KR101131610B1

KR101131610B1 - 공기혼입을 방지하는 회재 배출 구조를 갖는 왕겨 가스화장치

Info

Publication number: KR101131610B1
Application number: KR1020100137407A
Authority: KR
Inventors: 이재구; 윤상준; 김용구
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2012-03-30

Abstract

본 발명은 공기혼입을 방지하는 회재 배출 구조를 갖는 왕겨 가스화 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 왕겨로부터 타르배출이 적은 합성가스를 제조하는 시스템에서 미반응된 탄소분과 회재성분을 외부로부터의 공기 혼입없이 연속적으로 배출하여 가스화 층높이를 일정하게 유지함과 동시에 회재의 누적에 따른 용융부착을 방지하고 고열에 의한 구조변형을 방지할 수 있는 왕겨 가스화 장치에 관한 것이다.

Description

공기혼입을 방지하는 회재 배출 구조를 갖는 왕겨 가스화장치{Rice husk Gasifier with Ash Discharge Structure}

왕겨는 리그닌, 셀루로오스가 다량 함유되어 영양분이 적고, 잘 썩지 않아서 비료로 사용하기에는 부적절하고, 규소성분이 회재의 80%이상을 차지하고 섬유질이 높다는 문제점으로 사료로의 이용에도 적합하지 않다. 또한 낮은 겉보기 밀도와 10%이상의 높은 회분함량으로 인하여 에너지원으로 활용에도 제한적인 문제를 지니고 있다.

최근 농진청의 조사자료에 따르면, 농업분야에서 왕겨의 소비실태는 대부분 축산농가 (계사, 돈사, 우사)의 깔개용으로 사용되고 있으며, 일부 지방에서는 제철공장, 팽연화후 벼육묘나 딸기하우스 상토용으로 사용하고 있는 것으로 보고되고 있다.

왕겨 연료화는 왕겨를 200-350℃로 가열하여 고압으로 압출한 왕겨탄등으로 제조된 바 있으나, 국내에서는 현재 사용되고 있지는 않고 있다. 고유가 및 CO₂ 배출 저감의 목적으로 신재생에너지의 일환으로 왕겨 에너지화에 관심이 집중되고 있는데, 왕겨의 에너지화 측면에서는 가볍다는 점과 높은 회분함량의 단점을 극복하는 것이 중요하다고 할 수 있다.

왕겨 에너지화에서는 탄화, 연소, 가스화가 이용되고 있는데, 가스화에서는 왕겨로부터 일산화탄소와 수소의 가연성가스를 포함하는 합성가스를 제조하는데 이용된다.

상기 왕겨를 이용한 합성가스 제조에서 중소규모로 활용하는 고정층 가스화 방식은 왕겨의 가벼운 특성으로 인해 회재배출을 원활하게 유지하는 것이 어려우며, 기계적인 메카니즘에 의해 배출하는 방식이 필요하다.

즉, 왕겨 회재 배출이 불량하게 되면 가스화기 내부에서 연소층이 지속적으로 상승하여 가스화 환원층 두께가 커지고, 이로 인해 타르 등 이물질 성분이 추가로 분해되어 깨끗한 합성가스를 제조할 수 있지만, 발열량이 너무 낮아지는 단점이 있다. 이와 반대로 회재배출이 너무 쉽게 이루어지면 미반응 탄소분이 지나치게 증가하게 되어 가스화기의 효율을 저하시키게 되는 문제점이 발생된다.

또한, 왕겨의 미연탄소분은 일부 불씨를 머금은 상태에서 통상적으로 회재배출이 이루어지는데 이때 잔여 온도에 의해 하부의 회수 챔버에서는 고열로 회재가 슬래그를 형성하거나 배출장치를 손상시키는 문제가 발생됨으로 가급적 냉각조건 확보와 신속하게 외부로 배출해 주는 수단이 필요하다.

이에 본 발명에 따른 공기혼입을 방지하는 회재 배출 구조를 갖는 왕겨 가스화 장치는,

왕겨층을 지지하면서 대기중의 공기 유입없이 가스화기에서 발생된 회재를 외부로 배출하는 장치의 제공을 목적으로 한다.

또한, 잔여불씨로 가열되는 배출부에 냉각수단을 구비시켜 고온에 의한 장치변형을 방지함으로써 연속적인 정상 배출에 의해 가스화기 내의 가스조성 환경을 동일하게 유지시켜 연속적인 정상운전이 가능한 장치의 제공을 다른 목적으로 한다.

