WO2014098472A1 - 합성 가스 및 고품위 석탄의 동시 생산을 위한 건조 및 가스화 통합 공정 - Google Patents

합성 가스 및 고품위 석탄의 동시 생산을 위한 건조 및 가스화 통합 공정 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a gasification process capable of simultaneously producing syngas and high quality (high quality) coal from moisture-containing coal. More specifically, the present invention is a gasification process in which a dryer for drying the water-containing coal as a feedstock by using a heat source of syngas in front of the gasifier is disposed, the dried coal is transferred by a non-mechanical valve type transfer means.
  • the present invention relates to a gasification method capable of simultaneously producing high-quality coal with a significant reduction in syngas and moisture content, and a drying and gasification integrated system for implementing the same.
  • the gasification process generally converts carbonaceous raw materials such as coal and biomass under the supply of gasifying agents (e.g., oxygen, steam, carbon dioxide or mixtures thereof) to convert to syngas consisting of hydrogen and carbon monoxide as the main component. It means a series of processes to make.
  • gasifying agents e.g., oxygen, steam, carbon dioxide or mixtures thereof
  • syngas consisting of hydrogen and carbon monoxide as the main component.
  • synthetic gas generally means a mixed gas containing CO and H 2 . Examples of typical reaction mechanisms for such gasification reactions can be shown in Schemes 1 to 3 below.
  • the gasification process technology has been extended to the production of raw materials and fuels of various compounds, and its application range has been expanded to produce various products including power generation.
  • it can be applied to hydrogen power generation, ammonia production, refinery process, etc. using hydrogen in the synthesis gas which is the main product of the gasification process, the synthesis gas of the Fischer-Tropsch reaction represented by Scheme 4 below.
  • It can be used as a raw material to produce diesel oil, jet oil, lube base oil, naphtha and the like, and by using methanol prepared from syngas as shown in Scheme 5, acetic acid, olefin, dimethyl ether, aldehyde, fuel and additives, etc.
  • high value-added chemicals can be obtained.
  • the ratio of carbon monoxide and hydrogen is preferably about 1: 2 (about 1: 2).
  • the ratio of carbon monoxide and hydrogen does not become 1: 2. Therefore, in general, the product after the steam reforming reaction, partial oxidation reaction, and / or carbon dioxide reforming reaction is subjected to a water-gas shift reaction according to the following Scheme 6 or additionally supplied with hydrogen to obtain carbon monoxide and hydrogen. Sometimes the ratio is adjusted to about 1: 2.
  • coal a representative raw material of the gasification process
  • biomass which has recently been in the spotlight, can also provide basic oils of various fuels and platform compounds through various treatment processes, and this technology is known to be applied as a raw material for gasification reaction.
  • the raw materials of the gasification process exemplified above contain in many cases large amounts of water.
  • coal is classified into high and low coal according to properties such as heating value, moisture content, impurities, and the like, and low coal such as brown coal is about 45% of global coal reserves. It is known to occupy.
  • the water content in the coal is high, it has a bad effect on storage, handling, transport cost, etc., a lot of energy is consumed to remove the water in the feedstock before performing the gasification reaction.
  • a technique is provided in which a dryer is placed in front of a gasification reactor and a high temperature synthesis gas generated in the gasification reactor is recycled to the dryer to utilize a heat source in the synthesis gas to dry the moisture-containing carbonaceous feedstock.
  • a technique is provided in which a dryer is placed in front of a gasification reactor and a high temperature synthesis gas generated in the gasification reactor is recycled to the dryer to utilize a heat source in the synthesis gas to dry the moisture-containing carbonaceous feedstock.
  • the prior art uses a pressurized feed system including a buffer bin and a pressurized lock hopper to feed a feedstock (dry coal) dried by syngas into the gasifier, but is expensive. Rather, the configuration is complex and the operating logic must be finely tuned.
  • the dry coal when conveying dry coal to a gasifier using a pressurized lock hopper, the dry coal must first be transferred to the buffer bin and fed to the gasifier together with the conveying gas under pressure through the lock hopper to feed the gasifier. . At this time, the process of the separate valve operation, pressurization / decompression of the hopper should be precisely controlled.
  • a heat exchanger is disposed at the rear of the gasifier so as to supply an appropriate amount of heat energy for drying the moisture-containing feedstock flowing into the dryer, and then reduced to the temperature of the synthesis gas and recycled or a subsequent step (for example, To an appropriate temperature for an aqueous transition reaction).
  • the solid fuel dried from the dryer especially the dried coal, has a higher quality than the moisture-containing coal before drying.
  • a high-quality solid fuel ie, dry coal
  • it can be produced simultaneously for application it will increase the added value of the whole process.
  • a pressurized feed system comprising the above-mentioned buffer bin and pressurized lock hopper
  • an increase in device size and consequent facility investment costs and an increase in operating costs are required. Is inevitable.
  • an additional advantage by overcoming the limitation of the prior art of recycling the synthesis gas generated from the gasification reaction and utilizing only its internal thermal energy in drying of the feedstock in a dryer disposed at the front end of the gasification reactor To provide.
  • the dryer is provided with a gasification method for combining syngas and high quality coal, providing the drying capacity required to produce at least the separately separated dry coal recovered from the water-containing coal and the dry coal transferred to the gasification step. .
  • the method may further include the step of separating and recovering the tar material generated in the drying step contained in the synthesis gas in the recovery of the synthesis gas in step c).
  • a dryer disposed in front of the gasifier and drying the moisture-containing coal introduced by the synthesis gas recycled from the gasifier and discharging the dried coal and the synthesis gas;
  • a solid-phase separator separating dry coal and synthesis gas discharged from the dryer
  • a recovery device for separately separating and recovering a part of the dry coal separated from the solid-phase separator
  • Conveying means in the form of a loop seal which transfers the remaining dry coal not recovered by the recovery apparatus to the gasifier, and is provided with a plurality of flow gas inlets;
  • the syngas discharged from the gasifier has a recycling path that is directly transferred to the dryer without passing through a heat exchanger, and
  • the dryer is provided with a gasification system which provides the drying capacity required to produce the dry coal separately separated and recovered from the water-containing coal and the dry coal fed to the gasification step.
  • the separated and recovered dry coal may be processed or commercialized in the form of pellets, briquettes or granules.
  • the synthetic gas discharged from the gasifier is cooled to 300 to 500 ° C and then recycled to a dryer.
  • the drying capacity can be increased up to about 3 to 4 times with respect to moisture-containing coal (water content: 20 to 50% by weight) in comparison.
  • Embodiment according to the present invention in the conventional integrated dry gasification process, by supplying coal dried by syngas to the gasifier using a non-mechanical valve-type transfer means such as a loop seal, simplifying the process equipment and ease of operation Can be secured.
  • a non-mechanical valve-type transfer means such as a loop seal
  • the use of a loop seal-type transfer means instead of the conventional pressurized lock hopper not only simplifies the process but also increases the size of the transfer apparatus. This can alleviate the problem of increased investment costs.
  • 1 is a simulation graph of coal throughput according to moisture content in coal when each of the syngas from the gasifier and the syngas without the heat exchanger is used as a dry heat source of the moisture-containing coal in the dryer. ego;
  • FIG. 2 is a schematic illustration of an integrated dry gasification process for co-synthesizing syngas, tar and high quality coal using a loop seal type conveying means in accordance with an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is an enlarged view illustrating a moving path of dry coal in a loop seal-type conveying means in FIG. 2.
  • coal is used to include anthracite coal, bituminous coal (reverse coal, lignite, peat, etc.), lower activated carbon, and the like. Therefore, it is not limited to a specific grade of coal, and in particular, it is possible to improve economics by making the most of low-grade coal.
  • the carbon content in the coal may, for example, range from at least about 20 wt%, specifically from about 30 to about 80 wt%, more specifically from about 40 to about 70 wt%, based on the total coal weight.
  • the coal may comprise ash up to about 20% by weight, specifically about 5 to about 15% by weight, more specifically about 8 to about 12% by weight on a dry basis.
  • the ash typically contains a significant proportion of silica, calcium oxide and iron oxide and small amounts of components such as potassium oxide, magnesium oxide, titania, zinc oxide and the like.
  • the embodiment of the present invention is mainly described as coal, as long as it is suitable for an integrated drying gasification process and can be obtained in high quality solid fuel form by drying, solid fuels of various origins, for example, Moisture-containing biomass, various moisture-containing wastes, and the like may also be used in place of coal, and the use of such various solid fuels may also be understood to be included in embodiments of the present invention.
