KR101261911B1 - 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치에 관한 것으로, 이를 위해 투입되는 고체입자와 스팀을 내부에 수용된 고온의 유동사에 의해 열분해시켜 H2와 CO가 주성분인 합성가스를 생성시키는 유동층가스화기(10);와, 상기 유동층가스화기(10)에 연결되어 합성가스를 공급받아 합성가스에 포함된 더스트 및 유동사를 배출처리하고 합성가스만을 분리하는 제 1가스분리기(20);와, 상기 제 1가스분리기(20)로부터 합성가스를 공급받아 상기 합성가스에 포함된 타르를 고체입자의 표면에 흡착시켜 합성가스와 함께 고체입자를 배출시키는 타르제거기(30);와, 상기 타르제거기(30)에서 공급된 타르가 흡착된 고체입자는 배출하여 유동층가스화기(10)에 환원하고 상기 합성가스만을 분리하는 제 2가스분리기(40); 및 상기 제 2가스분리기(40)로부터 합성가스를 공급받아 합성연료로 사용할 수 있도록 정제시키는 정제필터(50);를 포함하되, 상기 고체입자는 바이오매스로 이루어지고, 상기 제 2가스분리기(40)로부터 유동층가스화기(10)로 환원되는 고체입자는 고체입자의 투입원료 또는 유동사의 가열원료로 재사용되는 것을 특징으로 한다.

Description

고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치{APPARATUS OF TAR REMOVAL AND RECOVERY USING SOLID PARTICLES}
본 발명은 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유동층가스화기를 통해 생성된 합성가스에 고체입자를 투입하여 타르를 흡착시킴으로써 타르정제를 위한 별도의 장치가 필요 없으며, 또한 고체입자에 흡착된 타르를 유동층가스화기의 연료로 재사용하여 장치의 효율성을 높일 수 있는 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치에 관한 것이다.
일반적으로 바이오매스 등과 같은 가연성 폐기물의 합성가스 과정에서 타르의 발생은 필연적이다.
상기 타르는 바이오매스 등의 합성가스 과정에서 공급재료의 불완전 반응으로 인하여 생성된 산화유기성분으로 이루어져 있다.
이러한 물질은 고온에서 기체상태나 안정된 에어졸형태로 존재하며 낮은 온도에서 응축되려는 경향을 가지고 있다.
따라서 타르가 포함된 합성가스를 가스터빈의 연료로 사용할 경우에는 터빈 날개를 마모시키고 연소공정의 효율을 떨어뜨린다. 또한 내연기관 연료로 사용할 경우에는 내연기관의 밸브와 실린더에 침적되어 장치의 내구성을 떨어뜨릴 수 있다.
때문에 바이오매스 등의 합성가스 생성 과정에서는 타르를 제거하는 장치가 필수적이다.
하지만 이러한 타르를 제거하는 장치를 별도로 사용할 경우, 설비의 설치비용과 운전비용의 낭비를 초래하게 되어 합성가스 연료생성 효율이 매우 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은, 후단 설비의 설치 및 운전비용을 최소화할 수 있는 유동층가스화기를 이용한 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 제 2목적은, 유동층가스화기를 통해 생성된 합성가스에 고체입자를 투입하여 타르를 흡착시킴으로써 타르정제를 위한 별도의 장치가 필요 없으며, 또한 고체입자에 흡착된 타르를 유동층가스화기의 연료로 재사용하여 장치의 효율성을 높일 수 있는 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치를 제공하는데 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 제 1고안은 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치에 관한 것으로, 투입되는 고체입자와 스팀을 내부에 수용된 고온의 유동사에 의해 열분해시켜 H2와 CO가 주성분인 합성가스를 생성시키는 유동층가스화기(10);와, 상기 유동층가스화기(10)에 연결되어 합성가스를 공급받아 합성가스에 포함된 더스트 및 유동사를 배출처리하고 합성가스만을 분리하는 제 1가스분리기(20);와, 상기 제 1가스분리기(20)로부터 합성가스를 공급받아 상기 합성가스에 포함된 타르를 고체입자의 표면에 흡착시켜 합성가스와 함께 고체입자를 배출시키는 타르제거기(30);와, 상기 타르제거기(30)에서 공급된 타르가 흡착된 고체입자는 배출하여 유동층가스화기(10)에 환원하고 상기 합성가스만을 분리하는 제 2가스분리기(40); 및 상기 제 2가스분리기(40)로부터 합성가스를 공급받아 합성연료로 사용할 수 있도록 정제시키는 