KR101344724B1

KR101344724B1 - 석유코크스연료를 가스연료화 하는 방법

Info

Publication number: KR101344724B1
Application number: KR1020120101962A
Authority: KR
Inventors: 이아름드리
Original assignee: 서울샤프중공업 주식회사
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2013-12-26

Abstract

본 발명은 원유정제의 최종 단계에서 배출되는 부산물로 고형물의 탄소덩어리인 고유황 저급연료인 석유코크스(Petro Cokes)를 연소를 위한 미분화 가공치 아니하고 그 자체를 사용하여 청정연료로 변환토록 하여 고체연료의 제한사용이 법규화되어 있는 문제점을 해소함은 물론 열량이 우수한 연료로 어떤 형태로 도의 사용이 가능토록 한 것으로, 이를 위하여 미분화 가공치 아니한 고체 형태의 탄화물 덩어리로 남게 되는 석유 코크스(Petro cokes)를 일정온도로 가열된 모재가 투입되어진 챔버에 투입하여 챔버의 하단에서는 이들이 부상되도록 공기를 주입하여 이들이 서로 섞이게 되면서 동시에 최소한의 연소용 공기(공기보다 산소량이 많은 것)를 공급함으로써 불완전 연소토록 하여 CO가스를 발생토록 한 후 이러한 CO가스를 취급이 용이한 저온의 가스로 열 교환토록 함으로서 청정연료화가 가능토록 한 것이다.

Description

석유코크스연료를 가스연료화 하는 방법{A gasification method}

본 발명은 원유정제의 최종 단계에서 배출되는 부산물로 고형물의 탄소덩어리인 고유황 저급연료인 석유코크스(Petro Cokes)를 연소를 위하여 미분화 가공치 아니하고 그 덩어리 자체를 사용하여 청정연료로 변환토록 하여 고체연료의 제한사용이 법규화되어 있는 문제점을 해소함은 물론 열량이 우수한 연료로 다양한 형태로의 사용이 가능토록 한 것이다.

현재 산업현장에서 증기생산 또는 버너에 의한 직접 가열을 위하여는 대부분 천연가스나 벙커-C유와 같은 중질유나 석탄 등을 사용하였으나, 최근에는 석탄을 사용할 경우에 발생되는 비산물 등에 의한 환경오염에 의하여 이러한 연료를 사용치 못하게 되고 있는 것이다.

또한 이러한 석탄은 벙커-C유에 비해 가격이 저렴하다는 장점은 있으나 벙커-C유에 비해 열량이 낮은 문제가 있어 실질적인 사용에 문제점이 있는 것이었다.

그러나 이러한 것들도 생산성이나 산유국들의 원유값 상승에 따라 결국 에너지의 사용량을 줄일수 없는 상황에서는 대체에너지의 개발이 요구되었던 것이다.

따라서 최근에는 정유공장에서 원유를 정제하는 과정에서 발생하는 석유부산물로서 각종 유류를 빼낸 뒤 고체 형태의 탄화물로 남게 되는 석유 코크스(Petro cokes)를 에너지로 사용하고 있는 시도가 있으나 이러한 석유코크스가 용이하게 연소되지 않는다는 것이고 설사 연소가 된다고 하더라도 환경오염의 주범으로 지목되는 황산화물, 질소산화물등 유해가스 성분이 대량으로 발생된다라는 것이다.

따라서 최근에는 석유코크스연료를 미분화 가공토록 한 후 벙커 C유등과 같이 혼소 함으로서 공기비를 최소화하여 질소산화물의 발생을 억제토록 함으로서 에너지 절감효과를 기대하고 있지만 질소산화물의 발생을 완전하게 억제치 못하게 됨으로서 직접연소를 위한 사용에는 문제점이 있었던 것이다.

따라서 대부분 별도의 연소실이 구비되는 보일러에서 사용하게 되는데 이러한 이유는 이러한 미분화 상태의 석유코크스 연료의 일반적인 연소적 특성이 연료자체가 표면에서 연소하는 특징이 있기 때문이다.

즉 미분화되어진 석유코크스의 표면연소의 반응이 활성화되기 위하여는 보일러의 연소실 내부를 약 1200℃~1400℃의 고온으로 유지하여야 하고 연소불꽃도 길게 이루어져야만 되는 것이다.

