KR101170410B1 - 워터실을 이용한 잔류물 회수구조를 갖는 바이오매스 가스화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 워터실(water seal)을 이용한 잔류물 회수구조를 갖는 바이오매스 가스화장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 우드칩, 폐목등을 가스화하는 바이오매스 가스화장치에서 대기압보다 낮은 조건을 유지하고 있는 가스화기, 열교환기 및 스크러버 등 부속 챔버로부터 회재 및 미연탄소나 합성가스에 포함되어 있는 수분과 타르를 회수하도록 각 챔버의 배출부위를 수중에 잠기도록 하여 외부로부터 공기유입차단과 합성가스에 포함된 수분과 타르를 간단하게 회수할 수 있는 바이오매스 가스화장치에 관한 것이다.

Description

워터실을 이용한 잔류물 회수구조를 갖는 바이오매스 가스화장치{Biomass Gasifier with Residues Recovery Structure using Water Seal}

본 발명은 워터실(water seal)을 이용한 잔류물 회수구조를 갖는 바이오매스 가스화장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 우드칩, 폐목등을 가스화하는 바이오매스 가스화장치에서 대기압보다 낮은 조건을 유지하고 있는 가스화기, 열교환기 및 스크러버 등 부속 챔버로부터 회재 및 미연탄소나 합성가스에 포함되어 있는 수분과 타르를 회수하도록 각 챔버의 배출부위를 수중에 잠기도록 하여 외부로부터 공기유입차단과 합성가스에 포함된 수분과 타르를 간단하게 회수할 수 있는 바이오매스 가스화장치에 관한 것이다.

일반적으로 우드칩 또는 폐목등의 바이오매스를 가스화하는 장치는 가스화기와, 상기 가스화챔버에서 생성된 가스를 열교환하여 불순물을 분리하는 열교환기와, 상기 열교환으로 불순물이 분리된 가스의 잔여 불순물을 제거하는 스크러버를 포함하는 구조를 갖고 있다.

상기 구조를 갖는 가스화장치의 가스화기에서 바이오매스를 가스화하게 되면 미반응 탄소분이 회재성분과 같이 남게 되고, 액체성분으로 물과 타르성분이 합성가스로부터 분리되어 남게 된다. 회재, 물, 타르등의 잔류물은 합성가스에 포함시 불순물로 작용하게 되는데, 순도를 향상시키기 위해서는 이들 잔류물을 최대한 분리해주어야 한다.

따라서, 가스화기에서 생성된 합성가스 성분을 후단 공정에서 배기팬으로 흡입하여 배출하는 시스템구조를 갖고 있다. 이러한 가스화장치는 가스화기를 포함한 열교환기, 스크러버, 각종 필터 시스템이 상압보다 낮은 상태에서 운전됨으로 잔류물을 회수하기 위하여 각 챔버의 배출구를 열게 될 경우, 외부로부터 공기유입에 의해 합성가스를 희석시키는 결과를 초래하여 합성가스의 순도를 저하시켜 발열량을 저하되는 원인으로 작용하게 된다.

그러므로 기존에는 상압보다 낮은 압력을 지닌 가스화기에서는 잔류물을 배출하기 위해 도 7에서와 같이 챔버(1) 하부의 배출관(2)과 연통되는 록 호퍼(Lock Hopper; 3)를 사용해야 하는데, 이는 밸브(4) 및 제어를 위한 설비가 매우 복잡해지는 단점이 있다.

따라서, 회재, 타르, 물 등의 잔류물을 효과적으로 배출하면서 가스화장치의 제조비를 절감시킬 수 있는 장치에 대한 연구가 필요하다.