  • solid fuels of various origins for example, Moisture-containing biomass, various moisture-containing wastes, and the like may also be used in place of coal, and the use of such various solid fuels may also be understood to be included in embodiments of the present invention.
  • the above-mentioned advantages can be realized by using water-containing coal as a feedstock, and it is preferable to use low-grade coal, which typically contains a significant amount of water.
  • the moisture content in the coal may be in the range of about 10 to 70% by weight, specifically about 20 to 50% by weight, more specifically about 20 to 40% by weight.
  • the solids content in the slurry can range from, for example, about 30 to 80 weight percent.
  • the coal is optionally, for example, about 50 to 6000 ⁇ m, specifically about to facilitate contact and transfer with the synthesis gas in the drying step (easily in the dryer even if the synthesis gas is under relatively low pressure). It may be introduced into the dryer in the form of pre-milled to a particle size in the range of 50 to 2000 ⁇ m, more specifically about 100 to 1000 ⁇ m.
  • a dryer (dry region) is arranged in front of the gasifier.
  • exemplary types of dryers include pneumatic or flash dryers, fluidized bed dryers, rotary dryers, rotary tube dryers, and the like.
  • an airflow or flash dryer in particular a pressurized flash dryer, may be advantageous in that moisture diffusion is easy to effectively remove moisture so that coal can be dried within a short time.
  • the moisture-containing coal is preferably in contact with the syngas recycled from the gasifier as closely as possible (ie, by heat exchange) to generate steam as it is heated and dried, with the syngas being dried as the coal is dried.
  • the moisture-containing coal is fed to the bottom of the dryer, and the recycled syngas is also sent to the bottom of the dryer.
  • the moisture-containing coal and syngas are discharged while moving upward (ie co-current) over the dryer in contact with each other.
  • the moisture-containing coal and syngas may be configured to contact each other as they enter the top of the dryer and move down the dryer.
  • it is advantageous to set the inlet (or inlet port) of the moisture-containing coal and the synthesis gas of the dryer so as to simplify or minimize the recycling path as much as possible. Can be.
  • the operating pressure in the dryer can be adjusted according to the operating pressure of the gasifier from which the recycled syngas is discharged, for example, it can be determined within a range of up to about 60 kg / cm 2 .
  • the operating temperature in the dryer can also vary depending on the discharge temperature of the synthesis gas recycled from the gasifier, for example at about 400 to 1500 ° C., specifically at about 800 to 1200 ° C. at the dryer inlet side, for example at about 200 on the dryer outlet side.
  • the dried coal has a water content of, for example, about 10% by weight or less, specifically about 1-8% by weight, more specifically about 1-5% by weight.
  • tar material in such syngas may be selectively recovered and further commercialized.
  • the volatile matter in the coal remains in the coal as it is and has a property of removing only moisture. Therefore, when the high temperature synthesis gas flows in the dryer for a long time, the volatile components of coal are also discharged from the dryer together with the synthesis gas, thereby changing the characteristics such as calorie of dry coal, and subsequent processes due to the volatile components contained in the synthesis gas. It may be advantageous to set the residence time to remove only moisture as much as possible without removing volatile components.
  • the gas residence time in the dryer may typically be in the range of, for example, about 2 to 10 seconds, specifically about 2 to 5 seconds, more specifically about 2 to 3 seconds.
  • the amount of heat of the synthesis gas recycled to the dryer may be supplied in an amount greater than the amount required for moisture drying, or the gas residence time in the dryer may be kept relatively long to contain and recover the tar in the synthesis gas discharged from the dryer. .
  • the synthesis gas discharged from the gasifier is transferred to the dryer directly through the pipeline without passing through the heat exchanger, so that the synthesis gas is introduced into the synthesis gas at a higher temperature than the conventional integrated dry gasification process. As a result, the drying capacity is also increased.
  • the same amount of water-containing coal as compared to the case where a heat exchanger is arranged at the rear of the gasifier to cool 400 to 1500 ° C of syngas discharged from the gasifier to 300 to 500 ° C and then recycle to a dryer Drying capacity can be increased by up to about 3 to 4 times (water content: 20 to 50% by weight).
  • the above-described process conditions in the dryer may be understood in an exemplary manner, and may be changed according to the size, type, and the like of the dryer.
  • FIG. 1 is a flow diagram of a water-containing coal in a dryer (integrated dryer) of a process according to an embodiment of the present invention, each of a synthesis gas (350 ° C.) passed through a heat exchanger from a gasifier and a synthesis gas (700 ° C.) without a heat exchanger.
  • a synthesis gas 350 ° C.
  • a synthesis gas 700 ° C.
  • the graph shows simulation test results (SK pilot plant: 3 ton / day capacity) for the coal throughput according to the moisture content in the coal.
  • dry coal and syngas (specifically as a steam-containing syngas, typically containing about 10 to 50 mole percent steam) discharged from the dryer are solid-gas separation means, It is sent to a dry coal supply system including a recovery device for separately separating and recovering part of the separated dry coal, and a transfer means in the form of a loop seal for transferring the remaining dry coal to a gasifier.
  • a dry coal supply system including a recovery device for separately separating and recovering part of the separated dry coal, and a transfer means in the form of a loop seal for transferring the remaining dry coal to a gasifier.
  • the discharge from the dryer is separated into dry coal and synthesis gas by solid-phase separation means, where the solid-phase separation means may use a conventional apparatus known in the art. Cyclone is an example of a typical solid-phase separation means.
  • the cyclone described above is a device for separating particles present in a fluid (gas) by using centrifugal force, which contains a tangential inlet for introducing a gas containing at least a solid and a reduced solid. A gas outlet and an outlet of collected solids.
  • the cyclone includes a cylinder portion and a cone-shaped portion connected to the cylinder portion, and the upper end of the downcomer may be configured to be connected with the narrow end of the cone-shaped portion of the cyclone.
  • the inlet of the downcomer is connected to the solids outlet from the cyclone and may have a pipe shape.
  • the lower portion of the downcomer constitutes a part of the conveying means in the form of a loop seal, which will be described later.
  • the dry coal separated as described above is partially separated and recovered in the form of dry coal by a recovery device before being transferred to the gasifier.
  • the recovery device may be, for example, a drainage hopper, a continuous reduced pressure discharge device and the like.
  • Coal dried according to this embodiment is a high quality coal that is present in the form of particles in the case of selectively pulverized water prior to drying as well as the moisture contained in the feedstock as described above is removed.
  • I have a constellation.
  • it has a property suitable for subsequent production or processing into pellets, briquettes, granules.
  • dry coal alone has not only a high added value compared to water-containing coal, but also has an advantage of improving handling and transport convenience in addition to increased value added when processed or produced.
  • the recovered dry coal may be processed into pellets using organic or inorganic binder components known in the art, such as acrylic emulsion, acrylic-styrene emulsion, cellulose ether, Polyvinyl alcohol-based polymers, phenol resins, polyimides or mixtures thereof. Bentonite and the like can be exemplified as inorganic binders.
  • the dry coal may be mixed with the binder component and then kneaded, and then pelletized using a molding apparatus and then commercialized through a drying and cooling process. In some cases, it can be pelletized without using a binder.
  • a part of dry coal may be heated to a softening point, and then pressurized to aggregate into a naturally occurring tar pitch component.
  • Subsequent processing or commercialization of the dry coal described above can be understood in an illustrative sense, as long as high quality dry coal can be utilized as appropriate, other processing or commercialization processes known in the art may be employed.
  • the gasifier is operated at a pressure ranging from several to several tens of kg / cm 2 , and the synthetic gas discharged therefrom causes some pressure drop during the transfer to the dryer and the drying process.
  • the pressure of the gasifier fuel supply and the reactor is relatively high, so that the dry coal is at a pressure lower than the pressure in the gasifier. Therefore, in order to transfer (feed) the dry coal into the gasifier, that is, to move the solids from the low pressure region to the high pressure region, the dry coal must be supplied at a higher pressure.
  • the transfer means in the form of a loop seal is adopted, so that dry coal is transferred to the gasifier by forming a static head by fluidized dry coal.
  • the fluidizing gas of high pressure pressure higher than the pressure in a loop seal structure
  • the supplied high-pressure fluidization gas forms and maintains the coal inventory in the roof chamber in a fluidized bed state so that a flow flow by internal differential pressure is generated so that dry coal may be transferred to the gasifier side.
  • nitrogen, carbon dioxide, steam, syngas generated from the gasifier, a mixture thereof, and the like may be used as the fluidizing gas.
  • various types of reactors known in the art may be used as the gasifier.
  • the gasifier is equipped with an inlet for dry coal and, if necessary, an inlet for a gasifier.