그러나 이렇게 별도의 연소실을 구비한 보일러에 사용될 경우에 문제점은 가연분(고정탄소와 휘발분)의 연소온도가 매우 높아 비가연분 중에 포함된 회분(ash)을 녹일 수 있는 융점 이상의 고온으로 온도가 상승하게 되어 이러한 회분(ash)의 멜팅(melting)현상으로 인한 보일러의 챔버내의 수관이나 또는 연소실의 내벽을 형성하는 내화벽돌에 부착되어 설비의 심각한 문제점을 일으킨다라는 것이다.

또한 이러한 표면에서의 연소를 위하여는 미분화되어야 하고, 이러한 미분화의 크기는 미분화된 연료가 분사되어 연소실 안을 지나기 이전에 모두 연소될 수 있는 미세한 크기이어야 하는데, 이러한 미분화를 위한 가공비용이 상당하게 증가된다라는 것이다.

따라서 최근에는 석유코크스를 고온으로 가열하고, 여기에 공기나 수증기를 접촉시켜 열분해로 회분(ash)이외의 탄소 성분을 가연성 가스로 바꾸는 가스화(gasification)의 작업이 활발하게 이루어지고 있다.

그러나 일반 보일러에서 석유코크스를 가열하기 위하여는 연소를 위하여 미분화작업이 필요하다라는 것이고, 가열을 위하여 별도의 연료가 필요하다라는 것이고, 또한 연소를 위하여 추가적인 설비가 필요하여 실질적인 효과가 떨어진다라는 것이다.

따라서 본 발명에서는 정유공장에서 원유를 정제하는 과정에 발생하는 석유부산물로서 각종 유류를 빼낸 뒤 고체 형태의 탄화물 덩어리로 남게 되는 석유 코크스(Petro cokes)를 미분화 가공을 하지않은 상태로 직접사용하면서도 연소가 지속토록 하고, 또한 고체연료의 직접적인 사용이 아니기 때문에 제한적인 규정을 피하면서도, 청정연료로서의 사용이 가능토록 함은 물론 이러한 과정을 간단한 설비로 구현이 가능토록 한 것이다.

이를 위하여 미분화 가공치 아니한 고체 형태의 탄화물 덩어리로 남게 되는 석유 코크스(Petro cokes)를 연소하기 위하여 챔버내에 모래를 공기로 부상토록 하면서 연소용공기와 연소용 연료로 모래를 일정온도로 가열토록 한 후 탄화물 덩어리의 석유코크스를 챔버에 투입하여 챔버의 하단에서는 이들이 부상되도록 주입되는 공기에 의하여 가열된 모래와 탄화물 덩어리의 석유코크스가 서로 섞이게 되면서 연소개시토록 하면 연소개시와 동시에 모래의 가열을 위한 연소용 연료를 차단하고, 최소한의 연소용 공기를 공급함으로써 불완전 연소토록 하여 CO가스를 발생토록 하고 이러한 불완전연소된 CO가스는 고온이면서 불순물이 함유되어 있어 이를 1차로 챔버로 상승되면서 열교환할 경우에 연소챔버의 내부에 수관을 형성하여 연소챔버의 높이와 수관에 의하여 저온으로의 열교환이 가능토록 하여 공정을 단축하고, 불순물이 정제토록 하고, 동시에 연소챔버의 내벽에 형성된 수관에서 얻어지는 스팀을 생산현장에서 사용가능토록 하며, 이대 수관의 물 온도와 연소챔버의 온도차가 크기 때문에 수관의 보호를 위하여 절탄기에서 열교환에 의하여 가온된 온수를 공급토록 하고, 수관을 통과하면서 정제되고 열교환된 가스를 다시 절탄기를 통과하면서 취급이 용이한 저온으로 열교환하고 이와 같이 열교환된 정제된 CO가스는 압력이 낮아 이를 강제송풍에 의하여 임시탱크에 저장토록 한 후 일정한 압력으로 버너로 공급토록 하는 것이다.
이때 절탄기에서 열교환될 경우에 사용되는 물을 수관으로 순환토록 하여 고온의 CO가스가 열교환될 경우에 급속한 응축에 의하여 수관이 부식되는 것을 방지토록 하면서 스팀의 생산이 용이토록 하는 것이다.

따라서 간단한 설비에 의하여 질소산화물도 발생치 아니하면서도 석유코크스를 미분화 가공치 아니하면서도 이를 이용하여 청정연료를 얻을 수 있게 되는 것이다.

도1은 본 발명의 전체적은 공정을 나타낸 공정도.
도2는 본 발명의 연소챔버의 내벽에 수관이 형성된 상태도.
도3a 내지 도3d는 본 발명의 연소챔버에 장착된 노즐의 다양한 실시상태도.

