KR100784851B1

KR100784851B1 - 저타르 배출형 바이오매스 가스화 장치

Info

Publication number: KR100784851B1
Application number: KR1020070003644A
Authority: KR
Inventors: 이재구; 윤상준; 김용구; 최영찬; 김재호
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2007-12-14

Abstract

본 발명은 폐목 기타 유기폐기물 등의 바이오매스를 연소시켜 가스화하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일반적으로 하부에서 공기를 유입하는 것과 달리 측면에서 공기를 유입하여 가스화제로 사용하고, 하부의 그레이트에서 회재를 분리하여 합성가스를 제조하는 저타르 배출형 바이오매스 가스화 장치에 관한 것이다.

바이오매스, 유기폐기물, 가스화, 저타르, 합성가스

Description

저타르 배출형 바이오매스 가스화 장치{Biomass Gasifier Producing Low Tar}

도 1은 본 발명의 발명에 따른 저타르 배출형 바이오매스 가스화 시스템을 도시한 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 바이오매스 가스화 장치의 구성도이다.

도 3은 본 발명의 가스화 장치에 의한 발열량을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 가스화 장치 110 : 벨트 콘베이어

10 : 호퍼 20 : 다중 공기주입 노즐

30 : 회재 회수부 40 : 합성가스 출구

본 발명은 목재, 볏짚, 왕겨 및 옥수수대 등과 같은 바이오매스를 사용하여 합성가스를 제조하는 저타르 배출형 바이오매스 가스화 장치에 관한 것이다.

바이오매스계 목질의 주요성분은 셀룰로오스(50wt%), 헤미셀룰로오 스(20wt%), 리그닌(30wt%)으로써 이들이 결정 또는 비결정 조직 상태에서 상호 연결되어 있다. 목질계 물질은 300℃이상에서 시작되는 가스화 초기에 융제반응(ablative reaction)에 의해 조직이 와해되고 거대분자 사슬이 끊겨 반응온도에서 액상물질로 전환된다. 반응온도가 상승함에 따라서 융제된 액상물질이 열분해되어 최종적으로 상온에서 가스나 저분자 액상물질로 전환된다. 이 과정에서 반응온도가 낮거나 열전달이 느리면 융제물질이 응축반응을 통하여 열에 비교적 안정한 차르(char)를 형성하게 되고, 리그닌 성분은 타르로 형성될 가능성이 매우 높게 된다.

바이오매스로부터 중소형으로 분산형 발전이나 수소제조를 위해서는 직접연소법보다는 가스화 공정을 경유해야만 하는데, 이는 스팀터빈은 소형 운용이 어렵고, 연소의 경우에는 열이용만을 목적으로 하고 있기 때문이다. 우드칩등과 같은 바이오매스 가스화에 의해 생성된 합성가스중에는 분해가 어려운 리그닌 성분등으로 30% 내외의 타르가 발생하고 고분자 폐기물의 경우에는 다량의 그을음(soot) 발생에 의해 장기적으로 운전시에는 합성가스 정제를 위한 집진부담이 증가하거나 집진이 곤란한 경우가 발생한다.

입자상 오염물질을 포함하는 합성가스를 가스엔진과 같은 발전 블록에 공급시에는 기기 훼손의 요인이 된다. 따라서, 합성가스 품질을 향상시키고, 탄소전환율을 증가시키기 위해서는 분해가 어려운 타르나 그을음(soot) 성분을 물리적으로 제거하는 것보다는 근본적으로 가스화 과정에서 적게 형성토록 해주는 것이 가장 중요하다.

