KR101330719B1 - 고정 베드 가스화 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 고정 베드 가스화 반응기는 공기 또는 증기를 반대 방향으로 살포하는 고체 물질 배치로 작동한다. 생성되는 열분해 코크스 배치와 비교할 때, 열분해 코크스 층 안에서 열분해 코크스의 체류 시간이 몇 시간 이상 되는 것에 비하여, 실제 열분해 영역은 충분히 얇게 형성되어 열분해 영역에서의 물질의 체류 시간이 몇 분 정도에 지나지 않는다. 상기 열분해는 외부 열원을 사용하는 방식으로 일어나며, 높은 에너지, 낮은 분진, 및 낮은 타르의 가스가 형성된다. 이에 따른 공정 제어는 신뢰성 있는 방법으로 자동화 될 수 있다. 반응 가스와 열분해 가스의 배출은 가열실을 통하여 이루어지며, 여기에서 최종 타르 성분이 제거된다.
고정베드, 가스화반응기, 코크스, 교반장치, 가열실, 제트파이프

Description

고정 베드 가스화 반응기{FIXED BED GASIFIER}
본 발명은 고체 열분해 물질의 열분해를 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 고체 열분해 물질은 이하 "고체 연료"로서 기술한다. 또한, 본 발명은 이러한 고체 연료의 가스화를 위한 방법에 관한 것이다.
생물학적인 물질, 하수 슬러지(sludge), 및 플라스틱 물질, 폐기물, 폐지와 같이 탄소를 포함하는 잔류 물질 형태의 고체 연료는 가스의 생산에 사용될 수 있다. 소규모 공장에서는 통상적으로 고정 베드 가스화 반응기를 이용하여 배치(batch)에 포함되어 있는 고체 연료 조각들을 열분해한다. 일반적으로, 이러한 공장들은 오토서믹한(autothermic) 공정을 이용하여 가동된다. 즉, 열분해를 위해 필요한 에너지는 상기 고체연료를 부분적으로 산화시킴으로써 발생된다. 이러한 가스화 반응기들에 대해서는 2004년 뮤니히 비엔나 (Munich Vienna)의 올덴버그 출판사(Oldenbourg Verlag)가 발간한 전문서적인 "분산 에너지 시스템 (Dezentrale Energiesysteme)"의 176 내지 197페이지에서 유르겐 칼(Jrgen Karl)에 의해 설명되고 있다. 여기서는 비교적 저 에너지 연소 가스를 발생시키는 목제 가스화 반응기들이 소개되고 있으나, 대부분의 경우 가스화 반응기를 감시하는 사람을 필요로 한다.
본 발명의 목적은 개선된 고정 베드 가스화 반응기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 소규모 장치로서 에너지가 풍부한 열분해 가스의 생산에 적합한 고체 연료의 가스화 방법을 제공하는 데 있다.
상기 고정 베드 가스화 반응기는 고체연료를 담는 반응실을 포함한다.
상기 연료는 상부에 열분해 물질(고체 연료)의 얇은 층, 하부에 열분해 코크스 및 바닥에 재를 포함하는 배치(batch)를 형성한다.
상기 고체연료 층은 바람직하게는 복사열을 이용하여 위로부터 열분해가 일어날 정도로 가열된다.
상기 열분해 물질은 예를 들면 잠금장치(lock)를 가진 연료 충전 장치를 통해 충전될 수 있다.
상기 가열실로부터 나오는 복사열로 인하여, 상기 배치의 표면상에 형성된 비교적 얇은 열분해 영역이 지정된 온도로 가열되며, 산소가 부족한 환경에서 가스가 제거된다.
열분해 코크스 및 재와 같은 잔류물은 아래 방향으로 배출되며, 온도는 필연적으로 일정하게 유지된다. 이는 복사열은 배치 안으로 깊숙이 침투할 수가 없고 상기 배치의 열전도성이 낮기 때문이다.
상기 열분해 가스는 타르 성분들이 크래킹(cracking)되는 상기 가열실을 통하여 배출된다. 상기 배치는 열분해 코크스를 가스화하기 위하여 밑에서 위로 증기, 공기 또는 증기와 공기의 혼합체를 살포할 수 있다.
상기 고정 베드 반응기는 부하가 일정하든 변동하든 간에 자동 운전에 적합하며, 알로써믹(allothermic) 방식으로 운전되어 에너지가 풍부한 가스를 생성한다. 여기서 알로써믹(allothermic) 방식은 '외부 열원을 사용하는 것(공정)'의 의미로서, 이하의 기재에서는 '외부 열원을 사용하는 것(공정)'의 의미로 쓴다.
