KR20160033303A - 석탄을 이용한 전기와 기름 생산 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기와 기름을 생산하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 압축공기를 이용한 석탄가스화와 잔류된 액화 가스를 발전에 이용하는 것을 통해 전기 및 기름을 일정하게 생산하여 공급할 수 있고, 소모동력을 최소화 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 소모되는 액화가스를 활용하여 전기 및 기름을 생산하여 에너지 생산을 증가시킬 수 있다.

Description

석탄을 이용한 전기와 기름 생산 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD PRODUCING ELECTRICITY AND OIL USING COAL}

본 발명은 에너지를 생산하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 석탄을 이용하여 전기와 기름을 생산하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

최근 원유의 값이 폭발적으로 상승하면서 원유를 대체할 수 있는 에너지원을 확보하고자 하는 노력이 증대되고 있다. 최근에는 석탄 자체를 연소시키는 방식에서 탈피하여 석탄으로서 액화가스를 제조하여 사용하거나 석탄가스화복합발전을 통해 환경문제도 함께 풀 수 있는 방안들이 시도되고 있다.

일반적으로 익히 알려져 있는 발전시스템은 물의 낙차 및 조수간만의 차를 이용한 수력발전, 풍향을 이용한 풍력발전 및 원자력발전이 있다.

그러나, 상기와 같은 발전 장치는 설치비용에 비해 생산되는 에너지의 양이 운영비용에 미치지 못하여, 낙후지역, 오지, 섬, 사막 등에서는 그 설치 및 운영이 어렵다

이에 전력공급이 원활하지 못한 낙후지역의 경우 태양광을 이용하여 전력을 공급하는 방법이 있으며, 이는 독립형과 계통연계형으로 나뉜다. 독립형은 자가발전 즉 전력공급시스템에 의하여 생산된 전기를 전선망에 연결하지 않고 생산된 장소에서 사용하는 형태를 가리키고, 계통연계형은 전산망을 통하여 전기를 받아들이거나 전기를 보낼 수 있는 형태를 가리킨다. 다만 태양광의 일사량이 일정하지 않아서 일정한 전력을 공급할 수 없다는 문제가 있다.

따라서, 오지 탄광이 있는 지역과 같이 석탄의 조달이 용이한 지역에 대하여는 석탄을 이용하여 일정하게 전력 공급이 가능한 전기를 생산하는 방법 및 장치가 필요하다.

이 때 석탄에 수분 또는 회분이 많이 포함되어 있는 경우 휘발분과 고정탄소량이 감소하여 발열량이 감소되어 전기 생산의 효율성이 감소하는 문제점이 있다.

또한 산업 전반에 걸쳐서 사용되는 석유 자원이 고갈됨에 따라 추가적인 석유자원을 확보하기 위한 천연가스나 석탄등의 화석 연료를 이용한 합성석유의 생산방법이 광범위하게 연구되고 있다.

이는 석탄을 이용하여 가스화 한 후, 탄화수소로 만들어 액화를 통해 휘발유와 경유 등을 얻고 부산물로 액화가스와 파라핀 등을 얻을 수 있다. 이에 따라 탄광지역에서 석유를 해외에서 수입할 필요 없이 자가 생산을 가능하게 만들 수 있다.

기존의 기술에서 석탄가스화 장치가 산소공급시스템으로부터 산소를 공급받아 가동하였는데 이는 공기 중에서 산소를 분리해 내기 위해서 일반적으로 극 저온형 공기분리기가 사용된다. 이를 사용할 경우 추가적인 소모 동력이 요구되는 단점이 있다.

또한, 석탄을 액화할 때 발생하는 부산물인 액화가스를 에너지로 활용하지 못하는 경우 이를 소모시키는 문제가 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1315676호(2013.10.01.) 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0038672호(2014.03.31.)

따라서 본 발명의 목적은 전력이 공급되지 않는 오지 탄광 등에 석탄을 이용하여 전기 및 기름을 일정하게 생산하여 공급하며, 석탄가스화 단계에서 소모동력을 최소한으로 하여 생산의 효율성을 증대시키고, 액화가스를 활용하여 전기와 기름을 생산하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기와 기름을 생산하는 방법은 석탄에서 회분을 제거하는 회분 제거 단계; 회분이 제거된 석탄을 고온에서 압축공기를 이용하여 가스상태로 전환하는 가스화 단계; 가스화 된 석탄을 합성반응기를 이용하여 액체상태인 기름을 생산하는 액화 단계; 및 액화 단계에서 잔류된 액화가스를 발전에 사용하는 발전 단계; 를 포함한다

본 발명에 따른 전기와 기름을 동시에 생산하는 방법은 석탄에서 수분을 제거하는 수분 제거 단계; 수분이 제거된 석탄을 고온에서 압축공기를 이용하여 가스상태로 전환하는 가스화 단계; 가스화 된 석탄을 합성반응기를 이용하여 액체상태인 기름을 생산하는 액화 단계; 및 액화 단계에서 잔류된 액화 가스를 발전에 사용하는 발전 단계; 를 포함한다

