[go: up one dir, main page]

KR20140080453A - 열 교환기가 구비된 순환 유동층 가스화기 - Google Patents

열 교환기가 구비된 순환 유동층 가스화기 Download PDF

Info

Publication number
KR20140080453A
KR20140080453A KR20130160630A KR20130160630A KR20140080453A KR 20140080453 A KR20140080453 A KR 20140080453A KR 20130160630 A KR20130160630 A KR 20130160630A KR 20130160630 A KR20130160630 A KR 20130160630A KR 20140080453 A KR20140080453 A KR 20140080453A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gasifier
circulating fluidized
fluidized bed
downcomer
bed gasifier
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
KR20130160630A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102032823B1 (ko
Inventor
김용전
이춘원
김규태
박종성
이동훈
신재욱
Original Assignee
에스케이이노베이션 주식회사
에스케이에너지 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에스케이이노베이션 주식회사, 에스케이에너지 주식회사 filed Critical 에스케이이노베이션 주식회사
Publication of KR20140080453A publication Critical patent/KR20140080453A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102032823B1 publication Critical patent/KR102032823B1/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • F02C3/26—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products the fuel or oxidant being solid or pulverulent, e.g. in slurry or suspension
    • F02C3/28—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products the fuel or oxidant being solid or pulverulent, e.g. in slurry or suspension using a separate gas producer for gasifying the fuel before combustion
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/02—Fixed-bed gasification of lump fuel
    • C10J3/20—Apparatus; Plants
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/48—Apparatus; Plants
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/54—Gasification of granular or pulverulent fuels by the Winkler technique, i.e. by fluidisation
    • C10J3/56—Apparatus; Plants
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0913—Carbonaceous raw material
    • C10J2300/093—Coal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0953—Gasifying agents
    • C10J2300/0956—Air or oxygen enriched air
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0953—Gasifying agents
    • C10J2300/0959—Oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0953—Gasifying agents
    • C10J2300/0969—Carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0953—Gasifying agents
    • C10J2300/0973—Water
    • C10J2300/0976—Water as steam
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/18—Details of the gasification process, e.g. loops, autothermal operation
    • C10J2300/1861—Heat exchange between at least two process streams
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/18—Details of the gasification process, e.g. loops, autothermal operation
    • C10J2300/1861—Heat exchange between at least two process streams
    • C10J2300/1892—Heat exchange between at least two process streams with one stream being water/steam
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]
    • Y02E20/18—Integrated gasification combined cycle [IGCC], e.g. combined with carbon capture and storage [CCS]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fluidized-Bed Combustion And Resonant Combustion (AREA)

Abstract

본 발명의 구체예에 따르면, 순환 유동층 가스화기의 다운커머(downcomer) 내부에 열 교환기를 구비함으로써 연소 영역의 증대 및 탄소전환율 향상 효과를 제공할 수 있는 순환 유동층 가스화기가 개시된다.

