KR820001935B1 - 석탄의 가스화 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

석탄의 가스화 방법

제1도는 본 발명에 사용되는 가스화장치의 종단면도.

제2도는 제1도의Ⅰ-Ⅰ선 단면도.

제3도는 제1도의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도.

제4도는 본 발명에서 얻어진 냉각수의 순환과정을 나타내는 개략도.

본 발명은 산소 또는 산소함유가스와 수증기 및 필요에 따라서는 탄산가스를 사용하여 석탄을 기화하는 방법에 관한 것으로서, 석탄을 버어너 특히 사이클론 버어너에서 산소 또는 산소함유가스와 수증기 및 필요에 따라 탄산가스를 주입하여 가스화하고 생성된 일차 가스를 수직형가스화기에 충전된 굵은 석탄, 예를들면 상면과 저면이노출된 석탄 괴체층을 통하여 상향 역류 시키므로서 목적하는 가스생생성물과 액체 슬래그를 얻는 방법에 관한것이다.

본 발명에 사용하는 석탄으로는 무연탄, 역청탄, 갈탄, 카본 블랙과 같은 유리탄소를 함유하는 각종 연료들이다. 고체분말 연료 대신 액체 또는 기체 연료들도 사용할 수 있다.

본 발명에 의하면 일산화탄소와 수소를 함유하는 가스가 생성되는 바 이러한 형태의 가스는 그 조성에따라 연소기용 연료로 사용할 수도 있고 암모니아, 메타놀, 탄화수소, 포스겐 및 옥소-알콜류의 합성에 사용할수도 있다.

본 발명이 기초로 하고 있는 자체 가열가스화에 따르면 가압하의 석탄 덩어리 특히 적층상태로 압력을 받는 석탄 덩어리를 가스화 시킴과 동시에 가압하의 석탄 분말을 기화하여아 하는 바, 이때의 작업은 회분소결점이상의 온도와 슬래그가 액상으로 가스화기에서 장출되도록하는 온도 조건하에서 이루어지도록 하여야한다. 석탄 적층제로 존재하는 석탄 덩어리들은 가스화기의 저부에서 공급되는 뜨거운 일차 가스에 대한 냉각 및 여과장치로서의 역할을 한다. 작업공정에 사용되는 열은 산소에 의한 석탄 분말의 부분연소에 의하여 공급된다. 석탄의 자체 가스화에 대하여는 다음의 세가지 원리가 알려졌다.

1. 미세한 석탄 분말을 사용하여 고온, 저메탄함유율의 가스를 제조하는 유동식 분체 가스화.

2. 중간 입도의 석탄을 사용하고 중간온도의 가스를 얻는 유동층상 가스화.

3. 석탄덩이를 사용하여 저온의 가스를 얻으며 코오크스를 사용하지 않으면서 고메탄함유율의 가스를 얻는 수직형 가스화.

최근에는 유동성 분체 가스화 방법과 수직형 가스화 방법을 결합시키므로서 이들의 장점만을 이용하기 위한 각종방법이 제안되었다. 예를들면 처음 기술한 방법은 독일특허458879 호에 공개되었는 바, 이 방법에서는 석탄을 선별하여 덩어리와 분말로 분리하고 덩어리를 수직형 가스화기에 공급하면서 분말을 버어너에서 그스화시켜 생성된 일차 가스를 수직형 가스화기에 보내어 석탄 덩어리를 건조하고 가스화하는 것이다. 이 방법에 의하면 액체슬래그는 석탄덩어리 적층체의 하부 경사 노출면 전방에 있는 가스화기의 경사저면에 모여 여기에서 슬래그 배출구로 배출된다. 이공정은 수증기 분사에 의한 공지방법으로 제어된다.

이 방법에 의하면 가압하에 작업하는 경우 슬래그를 배출하는데 문제가 있고 수증기를 공급하기 위하여 외부동력을 사용하여야하는 경제적인 문제점이 있다.