지금까지 국내의 바이오매스 가스화장치는 목초액 생산공정에서 주로 사용하는 상향류식 고정층 가스화 장치로서, 반응기 상부로부터 연료가 공급되며, 반응기 하단부에 설치되어 있는 그레이트(grate)에 의해서 반응영역이 유지된다. 그레이트(grate)를 통해 산소 및 스팀이 공급되어 위쪽에 위치한 차르(char) 또는 바이오매스 쪽으로 분산되어 반응이 진행된다. 가스화기 하단부에서 연소가 진행되어 CO₂ 및 H₂O를 상부에 공급하여 합성가스(CO+H₂)를 생성하고, 계속해서 반응기 상부쪽으로 열분해 및 건조과정이 진행된다. 이와 같은 방식의 가스화 장치에서는 생성된 합성가스 중에 10~30%의 타르가 발생되는 단점이 있어서, 엔진 또는 터빈 구동을 위해서는 가스정제 공정이 필수적이며, 제거하는 데에도 상당한 문제점으로 작용하게 된다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 효과적으로 타르성분을 처리할 수 있는 구조를 갖는 가스화 장치를 제공하고자 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 목질계 바이오매스를 이용한 합성가스 제조 장치에 관한 것으로 일반적으로 하부에서 공기를 유입하는 것과는 반대로 측면에서 공기를 유입하여 가스화제로 사용하고 하부의 그레이트에서 회재를 분리하여 합성가스를 제조하는 저타르 배출형 바이오매스 가스화 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 목질계 바이오매스를 이용한 합성가스 제조 장치에 관한 것으로 일반적으로 하부에서 공기를 유입하는 것과는 반대로 측면에서 공기를 유입하여 가스화제로 사용하고 하부의 그레이트에서 회재를 분리하여 합성가스를 제조하는 저타르 배출형 바이오매스 가스화 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 가스화 장치는 바이오매스를 연소부로 공급하기 위한 호퍼, 상기 호퍼의 하단에 위치하여 상기 호퍼로부터 공급되는 바이오매스가 연소되는 연소부, 상기 연소부 측면으로부터 가스화용 공기를 주입하는 공기 주입부, 바이오매스의 연소 및 가스화 작용에 의해 생성된 가스가 배출되는 가스 배출구 및 상기 연소부 하단에 위치하며 가스화 반응 후 생성되는 재 성분을 처리하는 회재 처리부를 포함하여 이루어지되, 상기 공기 주입부는 복수개의 노즐을 구비한 다중 노즐을 포함하고, 상기 가스 배출구 부위에 타르 제거를 위한 개질용 촉매 반응층을 더 구비하여 구성된다.

도 1을 참조하여 본 발명에 따른 바이오매스 가스화 시스템의 동작을 설명하면, 파쇄 처리된 바이오매스가 벨트 콘베이어에(110) 의해 호퍼(Hopper; 10)로 이송되고, 이송되는 주기는 호퍼(10) 내에 설치된 레벨 측정용 광센서(도 2의 11)의 작동에 의해 연동되어진다. 가스화 장치(100)에서는 바이오매스가 공기와 같이 아래로 향하게 되며, 연소와 가스화 과정을 거쳐 합성가스를 형성하게 된다. 형성된 합성가스는 재성분과 분리되고, 개질반응을 거쳐 미량의 타르와 분진을 제거한 다음 상기 가스화 장치(100) 후단으로 배출되어 후처리 공정을 거쳐 발전용 엔진이나 열원용 가스로 사용된다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 바이오매스 가스화 장치의 구성도이다.

도 2를 참조하면, 가스화 장치(100)는 기존과는 다른 구조로 제작되어 타르발생을 억제하는 것이 가능하였는데, 이하에서 그 구조를 설명하고자 한다.

본 발명의 개발 과정에서 파쇄된 우드칩과 왕겨를 사용한 가스화 실험을 수행하였다. 호퍼에 바이오매스 시료를 주입하면 하부에서 연소와 가스화 과정을 통해 감량화되는 만큼 호퍼의 공급물질이 자동적으로 낙하 공급된다. 공급량 제어는 하부에서 연소 및 가스화에 의해 소멸되는 바이오매스의 양 만큼 상부에서 밀려 낙하되게 하는데, 호퍼의 감소량만큼 레벨 측정용 광센서(11)의 감지에 의해 벨트 콘베이어(110)로 공급해 주는 방식을 사용한다.

바이오매스 호퍼(10)로부터 낙하하는 부위에서 연소영역을 형성시키되 이 부분에서 적절하게 종래 대비 40-70% 수준의 좁은 가스화기 유로를 만들고 측면에서 가스화용 공기를 공기주입 노즐(20)을 통해 공급하는 방식으로 균일한 혼합, 연소과정을 유도하였다. 바이오매스와 공기의 혼합비를 균일하게 유지하기 위하여 반응기에 직경이 작은 부분을 형성하게 하고 이 부분으로 공기를 유입하게 된다. 상기 다중 공기주입 노즐(20)은 복수개의 노즐을 사용한 다중 노즐로 구성하되, 연료 물성에 따라 노즐 위치를 가변적으로 유지할 수 있도록 한다.

호퍼(10)로부터 낙하하는 바이오매스는 연소부(60)의 화염에 의해 건조 또는 부분분해가 이루어지고 이물질은 상기 연소부(60)로 다시 혼합되어진다. 이때 타르 발생을 적게 하도록 바이오매스와 공기의 흐름을 상부에서 하부로 동일하게 유지하 여, 발생된 타르가 고온의 연소부(60)에서 분해되도록 유도한다.