Description

열 교환기가 구비된 순환 유동층 가스화기{Circulating Fluidized Bed Gasifier Equipped with Heat Exchanger Therein}
본 발명은 열 교환기가 구비된 순환 유동층 가스화기에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 순환 유동층 가스화기의 다운커머(downcomer) 내부에 열 교환기를 구비함으로써 연소 영역의 증대 및 탄소전환율 향상 효과를 제공할 수 있는 순환 유동층 가스화기에 관한 것이다.
석탄 가스화 복합발전(IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle)이란 석탄을 가스화한 후 이를 이용하여 복합발전소를 운전하는 발전기술을 말한다. 즉, 석탄을 고온, 고압 아래에서 수소와 일산화탄소를 주성분으로 한 합성가스로 전환한 뒤 합성가스 중에 포함된 분진과 황 화합물 등 유해물질을 제거하고 천연가스와 유사한 수준으로 정제하여 전기를 생산하는 친환경 발전 기술을 의미한다. 석탄 가스화 복합 발전은 석탄으로부터 합성가스를 생성하는 가스화 공정, 합성가스에 포함된 입자 및 황 화합물 등을 제거하여 청정한 합성가스를 만드는 정제공정 및 가스 터빈과 스팀 터빈으로 구성된 복합발전 공정 등으로 나누어진다.
상기 석탄 가스화 복합 발전방식은 기존의 미분탄 발전방식에 비해 발전효율의 증대로 인한 20% 내외의 이산화탄소 저감 효과를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 대기오염물질인 황산화물(SOx)를 95% 이상, 질소산화물(NOx)의 발생량을 70% 이상 감소시킬 수 있는 장점을 갖는다.
상술한 석탄 가스화 복합 발전기술은 수소와 일산화탄소가 주성분인 합성가스를 생산하는데, 필요에 따라 수소를 분리, 정제하여 비료 등의 공업원료와 발전효율이 60% 이상까지 이르는 가스화 복합 연료전지(IGFC: Integrated Gasification Fuel Cell)의 원료가스로도 사용될 수 있다. 또한, 석탄 가스화 복합 기술을 이용하여 석탄 내 환경오염의 주성분인 황 성분을 유용한 상품으로서 판매할 수 있는 순수 유황으로 회수할 수 있는 장점을 갖는다.
일반적으로, 석탄가스를 생성하는 가스화기는 고정층 가스화기, 유동층 가스화기, 분류층 가스화기로 분류된다. 이중 유동층 가스화기는 가스화기 내부로 공급되는 석탄이 산화제와 유동화 상태에서 반응하여 합성 가스를 생성하는 구조로 이루어진다. 이때, 유동층 가스화기 내에서는 석탄과 가스가 균일하게 혼합되므로 열 전달 및 물질 전달이 고정층 가스화기에 비하여 빠른 속도로 일어나므로 대용량화가 가능하다.
이처럼, 통상의 유동층 가스화기는 반응성이 좋은 저급탄 처리에 강점을 가지고 있으나, 반응성이 상대적으로 낮은 고급탄을 사용할 경우에는 탄소 전환율이 낮아 시스템 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명의 구체예에 따라 제공되는 가스화기는 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 다운커머의 내부에 열 교환기를 구비하여 가스화기 내 연소 영역의 온도를 용이하게 제어할 수 있고, 그 결과 저급탄 뿐만 아니라 고급탄까지 다양한 원료를 활용할 수 있는 순환 유동층 가스화기를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 장점을 구현하면서도 기존 설비를 최대한 활용할 수 있도록 하여 상용화에 유리한 순환 유동층 가스화기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구체예에 따른 순환 유동층 가스화기는,
하부 가스 유입부;
상기 하부가스 유입부에 연결되고, 상기 하부 가스 유입부를 통하여 적어도 하나의 가스화제, 그리고 다운커머(downcomer)로부터 리사이클 고체 혼합물이 도입되도록 구성된 연소영역(combustion zone);
상기 연소영역과 연결되고, (i) 상기 적어도 하나의 가스화제, (ii) 상기 리사이클 고체 혼합물, 및 (iii) 상기 연소영역 내에서 생성되는, 상기 적어도 하나의 가스화제와 상기 리사이클 고체 혼합물 간의 연소 반응 생성물을 수용하도록 구성되며, 제1 석탄 유입구를 통한 탄소질 원료의 공급 하에서 기상의 가스화 반응 생성물 및 고체 입자를 배출하는 라이저(riser);
상기 라이저에 연결되고, 상기 기상의 가스화 반응 생성물로부터 고체 입자를 분리하는 사이클론(cyclone);
상기 사이클론과 연결되고, 상기 사이클론을 통하여 분리된 고체 입자를 포집하도록 구성된 다운커머;
상기 다운커머의 하부에 연결되고, 다운커머에 의하여 포집된 고체 입자를 포함하는 리사이클 고체 혼합물을 연소영역으로 공급하는 루프-실 (loop-seal);
을 포함하며,
