KR20200005825A

KR20200005825A - 석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템

Info

Publication number: KR20200005825A
Application number: KR1020180079291A
Authority: KR
Inventors: 라호원; 정헌; 윤상준; 서명원; 문태영; 문지홍; 윤성민; 이호태
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2020-01-17
Also published as: KR102086651B1

Abstract

본 발명은 석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템에 관한 것으로서, 석탄 원석을 습식 분쇄, 부선 및 농축하여 ash 함량이 12wt% 이하이고 석탄 함량이 50~80wt%인 석탄 슬러리를 제조하는 선탄 전처리 공정과; 공기 중 산소를 분리하여 함량이 90~95v%인 산소를 얻는 공기 분리 공정과; 상기 공기 분리 공정에서 분리된 산소 및 상기 선탄 전처리 공정에서 얻어진 석탄 슬러리를 가스화기로 공급하여 가스화기 내에서 상기 석탄 슬러리를 산화시켜 가스화하는 석탄 가스화 공정과; 상기 가스화기에서 생성된 합성가스를 정제하는 가스 정제 공정과; 상기 가스 정제 공정에서 정제된 합성가스를 FT 반응기로 공급하여 가솔린 및 디젤을 얻는 FT 합성 공정; 및 상기 FT 반응기의 배출 가스(OFF GAS)를 불꽃 점화 방식의 전소 엔진에 공급하여 전기를 생산하는 발전 공정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템{System of distributed energy production plant using cal}

본 발명은 석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 저급의 석탄 자원을 이용하여 가스화하여 합성가스를 생산하고, 생성된 합성가스를 이용하여 피셔트롭시 합성공정(이하 FT 합성 공정이라 함)을 통해 가솔린 및 디젤을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 FT 합성 공정에서 배출되는 배출가스( 이하 OFF GAS라고도 함)를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템에 관한 것이다.

안정적인 에너지원 확보는 미래의 인류에게 있어 식량자원 확보와 마찬가지로 가장 중요한 과제로 대두되고 있으며, 지속가능한 발전을 위해서는 재생에너지 개발 및 이용이 무엇보다도 중요하지만, 현재 기술수준을 고려하면 상당량의 에너지는 여전히 화석연료에 의존하지 않을 수 없는 상태이다.

이러한 화석연료 중 양적으로 가장 풍부하게 존재하는 석탄은 고체 상태로 존재하여 취급하기가 곤란할 뿐만 아니라 이용 시 오일이나 가스에 비하여 연소조절이 어렵고 환경공해문제를 야기하기 때문에 이용범위가 제한되어 있다.

그러나 석탄은 우리나라 총에너지소비의 28%를 차지하는 중요한 비중을 차지하는 연료로써, 발전 및 제철분야에서 필수적인 연료 및 원료로 사용되고 있고, 많은 분야에서 사용되어 아직은 충분히 그 가치를 발휘하고 있기 때문에, 향후 산업용 에너지원으로써 깨끗하고 효율적으로 이용될 수 있는 방안이 마련되어야 한다.

석탄을 발전연료로 이용할 경우에 생각해야만 하는 것은 환경대책과 열효율을 향상시키는 것으로, 대형 발전소에서는 이미 300MWe규모에서는 환경 친화적이고 효율이 높은 발전소임이 이미 실증화 되었다. 또한, 인도네시아와 같은 개도국에서의 에너지 수요는 급격하게 증가하고 있으며 이를 제공하기 위한 1차 에너지원은 대부분 석탄이다.

이러한 석탄을 발전에 적용하는 방식으로는 직접 연소한 열로 증기를 생산하는 방식과 석탄으로부터 합성가스를 생산하고 생산된 합성가스로 발전이 이루어지는 석탄가스화 방식이 있다. 상기 석탄가스화는 완전 연소에 필요한 산소량보다 적은량의 산소를 사용하여 고온, 가압조건에서 산소, 수증기와 반응하여 CO와 H₂를 주요성분으로 하는 합성가스를 생산하는 석탄전환기술로 발전뿐만 아니라 석탄화학공업에 있어서 매우 중요한 기술이다.

