KR100194555B1 - High reliability and high efficiency coal gasification combined cycle system and power generation method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고신뢰도 고효율 석탄가스화 복합발전 시스템 및 전력 발생방법에 관한 것이다. 본 발명의 석탄가스화 복합발전 시스템은, 외부의 공기를 산소와 질소로 분리하는 산소분리장치(12)와 상기한 산소분리장치(12)로부터 공급된 산소와 슬러리 상태의 석탄을 반응시켜 석탄가스를 생성하며, 생성된 고온의 석탄가스를 중온 가스정제장치(23,24)가 필요로 하는 온도인 300 내지 450℃까지 냉각시키기 위한 가스화기(21)와 상기한 가스화기(21)에서 생성된 석탄가스 중의 미연탄소 및 먼지를 제거하기 위한 중온가스집진장치(23) 및 석탄가스 중의 유황성분을 제거하기 위한 중온 가스탈황장치(24)로 구성된 중온 가스정제장치(23,24)와, 외부공기를 압축하여 가스터빈 연소기(5)가 요구하는 압력까지 압축시키기 위한 공기압축기(6)와, 상기한 중온 가스정제장치(23,24)에서 청정화된 석탄가스를 상기한 산소분리장치(12)에서 공급된 질소 및 상기한 공기압축기(6)에서 공급된 압축공기를 사용하여 연소시키기 위한 가스터빈 연소기(5)와, 상기한 가스터빈 연소기(5)에서 연소된 가스를 이용하여 동력을 발생시켜 발전기(8)를 구동하기 위한 가스터빈(7)과 상기한 가스터빈(7)의 팽창기에서 나오는 가스의 현열을 회수하여 증기터빈(10)의 구동에 필요한 증기를 생성하고, 배기가스를 굴뚝으로 배출시키기 위한 폐수회수보일러(9)와, 상기한 폐수회수보일러(9)에서 생성된 과열증기를 팽창시켜 발전기(8)를 구동하기 위한 증기터빈(10)과, 상기한 증기터빈(10)으로부터 배출된 증기를 응축하여 상기한 폐수회수보일러(9)의 급수로 공급하는 복수기(13)를 포함한다.The present invention relates to a high reliability and high efficiency coal gasification combined cycle power generation system and a power generation method. In the coal gasification combined cycle power generation system of the present invention, an oxygen separator 12 for separating external air into oxygen and nitrogen is reacted with oxygen supplied from the oxygen separator 12 and slurry coal, thereby producing coal gas. Coal generated by the gasifier 21 and the gasifier 21 for cooling the generated high-temperature coal gas to the temperature required by the medium-temperature gas purification device (23, 24) to 300 ~ 450 ℃ Medium temperature gas purification device (23, 24) consisting of a medium temperature gas dust collector (23) for removing unburned carbon and dust in the gas and a medium temperature gas desulfurization device (24) for removing sulfur components in coal gas, and external air The air compressor 6 for compressing the gas turbine combustor 5 to the pressure required by the gas turbine combustor 5 and the coal gas purified by the above-mentioned medium temperature gas purifiers 23 and 24 are supplied from the oxygen separator 12. Nitrogen and air described above A gas turbine combustor 5 for combusting using compressed air supplied from the compressor 6 and a gas for combusting the gas turbine combustor 5 to generate power to drive the generator 8. A wastewater recovery boiler 9 recovers the sensible heat of the gas from the gas turbine 7 and the expander of the gas turbine 7 to generate steam necessary for driving the steam turbine 10 and discharges the exhaust gas to the chimney. ), The steam turbine 10 for driving the generator 8 by expanding the superheated steam generated by the waste water recovery boiler 9, and condensing the steam discharged from the steam turbine 10, And a condenser 13 for supplying water to the wastewater recovery boiler 9.
Description
제1도는 종래기술에 따른 석탄가스화 복합발전 시스템의 일례를 나타낸 개략적인 블록 구성도.1 is a schematic block diagram showing an example of a coal gasification combined cycle system according to the prior art.
제2도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전 시스템의 개략적인 블록 구성도.2 is a schematic block diagram of a coal gasification combined cycle system according to a preferred embodiment of the present invention.
제3도는 제2도에 도시된 석탄가스화 복합발전 시스템의 석탄 가스화기 상세도.3 is a detailed view of a coal gasifier of the coal gasification combined cycle system shown in FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 석탄 가스화기 2 : 가스냉각기1: coal gasifier 2: gas cooler
3 : 집진장치 4 : 탈황장치3: dust collector 4: desulfurization apparatus
5 : 가스터빈 연소기 6 : 공기압축기5: gas turbine combustor 6: air compressor
7 : 가스터빈 8 : 발전기7: gas turbine 8: generator
9 : 폐열회수보일러 10 : 증기터빈9: waste heat recovery boiler 10: steam turbine
11 : 굴뚝 12 : 산소분리장치11: chimney 12: oxygen separator
13 : 복수기 21 : 석탄 가스화기13: avenger 21: coal gasifier
23 : 집진장치 24 : 중온 가스탈황장치23: dust collector 24: medium temperature gas desulfurization apparatus
31 : 반응기 32 : 원료공급구31: reactor 32: raw material supply port
33 : 가스배출구 34 : 냉각수 배출구33: gas outlet 34: cooling water outlet
35 : 내부 실린더 36 : 외부 실린더35: inner cylinder 36: outer cylinder
37 : 냉각수 공급구 38 : 링형 수분사장치37: cooling water supply port 38: ring-type water jet device
39 : 수조 40 : 슬래그 배출구39: water tank 40: slag outlet
본 발명은 고신뢰도 고효율 석탄가스화 복합발전 시스템 및 전력 발생방법에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 발명은 수조냉각방식 가스화기와 중온 가스정제장치를 사용하고, 각 장치간의 연계성을 줄임으로써, 시스템의 복잡성을 줄여 시스템의 운전, 유지 및 보수를 용이하게 이룰 수 있고, 경제적으로 시스템을 구성할 수 있으며 시스템의 효율을 증대시킬 수 있는 고신뢰도 고효율 석탄가스화 복합발전 시스템 및 전력 발생밥법에 관한 것이다.The present invention relates to a high reliability and high efficiency coal gasification combined cycle power generation system and a power generation method. More specifically, the present invention uses a water tank cooling type gasifier and a medium temperature gas purification device, and reduces the complexity of the system, thereby facilitating operation, maintenance and repair of the system, and economically system. The present invention relates to a high reliability and high efficiency coal gasification combined cycle power generation system and power generation method that can be configured and increase the efficiency of the system.
석탄가스화 복합발전 시스템은 석탄을 가스화화여 가스터빈과 증기터빈을 가동시킴으로써 전력을 효율적으로 발생시킬 수 있는 발전시스템으로서, 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템은 크게 산소분리장치, 석탄 가스화기, 가스냉각기, 집진장치와 탈황장치로 이루어진 가스정제장치, 가스터빈, 폐열회수보일러 및 증기터빈 등으로 구성된다.Coal gasification combined cycle power generation system is a power generation system that can generate power efficiently by operating gas turbine and steam turbine by gasification of coal, conventional coal gasification combined cycle power system is largely divided into oxygen separator, coal gasifier, gas cooler, It consists of gas purifier, gas turbine, waste heat recovery boiler and steam turbine composed of dust collector and desulfurizer.
상기한 종래기술에 따른 복합발전 시스템은 시스템의 효율을 증대시키기 위하여 다음과 같은 방법들을 사용하고 있다: 첫째로,가스화기로부터 생성된 석탄가스의 현열을 회수할 목적으로 복사형 가스냉각기 및 대류형 가스냉각기로 이루어진 가스냉각기 등을 사용하고 있다. 그러나, 이러한 가스냉각기는 매우 고가이며, 고온 및 부식성이 강한 환경에서 운전하므로 신뢰성이 낮고 잦은 보수 및 교체가 필요한 것으로 알려져 있다. 둘째는, 가스터빈, 산소분리장치 및 가스화기를 유기적으로 연계시켜 효율 상승을 도모하고 있는데, 이들은 시스템을 너무 복잡하게 만듦으로써, 운전 및 제어가 어렵고 시스템의 잦은 정지를 초래하는 요인이 되고 있다. 셋째로, 기존의 시스템들이 사용하는 가스정제공정으로는 입구온도가 대략 40℃정도인 저온 가스정제공정으로 사용하고 있다. 이러한 가스정제공정은 석탄가스 중의 유해가스를 효율적으로 제거할 수 있지만, 입구의 온도를 40℃로 조정하기 위하여 가스정제공정 이전에 생성가스의 온도를 떨어뜨린 다음, 가스정제공정을 거쳐 배출되는 가스를 다시 가열함으로써, 에너지를 비효율적으로 이용하게 될 뿐만 아니라, 장치가 복잡하고 대형화된다는 단점을 지니고 있었다. 이의 보완책으로 운전온도가 약 450 내지 700℃범위인 고온 가스정제공정에 대한 연구가 최근 활발히 진행되고 있으나,이는 아직 상용화공정에 적용시키기 어려운 단계에 있다. 따라서, 상기한 종래의 복합발전 시스템은 전반적으로 장치의 구성이 너무 복잡하여 시스템의 운전, 유지 및 보수가 어렵고, 투자비가 매우 높아 상업화에 장애가 되고 있는 실정이다.The conventional combined cycle power generation system uses the following methods to increase the efficiency of the system: Firstly, a radiant gas cooler and convection type for the purpose of recovering the sensible heat of coal gas generated from the gasifier. Gas coolers made of gas coolers are used. However, such a gas cooler is very expensive, it is known to operate in a high temperature and corrosive environment is low in reliability and frequent maintenance and replacement is required. Secondly, the gas turbine, oxygen separator and gasifier are organically linked to increase efficiency, which makes the system too complicated, which makes it difficult to operate and control and causes frequent shutdowns of the system. Third, the gas purification process used by existing systems is used as a low temperature gas purification process with an inlet temperature of about 40 ° C. This gas purification process can efficiently remove the harmful gas in coal gas, but in order to adjust the temperature of the inlet to 40 ° C, the temperature of the generated gas is lowered before the gas purification process and then discharged through the gas purification process. By heating again, not only the energy was inefficiently used, but also the disadvantage was that the device was complicated and enlarged. As a countermeasure for this, research on a hot gas purification process having an operating temperature in the range of about 450 to 700 ° C. has been actively conducted recently, but it is still in a difficult stage to be applied to a commercial process. Therefore, the conventional combined cycle power generation system as described above is too complicated to operate, maintain and maintain the system, and the investment cost is very high, which hinders commercialization.
한편, 상기한 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템에 있어서, 석탄가스화기는 건조시킨 석탄 또는 물과 혼합된 석탄을 공기 및 산소 등의 산화제를 이용하여 고온 고압의 가스화기 내에서 부분 산화시켜 석탄가스를 생성한다. 일반적인 연소에 비하여 이론 당량비보다 적은 양의 산화제를 가스화기 내로 주입함에 따라, 산화제는 석탄 중의 일부분과 반응을 일으켜 가스화기 내에서 반응에 필요한 열을 공급하고, 나머지 석탄은 산소가 부족한 상태에서 불완전연소, 즉 부분산화반응을 일으켜 연소가능한 일산화탄소(CO), 수소(H2)등을 생성하게 된다. 이때 가스화기 내의 온도는 약 1,500℃정도의 고온이기 때문에, 석탄에 함유된 회(ash) 성분은 용융되어 슬래그의 형태로 가스화기 하부로 흘러내리게 된다.Meanwhile, in the conventional coal gasification combined cycle power generation system, the coal gasifier generates coal gas by partially oxidizing dried coal or coal mixed with water in a gasifier of high temperature and high pressure using an oxidant such as air and oxygen. do. By injecting less than theoretical equivalent ratio of oxidant into the gasifier compared to normal combustion, the oxidant reacts with a portion of the coal to provide the heat necessary for the reaction in the gasifier, and the remaining coal is incomplete combustion in the absence of oxygen. That is, it causes partial oxidation reaction to produce combustible carbon monoxide (CO), hydrogen (H 2 ) and the like. At this time, since the temperature in the gasifier is about 1,500 ° C., the ash component contained in coal melts and flows down the gasifier in the form of slag.