여기서, 상기 다운커머 내에 열교환기(heat exchanger)를 구비한다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 선택적으로 상기 루프-실에 제2 석탄 유입구를 더 포함할 수 있다. 이때, 제1 및 제2 석탄 유입구에 투입되는 탄소질 원료로서 저급탄 및 고급탄을 모두 사용할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 석탄 연소가 주로 일어나는 순환 유동층 가스화기 내 연소영역이 석탄 원료의 회재 융점 온도를 초과하는 조건 하에 있을 경우, 가스화기 내부에 응집체 등의 고체 덩어리가 형성될 수 있으므로, 열 교환기는 연소영역의 온도가 석탄의 회재 융점 이하로 유지되도록, 리사이클되는 고체 입자(리사이클 고체 혼합물)의 온도를 제어할 수 있다. 또한, 열 교환에 의하여 생성된 스팀(steam)을 이용하여 스팀 터빈을 가동할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 열 교환기는 다운커머 내부의 하측 영역에 위치하며, 냉각수 입구, 이코노마이저, 및 스팀(냉각수) 출구를 포함할 수 있다.
본 발명의 구체예에서 제공되는 가스화기는 연소영역으로 리사이클되는 고체 성분(재/차르(ash/char) 및 선택적으로 석탄 입자를 함유)의 온도를 감소시켜, 고체 리사이클 량이 낮더라도 연소가 주로 일어나 가스화 반응에 필요한 열을 공급하는 연소 영역의 온도 제어에 유리하며, 핫 스팟(hotspot)의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 종래의 가스화기의 경우, 고급탄을 사용하면 탄소전환율이 감소하는 문제점이 있었으나, 본 발명의 일 구체예에 따르면, 연소 영역을 증대시켜 탄소전환율을 높일 수 있는 장점을 갖는다.
이외에도, 본 발명의 구체예에서 제공되는 순환 유동식 가스화기는 기존의 설비 구성을 그대로 유지하면서 다운커머 내부에 열 교환기를 구비하기 때문에 상용화에 유리한 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 의한 가스화기를 나타낸 도면이고; 그리고
도 2는 본 발명의 일 구체예에 의한 가스화기의 구성 중 다운커머 내부의 하측 영역에 배치되는 열 교환기의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참고로 하여 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 가스화기를 개략적으로 도시한다. 상기 도면에 따르면, 가스화기는 하부가스 유입구, 연소영역(10), 상기 연소영역(10)의 상측에 위치하며, 제1 석탄 유입구(주된(main) 석탄 유입구)가 구비된 라이저(20), 사이클론(30), 다운커머(40), 루프-실(50), 열교환기(60), 및 제2 석탄 유입구(70)를 포함한다.
이때, 적어도 하나의 가스화제(예를 들면, 스팀, 이산화탄소 및/또는 공기/산소)는 하부가스 유입부(구체적으로, 단일 또는 복수의 유입구)를 통하여 연소영역(10)으로 도입된다. 이때, 연료, 황 등을 흡착하기 위한 흡착제를 연소영역에 선택적으로 배치할 수 있다. 상기 가스화제(예를 들면, 스팀, 이산화탄소 및/또는 공기/산소), 흡착제(선택적), 및 다운커머(40)로부터 이송되는 리사이클 고체 혼합물(탄소를 함유함)은 상기 연소영역(10)에서 함께 혼합되고, 연소 반응이 일어난다. 상기 연소 반응으로부터 생성되는 열 에너지는 라이저(20)에서 석탄의 열분해 및 가스화 반응이 이루어질 수 있도록 에너지를 제공한다.
도시된 구체예에 따르면, 적어도 하나의 가스화제, 리사이클 고체 혼합물, 및 상기 연소영역(10) 내에서 생성되는, 적어도 하나의 가스화제(특히, 산소/공기)와 리사이클 고체 혼합물 간의 연소 반응 생성물은 연소영역(10)에 연결된 라이저(20)로 이동하며(하측에서 상측으로), 이와 함께 제1 석탄 유입구(예를 들면, 연소영역(10)의 상측에 위치하는 라이저(20)의 하부 영역에 형성될 수 있음)로부터 도입되는 탄소질 원료(석탄)가 가스화된다.
제1 석탄 유입구를 통하여 도입되는 탄소질 원료는 연소영역(10)으로부터 라이저(20)로 유입되는 연소 반응 생성물로부터 열을 전달받아 탄소질 원료의 열분해 반응 및 가스화 반응이 일어난다. 특히, 라이저(20)에서 가스화 반응의 대부분이 일어나며, 그 결과 라이저(20)로부터 기상의 가스화 반응 생성물 및 고체의 혼합물이 배출된다.
이후, 기상의 가스화 반응 생성물 및 고체의 혼합물은 라이저(20) 상부에 연결된 사이클론(30)으로 이송되고, 이로부터 기상의 가스화 반응 생성물이 고체와 분리된다. 즉, 사이클론(30)의 상측으로 가스화 반응 생성물이 배출되는 한편, 사이클론(30)과 연결된 다운커머(40)가 사이클론(30)의 하측으로 분리된 고체를 수용(포획)한다. 여기서, 다운커머(40)는 루프-실(50)을 경유하여 고체 입자(리사이클 고체 혼합물)를 연소영역(10)으로 리사이클하도록 구성된다.
상기 구체예에서 주목할 점은, 다운커머(40)의 내부, 특히 이의 하측(또는 하측 영역)에 열 교환기(60)가 설치되어 리사이클되는 고체(즉, 재/차르를 함유하는 고체 또는 고체 혼합물)의 온도를 감소시킨다는 것이다. 상기 냉각된 고체 입자는 루프-실(50)을 통하여 연소영역(10)으로 리사이클된다.
