KR101336950B1 - 바이오매스의 고온 가스화 방법 및 이의 시스템 - Google Patents

바이오매스의 고온 가스화 방법 및 이의 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101336950B1
KR101336950B1 KR1020117014911A KR20117014911A KR101336950B1 KR 101336950 B1 KR101336950 B1 KR 101336950B1 KR 1020117014911 A KR1020117014911 A KR 1020117014911A KR 20117014911 A KR20117014911 A KR 20117014911A KR 101336950 B1 KR101336950 B1 KR 101336950B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas
pulverized coal
pipeline
carbonization furnace
charcoal
Prior art date
Application number
KR1020117014911A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20110094099A (ko
Inventor
하이칭 장
펭 자오
리핑 쳉
젠후아 야오
Original Assignee
우한 카이디 엔지니어링 테크놀로지 리서치 인스티튜트 코오퍼레이션 엘티디.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 우한 카이디 엔지니어링 테크놀로지 리서치 인스티튜트 코오퍼레이션 엘티디. filed Critical 우한 카이디 엔지니어링 테크놀로지 리서치 인스티튜트 코오퍼레이션 엘티디.
Publication of KR20110094099A publication Critical patent/KR20110094099A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101336950B1 publication Critical patent/KR101336950B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/58—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels combined with pre-distillation of the fuel
    • C10J3/60—Processes
    • C10J3/64—Processes with decomposition of the distillation products
    • C10J3/66—Processes with decomposition of the distillation products by introducing them into the gasification zone
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE
    • B09B3/00—Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B53/00—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form
    • C10B53/02—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form of cellulose-containing material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/48—Apparatus; Plants
    • C10J3/50—Fuel charging devices
    • C10J3/506—Fuel charging devices for entrained flow gasifiers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2200/00—Details of gasification apparatus
    • C10J2200/15—Details of feeding means
    • C10J2200/152—Nozzles or lances for introducing gas, liquids or suspensions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0913—Carbonaceous raw material
    • C10J2300/0916—Biomass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0913—Carbonaceous raw material
    • C10J2300/094—Char
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]
    • Y02E20/18—Integrated gasification combined cycle [IGCC], e.g. combined with carbon capture and storage [CCS]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/141—Feedstock
    • Y02P20/145—Feedstock the feedstock being materials of biological origin

Abstract

본 발명은 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 고온 가스화 방법 및 시스템에 관한 것으로, 원료 공급, 탄화, 목탄 제분, 미분탄을 가스화 장치로 이송하여 가스화하는 단계를 포함하며, 탄화는 외부 공급 가연성 기체와 산소가 탄화로 내에서 직접 연소 반응을 진행하여, 반응 중 방출하는 열량을 직접 바이오매스 열분해에 필요한 열량으로 사용하며, 탄화로의 산물은 열분해 가스와 목탄이다. 산소량 조절을 통하여 탄화로 온도를 400 ~ 600℃로 제어하고, 가연성 기체와 산소의 충분 연소 시 필요한 가연성 기체의 몰량을 1 기준으로, 외부 공급 가연성 기체를 몰량 1 이상 5이하로 주입하여, 탄화로에 진입하는 외부 공급 가연성 기체량을 조절하고, 탄화로 버너 화염온도는 1800℃ ~ 1200℃ 이하로 한다. 목탄 제분 단계는 목탄 온도하강, 감압, 제분, 증압, 유동화를 통하여, 이송용 열분해 가스량 조절에 의해 미분탄을 가스화 장치로 이송한다