독일특허288588호에서는 가스화방법의 열균형을 개선하기 위하여 수직형 가스화기의 하방 내부에서 배출되는 슬래그를 냉각하고 이들을 수욕에서 입상화하는 방법이 알려졌다. 이 경우에는 액상슬래그를 탱크에 수집하여 수직형 기화기 밑에 부설된 수욕상으로 주입하고 이때 생성된 수증기를 슬래그 용융 구역위의 수직형가스화기 상방에 주입하는 바, 이는 수증기가 수직형 반응기의 저부에 들어가지 못하도록 하는 것이다. 이 방법의 결점은 생성된 수증기를 공정용수증기로 사용하지 않으므로 액상 슬래그의 열함량을 최대로 이용할 수 없다는 것이다.

슬래그배드 발생기는 케미칼 인제니어 테크닉(chem,Ing,Tech) 1956년 1호 25내지 30페이지에 알려졌는바, 이장치에서는 미세한 연료 및 가스화제가 서로 다른 노즐을 통하여 수직형 가스화기의 내부 저면에서 넘쳐흐르는 슬래그 면위로 하향 경사지게 분사되도록 되었고 넘쳐 흐르는 액상 슬래그는 수직형 가스 화기의 저면밑에 부설된 물속에 이송되어 입상화되도록 되었다. 이 장치의 결점은 가스화작업중에 공급되는 수증기를 별도로 제조하는 것이다.

두 개의 측면 분체 가스화기에 의하여 공급되는 일차가스가 수직형 가스화기의 적층체를 통과 하도록된 독일특허 1042817호에 의하면 석탄 분말은 석탄이나 코크스의 적층체와 접촉하기전에 산소와 반응하여야 한다. 이 방법에서는 회분이 액체 상태나 건조상태로 배출될 수 있다. 그러나 압력하의 수직형 가스화기부로터 액상슬래그를 배출하는 것은 복잡한 기구를 필요로하므로 전술한 방법들은 압력하에 가스화하는데 적당하지 않다. 또한 공지방법에 의하면 현저한 양의 슬래그 현열이 손실된다.

미세하게 세분된 연료로부터 연료 가스혼합물을 제조하는 방법은 독일특허 908516호에 알려졌는 바, 이 방법에서는 일부의 석탄이 사이클론 버어너와 같은 버어너에서 가스화제인 산소 및 수증기와 함께 연소되고 생성된 일차 가스는 석탄과의 사이에 일어나는 화학반응과 일차 가스의 냉각에서 생성되는 잔류 석탄으로된 유동층을 통과하게 된다.

이방법은 제1단계의 직류법에 의한 비교적 높은 시공 수율과 제2단계의 역류법에 의한 효율적인 열이용의 효과를 동시에 얻는다. 그러나 이방법은 유동층이 응결되므로 버어너가 건조회분만을 생성하는 경우에 이용할 수 있다.

본 발명의 목적은 전술한 형태의 방법을 간단하면서 경제적으로 실시할 수 있도록 개선하는 것으로서, 더 상세히 설명하면 액상 슬래그의 열을 더 효과적으로 이용하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면 수직형 가스화기의 액상 슬래그를 슬래그배드에 수집하고 가스화기에 장설된 냉각 수욕속으로 위어(weir)를 통하여 유출되도록 하되 위어와 냉각수욕사이에서 낙하되는 액상슬래그에 물을 분사시켜 슬래그를 냉각시켜 액상 슬래그가 미세화되게하고 생성된 수증기를 공정 수증기로서 석탄덩어리 즉 석탄적층체의 하부노출면으로 공급하므로서 목적하는 바가 달성된다.

이와 같이하면 액상슬래그의 열을 대부분 효율적으로 이용할 수 있고 생성된 수증기는 석탄 덩어리 즉 석탄 적층체의 하부노출면으로 공급되기 전에 버어너에서 공급되는 이산화탄소함유 일차가스와 혼합할수 있다. 2내지 10%의 회분 함량을 갖는 석탄의 경우에는 가스의 조성에 맞추기 위하여 그 이상의 수증기를 필요로 하지 않는다. 석탄의 회분함량이 20%이상이면 본 발명에 의한 공정중에 다량의 수증기가 발생하므로 모든 수증기를 공정 수증기로 사용하지 않고 일부를 유출시키거나 석탄 건조 또는 동력용으로 사용 할 수 있다.

