일부의 용융 회재는 가스화기(10) 하부에 설치된 도 7에 나타낸 슬랙 냉각 및 저장용기 또는 도 8에 나타낸 회재 저장 용기에 포집되며, 가스화기 운전 중에 주기적으로 외부로 배출된다. 이와 같이 합성가스를 생산하는 가스화기 내부에서 대부분의 회재가 비용융 상태로 합성가스와 함께 외부로 배출되고, 일부의 회재가 고체화된 슬랙 또는 회재 상태로 가스화기 하부의 저장 용기에 포집된다.
이와 같은 발명을 적용함으로써 가스화기 내부에서 대부분의 회재를 비용융 상태로 또는 일부 회재를 용융 상태로 처리하면서 상업용 가스화기를 운전할 경우에 가스화기를 안정적으로 운전할 수 있다. 특히 대부분의 회재를 비용융 상태로 처리함에 따라 가스화기의 내벽을 매우 안정적으로 보호할 수 있게 된다.
또한, 일반적인 용융형 분류층 가스화기에 비하여 운전온도가 약간 낮은 특성으로 탄소전환율이 부족한 경우가 발생할 수 있으며, 플랜트의 탄소전환율이 높아야 하는 경우에는 상기에서 언급한 바와 같이 비용융 상태로 가스화기를 빠져 나온 약간의 탄소를 포함한 회재를 재순환시킴으로써 상업용으로 적용하기에 충분한 탄소전환율을 확보할 수 있다.
그 결과, 상업용 가스화기에서 내화재를 보수하는 기간이 많이 걸려서 플랜트의 가동률을 저하시키는 문제점을 해소하여 플랜트의 년간 가동시간을 대폭 증가시킴으로써, 즉 플랜트의 가동률을 대폭 증가시킴으로써 경제적인 이득을 확보할 수 있다.
동시에 종래의 분류층 가스화 기술보다 낮은 온도에서 운전하게 되어 종래의 분류층 가스화기에 비하여 저가의 재질을 선택할 수 있으므로 가스화기의 가격을 낮출 수 있다.
도 9는 본 발명의 가스화기 내부 입자의 흐름 궤적(particle tracks)의 전산해석 결과를 나타내고 있다.
이는 상기와 같이 본 발명에 의한 기술에 의하여 내화재가 안정적으로 보호될 수 있는지를 확인하기 위하여 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics) 방법을 적용한 것으로, 하나의 버너를 설치하는 경우에 대하여 전산해석을 수행하였다.
도 9의 상부에 나타난 입자의 궤적은 미분탄 입자의 시간 평균 궤적으로서 대부분의 입자가 가스화기 외벽에 치우치지 않고 가스화기 외부로 빠져 나가는 것을 확인할 수 있다.
그러나 실제 자연현상에서는 합성가스의 난류 요동으로 인하여 입자가 약간 퍼지는 경향을 지니게 된다. 이러한 경향을 고려한 전산해석 결과를 도 9의 하부에 나타내었는데, 일부 입자가 상부로 재순환하거나 가스화기 내벽에 부딪히지만 대부분의 입자는 가스화기 내벽에 부딪히지 않고 가스화기 외부로 빠져 나감을 확인할 수 있다.
이러한 전산해석 결과는 본 고안에 의한 기술을 적용함으로써 회재를 비용융 또는 부분 용융으로 처리하여 안정적으로 가스화기를 운전할 수 있음을 보여주고 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기는 반응속도가 빠른 분류층 형태를 가지면서 필요시 미연분이 함유된 회재를 재순환시켜서 높은 탄소전환율을 얻을 수 있는 장치이다. 발생하는 회재 특성에 따라 재순환 대신에 재활용 원료로 사용할 수도 있다. 가스화기가 1,500oC 이상의 고온에 노출이 되지 않아 재료 내구성 향상과 제작비용 절감이 가능하다.
또한, 본 발명은 분류층 가스화 기술을 적용하면서 미분탄과 산화제의 혼합을 적절하게 제어하는 동시에 미분탄 입자의 경로도 적절하게 제어하는 기술로서, 가스화기의 운전온도가 일반적인 용융형 분류층 가스화기보다는 약간 낮고 유동층 가스화기의 운전온도보다는 높은 정도의 온도인 바람직한 온도범위로서는 1,250~1,450℃ 온도범위에서, 그리고 석탄의 특성에 따라서는 1,150~1,500℃ 구간에서 운전을 수행함으로써, 이 운전 수행온도의 구간내에서 사용하는 석탄의 종류에 따라 다른 회재의 용융온도보다 약간 낮은 온도로 운전하여 회재가 비용융상태가 되도록 유도하는 비 용융형 또는 부분 용융형 분류층 가스화기를 구현할 수 있다.
종래의 기술에서 이러한 운전온도를 채택하지 못한 이유는 회재가 벽면에 융착(파울링, fouling)되는 현상이 발생하고 일부의 회재는 용융 상태의 슬랙이 되어 벽면을 따라 흐르는 슬래깅 현상을 보이다가 온도가 약간 낮은 영역에서 굳어버리는 고화현상이 발생하여 운전 장애를 일으키기 때문이다.
본 발명에서는 회재가 벽면에 붙지 않도록 반응기의 중앙 영역에서 대부분의 반응이 일어날 수 있도록 하는 가스화기와 버너의 구조를 제공하는 것으로, 이를 위하여 가스화기 반응영역의 적절한 종횡비(L/D, L과 D는 가스화기 반응영역의 길이와 직경)를 제안하고, 버너가 단순한 구조로 이루어지며, 가스화기 상부의 중앙에 치우쳐 설치될 수 있다.