Description

바이오매스의 고온 가스화 방법 및 이의 시스템{HIGH TEMPERATURE GASIFYING PROCESS WITH BIOMASS AND SYSTEM THEREOF}
본 발명은 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 고온 가스화 방법 및 시스템에 관한 것이다. 상기 방법은 바이오매스를 이용하여 합성가스 또는 가연성 가스를 제조하는 기술분야에 속한다. 그 중, 합성가스는 CO, H2 및 여러 가지 탄소, 수소, 산소를 포함하는 탄수화물 가스의 혼합물이다. 상기 발명에 의해 생성되는 합성가스는 가스터빈 발전 시스템, 연료 전지, 합성유, 야금 등 장치에 사용된다.
전통적인 화학 석유 에너지 (석탄, 석유, 천연가스) 저축량의 지속적인 감소 및 화학 석유 에너지 사용으로 인한 환경오염 문제가 인류의 생존과 발전에 직접적인 위협을 초래함에 따라, 재생 가능하고 환경친화적인 에너지에 대한 관심 및 발전은 각국 정부의 공동의 관심이 되고 있다. 바이오매스(biomass)는 식물이 광합작용을 거쳐 생성하는 유기물질로, 분포가 넓고 사용량이 크며 화학 석유 에너지에 비해 깨끗하며, CO2 배출량이 제로인 장점을 구비하고 있어, 중요한 재생 가능 에너지로 주목되고 있다. 열화학, 생물화학 등 방법을 통하여 바이오매스를 정화 기체 또는 액체 연료로 전환 가능하며, 발전, 공업원료 생산, 화학공업제품 생산 등에 사용 가능하여, 화학 석유 에너지를 완전히 대체할 수 있는 잠재력을 구비하고 있어 세계 각국에서 우선적으로 발전시키고 있는 새로운 에너지로 되고 있다.
바이오매스를 정화 가스 또는 액체 연료로 전환하는 방법은 여러 가지이며, 바이오매스 가스화 기술은 기타 기술과 비교할 경우 활용 가능한 바이오매스의 종류 범위가 넓고 확장성이 더욱 크다. 바이오매스의 가스화 과정은 열화학 과정으로, 바이오매스 원료와 가스제 (공기, 산소, 수증기, 이산화탄소 등)가 고온하에서 화학반응을 일으켜 고체 바이오매스 원료로 하여금 탄소, 수소, 산소 등 원소로 구성된 탄수화물 혼합가스로 전환하는 과정으로, 상기 혼합가스는 통상적으로 합성가스로 불리운다. 가스화 과정 중 생성되는 합성가스의 구성은, 가스화 시 사용되는 바이오매스 원료의 성질, 가스제 유형, 가스화 과정 중의 조건 및 가스화 장치의 구조가 다름에 따라 상이하다. 가스화의 목적은, 바이오매스 원료와 가스제 소모량 및 합성가스 중의 타르유 함량을 감소함과 동시에, 시스템의 가스화 효율, 탄소 전환율 및 합성가스 중 유효성분 (CO 및 H2)의 함량을 최대화 하려는데 있다. 가스화 목표에 영향 주는 요소는 가스화 공정에 사용되는 가스화 장치의 유형, 가스제 종류, 바이오매스 원료의 입자 직경, 가스화 압력 및 온도, 바이오매스 원료 중 수분과 회분 함량 등 여러 가지가 있다.
가스화에 사용되는 가스화 장치는 고정상로 (fixed bed), 유동층로 (fluid-bed) 및 분류층로 (entrained bed) 세 가지 부류로 나누어진다. 고정상로는 가스화 구조가 간단하고 작업에 편리하며 운행 모드가 영활하며, 고체 연료가 로내에서의 체류 시간이 길고 탄소 전환율이 높으며 운행 부하가 커서 20 ~ 110% 사이에서 변동 가능하다. 그러나, 고정상로는 온도가 불균일하여 환열 효과가 떨어지며 출구의 합성가스 열량 값이 낮으며 타르유를 대량으로 함유하고 있다. 유동층로 가스화는 가스화 장치에로의 원료 투입 및 회분 배출이 편리하고, 노 내 온도가 균일하고 조절하기 용이하나, 원료 성질에 민감하고 원료의 접착성, 열안정성, 수분, 회분 용융점이 변화할 경우 비정상적으로 작업하도록 한다. 또한, 가스화 장치의 정상적인 유동을 보장하기 위해, 운행 온도가 낮고 출구 합성가스 중 타르 함량이 높다. 고정상로와 유동층로가 대량의 타르유를 함유하고 있어, 후속 시설에 부득불 타르 열분해 및 정화 장치를 설치함으로써 가스화 공정이 매우 복잡해진다. 분류층로는 작업 온도가 높고, 노 내 온도가 균일하며, 타르유가 분류층로 내에서 전부 열분해하며, 동시에 분류층로는 양호한 확대 특성을 구비하여 특히 대형 산업화의 활용에 적용된다. 그러나, 분류층로는 원료의 입자 직경에 대해 엄격하게 제한하고 있어, 분류층로에 투입되는 원료는 초미세 과립으로 연마하여야 한다. 그러나 종래의 분쇄 (crushing) 또는 제분기술로는 섬유를 많이 함유하고 있는 바이오매스 원료를 분류층로 운행을 만족하는 입자 직경으로 분쇄할 수 없어, 분류층로를 바이오매스 원료의 가스화에 적용할 수 없는 문제를 초래한다. 타르유 열분해와 처리 및 바이오매스 가스화 전의 사전처리는 바이오매스 가스화 공정의 발전을 저애하는 가장 큰 문제로 되고 있다.
중국 특허출원번호 200510043836.0은 저타르 바이오매스 가스화 방법 및 장치에 관한 것으로, 상기 기술은 고체 바이오매스 열분해와 열분해 산물의 열분해 가스화 두개 과정으로 나뉘어져, 바이오매스를 타르 함량이 낮은 가연성 가스로 전환한다. 상기 방법에 존재하는 문제점은, 첫째, 열분해를 거쳐 생성된 열분해 가스와 목탄은 전부 열분해 가스화 장비의 연소구역으로 이송되어, 1000 ℃ 내외에서 불완전 연소 반응함으로써 열분해에서 생성된 타르를 고온 방식으로 열분해한다. 이는 타르 함량을 감소할 수 있으나 대량의 목탄을 손실함으로써 나중에 진행되는 환원반응에서 생성되는 CO 량 감소를 초래하여 합성가스 중의 CO2함량이 높아지게 한다. 둘째, 연소반응 온도가 낮아 후속 환원반응 중의 온도가 더욱 낮아지게 하며, 환원구역의 평균 온도가 700 ℃로 낮아져 유효 합성가스 (CO 와 H2)의 산량이 감소 (약 30% 정도) 되게 한다. 셋째, 환원반응을 거친 소각재와 불충분 반응한 잔류탄소가 직접 시스템으로 배출됨으로써 탄소 전환율 하강을 초래한다. 넷째, 상기 방법에서 이용한 열분해 가스화 장치는 고체상로의 한가지 형태로, 연소 중 생성하는 가스제 (주로 CO2 와 H2O)는 하부의 뜨거운 탄소층을 통과 시, 흡열반응인 환원반응에 의해 고체상로 상하 온도 차이가 크게 된다 (상면부는 1000 ℃ 내외, 저면부는 500 ℃ 내외). 이는 고체상로의 고유의 단점이다.
미국 특허 6,863,878B2은 탄소 원료를 이용하여 합성가스를 제조하는 방법 및 설비에 관한 것으로, 상기 방법도 탄화 (또는 열분해) 와 열분해 (pyrolysis) 가스화 과정이 분리된 방법을 적용하여, 탄화 온도를 450℉ 이하를 제어하는 것을 통하여 열분해 반응에 의해 생성되는 타르를 감소시킨다. 상기 방법은 하기와 같은 문제점이 존재한다. 첫째, 탄화 과정에 생성되는 기체 및 고체 산물이 동시에 잇따른 열분해 가스화 장치의 반응 코일 파이프로 이송되어, 고체 산물에 대해 연마를 진행하지 않음으로 하여 가스화 반응의 속도 및 정도에 영향준다. 둘째, 가스화 반응은 코일 파이프 내에서 진행되므로, 다량의 운반기체를 사용하여 반응물이 코일 파이프 내에서의 이동 속도를 보장해야 하는데, 운반기체가 대량의 열량을 가져감으로써 시스템 가스화 효율을 낮추고, 따라서 방대한 여열 이용 시스템을 필요로 하며, 동시에 코일 파이프 내에서 반응하는 방식도 온도 균일화와 공정 확장이 용이하도록 하는 목표에 도달할 수 없다. 셋째, 에너지를 합리하게 사용하는 차원에서 볼 경우, 연소 시스템에서 생성되는 정화 합성가스를 가스화와 탄화에 필요한 열량으로 사용하는 방법은 경제적이지 못하며, 또한, 연소 산물 (주로 CO2과 H2O )을 환경 속에 직접 배출하여 그 중의 CO2와 수분을 충분히 이용하지 않음으로써 시스템의 가스화 효율이 감소한다. 넷째, 합성가스 중에 포함된 소각재와 충분히 반응하지 못한 잔여 탄소를 두 번에 거쳐 사이클 분리한 다음 진일보로 이용하지 않고 직접 장치에서 배출함으로써 장치의 탄소 전환율 감소를 초래한다.