특히 석탄가스화 열병합발전은 고온 조건하에서 석탄을 가스로 전환시킨 다음, 이 가스를 내연기관, 가스터빈, 연료전지 등에서 연소하여 전력을 생산한다. 또한 석탄자원을 이용하여 가스화하여 합성가스를 얻고, 얻어진 합성가스를 이용하여 FT 합성 공정을 통해 가솔린이나 디젤을 얻는 기술 또한 이미 상용화 되고 있다.

그러나 고품위의 석탄 자원은 점차 고갈되어가고 있으며, 품위가 낮아 미활용되고 있는 석탄은 전체 매장량의 50% 정도이다. 따라서 이러한 저 품위의 석탄 자원을 활용하여 전력을 생산할 수 있는 기술 개발이 매우 중요한 과제로 떠오르고 있다.

한국공개특허 10-2006-0033303

이에 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로 저급의 석탄 자원을 이용하여 FT 합성 공정을 통해 가솔린 및 디젤을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 FT 합성 공정에서 배출되는 OFF GAS를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 석탄 원석을 습식 분쇄, 부선 및 농축하여 ash 함량이 12wt% 이하이고 석탄 함량이 50~80wt%인 석탄 슬러리를 제조하는 선탄 전처리 공정과; 공기 중 산소를 분리하여 함량이 90~97v%인 산소를 얻는 공기 분리 공정과; 상기 공기 분리 공정에서 분리된 산소 및 상기 선탄 전처리 공정에서 얻어진 석탄 슬러리를 가스화기로 공급하여 가스화기 내에서 상기 석탄 슬러리를 산화시켜 가스화하는 석탄 가스화 공정과; 상기 가스화기에서 생성된 합성가스를 정제하는 가스 정제 공정과; 상기 가스 정제 공정에서 정제된 합성가스를 FT 반응기로 공급하여 가솔린 및 디젤을 얻는 FT 합성 공정; 및 상기 FT 반응기의 배출 가스(OFF GAS)를 불꽃점화 방식의 전소 엔진에 공급하여 전기를 생산하는 발전 공정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템을 제공한다.

상기 FT 반응기의 배출 가스(OFF GAS)는: 질소 함량 2% 이하인 것일 수 있다.

상기 FT 반응기의 배출 가스(OFF GAS)는: 수소 함량 30~40v%, 이산화탄소 함량 35~50v%, 일산화탄소 함량 8~15v%, C1~C4 함량 8~12v% 및 질소 함량 2v% 이하인 것이 바람직하다.

상기 선탄 전처리 공정은: 석탄 원석을 습식 분쇄하는 습식 분쇄 단계와; 상기 습식 분쇄단계에서 분쇄된 석탄 중 75메쉬 이상의 석탄은 부유선광기로 이송한 후 포집제 및 기포제를 첨가한 다음 부유 선별하는 부선 단계와; 부유 선광기에서 선별된 석탄을 침강농축기로 이송하여 농축시키는 농축 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 가스 정제 공정은: 상기 가스화기에서 생성된 합성가스가 사이클론, 더스트필터 및 탈유장치를 거치도록 하여 정제하는 것일 수 있다.

상기한 본 발명에 따른 석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템은 저급의 석탄 원석을 이용하면서도 선탄 전처리 공정을 통하여 고품위의 석탄 슬러리를 제조함으로써 품위가 낮은 저급 석탄의 활용도를 높일 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따른 석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템은 저급 석탄을 이용하면서도 FT 합성 공정을 통해 가솔린 및 디젤을 얻을 수 있다는 장점이 있다.

뿐만 아니라 본 발명에 따른 독립형 에너지 생산 플랜트 시스템은 FT 합성 공정에서 배출되는 OFF GAS를 이용하여 전기를 생산할 수 있어 통상 버려지는 OFF GAS를 활용할 수 있으므로 저급 석탄 자원의 활용도를 높일 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템을 나타낸 도면이다.

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템은 선탄 전처리 공정(110), 공기 분리 공정(210), 석탄 가스화 공정(120), 가스 정제 공정(130), FT 합성 공정(140) 및 발전 공정(310)을 포함하여 이루어진다.