상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 공기혼입을 방지하는 회재 배출 구조를 갖는 왕겨 가스화 장치는,

공급받은 왕겨를 합성가스로 가스화하는 가스화챔버와, 상기 챔버의 하단에 설치되어 왕겨층을 지지하는 그레이트와, 상기 가스화챔버의 하단을 일부 내포하여 합성가스는 상부로 배출하고 가스화하고 남은 회재는 하부로 포집하여 배출수단에 의해 배출구로 배출하는 외기챔버와, 상기 외기챔버의 배출구와 연통되어 배출된 회재를 이송시키는 이송관을 포함하는 왕겨 가스화장치에 있어서, 상기 외기챔버의 배출구와 이송관 사이에는 회재호퍼를 더 구비하여 외기챔버에서 배출되는 회재를 일정두께로 쌓아 회재층을 형성해 이송관으로 이송되는 공기가 외기챔버로 유입되는 것을 방지하도록 한다.

상기 외기챔버의 배출수단은, 관체를 나선으로 감아 형성되고, 외기챔버에 회전가능하게 장착되어 회재를 배출구로 이송시키는 스프링관과; 상기 스프링관을 회전시키는 동력을 전달하는 모터와; 상기 스프링관의 내부로 냉각수를 공급하는 냉각수공급장치;로 구성된다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 공기혼입을 방지하는 회재 배출 구조를 갖는 왕겨 가스화 장치는,

수냉이 가능한 배출수단에 의해 외기챔버의 포집부에 형성된 회재를 연속적으로 배출하여 장치의 손상방지과 슬래그 형성을 방지할 수 있으며, 회재호퍼의 구성에 의해 원하지 않은 공기의 유입을 차단하여 합성가스 조성을 균일하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 왕겨 가스화 장치를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 외기챔버에 설치된 배출수단을 도시한 개략도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배출수단을 도시한 개략도.
도 4와 도 5는 본 발명에 따른 그레이트의 예를 도시한 평면도 및 단면도.
도 6 내지 도 9는 본 발명에 따른 그레이트와 스크래퍼의 다른 실시 예를 도시한 평면도 및 단면도.
도 10은 본 발명의 왕겨가스화장치의 가스화 챔버에서 시간에 따른 부위별 온도변화를 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명의 왕겨가스화장치에서 시간에 따라 생성되는 합성가스의 조성변화를 나타낸 그래프.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 공기혼입을 방지하는 회재 배출 구조를 갖는 왕겨 가스화 장치를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 왕겨 가스화 장치를 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 외기 챔버에 설치된 배출수단을 도시한 개략도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배출수단을 도시한 개략도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 공기혼입을 방지하는 회재 배출구조를 갖는 왕겨 가스화 장치(10)는 왕겨를 저장하고 정량공급하는 공급기(90)와, 상기 공급기로부터 공급받은 왕겨를 합성가스로 가스화하는 가스화 챔버(20)와, 상기 챔버의 하단에 설치되어 왕겨층을 지지하는 그레이트(30)와, 상기 가스화챔버의 하단을 일부 내포하여 합성가스는 상부로 배출하고 가스화하고 남은 회재는 하부로 포집하여 배출수단(50)에 의해 배출구(45)로 배출하는 외기챔버(40)와, 상기 외기챔버의 배출구와 연통되어 배출된 회재를 이송시키는 이송관(70)과, 상기 외기챔버의 배출구와 이송관 사이에는 구비되어 외기챔버에서 배출되는 회재를 일정두께로 쌓아 회재층(61)을 형성해 이송관으로 이송되는 공기가 외기챔버로 유입되는 것을 방지하는 회재호퍼(60)를 포함하여 구성된다.

상기 가스화 챔버(20)는 공급되는 왕겨가 하단에 설치된 그레이트(30)에 의해 적층되어 왕겨층(31)을 형성하고, 하부 왕겨층에서 연소 및 열분해가 이루어진다. 이와 같은 연소 및 열분해 열은 상부로 전달되면서 적층된 왕겨를 건조시키고 예열시켜 연소 및 열분해가 용이하게 이루어지도록 한다.

상기 그레이트(30)는 본 출원인에 의해 출원된 특허출원10-2009-0111778호에서 언급한 바와 같이 연소되고 남은 회재가 통과하는 통공이 다수 형성된 원판 형태로 제공될 수 있다.

