KR101208059B1 - 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바이오메스폐기물을 가스반응기에 투입시켜 생성되는 합성가스를 정제하기 위한 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치에 관한 것으로, 이를 위해 챔버의 내부에 열교환매체가 순환되는 열교환기; 및 합성가스를 공급받아 고온의 합성가스에 포함된 타르 및 미립자를 열교환에 의해 응축시켜 정제할 수 있도록 상기 열교환기의 챔버 내부에 설치되는 정제수단;을 포함하여 이루어지되, 상기 정제수단은, 상기 챔버 내부를 흐르는 열교환매체와 열교환이 이루어질 수 있도록 일단에는 합성가스를 공급받기 위한 적어도 1개 이상의 공급관이 연결된 제 1고정디스크가 결합되고, 타단에는 정제된 합성가스를 배출하기 위한 적어도 1개 이상의 배출관이 연결된 제 2고정디스크가 결합된 회전드럼과, 상기 회전드럼의 중심에 축설되어 상기 회전드럼을 동반회전시키며, 회전드럼의 내부로 흐르는 합성가스와 열교환이 이루어지도록 열교환매체가 내부로 흐르는 중공스핀들로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 바이오매스폐기물을 가스반응기에 투입시켜 생성되는 합성가스를 정제하여 각종 연료(연료전지, 매탄화반응기, 가스터빈 및 내연기관 등)로 사용하기 위한 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환기의 챔버 내부에 정제수단을 수용시키고 열교환매체에 의해 합성가스에 포함된 타르 및 미립자를 정제하되, 정제수단은 열교환에 의해 응축되는 타르 및 미립자를 표면 융착시켜 정제하고, 표면 융착된 타르 및 미립자는 고속회전에 의한 원심력을 이용하여 탈거시키며, 탈거된 타르 및 미립자는 트랩으로 유도하여 집수할 수 있도록 구성하여 소모성 촉매 및 타르 응축으로 인한 유지보수가 필요치 않는 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치에 관한 것이다.
일반적으로 바이오매스 가스화 반응기에서 생성된 합성가스는 타르(0.5~100g/m3) 및 미세먼지 등을 포함하고 있다.
합성가스에 포함된 이들 불순물은 가스터빈에 적용할 경우, 터빈 날개를 마모시키고 타르는 연소공정의 효율을 떨어뜨리며, 내연기관 연료로 사용할 경우, 타르와 미세먼지는 내연기관의 밸브와 실린더에 침적되어 장치의 내구성을 떨어뜨릴 수 있다. 또한, 발전효율이 높은 고온형 연료전지에 사용할 경우, 가스 내의 불순물이 99%이상 제거된 고순도를 유지할 수 있는 정제장치가 필요하다.
따라서 가스화 반응기에서 생산된 합성가스는 고순도(0.05g/m3 이하)의 정제공정을 통하여 처리되어야 한다.
타르는 바이오매스 등의 가스화에서 공급재료의 불완전 반응으로 인하여 생성된 산화유기성분으로 이루어져 있다.
이러한 물질은 고온 합성가스 내에서 기체상태나 안정된 에어졸형태로 존재하며 낮은 온도에서 응축되려는 경향을 가지고 있다.
타르를 제거하는 접근법은 문헌에 보고되고 있으며 연구의 핵심적인 부분은 경제적이며 최적화된 타르제거를 위한 효율적인 방법에 관한 것이다.
하지만, 무엇보다도 유용한 합성가스의 생성을 방해해서는 안 된다는 전제가 있다. 유용한 모든 타르제거에 관한 방법은 타르가 제거되는 위치에 따라 크게 두 가지 타입으로 나누어 볼 수 있다.
첫 번째 방법으로 직접방법(primary method)이 있으며 이 방법은 타르제거를 가스화장치 내에 하는 것이다. 직접방법은 타르의 형성을 제지하거나 변환하고 이상적으로 타르가 전혀 포함되지 않는 합성가스를 만들어내는 것이다.
두 번째 방법은 가스화장치 밖에서 타르를 제거하는 것으로 미세먼지를 제거하는 장치와 일련의 과정으로 놓이게 된다. 이 방법은 전통적으로 많이 사용되어오고 있으며 화학적인 처리와 물리적인 처리가 있으며 널리 연구되고 있다.