저속 회전 교반 암(stirring arm)과 같은 교반장치가 상기 반응실 안에 설치되어 열분해 물질의 균일한 분포와 상기 층 아래의 열분해 코크스 상에서 열분해 물질의 얇은 층을 형성시키는데 작용한다.
삭제
상기 교반장치는 물질 또는 먼지의 소용돌이가 일어나지 않도록 충분히 낮은 속도로 움직이는 것이 바람직하다. 또한, 가스의 처리량도 먼지가 거의 일어나지 않도록 충분히 낮추어 주는 것이 바람직하다.
상기 반응실과 가열실은 외부에 대해 단열 처리를 하는 것이 바람직하다. 이로써 효율이 향상되며, 추가적인 가열이 없이도 적어도 단시간의 대기 운전(standby operation)을 가능하게 한다. 장시간 대기 운전을 가능하게 하려면 하나 또는 그 이상의 가스 버너 또는 전열기 형태의 보조 가열기를 설치할 수도 있다.
상기 가열실에 설치된 가열 장치로는 강철 또는 세라믹으로 구성된 제트 파이프인 것이 바람직하며, 상기 제트 파이프는 상기 가열실의 온도를 바람직하게는 1000℃ 내지 1250℃로 유지하는 환기장치(recouperator) 버너 또는 축열기 버너를 가지는 것이 바람직하다. 이로써 상기 열분해 물질로부터 배출된 타르 성분이 크래킹되며, 이상적인 경우, 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)의 가스 성분과 약간의 탄산가스(CO2)로 완전 분리가 된다.
이렇게 하기 위해서는 상기 가스 배기 장치를 상기 가열실 위에 위치시키는 것이 바람직하다. 또한, 상기 타르 성분들이 충분히 크래킹될 수 있도록 상기 가열실 안에서의 상기 열분해 가스의 평균 체류시간을 1초 이상으로 하는 것이 바람직하다.
상기 가스 배기 장치는 탄화수소와 그의 재생성물을 분해하여 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 형성하는데 도움을 주는 촉매를 포함할 수 있다. 상기 촉매로서는 니켈, 코크스, 및 고회석(dolomite) 등이 사용될 수 있다.
냉각장치로서는 바람직하게는 퀀치 쿨러(quench cooler)와 같은 쇼크타입(shock-type)의 냉각장치가 상기 가스 배기장치에 설치되며, 상기 냉각 장치는 생성된 가스의 급속 냉각으로 인해 다이옥신(dioxin)이 형성되는 것을 방지한다. 상기 가스 냉각 장치로는 공기 예비 가열기 또는 증기 발생기가 사용될 수 있으며, 예비 가열된 공기 또는 발생 증기는 열분해 코크스를 가스화하는데 이용될 수 있다. 이렇게 함으로써 운전이 과량의 증기로 행해질 수 있다.
제트 파이프를 통하여 상기 반응실들을 가열하여, 특히 반응실과 가열실 안에서 가스의 이동 속도를 적절히 낮추어 재가 섞여 교반되는 것을 계속해서 방지함으로써, 저융점의 재 성분들에 의한 반응실의 슬래깅(slagging)이 방지된다.
본 발명의 효과적인 비용으로 개선을 고려하면, 상기 가열실을 환기장치 버너로 가열하여 생성된 가스를 배출할 수도 있다. 이 경우, 상기 가열실 안의 온도는 공기를 부화학양론적(sub-stochiometric)인 수준으로 공급함으로써 제어할 수 있으나, 낮은 발열량과 높은 농도의 질소를 갖는 생성 가스가 형성된다.
상기 열분해 영역으로 공급되는 열은 이동식 오리피스 플레이트(orifice plate)와 같은 적절한 장치를 사용하여 제어할 수 있다. 이로써 열분해 중에, 예를 들면 생물학적인 물질을 열분해 물질로 사용할 때 수분 함유량의 변화에 의한, 소요되는 열량 변화에 적응시킬 수 있다.
첨부된 도면들을 이용하여 본 발명에 따른 유익한 개선 사항들을 명세서 및 청구항에서 상세히 설명한다. 본 도면들은 본 발명의 두 가지 실시 예들을 보이고 있다.
도 1은 제트 파이프 가열 방식을 이용하는 고정 베드 가스화 반응기의 수직 단면을 보이는 개요도이다.
