KR102032823B1 - Circulating Fluidized Bed Gasifier Equipped with Heat Exchanger Therein - Google Patents

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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.According to an embodiment of the present invention, there is disclosed a circulating fluidized bed gasifier that can provide an effect of increasing the combustion zone and improving carbon conversion rate by providing a heat exchanger inside a downcomer of the circulating fluidized bed gasifier.

Description

열 교환기가 구비된 순환 유동층 가스화기{Circulating Fluidized Bed Gasifier Equipped with Heat Exchanger Therein}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.The present invention relates to a circulating fluidized bed gasifier equipped with a heat exchanger. More specifically, the present invention relates to a circulating fluidized bed gasifier that can provide an effect of increasing the combustion zone and improving carbon conversion rate by providing a heat exchanger inside a downcomer of the circulating fluidized bed gasifier.

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. Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) refers to power generation technology that operates coal-fired power plants after gasification. In other words, it converts coal into a synthesis gas composed mainly of hydrogen and carbon monoxide under high temperature and high pressure, removes harmful substances such as dust and sulfur compounds contained in the synthesis gas, and purifies to a level similar to natural gas to produce electricity. It means power generation technology. Coal gasification combined cycle is divided into gasification process that generates syngas from coal, refining process that removes particles and sulfur compounds contained in syngas to make clean syngas, and complex power generation process composed of gas turbine and steam turbine. .

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. The coal gasification combined cycle power generation method is known to obtain a carbon dioxide reduction effect of about 20% due to the increase in power generation efficiency compared to the conventional pulverized coal power generation method. In addition, sulfur oxides (SO x ), which are air pollutants, have an advantage of reducing 95% or more, and the amount of nitrogen oxides (NO x ) generated by 70% or more.

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.The above-described coal gasification combined cycle power generation technology produces a synthesis gas mainly composed of hydrogen and carbon monoxide, and separates and purifies hydrogen as needed to produce industrial raw materials such as fertilizers and gasification combined fuel cells (IGFC: It can also be used as a raw material gas for Integrated Gasification Fuel Cell. In addition, the coal gasification complex technology has the advantage that can be recovered as pure sulfur, which can be sold as a useful commodity sulfur component of the main component of environmental pollution in coal.

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. In general, gasifiers that produce coal gas are classified into fixed bed gasifiers, fluidized bed gasifiers, and fractionated bed gasifiers. The dual fluidized bed gasifier has a structure in which coal supplied into the gasifier reacts with the oxidant in a fluidized state to generate a synthesis gas. In this case, since coal and gas are uniformly mixed in the fluidized-bed gasifier, heat transfer and mass transfer occur at a higher speed than the fixed-bed gasifier, thereby enabling a large capacity.

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. As such, the conventional fluidized bed gasifier has a strength in treating low-resistance coal with good reactivity, but when using high-reaction coal having a relatively low reactivity, there is a problem in that the carbon conversion rate is low and the system efficiency is lowered.

본 발명의 구체예에 따라 제공되는 가스화기는 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 한다. A gasifier provided according to an embodiment of the present invention seeks to solve the above-mentioned problems of the prior art.

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. According to an aspect of the present invention, by providing a heat exchanger inside the downcomer, it is possible to easily control the temperature of the combustion zone in the gasifier, as a result of the circulating fluidized bed that can utilize a variety of raw materials from low to high coal To provide a gasifier.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 장점을 구현하면서도 기존 설비를 최대한 활용할 수 있도록 하여 상용화에 유리한 순환 유동층 가스화기를 제공하고자 한다. In addition, according to another aspect of the present invention, it is intended to provide a circulating fluidized bed gasifier that is advantageous to commercialization by implementing the above-described advantages while making full use of existing equipment.

