KR100952609B1 - 상하향 통풍식 복합 가스화 장치 - Google Patents

상하향 통풍식 복합 가스화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가연성 폐기물, 바이오매스, 건조된 하폐수 슬러지, 석탄과 같은 고체상의 연료자원을 고품질의 가스상 연료로 전환하기 위한 상하향 통풍식 복합 가스화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상층부에는 하향 통풍식 열분해 가스화 반응부가 형성되고 하층부에는 상향 통풍식 열분해 가스화 반응부가 형성되어 타르나 응축성 오일을 함유하지 않는 가연성의 합성가스를 생성할 수 있는 상하향 통풍식 복합 가스화 장치에 관한 것이다.
가스화, 하향통풍식 열분해가스화, 상향통풍식 가스화, 화염 열분해

Description

상하향 통풍식 복합 가스화 장치{up and down draft type combined gasifier}
본 발명은 가연성 폐기물, 바이오매스, 건조된 하폐수 슬러지, 석탄과 같은 고체상의 연료자원을 고품질의 가스상 연료로 전환하기 위한 상하향 통풍식 복합 가스화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상층부에는 하향 통풍식 열분해 가스화 반응부가 형성되고 하층부에는 상향 통풍식 열분해 가스화 반응부가 형성되어 타르나 응축성 오일을 함유하지 않는 가연성의 합성가스를 생성할 수 있는 상하향 통풍식 복합 가스화 장치에 관한 것이다.
오늘날 전세계적으로 화석에너지 자원의 고갈에 따라 신 재생 에너지원의 활용에 대한 관심이 급증하면서 폐기물, 바이오매스, 하폐수 슬러지, 저급 석탄류의 고급 에너지화 기술이 주목을 받고 있다.
폐기물이나 석탄과 같은 가연성의 고체 폐기물은 열분해 및 가스화 과정을 통해 가스상의 고급연료로 전환될 수 있다. 일반적으로 고체상 연료물질은 탄소와 수소가 결합되어 이루어진 탄화수소계 물질이므로 무산소나 저산소 상태에서 가열하게 되면 휘발분이 분리되면서 탄소성분이 주인 차르(char)가 유리된다. 이를 열 분해라 한다. 유리된 차르(char)는 적절한 온도에서 이산화탄소나 수증기를 만나게 되면 반응하여 CO, H2, CH4 등의 가스상 연료로 전환되게 되는데 이를 가스화 반응이라 한다. 즉 이의 반응식을 정리해 보면 다음과 같다.
C + H2O = CO + H2 - 131.4 MJ/kg-mol (흡열반응)
C + CO2 = 2CO - 172.6 MJ/kg-mol (흡열반응)
C + 2H2 = CH4 + 75.0 MJ/kg-mol (발열반응)
CO + H2O = CO2 + H2 + 41.2 MJ/g-mol (발열반응)
열분해 가스화 과정은 흡열반응이 대부분이므로 이 반응열을 공급하기 위하여 외부에서 별도의 열원을 사용할 수도 있으나 에너지 효율 및 가스화반응에 필요한 고온의 이산화탄소나 수증기를 얻기 위하여 부분 연소방식이 선호된다.
부분 연소방식의 열분해 가스화 방식은 고체상 연료에 완전연소에 필요한 공기나 산화제 양보다 적은 양의 산화제를 공급하여 일부만을 연소시켜 가스화반응에 필요한 차르(char)와 CO2 및 H2O를 얻는 것으로 도1과 같은 상향통풍방식과 도2와 같은 하향통풍방식으로 크게 나눌 수 있다. 도1 및 도2에서는 가연성 고체 폐기물을 연료로 하였다.
상향통풍방식은 도1에서 보는 바와 같이 산화제를 하부에서 공급하여 가스의 유동이 상방향으로, 고체 연료의 이동은 하부로 이루어지는 것을 말한다. 로의 하부에서는 상부 열분해부에서 생성된 차르(char)와 연소가스가 중간의 가스화층에서 반응하여 가연성가스를 생성시키고 여기에서 남은 차르(char)는 하부의 연소층에서 주입된 산화제와 혼합 연소되어 열과 CO2 및 H2O의 연소가스를 생성하고 차르(char)는 회분화되어 배출된다.
이러한 상향통풍방식의 단점은 가스화반응층에서 생성된 고온의 가연성 합성가스가 상부의 열분해층을 통과하면서 열분해반응에서 생성되는 타르나 응축성 오일을 포함하면서 배출되게 되는 것이다. 특히 타르는 관로에 침착되거나 연소기에 문제점을 야기시키므로 별도로 타르를 제거하는 공정을 거쳐야 좋은 연료가 될 수 있다. 반면 이 방식의 장점은 하부에서 잔류한 차르(char)를 연소시키게 되므로 거의 모든 차르(char)를 연소시켜 회분화할 수 있어 별도로 차르(char)에 대한 연소과정을 거칠 필요가 없다.