합성가스 내에서 타르를 제거하는 방법을 구체적으로 보면, bag filter, 타르 크랙커(cracker), 열교환기, wet scrubber, 용융탄삼염 등이 있다.
다단 싸이클론과 세라믹 bag filter는 미세먼지 등과 같은 고형물을 제거하기 위해 설치한다.
하지만, 입자의 크기가 고형물보다 상대적으로 작은 타르가스의 경우 한계가 있으며 세라믹 bag filter의 경우 상당히 고가이고 주기적 교체를 필요로 한다.
반응기 안에 사용되는 타르 크랙커는 촉매를 필요로 하며 주로 고온 촉매반응기로 운전된다. 백운석(dolomite)과 같은 촉매는 가격이 저렴하고 비금속이므로 사용 후 처리가 용이하기 때문에 가장 많이 활용되고 있다.
하지만 백운석은 물리적 강도가 약하여 유동층에서 사용이 어렵기 때문에 주로 고정층 반응기로 운전되며 900℃ 이상 온도에서 수증기를 투입할 경우 타르 제거율이 높은 것으로 알려져 있다.
이 밖에도 다양한 촉매가 사용되나 물리적 강도와 수명이 짧은 단점들이 나타나고 있으며 촉매를 이용한 타르 크랙킹 기술은 아직 개발단계에 있다.
저온에서 타르를 응축시켜 제거하는 방식에는 열교환기를 이용한 제거기술이 있다. 타르제거를 목적으로 사용된 열교환방식은 가스화장치 뿐만 아니라 폐기물이나 음식물 쓰레기에서 발생하는 가스 내에 포함된 타르성분을 제거하는 데에도 이용되고 있다.
하지만, 이러한 방식은 타르응축으로 인한 오염이 열교환 성능을 감소시키거나 자칫 열교환장치의 벽면에 응축되어 남아있는 타르의 자연발화로 인한 화재의 위험성을 가지고 있다.
따라서 열교환장치에 응축된 타르의 제거하기 위해 많은 시간과 인력이 동원되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은, 열교환기의 챔버 내부에 정제수단을 수용시키고 열교환매체에 의해 합성가스에 포함된 타르 및 미립자를 정제하되, 정제수단은 열교환에 의해 응축되는 타르 및 미립자를 표면 융착시켜 정제하고, 표면 융착된 타르 및 미립자는 고속회전에 의한 원심력을 이용하여 탈거시키며, 탈거된 타르 및 미립자는 트랩으로 유도하여 집수할 수 있도록 구성하여 소모성 촉매 및 타르 응축으로 인한 유지보수가 필요치 않는 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 제 2목적은, 열교환기와 정제수단을 다단화함으로써 합성가스의 고순도정제 및 효율적 타르제거성능을 극대화하고, 더불어 특정응축온도 대역에 있는 타르성분을 회수/이용 가능할 수 있는 구조의 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치를 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 제 1발명은, 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치에 관한 것으로, 바이오메스폐기물을 가스반응기에 투입시켜 생성되는 합성가스를 정제하기 위한 정제 장치에 있어서, 챔버의 내부에 열교환매체가 순환되는 열교환기; 및 합성가스를 공급받아 합성가스에 포함된 타르 및 미립자를 열교환에 의해 응축시켜 정제할 수 있도록 상기 열교환기의 챔버 내부에 설치되는 정제수단;을 포함하여 이루어지되, 상기 정제수단은, 상기 챔버 내부를 흐르는 열교환매체와 열교환이 이루어질 수 있도록 일단에는 합성가스를 공급받기 위한 적어도 1개 이상의 공급관이 연결된 제 1고정디스크가 결합되고, 타단에는 정제된 합성가스를 배출하기 위한 적어도 1개 이상의 배출관이 연결된 제 2고정디스크가 결합된 회전드럼과, 상기 회전드럼의 중심에 축설되어 상기 회전드럼을 동반회전시키며, 회전드럼의 내부로 흐르는 합성가스와 열교환이 이루어지록 열교환매체가 내부로 흐르는 중공스핀들로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
제 2발명은, 제 1발명에서, 상기 중공스핀들과 회전드럼은 연결수단을 통해 상호 연결되어 동반회전하고, 상기 연결수단은 중공스핀들의 외주연에 결합된 고정링체와, 상기 고정링체를 중심으로 방사상으로 연장되어 회전드럼의 내주연에 결합되는 다수의 연결대로 구성되는 것을 특징으로 한다.