이하 첨부도면에 의거 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명의 전체적인 공정을 나타낸 것이고 도2는 연소챔버에 열교환수단을 구비한 것이며, 도3a 내지 도3d는 연소를 위한 연소챔버에 장착된 노즐의 다양한 실시상태를 도시한 것이다.

도1에 도시된 바와 같이 본 발명은 석유코크스가 저장된 저장고(10)에서 미분화 가공치 아니한 탄화물 덩어리의 형태로 석유코크스가 연소챔버(20)로 불러워(BLOWER)나 스크류를 이용하여 공급되어진다.
이때 연소챔버(20)의 내부에는 하단에 다수개의 노즐(21)이 형성되고, 노즐(21)의 상부로는 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스를 연소토록 하기 위하여 모래(1)가 일정한 층으로 충전되어진 상태에서 노즐(21)의 하단으로는 연소용 연료(2)와 연소용 공기(3)에 의하여 모래(1)를 1차로 가열토록 하는 것이다.
이때 노즐(21)은 점화불꽃의 진입과 모래(1)가 노즐(21)을 막게 되는 것을 방지하기 위하여 노즐(21)의 상단으로는 갓(21a)이 형성되어 모래(1)가 노즐(21)을 막는 것을 방지하게 되고, 모래(1)를 1차로 가열할 경우에 팬(23)에서 불어주는 강한 공기에 의하여 와류가 발생되면서 모래(1)가 부상되어지면서 연소가 이루어지는 것이다.
이때의 모래(1)의 가열온도는 1100~1200까지 가열토록 하는 것이고, 이때 모래(1)는 이러한 가열에서도 용융되지 않게 되는 것이다.
이와 같은 온도로 모래(1)가 가열되면 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스가 챔버내로 투입되어지는 것이다.
그러면 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스는 팬(23)에서 불어주는 강한 공기에 의하여 부상되어지고, 동시에 가열된 모래도 부상공기에 의하여 부상되어지면서 가열된 모래와 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스가 서로 접촉하면서 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스는 연소가 개시되는 것이다.
이때 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스의 입자의 크기는 가능하면 모래보다 크게 형성됨이 바람직한 것이다.
본 발명에서 모래(1)를 사용한 것은 융점이 가열온도보다 높은 이산화규소(SiO₂)가 많이 함유되었기 때문이고, 석유코크스의 입자의 크기는 모래의 입자크기보다 큰 1㎝정도의 크기의 것을 사용하였다.
그러나 이러한 모래(1)의 종류나 석유코크스의 입자의 크기가 본 발명의 목적을 제한하는 것이 아니다.
상기와 같이 연소챔버(20)의 하단으로는 가열된 모래(1)의 상부로 투입되어지는 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스가 연소가 개시되면 모래를 가열하던 연소용 연료는 차단하게 되고, 모래를 가열하던 연소용 공기를 줄이면서 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스의 연소가 불완전연소가 이루어지도록 하여 CO가스를 발생토록 하는 것이다.
이때 사용되는 연소용공기는 산소함량이 일반공기보다 많은 부하산소를 투입하는 것이기 때문에 지속적인 연소유지가 가능하게 되는 것이고, 이때 부하산소인 연소용 공기의 투입량을 줄이게 됨으로서 불완전연소가 일어나면서 CO가 다량으로 함유된 연소가스를 발생하게 되는 것이다.
상기와 같이 불완전연소에 의하여 발생된 CO가스에는 미연분이나 또는 다량의 회분이 존재하고 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스의 연소불꽃이 길게 형성됨으로 연소챔버(20)의 상하 길이가 길게 형성되어져 있어 불완전연소에 의하여 발생된 CO가스는 고온인 상태에서 연소챔버(20)를 타고 상승하면서 기압과 온도의 차이에 의하여 연소챔버(20)의 상층의 온도가 하층보다 낮아 불완전연소된 CO가스는 800~900℃로 떨어지면서 동시에 연소챔버의 내벽에 형성된 수관(30)에 의하여 300℃~400℃까지 떨어지면서 불완전연소된 CO가스중에 함유되는 회분(ASH)등이 응축되어 하강하면 이들을 연소챔버(20)의 하단에 형성된 드레인(22)을 통하여 배출하게 되는 것이다.