출원번호가 200610124638.1인 중국특허출원은 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 복합 순환식 고온 가스화 방법에 관한 것으로, 상기 방법도 탄화와 고온 가스화를 결부한 방법을 이용한다. 상기 방법은 하기와 같은 단점이 존재한다. 첫째, 탄화로 (retort) 자체 가열 또는 합성가스 간접 가열 방식을 적용함으로써, 산업화 과정에서 커다란 안전문제가 존재하며, 동시에 탄화로 열분해 온도상승 속도가 늦고 시스템 유효 합성가스의 원료 소모량이 크며, 전체 가스화 효율이 떨어진다. 둘째, 양극 분사 방식의 합성가스 분말 이송 (pulverized coal feed) 시스템은 구조가 복잡하고, 분말 이송용 합성가스 또한 고온 가스화 시스템에 있어서 불활성 기체에 속하므로, 불활성 기체가 고온 가스화 시스템에 진입할 경우 더욱 많은 산소와 유효 합성가스를 소모하므로, 활성 기체가 고온 가스화 시스템에 진입하는 이송방법과 비교할 경우, 냉각화 효율이 5 ~ 10% 내외 하강한다. 셋째, 탄화로 (retort)에서 생성되는 고압 목탄은 감압을 거치지 않고 냉각 후 직접 고압 제분기로 이송하여 제분을 진행하나, 이러한 고압 제분 과정은 산업화에서 실현하기 어렵다.
상기와 같이, 종래의 바이오매스 또는 탄소 함유 고체 연료 가스화 기술에 있어서, 모두 고효율, 낮은 원가의 바이오매스 가스화 목적에 도달하기 어렵다. 이와 동시에, 열분해와 가스화가 분리된 절차를 적용함으로써 바이오매스 원료 성질의 변화에 적응하고 합성가스 중 타르의 함량을 감소한다 하여도, 반응기 온도의 균일화, 반응기 확대, 여열 이용 규모 감소, 외부자원 소모 절감, 가스화 효율의 제고 및 탄소 전환율 등 문제가 바이오매스 가스화의 대규모 산업화 활용을 제한하고 있다. 특히, 현재 분류층로에 대한 바이오매스 가스화에 있어서 효과적인 방법이 없다는 것이 문제이다.
본 발명은 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 높은 효율, 낮은 원가의 고온 가스화 방법 및 시스템을 제공하는데 목적을 두고 있다.
본 발명의 기술방안은,
원료 공급, 탄화, 제분, 유동화, 미분탄을 가스화 장치에로 분사 이송하여 가스화를 진행하는 절차를 포함하는 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 고온 가스화 방법에 있어서, 외부 공급 가연성 기체를 유동화, 이송 또는 스위핑 방법에 필요한 보조 기체로 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 합성가스를 제조하는 고온 가스화 방법에 있어서, 외부 공급 가연성 기체를 탄화로 상면부에 설치된 열분해 가스 출구의 필터의 역세척 가스로 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 합성가스를 제조하는 고온 가스화 방법에 있어서, 미분탄이 가스화 장치에 진입하기 전의 유동화 절차에서, 외부 공급 가연성 가스를 이용하여 미분탄에 대해 유동화를 진행하는 것을 특징으로 한다.
상기 합성가스를 제조하는 고온 가스화 방법에 있어서, 목탄 제분 절차에 있어서, 냉각장치는 탄화로 출구의 고온 목탄을 60 ~ 200℃로 냉각하고, 목탄 감압 공급 장치를 이용하여 목탄은 대기압으로 감압 후, 제분기로 이송하여 미분탄으로 제분하고, 대기압 운반기체에 의해 미분탄을 미분탄 증압 공급 시스템으로 이송하여 증압하는 것을 특징으로 한다.
상기 합성가스를 제조하는 고온 가스화 방법에 있어서, 탄화로에서 생성되는 열분해 가스 및/또는 외부 공급 가연성 기체를 운반기체로하여 미분탄을 가스화 장치로 이송하고, 이송용 열분해 가스량 및/또는 외부 공급 가연성 가스량을 제어하는 것을 통하여 미분탄 이송 파이프 라인의 미분탄과 열분해 가스 및/또는 외부 공급 가연성 기체의 고체와 기체 비율을 0.03 ~ 0.45 m3/m3로 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 합성가스를 제조하는 고온 가스화 방법에 있어서, 탄화는 탄화로 내에 외부 공급 가연성 기체와 산소를 도입하여, 산소량 조절을 통하여 탄화로 온도를 제어하고, 외부 공급 가연성 기체와 산소의 비율 조절을 통하여 탄화로 버너 화염온도를 제어하며, 탄화로 산물은 열분해 가스와 목탄인 것을 특징으로 한다.
상기 합성가스를 제조하는 고온 가스화 방법에 있어서, 산소량 조절을 통하여 탄화로 온도를 400 ~ 600℃로 제어하고, 가연성 기체와 산소의 충분 연소 시 필요한 가연성 기체의 몰량을 1 기준으로, 외부 공급 가연성 기체를 몰량 1 이상 5이하로 주입하여, 탄화로에 진입하는 외부 공급 가연성 기체량을 조절하고, 탄화로 버너 화염온도는 1800℃ ~ 1200℃ 이하로 제어하는 것을 특징으로 한다.
바이오매스 원료의 증압 공급 시스템, 탄화로, 제분 시스템, 미분탄 배출기, 가스화 장치 및 연결 파이프 라인과 에너지 이송 시스템을 포함하는, 상기 고온 가스화 방법을 적용하는 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 고온 가스화 시스템에 있어서, 탄화로에는 열분해 가스 출구가 설치되어 가스화 장치와 연결되며, 열분해 가스 출구에는 필터가 설치되어, 필터의 역세척 기체 조인트부는 외부 공급 가연성 기체 파이프 라인과 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 고온 가스화 시스템에 있어서, 상기 탄화로 버너는 외부 공급 가연성 기체의 파이프 라인 및 산소 파이프 라인과 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 고온 가스화 시스템에 있어서, 탄화로 목탄 출구로부터 가스화 장치의 파이프 라인까지에 있어서, 목탄 냉각기, 목탄 감압 공급 시스템, 제분기, 미분탄 증압 공급 시스템이 순차적으로 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 고온 가스화 시스템에 있어서, 미분탄 배출기는 이송용 열분해 가스 파이프 라인, 이송용 외부 공급 가연성 기체 파이프 라인 및 미분탄 고압 이송 파이프 라인과 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 고온 가스화 시스템에 있어서, 미분탄 이송 시스템에서부터 가스화 장치 미분탄 이송 파이프 라인에 유동화 장치를 설치하고, 유동화 장치의 유동화 기체 입구는 외부 공급 가연성 기체 파이프 라인과 연결되며, 유동화 장치는 파이프 라인을 거쳐 미분탄 배출기와 연결되고, 미분탄 배출기는 가스화 장치와 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 장점은,
첫째, 본 발명은 외부에서 공급되는 가연성 가스와 산소가 직접 연소하는 탄화로 가열 기술을 적용한다. 외부에서 공급되는 가연성 가스는 장치 외부 천연가스 또는 기타 장치에서 생성되는 탄화수소를 함유한 폐기물일 수 있다. 본 발명에서 적용하는 탄화로 가열 기술은 하기 세 가지 특점이 있다. 첫번째로, 가연성 기체는 시스템 외부로부터 공급된다. 두번째로, 탄화에 필요한 열량은 외부에서 공급하는 가연성 기체와 산소가 직접 연소하여 제공함으로써, 가연성 기체의 화학 에너지를 이용한다. 세번째로, 직접 연소를 적용함으로써 탄화로의 가열 효율이 높으며, 따라서 신속한 열분해 방식으로 탄화를 진행할 수 있다. 출원번호가 200610124638.1인 중국발명특허에 의한 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 복합 순환식 고온 가스화 방법 (이하 복합 순환식 가스화 방법이라 칭함)과 비교할 경우, 본 발명의 구별점은 세가지가 있다. 첫째, 복합 순환식 가스화 방법에 있어서, 탄화로에 열량을 제공하는 가연성 기체 (즉 합성가스)는 시스템 자체가 생성한다. 둘째, 복합 순환식 가스화 방법은 가연성 기체의 현열을 이용하여, 간접적인 환열방식에 의해 바이오매스 탄화에 필요한 열량을 제공한다. 셋째, 이러한 간접적인 가열방식은 환열 효과가 떨어지고, 공정 실현이 복잡하여 원료 온도 상승 속도의 하강을 초래하며, 그 탄화 과정은 느린 열분해 과정이다. 따라서, 본 발명에 의한 탄화로 가열 기술은 복합 순환식 가스화 방법에 의한 탄화로 가열방식과 실질적으로 상이하며, 상기 기술을 이용하여 복합 순환식 가스화 방법의 열분해 속도가 느리고 탄화로 가열 성능이 양호하지 못한 문제를 해결한다. 이와 동시에, 전통적인 연소가스 시설에 가연성 기체를 사용하는 방식 및 목적과도 실질적으로 상이하다. 본 발명은 외부 가연성 기체를 이용하여, 탄화로에 진입하는 외부 가연성 기체와 산소의 비율을 조절하는 것을 통하여 탄화로의 온도, 탄화로 버너 화염 온도, 온도상승 속도 등을 제어한다. 상기 기술의 목적은 세가지이다. 