이에 대하여 도2와 같은 하향통풍방식의 열분해 가스화에서는 산화제가 상부에서 공급되어 하부로 유동하며, 고체연료 역시 상부에서 같은 방향으로 이동한다. 이 과정에서도 역시 충분한 산화제가 공급되지 않으므로 투입된 고체연료의 일부만 연소된다. 이 부분연소는 상향통풍식에서와 같이 차르(char)의 연소가 아닌 고체연료의 직접연소이므로 화염이 형성된다. 이 화염연소에 의해 산소가 소모되므로 부분연소과정에서 발생한 열은 고체연료를 열분해시켜 차르(char)를 유리시킨다. 화 염이 형성된 상태에서 열분해가 일어나므로 이를 화염 열분해(flaming pyrolysis)라고도 한다. 이때 유리된 차르(char)는 고온상태이므로 연소과정에서 발생한 CO2 및 H2O와 반응하여 가연성가스로 전환된다. 즉 하향통풍방식에서는 부분연소가 먼저 일어나고 가스화반응이 그 하부에서 일어나므로 가스화반응에 의한 차르(char)의 회분화는 순수하게 가스화반응에서만 이루어진다. 이로 인해 하향통풍방식에서는 상향통풍방식에서와 같이 차르(char)가 완전히 회분화되기 어려우며 약 25% 내외의 탄소분이 미반응상태로 남게 되는 문제가 있다. 반면 하향통풍방식에서는 가스화반응이 고온의 차르(char) 층에서 이루어지므로 대부분의 타르나 응축성 오일이 크랙킹되어 가스 중에 함유되는 양이 매우 적어진다. 즉 하향통풍방식에서는 차르(char)에 미연분이 많이 잔류하게 되는 단점이 있는 대신 생성된 가연성 합성가스 중에 함유되는 타르나 응축성 오일은 극소화되는 장점을 가진다.
즉, 상향통풍방식은 미연분의 배출이 적은 반면 생성되는 가연성 합성가스 중에 타르나 응축성 오일이 다량 함유되며, 하향통풍방식은 가연성 합성가스 중에 타르나 응축성 오일의 함량이 적은 반면 회분 중에 미연분의 배출이 증가하는 서로 상반되는 문제점을 가진다.
본 발명은 상기의 상향 및 하향통풍방식의 두 열분해 가스화방식의 서로 상반되는 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 생성된 가연성 합성가스 중의 타르나 응축성 오일 함량을 극소화시키는 동시에 차르(char)의 회분화를 충분히 유도하여 배출되는 회분 중에 함유된 미연분을 최소화할 수 있는 고체 연료의 상하향 통풍식 복합 가스화장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구 범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명은 상부 화격자(110)에 의하여 상부 반응 챔버(100)와 하부 반응 챔버(200)로 구획되는 반응 챔버(100, 200); 상기 상부 반응 챔버(100)에 가연성 고체상 연료 물질을 공급하기 위한 연료 물질 공급관(120); 상기 상부 반응 챔버(100)에 상부로부터 하부로 유동하는 공기를 주입하기 위한 상부 공기 공급관(130); 상기 상부 공기 공급관(130)을 통하여 공급되는 공기를 산화제로서 상기 가연성 고체 연료 물질을 착화시켜, 상기 상부 반응 챔버(100)의 하부에 가스화 영역이 형성되고 상기 상부 반응 챔버(100)의 가스화 영역 상부에 화염 열분해 영역이 형성되도록, 상기 상부 반응 챔버(100) 중 상기 상부 공기 공급관(130)과 상기 상부 화격자(110) 사이에 설치되는 상부 파일럿 버너(140); 상기 상부 화격자(110)에 적층되는 애쉬(ash) 및 잔류 차르(char)가 통과되도록 상기 상부 화격자(110)에 연결되어 진동을 일으키는 상부 가진 장치(150); 상기 하부 반응 챔버(200)를 상하로 구획하며 설치되는 하부 화격자(210); 상기 하부 반응 챔버(200)에 하부로부터 상부로 유동하는 공기를 주입하기 위해 상기 하부 반응 챔버(200) 중 상기 하부 화격자(210) 하부에 설치되는 하부 공기 공급관(230); 상기 하부 공기 공급관(230)을 통하여 공급되는 공기를 산화제로서 상기 상부 화격자(110)를 통과하여 낙하되는 차르(char)를 착화시켜, 상기 하부 화격자(210)의 상부에 연소 영역이 형성되고 상기 연소 영역의 상부에 가스화 영역이 형성되도록, 상기 하부 반응 챔버(200) 중 상기 하부 공기 공급관(230)과 상기 하부 화격자(210) 사이에 설치되는 하부 파일럿 버너(240); 상기 하부 화격자(210)에 적층되는 애쉬(ash)가 통과되도록 상기 하부 화격자(210)에 연결되어 진동을 일으키는 하부 가진 장치(250); 상기 상부 반응 챔버(100)의 가스화 영역 및 상기 하부 반응 챔버(200)의 가스화 영역에서 생성된 가연성 합성가스를 포집하기 위하여 상기 하부 반응 챔버(200)에 연결되는 합성가스 포집관(260); 을 포함하는 것을 특징으로 하는 상하향 통풍식 복합 가스화 장치에 관한 것이다.