이때 연소챔버의 내벽으로는 상층으로만 물이 순환되어지는 수관(30)이 형성되는 것이다.
또한 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스가 부상되면서 연소가 개시될 경우에 가열된 모래(1)와 투입된 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스가 부상되어 혼합되면서 밀착된 사이사이로 연소용 공기가 투입되어지면서 서로 밀착되어져 가열된 모래(1)에 의하여 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스가 쉽게 연소되고 동시에 모래(1)는 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스의 연소열로 인하여 지속적으로 가열된 상태가 유지되는 것이다.
또한 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스가 모래의 가열을 위하여 사용되는 연소용 공기를 줄이게 됨으로서 불완전 연소되어 발생되는 불완전연소가스에는 CO가스를 대량으로 함유하게 되는 것이고 이러한 CO가 다량으로 함유된 불완전연소가스는 연소열과 팬(23)에서 불어주는 공기압에 의하여 연소챔버(20)의 상층으로 자동적으로 상승하게 되는 것이다.
따라서 연소챔버(20)의 상부는 하부보다 대기와 접촉하게 되면서 1차적인 열교환이 일어나면서 동시에 연소챔버의 내벽에 형성된 수관(30)에 의하여 내부온도가 낮아지기 때문에 미연소분과 회분(ASH)은 응축되어 하강하게 되어 드레인(22)을 통하여 배출되어지는 것이다.
이때 수관(30)을 통하여 폐열이 회수되면서 스팀을 생산하게 되어 생산현장에서 활용이 가능하게 되는 것이다.
이때 수관(30)의 내부로 진입되는 물의 온도와 연소챔버내에서 생성되는 가스의 온도차가 많을 경우에 수관의 표면에서 가스가 응축되면서 이러한 것이 수관을 부식시키게 되는 원인이 되어 수관(30)에 제공되는 물은 수관(30)에 의하여 정제되고 열교환되어 배출되어지는 정제된 CO가 다량으로 함유된 가스를 절탄기(40)에서 취급이 용이한 저온으로 열교환토록 한 가온된 물을 순환하여 사용토록 함으로서 수관(30)에서의 스팀발생을 위한 열효율을 높이게 되는 것이고, 동시에 급속한 온도변화로 인한 가스의 응축을 방지하여 수관(30)이 부식되는 것을 방지하게 되는 것이다.
또한 절탄기(40)를 통과한 정제된 CO가 다량으로 함유된 가스는 취급이 용이한 250℃정도를 유지하게 됨으로서 청정연료인 가스로서의 사용이 가능하게 되는 것이다.
또한 상기의 절탄기(40)를 통과하여 취급이 용이한 저온으로 열교환된 CO가 다량으로 함유된 가스는 연소챔버(20)의 내부 압력이 대기압보다 낮기 때문에 이송되는 압력이 낮아 송풍팬(50)을 사용하여 강제로 송풍하게 되는 것이고, 이러한 송풍팬(50)을 통하여 송풍된 가스는 일시저장탱크(60)에 일정한 압력이 유지되게 저장된 상태에서 버너(70)로 일정한 압력이 유지되는 상태에서 균일한 양으로 공급하게 되는 것이다.
또한 연소챔버(20)에서 얻어진 미 정제된 CO가 다량으로 함유된 불완전연소가스는 보일러(30)에 투입될 경우에 보일러(30)의 가동(스팀생산)을 중지하거나 할 경우에 잉여분에 대하여는 일시저장이 가능하도록 연소챔버(20)와 연결되게 저장탱크(80)를 구비토록 하는 것이고 저장탱크(80)에 저장은 보일러(30)로 진입되는 가스의 양에 따라 자동적으로 개폐가 이루어지도록 함으로서 자동조정이 이루어지는 것이고, 또한 저장탱크(80)에 저장되는 가스의 양이 저장 용량을 초과하게 될 경우에는 자연배기토록 하기 위한 밴트(81)를 구비하게 되는 것이다.
또한 보일러(30)의 하단에도 보일러(30)에서 연소가스가 열교환 될 경우에 발생되는 회분을 배출하기 위하여 드레인(33)이 형성되는 것이고 보일러에도 마찬가지고 많은 가스가 진입할 경우에도 자연배출을 위하여 밴트(32)가 형성되는 것이고 보일러에서 발생된 스팀은 산업현장에 연결되어 에너지원으로 사용되는 것이다.