1) 가연성 기체와 산소의 연소에 의해 방출되는 열량을 바이오매스에 제공하여 탄화 (또는 열분해)를 진행한다. 2) 가연성 기체가 과량일 경우, 과량 부분의 가연성 기체는 연소반응에 있어서 불활성 기체에 해당되므로, 과량 부분의 가연성 기체의 현열 변화를 이용하여 연소에 의해 부분적 열량을 흡수함으로써 탄화로 버너의 화염 온도를 낮출수 있다. 기타 탄화수소를 포함하지 않은 불활성 기체로 탄화로 버너 화염 온도를 낮출 경우 대량의 불활성 기체가 가스화 시스템에 진입하게 되어, 시스템 효율 및 합성 가스 품질이 하강하게 된다. 3) 가연성 기체의 화학 에너지 이용 방식으로 볼 경우, 가연성 기체의 과량으로 인해, 탄화로 내에서는 가연성 기체 화학 에너지의 일부분만 사용하고 나머지 일부분 가연성 기체의 화학 에너지는 가스화 장치 내에서 지속적으로 이용된다. 따라서, 외부 가연성 기체를 도입함으로써 가스화 시스템의 가스화 효율을 제고할 수 있고 유효 합성가스의 산소 소모량을 감소할 수 있으며, 전체 시스템의 에너지 전환율을 제고할 수 있다. 복합 순환식 가스화 방법과의 대조를 통하여 알수 있는바, 본 발명에 의한 기술에 의해 가스화 효율은 1% 이상 제고되고, 유효 합성가스 산소 소모량 (1몰의 CO와 H2의 생산에 소모하는 산소 몰 량)은 0.3mol/mol 이하로 감소할 수 있다.
둘째, 본 발명은 열분해 가스로 탄소 분말을 이송하는 기술을 적용하여, 전통 미분탄 가스화 시, 불활성 기체 (이산화탄소 또는 질소)로 미분탄을 이송하여 대량의 불활성 기체로 하여금 가스화 장치에 진입하도록 하여, 가스화 장치로 하여금 더욱 많은 산소와 유효 합성가스를 소모해야만이 가스화 온도를 유지하도록 하는 문제를 초래하여, 가스화 효율이 떨어지고, 유효 합성가스 산소 소모량이 증가하도록 하는 문제를 피면한다. 쉘 석탄 가스화(Shell coal gasification)와 비교할 경우, 유효 합성가스 산소 소모량이 10 ~ 20% 감소하고, 복합 순환식 가스화 방법과 비교할 경우, 가스 냉각화 효율은 5 ~ 10% 증가된다.
셋째, 본 발명은 가연성 기체로 미분탄을 유동화하는 기술을 적용한다. 상기 기술은 미분탄이 유동 과정에 브리징(bridging)되거나 막히는 것을 피면하고, 또한, 미분탄 투입 과정에 불활성 충압 기체가 고온 가스화 장치에 진입함으로써 합성가스 품질 및 가스화 효율이 저하되는 것을 방지하며, 미분탄을 이송하는 열분해 기체가 미분탄 증압 공급 장치에 진입함으로써 열분해 기체 응축을 초래하는 것을 방지한다. 또한, 고품질 가스를 도입하여, 전통 미분탄 가스화 시, 불활성 기체로 미분탄을 유동함으로 인해 불활성 기체가 가스화 장치에 진입하는 것을 방지함으로써 합성가스의 품질 및 가스화 효율을 효과적으로 제고할 수 있다.
넷째, 본 발명은 가연성 기체를 설비 정상 운전 시의 스위핑 가스 (sweeping gas)로 적용한다. 전통 석탄 가스화 시스템은 통상적으로 불활성 기체를 설비 정상 운전 시 스위핑, 역세척 기체로 사용한다. 만약 스위핑 회수가 너무 잦을 경우, 다량의 불활성 기체가 가스화 장치에 진입하게 되어, 합성가스의 품질이 떨어지고, 외부 공급 가연성 기체를 스위핑 기체로 사용할 경우, 상기 문제를 피면할 뿐만 아니라, 합성가스의 품질 제고에도 유리하다.
상기와 같이, 본 발명은 상기 분야의 관습을 벗어나 담대하게 외부 공급 가연성 기체를 사용하고 직접 연소하며 신속히 열분해를 진행하는 탄화 방식을 적용한다. 동시에 상기 방법을 적용함으로 인한 여러 가지 기술문제들을 해결하고, 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 기술에 있어서의 한계성을 돌파하여, 가스화 시스템의 가스화 효율이 대폭 증가하고, 유효 합성가스 산소 소모량을 감소하며 전반 시스템의 에너지 전환율을 제고한다.
도 1은 본 발명에 의한 시스템 및 방법 사시도이다.
아래에 도면과 결부하여 본 발명에 의한 바람직한 실시예, 공정 절차 및 시스템 구조배치에 대해 설명하도록 한다.
도 1과 같이, 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 고온 가스화 시스템은, 바이오매스 원료(1), 바이오매스 원료의 증압 공급 시스템(2), 탄화로 (carbonization stove)(3), 탄화로 버너를 제거한 가연성 기체 파이프 라인(4), 탄화로 버너를 제거한 산소 파이프 라인(5), 탄화로 버너(6), 필터(7), 필터 역세척 기체 파이프 라인(8), 필터 출구 열분해 가스 파이프 라인(9), 열분해 가스 버퍼 탱크(10), 미분탄 이송 열분해 가스 파이프 라인(11), 가스화 장치 버너를 제거한 열분해 가스 파이프 라인(12), 조절 밸브(13), 열분해 가스 가열기(14), 가열 후의 열분해 가스 파이프 라인(15), 미분탄 배출기 (ejector)(16), 미분탄 및 열분해 가스 혼합물 파이프 라인(17), 탄화로 목탄 출구 파이프 라인(18), 목탄 냉각기(19), 냉각 후 목탄 파이프 라인(20), 목탄 감압 공급 시스템(21), 대기압 목탄 파이프 라인(22), 제분기(23), 미분탄 파이프 라인(24), 대기압 운반기체 파이프 라인(25), 대기압 에너지 이송 시스템(26), 대기압 운반기체와 미분탄 혼합물 파이프 라인(27), 미분탄 증압 공급 시스템(28), 고압 미분탄 파이프 라인(29), 미분탄 유동화 장치(30), 유동화 기체 파이프 라인(31), 유동화 후 미분탄 파이프 라인(32), 가스화 장치 버너 제거후의 산소 파이프 라인(33), 가스화 장치 버너(34), 가스화 장치(35), 합성가스 파이프 라인(36), 소각재 파이프 라인(37), 탈염 탈산소 물 파이프 라인(38), 포화 수증기 파이프 라인(39), 원료 증압 시스템의 충압가스 파이프 라인(40), 원료 증압 시스템의 압력 릴리프 (pressure relief) 가스 파이프 라인(41), 목탄 감압 공급 시스템의 충압 가스 파이프 라인(42), 목탄 감압 공급 시스템의 압력 릴리프 가스 파이프 라인(43), 미분탄 증압 공급 시스템의 충압 가스 파이프 라인(44), 미분탄 증압 공급 시스템의 압력 릴리프 가스 파이프 라인(45), 탄화로 출구 열분해 가스 파이프 라인(46), 가스화 장치 수냉벽(47), 미분탄 이송용 외부 공급 가연성 기체 파이프 라인(48)을 포함한다.
탄화로 버너(6)는 가연성 기체 파이프 라인(4) 및 산소 파이프 라인(5)과 연결된다. 탄화로 목탄 출구로부터 가스화 장치 파이프 라인까지 순차적으로 목탄 냉각기(19), 목탄 감압 공급 시스템(21), 제분기(23), 미분탄 증압 공급 시스템(28)이 설치되어 있다. 미분탄 이송은 미분탄 배출기(16)를 사용하고, 미분탄 배출기 (16)는 이송용 열분해 가스 파이프 라인과 미분탄 파이프 라인과 연결된다. 탄화로 상면부에는 열분해 가스 출구가 형성되어 가스화 장치와 연결되고, 열분해 가스 출구에는 필터(7)가 설치되어 있고, 필터(7)의 역세척 가스 조인트부는 가연성 기체 파이프 라인(8)과 연결된다.
건조 탈수 후의 바이오매스 원료(1)를 원료 증압 공급 시스템(2)에 투입하고, 에너지 증압 기술을 이용하여 바이오매스 원료를 탄화로(3)로 이송한다. 파이프 라인(4)과 파이프 라인(5)을 통하여 탄화로(3) 내에 가연성 기체와 산소를 주입하여 연소 반응을 진행하고, 반응에 의해 방출되는 열량을 바이오매스 원료 열반응에 필요한 열량으로 사용한다. 산소량 제어를 통해 탄화로(3)의 온도를 400 ~ 600 ℃으로 제어하고, 탄화로에 진입되는 가연성 기체량을 가연성 기체와 산소가 충분 연소 시의 가연성 기체 몰량의 1 ~ 5배로 조절하고, 탄화로 버너 화염 온도는 1800 ℃로 제어한다. 탄화로(3)의 산물은 CO, H2, CO2, H2O, CH4 및 타르 등 조성분을 포함하는 열분해 가스와 목탄이다. 미정제 열분해 가스는 파이프 라인(46)을 거쳐 필터(7)에서 분리된 후, 거친 열분해 가스 중의 탄소 함유 고체 과립은 파이프(46)를 통해 탄화로(3)로 반송되고, 정화된 열분해 가스는 파이프 라인(9)을 통하여 열분해 가스 버퍼 탱크(10)로 이송된다.