예시적 구체예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이 루프-실(50)에 제2 석탄 유입구(70)가 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 루프-실(50)의 수평관 영역에 제2 석탄 유입구(70)가 선택적으로 형성될 수 있는 바, 이를 통하여 도입된 탄소질 원료(전형적으로, 석탄)는 다운커머(40)로부터 리사이클되는 고체와 함께 루프-실(50), 연소영역(10) 및 라이저(20) 순으로 이동하면서 추가적인 열분해 반응, 연소, 및 가스화 반응이 일어날 수 있다. 이와 같이 루프-실(50)을 통하여 탄소질 원료(석탄)가 추가적으로 공급되는 경우, 산소가 공급되지 않기 때문에 열분해 반응이 일어날 수 있다. 즉, 제2 석탄 유입구(70)로 공급된 탄소질 원료(석탄)는 루프-실(50)을 통과하면서 석탄 내 휘발 성분의 열 분해(크래킹)가 진행되며, 연소영역(10)으로 이동함에 따라 석탄은 휘발 성분 및 수분이 제거된 차르(char)로 전환될 수 있다. 이때, 루프-실(50)을 이동하면서 열 분해 가스 역시 리사이클 고체를 따라 연소영역(10) 및 라이저(20)로 이동함으로써(이때, 열 분해 가스가 다운커머(40) 영역으로 이동하지는 않음), 열 분해 가스의 체류시간이 극대화되어 열분해 시 발생된 타르 및 중질 탄화수소 역시 분해될 수 있다.
일 구체예에 따른 순환 유동층 가스화기 내 반응 조건은 연료의 타입, 성상 등에 따라 변화 가능하나, 전형적으로는 내부 온도가 700 내지 1100 ℃(보다 구체적으로 약 900 내지 1100 ℃)의 회재 융점 이하의 온도 조건, 그리고 약 1 내지 50 bar(구체적으로, 약 5 내지 40 bar)의 압력 조건 하에서 운전될 수 있다. 이때, 가스화기 내 다운커머(40)로부터 배출되는 재(ash)는 냉각되고, 이의 적어도 일부가 재 배출구(도시되지 않음)를 통하여 가스화기로부터 배출될 수도 있다. 순환 유동층 가스화기 내 다른 조건, 예를 들면 스팀/탄소 몰 비율, CO2/탄소 몰 비율, 연소영역(10)에서 리사이클 고체 혼합물을 연소시켜 가스화에 필요한 열을 제공하기 위한 가스화제 내 산소(또는 공기)의 주입량 등은 투입되는 원료의 성상 및 량에 따라 적절히 변경할 수 있다.
일 구체예에 따라 제공되는 가스화기는 비교적 낮은 온도 조건 및 높은 수준의 리사이클을 구현할 수 있기 때문에, 저급 석탄(low rank coal)에서 고급탄(high rank coal)까지 다양한 원료를 사용할 수 있다.
일반적으로 저급탄의 경우, 고정탄소 함량이 낮고 다량의 수분, 재 및 산소를 함유하는 석탄으로서, 전형적으로 갈탄(lignite), 아역청탄(sub-bituminous coal) 등을 예시할 수 있다. 특히, 수분 및 휘발분이 상대적으로 많고, 회재 함량이 높아 발열량이 낮은 특성을 갖는다. 반면, 고급탄의 경우, 고정탄소 함량이 높고, 수분 및 휘발분의 함량이 낮기 때문에 발열량이 높은 석탄을 의미할 수 있다. 대표적으로, 역청탄(bituminous coal) 및 무연탄을 들 수 있다. 또한, 예시적 구체예에 따르면, Petcoke, 바이오매스 등의 다양한 고상의 탄소질 원료도 사용 가능하며, 이의 혼합물 형태로 사용될 수 있다.
하기 표 1에 고급탄인 역청탄 및 저급탄인 갈탄의 예시적인 조성을 나타내었다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
성상 역청탄 갈탄
수분(%) 13.0 36.9
재(%) 10.7 10.4
휘발 성분(%) 37.0 24.9
고정 탄소(%) 39.3 27.8
발열량(kJ/kg) 33700 26700
예시적 구체예에 따르면, 하부 가스 유입부를 통하여 도입되는 적어도 하나의 가스화제(스팀, 이산화탄소, 및/또는 공기/산소)는 연소영역(10)으로 이송되는 바, 상기 가스화제는 연소영역(10)으로 도입되는 고체 입자(리사이클 고체 혼합물)와 혼합된다. 다만, 상기 도입되는 가스화제 내에 산화제로서 산소/공기를 포함할 수 있는 바, 이때 연소영역(10)으로 도입되는 고체는 산화제에 의하여 연소되어 가스화 반응에 요구되는 열을 제공할 수 있다.
상기 고체가 가스화제와 잘 혼합되었는지 여부는 연소영역(10)의 온도로부터 확인할 수 있다. 예를 들면, 충분한 량의 고체가 연소영역으로 도입되는 경우, 연소영역(10)의 온도는 가스화기 내부의 다른 영역에서의 온도와 거의 동일하다. 만약, 연소영역(10)으로 도입되는 고체의 량이 충분하지 않으면, 가스화기에 비활성 고체를 첨가함으로써 라이저(20) 내부의 고체 량을 증가시킬 수 있다.
예시적 구체예에 있어서, 가스화기로 공급되는 산소/공기는 연소영역(10)에서 모두 소비될 수 있기 때문에, 제1 석탄 유입구를 통하여 도입되는 탄소질(구체적으로, 석탄) 원료는 공급 가스 중의 산소와 접촉하지 않을 수 있다. 대부분의 경우, 탄소질 원료는 이산화탄소 또는 질소, 리사이클되는 기상생성물(recycled syngas)에 의하여 가스화기로 공급될 수 있다. 이때, 탄소질 원료가 산소와 접촉하지 않기 때문에 국부적인 핫 스팟(hot spot)의 발생을 억제할 수 있다. 다만, 경우에 따라서는 탄소질 원료를 공기와 함께 운반할 수도 있다.