본 발명의 공정에 사용된 냉각수, 가스정제에서 발생하는 응축수 및 공정중에 나오는 모든 폐수는 분사용 물로 사용할수있다. 그 결과 본 발명에 의한 공정은 작업중에 나오는 폐수를 배출시켜 버릴 필요가 없고 다른 공정에서 나오는 폐수도 사용할 수 있다는 이점을 갖는다.

배출하는 슬래그의 집단류가 많음에 따라 2내지 10회에 걸쳐 물의 집단류를 분사하는 것이 슬래그의 입상화와 수증기발생에 유리함이 입증되었다. 이와 같은 목적을 위하여는 물을 20내지 10m/s의 유속으로 분사하는 것이 유리하다. 필요에 따라서는 물의 집단류 또는 유속을 조절하므로서 입자의 강도를 조절할 수도 있다.

특히 본 발명에 의하면 버어너로부터의 일차 가스류가 슬래그배드의 표면을 향하게 하는 것이 유리하다.

그러면 슬래그배드에 부유하는 석탄을 완전히 가스화할 수 있고 슬래그배드가 비교적 높은 온도로 유지되고 유동성으로 되게할 수 있다. 더구나 일차가스가 액상 슬래그의 흐름에 역류되게 위어를 향하도록하면 부유하는 석탄에 의한 괴상체가 위어에 형성되지 않게 할수 있다.

일차 가스 분사류는 물분사류가 배출되는 슬래그에 충돌하는 위치에 가깝게되도록 배치하므로서 슬래그가 미세화될 때 발생하는 수증기가 일차 가스의 분사류와 함께 석탄 덩어리 즉 석탄 적층체의 하부노출면으로 향하여 이동되도록 하는 것이 유리하다. 그러면 슬래그가 미세화될 때 발생된 수증기를 효과적으로 석탄적층체에 공급할 수 있다.

냉각수욕에서 생성된 입상 슬래그와 물의 혼합은 냉각수욕에서 배출하여 입상 슬래그를 여과 분리하고 정제한다음 냉각수를 물의 분사에 순환 사용하므로 필요시 외부의 물을 일부 첨가하는 경우는 있지만 가스화공정중에 폐수로 폐기되는 물은 없게된다. 제품의 정제용으로 사용된 세척수는 이황화수소와 이황화탄소가 잔류되게 공기로 스트립핑하여 시안화수소를 제거한 후 부가적인 물로 사용할 수 있다. 일차 가스화 위어방향으로 유입되어 석탄 적층체 하부 노출면으로 흐르는 전체 수증기증의 산소공급량을 높이면 냉각수에 함유된 가스중의 시안화수소가 흡수되므로 시안화수소가 슬래그와 반응하여 착시안화물을 형성하는 것을 방지할 수 있다.

냉각수와 입상 슬래그의 혼합물로부터 입상슬래그를 여과하기전에 압력을 낮추므로서 생성되는 수증기를 이용할수도 있다.

본 발명의 방법에 사용하는 장치는 석탄덩어리를 장입하게 된 수직형 가스화기와 석탄덩어리가 쌓인 적층체의 하부노출면을 향하여 분사하는 일차 가스제조용 버어너로 구성된다. 더 구체적으로 설명하면 석탄덩어리 특히 적층체의 하부 노출면의 전방에 챔버가 있고 일차 가스생성용 버어너는 석탄 덩어리방향 즉 적층체의 하부 노출면으로 향하도록 전기한 챔버내로 돌출되었으며, 이챔버의 하방에는 위어를 갖는 슬래그배드 탱크와 냉각수용기 있고 위어의 대향위치에 물분사기가 장설되었다.

적층체의 하부노출면은 챔버내에 직접 노출되어있고 일차가스를 생성하는 버어너가 챔버내에 돌출되었다. 슬래그가 세분화될때 발생하는 수증기와 일차가스는 이챔버속에서 혼합된다. 슬래그배드의 표면이 챔버의 저면을 형성하는 경우 액상슬래그는 완만하게 위어위를 통하여 슬래그배드로부터 배출된다.

