KR101162619B1 - 유기랭킨사이클(ｏｒｃ)을 이용한 바이오매스 합성가스 중저온 폐열회수 발전시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바이오매스로부터 열분해과정을 통해 얻은 합성가스의 폐열을 이용 발전에 이용할 수 있도록 한 유기랭킨사이클(ORC, Organic Rankine Cycle)을 이용한 바이오매스 합성가스 중저온 폐열회수 발전시스템에 관한 것으로, 바이오매스(20) 건조를 위한 강제식건조기(50)를 원료공급장치(21)에 설치하고, 유기랭킨사이클(30)에서 열교환 된 후 싸이클론(23)으로 향하는 합성가스가 강제식건조기(50)를 경유하도록 강제식건조기(50)를 유기랭킨사이클(30)과 싸이클론(23) 사이에 접속하여 구성된 것이다.
Description
본 발명은 바이오매스로부터 열분해과정을 통해 얻은 합성가스의 폐열을 이용 발전에 이용할 수 있도록 한 유기랭킨사이클(ORC, Organic Rankine Cycle)을 이용한 바이오매스 합성가스 중저온 폐열회수 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우드칩, 판껍집, 왕겨 등과 같은 목질계 바이오매스로부터 가스화반응기를 통해 발생되는 연소성 합성가스가 지닌 중저온(약 70℃~450℃) 폐열을 이용 유기랭킨사이클을 구동하기 위한 기계적인 동력을 얻고 그 동력으로 발전에 이용할 수 있도록 한 유기랭킨사이클을 이용한 바이오매스 합성가스 중저온 폐열회수 발전시스템에 관한 것이다.
현재 산업과 과학의 발달로 인한 무분별한 화석연료의 사용은 에너지자원의 고갈과 환경오염 등의 문제를 야기시켜, 이의 해결을 위한 청정 신에너지에 대한 연구가 전 세계적으로 집중되고 있다. 이 중 바이오매스(Biomass)는 화석연료보다 비교적 높은 H/C 비를 갖기 때문에 신에너지인 수소 또는 합성가스(Syngas)를 생산하기 위한 가스화 특성이 우수한 특징을 가지고 있으며, 구성성분 내 중금속, 황, 질소를 거의 함유하지 않는 점에서 환경오염 저감과 동시에 대체 신에너지로써 각광을 받고 있다.
이와 같은 바이오매스를 이용한 가스화 반응은 바이오매스의 완전연소에 필요한 공기량의 25~35%를 공급하여 부분연소를 유도함으로써 연소성 합성가스를 생산하게 된다. 바이오매스 가스화 공정에서 얻어지는 합성가스 중 가연성분은 수소(H2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4)이 대부분으로서, 산화제를 공기로 이용할 때에 질소(N2)가 50% 내외로 포함된다. 바이오매스 가스화 과정에서 얻어지는 합성가스는 충분한 정제과정을 거친 후 일산화탄소(CO)와 수소(H2)의 비율을 조정하여 다양한 후속공정에서 이용하게 된다.