선탄 전처리 공정(110)은 석탄 원석을 습식 분쇄, 부선 및 농축하여 회분(ash) 함량이 12wt% 이하이고 석탄 함량이 50~80wt%인 석탄 슬러리를 제조하는 공정이다.

여기서 석탄 원석은 이탄, 토탄, 갈탄, 역청탄 또는 무연탄 원석일 수 있으며, 본 발명에서는 저품위의 석탄 원석을 사용한다.

주지된 바와 같이 저품위의 석탄에는 회분 등이 함유되어 있는데, 회분(ash)은 항습 시료를 공기 중에 유통시키면서 서서히 가열하고 800±10℃로 연소시켜 재로 변했을 때, 잔류하는 무기물의 양과 항습 시료 양과의 중량비를 %로 나타는 것으로 점토나 이산화규소 등 이른바 실리카 광물이 대부분을 차지한다. 이러한 회분은 석탄에 있어서 유해 성분이며 열효율을 떨어뜨린다.

그에 따라 본 발명에서는 선탄 전처리 공정(110)을 통하여 회분(ash) 함량을 12wt% 이하, 바람직하게는 5~12wt%로 낮추어 고품위의 석탄 연료로 활용가능하게 함으로써 열 효율성을 높일 수 있다.

본 발명에 따르면 성기 선탄 전처리 공정(110)은 석탄 원석을 습식 분쇄하는 습식 분쇄 단계와; 상기 습식 분쇄단계에서 분쇄된 석탄 중 75메쉬 이상의 석탄은 부유선광기로 이송한 후 포집제 및 기포제를 첨가한 다음 부유 선별하는 부선 단계와; 부유 선광기에서 선별된 석탄을 침강농축기로 이송하여 농축시키는 농축 단계;를 포함하여 이루어진다.

여기서, 습식 분쇄는 볼밀 등을 이용하여 이루어질 수 있으며, 물을 공급하면서 분쇄가 이루어진다. 원활한 분쇄를 위하여 분쇄시 석탄원석과 물의 비율은 1:0.8~1.5의 비율로 이루어지는 것이 바람직하다. 습식 분쇄 이후 분쇄 입자 크기 약 75메쉬를 기준으로 그 이상의 석탄은 부유선광기로 이동되며, 그 이하는 다시 습식 분쇄단계를 거치게 된다.

부유 선광기로 이송된 석탄에 포집제와 기포제를 첨가하여 부선하는 과정을 거치게 된다. 여기서 포집제로는 케로센(kerosene)을 사용할 수 있으며, 기포제로는 알콜계 기포제로 널리 알려진 AF-65를 사용할 수 있다. 그러나 상기 예시된 포집제와 기포제는 일 예를 나타낸 것일 뿐 일반적으로 알려진 것을 제한 없이 사용할 수 있다.

상기 포집제와 기포제의 첨가량은 반드시 한정할 필요는 없으나, 바람직하게는 부유 선광기로 이송되는 석탄함유액 100wt%를 기준으로 할 때 0.01 내지 5wt% 내로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 부선단계를 거치고 남은 미광(Tailing)은 보관조로 이송하여 보관된다.

부선단계 이후 부유 선광기에서 선별된 석탄을 침강농축기로 이송하여 농축시키게 된다. 이때 농축은 석탄 함량이 50~80wt%인 석탄 슬러리가 되도록 하는 것이 바람직하다. 석탄 슬러리 중의 석탄 함량이 석탄의 함량이 50 wt% 미만인 경우 가스화 효율이 떨어지는 문제점이 있으며, 석탄의 함량이 80wt% 초과인 경우 점도가 증가하여 가스화기로의 분사가 용이하지 못하다는 문제점이 있다.

상기한 부유 선광기 및 침강농축기는 선탄과정에서 일반적으로 사용하는 장치를 제한 없이 사용할 수 있으며, 본 발명이 이를 한정하는 것은 아니다. 다만, 본 발명에서는 이러한 장치를 사용하여 저급의 석탄 원석을 사용하면서도 고품위의 석탄 연료로 전환하되, 특히 후술하는 석탄 가스화 공정(120)에서 유용하게 사용될 수 있는 고품위의 석탄 슬러리를 제조할 수 있도록 하는 것에 그 특징이 있다.