정제필터(50);를 포함하되, 상기 고체입자는 바이오매스로 이루어지고, 상기 제 2가스분리기(40)로부터 유동층가스화기(10)로 환원되는 고체입자는 고체입자의 투입원료 또는 유동사의 가열원료로 재사용되며, 상기 유동층가스화기(10)는 내부에 가열된 유동사를 수용하고 상기 제 2가스분리기(40)로부터 환원되는 고체입자를 유동사의 가열원료로 재활용할 수 있도록 측부에 형성되는 환원투입구(111) 및 가열원료의 연소가스를 배출하는 연소구(112)를 갖는 챔버(11)와, 가열된 유동사를 챔버(11) 내에서 격리시키고 고체입자를 투입시키는 제 1투입구(121)와, 스팀을 공급하는 스팀공급구(122)가 형성되는 제 1관로(12)와, 상기 제 1관로(12)의 측부에 나란히 형성되어 제 1관로(12)를 통해 상승하는 유동사가 낙하되어 재유입되는 유동사관로(13)와, 챔버(11) 내 격리된 유동사를 자중에 의해 제 1관로(12)로 유입시켜 바이오매스가 유동사에 의해 직접 열분해될 수 있도록 상기 제 1관로(12)의 하부에 형성된 타공구(123)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
삭제
제 3발명은, 제 1발명에서, 상기 제 2가스분리기(40)로부터 유동층가스화기(10)로 환원되는 고체입자는 제 1투입구(121)에 투입되어 고체입자 투입원료로 사용되는 것이 바람직하다.
제 4발명은, 제 1발명에서, 상기 제 1가스분리기(20) 및 제 2가스분리기(40)는 무거운 고체입자는 하부로 배출시키고, 합성가스는 상단으로 송출할 수 있도록 배출관(211)이 연결되는 사이클론(21)으로 구성되는 것이 바람직하다.
제 5발명은, 제 1발명에서, 상기 타르제거기(30)는 상기 제 1가스분리기(20)와 연결되어 합성가스에 포함된 타르를 흡착시킬 수 있도록 고체입자가 투입되는 제 2투입구(311)가 형성되는 냉각자켓(31)과, 상기 제 2투입구(311)를 통해 투입된 고체입자를 회전에 의해 일방향으로 이송시킬 수 있도록 냉각자켓(31)의 바닥면에 배치되는 스크류축(32)으로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치에 따르면, 유동층가스화기를 이용하여 후단 설비의 설치 및 운전비용을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한 유동층가스화기를 통해 생성된 합성가스에 고체입자를 투입하여 타르를 흡착시킴으로써 타르정제를 위한 별도의 장치가 필요 없어 에너지절감 및 설비의 가격을 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한 고체입자에 흡착된 타르를 유동층가스화기의 연료로 재사용하여 장치의 효율성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치의 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치의 작동도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 유동층가스화기(10)를 통해 상대적으로 낮는 온도(800℃ 내지 900℃)에서 생성된 합성가스에 고체입자를 투입하여 타르를 흡착시킴으로써 타르정제를 위한 별도의 장치가 필요 없으며, 또한 고체입자에 흡착된 타르를 유동층가스화기(10)의 연료로 재사용하여 장치의 효율성을 높일 수 있는 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치에 관한 것이다.
이러한 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치는 크게 5개 부분으로 구성되는데, 이는 유동층가스화기(10)와, 제 1가스분리기(20)와, 타르제거기(30)와, 제 2가스분리기(40) 및 정제필터(50)로 구성된다.
여기서 상기 고체입자는 우드칩, 과일껍질, 옥수수대, 해조류 등의 바이오매스로 구성된다.(이하 유동층가스화기의 "고체입자"를 "바이오매스" 칭하여 설명하기로 한다.)
상기 유동층가스화기(10)는 부피가 작은 중(中) 발열량 합성가스를 생성하여 후단 설비의 설치 및 운전비용을 최소화할 수 있는 장치로, 내부에 가열된 유동사(流動沙)를 수용시키고, 유동사의 직접 및 간접 열에 의해 바이오매스를 열분해 하여 H2와 CO가 주성분인 합성가스를 생성하는 기능을 한다.
이러한 유동층가스화기(10)는 내부에 가열된 유동사를 수용하고 상기 제 2가스분리기(40)로부터 환원되는 바이오매스를 유동사의 가열원료로 재활용할 수 있도록 측부에 형성되는 환원투입구(111) 및 가열원료의 연소가스를 배출하는 연소구(112)를 갖는 챔버(11)로 구성된다.