상기한 가스화기에서 생성된 석탄가스는 가스냉각기를 거치면서 현열을 회수하고, 과열증기를 발생시킨다. 이때, 가스냉각기로는 여러 가지 형태가 사용되고 있지만, 대부분의 시스템에서는 생성가스가 지닌 현열을 최대한 회수하기 위하여 복사열전달의 원리에 의하여 열을 회수하는 복사형 가스냉각기와 대류열전달의 원리에 의하여 열을 회수하는 대류형 가스냉각기를 연결시켜 사용하고 있다. 그러나, 가스냉각기로 유입되는 석탄가스의 온도는 1,500℃ 정도로 아주 고온이며, 황화수소(hydrogen sulfidel H2S) 및 황화카르보닐(carbonyl sulfide: COS)와 같은 유황화합물과 먼지 등이 함유되어 있어 가스냉각기의 부식이 발생하기 용이한 환경에 놓이게 된다. 이로 인하여, 가스냉각기로는 내식성이 강한 고급 재질이 사용이 불가피하므로, 결과적으로 가스냉각기의 투자비용이 매우 커지게 된다.The coal gas generated in the gasifier recovers sensible heat through a gas cooler and generates superheated steam. In this case, various types of gas coolers are used. However, in most systems, in order to recover the sensible heat of the generated gas as much as possible, the radiant gas cooler and the convective heat transfer principle recover heat. The convection type gas cooler to recover is connected and used. However, the temperature of coal gas flowing into the gas cooler is very high, about 1,500 ° C. The gas cooler contains sulfur compounds such as hydrogen sulfidel H 2 S and carbonyl sulfide (COS) and dust. Are placed in an environment prone to corrosion. For this reason, the gas cooler is inevitable to use a high corrosion-resistant high-quality material, as a result, the investment cost of the gas cooler is very large.
한편, 폐열회수보일러에서 예열된 급수가 가스냉각기로 유입되어, 가스냉각기 및 드럼을 거치면서 증기로 변환된 후, 다시 폐열회수보일러에서 가열되어 증기터빈으로 공급된다. 그러나, 상기한 가스냉각기와 주변 장치는 고온 및 부식환경에서의 열 회수, 증기사이클과의 연계 등으로 인하여 초기 투자비가 높고, 운전 및 유지보수 등이 어려운 것으로 밝혀지고 있다.On the other hand, the feed water preheated in the waste heat recovery boiler is introduced into the gas cooler, converted into steam while passing through the gas cooler and drum, and then heated in the waste heat recovery boiler and supplied to the steam turbine. However, the gas cooler and the peripheral device have been found to have a high initial investment due to heat recovery in a high temperature and corrosive environment, a connection with a steam cycle, and are difficult to operate and maintain.
가스냉각기로부터 배출된 석탄가스는 집진장치 및 탈황장치로 구성된 저온 가스정제장치를 거치면서 먼지와 황 및 불순물이 제거된다. 가스냉각기를 나온 석탄가스에는 대략 10,000ppm의 먼지가 함유되어 있는데, 이들이 가스터빈으로 들어가면 마모와 침식을 유발하여 가스터빈의 수명을 단축하므로, 가스터빈의 보호와 수명연장을 위하여 이를 제거해야 한다. 가스터빈에서 규정하는 분진의 일반적인 허용 한계농도는 200ppm 이하이며, 5㎛이상의 입자가 10ppm 이하로 유지되어야만 하는데, 분진입자를 더욱 정밀하게 처리함으로써 고가의 가스터빈의 수명을 더욱 연장할 수 있으므로, 될 수 있으면 완벽한 제거가 요구된다. 즉, 석탄가스 증의 분진을 원하는 정도까지 제거하기 위해서는, 집진효율이 99.8% 이상이 되어야만 한다. 가스 중의 먼지를 제거하는 집진장치로는 사이클론, 세정식 집진기, 세라믹 필터, 백 필터 및 전기집진기 등이 있는데, 이들 중에서 적절히 선택함으로써 원하는 집진효율을 얻을 수 있다.The coal gas discharged from the gas cooler is removed from dust, sulfur and impurities through a low temperature gas purification device composed of a dust collector and a desulfurization device. Coal gas from the gas cooler contains approximately 10,000 ppm of dust, which, when entering the gas turbine, causes wear and erosion, which shortens the life of the gas turbine and must be removed to protect the gas turbine and extend its life. The general allowable limit concentration of dust specified in the gas turbine is 200ppm or less, and particles of 5㎛ or more should be kept at 10ppm or less, and by processing the dust particles more precisely, the life of expensive gas turbines can be further extended. If possible, complete removal is required. In other words, in order to remove coal gas dust to a desired degree, the dust collection efficiency must be 99.8% or more. Dust collectors for removing the dust in the gas include cyclones, cleaning dust collectors, ceramic filters, bag filters, and electrostatic precipitators, and the desired dust collection efficiency can be obtained by appropriate selection among them.
집진장치에서 먼지가 제거된 석탄가스는 H2S 및 COS와 같이 석탄가스에 함유된 유황화합물을 제거하는 탈황장치로 들어가 황화합물이 제거된 청정한 가스로 된다. 이때, 탈황공정은 저온 탈황공정과 고온 탈황공정으로 크게 나뉘어지는데, 저온 탈황공정은 공정 입구온도가 대략 40℃ 정도이고, 흡수탑에서 물리·화학적 용매를 사용하여 가스 중의 황합물을 선택적으로 흡수한 후에 재생탑에서 용매를 제거하는 공정으로서, 석유화학공정에서 이미 상용화되어 사용되고 있는 공정이다. 이러한 저온 탈황공정은 운전상의 신뢰성이 높은 반면에, 공정에 대한 투자비가 크고 공정이 복잡해지며, 공정의 입구온도를 맞추기 위하여 가스의 온도를 사전에 낮추어야 하므로, 열손실이 생긴다는 단점을 지니고 있다. 한편, 고온 탈황공정은 상기한 저온 탈황공정의 단점인 열손실 발생을 방지하여 석탄가스화 복합발전 시스템의 효율을 높일 목적으로 450 내지 700℃ 정도의 고온에서 철 및 아연계의 탈황제를 사용하여 황화합물을 제거하는 공정으로서, 이러한 고온 탈황공정은 효율이 높은 반면에, 현재까지 기술개발이 완료되지 않은 공정이다.The coal gas from which the dust is removed from the dust collector enters a desulfurization device that removes sulfur compounds contained in coal gas, such as H 2 S and COS, and becomes a clean gas from which sulfur compounds are removed. At this time, the desulfurization process is divided into a low temperature desulfurization process and a high temperature desulfurization process. The low temperature desulfurization process has a process inlet temperature of about 40 ° C., and the absorption tower selectively absorbs sulfur compounds in gas using a physical and chemical solvent. Later, the solvent is removed from the regeneration tower, which is already commercialized and used in petrochemical processes. While the low temperature desulfurization process has high operational reliability, the investment cost for the process is high, the process is complicated, and the temperature of the gas has to be lowered in advance in order to meet the inlet temperature of the process. Meanwhile, the high temperature desulfurization process uses iron and zinc-based desulfurization agents at a high temperature of about 450 to 700 ° C. to prevent heat loss, which is a disadvantage of the low temperature desulfurization process. As a process for removing, such a high temperature desulfurization process is a high efficiency, while the technology development is not completed until now.
탈황장치를 거친 석탄가스는 가스터빈의 공기압축기에서 공급된 압축공기와 질소산화물 저감을 위한 희석제와 더불어, 가스터빈의 연소기로 들어가 연소된다. 이때, 연료의 발열량을 낮춤으로써, 질소산화물 생성을 저감하기 위해 연소기로 공급되는 희석제와 투입방법으로는 산소분리장치에서 생성된 질소를 이용하는 방법, 증기사이클에서 생성된 증기를 연소기로 투입하는 방법, 석탄가스를 수분에 포화시켜 사용하는 방법과 산소분리장치에서 생성된 질소를 포화시켜 사용하는 방법 등이 있다. 가스터빈의 공기압축기는 대기의 공기를 유입하여 가스터빈 연소기가 요구하는 수준까지 공기를 압축시킴과 동시에, 산소분리장치에서 필요로 하는 공기의 일부를 추기하기도 한다. 산소분리공정에 필요로 하는 공기를 추기하는 경우에는 시스템의 효율이 일부 상승하는 반면에, 전체 시스템의 구성이 복잡해서 운전상의 어려움이 따른다는 문제점이 있다.The coal gas passed through the desulfurization unit enters and combusts the gas turbine combustor together with the diluent for reducing the nitrogen oxides and the compressed air supplied from the gas compressor air compressor. At this time, by reducing the calorific value of the fuel, as a diluent supplied to the combustor to reduce the generation of nitrogen oxides and a method of using nitrogen generated in the oxygen separation device, a method of introducing the steam generated in the steam cycle into the combustor, There is a method of saturating coal gas in water and a method of saturating nitrogen produced in an oxygen separator. The gas compressor's air compressor introduces atmospheric air, compresses the air to the level required by the gas turbine combustor, and simultaneously extracts a portion of the air required by the oxygen separator. In the case of extracting the air required for the oxygen separation process, the efficiency of the system is partially increased, while the configuration of the entire system is complicated, resulting in difficulties in operation.
상기한 과정에 따라 가스터빈 연소기에서 연소된 가스는 가스터빈에서 팽창되어 터빈축에 연결된 발전기를 통해 전력을 발생시키고, 가스터빈에서 배출된 배기가스는 폐열회수보일러로 유입된다. 배출된 배기가스는 폐열회수보일러에서 증기를 발생시키고 굴뚝으로 배출되며, 가스냉각기와 폐열회수보일러에서 발생된 과열증기는 증기터빈에서 팽창되어 증기터빈을 작동시킴으로써, 동일축에 연결된 발전기를 구동시켜 전력을 생산한다. 또한, 가스냉각기에서 필요로 하는 급수는 폐열회수보일러에서 공급되며, 가스냉각기에서 생성된 증기는 다시 폐열회수보일러로 환류된 후 과열되어 증기터빈으로 들어가게 되는데, 이와 같은 구성에 따라 전체적인 시스템이 복잡해지고 운전상의 어려움이 따르게 된다.According to the above process, the gas combusted in the gas turbine combustor is expanded in the gas turbine to generate power through a generator connected to the turbine shaft, and the exhaust gas discharged from the gas turbine flows into the waste heat recovery boiler. The discharged exhaust gas generates steam from the waste heat recovery boiler and is discharged to the chimney. The superheated steam generated from the gas cooler and the waste heat recovery boiler is expanded in the steam turbine to operate the steam turbine. To produce. In addition, the feed water required for the gas cooler is supplied from the waste heat recovery boiler, and the steam generated in the gas cooler is refluxed back to the waste heat recovery boiler and then overheated to enter the steam turbine. Driving difficulties will follow.