본 발명은 상기 상부 화격자(110)의 상부에 적층되는 상부 세라믹 볼(170); 상기 하부 화격자(210)의 상부에 적층되는 하부 세라믹 볼(270); 을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 상부 반응 챔버(100)의 하부 측벽 좌측과 하부 반응 챔버(200)의 상부 측벽 우측이 상호 연통되도록 형성되는 반응 챔버(100, 200); 상기 상부 반응 챔버(100)에 가연성 고체상 연료 물질을 공급하기 위한 연료 물질 공급관(120); 상기 상부 반응 챔버(100)에 상부로부터 하부로 유동하는 공기를 주입하기 위한 상부 공기 공급관(130); 상기 상부 공기 공급관(130)을 통하여 공급되는 공기를 산화제로서 상기 가연성 고체 연료 물질을 착화시켜, 상기 상부 반응 챔버(100)의 하부에 가스화 영역이 형성되고 상기 상부 반응 챔버(100)의 가스화 영역 상부에 화염 열분해 영역이 형성되도록, 상기 상부 반응 챔버(100) 중 상기 상부 공기 공급관(130)과 상기 상부 반응 챔버(100)의 바닥면(100L) 사이에 설치되는 상부 파일럿 버너(140); 상기 상부 반응 챔버(100)의 바닥면(100L)에 적층되는 애쉬(ash) 및 잔류 차르(char)를 밀어 상기 하부 반응 챔버(200)에 투입하기 위하여, 상기 상부 반응 챔버(100)의 하부 측벽 우측으로부터 하부 측벽 좌측 방향으로 상기 상부 반응 챔버(100)의 바닥면(100L)을 슬라이딩하는 푸싱 바디(pushing body)(180); 상기 하부 반응 챔버(200)를 상하로 구획하며 설치되는 하부 화격자(210); 상기 하부 반응 챔버(200)에 하부로부터 상부로 유동하는 공기를 주입하기 위해 상기 하부 반응 챔버(200) 중 상기 하부 화격자(210) 하부에 설치되는 하부 공기 공급관(230); 상기 하부 공기 공급관(230)을 통하여 공급되는 공기를 산화제로서 상기 푸싱 바디(pushing body)(180)에 밀려 낙하되는 차르(char)를 착화시켜, 상기 하부 화격자(210)의 상부에 연소 영역이 형성되고 상기 연소 영역의 상부에 가스화 영역이 형성되도록, 상기 하부 반응 챔버(200) 중 상기 하부 공기 공급관(230)과 상기 하부 화격자(210) 사이에 설치되는 하부 파일럿 버너(240); 상기 하부 화격자(210)에 적층되는 애쉬(ash)가 통과되도록 상기 하부 화격자(210)에 연결되어 진동을 일으키는 하부 가진 장치(250); 상기 상부 반응 챔버(100)의 가스화 영역 및 상기 하부 반응 챔버(200)의 가스화 영역에서 생성된 가연성 합성가스를 포집하기 위하여 상기 하부 반응 챔버(200)에 연결되는 합성가스 포집관(260); 을 포함하는 것을 특징으로 하는 상하향 통풍식 복합 가스화 장치에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 푸싱 바디(pushing body)(180)는 상기 상부 반응 챔버(100)의 하부 측벽 우측을 관통하여 슬라이딩 가능하도록 끼워지는 화격자일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 상하향통풍식 복합 가스화 장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.
먼저, 본 발명에 대비되는 종래의 상향통풍식 열분해 가스화 방식에서는 투입된 폐기물의 건조 열분해층의 하부 가스화층에서 생성된 합성가스가 상부로 유동하면서 열분해층과 폐기물층을 통과하는 과정에서 열분해 과정에서 발생한 타르나 응축성오일이 다량 함유되어 이송관로를 폐색하는 문제를 야기시키는 동시에 합성가스의 질을 저하시키게 된다.
또한 종래의 하향통풍식 화염열분해가스화 방식을 단독으로 사용하는 경우에는 가연성 합성가스의 생성반응이 고온의 차르(char) 층에서 이루어지고 생성된 가연성가스가 상부의 폐기물층을 통과하지 않기 때문에 합성가스 중에 타르나 응축성 오일의 함량이 매우 적어지는 장점은 있으나 차르(char) 중의 탄소성분이 가스화반응에 의해서만 소모되고 잔류 차르(char)의 연소과정이 없음으로 인해 최종 배출되는 애쉬(ash) 중에 잔류 탄소비율이 높게 되어 또 다른 처리과정이 필요하게 된다.