탄화로(3)에서 생성된 목탄은 목탄 냉각기(19)를 거쳐 온도를 목탄 감압 공급 시스템(21)이 요구하는 작업 온도로 하강하고, 목탄 감압 공급 시스템(21)을 거쳐 감압한 후 제분기(23)로 이송되어 미분탄으로 분쇄되고, 파이프 라인(24)을 거쳐 대기압 에너지 이송 시스템(26)으로 이송된다. 이어서, 파이프 라인(25)의 대기압 운반기체 (이산화탄소 또는 질소)를 이용하여 미분탄을 미분탄 증압 공급 시스템(28)으로 이송하고, 에너지 증압 기술에 의해 미분탄 증압 공급 시스템(28)에서 미분탄 압력을 가스화 장치(35)의 작업 압력으로 증가한다. 이어서, 고압 미분탄은 파이프 라인(29)을 통하여 유동화 설비(30)로 진입하고, 가연성 기체(31)를 이용하여 원료 투입용 파이프 라인(29) 중의 미분탄에 대해 유동화를 진행하고, 파이프 라인(32)을 거쳐 미분탄 배출기(16)로 진입하여 가스화 장치(35)로 이송된다.
세 가지 방법으로 미분탄을 이송할 수 있다. 첫째, 열분해 가스를 이용하여 이송한다. 열분해 가스 버퍼 탱크(10)로부터 배출되는 일부분 정화 열분해 가스는 파이프 라인(11)과 조절 밸브(13)를 거쳐 열분해 가스 가열기(14)로 진입하여 열분해 가스의 온도를 550 ~ 650 ℃로 상승시키고, 상기 기체를 미분탄 운반기체로 하여, 파이프 라인(15)을 거쳐 미분탄 배출기(16)로 이송한 후, 조절 밸브(13)의 밸브 오프닝 (valve opening)을 통해 미분탄 이송 파이프 라인(17)의 고체와 기체 비율을 0.03 ~ 0.45 m3/m3으로 제어한다. 둘째, 외부 공급 가연성 기체를 이용하여 이송한다. 조절밸브(13)를 닫고 파이프 라인(48)의 외부 공급 가연성 기체량을 조절하여, 미분탄 이송 파이프 라인(17)의 고체와 기체 비율을 0.03 ~ 0.45 m3/m3으로 제어한다. 셋째, 열분해 가스와 외부 공급 가연성 가스의 혼합가스를 이용하여 이송한다. 밸브(13)의 밸브 오프닝 조절에 의해 동시에 파이프 라인(48) 중의 외부 공급 가연성 기체량을 조절하여, 미분탄 이송 파이프 라인(17)의 고체와 기체 비율을 0.03 ~ 0.45 m3/m3으로 제어한다.
열분해 가스 버퍼 탱크(10)로부터 배출되는 기타 부분 정화 열분해 가스는 파이프 라인(12)을 거쳐 파이프 라인(33)의 산소와 함께 가스화 장치 버너(34)로 이송되고, 미분탄과 이송 열분해 가스의 혼합가스도 파이프 라인(17)을 거쳐 가스화 장치 버너(34)로 이송되어, 가스화 장치(35) 내에서 고온 가스화 반응을 일으키고, 산소량 및 내부에 탈염 탈산소 물이 있는 수냉벽(47)의 환열량 조절을 통하여 가스화 장치 출구(36)의 온도를 1200 ~ 1600℃로 제어한다. 가스화 산물은 주로 CO와 H2，소량의 CO2, H2O 및 미량의 CH4 이다. 그 중, 탈염 탈산소 물은 수냉벽(47)의 흡열을 거쳐 중간압 포화 수증기를 생성하고, 상기 수증기는 파이프 라인(39)을 거쳐 후속 장치로 진입하고, 가스화로 인해 생성된 소각재는 파이프 라인(37)을 통해 배출된다.
실시예 1:
바이오매스 원료는 목재를 예로, 건조 후 목재의 원소 분석 및 특성 데이터는 하기 표 1과 같다.
건조 후 목재의 원소 분석 및 특성 데이터 표
성분 부호 단위 수치
탄소 Car ％(kg/kg) 39.43
수소 Har ％(kg/kg) 5.21
산소 Oar ％(kg/kg) 38.36
질소 Nar ％(kg/kg) 0.15
유황 Sar ％(kg/kg) 0.21
염소 Clar ％(kg/kg) 0.00
소각재 Aar ％(kg/kg) 5.00
수분 Mar ％(kg/kg) 11.64
소각재 용융점 FT ℃ 1436
저위 발열량 LHV MJ/kg 14.75
가연성 기체는 천연가스를 예로, 천연가스의 성분 분석 및 특성 데이터는 표 2와 같다.
천연가스 성분 분석 및 특성 데이터 표
조성분 수치
CH4 91.746%
C2H6 4.480%
C3H8 2.257%
CO2 0.070%
O2 0.040%
N2 1.406%
H2S농도(mg/Nm3) 20.00
저위발열량(kcal/m3) 9000.8
주요 방법 작업조건 설정은 하기와 같다.
1） 원료 증압 공급 시스템(2)을 통하여 바이오매스 원료(1)를 탄화로(3)로 이송함에 있어서, 바이오매스의 양은 4.07kg/s으로 제어한다.
2） 탄화로(3)의 압력을 3.1Mpa로, 온도는 500 ℃로 제어한다.
3） 탄화로에 진입하는 가연성 기체의 양을 가연성 기체와 산소가 충분 반응할 경우의 가연성 기체의 몰량의 2배로 조절한다.
4） 탄화로(3)의 온도 상승 속도를 50 ℃/s로 제어한다.
5） 목탄 냉각기(19)는 고온 목탄을 80 ℃로 냉각한다.
6） 열분해 가스 가열기(14)는 열분해 가스를 600 ℃로 가열한다.
7） 미분탄 이송 파이프 라인(17)의 고체와 기체 비율을 0.03 m3/m3로 제어한다.
8） 가스화 장치(35)의 압력을 3.0Mpa로, 온도를 1300 ℃로 제어한다.
상기 설정조건에 의해, 도면을 결부하여 본 발명에 의한 실시 과정 중의 시스템의 주요 물류 데이터 및 성능 파라미터에 대해 설명하도록 한다.
1） 탄화로(3)로 도입한 40 ℃ 가연성 기체의 질량 흐름율은 0.28kg/s;
2） 탄화로(3)로 도입한 160 ℃ 산소의 질량 흐름율은 0.63kg/s;
3） 탄화로 버너(6)의 화염 온도는 1800 ℃;
4） 탄화로(3)에 의해 생성되는 열분해 가스 총량은 3.69kg/s;
5） 탄화로(3)에 의해 생성되는 목탄 총량은 1.19kg/s;
6） 파이프 라인(31)을 통하여 이송되어 미분탄 유동화에 사용되는 가연성 기체의 온도는 300 ℃, 질량 흐름율은 0.03kg/s;
7） 파이프 라인(11) 중의 미분탄 이송에 사용되는 열분해 가스의 질량 흐름율은 0.89kg/s;
8） 파이프 라인(17) 중의 미분탄과 열분해 가스의 이송에 사용되는 혼합체의 질량 흐름율은 2.1kg/s;
9） 파이프 라인(12) 중의 가스화 장치(35)에 직접 진입하는 열분해 기체의 질량 흐름율은 2.8kg/s;
10） 파이프 라인(33) 중의 가스화 장치(35)로 도입되는 산소 온도는 160 ℃, 질량 흐름율은 1.5kg/s;
11） 파이프 라인(36)이 배출한 합성가스 총량은 6.5kg/s, CO 및 H2의 건조기준(dry basis) 함량은 87.2%;
12） 시스템의 탄소 전환율은 99.9%, 유효 합성가스 산소 소모량은 0.3mol/mol.
실시예 2 :
실시예 1에서 사용한 목재를 바이오매스 원료 (상기 표 1 참조)로, 천연가스를 가연성 기체 (상기 표 2 참조)로 하고, 탄화로(3)의 온도를 600℃로, 온도 상승 속도를 100℃/s로 제어하고, 기타 주요 방법 작업조건은 실시예 1과 동일하다.
상기 설정 조건에 의해, 도면을 결부하여 본 발명에 의한 실시 과정에서의 시스템 주요 물류 데이터와 성능 파라미터를 설명하도록 한다.
1） 탄화로(3)로 도입한 40℃ 가연성 기체의 질량 흐름율은 0.33kg/s;
2） 탄화로(3)로 도입한 160℃ 산소의 질량 흐름율은 0.63kg/s;
3） 탄화로 버너(6)의 화염 온도는 1700℃;
4） 탄화로(3)에 의해 생성되는 열분해 가스 총량은 3.84kg/s;
5） 탄화로(3)에 의해 생성되는 목탄 총량은 1.19kg/s;
6） 파이프 라인(31)을 통하여 이송되어 미분탄 유동화에 사용되는 가연성 기체의 온도는 300℃, 질량 흐름율은 0.03kg/s;
7） 파이프 라인(11) 중의 미분탄 이송에 사용되는 열분해 가스의 질량 흐름율은 0.89kg/s;
8） 파이프 라인(17) 중의 미분탄과 열분해 가스의 이송에 사용되는 혼합체의 질량 흐름율은 2.1kg/s;
9） 파이프 라인(12) 중의 가스화 장치(35)에 직접 진입하는 열분해 기체의 질량 흐름율은 2.96kg/s;
10） 파이프 라인(33) 중의 가스화 장치(35)로 도입되는 산소 온도는 160℃, 질량 흐름율은 1.5kg/s;
11） 파이프 라인(36)이 배출한 합성가스 총량은 6.6kg/s, CO 및 H2의 건조기준 (dry basis) 함량은 87.5%;
12） 시스템의 탄소 전환율은 99.9%, 유효 합성가스 산소 소모량은 0.308mol/mol.
실시예 3:
실시예 1에서 사용한 목재를 바이오매스 원료 (상기 표 1 참조)로, 천연가스를 가연성 기체 (상기 표 2 참조)로 하고, 탄화로에 진입하는 가연성 기체량을 가연성 기체와 산소가 충분 연소 시의 가연성 기체 몰량의 5배로 조절하고, 기타 주요 방법 작업조건은 실시예 1과 동일하다.
상기 설정 조건에 의해, 도면을 결부하여 본 발명에 의한 실시 과정에서의 시스템 주요 물류 데이터와 성능 파라미터를 설명하도록 한다.