첨부도면 도 1은 종래 바이오매스 가스화 발전시스템을 보인 도면으로서, 이에 도시된 바와 같이 목질계 바이오매스(10)를 공급하기 위한 원료공급장치(11)와, 원료공급장치(11)로부터 공급된 바이오매스(10)로부터 열분해반응에 의해 연소성 합성가스를 생성하기 위한 가스화반응기(12)와, 가스화반응기(12)로부터 흡입되는 고온의 합성가스를 콘(Cone) 형태의 본체 내부 접선방향으로 유도시켜 선회륜의 원심력 차이에 의해 숯(Char), 회분(Ash) 등 비교적 큰 분진성 입자를 1차로 제거하기 위한 싸이클론(13)과, 싸이클론(13)을 통과한 합성가스의 온도를 대략 600℃에서 150℃로 낮추는 동시에 반대로 열교환 매체인 흡입공기의 온도를 30℃에서 130℃로 승온시켜 바이오매스(10)의 건조에 필요한 열원을 제공하는 셀-튜브(Shell-Tube)방식의 열교환기(14)와, 열교환기(14)를 통과한 합성가스를 엔진발전기(18)의 연료로 사용되기에 적합한 온도인 상온으로 냉각하고, 전단의 열교환 과정에서 필연적으로 발생된 타르(Tar)를 제거하기 위해 내부에 액상의 세정액(물 또는 바이오오일)을 분사함으로써 합성가스의 냉각과 타르제거를 동시에 수행하는 스크러버(15)와, 가스화반응기(12)로부터 싸이클론(13)과 열교환기(14) 및 스크러버(15)를 경유하는 합성가스의 이동에 필요한 흡입력을 제공하기 위한 블로어(16)와, 스크러버(15)를 통과한 합성가스에 잔류하는 미량의 물입자와 타르입자를 제거하기 위해 내부에 위치된 우드칩, 톱밥이 등이 적재된 톱밥(Saw Dust)필터 또는 헤파필터로 통과시켜 합성가스를 최종적으로 정제하기 위한 가스개질기(17)와, 최종적으로 정제된 합성가스를 원료로 하여 전력을 생산하는 내연기관 형태의 엔진발전기(18)로 이루어져 있었다.
또한, 바이오매스(10)로부터 합성가스를 생성하기 위한 가스화반응기(12)는 하향류식으로 이루어져 있으며, 상부에 우드칩, 왕겨, 판껍질 등의 바이오매스(10)가 투입되면, 상부에서 하부로 각각 건조영역(A), 열분해영역(B), 산화영역(C), 환원영역(D)을 형성하게 되며, 하향 통과한 가스가 환원영역(D)의 차르(char)와 반응하므로써 최종적으로 연소성 합성가스가 생성된다.
그러나, 이와 같은 종래 바이오매스 가스화 발전시스템에서는 고온(약 850℃ 안팎)의 합성가스가 갖고 있는 열을 제대로 활용하지 못하고 가스화반응기(12)로부터 곧 바로 싸이클론(13)을 통과하도록 구성되어 있기 때문에 싸이클론(13)의 내부에서 일어나는 선회류 정제과정에서 많은 열을 싸이클론(13)에 빼앗겨 공중으로 방출되는 문제점이 있었다.
또한, 싸이클론(23)을 통과한 합성가스에는 여전히 많은 열을 보유하고 있기 때문에 합성가스를 냉각하기 위한 스크러버(15)로 공급되는 세정액을 낮은 온도로 유지하여야 하는 어려움이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 바이오매스로부터 열분해과정을 통해 얻은 합성가스가 지닌 중저온(약 70℃~450℃) 폐열을 이용해서 발전에 이용할 수 있는 유기랭킨사이클(ORC)을 이용한 바이오매스 합성가스 중저온 폐열회수 발전시스템을 제공함에 있다.
이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 바이오매스 건조를 위한 강제식건조기를 원료공급장치에 설치하고, 유기랭킨사이클에서 열교환 된 후 싸이클론으로 향하는 합성가스가 강제식건조기를 경유하도록 강제식건조기를 유기랭킨사이클과 싸이클론 사이에 접속하여 유기랭킨사이클을 이용한 바이오매스 합성가스 중저온 폐열회수 발전시스템이 제공된다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 바이오매스를 이용한 가스화 발전시스템에서 발생되는 합성가스의 중저온 폐열을 이용해서 유기랭킨사이클에 구비된 발전기를 구동하기 위한 동력을 얻을 수 있도록 구성되어 있기 때문에 버려지는 중저온 폐열을 이용 추가발전이 가능하게 되는 효과가 있다.
더 나아가서 본 발명은 가스개질기에 가스탱크가 구비되는 경우 가스개질기로부터 최종 정제되어 공급되는 연소성 합성가스를 가스탱크에 저장하여 둘 수 있으므로, 바이오매스의 공급이 차단된 경우 가스탱크에 저장된 합성가스를 이용 엔진발전기를 지속적으로 가동할 수 있는 것은 물론 타지역에 합성가스를 공급하여 다른 용도로 사용할 수 있는 효과도 있다.
