KR960013609B1 - 석탄복합발전시스템의 가스화기 - Google Patents

석탄복합발전시스템의 가스화기 Download PDF

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고등기술연구원 연구조합
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Abstract

내용 없음.

Description

석탄복합발전시스템의 가스화기
제1도는 본 발명에 따른 석탄복합발전시스템의 가스화기의 개략적인 구성도.
제2도는 제1도에 도시된 가스화기의 단면도.
제3도는 제2도의 A-A선 단면도.
제4도는 본 발명에 따른 석탄 및 반응가스 주입구의 배열에 대한 다른 실시예를 나타낸 도면.
제5도는 석탄이 가스화기내에 주입되기 전에 산소 및 증기 등과 혼합되는 과정을 상세히 나타낸 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 가스화기 9 : 석탄 및 반응가스 주입구
10 : 상부 하우징 11 : 중간 하우징
12 : 하부 하우징 16 : 내층 내화재
17 : 중간층 내화재 18 : 외층 내화재
19 : 석탄가스 배출통로 20 : 석탄가스와 반응실
24 : 슬래그 냉각실 27 : 원통체
28 : 파이프
본 발명은 석탄복합발전시스템에 사용되는 가스화기에 관한 것으로, 특히 석탄(미분탄)을 산소 및 증기등과 충분히 혼합시켜 가스화기의 석탄가스화 반응실내에 분사시킴으로써 석탄가스화 반응율을 향상시킬 수 있는 석탄복합발전시스템의 가스화기에 관한 것이다.
일반적으로 석탄복합발전시스템은 석탄을 산소 및 증기 등과 반응시켜 석탄가스를 생성하게 되는 가스화기를 구비하고 있다.
가스화기에서 생성된 석탄가스는 가스정제장치 등을 거쳐 연소기로 유입 연소되어 증기 터빈의 동력 발생원으로 사용된다. 석탄가스를 생성하는 가스화기는 통상 고정층 가스화기, 유동층 가스화기 분류층 가스화기로 분류된다.
고정층 가스화기는 석탄이 반응기의 상부에서 공급되어 서서히 하부로 내려오며 증기 및 산소(산화제)는 하부에서 공급되어 상부로 이동함으로써 석탄이 상승가스에 의해 순차적으로 건조, 휘발, 가스화, 연소반응 등의 과정을 거치는 구조로 되어 있다. 이러한 고정층 가스화기는 높은 열회수, 높은 탄소 전환율, 낮은 산화제 요구량, 양호한 부하 조절성 등의 우수성을 가지고 있으나 석탄의 가스화기내에서 체류시간이 1~2시간 정도로서 상당히 길기 때문에 대용량화 하기는 어렵다.
유동층 가스화기는 미분탄이 가스화기 내부로 공급되며 산화제(공기 또는 산소, 주로 공기)와 유동화 상태에서 반응하여 석탄가스를 생성하는 구조로 되어 있다. 유동층 가스화기내에서는 석탄과 가스가 균일하게 혼합되므로 열전달 및 물질전달이 고정층 가스화기에 비해 빠른 속도로 일어나므로 대용량화가 가능하다.
분류층 가스화기는 미분탄과 산화제(산소 또는 공기, 주로 산소)가 같은 방향으로 공급되며, 미분탄과 산화제 및 증기가 매우 빠른 속도로 가스화기내에 유입된다. 이러한 분류층 가스화기는 다른 형태의 가스화기(고정층 및 유동층 가스화기)에 비해서 산소 요구량이 많고 고온에서 석탄가스화 반응이 진행되므로 석탄중의 회분은 주로 용융 상태로 중력에 의해 가스화기 하부로 흘러내려와 냉각되어 고체 상태의 슬래그(slag)로 방출된다. 분류층 가스화기의 경우는 탄소전환율이 특히 좋으며 석탄의 가스화기내 체류시간이 매우 짧아서 대용량화가 가능하다. 분류층 가스화기에 있어서 산소방식을 채택한 경우에는 공기분리장치가 추가로 요구되어 상당히 많은 전력이 필요하게 되나 단위부피당 열용량이 고정층 및 유동층 가스화기에 비해 높기 때문에 대용량의 발전설비용 가스화기 제작에도 다른 형태의 가스화기에 비해 가장 용이하다. 또한 분류층 가스화기는 1단 반응식과 다단 반응식으로 크게 나눌 수 있는데 다단 반응식의 가스화기가 주로 사용되고 있다. 다단의 반응영역을 만들어주는 이유는 반응시간을 늘리고 연소 반응영역과 가스화 반응영역의 상이한 화학적 특성을 고려하기 때문이다.