연소후 생성된 차르(char)와 고온의 연소가스는 하부로 같이 이동하면서 가스화 되며, 연소가스는 단열층(70)에 의해 가스화를 위한 온도를 유지할 수 있게 된다. 가스화 반응에 의해 남게 되는 재(ash)성분은 그레이트(50)를 통해 하부로 떨어져 물에 의해 직접 냉각되어진 후 회재 회수부(30)를 통해 회수된다. 가스화 후에 발생된 회재는 그레이트(50)의 회전에 의해 하부로 제거시키되 가스화부 영역의 조절을 위해 그레이트(50)의 높이를 가변적으로 조절할 수 있도록 한다. 생성된 합성가스는 재성분과 분리되어 개질용 촉매반응층(80)을 통과하여 합성가스 출구(40)를 통해 가스화 장치(100) 외부로 배출된다.

따라서, 본 발명에 의한 저타르 배출형 바이오매스 가스화 과정은 하기 단계들을 포함한다:

1) 가스화 장치 상단의 호퍼로 바이오매스를 투입하는 단계;

2) 상기 호퍼로부터 상기 가스화 장치 내의 연소부로 바이오매스를 공급하는 단계;

3) 상기 연소부 측면으로부터 가스화용 공기를 주입하는 단계;

4) 연소부의 연소작용 및 가스화 작용에 의해 합성 가스를 생성하는 단계; 및

5) 상기 생성된 합성 가스를 상기 가스화 장치 외부로 배출하는 단계.

이하 실시예를 들어 본 발명에 의한 가스화 장치를 보다 구체적으로 설명한 다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.

[실시예 1] 우드칩 가스화

60kg/h수준으로 우드칩을 공급하면 125-132Nm3/h 수준으로 합성가스가 발생한다. 공급된 우드칩의 조성과 제조된 합성가스 조성을 하기 표 1에 나타내었으며, 그에 따른 발열량 그래프를 도 3에 도시하였다.

O₂/Biomass (wt.wt.)	합성가스조성(vol.%)				온도분포(℃)			HHV (kcal/Nm³)
O₂/Biomass (wt.wt.)	CO	CO₂	CH₄	H₂	T1	T2	T3	HHV (kcal/Nm³)
0.33	15.3	19.8	4.0	18.7	905	974	558	1335.4
0.66	18.3	16.5	3.4	17.3	980	1139	592	1329.8
0.86	16.3	20.1	5.1	12.1	786	875	542	1282.0
1.00	17.3	16.0	2.2	14.5	784	863	550	1117.6

이상과 같은 본 발명의 가스화 장치에 의하면 타르 발생농도는 일반적인 목초제조액 공정의 경우 10-30% 수준보다 훨씬 낮은 5-15ppm 수준으로 개질반응기나 정제과정에서 제거하여 가스엔진으로 공급하여 이용하는 것이 가능하게 된다. 또한, 합성가스의 발열량은 일반적인 가스화 장치에 의한 경우와 유사한 수준의 합성가스를 얻을 수 있었다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 저타르 배출형 바이오매스 가스 화 장치는 소규모 단위로 운전하는 경우에 적합하며, 생성된 합성가스를 이용한 가스엔진 운영도 가능하여 국내 실정에 적합한 소규모 가스화 공정으로서 폐목발생지나 중소기업 등 산업체에 설치하여 물류비용을 최소화하고, 가스를 에너지원으로 사용할 수 있는 경제적인 시스템을 제공할 수 있다.

Claims

바이오매스를 연소부로 공급하기 위한 호퍼, 상기 호퍼의 하단에 위치하여 상기 호퍼로부터 공급되는 바이오매스가 연소되는 연소부, 상기 연소부 측면에 위치하며 상기 연소부에 가스화용 공기를 주입하는 공기 주입부, 바이오매스의 연소 및 가스화 작용에 의해 생성된 가스가 배출되는 가스 배출구, 및 상기 연소부 하단에 위치하며 가스화 반응 후 생성되는 재 성분을 처리하는 회재 처리부를 포함하여 이루어지는 통상의 바이오매스 가스화 장치에 있어서,

상기 공기 주입부는 복수개의 노즐을 구비한 다중 노즐을 포함하고,

상기 가스 배출구 부위에 타르 제거를 위한 개질용 촉매 반응층을 더 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저타르 배출형 바이오매스 가스화 장치.
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