따라서 타르나 응축성 오일의 함량이 적고 동시에 최종 배출되는 애쉬 중에 미연 탄소의 잔류가 거의 없는 방식의 가스화장치가 필요한 것이다.
본 상하향 통풍식 복합가스화장치는 상향통풍방식과 하향통풍방식의 장점만을 수용하여 고안된 것으로 1차로 상부에서 하향통풍식 화염 열분해가스화를 수행하여 고온의 차르(char) 층에서 타르 성분이 매우 적은 가연성 합성가스를 생성하고, 반응하지 못한 미연탄소분이 잔류하는 차르(char)를 상향통풍방식으로 2차 가스화하여 가스화 수율을 향상시키며, 동시에 잔류 차르(char)의 연소층에서 미연탄소분이 완전히 연소되어 애쉬(ash) 중에 잔류하는 미연탄소분을 최소화시키게 된다.
즉, 타르의 함량이 매우 적고 동시에 최종 배출되는 애쉬(ash) 중의 미연분을 최소화시킬 수 있는 열분해가스화 방식으로 가연성 폐기물은 물론, 저급 석탄이나, 바이오매스, 건조 하폐수 슬러지 등 고체 연료 전반에 걸쳐 적용성이 매우 광범위하고, 가스 상의 고급 에너지를 얻을 수 있으며 동시에 고체연료의 연소로 인한 환경오염 방지 측면에서도 매우 큰 효과를 가질 수 있다.
이하, 도면을 참조하며 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도3은 본 발명의 일실시예의 개략적 종단면도를 나타낸다.
도3을 참조하면 본 발명의 일실시예는 반응 챔버(100, 200)를 가진다. 반응 챔버(100, 200)는 상부 화격자(110)에 의하여 상부 반응 챔버(100)와 하부 반응 챔버(200)로 구획된다. 상부 화격자(110)는 둘레면이 반응 챔버(100, 200) 내벽에 지지되며 고정 설치될 수 있다. 한편, 반응 챔버(100, 200)는 내화물로 이루어질 수 있다.
도3을 참조하면 상부 반응 챔버(100)에는 연료 물질 공급관(120)이 설치된다. 연료 물질 공급관(120)은 상부 반응 챔버(100)에 가연성 고체 연료 물질을 공급하기 위한 것인데, 가연성 고체 연료 물질은 가연성 폐기물, 바이오매스, 건조된 하폐수 슬러지, 석탄 등과 같은 고체상의 가연성 물질일 수 있다. 연료 물질 공급관(120)은 상부 반응 챔버(100)의 상벽에 설치될 수 있다.
도3을 참조하면 상부 반응 챔버(100)에는 상부 반응 챔버(100)에 하부로 유동하는 공기를 주입하기 위한 상부 공기 공급관(130)이 설치된다. 상부 공기 공급관(130)은 연료 물질 공급관(120)과 마찬가지로 상부 반응 챔버(100)의 상벽에 설치될 수 있다. 상부 공기 공급관(130)은 상부 공기 재킷(132)에 연결되는 공기 노즐일 수 있다. 상부공기 공급관(130)은 상부 반응 챔버(100)의 상부 측벽에 공기 재킷과 같이 설치될 수도 있다.
도3을 참조하면 상부 반응 챔버(100) 중 상부 공기 공급관(130)과 상부 화격자(110) 사이에는 상부 파일럿 버너(140)가 설치된다. 상부 파일럿 버너(140)는 상부 공기 공급관(130)을 통하여 공급되는 이론공기량보다 적은 양의 공기를 산화제로 하여 상기 가연성 고체 연료 물질을 착화시키게 된다. 이에 따라 상부 반응 챔 버(100)의 상부 화격자(110)의 상부에는 화염열분해 영역이 형성되며, 상기 상부 반응 챔버(100)의 화염열분해 영역 하부에 가스화 영역이 형성된다.
도3을 참조하면 상부 화격자(110)에는 상부 가진 장치(150)가 연결된다. 상부 가진 장치(150)는 상부 화격자(110)에 진동을 일으켜 상부 화격자(110)에 적층되는 애쉬(ash) 및 잔류 차르(char)가 상부 화격자(110)에 형성된 틈새를 통하여 하부로 통과되도록 하기 위한 것이다.
도3을 참조하면 상부 화격자(110)의 상부에는 상부 세라믹 볼(170)이 적층될 수 있다. 상부 세라믹볼(170)은 차르(char)를 분쇄시켜 표면적을 증가시키는 동시에 열전달을 좋게함으로써 가스화반응을 촉진시키는 역할을 한다.