  • the gasifier include a moving bed gasifier (dried carbonaceous raw material is introduced to the upper side, while the gasifier is in contact with the raw material in a countercurrent manner from the lower side), and a fluidized bed gasifier (gas).
  • the agent floats the solid particles through the bed of carbonaceous raw material), the transport reactor integrated gasifier, the fractionation flow gasifier (carbonaceous raw material and gasifier introduced in a co-current manner), etc. Can be.
  • the operating temperature in the gasifier may be in the range of, for example, about 400 to 1500 ° C, specifically about 800 to 1500 ° C, more specifically about 900 to 1500 ° C.
  • the operating pressure may range from, for example, about 1 to 60 kg / cm 2 , specifically about 5 to 40 kg / cm 2 , more specifically about 20 to 40 kg / cm 2 .
  • the O 2 / carbon ratio may range from about 0.1 to 1.0, more specifically from about 0.2 to 0.7 on a molar basis.
  • the steam / carbon ratio can be adjusted substantially to zero (for gasification reactions through dry gasification or carbon dioxide reforming), in which case the steam / carbon ratio on a molar basis is, for example, about zero. To 2, more specifically about 0 to 1.
  • the CO 2 / carbon ratio may range from about 0 to 1, more specifically about 0 to 0.5 on a molar basis.
  • the conversion of carbon in coal in the gasification reaction may typically range from at least about 80%, more specifically from about 90 to 99%.
  • the generated syngas is discharged in a high temperature state according to the gasifier operating temperature, it is recycled directly to the dryer without passing through a heat exchanger.
  • FIG. 2 schematically illustrates an integrated dry gasification process for co-synthesizing syngas and high quality coal using a loop seal type conveying means in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the gasification process largely includes a dryer 100, a pressurized dry coal supply system 200 and a gasifier 300. It is to be understood that coal and gas move by connecting (communicating) through the usual connecting means, for example, pipes, unless otherwise specified between the components in the installation.
  • the water-containing coal is introduced through the bottom of the dryer 100, and the synthesis gas recycled directly from the gasifier 300 is also introduced through the bottom of the dryer 100.
  • the synthesis gas discharged from the gasifier is not significantly different from the gasifier operating temperature as described above, but may be cooled to about 20 to 100 °C during the recycling (transport) process to the dryer.
  • the dryer 100 is designed to have a higher drying capacity than the dryer used in conventional integrated dry gasification processes.
  • a dry coal and gas mixture (synthetic gas with increased steam content as coal is dried) is discharged through the upper portion of the dryer 100, and the moisture content of each of the discharges is introduced into the dryer. Temperature and pressure, the initial moisture content and particle size of the moisture-containing coal feedstock, and the mixing ratio of the synthesis gas and coal (feedstock) entering the dryer. At this time, the weight ratio of syngas to moisture-containing coal entering the dryer is typically in the range of about 1: 1 to 10: 1 specifically about 2: 1 to 8: 1, more specifically about 3: 1 to 6: 1 Can be.
  • dry coal ie, dry solid fuel
  • syngas are transferred from the top of the dryer to the pressurized dry coal supply system 200 via line 101.
  • the supply system 200 largely comprises a cyclone 103 which is a solid-phase separation means, an exhaust hopper 106 and a conveying means 107 in the form of a roof seal.
  • the cyclone 103 separates a gaseous component (synthetic gas) and a solid phase component (dry coal).
  • the separated syngas 102 may further contain a post-treatment process (not shown) such as a filter (ceramic filter), an electrostatic precipitator, a scrubber, a desulfurization facility, and the like, as it may contain fine powder, sulfur compounds, nitrogen compounds, and the like.
  • the separated synthesis gas 102 may be supplied to a subsequent process such as, for example, a coal gasification combined cycle (IGCC) and an F-T process.
  • IGCC coal gasification combined cycle
  • F-T F-T process
  • a means or a process for separating and recovering the same may be added.
  • any means known in the art for example, a filter can be used.
  • the dry coal separated by the cyclone 103 moves downward along the downcomer 104 connected to the lower end of the cyclone 103 (exactly, the lower end of the cone shape).
  • the downcomer 104 is formed with a separate line 105 of dry coal along the downward direction, and is connected to the discharge hopper 106 to recover the dry coal.
  • the remaining dry coal not separated and recovered as described above is introduced into the conveying means 107 in the form of a roof seal.
  • the ratio of the amount of dry coal separated and recovered to the amount of dry coal transferred to the gasifier can be appropriately changed according to the required amount of the target product (synthetic gas or high quality dry coal), for example, on a weight basis.
  • FIG. 3 shows a moving path of dry coal in a loop seal type conveying means in the gasification process shown in FIG. 2.
  • the loop seal type conveying means 107 is provided with a plurality of fluidizing gas injection port, wherein the dry coal is moved in the order of the lower portion, the horizontal region and the vertical region of the downcomer 104 in a high pressure state
  • the dry coal may move toward the gasifier 300.
  • the transferred dry coal is gasified through various reaction roots (partial oxidation, carbon dioxide reforming, steam reforming, or a combination thereof) in the presence of a gasifier to generate a synthesis gas.
  • the gasifier inlet port provided separately to the gasifier in consideration of this, as the fluidizing gas is also introduced into the gasifier 300 ( The amount of gasifier introduced into the inlet) can be controlled.
  • the carbon monoxide ratio in the syngas 108 thus discharged may typically range from about 10 to 50%, specifically about 20 to 40%, on a molar basis.
  • the gasification process according to the embodiment of the present invention while drying the moisture-containing coal at the same time by using a heat source of a high temperature syngas transferred directly from the gasifier without arranging the dryer in front of the gasifier and through the heat exchanger
  • the non-mechanical valve-type conveying means such as a loop seal

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Abstract

본 발명에 따른 구체예는 수분-함유 저급 석탄으로부터 합성 가스 및 고품위 석탄을 동시에 효율적으로 생산할 수 있는 가스화 방법 및 이를 구현하기 위한 건조 및 가스화 통합 시스템에 관한 것이다.

Description

합성 가스 및 고품위 석탄의 동시 생산을 위한 건조 및 가스화 통합 공정
[관련출원의 상호참조]
본 출원은 2012년 12월 20일 출원된 한국특허 출원번호 제10-2012-0149326호를 우선권 주장하고 있으며, 상기 특허 문헌의 내용은 참조를 위해 본 발명에 모두 포함된다.
본 발명은 수분-함유 석탄으로부터 합성 가스 및 고품위(고품질) 석탄을 동시 생산할 수 있는 가스화 공정에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 가스화기 전단에 합성가스의 열원을 이용하여 공급원료인 수분-함유 석탄을 건조하기 위한 건조기를 배치한 가스화 공정에 있어서, 건조된 석탄을 비기계식 밸브형 이송수단에 의하여 가스화기로 이송함에 따른 장점을 구현함과 동시에, 합성가스 및 수분 함량이 현저히 저감된 고품질의 석탄을 동시 생산할 수 있는 가스화 방법 및 이를 구현하기 위한 건조 및 가스화 통합 시스템에 관한 것이다.
가스화 공정은 일반적으로 석탄, 바이오매스 등의 탄소질(carboneceous) 원료를 가스화제(예를 들면, 산소, 증기, 이산화탄소 또는 이의 혼합물)의 공급 하에서 반응시켜 주성분이 수소 및 일산화탄소로 이루어지는 합성가스로 전환시키는 일련의 공정을 의미한다. 이때, "합성가스"라는 용어는 통상적으로 CO 및 H2가 포함된 혼합가스를 의미한다. 이러한 가스화 반응의 전형적인 반응 메커니즘의 예는 하기 반응식 1 내지 3에 나타낼 수 있다.
[반응식 1]
C+1/2O2 → CO (부분산화)
[반응식 2]
C + H2O → CO + H2 (스팀 개질)
[반응식 3]
C + CO2 → 2CO (이산화탄소 개질)
최근 가스화 공정 기술은 다양한 화합물의 원료 및 연료를 생산하는 기술로 확대되었으며, 전력생산을 포함한 다양한 제품을 생산하도록 그 적용 범위가 확장되고 있다. 구체적으로, 가스화 공정의 주된 생성물인 합성 가스 내 수소를 이용하여 수소 발전, 암모니아 제조, 정유 공정 등에 적용할 수 있고, 합성 가스를 하기 반응식 4로 표시되는 피셔-트롭시(Fischer-Tropsch) 반응의 원료로 사용하여 디젤유, 제트유, 윤활기유, 나프타 등을 제조할 수 있으며, 그리고 반응식 5로 표시되는 바와 같이 합성 가스로부터 제조된 메탄올을 이용하여 아세트산, 올레핀, 디메틸에테르, 알데히드, 연료 및 첨가제 등의 고부가가치의 화학 물질을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 이와 관련하여, Fischer-Tropsch 공정 및 메탄올 합성공정의 경우, 일산화탄소와 수소의 비율이 약 1:2 정도(1:2 내외)가 바람직하다.