한편, 산소분리장치는 산소분리에 필요한 공기의 전량 또는 일부로 가스터빈의 공기압축기에서 추기된 압축공기를 이용하며, 공기를 산소와 질소로 분리한 다음, 산소는 가스화기로 보내 석탄과 반응하고, 질소의 일부는 석탄을 가스화기로 운송하는 운송가스로 사용하며, 나머지 질소는 질소산화물 저감을 위하여 가스터빈의 연소기로 투입된다. 이와 같이, 공기의 가스터빈과 가스화기, 그리고 산소분리장치간의 연계성으로 인하여 석탄가스 복합발전 시스템은 극도로 복잡하게 되고, 운전이 매우 어려워지며, 부하 변동에 신속하게 대응하기 어렵게 된다.On the other hand, the oxygen separator uses the compressed air extracted from the air compressor of the gas turbine as part or all of the air required for oxygen separation, separates the air into oxygen and nitrogen, and then sends oxygen to the gasifier to react with coal, and nitrogen Part of the gas is used as a transport gas for transporting coal to the gasifier, and the other nitrogen is introduced into the gas turbine combustor to reduce nitrogen oxides. As such, the linkage between the gas turbine, gasifier, and oxygen separator of the air makes the coal gas combined cycle system extremely complex, very difficult to operate, and difficult to respond to load fluctuations.
상기한 석탄가스화 복합발전 시스템은 석탄의 직접연소시 발생하는 환경적인 문제점을 해결하기 위해 석탄을 사용하여 먼저 청정 석탄가스를 생성한 후, 가스터빈 및 증기터빈을 동시에 구동하는 복합사이클 발전시스템을 채용함으로써, 효율이 높고 환경적으로 안정하여 많이 사용되고 있다.The coal gasification combined cycle power generation system employs a combined cycle power generation system that generates clean coal gas using coal first and then simultaneously drives gas turbines and steam turbines in order to solve environmental problems that occur during direct combustion of coal. By doing so, the efficiency is high and environmentally stable and it is used a lot.
그러나, 상기한 석탄가스화 복합발전 시스템의 기술개발자들은 개발의 방향을 발전 시스템이 동력제고 및 효율 극대화에 중점을 두어, 시스템의 효율은 어느 정도 상승하였으나, 이로 인해 석탄가스화 복합발전 시스템의 투자비가 대폭적으로 상승하게 되고, 시스템이 복잡해져 상업용으로 설치시 경제성이 떨어지며, 설치후 운전시에도 기능제어가 어렵게 된다는 문제점을 지니고 있었다.However, the technical developers of the above-described coal gasification combined cycle system focused on the development of power generation and maximizing the efficiency of the system, but the efficiency of the system increased to some extent, but the investment cost of the coal gasification combined cycle system was greatly increased. As a result, the system was complicated, and the economical efficiency of the installation was reduced, and it was difficult to control the function even during operation after installation.
이상에서 설명한 종래의 복합발전 시스템 중에서 가장 발전된 형태의 석탄가스화 석탄가스화 복합발전 시스템에 대한 일례를 제1도에 나타내었다. 이하에서는, 제1도를 참조하여 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템을 더욱 상세히 설명하겠다.An example of the most advanced form of coal gasification and coal gasification combined cycle power generation system described above is shown in FIG. 1. Hereinafter, a conventional coal gasification combined cycle system will be described in more detail with reference to FIG. 1.
제1도에 도시된 바와 같이, 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템에서는 석탄을 잘게 부순 미분탄과 산소분리장치(12)에서 생성된 산소를 가스화기(1)에서 반응시켜 석탄가스를 생성한다. 이때, 석탄은 10 내지 150㎛정도까지 잘게 부순 다음, 건조시켜 이송용 가스인 질소를 이용하여 가스화기(1) 내부로 공급한다. 또한, 산소분리장치(12)에서 생성된 고순도의 산소를 석탄에 대하여 중량비로 0.28 내지 1.17 정도의 비율로 투입한다. 또한, 가스냉각기(2)에서 생성된 증기의 일부를 가스화기(1)로 공급하는데, 그 양은 석탄에 비하여 대략 0.1 내지 1.20의 비율이다. 가스화기(1) 내부로 투입된 석탄, 산소 및 수증기 등 반응물은 1 내지 300atm, 900 내지 2,230℃의 범위에서 반응하여 석탄가스를 생성하게 되며, 석탄 중에 함유된 회분은 고온의 가스화기(1)에서 용융되어 슬래그로 변한 다음, 가스화기(1)의 하부로 내려와 수조에 담기면서 고형화된다. 가스화기(1)에서 생성된 고온의 석탄가스는 폐열회수보일러(9)로부터 가스냉각기(2)로 유입되는 고온수로부터 과열증기를 발생시키고, 냉각되어 집진장치(3)로 유입된다.As shown in FIG. 1, in the conventional coal gasification combined cycle system, coal gas which is finely pulverized coal and oxygen generated in the oxygen separation device 12 are reacted in the gasifier 1 to generate coal gas. At this time, the coal is finely crushed to about 10 to 150㎛, dried and supplied into the gasifier 1 by using nitrogen, which is a transport gas. In addition, high-purity oxygen generated by the oxygen separation device 12 is introduced at a ratio of about 0.28 to about 1.17 by weight with respect to coal. In addition, a part of the steam generated in the gas cooler 2 is supplied to the gasifier 1, the amount of which is approximately 0.1 to 1.20 as compared to coal. The reactants such as coal, oxygen, and water vapor introduced into the gasifier 1 react in the range of 1 to 300 atm and 900 to 2,230 ° C. to produce coal gas, and the ash contained in the coal is heated in the high temperature gasifier 1. It melts and turns into slag, then descends to the bottom of the gasifier 1 and solidifies while being put in a water bath. The hot coal gas generated in the gasifier 1 generates superheated steam from the hot water flowing into the gas cooler 2 from the waste heat recovery boiler 9, and is cooled and introduced into the dust collector 3.
상기한 가스화기(1)를 빠져 나온 약 1,500℃ 정도의 고온의 석탄가스 중에 함유된 현열을 회수하기 위하여 가스냉각기(2)를 사용하는데, 고온의 석탄가스는 가스화기(1)와 연결된 복사형 가스냉각기에서 1차로 대략 800℃ 정도까지 냉각된 후, 복사형 가스냉각기 후단에 연결된 대류형 가스냉각기에서 230 내지 300℃ 정도까지 냉각되면서 열이 회수된다. 이때, 폐열회수보일러(9)에서 예열된 후 가스화기(2)로 유입된 급수는 가스냉각기(2)에 의해 가열되어 가스냉각기(2) 상부의 증기드럼에서 증기로 변환된 후, 일부는 가스화기(1)로 투입되어 가스화반응에 사용되고, 나머지는 다시 폐열회수보일러(9)로 되돌려져 과열기에서 가열되어 과열증기로 된 후, 증기터빈(10)을 구동하는데 사용된다.The gas cooler 2 is used to recover sensible heat contained in the coal gas of about 1,500 ° C., which has exited the gasifier 1, and the high temperature coal gas is connected to the gasifier 1. After cooling to about 800 ° C. in the gas cooler first, heat is recovered while cooling to about 230 to 300 ° C. in a convective gas cooler connected to the rear end of the radiant gas cooler. At this time, the water supplied to the gasifier 2 after being preheated in the waste heat recovery boiler 9 is heated by the gas cooler 2 to be converted into steam in the steam drum above the gas cooler 2, and then some of the gas The gas is fed into the fire 1 and used for the gasification reaction, and the rest is returned to the waste heat recovery boiler 9, heated in the superheater to become superheated steam, and then used to drive the steam turbine 10.
상기한 석탄 가스화기(1)에서 발생하는 석탄가스에는 공해물질인 먼지, H2S 및 COS와 같은 유형화합물 및 이산화탄소(CO2)와 미량의 불순물 등이 다량 함유되어 있기 때문에, 발전용 연료로 사용하기 전에 이를 제거해야 한다. 이러한 불순물과 산성가스 등을 제거하기 위한 저온 가스정제장치(3,4)는 가스화기(1)에서 생성된 먼지를 제거하기 위한 집진장치(3)와 유황 화합물을 제거하기 위한 탈황장치(4)로 나뉘어진다. 일반적으로 가스정제장치는 저온 정제장치와 고온 정제장치로 분류할 수 있는데, 저온 정제장치는 현재 상용화되어 널리 사용되어지고 있으며, 보통 40℃ 이하에서 운전되며 불순물을 제거하기 위해 물이나 다른 액상의 용매를 사용한다. 저온 가스정제장치에서 집진장치는 가스냉각기를 거친 가스를 원심력을 이용한 집진기를 사용하여 비산회 등의 먼지를 일차로 제거한다. 일반적으로, 석탄가스중에서 황화 카르보닐와 이산화탄소가 차지하는 비율이 낮으므로, 탈황장치에서는 황화수소를 제거하는 것이 주목적이다. 이러한 탈황공정은 용매를 사용하여 산성가스를 흡착, 제거하는 역할을 수행하며, 황회수장치에서는 제거된 산성가스를 원소 황으로 변환 회수하고, 이곳에서 완전히 처리하지 못한 잔류가스는 잔류가스 처리장치로 보내져 재처리된다. 상기한 저온 가스 정제장치의 장점은 산성가스 및 불순물 등을 아주 낮은 수준까지 제거할 수 있는 반면에, 발생가스의 온도를 상당한 수준까지 낮추어야 하므로, 열교환 장치에 투자비가 증가하게 되고 열손실이 수반되어 시스템의 효율을 감소시킨다는 단점을 지니고 있다.The coal gas generated by the coal gasifier 1 contains a large amount of pollutants such as dust, tangible compounds such as H 2 S and COS, and carbon dioxide (CO 2 ) and trace impurities. It must be removed before use. The low temperature gas purifiers 3 and 4 for removing such impurities, acidic gases and the like are the dust collector 3 for removing dust generated in the gasifier 1 and the desulfurization apparatus 4 for removing sulfur compounds. Divided into In general, the gas purification device can be classified into a low temperature purification device and a high temperature purification device. The low temperature purification device is currently commercialized and widely used, and it is usually operated below 40 ° C and used as a solvent in water or another liquid to remove impurities. Use In the low-temperature gas purifier, the dust collector first removes dust, such as fly ash, from the gas passed through the gas cooler using a dust collector using a centrifugal force. In general, since carbonyl sulfide and carbon dioxide occupy a low proportion in coal gas, it is a main purpose to remove hydrogen sulfide in the desulfurization apparatus. This desulfurization process absorbs and removes acid gas using a solvent, and the sulfur recovery unit converts and removes the removed acid gas into elemental sulfur. Sent and reprocessed. The advantage of the above-mentioned low temperature gas purification device is that it can remove acid gas and impurities to a very low level, while the temperature of generated gas has to be lowered to a considerable level, which increases investment cost and heat loss in the heat exchanger. It has the disadvantage of reducing the efficiency of the system.
상기한 저온 가스정제공정에 대하여 자세히 살펴보면 다음과 같다:The low temperature gas purification process described above is described in detail as follows:
일차로 집진장치(3)에서 먼지가 제거된 석탄가스 중에는 염화수소산(hydrochloride: HCI)이 함유되어 있으므로, 이를 제거하기 위하여 냉각수분사에 의한 습식세정법과, 건식세정법 등을 사용하는데 이중에서 건식세정법은 고온 정제공정에서 사용된다. 한편, 습식세정법은 석탄가스에 냉각수를 직접 분사하는 방법으로서 염화수소산을 제거할 수 있는 반면에, 시안화수소(hydrogen cyanide: HCN)가 용해되는 단점이 있으며, 황화 카르보닐 제거를 위해 석탄가스를 재가열시켜야 한다는 문제점이 있기 때문에, 이 방법은 석탄가스중에 미량의 염화물이 존재하는 경우에 바람직하다.The coal gas from which the dust is removed from the dust collector (3) contains hydrochloric acid (HCI). Therefore, in order to remove the coal gas, wet washing by cooling water spray and dry cleaning are used. Used in high temperature refining processes. On the other hand, the wet cleaning method is a method of directly injecting cooling water into coal gas, which can remove hydrochloric acid, while hydrogen cyanide (HCN) dissolves, and reheats the coal gas to remove carbonyl sulfide. This method is preferable when trace amounts of chlorides are present in coal gas.