도3을 참조하면 상부 반응 챔버(100)에는 상부 열전대(191, 192)가 설치될 수 있다. 상부 열전대(191)는 상부 반응 챔버(100)의 가스화 영역의 온도를 측정하기 위한 것이고, 상부 열전대(192)는 상부 반응 챔버(100)의 화염 열분해 영역의 온도를 측정하기 위한 것이다.
도3을 참조하면 하부 반응 챔버(200)에는 하부 반응 챔버(200)를 상하로 구획하며 하부 화격자(210)가 설치된다. 하부 화격자(210)는 둘레면이 하부 반응 챔버(200) 내벽에 지지되며 고정 설치될 수 있다.
도3을 참조하면 하부 반응 챔버(200) 중 하부 화격자(210) 하부에는 하부 공기 공급관(230)이 설치된다. 하부 공기 공급관(230)은 하부 반응 챔버(200)에 상부로 유동하는 공기를 주입하기 위한 것이다. 하부 공기 공급관(230)은 하부 반응 챔버(200) 내벽에 상부를 향하며 경사지게 설치될 수 있다. 하부 공기 공급관(230)은 하부 공기 재킷(232)에 연결되는 공기 노즐일 수 있다.
도3을 참조하면 하부 반응 챔버(200) 중 하부 공기 공급관(230)과 하부 화격자(210) 사이에는 하부 파일럿 버너(240)가 설치된다. 하부 파일럿 버너(240)는 하부 공기 공급부(230)를 통하여 공급되는 공기를 산화제로 이용하여 상부 화격자(110)를 통과하여 낙하한 차르(char)를 착화시키게 된다. 이에 따라 하부 화격자(210)의 상부에 연소 영역이 형성되고, 상기 연소 영역의 상부에 하부 반응 챔버(200)의 가스화 영역이 형성된다.
도3을 참조하면 하부 화격자(210)에는 하부 가진 장치(250)가 연결된다. 하부 가진 장치(250)는 하부 화격자(210)에 진동을 일으켜 하부 화격자(210)에 적층되는 애쉬(ash)가 하부 화격자(210)에 형성된 틈새를 통하여 하부로 통과되도록 하기 위한 것이다. 이에 따라 하부 화격자(210)를 통과한 애쉬(ash)가 하부 반응 챔버(200) 하단에 쌓이게 된다.
도3을 참조하면 하부 화격자(210)의 상부에는 하부 세라믹 볼(270)이 적층될 수 있다. 하부 세라믹볼(270)은 차르(char)를 분쇄시켜 표면적을 증가시키는 동시에 열전달을 좋게함으로써 연소반응을 촉진시키는 역할을 한다.
도3을 참조하면 하부 반응 챔버(200)에는 합성가스 포집관(260)이 연결된다. 합성가스 포집관(260)은 상부 반응 챔버(100)의 가스화 영역 및 하부 반응 챔버(200)의 가스화 영역에서 생성된 가연성 합성가스를 포집하기 위한 것이다.
도3을 참조하면 하부 반응 챔버(200)의 하부에는 하부 화격자(210)를 통과하여 적층되는 애쉬(ash)를 배출하기 위한 스크류 피더(280)가 설치될 수 있다.
도3을 참조하면 하부 반응 챔버(200)에는 하부 열전대(291, 292)가 설치될 수 있다. 하부 열전대(291)는 하부 반응 챔버(200)의 가스화 영역의 온도를 측정하기 위한 것이고, 하부 열전대(292)는 하부 반응 챔버(200)의 연소 영역의 온도를 측정하기 위한 것이다.
즉, 도3을 참조하면 본 발명의 일실시예의 경우 상부 화격자(110)를 경계로 상층부에 하향 통풍식 열분해 가스화 반응부가 형성되고, 하층부에 상향 통풍식 열분해 가스화 반응부가 형성된다.
이하, 도3을 참조하며 상기한 일실시예의 작동에 대하여 설명한다.
가연성 고체 연료 물질이 상부 반응 챔버(100)의 상벽에 위치한 연료 물질 공급관(120)으로부터 투입되어 상부 화격자(110)와 상부 세라믹 볼(170)의 상부에 쌓이게 되고, 상부 공기 재킷(132)과 상부 공기 공급관(130)을 통해 공급되는 공기와 상부 파일럿 버너(140)에 의해 착화된다. 이때 공급되는 공기량은 연소에 필요한 이론 공기량의 30% 내외이므로 투입된 가연성 고체 연료 물질의 일부만 연소시키게 된다.