만약 일차가스를 생성하는 버어너중의 최소한 하나라도 슬래그배드의 표면을 향하도록 하면 위어위에서 슬래그가 고결되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 의하면 버어너와 물분사기는 냉각수욕과 챔버사이의 수증기통로에 있는 위어 바로위나 바로밑을 향하게 하는 것이 좋다. 이와 같이 장치하면 액체슬래그가 세분화될때 생성된 수증기가 버어너에서 분사되는 일차가스와 혼합되어 적층체의 하부 노출면으로 효과적으로 이동되게 된다.

냉각수관으로 구성된 압력용기내에 적층체를 장입하면 수직가스화기를 형성하는 압력요기의 열응력을 감소시키게되는 이점이 있다. 본 발명에서 특징으로 하는 적층체의 하부 노출면은 챔버의 상면을 구성하는 용기의 측벽을 내측으로 돌출시키므로서 간단하게 형성 할수있다.

일차 가스가 적층체의 하부 노출면으로 분사되면 일차 가스류로부터의 슬래그방울이 여과된다해도 충분한 가스화가 일어난다. 석탄덩어리들을 적층체의 하부 노출면으로 이송시키는 수냉식스크류 컨베이어를 장설하면 하부노출면이 유동적이면서 일정하게 새로와지게되어 가스화가 더 잘일어난다.

본 발명의 장치에서는 물분사기와 연결된 냉각수 배출구를 갖는 입상 슬래그 필터를 냉각수욕후방에 연결하거나 필요에따라 압력 배제용기 내부에서 연결하므로서 폐수를 재사용할 수 있다. 이하 본 발명의 방법을 첨부도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

수직형 가스화기는 외부 단열층(33)을 갖는 압력용기(1)로 구성되는 바, 압력용기(1)의 상단부는 수직으로되고 하단부는 경사지게형성 되었다. 석탄덩어리는 라인(5)로 유입되는 수증기와 같은 불활성가스로 세척되는 장입밸브(4)를 통하여 압력용기(1)의 상부에 장입된다. 석탄 덩어리가 압력용기(1)속에 냉각 수관으로 형성된 냉각용기(3)에 도달하면 상부노출면(12)을 갖는 적층체(11)로 된다. 냉각용기(3)의 수관들은 냉각수 공급관(7)이 연결된 상부 환상분산관(29)와 수직관(30)으로 연결된 하부 환상 분산관(31)로부터 냉각수를 공급받는다. 냉각용기(3)을 통하여 상승하는 냉각수는 상부의 환상집수관(28)을 통하여 배출관(8)으로 배출된다. 냉각용기(3)은 하부에 내측으로 돌출된 돌출부(20)을 갖고 있는바 이돌출부(20)밑에는 챔버(21)가 형성된다.

따라서 장입되는 석탄은 돌출부(20)을 통과하여 밑으로 내려올 때 전체 공간이 완전히 채워지지않게 되므로 돌출부(20)바로밑에 노출면(13)이 형성되면서 챔버(21)가 형성되게되는 것이다. 적층체(11)은 냉각용기(3)의 저부에 냉각수관에 의하여 형성된 슬래그 배드 탱크(22)에 놓이게 된다. 돌출부(20)하방에 위치하는 냉각용기(3)의 내면과 슬래그 배드 탱크(22)의 내면은 내화재(32)로 내장한다. 적층체(11)의 하부 노출면(13)은 적층체와 대향되게 슬래그배드탱크(22)의 단부에 형성된 위어(16)로 부터 떨어져 있다. 제3도에 도시된 바와 같이 위어(16)는 V자형 단면으로 형성한다.