제 3발명은, 제 1발명에서, 상기 회전드럼은 합성가스 진행방향으로 갈수록 내경이 점차 넓어지는 형태인 것을 특징으로 한다.
제 4발명은, 제 1발명에서, 상기 중공스핀들의 외주연에는 나선으로 파여진 나선홈이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
제 5발명은, 제 1발명 내지 제 4발명 중 어느 한 발명에서, 상기 회전드럼의 내부에 축방향 회전류가 발생할 수 있도록 상기 중공스핀들의 외주연에 결합되는 블레이드를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
제 6발명은, 제 5발명에서, 상기 블레이드는 회전드럼의 외주연에 나선 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
제 7발명은, 제 5발명에서, 상기 블레이드는 회전드럼의 외주연에 방사상으로 다수 형성되는 것을 특징으로 한다.
제 8발명은, 제 1발명에서, 상기 열교환기 및 정제수단은 적어도 2개 이상 다단 설치되는 것을 특징으로 한다.
제 9발명은, 제 8발명에서, 상기 열교환매체는 저온의 냉각수 또는 고온의 공기 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
제 10발명은, 제 9발명에서, 상기 회전드럼의 타측 내주연에는 타르 및 미립자를 집진하기 위한 함몰된 트랩이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치에 따르면,열교환기의 챔버 내부에 정제수단을 수용시키고 열교환매체에 의해 합성가스에 포함된 타르 및 미립자를 정제하되, 정제수단은 열교환에 의해 응축되는 타르 및 미립자를 표면 융착시켜 정제하고, 표면 융착된 타르 및 미립자는 고속회전에 의한 원심력을 이용하여 탈거시키며, 탈거된 타르 및 미립자는 트랩으로 유도하여 집수할 수 있도록 구성하여 소모성 촉매 및 타르 응축으로 인한 유지보수가 필요치 않는 효과가 있다.
또한 열교환기와 정제수단을 다단화함으로써 합성가스의 고순도정제 및 효율적 타르제거성능을 극대화하고, 더불어 특정응축온도 대역에 있는 타르성분을 회수/이용 가능할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명이 적용된 바이오매스의 고순도 합성가스를 위한 개요도,
도 2는 본 발명에 따른 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치의 구성도,
도 3은 도 2의 단면도,
도 4는 합성가스에 포함된 타르 농도에 따른 이슬점온도를 나타내는 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치의 합성가스 정제 과정을 도시한 작동도,
도 6은 본 발명에 따른 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치에 증착된 타르를 제거하는 작동도,
도 7은 본 발명에 따른 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치의 블럭구성도,
도 8 내지 도 10는 다른 실시예에 따른 중공스핀들을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치의 구성도,
도 3은 도 2의 단면도,
도 4는 합성가스에 포함된 타르 농도에 따른 이슬점온도를 나타내는 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치의 합성가스 정제 과정을 도시한 작동도,
도 6은 본 발명에 따른 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치에 증착된 타르를 제거하는 작동도,
도 7은 본 발명에 따른 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치의 블럭구성도,
도 8 내지 도 10는 다른 실시예에 따른 중공스핀들을 도시한 사시도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명이 적용된 바이오매스의 고순도 합성가스를 위한 개요도이고, 도 2는 본 발명에 따른 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치의 구성도이고, 도 3은 도 2의 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 바이오매스폐기물을 가스반응기에 투입시켜 생성되는 합성가스를 열교환기를 통해 정제하여 각종 연료(연료전지, 매탄화반응기, 가스터빈 및 내연기관 등)로 사용하기 위한 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치(300)에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 열교환기의 챔버 내부에 정제수단을 수용시키고 열교환매체에 의해 합성가스에 포함된 타르 및 미립자를 정제하되, 정제수단은 열교환에 의해 응축되는 타르 및 미립자를 표면 융착시켜 정제하고, 표면 융착된 타르 및 미립자는 고속회전에 의한 원심력을 이용하여 탈거시키며, 탈거된 타르 및 미립자는 트랩으로 유도하여 집수할 수 있도록 구성하여 소모성 촉매 및 타르 응축으로 인한 유지보수가 필요치 않는 구조이다.