또, 본 발명은 원료공급장치에 설치된 강제식건조기에 의해 유기랭킨사이클을 순환하여 싸이클론을 향해 되돌아오는 합성가스에 남은 잔열을 이용 원료공급장치를 통해 공급되는 바이오매스의 건조에 이용할 수 있도록 구성되어 있기 때문에 바이오매스 건조에 소요되는 비용 및 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 합성가스보다 열관성이 높은 써멀오일을 통해 합성가스와 냉매 간의 열교환이 간접적으로 이루어지도록 구성되어 있기 때문에 합성가스의 온도변화가 극심한 경우 온도변화에 비교적 둔감한 써멀오일이 중간에서 냉매의 온도변화를 감소시킴으로써 합성가스의 온도변화에 의해 발생할 수 있는 유기랭킨사이클의 오동작을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 바이오매스 가스화 발전시스템을 보인 도면
도 2는 본 발명에 따른 유기랭킨사이클을 이용한 바이오매스 합성가스 중저온 폐열회수 발전시스템을 보인 도면
도 3은 본 발명에 적용된 일반적인 유기랭킨사이클을 보인 도면
도 4는 본 발명에 따른 유기랭킨사이클을 보인 도면
도 5는 본 발명에 따른 강제식건조기를 개략적으로 보인 도면
도 2는 본 발명에 따른 유기랭킨사이클을 이용한 바이오매스 합성가스 중저온 폐열회수 발전시스템을 보인 도면
도 3은 본 발명에 적용된 일반적인 유기랭킨사이클을 보인 도면
도 4는 본 발명에 따른 유기랭킨사이클을 보인 도면
도 5는 본 발명에 따른 강제식건조기를 개략적으로 보인 도면
이하 본 발명에 따른 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
첨부도면 도1 내지 도5에 도시된 바와 같이 바이오매스(20)를 공급하기 위해 예컨대 콘베이어벨트와 같은 원료공급장치(21)와, 원료공급장치(21)로부터 공급된 바이오매스(20)로부터 열분해반응에 의해 연소성 합성가스를 생성하여 가스배출관(22p)을 통해 공급하는 가스화반응기(22)와, 가스흡인관(23p)을 통해 흡입된 합성가스에 포함된 분진성 입자를 제거하기 위한 싸이클론(23)과, 합성가스의 냉각과 타르제거를 동시에 수행하는 스크러버(24)와, 합성가스의 이동에 필요한 흡입력을 제공하기 위한 블로어(25)와, 블로어(25)를 통과한 합성가스에 잔류하는 미량의 물입자와 타르입자를 제거하기 위한 가스개질기(26)와, 가스개질기(26)로부터 공급되는 합성가스를 원료로 하여 전력을 생산하는 엔진발전기(27)로 이루어진 통상의 구성을 갖는다.
여기서 상기 가스화반응기(22)의 가스배출관(22p)과 싸이클론(23)의 가스흡입관(23p)에 유기랭킨사이클(30)의 증발기(31)를 접속한다. 즉, 가스화반응기(22)의 가스배출관(22p)을 통해 배출되는 합성가스는 접속된 관을 경유 유기랭킨사이클(30)에 구비된 증발기(31)로 공급되면서 유기랭킨사이클(30)에 구비된 냉매와 열교환된 후 싸이클론(23)에 설치된 가스흡인관(23p)으로 유입된다.
또, 첨부도면 도5에 도시된 바와 같이 상기 바이오매스(20) 건조를 위한 강제식건조기(50)를 원료공급장치(21)에 설치하고, 상기 유기랭킨사이클(30)에서 열교환 된 후 싸이클론(23)으로 향하는 합성가스가 강제식건조기(50)를 경유하도록 강제식건조기(50)를 유기랭킨사이클(30)과 싸이클론(23) 사이에 접속한다.
이와 같은 강제식건조기(50)는 2중으로 된 원형파이프(52)의 내부에 합성가스가 통과되면서 열을 방출하는 코일(54)을 감아서 형성하게 되며, 원형파이프(52)의 중심으로 원료공급장치(21)가 통과되도록 할 수 있다.