상부 반응 챔버(100)의 화염 열분해 영역에서 가연성 고체 연료 물질의 휘발분이 연소되면서 산소는 소모되고 동시에 발생한 열은 가연성 고체 연료 물질을 열분해시켜 차르(char)를 유리시키고 연소가스로서 CO2와 H2O를 발생시킨다. 이 차르(char)와 CO2 및 H2O는 상부 반응 챔버(100)의 화염 열분해 영역에서 발생한 열을 반응열로 하여 상부 반응 챔버(100)의 가스화 영역에서 가스화반응이 이루어지며 CO, H2와 같은 가연성 합성가스를 생성하게 된다. 이때 생성된 합성가스는 연료 물질 공급관(120)을 통하여 공급된 가연성 고체 연료 물질 층을 지나지 않고 하부로 유동하면서 고온의 차르(char) 층을 지나게 되므로 대부분의 타르나 응축성 오일이 크랙킹되어 청정한 합성가스가 된다.
상부 화격자(110) 상부의 상부 세라믹 볼(170)은 차르(char)를 분쇄시켜 표면적을 증가시키는 동시에 열전달을 좋게 함으로써 가스화반응을 촉진시키는 역할을 한다. 상부 화격자(110)는 상부 가진장치(150)에 의해 진동하게 되므로 상부 세라믹 볼(170)과 상부 화격자(110)의 틈 사이로 애쉬(ash)와 가스화 반응에서 완전히 소모되지 않은 약 25%정도의 잔류 차르(char)가 통과하여 하부 화격자(210)와 하부 세라믹 볼(270) 상부에 쌓이게 된다.
하부 화격자(210)와 하부 세라믹 볼(270) 상부에 쌓인 차르(char)는 하부 파일럿 버너(240)에 의하여 가열된 하부 세라믹 볼(270)과 하부 공기 재킷(232) 및 하부 공기 공급관(230)을 통해 공급된 공기에 의하여 하부 반응 챔버(200)의 연소 영역에서 연소되게 된다. 하부 반응 챔버(200)의 연소 영역에서 발생한 열은 하부 반응 챔버(200)의 가스화 영역의 차르(char)를 가열하게 되고, CO2및 H2O의 연소가스도 상부로 유동하여 하부 반응 챔버(200)의 가스화 영역에 유입되므로 하부 반응 챔버(200)의 가스화 영역의 차르(char)와 반응하여 하부 반응 챔버(200)의 가스화 영역에서 CO, H2의 가연성 합성가스를 생성하게 된다. 생성된 합성가스는 종래의 상향통풍식 가스화 방식에서와 달리 열분해 층과 가연성 고체 연료 물질 층(폐기물 층)을 통과하지 않으므로 타르나 응축성 오일을 함유하지 않는다.
즉, 본 발명의 일실시예는 상부 반응 챔버(100)에서 하향통풍식으로 화염 열분해 및 가스화를 수행함으로써 상부 반응 챔버(100) 하부의 고온의 차르(char) 영역에서 가스 중의 타르를 크랙킹하고, 반응이 완료되지 않은 차르(char)는 다시 하부 반응 챔버(200)에서 상향통풍방식으로 가스화반응이 이루어지고 나머지 차르(char)는 연소되므로, 가연성의 합성가스는 타르나 응축성 오일을 함유하지 않게 되고, 또한 애쉬(ash) 중에 잔류하는 차르(char) 성분도 극소화될 수 있다.
도4는 본 발명의 다른 일실시예의 개략적 종단면도를 나타낸다.
도4를 참조하면 본 발명의 다른 일실시예는 반응 챔버(100, 200)를 가진다. 반응 챔버(100, 200)는 상부 반응 챔버(100)와 하부 반응 챔버(200)를 포함한다. 상부 반응 챔버(100)는 하부 반응 챔버(200)의 우측 상부에 위치하는데, 반응 챔버(100, 200)는 상부 반응 챔버(100)의 하부 측벽 좌측과 하부 반응 챔버(200)의 상부 측벽 우측이 상호 연통되도록 형성된다. 즉, 상부 반응 챔버(100)의 바닥면(100L) 좌측에 인접한 상부 반응 챔버(100)의 하부 측벽 좌측이 하부 반응 챔버(200)의 상부 측벽 우측과 상호 연통되도록 형성된다.
도4를 참조하면 상부 반응 챔버(100)에는 연료 물질 공급관(120), 상부 공기 공급관(130), 상부 공기 재킷(132)이 설치된다. 이들에 대한 설명은 도3에 도시된 본 발명의 일실시예에 준한다.
도4를 참조하면 상부 반응 챔버(100) 중 상부 공기 공급관(130)과 상기 상부 반응 챔버(100)의 바닥면(100L) 사이에는 상부 파일럿 버너(140)가 설치된다. 상부 파일럿 버너(140)는 상부 공기 공급관(130)을 통하여 공급되는 이론공기량보다 적은 양의 공기를 산화제로 하여 연료 물질 공급관(120)을 통하여 공급되는 가연성 고체 연료 물질을 착화시키게 된다. 이에 따라 상부 반응 챔버(100)의 하부인 상부 반응 챔버(100)의 바닥면(100L)에 인접한 부위에는 가스화 영역이 형성되며, 상부 반응 챔버(100)의 가스화 영역 상부에는 화염열분해 영역이 형성된다.