1) 탄화로(3)로 도입한 40℃ 가연성 기체의 질량 흐름율은 0.78kg/s;
2) 탄화로(3)로 도입한 160℃ 산소의 질량 흐름율은 0.604kg/s;
3) 탄화로 버너(6)의 화염 온도는 1200℃;
4) 탄화로(3)에 의해 생성되는 열분해 가스 총량은 4.3kg/s;
5) 탄화로(3)에 의해 생성되는 목탄 총량은 1.19kg/s;
6) 파이프 라인(31)을 통하여 이송되어 미분탄 유동화에 사용되는 가연성 기체의 온도는 300℃, 질량 흐름율은 0.02kg/s;
7) 파이프 라인(11) 중의 미분탄 이송에 사용되는 열분해 가스의 질량 흐름율은 0.89kg/s;
8) 파이프 라인(17) 중의 미분탄과 열분해 가스의 이송에 사용되는 혼합체의 질량 흐름율은 2.1kg/s;
9) 파이프 라인(12) 중의 가스화 장치(35)에 직접 진입하는 열분해 기체의 질량 흐름율은 3.4kg/s;
10) 파이프 라인(33) 중의 가스화 장치(35)로 도입되는 산소 온도는 160℃, 질량 흐름율은 2.05kg/s;
11) 파이프 라인(36)이 배출한 합성가스 총량은 7.6kg/s, CO 및 H2의 건조기준(dry basis) 함량은 90.4%;
12) 시스템의 탄소 전환율은 99.9%, 유효 합성가스 산소 소모량은 0.295mol/mol.
실시예 4:
실시예 1에서 사용한 목재를 바이오매스 원료 (상기 표 1 참조)로, 천연가스를 가연성 기체 (상기 표 2 참조)로 하고, 탄화로(3)의 온도는 400℃로 제어하고, 목탄 냉각기(19)는 고온 목탄을 200℃로 냉각하고 기타 주요 방법 작업조건은 실시예 1과 동일하다.
상기 설정 조건에 의해, 도면을 결부하여 본 발명에 의한 실시 과정에서의 시스템 주요 물류 데이터와 성능 파라미터를 설명하도록 한다.
1） 탄화로(3)로 도입한 40℃ 가연성 기체의 질량 흐름율은 0.23kg/s;
2） 탄화로(3)로 도입한 160℃ 산소의 질량 흐름율은 0.44kg/s;
3） 탄화로 버너(6)의 화염 온도는 1800℃;
4） 탄화로(3)에 의해 생성되는 열분해 가스 총량은 3.55kg/s;
5） 탄화로(3)에 의해 생성되는 목탄 총량은 1.19kg/s;
6） 파이프 라인(31)을 통하여 이송되어 미분탄 유동화에 사용되는 가연성 기체의 온도는 300℃, 질량 흐름율은 0.03kg/s;
7） 파이프 라인(11) 중의 미분탄 이송에 사용되는 열분해 가스의 질량 흐름율은 0.833kg/s;；
8） 파이프 라인(17) 중의 미분탄과 열분해 가스의 이송에 사용되는 혼합체의 질량 흐름율은 2.04kg/s;
9） 파이프 라인(12) 중의 가스화 장치(35)에 직접 진입하는 열분해 기체의 질량 흐름율은 2.72kg/s;
10） 파이프 라인(33) 중의 가스화 장치(35)로 도입되는 산소 온도는 160℃, 질량 흐름율은 1.5kg/s;
11） 파이프 라인(36)이 배출한 합성가스 총량은 6.3kg/s, CO 및 H2의 건조기준 (dry basis) 함량은 87.1%;
12） 시스템의 탄소 전환율은 99.9%, 유효 합성가스 산소 소모량은 0.3mol/mol.
실시예 5:
실시예 1에서 사용한 목재를 바이오매스 원료 (상기 표 1 참조)로, 천연가스를 가연성 기체 (상기 표 2 참조)로 하고, 열분해 가스 가열기(14)로 열분해 가스를 650℃로 가열하고, 미분탄 이송 파이프 라인(17)의 고체와 기체 비율을 0.45m3/m3로 제어하며, 기타 주요 방법 작업조건은 실시예 1과 동일하다.
상기 설정 조건에 의해, 도면을 결부하여 본 발명에 의한 실시 과정에서의 시스템 주요 물류 데이터와 성능 파라미터를 설명하도록 한다.
1） 파이프 라인(11) 중의 미분탄 이송에 사용되는 열분해 가스의 질량 흐름율은 0.63kg/s;
2） 파이프 라인(17) 중의 미분탄과 열분해 가스의 이송에 사용되는 혼합체의 질량 흐름율은 1.8kg/s;
3） 파이프 라인(12) 중의 가스화 장치(35)에 직접 진입하는 열분해 기체의 질량 흐름율은 3.1kg/s;
4） 파이프 라인(33) 중의 가스화 장치(35)로 도입되는 산소 온도는 160℃, 질량 흐름율은 1.5kg/s;
5） 파이프 라인(36)이 배출한 합성가스 총량은 6.5kg/s, CO 및 H2의 건조기준 (dry basis) 함량은 87.2%;
6） 시스템의 탄소 전환율은 99.9%, 유효 합성가스 산소 소모량은 0.3mol/mol.
실시예 6:
실시예 1에서 사용한 목재를 바이오매스 원료 (상기 표 1 참조)로, 천연가스를 가연성 기체 (상기 표 2 참조)로 하고, 외부 공급 가연성 기체를 미분탄 이송에 이용하여, 미분탄 이송 파이프 라인(17)의 고체와 기체 비율을 0.45m3/m3로 제어하며, 기타 주요 방법 작업조건은 실시예 1과 동일하다.
상기 설정 조건에 의해, 도면을 결부하여 본 발명에 의한 실시 과정에서의 시스템 주요 물류 데이터와 성능 파라미터를 설명하도록 한다.
1） 파이프 라인(48) 중의 미분탄 이송용 외부 공급 가연성 기체의 질량 흐름율은 0.101kg/s;
2） 파이프 라인(17) 중의 미분탄과 열분해 가스의 이송에 사용되는 혼합체의 질량 흐름율은 1.3kg/s;
3） 파이프 라인(12) 중의 가스화 장치(35)에 직접 진입하는 열분해 기체의 질량 흐름율은 3.69kg/s;
4） 파이프 라인(33) 중의 가스화 장치(35)로 도입되는 산소 온도는 160℃, 질량 흐름율은 1.62kg/s;
5） 파이프 라인(36)이 배출한 합성가스 총량은 6.7kg/s, CO 및 H2의 건조기준 (dry basis) 함량은 87.5%;
6） 시스템의 탄소 전환율은 99.9%, 유효 합성가스 산소 소모량은 0.305mol/mol.
결과분석:
1）탄화로 온도의 조절이 결과에 대한 영향:
탄화 온도가 400℃ 이하일 경우, 탄화로에서 생성된 열분해 가스 중에 타르 함량이 많으며, 열분해 가스로 미분탄을 이송할 경우 열분해 가스 응축을 초래할 수 있어 미분탄 이송 시스템의 안정적인 작동에 영향줄 수 있다. 탄화 온도가 600℃ 이상일 경우, 일반적인 합금 스틸 재료를 선택할 경우 고온에 견딜 수 없고, 특수한 합금재를 선택할 경우 탄화로의 투자 원가가 증가하게 된다.
2）탄화로의 가연성 기체 도입량 변화가 결과에 대한 영향:
탄화로에 진입하는 가연성 기체의 량을 가연성 기체와 산소가 충분 연소할 경우의 가연성 기체 몰량의 1배로 조절할 경우, 가연성 기체와 산소가 충분 연소반응을 진행하고, 탄화로 버너의 화염온도는 2000℃를 초과한다. 장시간 상기 온도에서 작업할 경우 탄화로 내부 기계부품이 손상을 입게 되어 안전사고가 발생하게 된다. 가연성 기체의 량의 증가에 따라, 탄화로 버너의 화염온도는 점차 하강하여, 가연성 기체량이 충분 연소 시 가연성 기체량의 5배에 달할 경우, 탄화로 버너 화염온도는 1200℃로 하강한다. 진일보로 탄화로 가연성 기체의 제공량을 증가할 경우, 탄화로 버너 화염온도를 더욱 낮출 수 있으나, 탄화로 버너 출구의 기류 속도를 증가함으로써 연소의 불안정을 초래한다. 또한, 가스화 장치 출구 CH4의 급격한 증가를 초래하고, CH4 함량을 감소하기 위해서는 가스화 온도를 높여야 하나, 너무 높은 가스화 온도는 가스화 장치의 원가 증가를 초래한다.
3) 열분해 가스 및/또는 외부 공급 가연성 기체 이송 미분탄 파이프 라인의 고체와 기체 비율 변화가 결과에 대한 영향:
고체와 기체의 비율이 0.03m3/m3 이하일 경우, 총 열분해 가스 중에서 이송 미분탄의 열분해 가스는 큰 비율을 차지하며, 가스화 장치 중에서 산소와 연소 반응하는 열분해 가스의 량은 감소되므로, 가스화 장치 버너의 안정적인 작동에 영향준다. 고체와 기체 비율이 0.45m3/m3 이상일 경우, 미분탄은 열분해 가스 및/또는 외부 공급 가연성 기체에 의해 이송되는 과정에 침강 및 색전 (embolism)이 발생하여 가스화 장치 버너에 진입하는 미분탄 양에 파동이 발생하도록 하여 가스화 장치의 안정적 작동에 영향을 준다.
4）목탄 냉각기 출구의 온도 변화가 결과에 대한 영향:
목탄 냉각기 출구의 목탄 온도가 60℃ 이하일 경우, 목탄 냉각기 환열 면적과 부피의 증가를 초래하여 투자비용이 증가한다. 또한, 목탄 냉각 온도가 낮을수록 시스템 효율이 더욱 떨어진다. 목탄 냉각기 출구의 목탄 온도가 200℃ 이상일 경우 목탄 감압 공급 시스템 중의 일부 장치가 정상적으로 작동할 수 없게 된다.