상기 외기 챔버(40)는 상기 가스화 챔버의 하부를 일부 내입하도록 감싸는 통체로, 하부에는 상기 그레이트의 통공을 통해 배출된 왕겨 회재를 저장하는 포집부(41)가 형성되고, 상기 포집부의 상측에는 가스화 챔버에서 배출된 합성가스를 상부로 이송시키기 위하여 가스화 챔버의 하단 외측 둘레를 따라 다수 형성된 작은 직경의 가스유로(42)가 형성되고, 상기 가스유로 상측에는 가스화 챔버의 중단 측면을 감싸는 확장부(43)가 형성되고, 상기 확장부에는 합성가스 배출관(44)이 연통되어 합성가스의 배출이 이루어지도록 한다.

이러한 외기챔버의 포집부 하부에는 배출구(45)가 형성되고, 상기 포집된 회재가 배출구로 용이하게 배출되도록 배출수단(50)이 더 설치된다.

상기 배출수단(50)은 도 2를 참조한 바와같이 관체를 나선방향으로 감아 외기 챔버인 포집부 하부에 회전가능하게 수평으로 설치되는 스프링관(51)과, 상기 스프링관을 회전시키는 모터(52)와, 상기 스프링관의 내부로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급장치(53)로 구성된다.

상기 구성을 갖는 배출수단은 모터의 회전력을 전달받아 스프링관이 회전하면서 포집부 하부의 회재를 일측으로 밀어서 배출구를 통해 외기챔버 외부로 배출하게 한다. 이때 상기 스프링관(51)의 내부에는 냉각수가 공급되어 잔여 불씨에 의해 가열된 스프링관을 냉각시켜 고열에 의한 구조변경과 슬래그 형성을 방지함으로써 배출량을 일정하게 유지하게 한다. 아울러 도시되지 않았지만 상기 포집부가 위치하는 외기 챔버의 외면에는 별도의 냉각수단 예컨대 냉각 챔버를 더 구비하여 회재의 열을 낮춰 슬래그 형성을 방지하게 할 수 있다.

또한, 상기 스프링관(51)은 자체적으로 회전이 이루어짐으로 고정되는 냉각수공급장치(53)로부터 원활하게 냉각수를 공급받을 수 있도록 스프링관(51)과 냉각수공급장치(53) 사이를 유니버셜조인트(511)로 연결한다. 다른 예로는 상기 스프링관의 양단부를 포집부를 형성하는 외기챔버에 베어링결합하고, 상기 베어링 내부의 냉각수 유로와 외부의 고정된 냉각수 공급장치는 공지된 다양한 방법을 적용하여 기밀성이 유지되도록 연결함으로써 누수 없이 냉각수의 연속공급이 이루어지도록 한다.

아울러 상기 스프링관(51)은 스프링관의 감긴 간격을 동일하게 형성할 수 있으나, 도 3을 참조한 바와같이 배출구가 형성된 단부측으로 점진적으로 좁은 간격을 갖도록 할 수 있다. 이는 스프링관 회전으로 발생되는 압밀에 의해 이동되는 회재가 배출구 부근에서 스프링관의 양측면으로 이탈되는 것을 방지하기 위한 것으로, 가장 큰 압력이 작용하는 배출구 부근의 스프링관 간격을 좁게 형성하여 측면이탈을 최소화한 것이다.

상기 회재호퍼(60)는 외기챔버의 배출수단에 의해 배출된 회재를 임시 저장하는 챔버이다. 상기 회재호퍼는 상부가 외기챔버의 배출구(45)와 연통되어 회재를 공급받고, 하부에는 이송관(70)에 연통되어 임시 저장된 회재를 이송관의 송풍압에 의해 이송되도록 한다.

이 때 상기 이송관은 송풍기로 외부공기를 유입하여 이송기체로 사용함으로 상기 이송관의 공기가 회재호퍼를 통해 외기 챔버로 유입되는 것을 차단하기 위해서 상기 회재호퍼에는 일정두께 이상의 회재층(61)을 형성한다. 상기 회재층은 회재호퍼의 공간을 구획하여 상하부 기체가 유통되는 것을 차단 또는 억제하여 공기가 외기 챔버로 유입되어 합성가스의 성분 순도가 낮아지는 것을 방지할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 그레이트(30)는 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이 지름이 서로 다른 다수의 원봉을 동일 중심으로 배열한 원망체(32)와, 상기 원망체의 상부면에 일체로 부착되어 가스화챔버의 내벽에 고정 또는 일체로 결합되는 고정바(33)로 구성된다.

