KR20160107179A - 탄소 분자 가스화 연소 보일러를 위한 발전 방법 - Google Patents

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Abstract

탄소 분자 가스화 연소를 위한 발전 방법에 있어서, 상기 방법은 깨끗한 석탄 가스를 발생시키기 탈황제로 석탄을 처리하고 우선 분자 가스화 장치내에서 탈황 및 가스화 과정을 수행하는 단계, 보일러의 노내부에서 연소를 위해 고온 석탄 가스 및 낮은 과잉 공기를 혼합는 단계, 석탄 품질 및 수요에 따라 코우크스 정제 및 먼지 제거과정을 수행하는 단계, 보일러의 가열된 표면에 의해 열전달이 수행된 후에 기준에 따라 고온의 연도가스를 굴뚝으로부터 방출시키는 단계, 상기 보일러에 의해 발생된 증기가 증기 터빈으로부터 전력을 발생시키는 단계를 포함한다. 상기 가스화 방법은 원하는 냉각 석탄 가스를 발생시키기 위해 가스 엔진 및 가스 터빈에 대해 적용될 수 있고 또한 화학적 공급 가스를 발생시킬 수 있다. 상기 방법은 폭넓은 응용성 및 단순한 공정을 가지며 안전하게 수행되고 환경 친화적이고 에너지를 절감시킨다.

Description

탄소 분자 가스화 연소 보일러를 위한 발전 방법{POWER GENERATING METHOD OF CARBON-MOLECULE GASIFICATION COMBUSTION BOILER}
본 발명은 두 개의 중국 특허 출원 즉, 발전소의 보일러에 기초하여 석탄의 탄소 분자 가스화 연소(carbon molecular gasification combustion)를 위한 방법이라는 제목을 가진 출원 제20130653009.8호 및 탄소 분자 가스화 연소 보일러(노)의 발전 방법이라는 제목을 가진 출원 제20140400491.9호를 우선권으로 청구한다.
본 발명은, 청정한 석탄 연소 발전 방법 특히, 석탄의 분자 수준에서 설계된 가스화 연소 보일러의 발전 방법에 관한 것이다.
최근에, 기후변화, 환경오염 및 자원 부족은 세계적인 문제가 되었다. 에너지 절감 및 방출의 감소 및 기후 변화에 대한 적응은 이미 기술적으로 세계 정치의 뜨거운 주제 및 초점이 되었다.
중국은, 상대적으로 많은 석탄, 상대적으로 적은 가솔린 및 천연가스의 부족 때문에 주로 석탄에 의존하여 에너지를 생산하고 소비하는 국가이다. 석탄 소비는 세계 석탄 소비량의 절반이고, 이중 80%를 초과하여, 전통적인 연소 형태( 게이트(gate) 적층 유동, 유동화 베드(bed) 연소, 동력 공급식(powdered) 석탄 연소, 조개탄(briquette) 및 석탄 수 슬러리)가 아직도 이용된다. 환경 과학자들에 의하면, 직접 연소형태는 또한 현재 중국내에서 먼지 및 안개를 발생시키는 주요 오염원이다.
그러나, 국제 에너지 사무국에 의하면 2021 내지 2050년도에 고효율 및 저배출을 가진 석탄 연소 발전 방법이 재순환 유동화 베드 보일러 및 동력 공급식 석탄 보일러의 직접 연소 기술을 채택할 것이기 때문에, 상기 직접 석탄 연소 형태는 세계적으로 이용될 것이다. 또한, 중국은 상기 재순환 유동화 베드 보일러 및 동력 공급식 석탄 보일러를 미래의 중요한 기술로 보고 있다. 상기 보일러들은 기본 원리적으로 실현되지 못한다.
석탄의 고상 물질이 열분해 (thermo decomposition) 가스 상 물질과 결합하는 상기 직접 연소 기술은, 가스 상 물질 또는 고상 물질에 관한 자연법칙을 위배한다. 완전한 직접 연소는 과잉 공기(α≥ 1.2)를 요구하여 연소 과정동안 산소와 관련된 다수의 독성 및 해로운 오염물질(SOx, Nox 등)이 발생되고 이들을 다시 제어한다. 이렇게 하면 공정이 복잡해지고 비용이 상승하며 심지어 "공해 제어 및 공해 발생" 상태가 야기되며, 배출은 불안정하고 공해관리는 기준에 도달하지 못하게 된다.