염화수소산이 제거된 석탄가스에는 시안화수소/황화 카르보닐 등이 존재하게 되는데, 시안화수소는 산성가스 제거공정에 사용되는 용매의 기능을 저하시키며 하부 공정의 암모니아 스트리퍼(stripper) 및 산성가스 스트리퍼를 부식시키므로, 가수분해시켜 제거할 필요가 있다. 또한, 황화 카르보닐은 산성가스 제거용매에 흡착이 어려우며, 제거되지 않은 경우 가스터빈에서 연소된 후, 이산화황(SO2) 배출량을 증가시키므로 사전에 촉매를 이용하여 가수분해시켜 흡착, 제거가 용이한 황화수소로 변환시킨 후, 산성가스 제거공정으로 보내 황화수소를 용매에 흡착, 제거시킨다.Hydrogen cyanide removed coal gas contains hydrogen cyanide / carbonyl sulfide. Hydrogen cyanide degrades the solvent used in the acid gas removal process and corrodes the ammonia stripper and acid gas stripper in the lower process. It is necessary to remove it by hydrolysis. In addition, carbonyl sulfide is difficult to adsorb to an acidic gas removal solvent, and if not removed, it is burned in a gas turbine and then increases sulfur dioxide (SO 2 ) emissions, so that it is easily adsorbed and removed by hydrolysis using a catalyst in advance. After conversion to hydrogen sulfide, it is sent to the acid gas removal process to adsorb and remove hydrogen sulfide in the solvent.
이때, 산성가스 제거장치는 흡수탑과 재생탑으로 구성되며, 산성가스 용매가 순환하면서 석탄가스 중인 산성가스를 제거한 후, 깨끗한 연료가스를 가스터빈(7)으로 공급한다. 이와 같이, 산성가스를 제거함으로써, 황산화물의 배출을 방지하게 되며, 이로 인하여 가스터빈 배기가스의 노점온도를 낮춤으로써, 폐열회수보일러(9)에서의 열 회수를 증가시키는 역할을 수행한다.At this time, the acidic gas removal device is composed of an absorption tower and a regeneration tower, and after removing the acidic gas in the coal gas while the acidic gas solvent circulates, clean gas is supplied to the gas turbine (7). As such, by removing the acid gas, it is possible to prevent the discharge of sulfur oxides, thereby lowering the dew point temperature of the gas turbine exhaust gas, thereby increasing the heat recovery in the waste heat recovery boiler (9).
상기한 산성가스 제거공정에서 산성가스가 제거된 석탄가스는 가스터빈의 연소기(5)로 공급되며, 산성가스는 황 회수공정으로 들어간다. 황회수공정으로는 석탄가스로부터 제거된 황화수소에서 순수 유황을 생성하는 공정인 클라우스(Claus) 공정을 주로 사용하며, 가스를 연소시켜 황화수소(H2S)를 이산화황(SO2)으로 전환한 후에, 촉매를 이용하여 원소 황으로 변환시키는 5개의 주요 반응으로 구성된다. 그러나, 상기한 공정에 의해서는 전체 처리가스의 약 5%는 완전히 처리할 수 없으므로, 추가로 설치되는 잔류가스 처리공정에서 나머지가 탈황처리된다. 이때, 황 회수공정에서 완전히 처리하지 못한 잔류 유황가스를 처리하는 공정으로는 쉘(Shell)사가 개발한 SCOT(Shell Clause Off-gas Treating) 공정이 널리 사용되고 있는데, 이 공정은 잔류가스 중의 황화수소, 이산화황, 황화 카르보닐 등을 촉매를 이용하여 황화수소로 전환한 후, 황 회수공정으로 재순환시켜 황 제거과정을 반복한다. 이러한 저온 정제장치의 낮은 열효율과 투자비 증가에 따른 손실을 방지하기 위하여, 고안 정제장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 현재까지 상용화에는 이르지 못하고 있는 실정이다.In the acidic gas removal process, the coal gas from which the acidic gas has been removed is supplied to the combustor 5 of the gas turbine, and the acidic gas enters the sulfur recovery process. The sulfur recovery process mainly uses the Claus process, which generates pure sulfur from hydrogen sulfide removed from coal gas, and converts hydrogen sulfide (H 2 S) to sulfur dioxide (SO 2 ) by burning the gas. It consists of five main reactions which convert to elemental sulfur using a catalyst. However, by the above process, about 5% of the total process gas cannot be completely processed, and the rest is desulfurized in the additional residual gas treatment process. At this time, as a process for treating residual sulfur gas which was not completely processed in the sulfur recovery process, Shell Clause Off-gas Treating (SCOT) process, developed by Shell, is widely used. This process includes hydrogen sulfide and sulfur dioxide in residual gas. After converting carbonyl sulfide to hydrogen sulfide using a catalyst, the sulfur removal process is repeated by recycling to a sulfur recovery process. In order to prevent the loss due to the low thermal efficiency of the low-temperature purification device and the increase in investment costs, research on the designed purification device is actively conducted, but the situation has not been commercialized until now.
한편, 저온 가스정제장치(3,4)를 거쳐 배출된 정제가스는 재가열되어 가스터빈 연소기(5)로 투입되며, 공기압축기(6)로부터 공급된 압축공기와 함께 연소된다. 이때, 가스터빈의 공기압축기(6)는 외기의 공기를 취입하여, 가스터빈 연소기(5)가 요구하는 압력까지 공기를 압축하게 된다. 석탄가스화 복합발전 시스템의 경우에는 가스터빈의 공기압축기(6)에서 압축된 공기의 일부를 산소분리장치(12)에 공급하는 시스템이 많이 적용되고 있는데, 이러한 시스템은 산소분리장치(12)의 공기압축기 규모를 줄임으로써, 전체 공정의 효율을 상승시키는 효과가 있는 반면에, 공정의 복잡성이 증대하고 투자비가 증대하며 운전상의 어려움이 큰 것으로 밝혀지고 있다. 상기한 가스터빈 연소기(5)에는 연소시 발생하는 질소산화물의 저감을 위하여 여러 가지 방법들이 적용되고 있는데, 가장 널리 사용되고 있는 방법으로는 산소분리장치에서 공급되는 질소를 희석제로서 연소기에 투입하는 방법, 증기 및 물을 연소기로 분사하는 방법과 석탄가스를 수분에 포화시켜 연소기에 투입하는 방법 등이 고려되어지고 있다.On the other hand, the purified gas discharged through the low temperature gas purification apparatuses 3 and 4 is reheated and introduced into the gas turbine combustor 5 and combusted together with the compressed air supplied from the air compressor 6. At this time, the air compressor 6 of the gas turbine blows in air from outside air to compress the air to the pressure required by the gas turbine combustor 5. In the case of the coal gasification combined cycle system, a system for supplying a portion of the air compressed by the air compressor 6 of the gas turbine to the oxygen separator 12 has been applied, and such a system is an air of the oxygen separator 12. By reducing the size of the compressor, it has been found to increase the efficiency of the overall process, while increasing the complexity of the process, increasing the investment cost and increasing operational difficulties. Various methods are applied to the gas turbine combustor 5 to reduce nitrogen oxides generated during combustion. The most widely used method is a method of introducing nitrogen supplied from an oxygen separator into a combustor as a diluent, A method of injecting steam and water into a combustor and a method of saturating coal gas into moisture and inputting it into a combustor have been considered.
산소분리장치(12)에서는 공기를 분리하여 산소는 가스화기(1)로 공급하고, 질소의 일부는 미분탄의 수송용으로 사용하며, 나머지 질소는 가스터빈 연소기(5)에서 질소산화물의 생성을 낮추기 위해 공급된다. 석탄가스화기의 산소분리장치(12)에 대한 산소분리공정으로는 공기냉각 액화분리공정(cryogenic air seperation)이 상업적으로 널리 사용되고 있는데, 이러한 공정에서는 공기를 액화 및 정화(rectification)시키는 물리적 과정을 통하여 산소와 질소의 비등점 차이(질소 비등점 온도: -195.8℃: 산소 비등점 온도: -183℃)로 분리탑에서 분리한다. 이와 같은 산소분리공정은 공기 중의 불순물을 제거하는 방법에 따라 가역 열교환기(reversible heat exchanger:RHX)를 사용하는 방법과, 재래식의 분자체(molecular sieve)를 사용하는 흡착정제(adsorption prepurifier)방법이 존재하는데, 석탄가스화 공정에서와 같이 다량의 공정용 산소가 필요한 경우에는 분자체법이 선호된다. 이와 같은 분자체법을 이용한 산소분리장치(12)는 4개의 주요설비로 이루어지는데, 공기압축기, 공기냉각 및 정제장치, 저온분리탑, 산소압축기 등으로 나뉘어진다. 공기는 공기압축기에 의해 약 5.3bar로 압축되며 1차로 냉각된 후, 분자체에 의해 수분,이산화탄소, 탄화수소 등의 불순물들이 제거된다.In the oxygen separator 12, the air is separated and oxygen is supplied to the gasifier 1, a part of nitrogen is used for the transportation of pulverized coal, and the remaining nitrogen lowers the production of nitrogen oxides in the gas turbine combustor 5. To be supplied. As the oxygen separation process for the oxygen separator 12 of the coal gasifier, cryogenic air seperation is widely used commercially. In this process, the air is liquefied and purified through a physical process. Separate from the separation tower by the difference between the boiling point of oxygen and nitrogen (nitrogen boiling point temperature: -195.8 ° C: oxygen boiling point temperature: -183 ° C). This oxygen separation process uses a reversible heat exchanger (RHX) and an adsorption prepurifier method using conventional molecular sieves according to the method of removing impurities in the air. Molecular sieve methods are preferred where large amounts of process oxygen are required, such as in coal gasification processes. Oxygen separator 12 using the molecular sieve method is composed of four main equipment, it is divided into an air compressor, an air cooling and purification device, a low temperature separation tower, an oxygen compressor. The air is compressed to about 5.3 bar by an air compressor, and after being first cooled, impurities such as water, carbon dioxide, and hydrocarbons are removed by the molecular sieve.