그리고, 목질계 바이오매스(20)의 수분함량이 올라갈 수록 가스화효율이 크게 떨어지므로, 위와 같이 강제식건조기(50)를 이용 바이오매스(20)를 건조하는 것은 매우 중요하게 된다.
또, 강제식건조기(50)에 바이오매스(20)를 향해 바람을 생성하는 팬(도시 생략)을 설치하여 합성가스의 열을 보다 많이 활용할 수 있도록 할 수 있다.
상기 합성가스를 저장하기 위한 가스탱크(40)를 상기 가스개질기(26)에 추가로 접속할 수 있으며, 고정식 또는 이동식으로 구성할 수 있다.
첨부도면 도4에 도시된 바와 같이 상기 합성가스보다 열관성(熱慣性)이 높은 써멀오일(61)을 갖는 열관성열교환기(60)를 상기 유기랭킨사이클(30)의 증발기(31)에 접속하고, 열관성열교환기(60)에 합성가스를 통과시켜 합성가스와 냉매간의 열교환이 써멀오일(61)을 통해 간접적으로 이루어지도록 한다.
이와 같은 합성가스보다 높은 열관성을 갖는 써멀오일(61)은 합성가스의 온도변화가 극심한 경우에도 온도변화에 비교적 둔감하게 반응하여 합성가스의 온도변화에 의한 유기랭킨사이클(30)의 오작동을 방지하게 된다.
한편, 유기랭킨사이클(30)은 통상의 경우에서와 같이 냉매(예, R-245fa)를 순환시키기 위한 펌프(32)와, 가스화반응기(22)로부터 공급되는 합성가스와 냉매의 열교환에 의해 냉매를 증발시키기 위한 증발기(31)와, 증발기(31)에서 증발된 냉매에 의해 회전력을 발생시키기 위한 터빈(33)과, 터빈(33)의 회전에 의해 전력을 생산하는 발전기(34)와, 터빈(33)을 통과한 냉매를 수냉 또는 공냉으로 냉각하여 응축시키기 위한 응축기(35)로 이루어진다.
이하 본 발명에 따른 작용을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부도면 도1 내지 도5에 도시된 바와 같이 우드칩, 왕겨, 판껍질 등으로 된 목질계 바이오매스(20)가 원료공급장치(21)에 의해 가스화반응기(22)의 상부로 투입되어 약 25~35%의 공기로 부분연소가 이루어지게 되면, 증발기(31)의 상층부에서 하층부로 각각 건조영역, 열분해영역, 산화영역, 환원영역이 형성되며, 하향 통과한 가스가 환원영역의 차르(char)와 반응하여 최종적으로 연소성 합성가스가 생성된다.
이때 블로어(25)를 구동하게 되면, 스크러버(24), 싸이클론(23), 유기랭킨사이클(30)의 증발기(31), 가스화반응기(22)의 가스배출관(22p)을 향해 차례로 부압이 형성되면서 합성가스가 가스화반응기(22)에 설치된 가스배출관(22p)을 통해 강제로 압송되어 유기랭킨사이클(30)의 증발기(31)로 향하게 된다.
이때 유기랭킨사이클(30)의 증발기(31)로 공급된 고온의 합성가스는 펌프(32)에 의해 유기랭킨사이클(30)을 순환하는 냉매를 증발시키게 되며, 증발기(31)에서 증발된 냉매는 터빈(33)을 회전시켜 발전기(34)에 의해 전력을 생산하는 일을 하게 된다.
이후 터빈(33)을 통과한 냉매는 응축기(35)를 통과하는 물 또는 공기에 의해 냉각되어 응축되고 펌프(32)에 의해 순환하여 증발과 응축을 반복하면서 터빈(33)을 가동하게 되며, 증발기(31)에서 열교환을 마친 합성가스는 싸이클론(23)을 향해 압송된다.