또한 본 발명에 개시된 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치(300)는 가스터빈과, 전기 에너지를 생성하기 위한 모터 차량 또는 고정식 연소 내연기관을 구동하기 위한 고순도 합성가스 것일 수 있다. 또한 엔지니어링 산업에서 기계 장치 내부 및 주위의 공기와 같은 다른 가스들을 정화하기 위해 적용될 수 있다. 또한 오일 미스트 또는 오일 액적 형태의 액체 오염물과 같은 오염물을 함유하는 가스의 정화를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치(300)는 합성가스에 포함된 타르 및 미립자를 응축시켜 정제하기 위한 것으로 크게 2부분으로 구성되는데, 이는 열교환기(100) 및 정제수단(200)으로 구성된다.
여기서 열교환기(100)는 정제수단(200)을 수용시켜 합성가스에 포함된 타르 및 미립자를 응축시키기 위한 것으로, 챔버(110)의 내부에 열교환매체가 순환되는 구조이다. 이러한 열교환기(100)는 고온의 합성가스를 저온의 합성가스로 열 변환하기 위한 것으로, 다양한 행태로 제조될 수 있음은 물론이다.
아울러 정제수단(200)은 상기 바이오메스폐기물을 가스반응기에 투입시켜 생성된 고온의 합성가스를 공급받아 고온의 합성가스에 포함된 타르 및 미립자를 열교환에 의해 응축시켜 정제시키고, 저온의 합성가스만을 배출할 수 있도록 열교환기(100)의 챔버(110) 내부공간에 설치된다.
상기 정제수단(200)은 원통의 회전드럼(210)과, 상기 회전드럼(210)에 축설되어 회전력을 제공하는 중공스핀들(220)로 구성된다.
상기 회전드럼(210)은 상기 챔버(110) 내부를 흐르는 열교환매체와 열교환이 이루어질 수 있도록 일단에는 합성가스를 공급받기 위한 적어도 1개 이상의 공급관(211a)이 연결된 제 1고정디스크(211)가 결합되고, 타단에는 정제된 합성가스를 배출하기 위한 적어도 1개 이상의 배출관(212a)이 연결된 제 2고정디스크(212)가 결합된 구조이다.
여기서 상기 제 1고정디스크(211)와 제 2고정디스크(212)는 상기 회전드럼(210)과 베어링(B) 결합되어 회전드럼(210)의 회전간섭을 없애는 한편, 회전드럼(210)을 밀봉하고, 더불어 합성가스의 공급과 배출이 가능하도록 기능을 한다.
때문에 상기 회전드럼(210)은 공급관(211a)을 통해 합성가스를 공급받아 챔버(110)의 내부로 흐르는 열교환매체와 열교환이 이루어지도록 하여 고온의 합성가스를 저온상태로 변환시키고, 이 과정에서 고온의 합성가스에 포함된 타르 및 미립자를 회전드럼(210)의 내주연에 응축시켜 정제된 저온의 합성가스만을 배출관(212a)를 통해 배출하는 기능을 한다.
아울러 중공스핀들(220)은 상기 회전드럼(210)의 중심에 축설되어 상기 회전드럼을 동반회전시키며, 회전드럼(210)의 내부로 흐르는 합성가스와 열교환이 이루어지도록 열교환매체가 내부로 흐르는 구조이다. 이 때 제 1고정디스크(211) 및 제 2고정디스크(212)와는 베어링(B) 결합된다.
여기서 상기 중공스핀들(220)은 회전드럼(210)과 연결수단(230)을 통해 상호 연결되어 회전드럼(210)을 동반회전시키는데, 이 때 상기 연결수단(230)은 스핀들(10)의 외주연에 결합된 고정링체(231)와, 상기 고정링체(231)를 중심으로 방사상으로 연장되어 회전드럼의 내주연에 결합되는 다수의 연결대(232)로 구성된다.