수직형 가스화기가 가동중에는 하부 노출면(13)과 위어(16)사이에 슬래그가 모이고 이 슬래그배드(14)의 표면은 챔버(21)의 저면으로 된다. 챔버(21)의 외부는 내화재(32)를 갖는 냉각용기(3)으로 이루어진다. 위어(16)가 형성된 압력용기(1)의 주벽에는 버어너(2)가 설치되어 있어서 분탄, 산소 또는 산소함유가스 및 필요에 따라서 수증기를 공급한다. 버어너(2)에 의하여 형성된 일차 가스분사류(15)는 적층체(11)의 하부 노출면(13) 및 슬래그배드(14)의 상면을 향하여 하향경사지게 분사되는 바, 그 결과 하부 노출면(13)에서 강력한 가스화가 일어나고 일차 가스분사류(15)가 위어(16)위로 흐르는 슬래그의 흐름에 대향되게 분사되므로서 슬래그배드(14)과 위어(16)위에서 석탄이 괴상으로 응축되는 것을 방지할 수 있게된다.

위어(16)위로 흐르는 액상 슬래그는 수증기를 통기공(24)에서 슬래그류(流)(17)을 형성하면서 하향 낙하된다. 압력용기(1)의 벽에 장설된 물분사기(23)는 낙하하는 슬래그류에 압력수의 분사류(18)을 분사하므로서 액상슬래그가 세분화되면서 냉각된다. 동시에 수증기가 생성되어 수증기통기공(24)를 통하여 챔버(21)속으로 유입된 후 일차가스분사류(15)에 함유하여 적층체(11)의 하부노출면(13)속으로 유입된다. 일차 가스분사류(15)와 압력수 분사류(18)는 작업과정을 조정 제어하거나 공정상의 필요에 따른 냉각수를 얻기위하여 조절할수 있다. 여분의 수증기는 수증기 배출구(25)를 통하여 배출할 수있다. 미분쇄되고 최소한 일부나마 냉각된 슬래그는 압력용기(1)의 슬래그배드탱크(22)하방에 장설된 수조(19)에 주입되면서 압력수분사류(18)의 냉각수로 입상화된다음 입상화된 슬래그와 냉각수의 혼합물은 배출밸브(26)를 통하여 수조(19)에서 배출된다. 배출밸브(26)와 인접하게 위치하는 압력용기(26)의 최저 하단부에는 응축수배출구(27)를 형성하여 작업공정중에 압력용기(1)내에서 응축된 수증기를 배출할 수 있게 한다.

적층체(11)의 석탄덩어리는 냉각제가 흐르는 컨베이어 스크류를 갖는 하향 경사지게 장설된 두개의 공급장치(9)(10)에 의하여 하부 노출면(13)방향으로 공급된다. 압력용기(1)의 상부에는 가스배출구(6)을 형성하여 가스생성물을 배출할수 있게 하는 바 가스배출구(6)에는 냉각용기(3)의 냉각수관과 연결되는 냉각수관을 장설하거나 별도의 냉각수관을 장설할 수 있다.

제4도에 의하면 입상슬래그와 냉각수의 혼합물이 배출밸브(26)을 통하여 수증기 배출구(35)가 형성된 압력해제용기(34)에 장입되고 이어서 입상슬래그 필터(36)으로 이송되어 입상물질은 입상물질배출구(38)로 배출되고 냉각수는 냉각수 배출구(37)를 통하여 펌프(4)로 들어가서 환수관(41)을 거쳐 물분사기(23)로 환수시킨다. 펌프(40)앞의 수관(39)은 냉각수 배출구(37)와 환수관(41)사이에 연결한다.

전술한 방법은 미세한 입자를 비교적 많이 함유하는 석탄의 가스화에 관한것이다. 액체슬래그에 함유된 열을 작업공정에 이용하므로 가열경비가 절감된다. 슬래그는 액상으로 존재할 때 미세화되므로 형성되는 슬래그의 입자가 소형으로되어 장출하기가 용이함은 물론이고 후처리도 용이하다. 본 발명의 가스화방법에 의하면 환경오염폐수가 생성되지않고 대부분의 폐수는 재사용할 수있다. 본 발명의 방법중에는 메탄이 많이 함유되지 않은 공업용가스와 메탄이 많이 함유된 탄화수소 합성용 가스가 동일한 반응기에서 제조된다. 밀폐함이 없이 적층체(11)를 소성하는 것과 냉각수증기를 사용하는 것은 본 발명에 의한 특징중의 하나이다.