상기 연소영역(10)에 연결된 라이저(20)의 하부에서는 탄소질 원료의 입자가 빠른 속도로 가열되므로 물 및 휘발 성분이 배출되고, 공급 연료의 열 소모가 상당량 야기될 수 있다. 또한, 휘발 성분의 열 분해(크래킹) 및 가스화 반응 대부분이 라이저(20)에서 이루어진다.
라이저(20)로부터 배출된 기상의 가스화 반응 생성물 및 고체는 사이클론(30)으로 도입된다. 사이클론(30)은 원심력(centrifugal force)을 이용하여 유체(가스) 내에 존재하는 입자를 분리하는 장치로서, 적어도 고체를 함유하는 가스를 도입하기 위한 접선(tangential) 유입구 및 감소된 고상물을 함유하는 가스 배출구 및 수집된 고체의 배출구를 구비한다. 예시적 구체예에 따르면, 사이클론(30)은 실린더 부 및 상기 실린더 부와 연결된 콘 형상의 부위를 포함하며, 다운커머(40)의 상단부가 사이클론(30)의 콘 형상 부위의 좁은 단부와 연결되도록 구성될 수 있다. 상기 다운커머(40)의 입구는 사이클론(30)의 고체 배출구와 연결되며, 파이프 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 다운커머(40)의 하부는 후술하는 루프-실(50)의 일부를 구성하게 된다.
전술한 바와 같이, 사이클론(30)에서 고체가 분리되며, 상기 분리된 고체는 다운커머(40)에 의하여 포집된다. 상기 다운커머(40)에 의하여 포집된 고체 입자(또는 고체 혼합물)는 다운커머(40)와 연소영역(10)을 연결하는 비기계적 밸브, 구체적으로는 루프-실(loop-seal; 50)을 이용하여 연소영역(10)으로 리사이클된다. 상기 루프-실(50)은 유동화된 고체 입자에 의하여 수두(static head)를 형성시킴으로써(즉, 고체가 원활히 흐를 수 있는 상태에 있도록 함으로써) 고체 입자가 다운커머(40)로부터 연소영역(10)으로 이송되도록 한다.
예시적 구체예에 따르면, 고압(루프-실 구조 내 압력보다 높은 압력)의 유동화 가스를 루프-실(50)에 구비된 포트(구체적으로, 복수의 포트)를 통하여 공급한다. 상기 루프-실(50)에서는 공급된 고압의 유동화 가스가 루프-실(50) 내 고체 입자를 유동 상태로 유지시켜 내부 차압에 의한 유동 흐름이 발생함으로써 연소영역(10)으로 고체 입자가 이송될 수 있다. 이때, 유동화 가스로서 질소, 이산화탄소, 스팀, 가스화기로부터 생성된 합성가스, 이의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
예시적인 구체예에 따르면, 다운커머(40)의 내부, 구체적으로는 다운커머(40) 내부의 하측(또는 하측 영역)에 열 교환기(60)가 구비된다. 구체적으로, "다운커머 내부의 하측"은 루프-실(50)의 시작 지점의 상부에 위치하는 다운커머(40) 하측 영역을 의미할 수 있다.
다운커머(40) 내부의 하측 영역에 위치한 열 교환기(60)에 의하여 연소영역(10)으로 이송되는 리사이클되는 고체(회재/차르 함유 고체)의 온도가 감소하게 된다. 이와 같이 열 교환을 거친 고체 입자는 연소영역(10)으로 비교적 많은 량의 산소를 주입하더라도 고체 입자들의 온도가 현저히 상승하지 않기 때문에 핫 스팟(hot spot)의 형성 가능성이 낮아진다. 이는 보다 많은 량의 산소를 주입할 수 있음을 의미하며, 연소 영역의 증대 및 탄소전환율의 향상 효과를 제공할 수 있다.
또한, 일반적으로 유동층 가스화기에 있어서, 반응성이 뛰어난 저급탄과 달리, 고급탄의 경우에는 반응성이 낮기 때문에 동일한 산소 주입 조건에서도 상대적으로 고급탄의 탄소전환율이 감소한다. 그러나, 본 구체예에서와 같이 다운커머(40) 내부의 하측에 열 교환기(60)를 설치할 경우, 전술한 바와 같이, 많은 량의 산소를 주입할 수 있기 때문에, 반응성이 낮은 고급탄의 연소 영역이 증대될 수 있다. 따라서, 고급탄의 연소가 활발히 이루어짐에 따라 탄소전환율이 증가하게 된다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 의한 가스화기의 구성 중 다운커머 내부의 하측 영역에 배치되는 열 교환기의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
상기 도면에 따르면, 열 교환기(60)의 경우, 다운커머(40) 내부에 파이프가 구비되어 있는 형태로서, 공급되는 물 또는 저압의 스팀이 파이프를 통과하면서 다운커머(40)로부터 연소영역(10)으로 리사이클되는 고체 입자가 보유하는 열 에너지에 의하여 유입되는 물 또는 저압의 스팀이 고압의 스팀으로 전환되도록 구성된다. 구체적으로, 열 교환기(60)는 냉각수 입구(61)를 통하여 냉각수 또는 저압의 스팀이 공급되고, 이코노마이저(62)를 거쳐 냉각수 출구(63)에서 스팀(고압의 스팀)으로 배출된다. 이때, 리사이클되는 고체 입자는 열 교환기(60)를 통과함에 따라 냉각된 상태에서 루프-실(50)을 경유하여 연소영역(10)으로 이송되는 한편, 열 교환기(60)로부터 생성된 고압의 스팀은 후속적으로 터빈을 구동하는 용도 등으로 활용될 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10: 연소영역 20: 라이저
30: 사이클론 40: 다운커머
50: 루프-실 60: 열 교환기
61: 냉각수 입구 62: 이코노마이저
63: 냉각수 출구 70: 제2 석탄유입구