본 발명에 따른 전기와 기름을 동시에 생산하는 방법은 가스화 단계에서 석탄의 처리 조건이 700℃ 내지 1,500℃, 0 내지 30기압의 압력, 산소를 포함하는 압축공기의 주입을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 전기와 기름을 동시에 생산하는 방법은 발전단계에서 상기 액화 가스를 가스엔진 또는 폐열 보일러의 원료로 공급하여 전기를 생산하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 전기와 기름을 동시에 생산하는 장치는 석탄에서 회분을 제거하는 회분제거기; 회분제거기에서 공급받은 회분이 제거된 석탄을 고온에서 압축공기를 이용하여 가스상태로 전환하는 가스전환기; 가스전환기에 연결되어 상기 압축공기를 주입하는 공기압축기; 가스전환기에서 공급받은 가스를 이용하여 액화시켜 기름을 생산하는 합성반응기; 합성반응기에서 잔류된 액화가스를 수집하고 상기 액화가스를 원료로 전기를 발생시키는 전기 발생 장치; 를 포함한다.

본 발명에 따른 전기와 기름을 동시에 생산하는 장치는 석탄에서 수분을 제거하는 수분제거기; 수분제거기에서 공급받은 수분이 제거된 석탄을 고온에서 압축공기를 이용하여 가스상태로 전환하는 가스전환기; 가스전환기에 연결되어 상기 압축공기를 주입하는 공기압축기; 가스전환기에서 공급받은 가스를 이용하여 액화시켜 기름을 생산하는 합성반응기; 합성반응기에서 잔류된 액화가스를 수집하고 상기 액화가스를 원료로 전기를 발생시키는 전기 발생 장치; 를 포함한다.

본 발명에 따른 전기와 기름을 동시에 생산하는 장치는 전기 발생 장치가 가스엔진 또는 폐열 보일러인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 석탄을 액화 하여 기름을 생산하고, 잔류된 액화가스를 가스엔진 또는 폐열 보일러를 통해 전기를 생산하기 때문에 에너지를 일정하게 생산하여 공급할 수 있으며 에너지 활용도를 높일 수 있고, 석탄가스화 단계에서 압축공기를 이용하기 때문에 소모동력을 최소한으로 하여 에너지 생산의 효율성을 증대시킨다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 회분을 제거한 석탄을 이용하여 전기와 기름을 동시에 생산하는 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수분을 제거한 석탄을 이용하여 전기와 기름을 동시에 생산하는 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 회분을 제거한 석탄을 이용하여 전기와 기름을 동시에 생산하는 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수분을 제거한 석탄을 이용하여 전기와 기름을 동시에 생산하는 방법의 흐름도이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

본 발명에 따른 전기와 기름을 동시에 생산하는 방법에 대하여 설명하기로 한다. 도 1은 회분을 제거한 석탄을 이용하여 전기와 기름을 동시에 생산하는 방법의 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전기와 기름을 동시에 생산하는 방법은 석탄에서 회분을 제거하는 회분제거 단계(S10), 회분이 제거된 석탄을 고온에서 압축공기를 이용하여 가스상태로 전환하는 가스화 단계(S20), 가스화 된 석탄을 합성반응기를 이용하여 액체상태인 기름을 생산하는 액화 단계(S30), 및 액화 단계에서 잔류된 액화가스를 원료로 전기를 발생시키는 전기 발생 단계(S40)를 포함한다.

석탄은 이탄, 토탄, 갈탄, 역청탄 및 무연탄을 말하며 이에 한하지 않는다.

기름은 탄화수소를 주성분으로 하고 가솔린, 등유, 경유, 중유, 제트유 등을 말하며 이에 한하지 않는다.

회분은 항습 시료를 공기 중에 유통시키면서 서서히 가열하고 800±10℃로 연소시켜 재로 변했을 때, 잔류하는 무기물의 양과 항습 시료 양과의 중량비를 %로 나타는 것으로 점토나 이산화규소 등 이른바 실리카 광물이 대부분을 차지하며 휘발분이란 타르 등의 성분을 말한다. 회분은 석탄에 있어서 유해 성분이며 적은 쪽이 좋다. 따라서 석탄에서 회분제거단계(S10)를 통해 발열량을 증가시켜 전기와 기름의 생산의 효율성을 높일 수 있다.