본 발명에 의한 방법은 약 1050℃정도의 높은 가스배출온도로 작업할 수도 있다. 그리고 생성물은 극히 낮은 비율로 메탄을 함유한다. 예를들면 (35)기압의 절대 압력을 압력용기(1)내에 유지할 수 있다. (40)기압의 절대 압력을 갖는 수증기가 압력용기의 냉각수관내에서 생성되는 바, 이들의 대부분은 가스정화에 사용할 수있고 여분의 압력은 산소공장에 보내거나 전력생산용으로 사용할 수있다.

버어너로는 석탄분말, 산소 및 수증기 또는 이산화탄소가 균일하게 혼합되도록 화학반응을 일으키고 슬래그의 액상 방울이 일차분리되는 반응장치의형태의 것을 사용하는 것이 유리하다. 이러한 목적에는 사이클론 버어너가 특히 적당하다. 버어너(2)로 부터 쳄버(21)속으로 분사되는 일차 가스분사류는 거의 슬래그의 액상 방울을 포함하지 않는다. 잔류하는 미세한 슬래그의 액상방울들은 하부노출면(13)에서 적층체(11)속으로 통과할때 분리되므로 덩어리로 되지 아니한다. 일차 가스는 이산화탄소를 포함하지만 적층체속으로 들어가기전에 수증기와 혼합된다. 이산화탄소와 수증기는 다음 반응식에 따라 적층체(11)의 탄소와 반응한다.

C+H₂O=CO+H₂

C+CO₂=2CO

두 반응은 모두 흡열반응이므로 일차가스는 급격히 냉각된다. 가스배출구의 온도는 적층체(11)의 높이에 따라 조절할 수 있는 바 층의 높이에 따라 다르지만 300℃내지 1200℃범위내이다.

가스내의 메탄함량은 석탄의 품질과 적층체(11)상부의 쳄버내에서 가스가 접촉하는 온도 및 시간에 의하여 결정된다. 예를들면 합성용가스와 같이 메탄함유율이 적은 가스를 필요로하는 경우에는 950내지 1200℃의 온도에서의 접촉시간을 3내지 10초로하고 메탄함유율이 많은 가스는 250내지 800℃온도와 0내지 5초의 접촉 시간에서 제조된다.

석탄덩어리로 된 적층체(11)는 특정높이로 하여야 할 뿐만 아니라 일차가스와 석탄덩어리에서 제조된 분해생성물이 통과되도록하여야한다. 원료물질들은 석탄덩어리들은 평균입도가 10mm이고 최저 입도가 5mm이하인 경우에는 충분히 흐르게 된다. 석탄의 가장 큰 덩어리는 100mm이상되지 않아야 한다. 장입할때의 문제점을 피하기 위하여는 석탄의 입도를 50mm이하로 한정시키는 것이 좋다.

Claims (1)

1. 분말 석탄을 버어너에서 산소 또는 산소함유가스로 가스화시키고 필요에 따라 수증기 및 이산화탄소화 함께 생성된 일차 가스를 석탄 덩어리들의 적층체를 통하여 상향 역류시켜 제품가스와 액체 슬래그를 제조하는 산소와 수증기로 석탄을 가스화하는 방법에 있어서, 액상슬래그를 슬래그배드에 수집하여 수직형가스와기의 하방에 부설된 냉각수욕속으로 유출되도록하되 석탄적층체 전방에 형성된 슬래그배드의 표면을 향하여 액상슬래그의 흐름과 반대방향으로되게 일차가스를 분사하고 액상 슬래그가 냉각수욕으로 낙하되는 중에 물을 분사시키므로서 슬래그를 미세화시킴과 동시에 수증기를 발생시키고 생성된 수증기의 일가 일차 가스와 혼합되어 석탄덩어리적층체에 공급되게 함을 특징으로하는 석탄의 가스화 방법.

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