Claims (11)

  1. 하부 가스 유입부;
    상기 하부가스 유입부에 연결되고, 상기 하부 가스 유입부를 통하여 적어도 하나의 가스화제, 그리고 다운커머(downcomer)로부터 리사이클 고체 혼합물이 도입되도록 구성된 연소영역(combustion zone);
    상기 연소영역과 연결되고, (i) 상기 적어도 하나의 가스화제, (ii) 상기 리사이클 고체 혼합물, 및 (iii) 상기 연소영역 내에서 생성되는, 상기 적어도 하나의 가스화제와 상기 리사이클 고체 혼합물 간의 연소 반응 생성물을 수용하도록 구성되며, 제1 석탄 유입구를 통한 탄소질 원료의 공급 하에서 기상의 가스화 반응 생성물 및 고체 입자를 배출하는 라이저(riser);
    상기 라이저에 연결되고, 상기 기상의 가스화 반응 생성물로부터 고체 입자를 분리하는 사이클론(cyclone);
    상기 사이클론과 연결되고, 상기 사이클론을 통하여 분리된 고체 입자를 포집하도록 구성된 다운커머;
    상기 다운커머의 하부에 연결되고, 다운커머에 의하여 포집된 고체 입자를 포함하는 리사이클 고체 혼합물을 연소영역으로 공급하는 루프-실 (loop-seal);
    을 포함하며,
    여기서, 상기 다운커머 내에 열교환기(heat exchanger)를 구비되는 순환 유동층 가스화기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연소영역의 상측에 위치하는 라이저의 하부 영역에 제1 석탄 유입구가 형성된 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 루프-실에 탄소질 원료를 도입하기 위한 제2 석탄 유입구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 석탄 유입구에 투입되는 탄소질 원료는 저급탄, 고급탄, Petcoke, 바이오매스 및 이의 혼합물로부터 선택되는 탄소질 원료인 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열 교환기는 상기 연소영역의 온도가 석탄의 회재 융점 이하로 유지되도록, 상기 리사이클 고체 혼합물의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열 교환기는 다운커머 내부의 하측 영역에 위치하며, 냉각수 입구, 이코노마이저 및 냉각수 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 가스화기는 700 내지 1100 ℃의 온도 조건에서 운전되는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 가스화기는 1 내지 50 bar의 압력 조건에서 운전되는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 루프-실은 유동화 가스로서 질소, 이산화탄소, 스팀, 가스화기로부터 생성된 합성가스, 또는 이의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가스화제는 스팀, 공기/산소, 이산화탄소 또는 이의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가스화제는 공기/산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.
KR1020130160630A 2012-12-20 2013-12-20 열 교환기가 구비된 순환 유동층 가스화기 Active KR102032823B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120149325 2012-12-20
KR20120149325 2012-12-20