[반응식 4]
nCO + 2nH2 → CnH2n + nH2O
[반응식 5]
CO + 2H2 → CH3OH
그러나, 반응식 2에 따른 스팀 개질 반응 및 반응식 3에 따른 이산화탄소 개질 반응에서 얻어진 합성가스의 경우 모두 일산화탄소와 수소의 비율이 1:2가 되지 않는다. 따라서, 일반적으로 스팀 개질 반응, 부분 산화 반응, 및/또는 이산화탄소 개질 반응 후 생성물에 대하여 하기 반응식 6에 따른 수성 가스 전이 반응(Water-Gas Shift reaction)을 수행하거나 수소를 추가 공급하여 일산화탄소와 수소의 비율을 약 1:2 정도로 조정하기도 한다.
[반응식 6]
CO + H2O → CO2 + H2
한편, 가스화 공정의 대표적인 원료인 석탄은 전 세계의 광범위한 지역에 걸쳐 대량으로 분포되어 있어, 현재까지 널리 사용 중인 석유 고갈을 대체할 수 있는 연료 소스로 다시 관심을 받고 있다. 또한, 최근 각광받고 있는 바이오매스 역시 다양한 처리 공정을 통하여 각종 연료 및 플랫폼 화합물의 기초 유분을 제공할 수 있는 바, 이 역시 가스화 반응의 원료로서 적용하는 기술이 알려져 있다.
그러나, 앞서 예시된 가스화 공정의 원료는 많은 경우에 있어서 다량의 수분을 함유하고 있다. 예를 들면, 석탄의 경우에는 발열량(heating value), 수분 함량, 불순물 등과 같은 성상에 따라 고급탄 및 저급탄으로 구별되는 바, 갈탄(brown coal)과 같은 저급탄이 전세계 석탄 매장량 중 약 45%를 차지하는 것으로 알려져 있다. 특히, 석탄 내 수분 함량이 높은 경우에는 저장성, 취급성, 운반 비용 등에 있어서 악영향을 미치기 때문에 가스화 반응을 수행하기에 앞서 이러한 공급원료 내 수분을 제거하는데 많은 에너지가 소모된다.
이와 관련하여, 가스화 반응기 전단에 건조기를 배치하고, 가스화 반응기에서 생성된 고온의 합성 가스를 상기 건조기로 리사이클하여 건조기 내에서 합성가스 내 열원을 수분-함유 탄소질 공급원료의 건조에 활용하는 기술이 제시된 바 있다(예를 들면, 미국특허번호 제5,695,532호 및 제5,685,138호).
그러나, 상술한 바와 같이 건조된 공급원료를 고압 상태로 운전 중인 가스화기로 공급하기 위하여는 건조된 공급원료를 가스화기 운전 압력보다 높은 압력을 가할 필요가 있다. 종래 기술에서는 합성가스에 의하여 건조된 공급원료(건조 석탄)를 가스화기 내로 공급하기 위하여 버퍼 빈(buffer bin) 및 가압 록 호퍼(lock hopper)를 포함하는 가압 공급 시스템을 사용하고 있으나, 고가일 뿐만 아니라 구성이 복잡하고 운전 로직(logic)을 정교하게 조절해야 한다. 특히, 가압 록 호퍼를 사용하여 건조 석탄을 가스화기로 이송할 경우, 먼저 건조 석탄은 버퍼 빈으로 이동하고, 가스화기에 공급하기 위하여 록 호퍼를 통하여 가압된 상태로 이송가스와 함께 가스화기로 공급되어야 한다. 이때, 별도의 밸브 작동, 호퍼의 가압/감압 등의 과정이 정밀하게 조절되어야 한다.
또한, 가스화기로부터 합성 가스는 높은 온도(약 1000 내지 1500℃ 내외)로 배출되는 한편, 수분 함유 석탄을 건조하기 위하여는 상대적으로 낮은 온도(약 500℃ 정도)의 합성 가스를 이용해도 충분하다. 이 때문에 종래 기술에서는 건조기 내로 유입되는 수분-함유 공급원료의 건조에 적당한 량의 열 에너지를 공급할 수 있도록 가스화기 후단에 열교환기를 배치하여 합성 가스의 온도로 저감시킨 후에 리사이클하거나 후속 단계(예를 들면, 수성 전이 반응)에 적합한 온도로 냉각한다.
이때, 건조기로부터 건조된 고체 연료, 특히 건조된 석탄은 건조 전 수분-함유 석탄에 비하여 높은 품질을 갖게 되는 바, 만약 이러한 고품질의 고체 연료(즉, 건조 석탄)을 가스화 반응원료로 사용함과 동시에 다른 용도에 적용할 수 있도록 동시 생산할 수 있다면 전체 공정의 부가가치를 증대시킬 수 있을 것이다. 그러나, 전술한 버퍼 빈 및 가압 록 호퍼를 포함하는 가압 공급 시스템 사용하여 가스화 반응 원료 및 고품질의 고체 연료(석탄)을 생산하기 위하여는 장치 사이즈의 증가 및 이에 따른 설비 투자 비용, 그리고 운전 비용의 증가는 불가피하다.
본 발명에서 제시하는 구체예에서는 가스화 반응으로부터 생성된 합성 가스를 리사이클하여 그 내부의 열 에너지를 가스화 반응기의 전단에 배치된 건조기 내에서 공급원료의 건조에만 활용하는 종래 기술의 한계를 극복하여 추가적인 장점을 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 면에 따르면,
a) 수분-함유 석탄을 건조기로 공급하는 단계;
b) 상기 건조기 내에서 상기 수분-함유 석탄을 건조시키는 단계로서, 상기 건조에 필요한 열 에너지는 가스화 단계로부터 상기 건조기로 리사이클되는 합성 가스로부터 공급됨;
c) 상기 건조기로부터 배출된 건조 석탄 및 합성 가스를 고상-기상 분리 방식에 의하여 각각 분리하고, 상기 분리된 합성 가스를 회수하는 단계;
d) 상기 분리된 건조 석탄의 일부분을 별도로 분리하여 건조 석탄을 회수하는 한편, 상기 회수되지 않은 나머지 건조 석탄을 유동 가스(aeration gas)가 복수의 포트를 통하여 공급되는 루프 실(loop seal) 형태의 이송수단에 의하여 유동 상태로 가스화기로 이송하는 단계;
e) 상기 이송된 건조 석탄을 가스화기 내에서 가스화시켜 합성 가스를 제조하는 단계; 및
f) 상기 가스화기로부터 배출된 400 내지 1500℃의 합성 가스를 열교환기를 거치지 않고 상기 건조기로 직접 리사이클하는 단계;
를 포함하며,
상기 건조기는 적어도 수분-함유 석탄으로부터 상기 별도로 분리 회수되는 건조 석탄 및 상기 가스화 단계로 이송되는 건조 석탄을 생산하는데 필요한 건조 용량을 제공하는, 합성 가스 및 고품질의 석탄을 병산하기 위한 가스화 방법이 제공된다.
예시적 구체예에 따르면, 상기 단계 c) 중 합성 가스의 회수 시 상기 건조단계에서 발생하여 합성 가스 내에 함유된 타르 물질을 분리 및 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 면에 따르면,
가스화기;
상기 가스화기 전단에 배치되며, 상기 가스화기로부터 리사이클되는 합성 가스에 의하여 유입되는 수분-함유 석탄을 건조하고, 건조된 석탄 및 합성 가스를 배출하는 건조기;
상기 건조기로부터 배출되는, 건조 석탄 및 합성 가스를 분리하는 고상-기상 분리기;
상기 고상-기상 분리기로부터 분리된 건조 석탄의 일부를 별도로 분리하여 회수하는 회수 장치; 및
상기 회수 장치에 의하여 회수되지 않은 나머지 건조 석탄을 상기 가스화기로 이송하고, 복수의 유동 가스 유입구가 구비된 루프 실 형태의 이송수단;
을 포함하고,
여기서, 상기 가스화기로부터 배출되는 합성 가스는 열교환기를 경유하지 않고 직접 건조기로 이송되는 리사이클 경로를 갖고, 그리고
상기 건조기는 수분-함유 석탄으로부터 상기 별도로 분리 회수되는 건조 석탄 및 상기 가스화 단계로 공급되는 건조 석탄을 생산하는데 필요한 건조 용량을 제공하는 가스화 시스템이 제공된다.