이러한 상기 중공스핀들(220)은 회전드럼(210)의 내부로 유입되는 합성가스를 회전시켜 열교환성능을 증가시킬 수 있다.
아울러 상기 회전드럼(210)은 타르 및 미립자를 일방향으로 유도하기 위해 합성가스 진행방향으로 갈수록 내경이 점차 넓어지는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 상기 회전드럼(210)의 내경은 미소각도(θ)에 의해 내경이 확장되는 구조이며, 이는 회전드럼(210)의 고속회전 시 외주연에 모인 응축타르가 트랩(213)으로 이동할 수 있도록 한다.
여기서 미소각도(θ)는 1°~ 10°인 범위인 것이 바람직하며, 이 수치 역시 이에 한정하지 아니하고, 회전드럼(210)의 회전수와 크기에 따라 달리될 수 있음은 자명하다.
한편 챔버(110)의 내부 및 중공스핀들(220)의 내부로 흐르는 열교환매체는 저온의 냉각수 또는 고온의 공기 중 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.
여기서 열교환매체가 저온의 냉각수의 경우, 상기 고온의 합성가스를 저온의 합성가스로 변환시키고, 이 과정에서 회전드럼(210)의 내주연과 중공스핀들(220)의 외주연에는 합성가스에 포함된 타르 및 미립자가 열교환에 의해 응축/증착되어 합성가스를 정제시킬 때 사용된다.
아울러 열교환매체가 고온의 공기인 경우, 열교환에 의해 회전드럼(210)의 내주연 및 중공스핀들(220)의 외주연에 응축/증착된 타르의 증착력을 완화시켜 이를 분리시킬 때 사용된다.
한편 상기 회전드럼(210)의 타측 내주연에는 응축된 타르 및 미립자를 수거하기 위한 함몰된 트랩(213)이 더 형성된다.
도 4는 합성가스에 포함된 타르 농도에 따른 이슬점온도를 나타내는 그래프이다.
타르(톨루엔, 나프날렌, 풀루엔, 피렌, 안트라센)의 이슬점은 타르의 포화압력과 같은 타르의 실제 전체 부분압력에서의 온도를 말한다. 실제 공정 온도가 열역학적 타르 이슬점을 지나면 타르는 응축할 수 있다. 타르응축모델을 이용하여 도 3에 해당하는 전형적인 타르구성을 가진 것에 대하여 응축온도를 계산하면 약 5℃정도이다.
이에 기초하여 본 발명에 따른 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치의 작동에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 더불어 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치의 합성가스 정제과정을 도시한 작동도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 공급관(211a)을 통해 합성가스를 회전드럼(210)에 유입시킨다.
그리고 챔버(110)의 내부와 중공스핀들(220)의 내부로 저온의 냉각수를 공급시키되, 합성가스 유입방향과 반대 방향(향류)으로 공급시켜 병류에 비해 더 높은 열전달 속도를 가질 수 있도록 한다..
여기서 냉각수의 온도는 고온의 합성가스에 포함된 타르의 응축온도(5℃)까지 열교환될 수 있도록 회전드럼(210)의 표면을 5℃ 이하까지 냉각할 수 있는 온도 범위이며, 공급되는 합성가스의 온도와, 회전드럼(210)과 중공스핀들(220)의 길이 및 직경에 따라 달리될 수 있다.
동시에 상기 중공스핀들(220)을 10rpm 이하로 저속 회전시켜 회전드럼(210)의 내부로 유입되는 합성가스 회전시켜 열교환 성능을 증가시킨다.
이 과정에서 고온의 합성가스는 저온의 냉각수에 의해 열교환되어 저온의 합성가스로 열 변환되고, 저온의 합성가스로 변환되는 과정에서 회전드럼(210)의 내주연과 중공스핀들(220)의 외주연은 5℃ 이하까지 냉각되고, 이에 따라 고온의 합성가스에 포함된 타르가 응축되어 증착된다.
따라서 배출관(212a)을 통해 배출되는 저온의 합성가스는 타르 및 미립자가 제거된 상태, 즉 정제된 상태로 배출되어 가스터빈, 내연기관, 연료전지, 메탄화반응기 등의 연료로 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치에 증착된 타르를 제거하는 작동도이다.