현재 국제적으로 개발되고 있는 석탄 기초 IGCC 기술은 높은 발전효율을 가지지만 상대적으로 장점은 적다. 반면에 상기 기술의 홍보 및 실현은 상당히 제한된다. 이러한 제한의 필연적인 이유는 높은 비 표면(specific surface), 높은 온도 및 높은 압력을 가진 전통적인 석탄 가스화 기술을 이용하는 것과 관련된다.
상기 종래기술에 대하여, 종래의 국제적 효율 및 공통 기준이 다음과 같이 정해진다: Q이용된 석탄의 에너지/ (Q 석탄이 가진 최초의 총 에너지량)을 최대화하고, B 석탄을 이용하는 오염물의 배출량/B 석탄의 최초 오염물의 총량 을 최소화하기.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 하기 방법을 따르고 에너지 효율과 환경보호에 관한 아이디어를 제안한다.
Q이용된 석탄의 에너지/ (Q 석탄이 가진 최초의 총 에너지량 + Q 석탄을 이용하여 소비되는 총 에너지량 )의 비율을 최대화하고, B 석탄을 이용하는 오염물의 배출량 + B 제어되어 방출되는 오염물의 총량 )/B 석탄이 가지는 최초 오염물의 총량의 비율을 최소화하도록 상기 비율들이 제어된다.
그러므로, 완전한 정량적 확인 및 개발이 제공된다. 탄소 분자 가스화 연소를 위한 발전 방법이 공정 혁신에 따라 분자적 수준에서 설계된다. 상기 방법이 가지는 장점에 의하면 오염이 최초위치에서 제어되고 구성요소들의 양이 감소되고 환경 보호와 에너지 절감이 고효율로 달성될 수 있다.
이를 위한 기술적 수단에 의하면, 우선 탈황제가 첨가된 미가공 석탄이 탈황되어 깨끗하고 가열된 (고온의) 석탄가스로 가스화되도록 분자 가스화 장치로 이동하고 다음에 연소되도록 보일러속으로 분무되며, 고온의 연기 및 가스가 상기 보일러의 가열된 표면을 통과하여 열교환하고 다음에 굴뚝을 빠져나가고, 상기 보일러내에서 발생된 증기(고온수)는 가스 터빈을 구동하여 전력을 발생(열공급)시킨다.
상기 분자 가스화 장치는 완전 산화를 위한 기구를 가지고, 상기 기구는 가스를 발생시키기 위해 작은 단면을 가진 두꺼운 베드의 완전한 환원에 맞춰서 큰 인터페이스를 가진 얇은 베드를 포함한다. 상기 분자 가스화 장치는 상기 분자 가스화 장치의 상부 환원 영역에 제공되어 온도를 측정하기 위한 원형 구멍 및 상기 분자 가스화 장치의 하부 산화 영역에 제공되어 증기를 분무시키기 위한 원형 구멍을 포함한다. 작동하는 동안 측정위치에서 온도의 변화에 따라 증기가 조절되고 가스화 반응이 안정되게 수행되기 위한 공정 요건들을 시간에 맞춰 충족시킨다.
상기 분자 가스화 장치는 산소 없이 탈황제를 이용하여 상기 석탄을 탈황시켜서 칼슘(Ca) 및 황(S)의 비율을 1로 근사화시킨다. 상기 보일러의 화로내부에서 가열된 석탄 가스는 1에 근접한 작은 과잉 공기율을 채택하여 연소되고 10 퍼센트이상의 공기가 절감되고 산소화 관련된 해롭고 유해한 물질이 감소된다. 보일러는 보일러가 가지는 화로의 하측 부분에서 코우크스(먼지)를 제거하기 위한 하우징을 가져서 코우크스를 정제하거나 먼지를 제거한다. 작동하는 동안 석탄의 품질 또는 수요에 따라 코우크스의 정제가 선택될 수 있고 먼지 제거를 위한 연소기능이 언제나 수행될 수 있다.