예시적 구체예에 따르면, 상기 분리 회수된 건조 석탄은 펠렛(pellet), 브리켓(briquette) 또는 과립(granule) 형태로 가공 또는 제품화될 수 있다.
또한, 본 발명의 구체예에 따른 가스화 공정에 있어서, 가스화기 후단에 열교환기를 배치하여 가스화기로부터 배출되는 약 700 내지 1500 ℃의 합성 가스를 300 내지 500℃로 냉각한 후에 건조기로 리사이클하는 경우에 비하여 수분-함유 석탄(수분 함량: 20 내지 50 중량%)에 대하여 건조 용량을 최대 약 3 내지 4 배로 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 구체예는 종래의 통합된 건조 가스화 공정에 있어서, 합성가스에 의하여 건조된 석탄을 루프 실과 같은 비기계적 밸브 형태의 이송수단을 이용하여 가스화기로 공급함으로써 공정 설비의 단순화 및 운전의 용이성을 확보할 수 있다. 이와 함께, 통상적으로 가스화기 후단에 배치되는 열교환기를 거쳐 냉각된 상태로 건조기로 합성 가스를 리사이클하는 종래기술에 비하여 석탄 건조량을 증가시킬 수 있고, 증가된 건조 석탄의 일부를 고품질의 석탄으로 회수하여 펠렛, 브리켓, 과립 등의 형태로 가공 또는 제품화할 수 있다. 또한, 선택적으로 건조 단계에서 합성 가스의 열량 공급 정도에 따라 석탄으로부터 분리된 휘발 성분으로 인하여 야기될 수 있는, 건조 후 합성 가스 내 타르(tar) 물질을 분리 및 회수할 수 있고, 이를 제품화할 수 있다.
이와 같이, 수분-함유 저급 석탄으로부터 가스화 반응용 공급원료 및 고품질의 석탄을 동시에 생산함에 있어서 종래의 가압 록 호퍼 대신에 루프 실 형태의 이송수단을 사용함으로써 공정의 단순화뿐만 아니라 이송 장치 사이즈 증가 등으로 인한 투자 비용 증가 문제 등을 완화시킬 수 있다. 더욱이, 종래의 통합 건조 방식의 가스화 공정에서 통상적으로 구비하고 있는 열 교환기를 생략함으로써 설비 투자 비용을 감소시킬 수 있으며, 또한 필요에 따라 합성 가스 내 타르 물질을 별도로 분리하여 제품화함으로써 부가가치를 더욱 제고할 수 있다.
도 1은 가스화기로부터 열 교환기를 거친 합성가스 및 열 교환기를 거치지 않은 합성가스 각각을 건조기 내에서 수분-함유 석탄의 건조 열원으로 사용하는 경우, 석탄 내 수분 함량에 따른 석탄 처리량을 대비한 시뮬레이션 그래프이고;
도 2는 본 발명의 구체예에 따른, 루프 실 형태의 이송수단을 이용하여 합성 가스, 타르 및 고품질의 석탄을 병산하기 위한 통합건조 가스화 공정을 개략적으로 도시하는 도면이고; 그리고
도 3은 도 2에서 루프 실 형태의 이송수단 내에서 건조 석탄의 이동 경로를 도시하는 확대도이다.
본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.
석탄
본 발명에 따른 구체예에 있어서, "석탄"은 무연탄, 유연탄(역천탄, 갈탄, 이탄 등), 저급 활성탄 등을 포함하는 것으로 사용된다. 따라서, 특정 등급의 석탄으로 제한되는 것은 아니며, 특히 저급 석탄을 최대한 활용하여 경제성을 제고할 수 있다. 석탄 내 탄소 함량은 전체 석탄 중량을 기준으로 예를 들면 적어도 약 20 중량%, 구체적으로 약 30 내지 약 80 중량%, 보다 구체적으로 약 40 내지 약 70 중량% 범위일 수 있다. 또한, 석탄은 건조 기준으로 회재(ash)를 예를 들면 약 20 중량%까지, 구체적으로 약 5 내지 약 15중량%, 보다 구체적으로 약 8 내지 약 12 중량%까지 포함할 수 있다. 상기 회재 내에는 전형적으로 실리카, 산화칼슘 및 산화철이 상당 비율로, 그리고 산화 칼륨, 산화 마그네슘, 티타니아, 산화아연 등의 성분이 소량 함유되어 있다.
다만, 비록 본 발명의 구체예에서 석탄을 중심으로 설명하고 있으나, 통합 건조 방식의 가스화 공정에 적합하고 건조에 의하여 고품질의 고체 연료 형태로 수득될 수 있는 한, 다양한 유래의 고체연료, 예를 들면 수분-함유 바이오매스, 각종 수분 함유 폐기물 등을 석탄 대신에 사용할 수도 있는 바, 이러한 다양한 고체 연료의 사용 역시 본 발명의 구체예에 포함되는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명의 구체예에 따르면, 공급원료로서 수분을 함유하는 석탄을 사용하여 전술한 장점을 구현할 수 있는 바, 전형적으로 수분을 상당량 함유하는 저급탄을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 석탄 내 수분 함량은 예를 들면 약 10 내지 70 중량%, 구체적으로 약 20 내지 50 중량%, 보다 구체적으로 약 20 내지 40 중량% 범위일 수 있다. 슬러리 형태의 경우, 슬러리 내 고형분 함량은 예를 들면 약 30 내지 80 중량% 범위일 수 있다.
또한, 상기 석탄은 건조 단계에서 합성 가스와의 접촉 및 이송을 원활히 하도록(합성 가스가 비교적 낮은 압력 하에 있더라도 건조기 내에서 용이하게 이송되도록), 선택적으로 예를 들면 약 50 내지 6000 ㎛, 구체적으로 약 50 내지 2000 ㎛, 보다 구체적으로 약 100 내지 1000 ㎛ 범위의 입자 사이즈로 사전 분쇄된 형태로 건조기 내로 도입될 수 있다.
건조기
본 발명의 구체예에 따르면, 건조기(건조 영역)가 가스화기 전단에 배치된다. 이와 관련하여, 예시적인 건조기 종류로서, 기류(pneumatic) 또는 플래쉬(flash) 건조기, 유동층 건조기, 로터리 건조기, 로터리 튜브 건조기 등을 들 수 있다. 다만, 수분을 효과적으로 제거할 수 있도록 수분 확산이 용이하여 짧은 시간 내에 석탄을 건조시킬 수 있는 기류 또는 플래쉬 건조기, 특히 가압 플래쉬 건조기가 유리할 수 있다.
상기 구체예에 있어서, 수분-함유 석탄은 가스화기로부터 리사이클되는 합성 가스와 가급적 긴밀히 접촉하여(즉, 열 교환하여) 승온 및 건조되면서 스팀을 발생시키는 것이 바람직하며, 이때 석탄이 건조됨에 따라 합성 가스의 온도는 낮아진다.
일 구체예에 따르면, 수분-함유 석탄은 건조기의 하측으로 공급되고, 리사이클되는 합성 가스 역시 건조기의 하측으로 이송된다. 이 경우, 수분-함유 석탄 및 합성 가스는 상호 접촉하면서 건조기 상측으로 이동하면서(즉, 병류 방식) 배출된다. 택일적으로, 수분-함유 석탄 및 합성 가스가 건조기 상측으로 유입되면서 상호 접촉하고, 건조기 하측으로 이동하도록 구성할 수 있다. 이때, 가스화기로부터 배출되는 합성 가스의 배출 경로(라인)를 고려하여, 가급적 리사이클 경로를 단순화 또는 최소화할 수 있도록 건조기의 수분-함유 석탄 및 합성 가스의 유입구(또는 유입 포트)를 설정하는 것이 유리할 수 있다.
한편, 건조기 내의 운전 압력은 리사이클되는 합성 가스가 배출되는 가스화기의 운전 압력에 따라 조절될 수 있는 바, 예를 들면 최대 약 60 kg/cm2 범위 내에서 정하여질 수 있다.
건조기 내 운전 온도 역시 가스화기로부터 리사이클되는 합성 가스의 배출 온도에 따라 변화 가능한 바, 건조기 입구 측에서는 예를 들면 약 400 내지 1500℃, 구체적으로 약 800 내지 1200℃, 그리고 건조기 출구 측에서는 예를 들면 약 200 내지 700℃, 구체적으로 약 250 내지 500℃ 범위일 수 있다. 건조된 석탄은 예를 들면 약 10 중량% 이하, 구체적으로 약 1 내지 8 중량%, 보다 구체적으로는 약 1 내지 5 중량%의 수분 함량을 갖는다.