도 2는 버너 가열 방식을 이용하는 또 다른 고정 베드 가스화 반응기에 있어서 상부의 수직 단면을 보이는 개요도이다.
도 3은 도 2의 고정 베드 가스화 반응기를 버너가 위치한 높이에서 절단한 수평 단면을 보인 개요도이다.
도 4는 변형된 실시 예에 따른 고정 베드 가스화 반응기의 수직 단면을 보이는 개요도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
1:고정 베드 가스화 반응기 (fixed-bed gasifier)
2:반응실 (reaction chamber)
3:가열실 (heating chamber)
4:가열 조리개 (heating aperture)
5:슬라이더 하우징 (slider housing)
6,7:오리피스 플레이트 (orifice plates)
8:가스밀폐 라이닝
9:자켓 (jacket)
10:중간 공간 (intermediate space)
11:보조 가열장치 (auxiliary heating device)
12:충전 레벨 센서 (filling level sensor)
13:온도 센서 (temperature sensor)
14:연료 충전 장치 (fuel filling device)
15:잠금 장치
16:교반 장치 (stirring device)
17:샤프트 (shaft)
18:구동 장치 (drive device)
19,20 :암 (arms)
21:배치 (batch)
22, 23, 24, 25:암 (arms)
26:재 배출 장치 (ash withdrawal device)
27:잠금 장치 (lock)
28:배관 (line)
29:가열 장치 (heating device)
30:제트 파이프 (jet pipe)
31:환기장치 버너 (recouperator burner)
32:연료 공급 배관 (fuel supply line)
33:공기 공급 배관 (air supply line)
34:환기장치 (recouperator)
35:배기 가스 채널 (exhaust gas channel)
36:온도 센서 (temperature sensor)
37:가스 배기 장치 (gas exhaust device)
39:촉매 (catalyst)
삭제
40:가스 냉각 장치 (gas-cooling device)
41:증발기 (evaporator)
42:오리피스 (orifice)
43:고체 연료 층 (solid fuel layer)
44:열분해 코크스 층 (pyrolysis coke layer)
45:재 층 (ash layer)
46:오리피스 (orifice)
47:턴테이블 (turntable)
48:회전축 (rotational axis)
49:구멍 (hole)
50:노즐 (nozzles)
51:열교환기 (heat exchanger)
52:배관 (line)
53:연결자 (connecting piece)
첨부도면에 의거하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 열분해 물질로부터 일산화탄소와 수소를 생성하는데 사용되는 고정 베드 가스화 반응기(1)를 보인다. 열분해 물질로 사용될 수 있는 것은 탄소를 포함하는 유기 물질로서, 상기 탄소를 포함하는 유기 물질은 큰 덩어리로 썰거나, 잘게 썰거나 펠레트(pellets) 형태로 만들거나 또는 달리 전처리될 수 있다.
상기 고정 베드 가스화 반응기는 소형 가스 발생기로 설계된 것으로서, 예를 들어, 시간당 20kg 내지 100kg의 생체학적인 물질을 가스화하기 위한 것이다.
상기 고정 베드 가스화 반응기(1)는 외형이 대략 원통형으로서 상기 가스화 반응기의 상부에 배치되고 외부에 대해 단열 처리된 가스 밀폐형 반응실(2)과 외형이 대략 원통형으로서 상부가 막혀 있고 단열처리된 가열실(3)을 포함한다.
상기 가열실(3)과 반응실(2) 사이에는 통로가 있으며, 이를 가열 조리개(heating aperture; 4)로서 표기한다. 상기 가열 조리개(4)의 위치를 결정하기 위해서는 슬라이더 하우징(slider housing; 5)이 사용될 수 있으며, 상기 슬라이더 하우징(5)은 상기 반응실(2)과 가열실(3) 사이에 위치한다.
상기 가열 조리개(4)는 슬라이더(slider) 형식으로 만들어져 서로 반대 방향으로 움직일 수 있는 두 개의 직사각형 오리피스 플레이트(6, 7)들을 포함하며, 상기 오리피스 플레이트들은 상기 가열실(3)로부터 상기 반응실(2)로 들어가는 복사열을 제어하기 위해 외부에서 구동장치나 손으로 움직일 수 있도록 되어 있다.
상기 반응실(2)에는 가스 밀폐 라이닝(lining; 8)이 설치되어 있으며, 단열 외부 자켓(9)과 상기 가스 밀폐 라이닝(8) 사이에는 중간 공간(10)이 형성되어 있다.