Claims (10)

  1. 원료 공급 단계, 탄화 단계, 목탄 제분 단계, 유동화 단계 및 가스화 장치로 미분탄을 분사 이송하는 단계를 포함하며, 외부 공급 가연성 기체를 유동화, 이송 또는 스위핑 방법에 필요한 보조 기체로 사용하는 것을 특징으로 하는 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 고온 가스화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    외부 공급 가연성 기체를 탄화로 상면부에 설치된 열분해 가스 출구의 필터의 역세척 가스로 이용하는 것을 특징으로 하는 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 고온 가스화 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 미분탄이 가스화 장치에 진입하기 전의 유동화 단계에 있어서, 외부 공급 가연성 가스를 이용하여 미분탄에 대해 유동화를 진행하는 것을 특징으로 하는 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 고온 가스화 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미분탄을 가스화 장치에로 분사 이송하는 단계에 있어서, 탄화로에서 생성되는 열분해 가스 및/또는 외부 공급 가연성 기체를 운반기체로 하여, 이송용 상기 열분해 가스량 및/또는 상기 외부 공급 가연성 가스량을 제어하는 것을 통하여 상기 미분탄 이송을 제어하고, 미분탄 이송 파이프 라인의 상기 미분탄과 상기 열분해 가스 및/또는 상기 외부 공급 가연성 기체의 고체와 기체 비율을 0.03 ~ 0.45 m3/m3로 제어하는 것을 특징으로 하는 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 고온 가스화 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 목탄 제분 단계에 있어서, 냉각장치는 탄화로 출구의 고온 목탄을 60 ~ 200℃로 냉각하고, 목탄 감압 공급 장치를 이용하여 목탄은 대기압으로 감압 후, 제분기로 이송하여 미분탄으로 제분하고, 운반기체에 의해 상기 미분탄을 미분탄 증압 공급 시스템으로 이송하여, 증압 후 상기 미분탄은 다시 가스화 장치로 이송되는 것을 특징으로 하는 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 고온 가스화 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄화 단계는 탄화로 내에 외부 공급 가연성 기체와 산소를 도입하여, 상기 외부 공급 가연성 기체와 상기 산소의 비율 조절을 통하여 상기 탄화로 버너 화염온도를 제어하며, 산소량 조절을 통하여 탄화로 온도를 400 ~ 600℃로 제어하고, 가연성 기체와 산소의 충분 연소 시 필요한 가연성 기체의 1 몰량을 기준으로, 1 이상 5 이하의 몰량으로 외부 공급 가연성 기체를 주입하여, 탄화로에 진입하는 상기 외부 공급 가연성 기체량을 조절하고, 탄화로 버너 화염온도는 1200℃ ~ 1800℃이며, 탄화로 산물은 열분해 가스와 목탄인 것을 특징으로 하는 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 고온 가스화 방법.
  7. 바이오매스 원료의 증압 공급 시스템, 탄화로, 제분 시스템, 미분탄 배출기, 가스화 장치 및 연결 파이프 라인과 에너지 이송 시스템을 포함하며, 탄화로(3)에는 열분해 가스 출구가 설치되어 가스화 장치와 연결되며, 열분해 가스 출구에는 필터(7)가 설치되어, 필터(7)의 역세척 기체 조인트부는 외부 공급 가연성 기체 파이프 라인(8)과 연결되는 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 고온 가스화 방법을 적용하는 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 고온 가스화 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    목탄 냉각기(19), 목탄 감압 공급 시스템(21), 제분기(23), 미분탄 증압 공급 시스템(28)이 탄화로 목탄 출구로부터 가스화 장치의 파이프 라인까지 순차적으로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 고온 가스화 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    미분탄 이송 시스템에서부터 가스화 장치 미분탄 이송 파이프 라인에 유동화 장치(30)를 설치하고, 유동화 장치(30)의 유동화 기체 입구는 외부 공급 가연성 기체 파이프 라인(31)과 연결되며, 유동화 장치(30)는 파이프 라인(32)을 거쳐 미분탄 배출기(16)와 연결되고, 미분탄 배출기(16)는 가스화 장치(35)와 연결되는 것을 특징으로 하는 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 고온 가스화 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    미분탄 배출기(16)는 이송용 열분해 가스 파이프 라인(15), 이송용 외부 공급 가연성 기체 파이프 라인(48) 및 미분탄 고압 이송 파이프 라인과 연결되는 것을 특징으로 하는 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 고온 가스화 시스템.
KR1020117014911A 2008-12-01 2009-10-30 바이오매스의 고온 가스화 방법 및 이의 시스템 KR101336950B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN200810236639.4 2008-12-01
CN2008102366394A CN101418240B (zh) 2008-12-01 2008-12-01 利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统
PCT/CN2009/074719 WO2010063207A1 (zh) 2008-12-01 2009-10-30 利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110094099A KR20110094099A (ko) 2011-08-19
KR101336950B1 true KR101336950B1 (ko) 2013-12-04