예시적 구체예에 따르면, 건조기를 거치면서 석탄 중의 수분만을 증기화하여 석탄을 건조시키는 것이 바람직하며, 이때 석탄 공급량, 건조기 내 합성 가스의 온도 및 체류 시간에 따라 건조 정도를 달리 설정할 수 있다.
다만, 본 발명의 구체예에 따르면, 건조에 필요한 열량 이상으로 합성 가스를 건조기로 리사이클하는 경우, 석탄 내 수분 뿐만 아니라 일부 휘발 성분 역시 분리되는 바, 이러한 휘발 성분은 건조기로부터 배출되는 합성 가스 내에 타르 물질 형태로 포함된다. 따라서, 예시적 구체예에서는 선택적으로 이러한 합성 가스 내 타르 물질을 분리하여 회수할 수 있고, 더 나아가 제품화할 수도 있다.
통상적으로 건조기, 특히 플래쉬 건조기의 경우, 짧은 체류시간 내에 석탄 중의 휘발분은 그대로 석탄 중에 남게 되고 수분만을 제거하는 특성을 갖고 있다. 따라서, 유입된 고온의 합성 가스가 건조기 내에서 장시간 체류하게 되면 석탄 중 휘발 성분 역시 합성 가스와 함께 건조기로부터 배출되어 건조탄의 열량 등 특성이 바뀌게 되고, 합성 가스 내 휘발 성분의 함유로 인하여 후속 공정에 영향을 줄 수 있기 때문에, 가급적 휘발 성분을 제거하지 않고 수분만을 제거하도록 체류시간을 설정하는 것이 유리할 수 있다. 이와 관련하여, 건조기 내 가스 체류 시간은, 전형적으로 예를 들면 약 2 내지 10초, 구체적으로는 약 2 내지 5초, 보다 구체적으로는 약 2 내지 3초 범위일 수 있다.
택일적 구체예에 따르면, 전술한 바와 같이 건조 과정에서 타르가 생성되도록 하여 별도로 제품화하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 건조기로 리사이클되는 합성 가스 열량을 수분 건조에 필요한 량 이상으로 공급하거나, 건조기 내 가스 체류 시간을 상대적으로 길게 유지하여 건조기로부터 배출되는 합성 가스 내 타르를 함유하게 하여 분리 및 회수할 수 있다.
본 구체예에 있어서, 후술하는 바와 같이 가스화기로부터 배출되는 합성 가스가 열 교환기를 경유하지 않고 직접 파이프 라인을 통하여 건조기로 이송되므로, 종래의 통합 건조식 가스화공정에 비하여 높은 온도의 합성 가스로 유입되며, 이에 따라 건조 용량 역시 증가하게 된다.
예시적 구체예에 따르면, 가스화기 후단에 열교환기를 배치하여 가스화기로부터 배출되는 400 내지 1500℃의 합성 가스를 300 내지 500℃로 냉각한 후에 건조기로 리사이클하는 경우에 비하여 동일 량의 수분-함유 석탄(수분 함량: 20 내지 50 중량%)에 대하여 건조 용량을 최대 약 3 내지 4 배로 증가시킬 수 있다.
상술한 건조기 내 공정 조건은 예시적인 의미로 이해될 수 있으며, 건조기의 사이즈, 타입 등에 따라 변경 가능하다.
도 1은 가스화기로부터 열 교환기를 거친 합성가스(350℃) 및 열 교환기를 거치지 않은 합성가스(700℃) 각각을 본 발명의 구체예에 따른 공정의 건조기(통합 건조기) 내에서 수분-함유 석탄의 건조 열원으로 사용하는 경우, 석탄 내 수분 함량에 따른 석탄 처리량에 대한 시뮬레이션 테스트 결과(SK 파일럿 플랜트: 3톤/일 용량)를 나타내는 그래프이다.
상기 테스트 조건 및 수분 함량에 따른 처리량의 변화를 하기 표 1 및 2에 나타내었다.
표 1
건조 후 석탄 내 수분 함량(%) 2
건조기 출구 온도 Min. 200℃
표 2
석탄 내 수분 함량(%) 합성가스 온도 별 석탄 처리량(kg/hr)
350℃ 700℃
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루프 실 형태( 비기계적 밸브형) 가압 건조 석탄 공급시스템
본 발명의 구체예에 따르면, 건조기로부터 배출된 건조 석탄 및 합성 가스(구체적으로 스팀-함유 합성 가스로서, 전형적으로 약 10 내지 50 몰%의 스팀을 함유할 수 있음)는 고상-기상 분리수단, 분리된 건조 석탄의 일부를 별도로 분리하여 회수하는 회수 장치, 및 나머지 건조 석탄을 가스화기로 이송하는 루프 실 형태의 이송수단을 포함하는 건조 석탄 공급시스템으로 이송된다. 구체적으로, 고상-기상 분리수단에 의하여 건조기로부터의 배출물이 건조 석탄 및 합성 가스로 분리되는데, 이때 고상-기상 분리수단은 당업계에서 알려진 통상의 장치를 사용할 수 있다. 전형적인 고상-기상 분리수단의 예로서 사이클론을 들 수 있다.
전술한 사이클론은 원심력(centrifugal force)를 이용하여 유체(가스) 내에 존재하는 입자를 분리하는 장치로서, 적어도 고상물을 함유하는 가스를 도입하기 위한 접선(tangential) 유입구 및 감소된 고상물을 함유하는 가스 배출구 및 수집된 고상물의 배출구를 구비한다. 예시적 구체예에 따르면, 사이클론은 실린더부 및 상기 실린더부와 연결된 콘 형상의 부위를 포함하며, 다운커머(downcomer)의 상단부가 사이클론의 콘 형상 부위의 좁은 단부와 연결되도록 구성될 수 있다. 상기 다운커머의 입구는 사이클론으로부터의 고상물 배출구와 연결되며, 파이프 형상을 가질 수 있다. 상기 다운커머의 하측부는 후술하는 루프 실 형태의 이송수단의 일부를 구성하게 된다.
상기와 같이 분리된 건조 석탄은 가스화기로 이송되기에 앞서 그 일부가 별도로 분리되어 회수 장치에 의하여 건조 석탄 형태로 회수된다. 이때, 회수 장치는 예를 들면 배출 호퍼(drainage hopper), 연속식 감압 배출 장치 등일 수 있다.
본 구체예에 따라 건조된 석탄은 전술한 바와 같이 공급원료 내 다량으로 함유된 수분이 제거될 뿐만 아니라, 앞서 설명한 바와 같이 건조 전 선택적으로 분쇄된 형태인 경우에는 입자 형태로 존재하는 고품질의 석탄의 성상을 갖고 있다. 따라서, 후속적으로 펠렛, 브리켓, 과립 형태로 제품화하거나 가공하는데 적합한 성상을 갖게 된다. 이와 같이, 건조 석탄은 그 자체만으로도 수분-함유 석탄에 비하여 높은 부가가치를 갖고 있을뿐만 아니라, 이를 가공 또는 제품할 경우에는 부가가치 증대 이외에도 취급성 및 운송 편의성을 제고할 수 있는 장점을 갖는다.
예시적 구체예에 따르면, 상기 회수된 건조 석탄은 당업계에 알려진 유기 또는 무기 바인더 성분을 이용하여 펠렛 형태로 가공될 수 있는 바, 상기 유기 바인더로서 아크릴 에멀젼, 아크릴-스티렌계 에멀젼, 셀룰로오스 에테르, 폴리비닐 알코올계 고분자, 페놀 수지, 폴리이미드 또는 이의 혼합물을 들 수 있으며, 무기 바인더로서 벤토나이트 등을 예시할 수 있다. 구체적으로, 건조 석탄을 상기 바인더 성분과 혼합한 다음, 반죽하고(kneading), 이를 성형 장치를 사용하여 페렛화한 다음, 건조 및 냉각 과정을 통하여 제품화할 수 있다. 경우에 따라서는 바인더를 사용하지 않고 펠렛화할 수 있는 바, 예를 들면 건조 석탄의 일부를 연화점까지 가열한 다음, 가압하여 천연적으로 존재하는 타르 피치 성분으로 응집되도록 할 수 있다. 상술한 건조 석탄의 후속 가공 또는 제품화 공정은 예시적 의미로 이해될 수 있는 바, 고품질의 건조 석탄을 적절히 활용할 수 있는 한, 당업계에서 알려진 다른 가공 또는 제품화 공정이 채택될 수 있다.