이와 같이 불순물이 제거된 공기는 저온의 열교환기에서 -168℃로 냉각되어 액체상태로 일부는 고압분리탑의 하부로 투입되고, 일부는 팽창기에서 -187℃로 팽창되어 저압분리탑의 중간 단으로 공급된다. 분리탑은 산소와 질소를 분리시키며, 상부분리탑은 약 1.2 내지 1.8bar의 저압으로, 하부분리탑은 약 5bar의 고압으로 운전되며, 재열기/응축기로 연결된다. 고압분리탑으로 이송된 액체공기는 비등점이 낮은 질소가 먼저 증발함으로써, 하부에는 산소가 다량 함유된 액체(약 35% 산소)로, 상부에는 질소가스(약 94% 질소)로 각각 분리된다. 하부에 모인 산소함량이 많은 액체는 질소과열기에서 열교환되어 과냉된 후, 다시 저압분리탑 중간단으로 보내져 고순도 산소와 질소로 분리된다. 고압분리탑 상부로 분리된 질소가스의 대부분은 재열기/응축기에서 응축하여 액체질소로서 질소과열기에서 과냉되어 저압분리탑 상부로 보내진다. 이때, 재열기에서 발생된 응축열은 저압분리탑 하부의 액체 산소를 증발시키는 역할을 하며, 고순도 질소가스(상부배출, 99% 질소, -191℃)와 고순도 액체산소(하부저장, 95% 산소)로 분리시킨다.The impurities-free air is cooled to -168 ° C. in a low temperature heat exchanger, partly into the bottom of the high pressure separation tower in a liquid state, and part of the air is expanded to -187 ° C. in the expander to the middle stage of the low pressure separation tower. Supplied. The separation tower separates oxygen and nitrogen, the upper separation tower is operated at a low pressure of about 1.2 to 1.8 bar, and the lower separation tower is operated at a high pressure of about 5 bar and connected to a reheater / condenser. The liquid air transferred to the high-pressure separation tower is first separated by a low boiling point of nitrogen, and then a liquid containing a large amount of oxygen in the lower portion (about 35% oxygen) and a nitrogen gas in the upper portion (about 94% nitrogen). The oxygen-rich liquid collected in the lower part is heat-exchanged in a nitrogen superheater, and after being cooled, is sent to the middle stage of the low pressure separation tower and separated into high purity oxygen and nitrogen. Most of the nitrogen gas separated to the top of the high pressure separation tower is condensed in the reheater / condenser, supercooled in the nitrogen superheater as liquid nitrogen and sent to the top of the low pressure separation tower. At this time, the heat of condensation generated in the reheater serves to evaporate the liquid oxygen at the bottom of the low pressure separation tower, and the high purity nitrogen gas (top discharge, 99% nitrogen, -191 ℃) and the high purity liquid oxygen (bottom storage, 95% oxygen) To be separated.
한편, 상기한 가스터빈 연소기(5)에서 연소된 고온의 석탄가스는 가스터빈(7)으로 공급되어 팽창되면서 가스터빈(7)을 작동시켜, 동일축에 연결된 발전기(8)를 구동시켜 전력을 생산하게 된다.On the other hand, the hot coal gas burned in the gas turbine combustor (5) is supplied to the gas turbine (7) to expand and operate the gas turbine (7), driving the generator (8) connected to the same shaft to power To produce.
또한, 가스터빈(7)의 배기가스는 폐열회수보일러(9)로 유입되어 과열증기를 발생시키며, 발생된 증기를 이용하여 증기터빈(10)을 작동시킴으로써, 동일축에 연결된 발전기(8)를 가동시킨다. 폐열회수보일러(9)에서는 가스냉각기(2) 등에서 생성된 증기를 가열하여 증기터빈(10)에 공급하는 동시에, 가스화 시스템과 가스정제 공정 등에 필요한 증기 및 온수를 공급한다.In addition, the exhaust gas of the gas turbine (7) flows into the waste heat recovery boiler (9) to generate superheated steam, and by operating the steam turbine (10) using the generated steam, the generator (8) connected to the same shaft Start up. In the waste heat recovery boiler 9, steam generated by the gas cooler 2 is heated and supplied to the steam turbine 10, and steam and hot water required for a gasification system and a gas purification process are supplied.
일반적으로, 석탄가스화 복합발전 시스템은 일반적인 발전시스템과 달리, 공정 내에 연계성이 많기 때문에, 폐열회수보일러(9)에서 연계성을 어떻게 추구하느냐에 따라 시스템의 전체적인 효율이 달라지게 된다.In general, since the coal gasification combined cycle system has a lot of linkages in the process, unlike the general power generation system, the overall efficiency of the system will vary depending on how the linkage is pursued in the waste heat recovery boiler (9).
상기한 폐수회수보일러(9)에서 증기를 발생시킨 후 가스터빈(7)의 배기가스는 굴뚝(11)으로 배출되며, 증기터빈(10)을 구동시킨 증기는 복수기(13)에서 응축되어 폐수회수보일러(9)의 급수로 공급된다. 이때, 폐수회수보일러(9)의 배기가스 온도는 황산가스 노점을 고려하여 결정되어야 한다.After the steam is generated in the wastewater recovery boiler 9, the exhaust gas of the gas turbine 7 is discharged to the chimney 11, and the steam driving the steam turbine 10 is condensed in the condenser 13 to recover the wastewater. It is supplied to the feed water of the boiler (9). At this time, the exhaust gas temperature of the waste water recovery boiler 9 should be determined in consideration of the sulfuric acid gas dew point.
이상에서 설명한 바와 같이, 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템은 전체적인 장치 구성이 매우 복잡하고, 각 장치가 상호연계되어 초기 투자비가 높으며, 운전상의 많은 복잡성을 내포하고 있기 때문에, 상업화에 큰 문제점으로 대두되고 있다. 또한, 상기한 종래의 복합발전 시스템은 운전신뢰도가 낮고, 시스템의 잦은 개·보수 및 교체가 요구된다는 문제점을 지니고 있다.As described above, the conventional coal gasification combined cycle system has a large problem in the commercialization because the overall device configuration is very complex, each device is interconnected, the initial investment is high, and it contains a lot of operational complexity. have. In addition, the conventional combined cycle power generation system has a problem that the operation reliability is low, and the frequent maintenance, repair and replacement of the system is required.
결국, 본 발명은 상기한 종래기술에 따른 석탄가스화 복합발전 시스템이 지닌 문제점인 높은 투자비와 설비 및 운전의 복잡성 등을 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 주된 목적은 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템 중에서 큰 투자비를 차지하면서 구성이 복잡하여 상용화에 큰 걸림돌로 작용하고 있는 가스냉각기를 제거하고, 40℃ 내외에서 가동하던 종래의 저온 가스정제장치 대신 300 내지 450℃에서 운전가능한 중온 가스정제장치를 사용하여 시스템의 효율상승을 제고하며, 집진장치에서 포집된 미연소탄소를 가스화기로 재순환시켜 석탄가스화 복합발전 시스템의 효율을 높이는 동시에, 각 장치간의 연계성을 최소화하여 장치를 간소화함으로써, 투자비를 저감시키며 운전이 간편하고 시스템의 신뢰성을 한층 높일 수 있는 석탄가스화 복합발전 시스템을 제공함에 있다.After all, the present invention is to solve the high investment cost and the complexity of equipment and operation, which is a problem of the coal gasification combined cycle system according to the prior art, the main object of the present invention is large The system uses a medium temperature gas purifier that can operate at 300 to 450 ° C instead of the conventional low temperature gas purifier that operated at around 40 ° C. Improve efficiency and recycle the unburned carbon collected from the dust collector to the gasifier to increase the efficiency of the coal gasification combined cycle system, while minimizing the connection between the devices, simplifying the equipment, reducing the investment cost and simplifying the operation. Coal gasification combined cycle power plant It is a system to provide.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은 상기한 본 발명의 석탄가스화 복합발전 시스템을 사용하여 고신뢰도 및 고효율로 전력을 발생시킬 수 있는 전력 발생방법을 제공함에 있다.In addition, another object of the present invention to provide a power generation method that can generate power with high reliability and high efficiency using the coal gasification combined cycle system of the present invention described above.
상기한 목적을 달성하는 본 발명의 석탄가스화 복합발전 시스템은, 외부의 공기를 산소와 질소로 분리하는 산소분리장치와, 상기한 산소분리장치로부터 공급된 산소와 슬러리 상태의 석탄을 반응시켜 석탄가스를 생성하며, 생성된 고온의 석탄가스를 중온 가스정제장치가 필요로 하는 온도인 300 내지 450℃까지 냉각시키기 위한 가스화기와, 상기한 가스화기에서 생성된 석탄가스 중의 미연탄소 및 먼지를 제거하기 위한 중온 가스집진장치 및 석탄가스 중의 유황성분을 제거하기 위한 중온 가스탈황장치로 구성된 중온 가스정제장치와, 외부공기를 압축하여 가스터빈 연소기가 요구하는 압력까지 압축시키기 위한 공기압측기와, 상기한 중온 가스정제장치에서 청정화된 석탄가스를 상기한 산소분리장치에서 공급된 질소 및 상기한 공기압축기에서 공급된 압축공기를 사용하여 연소시키기 위한 가스터빈 연소기와, 상기한 가스터빈 연소기에서 연소된 가스를 이용하여 동력을 발생시켜 발전기를 구동하기 위한 가스터빈과, 상기한 가스터빈의 팽창기에서 나오는 가스의 현열을 회수하여 증기터빈의 구동에 필요한 증기를 생성하고 배기가스를 굴뚝으로 배출시키기 위한 폐열회수보일러와, 상기한 폐수회수보일러에서 생성된 과열증기를 팽창시켜 발전기를 구동하기 위한 증기터빈과, 상기한 증기터빈으로부터 배출된 증기를 응축하여 상기한 폐수회수보일러의 급수로 공급하는 복수기를 포함한다.Coal gasification combined cycle power generation system of the present invention to achieve the above object, the oxygen separation device for separating the outside air into oxygen and nitrogen, the oxygen supplied from the oxygen separation device and the coal in the slurry state by reacting coal gas And a gasifier for cooling the generated high temperature coal gas to 300 to 450 ° C., which is a temperature required by the medium temperature gas purifier, and to remove unburned carbon and dust in the coal gas generated by the gasifier. A medium temperature gas purification device comprising a medium temperature gas dust collector and a medium temperature gas desulfurization device for removing sulfur components from coal gas, an air pressure gauge for compressing external air to a pressure required by a gas turbine combustor, and the above temperature gas The coal gas purified in the refining unit is removed from the nitrogen supplied from the oxygen separator and the air compressor. A gas turbine combustor for combusting using compressed compressed air, a gas turbine for driving a generator by generating power using the gas combusted in the gas turbine combustor, and sensible heat of gas from the expander of the gas turbine A waste heat recovery boiler for generating steam necessary for driving the steam turbine and discharging exhaust gas to the chimney; and a steam turbine for driving a generator by expanding the superheated steam generated in the waste water recovery boiler. And a condenser for condensing the steam discharged from the steam turbine and supplying the waste water to the wastewater.
이때, 석탄의 완전연소를 유도하여 석탄가스화 복합발전 시스템의 효율을 상승시킬 수 있도록, 본 발명의 석탄가스화 복합발전 시스템에는 상기한 중온가스집진장치에서 제거된 미연탄소를 상기한 가스화기로 재순환시키기 위한 미연타소분 재순환장치가 추가로 포함될 수 있다.At this time, in order to increase the efficiency of the coal gasification combined cycle power generation system by inducing the complete combustion of coal, the coal gasification combined cycle power generation system of the present invention for recycling the unburned carbon removed in the above-mentioned medium temperature gas dust collector to the gasifier An unburnt fraction recycling unit may additionally be included.