상기 그레이트(30)는 가스화챔버 내로 투입되는 왕겨가 외기챔버로 직접 투입되지 않도록 걸림역활을 하여 왕겨층을 형성하고 이를 지지하게 하며, 연소 및 열분해가 이루어진 회재는 외기챔버로 배출시켜 왕겨층에서의 연소 및 열분해두께를 일정하게 조절하도록 한다.

상기 그레이트의 구성중 원망체(32)는 도시된 원봉으로 환형으로 한 형태 이외에 메쉬 또는 다공판으로 형성할 수 있으며, 상기 고정바(33)는 도시된 형태 이외에 원망체를 고정시킬 수 있는 다양한 형태로 형성할 수 있다.

아울러 상기 왕겨층(31)은 하부의 연소구간에서 연소된 회재가 낙하하여 제거되면서 상부의 왕겨층이 하부로 내려오는 위치변경이 이루어져야 하는데 상기 왕겨와 회재의 중량이 매우 작기 때문에 서로 뭉쳐서 내려오지 않고 터널이 형성되는 문제점이 발생된다.

따라서, 상기 뭉쳐진 회재를 긁어 내기 위해 상기 그레이트(30)의 하부에는 스크래퍼(80)가 더 장착될 수 있다.

상기 스크래퍼(80)는 도 6과 도 7을 참조한 바와같이 상기 그레이트(30)의 원망체(32) 사이로 돌출되어 왕겨층을 긁어내는 다수의 돌출봉(81)과, 상기 돌출봉 하단과 일체로 결합되어 모터 동력으로 회전되는 회전대(82)로 구성된다. 상기 돌출봉은 도시된 바와같이 그 길이를 그레이트를 통과하도록 길게 형성하여 그레이트의 고정바 상부 왕겨층(연소된 후의 회재)을 긁어 내도록 할 수 있다. 이러한 돌출봉은 그레이트의 고정바에 의해 회전이 제한받으므로 도시된 바와같이 90ㅀ 범위내에서 회동되도록 한다.

다른 예로는 도 8에 도시된 바와같이 상기 그레이트의 고정바(33) 하부 중 돌출봉의 진행로 부분에 "∩" 형태의 홈(331)을 형성하여 회전하는 돌출봉(81)이 걸리지 않고 통과되도록 함으로써 일방향으로 연속적인 회전이 이루어지도록 할 수 있다.

아울러 도 9에 도시된 바와같이 상기 고정바(33)를 "∩" 형태 굴곡부가 형성되도록 하여 돌출봉의 연속회전이 가능하게 할 수 있다.

본 발명의 작동상태를 도면을 참조하여 설명하면,

왕겨 가스화 장치(10)에서 왕겨는 상부에서 투입하여 하부로 이동하게 되는데, 하부로 이동하는 동안에 연소층을 형성하고 연소후 생성된 숯과 가스 그리고 열이 하부로 이동하면서 가스화층을 형성하게 된다.

강제 공기투입으로 왕겨 부분연소에 의해 형성된 숯은 가스와 반응하여 합성가스를 생성하게 되는데, 왕겨 비중이 가벼운 이유로 종종 터널 구조를 형성하게 된다. 이는 회재의 연속배출이 이루어지지 않는 경우 더욱 심하게 발생하게 된다.

왕겨 가스화시에 형성된 회재로부터 용융 슬래그 형성을 억제하기 위해서는 왕겨 가스화 고온층에서 체류시간을 짧게 유지해야 한다.

따라서, 왕겨층에 물리적인 힘이 가해질 수 있도록 하여 터널 구조 형성을 방지하고 반응된 회재층이 신속하게 하부로 이동하도록 왕겨층을 지지해주는 망구조의 그레이트(30) 하부에 스크래퍼(80)를 설치하여 그레이트의 빈공간을 통하여 주기적으로 움직여 회재층을 긁어내어 배출이 이루어지도록 한다. 배출된 회재는 외기 챔버의 포집부에 일시적으로 저장된 다음 배출수단(50)에 의해 회재호퍼(60)로 이송한 다음 이송관의 송풍압력에 의해 회재를 최종 배출하게 된다. 이때 상기 배출수단의 스프링관(51)은 내부에 냉각수가 유동되도록 하여 회재불씨에 의한 구조변경 및 회재로부터의 슬래그 형성을 방지하도록 한다.

본 발명에 따른 왕겨 가스화장치를 이용하여 가스화 챔버의 온도를 측정하였다.