본 발명의 일 구체예에 따른 순환 유동층 가스화기는,Circulating fluidized bed gasifier according to an embodiment of the present invention,

하부 가스 유입부; Bottom gas inlet;

상기 하부가스 유입부에 연결되고, 상기 하부 가스 유입부를 통하여 적어도 하나의 가스화제, 그리고 다운커머(downcomer)로부터 리사이클 고체 혼합물이 도입되도록 구성된 연소영역(combustion zone); A combustion zone connected to the bottom gas inlet and configured to introduce at least one gasifier and a recycle solid mixture from a downcomer through the bottom gas inlet;

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); A combustion between the at least one gasifier and the recycle solid mixture, wherein the combustion zone is connected to the combustion zone and is produced in (i) the at least one gasifier, (ii) the recycled solid mixture, and (iii) within the combustion zone. A riser configured to receive the reaction product, the gaseous gasification reaction product and solid particles being discharged under a supply of carbonaceous raw material through a first coal inlet;

상기 라이저에 연결되고, 상기 기상의 가스화 반응 생성물로부터 고체 입자를 분리하는 사이클론(cyclone); A cyclone connected to the riser and separating solid particles from the gaseous gasification reaction product;

상기 사이클론과 연결되고, 상기 사이클론을 통하여 분리된 고체 입자를 포집하도록 구성된 다운커머; A downcomer connected to the cyclone and configured to trap solid particles separated through the cyclone;

상기 다운커머의 하부에 연결되고, 다운커머에 의하여 포집된 고체 입자를 포함하는 리사이클 고체 혼합물을 연소영역으로 공급하는 루프-실 (loop-seal);A loop-seal connected to the bottom of the downcomer and supplying a recycled solid mixture including solid particles collected by the downcomer to the combustion zone;

을 포함하며,Including;

여기서, 상기 다운커머 내에 열교환기(heat exchanger)를 구비한다.Here, a heat exchanger is provided in the downcomer.

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.According to one embodiment of the invention, it may optionally further comprise a second coal inlet in the roof-chamber. In this case, both low and high coal may be used as the carbonaceous raw material introduced into the first and second coal inlets.

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. According to one embodiment of the present invention, when the combustion zone in the circulating fluidized bed gasifier in which coal combustion mainly occurs is under a condition exceeding the ash melting point temperature of the coal raw material, solid agglomerates such as aggregates may be formed in the gasifier. The heat exchanger can control the temperature of the recycled solid particles (recycled solid mixture) such that the temperature of the combustion zone is maintained below the ash melting point of the coal. It is also possible to operate the steam turbine using steam generated by heat exchange.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 열 교환기는 다운커머 내부의 하측 영역에 위치하며, 냉각수 입구, 이코노마이저, 및 스팀(냉각수) 출구를 포함할 수 있다.In one embodiment of the invention, the heat exchanger is located in the lower region inside the downcomer and may include a coolant inlet, an economizer, and a steam (coolant) outlet.

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. The gasifier provided in the embodiment of the present invention reduces the temperature of the solid components (ash / char and optionally containing coal particles) recycled to the combustion zone, so that even if the amount of solid recycling is low, combustion occurs mainly so that gasification It is advantageous for the temperature control of the combustion zone to supply the heat required for the reaction, and it is possible to suppress the occurrence of hot spots.

또한, 종래의 가스화기의 경우, 고급탄을 사용하면 탄소전환율이 감소하는 문제점이 있었으나, 본 발명의 일 구체예에 따르면, 연소 영역을 증대시켜 탄소전환율을 높일 수 있는 장점을 갖는다.In addition, in the case of the conventional gasifier, there is a problem that the carbon conversion rate is reduced when using the high-grade coal, according to one embodiment of the present invention, has the advantage of increasing the carbon conversion rate by increasing the combustion area.

이외에도, 본 발명의 구체예에서 제공되는 순환 유동식 가스화기는 기존의 설비 구성을 그대로 유지하면서 다운커머 내부에 열 교환기를 구비하기 때문에 상용화에 유리한 장점을 갖는다.In addition, the circulating fluidized gasifier provided in the embodiment of the present invention has an advantage in commercialization because it has a heat exchanger inside the downcomer while maintaining the existing equipment configuration.

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.1 is a view showing a gasifier according to one embodiment of the present invention; And
2 is a view schematically showing a configuration of a heat exchanger disposed in a lower region inside a downcomer among configurations of a gasifier according to one embodiment of the present invention.