여기에는 대기 운전을 할 수 있도록 전열식 가열 코일(coil)이나 가스 버너 형태의 보조 가열 장치(11)가 설치될 수도 있다. 운전 상태를 감시하기 위해서 충전 레벨 센서(filling level sensor; 12)와 온도 센서(13)가 설치될 수 있다.
상기 충전 레벨 센서(12)는 상기 가스 밀폐 라이닝(8)을 통하여 연장되어 상기 반응실(2) 안으로 돌출되며, 이는 허용 가능한 열분해 물질의 최대 충진 높이보다 위쪽에 설치된다. 상기 온도 센서(13)는 상기 중간 공간(10) 안으로 돌출된다.
연료 충전 장치(14)는 상기 반응실(2)을 열분해 물질로 채우기 위하여 사용된다. 예를 들어, 상기 연료 충전 장치(14)는 상기 자켓(9)과 상기 가스 밀폐 라이닝(8)을 통하여 연장된 충전 파이프와 잠금 장치(15)를 포함한다. 상기 연료 충전 장치(14)는 웜 컨베이어(worm conveyor)와 같은 컨베이어 장치를 포함할 수 있다.
상기 컨베이어 장치는 열분해 물질을 상부로부터 상기 반응실(2) 안에 위치한 배치를 채우도록 설치된다.
상기 반응실(2) 안에는 교반 장치(16)가 설치된다. 상기 교반 장치(16)는 상 기 반응실(2)의 중심에 설치된 샤프트(17)를 가지고 있으며, 예를 들면 상기 샤프트(17)는 상기 용기의 바닥면을 통하여 연장되어 구동장치(18)에 의해 저속으로 회전된다. 대략 상기 반응실(2) 안의 배치(21)위에 형성된 가장 위쪽 평편 층의 높이에서, 상기 샤프트(17)의 상부의 끝으로부터 수평방향으로 하나 이상의 암들(arms; 19, 20)이 원주방향으로 뻗어 있다. 상기 암들(19, 20)은 충전된 물질을 고르게 하고 분산시키는 작용을 한다.
상기 샤프트(17)는 그 아래 부분에서 대략 상기 배치(21)의 중간 높이에, 또 다른 암들(22, 23, 24, 25)을 가질 수 있다. 상기 교반 장치(16)는 바람직하게는 상기 샤프트(17) 상에 설치된 하나 이상의 온도 센서들(13a, 13b)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 온도 센서(13a)는 열분해 영역 중심의 온도를 감지하기 위해 암들(19, 20)과 같거나 더 높은 곳에 설치된다. 예를 들면 상기 온도 센서(13b)는 가스화 영역의 온도를 감지하기 위해 대략 상기 샤프트(17) 높이의 중간 지점에 해당하는 위치에 설치된다.
예를 들어, 바깥쪽과 아랫쪽으로 향하는 대직경 채널 형태의 재 배출 장치가 상기 반응실(2)의 밑 부분에 설치된다.
상기 채널은 잠금 장치(27)를 통하여 재를 배출하게 된다. 또한, 공기 및 증기가 상기 재 배출 장치(26)에 포함되어 있는 샤프트를 통하여 하부로부터 도입된다. 이를 위해, 상기 샤프트에는 적절한 배관(28)이 형성되어 있다.
상기 증기 및 공기의 공급은 상기 재 배출 장치(26)의 위에 있는 반응실에서 중단될 수 있다.
가열 장치(29)가 상기 가열실(3) 안에 설치되어 있으며, 본 발명의 실시 예에서는 강철이나 세라믹 소재의 제트 파이프(30)로 설계되어 있다.
상기 제트 파이프(30)의 한쪽 끝은 막혀 있으며, 가열실(3)의 상부에 고정되어 상기 가열실 안쪽에 수직 하방으로 매달리거나 또는 상기 가열실 안에 수평 방향으로 설치될 수 있다. 상기 제트 파이프(30)는 버너, 바람직하게는 환기장치 버너(31)에 의해 내부로부터 가열된다.
상기 제트 파이프는 1000℃와 1400℃ 사이의 표면 온도를 가지며 복사열을 발생한다. 상기 환기장치 버너(31)는 연료 공급 배관(32)이 장착된 버너, 공기 공급 배관(33)과 열교환기로서 작용하는 환기장치(34)를 포함한다.
상기 환기장치(34)는 신선한 공기를 가열하고 역방향으로 이동하는 배기 가스를 냉각시키기 위해 배기 가스 채널(35)과 신선한 공기를 공급하는 공기 공급 채널을 분리한다.