도 1은, 본 발명을 따르는 가스화 연소 보일러의 발전 방법을 도시한 플로우 차트.
도 2는, 본 발명에 따라 개선된 분자 가스화 장치 및 제어 시스템을 도시하는 도면.
도 3은, 본 발명을 따르는 보일러의 두 개의 측부들위에 대칭구조로 제공된 전형적인 연소기의 구조를 도시한 도면.
도 4는, 본 발명을 따르는 보일러의 세 개의 측부들에 제공된 전형적인 연소기의 구조를 도시한 도면.
도 5는, 본 발명을 따르는 보일러의 한 측부에 제공된 전형적인 연소기의 구조를 도시한 도면.
도 6은, 본 발명을 따르는 초대형 보일러의 세 개의 측부들에 제공된 전형적인 연소기의 구조를 도시한 도면.
10mm 미만의 직경을 가진 동력 공급식 석탄은 칼슘 및 황(S)사이의 성분비율이 1에 접근하도록 칼슘이 추가되는 시이빙(sieving) 공정에 의해 원탄(raw coal)은 입자 석탄(A)로 구분되고 석탄 볼(coal ball)(B)로 생산되며, 다음에 상기 석탄 볼(B)은 배출 열에 의해 정량의 습도를 가진 건조 석탄 볼(C)로 구워지고(상기 석탄 준비 시스템은 석탄 분말(powder)보다 50% 더 많은 전기를 절감할 수 있다) 입자 석탄(A) 및 건조 석탄 볼(C)은 가스를 생산하기 위해 석탄 추가 기계에 의해 분자 가스화 장치(molecular gasifier)(1)속으로 운반된다. 가스화 제재들이 상기 보일러의 바닥으로부터 그레이트(grate)를 통과한다(연소가스를 발생시키기 위한 가스화 제재의 압력은 0.5kPa 미만이고 상기 압력은 최신 동력 공급식 석탄 및 유동화 베드를 이용하고 1.2kPa 이상인 연소기술의 풍압(wind pressure)과 비교하여 58% 감소된 것이다). 상기 코우크스는 상기 그레이트에 의해 상기 보일러의 바닥으로부터 방출된다. 가스를 발생시키기 위해 상기 분자 가스화 장치(1)는 큰 인터페이스를 가지고 얇은 베드의 완전한 산화반응(1-6)을 이용하고 상기 산화반응은 작은 단면적을 가지고 두꺼운 베드(bed)의 완전한 환원 반응(positive reduction reaction)(1-5)과 대응되며, 상기 분자가스화 장치는 분자적 수준에서 설계된 가스화 공정을 수행하고 상기 보일러 내부의 순차적인 반응 작용을 보장하며 따라서 고효율을 가지며 가스화를 증가시킨다 (전기소비는 동일한 석탄 품질과 생산량을 가진 유동화 베드 및 가스화를 위한 전기소비의 1% 미만이다). 분자 가스화 장치(1)의 하부 산화 섹션을 이용하여 큰 인터페이스(1-6)를 가지고 얇은 베드의 완전한 산화는 큰 표면적을 가진 얇은 베드속으로 원탄 물질를 분포시켜서, 보일러의 내부 그레이트(1-8) 및 보일러의 외부 그레이트(1-7)속으로 분무되는 가스화 제재와 접촉한 제1 인터페이스를 확대시키고, 따라서, 산화 반응 C+ O2 = CO2 + Q의 속도를 증가시키며 더욱 완전하게 만든다. 