도4를 참조하면 본 발명의 다른 일실시예는 상부 반응 챔버(100)의 하부 측벽 우측으로부터 하부 측벽 좌측 방향으로 상부 반응 챔버(100)의 바닥면(100L)을 슬라이딩하는 푸싱 바디(pushing body)(180)를 가진다. 푸싱 바디(pushing body)(180)는 상부 반응 챔버(100)의 하부 측벽 우측을 관통하여 슬라이딩 가능하도록 끼워지는 화격자일 수 있는데, 푸싱 바디(pushing body)(180)는 유압 실린더(182)에 의하여 좌우로 왕복하며 슬라이딩될 수 있다. 푸싱 바디(pushing body)(180)는 상부 반응 챔버(100)의 바닥면(100L)에 적층되는 애쉬(ash) 및 잔류 차르(char)를 밀어 하부 반응 챔버(200)에 투입하기 위한 것이다.
도4를 참조하면 상부 반응 챔버(100)에는 상부 열전대(191, 192)가 설치될 수 있다. 이들에 대한 설명은 도3에 도시된 본 발명의 일실시예에 준한다.
도4를 참조하면 하부 반응 챔버(200)에는 하부 화격자(210), 하부 공기 공급관(230), 하부 공기 재킷(232)이 설치된다. 이들에 대한 설명은 도3에 도시된 본 발명의 일실시예에 준한다.
도4를 참조하면 하부 반응 챔버(200) 중 하부 공기 공급관(230)과 하부 화격자(210) 사이에는 하부 파일럿 버너(240)가 설치된다. 하부 파일럿 버너(240)는 하부 공기 공급부(230)를 통하여 공급되는 공기를 산화제로 이용하여 푸싱 바디(pushing body)(180)에 밀려 낙하되는 차르(char)를 착화시키게 된다. 이에 따라 하부 화격자(210)의 상부에 연소 영역이 형성되고, 상기 연소 영역의 상부에 하부 반응 챔버(200)의 가스화 영역이 형성된다.
도4를 참조하면 하부 화격자(210)에는 하부 가진 장치(250)가 연결되고, 하부 화격자(210)의 상부에는 하부 세라믹 볼(270)이 적층될 수 있다. 또한, 하부 반응 챔버(200)에는 합성가스 포집관(260), 스크류 피더(280), 및 하부 열전대(291, 292)가 설치될 수 있다. 이들에 대한 설명은 도3에 도시된 본 발명의 일실시예에 준한다.
도1은 종래의 상향통풍식 열분해 가스화 방식의 개략도.
도2는 종래의 하향통풍식 열분해 가스화 방식의 개략도.
도3은 도3은 본 발명의 일실시예의 개략적 종단면도.
도4는 본 발명의 다른 일실시예의 개략적 종단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100:상부 반응 챔버 110:상부 화격자
120:연료 물질 공급관 130:상부 공기 공급관
140:상부 파일럿 버너 150:상부 가진 장치
170:상부 세라믹 볼 191, 192:상부 열전대
200:하부 반응 챔버 210:하부 화격자
230:하부 공기 공급관 240:하부 파일럿 버너
250:하부 가진 장치 260:합성가스 포집관
270:하부 세라믹 볼 280:스크류 피더
291, 292:하부 열전대
100L:상부 반응 챔버의 바닥면 180:푸싱 바디(pushing body)
182:유압 실린더

Claims (4)

  1. 상부 화격자(110)에 의하여 상부 반응 챔버(100)와 하부 반응 챔버(200)로 구획되는 반응 챔버(100, 200);
    상기 상부 반응 챔버(100)에 가연성 고체상 연료 물질을 공급하기 위한 연료 물질 공급관(120);
    상기 상부 반응 챔버(100)에 상부로부터 하부로 유동하는 공기를 주입하기 위한 상부 공기 공급관(130);
    상기 상부 공기 공급관(130)을 통하여 공급되는 공기를 산화제로서 상기 가연성 고체 연료 물질을 착화시켜, 상기 상부 반응 챔버(100)의 하부에 가스화 영역이 형성되고 상기 상부 반응 챔버(100)의 가스화 영역 상부에 화염 열분해 영역이 형성되도록, 상기 상부 반응 챔버(100) 중 상기 상부 공기 공급관(130)과 상기 상부 화격자(110) 사이에 설치되는 상부 파일럿 버너(140);
    상기 상부 화격자(110)에 적층되는 애쉬(ash) 및 잔류 차르(char)가 통과되도록 상기 상부 화격자(110)에 연결되어 진동을 일으키는 상부 가진 장치(150);
    상기 하부 반응 챔버(200)를 상하로 구획하며 설치되는 하부 화격자(210);
    상기 하부 반응 챔버(200)에 하부로부터 상부로 유동하는 공기를 주입하기 위해 상기 하부 반응 챔버(200) 중 상기 하부 화격자(210) 하부에 설치되는 하부 공기 공급관(230);