이에 본 발명에 따른 워터실을 이용한 잔류물 회수구조를 갖는 바이오매스 가스화장치는,

상압보다 낮은 압력상태로 운전되는 가스화장치에서 생성된 합성가스 내에 포함되는 분체, 타르, 물 등의 잔류물을 워터실에 의해 경제적이고 효율적으로 분리배출하는 장치의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 워터실을 이용한 잔류물 회수구조를 갖는 바이오매스 가스화장치는,

바이오매스를 연소 및 열분해하여 가스화하는 가스화기와, 상기 가스화기에서 생성된 고열의 합성가스를 열교환에 의해 온도를 낮춰 타르 수분 이물질 등의 잔류물을 분리하는 열교환기와, 상기 열교환된 합성가스 내에 미세 잔류물을 분리제거하는 스크러버와, 상기 가스화기와 열교환기와 스크러버를 구성하는 각 챔버의 하단에 형성되어 회재, 타르, 수분 등의 잔류물을 배출시키는 배출관을 포함하여 구성되어 대기압보다 낮은 기압으로 운전되는 바이오매스 가스화장치에 있어서, 상기 배출관의 하부에는 물이 저장된 수조인 워터실을 구비하여 배출관의 하단이 수조에 저장된 물에 잠겨 외부의 공기가 배출관을 통해 챔버 내부로 유입되는 것을 차단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가스화기에 설치된 워터실은 수조의 물을 펌핑하는 펌프와, 상기 펌핑된 물을 배출관 상측으로 이송하는 이송관과, 상기 이송된 물을 분사하는 분사구를 더 구비하여 물분사로 인해 잔류물인 회재가 수조에 용이하게 투입되도록 할 수 있다.

또한, 상기 열교환기와 스크러버의 하단에 형성된 배출관에는 타르를 함유하는 액체 잔류물의 유동성을 확보하기 위해 국부가열기가 더 설치될 수 있다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 워터실을 이용한 잔류물 회수구조를 갖는 바이오매스 가스화장치는,

워터실에 의해 외부 공기의 유입을 차단하면서 가스화장치의 구성요소인 반응기, 열교환기 및 스크러버로부터 합성가스 불순물인 잔류물을 경제적이고 효과적으로 배출할 수 있는 장치의 제공이 가능하게 되었다.

도 1은 본 발명에 따른 바이오매스 가스화장치를 도시한 전체 개략도.
도 2는 본 발명의 실시에에 따른 워터실의 장착상태를 도시한 개략도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 워터실을 도시한 개략도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 국부가열기가 장착된 상태를 도시한 개략도.
도 5는 본 발명의 워터실이 구비된 가스화장치에서 수득한 합성가스조성 그래프.
도 6은 워터실이 구비되지 않은 가스화장치에서 수득한 합성가스조성 그래프.
도 7은 종래에 저압으로 운전되는 가스화장치에서 록호퍼가 장착된 예를 도시한 개략도.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 워터실을 이용한 잔류물 회수구조를 갖는 바이오매스 가스화장치를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 바이오매스 가스화장치를 도시한 전체 개략도로서 도시된 바와같이 본 발명에 따른 바이오매스 가스화장치(10)는 우드칩과 폐목등의 바이오매스를 공급하여 합성가스를 생산하는 가스화기(20)를 구비한다.

상기 가스화기(20)는 공급된 바이오매스를 연소 또는 열분해하여 다량의 합성가스와 회재를 생산하며, 일부 미반응 회재와 소량의 타르 및 액체성분으로 발생시킨다. 이러한 가스화기에서 생산되는 합성가스는 사이클론을 통해 미세 고체성분을 제거한 후 열교환기(30)로 투입된다. 또한, 합성가스를 생산하고 남은 미반응 회재, 타르, 기타 액체성분은 가스화기(20) 하부에 형성된 배출관(50)을 통해 외부로 배출된다.

상기 사이클론을 통과한 합성가스는 열교환기(30)에 공급된다. 상기 열교환기에서 고온상태의 합성가스를 열교환에 의해 온도를 낮추면서 합성가스 내에 포함되어 있는 타르등의 오일성분과 수분의 응축 분과 잔여 회재를 분리하여 열교환기 하부에 형성된 배출관(50)을 통해 외부로 배출한다.

상기 열교환기를 통과한 합성가스는 스크러버(40)를 통과하면서 미세잔류물을 분리하여 고순도의 합성가스를 수취하도록 한다.