선탄 전처리 공정(110)과는 별개로 후술하는 석탄 가스화 공정(120)에서 석탄슬러리의 산화제로 사용되는 산소를 얻기 위한 공기 분리 공정(210)을 거치게 된다.

상기 공기 분리 공정(210)은 공기 중 산소를 분리하여 함량이 90~97v%인 산소를 얻는 공정이다.

이러한 공기 중의 산소를 분리하기 위한 공정은 일반적으로 알려진 방법을 통해 이루어질 수 있으며, 본 발명에서는 PSA 방식을 적용하여 공기 중 산소를 분리하였다.

PSA 방식은 공기 중 산소를 분리하기 위하여 일반적으로 사용하는 기술에 해당되며, 다만 본 발명은 이러한 방식을 활용하여 후술하는 석탄 가스화 공정(120)에서 공급되는 석탄 슬러리의 산화에 적합하도록 산소 농도가 90~97v%가 되도록 하였다. 공기 분리과정에서 분리되는 질소는 별도의 저장탱크(220)로 이송하여 보관 할 수 있으며, 필요에 따라서 분리 저장된 질소는 전체 시스템 공정상에서 발생되는 열을 낮추기 위해 사용될 수도 있다.

석탄 가스화 공정(120)은 상기 공기 분리 공정(210)에서 분리된 산소 및 상기 선탄 전처리 공정(110)에서 얻어진 석탄 슬러리를 가스화기로 공급하여 가스화기 내에서 상기 석탄 슬러리를 산화시켜 가스화하는 공정이다.

가스화는 가스화기 내 고온의 조건에서 산소를 이용해 석탄 슬러리를 주입하여 반응시켜서 합성가스를 생성물로 얻는다. 이때 석탄 슬러리의 산화를 용이하게 하기 위해 고온 조건은 700℃ 내지 1500℃, 바람직하게는 1200℃ 내지 1400℃이다. 가스화기는 당해분야에서 일반적으로 사용하는 것을 제한 없이 사용할 수 있으며, 본 발명이 이를 한정하는 것은 아니다.

가스 정제 공정(130)은 상기 가스화기에서 생성된 합성가스를 정제하는 공정이다. 보다 구체적으로 상기 가스 정제 공정(130)은 앞선 석탄 가스화 공정(120)에서 발생되는 합성가스 중에서 황 화합물 등의 불순물을 제거하고 정제하는 공정이다.

이러한 가스 정제 공정(130)은 가스화기에서 생성된 합성가스가 사이클론, 더스트필터 및 탈유장치를 순차적으로 통과하도록 함으로서 이루어질 수 있다. 이러한 가스 정제 공정(130)에서 사용되는 사이클론이나 더스트필터 및 탈유장치는 당해분야에서 일반적으로 사용되는 것을 적용할 수 있다.

통상적인 복합발전 시스템에서는 이러한 가스 정제 공정(130)을 거친 합성가스를 이용하여 발전을 하게 된다.

그러나 본 발명에서는 이렇게 생성된 합성가스를 이용하여 FT 합성 공정(140)을 거치게 된다.

상기 FT 합성 공정(140)은 상기 가스 정제 공정(130)에서 정제된 합성가스를 FT 반응기로 공급하여 촉매 존재하에서 가솔린 및 디젤을 얻는 공정이다. 합성가스를 이용하여 촉매 존재하에서 가솔린 및 디젤을 얻기 위한 FT 합성 공정(140)은 이미 상용화 되고 있으며, 본 발명에서도 이미 상용화 되고 있는 FT 반응기 및 방법을 이용하여 가솔린 및 디젤을 제조하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따르면 상기 FT 반응기의 배출 가스(OFF GAS)를 불꽃점화 방식의 전소 엔진에 공급하여 전기를 생산하는 발전 공정(310)을 거치게 된다.

통상적으로 FT 반응기에서 발생되는 OFF GAS는 발열량이 낮아 버려지는데, 본 발명에서는 이렇게 버려지는 OFF GAS를 발전을 위한 연료로 사용하였다.