가스화는 고온의 조건에서 압축공기를 이용해 석탄을 주입하여 반응시켜서 기체 연료를 생성물로 얻는 공정이다. 가스화 단계(S20)에서 석탄의 처리 조건은 700℃ 내지 1,500℃이며, 0 내지 30기압의 압력 및 산소를 포함하는 압축공기를 이용할 수 있다. 이러한 가스화 단계(S20)는 석탄을 가스화 한 후 액화시키는 간접액화의 일 과정이다. 이는 저급연료를 발전에 사용할 수 있도록 하여 고효율, 친환경적 전기 생산을 할 수 있다.

가스화단계(S20)는 압축공기를 이용한다. 이는 산소를 공급받아 가동한 기존의 기술과 달리 산소를 분리해 내기 위한 공기분리기가 사용하지 않으므로 추가적인 소모 동력을 절약할 수 있다.

액화단계(S30)는 석탄을 액화시키는 공정으로서 고온·고압 상태의 석탄에 용매를 첨가하여 전환시키는 직접액화기술과, 석탄가스화에서 생산된 합성가스를 촉매 상에서 액체연료로 전환시키는 간접액화기술 중 간접액화기술이다.

간접액화기술을 이용한 발전기술은 기존 석탄 화력발전소 대비 발전효율이 높고, 고청정 친환경성일 뿐만 아니라 석탄 외에 중질잔사유, 바이오매스, 폐기물 등 다양한 연료 사용이 가능하다. 자원이 부족한 환경에서 에너지의 안정적인 수급의 효과가 있다.

액화단계(S30)는 합성반응기를 이용한다. 합성반응기는 sasol공정, SMDS공정, MTG공정, LPMEOHTM공정 중 어느 하나를 수행할 수 있는 것을 말하며, 이에 한하지 않는다.

간접액화는 직접액화와 달리 석탄을 통하여 가스화 및 기름을 동시에 생산할 수 있으며 기름은 합성석유로서 활용이 가능하고, 가스는 전기 생산에 활용할 수 있어 에너지 자원이 적은 환경인 탄광 오지에서 그 활용도가 높은 효과가 있다.

그리고 전기 발생 단계(S40)는 석탄을 간접액화 한 후 잔류된 액화 가스를 원료로 전기를 발생하는 것으로서, 수소와 일산화탄소를 주성분으로 한 합성가스로 전환한 뒤 합성가스 중에 포함된 분진과 황산화물 등 유해물질을 제거하고 천연가스와 유사한 수준으로 정제하여 전기를 생산할 수 있다. 석탄화력발전에 비해 높은 발전효율을 가지며, 직접 연소 발전에 비해서는 황산화물 90%이상, 질소산화물 75%이상, 이산화탄소 25%까지 저감할 수 있는 환경친화적 효과가 있다.

전기발생 단계(S40)는 가스엔진을 이용하여 전기를 발생시킬 수 있으며, 가스엔진은 액화석유가스, 석탄가스, 목탄가스, 천연가스, 발생로가스 등을 가스연료로 사용하는 내연기관이다. 이는 가솔린 연료보다 연소가 완전연소에 가까우므로 열효율이 높고, 배기가스의 공해도가 적은 효과가 있다.

전기발생 단계(S40)는 폐열 보일러를 이용하여 전기를 발생 시킬 수 있으며 이는 가스 엔진에서 나오는 배기가스의 여열을 이용한 열회수 장치로서 회수된 열로 스팀을 발생해 스팀터빈발전기를 가동하여 전기를 생산할 수 있다. 이는 폐열로 발생되는 에너지를 활용하여 전기를 발생시키는 것으로 에너지 생산 효율성이 높은 효과가 있다.

본 발명에 따른 수분을 제거한 석탄을 이용하여 전기와 기름을 동시에 생산하는 방법에 대하여 설명하고자 한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수분을 제거한 석탄을 이용하여 전기와 기름을 동시에 생산하는 방법의 흐름도이다.

수분은 수분 자체가 열량을 내지 못하고 오히려 연소로 내에서 석탄의 연소열에 의해 증발과정을 거치면서 고온의 증기로 변한 후 배기가스와 함게 대기로 배출되기 때문에 다량의 증발잠열을 포함한 배기가스 손실을 야기한다. 따라서 수분제거단계(S50)에서 수분을 제거하여 발열량이 증가하고 고정탄소가 상대적으로 많이 잔류하게 됨으로서 연료로서 성능을 향상시키는 효과가 있다.

본 발명에 따른 전기와 기름을 동시에 생산하는 장치에 대하여 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 회분을 제거한 석탄을 이용하여 전기와 기름을 동시에 생산하는 방법의 흐름도이다.

도 3를 참조하면, 본 발명에 따른 전기와 기름을 동시에 생산하는 장치는 석탄에서 회분을 제거하는 회분제거기(60), 고온에서 압축공기를 이용하여 석탄을 가스상태로 전환하는 가스전환기(65), 가스전환기에 압축공기를 주입하는 공기압축기(70), 가스를 액화시켜 기름을 생성하는 합성반응기(75), 잔류된 액화 가스를 원료로 전기를 발생한 전기발생장치(80)를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 전기와 기름을 동시에 생산하는 장치는 제1 내지 제4 공급통로(63,73,77,83), 주입구(67), 기름을 저장하는 저장소(85)를 더 포함하여 구성된다.