예컨대 도 1에 도시된 바와 같이 가스화장치에서 회재배출이 연속적으로 이루어지도록 하면서 가스화 챔버에 적층된 왕겨층 중 상층부의 건조부분(T1), 중간하부의 연소부분(T2), 하층부인 열분해가스화층(T3)의 운전시간별 온도를 측정하여 도 10에 나타내었다. 참조한 바와같이 시간이 지남에 따라 각 층에서의 온도변화가 미비하게 나타남을 알 수 있다. 이는 회재배출이 원활하게 이루어져 각층의 비율이 원활하게 유지됨을 알 수 있다.

또한, 상기 조건에서의 생성된 합성가스의 가스조성을 분석하여 도 11에 나타내었다. 참고한 바와 같이 시간에 따른 가스조성이 일정한 것을 알 수 있으며, O₂의 성분이 낮게 나타난 것으로 보아 회재호퍼에서 회재배출시 이송관의 공기가 외기 챔버로 유입되지 않음을 알 수 있다.

10 : 가스화장치
20 : 가스화챔버
30 : 그레이트
31 : 왕겨층 32 : 원망체
33 : 고정바 331 : 홈
40 : 외기챔버
41 : 포집부 42 : 가스유로
43 : 확장부 44 : 합성가스
45 : 배출구
50 : 배출수단
51 : 스프링관 52 : 모터
53 : 냉각수공급장치 511 : 유니버셜조인트
60 : 회재호퍼 61 : 회재층
70 : 이송관
80 : 스크래퍼
81 : 돌출봉 82 : 회전대
90 : 공급기

Claims

공급받은 왕겨를 합성가스로 가스화하는 가스화챔버(20)와, 상기 챔버의 하단에 설치되어 왕겨층을 지지하는 그레이트(30)와, 상기 가스화챔버의 하단을 일부 내포하여 합성가스는 상부로 배출하고 가스화하고 남은 회재는 하부로 포집하여 배출수단에 의해 배출구(45)로 배출하는 외기챔버(40)와, 상기 외기챔버의 배출구와 연통되어 배출된 회재를 이송시키는 이송관(70)을 포함하는 왕겨 가스화장치(10)에 있어서,
상기 외기챔버의 배출구와 이송관 사이에는 회재호퍼(60)를 더 구비하여 외기챔버에서 배출되는 회재를 일정두께로 쌓아 회재층을 형성해 이송관으로 이송되는 공기가 외기챔버로 유입되는 것을 방지한 것을 특징으로 하는 왕겨 가스화 장치.
제1항에 있어서,
상기 외기챔버의 배출수단(50)은
관체를 나선으로 감아 형성되고, 외기챔버에 회전가능하게 장착되어 회재를 배출구로 이송시키는 스프링관(51)과;
상기 스프링관을 회전시키는 동력을 전달하는 모터(52)와;
상기 스프링관의 내부로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급장치(53);로 구성되는 것을 특징으로 하는 왕겨 가스화장치.
제2항에 있어서,
상기 회전하는 스프링관과 외부에 고정된 냉각수 공급장치 사이에는 유니버셜조인트(511)로 연결하여 스프링관에 냉각수 공급이 이루어지게 한 것을 특징으로 하는 왕겨 가스화장치.
제2항에 있어서,
상기 스프링관(51)의 감긴 간격은 배출구가 형성된 단부측으로 점진적으로 좁은 간격을 갖도록 형성한 것을 특징으로 하는 왕겨 가스화장치.
제1항에 있어서,
상기 그레이트(30)는 지름이 서로 다른 다수의 원을 동일 중심으로 배열한 원망체(32)와, 상기 원망체의 상부면에 일체로 부착되어 가스화챔버의 내벽에 고정시키는 고정바(33)로 구성되어 가스화 챔버내의 왕겨층을 지지하도록 한 것을 특징으로 하는 왕겨 가스화장치.
제5항에 있어서,
상기 그레이트(30)의 하부에는 그레이트의 원망체 사이로 돌출되어 왕겨층을 긁어내는 다수의 돌출봉(81)과, 상기 돌출봉 하단과 일체로 결합되어 모터 동력으로 회전되는 회전대(82)로 구성된 스크래퍼(80)가 더 장착되는 것을 특징으로 하는 왕겨 가스화장치.
제6항에 있어서,
상기 고정바(33)는 돌출봉의 진행로 부분을 "∩" 형태의 홈(331)을 형성하여 진행되는 돌출봉이 걸리지 않도록 한 것을 특징으로 하는 왕겨 가스화장치.