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140080453A true KR20140080453A (ko) 2014-06-30
KR102032823B1 KR102032823B1 (ko) 2019-10-17

Family

ID=50978749

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130160630A Active KR102032823B1 (ko) 2012-12-20 2013-12-20 열 교환기가 구비된 순환 유동층 가스화기

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102032823B1 (ko)
WO (1) WO2014098524A1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101594797B1 (ko) * 2014-11-04 2016-02-17 한국에너지기술연구원 유동층 가스화 반응기
KR20180087526A (ko) 2017-01-24 2018-08-02 한국에너지기술연구원 딥 레그 갖는 순환유동층 시스템용 재생반응기, 그 재생반응기를 갖는 순환유동층 시스템 및 그 작동방법
KR101982786B1 (ko) 2017-12-01 2019-05-28 한국에너지기술연구원 유동층 반응기

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110655957A (zh) * 2019-10-28 2020-01-07 济南黄台煤气炉有限公司 一种常压循环流化床气化炉新的进料方法与系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09210562A (ja) * 1996-02-02 1997-08-12 Nippon Steel Corp 循環流動層還元装置の外部粒子循環装置
KR100460217B1 (ko) * 2002-06-27 2004-12-08 한국과학기술원 순환유동층 하강관을 이용한 석탄 가스화기
KR20060060678A (ko) * 2003-08-06 2006-06-05 쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이. 고온 가스 냉각 장치 및 냉각 방법
KR101066187B1 (ko) * 2011-04-27 2011-09-21 한국생산기술연구원 유동층에서 에어/스팀을 이용한 합성가스 생산 및 타르 저감 시스템
KR20120106816A (ko) * 2009-12-21 2012-09-26 서던 컴퍼니 서비시즈 인코포레이티드 순환 유동층 수송 가스화기 및 반응로용 장치，구성 요소 및 작동 방법