도 6에 도시되 바와 같이, 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치(300)는 정제수단(200)에 증착된 타르 및 미립자를 제거하기 위해 30초 내지 60초 범위로 타르 제거 동작을 수행하게 된다.
이 때 합성가스 유입은 중단시키고, 다만 챔버(110)의 내부와 중공스핀들(220)의 내부에 40℃ 내지 70℃ 범위의 공기를 공급하여 회전드럼(210)의 내주연 및 중공스핀들(220)의 외주연에 증착된 타르의 증착력을 완화시킨다. 상기의 공기 온도 범위는 응축된 타르의 제거시 열저항을 고려하여 변형될 수 있다.
동시에 상기 중공스핀들(220)과 회전드럼(210)을 5천rpm 내지 1만rpm 범위로고속회전시키게 되면, 회전드럼(210)의 내주연에 증착된 타르 및 미립자는 원심력에 의해 탈거되어 회전드럼(210)의 내주연을 따라 맴돌게 된다.
그리고 중공스핀들(220)의 외주연에 증착된 타르 및 미립자는 역시 원심력에 의해 회전드럼(210)의 내주연 방향으로 탈거되고 회전드럼(210)에서 탈거된 타르 및 미립자와 합류되어 회전드럼(210)의 내주연을 따라 맴돌면서 회전드럼(210)의 내경 확장구조에 의해 타측으로 이동하면서 트랩(213)에 수거된다.
이와 같은 타르 및 미립자를 제거하는 과정이 끝나면, 합성가스의 정제 과정이 연속 수행된다.
도 7은 본 발명에 따른 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치의 블럭구성도이다.
도 7과 같이, 본 발명의 열교환기(100) 및 정제수단(200)은 적어도 2개 이상 다단 설치되는 구성이다.
이러한 구성은 고순도의 합성가스를 얻기 위함이며, 본 발명을 다단화함으로써 합성가스의 고순도정제 및 효율적 타르제거성능을 극대화할 수 있다.
이는 아래 [표 1]을 첨부하여 부연 설명하기로 한다..
| IC engine | gas turbine | ||
| Particle concentration | ㎎/N㎥ | <50 | <30 |
| Particle size | ㎛ | <10 | <5 |
| tar | ㎎/N㎥ | <100 | not indicated |
일반 내연기관에 연료로 사용하기 위해 미립자 농도 50㎎/N㎥ 이하, 미립자 크기 10㎛이하, 타르 농도 100㎎/N㎥이하인 합성가스가 요구될 경우, 본 발명을 2단으로 연결시켜 상기 요구치를 마련할 수 있는 것을 가정한다.
이 후 가스터빈기관의 연료로 사용하기 위해 미립자 농도 30㎎/N㎥ 이하, 미립자 크기 5㎛이하, 타르가 없는 합성가스가 요구될 경우에는 본 발명은 적어도 3단 이상 연결시켜 상기 요구치를 마련할 수 있는 것이다.
따라서 이러한 구성은 고순도의 합성가스를 획득하고, 더불어 특정응축온도 대역에 있는 타르성분을 회수/이용 가능하다.
한편 각각의 열교환기(100) 및 정제수단(200)을 통과한 합성가스는 온도가 점차 저온으로 변환된다. 이에 따라 사용되는 냉각수 온도 또한, 상대적으로 높은 냉각수의 온도로 타르를 응축시킬 수 있다.
때문에, 도 7과 같이, 제 1장치(300)와, 제 2장치(300)와, 제 3장치(300)에 사용되는 냉각수는 제 1장치(300)와, 제2장치(300)와, 제 3장치(300)를 거쳐 순환될 수 있게 구성하여 합성가스의 정제 효과는 높이면서 에너지의 효율은 최대화할 수 있다.
도 8 내지 도 10는 다른 실시예에 따른 중공스핀들을 도시한 사시도이다.
먼저 도 8 같이, 상기 중공스핀들(220)의 외주연에는 나선으로 파여진 나선홈을 더 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 구조는 중공스핀들(220)이 저속으로 회전시킬 경우, 유입되는 합성가스에 회전력을 발생시키기 위함이며, 고속으로 회전시킬 경우에는 원심력을 제공하여 타르 및 미립자의 탈거를 더욱 활성화하기 위함이다.