또한, 상기 가열실(3)에는 온도 센서(36)가 설치되어 있어서 상기 가열실(3)의 온도를 감지하게 된다.
또한, 상기 가열실(3)은 가스 배기 장치(37)와 연결되어 있어 가스 반응물질을 상기 가열실(3)로부터 제거한다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 가스 배기 장치(37)는 상기 가열실의 상부로부터 아래쪽으로 매달리는 실린더형 용기를 포함한다.
상기 용기는 아래쪽 끝이 막혀 있으며, 가스 유입 오리피스(gas-receiving orifice)을 가지고 있고, 내부에는 촉매(39)를 포함하고 있다. 상기 촉매는 고회석, 코크스 또는 니켈과 같은 활성 촉매 입자들의 배치(batch)로서 구성된다.
또한, 증발기(41) 형태의 가스 냉각 장치(40)가 상기 용기 안에 설치될 수 있다.
상기 증발기(41)는 나선형으로 형성된 파이프로서 형성되어 있으며, 가스 반응 물질의 기류가 상기 파이프의 주위로 흘러 공기, 물, 또는 공기와 물의 혼합체를 통과하게 된다.
따라서, 뜨겁게 가열된 공기, 증기 또는 뜨거운 공기와 증기의 혼합체가 상기 배관 (28)으로 유입되어 상기 반응실(2) 안에서의 가스화를 촉진한다.
상기 고정 베드 가스화 반응기는 다음과 같이 작동한다.
상기 배치(21)는 상부로부터 상기 연료 충전장치(14)를 통하여 계속적으로 또는 주기적으로 고체 연료 조각들로서 보충된다.
상기 고체 연료는 오리피스(42)로부터 암들(19, 20)이 스쳐 지나가는 영역으로 떨어져 상기 배치(21) 상에 얇게 퍼져 고체 연료 층(43)을 형성한다.
상기 제트 파이프(30)는 바람직하게는 상기 가열실(3)의 온도를 1000℃ 내지 1250℃로 가열한다.
상기 제트 파이프(30)는 가스, 상기 고정 베드 가스화 반응기(1)에 연결된 화학장치로부터 얻어진 잔류가스, 촉매(39)를 우회하면서 상기 가열실로부터 제거된 가스, 천연 가스, 또는 기타 연료 형태의 연료로 작동할 수 있다.
상기 제트 파이프(30)와 상기 가열실(3)의 여러 가열부에 의해 방출되는 복사열은 상기 가열 조리개(4)를 통하여 이동하여 상기 고체 연료 층(43)의 열분해 온도인 500℃ 내지 900℃, 바람직하게는 약 650℃로 가열시킨다.
상기 가열 조리개(4)에서의 열 유입 밀도는 평방미터 당 약 100kW 내지 250kW이다. 제어장치가 오리피스 플레이트(6, 7)들을 조절하여 열분해 온도가 항상 원하는 범위에서 유지되도록 감지 및 제어할 수 있도록 온도 센서(13a)가 설치되어 있다.
상기 온도 제어는 반응속도가 매우 빠르고 관성(inertia)이 적은 복사열 제어방식으로 이루어진다.
상기 제트 파이프(30)의 온도는 열분해 층의 온도제어에 의해 영향을 받지 않는다.
상기 고체 연료는 고체 연료 층에서 탄화하며, 새로운 고체 연료가 연속적으로 또는 주기적으로 상기 오리피스(42)를 통하여 보충된다. 바람직하게는 연속적으로 매우 낮은 속도(예를 들면, 1 회전/분)로 암들(19, 20)을 회전시켜 상기 고체 연료를 균일하게 분산시킨다. 생성된 열분해 코크스가 열분해 코크스 층(44)을 형성하여 배치의 상부에서는 필연적으로 그 부피가 커지게 되며, 상기 코크스 층은 암들(22 내지 25)에 의해 원활하게 천천히 움직이게 된다.
상기 열분해 코크스 층(44)에서 천천히 아래 방향으로 이동하는 코크스는 상기 고체 연료 층(43)으로부터 열을 가지고 이동하므로 약600℃ 내지 700℃의 온도가 유지된다.
증기 또는 증기와 공기의 혼합체, 또는 예비 가열된 공기가 바닥으로부터 매우 낮은 속도로 유입되어 상기 열분해 코크스 층(44)을 통해 점차적으로 위로 흘러 올라가게 된다. 이렇게 함으로써, 열분해 코크스는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)로 바뀌게 된다.