위에서 설명한 여러 형태의 가스화기중에서 분류층 가스화기가 석탄복합발전시스템에 주로 사용되고 있는 바, 이러한 분류층 가스화기의 한예는 미국 특허 제4,773,917호에 제시되어 있다. 상기 미국 특허에 설명된 석탄가스화기는 가스화 효율을 증진시키기 위한 접근 방법으로 다단 반응식에 의해 석탄가스를 생성하는 구조로 되어 있다.
즉 석탄과 산화제를 석탄가스화기의 상,하부에서 반응실로 다단으로 분사키켜 가스화 반응에 필요한 석탄의 체제시간을 늘리는 구조로 되어 있다. 또한, 이 석탄가스화기는 석탄의 체제시간을 늘리기 위해 석탄이 주입되는 반응실의 직경을 크게 하고 있다. 그러나, 종래의 이러한 석탄가스화기는 석탄을 다단 형식으로 반응식에 공급하는 구조를 취하고 있으므로 복잡한 배관라인을 설치해야 되므로 제작하기가 어렵고 그에 따라 제조비용이 상승하게 되는 단점이 있고, 또한 석탄가스화기의 복잡한 반응실 및 열회수실의 구성으로 인해 석탄가스화기에 제조를 더욱 어렵게 한다. 더우기 석탄시료와 반응가스의 혼합이 주로 가스화기내에서 이루어지므로 석탄가스화율이 낮게 되는 폐단이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 석탄과 반응가스를 가스화기내로 주입하기 전에 미리 충분히 혼합시켜 가스화기의 석탄가스화 반응실로 분사시킴으로써 석탄가스의 반응율을 향상시킬 수 있는 석탄복합발전시스템의 가스화기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 가스화기의 구조를 단순화시킴으로써 비교적 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 석탄복합발전시스템의 가스화기를 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 목적은 석탄가스 배출통로가 제공된 상부 하우징과 ; 상기 상부 하우징의 하측에 장착되고, 상기 석탄가스 배출통로와 동일수직선상에 배열된 석탄가스화 반응실을 갖는 중간 하우징과 ; 상기 중간 하우징의 하측에 장착되고, 상기 석탄가스화 반응실과 연통되어 있는 슬래그 냉각실을 갖는 하부 하우징과 ; 상기 중간 하우징에 상기 석탄가스화 반응실과 각기 연통하도록 상기 중간 하우징의 원주방향을 따라 서로 이격되게 형성되어 있는 다수의 석탄 및 반응가스 주입구와 ; 석탄과 반응가스를 상기 석탄가스화 반응실로 주입하기 전에 충분히 혼합시키는 수단을 구비한 석탄복합발전시스템의 가스화기를 제공함으로써 달성될 수 있다.
이하 첨부도면 제1도 내지 제5도를 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다.
제1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석탄복합발전시스템의 가스화기를 개략적으로 도시한 것이다. 제1도에 도시된 바와 같이 석탄복합발전시스템은 가스화기(1)(본 발명의 가스화기 구조에 대해서는 아래에서 상세히 설명됨)와, 상기 가스화기(1)의 상측에 장착되고 상기 가스화기(1)내에서 생성된 석탄가스를 냉각시키는 가스냉각기(2)와, 상기 가스화기(2)의 하측에 장착되고 상기 가스화기(1)내에서 석탄(미분탄)과 반응가스의 반응중에 생성된 슬래그(slag)를 외부로 방출시키기에 적합한 슬래그 록호퍼 용기(slag lockhopper vessel)(3)를 구비한다.
미분탄은 질소가스에 의해 가스화기(1)내로 공급되는 바, 제1도에 명료하게 도시되어 있는 바와 같이 먼저 미분탄은 질소가스에 의해 분배호퍼(4)내로 이송된다. 상기 분배호퍼(4)내의 미분탄은 라인(5)을 통하여 4개의 록호퍼(6)로 분산되어 공급용기(7)로 각각 이송된다.
다음에 각 공급용기(7)내의 미분탄은 라인(8)을 통하여 가스화기(1)에 제공된 석탄 및 반응가스 주입구(9)를 거쳐 가스화기(1) 내부로 이송된다. 한편 질소가스는 각 라인(6)(8)에 공급되어 미분탄을 이송하는 역할을 한다.
또한 제1도에 도시된 바와 같이 미분탄의 가스화 반응에 필요한 산화제(산소) 및 증기가 미분탄과 충분히 혼합되어 각 석탄 및 반응가스 주입구(9)를 저쳐 가스화기(1)내로 공급되며, 가스화기(1)내에서 생성된 석탄가스를 냉각하고 슬래그를 응고시키기 위하여 냉각수가 가스화기(1)에 공급된다.