또한, 상기한 가스화기는, 상기한 산소분리장치로부터 공급된 산소와 슬러리 상태의 석탄이 투입되는 원료공급구, 석탄가스를 배출시키기 위한 가스배출구, 석탄 중의 회분이 용융된 슬래그를 배출시키기 위한 슬래그 배출구, 냉각수가 공급되는 냉각수 공급구, 및 냉각수를 배출시키기 위한 냉각수 배출구가 구비된 본체와, 상기한 본체의 상부에 형성되고 상기한 원료공급구를 통해 공급된 석탄을 1,200 내지 1,500℃에서 석탄가스화 반응시켜 석탄가스를 생성하기 위한 반응기와, 상기한 본체의 하부에 형성되고 상기한 반응기에서 생성된 석탄가스를 1차 냉각시키기 위한 수조와, 상기한 반응기 출구 및 수조를 연결하여 반응기로부터의 석탄가스가 수조 내부의 냉각수를 통과하도록 경로를 제공하는 내부 실린더와, 상기한 수조의 냉각수를 통과하여 상승하는 석탄가스의 이동경로를 제공하기 위한 외부 실린더와, 상기한 외부 실린더의 상단과 일정간격 상부로 이격형성되어 상기한 외부 실린더를 통해 상승된 석탄가스에 냉각수를 분사하여 석탄가스의 온도를 300 내지 450℃로 2차 냉각시키기 위한 링(ring)형 수분사장치로 구성하는 것이 바람직하다.In addition, the gasifier is a raw material supply port for the oxygen and slurry of coal supplied from the oxygen separator, the gas discharge port for discharging the coal gas, the slag discharge port for discharging the slag molten ash in the coal Coal gasification reaction of the main body having a cooling water supply port for supplying the cooling water, and a cooling water discharge port for discharging the cooling water, and coal formed at the upper portion of the main body and supplied through the raw material supply port at 1,200 to 1,500 ° C. And a reactor for producing coal gas, a water tank for primary cooling of the coal gas formed in the lower portion of the main body, and the coal gas generated in the reactor, and the reactor outlet and the water tank, An internal cylinder which provides a path for passing the cooling water inside the tank, and the cooling water of the tank The coolant is sprayed on the outer cylinder for providing a moving path of the coal gas, and the coal gas which is formed to be spaced apart from the upper end of the outer cylinder by a predetermined interval and is raised through the outer cylinder to increase the temperature of the coal gas. It is preferable to comprise a ring-type water spraying device for secondary cooling to ~ 450 ℃.
또한, 상기한 중온 가스집진장치는 300 내지 450℃의 온도에서 석탄가스 중의 먼지 및 미연탄소를 제거할 수 있는 세라믹 필터로 구성하는 것이 바람직하다.In addition, the above-mentioned medium temperature gas dust collector is preferably composed of a ceramic filter capable of removing dust and unburned carbon in coal gas at a temperature of 300 to 450 ° C.
아울러, 상기한 중온 가스탈황장치는, 석탄가스 중의 염화수소산, 염화암모늄, 알칼리 및 암모니아 등의 불순물을 제거하기 위한 스크러버(scrubber)를 포함하는 수세정장치와, 석탄가스 중의 시안화수소를 촉매를 이용하여 전환시켜 제거하기 위한 고정층 반응기와, 흡착제를 사용하여 석탄가스 중의 황 화합물을 제거하기 위한 흡수탑과, 흡착제를 재생하며 원소 황을 생성하기 위한 재생탑이 구비된 유동층 탈황 반응기로 구성하는 것이 바람직하다.In addition, the above-mentioned medium temperature gas desulfurization apparatus includes a water cleaning device including a scrubber for removing impurities such as hydrochloric acid, ammonium chloride, alkali and ammonia in coal gas, and hydrogen cyanide in coal gas using a catalyst. Fluidized bed desulfurization reactor equipped with a fixed bed reactor for conversion and removal, an absorption tower for removing sulfur compounds in coal gas using an adsorbent, and a regeneration tower for regenerating the adsorbent and generating elemental sulfur. Do.
한편, 상기한 본 발명의 석탄가스화 복합발전 시스템을 사용하여 고신뢰도 및 고효율로 전력을 발생시킬 수 있는 본 발명의 전력 발생방법은, 석탄과 물에 소량의 계면활성제를 첨가 및 혼합하여 가스화기에 주입이 용이하도록 슬러리(slurry)로 제조하는 단계와, 대기 중의 공기를 압축 및 냉각 후 재가열하여 비등점 차이를 이용하여 질소와 산소를 분리하는 단계와, 상기 단계에서 제조된 석탄 슬러리와 산소를 가스화기에서 당량비 이하로 반응시켜 가연성가스인 일산화탄소 및 수소가 주성분인 석탄가스를 생성하고 생성된 석탄가스를 수중통과 및 수분사시켜 중온 가스정제장치의 요구온도인 300 내지 450℃ 냉각하는 단계와, 상기 단계에서 냉각된 석탄가스를 중온 집진장치를 사용하여 석탄가스 중의 미연탄소 및 먼지를 가스터빈의 가동에 요구되는 일정 수준까지 제거하는 단계와, 상기 단계에서 먼지가 제거된 석탄가스를 중온 가스탈황장치를 사용하여 석탄가스 중의 유황성분을 제거하고 청정 석탄가스를 생성하며, 제거된 유황성분 가스를 순수 유황으로 회수하는 단계와, 상기 단계에서 얻어진 청정가스와 공기압축기로부터 공급된 공기 및 산소분리장치로부터 공급된 질소를 가스터빈 연소기에서 혼합 및 연소하여 고온의 연소가스를 생성하는 단계와, 상기 단계에서 얻어진 고온의 연소가스를 가스터빈에서 팽창시켜 열에너지를 일 및 전기에너지로 변환시키는 단계와, 상기 단계에서 팽창된 후의 배기가스를 폐수회수보일러에 통과시켜 배기가스가 보유한 폐열을 이용하여 증기를 생성하는 단계와, 상기 단계에서 생성된 과열증기를 증기터빈에서 팽창시켜 열에너지를 일 및 전기에너지로 변환시키는 단계를 포함한다.On the other hand, the power generation method of the present invention that can generate power with high reliability and high efficiency by using the coal gasification combined cycle system of the present invention, a small amount of surfactant is added to and mixed with coal and water to the gasifier Preparing a slurry to facilitate the injection, separating the nitrogen and oxygen using a boiling point difference by compressing and cooling the air in the atmosphere and reheating it, and gasifying the coal slurry and oxygen produced in the step Reacting at an equivalent ratio or less at to generate a combustible gas of carbon monoxide and hydrogen as a main component of coal gas, and passing the resulting coal gas under water and water spraying to cool 300 to 450 ° C., which is a required temperature of the medium temperature gas purification apparatus, Coal gas cooled in the Removing to a certain level, the coal gas from which the dust is removed in the step using a medium-temperature gas desulfurization apparatus to remove sulfur components in coal gas to generate clean coal gas, and recover the removed sulfur gas as pure sulfur And mixing and combusting the clean gas obtained in the step and the air supplied from the air compressor and the nitrogen supplied from the oxygen separator in a gas turbine combustor to produce a high temperature combustion gas, and Expanding the combustion gas in a gas turbine to convert thermal energy into work and electrical energy, passing the exhaust gas after expansion in the wastewater recovery boiler to generate steam using waste heat retained by the exhaust gas; The superheated steam generated in the step is expanded in a steam turbine to convert thermal energy into work and electrical energy. And a step of converting.
이때, 석탄가스화 복합발전 시스템의 전체 효율을 높이기 위하여, 상기한 미연탄소 및 먼지 제거단계에서 제거된 미연탄소를 집진장치 하부에서 질소를 작동매체로 하는 에젝타(ejector) 방식으로 수송하고, 노즐을 통해 가스화기로 유입시켜 연소되지 않는 미연탄소를 전량 가스화하는 미연탄소 재순환단계가 추가로 포함될 수 있다.At this time, in order to increase the overall efficiency of the coal gasification combined cycle power system, the unburned carbon removed in the step of removing the dust and the unburned carbon is transported by an ejector method (ejector) using nitrogen as a working medium under the dust collector, and the nozzle The unburned carbon recirculation step of gasifying unburned unburned carbon by flowing into the gasifier may be further included.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고신뢰도 고효율 석탄가스화 복합발전 시스템 및 전력 발생방법을 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, a high reliability and high efficiency coal gasification combined cycle power generation system and a power generation method according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제2도는 본 발명의 바람직한 실시에에 따른 석탄가스화 복합발전 시스템의 개략적인 블록 구성도로서, 제1도에 도시된 부분과 동일한 부분에 대하여는 동일한 도면부호를 사용하였다.FIG. 2 is a schematic block diagram of a coal gasification combined cycle system according to a preferred embodiment of the present invention, and the same reference numerals are used for the same parts as those shown in FIG.
제2도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 석탄가스화 복합발전 시스템은 산소분리장치(12)에서 분리된 산소와 습식 연료공급장치(미도시)에 의해 공급되는 슬러리 상태의 석탄과 집진장치(23)에서 재순환된 미연탄소가 반응하여 석탄가스를 발생시키게 되며, 발생된 석탄가스를 원하는 온도까지 물에 의해 냉각시킴과 동시에, 불순물의 일부를 제거하면서 용융 슬래그를 배출시키는 장치를 보유한 가스화기(21)를 구비한다.As shown in FIG. 2, the coal gasification combined cycle system of the present invention is a slurry coal and dust collector 23 supplied by oxygen and a wet fuel supply device (not shown) separated from the oxygen separator 12. ), The unburned carbon reacted to generate coal gas, and cools the generated coal gas with water to a desired temperature, and removes some of the impurities and discharges molten slag (21). ).
제3도는 상기한 석탄 가스화기의 상세도로서, 도시된 바와 같이, 가스화기(21)는, 상기한 산소분리장치(12)로부터 공급된 산소와 슬러리 상태의 석탄이 투입되는 원료공급구(32), 석탄가스를 배출시키기 위한 가스배출구(33), 석탄 중의 회분이 용융된 슬래그를 배출시키기 위한 슬래그 배출구(40), 냉각수가 공급되는 냉각수 공급구(quench water inlet)(37), 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구(34)가 구비된 본체와, 상기한 본체의 상부에 형성되고 상기한 원료공급구(32)를 통해 공급된 석탄을 1,200 내지 1,500℃에서 석탄가스화 반응시켜 석탄가스를 생성하기 위한 반응기(31)와, 상기한 본체의 하부에 형성되고 상기한 반응기(31)에서 생성된 석탄가스를 1차 냉각시키기 위한 수조(39)와, 상기한 반응기(31) 출구 및 수조(39)를 연결하여 석탄가스가 수조(39) 내부의 냉각수를 통과하도록 경로를 제공하는 내부 실린더(35)와, 상기한 수조(39)의 냉각수를 통과하여 상승하는 석탄가스의 이동경로를 제공하기 위한 외부 실린더(36)와, 상기한 외부 실린더(36)의 상단과 일정간격 상부로 이격형성되어 상기한 외부 실린더(36)를 통해 상승된 석탄가스에 냉각수를 분사하여 석탄가스의 온도를 300 내지 450℃로 2차 냉각시키기 위한 링형 수분사장치(38)로 구성된다.3 is a detailed view of the coal gasifier described above. As illustrated, the gasifier 21 includes a raw material supply port 32 into which oxygen supplied from the oxygen separator 12 and slurry coal are introduced. ), A gas outlet 33 for discharging coal gas, a slag outlet 40 for discharging slag molten ash in coal, a quench water inlet 37 to which cooling water is supplied, and a cooling water discharge A reactor for generating coal gas by coal gasification at 1,200 to 1,500 ° C. with a main body provided with a cooling water discharge port 34 to be formed and an upper portion of the main body and supplied through the raw material supply port 32. (31), the water tank 39 formed in the lower portion of the body and the primary for cooling the coal gas generated in the reactor 31, the reactor 31 outlet and the water tank 39 is connected Coal gas to cool the water in the tank (39) The inner cylinder 35 providing a path to pass through, the outer cylinder 36 for providing a moving path of coal gas rising through the cooling water of the tank 39, and the outer cylinder 36 Ring-shaped water spraying device (38) for secondary cooling the temperature of the coal gas to 300 to 450 ℃ by spraying the cooling water to the coal gas raised through the outer cylinder 36 formed to be spaced apart from the upper end and a predetermined interval. It is composed.