상술된 바와같이 상기 가스화기(20), 열교환기(30), 스크러버(40)의 하단에는 각각의 챔버에서 분리된 회재와 타르 및 수분 등의 잔류물을 외부로 배출시키는 배출관(50)이 각각 형성된다.

상기 배출관(50)의 하부에는 도 2에 도시된 바와같이 물이 저장된 수조(61)인 워터실(60)이 구비되고, 상기 배출관의 하단은 상기 수조에 저장된 물에 잠겨 외부의 공기가 배출관을 통해 상기 챔버 내부로 유입되는 것을 차단한다.

이러한 워터실(60)은 배출관 하단을 수조 물에 침수시키는 것만으로 대기압보다 낮은 기압으로 운전되는 바이오매스 가스화장치의 내부와 외부를 분리하면서, 회재와 타르 및 수분 등의 잔류물 배출이 이루어질 수 있다.

이때 상기 잔류물 중 회재는 중량이 매우 낮은 다공성으로 내부 통공의 공기에 의해 수조의 물에 즉시 투입되지 않는 성질이 있으며, 타르는 점성이 강해 배출되는 속도가 매우 느리다.

따라서, 도 3에 도시된 바와같이 상기 가스화기(20)의 배출관이 담기는 워터실(60)에는 수조(61)의 물을 펌핑하는 펌프(62)와, 상기 펌핑된 물을 배출관 상측으로 이송하는 이송관(63)과, 상기 이송된 물을 분사하는 분사구(64)가 더 포함될 수 있다.

즉, 펌프(62)에 의해 펌핑된 수조(61) 물은 이송관(63)을 통해 배출관(50)의 상측부분으로 이송되고, 배출관의 상측 내부에 형성된 분사구(64)를 통해 배출관 하단방향으로 분사된다. 여기서 상기 분사구는 배출관내의 물 수위보다 높은 위치에 형성되도록 하여 상기 분사구를 통한 분사수가 물 수위표면에 적층되는 회재에 분사되어 회재가 신속하게 수조로 투입되게 하거나, 배출관 내벽에 부착된 회재을 씻겨 내리도록 한다.

여기서 상기 분사구(64)는 배출관의 상측 내벽에 형성되는 내입형태나, 내벽으로부터 관체중심으로 돌출되어 하부 방향으로 분사가 이루어지는 돌출형태 등 다양한 형태로 제공될 수 있으며, 물을 분사하는 통공 수도 하나 또는 다수로 형성할 수 있다.

또한, 상기 물분사는 가스화기의 워터실 이외에 열교환기나 스크러버에도 설치되어 사용될 수 있다.

아울러 도 4에 도시된 바와같이 상기 배출관(50)에는 국부가열기(70)가 더 설치될 수 있다. 상기 국부가열기는 열교환기(30) 및/또는 스크러버(40)의 하단에 형성된 배출관(50) 외벽에 형성되어 타르를 함유하는 액체 잔류물의 유동성을 확보하여 신속한 배출이 이루어지도록 한다. 상기 국부가열기의 대표적예로는 배출관 외벽에 가열자켓을 형성하고, 상기 가열자켓에 온수 또는 고온기체를 통해 가열이 이루어지도록 할 수 있으며, 상기 온수 또는 고온기체는 열교환기에서 사용된 온수 또는 고온기체를 사용하여 가열되도록 할 수 있다. 또한, 미도시되었지만 전열장치를 부착하여 가열이 이루어지도록 하는등 다양한 공지방법이 적용될 수 있다.

가스화기(20)에 우드칩을 공급하여 가스화에 의해 통상적으로 60-70% 수준의 합성가스와, 2-3%의 미반응된 회재, 1% 미만의 타르와 원료에 따라 다른 수분이 액체상태로 발생되도록 하였다.

가스화기(20) 및 열교환기(30)와 스크러버(40)는 약간의 진공상태를 유지하도록 -200 ~ -300mmAq 수준을 유지하였다.