Family

ID=40629246

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020117014911A KR101336950B1 (ko) 2008-12-01 2009-10-30 바이오매스의 고온 가스화 방법 및 이의 시스템

Country Status (8)

Country Link
US (1) US8431044B2 (ko)
EP (1) EP2374864A4 (ko)
JP (1) JP5571686B2 (ko)
KR (1) KR101336950B1 (ko)
CN (1) CN101418240B (ko)
AU (1) AU2009321965B2 (ko)
CA (1) CA2748678C (ko)
WO (1) WO2010063207A1 (ko)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101418239B (zh) * 2008-12-01 2011-12-21 武汉凯迪工程技术研究总院有限公司 利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统
CN101418240B (zh) * 2008-12-01 2012-05-30 武汉凯迪工程技术研究总院有限公司 利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统
CN101418238B (zh) * 2008-12-01 2012-02-29 武汉凯迪工程技术研究总院有限公司 利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统
CN101747946B (zh) * 2010-01-15 2010-12-22 太原理工大学 一种加压流化床气化炉及其操作方法
CN101818081B (zh) * 2010-03-23 2013-04-24 武汉凯迪工程技术研究总院有限公司 一种通过炭化将生物质制造合成气的工艺方法及系统
US8691115B2 (en) * 2010-04-29 2014-04-08 Indiana University Research And Technology Corporation System and method for controlling char in biomass reactors
WO2014069234A1 (ja) * 2012-11-02 2014-05-08 株式会社ストリートデザイン 処理システム及び処理装置
CN107805513B (zh) * 2017-11-29 2023-12-01 光泽县绿也炭业有限公司 一种节能生物质热解炭化装置
CN110513687A (zh) 2019-08-07 2019-11-29 广东工业大学 生物质高温气化与低氮燃烧综合利用系统
CN114234198B (zh) * 2021-12-17 2023-11-17 明喆集团股份有限公司 一种医疗废弃物专用无害化处理设备

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07258652A (ja) * 1994-03-25 1995-10-09 Shin Meiwa Ind Co Ltd 炭化装置
JP2006026474A (ja) 2004-07-13 2006-02-02 Nippon Steel Corp 木質系バイオマスの粉砕及び破砕処理方法並びにガス化処理方法
CN1931959A (zh) * 2006-09-28 2007-03-21 武汉凯迪科技发展研究院有限公司 利用生物质制造合成气的复合循环式高温气化工艺方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1447546A (en) * 1972-09-28 1976-08-25 Occidental Petroleum Corp Gasification of carbonaceous materials
US4229185A (en) * 1975-11-10 1980-10-21 Occidental Petroleum Corporation Process for the gasification of carbonaceous materials
US4278446A (en) * 1979-05-31 1981-07-14 Avco Everett Research Laboratory, Inc. Very-high-velocity entrained-bed gasification of coal
CN1221777A (zh) * 1997-12-31 1999-07-07 中国科学院广州能源研究所 生物质氧气气化产生中热值可燃气体的方法及装置
JP4154029B2 (ja) * 1998-04-07 2008-09-24 株式会社東芝 廃棄物の処理方法および廃棄物処理装置
NL1009745C2 (nl) * 1998-07-27 2000-01-28 Stichting Energie Werkwijze en inrichting voor het vormen van synthesegas uit biomassa en reststoffen.
US6863878B2 (en) * 2001-07-05 2005-03-08 Robert E. Klepper Method and apparatus for producing synthesis gas from carbonaceous materials
JP4659294B2 (ja) * 2001-08-27 2011-03-30 メタウォーター株式会社 ガス変換炉への熱分解物供給方法
JP4267968B2 (ja) * 2003-05-15 2009-05-27 三菱重工環境エンジニアリング株式会社 バイオマス処理法
JP3925481B2 (ja) * 2003-10-03 2007-06-06 新菱冷熱工業株式会社 有機質廃棄物から水素または水素含有ガスを製造する方法
FR2904405B1 (fr) * 2006-07-31 2008-10-31 Inst Francais Du Petrole Procede de preparation d'une charge contenant de la biomasse en vue d'une gazeification ulterieure
JP2008120912A (ja) * 2006-11-13 2008-05-29 Hitachi Zosen Corp ガス化発電システム
CN101412929B (zh) * 2008-11-28 2012-02-01 武汉凯迪工程技术研究总院有限公司 利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统
CN101418240B (zh) * 2008-12-01 2012-05-30 武汉凯迪工程技术研究总院有限公司 利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统
CN101418238B (zh) * 2008-12-01 2012-02-29 武汉凯迪工程技术研究总院有限公司 利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统
CN101418239B (zh) * 2008-12-01 2011-12-21 武汉凯迪工程技术研究总院有限公司 利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07258652A (ja) * 1994-03-25 1995-10-09 Shin Meiwa Ind Co Ltd 炭化装置
JP2006026474A (ja) 2004-07-13 2006-02-02 Nippon Steel Corp 木質系バイオマスの粉砕及び破砕処理方法並びにガス化処理方法
CN1931959A (zh) * 2006-09-28 2007-03-21 武汉凯迪科技发展研究院有限公司 利用生物质制造合成气的复合循环式高温气化工艺方法

Also Published As

Publication number Publication date
US8431044B2 (en) 2013-04-30
CA2748678C (en) 2018-12-18
CN101418240A (zh) 2009-04-29
US20120025141A1 (en) 2012-02-02
EP2374864A1 (en) 2011-10-12
AU2009321965B2 (en) 2013-09-12
CN101418240B (zh) 2012-05-30
JP5571686B2 (ja) 2014-08-13
WO2010063207A1 (zh) 2010-06-10
KR20110094099A (ko) 2011-08-19
JP2012510530A (ja) 2012-05-10
CA2748678A1 (en) 2010-06-10
AU2009321965A1 (en) 2011-07-14
EP2374864A4 (en) 2013-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101336945B1 (ko) 바이오매스의 고온 가스화 방법 및 이의 시스템
KR101387648B1 (ko) 바이오매스를 이용하여 합성가스를 제조하는 고온 가스화 방법 및 이를 위한 시스템
KR101336950B1 (ko) 바이오매스의 고온 가스화 방법 및 이의 시스템
JP5619269B2 (ja) 炭化によるバイオマスからの合成ガス製造方法およびシステム
KR101336920B1 (ko) 바이오매스의 고온 가스화 방법 및 이의 시스템
CN107880935A (zh) 通过气体爆破将生物质制成合成气的工艺及其系统

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160928

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170927

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181105

Year of fee payment: 6