이 때 상기 챔버(11)에는 유동사를 가열할 수 있는 버너와 같은 보조가열기(미도시)가 외부에 구비될 수 있다.
아울러 상기 챔버(11)는 상부에 생성된 합성가스를 일시저장하는 공간부(113)가 형성되고, 상기 공간부(113)와 상통하는 제 1관로(12) 및 유동사관로(13)가 챔버(11)의 중앙부위에 형성되는 구조이다.
여기서 상기 제 1관로(12)는 가열된 유동사를 챔버(11) 내에서 격리시키고 더불어 바이오매스를 투입할 수 있는 제 1투입구(121)와, 스팀을 공급할 수 있는 스팀공급구(122)가 형성되어 있는 구조이다.
이러한 구조는 상기 제 1관로(12) 내에서 열분해되는 바이오매스를 수분과 반응되도록 하여 합성가스를 생성하기 위함이다.
한편 상기 유동사관로(13)는 제 1관로(12)의 측부에 나란히 형성되어 제 1관로(12)를 통해 배출되는 유동사를 낙하시켜 재유입시키는 기능을 한다. 또한 유동사관로(13)로는 제 1투입구(121)로 투입된 바이오매스의 10%가 유입되어 유동사의 가열연료로 사용된다.
이 때 상기 제 1관로(12)의 하부에는 챔버(11) 내 격리된 유동사를 자중에 의해 제 1관로(12)로 유입시켜 바이오매스를 유동사에 의해 직접 열분해시킬 수 있도록 상기 제 1관로(12)의 하부에 형성된 타공구(123)를 더 포함하는 구성이다.
따라서 제 1관로(12)로는 바이오매스와, 스팀과, 유동사가 함께 공급되며, 스팀의 송풍압 및 고온에 의한 상승기류에 의해 제 1관로(12)를 따라 바이오매스와 유동사가 상승하면서 직접 열교환이 이루어져 바이오매스가 열분해되어 합성가스화된다.
한편 제 1관로(12)의 상부로 배출되어 공간부(113) 상에 노출되는 유동사는 유동사관로(13)로 낙하되어 타공구(123)를 통해 배출되는 격리된 유동사의 소실을 보상하며, 더불어 반응에 의해 가열된 유동사를 챔버 내부의 격리된 유동사와 합류시킴으로써 챔버 내부의 격리된 유동사의 온도 상승을 가일층 증대시킬 수 있다
또한 제 1관로(12)가 챔버(11)에 수용된 유동사를 격리시킴으로, 고온의 유동사가 제 1관로(12)로 내의 바이오매스를 간접가열하는 기능을 행할 수 있게 된다.
상기 제 1가스분리기(20)는 상기 유동층가스화기(10)에 연결되어 합성가스를 공급받아 합성가스에 포함된 더스트 및 유동사를 배출처리하고 합성가스만을 분리하는 기능을 한다.
이러한 제 1가스분리기(20)는 무거운 고체입자를 하부로 배출시키고, 합성가스는 상단으로 송출할 수 있도록 배출관(211)이 연결되는 사이클론(21)으로 구성된다. 여기서 고체입자는 바이오매스의 열분해 시 발생되는 더스트와, 챔버(11) 내 격리된 유동사이며, 이러한 더스트 및 유동사는 사이클론(21)의 내벽을 선회하면서 자중에 의해 하부로 배출된다.
아울러 상기 타르제거기(30)는 상기 제 1가스분리기(20)로부터 합성가스를 공급받아 상기 합성가스에 포함된 타르를 고체입자의 표면에 흡착시켜 합성가스와 함께 고체입자를 배출시키는 기능을 한다. 여기서 상기 고체입자는 바이오매스로 구성된다.(이하 타르제거기의 "고체입자"를 "바이오매스" 칭하여 설명하기로 한다.)
이를 위해 상기 타르제거기(30)는 상기 제 1가스분리기(20)와 연결되고 고체입자가 투입되는 제 2투입구(311)가 형성되는 냉각자켓(31)과, 상기 제 2투입구(311)를 통해 투입된 고체입자를 회전에 의해 일방향으로 이송시킬 수 있도록 냉각자켓(31)의 바닥면에 배치되는 스크류축(32)으로 구성된다.