한편, 회수되지 않은 건조 석탄의 경우, 가스화 반응 원료로서 가스화기로 이송된다. 가스화기는 후술하는 바와 같이 수 내지 수십 kg/cm2 범위의 압력으로 운전되는 바, 이로부터 배출된 합성 가스는 건조기로 이송되는 과정 및 건조 과정에서 일부 압력 강하 현상이 유발되고, 가스화기의 배출부 대비 가스화기 연료 공급 및 반응부의 압력이 상대적으로 높게 운전되기 때문에 건조 석탄은 가스화기 내 압력보다 낮은 압력 상태로 존재하게 된다. 따라서, 건조 석탄을 가스화기 내로 이송(공급)하기 위하여는, 즉 저압 영역으로부터 고압 영역으로 고상물이 이동하기 위하여는 이보다 높은 압력으로 건조 석탄을 공급해야 한다.
이를 위하여, 본 구체예에서는 루프 실 형태의 이송수단을 채택하여, 유동화된 건조 석탄에 의하여 수두(static head)를 형성시킴으로써 건조 석탄이 가스화기로 이송되도록 한다. 이때, 고압(루프 실 구조 내 압력보다 높은 압력)의 유동화 가스를 루프 실 구조에 구비된 복수의 포트를 통하여 공급한다. 상기 루프 실 구조에서는 공급된 고압의 유동화 가스는 루프 실 내 석탄 인벤토리를 유동층 상태로 형성 및 유지시킴으로써 내부 차압에 의한 유동 흐름이 발생하도록 하여 가스화기 측으로 건조 석탄이 이송될 수 있는 것이다.
이때, 유동화 가스로서 질소, 이산화탄소, 스팀, 가스화기로부터 생성된 합성가스, 이의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
가스화기
본 발명의 구체예에 따르면, 가스화기로서 당업계에 알려진 다양한 타입의 반응기가 사용될 수 있다. 상기 가스화기에는 건조 석탄의 유입구 및 필요시 가스화제의 유입구가 구비된다. 상기 가스화기의 예로서 이동층 가스화기(moving bed gasifier; 건조된 탄소질 원료가 상측으로 도입되는 한편, 가스화제가 하측으로부터 향류 방식으로 원료와 접촉함), 유동층 가스화기(fluidized bed gasifier; 가스화제가 탄소질 원료의 베드를 통과하면서 고체 입자를 부유시킴), 이송반응기 통합 가스화기(transport reactor integrated gasifier), 분류 흐름 가스화기(탄소질 원료와 가스화제가 병류 방식으로 도입됨) 등을 들 수 있다.
일 구체예에 따르면, 가스화기 내 운전 온도는 예를 들면 약 400 내지 1500℃, 구체적으로 약 800 내지 1500℃, 보다 구체적으로 약 900 내지 1500℃ 범위일 수 있다. 또한, 운전 압력은 예를 들면 약 1 내지 60 kg/cm2, 구체적으로 약 5 내지 40 kg/cm2, 보다 구체적으로 약 20 내지 40 kg/cm2 범위일 수 있다. 또한, O2/탄소 비율은 몰 기준으로 예를 들면 약 0.1 내지 1.0, 보다 구체적으로 약 0.2 내지 0.7 범위일 수 있다.
다만, 예시적 구체예에서 스팀/탄소 비율은 실질적으로 0으로 조절할 수 있는 바(건식 가스화 또는 이산화탄소 개질을 통한 가스화 반응의 경우), 이 경우 스팀/탄소(몰 기준) 비율은 예를 들면 약 0 내지 2, 보다 구체적으로 약 0 내지 1 범위일 수 있다. 또한, CO2/탄소 비율은 몰 기준으로 약 0 내지 1, 보다 구체적으로 약 0 내지 0.5 범위일 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 상기 가스화 반응에 있어서 석탄 내 탄소의 전환율은 전형적으로 적어도 약 80 %, 보다 구체적으로 약 90 내지 99 % 범위일 수 있다.
한편, 본 발명의 구체예에 따르면, 생성된 합성가스는 상기 가스화기 운전 온도에 따라 고온 상태에서 배출되는 바, 열교환기를 경유하지 않고 직접 건조기로 리사이클된다.
도 2는 본 발명의 구체예에 따른, 루프 실 형태의 이송수단을 이용하여 합성 가스 및 고품질의 석탄을 병산하기 위한 통합건조 가스화 공정을 개략적으로 도시한다.
상기 도면에서, 가스화 공정은 크게 건조기(100) 및 가압 건조 석탄 공급시스템(200) 및 가스화기(300)를 포함한다. 설비 내 구성 장치 간에는 특별한 언급이 없는 한, 통상의 연결 수단, 예를 들면 파이프를 통하여 연결(연통)되어 석탄 및 가스가 이동하는 것으로 이해될 수 있다.
상기 구체예에서 수분-함유 석탄은 건조기(100)의 하측을 통하여 유입되고, 가스화기(300)로부터 직접 리사이클되는 합성 가스 역시 건조기(100) 하측을 통하여 유입된다. 이때, 가스화기로부터 배출되는 합성 가스 온도는 전술한 바와 같이 가스화기 운전 온도와 큰 차이가 없으나, 건조기로의 리사이클(이송) 과정에서 약 20 내지 100 ℃ 정도 냉각될 수 있다. 그러나, 도시된 바와 같이 열 교환기를 사용한 합성 가스의 인위적 냉각은 수행되지 않는 만큼, 건조기(100)는 통상의 통합 건조 가스화 공정에서 사용되는 건조기보다 높은 건조 용량을 갖도록 설계된다.
도시된 구체예에 있어서, 건조기(100)의 상측부를 통하여 건조 석탄 및 가스 혼합물(석탄 건조에 따라 스팀 함량이 증가된 합성 가스)이 배출되며, 상기 배출물 각각의 수분 함량은 건조기로 유입되는 합성 가스의 온도 및 압력, 수분-함유 석탄공급원료의 초기 수분 함량 및 입도, 그리고 건조기로 유입되는 합성 가스와 석탄(공급원료)의 혼합 비율에 따라 결정된다. 이때, 건조기로 유입되는 합성 가스 : 수분-함유 석탄의 중량 비는 전형적으로 약 1:1 내지 10:1 구체적으로 약 2:1 내지 8:1, 보다 구체적으로 약 3:1 내지 6:1 범위일 수 있다.
도시된 구체예에서, 건조 석탄(즉, 건조 고체연료) 및 합성 가스는 건조기 상단으로부터 라인(101)을 거쳐 가압 건조 석탄 공급시스템(200)으로 이송된다. 상기 공급 시스템(200)은 크게 고상-기상 분리수단인 사이클론(103), 배출 호퍼(106) 및 루프 실 형태의 이송수단(107)을 포함한다. 상기 사이클론(103)은 가스상 성분(합성 가스)과 고상 성분(건조 석탄)을 분리한다. 이때, 분리된 합성가스(102)는 미분, 황 화합물, 질소 화합물 등을 함유할 수 있는 만큼, 추가적으로 필터(세라믹 필터), 전기 집진기, 스크러버, 탈황 설비 등의 후단 처리 공정(도시되지 않음)을 거칠 수 있다. 이와 같이 분리된 합성 가스(102)는 예를 들면 석탄가스화 복합발전설비(IGCC), F-T 공정 등의 후속 공정으로 공급될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 합성 가스(102) 내에 타르 물질을 함유하도록 한 경우에는 이를 별도로 분리 및 회수하는 수단 또는 공정(도시되지 않음)이 추가될 수 있다. 이러한, 타르 물질의 분리 및 회수 수단으로서 당업계에 공지의 수단(예를 들면, 필터 등)을 이용할 수 있다.
한편, 사이클론(103)에 의하여 분리된 건조 석탄은 사이클론(103)의 하단부(정확하게는 콘 형상의 하단부)와 연결된 다운커머(104)를 따라 하측 방향으로 이동한다. 이때, 다운커머(104)는 하측 방향을 따라 건조 석탄의 분리 라인(105)이 형성되고, 이를 통하여 배출 호퍼(106)와 연결되어 건조 석탄이 회수된다.
상기와 같이 분리 회수되지 않은 나머지 건조 석탄은 루프 실 형태의 이송수단(107)으로 도입된다. 도시된 구체예에 따르면, 분리 회수되는 건조 석탄 량 : 가스화기로 이송되는 건조 석탄 량의 비율은 타겟 생성물(합성가스 또는 고품질 건조 석탄)의 요구량에 따라 적절히 변경할 수 있는 바, 예를 들면 중량 기준으로 약 1:1 내지 4:1, 보다 구체적으로는 약 2:1 내지 3:1 범위일 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 가스화 공정에 있어서 루프 실 형태의 이송수단 내에서 건조 석탄의 이동 경로를 도시한다.