회분제거기(60)를 통해서 회분이 제거된 석탄은 제1 공급통로(63)를 통해서 가스전환기(65)로 이동된다. 가스전환기(65)는 주입구(67)를 통해 연결된 공기압축기(70)를 통해 압축공기를 주입받아 회분이 제거된 석탄을 이용하여 이를 가스화한다. 가스는 제2 공급통로(73)를 통해 합성반응기(75)로 이동된다. 합성반응기(75)는 가스를 액화한 후 잔류된 액화 가스를 수집하여 제3 공급통로(77)통해 전기발생장치(80)에 공급한다. 가스가 액화되어 생산된 기름은 제4 공급통로(83)를 통해 저장소로 공급한다.

본 발명에 따른 수분을 제거한 석탄을 이용하여 전기와 기름을 동시에 생산하는 방법에 대하여 설명하기로 한다. 도 4를 참조하면 석탄에서 수분을 제거하는 수분제거기(90), 고온에서 압축공기를 이용하여 석탄을 가스상태로 전환하는 가스전환기(65), 가스전환기에 압축공기를 주입하는 공기압축기(70), 가스를 액화시켜 기름을 생성하는 합성반응기(75), 잔류된 액화 가스를 원료로 전기를 발생한 전기발생장치(80)를 포함하여 구성된다.

60. . .수분/회분제거기 63. . .제1 공급통로
65. . .가스전환기 67. . .주입구
70. . .공기압축기 73. . .제2 공급통로
75. . .합성반응기 77. . .제3 공급통로
80. . .전기발생장치 83. . .제4 공급통로
85. . .저장소

Claims (7)

1. 석탄에서 회분을 제거하는 회분 제거 단계;
   상기 회분이 제거된 석탄을 고온에서 압축공기를 이용하여 가스상태로 전환하는 가스화 단계;
   상기 가스화 된 석탄을 합성반응기를 이용하여 액체상태인 기름을 생산하는 액화 단계; 및
   상기 액화 단계에서 잔류된 액화가스를 원료로 전기를 발생시키는 전기 발생 단계;
   를 포함하는 전기와 기름을 생산하는 방법.
2. 석탄에서 수분을 제거하는 수분 제거 단계;
   상기 수분이 제거된 석탄을 고온에서 압축공기를 이용하여 가스상태로 전환하는 가스화 단계;
   상기 가스화 된 석탄을 합성반응기를 이용하여 액체상태인 기름을 생산하는 액화 단계; 및
   상기 액화 단계에서 잔류된 액화가스를 원료로 전기를 발생시키는 전기 발생 단계;
   를 포함하는 전기와 기름을 생산하는 방법.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   상기 가스화 단계에서
   상기 석탄의 처리 조건은 700℃내지 1,500℃, 0 내지 30 기압의 압력, 산소를 포함하는 압축공기의 주입을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기와 기름을 생산하는 방법.
4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   상기 발전단계에서
   상기 액화 가스를 가스엔진 또는 폐열 보일러의 원료로 공급하여 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 전기와 기름을 생산하는 방법.
5. 석탄에서 회분을 제거하는 회분제거기;
   상기 회분제거기에서 공급받은 회분이 제거된 석탄을 고온에서 압축공기를 이용하여 가스상태로 전환하는 가스전환기;
   상기 가스전환기에 연결되어 상기 압축공기를 주입하는 공기압축기;
   상기 가스전환기에서 공급받은 가스를 이용하여 액화시켜 기름을 생산하는 합성반응기;
   상기 합성반응기에서 잔류된 액화가스를 수집하고 상기 액화가스를 원료로 전기를 발생시키는 전기 발생 장치;
   를 포함하는 전기와 기름을 생산하는 장치.
6. 석탄에서 수분을 제거하는 수분제거기;
   상기 수분제거기에서 공급받은 수분이 제거된 석탄을 고온에서 압축공기를 이용하여 가스상태로 전환하는 가스전환기;
   상기 가스전환기에 연결되어 상기 압축공기를 주입하는 공기압축기;
   상기 가스전환기에서 공급받은 가스를 이용하여 액화시켜 기름을 생산하는 합성반응기;
   상기 합성반응기에서 잔류된 액화가스를 수집하고 상기 액화가스를 원료로 전기를 발생시키는 전기 발생 장치;
   를 포함하는 전기와 기름을 생산하는 장치.
7. 청구항 5 또는 6에 있어서,
   상기 전기 발생 장치는 가스엔진 또는 폐열 보일러인 것을 특징으로 하는 전기와 기름을 생산하는 장치.

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