제2도를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석탄복합발전시스템의 가스화기를 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 가스화기(1)는 상부 하우징(10)과, 상기 상부 하우징(10)의 하측에 장착된 중간 하우징(11)과, 상기 중간 하우징(11)의 하측에 장착된 하부 하우징(12)으로 구성되어 있다. 각 상부, 중간 및 하부 하우징(10)(11)(12)의 외부는 고압에 견디도록 탄소강으로 된 쉘로 둘러싸여 있다. 또한 각각의 하우징(10)(11)(12)의 그의 단부에 형성된 플랜지(13)(14)(15)를 통해 분해가능하도록 조립되어 있으므로 보수 및 수리가 편리하다.
상부 및 중간 하우징(10)(11)의 내부에는 단열의 목적으로 3개층의 내화제가 설치되어 있으며, 내층 내화제(16)는 고온 슬래깅(slagging) 조건에 알맞는 고밀도이면서 마모에 잘 견디는 단열재가 사용되며 중간층 내화재(17) 및 회층 내화재(18)는 각기 중밀도 및 저밀도의 절연 내화재로 구성되어 있다. 상부 하우징(10)의 내층 내화재(16)내에는 이후에 상세히 설명되는 바와 같이 중간 하우징(11)의 반응실에서 생성된 석탄가스를 가스냉각기(2)(제1도 참조)로 배출시키는 석탄가스 배출통로(19)가 제공되어 있다. 또한 중간 하우징(11)의 내층 내화재(16)에는 상기 석탄가스 배출통로(19)의 수직선상에 배열되고 상기 석탄가스화 배출통로와 동일한 직경을 갖는 석탄가스화 반응실(20)이 형성되어 있다. 한편 석탄가스화 반응실(20)의 하부에는 슬래그 탭(slag tap)(21)을 설치하여 미분탄의 가스와 반응시에 생성된 슬래그가 상기 슬래그 탭(21)을 통해 하부 하우징(12)으로 배출되게 한다. 상부 및 중간 하우징(10)(11)의 내층 내화제(16)와 슬래그 탭(21)은 고온 및 마모에 견딜 수 있도록 고밀도 내화재나 세라믹 물질이 사용되어야 하는 바, 특히 고밀도 내화재를 사용하는 경우 슬래그에 의한 마모에 견딜 수 있도록 다량의 크롬 산화물을 함유시킨 특수 내화재를 사용하는 것이 바람직하다. 한편 대용량의 가스화기 제작시에는 내화재 내부에 다수의 수관(도시 않됨)을 설치하여 내화재를 통해 절연되는 열을 회수토록 함으로써 내화재의 두께를 감소시킬 수도 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 가스화기 구조에 따르면 상부 및 중간 하우징(10)(11)에 제공된 석탄가스 배출통로(9)와 석탄가스화 반응실(20)의 직경이 동일하게 형성되어 있으므로 가스화기의 제작이 매우 용이하여 제작비용을 감소시킬 수 있게 되고, 더우기 상기 석탄가스 배출통로(19) 및 석탄가스화 반응실(20)의 직경을 비교적 작게 형성함으로써 종래의 것처럼 반응영역을 넓게 하지 않아도 가스화 반응에 필요한 미분탄의 체제시간을 충분히 증가시킬 수 있다.
제2도에 도시된 바와 같이 하부 하우징(12)에는 2개층의 내화재 즉 내층 내화재(22) 및 외층 내화재(23)가 설치되어 있다.
또한 하부 하우징(12)내에는 석탄가스화 반응실(20)의 슬래그 탭(21)을 빠져나온 슬래그를 응고시키기 위한 슬래그 냉각실(24)이 제공되어 있으며, 상기 슬래그 냉각실(24)에는 제1도에 도시된 바와 같이 냉각수가 공급되어 채워져 있으며 과잉 공급된 냉각수는 냉각수 회수 용기(25)로 배출된다. 따라서 슬래그는 슬래그 냉각실(24)내의 냉각수에 의해 응고되어 하부 하우징(12)의 배출구(26)를 통해 슬래그 록호퍼 용기(3)로 들어간다(제1도 참조).