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.The present invention can be achieved by the following description with reference to the accompanying drawings. The following description is to be understood as describing preferred embodiments of the invention, but the invention is not necessarily limited thereto.

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. 1 schematically shows a gasifier according to one embodiment of the invention. According to the figure, the gasifier is located in the lower gas inlet, combustion zone 10, the upper side of the combustion zone 10, the riser 20, the cyclone is provided with a first coal inlet (main coal inlet) 30, downcomer 40, roof-chamber 50, heat exchanger 60, and second coal inlet 70.

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.At this time, at least one gasifier (eg steam, carbon dioxide and / or air / oxygen) is introduced into the combustion zone 10 through the bottom gas inlet (specifically, a single or a plurality of inlets). At this time, an adsorbent for adsorbing fuel, sulfur and the like may be selectively disposed in the combustion zone. The gasification agent (eg steam, carbon dioxide and / or air / oxygen), adsorbent (optional), and recycled solid mixture (containing carbon) conveyed from the downcomer 40 is contained in the combustion zone 10. Are mixed together and a combustion reaction takes place. The thermal energy generated from the combustion reaction provides energy for pyrolysis and gasification of coal in the riser 20.

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. According to the embodiment shown, the combustion reaction product between the at least one gasifier, the recycle solid mixture, and the at least one gasifier (particularly oxygen / air) and the recycle solid mixture produced in the combustion zone 10 is It moves to the riser 20 connected to the combustion zone 10 (from bottom to top) and together with the first coal inlet (eg, in the lower region of the riser 20 located above the combustion zone 10). Carbonaceous raw material (coal) introduced from the gas may be gasified.

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. The carbonaceous raw material introduced through the first coal inlet receives heat from the combustion reaction product flowing into the riser 20 from the combustion zone 10 to undergo pyrolysis and gasification of the carbonaceous raw material. In particular, most of the gasification reaction takes place in riser 20, as a result of which a mixture of gaseous gasification reaction products and solids is withdrawn from riser 20.

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.The gaseous gasification reaction product and the mixture of solids are then sent to a cyclone 30 connected above the riser 20, from which the gaseous gasification reaction product is separated from the solids. That is, the gasification reaction product is discharged to the upper side of the cyclone 30, while the downcomer 40 connected to the cyclone 30 receives (captures) the solid separated to the lower side of the cyclone 30. Here, the downcomer 40 is configured to recycle solid particles (recycled solid mixture) to the combustion zone 10 via the loop-chamber 50.

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. It should be noted that in this embodiment, the heat exchanger 60 is installed inside the downcomer 40, in particular below it (or the lower region), where the solid is recycled (ie, a solid or solid mixture containing ash / char). It is to reduce the temperature of. The cooled solid particles are recycled to the combustion zone 10 through the loop-chamber 50.

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.According to an exemplary embodiment, a second coal inlet 70 may be formed in the roof-chamber 50 as shown in FIG. 1. More specifically, the second coal inlet 70 may be selectively formed in the horizontal pipe region of the roof-chamber 50, and the carbonaceous raw material (typically, coal) introduced therethrough may be downcomer 40. Additional pyrolysis, combustion, and gasification reactions may occur as they move from the roof-chamber 50, the combustion zone 10, and the riser 20 together with the solid recycled from. As such, when the carbonaceous raw material (coal) is additionally supplied through the loop-chamber 50, pyrolysis may occur because oxygen is not supplied. That is, as the carbonaceous raw material (coal) supplied to the second coal inlet 70 passes through the loop-chamber 50, thermal decomposition (cracking) of volatile components in coal proceeds and moves to the combustion zone 10. Coal can thus be converted to char, which is free of volatile components and moisture. At this time, the pyrolysis gas also moves along the recycle solid to the combustion zone 10 and the riser 20 while moving the loop chamber 50 (in which case the pyrolysis gas does not move to the downcomer 40 region). In addition, the residence time of pyrolysis gas is maximized, so that tar and heavy hydrocarbons generated during pyrolysis can also be decomposed.