여기서 상기 냉각자켓(31)은 제 1가스분리기(20)로부터 합성가스를 공급받아 합성가스를 냉각시킬 수 있도록 냉각수가 순환되는 구조이다. 또한 바이오매스를 투입할 수 있는 제 2투입구(311)가 형성되어 있어 합성가스에 포함된 타르를 바이오매스의 표면에 흡착할 수 있도록 구성된다. 또한 상기 스크류축(32)은 투입된 바이오매스를 일방향으로 이송시켜 제 2가스분리기(40)로 공급하는 기능을 한다.
상기에서 타르제거기(30)와 제 2가스분리기(40)의 사이에는 블로워팬(60)이 장착되어 타르제거기(30)로부터 배출되는 바이오매스와 합성가스를 송풍압에 의해 제 2가스분리기(40)로 압송시킬 수 있도록 구성된다.
상기 제 2가스분리기(40)는 타르가 흡착된 바이오매스를 배출하여 유동층가스화기(10)에 환원하고 상기 합성가스만을 분리하여 정제필터(50)로 송출한다.
이러한 상기 제 2가스분리기(40)는 제 1가스분리기(20)와 동일 구성으로, 다만 타르가 흡착된 바이오매스를 유동층가스화기(10)의 고체입자의 투입원료로 사용하거나, 유동사의 가열원료로 재사용되는 구조이다.
즉, 제 2가스분리기(40)로부터 분리된 타르가 흡착된 바이오매스의 일부는 유동층가스화기(10)의 제 1투입구(121)에 투입되어 투입원료로 환원되고, 또 다른 일부는 유동층가스화기(10)의 환원투입구(111)에 환원시켜 유동사의 가열원료로 재활용되는 구조이다.
이러한 구조는 타르가 흡착된 바이오매스를 유동층가스화기(10)의 연료로 사용하기 때문에 시스템의 에너지 효율성을 증대시킬 수 있는 구조를 마련한다.
상기 정제필터(50)는 타르가 제거된 합성가스를 공급받아 정제시켜 합성연료로 사용될 수 있도록 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치의 작동에 관하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치의 작동도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 유동층가스화기(10)의 스팀공급구(122)를 통해 스팀을 공급하고, 동시에 제 1투입구(121)에 바이오매스를 투입시킨다.
그리고 제 1관로(12)의 내부로는 타공구(123)를 통해 챔버(11) 내 격리된 유동사가 자중에 의해 제 1관로(12) 내로 공급된다.
그러면 스팀의 송풍압 및 고온에 의한 상승기류에 의해 제 1관로(12)를 따라 바이오매스와 유동사가 직접 열교환이 이루어진다. 이 때 바이오매스는 800℃ 내지 900℃ 까지 가열되어 열분해과정을 거처 스팀의 H성분 및 O2 성분과 반응하여 H2와 CO가 주성분인 합성가스가 생성된다.
이 때 제 1관로(12)의 상부로 배출되어 공간부(113) 상에 노출되는 유동사는 유동사관로(13)로 낙하되어 타공구(123)를 통해 배출되는 유동사의 소실을 보상하며, 더불어 반응에 의해 가열된 유동사가 격리된 유동사와 합류되어 유동사의 온도 상승을 가일층 증대시킨다.
또한 제 1관로(12)가 챔버(11)에 수용된 유동사를 격리시킴으로, 고온의 유동사가 제 1관로(12)를 통해 상승하는 바이오매스를 간접가열하는 기능을 행할 수 있게 된다.
한편 유동층가스화기(10)에 생성된 합성가스는 제 1가스분리기(20)에서 더스트와 유동사가 분리된다.
그리고 더스트와 유동사가 분리된 합성가스에는 타르가 포함되어 있는 바, 이를 제거하기 위해 상기 타르제거기(30)에 합성가스를 공급시킨다.
타르가 포함된 합성가스가 타르제거기(30)의 냉각자켓(31)을 통해 유입되면, 냉각자켓(31)을 순환하는 냉각수에 의해 타르가 포함된 합성가스의 온도는 하강하게 된다.
이 때 상기 냉각자켓(31)의 제 2투입구(311)로 바이오매스를 투입시켜 마이오매스의 표면에 타르가 융착되도록 하여 타르를 제거하게 된다.
여기서 상기 타르는 고온의 합성가스 내에서 기체상태나 안정된 에어졸형태로 존재하며 낮은 온도에서 응축되려는 경향을 가지고 있는 바, 고온의 합성가스를 냉각시킴으로써, 저온에서 응축되는 타르를 바이오매스의 표면에 융착시켜 제거할 수 있게 된다.
아울러 타르가 포함된 바이오매스는 냉각자켓(31)의 바닥면에 설치된 스크류축을 통해 배출되어제 2가스분리기(40)로 공급되고, 더불어 타르가 제거된 합성가스 역시 제 2가스분리기(40)로 공급된다.