제2도 및 제3도를 참조하여 가스화기(1)의 중간 하우징(11)에 형성된 다수의 석탄 및 반응가스 주입구(9)에 대해 상세히 설명하겠다. 제3도에 도시된 바와 같이 석탄 및 반응가스 주입구(9)는 중간 하우징(11)의 각 내화재(16)(17)(18)를 관통하여 석탄가스화 반응실(20)과 연통하도록 형성되어 있으며 중간 하우징(11)의 동일 평면상에서 원주방향으로 따라 서로 이격되게 배열되어 있다.
상기 중간 하우징(11)에는 4개의 석탄 및 반응가스 주입구(9)가 대략 90도 간격으로 배열되어 있는 것이 바람직하다. 따라서 이후에 상세히 설명되는 바와 같이 혼합된 미분탄과 산소 및 증기는 질소가스의 압력에 의해 석탄 및 반응가스 주입구(9)를 통해 석탄가스화 반응실(20)내로 분사되어 가스화 반응이 일어나게 되는 바, 이때에 미분탄은 산소화 증기화 함께 석탄가스화 반응실(20)내에서 스월 작용(swirl operation)에 의해 더욱 서로 접촉 혼합되므로 가스화 반응이 촉진된다. 한편, 석탄가스화 반응실(20)내에서 각 석탄 및 반응가스 주입구(9)에 형성되는 화염의 상호 접촉 형태는 서로 맞물려서 스월운동을 하게 되므로 내층 내화재(16)에 접촉되지 않게 된다(제3도 참조).
제4도는 본 발명에 따른 다른 실시예를 도시한 것으로, 석탄 및 반응가스 주입구(9)의 배열형태는 제2도 및 제3도에 도시된 것과는 달리 각 석탄 및 반응가스 주입구(9)가 중간 하우징(11)에서 원주방향에 대해 서로 대략 80도 내지 110도 간격으로 이격됨과 동시에 동일평면상에 놓이는 것이 아니라 상하방향으로 서로 상이한 높이로 배치되어 있다. 이러한 케스케이드(cascade) 형태의 석탄 및 반응가스 주입구(9)의 배열도 제3도에 도시된 실시예와 마찬가지로 미분탄이 산소 및 증기와 함께 스월운동을 하면서 접촉혼합이 이루어지게 되어 가스화 반응율을 증진시킬 수 있게 된다.
제5도는 본 발명의 실시예에 따른 미분탄이 석탄가스화 반응실(20)내에 분산되기 전에 산소 및 증기 등과 혼합하는 과정을 상세히 나타낸 것으로, 각 석탄 및 반응가스 주입구(9)에는 원통체(27)가 고정되어 있으며, 상기 원통체(27)내에는 파이프(28)가 고정되어 있다. 상기 파이프(28)의 일측에는 분기부(29)가 형성되어 미분탄이 질소가스에 의해 이것을 통해 파이프(28)의 일단부에서 공급된 산소(석탄가스화 반응기에 산화제로 사용됨)와 혼합됨과 아울러 파이프(28)의 일단부에서 공급된 질소가스의 압력에 의해 원통제(27)내로 이송된다. 이때에 산소와 혼합된 미분탄은 석탄 및 반응가스 주입구(9)를 통해 석탄가스화 반응실(20)로 분사되기 전에 원통체(27)의 일단부에 공급된 산소 및 증기와 재차 충분히 혼합된다. 따라서 미분탄을 산소 및 증기와 충분히 혼합된 상태에서 각 석탄 및 반응가스 주입구(9)를 거쳐 석탄가스화 반응실(20)로 분사되므로 즉각 석탄가스화 반응을 일으키게 된다. 그에 따라 가스화 반응율이 매우 상승되므로 석탄가스가 효율적으로 생성된다.
산소 및 증기와 충분히 혼합된 미분탄은 각 석탄 및 반응가스 주입구(9)를 통해 석탄가스화 반응실(20) 분사되면서 스월운동을 하게 되어 미분탄 및 산소와 증기는 더욱 충돌하면서 접촉 혼합되어 화염에 의해 반응하여 석탄가스를 효율적으로 생성하게 된다. 생성된 석탄가스는 그의 주성분이 CO와 H2로서 석탄가스 배출통로(19)를 통해 가스냉각기(2)로 들어간다. 석탄가스의 성분에는 CO2, 증기, COS, 약간의 메탄, H2S 및 HCl 등도 포함되어 있으나 소량에 지나지 않는다.
석탄가스화 반응중에 생성된 용융 슬래그는 슬래그 탭(21)을 거쳐 슬래그 냉각실(24)로 흘러들어가 냉각수와 접촉하여 응고되면서 대부분이 열충격에 의해 깨어지게 된다. 이 응고된 슬래그는 하부 하우징(12)의 배출구(26)를 통해 슬래그 록 호퍼(3)로 들어가 정기적으로 외부로 방출된다.