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. The reaction conditions in the circulating fluidized bed gasifier according to one embodiment may vary depending on the type, properties, etc. of the fuel, but typically the temperature below the ash melting point of 700 to 1100 ° C (more specifically about 900 to 1100 ° C) Conditions and pressure conditions of about 1 to 50 bar (specifically, about 5 to 40 bar). At this time, the ash discharged from the downcomer 40 in the gasifier is cooled, and at least a part thereof may be discharged from the gasifier through a ash discharge port (not shown). Circulating fluidized bed gasifier in a different condition, for example, a steam / carbon molar ratio, CO 2 / carbon molar ratio, the combustion zone 10, oxygen (or a gas agent for combusting the recycled solid mixture to provide the heat required for the gasification in The amount of air) can be appropriately changed according to the properties and the amount of the raw material to be introduced.

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. The gasifier provided according to one embodiment can implement a relatively low temperature conditions and a high level of recycling, it is possible to use a variety of raw materials from low rank coal to high rank coal.

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.In general, in the case of low coal, coal having a low fixed carbon content and containing a large amount of water, ash, and oxygen may be exemplified by lignite, sub-bituminous coal, and the like. In particular, the moisture and volatile content is relatively high, the ash content is high, it has a low calorific value. On the other hand, in the case of high-grade coal, it may mean a high calorific value coal because of the high fixed carbon content, low moisture and volatile content. Typical examples include bituminous coal and anthracite coal. In addition, according to exemplary embodiments, various solid carbonaceous raw materials such as Petcoke, biomass, and the like may also be used, and may be used in the form of a mixture thereof.

하기 표 1에 고급탄인 역청탄 및 저급탄인 갈탄의 예시적인 조성을 나타내었다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
Table 1 shows an exemplary composition of bituminous coal, which is high coal, and lignite, which is low coal. However, the present invention is not limited thereto.

성상Constellation 역청탄Bituminous coal 갈탄lignite 수분(%)moisture(%) 13.013.0 36.936.9 재(%)ashes(%) 10.710.7 10.410.4 휘발 성분(%)Volatile Component (%) 37.037.0 24.924.9 고정 탄소(%)Fixed Carbon (%) 39.339.3 27.827.8 발열량(kJ/kg)Calorific Value (kJ / kg) 3370033700 2670026700

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. According to an exemplary embodiment, at least one gasifier (steam, carbon dioxide, and / or air / oxygen) introduced through the lower gas inlet is transferred to the combustion zone 10, wherein the gasifier is a combustion zone 10. Mixed with solid particles (recycled solid mixture) introduced into However, oxygen / air may be included as an oxidizing agent in the gasifier to be introduced, and the solid introduced into the combustion zone 10 may be burned by the oxidizing agent to provide heat required for the gasification reaction.

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.Whether the solid is well mixed with the gasifier is determined by the combustion zone 10 It can be confirmed from the temperature. For example, when a sufficient amount of solids is introduced into the combustion zone, the temperature of the combustion zone 10 is approximately equal to the temperature in the other zones inside the gasifier. If the amount of solids introduced into the combustion zone 10 is not sufficient, the amount of solids inside the riser 20 may be increased by adding an inert solid to the gasifier.

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. In the exemplary embodiment, since the oxygen / air supplied to the gasifier can be consumed in the combustion zone 10, the carbonaceous (specifically, coal) raw material introduced through the first coal inlet is the oxygen in the feed gas. May not be in contact with In most cases, carbonaceous raw materials can be fed to the gasifier by carbon dioxide or nitrogen, recycled syngas. At this time, since the carbonaceous raw material does not come into contact with oxygen, it is possible to suppress the occurrence of local hot spots. In some cases, however, carbonaceous raw materials may be carried together with air.

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.In the lower portion of the riser 20 connected to the combustion zone 10, the particles of carbonaceous raw material are heated at a high speed, so that water and volatile components are discharged, and heat consumption of the feed fuel may be caused. In addition, most of the thermal decomposition (cracking) and gasification reactions of the volatile components occur in the riser 20.