즉, 기존 복합발전 시스템에서는 가스 정제 공정(130)을 거친 합성가스를 이용하여 발전을 하게 되지만, 본 발명에서는 FT 반응기의 배출 가스(OFF GAS)를 이용하여 발전을 함으로써 활용성 및 효율성을 극대화한 것에 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면 석탄 가스화 공정(120)에서 사용되는 산화제가 공기에서 분리된 고순도의 산소를 사용함에 따라 FT 반응기의 배출 가스(OFF GAS)에는 질소 함량이 매우 낮게 된다.

본 발명에 따르면 상기 FT 반응기의 배출 가스(OFF GAS), 즉 발전을 위해 엔진으로 공급되는 연료는 질소 함량 2% 이하인 것일 수 있다. 더욱 바람직하게 상기 엔진으로 공급되는 FT 반응기의 배출 가스(OFF GAS)는 수소 함량 30~40v%, 이산화탄소 함량 35~50v%, 일산화탄소 함량 8~15v%, C1~C4 함량 8~12v% 및 질소 함량 2v% 이하인 것일 수 있다.

주지된 바와 같이 OFF GAS는 발열량이 약 2,000kcal/m³ 정도로 경유나 가스연료의 0.1 내지 0.2배 밖에 되지 않는다. 이와 같이 상대적으로 낮은 발열량을 갖는 OFF GAS의 연소를 위해서 본 발명에서는 불꽃점화 방식으로 연소하는 전소엔진을 이용하였다.

상기 전소 엔진은 당해 분야에서 일반적으로 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있다.

상기한 본 발명에 따른 석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템은 저품위의 석탄을 사용하면서도 열효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 저품위의 석탄을 사용하여 가솔린 및 디젤을 얻을 있으며, 특히 가솔린 및 디젤을 얻기 위한 FT 합성 공정(140)에서 배출되는 배출가스(OFF GAS)를 이용하여 발전을 할 수 있으므로 에너지 자원의 활용도를 높일 수 있다는 장점이 있다.

앞서 설명한 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

110 : 선탄 전처리 공정 120 : 석탄 가스화 공정
130 : 가스 정제 공정 140 : FT 합성 공정
210 : 공기 분리 공정 220 : 저장탱크
310 : 발전 공정

Claims

석탄 원석을 습식 분쇄, 부선 및 농축하여 ash 함량이 12wt% 이하이고 석탄 함량이 50~80wt%인 석탄 슬러리를 제조하는 선탄 전처리 공정과;
공기 중 산소를 분리하여 함량이 90~97v%인 산소를 얻는 공기 분리 공정과;
상기 공기 분리 공정에서 분리된 산소 및 상기 선탄 전처리 공정에서 얻어진 석탄 슬러리를 가스화기로 공급하여 가스화기 내에서 상기 석탄 슬러리를 산화시켜 가스화하는 석탄 가스화 공정과;
상기 가스화기에서 생성된 합성가스를 정제하는 가스 정제 공정과;
상기 가스 정제 공정에서 정제된 합성가스를 FT 반응기로 공급하여 가솔린 및 디젤을 얻는 FT 합성 공정; 및
상기 FT 반응기의 배출 가스(OFF GAS)를 불꽃점화 방식의 전소 엔진에 공급하여 전기를 생산하는 발전 공정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 FT 반응기의 배출 가스(OFF GAS)는:
질소 함량 2% 이하인 것임을 특징으로 하는 석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 FT 반응기의 배출 가스(OFF GAS)는:
수소 함량 30~40v%, 이산화탄소 함량 35~50v%, 일산화탄소 함량 8~15v%, C1~C4 함량 8~12v% 및 질소 함량 2v% 이하인 것임을 특징으로 하는 석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 선탄 전처리 공정은:
석탄 원석을 습식 분쇄하는 습식 분쇄 단계와;
상기 습식 분쇄단계에서 분쇄된 석탄 중 75메쉬 이상의 석탄은 부유선광기로 이송한 후 포집제 및 기포제를 첨가한 다음 부유 선별하는 부선 단계와;
부유 선광기에서 선별된 석탄을 침강농축기로 이송하여 농축시키는 농축 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 가스 정제 공정은:
상기 가스화기에서 생성된 합성가스가 사이클론, 더스트필터 및 탈유장치를 거치도록 하여 정제하는 것임을 특징으로 하는 석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템.