본 발명에서는 제1도에서 사용된 방법인 석탄을 잘게 부순 후에 건조시켜 가스화기(1)로 공급하는 건조석탄 공급시스템이 장치구성이 복잡하고 투자비가 크며, 가스화기(1) 내로 석탄을 유입하기 위하여 이송용가스를 사용해야 하고, 가스화기(1) 내에서 반응을 적절히 유지하기 위하여 증기를 가스화기(1)로 분사해야 하는 단점을 없애기 위하여, 석탄을 물과 혼합한 슬러리 형태로 제3도에 도시된 바와 같은 가스화기(21)에 주입함으로써, 이송용 가스가 별도로 요구되지 않고 증기를 가스화기(21) 내로 분사할 필요가 없을 뿐 아니라, 장치를 간소화시켜 운전이 용이하며 투자비를 대폭적으로 저감할 수 있다.In the present invention, the dry coal supply system for drying the coal, which is the method used in FIG. 1, after the crushing is finely supplied to the gasifier 1 has a complicated device configuration and a high investment cost, and introduces coal into the gasifier 1. In order to eliminate the disadvantage of having to use a gas for transport and to inject steam into the gasifier 1 in order to properly maintain the reaction in the gasifier 1, a slurry in which coal is mixed with water is used in FIG. By injecting into the gasifier 21 as shown, there is no need for a separate transport gas and no need to inject steam into the gasifier 21, it also simplifies the operation and greatly reduces the investment cost. can do.
또한, 본 발명의 가스화기(21)는 하부 수조(39)에 물이 담겨 있어 가스화반응에 의하여 생성된 약 1,500℃ 가량의 고온의 석탄가스를 가스정제에 용이한 온도인 300 내지 450℃로 냉각시키며, 석탄 중의 회분이 용융하며 생성된 슬래그를 배출시킨다. 아울러, 상기한 수중통과 방식의 채용에 의해 반응기에서 발생된 석탄가스와 함께 빠져나오는 입자 중의 일부도 물에 의해 제거할 수 있는 장점을 지니고 있다. 이로 인하여, 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템에서 투자비에 큰 영향을 미치며 운전이 대단히 어렵고 장치를 복잡하게 하는 가스냉각기(2)의 사용이 필요없게 되므로, 투자비를 대폭 저감할 수 있으며 석탄가스화 복합발전 시스템의 운전 신뢰성 및 유지 보수성을 향상시킬 수 있다.In addition, the gasifier 21 of the present invention contains water in the lower tank 39 to cool about 1,500 ° C. of high temperature coal gas generated by gasification reaction to 300 to 450 ° C., which is easy to purify the gas. Ash in coal melts and discharges the produced slag. In addition, some of the particles coming out together with coal gas generated in the reactor by the use of the above-described underwater passage has the advantage that can be removed by water. As a result, the investment cost in the conventional coal gasification combined cycle power generation system is greatly affected, operation is very difficult, and the use of the gas cooler (2) that complicates the device is not necessary. Therefore, the investment cost can be greatly reduced, and the coal gasification combined cycle system is used. It can improve the driving reliability and maintainability.
한편, 산소분리장치(12)는 대기의 공기를 압축하여 액체공기로 만든 후, 산소와 질소의 비등점 차이를 이용하여 산소와 질소를 분리하며, 산소는 가스화기(21)로 공급하여 석탄의 가스화반응에 산화제로 사용되고, 질소는 가스터빈 연소기(5)로 공급되어 질소산화물의 저감과 유압증대로 인한 가스터빈의 출력향상에 사용된다. 이와 반면에, 제1도에 도시된 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템에 사용된 산소분리장치(12)는 가스터빈의 공기압축기(6)로부터 압축공기를 공급받아 산소와 질소를 분리한 다음, 산소는 가스화기(1)에서 산화제로 사용하며, 질소의 일부는 건조석탄을 가스화기(1)로 이송하는 매체로 사용하고, 나머지 질소는 가스터빈 연소기(5)로 보내 질소산화물의 저감에 사용한다. 이에 비하여, 본 발명의 산소분리장치(12)는 대기의 공기를 사용하고, 가스화기(21)로 질소를 이송할 필요가 없기 때문에, 종래의 시스템에 비하여 장치의 구성이 매우 간단해짐은 물론, 종래의 시스템에서 석탄가스를 이송하는데 사용되던 질소를 모두 가스터빈 연소기(5)로 보낼 수 있으므로, 질소산화물의 저감을 더욱 더 효과적으로 이룰 수 있으며 가스터빈의 출력 역시 대폭적으로 증가하게 된다.On the other hand, the oxygen separator 12 compresses the air in the air to make the liquid air, and separates oxygen and nitrogen using the boiling point difference between oxygen and nitrogen, and oxygen is supplied to the gasifier 21 to gasify coal. It is used as an oxidant in the reaction, and nitrogen is supplied to the gas turbine combustor 5 to improve the output of the gas turbine due to the reduction of nitrogen oxides and the increase in hydraulic pressure. On the other hand, the oxygen separator 12 used in the conventional coal gasification combined cycle system shown in FIG. 1 receives compressed air from the air compressor 6 of the gas turbine to separate oxygen and nitrogen, and then oxygen Is used as an oxidant in the gasifier (1), a part of nitrogen is used as a medium for transporting dry coal to the gasifier (1), and the remaining nitrogen is sent to the gas turbine combustor (5) to reduce the nitrogen oxides. . On the other hand, since the oxygen separation device 12 of the present invention uses atmospheric air and does not need to transfer nitrogen to the gasifier 21, the configuration of the device is much simpler than that of the conventional system. Since all of the nitrogen used to transfer coal gas in the conventional system can be sent to the gas turbine combustor 5, the reduction of nitrogen oxides can be more effectively achieved, and the output of the gas turbine is also greatly increased.
가스화기(21)를 빠져나온 석탄가스는 집진장치(23)에 의해 가스터빈(7)이 요구하는 수준까지 미연탄소 및 입자를 제거한다. 종래의 시스템이 가스화기에서 가스냉각기를 거쳐 나온 가스 중의 먼지를 건식으로 제거한 후, 다시 수세성 등의 방법에 의해 습식제거하는데 반하여, 본 발명의 집진장치(23)는 가스화기(21)를 빠져 나오는 가스 중의 먼지를 세라믹 필터에 의하여 직접 제거한다. 이를 이용하면, 종래의 시스템에서의 단계적 제거방법에 비하여 장치의 구성을 단순화할 수 있고, 미연탄소 및 먼지를 용이하게 제거할 수 있다. 본 발명의 석탄가스화 복합발전 시스템에서는 집진장치(23)에 의해 제거된 미연탄소를 가스화기(21)로 재순환시키는 재순환 시스템을 구비하여, 석탄의 완전연소를 가능토록 한다. 이러한 미연탄소분의 재순환은 석탄의 완전연소를 유도하여 효율을 높이기 때문에, 제1도에 도시된 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템에 비하여 석탄의 연소효율을 향상시킬 수 있다.The coal gas exiting the gasifier 21 removes unburned carbon and particles to the level required by the gas turbine 7 by the dust collector 23. While the conventional system dryly removes the dust in the gas from the gasifier and passes through the gas cooler, and again wets it by a method such as water washing, the dust collector 23 of the present invention exits the gasifier 21. The dust in the gas which comes out is removed by a ceramic filter directly. By using this, it is possible to simplify the configuration of the device and to easily remove unburned carbon and dust as compared to the stepwise removal method in the conventional system. In the coal gasification combined cycle power generation system of the present invention, a recirculation system for recycling unburned carbon removed by the dust collector (23) to the gasifier (21) enables complete combustion of coal. Since the recycling of the unburned carbon powder induces the complete combustion of coal to increase the efficiency, it is possible to improve the combustion efficiency of coal as compared to the conventional coal gasification combined cycle system shown in FIG.
집진장치(23)를 빠져 나온 석탄가스는 300 내지 450℃ 정도의 온도에서 중온 가스탈황장치(24)로 들어가 석탄가스 중에 함유된 황 및 불순물을 제거한 다음, 가스터빈 연소기(5)로 들어간다.The coal gas exiting the dust collector 23 enters the medium-temperature gas desulfurization apparatus 24 at a temperature of about 300 to 450 ° C. to remove sulfur and impurities contained in the coal gas, and then enters the gas turbine combustor 5.
이때, 본 발명의 중온 가스탈황장치(24)는 염화수소산(HC1), 염화암모늄(NH4C1), 알칼리 및 암모니아(NH3)등의 불순물을 제거하기 위해 수세정시스템을 채용하고 있으며, 이 시스템은 스크러버와 흡수탑을 이용하여 불순물을 제거한 후에 수처리시스템을 이용하여 불순물을 처리한다. 이러한 수세정시스템에서는 시안화수소(HCN)를 제거하지 못하는데, 시안화수소는 가스터빈에서 질소산화물로 쉽게 변환되기 때문에, 본 발명의 중온 가스탈황장치(24)에서는 촉매를 이용하여 시안화수소를 전환시키는 고정층 반응기를 적응하여 시안화수소를 제거한다.At this time, the medium-temperature gas desulfurization apparatus 24 of the present invention employs a water washing system to remove impurities such as hydrochloric acid (HC1), ammonium chloride (NH 4 C1), alkali and ammonia (NH 3 ). The system uses scrubbers and absorption towers to remove impurities and then uses water treatment systems to treat the impurities. In such a water washing system, hydrogen cyanide (HCN) cannot be removed. Since hydrogen cyanide is easily converted from a gas turbine to nitrogen oxide, in the medium-temperature gas desulfurization device 24 of the present invention, a fixed bed converting hydrogen cyanide using a catalyst. Adapt the reactor to remove hydrogen cyanide.
시안화수소가 제거된 후에는, 생성가스 중에 황화수소(H2S), 황화카르보닐(COS) 등의 황 화합물만 남게 되는데, 이들은 탈황공정에 의하여 제거된다. 본 발명의 탈황공정과 유황 회수공정에서는 유동층 반응기를 채택하였으며, 석탄가스 중의 유황이 제거되고 부산물로 순수 유황을 얻는다. 이때, 부산물은 액상의 유황으로서 대기압에서 공정으로부터 제거된다. 이러한 탈황공정과 황회수공정은 다음과 같은 세 개의 주요부분으로 나뉘어진다.: 첫째는, 흡수탑인데, 석탄가스를 탈황하기 위해 흡착제를 사용하며 전체황 함량을 20ppmv 이하로 낮춘다. 둘째는, 재생탑으로서 흡착제가 재생되며 원소황을 생성하게 된다. 셋째는, 황 응축기로서 원소 황을 응축시켜 액체유황으로 변환시킨다. 이때, 연속적인 탈황공정을 위하여 2개의 유동층 반응기가 적용되는데, 하나는 흡수탑의 역할을 하게 되며, 또 다른 하나는 재생탑의 역할을 하게 되는데, 흡착제는 이들 두 개의 반응기 사이에서 연속적으로 작용하게 된다. 상기한 흡수탑에서는 흡착제로는 금속산화물(MO)을 사용하며, 약 22bar의 압력 및 350℃의 온도에서 하기 반응들이 일어나서, COS와 H2S가 제거된다.After the hydrogen cyanide is removed, only sulfur compounds such as hydrogen sulfide (H 2 S) and carbonyl sulfide (COS) remain in the generated gas, which are removed by a desulfurization process. In the desulfurization process and the sulfur recovery process of the present invention, a fluidized bed reactor is employed, and sulfur in coal gas is removed and pure sulfur is obtained as a by-product. By-products are then removed from the process at atmospheric pressure as liquid sulfur. The desulfurization and recovery processes are divided into three main parts: First, the absorption tower, which uses an adsorbent to desulfurize coal gas and lowers the total sulfur content below 20 ppmv. Secondly, as the regeneration tower, the adsorbent is regenerated to produce elemental sulfur. Third, the sulfur condenser condenses elemental sulfur into liquid sulfur. At this time, two fluidized bed reactors are applied for the continuous desulfurization process, one acting as an absorption tower and the other as a regeneration tower, and the adsorbent is continuously operated between these two reactors. do. In the absorption tower, a metal oxide (MO) is used as the adsorbent, and the following reactions occur at a pressure of about 22 bar and a temperature of 350 ° C. to remove COS and H 2 S.