이와 같이 싸이클론(23)에 도착된 합성가스는 가스흡인관(23p)을 통해 싸이클론(23) 내부로 진입되면서 콘(Cone) 형태로 된 싸이클론(23) 본체 내부에서 접선방향으로 유도되어 선회륜의 원심력 차이에 의해 숯(Char), 회분(Ash) 등 비교적 큰 분진성 입자가 제거된다.
그 다음 싸이클론(23)을 통과한 합성가스는 스크러버(24)의 내부에서 분사되는 액상의 세정액(물 또는 바이오오일)에 의해 엔진발전기(27)의 연료로 사용되기에 적합한 온도인 상온으로 냉각되는 동시에 타르도 제거된다.
이때 스크러버(24)를 통과한 합성가스는 블로어(25)를 통해 가스개질기(26)를 통과하게 되는데, 이 과정에서 가스개질기(26)에 적재된 우드칩, 톱밥이 등으로 된 톱밥(Saw Dust)필터 또는 헤파필터에 의해 합성가스에 포함되어 있던 미량의 물입자와 타르입자가 최종적으로 제거되어 엔진발전기(27)로 향하게 된다.
이와 같이 가스개질기(26)에서 정제된 연소성 합성가스는 내연기관 형태의 엔진발전기(27)에서 발전에 이용되며, 가스개질기(26)에 가스탱크(40)가 접속된 경우 합성가스를 가스탱크(40)에 저장할 수 있게 된다.
한편, 첨부도면 도5에 도시된 바와 같이 원료공급장치(21)에 강제식건조기(50)가 설치된 경우 유기랭킨사이클(30)에서 열교환을 마친 합성가스가 싸이클론(23)으로 압송되기 전에 먼저 강제식건조기(50)를 경유하게 되며, 이때 원료공급장치(21)에 의해 공급되는 바이오매스(20)가 합성가스가 방출하는 열에 의해 건조되어 바이오매스(20)의 수분함량이 적정한 수준으로 낮아지면서 가스화반응기(22)에 의한 가스화 효율이 향상된다.
또, 첨부도면 도4에 도시된 바와 같이 합성가스보다 열관성(熱慣性)이 높은 써멀오일(61)을 갖는 열관성열교환기(60)가 유기랭킨사이클(30)의 증발기(31)에 접속된 경우 합성가스와 냉매 간의 열교환이 써멀오일(61)을 통해 간접적으로 이루어지게 되며, 이때 합성가스의 온도변화가 극심한 경우에도 비교적 온도변화에 둔감한 써멀오일(61)에 의해 냉매의 온도변화는 크게 일어나지 않게 되어 냉매의 온도변화에 따른 유기랭킨사이클(30)의 오동작이 방지된다.
20 : 바이오매스 21 : 원료공급장치
22 : 가스화반응기 22p : 가스배출관
23 : 싸이클론 23p : 가스흡인관
24 : 스크러버 25 : 블로어
26 : 가스개질기 27 : 엔진발전기
30 : 유기랭킨사이클 31 : 증발기
32 : 펌프 33 : 터빈
34 : 발전기 35 : 응축기
40 : 가스탱크 50 : 강제식건조기
60 : 열관성열교환기 61 : 써멀오일
22 : 가스화반응기 22p : 가스배출관
23 : 싸이클론 23p : 가스흡인관
24 : 스크러버 25 : 블로어
26 : 가스개질기 27 : 엔진발전기
30 : 유기랭킨사이클 31 : 증발기
32 : 펌프 33 : 터빈
34 : 발전기 35 : 응축기
40 : 가스탱크 50 : 강제식건조기
60 : 열관성열교환기 61 : 써멀오일
Claims (4)
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- 바이오매스(20) 건조를 위한 강제식건조기(50)를 원료공급장치(21)에 설치하고, 유기랭킨사이클(30)에서 열교환 된 후 싸이클론(23)으로 향하는 합성가스가 강제식건조기(50)를 경유하도록 강제식건조기(50)를 유기랭킨사이클(30)과 싸이클론(23) 사이에 접속하여 구성한 것을 특징으로 하는 유기랭킨사이클을 이용한 바이오매스 합성가스 중저온 폐열회수 발전시스템.
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