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.Gaseous gasification reaction products and solids discharged from riser 20 are introduced into cyclone 30. Cyclone 30 is a device for separating particles present in a fluid (gas) using centrifugal force, which contains a tangential inlet for introducing a gas containing at least a solid and a reduced solids. Gas outlet and outlet of collected solids. According to an exemplary embodiment, the cyclone 30 includes a cylinder portion and a cone-shaped portion connected to the cylinder portion, such that the upper end of the downcomer 40 is connected to a narrow end of the cone-shaped portion of the cyclone 30. Can be configured. The inlet of the downcomer 40 is connected to the solid outlet of the cyclone 30 and may have a pipe shape. In addition, the lower portion of the downcomer 40 constitutes a part of the roof-chamber 50 to be described later.

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. As described above, solids are separated in the cyclone 30, and the separated solids are collected by the downcomer 40. The solid particles (or solid mixture) collected by the downcomer 40 may be provided with a non-mechanical valve connecting the downcomer 40 and the combustion zone 10, specifically, a loop-seal 50. Recycled to the combustion zone 10. The loop chamber 50 forms a static head by fluidized solid particles (ie, in a state in which the solid can flow smoothly) so that the solid particles can flow from the downcomer 40 to the combustion zone 10. To be transported.

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.According to an exemplary embodiment, fluidizing gas of high pressure (pressure higher than the pressure in the loop-chamber structure) is supplied through a port (specifically, a plurality of ports) provided in the roof-chamber 50. In the loop-chamber 50, the supplied high-pressure fluidizing gas keeps the solid particles in the loop-chamber 50 in a flow state so that a flow flow by internal differential pressure is generated so that the solid particles can be transferred to the combustion zone 10. Can be. At this time, nitrogen, carbon dioxide, steam, syngas generated from the gasifier, a mixture thereof, and the like may be used as the fluidizing gas.

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. According to an exemplary embodiment, the heat exchanger 60 is provided inside the downcomer 40, specifically, below (or the bottom region) inside the downcomer 40. Specifically, the "lower side inside the downcomer" may mean a region below the downcomer 40 positioned above the start point of the roof-chamber 50.

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.The temperature of the recycled solid (furnace / char containing solid) that is transferred to the combustion zone 10 by the heat exchanger 60 located in the lower region inside the downcomer 40 is reduced. As such, the solid particles undergoing heat exchange do not significantly increase the temperature of the solid particles even when a relatively large amount of oxygen is injected into the combustion zone 10, thereby reducing the possibility of forming a hot spot. This means that a larger amount of oxygen can be injected, which can provide an increase in the combustion zone and an improvement in the carbon conversion rate.

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. In addition, in the fluidized bed gasifier, unlike high-grade coal, which is highly reactive, high-grade coal has low reactivity, so that carbon conversion rate of the high-grade carbon is relatively decreased even under the same oxygen injection conditions. However, in the case where the heat exchanger 60 is installed below the inside of the downcomer 40 as in the present embodiment, as described above, since a large amount of oxygen can be injected, the combustion region of the high-reaction coal having low reactivity This can be increased. Therefore, as the combustion of high-grade coal is actively performed, the carbon conversion rate is increased.

도 2는 본 발명의 일 구체예에 의한 가스화기의 구성 중 다운커머 내부의 하측 영역에 배치되는 열 교환기의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.2 is a view schematically showing a configuration of a heat exchanger disposed in a lower region inside a downcomer among configurations of a gasifier according to one embodiment of the present invention.

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.According to the figure, in the case of the heat exchanger 60, a pipe is provided inside the downcomer 40, and the water supplied from the downcomer 40 or the combustion zone 10 passes through the pipe. Water or low pressure steam introduced by the thermal energy retained by the solid particles recycled) is converted into high pressure steam. Specifically, the heat exchanger 60 is supplied with cooling water or low pressure steam through the cooling water inlet 61 and is discharged as steam (high pressure steam) from the cooling water outlet 63 via the economizer 62. At this time, the recycled solid particles are transferred to the combustion zone 10 via the loop-chamber 50 in the cooled state as they pass through the heat exchanger 60, while the high-pressure steam generated from the heat exchanger 60 is generated. May be used for driving a turbine subsequently.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다. All simple modifications and variations of the present invention fall within the scope of the present invention, and the specific protection scope of the present invention will be apparent from the appended claims .