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10:저장고
20:연소챔버 21:노즐
22:드레인 23:팬
30:수관 40:절탄기
50:송풍팬 60:임시저장탱크
70:버너 80:저장탱크
1:모재 2:연소용 연료
3:연소용 공기(부하산소)

Claims

탄화물 덩어리 상태의 석유코크스가 저장된 저장고(10)에서 미분화 가공치 아니한 탄화물 덩어리의 형태로 석유코크스가 연소챔버(20)로 불러워(BLOWER)나 스크류를 이용하여 공급되어지기 이전에;
연소챔버(20)의 내부에는 하단에 다수개의 노즐(21)이 형성되고, 노즐(21)의 상부로는 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스를 연소토록 하기 위하여 모재(1)가 일정한 층으로 충전되어진 상태에서 노즐(21)의 하단으로는 연소용 연료(2)와 연소용 공기(3)에 의하여 모래(1)를 1100~1200℃까지 1차로 가열토록 하고;
상기와 같은 온도로 모래(1)가 가열되면 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스가 챔버내로 투입되어지고;.
동시에 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스가 가열된 모래와 부상되어지면서 연소가 개시토록 하기 위하여 팬(23)에서 강한 공기를 불어주고;
이와 같이 팬에 의하여 부상되면서 동시에 가열된 모래도 부상공기에 의하여 부상되어지면서 가열된 모래와 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스가 서로 접촉하면서 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스는 연소가 개시되고;
상기와 같이 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스가 연소가 개시되면 모래를 가열하던 연소용 연료는 차단되고, 동시에 모래를 가열하던 연소용 공기를 줄이면서 탄화물 덩어리의 형태로 이루어진 석유코크스의 연소가 불완전연소가 이루어지도록 하여 CO가스가 다량으로 함유된 불완전연소가스를 발생토록 하고;
상기 CO가 다량으로 함유된 불완전연소가스에는 미연분이나 또는 다량의 회분이 존재하게 되어 상기 CO가 다량으로 함유된 불완전연소가스가 연소챔버의 상부로 상승하면서 기압과 온도의 차이에 의하여 연소챔버(20)의 상층의 온도가 하층보다 낮아 CO가 다량으로 함유된 불완전연소가스는 800~900℃로 떨어지면서 불완전연소된 CO가스중에 함유되는 회분(ASH)등이 응축되어 하강하고 동시에 연소챔버의 상부의 내벽에는 수관이 형성되어 재차 열교환되면서 300~400℃로 열교환되면서 회분등이 완전하게 정제되면서 연소챔버(20)의 하단에 형성된 드레인(22)을 통하여 배출하게 되고;
CO가 다량으로 함유된 연소가스가 상승되면서 1차로 열교환되고 더 상승하면서 2차로 정제되고 열교환된 가스의 폐열을 활용하기 위하여 연소챔버의 내벽에 형성된 수관(30)에서 스팀을 발생토록 하게 되는 것이고,
이때 수관(30)으로 흐르는 물과 연소챔버의 내부에서 발생된 가스와의 온도차이가 많을 경우에 수관(30)의 표면에서 가스가 급속하게 응축되면서 이러한 것이 의하여 수관을 부식시키게 되는 원인이 되어 수관(30)에 제공되는 물은 연소챔버를 통과한 정제된 가스를 취급이 용이한 저온으로 열교환하는 절탄기(40)에서 가온된 물을 사용토록 하여 수관(30)에서의 스팀발생을 위한 열효율을 높이게 되면서 동시에 급속한 온도변화로 인한 가스의 응축을 방지하여 수관(30)이 부식되는 것을 방지하게 되고;
상기와 같이 수관에서 열교환되고 정제된 CO가 다량으로 함유된 가스는 취급이 용이한 저온으로 낮추기 위하여 절탄기(40)를 통과하여 취급이 용이한 250℃정도를 유지하게되고,
상기의 절탄기(40)를 통과하여 취급이 용이한 저온으로 열교환된 CO가 다량으로 함유된 가스는 연소챔버(20)의 내부 압력이 대기압보다 낮기 때문에 이송되는 압력이 낮아 송풍팬(50)을 사용하여 강제로 송풍하게 되고;
상기 송풍팬(50)을 통하여 송풍된 가스는 일시저장탱크(60)에 일정한 압력이 유지되게 저장된 상태에서 버너(70)로 일정한 압력이 유지되는 상태에서 균일한 양으로 공급하게 되는 석유코크스연료를 가스연료화 하는 방법.
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제1항에 있어서, 상기 연소용 공기는 일반공기보다 산소의 함량이 많은 부하산소를 사용하는 석유코크스연료를 가스연료화 하는 방법.