이 외에, 도 8 및 도 9와 같이, 상기 회전드럼(210)의 내부에 축방향 회전류가 발생될 수 있도록 상기 중공스핀들(220)의 외주연에 결합되는 블레이드(222)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 도 8의 블레이드(222)는 회전드럼(210)의 외주연에 나선 형태로 구성되며, 도 9의 블레이드(222)는 회전드럼(210)의 외주연에 방사상으로 다수 형성되는 구성될 수 있다.
즉, 도 8 및 도 9의 블레이드(222) 형태는 유입되는 합성가스의 이송속도를 능동적으로 조절할 수 있으며, 또한 낮은 rpm에서도 효과적으로 열교환이 일어날 수 있도록 하여 타르 및 미립자의 제거를 위한 효율을 극대화할 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100: 열교환기 110: 챔버
200: 정제수단 210: 회전드럼 211: 제 1고정디스크
211a: 공급관 212: 제 2고정디스크
212a: 배출관 213: 트랩
220: 중공스핀들 221: 나선홈
222: 블레이드
230: 연결수단 231: 고정링체
232: 연결대
B: 베어링
300: 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치
200: 정제수단 210: 회전드럼 211: 제 1고정디스크
211a: 공급관 212: 제 2고정디스크
212a: 배출관 213: 트랩
220: 중공스핀들 221: 나선홈
222: 블레이드
230: 연결수단 231: 고정링체
232: 연결대
B: 베어링
300: 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치
Claims (10)
- 바이오메스폐기물을 가스반응기에 투입시켜 생성되는 합성가스를 정제하기 위한 정제 장치에 있어서,
챔버(110)의 내부에 열교환매체가 순환되는 열교환기(100); 및
합성가스를 공급받아 합성가스에 포함된 타르 및 미립자를 열교환에 의해 응축시켜 정제할 수 있도록 상기 열교환기의 챔버(110) 내부에 설치되는 정제수단(200);을 포함하여 이루어지되,
상기 정제수단(200)은,
상기 챔버(110) 내부를 흐르는 열교환매체와 열교환이 이루어질 수 있도록 일단에는 합성가스를 공급받기 위한 적어도 1개 이상의 공급관(211a)이 연결된 제 1고정디스크(211)가 결합되고, 타단에는 정제된 합성가스를 배출하기 위한 적어도 1개 이상의 배출관(212a)이 연결된 제 2고정디스크(212)가 결합된 회전드럼(210)과,
상기 회전드럼(210)의 중심에 축설되어 상기 회전드럼을 동반회전시키며, 회전드럼(210)의 내부로 흐르는 합성가스와 열교환이 이루어지도록 열교환매체가 내부로 흐르는 중공스핀들(220)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 중공스핀들(220)과 회전드럼(210)은 연결수단(230)을 통해 상호 연결되어 동반회전하고, 상기 연결수단(230)은 중공스핀들(220)의 외주연에 결합된 고정링체(231)와, 상기 고정링체(231)를 중심으로 방사상으로 연장되어 회전드럼(210)의 내주연에 결합되는 다수의 연결대(232)로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 회전드럼(210)은 합성가스 진행방향으로 갈수록 내경이 점차 넓어지는 형태인 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 중공스핀들(220)의 외주연에는 나선으로 파여진 나선홈(221)이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회전드럼(210)의 내부에 축방향 회전류가 발생될 수 있도록 상기 중공스핀들(220)의 외주연에 결합되는 블레이드(222)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치.
- 제 5항에 있어서,
상기 블레이드(222)는 회전드럼(210)의 외주연에 나선 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치.
- 제 5항에 있어서,
상기 블레이드(222)는 회전드럼(210)의 외주연에 방사상으로 다수 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 열교환기(100) 및 정제수단(200)은 적어도 2개 이상 다단 설치되는 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치.
- 제 8항에 있어서,
상기 열교환매체는 저온의 냉각수 또는 고온의 공기 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치.
- 제 9항에 있어서,
상기 회전드럼(210)의 타측 내주연에는 타르 및 미립자를 집진하기 위한 함몰된 트랩(213)이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 합성가스의 정제 장치.
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