도시된 바와 같이, 루프 실 형태의 이송수단(107)은 복수의 유동화 가스 주입포트를 구비하고 있으며, 이때 건조 석탄은 다운커머(104)의 하단부, 수평 영역 및 수직 영역의 순으로 이동하여 고압 상태의 가스화기(300) 방향으로 건조 석탄이 이동할 수 있다.
한편, 가스화기(300) 내에서는 이송된 건조 석탄이 가스화제의 존재 하에서 다양한 반응루트(부분산화, 이산화탄소 개질, 스팀 개질 또는 이의 조합)를 통하여 가스화되어 합성 가스를 생성하게 된다. 이때, 전술한 루프 실 형태의 이송수단에서 공급된 유동화 가스로서 가스화제를 사용할 경우, 상기 유동화 가스 역시 가스화기(300)로 도입되는 만큼, 이를 고려하여 가스화기에 별도로 구비된 가스화제 유입포트(유입구)로 도입되는 가스화제의 량을 조절할 수 있다.
가스화 반응이 종료된 후, 생성된 합성 가스의 적어도 일부 또는 전부를 라인(108)을 따라 건조기(100)로 리사이클한다. 도시된 구체예에 따르면, 합성 가스 전량을 직접 건조기(100)로 리사이클함으로써 수분-함유 석탄의 건조 처리량을 극대화할 수 있다. 이와 같이 배출된 합성 가스(108) 내 일산화탄소 비율은 몰 기준으로 전형적으로 약 10 내지 50%, 구체적으로 약 20 내지 40% 범위일 수 있다.
이처럼, 본 발명의 구체예에 따른 가스화 공정은 가스화기 전단에 건조기를 배치하고 열교환기를 경유하지 않고 가스화기로부터 직접 이송되는 고온의 합성가스의 열원을 이용하여 수분-함유 석탄을 건조함과 동시에 건조된 석탄을 루프 실과 같은 비기계식 밸브형 이송수단에 의하여 가스화기로 이송하는 공정 구성을 구비함으로써 합성가스 및 수분 함량이 현저히 저감된 고품질의 석탄을 동시 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 고가이면서 복잡한 조작을 요하는 종래의 록 호퍼 등의 석탄 공급 수단을 생략할 수 있기 때문에 증가된 량의 가스화 석탄 원료의 건조 비용을 절감할 수 있는 등, 가스화 공정의 부가가치 증가 및 효율성 제고 효과를 달성할 수 있다. 더 나아가, 건조 열량의 조절을 통하여 합성 가스 내에 타르 물질을 더 포함시킨 다음, 이를 분리 및 회수함으로써 합성 가스 및 고품질의 건조 석탄이외에 타르 물질도 함께 생산함으로써 공정의 부가가치를 극대화할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
[부호의 설명]
100: 건조기
103: 사이클론
104: 다운커머(downcomer)
106: 배출 호퍼(drainage hopper)
107: 루프 실 형태의 이송수단
200: 가압 건조 석탄 공급시스템
300: 가스화기

Claims (21)

  1. a) 수분-함유 석탄을 건조기로 공급하는 단계;
    b) 상기 건조기 내에서 상기 수분-함유 석탄을 건조시키는 단계로서, 상기 건조에 필요한 열 에너지는 가스화 단계로부터 상기 건조기로 리사이클되는 합성 가스와의 접촉에 의하여 공급됨;
    c) 상기 건조기로부터 배출된 건조 석탄 및 합성 가스를 고상-기상 분리 방식에 의하여 각각 분리하고, 상기 분리된 합성 가스를 회수하는 단계;
    d) 상기 분리된 건조 석탄의 일부분을 별도로 분리하여 건조 석탄을 회수하는 한편, 상기 회수되지 않은 나머지 건조 석탄을 유동 가스(aeration gas)가 복수의 포트를 통하여 공급되는 루프 실(loop seal) 형태의 이송수단에 의하여 유동 상태로 가스화기로 이송하는 단계;
    e) 상기 이송된 건조 석탄을 가스화기 내에서 가스화시켜 합성 가스를 제조하는 단계; 및
    f) 상기 가스화기로부터 배출된 400 내지 1500℃의 합성 가스를 열교환기를 거치지 않고 상기 건조기로 직접 리사이클하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 건조기는 적어도 수분-함유 석탄으로부터 상기 별도로 분리 회수되는 건조 석탄 및 상기 가스화 단계로 이송되는 건조 석탄을 생산하는데 필요한 건조 용량을 제공하는, 합성 가스 및 고품질의 석탄을 병산하기 위한 가스화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수분-함유 석탄의 수분 함량은 10 내지 70 중량% 범위인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 건조 석탄은 10 중량% 이하의 수분 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수분-함유 석탄은 단계 a)에 앞서 50 내지 6000㎛ 입자 사이즈로 분쇄된 후에 건조기로 도입되는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수분-함유 석탄의 석탄 내 탄소 함량은 적어도 20 중량% 범위인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 건조기는 기류 또는 플래쉬 건조기, 유동층 건조기, 로터리 건조기 또는 로터리 튜브 건조기인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  7. 제7항에 있어서, 상기 건조기는 기류 또는 플래쉬 건조기인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 건조기 내에서 수분-함유 석탄 및 합성 가스는 병류 방식으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 건조기 내 운전 압력은 최대 60 kg/cm2 범위이고,
    운전 온도는 건조기 입구 측에서는 400 내지 1500 ℃, 그리고 건조기 출구 측에서는 200 내지 700℃ 범위 내에서 조절되는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 단계 d)에서 분리 회수된 건조 석탄을 펠렛, 브리켓 또는 과립 형태로 가공 또는 제품화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 유동화 가스는 질소, 이산화탄소, 스팀, 가스화기에서 생성된 합성 가스 또는 이의 혼합물인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 가스화기 내 운전 온도는 400 내지 1500℃이고, 운전 압력은 1 내지 60 kg/cm2 범위인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 단계 e)에서 O2/탄소 비율이 몰 기준으로 0.1 내지 1.0 그리고 CO2/탄소 비율이 몰 기준으로 0 내지 1 범위인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 단계 e)에서 스팀/탄소 비율이 몰 기준으로 0 내지 2 범위인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 단계 b)에서 건조기로 리사이클되는 합성 가스 : 수분-함유 석탄의 중량 비는 1:1 내지 10:1 범위인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 단계 d)에서 분리 회수된 건조 석탄 : 가스화기로 이송되는 건조 석탄의 비율은 중량 기준으로 1:1 내지 4:1 범위인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 단계 c) 중 합성 가스의 회수 시 상기 건조 단계에서 발생하여 합성 가스 내에 함유된 타르를 분리 및 회수하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 건조기는 별도로 분리 회수되는 건조 석탄 및 가스화 단계로 이송되는 건조 석탄을 생산하는데 필요한 건조 용량보다 많은 열량을 제공하는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  19. 가스화기;
    상기 가스화기 전단에 배치되며, 상기 가스화기로부터 리사이클되는 합성 가스와의 접촉에 의하여 유입되는 수분-함유 석탄을 건조하여, 건조 석탄 및 합성 가스를 배출하는 건조기;
    상기 건조기로부터 배출되는, 건조 석탄 및 합성 가스를 분리하는 고상-기상 분리 수단;
    상기 고상-기상 분리수단으로부터 분리된 건조 석탄의 일부를 분리하여 회수하는 회수 장치; 및
    상기 회수 장치에 의하여 회수되지 않은 나머지 건조 석탄을 상기 가스화기로 이송하고, 복수의 유동화 가스 유입구가 구비된 루프 실 형태의 이송수단;
    을 포함하고, 상기 가스화기로부터 배출되는 합성 가스는 열교환기를 경유하지 않고 직접 건조기로 이송되는 리사이클 경로를 갖고,
    상기 건조기는 적어도 수분-함유 석탄으로부터 상기 별도로 분리 회수되는 건조 석탄 및 상기 가스화 단계로 공급되는 건조 석탄을 생산하는데 필요한 건조 용량을 제공하는 건조 및 가스화 통합 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 고상-기상 분리수단으로부터 분리된 합성 가스 내 타르 물질을 분리 및 회수하는 회수 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건조 및 가스화 통합 시스템.
  21. 제19항에 있어서, 상기 건조 석탄의 회수 장치는 배출 호퍼(drainage hopper) 또는 연속식 감압 배출 장치인 것을 특징으로 하는 건조 및 가스화 통합 시스템.
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