상기 가스화기(20)에서 발생하는 회재, 열교환기(30)와 스크러버에서 응축 또는 분리되는 타르 및 수분은 하단에 설치된 배출관(50)을 통해 외부로 제거한다. 상기 각 부위의 하단에 설치된 배출관은 상술된 바와같이 수조에 하단이 잠기도록 하여 외부와 기밀이 유지되도록 하여 잔류물의 배출이 이루어지도록 하였다.

또한, 가스화기(20)의 회재는 물분사로 제거하고, 열교환기(30)나 스크러버(40)에서는 타르 흐름 유지를 위해서 국부적인 가열로 배출이 신속하게 이루어지도록 하였다.

이와같은 운전조건에서 시간에 따라 수득하는 합성가스의 조성을 도 5에 나타내었고, 동일한 조건의 운전에서 상기 워터실이 없는 가스화장치에서 시간에 따라 수득하는 합성가스 조성을 도 6에 나타내었다.

도 5와 도 6의 그래프를 비교한 바와같이 워터실이 구비된 가스화장치가 시간의 변화에 관계없이 비교적 균일한 가스조성의 합성가스를 제공함을 알 수 있다.

10 : 가스화장치
20 : 가스화기
30 : 열교환기
40 : 스크러버
50 : 배출관
60 : 워터실
61 : 수조 62 : 펌프
63 : 이송관 64 : 분사구
70 : 국부가열기

Claims (3)

1. 바이오매스를 연소 및 열분해하여 가스화하는 가스화기(20)와, 상기 가스화기에서 생성된 고열의 합성가스를 열교환에 의해 온도를 낮춰 타르 수분 이물질 등의 잔류물을 분리하는 열교환기(30)와, 상기 열교환된 합성가스 내에 미세잔류물을 분리제거하는 스크러버(40)와, 상기 가스화기와 열교환기와 스크러버를 구성하는 각 챔버의 하단에 형성되어 회재, 타르, 수분 등의 잔류물을 배출시키는 배출관(50)을 포함하여 구성되어 대기압보다 낮은 기압으로 운전되는 바이오매스 가스화장치에 있어서,
   상기 배출관의 하부에는 물이 저장된 수조(61)인 워터실(60)을 구비하여 배출관 하단이 수조에 저장된 물에 잠겨 외부의 공기가 배출관을 통해 챔버 내부로 유입되는 것을 차단하되;
   상기 가스화기에 설치된 워터실(60)은 수조(61)의 물을 펌핑하는 펌프(62)와, 상기 펌핑된 물을 배출관 상측으로 이송하는 이송관(63)과, 상기 이송된 물을 분사하는 분사구(64)를 더 구비하여 물분사로 인해 잔류물인 회재가 수조에 용이하게 투입되도록 한 것을 특징으로 하는 바이오매스 가스화장치.
2. 삭제
3. 바이오매스를 연소 및 열분해하여 가스화하는 가스화기(20)와, 상기 가스화기에서 생성된 고열의 합성가스를 열교환에 의해 온도를 낮춰 타르 수분 이물질 등의 잔류물을 분리하는 열교환기(30)와, 상기 열교환된 합성가스 내에 미세잔류물을 분리제거하는 스크러버(40)와, 상기 가스화기와 열교환기와 스크러버를 구성하는 각 챔버의 하단에 형성되어 회재, 타르, 수분 등의 잔류물을 배출시키는 배출관(50)을 포함하여 구성되어 대기압보다 낮은 기압으로 운전되는 바이오매스 가스화장치에 있어서,
   상기 배출관의 하부에는 물이 저장된 수조(61)인 워터실(60)을 구비하여 배출관 하단이 수조에 저장된 물에 잠겨 외부의 공기가 배출관을 통해 챔버 내부로 유입되는 것을 차단하고,
   상기 열교환기(30)와 스크러버(40)의 하단에 형성된 배출관(50)에는 타르를 함유하는 액체 잔류물의 유동성을 확보하기 위해 국부가열기(70)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 가스화장치.
   

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