작은 단면적을 가진 두꺼운 베드의 완전한 환원 반응(1-5)이 분자 가스화 장치(1)의 상부 구조에 의해 형성되고 실현되며 CO2 + C= 2CO-Q에서 반응 물질들사이의 접촉시간을 증가시키고 고온 액체의 상승속도를 증가시키며 따라서 열 대류 효과 및 대류에 의한 물질 전달을 증가시켜서, 환원 반응시 기둥 형상을 가진 원탄 물질의 온도가 증가되는 반면에 환원 물질속의 이산화탄소가 신속하게 보상될 수 있다. 상기 요인들 때문에, 환원 반응의 속도는 증가되어 반응은 완전해 진다. 공정 요건을 충족시키고 반응시간의 밸런스를 위하여, 상기 분자 가스화 장치(1)는 분자 가스화 장치의 산화 영역에 제공된 원형 증기 분무 구멍(1-1)과 일치하는 원형의 온도 측정 위치(1-2)를 가지며 상부 환원 영역에 제공된다. 작동하는 동안 측정위치에서 측정 온도가 목표 값을 초과하고 원형의 온도차가 (석탄의 품질에 의존하는) 고정 값을 초과할 때 제어시스템은 자동으로( 수동으로) 하부 제트 덕트(jet duct)(1-1)를 작동시켜서 증기가 상기 조절 경로( 상기 영역의 조절은 시간에 맞고 정확하며 효과적이다)로 유입시킨다. 상기 분자 가스화 장치(1)는 칼슘을 추가하여 석탄을 탈황(desulfurize)시켜서 산소 없는 가스를 발생시키고 따라서 원탄의 방출 기준 및 황 함량비에 기초하여 하기 성분비가 설계될 수 있다: 칼슘(Ca)과 황(S)의 비율은 1에 접근하여 탈황 목표가 높은 효율을 가지며 달성된다. 칼슘을 포함한 코우크스는, 시멘트(cement)의 미가공 물질로서 다시 이용하기 위해 보일러의 바닥으로부터 배출될 수 있다. 고온의 석탄 가스가 외부 연소기(2)속으로 들어가고 코우크스 제거용 하우징(6) 또는 먼지 제거용 연소 챔버(6)를 통과하며, 먼지 제거 하우징(6)은 코우크스 제거 및 먼지 제거를 위한 두 가지 기능들을 가질 수 있다. 제1 기능으로서, 석탄 품질 에 따라 원하는 대로 상기 외부 연소기(2)의 공기 밸브는 스위치 꺼져서 하우징(6)은 충격 구동 하중의 효과에 의해 코우크스를 정제하고, 구해진 코우크스는 석탄 기초 활성 목탄(charcoal)을 생산하기 위한 미가공 물질이다. 제2 기능으로서, 상기 공기 밸브는 다른 기능으로 스위치 전환되어 공기를 활성화시키고 조정하며 연소 및 먼지 제거를 위해 고온 석탄 가스와 함께 작동하고 완전히 연소되도록 내부 연소기(5)속으로 들어간다. 석탄 가스는 1과 근사한 작은 과잉 공기 효율 (α)을 가지며 연소에 의해 발생된다(이렇게 할 때, 10% 이상의 공기가 절감되고 SOx, NOx와 같은 산소 관련 독성의 유해 물질이 감소된다). 고온을 가진 고온 석탄 가스가 보일러(3)의 가열 측부를 통과하여 열교환하고 굴뚝을 빠져나간다. 가스화 연소과정 동안, 시작위치에 오염에 대한 예방조치(precaution)가 제공되고 구성 요소들이 감소되어 고효율의 환경 보호 및 에너지 절감효과가 실현된다. 상기 보일러(3)에 의해 발생되는 증기(고온 수)에 의해 가스터빈이 구동되어 전력을 발생시키거나 열을 공급한다.