본 발명에 있어서 석탄 대 총 유입가스의 질량비가 2 : 1 내지 10 : 1 사이가 되도록 유지하여 가스화기(1)내에 주입되는 석탄량을 일정하게 하는 것이 바람직하다. 또한 미분탄은 밀상(dense phase : 석탄/이송용 질소가스의 혼합체에서 석탄의 농도가 높은 것을 말함)에서 주입되므로 종래의 기술처럼 생성된 석탄가스를 재순환시키거나 질소가스의 양을 늘릴 필요가 없다. 특히 미분탄이 질소가스에 의해 파이프(28)로 이송되면서 산소와 혼합되어 1m/s 이상의 유속을 갖게 하고 원통체(27)로 공급되는 산소/증기 혼합체와 다시 혼합되게 하며, 이때 파이프(28)를 따라 흐르는 유체속도와 원통체(27)를 따라 흐르는 유속 속도의 비를 대략 1 : 1이 되게 하여 가스화기(1)내로 주입되는 속도가 대략 2.5 내지 8m/s로 하는 것이 석탄가스화 반응의 효율면에서 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명의 가스화기에 따르면, 미분탄과 산소 및 증기가 가스화기내로 주입되기 전에 충분히 혼합시켜 4개의 석탄 및 반응가스 주입구를 거쳐 석탄가스화 반응실에 분사시킴으로서 1단 반응식에 의해서 가스화 반응율을 상승시킬 수 있을 뿐만 아니라 가스화기의 구조를 단순화시킴으로써 제작비용을 대폭적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.

Claims (10)

  1. 석탄가스 배출통로(19)가 제공된 상부 하우징(10)과 ; 상기 상부 하우징의 하측에 장착되고 상기 석탄가스 배출통로와 동일 수직선상에 배열된 석탄가스화 반응실(20)을 갖는 중간 하우징(11)과 ; 상기 중간 하우징의 하측에 장착되고 상기 석탄가스화 반응실과 연통되어 있는 슬래그 냉각실(24)을 갖는 하부 하우징(12)과 ; 상기 중간 하우징에 상기 석탄가스화 반응실과 각기 연통하도록 상기 중간 하우징의 원주방향을 따라 서로 이격되게 형성되어 있는 다수의 석탄 및 반응가스 주입구(9)와 ; 상기 각 석탄 및 반응가스 주입구의 외측에 설치되고 석탄과 반응가스를 상기 석탄가스화 반응실로 주입하기 전에 혼합시키는 수단을 구비한 석탄복합발전시스템의 가스화기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 석탄과 반응가스를 혼합시키는 수단은 석탄을 산소와 혼합시켜 이송시키기에 적합한 파이프(28)와, 상기 파이프에 상기 파이프를 감싸도록 고정되며 상기 석탄과 산소의 혼합체에 증기와 산소를 혼합시키기에 적합한 원통체(27)로 구성된 석탄복합발전시스템의 가스화기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다수의 석탄 및 반응가스 주입구(9)는 4개로 구성되어 있는 석탄복합발전시스템의 가스화기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 각 석탄 및 반응가스 주입구(9)는 상기 중간 하우징의 동일 평면상에 배열되어 있는 석탄복합발전시스템의 가스화기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 각 석탄 및 반응가스 주입구(9)는 상기 중간 하우징의 원주방향을 따라 대략 90o각도로 서로 이격되어 있는 석탄복합발전시스템의 가스화기.
  6. 제3항에 있어서, 상기 각 석탄 및 반응가스 주입구(9)는 상기 중간 하우징에 서로 상이한 높이로 배열되어 있는 석탄복합발전시스템의 가스화기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 각 석탄 및 반응가스 주입구(9)는 상기 중간 하우징의 원주방향을 따라 대략 80도 내지 110도 범위로 서로 이격되어 있는 석탄복합발전시스템의 가스화기.
  8. 제2항에 있어서, 상기 상부 및 중간 하우징(10)(11)내에는 내층 내화재(16)와 중간층 내화제(17) 및 외층 내화제(18)로 구성된 다층의 내화제가 설치되어 있는 석탄복합발전시스템의 가스화기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 석탄가스 배출통로(19) 및 석탄가스화 반응실(20)은 상기 내층 내화제(16)에 제공되어 있는 석탄복합발전시스템의 가스화기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 석탄가스 배출통로(19) 및 석탄가스화 반응실(20)은 실질적으로 동일한 직경을 갖는 석탄복합발전시스템의 가스화기.
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