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4546862B2 (ja) * 2005-03-25 2010-09-22 メタウォーター株式会社 循環流動式ガス化炉
JP4930732B2 (ja) * 2009-08-20 2012-05-16 株式会社Ｉｈｉ 循環流動層式ガス化方法及び装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09210562A (ja) * 1996-02-02 1997-08-12 Nippon Steel Corp 循環流動層還元装置の外部粒子循環装置
KR100460217B1 (ko) * 2002-06-27 2004-12-08 한국과학기술원 순환유동층 하강관을 이용한 석탄 가스화기
KR20060060678A (ko) * 2003-08-06 2006-06-05 쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이. 고온 가스 냉각 장치 및 냉각 방법
KR20120106816A (ko) * 2009-12-21 2012-09-26 서던 컴퍼니 서비시즈 인코포레이티드 순환 유동층 수송 가스화기 및 반응로용 장치，구성 요소 및 작동 방법
KR101066187B1 (ko) * 2011-04-27 2011-09-21 한국생산기술연구원 유동층에서 에어/스팀을 이용한 합성가스 생산 및 타르 저감 시스템

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101594797B1 (ko) * 2014-11-04 2016-02-17 한국에너지기술연구원 유동층 가스화 반응기
KR20180087526A (ko) 2017-01-24 2018-08-02 한국에너지기술연구원 딥 레그 갖는 순환유동층 시스템용 재생반응기, 그 재생반응기를 갖는 순환유동층 시스템 및 그 작동방법
KR101982786B1 (ko) 2017-12-01 2019-05-28 한국에너지기술연구원 유동층 반응기

Also Published As

Publication number Publication date
KR102032823B1 (ko) 2019-10-17
WO2014098524A1 (ko) 2014-06-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5114412B2 (ja) 固体燃料の分離型流動層ガス化方法およびガス化装置
US9873840B2 (en) Integrated gasification combined cycle plant with char preparation system
US4199327A (en) Process for gasification of coal to maximize coal utilization and minimize quantity and ecological impact of waste products
KR101739494B1 (ko) 바이오매스 가스화와 메탄화에 기초한 가스-스팀의 효과적 열병합 공정 및 시스템
CN102079685B (zh) 两级气化炉煤气化制甲烷的方法
KR101711181B1 (ko) 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템과 방법
US8888875B2 (en) Methods for feedstock pretreatment and transport to gasification
CN101108970B (zh) 生物质与煤快速共热解制备液体燃料的方法
US20230151286A1 (en) Char Preparation System and Gasifier for All-Steam Gasification with Carbon Capture
US20100273899A1 (en) Integrated, high-efficiency processes for biomass conversion to synthesis gas
CN101294092A (zh) 固体燃料联合热转化方法及装置
WO2011035241A1 (en) Integrated gasification combined cycle plant with char preparation system
Pfeifer et al. Next generation biomass gasifier
CN108026459A (zh) 带有碳捕集的全蒸汽气化
CN104059705B (zh) 用于低级燃料的整体蒸汽气化和夹带流气化系统和方法
CN102604683A (zh) 一种联产合成气和煤焦油的方法
CN107474859A (zh) 一种煤热解气化工艺耦合装置及其方法
KR102032823B1 (ko) 열 교환기가 구비된 순환 유동층 가스화기
CN106995728B (zh) 一种粉煤高效清洁制备油气产品的联合工艺
JP2014074144A (ja) 三塔式循環流動層による石炭／バイオマス共ガス化方法及びその装置
CN113348230A (zh) 带有固体燃料制备系统的全蒸汽气化
CN113462434B (zh) 一种带飞灰再气化的气化方法和系统
US20130326954A1 (en) Process for producing synthesis gas
CN103756732B (zh) 双流化床低碳燃烧与气化热电气多联产装置及方法
Pfeifer et al. H2-rich syngas from renewable sources by dual fluidized bed steam gasification of solid biomass

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20131220

PG1501 Laying open of application
A201 Request for examination
PA0201 Request for examination

Patent event code: PA02012R01D

Patent event date: 20180104

Comment text: Request for Examination of Application

Patent event code: PA02011R01I

Patent event date: 20131220

Comment text: Patent Application

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20190220

Patent event code: PE09021S01D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20190828

PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20191010

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20191011

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20220914

Start annual number: 4

End annual number: 4

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20230912

Start annual number: 5

End annual number: 5

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20240927

Start annual number: 6

End annual number: 6