상기 제 2가스분리기(40)는 타르가 흡착된 바이오매스를 배출하여 유동층가스화기(10)에 환원하고 상기 합성가스만을 분리하여 정제필터(50)로 송출한다.
여기서 제 2가스분리기(40)로부터 분리된 타르가 흡착된 바이오매스의 일부는 유동층가스화기(10)의 제 1투입구(121)에 투입되어 투입원료로 환원되고, 또 다른 일부는 유동층가스화기(10)의 환원투입구(111)에 환원시켜 유동사의 가열원료로 재활용된다.
마지막으로 정제필터(50)는 타르가 제거된 합성가스를 공급받아 정제시켜 고순도의 합성연료로 사용될 수 있도록 한다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.
10: 유동층가스화기 11: 챔버 111: 환원투입구
112: 연소구 113: 공간부
12: 제 1관로 121: 제 1투입구
122: 스팀공급구 123: 타공구
13: 유동사관로
20: 제 1가스분리기 21: 사이클론 211: 배출관
30: 타르제거기 31: 냉각자켓 311: 제 2투입구
32: 스크류축
40: 제 2가스분리기
50: 정제필터
60: 블로워팬

Claims (5)

  1. 투입되는 고체입자와 스팀을 내부에 수용된 고온의 유동사에 의해 열분해시켜 H2와 CO가 주성분인 합성가스를 생성시키는 유동층가스화기(10);
    상기 유동층가스화기(10)에 연결되어 합성가스를 공급받아 합성가스에 포함된 더스트 및 유동사를 배출처리하고 합성가스만을 분리하는 제 1가스분리기(20);
    상기 제 1가스분리기(20)로부터 합성가스를 공급받아 상기 합성가스에 포함된 타르를 고체입자의 표면에 흡착시켜 합성가스와 함께 고체입자를 배출시키는 타르제거기(30);
    상기 타르제거기(30)에서 공급된 타르가 흡착된 고체입자는 배출하여 유동층가스화기(10)에 환원하고 상기 합성가스만을 분리하는 제 2가스분리기(40); 및
    상기 제 2가스분리기(40)로부터 합성가스를 공급받아 합성연료로 사용할 수 있도록 정제시키는 정제필터(50);를 포함하되,
    상기 고체입자는 바이오매스로 이루어지고,
    상기 제 2가스분리기(40)로부터 유동층가스화기(10)로 환원되는 고체입자는 고체입자의 투입원료 또는 유동사의 가열원료로 재사용되며,
    상기 유동층가스화기(10)는 내부에 가열된 유동사를 수용하고 상기 제 2가스분리기(40)로부터 환원되는 고체입자를 유동사의 가열원료로 재활용할 수 있도록 측부에 형성되는 환원투입구(111) 및 가열원료의 연소가스를 배출하는 연소구(112)를 갖는 챔버(11)와, 가열된 유동사를 챔버(11) 내에서 격리시키고 고체입자를 투입시키는 제 1투입구(121)와, 스팀을 공급하는 스팀공급구(122)가 형성되는 제 1관로(12)와, 상기 제 1관로(12)의 측부에 나란히 형성되어 제 1관로(12)를 통해 상승하는 유동사가 낙하되어 재유입되는 유동사관로(13)와, 챔버(11) 내 격리된 유동사를 자중에 의해 제 1관로(12)로 유입시켜 바이오매스가 유동사에 의해 직접 열분해될 수 있도록 상기 제 1관로(12)의 하부에 형성된 타공구(123)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2가스분리기(40)로부터 유동층가스화기(10)로 환원되는 고체입자는 제 1투입구(121)에 투입되어 고체입자 투입원료로 사용되는 것을 특징으로 하는 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1가스분리기(20) 및 제 2가스분리기(40)는 무거운 고체입자는 하부로 배출시키고, 합성가스는 상단으로 송출할 수 있도록 배출관(211)이 연결되는 사이클론(21)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 타르제거기(30)는 상기 제 1가스분리기(20)와 연결되어 합성가스에 포함된 타르를 흡착시킬 수 있도록 고체입자가 투입되는 제 2투입구(311)가 형성되는 냉각자켓(31)과, 상기 제 2투입구(311)를 통해 투입된 고체입자를 회전에 의해 일방향으로 이송시킬 수 있도록 냉각자켓(31)의 바닥면에 배치되는 스크류축(32)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체입자를 이용한 타르 정제 및 회수장치.
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