도 2는 개선된 분자 가스화 장치(1) 및 제어 시스템을 도시하고 도면부호 1-1은 원형의 증기 분무 구멍을 표시하고, 1-2는 원형의 온도 측정 구멍을 표시하며, 1-3은 석탄 추가 포트를 표시하고, 1-4는 석탄가스의 유출구를 표시하며, 1-5는 작은 단면적을 가지고 두꺼운 베드의 환원 반응 영역을 표시하고, 1-6은 큰 인터페이스를 가지고 얇은 베드의 산화 영역을 표시하며, 1-7은 외부 그레이트를 표시하고, 1-8은 내부 그레이트를 표시하며, 코우크스는 상기 보일러의 바닥으로부터 배출되고, 가스화 제재가 상기 그레이트속으로 분무된다. 상기 분무 가스화 장치(1) 및 가스화 방법은 깨끗한 고온 석탄가스를 발생시키고 고효율 연소 보일러 및 다양한 노를 형성할 뿐만 아니라 원하는 석탄 가스 및 미가공 화학적 가스를 발생시키기 위해 가스 내연기관 및 가스 터빈의 발전 시스템내에서 함께 이용될 수 있다. 가스화 양은 상당하고 가스화 강도는 1000 내지 2600kg/㎡이며, 대규모 공정( 매일 단일 보일러 당 수천 톤의 생산량)이 실현될 수 있다. 작동 비용은 감소되고, 전기소비는 동일한 석탄 품질과 생산량을 가진 유동화 베드 및 가스화를 위한 전기소비의 1% 미만이다.
도 3은, 본 발명을 따르는 보일러의 두 개의 측부들위에 대칭구조로 제공된 전형적인 연소기의 구조를 도시한 도면이다. 외부 연소기(2)는 작동 정지(switched off)되고 석탄 가스를 아래로 분무하여 송풍시키기 위해 공기를 조절할 수 있다. 도면부호 3은 보일러의 화로를 표시하고, 도면부호 4는 코우크스 제거용 구멍 또는 먼지 제거용 구멍을 표시하며, 도면부호 5는 내부 연소기를 표시하고, 도면부호 6은 코우크스를 제거하기 위한 하우징 또는 먼지를 제거하기 위한 연소 챔버를 표시하며, 도면부호 7은 연소기에 형성된 석탄 가스 공동을 표시하고, 도면부호 8은 연소기의 공기 챔버를 표시하며, 도면부호 9는 공기 분무용 구멍들을 가진 연소기의 벽을 표시하고, 도면부호 10은 내부 연소기의 공기 챔버를 표시한다.
도 4는, 본 발명을 따르는 보일러의 세 개의 측부들에 제공된 전형적인 연소기의 구조를 도시한 도면이다. 도면부호 2는 아래로 분무 및 송풍시키기 위한 외부 연소기를 표시하고 도면부호 3은 보일러의 화로를 표시한다.
도 5는, 본 발명을 따르는 보일러의 한 측부에 제공된 전형적인 연소기의 구조를 도시한 도면이다. 도면부호 2는 아래로 분무 및 송풍시키기 위한 외부 연소기를 표시하고 도면부호 3은 보일러의 화로를 표시한다.
도 6은, 본 발명을 따르는 초대형 보일러의 세 개의 측부들에 제공된 전형적인 연소기의 구조를 도시한 도면이다. 도면부호 2는 아래로 분무 및 송풍시키기 위한 외부 연소기를 표시하고 도면부호 3은 보일러의 화로를 표시한다.
탄소 분자 가스화 연소기술에 의해 시작위치에 오염에 대한 예방조치(precaution)가 제공되고 구성 요소들이 감소된다. 오염문제가 과학적으로 해결되고 환경 보호 및 에너지 절감이 전체 과정에 유지된다. 비용은 감소되고 장시간 작동이 안정되고 신뢰성을 가진다. 본 발명은 또한, 다양한 석탄, 생물학적 재료 및 다른 유기물(폐기물)을 가스화하고 연소시킬 수 있다. 본 발명은, 수용 및 석탄 품질에 따라 선택적으로 석탄을 정제하고 먼지를 제거할 수 있다.
따라서, 본 발명은 거의 모든 국내시장 및 연료로서 석탄, 오일, 가스 및 전기를 이용하는 다양한 장비에서 광범위한 용도를 가진다. 또한, 환경보호의 혜택 및 경제적 혜택이 증가된다.