10: 연소영역 20: 라이저
30: 사이클론 40: 다운커머
50: 루프-실 60: 열 교환기
61: 냉각수 입구 62: 이코노마이저
63: 냉각수 출구 70: 제2 석탄유입구10: combustion zone 20: riser
30: cyclone 40: downcomer
50: loop-room 60: heat exchanger
61: coolant inlet 62: economizer
63: cooling water outlet 70: second coal inlet

Claims (11)

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.Bottom gas inlet;
A combustion zone coupled to the bottom gas inlet and configured to introduce at least one gasifier and a recycle solid mixture from a downcomer through the bottom gas inlet;
A combustion between said at least one gasifier and said recycled solid mixture, wherein said at least one gasifier is produced in (i) said at least one gasifier, (ii) said recycled solid mixture, and (iii) within said combustion zone. A riser configured to receive the reaction product, the gaseous gasification reaction product and solid particles being discharged under a supply of carbonaceous raw material through a first coal inlet;
A cyclone connected to the riser and separating solid particles from the gaseous gasification reaction product;
A downcomer connected to the cyclone and configured to trap solid particles separated through the cyclone;
A loop-seal connected to the bottom of the downcomer and supplying a recycled solid mixture including solid particles collected by the downcomer to the combustion zone;
Including;
Here, the circulation fluidized bed gasifier is provided with a heat exchanger (heat exchanger) in the downcomer. 제1항에 있어서, 상기 연소영역의 상측에 위치하는 라이저의 하부 영역에 제1 석탄 유입구가 형성된 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.The circulating fluidized bed gasifier of claim 1, wherein a first coal inlet is formed in a lower region of the riser located above the combustion zone. 제2항에 있어서, 상기 루프-실에 탄소질 원료를 도입하기 위한 제2 석탄 유입구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.3. The circulating fluidized bed gasifier of Claim 2, further comprising a second coal inlet for introducing carbonaceous feedstock into said roof-chamber. 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.4. The circulating fluidized bed gasifier of Claim 3, wherein the carbonaceous raw material introduced into the first and second coal inlets is a carbonaceous raw material selected from low coal, high coal, Petcoke, biomass and mixtures thereof. 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.The circulating fluidized bed gasifier of claim 1, wherein the heat exchanger controls the temperature of the recycled solid mixture such that the temperature of the combustion zone is maintained below the ash ash melting point of coal. 제1항에 있어서, 상기 열 교환기는 다운커머 내부의 하측 영역에 위치하며, 냉각수 입구, 이코노마이저 및 냉각수 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.The circulating fluidized bed gasifier of claim 1, wherein the heat exchanger is located in a lower region inside the downcomer and comprises a coolant inlet, an economizer and a coolant outlet. 제1항에 있어서, 상기 가스화기는 700 내지 1100 ℃의 온도 조건에서 운전되는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.The circulating fluidized bed gasifier of claim 1, wherein the gasifier is operated at a temperature of 700 to 1100 ° C. 제7항에 있어서, 상기 가스화기는 1 내지 50 bar의 압력 조건에서 운전되는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.The circulating fluidized bed gasifier of claim 7, wherein the gasifier is operated at a pressure of 1 to 50 bar. 제1항에 있어서, 상기 루프-실은 유동화 가스로서 질소, 이산화탄소, 스팀, 가스화기로부터 생성된 합성가스, 또는 이의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.The circulating fluidized bed gasifier of claim 1, wherein the loop-chamber uses nitrogen, carbon dioxide, steam, syngas generated from a gasifier, or a mixture thereof as the fluidizing gas. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가스화제는 스팀, 공기/산소, 이산화탄소 또는 이의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.The circulating fluidized bed gasifier of claim 1, wherein said at least one gasifier comprises steam, air / oxygen, carbon dioxide, or mixtures thereof. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가스화제는 공기/산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 가스화기.11. The circulating fluidized bed gasifier of Claim 10, wherein said at least one gasifier comprises air / oxygen.
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