일반적으로, 상기 고체 연료 층(43)에서의 탄화는 1 내지 2 분에 완료되는 반면, 상기 열분해 코크스 층(44)에서 열분해 코크스의 반응 또는 가스화는 1 시간 내지 몇 시간이 걸린다. 그러나 상기 고정 베드 가스화 반응기는 빠른 속도의 열분해와 낮은 속도의 코크스 탄화를 수행한다.
상기 열분해 코크스 층(44)의 온도 제어는 상기 가열실 온도의 제어와 상기 열분해 층(43) 온도의 제어와는 상관없이 상기 온도 센서(13b)를 이용하여 증기 또는 예비 가열된 공기의 공급을 제어함으로써 이루어진다.
상기 열분해 코크스 층(44)의 밑에 축적되는 재층(45)은 연속적으로 또는 때때로 재 배출 장치(26)를 통하여 배출된다.
따라서, 상기 고체 연료 층(43)에서 고체 연료의 직접 열분해로부터 유도된 저온의 탄화 가스와 상기 열분해 코크스 층(44)으로부터 유도된 반응 가스(이산화탄소 및 수소)의 혼합체는 상기 고체 연료 층(43)으로부터 초당 몇 센티미터의 속도로 상승하게 된다.
이러한 가스 혼합체는 매우 낮은 속도로 흐르기 때문에 재 입자들을 동반하지 않는 상태로 상기 가열실(3) 안에 도착하게 된다. 또한, 상기 고체 연료 층(43)은 재를 유보시키는 필터로서 작용한다.
상기의 상승하는 가스는 초기에 많은 양의 타르 성분들을 포함한다. 상기 가 열실(3)의 온도를 1000℃ 이상으로 가열함으로써, 이러한 타르 성분들은 크래킹되어 짧은 체인의 탄화수소를 형성하며, 부분적으로 산화 또는 수소화가 이루어지게 된다.
상기의 생성된 가스 반응 물질은 아주 소량의 타르를 함유하며, 상기 가스는 필연적으로 수소(H2), 일산화탄소(CO) 및 약간의 이산화탄소(CO2)를 포함하게 된다.
이러한 가스 혼합체는 상기 촉매(39)를 통과함으로써 잔류하는 타르 성분들이 제거된다. 상기 가스 반응 물질은 증발기(41)에서 급속 냉각시킴으로써 다이옥신의 형성을 방지한다.
이러한 장치를 운전하기 위해서는 센서(36)를 이용하여 상기 가열실(3) 안의 온도를 설정하며, 온도 센서(13)를 이용하여 상기 반응실(2) 안의 온도를 설정한다.
상기 가열실의 온도는 환기장치 버너(31)에 의해 제어된다. 상기 반응실의 온도는 배관(28)을 통하여 공급되는 증기의 양을 조절함으로써 제어된다. 고체 연료의 충전 수준의 제어는 연료 충전 장치(14)를 제어하는 충전 레벨 센서(12)에 의해서 이루어지며, 이로써 자동 운전이 가능하게 된다.
상기 오리피스 플레이트(6, 7)들은 다양한 연료의 품질에 고체 연료 가스화 반응기(1)를 적합하게 하도록 하기 위해 사용할 수 있다.
도 2 및 3은 고정 베드 가스화 반응기(1)의 변형된 실시예를 보이고 있다. 이는 앞서 설명한 고정 베드 가스화 반응기와 유사하나 가열실(3)의 구조만 상이하 다.
상기 가열실 이외의 나머지 부분의 설계 및 기능에 대해서는 앞서 설명된 내용들을 참조한다.
도 2 및 3을 참조하면, 고정 베드 가스화 반응기(1)는 가열 장치로서 제트 파이프(30) 대신에 환기장치 버너(31)를 포함하고 있다.
상기 버너의 화염은 오리피스(46)를 통하여 가열실(3) 안까지 공급된다. 이렇게 함으로써, 상기 환기장치 버너(31)는 바람직하게는 실린더 형태의 상기 가열실(3)에 접선 방향으로 설치된다.
이 경우, 가스 반응 물질은 상기 환기장치 버너(31)의 배기 가스와 함께 배기 가스 채널(35)을 통하여 상기 가열실(3)으로부터 배출된다.