1....분자 가스화 장치,
2....연소기,
3....보일러,
4....가스 터빈,
5....발전기

Claims (8)

  1. 탄소 분자 가스화 연소를 위한 발전 방법에 있어서,
    청정 석탄 가스를 발생시키기 위해 탈황제로 석탄을 처리하고 우선 분자 가스화 장치내에서 탈황 및 가스화 과정을 수행하는 제1단계,
    보일러의 노내부에서 연소를 위해 고온 석탄 가스 및 낮은 과잉 공기를 혼합는 제2단계,
    석탄 품질 및 수요에 따라 코우크스 정제 및 먼지 제거과정을 수행하는 제3단계,
    보일러의 가열된 표면에 의해 열전달이 수행된 후에 기준에 따라 고온의 연도가스를 굴뚝으로부터 방출시키는 제4단계,
    상기 보일러에 의해 발생된 증기가 증기 터빈으로부터 전력을 발생시키는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 분자 가스화 연소를 위한 발전 방법.
  2. 제1항에 있어서, 석탄이 우선 가스화되고 다음에 연소되는 보일러 또는 노를 이용하고, 칼슘 및 황사이의 비율이 1과 근사하도록 산소 없이 분자에 의해 탈황이 수행되며, 연소실은 1과 근사한 공기 계수(α)를 가지며 낮은 과잉 공기를 이용하고, 전체 과정동안 에너지 절감 및 환경보호가 실현될 수 있도록 구성요소가 감소되고 오염물이 최초상태로부터 제어되는 것을 특징으로 하는 탄소 분자 가스화 연소를 위한 발전 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분자 가스화 장치는 가스화 조절 수단을 가지고, 상기 가스화 조절 수단은 상기 분자 가스화 장치의 상부 환원 영역에 제공되어 온도를 측정하기 위한 원형 구멍 및 상기 분자 가스화 장치의 하부 산화 영역에 제공되어 증기를 분무하기 위한 원형 구멍을 포함하여 측정된 온도의 변화에 따라 증기가 시간에 맞춰 조절되고 완전히 환원되며 작은 단면을 가진 두꺼운 베드에 맞춰서 완전히 산화되고 큰 표면을 가진 얇은 베드가 정상적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소 분자 가스화 연소를 위한 발전 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 노의 보일러는 보일러가 가지는 화로의 하측 부분에서 코우크스를 제거하기 위한 하우징 또는 먼지를 제거하기 위한 연소 챔버를 가지는 것을 특징으로 하는 탄소 분자 가스화 연소를 위한 발전 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코우크스를 제거하기 위한 하우징 또는 먼지를 제거하기 위한 연소 챔버는 상부에서 외부 연소기를 가지고, 상기 외부 연소기는 가열된 석탄 가스를 아래로 분무하기 위해 공기를 조절하고 작동하며 상기 보일러 또는 노의 두 개의 측부들 또는 네 개의 측부들위에 대칭구조로 배열되거나 상기 노의 보일러의 세 개의 측부들 중 한 개의 측부위에 배열되는 것을 특징으로 하는 탄소 분자 가스화 연소를 위한 발전 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 코우크스의 정제 및 먼지 제거는 서로 대체되어 상기 연소의 공기 밸브가 정지될 때 상기 연소기는 충격 구동 기구를 이용하여 코우크스를 정제하고 상기 공기 밸브가 작동하고 원하는 대로 조정될 때 연소기는 가열된 석탄 가스와 함께 작용하는 먼지를 제거하도록 청정 연소를 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소 분자 가스화 연소를 위한 발전 방법.
  7. 다양한 보일러 또는 노내에서 가열된 석탄가스를 발생시키거나 가스 내연기관내에서 원하는 냉각 석탄 가스를 발생시키거나 화학적 미가공 물질로서 가스를 발생시키기 위한 분자 가스화 장치 및 가스화 방법.
  8. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, Q이용된 석탄의 에너지/ (Q 석탄이 가진 최초의 총 에너지량 + Q 석탄을 이용하여 소비되는 총 에너지량 )의 비율을 최대화하고, B 석탄을 이용하는 오염물의 배출량 + B 제어되어 방출되는 오염물의 총량 )/B 석탄이 가지는 최초 오염물의 총량의 비율을 최소화하도록 상기 비율들이 제어되는 것을 특징으로 하는 탄소 분자 가스화 연소를 위한 발전 방법.
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