    상기 하부 공기 공급관(230)을 통하여 공급되는 공기를 산화제로서 상기 상부 화격자(110)를 통과하여 낙하되는 차르(char)를 착화시켜, 상기 하부 화격자(210)의 상부에 연소 영역이 형성되고 상기 연소 영역의 상부에 가스화 영역이 형성되도록, 상기 하부 반응 챔버(200) 중 상기 하부 공기 공급관(230)과 상기 하부 화격자(210) 사이에 설치되는 하부 파일럿 버너(240);
    상기 하부 화격자(210)에 적층되는 애쉬(ash)가 통과되도록 상기 하부 화격자(210)에 연결되어 진동을 일으키는 하부 가진 장치(250);
    상기 상부 반응 챔버(100)의 가스화 영역 및 상기 하부 반응 챔버(200)의 가스화 영역에서 생성된 가연성 합성가스를 포집하기 위하여 상기 하부 반응 챔버(200)에 연결되는 합성가스 포집관(260);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 상하향 통풍식 복합 가스화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 화격자(110)의 상부에 적층되는 상부 세라믹 볼(170);
    상기 하부 화격자(210)의 상부에 적층되는 하부 세라믹 볼(270);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 상하향 통풍식 복합 가스화 장치.
  3. 상부 반응 챔버(100)의 하부 측벽 좌측과 하부 반응 챔버(200)의 상부 측벽 우측이 상호 연통되도록 형성되는 반응 챔버(100, 200);
    상기 상부 반응 챔버(100)에 가연성 고체상 연료 물질을 공급하기 위한 연료 물질 공급관(120);
    상기 상부 반응 챔버(100)에 상부로부터 하부로 유동하는 공기를 주입하기 위한 상부 공기 공급관(130);
    상기 상부 공기 공급관(130)을 통하여 공급되는 공기를 산화제로서 상기 가연성 고체 연료 물질을 착화시켜, 상기 상부 반응 챔버(100)의 하부에 가스화 영역이 형성되고 상기 상부 반응 챔버(100)의 가스화 영역 상부에 화염 열분해 영역이 형성되도록, 상기 상부 반응 챔버(100) 중 상기 상부 공기 공급관(130)과 상기 상부 반응 챔버(100)의 바닥면(100L) 사이에 설치되는 상부 파일럿 버너(140);
    상기 상부 반응 챔버(100)의 바닥면(100L)에 적층되는 애쉬(ash) 및 잔류 차르(char)를 밀어 상기 하부 반응 챔버(200)에 투입하기 위하여, 상기 상부 반응 챔버(100)의 하부 측벽 우측으로부터 하부 측벽 좌측 방향으로 상기 상부 반응 챔버(100)의 바닥면(100L)을 슬라이딩하는 푸싱 바디(pushing body)(180);
    상기 하부 반응 챔버(200)를 상하로 구획하며 설치되는 하부 화격자(210);
    상기 하부 반응 챔버(200)에 하부로부터 상부로 유동하는 공기를 주입하기 위해 상기 하부 반응 챔버(200) 중 상기 하부 화격자(210) 하부에 설치되는 하부 공기 공급관(230);
    상기 하부 공기 공급관(230)을 통하여 공급되는 공기를 산화제로서 상기 푸싱 바디(pushing body)(180)에 밀려 낙하되는 차르(char)를 착화시켜, 상기 하부 화격자(210)의 상부에 연소 영역이 형성되고 상기 연소 영역의 상부에 가스화 영역이 형성되도록, 상기 하부 반응 챔버(200) 중 상기 하부 공기 공급관(230)과 상기 하부 화격자(210) 사이에 설치되는 하부 파일럿 버너(240);
    상기 하부 화격자(210)에 적층되는 애쉬(ash)가 통과되도록 상기 하부 화격자(210)에 연결되어 진동을 일으키는 하부 가진 장치(250);
    상기 상부 반응 챔버(100)의 가스화 영역 및 상기 하부 반응 챔버(200)의 가스화 영역에서 생성된 가연성 합성가스를 포집하기 위하여 상기 하부 반응 챔버(200)에 연결되는 합성가스 포집관(260);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 상하향 통풍식 복합 가스화 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 푸싱 바디(pushing body)(180)는 상기 상부 반응 챔버(100)의 하부 측벽 우측을 관통하여 슬라이딩 가능하도록 끼워지는 화격자인 것을 특징으로 하는 상하향 통풍식 복합 가스화 장치.
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