상기 가열실의 온도는 부화학양론적(sub-stochiometric)인 공기 공급에 의해 제어된다. 이로써, 낮은 발열량을 갖는 생성 가스와 함께 높은 농도의 질소가 형성된다. 접선 방향으로 공급되는 공기에 의해 상기 가열실(3)의 안에는 나선형의 기류가 형성되며, 상기 기류에 의해 재가 상기 반응실(2)로부터 밖으로 섞여 나가는 것을 방지할 수 있다.
상기 환기장치 버너(31)는 화염이 없는 산화로 운전될 수도 있다. 상기 반응실(2)를 위한 뜨거운 공기 또는 증기를 발생시키도록 공기 예비 가열 장치 또는 증발기를 상기 배기 가스 채널(35)에 연결할 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 고정 베드 가스화 반응기(1)의 변형된 실시 예를 보이고 있다.
상기 반응실(2) 안에는 바람직하게는 수직 중심 위치에서 회전하는 축(48)을 따라 회전하는 턴테이블(47)이 설치되어 있다.
상기 턴테이블(47)은 오리피스(42)의 밑에 설치되며, 바람직하게는 중심에 구멍(49)을 갖는 깔때기 모양으로 형성된다.
상기 턴테이블(47)은 샤프트(17)에 연결될 수도 있다. 상기 턴테이블(47)의 충전은 레이저 또는 기타 적합한 수단으로 스캐닝될 수 있으며 열분해 물질의 공급량을 조절하기 위하여 사용될 수 있다.
도 4에 의하면, 레이저 광선 L이 구멍(49)으로 조사될 수 있다. 이와는 달리, 앞서 설명된 방법이 이용될 수도 있다. 본 실시 예는 미세하게 입자화 된 열분해 물질 성분이 배치 안에서 너무 빠르게 가라 앉지 않고 충분히 오랜 시간 동안 복사열에 노출될 수 있도록 하는 이점을 가지고 있다.
또한, 상기 교반 암들(22, 23, 24, 25)에는 가스화 보조제(산소, 공기, 또는 증기)를 공급하기 위한 노즐들(50)을 형성할 수 있다. 이러한 방법으로 가스화 보조제를 균일하게 공급함으로써 부분적인 과열을 방지할 수 있다.
또한, 열교환기(51)를 가열하기 위해 고온 열교환기를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 스털링(Stirling) 엔진이나 가스 터빈을 위한 열교환기(51)를 가열실(3) 안에서 직접 가열할 수가 있다.
배기 가스는 공기를 예비 가열하거나 증기를 발생시키는데 이용할 수가 있다. 상기 가열실(3) 안으로 배관(52)를 통해서 이차적인 공기를 유입할 수가 있다.
배기 가스는 상기 가열실(3)에 설치되어 있는 연결자(53)을 통하여 배출될 수 있다.
본 발명에 따른 고정 베드 가스화 반응기는 공기 또는 증기를 역방향으로 살포하는 고체 물질의 배치로 운전된다. 생성되는 열분해 코크스 배치와 비교할 때, 열분해 코크스 층에서 열분해 코크스의 체류 시간이 몇 시간에 이르는데 비하여, 실제 열분해 영역이 매우 얇으므로 열분해 영역에서 열분해 물질의 체류 시간은 수분밖에 되지 않는다.
상기 열분해는 반응열보다는 공급되는 에너지 방사에 의해 더 많이 일어나므로 외부 열원을 사용하는 방식으로 이루어진다. 따라서, 고 에너지의 가스를 분진과 타르 가스가 적은 상태로 생성할 수 있으며, 공정 제어를 신뢰성 있는 방식으로 자동화될 수 있다.
또한, 반응 가스와 열분해 가스의 배출은 상기 가열실(3)을 통하여 이루어지므로 여기에서 최종 잔류 타르 성분들이 제거된다.
이와 같이 된 본 발명은 고정 베드 가스화 반응기는 공기 또는 증기를 역방향으로 살포하는 고체 물질의 배치로 운전됨으로 생성되는 열분해 코크스 배치와 비교할 때, 열분해 코크스 층에서 열분해 코크스의 체류 시간이 몇 시간에 이르는데 비하여, 실제 열분해 영역이 매우 얇으므로 열분해 영역에서 열분해 물질의 체류 시간은 수분 밖에 되지 않는 이점을 가지며,
또한, 상기 열분해는 반응열보다는 공급되는 에너지 방사에 의해 더 많이 일어난다. 열분해는 외부 열원을 사용하는 방식으로 이루어지므로, 고 에너지의 가스를 분진과 타르 가스가 적은 상태로 생성할 수 있어 공정 제어의 신뢰성 있는 방식으로 자동화될 수 있는 효과가 있다.