COS + H2O ↔CO2+ H2SCOS + H 2 O ↔CO 2 + H 2 S
MO + H2= H2S → MS + H20MO + H 2 = H 2 S → MS + H 2 0
흡수탑을 나오는 석탄가스는 곧바로 가스터빈 연소기(5)로 투입되며, 금속산화물에 흡착된 황은 재생탑으로 이동한다. 재생탑은 22bar 및 550 내지 600℃ 정도에서 운전되며, 하기 반응물에 의하여 흡착제를 재생하고, 황을 분리한다.The coal gas exiting the absorption tower is directly introduced into the gas turbine combustor 5, and sulfur adsorbed to the metal oxide is moved to the regeneration tower. The regeneration tower is operated at 22 bar and 550 to 600 ° C., regenerates the adsorbent by the following reactants, and separates sulfur.
MS + SO2→MO + S2 MS + SO 2 → MO + S 2
S2= 2O2→2SO2 S 2 = 2O 2 → 2SO 2
이때, 재생탑에서 나오는 흡착제는 흡수탑으로 재순환되며, 황은 황 응축기에서 응축되어 액체 황으로 변환된 후 외부로 빠져나온다.At this time, the adsorbent from the regeneration tower is recycled to the absorption tower, the sulfur is condensed in the sulfur condenser is converted to liquid sulfur and exited to the outside.
종래의 석탄가스화 복합발전 시스템은 230 내지 300℃에서 가동되는 저온 가스집진장치(3)와 약 40℃에서 가동되는 저온 가스탈황장치(4)로 구성된 저온 가스정제장치(3,4)를 사용하기 때문에, 저온 가스탈황장치(4)에서 필요로 하는 온도인 40℃ 정도까지 생성가스를 냉각하여 공급해야 하며, 저온 가스탈황장치(4)를 거쳐 배출된 낮은 온도의 생성가스를 가스터빈 연소기(5)에 주입하기 위해서는 별도의 가열장치가 요구되므로, 열이 이중으로 낭비되어 비효율적이라는 문제가 있다. 이는 석탄가스화 복합발전 시스템의 효율을 떨어뜨리는 원인이 되고 있으며, 저온 가스정제장치(3)의 특성상 높은 투자비와 복잡한 장치를 요구한다. 종래의 저온 가스정제장치가 지닌 이러한 단점을 보완하기 위하여, 450 내지 700℃에서 운전되는 고온 가스정제장치의 연구가 활발히 진행되고 있으나, 고온 가스정체장치는 유황화합물을 제거하는 부분에서는 효율증대, 장치의 크기 감소 및 투자비 감소 등의 효과를 지니고 있다고 하나 석탄회, 염화수소산(HC1), 황화수소(H2S), 황화 카르보닐(COS), 염화암모늄(NH4C1), 알칼리 및 암모니아 등을 연속적으로 제거하기 위하여는 투자비가 과다하게 소요되고 장치 또한 복잡해지며, 상용화공정에 적용하기에는 많은 부분에서 개선이 필요하다. 이러한 이유로, 본 발명의 석탄가스화 복합발전 시스템에서는 300 내지 450℃의 온도범위에서 가동되는 중온 가스정제장치(23,24)를 도입하여 기존의 석탄가스화 복합발전 시스템에서의 저온 가스정제장치와 고온 가스정제장치의 단점을 크게 개선하였다.The conventional coal gasification combined cycle system uses a low temperature gas purifier (3, 4) consisting of a low temperature gas dust collector (3) operating at 230 to 300 ℃ and a low temperature gas desulfurization apparatus (4) operating at about 40 ℃. Therefore, the generated gas must be cooled down and supplied to about 40 ° C., which is the temperature required by the low temperature gas desulfurization apparatus 4, and the low temperature generated gas discharged through the low temperature gas desulfurization apparatus 4 is gas turbine combustor 5 In order to inject into the heating) requires a separate heating device, there is a problem that heat is wasted in duplicate and inefficient. This causes a decrease in the efficiency of the coal gasification combined cycle power generation system, and requires a high investment cost and complicated equipment due to the characteristics of the low-temperature gas purification device (3). In order to make up for the shortcomings of the conventional low temperature gas purification apparatus, researches on the high temperature gas purification apparatus operating at 450 to 700 ° C. have been actively conducted. However, the high temperature gas purification apparatus has increased efficiency in removing sulfur compounds. Coal ash, hydrochloric acid (HC1), hydrogen sulfide (H 2 S), carbonyl sulfide (COS), ammonium chloride (NH 4 C1), alkali and ammonia The removal requires excessive investment, complicated equipment, and many improvements to commercialization. For this reason, in the coal gasification combined cycle power generation system of the present invention, the low temperature gas purification apparatus and the high temperature gas in the existing coal gasification combined cycle power generation system are introduced by introducing the medium temperature gas purification apparatuses 23 and 24 operating in the temperature range of 300 to 450 ° C. The disadvantages of the purification apparatus have been greatly improved.
상기한 본 발명의 중온 가스정제장치(23,24)는 300 내지 450℃에서 촉매를 이용하여 황을 제거하면서, 단일공정으로써 황을 부산물로 생산하는 시스템이므로, 기존의 저온 가스정제공정(3,4)에 비하여, 투자비를 대폭 감소시킬 수 있고, 냉각 및 재가열 등이 필요없으므로 효율이 상승하게 된다.The above-described medium temperature gas purification apparatuses 23 and 24 of the present invention are systems for producing sulfur as a by-product as a single process while removing sulfur using a catalyst at 300 to 450 ° C. Compared with 4), the investment cost can be greatly reduced, and the efficiency is increased since there is no need for cooling and reheating.
중온 가스정제장치(23,24)를 거쳐 나온 석탄가스는 가스터빈 연소기(5)에서 공기압축기(6)로부터 공급된 압축공기와 산소분리장치(12)에서 유입되는 질소와 함께 연소되어 가스터빈(7)으로 들어가 팽창됨으로써, 가스터빈(7)을 작동시켜 발전기(8)를 구동하여 전력을 발생시킨다.The coal gas discharged through the mesophilic gas purifiers 23 and 24 is combusted together with the compressed air supplied from the air compressor 6 in the gas turbine combustor 5 and nitrogen introduced from the oxygen separator 12 and the gas turbine ( 7) and expands, it operates the gas turbine (7) to drive the generator (8) to generate power.
본 발명의 가스터빈 시스템에서는 제1도에, 도시된 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템의 가스터빈 공기압축기(6)로부터 공기를 추기하여 산소분리공정에 공급하는 과정이 생략되므로, 시스템을 더욱 단순화할 수 있어 시스템의 운전 및 유지관리에 더욱 효과적이다.In the gas turbine system of the present invention, since the air is extracted from the gas turbine air compressor 6 of the conventional coal gasification combined cycle power generation system shown in FIG. It is more effective in the operation and maintenance of the system.
또한, 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템에서는 산소분리공정(12)에서 생성된 질소의 일부가 석탄을 가스화기(1)로 공급하는 운송수단으로 사용되는데 비해, 본 발명의 석탄가스화 복합발전 시스템에서는 질소가 전량 가스터빈 연소기(5)로 투입되어, 질소산화물의 저감과 가스터빈 출력증대에 기여함으로써, 더욱 많은 전력을 생산함과 동시에 질소산화물의 저감에도 크게 기여한다.In addition, in the conventional coal gasification combined cycle system, a portion of nitrogen generated in the oxygen separation process 12 is used as a transportation means for supplying coal to the gasifier 1, whereas in the coal gasification combined cycle system of the present invention, nitrogen The total amount of gas is fed into the gas turbine combustor 5, contributing to the reduction of nitrogen oxides and the increase in gas turbine output, thereby producing more electric power and greatly contributing to the reduction of nitrogen oxides.
가스터빈(7)에서 배출된 배기가스는 폐수회수보일러(9)로 유입되어 증기터빈(10)의 구동에 필요한 증기를 생산하며, 굴뚝(11)을 통해 외부로 배출된다. 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템의 폐수회수보일러(9)에서는 고압수의 일부를 분리하여 가스화공정의 가스냉각기(2)에서 증기를 생성한 다음, 재순환시켜 폐수회수보일러(9)에서 과열시킨 후 증기터빈을 구동하기 때문에, 장치의 구성이 복잡해지는 반면에, 본 발명의 석탄가스화 복합발전 시스템에서는 운전 및 유지보수가 어렵고 투자비가 큰 가스냉각기(2)가 없으므로, 폐수회수보일러(9)와 증기사이클의 구성이 단순해져서, 운전 및 유지보수가 편리하고 투자비가 감소하며, 복합사이클 만의 단독운전 역시 가능하게 된다.The exhaust gas discharged from the gas turbine 7 flows into the wastewater recovery boiler 9 to produce steam necessary for driving the steam turbine 10 and is discharged to the outside through the chimney 11. In the conventional waste gas recovery boiler (9) of the coal gasification combined cycle system, a portion of the high pressure water is separated to generate steam in the gas cooler (2) of the gasification process, and then recycled to superheat the waste water recovery boiler (9) and then steam. While the turbine is driven, the configuration of the apparatus is complicated, but in the coal gasification combined cycle system of the present invention, there is no gas cooler (2) that is difficult to operate and maintain and has a high investment cost, and thus, the waste water recovery boiler 9 and the steam cycle. The configuration of the motor is simplified, the operation and maintenance is convenient, the investment cost is reduced, and the single operation of the combined cycle alone is also possible.
또한, 종래의 건식석탄공급 가스화기(1)에서는 석탄을 건조시키기 위하여 폐수회수보일러(9)에서 생성된 증기를 사용하는데 비하여, 본 발명의 석탄가스화 복합발전 시스템은 습식으로 석탄을 가스화기(21)에 공급함으로써, 건조의 필요성이 없어져 폐열회수보일러(9)에서 생성된 증기를 전량 동력을 사용하는데 이용함으로써, 더욱 더 많은 전력을 생산할 수 있다는 잇점이 있다.In addition, the conventional dry coal supply gasifier 1 uses steam generated by the wastewater recovery boiler 9 to dry coal, whereas the coal gasification combined cycle system of the present invention wets the coal gasifier 21. ), The need for drying is eliminated, and more power can be produced by using the steam generated in the waste heat recovery boiler 9 to use the whole amount of power.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 석탄가스화 복합발전 시스템은 석탄가스화 복합발전 시스템의 효율을 대폭적으로 높일 수 있는 동시에, 각 장치간의 연계성을 최소화하여 장치를 간소화함으로써 투자비를 저감시킬 수 있고 운전 및 유지 보수를 간편하게 수행할 수 있으며 시스템의 신뢰성을 한층 높일 수 있다는 것이 밝혀졌다. 또한, 본 발명의 전력 발생 방법에 의해, 고신뢰도 및 고효율로 전력을 발생시킬 수 있다는 것이 밝혀졌다.As described in detail above, the coal gasification combined cycle power generation system of the present invention can significantly increase the efficiency of the coal gasification combined cycle power generation system, and minimize the interconnection between the devices to simplify the apparatus, thereby reducing the investment cost and operating and Maintenance has been shown to be simple and the reliability of the system can be increased. In addition, it has been found that the electric power generating method of the present invention can generate electric power with high reliability and high efficiency.
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