본 발명에서 제안하는 가스화기와 버너를 채택한 경우, 반응을 종료한 입자를 재순환하지 않은 상태인 1회의 반응으로 80%~95% 정도 또는 95% 이상의 탄소전환율을 확보할 수 있고, 이와 같은 정도의 탄소전환율을 이룬 후에 배출되는 경우에는 원료 석탄의 종류에 따라 회재에 약 20%~60% 정도의 미전환 탄소를 포함하는 회재는 필요에 따라 가스화기 내로 재순환되어 99% 이상의 탄소전환율을 확보할 수 있으며, 미전환탄소를 포함한 회재는 건조된 입자 상태이므로, 플랜트 내부에 또는 플랜트 주변에 미분탄 연소 시스템이 있는 경우에는 건조된 입자와 연소 시스템의 원료인 미분탄과 혼합하여 완전히 연소시켜 에너지 효율을 향상시키는 방법을 선택할 수 있고, 경우에 따라서는 저급 연료 생산을 위한 혼합제로 사용될 수도 있다.
비용융 가스화 장치의 구현을 위한 적절한 운전온도를 석탄에 포함된 회재의 용융온도보다 약간 낮게 선정하는 것이 바람직하다.
본 기술에서는 다음과 같은 차이점을 지니도록 가스화기를 구성하여 미분탄과 산화제를 적절하게 혼합시킴과 동시에 미분탄 입자의 경로를 가스화기의 중앙으로 향하게 하여 모든 회재가 비용융 상태 또는 일부의 회재만 용융하는 부분 용융 상태를 유지하면서 반응을 완료하도록 한다.
위와 같은 효과를 구현하기 위한 석탄가스화 장치의 핵심장치는 버너이며, 버너의 중앙에 설치된 미분탄 분사 노즐 주위에 다수개의 구멍을 설치하여 1차 산화제를 공급하고, 1차 산화제 공급 구멍 외곽에 추가의 다수개의 구멍을 설치하여 2차 산화제를 공급하여, 1차 산화제의 양과 2차 산화제의 양의 비율을 조절하여 미분탄과 산화제의 혼합 정도와 미분탄 입자의 경로를 조절할 수 있는 버너를 포함한 석탄가스화 장치의 발명을 완성하였다. 이러한 발명은 가스화 반응기 내부에서 회재가 가스화기 벽면과 접촉을 최소화하면서도 유기물질의 전환을 충분히 달성하는 구조이다. 특히 회재를 비용융 또는 부분 용융으로 처리하는 가스화기에 적절한 발명이다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기의 하나의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않는 것이므로, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10 : 가스화기 20 : 버너
22 : 원료공급라인 23 : 1차 산화제 공급공
24 : 1차 산화제 영역 25 : 2차 산화제 공급공
26 : 2차 산화제 영역 28 : 냉각수 영역
30 : 급냉용기 32 : 합성가스 배출관
40 : 내화재

Claims (7)

  1. 원료인 미분탄과 산화제가 상부에 설치된 하나 이상의 버너를 통해 공급되는 원통형 가스화기로서,
    상기 각각의 버너는 3중관으로 이루어지되,
    상기 미분탄이 수송용 기체에 의해 가스화기로 분사되는 가장 중앙 영역의 원료공급라인과,
    상기 원료공급라인을 통해 분사되는 상기 미분탄 분사 영역과 수직 내지는 소정 각도를 이루도록 1차 산화제를 분사하여 상기 미분탄이 중앙 영역을 향하도록 복수의 1차 산화제 공급공이 형성된 상기 원료공급라인 둘레의 환형 영역인 1차 산화제 영역과,
    냉각수가 유입되어 유출되도록 상기 1차 산화제를 분사하는 가장 바깥의 환형 영역에 설치되는 냉각수 영역을 포함하되,
    바람직한 온도범위로서는 1,250~1,450℃ 온도범위에서, 그리고 석탄의 특성에 따라서는 1,150~1,500℃ 온도범위에서 운전되는
    비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 버너가 4중관인 경우,
    상기 원료공급라인을 통해 분사되는 상기 미분탄 분사 영역과 수직 내지는 소정 각도를 이루도록 2차 산화제를 분사하여 상기 미분탄이 중앙 영역을 향하도록 복수의 2차 산화제 공급공이 형성된 상기 1차 산화제 영역 둘레의 환형 영역인 2차 산화제 영역을 더 포함하는
    비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 소정 각도는 -20°~ +20°정도로 분사하여 상기 미분탄과 산화제의 혼합 정도를 제어하는
    비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 미분탄의 반응성의 정도와 입자의 진행 방향을 고려하여, 상기 1차 산화제의 양은 전체 분사 산화제의 50~100%가 되도록 공급하고, 상기 2차 산화제의 양은 전체 분사 산화제의 0~50%가 되도록 공급하는
    비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가스화기 반응영역의 종횡비(L/D)는 5~10이고, 여기서 L과 D는 가스화기의 반응영역의 길이와 직경인
    비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 미분탄이 반응성이 나쁜 고등급탄이면, 상기 산화제 분사 각도는 0°~ +20°로 하여 대부분의 산화제를 상기 1차 산화제로 공급하고, 상기 미분탄이 반응성이 좋은 저등급탄이면, 상기 산화제 분사 각도는 -20ㅀ ~ 0ㅀ로 하고 산화제를 1차 산화제와 2차 산화제로 분리하고 그 비율을 조절하여 1차 산화제만 공급하는 경우에 비해 반응이 상대적으로 서서히 진행되도록 공급하는
    비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 2차 산화제 공급공의 개수는 상기 1차 산화제 공급공의 개수보다 2배 내지 3배 많되, 상기 2차 산화제 공급공의 직경은 상기 1차 산화제 공급공 직경의 1/3 내지 1/2인
    비 용융 및 부분 용융형 분류층 가스화기.
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