또한, 반응 가스와 열분해 가스의 배출은 상기 가열실을 통하여 이루어지므로 여기에서 최종 잔류 타르 성분들이 제거되는 효과를 갖는다.

Claims (26)

  1. 고정 베드 가스화 반응기(1)에 있어서,
    고체 연료의 배치(21), 생성된 열분해 코크스와 재를 수용하고 내부로는 수용된 코크스와 재를 교반하는 교반장치(16)를 포함하여 구성된 반응실(2);
    상기 반응실(2)에 고체 연료를 충전시키기 위해 반응실(2)의 상부에 구성된 연료 공급 장치(14);
    상기 반응실(2)에서 발생 되는 재를 반응실(2)의 아래 방향으로 배출하기 위해 상기 반응실(2)의 아래에 구성된 재배출 장치(26);
    내부에 열을 방사 하는 가열장치(29)를 가지며, 가열 조리개(4)를 통해 상기 반응실(2)과 연결된 가열실(3); 및
    생성된 가스 반응물질을 배출하기 위한 가스 배기장치(37)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 반응실(2)과 가열실(3)은 외부에 대해 단열처리가 되어 있는 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 가열장치(29)는 제트 파이프 가열 장치인 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 가열장치(29)는 버너인 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 가스 배기장치(37)는 상기 가열실(3) 위에 위치하는 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 가스 배기장치(37)는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 생성하기 위한 촉매(39)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 가스 배기장치(37)는 가스 냉각장치(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 가스 냉각 장치(40)는 증기 발생기(41)인 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 반응실(2) 위에는 공기, 증기, 또는 공기와 증기의 혼합체를 도입하기 위한 가스 도입장치(28)가 설치되는 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 가열 조리개(4)는 상기 가열실(3)로부터 상기 반응실(2)의 고체연료로 뜨거운 기류를 작용시키기 위한 장치와 연결되는 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 고체연료로 뜨거운 기류를 작용시키기 위한 장치는 상기 가열실(3)과 반응실(2) 사이 통로 사이즈 조절이 가능한 오리피스 플레이트(6,7:orifice plates)들로 구성되는 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 반응실(2)은 보조 가열장치(11)와 연결되는 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 가열실(3)은 온도 센서(36)와 연결되는 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 반응실(2)은 온도 센서(13)와 연결되는 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 반응실(2)은 충전 레벨 센서(filling level sensor; 12)와 연결되는 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 반응실(2)은 열분해 물질을 위한 턴테이블(turntable)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 턴테이블은 회전 구동되는 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 턴테이블은 깔때기 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 고정 베드 가스화 반응기.
  20. 고체 연료들을 배치(21)에서 가스화하는 방법에 있어서,
    a) 상부로부터 고체연료를 경사 방식으로 이동시켜 상기 배치(21) 위로 공급하는 단계;
    b) 상기 배치(21)의 상부를 덮는 얇은 고체 연료층(43)을 형성하며, 상기 배치에 증기, 공기 또는 증기와 공기의 혼합체를 아래로부터 위로 살포하는 단계;
    c) 버너(31) 또는 제트 파이프(30)를 이용하여 외부 공기를 가열실(3) 또는 반응실(2)로 공급함으로써 상기 고체 연료층(43)을 외부 열원을 통해 열분해 시키는 단계; 및
    d) 반응실(2)보다 높은 온도를 갖는 가열실(3)을 통해 생성된 열분해 가스를 배출시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    공기의 공급량 또는 증기의 공급량에 영향을 줌으로써 상기 반응실(2) 안의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  22. 제 20항에 있어서,
    가열장치(29)를 제어함으로써 상기 가열실(3) 안의 온도를 조절하는 것을 특 징으로 하는 가스화 방법.
  23. 제 20항에 있어서,
    상기 가열실(3) 안의 온도를 1000℃ 내지 1250℃로 조절하는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  24. 제 20항에 있어서,
    상기 반응실(2)의 고체 연료층(43)은 외부 열원을 통해 열분해 시키는 열분해 온도를 500℃ 내지 900℃로 조절하는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  25. 제 20항에 있어서,
    상기 가열실(3) 안에서의 상기 열분해 가스들의 체류 시간은 1초 이상인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  26. 제 20항에 있어서,
    상기 배치(21)의 살포와 상기 배치의 이동은 교반장치(16)에 의해 먼지가 교반되지 않는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
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